CN107076931A - 用于soi芯片‑光纤耦合的堆叠式光子芯片耦合器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种通过接合的光子芯片(104)耦合器构建的用于绝缘体上硅(SOI)芯片‑光纤(106)耦合的光耦合器。用于将光子芯片(104)耦合至光纤(106)的光耦合器包括：光子芯片(104)，该光子芯片包括纳米级光子波导(106)、光子光学衍射表面光栅(122)以及覆盖光子波导(106)和光子光栅(122)的第一覆层(120)；以及光耦合芯片(102)，该光耦合芯片包括嵌入在第一耦合覆层(114)中且嵌在第二耦合覆层(110)上的微米级耦合波导和耦合光学衍射表面光栅(112)，其中，第一耦合覆层(114)连接至第一覆层(120)，其中，光耦合芯片(102)被构造成对在光子芯片(104)与光纤(106)之间传输的光进行耦合。

Description

用于SOI芯片-光纤耦合的堆叠式光子芯片耦合器
本申请要求于2014年10月15日提交的题目为“Stacked Photonic Chip Couplerfor SOI Chip-Fiber Coupling(用于SOI芯片-光纤耦合的堆叠式光子芯片耦合器)”的第14/515,211号美国非临时申请的权益，该美国非临时申请通过引用并入本文中。
技术领域
本发明涉及光传输系统，并且在特定实施方式中，涉及用于光子芯片与光纤耦合的系统和设备。
背景技术
边缘耦合是用于实现光纤与光子芯片耦合的常规方法，这是因为边缘耦合可以在大范围的波长内工作并且其与用于较大的光子芯片的成熟封装技术例如硅上氧化硅(silica-on-silicon)技术相兼容。然而，常规的边缘耦合导致大的光损耗(例如，光纤至SOI芯片)，这显著地影响了光子芯片的效率。这样的光损耗通常归因于光纤与绝缘体上硅(silicon-on-insulator，SOI)波导模式之间的大的失配(例如，10微米相对于0.5微米)以及归因于由高折射率衬底造成的光泄漏。
发明内容
根据实施方式，一种用于将光子芯片耦合至光纤的光耦合器包括：光子芯片，所述光子芯片包括纳米级光波导、与芯片处于相同平面中的光学衍射光栅以及覆盖波导和衍射光栅的第一覆层；以及光耦合芯片，所述光耦合芯片包括嵌入在第一耦合覆层中且嵌在第二耦合覆层上的微米量级耦合波导和耦合衍射光栅，其中，光耦合芯片的第一覆层连接至光子芯片的第一覆层，其中，光耦合芯片被构造成对在光子芯片与光纤之间传输的光进行耦合。
根据实施方式，一种被构造用于光数据处理的光网络部件包括：控制器；以及光子集成电路，例如光收发器和光交换路由器。其中，光信号单元的输入/输出(I/O)包括：光子芯片，该光子芯片包括纳米量级波导、与芯片处于相同平面中的光学衍射光栅以及覆盖光子波导和光子光栅的第一覆层；以及光耦合芯片，所述光耦合芯片包括嵌入在第一耦合覆层中且嵌在第二耦合覆层上的耦合波导和耦合光栅，其中，第一耦合覆层连接至第一光子覆层，其中，光耦合芯片被构造成对在光子芯片与光纤之间传输的光进行耦合。
根据实施方式，一种制造用于绝缘体上硅(SOI)芯片-光纤耦合的光子芯片耦合器的方法包括：制造氧化硅芯片，所述氧化硅芯片包括第一覆层、氧化硅波导、氧化硅光栅和第二覆层；制造光子集成电路(photonic integrated circuit，PIC)例如硅光子芯片，其中，PIC包括由顶部覆层覆盖的纳米级硅波导和表面光栅；以及将氧化硅芯片的第一覆层连接至PIC的顶部覆层，以生成光子芯片耦合器。
附图说明
为了更透彻地理解本发明及其优点，现在参考以下结合附图进行的描述，在附图中：
图1是实施方式的光纤与光子芯片耦合系统的横截面图的示意图；
图2是实施方式的芯片耦合器的顶视立体图的示意图；
图3是实施方式的芯片耦合器的三维立体图的示意图；
图4是实施方式的芯片耦合器的顶视图的示意图；
图5是示出实施方式的用于制造芯片-光纤耦合器的方法的示意图；
图6是示出实施方式的用于制造芯片-光纤耦合器的方法的流程图；以及
图7是实施方式的光数据路由器的框图。
具体实施方式
下文详细讨论当前优选实施方式的实施和使用。然而，应当理解，本发明提供了可以在各种特定情境中实施的许多适用性发明构思。所讨论的具体实施方式仅仅例示了用于实施和使用本发明的特定方式，并不限制本发明的范围。
硅纳米光子电路由于其基于SOI平台的高折射率对比而呈现出高的紧凑性以及高的功能集成水平。硅纳米光子电路的波导横截面在亚微米量级范围内。为了实现数据光传输网络内的硅芯片，这样的电路必须与通常具有10微米模场直径(mode field dimension，MFD)的光纤(或其他光传输装置)连接。硅波导与光纤之间的这样的失配导致在界面处存在显著的损耗。这是影响光传输效率的主要障碍。已经研究了各种方案来提高耦合比，但是耦合技术仍然存在着挑战。
使耦合损耗最小化是合适的耦合结构要克服的第一障碍。这可以通过使两种模式之间的重叠积分(overlap integral)最大化来实现。换言之，在一种实施方式中，该耦合结构应当使大的光纤模式与小的硅波导模式相适应，使得具有低插入损耗和大的对准容差。除了该性能之外，对耦合结构的选择也可以将多个功能集成至该结构中。成本考虑同样是重要的。因此，还应当考虑晶片级可测试能力、封装需求、光纤装配以及热处理方法。
芯片边缘耦合是用于实现光纤与芯片耦合的良好结构并且与低成本的成熟光纤装置封装技术相兼容。然而，这种耦合受微米级(也称为微米量级)光纤模式与硅芯片中的纳米级(也称为纳米量级)波导之间的失配的影响。通常需要来自波导侧或来自光纤侧的模式转换器。传统的模式转换器通常通过例如锥形波导、覆盖层波导或其他技术实现在硅芯片上。所有这些方案将所有的耦合需求设置在同一芯片上，这增加了制造工艺的一些冲突。例如，覆盖模式转换器需要对芯片加工表面进行后处理，以用于另外的层沉积和波导限定，这是不容易实现的，特别是对于在表面上具有大量电焊盘的有源芯片而言是不容易实现的。进一步地，为了实现对芯片的后处理，制造能力常常受限。
本文中所公开的是一种边缘耦合器设计，该边缘耦合器设计使得能够实现单独制造的基于硅上氧化硅技术的二氧化硅波导芯片(在下文中称为氧化硅芯片)，二氧化硅波导芯片可以被倒置并且接合到基于绝缘体上硅技术的硅波导芯片(在下文中称为硅芯片)上。氧化硅芯片和硅芯片二者均可以实施有被设计成实现光从一个芯片传递至另一芯片的表面光栅耦合器。在各种实施方式中，氧化硅芯片可以包括硅衬底，其中，波导由SiO2、Si3N4、SiON中之一制造。在一种实施方式中，因为以上材料的折射率全部低于Si的折射率，所以波导光模式将会比硅波导的光模式更大。较大的光模式带来与光纤的较少的耦合损耗。在一些实施方式中，硅芯片可以包括其他材料：Si、Si3N4、SiON、InP(磷化铟)、GaInAs(镓铟砷)或GaInAsP(镓铟砷磷)。在一种实施方式中，硅芯片波导是纳米量级结构，而氧化硅波导是微米量级结构。因此，来自SOI波导的光通过光栅耦合器被耦合至氧化硅波导中，并且在与光纤具有相似的折射率和模式尺寸的微米量级氧化硅波导中传播。在一种实施方式中，与常规的芯片-光纤耦合机制相比，与光纤和波导之间的模式失配和反射相关联的损耗显著地减少。在一种实施方式中，可以使用多个波导结构和多个光栅结构来实现与光纤阵列的多通道耦合。
在一种实施方式中，氧化硅芯片被单独制造，从而使得除了耦合功能之外还能够在氧化硅芯片上包括另外的功能。例如，可以在氧化硅芯片上集成各种波分装置。可以使用本领域普通技术人员公知的传统且成熟的V形槽封装技术来将该集成装置的端波导与光纤连接。本公开内容的实施方式提供光纤与氧化硅芯片之间的模式匹配，并且因此增强了耦合效率。本公开内容的实施方式提供了硅芯片与光纤之间的水平耦合方向，这有助于使用例如低成本V形槽技术实现紧凑尺寸的最终产品封装。另外，分开制造硅芯片和氧化硅芯片可以实现硅芯片和氧化硅芯片的设计的灵活性。
已经提出了各种方案来开发用于硅光子装置的光模式大小转换器。更受欢迎的常规结构中之一是覆盖有低折射率SiO2层的硅(Si)倒置纳米锥形波导。在该结构中，大模式光实际上是在锥形波导的尖端的端部处的覆层自由空间中传播，并且模式功率的一部分可以泄漏至具有3.47的高折射率的硅衬底中。因此，该常规结构具有高的耦合损耗，甚至通过使用锥形光纤连接，耦合损耗仍然显著。
另一受欢迎的常规结构是在锥形波导顶部上的覆盖层，其增强对模式大小的约束以及增大与光纤模式的重叠。然而，该传统方案对SOI平台引入了另一顶部沉积。因此，这对在芯片表面上具有大量的电连接和接触垫的有源电子装置带来了一些困难。
又一受欢迎的耦合技术是通过表面光栅耦合器与光纤直立地耦合的波导。该方法通常具有较大的对准容差。然而，直立的光纤给芯片封装带来了困难并且增大了总体封装的大小。
所公开的接合两种芯片的耦合器的实施方式借助于倒置的氧化硅光栅耦合器将直立的光栅模式转换成水平传播。这允许两个光栅耦合器之间存在大的对准容差并且提供了对成熟且公知的V形槽封装技术的兼容性。通过控制SiO2波导尺寸，耦合器可以被设计成使得波导模式与光纤模式之间的耦合比基本上最大化。另外，由于倒置的氧化硅芯片与硅芯片是分开制造的，所以可以对倒置的氧化硅芯片引入多个功能。
实施方式的所公开的接合两种芯片的耦合器提供了将具有纳米级波导的芯片与基于氧化硅玻璃平台的具有常规微米级波导的芯片进行组合的模式转换器。使用SiO2波导作为耦合端，因为两端具有相似的折射率，所以不仅使得模式重叠基本上最大化，而且还减少了从光纤至波导的回反射损耗。
在一种实施方式中，倒置的氧化硅芯片将来自硅光栅的光的方向改变成在SiO2波导中水平传播。然后，增大的模式能够使用常规的V形槽技术进行光纤对接耦合来进行耦合。实施方式的所公开的两种芯片耦合器还实现了硅芯片和氧化硅芯片的设计的灵活性。所接合的氧化硅芯片不仅用作至外部光纤连接的模式匹配耦合器而且还提供用于在氧化硅平台中集成更多功能的平台。这样的功能的示例包括集成在SOI装置上的功率分配功能、波长过滤功能和波分功能。在一种实施方式中，多波导设计实现了与光纤阵列的多通道耦合。
本文中公开了用于将硅光子芯片(也称为光学芯片、硅芯片和SOI芯片)耦合至光纤的系统和设备。在一种实施方式中，将氧化硅波导芯片接合至硅光子芯片，使得氧化硅芯片中的氧化硅波导和光栅与硅光子芯片中的硅波导和光栅彼此面对，从而使得在氧化硅芯片与硅芯片之间发生信号的光耦合。氧化硅芯片被构造成将来自硅芯片的光信号耦合至光波导或光纤。实施方式的系统和设备提供了光纤与硅光子芯片上的波导之间的模式失配减少。另外，实施方式提供了增大的耦合效率以及较低的光子装置插入损耗。在一种实施方式中，来自光子芯片中的硅波导的光功率被传送至氧化硅芯片中的较大氧化硅波导。氧化硅波导的尺寸与光纤模式几何形状匹配，从而显著地提高了耦合效率。另外，实施方式的所公开的系统和设备保持了常规的光学芯片封装技术例如槽封装技术的边缘耦合优点。
在一种实施方式中，用于将光子芯片耦合至光纤的光耦合器包括光子芯片和光耦合芯片。光子芯片包括光子波导、光子光栅以及覆盖光子波导和光子光栅的第一光子覆层。光耦合芯片包括第一耦合覆层与第二耦合覆层之间的耦合波导和耦合光栅，其中，第一耦合覆层接合至第一光子覆层，其中，两个芯片中的第一光子覆层与第一光学覆层具有相同的折射率并且光耦合芯片被构造为用于对在光子芯片与光纤之间传输的光进行耦合的桥梁。
在一种实施方式中，公开了被构造用于传输、接收和交换光信号的网络部件。网络部件包括：输入/输出(I/O)部件，该输入/输出部件用于接收信号以及将信号传输至其他网络部件；以及光处理单元，该光处理单元耦合至I/O部件。其中，光处理单元包括：光子芯片，该光子芯片包括纳米级光子波导、与光子芯片处于相同平面中的光子光学衍射表面光栅以及覆盖纳米级光子波导和光子光学衍射表面光栅的第一覆层；以及光耦合芯片，该光耦合芯片包括嵌入在第一耦合覆层中且嵌在第二耦合覆层上的微米级耦合波导和耦合光学衍射表面光栅，其中，第一耦合覆层接合至第一覆层，其中，光耦合芯片被构造成对在光子芯片与光纤之间传输的光进行耦合。
图1是实施方式的光纤与光子芯片耦合系统100的横截面图的示意图。系统100包括光子芯片104、氧化硅芯片102和光波导106。在一种实施方式中，光波导106是光纤并且包括由透明覆层132包围的透明芯130，其中，透明覆层132的折射率低于透明芯130的折射率。在一种实施方式中，透明芯包括氧化硅。光子芯片104包括衬底124、硅波导和光栅122以及顶部覆层120。氧化硅芯片102包括衬底150、夹在下部覆盖层110与顶部覆盖层114之间的氧化硅波导和光栅112，其中，下部覆盖层110和顶部覆盖层114的折射率低于氧化硅波导层112。在一种实施方式中，衬底150是硅。氧化硅芯片102的顶部覆盖层114接合至光子芯片104的顶部覆盖层120。在一种实施方式中，氧化硅波导芯片102的覆盖层114与硅波导芯片104的覆盖层120具有相同的折射率。在一种实施方式中，氧化硅芯片102的覆盖层114可以包括防反射涂层，使得在接合之后防反射涂层处于光子芯片104的顶部覆盖层120与氧化硅芯片102的顶部覆盖层114之间。
在一种实施方式中，氧化硅芯片102中的氧化硅波导比光子芯片104中的硅波导大。在一种实施方式中，氧化硅芯片102中的氧化硅波导被构造成与光波导106的波导130中的光模式的几何特性基本上匹配。在一种实施方式中，氧化硅芯片102中的氧化硅波导比光子芯片104中的硅波导大一定数量级。在一种实施方式中，光子芯片104中的波导的横截面通常为约500纳米(nm)并且氧化硅芯片102中的氧化硅波导的横截面通常为约3微米至10微米。在一种实施方式中，氧化硅芯片102中的氧化硅波导的尺寸与光波导106的光纤模式几何形状基本上匹配。在一种实施方式中，光子芯片104中的波导具有约450纳米(nm)乘约220纳米的横截面。在一种实施方式中，氧化硅芯片102中的氧化硅波导具有约5微米乘约5微米的横截面，与光波导106的耦合损耗小于约0.5dB。在一种实施方式中，光波导具有约125微米的外径以及具有直径为约10微米至11微米的芯130。
在一种实施方式中，光如箭头140所示经过光子芯片104、氧化硅芯片102和光波导106。在另一实施方式中，光沿与箭头140所示方向相反的方向经过光子芯片104、氧化硅芯片102和光波导106。当光从光子芯片104被传输至光波导106时，来自光子芯片104中的硅波导的光功率被传送至氧化硅芯片102中的较大氧化硅波导。当从光波导106接收光时，来自氧化硅芯片102中的氧化硅波导的光功率被传送至光子芯片104中的较小硅波导。在一种实施方式中，氧化硅芯片102提高了光子芯片104与光波导106之间的耦合效率。在各种实施方式中，氧化硅芯片102中的氧化硅光栅被构造成耦合使用任何入射角的来自光子芯片104中的光栅的光。在一种实施方式中，氧化硅芯片102中的光栅在氧化硅芯片102的覆盖层110与衬底150之间利用分布式布拉格反射器(distributed Bragg reflector，DBR)辅助的波导光栅耦合结构。在一种实施方式中，硅芯片104中的光栅在硅芯片104的覆盖层120与衬底124之间利用分布式布拉格反射器(DBR)辅助的波导光栅耦合结构。在一种实施方式中，氧化硅芯片102中的光栅和光子芯片104中的光栅包括用于构建阵列耦合器的多个光栅。在一种实施方式中，氧化硅芯片102和/或光子芯片104包括用于将光分成两个或更多个方向的功率分配器。在一种实施方式中，氧化硅芯片102和/或光子芯片104包括用于对来自两个或更多个方向或者来自两个或更多个不同的源的光进行合并的功率合并器(或合并器)。
在一种实施方式中，光纤与光子芯片耦合系统100是波长依赖型的并且与常规的光学芯片封装技术相兼容。在一种实施方式中，与常规方案相比，光纤与光子芯片耦合系统100基本上降低了光子学装置插入损耗。
在一种实施方式中，光子芯片104是硅芯片、InP芯片、GaInAs芯片或GaInAsP芯片中之一。在一种实施方式中，光子芯片104中的波导是硅波导、InP波导、GaInAs波导或GaInAsP波导中之一。在一些实施方式中，光子芯片104中的波导和光栅由下述中之一制造：Si(硅)、InP(磷化铟)、GaInAs、GaInAsP、SiON(氮氧化硅)和Si3N4(氮化硅)。
在一种实施方式中，氧化硅是其中x为变量的富硅氧化物(SiOx)。在一种实施方式中，SiOx具有可从二氧化硅调节的折射率。SiOx可以用于波导芯或覆层，以实现波导与光纤的合适耦合。在一种实施方式中，氧化硅芯片102中的氧化硅波导和光栅112是SiO2、Si3N4或SiON中之一。
在一种实施方式中，光波导106是多模光纤。在一种实施方式中，光波导106是单模光纤。在一种实施方式中，光波导106是塑料光纤。在一种实施方式中，光波导106是柔性光纤。
图2是实施方式的芯片耦合器200的顶视立体图的示意图。图3是实施方式的芯片耦合器200的三维立体图的示意图。芯片耦合器200包括氧化硅芯片203和硅芯片201。氧化硅芯片203包括衬底216以及包围氧化硅波导212和光栅210的顶部覆层208。硅芯片201包括衬底214以及包围硅波导204和硅光栅206的顶部覆层。氧化硅波导212耦合至光纤220，光纤220包括内部导光芯224和外部覆盖层222。氧化硅芯片203的顶部覆层208接合至硅芯片201的顶部覆层202。氧化硅波导212比硅波导204大。氧化硅波导212与光纤220的几何形状基本上匹配。
图4是实施方式的芯片耦合器400的顶视图的示意图。芯片耦合器400包括接合至硅芯片402的氧化硅芯片410。硅芯片包括多个硅波导404和多个硅光栅406。氧化硅芯片410包括多个氧化硅波导412和多个氧化硅光栅414。硅光栅406和氧化硅光栅414将光功率从硅芯片402耦合至氧化硅芯片410/将光功率从氧化硅芯片410耦合至硅芯片402。在一种实施方式中，氧化硅芯片410包括其他功能单元416。在一种实施方式中，其他功能单元416包括光信号处理部件。其他功能单元416可以包括波导分配器、波导合并器、弯曲波导、光路转换器以及波长过滤装置和波分装置。针对波长过滤器和波分装置或者波导分配器/合并器的光学结构的示例包括阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Grating，AWG)、马赫增德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer，MZI)、环形谐振器、布拉格光栅、多模干涉(multimodeinterference，MMI)耦合器、定向耦合器以及Y形光分路器。在一种实施方式中，MMI、定向耦合器、Y形光分路器波导可以用作光功率分配和/或合并部件。在一种实施方式中，可以使用弯曲波导将氧化硅芯片上的光路方向改变至光纤。在一种实施方式中，多个其他功能单元416中的每个功能单元与其他功能单元416中的其他功能单元可以不同。在其他实施方式中，其他功能单元416中的一个或更多个功能单元可以是相同的。氧化硅芯片410耦合至包括多个光纤的光纤阵列耦合器418。
图5是示出实施方式的用于制造芯片-光纤耦合器的方法500的示意图。方法500包括制造氧化硅芯片502和硅芯片504。将倒置的氧化硅芯片506连接至硅芯片504，以生成接合的氧化硅-硅芯片508。在一种实施方式中，连接包括将倒置的氧化硅芯片506和硅芯片504以面对面的方式进行堆叠或结合。在一种实施方式中，各芯片通过接合进行连接，其中，接合倒置的氧化硅芯片506和硅芯片504包括通过(有机的或无机的)折射率匹配胶将倒置的氧化硅芯片506与硅芯片504胶合在一起。在一种实施方式中，接合倒置的氧化硅芯片506和硅芯片504包括通过使用精细且平滑表面进行分子力接合来将倒置的氧化硅芯片506附接至硅芯片504。在一种实施方式中，倒置的氧化硅芯片506接合至硅芯片504之间的界面不具有明显的光学界面。特别地，氧化硅芯片502的顶部覆层接合至硅芯片504的顶部覆层。在一种实施方式中，氧化硅芯片502的顶部覆层和硅芯片504的顶部覆层具有基本相同的折射率。然而，本领域普通技术人员要理解的是，氧化硅芯片502和硅芯片504具有基本相同的折射率不是必要的。在一种实施方式中，理想的情形是将氧化硅芯片502耦合至硅芯片504使得在氧化硅芯片502与硅芯片504之间不存在光学界面。这意味着两个覆层(硅芯片和氧化硅芯片)的折射率是基本相同的。这实现了简化的光学设计和制造。然而，在一种实施方式中，如果两个覆层之间折射率是不同的，则两个光栅设计可以被修改以使得光以合适的角度耦合至第二光栅中。因此，在本实施方式中，可以接受两个光栅之间的光学界面。氧化硅芯片502被制造成包括底部覆层、氧化硅波导和氧化硅光栅以及顶部覆层。硅芯片504包括硅波导、硅光栅以及包围硅波导和硅光栅的顶部覆层。倒置的氧化硅芯片506接合至硅芯片504使得所得到的接合的氧化硅-硅芯片508被构造成经由各芯片504、506中的光栅将来自硅芯片504的光耦合至倒置的氧化硅芯片506。氧化硅芯片506还被构造成光学地耦合至光波导510例如光纤。
图6是示出实施方式的用于制造芯片-光纤耦合器的方法600的流程图。方法600开始于块602，在块602处，制造具有波导、光栅和顶部覆层的硅芯片。在块604处，制造氧化硅芯片，其中，氧化硅芯片包括氧化硅波导、氧化硅光栅、顶部(或第一)覆层以及底部(或第二)覆层。在块606处，将氧化硅芯片倒置并且将氧化硅芯片的顶部覆层接合至硅芯片的顶部覆层，使得每个芯片的光栅被构造成耦合两个芯片之间的光。
以下参考文献与本申请的主题有关。以引用的方式，这些参考文献的全部内容被并入本文中：
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图7是实施方式的光数据交换路由器700(在下文中，也称为光数据路由器、光路由器或路由器)的框图。光数据路由器700可以用于实施本文中所公开的装置和方法。具体装置可以利用所示出的所有部件或者仅利用部件的子集并且集成水平会随装置不同而变化。另外，装置可以包括部件的多个实例。路由器700包括一个或更多个分离器704、输入接口706、交换单元708、输出接口710、控制器712以及一个或更多个合并器714。每个分离器704被构造成对通过通信链路702传送的输入光信号703进行分离。分离器704可以包括例如波分解复用器。在贯穿本文进行使用时，短语“波分复用器”和“波分解复用器”可以包括能够处理波分复用信号和/或密集波分复用信号的任何光和/或电部件，包括任何硬件、软件和/或固件。在一种实施方式中，输入接口706、交换单元708和/或输出接口710或者其他PIC装置可以包括光耦合器例如光纤与光子芯片耦合系统100。路由器700可以包括未被示出的另外元件。
通信链路702可以包括例如标准单模光纤(standard single mode fiber，SMF)、色散位移光纤(dispersion-shifted fiber，DSF)、非零色散位移光纤(non-zerodispersion-shifted fiber，NZDSF)、色散补偿光纤(dispersion compensating fiber，DCF)或者另外的光纤类型或光纤类型的组合。在一些实施方式中，通信链路702被构造成将路由器700耦合至其他光和/或电光部件。例如，链路702可以将路由器700耦合至能够操作成终止、交换、路由、处理和/或提供对通信链路702或另一通信链路或通信装置的访问以及/或者来自通信链路702或另一通信链路或通信装置的访问的交叉连接装置或另外的装置。当贯穿本文进行使用时，术语“耦合(couple)”和/或“耦合的(coupled)”是指两个或更多个元件之间的任何直接或间接的连通，而不考虑这些元件是否物理上彼此连接。在一些实施方式中，通信链路702可以包括点对点通信链路或较大的通信网络例如环形网络、网状网络、星形网络或其他网络构造的一部分。
光信号703可以包括多波长光信号。例如，光信号703可以包括至少5个波长信道、至少100个波长信道或者至少250个波长信道。在一个特定实施方式中，光信号703包括在100纳米(nm)光谱窗口内具有50千兆赫(GHz)间距的250个波长。在该示例中，100nm的光谱窗口可以位于与光纤相关联的1400nm至1650nm的低损耗窗口内。在各种实施方式中，光信号703可以实施一种或更多种数据格式例如偏振移位键控(polarization shift keying，PLSK)、脉冲位置调制(pulse position modulation，PPM)、多协议标签交换(Multi-Protocol Label Swapping，MPLS)、通用多协议标签交换(Generalized Multi-ProtocolLabel Swapping，GMPLS)、不归零(non-return to zero，NRZ)、归零(return to zero，RZ)、差分相移键控(differential phase shift key，DPSK)或者这些或其他格式类型的组合。
在一种实施方式中，分离器704被构造或操作成将光信号703分离成光纤的个体波长信道705并且将光纤的每个波长信道705耦合至输入接口706。在可替选实施方式中，分离器704可以将光信号703分离成单独的多波长信道并且将这些多波长信道耦合至输入接口706。波长信道705可以包括例如网络协议(IP)包、语音数据、视频数据或任何其他数据类型和/或数据格式。在该特定实施方式中，每个波长信道705实施如下帧格式，该帧格式包括一个或更多个帧位、在包数据之前的第一包标签以及在包数据之后的第二包标签。用包标签来包围包数据有利于使得在与每个波长信道705相关联的目的地处实现相对简单的错误检查，然而，这种格式不是必需的。在本示例中，每个波长信道705在第一包标签和第二包标签内实施通用多协议标签交换(Generalized Multi-Protocol Label Swapping，GMPLS)路由协议。虽然本示例实施了GMPLS路由协议，但是在不脱离本公开内容的范围的情况下，也可以使用其他路由协议或数据格式。
在一种实施方式中，输入接口706被构造成接收和处理与光信号703相关联的每个波长信道705。输入接口706可以包括能够处理、转换、复制、更新和/或交换与每个波长信道705相关联的一个或更多个包标签的任何光和/或电部件，包括任何硬件、软件和/或固件。在各种实施方式中，输入接口706可以针对与每个波长信道705相关联的包数据来确定所期望的路由并且可以使用全光标签交换技术来更新第一包标签和/或第二包标签。短语“全光”是指基本不进行光电转换或电光转换地来执行所期望的功能。“全光”功能不禁止用于供致力于装置的整体功能的控制电路使用的光电转换或电光转换。例如，输入接口706可以包括接收包标签的电表示并且生成用于调制关于光信号的交换序列的控制信号的控制器。
交换单元708被构造成对从输入接口706接收的与波长信道705相关联的一个或更多个包数据进行处理并且将这些包数据引导至期望目的地。交换单元708可以包括能够交换、路由、错误检查和/或管理与每个波长信道705相关联的一个或更多个包数据或包标签的任何光和/或电部件，包括任何硬件、软件和/或固件。在一种实施方式中，交换单元708包括被构造成执行指令的一个或更多个处理器。在一种实施方式中，所述处理器中的一个或更多个处理器是数字信号处理器(DSP)。在一种实施方式中，交换单元708包括被构造成存储要由处理器执行的数据和/或指令的存储器和/或存储装置。在一种实施方式中，交换单元708包括光子芯片。在一种实施方式中，交换单元708可以包括具有一个或更多个核心路由器节点和至少一个管理节点的环形配置。虽然本示例实现了环形配置，但是，在不脱离本公开内容的范围的情况下，交换单元708可以实施为网格配置、星形配置或任何其他配置。在各种实施方式中，交换单元708可以操作成以例如至少10千兆/秒(Gb/s)、至少40Gb/s、至少100Gb/s或至少160Gb/s的处理速度来处理波长信道705。
在一种实施方式中，交换单元708被构造成将与波长信道705相关联的一个或更多个包数据路由至输出接口710。输出接口710可以包括能够准备与波长信道705相关联的一个或更多个包数据以用于从路由器700通信的任何光和/或电部件，包括任何硬件、软件和/或固件。在一种实施方式中，交换单元708包括一个或更多个处理器。在一种实施方式中，处理器包括数字信号处理器(DSP)。在一种实施方式中，交换单元708包括光子集成芯片。在本示例中，输出接口710操作成通过合适的波长信道713将一个或更多个包数据从路由器700传送至期望目的地。
在一种实施方式中，每个合并器714被构造成将输出波长信道713合并成一个或更多个输出光信号715，以用于经由通信链路716进行通信。在一种实施方式中，合并器714包括例如波分复用器。通信链路716的结构和功能可以与通信链路702的结构和功能基本上相似。在本示例中，通信链路716操作成将路由器700耦合至其他光和/或电光部件。
在本示例中，控制器712还能够至少部分地致力于控制与路由器700相关联的一个或更多个功能。也就是说，控制器712不需要能够独自执行所期望的功能，而是可以致力于执行作为较大的例程的一部分的功能。控制器712可以包括任何通信装置和/或计算装置，包括任何硬件、软件、固件及其组合。
在一种实施方式中，在操作中，与波长信道705相关联的包数据对于路由器700的处理功能而言是透明的。也就是说，在操作中，路由器700不检查与每个波长信道705相关联的包数据的内容。在一些情况下，路由器700不检查与波长信道705相关联的帧格式的一个或更多个包标签以及/或者其他要素的内容。在大多数情况下，路由器700操作成将与波长信道705相关联的包数据保持在光域中。也就是说，与每个波长信道705相关联的包数据不受路由器700的光电转换的影响。在一些情况下，与波长信道705相关联的帧格式的包标签和/或其他要素中的一个或者更多个可能受一个或更多个光电转换和/或电光转换的影响。在各种实施方式中，路由器700可以能够具有例如至少5太位/秒(Tb/s)、至少25Tb/s、至少50Tb/s或至少100Tb/s的聚集容量。
在一种实施方式中，路由器700可以操作成使得与交换单元708和/或通信链路702和716内的光信号703和705以及/或者波长信道705和713相关联的包数据之间的竞争最小化以及/或者避免竞争。当在本文中使用时，术语“竞争”是指包数据通过其与其他包数据竞争以用于经由特定波长进行通信的过程。在一些情况下，可以通过例如实施环形网络架构或进行波长转换来使得竞争最小化。使得竞争最小化和/或避免竞争可以引起与光信号波长相关联的拥塞减少。
虽然已经详细描述了本申请，但是应当理解，可以在不脱离所附权利要求书限定的本公开内容的精神和范围的情况下做出各种变化、替换和变体。此外，本公开内容的范围不意在限于本文中所描述的具体实施方式，本领域普通技术人员根据本公开内容将会容易地理解，当前存在或以后要开发的处理、机器、制造、主题的组成、装置、方法或步骤可以执行与本文中所描述的对应实施方式的功能基本相同的功能或实现与本文中所描述的对应实施方式的结果基本相同的结果。因此，所附权利要求书意在将这样的处理、机器、制造、主题的组成、装置、方法或步骤包括在其范围内。

Claims (33)

1.一种用于将光子芯片耦合至光纤的光耦合器，包括：
光子芯片，所述光子芯片包括纳米级光子波导、与所述光子芯片的表面处于相同平面中的光子光学衍射表面光栅以及覆盖所述光子波导和所述表面光栅的第一覆层；以及
光耦合芯片，所述光耦合芯片包括嵌入在第一耦合覆层中且嵌在第二耦合覆层上的微米级耦合波导和耦合光学衍射表面光栅，其中，所述光耦合芯片的所述第一耦合覆层连接至所述光子芯片的所述第一覆层，其中，所述光耦合芯片被构造成对在所述光子芯片与光纤之间传输的光进行耦合。
2.根据权利要求1所述的光耦合器，其中，所述光子芯片包括绝缘体上硅(SOI)，以及其中，所述光耦合芯片包括硅上氧化硅，其中，所述光子波导包括富硅氧化物、SiO2、Si3N4和SiON中之一。
3.根据权利要求1所述的光耦合器，其中，所述光子光学衍射表面光栅和所述耦合光学衍射表面光栅对使用任何入射角的所述光子芯片与所述光耦合芯片之间的光进行耦合。
4.根据权利要求1所述的光耦合器，还包括被构造为阵列耦合器的多个光子光学衍射表面光栅、多个纳米级光子波导、多个耦合光学衍射表面光栅以及多个微米级耦合波导。
5.根据权利要求1所述的光耦合器，其中，所述光子光学衍射表面光栅和所述耦合光学衍射表面光栅被构造成将光分成两个方向。
6.根据权利要求1所述的光耦合器，其中，所述光子光学衍射表面光栅和所述耦合光学衍射表面光栅被构造成将从两个不同的源接收的光合并。
7.根据权利要求1所述的光耦合器，其中，所述光耦合芯片还包括光信号处理部件。
8.根据权利要求7所述的光耦合器，其中，所述光信号处理部件根据光学结构包括功率分配器、功率合并器、波长过滤器和光路转换器中至少之一，其中，所述光学结构包括下述中之一：多模干涉(MMI)耦合器、定向耦合器、环形谐振器、布拉格光栅、弯曲波导、马赫增德尔干涉仪和阵列波导光栅(AWG)。
9.根据权利要求1所述的光耦合器，其中，所述光耦合芯片包括氧化硅波导和氧化硅光栅，其中，氧化硅为富硅氧化物、SiO2、InP、SiON和Si3N4中之一。
10.根据权利要求1所述的光耦合器，其中，所述光子波导和所述光子光栅包括Si、InP、GaInAs、GaInAsP、SiON和Si3N4中之一。
11.根据权利要求1所述的光耦合器，还包括被构造以形成阵列耦合器的多个光栅。
12.根据权利要求1所述的光耦合器，其中，所述耦合光学衍射表面光栅包括分布式布拉格反射器(DBR)辅助的波导光栅耦合结构。
13.根据权利要求1所述的光耦合器，其中，所述第一耦合覆层在与所述第一覆层的界面处包括防反射涂层。
14.一种被构造用于传输、接收和交换光信号的网络部件，所述网络部件包括：
输入/输出(I/O)部件，所述输入/输出部件用于接收信号以及将信号传输至其他网络部件；以及
光处理单元，所述光处理单元耦合至所述I/O部件，其中，所述光处理单元包括：
光子芯片，所述光子芯片包括纳米级光子波导、与所述光子芯片处于相同平面中的光子光学衍射表面光栅以及覆盖所述纳米级光子波导和所述光子光学衍射表面光栅的第一覆层；以及
光耦合芯片，所述光耦合芯片包括嵌入在第一耦合覆层中且嵌在第二耦合覆层上的微米级耦合波导和耦合光学衍射表面光栅，其中，所述第一耦合覆层连接至所述第一覆层，其中，所述光耦合芯片被构造成对在所述光子芯片与光纤之间传输的光进行耦合。
15.根据权利要求14所述的网络部件，所述光子芯片包括绝缘体上硅(SOI)，以及其中，所述光耦合芯片包括硅上氧化硅。
16.根据权利要求14所述的网络部件，其中，所述光子光学衍射表面光栅和所述耦合光学衍射表面光栅对使用任何入射角的所述光子芯片与所述光耦合芯片之间的光进行耦合。
17.根据权利要求14所述的网络部件，还包括被构造为阵列耦合器的多个纳米级光子光学衍射表面光栅、多个光子波导、多个耦合光学衍射表面光栅以及多个微米级耦合波导。
18.根据权利要求14所述的网络部件，其中，所述光子光学衍射表面光栅和所述耦合光学衍射表面光栅被构造成将光分成两个方向。
19.根据权利要求14所述的网络部件，其中，所述光子光学衍射表面光栅和所述耦合光学衍射表面光栅被构造成将从两个不同的源接收的光合并。
20.根据权利要求14所述的网络部件，其中，所述光耦合芯片还包括光信号处理部件。
21.根据权利要求20所述的网络部件，其中，所述光信号处理部件根据光学结构包括功率分配器、功率合并器、波长过滤器和光路转换器中至少之一，其中，所述光学结构包括下述中之一：多模干涉(MMI)耦合器、定向耦合器、环形谐振器、布拉格光栅、弯曲波导、马赫增德尔干涉仪和阵列波导光栅(AWG)。
22.根据权利要求14所述的网络部件，其中，所述光耦合芯片包括氧化硅波导和氧化硅光栅，其中，氧化硅为富硅氧化物、SiO2、InP、SiON和Si3N4中之一。
23.根据权利要求14所述的网络部件，其中，所述光子波导和所述光子光学衍射表面光栅包括Si、InP、GaInAs、GaInAsP、SiON和Si3N4中之一。
24.根据权利要求14所述的网络部件，还包括被构造以形成阵列耦合器的多个光学衍射表面光栅。
25.根据权利要求14所述的网络部件，其中，所述耦合光学衍射表面光栅包括分布式布拉格反射器(DBR)辅助的波导光栅耦合结构。
26.根据权利要求14所述的网络部件，其中，所述第一耦合覆层在与所述第一覆层的界面处包括防反射涂层。
27.一种制造用于绝缘体上硅(SOI)芯片-光纤耦合的光子芯片耦合器的方法，包括：
制造氧化硅芯片，所述氧化硅芯片包括第一覆层、微米级氧化硅波导、氧化硅光栅和第二覆层，其中，所述氧化硅芯片包括硅上氧化硅芯片；
制造光子集成电路(PIC)，其中，所述PIC包括由顶部覆层覆盖的纳米级PIC波导和PIC光学衍射表面光栅，其中，所述PIC包括绝缘体上硅(SOI)芯片；以及
将所述氧化硅芯片的所述第一覆层连接至所述PIC的所述顶部覆层以生成光子芯片耦合器。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，制造所述氧化硅芯片包括形成分布式布拉格反射器(DBR)辅助的波导光栅耦合结构。
29.根据权利要求27所述的方法，其中，制造所述氧化硅芯片包括在所述第一覆层上形成防反射涂层，使得：在将所述氧化硅芯片的所述第一覆层接合至所述PIC的所述顶部覆层之后，所述防反射涂层存在于所述第一覆层与所述PIC的所述顶部覆层之间的界面处。
30.根据权利要求27所述的方法，其中，所述PIC波导和所述PIC光栅包括SiO2、InP、SiON和Si3N4中之一。
31.根据权利要求27所述的方法，其中，制造所述氧化硅芯片还包括形成下述中至少之一：功率分配器、功率合并器、多模干涉(MMI)耦合器、定向耦合器、环形谐振器、布拉格光栅、弯曲波导、波长过滤器和阵列波导光栅(AWG)。
32.根据权利要求27所述的方法，其中，所述氧化硅波导比所述PIC波导大。
33.根据权利要求27所述的方法，其中，所述氧化硅波导被构造成基本上匹配光纤的几何特性。
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