CN106471410B - 双末端光耦合器 - Google Patents

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Abstract

本文公开的实施例一般地涉及用于在光学设备中的波导和外部载光介质之间传输光信号(反之亦然)的光耦合器。耦合器包括第一和第二部分，这两个部分朝面向载光介质的光接口远离波导延伸。第一部分附接于波导，而第二部分未附接于波导。在一个示例中，第一部分的第一端附接于波导，而与第一端相对的第二端面向光接口。第一部分可以随着其从第一端向第二端延伸而逐渐减小。耦合器的第二部分可以与第一部分和波导二者物理地分离。然而，在一个实施例中，第一和第二部分沿朝向光接口的同一方向延伸。

Description

双末端光耦合器
技术领域
本文提出的实施例一般地涉及光学设备中的波导，并且更具体地，涉及光学设备中用于将波导耦合于外部载光介质的光耦合器。
背景技术
绝缘硅(SOI)光学设备可包括活性表面层，该活性表面层包括波导、光调制器、检测器、CMOS电路、用于通过接口与外部半导体芯片相连接的金属引线等。从该活性表面层传输光信号或向该活性表面层传输光信号引入许多挑战。例如，光纤光缆可附接于SOI光学设备并通过接口与它的表面层上的波导相连接。然而，光缆的一个或多个模(mode)的模场直径(例如，对于单模电缆大约为10微米)与亚微米维度的波导(被分派在SOI设备中路由光信号的任务)的模相比可能具有非常不同的尺寸。因此，直接将光纤光缆与亚微米波导通过接口相连接可能导致低传输效率或高耦合损耗(例如，小于1％的耦合效率)。
在某些光学设备中，镜头用于将来自外部光纤光缆或激光源的光聚焦在波导中，从而收缩模或调整数值孔径以便光信号可被高效地传送到亚微米波导中。然而，使用镜头增加光学设备的成本和复杂度。此外，镜头需要被对准以确保来自载光介质的信号聚焦在波导上。因此，不仅镜头增加了光学系统的成本，而且若镜头未正确地对准则耦合效率会受损。
附图说明
为了可以详细地理解本公开的上述特征，参考实施例可提供本公开的更具体的描述(在上面被简要总结)，实施例中的一些在附图中被示出。然而，注意到的是，附图仅示出了本公开的典型实施例并因此不被视为对本公开的范围的限制，因为本公开可认同其他等同的有效实施例。
图1根据本文公开的一个实施例一般地示出了SOI设备；
图2根据本文公开的一个实施例示出了具有光耦合器的SOI设备；
图3根据本文公开的一个实施例示出了连接于光耦合器的波导的顶视图；
图4A-4C根据本文公开的实施例示出了图3中的结构的横截面视图；
图5根据本文公开的一个实施例示出了具有与光耦合器对准的光纤的光学系统；
图6根据本文公开的一个实施例示出了具有与光耦合器对准的激光的光学系统；
图7A-7D根据本文公开的实施例示出了图5中描绘的各个位置处的光模；
图8根据本文公开的一个实施例示出了具有对准的光源的光学系统；
图9A-9D根据本文公开的一个实施例示出了两个不同光学系统的对准公差；
图10A-10B根据本文公开的实施例示出了具有偏移组件的光耦合器；
图11A-11E根据本文公开的实施例示出了与具有偏移组件的光耦合器相对应的背反射剖面；
图12是根据本文描述的一个实施例的背反射功率的曲线图。
为了有助于理解，在可能的情况下，相同的参考标号已被用于指定附图所共有的相同元件。预期的是，一个实施例中所公开的元件在没有具体叙述的情况下可被有益地用于其他实施例。
具体实施方式
概览
本公开提出的一个实施例是光学设备，该光学设备包括光接口、波导、以及光耦合器，光耦合器耦合于波导并被配置为至少跨光接口来发送和/或接收光信号。光耦合器包括第一部分和第二部分，其中，第一部分包括附接于波导的第一端和与第一端相对并面向光接口的第二端，第二部分沿远离波导且朝向光接口的方向延伸。第二部分包括面向光接口的第三端，并且第二部分通过间隙与第一部分和波导二者分离。此外，第一部分的第二端距光接口偏移第一距离并且第二部分的第三端距光接口偏移第二距离，其中，第一和第二距离相差最多1微米。
本文提出的另一实施例是光学系统，该光学系统包括载光介质和在光接口处与载光介质对准的光学设备。光学设备包括波导和光耦合器。光耦合器包括第一部分和第二部分，其中，第一部分具有附接于波导的第一端和与第一端相对并面向光接口的第二端，第二部分沿远离波导且朝向光接口的方向延伸，其中，整个第二部分通过间隙与第一部分和波导二者分离。此外，载光介质的中心轴线与第一和第二部分之间的区域相交。
本文提出的另一实施例是光学设备，该光学设备包括光接口和在第一端处连接到光学组件的波导。光学设备还包括光耦合器，该光耦合器连接到波导的第二端并被配置为跨光接口来发送和/或接收光信号。光耦合器包括第一部分，该第一部分包括附接于波导的第二端的第三端和与第三端相对并面向光接口的第四端。此外，第一部分的宽度随着第一部分从第三端向第四端延伸而逐渐减小。光耦合器还包括第二部分，该第二部分沿远离波导且朝向光接口的方向延伸，其中，第二部分与第一部分和波导二者分离。
示例实施例
光学设备可包括光耦合器，该光耦合器将外部载光介质(例如，光纤光缆或诸如激光之类的信号生成器)耦合于嵌入在光学设备中的波导。在一个实施例中，从载光介质发出的光信号进入耦合器，该耦合器绝热地转换模以更好地匹配波导的模。使用耦合器相对于直接将载光介质耦合(例如，对接耦合)于波导可提升传输效率。具体地，耦合器可使得载光介质在不使用任何外部镜头的情况下，能够直接将光信号发送到光学设备中或直接从光学设备接收光信号，即使波导是亚微米波导。
在一个实施例中，光耦合器包括远离波导朝面向外部载光介质的光接口延伸的第一部分和第二部分。第一部分附接于硅波导，而第二部分未附接于硅波导。在一个示例中，第一部分的第一端附接于波导，而与第一端相对的第二端面向光接口。第一部分随着它从第一端向第二端延伸可逐渐减小(即，第一部分的宽度减小)。耦合器的第二部分可以与第一部分和波导二者物理地分离(即，不直接相耦合)。在一个实施例中，第一部分的中心轴线和第二部分的中心轴线是平行的，并沿朝向光接口的相同方向延伸。
为了在光从外部载光介质被传输到波导耦合器中时最小化背反射的影响，在一个实施例中，第一和第二部分可从光接口凹进不同的长度。例如，面向光接口的第一部分的端与也面向光接口的第二部分的端相比可以离光接口更近(或更远)。以这种方式偏移第一和第二部分增加了背反射与在光接口处接收的光信号的模之间的差异，从而最小化背反射在外部载光介质(例如，激光)上的影响。
图1根据本文公开的一个实施例一般地示出了绝缘硅(SOI)设备100。SOI设备100包括表面层105、埋藏的绝缘层110(还被称为埋藏的氧化(BOX)层)、以及半导体衬底115。尽管本文的实施例把表面层105和衬底115称为硅，但本公开不被限制于这类材料。例如，其他半导体或光透射材料可用于形成此处示出的结构100。此外，表面层105和衬底115可由相同的材料制成或可由不同的材料制成。
表面层105的厚度可以在从少于100纳米到多于1微米的范围内。更具体地，表面层105的厚度可以在100-300纳米之间。绝缘层110的厚度可根据期望的应用来变化。在一个实施例中，绝缘层110的厚度可以在从少于1微米到数十微米的范围内。衬底115的厚度可根据SOI设备100的具体应用来广泛地变化。例如，衬底115可以是典型的半导体晶片的厚度(例如，100-700微米)或可变薄和/或安装在另一衬底上。
对于光学应用，硅表面层105和绝缘层110(例如，二氧化硅、氮氧化硅等)可提供将硅波导中的光信号限制在表面层105中的对比折射率。在后面的处理步骤中，SOI设备100的表面层105可被蚀刻或图案化以形成一个或多个硅波导。由于硅相比于绝缘体(例如，二氧化硅)具有更高的折射率，因此当光信号跨越表面层105传播时主要保留在波导中。
图2根据本文公开的一个实施例示出了SOI设备200，或更具体地，示出了具有光耦合器225的光学设备。类似于图1中的SOI设备100，SOI设备200包括顶部表面层205、绝缘层110、以及衬底115。然而，表面层205被示出包括已在其中形成的并可用在光学设备中的各种光学组件。例如，表面层205包括具有导电引线210的光调制器215。调制器215可通过在硅层上执行各种制造步骤(例如，蚀刻或掺杂硅材料以及在表面层205中或表面层205上沉积额外的材料)来形成。导电引线210可用于传输控制光调制器215的数据信号。例如，光调制器215可以是包括n-型和p-型掺杂区域的CMOS电容器，该n-型和p-型掺杂区域耦合于用于改变穿过调制器215的光信号的相位的相应导电引线。尽管未被示出，导电引线210可连接于SOI设备200上安装的提供控制调制器215的一个或多个数据信号的集成电路。在另一实施例中，集成电路可以与SOI设备200物理地分离，但经由接合线耦合于导电引线210。
类似于光调制器215，硅波导220可从硅表面层(例如，图1的层105)制造。SOI设备200可使用波导220来将光信号运载到表面层205的不同区域。例如，光调制器215的输入可经由波导220来接收光信号、调制该信号、并沿着耦合于光调制器215的输出的不同波导来传输产生的信号。
除了包括由硅制成的组件之外，表面层205可包括可由其他材料或硅与其他材料的组合制成的其他组件(未示出)(例如，天竺葵(geranium)检测器)。其他材料可使用任意适当的沉积技术来沉积到表面层205中或表面层205上。一旦表面层205被处理以包括期望的组件，组件可被覆盖保护材料230(例如，电绝缘材料)，该保护材料230可用作在SOI设备200上安装额外电路的适当基础。以这种方式，SOI设备200的硅表面层205可使用任意数目的技术来处理，以便形成用于执行诸如光调制、检测、放大、生成光信号等之类的具体应用的设备。
表面层205还包括附接于硅波导220的光耦合器225。如所示出的，光耦合器225的一端耦合于波导220，而另一端接近于SOI设备200的外面或外部表面(在本文被称为光接口)。尽管光耦合器225被示出为暴露在设备200的外表面上，但在其他实施例中，光耦合器225可从外表面轻微地凹进(例如，凹进小于1-5微米)。在一个实施例中，光耦合器225可由与波导220相同的材料制成。例如，耦合器225和波导220二者都可由硅制成。
光耦合器225可被设计为高效地耦合于外部载光介质。如上面解释的，由于若直接连接于外部载光介质则硅波导220的维度可能导致高光损耗，因此载光介质可替代地被耦合于耦合器225，该耦合器225然后将信号传送到硅波导220中。光耦合器225可许可外部载光介质在不添加外部聚焦元件的情况下，直接将光发送到SOI设备200中或从SOI设备200接收光。
图3根据本文公开的一个实施例示出了具有光耦合器225的波导的顶视图。光耦合器225包括第一部分305和第二部分310，这两个部分都远离波导220朝光接口或边界315延伸。由于耦合器225包括朝接口315延伸的两个部分，因此它在本文可被称为双末端(tip)耦合器。
在一个实施例中，第一部分305从波导220延伸以便第一部分305的宽度随着第一部分305接近光接口315而逐渐减小。在一个实施例中，第一部分305与硅波导220是连续的以形成单一结构。第一部分305和波导220可使用相同的处理步骤或一系列处理步骤来形成，或可使用不同的步骤来制成。此外，第一部分305和波导可形成包括相同材料或不同材料的单一结构。不管怎样，在第一部分305耦合于波导的一端处，第一部分305的宽度(W2)比它在面向光接口315的另一端处的宽度(W1)更大。尽管图3示出了第一部分305的两侧逐渐减小，但在另一实施例中，仅第一部分的一侧逐渐减小而另一侧保持与波导220的一侧平行。此外，两侧的剖面可以是线性的(如所示出的)或非线性的——例如，是多个离散阶段、指数的等。
不管两侧的剖面，第一和第二部分305、310的物理维度、以及间隙G1和G2可被选择以确保绝热性。在一个实施例中，宽度W2可以是硅波导220的宽度(例如，在250nm到1微米之间)。更具体地，在一个实施例中，宽度W2是在400nm-500nm之间。在第一部分305的另一端处，宽度W1可以在50nm到200nm之间，并且更具体地，可以在100nm-150nm之间。第一和第二部分305、310的长度L1小于200微米。在一个实施例中，使得长度L1尽可能短是优选的(例如，L1小于100微米)，但仍维持光信号在单模中——即，第一部分的设计是基于绝热性的。在一个示例中，第一部分305的宽度和长度被选择以便逐渐减小的斜率确保光信号的绝热行为——即，当光信号沿第一部分305的长度穿过时，光信号被维持在单模中。
与第一部分305不同，第二部分310未从波导220延伸。更具体地，第二部分310与波导220分离或隔开以便部分310与波导220是不连续的。此外，第二部分310通过间隙(G1和G2)与第一部分305分离。间隙G1和G2的值将基于第一和第二部分305、310的具体设计来变化——例如，值G1和G2将基于L1、W1、W2、W3、以及W4的所选择的值来变化。间隙被宽泛地定义为将第二部分310与第一部分305和波导220相分离的区域。这些组件之间的距离(即，间隙的宽度)将根据具体设计来变化。然而，通常G1的值大于G2的值，这是由于第一部分305和第二部分310的相对的逐渐减小。G1和G2的值可以在0.25微米到2微米的范围内。在一个实施例中，第一和第二部分之间的间隙被填充空气或介电材料(例如，图2中讨论的保护材料230)。
在一个实施例中，光耦合器225仅包括用作将波导220与外部载光介质通过接口相连接的单一波导的第一和第二部分305、310。然而，本文描述的实施例不被限制于此。在其他实施例中，耦合器225中可包括还有助于调整光模以提升耦合效率的其他部分。
在图3中，第二部分310包括轻微的锥形，其中，第二部分310的宽度随着部分310朝光接口315延伸而增加。因此，宽度W3大于宽度W4。然而，这不是要求。第二部分310可设计有倒锥形(即，W4大于W3)或无任何锥形(即，W4等于W3)。通常，宽度W3和W4在50nm到200nm的范围内。例如，宽度W3可以是130nm而宽度W4是100nm。此外，在一个实施例中，宽度W3等于或近似等于(10nm之内)宽度W1。
宽度W1、W2、W3、以及W4可基于用来形成第一和第二部分305、310的处理技术的限制来设定。例如，具体的处理技术可能无法形成宽度小于100nm的第一和第二部分的特征。因此，宽度可被相应地调整。在一个实施例中，宽度W4被选为小于宽度W2——例如，W4是450nm而W2是100nm。这样做可减少从波导220传播到光耦合器225上的信号的背反射。
在一个实施例中，沿朝光接口315的方向延伸的第一部分305和第二部分310的中心轴线实质是平行的并垂直于光接口315——即，第一和第二部分305、310在共同的方向上延伸。这样做将耦合器225与外部载光介质相对准，外部载光介质还与光接口315对准，这在下面被更详细描述。
尽管光耦合器225包括通过间隙被分离的两个部分，这些部分起单一波导的作用。因此，光耦合器225可被近似地描述为波导220的延伸，尽管第二部分310未附接于波导220或第一部分305。
如所示出的，第一和第二部分305、310面向光接口315的端从接口315凹进长度L2。第一和第二部分305、310与光接口315之间的该空间可被填充介电材料(例如，二氧化硅)。尽管该间隔是可选的(即，第一和第二部分305、310可暴露在光接口315处)，该间隔可通过减少空气和光耦合器225的材料之间的折射率的对比来提升光学效率。例如，空气具有大约1的折射率，而硅(第一和第二部分305、310的适用材料)具有大约3.42的折射率。通过在硅光耦合器225和光接口315处的空气之间放置二氧化硅(具有1.44的折射率)，减少了分离不同材料的接口处的折射率中的变化。在一个实施例中，长度L2可以在0-6微米的范围内。
图4A-4C是图3中的结构的横截面视图。具体地，图4A是图3中线A-A处的横截面。此处，横截面包括波导220但不包括光耦合器的任何部分。如所示出的，波导220被布置在绝缘层110和半导体衬底115上。例如，波导220可能已经从布置在绝缘层110上的硅层(例如，图1中示出的硅层105)被蚀刻。此外，额外的介电材料230(可以与绝缘层110的介电材料相同或不同)被示出封装波导220。波导220的宽度W2可以与上面讨论的相同——例如，在250nm到1微米之间。波导220的高度H(例如，厚度)可以在100nm到1微米的范围内。
图4B是取自图3中的B-B处的横截面。由于该横截面视图是在光耦合器225之内，因此该视图包括第一部分305和第二部分310二者。第一部分305的宽度W5可稍小于宽度W2，这是由于光耦合器225朝光接口沿它的长度逐渐减小。相反地，第二部分310的宽度W6稍大于宽度W4，这是由于第二部分310随着它接近光接口而展开(flairs)。
图4C是取自图3中接近第一和第二部分305、310的终端或末端的C-C处的横截面。此处，第一部分305的宽度W7小于图4B中示出的宽度W5，而第二部分310的宽度W8大于图4B中的宽度W6。然而，第一和第二部分305、310的高度在宽度改变时可保持不变，但这不是要求。
图5根据本文公开的一个实施例示出了具有与光耦合器225对准的光纤505的光学系统500。如所示出的，光纤包括用于传播光信号的核心510和包层515。光纤中的光信号的模可以是大约9微米，而波导220中的光信号的模可以小于1微米。为了提升光学效率，系统500包括用于转换光模的形状的光耦合器225。例如，若光信号从光纤505被传输到波导220，则当光信号传播通过光耦合器225时，光模绝热地转化到硅波导220的光模中，从而产生低耦合损耗。当光信号从波导220被传输到光纤515时，反之亦然。
为了将光纤505与光耦合器225对准，系统500可包括用于接收光纤505的凹槽——例如，V型凹槽或U型凹槽。在一个实施例中，包层515可被移除并且核心被放置在凹槽内以便核心510和耦合器225被对准。不管凹槽是否被用于对准组件，光纤505的中心轴线520，或更具体地，核心510的中心轴线520被对准，以便轴线520与光接口315相交的地方是在耦合器225的第一和第二部分305、310的末端之间。因此，当延伸至光耦合器225中时，中心轴线520既不与第一部分305的末端也不与第二部分310的末端相交。此外，在一个实施例中，中心轴线520与第一和第二部分305、310的末端之间的间隙G1的中间相交。如所示出的，光纤505可通过空气间隙与光接口315分离，但这不是要求。此外，替代空气间隙，间隙可被填充介电材料。
图6根据本文公开的一个实施例示出了具有与光耦合器225对准的激光605的光学系统600。此处，激光605与光接口315对准以便将光信号传输到波导220中。通过许多激光605，光模的直径可类似于波导220中的光模的直径。因此，在这些情况下，光耦合器225不需要改变可被设计为适应使用激光605生成的光信号的大数值孔径(NA)的光模的形状。因此，光耦合器225的各种维度(例如，图3中示出的其宽度和长度)在光学系统600中与在光学系统500(耦合器225用于将波导220耦合于光纤)中可以是不同的。这些精确的维度将根据所使用的具体光纤和激光来变化。
类似于在光学系统500中，光学系统600中的光耦合器225与中心轴线615对准，以便轴线615与光接口315垂直并且位于第一部分305和第二部分310的末端之间。在一个实施例中，中心轴线615与第一和第二部分305、310的末端之间的间隙G1的中间相交。在一个实施例中，中心轴线615是用于生成光信号的激光的空腔610的中心。此外，激光615可通过间隙与光接口315分离，但这不是要求。
图7A-7D根据本文公开的实施例示出了图5中的各个位置处的光场。具体地，图7A示出了图5中示出的包括波导220的横截面A-A处的光场。如前面提到的，当信号是在波导220中时光场的直径通常小于一微米。图7B示出了图5中的横截面B-B处的光场的形状。此处，第一部分305的逐渐减小将光信号的一部分强加到第二部分310上。因此，光模开始扩展到包括第二部分310。
图7C示出了图5中示出的接近面向光接口315的耦合器225的端的横截面C-C处的光场。第一和第二部分305、310的结构(例如，宽度、长度、以及相关联的锥形)转换光场，以便光场分布在第一和第二部分305、310的周围。图7D示出了图5中沿光纤505的核心510的横截面D-D处的光场。当按顺序查看图7A-7D时，这些图示出了转换波导220中的光模(图7A)以便它与光纤的光模更紧密地匹配(图7D)。相反地，当将光信号从光纤传输到波导时，光耦合器将光模转换为与在波导220中传播的信号的光模更加类似的形状。
图8根据本文公开的一个实施例示出了具有对准的光源的光学系统800。光学系统800示出光源805(例如，激光)沿对准轴线810与光耦合器225对准。例如，对准轴线810可表示耦合器225和光源805之间最优选的对准——即，耦合效率最高处。若对准轴线在x、y、或z方向被移动，则耦合效率降低。这类未对准的影响在图9A-9D中的图表中被示出。在一个实施例中，y方向的最优对准在来自源805的信号的峰值是在第一和第二部分的两个末端之间时发生。z方向的最优对准在来自源805的信号的峰值与末端的中间对准时发生。尽管理想地在光源805和光学边界315之间不应存在间隙，但这对于某些光学系统是不可能的，并且因此，假设间隙的距离是1.2微米。
图9A-9D根据本文公开的一个实施例示出了两个不同光学系统的对准公差。具体地，图9A-9D中的图表将图8中的光学系统800与包括光耦合器(仅具有第一部分305且不具有第二部分310)的第二光学系统(未示出)相比较。此外，在第二光学系统中，光源805直接与第一部分305对准，以便第一部分305的中心轴线是光源805的中心轴线(或对准轴线810)。
图9A的图表900示出了未对准对第二光学系统的影响。具体地，图表900示出了在z和y方向移动光耦合器或光源以便相应的中心轴线不再在对准轴线上对准的影响。图表900提供了下列两个不同类型的光源的数据：具有0.42NA的光源和具有0.52NA的光源。对于这些源，光学效率以相同的方式降低。也就是说，光学效率以相同的方式降低，而不管偏移是在z方向或y方向。
图9B的图表905示出了未对准对图8中示出的光学系统800的影响。图表905与图表900是类似的，这在于当两个光源在y和z方向从优选对准轴线810移开时，x方向是固定的。此处，不同于在图表900中，与在z方向相比，光学系统800在y方向更容忍未对准。因此，在其他条件等同的情况下，光学系统800相比于第二光学系统将是优选的，这是由于光学系统800在y方向具有更大的未对准公差。此外，当使用0.52NA光源时光学系统800是优选的，这是由于通常在z方向存在较少耦合损耗，即使耦合效率在z方向的降低对于两个光学系统是相似的——即，两个光学系统在z方向具有相同或相似的对准不耐受性。
图9C的图表910还示出了未对准对第二光学系统的影响。具体地，图表910示出了在x方向移动光耦合器或光源以便相应的中心轴线对于两个不同光源不再对准的影响。此外，对于每个光源，z方向的未对准在Δy＝Δz＝0时以及在Δy＝Δz＝0.3微米时是变化的。
图9D的图表915使用图9C的图表910中所使用的相同参数示出了未对准对图8中的光学系统800的影响。如通过比较图表910和915看出的，当使用NA＝0.42源时(对应于具有菱形和正方形的线)，光学系统800在Δy＝Δz＝0时在x方向稍微更不能容忍未对准。此外，当Δy＝Δz＝0.3微米时，光学系统800通常比第二光学系统具有更好的耦合效率。
当使用NA＝0.52源时(对应于具有三角形和X的线)，光学系统800在Δy＝Δz＝0时以及Δy＝Δz＝0.3微米时比第二光学系统在x方向更能容忍未对准。此外，光学系统800比具有NA＝0.52光源的第二光学系统整体上呈现更好的耦合效率。
因此，如图表900、905、910、915所示，具有双末端耦合器的光学系统更能容忍在对准处理期间或在光学系统已被安装之后(例如，冲击力导致光源与光耦合器未对准)可能发生的未对准。此外，这些图表示出了使用双末端耦合器而不是单一、逐渐减小耦合器对于提升与光源的总体耦合效率的优势。
减少背反射
除了较不能容忍未对准之外，图9A-9D提及的第二光学系统在来自光源的光信号在光接口处被引入时经历背反射。该背反射的大部分是由下列事实导致：第一部分的末端直接与激光场的峰值一致——即，第一部分的中心轴线和光源的中心轴线是相同的。注意，起因于光接口自身的到光源的背反射(可能是由于折射率不连续性造成的)可通过根据斯涅尔定律调整光接口的角度来消除，并且这对于光学设计领域熟练技术人员是公知的。然而，起因于第一部分的末端的背反射不能通过调整光接口的角度来消除。光子学中的很多应用要求到激光腔的背反射功率是非常低的，这是由于这些反射可以使激光不稳定，导致功率输出中的模式跳跃或突然改变。因此，当使用第二光学系统时，光隔离器被放置在激光和光耦合器之间以将背反射抑制在激光腔中。然而，这样做使得光学系统更加复杂并增加光学封装的成本。
然而，图8中的光学系统800比第二光学系统可能经历更少背反射。如图8中所示，与对准轴线810相对应的光源805所输出的激光场的峰值不与第一部分305或第二部分310相交。替代地，光源805被对准以便其峰值是在两个部分305、310之间。因此，光学系统800可导致对光源805具有较少影响的背反射(例如，较不可能模式跳跃或较少功率波动)。在某些实施例中，光隔离器可以从系统800省略，这表示相对于使用第二光学系统(其中，隔离器可能是必须的)的实质的成本节约。此外，在一个实施例中，为了进一步减少背反射的有害影响，第一和第二部分305、310可被偏移或交错，这在图10A-10B中被示出。
图10A-10B根据本文公开的实施例示出了具有被布置为减少背反射的有害影响的第一和第二部分的光耦合器。如所示出的，第一和第二部分面向光接口315的末端被交错或偏移。也就是说，替代末端与光接口315是距离相等的，这两个部分中的一个部分比另一部分更靠近光接口315。也就是说，第一和第二部分305、310与光接口315之间的相应距离是不等的。在图10A中的光学系统1000中，第一部分305的末端1005与第二部分310的末端1010相比距光接口315更近，近的长度为L3。在一个实施例中，L3的值小于1微米。在另一实施例中，L3的值小于200nm或小于100nm。
此外，光源805的中心轴线1020(可以是光源805中的激光腔的中心轴线1020)与光耦合器225对准，以便其位于第一部分305的末端1005和第二部分310的末端1010之间。在一个实施例中，中心轴线1020与将两个末端1005、1010分离的间隙G的中间相交。因此，可与中心轴线1020相对应的激光场的峰值不直接位于末端1005或末端1010的前面。
图10B中的光学系统1050类似于图10A，除了第一部分305的末端1005与第二部分310的末端1010相比从光接口315凹进更远。无论哪种方式，通过交错第一和第二部分305、310的末端，相对于使用激光场的峰值与第一部分305对准的光学系统，背反射对光源805的影响可被减轻。
图11A-11E根据本文公开的实施例示出了与第一和第二部分的末端被偏移的光耦合器相对应的背反射场剖面。具体地，图11B-11E示出了当图10A-10B中示出的L3的值被增加时背反射的光场。图11A示出了从光源805被传输到光耦合器225中的原始信号的光场，而图11B-11E示出了与不同的L3值相对应的背反射的光场。
图11B示出了L3＝0微米时——即，如图8中所示出的第一和第二部分的末端未被偏移或交错时背反射的光场。在该情况下，光源处的背反射功率(BRP)是-46.3dBm。相反，若光源与第一部分的中心轴线对准，则BRP可以大于-45dBm(例如，-44.5dBm)。因此，使用第一部分305和第二部分310的末端未被交错的光学系统800相对于将激光场的峰值直接与第一部分305对准减少了BRP。
图11C示出了L3＝0.02微米时背反射的光场。通常，通过增加偏移L3，背反射的场的形状被改变以便其与源805的模不同。光模中的差异越大，则光源处的BRP越小并且背反射对光源的影响越小。因此，由于图11B和11C中的光模之间的变化，BRP被进一步减少到-48.59dBm。
图11D示出了L3＝0.04微米时背反射的光场。由于背反射的光模以及源的模的形状中的差异增加，光源处的BRP被进一步减少到-53.04dBm。因此，对于至少要求BRP小于-50dBm的光源，使用L3-0.04微米表示光隔离器可被省略。换句话说，具有L3＝0.04微米的光学系统将不需要在光源和光接口之间包括光隔离器以确保BRP小于-50dBm。
图11E示出了L3＝0.06微米时背反射的光场。利用该值，BRP被进一步减少到-56.88dBm。为了获得图11B-11E中示出的仿真结果，光学系统的值是其中W1＝180nm、W2＝450nm、W3＝180nm、W4＝130nm、L1＝43.2微米、G1大约是0.6+/-.1微米、以及L2＝1微米。
图12根据本文描述的一个实施例示出了基于偏移L3的BRP的曲线图1200。曲线图1200示出了在0-0.3微米之间变化图10A中示出的双末端耦合器225中的偏移L3。具体地，曲线图1200示出了在0.06-0.07微米附近获得BRP的最大衰减——这与图11E中示出的光模相对应。若使用图10B中示出的耦合器225(即，其中第二部分的末端与第一部分的末端相比更靠近光接口)，则与该曲线图1200中示出的响应相类似的响应是预期的。为了便于比较，曲线图1200还包括当使用单一逐渐减小耦合器(即，仅包括第一部分的上述光耦合器)时所测量的BRP。注意，用于衍生曲线图1200的光耦合器的维度与用于模拟图11B-11E中示出的光模的维度是相同的。
在前面，参考了本公开提出的实施例。然而，本公开的范围不被限制于具体描述的实施例。替代地，无论是否与不同的实施例有关，所描述的特征和要素的任意组合预期实现和实施预期的实施例。此外，尽管本文公开的实施例相比于其他可能的解决方案或相比于现有技术可实现优势，但具体优势是否被给定的实施例实现不限制本公开的范围。因此，前面的方面、特征、实施例以及优势仅是示意性的并且不被视为所附权利要求的要素或限制，除非在(一项或多项)权利要求中被明确地叙述。
附图中的流程图和框图示出了系统或方法的可能的实现方式的架构、功能以及操作。还应注意的是，在某些替代实施例中，方框中标注的功能可以以图中标注的顺序之外的顺序发生。例如，实际上，被连续示出的两个方框可实质上被同时执行，或方框有时可以以相反的顺序被执行，这取决于所涉及的功能。
鉴于以上所述，本公开的范围由下列权利要求确定。

Claims (15)

1.一种光学设备，包括：
光接口；
波导；以及
光耦合器，所述光耦合器耦合于所述波导并被配置为执行下列项中的至少一项：跨所述光接口来发送和接收光信号，所述光耦合器包括：
第一部分，所述第一部分包括附接于所述波导的第一端和与所述第一端相对并面向所述光接口的第二端；以及
第二部分，所述第二部分沿远离所述波导且朝向所述光接口的方向延伸，所述第二部分包括面向所述光接口的第三端，并且其中，所述第二部分的整体通过间隙与所述第一部分和所述波导二者分离；
其中，所述第一部分的第二端距所述光接口偏移第一距离并且所述第二部分的第三端距所述光接口偏移第二非零距离，其中，所述第一距离和所述第二非零距离是不等的，并且其中，所述第一距离和所述第二非零距离相差最多1微米。
2.如权利要求1所述的光学设备，其中，所述第一部分的宽度随着所述第一部分从所述第一端向所述第二端延伸而逐渐减小。
3.如权利要求1所述的光学设备，其中，所述第一距离和所述第二非零距离是在0微米到6微米的范围内。
4.如权利要求1所述的光学设备，其中，所述波导包括第四端和第五端，其中，所述第四端连接于所述光学设备中的光学组件并且所述第五端连接于所述光耦合器的第一部分。
5.如权利要求1所述的光学设备，其中，所述间隙被填充介电材料。
6.如权利要求1所述的光学设备，其中，所述第二部分包括与所述第三端相对的第四端，其中，所述第二部分随着所述第二部分从所述第三端向所述第四端延伸而逐渐减小。
7.如权利要求1所述的光学设备，其中，所述第一部分和所述第二部分沿朝向所述光接口的共同方向延伸。
8.一种光学系统，包括：
载光介质；以及
在光接口处与所述载光介质对准的光学设备，所述光学设备包括：
波导；以及
光耦合器，所述光耦合器包括：
第一部分，所述第一部分包括附接于所述波导的第一端和与所述第一端相对并面向所述光接口的第二端；以及
第二部分，所述第二部分沿远离所述波导且朝向所述光接口的方向延伸，其中，整个第二部分通过间隙与所述第一部分和所述波导二者分离；
其中，所述第二部分包括面向所述光接口的第三端，所述第一部分的第二端距所述光接口偏移第一距离并且所述第二部分的第三端距所述光接口偏移第二非零距离，其中，所述第一距离和所述第二非零距离是不等的，并且其中，所述第一距离和所述第二非零距离相差最多1微米；并且
其中，所述载光介质的中心轴线与所述第一部分和所述第二部分之间的区域相交。
9.如权利要求8所述的光学系统，其中，所述载光介质是光纤的核心和激光的空腔中的一项。
10.如权利要求8所述的光学系统，其中，所述载光介质和光学设备是对准的，以便从所述载光介质被传输到所述光耦合器的光信号的峰值入射到所述第一部分和所述第二部分之间的区域上。
11.如权利要求10所述的光学系统，其中，所述区域是直接在所述第一部分和所述第二部分面向所述光接口的相应末端之间。
12.一种光学设备，包括：
光接口；
波导，所述波导在第一端处连接于光学组件；以及
光耦合器，所述光耦合器连接于所述波导的第二端并被配置为执行下列项中的至少一项：跨所述光接口来发送和接收光信号，所述光耦合器包括：
第一部分，所述第一部分包括附接于所述波导的第二端的第三端和与所述第三端相对并面向所述光接口的第四端，其中，所述第一部分的宽度随着所述第一部分从所述第三端向所述第四端延伸而逐渐减小；以及
第二部分，所述第二部分沿远离所述波导且朝向所述光接口的方向延伸，其中，所述第二部分的整体与所述第一部分和所述波导二者分离；
其中，所述第二部分包括面向所述光接口的第五端，其中，所述第一部分的所述第四端距所述光接口偏移第一距离并且所述第二部分的所述第五端距所述光接口偏移第二非零距离，其中，所述第一距离和所述第二非零距离是不等的，并且其中，所述第一距离和所述第二非零距离相差最多1微米。
13.如权利要求12所述的光学设备，其中，所述第一部分和所述第二部分沿朝向所述光接口的共同方向延伸。
14.如权利要求12所述的光学设备，其中，所述第二部分包括面向所述光接口的第五端和与所述第五端相对的第六端，其中，所述第二部分随着所述第二部分从所述第五端向所述第六端延伸而逐渐减小。
15.如权利要求12所述的光学设备，其中，所述光耦合器和所述波导的材料包括硅。
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