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Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung zur bidirektionalen Ankopplung eines Wellenleiters an ein externes Medium.
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Der Gegenstand der Erfindung ist in den beigefügten Ansprüchen definiert.
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Im Bereich der Telekommunikation ist die bidirektionale Ankopplung an Wellenleiter aus optischen Glasfasern eine zentrale Herausforderung. Wellenleiter entsprechen elektrischen Verbindungen 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 erfolgen wodurch die optische Bandbreite stark limitiert ist. Eine hohe Bandbreite ist jedoch notwendig 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 Massenproduktion geeignet. Für alle optischen Systeme mit Anwendungsfeldern in der Telekommunikation 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 Wellenleiter. Weiterhin können existierende Ankopplungsstellen nicht durchgestimmt werden. Da Fertigungstoleranzen bestehen ist eine Anpassung nach der Fertigung notwendig um eine optimale Kopplung zu erreichen.
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Die Kopplung über die Chipoberseite ist die bevorzugte Methode. Diese erlaubt es viele Bauelemente 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 Kopplung über Gitterelemente und zum anderen die Kopplung über Fasertaper im evaneszenten Feld.
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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 Gitterkopplern ist die geringe Bandbreite im Bereich von einigen 10 nm. Damit können nur spezielle Wellenlängenbereiche abgedeckt werden. Außerdem sind Gitterkoppler sehr empfindlich für laterale Verschiebungen und müssen daher aufwendig gegenüber Fasern oder Linsen ausgerichtet werden. Damit ist eine automatische Ankopplung an Chips nur schwer möglich.
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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 platziert werden muss. Weiterhin können keine Faserarrays verwendet werden, so dass eine parallele Ankopplung nicht möglich ist. Zudem ist die mechanische Stabilität der Kopplung begrenzt. 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 Platzierungsanforderungen leidet jedoch die Kopplungseffizienz signifikant darunter.
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Aus der
EP 2 442 165 B1 ist eine optische Vorrichtung zum Handhaben eines Strahlungs-Strahls bekannt, wobei die optische Vorrichtung ein Halbleiterplättchen umfasst, umfassend einen integrierten optischen Halbleiter-Wellenleiterkern, integriert auf dem Halbleiterplättchen, 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 Abschrägung 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 mindestens 1 µm und weniger als 200 µm beträgt.
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In „GEHRING, H. [et.al.]: Low-loss fiber-to-chip couplers with ultrawide optical bandwidth. APL Photonics 4, 010801 (2019), S. 010801-1 bis 010801-7, ISSN 2378-0967“ wird eine optische Vorrichtung zur bidirektionalen Ankopplung eines Wellenleiters offenbart, bei der die Ablenkung des Lichtstrahls aus der Ebene des Wellenleiters heraus durch eine Biegung aus der Ebene heraus („out-of-plane bend“) erfolgt.
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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 mechanischen Verzug oder Versatz gegenüber dem optischen Chip gibt. Daher ist eine Platzierungstechnik notwendig, die höhere Toleranzen bietet und gleichzeitig für viele Bauteile parallel verwendet werden kann. Dies erfordert im Wesentlichen eine Ankopplung von der Chipoberseite über Faserarrays.
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Ein weiterer zentraler Nachteil bei den aus dem Stand der Technik bekannten Kopplungsverfahren ist die geringe Kopplungseffizienz von Gitterkopplern. Gerade für Anwendungen in welchen mehrere Verbindungen an Chips notwendig sind können Verluste nicht akzeptiert werden.
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Daher ist eine hohe Kopplungseffizienz essentiell. Eine hohe Bandbreite ist besonders für Anwendungen 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 Durchstimmung nach der Fertigung nicht realisieren, die aber notwendig ist um auf langfristige Drift und Versatz zu reagieren.
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Dementsprechend soll mit der vorliegenden Erfindung primär eine optische Vorrichtung bereitgestellt 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 Glasfasern verlustarm mit erreichbaren Platzierungstoleranzen an einen Wellenleiter anzukoppeln.
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Um das oben genannte Ziel zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung eine optische Vorrichtung zur bidirektionalen Ankopplung eines Wellenleiters an ein externes Medium bereit. Die optische Vorrichtung umfasst gemäß Oberbegriff zumindest eine Taper-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 ist, den Lichtstrahl aus der Ebene des Wellenleiters heraus abzulenken.
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Die Ankopplung des Wellenleiters an das externe Medium kann insbesondere bidirektional erfolgen. Da der Strahlengang eines Lichtstrahls umkehrbar ist, bedeutet bidirektional im Zusammenhang 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 derart eingerichtet ist, den Lichtstrahl aus dem externe Medium in die Taper-Struktur einzukoppeln, wobei der Lichtstrahl defokussiert wird, wobei die Taper-Struktur weiterhin zwischen dem Strahlenausgangssegment und dem Strahleneingangssegment zumindest eine erste Reflexionsfläche umfasst, wobei die erste Reflexionsfläche derart eingerichtet ist, den vom Strahlenausgangssegment kommenden Lichtstrahl in die Ebene des Wellenleiters hinein abzulenken. Das Strahleneingangssegment der zuvor beschriebenen optischen Vorrichtung ist derart eingerichtet, den Lichtstrahl aus der Taper-Struktur in den Wellenleiter einzukoppeln.
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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 umkehrbar 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 direktem 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 Reflexionsfläche ausgenutzt.
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Die optische Vorrichtung verwendet keine wellenlängenselektiven (insbesondere diffraktiven) Elemente. Daher ist die Kopplungsbandbreite sehr breit und ein weites Spektrum an Wellenlängen 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 Interferenzphänomene limitiert und bietet daher eine enorme Bandbreite. Weiterhin ist die optische Vorrichtung Plattform- sowie Polarisationsunabhängig und kann zur Ankopplung beispielsweise an beliebige Wellenleiter verwendet werden, was enorme Flexibilität mit sich bringt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die erste Reflexionsfläche eine Totalreflexionsfläche ist. Die Totalreflexion hat den Vorteil, dass sie eine verlustfreie Strahlablenkung erlaubt.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Höhe der Taper-Struktur im Bereich des Strahleneingangssegments kontinuierlich verjüngt ist, während die Breite konstant gehalten ist, wodurch ein Hohlleiterbereich gebildet ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schließt sich an das Strahleneingangssegment ein im Wesentlichen kegelförmiger oder pyramidenförmiger Bereich an, wobei sich die Breite und die Höhe des kegelförmigen oder pyramidenförmigen Bereichs linear vergrößern.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schließt sich an den kegelförmigen oder pyramidenförmigen Bereich das Strahlenausgangssegment an, wobei das Strahlenausgangssegment einen im Wesentlichen gewölbten Bereich umfasst, wobei der im Wesentlichen gewölbte Bereich die zumindest erste Reflexionsfläche umfasst.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Taper-Struktur zumindest eine weitere Reflexionsfläche.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Strahlenausgangssegment 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 Vorrichtungen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das externe Medium eine optische Faser oder ein Mikroskopobjektiv.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Wellenleiter ein planarer Wellenleiter.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Wellenleiter auf einem Substrat angeordnet.
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Erfindungsgemäß ist der Wellenleiter als freistehender Wellenleiter-Arm ausgebildet. Durch den freistehenden Wellenleiter-Arm kann durch die Verstellung des Neigungswinkels des Wellenleiter-Arms simultan der Ausgangswinkel der optischen Vorrichtung eingestellt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Taper-Struktur aus einem Polymer gebildet.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die optische Vorrichtung mittels 3D Druck insbesondere mittels direktem Laserschreiben hergestellt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Wellenleiter Teil eines Wellenleiterarrays.
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Es zeigen:
- 1 eine nicht erfindungsgemäße schematische Darstellung einer optischen Vorrichtung zur bidirektionalen Ankopplung eines Wellenleiters an ein externes Medium gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 2 eine nicht erfindungsgemäße schematische Darstellung eine optische Vorrichtung zur bidirektionalen Ankopplung eines Wellenleiters an ein externes Medium gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
- 3 eine schematische Draufsicht eines Wellenleiterarrays mit einer Vielzahl von Wellenleitern und optischen Vorrichtungen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 4 eine schematische Darstellung eine optische Vorrichtung zur bidirektionalen Ankopplung eines Wellenleiters an ein externes Medium gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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1 ist eine nicht erfindungsgemäße schematische Darstellung einer optischen Vorrichtung 1 zur bidirektionalen Ankopplung eines Wellenleiters 7 an ein externes Medium 6 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. 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 Strahleneingangssegment 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 bidirektional erfolgen. Da bei der optischen Vorrichtung 1 der Strahlengang des Lichtstrahls 5 umkehrbar 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 Lichtstrahl 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 1 gezeigten Ausführungsbeispiel einen kegelförmigen oder pyramidenförmigen Bereich 10. Das Strahlenausgangssegment 4 umfasst dabei einen im Wesentlichen gewölbten Bereich 11, wobei der gewölbte Bereich 11 eine erste Reflexionsfläche 8 umfasst. Wie in 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 danach auf die Reflexionsfläche 8, an der Totalreflexion stattfindet. Dadurch wird die Strahlrichtung 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.
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Die Taper-Struktur 2 wirkt zum einen als Modentransformator, der die sehr kleine Mode eines Wellenleiters 7 an die breite Strahlform optischer Glasfasern oder Mikroskope 6 anpasst. Andererseits erlaubt die optische Vorrichtung 1 es, eine Strahlablenkung aus der Ebene zu erreichen, 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 Strahleneingangssegment 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 Winkel 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.
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Der Wellenleiter kann beispielsweise aus Siliziumnitrid hergestellt sein. Das Strahleneingangssegment 4 kann beispielsweise aus einem Polymer bestehen und einen Polymer-Wellenleiter umfassen. Am Anfang des Strahleneingangssegments 4 wird für die Einkopplung des Lichtstrahls 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 µm breite Siliziumnitrid-Wellenleiter 7 ist linear nach unten verjüngt, während die Höhe des Polymer-Wellenleiters 4 kontinuierlich auf schließlich 1 µm verjüngt wird, während die Breite auf 1 µm 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-Wellenleiters 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 Rayleigh-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 Reflexionsfläche 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.
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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.
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Zusätzlich ist die Kopplungseffizienz unabhängig von der Polarisation des einfallenden Lichtes. Dies bedeutet, dass die optische Vorrichtung im Gegensatz zu herkömmlichen Gitterkopplern Licht beider üblichen Polarisationen (TE und TM) mit der gleichen Effizienz einkoppeln kann, solange der anschließende Wellenleiter diese ebenfalls unterstützt.
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Über die freie Wahl des Einfallwinkels kann die optische Vorrichtung 1 an beliebige Faseranordnungen 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 polierte Faserfacetten, die unter Winkeln angeschliffen sind um Rückreflexionen zu vermeiden, kann ebenfalls ein optimaler Kopplungswinkel gewählt werden. Auch kann unter flachen Winkeln eingekoppelt werden, wenn die Faser nahe der Chipoberfläche geführt werden soll.
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Die Form der Taper-Struktur 2 der optischen Vorrichtung 1 ermöglicht den Einsatz von Totalreflexion für die Strahlumlenkung in einem integrierten Bauteil. Damit kann direkt aus beliebigen Winkeln (und insbesondere vertikal) an Wellenleiter gekoppelt werden, was ein wesentlicher 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.
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Weiterhin ist das Konzept mechanisch stabil und robust gegenüber Erschütterungen oder externen Störeinflüssen bei der Verwendung auf einem Chip 16.
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2 zeigt eine nicht erfindungsgemäße schematische Darstellung einer optische Vorrichtung 1 zur bidirektionalen Ankopplung eines Wellenleiters 7 an ein externes Medium 6 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. 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.
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3 zeigt eine schematische Draufsicht eines Wellenleiterarrays 13 mit einer Vielzahl von Wellenleitern 7 und optischen Vorrichtungen 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Über Markersuche und Alignment können viele optische Vorrichtungen 1 an Wellenleiterarrays 13 angesetzt werden und damit eine große Anzahl an Bauelementen optisch angesprochen werden. Die optische Vorrichtung 1 ist skalierbar und kann über skalierbare Fertigungsmethoden 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 Wellenleiterkanäle 7 ermöglicht.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer optischen Vorrichtung 1 zur bidirektionalen Ankopplung eines Wellenleiters 7 an ein externes Medium 6 gemäß einem Ausführungsbeispiel 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 kombiniert werden. Durch die Fixierung der optischen Vorrichtung 1 an den Wellenleiter 7 kann der Koppler durchstimmbar im Emissionswinkel gemacht werden. Beispielsweise ist in 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 freistehenden Wellenleiter 14 befestigt. Dieser freistehende Wellenleiter-Arm 14 kann mechanisch beispielsweise mit Hilfe von Elektroden bewegt werden. Durch die Verstellung des Neigungswinkels des Wellenleiters 14 kann dann simultan der Ausgangswinkel der optischen Vorrichtung 1 eingestellt werden. Dies ermöglicht den Einsatz für Beam-Steering und Lidar-Anwendungen. Ebenfalls wird dadurch der Einsatz in Phase-Arrays und kollektiven Emittern ermöglicht.
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Die Arbeiten, die zu dieser Erfindung geführt haben, wurden von der Europäischen Union (H2020-EU.1.1.) unter der Fördervereinbarung Nr. 724707 (PINQS) finanziert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- optische Vorrichtung
- 2
- Taper-Struktur
- 3
- Strahleneingangssegment
- 4
- Strahlenausgangssegment
- 5
- Lichtstrahl
- 6
- externes Medium
- 7
- Wellenleiter
- 8
- erste Reflexionsfläche
- 9
- zweite Reflexionsfläche
- 10
- kegelförmiger oder pyramidenförmiger Bereich
- 11
- gewölbter Bereich
- 12
- Substrat
- 13
- Wellenleiterarray
- 14
- freistehender Wellenleiter-Arm
- 15
- Medium
