CN110785686A - 用于与硅光子平台集成的自由空间cwdm mux/demux - Google Patents

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Abstract

用于与基于光栅耦合器的硅平台集成的自由空间粗波分复用(CWDM)复用/解复用器(MUX/DEMUX)的方法和系统可包括光学组件，该光学组件包括透镜阵列和具有成角度的反射表面的多个薄膜滤波器分束器。光学组件可操作为：经由光纤接收包括不同波长的多个光信号的输入光信号，将输入光信号聚焦到第一薄膜滤波器分束器上，将第一光信号反射到透镜阵列中并将其他光信号传递到第二薄膜滤光器分束器，以及将第二光信号反射到透镜阵列中并将其他光信号传递到多个薄膜滤波器分束器中的第三薄膜滤波器分束器。

Description

用于与硅光子平台集成的自由空间CWDM MUX/DEMUX
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年8月10日提交的美国临时申请第62/543,679号和2017年8月15日提交的美国临时申请第62/545,652号的优先权和权益，其均通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开的方面涉及电子组件。更具体地，本公开的某些实现方式涉及用于与基于光栅耦合器的硅平台集成的自由空间粗波分复用(CWDM)复用/解复用器(MUX/DEMUX)的方法和系统。
背景技术
用于CWDM复用和解复用的传统方法可能是昂贵的、麻烦的和/或低效的，例如，它们可能是复杂的和/或耗时的，和/或可能由于损耗而具有有限的响应度。
通过将这种系统与本申请的其余部分中参照附图阐述的本公开的一些方面进行比较，常规和传统方法的进一步限制和缺点对于本领域技术人员将变得显而易见。
发明内容
提供了用于与基于光栅耦合器的硅平台集成的自由空间CWDM MUX/DEMUX的系统和方法，如权利要求中更完整地阐述的，基本上如至少一个附图所示和/或结合至少一个附图所描述。
根据以下描述和附图，将更全面地理解本公开的这些和其他优点、方面和新颖特征，以及其示出的实施方式的细节。
附图说明
图1是根据本发明的示例性实施方式的具有用于与基于光栅耦合器的硅平台集成的自由空间CWDM MUX/DEMUX的光子使能集成电路的框图。
图2示出了根据本公开的示例性实施方式的用于耦合到光子芯片上的光栅耦合器的薄膜滤波器外部MUX/DEMUX。
图3A至图3C示出了根据本公开的示例性实施方式的用于耦合到光子芯片上的光栅耦合器的薄膜滤波器外部MUX/DEMUX的顶视图、侧视图和侧面细节图。
图4示出了根据本发明的示例性实施方式的具有水平和垂直平面信道分离的薄膜滤波器外部MUX/DEMUX。
图5示出了根据本发明的示例性实施方式的具有水平和垂直平面信道分离的薄膜滤波器外部MUX/DEMUX的斜视图。
图6A至图6C示出了根据本公开的示例性实施方式的具有水平和垂直平面信道分离的薄膜滤波器外部MUX/DEMUX的顶视图和侧视图。
图7示出了根据本公开的示例性实施方式的具有薄膜滤波器分束器立方体的自由空间MUX/DEMUX。
图8示出了根据本发明的示例性实施方式的具有薄膜滤波器的自由空间MUX/DEMUX的侧视图。
图9A至图9B示出了根据本公开的示例性实施方式的具有成角度的刻面薄膜滤波器分束器立方体的自由空间MUX/DEMUX的侧视图和斜角视图。
图10A至图10F示出了根据本公开的示例性实施方式的用于制造成角度的薄膜滤波器分束器的示例性过程。
具体实施方式
如本文中所使用的，术语“电路(circuits)”和“电路系统(circuitry)”指的是物理电子组件(即硬件)和任何软件和/或固件(“代码”)，其可以配置硬件、由硬件执行或者以其他方式与硬件相关联。如本文中所使用，例如，特定处理器和存储器在执行第一一个或多个代码行时可包括第一“电路”，且在执行第二一个或多个代码行时可包括第二“电路”。如本文所用，“和/或”是指列表中通过“和/或”连接的任何一个或多个项目。例如，“x和/或y”表示三元素集合{(x),(y),(x,y)}中的任何元素。换句话说，“x和/或y”是指“x和y中的一个或两个”。作为另一示例，“x，y和/或z”表示七元素集合{(x),(y),(z),(x,y),(x,z),(y,z),(x,y,z)}中的任何元素。换句话说，“x，y和/或z”是指“x，y和z中的一个或多个”。如本文所用，术语“示例性”意指充当非限制性示例、实例或说明。如本文所用，术语“例如(e.g.)”和“举例(for example)”列出了一个或多个非限制性示例、实例或说明。如本文所使用的，只要电路或设备包括执行该功能的必要硬件和代码(如果有必要)，则该电路或设备“可操作地”执行功能，而不管该功能的性能是否被禁用(例如，通过用户可配置的设置、出厂调整等)。
图1是根据本发明的示例性实施方式的具有用于与基于光栅耦合器的硅平台集成的自由空间CWDM MUX/DEMUX的光子使能集成电路的框图。参考图1，示出了光子使能集成电路130上的光电设备和光学设备，该光电设备包括光调制器105A-105D、光电二极管111A-111D、监视器光电二极管113A-113H，该光学设备包括耦合器103、光学终端115A-115D和光栅耦合器117A-117H。还示出了包括放大器107A-107D、模拟和数字控制电路109以及控制部分112A-112D的电气设备和电路。放大器107A-107D可包括例如跨阻放大器和限幅放大器(TIA/LA)。
在示例方案中，光子使能集成电路130包括CMOS光子管芯，其中激光器组件101耦合到IC 130的顶表面。连续波激光输入端(CW Laser In)101包括一个或多个激光器组件，该激光器组件包括具有隔离器、透镜和/或旋转器的多个半导体激光器，用于将一个或多个连续波(CW)光信号引导至耦合器103。在示例情况下，激光器组件可以是一个激光器组件内的多个激光器模块，或者可以包括单个模块中的激光器阵列，例如，其中一对激光器耦合到每个光调制器，一个激光器耦合到调制器的每个臂，从而为每个收发器提供冗余光源。通过将冗余激光器耦合到每个调制器，可以提高良率，特别是在与CMOS管芯130组装之前测试激光器困难的情况下。
光子使能集成电路130可包括单个芯片，或者可以集成在多个管芯上，例如一个或多个电子管芯和一个或多个光子管芯。
光信号经由在光子使能集成电路130中制造的光波导110在光学设备和光电设备之间传送。单模波导或多模波导可用于光子集成电路。单模操作能够直接连接到光信号处理和联网元件。术语“单模(single-mode)”可用于支持用于两种极化(横向电(TE)和横向磁(TM))中的每一种的单模的波导，或用于真正单模且仅支持其极化为TE的一个模式的波导，其包括平行于支持波导的基板的电场。所使用的两个典型波导横截面包括条形波导和肋形波导。条形波导通常包括矩形横截面，而肋形波导包括在平板波导顶部上的肋形部分。当然，还可以考虑其他波导截面类型，并且在本公开的范围内。
光调制器105A-105D包括例如Mach-Zehnder或环形调制器，并且能够调制连续波(CW)激光输入信号。光调制器105A-105D可包括高速相位调制部分和低速相位调制部分，并且由控制部分112A-112D控制。光调制器105A-105D的高速相位调制部分可以用数据信号调制CW光源信号。光调制器105A-105D的低速相位调制部分可以补偿缓慢变化的相位因数，例如由波导之间的失配、波导温度或波导应力引起的那些相位因数，并且被称为无源相位或MZI的无源偏置。
在示例情况下，高速光相位调制器可以基于自由载波色散效应来操作，并且可以证明自由载波调制区域和光模之间的高重叠。在波导中传播的光模的高速相位调制是用于高数据速率光通信的几种类型的信号编码的构件块。现代光链路中使用的高数据速率可能需要几Gb/s的速度来维持，并且可以通过调制跨越承载光束的波导放置的PN结的耗尽区来在集成Si光子中实现。为了提高调制效率并使损耗最小化，优化了光模和PN结耗尽区之间的重叠。
光调制器105A-105D的输出可经由波导110光耦合到光栅耦合器117E-117H。耦合器103可包括例如四端口光耦合器，并且可用于采样或分离由光调制器105A-105D产生的光信号，采样信号由监视器光电二极管113A-113H测量。定向耦合器103的未使用分支可以由光学终端115A-115D端接，以避免不需要的信号的背向反射。
光栅耦合器117A-117H包括能够将光耦合进和耦合出光子使能集成电路130的光栅。光栅耦合器117A-117D可用于将经由具有集成光学设备的光学耦合器从光纤接收的光耦合到光子使能集成电路130中，并且光栅耦合器117E-117H可用于将来自光子使能集成电路130的光耦合到光纤中。光栅耦合器117A-117H可包括单偏振光栅耦合器(SPGC)和/或偏振分离光栅耦合器(PSGC)。在使用PSGC的实例中，可以使用两个输入波导或输出波导。
光纤可以使用透镜阵列121和光学组件123耦合到IC 130，光学组件123包括例如透镜、垫片、反射镜和薄膜滤波器。这些结构将参照图2至图4进一步描述。
光电二极管111A-111D可以将从光栅耦合器117A-117D接收的光信号转换为电信号，该电信号被传送到放大器107A-107D进行处理。在本公开的另一个实施方式中，光电二极管111A-111D可包括例如高速异质结光电晶体管，并且在集电极和基极区中可包括锗(Ge)，以在1.3-1.6μm的光波长范围内吸收，并且可以集成在CMOS绝缘体硅片(SOI)晶片上。在另一示例情况下，光电二极管可包括4端口高速光电二极管，其使得能够从两个不同的偏振分离光栅耦合器(PSGC)接收不同的信道。
模拟和数字控制电路109可控制放大器107A-107D的操作中的增益水平或其他参数，放大器107A-107D接着可将电信号传送离开光子使能集成电路130。控制部分112A-112D包括能够调制从耦合器103接收的CW激光信号的电子电路。例如，光调制器105A-105D可能需要高速电信号来调制Mach-Zehnder干涉仪(MZI)的各个分支中的折射率。在示例性实施方式中，控制部分112A-112D可包括下沉式驱动器电子设备和/或源驱动器电子器件，其可以利用单个激光器实现双向链路。
在操作中，光子使能集成电路130可操作用于发送和/或接收和处理光信号。光信号可以由光栅耦合器117A-117D从光纤接收，并由光电探测器111A-111D转换成电信号。电信号可由例如放大器107A-107D中的跨阻放大器放大，且随后传送到光子使能集成电路130中的其他电子电路(未示出)。
集成光子平台允许光收发器的全部功能集成在单个芯片上。光收发器芯片包含在发送器(Tx)和接收器(Rx)侧产生和处理光/电信号的光电电路，以及将光信号耦合至光纤以及耦合来自光纤的光信号的光接口。信号处理功能可以包括调制光载波、检测光信号、分离或组合数据流、在具有不同波长的载波上复用或解复用数据以及均衡信号以减少和/或消除符号间干扰(ISI)，符号间干扰(ISI)可能是光通信系统中的常见损害。
光子使能集成电路130可以包括单个电子器件/光子CMOS管芯/芯片，或者可包括用于光子学和电子学功能的单独的CMOS管芯。光子使能集成电路130可以使用透镜阵列121和光学组件123耦合到光纤，这在图2至图4中进一步示出。
由于光栅耦合器的波长带宽，将具有20nm间距的CWDM与基于光栅耦合器的硅光子集成可能是困难的。这可以通过使用利用平面光波电路(PLC)技术和/或薄膜滤波器(TFF)的外部MUX/DEMUX来克服。
图2示出了根据本公开的示例性实施方式的用于耦合到光子芯片上的光栅耦合器的薄膜滤波器外部MUX/DEMUX。参考图2，示出了外部MUX/DEMUX光学组件200，其包括透镜阵列201、反射镜203、垫片205A-205C、薄膜滤波器207、透镜209、光纤套管211。还示出了用于将光信号耦合到光学组件200和/或耦合来自光学组件200的光信号的光纤125。透镜阵列201可包括例如多个硅透镜，其可操作以将光信号聚焦在具有所需的光束宽度和与法线的夹角的所需光点处。垫片205A-205C可包含玻璃或类似材料，该材料为光学透明的且具有所需折射率且允许精确厚度控制。
光纤套管211可包括用于将光纤125固定到光学组件200的机械结构，并且可以耦合到例如可以包含硅的透镜209。套管211可以包括金属或其他刚性材料，用于为光纤125的结构和限制提供机械强度。透镜209可操作以将来自光纤125的光聚焦到第一垫片205C中的薄膜滤波器207，或将从薄膜滤波器207接收的光信号聚焦到光纤125中。
垫片205A-205C和薄膜滤波器207的组合产生了组件200的MUX/DEMUX功能，并且透镜209耦合保持在套管211中的光纤125中的光。耦合到光纤套管的垫片205C可包括具有高反射镜213的部分涂覆的背面，以消除信号进入光纤125的反向耦合并将信号反射回TFF207。垫片205A-205C可具有精确的角度和厚度，用于经由成角度的反射镜203将光信号引导到硅透镜阵列201中的所需透镜，并引导到用于耦合到光纤125的所需薄膜滤波器207。
可包括例如硅的透镜209将来自光栅耦合器光束的光信号经由透镜阵列201聚焦为平行准直光束，该平行准直光束具有良好选择的束腰，以通过到光纤125的距离覆盖整个光信号。反射镜203可包括45度全内反射镜，其使得从透镜阵列201接收的光束相对从光纤125接收的信号是水平的或垂直的。
薄膜滤波器207可被配置为允许某些波长的信号通过同时去除其他波长，其中薄膜滤波器阵列由此提供波长选择。每一滤波器的厚度及/或材料可被配置以用于不同波长，这样使得每一TFF 207可被配置以允许特定CWDM波长通过。
在操作中，包括多个CWDM波长信号的CWDM光信号可以通过将来自光纤125的信号耦合到光学组件200中而被解复用。信号可由透镜聚焦到TFF 207中的第一TFF上，其中第一TFF的通过波长处的信号将通过，而剩余波长反射回以再次由垫片205C的后反射镜213朝向TFF 207反射。TFF 207中的下一个将允许第二波长CWDM信号通过，同时将剩余波长反射到反射镜213，并再次反射到第三TFF 207。最后，剩余的CDWM波长信号将简单地传递到垫片205A。通过TFF 207的每个信号以及最后剩余的CWDM波长被向下反射到透镜阵列201中，用于聚焦到安装了光学组件200的光子管芯中的光栅耦合器上。
虽然示出了指示四个CWDM波长操作的三个TFF 207，但是其他数目也是可以的。此外，光学组件200可以复用从其上安装有MUX/DEMUX组件200的芯片发射的CWDM信号。每个CWDM波长信号可以由透镜阵列201聚焦到适当的光点和宽度以及期望的形状上，以便由成角度的反射镜203经由垫片205A反射到TFF 207。如同解复用过程一样，适当波长的CWDM信号将通过为该波长配置的TFF 207，并从反射镜213反射并返回相邻的TFF 207以进一步反射。这种来回反射一直持续到每个信号被反射远离第一TFF 207并进入透镜209，这样使得来自每个光路的每个波长信号耦合到垫片205C中，并随后耦合到达透镜209以聚焦到光纤125中。
图3A至图3C示出了根据本公开的示例性实施方式的用于耦合到光子芯片上的光栅耦合器的薄膜滤波器外部MUX/DEMUX的顶视图、侧视图和侧面细节图。参考图3A，示出了薄膜滤波器外部MUX/DEMUX光学组件300的顶视图，其示出了不同光信号进入光子IC上的各个光栅耦合器的路径。MUX/DEMUX光学组件300包括透镜阵列201、反射镜203、垫片205A-205C、TFF 207、透镜209和套管211。
图3A还示出了CWDM信号在进入或离开光纤的任一方向上所采取的光路。例如，包括四个CWDM波长信号的CWDM光信号可以经由光纤125接收在光学组件300中，并且由透镜209经由垫片205B聚焦到第一TFF 207上，其中配置了第一TFF 207的第一CWDM波长通过，同时剩余信号反射回到垫片205B的背面的反射镜213，其接着被反射到下一TFF 207，依此类推，直到最后的CWDM波长信号仅穿过到垫片205A为止。进入垫片205A的每个信号然后可以被反射镜203向下反射到透镜阵列201中，以聚焦到与光学组件300耦合的光子管芯中的光栅耦合器上。
类似地，图3B和图3C的侧视图示出了各种组件，例如光纤125、套管211、垫片205A-205C、薄膜滤波器207、反射镜203和透镜阵列201。如图3C所示，透镜阵列201可包括与全内反射镜203接触的凸透镜结构201A。垫片205A-205C中的角度控制对于所需信号的适当耦合可能是重要的，且可利用主动校准来对准透镜阵列201下方的光子芯片(未示出)中的光栅耦合器并将光纤125校准至组件300。基于投射距离的束腰要求可以确定节距和尺寸。
此外，如图3B和图3C中所示，垫片205A-205C可包括用于厚度、校准、折射率和反射率控制的多个层。与透镜209相邻的垫片205B的背面的反射率可被配置为使用反射镜213将由TFF 207反射的CWDM信号反射回TFF 207。以这种方式，由于未通过特定TFF 207的CWDM信号在通带之外，因此可将其反射到下一个TFF 207。如图3A和图3C所示，光路示出了从光纤125接收的光信号的向下反射，和/或从下面的透镜阵列201接收的光信号的横向反射。此外，透镜阵列201可以以与透镜阵列201的底表面成偏离法线的角度聚焦光信号，从而聚焦接收信号的光子管芯的顶表面，以提高耦合效率。
在操作中，包括多个CWDM波长信号的CWDM光信号可以通过将来自光纤125的信号耦合到光学组件300中而被解复用。信号可由透镜聚焦到TFF 207中的第一TFF上，其中第一TFF的通过波长处的信号将通过，而剩余波长反射回以再次由垫片205C的后反射镜213朝向TFF 207反射。TFF中的下一个将允许第二波长CWDM信号通过，同时将剩余波长反射到反射镜213，并再次反射到第三TFF 207。最后，剩余的CDWM波长信号将简单地传递到垫片205A。通过TFF 207的每个信号以及最后剩余的CWDM波长被向下反射到透镜阵列201中，用于聚焦到安装了组件300的光子管芯中的光栅耦合器上。
虽然示出了指示四个CWDM波长操作的三个TFF 207，但是其他数目也是可以的。此外，光学组件300可以复用从其上安装有MUX/DEMUX组件300的芯片发射的CWDM信号。每个CWDM波长信号可由透镜阵列201聚焦到具有所需光束宽度和形状的适当光点上，以由反射镜203经由垫片205A反射到TFF 207。如同解复用过程一样，适当波长的CWDM信号将通过为该波长配置的TFF 207，并从反射镜213反射并返回相邻的TFF 207以进一步反射。这种来回反射一直持续到每个信号被反射远离第一TFF 207并进入透镜209，这样使得来自每个光路的每个波长信号耦合到垫片205C中，并随后耦合到达透镜209以聚焦到光纤125中。
图4示出了根据本发明的示例性实施方式的具有水平和垂直平面信道分离的薄膜滤波器外部MUX/DEMUX。参考图4，示出了外部MUX/DEMUX光学组件400，其包括透镜阵列401A和401B、反射镜403A和403B、垫片405A-405D、TFF407A和407B、透镜409A和409B、套管411A和411B、以及反射镜413A和413B。还示出了一对光纤425A和425B。在该示例中，光路1和光路2所示的双光路使用薄膜滤波器和相关光学组件在管芯表面处使信道在水平方向上分离，以及使用诸如光纤425A和425B的多个光纤使信道垂直分离。
光学元件可以类似于前面描述的那些，但是平行路径在垂直方向上移位，如光纤425A和425B之间的间距所示，并且在水平方向上移位，如透镜阵列401A和401B之间的水平距离所示。
在所示的实施方式中，反射镜403A和403B反射来自在垂直方向上分离的光纤的光信号或将光信号反射到在垂直方向上分离的光纤，以及经由TFF 407A和407B与反射镜413A和413B反射水平分离的光信号，如图3A的顶视图所示。反射信号可以被传送到透镜阵列401A和401B中，用于耦合到光子IC中的相应光栅耦合器，或者在输出方向上，可以从光子IC中的光栅耦合器接收光信号，并且将信号耦合到TFF 407A和407B，用于耦合到套管411A和411B中的相应光纤425A和425B。
在操作中，可以通过将来自光纤425A和425B的信号耦合到光学组件400中来解复用每个包括多个CWDM波长信号的CWDM光信号。信号可由透镜409A和409B聚焦到每一组TFF407A和407B中的第一组TFF上，其中每一组TFF 407A和407B中的第一组TFF的通过波长处的信号将通过，而剩余波长反射回以再次被后反射镜413A和413B朝向剩余TFF407A和407B反射。每组TFF 407A和407B的下一个TFF允许第二波长CWDM信号通过，同时将剩余的波长反射到反射镜413A和413B，并且再次反射到每组TFF 407和407B的第三组TFF。最后，剩余的CWDM波长信号将简单地传递到垫片405A和405D。通过TFF 407A和407B的每个信号以及每个路径中最后剩余的CWDM波长被向下反射到透镜阵列401A和401B中，用于聚焦到安装了光学组件400的光子管芯中的光栅耦合器上。虽然在此示例中描述了两组三个TFF 407A和407B，其指示双四信道CWDM或八信道CWDM操作，但其他数目的信道也是可以的。
光学组件400还可以复用从其上安装有MUX/DEMUX组件400的芯片发射的CWDM信号。每个CWDM波长信号可由透镜阵列401A和401B聚焦到具有所需光束宽度和形状的适当光点上，以由反射镜403A和403B经由垫片405A和405D反射到TFF407A和407B。如同解复用过程一样，适当波长的CWDM信号将通过为该波长配置的TFF 407A和407B，并从反射镜413A和413B反射回相邻的TFF 407A和407B以进一步反射。这种来回反射一直持续到每个信号从第一TFF 407A或407B反射并进入透镜409A或409B，使得来自每个光路的每个波长信号耦合到垫片405C和405F中，并随后耦合到透镜409A和409B以聚焦到光纤125中。
图5示出了根据本发明的示例性实施方式的具有水平和垂直平面信道分离的薄膜滤波器外部MUX/DEMUX的斜视图。参考图5，示出了外部MUX/DEMUX500，其包括透镜阵列501、反射镜503、垫片505A-505C、TFF507、透镜509、套管511和反射镜513。还示出了一对光纤525A和525B。在这个示例中，使用薄膜滤波器和相关的光学组件，双垂直分离的光路能够使信道垂直方向分离以及在管芯表面上水平分离。
光学元件可以类似于前面描述的那些，平行路径沿垂直方向移位，如光纤525A和525B之间的间距所示，并且水平移位，如透镜阵列501A和501B之间的水平距离所示。
在这个示例中，利用薄膜滤波器和相关的光学组件在水平方向上分离信道，并利用多个光纤垂直地分离信道。在图5所示的示例中，有两根垂直排列的光纤。
在所示的实施方式中，反射镜503足够大以反射来自在垂直方向上分离的光纤525A和525B的光信号或将信号反射到在垂直方向上分离的光纤525A和525B，以及经由薄膜滤波器507反射水平分离的光信号。反射信号可以被传送到透镜阵列501中，用于耦合至光子IC中的相应光栅耦合器，或者在输出方向上，可以从光子IC中的光栅耦合器接收光信号，并将信号耦合至薄膜滤波器507，用于耦合至套管511中的相应光纤525A和525B。
在操作中，可以通过将来自光纤525A和525B的信号耦合到光学组件500中来解复用每个包括多个CWDM波长信号的CWDM光信号。信号可以由透镜509聚焦到每组TFF507中的第一组TFF 507上，每组TFF507与另一组TFF 507垂直移位。在每组TFF 507中的第一组TFF507的通过波长处的信号将通过，而剩余的波长反射回以再次被反射镜513朝向剩余的TFF507反射。每组TFF 507的下一组TFF允许第二波长CWDM信号通过，同时将剩余波长反射到反射镜513，并且再次反射到每组TFF507的第三组。最后，剩余的CWDM波长信号将简单地传递到垫片505A。通过TFF 507的每个信号以及每个路径中最后剩余的CWDM波长被向下反射到透镜阵列501中，用于聚焦到安装了光学组件500的光子管芯中的光栅耦合器上。虽然在此示例中描述了三个TFF 507中的两个垂直移位列，其指示双四信道CWDM或八信道CWDM操作，但其他数目的信道也是可以的。
光学组件500还可以复用从其上安装有MUX/DEMUX组件500的芯片发射的CWDM信号。每个CWDM波长信号可由透镜阵列501聚焦到具有所需光束宽度和形状的适当光点上，以由反射镜503经由垫片505A反射到TFF 507。如同解复用过程一样，适当波长的CWDM信号将通过为该波长配置的TFF507，并从反射镜513反射回相邻的TFF 507用于进一步反射。这种来回反射一直持续到每个信号从第一TFF507反射并进入透镜509，这样使得来自每个光路的每个波长信号耦合到垫片505C中，并随后耦合到透镜509以聚焦到光纤525A或525B中。
图6A至图6C示出了根据本公开的示例性实施方式的具有水平和垂直平面信道分离的薄膜滤波器外部MUX/DEMUX的顶视图和侧视图。参考图6A至图6C，示出了外部MUX/DEMUX 600，其具有使用薄膜滤波器507和相关光学组件在水平方向上分离的信道，以及具有多个光纤的垂直分离。在图6A至图6C所示的示例中，有两个垂直排列的光纤525A和525B。
在所示的实施方式中，反射镜503足够大以反射来自在垂直方向上分离的光纤525A和525B的光信号或将信号反射到在垂直方向上分离的光纤525A和525B，以及经由薄膜滤波器507反射水平分离的光信号。反射信号可以被传送到透镜阵列501中，用于耦合到光子IC中的相应光栅耦合器，或者在输出方向上，可以经由接收表面501S从光子IC中的光栅耦合器接收光信号，并且在平行于接收表面501S的方向上将信号耦合到薄膜滤波器，用于耦合到套管中的相应光纤。侧视图细节示出了可用于透镜阵列501的凸透镜结构501A-501H。
图6A示出了CWDM信号的光路，该CWDM信号通过单个TFF 507或反射回垫片505B以被反射镜513反射回剩余的TFF 507。图6C示出了光路的垂直位移，在DEMUX操作中由反射镜503向下反射，或在MUX操作中水平反射。
图7示出了根据本公开的示例性实施方式的具有薄膜滤波器分束器立方体的自由空间MUX/DEMUX。参考图7，示出了MUX/DEMUX 700，其包括光纤套管711、透镜709、透明垫片705、具有内反射表面715A-715D的TFF分束器立方体阵列707A-707D和透镜阵列701。光纤套管711可以包括用于将光纤固定到MUX/DEMUX组件的机械结构，并且可以耦合到可包括硅的透镜709，例如用于经由垫片705将来自光纤725的光聚焦到TFF分束器立方体707A-707D上，或者用于将经由透镜阵列701从TFF分束器立方体707A-707D接收的光信号聚焦到光纤725中。
例如，可包含玻璃、耦合到光纤套管711的垫片705可包括具有高反射镜的部分涂覆的背面，以消除信号进入光纤725中的反向耦合。硅透镜709将来自光栅耦合器光束的光信号聚焦成具有良好选择的束腰的平行准直光束，以通过到光纤725的距离覆盖总光信号。
TFF分束器立方体707A-707D可被配置为允许信号以特定波长通过，同时去除其他波长，其中TFF分束器块707A-707D的阵列由此提供波长选择，每一个TFF分束器块都将相关联的波长光信号向下反射到透镜阵列。每个滤波器的厚度和/或材料可被配置用于不同的波长。随着入射光在TFF上的入射角增加，带通波长对角度变得更加敏感。这可以通过适当的材料选择，例如具有较高的折射率来减轻。垫片705可具有精确的角度和厚度，用于将光信号引导到透镜阵列701中所需的透镜，并引导到薄膜滤波器分束器立方体，用于耦合至光纤。
图7所示的实施方式实现了更紧凑的MUX/DEMUX，其具有更短的光程长度的附加优点，这允许尺寸的显著减小，并且因此也允许更小的束腰实现更高密度的封装光信道。这对于非常高吞吐量的光收发器单元是有益的。
在示例性实施方式中，每个TFF分束器立方体707A-707D向下反射特定的CWDM信道波长，同时允许其他波长通过。这可以通过允许直到期望波长的所有波长都通过TFF分束器立方体的材料来实现，并且反射表面715A-715D被调谐以反射特定波长。虽然在图7中示出了立方体结构，但是其他形状也是可以的，例如矩形形状或圆形边缘形状。例如，在图9A至图9B和10A至图10F中示出了具有倾斜侧面的矩形棱柱。
由于MUX/DEMUX的光学元件可以以很小的节距纵向排列在光子管芯上，因此光束的分离可以通过简单的传播发生，并且可以提供非常短的投射距离要求。在该实施方式中，45度反射与滤波功能结合以消除附加反射镜，这也容易允许在没有附加组件的情况下对MUX和DEMUX使用相同的滤波器堆栈。由于每个信道的束腰出现在不同的光点处，图7中公开的结构的其他优点包括由于发散而在准直段中改善的轴向损耗。设备越紧凑，即连续信道之间的传播差越小，可容忍的发散度越高。此外，可以减小准直段中的角度失准，这转化为降低的单模孔径(GC/SMF)处的横向未对准。准直光束尺寸越大，角度损失灵敏度越高，因此更紧凑的解决方案(例如图7的解决方案)是有利的，因为它们需要更小的准直光束。
另一个改进是准直段中的横向未对准，其在单模孔径(GC/SMF)处产生角度误差。具体地，由于较小的尺寸，改善了由于物理公差或不正确的光束角引起的滤波器的有效“节距误差(pitch error)”。最后，在更小的结构中降低了滤波器损耗——来自每个滤波器的示例TFF反射效率为约99％，并且通过滤波器的透射率为95％，这可以通过进一步的滤波器优化来改善。
图8示出了根据本发明的示例性实施方式的具有薄膜滤波器的自由空间MUX/DEMUX的侧视图。参考图8，示出了MUX/DEMUX 800，其包括光纤套管711、透镜709、垫片705，具有内反射表面715A-715D的薄膜滤波器分束器立方体的阵列707A-707D、以及透镜阵列701，每个都如参考图7示出和描述的。如从侧视图中可以看到的，来自光纤的光信号可由透镜709聚焦并且通过垫片705耦合到薄膜滤波器块阵列707A-707D，由此提供波长选择，每个薄膜滤波器块阵列将相关联的波长光信号向下反射到透镜阵列701，然后将光信号聚焦到安装了透镜阵列701的光子芯片的光栅耦合器中。随着入射光在TFF上的入射角增加，带通波长对角度变得更加敏感。这可以通过适当的材料选择，例如具有较高的折射率来减轻。侧视图细节示出了可用于透镜阵列701中的凸透镜结构701A-701H。
在MUX操作中，可以经由透镜阵列701通过接收表面701从MUX/DEMUX 800可以耦合到的光子芯片中的光栅耦合器接收不同CWDM波长的光信号(在该示例中为四个)。光信号可以由透镜阵列701聚焦到TFF分束器立方体707A-707D中的反射表面715A-715D上，沿平行于接收表面701S的方向反射到垫片705中，从而传送多路复用的CWDM信号，该CWDM信号然后由透镜709聚焦到光纤725中。
图9A至图9B示出了根据本公开的示例性实施方式的具有成角度的刻面薄膜滤波器分束器立方体的自由空间MUX/DEMUX的侧视图和斜角视图。参考图9A和图9B，示出了MUX/DEMUX 900，其包括透镜阵列901、TFF分束器立方体907A-907D、透镜909和套管911。光纤925A和925B可以使用套管911耦合到MUX/DEMUX900。侧视图细节示出了可用于透镜阵列901中的凸透镜结构901A-901H。
TFF分束器立方体907A-907D可以是矩形棱镜形状，其中形成成角度的表面以提供成角度的反射表面909A-909D，用于将光信号向下反射到透镜阵列中，或者将来自透镜阵列901的信号反射到透镜909中。反射表面909A-909D可包括调谐到TDD分束器立方体907A-907D的特定波长的薄膜滤波器。随着入射光在TFF上的入射角增加，带通波长对角度变得更加敏感。这可以通过适当的材料选择，例如具有较高的折射率来减轻。
图9A中分束器立方体907A-907D中的不同图案正方形表示由每个TFF分束器立方体反射的不同波长CWDM信号。在通过透镜阵列901例如从组件900可以耦合到的光子芯片中的光栅耦合器接收光信号的情况下，光信号可以由反射表面909A-909D在垂直于接收表面901S的方向上反射，接收表面901S可以平行于光子芯片表面。
图10A至图10F示出了根据本公开的示例性实施方式的用于制造成角度的薄膜滤波器分束器的示例性过程。图10A示出了接合到基板1001的板堆栈1003。堆栈板1003可以包括涂覆板，其中每个板上的涂层包括被配置用于期望波长的薄膜滤波器。
图10B示出了堆栈板中的锯线1005，其中该线成45度角，例如用于垂直于入射光信号的入射平面反射光信号。图10C示出了由锯线1005限定的拾取切片1007，锯线1005包括在45度切割锯线1005之外的两条垂直的锯线。
图10D示出了在抛光和/或研磨以产生光学表面1009之后的暴露表面，或在没有过度散射的光波长下光滑的表面。图10E示出了在拾取切片1007已经垂直于切片1007的长度被进一步锯开之后的单个元件1009。如果需要，可以进一步抛光这些单个元件1009，得到TFF分束器1013，用于结合到图10F所示的MUX/DEMUX 1011中，并且还如图8和图9中的MUX/DEMUX 800和MUX/DEMUX 900所示。
在本公开的一个示例性实施方案中，描述了一种用于与基于光栅耦合器的硅平台集成的自由空间CWDM MUX/DEMUX的方法和系统。该系统可包括耦合到光子芯片的顶表面的光学组件，其中该光学组件包括在光子芯片的顶表面上的透镜阵列和具有成角度的反射表面的多个薄膜滤波器分束器。在示例性实施例中，光学组件可以耦合到光子芯片的顶表面。
光学组件可操作为经由耦合到光学组件的光纤接收包括不同波长的多个光信号的输入光信号，将输入光信号聚焦到多个薄膜滤波器分束器中的第一薄膜滤波器分束器上，将多个光信号中的第一光信号反射到透镜阵列中并将多个光信号中的其他光信号传递到多个薄膜滤波器分束器中的第二薄膜滤波器分束器，以及将多个光信号中的第二光信号反射到透镜阵列中并将多个光信号中的其他光信号传递到多个薄膜滤波器分束器中的第三薄膜滤波器分束器。
光学组件可操作为使用硅透镜将从光纤接收的光信号聚焦到多个薄膜滤波器中的第一薄膜滤波器上。多个薄膜滤波器分束器中的每个薄膜滤波器分束器可以被配置为反射不同的波长。每个薄膜滤波器分束器可以耦合在透镜阵列的一个或多个透镜之上。光学组件可操作为经由耦合到光学组件的第二光纤接收第二输入光信号。成角度的反射表面可包括薄膜滤波器。
在本公开的另一示例性实施方式中，描述了一种用于与基于光栅耦合器的硅平台集成的自由空间CWDM MUX/DEMUX的方法和系统。该系统可以包括光学组件，该光学组件包括透镜阵列和具有成角度的反射表面的多个薄膜滤光器分束器。
该光学组件可操作为经由透镜阵列接收不同波长的多个光信号，使用薄膜滤波器分束器的成角度的反射表面在平行于透镜阵列的接收表面的方向上反射多个光信号中的每个光信号，以及通过将所反射的多个光信号聚焦到耦合至光学组件的光纤中来产生多路复用的输出光信号。光学组件可操作为使用硅透镜将反射的多个光信号聚焦到光纤中。多个薄膜滤波器分束器中的每个薄膜滤波器分束器可以被配置为反射不同的波长。
每个薄膜滤波器分束器可以耦合在透镜阵列的一个或多个透镜之上。该光学组件可操作为通过使用第二多个薄膜滤光器分束器反射第二多个光信号来产生用于耦合至光学组件的第二光纤的第二多路复用的输出光信号。成角度的反射表面可包括薄膜滤波器。
虽然已经参考某些实施方式描述了本公开，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以替换等同物。另外，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，本发明不限于所公开的特定实施方式，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施方式。

Claims (24)

1.一种用于通信的方法，所述方法包括：
在包括透镜阵列和具有成角度的反射表面的多个薄膜滤波器分束器的光学组件中：
经由耦合到所述光学组件的光纤接收包括不同波长的多个光信号的输入光信号；
将所述输入光信号聚焦到所述多个薄膜滤波器分束器中的第一薄膜滤波器分束器上；
将所述多个光信号中的第一光信号反射到所述透镜阵列中，并将所述多个光信号中的其他光信号传递到所述多个薄膜滤波器分束器中的第二薄膜滤波器分束器；以及
将所述多个光信号中的第二光信号反射到所述透镜阵列中，并将所述多个光信号中的其他光信号传递到所述多个薄膜滤波器分束器中的第三薄膜滤波器分束器。
2.根据权利要求1所述的方法，包括使用硅透镜将从所述光纤接收的所述光信号聚焦到所述多个薄膜滤波器中的所述第一薄膜滤波器上。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个薄膜滤波器分束器中的每个薄膜滤波器分束器被配置为反射不同的波长。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，每个薄膜滤波器分束器被耦合在所述透镜阵列的一个或多个透镜上方。
5.根据权利要求1所述的方法，包括经由耦合到所述光学组件的第二光纤接收第二输入光信号。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述成角度的反射表面包括薄膜滤波器。
7.一种用于通信的系统，所述系统包括：
光学组件，包括透镜阵列和具有成角度的反射表面的多个薄膜滤波器分束器，所述光学组件能够操作为：
经由耦合到所述光学组件的光纤接收包括不同波长的多个光信号的输入光信号；
将所述输入光信号聚焦到所述多个薄膜滤波器分束器中的第一薄膜滤波器分束器上；
将所述多个光信号中的第一光信号反射到所述透镜阵列中，并将所述多个光信号中的其他光信号传递到所述多个薄膜滤波器分束器中的第二薄膜滤波器分束器；以及
将所述多个光信号中的第二光信号反射到所述透镜阵列中，并将所述多个光信号中的其他光信号传递到所述多个薄膜滤波器分束器中的第三薄膜滤波器分束器。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述光学组件能够操作为使用硅透镜将从所述光纤接收的所述光信号聚焦到所述多个薄膜滤波器中的所述第一薄膜滤波器上。
9.根据权利要求7所述的系统，其中，所述多个薄膜滤波器分束器中的每个薄膜滤波器分束器被配置为反射不同的波长。
10.根据权利要求7所述的系统，其中，每个薄膜滤波器分束器被耦合在所述透镜阵列的一个或多个透镜上方。
11.根据权利要求7所述的系统，其中，所述光学组件能够操作为经由耦合到所述光学组件的第二光纤接收第二输入光信号。
12.根据权利要求7所述的系统，其中，所述成角度的反射表面包括薄膜滤波器。
13.一种用于通信的方法，所述方法包括：
在包括透镜阵列和具有成角度的反射表面的多个薄膜滤波器分束器的光学组件中：
经由所述透镜阵列接收不同波长的多个光信号；
使用所述薄膜滤波器分束器的所述成角度的反射表面在平行于所述透镜阵列的接收表面的方向上反射所述多个光信号中的每个光信号；以及
通过将所反射的多个光信号聚焦到耦合至所述光学组件的光纤中来产生多路复用的输出光信号。
14.根据权利要求13所述的方法，包括使用硅透镜将所反射的多个光信号聚焦到所述光纤中。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述多个薄膜滤波器分束器中的每个薄膜滤波器分束器被配置为反射不同的波长。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，每个薄膜滤波器分束器被耦合在所述透镜阵列的一个或多个透镜上方。
17.根据权利要求13所述的方法，包括通过使用第二多个薄膜滤波器分束器反射第二多个光信号来产生用于耦合到所述光学组件的第二光纤的第二多路复用的输出光信号。
18.根据权利要求13所述的方法，其中，所述成角度的反射表面包括薄膜滤波器。
19.一种用于通信的系统，所述系统包括：
光学组件，包括透镜阵列和具有成角度的反射表面的多个薄膜滤波器分束器，所述光学组件能够操作为：
经由所述透镜阵列接收不同波长的多个光信号；
使用所述薄膜滤波器分束器的所述成角度的反射表面在平行于所述透镜阵列的接收表面的方向上反射所述多个光信号中的每个光信号；以及
通过将所反射的多个光信号聚焦到耦合至所述光学组件的光纤中来产生多路复用的输出光信号。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述光学组件能够操作为使用硅透镜将所反射的多个光信号聚焦到所述光纤中。
21.根据权利要求19所述的系统，其中，所述多个薄膜滤波器分束器中的每个薄膜滤波器分束器被配置为反射不同的波长。
22.根据权利要求19所述的系统，其中，每个薄膜滤波器分束器被耦合在所述透镜阵列的一个或多个透镜上方。
23.根据权利要求19所述的系统，其中，所述光学组件能够操作为通过使用第二多个薄膜滤波器分束器反射第二多个光信号来产生用于耦合到所述光学组件的第二光纤的第二多路复用的输出光信号。
24.根据权利要求19所述的系统，其中，所述成角度的反射表面包括薄膜滤波器。
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