CN112946825B - 光子输入/输出耦合器对准 - Google Patents

光子输入/输出耦合器对准 Download PDF

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Abstract

本公开的实施例涉及光子输入/输出耦合器对准。光连接器与光子集成电路的输入/输出耦合器的光学对准可以通过以下方式来实现：首先将光连接器与形成在PIC的光子芯片中的光学不相连于PIC的两个环回对准特征连续地主动对准，并且然后基于环回对准特征相对于PIC的输入/输出耦合器的位置的精确知识，将光连接器移动到与PIC的输入/输出耦合器对准的位置并且将其锁定就位。

Description

光子输入/输出耦合器对准
本申请是申请日为2019年03月28日、申请号为201910243516.1、发明名称为“光子输入/输出耦合器对准”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本公开涉及将光连接器与光子集成电路的输入/输出耦合器对准。
背景技术
例如在光学路由器和交换机中通常使用的光子集成电路(PIC)通常包括输入/输出耦合器，其用于将PIC光学连接到光纤或其他芯片外光连接器。例如，PIC中的平面波导可以在光栅耦合器中结束，光栅耦合器可以(经由光子芯片的顶表面)将光表面耦合到平面外光纤中。或者，波导可以被边缘耦合到光子芯片侧面的光纤。为了确保光连接器(诸如光纤或光纤带)与PIC之间光的有效耦合，光连接器的通信通道(例如，光纤带的各个光纤)需要与PIC的输入/输出耦合器精确对准。对于多模光学信号，其中对准精度在2μm内就足够了，例如，可以基于放置在光子芯片上并在相对于输入/输出耦合器的已知准确位置处的基准标记来在视觉上实现对准。然而，高效的单模耦合依赖于1μm或更小的精度，这超过了视觉对准的性能。因此，单模光纤或其他光连接器通常主动与PIC对准。
在主动对准期间，光可以从光连接器被耦合到PIC的输入耦合器中并且由PIC的检测器测量，或者备选地，由片上光源生成的光可以从PIC的输出耦合器耦合到光连接器中并且由片外检测器测量。无论哪种方式，当光连接器围绕PIC的输入/输出耦合器的近似位置摆动时，通过最大化检测信号的强度可以优化对准。然而，主动对准是耗时的，因为它涉及为PIC供电(以便能够使用片上光源或探测器)，这需要时间来建立必要的电连接并且需要时间来等待PIC达到热量和光学稳定性。因此，需要一种用于单模对准的备选方法。
附图说明
本文中结合附图描述各种示例实施例。
图1A是根据各种实施例的PIC的一对光栅耦合器的示意性俯视图；
图1B是根据各种实施例的具有宽度与这对光栅耦合器相匹配的两个通信通道的光连接器的示意性仰视图；
图1C是根据各种实施例的用于光学耦合到图1A的这对光栅耦合器的就位的图1B的光连接器的示意性侧视图；
图2是根据各种实施例的包括PIC的一对光栅耦合器和相关联的环回对准特征的光子芯片的示意性俯视图；
图3是根据各种实施例的使用环回对准特征的示例对准系统的概念图；
图4是根据各种实施例的包括PIC的一对光栅耦合器和两个相关联的环回对准特征的光子芯片的示意性俯视图；
图5A-5C是在各种位置覆盖有光连接器的图4的光子芯片的示意性俯视图，示出了根据各种实施例的将光连接器与这对光栅耦合器对准的步骤；
图6是根据各种实施例的包括PIC的一对光栅耦合器和具有两个环回对准特征的相关联的环回结构的光子芯片的示意性俯视图；
图7A-7C是在各种位置覆盖有光连接器的图6的光子芯片的示意性俯视图，示出了根据各种实施例的将光连接器与这对光栅耦合器对准的步骤；
图8是根据各种实施例包括PIC的四个光栅耦合器的阵列和两个相关联的环回对准特征的光子芯片的示意性俯视图；
图9A-9C是在各种位置覆盖有光连接器的图6的光子芯片的示意性俯视图，其示出了根据各种实施例的将光连接器与光栅耦合器阵列对准的步骤；
图10是根据各种实施例的用于光学耦合到一对波导边缘耦合器的就位的光连接器的透视图；
图11是根据各种实施例的用于光学耦合到六个波导边缘耦合器的阵列的就位的光连接器的透视图；
图12是根据各种实施例的包括PIC的一对波导边缘耦合器和两个相关联的环回对准特征的光子芯片的示意性俯视图；
图13A-13C是图12的光子芯片和各种位置的光连接器的示意性俯视图，其示出了根据各种实施例的将光连接器与波导边缘耦合器对准的步骤；
图14是示出根据各种实施例的使用环回对准特征将光连接器与PIC的输入/输出耦合器对准的方法的流程图；以及
图15是示出根据各种实施例的制造具有PIC的输入/输出耦合器和相关联的环回对准特征的光子芯片的示例方法的流程图。
具体实施方式
本文中公开了一种用于将光连接器与形成在光子芯片中的PIC的输入/输出耦合器对准的方法，该光学芯片使用形成在光学芯片中的未光学连接到PIC的环回对准特征。“PIC”在本文中被理解为被集成在光子芯片中被全部彼此光学耦合以形成单个光学电路的一组光学(和/或电光)组件。与此相反，术语“光子芯片”在本文中用于指代由光子芯片基底形成的物理单元(例如，从硅、绝缘体上硅(SOI)、III-V或II-IV化合物或其他晶片切割而成的模切，可选地在其上沉积有附加材料层)和形成在基底中或上的任何组件，包括但不限于PIC的组件。如本文所述的环回对准特征形成在与其所服务的对准的PIC相同的光子芯片中，但其本身不是PIC的一部分；相反，环回对准特征形成未光学连接到PIC的单独的元件。
本文中使用的光连接器通常包括至少两个光学通信通道，其用于耦合到PIC的至少两个相应的输入/输出耦合器。光连接器的各个通信通道的端点通常具有固定的相对距离和位置，以与PIC的输入/输出耦合器上光连接器被设计为耦合到的耦合点的固定的相对距离和位置相匹配。在各种实施例中，光连接器的通信通道的端点和PIC的输入/输出耦合器的耦合点以阵列布置。光连接器可以采用例如可以被封装在光纤带中的两个或更多个光纤的形式。光连接器的其他可能实施例包括：光纤耦合透镜阵列、透镜矩阵、硅波导阵列、另一PIC等。PIC的输入/输出耦合器可以例如实现为光栅耦合器、转动反射镜或其他表面耦合器，其将来自PIC的平面中的波导的光通过光子芯片的顶面重新导入光连接器的面外光纤或其他通信通道，或者实现为波导边缘耦合器，其将光通过光子芯片的侧面耦合到与PIC在平面内的光连接器的光学连接通道中。
通常，根据本文的环回对准特征由例如经由波导光学连接在芯片中的一对输入/输出耦合器形成。这种环回对准特征可以与具有至少两个通信通道(例如，两根光纤)的光连接器主动对准：来自光子芯片外部的光源的光可以经由通道之一被耦合到环回对准特征的耦合器之一(用作输入耦合器)，并且在光穿过“环回”到环回对准特征的另一耦合器(用作输出耦合器)之后，光可以从输出耦合器被耦合到另一光连接器通道以由光子芯片外部的检测器测量。一旦光连接器主动与环回对准特征对准，就可以基于环回对准特征相对于PIC的输入/输出耦合器的位置的知识来将光连接器简单地移动到与PIC的输入/输出耦合器对准。例如，由于例如使用单个光掩模的与PIC的输入/输出耦合器的定义同时的光子芯片上的环回对准特征的光刻定义，可以获取对该相对位置的精确知识。一旦与输入/输出耦合器对准，光连接器就可以锁定就位，使得其通信通道被牢固地耦合到PIC的输入/输出耦合器。
在各种实施例中，对准过程利用两个环回对准特征以便于校准在其中相对于光连接器的移动来定义PIC和环回对准特征的坐标系。光连接器顺序地对准第一环回对准特征，并且然后是另一环回对准特征，并且光连接器从一个环回对准特征移动到另一环回对准特征的方向被用于确定坐标系的取向。两个环回对准特征可以在PIC中形成单独的结构，或者可以备选地共同形成单个结构。
有利地，通过使用如本文所述的环回对准特征来将光连接器最终与PIC的输入/输出耦合器对准，可以实现适合于单模耦合的对准精度，而无需为PIC供电。结果，在一些实施例中，在生产线的对准阶段的光子芯片的生产量可以显著增加，例如，四倍。通过进一步降低成本，可以大大简化用于(通常是自动)对准的设备，因为不再需要用于为设备供电的电子设备和用于建立电连接的工具。另外，本文所述的对准过程可以在一定温度范围内进行，以允许补偿热膨胀，并且可以消除由于通道之间的光学器件变化而导致的过程变化。例如，如果PIC要在0到100℃之间工作，则可以在50℃下完成对准，以便最小化由于在0到100℃的范围内的PIC与连接器之间的热膨胀/收缩失配引起的误差。
现在将参考附图描述各种示例实施例。
图1A-图1C示出了具有两个通信通道的示例光连接器耦合到示例光子芯片中的PIC的两个光栅耦合器。两个光栅耦合器可以都是输入耦合器或都是输出耦合器，或者包括输入耦合器和输出耦合器。图1A提供了示例光子芯片100的示意性俯视图，其示出了连接到PIC的相关联的波导106的两个光栅耦合器102、104。为了简单和清楚起见，未示出PIC的其他组件。然而注意，尽管未示出，但是光栅耦合器102、104通常经由通过PIC的路径光学连接。(注意，在一些实施例中，光子芯片100可以包括具有相应的多组光栅耦合器的多个PIC；在这种情况下，在不同PIC的光栅耦合器之间不需要光学连接。)两个光栅耦合器之间的距离——或者更确切地说，它们各自的耦合点(在此被视为光栅耦合器102、104的几何中心)之间的距离——具有由设计指定的值(例如，在用于在光子芯片上产生光栅耦合器102、104的光掩模中)，在图1A中被表示为距离x。在所描绘的示例中，光栅耦合器102、104中的每个是被连接到一对波导106的偏振分束耦合器。每个光栅耦合器102或104的波导106引导两个相应正交偏振的光，当作为输入耦合器操作时，光栅耦合器102或104将从光连接器接收的光分离成这两个相应正交偏振的光，或者当作为输出耦合器操作时，光栅耦合器102或104将从光连接器接收的光组合成这两个相应正交偏振的光。在备选实施例中，可以使用各自仅被连接到PIC的一个波导的单偏振光栅耦合器。光栅耦合器102、104可以由包括多个细长散射元件的光栅形成。光栅耦合器102、104可以是喇叭形的，可选地具有双曲线形状的侧壁。细长散射元件可以具有弯曲的(例如，在一些实施例中，椭圆形的)形状，并且光栅宽度可以被选择以适应期望的光强度分布。
图1B是具有可以是例如光纤(如图1C所示)的两个通信通道112、114的示例性光连接器110的示意性仰视图。通信通道112、114的端点之间的距离为x，与PIC的这对光栅耦合器102、104之间的距离相匹配。图1C以光连接器110和光子芯片100的示意性侧视图示出了仅在耦合之前的光连接器110的通信通道112、114与光子芯片100上的输入/输出耦合器102、104的横向对准。
现在转向图2，以示意性俯视图示出了包括根据各种实施例用于支持图1C所示的对准的PIC的一对光栅耦合器102、104和相关联的环回对准特征206的示例光子芯片200的布局。环回对准特征206包括经由两个波导212、214光学连接成闭环的两个(偏振分离)光栅耦合器208、210。环回对准特征206的光栅耦合器208、210的耦合点之间的距离等于PIC的输入/输出光栅耦合器102、104的耦合点之间的距离，并且因此也等于被设计成与PIC的输入/输出光栅耦合器102、104配合的光连接器110的两个通信通道之间的距离。此外，据此，准确且精确地已知环回对准特征206相对于PIC的光栅耦合器102、104的位置，如从环回对准特征206的光栅耦合器208、210之间的中点216到PIC的光栅耦合器102、104之间的中点218的矢量
Figure BDA0002926444050000061
所反映的。在对准过程期间，首先通过优化光连接器110的通信通道112、114与环回对准特征206的光栅耦合器208、210的光学耦合来将光连接器110与环回对准特征206主动对准。在光连接器110与环回对准特征206对准之后，通过矢量
Figure BDA0002926444050000071
将光连接器110移动到与PIC的光栅耦合器102、104对准。
图3概念性地示出了使用环回对准特征206支持光连接器对准的示例对准系统300。系统300包括用于牢固地保持光子芯片200的安装座302和具有用于相对于光子芯片200精确地平移和/或旋转光连接器110的高精度级(例如，三轴或六轴机器人)的机器人304。此外，系统300包括光源306和检测器308。有利地，系统300不需要包括用于在光子芯片200上建立电连接和向PIC 305的器件提供电能的电子器件和工具。
为了主动地将光连接器110对准环回对准特征206，光连接器的通信通道之一(例如，通道112)用于将来自光源306的光学信号作为输入提供给环回对准特征206的光栅耦合器之一(例如，耦合器208)。从(输入)耦合器208，光信号经由环回波导212、214(图3中未示出)行进到用作另一输出耦合器的另一光栅耦合器210。经由光连接器110的第二通信通道114，在光栅耦合器210处输出的光信号被传送到检测器308以用于测量。所测量的信号可以作为反馈被提供给机器人304(例如，经由控制机器人304的操作的控制器)以引起对光连接器110的定位的调节，从而优化通信通道112、114与环回对准特征206的光栅耦合器208、210之间的耦合，从而使得信号最大化。虽然为了这个对准过程的目的，两个连接波导212、214之一可能就足够了，但是建立如图2所示的两个光学连接是有益的，因为它能够在光连接器与环回对准特征206的主动对准期间保持光的两个偏振。对于非偏振光源，在两个光栅耦合器208、210之间仅有一个连接的情况下一半的光将会丢失，并且利用偏振光源，存在所有光都可能丢失的风险(取决于偏振状态)。
当与环回对准特征206的对准完成之后，操作机器人304以将光连接器110移动到与光子芯片200上的PIC 305的光栅耦合器102、104对准的位置。附加装置(图3中未示出)可以帮助用环氧树脂、焊料、激光焊接或本领域普通技术人员已知的其他方式来将光连接器110锁定就位。
图4示出了根据各种实施例的示例光子芯片400的布局，其包括PIC的一对光栅耦合器102、104和两个相关联的环回对准特征406、408。两个环回对准特征406、408可以(但不是必须)在结构上彼此(并且与图2的光子芯片200的环回对准特征206)相似或相同。特别地，环回对准特征406、408中的每个可以具有彼此距离等于PIC的光栅耦合器102、104之间的彼此距离x的一对光栅耦合器(410、412和414、416)。环回对准特征406、408相对于彼此以及相对于PIC的光栅耦合器102、104的位置准确地已知，并且可以例如通过以下矢量中的任何两个矢量来指定：环回对准特征406、408(的光栅耦合器410、412和光栅耦合器414、416之间的中点)之间的矢量
Figure BDA0002926444050000081
环回对准特征408(的光栅耦合器414、416之间的中点)与PIC的这对光栅耦合器102、104之间的矢量
Figure BDA0002926444050000082
以及环回对准特征406(的光栅耦合器410、412之间的中点)与PIC的这对光栅耦合器102、104之间的矢量
Figure BDA0002926444050000083
第二环回对准特征408的使用可以用于校准在其中定义PIC和环回对准特征406、408的坐标系，具体地，用于确定该坐标系相对于在其中指定光连接器110(例如，由机器人304)的运动的坐标系的取向。
图5A-5C是在各种位置覆盖有光连接器110的图4的光子芯片400的示意性俯视图，其示出了根据各种实施例的将光连接器110与PIC的这对光栅耦合器102、104对准的步骤。图5A描绘了与第一环回对准特征406的光栅耦合器410、412对准的光连接器110的两个通信通道112、114。图5B描绘了两个通信通道112、114与第二环回对准特征408的光栅耦合器414、416的随后对准。光连接器110通过矢量
Figure BDA0002926444050000084
从如图5A所示的第一对准状态到如图5B所示的第二对准状态的平移来确定光子芯片布局(及其相关联的坐标系)在移动光连接器的装置(例如，机器人304)的坐标系内的取向。一旦校准了与芯片布局相关联的坐标系，就可以通过已知矢量
Figure BDA0002926444050000085
来将光连接器简单地从第二环回对准特征408移动到PIC的光栅耦合器102、104，从而得到图5C所示的光连接器110的最终位置。在该最终位置，光连接器110被固定就位。
在没有第二环回对准特征的情况下，与芯片布局相关联的坐标系同与机器人304和光连接器110的移动相关联的坐标系之间的相对取向至少在原则上可以从光连接器110相对于其在其中移动的坐标系的取向来推断，例如，如光连接器110的通信通道112、114的端点之间的矢量所规定的。当光连接器110与环回对准特征206对准时，光连接器110的这些端点之间的矢量与环回对准特征206的光栅耦合器之间的矢量一致，而环形对准特征206又在芯片布局内具有已知的方向和长度。因此，光连接器110与环回对准特征206的对准可以用于校准在其中定义PIC和环回对准特征的坐标系。然而，在实践中，通常不能以足够的精度知道光连接器在例如机器人304的抓取器内的取向。该取向可以使用视觉系统来近似以识别PIC和连接器上的对准特征，但这不一定精确。在这种情况下，使用两个环回对准特征有利于解决取向不确定性，并且避免对准误差。这在以下情况下尤其重要：视觉系统可以识别的PIC的可见表面上没有可重复的准确特征、或者没有准确的视觉系统可用。例如，通过使用两个环回对准特征来校准PIC坐标系与机器人坐标系，视觉系统的精度以及机器人相对于PIC的初始位置和取向的准确性可以被放宽到数十微米，而不是需要小于约5微米。
如图4所示，两个环回对准特征可以实现为单独的光学不相连结构。作为备选实施例，图6示出了示例光子芯片600的布局，其中两个环回对准特征由单个环回结构602提供。在所描绘的示例中，该结构602包括成线性布局的均匀地间隔的三个光栅耦合器604、606、608，其中波导610、612连接相邻波导对，并且第三波导614(其在一些实施例中可以省略)将线性布置的外光栅耦合器604、608直接彼此连接以形成闭环。输入到任何一个光栅耦合器的光将被传播到另外两个光栅耦合器。这对相邻的光栅耦合器604、606与连接它们的波导610一起形成一个环回对准特征616，并且这对相邻的光栅耦合器606、608以及连接它们的波导612形成另一环回对准特征618。两个环回对准特征616、618共享共同的宽度(即，相应的一对光栅耦合器之间的距离)，该宽度可以通过设计而等于光子芯片600上的PIC的输入/输出耦合器102、104之间的距离。
图7A-7C是在各种位置覆盖有光连接器110的图6的光子芯片600的示意性俯视图，其示出了使用环回结构602对准光连接器110的步骤。可以看出，基于单个环回结构的两个环回对准特征的对准以相同的一般方式被实现为基于两个单独对准特征的对准(如图5A-5C所示)。在图7A中，光连接器110被示出为与由中间光栅耦合器606及其右边相邻光栅耦合器608形成的第一环回对准特征618对准。如图7B所示，为了将光连接器110移动到与第二环回对准特征616对准，光连接器110简单地向左移动(沿着连接三个光栅耦合器604、606、608的线)与矢量
Figure BDA0002926444050000101
相对应的一对相邻耦合器的宽度。这两个对准步骤实现校准与光子芯片布局相关联的坐标系并且将光连接器110定位在该坐标系内。然后，可以通过将光连接器110通过矢量
Figure BDA0002926444050000102
从第二环回对准特征616移动到这对输入/输出耦合器102、104，以将光连接器110与PIC的输入/输出耦合器102、104对准。
上述示例均示出了光连接器110的两个通信通道112、114与PIC的单对输入/输出耦合器的对准。然而，该过程可以直接推广到具有两个或更多个通信通道的光连接器与可以被布置成一维或二维阵列的两个或更多个相应的输入/输出耦合器的对准。PIC的输入/输出耦合器可以包括用于接收光信号的一个或多个输入耦合器和/或用于发射光信号的一个或多个输出耦合器的任何组合，即，它们可以都是输入耦合器、都是输出耦合器、或两者的组合。
图8是根据各种实施例的包括PIC的八个光栅耦合器的阵列802和两个相关联的环回对准特征804、806的示例光子芯片800的示意性俯视图。光栅耦合器的阵列802包括两个平行的水平对准的行，每行四个光栅耦合器。在每行内，光栅耦合器均匀地间隔，并且两行的间隔相同。换言之，光栅在阵列中以恒定间距被布置。用x表示间距，即一行内的任何两个相邻光栅耦合器之间的距离，则两行中的外光栅耦合器808、810和812、814的距离为3x。环回对准特征804、806各自包括经由两个波导连接成闭环的两个光栅耦合器(820、822和824、826)。在所描绘的示例中，对准特征804、806中的每个内的两个光栅耦合器之间的距离等于3x，使得对于光连接器与环回对准特征804、806的主动对准，被配置为与PIC的外光栅耦合器808、810或812、814配合的一对通信通道被使用。
图9A-9C示出了在各种位置覆盖有光连接器900的图8的光子芯片800的示意性俯视图中的光栅耦合器阵列802的对准过程。光连接器900包括两行，每行四个通信通道，通信通道以与光子芯片800上的阵列802的输入/输出光栅耦合器相同的方式间被隔开和布置。这些行中一行的仅一对外通信通道902、904被用于与环回对准特征804、806顺序对准，分别如图9A和9B所示。基于两个环回对准特征806、804之间的已知相对位置(例如，如在连接其各对光栅824、826和820之间的中点的矢量
Figure BDA0002926444050000111
中反映的)以及环回对准特征804、806中的至少一个与PIC光栅耦合器的阵列800之间的已知相对位置(例如，如在从环回对准特征804的光栅820、822之间的中点到阵列800的外光栅耦合器808、810之间的中点的矢量
Figure BDA0002926444050000112
中反映的)，光连接器900可以与PIC的光栅耦合器的阵列802对准。如果光连接器900的八个通信通道如PIC的阵列802的输入/输出光栅耦合器一样被精确地布置，则这对外通信通道902、904与这对外光栅耦合器808、810的准确对准固有地还确保所有其他通信通道与相应光栅耦合器的适当对准。
如本领域普通技术人员根据本公开内容的益处将容易理解的，环回对准特征内的两个光栅耦合器之间的距离不必与PIC的输入/输出耦合器阵列内的行的宽度(其在图8-9C的示例中为3x)相匹配。例如，环回对准特征可以具有间隔距离为x的光栅耦合器，该距离对应于PIC的两个相邻输入/输出耦合器之间的距离，即，对应于输入/输出耦合器阵列的间距。通常，对于给定间距的任何输入/输出耦合器阵列，环回对准特征的两个光栅耦合器之间的距离可以是该恒定间距的任何整数倍，最大为与阵列宽度相对应的最大值。更一般地，环回对准特征的耦合器相对于彼此的位置可以匹配PIC的任何两个输入/输出耦合器(甚至两个不同行的耦合器)的相对相互位置。此外，与具有两个通信通道的光连接器与PIC的单对输入/输出耦合器的对准一样，较大通信通道阵列与相应输入/输出耦合器阵列的对准也可以利用以单个结构而不是两个单独结构提供的环回对准特征。
此外，虽然图1A-图9C都示出了与光栅耦合器的对准，但是所描述的对准过程、结构和配置可以容易地应用于其他类型的耦合器，诸如例如转向镜。实际上，相同类型的耦合器通常用于PIC的所有输入/输出耦合器以及环回对准特征的耦合器。然而，原则上，也可以使用与在PIC中使用的环回对准特征不同类型的耦合器，和/或甚至可以在PIC内或在环回对准特征内混合耦合器类型。
此外，上面讨论的原理不限于表面耦合，而是也可以应用于边缘耦合。为了说明，图10以透视图示出了光子芯片1000，其在光子芯片1000的顶表面1002的平面中包括终止于芯片1000的侧面1008的两个波导1004、1006。这些波导1004、1006用作到光连接器110的波导边缘耦合器，光连接器被定向以使得其通信信道112、114在PIC的平面中。图10示出了与由侧面1008中的波导边缘耦合器1004、1006提供的耦合点1016、1018对准(虽然尚未耦合)的光连接器110。
图11示出了这种边缘耦合结构的变体，示出了光子芯片1100，其包括嵌入在平行于顶表面1104的两层光子芯片1100中的六个波导1102(其中在两个层中的每个层中具有三个波导1102)。在侧面1106处，六个波导1102形成耦合点的二乘三阵列1108。具有六个通信通道的相应阵列1112的光连接器1110被示出与耦合点1108对准。
针对一对波导边缘耦合器的示例，在图12-图13C中示出了用于光连接器与波导边缘耦合器的对准的环回对准特征的使用。图12提供了根据各种实施例的包括PIC的一对波导边缘耦合器1202、1204和两个相关联的环回对准特征1206、1208的光子芯片1200的示意性俯视图。环回对准特征1206、1208中的每个形成U形转弯波导，其在两端均终止于光子芯片1200的与波导边缘耦合器1202、1204相同的侧面1210处。在每个环回对准特征1206中的在其两个耦合点1212、1214或1216、1218之间的距离等于这对波导边缘耦合器1202、1204的耦合点1220、1222之间的距离x。波导边缘耦合器1202、1204和1202同环回对准特征1206、1208的相对位置是已知的。
图13A-13C是图12的光子芯片1200和具有两个通信通道112、114的光连接器110的示意性俯视图，两个通信通道112、114与第一环回对准特征1206、第二环回对准特征1208和PIC的波导边缘耦合器1202、1204相继对准。正如光栅耦合器的对准过程，使光连接器110从与第一U形转弯波导环回对准特征1206对准移动到与第二U形转弯波导对准特征1208对准的矢量
Figure BDA0002926444050000131
用于校准在其中限定波导边缘耦合器1202、1204和环回对准特征1206、1208的坐标系。基于第二环回对准特征1208的耦合点1216、1218之间的中点与波导边缘耦合器1202、1204的耦合点1220、1222之间的中点之间的已知矢量
Figure BDA0002926444050000132
光连接器110然后可以被移动到其最终位置，在该位置，光通信通道112、114被连接到波导边缘耦合器1202、1204的耦合点1220、1222。
在上述附图的实施例中，环回对准特征与各个PIC的一对(或阵列中的行)输入/输出耦合器平行地定向，使得光连接器在与环回对准特征对准之后可以简单地在一维或二维中被平移到与PIC输入/输出耦合器对准的位置。然而，通常，环回对准特征可以相对于PIC输入/输出耦合器围绕垂直于其中定义输入/输出耦合器和环回对准特征的平面的轴旋转(例如，表面耦合实施例中的光子芯片的顶表面和边缘耦合实施例中的侧面)。换言之，连接光耦合器将要耦合到的PIC的输入/输出耦合器的线通常可以与连接环回对准特征的耦合点的线包围任何零角度或非零角度。据此，该角度通过设计是已知的。对于非零角度，除了通常的两个平移自由度之外，光连接器从与环回对准特征对准的位置到与PIC输入/输出耦合器对准的位置的移动还需要第三旋转自由度。
图14以流程图的形式概述了根据各种实施例的将光连接器与PIC的输入/输出耦合器对准的方法1400。方法1400开始于光连接器与形成在光子芯片的基底中的环回对准特征的主动对准(动作1402)。使用光子芯片外部的光源和检测器来执行该主动对准。来自光源的光被耦合到光连接器的第一通信通道中，并且检测器被放置以测量通过第二通信通道接收的光。第一通信通道和第二通信通道最初与环回对准特征的两个耦合点大致对准并且从而光学耦合到该两个耦合点，以提供从光源到检测器的光路。然后微调对准以优化光学耦合并且从而最大化由检测器测量的光的强度。在一些实施例中，移动光连接器，并且针对第二环回对准特征重复主动对准过程(动作1404)。在与环回对准特征主动对准之后，将光连接器移动(更具体地，在一维或二维中平移，并且如果适用的话，旋转)到与PIC的输入/输出耦合器对准的位置(动作1406)。在该位置，光连接器以本领域普通技术人员已知的多种方式中的任何一种被锁定就位(动作1408)，例如，通过使用环氧树脂、焊接或激光焊接将光连接器粘合到输入/输出耦合器。方法1400可以用在生产线中以将光连接器串联地对准多个相应PIC。由于主动对准根据方法1400限于未连接到PIC的对准特征，从而避免了对PIC加电的需要，与将光连接器直接主动地对准PIC的输入/输出耦合器的方法相比，可以显著提高吞吐量。
图15示出了用于制造具有如本文所述的环回对准特征的光子芯片的方法1500。该方法涉及创建共同定义PIC和环回对准特征的光子芯片的布局(动作1502)。根据该布局对光子芯片进行光刻图案化(动作1504)，并且例如使用本领域普通技术人员已知的湿法蚀刻或干法蚀刻来处理经图案化的芯片以产生光刻限定的特征(动作1506)。在一些实施例中，重复图案化和处理步骤和/或附加层的间歇沉积以形成更复杂的分层结构。在各种实施例中，PIC的输入/输出耦合器和环回对准特征在单个光刻步骤中使用单个光掩模在芯片上图案化，这确保了它们的准确的相对定位。然而，即使PIC输入/输出耦合器和环回对准特征是使用不同的光掩模创建的，这些掩模相对于芯片的对准准确性以及由此产生的图案化的PIC输入/输出耦合器和环回对准特征的位置准确性通常优于300nm，实现了单模耦合所需要的光连接器对准精度。
PIC的输入/输出耦合器和环回对准特征的耦合器都可以由硅光栅耦合器形成、或者都可以由氮化硅(SiN)基或磷化铟(InP)基光栅耦合器形成。或者，PIC的输入/输出耦合器可以由SiN形成，而环回对准特征的耦合器可以由硅或InP形成，反之亦然。类似地，边缘耦合PIC可以具有输入/输出耦合器，并且环回对准特征的耦合器全部由SiN波导和小平面形成、或者全部由硅波导和小平面或InP波导和小平面形成。或者，输入/输出耦合器可以由SiN波导和小平面形成，而环回对准特征的耦合器可以由硅或InP波导和小平面形成，反之亦然。在这些示例中的任何一个中，作为非限制性示例，PIC和环回对准特征可以形成在具有掩埋氧化物的硅基底上，或者形成在InP基底上。
已经描述了环回对准特征和相关联的对准和制造方法的不同方面和特征，提供以下编号的示例作为说明性实施例。
1.一种方法，包括：通过经由光连接器的第一通道将来自光子芯片外部的光源的光耦合到形成在所述光子芯片的基底中的第一环回对准特征中并且利用所述光子芯片外部的检测器测量经由所述光连接器的第二通道从所述第一环回对准特征接收的光，将所述光连接器与所述第一环回对准特征主动对准，所述环回对准特征光学地不相连于形成在所述光子芯片的所述基底中的光子集成电路(PIC)；通过经由所述光连接器的所述第一通道将来自所述光源的光耦合到第二环回对准特征中并且使用所述检测器测量经由所述光连接器的所述第二通道从所述第二环回对准特征接收的光，将所述光连接器与所述第二环回对准特征主动对准，所述第二环回对准特征形成在所述光子芯片的所述基底中并且不相连于所述PIC；在所述光连接器与所述第一环回对准特征和所述第二环回对准特征的主动对准之后，基于所述第一环回对准特征和所述第二环回对准特征相对于所述PIC的输入/输出耦合器的已知位置，将所述光连接器移动到与所述PIC的所述输入/输出耦合器对准的位置；以及将所述光连接器在与所述PIC的所述输入/输出耦合器对准的所述位置锁定就位。
2.根据示例1所述的方法，其中所述第一环回对准特征和所述第二环回对准特征形成分离的、光学不相连的结构。
3.根据示例1所述的方法，其中所述第一环回对准特征和所述第二环回对准特征形成单个结构。
4.根据示例3所述的方法，其中所述单个结构包括彼此光学连接的三个光栅耦合器，所述三个光栅耦合器中的第一光栅耦合器与所述三个光栅耦合器中的第二光栅耦合器之间的距离等于所述三个光栅耦合器中的所述第二光栅耦合器与所述三个光栅耦合器中的第三光栅耦合器之间的距离。
5.根据示例1至4中任一项所述的方法，其中将所述光连接器与所述第一环回对准特征对准包括：将所述光连接器的所述第一通道和所述第二通道与所述第一环回对准特征的相应的第一耦合器和第二耦合器对准，所述第一耦合器与所述第二耦合器之间的距离等于所述PIC的所述输入/输出耦合器中的两个输入/输出耦合器之间的距离。
6.根据示例1至5中任一项所述的方法，其中所述PIC的输入/输出耦合器包括光栅耦合器或转向镜中的至少一个。
7.根据示例6所述的方法，其中所述第一环回对准特征包括彼此光学连接的两个耦合器，所述两个耦合器包括光栅耦合器或转向镜。
8.根据示例6所述的方法，其中所述第一环回对准特征包括包括彼此光学连接以形成闭环的两个光栅耦合器。
9.根据示例1至5中任一项所述的方法，其中所述PIC的输入/输出耦合器包括波导边缘耦合器。
10.根据示例9所述的方法，其中所述第一环回对准特征包括波导U形转弯，所述波导U形转弯终止于所述PIC的与所述波导边缘耦合器相同的表面。
11.根据示例1至9中任一项所述的方法，其中所述光连接器的所述通道是第二光子集成电路(PIC)的输入/输出耦合器，所述第二光子集成电路形成在第二光子芯片中。
12.根据示例1至11中任一项所述的方法，其中所述光连接器与所述第一环回对准特征和所述第二环回对准特征的所述主动对准在不向所述PIC供应电力的情况下被执行。
13.一种光子芯片，包括：基底；光子集成电路(PIC)，包括形成在所述基底中的多个光子器件，所述多个光子器件包括以具有恒定间距的阵列布置的第一多个输入/输出耦合器；以及形成在所述基底中的第一环回对准特征和第二环回对准特征，所述第一环回对准特征和所述第二环回对准特征光学地不相连于所述PIC并且各自包括两个耦合器，所述第一环回对准特征和所述第二环回对准特征中的每个环回对准特征的所述两个耦合器之间的距离等于所述PIC的输入/输出耦合器的所述阵列的所述恒定间距的整数倍。
14.根据示例13所述的光子芯片，其中所述第一环回对准特征和所述第二环回对准特征形成单独的光学不相连结构。
15.根据示例13所述的光子芯片，其中所述第一环回对准特征和所述第二环回对准特征形成单个结构的部分。
16.根据示例13至15中任一项所示的光子芯片，其中所述PIC的输入/输出耦合器包括两个光栅耦合器，并且所述第一环回对准特征和所述第二环回对准特征各自包括彼此光学连接的两个光栅耦合器。
17.根据示例13和14中任一项所述的光子芯片，其中所述PIC的所述输入/输出耦合器包括波导边缘耦合器，并且所述第一环回对准特征和所述第二环回对准特征各自包括波导U形转弯，所述波导U形转弯终止于所述PIC的与所述波导边缘耦合器相同的表面。
18.一种制造包括两个环回对准特征的光子芯片的方法，所述方法包括：对基底进行光刻图案化以利用单个光掩模同时限定光子集成电路(PIC)的多个输入/输出耦合器和所述两个环回对准特征，所述多个输入/输出耦合器被布置成具有恒定间距的阵列，所述两个环回对准特征光学地不相连于所述PIC并且被定位在相对于所述多个输入/输出耦合器的指定位置，所述两个环回对准特征中的每个环回对准特征包括两个耦合器，所述两个耦合器之间的距离等于输入/输出耦合器的所述阵列的所述恒定间距的整数倍；以及处理经图案化的所述基底以在所述基底中产生所述光子集成电路和所述两个环回对准特征。
19.根据示例18所述的方法，其中所述至少两个环回对准特征包括光栅耦合器。
20.根据示例18所述的方法，其中所述至少两个环回对准特征形成单个结构。
尽管已经参考特定示例实施例描述了本发明的主题，但是很清楚的是，在不脱离本发明主题的更广泛的精神和范围的情况下，可以对这些实施例进行各种修改和改变。因此，说明书和附图应当被视为说明性的而非限制性的。

Claims (20)

1.一种光子芯片，包括：
基底；
光子集成电路PIC，包括形成在所述基底中的多个光子设备，所述多个光子设备包括以具有恒定间距的阵列被布置的第一多个输入/输出耦合器；以及
形成在所述基底中的至少一个环回对准特征，所述至少一个环回对准特征光学地不相连于所述PIC，所述至少一个环回对准特征包括由至少两个耦合器和连接所述至少两个耦合器的至少两个波导所形成的闭环，所述至少两个耦合器之间的距离等于所述PIC的输入/输出耦合器的所述阵列的所述恒定间距的整数倍。
2.根据权利要求1所述的光子芯片，其中所述至少一个环回对准特征包括第一环回对准特征和第二环回对准特征，所述第一环回对准特征包括所述闭环，所述第二环回对准特征光学地不相连于所述第一环回对准特征，所述第二环回对准特征包括由至少一个波导彼此相连的两个附加耦合器，所述两个附加耦合器之间的距离等于所述PIC的输入/输出耦合器的所述阵列的所述恒定间距的整数倍。
3.根据权利要求1所述的光子芯片，其中所述闭环是由至少三个耦合器和连接所述至少三个耦合器的至少三个波导所形成的，并且其中所述至少一个环回对准特征包括两个环回对准特征，所述两个环回对准特征包括所述至少三个耦合器的两个相应耦合器对。
4.根据权利要求1所述的光子芯片，其中所述至少三个耦合器以线性布置方式被均匀地间隔。
5.根据权利要求1所述的光子芯片，其中所述至少一个环回对准特征中的所述至少两个耦合器包括光栅耦合器。
6.根据权利要求1所述的光子芯片，其中所述至少一个环回对准特征中的所述至少两个耦合器包括转向镜。
7.一种方法用于将光学连接器与形成在光子芯片中的光子集成电路PIC的输入/输入耦合器对准的方法，所述方法包括：
通过经由所述光学连接器的第一通道将来自所述光子芯片外部的光源的光耦合到形成在所述光子芯片中的环回对准特征的第一耦合器中、并且经由所述光学连接器与所述光子芯片外部的检测器的第二通道测量在所述环回对准特征的第二耦合器处的所述光，来主动地使所述光学连接器与所述环回对准特征对准，所述环回对准特征光学地不相连于所述PIC，所述光从所述第一耦合器经由各自包括波导的两个分离光学连接而被传输到所述第二耦合器；
在所述光学连接器与所述环回对准特征的主动对准后，至少部分地基于所述环回对准特征相对于所述PIC的所述输入/输出耦合器的已知位置，将所述光学连接器移动到与所述PIC的所述输入/输入耦合器对准的位置；以及
在与所述PIC的所述输入/输出耦合器对准的所述位置处，将所述光学连接器锁定就位。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括：主动地使所述光学连接器与形成在所述光子芯片中的、光学地不相连于所述PIC的附加环回对准特征对准，以及校正坐标系，所述PIC和所述环回对准特征在所述坐标系中相对于所述光学连接器的移动而被限定，所述移动是基于所述环回对准特征之间的已知相对位置的。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述环回对准特征和所述附加环回对准特征形成单个闭环，所述单个闭环包括处于线性布置的所述第一耦合器、所述第二耦合器和第三耦合器。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述环回对准特征和所述附加环回对准特征形成分离的、光学不相连的结构。
11.根据权利要求7所述的方法，其中所述光学连接器与所述PIC的所述输入/输出耦合器被对准，而不将电力提供给所述PIC。
12.根据权利要求7所述的方法，其中所述光学连接器与所述PIC的所述输入/输出耦合器被对准，而不建立对准系统与所述PIC之间的电连接。
13.根据权利要求7所述的方法，其中所述光学连接器使用具有高精度平移和旋转级的机器人而被移动到与所述PIC的所述输入/输出耦合器对准的所述位置中。
14.根据权利要求7所述的方法，其中所述光学连接器在基于所述PIC的操作温度的预期范围而被选择的温度处，被对准到所述PIC的所述输入/输出耦合器。
15.一种制造包括至少一个环回对准特征的光子芯片的方法，所述方法包括：
对基底进行光刻图案化以利用单个光掩模同时限定光子集成电路PIC的多个输入/输出耦合器和所述至少一个环回对准特征，所述多个输入/输出耦合器被布置成具有恒定间距的阵列，并且所述至少一个环回对准特征包括由至少两个耦合器和连接所述至少两个耦合器的至少两个波导所形成的闭环，所述至少两个耦合器之间的距离等于所述PIC的输入/输出耦合器的所述阵列的所述恒定间距的整数倍；以及
处理经图案化的所述基底以在所述基底中产生所述光子集成电路和所述至少一个环回对准特征。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述至少两个耦合器包括光栅耦合器。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述光栅耦合器包括以下至少一项：基于氮化硅的光栅耦合器或基于磷化铟的光栅耦合器。
18.根据权利要求15所述的方法，其中所述至少一个环回对准特征包括形成单个结构的两个环回对准特征。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述两个环回对准特征包括以线性布置方式被均匀地间隔的至少三个耦合器。
20.根据权利要求15所述的方法，其中所述至少一个环回对准特征包括形成分离的、光学不相连结构的两个环回对准特征。
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