CN107346053A

CN107346053A - 硅光子连接器

Info

Publication number: CN107346053A
Application number: CN201710312306.4A
Authority: CN
Inventors: 阿夫纳·巴迪希; 亚拉·卡夫迪尔
Original assignee: Mellanox Technologies Ltd
Current assignee: Mellanox Technologies Ltd
Priority date: 2016-05-08
Filing date: 2017-05-05
Publication date: 2017-11-14

Abstract

本发明提供了一种硅光子连接器。光学设备将包括多个光学波导的硅光子(SiP)器件连接到准直透镜的阵列，该准直透镜的阵列构造成使多个光学波导的光准直成准直光束。光学设备包括与SiP器件不同的偏转元件，偏转元件包括将来自波导的光以大于30度的角度偏转到准直透镜的阵列的光偏转表面。

Description

硅光子连接器

发明领域

本发明总体涉及光学互连，并且特别地，涉及用于硅光子(SiP)器件和光纤之间的互连的方法和系统。

发明背景

硅光子学(SiP)是使用硅工艺制造整个光学系统的技术，其中硅作为光学介质。诸如互连部件和信号处理部件的各种光学部件可以被制造并集成在单个SiP器件中。一些SiP器件被制造在硅基底上或硅基底上的二氧化硅层上，这是一种通常被称为绝缘硅(SOI)的技术。

在某些情况下，希望管理SiP和其它器件之间的光学通信。这种通信需要SiP上的光信号与用于接收光的外部装置的精确对齐。

光信号的长距离传输通常在光纤内进行。当光学信号在SiP中产生或处理并且需要沿着光纤传输时，光需要耦合在SiP和光纤之间。这种耦合是一个挑战，因为SiP内的波导通常具有比光纤小的直径。

Cevini等人的美国专利公开2011/0116741描述了用于耦合光纤和高折射率对比度波导(high-index contrast waveguide)的光学模式变换器。

Doany等人的美国专利公开2013/0084039描述了用于将光子芯片光学耦合到光纤阵列的透镜阵列。

Palen等人的美国专利7,298,941描述了使用倾斜透镜耦合到IC芯片的光学耦合。

发明概述

在此根据本发明的实施方案提供一种光学设备，该光学设备包括：硅光子(SiP)器件，其包括多个光学波导；准直透镜的阵列，其构造成从不包括光纤的多个光学波导直接路径接收光，并且构造成将多个光学波导的光准直成准直的光束；以及接受器，其构造成接纳以与来自准直透镜的阵列的准直光束对齐定向的外部光学器件。

还提供了一种传输光信号的方法，包括：通过硅光子(SiP)器件产生光学信号，使来自SiP器件的光学信号传输通过SiP器件的波导，使从波导传输的光传送到准直透镜，通过准直透镜使光准直，在SiP器件的接受器中接纳外部光学器件；并将准直光传输到接受器中的外部光学器件。可选地，使从波导传输的光传送到准直透镜包括使来自波导的光以90度的角度偏转到准直透镜，使得准直光垂直于从波导出射的光的光轴。

还提供了一种光学系统，包括：第一硅光子(SiP)器件，其包括第一组一个或更多个光学波导；第二硅光子(SiP)器件，其包括第二组一个或更多个光学波导；以及光学布置，其构造成将光从第一组光学波导传送到第二组光学波导而不穿过光纤。

还提供了一种光学系统，其包括：背板；该背板上的第一接受器，其构造成接纳插件，该插件具有安装在其上的硅光子(SiP)器件；该背板上的第二接受器，其构造成接纳插件，该插件具有安装在其上的硅光子(SiP)器件；以及在该背板上的光学布置，其构造成将光从位于第一接受器中的插件的SiP的第一组光学波导传送到位于第二接受器中的插件上的SiP中的第二组光学波导。可选地，光学布置在第一和第二组光学波导之间传送光，而不穿过光纤。可选地，光学布置在第一和第二组光学波导之间穿过光纤传送光。

根据本发明的实施方案还提供了一种光学设备，包括：硅光子(SiP)器件，其包括多个光学波导；准直透镜的阵列，其构造成将多个光学波导的光准直成准直的光束；以及与SiP器件不同的偏转元件，其包括将来自波导的光以大于30度的角度偏转到准直透镜的阵列的光偏转表面。

可选地，光偏转表面使来自波导的光以90度的角度偏转到准直透镜的阵列，使得准直光垂直于从波导出射的光的光轴。可选地，光偏转表面相对于从波导出射的光的光轴以不同于45度的角度倾斜。可选地，该设备包括在波导和光偏转表面之间的透光材料，该透光材料具有折射率，该折射率被选择以使来自波导的光偏转，使得偏转表面将光引导到准直透镜的阵列。

在一些实施方案中，光偏转表面包括在与SiP器件不同的偏转基底中，并且其中透光材料将SiP器件附接到偏转基底。

可选地，光学波导的特征在于第一光斑尺寸，并且其中准直透镜构造成提供比第一光斑尺寸大的第二光斑尺寸的光。可选地，该设备包括界定构造成接纳光纤的套管(ferrule)的狭槽或至少一个销的壳体，使得套管的光纤与来自准直透镜的阵列的通过反射镜的准直光对齐。

可选地，该设备包括界定构造成接纳光纤套管的狭槽或者至少一个销的壳体，使得光纤与来自准直透镜的阵列的准直光对齐。可选地，狭槽构造成可移除地接纳套管。可选地，光偏转表面包括在与硅光子器件分开的偏转基底中。可选地，准直透镜的阵列整体地界定在偏转基底中。

可选地，偏转基底和硅光子器件通过弹性平均化对齐(elastic averagingalignment)而被对齐。可选地，光偏转表面包括沉积在硅光子基底上的光可成像的聚合物。可选地，准直透镜的阵列位于SiP器件的与接触偏转元件的SiP器件的面相对的面上。

可选地，该设备包括多个偏转元件，每个偏转元件服务于一个或更多个波导的相应子组。可选地，一个或更多个波导的子组中的至少两个沿着SiP器件延伸至不同的长度。可选地，传输光信号的方法包括：使光学信号传输穿过SiP器件的波导，通过不同于SiP器件的偏转表面使从波导传输的光以大于30度的角度偏转到准直透镜，并通过准直透镜使光准直。

可选地，使光偏转包括将来自波导的光以90度的角度偏转到准直透镜，使得准直光垂直于从波导出射的光的光轴。

结合附图，根据本发明的实施方案的以下详细描述，将更完全地理解本发明，在附图中：

附图简述

图1是根据本发明的实施方案的光学互连组件的示意性横截面；

图2是根据本发明的实施方案的光学互连组件连同光纤的套管的分解的等轴测视图；

图3是根据本发明的另一实施方案的光学互连组件的示意性横截面；

图4是根据本发明的示例性实施方案的SiP器件和准直基底之间的连接的示意性放大横截面图；

图5A是根据本发明的实施方案的套管的示意图；

图5B是根据本发明的另一实施方案的套管和光学组件的示意图；

图6是根据本发明的另一实施方案的水平套管和光学组件的示意图；

图7是根据本发明的实施方案的SiP准直器的示意性分解图；

图8是根据本发明的实施方案的交换光学信号的一对光学组件的示意图；

图9是根据本发明的示例性实施方案的通过相应的准直基底通信的一对SiP器件的示意图；

图10是根据本发明的另一示例性实施方案的通过相应的准直基底通信的一对SiP器件的示意图；

图11是根据本发明的实施方案的其中准直基底服务于多个SiP器件的光学布置的示意图；

图12是根据本发明的另一个实施方案的光学互连组件的示意图；

图13是根据本发明的实施方案的集成的SiP和准直基底的下侧的视图；

图14是图13的集成的SiP和准直基底的顶部视图；

图15是根据本发明的另一实施方案的集成的SiP和准直基底的视图的顶部视图；

图16是根据本发明的另一个实施方案的SiP器件和相应的单独的偏转元件的示意图；

图17是根据图16的实施方案的SiP器件和相应的单独的偏转元件的示意性放大侧视图；以及

图18A和图18B分别是根据本发明的另一个实施方案的SiP器件的示意性上部视图和下部视图。

实施方案的详细描述

综述

由于对齐光束所需的精度，因此硅光子(SiP)器件和外部光学信号载体之间的互连在技术上具有挑战性。SiP波导通常具有约3μm的直径，例如在0.1微米和3微米之间，这使得即使小于1微米的未对齐也是非常成问题的。

本文描述的本发明的实施方案提供了用于将来自SiP器件的波导的光互连到其它光学元件的改进的方法和设备。

在本发明的一些实施方案的一个方面中，波导和外部光学元件之间的互连通过与SiP器件分开的光学系统来实现，该光学系统将来自SiP器件波导的光偏转至少30°，或甚至至少60°，例如大约90°的角度。可选地，从SiP的波导出射的光处于第一平面中，并且该光偏转到其中光传递到外部光学元件的第二平面。使用与SiP器件不同的单独元件中的光学偏转系统允许更好的精度，这是因为可以根据每个单独元件的具体需要调节每个元件的生产。对不同元件的引用意在涵盖不同材料的元件和/或以不同工艺制造的元件，即使它们附接到彼此或者一个制造在另一个之上。

在一些实施方案中，互连光学器件包括通过偏转光学系统耦合到SiP器件的准直透镜。可选地，偏转光学系统包括其中界定了偏转表面的偏转基底。术语准直基底在本文中用于指代包括偏转基底和准直透镜的系统。准直光可以耦合到任何外部光学元件，例如光纤或另一个SiP器件。可选地，准直通过聚焦光学元件的阵列，例如微透镜的阵列来实现。

通过使来自SiP波导的光以相当大的角度偏转，SiP波导和光学系统之间的对齐精度不受聚焦光学元件的数值孔径的约束。相反，对齐精度取决于可以以更精确的方式制造的偏转光学系统的精度。

可选地，使来自波导的光偏转到透镜通过45°倾斜的镜面来执行。可选地，倾斜的镜面的角度被选择以允许准直基底的简单制造，例如54.7°。通过穿过SiP波导和斜面之间的和/或斜面和准直透镜之间的路径上的具有合适的折射率的折射材料的折射，来可选地补偿该角度。

在一些实施方案中，折射材料包括另外将SiP器件连接到包括倾斜镜面的偏转光学系统的粘合剂。

本发明的一些实施方案的另一方面涉及一种光学系统，在该系统中，SiP的波导与外部光学系统的接口包括使用平面半导体技术制造的光学器件。使用平面半导体技术允许有比模制的聚合物零部件的光学系统高的精度。

在一些实施方案中，使SiP波导耦合到准直透镜的光学系统包括硅基底，例如硅晶片，其双面被处理以在晶片的两侧面上具有光学特征。

用硅来制造光学元件允许更佳地处理源自SiP波导的大数值孔径(NA)光束。

本发明的一些实施方案的一个方面涉及一种光学系统，在光学系统中，SiP器件的波导通过相应的准直透镜耦合到连接器，而不使来自波导的光穿过光纤。将光传递到连接器而不使光穿过光纤，简化了光学系统的结构。

在一些实施方案中，连接器包括槽，该槽设计成和成形为接纳光纤套管并将套管精确地保持在使光纤与准直透镜对齐所需的位置中。在其它实施方案中，连接器设计成以使该器件的准直透镜与外部光学器件的相应的准直透镜对齐的方式附接到外部光学器件。

基于互连构造的示例性透镜

图1是根据本发明的实施方案的光学互连组件20的示意性横截面。光学组件20包括硅光子(SiP)器件24，该硅光子(SiP)器件24界定连接到硅基底62的一个或更多个波导36，该硅基底62用于将来自波导36的光引导到一个或更多个相应的透镜48。准直的光82从透镜48中出来，使得光82可以聚集并被引导到光纤和/或其它光学元件中。硅基底62包括将从波导36出射的光偏转到相应的透镜48的倾斜表面53，并且因此用作偏转基底。应注意的是，斜面53被示意性地示出，并且其在图像中的角度不必然是偏转所需的精确角度。出射光82可选地垂直于波导36和/或从波导36出射的光。

SiP器件24可以包括任何合适的光学部件，并且可以实现任何合适的光学处理功能，例如光学通信、路由或转换。可选地，SiP器件24不具有内部激光器或其它光源，而是接收来自外部单元的光。在一些实施方案中，SiP器件24不包括诸如放大器的增益介质，并且不产生光。SiP器件24可选地包括执行光处理的一个或更多个元件，例如调幅器、环形谐振器和/或滤光器。可选地或另外地，SiP器件24包括用于组合不同波长的光的一个或更多个光复用器、信号分离器和/或拆分器。此外，可选地或另外地，SiP器件24包括光检测器。

在本发明的一些实施方案中，硅基底62界定了SiP器件24安置在其中的凹槽55。凹槽55的深度可选地被精确地选择，使得来自波导36的大体上所有的光都被引导到倾斜表面53，光从该倾斜表面53偏转到透镜48。凹槽55的深度可选地小于100微米，可选地小于20微米，或者甚至小于10微米，使得深度上的任何不精确度相对较小(例如，小于1微米，或小于0.5微米)，并且不妨碍光被适当地引导到透镜48。

可选地，倾斜表面53相对于波导36成45°的角度，以便将光垂直于透镜地引导到透镜48。在一些实施方案中，使用本领域已知的任何合适的方法通过蚀刻来产生倾斜表面53，例如在会刊IEEE第70卷第5号第424页(1982)的Kurt E.Paterson的“Silicon as aMechanical Material”中所描述的方法。

可选地，SiP器件24使用合适的粘合剂光学耦合到硅基底62。可选地，通过在硅基底62中蚀刻出用于接纳SiP器件24的精确凹槽来实现适当的对齐。可选地，蚀刻可以通过光刻步骤和随后用例如KOH(氢氧化钾)、TMAH(四甲基氢氧化铵)、EDP(乙二胺)、N2H4、NaOH或CsOH的溶液的化学溶液进行各向异性蚀刻来进行，或者可替代地通过使用称为干蚀刻的反应离子蚀刻(RIE)来进行。

可替代地，对齐使用精确放置机器来实现，诸如倒装芯片对齐器，例如由德国雷根斯堡AMICRA Microtechnologies有限公司提供的对齐器。

可替代地或另外地，SiP器件24通过在SiP器件24上形成三个对齐部位(例如锥体凹坑、三角形沟槽和平坦无约束表面)，并且在硅基底上形成与SiP上的三个位置可精确地配合的三个配合的对齐元件(例如凸块)，使用动态的对齐来耦合到硅基底62。在其它实施方案中，使用弹性平均化对齐，例如，如在2002年麻省理工学院的硕士学术论文中AlexisChristian Weber的“Precision Passive Alignment of Wafers”中所描述的。

硅基底62可选地包括具有相对较高折射率，例如n＝3.45的硅。透镜48可选地是具有折射率约n＝1.5的聚合物透镜。可替代地，使用硅透镜。

虽然上面的描述涉及从波导36出来的光，但互连组件20可以另外地或可替代地用于将光引入波导36中。可选地，互连组件20用于将光同时传递到特定波导36中并且从同一特定波导36传出。例如，进入特定波导36的光可以处于第一波长，而从特定波导出来的光处于与第一波导不同的第二波长。在其它实施方案中，组件20用于互连到多个波导36。一个或更多个第一波导用于使光进入到SiP中，而一个或更多个第二波导用于从SiP导出光。

图2是根据本发明的实施方案的光学互连组件20以及光纤68的套管28的分解等轴测视图。组件20包括：硅光子(SiP)器件24，其界定多个波导36；和硅基底62，其包括平面微透镜阵列32。在一些实施方案中，SiP器件24使用光学波导36的阵列与外部器件交换光学信号。

在本示例中，器件24包括在器件24的某个面46上终止的12个波导36(为了图像的简单，图2仅示出10个波导)。波导36可以用于使光从SiP器件24传输出来和/或用于使信号接收到SiP器件中。

在一些实施方案中，波导36具有宽度为3μm的正方形或矩形横截面(并且因此具有该大小的光斑尺寸)。在其它实施方案中，波导36具有圆形或椭圆形的横截面。波导36的宽度或半径通常不大于3μm，可选地小于2μm或甚至小于1μm。在一些实施方案中，波导36的宽度或横截面半径小于0.6μm或甚至小于0.3μm。

在一些实施方案中，波导36之间的间隔(“间距”)在100μm和750μm之间。SiP器件24的光学层可选地用绝缘硅(SOI)构造来制造。可选地，SiP器件24包括位于硅基底上的薄绝缘体层(例如二氧化硅)上的硅。假设8英寸的晶片，则绝缘层下方的基底通常具有约720μm的厚度。在其它实施方案中，SiP器件24的绝缘层下方的基底具有小于720μm的厚度，可选地小于400μm。

可选地，波导36通过在SiP器件24的硅基上方界定硅通道并且用具有比硅低的光学折射率的覆层材料涂覆该通道来生产。覆层材料用于将通过波导的光波限制在波导通道内。在本发明的一些实施方案中，不同的覆层放置在波导的不同侧面上，和/或用于不同的波导36。例如，第一覆层材料可以放置在波导36的下方，并且第二覆层材料放置在波导上方。在其它实施方案中，相同的覆层材料用于波导36中的每一个的整个周围和/或用于所有波导。覆层材料可选地包括氧化硅或氮化硅、或氧化物-氮化物的组合的隔离层。在一些实施方案中，覆层材料包含单独的固体层。

如图2中所示，组件20可以耦合到光纤68的套管28。在下文中参考图5A、图5B和图6进一步描述将组件20耦合到套管28的方法。在一些实施方案中，透镜阵列32包括多个微透镜48，每个微透镜设计成使相应的波导36的光准直。取决于波导36的间距，微透镜48彼此间隔开，以便配合波导36的间距(例如，在100μm至750μm之间)和光纤68。可替代地，使用低于100μm或大于750μm的间距。使用相对较大的间距(例如大于250μm)允许使用更大的透镜，并且允许透镜阵列32和套管28中的对应透镜之间的更加宽松的对齐。

单模光纤通常具有约9μm的芯直径，并且光学套管通常具有约250μm的光纤至光纤的间距。当将SiP器件24的光学波导36互连到相应的光纤时，直径上的差异可选地由透镜48和套管28中的对应的准直透镜57来弥合(图5A)。

任何合适的微透镜技术可以用于制造微透镜48。在一些实施方案中，透镜48是球面硅透镜和/或球面聚合物透镜。可替代地，透镜48包括菲涅尔透镜或菲涅尔波带透镜。透镜48使用本领域已知的任何合适的方法形成。球面透镜可选地通过光刻、热回流和随后通过反应离子蚀刻使透镜图案转移到硅基底来生产。菲涅尔波带透镜可选地通过光刻和随后的干式各向异性RIE蚀刻来制造。可替代地，微透镜48通过使用高对比度元结构来生产，例如，如2015年SPIE的会刊第9372，93720P-1卷由A.Arbabi等人的“Efficient High NA flatmicro-lenses implemented using high contrast transmit arrays”所描述的。

应注意的是，来自透镜48的准直光82放宽了SiP器件24和光纤68的套管28之间的对齐公差，使得基底62和套管28之间的对齐需要比现有技术的布置低得多的精度。

透镜48可选地涂覆有合适的抗反射涂层，抗反射涂层允许从透镜材料到空气的有效的光传输，并且反之亦然。在一些实施方案中，例如当透镜48是聚合物透镜时，抗反射涂层也施加在硅基底62和透镜48之间。

类似地，基底62的面向SiP器件24的表面可选涂覆有允许光的有效光传输的抗反射涂层。

应注意的是，在一些实施方案中，基底62不包括透镜48，而是依赖外部器件的透镜以将偏转的光引导到套管28的光纤中或其它外部器件中。

还应注意，在一些实施方案中，套管28不包括透镜57，而是依赖透镜48将偏转的光引导到套管28的光纤中或引导到其它外部器件中。

可选地，通过本领域已知的任何合适的方法(例如上面所述那些方法)，在SiP器件24上装配基底62时应用了精密装配。同样地，在光纤68的套管28中，光纤68可选地与作为套管28的一部分的透镜阵列(例如，图5A中的透镜57)以相当于光纤的芯尺寸的精度对齐。例如，对于9μm的芯，可选地使用约1至3μm的对齐精度。可选地，该对齐精度由套管结构本身提供，并且将光纤安装到套管凹槽中使光纤以必要的精度与透镜57对齐。可选地，这可以通过使透镜57作为套管的部分来产生并且在套管中界定凹槽来实现，尽管可以使用本领域已知的任何其它合适的套管结构方法。

相比之下，即使在透镜阵列32和光纤68之间的相对较大的偏移(例如多达并偏移10到20μm)下，通过透镜48从组件20提供的准直光也允许组件20和套管28之间的有效耦合。

光束的准直性质提供了这些减小的对齐公差。入射到透镜的任何部分上的准直光将聚焦到其焦点。透镜阵列32和套管28的透镜阵列之间的偏移将使从源透镜入射的准直光偏移到目标透镜上，但这部分光仍将被引导到该焦点。

因此，互连组件20可以设计成作为连接器来操作，以允许使用者根据需要连接和断开套管28。可替代地，套管28可以永久地附接到组件20。

在一些实施方案中，套管28包括诸如胶木的不透明材料。在其它实施方案中，套管28包括透光材料，例如PMMA、ULTEM(聚醚酰亚胺)、玻璃或其它聚合物、或任何其它合适的材料。在一些实施方案中，套管28的材料足够刚性以提供光纤68的精确的相对位置。光纤可选地使套管捆束在光学电缆中。光纤68可以包括例如SMF-28光纤。

光纤68之间的间隔，即套管28的间距可选地为250μm。在本实施方案中，光纤68的纤芯直径为9μm(并且光纤的光斑尺寸是该大小的)。

为了将波导36连接到光纤68，光斑尺寸(3μm(或更小)对9μm)上的差异和间距(750μm对250μm)上的差异应当被弥合。在一些实施方案中，通过用光纤仅填充套管28的光纤位置的子集来弥合间距差异。在示例性实施方案中，套管包括安置在(十二个可能的位置中的)第二位置、第五位置、第八位置和第十一位置中的仅四个光纤。该构造在四个光纤之间产生了750μm的实际间距。该间距将与其中SiP24上的波导36以750μm的间距布置的实施方案相配合。

在本实施方案中，当装配组件20时，微透镜阵列32和套管28使用对齐销44彼此对齐。销44安置到硅基底62上的相应位置52中，并且然后安置到套管28上的对齐孔60中。

在可替代的实施方案中，替代导引销44，可以使用任何其它合适的附接和对齐装置。例如，硅基底62和套管28可以附接到合适的凸缘或基板(例如，粘合到共同的玻璃棒)。合适的固化工艺，例如加热固化或紫外线(UV)固化，可以用将硅基底和套管胶合到共同的玻璃支撑件上。

在一些实施方案中，硅基底62嵌入套管28中。在可替代的实施方案中，硅基底62和套管28是单独的模块，其在组件20的制造期间连接至彼此。在其它实施方案中，套管28可移除地附接到组件20，使得硅基底62用作将套管可移除地耦合到SiP器件24的连接器。

图3是根据本发明的另一个实施方案的光学互连组件119的示意性横截面。光学组件119包括硅光子(SiP)器件24和耦合到SiP器件24的硅基底162。硅基底162类似于硅基底62，但是不同之处在于，示出了用于将来自波导36的光引导到透镜48的倾斜表面153不一定跨越硅基底的整个厚度，而是可以在基底162中切割凹槽时形成。

图4是根据本发明的示例性实施方案的SiP器件24和硅基底162之间的连接的示意性的放大横截面图。硅基底162设计成具有凹槽55(图1)，凹槽55接纳光学透明的粘合剂120和122以及SiP器件24。粘合剂120未填充整个凹槽55，为SiP器件24的一部分(包括波导36)留下空间，使得来自波导的光穿过粘合剂层边缘122被引导到硅基底162的至倾斜表面153的下舌状部134。

在图4的实施方案中，倾斜表面153具有不同于45°的角度，并且角度上的差异通过在光学粘合剂122和硅基底162之间经过的光的折射来补偿。可选地，粘合剂层边缘122在面向波导36的侧面上具有倾斜表面166，使得从波导穿过光学粘合剂122的光被折射以在光线穿过倾斜表面166并被表面153反射的同时补偿倾斜表面153的角度和45°之间的差异。

在一些实施方案中，表面46(图2)垂直于波导36。在其它实施方案中，表面46(图2)是倾斜的，例如偏离垂直轴线7至8度。在这种情况下，层边缘122中的粘合剂的折射率被选择使得从波导穿过光学粘合剂122的光被折射，以在光线穿过倾斜表面46和166并被表面153反射的同时补偿倾斜表面153的角度和45°之间的差异以及表面46的斜度。

可选地，倾斜表面166具有与倾斜表面153相同的角度。倾斜表面153的角度可选地被选择为易于在硅基底162中生产的角度，例如54.74°。可选地，硅基底162和/或光学粘合剂122的折射值被选择以补偿斜面153的倾斜角度，并引导光线竖直地朝向透镜48。可选地，针对1550纳米时硅基底162的3.481的折射率，使用对于1550纳米的光而言具有约1.65(例如，1.645-1.655)的折射率的粘合剂。

斜面153和粘合剂122可选地设计成用于旨在被使用的具有特定波长的光(例如1550纳米)。可替代地或另外地，通过选择与一范围的中心波长匹配的值，基底162设计成用于该范围的波长。

可选地，硅基底162的一个或更多个表面涂覆有合适的抗反射涂层，以用于确保有效的光穿过基底硅到达粘合剂122和/或透镜48。

在实施方案中，在硅基底62或162与SiP器件24之间实现附加的高精度对齐，以便使波导-光纤接口中的光学损耗最小化。在一些实施方案中，SiP器件的表面用对齐标记进行标记(通常被蚀刻)。对齐标记定位在基底62或162和SiP器件24的底表面或顶表面上的对应位置处。在装配期间，使用自动光学对齐，这些对齐标记可用于对齐基底62或162和SiP器件24。

在一些实施方案中，硅基底62或162包括双面处理的硅晶片，以在晶片的两侧面上具有光学特征。例如，如在图3中可以看出，基底162的顶部承载折射透镜48，而基底162的底部界定凹槽55和倾斜表面153。可替代地，硅基底62或162是单面处理的晶片，其中透镜48与硅加工分开地被加入。

图5A是根据本发明的实施方案的套管28的示意性图示。在图5A的实施方案中，套管28包括多个球面透镜57，多个球面透镜57将来自硅基底62或162的准直光引导到光纤68中。

透镜57可选地包括模制在套管28内的折射透镜，使得透镜57与用于保持光纤68的一组V形凹槽精确地对齐。在这种情况下，光纤68的端部可选地准确地定位在球面透镜的焦点处。

图5B是根据本发明的另一个实施方案的套管28和组件20的示意性图示。在图5B的实施方案中，代替如图5A的实施方案中的透镜57，套管28包括由多模光纤(MMF)制成的渐变折射率(GRIN)透镜。可选地，GRIN透镜放置在保持光纤的同一凹槽上。GRIN透镜的长度设计成将来自光纤的光准确地准直到透镜中，并且反之亦然。

在一个实施方案中，每个光纤68耦合到相应的单个GRIN透镜。在其它实施方案中，每个光纤68耦合到多个级联的GRIN透镜。在图5B中，每个光纤68耦合到第一GRIN透镜94和第二GRIN透镜96。

图6是根据本发明的另一实施方案的处于水平定向的使SiP基底124连接到套管28的光学组件92的示意图。在图6的实施方案中，透镜57不同图5A的实施方案一样与基底24正交，而是，透镜57位于与SiP基底124的表面平行的平面上。除了硅基底162和透镜48(图6中不可见，可以在图3中看到)外，组件92包括反射镜单元78，反射镜单元78包括成45°角度的反射镜86，反射镜86将来自透镜48的光引导到套管28。附接到反射镜单元78的两个销88使套管28和反射镜86对齐。

图7是根据本发明的实施方案的SiP数据模块300的示意性分解图。SiP数据模块300包括第一SiP器件302和第二SiP器304，例如发射器SiP器件和接收器SiP器件。每个SiP器件302和304具有相应的硅基底306，硅基底306将来自SiP器件中的波导内的光转换成竖直的准直光束。电子元件307和309分别提供用于往返于SiP器件302和304的控制和信号生成的电子特征。如本领域已知的，电连接器316用于将电子元件307和309连接到外部电器件。

SiP器件302和304可选地包括在接纳冷却单元312的壳体310中。冷却单元312界定用作接受器的孔口314，孔口314构造成接纳处于适当位置中的一对套管28，使得它们的光纤与来自透镜48的准直光对齐。

在一些另外的实施方案中，两个或更多个不同的SiP器件通过准直光束彼此通信，并且在它们之间传输和接收光学脉冲。高频数据流可以传输通过两个分离位置(例如两个不同的印刷电路板)之间，或者在外壳和外部非接触式数据访问端口之间的自由空间。

图8是根据本发明的实施方案的交换光学信号的一对光学组件420和422的布置400的示意图。每个光学组件420和422包括用于处理光学信号、光学信号和电信号之间的变换和/或电信号处理的SiP器件24。为了输出光学信号，光学组件420和422中的每个具有硅基底162，硅基底162使来自SiP器件24的波导的光准直。在图8的实施方案中，来自硅基底162的穿过透镜48出射的准直束指向彼此，以允许SiP器件24交换光学信号。

如所示，来自SiP器件24的准直光垂直于SiP器件的表面。然而，应注意的是，在其它实施方案中，准直光相对于SiP器件24处于不同的角度。

图9是光学布置450的示意图，其中一对SiP器件24通过相应的硅基底162、它们的透镜48和反射镜452通信。

图10是根据本发明的实施方案的光学布置480的示意图，其中一对SiP器件24通过光纤464通信。每个SiP器件24具有相应的硅基底162，硅基底162使来自SiP器件的光准直并使其通过棱镜460传递到套管462，套管462将准直光引导到光纤464中。使用光学布置480，光信号可以通过光纤464在大的距离上(例如超过1米，超过10米，或甚至超过100米)在SiP器件24之间交换。

在其它实施方案中，套管462和光纤464位于背板473上，背板473例如在接受器479中可拆卸地接纳电插件469。当插入背板473内时，插件469通过SiP器件24和光纤464通信地连接。

尽管在上述描述中，每个SiP器件24仅具有单个硅基底62或162，但是在本发明的一些实施方案中，SiP器件24可以具有耦合至其的两个或更多个、可能三个、四个或甚至更多个硅基底62或162，以允许从SiP24的不同部分向不同方向的光学通信。

此外，在一些实施方案中，可以使用单个准直基底以使来自多个SiP器件24的光准直。

图11是光学布置500的示意图，其中准直基底562包括两行透镜48和相应的偏转表面153，准直基底562使来自两个不同SiP器件524和526的光准直。图11还示出了两个准直基底562可以用于使来自单个SiP526的光准直。

尽管在上述描述中，基底62和162被描述为是硅基底，但是可以使用针对SiP通信所选择的波长可透射的其它材料来代替硅。这样的透射材料可以包括例如塑料材料、锗、蓝宝石、玻璃、熔融二氧化硅和多种其它有机材料和无机材料。

图12是根据本发明的另一个实施方案的光学互连组件550的示意性图示。在组件550中，波导36界定在SiP器件554的下表面上。因此，准直基底162位于SiP器件554的下表面的水平上或略低于SiP器件554的下表面。在一些实施方案中，SiP器件554和准直基底162位于同一平坦表面(未示出)上。可选地，为了实现高度对齐，SiP器件554放置在一对间隔件558(例如光纤)上。图12的实施方案对于倒装芯片布置是特别有用的。

图13和图14示出了根据本发明的另一实施方案的集成的SiP和准直基底600。集成的基底600包括SiP的波导36，波导36将光引导到用作反射镜的倾斜表面620。倾斜表面620设计成使来自波导36的光偏转到集成的基底600的上表面上的准直透镜48。透镜48可以整体地界定为基底600的部分或者可以附接在基底600上。

倾斜表面620可以与基底62和/或162中的倾斜表面的上述实施方案中的任何一个一样，但不同之处在于，倾斜表面620是集成的基底600的组成部分。特别地，在一些实施方案中，倾斜表面620相对于波导36和透镜48的光束轴线成45°角度。在其它实施方案中，倾斜表面620相对于波导36成不同的角度。可选地，在这些实施方案中，光偏转材料在波导36和倾斜表面620之间和/或在倾斜表面620和透镜48之间注入基底600中，以补偿倾斜表面620的不同角度。可选地，沟道被蚀刻到基底中并且填充有具有合适的折射率的材料。

图15示出了根据本发明的另一个实施方案的集成的SiP和准直基底650。在准直基底650中，透镜未直接放置在集成的基底650上，而是放置在升高的板材652上。

图16示出了根据本发明的另一个实施方案的SiP724和相应的单独的偏转元件700。

图17是根据图16的实施方案的SiP724和相应的单独的偏转元件700的示意性放大侧视图。

SiP724包括沉积在SiP724的上侧面上的波导36。可选地，隔离层38使波导36与SiP724分离。

如图16中所示，在波导36的端部处在SiP724中界定通道702，以允许从波导36出射的光在所有方向上均匀分散。与SiP724分离的偏转元件700设计成具有台阶形状，以部分地安置在通道702中，并且部分地在波导36的与通道702相邻的端部上方，但在通道外部。在该台阶的与安置在波导36上相对的端部上，偏转元件700界定倾斜的镜面706，镜面706使来自波导36的光向下朝向准直的透镜(未示出)偏转。

在本发明的一些实施方案中，包括镜面706的偏转元件700通过光刻来生产。可选地，偏转元件700包括沉积在SiP 724上方的光刻胶，例如聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚(甲基戊二酰亚胺)(PMGI)、苯酚甲醛树脂(DNQ/Novolac)或SU-8OSTE聚合物。然后通过使光刻胶层以一定角度暴露于光来成形偏转元件700，以界定45°的镜面706。

往返波导36的光经由镜面706被引导到基底700的底表面上的透镜，透镜在图16中不可见。

图18A和图18B分别是根据本发明的另一实施方案的SiP器件824的示意性上部视图和下部视图。SiP器件824类似于图16的SiP器件724，但不具有单个通道702，而具有多个单独的沟槽802和相应的倾斜的反射镜806，以用于将来自波导36的光引导到SiP器件824的下表面810上的相应透镜848。如所示，每个波导36具有单独的相应的沟槽802和相应的倾斜的反射镜806。在其它实施方案中，SiP器件824包括多个沟槽802和相应的倾斜的反射镜806，其中沟槽802中一个或更多个界定成用于一对波导36或一组三个或更多个波导。在该实施方案中，所有沟槽802可以是多波导沟槽，或者一个或更多个第一沟槽是多波导沟槽，而一个或更多个第二沟槽是单波导沟槽。在其它实施方案中，一个或更多个单个沟槽802界定成用于多个相应的波导36，但是每个波导具有单独的相应的倾斜的反射镜806。

使用单独的沟槽802和单独的倾斜的反射镜806允许透镜848在SiP器件824的下表面上的更宽的分布，以与如果所有透镜沿着单个直线布置相比，允许更多数量的透镜848，由此允许更多的输入/输出，和/或使用更大的透镜。沟槽802和透镜848以1行、2行或更多行的随机阵列或有序阵列分布。

在本发明的一些实施方案中，透镜848具有约240微米的直径。在其它实施方案中，使用较大的透镜，例如具有大于480微米，大于700微米，或甚至大于1000微米的直径。

SiP器件824可以具有八个波导36和相应的透镜，它们一起用作接口。例如，SiP器件824可以具有四个输入接口和四个输出接口。在其它实施方案中，SiP器件824具有较少的接口或更多数量的接口。特别地，通过以多行来布置透镜848，SiP器件824可以具有多于20个，多于30个或甚至多于50个的接口。

应认识到，以上描述的实施方案是通过示例的方式引用的，并且本发明不限于上文中已经具体示出和描述的内容。而是，本发明的范围包括上文描述的各种特征组合和子组合以及本发明的变化和修改，所述变化和修改将在本领域的技术人员在阅读前面描述后发生并且在现有技术中未被公开。通过引用并入本专利申请的文件被认为是本申请的整体部分，除了任何术语在这些所并入的文件中在某种程度上以与本说明书中明确地或隐含地作出的定义相冲突的方式被定义之外，仅仅本说明书中的定义应该被考虑。

Claims

1.一种光学设备，包括：

硅光子(SiP)器件，其包括多个光学波导；

准直透镜的阵列，其构造成使所述多个光学波导的光准直成准直的光束；和

与所述SiP器件不同的偏转元件，所述偏转元件包括光偏转表面，所述光偏转表面使来自所述波导的光以大于30度的角度偏转到所述准直透镜的阵列。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述光偏转表面使来自所述波导的光以90度的角度偏转到所述准直透镜的阵列，使得准直光垂直于从所述波导出射的光的光轴。

3.根据权利要求2所述的设备，其中所述光偏转表面相对于从所述波导出射的光的光轴以不同于45度的角度倾斜。

4.根据权利要求3所述的设备，还包括在所述波导和所述光偏转表面之间的透光材料，所述透光材料具有折射率，所述折射率被选择以使来自所述波导的光偏转，使得所述偏转表面将所述光引导到所述准直透镜的阵列。

5.根据权利要求4所述的设备，其中所述光偏转表面包括在与所述SiP器件不同的偏转基底中，并且其中所述透光材料将所述SiP器件附接到所述偏转基底。

6.根据权利要求1所述的设备，其中所述光学波导的特征在于第一光斑尺寸，并且其中所述准直透镜构造成提供比所述第一光斑尺寸大的第二光斑尺寸的光。

7.根据权利要求1所述的设备，还包括壳体，所述壳体界定狭槽或至少一个销，所述狭槽或至少一个销构造成接纳光纤的套管，使得所述套管的所述光纤与来自所述准直透镜的阵列的通过反射镜的准直光对齐。

8.根据权利要求1所述的设备，还包括壳体，所述壳体界定狭槽或至少一个销，所述狭槽或至少一个销构造成接纳光纤的套管，使得所述光纤与来自准直透镜的阵列的准直光对齐。

9.根据权利要求8所述的设备，其中所述狭槽构造成可移除地接纳所述套管。

10.根据权利要求1所述的设备，其中所述光偏转表面包括在与所述硅光子器件分离的偏转基底中。

11.根据权利要求10所述的设备，其中所述准直透镜的阵列整体地界定在所述偏转基底中。

12.根据权利要求10所述的设备，其中所述偏转基底和所述硅光子器件通过弹性平均化对齐而被对齐。

13.根据权利要求1所述的设备，其中所述光偏转表面包括沉积在所述硅光子基底上的光可成像的聚合物。

14.根据权利要求1所述的设备，其中所述准直透镜的阵列位于所述SiP器件的与接触所述偏转元件的所述SiP器件的面相对的面上。

15.根据权利要求1所述的设备，包括多个偏转元件，每个偏转元件服务于所述波导中的一个或更多个波导的相应子组。

16.根据权利要求15所述的设备，其中所述波导中的一个或更多个波导的子组中的至少两个沿着所述SiP器件延伸至不同的长度。

17.一种传输光学信号的方法，包括：

使光学信号传输通过SiP器件的波导；

通过与所述SiP器件不同的偏转表面，使从所述波导传输的光以大于30度的角度偏转到准直透镜；和

通过所述准直透镜使光准直。