CN109791255B - 包括法拉第旋转器的光学耦合器 - Google Patents

Abstract

光学耦合设备(100)可以将来自光纤的入射光耦合到波导中，但是可以减少从波导到光纤中的返回光的耦合。法拉第旋转器层(112)可以以第一手性将入射光束的相应偏振面旋转45度，并且可以以与第一手性相反的第二手性将返回光束的相应偏振面旋转45度。重定向层(116)可以包括至少一个光栅耦合器(118)，其可以重定向一个偏振的入射光束，使得重定向路径(120)在重定向层内朝向第一波导延伸，并且可以重定向相反偏振的入射光束，使得重定向路径(122)在重定向层内朝向第二波导延伸。可选的双折射层(602)可以在空间上分离具有不同偏振的入射光束，从而可以使用两个单偏振光栅耦合器(604，606)。

Description

包括法拉第旋转器的光学耦合器

技术领域

本公开涉及一种用于在光纤和波导之间耦合光的设备。

背景技术

片上光源可以将光传递到光子集成电路。光纤可以传递来自光子集成电路的光。期望减少或消除从光纤返回到片上光源的光，这可能导致来自片上光源的光中的噪声或其他不稳定性。

附图说明

在本发明的示例实施例的以下详细描述中，参考了附图，附图形成了本发明的一部分，并且仅以图示的方式被示出了可以实践本发明的特定实施例。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用其他实施例并且可以进行结构改变。

图1示出了根据一些实施例的可以将来自光纤的入射光耦合到波导中并且可以减少从波导到光纤中的返回光的耦合的设备的示例。

图2示出了根据一些实施例的传播通过图1的设备的入射光的示例。

图3示出了根据一些实施例的传播通过图1的设备的返回光的示例。

图4示出了根据一些实施例的双偏振光栅耦合器的示例。

图5示出了根据一些实施例的双偏振光栅耦合器的另一示例。

图6示出了根据一些实施例的另一种设备的示例，该设备可以将来自光纤的入射光耦合到波导中，并且可以减少从波导到光纤中的返回光的耦合。

图7示出了根据一些实施例的传播通过图6的设备的入射光的示例。

图8示出了根据一些实施例的传播通过图6的设备的返回光的示例。

图9示出了根据一些实施例的两个单偏振光栅耦合器的示例。

图10示出了根据一些实施例的两个单偏振光栅耦合器的另一示例。

图11示出了根据一些实施例的另一种设备的示例，该设备可以将来自光纤的入射光耦合到波导中，并且可以减少从波导到光纤中的返回光的耦合。

图12示出了根据一些实施例的传播通过图11的设备的入射光的示例。

图13示出了根据一些实施例的传播通过图11的设备的返回光的示例。

图14示出了根据一些实施例的当图11的设备被配置为传输元件时传播通过图11的设备的入射光的示例。

图15示出了根据一些实施例的当图11的设备被配置为传输元件时传播通过图11的设备的返回光的示例。

图16示出了根据一些实施例的用于将来自光纤的入射光耦合到波导中并且减少从波导到光纤中的返回光的耦合的方法的示例。

对应的附图标记在若干视图中指示对应的部分。附图中的元件不一定按比例绘制。附图中所示的配置仅仅是示例，不应被解释为以任意方式限制本发明的范围。

具体实施方式

一些光学设备可包括片上光源，诸如激光器。光子集成电路可以包括一个或多个波导，其可以根据需要将来自片上光源的光引导到芯片的其他部分。为了将光引导离开芯片，耦合设备可以将来自一个或多个波导的光耦合到光纤。来自光纤的一端或两端的反射可以反馈回到波导中，并且可以在片上光源的光输出中产生伪激光效应或附加噪声。

下面详细讨论的光学耦合设备可以通过减少或消除将相同偏振状态的光耦合回波导(例如，从波导、到光纤、并且返回到波导)来减少或消除这种不需要的反馈。例如，片上光源可以产生光。光可以从第一波导传递到光栅耦合器或耦合器，或传递到光纤。如果光从光纤返回而没有任意偏振状态的变化，就像来自光纤末端的反射那样，则光返回到光栅耦合器或耦合器，然后传递到第二波导，第二波导不同于第一波导。第二波导将来自光纤的光引导离开片上光源，这可以减少或消除来自片上光源的光输出中的寄生激光效应或附加噪声。该设备可以形成为分层结构，其可以利用晶片级工艺来降低设备的成本并改进设备的设备到设备的一致性。

尽管光耦合设备可用于减少片上光源的反馈，其中光路从波导延伸到光纤，然后返回到波导，但讨论从光纤开始并向波导延伸的光路和光学元件更简单。本公开其余部分的讨论使用这样的惯例，其中从光纤传播到波导的光是“入射”光，而从波导传播到光纤的光是“返回”光。这种命名惯例假定光是通过光纤传递的，但是应该理解，下面讨论的光学设备也可以与耦合到波导中的一个的片上光源一起使用。

在第一种配置中，如图1-3所示，该设备可以使用四十五度法拉第旋转器来操纵通过该设备传播的光束的偏振状态，使得具有特定偏振取向的光可以返回正交偏振取向。由于激光效应可能对偏振状态敏感，因此这种配置有助于减少伪激光效应。图1-3的配置使用双偏振光栅耦合器。

在第二种配置中，如图6-8所示，该设备通过添加双折射层以在空间上分离两种偏振状态来改进第一种配置，并使用两个单偏振光栅耦合器而不是单个双偏振光栅耦合器。这种单偏振光栅耦合器可以具有比可比较的双偏振光栅耦合器更高的耦合效率，从而设备的整体耦合效率可以改进。在第一配置和第二配置中，不期望的返回光以正交偏振状态返回。

在图11-13所示的第三种配置中，通过反转法拉第旋转器层和双折射层的顺序，设备改进了第一配置和第二配置。这样做可以改变双折射层中的返回光所经过的物理光路，并且可以允许设备将返回光引导到不同的物理位置。将返回光引导到不同的物理位置可以显著减少耦合，并且除了旋转偏振平面之外，还可以为耦合设备提供额外程度的光学隔离。

澄清术语“光”和“路径”是有益的，如本文件中所使用的。光(例如，诸如第一光、第二光等)旨在表示光束或光线集合。光束可具有横截面尺寸，其可被称为足迹。光束可以是准直的，因此当光束传播时，足迹保持恒定的大小。光束可以会聚，使得足迹会随着光束传播收缩。光束可以发散，使得足迹随着光束传播而增长。当光束在整个光学系统中传播时，光束可以改变横截面尺寸、发散度和方向。在本文档中，光束可以从光纤中出射并耦合到波导中，或者可以从波导中出射并耦合到光纤中。路径旨在表示光束传播时的中心轴。光束可以沿入射方向(光纤到波导)和返回方向(波导到光纤)沿着路径传播。

在整个文档中，存在四种光(例如，四个光束)，其在各种系统配置中重复使用。为方便起见，这四个光被指定为第一、第二、第三和第四，尽管对编号顺序没有意义。在图中，第一、第二、第三和第四个光用带圈数字1、2、3和4标记，具有白色背景上的黑色数字。

在各种系统配置中还存在两条重复使用的路径。为方便起见，这两条路径被指定为第一条和第二条，尽管对编号顺序没有意义。在图中，第一路径和第二路径用带圈的数字1和2标记，具有黑色背景上的白色数字。第一和第二光路可以在光耦合设备的一部分中重叠，并且可以在光耦合设备的另一部分中发散。

以下段落定义了整个文档中使用的四个光和两个路径。该段还可以概括地提供所有三种系统配置的概述。每个配置的详细信息在下面的讨论中提供。

在一个示例中，设备可以包括法拉第旋转器层。法拉第旋转器层可以接收具有第一偏振取向的第一光。法拉第旋转器层可以接收具有与第一偏振取向正交的第二偏振取向的第二光。法拉第旋转器层可以使第一光传播通过法拉第旋转器层以形成第三光。第三光可以具有相对于第一偏振取向成45度角的第三偏振取向。法拉第旋转器层可以使第二光传播通过法拉第旋转器层以形成第四光。第四光可以具有相对于第二偏振取向成45度角的第四偏振取向。该设备还可包括平面重定向层。重定向层可包括至少一个光栅耦合器。重定向层可以重定向第三光以在重定向层内沿着第一重定向路径传播，并且重定向第四光以在重定向层内沿着第二重定向路径传播。第二重定向路径可以相对于第一重定向路径成角度。第一光路可以从光纤穿过设备延伸到第一波导。第二光路可以从光纤穿过设备延伸到第二波导。

前面的段落仅仅是对随后的主题的概述，并且不应该被解释为以任意方式进行限制。以下讨论提供有关每种配置的其他详细信息。

图1示出了根据一些实施例的设备100的示例，该设备100可以将来自光纤的入射光耦合到波导中，但是可以减少从波导到光纤中的返回光的耦合。图2示出了根据一些实施例的传播通过图1的设备100的入射光的示例。图3示出了根据一些实施例的传播通过图1的设备100的返回光的示例。图1-3在下面串接讨论。

法拉第旋转器层112可以接收具有第一偏振取向的第一光。法拉第旋转器层112可以接收具有与第一偏振取向正交的第二偏振取向的第二光。法拉第旋转器层112可以使第一光传播通过法拉第旋转器层以形成第三光。第三光可以具有相对于第一偏振取向成45度角的第三偏振取向。法拉第旋转器层112可以使第二光传播通过法拉第旋转器层112以形成第四光。第四光可以具有相对于第二偏振取向成45度角的第四偏振取向。

平面重定向层116可包括至少一个光栅耦合器118。重定向层116可重定向第三光以在重定向层116内沿第一重定向路径120传播，并重定向第四光以在重定向层116内沿着第二重定向路径122传播。第二重定向路径116可以相对于第一重定向路径120成角度。在一些示例中，第一重定向路径可以与第二重定向路径正交。在一些示例中，在第一和第二重定向路径120、122上，重定向的第三光和重定向的第四光可以具有平行于重定向层116的平面的相应偏振取向。

第一光学路径可以从光纤102穿过设备100延伸到第一波导106。第二光学路径可以从光纤102穿过设备100延伸到第二波导108。

以下进一步详细讨论设备100的组件。

光纤102可以从片外光源传递光104，诸如一个或多个激光二极管和/或一个或多个发光二极管。在一些示例中，来自光纤的光104是连续波。在其他示例中，来自光纤的光104可以包括调制到光上的数据流。光纤102可以是单模光纤或多模光纤，具有任意合适的芯和包层配置。尽管设备100可以是由大致平面层的堆叠形成的分层结构，但是光纤102可以通过层的顶部(或底部)表面将光104传送到设备100，使得传递的光可以通过层传播。在一些示例中，光纤102可以定位成沿着纵向轴线将光104引导到设备100中，纵向轴与一个或多个层的平面正交。在其他示例中，光纤102可以将光104相对于纵轴以一定角度引导到设备100中。在一些示例中，光纤102不是设备100的一部分。在其他示例中，光纤102可以被认为是设备100的一部分。

在一些示例中，可选的聚焦层110可以将会聚赋予到第一光上，使得重定向的第三光聚焦到第一波导106的纵向端上。可选的聚焦层110可以将会聚赋予到第二光上，使得重定向的第四光聚焦到第二波导108的纵向端上。会聚可以赋予模式形状，该模式形状高效地将能量耦合到波导模式中。在一些示例中，聚焦层110可以包括第一表面和第二表面，第一表面包括一个或多个弯曲特征，第二表面接触法拉第旋转器层112或者聚焦层110下游的另一个合适层的第一表面。在一些示例中，聚焦层110可包括透镜。透镜可包括光学各向同性材料，诸如二氧化硅或空气。透镜可包括一个或多个表面。每个表面可以具有零曲率(例如，平坦的)或有限的曲率。在一些示例中，透镜可以直接附接到光子集成电路，或者在基板表面上或在包括波导的表面上。在一些示例中，透镜表面可以在光子集成电路的外部，由气隙隔开。在一些示例中，双折射材料可以直接附接到光子集成电路。在一些示例中，透镜和双折射材料可以彼此附接但是通过气隙与光子集成电路分离。在一些示例中，透镜可以附接到双折射材料，该双折射材料附接到光子集成电路。

在图1-3的配置的几何形状中，第一光和第二光可以沿着单个光路重合。在图1-3的配置中，重定向层116可以包括双偏振光栅耦合器118。双偏振光栅耦合器118可以重定向第三光以在重定向层116内沿着第一重定向路径120传播，并重定向第四光以在重定向层116内沿着第二重定向路径122传播。

法拉第旋转器层112可以定位在邻近光纤102的第一和第二路径中，或者如果存在聚焦层110，则邻近聚焦层110。法拉第旋转器层112可以以第一手性将入射光束的相应偏振面旋转45度(图2)。法拉第旋转器层112可以以与第一手性相反的第二手性将返回光束的相应偏振面旋转45度，(图3)。在图2和图3的配置中，法拉第旋转器层112使用所谓的左手螺旋规则对入射光束施加45度旋转，并且使用所谓的右手螺旋规则对返回光束施加45度旋转。在其他配置中，可以交换左手和右手螺旋规则。在所有这些配置中，法拉第旋转器的净效应是如果光以一个偏振从光纤102出射，它可以从波导反射并以正交偏振返回到光纤102。

可选的间隔层114可以位于与法拉第旋转器层112相邻的第一和第二路径中。在一些示例中，间隔层114可以形成为基板，在其上可以形成光子集成电路。在一些示例中，间隔层114可以由各向同性(例如，非双折射)材料形成。在一些示例中，间隔层114可具有与法拉第旋转器层112的第二表面接触的第一表面。

平面重定向层116可以位于与法拉第旋转器层112相邻的第一和第二路径中，或者如果存在间隔层114，则与间隔层114相邻。重定向层116可以包括至少一个光栅耦合器。在一些示例中，至少一个光栅耦合器可以被布置在重定向层116的表面上，诸如在重定向层116的顶表面或底表面上。在一些示例中，至少一个光栅耦合器可以被布置在重定向层116的体积中，在重定向层116的顶表面和底表面之间。

在图1-3的配置中，重定向层116包括双偏振光栅耦合器118。(在其他配置中，例如图6-8和图11-13中所示并且在下面讨论的那些，重定向层116可以替代地包括两个单偏振光栅耦合器。)双偏振光栅耦合器118可以被配置为使得第一和第二路径在光纤102和双偏振光栅耦合器118之间重合(例如，从光纤102，穿过可选的聚焦层110，穿过法拉第旋转器层112，穿过可选的间隔层114，到达重定向层116处的双偏振光栅耦合器118)。双偏振光栅耦合器118可以重定向第三光(图2)以在重定向层116内在第一重定向路径120上朝向第一波导106延伸(例如，从双偏振光栅耦合器118到第一波导106)。双偏振光栅耦合器118可以重定向第四光(图2)以在重定向层116内在第二重定向路径122上朝向第二波导108延伸(例如，从双偏振光栅耦合器118到第二波导108)。第二重定向路径122可以相对于第一重定向路径120成角度。在一些示例中，第一重定向路径120可以与第二重定向路径122正交。也可以使用其他角度。在一些示例中，在第一和第二重定向路径120、122上，重定向的第三光可以具有与重定向第四光的偏振取向平行的偏振取向。在一些示例中，在第一和第二重定向路径120、122上，重定向的第三光和重定向的第四光可以具有平行于重定向层116的平面的相应偏振取向。在其他示例中，在第一和第二重定向路径120、122上，重定向的第三光和重定向的第四光可以具有与重定向层116的平面正交的相应偏振取向。

图4示出了根据一些实施例的适用于图1-3的设备100的双偏振光栅耦合器118A的示例。

双偏振光栅耦合器118A可以包括区域402，其中折射率在两个方向上周期性地变化，两个方向中的第一个与第一重定向路径120正交，两个方向中的第二个与第二重定向路径122正交。区域402的尺寸可以大于第一和第二光束的相应足迹404。

图5示出了根据一些实施例的适用于图1-3的设备100的双偏振光栅耦合器118的另一示例。

与图4的双偏振光栅耦合器118A相比，图5的双偏振光栅耦合器118B具有附加特征，折射率的周期性变化可以在形状上是弯曲的。曲率可以将第一和第二光束分别聚焦到第一和第二波导106、108的纵向端上。这种曲率的聚焦效果可以增强或取代可选聚焦层110的聚焦功能。

对图1-3的配置的潜在改进将是使用两个单偏振光栅耦合器，而不是单个双偏振光栅耦合器118。可以将单偏振光栅耦合器设计成对于仅仅一个偏振状态具有高耦合效率，这通常比设计对于两个正交偏振状态同时具有高耦合效率更容易。为了使用两个单偏振光栅耦合器，该设备可以添加双折射层，该双折射层在具有两个正交偏振状态的光束之间赋予空间分离。使用双折射层和两个单偏振光栅耦合器的这种配置如图6-8所示。

图6示出了根据一些实施例的另一设备600的示例，其可以将来自光纤的入射光耦合到波导中，但是可以减少从波导到光纤中的返回光的耦合。图7示出了根据一些实施例的传播通过图6的设备600的入射光的示例。图8示出了根据一些实施例的传播通过图6的设备600的返回光的示例。下面串接讨论图6-8。

与图1-3的设备100相比，图6-8的设备600还可包括位于法拉第旋转器层112和重定向层116之间的双折射层602。双折射层602可赋予在第三光和第四光之间的空间分离，使得第三光和第四光在离开法拉第旋转器层112时重合，第三光相对于双折射层602内的第四光成角度，并且第三光和第四光在双折射层602和重定向层116之间平行且在空间上分离。

位于第一和第二路径中的双折射层602可以在第一和第二路径之间赋予空间分离，使得第一和第二路径在光纤102和双折射层602之间重合(例如，来自光纤102，通过可选的聚焦层110，并通过法拉第旋转器层112，到达双折射层602的面向法拉第旋转器层112的第一表面)。第一路径可以相对于双折射层602内的第二路径成角度(例如，从双折射层602的第一表面，到与第一表面相对的双折射层602的第二表面)。第一和第二路径可以在双折射层602和至少一个光栅耦合器之间平行和空间分离(例如，从双折射层602的第二表面，通过可选的间隔层114，到重定向层116处的光栅耦合器)。

对于与双折射层602的第一表面正交的入射光束，第一路径可以对应于在双折射层602中未偏转地传播的普通光线，而第二路径可以对应于非常光线，其在双折射层602中朝向或远离光轴(OA)成角度地偏转。对于正单轴双折射材料，诸如金红石，非常光线朝向光轴(OA)成角度地偏转。对于负的单轴双折射材料，诸如方解石和铌酸锂，非常光线远离光轴(OA)成角度地偏转。在图6和随后的图中，双折射层602由一种或多种正单轴材料形成。应当理解，负单轴材料可以替代地用于双折射层602。对于正单轴材料和负单轴材料，角偏转位于由双折射层602的光轴(OA；图7)和与重定向层116的平面正交的纵向轴(LA；图7)形成的平面中。在一些示例中，双折射层602可包括方解石，其具有相对大的双折射。在一些实例中，双折射层602可包括方解石或铌酸锂，其通常以晶片形式获得，可从中分割片以形成分层结构。在一些示例中，第一双折射层602可以包括金红石，其通常也可以在晶片中获得，并且可以可选地直接沉积在光子集成电路的晶片上。

另外，重定向层116可包括两个单偏振光栅耦合器604、606，其具有与第三光和第四光之间的空间分离匹配的空间分离。两个单偏振光栅耦合器中的第一个604可以重定向第三光以沿着第一重定向路径120传播。两个单偏振光栅耦合器中的第二个606可以重定向第四光以沿着第二重定向路径122传播。

在一些示例中，第一重定向路径120可以位于由双折射层的光轴(OA)和与重定向层116的平面正交的纵轴(LA)形成的平面内。在一些示例中，第二重定向路径122可以与由光轴(OA)和纵轴(LA)形成的平面正交。在一些示例中，在第一和第二重定向路径120、122上，重定向的第三光和重定向的第四光可以具有平行于重定向层116的平面的相应偏振取向。

图7示出了入射光(例如，从光纤到波导传播的光)的路径和偏振状态。图8示出了返回光(例如，从波导到光纤传播的光)的路径和偏振状态。法拉第旋转器112可以确保来自光纤的光可以传播到波导并以正交偏振状态返回光纤。双折射层602可以在空间上分离两个正交偏振状态。空间上分离的偏振状态可以允许两个单偏振光栅耦合器604、606的使用，其可以比可比较的单偏振光栅耦合器具有改进的耦合效率。

位于第一和第二路径中的平面重定向层116可包括两个单偏振光栅耦合器604、606，其具有与第一和第二路径之间的空间分离匹配的空间分离。两个单偏振光栅耦合器中的第一个604可以重定向第一和第三光束，使得第一路径在重定向层116内在第一重定向路径120上朝向第一波导106延伸(例如，从第一单偏振光栅耦合器在重定向层116内朝向的第一波导106)。两个单偏振光栅耦合器中的第二个606可以重定向第二和第四光束，使得第二路径在重定向层116内在第二重定向路径122上朝向第二波导108延伸(例如，从第二单偏振光栅耦合器在重定向层116内朝向第二波导108)。第二重定向路径122可以相对于第一重定向路径120成角度。在一些示例中，第二重定向路径122与第一重定向路径120正交。

在一些示例中，在第一和第二重定向路径120、122上，第一和第二光束具有平行于重定向层116的平面的相应偏振取向。在其他示例中，在第一和第二重定向路径120、122上，第一和第二光束可以具有各自的偏振取向，其垂直于重定向层116的平面，或者与另一个合适的取向成角度。

在图6-8的配置中，光纤102、可选的聚焦层110、法拉第旋转器层112、可选的间隔层114、第一波导106和第二波导108在结构和功能上与在图1-3的配置相同。

图9示出了根据一些实施例的适用于图6-8的设备600的两个单偏振光栅耦合器604A、606A的示例。

两个单偏振光栅耦合器的第一个604A可以包括第一区域，其中折射率周期性地变化。第一区域的周期性变化可以被定向与第一重定向路径120正交。第一区域的尺寸可以大于第一单偏振光栅耦合器604A处的第一和第三光束的足迹902。

两个单偏振光栅耦合器的第二606A可以包括第二区域，其中折射率周期性地变化。第二区域的周期性变化可以被定向与第二重定向路径122正交。第二区域的尺寸可以大于第二单偏振光栅耦合器606A处的第二和第四光束的足迹904。

图10示出了根据一些实施例的适用于图6-8的设备600的两个单偏振光栅耦合器604B、606B的另一示例。

与图9的两个单偏振光栅耦合器604A、606A相比，图10的两个单偏振光栅耦合器604B、606B具有折射率的周期性变化可以在形状上是弯曲的附加特征。曲率可以将第一和第二光束分别聚焦到第一和第二波导106、108的纵向端上。具体地，在第一区域中，周期性变化可以在形状上是弯曲的，其中曲率被配置为将第一光束聚焦到第一波导106的纵向端上。在第二区域中，周期性变化可以在形状上是弯曲的，其中曲率被配置为将第二光束聚焦到第二波导108的纵向端上。这种曲率的聚焦效果可以增加或取代可选聚焦层110的聚焦功能。

对图6-8的配置的潜在改进是在双折射层602之后而不是在双折射层602之前使用法拉第旋转器层112。这样做将旋转被引导回双折射层602的光的偏振。例如，普通光线中的入射光将成为返回光中的非常光线。因此，不希望的返回光将穿过双折射层602内的不同路径，而不是返回其自身。这允许设备将返回光引导到远离光纤的物理位置。除了旋转偏振平面之外，将返回光引导远离光纤，这可以显著降低耦合效率回到光纤中，可以为耦合设备提供额外程度的光学隔离。

图11示出了根据一些实施例的另一设备1100的示例，其可以将来自光纤的入射光耦合到波导中，但是可以减少从波导到光纤中的返回光的耦合。图12示出了根据一些实施例的传播通过图11的设备的入射光的示例。图13示出了根据一些实施例的传播通过图11的设备的返回光的示例。下面将串接讨论图11-13。

在图11-13的配置中，光纤102、可选的聚焦层110、可选的间隔层114、第一波导106和第二波导108在结构和功能上与图6-8的配置相同。与图6-8的配置相比，双折射层602和法拉第旋转器层112的结构可以相同，但是在位置上交换。在图11-13的配置中，沿着第一和第二路径，双折射层602位于法拉第旋转器层112和光纤102之间。

在图11-13的配置中，双折射层602可以定位成使得法拉第旋转器层112位于双折射层602和重定向层116之间。双折射层602可以赋予第一光和第二光之间的空间分隔，使得第一光和第二光在进入双折射层602之前重合，第一光相对于双折射层602内的第二光成角度，并且第一光和第二光是在双折射层602和法拉第旋转器层112之间平行和空间分离。

在图11-13的配置中，重定向层116可包括两个单偏振光栅耦合器604、606，其具有与第三光和第四光之间的空间分离匹配的空间分离。两个单偏振光栅耦合器中的第一个604可以重定向第三光以沿着第一重定向路径120传播。两个单偏振光栅耦合器中的第二个606可以重定向第四光以沿着第二重定向路径122传播。

以类似于图9中所示的方式，两个单偏振光栅耦合器中的第一个604可以包括第一区域，其中折射率周期性地变化。第一区域的周期性变化可以被定向与第一重定向路径120正交。两个单偏振光栅耦合器中的第二个606可以包括第二区域，其中折射率周期性地变化。第二区域的周期性变化可以被定向与第二重定向路径122正交。

以类似于图10中所示的方式，在第一区域中，周期性变化可以在形状上是弯曲，其曲率被配置为将重定向的第三光聚焦到第一波导的纵向端上。在第二区域中，周期性变化可以在形状是弯曲的，其曲率被配置为将重定向的第四光聚焦到第二波导的纵向端上。

如图12和13中最佳所示，第一重定向路径120可以相对于由双折射层602的光轴(OA)和与重定向层116的平面正交的纵轴(LA)形成的平面成45度角。第二重定向路径122可以相对于由双折射层116的光轴(OA)和纵轴(LA)形成的平面成四十五度角。在第一和第二重定向路径120、122上，第一和第二光束可以具有平行于重定向层116的平面的相应偏振取向。替代地，第一和第二重定向路径可以与图12和13所示的取向成90度角，并且第一和第二光束可以具有与重定向层116的平面正交的相应偏振取向。

与图6-8的配置相比，图11-13的配置另外改变双折射层602中的返回光1304所经过的物理光学路径，这可以允许设备将返回光1304引导到远离光纤的物理位置。注意，在图13中，光纤将直接定位在光栅耦合器604上方，使得来自两个光栅耦合器604、606的光被引导远离光纤位置。将返回光1304引导远离光纤可以显著减少耦合回光纤。除了旋转偏振面之外，这还可以为耦合设备1100提供额外程度的光学隔离。

考虑如何在发送和接收设备中使用图1-3、6-8和11-13的设备是有益的。

对于上面讨论并在图中示出的配置，三个设备可以被认为是接收元件。设备中的每一个可以从光纤接收信号，并且可以将接收的信号引导到合适的波导。对于这些设备，光纤到波导路径可以被认为是入射路径，并且波导到光纤路径可以被认为是返回路径。

在接收元件的上下文中，沿返回路径(例如，从波导到光纤)传播的光是不期望的。上述设备沿返回路径旋转光的偏振面，这有助于减少反馈效应。具体地，如果从光纤接收到具有第一偏振状态的光，则从光纤传播到波导，从波导反射，并传播回光纤，返回光具有与第一偏振状态正交的第二偏振状态。另外，图11-13的设备进一步赋予返回光物理位移，使得返回光纤的光从光纤移开。

还可以将这些设备用作发送元件。对于传输，信号源自波导，而不是光纤。信号沿着从波导到光纤的入射路径传播，目的是耦合到光纤中并离开设备。来自光纤的反射(例如，从波导，到光纤，再回到波导)是不希望的。

可以修改上面示出的所有设备以用作传输元件。例如，通过改变两个光栅耦合器的取向，可以修改图11中所示的设备以用作传输元件。具体地，每个光栅耦合器可以围绕垂直于重定向层的平面的轴旋转90度。图14和15跟踪穿过这种改进设备的光束。

图14示出了根据一些实施例的当图11的设备被配置为传输元件时传播通过图11的设备的入射光的示例。

在图14的配置的几何形状中，第一光可以通过第一波导引导到设备中，并且可以沿第一光路1420朝向第一光栅耦合器1404传播。第一光可以具有在第一光栅耦合器1404处与入射平面正交的偏振状态，这与如何使用单偏振光栅耦合器604、606一致。类似地，第二光可以通过第二波导被引导到设备中，并且可以沿第二光路1422朝向第二光栅耦合器1406传播。第二光可以具有与第二光栅耦合器1406处的入射平面正交的偏振状态，这与如何使用单偏振光栅耦合器604、606一致。第一和第二光栅耦合器1404、1406将第一和第二光重定向到法拉第旋转器层112。法拉第旋转器层112可以以第一手性将第一和第二光的相应偏振面旋转45度以分别形成第三和第四光。双折射层602可以将第三光作为非寻常光线引导通过双折射层602，并且将第四光作为普通光线引导通过双折射层602。在穿过双折射层602之后，第三和第四光在位置1402处重合，并且均可以耦合到光纤。

图15示出了根据一些实施例的当图11的设备被配置为传输元件时传播通过图11的设备的返回光的示例。在图15中的位置1502处示出的返回光已从光纤返回，而光纤没有改变其偏振状态。

在入射方向上穿过第一光栅耦合器1404的光可以在返回方向上返回到第一光栅耦合器1404，但是以与入射方向正交的偏振取向返回。类似地，在入射方向上穿过第二光栅耦合器1406的光可以在返回方向上返回到第二光栅耦合器1406，但是以与入射方向正交的偏振取向返回。在这两种情况下，光以与第一和第二光栅耦合器1404、1406处的入射平面平行的偏振取向返回。

通常，如上所述，难以设计光栅耦合器以对两种不同的偏振状态具有高耦合效率。本文所示的单偏振光栅耦合器可以被设计成仅对一种偏振状态具有高耦合效率，而不用考虑正交偏振状态。光栅耦合器1404、1406可以设计成单偏振光栅耦合器，使得它们对入射路径中的光具有高耦合效率。对于图15的配置，可能希望对于平行于光栅耦合器的入射平面的光偏振具有相对低的耦合效率。这种相对低的耦合效率可以有利地减少沿路径1520和1522引导回波导的光量。

因此，图14和15的配置可以通过两种机制实现隔离：将返回光的偏振状态旋转90度，并通过使用具有特定偏振状态的故意低耦合效率的光栅耦合器来降低返回光的强度。

图16示出了根据一些实施例的用于将来自光纤的入射光耦合到波导中并且减少从波导到光纤中的返回光的耦合的方法1600的示例。在一些示例中，图16的方法可用于将具有第一偏振取向的第一光束从光纤沿第一路径耦合到第一波导中，将具有与第一偏振正交的第二偏振的第二光束从光纤沿第二路径耦合到第二波导，减少具有第一偏振取向的第三光束从第一波导沿第一路径到光纤的耦合，并且减小具有第二偏振取向的第四光束从第二波导沿第二路径到光纤的耦合。这样的方法可以由图1-13所示和如上讨论的设备的任一设备执行。图16的方法1600只是这种方法的一个示例；也可以使用其他方法。

在操作1602，法拉第旋转器层可以接收第一光和第二光。第一光可以具有第一偏振取向。第二光可以具有与第一偏振取向正交的第二偏振取向。

在操作1604，法拉第旋转器层可以使第一光传播通过法拉第旋转器层以形成第三光。第三光可以具有相对于第一偏振取向成45度角的第三偏振取向。

在操作1606，法拉第旋转器层可以使第二光传播通过法拉第旋转器层以形成第四光。第四光可以具有相对于第二偏振取向成45度角的第四偏振取向。

在操作1608，包括至少一个光栅耦合器的平面重定向层可以重定向第三光以在重定向层内沿着第一重定向路径传播，并且重定向第四光以在重定向层内沿着第二重定向路径传播。第二重定向路径可以相对于第一重定向路径成角度。

在一些示例中，诸如图1-3中所示的配置，第一光和第二光可以沿着单个光路重合。重定向层可包括双偏振光栅耦合器。双偏振光栅耦合器可以重定向第三光以在重定向层内沿着第一重定向路径传播，并且重定向第四光以在重定向层内沿着第二重定向路径传播。

在一些示例中，诸如图6-8中所示的配置，第一光和第二光可以沿着单个光路重合。双折射层可以位于法拉第旋转器层和重定向层之间。双折射层可以在第三光和第四光之间赋予空间分离，使得第三光和第四光在离开法拉第旋转器层时重合，第三光相对于双折射层内的第四光成角度，第三光和第四光在双折射层和重定向层之间平行且空间分离。

在一些实例中，诸如图11-13中所示的配置，双折射层可以定位成使得法拉第旋转器层位于双折射层和重定向层之间。双折射层可以在第一光和第二光之间赋予空间分离，使得第一光和第二光在进入双折射层之前重合，第一光相对于双折射层内的第二光成角度，并且第一光和第二光在双折射层和法拉第旋转器层之间平行且在空间上分离。

为了进一步说明本文公开的设备和相关方法，下面提供了示例的非限制性列表。以下非限制性示例中的每一个可以独立存在，或者可以以任意排列组合或与其他实例中的任意一个或多个组合。

在示例1中，一种设备可以包括法拉第旋转器层，其被配置为：接收具有第一偏振取向的第一光，接收具有与第一偏振取向正交的第二偏振取向的第二光，使第一光传播通过法拉第旋转器层以形成第三光，第三光具有相对于第一偏振取向成45度角的第三偏振取向，并且使第二光传播通过法拉第旋转器层以形成第四光，第四光具有相对于第二偏振取向成四十五度角的第四偏振取向；并且平面重定向层，其包括至少一个光栅耦合器，重定向层被配置为重定向第三光以在重定向层内沿着第一重定向路径传播，并重定向第四光以在重定向层内沿着第二重定向路径传播，第二重定向路径相对于第一重定向路径成角度。

在示例2中，示例1所述的设备可以可选地配置为使得第一重定向路径与第二重定向路径正交。

在示例3中，示例1-2中的任意一个所述的设备可以可选地被配置为使得在第一和第二重定向路径上，重定向的第三光和重定向的第四光具有平行于重定向层的平面的相应偏振取向。

在示例4中，示例1-3中的任意一个所述的设备可选地还包括聚焦层，该聚焦层被配置为：将会聚赋予到第一光上，使得重定向的第三光聚焦到第一波导的纵向端上，并且将会聚赋予到第二光上，使得重定向的第四光聚焦到第二波导的纵向端上。

在示例5中，示例1-4中的任意一个所述的设备可以可选地被配置为使得第一光和第二光沿着单个光路重合；并且重定向层包括双偏振光栅耦合器，双偏振光栅耦合器被配置为重定向第三光以在重定向层内沿着第一重定向路径传播，并重定向第四光以沿重定向层内的第二重定向路径传播。

在示例6中，示例1-5中的任意一个所述的设备可以可选地被配置为使得双偏振光栅耦合器包括折射率在两个方向上周期性变化的区域，两个方向中的第一个是与第一重定向路径正交，两个方向中的第二个与第二重定向路径正交。

在示例7中，示例1-6中的任意一个所述的设备可以可选地被配置为使得折射率的周期性变化在形状上是弯曲的，其中曲率被配置为：将重定向的第三光聚焦到第一波导的纵向端上，并将重定向的第四光聚焦到第二波导的纵向端上。

在示例8中，示例1-7中的任意一个所述的设备可以可选地被配置为使得第一光和第二光沿着单个光路重合；并且还包括位于法拉第旋转器层和重定向层之间的双折射层，双折射层被配置为在第三光和第四光之间赋予空间分离，使得：第三光和第四光在离开法拉第旋转器层时重合，第三光相对于双折射层内的第四光成角度，并且第三光和第四光在双折射层和重定向层之间平行且在空间上分离。

在示例9中，示例1-8中的任意一个所述的设备可以可选地被配置为使得重定向层包括两个单偏振光栅耦合器，其具有与第三光和第四光之间的空间分离匹配的空间分离，两个单偏振光栅耦合器中的第一单偏振光栅耦合器被配置为重定向第三光以沿第一重定向路径传播，两个单偏振光栅耦合器中的第二单偏振光栅耦合器被配置为重定向第四光以沿第二重定向路径传播，两个单偏振光栅耦合器中的第一单偏振光栅耦合器包括在其中折射率周期性变化的第一区域，第一区域的周期性变化与第一重定向路径正交，所述两个单偏振光栅耦合器中的所述第二单偏振光栅耦合器包括在其中折射率周期性变化的第二区域，所述第二区域的所述周期性变化被定向与所述第二重定向路径正交。

在示例10中，示例1-9中的任意一个所述的设备可以可选地被配置为使得在所述第一区域中，所述周期性变化在形状上是弯曲的，其中曲率被配置为将重定向的第三光聚焦到在第一波导中的纵向端上，以及在所述第二区域中，所述周期性变化在形状上是弯曲的，其中曲率被配置为将所述重定向的第四光聚焦到第二波导的纵向端上。

在示例11中，示例1-10中的任意一个所述的设备可以可选地被配置为使得第一重定向路径位于由双折射层的光轴和与重定向层的平面正交的纵轴形成的平面内；第二重定向路径与由光轴和纵轴形成的平面正交；并且在第一和第二重定向路径上，重定向的第三光和重定向的第四光具有平行于重定向层的平面的相应偏振取向。

在实施例12中，实施例1-11中的任意一个所述的设备可任选地进一步包括双折射层，其被定位使得法拉第旋转器层位于双折射层和重定向层之间，双折射层被配置为赋予在第一光和第二光之间空间分离，使得：第一光和第二光在进入双折射层之前重合，第一光相对于双折射层内的第二光成角度，并且第一光和第二光在双折射层和法拉第旋转器层之间平行且在空间上分离，其中：重定向层包括两个单偏振光栅耦合器，其具有与第三光和第四光之间的空间分离匹配的空间分离；两个单偏振光栅耦合器中的第一个被配置为重定向第三光以沿第一重定向路径传播；两个单偏振光栅耦合器中的第二个被配置为重定向第四光以沿第二重定向路径传播；两个单偏振光栅耦合器中的第一个包括第一区域，其中折射率周期性变化，第一区域的周期性变化被定向与第一重定向路径正交；两个单偏振光栅耦合器中的第二个包括第二区域，其中折射率周期性变化，第二区域的周期变化被定向与第二重定向路径正交；第一重定向路径相对于由双折射层的光轴和与重定向层的平面正交的纵轴形成的平面成45度角；第二重定向路径相对于由双折射层的光轴和纵轴形成的平面成45度角；在第一和第二重定向路径上，第一和第二光束具有平行于重定向层平面的相应偏振取向。

在示例13中，示例1-12中的任意一个所述的设备可以可选地被配置为使得在所述第一区域中，所述周期性变化在形状上是弯曲的，其中曲率被配置为将重定向的第三光聚焦到在第一波导的纵向端上，以及在所述第二区域中，所述周期性变化在形状上是弯曲的，其中曲率被配置为将所述重定向的第四光聚焦到第二波导的纵向端上。

在示例14中，一种方法可以包括在法拉第旋转器层接收第一光和第二光，第一光具有第一偏振取向，第二光具有与第一偏振取向正交的第二偏振取向；使第一光传播通过法拉第旋转器层以形成第三光，第三光具有相对于第一偏振取向成45度角的第三偏振取向；使第二光传播通过法拉第旋转器层以形成第四光，第四光具有相对于第二偏振取向成45度角的第四偏振取向；并且利用包括至少一个光栅耦合器的平面重定向层，重定向第三光以在重定向层内沿着第一重定向路径传播，并重定向第四光以在重定向层内沿着第二重定向路径传播，第二重定向路径为相对于第一重定向路径成角度。

在示例15中，示例14所述的方法可以可选地配置为使得第一光和第二光沿着单个光路重合；其中重定向层包括双偏振光栅耦合器，并且还包括利用双偏振光栅耦合器，重定向第三光以在重定向层内沿着第一重定向路径传播，并重定向第四光以在重定向层内沿第二重定向路径传播。

在示例16中，示例14-15中的任意一个所述的方法可以可选地被配置为使得第一光和第二光沿着单个光路重合；进一步包括：利用位于法拉第旋转器层和重定向层之间的双折射层，在第三光和第四光之间赋予空间分离，使得：第三光和第四光在离开法拉第旋转器层时重合，第三光相对于双折射层内的第四光成角度，第三光和第四光在双折射层和重定向层之间平行且在空间上分离。

在实施例17中，示例14-16中的任意一个所述的方法可任选地进一步包括利用被定位使得法拉第旋转器层位于双折射层和重定向层之间的双折射层，在第一光和第二光之间赋予空间分离，使得：第一光和第二光在进入双折射层之前重合，第一光相对于双折射层内的第二光成角度，并且第一光和第二光在双折射层和法拉第旋转器层之间平行并且在空间上分离。

在示例18中，一种分层光学设备可以包括双折射层，该双折射层被配置为沿着单个光路接收光并且在空间上将所接收的光分离成第一光束和第二光束，第一光束和第二光束具有彼此正交的偏振状态；法拉第旋转器层，被配置为：将第一光束的偏振面旋转45度以形成第三光束，并将第二光束的偏振面旋转45度以形成第四光束，第三光束和第四光束具有彼此正交的偏振状态；以及平面重定向层，包括：第一光栅耦合器，被配置为重定向第三光束以在重定向层内沿着第一重定向路径传播；第二光栅耦合器，被配置为重定向第四光束以在重定向层内的沿着第二重定向路径传播，第一和第二重定向路径彼此正交。

在示例19中，示例18所述的分层光学设备可以可选地被配置为使得所述第一光栅耦合器被配置为使得所述第三光束具有与由所述第三光束和第一重定向路径形成的平面正交的偏振状态；以及所述第二光栅耦合器被配置为使得所述第四光束具有与由所述第四光束和所述第二重定向路径形成的平面正交的偏振状态。

在示例20中，示例18-19中的任意一个所述的分层光学设备可以可选地被配置为使得第一光栅耦合器被配置为使得第三光束具有与由第三光束和第一重定向路径形成的平面平行的偏振状态；并且第二光栅耦合器被配置为使得第四光束具有与由第四光束和第二重定向路径形成的平面平行的偏振状态。

Claims (14)

1.一种用于传播光的设备，包括：

法拉第旋转器层，被配置为：

接收具有第一偏振取向的第一光，

接收具有与所述第一偏振取向正交的第二偏振取向的第二光,其中所述第一光和所述第二光沿着单个光路重合，

使所述第一光传播通过所述法拉第旋转器层以形成第三光，所述第三光具有相对于所述第一偏振取向成45度角的第三偏振取向，以及

使所述第二光传播通过所述法拉第旋转器层以形成第四光，所述第四光具有相对于所述第二偏振取向成45度角的第四偏振取向；以及

平面重定向层，其包括至少一个光栅耦合器，所述重定向层被配置为重定向所述第三光以在所述重定向层内沿着第一重定向路径传播，并重定向所述第四光以在所述重定向层内沿着第二重定向路径传播，所述第二重定向路径相对于所述第一重定向路径成角度，其中所述至少一个光栅耦合器包括其中折射率周期性变化的区域，并且折射率的周期性变化在形状上是弯曲的，其中曲率被配置为将重定向的所述第三光聚焦到第一波导的纵向端上，或者将重定向的所述第四光聚焦到第二波导的纵向端上。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一重定向路径与所述第二重定向路径正交。

3.根据权利要求1所述的设备，其中在所述第一重定向路径和所述第二重定向路径上，重定向的所述第三光和重定向的所述第四光具有平行于所述重定向层的平面的相应偏振取向。

4.根据权利要求1所述的设备，还包括聚焦层，所述聚焦层被配置为：

将会聚赋予到所述第一光上，使得重定向的所述第三光被聚焦到所述第一波导的所述纵向端上，以及

将会聚赋予到所述第二光上，使得重定向的所述第四光被聚焦到所述第二波导的所述纵向端上。

5.根据权利要求1所述的设备，其中：

所述重定向层包括双偏振光栅耦合器，所述双偏振光栅耦合器被配置为重定向所述第三光以在所述重定向层内沿着所述第一重定向路径传播，并且重定向所述第四光以在所述重定向层内沿着所述第二重定向路径传播。

6.根据权利要求5所述的设备，其中所述双偏振光栅耦合器包括在其中折射率在两个方向上周期性变化的区域，所述两个方向中的第一方向与所述第一重定向路径正交，所述两个方向中的第二方向与所述第二重定向路径正交。

7.根据权利要求6所述的设备，其中所述设备还包括聚焦层，所述法拉第旋转器层从所述聚焦层接收所述第一光和所述第二光。

8.根据权利要求1所述的设备，

还包括位于所述法拉第旋转器层和所述重定向层之间的双折射层，所述双折射层被配置为在所述第三光和所述第四光之间赋予空间分离，使得：

所述第三光和所述第四光在离开所述法拉第旋转器层时重合，

所述第三光相对于所述双折射层内的所述第四光成角度，以及

所述第三光和所述第四光在所述双折射层和所述重定向层之间平行且在空间上分离。

9.根据权利要求8所述的设备，其中所述重定向层包括两个单偏振光栅耦合器，所述两个单偏振光栅耦合器具有与所述第三光和所述第四光之间的所述空间分离匹配的空间分离，

所述两个单偏振光栅耦合器中的第一单偏振光栅耦合器被配置为重定向所述第三光以沿所述第一重定向路径传播，

所述两个单偏振光栅耦合器中的第二单偏振光栅耦合器被配置为重定向所述第四光以沿所述第二重定向路径传播，

所述两个单偏振光栅耦合器中的所述第一单偏振光栅耦合器包括在其中折射率周期性变化的第一区域，所述第一区域的所述周期性变化被定向与所述第一重定向路径正交，

所述两个单偏振光栅耦合器中的所述第二单偏振光栅耦合器包括在其中折射率周期性变化的第二区域，所述第二区域的所述周期性变化被定向与所述第二重定向路径正交。

10.根据权利要求9所述的设备，其中：

在所述第一区域中，所述周期性变化在形状上是弯曲的，其中曲率被配置为将重定向的所述第三光聚焦到第一波导中的纵向端上，以及

在所述第二区域中，所述周期性变化在形状上是弯曲的，其中曲率被配置为将重定向的所述第四光聚焦到第二波导的纵向端上。

11.根据权利要求8所述的设备，其中：

所述第一重定向路径位于由所述双折射层的光轴和与所述重定向层的平面正交的纵轴形成的平面内；

所述第二重定向路径与由所述光轴和所述纵轴形成的所述平面正交；以及

在所述第一重定向路径和所述第二重定向路径上，重定向的所述第三光和重定向的所述第四光具有平行于所述重定向层的平面的相应偏振取向。

12.一种传播光的方法，包括：

在法拉第旋转器层接收第一光和第二光，所述第一光具有第一偏振取向，所述第二光具有与所述第一偏振取向正交的第二偏振取向，其中所述第一光和所述第二光沿着单个光路重合；

使所述第一光传播通过所述法拉第旋转器层以形成第三光，所述第三光具有相对于所述第一偏振取向成45度角的第三偏振取向；

使所述第二光传播通过所述法拉第旋转器层以形成第四光，所述第四光具有相对于所述第二偏振取向成45度角的第四偏振取向；以及

利用包括至少一个光栅耦合器的平面重定向层，重定向所述第三光以在所述重定向层内沿着第一重定向路径传播，并重定向所述第四光以在所述重定向层内沿着第二重定向路径传播，所述第二重定向路径相对于所述第一重定向路径成角度，其中所述至少一个光栅耦合器包括其中折射率周期性变化的区域，并且折射率的周期性变化在形状上是弯曲的，其中曲率被配置为将重定向的所述第三光聚焦到第一波导的纵向端上，或者将重定向的所述第四光聚焦到第二波导的纵向端上。

13.根据权利要求12所述的方法，

其中所述重定向层包括双偏振光栅耦合器，并且

还包括：

利用所述双偏振光栅耦合器，重定向所述第三光以在所述重定向层内沿所述第一重定向路径传播，并重定向所述第四光以在所述重定向层内沿着所述第二重定向路径传播。

14.根据权利要求12所述的方法，

还包括：

利用位于所述法拉第旋转器层和所述重定向层之间的双折射层，在所述第三光和所述第四光之间赋予空间分离，使得：

所述第三光和所述第四光在离开所述法拉第旋转器层时重合，

所述第三光相对于所述双折射层内的所述第四光成角度，以及

所述第三光和所述第四光在所述双折射层和所述重定向层之间平行且在空间上分离。

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