Gitter und Koppler

Herstellung von Gitterkopplern durch direkte Laserablation

Zur Einkopplung von Laserstrahlen in Dünnschichtwellenleiter auf planaren Substraten werden häufig Gitterkoppler verwendet. Zur Herstellung der hochfrequenten Gitter verwenden wir ein F2-Laserbearbeitungssystem bei einer Wellenlänge von 157 nm. Die extrem kurze Wellenlänge ermöglicht eine präzise Strukturierung von transparenten Substraten wie Glas oder Quarzglas, wie sie in Life-Science- Anwendungen vielfach erforderlich sind.

Der Laserprozess erlaubt eine flexible Wahl von Substratmaterial, Gitterparametern und Layout und somit eine flexible Adaption der Gitterkoppler an spezielle Anwendungen. So kann beispielsweise die spektrale Akzeptanzbreite der Gitter an die spektrale Breite von Ultrakurzpulslasern angepasst werden, z.B. für Fluoreszenz Anwendungen mit Zwei-Photonen-Anregung.

 

FEM Simulation der Koppeleffizienz

Theoretische Überlegungen zeigen, dass mit Gitterkopplern prinzipiell eine maximale Effizienz im Bereich von 80% erzielt werden kann. In der Praxis werden derartige Werte aber in der Regel nicht erreicht. Um die Effizienz der Gitterkoppler in spezifischen Anwendungen vorhersagen zu können, und um eine Optimierung der Geometrie und der Gitterparameter zu ermöglichen, wird der Kopplungsprozess mit Finite-Elemente-Methoden (FEM ) simuliert und analysiert.

Zum Beispiel hängen optimale Position und optimaler Durchmesser des zu koppelnden Laserstrahls von der Modulationstiefe des Gitters ab. Um eine möglichst effiziente Einkopplung zu erreichen, ist im Falle eines flachen Gitters ein größerer Strahldurchmesser erforderlich als im Falle eines tiefen Gitters. Darüber hinaus ist die Effizienz in der Regel größer, wenn der Anregungsstrahl von der Substratseite auf den Gitterkoppler trifft als wenn der Strahl von der Luftseite aus einfällt.

 

Direkte Faser-Wellenleiter-Kopplung mit externem Gitter

Viele Anwendungen von Dünnschichtwellenleitern würden sehr von einem einfachen und effizienten Verfahren zur Kopplung von Licht aus einer optischen Faser in einen planaren oder Streifenwellenleiter profitieren. Eine mögliche neue Lösung zur Kopplung zwischen Single-Mode Faser und Wellenleiter ergibt sich aus der Verwendung von externen Gittern, die entweder auf die Endfläche einer kollimierenden Mikrolinse strukturiert oder unmittelbar auf der Austrittsfläche der optischen Faser hergestellt werden. Die Gitter, die z.B. durch direkte Laserbearbeitung hergestellt werden können, erzeugen eine effektive Indexmodulation auf der Oberfläche des Wellenleiters und bewirken somit eine Kopplung zum Wellenleiter. Die externen Koppler können mehrfach wiederverwendet werden und machen konventionelle interne Koppelgitter, die für einen wesentlichen Teil der Produktionskosten verantwortlich sind und teilweise Einschränkungen im Design der Wellenleiterchips mit sich bringen, überflüssig. Externe Koppler sind daher besonders in Verbindung mit Ein-Weg Wellenleitern für Biosensor Anwendungen geeignet.

 

Die Effizienz der externen Koppler kann durch FEM-Simulationen des Kopplungsprozesses untersucht werden. Im Falle der direkten Faser-Wellenleiter-Kopplung ist die Kopplungslänge durch die Größe des Modenfeldes auf etwa zehn Gitterperioden eingeschränkt. Die maximale Effizienz ist dadurch in der Regel auf Werte unter 10% beschränkt. Auf der anderen Seite zeigt dieses Kopplungsschema eine breite Winkelresonanz und erlaubt eine entsprechend breite spektrale Einkopplung. Durch die Verwendung einer Kollimatorlinse mit einem externen Gitter wird die Kopplungslänge deutlich erhöht. In diesem Fall zeigen die FEM-Simulationen, dass mit der neuen Technik ähnliche Koppeleffizienzen wie mit konventionellen, internen Gitterkopplern erreicht werden können. Eine große Gittertiefe und ein kleiner Abstand zwischen externem Gitter und Wellenleiteroberfläche sind dabei von wesentlicher Bedeutung.

 

Unter Verwendung einer kollimierenden GRIN-Linse, versehen mit einem Koppelgitter mit 500 nm Periode, hergestellt auf der polierten Endfläche durch direkte Laserablation mit 157 nm Wellenlänge, konnte experimentell eine Koppeleffizienz von 13% errreicht werden.

 

Weiterführende Informationen:

T. Fricke-Begemann, J. Ihlemann:
Direct light-coupling to thin-film waveguides using a grating-structured GRIN lens
Optics Express 18, 19860 (2010)

T. Fricke-Begemann, J. Ihlemann:
Coupling to planar and strip waveguides, In: Planar Waveguides and other Confined Geometries, G. Marowsky, Ed. Springer Series in Optical Sciences 189 (2014)

Regeln

Nur Wörter mit 2 oder mehr Zeichen werden akzeptiert.
Maximal 200 Zeichen insgesamt.
Leerzeichen werden zur Trennung von Worten verwendet, "" kann für die Suche nach ganzen Zeichenfolgen benutzt werden (keine Indexsuche).
UND, ODER und NICHT sind Suchoperatoren, die den standardmäßigen Operator überschreiben.
+/|/- entspricht UND, ODER und NICHT als Operatoren.
Alle Suchwörter werden zu Kleinschreibung konvertiert.


Laser-Laboratorium Göttingen e.V. (LLG)

Ansprechpartner:

Abteilungsleiter
Dr. Peter Simon
"Kurze Pulse / Nanostrukturen"

Tel.: +49(0)551/5035-21
FAX: +49(0)551/5035-99
peter.simon(at)llg-ev.de

Ansprechpartner für
Nanostrukturtechnologie:

Dr. Jürgen Ihlemann
Tel.: +49(0)551/5035-44
FAX: +49(0)551/5035-99
juergen.ihlemann(at)llg-ev.de