JP2023529528A

JP2023529528A - 光結合および光学場のモード選択分離または重ね合わせ

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Publication number: JP2023529528A
Application number: JP2022561612A
Authority: JP
Inventors: ネシック、アレクサンダー; ブライヒャー、マティアス; コオス、クリスティアン
Original assignee: バンガードフォトニクスゲゼルシャフトミットベシュレンクテルハフツング
Priority date: 2020-04-09
Filing date: 2021-04-08
Publication date: 2023-07-11
Also published as: JP2025106350A; EP4133327A1; WO2021204933A1; CA3171814A1; DE102020204641A1; CN115413326A; US20230213703A1

Abstract

本発明は、光結合のためのおよび光学場のモード選択分離または重ね合わせのための装置、その使用、および光学部品部分（４００）のさらなる光結合点（４１０）における光学場のモード選択分離または重ね合わせのために設計されている導波路ベースの光結合素子（１０）を製造するための方法に関する。当該装置は、少なくとも３つの光結合点（１００、３７０、３８０）を有する少なくとも１つの導波路ベースの光結合素子（１０）と、少なくとも１つのさらなる光結合点（４１０）を有する少なくとも１つの光学部品部分（４００）とを備え、光結合点（１００、３７０、３８０）の少なくとも１つは、少なくとも１つのさらなる光結合点（４１０）に光学的に接続され、導波路ベースの光結合素子（１０）は、光を高効率で、および第１の光結合点（１００）および第２の光結合点（３７０）に関連付けられた固有モード（１２０、２６０）間、および第１の光結合点（１００）および第３の光結合点（３８０）に関連付けられた固有モード（１３０、２８０）間で双方向に伝達するように設計されている。

Description

本発明は、集積フォトニクスおよびマイクロオプティクスの分野に属し、特に、光が、光結合点によってさまざまな光学部品間または自由空間ストレッチと光学部品との間で伝達される、マイクロ光学系およびナノ光学系に関する。特に、本発明は、光結合のためのおよび光学場のモード選択分離または重ね合わせのための装置、およびその使用、ならびに光学部品部分の光結合点における光学場のモード選択分離または重ね合わせのために構成された導波路ベースの光結合素子を製造するための方法に関する。

集積光学系またはマイクロ光学系の機能性は、多くの場合、たとえば、高い結合効率を得るために、導波路ベースのコンポーネントの場合には特定の導波路モードの効率的な励起を促進するために、またはコンポーネントによって放出された光を自由空間内の所望のフィールド分布に変換するために、伝達される光が、それぞれの光結合点で特定の空間分布および偏光を有しているかどうかに決定的に依存する。この場合、光の分布および偏光は、概して、ベクトル電場Ｅ（ｘ，ｙ）の空間分布とベクトル磁場Ｈ（ｘ，ｙ）の両方を含む、ベクトルモードフィールドによって説明される。

先行技術によれば、モードフィールドの強度分布を調整するために、通常、レンズ、屈折率分布型ファイバ、曲面鏡、または他の屈折、回折、または反射光学素子などの、離散的な光学素子が使用される。対照的に、電場および磁場のフィールドベクトルの配向を設定するために、多くの場合、偏光操作光学素子、たとえば偏光フィルタまたは複屈折光学素子、とりわけ半波長板または四分の一波長板、または適切な光ファイバ（たとえば、偏光を維持する光ファイバ）が使用される。これらの素子は、特に光学部品部分の光結合点で所望のベクトルモードフィールド分布を得るために、多くの実際の用途において互いに適切に組み合わされる必要がある。第１に、これは比較的大きな装置となることにつながり、その設置スペースは、多くの場合、関連する光学部品部分の設置スペースより何倍も大きい。また、個々別々の光学素子は、互いに対して、および光学部品部分の光結合点に相対して非常に正確に位置合わせされなければならない。これには、多くの場合、位置決め手順中に光結合効率が継続的に測定され、最適化される、時間と費用のかかる調整方法、特に能動的調整方法が必要とされる。このような調整方法は、用途が複雑であり、光学系またはマイクロ光学系の大量生産に対する認定された適性を有しているだけである。

この問題は、特に、自由空間、光ファイバ、または光学部品部分からの光が、さらなるコンポーネントのシングルモード導波路の、とりわけ偏光方向によって定義される、特定のモードに結合されることを意図されている場合に発生する。軸方向に均質な導波路、つまり伝搬方向に不変の断面プロファイルを有する導波路の場合、「導波路モード」という用語は、軸方向の伝搬中に横方向の空間依存性を変化させない電磁場の形態を示す。導波路モードは、導波路モードがそれぞれの導波路内で導波されるが、導波がより低い周波数ではもはや不可能である、下限周波数を有し得る。「基本モード」は、同じモードファミリーの他のモードと比較して最低限界周波数を有する導波路モードを示し、モードファミリーは、たとえば偏光によって決定される。ステッププロファイルの導波路の場合、基本モードは、概して、モードフィールドに属する横方向の強度分布が導波路コアの領域に単一の最大値を有し、他に横方向の強度分布においてゼロがないという点で区別される。

多くの場合、導波された導波路モードは、それらの偏光状態に基づいて２つの異なるモードファミリーに細分化することができ、これらのモードファミリーは、特に「トランスバースエレクトリック」（「ＴＥ」）または「トランスバースマグネティック」（「ＴＭ」）と呼ばれる。この場合、モードファミリーの各々に対して、最低限界周波数を有するフィールド分布を決定することができ、そのため、偏光状態が異なる２つの基本モードが存在する。以下で、「シングルモード導波路」は、偏光が異なる多くても２つの相互に直交する基本モードが、動作周波数で導波路軸に沿って伝搬することができる、電磁放射用の導波路を意味すると理解される。導波路モードの「偏光」または「偏光方向」という用語は、この導波路モードに属する電場ベクトルの配向を説明し、多くの場合優位である、電場の横方向成分の方向が、しばしば使用される。

連続的または離散的な回転対称形状、たとえば円形または四角形を有する断面を備える導波路の場合、縮退したまたは実質的に縮退した導波路モードが多くの場合発生し、これらは同じまたは類似した伝搬定数を有し、それらのモードフィールドは、適切な回転によって正確にまたはおおよそ相互に変換される。さらに、縮退したモードまたは実質的に縮退したモードの場合、２つのモードフィールドの任意の線形結合が、軸方向に初期モードと同じ伝搬定数で伝搬し、そのプロセスで、その横方向のフィールド分布を完全またはほぼ維持する。２つの縮退したまたは実質的に縮退した導波路モードの重ね合わせの偏光特性は、自由空間内の平面波の重ね合わせに類似した方法で、関連する偏光状態によって説明することができる。さまざまな光学部品を相互に結合する場合、またはこれらを光ファイバにリンクさせる場合、特に、それぞれの固有モードのみが、いずれの場合も非縮退固有モードを有する２つのさらなるシングルモードまたはマルチモードの導波路の各々において励起されるように、異なる偏光の２つの縮退したモードまたは実質的に縮退したモードを有する第１のシングルモードまたはマルチモードの導波路からの光が、２つの上述した導波路に結合される必要があるケースが生じる可能性もある。例として、これは、集積光チップ上の強複屈折導波路の、しばしばＴＥまたはＴＭと呼ばれる、基本モードへの異なる偏光の回転対称の断面プロファイル、したがって縮退モードで、光ファイバ、たとえば標準的なシングルモードファイバからの光を結合する場合に当てはまる。

米国特許第７１２７１３１号明細書は、中で「コア層」と呼ばれる複数の層から平面微細構造化方法を使用して平面半導体基板上で製造される集積型偏光ビームスプリッタを開示している。したがって、当該構造は、高いオーバーレイ精度での少なくとも２つの層の処理を提供する、比較的複雑な製造プロセスを必要とするだけでなく、すべての導波路または部分導波路の中心線が共通の面または相互に平行な面に配置される、平行な基底面および上面を有する、平面の、多くの場合およそプリズム状の部分構造から構築された構造形状の制限を受ける。これによって、機能性が制限され、たとえば２つの分離されたモードの非対称の損失につながる。また、ここに記載されているコンポーネントは、光学チップ上の２つの偏光を分離することにしか適していない。

米国特許第７２２８０１５号明細書は、中に伝搬する光学場の偏光を９０°で回転させる集積光導波路を開示している。これは、「コア層」と呼ばれる複数の離散的な層から同様に構築され、それによって、その長手方向軸に沿ってねじられた長方形の断面を有する光導波路の理想的な形状は、大まかに近似させることしかできない。したがって、これは、同様に、すべての導波路の中心線が共通の面または相互に平行な面に配置される、平行な基底面および上面を有する、平面の、およそプリズム状の部分構造から構築された構造形状の制限を受ける。さらに、これには、従来の微細構造化方法を繰り返し適用することによって、特に平面構造化マスクおよび異方性エッチングプロセスを使用することによって、個々の層の処理を提供する複雑な製造プロセスが必要とされる。

Ｗａｔｔｓｅｔａｌ．，Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｓｐｌｉｔｔｉｎｇａｎｄｒｏｔａｔｉｎｇｔｈｒｏｕｇｈａｄｉａｂａｔｉｃｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｓ，ｉｎＩｎｔｅｇｒａｔ－ｅｄＰｈｏｔｏｎｉｃｓＲｅｓｅａｒｃｈ，Ａ．Ｓａｗｃｈｕｋ，ｅｄ．，Ｖｏｌ．９１ｏｆＯＳＡＴｒｅｎｄｓｉｎＯｐｔｉｃｓａｎｄＰｈｏｔｏｎｉｃｓ，２００３は、米国特許第７１２７１３１号明細書に開示された偏光ビームスプリッタと米国特許第７２２８０１５号明細書に開示された偏光回転手段とを組み合わせた集積光学構造について記載している。これは、したがって、関連する部分構造と同じ制約を実質的に受ける。製造は複数の個別の層から実施され、これらは、平面半導体基板に適用され、従来の平面微細構造化方法を使用して処理される。

Ｓｃｈｕｍａｎｎｅｔａｌ．，Ｈｙｂｒｉｄ２Ｄ－３Ｄｏｐｔｉｃａｌｄｅｖｉｃｅｓｆｏｒｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｏｐｔｉｃｓｂｙｄｉｒｅｃｔｌａｓｅｒｗｒｉｔ－ｉｎｇ，ＬｉｇｈｔＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｖｏｌ．３，Ｎｏ．６，２０１４は、３Ｄリソグラフィによってチップの表面上に製造されたポリマー導波路を開示し、上記ポリマー導波路はその長手方向軸に沿ってねじれを有し、それによって偏光の回転を可能にする。ここに記載されている構造は、光チップ上で２つのＳｉ₃Ｎ₄導波路を相互接続するために使用されるだけである。

Ｈａｈｎｅｔａｌ．，Ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇｂｅａｍｓｐｌｉｔｔｅｒｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｏｎｔｏａｎｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｆａｃｅｔ，ＯｐｔｉｃｓＥｘ－ｐｒｅｓｓ，Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．２５，２０１８は、３Ｄリソグラフィによって光ファイバのファセット上に製造された偏光ビームスプリッタについて記載している。偏光ビームスプリッタは、利用された光の真空波長の順序のグレーティング周期、またはより短いグレーティング周期を有するラメラグレーティング（ｌａｍｅｌｌａｒｇｒａｔｉｎｇ）を含み、これは、「サブ波長ラメラグレーティング」とも呼ばれる。ラメラグレーティングでは、「ＴＥ」と呼ばれる偏光を有する中に放射された光が、特定の次数の回折に結合され、一方で、「ＴＭ」と呼ばれる別の偏光が、ほとんど乱されずにグレーティングを通過する。

国際公開第９２／００１８５号は、高出力レーザからの光ビームをレンズに通して光構造化可能な材料に集束させることによって、焦点でのこの材料の光開始重合を達成するための光導波路の製造を開示している。焦点を光構造化可能な材料に通して移動させることによって作成された経路に沿って、重合した材料のストランドが製造され、ストランドは、周囲の材料本体よりも高い屈折率を有し、光導波路として機能することができる。多数の導波路ストランドを備える光導波路デバイスは、この方法を使用して製造することができる。

米国特許出願公開第２０１８／０３１４００５号明細書は、窒化ケイ素で作られた導波路コアを備え、入力光信号を異なる偏光の２つの導波路モードに分割するように構成されている平面集積偏光ビームスプリッタを開示している。しかし、この装置は、本出願で使用される自由形状構造に関して、米国特許第７１２７１３１号明細書および米国特許第７２２８０１５号明細書との関連で上記した制約を同様に有する、平面微細構造化方法によって製造された構造である。

米国特許第８９０３２０５号明細書および米国特許第９０３４２２２号明細書は、異なる光学部品を相互接続するために３Ｄリソグラフィを使用してターゲット位置で製造された光自由形状導波路を使用するための方法および装置を開示している。位置、形状、およびサイズの点で、自由形状導波路が、接続される光学部品部分の位置、形状およびサイズに容易に適合させることができるという事実は、ここで利用される。

本発明の目的
そこから進歩して、本発明の目的は、光結合のためのおよび光学場のモード選択分離または重ね合わせのための装置、装置の使用、ならびに光学部品の光結合点における、光学場のモード選択分離または重ね合わせのために構成された導波路ベースの光結合素子を製造するための方法を提供することであり、これらは、先行技術の欠点および制限を少なくとも部分的に克服する。

特に、本発明の目的は、光を光学部品部分に結合する、および／または２つまたはそれ以上の光学部品部分間で光を結合すると同時に、空間モードフィールド分布および偏光を調整するために装置および方法を使用することからなる。さらに、逆方向では、本発明は、光が光学部品部分から出て結合されることを可能にし、上記光に特定のフィールド分布および偏光を提供することを可能にするはずである。

装置は、できるだけコンパクトにすべきであり、できるだけ少ない出費で大量に自動的に生産すべきである。さらに、装置は、複雑な調整方法、特に能動的調整方法を必要とせずに、また光学部品部分の製造プロセスをより困難にすることなく、特に、複雑な集積光モードフィールドコンバータまたは偏光コンバータの使用を回避することが可能であることによって、少なくとも１つのコンポーネントのファセットに関連して正確に位置合わせされるべきである。

装置および方法はさらに、入力フィールドの空間的に重なり合うが異なる偏光フィールド成分の分離を可能にし、異なる、空間的に重なり合わない光導波路への分離されたフィールド成分の供給を可能にするべきであり、この機能は、離散的なコンポーネントで構成された光学系の「偏光ビームスプリッタ」の機能に匹敵する。

さらに、逆方向では、装置および方法は、異なる、空間的に重なり合わない光導波路からの光の結合、および異なる偏光フィールド成分の形態でのこの光の重ね合わせにより出力フィールドを形成することを可能にするべきであり、この機能は、「偏光ビームコンバイナ」の機能と同等である。

特に、装置および方法は、光ファイバの２つの相互に直交する固有モードのうちの第１の固有モードからの光が、第１の集積光導波路の特定の基本モードに伝達され得る一方で、光ファイバの相互に直交する固有モードのうちの第２の固有モードからの光が、第２の集積光導波路の基本モードに伝達され得るように、直交する偏光方向を有する潜在的に縮退した固有モードを有する光ファイバを、２つの集積光導波路に結合させることを可能にするように意図されている。

さらに、伝搬方向の反転により、光ファイバの２つの相互に直交する固有モードの形態での２つの空間的に分離された光導波路からの光の重ね合わせを可能にするべきである。

これに関連して、装置は、多種多様な光統合プラットフォームに柔軟に適用可能であるべきであり、可能な場合は追加の離散的な光学素子なしでなされるべきであり、関連する方法は、光学的な構築および接続の技術からの手順に可能な限りシームレスに挿入されるように意図されている。

この目的は、光結合のためのおよび光学場のモード選択分離または重ね合わせのための装置、装置の使用、ならびに光学部品部分の光結合点における光学場のモード選択分離または重ね合わせのために構成された導波路ベースの光結合素子を製造するための方法によって達成され、これらは、独立特許請求項の特徴を有している。個々にまたは任意の所望の組み合わせで実現可能な利点のある発展は、従属請求項に提供されている。

「有する」、「含む」、または「備える」という用語、またはそれらからの任意の所望の文法上の変形は、非排他的な方法で以下で使用される。したがって、これらの用語は、これらの用語によって導入された特徴の他にさらなる特徴が存在しない状況、および１つまたは複数のさらなる特徴が存在する状況の両方に関連し得る。たとえば、「ＡはＢを有する」、「ＡはＢを含む」、または「ＡはＢを備える」という表現は、ＡにＢ以外のさらなる要素が存在しない状況（すなわち、ＡがＢのみからなる状況）、およびＢに加えて、要素Ｃ、要素ＣおよびＤ、またはさらなる要素などの１つまたは複数のさらなる要素がＡに存在する状況の両方に関連し得る。

さらに、「少なくとも１つ」および「１つまたは複数」という表現、ならびにこれらの表現の文法上の変形は、１つまたは複数の要素または特徴に関連して使用されるときに、要素または特徴が１回または複数回提供され得ることを表現するように意図される場合に、概して、１回のみ、たとえば特徴または要素の第１の導入で使用されることが指摘されるべきである。特徴または要素が続いて再び言及される場合、対応する用語「少なくとも１つ」または「１つまたは複数」は、概して、特徴または要素が１回または複数回提供され得る可能性を制限することなく、再び使用されることはない。

さらに、用語「好んで」、「好ましくは」、「特に」、「たとえば」、または同様の用語は、随意の特徴に関連して以下で使用されるが、代替の実施形態はそれによって制限されない。たとえば、これらの用語によって導入される特徴は随意の特徴であり、これらの特徴によって請求項、特に独立請求項の範囲を限定する意図はない。たとえば、本発明は、当業者によって理解されるように、異なる構成を使用して実施することもできる。同様に、「本発明の一実施形態では」または「本発明の典型的な実施形態では」によって導入される特徴は、代替の構成または独立請求項の範囲が、それらによって限定されることを意図することなく、随意の特徴であると理解される。さらに、これらの導入表現は、随意の特徴または随意でない特徴であるかどうかにかかわらず、これによって導入された特徴を他の特徴と組み合わせるすべての可能性に触れることを意図されていない。

第１の態様では、本発明は、光結合のためのおよび光学場のモード選択分離または重ね合わせのための装置に関し、当該装置は少なくとも、
少なくとも１つの導波路ベースの光結合素子と、
少なくとも１つのさらなる光結合点を有する少なくとも１つの光学部品部分と、を備え、
光結合素子が、
第１の光結合点に割り当てられた少なくとも２つの異なる導波された固有モードを有する少なくとも１つの第１の光結合点、
第２の光結合点に割り当てられた少なくとも１つの導波された固有モードを有する少なくとも１つの第２の光結合点、および
第３の光結合点に割り当てられた少なくとも１つの導波された固有モードを有する少なくとも１つの第３の光結合点である、少なくとも３つの光結合点を有し、
導波路ベースの光結合素子の光結合点のうちの少なくとも１つは、光学部品部分の少なくとも１つのさらなる光結合点に光学的に接続され、
導波路ベースの光結合素子は、
第１の光結合点に割り当てられた少なくとも１つの第１の導波された固有モードと、第２の光結合点に割り当てられた少なくとも１つの導波された固有モードとの間で、および
第１の光結合点に割り当てられた少なくとも１つの第２の導波された固有モードと、第３の光結合点に割り当てられた少なくとも１つの導波された固有モードとの間で、高効率で光を双方向に伝達するように構成されている。

「光放射」、「放射」、または「光」という用語は、導波路内を導波され得る任意のタイプの電磁波に関する。これは、４００ｎｍから８００ｎｍの間の真空波長λを有する可視光学範囲に加えて、特に１ｎｍ≦λ≦４００ｎｍのＵＶ範囲、８００ｎｍ≦λ＜１ｍｍの赤外線範囲、および１ｍｍ≦λ≦１ｍのマイクロ波範囲を含み、３０μｍ≦λ≦３ｍｍの範囲は「ＴＨｚ範囲」とも呼ばれ、１ｍｍ≦λ≦１ｃｍの範囲は「ミリ波長範囲」とも呼ばれる。他に何も言及されていない場合、特に構造の寸法のために、または微細構造化方法の性能指標、たとえば分解能や精度を説明するために、以下に指定される数値は、約１．５μｍの真空動作波長λのために構成された装置に関する。他の動作波長に関して、特に、利用される材料の屈折率を考慮して、指定された数値を波長に比例してスケーリングすることができる。

本明細書でさらに使用される「光結合点」、「光結合構造」および「ファセット」という用語はそれぞれ、
第１に、発光光学部品または発光光学部品の構造の領域であって、上記光の放出中に光が最後に通過する領域、および
第２に、受光光学部品または受光光学部品の構造の領域であって、上記光が受け取られたときに光が最初に当たる領域を示す。

以下では、用語「光学部品部分」および「光学部品」は、電磁放射を放出する、運ぶ、受ける、検出する、および／または操作するように構成された光学素子を示し、一方で、用語「光学系」は、本発明による少なくとも２つの光学部品の装置、または１つまたは複数の装置の、それらの間の組み合せを示し、少なくとも１つの光学部品または少なくとも１つのさらなる追加の構造、特に少なくとも１つの光導波路または少なくとも１つのマイクロ光学素子が、本発明による装置と組み合わせて製造される。好ましくは、本発明の範囲内で使用される各光学部品は、光ファイバ、特に有機材料または無機材料で作られたシングルモードまたはマルチモードのファイバ；半導体ベースの集積光チップ、特にフォトダイオード、線形または平面フォトダイオードアレイ、ＣＣＤアレイまたは画像センサ、特に半導体に基づくもの、好ましくはシリコンまたはＩＩＩ－Ｖ化合物半導体、または誘電材料、好ましくはガラス、二酸化ケイ素、窒化ケイ素またはポリマー；ボロメーター；レーザ、特に垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）または端面発光レーザ；超発光ダイオード；光回路基板；自由ビーム光学用の素子、特にレンズ、ビームスプリッタ、アイソレータ、ミラーまたは回折格子を含む群から選択される。他の光学部品も考えられる。光学部品は、好ましくは、屈折率コントラストが低い光導波路、特にガラスベースの光導波路、または屈折率コントラストが中程度であるかまたは高い導波路、特に半導体ベースの導波路を備え得る。光の入力結合または出力結合は、好ましくは、光学部品のエッジまたは表面で、特に、端面発光レーザのエッジ、チップのエッジ、または導波路ベースのシステムのファセットで生じ得るか、代替的に、面発光レーザまたは表面照射フォトダイオードの表面、または特にグレーティングカプラまたは偏向ミラーから選択される、少なくとも１つの光結合点を含む導波路ベースのチップの表面上で生じ得る。しかし、光の入力結合または出力結合の他の方法も可能である。

光学部品の光結合点への光の低損失結合のために、光は、好ましくは、定義されたフィールド分布を有するように、定義された位置かつ定義された方向で光結合点へと放射される。逆に、光結合点において、定義された位置で定義されたフィールド分布を用いて定義された方向へと光を放射する。これに関連して、「ベクトルフィールド分布」または「フィールド分布」という用語は、電磁場の強度分布と偏光の両方を定義する、複素ベクトル電場（Ｅ場）と磁場（Ｈ場）の組み合わせを意味すると理解され、「偏光」とは対応するフィールドベクトルの配向を指す。さらに使用される、フィールド分布の「直交性」という用語は、集積光学で通常使用される直交関係に関し、たとえば、ＫａｔｓｕｎａｒｉＯｋａｍｏｔｏ，ＦｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓｏｆＯｐｔｉ－ｃａｌＷａｖｅｇｕｉｄｅｓ，ＡｃａｄｅｍｉｃＰｒｅｓｓ，２００６，ｐｐ．１５４－１５５を参照されたい。

導波路断面に関連付けられた導波路モードのベクトルフィールド分布を示す「モードフィールド」および「モードフィールド分布」という用語は、光導波路にリンクされたフィールド分布に使用される。既に述べたように、軸方向に均質である導波路の場合の「導波路モード」、「固有モード」、または単に「モード」という用語は、軸方向の伝搬の場合にその横方向の空間依存性を変化させない電磁場の形態を示す。断面プロファイルが、たとえば周期的に軸方向に変化する、より複雑な導波路の場合、関連するモードフィールドもそれに応じて周期的に変化し得る。断面プロファイルが軸方向に十分にゆっくりと変化する、つまりアディアバティックに変化する導波路は、多くの場合、それに応じてゆっくりと変化する、つまりアディアバティックに変化するモードフィールドに基づいて、良好に近似して説明することができる。

光結合のためのおよび光学場のモード選択分離または重ね合わせのための本発明の装置は、単に「光結合素子」とも呼ばれる、および光を光学部品部分に結合する、および／または少なくとも２つの光学部品部分間で伝達することを可能にすると同時に、空間モードフィールド分布および偏光が調整される、導波路ベースの光結合素子を備える。光結合素子に関連して、この場合の「導波路ベース」という用語は、少なくとも部分的にこの目的のために構成された導波路によって光が導波される構造を説明している。この目的のために、原則として、導波路ベースの光結合素子は、任意の導波路の概念に基づいて実現することができる。この目的には、好ましくは誘電体導波路が好適であるが、代替的に、金属導波路、特に、マイクロ波範囲用の中空導波路、またはプラズモン構造を使用することもできる。

結果として、導波路ベースの光結合素子は、第１に、光結合素子の第１の光結合点に存在する少なくとも２つの互いに直交する、または実質的に直交するフィールド分布の重ね合わせを分割すると同時に、関連する空間フィールド分布および／または偏光を操作することに適している。第２に、導波路ベースの光結合素子は、少なくとも２つの空間的に分離された光結合点で中に放射された光信号を、それらのフィールド分布および／または偏光に関連させて操作し、中に放射された光信号を異なるモードの空間的に重なり合う部分フィールドの形態で重ね合わせ、その後、少なくとも１つの出力結合点での部分フィールドの重ね合わせを提供する役割を果たすことができる。

また、導波路ベースの光結合素子を偏光フィルタとして使用することも可能である。この目的のために、偏光に関連してフィルタリングされる光信号は、第１の光結合点を介して光結合素子に結合することができる。偏光に関連してフィルタリングされた所望の信号は、その後、第２の光結合点または第３の光結合点の導波された固有モードの１つで利用可能であり、一方で、偏光フィルタリングによって抑制される信号成分は、それぞれの他の光結合点に接続された終端要素に供給される。終端要素またはビームダンプは、顕著な後方反射なしで入射光を受信および吸収する、または導波路ベースの光結合素子もしくはそれに接続された光学部品部分の１つへの更新された結合がないように、上記光を周囲に放射する構造を意味すると理解される。ビームダンプの入力時の後方反射のパワーレベルは、好ましくは放射パワーよりも少なくとも１０ｄＢ低く、特に好ましくは少なくとも２０ｄＢまたは３０ｄＢ低い。好ましい実施形態では、ビームダンプは、連続的に先細るテーパ構造の形態で実装することができ、それによって、光を、特に吸収面の方向に放出することができる。光学部品への結合は、直接、または上記のように、少なくとも１つの接続導波路または少なくとも１つのフリービーム結合路を介して実施することができる。

導波路ベースの光結合素子は、三次元自由形状微細構造化方法によって、光学部品部分の光結合点で、または少なくとも１つの光学部品部分の少なくとも２つの光結合点間でその場で製造することができ、当該プロセスにおいて、特に位置、形状および／またはサイズを、１つの光学部品部分または少なくとも２つの光学部品部分の位置に調整することができる。以下に与えられる説明では、光結合素子の第１の光結合点に供給された、またはそこで放出された少なくとも２つの空間的に重なり合う、直交する、または実質的に直交するフィールド分布は、原理的に、異なる偏光の基本モードとして解釈され、その関連する装置は、その後、偏光ビームスプリッタまたは偏光ビームコンバイナの機能を果たす。「モード選択」という用語は、導波路ベースの光結合素子の設計の好適な調整の結果として、本発明による装置を使用して、任意のモード、特に偏光が同じであるがフィールド分布が異なる２つのモードも分離することができることを意味する。

モードを分離するために利用することができるのは、これらが適切に形成された導波路で異なる強度で導波され、その結果、導波路の幾何学的分岐によって分離を達成することができることである。これに関連して、導波路の「強く導波された」モードは、実質的により大きな伝搬定数を有する、それ故、この導波路で導波される他のモード、したがって「弱く導波された」モードとも呼ばれるモードよりも実質的により大きな有効屈折率を有する導波路モードを意味すると理解される。特に、強く導波されたモードは、弱く導波されたモードよりも、伝搬方向に沿った導波路の軌跡および／または導波路の断面の変化、たとえば、ねじれまたは直径の変化に実質的により強く適応することが特徴である。強く導波されたモードのみが導波路に存在する場合も考えられる。多くの場合、強く導波された導波路モードは基本モードであり、その電場は、導波路コアがその最大の広がりを有する方向に沿って優先的に偏光される。

幾何学的に分岐する導波路によるモードの分離の代替として、「方向性結合器」として知られているものと同様の方法で、平行に走る導波路への分離されるモードの異なる強度の結合が使用される構成も考えられる。さらなるオプションは、導波路の断面を軸方向に周期的に変調し、その基本波数を結合するモードの波数の差に対向させることでモードの変換を行う方法もある。したがって、任意の所望のモードを、特に低損失で信頼性の高い方法で互いに分離することができるフィールドの形態に変換することができる。この場合の潜在的な応用分野は、好ましくは、マルチモードのファイバまたはいわゆる「フューモードファイバ」のファセットでのモードの分離と、光学部品部分の異なる光結合点への対応する光信号の入力結合である。この目的に好ましい結合要素の構成は、とりわけ、個々の幾何学的パラメータではなく、光結合素子の全体の形態を数値的に最適化することが可能である、「トポロジー最適化方法」として知られている方法によって判定することができる。それによって得られた構造化された幾何学的形状は、概して有効な説明を回避するものであるが、同様に、光結合およびモード分離のための本発明による装置の実施形態を容易にする。

提案された装置に関連するさらなる詳細については、以下の例示的な実施形態が参照される。

さらなる態様では、本発明は、光学部品部分の光結合点での光学場のモード選択分離または重ね合わせのために構成された導波路ベースの光結合素子を製造するための方法に関する。詳細には、当該方法の工程は次のとおりである：
ａ）少なくとも１つの光学部品部分を提供し、自由形状微細構造化方法を実行するように構成された自由形状微細構造化ユニットの座標系において、少なくとも１つの光学部品部分の少なくとも１つのさらなる光結合点を位置づける工程と、
ｂ）自由形状微細構造化ユニットの座標系において導波路ベースの光結合素子の三次元形状を説明するデータセットを生成する工程であって、
導波路ベースの光結合素子が、
第１の光結合点に割り当てられた少なくとも２つの異なる導波された固有モードを有する少なくとも１つの第１の光結合点、
第２の光結合点に割り当てられた少なくとも１つの導波された固有モードを有する少なくとも１つの第２の光結合点、および
第３の光結合点に割り当てられた少なくとも１つの導波された固有モードを有する少なくとも１つの第３の光結合点である、少なくとも３つの光結合点を有し、
導波路ベースの光結合素子が、
第１の光結合点に割り当てられた少なくとも１つの第１の導波された固有モードと第２の光結合点に割り当てられた少なくとも１つの導波された固有モードとの間で、および
第１の光結合点に割り当てられた少なくとも１つの第２の導波された固有モードと第３の光結合点に割り当てられた少なくとも１つの導波された固有モードとの間で、高効率で光を双方向に伝達するように構成されている、工程と、
ｃ）自由形状微細構造化方法を使用することによって、少なくとも１つの光学部品部分の少なくとも１つのさらなる光結合点で導波路ベースの光結合素子を製造する工程。

工程ａ）～ｃ）の実施は、厳密に連続して実行する必要はなく、並行して進行する他の製造プロセスに含まれてもよい。この場合、工程ａ）～ｃ）の各々は複数回実行され得、少なくとも連続する工程が少なくとも部分的に並行して実行されてもよい。また、さらなる工程、特に以下に挙げる工程ｄ）が追加で実行されてもよい。特に、工程ｂ）で生成されたデータセットは、光学場のモード選択分離または重ね合わせのための導波路ベースの光結合素子に加えて、単純な接続導波路またはレンズまたはミラーなどのマイクロ光学素子も含み得、その単純な接続導波路またはマイクロ光学素子の設計は、同様に、特定の光結合点の位置および配向に基づいており、これらは、工程ｃ）に従って導波路ベースの光結合素子と共に製造することができる。さらに、工程ｃ）で生成された導波路ベースの光結合素子の基本構造は、さらなる後続する後処理工程にさらされ得、その範囲内で、生成された基本構造は、たとえば、光学的に低屈折率のクラッド材に局所的または全体的に埋め込まれ得るか、または蒸着コーティングが提供され得る。例として、工程ｃ）で使用される方法に類似した分注もしくは印刷方法または微細構造化方法を、対応するクラッド材の局所適用に使用することができる。対応するデータセットも、光学場のモード選択分離または重ね合わせのための導波路ベースの光結合素子に加えて、単純な接続導波路またはレンズまたはミラーなどのマイクロ光学素子も含み得、その単純な接続導波路またはマイクロ光学素子の設計は、同様に、特定の光結合点の位置および配向に基づいており、これらは、工程ｃ）において導波路ベースの光結合素子と共に製造することができる。

本発明の方法の好ましい構成では、以下の後続する工程ｄ）を、好ましくは工程ｃ）の後に実行することができる：
ｄ）導波路ベースの光結合素子を少なくとも局所的にコア領域として導波路ベースの光結合素子に隣接するクラッド領域内に埋め込む工程であって、コア領域が、１．３～１．８の屈折率およびコア領域とクラッド領域との間で生じる０．０５～０．７の屈折率差を有している、工程。

装置は、好ましくは、この目的のために構成された微細構造化方法を使用することによって、その場で、すなわち直接ターゲット位置で製造される。この場合、利用される「微細構造化方法」という用語は、説明された構造の動作波長に応じてマイクロメートル範囲および／またはミリメートル範囲の寸法を有する、三次元構造、好ましくは自由形状構造を製造することができる、除去製造法または付加製造法を意味する。自由形状構造の製造のために構成された微細構造化方法は、以下で「自由形状微細構造化方法」と呼ばれる。「自由形状」または「自由形状構造」は、分解能および精度に関連する技術的制限の範囲内で、任意の所望の曲率を有する表面を少なくとも局所的に有し得る構造を意味すると理解される。したがって、自由形状構造は、特に、従来の平面微細構造化方法、たとえば、薄膜堆積法、投影リソグラフィなどの二次元リソグラフィ法、およびエッチングプロセスの組み合わせによって、平面半導体基板上に製造することができる構造形状とは異なる。原則として、これらの従来の平面微細構造化方法の組み合わせは、基板表面に略平行な上面および基底面を各々が有する、プリズム状の三次元構造形状につながり、上記基底面および上面は、形状の点で同一であるか、または非常に類似しており、それぞれのエッチングプロセスまたは堆積プロセスに応じて、基板表面に対して垂直であるか、傾斜させられるか、または内側もしくは外側に湾曲される側壁によって相互接続されている。この場合、基底面および上面の形状は、局所的なエッチングまたは堆積に使用されるマスクによって実質的に指定され、上記マスクは、多くの場合、リソグラフィで構造化される。複数のプリズム状の部分構造からなる多層構造は、異なるマスクを用いてエッチングまたは堆積プロセスを複数回繰り返すことによって構築することができるが、繰り返しに伴う追加費用は莫大であり、得られる構造の質も、多くの場合、オーバーレイ精度によって制限されるため、層の数は、多くの場合、実際には少数、たとえば３つに制限される。これは、従来の微細構造化方法を使用する正当な費用で製造することができる構造の形状の限界につながり、したがって、それによって形成されるコンポーネントの機能制限につながる。多層構造化に伴う追加費用は、多くの場合非常に高く、関連する追加の層をチップ上に存在する他の部品部分にも使用することができない場合は特に、関連する光学部品の製造プロセスがはるかにより複雑になる。

それとは対照的に、自由形状微細構造化方法によって製造された自由形状構造は、これらの制限にさらされないか、またはこれらの制限に同程度にはさらされず、これは、それらの構造形状が、比較的少数の平面の、プリズム状の部分構造の組み合わせに限定されないためである。これにより、特に導波路ベースの光結合素子において、光結合素子を構成する導波路の中心線が共通または互いに平行な平面上に存在しない非平面構造の光結合素子を実現することが可能となる。これに関連して、多くの場合、自由形状構造が、たとえば、３Ｄ印刷の範囲内で多層材料の適用を使用することによって、または３Ｄリソグラフィ法の場合にさまざまな層を硬化することによって、多数の個々の層からも製造されることに留意されたい。しかし、正当な製造費用の範囲内で、自由形状微細構造化方法によって、層の数を非常に多く選択することが可能になるため、自由形状構造の近似が良好となり、個々の層への離散化が、製造可能な構造形状の機能的な制限とはならなくなる。

この場合、導波路ベースの光結合素子は、好ましくは少なくとも６層、特に好ましくは少なくとも１０層、および特に少なくとも２０層または３０層から構築される。これに関連して、層の厚さは、好ましくは１０ｎｍから１０００ｎｍの間、特に好ましくは３０ｎｍから５００ｎｍの間、特に５０ｎｍから３００ｎｍの間の範囲である。この目的のために使用される自由形状微細構造化方法によって、好ましくは１０００ｎｍより良好、特に好ましくは５００ｎｍより良好、特に１００ｎｍより良好な精度での自由形状構造の製造が可能になる。自由形状微細構造化方法の分解能は、好ましくは３μｍより良好、特に好ましくは１μｍより良好、特に５００ｎｍより良好である。この場合、各ケースで挙げられた値は、約１．５μｍの真空動作波長のために提供される自由形状構造の製造に関し、自由形状構造の寸法、およびしたがって製造目的で使用される自由形状微細構造化方法の精度と分解能に関する要件は、特に利用される材料の屈折率を考慮して、他の動作波長に合わせてスケーリングすることができる。

これとは対照的に、国際公開第９２／００１８５号は、光構造化可能な材料の屈折率の局所的な増加が純粋にリソグラフィ照射によって得られる、導波路ベースの光学装置を開示している。本願とは対照的に、国際公開第９２／００１８５号に記載される方法は、特に現像工程を提供せず、その範囲内では、未露光領域が選択的に除去され、低屈折率のクラッド材によって置き換えられる。したがって、達成可能な屈折率の差は典型的に、０．０２５未満の値に制限され、コンパクトな偏光感応構造の製造が著しくより困難になる。特に、２つの重ねられた部分導波路を備える導波路ベースの偏光ビームスプリッタの製造は、国際公開第９２／００１８５号によれば実施可能であるようではなく、部分導波路の２つの直交偏波固有モードは、屈折率コントラストが低いために実際に同一の有効屈折率を有し、結果として等しい強度で導波される。したがって、実際に実現可能な構成部品の長さが維持される場合、部分導波路を分岐させることによる直交偏波固有モードの分離は可能ではないようである。

好ましい構成では、自由形状微細構造化方法および／またはそのような方法を促進する自由形状微細構造化ユニットは、特にステレオリソグラフィまたは直接描画リソグラフィ法、好ましくは三次元直接描画リソグラフィ法を使用する、リソグラフィ法に基づき得る。この場合、付加製造法または除去製造法を使用することができ、「付加製造法」という用語は、材料が構造体にまたは構造体上に連続的に適用される製造方法を示し、一方で、「除去製造法」という用語は、材料が構造体から除去される代替製造方法を表す。好ましい実施形態では、適切なフォトレジスト、特にネガまたはポジレジストを使用するリソグラフィ法によって、材料の適用または材料の除去を達成することができる。この場合、高速パターニングを可能にする空間光変調器を、好ましい構成でステレオリソグラフィ法に使用することができる。好ましい構成では、特にパルスレーザ源を使用することによって、多光子リソグラフィ法を直接描画リソグラフィ法として使用することができる。この場合、好ましくは少なくとも１ＭＨｚ、好ましくは１０ＭＨｚ、特に好ましくは少なくとも２５ＭＨｚ、特に少なくとも１００ＭＨｚの繰返し率の場合に、好ましくは１０ｐｓ以下、好ましくは１ｐｓ以下、特に好ましくは２００ｆｓ以下、特に１００ｆｓ以下のパルス持続時間を有する光パルスを使用することができる。この目的に適しているのは、特に、ファイバベースのフェムト秒レーザ、またはたとえば、周波数逓倍、加算周波数生成、または差周波数生成のために、周波数変換ユニットと組み合わせることができるチタン－サファイアレーザまたはダイオードレーザなどのなどのパルス固体レーザから選択されるレーザ光源である。利用されるリソグラフィ法に応じて、近赤外、可視、または紫外スペクトル範囲、極紫外線（ＥＵＶ）放射の範囲、またはＸ線波長の範囲の波長のプロセスで優先的に使用することができる。特に好ましい実施形態では、１５０ｎｍ～１７００ｎｍ、特に３００ｎｍ～１１００ｎｍの波長が使用される。パルスレーザの場合、パルス持続時間およびパルスエネルギーを適切に選択することによって、２光子、３光子、または多光子の吸収効果を目的の方法で達成することができる。３６０ｎｍ～５５０ｎｍ、つまり、たとえばおよそ３６５ｎｍ、３８５ｎｍ、４０５ｎｍ、５５０ｎｍ、および５３２ｎｍの発光波長を有するダイオードレーザは、単一光子吸収に基づく連続波レーザを使用したリソグラフィ法の場合に適している。リソグラフィ法の解像度を向上させるために、対応する顕微鏡法のスタイルで、「誘導放出抑制」（ＳＴＥＤ）を適切な光開始剤と共に使用することができる。また、導波路ベースの光結合素子を製造するためのさらなる微細構造化方法、特に、材料押出、粉体層融合、材料噴射、結合剤噴射、選択的レーザ焼結、または電子ビーム溶融に基づき得る方法も考えられる。金属印刷またはレーザ蒸着溶接などの方法は、たとえば、マイクロメートルおよびミリメートルの波長範囲での中空導波路の製造に使用することができる。それぞれ利用される微細構造化方法に応じて、導波路ベースの光結合素子は、ポリマー、好ましくは光学上加法的または減法的に構造化可能なアクリレート、エポキシ樹脂、またはフルオロポリマー、金属または金属被覆誘電体を含み得る。好ましい構成では、導波路ベースの光結合素子は、光学部品部分の材料とは異なる材料を含み得る。構造を製造するために、さらなる後処理工程を実行することに利点があり得、その範囲内では、製造された構造は、光学的に低屈折率のクラッド材に局所的または全体的に埋め込まれ得るか、または蒸着コーティングが提供され得る。

特に、自由形状微細構造化方法を使用することによって、対称または実質的に対称な形状を有する構造を製造することが可能であり、これは、好ましくは、２つの分離したモードに関して損失が非常に類似し得る。これに関連して、「実質的に対称な構造形状」は、対称面、対称軸、または対称点を有する三次元形状を意味すると理解され、ここで、以下に説明されるように、特に、導波路ベースの光結合素子を、リンクされる少なくとも１つの光結合素子に割り当てられた少なくとも１つの光結合点の位置および方向に結合するために使用される構造形状への調整によって、完全な対称性がわずかに損なわれ得る。２つの分離されたモードのパワー損失の差は、好ましくは３ｄＢ未満、特に好ましくは２ｄＢ未満、特に１ｄＢまたは０．５ｄＢ未満である。

概して、本発明による装置が偏光ビームスプリッタとして使用される場合、出力結合点では、好ましくは６ｄＢより良好、特に好ましくは１０ｄＢより良好、特に１５ｄＢまたは２０ｄＢより良好な消光比を達成することができる。この場合、「消光比」は、それぞれの不要モードの発光力に対する出力結合点で必要とされるモードの発光力の比率を意味すると理解され、当該比率は、多くの場合、対数変換によってデシベル（ｄＢ）で表される。この場合、構造の相対光学帯域幅は、好ましくは１％を超える、特に好ましくは５％を超える、特に１０％または２０％を超え得る。ここで、「相対光学帯域幅」は、それぞれの中間周波数に対する、光学部品部分が要求されるパワー指標に達する、周波数範囲の幅の比率を意味すると理解される。

提案された装置のさらなる利点は、好ましくは追加の接続導波路の助けを得た、その場での製造によって、複雑な調整方法で光学部品部分を非常に正確に位置合わせする必要なく、上記装置を、１つまたは複数の光学部品部分の１つまたは複数の光結合点に非常に低い損失で結合させることが可能になるという事実にある。既に固定された光学部品部分から進んで、これらの光学部品部分に属する光結合点の空間位置および方向は、この目的のために、製造方法の最初の工程で取得することができ、光結合素子および好ましくは存在する接続導波路などの追加の構造を設計するときに考慮に入れることができる。これによって、必要な位置および伝搬方向を有して、光が導波路ベースの光結合素子の光結合点で、および／または隣接する追加の構造、たとえば接続導波路の割り当てられた光結合点で利用可能にされるか、または受信されるように、光結合素子および随意に存在する追加の構造の設計が選択されることによって、光学部品部分の位置決めの不正確さを、請求された装置の形態の対応する調整によって補償することが可能になり、したがって光学部品部分の光結合点への結合および／または光結合点によって定義される導波路モードへの結合の高効率が達成される。

導波路ベースの光結合素子を、リンクされる光学部品の光結合点の位置および方向に調整することによって、リンクされる光学部品部分の位置決めの不正確さを補償し、これらの構成部品部分の非常に正確な位置合わせを省略することが可能になる。導波路ベースの光結合素子をリンクされる光学部品部分の光結合点の位置および方向に適合させるために、光結合素子の幾何学的パラメータ、特に、以下に記載される第１の導波路セクションの長さ、および／または部分導波路の正確な軌道を変えることが可能になることが好ましい。代替または追加として、リンクされる光結合素子および／または光学部品部分の選択された光結合点に、実質的に任意の所望の３Ｄ形状を有する、追加の接続導波路またはビーム成形要素を接続することができ、上記追加の接続導波路またはビーム成形要素は、自由形状微細構造化方法によって多大な追加費用をかけずに光結合素子と共に製造することができ、リンクされる光学部品部分の位置決めの不正確さを補償することが可能になる。

好ましい構成では、自由形状微細構造化方法は、好ましくは共通の製造工程の範囲内で、導波路ベースの光結合素子に加えて、たとえば、米国特許第８９０３２０５号明細書または国際公開第２０１８／０８３１９１号に開示されるように、「フォトニックワイヤボンド」として知られているものを製造するようにも構成することができる。特に、マイクロメートルおよびミリメートルの波長範囲の周波数で動作用の比較的大きな構造を製造することが意図されている場合に、他の方法、たとえば三次元印刷プロセスも同様に考えられる。

本発明の方法に関連するさらなる詳細に関しては、装置の説明および例示的な実施形態が参照される。

本発明のさらなる詳細および特徴は、特に従属請求項と併せて、好ましい例示的な実施形態の以下の説明から明らかである。ここで、それぞれの特徴は単独で実装することもできるし、複数を組み合わせて実装することもできる。本発明は例示的な実施形態に限定されない。例示的な実施形態は、以下の図面に概略的に例示されている。図中の同一の参照番号は、同一または機能的に同一の要素、またはそれらの機能に関して互いに対応する要素を指す。具体的には以下の通りである。

光結合のためのおよび光学場のモード選択分離または重ね合わせのための本発明による装置の好ましい例示的な実施形態の概略図を示す。光結合のためのおよび光学場のモード選択分離または重ね合わせのための本発明による装置の好ましい例示的な実施形態の概略図を示す。光結合のためのおよび光学場のモード選択分離または重ね合わせのための本発明による装置の好ましい例示的な実施形態の概略図を示す。光結合のためのおよび光学場のモード選択分離または重ね合わせのための本発明による装置の好ましい例示的な実施形態の概略図を示す。光結合のためのおよび光学場のモード選択分離または重ね合わせのための本発明による装置の好ましい例示的な実施形態の概略図を示す。光結合のためのおよび光学場のモード選択分離または重ね合わせのための本発明による装置の好ましい例示的な実施形態の概略図を示す。光結合のためのおよび光学場のモード選択分離または重ね合わせのための本発明による装置の好ましい例示的な実施形態の概略図を示す。光結合のためのおよび光学場のモード選択分離または重ね合わせのための本発明による装置の好ましい例示的な実施形態の概略図を示す。光結合のためのおよび光学場のモード選択分離または重ね合わせのための本発明による装置の好ましい例示的な実施形態の概略図を示す。光結合のためのおよび光学場のモード選択分離または重ね合わせのための本発明による装置の好ましい例示的な実施形態の概略図を示す。光結合のためのおよび光学場のモード選択分離または重ね合わせのための本発明による装置の好ましい例示的な実施形態の概略図を示す。４つの光結合点を有する偏光ビームスプリッタの導波路ベースの類似物に対応する、および自由形状微細構造化方法によってマルチコアファイバの端面に製造することができる装置の概略図を示す。４つの光結合点を有する偏光ビームスプリッタの導波路ベースの類似物に対応する、および自由形状微細構造化方法によってマルチコアファイバの端面に製造することができる装置の概略図を示す。４つの光結合点を有する偏光ビームスプリッタの導波路ベースの類似物に対応する、および自由形状微細構造化方法によってマルチコアファイバの端面に製造することができる装置の概略図を示す。光偏光多重ヘテロダイン受信機に属する、および自由形状微細構造化方法を使用することによって７コアファイバの端面に製造することができる受動光導波路構造の概略図を示す。自由形状微細構造化方法を使用することによってシングルモードファイバの端面に製造することができる偏光アナライザ構造の概略図を示す。ファラデー回転子ミラーと同様の方法で、たとえば光ファイバの２つの相互に直交偏波された基本モード（いわゆるＬＰ０１モード）に存在する信号成分を交換する、および上記信号成分を結合し、反対側の偏光方向へとファイバに戻す、反射型偏光スワッパ（ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｓｗａｐｐｅｒ）の概略図を示す。偏光感知画像センサの形態での本発明による装置の適用の概略図を示す。偏光感知画像センサの形態での本発明による装置の適用の概略図を示す。自由形状微細構造化方法を使用することによって共に製造することができる、複数の導波路ベースの光結合素子のカスケードの概略図を示す。導波路ベースの光結合素子が１つの光結合点を有するシングルモードファイバに接続される一方で、他の光結合点が追加の構造によって機械的に安定化される装置の概略図を示す。導波路ベースの光結合素子が１つの光結合点を有するシングルモードファイバに接続される一方で、他の光結合点が追加の構造によって機械的に安定化される装置の概略図を示す。偏光フィルタとしての本発明による装置の使用の概略図を示す。

図１は、光結合のためのおよび光学場のモード選択分離または重ね合わせのための本発明による装置の好ましい例示的な実施形態の概略図を示す。偏光ビームスプリッタまたは偏光ビームコンバイナの機能性を説明するために、例示的な実施形態は、第１の光結合点１００を有する光学部品部分４００に接続された導波路ベースの光結合素子１０を備える本発明による装置を示す。続く例示では、偏光ビームスプリッタとしての導波路ベースの光結合素子１０の使用を容易にするために、入力結合点として機能する第１の光結合点１００から出力結合点として機能する第２の光結合点３７０および第３の光結合点３８０に光が伝搬される。この場合、「入力結合点」と「出力結合点」の区別は、装置のより簡単な説明のためだけのものであり、光学部品部分の機能性に関する制限として解釈されるべきではない。むしろ、光路を逆にすることができ、その結果、「入力」と「出力」の役割が逆転され、偏光ビームコンバイナとしての装置の使用が可能になる。

例示される実施形態では、図１に概略的に表される導波路ベースの光結合素子１０は、第１の導波路断面１１０と偏光ビームスプリッタの場合に入力結合点として機能する第１の光結合点１００とを有する第１の導波路セクション２００を備える。第１の光結合点１００に存在する第１の導波路断面１１０は、２つの相互に直交する、場合によっては縮退した固有モード１２０、１３０を有し、これらは第１の光結合点１００に割り当てられ、これら各々は、たとえば、電界ベクトルの優位な、直線偏光した横成分を有する電気モードフィールドを有し、それらの強度分布１４０、１５０は非常に類似し得、かなりの重複を有し得る。２つの相互に直交するモードフィールドにおける優位な横偏光成分の場合、横成分の関連する横電界ベクトルは、互いに略垂直であり、そのときのモードフィールドの分離は、良好な近似として、関連する直線偏光の分離と同等である。

図１に概略的に表される導波路ベースの光結合素子１０は、第２の、分岐する導波路セクション３００をさらに備え、これは、第１の導波路セクション２００に隣接し、２つの空間的に交差する部分導波路３３０、３４０を備え、これらは、個別に考えた場合、各々が、異なる偏光方向および非常に異なる有効屈折率を有する少なくとも２つの固有モードを有し、そのため、導波路モード間の結合は伝搬中に非常に弱く現れるだけである。原則として、有効屈折率が非常に異なる同じ導波路のモードは、「強く分離されたモード」とも呼ばれる。この場合、２つのモードの有効屈折率の差は、好ましくは０．００５より大きく、特に好ましくは０．０５より大きく、非常に特に好ましくは０．１より大きい。少なくとも１つの部分導波路３３０、３４０の各々に、概して導波路断面のより長い範囲に沿って偏光される、１つの導波された固有モードのみが存在する実施形態も考えられる。部分導波路３３０、３４０は、関連する断面３５０、３６０を有する２つのさらなる光結合点３７０、３８０を画定する。２つのさらなる光結合点３７０、３８０は、偏光ビームスプリッタの場合の出力として使用される、すなわち、入力として作用する第１の導波路断面１１０の、第１の光結合点１００に割り当てられた、２つの直交する第１の固有モード１２０、１３０のそれぞれは、出力導波路として作用する２つの部分導波路３３０、３４０のそれぞれの導波路モードに割り当てられ、一方で、出力導波路として作用するそれぞれの部分導波路３３０、３４０のそれぞれの他の導波路モードは、不要なクロストークを除き励起されない。

図１に概略を示した装置の機能性は、特に、第１の導波路セクション２００において、第１の導波路断面１１０が、２つの導波路断面２３０、２４０の重ね合わせを含む導波路セクション２１０に連続的に変換されるという事実に基づいており、第２の導波路断面２３０、２４０は各々、有効屈折率が大きく異なるさらなる固有モード２５０、２６０；２７０、２８０を有している。第１の導波路断面１１０から第２の導波路断面２１０へのこの連続的な変換は、プロセスにおいて、好ましくは、光の伝搬方向に沿って導波路ベースの光結合素子１０の断面の連続的な変形が存在するように設計され得る。第１の導波路セクション２００は、好ましくは０．１λから３０λ、特に好ましくは０．２λから１５λ、特に０．２λから１０λの長さを有し、一方で、導波路ベースの光結合素子１０全体の長さは、その最大長に沿って測定されるように、好ましくは５０λ未満、特に好ましくは２５λ未満、特に１０λ未満であり、ここでλは利用される光の真空波長を示し、利用される材料に対しておよそ１．５の屈折率が想定されている。

導波路断面２３０、２４０は、形状およびサイズに関して、部分導波路３３０、３４０が第１の導波路セクション２００と第２の導波路セクション３００との間の界面において有する部分導波路３３０、３４０の断面に適合される。図１に概略を示したものとは異なり、導波路断面２３０、２４０は、第１の導波路セクション２００と第２の導波路セクション３００との間の導波路断面２１０を含む界面での部分導波路３３０、３４０の断面と正確に同一である必要はない。むしろ、第１の導波路セクション２００と第２の導波路セクション３００との間に最良の可能な光結合が存在するように、断面を互いに適合させることで十分である。さらに、図１において長方形として概略を示したさまざまな部分導波路の断面は、例示的なものであると理解されるべきであり、当業者は、他の形状、たとえば楕円形状の使用も考慮し得、これは、特定の状況下で、製造上の不正確さに関連してより強固であることが分かり得る。

図１に概略的にさらに例示されるように、部分導波路３３０、３４０の最初に重ね合わせされた導波路断面２３０、２４０は、第２の導波路セクション３００内で空間的に切り離された出力導波路断面３５０、３６０に連続的に分岐するようにされる。この場合、分岐は、軸方向の構造断面の変化が、モードフィールドのアディアバティック遷移、したがって、できるだけ妨害がなく損失が少ない空間的分離を促進するために十分にゆっくりとなされる。この分離内で、２つの部分導波路３３０、３４０の強く導波されたモードが、それぞれの部分導波路の軌跡をたどり、そのプロセスで、弱く導波されたモードにほとんど結合せず、かなりの程度まで放射されないという状況を利用することができる。これによって、最初に、入力として機能する第１の光結合点１００の第１の２つの直交固有モード１２０、１３０に存在する光信号を導波路断面２１０の平面内の第１のモードフィールド１２０ａ、１３０ａに変換し、その後、低損失で、クロストークがほとんどなく、第１のモードフィールド１２０ａ、１３０ａを、出力と見なされる２つのさらなる光結合点３７０、３８０のそれぞれの基本モードに割り当てることが可能になる。

部分導波路３３０、３４０の最初の断面２３０、２４０が、図１に示されるように、長方形である場合、好ましくは、各ケースで長方形の断面２３０、２４０の長辺に沿って偏光された強く導波された基本モードの有効屈折率ｎｅ１が、長方形の断面プロファイルの短辺に沿って偏光された弱く導波された基本モードの有効屈折率ｎｅ２を、好ましくは０．００５を超えて、特に好ましくは０．０５を超えて、特に０．１を超えて超過する実施形態が求められる。例として、これは、部分導波路３３０、３４０に非常に細長い断面、たとえば大きなアスペクト比を有する楕円形または長方形の断面が使用されるという事実によって達成することができる。平面図によって表される導波路断面の「アスペクト比」は、この場合、この図の、相互に直交する方向で測定された、２つの範囲の最大の可能な比率を意味すると理解される。アスペクト比は、長方形の断面図の場合には辺の比率と、楕円形の断面図の場合には半軸の比率と同等である。それぞれ選択された導波路材料に応じて、部分導波路３３０、３４０の断面のアスペクト比は、少なくとも区切られたセクションで、好ましくは１．５を超える、特に好ましくは２．５を超える、特に３．５または４．５を超える。また、導波路ベースの光結合素子１０の高屈折率コア領域と低屈折率クラッド領域との間の大きな屈折率差は、強く導波されたモードと弱く導波されたモードの屈折率の大きな差を得る目的で、誘電体導波路に関して利点がある。

コア領域が、好ましくはポリマー材料のリソグラフパターニングによって生成される、導波路ベースの光結合素子１０の場合、コア領域の屈折率は、好ましくは１．２から２の間、特に好ましくは１．３から１．８の間、特に１．４から１．７の間である。クラッド領域の屈折率は、好ましくは１．０から１．５の間、特に好ましくは１．０から１．４５の間である。したがって、コア領域とクラッド領域との間の屈折率差は、好ましくは０．０５から０．７の間、特に好ましくは０．１から０．７の間、特に０．１５から０．６の間である。必要に応じて、屈折率差は、適切なキャッピング材またはクラッド材５００を使用することによって設定することができ、その中に導波路ベースの光結合素子のコア領域が完全にまたは部分的に埋め込まれ、ここで、後続する方法の工程において、キャッピング材またはクラッド材５００は、好ましくは、自由形状微細構造化方法を使用することによって製造された導波路ベースの光結合素子１０のコア領域上に局所的または全体的に適用することができる。ポリマーベースのコア領域の場合、クラッド材５００としては、低屈折率ポリマーが好ましく、特に、フッ素化されていてもよく、また、ポリシロキサンベースの成分を有していてもよい。導波路コアを少なくとも局所的に取り囲むクラッド材５００の屈折率は、好ましくは１．２から１．５、特に１．３から１．４５である。

その結果、この装置では、光は、「入力ファセット」と呼ばれる第１の導波路断面１１０を介して光結合素子１０に結合することができ、再び「出力ファセット」と呼ばれる導波路断面３５０、３６０を介して導波路ベースの光結合素子１０から出て結合することができ、この場合、導波路ベースの光結合素子１０は偏光ビームスプリッタとして使用される。入力ファセットと出力ファセットの役割が適宜逆転されるように、この光路を逆にすることもできる。結果として、導波路ベースの光結合素子１０は、２つの光信号を組み合わせるためにも使用することができ、その各々は、２つのさらなる、空間的に分離された光結合点３７０、３８０のそれぞれの固有モードに結合され、第１の光結合点１００の相互に直交する固有モードに変換される。結果として、導波路ベースの光結合素子１０は偏光ビームコンバイナとしても使用することができる。

導波路ベースの光結合素子１０を使用して、第１の光結合点１００に割り当てられた２つの空間的に重なり合う固有モード１２０、１３０を空間的に分離することが可能であり、これらの固有モードは、第１の光結合点１００に存在し、相互に直交しているか、または実質的に直交しており、任意に、上記固有モードを、第２の光結合点３７０および第３の光結合点３８０に割り当てられた固有モード２６０、２８０のさらなる操作の対象とすることも可能である。この分離および任意のさらなる操作の結果として、好ましくは、この目的のために構成された方法、特にコヒーレント検波方法を使用することによって、第１の光結合点１００に割り当てられた固有モード１２０、１３０に元々存在するパワーおよび／または振幅および位相を判定することが可能であり、したがって、関連する偏光状態を判定することが可能である。この目的のために、第１の光結合点１００に割り当てられた最初に分離された固有モード１２０、１３０は、好ましくは、互いにおよび／または追加の参照フィールドと干渉するようにされ得る。さらに、第２の光結合点３７０および第３の光結合点３８０に割り当てられた空間的に分離された固有モード２６０、２８０は、好ましくは、モードの各々が、出力結合点として構成された２つのさらなる光結合点３７０、３８０を介して導波路ベースの光結合素子１０に隣接する部品部分または導波路４３０、４４０の固有モードを励起するべく構成されるように、操作することもできる。入力側で第１の光結合点１００に接続された部品部分４００の場合、結果として、第１の光結合点１００に割り当てられた光学部品部分４００の関連する縮退または非縮退固有モード１２０、１３０を分割することが可能であり、したがって、これらを、導波路ベースの光結合素子１０の出力結合点に接続された２つの集積光学部品部分または導波路４３０、４４０に結合することが可能であり、これにより、導波路として埋め込まれた光学部品部分４００のそれぞれの固有モードからの光は、各ケースにおいて集積光導波路のうちの１つの固有モードに変換される。

図１に例示的に概略を示した装置は、多くの方法で修正することができる。したがって、図１において、部分導波路３３０、３４０の略長方形の断面は、伝搬方向に沿って維持され、横方向の位置および配向に関してのみ修正される。代替実施形態では、伝搬方向に沿って断面の形状および／またはサイズを変更することも可能であり、特に、長方形の形状を他の形状、特に正方形、楕円形、または円形の形状に連続的に変換することも可能である。さらなる実施形態も考えられる。特に、形状は、リンクされる光学部品部分４３０、４４０の光結合点３７０、３８０の断面およびモードフィールドのプロファイルに適合させることができ、したがって、効率的な結合が得られる。したがって、モードの分離に加えて、本発明による装置によって、光結合点が非常に異なるサイズまたは位置のモードフィールドによって特徴付けられる少なくとも２つの光学部品部分間の低損失の接続を得ることが可能になる。

また、図２に例示的に例示されるように、図１に概略を示した装置のさらなる実施形態も可能であり、ここで、図１に明確に区別可能なように描写されている導波路セクション２００、３００は、明確な幾何学的境界なしで互いに融合されるか、または全体的または部分的に一体化される。偏光ビーム分割または偏光ビーム結合のための導波路ベースの光結合素子１０の機能性は、特に、導波路ベースの光結合素子１０が、図２の参照符号３０１によって示されるように、第１の領域６００で共に非常に接近しているか、または空間的に重なり合う、および互いに分離していると考えられる場合、非常に異なる有効屈折率を有する固有モードを少なくとも部分的に有する、少なくとも２つの部分導波路３３０、３４０を備える一方で、少なくとも２つの部分導波路３３０、３４０が、参照符号３０２ａ、３０２ｂによって図２に示されるように、第２の領域６１０で空間的に切り離されているという事実に基づいている。この場合、第１の領域６００における「共に非常に接近した部分導波路」という用語は、２つの部分導波路３３０、３４０で導波される固有モードが、少なくとも局所的に重なり合い、したがって互いに相互作用することができることを意味する。

図１および２に概略を示した装置では、２つのモードフィールド１２０ａ、１３０ａは、偏光方向の変化なしで、部分導波路３３０、３４０によって空間的に分岐するようにされるだけである。対照的に、他の場合では、分岐したモードフィールドの偏光方向を変更することが望ましく、それにより、たとえば、これらを集積光導波路の２つのＴＥモードに変換する。対応する装置は、以下の例示的な実施形態のいくつかの主題であり、たとえば、図３、８、９、または１０を参照されたい。

さらに、本発明による装置は、任意の所望のモード、特に同じ偏光であるが異なるフィールド分布を有する２つのモードを分離するために使用することもできる。本実施形態では、既に上記したように、導波路ベースの光結合素子１０の形状が適宜変更される。この場合、たとえば、異なる偏光方向を有するモードの上記の分離と同様の方法で、分離されるモードが適切に形成された導波路において異なる強度で導波される、および導波路を幾何学的に分岐させることによって結果的に分離を達成することができるという事実を利用することが可能である。また、（いわゆる方向性結合器と同様の方法で）平行に走る導波路への、分離されるべきモードの異なる強い結合が利用される実装も考えられる。さらなるオプションは、軸方向の導波路断面の周期的変調によるモードのターゲット変換からなり、その変調の基本波数は結合されるモードの波数の差に対応している。したがって、任意の所望のモードを、特に低い損失で、および特に信頼性が高く、たとえば上記の概念の助けを得て、互いに分離することができるフィールドの形態に変換することができる。例として、この場合の潜在的な使用のフィールドは、マルチモードのファイバまたはいわゆる「フューモードファイバ」のファセットでのモードの分離と、光学部品部分の異なる光結合点への対応する光信号の入力結合である。そのような目的に対応する光結合素子の構成は、とりわけ、個々の幾何学的パラメータではなく、結合構造の全体の形状が数値的に最適化される、トポロジー最適化方法として知られている方法によって判定することができる。それによって得られた構造化された幾何学的形状は、概して有効な説明を回避するものであるが、同様に、光結合およびモード分離のための本発明による装置の実現を容易にする。

具体的な実施形態では、導波路ベースの光結合素子１０は複数の光学部品４００、４３０、４４０に接続される。導波路ベースの光結合素子１０の形状をこれらの構成部品の位置決めの不正確さに適応させるために、光結合素子を製造するために使用される自由形状微細構造化ユニットの座標系４０において関連するさらなる光結合点４１０、４７０、４８０の位置および方向を非常に正確に取得することに利点がある。この目的のために、リンクされる光結合点４００、４３０、４４０上の、図１に概略的に例示される調整マーク４１１、４１２、４７２、４８１、４８２、または代替構造要素（図示せず）を使用することができる。さらなる光結合点４１０、４７０、４８０に対する、それらの調整マークまたは構造要素の相対的な位置は、非常に正確にわかっている。調整マーク４１１、４１２、４７１、４７２、４８１、４８２、または代替構造要素は、好ましくは、調整マーク４１１、４１２、４７１、４７２、４８１、４８２、または代替構造要素の三次元空間での位置特定を好ましくは可能にする撮像方法、特にカメラベースの方法によって検出することができる。当該プロセスでは、好ましくは、共焦点撮像方法を使用することも可能である。この場合、特に、調整マーク４１１、４１２、４７１、４７２、４８１、４８２の検出および製造される導波路ベースの光結合素子１０の露出の両方のために自由形状微細構造化ユニットの光ビーム経路の一部を使用することが可能である。調整マーク４１１、４１２、４７１、４７２、４８１、４８２または代替構造要素の検出は、考えられる最も高い精度で実施することができ、偏差は、好ましくは５００ｎｍ未満、特に好ましくは２００ｎｍ未満、特に１００ｎｍまたは５０ｎｍ未満である。自由形状微細構造化方法によって製造される導波路ベースの光結合素子１０およびリンクされる光結合点４００、４３０、４４０上のさらなる光結合点４１０、４７０、４８０の位置決め精度は、好ましくは５００ｎｍより良好、特に好ましくは２００ｎｍより良好、特に１００ｎｍまたは５０ｎｍより良好である。これらの値は、およそ１．５μｍの真空動作波長に対して提供される、本発明による装置および構造の製造に関する。

図３に概略を示した実施形態では、光学部品部分４００は、縮退または実質的に縮退した略直線偏光した２つの導波路モード（たとえば、ＬＰ０１モードとして知られているもの）を有する、回転対称の屈折率プロファイルを有するシングルモードの光ファイバとして構成されている。この場合、「縮退または実質的に縮退した（複数の）モード」という用語は、有効屈折率が非常に類似しており、その差が典型的に０．００１未満である、導波路モードを表す。標準的なシングルモードのファイバの場合、２つの異なって偏光した基本モードは非常に類似した強度分布を有する、すなわち、空間強度分布の正規化された重なり積分は、１に近く、好ましくは０．９または０．９５より大きい。導波路ベースの光結合素子１０によって、第１の光結合点１００に割り当てられた２つの第１の固有モード１２０、１３０の分離または２つの固有モード１２０、１３０の相互に直交する線形結合の分離が可能になる、すなわち、光学部品部分４００の第１の固有モード１２０または固有モード１２０、１３０の第１の線形結合が、図８に参照符号７１ａで示される、第１の集積光学部品部分４３０の固有モード２６０、たとえばいわゆるＴＥモードに変換される一方で、光学部品部分４００の第２の固有モード１３０または固有モード１２０、１３０の第２の線形結合は、図８に参照符号７１ｂで示される、第２の集積光学部品４４０の固有モード２８０、たとえば再びいわゆるＴＥモードに変換される。たとえば「ＴＭ」として示される、出力導波路４３０、４４０の第２のモードは、不要なクロストークを除き、本実施形態では励起されない。

図３に示されるように、これは、好ましくは、部分導波路３３０、３４０の連続したねじれによって実施され得る。さらなる例は、図８、９、および１０で見られる。この構造はさまざまな方法で修正することもできる。したがって、好ましくは、導波路のねじれを導波路ベースの光結合素子１０の第１の領域６００で既に開始することが可能であり、ここでは導波路はまだ分離されていない。また、好ましくは数値パラメータまたはトポロジー最適化方法によって決定することができる、導波路ベースの光結合素子１０のさらなる構造形状も考えられる。

図４に例示的に描写されるように、導波路ベースの光結合素子１０は、光学部品部分４００の光結合点４１０において、または少なくとも１つの光学部品部分４００、４３０、４４０の少なくとも２つのさらなる光結合点４１０、４７０、４８０の間で、三次元自由形状微細構造化方法によってその場で製造することができ、上記導波路ベースの光結合素子は、この場合、位置、形状、およびサイズを、少なくとも１つの光学部品部分４００、４３０、４４０の少なくとも２つのさらなる光結合点４１０、４７０、４８０の位置および配向に適応させることができる。高速かつ高スループットの製造を考慮して、導波路ベースの光結合素子１０には、最小の体積で可能な限り単純な形状であることが好ましい。例として、三次元空間においていわゆる「穴」ができるだけ少ない、構造的に細部がほとんどなくまたはトポロジーがほとんどない単純な隣接領域が、形状の点で有利である。同様に光学場の分離に適した光学格子は、多くの場合、複雑なパターニング工程を必要とする、精度に関して高い要求が伴う非常に詳細な構造につながるという問題を抱えている。光結合素子の少なくとも部分的に存在する導波特性を利用することによって、小さな体積を達成することができる。この場合、自由形状微細構造化方法によって製造された導波路ベースの光結合素子１０の体積は、好ましくは１０００μｍ³未満、特に好ましくは５００μｍ³未満、特に２５０μｍ³または１５０μｍ³未満であり、オプションで任意の接続導波路または他の機械的または光学的な追加構造が加えられる。これらの値は、およそ１．５μｍの真空動作波長に対して提供される、およびおよそ１．５の屈折率を有する材料を含む、導波路ベースの光結合素子１０に関する。他の動作波長に関して、導波路ベースの光結合素子１０の体積は、使用する材料のそれぞれの屈折率を考慮しながら、動作波長の３乗に比例してスケーリングすることができる。

上記で使用した「光結合点における」製造という用語は、導波路ベースの光学結合素子１０と光学部品部分４００に割り当てられたさらなる光結合点４１０との間の光結合が促進される実施形態を表す。この目的のために、および図１に概略的に例示されるように、好ましくは、第１の光結合点１００の領域において光学部品部分４００と導波路ベースの光結合素子１０との間に直接的な物理的接触があり得る。代替的に、図４および５に示されるように、特に好ましくは接続導波路１６０、１７０として構成されている、さらなる構造を介して、導波路ベースの光結合素子１０と光学部品部分４００に割り当てられたさらなる光結合点４１０との間で光の伝達が生じてもよい。接続導波路１６０、１７０は、好ましくは、自由形状微細構造化方法によってその場で、すなわち、特に第１の光結合点１００に関連し得るターゲット位置で直接、好ましくは導波路ベースの光結合素子１０と共に製造することができ、したがって利点として、互いに対するおよび導波路ベースの光結合素子１０に対する光学素子の非常に正確な位置合わせが容易になる。

図４は、接続導波路１６０として、Ｓ字型の導波路セグメントが、光ファイバとして、特にシングルモードファイバとして構成された光学部品部分４００のさらなる光結合点４１０と、導波路ベースの光結合素子１０の第１の光結合点１００との間に挿入され、それにより、確実に組み立てられた光学部品部分４００に相対する導波路ベースの光結合素子１０の並進移動および／または回転を達成することが可能である装置を例示的に示す。これにより、光学部品部分４００、４３０の相対的位置が製造公差から生じる不可避の変動を受ける場合であっても、導波路ベースの光結合素子１０の位置を、さらなる確実に組み立てられた光学部品部分４３０に割り当てられた第２のさらなる光結合点４７０の位置および／または配向に適応させることが可能になる。図４に例示される実施形態に加えて、導波路ベースの光結合素子１０の位置決めに関連して自由度をさらに高めるために使用することができる導波路セグメント（図示せず）も、光学部品部分４３０の第２のさらなる光結合点４７０と導波路ベースの光結合素子１０の関連する光結合点３７０との間に挿入することができる。

代替として、または加えて、追加の接続導波路１６０、１７０は、光学部品部分４００のさらなる光結合点４１０に存在するモードフィールドを導波路ベースの光結合素子１０の割り当てられた第１の光結合点１００に適合させる役割を果たし得る。図５に例示的に例示されるように、追加の接続導波路１７０はテーパとして設計することができる。この場合、「テーパ」という用語は一方向に先細る導波路セグメントを示す。この場合、テーパは、できるだけ損失が少ない空間モード分布のアディアバティック適応があるように、すなわち、第１のモード分布のパワーの大部分が、第２のモード分布に変換され、放出も吸収もされないように設計することができる。ここで、モードフィールドの適合に使用される追加の接続導波路１７０は、たとえそれに接続された光学部品部分４００と導波路ベースの光結合素子１０の両方がシングルモードの光結合点を有していようと、少なくとも部分的にマルチモード構成を有することも可能である。本実施形態は、光ファイバに接続されているテーパ状の接続導波路１７０の場合に生じ得、上記接続導波路は、選択されたクラッド材のために光ファイバの屈折率コントラストよりも大きな屈折率コントラストを有するが、その初期直径は光ファイバの屈折率に適合されている。適切な設計によって本実施形態で達成できることは、特にマルチモードセクションでの高次モードの励起を回避することによって、それでもなお効率的な結合が可能なままであるということである。図４および図５に概略を示した装置から逸脱して、接続導波路１６０、１７０および／または光学部品部分４００に含まれ、光結合点４１０に割り当てられた導波路は、異なる偏光の非縮退導波路モードを有する非回転対称断面、たとえば長方形または楕円形の断面を有し得る。この場合、接続導波路１６０、１７０は伝搬方向に沿ってねじれを有し得、それによって、非縮退固有モードの偏光方向を連続的に変更することができる。

導波路ベースの光結合素子１０が、好ましくは有効屈折率の大きな差を達成するため、したがって２つの異なって偏光した基本モードの強い分離を達成するために、高いアスペクト比によって特徴付けられた断面を含む少なくとも２つの部分導波路３３０、３４０を備える場合に、マルチモード導波路が生じ得る。当該プロセスでは、強く導波された基本モードに属する偏光について、基本モードに加えて高次モードが伝搬し得るケースが生じ得る。この場合、これらの高次モードの励起は、部分導波路３３０、３４０の適切な成形によって完全に回避することができる。図６に概略的に描写されるように、これは特に、部分導波路３３０、３４０の分岐およびこれに伴う強く導波された基本モードの空間的な分離の後、適切なテーパ３３１、３４１によって、非常に細長い断面３５０、３６０を有するマルチモードの部分導波路３３０、３４０がシングルモードの断面３５５、３６５に変換されて戻されることによって達成することができる。

代替的に、高次モードの励起を意図的に受け入れて、適切に形成されたテーパ３３１、３４１を提供することが可能であり、それは、干渉モードフィールドを、後続する導波路の基本モードに適合されている明確に定義された非常に局所化された出力フィールドに戻す誘導を促進する。図７による例示的な実施形態においてテーパ３３１、３４１を構成する目的で、それぞれの入力面３５０、３６０の幾何中心３５１、３６１に対する、テーパ端面３５５、３６５の幾何中心３７１、３８１のそれぞれの横方向のオフセット３７２、３８２が設定されており、これは、好ましくは数値的に最適化することができる。

図６および７に例示されるテーパ３３１、３４１は、例示的なものであると理解されるべきであり、多くの方法で修正することができる。たとえば、好ましくは、導波路軌道の適切な曲率によって、または導波路コアに適用されたフィン形状の補助構造によって、弱く導波されたモードを有意に消光し、したがって消光比を増加させることが可能である。さらに、部分導波路３３０、３４０は、明確な幾何学的境界なしにテーパ部分３３１、３４１に融合することができるか、または明確な幾何学的境界を有して完全に組み合わせることができる。さらに、数値パラメータ最適化方法またはトポロジー最適化方法によって対応する構造を設計すること、および／または図６および７による幾何学的形状から進んで上記構造を改善することが可能である。

導波路ベースの光結合素子１０を光学部品に光学的に結合するさまざまなオプションが、図８、９、および１０に例示的に例示されている。したがって、たとえば、導波路ベースの光結合素子１０の第１の光結合点１００が、光学部品部分４００のさらなる光結合点４１０と物理的に直接接触しておらず、追加の接続導波路１６０、１７０による接続もない装置も考えられる。代わりに、光は、少なくとも局所的に均質な媒体を介して光結合点１００、４１０間を伝搬することができる。これは、たとえば図９に描写されるように、効率的な光結合を容易にするために、導波路ベースの光結合素子１０の第１の光結合点１００および／または光学部品部分４００のさらなる光結合点４１０に、ビーム成形要素１１１、４１３を設けることが望ましい場合がある。ビーム成形要素１１１、４１３は、好ましくは、自由形状微細構造化方法によって導波路ベースの光結合素子１０と共に製造することができ、これは特に、関連する光結合点１００、４１０に関連して非常に正確な位置合わせを容易にする。

図８は、導波路ベースの光結合素子１０の２つのさらなる光結合点３７０、３８０と光チップ４３０上の集積光導波路７１ａ、７１ｂとの間の光結合が、追加の接続導波路８３０、８４０によって、接続導波路８３０、８４０の側のテーパ構造８５０、８６０と組み合わせて、および集積光導波路７１ａ、７１ｂの側のテーパ構造７２ａ、７２ｂと組み合わせて実施される実施形態を示す。接続導波路８３０、８４０および関連するテーパ構造８５０、８６０は、自由形状微細構造化方法によって導波路ベースの光結合素子１０と同じ工程において、その場で、すなわちターゲット位置で製造することができ、当該プロセスにおいて、光チップ４３０上に存在する導波路構造と高精度で位置合わせすることができる。

図９および１０は、導波路ベースの光結合素子１０の２つのさらなる光結合点３７０、３８０が、集積光チップ４３０の関連する光結合点７４ａ、７４ｂと物理的に直接接触していない実施形態を示す。代わりに、光は、この場合、光結合点間で、材料を含まない（真空）か、または特定の気体、液体、または固体（特に装置全体を保護および安定化するための光学的に透明なキャッピング材が充填され得る）であり得る、少なくとも局所的に均質な領域を介して伝搬する。結合効率を改善するために、さらなるビーム成形要素３３３、３４３が端面３５０、３６０に取り付けられ、上記ビーム成形要素は、好ましくは、自由形状微細構造化方法によって導波路ベースの光結合素子１０と共に製造することができ、それ故、それぞれの光結合点と非常に正確に位置合わせすることができる。

図９は、ビーム成形要素８３３、８４３が、光チップ４３０の側で集積光導波路７１ａおよび７１ｂのファセット７３ａ、７３ｂにも取り付けられており、上記ビーム成形要素は、導波路ベースの光結合素子１０の側にあるビーム成形要素３３３、３４３と共に、装置を組み立てるときの位置合わせ公差を増加させる実施形態を示す。さらに、さらなるビーム成形要素４１３、１１１は、光学部品部分４００のさらなる光結合点４１０と導波路ベースの光結合素子１０の第１の光結合点１００との間の結合効率を改善する目的で、２つの光結合点１００、４１０に適用することができる。これに代わる方法として、図１０に示すように、それぞれの光結合点の片側のみにビーム成形要素を取り付けることが可能である。

上述のように、自由形状微細構造化方法によって、特に、２つの分離したモードで非常に類似した損失を有し得る、対称または実質的に対称な幾何学的形状を有する構造を製造することが可能になる。図１１に概略的に例示されるように、これに関連した実質的に対称な構造形状は、対称面１１を含む三次元形状を示し、ここで、構造形状の可能な適応によって完全な対称性がわずかに妨害され得、これは、特に導波路ベースの光結合素子１０をリンクされる光結合素子の光結合点の位置および方向に結合するために必要とされ得る。

上記の実施形態は、例として理解されるべきであり、決して本発明による装置の使用の分野全体を反映するものではない。したがって、導波路ベースの光結合素子１０は、特に、追加の機能的光学素子またはそのような素子の装置と組み合わされ得、これらは、微細構造化方法、好ましくは自由形状微細構造化方法を使用することによって、原位置で、すなわちそれぞれのターゲット位置で、それぞれの導波路ベースの光結合素子１０と共に製造することができ、それ故、非常に正確な方法でそれぞれの導波路ベースの光結合素子１０に接続および／または位置合わせすることができる。機能的光学素子は、好ましくは、接続導波路、テーパ、光パワー分割器、または光学自由形状要素、特にミラー、レンズ、または他の屈折または回折構成要素部品をさらに備えることができ、当該プロセスにおいて、さらなる補助構造によって、特にさらなる機械的支持構造によって補完することができる。結果として、光ファイバまたは集積光導波路のファセット上、またはたとえばカメラチップなどの光検出器の拡張アレイ上で、たとえば偏光分析のための、より複雑な機能的光学装置を生成することが可能である。そのような例示的な実施形態は図１２から２３に見られる。

図１２は、４つの光結合点を有する偏光ビームスプリッタキューブの導波路ベースの類似物に対応する、および自由形状微細構造化方法によってマルチコアファイバ７２０の端面で製造され得る装置を示す。単一の光結合素子とは対照的に、図１２に示される装置は、原則として、さまざまな偏光を双方向にかつパワー損失なしで分離および／または融合することを可能にする。この場合、マルチコアファイバ７２０は、少なくとも１つの光学部品部分４００の役割を担い、概略的に４つの光結合点を備えている。例示される装置は、４コアファイバ７２０の端面に配置された４つの導波路ベースの光結合素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄを備え、上記光結合素子は、追加の接続導波路３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄによって相互接続されている。この場合、ファイバコアは各々、円形断面を有することができる。代替的に、それらは、二重の回転対称断面を有する偏光を維持するファイバコアとして構成することもでき、これは、４つの偏光を維持する個別のファイバに基づく図１３に概略が示される。導波路ベースの光結合素子１０ａは、導波路３１０ａ、３１０ｄ間のさまざまな偏光方向によって特徴付けられるファイバコア７３０ａの２つのＬＰ０１モードを分配し、そこから、上記モードをファイバコア７３０ｂ、７３０ｃのそれぞれのＬＰ０１モードに結合する。同様に、導波路ベースの光結合素子１０ｄは、導波路３１０ｂ、３１０ｃ間のさまざまな偏光方向によって特徴付けられるファイバコア７３０ｄの２つのＬＰ０１モードを分配し、そこから、上記モードをファイバコア７３０ｂ、７３０ｃのそれぞれ依然として自由なＬＰ０１モードに結合する。本実施形態では、導波路ベースの光結合素子１０ａ、１０ｄは偏光ビームスプリッタとして共に機能し、一方で、導波路ベースの光結合素子１０ｂ、１０ｃは偏光ビームコンバイナとして共に使用される。これらの役割は光路を逆にすることによって逆転することができ、装置全体をファイバ結合偏光ビームスプリッタとして使用することができる。この場合、追加のテーパ構造１７０ａ、１７０ｂ、１７０ｃ、および１７０ｄが、それぞれのファイバコアへの効率的な結合のために使用される。

図１３は、関連するファイバコア７５０ａ、７５０ｂ、７５０ｃ、７５０ｄを備える４つの偏光を維持する個別のファイバ７４０ａ、７４０ｂ、７４０ｃ、７４０ｄに基づく図１２に類似した装置１０５０を示す。この時点で、個々のファイバ７４０ａ、７４０ｂ、７４０ｃ、７４０ｄは、少なくとも１つの光学部品部分４００の役割を担う。描写される装置１０５０において、および多くの偏光を維持するファイバにとって従来通りであるように、関連するファイバの断面は、追加の応力発生要素７６０の結果として二重の回転対称を有する。偏光を維持する個々のファイバ７４０ａおよび７４０ｄのそれらの長手方向軸を中心にした９０°の回転によって、従来の自由ビーム光学における追加の半波長板の使用に対応する方法で、偏光回転の態様によって装置の機能性を増強することが可能である。

導波路ベースの光結合素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ間を走る接続導波路３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄは、図１２および１３において長方形の断面を有する自由形状導波路として概略を示されている。図１４に描写される装置１０６０が示すように、導波路ベースの光結合素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ間の光伝達は、代替的に、いわゆるウィスパリングギャラリーモード（ｗｈｉｓｐｅｒｉｎｇｇａｌｌｅｒｙｍｏｄｅｓ）を使用することによって達成することができる。本実施形態は、光学的高屈折率領域の適切に寸法合わせされた凸状外部輪郭部に沿って光を導波することができるという事実を利用する。これによって、例えば、導波路ベースの光結合素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ間の光接続が、より高い機械的安定性を有する広範な構造要素３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｃ、３１１ｄによって支持されることが可能になる。構造要素３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｃ、３１１ｄは、光伝達特性に悪影響を与えることなく、導波された光の影響を受けない領域で別の機械的支持構造に追加的に固定することができる。

図１５は、光偏光多重ヘテロダイン受信機に属する、および自由形状微細構造化方法を使用することによって７コアファイバ７７０の端面に製造することができる受動光導波路構造１１００を示しており、７コアファイバは、この場合の少なくとも１つの光学部品部分４００の役割を担っている。装置１１００は、偏光分離のための２つの導波路ベースの光結合素子１０ａ、１０ｂ、個々の偏光に含まれる信号のコヒーレントな重ね合わせのための２つのマルチモード干渉カプラ２０ａ、２０ｂ、およびさらなる接続導波路３２０ａ、３２０ｂ、３２０ｃ、３２０ｄおよびテーパ部１７０ａ、１７０ｂ、１７０ｃ、１７０ｄ、１７０ｅ、１７０ｆを備える。コヒーレント光偏光多重受信機としての使用のために、ファイバコア７７０ａ、７７０ｂ、７７０ｃ、７７０ｄ、７７０ｅ、７７０ｆは、以下の通りに外部コンポーネントに接続することができる：
ファイバコア７７０ａ、７７０ｂを第１の平衡光検出器に接続する；
ファイバコア７７０ｄ、７７０ｅを第２の平衡光検出器に接続する；
ファイバコア７７０ｇは接続されない；
ファイバコア７７０ｃをデータ信号源に、ファイバコア７７０ｆを局部発振器に接続するか、またはその逆もしかりである。

データ信号は、導波路ベースの光結合素子１０ｂがデータ信号入力に接続されることによって、関連するファイバコアの２つの縮退直交偏波ＬＰ０１固有モードに対応する２つの信号成分に分解される。同様に、局部発振器の信号は、導波路ベースの光結合素子１０ａが局部発振器の入力に接続されることによって、関連するファイバコアの２つの縮退直交偏波ＬＰ０１固有モードに対応する２つの信号成分に分解される。これらのデータ信号成分および局部発振器の信号成分の偏光方向は、光結合素子に隣接する導波路３２０ａ、３２０ｂ；３２０ｃ、３２０ｄのねじれによって互いに合致され、マルチモード干渉カプラ２０ａ、２０ｂによって重ね合わされる。重ね合わせ信号は平衡光検出器に供給される。偏光多重データ信号は、混合機として機能する光検出器によって生成され得る電気信号の処理、概してデジタル処理によって再構築される。示される分配器の構造の潜在的な欠陥は、この処理の範囲内で補うことができる。

図１５に例示される装置１１００は、例示的なものであると理解されるべきであり、多くの方法で修正することができる。したがって、偏光多重ホモダイン受信機を、追加のファイバコアの追加によって、および適切な増強された信号の重ね合わせによって、好ましくは２～４のマルチモード干渉カプラを使用することによって提供することができる。さらに、局部発振器に接続された偏光ビームスプリッタは、単純なパワースプリッタに置き換えることができる。当該構造は、マルチコアファイバの端面に製造することができるだけでなく、代替的に、一次元ファイバアレイ、二次元ファイバアレイ、または他の導波路、たとえば集積光導波路の装置も使用することができる。図１３に示した実施形態と同様に、この場合にも偏光を維持するファイバを使用することができる。

図１６は、自由形状微細構造化方法を使用することによってシングルモードのファイバの端面に製造することができる偏光アナライザ構造１２００を示し、シングルモードのファイバは、この場合に少なくとも１つの光学部品部分４００の役割を担う。ファイバからさらなる光結合点４１０を介して構造内に結合された光は、最初は４つの導波路８１０ａ、８１０ｂ、８１０ｃ、８１０ｄに均一に分配される。この場合、それらの主軸で互いに対して４５°回転されている２つの導波路ベースの光結合素子１０ａ、１０ｂが導波路８１０ａ、８１０ｂに接続され、それによって、信号成分を、互いに対して４５°傾斜されている関連する偏光方向で分離することができる。この場合、光結合素子の主軸は、光結合素子によって分離された直線偏光の偏光方向によって画定される。光複屈折導波路３０が導波路８１０ｃに接続され、光複屈折導波路３０の長さは、導波路８１０ｃが長方形の断面の配向によって決定された位置合わせで四分の一波長板のように挙動するように選択される。光複屈折導波路３０の複屈折は、その材料特性、またはたとえば長方形および非正方形、または楕円形および非円形である、そのコア断面形状に起因して発生する。さらなる導波路ベースの光結合素子１０ｃが、光複屈折導波路３０の出力に接続され、その主軸は、四分の一波長板として機能する複屈折導波路３０の主軸に対して４５°ねじられている。光複屈折導波路３０の主軸は、複屈折導波路３０の関連する偏光固有状態の偏光方向によって画定され、複屈折導波路３０の長方形または楕円形の断面の場合、長方形の断面の側面によってまたは楕円形の断面の主軸によって画定された方向から生じる。導波路８１０ｄは、一端が開いたままであり、パワー測定のみに機能する。

光が、特定の偏光状態に対応する２つの直交偏波ＬＰ０１モードの任意の所望の重ね合わせでファイバから構造に結合される場合、これによって、出力８１１ｄ、３７０ａ、３８０ａ、３７０ｂ、３８０ｂ、３７０ｃ、３８０ｃで特徴的なパワー分布が得られ、適切に位置づけられた光検出器を使用することによって上記パワー分布を測定することが可能である。このパワー分布を使用して、構造に結合された光の偏光状態を一意に再構築することが可能であり、これに関しては、たとえば、Ｋ．Ｋｉｋｕｃｈｉｅｔａｌ．，Ｍｕｌｔｉ－ｌｅｖｅｌｓｉｇｎａｌｉｎｇｉｎｔｈｅＳｔｏｋｅｓｓｐａｃｅａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏｌａｒｇｅ－ｃａｐａｃｉｔｙｏｐｔｉｃａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａ－ｔｉｏｎｓ，ＯｐｔｉｃｓＥｘｐｒｅｓｓ，Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．７，２０１４が参照されるが、そのため、適切なデータ処理および好ましくは較正と組み合わせた構造１２００の助けを得て、比較的費用対効果の高い製造可能な偏光アナライザを提供することができる。この場合、概要を示した出力の放射方向の複雑な調整なしで適用されるフォトダイオードアレイ、好ましくは画像センサを、パワー検出に使用することができる。代替的に、さまざまな出力８１１ｄ、３７０ａ、３８０ａ、３７０ｂ、３８０ｂ、３７０ｃ、３８０ｃは、追加の導波路および／またはマイクロ光学素子を使用することによって、さらなる光学部品、たとえば光検出器または光ファイバに接続することができる。

図１６に概略を示すように、３つの光結合素子、四分の一波長板、およびパワー測定のみに使用される出力８１１ｄが使用されることで、構造の出力での偏光状態が既に過剰に決定されている。冗長情報は測定の信頼性を確認するために使用することができる。代替的に、当該構造は、たとえば、パワー測定のみに使用される出力８１１ｄを省くことによって、さらに単純化することもできる。

図１７は、ファラデー回転子ミラーと同様の方法で、この場合に光学部品部分４００の役割を担う、光ファイバの２つの相互に直交偏波された基本モード（いわゆるＬＰ０１モード）に存在する信号成分を交換する、および上記信号成分を結合し、反対側の偏光方向でファイバに戻す反射型偏光スワッパを示す。導波路ベースの光結合素子１０の３つの光結合点１００、３７０、３８０のうち、第１の光結合点１００が光ファイバに接続される一方で、２つのさらなる光結合点３７０、３８０はねじられた導波路３９０によって相互接続される。

図１８および１９は、偏光感知画像センサ１４００、１４５０の形態での、本発明による装置の適用を示している。この場合、図１８に概略を示した個々の構造は、自由形状レンズ１１１を備え、それによって、外部から入射する光１１２は、導波路ベースの光結合素子１０に最初に結合することができる。２つの偏光の分離に続いて、対応する信号成分は、導波路ベースの光結合素子１０の２つのさらなる光結合点３７０、３８０に接続されている２つの光検出器５０ａ、５０ｂに移送され、そこで電線５１を介して導波される電気信号に変換される。光検出器５０ａ、５０ｂは、好ましくは、画像センサの個々の検出器であり得、そのため、図１８に概略を示した構造を周期的に継続することによって、偏光感知画像センサを構築することができ、上記偏光感知画像センサは、２つの偏光に従って分離された入射パワーの空間分布を検出するために使用することができる。

図１９は、構造１４００のアレイ状の繰り返しを示しており、これによって、多数のピクセルを有する偏光感知画像センサ１４５０または偏光感知カメラを製造することができる。

図２０は、自由形状微細構造化方法を使用することによって共に製造することができる、複数の導波路ベースの光結合素子１０、１０ａ、１０ｂのカスケード１５００を示す。このような装置を用いることによって、特に、光結合点３７０ａ、３８０ａ、３７０ｂ、３８０ｂでの偏光消光比を改善することが可能である。

図２１は、導波路ベースの光結合素子１０がシングルモードのファイバに接続され、この時点で光学部品部分４００の役割を担い、その出力が追加の構造６０によって機械的に安定化される装置１６００を示す。さらなる光結合点４１０でシングルモードのファイバから導波路ベースの光結合素子１０につながるテーパ１７０に結合される光信号が、関連するファイバコアの縮退直交偏波ＬＰ０１固有モードに対応する、２つの信号成分に最初に分割される。ねじられた導波路セクション３３２、３４２の結果として、分離された信号成分は、その後、それらの偏光方向に関して整合され、テーパ８１５、８１６によって調整可能なモードプロファイルを有する光結合点８２５、８２６で出力されて結合される。さらなる光結合点８２５、８２６の位置は、支柱６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、６１ｄによって担持される機械的支持構造６０のスラブ形状の部分構造６２に固定される。さらなる光結合点８２５、８２６の距離および位置は自由に選択することができる。

図２２は、入力ファイバ４００ａ、４００ｂ、４００ｃ、４００ｄのアレイ８０を形成するための図２１からの装置１６００の拡張を表す装置１６５０を示す。関連する出力８２５ａ、８２６ａ；８２５ｂ、８２６ｂ；８２５ｃ、８２６ｃ；８２５ｄ、８２６ｄの距離を選択することによって、当該装置は、出力側でファイバアレイまたはチップ上に位置する導波路アレイに接続することもできる。本実施形態では、装置１６５０はマルチチャネル偏光ビームスプリッタに対応している。

例示的な方法で、図２３は、導波路ベースの光結合素子１０が偏光フィルタとして使用される装置１７００を示している。概略を示した装置１７００では、偏光に関してフィルタリングされる光信号が、光学部品部分４００によって放出され、その光結合点４１０において、導波路ベースの光結合素子１０はその第１の光結合点１００と接続される。偏光に関連してフィルタリングされた所望の信号は、その後、第２の光結合点３７０の導波された固有モードの１つで利用可能であり、一方で、偏光フィルタリングによって抑制される信号成分は、第３の光結合点３８０に接続された終端要素（ビームダンプ）３９５に供給される。図２３に概略を示したケースでは、ビームダンプは、連続的に先細りするテーパ構造の形態で具体化され、それを介して、光が横方向、たとえば吸収面の方向に放出される。図２３に概略を示した装置の多くの態様は修正することができる。たとえば、第２の光結合点３７０および第３の光結合点３８０の役割は、機能原理を全く変更することなく入れ替えることができる。第１の光結合点１００において、自由空間から、そこに存在している光学部品部分との物理的接触なしで、光が結合され、第３の光結合点３７０が光学部品部分に結合される構成も考えられる。光学部品への結合は、直接、または上記のように、対応する接続導波路またはフリービーム結合ストレッチを介して実施することができる。

１０、１０ａ－１０ｄ（導波路ベースの）光結合素子
１１対称面
２０ａ、２０ｂマルチモード干渉カプラ
３０四分の一波長板のように挙動する複屈折導波路
４０リソグラフィシステムの座標系
５０ａ、５０ｂ光検出器
５１電線
６０機械的支持構造
６１ａ－６１ｄ機械的支持構造の支柱
６２支柱によって担持される、機械的支持構造の部分構造
７１ａ、７１ｂ集積光導波路
７２ａ、７２ｂ、１７０、１７０ａ－１７０ｆ、３３１、３４１、８１５、８１６、８５０、８６０テーパ構造
７３ａ、７３ｂ集積光導波路のファセット
７４ａ、７４ｂ集積光導波路の光結合点
８０ファイバアレイ
１００、３７０、３７０ａ－３７０ｃ、３８０、３８０ａ－３８０ｃ光結合素子の光結合点
１１０、３５０、３６０光結合素子の光結合点での導波路断面（ファセット）
１１１、３３３、３４３、４１３、８３３、８４３ビーム成形要素
１１２入射光
１２０、１３０；１２０ａ、１３０ａ第１の光結合点での直交固有モード
１４０、１５０電場ベクトルの強度分布
１６０、３１０ａ－３１０ｄ、３２０ａ－３２０ｄ、８３０、８４０接続導波路
２００、３００光結合素子の導波路セクション
２１０導波路断面の重ね合わせからなる導波路断面
２３０、２４０導波路断面
２５０、２６０；２７０、２８０第２および第３の光結合点での直交固有モード
３０１導波路領域における部分導波路の重ね合わせの断面
３０２ａ、３０２ｂ導波路領域における部分導波路の断面
３１１ａ－３１１ｄウィスパリングギャラリーモードの誘導のための広範な構造要素
３３０、３４０、３３２、３４２、３９０光結合素子の部分導波路または（ねじれた）導波路セグメント
３５１、３６１導波路断面３５０、３６０の幾何中心
３５５、３６５テーパ構造３３１、３４１のシングルモードの断面
３７１、３８１断面３５５、３６５の幾何中心
３７２、３８２幾何中心３５１、３６１に対する幾何中心３７１、３８１の側方オフセット
３９５終端要素（ビームダンプ）
４００、４３０、４４０光学部品部分
４００ａ－４００ｄ光ファイバ
４１０、４７０、４８０光学部品部分の光結合点
４１１、４１２、４７１、４７２、４８１、４８２調整マーク
５００キャッピング材またはクラッド材
６００部分導波路が互いに非常に接近しているか、また空間的に重なり合っている、光結合素子の導波路領域
６１０部分導波路が空間的に切り離されている、光結合素子の導波路領域
７２０、７７０マルチコアファイバ
７３０ａ－７３０ｄ、７７０ａ－７７０ｇマルチコアファイバのコア
７４０ａ－７４０ｄ偏光を維持するファイバ
７５０ａ－７５０ｄファイバコア
７６０応力発生要素
８１０ａ－８１０ｄ接続導波路
８１１ｄ、８２５ａ－８２５ｄ、８２６ａ－８２６ｄさらなる光結合点
１０００、１０５０、１０６０、１１００、１２００、１３００、１４００、１４５０、１５００、１６００、１６５０、１７００導波路ベースの光結合素子と共にその場で製造される、追加の機能的光学素子またはそのような素子の装置

Claims

光結合のためのおよび光学場のモード選択分離または重ね合わせのための装置であって、前記装置が、
少なくとも３つの光結合点（１００、３７０、３８０）を有する導波路ベースの光結合素子（１０）と、
少なくとも１つのさらなる光結合点（４１０）を有する少なくとも１つの光学部品部分（４００）と、を備え、
前記導波路ベースの光結合素子（１０）が、コア領域と前記コア領域に隣接するクラッド領域とを含み、前記コア領域と前記クラッド領域との間に少なくとも０．０５の屈折率差が生じ、前記導波路ベースの光結合素子（１０）が三次元の自由形状構造の形態で設計され、前記自由形状構造は、少なくとも６層からなる層構造に近似した構造を有し、
少なくとも１つの第１の光結合点（１００）は、前記第１の光結合点（１００）に割り当てられた少なくとも２つの異なる導波された固有モード（１２０、１３０）を有し、
少なくとも１つの第２の光結合点（３７０）は、前記第２の光結合点（３７０）に割り当てられた少なくとも１つの導波された固有モード（２６０）を有し、および
少なくとも１つの第３の光結合点（３８０）は、前記第３の光結合点（３８０）に割り当てられた少なくとも１つの導波された固有モード（２８０）を有し、
前記導波路ベースの光結合素子（１０）の前記光結合点（１００、３７０、３８０）のうちの少なくとも１つが、前記光学部品部分（４００）の前記少なくとも１つのさらなる光結合点（４１０）に光学的に接続され、
前記導波路ベースの光結合素子（１０）が、
前記第１の光結合点（１００）に割り当てられた少なくとも１つの第１の導波された固有モード（１２０）と、前記第２の光結合点（３７０）に割り当てられた少なくとも１つの導波された固有モード（２６０）との間で、および
前記第１の光結合点（１００）に割り当てられた少なくとも１つの第２の導波された固有モード（１３０）と、前記第３の光結合点（３８０）に割り当てられた少なくとも１つの導波された固有モード（２８０）との間で、高効率で光を双方向に伝達するように構成されている、装置。
前記第２の光結合点（３７０）および前記第３の光結合点（３８０）の少なくとも１つが、さらなる光学部品部分（４３０、４４０）に結合される、請求項１記載の装置。
前記第２の光結合点（３７０）および前記第３の光結合点（３８０）が空間的に互いに分離され、
前記導波路ベースの光結合素子（１０）は、
前記第１の光結合点（１００）に存在する光入力フィールドを、異なる偏光の部分フィールドへと分離し、前記第２の光結合点（３７０）および前記第３の光結合点（３８０）において部分フィールドによって構成される光信号を出力して結合するように構成されるか、または
前記導波路ベースの光結合素子（１０）が、光信号を、前記第２の光結合点（３７０）および前記第３の光結合点（３８０）で入力して結合された異なる偏光の空間的に重なり合う部分フィールドの形態で重ね合わせ、前記重ね合わせを前記第１の光結合点（１００）で提供するように設計されている、請求項１または２に記載の装置。
前記導波路ベースの光結合素子（１０）が、前記第１の光結合点（１００）に割り当てられた少なくとも２つの導波された固有モード（１２０、１３０）を異なる偏光に分離し、続いて、前記第２の光結合点（３７０）に割り当てられた前記少なくとも１つの導波された固有モード（２６０）に対して、および、前記少なくとも１つの第３の光結合点（３８０）に割り当てられた前記導波された固有モード（２８０）に対して、偏光の方向を揃えることを容易にするために、分離された固有モード（１２０、１３０）の偏光を一方向に回転させるように構成されている、請求項１～３のいずれか１項に記載の装置。
前記導波路ベースの光結合素子（１０）が少なくとも２つの部分導波路を備え、前記部分導波路が、第１の領域（６００）において互いに近接して、または空間的に交差して配置され、前記少なくとも２つの部分導波路は、互いに切り離して見た場合に、少なくとも部分的に強く分離された固有モードを有し、前記部分導波路は第２の領域（６１０）において空間的に切り離されている、請求項１～４のいずれか１項に記載の装置。
前記導波路ベースの光結合素子（１０）が、
前記第１の光結合点（１００）に隣接する少なくとも１つの第１の導波路領域（２００）と、
前記第１の導波路領域（２００）に隣接する少なくとも１つの第２の導波路領域（３００）と
を備え、
前記第１の導波路領域（２００）において、第１の導波路断面（１１０）が、強く分離された固有モード（２５０、２６０、２７０、２８０）を個々に有する２つの導波路断面（２３０、２４０）の重ね合わせを含む第２の導波路断面（２１０）へと連続的に変換され、
前記第１の光結合点（１００）に割り当てられた前記少なくとも２つの導波された固有モード（１２０、１３０）は、前記第１の導波路断面（１１０）において互いに直交して配置されるか、または、前記第１の導波路断面（１１０）から前記第１の光結合点（１００）に割り当てられた前記少なくとも２つの導波された固有モード（１２０、１３０）の２つの相互に直交する線形結合が、前記２つの導波路断面（２３０、２４０）の強く導波された固有モード（２６０、２８０）に変換され、
前記第２の導波路領域（３００）において、最初に重なり合う導波路断面（２３０、２４０）が、前記第２の光結合点（３７０）および前記第３の光結合点（３８０）を画定する切り離された断面（３３０、３４０）へと離れるようにガイドされる、請求項１～５のいずれか１項に記載の装置。
前記第１の導波路領域（２００）における、前記第１の導波路断面（１１０）の前記第２の導波路断面（２１０）への変換が、光の伝搬方向に沿って断面の連続的な変形によってなされている、請求項６記載の装置。
前記導波路断面（２３０、２４０）のそれぞれは、少なくとも１．５のアスペクト比を有する、単一の連続した領域を形成する、請求項６または７に記載の装置。
前記第１の光結合点（１００）が、直接的または間接的に、さらなる導波路セグメントまたはビーム成形構造要素を介して、低屈折率コントラストを有し、縮退または実質的に縮退した直交固有モードを有する導波路に、または、光ファイバ（４００）に光学的に結合される、および／または
前記第２の光結合点（３７０）または前記第３の光結合点（３８０）が、直接的または間接的に、さらなる導波路セグメントまたはビーム成形構造要素を介して、高屈折率コントラストを有し、強く分離された直交固有モードを有する導波路に、または、半導体ベースの集積光導波路（７１ａまたは７１ｂ）に光学的に結合される、請求項１～８のいずれか１項に記載の装置。
前記第１の光結合点（１００）が、
前記光学部品部分（４００）のさらなる光結合点（４１０）と物理的に直接接触しているか、または
前記光学部品部分（４００）の前記さらなる光結合点（４１０）と物理的に直接接触しておらず、前記光が、前記第１の光結合点（１００）と前記さらなる光結合点（４１０）との間で少なくとも局所的に均質な媒体を介して伝搬される、請求項１～９のいずれか１項に記載の装置。
前記第１の光結合点（１００）が自由空間から光を受け取るように構成されるか、または、前記第１の光結合点（１００）が、前記自由空間からの光を結合するように構成されたレンズを備える、請求項１～１０のいずれか１項に記載の装置。
前記コア領域が１．３～１．８の屈折率を有する、請求項１～１１のいずれか１項に記載の装置。
請求項１～１２のいずれか１項に記載の装置と、導波路ベースの光結合素子（１０）の第２の光結合点（３７０）または第３の光結合点（３８０）のうちの１つに接続された終端要素（３９５）とを備える、偏光フィルタ、
少なくとも１つの接続導波路（３１０ａ－３１０ｄ）を有する導波路ベースの偏光ビームスプリッタ、
少なくとも１つの接続導波路（３２０ａ－３２０ｄ）を有する少なくとも２つの導波路ベースの結合素子（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ）の組み合わせにおけるコヒーレント偏光多重受信機のための受動光導波路構造、
少なくとも１つのパワースプリッタを有する少なくとも２つの導波路ベースの結合素子（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ）の組み合わせにおける偏光アナライザのための受動光導波路構造、
少なくとも１つの自由形状マイクロ光学要素を有する少なくとも２つの導波路ベースの結合素子（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ）の組み合わせにおける偏光感知画像センサのための受動光導波路構造としての、請求項１～１２のいずれか１項に記載の装置の使用。
少なくとも１つの光学部品部分（４００）の少なくとも１つのさらなる光結合点（４１０）における光学場のモード選択分離または重ね合わせのために構成された導波路ベースの光結合素子（１０）を製造するための方法であって、
ａ）前記少なくとも１つの光学部品部分（４００）を提供し、自由形状微細構造化方法を実行するように構成された自由形状微細構造化ユニットの座標系（４０）において、前記少なくとも１つの光学部品部分（４００）の前記少なくとも１つのさらなる光結合点（４１０）を位置づける工程と、
ｂ）前記自由形状微細構造化ユニットの前記座標系（４０）において前記導波路ベースの光結合素子（１０）の三次元形状を説明するデータセットを生成する工程であって、
前記導波路ベースの光結合素子（１０）が少なくとも３つの光結合点（１００、３７０、３８０）を有し、
少なくとも１つの第１の光結合点（１００）は、前記第１の光結合点（１００）に割り当てられた少なくとも２つの異なる導波された固有モード（１２０、１３０）を有し、
少なくとも１つの第２の光結合点（３７０）は、前記第２の光結合点（３７０）に割り当てられた少なくとも１つの導波された固有モード（２６０）を有し、および
少なくとも１つの第３の光結合点（３８０）は、前記第３の光結合点（３８０）に割り当てられた少なくとも１つの導波された固有モード（２８０）を有し、
前記導波路ベースの光結合素子（１０）が、
前記第１の光結合点（１００）に割り当てられた少なくとも１つの第１の導波された固有モード（１２０）と、前記第２の光結合点（３７０）に割り当てられた少なくとも１つの導波された固有モード（２６０）との間で、および
前記第１の光結合点（１００）に割り当てられた少なくとも１つの第２の導波された固有モード（１３０）と、前記第３の光結合点（３８０）に割り当てられた少なくとも１つの導波された固有モード（２８０）との間で、高効率で光を双方向に伝達するように構成されている、工程と、
ｃ）前記自由形状微細構造化方法を使用することによって、前記少なくとも１つの光学部品部分（４００）の前記少なくとも１つのさらなる光結合点（４１０）で前記導波路ベースの光結合素子（１０）を製造する工程と、
ｄ）前記導波路ベースの光結合素子（１０）を少なくとも局所的にコア領域として前記導波路ベースの光結合素子（１０）に隣接するクラッド領域内に埋め込む工程であって、前記コア領域と前記クラッド領域との間で少なくとも０．０５の屈折率差が生じる、工程と、を含む方法。
前記第２の光結合点（３７０）および前記第３の光結合点（３８０）の少なくとも１つが、前記少なくとも１つの光学部品部分（４００）またはさらなる光学部品部分（４３０、４４０）に光学的に結合され、前記少なくとも１つの光学部品部分（４００）の位置または前記さらなる光学部品部分（４３０、４４０）の位置が、前記データセットを生成するときに登録され、工程ｂ）で考慮される、請求項１４記載の方法。
前記コア領域が１．３～１．８の屈折率を有する、請求項１４または１５に記載の方法。
前記自由形状微細構造化方法が、接続導波路（３０、１６０、１７０、３１０ａ－３１０ｄ、３２０ａ－３２０ｄ、８３０、８４０）、テーパ構造（７２ａ、７２ｂ、１７０、１７０ａ－１７０ｆ、３３１、３４１、８１５、８１６、８５０、８６０）、光カプラ（２０ａ、２０ｂ）、ビーム成形構造要素（１１１、４１１）および機械的支持構造（６０）から選択される、少なくとも１つのさらなる光学素子を追加で製造するために使用される、請求項１４～１６のいずれか１項に記載の方法。
前記自由形状微細構造化方法が、特に空間光変調器を使用することによる、ステレオリソグラフィ、および、特に多光子重合である直接描画レーザリソグラフィから選択されるリソグラフィ方法である、請求項１４～１７のいずれか１項に記載の方法。