KIP-Veröffentlichungen

Die effiziente Kopplung eines ultraviolettem (UV) Laserstrahls in nanoskala Wellenleiter photonisch integrierter Schaltungen (PICs) ist eine Herausforderung, insbesondere bei 316nm, aufgrund der schlechten Überlappung der Moden und der Untauglichkeit herkömmlicher Glasfaser-basierten Methoden. Diese Arbeit stellt das Design und die Optimierung einer 3D-gedruckten Mikrolinse vor, welche die Kopplung eines UV-Strahls in Aluminium- Gallium-Nitrid (AlGaN) Wellenleiter verbessern soll. Mithilfe von Finite-Difference Time-Domain (FDTD)-Simulationen wurde die Geometrie einer Mikrolinse zur maximalen Leistungsübertragung in AlGaN-Wellenleiter optimiert. Die Parameter wurden systematisch variiert, und die Kopplung in die fundamentalen TE0- und TM0-Moden von den Wellenleitern mit Schichthöhen von 300nm und 200nm wurde mittels Fresnel-korrigierter Überlappungsintegrale ausgewertet. Außerdem wurde auch der Einfluss auf die Ausrichtungstoleranz des Lasers untersucht. Für die 300nm AlGaN Wellenleiter verbessert die optimierte Mikrolinse die Kopplung in die TE0-Mode theoretisch um etwa 73% (von 0,183 auf 0,317) bei einer optimalen Taper-Breite von 3,3μm. Dabei hat sich die ausrichtungstoleranz ebenfalls verbessert. Schwierigkeiten bei der Kopplung in den 200nm-Wellenleiter und in die TM0-Moden mit dem ursprünglichen Design führten zu einem überarbeiteten Linsendesign. Diese Arbeit unterstreicht das Potenzial 3D-gedruckter Mikrolinsen als vielversprechende und herstellbare Lösung für Kopplungsprobleme in der UV-Photonik.

Efficiently coupling free-space ultraviolet (UV) light into nanoscale waveguides of Photonic Integrated Circuits (PICs) is challenging, especially at 316nm due to severe mode mismatch and the unsuitability of traditional fiber-based methods. This thesis presents the design and optimization of a 3D-printed microlens to enhance UV beam coupling into Aluminum Gallium Nitride (AlGaN) waveguides. Using Finite-Difference Time-Domain (FDTD) simulations, a microlens geometry was optimized for maximum power transfer into AlGaN waveguides. The parameters were systematically varied, and power coupling into the fundamental TE0 and TM0 modes of the 300nm and 200nm layer-height waveguides was evaluated via Fresnel-adjusted overlap integrals. Furthermore, the alignment tolerance of the laser was examined. For the 300nm AlGaN waveguides, the optimized microlens theoretically improves TE0 mode coupling by approximately 73% (from 0.183 to 0.317) at an optimal 3.3μm taper width. It also turned out that the alignment tolerance increased. Challenges with the 200nm waveguide and TM0 modes with the initial design led to a proposed updated lens design. This work underscores the potential of 3D-printed microlenses as a promising, manufacturable solution for UV photonic coupling challenges.