CN111989601B - 宽带表面耦合 - Google Patents
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Abstract
一种宽带光子凸块(WBB)，包括：聚合物波导的正锥形体、在WBB的表面形成的弯曲镜以及倾斜的平面镜；聚合物波导的正锥形体被配置为进一步扩展来自反锥形体的光束以匹配光纤的光纤模式；该弯曲镜被配置为反射来自光纤的光束；倾斜的平面镜被配置为将反射的光束引导至外部光纤，其中，WBB耦合在光子集成电路(PIC)的表面。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年4月18日提交的美国临时申请No.62/659,376的权益，其内容通过引用合并在本文中。
技术领域
本公开总体涉及光波导，并且更具体地涉及波导表面耦合。
背景技术
通信系统和数据中心需要以越来越高的速度和越来越低的成本处理大量数据。为了满足这些需求，光纤和(诸如，光子集成电路(PIC)或集成光学电路(IOC)的)光学集成电路(IC)与高速电子IC串联使用。PIC是一种集成了多种光子功能的设备，类似于电子IC或射频(RF)IC。PIC通常使用硅、磷化铟或氧化硅(SiO2)被制造，这允许在同一电路上集成各种光学有源和无源功能。
PIC与光纤或激光模块的耦合不如电子IC的集成或耦合先进。具体地说，与将电子IC连接到(例如)电焊盘相比，光学连接面临的挑战是不同的，并且要复杂得多。一些困难是由于波长依赖性、偏振依赖性以及光学封装的紧密装配公差而导致的固有信号损失。
在PIC的设计和制造中的主要挑战是保持紧凑的表面波导和外部光学设备(例如，光纤或激光元件)之间的有效耦合。尤其是，对于由高折射率对比材料(诸如，半导体)制成的亚微米尺寸的波导，宽带表面耦合仍然是一个挑战。
当前的宽带光耦合是在PIC的末端执行的，因此不允许表面耦合。使用低折射率波导“包裹”在PIC上输出的信号周围以扩展光束，实现了传统的光耦合。这种耦合的俯视图和侧视图在图4A和图4B中示出。如图所示，波导410延伸到PIC 400的末端。波导410将来自输出420的小于1微米的波长扩展到大约3至5微米。
发明内容
以下是本公开的几个示例实施例的概要。该概要被提供是为了方便读者对此类实施例的基本理解而提供的，并且不完全限定本公开的宽度。该概要不是对所有预期实施例的详尽综述，并且既不旨在识别所有实施例的关键或重要元件，也不旨在描述任何或所有方面的范围。其唯一目的是以简化形式呈现一个或更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。为了方便起见，术语“一些实施例”或“某些实施例”在本文中可用于指代本公开的单个实施例或多个实施例。
本文公开的某些实施例包括宽带光子凸块(widebandphotonic bump，WBB)，该宽带光子凸块包括：聚合物波导的正锥形体、在WBB表面形成的弯曲镜以及倾斜的平面镜，该聚合物波导的正锥形体被配置为进一步扩展来自反锥形体的光束以匹配光纤的光纤模式；该弯曲镜被配置为反射来自光纤的光束；该倾斜的平面镜被配置为将反射的光束引导至外部光纤，其中，WBB耦合在光子集成电路(PIC)的表面。
附图说明
在说明书的结尾处，在权利要求书中特别指出并明确要求保护本文公开的主题。根据结合附图的以下详细描述，所公开的实施例的上述和其他目的、特征和优点将是显而易见的。
图1为示出了根据实施例的宽带光子凸块(WBB)在PIC上放置的侧视图的示意图。
图2A和图2B为示出了根据实施例的波导的布置的侧视图和俯视图的示意图。
图3为示出了根据实施例的WBB与光纤连接的侧视图的示意图。
图4A和4B为示出了传统WDM耦合的侧视图和俯视图的示意图。
具体实施方式
重要的是要注意，本文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。通常，在本申请的说明书中做出的陈述不一定限制各种要求保护的实施例中的任何一个。而且，一些陈述可能适用于一些创造性特征，而不适用于其他特征。通常，除非另有说明，否则单数元件可以是复数，反之亦然，而不会失去一般性。在附图中，相同的附图标记通过几个视图表示相同的部分。
所公开的各种实施例提供了一种光学模块，其允许光子集成电路(PIC)(例如，光子芯片)和其他光学元件(例如，光纤和激光)之间的宽带表面耦合，同时确保低信号损耗和热稳定性。光学模块在下文中称为WBB。此外，所公开的WBB通过PIC与光学元件(光纤和激光)之间的轻松对准而实现了高信号效率。
为此，WBB执行模式转换功能，以允许连接到单模光纤和光束偏转。在一个实施例中，WBB进一步提供了到光子插头的光学接口。本文公开的WBB可以通过诸如灰度光刻、纳米压印光刻等的光刻工艺来制造。
图1为示出了根据实施例WBB 100在光子集成电路(PIC)110上布置的侧视图的示意图。WBB 100在PIC 110的表面上的光学布置提供了表面耦合。具体地，WBB 100光学地连接到PIC波导的反锥形体120(以下称为“反锥形体”120)，并且使来自反锥形体120的光束偏转以最终到达(例如)光纤(图1中未示出)，同时将光束从小波导模式转换为大光纤模式。
在一个实施例中，反锥形体120被绝热地缩小以允许光束在波导的端点处从大约小于1微米的宽度扩展到大约3或4微米。
反锥形体120是PIC 110的一部分，因此是在PIC 110的制造过程中形成的。在另一端，光纤模式通常大2-3倍(例如10微米)，并且需要光学模式匹配元件。
如图1中示意性示出的，为了允许表面耦合，使用两个锥形体扩展从PIC 110提取的光束，直到扩展的光束向上偏转。
根据实施例，WBB 100包括聚合物波导的正锥形体(以下称为“正锥形体101”)、弯曲(准直)镜102和倾斜的平面镜103。在某些实施例中，正锥形体101在PIC 110的制造后被构造和定位。利用正锥形体101进一步扩展来自反锥形体120的光束以匹配光纤模式。光束从正锥形体101偏转到平面镜103。
倾斜的平面镜103用于通过光子插头的光学连接将扩展的光束引导到外部光纤(图1中未示出)。从平面镜103偏转的光束的光学路径在下面讨论。光路允许将光纤平行于PIC 110放置。
在一个实施例中，倾斜的平面镜103以预定角度倾斜。该角度是根据光纤和弯曲镜102之间的光学路径确定的，例如下面图3所示的光学。在实施例中，该倾斜的平面镜103是通过使用(例如)纳米压印光刻工艺成形的，该纳米压印光刻工艺结合了灰度光刻以制备用于纳米压印的母版。
弯曲镜102形成在WBB 100的表面，并用于反射来自光子插头的光束(两者均未在图1中示出)。在实施例中，可以使用灰度光刻工艺、纳米压印光刻工艺等在衬底层上形成弯曲镜102。在实施例中，倾斜镜103和弯曲镜102两者均涂覆有用作(例如，对于特定的波长、角度的)镜子以改善光束反射率的介电层。
正锥形体101通过反锥形体120对从PIC 110的衬底提取的光束执行扩展，以匹配光纤模式。如上所述，正锥形体101可以执行模式匹配(例如，从1微米到10微米)。根据实施例，选择正锥形体101的形状和材料类型以允许这种光学模式匹配。在另一个实施例中，锥形体101由具有折射率小于反锥形体120的折射率的材料制成。在实施例中，锥形体101的形状如图2A和2B所示。
图2A为示出了根据实施例的反锥形体120和正锥形体101的布置的侧视图的示意图。反锥形体120被制造在PIC上，反锥形体120用于将光束(光信号)从PIC 110的衬底上提取到波导通道210。通道210不是锥形的，通道210也是由聚合物制成的，并可以用来扩展提取的光束，例如从小于1微米到3-5微米。
正锥形体101被设计以将光束扩展到光纤模式，即，绝热地变换所提取的光束以满足光纤的光学模式。在示例实施方式中，在正锥形体101的末端处的高度(h1)为大约10-13微米，并且在波导通道开始处的高度(h2)为大约1-3微米。
反锥形体120和正锥形体101的布置的俯视图在图2B中示出。
应当注意，WBB 100允许PIC和光纤的表面光耦合。由于耦合未在PIC的模具边缘执行，因此所公开的WBB 100允许进行晶圆级测试。
图3为示出了根据实施例的WBB 100与光纤320连接的侧视图的示意图。图3所示的组件包括WBB 100与光子插头300的连接。
光子插头300在PIC 310和光纤320之间提供光学连接。在实施例中，光子插头300包括间隔物301、弯曲镜302以及倾斜的平面镜303，间隔物301连接在PIC 310和光纤320之间。光子插头300还可以包括纤维沟(图3中未示出)。
光纤320和光子插头300堆叠在衬底层370下方。在实施例中，弯曲镜302和倾斜的平面镜303均被制造在衬底370中。衬底370可以由与PIC 310的衬底相同或不同类型的材料构成。在示例性实施例中，衬底层370可由二氧化硅(SiO2)、塑料等制成。在另一个实施例中，弯曲镜302和倾斜的平面镜303均在间隔物301中被制造并结合，而不是在衬底370中。
根据一个实施例，间隔物301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的材料。在转让给共同受让人的美国专利No.9,804,334中更详细地公开了光子插头300的结构，该专利通过引用合并在本文中。
根据所公开的实施例，WBB 100设置在PIC 310上。当间隔物301由固体材料制成时，在间隔物301中形成腔以允许将光子插头300放置在所述腔中。
在图3所示的布置中，光束380-1从WBB 100偏转。光束380-1的源是正锥形体(图1中的101)。弯曲镜302将光束380-1反射成平行光束380-2。平行光束380-2到达WBB 100的弯曲镜(图1中的101)，弯曲镜将光束380-3反射回倾斜的平面镜303。平面镜303将光束380-3引导到光纤320。应当注意，所有光束380都穿过间隔物301。应当注意，光也可以沿相反方向传播。
由于倾斜的平面镜303被用来将光束从凸块100引导至光纤320，因此允许将光纤320平行于PIC 310放置。
应当理解，由于凸块中的弯曲镜和光子插头彼此相对放置的特定位置和形状，所公开的光子插头300和WDM光子凸块100的布置通过PIC 310和光纤320之间的轻松对准而实现了高信号效率。至少可以相对于光束的源极/漏极来确定这种弯曲镜的位置。在实施例中，弯曲镜的形状使得所有光束在弯曲镜302的中心处以某一角度反射和准直，并在WDM光子凸块100中的弯曲镜之后聚焦到漏极。
应进一步注意，参考图3讨论的光子插头300和WBB 100允许在单根光纤和PIC 310之间连接。然而，在典型的布置中，多个光子插头和凸块可以被用来允许将多条光纤表面耦合到PIC 300。
本文已经参考具有用于传播光束的弯曲镜的特定实施例讨论了各种光耦合器。然而，可以使用诸如光学透镜、波带片(例如菲涅耳波带片)等其他反射或聚焦元件来实现所公开的实施例。
应该理解的是，本文中使用诸如“第一”，“第二”等的名称对元件的任何引用通常并不限制那些元件的数量或顺序。而是，这些名称在本文中通常用作区分两个或更多个元件或元件实例的便利方法。因此，对第一和第二元件的引用并不意味着在那里仅可以使用两个元件，或者第一元件必须以某种方式在第二元件之前。另外，除非另有说明，否则一组元件包括一个或更多个元件。此外，在说明书或权利要求书中使用的形式为“A、B或C中的至少一个”或“A、B或C中的一个或更多个”或“由A、B和C组成的组中的至少一个”，或“A、B和C中的至少一个”的术语是指“A或B或C或这些元件的任何组合”。例如，该术语可以包括A、或B、或C、或A与B、或A与C、或A与B以及C、或2A、或2B、或2C等。
本文中引用的所有示例和条件语言旨在用于教学目的，以帮助读者理解所公开的实施例的原理以及发明人为进一步发展本领域所贡献的概念，并且应解释为不限于此具体叙述的示例和条件。此外，本文中引用本发明的原理、方面和实施例以及其特定示例的所有陈述旨在涵盖其结构和功能上的等同物。另外，旨在该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任何元件，而与结构无关。
Claims (13)
1.一种宽带光子凸块(WBB)，包括：
聚合物波导的正锥形体，所述聚合物波导的正锥形体包括第一维度中的第一正锥形体，以及垂直于所述第一维度的第二维度中的第二正锥形体，其中聚合物波导被配置为扩展来自光子集成电路(PIC)的反锥形波导的光束以匹配光纤的光纤模式；
在所述WBB的表面形成的弯曲镜，所述弯曲镜被配置为反射来自所述光纤的光束；以及
倾斜的平面镜，所述倾斜的平面镜被配置为将反射的光束引导至所述聚合物波导，其中，所述WBB耦合到所述PIC的表面。
2.根据权利要求1所述的WBB，其中，在所述反锥形波导的端点处，所述反锥形波导的反锥形体从第一宽度绝热地缩小到第二宽度。
3.根据权利要求1所述的WBB，其中，所述反锥形波导的反锥形体扩展所述光束的模式从小于1微米到3微米。
4.根据权利要求1所述的WBB，其中，所述反锥形波导被制造在所述PIC上。
5.根据权利要求1所述的WBB，其中，所述第一维度中的正锥形体从第一高度改变为第二高度，其中，所述第一高度高于所述第二高度。
6.根据权利要求5所述的WBB，其中，所述第一高度为10微米，所述第二高度为2微米。
7.根据权利要求1所述的WBB，其中，所述光纤连接至光子插头。
8.根据权利要求1所述的WBB，其中，所述弯曲镜和所述倾斜的平面镜被制造在衬底层上。
9.根据权利要求8所述的WBB，其中，所述光纤堆叠在所述衬底层下方。
10.根据权利要求8所述的WBB，其中，所述弯曲镜和所述倾斜的平面镜均被在间隔物中制造。
11.根据权利要求10所述的WBB，其中，所述间隔物由透明且不导电的材料制成。
12.根据权利要求1所述的WBB，其中，所述倾斜的平面镜以预定角度倾斜，其中，所述预定角度是基于所述弯曲镜和所述倾斜的平面镜之间的光学路径来确定的。
13.根据权利要求1所述的WBB，其中，至少使用纳米压印光刻工艺来形成所述倾斜的平面镜和所述弯曲镜。
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