CN106461864A - 用于光子集成电路系统的具有小模场直径的光栅耦合器组件 - Google Patents

用于光子集成电路系统的具有小模场直径的光栅耦合器组件 Download PDF

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CN106461864A CN201580025289.5A CN201580025289A CN106461864A CN 106461864 A CN106461864 A CN 106461864A CN 201580025289 A CN201580025289 A CN 201580025289A CN 106461864 A CN106461864 A CN 106461864A
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Abstract

本发明公开了一种用于光子集成电路系统的具有小模场直径的光栅耦合器组件。所述组件包括由绝缘体上硅衬底支撑的硅波导，以及由所述衬底支撑并光学耦合到所述硅波导的光栅耦合器。所述组件具有模场直径在5μm至6μm范围中的光纤。所述光纤的一个末端设置成邻近于所述光栅耦合器以限定0.7或更大的耦合效率。

Description

用于光子集成电路系统的具有小模场直径的光栅耦合器组件
优先权申请
本申请依据35U.S.C.§120要求2014年4月29日提交的美国申请序列号14/264,341的优先权权益，所述申请的内容是本申请的基础并以引用方式整体并入本文。
领域
本公开涉及光纤耦合器，并且更具体地，涉及用于光子集成电路系统的具有小模场直径的光栅耦合器组件。
背景
集成光纤系统与光子集成电路(PIC；也称为“光子芯片”)来形成光子集成电路系统有越来越大的商业利益。这类系统可以用来形成多种装置，诸如天线系统(例如，相控阵列天线)、干涉仪(马赫-曾德尔干涉仪)、生物传感器和分光计。
PIC系统通常需要用于以合理耦合效率将光耦合进和/或耦合出PIC的光波导的机制。单模纤维(SMF)常规用于基于光栅的纤维到芯片光学耦合。普遍认为，具有小模场直径(MFD)(例如，小于用于常规SMF的约为10微米(μm)的常规MFD)的SMF将具有给定纤维与对应芯片上波导之间的减小耦合效率，这是因为与模场重叠的光栅周期的数目较小。这导致对光栅耦合器在绝缘体上硅(SOI)集成光子系统中的占据面积(面积)的较低限制。此外，使占据面积尽可能小以增大用于光子集成电路系统的光学连接的密度将是有利的。
概述
本公开的各个方面是针对用于将光光学耦合进和/或光学耦合出PIC的光栅耦合器组件和相关方法。所述光栅耦合器组件可通过使用具有相对小MFD的光纤而具有为0.7或更大的相对高耦合效率。小MFD允许减小由PIC的SOI衬底支撑的对应光栅耦合器的面积或占据面积。这又增大连到PIC的光纤连接的集成程度。光纤可以是单核纤维或多核纤维。
本公开的一个方面是用于将光光学耦合进和/或光学耦合出PIC的光栅耦合器组件。所述组件包括：绝缘体上硅(SOI)衬底；至少一个硅波导，所述至少一个硅波导是由所述SOI衬底支撑；至少一个光栅耦合器，所述至少一个光栅耦合器是由所述SOI衬底支撑并光学耦合到所述至少一个硅波导；光纤，所述光纤具有一个末端和至少一个纤芯，所述至少一个纤芯具有在5μm≤MFD60≤6μm范围中的模场直径MFD60，其中所述光纤末端设置成邻近于所述至少一个光栅耦合器；并且其中所述光纤的至少一个纤芯和所述至少一个光栅耦合器限定耦合效率CE≥0.7。
本公开的另一方面是用于将光光学耦合进和/或光学耦合出PIC的光栅耦合器组件。所述组件包括：硅波导，所述硅波导是由SOI衬底支撑；光栅耦合器，所述光栅耦合器是由所述SOI衬底支撑并光学耦合到所述硅波导，所述光栅耦合器具有耦合器占据面积；光纤，所述光纤具有一个末端和至少一个纤芯，所述至少一个纤芯具有在5μm≤MFD60≤6μm范围中的模场直径MFD60，其中所述光纤末端设置成邻近于所述光栅耦合器，所述光纤末端与所述光栅耦合器之间有折射率nm>1的居间介质；其中所述光纤的至少一个纤芯和所述至少一个光栅耦合器限定耦合效率CE≥0.7；并且其中耦合器占据面积相较由模场直径标称地为10μm的单模光纤限定的现有技术耦合器占据面积来说减小至少15％。
本公开的另一方面是用于将光光学耦合进和/或光学耦合出PIC的方法，所述PIC包括光学耦合到至少一个硅波导的至少一个光栅耦合器。所述方法包括：将光透射通过具有一个末端的光纤的至少一个纤芯，所述至少一个纤芯限定用于所述透射光的模场直径MFD60，其中模场直径MFD60在5μm≤MFD60≤6μm范围中；将来自所述光纤末端的所述透射光发射到所述至少一个光栅耦合器；以及将来自所述至少一个光栅耦合器的所述发射光导向到所述至少一个硅波导，以使光从至少一个光栅耦合器到至少一个硅波导的光学耦合是以耦合效率CE≥0.7来完成。
本公开的另一方面是用于光学耦合来自PIC的光的方法，所述PIC包括光学耦合到至少一个硅波导的至少一个光栅耦合器。所述方法包括：将光从所述至少一个硅波导透射到所述至少一个光栅耦合器；将来自至少一个光栅耦合器的所述透射光导向到具有一个末端的光纤的至少一个纤芯，所述末端布置成邻近于所述至少一个光栅耦合器，所述至少一个纤芯限定用于所述透射光的模场直径MFD60，其中所述模场直径MFD60在5μm≤MFD60≤6μm范围中；并且其中光从至少一个硅波导到至少一个纤芯的光学耦合是以耦合效率CE≥0.7来完成。
额外的特征和优点在以下详述中加以陈述，并部分地将根据所述描述而易于对本领域的技术人员显而易见，或通过实践如所撰写的说明书和其权利要求书以及附图中描述的实施方式认识到。应当理解，以上概述和以下详述两者仅是示例性的，并且意图提供理解权利要求书的本质和特性的概述或框架。
附图简述
附图被包括来提供进一步的理解，并被并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图示出一或多个实施方式并与详述一起用来解释各种实施方式的原理和操作。因此，根据结合附图来进行的以下详述，本公开将得到更全面的理解，在附图中：
图1是示例光子集成电路(PIC)系统的正视图，所述PIC系统包括PIC和光纤(“纤维”)，所述光纤使用任选居间介质经由光栅耦合器将所述光纤光学耦合到所述PIC，其中纤维、光栅耦合器和任选居间介质限定光栅耦合器组件；
图2是图1的光栅耦合器组件的特写图；
图3A和图3B是经由锥形区段光学连接的光栅耦合器和硅波导的示例配置的自顶向下视图；
图4A是SOI衬底的表面上的面积的自顶向下视图，示出被设定尺寸以适应来自常规SMF的常规MFD的光栅耦合器的现有技术布置并且示出来自纤维的光的投射面积；
图4B类似于图4A并且示出SOI衬底的表面上的相同面积，但是其中基于本文中公开的光栅耦合器组件中使用的纤维的较小的MFD60和投射面积AP60，光栅耦合器的尺寸被缩小以具有图4A的光栅耦合器的面积的约一半；
图5是示例光栅耦合器配置的横截面图；
图6A是针对模场直径为5.4μm的纤维并针对1,550纳米(nm)波长的耦合效率CE对影响距离DI(μm)的曲线图，该图示出最佳影响距离；
图6B是耦合效率CE对波长λ(nm)的曲线图，示出在λ＝1,550nm的最大耦合效率；
图7A和图7B是针对示例光栅耦合器组件的示例光栅耦合器的x-y平面中的(模拟)电场幅度分布的曲线图，所述光栅耦合器组件使用MFDC＝10μm(图7A)的常规SMF和本文中公开的在λ＝1,550nm时MFD60＝5.4μm(图7B)的纤维，该图示出电场幅度针对使用具有较小MFD60的纤维的光栅耦合器组件如何更紧密地集中；
图8A和图8B是利用多核纤维的的示例光栅耦合器组件的正特写图，示出利用具有较小MFD60的纤芯的图8B的光栅耦合器组件如何实现光栅耦合器的较大集成密度；
图9A是纤维的折射率轮廓n(r)对半径r(μm)的曲线图，示出生成5.4μm的MFD60的示例折射率轮廓；
图9B是纤维的标准化电场EN对半径r(μm)的曲线图，示出针对图9A的纤维计算出的电场形状，并且示出标称地为5.4μm的MFD60；
图10A和图10B示出两个示例锥形纤维的末端部分；
图11类似于图2并示出作为光栅耦合器组件的一部分的示例锥形光纤；
图12是针对如图11所示的光栅耦合器组件的示例配置的标准化电场EN对半径r(μm)的曲线图；
图13A是针对MFD60＝5.4μm(曲线C1)的纤维和针对MFDC＝10μm(曲线C2)的纤维计算出的耦合效率CE(标准化成它的最大值)对影响距离DI(μm)的曲线图；以及
图13B是公差T(μm)对MFD(μm)的曲线图，示出公差T随MFD增大而线性增大。
详述
现在详细参照本公开的各种实施方式，它们实例在附图中示出。只要可能，相同或相似的参考数字和符号在附图中始终用来指示相同或相似的零件。这些附图不一定按比例，并且本领域的技术人员将认识到，这些附图已简化来示出本公开的关键方面。
如下文陈述的权利要求并入此详述中并构成此详述的一部分。
本文中提到的任何公布或专利文件的全部公开内容是以引用方式并入。
在一些附图中为参考而示出笛卡尔坐标，并且笛卡尔坐标并不意图对方向或取向有所限制。
在以下讨论中，术语“光子集成电路”或“PIC”用来描述可以处理电气信号和光学信号两者(包括在电气信号与光学信号之间转换)的集成电路装置。示例性光子芯片包括光学部件、电气部件和电光部件。
模场直径或MFD是在光纤中传播的光的光斑尺寸或光束宽度的度量。MFD随源波长、纤维纤芯半径(r0)和纤维折射率轮廓n(r)而变。在本文中公开的实例和分析中，模场直径MFD是在对应于电场的1/e位置的半径处取得。常规单模光纤的MFD在本文中表示为MFDC并且假设其标称为10μm，而如下文所公开的具有小于常规MFDC的MFD的单模纤维60的MFD表示为MFD60。
如本文中所使用的术语“相对折射率”被限定为：
Δ(r)＝[n(r)2-nREF 2)]/2n(r)2，
其中n(r)是半径r处的折射率，除非另有规定。相对折射率是在1,550nm处限定的，除非另有规定。在一方面，折射率nREF是石英玻璃的折射率。另一方面，参考折射率nREF是包层的最大折射率。如本文所使用，相对折射率由Δ表示并且它的值是以“％”为单位给出，除非另有规定。在一个区的折射率小于参考折射率nREF的情况下，相对折射率为负且所述区可以说被压低或具有压低的折射率，并且最小相对折射率是在相对折射率为最大负值的那一点计算出的，除非另有规定。在一个区的折射率大于参考折射率nREF的情况下，相对折射率为正且所述区可以说被升高或具有正折射率。
如本文中所使用的术语“掺杂剂”是指改变玻璃相对于纯(未掺杂)的SiO2的相对折射率的物质。一种或多种不是掺杂剂的其他物质可能存在于光纤的一个区(例如，纤芯)中，所述区具有正的相对折射率Δ。
以下对光栅耦合器组件70的描述假设使用与单偏振光栅耦合器30相结合的具有单偏振的光66，以便于描述和说明。然而，光栅耦合器30可以包括两组线性叠加(即，独立)的光栅线(例如，椭圆光栅线)，其可以适应双偏振光66。因此，光栅耦合器组件70的双偏振实施方式预期具有与其单偏振对应物大体相同的性能。
PIC系统
图1是包括PIC 10的示例PIC系统6的正视图。PIC 10包括具有上表面22的SOI衬底20，所述上表面22支撑多个部件，诸如至少一个光栅耦合器30、至少一个硅(通道)波导40以及光学耦接到所述至少一个硅波导的一或多个额外PIC部件50。一或多个PIC部件50可以包括例如第二光栅耦合器、光检测器、调制器、偏振器、分束器、耦合器、反射体、光学放大器、滤光器、干涉仪等中的一或多个。一或多个PIC部件50可以包括有源部件、无源部件或有源部件与无源部件的组合。
PIC系统6还包括如下文所描述的具有相对小MFD60的光纤(“纤维”)60。纤维60相对于光栅耦合器30可操作地布置。纤维60包括末端62并且支持导向光66的传输，取决于光是被耦合进还是耦合出纤维，所述导向光66可以在纤维内在任一方向上行进。纤维60可以在其相反末端(未示出)处连接到光源、光检测器或另一装置(例如，未示出的另一PIC)。纤维60、光栅耦合器30和任选的居间介质(下文介绍并讨论)限定了用于PIC系统6的光栅耦合器组件70。光栅耦合器组件70还可包括多个纤维60和多个光栅耦合器30。
光栅耦合器组件
图2是PIC系统6的光栅耦合器组件70的特写图，其中纤维60的纤维末端62定位成邻近光栅耦合器30。示例SOI衬底20包括硅衬底23、在所述硅衬底上的二氧化硅(SiO2)层25以及在所述SiO2层上的硅波导40。光栅耦合器30形成于硅层41的一部分中，所述硅层也限定了硅波导40。图3A和图3B是示出其中光栅耦合器30和硅波导40经由锥形区段42光学连接的示例配置的自顶向下视图。
纤维60被布置以使得纤维末端62布置成邻近于光栅耦合器30，以便离开纤维的光66入射于光栅耦合器30上，或离开光栅耦合器的光入射于纤维末端上。在实例中，纤维60布置成相对于z方向成角度θ。在实例中，大体对红外光(例如，1,550nm)透明的居间介质72位于纤维末端62与光栅耦合器30之间。在实例中，居间介质72用来将纤维60相对于光栅耦合器30支撑在适当位置。居间介质72的实例是UV可固化的环氧树脂和折射率匹配的凝胶。
在一些配置中，光栅耦合器30和硅波导40可由一或多个透明层72L(图2中示出为虚线)覆盖，所述一或多个透明层72L是为了其他PIC功能而保留的，如例如在A.Mekis等人的标题为“A grating-coupler-enabled CMOS photonics platform,”的公布(IEEEJ.Sel.Top.Quant.El.17(3),597-608(2011))中所描述。因此，在示例实施方式中，居间介质72可以包括一或多个这类的透明层72L。
纤维60与光栅耦合器30间隔开纤维距离DF，所述纤维距离DF在实例中小于表征由衍射引起的光束发散度的瑞利范围(即，π·(BW)2·n/λ0，其中BW是导向光66的光束腰)，以使得光在此距离(例如，DF≈10μm)上的任何光束发散度很小并且可以忽略。
纤维60和光栅耦合器30还限定影响距离DI，所述影响距离DI被限定为从光66的模中心到光栅耦合器的边缘的距离。针对单核纤维，光66的模中心标称地是纤维60的中心轴。当纤维60是MCF时，来自每个纤芯的光66的模中心标称地是由对应纤芯的中心轴(未示出)来限定的。
来自纤维末端62的发射光66由光栅耦合器30接收，并且被指向来作为导向光66G在硅波导40中行进。光耦合过程的耦合效率(CE)是由与发射光的总量相比较的耦合进硅波导40的来自纤维60的发射光66的量来限定。耦合效率CE因此通常在0到1的范围中。耦合效率CE也可以用dB＝10·Log10(PC/PT)来表达，其中PC是耦合进硅波导40的光学功率的量并且PT是从纤维末端62发射的总光学功率。还注意到，光66可以在相反方向上行进，即，从硅波导40到光栅耦合器30，然后到纤维60。在此情况下，耦合效率CE是与发射光的总量相比较的从硅波导40发射并且耦合进纤维60的光66的量。
在实例中，纤维60是SMF并且具有由包层69围绕的纤芯67。如上文指出，纤维60具有相对小的MFD60，即，大致上小于约为10μm的标准SMF MFDC的MFD60。在实例中，MFD60在5μm≤MFD60≤6μm范围中，并且在特定实例中标称为5.4μm。利用具有上述小MFD60的纤维60的光栅耦合器组件70可以维持低损耗耦合，即，在任一光行进方向上为﹣1.5dB或更好(即，约为0.7或更好的耦合效率)。下文讨论示例小MFD纤维60。
减小的耦合器占据面积
纤维60的使用可以导致光栅耦合器30所需的面积量相较使用常规SMF时所需的面积量来说有实质减小。通过比较针对常规SMF纤维和针对纤维60的光66到光栅耦合器上的投射面积AP，可大致估计光栅耦合器30的占据面积的减小。
对于给定MFD，投射面积AP由AP＝π·(MFD/2)2·Cos(θ)给出，其中θ是中心轴AC与垂直于光栅耦合器30的平面之间的前述角度(参见图2)。如果将针对具有MFDC的常规SMF的投射面积AP表示为APC，并且将通过使用纤维60而形成的投射面积AP60表示为AP60＝π·(MFD60/2)2·Cos(θ)，那么可将面积减小率R限定为：
R＝AP60/APC＝[π·(MFD60/2)2-Cos(θ)]/[π·(MFDC/2)2-Cos(θ)]＝[MFDC/MFD60]2
如果采用MFDC＝10μm并且MFD60在5μm到6μm的范围中，那么面积减小率R在0.25到约0.35的范围中，其表示75％与65％之间的耦合器占据面积减小。当考虑装得更密集的硅波导40时，此耦合器占据面积减小可以甚至更大。在一个实例中，耦合器占据面积减小了至少10％，而另一实例中，耦合器占据面积减小至少15％。
当考虑到硅波导40的铺设选择时，光栅耦合器30和硅波导40(即，耦合器占据面积和波导占据面积)所占据的总耦合面积(即，总耦合占据面积)相较与标准SMF关联的现有技术总耦合面积来说可以减小多达50％。在实例中，总耦合占据面积减小至少10％。
在纤维60是具有嵌入单个包层69中的多个纤芯67的多核纤维(MCF)的实例中，耦合器占据面积的减小可以甚至更大，这是因为减小的纤芯尺寸和减小的纤芯到纤芯距离以及更紧密地局部化的模式。因此，也可使锥形区段42更小，所述锥形区段42将光栅耦合器30连接到硅波导40。
减小的耦合器占据面积有利于增大PIC 10中的集成密度。在纤维60呈MCF形式的情况下，从MCF的机械属性(例如，改善的弯曲属性)的角度来看，包层69的较小直径可以是有利的。使用纤维60的光栅耦合器70的示例带宽约为60nm，这与标准基于SMF的光栅耦合器的带宽相当。
图4A是SOI衬底20的表面22上的面积的自顶向下视图，示出被设定尺寸来适应来自常规SMF的常规MFD的光栅耦合器30的现有技术布置。在光栅耦合器30中的每个上示出常规投射面积APC。图4B类似于图4A并且示出SOI衬底20的表面22上的相同面积AR，但是光栅耦合器30的尺寸被缩小以具有图4A的光栅耦合器的面积的约一半，这是基于与纤维60相关联的较小MFD60。还在光栅耦合器30中的每一个上示出投射面积AP60。图4B的较小光栅耦合器30允许更多的光栅耦合器装配在相同的面积AR中，从而提供连到PIC 10的光学连接的更大密度(即，更大集成密度)。
在图4A和图4B所示的简化示例配置中，集成密度增大是针对相同表面积AR从五个到十个光栅耦合器30，其表示80％的集成密度增大。取决于光栅耦合器30和硅波导40的精确配置和尺寸，估计在一些实施方式中，集成密度可以增大多达50％，而在其他实施方式中，集成密度可以增大多达30％。
光栅耦合器
图5是形成于硅波导40中的示例光栅耦合器30的横截面图。光栅耦合器30包括光栅线32和光栅空间34。光栅耦合器30包括以下参数：第一个(即，最左侧)光栅线32的高度h1；光栅线相对于光栅底部35的高度h2；光栅线32的宽度w1；光栅空间34的宽度w2；以及最后一个(即，最右侧)光栅线32的宽度w3和高度h3。光栅耦合器30的标称周期由∧＝wl+w2给出。在给定光栅线32处测量的光栅耦合器30的总厚度为TH1，而到光栅底部35的厚度表示为TH2。硅层41的厚度表示为TH3。
耦合效率
针对具有MFD60＝5.4μm的示例纤维60在数值上分析光栅耦合器组件70的耦合效率CE，并且其中允许光栅耦合器30的光栅耦合器参数改变来最优化耦合效率CE。使用时域有限差分(FDTD)方法执行数值分析。个别光栅线32和空间34的周期∧和填充系数也在数值上最优化来最大化纤维60与光栅耦合器30之间的模式重叠，从而导致约为70％的最大耦合效率CE以及在C频带(即，1,530nm到1,565nm)中的60nm、1-dB带宽。光栅参数的示例标称值是：光栅周期∧＝600nm；w1＝300nm；w2＝300nm；w3＝90nm；h1＝h3＝120nm；h2＝200nm；TH1＝370nm，TH2＝170nm；以及TH3＝250nm。光栅周期的数目是16。在示例值的+/-30％内发现最优化值。硅波导40的折射率在λ＝1,550nm处是3.45。内埋式氧化层25的折射率在1,550nm处是1.45，硅波导40沉积在所述内埋式氧化层25上(参见图2)。
光栅耦合器30的左末端并未以任何特殊方式处理，但是模场强度在左末端处需要足够小以便不会对耦合有实质影响。当最优化的光栅线32的数目从16减小到14时，耦合效率CE减小了约1％。光栅耦合器30的右边缘具有宽度w3≈90nm的窄光栅线32，这对耦合效率CE有正面贡献。
图6A是针对使用图5的光栅耦合器30的光栅耦合器组件70的耦合效率CE(左侧垂直轴)对影响距离DI(μm)的曲线图。还在右侧垂直轴上绘出以dB为单位的损耗。MFD60＝5.4μm。图6A的曲线图示出在从约2.4μm到2.8μm范围中的影响距离DI处约为0.7的最大耦合效率。
图6B类似于图6A，只不过水平轴是由纤维60运载并且从纤维60发射的光66的波长λ(nm)。图6B的影响距离DI在2.4μm到2.8μm的上述范围(即，来自图6A的最佳范围)中。图6B示出在约λ＝1,550nm(这是PIC10的所需操作波长的实例)处的最大耦合效率CE。
图7A和图7B是用于示例光栅耦合器组件70的光栅耦合器30的x-y平面中的电场幅度分布的曲线图，所述光栅耦合器组件70使用MFDC＝10μm(图7A)的常规SMF和在λ＝1,550nm时MFD60＝5.4μm(图7B)的纤维。图7A和图7B的黑白曲线图是基于使用数值模拟获得的彩色曲线图。所述曲线图示出电场幅度在x方向上(即，横向于光栅线32)以及在y方向上(即，聚焦方向或横向于光栅线)如何更紧密地集中。这意味着可以使耦合占据面积小于与标准SMF相关联的常规耦合占据面积。这又导致如上所述的连到PIC10的光学连接的更高密度。硅层41的过渡到硅波导40的锥形区段42在尺寸上类似地减小，因为锥长随着硅波导的初始宽度的平方按比例缩放。
图8A和图8B是示例光栅耦合器组件70的抬高特写图，每个示例光栅耦合器组件70具有带有七个纤芯67的MCF纤维60。图8A示出具有常规尺寸纤芯67的纤维60，而图8B示出具有的较小纤芯的纤维，所述较小纤芯限定较小MFD60。图8B的较小纤芯67允许每个光栅耦合器30的耦合器占据面积有所减小，并且因此多个光栅耦合器以及对应的纤维60和硅波导40的集成密度更高。
在示例实施方式中，通过定制纤维的折射率轮廓来实现纤维60的较小MFD60(与常规SMF相比较)。图9A是针对示例纤维60的折射率轮廓n(r)对纤维半径r(μm)的曲线图。所述曲线图示出纤芯67与包层69之间的过渡区TR。n(r)曲线的数学形状是Tanh(r/w)，其中w＝0.2μm，并且纤芯折射率是Δ＝0.01。可以经由Ge掺杂来实现渐变过渡。
图9B绘出针对图9A的折射率轮廓的对应标准化电场EN＝E(r)/E0对半径r(μm)，并且示出2.7μm的模场半径rMF，所述模场半径rMF限定MFD60＝5.4μm。对于呈利用图9A的折射率轮廓n(r)的MCF形式的示例纤维60，相较针对标准SMF纤维的约为1m-1到2m-1的值来说，针对27μm的纤芯到纤芯距离(间隔)的耦合系数约为0.075m-1，所述标准SMF纤维具有约为9.5μm的纤芯直径、约为0.004的相对折射率Δ和约为30μm的纤芯到纤芯距离。耦合系数是对耦合强度(即，纤维纤芯67之间的串扰)的度量。MCF纤维60可以因此实现较小的纤芯到纤芯串扰。较小耦合系数还意味着可以在多核纤维60中将纤芯67装得更密集以增大PIC系统6的集成密度。可以使用更复杂的折射率轮廓n(r)(例如，具有沟等)来增强其他纤维特性，诸如传输、弯曲不敏感性、弥散等。
在另一示例实施方式中，通过将标准SMF拉锥来定制纤维60的MFD60。图10A和图10B是示例纤维60的末端部分65的横截面图，其中所述末端部分向纤维末端62拉锥。可以使用技术领域中已知的数种不同方法来执行纤维60的拉锥。一种方法涉及切削包层69以形成逐渐变窄的纤维末端部分65，它看起来很像铅笔末端，如图10A所示。可以使用激光或通过化学蚀刻来执行切割。锥形继续到位置LC，在位置LC处包层69被完全移除，因此切割纤芯67来形成锥形的剩余部分。锥形具有锥角φ，在实例中使所述锥角足够小以确保导向光66G在沿着锥形的每个点处的绝热过渡。
另一纤维拉锥方法包括加热纤维60的末端部分65并施加拉伸力来拉长纤维的已加热的末端部分。可执行这种方法以使得纤芯67和包层69都以大致上保持纤芯与包层直径的比率的方式拉锥，如图10B所示。在均匀热区中加热末端部分65允许具有衰减指数轮廓的锥形。用线性变化热量加热末端部分65允许锥形被定制成具有直线形状到抛物线形状的任何形状。
图11类似于图2并且示出作为光栅耦合器组件70的一部分的锥形光纤60的示例实施方式。为了使耦合损耗最小化，由锥形半径r(z')(其中z'是沿着纤维中心轴AC)限定的纤维末端区段65的锥形形状必须满足绝热准则dr/dz'≤-r·((β1(r)-(β2(r))/2π，其中β1(r)和β2(r)是基谐模式和功率最容易耦合到的模式(通常是LP02模式)的局部传播常数。
在使用具有折射率nm的居间介质72的情况下，可以选择折射率来实现所需MFD60。例如，对于SMF纤维SMF-28 60，nm的上限是1.434(Δ＝1％)以产生MFD60＝5.4μm。纤维尖端尺寸的选择取决于nm。当nm从1.434(Δ＝1％)减小到1.304(Δ＝10％)时，对应的尖端半径从2.1μm单调增大到3.4μm，以得出MFD60＝5.4μm。图12绘制针对图11所示的示例配置的标准化电场EN对半径r(μm)。
可实现的耦合效率CE取决于纤维60相对于光栅耦合器30的定位的公差。图13A是针对MFD60＝5.4μm(曲线C1)的纤维和针对MFD60＝10μm(曲线C2)的纤维的计算出的耦合效率CE(标准化成它的最大值)对影响距离DI(μm)的曲线图。纤维60与光栅耦合器30之间的位置公差可以限定为影响距离DI的间隔，其对应于最大耦合效率CE的1dB下降。这意味着需要纤维60的定位的更高的准确度。
图13B是公差T(μm)对MFD(μm)的曲线图，示出公差T随着MFD增大而线性增大。因此，对于MFDC＝10.0μm，公差为10.7μm，而对于MFD60＝5.4μm，公差为5.8μm。虽然对于较小MFD60，公差较小，但是它仍是合理的。还注意到，如可以从图13A看出，纤维60的位置偏差对耦合效率CE的影响是不对称的。影响距离DI相对于其最佳值的减小的影响比增大的影响更关键。
本公开的一个方面包括用于将光66光学耦合进PIC 10的方法。所述方法包括将光66透射通过纤维60的至少一个纤芯67，其中所述纤芯将MFD60限定在5μm≤MFD60≤6μm范围中。所述方法还包括将来自纤维末端62的透射光66从至少一个纤芯67发射到至少一个光栅耦合器30。所述方法还包括将来自至少一个光栅耦合器30的发射光66导向到光学耦合到所述至少一个光栅耦合器30的至少一个硅波导40。光66从至少一个纤芯67到至少一个硅波导40的光学耦合是以耦合效率CE≥0.7来完成。
本公开的另一方面包括将光66从至少一个硅波导40光学耦合到纤维60的至少一个纤芯67的方法。所述方法包括将光66从至少一个硅波导40透射到光学耦合到所述至少一个硅波导40的至少一个光栅耦合器30。所述方法还包括将来自至少一个光栅耦合器30的透射光66通过纤维末端62传到纤维60的至少一个纤芯67。至少一个纤芯67将MFD60限定在5μm≤MFD60≤6μm范围中。光66从至少一个硅波导40到至少一个纤芯67的光学耦合是以耦合效率CE≥0.7来完成。
本领域的技术人员将会明白，在不背离所附权利要求书中限定的本公开的精神或范围的情况下，可对本文中描述的本公开的优选实施方式做出各种修改。因此，本公开涵盖了修改和变更，只要它们在所附权利要求书和其等效物的范围内。

Claims (20)

1.一种用于将光光学耦合进或光学耦合出光子集成电路(PIC)的光栅耦合器组件，所述组件包括：
绝缘体上硅(SOI)衬底；
至少一个硅波导，所述至少一个硅波导是由所述SOI衬底支撑；
至少一个光栅耦合器，所述至少一个光栅耦合器是由所述SOI衬底支撑并光学耦合到所述至少一个硅波导；
光纤，所述光纤具有一个末端和至少一个纤芯，所述至少一个纤芯具有在5μm≤MFD60≤6μm范围中的模场直径MFD60，其中所述光纤末端设置成邻近于所述至少一个光栅耦合器；并且
其中所述光纤的所述至少一个纤芯和所述至少一个光栅耦合器限定耦合效率CE≥0.7。
2.根据权利要求1所述的光栅耦合器组件，其进一步包括位于所述光纤末端与所述光栅耦合器之间的折射率nm>1的居间介质。
3.根据权利要求2所述的光栅耦合器组件，其中所述居间介质包括环氧树脂或折射率匹配的凝胶。
4.根据权利要求1所述的光栅耦合器组件，其中所述硅波导被光学耦合到所述PIC上的一或多个PIC部件。
5.根据权利要求1所述的光栅耦合器组件，其中所述光纤包括锥形末端部分，所述锥形末端部分包括所述光纤末端。
6.根据权利要求1所述的光栅耦合器组件，其中所述光纤包括多个纤芯，并且其中所述至少一个光栅耦合器包括相对应的多个光栅耦合器。
7.根据权利要求1所述的光栅耦合器组件，其中所述至少一个光栅耦合器所具有的耦合器占据面积相较由模场直径MFDC标称地为10μm的单模纤维限定的光栅耦合器占据面积来说减小至少15％。
8.根据权利要求1所述的光栅耦合器组件，其中所述模场直径MFD60标称地为5.4μm。
9.根据权利要求1所述的光栅耦合器组件，其中相较由模场直径MFDC标称地为10μm的单模纤维限定的光栅耦合器占据面积来说，面积减小率R在0.25至约0.35的范围中。
10.一种用于将光光学耦合进或光学耦合出光子集成电路(PIC)的光栅耦合器组件，所述组件包括：
硅波导，所述硅波导是由绝缘体上硅(SOI)衬底支撑；
光栅耦合器，所述光栅耦合器是由所述SOI衬底支撑并光学耦合到所述硅波导，所述光栅耦合器具有耦合器占据面积；
光纤，所述光纤具有一个末端和至少一个纤芯，所述至少一个纤芯具有在5μm≤MFD60≤6μm范围中的模场直径MFD60，其中所述光纤末端设置成邻近于所述光栅耦合器，所述光纤末端与所述光栅耦合器之间有折射率nm>1的居间介质；
其中所述光纤的至少一个纤芯和所述至少一个光栅耦合器限定耦合效率CE≥0.7；并且
其中所述耦合器占据面积相较由模场直径标称地为10μm的单模光纤所限定的耦合器占据面积来说减小至少10％。
11.根据权利要求10所述的光栅耦合器组件，其中所述硅波导光学耦合到所述PIC上的一或多个PIC部件。
12.根据权利要求10所述的光栅耦合器组件，其中所述光纤包括锥形末端部分，所述锥形末端部分包括所述光纤末端。
13.一种用于将光光学耦合进光子集成电路(PIC)的方法，所述PIC包括光学耦合到至少一个硅波导的至少一个光栅耦合器，所述方法包括：
将光透射通过具有末端的光纤的至少一个纤芯，所述至少一个纤芯限定用于所述透射光的模场直径MFD60，其中所述模场直径MFD60在5μm≤MFD60≤6μm范围中；
将来自所述光纤末端的所述透射光发射到所述至少一个光栅耦合器；以及
将来自所述至少一个光栅耦合器的所述发射光导向到所述至少一个硅波导，以使光从所述至少一个光栅耦合器到所述至少一个硅波导的所述光学耦合是以耦合效率CE≥0.7来完成。
14.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括通过位于所述光纤末端与所述至少一个光栅耦合器之间的折射率nm>1的居间介质透射所述发射光。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述光纤包括多个纤芯，所述至少一个光栅耦合器包括多个光栅耦合器，并且其中每个纤芯被光学耦合到所述光栅耦合器中的一个。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述至少一个光栅耦合器所具有的耦合器占据面积相较由模场直径标称地为10μm的单模纤维限定的光栅耦合器占据面积来说减小至少15％。
17.一种用于光学耦合来自光子集成电路(PIC)的光的方法，所述PIC包括光学耦合到至少一个硅波导的至少一个光栅耦合器，所述方法包括：
将光从所述至少一个硅波导透射到所述至少一个光栅耦合器；
将来自所述至少一个光栅耦合器的所述透射光导向到具有末端的光纤的至少一个纤芯，所述末端布置成邻近于所述至少一个光栅耦合器，所述至少一个纤芯限定用于所述透射光的模场直径MFD60，其中所述模场直径MFD60在5μm≤MFD60≤6μm范围中；并且
其中光从所述至少一个硅波导到所述至少一个纤芯的光学耦合是以耦合效率CE≥0.7来完成。
18.根据权利要求17所述的方法，其进一步包括通过位于所述光纤末端与所述至少一个光栅耦合器之间的折射率nm>1的居间介质透射所述光。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述光纤包括多个纤芯，所述至少一个光栅耦合器包括多个光栅耦合器，并且其中每个纤芯被光学耦合到所述光栅耦合器中的一个。
20.根据权利要求17所述的方法，其中所述至少一个光栅耦合器所具有的耦合器占据面积相较由模场直径标称地为10μm的单模纤维限定的光栅耦合器占据面积来说减小至少15％。
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