NL8600844A

NL8600844A - Coupling junction between optical fibre and strip conductor - connects tapered fibre end via cylindrical micro-lens

Info

Publication number: NL8600844A
Application number: NL8600844A
Authority: NL
Original assignee: Tno
Priority date: 1986-04-02
Filing date: 1986-04-02
Publication date: 1987-11-02

Abstract

The tapered fibre (1) is a monomode type with a numerical aperture, NA, of about 0.12, while the strip (7) has a transverse NA of about 0.5 and a lateral NA of 0.2. The rounded end of fibre is brought into close proximity with the cylindrical microlens (2). The lens is cemented onto the front of the substrate (4), so that its optical axis is in line with the centre line of the input/output coupling zone (7) of the strip conductor. The monomode light beam in the optical strip conductor has a transverse width of 0.3 microns and a lateral width of between 0.5 and 1.2 microns. The strip conductor may be in the form of a semiconductor laser.

Description

*7, N.O. 33678* 7, N.O. 33678

Optisch vezel-strookgeleidersamenstel met lichtkoppeling tussen een vezel en een op een substraat aangebrachte planaire strookgeleider.Optical fiber-strip guide assembly with light coupling between a fiber and a planar strip guide mounted on a substrate.

5 De uitvinding heeft betrekking op een optisch vezel- strookgeleidersamenstel met lichtkoppeling in de ene of andere richting tussen een vezel en een op een substraat aangebrachte planaire strookgeleider, waarbij de vezel en de strookgeleider met hun langsassen bij benadering in eikaars verlengde zijn uitgelijnd.The invention relates to an optical fiber strip guide assembly with light coupling in one direction or another between a fiber and a planar strip guide mounted on a substrate, wherein the fiber and the strip guide are approximately aligned in line with their longitudinal axes.

10 Een dergelijk optisch-vezelstrookgeleidersamenstel is bekend uit de praktijk. Zo zal men hierbij de vezel in een in een substraat aangebrachte groef inbedden en vervolgens de vezel met zijn uiteinde tegen de kopse rand van de in het substraat aangebrachte strookge-leider(s) laten aanliggen. De laterale uitlijning kan hierbij betrekke— 15 lijk nauwkeurig zijn daar de V-vormige groef met het fotomasker van de strookgeleider(s) kan zijn uitgelijnd. De transversale of vertikale uitlijning is echter nog steeds een probleem.Such an optical fiber strip guide assembly is known from practice. For example, the fiber will be embedded in a groove arranged in a substrate and the fiber will then be left to rest against the end edge of the strip guide (s) arranged in the substrate. The lateral alignment can be relatively accurate here since the V-shaped groove can be aligned with the photomask of the strip guide (s). However, the transverse or vertical alignment is still a problem.

Daarbij komt dat de numerieke apertuur van een derge— lijke vezel in het algemeen te gering is voor een goede aanpassing aan 20 de strookgeleider met een hoog brekingsindex contrast, en dat de inten-siteitsverdelingen van de straling in de glasvezel en in de strookgeleider vaak ongelijk van vorm zijn. Hierdoor is de beoogde verliesarme koppeling in het algemeen betrekkelijk slecht.In addition, the numerical aperture of such a fiber is generally too small for a good adaptation to the strip conductor with a high refractive index contrast, and that the intensity distributions of the radiation in the glass fiber and in the strip conductor are often uneven. be in shape. As a result, the intended low-loss coupling is generally relatively poor.

. De uitvinding beoogt een verliesarme koppeling in bei— 25 de richtingen tussen een vezel en een strookgeleider van bijvoorbeeld een geïntegreerde optische schakeling te realiseren met een correcte onderlinge aanpassing van de vorm van de modi in de vezel en de strookgeleider, waarbij strookgeleiders van verschillende breedte in aanmerking kunnen worden genomen.. The object of the invention is to realize a low-loss coupling in both directions between a fiber and a strip guide of, for example, an integrated optical circuit, with a correct approximation of the shape of the modes in the fiber and the strip guide, with strip guides of different width in can be taken into account.

30 Dit wordt bij een optisch vezel-strookgeleidersamen stel van de in de aanhef genoemde soort volgens de uitvinding aldus bereikt, dat de vezel met een getaperd einde met afgeronde top is uitge-voerd, en dat een cilindrische microlens, met zijn langsas in het laterale vlak van de strookgeleider dwars op de genoemde langsas van strook-35 geleider en vezel, tussen de top van de vezel en de kopse rand van de strookgeleider is aangebracht, waarbij de afmetingen van de top van de vezel en van de cilindrische microlens zodanig zijn dat het focuspunt in transversale richting bij benadering op de kopse rand van de strookgeleider valt en een correcte onderlinge aanpassing van de vorm van de : -:j 4 4 0' 2 modi in vezel en strookgeleider wordt verkregen.In an optical fiber-strip guide assembly of the type mentioned in the preamble according to the invention, this is achieved in such a way that the fiber has a tapered end with a rounded top, and that a cylindrical micro lens, with its longitudinal axis in the lateral plane of the strip guide transverse to said longitudinal axis of strip guide and fiber, is arranged between the top of the fiber and the head edge of the strip guide, the dimensions of the top of the fiber and of the cylindrical micro lens such that the focal point in the transverse direction approximately falls on the end edge of the strip guide and a correct approximation of the shape of the: modes: 4 4 0 '2 modes in fiber and strip guide is obtained.

Door bij deze uitvoering volgens de uitvinding een getaperde vezel toe te passen kan de numerieke apertuur van de vezel ongeveer verdubbeld worden. Dit is echter in de transversale richting nog 5 onvoldoende en daarom wordt een cilindrische microlens toegepast met zodanige afmeting in combinatie met de afmeting van de afgeronde top van de vezel dat het focuspunt in transversale richting bij benadering op de kopse rand van de strookgeleider valt. Hierbij wordt de numerieke apertuur van de taper door middel van de cilindrische microlens nog beter 10 aangepast aan de vorm; van de mode in de planaire strookgeleider. Bij een juiste aanpasssing van de modevorm wordt een goede transmissie in beide richtingen verkregen.By using a tapered fiber in this embodiment according to the invention, the numerical aperture of the fiber can be approximately doubled. However, this is still insufficient in the transverse direction and therefore a cylindrical micro lens is used with a size in combination with the size of the rounded top of the fiber that the focus point in the transverse direction falls approximately on the front edge of the strip guide. The numerical aperture of the taper is adapted even better to the shape by means of the cylindrical micro lens; of fashion in the planar strip guide. Proper adjustment of the fashion shape ensures good transmission in both directions.

' Bij deze uitvoering volgens de uitvinding kan met dit externe optische stelsel, dat wil zeggen de microlens, zonder tussenaf-15 beelding gewerkt worden hetgeen uit oogpunt van stabiliteit en compactheid voordelen biedt. De lengte van dit externe optische stelsel wordt beperkt tot ca. 30 pm. Door het , focuspunt in transversale richting te laten samenvallen met de kopse rand van de planaire strookgeleider V en, afhankelijk van de dimensionering, met de achterzijde van de cilin- 2Q drische microlens is het mogelijk deze lens bijvoorbeeld direkt aan de strookgeleider en zijn direkte omgeving te verlijmen.In this embodiment according to the invention, this external optical system, ie the micro lens, can be operated without intermediate imaging, which offers advantages from the viewpoint of stability and compactness. The length of this external optical system is limited to about 30 µm. By making the focus point coincide in transverse direction with the front edge of the planar strip guide V and, depending on the dimensioning, with the back of the cylindrical micro lens, it is possible, for example, for this lens to be connected directly to the strip guide and its direct surroundings to glue.

De uitvinding zal aan de hand van een uitvoeringsvoor— beeld nader worden toegelicht met verwijzing naar de tekeningen, waarin dezelfde onderdelen in de verschillende figuren met dezelfde verwij— 25 zingscijfers zijn aangeduid, en waarin:The invention will be further elucidated on the basis of an exemplary embodiment with reference to the drawings, in which the same parts are designated with the same reference numerals in the different figures, and in which:

Fig. 1 een perspektivisch aanzicht geeft van het optisch· vezel-strookgeleidersamenstel volgens de uitvinding;Fig. 1 shows a perspective view of the optical fiber-strip guide assembly according to the invention;

Fig. 2 een doorsnede-aanzicht volgens het transversale vlak van het vezel-strookgeleidersamenstel van fig. 1 toont; en 30 Fig. 3 een doorsnede-aanzicht volgens het laterale vlak van het vezel-strookgeleidersamenstel van fig. 1 toont.Fig. 2 shows a cross-sectional view along the transverse plane of the fiber-strip guide assembly of FIG. 1; and FIG. 3 shows a sectional view along the lateral plane of the fiber-strip guide assembly of FIG. 1.

In het bijzonder bij monomode voortplanting is de ver-liesarme lichtoverdracht tussen vezel- en strookgeleider een probleem. Dit komt enerzijds door de beperkte grootte van de numerieke apertuur 35 aan de uittreezijde van de vezel ten opzichte van de numerieke apertuur in laterale en transversale richting van de optische mode in de strookgeleider. Anderzijds zijn de doorsnede afmetingen van een glasvezel ro-tatie-symmetrisch, in tegenstelling tot de meestal rechthoekige vorm van een strookgeleider. De numerieke apertuur (Ν.Δ.) van een monomode vezel rt -1¾ Λ t i U ·} u :j -4 -ƒ y· λ 3 bedraagt kenmerkend ca. 0,12 terwijl die van de strookgeleider in het transversale vlak ca. 0,5 en in het laterale vlak ca· 0,2 kan bedragen.Particularly in mono-mode propagation, the low-loss light transmission between fiber and strip conductor is a problem. This is on the one hand due to the limited size of the numerical aperture 35 on the exit side of the fiber relative to the numerical aperture in the lateral and transverse direction of the optical mode in the strip guide. On the other hand, the cross-sectional dimensions of a glass fiber are rotationally symmetrical, in contrast to the usually rectangular shape of a strip guide. The numerical aperture (Ν.Δ.) of a monomode fiber rt -1¾ Λ ti U ·} u: j -4 -ƒ y · λ 3 is typically about 0.12 while that of the strip conductor in the transverse plane is about. 0.5 and about 0.2 in the lateral plane.

Door een uitvoering met getaperde einde van de vezel wordt voor een deel aan een vergroting van de numerieke apertuur van de vezel tegemoet geko-5 men. Hierbij kan bij een golflengte van 633 nm een waarde voor N.A. van ca. 0,25 bereikt worden vrijwel onafhankelijk van de taperhoek. De straal van de afgeronde top van de vezel bedraagt dan ongeveer 12 pm en de focuslengte is ongeveer 25 pm. Toch zal bij een direkte inkoppeling vanaf de afgeronde top van de vezel naar de strookgeleider bij de hier 10 maximaal bereikbare N.A. een ontoereikend verliesarme inkoppeling verkregen worden. Dit komt mede doordat de bundelinsnoering voor de afgeronde top zo klein is dat een slechte aanpassing aan de laterale afmeting van de mode uit de strookgeleider tot stand komt, terwijl in de transversale richting nog steeds een te breed focus wordt aangeboden ter 15 exitatie van de mode in de planaire golfgeleider.Alleen bij zeer smalle geleiders, breedte bijvoorbeeld ca. 1 pm, die een vrijwel rotatiesymme-trisch modepatroon hebben, kan een goede koppeling verwacht worden.A tapered end design of the fiber partially achieves an increase in the numerical aperture of the fiber. At a wavelength of 633 nm, a value for N.A. of about 0.25 can be achieved almost independently of the taper angle. The radius of the rounded tip of the fiber is then about 12 µm and the focus length is about 25 µm. However, with direct coupling from the rounded top of the fiber to the strip guide, the maximum reachable N.A. inadequate lossless coupling. This is partly because the bundle constriction for the rounded top is so small that poor adaptation to the lateral size of the fashion is achieved from the strip guide, while still providing too wide a focus in the transverse direction to execute the fashion in the planar waveguide. Only with very narrow conductors, for example width approx. 1 µm, which have an almost rotationally symmetrical fashion pattern, a good coupling can be expected.

Door nu een cilindrische microlens te gebruiken kan de bundelinsnoering van de getaperde vezel aangepast worden aan de vorm van 20 de heersende mode in de strookgeleider. Bij monomode voortplanting betekent dit een bundelstraal van ca. 0,3 pm in transversale richting en van ca. 0,5 tot 1,2 pm in laterale richting een en ander in afhankelijkheid van het type strook- of golfgeleider.By now using a cylindrical micro lens, the bundle constriction of the tapered fiber can be adapted to the shape of the prevailing mode in the strip guide. In monomode propagation this means a beam radius of about 0.3 µm in the transverse direction and from about 0.5 to 1.2 µm in the lateral direction, depending on the type of strip or waveguide.

Bij de keuze van een microlens tussen de tapertop en 25 de strookgeleider kan onderscheid gemaakt worden in een optisch stelsel met een tussenafbeelding en een optisch stelsel zonder tussenafbeelding.When choosing a micro lens between the taper top and the strip guide, a distinction can be made between an optical system with an intermediate image and an optical system without an intermediate image.

Voor inkoppeling vanuit een als halfgeleiderlaser uitgevoerde strookgeleider is een optisch stelsel met tussenafbeelding voordelig door de relatief grote afstand tussen lens en laser waardoor terugkoppeling van 30 licht in de laser wordt beperkt. Om redenen van eenvoud en compactheid is gekozen voor een optisch stelsel zonder tussenafbeelding, waarbij de microlens tussen de tapertop en het brandpunt staat· Dit brandpunt ligt op de kopse rand van de strookgeleider en valt, afhankelijk van de di-mensionering, samen met de achterzijde -van de microlens waardoor deze 35 lens aan het eindvlak terplaatse van het substraat en de kopse rand van de strookgeleider gelijmd kan worden.For coupling from a strip guide designed as a semiconductor laser, an optical system with intermediate image is advantageous because of the relatively large distance between lens and laser, so that feedback of light in the laser is limited. For reasons of simplicity and compactness, an optical system without an intermediate image has been chosen, in which the micro lens is positioned between the tape tip and the focal point.This focal point lies on the end edge of the strip guide and, depending on the dimensioning, coincides with the rear side. -of the micro lens, so that this lens can be glued to the end face at the location of the substrate and the end edge of the strip guide.

Door volgens de uitvinding voor de extra microlens een cilindrische microlens te nemen wordt ten opzichte van een rotatiesymme-trische microlens, een glazen bol, een betere aanpassing aan de mode in ·_ 4 V _ ,7· Μ» de strookgeleider verkregen. Daarbij komt het voordeel van een betere hanteerbaarheid. Een cilindrische lens gedraagt zich in één richting als een rotatiesymmetrische lens en heeft in de andere, orthogonale, richting geen sterkte. Met deze cilindrische microlens kan een goede 5 aanpassing van de bundelinsnoering aan de bundelafmeting in de strookgeleider gerealiseerd worden.By using a cylindrical micro lens for the additional micro lens according to the invention, a better adjustment to the mode in the strip guide is obtained compared to a rotationally symmetrical micro lens, a glass sphere. In addition, there is the advantage of better handling. A cylindrical lens behaves like a rotationally symmetrical lens in one direction and has no strength in the other, orthogonal direction. With this cylindrical micro lens, a good adaptation of the bundle constriction to the bundle size in the strip guide can be realized.

Doordat in dit optische stelsel het focuspunt in laterale richting wat verder weg ligt dan in transversale richting moet de dimensionering van de strookgeleider zo gekozen worden dat lateraal pas 10 opsluiting van het licht plaatsvindt vanaf het laterale focuspunt. Dit kan gebeuren door in het laterale vlak de strookgeleider van een brede taper of koppelflap te voorzien.Because in this optical system the focus point in the lateral direction is somewhat further away than in the transverse direction, the dimensioning of the strip guide must be chosen such that confinement of the light only takes place laterally from the lateral focus point. This can be done by providing the strip guide with a wide taper or coupling flap in the lateral plane.

In het perspektivische aanzicht van fig. 1 is met 1 de getaperde vezel», met 2 de cilindrische microlens, met 3 de op het sub-15 straat 4 aangebrachte strookgeleider en met 7 de in— of uitkoppelflap van de strookgeleider aangegeven. Duidelijk Is te zien dat bij benadering de cilindrische microlens met zijn lengte-as in het laterale vlak van de strookgeleider en vezel moet liggen.In the perspective view of Fig. 1, 1 indicates the tapered fiber, 2 the cylindrical micro lens, 3 the strip guide arranged on the substrate 4 and 7 the coupling or uncoupling flap of the strip guide. It can be clearly seen that the cylindrical micro lens with its longitudinal axis must lie in the lateral plane of the strip guide and fiber.

In het in fig. 2 aangegeven doorsnede-aanzicht volgens 20 het transversale vlak is duidelijk te zien hoe door middel van de lijm. 5 de^ cilindrische microlens aan de kopse rand van de strookgeleider en het daarbij behorende eindvlak van het substraat is gelijmd. Tevens is duidelijk waarneembaar dat het focuspunt in transversale richting bij benadering op de kopse rand en de achterkant van de cilindrische microlens 25 valt.In the cross-sectional view shown in fig. 2 according to the transverse plane, it is clearly visible how by means of the glue. 5 the cylindrical micro lens is glued to the end edge of the strip guide and the associated end face of the substrate. It is also clearly visible that the focus point in the transverse direction falls approximately on the front edge and the back of the cylindrical micro lens 25.

In het in fig. 3 aangegeven doorsnede-aanzicht volgens het laterale vlak is weer met 5 de lijm aangegeven waarmede de microlens bevestigd is aan het substraat en de strookgeleider. Duidelijk is de koppelflap 7 aangegeven die nodig is om de inkoppeling van het licht in 30 laterale richting mogelijk te maken zodat het focuspunt in laterale richting op een, ten opzichte van het focuspunt in transversale richting, verder gelegen punt in strookgeleider valt. Deze koppelflap kan ook als een breder wordende taper uitgevoerd zijn.In the cross-sectional view according to the lateral plane shown in Fig. 3, the glue is again indicated with which the micro lens is attached to the substrate and the strip guide. The coupling flap 7 which is necessary to enable the coupling of the light in the lateral direction is clearly indicated, so that the focus point in the lateral direction falls on a point in the strip guide located further away from the focus point in transverse direction. This coupling flap can also be designed as a widening taper.

Met voordeel kan de strookgeleider 3 als een halfge— 35 leiderlaser zijn uitgevoerd, zodat het hierdoor afgegeven licht dan via het genoemde samenstel overgedragen wordt aan de getaperde vezel.The strip guide 3 can advantageously be designed as a semiconductor laser, so that the light emitted thereby is then transferred via the said assembly to the tapered fiber.

Bij bovengenoemde uitvoering volgens de uitvinding kan een focuslijn in het transversale vlak met een breedte van 0,8 pm en in ---. -3. J 1In the above embodiment of the invention, a focus line in the transverse plane with a width of 0.8 µm and in ---. -3. J 1

V’ j ?QQ? Q

5 Λ het laterale vlak een focuslljn met een breedte van 1,5 ym verkregen worden met een onderlinge afstand van ca. 20 ym.5 Λ the lateral plane, a focus line with a width of 1.5 µm is obtained with a mutual distance of about 20 µm.

De cilindrische microlens heeft hierbij een doorsnede van 20 ym.The cylindrical micro lens has a diameter of 20 µm.

5 De bevestiging van de cilindrische microlens aan de andere zijde kan worden verkregen door deze te lijmen of te solderen aan de kopse zijde van een kwartsglazen capillair met een inwendige diameter van ca. 130 ym. Het capillair heeft een lengte van ca. 1 cm en heeft aan de andere zijde een kleine trechter. Door deze trechter wordt de geta— 10 perde glasvezel ingeschoven. Op een scherm is de geometrische schaduw van de cilindrische lens waarneembaar wanneer er licht door de glasvezel loopt en de afstand van de top van de lens nog te groot is. Door rotatie van de glasvezel in de capillair kan de top lateraal uitgericht worden ten opzichte van de lens als gevolg van het feit dat het getaperde uit-15 einde van de vezel altijd wel iets scheef loopt. Tenslotte wordt de afstand verkleind tot op het scherm een sterk ovaal buigingsbegrensde vlek waarneembaar is. Daarna wordt de vezel door middel van lijm of soldeer vastgezet in de capillair.The mounting of the cylindrical micro lens on the other side can be obtained by gluing or soldering it on the front side of a quartz glass capillary with an internal diameter of approximately 130 µm. The capillary has a length of approx. 1 cm and has a small funnel on the other side. The tapped glass fiber is pushed in through this funnel. On a screen, the geometric shadow of the cylindrical lens is visible when light passes through the glass fiber and the distance from the top of the lens is still too great. Rotation of the glass fiber in the capillary allows the top to be aligned laterally with respect to the lens due to the fact that the tapered end of the fiber always slopes slightly. Finally, the distance is reduced until a strongly oval bending-limited stain is visible on the screen. The fiber is then secured in the capillary by means of glue or solder.

Het deze uitvoering volgens de uitvinding wordt 20 typisch een bundeldiameter van 0,8 ym in transversale richting en van 1,5 ym in laterale richting verkregen.This embodiment of the invention typically achieves a beam diameter of 0.8 µm in the transverse direction and 1.5 µm in the lateral direction.

De ondersteuning van de glasvezel in het capillair en de planaire strookgeleider vindt plaats door bevestiging op een hulpconstructie, die door de keuze van materiaal ongevoelig is voor variaties 25 van de temperatuur ter plaatse van de koppeling. Hierbij moet rekening gehouden worden met de uitzettingscoëfficiënten van het substraat, de glasvezel en het capillair. Het substraat dient reeds op deze hulpconstructie bevestigd te zijn bij het uitrichten van het samenstel, zodat een directe bevestiging van de glasvezel in de juiste stand mogelijk is. 30 Het geheel dient te worden ingepakt in een hermetisch gesloten behuizing.The support of the glass fiber in the capillary and the planar strip guide takes place by mounting on an auxiliary construction, which by the choice of material is insensitive to variations of the temperature at the location of the coupling. The expansion coefficients of the substrate, the glass fiber and the capillary must be taken into account. The substrate should already be attached to this auxiliary structure when aligning the assembly, so that a direct fixation of the glass fiber in the correct position is possible. 30 The whole must be packed in a hermetically sealed housing.

_ » v* » ; *_ »V *»; *

Claims

1. Optical fiber-strip conductor assembly with light coupling In one direction or another between a fiber and a planar strip guide mounted on a substrate, the fiber and the strip guide aligned in line with their longitudinal axes, characterized in that the fiber having a tapered end with a rounded top, and that a cylindrical micro lens, with its longitudinal axis in the lateral plane of the strip guide transverse to said longitudinal axis of strip guide and fiber, is between the top of the fiber and the end edge of the strip guide affixed, taking the dimensions of the top. of the fiber and of the cylindrical micro lens are such that the focus point in the transverse direction falls approximately on the end edge of the strip guide and a correct approximation of the shape of the modes in fiber and strip guide is obtained.

2. Optical fiber-strip guide assembly according to claim 1, characterized in that the curvature of the rounded top of the fiber is such that the focus point falls laterally, behind the focus point in transverse direction, in the strip guide.

3. Optical fiber-strip guide assembly according to claim 1 or 2, characterized in that the strip guide is provided with a coupling flap for the purpose of the light coupling.

4. Optical fiber-strip guide assembly according to claim 1, characterized in that the part located below the strip guide. of the substrate ends in a transverse end face coinciding with the end edge of the strip guide, and that the cylindrical micro lens is glued to that end face.

Optical fiber-strip guide assembly according to claim 1, characterized in that the cylindrical micro lens is glued or soldered on the front side of a capillary, in which the fiber is aligned up to this head side and then glued or soldered therein.

Optical fiber-strip guide assembly according to any one of the preceding claims, characterized in that the dimensions of fiber and strip guide are such that they propagate light in a vibration mode.

Optical fiber-strip guide assembly according to any one of the preceding claims, characterized in that the strip guide is designed as a semiconductor laser. -> \ - · · *, ·> · * - »A