WO2020245259A1 - Optical device - Google Patents

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WO2020245259A1
WO2020245259A1 PCT/EP2020/065462 EP2020065462W WO2020245259A1 WO 2020245259 A1 WO2020245259 A1 WO 2020245259A1 EP 2020065462 W EP2020065462 W EP 2020065462W WO 2020245259 A1 WO2020245259 A1 WO 2020245259A1
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waveguide
segment
taper structure
coupling
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PCT/EP2020/065462
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Wolfram Pernice
Carsten Schuck
Fabian BEUTEL
Nicolai Walter
Helge GEHRING
Wladick HARTMANN
Martin Wolff
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Westfälische Wilhelms-Universität Münster
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to an optical device for the bidirectional coupling of a Wel lenleiters to an external medium.
  • Waveguides correspond to electrical connections on integrated optical circuits and are therefore essential building blocks for functional photonics. In particular, they allow complex systems to be miniaturized and are therefore a key technology.
  • Mode converters are necessary to circumvent this. Since optical signals are guided in the plane in waveguides, it is desirable to change the direction of the beam, otherwise only the edges of the chip can be used for coupling. With planar geometry, this deflection can only take place via diffractive elements or interference phenomena, which severely limits the optical bandwidth.
  • Coupling via the top of the chip is the preferred method. This allows many components to be addressed, which is of central importance for a high degree of integration receive. To this end, two methods are known from the prior art, on the one hand coupling via grid elements and on the other hand coupling via fiber tapers in the evanescent field.
  • Grating couplers use diffractive elements to enable coupling from the plane. These couplers typically achieve efficiencies of 30%. Higher efficiencies are possible with improved designs and more complex manufacturing.
  • the primary disadvantage of grating couplers is the narrow bandwidth in the range of a few 10 nm. This means that only special wavelength ranges can be covered.
  • grating couplers are very sensitive to lateral shifts and must therefore be aligned with respect to fibers or lenses. Automatic coupling to chips is therefore difficult.
  • Fiber tapers use glass fibers with a reduced diameter. These tapers are placed on top of the waveguides and couple to them in the optical near field. Therefore, with this method, the width of the waveguide is decisive for the placement tolerance. This is therefore less than a micrometer and is therefore extremely demanding.
  • the coupling bandwidth is high in this case, since the coupling is adiabatic. However, the demanding placement cannot be used to couple to many waveguides, since each individual fiber has to be placed separately. Furthermore, no fiber arrays can be used, so that a parallel coupling is not possible.
  • the mechanical stability of the coupling is limited. In both cases, no tunability is possible. I.e. after mechanical placement, the coupling to the fiber optics cannot be further improved. However, the coupling efficiency suffers significantly when it comes to exact placement requirements.
  • An optical device for handling a radiation beam comprising a semiconductor wafer, comprising an integrated optical semiconductor waveguide core, integrated on the semiconductor wafer, and an at least partially superimposed waveguide, comprising at least a first bevel shaped to couple the radiation beam between the integrated one optical semiconductor waveguide core and an external medium, wherein the first bevel has an entry / exit side surface for receiving / emitting a radiation beam from / to the external medium, the side surface of the first bevel from the edge of the semiconductor die by a Distance d is spaced apart, the distance d being at least 1 pm and less than 200 pm.
  • the 3D coupler begins on a chip with an adiabatic transition from a single-mode silicon nitride waveguide to a polymer waveguide.
  • the width of the silicon nitride waveguide in a tapered region is linearly reduced while at the same time the height of the surrounding polymer waveguide covering the taper is increased.
  • the width of the polymer waveguide is kept constant in order to enable an adi abatic transition between the fundamental TE modes of the two waveguides.
  • the present invention is primarily intended to provide an optical device, the coupling bandwidth of the optical device being very broad and a wide spectrum of wavelengths being able to be coupled into an external medium via the optical device. Furthermore, the invention is based on the object of coupling many glass fibers to a waveguide with low loss and with achievable placement tolerances.
  • the present invention provides an optical device for bidirectional coupling of a waveguide to an external medium.
  • the optical device comprises at least one taper structure, the taper structure comprising a beam input segment, the beam input segment being set up in such a way to couple a light beam from the waveguide into the taper structure, the taper structure comprises a beam exit segment, the beam exit segment being set up to focus the light beam and couple it into the external medium, the taper structure between the beam entrance segment and the beam exit segment at least one comprises first reflective surface, wherein the first reflective surface is set up to deflect the light beam out of the plane of the waveguide.
  • the coupling of the waveguide to the external medium can, in particular, be bidirectional. Since the beam path of a light beam is reversible, bidirectional in connection with this invention means that a light beam can not only be coupled into the external medium by means of the optical device from the waveguide, but that the light beam can also be coupled into the external medium by means of the optical device from the external medium the waveguide can be coupled.
  • the beam output segment of the optical device described above is set up to couple the light beam from the external medium into the taper structure, the light beam being defocused, the taper structure still having at least one first reflector between the beam output segment and the beam input segment xion surface comprises, wherein the first reflection surface is set up to deflect the light beam coming from the beam output segment into the plane of the waveguide.
  • the beam input segment of the optical device described above is set up in such a way as to couple the light beam from the taper structure into the waveguide.
  • the basic idea of the present invention is to provide an optical device which enables the mode matching of planar waveguides to an external medium, for example to an optical fiber or microscope objectives. Since the path of the light beam can be reversed, the external medium can also be adapted to a planar waveguide.
  • the adaptation takes place via a three-dimensional taper structure, which is generated, for example, by means of direct laser writing (DLW).
  • the optical device changes the beam direction of the beams running in the plane into the vertical dimension or else the other way around. For this purpose, a reflection of the light beam on a reflection surface is used in particular.
  • the optical device does not use any wavelength-selective (in particular diffractive) elements. Therefore, the coupling bandwidth is very wide and a wide spectrum of wavelengths can be coupled into the waveguide via the coupler.
  • the bandwidth is only limited by the transparency window of the coupler and the waveguide. This means that the bandwidth is orders of magnitude better than with conventional grating couplers or other diffractive elements.
  • the optical device is not limited by interference phenomena and therefore offers an enormous bandwidth.
  • the optical device is platform and polarization independent and can be used for coupling, for example, to any waveguide, which brings enormous flexibility with it.
  • the first reflection surface is a total reflection surface.
  • Total reflection has the advantage that it permits loss-free radiation deflection.
  • the height of the taper structure in the area of the beam entrance segment is continuously tapered, while the width is kept constant, whereby a waveguide area is formed.
  • the beam entrance segment is followed by a substantially conical or pyramidal area, the width and the height of the conical or pyramidal area increasing linearly.
  • the conical or pyramidal area is followed by the beam exit segment, the beam exit segment comprising a substantially curved area, the essentially curved area including the at least first reflection surface.
  • the taper structure comprises at least one further reflection surface.
  • the beam output segment comprises a collimating lens.
  • the beam collimation relaxes the alignment tolerances of the external medium with respect to the optical device. This enables fiber coupling with industrial methods without fine adjustment of individual optical devices.
  • the external medium is an optical fiber or a microscope objective.
  • the waveguide is a planar waveguide.
  • the waveguide is arranged on a substrate.
  • the waveguide is designed as a free-standing waveguide arm. Due to the free-standing waveguide arm, the output angle of the optical device can be adjusted simultaneously by adjusting the angle of inclination of the waveguide arm.
  • the taper structure is formed from a polymer.
  • the optical device is produced by means of 3D printing, in particular by means of direct laser writing.
  • the waveguide is part of a waveguide array.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an optical device for bidirectional
  • Fig. 2 is a schematic representation of an optical device for bidirectional
  • Fig. 3 is a schematic plan view of a waveguide array with a plurality of
  • Fig. 4 is a schematic representation of an optical device for bidirectional
  • FIG. 1 is a schematic representation of an optical device 1 for the bidirectional coupling of a waveguide 7 to an external medium 6 according to a first embodiment of the invention.
  • the optical device 1 essentially consists of a taper structure 2, the taper structure 2 being roughly divided into two parts: a beam input segment 3, the beam input segment 3 for coupling a light beam 5 from the waveguide 7 into the taper Structure 2 is used and a beam exit segment 4, the beam exit segment 4 serving to focus and couple the light beam 5 into the external medium 6.
  • the coupling of the light beam 5 can in particular take place bidirectionally.
  • the light beam 5 can thus also be coupled into the waveguide 7 from the external medium 6 by means of the optical device 1.
  • the light beam 5 is coupled from the external medium 6 into the beam output segment 4 and defocused.
  • the light beam 5 is then deflected by means of the first reflective surface 8 into the plane of the waveguide 7 towards the beam input segment 3 and is coupled into the waveguide 7.
  • the external medium 6 can be, for example, an optical fiber or a microscope objective.
  • the beam entrance segment 3 comprises a conical or pyramidal region 10.
  • the beam exit segment 4 here comprises an essentially curved region 11, the curved region 11 comprising a first reflective surface 8. As shown in cross section in FIG.
  • a planar waveguide 7 is coupled to the taper structure 2.
  • Light propagating in waveguide 7 is initially expanded in beam size by taper structure 2.
  • the Gaussian beam generated then falls on the reflection surface 8, where total reflection takes place. This changes the beam direction and deflects it upwards.
  • the beam exit segment 4 comprises an essentially curved area 11, wherein the curved area can have a lens shape, for example.
  • the taper structure 2 acts on the one hand as a mode transformer, which adapts the very small mode of a waveguide 7 to the wide beam shape of optical glass fibers or microscopes 6.
  • the optical device 1 allows a beam deflection to be achieved out of the plane, so that waveguides 7 are accessible from the chip surface 16.
  • An adiabatic transition of the waveguide mode into a Gaussian beam propagating freely in the optical device takes place by means of the taper structure 2. This widens the beam input segment 3, which is adapted to the diameter of the waveguide 7, in order to prevent losses at the edges.
  • the beam is deflected via reflection surfaces 8. Due to the refractive index contrast between the medium of the taper structure and the surrounding medium, total reflection occurs, which takes place without losses. The refractive index contrast determines the maximum angle of inclination that can be achieved. If higher angles are to be achieved, multiple reflections can be used, which are also loss-free.
  • the beam 5 is collimated and adapted to the subsequent one to the external medium or the mode guide element, which can be a glass fiber or a microscope objective.
  • the waveguide can be made of silicon nitride, for example.
  • the radiation input segment 4 can for example consist of a polymer and comprise a polymer waveguide.
  • a natural mode source is set for the coupling of the light beam from the waveguide 7 in order to imitate the light output of a silicon nitride to polymer waveguide mode converter, which is located immediately in front of the beam input segment 3.
  • the initially 0.5 pm wide silicon nitride waveguide 7 is linearly tapered downwards, while the height of the polymer waveguide 4 is continuously tapered to finally 1 pm, while the width is kept constant at 1 pm.
  • This cross section of the polymer waveguide 3 is selected because only the basic modes are supported due to the partitioning by the substrate 12 made of silicon oxide below.
  • the conical or pyramid-shaped area 10 of the taper structure 2 After this interface to the polymer structure, the conical or pyramid-shaped area 10 of the taper structure 2. This is where the width and height of the polymer waveguide begins 3 is enlarged linearly until the conical or pyramidal area 10 meets the essentially curved area 11. In this area the diameter of the jet increases continuously and retains its Gaussian shape. Since this extension is initially adiabatic, this scheme enables a separate optimization of the silicon nitride polymer waveguide mode converter, which is mainly to be tuned to the wavelength, and the final taper structure 2, in which the mode field diameter of the fiber with which the light is coupled is the central parameter is.
  • the beam When the beam enters the curved area 11 after the taper, the beam spreads like a free space. Due to the relatively large beam diameter compared to the distance to the lens of the curved area 11, the beam has no great divergence and spreads directly to the reflective surface 8, since this distance is small compared to the Rayleigh length of the beam at the end of the cone is.
  • the angle of the reflection surface 8 can be selected to be 39 ° with respect to the chip plane 16, for example, in order to correspond to the 12 ° angle at which the 8 ° polished fiber array emits and collects the light. After the Re flexion surface 8, the light beam 5 spreads in the direction of the curved area 11. The curved area 11 is used to focus the diverging beam and couple it into the external medium 6.
  • the taper structure 2 of the optical device 1 can be produced, for example, with a direct laser writing system (Nanoscribe Professional GT), a 63-fold objective and IP dip as a resist.
  • the coupling efficiency is independent of the polarization of the incident light. This means that, in contrast to conventional grating couplers, the optical device can couple light of both conventional polarizations (TE and TM) with the same efficiency, as long as the subsequent waveguide also supports this.
  • the optical device 1 can be coupled to any fiber arrangement via the free choice of the angle of incidence. Coupling can thus be carried out directly at 90 °, which is advantageous for the mechanical connection of fibers 6 and chip 16.
  • An optimal coupling angle can also be selected for polished fiber facets that are often used and ground at angles to avoid back reflections. It can also be coupled in at shallow angles if the fiber is to be guided close to the chip surface.
  • the shape of the taper structure 2 of the optical device 1 enables the use of total reflection for beam deflection in an integrated component. This allows coupling to waveguides directly from any angle (and especially vertically), which is a significant advantage over other coupling methods (such as side coupling). Other vertical coupling methods (grating couplers) are limited to the diffraction angle of the planar structures and can therefore only be addressed with difficulty below 90 °.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of an optical device 1 for bidirectional coupling of a waveguide 7 to an external medium 6 according to a second exemplary embodiment of the invention.
  • a lower refractive index contrast occurs, for example when the couplers are immersed in a medium 15 such as water, multiple reflections can be used to deflect the beam.
  • Any output angle can be detected at the diffraction angle of the reflection surface 8, 9. This makes it possible, in particular, to couple the chip 16 at an incidence of 90 °.
  • Fig. 3 shows a schematic plan view of a waveguide array 13 with a plurality of waveguides 7 and optical devices 1 according to an embodiment of the inven tion.
  • a large number of optical devices 1 can be attached to waveguide arrays 13 via marker search and alignment, and a large number of components can thus be optically addressed.
  • the optical device 1 is scalable and can be manufactured using scalable manufacturing methods and is therefore suitable for mass production. This enables direct coupling to fiber arrays 13 in which many optical fibers are bundled.
  • the optical device 1 enables parallel and low-loss reading of many waveguide channels 7.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of an optical device 1 for bidirectional coupling of a waveguide 7 to an external medium 6 according to a third embodiment of the invention.
  • the optical device 1 can be attached to any waveguide 7. Due to the adiabatic expansion of the beam shape, coupling can be carried out with virtually no loss.
  • the optical device can also be easily combined with other chip elements.
  • the coupler can be made tunable in terms of the emission angle.
  • FIG. 4 shows the use of a moveable structure, whereby the beam angle can be adjusted without losing the coupling efficiency.
  • the taper structure 2 is attached to a free-standing waveguide 14. This free-standing waveguide arm 14 can be moved mechanically, for example with the aid of electrodes.
  • the output angle of the optical device 1 can then be adjusted simultaneously. This enables the use for beam steering and lidar applications. This also enables use in phase arrays and collective emitters.
  • the work that led to this invention was funded by the European Union (H2020-EEi.1.1.) Under grant agreement No. 724707 (PINQS).

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Abstract

In an optical device for bidirectional coupling of a waveguide (7) to an external medium (6), the aim of the invention is to widen the coupling bandwidth of the optical device, so that a wide spectrum of wavelengths can be coupled into an external medium via the optical device. This aim is achieved in that the optical device comprises at least one taper structure (2), the taper structure (2) comprising a beam entry segment (3), the beam entry segment (3) being designed so as to couple a light beam (5) from the waveguide (7) into the taper structure (2), and the taper structure comprising a beam exit segment (4), the beam exit segment (4) being designed so as to focus the light beam (5) and to couple same into the external medium (6), the taper structure (2) comprising at least one first reflective surface (8) between the beam entry segment (3) and the beam exit segment (4), and the first reflective surface (8) being designed so as to deflect the light beam (5) out of the plane of the waveguide (7).

Description

Optische Vorrichtung Optical device
Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung zur bidirektionalen Ankopplung eines Wel lenleiters an ein externes Medium. The invention relates to an optical device for the bidirectional coupling of a Wel lenleiters to an external medium.
Im Bereich der Telekommunikation ist die bidirektionale Ankopplung an Wellenleiter aus op tischen Glasfasern eine zentrale Herausforderung. Wellenleiter entsprechen elektrischen Ver bindungen auf integrierten optischen Schaltkreisen und sind damit essentielle Bausteine für die funktionale Photonik. Sie erlauben es insbesondere komplexe Systeme zu miniaturisieren und sind somit eine Schlüsseltechnologie. Da die geführten Moden in Wellenleitern und Glasfasern jedoch sehr unterschiedliche Größen aufweisen ist eine direkte Kopplung mit hohen Verlusten behaftet. Um diese zu umgehen sind Modenkonverter notwendig. Da in Wellenleitern optische Signale in der Ebene geführt werden ist es wünschenswert die Strahlrichtung zu ändern, da sonst nur die Ränder des Chips zur Kopplung verwendet werden können. Diese Umlenkung kann mit planarer Geometrie nur über diffraktive Elemente oder Interferenzphänomene erfol gen wodurch die optische Bandbreite stark limitiert ist. Eine hohe Bandbreite ist jedoch not wendig um hohe Datenraten zu erhalten und Kompatibilität mit heutigen Datenformaten zu erhalten. Zudem ist die Ausrichtung der Glasfasern gegenüber dem Chip sehr empfindlich auf minimalem Versatz und erfordert daher eine hohe Platziergenauigkeit welche mit hohen Kosten verbunden ist. Laufende Kontaktierverfahren sind somit verlustbehaftet und nicht für eine Mas senproduktion geeignet. Für alle optischen Systeme mit Anwendungsfeldern in der Telekom munikation ist jedoch eine permanente Faserkopplung notwendig für ein effizientes Packaging. Daher besteht momentan keine Möglichkeit effizient mit hoher Bandbreite und entspannten Toleranzen an Wellenleiter zu koppeln, insbesondere nicht an eine große Anzahl an Wellenlei ter. Weiterhin können existierende Ankopplungsstellen nicht durchgestimmt werden. Da Ferti gungstoleranzen bestehen ist eine Anpassung nach der Fertigung notwendig um eine optimale Kopplung zu erreichen. In the field of telecommunications, bidirectional coupling to waveguides made of optical glass fibers is a key challenge. Waveguides correspond to electrical connections on integrated optical circuits and are therefore essential building blocks for functional photonics. In particular, they allow complex systems to be miniaturized and are therefore a key technology. However, since the guided modes in waveguides and glass fibers have very different sizes, direct coupling is subject to high losses. Mode converters are necessary to circumvent this. Since optical signals are guided in the plane in waveguides, it is desirable to change the direction of the beam, otherwise only the edges of the chip can be used for coupling. With planar geometry, this deflection can only take place via diffractive elements or interference phenomena, which severely limits the optical bandwidth. However, a high bandwidth is necessary in order to obtain high data rates and to maintain compatibility with today's data formats. In addition, the alignment of the glass fibers with respect to the chip is very sensitive to minimal misalignment and therefore requires a high level of placement accuracy, which is associated with high costs. Current contacting processes are therefore lossy and not suitable for mass production. For all optical systems with areas of application in telecommunications, however, permanent fiber coupling is necessary for efficient packaging. Therefore, there is currently no way to efficiently couple to waveguides with a high bandwidth and relaxed tolerances, in particular not to a large number of waveguides. Furthermore, existing coupling points cannot be voted through. Since there are manufacturing tolerances, an adjustment after manufacturing is necessary to achieve an optimal coupling.
Die Kopplung über die Chipoberseite ist die bevorzugte Methode. Diese erlaubt es viele Bau elemente anzusprechen was von zentraler Bedeutung ist um einen hohen Integrationsgrad zu erhalten. Aus dem Stand der Technik sind dazu zwei Verfahren bekannt, zum einen die Kopp lung über Gitterelemente und zum anderen die Kopplung über Fasertaper im evaneszenten Feld. Coupling via the top of the chip is the preferred method. This allows many components to be addressed, which is of central importance for a high degree of integration receive. To this end, two methods are known from the prior art, on the one hand coupling via grid elements and on the other hand coupling via fiber tapers in the evanescent field.
Gitterkoppler nutzen diffraktive Elemente um eine Kopplung aus der Ebene zu ermöglichen. Diese Koppler erreichen Effizienzen von typischerweise 30%. Höhere Effizienzen sind möglich mit verbesserten Designs und aufwendigerer Fertigung. Der primäre Nachteil von Gitterkopp lern ist die geringe Bandbreite im Bereich von einigen 10 nm. Damit können nur spezielle Wel lenlängenbereiche abgedeckt werden. Außerdem sind Gitterkoppler sehr empfindlich für late rale Verschiebungen und müssen daher aufwendig gegenüber Fasern oder Linsen ausgerichtet werden. Damit ist eine automatische Ankopplung an Chips nur schwer möglich. Grating couplers use diffractive elements to enable coupling from the plane. These couplers typically achieve efficiencies of 30%. Higher efficiencies are possible with improved designs and more complex manufacturing. The primary disadvantage of grating couplers is the narrow bandwidth in the range of a few 10 nm. This means that only special wavelength ranges can be covered. In addition, grating couplers are very sensitive to lateral shifts and must therefore be aligned with respect to fibers or lenses. Automatic coupling to chips is therefore difficult.
Fasertaper verwenden Glasfasern mit reduziertem Durchmesser. Diese Taper werden von oben auf die Wellenleiter gelegt und koppeln an diese im optischen Nahfeld. Daher ist bei dieser Methode die Breite des Wellenleiters ausschlaggebend für die Platzierungstoleranz. Diese liegt somit unter einem Mikrometer und ist daher extrem anspruchsvoll. Die Kopplungsbandbreite ist in diesem Fall hoch, da adiabatisch gekoppelt wird. Über die anspruchsvolle Platzierung kann jedoch nicht an viele Wellenleiter gekoppelt werden, da jede einzelne Faser separat plat ziert werden muss. Weiterhin können keine Faserarrays verwendet werden, so dass eine paral lele Ankopplung nicht möglich ist. Zudem ist die mechanische Stabilität der Kopplung be grenzt. In beiden Fällen ist keine Durchstimmbarkeit möglich. D.h. nach der mechanischen Platzierung kann die Ankopplung an die Glasfasern nicht weiter verbessert werden. Gerade bei genauen Platzierungsanf orderungen leidet jedoch die Kopplungseffizienz signifikant darunter. Fiber tapers use glass fibers with a reduced diameter. These tapers are placed on top of the waveguides and couple to them in the optical near field. Therefore, with this method, the width of the waveguide is decisive for the placement tolerance. This is therefore less than a micrometer and is therefore extremely demanding. The coupling bandwidth is high in this case, since the coupling is adiabatic. However, the demanding placement cannot be used to couple to many waveguides, since each individual fiber has to be placed separately. Furthermore, no fiber arrays can be used, so that a parallel coupling is not possible. In addition, the mechanical stability of the coupling is limited. In both cases, no tunability is possible. I.e. after mechanical placement, the coupling to the fiber optics cannot be further improved. However, the coupling efficiency suffers significantly when it comes to exact placement requirements.
Aus der EP 2 442 165 Bl ist eine optische Vorrichtung zum Handhaben eines Strahlungs- Strahls bekannt, wobei die optische Vorrichtung ein Halbleiterplättchen umfasst, umfassend einen integrierten optischen Halbleiter-Wellenleiterkem, integriert auf dem Halbleiterplätt chen, und einen mindestens teilweise überlagernden Wellenleiter, umfassend mindestens eine erste Abschrägung, geformt zum Koppeln des Strahlungs-Strahls zwischen dem integrierten optischen Halbleiter-Wellenleiterkern und einem externen Medium, wobei die erste Abschrä gung eine Eintritts-/ Austritts-Seitenfläche zum Empfangen/ Abgeben eines Strahlungs-Strahls von/zu dem externen Medium aufweist, wobei die Seitenfläche der ersten Abschrägung von der Kante des Halbleiterplättchens um eine Distanz d beabstandet ist, wobei die Distanz d mindes tens 1 pm und weniger als 200 pm beträgt. An optical device for handling a radiation beam is known from EP 2 442 165 B1, the optical device comprising a semiconductor wafer, comprising an integrated optical semiconductor waveguide core, integrated on the semiconductor wafer, and an at least partially superimposed waveguide, comprising at least a first bevel shaped to couple the radiation beam between the integrated one optical semiconductor waveguide core and an external medium, wherein the first bevel has an entry / exit side surface for receiving / emitting a radiation beam from / to the external medium, the side surface of the first bevel from the edge of the semiconductor die by a Distance d is spaced apart, the distance d being at least 1 pm and less than 200 pm.
Aus dem Dokument„Low-loss fiber-to-chip couplers with ultrawide optical bandwidth“ er schienen in APL Photon. 4, 010801 (2019); doi: 10.1063/1.5064401 ist ein hybrider Ansatz eines 3D-Kopplers mittels 3D-Direktlaserschreiben bekannt, der die Vorteile einer schmalban- digen Out-of-Plane-Kopplung mit einer großen Anzahl von Geräten und einer breitbandigen Kantenkopplung mit einer begrenzten Anzahl von Geräten zusammenführt. Dadurch soll eine breitbandige und verlustarme Kopplung an Wellenleiterbauelementen ermöglicht werden. Der 3D-Koppler ermöglicht dabei eine spannungsfreie mechanische Ausrichtung in Bezug auf eine optische Faser. Der 3D-Koppler wird dabei verwendet, um die Richtung des einfallenden Lichts in die planare Richtung zu drehen und den Modenfelddurchmesser einer optischen Faser auf die Größe eines nanophotoni sehen Wellenleiters umzuwandeln. Der 3D-Koppler beginnt auf einem Chip mit einem adiabatischen Übergang von einem Monomode-Siliziumnitrid-Wellen- leiter zu einem Polymer-Wellenleiter. Elm die optische Mode zu erweitern, wird die Breite des Siliziumnitrid-Wellenleiters in einem sich verjüngenden Bereich linear verringert, während gleichzeitig die Höhe des umgebenden Polymer-Wellenleiters, der die Verjüngung überdeckt, erhöht wird. Die Breite des Polymer-Wellenleiters wird dabei konstant gehalten, um einen adi abatischen Übergang zwischen den fundamentalen TE-Moden der beiden Wellenleiter zu er möglichen. From the document "Low-loss fiber-to-chip couplers with ultrawide optical bandwidth" he appeared in APL Photon. 4, 010801 (2019); doi: 10.1063 / 1.5064401 a hybrid approach of a 3D coupler using 3D direct laser writing is known, which combines the advantages of a narrow-band out-of-plane coupling with a large number of devices and a broadband edge coupling with a limited number of devices . This is intended to enable broadband and low-loss coupling to waveguide components. The 3-D coupler enables stress-free mechanical alignment with respect to an optical fiber. The 3D coupler is used to rotate the direction of the incident light in the planar direction and to convert the mode field diameter of an optical fiber to the size of a nanophotonic waveguide. The 3D coupler begins on a chip with an adiabatic transition from a single-mode silicon nitride waveguide to a polymer waveguide. In order to expand the optical mode, the width of the silicon nitride waveguide in a tapered region is linearly reduced while at the same time the height of the surrounding polymer waveguide covering the taper is increased. The width of the polymer waveguide is kept constant in order to enable an adi abatic transition between the fundamental TE modes of the two waveguides.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Kopplungsverfahren verlangen eine aufwendige Ausrichtung der Glasfasern gegenüber den Kopplungselementen. Dies ist aufwendig und daher kostspielig. Da jedes Bauelement separat gegenüber den Glasfasern ausgerichtet werden muss ist eine automatische Platzierung schwierig und langsam und daher teuer. Weiterhin führen die geringen Platzierungstoleranzen dazu, dass die Bauteile über die Zeit degradieren, wenn es me chanischen Verzug oder Versatz gegenüber dem optischen Chip gibt. Daher ist eine Platzie- rungstechnik notwendig, die höhere Toleranzen bietet und gleichzeitig für viele Bauteile paral lel verwendet werden kann. Dies erfordert im Wesentlichen eine Ankopplung von der Chipo berseite über Faserarrays. The coupling methods known from the prior art require complex alignment of the glass fibers with respect to the coupling elements. This is complex and therefore expensive. Since each component must be aligned separately with respect to the optical fibers, automatic placement is difficult and slow and therefore expensive. Furthermore, the low placement tolerances mean that the components degrade over time if there is mechanical distortion or offset with respect to the optical chip. Therefore, a placement technique is necessary that offers higher tolerances and at the same time can be used for many components in parallel. This essentially requires a coupling from the top of the chip via fiber arrays.
Ein weiterer zentraler Nachteil bei den aus dem Stand der Technik bekannten Kopplungsver fahren ist die geringe Kopplungseffizienz von Gitterkopplem. Gerade für Anwendungen in wel chen mehrere Verbindungen an Chips notwendig sind können Verluste nicht akzeptiert werden. Daher ist eine hohe Kopplungseffizienz essentiell. Eine hohe Bandbreite ist besonders für An wendungen in der Spektroskopie und für die Datenübertragung notwendig. Hierbei ist häufig die Ankopplung an viele Wellenleiter gleichzeitig nötig um mehrere Kanäle zu realisieren. Dies ist mit heutigen Verfahren nicht möglich. Ebenso kann der Stand der Technik eine Durchstim mung nach der Fertigung nicht realisieren, die aber notwendig ist um auf langfristige Drift und Versatz zu reagieren. Another central disadvantage of the coupling methods known from the prior art is the low coupling efficiency of grating couplers. Losses cannot be accepted, especially for applications in which several connections to chips are necessary. Therefore, a high coupling efficiency is essential. A high bandwidth is particularly necessary for applications in spectroscopy and for data transmission. Coupling to many waveguides at the same time is often necessary in order to implement several channels. This is not possible with today's methods. Likewise, the state of the art cannot implement tuning after production, but this is necessary in order to respond to long-term drift and offset.
Dementsprechend soll mit der vorliegenden Erfindung primär eine optische Vorrichtung bereit gestellt werden, wobei die Kopplungsbandbreite der optischen Vorrichtung sehr breit ist und ein weites Spektrum an Wellenlängen über die optische Vorrichtung in ein externes Medium eingekoppelt werden kann. Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, viele Glas fasern verlustarm mit erreichbaren Platzierungstoleranzen an einen Wellenleiter anzukoppeln. Accordingly, the present invention is primarily intended to provide an optical device, the coupling bandwidth of the optical device being very broad and a wide spectrum of wavelengths being able to be coupled into an external medium via the optical device. Furthermore, the invention is based on the object of coupling many glass fibers to a waveguide with low loss and with achievable placement tolerances.
Um das oben genannte Ziel zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung eine optische Vor richtung zur bidirektionalen Ankopplung eines Wellenleiters an ein externes Medium bereit. Die optische Vorrichtung umfasst zumindest eine Tap er- Struktur, wobei die Taper- Struktur ein Strahleneingangssegment umfasst, wobei das Strahleneingangssegment derart eingerichtet ist, einen Lichtstrahl aus dem Wellenleiter in die Taper-Struktur einzukoppeln, die Taper- Struktur ein Strahlenausgangssegment umfasst, wobei das Strahlenausgangssegment derart eingerichtet ist, den Lichtstrahl zu fokussieren und in das externe Medium einzukoppeln, die Taper-Struktur zwischen dem Strahleneingangssegment und dem Strahlenausgangssegment zumindest eine erste Reflexionsfläche umfasst, wobei die erste Reflexionsfläche derart eingerichtet den Licht strahl aus der Ebene des Wellenleiters heraus abzulenken. To achieve the above object, the present invention provides an optical device for bidirectional coupling of a waveguide to an external medium. The optical device comprises at least one taper structure, the taper structure comprising a beam input segment, the beam input segment being set up in such a way to couple a light beam from the waveguide into the taper structure, the taper structure comprises a beam exit segment, the beam exit segment being set up to focus the light beam and couple it into the external medium, the taper structure between the beam entrance segment and the beam exit segment at least one comprises first reflective surface, wherein the first reflective surface is set up to deflect the light beam out of the plane of the waveguide.
Die Ankopplung des Wellenleiters an das externe Medium kann insbesondere bidirektional er folgen. Da der Strahlengang eines Lichtstrahls umkehrbar ist, bedeutet bidirektional im Zusam menhang mit dieser Erfindung, dass ein Lichtstrahl nicht nur mittels der optischen Vorrichtung aus dem Wellenleiter in das externe Medium einkoppelbar ist, sondern dass der Lichtstrahl auch mittels der optischen Vorrichtung aus dem externen Medium in den Wellenleiter einkoppelbar ist. Das Strahlenausgangssegment der zuvor beschriebenen optischen Vorrichtung ist dabei der art eingerichtet ist, den Lichtstrahl aus dem externe Medium in die Taper-Struktur einzukop peln, wobei der Lichtstrahl defokussiert wird, wobei die Taper-Struktur weiterhin zwischen dem Strahlenausgangssegment und dem Strahleneingangssegment zumindest eine erste Refle xionsfläche umfasst, wobei die erste Reflexionsfläche derart eingerichtet ist, den vom Strahlen ausgangssegment kommenden Lichtstrahl in die Ebene des Wellenleiters hinein abzulenken. Das Strahleneingangssegment der zuvor beschriebenen optischen Vorrichtung ist derart einge richtet, den Lichtstrahl aus der Taper-Struktur in den Wellenleiter einzukoppeln. The coupling of the waveguide to the external medium can, in particular, be bidirectional. Since the beam path of a light beam is reversible, bidirectional in connection with this invention means that a light beam can not only be coupled into the external medium by means of the optical device from the waveguide, but that the light beam can also be coupled into the external medium by means of the optical device from the external medium the waveguide can be coupled. The beam output segment of the optical device described above is set up to couple the light beam from the external medium into the taper structure, the light beam being defocused, the taper structure still having at least one first reflector between the beam output segment and the beam input segment xion surface comprises, wherein the first reflection surface is set up to deflect the light beam coming from the beam output segment into the plane of the waveguide. The beam input segment of the optical device described above is set up in such a way as to couple the light beam from the taper structure into the waveguide.
Grundidee der vorliegenden Erfindung ist eine optische Vorrichtung bereitzustellen, welche die Modenanpassung von planaren Wellenleitern an ein externes Medium beispielsweise an eine optische Faser oder Mikroskopobjektive ermöglicht. Da der Strahlengang des Lichtstrahls um kehrbar ist, lässt sich somit auch das externe Medium an einen planaren Wellenleiter anpassen. Die Anpassung erfolgt dabei über eine dreidimensionale Taper-Struktur, die z.B. mittels direk tem Laserschreiben (DLW) generiert wird. Die optische Vorrichtung führt eine Änderung der Strahlrichtung der in der Ebene verlaufender Strahlen in die vertikale Dimension oder auch umgekehrt aus. Dazu wird insbesondere eine Reflexion des Lichtstrahls an einer Reflexionsflä che ausgenutzt. The basic idea of the present invention is to provide an optical device which enables the mode matching of planar waveguides to an external medium, for example to an optical fiber or microscope objectives. Since the path of the light beam can be reversed, the external medium can also be adapted to a planar waveguide. The adaptation takes place via a three-dimensional taper structure, which is generated, for example, by means of direct laser writing (DLW). The optical device changes the beam direction of the beams running in the plane into the vertical dimension or else the other way around. For this purpose, a reflection of the light beam on a reflection surface is used in particular.
Die optische Vorrichtung verwendet keine wellenlängenselektiven (insbesondere diffraktiven) Elemente. Daher ist die Kopplungsbandbreite sehr breit und ein weites Spektrum an Wellen längen kann über den Koppler in den Wellenleiter eingekoppelt werden. Die Bandbreite ist nur durch das Transparenzfenster des Kopplers und des Wellenleiters beschränkt. Damit ist die Bandbreite um Größenordnungen besser als bei herkömmlichen Gitterkopplern oder andere diffraktiven Elementen. Die optische Vorrichtung ist insbesondere nicht durch Interferenzphä nomene limitiert und bietet daher eine enorme Bandbreite. Weiterhin ist die optische Vorrich tung Plattform- sowie Polarisationsunabhängig und kann zur Ankopplung beispielsweise an beliebige Wellenleiter verwendet werden, was enorme Flexibilität mit sich bringt. The optical device does not use any wavelength-selective (in particular diffractive) elements. Therefore, the coupling bandwidth is very wide and a wide spectrum of wavelengths can be coupled into the waveguide via the coupler. The bandwidth is only limited by the transparency window of the coupler and the waveguide. This means that the bandwidth is orders of magnitude better than with conventional grating couplers or other diffractive elements. In particular, the optical device is not limited by interference phenomena and therefore offers an enormous bandwidth. Furthermore, the optical device is platform and polarization independent and can be used for coupling, for example, to any waveguide, which brings enormous flexibility with it.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die erste Reflexionsfläche eine Total reflexionsfläche ist. Die Totalreflexion hat den Vorteil, dass sie eine verlustfreie Strahlablen kung erlaubt. In a preferred embodiment of the invention, the first reflection surface is a total reflection surface. Total reflection has the advantage that it permits loss-free radiation deflection.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Höhe der Taper-Struktur im Bereich des Strahleneingangssegments kontinuierlich verjüngt ist, während die Breite kon stant gehalten ist, wodurch ein Hohlleiterbereich gebildet ist. In a further preferred embodiment of the invention, the height of the taper structure in the area of the beam entrance segment is continuously tapered, while the width is kept constant, whereby a waveguide area is formed.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schließt sich an das Strahleneingangs segment ein im Wesentlichen kegelförmiger oder pyramidenförmiger Bereich an, wobei sich die Breite und die Höhe des kegelförmigen oder pyramidenförmigen Bereichs linear vergrö ßern. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schließt sich an den kegelförmigen oder pyramidenförmigen Bereich das Strahlenausgangssegment an, wobei das Strahlenaus gangssegment ein im Wesentlichen gewölbten Bereich umfasst, wobei der im Wesentlichen gewölbte Bereich die zumindest erste Reflexionsfläche umfasst. In a preferred embodiment of the invention, the beam entrance segment is followed by a substantially conical or pyramidal area, the width and the height of the conical or pyramidal area increasing linearly. In a further preferred embodiment of the invention, the conical or pyramidal area is followed by the beam exit segment, the beam exit segment comprising a substantially curved area, the essentially curved area including the at least first reflection surface.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Taper- Struktur zumindest eine weitere Reflexionsfläche. In a preferred embodiment of the invention, the taper structure comprises at least one further reflection surface.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Strahlenausgangsseg ment eine kollimierende Linse. Durch die Strahlkollimierung werden die Ausrichte-Toleranzen von dem externen Medium gegenüber der optischen Vorrichtung entspannt. Dies ermöglicht die Faserkopplung mit industriellen Methoden ohne die Feinjustierung einzelner optischer Vor richtungen. In a further preferred embodiment of the invention, the beam output segment comprises a collimating lens. The beam collimation relaxes the alignment tolerances of the external medium with respect to the optical device. This enables fiber coupling with industrial methods without fine adjustment of individual optical devices.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das externe Medium eine optische Faser oder ein Mikroskopobjektiv. In a preferred embodiment of the invention, the external medium is an optical fiber or a microscope objective.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Wellenleiter ein planarer Wellenleiter. In a further preferred embodiment of the invention, the waveguide is a planar waveguide.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Wellenleiter auf einem Substrat angeordnet. In a preferred embodiment of the invention, the waveguide is arranged on a substrate.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Wellenleiter als freistehen der Wellenleiter-Arm ausgebildet. Durch den freistehenden Wellenleiter-Arm kann durch die Verstellung des Neigungswinkels des Wellenleiter-Arms simultan der Ausgangswinkel der op tischen Vorrichtung eingestellt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Taper- Struktur aus einem Polymer gebildet. In a further preferred embodiment of the invention, the waveguide is designed as a free-standing waveguide arm. Due to the free-standing waveguide arm, the output angle of the optical device can be adjusted simultaneously by adjusting the angle of inclination of the waveguide arm. In a preferred embodiment of the invention, the taper structure is formed from a polymer.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die optische Vorrichtung mit tels 3D Druck insbesondere mittels direktem Laserschreiben hergestellt. In a further preferred embodiment of the invention, the optical device is produced by means of 3D printing, in particular by means of direct laser writing.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Wellenleiter Teil eines Wellenlei ter arrays. In a preferred embodiment of the invention, the waveguide is part of a waveguide array.
Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer optischen Vorrichtung zur bidirektionalen 1 shows a schematic representation of an optical device for bidirectional
Ankopplung eines Wellenleiters an ein externes Medium gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, Coupling of a waveguide to an external medium according to a first embodiment of the invention,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eine optische Vorrichtung zur bidirektionalen Fig. 2 is a schematic representation of an optical device for bidirectional
Ankopplung eines Wellenleiters an ein externes Medium gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, Coupling of a waveguide to an external medium according to a second embodiment of the invention,
Fig. 3 eine schematische Draufsicht eines Wellenleiterarrays mit einer Vielzahl von Fig. 3 is a schematic plan view of a waveguide array with a plurality of
Wellenleitern und optischen Vorrichtungen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, Waveguides and optical devices according to an embodiment of the invention,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eine optische Vorrichtung zur bidirektionalen Fig. 4 is a schematic representation of an optical device for bidirectional
Ankopplung eines Wellenleiters an ein externes Medium gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer optischen Vorrichtung 1 zur bidirektionalen An kopplung eines Wellenleiters 7 an ein externes Medium 6 gemäß einem ersten Ausführungs beispiel der Erfindung. Die optische Vorrichtung 1 besteht im Wesentlichen aus einer Taper- Struktur 2, wobei sich die Taper-Struktur 2 grob in zwei Teile unterteilen lässt: ein Strahlen eingangssegment 3, wobei das Strahleneingangssegment 3 zur Einkopplung eines Lichtstrahls 5 aus dem Wellenleiter 7 in die Taper-Struktur 2 dient und ein Strahlenausgangssegment 4, wobei das Strahlenausgangssegment 4 zur Fokussierung und Einkopplung des Lichtstrahls 5 in das externe Medium 6 dient. Die Einkopplung des Lichtstrahls 5 kann insbesondere bidirekti onal erfolgen. Da bei der optischen Vorrichtung 1 der Strahlengang des Lichtstrahls 5 umkehr bar ist, kann der Lichtstrahl 5 somit auch aus dem externen Medium 6 mittels der optischen Vorrichtung 1 in den Wellenleiter 7 eingekoppelt werden. Der Lichtstrahl 5 wird dabei aus dem externen Medium 6 in das Strahlausgangssegment 4 eingekoppelt und defokussiert. Der Licht strahl 5 wird dann mittels der ersten Reflexionsfläche 8 in die Ebene des Wellenleiters 7 hinein zum Strahleneingangssegment 3 hin abgelenkt und in den Wellenleiter 7 eingekoppelt. Das externe Medium 6 kann beispielsweise eine optische Faser oder ein Mikroskopobjektiv sein. Das Strahleneingangssegment 3 umfasst bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel einen kegelförmigen oder pyramidenförmigen Bereich 10. Das Strahlenausgangssegment 4 umfasst dabei einen im Wesentlichen gewölbten Bereich 1 1, wobei der gewölbte Bereich 11 eine erste Reflexionsfläche 8 umfasst. Wie in Fig. 1 im Querschnitt gezeigt wird ein planarer Wellenleiter 7 an die Taper-Struktur 2 gekoppelt. Im Wellenleiter 7 propagierendes Licht wird zunächst in der Strahlgröße durch die Taper-Struktur 2 aufgeweitet. Der erzeugte Gaussche Strahl fällt da nach auf die Reflexionsfläche 8, an der Totalreflexion stattfindet. Dadurch wird die Strahlrich tung geändert und nach oben abgelenkt. Um einen kollimierten Strahl zu erhalten umfasst das Strahlenausgangssegment 4 einen im Wesentlichen gewölbten Bereich 11, wobei der gewölbte Bereich z.B. eine Linsenform haben kann. Die Taper-Stmktur 2 wirkt zum einen als Modentransformator, der die sehr kleine Mode eines Wellenleiters 7 an die breite Strahlform optischer Glasfasern oder Mikroskope 6 anpasst. An dererseits erlaubt die optische Vorrichtung 1 es, eine Strahlablenkung aus der Ebene zu errei chen, so dass Wellenleiter 7 von der Chipoberfläche 16 zugänglich werden. Dies erfolgt über mehrere Elemente, die in 3D Freiformschreiben erzeugt werden können. Ein adiabatischer Übergang der Wellenleitermode in einen in der optischen Vorrichtung frei propagierenden Gausschen Strahl erfolgt mittels der Taper-Struktur 2. Diese weitet das Strahleneingangsseg ment 3, das an den Durchmesser des Wellenleiters 7 angepasst ist auf, um Verluste an den Rändern zu verhindern. Die Strahlumlenkung erfolgt über Reflexionsflächen 8. Aufgrund des Brechungsindexkontrastes zwischen dem Medium der Taper-Struktur und dem umgebenden Medium kommt es zur Totalreflexion, die ohne Verluste erfolgt. Der Brechungsindexkontrast bestimmt darin den maximalen Neigungswinkel der erreicht werden kann. Wenn höhere Win kel erreicht werden sollen können mehrfach-Reflexionen eingesetzt werden, welche ebenfalls verlustfrei erfolgen. Nach der Reflexion wird der Strahl 5 kollimiert und an das anschließende an das externe Medium bzw. das Modenführungselement angepasst, welches eine Glasfaser oder ein Mikroskopobjektiv sein kann. Coupling of a waveguide to an external medium according to a third embodiment of the invention. Fig. 1 is a schematic representation of an optical device 1 for the bidirectional coupling of a waveguide 7 to an external medium 6 according to a first embodiment of the invention. The optical device 1 essentially consists of a taper structure 2, the taper structure 2 being roughly divided into two parts: a beam input segment 3, the beam input segment 3 for coupling a light beam 5 from the waveguide 7 into the taper Structure 2 is used and a beam exit segment 4, the beam exit segment 4 serving to focus and couple the light beam 5 into the external medium 6. The coupling of the light beam 5 can in particular take place bidirectionally. Since the beam path of the light beam 5 can be reversed in the optical device 1, the light beam 5 can thus also be coupled into the waveguide 7 from the external medium 6 by means of the optical device 1. The light beam 5 is coupled from the external medium 6 into the beam output segment 4 and defocused. The light beam 5 is then deflected by means of the first reflective surface 8 into the plane of the waveguide 7 towards the beam input segment 3 and is coupled into the waveguide 7. The external medium 6 can be, for example, an optical fiber or a microscope objective. In the exemplary embodiment shown in FIG. 1, the beam entrance segment 3 comprises a conical or pyramidal region 10. The beam exit segment 4 here comprises an essentially curved region 11, the curved region 11 comprising a first reflective surface 8. As shown in cross section in FIG. 1, a planar waveguide 7 is coupled to the taper structure 2. Light propagating in waveguide 7 is initially expanded in beam size by taper structure 2. The Gaussian beam generated then falls on the reflection surface 8, where total reflection takes place. This changes the beam direction and deflects it upwards. In order to obtain a collimated beam, the beam exit segment 4 comprises an essentially curved area 11, wherein the curved area can have a lens shape, for example. The taper structure 2 acts on the one hand as a mode transformer, which adapts the very small mode of a waveguide 7 to the wide beam shape of optical glass fibers or microscopes 6. On the other hand, the optical device 1 allows a beam deflection to be achieved out of the plane, so that waveguides 7 are accessible from the chip surface 16. This is done using several elements that can be generated in 3D free-form writing. An adiabatic transition of the waveguide mode into a Gaussian beam propagating freely in the optical device takes place by means of the taper structure 2. This widens the beam input segment 3, which is adapted to the diameter of the waveguide 7, in order to prevent losses at the edges. The beam is deflected via reflection surfaces 8. Due to the refractive index contrast between the medium of the taper structure and the surrounding medium, total reflection occurs, which takes place without losses. The refractive index contrast determines the maximum angle of inclination that can be achieved. If higher angles are to be achieved, multiple reflections can be used, which are also loss-free. After the reflection, the beam 5 is collimated and adapted to the subsequent one to the external medium or the mode guide element, which can be a glass fiber or a microscope objective.
Der Wellenleiter kann beispielsweise aus Siliziumnitrid hergestellt sein. Das Strahleneingangs segment 4 kann beispielsweise aus einem Polymer bestehen und einen Polymer-Wellenleiter umfassen. Am Anfang des Strahleneingangssegments 4 wird für die Einkopplung des Licht strahls aus dem Wellenleiter 7 eine Eigenmodenquelle eingestellt, um die Lichtleistung eines Siliziumnitrids zu Polymer-Wellenleiter-Mode-Konverters nachzuahmen, der sich unmittelbar vor dem Strahleingangssegment 3 befindet. Der zunächst 0,5 pm breite Siliziumnitrid-Wellen leiter 7 ist linear nach unten verjüngt, während die Höhe des Polymer-Wellenleiters 4 kontinu ierlich auf schließlich 1 pm verjüngt wird, während die Breite auf 1 pm konstant gehalten wird. Dieser Querschnitt des Polymerhohlleiters 3 wird gewählt, da aufgrund der Abschottung durch das untenstehende Substrat 12 aus Siliziumoxid nur die Grundmodi unterstützt werden. Daher ermöglicht es eine adiabatische Umwandlung der beiden Grundmodi des Siliziumnitrid-Wel lenleiters 7 in die beiden Grundmodi des Polymer-Wellenleiters 3. Nach dieser Schnittstelle zur Polymerstruktur beginnt der kegelförmigen oder pyramidenförmigen Bereich 10 der Taper- Struktur 2. Hier wird die Breite und Höhe des Polymerhohlleiters 3 linear vergrößert, bis der kegelförmige oder pyramidenförmige Bereich 10 auf den im Wesentlichen gewölbte Bereich 11 trifft. In diesem Bereich nimmt der Durchmesser des Strahls kontinuierlich zu und behält seine Gaussform. Da diese Erweiterung zunächst adiabatisch ist, ermöglicht dieses Schema eine getrennte Optimierung des hauptsächlich auf die Wellenlänge abzustimmenden Siliziumnitrid- Polymer-Wellenleiter-Modus-Konverters und der endgültigen Taper- Struktur 2, bei der der Modenfelddurchmesser der Faser, mit der das Licht gekoppelt wird, der zentrale Parameter ist. Wenn der Strahl nach der Verjüngung in den gewölbten Bereich 11 eintritt, breitet sich der Strahl freiraumartig aus. Aufgrund des relativ großen Strahldurchmessers im Vergleich zur Wegstrecke bis zur Linse des gewölbten Bereichs 11 weist der Strahl keine große Divergenz auf und breitet sich direkt zur Reflexionsfläche 8 aus, da dieser Abstand im Vergleich zur Ra- yleigh-Länge des Strahls am Ende des Kegels klein ist. Der Winkel der Reflexionsfläche 8 kann beispielsweise auf 39° in Bezug auf die Chipebene 16 gewählt werden, um dem 12° Winkel zu entsprechen, unter dem das 8° polierte Faserarray das Licht abgibt und sammelt. Nach der Re flexionsfläche 8 breitet sich der Lichtstrahl 5 in Richtung des gewölbten Bereichs 11 aus. Der gewölbte Bereich 11 dient dazu den divergierenden Strahl zu fokussieren und in das externe Medium 6 einzukoppeln. The waveguide can be made of silicon nitride, for example. The radiation input segment 4 can for example consist of a polymer and comprise a polymer waveguide. At the beginning of the beam input segment 4, a natural mode source is set for the coupling of the light beam from the waveguide 7 in order to imitate the light output of a silicon nitride to polymer waveguide mode converter, which is located immediately in front of the beam input segment 3. The initially 0.5 pm wide silicon nitride waveguide 7 is linearly tapered downwards, while the height of the polymer waveguide 4 is continuously tapered to finally 1 pm, while the width is kept constant at 1 pm. This cross section of the polymer waveguide 3 is selected because only the basic modes are supported due to the partitioning by the substrate 12 made of silicon oxide below. Therefore it enables an adiabatic conversion of the two basic modes of the silicon nitride waveguide 7 into the two basic modes of the polymer waveguide 3. After this interface to the polymer structure, the conical or pyramid-shaped area 10 of the taper structure 2. This is where the width and height of the polymer waveguide begins 3 is enlarged linearly until the conical or pyramidal area 10 meets the essentially curved area 11. In this area the diameter of the jet increases continuously and retains its Gaussian shape. Since this extension is initially adiabatic, this scheme enables a separate optimization of the silicon nitride polymer waveguide mode converter, which is mainly to be tuned to the wavelength, and the final taper structure 2, in which the mode field diameter of the fiber with which the light is coupled is the central parameter is. When the beam enters the curved area 11 after the taper, the beam spreads like a free space. Due to the relatively large beam diameter compared to the distance to the lens of the curved area 11, the beam has no great divergence and spreads directly to the reflective surface 8, since this distance is small compared to the Rayleigh length of the beam at the end of the cone is. The angle of the reflection surface 8 can be selected to be 39 ° with respect to the chip plane 16, for example, in order to correspond to the 12 ° angle at which the 8 ° polished fiber array emits and collects the light. After the Re flexion surface 8, the light beam 5 spreads in the direction of the curved area 11. The curved area 11 is used to focus the diverging beam and couple it into the external medium 6.
Die Taper-Struktur 2 der optischen Vorrichtung 1 kann beispielsweise mit einem Direkt-Laser- Schreibsystem (Nanoscribe Professional GT), einem 63-fachen Objektiv und IP-Dip als Resist hergestellt werden. Zusätzlich ist die Kopplungseffizienz unabhängig von der Polarisation des einfallenden Lich tes. Dies bedeutet, dass die optische Vorrichtung im Gegensatz zu herkömmlichen Gitterkopp lern Licht beider üblichen Polarisationen (TE und TM) mit der gleichen Effizienz einkoppeln kann, solange der anschließende Wellenleiter diese ebenfalls unterstützt. The taper structure 2 of the optical device 1 can be produced, for example, with a direct laser writing system (Nanoscribe Professional GT), a 63-fold objective and IP dip as a resist. In addition, the coupling efficiency is independent of the polarization of the incident light. This means that, in contrast to conventional grating couplers, the optical device can couple light of both conventional polarizations (TE and TM) with the same efficiency, as long as the subsequent waveguide also supports this.
Über die freie Wahl des Einfallwinkels kann die optische Vorrichtung 1 an beliebige Faseran ordnungen angekoppelt werden. So kann direkt unter 90° eingekoppelt werden, was für die mechanische Verbindung von Fasern 6 und Chip 16 von Vorteil ist. Für gerne eingesetzte po lierte Faserfacetten, die unter Winkeln angeschliffen sind um Rückreflexionen zu vermeiden, kann ebenfalls ein optimaler Kopplungswinkel gewählt werden. Auch kann unter flachen Win keln eingekoppelt werden, wenn die Faser nahe der Chipoberfläche geführt werden soll. The optical device 1 can be coupled to any fiber arrangement via the free choice of the angle of incidence. Coupling can thus be carried out directly at 90 °, which is advantageous for the mechanical connection of fibers 6 and chip 16. An optimal coupling angle can also be selected for polished fiber facets that are often used and ground at angles to avoid back reflections. It can also be coupled in at shallow angles if the fiber is to be guided close to the chip surface.
Die Form der Taper-Struktur 2 der optischen Vorrichtung 1 ermöglicht den Einsatz von Total reflexion für die Strahlumlenkung in einem integrierten Bauteil. Damit kann direkt aus beliebi gen Winkeln (und insbesondere vertikal) an Wellenleiter gekoppelt werden, was ein wesentli cher Vorteil gegenüber anderen Kopplungsmethoden (wie z.B. Seiteneinkopplung) ist. Andere vertikale Kopplungsmethoden (grating coupler) sind auf die Diffraktionswinkel der planaren Strukturen beschränkt und können daher insbesondere nur schlecht unter 90° angesprochen werden. The shape of the taper structure 2 of the optical device 1 enables the use of total reflection for beam deflection in an integrated component. This allows coupling to waveguides directly from any angle (and especially vertically), which is a significant advantage over other coupling methods (such as side coupling). Other vertical coupling methods (grating couplers) are limited to the diffraction angle of the planar structures and can therefore only be addressed with difficulty below 90 °.
Weiterhin ist das Konzept mechanisch stabil und robust gegenüber Erschütterungen oder exter nen Störeinflüssen bei der Verwendung auf einem Chip 16. Furthermore, the concept is mechanically stable and robust against vibrations or external interference when used on a chip 16.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer optische Vorrichtung 1 zur bidirektionalen Ankopplung eines Wellenleiters 7 an ein externes Medium 6 gemäß einem zweiten Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung. Für Anwendungen in denen geringerer Brechungsindexkontrast auftritt, z.B. wenn die Koppler in einem Medium 15 wie z.B. Wasser eingetaucht sind, können Mehrfach-Reflexionen ausgenützt werden um den Strahl abzulenken. Über die Anpassung des Beugungswinkels der Reflexionsfläche 8, 9 können beliebige Ausgangswinkel erfasst werden. Damit ist es insbesondere möglich unter 90° Einfall auf den Chip 16 zu koppeln. Fig. 2 shows a schematic representation of an optical device 1 for bidirectional coupling of a waveguide 7 to an external medium 6 according to a second exemplary embodiment of the invention. For applications in which a lower refractive index contrast occurs, for example when the couplers are immersed in a medium 15 such as water, multiple reflections can be used to deflect the beam. About customizing the Any output angle can be detected at the diffraction angle of the reflection surface 8, 9. This makes it possible, in particular, to couple the chip 16 at an incidence of 90 °.
Fig. 3 zeigt eine schematische Draufsicht eines Wellenleiterarrays 13 mit einer Vielzahl von Wellenleitern 7 und optischen Vorrichtungen 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfin dung. Über Markersuche und Alignment können viele optische Vorrichtungen 1 an Wellenlei terarrays 13 angesetzt werden und damit eine große Anzahl an Bauelementen optisch angespro chen werden. Die optische Vorrichtung 1 ist skalierbar und kann über skalierbare Fertigungs methoden hergestellt werden und ist damit für die Massenfertigung geeignet. Dies ermöglicht die direkte Ankopplung an Faserarrays 13 in welchen viele optische Fasern gebündelt sind. Durch die optische Vorrichtung 1 wird eine parallele und verlustarme Auslese vieler Wellen leiterkanäle 7 ermöglicht. Fig. 3 shows a schematic plan view of a waveguide array 13 with a plurality of waveguides 7 and optical devices 1 according to an embodiment of the inven tion. A large number of optical devices 1 can be attached to waveguide arrays 13 via marker search and alignment, and a large number of components can thus be optically addressed. The optical device 1 is scalable and can be manufactured using scalable manufacturing methods and is therefore suitable for mass production. This enables direct coupling to fiber arrays 13 in which many optical fibers are bundled. The optical device 1 enables parallel and low-loss reading of many waveguide channels 7.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer optischen Vorrichtung 1 zur bidirektionalen Ankopplung eines Wellenleiters 7 an ein externes Medium 6 gemäß einem dritten Ausführungs beispiel der Erfindung. Die optische Vorrichtung 1 kann an beliebige Wellenleiter 7 angesetzt werden. Durch die adiabatische Aufweitung der Strahlform kann quasi verlustfrei eingekoppelt werden. Die optische Vorrichtung kann auch mit weiteren Chipelementen problemlos kombi niert werden. Durch die Fixierung der optischen Vorrichtung 1 an den Wellenleiter 7 kann der Koppler durchstimmbar im Emissionswinkel gemacht werden. Beispielsweise ist in Fig. 4 die Verwendung einer beweglichen Struktur gezeigt, wodurch der Strahlwinkel angepasst werden kann, ohne die Kopplungseffizienz zu verlieren. Dazu wird die Taper- Struktur 2 an einem frei stehenden Wellenleiter 14 befestigt. Dieser freistehende Wellenleiter- Arm 14 kann mechanisch beispielsweise mit Hilfe von Elektroden bewegt werden. Durch die Verstellung des Neigungs winkels des Wellenleiters 14 kann dann simultan der Ausgangswinkel der optischen Vorrich tung 1 eingestellt werden. Dies ermöglicht den Einsatz für Beam-Steering und Lidar-Anwen- dungen. Ebenfalls wird dadurch der Einsatz in Phase-Arrays und kollektiven Emittern ermög licht. Die Arbeiten, die zu dieser Erfindung geführt haben, wurden von der Europäischen Einion (H2020-EEi.1.1.) unter der Fördervereinbarung Nr. 724707 (PINQS) finanziert. Fig. 4 shows a schematic representation of an optical device 1 for bidirectional coupling of a waveguide 7 to an external medium 6 according to a third embodiment of the invention. The optical device 1 can be attached to any waveguide 7. Due to the adiabatic expansion of the beam shape, coupling can be carried out with virtually no loss. The optical device can also be easily combined with other chip elements. By fixing the optical device 1 to the waveguide 7, the coupler can be made tunable in terms of the emission angle. For example, FIG. 4 shows the use of a moveable structure, whereby the beam angle can be adjusted without losing the coupling efficiency. For this purpose, the taper structure 2 is attached to a free-standing waveguide 14. This free-standing waveguide arm 14 can be moved mechanically, for example with the aid of electrodes. By adjusting the angle of inclination of the waveguide 14, the output angle of the optical device 1 can then be adjusted simultaneously. This enables the use for beam steering and lidar applications. This also enables use in phase arrays and collective emitters. The work that led to this invention was funded by the European Union (H2020-EEi.1.1.) Under grant agreement No. 724707 (PINQS).
Bezugszeichenliste List of reference symbols
1 optische Vorrichtung 1 optical device
2 Taper-Struktur 2 taper structure
3 Strahleneingangssegment 3 beam entrance segment
4 Strahlenausgangssegment 4 beam exit segment
5 Lichtstrahl 5 light beam
6 externes Medium 6 external medium
7 Wellenleiter 7 waveguides
8 erste Reflexionsfläche 8 first reflective surface
9 zweite Reflexionsfläche 9 second reflective surface
10 kegelförmiger oder pyramidenförmiger Bereich 10 conical or pyramidal area
11 gewölbter Bereich 11 domed area
12 Substrat 12 substrate
13 Wellenleiterarray 13 waveguide array
14 freistehender Wellenleiter-Arm 14 free-standing waveguide arm
15 Medium 15 medium

Claims

Patentansprüche Claims
1. Optische Vorrichtung zur bidirektionalen Ankopplung eines Wellenleiters (7) an ein externes Medium (6) umfassend: 1. Optical device for bidirectional coupling of a waveguide (7) to an external medium (6) comprising:
zumindest eine Taper-Struktur (2), wobei die Taper- Struktur (2) ein Strahlenein gangssegment (3) umfasst, wobei das Strahleneingangssegment (3) derart eingerichtet ist, einen Lichtstrahl (5) aus dem Wellenleiter (7) in die Taper-Struktur (2) einzukop- peln, at least one taper structure (2), the taper structure (2) comprising a beam input segment (3), the beam input segment (3) being set up in such a way that a light beam (5) from the waveguide (7) into the taper Couple structure (2),
die Taper-Struktur ein Strahlenausgangssegment (4) umfasst, wobei das Strah lenausgangssegment (4) derart eingerichtet ist, den Lichtstrahl (5) zu fokussieren und in das externe Medium (6) einzukoppeln, the taper structure comprises a beam output segment (4), the beam output segment (4) being designed to focus the light beam (5) and couple it into the external medium (6),
die Taper-Struktur (2) zwischen dem Strahleneingangssegment (3) und dem Strahlenausgangssegment (4) zumindest eine erste Reflexionsfläche (8) umfasst, wobei die erste Reflexionsfläche (8) derart eingerichtet den Lichtstrahl (5) aus der Ebene des Wellenleiters (7) heraus abzulenken. the taper structure (2) between the beam entrance segment (3) and the beam exit segment (4) comprises at least one first reflective surface (8), the first reflective surface (8) being set up in this way, the light beam (5) from the plane of the waveguide (7) distract out.
2. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Refle xionsfläche (8) eine Totalreflexionsfläche ist. 2. Optical device according to claim 1, characterized in that the first reflection surface (8) is a total reflection surface.
3. Optische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Taper-Struktur (2) im Bereich des Strahleneingangssegments (3) kon tinuierlich verjüngt ist, während die Breite konstant gehalten ist, wodurch ein Hohllei terbereich gebildet ist. 3. Optical device according to one of the preceding claims, characterized in that the height of the taper structure (2) in the region of the beam input segment (3) is continuously tapered, while the width is kept constant, whereby a hollow conductor area is formed.
4. Optische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich an das Strahleneingangssegment (3) ein im Wesentlichen kegelförmiger oder pyramidenförmiger Bereich (10) anschließt, wobei sich die Breite und die Höhe des kegelförmigen oder pyramidenförmigen Bereichs (10) linear vergrößern. 4. Optical device according to one of the preceding claims, characterized in that the beam input segment (3) is followed by a substantially conical or pyramidal area (10), the width and height of the conical or pyramidal area (10) increasing linearly .
5. Optische Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den ke gelförmigen oder pyramidenförmigen Bereich (10) das Strahlenausgangssegment (4) anschließt, wobei das Strahlenausgangssegment (4) ein im Wesentlichen gewölbten Be reich (11) umfasst, wobei der im Wesentlichen gewölbte Bereich (11) die zumindest erste Reflexionsfläche (8) umfasst. 5. Optical device according to claim 4, characterized in that the ke gel-shaped or pyramid-shaped region (10) is followed by the beam output segment (4), wherein the beam output segment (4) comprises a substantially curved Be rich (11), the in Substantially curved region (11) which comprises at least the first reflection surface (8).
6. Optische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Taper- Struktur (2) zumindest eine weitere Reflexionsfläche (9) umfasst. 6. Optical device according to one of the preceding claims, characterized in that the taper structure (2) comprises at least one further reflection surface (9).
7. Optische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlenausgangssegment (4) eine kollimierende Linse umfasst. 7. Optical device according to one of the preceding claims, characterized in that the beam output segment (4) comprises a collimating lens.
8. Optische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das externe Medium (6) eine optische Faser oder ein Mikroskopobjektiv ist. 8. Optical device according to one of the preceding claims, characterized in that the external medium (6) is an optical fiber or a microscope objective.
9. Optische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (7) ein planarer Wellenleiter ist. 9. Optical device according to one of the preceding claims, characterized in that the waveguide (7) is a planar waveguide.
10. Optische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (7) auf einem Substrat (12) angeordnet ist. 10. Optical device according to one of the preceding claims, characterized in that the waveguide (7) is arranged on a substrate (12).
11. Optische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (7) als freistehender Wellenleiter-Arm (14) ausgebildet ist. 11. Optical device according to one of the preceding claims, characterized in that the waveguide (7) is designed as a free-standing waveguide arm (14).
12. Optische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Taper- Struktur (2) aus einem Polymer gebildet ist. 12. Optical device according to one of the preceding claims, characterized in that the taper structure (2) is formed from a polymer.
13. Optische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Vorrichtung (1) mittels 3D Druck insbesondere mittels direktem La serschreiben hergestellt ist. 13. Optical device according to one of the preceding claims, characterized in that the optical device (1) is produced by means of 3D printing, in particular by means of direct laser writing.
14. Optische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (7) Teil eines Wellenleiterarrays (13) ist. 14. Optical device according to one of the preceding claims, characterized in that the waveguide (7) is part of a waveguide array (13).
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