CN107850743A - 使用偏振束置换器的光耦合 - Google Patents

使用偏振束置换器的光耦合 Download PDF

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Abstract

描述了一种用于将光纤耦合到光子芯片的光耦合装置。所述装置包括：准直微透镜，用于使来自所述光纤的光准直；偏振分束置换器，用于将通过所述准直微透镜准直的所述光分为正交偏振X和Y分量束；至少一个聚焦微透镜，用于将所述X和Y分量束分别定向到所述光子芯片上；以及第一和第二表面光栅耦合器(surface grating coupler，SGC)，它们正交放置在所述光子芯片上并用于在相同的偏振态下操作，以将所述X和Y分量束分别耦合到所述光子芯片。

Description

使用偏振束置换器的光耦合
相关申请案交叉申请
本申请要求2015年6月25日递交的发明名称为“合并偏振束置换器的光栅耦合器(Optical Grating Coupler Incorporating Polarization Beam Displacer)”的第62/184,699号美国临时专利申请案的在先申请优先权，并且要求2016年5月24日递交的发明名称为“使用偏振束置换器的光耦合(Optical Coupling Using Polarization BeamDisplacer)”的第15/162,765号美国专利申请案的在先申请优先权，这两个在先申请的全部内容以引用的方式并入本文本中。
技术领域
本发明涉及光耦合，更具体地，涉及一种合并了偏振束置换器的光耦合装置。
背景技术
对于高容量光子交换、光子发射器和光子接收器等许多光子应用来说，有必要耦合光纤与光子芯片之间的光。耦合器的设计存在尺寸限制。典型的大尺寸光子芯片的规模可以是25mm乘25mm。商业上生产的单模光纤的包层直径通常为125μm至250μm。在这种情况下，光子芯片中的一个线路上最多可以布置100至200根光纤。为了实现更大的数量，例如1000根光纤，可能需要二维光纤阵列。可以使用光耦合器的阵列来实现将光纤阵列耦合到光子芯片。
在大多数光纤中传播的光包括两个正交偏振分量。但是光子芯片电路经常在单偏振下操作。一种方案是实施所谓的偏振分集来在两个偏振分量上并行执行所需的芯片操作。例如，在具有偏振分集的光子交换机中，输入与输出之间的交换可通过以相同的方式交换两个分量来进行。同样，在针对偏振编码信号的接收器中，每个分量可能需要指向在光的单偏振下操作的一个单独的接收电路。
因此，需要一种能够耦合光纤阵列与具有偏振分集的光子芯片之间的光的装置。
发明内容
下文提供了本发明一些方面或实施例的概述，以便提供对本发明的基本理解。这一概述并非本发明的详尽总述。其并非旨在确定本发明的主要或关键元素或者描述本发明的范围。其唯一目的是以简化的形式提供本发明的一些实施例，作为稍后提供的更详细描述的铺垫。
本文描述了用于耦合光纤(或光纤阵列)与光子芯片之间的光的装置和方法。根据所公开的实施例，所述光耦合装置使用片外偏振分波器/合波器以及用于在单偏振态下操作的片上表面光栅耦合器(surface grating coupler，SGC)。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于将光纤耦合到光子芯片的光耦合装置。所述装置包括：准直微透镜，用于使来自所述光纤的光准直；偏振分束置换器，用于将通过所述准直微透镜准直的所述光分为正交偏振X和Y分量束；至少一个聚焦微透镜，用于将所述X和Y分量束分别定向到所述光子芯片上；以及第一和第二表面光栅耦合器(surfacegrating coupler，SGC)，它们正交放置在所述光子芯片上并用于在相同的偏振态下操作，以将所述X和Y分量束分别耦合到所述光子芯片。
根据一些实施例，所述至少一个聚焦微透镜包括单个聚焦微透镜，用于将所述X和Y分量束分别定向到所述第一和第二SGC上。根据其它实施例，所述至少一个聚焦微透镜包括第一和第二聚焦微透镜，分别用于将所述X和Y分量束分别定向到所述第一和第二SGC上。
根据一些实施例，所述光耦合装置还包括：包括所述光纤的光纤阵列；包括所述准直微透镜的准直微透镜阵列，用于使来自所述光纤阵列的光准直；包括所述至少一个聚焦微透镜的聚焦微透镜阵列，用于将所述X和Y分量束分别定向到所述光子芯片上；以及SGC阵列，用于在相同的偏振态下操作，并且包括分别包含所述第一和第二SGC的第一和第二SGC子阵列。所述偏振分束置换器用于将通过所述准直微透镜阵列中的每个微透镜准直的光分为正交偏振X和Y分量束；所述第一和第二SGC子阵列分别用于将所述X和Y分量束分别耦合到所述光子芯片。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于耦合光纤与光子芯片之间的光的方法。所述方法包括：使来自所述光纤的光准直；将所述准直光分为正交偏振X和Y分量束；将所述X和Y分量束分别定向到所述光子芯片上；以及通过第一和第二表面光栅耦合器(surfacegrating coupler，SGC)将所述X和Y分量束分别耦合到所述光子芯片，所述第一和第二SGC正交放置在所述光子芯片上并用于在相同的偏振态下操作。
附图说明
根据结合以下附图进行的描述，本发明的这些和其它特征将变得显而易见。
图1是根据本发明一项实施例的光耦合装置的透视图。
图2是图1的实施例的X、Y分量束的发散的图示。
图3是根据本发明另一实施例的光耦合装置的透视图。
图4是图3的实施例的X、Y分量束的发散的图示。
图5是图3的包括二维光纤阵列的实施例的透视图。
图6是可以用作光耦合装置的一部分或者与光耦合装置相连的二维光纤阵列的示例。
图7是根据一项实施例的准直微透镜阵列的截面视图。
图8是根据一项实施例的聚焦微透镜阵列的截面视图。
图9是根据一项实施例的使用偏振分集的光子电路上的表面光栅耦合器阵列。
图10是图9的实施例中的两个表面光栅耦合器的近距视图。
图11是X和Y分量束在它们对应的聚焦微透镜上的交点的示例。
图12是根据一项实施例的光耦合装置的正视图。
图13是根据另一实施例的光耦合装置的正视图。
图14是根据一项实施例的具有图像放大的光耦合装置。
图15是根据另一实施例的具有图像放大的光耦合装置，示出削波效果。
图16是根据一些实施例的用于从光纤到光子芯片的耦合的方法的流程图。
具体实施方式
出于说明目的，以下具体实施方式包括众多特定细节，以便提供对本发明优选实施例的透彻理解。但是很显然，优选实施例可不使用这些特定细节或使用等效布置来实践。在其它情况下，以框图形式示出一些众所周知的结构和设备以避免不必要地造成本发明优选实施例模糊不清。本发明决不应限于下文说明的说明性实施方式、附图和技术，包括本文说明和描述的示例性设计及实施方式，而是可在所附权利要求的范围及权利要求等效物的完整范围内修改。
本文描述了一种用于耦合光纤(或光纤阵列)与光子芯片之间的光的装置和方法。对于本发明，“信道”是指一个光纤与光子芯片之间的通道。
实现光子芯片的偏振分集的一种方法是通过偏振分波器(polarizationsplitter，PS)将来自光纤输出端的光分解为两个正交偏振分量。这两个分量分别称为X分量和Y分量。其中一个分量，例如X分量，可按横电(Transverse Electric，TE)模式耦合到光子芯片中，另一个分量，例如Y分量，可按横磁(Transverse Magnetic，TM)模式耦合到光子芯片中。PS可以与偏振旋转器(polarization rotator，PR)一起使用，其中，PR可以旋转其中一个分量，使得两个分量能够处于同一种模式下，即TE或TM模式下。PS和PR可以统称为偏振分波器—旋转器(polarization splitter-rotator，PSR)。在针对两个分量分别执行所需的光子芯片操作后，另一个PR可以再次旋转其中一个分量，并且偏振合波器(polarization combiner，PC)将该分量与另一个分量重新合并。PR和PC可以统称为偏振旋转器—合波器(polarization rotator-combiner，PRC)。
片上PS/PC或PSR/PRC的外形可以很大，并且可能具有很大的光损耗。通过使用松散材料和薄膜，片外PS/PC或PSR/PRC能够具有较低的光损耗。然而，片外PS/PC或PSR/PRC的成本会很高，除非它们在许多信道之间共享。
片上PSR/PRC可与边缘耦合器一起使用。然而，边缘耦合器不可扩展到大信道数，因为光纤的外径相当大。例如，具有1000个单模光纤的单个线路的宽度可以为12.5cm，这可以是大尺寸芯片的边缘宽度的5倍。
表面光栅耦合器(surface grating coupler，SGC)是可装配在光子芯片上的光设备，其将来自入射光束的光耦合到光子芯片的一个或多个波导中。SGC还可在相反方向中用来将来自光子芯片的光耦合到光纤。SGC可将光耦合到波导的TE偏振模式中。这种SGC称为TE SGC。另一种类型的SGC可将光耦合到波导的TM偏振模式中。这种SGC称为TM SGC。TE SGC和TM SGC都用于仅在单偏振模式下操作。对于给定波长和入射角度的光，TE SGC和TM SGC具有不同的结构，因为TE模式和TM模式的有效折射率不同。SGC包括很小规模的特征，这些特征对低成本制造过程来说具有挑战性，并且很难实现具有高收益的标称耦合角度。TESGC和TM SGC的耦合角度对制造过程的变化有不同的反应。由此，在同一光子芯片中制造具有高收益的相同耦合角度的TE SGC和TM SGC极具挑战性。因此，构造仅具有一种SGC的双偏振耦合装置可能是有利的。
将两个偏振分量的入射光分别耦合到一个或两个波导的TE和TM模式的SGC称为双偏振SGC。但是双偏振SGC的制造比单偏振SGC困难得多，并且双偏振SGC的光损耗比单偏振SGC要严重几dB，单偏振SGC即TE SGC或TM SGC。因此，构造双偏振耦合装置而不使用任何双偏振SGC可能是有利的。
根据本发明各实施例，提供了一种合并了片外PS/PC和单偏振SGC的光耦合装置。
图1是根据本发明一项实施例的光耦合装置100的简化图示。
参考图1，准直微透镜104使来自光纤102的光束103准直。PS 106，称为偏振分束置换器，将通过准直微透镜104准直的光束103分解为正交偏振X分量束105、Y分量束107。在通过图1展示的实施例中，偏振分束置换器106是双折射板。如下文将更详细地说明的那样，偏振分束置换器106包括偏振相关属性，这些属性能够使X分量束105、Y分量束107沿不同的光路传播。换言之，偏振分束置换器106将双偏振光束103分解为空间上彼此分离的两个单偏振分量束105、107。分离可在偏振分束置换器106的输出端处实现。或者或另外，X分量束105、Y分量束107能够以相对彼此的角度离开偏振分束置换器106。X分量束105、Y分量束107经过聚焦微透镜108，聚焦微透镜108将X分量束105和Y分量束107分别定向到光子芯片112上。光子芯片112包括第一SGC 110a和第二SGC 110b，用于将X分量束105和Y分量束107分别耦合到光子芯片112。第一SGC 110a和第二SGC 110b是用于在同一偏振态(例如TE)下操作的单偏振SGC。如下文将更详细地说明的那样，X分量束105和Y分量束107被聚焦微透镜108定向为远离彼此并朝向光子芯片112，使得X分量束105和Y分量束107到光子芯片112上的入射角度与对应的SGC 110a、SGC 110b的耦合角度对应。
第一SGC 110a和第二SGC 110b正交放置在光子芯片112上。也就是说，第一SGC110a和第二SGC 110b具有相对彼此形成90°角的布局轴。具体而言，针对X分量的SGC 110a的SGC布局轴116(即，平行于图1中的y方向)与针对Y分量的SGC 110b的SGC布局轴114(即，平行于图1中的x方向)正交。这样，X分量束105的电场124可以与第一SGC 110a的SGC布局轴116正交。同样，Y分量束107的电场126可以与第二SGC 110b的SGC布局轴114正交。因此，SGC110a、SGC 110b都可以在同一偏振态下操作。在该特定示例中，SGC 110a、SGC 110b都具有TE偏振，尽管X分量束105和Y分量束107具有正交的偏振。通过使用光耦合装置100，来自偏振不受控光纤102的光可以通过使用SGC 110a、SGC 110b耦合到两倍数量的偏振定义波导。
图2是光耦合装置100中的X分量束105、Y分量束107的光路的图示。如图2所示，X分量束105和Y分量束107的中心光线通过聚焦微透镜108传播，交点分别为118a、118b，并不在聚焦微透镜108的光轴上传播。为了简化附图，微透镜104、108示为扁平结构。实际上，微透镜104、108可具有三维轮廓。
微透镜阵列中的一个微透镜的光轴可定义为与包括该微透镜的微透镜阵列的平面垂直的线，使得沿光轴传播的光线在没有任何角度偏差的情况下经过该微透镜。例如，如果微透镜是折射型的并且具有一个平面和一个球面，则光轴通过球面最突出的点。微透镜的光轴可能不在其物理中心。
如果光束的中心经过微透镜的光轴，则该光束一般不会有任何角度偏差。中心光线经过微透镜而不经过光轴的光束会有角度偏差。这一已知的物理原理被用来操纵光，以实现X分量束105和Y分量束107的不同角度。
X分量束105和Y分量束107的中心光线可以在聚焦微透镜108上的不同点处和/或以相对于其光轴的不同角度射至聚焦微透镜108。可以布置聚焦微透镜108，使得分量束105、107中的至少一个为离轴光线(即，在包括微透镜光轴的平面中传播但未沿光轴传播的光线)。例如，X分量束105和Y分量束107中的至少一个可以平行于聚焦微透镜108的光轴但偏离于聚焦微透镜108的光轴射至聚焦微透镜108。或者，可以布置聚焦微透镜108，使得分量束105、107中的至少一个为不交轴光线(不交轴光束)(即，既不与微透镜的光轴平行也不与微透镜的光轴相交的光线)。布置聚焦微透镜108，使得X分量束105被定向为沿+y方向，Y分量束107被定向为沿+x方向。
SGC 110a、SGC 110b的耦合角度与偏振分束置换器106中的传播角度可能不同。因此，聚焦微透镜108可以用于改变分量束105、107的角度，使得它们与SGC 110a、SGC 110b的耦合角度相匹配。但是将理解，聚焦微透镜108可仅使分量束105、107中的一个偏斜。换言之，分量束105、107中的一个可以在没有任何角度偏差的情况下经过聚焦微透镜108。聚焦微透镜108将分量束105、107各自聚焦到一个小光点中，该小光点与SGC 110a、SGC 110b的光点尺寸相匹配。
为简单起见，图1和图2仅示出来自一个光纤102的光束。应认识到，光纤102可以是光纤阵列的一部分，在该光线阵列中可以重复产生类似的结果。光纤可排列成一排，或者排列为二维阵列。对于本发明，术语“阵列”用来指一维阵列或二维阵列。光纤可针对光进行布置，以便以任何需要的角度进入偏振分束置换器106。光线阵列可位于方形网格、矩形网格、六角网格或其它网格上。网格可为均匀的或不均匀的。
虽然结合TE SGC说明了许多实施例，但是应认识到，可以使用TM SGC来代替TESGC。例如，SGC可以是光子芯片112中的TM电路之前的所有TM SGC，或者SGC可以是到光子芯片112中的TE电路的PR之前的所有TM SGC。第一SGC 110a和第二SGC 110b的SGC布局轴116、114的正交性允许出于双偏振耦合目的而使用单偏振SGC。
图3是根据本发明另一实施例的光耦合装置200的透视图。与图1的实施例类似，来自光纤102的光103在经过偏振分束置换器106之后被分为X分量束105、Y分量束107。然而，在通过图3展示的实施例中，X分量束105通过第一聚焦微透镜108a传播以将X分量束105定向到针对X分量的第一SGC 110a。Y分量束107通过与第一聚焦微透镜108a分离的第二聚焦微透镜108b传播以将Y分量束107定向到针对Y分量的第二SGC 110b。
图4是光耦合装置200中的X分量束105、Y分量束107的光路的图示。与图1的实施例类似，X分量束105的中心光线并不经由聚焦微透镜108a的光轴(有交点118a)通过聚焦微透镜108a传播。同样，Y分量束107的中心光线并不经由聚焦微透镜108b的光轴(有交点118b)通过聚焦微透镜108b传播。可以布置聚焦微透镜108a、108b，使得分量束105、107中的至少一个为离轴光线。例如，X分量束105和Y分量束107中的至少一个可以平行于聚焦微透镜108a、108b各自的光轴但偏离于聚焦微透镜108a、108b各自的光轴射至对应的聚焦微透镜108a、108b。或者，可以布置聚焦微透镜108a、108b，使得至少一个分量束105、107为不交轴光线(不交轴光束)。布置聚焦微透镜108a，使得X分量束105被定向为沿+y方向，并且布置聚焦微透镜108b，使得Y分量束107被定向为沿+x方向。
如结合图1和图2说明的那样，聚焦微透镜108a、108b可用于改变分量束105、107的角度。但是将理解，聚焦微透镜108a、108b可仅使分量束105、107中的一个偏斜或两个都不偏斜。换言之，分量束105、107中的一个或两个可以在没有任何角度偏差的情况下经过聚焦微透镜108a、108b。聚焦微透镜108a、108b将各个分量束105、107聚焦到一个小光点中，该小光点与SGC 110a、SGC 110b的光点尺寸相匹配。
图5是包括二维光纤阵列202的光耦合装置200的透视图。如图所示，二维光纤阵列202是2x2阵列，来自该2x2阵列中的一个光纤的X分量束105、Y分量束107通过光耦合装置200进行跟踪。
当光纤102属于光纤阵列202时，准直微透镜104是准直微透镜阵列204的成员，聚焦微透镜108是聚焦微透镜阵列208的成员。偏振分束置换器106可以用于将通过准直微透镜阵列104中的各个微透镜准直的光分为正交偏振X和Y分量束。光子芯片112上的SGC形成SGC阵列210，SGC阵列210包括第一SGC子阵列210a和第二SGC子阵列210b，用于将X分量束和Y分量束分别耦合到光子芯片112。如上所述，SGC阵列210中的SGC用于在同一偏振态(例如TE)下操作。第一SGC子阵列210a中的X分量的每个SGC相对于第二SGC子阵列210b中的Y分量的一个SGC正交放置在光子芯片112上。图5中的虚线是作图线，用来表明元件的相对位置。虽然在图5所示的实施例中提供了单个偏振分束置换器106来分解来自光纤阵列202的所有光束，但是应理解，在其它实施方式中可使用不止一个偏振分束置换器。准直204和聚焦208微透镜阵列可包括许多微透镜，用于使光纤阵列中的多个光纤发射的光准直。
图6是可以用作光耦合装置100、200的一部分或者与光耦合装置100、200相连的二维光纤阵列202的示例。将理解，提供本图仅仅是为了说明特定示例，二维光纤阵列的其它布置也是可能的。
根据各实施例，偏振分束置换器106具有偏振相关属性，这些属性允许将入射双偏振光分解为两个正交分量。典型的偏振分束置换器使用折射率根据偏振和光传播方向而变化的晶体。偏振分束置换器的材料可包括钒酸钇(Yttrium Vanadate，YVO4)晶体、硼酸钡(Barium Borate，α-BBO)晶体、方解石晶体、金红石(Rutile，TiO2)晶体，等等。应理解，偏振分束置换器106可以使用各种其它合适的材料。可使用光学透明粘合剂将偏振分束置换器106与微透镜阵列(准直微透镜阵列204和/或聚焦微透镜阵列208)进行配对。通过YVO4晶体，偏振分束置换器针对晶体的每1.0mm厚度可以产生0.1mm的横向位移。因此，通过厚度约为1.3mm的晶体可以实现127μm的位移(比例为(1:10)。晶体可以进行精密抛光以实现精确的光束位移。
根据入射光相对于晶体轴线的方向，偏振分束置换器106可经过不偏离的一个偏振分量并以一个角度经过另一个偏振分量，或者可使两个分量束105、107相对于入射光103偏离相等且相反的角度，或者可使这两个分量束偏离不相等的角度。在所有情况下，目的都是创建有区别地通过偏振分束置换器106传播的两个分量束105、107，以便在该偏振分束置换器的输出端处产生分离。离开偏振分束置换器106的光束105、107可相互平行，和/或平行于入射光103，或者可相对于彼此和/或入射光束成一个角度。上述所有实施方式都是可能的，并且可以根据所需的特性使用任何合适的布置。
可针对准直微透镜104和/或聚焦微透镜108使用各种类型的微透镜，例如折射、衍射、球面、非球面、椭圆或渐变折射率(graded-index，GRIN)微透镜。同样，可使用具有各种制造材料和方法的微透镜，包括玻璃微透镜、聚合物微透镜、蚀刻微透镜、沉积微透镜或扩散微透镜。微透镜的具体设计和制造可以基于具体实施方式的成本和规格要求来选择。
在一些实施例中，准直和聚焦微透镜104、108中的一种或两种可包括复合透镜元件以减少非期望的光学像差，例如球差、色差和/或彗差。
在连续的元件之间可提供机械垫片以实现正确的光束聚焦距离。具体而言，可将机械垫片放置在光纤102与准直微透镜104之间、准直微透镜104与聚焦微透镜108之间，和/或聚焦微透镜108与光子芯片112之间。机械垫片用来实现元件之间正确的光程。可提供一个垫片来定义聚焦微透镜108与光子芯片112之间的距离。每个机械垫片可以是一个具有可选机械结构的平面光学元件。光束经过的每个机械垫片的部分可由空气、玻璃、折射率匹配的粘合剂或任何其它合适的透明光学材料制成，取决于微透镜的类型等因素。
根据本发明，如果微透镜104、108是折射型、衍射型或GRIN型的，则光纤102与准直微透镜104之间的以及聚焦微透镜108与光子芯片112之间的间隙可以用空气或其它低折射率介质来填充。当微透镜104、108是GRIN微透镜时，这些间隙可使用光学粘合剂等折射率匹配的材料来填充。可使用抗折射涂层来减少背射。
根据例如通过图3展示的实施例，对于来自一个光纤102的光束，使用两个聚焦微透镜108a、108b来将X和Y分量束分别定向到第一SGC 110a和第二SGC 110b上。图7和图8示出了根据这一实施例的聚焦微透镜108a、108b的空间关系。
图7是准直微透镜阵列204的截面视图；图8是对应的聚焦微透镜阵列208的截面视图。图7中通过矩形214突出的准直微透镜与图8中通过矩形216a、216b突出的聚焦微透镜可具有相同的规模。如图所示，聚焦微透镜阵列108可以包括第一聚焦微透镜子阵列208a和第二聚焦微透镜子阵列208b，用于将X和Y分量束分别聚焦到第一SGC子阵列210a和第二SGC子阵列210b上。用于聚焦X分量束的第一聚焦微透镜子阵列208a通过带有X的圆来表示；用于聚焦Y分量束的第二聚焦微透镜子阵列208b通过带有Y的圆来表示。图8中通过矩形216a突出的聚焦微透镜用于聚焦来自准直微透镜的X分量束，这些准直微透镜通过图7中的矩形214来突出。通过矩形216b突出的聚焦微透镜用于聚焦对应的Y分量束。如图8所示，第一聚焦微透镜子阵列208a和第二聚焦微透镜子阵列208b布置在聚焦微透镜阵列208中的交替行中。这些交替行可以形成微透镜的非矩形图案。在一个特定实施例中，针对Y分量的聚焦微透镜108b可以相对于针对X分量的对应聚焦微透镜108a横向偏移，偏移量一般等于聚焦微透镜的半径。在这一示例中，针对Y分量的聚焦微透镜108b与针对X分量的对应聚焦微透镜108a成60度对角布置，以实现近似六边形的密排布置(通过六边形218示出)。应理解，在X聚焦微透镜108a与Y聚焦微透镜108b之间可以布置其它合适的空间关系。
在图7和图8所示的实施例中，聚焦微透镜阵列208中的聚焦微透镜的数量是准直微透镜阵列204中的准直微透镜的数量的两倍。在某些实施方式中，聚焦微透镜阵列208中的微透镜可比准直微透镜阵列204中的微透镜更加相互靠近，因为聚焦微透镜阵列208的间距比准直微透镜阵列204小两倍。因此，在准直微透镜阵列208处可能存在更多的光束边缘削波。
根据一替代性实施例，提供了一种光耦合装置，其中，两个光束可以共享聚焦微透镜阵列208的一个微透镜。这两个光束可为来自一个光纤的X偏振束和来自另一个光纤的Y偏振束。因此，聚焦微透镜阵列208可能无需微透镜的第二子阵列。反而，聚焦微透镜阵列208在阵列边缘处可以有额外的行和/或列。共享特定聚焦微透镜108的两个光束中的每一个的中心可按不同的角度和/或在共享的微透镜上的不同点处射至该微透镜。因此，微透镜可以按这些光束各自需要的角度将它们定向到不同的SGC 110a、SGC 110b，与上文描述的实施例类似。
图9示出了根据本发明一实施例的使用偏振分集的光子芯片112上的SGC阵列210。如图所示，SGC阵列210包括用于耦合X分量束的第一SGC子阵列210a和用于耦合Y分量束的单独的第二SGC子阵列210b。第一SGC子阵列210a接收X分量束并连接到光子电路120a以处理X分量。第二SGC子阵列210b接收Y分量束并连接到光子电路120b以处理Y分量。在该特定实施例中，子阵列210a、210b中的SGC示为具有相同的物理结构，但是相差90度。X、Y分量束的光波导实施再入式路由以避免X分量束的波导122a与Y分量束的波导122b之间的交叉。这可针对大光纤量，例如1000个光纤而实现。
图10是图9的SGC阵列210的两个表面光栅耦合器110a、110b的近距视图。这两个SGC 110a、SGC 110b都是单偏振，例如TE偏振。X分量束105位于垂直于光子芯片112和SGC110a的输出波导122a而形成的平面中。Y分量束107位于垂直于光子芯片112和第二SGC110b的输出波导122b而形成的平面中。
虚线圆126a示出了X偏振分量束105在光子芯片112上方一定距离处的横截面。传播的方向主要是(沿z轴)进入页面中并与y方向成锐角。光子芯片112表面处的X偏振分量束105的横截面通过虚线圆128a示出。X偏振分量束105以包括X分量的TE0模式通过输出波导122a传播。波导122a中的X分量束105的电场124a沿光子芯片112的平面中的x方向。
虚线圆126b示出了Y偏振分量束107在光子芯片112上方一定距离处的横截面。传播的方向主要是(沿z轴)进入页面中并与y方向成锐角。光子芯片112表面处的Y偏振分量束107的横截面通过虚线圆128b示出。Y偏振分量束107通过输出波导122b传播，其中TE0模式被激活，包括Y分量。波导122b中的Y分量束107的电场124b沿光子芯片112的平面中的y方向。
在该特定实施例中，所示的SGC是曲面聚焦型的。应理解，可以使用其它合适类型的光栅，例如后接锥面的直式光栅，该锥面缩小到输出波导。
在一些实施例中，当X分量束105和Y分量束107将它们各自的聚焦微透镜相交时，它们中的至少一个离轴。这是为了补偿由偏振分束置换器106引起的角度并分别对光束定向，使得每个分量束105、107可以按它们各自的SGC 110a、SGC 110b的对应耦合角度射至各自的SGC 110a、SGC 110b。SGC的耦合角度是指入射角度，在该入射角度处，击中SGC光栅的入射光束所产生的干扰是相长的，并且对应的SGC达到最大效率。在一个特定实施例中，用于耦合X分量束105的SGC 110a的耦合角度与用于耦合Y分量束107的SGC 110b的耦合角度相同。
在一些实施例中，当入射光束以相对垂直方向的小角度，通常是10度至20度，射至SGC时可达到最大效率，以减少背射并简化制造。然而，在其它实施例中，可以使用正入射SGC，其中该SGC的类型可以最大限度地通过正入射光束起作用。在这种情况下，布置聚焦微透镜来产生垂直于光子芯片112的光束。
图11示出了X分量束105和Y分量束107在它们对应的聚焦微透镜108a、108b上的交点的示例。如上所述，两个正交分量束105、107中的至少一个与聚焦微透镜108a、108b离轴相交。
如图11所示，X分量的微透镜108a的光轴可以在130a处，而X分量束的中心与微透镜在132a处相交；Y分量的微透镜108b的光轴在130b处，而Y分量束的中心与微透镜在132b处相交。
应注意，图11中示出的微透镜108a和108b是任意形状的，并且应理解，一般来说，微透镜可为任何合适的形状。如上所述，微透镜的光轴可位于微透镜的物理中心，或者可偏离物理中心。微透镜的光轴可在微透镜内或在各微透镜之外。同样，X和Y微透镜可具有相同(或相似)或者不同的参数，包括形状、焦距等。在一个特定实施例中，X和Y微透镜可具有相同的焦距，并且X分量束和Y分量束的光路长度一般可以相同。
此外，微透镜，尤其是聚焦微透镜，可能不具有轴对称性，即，微透镜的表面可能不是能够进行旋转而不改变其形状的表面的一部分。这一微透镜的一个示例是像散微透镜。
在上述各实施例中，结合在从光纤102到光子芯片112的方向中传播的光来示出光耦合装置100、200的操作。例如，返回参考图1，“准直”微透镜104使光束103准直，“聚焦”微透镜108对偏振X分量束105、Y分量束107进行聚焦。然而，应理解，可以使用或修改光耦合装置100、200以便将从光子芯片112传播的光耦合到光纤102。还可以使用或修改光耦合装置100、200，使得一些光束从光纤耦合到光子芯片，其它光束从光子芯片耦合到光纤。一些光路可为双向的，从而在两个方向中同时耦合光。在双向场景的一种特殊情况中，一个信道的X分量束可以从光纤耦合到光子芯片，该信道的Y分量束可以从光子芯片耦合到光纤。对于为两个方向中的信号使用一个光纤且偏振可以是前向信号与返回信号之间的鉴别器的系统，这会很有用。
当使用光耦合装置将光子芯片112耦合到光纤102或光纤阵列202时，光可从光子芯片传播到光纤。在这种情况下，使用第一SGC 110和第二SGC 110b或SGC子阵列210a、210b从光子芯片112分别发射X和Y分量束。聚焦微透镜108或聚焦微透镜阵列208充当准直微透镜或准直微透镜阵列，用于使从光子芯片112发射的X和Y分量束准直。偏振分束置换器106充当偏振束合波器(或简单地，PC)，用于将通过准直微透镜准直的X和Y分量束合并为双偏振束。准直微透镜104或准直微透镜阵列204充当聚焦微透镜或聚焦微透镜阵列。本领域技术人员将认识到，同一个微透镜可以称为准直透镜或聚焦微透镜，取决于光传播方向。类似地，当光传播方向倒转时，偏振分束置换器可以称为偏振束合波器。因此，可以理解，术语“准直”、“聚焦”、“分波器”和“合波器”仅为标识，并非旨在暗示光传播方向，光传播方向可如上所述进行逆转。此外，处于小光束尺寸的微光束从未真正“准直”，在某种意义上，它们是平行的非扩展光束。相反，这些光束通过高斯束腰尺寸和位置的对应转换来重新聚焦。
图12是根据本发明各实施例的光耦合装置100、200的正视图。为简单起见，图12示出Y分量束107在该图的平面中不偏离，X分量束105以一个位移和相对于Y分量束107的一个角度离开偏振分束置换器106。然而，如上所述，应理解，各种其它实施方式也是可能的。同样，通过图12中的偏振分束置换器106和聚焦微透镜108的X分量束105的偏离示为在图12的平面中，但是应理解，X分量束105的偏离可发生于任意平面中。
在本发明一些实施例中，光纤102可垂直于光子芯片112放置，其中光沿z轴传播，也就是垂直于光子芯片112，或者与z轴成一个小角度。根据这些实施例，整体装置100、200可包括光纤102的长阵列，垂直于光子芯片112(即，沿z轴)延伸一个长距离。
在一些实施例中，偏振分束置换器106可以包括反射回转表面或可以与反射回转表面结合使用以改变光传播方向，以便降低整体装置高度。偏振分束置换器106可以包括偏振选择性反射器。图13是根据这样一项实施例的光耦合装置300的正视图。在通过图13展示的实施例中，光耦合装置300包括偏振分束置换器106'，偏振分束置换器106'具有反射回转表面111，用于有区别地反射X分量束105和Y分量束107以实现这两个分量束之间的空间分离。
例如，反射回转表面111可以是镜面，例如置于准直微透镜104与聚焦微透镜108之间的光路中的45°回转镜面，如图所示。反射回转表面111可以包括整个内部反射表面。因此，光纤102可以布置为平行于或近乎平行于光子芯片112。整体高度从而能够大大降低。反射回转表面111可为具有反射涂层的偏振分束置换器106'的表面。或者，偏振分束置换器106'可包括与有角表面结合的两个块，其中该有角表面根据两个偏振之间的折射率的差别以不同的角度反射两个偏振分量束。可以使用多种类型的包括双折射元件的偏振分束置换器，双折射元件包括例如格兰-泰勒(Glan-Taylor)棱镜、格兰-傅科(Glan-Foucault)棱镜、格兰-汤普森(Glan-Thompson)棱镜、尼科耳(Nicol)棱镜、诺马斯基(Nomarski)棱镜、沃拉斯顿(Wollaston)棱镜、塞拿蒙(Senarmont)棱镜、罗雄(Rochon)棱镜等。可以将合适的回转表面与这类偏振分束置换器结合使用以分离X偏振分量束和Y偏振分量束。
虽然耦合装置中的所有元件都可互易，因为它们的行为不依赖于光传播方向，但是当元件在耦合装置中装配时，可能存在会打破互易性的空间滤波和/或衍射效应。
例如，当输入光束射至图12中的SGC 110a、SGC 110b时，输入光引发光子芯片112中的期望模式和其它高阶模式。从SGC 110a、SGC 110b发射的输出光束仅从光子芯片112的期望模式来构造，因此其产生的光束与入射光束不同。此外，微透镜能够在光束外围削减光的一部分。因此，光学结构可包括SGC 110a、SGC 110b和微透镜104、108，它们基于其预期使用方式而有所不同。SGC和微透镜可使用允许每个元件各不相同的平板工艺来制造，因此可以很容易地制造这类不均匀光学结构。例如，对于将光从光纤102传播到光子芯片112的信道，准直微透镜阵列204中的微透镜可大于聚焦微透镜阵列208中的微透镜。对于将光从光子芯片112传播到光纤102的信道，准直微透镜阵列204中的微透镜可小于聚焦微透镜阵列208中的微透镜。优化光学结构的方法可包括分析和数值电磁建模技术，例如光线追踪、近轴高斯光束分析和三维有限差分时域计算。
大部分SGC针对一个光点尺寸而配置，该光点尺寸与光纤的光点尺寸(例如，直径约为10μm)相匹配。然而，制造过程中最困难的对齐步骤是对齐SGC处的光束。因此，根据本发明一些实施例，可使SGC 110a、SGC 110b处的光点尺寸大于光纤102处的光点尺寸。这样，能够放松SGC 110a、SGC 110b处的准直容差。例如，设计用于约25μm的光束直径的SGC可适用于该目的。可以布置光耦合装置以提供这种成像放大。
图14示出了根据本发明一实施例的具有图像放大的光耦合装置400。在本实施例中，图14示出了高斯光束的成像以及相比于光纤102处的光点尺寸约两倍放大的SGC 110a、SGC 110b处的光点尺寸。也就是说，SGC 110a、SGC 110b处的光点尺寸是光纤202处的光点尺寸的约两倍。准直微透镜阵列204中的微透镜的焦距是f1，聚焦微透镜208中的微透镜的焦距f2，f2约等于2f1。
参考图14，光束通过曲线示出，其中，光强度是光束中心处强度的1/e2＝14％。光点尺寸，或光束的曲率半径，处于沿光束轴的一个位置处的最小值，该位置被称为束腰。在图14中，准直光束的束腰通过134示出，处于偏振分束置换器106中的光的颈部。如图14所示，SGC 110a、SGC 110b处的束腰136大于光纤102处的束腰。在本实施例中，SGC 110a、SGC110b处的束腰136是光纤102处的束腰的两倍。当然，准确的放大倍率取决于束腰136的所需大小并且可能不同于值2。
图15示出了根据本发明一实施例的具有图像放大的光耦合装置500，示出削波效果。
聚焦微透镜阵列208中的微透镜可相互靠近以便使装置较小，这可对聚焦微透镜108的大小加以限制。同时，期望的光束应足够大，以作为准直光束通过偏振分束置换器106传播。因此，光束的边缘可通过聚焦微透镜108的边缘进行削波。
图15中的系统的结构与图14中的系统的结构类似，具有与图14中相同的焦距f1、f2。但是聚焦微透镜108的直径有所减小。如图15所示，未进行削波的SGC 110a、SGC 110b的最佳位置是在109处。这比进行削波的SGC 110a、SGC 110b的最佳位置更近。在该位置处，SGC 110a、SGC 110b处的束腰136比光纤102处的束腰大两倍以上。
高斯光束削波在G.D.Gillen、C.M.Seck和S.Guha于2010年的Opt.Exp.第18卷第5期第4023-4040页发表的《使用矢量衍射原理的削波聚焦高斯光束的分析光束传播模型(Analytical beam propagation model for clipped focused-Gaussian beams usingvector diffraction theory)》中描述，其以引用的方式并入本文本中。高斯光束的一般说明可以在http://www.rp-photonics.com/gaussian_beams.html中以及Wiley-VCH出版社2008年10月第一版《激光物理与技术百科全书(Encyclopedia of Laser Physics andTechnology)》(ISBN 978-3-527-40828-3)中R.Paschotta的《高斯光束(Gaussian beams)》中找到。
图16示出了根据本发明一实施例的用于光纤102与光子芯片112之间的耦合的方法。来自光纤102的光被准直(1602)并分为(1604)正交偏振X和Y分量束105、107。如上所述，这可以由具有任何合适结构和材料的偏振分束置换器106、106'进行以实现X分量束105、Y分量束107之间的空间分离。X分量束105、Y分量束107例如由单个聚焦微透镜108或者由两个单独的聚焦微透镜108a、108b(即，第一和第二焦微透镜)分别定向(1606)到光子芯片112。X分量束105、Y分量束107由第一SGC 110a和第二SGC 110b耦合(1608)到光子芯片112。如上所述，第一SGC 110a和第二SGC 110b正交放置在光子芯片112上，用于在同一偏振态(例如TE)下操作。同样如上所述，X分量束和Y分量束中的至少一个可以相对于对应的聚焦微透镜的光轴而离轴放置。因此，X分量束105、Y分量束107可以分别按第一SGC 110a和第二SGC 110b的耦合角度分别定向到光子芯片112上。来自光纤102的光的光点尺寸可以通过光耦合装置进行放大。
根据本发明各实施例，可以通过将光纤阵列与片外PS/PC以及TE SGC等单偏振SGC进行组合来提供双偏振光耦合装置。单偏振SGC可以定向，使得X分量束和Y分量束各自仅接触一个单偏振SGC。这使用偏振分束置换器和一组(或两组交织的)离轴微透镜来进行，从而以一个角度产生一组X分量束，并以另一个角度产生一组Y分量束。这些角度被对齐到两组交织的SGC的相应耦合角度，其中所有光栅耦合器具有相同的偏振。光束横向和/或垂直地离轴击中微透镜，这样可以达到X光栅和Y光栅的耦合角度。
根据一个特定实施例，准直光束半径可小于准直/聚焦微透镜104、108直径的25％，并且瑞利范围是偏振分束置换器106厚度的两倍以上。通过各个微透镜104、108进行削波的光功率量可以小于1％。准直微透镜阵列204中的微透镜可位于127μm乘的矩形网格上。聚焦微透镜阵列208中的X分量的微透镜(X微透镜)可以布置在同一网格上。聚焦微透镜阵列208中的Y分量的微透镜(Y微透镜)可以布置在同一网格上但是横向偏移127μm，并且与如图8中218处所示近似六边形的密排布置上的X微透镜成60对角。这提供了聚焦微透镜阵列208的紧密排列。每个光束可以经历一个放大两倍的放大镜，如上所述。当聚焦微透镜108的焦距约为准直微透镜104的焦距的两倍时，光纤102处的光束半径(或光点尺寸)可以约为3μm至4μm，SGC 110a、SGC 110b处的光束半径(或光点尺寸)可以约为5μm至8μm。SGC 110a、SGC 110b处的准直容差与SGC处的光束半径(或光点尺寸)成正比。因此，SGC110a、SGC 110b处的准直容差可通过放大光束半径来增加，并且装置可比不进行放大的装置更容易装配。
通过所描述的光耦合装置，可以将大量光纤耦合到使用偏振分集的光子芯片。
根据各实施例，两个偏振分量束都可以使用相同的偏振光栅进行处理。理论上，TESGC和TM SGC可以在同一光子芯片上制成。然而，对于TE SGC和TM SGC，耦合角度对制造变化的反应有所不同。因此，可能很难通过相同的耦合角度来产生这两者。此外，最佳TE SGC的制造过程与最佳TM SGC的制造过程一般不一样，所以其中一者或两者的性能会受影响。因此，仅使用一个SGC偏振的光子芯片会比需要两个SGC偏振的芯片具有更好的性能及更高的收益。
已制造出具有高性能的片外PS/PC。通过根据本发明各实施例提供的双偏振光耦合装置，片外PS/PC的成本和大小可以在许多信道共享，因此每个信道的成本较低且尺寸较小。此外，片外PS/PC装配在光耦合装置内，简单地作为两个抛光面的面对面对齐，这可以通过一个便宜的装配过程来实现。
原则上，根据本发明各实施例的双偏振光耦合装置可针对使用偏振分集的光子芯片上的大光纤量实现低成本和低损耗装配。由于其是光栅耦合的，所以能够使用再入式路由，这样X分量的波导无需与Y分量的波导相交。微透镜成像系统可以提供较大的光束，例如，在光子芯片处提供的比光纤处大两倍的光束，从而将准直容差减小两倍，并且还降低成本。
根据各实施例的光耦合装置可用于可重构光纤光通信，尤其是用于城域光网络、WDM无源光网络(passive optical network，PON)、无线聚合网络/云无线接入网(Cloud-radio access network，C-RAN)中的光分插波分复用(wavelength-divisionmultiplexing，WDM)应用，并且可用于可重构数据中心网络和高性能计算、数据中心收发器、数据中心核心交换网或城域和长距离中的相干光收发器。
虽然本发明中已提供若干实施例，但应理解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，本发明所公开的系统和方法可以以许多其它特定形式来体现。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，各种元件或组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、设备或中间组件间接地耦合或通信。其它变化、替代和改变的示例可以由本领域的技术人员在不脱离本文精神和所公开的范围的情况下确定。

Claims (21)

1.一种用于将光纤耦合到光子芯片的光耦合装置，其特征在于，包括：
准直微透镜，用于使来自所述光纤的光准直；
偏振分束置换器，用于将通过所述准直微透镜准直的所述光分为正交偏振X和Y分量束；
至少一个聚焦微透镜，用于将所述X和Y分量束分别定向到所述光子芯片上；以及
第一和第二表面光栅耦合器(surface grating coupler，SGC)，它们正交放置在所述光子芯片上并用于在相同的偏振态下操作，以将所述X和Y分量束分别耦合到所述光子芯片。
2.根据权利要求1所述的光耦合装置，其特征在于，所述至少一个聚焦微透镜包括单个聚焦微透镜，用于将所述X和Y分量束分别定向到所述第一和第二SGC上。
3.根据权利要求1所述的光耦合装置，其特征在于，所述至少一个聚焦微透镜包括第一和第二聚焦微透镜，分别用于将所述X和Y分量束分别定向到所述第一和第二SGC上。
4.根据权利要求1所述的光耦合装置，其特征在于，所述X和Y分量束中的至少一个平行于所述聚焦微透镜的光轴但偏离于所述光轴射至所述对应的聚焦微透镜。
5.根据权利要求1所述的光耦合装置，其特征在于，所述X和Y分量束中的至少一个作为不交轴光束射至所述对应的聚焦微透镜。
6.根据权利要求1所述的光耦合装置，其特征在于，还包括：
包括所述光纤的光纤阵列；
包括所述准直微透镜的准直微透镜阵列，用于使来自所述光纤阵列的光准直，其中所述偏振分束置换器用于将通过所述准直微透镜阵列中的每个微透镜准直的光分为正交偏振X和Y分量束；
包括所述至少一个聚焦微透镜的聚焦微透镜阵列，用于将所述X和Y分量束分别定向到所述光子芯片上；以及
SGC阵列，用于在相同的偏振态下操作，并且包括分别包含所述第一和第二SGC的第一和第二SGC子阵列，
其中所述第一和第二SGC子阵列分别用于将所述X和Y分量束分别耦合到所述光子芯片。
7.根据权利要求6所述的光耦合装置，其特征在于，所述聚焦微透镜阵列包括第一和第二聚焦微透镜子阵列，分别用于将所述X和Y分量束分别聚焦到所述第一和第二SGC子阵列上。
8.根据权利要求7所述的光耦合装置，其特征在于，所述第一和第二聚焦微透镜子阵列布置在交替行中。
9.根据权利要求8所述的光耦合装置，其特征在于，所述交替行形成微透镜的非矩形图案。
10.根据权利要求8所述的光耦合装置，其特征在于，还包括垫片，其定义所述聚焦微透镜与所述光子芯片之间的距离。
11.根据权利要求1所述的光耦合装置，其特征在于，所述偏振分束置换器包括双折射板。
12.根据权利要求1所述的光耦合装置，其特征在于，所述偏振分束置换器包括偏振选择性反射器。
13.根据权利要求1所述的光耦合装置，其特征在于，所述至少一个聚焦微透镜用于将所述X和Y分量束定向为远离彼此并朝向所述光子芯片，使得所述X和Y分量束到所述光子芯片上的入射角度分别与所述第一和第二SGC的耦合角度对应。
14.根据权利要求13所述的光耦合装置，其特征在于，所述至少一个聚焦微透镜相对于所述X和Y分量束离轴放置。
15.根据权利要求1所述的光耦合装置，其特征在于，所述SGC处的光的光点尺寸大于来自所述光纤的光的光点尺寸。
16.根据权利要求1所述的光耦合装置，其特征在于，所述光纤平行于所述光子芯片。
17.根据权利要求1所述的光耦合装置，其特征在于，所述聚焦微透镜的焦距大于所述准直微透镜的焦距。
18.一种用于耦合光纤与光子芯片之间的光的方法，其特征在于，包括：
使来自所述光纤的光准直以获得准直光；
将所述准直光分为正交偏振X和Y分量束；
将所述X和Y分量束分别定向到所述光子芯片上；以及
通过第一和第二表面光栅耦合器(surface grating coupler，SGC)将所述X和Y分量束分别耦合到所述光子芯片，所述第一和第二SGC正交放置在所述光子芯片上并用于在相同的偏振态下操作。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，将所述X和Y分量束分别定向到所述光子芯片上包括：通过第一和第二聚焦微透镜分别将所述X和Y分量束定向为远离彼此，其中所述第一和第二聚焦微透镜中的至少一个聚焦微透镜相对于所述X和Y分量束离轴放置。
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，将所述X和Y分量束耦合到所述光子芯片包括：分别按所述第一和第二SGC的耦合角度将所述X和Y分量束耦合到所述光子芯片上。
21.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括放大来自所述光纤的光的光点尺寸。
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