CN104884986A - 在光子集成电路中提供光纤的简化对准的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于将光纤(11)光学对准到光子装置(17)的结构及其制作方法。所述结构使用可通过致动器头(21)在光纤与所述光子装置之间移动的透镜(15)将所述光纤光学对准到所述光子装置。所述透镜可通过与所述致动器头相关联的相应动力源而移动。

Description

在光子集成电路中提供光纤的简化对准的设备
政府权利
本发明是根据由DARPA颁发的第9999404-12-0004号合同在政府支持下作出。政府具有本发明的某些权利。
技术领域
本发明的实施例提供用于在光子集成电路中将光纤光学对准到光子装置的对准结构。
背景技术
光学信号传输可用于在分离的集成电路芯片之间传递信号以提供芯片间连接，并且在相同集成电路芯片上的组件内传递信号以提供芯片间连接。在许多实例中，需要将外部光纤耦合到集成电路光子芯片的光子装置(例如，波导)。此耦合需要光纤与光子装置之间的精确光学对准。
为了实现此精确光学对准，已提出构建在集成电路芯片上的复杂微机电系统(MEMS)来用于将光纤与光子装置光学对准。然而，复杂MEMS结构实施起来昂贵且制作起来耗时。另外，用于将光纤对准到光子装置的结构应虑及在使用期间例如由于温度改变或可能发生的其它微扰影响而可能发生的对准改变。需要一种用于将光纤光学对准到集成电路芯片上的光子装置且维持所述光学对准的简单结构。
附图说明
图1是光学对准结构的实施例的透视图；
图2是展示图1实施例的一部分的更多细节的横截面图；
图3是展示图1实施例的一部分的更多细节的另一横截面图；
图4是图1的一部分的放大图；
图5A到5F以横截面图展示图1中所描绘的致动器头的操作移动；
图6是另一实施例的横截面图；
图7是另一实施例的横截面图；
图8是另一实施例的横截面图；
图9是另一实施例的横截面图；
图10是另一实施例的横截面图；
图11是信号检测器的透视图；
图12是另一信号检测器的俯视图；及
图13图解说明可用于动态地光学对准光纤与光子装置的控制系统。
具体实施方式
本文中所描述的实施例提供一种用于光学对准光纤与光子装置的简化结构，所述光子装置提供在集成电路光子芯片上，所述集成电路光子芯片含有用于传播及处理光信号的光学装置。可在集成电路光子芯片的半导体(例如，硅)衬底上使用已知MEMS方法制作所述结构。在光纤与光子装置之间提供对准透镜。所述透镜可在三个方向(x、y及z)上移动以产生及维持光纤与光子装置的光学对准。一对下部致动器头从下方固持透镜，且分别提供在一对悬臂的自由端处。另一上部致动器头提供在另一悬臂的自由端处且从上方固持透镜并将透镜固持在所述对下部致动器头上的适当位置。相应动力源(例如，压电结构)与悬臂中的每一者相关联。所述动力源经布置以使臂弯折以使相应致动器头沿三个方向移动且因此移动透镜以获取并维持光纤与光子装置之间的光学对准。或者，连接到下部致动器的悬臂可为不可弯折的，或另一固定结构可用于支撑下部致动器头，其中在下部致动器头与固定结构之间提供相应动力源以影响其移动。在另一替代方案中，也可在透镜与固定致动器头之间提供动力源。控制环路可用于获取所接收光学信号，且通过响应于所述所接收光学信号恰当地激活动力源以移动致动器头并将透镜固持在光学对准光纤与光子装置的位置中来建立并维持光学对准。
现在参照图式，图1展示本发明的实施例的透视图，而图2及3以横截面展示图1实施例的元件的细节。展示由半导体(例如，硅)衬底形成的集成电路光子芯片9，所述半导体衬底包括光子装置且也可包括在相同芯片上的电装置及电路。芯片9包括经制作波导17，其具有波导芯17a及相关联包层17b。波导17从光纤11接收光学信号或将光学信号传输到光纤11，光纤11在一端处通过粘合剂粘附到制作在集成电路芯片9上且具有接受光纤11的弯曲外表面的弯曲上部表面的托架13。在光纤11与波导17之间传输的光学信号穿过透镜15。
透镜15可采取各种形式，包括但不限于，球形透镜、圆筒形透镜及球面透镜。在以下论述中，将球形透镜作为透镜15的实例进行论述。通过下部致动器头21a、21b将透镜15可调整地固持在光纤11与波导17之间的光学路径中，下部致动器头21a、21b具有与透镜15的下部表面啮合的向下倾斜面26a、26b(图2)。下部致动器头21a、21b提供在相应悬臂23a、23b的自由端处。悬臂23a、23b的支撑端整体连接到制作在集成电路芯片9上的相应基座20a、20b。如在图2及4中所展示，悬臂23a、23b可借助相应动力源沿x轴方向独立地弯折，所述相应动力源可采取沿悬臂23a、23b中的每一者的长度提供的相应独立压电结构25a、25b的形式。压电结构251、25b可采取包括第一硅层与第二压电材料层(例如，PZT或PMN)的已知生物形态结构的形式。悬臂23a、23b的独立弯折致使致动器头21a、21b根据施加到压电结构25a、25b的电压沿x轴方向独立地移动。
透镜15也在其上部表面处被上部致动器21c固持，上部致动器21c可呈用于与透镜15的上部表面的一部分啮合的帽或其它结构的形式。上部致动器21c提供在悬臂23c的自由端处。动力源沿悬臂23c的侧提供且可呈压电结构25c的形式。如在图1及3中所展示，压电结构25c致使悬臂23c弯折且因此致使透镜15沿y轴方向移动。如在下文详细描述，通过对应压电结构25a、25b及25c使悬臂23a、23b及23c独立地移动使得透镜15能够沿图1-4中所展示的x、y及z轴方向移动。
图2展示沿图1的线2-2的横截面图。图2横截面穿过透镜15及下部致动器头21a、21b。图3展示沿图1的线3-3穿过光纤11、透镜15及波导17的横截面图。如在图2中所展示，每一下部致动器头21a、21b具有斜面26a、26b，透镜15搁置在斜面26a、26b上。图2将下部致动器头21a、21b展示为具有平坦下斜面26a、26b；然而，如下所述，其它轮廓可用于致动器头21a、21b的面。
图5A-5F展示透镜15可如何根据下部致动器头21a、21b在被相应压电结构25a、25b致动时的移动沿x轴及z轴方向移动。为了适应z轴移动，将致动器头21c固持在透镜15的顶部上的悬臂23c可上下弯折。图5A通过箭头A展示当压电结构25a、25b各自经激活以使相应悬臂23a、23b弯折且使两个致动器头21a、21b朝向彼此移动时，透镜15向上移动，而图5B通过箭头B展示当压电结构25a、25b各自经激活以使相应悬臂23a、23b弯折且使两个致动器头21a、21b远离彼此移动时，透镜15向下移动。图5C及5D通过相应箭头C及D展示当压电结构25a、25b各自经激活以使相应悬臂23a、23b弯折且使两个致动器头21a、21b向左及向右移动时，透镜15分别向左及向右移动。图5E通过箭头E展示当压电结构25b不操作致动器21b且致动器21a通过压电结构25a的操作及悬臂23a的弯折而向左移动时，透镜15朝左上移动。图5F通过箭头F展示当压电结构25b使悬臂23b弯折以使致动器头21b向右移动同时致动器头21a保持静止时透镜15的移动。
如所述，当致动器21c响应于透镜15通过致动器头21a、21b的移动而上下移动时，悬臂23c可沿z轴方向弯折。另外，与悬臂23c相关联的压电结构25c致使臂23c沿y轴方向弯折以使致动器21c及透镜15沿y轴移动。因此，透镜15可沿所有三个轴x、y及z移动。
图6以横截面展示经修改的下部致动器头21a'及21b'，每一下部致动器头具备用于接触透镜15的相应向下倾斜的阶部表面30a、30b。阶部表面30b、30a当沿由图5A、5B、5E及5F指示的方向移动时提供对透镜15的阶部递增调整。图7展示具有相应弯曲致动器表面30a'及30b'的其它经修改的下部致动器头21a”及21b”。
通过适当地电致动使相应悬臂23a、23b、23c弯折的相应压电结构25a、25b、25c，发生上述实施例中的致动器头21a、21b、21c的移动。在另一实施例中，用于下部激活器头21a、21b的悬臂23a、23b可为不可弯折的，且从悬臂23a、23b省略压电结构25a、25b。而是，如在图8中所展示，压电结构35a、35b可位于相应不可弯折悬臂23a、23b与其相关联致动器头21a、21b之间。在此布置中，压电结构35a、35b各自经独立地操作以如箭头H所展示而扩展及压缩，借此使相应致动器头21a及21b移动从而以图5A–5F中所展示的方式定位透镜15。在另一替代实施例中，如在图9中所展示，可省略悬臂23a、23b且压电结构35a、35b直接附接到制作在芯片9上的支撑基座20a’及20b’。在图10中所展示的又一实施例中，压电结构35a、35b可直接形成于下部致动器头21a、21b的表面上，其中压电结构35a、35b与透镜15直接啮合且沿箭头I的方向压缩或接触以使透镜15移动。
为了操作压电结构25a、25b、25c或35a、35b、25c，提供对准控制系统，其对所接收光学信号的强度进行取样及监视以控制透镜15的位置。图11图解说明制作在波导芯17a上的信号检测器29，其可由锗或锗-硅形成且从波导芯17a接收对应于从光纤11传输到波导17的光学信号的光学信号。信号检测器29输出对应于所接收光学信号的电信号31。图12图解说明也可由锗或锗硅形成的信号检测器41，其可耦合到从波导17接收光学信号的光纤11。信号检测器41通过波导39渐逝地耦合到光纤11且也可提供输出信号31。检测器29及41可提供表示所接收光学信号的强度的输出信号，其可由控制系统用来控制透镜15的位置。
图13图解说明控制系统51的一个实例，控制系统51从检测器29或检测器41接收信号强度输出信号且提供用于压电结构25a、25b、25c(或35a、35b及25c)的致动信号。控制系统51可实施为集成在集成电路芯片9上的硬件电路结构或实施为在集成在芯片集成电路9上的处理器结构上执行的软件，或实施为两者的组合。为简化起见，控制系统51将被描述为由电路结构、经编程处理器结构或两者的组合执行的操作步骤。
在步骤101中，设定透镜15的初始中央x轴、y轴及z轴位置且致动压电结构(25a、25b、25c或35a、35b、25c)以获得此中央透镜15位置。在步骤103处，取决于波导17是否从光纤11接收光学信号，从检测器29或41获取光学信号强度，或反之亦然。在步骤105中，将所接收光学信号的信号强度与参考信号强度进行比较以查看所述信号强度是否在可接受容限范围内，例如高于预设振幅水平。如果回答为“是”，那么在步骤107处通过维持压电结构25a、25b、25c或35a、35b、25c的当前致动状态而保持透镜15的当前x、y、z位置。随后在有或无预定延迟119的情况下，操作流程返回到步骤103，其中从检测器29或41获取另一信号。由虚线步骤119展示为选项的预定延迟将致使在设定透镜15的x、y、z位置之后周期性而非连续性地从检测器29或41获取信号。
如果从检测器29或41获取的信号强度不在可接受容限范围内，如在步骤105中所确定，那么在步骤109中控制系统51致动压电结构25a、25b、25c(或35a、35b、25c)以通过设定新的x、y、z透镜15位置而改变x、y及z透镜位置。随后在步骤111中从检测器29或41获取信号，且在步骤113中测量及存储所述新x、y、z透镜位置处的信号强度。在步骤115中，作出是否已设定透镜15的所有可能的x、y、z位置且已存储对应信号强度值的确定。如果回答为“是”，那么在步骤117中将具有最高所存储信号强度的x、y、z位置设定为透镜15的位置且对应地致动压电结构25a、25b、25c(或35a、35b、25c)以将透镜15设定在所述位置处。在步骤117之后，在有或无预定延迟119的情况下，控制系统51回转到步骤103。
如果在步骤115中尚未设定透镜15的所有x、y、z位置且尚未存储对应信号强度，那么控制系统51返回到步骤109且重复由步骤109-115实施的操作直到在步骤115中检测到“是”条件。
因此，控制系统51从初始中央x、y、z透镜15位置开始，且如果如在步骤105处所检测，可周期性地或连续地检查的信号强度不在可接受容限范围内，那么其找出其中信号强度是最大值的透镜15的新的x、y、z位置且将所述位置设定为新的x、y、z透镜15位置。如果需要调整，那么控制系统51动态地操作以周期性地或连续地移位透镜15，以将透镜15设定在最佳位置处以任选地对准光纤11与波导17。应注意，图13表示控制过程的仅一个实例，其可由控制系统51实施且用于将透镜15调整到在光纤11与波导17之间最佳地对准光学信号的位置。也可使用其它控制过程51。
本文中所图解说明的结构是使用由芯片9的衬底材料制作及塑形结构的已知MEMS技术制作在集成电路光子芯片9上。
尽管已详细地描述了实例性实施例，但应容易了解，本发明并不限于所揭示的实施例。相反，在不背离仅由所附权利要求书界定的本发明范围的情况下，实施例可经修改以并入有任何数目的此前未描述的变化、更改、替代或等效布置。

Claims (41)

1.一种光学对准结构，其包含：
透镜，其用于从发光装置接收光学信号且将所述光信号提供到光接收装置，所述发光装置及光接收装置中的一者包含光子装置且所述发光装置及光接收装置中的另一者包含光纤；
至少两个致动器头，其用于致使所述透镜移动；及
动力源，其与所述两个致动器头相关联以用于致使所述透镜进行响应性移动，
其中所述透镜、至少两个致动器头、光子装置及动力源是集成光子芯片的部分。
2.根据权利要求1所述的光学对准结构，其中所述集成光子芯片进一步包含第一、第二及第三致动器头，每一致动器头具有用于致使所述透镜移动的相关联动力源。
3.根据权利要求2所述的光学对准结构，其中所述集成光子芯片进一步包含与所述致动器头中的每一者相关联的相应悬臂，所述致动器头提供在所述相应悬臂的自由端处。
4.根据权利要求1所述的光学对准结构，其中所述动力源包含用于致使相应致动器头移动的相应压电结构。
5.根据权利要求3所述的光学对准结构，其中所述致动器头中的两者是从下方支撑所述透镜的下部致动器头，且第三致动器头是从上方接触所述透镜的上部致动器头。
6.根据权利要求3所述的光学对准结构，其中所述动力源包含与每一悬臂相关联的相应压电结构。
7.根据权利要求6所述的光学对准结构，其中每一压电结构致使相应悬臂进行弯折移动。
8.根据权利要求7所述的光学对准结构，其中所述悬臂的所述弯折移动致使所述致动器头赋予所述透镜沿x、y及z轴方向的移动。
9.根据权利要求6所述的光学对准结构，其中用于所述两个下部致动器头的所述悬臂是静止的，且用于所述两个下部致动器头的每一压电结构提供在相应悬臂与相应致动器头之间。
10.根据权利要求2所述的光学对准结构，其中所述致动器头中的两者从下方固持所述透镜，且用于所述两个致动器头的所述动力源是提供在致动器头与静止支撑件之间的相应压电结构。
11.根据权利要求2所述的光学对准结构，其中所述致动器头中的两者从下方固持所述透镜，且用于所述两个致动器头的所述动力源是提供在致动器头与所述透镜之间的相应压电结构。
12.根据权利要求1所述的光学对准结构，其中所述致动器头各自具备与所述透镜的下部部分啮合的下斜的倾斜区域。
13.根据权利要求4所述的光学对准结构，其进一步包含用于操作所述相应压电结构以致使所述相应致动器头移动的控制系统。
14.根据权利要求11所述的光学对准结构，其中所述致动器头间隔开且定位于透镜底部的相对侧上，使得所述透镜与所述致动器头的所述倾斜区域啮合。
15.根据权利要求14所述的光学对准结构，其中所述相应致动器头致使所述透镜在两个致动器头朝向彼此移动时沿向上方向移动，且致使所述透镜在两个致动器头远离彼此移动时沿向下方向移动。
16.根据权利要求14所述的光学对准结构，其中所述相应致动器头致使所述透镜在两个头沿向左方向移动时沿向左方向移动，且致使所述透镜在两个头沿向右方向移动时沿向右方向移动。
17.根据权利要求14所述的光学对准结构，其中所述相应致动器头致使所述透镜在所述头中的一者是静止的且另一者沿朝向所述静止致动器头的方向移动时沿向上且向左方向移动，且致使所述透镜在所述另一致动器头是静止的且所述一个致动器头沿朝向所述静止致动器头的方向移动时沿向上且向右方向移动。
18.根据权利要求12所述的光学对准结构，其中所述倾斜区域包含平坦区域。
19.根据权利要求12所述的光学对准结构，其中所述倾斜区域包含弯曲区域。
20.根据权利要求12所述的光学对准结构，其中所述倾斜区域包含一系列阶部。
21.根据权利要求13所述的光学对准结构，其中所述控制系统接收表示由所述光接收装置接收的光的量的信号且操作所述相应压电结构以致使所述透镜移动到获得所述发光装置与光接收装置的光学对准的位置。
22.根据权利要求21所述的光学对准结构，其中所述控制系统周期性地监视由所述光接收装置接收的所述光，且如果所述所接收光不在容限范围内，那么操作所述相应压电结构以致使所述透镜移动到增加由所述光接收装置接收的光的所述量的位置。
23.根据权利要求22所述的光学对准结构，其中所述控制系统周期性地监视由所述光接收装置接收的所述光。
24.根据权利要求21所述的光学对准结构，其中光传输装置是所述光纤，且所述光接收装置是所述光子装置。
25.根据权利要求24所述的光学对准结构，其中所述光子装置是波导。
26.根据权利要求21所述的光学对准结构，其中所述光传输装置是所述光子装置，且所述光接收装置是所述光纤。
27.根据权利要求26所述的光学对准结构，其中所述光子装置是波导。
28.一种光学对准结构，其包含：
透镜，其用于从发光装置接收光学信号且将所述光信号提供到光接收装置，所述发光装置及光接收装置中的一者包含光子装置且所述发光装置及光接收装置中的另一者包含光纤；
一对致动器头，其提供在所述透镜的下部表面处及相对侧处；
致动器头，其提供在所述透镜的上部表面处；
多个可弯折悬臂，其用于分别支撑所述致动器头；
多个压电结构，其分别与每一悬臂相关联；及
控制系统，其用于控制所述压电结构以经由所述致动器头实现所述透镜的移动。
29.根据权利要求28所述的光学对准结构，其中所述透镜、光子装置、致动器头、可弯折悬臂及压电结构是制作在共同集成电路芯片上。
30.根据权利要求29所述的光学对准结构，其中所述控制系统是制作在所述共同集成电路芯片上。
31.根据权利要求30所述的光学对准结构，其进一步包含用于从所述光接收装置接收光信号的信号检测器，所述控制系统接收且作用于所述光信号以控制所述压电结构。
32.一种制作光学对准结构的方法，所述方法包含：
在光子集成电路上制作：
对准透镜；
三个悬臂，每一悬臂在自由端处含有相应致动器头；
相应动力源，其与所述相应致动器头相关联以用于致使所述透镜移动；
光子装置；及
光纤固持结构，其经布置使得所述透镜处于附接到所述光纤固持结构的光纤与所述光子装置之间的光学路径中。
33.根据权利要求32所述的方法，其中所述动力源包含用于致使相应致动器头移动的相应压电结构。
34.根据权利要求33所述的方法，其中每一压电结构致使相应悬臂进行弯折移动以使相应致动器头移动。
35.根据权利要求34所述的方法，其中每一压电结构提供在相应悬臂上。
36.根据权利要求32所述的方法，其中所述致动器头中的两者被制作成从下方支撑所述透镜的相对侧且具备用于与所述透镜啮合的下斜的倾斜区域。
37.根据权利要求36所述的方法，其中所述倾斜区域包含平坦区域。
38.根据权利要求36所述的方法，其中所述倾斜区域包含弯曲区域。
39.根据权利要求36所述的方法，其中所述倾斜区域包含一系列阶部。
40.根据权利要求32所述的方法，其进一步包含：
在所述光子集成电路上制作光检测器，所述光检测器用于检测由所述光子装置及附接到所述固持结构的光纤中的至少一者接收的光。
41.根据权利要求40所述的方法，其进一步包含在所述光子集成电路上制作控制系统，所述控制系统从所述光检测器接收光且控制用于使所述致动器头移动的所述动力源。
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