CN102844695A - 多模光耦合器接口 - Google Patents
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Abstract
可用于大芯光纤和芯片尺寸光电装置之间的光学接口。于此描述的是当单模（SM）光纤用作波导输入时提高未对准容限的耦合器。这使得能够进行被动/自动对准并因而降低生产成本。该耦合器还用作缩小斑的尺寸的斑尺寸转换器并且适合于其中具有小横截面面积的波导模特别重要的应用。一种这样的范例能够是基于波导的SiGe或III-V半导体光电探测器，其中其波导模的竖直尺寸应小至几微米。
Description
技术领域
本发明的实施例涉及光耦合器。更具体而言，本发明的实施例涉及用于连接例如光纤和光子集成电路的多模光耦合器接口（interface）。
背景技术
以高效率将光从光纤耦合到波导在集成光子学的研发中是关键的。特别是，不含主动/手动对准的单模（SM）光纤至波导的耦合是十分具有挑战性的，因为其涉及小的光斑尺寸。
附图说明
在附图中的各图中通过范例方式而非限制性的方式对本发明的实施例进行了示例，附图中类似的参考数字指类似的元件。
图1示例具有输出阵列波导的光耦合器的一个实施例。
图2示例具有单个输出波导的光耦合器的一个实施例。
图3为一个范例实施例的模分布，该范例实施例中，单模光纤（NA～0.14）与10μm×10μm的绝缘体上硅（SOI，silicon-on-insulator）条形波导耦合。
图4为示例于此描述的光耦合器的操作的色散图。
图5提供了来自如于此描述的光耦合器的一个实施例的模拟的结果。
图6为利用如于此描述光耦合器的光学系统的一个实施例的框图。
具体实施方式
在以下描述中，阐述许多具体细节。然而，可以没有这些具体细节来实践本发明的实施例。在其它实例中，未详细示出公知的电路、结构和技术以便于对此描述的理解不会变得模糊不清。
于此所描述的为可用于大芯光纤和芯片级（chip-scale）光电子装置之间的光学接口。光子能够完全相干的方式高效地从一侧耦合到另一侧。于此所描述的为耦合器，该耦合器在单模（SM）光纤用作波导输入时改善未对准容限。这使得能够进行被动/自动对准并因而降低生产成本。该耦合器还用作减小斑的尺寸的斑尺寸转换器并且适合于其中具有小横截面面积的波导模特别重要的应用。一种这样的范例能够为基于波导的SiGe或III-V半导体光电探测器，其中其波导模的竖直尺寸应小至几微米。
光耦合器可用于连接SM光源和芯片级光子学装置。在一个实施例中，组件包括：1）相对大的多模（MM）波导；2）相对较小的SM波导阵列/MM平板波导；以及3）倒锥形结构。以下描述假定在感兴趣的波长处材料吸收损失是可忽略的，这在诸如1.31μm和1.55μm的电信波长，对于硅（Si）和具有小的锗（Ge）组成的锗硅（SiGe）是真实的。
图1示例具有输出阵列波导的光耦合器的一个实施例。尽管图1的范例示范了一种位于输入波导之上的输出阵列波导，但是在替代实施例中，输出波导也能够嵌入输入波导中，该输入波导可进一步改善耦合强度。
光耦合器制作或装配于基底100上。在一个实施例中，基底100为二氧化硅（SiO2）基底。在替代实施例中，可使用其它基底，例如砷化镓（GaAs）。该光耦合器包括基底100上的输入波导120以接收来自光纤（图1中未示出）的光信号。在一个实施例中，输入波导120由硅（Si）制作。在替代实施例中，能够使用其它材料，例如铝镓砷化物（AlGaAs）。
该光耦合器还包括制作或放置于输入波导120之上的输出阵列波导140。具体尺寸、关系和其它设计考虑因素在在下文进行更详细的论述。在一个实施例中，输出阵列波导140由锗硅（SxGe1-x）制作。在替代实施例中，能够使用其它材料，例如砷化铝（AlAs）。
在一个实施例中，将光耦合器的输入波导120的输入端口设计为具有足够的横截面面积（例如，～10μm×10μm）的MM波导以连接外部SM光纤。这使得以可忽略的损失从SM光纤可耦合到光耦合器中。
在一个实施例中，输出阵列波导140为位于MM输入波导120之上的具有小横截面面积（例如～1μm×1μm）的一列SM波导。在一个实施例中，输出阵列波导140的单独的波导的宽度以增加的方式绝热地渐缩。SM波导的数目取决于待转换的MM波导中模的数目。在图1的范例中，作为范例，输出阵列波导140包括5个SM波导。由于相干消逝耦合，注入该MM输入波导120的光子将由SM波导阵列140提取。效率主要受限于归因于非绝热的倒锥形损失。
图2示例具有单个输出波导的光耦合器的一个实施例。尽管图2的范例示范了位于输入波导之上的输出波导，但是在替代的实施例中，输出波导也能够嵌入输入波导中，该输入波导可进一步改善耦合强度。
光耦合器制作或装配于基底200上。在一个实施例中，基底200为SiO2基底。在替代实施例中，也可使用其它基底，例如砷化镓（GaAs）。该光耦合器包括基底200上的输入波导220以接收来自光纤（图2中未示例）的光信号。在一个实施例中，输入波导220由硅制作。在替代实施例中，能够使用其它材料，例如铝镓砷化物（AlGaAs）。
该光耦合器还包括制作或放置于输入波导220之上的单个输出波导240。具体尺寸、关系和其它设计考虑因素在下文进行更详细的论述。在一个实施例中，单个输出波导240由锗硅（SxGe1-x）制作。在替代实施例中，能够使用其它材料，例如砷化铝（AlAs）。
在一个实施例中，将光耦合器的输入波导220的输入端口设计为具有足够的横截面面积（例如～10μm×10μm）的MM波导以连接外部SM光纤。这使得可以以可忽略的损失从SM光纤耦合到光耦合器中。
在一个实施例中，单个输出波导240为位于MM输入波导220之上的具有小厚度（例如～1μm）的SM波导。在一个实施例中，单个输出波导240的宽度以增加的方式绝热渐缩。由于相干消逝耦合，注入到MM输入波导220中的光子将由SM输出波导240提取。效率主要受限于归因于非绝热性的倒锥形损失。
于此描述的光耦合器的一个重要益处为未对准的容限。假定将具有NA～0.14的标准SM光纤耦合至10μm×10μm的SOI（绝缘体上硅）条形波导，能够激发的模的最大数量约为3。图3中提供了这三个模的分布。因为于此所描述的光耦合器能够不仅将基模而且还将高阶模耦合到小波导阵列中，与仅能够耦合基模的常规设计相比，其提供了大的未对准容限。
对于于此所描述的光耦合器，光纤中心至波导中心的偏移的容限计算为～16μm2，而常规设计的光纤中心至波导中心的偏移容限为～7.8μm2。所述改进使得能够进行被动/自动对准并因而降低光耦合器的生产成本。实际上，该改进甚至能够更大，因为在以上提供的范例中，基模的耦合效率通过合适的光斑尺寸而人工最大化。
图4为示例于此所描述的光耦合器的操作的色散图。图4的色散图示例了该光耦合器的波矢-频率关系。该耦合器具有水平镜面对称，使得波导模能够分类为偶宇称或奇宇称。对于MM波导（SM波导阵列）而言，其最低的三个模的色散由具有较大斜率（较小斜率）的实线表示。对宇称相应地进行标记。
MM波导能够仅与具有相同宇称的模中的SM波导阵列进行相互作用,其造成五个（而非九个）如虚线所表示的简正模分裂。假定输入波矢/频率位于MM波导色散的下端，其由SM光纤激发条件决定。通过以增加的方式使SM波导的宽度绝热渐缩，能够将SM波导阵列的色散朝向大波矢/低频率侧“拖拉”，并最终扫过输入波矢/频率。这将MM波导中的光功率绝热地转移至SM波导阵列中。
注意能够根据色散推得使用的SM波导的数目。例如，其中（00）、（10）、（01）、（11）、（20）、（02）、（21）、（12）、（30）为MM波导中最低的九个模，归因于宇称选择，需要九个SM波导来捕获它们所有。
图5提供了来自如于此所描述的光耦合器的一个实施例的模拟的结果。对应于图5的模拟基于置于大Si波导（10μm×8μm；n=3.5）之上且由SiO2(n=1.447)所包围的相互距离为0.5μm的三个小SiGe波导（1μm×1μm；n=3.6）。注意，对于0.5μm（或更小）的相互距离，这三个SiGe波导彼此耦合，使得其简并模能够形成确定的宇称。
输入端口的色散与图3的相同，其中绘示了在1.3μm的波长处硅波导的最低三个模。在通过增加三个SiGe波导的宽度而进行绝热过渡之后，输出端口的色散如图5所示地改变。现在模功率以相应宇称从Si波导转换至SiGe波导。为简化，此处的模拟仅考虑TM偏振，但可扩展至TE偏振。倒锥形的长度预期比具有最佳设计的1mm小。
注意单MM平板波导（如图2中所示）而非SM波导阵列（图1中所示）也能够执行类似的功能。输出端口的维度相近，但在图2的MM平板波导的情况下，总锥形长度能够较长。
图6为使用如于此所描述的光耦合器的光学系统的一个实施例的框图。尽管图6的范例示范了位于输入波导之上的输出波导，但在替代实施例中，输出波导也能够嵌入于输入波导中，该输入波导能够进一步改善耦合强度。
光学系统600使用光耦合器作为光纤和光电子装置之间的接口。光纤610可为本领域中已知的任何类型的单模光纤。光纤610传输来自源（图6中未示例）的光信号。光纤610与输入波导630光学对准，使得输入光信号620由输入波导630接收。
输入波导630和输出波导640一起提供如以上更详细描述的光耦合器。输出波导640与光电子装置660光学对准，使得输出光信号650由光电子装置660接收，所述光电子装置660可为本领域已知的任何类型的光电子装置。于此所描述的光耦合器也可用于其他情况。图6仅为光耦合器的使用的一个范例。
说明书中提及的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的具体特征、结构或特性包括于本发明的至少一个实施例中。在说明书中各个地方出现的短语“在一个实施例中”不必然均指同一实施例。
尽管已经根据数个实施例对本发明进行了描述，但本领域技术人员将认识到本发明不限于所描述的实施例，而能够在所附权利要求的精神和范围中具有修改和改变地实施。因此本描述被认为是示例性的而非限制性的。
Claims (24)
1.一种多模光耦合器，包括：
输入多模波导，接收来自单模光纤的光信号；
一个或多个单模输出波导，与所述输入多模波导光耦合，所述一个或多个单模输出波导接收由光纤未对准而造成的激发的多个模。
2.如权利要求1所述的多模光耦合器，其中，所述一个或多个单模输出波导嵌入于所述输入多模波导内或者位于所述输入多模波导之上。
3.如权利要求1所述的多模光耦合器，其中，所述一个或多个单模输出波导包括具有绝热渐缩宽度的单模波导。
4.如权利要求1所述的多模光耦合器，其中，所述多模输入波导是所述一个或多个单模输出波导的至少十倍厚。
5.如权利要求1所述的多模光耦合器，其中，所述多模输入波导包括硅（Si）光波导。
6.如权利要求1所述的多模光耦合器，其中，所述多模输入波导包括铝镓砷化物（AlGaAs）波导。
7.如权利要求1所述的多模光耦合器，其中，所述一个或多个单模输出波导包括砷化铝（AlAs）光波导。
8.如权利要求1所述的多模光耦合器，其中，所述一个或多个单模输出波导包括锗硅（SiGe）光波导。
9.如权利要求8所述的多模光耦合器，其中，所述一个或多个SiGe单模输出波导具有SixGe1-x的组成。
10.一种光学系统，包括：
单模光纤，传输光信号；
输入多模波导，接收来自所述单模光纤的所述光信号；
一个或多个单模输出波导，具有绝热渐缩宽度且与所述输入多模波导光耦合，所述一个或多个单模输出波导接收由光纤未对准而造成的激发的多个模。
11.如权利要求10所述的光学系统，其中，所述一个或多个单模输出波导嵌入于所述输入多模波导内或位于所述输入多模波导之上。
12.如权利要求10所述的光学系统，其中，所述多模输入波导是所述一个或多个单模输出波导的至少十倍厚。
13.如权利要求10所述的光学系统，还包括一个或多个光电子装置，所述一个或多个光电子装置与所述一个或多个输出波导光耦合。
14.如权利要求10所述的光学系统，其中，所述多模输入波导包括硅（Si）光波导。
15.如权利要求10所述的光学系统，其中，所述多模输入波导包括铝镓砷化物（AlGaAs）波导。
16.如权利要求10所述的光学系统，其中，所述一个或多个单模输出波导包括砷化铝（AlAs）光波导。
17.如权利要求10所述的光学系统，其中，所述一个或多个单模输出波导包括锗硅（SiGe）光波导。
18.如权利要求17所述的光学系统，其中，所述一个或多个SiGe单模输出波导具有SixGe1-x的组成。
19.一种用于制造多模光耦合器的方法，所述方法包括：
在二氧化硅（SiO2）基底上制作多模硅（Si）条形波导；以及
在所述Si条形波导的与所述SiO2基底相对的面上制作多个锗硅（SiGe）输出波导，其中，所述输出波导具有绝热渐缩宽度。
20.如权利要求19所述的方法，其中，所述多模输入波导是所述输出波导的至少十倍厚。
21.如权利要求19所述的方法，其中，所述SiGe输出波导具有SixGe1-x的组成。
22.一种用于制造多模光耦合器的方法，所述方法包括：
在二氧化硅（SiO2）基底上制作多模硅（Si）条形波导；以及
在所述Si条形波导的与所述SiO2基底相对的面上制作单个锗硅（SiGe）输出波导，其中，所述输出波导具有绝热渐缩宽度。
23.如权利要求22所述的方法，其中，所述多模输入波导是所述输出波导的至少十倍厚。
24.如权利要求22所述的方法，其中，所述SiGe输出波导具有SixGe1-x的组成。
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