CN108027480A - 纤维到芯片的光耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明介绍了一种用于将光纤耦合到光子集成电路(PIC)的光耦合器。所述光耦合器包括第一曲面镜，其包含在所述PIC的第一衬底层中并且距与所述PIC相关联的光收发器处于第一预定横向距离处；第二曲面镜，其包含在第二衬底层中并且放置在离所述光纤第二预定横向距离处；和位于第一衬底层和第二衬底层之间的间隔区。

Description

纤维到芯片的光耦合器
技术领域
本公开通常涉及将光纤耦合到衬底，并且更具体地涉及将光纤耦合到光电集成电路(IC)。
背景技术
通信系统和数据中心需要以不断提高的速度和不断降低的成本来处理海量的数据。为了满足这些需求，光纤和光学IC(例如光子集成电路(PIC)或集成光路)与高速电子集成电路一起使用。PIC是集成多种光子功能的装置(类似于电子IC或RF IC)。PIC通常使用磷化铟或氧化硅(SiO2)制造，这允许在同一电路上集成各种光学有源和无源功能。
PIC与光纤的耦合还不如电子IC的集成和/或耦合先进。具体而言，光学连接所面临的挑战与将电子IC连接到例如印刷电路板(PCB)不同并且复杂得多。在光学封装的波长、信号损耗、组装容差和偏振特性方面存在一些困难。
现有的解决方案利用各种技术将光纤连接到PIC。在一种技术中，建议使用各种类型的对接连接到边缘和表面纤维连接PIC。纤维的对接可以连接到PIC边缘的平面波导。这种技术只有在纤维传播模式的横截面和纤维纤芯和波导的波导区域的横截面尺寸相似时才是有效的。在大多数情况下，这种技术会受到较差的装配容差。
在改进的技术中，建议在PIC的表面顶部放置一段纤维，其中纤维的端部以一定角度切割以形成出成角度的尖端。成角度的尖端具有平坦表面，其将光束向下反射到设置在集成电路上的波导光栅耦合器。光束通过全内反射从成角度的尖端的反射表面反射。波导光栅耦合器设计为接收来自纤维成角度的尖端的反射表面的稍微发散的光束。光束也可以在相反的方向上通过纤维传播到芯片耦合器，从衬底通过波导光栅向上，并在从成角度的尖端的反射表面反弹之后进入光纤。该技术还需要在环氧树脂的反射表面上涂覆。
其中，所有上述技术都需要光纤精确对准和主动定位到PIC。同样地，目前的技术受到差和非常严格的对准容差以获得有效的连接。例如，1-2微米(μm)的光纤和PIC之间的未对准会导致约3db的信号损失。此外，现在使用昂贵的设备或劳动密集型组装解决方案进行对齐。因此，大规模生产PIC和/或光耦合器是不可行的。
因此提供可克服现有解决方案缺陷的纤维到芯片光耦合解决方案将是有利的。
发明内容
以下是本公开的几个示例实施例的概述。提供本概述是为了方便读者提供对这些实施例的基本理解，并未完全从广度上限定本公开。本概述不是所有预期实施例的广泛概述，并且既不旨在标识所有实施例的关键或关键元素，也不描绘任何或全部实施例的范围。其唯一目的是以简化形式呈现一个或多个实施例的一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的序言。为了方便，术语一些实施例可以在本文中用于指代本公开的单个实施例或多个实施例。
本公开在各种实施例中涉及用于将光纤耦合到光子集成电路(PIC)的光耦合器。所述光耦合器包括第一曲面镜，包含在所述PIC的第一衬底层中并且距与所述PIC相关联的光收发器处于第一预定横向距离处；第二曲面镜，包含在第二衬底层中并且放置在离所述光纤第二预定横向距离处；和位于第一衬底层和第二衬底层之间的间隔区。
本公开还涉及包括多个光耦合器的光子插头，包括多个光耦合器，能够实现多个光纤与设置在第一衬底层上的光子集成电路(PIC)之间的光连接，其中每个所述多个光耦合器中包括第二衬底层、至少一个光学聚焦元件、倾斜平面镜、在第二衬底层中蚀刻的纤维沟槽以及位于第一衬底层和第二衬底层之间的间隔区。
本公开也在各种实施例中涉及用于制造将光纤耦合到光子集成电路(PIC)的光耦合器的方法。所述方法包括：在第一衬底层中制造第一曲面镜，其中所述第一衬底层是所述PIC的一部分；在第二衬底层中制造第二曲面镜；和在第一衬底层和第二衬底层之间设置间隔区。
本公开还在各种实施例中涉及一种光子集成电路(PIC)封装，包括：第一衬底层，其至少包括第一曲面镜；第二衬底层，其至少包括第二曲面镜；在第一衬底层和第二衬底层之间耦合的间隔层。
附图说明
在说明书结尾处的权利要求书中特别指出并明确要求保护在此公开的主题。从下面结合附图的详细描述中，公开的实施例的前述和其他目的、特征和优点将变得显而易见。
图1是根据一个实施例构造的纤维到芯片光耦合器的侧视图。
图2是根据一个实施例的所公开的装置的“纤维侧”的俯视图。
图3A至3D图示了根据一个实施例的纤维沟槽。
图4是根据一个实施例布置的用作波导的芯片到纤维光耦合器的侧视图。
图5是用于描述根据一个实施例的光纤到芯片光耦合器的示意图。
具体实施方式
着重注意，这里公开的实施例仅仅是本文创新教导的许多有利用途的示例。一般而言，在本申请的说明书中做出的陈述不一定限制任何各种要求保护的实施例。此外，一些陈述可能适用于某些创造性特征，但不适用于其他特征。一般而言，除非另有说明，单数元素可以是复数形式，反之亦然，不失一般性。在附图中，相同的附图标记通过几个视图指代相似的部分。
作为对所公开的各种实施例的示例，提出了一种自适应光学耦合解决方案，其提供了高效且可扩展的纤维到芯片和芯片到纤维的光学连接。该芯片包括但不限于光子集成电路(PIC)。“纤维到芯片和芯片到纤维光学”连接中的纤维可以是光纤、激光器或任何类型的光源极和/或光漏极。由于其光学布置而实现所公开的光学耦合器或(光子插头)的可扩展性，所述光学布置提供了光学耦合器的高公差对准和被动定位，从而使光纤相对于PIC定位。因此，所公开的光耦合器可以大批量生产。在某些实施例中，所公开的光学耦合器允许紧凑且安全地包装PIC。在另一个实施例中，所公开的光耦合器解决方案提供与倒装芯片布置的完整性。下面详细讨论各种公开的实施例。
图1是根据一个实施例构造的纤维到芯片光耦合器100的侧视图。光耦合器100提供PIC110与光纤120之间的光学连接。在一个实施例中，光耦合器100包括连接在PIC 110和光纤120之间的间隔区130、第一曲面镜140、第二曲面镜150和倾斜平面镜160。光耦合器100还可以包括纤维沟槽(图1中未示出)。
光纤120和耦合器100堆叠在衬底层170下面。具体地，如下面将要讨论的，第二曲面镜150和倾斜平面镜160制造在衬底170中。衬底170可以与PIC 110的衬底相同或不同。在示例性实施例中，衬底层170可以由氧化硅(SiO2)、塑料等制成。在另一个实施例中，第二曲面镜150和倾斜平面镜160制造(并包括)在间隔区130中，而不是在衬底170中。
根据一个实施例，间隔区130的材料可以是任何透明且不导电的材料，诸如玻璃、聚二甲基硅氧烷、空气或任何其他折射率匹配材料。间隔区130的高度部分地决定了传播通过间隔区130的光束(光学信号)的效率。具体地，间隔区130越高，耦合器100越容易出现PIC110和耦合器100之间的旋转和调平误差。在示例性且非限制性的实施例中，间隔区130的高度设定为300μm。
倾斜平面镜160用于将来自光纤120的光束引导到第一曲面镜140和/或从第一曲面镜140引导到光纤120。这允许平行于PIC 110放置光纤120。倾斜平面镜160通过各向异性灰度蚀刻被成形，并以预定角度倾斜。该角度分别由光纤120和第一曲面镜140之间的光路确定。在一些实现中，倾斜平面镜160是可选的。作为一个非限制性示例，当光纤-110被激光器替换时，光可以容易地引导到第二曲面镜150，因此在这种布置中不需要平面镜160。
如图所示，第一和第二曲面镜140和150是彼此反向放置的准直镜。具体地，第一曲面镜140放置在“PIC侧”，而第二曲面镜150放置在“纤维侧”。这种布置允许将光纤120从PIC110分离，从而(在三维处)获得高的和宽松的对准容差。在一个实施例中，使用类似的光刻工艺(诸如但不限于灰度级光刻)在PIC 110的衬底上和衬底层170上执行第一和第二曲面镜140和150的定位和创建。在一个实施例中，使用相同的光刻掩模对准精度放置倾斜平面镜160、曲面镜150和纤维沟槽。在另一个实施例中，使用第一光刻掩模对准精度放置在倾斜平面镜160和曲面镜150上的放置，并且使用第二光刻掩模对准精度放置纤维沟槽。
此外，在制造期间放置并形成第一和第二曲面镜140和150，这确保了高精度定位和精确的反射镜。作为非限制性示例，用于形成反射镜的制造过程可以包括绝缘体上硅(SOI)、互补金属氧化物半导体(CMOS)等。
通过两个不同的工艺并且可选地在两个不同的制造设备(fab)处制造第一和第二曲面镜140和150，但是使用相同或基本相似的灰度光刻工艺。这确保了镜子及其组件的高精度以创建光耦合器。此外，通过制造并将第一和第二曲面镜140和150放置在衬底上，使光纤120与PIC 110分离，从而允许三维中宽松的对准公差。也就是说，即使光耦合器100的“纤维侧”没有完美地与PIC 110对准，光信号也不会显著衰减。
由于第一和第二曲面镜140和150的彼此相对放置的特定位置和形状，所公开的光耦合器100的布置通过PIC 110与光束源极和/或漏极之间的宽松的对准实现了高信号效率，。第一和第二曲面镜140和150的位置至少相对于源极/漏极光束确定。这允许光束从第一和第二曲面镜140和150反射。具体地，以这样的方式形成第一和第二曲面镜140和150，以使得来自光源的所有光束在第一曲面镜140的中心以特定角度被反射和准直，并且在第二曲面镜150之后聚焦到漏极。参考图5更详细地描述第一和第二曲面镜140和150的设计。
例如，如图1所示，第一曲面镜140将来自光纤120(经由倾斜平面镜160)的发散光束180-1反射成平行光束180-2。光束180-2到达第二曲面镜150，其将聚焦的光束180-3反射回到PIC 110收发器-115。对于收发器-115发射的光束而言，相同的光路是真实的。参考图6论述了用于设计耦合器100的实施例。应该注意的是，所有光束180行进到间隔区130。
应该注意，参照图1论述的光耦合器100允许单纤维和PIC 110之间的连接。然而，在典型的布置中，可以利用多个耦合器100来将多个光纤连接到PIC 110。
如上所述，使用纤维沟槽将光纤120附接到耦合器100。在图2中进一步示出了该布置，其示出了所公开的布置的“光纤侧”的示例性且非限制性的俯视图。图2示出了四个(4)纤维沟槽210-1至210-4(下文中仅为了简化而分别称为纤维沟槽210并统称为纤维沟槽210)。每个纤维沟槽210邻接倾斜平面镜220。纤维沟槽210成形为在衬底层170中蚀刻的沟槽。每个倾斜平面镜220-1至220-4定向为图1所示的倾斜平面镜(160)。如图2所示，光纤230-1和230-2分别放置在纤维沟槽210-3和210-4中。
在图2中还示出了四个曲面镜240-1至240-4。每个曲面镜240定向为图1所示的第二曲面镜(150)。应该指出的是，图2中仅仅出于说明的目的仅示出了两根光纤230-1和230-2。在不脱离所公开的实施例的范围的情况下，可以使用其他数量的光纤。图2所示的示例性布置可以支持将四根光纤耦合到PIC(未示出)。应该指出，可以支持的光纤数量可以大于四个。应该进一步注意的是，图2中所示的纤维沟槽成形为V形沟槽，然而，可以使用例如正方形、圆柱形、菱形等任何类型的沟槽形状。
参照图3A至3D进一步描述用于形成纤维沟槽210的过程。图3A是衬底层170的侧视图。首先，仅将曲面镜150放置在衬底层170上。然后，如图3B所示，在衬底层170中蚀刻凹槽以形成纤维沟槽210。最后，将光纤120放置在纤维沟槽210中(图3C)。图3D示出了具有附接的光纤120的衬底层170的侧视图。应该注意的是，图3D所示的布置翻转的相对于图1所示的布置。
图4是根据一个实施例布置的用作波导的芯片到光纤光耦合器400的侧视图。在该实施例中，PIC 410翻转并放置在用作耦合器400的间隔区(类似于例如间隔区130)的中介层420上。中介层420是从一个连接到另一个连接的电接口，以便将连接扩展到更宽的间距或将连接421重新布线到不同的连接。
还与中介层420耦合的是仅包括电子元件的集成电路(IC)430。IC 430和PIC电路板(PCB)440之间的连接是通孔450。PIC 410和光纤460之间的光学连接借助于耦合器400来实现。如以上参考图1在此更详细地论述的那样构造耦合器400。即，耦合器400包括一对曲面镜401和402以及倾斜平面镜403。应该注意的是，通过标准电子方法(中介层上的倒装芯片)进行的单一安装为PIC 410提供了其操作所需的电气和光学连接。中介层420由对光束波长透明的材料制成。
图5是用于描述根据一个实施例的光纤到芯片光耦合器500的示例性示意图。光耦合器500包括第一曲面镜501、第二曲面镜502、倾斜平面镜503和间隔区504。在这个例子中，漏极510是光纤并且PIC 520的发射器521是光束的源极。
确定耦合器500的设计的几个可调节参数为：间隔区高度、主要传播角度(α，β，γ)、间隔区504的传播介质类型以及用于未对准的目标容差。
光束的半径由光源521处的光束半径、光束传播的介质以及波长决定。首先，选择发散角(θ)作为光束强度为光束中心强度的1％的角度。然后，在示例性实施例中，主传播角度(α，β，γ)设定为满足以下约束：
α+β>θ
α＝β＝γ
通常，θ的值为8°-12°。应该指出的是，其他约束条件可以设置为不同的目标公差。如上所述，间隔区高度L分别设定为允许的旋转和水平误差容差。在示例性实施例中，L等于300μm。
在一个实施例中，第一和第二曲面镜501和502被设计成使得它们各自的中心位于主传播轴与每个镜相交的位置。具体地，镜子设计为使得第二曲面镜502的中心与源极521相距距离D1。在一个实施例中，距离D1如下计算：
D1＝L×tan(α)+L×tan(β)；
第一曲面镜501的中心距离漏极510的距离为D2。在一个实施例中，距离D2如下计算：
D2＝L×tan(γ)+L×tan(β)
此外，如下计算第一和第二曲面镜501和502之间在0μm未对准中的横向距离：
L×tan(β)
在一个实施例中，以这样的方式形成第一和第二曲面镜501和502，以使得来自光源极521的所有光束在第一曲面镜501的中心以角度β被反射和准直，并且在第二曲面镜502反射之后聚焦到漏极510。第一和第二曲面镜501和502的表面足够大以覆盖发散轴。应该注意的是，都是以0作为未对准条件进行所有计算。
本文参考具体实施例论述了各种光耦合器，其中曲面镜用于传播光束。然而，所公开的实施例可以使用其他反射或聚焦元件来实现，例如光学透镜、波带片(例如菲涅耳波带片)等。
应该理解的是，在此使用诸如“第一”、“第二”等名称的对元件的任何引用通常不限制这些元件的数量或顺序。相反，这些名称在本文中通常用作区分两个或更多个元素或元素的实例的简易方法。因此，对第一和第二元素的引用并不意味着在那里只能使用两个元素，或者第一元素必须以某种方式在第二元素之前。而且，除非另外声明，另外一组元素包括一个或多个元素。另外，形式为“A，B或C中的至少一个”或“A，B或C中的一个或多个”或“由A，B和C组成的组中的至少一个”或在说明书或权利要求中使用的“A，B和C中的至少一个”是指“A或B或C或这些元素的任何组合”。例如，该术语可以包括A，或B，或C，或A和B，或A和C，或A和B和C，或2A，或2B，或2C等等。
这里列举的所有示例和条件语言旨在用于教导目的，以帮助读者理解本发明的原理和发明人为促进现有技术所贡献的概念，并且应被解释为不限于这些具体描述的示例和条件。此外，本文阐述本发明的原理、方面和实施例的所有陈述以及其具体示例旨在涵盖其结构和功能等同物。此外，意图是这样的等同物包括当前已知的等同物以及将来开发的等同物，即，开发的执行相同功能的不管结构如何的任何元件。

Claims (28)

1.一种用于将光纤耦合到光子集成电路(PIC)的光耦合器，包括：
第一曲面镜，该第一曲面镜包含在所述PIC的第一衬底层中并且距与所述PIC相关联的光收发器处于第一预定横向距离处；
第二曲面镜，该第二曲面镜包含在第二衬底层中并且放置在离所述光纤第二预定横向距离处；和
位于第一衬底层和第二衬底层之间的间隔区。
2.根据权利要求1所述的光耦合器，还包括：
倾斜平面镜，该倾斜平面镜包含在所述第二衬底层中并邻接所述光纤，其中所述倾斜平面镜以预定角度倾斜。
3.根据权利要求2所述的光耦合器，还包括：
蚀刻在第二衬底层中的纤维沟槽，其中光纤布置在纤维沟槽中。
4.根据权利要求2所述的光耦合器，其中所述光纤是光束源极，并且所述收发器是所述光源的漏极，其中所述倾斜平面镜反射来自所述光源极的发散光束。
5.根据权利要求4所述的光耦合器，其中所述第一曲面镜设计成将所述发散光束转换成平行光束，并且所述第二曲面镜设计成将所述平行光束转换为被引导至所述漏极的聚焦光束。
6.根据权利要求2所述的光耦合器，其中所述光纤是光束漏极，并且所述收发器是所述光源的漏极，其中所述倾斜平面镜反射来自所述第一曲面镜的发散光束。
7.根据权利要求6所述的光耦合器，其中所述第二曲面镜设计成将所述发散光束转换成平行光束，并且所述第一曲面镜设计成将所述平行光束转换为被引导至所述漏极的聚焦光束。
8.根据权利要求2所述的光耦合器，其中所述倾斜平面镜和所述第二曲面镜制造在所述第二衬底层中，其中所述第一曲面镜进一步制造在所述第一衬底层上。
9.根据权利要求8所述的光耦合器，其中所述第二曲面镜、所述纤维沟槽和所述倾斜平面镜使用相同或基本类似的灰度光刻掩模放置在所述第二衬底上。
10.根据权利要求8所述的光耦合器，其中所述间隔区处于预定高度并由透明材料制成。
11.根据权利要求1所述的光耦合器，其中所述光纤还包括激光器。
12.一种制造用于将光纤耦合到光子集成电路(PIC)的光耦合器的方法，包括：
在第一衬底层中制造第一曲面镜，其中所述第一衬底层是所述PIC的一部分；
在第二衬底层中制造第二曲面镜；和
在第一衬底层和第二衬底层之间设置间隔区。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括：
在第二衬底层中以预定角度制造倾斜平面镜。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括：
在第二衬底层中蚀刻沟槽以形成纤维沟槽。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：
将光纤布置在纤维沟槽中。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一曲面镜放置在距离与所述PIC相关联的光收发器的第一预定横向距离处，并且所述第二曲面镜放置在距离所述光纤的第二预定横向距离处。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述第一横向距离和所述第二横向距离中每一个横向距离是至少一个以下项目的函数：间隔区的高度、主传播角度、间隔区的传播介质类型以及第一曲面镜和第二曲面镜之间的未对准目标公差。
18.根据权利要求12所述的方法，其中所述间隔区处于预定高度并由透明材料制成。
19.一种光子插头，包括：
多个光耦合器，该光耦合器能够实现多个光纤与设置在第一衬底层上的光子集成电路(PIC)之间的光连接，其中所述多个光耦合器中的每个光耦合器包括第二衬底层、至少一个光学聚焦元件、倾斜平面镜、在第二衬底层中蚀刻的纤维沟槽以及位于第一衬底层和第二衬底层之间的间隔区。
20.根据权利要求10所述的光子插头，其中所述光学聚焦元件至少为曲面镜。
21.根据权利要求19所述的光子插头，其中所述间隔区由透明材料制成。
22.根据权利要求19所述的光子插头，其中所述间隔区为中介层。
23.根据权利要求19所述的光子插头，其中至少一个光学聚焦元件、所述倾斜平面镜和所述纤维沟槽制造在所述第二衬底层上。
24.根据权利要求19所述的光子插头，其中至少一个光学聚焦元件、所述倾斜平面镜和所述纤维沟槽制造在所述间隔区上。
25.一种光子集成电路(PIC)封装，包括：
第一衬底层，其至少包括第一曲面镜；
第二衬底层，其至少包括第二曲面镜；
在第一衬底层和第二衬底层之间耦合的间隔层。
26.根据权利要求25所述的PIC封装，其中所述第一衬底层与所述PIC封装的PIC相关联，并且所述第二衬底层与光收发器相关联。
27.根据权利要求25所述的PIC封装，其中所述第二衬底层还包括：倾斜平面镜，其中所述倾斜平面镜以预定角度倾斜。
28.根据权利要求25所述的PIC封装，其中所述第二衬底层还包括：用于布置所述光纤的纤维沟槽。
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