CN108369316B - 双面正交光栅光耦合器 - Google Patents

Abstract

本文中的实施例涉及正交耦合从光子发射器芯片发射的光。一种光学装置可以包括：分光器，将来自光源的光分成第一路径和第二路径；以及光栅，在第一侧接收来自第一路径的光并且在与第一侧相对的第二侧接收来自第二路径的光以在与光子发射器芯片正交的方向上传输来自第一路径和第二路径的衍射光。其他实施例可以被描述和/或要求保护。

Description

双面正交光栅光耦合器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年12月24日提交的题为“DOUBLE-SIDED ORTHOGONAL GRATINGOPTICAL COUPLER”的美国申请第14/757,888号的优先权。

技术领域

本公开的实施例总体上涉及光电子领域，并且更具体地涉及用于诸如在绝缘体上硅(SOI)晶片上制造的硅光子传输电路的光子电路的正交光耦合器。

背景技术

本文提供的背景描述是为了总体上呈现本公开的背景。除非本文另行指出，否则本部分中描述的材料不是本申请中权利要求的现有技术，并且不因包含在本部分中而承认为现有技术。

硅光子学通常被认为是基于平面光子学电路以实现具有成本效益的光电子集成的最流行和成功的技术平台之一。基于光波导的光子器件如激光器、调制器和检测器通常在绝缘体上硅(SOI)晶片上制造。在SOI光子系统中，光通常被限制在晶片(或芯片)平面中。硅波导通常设计有亚微米截面，允许有源和无源器件的密集集成，以实现更高的速度和更低的驱动功率。从硅SOI光子系统传输的光通常以非垂直方式在芯片外耦合。在一些制造场景中，希望将来自硅光子发射器芯片的光沿与硅光子发射器芯片正交的方向垂直地耦合到光纤。然而，特别是垂直的光栅耦合器的正交光发射典型地具有严格受限制的性能，这是由于更高阶的衍射所造成的大的背反射和/或损耗，使得当使用光栅耦合器时，它们被限制为与正交于芯片的垂直方向典型地成大于五到十度的非正交/非垂直光发射，因而抑制沿着返回路径或芯片外的较高阶衍射。

附图说明

本公开的正交光学耦合技术的实施例可以克服这个局限性。通过以下结合附图的具体实施方式将容易理解这些技术。为了便于说明，相同的附图标记表示相同的结构元件。在附图的图中通过举例而非限制的方式来说明实施例。

图1是根据各种实施例的结合有本公开的双面正交光栅光耦合器的光电子系统的框图。

图2是根据各种实施例的示出双面正交光栅光耦合器的附加细节的光学设备的图。

图3是示出根据各种实施例的光耦合来自光源的光的方法的流程图。

图4示出了根据各种实施例的从双面正交光栅光耦合器垂直发射的光束轮廓。

图5示意性地示出了根据各种实施例的具有双面正交光栅光耦合器的示例性计算设备和光学设备。

图6示出了根据各种实施例的具有被配置为使得计算设备能够实践本公开的指令的示例性存储介质。

图7示出了与单面光栅耦合器相比根据各个实施例的双面光栅耦合器的模拟光谱响应。

具体实施方式

本公开的实施例描述了用于光学设备的技术和配置，该光学设备被配置为在正交于芯片的方向上提供从诸如硅光子发射器芯片的光子器件发射的光的正交(例如，垂直)光学耦合。该设备可以包括分光器和光栅。分光器可以将来自光源的光分成第一路径和第二路径。光栅可以在第一侧接收来自第一路径的光并且在与第一侧相对的第二侧接收来自第二路径的光，使得光栅将来自第一路径和第二路径的衍射光以正交(例如垂直)方向传输到单模光纤、多模光纤或自由空间。

在以下描述中，将使用本领域技术人员通常使用的术语来描述说明性实施方式的各个方面，以将他们的工作的实质传达给本领域的其他技术人员。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本公开的实施例可以仅用所描述的一些方面来实践。为了解释的目的，阐述了具体的数字、材料和配置，以便提供对说明性实施方式的透彻理解。对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有具体细节的情况下实践本公开的实施例。在其它实例中，公知的特征被省略或简化以免使说明性的实施方式难以理解。

在下面的具体实施方式中，参考了构成其一部分的附图，其中相同的附图标记始终表示相同的部分，并且其中通过可以实践本公开的主题的说明性实施例的方式示出。应该理解，在不脱离本公开的范围的情况下可以利用其他实施例并且可以进行结构或逻辑改变。因此，以下详细描述不应被视为具有限制意义，并且实施例的范围由所附权利要求及其等同物限定。

为了本公开的目的，短语“A和/或B”意指(A)，(B)或(A和B)。为了本公开的目的，短语“A，B和/或C”意指(A)，(B)，(C)，(A和B)，(A和C)，(B和C)，或(A，B和C)。

本说明书可以使用基于视角的描述，例如顶部/底部、中/外、之上/之下等等。这样的描述仅用于便于讨论并且不旨在在将本文所述的实施例的应用限制为任何特定的取向。

本说明书可以使用短语“在一实施例中”或“在实施例中”，这些短语均可以指的是相同或不同实施例中的一个或多个实施例。此外，如针对本公开内容的实施例所使用的术语“包括”、“包含”、“具有”等是同义的。

在本文中可以使用术语“与……耦合”连同其派生词。“耦合”可以意指以下中的一个或多个。“耦合”可以意指两个或更多个元件直接物理或电接触。然而，“耦合”也可以意指两个或更多个元件相互间接接触，但是仍然相互协作或交互作用，并且可以意指一个或多个其它元件耦合或连接在被认为相互耦合的元件之间。术语“直接地耦合”可以意指两个或更多个元件直接接触。

如本文中所使用的，术语“模块”可以指代以下项、以下项的部分、或包括以下项：专用集成电路(ASIC)、电子电路、处理器(共享的、专用的、或组)、和/或执行一个或多个软件或固件程序的存储器(共享的、专用的、或组)、组合逻辑电路、和/或提供所述功能的其它适合的部件。

图1是根据一些实施例的光电子系统100的框图，光电子系统100可以包括光耦合器，该光耦合器配置有分光器以将来自波导的入射光分成第一路径和第二路径，第一路径和第二路径各自与光栅耦合以正交地(例如垂直地)如本文所述那样传输光。光电子系统100可以用于经由光纤例如在数据中心的机架之间或数据存储设施、数据中心等之间长距离传输用数据信号调制的光信号。为了便于理解，相对于包括光栅的光子芯片的水平放置平面，说明书的其余部分将主要以用于垂直传输光的光栅来表示。然而，该描述不应被理解为限制。本公开可以用光栅相对于包括与光栅光学耦合的一个或多个波导的平面正交地传输光来实践。

光电子系统100可以包括具有一个或多个光源(例如，激光器件)104的光学装置(设备)102，以用于向相应的调制器106提供光信号118(例如，恒定光强度信号)，以根据要发送的数据信号调制输入光。光源104和对应的调制器106的每个组合可以包括通信信道110,112,114。调制器106可以将调制的光信号120输出到复用器(未示出)，其中信号可以被输入到具有波导124和诸如双面垂直光栅光耦合器(DVGOC)126之类的光耦合器的光耦合组件122。可选地，来自一个或多个通信信道110,112和114的一个或多个信号(例如，120)可以直接输入到光耦合组件122而不被多路复用。在一些实施例中，可以使用单个光源和通信信道，和/或来自光源的光可以被引导通过波导124而不被调制器调制。在各种实施例中，DVGOC126的一个或多个部件可以是诸如硅光子发射器芯片之类的光子芯片的部件或与其耦合。在各种实施例中，DVGOC 126的一个或多个部件可位于可被描述为水平面的光子芯片的平面中，并且DVGOC 126可在相对于水平面的垂直方向上发射光。

具有DVGOC 126的光学耦合组件122可以提供从通道110,112,114到光学通信信道(例如，光纤光缆或可以包括耦合光学器件随后是光纤的的其它配置)130的接口，并且可以是被配置为将光信号132传输到光通信信道130，以由另一个光学设备134接收。在实施例中，光波导124可以包括绝缘体上硅(SOI)基光波导。DVGOC 126可以包括分光器140，其被配置为将来自波导124的光分成第一路径和第二路径，使得光栅142在第一侧接收来自第一路径的光并且在与第一侧相反的第二侧接收来自第二路径的光。在各种实施例中，分光器140可以是1×2多模干涉(MMI)设备、Y型分光器、2×2MMI设备、定向耦合器或任何其他合适的设备，以将来自波导124的光分成第一路径和第二条路径。在一些实施例中，光可以以小于0.1dB的非常低的损耗分成第一路径和第二路径。分离期间的其他损失值可以存在于各种实施例中。在一些实施例中，分光器可以被选择或设计成使得在给定的操作波长处的背反射最小化，例如对于除了或替代最小化损耗之外期望最小化背反射的应用。在一些实施例中，第一路径和第二路径可以位于平面中，并且光栅142可以以与第一路径和第二路径的平面成正交(例如垂直)关系的方式传输来自DVGOC 126的光。在实施例中，平面还可以包括光波导124和/或光栅142。

在实施例中，在操作期间，来自第一路径和第二路径的光可以构造性地在光栅142处干涉以与芯片成法向或垂直于芯片的方向垂直地在芯片外衍射光，并在向后方向上以低损耗破坏性地抑制背反射。在一些实施例中，损耗可以是大约1.5dB并且回波损耗(RL)可以小于-15dB。在其他实施例中可以存在不同的损失和/或RL值。

当在光耦合器中使用传统的单面光栅时，光衍射成一个或多个阶。通常，一阶衍射被设计成耦合在芯片外，而较高阶衍射是不希望的，导致高损耗，并且可能向后耦合到波导中导致高背反射。在实施例中，诸如光栅142的双面光栅的使用可以通过发生在光栅内的干涉抵消更高阶衍射。在实施例中，可以选择光栅长度和几何形状，使得光栅在临界耦合(或接近临界耦合)状态而不是在欠耦合或过耦合状态下操作。在实施例中，可能影响光栅操作的状态的两个参数是衍射强度(例如每单位长度的衍射功率损耗)和光栅的总长度。如果光栅的衍射强度和/或长度很小，那么双面光栅很可能在欠耦合状态下工作。在欠耦合状态下，光栅两侧的衍射很弱，光栅两侧的前向和后向衍射波之间没有足够的相互作用，从而能够完全消除背反射。在过耦合状态下，光栅的衍射强度和/或长度足够大，以至于光在与光栅相对侧的光干涉之前衍射得太充分。由于最大的过耦合，双面光栅相当于两个分离的光栅。在临界耦合状态或其附近，衍射强度和/或光栅长度可以被设计成使欠耦合和过耦合最小化。在这种情况下，光栅两侧的光线有足够的机会在芯片外方向进行建设性干涉，并在相反方向进行破坏性干涉。在实施例中，可通过模拟光栅长度的范围并识别最大化片外耦合和/或最小化背反射的长度来识别给定光栅几何结构(和衍射强度)的最佳光栅长度，从而给出临界耦合状态附近的操作的指示符。

具有分光器140和光栅142的DVGOC 126可以被配置为将传播通过波导124的光信号144变换为光信号132，以垂直地与光通信信道130耦合，如下面更全面地描述的。在一些实施例中，DVGOC 126可以包括一个或多个移相器(图1中未示出，参见图2)和/或一个或多个模式转换器(图1中未示出，参见图2)。在可以执行动态相移的实施例中，光学组件122可以包括附加部件，诸如分接波导、光电检测器和相位控制器(在图1中都未示出，参见图2)。在一些实施例中，光通信信道130可以不存在，并且DVGOC 126可以将光传输到自由空间而不是光纤或其他光通信信道130。

图2是根据一些实施例的更详细地描绘光学组件222(例如，类似于光学组件122)的示例性光学设备200(类似于设备102)的框图。如图所示，光学组件222可以包括光学波导224和光耦合器226，其在各种实施例中可以是双面垂直光栅光耦合器(例如，类似于DVGOC126)。在各种实施例中，光学组件222的一个或多个部件可以在诸如硅或SOI芯片的光子芯片上实现。在各种实施例中，光学组件222可以包括由SOI形成的硅波导和/或其它部件，诸如例如氮化硅或氮化铝的光学氮化物、磷化铟或其他III-V族材料、氮化镓、氧化钽或锗。根据一些实施例，光学组件222可以耦合到波导224的第一端处的通信信道228。一些实施例中通信信道228可以类似于的通信信道110,112或114中的一个或多个，并且可以包括一个或多个光源，例如激光器。

在各种实施例中，光耦合器226可以包括分光器227，其可以将来自波导224的光分成第一路径232和第二路径234，第一路径232在第一臂的波导中行进，第二路径234在第二臂的波导中第一路径行进。在一些实施例中，来自波导224的光可以具有大约1310纳米(nm)的波长，但是在其他实施例中，光的波长可以不同。分光器227可以是1x2 MMI设备、Y型分光器、定向耦合器或另一合适的分光器件。在一些实施例中，分光器227可以是2×2 MMI设备，其中2x2 MMI设备的开放输入端口用于接收有通道的背反射光，否则这些光将会损失到辐射模式和散射。光耦合器226还可以包括可以与光栅142相似的光栅236，并且可以在第一侧238接收来自第一路径232的光并且在与第一侧238相对的第二侧240接收来自第二路径234的光。在各种实施例中，光栅236可以是具有亚微米周期的占空比在10％和90％之间的衍射光栅，并且在一些实施例中占空比可以在从30％到70％的范围内。在各种实施例中，光栅236可具有大约40条光栅线。在其他实施例中，光栅236可具有从大约五个光栅线到几百个光栅线的多条光栅线。然而，在其他实施例中，不同数量的光栅线或其他光栅特性可以在这些范围中的一个或多个范围之外。

在各种实施例中，光栅236可与可包括光栅236的芯片成法向的垂直方向上将来自第一路径232和第二路径234的衍射光传输到单模光纤、多模光纤或自由空间。在实施例中，单模光纤可具有约9.2微米的模场直径。在其他实施例中可以使用具有其他直径或特性的单模光纤。如图所示，在一些实施例中，来自光栅236的垂直方向在与芯片的平面垂直或正交的方向上离开页面，芯片可包括光耦合器226的光栅236和其他部件。在各种实施例中，当来自每个臂的光存在相长干涉时，可发生光栅236的最佳操作。当两个臂在第一路径232和第二路径234中行进的光之间的光栅236处存在零度相位差时，在各种实施例中可能存在大约1.8dB的传输损耗。随着两臂之间的相位差增大，可能会有更大的传输损耗。在一些实施例中，每个臂中的累积相位可以由以下等式给出：

在等式(1)中，λ是光的波长，并且n_eff是在沿着臂的长度(l)的给定点处的有效折射率。第一和第二臂中累积的相移可分别由ΔΦ₁和ΔΦ₂表示。即使在两臂被设计成具有相同长度的情况下，由于在每个臂的路径长度上不同的有效折射率，两臂之间可能出现净相位误差。在SOI系统中，例如，n_eff可能相当高(例如，大约2至3.5)。在各种实施例中，为了确保在存在接近零的相位差的最大传输的小于0.5dB内的稳定的低损耗操作，两个臂之间的净相位差可以保持小于大约π/4(45度)，在一个或多个臂中具有一个或多个移相器。在一些实施例中，可以不存在移相器，并且可以使用其他技术来减小两个臂之间的净相位差，例如通过在每个臂中使用最小路径长度或者通过将波导有效折射率设计为对于制造缺陷是鲁棒的。在一些实施例中，可以使用绝热加宽的波导锥形和/或弯曲来将波导模式更多地拉入到芯中并远离对制造缺陷更敏感的维度以减小净相位差。

在一些实施例中，第一模式转换器242可以位于第一路径232中，和/或第二模式转换器244可以位于第二路径234中。在一些实施例中，第一移相器246可以位于第一路径232中，和/或第二移相器248可以位于第二路径234中。第一移相器246和/或第二移相器248可以是静态移相器，其可以在校准过程中生产光学设备200时被设置，或者可以是动态移相器，其可以根据各种实施例能够动态调节。在一些实施例中，第一移相器246和/或第二移相器248可以由紫外(UV)可固化材料形成，该材料基于对UV光的曝光程度改变其折射率。在各种实施例中，第一移相器246和/或第二移相器248可以是诸如波导集成二极管或电容器的电光器件，或者诸如窄线钨或铝加热器的加热器。在一些实施例中，可以执行在器件封装之前通过自动化晶片级测试的校准以建立静态移相器的设置。

在一些实施例中，在第一移相器246或第二移相器248中的一个或多个是动态移相器的情况下，光学设备200可以包括与光栅236光耦合的分接波导250，以接收光栅236传输或反射的光的一部分。光电检测器252可以与分接波导250耦合以检测通过分接波导250传输的光量。相位控制器254可以与光电检测器252以及第一相位移位器246和第二移相器248中的一个或多个耦合，以至少部分地基于由光电检测器252生成的信号来调整一个或多个移相器。

在各种实施例中，可以使用一个或多个动态移相器来主动调谐光耦合器226以主动控制光学设备200的传输和/或背反射特性。在具有一个或多个动态移相器的一些实施例中，光耦合器226也可以是光调制器，并且通信信道228可以不包括调制器。

图3是示出根据各种实施例的光耦合来自光源的光的方法300的流程图。在实施例中，方法300可以在关于图1描述的光学设备102和/或关于图2描述的光学设备200上实施。

在框302处，方法300可以包括沿着水平面将来自光源的光提供给波导。在一些实施例中，光可以是来自诸如关于图1描述的通信信道110,112或114或关于图2描述的通信信道228的通信信道的调制激光。在一些实施例中，该光可以从诸如激光器104之类的激光源提供。

在框304处，方法300可以包括将来自波导的光分成第一路径和第二路径。在一些实施例中，诸如分光器140或分光器226的分光器可以用于将光分成第一路径和第二路径。在判定框306处，可以确定是否执行相移。如果要执行相移，则方法300可以前进到判定框308，其中可以确定相移是否是动态相移。

如果相移是动态相移，则方法300可以前进到框310，该框可以包括生成一个或多个移相器的一个或多个控制信号。在一些实施例中，控制信号可以由相位控制器(诸如相位控制器254)至少部分地基于来自诸如光电检测器252的光电检测器的信号来生成。在框312处，方法300可以包括对第一路径和第二路径中的一个或多个中的光进行移相。如果在判定框308处确定相移不是动态的，则方法300也可以进行到框312。在各种实施例中，相移可以由第一移相器246和第二移相器248中的一个或多个来执行。在相移是动态的实施例中，移相器可以至少部分地基于在框310处生成的控制信号来对第一路径和第二路径中的一个或多个中的光进行移相。在实施例中，在相移是静态的情况下，移相器可以至少部分地基于移相器的设置以静态方式将第一路径和第二路径中的一个或多个中的光进行移相，在一些实施例中移相器的设置在光学设备200的生产或组装期间的校准过程中已经进行。

在框314中，方法300可以包括将来自第一路径的光引导至衍射光栅的第一侧。如果在判定框306处确定不执行相移，则方法300也可以进行到框314。在一些实施例中，可以将光引导至诸如衍射光栅236的衍射光栅的第一侧。在各种实施例中，当从分光器行进到光栅时，光可以穿过诸如第一模式转换器242的模式转换器和/或诸如第一移相器246的移相器。在各种实施例中，模式转换器和/或移相器可以不存在于从分光器到光栅的光路中。

在框316中，方法300可以包括将来自第二路径的光引导至衍射光栅的与衍射光栅的第一侧相对的第二侧。在一些实施例中，光可以被引导至诸如衍射光栅236的衍射光栅的第二侧。在各种实施例中，当从分光器行进到光栅时，光可以穿过诸如第二模式转换器244的模式转换器和/或诸如第二移相器248的移相器。在各种实施例中，模式转换器和/或移相器可以不存在于从分光器到光栅的光路中。

在框318处，方法300可以包括沿与光子芯片成法向或正交于光子芯片的垂直方向从衍射光栅发射光。在一些实施例中，发射光的光束轮廓可以对应于关于图4描述的光束轮廓400。在其他实施例中，发射光的光束轮廓可以不同于光束轮廓400的光束轮廓。

在判定框320处，可以确定是否要执行光电检测。如果光电检测将被执行，则方法300可以进行到框322，框322可以包括将来自衍射光栅的一部分光引导到光电检测器。在实施例中，光的该部分可以用诸如分接波导240的分接波导来引导。在各种实施例中，诸如光电检测器252的光电检测器可以接收来自衍射光栅的部分光。在各种实施例中，可以至少部分基于来自光电检测器的信号来执行在框310处生成用于移相器的控制信号。

在框324处，方法300还可以包括执行其他动作，例如将发射的光引导到单模光纤或多模光纤中，或者例如转换穿过第一路径和/或第二路径的光的模式。

图4示出根据各种实施例的从双面垂直光栅光耦合器垂直发射的光束轮廓400。光束轮廓显示表示以度数表示发射光束的水平方向的水平轴402。所示的光束轮廓的半高全宽(FWHM)是5.19666度。垂直轴404代表以原子单位(a.u.)表示的远场强度。根据各种实施例，光束轮廓400可表示光束的轮廓，例如可从光栅142或光栅236发射的光束。在一些实施例中，射束轮廓可以是对称的。双面光栅的对称性可以实现高水平的对称性，这不同于单面光栅，单面光栅需要变迹来修改光束轮廓。在一些实施例中，可以发射具有不同轮廓和/或FWHM的光束。在各种实施例中，光栅强度沿着光栅的长度可以是不均匀的(例如，光栅可以被变迹，或者从两侧对称或者不对称地)以调整光束轮廓。在实施例中，可以使用对称变迹来优化光束轮廓的形状以接近高斯并改善耦合。

图5示出了根据各种实施例的适合于与图1-3的各种部件和方法一起使用的示例性计算设备500，诸如包括具有关于图1描述的DVGOC 126的光学设备102或者关于图2所描述的光学设备200的光电子系统100。如图所示，计算设备500可以包括一个或多个处理器或处理器核心502和系统存储器504。出于包括权利要求的本申请的目的，术语“处理器”和“处理器核心”可以被认为是同义的，除非上下文另有明确要求。处理器502可以包括任何类型的处理器，诸如中央处理单元(CPU)、微处理器等。处理器502可以实现为具有多核的集成电路，例如多核微处理器。计算设备500可以包括大容量存储设备506(诸如软盘、硬盘驱动器、易失性存储器(例如动态随机存取存储器(DRAM)、光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)等等)。通常，系统存储器504和/或大容量存储设备506可以是任何类型的暂时和/或持久性存储，包括但不限于易失性和非易失性存储器、光学、磁性和/或固态大容量存储装置等等。易失性存储器可以包括但不限于静态和/或动态随机存取存储器。非易失性存储器可以包括但不限于电可擦除可编程只读存储器、相变存储器、电阻式存储器等等。

计算设备500还可以包括输入/输出设备508(诸如显示器(例如，触摸屏显示器)、键盘、光标控件、遥控器、游戏控制器、图像捕获设备等)和通信接口510(例如作为网络接口卡、调制解调器、红外接收器、无线电接收器(例如蓝牙)等等)。计算设备500可以包括光电子系统550，其可以包括具有DVGOC 554的光学设备552。在各种实施例中，光电子系统可以类似于光电子系统100配置，光学设备552可以类似于光学装置102或光学设备200配置，和/或DVGOC 554可以与DVGOC 126或光耦合器226类似地配置。

通信接口510可以包括可以被配置为根据全球移动通信系统(GSM)、通用分组无线电服务(GPRS)、通用移动电信系统(UMTS)、高速分组接入(HSPA)，演进的HSPA(E-HSPA)或长期演进(LTE)网络等来操作设备500的通信芯片(未示出)。通信芯片还可以被配置为根据增强型数据GSM演进(EDGE)、GSM EDGE无线电接入网络(GERAN)、通用陆地无线电接入网络(UTRAN)或演进的UTRAN(E-UTRAN)进行操作。通信芯片可以被配置为根据码分多址(CDMA)、时分多址(TDMA)、数字增强无绳通信(DECT)、演进数据优化(EV-DO)及其衍生物来操作作为被指定为3G、4G、5G及其他的任何其他无线协议。在其他实施例中，通信接口510可以根据其他无线协议操作。

上述计算设备500元件可以经由系统总线512彼此耦合，系统总线512可以表示一个或多个总线。在多条总线的情况下，它们可以通过一个或多个总线桥(未示出)桥接。这些元件中的每一个可以执行本领域中已知的常规功能。特别地，可以使用系统存储器504和大容量存储设备506来存储用于计算机系统500的各种组件的操作的编程指令的工作副本和永久副本，包括但不限于图1的光学设备102、图2的相位控制器254、计算机系统500的操作系统和/或一个或多个应用的操作。各种元素可以通过由处理器502支持的汇编程序指令来实现或者可以被编译成这样的指令的高级语言来实现。

编程指令的永久副本可以通过例如分发介质(未示出)(诸如光盘(CD))或者通过通信接口1910(来自分发服务器(未示出))放置在工厂或现场的大容量存储设备506中。也就是说，可以采用具有代理程序的实现的一个或多个分发介质来分发代理并对各种计算设备进行编程。

元件508,510,512的数量、能力和/或容量可以根据计算设备500是用作固定计算设备(诸如机顶盒或台式计算机)还是移动计算设备诸如平板计算设备、膝上型计算机、游戏控制台或智能手机而有所不同。它们的构成是另外已知的，因此将不再进一步描述。

在实施例中，存储器504可以包括计算逻辑522，其被配置为实践诸如涉及包括DVGOC 126或光耦合器226的光学设备102的那些实施例的方面，如参考图1-4所描述的。对于一些实施例，处理器502中的至少一个可以与被配置为实践这里描述的实施例的方面以形成系统级封装(SiP)或片上系统(SoC)的计算逻辑522一起封装。

计算设备500可以包括或以其他方式与光电子系统相关联，该光电子系统可以包括关于图1至图4所描述的部件和/或实现方法，例如系统100，实现光学设备102的方面，包括如上所述的DVGOC 126或光耦合器226，并且特别是参照图1至图4描述的光耦合器的实施例。在一些实施例中，光电子系统100(例如，光学设备102)的至少一些部件可以与计算设备500通信地耦合和/或被包括在计算设备500组件中的一个或多个中，诸如通信接口510。在一些实施例中，诸如处理器502之类的一个或多个组件可以被包括作为光电子系统100的一部分，诸如在相位控制器(例如，相位控制器254)中。

在各种实施方式中，计算设备500可以包括数据中心、膝上型计算机、上网本、笔记本、超极本、智能电话、平板电脑、个人数字助理(PDA)、超便携式个人计算机、移动电话或数码相机等的一个或多个部件。在进一步的实施方式中，计算设备500可以是处理数据的任何其他电子设备。

图6示出了根据各种实施例的具有指令的示例性非暂时性计算机可读存储介质，所述指令被配置为实践与光电子系统100、光学装置102、光学设备200、相位控制器254和/或关于图1-5所描述的其他设备或方法相关的所有操作或选定操作。如所说明，非暂时性计算机可读存储介质602可包括若干个编程指令604。编程指令604可经配置以响应于编程指令的执行而使得设备(例如，计算设备500)执行一个或参考图1-4所描述的过程的一个或多个操作。举例来说，编程指令604可经配置以使相位控制器(例如光电子系统100中的相位控制器254)、光学装置102或光学设备200能够至少部分地基于来自诸如光电检测器252的光电检测器的信号动态地调整一个或多个传输路径中的光的相位。在替代实施例中，编程指令604可以替代地设置在多个非暂时计算机可读存储介质602上。在另外其他实施例中，编程指令604可以以暂时计算机可读信号进行编码。

返回参照图5，对于一个实施例，处理器502中的至少一个可以与计算逻辑522一起打包(代替存储在存储器504和/或大容量存储器506中)，被配置为执行参考图1-4所描述的过程的一个或多个操作。对于一个实施例，处理器502中的至少一个可以与被配置为实践参照图1-4所描述的方法的各方面的计算逻辑522一起打包而形成系统级封装(SiP)。对于一个实施例，处理器502中的至少一个可以与被配置为执行参照图1-4描述的过程的一个或多个操作的计算逻辑522集成在同一管芯上。对于一个实施例，处理器502中的至少一个可以与被配置为执行参照图1-4所描述的过程的一个或多个操作的计算逻辑522一起打包而形成片上系统(SoC)。这种SoC可以用于任何合适的计算设备中。

为了该描述的目的，计算机可用或计算机可读介质可以是能够包含，存储，传送，传播或传输供指令执行系统、装置或设备使用或与其结合使用的程序的任何装置。介质可以是电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体系统(或装置或设备)或传播介质。计算机可读介质的示例包括半导体或固态存储器、磁带、可移动计算机磁盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、刚性磁盘和光盘。目前光盘的例子包括光盘只读存储器(CD-ROM)、光盘读/写(CD-R/W)和数字视盘(DVD)。

图7示出了与单面光栅耦合器相比根据各种实施例的双面光栅的模拟光谱响应的曲线图700。在耦合到单模光纤(SMF)时，由于沿着光栅指数衰减的场强度，常规单面光栅耦合器的输出场遭受与SMF的固有模式失配。为了改善模式匹配，通常需要光栅变迹。这通常需要光栅的轮廓作为距离的函数而变化，并且可能导致制造能力上的压力增加以实现适当的关键尺寸范围。与使用单面光栅耦合器相反，根据各种实施例的双面光栅耦合器可以实现良好的模式匹配，因为输出场分布是两个指数衰减场分布的总和。当这些场分布具有相同的幅度和相位时，它们可以建设性地相加以产生具有可由双面光栅的衍射强度和周期数控制的形状的对称轮廓。即使没有变迹，在一些实施例中可以实现小于2dB的对SMF的总耦合损耗。这通过曲线图700来证明，其中在O波段附近模拟了标准SMF与具有9.2微米模场直径的光学耦合。对于单面光栅耦合器，显示出对SMF的耦合损耗大于5dB，并且背反射显示出相似地高，大于-6dB。对于根据各种实施例的双面光栅耦合器，总耦合损耗被示为对于SMF约为1.9dB，并且背反射被示出为小于-26dB。这种耦合损耗主要由于向下耦合(70％方向性)以及由于模式失配导致的0.4dB耦合损耗损失，是1.5dB插入损耗的组合。

曲线图700示出了对标准SMF的模拟前向耦合以及后向耦合(背反射)。曲线图700示出表示以微米(μm)为单位的光的波长的水平轴702。垂直轴704表示以dB为单位的前向/后向耦合功率。第一实线图706表示双面光栅耦合器SMF传输率。第二实线图708表示双面光栅耦合器硅波导背反射。第一虚线图710表示单面光栅耦合器SMF传输率。第二虚线图712表示单面光栅耦合器硅波导背反射。

示例性双面光栅耦合器实施例的传输率具有接近1310nm的峰值波长范围，如由第一实线图706所示。可以为其他峰值波长设计其他实施例。如第二实线图708所示，双面光栅耦合器的背反射在1310nm附近显示最小值。其他实施例在不同波长处可以具有最小不同的幅度。在具有双面光栅耦合器的各种实施例中，发生的背反射波长中的最小值可接近传输波长的最大值，指示在临界耦合状态附近的操作。这与使用可以在最大背反射波长可以与最大传输波长重合或接近最大传输波长的过耦合状态下操作的单面光栅耦合器不同。

示例

示例1可以包括光学装置，其包括：分光器，将来自光源的光分成第一路径和第二路径；以及具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧的光栅，其中所述光栅与所述分光器光耦合以在第一侧接收来自第一路径的光并且在第二侧接收来自第二路径的光，其中所述光栅将来自第一路径和第二路径的衍射光在正交于光子发射器芯片的方向上传输到单模光纤、多模光纤或自由空间。

示例2可以包括示例1的主题，还包括：在第一路径中位于所述分光器与所述光栅之间的第一模式转换器，用于将初始第一路径模式区域转换为经转换的第一路径模式区域；以及在第二路径中位于所述分光器与所述光栅之间的第二模式转换器，用于将初始第二路径模式区域转换为转换后的第二路径模式区域。

示例3可以包括示例1-2中的任一个的主题，还包括沿着所述第一路径和所述第二路径中的一个或多个位于所述分光器和所述光栅之间的一个或多个移相器，用于调整在所述第一路径和所述第二路径中的一个或多个中行进的光的相位。

示例4可以包括示例3的主题，其中该一个或多个移相器具有静态校准相移。

示例5可以包括示例3的主题，其中该一个或多个移相器是动态可配置的。

示例6可以包括示例1-5中的任何一个的主题，还包括光学波导，所述光学波导与所述分光器光学耦合以将从所述光源输入的光传输至所述分光器。

示例7可以包括示例1-6中任一项的主题，其中所述分光器是1×2多模干涉设备、Y型分光器、2×2多模干涉设备或定向耦合器中的一个。

示例8可以包括示例1-7中的任何一个的主题，其中所述光源与所述装置光学耦合并且包括激光器。

示例9可以包括示例1-8中任一项的主题，还包括：与所述光栅光学耦合的分接波导；以及与该分接波导耦合的光电检测器。

示例10可以包括示例9的主题，还包括：沿着所述分光器和所述光栅之间的所述第一路径和所述第二路径中的一个或多个的一个或多个移相器，用于移动在所述第一路径和所述第二路径中的一个或多个中行进的光的相位；以及与所述一个或多个移相器和所述光电检测器耦合的相位控制器，其中所述相位控制器至少部分地基于来自所述光电检测器的信号来调整所述一个或多个移相器。

示例11可以包括示例9-10中的任何一个的主题，其中，分接波导接收光栅传输的光的一部分。

示例12可以包括示例9-10中的任何一个的主题，其中，分接波导接收从光栅反射的光的一部分。

示例13可以包括光耦合来自光源的光的方法，包括：将来自波导的光分成第一路径和第二路径；将来自所述第一路径的光引导至衍射光栅的第一侧；将来自所述第二路径的光引导至所述衍射光栅的与所述衍射光栅的第一侧相对的第二侧；以及沿与光子发射器芯片正交的方向从所述衍射光栅发射光。

示例14可以包括示例13的主题，还包括执行所述第一路径中的光的第一模式转换和所述第二路径中的光的第二模式转换。

示例15可以包括示例13-14中的任何一个的主题，还包括在所述第一路径和所述第二路径中的一个或多个中执行光的相移。

示例16可以包括示例15的主题，还包括设定用于执行所述第一路径和所述第二路径中的一个或多个中的所述光的相移的静态相移值。

示例17可以包括示例15的主题，还包括动态地调整用于执行所述第一路径和所述第二路径中的一个或多个中的光的相移的相移值。

示例18可以包括示例13-17中的任何一个的主题，还包括将所述正交发射的光传输到单模光纤、多模光纤或自由空间中的一个中。

示例19可以包括示例13-18中的任何一个的主题，还包括将来自激光源的光提供给波导。

示例20可以包括示例13-19中的任何一个的主题，还包括将来自所述衍射光栅的光的一部分引导至光电检测器。

示例21可以包括示例20的主题，还包括至少部分基于来自所述光电检测器的信号来执行所述第一路径和所述第二路径中的一个或多个中的光的相移。

示例22可以包括示例20-21中的任何一个的主题，其中将来自衍射光栅的光的一部分引导至光电检测器包括引导由衍射光栅传输的光的一部分。

示例23可以包括示例20-21中的任何一个的主题，其中将来自衍射光栅的光的一部分引导到光电检测器包括引导从衍射光栅反射的光的一部分。

示例24可以包括光学系统，该光学系统包括：处理器；以及与所述处理器耦合的光学设备，其中所述光学设备包括：分光器，将来自光源的光分成第一路径和第二路径；具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧的光栅，其中所述光栅用于在第一侧接收来自第一路径的光并且在第二侧接收来自第二路径的光；沿着所述分光器和所述光栅之间的所述第一路径和所述第二路径中的一个或多个的一个或多个移相器，用于移动在所述第一路径和所述第二路径中的一个或多个中行进的光的相位；以及与所述一个或多个移相器耦合的相位控制器，用于至少部分地基于来自所述处理器的信号来调整所述一个或多个移相器，其中所述光栅用于沿正交方向将来自所述第一路径和所述第二路径的衍射光传输到单模光纤、多模光纤或自由空间中。

示例25可以包括示例24的主题还包括：与光栅光学耦合的分接波导；以及与所述分接波导和所述相位控制器耦合的光电检测器，其中，所述相位控制器至少部分地基于来自所述光电检测器的信号来调整所述一个或多个移相器。

示例26可以包括光学装置，其包括：用于将来自波导的光分成第一路径和第二路径的装置；用于将来自所述第一路径的光引导至衍射光栅的第一侧的装置；用于将来自所述第二路径的光引导到所述衍射光栅的与所述衍射光栅的第一侧相对的第二侧的装置；以及用于沿正交于光子发射器芯片的方向发射来自所述衍射光栅的光的装置。

示例27可以包括示例26的主题，还包括：用于执行第一路径中的光的第一模式转换的装置；以及用于执行第二路径中的光的第二模式转换的装置。

示例28可以包括示例26-27中的任何一个的主题，还包括用于在所述第一路径及所述第二路径中的一个或多个中执行光相移的装置。

示例29可以包括示例28的主题，其中相移是静态相移值。

示例30可以包括示例28的主题，还包括用于动态地调整用于执行第一路径和第二路径中的一个或多个中的光的相移的相移值的装置。

示例31可以包括示例26-30中的任何一个的主题，还包括用于将正交发射的光传输到单模光纤、多模光纤或自由空间中的一个中的装置。

示例32可以包括示例26-30中的任何一个的主题，还包括用于将来自激光源的光提供给波导的装置。

示例33可以包括示例26-31中的任何一个的主题，还包括用于将来自衍射光栅的一部分光引导到光电检测器的装置。

示例34可以包括示例33的主题，还包括用于至少部分地基于来自光电检测器的信号来执行第一和第二路径中的一个或多个中的光的相移的装置。

示例35可以包括示例33-34中任一个的主题，其中将来自衍射光栅的光的一部分引导至光电检测器包括引导由衍射光栅传输的光的一部分。

示例36可以包括示例33-34中任一个的主题，其中将来自衍射光栅的光的一部分引导至光电检测器包括引导从衍射光栅反射的光的一部分。

示例37可以包括示例1-12中的任何一个的主题，其中：来自第一路径的高阶衍射光与来自第二路径的光发生破坏性干涉；而来自第二路径的高阶衍射光与来自第一路径的光发生破坏性干涉。

示例38可以包括示例37的主题，其中该光栅具有被协调为实现小于-15dB的背反射的光栅强度和光栅长度。

示例39可以包括示例1-12中的任何一个的主题，其中第一和第二光路是对称的以促进零相位差。

示例40可以包括示例1-12中的任何一个的主题，其中第一和第二光路具有经协调以提供零阶衍射的相长干涉的长度。

示例41可以包括示例1-12中的任何一个的主题，其中：来自第一路径的一阶衍射光与来自第二路径的光建设性干涉；并且来自第二路径的一阶衍射光与来自第一路径的光建设性干涉。

示例42可以包括示例41的主题，其中该光栅具有经协调以实现小于3dB的传输损耗的光栅强度和光栅长度。

示例43可以包括示例1的主题，还包括沿着第一路径的移相器，其中第二路径不包括移相器。

示例44可以包括示例1的主题，还包括沿着第二路径的移相器，其中第一路径不包括移相器。

示例45可以包括示例1-12中的任何一个的主题，其中光栅是不均匀的。

示例46可以包括示例1-12中的任何一个的主题，其中光栅被变迹。

示例47可以包括示例1-12中的任何一个的主题，其中光栅具有允许激励两个衍射阶的光栅节距。

示例48可以包括示例47的主题，其中光栅具有仅允许激励两个衍射阶的光栅节距。

示例49可以包括示例48的主题，其中两个衍射阶是片外衍射阶和高阶背反射。

示例50可以包括示例1-12中的任何一个的主题，其中光栅具有允许激励多于两个衍射阶的光栅节距。

示例51可以包括示例1-12中的任何一个的主题，其中光栅由从硅、绝缘体上硅、光学氮化物、III-V族材料、氮化镓、氧化钽或锗选择的一种或多种材料构成。

示例52可以包括示例6的主题，其中光波导由从硅、绝缘体上硅、光学氮化物、III-V族材料、氮化镓、氧化钽或锗中选择的一种或多种材料构成。

示例53可以包括示例52的主题，其中光栅由与光波导相同的一个或多个材料构成。

示例54可以包括示例1-12中的任何一个的主题，其中光栅凹入波导中。

示例55可以包括示例54的主题，其中光栅被蚀刻到波导中。

示例56可以包括示例1-12中的任何一个的主题，其中光栅在波导上方升高。

示例57可以包括示例56的主题，其中光栅沉积在波导上方。

示例58可以包括示例1-12中的任何一个的主题，其中光栅既凹入波导中又在波导上方升高。

示例59可以包括示例1的主题，其中第一路径和第二路径严格地是单模式。

示例60可以包括示例3的主题，其中第一路径和第二路径严格地是单模式。

示例61可以包括示例9-12中的任何一个的主题，其中分光器是也被配置为分接波导的2x2多模干涉设备。

示例62可以包括示例7的主题，其中分光器是被配置为接收有通道背反射光的2x2多模干涉设备。

示例63可以包括示例1-12中的任何一个的主题，其中第一路径和第二路径具有不同的物理长度，但是被协调以提供零阶衍射的相长干涉。

示例64可以包括示例63的主题，其中第一路径和第二路径的长度被协调以实现沿着第一路径和第二路径行进的光的多个波长的相位差。

各种实施例可以包括上述实施例的任何合适的组合，包括上面以(和)连接词方式描述的实施例的替代(或)实施例(例如，“和”可以是“和/或”)。此外，一些实施例可以包括具有存储在其上的指令的一个或多个制造品(例如，非暂时性计算机可读介质)，所述指令在被执行时导致任何上述实施例的动作。此外，一些实施例可以包括具有用于执行上述实施例的各种操作的任何合适手段的装置或系统。

包括在摘要中描述的内容的本发明的所示实施方式的以上描述并非旨在穷举或将本发明限制于所公开的精确形式。尽管本文中出于说明性目的描述了本发明的具体实施方式和示例，但是在本发明的范围内各种等同修改是可能的，如相关领域的技术人员将认识到的。

根据以上详细描述，可以对本发明进行这些修改。以下权利要求中使用的术语不应被解释为将本发明限制于说明书和权利要求书中公开的具体实施方式。相反，本发明的范围完全由所附的权利要求确定，这些权利要求要根据既定的权利要求解释的原则来解释。

Claims (25)

1.一种光学装置，包括：

分光器，将来自光源的光分成第一路径和第二路径；以及

具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧的光栅，其中，所述光栅与所述分光器光耦合以在所述第一侧接收来自所述第一路径的光并且在所述第二侧接收来自所述第二路径的光，其中，所述光栅将来自所述第一路径和所述第二路径的衍射光沿着正交于包括所述光栅的光子发射器芯片的方向传输到单模光纤、多模光纤或自由空间中。

2.根据权利要求1所述的光学装置，还包括：

在所述第一路径中位于所述分光器与所述光栅之间的第一模式转换器，所述第一模式转换器用于将初始第一路径模式区域转换为经转换的第一路径模式区域；以及

在所述第二路径中位于所述分光器与所述光栅之间的第二模式转换器，所述第二模式转换器用于将初始第二路径模式区域转换为经转换的第二路径模式区域。

3.根据权利要求1所述的光学装置，还包括沿着所述第一路径和所述第二路径中的一个或多个并且位于所述分光器和所述光栅之间的一个或多个移相器，所述一个或多个移相器用于移动在所述第一路径和所述第二路径中的一个或多个中行进的光的相位。

4.根据权利要求3所述的光学装置，其中，所述一个或多个移相器具有静态校准相移。

5.根据权利要求3所述的光学装置，其中，所述一个或多个移相器是能够动态配置的。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的光学装置，还包括光学波导，所述光学波导与所述分光器光学耦合以将从所述光源输入的光传输至所述分光器。

7.根据权利要求1至5中的任一项所述的光学装置，其中，所述分光器是1×2多模干涉设备、Y型分光器、2×2多模干涉设备或定向耦合器中的一种。

8.根据权利要求1-5中的任一项所述的光学装置，其中，所述光源与所述装置光学耦合并且包括激光器。

9.根据权利要求1-5中的任一项所述的光学装置，还包括：

与所述光栅光学耦合的分接波导；以及

与所述分接波导耦合的光电检测器。

10.根据权利要求9所述的光学装置，还包括：

沿着所述分光器和所述光栅之间的所述第一路径和所述第二路径中的一个或多个的一个或多个移相器，所述一个或多个移相器用于移动在所述第一路径和所述第二路径中的一个或多个中行进的光的相位；以及

与所述一个或多个移相器和所述光电检测器耦合的相位控制器，其中，所述相位控制器至少部分地基于来自所述光电检测器的信号来调整所述一个或多个移相器。

11.根据权利要求9所述的光学装置，其中，所述分接波导用于接收由所述光栅传输的光的一部分。

12.根据权利要求9所述的光学装置，其中，所述分接波导用于接收从所述光栅反射的光的一部分。

13.一种光学耦合来自光源的光的方法，包括：

将来自波导的光分成第一路径和第二路径；

将来自所述第一路径的光引导至衍射光栅的第一侧；

将来自所述第二路径的光引导至所述衍射光栅的与所述衍射光栅的所述第一侧相对的第二侧；以及

沿与包括所述衍射光栅的光子发射器芯片正交的方向从所述衍射光栅发射光。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括执行所述第一路径中的光的第一模式转换和所述第二路径中的光的第二模式转换。

15.根据权利要求13所述的方法，还包括在所述第一路径和所述第二路径中的一个或多个中执行光的相移。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括设定用于执行所述第一路径和所述第二路径中的一个或多个中的光的相移的静态相移值。

17.根据权利要求15所述的方法，还包括动态地调整用于执行所述第一路径和所述第二路径中的一个或多个中的光的相移的相移值。

18.根据权利要求13-17中的任一项所述的方法，还包括将所述正交发射的光传输到单模光纤、多模光纤或自由空间中的一个中。

19.根据权利要求13-17中的任一项所述的方法，还包括将来自激光源的光提供给所述波导。

20.根据权利要求13-17中的任一项所述的方法，还包括将来自所述衍射光栅的光的一部分引导至光电检测器。

21.根据权利要求20所述的方法，还包括至少部分基于来自所述光电检测器的信号来执行所述第一路径和所述第二路径中的一个或多个中的光的相移。

22.一种光学系统，包括：

处理器；以及

与所述处理器耦合的光学设备，其中，所述光学设备包括：

分光器，其用于将来自光源的光分成第一路径和第二路径；

具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧的光栅，其中，所述光栅用于在所述第一侧接收来自所述第一路径的光并且在所述第二侧接收来自所述第二路径的光；

沿着所述分光器和所述光栅之间的所述第一路径和所述第二路径中的一个或多个的一个或多个移相器，所述一个或多个移相器用于移动在所述第一路径和所述第二路径中的一个或多个中行进的光的相位；以及

与所述一个或多个移相器耦合的相位控制器，所述相位控制器用于至少部分地基于来自所述处理器的信号来调整所述一个或多个移相器，其中，所述光栅用于沿正交于包括所述光栅的光子发射器芯片的方向将来自所述第一路径和所述第二路径的衍射光传输到单模光纤、多模光纤或自由空间中。

23.根据权利要求22所述的光学系统，还包括：

与所述光栅光学耦合的分接波导；以及

与所述分接波导和所述相位控制器耦合的光电检测器，其中，所述相位控制器至少部分地基于来自所述光电检测器的信号来调整所述一个或多个移相器。

24.一种光学装置，包括：

用于将来自波导的光分成第一路径和第二路径的模块；

用于将来自所述第一路径的光引导至衍射光栅的第一侧的模块；

用于将来自所述第二路径的光引导到所述衍射光栅的与所述衍射光栅的第一侧相对的第二侧的模块；以及

用于沿正交于包括所述衍射光栅的光子发射器芯片的方向发射来自所述衍射光栅的光的模块。

25.根据权利要求24所述的装置，还包括用于在所述第一路径和所述第二路径中的一个或多个中执行光的相移的模块。

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