CN102498425A - 包含二维光栅的偏振分集光栅耦合器 - Google Patents

包含二维光栅的偏振分集光栅耦合器 Download PDF

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Abstract

一种光学装置包含具有平面表面且在上面具有光学核心的衬底。所述装置还包含位于所述光学核心中的二维光栅，所述二维光栅由光折射结构的规则二维图案形成，所述光折射结构中的一者位于位于横向限界区中的规则二维格的每一节点处。所述装置还包含处于所述平面衬底上且具有端耦合到所述二维光栅的端的第一及第二光学波导，所述第一光学波导使得接近其所述端的传播的方向实质上沿所述二维格的基格向量，所述第二光学波导使得接近其所述端的传播的方向不平行于所述规则二维格的基格向量。

Description

包含二维光栅的偏振分集光栅耦合器
技术领域
本发明一般来说涉及光学装置，且更具体来说涉及光学装置的光学耦合器以及其使用及制造方法。
背景技术
此部分介绍可有助于促进对本发明的更好理解的方面。因此，应根据此来阅读此部分的陈述。此部分的陈述不应理解为关于什么是现有技术或什么不是现有技术的承认。
目前使用离散光学器件来制作用于通信应用(例如，光纤到户应用)的光学双工器及三工器光学装置。举例来说，多工器及三工器通常是逐件地组装且涉及数个对准程序，因此增加制造此些装置的费用。
发明内容
一个实施例是一种光学装置。所述装置包含具有平面表面且在上面具有光学核心的衬底。所述装置还包含位于所述光学核心中的二维光栅，所述二维光栅由光折射结构的规则二维图案形成，所述光折射结构中的一者位于位于横向限界区中的规则二维格的每一节点处。所述装置还包含处于所述平面衬底上且具有端耦合到所述二维光栅的端的第一及第二光学波导，所述第一光学波导使得接近其所述端的传播的方向实质上沿所述二维格的基格向量，所述第二光学波导使得接近其所述端的传播的方向不平行于所述规则二维格的基格向量。
光学装置的另一实施例包含上文所描述的衬底、光学核心及二维光栅。所述装置还包含处于所述平面衬底上且具有端耦合到所述二维光栅的端的一个或一个以上光学波导。所述一个或一个以上光学波导使得接近其所述端的传播的方向实质上沿所述规则二维格的非基格向量。
另一实施例是一种使用光学装置的方法。所述方法包含将光传输穿过光学耦合器。传输包括朝向光学核心层中的二维光栅引导所述光，所述光是以实质上法向于所述光学核心层位于其上的平面衬底的角度被引导，所述二维光栅是由光折射结构的规则二维图案形成，所述光折射结构中的一者位于位于横向限界区中的规则二维格的每一节点处。传输包括在所述二维光栅中衍射所述光，使得所述光射出所述二维光栅，进入到处于所述平面衬底上且具有端耦合到所述二维光栅的端的第一及第二光学波导中，所述第一光学波导使得接近其所述端的传播的方向实质上沿所述二维格的基格向量，所述第二光学波导使得接近其所述端的传播的方向不平行于所述规则二维格的基格向量。
另一实施例是一种制造光学装置的方法。所述方法包含在平面衬底上制作光学耦合器。制作所述光学耦合器包括形成二维光栅，包括在所述衬底上形成光学核心层。制作所述光学耦合器包括图案化所述光学核心层以形成光折射结构的周期性布置，所述光折射结构中的一者位于位于横向限界区中的规则二维格的每一节点处。制作所述光学耦合器包括图案化所述光学核心层以形成处于所述平面衬底上且具有端耦合到所述二维光栅的端的第一及第二光学波导，所述第一光学波导使得接近其所述端的传播的方向实质上沿所述二维格的基格向量，所述第二光学波导使得接近其所述端的传播的方向不平行于所述规则二维格的基格向量。
附图说明
当参照附图阅读下文详细说明时可从中最好地理解本发明的实施例。对应或相同编号或字符指示对应或相同结构。各图可能未按比例绘制且为清晰地进行论述可能在大小上任意地增大或减小。现在结合附图参考以下说明，附图中：
图1呈现实例性光学装置的透视图；
图2呈现图1中所展示的实例性装置的一部分的详细平面图；
图3呈现图1中所展示的实例性装置的一部分的横截面图；
图4呈现使用光学装置(例如，图1到图3中所描绘的装置)的实例性方法的流程图；
图5呈现制造光学装置(例如，图1到图3中所描绘的装置)的实例性方法的流程图；
图6展示在空间频域中实例性光栅(例如，图1到图3中所描绘的光栅)中的光衍射的示意性表示；
图7展示实例性装置(例如，图1到图3中所描绘的装置)的从小面光纤到光栅光纤的光纤到光纤传输率(在1577nm波长区中)，其中θ等于约2度；
图8展示实例性装置(例如，图1到图3中所描绘的装置)的从小面光纤到光栅光纤的光纤到光纤传输率(在1577nm波长区中)，其中θ等于约5度；
图9展示实例性装置(例如，图1到图3中所描绘的装置)的从光栅到光电二极管的净响应率(在1270nm波长区中)，其中θ等于约2度；
图10展示实例性装置(例如，图1到图3中所描绘的装置)的从小面到光电二极管的光电二极管的净响应率(在1577nm波长区中)，其中θ等于约2度；
图11A呈现类似于图1到图3中所描绘的光学装置的实例性光学装置的透视图；及
图11B针对图11A中所描绘的装置展示恰好在到达光栅之前光纤中的所测量位错误率对所接收光学功率。
具体实施方式
如果将多工器及三工器制造为平面光子集成电路(PIC)的部分可更空间高效且成本高效。举例来说，其端在PIC的表面上方且实质上法向于PIC定向的标准光纤可将光学信号发送到PIC或从PIC接收光学信号。二维光栅耦合器可允许光纤如此耦合到PIC。
尽管光纤可约垂直地耦合到位于PIC的表面上的光栅耦合器，但可难以同时将两个显著不同波长的光耦合到同一光栅耦合器。举例来说，为在两个波长相位匹配的情况下同时耦合1300nm及1500nm波长的光，光纤通常必须离开法向于所述PIC的表面的角度倾斜较大入射角度(例如，约±15度以上)。此又可导致高度偏振相依的损耗，且导致后勤问题，例如将光纤维持为所要的倾斜角度。
本文中所揭示的各种光学耦合器提供二维(2D)光栅及光学波导，所述光学波导经布置以准许光实质上垂直地传输到所述二维光栅中(例如，经由光纤的一端)且接着准许所述光射出所述光栅进入到实质上不平行(例如，斜行)于其节点为所述光栅的光折射结构的位置的二维格的基格向量的光学波导的端中。在一些实施例中，此种光学耦合器可进一步经配置以使得能够将第二不同波长的光从沿实质上平行于所述二维光栅的所述光折射结构的平面的方向对准的另一波导同时引导到所述二维光栅中。所述第二光可(例如)沿所述第一光沿其传播的约相同的轨迹(例如，几乎法向于所述PIC))垂直地射出所述光栅。因此，单个光学耦合器可在不必远离所述PIC的表面的法线倾斜耦合光纤的定向的情况下耦合一个载波波长的光上的传入光学信号及非常不同的第二载波波长的光上的传出光学信号。
本发明的一个实施例是一种光学装置。图1呈现实例性光学装置100的透视图。在一些实施例中，所述光学装置配置为多工器PIC或三工器PIC。图2呈现对应于图1中所展示的视图2的实例性装置(例如，图1中所展示的实例性装置)的一部分的平面图。图3呈现沿图2中所展示的视图线3-3的实例性装置(例如，图1中所展示的实例性装置)的一部分的横截面图。
如图1中所展示，实例性光学装置100包含位于平面衬底110上(例如，沿衬底110的平面表面111)的光学耦合器105(例如，平面光学耦合器)。所述光学耦合器包括二维光栅115及一个或一个以上波导120、122。二维光栅115及一个或一个以上波导120、122两者均位于平面衬底110上的光学核心层125中。本文中所使用的术语光学核心层是指比其周围材料具有更高的折射指数的结晶、多晶或非晶层。举例来说，在一些实施例中，例如图1中所展示，硅光学核心层125可邻近于硅氧化物的上部或下部包覆层130、132(为清晰起见，仅部分地描绘上部包覆层132)。
本文中，二维光栅为由规则二维格的节点处的类似形状的衍射结构的分布形成的平面结构。所述衍射结构中的一者位于所述规则二维格的每一节点处，如果所述节点位于选定的横向限界区中的话。可不使所述规则二维格啁啾，使得其节点具有约相等的间距，或可使所述规则二维格啁啾，使得其节点的间距单独沿一个方向啁啾，(例如)沿所述方向线性地生长。所述规则二维格可具有各种局部对称类型，例如，二维正方形格、二维矩形格、二维平行四边形格或这些特定格中的任一者的线性啁啾的变化形式。
在相等间隔的节点的情况下，规则二维格的每一节点的位置向量L可写为：L＝N·A+M·B，其中N及M为整数且A及B为不平行基格向量。本文中，对于此种二维格，所述基格向量为可用以界定所述格的节点的位置的两个最短格向量。举例来说，正方形格的基格向量是正交的。
如图1中进一步所示，二维光栅115经配置以接收或传输(或既接收又传输)沿处于实质上法向于平面衬底110的角度140的方向行进的光135。在一些情况下，角度140为90±15度。一个或一个以上波导120、122的一端145光学耦合到二维光栅115。在一些情况下，一个或一个以上波导120、122中的每一者的另一相对端146光学耦合到集成于装置100中的光电二极管150。在一些情况下，装置100包括光学耦合到波导120、132的光学滤光器155(例如，马赫曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪滤光器)，例如，滤光器155可包括在一个或一个以上波导120、122的光导引路径中。
如图2及图3中所展示，二维光栅115包括实质上类似的光折射结构205的二维图案。光折射结构205中的一者位于规则二维格207的每一节点处，规则二维格207位于横向限界区208中，例如针对所图解说明的二维光栅为正方形。如本文中所使用的术语光折射结构205是指光135(图1)被引导到的光学核心层125的一部分中的开口或所述部分上的凸起特征。
由于其在规则二维格的节点处的位置，光折射结构205形成列210及行212，其中列210经定向而平行于第一基格向量，且所述行经定向而平行于不平行于所述第一基格向量的第二基格向量。在所图解说明的实施例中，二维光栅115是正方形格的正方形形状的横向区，其包括沿所述正方形格的每一基格向量的方向的20个格节点处的折射结构205。
光折射结构205可在列210及行212(例如，重复数目个列及行)中彼此对准。在一些实施例中，光栅115包含折射结构205的20×20正方形格。一个或一个以上波导120、122中的每一者的端145(图1)光学耦合到二维光栅115，使得光135穿过波导120、122的传播的方向147将实质上不平行于行及列210、212，即，不平行于下伏于二维光栅115的折射结构205的位置下面的所述规则二维格的基格向量。
出于本发明的目的，当穿过所述基格向量(例如，在一些情况下，图2中所描绘的行210及列212)的方向220的直线与穿过一个或一个以上波导120、122的光传播222、224的方向的直线之间存在约±10度或更大的相交角度215时，满足光传播方向147实质上不平行于所述基格向量(例如，在一些情况下，行210及列212)的条件。
如图3中所图解说明，在一些实施例中，所述光学耦合器可进一步包括位于二维光栅115下面的反射结构310(例如，平面反射结构)。所述反射结构可(例如)通过将原本将由于光散射到衬底110中而损耗的传输穿过光栅115的光135反射回到光栅115中而改善穿过光栅115的光传输的效率。在一些情况下，反射结构可为金属层，例如金或银层。在其它情况下，反射结构310可为分布式布拉格反射器(例如，平面分布式布拉格反射器)。
在一些情况下，例如图1及图2中所展示，装置100的实施例，两个波导120、122两者光学耦合到二维光栅115，使得光135穿过波导120、122的传播的方向147实质上不平行于二维光栅115的基格向量(例如，对应于行或列210、212)的方向，且沿穿过两个波导120、122(例如，波导的中心)的线222、224的方向147实质上彼此正交(例如，90±10度)。在图2中所图解说明的实例中，相交角度215相对于行及列210、212两者可为约45度。然而，基于本发明，所属领域的技术人员将理解在需要的情况下可如何调整邻近光折射结构205位于其上的节点的二维格以实现不同的相交角度215。此些调整可包括(例如)光折射结构205的大小及邻近光折射结构205之间的间隔的改变。
在一些实施例中，波导120中的一者载送光135的偏振部分且波导122中的另一者载送光135的不同的第二偏振部分。在一些情况下，穿过相应波导120、122的所述第一及第二偏振部分两者为光135的横向电模式(TE)，或两者为光135的横向磁模式(TM)，且其处于相对于彼此的正交偏振状态。光135可由两个波导120、122中的每一者单独地引导到装置100的光电二极管150的不同端。由光135载送的光学信号在光电二极管150中转换成电子信号。可将所述电子信号发送到装置100的电组件(未展示)(例如，跨导放大器及电子集成电路)，以促进对所述电信号的进一步处理。
如图1中进一步图解说明，光学装置100可进一步包括位于平面衬底110上方(例如，所述衬底的平面上方)的光纤160。然而，在其它实施例中，光135可经由其它光源(例如，激光器或透镜)传输到光栅135。在一些情况下，光纤160可经配置以将光135传递到二维光栅115或从二维光栅115传递光135(或两者)。在一些情况下，光纤160的长轴165以实质上法向于衬底110的角度140定向。例如，长轴165可与平面衬底110的平面表面的法向向量在约±15度内对准。在一些实施例中，光纤160偏离平面衬底110的法向角度140而倾斜非零入射角度167。举例来说，具有在偏离法向角度140约2度到10度的范围中的入射倾斜角度167可有利地减少归因于光反射的光135的损耗。如下文进一步解释，还可调整偏离法向角度140的非零入射倾斜角度167以促进两个特定波长的不同光在两个波长相位匹配的情况下通过光栅115。
可调整光栅115的邻近光折射结构205之间的特定中心到中心距离230，以适应处于一个或一个以上波导120、122中的光传播222、224的实质上不平行方向的特定波长的光的耦合。举例来说，参考图1及图2中所展示的基于正方形格的实例性光栅115，光135的波长(81)可等于约a·neff/√2，其中a为光折射结构205的给定列或行210、212中的光折射结构205中的邻近者之间的中心到中心距离230，且neff为二维光栅115的有效折射指数。例如，a为所图解说明的二维光栅115的正方形格的格间距。所属领域的技术人员将理解如何(例如)通过对光栅115的格结构的本征模进行数值求解以计算传播常数且从而计算neff来计算neff。因此，为将特定波长(81)的光135传输穿过光学装置100，可构造光栅115，使得a的值满足条件81·√2/neff(例如，a＝81·√2/neff)。作为实例，考虑当光学核心层125包含结晶硅且其中的光栅115具有2.9的有效折射指数(neff)时。为传输1.27微米波长(81)的光135，a优选地等于约0.62微米。
在一些情况下，中心到中心距离230(例如，格间距a)对于在同一行212中对准的所有光折射结构205相同。在一些情况下，邻近行212之间存在相同的中心到中心距离230。例如，中心到中心距离230在同一列210中的邻近光折射结构205之间相同。然而，在其它情况下，邻近行212中的光折射结构205之间的中心到中心距离可存在相续的连续改变。例如，行212之间的中心到中心距离230的连续改变可由所属领域的技术人员熟知的切趾函数界定(例如，线性地啁啾或其它)。
还如所图解说明，在图1中，在一些实施例中，二维光栅115可进一步经配置以传输或接收第二光170。第二光170穿过光栅115的传输或接收可与第一光135的传输或接收(例如上文所描述)同时发生。
第二光170可传播穿过光学核心层125中的另一波导175。另一波导175的一端176光学耦合到二维光栅115。与上文所描述的波导120、122相比，另一波导175光学耦合到二维光栅115，使得第二光170穿过另一波导175或接近波导175的端176的传播的方向177实质上平行于界定光栅115的节点的位置的基格向量(例如，光折射结构205的行或列210、212中的至少一者)。
当穿过列或行210、212中的至少一者的直线220与穿过另一波导175或接近波导175的端176的光传播的直线方向240之间存在等于或小于约10度的相交角度235时，满足第二光170的传播的方向177实质上平行于行或列210、212的条件。
类似于上文针对第一光135所论述的内容，可调整邻近光折射结构205之间的中心到中心距离230，以适当特定波长(82)的第二光170。举例来说，考虑图1及图2中所描绘的光栅115的正方形格间距。光170的波长(82)等于约a·neff，其中a为给定列或行210、212中的光折射结构205中的邻近者之间的中心到中心距离230，且neff为邻近于光学核心层125(包括二维光栅115)的包覆层130、132的折射指数。作为实例，考虑当由硅构成的光学核心层125具有2.9的有效折射指数(neff)时。为将1.577微米波长(82)的第二光170传输穿过光栅115，a优选地等于约0.54微米。
在一些实施例中，第二光170可以实质上法向于衬底110的平面的角度140射出光栅115。举例来说，具有第一波长的光135可经由位于平面衬底110上方的光纤160传输到二维光栅115，且具有不同的第二波长的第二光170可以角度140传输出二维光栅115且进入到相同光纤160中。在一些情况下，通过一个或一个以上波导120、122的第一光135还通过光学装置100的光学滤光器155且滤光器155经配置而在所述第一波长下具有最大传输效率且在第二光170的第二波长下具有最小传输效率。
或者，在其它实施例中，第一光135及第二光170两者可以实质上法向于衬底110的平面的角度140进入光栅115，且第一光135可射出光栅115，进入到一个或一个以上波导120、122中，而所述第二光可射出光栅115，进入到另一波导175中。所属领域的技术人员基于本发明将理解在装置100的另外其它实施例中可如何将光135、170传输到光栅115及从光栅115传输光135、170。
在使用两个不同波长的光135、170的装置100的实施例中，可有利地协作地调整中心到中心距离230(例如，格间距a)及实质上法向角度140，以适应光135及第二光170的两个特定波长。举例来说，中心到中心距离230及角度140可具有同时满足以下关系的值：
Figure BPA00001496890900081
其中kin，X＝2πncl/(82)且kout，X＝2πneff/(82)，及
其中Kin，M＝2πncl/(81)且kout，M＝2πneff/(81)，
且其中81为光135的第一波长，82为第二光170的第二波长，且θ为离开实质上法向于平面衬底110的角度140的入射角度167。继续相同实例，考虑当光学核心层125及包覆层130、132分别由硅及硅氧化物构成且81及82分别等于约1.27微米及1.577微米时的情况。在此些情况下，优选地，a等于约0.59微米且θ等于约8.7度(例如，角度140等于约91.3度)。
在一些实施例中，例如图3中所描绘，光折射结构205可包括或可为光学核心层125中的孔315(例如，经成形及定大小的孔)。同一行212中的孔315中的邻近者可具有相同中心到中心间隔距离230。在一些实施例中，孔315的至少一个横向尺寸325(例如，正方形孔的宽度或长度)等于间隔距离230的约一半。例如，当中心到中心间隔距离230等于约0.6微米时，横向尺寸325等于约0.3微米。在一些实施例中，孔315中的每一者具有约0.090微米的相同深度330。或者，在其它实施例中，光折射结构205可包括或可为由光学核心层125形成的柱(未展示)。所述柱可具有类似于上文所描述的孔315的尺寸。
在装置100的一些实施例中，例如图1及图2中所展示，光学装置100包含具有平面表面111且在上面具有光学核心125的衬底110。装置100还包含位于光学核心125中的二维光栅115，所述二维光栅115由光折射结构205的规则二维图案形成，所述光折射结构205中的一者位于位于横向限界区208中的规则二维格207的每一节点处。装置100还包含处于所述平面衬底上且具有端耦合到所述二维光栅的端176、145的第一及第二光学波导170、120，第一光学波导170使得接近其端176的传播的方向177实质上沿所述二维格的基格向量(例如，列210、行212)，第二光学波导120使得接近其端145的传播的方向147不平行于规则二维格207的基格向量(例如，列210、行212)。
在装置100的一些实施例中，例如图1及图2中所展示，光学装置100包含具有平面表面111且在上面具有光学核心125的衬底110。装置100还包含位于光学核心125中的二维光栅115，所述二维光栅115由光折射结构205的规则二维图案形成，所述光折射结构205中的一者位于位于横向限界区208中的规则二维格207的每一节点处。装置100还包含处于平面衬底110上且具有端耦合到二维光栅115的一个或一个以上光学波导120、122。一个或一个以上光学波导120、122使得接近其所述端145的传播的方向147实质上沿规则二维格207的非基格向量。在一些实施例中，例如，光135穿过一个或一个以上波导120、122的传播的方向147实质上平行于规则二维格207的非基格向量(例如，实质上平行于来自邻近列210或行212的斜行对准的光折射结构205，或不平行于行及列210、212)。
在装置100的一些实施例中，例如图1及图2中所展示，装置100包含位于平面衬底110上的光学耦合器105。光学耦合器105包括两者均在平面衬底110上的光学核心层125中的二维光栅115及一个或一个以上波导120、122。二维光栅115包括光折射结构205的周期性布置，光折射结构205在列及行210、212中彼此对准。二维光栅115经配置而以实质上法向于平面衬底110的角度140接收或传输光135。一个或一个以上波导120、122中的每一者的一端145光学耦合到二维光栅115，使得光135穿过一个或一个以上波导120、122的传播的方向147将实质上不平行于行及列210、212。
另一实施例是一种使用上文所描述的光学装置的方法。图4呈现展示使用实例性光学装置(例如，在图1到图3的背景下论述的光学装置100)的实例性方法400的选定步骤的流程图。
如图4中所展示，继续参照图1到图3，方法400包含将光135传输穿过光学耦合器105的步骤405。在步骤405中传输光135可包括朝向光学核心层125中的二维光栅115引导光135的步骤410。在步骤410以实质上法向于光学核心层125位于其上的平面衬底110的角度140引导光135。例如，沿处于实质上法向于平面衬底110的角度140的方向传输光。步骤410可包括将角度140调整入射倾斜角度167，以促进特定波长的光135、170的传输，如上文所论述。在一些情况下，光135可经由光纤160传输，其中光纤160的至少一部分使其长轴165与角度140对准。或者，例如激光器或透镜等其它光源可沿处于角度140的方向引导光135。如上文所论述，二维光栅115包括位于规则二维格的横向限界的部分的节点处的光折射结构205的图案。例如，光折射结构205可经定位以便形成光折射结构205的列及行210、212。还如所论述，行210、212可沿不平行方向与光栅115的基格向量对准。
在步骤405中传输光135可包括在二维光栅115中衍射光135使得光135射出二维光栅115进入到光学核心层125中的一个或一个以上波导120、122中的步骤415。波导120、122中的每一者的一端145光学耦合到二维光栅115，使得光135在波导120、122中或穿过波导120、122(包括接近波导的端147)的传播的方向147实质上不平行于基格向量(例如，在一些情况下，行或列210、212)。
在一些实施例中，反转光135的传播方向。例如，光135从一个或一个以上波导120、122进入二维光栅115，且光135以实质上法向角度140射出光栅115。
在一些实施例中，方法400进一步包含将第二光170传输穿过光学耦合器105的步骤420，其中第二光170具有不同于光135的波长。
在一些实施例中，在步骤420中传输第二光170可包括通过使第二光170通过光学核心层125中的另一波导175来将第二光170引导到二维光栅115的步骤425。另一波导175的一端176以一角度235光学耦合到光栅115，使得第二光170在另一波导175中或穿过另一波导175(包括接近波导的端176)的传播的方向177实质上平行于基格向量(例如，在一些情况下，行或列210、212中的至少一者)。在步骤420中传输第二光170还可包括在光栅115中衍射第二光170使得第二光170以实质上法向角度140射出所述二维光栅的步骤430。举例来说，第二光170可从衬底的平面向外且向上射出光栅115，沿角度140进入到光纤160，光纤160的至少一部分使其长轴165沿(处于)所述实质上法向角度。
在其它实施例中，在步骤420中传输第二光170或者可包括将第二光170引导到二维光栅115的步骤435，第二光170是以实质上法向角度140引导。举例来说，可沿着沿其引导第一光135的相同光纤160将第二光170引导到光栅115。在步骤420中传输第二光170还可包括在光栅115中衍射第二光170使得第二光170沿一方向穿过上文所描述的另一波导175射出所述二维光栅的步骤440，所述方向处于实质上平行于界定光栅115的节点的位置的格的基格向量的角度235(例如，在一些情况下，平行于光折射结构205的列或行210、212中的至少一者)。
在一些实施例中，方法400可进一步包括使用位于平面衬底110上及光学核心层125下方的反射结构310反射经衍射光(例如，在步骤410中引导的光)的散射于光学核心层125下方的一部分的步骤450。
在一些实施例中，方法400进一步包括对被引导到一个或一个以上波导120、122中的光135进行滤光的步骤460。举例来说，可使光135通过一个或一个以上光学滤光器155，滤光器155对于光135的波长具有最大传输效率且对于第二光170的不同波长具有最小传输效率。
在一些实施例中，方法400可包括将由光135载送的光学信号转换成电信号的步骤470。举例来说，可通过将光135从波导120、122传递到光学耦合到波导120、122的光电二极管150来促进转换步骤470。
基于本发明，所属领域的技术人员将理解(如图4中进一步图解说明)还可分别根据步骤450、460及470反射、滤光及转换第二光170。
在一些实施例中，方法400包含将光135传输穿过光学耦合器105(步骤405)。将光135传输穿过光学耦合器105(步骤405)包括朝向光学核心层125中的上文所描述的二维光栅115引导光135(步骤410)。以实质上法向于光学核心层125位于其上的平面衬底110的角度140引导光135。将光135传输穿过光学耦合器105(步骤405)还包括在二维光栅115中衍射(步骤415)光135，使得光135射出二维光栅115进入到光学耦合到二维光栅115的一个或一个以上波导120、122中(如上文所描述)，使得光135穿过一个或一个以上波导120、122的传播的方向实质上不平行于行或列210、212。
另一实施例是一种制造所述光学装置的方法。图5呈现展示制造光学装置(例如，在图1到图3的背景下论述的光学装置100)的实例性方法500的选定步骤的流程图。
继续参照图1到图3，方法500包含在平面衬底110上制作光学耦合器105的步骤505。在步骤505中制作光学耦合器105可包括形成二维光栅115的步骤510。在步骤510中形成二维光栅115又可包括在衬底110上形成光学核心层125的步骤515。举例来说，在一些实施例中，在步骤515中可将结晶材料层(例如，单晶硅)接合到衬底110。
在一些情况下，在于步骤515中形成光学核心层125之前，在步骤517中于衬底110上形成反射结构310。作为步骤517的部分，例如，可将金属层接合到衬底110或可在衬底110上接合、生长或沉积具有不同折射指数的材料层以形成分布式布拉格反射器。
在一些情况下，在于步骤515中形成光学核心层125之前，在步骤518中于衬底110上形成下部包覆层130。例如，在一些情况下，硅氧化物包覆层130热生长于硅衬底110上，或在一些情况下，包覆层130直接形成于反射结构310上。
在步骤510中形成二维光栅115还包括图案化光学核心层125以形成光折射结构205的布置(例如，规则二维布置)的步骤520。举例来说，可作为步骤520的部分进行标准光刻及蚀刻程序以在光学核心层125中形成凸起特征(例如，柱)或孔，以形成彼此对准的光折射结构205，从而形成光折射结构205的列210及行212。在一些情况下，行212相对不平行于列210。举例来说，图案化步骤520可包括在光学核心层125中蚀刻孔315。孔315中的每一者可包含光折射结构205中的个别者。同一行212中的孔315中的邻近者可具有相同间隔距离320，且所述孔的至少一个横向尺寸325可等于间隔距离320的约一半。
在步骤505中制作光学耦合器105还可包括图案化光学核心层125以形成一个或一个以上波导120、122的步骤525。如上文所论述，波导120、122中的每一者的一端145光学耦合到二维光栅115(例如，端耦合)，使得光135在波导120、122中或穿过波导120、122(包括接近波导端145)的传播的方向将实质上不平行于界定二维光栅115的格的基格向量(例如，在一些实施例中，行或列210、212)。举例来说，可作为步骤520的部分进行标准光刻及蚀刻程序以从光学核心层125形成脊波导120、122。
在一些实施例中，在步骤505中制作光学耦合器105还可包括图案化光学核心层125以形成光学耦合到二维光栅115(例如，端耦合)的另一波导175的步骤530。波导175耦合到光栅115，使得第二光170穿过另一波导175(包括接近波导端176)的传播的方向177实质上平行于二维光栅115的基格向量(例如，在一些情况下，光折射结构205的行或列210、212中的至少一者)中的一者。举例来说，可作为步骤530的部分进行标准光刻及蚀刻程序以从光学核心层125形成脊波导175。
在一些情况下，分别根据步骤520、525及530进行相同的标准光刻及蚀刻程序以完成光栅115、一个或一个以上波导120、122及另一波导175的图案化。在一些情况下，同时进行步骤520、525及530。
作为光学耦合器的制作的部分(步骤505)，在一些实施例中，在执行步骤520、525及530之后，在步骤555中于光栅115、一个或一个以上波导120、122及另一波导175上形成上部包覆层132。例如，如上文所描述的用以在步骤518中形成下部包覆层130的相同材料及工艺还可用以在步骤555中形成硅氧化物的上部包覆层132。
在一些实施例中，制造光学装置100进一步包括在平面衬底110上方且以实质上法向于平面衬底110的角度140设置光纤160使得光纤160光学耦合到二维光栅115的步骤560。例如，光纤160的至少一部分的长轴165与角度140对准。在一些情况下，在步骤560中设置光纤160可包括将所述光纤离开法向角度倾斜入射角度167，(例如)以促进特定波长的光135、170的传输，例如上文所论述。如上文所论述，二维光栅115经配置以接收穿过光纤160传播的光135。
方法500的一些实施例包含在平面衬底110上制作光学耦合器105(步骤505)。制作光纤耦合器105(步骤505)包括形成二维光栅115(步骤210)，其包括在衬底110上形成光学核心层125(步骤515)且图案化光学核心层125(步骤520)以形成光折射结构205的周期性布置。光折射结构205彼此对准以便形成光折射结构205的列及行210、212。制作光学耦合器(步骤505)还包括图案化光学核心层125以形成上文所描述的一个或一个以上波导120、122(步骤525)，使得波导120、122中的每一者的一端145光学耦合到二维光栅115且光135穿过一个或一个以上波导120、122的传播的方向将实质上不平行于行或列210、212。
所属领域的技术人员将熟悉完成光学装置100的制造可需要的额外步骤。举例来说，可遵循常规程序以形成光电二极管150。可在步骤570中于平面衬底上形成光电二极管150。
实验
通过以下实验来图解说明本发明的实施例的其它方面。
实质上如图1中所描绘摆放配置为双工器PIC的光学装置100。在代工厂在8英寸晶片上制作测试装置100。波导120、122、175为绝缘体上硅(SOI)衬底110上的约220nm厚硅脊波导。光电二极管150为直接生长于硅波导120、122上的锗，其中在顶部上锗中进行n掺杂且在侧上硅中进行p掺杂，类似于参考文献1中所描述的情况。锗区为8×100×0.5立方微米。光电二极管150的暗电流在约1伏下为约100nA。具有约50Ω负载的光电二极管150带宽为约5GHz。
将横向电(TE)偏振的1577nm波长(82)光170从边缘小面(图1中未展示)引导到光栅115。在装置100的其它实施例中，光170可来自直接附接到波导175的激光器。光170穿过光栅115垂直射出到光纤160中。将1270nm波长(81)光135引导到此相同光栅115中。将光纤160中的两个正交偏振(两者均为TE偏振)分离且发送到两个波导120、122。每一偏振分量通过马赫曾德尔干涉仪(MZI)滤光器155，其在1577nm下具有空值且在1270nm下具有峰值。所述光接着进行到单个光电二极管150，一个偏振分量撞击于光电二极管150的每一端上，类似于参考文献2中所描述及图1中所展示的情况。
与仅使用光折射结构205的正方形格的X方向的光栅相比，所揭示光栅115使用X及M两个方向。使用两个方向允许光纤倾斜角度167的减小，如下文进一步图解说明。
图6展示在空间频域中实例性光栅(例如图1中的光栅115)中的光衍射的示意性表示。从图6，相位匹配条件为：
k out , X = k in , X sin θ + 2 π a - - - ( 1 )
k out , M 2 = ( 2 π a ) 2 + ( 2 π a - k in , M sin θ ) 2 - - - ( 2 )
其中k为材料中的TE偏振的传播常数，且θ为从沿X方向的法线的光纤的倾斜角度167。方程式(1)是针对1577nm波长光170，且方程式(2)是针对1270nm波长光135。举例来说，Kin，X＝2πncl/82且kout，M＝2πneff/81。正的θ对应于朝向光电二极管150倾斜光纤160。ncl＝1.45且neff＝2.9，分别针对二氧化硅及硅。对方程式(1)及(2)进行求解给出a＝0.59μm及θ＝8.7°。
如从图6明了，沿M方向射出光栅115的光135从Γ-M线稍微倾斜。因此，用于1270nm光135信号的输出波导120、122应离开彼此旋转，如Ref 3(VI)中所论述。此旋转不并入到此处所呈现的实验光学装置100中且因此经历额外插入损耗。
使用X及M两个方向的优点在于可在不需要大的θ的情况下获得具有大波长差的光信号的相位匹配。相比之下，对于针对波长及偏振两者仅使用X方向的设计(例如参考文献3中所提议)，将需要a＝0.49微米及θ＝17.7°。然而，此种大倾斜角度167将导致不可接受的大偏振相依损耗(见(例如)参考文献4、5)，因为此种倾斜光纤160中的两个正交光偏振中的一者(例如，其电场在倾斜角度167的平面中振荡的偏振)与另一偏移相比具有减小的TE分量。
我们使用劈裂式光纤160将光垂直耦合到光栅115以递送下游光135且收集上游光175，其中光纤小面与光栅115之间具有指数匹配油。对于一个测试装置100，a等于约0.57微米，其不同于较早提及的0.59微米的理想a，且因此不存在同时满足方程式(1)与(2)的θ。约2度的θ用作折衷。对于1577nm波长下游光175，我们使用具有约2.5微米的光点大小的透镜光纤(图1中未展示)以将光175耦合到小面端口。
图7展示具有等于约2度的θ的实例性装置100的在1577nm波长区中测量的从小面光纤到光栅光纤的光纤到光纤传输率。图7展示TE及横向磁(TM)偏振两者的传输率。由于参数并非最佳，因此峰值并非1577nm。通过将θ调整为约5度，峰值为约1577，从而产生此替代实例性装置100的传输率曲线，如图8中所展示。图8中所展示的曲线中的经改善偏振消光比(与图7相比)可能是由于光纤160从法线更远地倾斜，从而产生经散射光从光栅115的端的较少耦合，其中相位匹配发挥较小作用且光大致沿法向方向散射。
图9展示实例性装置100的从光栅115到光电二极管150的净响应率(在1270nm波长区中)，其中θ等于约2度。所述净响应率包括光纤160的耦合。峰值响应率在约1270nm下等于约0.1A/W，其对应于～10dB的附加损耗，从而考虑到理想响应率将为约1.0A/W。所估计损耗分解如下：来自光栅115的5.5dB，来自MZI滤光器155的3.0dB及来自光电二极管150响应率的1.5dB。测试光栅115的损耗与仅使用X方向的损耗相当且表明使用光栅115的M方向的所揭示方法是成功的。
通过从透镜光纤发射1577nm波长光175使其穿过波导170且用垂直光纤160对其进行收集而观察下游光纤到光纤传输情况中的光电二极管150响应。此量化上游信号与下游信号的装置上光学隔离。图10展示实例性装置100的光电二极管150的所测量净响应率(从小面到光电二极管)(在1577nm波长区中)。观察到约20dB的隔离。泄漏的部分可能是由于来自光纤耦合的小面处的经散射光(如通过在将透镜光纤解耦时注意到光电流而确定)，且泄漏的部分是由于通过光栅耦合器的散射。
使用如图11A中所展示的实例性装置100配置执行另一实验，其中θ等于约2度。图11B针对图11A中所描绘的装置展示恰好在到达光栅之前光纤中的所测量位错误率对所接收光学功率，且插图呈现标度为100ps/div的光学功率输出的实例。
具有1270nm的波长的光135是从分布式反馈激光器1110发射，直接被调制(例如，231-1伪随机位序列PRBS，数据传输速率为3Gb/s)到光栅115中。激光135信号在进入装置100之前通过机械偏振扰偏器1115及可变光学衰减器1120。相对于光栅115横向调整光纤160的位置以找到最小偏振相依损耗的位置。与一个偏振具有经优化耦合的位置相比，此位置在响应率上低大约3dB。可通过对光栅115进行切趾来减小此额外损耗(见(例如)参考文献3)(VI)。图11B展示在不接通及接通偏振扰偏器1115的情况下的所测量位错误率(BER)对所接收光学功率(在光纤160中，恰好在光栅115之前)。在偏振扰偏器接通的情况下的损耗在10-9BER下等于约1.3dB。此低损耗表明所揭示偏振分集方案是有效的。
以下参考文献的整体内容并入本文中：
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尽管已详细描述了所述实施例，但所属领域的技术人员应理解其可在不背离本发明的范围的情况下在本文中做出各种改变、替代及更改。

Claims (10)

1.一种光学装置，其包含：
衬底，其具有平面表面且在上面具有光学核心；
二维光栅，其位于所述光学核心中，所述二维光栅由光折射结构的规则二维图案形成，所述光折射结构中的一者位于位于横向限界区中的规则二维格的每一节点处，及
第一及第二光学波导，其处于所述平面衬底上且具有端耦合到所述二维光栅的端，所述第一光学波导使得接近其所述端的传播的方向实质上沿所述二维格的基格向量，所述第二光学波导使得接近其所述端的传播的方向不平行于所述规则二维格的基格向量。
2.根据权利要求1所述的装置，其进一步包含：
第三光学波导，其处于所述平面衬底上且具有端耦合到所述二维光栅的一端，所述第三光学波导使得接近其所述端的传播的方向实质上沿所述二维格的不同基格向量。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述一个或一个以上波导中的一者载送所述光的第一偏振部分，且所述一个或一个以上波导中的另一者载送所述光的不同的第二偏振部分。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述光的所述偏振部分由所述两个波导中的每一者单独地引导到集成于所述光学装置中的光电二极管的不同端。
5.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括光纤，所述光纤经定向以朝向所述平面衬底的所述平面表面引导光，使得所述经引导光传递到所述二维光栅中。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述规则二维格具有不同长度的基格向量或既不平行又不垂直的基格向量。
7.一种光学装置，其包含：
衬底，其具有平面表面且在上面具有光学核心；
二维光栅，其位于所述光学核心中，所述二维光栅由光折射结构的规则二维图案形成，所述光折射结构中的一者位于位于横向限界区中的规则二维格的每一节点处，及
一个或一个以上光学波导，其处于所述平面衬底上且具有端耦合到所述二维光栅的端，所述一个或一个以上光学波导使得接近其所述端的传播的方向实质上沿所述规则二维格的非基格向量。
8.一种使用光学装置的方法，其包含：
将光传输穿过光学耦合器，其包括：朝向光学核心层中的二维光栅引导所述光，所述光是以实质上法向于所述光学核心层位于其上的平面衬底的角度引导的，其中所述二维光栅由光折射结构的规则二维图案形成，所述光折射结构中的一者位于位于横向限界区中的规则二维格的每一节点处；及
在所述二维光栅中衍射所述光，使得所述光射出所述二维光栅而进入到处于所述平面衬底上且具有端耦合到所述二维光栅的端的第一及第二光学波导中，所述第一光学波导使得接近其所述端的传播的方向实质上沿所述二维格的基格向量，所述第二光学波导使得接近其所述端的传播的方向不平行于所述规则二维格的基格向量。
9.根据权利要求8所述的方法，其中反转所述光的所述传播方向。
10.一种制造光学装置的方法，其包含：
在平面衬底上制作光学耦合器，其包括：
形成二维光栅，其包括：
在所述衬底上形成光学核心层；
图案化所述光学核心层以形成光折射结构的周期性布置，所述光折射结构中的一者位于位于横向限界区中的规则二维格的每一节点处；及
图案化所述光学核心层以形成处于所述平面衬底上且具有端耦合到所述二维光栅的端的第一及第二光学波导，所述第一光学波导使得接近其所述端的传播的方向实质上沿所述二维格的基格向量，所述第二光学波导使得接近其所述端的传播的方向不平行于所述规则二维格的基格向量。
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Chen et al. Polymer-based vertically optical splitter with 20-Gbps transmission rate realized on silicon substrate

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