CN112352172A - 将激光耦合到光子集成电路的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于将激光器从光学组件耦合到光栅耦合器的光子集成电路。公开了一种用于将激光器耦合到光子集成电路的方法。所述光学组件包括布置在V形槽座上的光学系统。所述光学系统通常包括激光源、耦合透镜或透镜系统、可选的隔离器、包括棱镜或其它光转向元件的光束重定向器、以及安装在V形槽座上的圆柱管。还公开了用于谐调从所述光学组件到光栅耦合器的入射角的方法。

Description

将激光耦合到光子集成电路的装置和方法

相关申请的交叉引用

本申请是2019年1月29日提交的美国专利申请No.16/261,211的继续，其公开内容通过引用并入本文。

背景技术

光通信使用调制光束以通过光纤、自由空间或波导传输信息。在先进的光通信技术中，例如基于硅光子学的那些技术，电子部件和光学部件可以被集成在同一电路单元上。部件的所述集成可以通过微电子工业的标准工艺在硅晶片上制造低成本器件。然而，为了解锁硅光子学的全部潜能，在所述集成中仍然存在一些挑战。

发明内容

根据实施方式，公开了一种用于将激光器从光学组件耦合到光栅耦合器的光子集成电路和一种用于将激光器耦合到光子集成电路的方法。所述光学组件包括布置在V形槽座上的光学系统。所述光学系统通常包括激光源、耦合透镜或透镜系统、可选的隔离器、包括棱镜或其它光转向元件的光束重定向器、以及安装在V形槽座上的圆柱形管。还公开了用于调谐从所述光学组件到光栅耦合器的入射角的方法。

至少一个方面涉及一种光子集成电路。所述光子集成电路包含布置在衬底上的光栅耦合器。所述光子集成电路还包含用于将光信号耦合到所述光栅耦合器的光学组件。所述光学组件包括布置在V形槽座上的光学系统。所述光学系统包括用于产生用于光信号的光的激光源和用于接收来自所述激光源的光并在第一方向上引导所述光的耦合透镜系统。所述光学系统还包括光束重定向器，其用于将来自所述耦合透镜系统的光重定向到第二方向。第二方向与第一方向成大约90°。所述光束重定向器包括圆柱部分和反射器部分。

在一些实施方式中，所述光束重定向器被配置用于沿着所述V形槽座纵向移动，以将所述重定向的光的焦点设定到所述光栅耦合器的表面平面上。在一些实施方式中，所述光束调整器被配置用于在所述V形槽座内进行旋转移动，以将入射角设定在所述第二方向与垂直于所述光栅耦合器的所述表面平面的方向之间。在一些实施方式中，所述圆柱部分具有在约0.2mm到约5mm之间的直径。在一些实施方式中，所述圆柱部分具有约0.7mm的直径。在一些实施方式中，所述纵向移动被限制为约0.1mm。

在一些实施方式中，所述反射器部分是棱镜，并且所述圆柱部分是玻璃。在一些实施方式中，所述反射器部分是反射镜，并且圆柱部分是中空管。在一些实施方式中，所述反射器部分和所述圆柱部分彼此接合。在一些实施方式中，所述反射器部分被定位在所述光栅耦合器上方。在一些实施方式中，半波片或隔离器中的一个被附接到所述光束重定向器或耦合透镜系统中的一个。

至少一个方面涉及一种制造光子集成电路的方法。所述方法包含提供布置在衬底上的光栅耦合器。所述方法还包含提供用于将光信号耦合到所述光栅耦合器的光学组件。所述光学组件包括V形槽座和布置在该V形槽座上的光学系统。所述光学系统包括用于产生用于光信号的光的激光源和用于接收来自激光源的光并在第一方向上引导所述光的耦合透镜系统。所述光学系统还包括用于将光重定向到第二方向的光束重定向器，并且第二方向与第一方向成大约90°。所述光束定向器还经由所述光束定向器的纵向移动或旋转移动中的至少一个来调整所述重定向的光到所述光栅耦合器的表面平面上的路径。在一些实施方式中，光束重定向器可以包括彼此耦合的圆柱部分和反射器部分。

在一些实施方式中，圆柱部分具有约0.7mm的直径。在一些实施方案中，所述反射器部分是棱镜且所述圆柱部分包括玻璃。在一些实施方式中，反射器部分是反射镜，并且圆柱部分包括中空管。在一些实施方式中，所述纵向移动被限制为约0.1mm。

在一些实施方案中，所述光束定向器的所述纵向移动是沿着所述V形槽座的，以将所述重定向的光的焦点设定在所述光栅耦合器的所述表面平面上。在一些实施方式中，所述光束定向器的所述旋转移动在所述V形槽座内，以将入射角设定在所述重定向的光的所述第二方向与垂直于所述光栅耦合器的所述表面平面的方向之间。

在一些实施方式中，所述方法还包括测量作为光束定向器的纵向移动或旋转移动中的一个的函数的光耦合效率。

在一些实施方式中，所述方法还包括将光学系统接合到V形槽座。在一些实施方式中，所述接合发生在以最佳光耦合效率将重定向的光设定在光栅耦合器的表面平面上之后。

至少一个方面涉及一种用于将光信号耦合到光栅耦合器的光学组件。所述光学组件包括V形槽座、与V形槽座相邻布置的光栅耦合器、以及布置在V形槽座上的光学系统。在一些实施方式中，所述光学系统包括用于产生光的光束的激光源、用于接收来自激光源的光的光束并在第一方向上引导所述光的光束的耦合透镜系统、以及用于将所述光的光束重定向到第二方向的光束重定向器，重定向光的所述第二方向与第一方向成大约90°。

在一些实施方式中，耦合透镜系统和光束重定向器被接合到V形槽座。在一些实施方式中，光束重定向器将重定向的光的焦点设定到光栅耦合器的表面上。在一些实施方式中，光束重定向器将入射角设定在重定向的光的第二方向和垂直于光栅耦合器的表面平面的方向之间。

在一些实施方式中，光束重定向器包括彼此接合的圆柱部分和反射器部分。在一些实施方式中，反射器部分是棱镜，并且圆柱部分是玻璃。在一些实施方式中，反射器部分是反射镜，并且圆柱部分是中空管。在一些实施方式中，反射器部分被悬挂在V形槽座的边缘之外。在一些实施方式中，反射器部分位于光栅耦合器上方。在一些实施方式中，半波片或隔离器中的一个被附接到所述光束重定向器或耦合透镜系统中的一个。在一些实施方式中，光束重定向器被接合在沿着V形槽座并且在旋转取向中的位置中，所述位置提供了由激光源发射的光到光栅耦合器中的最佳光耦合。

这些和其它方面以及实施方式在下面详细讨论。前述信息和以下的详细描述包括各个方面和实施方式的说明性示例，并且提供用于理解所要求保护的方面和实施方式的性质和特征的概述或框架。附图提供了对各个方面和实施方式的说明和进一步的理解，并且被并入本说明书中和构成本说明书的一部分。

附图说明

附图并非旨在按比例绘制。在各个附图中，相同的附图编号和标记指示相同的元件。为了清楚起见，并非在每个附图中都标记了每个组件。在附图中：

图1A示出了根据说明性实施方式的相对于入射光的方向的光栅耦合器的透视图；

图1B示出了光栅耦合器在不同入射角处相对于波长的典型耦合损耗特性图；

图2是根据说明性实施方式的光子集成电路的截面图；

图3A是根据说明性实施方式的光子集成电路的替代实施例的透视图；

图3B示出了根据说明性实施方式的经由光束重定向器的纵向移动对光的焦点的调整；

图3C示出了根据说明性实施方式的经由光束重定向器的旋转移动对光的入射角的调整；

图4A是作为光束重定向器的旋转移动的函数的光的焦点改变的图示；

图4B示出了作为光束定向器的旋转角度的函数的横向偏移的图；

图4C示出了作为光束定向器的旋转角度的函数的轴向偏移的图；并且

图5是根据说明性实施方式的用于制造光子集成电路的示例方法的流程图。

具体实施方式

如本文所述，本公开提供了对解锁集成硅光子器件的潜力的一些挑战的解决方案。本公开总体上涉及一种用于将光源耦合到光子集成电路的方法和设备。本文所公开的光子集成电路包括被布置在衬底上的光栅耦合器和用于将光信号耦合到该光栅耦合器的光学组件。所述光学组件包括布置在V形槽座上的光学系统。所述光学系统可以包括：激光源，其用于产生用于光信号的光；以及耦合透镜系统，其用于接收来自所述激光源的光并用于将所述光引导到光束重定向器。光束重定向器将来自耦合透镜系统的光重定向到光栅耦合器上。光束重定向器可以包括圆柱部分和反射器部分。在一些实施方式中，所述圆柱部分和反射器部分接合在一起。光子集成电路还可以包括其它光学部件，例如分束器、功率分配器、半波片、四分之一波片、隔离器、调制器和监控光电二极管。

在硅光子器件中使用的衬底是硅。然而，作为间接带隙半导体，硅是弱发光体。相比之下，直接带隙半导体(例如，基于III-V族材料的直接带隙半导体)提供了更合适的替代。由于硅光子器件是新兴的光学技术，因此需要开发有效且具有成本效益的方法，以将直接间隙III-V族激光源与硅光子器件集成和封装在一起。

完全加工的激光源(芯片)的混合集成允许高度的可定制性，并且可以经由边缘耦合或光栅耦合方案与硅光子器件一起实现。在边缘耦合配置中，光直接或通过耦合光学系统从边缘发射激光源水平地传输到在光子集成电路波导上的边缘耦合器。由于难以在硅芯片的边缘耦合器处获得足够大的光斑尺寸，因此通常需要严格的亚微米对准公差。这种严格的公差使III-V族激光器难以对准光子集成电路。另外，由于边缘耦合需要芯片边缘处理，因此在晶片级上不容易实现边缘耦合，这可能导致基于这种技术的光子集成电路的制造成本较高。

关于经由光栅耦合方案的集成，使用光栅耦合器有几个好处。例如，光栅耦合器可以允许竖直集成，该竖直集成与硅衬底上的晶片级测试兼容，并且由于其较大的模场尺寸而提供了相对有效的耦合和宽松的对准公差。然而，光栅耦合器对入射光的入射角、波长和偏振态敏感。光栅耦合器包括具有有限光学带宽的衍射元件，在所述有限光学带宽上，它们可以有效地耦合光。因此，在光栅耦合器的制造中的工艺变化可能导致从一个光栅耦合器到另一光栅耦合器的中心波长的变化。另外，入射在光栅耦合器上的光的入射角也影响中心波长；例如，较陡的入射角可能导致较短的中心波长。在所述组件中的工艺变化也可能影响光在光栅耦合器上的入射角。这样的工艺变化可以包括例如但不限于光源、耦合透镜、反射镜和光栅耦合器等的位置。

图1A示出了根据说明性实施方式的具有x、y和z轴的3D笛卡尔坐标系系统中的光栅耦合器10的透视图。光栅耦合器10被设计例如在y/z平面中使用。入射光在y/z平面内被引导，并且相对于z轴具有竖直入射角(AOI)θ，所述z轴垂直于光栅耦合器10的表面。

图1B示出了在不同入射角处光栅耦合器的典型耦合损耗特性相对于波长的图20。对于固定的激光波长，入射角的改变可能导致耦合损耗的增加，即耦合效率的降低。例如，在1550nm处，入射角从10°到12°的改变导致了大约1dB的额外耦合损耗。

另外，大多数光栅耦合器的设计不是径向对称的。如果入射光束相对于设计主平面具有角度(如图1A中所示相对于y/z平面成角度a)，则会产生过多的损耗。另外，一维光栅耦合器也是偏振敏感的。如果入射光的偏振态不与光栅偏振对准，则正交偏振的光不能有效地耦合到光栅耦合器中，即，光栅耦合器起偏振器的作用。因此，相对于光栅耦合器的取向，所述入射光的入射角、波长和偏振态需要仔细的对准和放置。结果，所述耦合部件相对于光栅耦合器的取向的被动对准或放置可能导致耦合效率降低。此外，由在所述制造、所述组件或所述接合部件的接合期间的不良对准造成的损失也可能降低接合效率。因此，需要所述耦合部件的主动放置和可控的对准，以确保集成光子电路中的最佳耦合效率。

本文所述的系统依赖于主动放置精度和可控的对准以将来自III-V族激光源的激光耦合到光栅耦合器。这可以导致具有低耦合损耗和改进的偏振对准的更有效的器件。具体地，本文公开的方法和装置得益于使用单个部件(例如以下描述的光束重定向器)经由入射光的入射角的调整和激光路径长度的改变，来对到光栅耦合器上的入射光束的主动微调。这允许更简单的制造工艺，所述工艺可以降低制造光子集成电路的总成本，同时为优化光耦合效率提供更大的公差。在下文进一步详细描述集成硅光子系统的各种实施方式。

图2是根据说明性实施方式的光子集成电路100的截面图。光子集成电路100包括布置在衬底110上的光栅耦合器105。光子集成电路100还包括用于将光信号125耦合到光栅耦合器105的光学组件120。光学组件120包括布置在V形槽座140上的光学系统130。光学系统130包括：激光源150，其用于产生用于光信号125的光；以及耦合透镜系统160，其用于接收来自所述激光源150的光，并在第一方向上引导和聚焦所述光。光学系统120还包括光束重定向器170，所述光束重定向器170用于将来自耦合透镜系统160的光重定向到朝向光栅耦合器105的第二方向。光束重定向器170还包括圆柱部分180和反射器部分190。反射器部分190将所述光重定向在第二方向上，所述第二方向与第一方向成大约90°。

在一些实施方式中，光栅耦合器105被布置在衬底110上。在一些实施方式中，光栅耦合器105被嵌入在衬底110中。在一些实施方式中，光栅耦合器105被制造在衬底110内。在一些实施方式中，光栅耦合器105具有与衬底110的表面齐平的平整表面。在一些实施方式中，衬底110可以是硅衬底、绝缘体上硅衬底、氮化硅涂覆的硅衬底、氧化硅涂覆的硅衬底。类似地，V形槽座140可以是硅或任何其它合适的材料。

在一些实施方式中，激光源150为具有窄带宽的光信号125产生连波续光的光束。在一些实施方式中，激光源150可以是管芯形式的激光二极管。在一些实施方式中，二极管管芯可以p侧向下安装。在一些实施方式中，二极管管芯可以p侧朝上安装。激光源150可以经由引线接合焊接到在V形槽座140的表面上的电触点或焊盘或焊接到驱动器。在一些实施方式中，激光源150可以被封装成独立的管芯形式，然后被邻近V形槽座140安装。在一些实施方式中，可以对来自独立安装的激光源150的光进行操作以便将来自激光源150的光适当地引导到耦合透镜系统160。

在一些实施方式中，耦合透镜系统160可以包括透镜或透镜组件，所述透镜或透镜组件包含一个以上光学元件，所述一个以上光学元件用于将所述光直接或间接地(经由一个或多个反射)聚焦到光栅耦合器105上。在一些实施方式中，耦合透镜系统160可以被安装在V形槽座140中，并且可选地使用胶或环氧树脂接合。在一些实施方式中，耦合透镜系统160可以经由一个或多个托架或安装件安装在光学装置安装件上，然后将所述包含耦合透镜系统160的光学装置安装件放置在V形槽座140中。

光束重定向器170包括圆柱部分180和反射器部分190。在一些实施方式中，光束重定向器170被布置在V形槽座140中。在一些实施方式中，圆柱部分180被布置在V形槽座中，而反射器部分190未被布置在所述V形槽座140中。

在一些实施方式中，圆柱部分180具有在约0.2mm到约5mm之间的直径，包括在其间的任何直径。在一些实施方式中，圆柱部分180所具有的直径在大约0.5mm到大约4.5mm之间，在大约0.5mm到大约4mm之间，在大约0.5mm到大约3.5mm之间，在大约0.5mm到大约3mm之间，在大约0.5mm到大约2.5之间，在大约0.5mm到大约2.0mm之间，在大约0.5mm到大约1.5mm之间，在大约0.5mm到大约1.0mm之间，或在大约0.5mm到大约0.8mm之间，包括在它们之间的任何直径。

在一些实施方式中，圆柱部分180所具有的直径为大约5mm，大约4.5mm，大约4mm，大约3.5mm，大约3mm，大约2.5mm，大约2mm，大约1.5mm，大约1mm，大约0.9mm，大约0.8mm，大约0.7mm，大约0.6mm，大约0.5mm，大约0.4mm，大约0.3mm，或大约0.2mm。

在一些实施方式中，圆柱部分180所具有的长度在大约1mm到大约15mm之间，包括其间的任何长度。在一些实施方式中，圆柱部分180具有的长度在大约1mm到大约12mm之间，大约1mm到大约10mm之间，大约1mm到大约8mm之间，大约1mm到大约6mm之间，大约1mm到大约5之间，大约1mm到大约4.5mm之间，大约1mm到大约4mm之间，大约1mm到大约3.5mm之间，大约1mm到大约3mm之间，大约1mm到大约2.5mm之间，大约1mm到大约2mm之间，大约1.5mm到大约12mm之间，大约1.5mm到大约10mm之间，大约1.5mm到大约8mm之间，大约1.5mm到大约6mm之间，大约1.5mm到大约5mm之间，大约1.5mm到大约4.5mm之间，大约1.5mm到大约4mm之间，大约1.5mm到大约3.5mm之间，大约1.5mm到大约3mm之间，大约1.5mm到大约2.5mm之间，或大约1.5mm到大约2mm之间，包括其间的任何长度。

在一些实施方式中，圆柱部分180所具有的长度为大约15mm，大约14mm，大约13mm，大约12mm，大约11mm，大约10mm，大约9mm，大约8mm，大约7mm，大约6mm，大约5mm，大约4.5mm，大约4mm，大约3.5mm，大约3mm，大约2.5mm，大约2mm，大约1.5mm，或大约1mm。

在一些实施方式中，圆柱部分180是光学透明的管，例如玻璃。在一些实施方式中，圆柱部分180是中空管。在一些实施方式中，反射器部分190是棱镜。在一些实施方式中，反射器部分190是反射镜。在一些实施方式中，圆柱部分180和反射器部分190彼此耦接。在一些实施方式中，圆柱部分180和反射器部分190使用环氧树脂或任何其它合适的接合材料彼此接合。在一些实施方式中，圆柱部分180和反射器部分190经由机械夹具彼此附接。

在光学系统130中，激光源150产生用于光信号125的光。耦合透镜系统160接收来自激光源150的光并在第一方向上引导所述光。光束重定向器170将来自耦合透镜系统160的光重定向到朝向光栅耦合器105的第二方向。在一些实施方式中，反射器部分190将光重定向在第二方向上，所述第二方向与第一方向成约90°。

尽管未在图2中明确示出，但光子集成电路100可以包括其它光学部件，例如但不限于分束器、功率分配器、半波片、四分之一波片、隔离器、调制器、监视光电二极管或任何其它合适的光学部件。在一些实施方案中，例如用于将TM偏振转换成TE偏振或反过来的波片的光学部件，可以包含在光子集成电路100中。在一些实施方式中，可以将这些光学部件中的一个或多个可以沿着光信号125在激光源150和光栅耦合器105之间的路径被放置在任何地方。在一些实施方式中，这些光学部件中的一个或多个可以被附接到激光源150。在一些实施方式中，这些光学部件中的一个或多个可以被放置在激光源150和耦合透镜系统160之间。在一些实施方式中，这些光学部件中的一个或多个可以被附接到耦合透镜系统160。在一些实施方式中，如果所述耦合透镜系统160包括一个以上的透镜或光学元件，则这些光学部件中的一个或多个可以被放置在耦合透镜系统160内。在一些实施方式中，这些光学部件中的一个或多个可以被放置在耦合透镜系统160和光束重定向器170之间。在一些实施方式中，这些光学部件中的一个或多个可以被放置在光束重定向器170的圆柱部分180和反射器部分190之间。在一些实施方式中，这些光学部件中的一个或多个可以被附接到圆柱部分180。在一些实施方式中，这些光学部件中的一个或多个可以被附接到反射器部分190。这些光学部件中的一个或多个可以被放置在光束重定向器170和光栅耦合器105之间。在一些实施方式中，这些光学部件中的一个或多个可以被放置在光栅耦合器105上方。

图3A是根据说明性实施方式的光子集成电路200的替代实施例的透视图。光子集成电路200包括在衬底210内制造或耦合到衬底210的光栅耦合器205。光子集成电路200还包括用于将光信号225耦合到光栅耦合器205的光学组件220。光学组件220包括布置在V形槽座240上的光学系统230。V形槽座240被安装在衬底210上。光学系统230包括分别被布置在V形槽座上的激光源250、耦合透镜系统260和光束重定向器270。光束重定向器270还包括圆柱部分280和反射器部分290。在一些实施方式中，圆柱部分280由玻璃制成。在一些实施方式中，圆柱部分280可以是中空管。在一些实施方式中，反射器部分290是棱镜。如图2B中所示，圆柱部分280和反射器部分290彼此接合。

在光学系统230内，激光源250产生用于光信号225的光。耦合透镜系统260接收来自激光源250的光并在第一方向上引导所述光。光束重定向器270将来自耦合透镜系统260的光重定向到朝向光栅耦合器205的第二方向。在一些实施方式中，圆柱部分280接收来自耦合透镜系统260的光，并且反射器部分290将所述光重定向在第二方向上，所述第二方向与第一方向成大约90°。

在一些实施方式中，包括接合在一起的圆柱部分280和反射器部分290的光束重定向器270被布置在V形槽座240中。在一些实施方式中，光束重定向器270的圆柱部分280以相切方式与V形槽座240接触，而反射器部分290被悬挂或浮置在V形槽座240的边缘之外，如图2B中所示。反射器部分290的一个棱镜表面被附接到圆柱部分280，而另一个棱镜表面位于光栅耦合器205的正上方。

在一些实施方式中，光束重定向器270可以沿着V形槽座240的长度(即，在方向284上)被纵向地移动(纵向移动)。在一些实施方式中，光束重定向器270可以在大约0.02mm到大约0.5mm之间纵向移动，包括它们之间的任何距离值。在一些实施方式中，光束重定向器270可以在以下范围纵向移动，大约0.05mm到大约0.4mm，大约0.05mm到大约0.3mm之间，大约0.05mm到大约0.2mm之间，大约0.05mm到大约0.1mm之间，或大约0.05mm到大约0.08mm之间，包括它们之间的任何距离值。在一些实施方式中，光束重定向器270可以纵向移动大约0.5mm或更小，大约0.4mm或更小，大约0.3mm或更小，大约0.2mm或更小，大约0.1mm或更小，大约0.09mm或更小，大约0.08mm或更小，大约0.07mm或更小，大约0.06mm或更小，或大约0.05mm或更小。

在一些实施方式中，光束重定向器270可以在V形槽座240内在方向288上轴向旋转。在一些实施方式中，光束重定向器270可以旋转大约+/-10°，大约+/-8°，大约+/-6°，大约+/-4°，或大约+/-2°。由于圆柱部分280被附接到反射器部分290，所以在V形槽座240中移动和/或旋转圆柱部分280引起反射器部分290的适当移动和/或旋转。

图3B示出了根据说明性实施方案的经由在光学系统230中的光束重定向器270的纵向移动对所述光的焦点的调整。图3B示出了光学系统230的原始位置，其可能具有撞击在光栅耦合器205上的失焦光的光束225。为了适当地将光的光束225聚焦到光栅耦合器205上以得到改进的并且在一些情况下最佳的耦合效率，光束重定向器270可以沿着y方向(方向284)朝向或远离耦合透镜系统260移动，如图3B中所示。在y方向上将光束定向器270移动“dy”量导致所述光的光束225的焦点在z方向上(即，朝向光栅耦合器205的表面)改变相等幅度的“dz”量。类似地，在负y方向上(远离耦合透镜系统260)将光束定向器270移动“dy”量将导致所述光的光束225的焦点在负z方向上(即，远离光栅耦合器205的表面)改变相等幅度的“dz”量。

根据说明性实施方案，图3C示出了经由在光学系统230中的光束重定向器270的旋转移动对光的入射角的调整。图3C示出了光学系统230的原始位置，其可以具有以入射角θ撞击在光栅耦合器205上的光的光束225。为了调整到光栅耦合器205上的光的光束225以得到改进的或最佳的入射角θ，从而实现改进的或最佳的耦合效率，可以使光束重定向器270在方向288(绕y轴的顺时针方向)上旋转，如图3C中所示。使光束重定向器270在方向288上旋转“β”导致入射角θ改变相等的幅度“β”，从而导致在光栅耦合器205的表面上的最终入射角为(θ+β)。这在下文的数学方程式中进一步解释。类似地，逆时针旋(即，β＜0)转所述光束重定向器270导致入射角θ的相反改变。

对于入射角θ，到光栅耦合器205的光的光束225被表示为：

其中

是光的光束225的向量。在绕y轴旋转角度β之后，旋转矩阵R_y被表示为：

则最终的主射线

是：

结果，在旋转之后，光的光束225的入射角从θ变为(θ+β)。入射角的改变与旋转角β成1:1比例。这证明了所公开的方法能够有效地调谐光栅耦合器205的入射角。注意，在旋转光的光束重定向器270之后，光的光束225仍在主平面x/z内。另外，入射角θ的旋转引起焦点位置的改变，这是因为所述焦点也随着光的光束225的路径的改变而稍微移动。

图4A是图示300，其示出了作为光束重定向器270的旋转移动的函数的光的焦点的改变。在焦点的移动(dx和dz)与所述入射角的旋转(θ到(θ+β))之间的相关性可以表示为：dx＝h[tan(θ+β)-tanθ]和dz＝h[cosθ-cos(θ+β)]。通过使用这些关系，可以根据已知的θ、β、

R_y和

来确定dx和dz值。图4B和4C示出了经由前述数学关系获得的一些示例值。

图4B示出了作为光束重定向器270的旋转角度的函数的横向偏移的图表310。经由实验测量来验证图表310中所绘制的计算出的数值。例如，入射角从8°改变为13°，即对于5°的β，测得的横向偏移dx(即焦点偏移)约为90μm，对于1.5°的β，dx约为25μm。

图4C类似地示出了作为光束重定向器270的旋转角度的函数的轴向偏移的图320。例如，对于从8°到13°的入射角改变(即，对于5°的β)，轴向偏移dz约为16μm，且对于1.5°的β，dz约为4μm。在一些实施方式中，dx和dz值可以不用于确定β和/或θ。

图5是根据说明性实施方式的制造光子集成电路的示例方法400的流程图。方法400包括提供布置在衬底上的光栅耦合器(阶段410)。方法400还包括提供用于将光信号耦合到光栅耦合器的光学组件(阶段420)。方法400还包括将光调整到光栅耦合器的表面平面上(阶段430)。在一些实施方式中，方法400可选地包括测量光栅耦合器的光耦合效率(阶段440)。另外，方法400可选地包括将光学系统接合到在所述光学组件中的V形槽座(阶段450)。以下描述的方法400中所有部件都与针对图2和图3A描述的光子集成电路中包括的那些部件相似，因此将不提供这些部件的进一步细节。

方法400包括提供布置在衬底上的光栅耦合器(阶段410)。光栅耦合器可以类似于针对图2和3A所描述的光栅耦合器105或205。所述衬底可以类似于衬底110，并且因此所述衬底可以是硅衬底、绝缘体上硅衬底、氮化硅涂覆的硅衬底、氧化硅涂覆的硅衬底、或任何其它合适的衬底。

方法400还包括提供用于将光信号耦合到光栅耦合器的光学组件(阶段420)。所述光学组件可以包括V形槽座和布置在该V形槽座上的光学系统。所述光学系统可以包括：激光源，其用于产生用于光信号的光；耦合透镜系统，其用于接收来自激光源的光并在第一方向上引导所述光；以及光束重定向器，其用于将所述光重定向到第二方向。重定向光的第二方向与第一方向成大约90°。光束重定向器可以包括圆柱部分和反射器部分。圆柱部分和反射器部分可以彼此耦接。方法400中针对光学组件、光学系统和V形槽座所描述的所有部件与针对图2和图3A所描述的光子集成电路中包括的那些部件相似，因此将不提供这些部件的进一步细节。

方法400还包括将重定向的光调整或引导到光栅耦合器的表面平面上(阶段430)。所述将重定向的光调整或引导到光栅耦合器的表面上可以经由光束定向器的纵向移动或旋转移动中的一个来完成。光束定向器的纵向移动沿着V形槽座进行，以将重定向的光的焦点设定在光栅耦合器的表面平面上。在一些实施方式中，光束重定向器可以在V形槽座中纵向地移动(纵向移动)。在一些实施方式中，光束重定向器可以纵向移动的距离在大约0.02mm到大约0.5mm之间，包括其间的任何距离值。在一些实施方式中，光束重定向器270可以纵向移动的距离在大约0.05mm到大约0.4mm之间，大约0.05mm到大约0.3mm之间，大约0.05mm到大约0.2mm之间，大约0.05mm到大约0.1mm之间，或大约0.05mm到大约0.08mm之间，包括它们之间的任何距离值。

光束定向器的旋转移动在V形槽座内，以设定在所述重定向光的第二方向和垂直于光栅耦合器的表面平面的方向之间的入射角。在一些实施方式中，光束重定向器可以在V形槽座内沿着其圆柱部分的轴线轴向旋转。在一些实施方式中，光束重定向器可以旋转大约+/-10°，大约+/-8°，大约+/-6°，大约+/-4°或大约+/-2°，或者旋转包括在以上任何范围内的旋转角度。

在一些实施方式中，可以经由手动平台或机械臂机械地、或者经由机电致动的机械臂机电地促进所述光束定向器的纵向移动和/或旋转移动。

方法400可选地包括测量作为所述光束定向器的纵向移动或旋转移动中的一个的函数的光耦合效率(阶段440)。在阶段440中获得的光耦合效率测量可以帮助确定所述重定向的光相对于光栅耦合器的表面的法线轴的最佳入射角。注意，用于最佳入射角的测量结果可以取决于光的波长。换句话说，最佳入射角可以随着集成光子系统中使用的光的波长而改变。

方法400还可选地包括在以最佳的光耦合效率将重定向的光设定在光栅耦合器的表面平面上之后，将所述光学系统接合到所述V形槽座(阶段450)。一旦经由在阶段440中的测量确定了最佳入射角，就可以将在所述光学组件中的部件以所确定的位置和取向接合到所述V形槽座。所述接合可以使用环氧树脂或任何其它合适的接合材料来完成。

尽管本说明书包含许多具体实施方式的细节，但是这些细节不应被解释为对任何发明或可能要求保护的范围的限制，而是特定于特定发明的特定实施方式的特征的描述。在本说明书中在分开的实施方式的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施方式中组合实施。相反，在单个实施方式的上下文中描述的各种特征也可以分开地在多个实施方式中实施或以任何合适的子组合来实施。此外，尽管上文可以将各特征描述为以某些组合起作用并且甚至被描述为最初所要求保护的，但是在某些情况下，可以从所述组合中去除所要求保护的组合中的一个或多个特征，并且所要求保护的组合可以针对子组合或子组合的变体。

类似地，尽管在附图中以特定顺序描绘了操作，但是这不应理解为要求以所示的特定顺序或以连续的顺序执行这样的操作，或者执行所有示出的操作以实现期望的结果。在某些情况下，多任务和并行处理可能是有利的。此外，在上述实施方式中的各种系统部件的分开不应被理解为在所有实施方式中都需要这种分开，并且应当理解，所描述的程序部件和系统通常可以在单个软件产品中被集成在一起或被封装到多个软件产品中。

对“或”的引用可以被解释为包括性的，使得使用“或”描述的任何术语可以指示单个、一个以上以及所有所描述术语中的任何一个。标签“第一”、“第二”，“第三”等不一定意味着指示顺序，并且通常仅被用于区分相似或类似的项目或元素。

对本公开中描述的实施方式的各种修改对于本领域技术人员而言是显而易见的，并且在不脱离本公开的精神或范围的情况下，本文中定义的一般原理可以被应用于其它实施方式。因此，权利要求书无意限于本文所示的实施方式，而是应被赋予与本文所公开的本发明、原理及新颖特征一致的最广范围。

Claims (27)

1.一种光子集成芯片，包括：

光栅耦合器，所述光栅耦合器被布置在衬底上；以及

光学组件，所述光学组件用于将光信号耦合到所述光栅耦合器，所述光学组件包括：

V形槽座，以

光学系统，所述光学系统被布置在所述V形槽座上，所述光学系统包括：

激光源，所述激光源用于生成所述光信号的光，

耦合透镜系统，所述耦合透镜系统用于接收来自所述激光源的光并在第一方向上引导所述光，以及

光束重定向器，所述光束重定向器用于将所述光重定向到第二方向，重定向的光的所述第二方向与所述第一方向成大约90°，

其中，所述光束重定向器包括圆柱部分和反射器部分，

其中，所述光束重定向器被配置用于沿着所述V形槽座纵向移动，以将所述重定向的光的焦点设定到所述光栅耦合器的表面平面上，并且

其中，所述光束调整器被配置用于在所述V形槽座内的旋转移动，以将入射角设定在所述重定向的光的所述第二方向与垂直于所述光栅耦合器的所述表面平面的方向之间。

2.根据权利要求1所述的光子集成芯片，其中，所述圆柱部分具有在约0.2mm到约5mm之间的直径。

3.根据权利要求1所述的光子集成芯片，其中，所述圆柱部分具有约0.7mm的直径。

4.根据权利要求1所述的光子集成芯片，其中，所述纵向移动被限制为约0.1mm。

5.根据权利要求1所述的光子集成芯片，其中，所述反射器部分是棱镜，并且所述圆柱部分是玻璃。

6.根据权利要求1所述的光子集成芯片，其中，所述反射器部分是反射镜，并且所述圆柱部分是中空管。

7.根据权利要求1所述的光子集成芯片，其中，所述反射器部分和所述圆柱部分彼此接合。

8.根据权利要求1所述的光子集成芯片，其中，所述反射器部分位于所述光栅耦合器上方。

9.根据权利要求1所述的光子集成芯片，其中，半波片或隔离器中的一个被附接到所述光束重定向器或所述耦合透镜系统中的一个。

10.一种制造光子集成电路的方法，包括：

提供布置在衬底上的光栅耦合器；

提供用于将光信号耦合到所述光栅耦合器的光学组件，所述光学组件包括：

V形槽座，以及

光学系统，所述光学系统被布置在所述V形槽座上，所述光学系统包括：

激光源，所述激光源用于生成所述光信号的光，

耦合透镜系统，所述耦合透镜系统用于接收来自所述激光源的光并在第一方向上引导所述光，以及

光束重定向器，所述光束重定向器用于将所述光重定向到第二方向，重定向的光的所述第二方向与所述第一方向成大约90°；以及

经由所述光束定向器的纵向移动或旋转移动中的至少一个，将所述重定向的光的路径调整到所述光栅耦合器的表面平面上。

11.根据权利要求10所述的制造方法，其中所述光束重定向器包括彼此耦合的圆柱部分和反射器部分。

12.根据权利要求11所述的制造方法，其中，所述圆柱部分具有约0.7mm的直径。

13.根据权利要求11所述的制造方法，其中所述反射器部分是棱镜，并且所述圆柱部分包括玻璃。

14.根据权利要求11所述的制造方法，其中，所述反射器部分是反射镜，并且所述圆柱部分包括中空管。

15.根据权利要求10所述的制造方法，其中，所述光束定向器的所述纵向移动是沿着所述V形槽座的，以将所述重定向的光的焦点设定在所述光栅耦合器的所述表面平面上，并且其中，所述光束定向器的所述旋转移动在所述V形槽座内，以将入射角设定在所述重定向光的所述第二方向与垂直于所述光栅耦合器的所述表面平面的方向之间。

16.根据权利要求15所述的制造方法，其中，所述纵向移动被限制为约0.1mm。

17.根据权利要求10所述的制造方法，还包括：

测量作为所述光束定向器的纵向移动或旋转移动中的一个的函数的光耦合效率。

18.根据权利要求10所述的制造方法，还包括：

将所述光学系统接合到所述V形槽座。

19.根据权利要求18所述的制造方法，其中所述接合发生在所述重定向的光以最佳光耦合效率被设定在所述光栅耦合器的所述表面平面上之后。

20.一种用于将光信号耦合到光栅耦合器的光学组件，所述光学组件包括：

V形槽座，所述V形槽座被接合到衬底，

光栅耦合器，所述光栅耦合器被布置成与所述V形槽座相邻，以及

光学系统，所述光学系统被布置在所述V形槽座上，所述光学系统包括：

激光源，所述激光源用于生成光的光束，

耦合透镜系统，所述耦合透镜系统用于接收来自所述激光源的光的光束并在第一方向上引导所述光的光束，以及

光束重定向器，所述光束重定向器用于将所述光的光束重定向到第二方向，重定向的光的所述第二方向与所述第一方向成大约90°，

其中，所述耦合透镜系统和所述光束重定向器被接合到所述V形槽座，

其中，所述光束重定向器将所述重定向的光的焦点设定在所述光栅耦合器的表面平面上，并且

其中，所述光束重定向器将入射角设定在所述重定向的光的所述第二方向与垂直于所述光栅耦合器的所述表面平面的方向之间。

21.根据权利要求20所述的光学组件，其中，所述光束重定向器包括彼此接合的圆柱部分和反射器部分。

22.根据权利要求21所述的光学组件，其中，所述反射器部分是棱镜，并且所述圆柱部分是玻璃。

23.根据权利要求21所述的光学组件，其中，所述反射器部分是反射镜，并且所述圆柱部分是中空管。

24.根据权利要求21所述的光学组件，其中，所述反射器部分被悬挂在所述V形槽座的边缘之外。

25.根据权利要求21所述的光学组件，其中，所述反射器部分位于所述光栅耦合器上方。

26.根据权利要求20所述的光学组件，其中，半波片或隔离器中的一个被附接到所述光束重定向器或所述耦合透镜系统中的一个。

27.根据权利要求20所述的光学组件，其中，所述光束重定向器被接合在沿着所述V形槽座并且在旋转方向中的位置中，所述位置提供了由所述激光源发射的光到所述光栅耦合器中的最佳光学耦合。

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