CN103649800A - 多模光学耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例提供由多个材料层构成的光学透镜，每个材料层具有与其他层的折射率不同的折射率，其中按照增大的折射率来布置该材料层。透镜区域能够使进入透镜区域的光束被聚焦成在至少一个维度上更小的输出光束。波导光学耦合到光学透镜，并且光电耦合器光学耦合到该波导。光学透镜能够使用半导体处理技术来制造，并且能够被集成到集成电路芯片中。

Description

多模光学耦合器

技术领域

本发明的实施例大体涉及光学互连、光通信和数据传输、激光、光学多模透镜、光学耦合和硅光子。

背景技术

使用基于光学的技术的数据传输和通信相对于基于标准电导体的系统提供了优点，如更高的数据传输率。激光器可以产生在其上可编码和传输数据的光（电磁辐射）。激光器产生的光可以是例如在电磁波谱的红外、可见、紫外或X-射线区中的电磁辐射。基于硅的光学通常使用在红外区域中的光。为了高数据传输率，使用多个波长的光来编码数据，然后将多个波长的光复用在一起，发送到输入设备，解复用，然后在检测器处检测。

光学数据传输可以例如在个人计算机、服务器和数据中心的内部和周围以及更长距离的数据传输和通信活动中是很有用的。将小型光学设备经济高效地耦合在一起以使能数据传输的需求提出了挑战。

附图说明

图1示出一种使能多模光的光学聚焦的渐变折射率透镜（graded-indexlens）。

图2A示出用于渐变折射率多模耦合器的计算得出的渐变折射率曲线。

图2B示出用于渐变折射率多模耦合器的计算得出的焦距。

图3示出一种用于将入射光学信号转换成电信号的单元。

图4示意性示出一种具有光学数据输入能力的计算系统。

图5示意性示出一种光学数据传输系统。

具体实施方式

本发明的实施例提供一种能够将多模光源与具有一个或多个实质上较小尺寸的波导耦合在一起的设备。在本发明的实施例中，多模光源（如多模波导、光纤和/或透镜）具有在几十微米范围内的尺寸，而从多模光源输出的光被引导到的设备具有在微米或亚微米范围内的尺寸。根据本发明的实施例的能够将具有不同的尺寸的光源进行耦合的设备在光学数据传输应用中例如，在个人计算机、服务器和数据中心内部或者周围，以及对于更长范围的数据传输是很有用的。另外，根据本发明的实施例的设备适于在具有其他组件和设备的集成电路芯片之上制造，并且适于通过半导体处理技术制造。

图1提供了一种使能输出波导的所支持模式的光学聚焦的渐变折射率透镜。在图1的实施例中，渐变折射率透镜的光输出被聚焦到耦合到光电检测器的波导。在图1中，来自光波导（例如多模光纤和/或透镜）的光105（未示出）进入被容纳在基板115上的渐变折射率透镜区域110。基板115是诸如硅或绝缘体上硅之类的半导体材料，并且基板115可选地是用来容纳其他电子元件的集成电路芯片的基板。渐变折射率透镜区域110使光束能够聚焦到较小尺寸的波导区域120中。虚线箭头106表示从芯片上的渐变折射率透镜110输出的更聚焦的光束。进入所述渐变折射率透镜区域110的光（如多模光）被聚焦到波导区120中，并且行进到可选的光电检测器125。在本发明的实施例中，渐变折射率透镜110能够把输入光束（如多模光束）聚焦到输出波导区120中，输出波导区120在至少一个维度上变小至少70％，或者在至少一个维度上缩小至少85％，或在至少一个维度上变小至少90％。渐变折射率区域110是由数个材料层构成，其中每个层比起前一层具有接连更大的折射率，且折射率向着波导120增大。箭头111表示折射率增大的方向。波导区域120具有与拥有最高折射率的渐变折射率透镜区域相同的折射率。在本发明的实施例中，渐变折射率透镜110由Si_(1-x)Ge_x材料构成。折射率随着Ge在Si_(1-x)Ge_x材料中的构成百分比的增大而增大。在本发明的实施例中，从3.5到3.56的折射率变化表示具有从0原子％至10原子％的Ge的SiGe材料。渐变折射率区域110包括至少4个材料层，或者至少5个材料层，或者是在5层至10层之间并且包括5层至10层的若干层。

在本发明的实施例中，来自波导、光纤或透镜的入射多模光105的尺寸为20-30微米乘20-30微米，高度为h₁，并且渐变折射率透镜区110的宽度（未示出）为30微米。输出光106的高度h₂为3到4微米，而宽度（未示出）为30微米。在本实施例中，渐变折射率透镜150的焦距f_d为300微米。入射光、光输出波导、焦距的其他尺寸也是可能的。例如，处于50微米和62.5微米的直径的作为光波导的多模光纤也是商业上可获得的。通常，本发明的实施例可用作需要多模耦合和光束大小转换的光子链路。本发明的实施例能够在多模光源和较小尺寸的波导之间提供至少70％的耦合效率。

渐变折射率透镜110的其他材料还可以包括，例如，介电SiON、聚合物和III-V族/II-VI族半导体。III-V族/II-VI族半导体的半导体材料是由分别来自周期表的III族（3A）、V族（5A）、Ⅱ族（2A）、和VI族（6A）的元素构成的材料。来自III族的元素包括例如铝、铟和镓，来自V族的元素包括例如磷、砷和锑，来自Ⅱ族的元素包括例如铍、镁、钙和锶，来自VI族的元素包括氧、硫、硒和碲。在本发明的实施例中，渐变折射率透镜为GaAs或InP。用于渐变折射率透镜110的其他材料和折射率范围的其他范围值也是可能的。

在波导光电检测器125和渐变折射率透镜区域110之间插入可选的中阶梯光栅130。该中阶梯光栅130由宽度与衍射光的波长接近的狭缝构成。狭缝填充有例如二氧化硅。该中阶梯光栅130能当作解复用器，解复用器根据承载不同信息流的光的波长来分离光束。该中阶梯光栅可以使不同的波长在不同的角度折射。然后这些不同波长将被引导到不同位置上。波导光电检测器125被光学耦合到波导120，波导光电检测器125例如是SiGe光电检测器、p-i-n光电二极管、p-n光电二极管、雪崩光电二极管，或者是边缘检测器。Yin,Tao等人的“31GHz Ge n-i-p Waveguide Photodetectors onSilicon-on-Insulator Substrate”（Optics Express,第15卷第12期13965（2007年））中描述了倏逝地耦合到波导的示例的p-i-n光电检测器。波导光电检测器125被耦合到导电区域127和128，导电区域127和128允许波导光电检测器125由电子装置（未示出）来驱动。用来驱动波导光电检测器125并且将包含在入射中的数据输出作为电信号的电子装置还可选地与渐变折射率透镜110一起共同位于IC芯片上。基板115可以是容纳用于数据输出转换的电子装置的基板，由此输入光被转换为输出电信号。导电区域127和128包含例如，p-或n-掺杂的半导体（例如p-或n-掺杂的硅）和/或金属。导电区域127和128不一定由相同的材料构成。区域135由例如硅的材料构成，但其他材料也可以。另外，波导光电检测器125还可选地位于区域126中。

通常，波导由芯和至少部分包围该芯的包层（cladding）或基板构成。芯材料的折射率比周围材料（包层）的折射率高。波导通过在芯内的全内反射来作为光波的路由器。波导在光通信所工作的波长（例如，红外波长）处是透明的。通常，模式可被认为是沿着波导传播的具有恒定分布的电场分布，即该电场分布不会随着其传播而变化。

图2A示出根据本发明的实施例的渐变折射率多模透镜在y方向上的计算得出的渐变折射率曲线的图。图2A中的图是使用近轴近似计算的，即，当射线轨迹几乎平行于z轴时，射线方程可以被简化为如公式（1）所示那样。

$\frac{d}{\mathrm{dz}}\left(n\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dz}}\right)\≈\frac{\∂n}{\∂y}---\left(1\right)$

对于具有在x和z方向上是均匀的而在y方向上连续地变化的折射率n=n(y)的渐变折射率多模耦合器，y和z轴平面上的近轴射线的轨迹由方程（2）描述。

$\frac{d}{\mathrm{dz}}\left(n\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dz}}\right)=\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dy}}---\left(2\right)$

基于y=0作为初始条件进行微分，得到方程（3）。

$\frac{d^{2}y}{{\mathrm{dz}}^2}=\frac{1}{n\left(y\right)}\frac{\mathrm{dn}\left(y\right)}{\mathrm{dy}}---\left(3\right)$

图2A中的曲线示出沿y轴的折射率的变化，并且图2A是针对SiGe渐变折射率多模透镜计算得出的。从图2A可以看出，折射率（n）从3.5变化到3.56，并且具有提供束聚焦的抛物线轮廓。图2B示出图2A中渐变折射率透镜的焦距的计算。在条件y=0下，通过推导z位置，获得光束聚焦的250微米焦距。渐变折射率多模耦合器的折射率的总体变化和透镜高度是其它值也是可以的。

采用光束传播法来对具有30微米乘30微米尺寸的十个数字化渐变折射率SiGe层进行建模。对于在基本模式输入尺寸为30微米直径并且输出波导的尺寸为30微米乘30微米的条件下的基本模式耦合，发现是80％的耦合效率。焦距被发现是200微米，与利用分析模型计算出的焦距接近。对于将多达20个模式一起发射到SiGe渐变折射率结构中的多模耦合，得到了73％的耦合效率和200微米的焦距。通常，使基本模式中的损耗最小化比起使多模耦合情况中存在的另外模式的损耗最小化，更容易实现。针对具有30微米乘30微米尺寸的六个数字化SiGe层渐变折射率结构执行类似的计算，得出了比起针对十个数字化渐变折射率SiGe层结构发现的耦合效率要少大约10%的耦合效率。

图3示出用于将入射光学信号转换为电信号的光收发器单元的实施例。图3的光收发器单元例如用作光学数据传输系统、计算机系统、计算设备、以及图4和图5的系统的一部分。其他配置也是可以的。在图3中，转换单元被容纳在板305中。光学信号通过多模光纤310进入转换单元。多模光纤310被光学耦合到渐变折射率透镜区域315，渐变折射率透镜区域315将入射光束在至少一个维度上聚焦。渐变折射率透镜区域315被光学耦合到解复用区域320，解复用区域320将入射光束分解成承载数据的组分波长。该组分光束被引导到光电检测器325。在本实施例中，示出4个光电检测器325，但是其它数量也是可能的。光电检测器325为SiGe光电检测器、p-i-n光电二极管、p-n光电二极管、雪崩光电二极管、或边缘检测器。来自四个光电检测器325的输出进入转换模块330，转换模块330将来自光电检测器325的信号（电流信号）转换成可由其他设备使用的信号（放大的电压信号）。在本发明的实施例中，转换模块330是跨阻抗放大器（TIA）。TIA将来自每个光电检测器的电流信号转换成电压信号并放大它。增益被称为跨阻抗增益。渐变折射率透镜区域315、解复用区域320、光电检测器325和转换模块330可任选地被构造在一半导体芯片上，该半导体芯片然后被封装（封装的半导体芯片335）以包括耦合器340，耦合器340将来自转换模块330的输出电子信号耦合到板305。转换模块330将来自每个光电检测器325的每个电信号转换成单独的信号，每一个单独的信号经由耦合器340输出。在本实施例中，板305包括被电耦合到电连接器350的金属迹线345。金属迹线345耦合到被附着到板305的输入耦合器（未示出）。输入耦合器与耦合器340耦合在一起，并且路由来自转换模块的4个（在本示例中）电信号，使得每个信号被路由到迹线345中的一个。电连接器350可以是例如插头或插座。电连接器350能够与计算系统的其它元件相连接。对于将光转换为电信号的单元，其他配置也是可以的。例如，其他配置可以包括例如，各种波导、分路器、光栅、环，以及光电检测器前的任何可能的无源器件。

图4示意性示出用于将数据输入到计算系统的系统。在图4中，计算系统400包含光接收器插头插座405，光接收器插头插座405安装在基板410上并且通过光波导415光连接到光收发器420。虽然在图4中只示出一个光接收器插头插座405，但其他数目也是可以的。光接收器插头插座405能够与光插头（未示出）耦合，并且还可任选地包括传输功率和/或输入电数据的能力。光接收器插头和插座405可任选地符合一数据传输标准，例如，USB（通用串行总线）、火线、HDMI（高清多媒体接口）、SCSI（小型计算机系统接口）、PCIe（高速外设部件互连）和SPI（串行外设接口总线）。光收发器420能够将入射的光学信号转化为电信号。光收发器420包括至少一个渐变折射率透镜和光电检测器（未示出）。任选地，光收发器420还可以包括光学解复用器（未示出）。进入光收发器420的光学信号通过渐变折射率透镜被聚焦到具有更小尺寸的波导中，并通过光电检测器被检测。任选地，光学信号在通过光电检测器检测之前被解复用。来自光电检测器的电信号可任选地被放大并传送到计算机子系统425。计算机子系统425是例如，CIO路由器（用于将光和电信号转换到一个输入/输出设备的会聚的输入/输出设备）、平台控制器集线器、芯片组、用于对流进和流出CPU（中央处理单元）的不同类型的信息进行控制和路由的芯片组、处理器和/或存储器设备。通过光收发器420输入的数据被路由到一个或多个处理器。计算系统是例如，服务器、计算机、便携式计算设备、电话、扫描仪、照相机、监视器、远程存储器设备、HDTV（高清电视机）或者是电视机。例如，图4的系统可与图5所示的系统一起使用。

图5示意性示出光学数据传输系统。在图5中，集成电路芯片505包括多个激光器510。虽然示出10个激光器510，但其它数量的激光器也是可以的。在本发明的实施例中，激光器是适用于紧凑尺寸的混合硅激光器，该激光器允许将许多激光器集成到单个芯片上。在芯片上激光器510少到一个激光器也是可以的。任选地，激光器例如通过修改相关联的波导的属性，或通过修改发射激光材料，来输出不同波长的光。图5中系统的部件的部分或全部可任选地集成到半导体芯片上。波导515将混合激光器510光连接到用于编码信息的光调制器520。然后，光输出能够传递到任选的复用器525，复用器525将光调制器520的输出引导到光波导530。任选地，光波导530是光纤。在本发明的实施例中，波导或光纤是多模光纤。多模光纤可以实现低成本和使能被动对准的耦合。光接收器535能够接收从光波导530输出的光，并且可被容纳在集成电路芯片上。光接收器535包含一个或多个渐变折射率透镜537、能够将来自波导430的输入光学信号划分为承载信息的组分波长的一个或多个任选的解复用器（未示出），还包括能够将检测输入到接收器535中的光的多个检测器（未示出）。该检测器可以是例如，SiGe光电检测器。一个或多个集成电路芯片505任选地是计算系统的一部分，该系统具有操作性地连接到调制器的处理器并且能够输出数据作为光传输。光接收器535任选地是拥有处理器的第二计算系统的一部分，起重来自光电检测器的数据可由该处理器接收。该第二计算系统还可以附加地包含具有多个用于数据传输的激光器的一个或多个集成电路芯片505，并且所述第一计算系统可任选地包含一个或多个光接收器535。计算系统可以是例如，服务器、计算机、便携式计算设备、电话、扫描仪、照相机、监视器或者是电视机。

典型地，计算机、便携式计算设备或包含处理器的其他设备具有处理系统，该处理系统包括通信地耦合到一个或多个易失性或非易失性数据存储设备的处理器，该数据存储设备例如是随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、大容量存储设备（如串行高级技术附件（SATA））或小型计算机系统接口硬盘驱动器，和/或能够访问介质（如软盘，光存储器，磁带，闪存，记忆棒，CD-ROM和/或数字视频光盘（DVD））的设备。术语ROM是指非易失性存储器设备，例如是可擦可编程ROM（EPROM）、电可擦除可编程ROM（EEPROM）、闪速ROM和/或闪存。该处理器还可以被通信地耦合到其他组件，诸如视频控制器、SCSI控制器、网络控制器、通用串行总线（USB）控制器和输入设备。该计算机系统的元件、额外的处理器和/或电气使用监视器之间的通信可以用各种有线和/或无线短程协议来进行，该协议包括USB、WLAN（无线局域网络）、射频（RF）、卫星、微波、电气和电子工程师协会（IEEE）802.11、蓝牙、光学、光纤光学、红外、电缆和激光。

通常，集成电路芯片也被称为微芯片、硅芯片或者芯片。多个IC芯片通常构建在一半导体晶片（具有例如300毫米的直径的薄的硅盘），并且在处理后，该晶片被切割开来创建各个芯片。

其上构建了根据本发明的实施例的设备的基板为例如半导体晶片（如硅晶片或绝缘体上硅基板。硅晶片是在半导体加工工业中通常使用的基板，虽然本发明的实施例不依赖于所用基板的类型。该基板还可以包括锗、锑化铟、碲化铅、砷化铟、磷化铟、砷化镓、锑化镓和/或单独的其它III-V族材料、或与硅或二氧化硅或其它绝缘材料组合的其它III-V族材料。一个或多个渐变折射率透镜和相关的光学器件和电子装置可以被构造在基板表面上。此外，基板任选地容纳能够执行或协助执行计算功能（例如数据输入，从光到电形态的数据转换，数据处理，数据输出和/或数据存储）的电子装置。光收发器能够潜在地有益于处理器和存储器之间的通信，因为比起用电互连通常实现的速度和功率具有更快的速度和更低的功率。

本发明的实施例能够使用在半导体制造领域中已知的标准的半导体处理技术来制造。有利的是，根据本发明的实施例的设备能够与硅基半导体器件集成在一起，并利用硅基半导体制造技术来制造。

相关领域的技术人员认识到，在公开文本和所示出和描述的各种组件的组合和替换中，修改和变型是可能的。贯穿本说明书提及的“一个实施例”或“实施例”意味着联系该实施例描述的特定特征、结构、材料、或特性被包括在本发明的至少一个实施例中，但不一定表示它们存在于每一个实施例中。此外，特定的特征、结构、材料或特性可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合。在其他实施例中，各种附加层和/或结构可被包括，和/或所描述的特征可以被省略。

Claims (18)

1.一种设备，包括：

容纳透镜区域的基板，所述透镜区域由至少四个材料层构成，每个所述材料层具有与其他层的折射率不同的折射率，其中，按照增大的折射率的顺序排列所述材料层，并且其中，所述透镜区域能够使进入所述透镜区域的光束被聚焦成在至少一个维度上变小的输出光束，

光学耦合到所述透镜区域的波导，其中，所述波导具有比所述透镜区域中的至少三个所述层的折射率更高的折射率，以及

光电检测器，其光学耦合到所述波导并且能够检测来自所述波导中的光束的光。

2.如权利要求1所述的设备，其中，所述透镜区域由五到十个材料层构成。

3.如权利要求1所述的设备，其中，所述波导附加地包括解复用结构，所述解复用结构针对由不同波长的光构成的输入光束，能够将所述输入光束分离为承载不同信息流的不同波长。

4.如权利要求1所述的设备，其中，针对多模输入光束，所述透镜区域与所述波导之间的耦合效率是至少70%。

5.如权利要求1所述的设备，其中，所述材料层由硅和锗构成。

6.如权利要求1所述的设备，其中，所述材料层由III-V族半导体材料或II-VI族半导体材料构成。

7.如权利要求1所述的设备，其中，所述波导由硅和锗构成。

8.如权利要求1所述的设备，其中，所述基板是容纳集成电路设备的半导体基板。

9.如权利要求1所述的设备，其中，进入所述透镜区域的光束被聚焦成在至少一个维度上至少变小70%的输出光束。

10.如权利要求1所述的设备，其中，进入所述透镜区域的光束被聚焦成在至少一个维度上至少变小85%的输出光束。

11.一种设备，包括：

处理器和光学数据输入模块，其中，所述处理器操作性地耦合到所述光学数据输入模块，并且能够从所述光学数据输入模块接收数据，其中，输入到所述光学数据输入模块的光学信号能够被所述光学数据输入模块转换成电信号，并且其中，所述光学数据输入模块包括：

容纳透镜区域的基板，所述透镜区域由至少四个材料层构成，每个所述材料层具有与其他层的折射率不同的折射率，其中，按照增大的折射率的顺序排列所述材料层，并且其中，所述透镜区域能够使进入所述透镜区域的光束被聚焦成在至少一个维度上变小的输出光束，

光学耦合到所述透镜区域的波导，其中，所述波导具有比所述透镜区域中的至少三个所述层的折射率更高的折射率，以及

光电检测器，其光学耦合到所述波导并且能够检测来自所述波导中的光束的光，其中，所述光电检测器能够将接收的光学信号转换为电信号输出。

12.如权利要求11所述的设备，其中，所述透镜区域由五到十个材料层构成。

13.如权利要求11所述的设备，其中，所述材料层由硅和锗构成。

14.如权利要求11所述的设备，其中，所述材料层由III-V族半导体材料或II-VI族半导体材料构成。

15.如权利要求11所述的设备，其中，进入所述透镜区域的光束被聚焦成在至少一个维度上至少变小70%的输出光束。

16.如权利要求11所述的设备，其中，进入所述透镜区域的光束是来自多模源的输出。

17.如权利要求11所述的设备，其中，所述光学数据输入模块附加地包括转换模块，所述转换模块能够将从所述光电检测器接收的电信号转换成放大的电压信号输出。

18.如权利要求11所述的设备，其中，所述设备是计算机、便携式计算设备、打印机、HDTV、电视机、远程存储器设备或监视器。

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