CN106461875A - 紧凑型外部光栅pbs/pbc耦合器 - Google Patents

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Abstract

根据本发明实施例描述了针对紧凑型外部光栅PBS/PBC耦合的方法。在一项实施例中，YVO4晶体(103)用于分割光束或者将多个光束合并为单个光束。透镜(102)用于转换光的模式以匹配光栅端口(105)的模式。玻璃光楔(104)设计为将所述光从水平弯曲到近垂直方位以匹配光栅端口(105)的出射角。当源(101)或接收器利用光纤(1007)时，光纤夹持器(1006)可用于将光纤(1007)粘接到所述源(101)或接收器。所描述的PBS/PBC，相比于现有2D光栅耦合器技术，具有更少的插入损耗，而且相比于现有2D光栅耦合器，由于模式匹配的灵活性而具有更宽的频谱带宽。本文所描述的PBS/PBC还比现有2D光栅耦合器具有更好的偏振消光比，而且水平耦合配置使得设计相比于2D光栅耦合中使用的近垂直耦合更薄、更紧凑。

Description

紧凑型外部光栅PBS/PBC耦合器
相关申请案交叉申请
本申请要求2015年1月7日递交的发明名称为“紧凑型外部光栅PBS/PBC耦合器”的第14/591,516号美国非临时专利申请案的在先申请优先权，该在先申请又要求2014年5月2日递交的发明名称为“紧凑型外部光栅PBS/PBC耦合器”的第61/988,015号美国临时专利申请案的在先申请优先权，该在先申请的发明人与本申请相同。上述参考申请的全部内容以引入的方式并入本文本中。
技术领域
本发明实施例大体上涉及光耦合领域。更具体地，本发明实施例涉及用于光耦合光束和硅光子芯片的紧凑型偏振分束器（polarization beam splitter，PBS）和偏振合束器（polarization beam combiner，PBC）。
背景技术
光波导通常运用在集成光子电路中或者用作光通信系统中的传输介质，以提供从光波导中的一个模式到另一个模式的耦合，或者从一个波导到另一个波导的耦合。光纤是一种光波导，通常包括由介电材料构成的圆截面介电波导并且由折射率较低的第二介电材料覆盖。光纤最常见的是由石英玻璃制成，但还可以由塑料等其它材料制成。
在Si光子学中，目前的2D偏振分束器（polarization beam splitter，PBS）和偏振合束器（polarization beam combiner，PBC）具有相对较大的插入损耗和较低的偏振消光比。插入损耗是某个波长的输出与输入光功率之比。虽然一些方法使用透镜光纤来提高耦合效率，但是本方法往往需要复杂且敏感的亚微米对准。
此外，光子集成电路通常与偏振相关。由于光的偏振状态对于单模光纤并不是始终不变，所以光子集成电路可能需要独立于从光纤传送的光的偏振来操作。
发明内容
本发明描述了一种针对用于光耦合光束和硅光子芯片的偏振分束器（polarization beam splitter，PBS）和偏振合束器（polarization beam combiners，PBC）的方法。根据一项实施例，描述了一种偏振分束器，所述偏振分束器包括接收入射光并产生聚焦光的透镜、从所述透镜接收所述聚焦光并将所述光分割为第一光线和第二光线的晶体，以及接收所述第一光线和所述第二光线并将所述光线向硅片表面的方向弯曲的光楔。
根据另一项实施例，描述了一种将光源定向到硅片表面的方法，所述方法包括使用透镜接收入射光并产生聚焦光、使用晶体将所述聚焦光分割为第一光线和第二光线，以及使用玻璃光楔将所述第一和第二光线向硅片表面弯曲。
附图说明
附图包含在并且构成本说明书的一部分，示出了本发明的各种实施例，并且与描述内容一起用于解释本发明的原则：
图1为根据本发明实施例的示例性光耦合器的方框图。
图2为根据本发明实施例的图示图1描绘的示例性光耦合器的前视图的图。
图3为根据本发明实施例的图示源为准直光的示例性光耦合器的图。
图4为图示通过本发明一些实施例产生的O-ray和E-ray的光栅方位的图。
图5为图示通过本发明一些实施例产生的O-ray和E-ray的光栅方位的图，其中半波片将O-ray和E-ray的偏振都旋转45度。
图6为根据本发明实施例的图示图1的半波片在其中与玻璃光楔和YVO4晶体粘接的示例性光耦合器的图。
图7为根据本发明实施例的图示图3的半波片在其中与玻璃光楔和YVO4晶体粘接的示例性光耦合器的图。
图8为根据本发明实施例的图示图1的具有玻璃光楔底面之下的半波片的示例性光耦合器的图。
图9为根据本发明实施例的图示图3的具有玻璃光楔底面之下的半波片的示例性光耦合器的图。
图10为根据本发明实施例的图示基于图1示出的设计的示例性光耦合器的图。
图11为根据本发明实施例的图示基于图3示出的设计的示例性光耦合器的图。
图12为根据本发明实施例的图示半波片在其中粘接到玻璃光楔底面的示例性光耦合器的图。
图13为根据本发明实施例的图示半波片在其中粘接到玻璃光楔底面的示例性光耦合器的图。
具体实施方式
现在将详细地给出一些实施例的参考。虽然结合可替代的实施例描述该主题，但应该理解它们不是旨在将请求保护的主题限制于这些实施例。相反，请求保护的主题旨在覆盖可以包括在由附加的权利要求书限定的请求保护的主题的精神和范围内的替代物、修改和等同物。
另外，在以下本发明的详细描述中，阐述了许多特定细节以便提供对请求保护主题的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将认识到，可以在没有这些具体细节的情况下实践实施例。在其它实例中没有详细描述众所周知的方法、流程、部件和电路，以免对本请求保护的主题的各方面和特征造成不必要地模糊。
随后的详细描述部分以方法的观点展示并讨论。尽管在此处描述该方法的操作的附图中公开了步骤及其排序，但是这些的步骤和排序是示例性的。实施例很适合执行各种其它步骤或此处附图的流程图中所有步骤的变体，并且按不同于此处描绘和描述的顺序。
以流程、步骤、逻辑块、处理和对数据比特的操作的其它符号表示的观点展示了一些详细描述部分，这些操作可以在计算机存储器上执行。这些描述和表述是由数据处理领域的技术人员用来最有效地把他们的工作内容传递给本领域额其它技术人员的手段。存在程序、计算机执行的步骤、逻辑块、过程等，并且通常被认为是导致所需结果的自洽步骤或指令顺序。这些步骤是要求对物理量的物理操纵的那些步骤。通常，尽管并不必定如此，这些量采取能够在计算机系统中存储、传递、组合、比较或者以另外方式操作的电信号或磁信号的形式。已经证明有时，主要是出于普通使用的原因，把这些信号称为比特、值、元素、符号、字符、术语、数字等等是方便的。
一些实施例可在由一个或多个计算机或其它设备执行的计算机可执行指令，例如程序模块，的一般上下文中进行描述。通常，程序模块包括执行特定任务或实施特定抽象数据类型的例程、程序、对象、部件、数据结构等。程序模块的功能通常可根据各种实施例所需组合或分布。
紧凑型外部光栅PBS/PBC耦合器
在下面的实施例中，描述了一种方法以提供用于光束和硅光子芯片的光耦合的紧凑型偏振分束器（polarization beam splitter，PBS）和偏振合束器（polarization beamcombiner，PBC）。本方法可用于将输入光束分割为芯片上的两个单独光栅端口或者将从两个单独的光栅端口出来的两个光束合并为单个输出光束。
本文所描述的方法比现有技术方法有若干优势。所描述的PBS/PBC，相比于现有2D光栅耦合器技术，具有更少的插入损耗，而且相比于现有2D光栅耦合器，由于模式匹配（例如，匹配光栅端口的模式）的灵活性而具有更宽的频谱带宽。本文所描述的PBS/PBC还比现有2D光栅耦合器（通常是20dB）具有更好的偏振消光比（例如，30dB），而且水平耦合配置使设计相比于在2D光栅耦合中使用的近垂直耦合更薄、更紧凑。
根据本发明，双折射晶体（例如，YVO4晶体）用于分割光束或将多个光束合并为单个光束。使用透镜将光的模式转换为光栅端口的模式。玻璃光楔设计为将光从水平定向到近垂直方位以匹配光栅端口的出射角。当源或接收器利用光纤时，光纤夹持器可用于将光纤粘接到该源或接收器。本文所公开的PBS/PBC可用于密封或非密封应用中。
图1示出了根据本发明实施例的示例性PBS。发散光101由光纤承载并经透镜102聚焦，其中出射透镜的光的模式匹配光栅端口的模式以提供高耦合效率。透镜102产生的聚焦光束由YVO4晶体103接收。该晶体的双折射属性将光分割为寻常光线（ordinary ray，O-ray）和异常光线（extraordinary ray，E-ray）。光楔104用于将光束定向（例如，弯曲或弯成某一角度）到硅片的光栅端口105。光楔的下表面附接和/或粘接到硅片（未示出）的顶面。根据本发明实施例，入射光的入射角匹配光栅端口的出射角。根据一些实施例，光楔内的反射角大于全反射角。
图2所示为图1中描绘的示例性PBS的前视图，其中能够图示O-ray和E-ray的间隔。O-ray 201和E-ray 202的间距取决于YVO4晶体的长度（例如，10:1的长度与间距比）。
图3所示为示例性PBS/PBC，其中源为准直光，而不是发散光（如图1所示）。如在图1中，透镜301产生的聚焦光束由YVO4晶体302接收。该晶体的双折射属性将光分割为寻常光线（ordinary ray，O-ray）和异常光线（extraordinary ray，E-ray）。玻璃光楔303用于将光束定向（例如，弯曲或斜移）到近垂直方向。
图4示出了O-ray和E-ray的光栅方位。横电场（transverse E-field，TE）波导光栅端口的偏振匹配O-ray和E-ray的偏振。在一些情况下，最好产生两个对称定位在芯片上的光栅端口。根据本发明一些实施例，这通过在光栅端口处改变从YVO4晶体出射的光的偏振来实现。半波片（half wave plate，HWP）可如图5所示将O-ray和E-ray的偏振都旋转45度。这样，可以减少或消除背反射和过大的插入损耗。图6和图7示出了针对图1和图3所示的示例性PBS等一些应用分别与玻璃光楔和YVO4粘接的HWP。可选地，如图8和图9所示，根据一些实施例，HWP可在玻璃光楔底面之下。
图10为根据本发明实施例的示例性光栅PBS单元的图。如图所示，示例性光栅PBS单元包括图6所示的示例性结构的特征。光纤夹持器1006将光纤1007粘接到该单元，并且玻璃盖1005加固该单元的结构。如在图1中，透镜1004产生的聚焦光束由YVO4晶体1003接收。该晶体的双折射属性将光分割为寻常光线（ordinary ray，O-ray）和异常光线（extraordinary ray，E-ray）。玻璃光楔1001用于在需要时对光束进行定向（例如，弯曲或弯成某一角度）。如图6中描绘，HWP 1002与玻璃光楔1001和YVO4晶体1003粘接。
图11为根据本发明实施例的示例性光栅PBS单元的图。如图所示，示例性光栅PBS单元包括图7所示的示例性结构的特征，其中入射光为准直光束（还在图3中示出）。两个单元都可对准并耦合到光栅端口。如在图3中，透镜1104产生的聚焦光束由YVO4晶体1103接收。YVO4晶体1103的双折射属性将光分割为寻常光线（ordinary ray，O-ray）和异常光线（extraordinary ray，E-ray）。玻璃光楔1101用于在需要时对光束进行定向（例如，弯曲或弯成某一角度）。如图7中描绘，HWP 1102与玻璃光楔1101和YVO4晶体1103粘接。
图12和图13为图示将HWP分别粘接到图8和图9示出的示例性光结构的示例性方法的示意图。

Claims (34)

1.一种偏振分束器，其特征在于，包括：
透镜，所述透镜接收入射光并产生聚焦光；
晶体，所述晶体从所述透镜接收所述聚焦光并将所述光分割为第一光线和第二光线；以及
光楔，所述光楔接收所述第一光线和所述第二光线并将所述光线向硅片表面的方向弯曲。
2.根据权利要求1所述的偏振分束器，其特征在于，所述光楔包括玻璃光楔。
3.根据权利要求1所述的偏振分束器，其特征在于，所述光楔的下表面耦合到所述硅片的表面。
4.根据权利要求1所述的偏振分束器，其特征在于，所述第一光线为寻常光线，所述第二光线为异常光线。
5.根据权利要求1所述的偏振分束器，其特征在于，所述晶体具有双折射属性。
6.根据权利要求1所述的偏振分束器，其特征在于，所述晶体为YVO4晶体。
7.根据权利要求1所述的偏振分束器，其特征在于，还包括耦合到所述光楔的半波片，所述半波片将所述第一和第二光线的偏振旋转45度。
8.根据权利要求7所述的偏振分束器，其特征在于，所述光楔内的反射角大于所述光楔内的全反射角。
9.根据权利要求1所述的偏振分束器，其特征在，所述光楔将所述第一和第二光线弯曲，使得所述光线由所述硅片的光栅端口接收。
10.根据权利要求9所述的偏振分束器，其特征在于，所述入射光的入射角匹配所述光栅端口的出射角。
11.根据权利要求9所述的偏振分束器，其特征在于，所述透镜聚焦所述入射光，使得所述入射光的模式与所述光栅端口的模式相同。
12.根据权利要求1所述的偏振分束器，其特征在于，所述光楔将所述第一和第二光线弯曲，使得所述第一光线由所述硅片的第一光栅端口接收，所述第二光线由所述硅片的第二光栅端口接收。
13.根据权利要求12所述的偏振分束器，其特征在于，所述光栅端口对称地定位在所述硅片的表面上。
14.根据权利要求1所述的偏振分束器，其特征在于，所述第一和第二光线的偏振消光比在25dB至35dB之间。
15.根据权利要求1所述的偏振分束器，其特征在于，所述玻璃光楔将光从近水平方位弯曲到近垂直方位以匹配所述硅片的光栅端口的出射角。
16.根据权利要求1所述的偏振分束器，其特征在于，所述入射光为准直光。
17.根据权利要求1所述的偏振分束器，其特征在于，所述入射光为发散光。
18.根据权利要求1所述的偏振分束器，其特征在于，还包括光纤夹持器，所述光纤夹持器将光纤粘接到所述偏振分束器。
19.根据权利要求18所述的偏振分束器，其特征在于，还包括粘接到所述光纤夹持器和所述偏振分束器的盖子，所述盖子提高了所述偏振分束器的结构刚性。
20.一种将光源定向到硅片表面的方法，其特征在于，包括：
使用透镜接收入射光并产生聚焦光；
使用晶体将所述聚焦光分割为第一光线和第二光线；以及
使用玻璃光楔将所述第一和第二光线向硅片表面弯曲。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述第一光线为寻常光线，所述第二光线为异常光线。
22.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述晶体具有双折射属性。
23.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述晶体为YVO4晶体。
24.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，还包括使用耦合到所述玻璃光楔的半波片将所述第一和第二光线的偏振旋转45度。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述玻璃光楔内的反射角大于所述玻璃光楔内的全反射角。
26.根据权利要求20所述的方法，其特征在，所述玻璃光楔将所述第一和第二光线弯曲，使得所述光线由所述硅片的光栅端口接收。
27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述入射光的入射角匹配所述光栅端口的出射角。
28.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述透镜聚焦所述入射光，使得所述入射光的模式与所述光栅端口的模式相同。
29.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述玻璃光楔将所述第一和第二光线弯曲，使得所述第一光线由所述硅片的第一光栅端口接收，所述第二光线由所述硅片的第二光栅端口接收。
30.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，所述光栅端口对称地定位在所述硅片的表面上。
31.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述第一和第二光线的偏振消光比在25dB至35dB之间。
32.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述玻璃光楔将光从近水平方位定向到近垂直方位以匹配所述硅片的光栅端口的出射角。
33.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述入射光为准直光。
34.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述入射光为发散光。
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