WO2022002578A1 - Integrated optical circuit with waveguide lens - Google Patents

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WO2022002578A1
WO2022002578A1 PCT/EP2021/066064 EP2021066064W WO2022002578A1 WO 2022002578 A1 WO2022002578 A1 WO 2022002578A1 EP 2021066064 W EP2021066064 W EP 2021066064W WO 2022002578 A1 WO2022002578 A1 WO 2022002578A1
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WO
WIPO (PCT)
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waveguide
waveguide lens
plane
integrated optical
optical circuit
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/066064
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German (de)
French (fr)
Inventor
Manuel DECKER
Sören SCHMIDT
Original Assignee
Carl Zeiss Ag
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/124Geodesic lenses or integrated gratings

Definitions

  • the invention relates to the field of integrated optical circuits (English. Photonic Integrated Circuits, PIC).
  • the invention relates in particular to such circuits with a layer waveguide and a waveguide lens which extends in a plane parallel to the plane of the layer waveguide.
  • the functions that can be integrated also include the focusing and scattering of light that propagates in an optical layer waveguide.
  • a In a Hurwellenlei ter the light is only guided in one direction; in the other two directions the light spreads like in free space (but with a different refractive index than 1). Since there are no infinitely wide layers in practice, one speaks of layer waveguides even if the wave-guiding area, also known as the core layer, has a width that is much greater than its thickness. A »1 then applies to the aspect ratio A of the waveguide cross-section.
  • Various types of waveguide lenses have been proposed for focusing and dispersing, including so-called mode index lenses, geodesic lenses and Fresnel lenses. Geodetic lenses and other waveguide lenses with continuous thickness profiles can, however, only be produced photolithographically with great effort or with insufficient accuracy.
  • waveguide lenses that do not have a continuous thickness profile but a constant thickness are more favorable.
  • Such waveguide lenses are arranged in a plane which runs parallel to the sheet waveguide.
  • waveguide lenses with constant thickness - similar to a conventional lens - have at least one curved surface. Curved surfaces can be dispensed with if the waveguide lens has an inhomogeneous refractive index distribution, as is known, for example, from EP 0 261 849 A1.
  • the object of the invention is to provide an integrated optical circuit with a sheet waveguide and a waveguide lens of constant thickness, which is easy to manufacture and in which the optical losses caused by the waveguide lens are low.
  • an integrated optical circuit which has an optical layer waveguide which has a core layer extending in a first plane.
  • the integrated optical circuit further comprises a waveguide lens which extends in a second plane parallel to the first plane and is set up to collect or to scatter light guided in the layer waveguide.
  • the waveguide lens In a direction perpendicular to the second plane, the waveguide lens has a constant thickness.
  • a plurality of sub-waveguide structures which have the same thickness perpendicular to the second plane, are arranged in the second plane in a transition region which extends at least over part of the circumference of the waveguide lens.
  • the sub-waveguide structures are distributed with a fill factor that decreases continuously or gradually as the distance between the waveguide lens increases.
  • the invention is based on the knowledge that by arranging subwave length structures in a transition region adjoining the waveguide lens, the mode overlap can be improved so that the reflection and scattering losses decrease at the interface of the waveguide lens. That way it is It is possible to reduce the losses caused by mode mismatches, which are typically in the order of magnitude of around 15%, for common materials and layer thicknesses to values below 10%. Since not only the waveguide lens, but also the sub-wavelength structures each have the same thickness, the integrated optical circuit according to the invention can be produced with high accuracy in a simple manner using the known photographic method.
  • the material density of a material is called the fill factor F.
  • the fill factor F is thus defined by
  • the concept of the fill factor can also be applied to configurations in which both the waveguide lens and the subwavelength structures are formed as cavities in a surrounding material.
  • the thickness of the subwavelength structures can differ from the thickness of the waveguide lens by a certain amount. In terms of the manufacturing process, however, it is simpler if the thickness of the subwavelength structures is equal to the thickness of the waveguide lens.
  • subwavelength structures For the formation of the subwavelength structures, it is only important that the fill factor decreases continuously or gradually with increasing distance from the waveguide lens.
  • various possibilities are known as to how sub-wavelength structures can be configured that meet this requirement.
  • at least some subwavelength structures are designed as webs with an at least substantially rectangular cross section.
  • the web is at a constant distance from the waveguide lens, the distances between different webs and the waveguide lens being different.
  • this means, for example, that the webs are circular rings or circular ring sections which are arranged concentrically to the geometric center of the waveguide lens.
  • the webs can completely or only partially surround the waveguide lens. In general, it is sufficient to provide the webs only where they are exposed to the optical mode guided in the layer waveguide.
  • At least some sub-wavelength structures are formed integrally with the waveguide lens.
  • One-piece sub-waveguide structures or sub-waveguide structures that are separate from the waveguide lens can have the shape of a polygon, in particular a triangle or a trapezoid, in a section parallel to the second plane. In this way, by defining the angles of the triangle or the trapezoid, the decrease in the fill factor with increasing distance from the waveguide lens can be set.
  • the polygon can in particular have the shape of an (e.g. isosceles) triangle.
  • These triangular sub-wavelength structures are evenly distributed over at least part of the circumference of the waveguide lens, the base of the triangles running at least substantially parallel to the circumference of the waveguide lens.
  • These sub-wavelength structures can also be designed in one piece with the waveguide lens, so that the base of the triangles merges into the circumference of the waveguide lens.
  • the material from which the waveguide lens is made is in direct contact with the core of the sheet waveguide.
  • the waveguide lens and preferably also the subwavelength structures are separated from the core layer of the sheet waveguide by at least one (thin) further layer.
  • the wave-guiding regions that is to say both the core layer of the waveguide layer and the waveguide lens, are preferably embedded in a surrounding material (ciadding), as is known per se in the prior art.
  • a surrounding material such an environmental mate rial protects the structures enclosed by it from oxidation and contamination.
  • the waveguide lens consists of a material with a homogeneous refractive index and has a constant height, it must have at least one curved interface which is at least substantially perpendicular to the second plane.
  • the waveguide lens consists of a material that has an inhomogeneous refractive index distribution
  • a curved interface can be dispensed with.
  • the waveguide lens can have a rectangular shape, the circumference of which is adjoined by the transition region which contains these subwavelength structures.
  • the integrated optical circuit has a light source which is adapted to
  • FIG. 1 a perspective view of a section from an integrated optical circuit according to the invention with a waveguide lens which is arranged over a layer waveguide;
  • FIG. 2 a cross section through the detail shown in FIG. 1 along the line II-II;
  • FIG. 3 the integrated optical circuit shown in FIGS. 1 and 2 in a sectional plan view in which the waveguide lens and the transition region can be seen;
  • FIG. 4 a cross section similar to FIG. 2, but supplemented with schematic representations of the optical modes guided in the sheet waveguide and in the waveguide lens;
  • FIG. 5 a graph in which the fill factor F is shown schematically for different variants as a function of the distance z from the waveguide lens;
  • FIGS. 6 and 7 different variants for the formation of the subwavelength structures in the transition area along a curved interface of the waveguide lens
  • FIGS. 8 and 9 further variants for the formation of the subwavelength structures in the transition area along a straight boundary surface of a rectangular waveguide lens which has a Brecht number profile.
  • Figures 1, 2 and 3 show an integrated optical circuit denoted overall by 10 according to a first embodiment of the invention in a perspective view, a cross-section along the line II-II or in a detail in a plan view.
  • the integrated optical circuit 10 comprises a layer waveguide 12, the wave-guiding region of which is formed by a core layer 14. This extends with a constant thickness de in a first plane and consists of a material with a refractive index ni.
  • the core layer 14 is arranged between a lower cladding layer 16 and an upper man layer 18, which in the illustrated embodiment consist of the same material that has a refractive index r2 ⁇ .
  • the lower cladding layer 16 can be the substrate of the integrated optical circuit 10 or be applied to an additional substrate not shown in the figures.
  • Light that is coupled into the core layer 14 of the layered waveguide 12 in the direction indicated by an arrow 20 is guided in the core layer 14 by total reflection at the upper and lower interfaces to the cladding layers 16, 18 and passes through the layered waveguide 12 along the z -Direction.
  • a second plane 22 which is indicated in FIGS. 1 and 2 with dashed lines, runs parallel to a first plane in which the core layer 14 of the layered waveguide 12 extends.
  • a waveguide lens 24 extends in the second plane, the refractive index n3 of which in the illustrated embodiment is greater than the refractive index r2 of the surrounding upper cladding layer 18.
  • the waveguide lens 24 has a curved lateral boundary surface 26 aligned perpendicular to the second plane 22, the contour of which is oval in the exemplary embodiment shown, as can best be seen in the top view of FIG.
  • the contour of the lateral interface 26 of the waveguide lens 24 defines its optical properties.
  • the contour is convexly curved.
  • the optical mode guided in the layered waveguide 12 partially couples into the waveguide lens 24 and experiences a collecting effect there due to the convexly curved lateral interface 26, as shown in FIG. 1 is indicated schematically by two converging light beams 28.
  • the contour of the lateral interface can of course also be in the shape of a circular arc, which results in the effect of a spherical lens.
  • the waveguide lens 24 is separated from the core layer 14 by an optional intermediate layer 30.
  • the abrupt transition between the layered waveguide 12 and the waveguide lens 24 results in significant decoupling, scattering and reflection losses, which can be attributed to very different optical modes in the two wave-guiding areas. These losses can be calculated by determining the mode overlap integral, the amount of which is equal to 1 for an ideal mode overlap.
  • the size of the mode overlap integral depends on the specific dimensions of the layer waveguide 12, the intermediate layer 30 and the waveguide lens 24 and the materials used.
  • the mode overlap integral is approximately 85%, which corresponds to a waveguide loss of 15% is equivalent to.
  • a plurality of subwavelength structures 341, 342, 343 are arranged, which have the same thickness di . like the waveguide lens 24.
  • These sub-wavelength structures 341 to 343 are distributed over the transition region 32 with a fill factor F which decreases continuously or in steps with increasing distance from the waveguide lens 24.
  • the subwavelength structures 341 to 343 are designed as webs which have an at least substantially rectangular cross section. As can best be seen in FIG.
  • the subwavelength structure 341 has a NEN distance di from the waveguide lens 24, which is the same over the entire circumference of the waveguide lens 24 away.
  • the distances di, d2, d3 increase more and more towards the outside. This results in a concentric arrangement of rings in the plan view, the distance between which from the waveguide lens 24 is becoming larger and larger. In this way, the fill factor F decreases quasi-continuously as the distance from the waveguide lens 24 increases.
  • the widths of the ring-shaped webs, of which the subwavelength structures 341 to 343 consist, are significantly smaller than the wavelength 1 of the light which passes through the layer waveguide 12. As a result, undesired diffraction effects do not occur at the subwavelength structures 341 to 343.
  • the exact dimensions of the sub wave length structures 341 to 343 must be matched to the actual dimensioning of the layer thicknesses and the materials used in order to minimize the losses. Calculations have shown that with suitably designed subwavelength structures, the amount of the mode overlap integral can be increased to values of over 90%, which corresponds to losses of less than 10%. This corresponds to a reduction of more than 30% compared to waveguide lenses without surrounding sub-waveguide structures.
  • the intermediate layer 30 is also located (and specifically likewise structured) below the subwavelength structures 341 to 343, as can be seen in FIG. As a result, the subwavelength structures 341 to 343 also extend in the second plane 22. In other exemplary embodiments, the intermediate layer 30 is not structured, so that the subwavelength structures 341 to 343 do not extend into the second plane 22.
  • FIG. 4 shows the cross section of FIG. 2 in a somewhat enlarged representation.
  • profiles 36 of optical modes are shown schematically at several locations. The profiles 36 illustrate how the optical mode in the core layer 14 in the transition region 32 is converted into the optical mode in the waveguide lens 24.
  • a linear increase in the fill factor F is shown with a solid line.
  • non-linear increases double-dash-dotted line
  • gradual increases are also possible.
  • Which type of increase in the fill factor F leads to the lowest losses due to mode mismatch in the individual case depends on the specific dimensions and materials of the sheet waveguide 12 and the waveguide lens 24.
  • the above explanations only related to the transition area 32 when the light enters the waveguide lens 24. The same considerations apply accordingly to the exit of the light from the waveguide lens 24.
  • the subwavelength structures 341, 342, 343 in the rear section of the transition area 32 also effectively reduce losses due to mode mismatch there. 2.
  • FIGS 6 to 9 show different variants for the formation of the subwave conductor structures.
  • the sub-wavelength structures 34 have the shape of an isosceles triangle in a section parallel to the second plane 22, the base of each triangle running at least substantially parallel to the circumference of the waveguide lens 24 and being formed in one piece therewith, so that the base of the triangles merges into the circumference of the waveguide lens 24.
  • a linear increase in the fill factor within the transition region 32 is achieved.
  • the subwave length structures 34 'do not have the shape of isosceles triangles, but of trapezoids, the base of which points towards the waveguide lens 24.
  • the spacing of the rows is constant, but the size of the subwavelength structures 34 ′ increases as the distance from the waveguide lens 24 decreases. The increase in the fill factor F towards the waveguide lens 24 is thus achieved here by the increasing size of the sub-wavelength structures 34 '.
  • the waveguide lens 24 'does not consist of a material with a homogeneous refractive index. Instead, a refractive index profile was generated by ion implantation, which is indicated by a gray shading in FIG. The refractive index never increases continuously from the edges along the y direction and is greatest on the axis of symmetry of the waveguide lens 24. In this way, a collecting effect can be achieved without the lateral boundary surface 26 of the waveguide lens 24 'having to be curved.
  • the subwavelength structures 34 ′′ similar to the exemplary embodiment shown with reference to FIGS. 1 to 3, have the shape of bars with rectangular cross-sections the width of the ridges increases with decreasing distance from the waveguide lens 24 '.
  • the refractive indices of the ridges should increase from the edges to the symmetry axis just like the refractive index in the waveguide lens 24', which is not shown in FIG. 8.
  • ridges as in the figure 8 can of course also be used with waveguide lenses with a homogeneous refractive index and curved interfaces.
  • the webs are then not straight, but rather curved, preferably in such a way that the webs run parallel to the curved interface individual webs decrease in width from the inside to the outside leave.
  • the ridge-shaped subwavelength structures 534 have in this embodiment For example, however, they all have the same width, and the distance between adjacent sub-wavelength structures 534 is also constant.
  • an increase in the fill factor F is achieved in that the ridge-shaped subwavelength structures 534 are interrupted, the ratio of ridge to interruption increasing as the distance from the waveguide lens 24 'decreases.
  • the refractive indices of the webs should increase from the edges to the axis of symmetry, which is not shown in FIG.
  • the interruptions between the webs can become longer as the distance from the axis of symmetry increases, and / or the width of the webs decreases in this direction.

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Abstract

The invention relates to an integrated optical circuit (10) comprising an optical planar waveguide (12), which has a core layer (14) extending on a first plane, and a waveguide lens (24; 24'). The waveguide lens extends on a second plane (22) parallel to the first plane and collects or scatters light guided in the planar waveguide (12). The waveguide lens (24; 24') has a constant thickness (dL) in one direction (x) perpendicular to the second plane (22). Multiple sub-wavelength structures (341, 342, 343; 34; 34'; 34''; 34''') are arranged on the second plane (22) in a transition region (32) which extends at least over a part of the circumference of the waveguide lens (24; 24'), said structures having the same thickness perpendicularly to the second plane (22). The sub-wavelength structures are distributed with a filling factor (F) which decreases continuously or incrementally as the distance to the waveguide lens increases. In this manner, losses based on a mode mismatch are reduced.

Description

Integrierte optische Schaltung mit Wellenleiterlinse Integrated optical circuit with waveguide lens
HINTERGRUND DER ERFINDUNG BACKGROUND OF THE INVENTION
1. Gebiet der Erfindung 1. Field of the invention
Die Erfindung betrifft das Gebiet der integrierten optischen Schaltungen (engl. Photonic Integrated Circuits, PIC). Die Erfindung betrifft insbesondere derartige Schaltungen mit ei nem Schichtwellenleiter und einer Wellenleiterlinse, die sich in einer Ebene parallel zur Ebene des Schichtwellenleiters erstreckt. The invention relates to the field of integrated optical circuits (English. Photonic Integrated Circuits, PIC). The invention relates in particular to such circuits with a layer waveguide and a waveguide lens which extends in a plane parallel to the plane of the layer waveguide.
2. Beschreibung des Standes der Technik In integrierten optischen Schaltungen sind eine Vielzahl (teilweise Hunderte) von opti schen Funktionen, z.B. Lichterzeugung und -Weiterleitung, Strahlteilung, Intensitäts- oder Phasen-Modulation, Filterung oder Schalten, auf einem Chip integriert. Die am häufigsten kommerziell genutzte Materialplattform für integrierte optische Schaltungen ist bislang In- diumphosphid (InP). Im Gegensatz zur elektronischen Integration, bei der Silizium das vor- herrschende Material ist, werden in integrierten optischen Schaltungen jedoch auch zahl reiche andere Materialsysteme eingesetzt, darunter elektro-optische Kristalle wie Lithium- Niobat, Siliziumdioxid auf Silizium, Silizium auf Isolator, Siliziumnitrid, verschiedene Poly mere sowie Halbleitermaterialien wie GaAs und InP. 2. Description of the prior art In integrated optical circuits, a large number (sometimes hundreds) of optical functions, e.g. light generation and transmission, beam splitting, intensity or phase modulation, filtering or switching, are integrated on a chip. The material platform most frequently used commercially for integrated optical circuits has so far been indium phosphide (InP). In contrast to electronic integration, in which silicon is the predominant material, numerous other material systems are also used in integrated optical circuits, including electro-optical crystals such as lithium niobate, silicon dioxide on silicon, silicon on insulator, silicon nitride, various Polymers and semiconductor materials such as GaAs and InP.
Zu den integrierbaren Funktionen gehören auch die Fokussierung und Zerstreuung von Licht, das sich in einem optischen Schichtwellenleiter ausbreitet. In einem Schichtwellenlei ter wird das Licht nur in einer Richtung geführt; in den beiden anderen Richtungen breitet sich das Licht wie im freien Raum (allerdings mit einer anderen Brechzahl als 1) aus. Da es in der Praxis keine unendlich breiten Schichten gibt, spricht man auch dann von Schicht wellenleitern, wenn der auch als Kernschicht bezeichnete wellenführende Bereich eine Breite hat, die viel größer ist als ihre Dicke. Für das Aspektverhältnis A des Wellenleiter querschnitts gilt dann A » 1. Zur Fokussierung und Zerstreuung wurden verschiedene Typen von Wellenleiterlinsen vor geschlagen, darunter sog. Modenindexlinsen, geodätische Linsen und Fresnel-Linsen. Geo dätischen Linsen und andere Wellenleiterlinsen mit kontinuierlichen Dickenprofilen kön nen allerdings photolithographisch nur mit großem Aufwand oder mit ungenügender Ge- nauigkeit hergestellt werden. The functions that can be integrated also include the focusing and scattering of light that propagates in an optical layer waveguide. In aschichtwellenlei ter the light is only guided in one direction; in the other two directions the light spreads like in free space (but with a different refractive index than 1). Since there are no infinitely wide layers in practice, one speaks of layer waveguides even if the wave-guiding area, also known as the core layer, has a width that is much greater than its thickness. A »1 then applies to the aspect ratio A of the waveguide cross-section. Various types of waveguide lenses have been proposed for focusing and dispersing, including so-called mode index lenses, geodesic lenses and Fresnel lenses. Geodetic lenses and other waveguide lenses with continuous thickness profiles can, however, only be produced photolithographically with great effort or with insufficient accuracy.
Herstellungstechnisch günstiger sind Wellenleiterlinsen, die kein kontinuierliches Dicken profil, sondern eine konstante Dicke haben. Solche Wellenleiterlinsen sind in einer Ebene angeordnet, die parallel zum Schichtwellenleiter verläuft. Um eine räumlich inhomogene Wirkung auf das durchtretende Licht zu haben, haben Wellenleiterlinsen mit konstanter Dicke - ähnlich wie eine herkömmliche Linse - mindestens eine gekrümmte Fläche. Auf gekrümmte Flächen kann man verzichten, wenn die Wellenleiterlinse eine inhomogene Brechzahlverteilung hat, wie dies z.B. aus der EP 0 261 849 A1 bekannt ist. From a manufacturing point of view, waveguide lenses that do not have a continuous thickness profile but a constant thickness are more favorable. Such waveguide lenses are arranged in a plane which runs parallel to the sheet waveguide. In order to have a spatially inhomogeneous effect on the light passing through, waveguide lenses with constant thickness - similar to a conventional lens - have at least one curved surface. Curved surfaces can be dispensed with if the waveguide lens has an inhomogeneous refractive index distribution, as is known, for example, from EP 0 261 849 A1.
Ungelöst sind bislang jedoch die Probleme, die bei derartigen Wellenleiterlinsen durch Re flexions-, Auskoppel- und Streuverluste an der Grenzfläche zwischen dem Schichtwellen- leiter und der Wellenleiterlinse oder - wenn sich der Schichtwellenleiter und die Wellen leiterlinse nicht unmittelbar berühren - im Übergangsbereich zwischen dem Schichtwel lenleiter und der Wellenleiterlinse entstehen. Diese Verluste hängen u.a. von den verwen deten Materialien, deren Brechzahlen und von den Schichtdicken ab. Verursacht werden diese Verluste durch einen zu geringen Überlapp der Moden im Schichtwellenleiter und in der Wellenleiterlinse im Bereich der Grenzfläche der Wellenleiterlinse (sog. Modenmis- match). So far, however, the problems with such waveguide lenses due to reflection, decoupling and scattering losses at the interface between the sheet waveguide and the waveguide lens or - if the sheet waveguide and the waveguide lens do not touch each other directly - in the transition area between the sheets have not been solved lenleiter and the waveguide lens arise. These losses depend, among other things, on the materials used, their refractive indices and the layer thickness. These losses are caused by insufficient overlap of the modes in the sheet waveguide and in the waveguide lens in the area of the interface of the waveguide lens (so-called mode mismatch).
Im Zusammenhang mit Streifenwellenleitern, welche die Lichtausbreitung in zwei orthogo nalen Richtungen beschränken, wurde vorgeschlagen, durch Strukturierung des Streifen wellenleiters Subwellenlängenstrukturen zu erzeugen und dadurch den Modenindex so zu beeinflussen, dass durch Modenmismatch verursachte Verluste verringert werden können. Eine Übersicht über die Grundzüge und verschiedene Anwendungen dieses Ansatzes fin det sich in einem Aufsatz von R. Halir et al. mit dem Titel "Waveguide sub-waveiength structures: a review of principles and appäcations" , Laser & Photonics Reviews, 9(1), 25-49. Mit einer Weiterentwicklung dieses Ansatzes befasst sich die US 2012/0183250 A1. In connection with strip waveguides, which restrict the propagation of light in two orthogonal directions, it has been proposed to create sub-wavelength structures by structuring the strip waveguide and thereby influence the mode index in such a way that losses caused by mode mismatch can be reduced. An overview of the main features and various applications of this approach can be found in an article by R. Halir et al. entitled "Waveguide sub-waveiength structures: a review of principles and appäcations", Laser & Photonics Reviews, 9 (1), 25-49. US 2012/0183250 A1 deals with a further development of this approach.
Aus der US 2008/0193080 A1 ist bekannt, den Kern eines Streifenwellenleiters mit Subwel lenlängenstrukturen zu versehen, um Licht aus dem Streifenwellenleiter in einen zweiten Streifenwellenleiter oder in eine optische Faser zu koppeln. Die US 6,980, 720 B2 beschreibt eine Modentransformation von einem Streifen- oder Schichtwellenleiter in einen darüber angeordneten Streifenwellenleiter. Letzterer läuft zu diesem Zweck anfangs- und endseitig keilförmig zu, wobei die Keile auch durch gestufte Strukturen angenähert sein können. From US 2008/0193080 A1 it is known to provide the core of a strip waveguide with subwel lenlängenstructures in order to couple light from the strip waveguide in a second strip waveguide or in an optical fiber. No. 6,980,720 B2 describes a mode transformation from a strip or sheet waveguide into a strip waveguide arranged above it. For this purpose, the latter tapers in a wedge-shaped manner at the beginning and end, it also being possible for the wedges to be approximated by means of stepped structures.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG SUMMARY OF THE INVENTION
Aufgabe der Erfindung ist es, eine integrierte optische Schaltung mit einem Schichtwellen- leiter und einer Wellenleiterlinse konstanter Dicke anzugeben, die einfach herzustellen ist und bei der die durch die Wellenleiterlinse verursachten optischen Verluste gering sind. The object of the invention is to provide an integrated optical circuit with a sheet waveguide and a waveguide lens of constant thickness, which is easy to manufacture and in which the optical losses caused by the waveguide lens are low.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine integrierte optische Schaltung gelöst, die einen optischen Schichtwellenleiter hat, der eine sich in einer ersten Ebene erstreckende Kernschicht hat. Ferner umfasst die integrierte optische Schaltung eine Wellenleiterlinse, die sich in einer zu der ersten Ebene parallelen zweiten Ebene erstreckt und dazu einge richtet ist, in dem Schichtwellenleiter geführtes Licht zu sammeln oder zu zerstreuen. In ei ner Richtung senkrecht zu der zweiten Ebene hat die Wellenleiterlinse eine konstante Di cke. Erfindungsgemäß sind in der zweiten Ebene in einem Übergangsbereich, der sich zu mindest über einen Teil des Umfangs der Wellenleiterlinse erstreckt, mehrere Subwellen- leiterstrukturen angeordnet, welche senkrecht zu der zweiten Ebene die gleiche Dicke ha ben. Die Subwellenleiterstrukturen sind dabei mit einem Füllfaktor verteilt, der mit zuneh mendem Abstand der Wellenleiterlinse kontinuierlich oder schrittweise abnimmt. According to the invention, this object is achieved by an integrated optical circuit which has an optical layer waveguide which has a core layer extending in a first plane. The integrated optical circuit further comprises a waveguide lens which extends in a second plane parallel to the first plane and is set up to collect or to scatter light guided in the layer waveguide. In a direction perpendicular to the second plane, the waveguide lens has a constant thickness. According to the invention, a plurality of sub-waveguide structures, which have the same thickness perpendicular to the second plane, are arranged in the second plane in a transition region which extends at least over part of the circumference of the waveguide lens. The sub-waveguide structures are distributed with a fill factor that decreases continuously or gradually as the distance between the waveguide lens increases.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass man durch die Anordnung von Subwellen längenstrukturen in einem an die Wellenleiterlinse angrenzenden Übergangsbereich errei- chen kann, dass der Modenüberlapp so verbessert werden kann, dass die Reflexions-und Streuverluste an der Grenzfläche der Wellenleiterlinse abnehmen. Auf diese Weise ist es möglich, die durch Modenmismatch verursachten Verluste, die typischerweise in der Grö ßenordnung von rund 15% liegen, für übliche Materialien und Schichtdicken auf Werte un ter 10% zu reduzieren. Da nicht nur die Wellenleiterlinse, sondern auch die Subwellenlän genstrukturen jeweils die gleiche Dicke haben, lässt sich die erfindungsgemäße integrierte optische Schaltung mit hoher Genauigkeit auf einfache Weise mit den bekannten photoli thographischen Verfahren hersteilen. The invention is based on the knowledge that by arranging subwave length structures in a transition region adjoining the waveguide lens, the mode overlap can be improved so that the reflection and scattering losses decrease at the interface of the waveguide lens. That way it is It is possible to reduce the losses caused by mode mismatches, which are typically in the order of magnitude of around 15%, for common materials and layer thicknesses to values below 10%. Since not only the waveguide lens, but also the sub-wavelength structures each have the same thickness, the integrated optical circuit according to the invention can be produced with high accuracy in a simple manner using the known photographic method.
Als Füllfaktor F eines Materials bezeichnet man dessen Materialdichte. Für ein Material i ist der Füllfaktor F, somit definiert durch The material density of a material is called the fill factor F. For a material i, the fill factor F, is thus defined by
Fi = dVi/dV , wobei pro Volumeneinheit dV die Summe
Figure imgf000006_0001
der Füllfaktoren gleich 1 ist. Falls die Sub wellenlängenstrukturen aus mehreren Materialien mit unterschiedlichen Brechzahlen be stehen, kann dem durch die Annahme eines einheitlichen Materials Rechnung getragen werden, dass eine effektive mittlere Brechzahl hat.
Fi = dVi / dV, where dV is the sum per volume unit
Figure imgf000006_0001
the fill factor is equal to 1. If the sub-wavelength structures consist of several materials with different refractive indices, this can be taken into account by assuming a uniform material that has an effective mean refractive index.
Das Konzept des Füllfaktors ist auch auf Ausgestaltungen anwendbar, bei denen sowohl die Wellenleiterlinse als auch die Subwellenlängenstrukturen als Hohlräume in einem um gebenden Material ausgebildet sind. The concept of the fill factor can also be applied to configurations in which both the waveguide lens and the subwavelength structures are formed as cavities in a surrounding material.
Im Prinzip kann sich die Dicke der Subwellenlängenstrukturen von der Dicke der Wellen leiterlinse um einen gewissen Betrag unterscheiden. Mit Blick auf den Herstellungsprozess einfacher ist es jedoch, wenn die Dicke der Subwellenlängenstrukturen gleich der Dicke der Wellenleiterlinse ist. In principle, the thickness of the subwavelength structures can differ from the thickness of the waveguide lens by a certain amount. In terms of the manufacturing process, however, it is simpler if the thickness of the subwavelength structures is equal to the thickness of the waveguide lens.
Für die Ausbildung der Subwellenlängenstrukturen kommt es lediglich darauf an, dass der Füllfaktor mit zunehmendem Abstand von der Wellenleiterlinse kontinuierlich oder schritt weise abnimmt. Im Stand der Technik sind verschiedene Möglichkeiten bekannt, wie Sub wellenlängenstrukturen konfiguriert sein können, die dieser Maßgabe genügen. Bei einem Ausführungsbeispiel sind zumindest einige Subwellenlängenstrukturen als Stege mit einem zumindest im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt ausgebildet. Jeder Steg hat einen konstanten Abstand zu der Wellenleiterlinse, wobei die Abstände unter schiedlicher Stege zu der Wellenleiterlinse unterschiedlich sind. Bei einer kreisscheibenför migen Wellenleiterlinse bedeutet dies beispielsweise, dass die Stege Kreisringe oder Kreis ringabschnitte sind, die konzentrisch zur geometrischen Mitte der Wellenleiterlinse ange- ordnet sind. Die Stege können die Wellenleiterlinse dabei vollständig oder nur teilweise umgeben. Im Allgemein genügt es, die Stege nur dort vorzusehen, wo sie der im Schicht wellenleiter geführten optische Mode ausgesetzt sind. For the formation of the subwavelength structures, it is only important that the fill factor decreases continuously or gradually with increasing distance from the waveguide lens. In the prior art, various possibilities are known as to how sub-wavelength structures can be configured that meet this requirement. In one embodiment, at least some subwavelength structures are designed as webs with an at least substantially rectangular cross section. Everyone The web is at a constant distance from the waveguide lens, the distances between different webs and the waveguide lens being different. In the case of a circular disk-shaped waveguide lens, this means, for example, that the webs are circular rings or circular ring sections which are arranged concentrically to the geometric center of the waveguide lens. The webs can completely or only partially surround the waveguide lens. In general, it is sufficient to provide the webs only where they are exposed to the optical mode guided in the layer waveguide.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel sind zumindest einige Subwellenlängenstrukturen einstückig mit der Wellenleiterlinse ausgebildet. Einstückig oder von der Wellenleiterlinse getrennte Subwellenleiterstrukturen können in einem Schnitt parallel zu der zweiten Ebene die Form eines Polygons, und zwar insbesondere eines Dreiecks oder eines Trapezes, ha ben. Auf diese Weise lässt sich durch die Festlegung der Winkel des Dreiecks bzw. des Tra pezes die Abnahme des Füllfaktors mit zunehmendem Abstand von der Wellenleiterlinse einstellen. Das Polygon kann insbesondere die Form eines (z.B. gleichschenkligen) Dreiecks haben. Diese dreieckigen Subwellenlängenstrukturen sind gleichmäßig zumindest über einen Teil des Umfangs der Wellenleiterlinse verteilt, wobei die Basis der Dreiecke zumindest im We sentlichen parallel zum Umfang der Wellenleiterlinse verläuft. Diese Subwellenlängen strukturen können dabei auch einstückig mit der Wellenleiterlinse ausgebildet sein, so dass die Basis der Dreiecke in den Umfang der Wellenleiterlinse übergeht. In another embodiment, at least some sub-wavelength structures are formed integrally with the waveguide lens. One-piece sub-waveguide structures or sub-waveguide structures that are separate from the waveguide lens can have the shape of a polygon, in particular a triangle or a trapezoid, in a section parallel to the second plane. In this way, by defining the angles of the triangle or the trapezoid, the decrease in the fill factor with increasing distance from the waveguide lens can be set. The polygon can in particular have the shape of an (e.g. isosceles) triangle. These triangular sub-wavelength structures are evenly distributed over at least part of the circumference of the waveguide lens, the base of the triangles running at least substantially parallel to the circumference of the waveguide lens. These sub-wavelength structures can also be designed in one piece with the waveguide lens, so that the base of the triangles merges into the circumference of the waveguide lens.
Im Prinzip kommt in Betracht, dass das Material, aus dem die Wellenleiterlinse besteht, un mittelbar an den Kern des Schichtwellenleiters anliegt. Häufig ist es jedoch günstiger, wenn die Wellenleiterlinse und vorzugsweise auch die Subwellenlängenstrukturen von der Kernschicht des Schichtwellenleiters durch mindestens eine (dünne) weitere Schicht ge- trennt ist. Eine solche Schicht bildet sich bei bestimmten Materialien wie z.B. Silizium ohne besonderes Zutun durch Oxidation an der umgebenden Luft. Die Dicke der Zwischen schicht stellt einen zusätzlichen Freiheitsgrad dar, mit dem sich der Modenüberlapp ein stellen lässt. Vorzugsweise sind die wellenführenden Bereiche, also sowohl die Kernschicht des Schicht wellenleiters als auch die Wellenleiterlinse, in ein Umgebungsmaterial (eng. ciadding) ein gebettet, wie dies an sich im Stand der Technik bekannt ist. Ein solches Umgebungsmate rial schützt die davon umschlossenen Strukturen vor Oxidation und Verunreinigungen. Wenn die Wellenleiterlinse aus einem Material mit homogener Brechzahl besteht und eine konstante Höhe hat, muss sie mindestens eine gekrümmte Grenzfläche haben, die zumin dest im Wesentlichen senkrecht zu der zweiten Ebene ausgerichtet ist. In principle, it comes into consideration that the material from which the waveguide lens is made is in direct contact with the core of the sheet waveguide. However, it is often more favorable if the waveguide lens and preferably also the subwavelength structures are separated from the core layer of the sheet waveguide by at least one (thin) further layer. With certain materials such as silicon, such a layer is formed without any special action by oxidation in the surrounding air. The thickness of the intermediate layer represents an additional degree of freedom with which the mode overlap can be set. The wave-guiding regions, that is to say both the core layer of the waveguide layer and the waveguide lens, are preferably embedded in a surrounding material (ciadding), as is known per se in the prior art. Such an environmental mate rial protects the structures enclosed by it from oxidation and contamination. If the waveguide lens consists of a material with a homogeneous refractive index and has a constant height, it must have at least one curved interface which is at least substantially perpendicular to the second plane.
Wenn die Wellenleiterlinse hingegen aus einem Material besteht, das eine inhomogene Brechzahlverteilung hat, kann auf eine gekrümmte Grenzfläche verzichtet werden. In die- sem Fall kann die Wellenleiterlinse eine rechteckige Form haben, an deren Umfang sich der Übergangsbereich anschließt, der diese Subwellenlängenstrukturen enthält. If, on the other hand, the waveguide lens consists of a material that has an inhomogeneous refractive index distribution, a curved interface can be dispensed with. In this case, the waveguide lens can have a rectangular shape, the circumference of which is adjoined by the transition region which contains these subwavelength structures.
Wenn die integrierte optische Schaltung eine Lichtquelle hat, die dazu eingerichtet ist,If the integrated optical circuit has a light source which is adapted to
Licht mit einer Mittelwellenlänge l zu erzeugen, dann sollten die Abmessungen der Sub wellenlängenstrukturen senkrecht zu einer Ausbreitungsrichtung des Lichts kleiner sein als k · l, wobei k = 1 und vorzugsweise k= 0.5 und weiter vorzugsweise k= 0.1 ist. To generate light with a central wavelength l, the dimensions of the sub-wavelength structures perpendicular to a direction of propagation of the light should be smaller than k · l, where k = 1 and preferably k = 0.5 and more preferably k = 0.1.
Sofern vorstehend davon die Rede ist, dass sich Strukturen in einer Ebene befinden, so be deutet dies, dass die Strukturen an diese Ebene angrenzen oder die Ebene diese Struktu ren durchsetzt. If it is mentioned above that structures are located in a plane, this means that the structures adjoin this plane or the plane penetrates these structures.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen: Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the drawings. In these show:
Figur 1: eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts aus einer erfindungsgemäßen in tegrierten optischen Schaltung mit einer Wellenleiterlinse, die über einen Schichtwellenleiter angeordnet ist; Figur 2: einen Querschnitt durch den in der Figur 1 gezeigten Ausschnitt entlang der Li nie ll-ll; FIG. 1: a perspective view of a section from an integrated optical circuit according to the invention with a waveguide lens which is arranged over a layer waveguide; FIG. 2: a cross section through the detail shown in FIG. 1 along the line II-II;
Figur 3: die in den Figuren 1 und 2 gezeigte integrierte optische Schaltung in einer aus schnittsweisen Draufsicht, in der die Wellenleiterlinse und der Übergangsbereich erkennbar sind; FIG. 3: the integrated optical circuit shown in FIGS. 1 and 2 in a sectional plan view in which the waveguide lens and the transition region can be seen;
Figur 4: einen Querschnitt ähnlich der Figur 2, jedoch ergänzt mit schematischen Dar stellungen der im Schichtwellenleiter und in der Wellenleiterlinse geführten op tischen Moden; FIG. 4: a cross section similar to FIG. 2, but supplemented with schematic representations of the optical modes guided in the sheet waveguide and in the waveguide lens;
Figur 5: einen Graphen, in dem der Füllfaktor F in Abhängigkeit vom Abstand z von der Wellenleiterlinse schematisch für verschiedene Varianten dargestellt ist; FIG. 5: a graph in which the fill factor F is shown schematically for different variants as a function of the distance z from the waveguide lens;
Figuren 6 und 7 verschiedene Varianten für die Ausbildung der Subwellenlängenstrukturen im Übergangsbereich entlang einer gekrümmten Grenzfläche der Wellenleiter linse; FIGS. 6 and 7 different variants for the formation of the subwavelength structures in the transition area along a curved interface of the waveguide lens;
Figuren 8 und 9 weitere Varianten für die Ausbildung der Subwellenlängenstrukturen im Übergangsbereich entlang einer geraden Grenzfläche einer rechteckigen Wel lenleiterlinse, die ein Brechtzahl profil hat. FIGS. 8 and 9 further variants for the formation of the subwavelength structures in the transition area along a straight boundary surface of a rectangular waveguide lens which has a Brecht number profile.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS
1. Erstes Ausführungsbeispiel 1. First embodiment
Die Figuren 1, 2 und 3 zeigen eine insgesamt mit 10 bezeichnete integrierte optische Schaltung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer perspektivi- sehen Darstellung, einem Querschnitt entlang der Linie ll-ll bzw. ausschnittsweise in einer Draufsicht. Figures 1, 2 and 3 show an integrated optical circuit denoted overall by 10 according to a first embodiment of the invention in a perspective view, a cross-section along the line II-II or in a detail in a plan view.
Die integrierte optische Schaltung 10 umfasst einen Schichtwellenleiter 12, dessen wellen führender Bereich durch eine Kernschicht 14 gebildet wird. Diese erstreckt sich mit kon stanter Dicke de in einer ersten Ebene und besteht aus einem Material mit einer Brechzahl ni. Die Kernschicht 14 ist zwischen einer unteren Mantelschicht 16 und einer oberen Man telschicht 18 angeordnet, die im dargestellten Ausführungsbeispiel aus dem gleichen Ma terial bestehen, das eine Brechzahl r2 < hat. Die untere Mantelschicht 16 kann das Sub strat der integrierten optischen Schaltung 10 sein oder auf einem zusätzlichen und in den Figuren nicht dargestellten Substrat aufgebracht sein. The integrated optical circuit 10 comprises a layer waveguide 12, the wave-guiding region of which is formed by a core layer 14. This extends with a constant thickness de in a first plane and consists of a material with a refractive index ni. The core layer 14 is arranged between a lower cladding layer 16 and an upper man layer 18, which in the illustrated embodiment consist of the same material that has a refractive index r2 <. The lower cladding layer 16 can be the substrate of the integrated optical circuit 10 or be applied to an additional substrate not shown in the figures.
Licht, das in der durch einen Pfeil 20 angedeuteten Richtung in die Kernschicht 14 des Schichtwellenleiters 12 eingekoppelt wird, wird in der Kernschicht 14 durch Totalreflexion an der oberen und der unteren Grenzfläche zu den Mantelschichten 16, 18 geführt und durchtritt den Schichtwellenleiter 12 entlang der z-Richtung. In einigen Fällen ist es zweckmäßig, die Kernschicht 14 auch seitlich (d.h. in y-Richtung) von einem Mantelmaterial zu umgeben, wie dies an sich im Stand der Technik bekannt, in den Figuren jedoch nicht dargestellt ist. Light that is coupled into the core layer 14 of the layered waveguide 12 in the direction indicated by an arrow 20 is guided in the core layer 14 by total reflection at the upper and lower interfaces to the cladding layers 16, 18 and passes through the layered waveguide 12 along the z -Direction. In some cases it is expedient to also surround the core layer 14 laterally (i.e. in the y direction) by a jacket material, as is known per se in the prior art, but is not shown in the figures.
Parallel zu einer ersten Ebene, in der sich die Kernschicht 14 des Schichtwellenleiters 12 er streckt, verläuft eine zweite Ebene 22, die in den Figuren 1 und 2 mit gestrichelten Linien angedeutet ist. In der zweiten Ebene erstreckt sich eine Wellenleiterlinse 24, deren Brech zahl n3 im dargestellten Ausführungsbeispiel größer ist als die Brechzahl r2 der umgeben den oberen Mantelschicht 18. Wie in der Figur 2 erkennbar ist, hat die Wellenleiterlinse 24 über ihre gesamte Ausdehnung in der zweiten Ebene 22 hinweg eine konstante Dicke di_. Um eine Linsenwirkung zu erzielen, hat die Wellenleiterlinse 24 eine gekrümmte und senk- recht zu der zweiten Ebene 22 ausgerichtete laterale Grenzfläche 26, deren Kontur im dar gestellten Ausführungsbeispiel oval ist, wie am besten in der Draufsicht der Figur 3 er kennbar ist. Die Kontur der lateralen Grenzfläche 26 der Wellenleiterlinse 24 legt deren optische Eigenschaften fest. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Kontur konvex gekrümmt. Infolge des geringen Abstands entlang der x-Richtung zwischen der Wellen- leiterlinse 24 und der Kernschicht 14 koppelt die im Schichtwellenleiter 12 geführte opti sche Mode teilweise in die Wellenleiterlinse 24 über und erfährt dort aufgrund der konvex gekrümmten lateralen Grenzfläche 26 eine Sammelwirkung, wie dies in der Figur 1 sche matisch durch zwei konvergierende Lichtstrahlen 28 angedeutet ist. Die Kontur der lateralen Grenzfläche kann selbstverständlich auch kreisbogenförmig sein, wodurch sich die Wirkung einer sphärischen Linse ergibt. A second plane 22, which is indicated in FIGS. 1 and 2 with dashed lines, runs parallel to a first plane in which the core layer 14 of the layered waveguide 12 extends. A waveguide lens 24 extends in the second plane, the refractive index n3 of which in the illustrated embodiment is greater than the refractive index r2 of the surrounding upper cladding layer 18. As can be seen in FIG 22 across a constant thickness di_. In order to achieve a lens effect, the waveguide lens 24 has a curved lateral boundary surface 26 aligned perpendicular to the second plane 22, the contour of which is oval in the exemplary embodiment shown, as can best be seen in the top view of FIG. The contour of the lateral interface 26 of the waveguide lens 24 defines its optical properties. In the illustrated embodiment, the contour is convexly curved. As a result of the small distance along the x direction between the waveguide lens 24 and the core layer 14, the optical mode guided in the layered waveguide 12 partially couples into the waveguide lens 24 and experiences a collecting effect there due to the convexly curved lateral interface 26, as shown in FIG FIG. 1 is indicated schematically by two converging light beams 28. The contour of the lateral interface can of course also be in the shape of a circular arc, which results in the effect of a spherical lens.
Nur in der Figur 2 ist erkennbar, dass die Wellenleiterlinse 24 von der Kernschicht 14 durch eine optionale Zwischenschicht 30 getrennt ist. Durch den abrupten Übergang zwischen dem Schichtwellenleiter 12 und der Wellenleiter linse 24 entstehen signifikante Auskoppel-, Streu- und Reflexionsverluste, die auf stark un terschiedliche optische Moden in den beiden wellenführenden Bereichen zurückzuführen sind. Diese Verluste lassen sich durch die Bestimmung des Modenüberlappintegrals be rechnen, dessen Betrag bei idealem Modenüberlapp gleich 1 ist. Die Größe des Moden- Überlappintegrals hängt von den konkreten Abmessungen des Schichtwellenleiters 12, der Zwischenschicht 30 und der Wellenleiterlinse 24 und den verwendeten Materialien ab. Für den Fall, dass die Kernschicht 14 aus Silizium-Nitrit besteht und eine Dicke de von 200 nm hat und die Wellenleiterlinse 24 aus kristallinem Silizium besteht und eine Dicke von 40 nm hat, beträgt das Modenüberlappintegral ungefähr 85%, was einem Wellenleiterverlust von 15% entspricht. It can only be seen in FIG. 2 that the waveguide lens 24 is separated from the core layer 14 by an optional intermediate layer 30. The abrupt transition between the layered waveguide 12 and the waveguide lens 24 results in significant decoupling, scattering and reflection losses, which can be attributed to very different optical modes in the two wave-guiding areas. These losses can be calculated by determining the mode overlap integral, the amount of which is equal to 1 for an ideal mode overlap. The size of the mode overlap integral depends on the specific dimensions of the layer waveguide 12, the intermediate layer 30 and the waveguide lens 24 and the materials used. In the event that the core layer 14 consists of silicon nitrite and has a thickness de of 200 nm and the waveguide lens 24 consists of crystalline silicon and has a thickness of 40 nm, the mode overlap integral is approximately 85%, which corresponds to a waveguide loss of 15% is equivalent to.
Um die optischen Moden im Schichtwellenleiter 12 und in der Wellenleiterlinse 24 konti nuierlich oder schrittweise ineinander zu überführen und auf diese Weise die Lichtverluste zu verringern, sind in der integrierten optischen Schaltung 10 in der zweiten Ebene 22 in einem Übergangsbereich 32, der sich zumindest über einen Teils des Umfangs der Wellen- leiterlinse 24 erstreckt, mehrere Subwellenlängenstrukturen 341, 342, 343 angeordnet, welche die gleiche Dicke di. wie die Wellenleiterlinse 24 haben. Diese Subwellenlängen strukturen 341 bis 343 sind mit einem Füllfaktor F über den Übergangsbereich 32 verteilt, der mit zunehmendem Abstand von der Wellenleiterlinse 24 kontinuierlich oder schritt weise abnimmt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Subwellenlängenstrukturen 341 bis 343 als Stege ausgebildet, die einen zumindest im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt ha ben. Wie am besten in der Figur 3 erkennbar ist, hat die Subwellenlängenstruktur 341 ei- nen Abstand di von der Wellenleiterlinse 24, der über den gesamten Umfang der Wellen leiterlinse 24 hinweg gleich ist. Entsprechendes gilt für die Abstände d2 und d3 der Subwel lenlängenstrukturen 342 und 343, wobei di < d2 < d3 gilt. Die Abstände di, d2, d3 nehmen dabei nach außen hin immer stärker zu. Dadurch ergibt sich in der Draufsicht eine kon- zentrische Anordnung von Ringen, deren Abstand von der Wellenleiterlinse 24 immer grö ßer wird. Auf diese Weise nimmt der Füllfaktor F quasi-kontinuierlich mit zunehmenden Abstand von der Wellenleiterlinse 24 ab. In order to convert the optical modes in the layer waveguide 12 and in the waveguide lens 24 continuously or gradually into one another and in this way to reduce the light losses, in the integrated optical circuit 10 in the second level 22 in a transition region 32 which extends at least over one Part of the circumference of the waveguide lens 24, a plurality of subwavelength structures 341, 342, 343 are arranged, which have the same thickness di . like the waveguide lens 24. These sub-wavelength structures 341 to 343 are distributed over the transition region 32 with a fill factor F which decreases continuously or in steps with increasing distance from the waveguide lens 24. In the exemplary embodiment shown, the subwavelength structures 341 to 343 are designed as webs which have an at least substantially rectangular cross section. As can best be seen in FIG. 3, the subwavelength structure 341 has a NEN distance di from the waveguide lens 24, which is the same over the entire circumference of the waveguide lens 24 away. The same applies to the distances d2 and d3 of the sub-wave length structures 342 and 343, where di <d2 <d3 applies. The distances di, d2, d3 increase more and more towards the outside. This results in a concentric arrangement of rings in the plan view, the distance between which from the waveguide lens 24 is becoming larger and larger. In this way, the fill factor F decreases quasi-continuously as the distance from the waveguide lens 24 increases.
Die Breiten der ringförmigen Stege, aus denen die Subwellenlängenstrukturen 341 bis 343 bestehen, sind dabei deutlich kleiner als die Wellenlänge l des Lichts, das den Schichtwel- lenleiter 12 durchtritt. Dadurch kommt es an den Subwellenlängenstrukturen 341 bis 343 nicht zu unerwünschten Beugungseffekten. Die genauen Abmessungen der Subwellenlän genstrukturen 341 bis 343 müssen auf die tatsächliche Dimensionierung der Schichtdicken und der verwendeten Materialien abgestimmt werden, um die Verluste zu minimieren. Be rechnungen haben gezeigt, dass mit geeignet ausgelegten Subwellenlängenstrukturen der Betrag des Modenüberlappintegrals auf Werte von über 90% angehoben werden kann, was Verlusten von weniger als 10% entspricht. Dies entspricht im Vergleich zu Wellen leiterlinsen ohne umgebende Subwellenleiterstrukturen einer Verringerung um mehr als 30%. The widths of the ring-shaped webs, of which the subwavelength structures 341 to 343 consist, are significantly smaller than the wavelength 1 of the light which passes through the layer waveguide 12. As a result, undesired diffraction effects do not occur at the subwavelength structures 341 to 343. The exact dimensions of the sub wave length structures 341 to 343 must be matched to the actual dimensioning of the layer thicknesses and the materials used in order to minimize the losses. Calculations have shown that with suitably designed subwavelength structures, the amount of the mode overlap integral can be increased to values of over 90%, which corresponds to losses of less than 10%. This corresponds to a reduction of more than 30% compared to waveguide lenses without surrounding sub-waveguide structures.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich die Zwischenschicht 30 auch (und zwar ebenfalls strukturiert) unterhalb der Subwellenlängenstrukturen 341 bis 343, wie dies in der Figur 2 erkennbar ist. Dadurch erstrecken sich die Subwellenlängenstrukturen 341 bis 343 ebenfalls in der zweiten Ebene 22. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist die Zwi schenschicht 30 nicht strukturiert, so dass die Subwellenlängenstrukturen 341 bis 343 nicht bis in die zweite Ebene 22 hineinreichen. Die Figur 4 zeigt den Querschnitt der Figur 2 in etwas vergrößerter Darstellung. Zusätzlich sind dort an mehreren Orten Profile 36 optischer Moden schematisch eingezeichnet. Die Profile 36 verdeutlichen, wie die optische Mode in der Kernschicht 14 im Übergangsbe reich 32 in die optische Mode in der Wellenleiterlinse 24 überführt wird. In der Figur 5 ist schematisch in einem Graphen aufgetragen, wie der Füllfaktor F in dem Übergangsbereich 32 zwischen Abstandskoordinaten Zi und Z2 kontinuierlich oder schritt weise zwischen Werten von 0 (Beginn des Übergangsbereichs 32) und 1 (Ende des Über gangsbereichs 32 = Beginn der Wellenleiterlinse 24) zunehmen kann. Mit durchgezogener Linie ist ein linearer Anstieg des Füllfaktors F dargestellt. Es sind aber auch nichtlineare An stiege (doppelstrichpunktierte Linie) oder schrittweise Anstiege (gestrichelte Linie) mög lich. Welche Art des Anstiegs des Füllfaktors F im Einzelfall zu den niedrigsten Verlusten durch Modenmismatch führt, hängt von den konkreten Abmessungen und Materialien des Schichtwellenleiters 12 und der Wellenleiterlinse 24 ab. Die vorstehenden Erläuterungen bezogen sich nur auf den Übergangsbereich 32 beim Ein tritt des Lichts in die Wellenleitlinse 24. Die gleichen Überlegungen gelten entsprechend auch für den Austritt des Lichts aus der Wellenleiterlinse 24. Die Subwellenlängenstruktu ren 341, 342, 343 im rückwärtigen Abschnitt des Übergangsbereichs 32 verringern auch dort wirkungsvoll Verluste infolge von Modenmismatch. 2. Weitere Ausführungsbeispiele In the exemplary embodiment shown, the intermediate layer 30 is also located (and specifically likewise structured) below the subwavelength structures 341 to 343, as can be seen in FIG. As a result, the subwavelength structures 341 to 343 also extend in the second plane 22. In other exemplary embodiments, the intermediate layer 30 is not structured, so that the subwavelength structures 341 to 343 do not extend into the second plane 22. FIG. 4 shows the cross section of FIG. 2 in a somewhat enlarged representation. In addition, profiles 36 of optical modes are shown schematically at several locations. The profiles 36 illustrate how the optical mode in the core layer 14 in the transition region 32 is converted into the optical mode in the waveguide lens 24. FIG. 5 shows schematically in a graph how the fill factor F in the transition area 32 between distance coordinates Zi and Z2 continuously or step by step between values of 0 (beginning of transition area 32) and 1 (end of transition area 32 = beginning of the waveguide lens 24) can increase. A linear increase in the fill factor F is shown with a solid line. However, non-linear increases (double-dash-dotted line) or gradual increases (dashed line) are also possible. Which type of increase in the fill factor F leads to the lowest losses due to mode mismatch in the individual case depends on the specific dimensions and materials of the sheet waveguide 12 and the waveguide lens 24. The above explanations only related to the transition area 32 when the light enters the waveguide lens 24. The same considerations apply accordingly to the exit of the light from the waveguide lens 24. The subwavelength structures 341, 342, 343 in the rear section of the transition area 32 also effectively reduce losses due to mode mismatch there. 2. Further exemplary embodiments
Die Figuren 6 bis 9 zeigen verschiedene Varianten für die Ausbildung der Subwellen leiterstrukturen. Figures 6 to 9 show different variants for the formation of the subwave conductor structures.
Bei dem in der Figur 6 gezeigten Ausführungsbeispiel haben die Subwellenlängenstruktu ren 34 in einem Schnitt parallel zur zweiten Ebene 22 die Form eines gleichschenkligen Dreiecks, wobei die Basis eines jeden Dreiecks zumindest im Wesentlichen parallel zum Umfang der Wellenleiterlinse 24 verläuft und einstückig mit dieser ausgebildet ist, so dass die Basis der Dreiecke in den Umfang der Wellenleiterlinse 24 übergeht. Dadurch wird ein lineare Anstieg des Füllfaktors innerhalb des Übergangsbereichs 32 erzielt. In the exemplary embodiment shown in FIG. 6, the sub-wavelength structures 34 have the shape of an isosceles triangle in a section parallel to the second plane 22, the base of each triangle running at least substantially parallel to the circumference of the waveguide lens 24 and being formed in one piece therewith, so that the base of the triangles merges into the circumference of the waveguide lens 24. As a result, a linear increase in the fill factor within the transition region 32 is achieved.
Bei dem in der Figur 7 gezeigten Ausführungsbeispiel haben die Subwellenlängenstruktu- ren 34' nicht die Form gleichschenkliger Dreiecke, sondern von Trapezen, deren Grund seite zur Wellenleiterlinse 24 zeigt. Anders als bei dem in der Figur 6 gezeigten Ausfüh rungsbeispiel sind mehrere Reihen von Subwellenlängenstrukturen 34' vorgesehen, wobei innerhalb jeder Reihe alle Subwellenlängenstrukturen 34' die gleichen Abmessungen ha ben. Der Abstand der Reihen ist konstant, aber die Größe der Subwellenlängenstrukturen 34' nimmt mit abnehmenden Abstand zur Wellenleiterlinse 24 zu. Die Zunahme des Füll faktors F zur Wellenleiterlinse 24 hin wird hier also durch die zunehmende Größe der Sub- Wellenlängenstrukturen 34' erzielt. In the exemplary embodiment shown in FIG. 7, the subwave length structures 34 'do not have the shape of isosceles triangles, but of trapezoids, the base of which points towards the waveguide lens 24. In contrast to the exemplary embodiment shown in FIG. 6, several rows of subwavelength structures 34 'are provided, with within each row, all sub-wavelength structures 34 'have the same dimensions. The spacing of the rows is constant, but the size of the subwavelength structures 34 ′ increases as the distance from the waveguide lens 24 decreases. The increase in the fill factor F towards the waveguide lens 24 is thus achieved here by the increasing size of the sub-wavelength structures 34 '.
Bei dem in der Figur 8 gezeigten Ausführungsbeispiel besteht die Wellenleiterlinse 24' nicht aus einem Material mit homogener Brechzahl. Stattdessen wurde durch Ionenim plantation ein Brechzahl profil erzeugt, das durch eine Grauschattierung in der Figur 7 an gedeutet ist. Die Brechzahl nimmer dabei kontinuierlich von den Rändern entlang der y- Richtung zu und ist auf der Symmetrieachse der Wellenleiterlinse 24 am größten. Auf diese Weise kann eine sammelnde Wirkung erzielt werden, ohne dass die laterale Grenz fläche 26 der Wellenleiterlinse 24' gekrümmt sein muss. In the exemplary embodiment shown in FIG. 8, the waveguide lens 24 'does not consist of a material with a homogeneous refractive index. Instead, a refractive index profile was generated by ion implantation, which is indicated by a gray shading in FIG. The refractive index never increases continuously from the edges along the y direction and is greatest on the axis of symmetry of the waveguide lens 24. In this way, a collecting effect can be achieved without the lateral boundary surface 26 of the waveguide lens 24 'having to be curved.
Bei diesem Ausführungsbeispiel haben die Subwellenlängenstrukturen 34" ähnlich wie bei dem mit Bezug auf die Figuren 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiel die Form von Ste- gen mit rechteckigen Querschnitten. Anders als bei jenem Ausführungsbeispiel ist in der Figur 8 der Abstand zwischen benachbarten Stegen konstant, während die Breite der Stege mit abnehmenden Abstand von der Wellenleiterlinse 24' zunimmt. Die Brechzahlen der Stege sollten dabei genauso wie die Brechzahl in der Wellenleiterlinse 24' von den Rändern zur Symmetrieachse zunehmen, was in der Figur 8 nicht dargestellt ist. Stege wie in der Figur 8 gezeigt können natürlich auch bei Wellenleiterlinsen mit homoge ner Brechzahl und gekrümmten Grenzflächen verwendet werden. Die Stege sind dann nicht gerade, sondern gekrümmt, und zwar vorzugsweise so, dass die Stege parallel zur gekrümmten Grenzfläche verlaufen. Ferner oder zusätzlich käme in Betracht, innerhalb der einzelnen Stege deren Breite von innen nach außen abnehmen zu lassen. Die Figur 9 zeigt eine Variante des in der Figur 8 gezeigten Ausführungsbeispiels. Die Wel lenleiterlinse 24' hat dort ebenfalls einen rechteckigen Umfang und ein Brechungsindex profil. Die stegförmigen Subwellenlängenstrukturen 534 haben bei diesem Ausführungs- beispiel jedoch alle die gleiche Breite, und auch der Abstand zwischen benachbarten Sub wellenlängenstrukturen 534 ist konstant. Eine Zunahme des Füllfaktors F wird bei diesem Ausführungsbeispiel dadurch erreicht, dass die stegförmigen Subwellenlängenstrukturen 534 unterbrochen sind, wobei das Verhältnis von Steg zu Unterbrechung mit abnehmen- dem Abstand zur Wellenleiterlinse 24' zunimmt. In this exemplary embodiment, the subwavelength structures 34 ″, similar to the exemplary embodiment shown with reference to FIGS. 1 to 3, have the shape of bars with rectangular cross-sections the width of the ridges increases with decreasing distance from the waveguide lens 24 '. The refractive indices of the ridges should increase from the edges to the symmetry axis just like the refractive index in the waveguide lens 24', which is not shown in FIG. 8. ridges as in the figure 8 can of course also be used with waveguide lenses with a homogeneous refractive index and curved interfaces. The webs are then not straight, but rather curved, preferably in such a way that the webs run parallel to the curved interface individual webs decrease in width from the inside to the outside leave. FIG. 9 shows a variant of the exemplary embodiment shown in FIG. The waveguide lens 24 'there also has a rectangular circumference and a refractive index profile. The ridge-shaped subwavelength structures 534 have in this embodiment For example, however, they all have the same width, and the distance between adjacent sub-wavelength structures 534 is also constant. In this exemplary embodiment, an increase in the fill factor F is achieved in that the ridge-shaped subwavelength structures 534 are interrupted, the ratio of ridge to interruption increasing as the distance from the waveguide lens 24 'decreases.
Auch hier sollten die Brechzahlen der Stege von den Rändern zur Symmetrieachse zuneh men, was in der Figur 9 nicht dargestellt ist. Alternativ hierzu können die Unterbrechungen zwischen den Stegen mit zunehmendem Abstand von der Symmetrieachse länger werden, und/oder die Breite der Stege nimmt in dieser Richtung ab. Here too, the refractive indices of the webs should increase from the edges to the axis of symmetry, which is not shown in FIG. As an alternative to this, the interruptions between the webs can become longer as the distance from the axis of symmetry increases, and / or the width of the webs decreases in this direction.

Claims

PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS
1. Integrierte optische Schaltung (10), mit einem optischen Schichtwellenleiter (12), der eine sich in einer ersten Ebene erstreckende Kernschicht (14) hat, und einer Wellen leiterlinse (24; 24'), die sich in einer zu der ersten Ebene parallelen zweiten Ebene (22) erstreckt, dazu eingerichtet ist, in dem Schichtwellenleiter (12) geführtes Licht zu sammeln oder zu zerstreuen und in einer Richtung (x) senkrecht zu der zweiten Ebene (22) eine konstante Dicke (dL) hat, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Ebene (22) in einem Übergangsbereich (32), der sich zumindest über ei nen Teil des Umfangs der Wellenleiterlinse (24; 24') erstreckt, mehrere Subwellenlän genstrukturen (341, 342, 343; 34; 34'; 34"; 34'") angeordnet sind, die senkrecht zu der zweiten Ebene (22) die gleiche Dicke haben, wobei die Subwellenlängenstrukturen mit einem Füllfaktor (F) verteilt sind, der mit zunehmenden Abstand von der Wellenleiter- linse (24; 24') kontinuierlich oder schrittweise abnimmt. 1. Integrated optical circuit (10), with an optical layer waveguide (12) which has a core layer (14) extending in a first plane, and a waveguide lens (24; 24 ') which extends in one of the first plane parallel second plane (22), is set up to collect or scatter light guided in the layer waveguide (12) and has a constant thickness (d L ) in a direction (x) perpendicular to the second plane (22), thereby characterized in that in the second plane (22) in a transition region (32) which extends at least over part of the circumference of the waveguide lens (24; 24 '), a plurality of sub-wavelength structures (341, 342, 343; 34; 34') ; 34 "; 34 '") which have the same thickness perpendicular to the second plane (22), the subwavelength structures being distributed with a fill factor (F) that increases with increasing distance from the waveguide lens (24; 24 ') decreases continuously or gradually.
2. Integrierte optische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Di cke der Subwellenlängenstrukturen gleich der Dicke (di.) der Wellenleiterlinse (24; 24') ist. 2. Integrated optical circuit according to claim 1, characterized in that the thickness of the subwavelength structures is equal to the thickness (di . ) Of the waveguide lens (24; 24 ').
3. Integrierte optische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn- zeichnet, dass zumindest einige Subwellenlängenstrukturen (341, 342, 343; 34"; 34'") als Stege mit einem zumindest im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt ausgebildet sind, wobei jeder Steg einen konstanten Abstand zu der Wellenleiterlinse (24; 24') hat und die Abstände unterschiedlicher Stege zu der Wellenleiterlinse (24; 24') unter schiedlich sind. 3. Integrated optical circuit according to one of claims 1 or 2, characterized in that at least some subwavelength structures (341, 342, 343; 34 "; 34 '") are designed as webs with an at least substantially rectangular cross section, each The web has a constant distance from the waveguide lens (24; 24 ') and the distances between different webs to the waveguide lens (24; 24') are different.
4. Integrierte optische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass zumindest einige Subwellenlängenstrukturen (34) einstückig mit der Wellenleiterlinse (24) ausgebildet sind. 4. Integrated optical circuit according to one of claims 1 or 2, characterized in that at least some subwavelength structures (34) are formed in one piece with the waveguide lens (24).
5. Integrierte optische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige Subwellenlängenstrukturen (34; 34'; 34"; 34'") in einem Schnitt parallel zu der zweiten Ebene (22) die Form eines Polygons haben. 5. Integrated optical circuit according to one of the preceding claims, characterized in that at least some subwavelength structures (34; 34 '; 34 "; 34'") have the shape of a polygon in a section parallel to the second plane (22).
6. Integrierte optische Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Polygon ein Dreieck ist, die Subwellenlängenstrukturen (34) gleichmäßig zumindest über einen Teil des Umfangs der Wellenleiterlinse (24) verteilt sind und die Basis der Dreiecke zumindest im Wesentlichen parallel zum Umfang der Wel lenleiterlinse (24) verläuft. 6. Integrated optical circuit according to claim 5, characterized in that the polygon is a triangle, the subwavelength structures (34) are evenly distributed at least over part of the circumference of the waveguide lens (24) and the base of the triangles is at least substantially parallel to the circumference of the Wel lenleitlinse (24) runs.
7. Integrierte optische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenleiterlinse (24; 24') von der Kernschicht (14) des Schichtwellenleiters (12) durch mindestens eine Schicht (30) getrennt ist. 7. Integrated optical circuit according to one of the preceding claims, characterized in that the waveguide lens (24; 24 ') is separated from the core layer (14) of the sheet waveguide (12) by at least one layer (30).
8. Integrierte optische Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Subwellenlängenstrukturen (341, 342, 343; 34; 34'; 34"; 34'") von der Kernschicht (14) des Schichtwellenleiters (12) durch mindestens eine Schicht (30) getrennt sind. 8. Integrated optical circuit according to claim 7, characterized in that the subwavelength structures (341, 342, 343; 34; 34 '; 34 "; 34'") from the core layer (14) of the sheet waveguide (12) by at least one layer ( 30) are separated.
9. Integrierte optische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenleiterlinse (24) mindestens eine gekrümmte Grenzflä che (26) hat, die zumindest im Wesentlichen senkrecht zu der zweiten Ebene (22) aus gerichtet ist. 9. Integrated optical circuit according to one of the preceding claims, characterized in that the waveguide lens (24) has at least one curved Grenzflä surface (26) which is directed at least substantially perpendicular to the second plane (22).
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