Hocheffiziente Gitterkoppler

Die Standard-Schnittstelle zwischen Glasfasern und integrierten photonischen Schaltungen

Gitterkoppler stellen heutzutage die Standard-Schnittstelle zwischen Glasfasern und integrierten photonischen Schaltungen dar. Dabei kommt es vor allem auf eine hohe Koppeleffizienz an. Aber auch die Frage der Polarisationsabhängigkeit und der optischen Koppelbandbreite sind wichtige Aspekte, die am INT untersucht werden.

Detailansicht eines aperiodischen Gitterkopplers
Detailansicht eines aperiodischen Gitterkopplers

Hocheffiziente Gitterkoppler

Für eine effiziente Glasfaser-Chip-Kopplung muss das gaußglockenförmige Strahlprofil der Glasfaser mit ca. 10 µm Durchmesser in das Modenprofil eines rechteckförmigen Wellenleiters mit ca. 250 nm x 400 nm übergeführt werden.

Im einfachsten Fall geschieht das über eine periodische Gitterstruktur mit einer Grundfläche von ca. 15 µm x 15 µm, die das Licht aus der Faser zunächst in die horizontale Wellenleiterebene beugt. Auf das Gitter folgt ein Taper, der den Wellenleiter von 15 µm auf 400 nm Breite verjüngt.

Der erste Schritt, die Effizienz zu erhöhen, besteht darin, das Modenprofil des Gitterkopplers besser an das Faserprofil anzupassen, indem das Gitter nicht mehr streng periodisch ausgeführt wird. Mit Hilfe eines am INT entwickelten Algorithmus wird die Steg- und Grabenbreite des Kopplers hinsichtlich der Effizienz optimiert.

Bei der Beugung am Gitter liegen höhere Beugungsordnungen außerhalb des Akzeptanzwinkels des Wellenleiters und werden normalerweise durch den Koppler hindurch ins Substrat abgestrahlt.

Durch eine rückseitige Verspiegelung werden diese Verluste deutlich verringert, wenn das am Spiegel reflektierte Licht konstruktiv mit dem direkt eingestrahlten Licht interferiert.

Teststruktur mit rückseitig verspiegelten Gitterkopplern
Teststruktur mit rückseitig verspiegelten Gitterkopplern

Fokussierende Gitterkoppler

Die Standard-Gitterkoppler mit einer Breite von ca. 15 µm müssen über Taperstrukturen an den eigentlichen Wellenleiter mit ca. 400 nm Breite angeglichen werden. Um den Übergang möglichst verlustarm zu machen, sind die Taper sehr lang (typ. 400 µm), was einen erheblichen Platzbedarf bedeutet.

Die Stege und Gräben des Beugungsgitters können auch gekrümmt ausgeführt werden, so dass die gebeugte Wellenfront auf einen Fokuspunkt zuläuft. Dadurch kann der Taper mit ca. 10 µm Länge wesentlich kürzer ausfallen, da bereits durch die fokussierte Wellenfront eine Verengung des Modenquerschnitts erfolgt.

Fokussierende Gitterkoppler mit Wellenleiterverbindung (oben) und herkömmlicher Gitterkoppler mit Taper (unten).
Fokussierende Gitterkoppler mit Wellenleiterverbindung (oben) und herkömmlicher Gitterkoppler mit Taper (unten).

Breitbandige Gitterkoppler

Gitterkoppler erreichen ihre maximale Koppeleffizienz nur bei einer bestimmten Wellenlänge. Zu längeren und kürzeren Wellenlängen hin nimmt die Effizienz deutlich ab. Ein Gitterkoppler wird daher neben seiner maximalen Koppeleffizienz auch durch die 1 dB- oder 3 dB-Bandbreite charakterisiert.

Bei den am INT entwickelten hocheffizienten Kopplern liegen die 1 dB-Bandbreiten im Bereich von 35 nm. Für viele Anwendungen ist es aber vorteilhaft, wenn die Koppler einen möglichst konstanten Verlauf der Koppeleffizienz über einen wesentlich größeren Bereich hätten. Daher werden Gitterkoppler auch speziell auf diese Eigenschaft optimiert.

Elektro-optisch abstimmbarer Gitterkoppler
Elektro-optisch abstimmbarer Gitterkoppler

Abstimmbare Gitterkoppler

Mithilfe von elektro-optischen Effekten kann die Abstrahlcharakteristik der Gitterkoppler beeinflusst werden. Dadurch ergeben sich bei einer Wellenlänge unterschiedliche Hauptabstrahlwinkel, die über eine Spannung eingestellt werden können. Werden diese Koppler in einer Gitterkoppler-Glasfaser-Schnittstelle verwendet, kann durch eine Spannung die Koppeleffizienz bei einer ausgewählten Wellenlänge maximiert werden. Genutzt werden zu diesem Zweck beispielsweise Heizelemente in Verbindung mit dem thermo-optischen Effekt in Silizium.

Polarisationsteilende Gitterkoppler

In der optischen Nachrichtentechnik wird häufig das Polarisationsmultiplexverfahren genutzt, um die Datenrate auf einer Faser zu verdoppeln. Dazu werden die beiden Datenkanäle auf zwei orthogonale Polarisationszustände derselben Träger-Wellenlänge aufmoduliert. Im Empfänger müssen die beiden Polarisationszustände wieder getrennt werden.

Polarisationsteilender Gitterkoppler
Polarisationsteilender Gitterkoppler: Wird ein optisches Signal mit einer bestimmten Polarisation eingestrahlt wird eine TE-artige Wellenleitermode im Wellenleiter angeregt und breitet sich in die eine Richtung aus. Optische Faser-Signale mit einer dazu orthogonalen Polarisation regen eine TM-artige Wellenleitermode an und breiten sich in die entgegengesetzte Richtung aus.

Übliche Gitterkoppler haben bei einer Eingangspolarisation eine hohe Koppeleffizienz, die jeweils andere Polarisation wird nahezu nicht eingekoppelt. Die Leistung ist damit verloren. Bei entsprechender Dimensionierung des Gitters kann jedoch erreicht werden, dass beide Polarisationen effizient eingekoppelt werden, wobei die Ausbreitungsrichtungen im Wellenleiter dann entgegengesetzt sind. Dadurch werden die beiden Polarisationsrichtungen räumlich auf zwei Wellenleiter aufgeteilt, wobei sich im einen Wellenleiterabschnitt eine TE-Welle ausbreitet und im anderen eine TM-Welle.

Periodischer 2D-Gitterkoppler
Periodischer 2D-Gitterkoppler

Eine weitere Variante sind Gitter, die eine periodische Strukturierung in zwei Raumrichtungen aufweisen und daher auch als zweidimensionale Gitter, kurz 2D-Gitter, bezeichnet werden. Hier werden die beiden Eingangspolarisationen in Wellenleiter gebeugt, die um ca. 90° zueinander versetzt sind. Dadurch breiten sich in beiden Wellenleitern TE- (oder TM-) Wellen aus. Das hat den Vorteil, dass bei den weiterführenden integrierten Elementen nicht mehr nach Polarisation unterschieden werden muss.

Fokussierender 2D-Gitterkoppler
Fokussierender 2D-Gitterkoppler

Die 2D-Gitterkoppler können, genau wie die Standard-Gitterkoppler, durch eine aperiodische Strukturierung optimiert und fokussierend ausgeführt werden.

Publikationen

  1. 2017

    1. M. Félix Rosa, P. De La Torre Castro, N. Hoppe, L. Rathgeber, W. Vogel, and M. Berroth, “Novel design of two-dimensional grating couplers with backside metal mirror in 250 nm silicon-on-insulator,” in International Conference on Numerical Simulation of Optoelectronic Devices (NUSOD), Copenhagen, Denmark, 2017, pp. 81--82.
  2. 2014

    1. W. Sfar Zaoui, M. Berroth, F. Letzkus, and J. Butschke, “High-efficient CMOS-compatible grating couplers with backside metal mirror,” EP2703858 B12014.
  3. 2013

    1. W. Sfar Zaoui, A. Kunze, W. Vogel, M. Berroth, J. Butschke, and F. Letzkus, “CMOS-Compatible Nonuniform Grating Coupler with 86% Coupling Efficiency,” in European Conference and Exhibition on Optical Communication (ECOC), London, UK, 2013, pp. 21--23.
  4. 2012

    1. W. Sfar Zaoui, M. Félix Rosa, W. Vogel, and M. Berroth, “Grating coupler serving as polarization beam splitter in silicon on insulator platform,” in Joint Symposium on Opto- and Microelectronic Devices and Circuits (SODC), Hangzhou, China, 2012, p. M07.
    2. W. Sfar Zaoui, M. Félix Rosa, W. Vogel, M. Berroth, J. Butschke, and F. Letzkus, “High-Efficient CMOS-Compatible Grating Couplers with Backside Metal Mirror,” in European Conference and Exhibition on Optical Communication  (ECOC), Amsterdam, The Netherlands, 2012, p. Tu.1.E.2.

Ansprechpartner

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Dipl.-Ing.

Niklas Hoppe

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

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M.Sc.

Lotte Nagy

Wissenschaftliche Mitarbeiterin

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M.Sc.

Christian Schweikert

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

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