CN105676369A - 光耦合结构以及包括光栅耦合器的光学装置 - Google Patents

Abstract

光耦合结构(106)包括配置成与光学元件(102)光学耦合的光栅耦合器(112)。光栅耦合器(112)具有平行于光栅平面(122)延伸的衍射光栅(126)。光栅耦合器(112)被配置成当光束有效正交于光栅平面(122)时将光束衍射成第一和第二衍射部分(202，204)。第一和第二衍射部分(202，204)彼此远离地传播。光耦合结构(106)还包括第一和第二中间波导(114，116)，其与光栅耦合器(112)光学耦合并被配置成分别接收第一和第二衍射部分(202，204)。光耦合结构(106)还包括公共波导(132)，其在波导接头(130)处与第一和第二中间波导(114，116)耦合。第一和第二衍射部分(202，204)分别在第一和第二中间波导(114，116)中传播，并且在波导接头(130)处被同相结合。

Description

光耦合结构以及包括光栅耦合器的光学装置

技术领域

这里的主题大体上涉及一种光学装置，其被配置成通过光栅耦合器与例如光纤或者激光的其它元件光学地耦合。

背景技术

近来，越来越多的行业开始使用光学装置，并且，特别是基于硅光子技术发展的光学装置。例如，光子集成电路(PIC)可被用于光通信，仪表设备以及信号处理领域的不同应用中。PIC可以使用亚微粒波导以互连不同的片内部件，例如光开关，耦合器，路由器，分离器，复用器/分解器，调制器，放大器，波长转换器，光电转换器以及电光转换器。PIC具有的一个优点是用于大规模生产的潜力以及通过已知的半导体制造技术(例如，互补金属氧化物半导体(CMOS)的集成化。

PIC可以与外部光纤或者光源光学耦合，因此该PIC可以从光纤或者光源接收光线和/或引导光线进入光纤。然而，以高效的方式，例如大于50％的效率将光纤和PIC光学耦合是一种挑战。比如说，光纤的横截面积要比PIC的亚微粒波导的横截面积大得多。因此，由于光线从光纤到PIC的跃迁，模-域(mode-field)横截面积必须被显著地减少，或者反之亦然。

两个最普遍的光耦合解决方案是面内耦合和面外耦合。面内耦合，其可能同时被称为边缘耦合或者对接耦合，包括定位光纤以使光纤端部与波导的中心轴线对准。换句话说，光纤的端部与波导是共面的。尽管面内耦合可以是高效的并且可以有效地减少模-域直径，但利用面内耦合的PIC难以生产，封装以及质量控制试验。

在面外耦合中，光纤不与波导的中心轴线或者平面对准。相反，光纤的轴线几乎正交于波导的平面。面外耦合可以通过光栅耦合器实现。光栅耦合器包括平面光栅，其被定位成几乎正交于光纤的轴线。该光栅被配置成，以在期望的方向上(例如，进入PIC的波导或者进入光纤)传播光线的方式散射光线。

光栅耦合器通常对于错位有更大的容许度，并且有助于减少封装的复杂性。然而，至少对于一定的应用，包括光栅耦合器的PIC通常不如包括面内耦合的PIC高效。此外，PIC和光纤的对准仍然存在困难。例如，通常必须定位光纤从而使光纤不完全与光栅正交。例如，光纤通常被设置为相对于法线大约9.0°至大约12.0°内。对于某些应用，以这一取向难以可靠地设置光纤。

因此，存在一种需要，使光耦合结构具有能够耦合有效地正交于光栅耦合器的光束的光栅耦合器。

发明内容

在一个实施例中，提供一种光耦合结构。该光耦合结构包括配置成与光学元件光学耦合的光栅耦合器。该光栅耦合器具有平行于光栅平面延伸的衍射光栅。该光栅耦合器被配置成当光束从光学元件被引导到光栅耦合器并且有效(effectively)正交于光栅平面时，将光束衍射至第一和第二衍射部分。第一和第二衍射部分彼此远离地传播。光耦合结构还包括第一和第二中间波导，其与光栅耦合器光学耦合并且被配置成从光栅耦合器分别接收第一和第二衍射部分。该光耦合结构还包括公共波导，其与第一和第二中间波导在波导接头处耦合。第一和第二衍射部分分别在第一和第二中间波导内传播，并且在波导接头处被同相结合(combinedin-phase)。

在某些实施例中，当光束在大约6.0°范围内正交于光栅平面时，光束有效正交于光栅平面。

在某些实施例中，第一和第二中间波导由一个波导层组成。波导层还形成了光耦合部分，其并排于衍射光栅延伸。该衍射光栅被配置成引导第一和第二衍射部分进入光耦合部分。第一和第二衍射部分在光耦合部分内在相反方向上传播。可选择地，光栅耦合器包括包层，其并排于波导层延伸。衍射光栅可以被嵌入包层内，以使包层的一部分在衍射光栅和波导层之间延伸。可选择地，衍射光栅通过包层子层与波导层隔开。

在某些实施例中，衍射光栅的光栅周期小于光束的波长。例如，衍射光栅的光栅周期可以小于1000纳米。

在一个实施例中，提供一种光学装置，其包括被配置成与光学元件光学耦合的光栅耦合器。该光栅耦合器具有平行于光栅平面延伸的衍射光栅。该光栅耦合器被配置成当光束从光学元件被引导到光栅耦合器并且有效正交于光栅平面时，将光束衍射至第一和第二衍射部分。第一和第二衍射部分彼此远离地传播。光学装置还包括第一和第二中间波导，其与光栅耦合器光学耦合并且被配置成从光栅耦合器分别接收第一和第二衍射部分。该光学装置还包括公共波导，其与第一和第二中间波导在波导接头处耦合。第一和第二衍射部分分别在第一和第二中间波导内传播，并且在波导接头处被同相结合以形成引导部分。该光学装置还包括光路(opticalcircuit)，其与公共波导光学地耦合。该光路被配置成以指定的方式处理该引导部分。

可选择地，该光学装置是光子集成电路。可选择地，该光路包括调制器。

附图说明

图1是根据一个实施例形成的光学装置的示意图，其被配置为与面外光学元件光学耦合。

图2是图1光学装置的光耦合结构的示意图，其可以与面外光学元件耦合。

图3所示的是可以与图2的光耦合结构一起使用的光栅耦合器的侧视图。

图4是图2的光耦合结构的耦合过渡区的独立视图。

图5所示的是耦合过渡区的剖面图。

具体实施方式

图1是根据一个实施例形成的光学装置100的示意图。光学装置100可以被配置成接收光线(或者光信号)，以指定的方式处理或者调制光线，然后发射该处理或者调制后的光线。该光线可以是，例如，光学数据信号。在一个示意性实施例中，光学装置100是光子集成电路(PIC)，其用于传递和/或处理光信号。然而，应当理解的是该光学装置100可以在其他应用中使用。例如，光学装置100可以是具有样品的传感器，其基于样品的特性调制光学信号和/或发射光信号。

在某些实施例中，光学装置100是包括硅光子芯片的集成器件。光学装置100的至少一部分可以使用通常用于生产半导体的工艺进行制造。例如，光学装置100可以利用制造互补金属氧化物半导体(CMOS)装置和/或绝缘体上硅(SOI)装置的工艺进行生产。在特定实施例中，整个光学装置100可以利用CMOS或者SOI工艺进行生产。光学装置100可以被合并至更大的系统或装置中。

如图1所示，光学装置100被配置成与第一光学元件102和第二光学元件104光学耦合。在某些实施例中，该光学装置100可以是双向的。因此，尽管当描述光线的传播时，以下说明可能使用方向性术语，应当理解的是，在某些实施例中，光线可以在相反方向上传播。在所示的实施例中，第一和第二光学元件102，104是光纤，其可以提供光线至光学装置100和/或从光学装置100接收光线。然而，在其他实施例中，第一和第二光学元件102，104可以是其他类型的光学元件，其中至少一个能够提供或者接收光线。例如，光学元件102，104的任何一个可以是光源或者光接收器。在某些实施例中，光源可以包括，例如，光纤、偏振控制的垂直腔面发射激光器(VCSEL)，和/或分布式反馈激光器(DFB)。

光学装置100包括第一光耦合结构106，其与光路108和/或第二光耦合结构110光学耦合。第二光耦合结构110与第二光学元件104光学耦合。光路108和光耦合结构110在图1中被一般地图示，应该被理解的是，可以使用各种光路和/或光耦合结构。例如，光耦合结构110可以与光耦合结构106类似或者相同。光路108可被配置成以预定方式处理通过光学装置100传播的光线(或者光信号)。关于光学装置100或者光路108的非限制应用实例包括，光开关，耦合器，路由器，分离器，复用器/分解器，调制器，放大器，波长转换器，光电转换器以及电光转换器。在其他实施例中，光路108可以是传感器的一部分，其被配置成检测环境或者样品的一个或多个特性。

在一个示意性实施例中，光耦合结构106是内耦合结构，其接收来自第一光学元件102的光束120，并且光耦合结构110是外耦合结构，其向第二光学元件104提供已调制的光线。然而，在某些实施例中，光学装置100可被配置成在相反方向上将来自光耦合结构110的光线传播至光耦合结构106。

光耦合结构106包括光栅耦合器112以及第一和第二中间波导114，116。光栅耦合器112与光学元件102光学耦合，从而接收自光学元件102的光束120被分成第一和第二衍射部分，所述第一和第二衍射部分在相对的第一和第二方向上被引导(用箭头115，117表示)。同样地，光栅耦合器112可被描述为一维(1D)光栅耦合器。光束120的第一和第二衍射部分分别被引导进入第一和第二中间波导114，116。第一和第二衍射部分沿着相应的第一和第二中间波导114，116传输、并且在波导接头130或者光组合器(例如，多模干扰结构)处被接合或者再耦合。波导接头130被配置成同相接合第一和第二衍射部分，以使第一和第二衍射部分在公共波导132内形成组合光线。该组合的第一和第二衍射部分被称为引导部分或者组合部分。该引导部分随后可以沿着公共波导132传播至耦合过渡区134。该耦合过渡区134包括装置波导136，其引导该引导部分至光路108。

如本文所描述的，光耦合结构106被配置成接收来自第一光学元件102的光束。不同于传统的光栅耦合器，光束120可以有效正交或者垂直于光栅平面122，例如在法向轴线124的6.0°内。光栅平面122可以表示平行于光耦合结构106的一个或多个层延伸的平面。例如，光栅耦合器112包括光栅126，其具有平行于光栅平面122延伸的、折射率的变化或者调整。该折射率变化可以是周期性贯穿的，或者包括以不同频率变化的多个部分。

图1所示的是相对于法向轴线124的光栅平面122。自光学元件102发出的光束120和/或接收自光学元件102的光线可以沿着光传播轴线128传播。在某些实施例中，光传播轴线128可以与光纤端部的中心轴线重合。作为参考，光传播轴线128被显示为穿过光学元件102的中心。光学元件102和/或光学装置100被定位为使得光传播轴线128有效正交于光栅平面122。换句话说，光传播轴线128可以有效平行于法向轴线124延伸。

由于光学装置100和/或光学元件102的生产中的容差，难以定位光学元件102以使光传播轴线128完全地正交于光栅耦合器112或者光栅平面122。这里阐述的实施例可以相对于彼此定位光耦合结构106和/或光学元件102，使得光传播轴线128可以有效正交于光栅耦合器112或者光栅平面122。如果光传播轴线128与完全地正交光栅耦合器112或者光栅平面122相比差6.0°或者更小，这里的实施例可以认为是“有效正交”的。在特定实施例中，如果光传播轴线128与完全地正交光栅耦合器112或者光栅平面122相比差5.0°或者更小，4.0°或者更小，3.0°或者更小，则光传播轴线128是有效正交的。在更特别的实施例中，光传播轴线128与完全地正交光栅耦合器112或者光栅平面122相比可以差2.5°或者更小，2.0°或者更小，1.5°或者更小，1.0°或者更小，0.5°或者更小。相对于法向轴线124和光栅平面122显示的锥体可以表示光传播轴线128的允许容差。

这里描述的实施例可以不同于传统的光耦合结构，其有意地相对于光栅耦合器的法向轴线倾斜光纤。传统的光耦合结构通常相对于法向轴线倾斜光传播轴线9°或更多，以便和其他方面一起增加耦合效率。尽管光传播轴线128有效正交于光栅耦合器112或者光栅平面122，一些实施例可以能够实现适当的耦合效率。例如，在某些实施例中，当光传播轴线128有效正交于光栅平面122时，光学元件102和光栅耦合器112和/或光学装置100之间的耦合效率可以是至少50％。在特定实施例中，该耦合效率可以是至少60％或者至少70％。在更特定的实施例中，该耦合效率可以是至少75％或者至少80％。

在某些实施例中，光学装置100和/或光耦合结构106包括彼此相互堆叠的多个基板层。例如，光耦合结构106可以包括具有不同折射率的一系列基板层，其被配置成按照这里的描述控制光线。例如，基板层可以包括一个或多个二氧化硅层，一个或多个四氮化三硅层，一个或多个氮氧化硅层(SiON)，一个或多个富硅氧化物，一个或多个硅基板层，以及一个或多个隐埋氧化层。根据本文所描述的，光学装置100和/或光耦合结构106可以利用半导体制造工艺生产。例如，基板层可以利用在CMOS和/或SOI技术中使用的工艺而被提供。

图2是根据一个实施例形成的光耦合结构106的放大图。如图所示，光栅耦合器112包括衍射光栅126和隔离层或者包层171。可选择地，衍射光栅126被嵌入包层171内。光耦合结构106还包括波导层172，其靠近光栅耦合器112设置。波导层172被配置成接收来自光栅耦合器112的光线和/或向光栅耦合器112提供光线。在所示的实施例中，包层171的至少一部分与波导层172对接并且将衍射光栅126与波导层172隔开。在某些实施例中，包层171还可以形成为衍射光栅126的一部分。

在所示的实施例中，波导层172被形成为包括光耦合部分146和第一和第二中间波导114，116。光耦合部分146相对于包层171和衍射光栅126堆叠。第一和第二中间波导114，116与光耦合部分146或者光栅耦合器112的相对侧或者端部150，152耦合。可选择地，光耦合部分146可以具有至少与光栅耦合器112一致的区域。例如，光栅耦合器112沿着第一维度180和第二维度182延伸。第一和第二维度180，182彼此垂直并且可以限定光栅耦合器112的一个区域。

如上所述，当光束120(图1)被入射在衍射光栅126上时，衍射光栅126可以将光束120分离成第一和第二衍射部分，其在相对的第一和第二方向115，117上传播。第一和第二中间波导114，116分别包括第一和第二模式转换部段154，156，以及第一和第二路径部段158，160。第一和第二模式转换部段154，156被配置成减少波导层172的横截面积，从与光束点或者光栅耦合器112的尺寸相当的尺寸减少至与第一和第二路径部段158，160的横截面积相等的尺寸。第一和第二路径部段158，160可以具有亚微米(submicron)横截面尺寸。在所示的实施例中，第一和第二模式转换部段154，156是面内隔热锥体。

每个第一和第二路径部段158，160具有指定的长度，所述长度从相应的模式转换部段至波导接头130测量。第一和第二路径部段158，160还可以具有指定的路径形状或者轮廓。例如，第一和第二路径部段158，160大体上是S形状。在一个示意性实施例中，第一和第二路径部段158，160的长度是有效相等的，并且第一和第二路径部段158，160可以具有相同的形状。同样地，第一和第二路径部段158，160可以相对于在波导接头130和光栅耦合器112的中心之间延伸的平面161有效对称。平面161可以平行于法向轴线124(图1)延伸并且垂直于光栅耦合器112。然而，在其他实施例中，路径部段158，160的长度和/或形状可以不同，从而当通过波导接头130结合时，使得光线的衍射部分是同相的。

如图所示，波导接头130可以是Y形接头。第一和第二路径部段158，160可以以一角度162延伸至波导接头130之中。角度162可以是，例如小于20°。第一和第二路径部段158，160可以结合以形成公共波导132。公共波导132可以具有与第一和第二中间波导114，116的第一和第二路径部段158，160类似或者一致的横截面积。

图3是包括光栅耦合器112的光耦合结构106的一部分的侧视图。光学装置100(图1)和/或光耦合结构106可由彼此相互堆叠的多个基板层171-174形成。每个基板层171-174可以沿着相应的接口与一个或者两个相邻的基板相接或者耦合。在所示的实施例中，光耦合结构106包括包层171，衍射光栅126，波导层172，包层173以及基层174。基板层171-174由具有允许或者使得光线通过这里描述的光耦合结构106传播的折射率的材料组成。作为一个例子，包层171可以包括二氧化硅，波导层172可以包括四氮化三硅，包层173可以包括二氧化硅，并且基层174可以包括硅。基板层171-174可以分别具有大约1.45，2.0，1.45，以及3.5的折射率。折射率上的差异被配置成沿着波导层172引导该传播的光线。

每个基板层171-174可以包括单个层或者多个子层。例如，包层171可以包括在衍射光栅126和波导层172之间延伸的第一包层子层176，以及沿着衍射光栅126形成的第二包层子层177。例如，在形成第一包层子层176之后，第二包层子层177和衍射光栅126可随后被形成在第一子层176上。第一子层176可以具有比波导层172或者光栅材料179更低的折射率。第二子层177可以包括单层或者多个子层。

衍射光栅126可以用不同的方法在第一子层176和/或第二子层177之前、之后或者同时形成。例如，衍射光栅126可被写入，压印，嵌入，铭刻，蚀刻，生长(grow)，沉淀或者以另外方式形成在光耦合结构106内。如图3所示，衍射光栅126被嵌入包层171内。光栅126包括折射率的指定变化，其使入射的光束120按照这里的描述耦合至波导层172。在所示的实施例中，折射率的变化通过不同材料彼此相互交替而形成。更具体地说，衍射光栅126包括包层171和光栅材料179的交替部分。光栅材料179形成了一系列脊184，其通过包层171的插入部分而被分开。在一个示意性实施例中，光栅材料179包括多硅或者非晶硅，其被沉淀和/或蚀刻以使脊184通过包层171的插入部分而被分开。然而，应当理解的是，衍射光栅126可以包括其他材料并且可以通过不同的工艺形成。

衍射光栅126的一系列空间分开的脊184彼此之间可以是共面的。可选择地，脊184可以具有正方形或者矩形的截面部分。例如，每个脊184可以具有高度(或者深度)186以及宽度(或者占空比)188。相邻的脊184通过空隙或者间隔190被分开。宽度188和间隔190可以确定衍射光栅126的周期或者节距192。周期192相对整个第一维度180可以是均匀的。在另一个实施例中，周期192可以沿着第一维度180相对预定部分改变以实现预期的效果。衍射光栅126的高度186，宽度188，间隙190以及材料包括至少一些可被配置的参数以使光栅耦合器112根据需要运行。

在特定实施例中，衍射光栅的126的周期192小于光束120的波长。衍射光栅126的周期192可以通过光栅耦合方程确定：

$\mathrm{\Λ}=\frac{\mathrm{\λ}}{N_{eff}-n\sin \mathrm{\θ}}$

其中Λ是周期192，λ是入射光线的波长，N_eff是波导层172和衍射光栅126中导模的有效折射率，n是第二包层177的折射率，并且θ是入射光线相对于法向轴线的入射角。在某些实施例中，入射角θ可以实际上为0，因此方程可以转变为：

周期192可以通过满足相对于波导层172的相位匹配状态而被计算。衍射光栅126的特征为具有子波长光栅周期。光束120可以在预定范围内具有一个或多个波长。例如，光束120的波长可以在800纳米(nm)至1600纳米之间。行业内使用的通用波长包括850纳米，1310纳米以及1550纳米。在特定实施例中，周期192可被配置成减少第二级衍射的效率或者功率。周期192可以小于光束或者入射光线的波长。例如，周期192可以小于1250纳米，小于1125纳米，小于1000纳米，小于900纳米或者小于850纳米。在特定实施例中，周期192可以小于800纳米，小于775纳米，或者小于750纳米。在更特定的实施例中，周期192可以小于725纳米，或者小于700纳米。周期192可以基于衍射光栅126的其他参数，例如形成衍射光栅126的不同材料的折射率。

为了说明可以用于这里描述的实施例的数值，高度186可以是大约250纳米，宽度188可以是大约300纳米，脊184的折射率可以是大约3.5，在脊184之间延伸的包层171的材料的折射率可以是大约1.45，并且周期192可以是大约755纳米。光线的波长可以是大约1310纳米。然而，这里描述的上述数值及其他数值仅仅被提供用来说明可被用于一个或多个实施例的示意性的数值，并且应当理解的是，可以根据环境和/或期望的应用使用其他数值。

衍射光栅126被配置为使得有效正交的光束120被衍射光栅126衍射以形成第一和第二衍射部分202，204。第一和第二衍射部分202，204以某一角度朝向波导层172被引导，以使第一和第二衍射部分202，204与波导层172耦合。如图3所示，衍射光栅126通过部分包层171的操作厚度(operativethickness)194而与波导层172隔开，该操作厚度可以等于第一子层176的高度或者厚度。操作厚度194可被配置成提供指定的耦合强度或者效率。更具体地说，操作厚度194可被配置成使光束120的第一和第二衍射部分202，204以指定的效率被耦合进入波导层172内。例如，操作厚度194可以是从大约100到大约250纳米。在进入波导层172之后，第一和第二衍射部分202，204在相对的第一和第二方向115，117上分别被有效地引导，并且分别进入第一和第二中间波导114，116内(图1)。

光束120可被配置为使得光束120包括仅仅一个偏振状态，要么是横向电场(TE)模式，要么是横向磁场(TM)模式。在一个示意性实施例中，光学装置100(图1)不包括配置在光学元件102和光学装置100之间的额外的光学元件。更具体地说，在光学元件102的端部和光耦合结构106的外部或者外表面之间可以存在空白空间。在这样的实施例中，光束120可以在有效正交于光栅平面122的方向上从光学元件102射出(图1)。光栅平面122可以平行于基板层171-174和/或光栅126延伸。在另一个实施例中，光束120在进入光耦合结构106之前可被再引导。例如，楔形元件(未示出)可被配置在光学元件102和包层171的外表面196之间。

尽管图3图示了可以用于这里描述的实施例的光栅耦合器的一个示例，应当理解的是，光栅耦合器112可以使用一个或多个方法而被修改或者变化，并且仍然能够实现预期效果。例如，如上所述的一个或多个参数可被改变。同样地，衍射光栅126可被啁啾(chirped)或者刻痕(blazed)。在某些实施例中，反光镜可被提供在光耦合结构106内，以便于引导第一和第二衍射部分202，204。

图4是耦合过渡区134的独立视图，并且图5是耦合过渡区134的剖面图。耦合过渡区134被配置成将光耦合结构106(图1)与光学装置100的剩余部分光学耦合。例如，光学装置100的剩余部分可以包括基层174，其可以是硅基板。基层174可以具有安装在其上的、与装置波导136光学耦合的一个或多个光路108(图1)。

如图4和5所示，耦合过渡区134包括公共波导132的端部206。公共波导132可以由波导层172形成(图2)。公共波导132被包层171围绕。在某些实施例中，包层171可以全部围绕波导层172。更具体地说，包层171可以围绕第一和第二中间波导114，116(图1)以及光耦合部分146(图2)。

耦合过渡区134还包括装置波导136的反梯形部分210。该反梯形部分210被配置在邻近于公共波导132的端部206并且平行于公共波导132延伸。反梯形部分210和端部206相互配合地被配置和成形，以使光线的引导部分被引导进入反梯形部分210内。例如，如图5所示，装置波导136的反梯形部分210可以具有比公共波导132更小的宽度。比较图4和5，反梯形部分210的宽度可以逐渐地变得比公共波导132的宽度更大。该引导部分随后穿过装置波导136传播至光学装置100的剩余部分。

应该被理解的是上述说明的意图是示意性的，而不是限制性的。例如，上述实施例(和/或其特征)可以彼此相互协同使用。另外，在没有脱离本发明教导的范围下，可以有许多的修改以适应特殊的情形或者材料。尺寸，材料的种类，各个部件的取向，以及这里描述的各个部件的数量和配置是用来限定特定实施例的参数，其并非局限的、而仅是示意性的实施例。在回顾上述说明之后，对于本领域技术人员而言，在权利要求的精神和范围内的许多其他实施例和修改将变得显而易见。因此，本发明的范围应该参照附加的权利要求，连同这些权利要求所等同的全部范围一起确定。

在说明书中使用的词组“在一个示意性实施例中”或类似描述，意味着所描述的实施例仅仅是一个例子。该词组不是用于将发明的主题限制为该实施例。创造性主题的其他实施例可能不包括所列举的部件或者结构。在附加的权利要求中，术语“包括”和“其中”是相应术语“由......组成”和“在......中”的简易说法。此外，在下面的权利要求中，“第一”，“第二”和“第三”等等仅仅被用作标记，并不用于规定其目标的数字性要求。

Claims (20)

1.一种光耦合结构(106)，包括：

光栅耦合器(112)，配置成与光学元件(102)光学耦合，所述光栅耦合器(112)具有平行于光栅平面(122)延伸的衍射光栅(126)，光栅耦合器(112)被配置成当光束从光学元件(102)被引导到光栅耦合器(112)并且有效正交于光栅平面(122)时、将光束衍射成第一和第二衍射部分(202，204)，所述第一和第二衍射部分(202，204)彼此远离地传播；

第一和第二中间波导(114，116)，与光栅耦合器(112)光学耦合并且被配置成从光栅耦合器(112)分别接收第一和第二衍射部分(202，204)；以及

公共波导(132)，在波导接头(130)处与第一和第二中间波导(114，116)耦合，其中分别在第一和第二中间波导(114，116)中传播的第一和第二衍射部分(202，204)在波导接头(130)处被同相结合。

2.如权利要求1所述的光耦合结构，其中当光束在大约5.0°的范围内关于光栅平面(122)正交时，光束有效正交于光栅平面(122)。

3.如权利要求1所述的光耦合结构，其中第一和第二中间波导(114，116)由波导层(172)形成，波导层(172)还形成与衍射光栅(126)并排地延伸的光耦合部分(146)，衍射光栅(126)被配置成引导第一和第二衍射部分(202，204)进入光耦合部分(146)内，第一和第二衍射部分(202，204)在光耦合部分(146)内在相反方向上传播。

4.如权利要求3所述的光耦合结构，其中光栅耦合器(112)包括与波导层(172)并排延伸的包层(171)，衍射光栅(126)被嵌入在包层(171)内，使得包层(171)的一部分在衍射光栅(126)和波导层(172)之间延伸。

5.如权利要求3所述的光耦合结构，其中衍射光栅(126)通过包层子层(176)而与波导层(172)隔开。

6.如权利要求1所述的光耦合结构，其中衍射光栅(126)具有小于光束的波长的光栅周期(192)。

7.如权利要求1所述的光耦合结构，其中衍射光栅(126)具有小于1000纳米的光栅周期(192)。

8.如权利要求1所述的光耦合结构，其中第一和第二中间波导(114，116)具有在光栅耦合器(112)和波导接头(130)之间的相等的路线长度。

9.如权利要求1所述的光耦合结构，其中光栅耦合器(112)、第一和第二中间波导(114，116)、以及公共波导(132)通过绝缘体上硅(SOI)工艺或者互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺中的至少一种形成。

10.如权利要求1所述的光耦合结构，进一步包括具有反梯形部分(210)的装置波导(136)，其与公共波导(132)光学耦合。

11.如权利要求1所述的光耦合结构，其中波导接头(130)是Y形接头。

12.如权利要求1所述的光耦合结构，其中第一和第二中间波导(114，116)分别包括第一和第二锥体部段(154，156)，其分别接收第一和第二衍射部分(202，204)，当第一和第二锥体部段(154，156)远离光栅耦合器(112)延伸时，第一和第二锥体部段(154，156)的尺寸逐渐减小。

13.一种光学装置(100)，包括：

光栅耦合器(112)，配置成与光学元件(102)光学耦合，该光栅耦合器(112)具有平行于光栅平面(122)延伸的衍射光栅(126)，光栅耦合器(112)被配置成当光束从光学元件(102)被引导到光栅耦合器(112)并且有效正交于光栅平面(122)时、将光束衍射成第一和第二衍射部分(202，204)，所述第一和第二衍射部分(202，204)彼此远离地传播；

第一和第二中间波导(114，116)，与光栅耦合器(112)光学耦合，并且被配置成从光栅耦合器(112)分别接收第一和第二衍射部分(202，204)；

公共波导(132)，在波导接头(130)处与第一和第二中间波导(114，116)耦合，其中分别在第一和第二中间波导(114，116)内传播的第一和第二衍射部分(202，204)在波导接头(130)处被同相结合以形成引导部分；以及

光路(108)，与公共波导(132)光学耦合，该光路(108)被配置成以指定的方式处理所述引导部分。

14.如权利要求13所述的光学装置，其中当光束在大约6.0°的范围内正交于光栅平面(122)时，光束有效正交于光栅平面(122)。

15.如权利要求13所述的光学装置，其中第一和第二中间波导(114，116)由波导层(172)形成，波导层(172)还形成与衍射光栅(126)并排地延伸的光耦合部分(146)，衍射光栅(126)被配置成引导第一和第二衍射部分(202，204)进入光耦合部分(146)内，第一和第二衍射部分(202，204)在光耦合部分(1346)内在相反方向上传播。

16.如权利要求15所述的光学装置，其中光栅耦合器(112)包括与波导层(172)并排延伸的包层(171)，衍射光栅(126)被嵌入在包层(171)内，使得包层(171)的一部分在衍射光栅(126)和波导层(172)之间延伸。

17.如权利要求15所述的光学装置，其中衍射光栅(126)通过包层子层(176)而与波导层(172)隔开。

18.如权利要求13所述的光学装置，其中光路(108)包括调制器。

19.如权利要求13所述的光学装置，其中第一和第二中间波导(114，116)具有在光栅耦合器(112)和波导接头(130)之间的对称的路径。

20.如权利要求13所述的光学装置，其中光学装置(100)是光子集成电路。