光场的光耦合和模式选择性分离或叠加制造技术

本发明专利技术涉及一种用于光耦合和用于光场的模式选择性分离或叠加的装置、其用途以及用于产生基于波导的光耦合元件(10)的方法，该基于波导的光耦合元件设计为用于在光学组件(400)的另外的光耦合点(410)处模式选择性分离或叠加光场。该装置包括至少一个具有至少三个光耦合点(100、370、380)的基于波导的光耦合元件(10)，以及具有至少一个另外的光耦合点(410)的至少一个光学组件(400)，其中至少一个光耦合点(100、370、380)光学连接到至少一个另外的光耦合点(410)，并且其中基于波导的光耦合元件(10)设计成在与第一光耦合点(100)和第二光耦合点(370)相关联的本征模(120、260)之间以及与第一光耦合点(100)和第三光耦合点(380)相关联的本征模(130、280)之间高效且双向地传输光。输光。输光。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光场的光耦合和模式选择性分离或叠加


[0001]本专利技术属于集成光子学和微光学领域，尤其涉及微光学和纳米光学系统，其中光通过光耦合点在各种光学元件之间传输或在自由空间伸展段和光学元件之间传输。具体地，本专利技术涉及用于光耦合和用于光场的模式选择性的分离或叠加的装置及其用途，以及制造基于波导的光耦合元件的方法，该光耦合元件配置用于在光学组件部分的光耦合点处进行模式选择性分离或叠加。

技术介绍

[0002]集成光学或微光学系统的功能通常决定性地取决于要传输的光在各个光耦合点是否具有一定的空间分布和偏振；例如，用于获得高耦合效率，在基于波导的组件的情况下用于促进某些波导模式的有效激发，或者用于将组件发射的光转换为自由空间中所需的场分布。在这种情况下，光的分布和偏振一般用矢量模场来描述，它包括矢量电场E(x,y)的空间分布和矢量磁场H(x,y)的空间分布。
[0003]根据现有技术，通常使用离散的光学元件来调整模场的强度分布，光学元件诸如透镜、梯度折射率光纤、曲面镜或其他折射、衍射或反射光学元件。相比之下，偏振操纵的光学元件，例如偏振滤波片或双折射光学元件(尤其是半波片或四分之一波片)，或合适的光纤(例如，保偏光纤)通常用于设置电场和磁场的场矢量的方向。在许多实际应用中，这些元件需要适当地相互组合，特别是为了在光学元件的光耦合点处获得所需的矢量模场分布。首先，这导致相对较大的布置，其安装空间通常比相关的光学组件的安装空间大数倍。此外，各个分立的光学元件必须相对于彼此非常精确地对准，并且相对于光学组件的光耦合点非常精确地对准。这通常需要耗时且昂贵的调整方法，特别是在定位过程期间连续测量和优化光学耦合效率的主动调整方法。这种调整方法应用复杂，仅适用于光学或微光学系统的批量产生。
[0004]当来自自由空间、来自光纤或来自光学组件部分的光旨在耦合到另一个元件的单模波导的，尤其由偏振方向限定的特定模式中时，该问题尤其出现。在轴向均匀的波导(即在传播方向上具有不变的横截面轮廓的波导)的情况下，术语“波导模式”表示电磁场的一种形式，这种形式不改变传播期间在轴向上的横向空间依赖性。波导模式可以具有下限频率，在相应的波导中引导模式降至该频率，然而不再可能引导至更低的频率。“基本模式”表示与相同模式族的其他模式相比具有最低极限频率的波导模式，模式族例如由偏振确定。在阶梯轮廓波导的情况下，基本模式的区别在于：属于模场的横向强度分布在波导中心的区域中具有单个最大值，否则横向强度分布中没有零点。
[0005]在许多情况下，引导的波导模式可以根据它们的偏振状态被细分为两个不同的模式族，该模式族尤其被称为“横电”(“TE”)或“横磁”(“TM”)。在这种情况下，可以为每个模式族确定具有最低极限频率的场分布，因此存在具有不同偏振状态的两个基本模式。下面，“单模波导”被理解为是指用于电磁辐射的波导，其中至多两个具有不同偏振的相互正交的基本模式能够在工作频率下沿波导轴线传播。波导模式的术语“偏振”或“偏振方向”描述了
属于该波导模式的电场矢量的方向，其中经常使用在许多情况下占主导地位的电场横向分量的方向。
[0006]在具有连续或离散旋转对称形式(例如圆形或方形形式)的横截面的波导的情况下，经常出现简并或几乎简并的波导模式，这些波导模式具有相同或相似的传播常数，并且其模场能够通过适当的旋转而完全或近似地相互转换。此外，在简并模或几乎简并模的情况下，两个模场的任何线性组合都将以与初始模式相同的传播常数沿轴向传播，并且在此过程中将完全或大致保持其横向场分布。两个简并或几乎简并波导模的叠加的偏振特性可以通过相关的偏振状态来描述——其方式类似于自由空间中平面波的叠加。当在它们之间耦合各种光学元件或当它们连接到光纤时，也可能发生这种情况，特别是当来自第一单模或多模波导的具有不同偏振的两个简并或几乎简并模的光必须耦合到另外两个具有非简并的本征模的单模或多模波导中时，在提到的后面两个波导中的每一个中仅激发相应的本征模。例如，当耦合来自具有旋转对称的横截面轮廓光纤(例如标准单模光纤)的光时就是这种情况，由此将不同偏振的模式简并为集成光学芯片上的强双折射波导的基本模式(通常称为TE或TM)。
[0007]US 7127131B2公开了一种集成光学偏振分束器，其在平面半导体衬底上使用平面微结构化方法由其中被称为“芯层”的多个层制造。因此，该结构不仅需要相对复杂的产生过程，该过程包含具有高重叠精度的至少两个层的加工，而且还受到由平面构造的结构几何形状的限制，结构几何形状通常是具有平行的底面和顶面近似棱柱状的部分结构，其中所有波导或部分波导的中心线位于同一平面内或相互平行的平面内。这限制了功能，例如导致两个分离的模的不对称损失。此外，其中描述的组件仅适用于分离光学芯片上的两个偏振。
[0008]US 7228015B2公开了一种集成光波导，其导致在其中传播的光场的偏振旋转90
°
。它同样由多个称为“芯层”的离散层构成，由此只能粗略地近似其理想形式，该理想形式的光波导具有沿其纵轴扭曲的矩形横截面。因此，它同样受到由平面构造的结构几何形状的限制，结构几何形状近似棱柱状的部分结构具有平行的底面和顶面，其中所有波导的中心线位于共同平面或相互平行的平面中。它还需要复杂的产生工艺，该工艺通过重复应用传统的微结构化方法，特别是通过使用平面结构化掩模和各向异性蚀刻工艺来处理各个层。
[0009]Watts等人在Polarization splitting and rotating through adiabatic transitions,Integrated Photonics Research,A.Sawchuk,ed.,Vol.91of OSA Trends in Optics and Photonics,2003中描述了一种集成光学结构，该结构结合了US7127131B2中公开的偏振分束器和US7228015B2中公开的偏振旋转装置。因此，它基本上受到与相关部分结构相同的限制。由多个离散层实施制成，这些层被施加到平面半导体衬底并且使用传统的平面微结构化方法进行处理。
[0010]Schumann等人在Hybrid 2D
‑
3D optical devices for integrated optics by direct laser writing,Light Science and Applications,Vol.3,No.6,2014中公开了通过3
‑
D光刻在芯片表面上制造的聚合物波导，所述聚合物波导沿其纵轴具有扭曲，从而允许偏振旋转。其中描述的结构仅用于使光学芯片上的两个Si3N4波导互连。
[0011]Hahn等人在Polarizing beam splitter integrated onto an optical fiber facet,Optics Express,Vol.26,No.25,2018中描述了通过3
‑
D光刻在光纤的刻面上制造的
偏振分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于光耦合和光场的模式选择性分离或叠加的装置，其包括：
‑
具有至少三个光耦合点(100、370、380)的基于波导的光耦合元件(10)，基于波导的光耦合元件(10)包括芯部区域和与芯部区域相邻的包层区域，在芯部区域和包层区域之间出现至少0.05的折射率差，基于波导的光耦合元件(10)设计为三维的自由形状结构的形式，自由形状结构大致为由至少六层组成的分层结构，由此ο至少一个第一光耦合点(100)具有分配给第一光耦合点(100)的至少两个不同的引导的本征模(120、130)，ο至少一个第二光耦合点(370)具有分配给第二光耦合点(370)的至少一个引导的本征模(260)，以及ο至少一个第三光耦合点(380)具有分配给第三光耦合点(380)的至少一个引导的本征模(280)，
‑
至少一个光学组件部分(400)，其具有至少一个另外的光耦合点(410)；其中基于波导的光耦合元件(10)的光耦合点(100、370、380)中的至少一个光学连接到光学组件部分(400)的至少一个另外的光耦合点(410)，并且其中，基于波导的光耦合元件(10)配置为高效地双向传输光ο在分配给第一光耦合点(100)的至少一个第一引导的本征模(120)和分配给第二光耦合点(370)的至少一个引导的本征模(260)之间，并且ο在分配给第一光耦合点(100)的至少一个第二引导的本征模(130)和分配给第三光耦合点(380)的至少一个引导的本征模(280)之间。2.根据前述权利要求所述的装置，其中所述第二光耦合点(370)和所述第三光耦合点(380)中的至少一个耦合到另外的光学组件部分(430、440)。3.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述第二光耦合点(370)和所述第三光耦合点(380)在空间上彼此分离，并且其中所述基于波导的光耦合元件(10)配置为将存在于第一光耦合点(100)的光输入场分离成不同偏振的部分场，并在第二光耦合点(370)和第三光耦合点(380)输出包括部分场的耦合光信号，或者其中基于波导的光耦合元件(10)设计成叠加光信号，所述光信号是在第二光耦合点(370)和第三光耦合点(380)处耦合的不同偏振输入的空间重叠的部分场的形式，并且在第一光耦合点(100)处提供所述叠加。4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述基于波导的光耦合元件(10)配置为将分配给所述第一光耦合点(100)的至少两个引导的本征模(120、130)分离成不同的偏振并且随后使分离的本征模(120、130)的一个偏振方向旋转，以便于将偏振方向对准分配给第二光耦合点(370)的至少一个引导的本征模(260)和分配给第三光耦合点(380)的至少一个引导的本征模(280)。5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述基于波导的光耦合元件(10)包括至少两个部分波导，部分波导布置成靠近在一起或在第一区域(600)中以空间相交的方式布置，部分波导，当彼此隔离考虑时，至少部分地具有强解耦的本征模，并且部分波导在第二区域(610)中空间不相交。6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述基于波导的光耦合元件(10)包括：
‑
至少一个第一波导区域(200)，其邻接第一光耦合点(100)并且其中第一波导横截面
(110)被连续地转换成包括两个波导横截面(230、240)的叠加的第二波导横截面(220)，两个波导横截面(230、240)分别具有强解耦的本征模(250、260、270、280)，分配给第一光耦合点(100)的至少两个引导的本征模(120、130)彼此正交地布置在第一波导横截面(110)中，或者从第一波导横截面(110)分配给第一光耦合点(100)的至少两个引导的本征模(120、130)的两个相互正交的线性组合被转换成强引导的本征模(260、280)；和
‑
至少一个第二波导区域(300)，其邻接第一波导区域(200)，并且第二波导区域(300)中最初重叠的波导横截面(230、240)被引导分开成限定第二光耦合点(370)和第三光耦合点(380)的不相交的横截面(330、314)。7.根据前述权利要求所述的装置，其中将所述第一波导区域(200)中的第一波导横截面(110)转换成第二波导横截面(210)是通过沿着光的传播方向的横截面的连续变形来实现的。8.根据前述两项权利要求中任一项所述的装置，其中所述波导横截面(230、240)分别形成具有至少1.5的纵横比的简单连接区域。9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中
‑
第一光耦合点(100)直接地或通过另外的波导段或光束成形元件间接地光学耦合到具有低指数差异和简并或几乎简并的正交本征模的波导或者光纤(400)；和/或
‑
其中第二光耦合点(370)或第三光耦合点(380)直接地或通过另外的波导段或光束成形元件间接地光学耦合到具有高指数差异和强解耦的正交本征模的波导或者基于半导体的集成...

【专利技术属性】
技术研发人员：A，
申请(专利权)人：卡尔斯鲁厄技术研究所，
类型：发明
国别省市：