Valokanavan ja optisen kuidun välinen kytkentä mikro-optiikan avulla

Abstract

Coupling between integrated photonic waveguides and optical fibers is strongly affected by the transverse shape of the field emitted from the waveguide. This thesis investigates micro-optical structures for collimating, focusing and shaping the elliptical field emitted from a rectangular silicon nitride waveguide for coupling into a single-mode fiber. The studied solutions were aspherical lenses attached to polymer surfaces and ideal phase surfaces based on Zernike polynomials. In addition, a collimating phase surface was combined with a 90-degree beam-turning structure.

The field distributions of six waveguide geometries were calculated at a wavelength of 1550 nm. Astigmatic Gaussian beams were fitted to the transverse irradiance profiles and used as input fields in optical system modeling with Ansys Zemax OpticStudio. The collimation and focusing performance of the systems were evaluated using spot diagrams, while the fiber coupling of the focusing systems was examined using physical optics propagation analysis, which is based on Fourier optics. The modeling was limited to ideal optical surfaces and did not include fabrication tolerances or alignment errors.

The output fields were elliptical for all studied waveguide geometries, and the normalized error of the Gaussian fits remained below five per cent. Of the focusing solutions, the aspherical lens achieved the highest fiber coupling efficiency, with values of 87.5–90.2 %, corresponding to coupling losses of 0.45–0.58 dB. The spot size of the collimating lens showed that collimation was achieved, though the ray bundle remained elliptical. Collimating Zernike phase-surface system collimated the rays acceptably, but not as well as the aspherical lens. After distance adjustment, the focusing Zernike phase-surface system achieved coupling efficiencies of 52.2–54.9 %, corresponding to losses of 2.60–2.82 dB. Independent collimation of x- and y-directions with two Zernike phase surfaces improved when the separation between the surfaces was reduced, but a fully symmetric spot was not achieved. In the beam-turning model, excellent collimation was retained after a 90-degree change in propagation direction.

The results show that the aspherical polymer lens was the best-performing structure for coupling between the waveguide and the fiber among the solutions studied. However, Zernike phase surfaces provide a promising approach for flexible phase-controlled optical functions, whose further development requires more versatile phase profiles and field-based optimization.

Integroidun fotoniikan ja optisen kuidun välisessä kytkennässä valokanavasta ulostulevan kentän poikittainen muoto vaikuttaa olennaisesti kytkentätehokkuuteen. Diplomityössä tutkittiin mikro-optisia rakenteita, joilla suorakulmaisesta piinitridivalokanavasta ulostulevaa elliptistä kenttää voidaan kollimoida, keskittää ja muokata yksimuotokuituun kytkemistä varten. Vertailtavina ratkaisuina olivat asfääriset linssipinnat ja Zernike-polynomeihin perustuvat ideaaliset vaihepinnat. Lisäksi tarkasteltiin kollimoivan vaihepinnan yhdistämistä 90 asteen suunnanmuutosrakenteeseen.

Kuuden valokanavageometrian kenttäjakaumat laskettiin aallonpituudella 1550 nm. Poikittaisiin intensiteettiprofiileihin sovitettiin astigmaattiset Gaussiset säteet, joita käytettiin optisten järjestelmien lähtökenttinä Zemax OpticStudio -mallinnuksessa. Järjestelmien kollimaatiota ja keskittämistä arvioitiin spot size -diagrammeilla, ja keskittävien ratkaisujen kuitukytkentää tutkittiin Fourier-optiikkaan perustuvalla analyysillä. Mallinnus rajattiin ideaalisiin optisiin pintoihin, eikä valmistustoleransseja tai kohdistusvirheitä sisällytetty tarkasteluun.

Lähtökentät olivat kaikilla tutkituilla geometrioilla elliptisiä, ja Gaussisten sovitusten normalisoitu virhe jäi alle viiden prosentin. Asfäärinen linssi tuotti tarkastelluista keskittävistä ratkaisuista parhaan kuitukytkennän: kytkentätehokkuus oli 87,5–90,2 %, mikä vastasi 0,45–0,58 dB:n kytkentähäviötä. Kollimoivan linssin jälkeen säteet olivat samansuuntaisia, mutta elliptisyyttä jäi systeemiin. Kollimoiva vaihepinta kollimoi säteet kohtuullisesti, kuitenkin linssiä heikommin. Keskittävä Zernike-vaihepintajärjestelmä saavutti etäisyysmuokkauksen jälkeen 52,2–54,9 %:n kytkentätehokkuuden eli 2,60–2,82 dB:n häviön. Kahdella Zernike-vaihepinnalla toteutettu vaiheittainen kollimointi parani pintojen etäisyyttä pienennettäessä, mutta täysin symmetristä spottia ei saavutettu. Suunnanmuutosmallissa ennen paraksiaalista linssiä muodostunut sädejakauma säilyi kompaktina ja ympyräsymmetrisenä myös 90 asteen käännöksen jälkeen.

Tulokset osoittavat, että asfäärinen linssi on tutkituista rakenteista suorituskykyisin ratkaisu valokanavan ja kuidun väliseen kytkentään. Zernike-vaihepinnat ovat kuitenkin lupaava tapa toteuttaa joustavia vaiheohjattuja toimintoja, joiden jatkokehitys edellyttää monipuolisempia vaiheprofiileja ja kenttäpohjaista optimointia.