CN106461895B - 自由空间光耦合系统和装置 - Google Patents

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Abstract

一种自由空间耦合系统包括水平放置于集成电路上的波导，以及耦合到所述波导的硅壳，其中，所述硅壳包括反射面、第一端口以及第二端口，其中，所述第一端口用于在耦合点处从基本上平行于所述波导的光源接收光，所述第二端口相对于所述第一端口定位为约90度，以及所述第二端口与所述波导上的光栅端口对准。

Description

自由空间光耦合系统和装置
相关申请案交叉申请
本申请要求2014年3月13日递交的发明名称为“自由空间光栅耦合器”的第14/209,115号美国非临时专利申请案的在先申请优先权，该在先申请的全部内容以引入的方式并入本文本中。
背景技术
光纤已经广泛用于光信号的传播，尤其是提供高速通信链路。利用纤维光学的光链路相比于电链路具有各种优势，例如，相对大的带宽、相对高的抗噪声性、相对减少的功率损耗和相对最小的串扰。通过光纤承载的光信号可由包括集成电路等多种光和/或光电设备处理。
光子集成，或光纤的一端到集成电路的边缘的耦合，可以在光系统中发挥越来越重要的作用。本文中使用的短语光子集成可指光波导与光纤之间的光耦合。光子集成可带来各种益处，例如，相对较小的覆盖面积、较高的端口密度、减少的功率损耗和/或降低的成本，这使光子集成成为一种有前景的技术，用以建立下一代集成光设备，例如，波分复用(wavelength division multiplexing，WDM)转发器、收发器和其它类型的设备。
由于传统波导中的波导结构存在差异，所以在硅波导片之中和之外耦合光可能是一个具有挑战性的领域。光栅耦合是针对硅片耦合的历史性方案，其中，直接对接耦合使光纤的端与波导在几乎垂直于水平光栅耦合器的方向上等相接触。
发明内容
在一项实施例中，本发明包括一种自由空间耦合系统，所述自由空间耦合系统包括水平放置于集成电路上的波导，以及耦合到所述波导的硅壳，其中，所述硅壳包括反射面、第一端口以及第二端口，其中，所述第一端口用于在耦合点处从基本上平行于所述波导放置的光源接收光，所述第二端口相对于所述第一端口定位为约90度，以及所述第二端口与所述波导上的光栅端口对准。
在另一项实施例中，本发明包括一种用于将光元件耦合到波导上的光栅端口的装置，所述装置包括：外壳，所述外壳具有第一端口和第二端口，其中，放置所述第一端口和所述第二端口以适应光在所述光元件与所述波导之间的传输，以及所述第一端口相对于所述第二端口定位为约90度；透镜，所述透镜放置于所述外壳内，用于调节在所述光元件与所述波导之间传送的光；以及反射镜，所述反射镜放置于所述外壳中，其中，配置所述透镜和所述反射镜使得从所述光元件接收的第一光聚焦于所述光栅端口以及从所述波导接收的第二光聚焦于所述光元件。
在又一项实施例中，本发明包括一种构造自由空间耦合器的方法，所述方法包括：使用制造工艺制造包括第一端口、第二端口、透镜槽和反射镜槽的硅壳，其中，所述第一端口相对于所述第二端口定位为约90度，所述第一端口用于容纳光纤，以及所述反射镜的角度与透镜的发光角度相匹配，使得经由所述第一端口接收的穿过所述透镜的光被定向至所述第二端口；将所述透镜固定到所述透镜槽处；以及将镀金反射镜固定到所述反射镜槽处。
在另一项实施例中，本发明包络一种用于将光纤元件耦合到波导上的光栅端口的装置，所述装置包括：外壳，所述外壳具有第一端口和第二端口，其中，放置所述第一端口和所述第二端口以适应光在所述光纤元件与所述波导之间的光传输，以及所述光纤元件在基本平行于所述波导的位置处耦合到所述装置；透镜，所述透镜放置于所述外壳内，用于调节在所述光纤元件与所述波导之间传送的光；以及反射镜，所述反射镜放置于所述外壳内，其中，配置所述透镜和所述反射镜使得从所述光纤元件接收的第一光聚焦于所述光栅端口以及从所述波导接收的第二光聚焦于所述光纤元件。
结合附图和权利要求书，可从以下的详细描述中更清楚地理解这些和其它特征。
附图说明
为了更透彻地理解本发明，现参阅结合附图和具体实施方式而描述的以下简要说明，其中的相同参考标号表示相同部分。
图1为适用于发散光的自由空间耦合光方案的一实施例的示意图。
图2为耦合位置中自由空间耦合器的一实施例的横截面视图。
图3为适用于发散光的自由空间耦合器的一实施例的透视图。
图4为耦合位置中自由空间耦合器的另一实施例的透视图。
图5为支持多光纤集成的自由空间耦合器的另一实施例的透视图。
图6为适用于准直光的自由空间耦合光方案的另一实施例的示意图。
图7为耦合位置中自由空间耦合器的另一实施例的横截面视图。
图8为适用于准直光的自由空间耦合器的另一实施例的透视图。
图9为耦合位置中自由空间耦合器的另一实施例的透视图。
具体实施方式
首先应理解，尽管下文提供一项或多项实施例的说明性实施方案，但所公开的系统和/或方法可使用任何数目的技术来实施，无论该技术是当前已知还是现有的。本发明决不应限于下文所说明的说明性实施方案、附图和技术，包括本文所说明并描述的示例性设计和实施方案，而是可在所附权利要求书的范围以及其等效物的完整范围内修改。
在直接对接耦合方法中，光纤可基本上以直角附接到波导。在某些方法中，可能需要小的入射角以避免由于光栅的衍射而造成的背反射。在直接对接耦合方法中，可能需要将光纤弯曲、绕圈或者路由以获得充分的耦合。单模光纤与光子波导之间的直接对接耦合可带来某些弊端，例如，耦合损耗或泄漏、关于光纤模式和硅片模式的失配、机械调准、光纤弯曲、套管尺寸中的困难等。
本文公开了用于自由空间耦合的技术，这些技术可通过允许沿着相对于波导基本上平行的平面进行耦合而非直接对接耦合来最小化和/或消除来自直接对接耦合的一个或多个弊端。所公开的用于自由空间耦合的技术可包括利用固态自由空间耦合设备，其包括透镜、反射镜和硅壳。某些实施例可使用透镜聚焦来自发散光束的光，而其它实施例可改变准直光以聚焦于光栅端口。这些和其它技术在下文进一步论述。使用所公开的技术而带来的益处可包括可与平面外光束的众数直径成反比的带宽。对于通常的单模光纤(singlemode fiber，SMF)，光束众数直径可为约9微米(μm)到10微米，对应的带宽对于粗波分复用来说可能太小。如本领域技术人员将理解的，所公开的技术并不限于此方式，并可适应明显小于通常SMF的光束众数直径，例如，具有约3μm至4μm的光束众数直径，从而允许具有更宽带宽的光栅耦合器。此外，相对于采用直接对接耦合方法的系统，本发明涉及的生产成本可明显更低，且包装可更紧凑。
图1为适用于发散光的自由空间耦合光方案100的一实施例的示意图。本文中使用的发散光可指横截面随着到光源的距离而增大的光的光束。在自由空间耦合光方案100中，发散光102，例如，光束众数直径为约1μm至10μm的光，可出射光元件(例如，光纤、激光二极管(laser diode，LD)阵列或LD芯片)并入射透镜104(例如，硅或玻璃微透镜)。透镜104可聚焦和/或调节光102，使得输出光102可由反射面106(例如，镀金反射镜)反射和/或弯曲，并聚焦于光栅端口108上，例如，包括用于带状负载波导、信道波导、肋形波导、脊形波导等硅波导的绝缘体硅片(silicon-on-insulator，SOI)基板的光栅端口。如本领域技术人员将理解的，在某些实施例中，光102可源自波导处，在这类实施例中，自由空间耦合光方案100可以基本上相似的方式但在相反方向起作用。例如，光102可从波导至光纤表面光栅耦合器等光栅端口108射出，穿过聚焦和/或调节透镜104并进入光纤。在这类实施例中，反射镜的角度可与光栅端口108的发光角度相匹配。在应用自由空间耦合光方案100时，不一定需要将光纤的众数直径匹配到光栅端口的众数直径，因为透镜可在光纤的众数直径到光栅端口的众数直径的转换中发挥作用。
图2为耦合位置中自由空间耦合器200的一实施例的横截面视图。自由空间耦合器200可采用适用于发散光的自由空间耦合光方案100。自由空间耦合器200可包括光纤202、透镜204、反射面206和外壳210。光纤202可由二氧化硅或其它合适的材料构造。透镜204可为硅透镜或玻璃透镜。在某些实施例中，可使用光刻技术和/或湿法腐蚀制造反射面206。
在某些实施例中，外壳210可为硅壳。光纤202可使用湿法腐蚀的v形槽等固定到外壳210。透镜204和反射面206可采用无源粘接工艺等粘接到外壳210。透镜204可使用干法腐蚀的沟槽等安装到外壳210。外壳210可使用光刻技术和/或湿法或干法腐蚀制造，因此，反射面206的角度可通过光刻技术和/或各向异性湿法腐蚀在硅壳上制成。因此，透镜204和光纤202可仅需要被动对准过程，而不是典型的主动对准过程。反射面206的角度的制造过程可产生相对于纵轴的高精度(例如，约加或约减0.1度)的反射面206。所产生的反射面的角度与硅的晶体角相同。在制造和/或整理工艺期间使用湿法和/或干法腐蚀的实施例可使用本领域技术人员已知的各种掩膜(例如，以定义要保护免受腐蚀的区域)进行湿法和干法腐蚀中的任意一者或两者。例如，氧化硅(silicon-nitride，SiNx)膜、二氧化硅(silicon-oxide，SiOx)膜和/或金属膜可用作掩膜。
自由空间耦合器200可耦合到嵌入硅波导等波导212中的光栅端口208。外壳210可包括容纳光纤202的第一端口和容纳去往和/或来自波导212的光的第二端口。如图所示，第一端口可定位在相对于第二端口约90度。
图3为适用于发散光的自由空间耦合器300的一实施例的透视图。自由空间耦合器300的部件可基本上与自由空间耦合器200的部件相同，除非另有说明。自由空间耦合器300可包括光纤302、透镜304、反射面306和外壳310。可使用环氧固定胶或机械固定结构等在与波导基本上平行的位置将光纤302耦合到外壳310。例如，光纤302可沿基本上平行于波导的轴平面延伸的轴平面耦合到外壳310。这种耦合可提供优势，例如，减少光纤弯曲、最小化套管尺寸等。虽然将外壳310的外表面描绘为矩形，但本领域技术人员将了解到，该描绘仅为说明性的，其它形状也是可用的且在本发明的范围内。
图4为耦合位置中自由空间耦合器400的另一实施例的透视图。自由空间耦合器400的部件可基本上与自由空间耦合器300的部件相同，除非另有说明。自由空间耦合器400可包括光纤402和外壳410。自由空间耦合器400可安装于波导412(例如，波导212)上。可使用环氧固定胶或机械固定结构等在与波导412基本上平行的位置将光纤402耦合到外壳410。换言之，光纤402可沿基本平行于波导412的轴平面延伸的轴平面耦合到外壳410。这种耦合可提供优势，例如，减少光纤弯曲、最小化套管尺寸等。
图5为支持多光纤集成的自由空间耦合器500的另一实施例的透视图。自由空间耦合器500的部件可基本上与自由空间耦合器300的部件相同，除非另有说明。自由空间耦合器500可包括反射板506和透镜槽505，透镜槽505可容纳透镜(例如，透镜304)。在某些实施例中，可通过使用干法腐蚀工艺制造透镜槽505。如图所示，自由空间耦合器500可设计为将多个光纤集成到单个硅壳510中以支持多通道应用(例如，利用多个光纤)。光纤v形槽503可使用制造工艺构造，例如，通过湿法腐蚀和/或光刻技术制造，使得光纤之间的间距或距离可控制到相对高的精度(例如，约加或减1μm)。
图6为适用于准直光的自由空间耦合光方案600的另一实施例的示意图。本文中使用的准直光可指包括大约平行的光线的光束，因此，准直光可最低限度地像从原始来源传播的光一样传播。可使用透镜等通过若干已知工艺产生准直。在自由空间耦合光方案600中，准直光602可出射光纤准直仪或其它光元件并入射透镜604。透镜604可聚焦光602，使得输出光602可由反射面606反射出去和/或弯曲并聚焦于硅波导上的光栅端口608。
图7为耦合位置中自由空间耦合器700的另一实施例的横截面视图。自由空间耦合器700可基本上类似于自由空间耦合器200，除了没有耦合到外壳710的光纤(例如，光纤202)，并且可采用适用于准直光而非发散光的自由空间耦合光方案600。自由空间耦合器700可包括透镜704和包在外壳710内的反射面706。具体地，光束702(例如，从LD射出的准直光束)可沿基本平行于波导712的轴平面延伸的轴平面耦合到外壳710。应注意，如图7中描绘的从反射面706光反射的角度仅为说明性的，本领域技术人员将理解，这类角度可在设计阶段等随意选择，以最大化波导712上的光栅端口708与光束702之间的交互的所需光学特性。
图8为适用于准直光的自由空间耦合器800的另一实施例的透视图。自由空间耦合器800的部件可基本上与自由空间耦合器400的部件相同。自由空间耦合器800可包括透镜804、反射面806、外壳810和端口814。透镜804可宽于透镜704以容纳更宽的光束和/或多个光束，例如，从光源发射的通过端口814接收的准直光。端口814的宽度可基于光源的光特性选择。透镜804可使用被动粘接工艺等固定到外壳810。
图9为耦合位置中自由空间耦合器900的透视图。自由空间耦合器900的部件可基本上与自由空间耦合器800的部件相同，除非另有说明。在图9中，自由空间耦合器900可安装于波导912上。自由空间耦合器900可包括用于接收光的端口914。LD阵列或LD芯片918可置于波导912上。透镜916可置于波导912上以将从LD阵列918射出的发散激光束在进入自由空间耦合器900之前经由端口914转变成准直光。自由空间耦合器900还可包括第二透镜，其在自由空间耦合器900内部，其中，第二透镜可形成准直光和/或使准直光穿过反射面，然后聚焦于波导912上的光栅端口上。
本发明公开至少一项实施例，且所属领域的普通技术人员对所述实施例和/或所述实施例的特征作出的变化、组合和/或修改均在本发明公开的范围内。因组合、合并和/或省略所述实施例的特征而得到的替代性实施例也在本发明的范围内。在明确说明数字范围或限制的情况下，此类表达范围或限制应被理解成包括在明确说明的范围或限制内具有相同大小的迭代范围或限制(例如，从约为1到约为10包括2、3、4等；大于0.10包括0.11、0.12、0.13等)。例如，只要公开具有下限Rl和上限Ru的数字范围，则明确公开了此范围内的任何数字。具体而言，在所述范围内的以下数字是明确公开的：R＝R1+k*(Ru–R1)，其中k为从1％到100％范围内以1％递增的变量，如，k为1％、2％、3％、4％、5％……70％、71％、72％……95％、96％、97％、98％、99％或100％。此外，由上文所定义的两个数字R定义的任何数字范围也是明确公开的。除非另有说明，否则术语“约”是指随后数字的±10％。相对于权利要求的任一元素使用术语“选择性地”意味着所述元素是需要的，或者所述元素是不需要的，两种替代方案均在所述权利要求的范围内。使用如“包括”、“包含”和“具有”等较广术语应被理解为提供对如“由……组成”、“基本上由……组成”以及“大体上由……组成”等较窄术语的支持。因此，保护范围不受上文所陈述的说明限制，而是由所附权利要求书界定，所述范围包含所附权利要求书的标的物的所有等效物。每一和每条权利要求作为进一步揭示内容并入说明书中，且所附权利要求书是本发明的实施例。对所述揭示内容中的参考进行的论述并非承认其为现有技术，尤其是具有在本申请案的在先申请优先权日期之后的公开日期的任何参考。本发明中所引用的所有专利、专利申请案和公开案的揭示内容特此以引用的方式并入本文中，其提供补充本发明的示例性、程序性或其它细节。
虽然本发明多个具体实施例，但应当理解，所公开的系统和方法也可通过其它多种具体形式体现，而不会脱离本发明的精神或范围。本发明的实例应被视为说明性而非限制性的，且本发明并不限于本文本所给出的细节。例如，各种元件或部件可以在另一系统中组合或合并，或者某些特征可以省略或不实施。
此外，在不脱离本发明的范围的情况下，各种实施例中描述和说明为离散或单独的技术、系统、子系统和方法可以与其它系统、模块、技术或方法进行组合或合并。展示或论述为彼此耦合或直接耦合或通信的其它项也可以采用电方式、机械方式或其它方式通过某一接口、设备或中间部件间接地耦合或通信。其它变更、替换、更替示例对本领域技术人员而言是显而易见的，均不脱离此处公开的精神和范围。

Claims (14)

1.一种自由空间耦合系统，其特征在于，包括：
水平放置于集成电路上的波导；以及
耦合到所述波导的硅壳，其中，所述硅壳包括：
反射面，通过光刻技术和/或各向异性湿法腐蚀在所述硅壳上制成，且所述反射面的角度与硅的晶体角相同，所述反射面的角度与透镜的发光角度相匹配；
第一端口，其中，所述第一端口用于在耦合点处从基本平行于所述波导放置的光源接收光；以及
第二端口，其中，所述第二端口相对于所述第一端口定位为约90度，以及所述第二端口与所述波导上的光栅端口对准。
2.根据权利要求1所述的自由空间耦合系统，其特征在于，从所述光源接收的所述光是准直光，所述硅壳还包括用于聚焦从所述光源接收的所述光的透镜，以及放置所述透镜以便将经由所述第一端口接收的所述光重定向至所述第二端口。
3.根据权利要求1所述的自由空间耦合系统，其特征在于，从所述光源接收的所述光是发散光，所述硅壳还包括用于聚焦从所述光源接收的所述光的透镜，以及放置所述透镜以便将经由所述第一端口接收的所述光重定向至所述第二端口。
4.根据权利要求1所述的自由空间耦合系统，其特征在于，所述硅壳还包括用于聚焦从所述光源接收的所述光的透镜，所述光源包括激光二极管(laser diode，LD)部件，所述LD部件耦合到所述集成电路并放置为使得从所述激光二极管部件射出的光穿过所述第一端口、所述透镜和所述第二端口朝向所述光栅端口。
5.根据权利要求1所述的自由空间耦合系统，其特征在于，所述第一端口包括多个v形槽，所述光源包括多个光纤，以及所述v形槽用于控制各个光纤之间的间距距离。
6.一种用于将光元件耦合到波导上的光栅端口的装置，其特征在于，包括：
外壳，所述外壳具有第一端口和第二端口，其中，放置所述第一端口和所述第二端口以容纳光在所述光元件与所述波导之间的传输，以及所述第一端口相对于所述第二端口定位为约90度；
透镜，所述透镜放置于所述外壳内，用于调节在所述光元件与所述波导之间传送的光；以及
反射镜，所述反射镜放置于所述外壳内，所述外壳为硅壳，所述反射镜通过光刻技术和/或各向异性湿法腐蚀在所述硅壳上制成，且所述反射镜的角度与硅的晶体角相同；
其中，配置所述透镜和所述反射镜使得从所述光元件接收的第一光聚焦于所述光栅端口以及从所述波导接收的第二光聚焦于所述光元件。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一光是准直光。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一光是发散光。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述光元件是光纤，以及所述第一光具有约为3微米(μm)至10微米的众数直径。
10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一端口包括多个v形槽，所述光元件包括多个光纤，以及所述v形槽用于控制各个光纤之间的间距距离。
11.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述光元件是光纤。
12.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述光元件是光纤准直仪。
13.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述光元件是激光二极管(laser diode，LD)设备。
14.一种用于将光纤元件耦合到波导上的光栅端口的装置，其特征在于，包括：
外壳，所述外壳具有第一端口和第二端口，其中，放置所述第一端口和所述第二端口以容纳光在所述光纤元件与所述波导之间的传输，以及所述光纤元件在基本平行于所述波导的位置处耦合到所述装置；
透镜，所述透镜放置于所述外壳内，用于调节在所述光纤元件与所述波导之间传送的光；以及
反射镜，所述反射镜放置于所述外壳内，所述外壳为硅壳，所述反射镜通过光刻技术和/或各向异性湿法腐蚀在所述硅壳上制成，且所述反射镜的角度与硅的晶体角相同；
其中，配置所述透镜和所述反射镜使得从所述光纤元件接收的第一光聚焦于所述光栅端口以及从所述波导接收的第二光聚焦于所述光纤元件。
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