CN115136048A - 光学二维光斑尺寸转换 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于实现水平和竖直光斑尺寸转换以将光从薄波导耦合到厚波导的光学组件。该组件包括：至少一个第一薄波导，其具有：第一区段，具有第一光模场，以及水平光斑尺寸扩展区段，针对在第一波导中传播的光束的第一光模场的第一水平尺寸提供光斑尺寸转换；以及至少一个第二厚波导，其具有：第二区段，具有第二光模场，以及水平光斑尺寸减小区段，针对在第二波导中传播的光束的第二光模场的第二水平尺寸提供光斑尺寸转换。第一波导的扩展端对准并旋转以与第二波导的缩小端接口，使得第一波导和第二波导中的模场相对于彼此旋转90度，从而如此耦合在第一波导和第二波导之间的光束的光斑尺寸根据光束的方向而在两个横向维度上被扩展或收缩。

Description

光学二维光斑尺寸转换

技术领域

本发明涉及将单模光纤阵列耦合到光子集成电路的方法。更具体地，本发明涉及用于在不同厚度和宽度的光波导中的光模场之间实现二维(2D)光斑尺寸转换器(SSC)的光学组件。

背景技术

光子集成电路(PIC)芯片通常需要来自单模光纤(SMF)阵列和到单模光纤(SMF)阵列的光输入和输出耦合。然而，与标准单模光纤(SSMF)相比，光子集成电路中的波导通常具有小得多的模场或“光斑尺寸”。光斑尺寸差异越小，PIC波导和SMF之间的光耦合损耗越大。

小芯光纤、透镜光纤或锥形光纤的阵列不适合耦合来自(或去往)具有小光斑尺寸的大型波导阵列的光，因为光纤纤芯相对于彼此的位置具有随机变化，而不能同时将所有光纤对准小型PIC波导的阵列。由于每根光纤内部的纤芯位置的变化以及例如在V型槽阵列中的光纤到光纤的定位，光纤阵列中的光纤纤芯位置的变化通常约为1μm。

在波导和光纤之间通常需要水平和竖直光斑尺寸转换器(SSC)。这种2D转换器可以是一种同时改变水平和竖直方向上的光斑尺寸的结构，或者是分立的竖直和水平转换器结构的组合，其中波导分别在每个方向上从一个光斑尺寸锥化到另一个光斑尺寸。

单独的光斑尺寸转换器芯片，也称为波导插入器，可用于在标准SMF阵列和PIC芯片边缘处的小波导阵列之间执行竖直和水平光斑尺寸转换。优点是在薄波导阵列中没有波导到波导的变化，并且薄模场的阵列可以精确对准。2D光斑尺寸转换器已经通过各种方法实现，诸如波导的直接写入、厚波导层的阶梯状蚀刻、灰度光刻、波导的研磨、光纤的锥化、透镜、光栅耦合器、子波长衍射结构、以及反锥度等。水平锥化在PIC上通常不是问题，但是通过使用晶片级加工技术，大多数光波导技术难以实现竖直光斑尺寸转换。

在一些应用中，还需要在不同PIC上的厚波导和薄波导之间耦合光，甚或在一个多层PIC内耦合光，即没有任何光纤是该耦合任务的部件。光纤和PIC波导都可以被视为“波导”，因此对2D SSC的需求可以被视为对不同厚度和宽度的光波导中的光模场之间的光斑尺寸转换的一般需求。这些波导之一(通常是较厚的)可以是SMF，或者它的另一端可以耦合到SMF。

发明内容

对于在薄波导阵列和另一厚波导阵列之间耦合光，还没有提出完美的解决方案。理想的耦合构思需要具有宽透射光谱、偏振无关操作、低插入损耗和小尺寸，以及部件的低制造和组装成本。

本发明的目的是为上述问题找到一种新型的解决方案，其减轻了现有技术解决方案的缺点。本发明在所附独立权利要求中限定，本发明的各种实施方式在从属权利要求中限定。

根据本发明，两个不同芯片上的或两个不同波导层中的波导耦合在一起，使得一个波导中的光模宽度对应于其他波导中的光模的厚度，反之亦然。因此，每个波导模只需要在水平方向上扩大，但光模场在水平和竖直方向上均扩展(或缩小)。因此，通过组合两个水平光斑尺寸转换并且通过围绕光轴旋转两个波导之间的模来执行小光波导和大光波导之间的水平和竖直光斑尺寸转换。这种模旋转可以通过上反射波导镜、波导芯片的旋转或它们的组合来实现。

根据本发明，提供了一种用于实现水平和竖直光斑尺寸转换以将光从薄波导耦合到厚波导或反之亦然的光学组件。该组件包括：

-至少一个第一薄波导，其具有：第一区段，具有第一光模场，以及水平光斑尺寸扩展区段，针对在所述第一波导中传播的光束的所述第一光模场的第一水平尺寸提供光斑尺寸转换；

-至少一个第二厚波导，其具有：第二区段，具有第二光模场，以及水平光斑尺寸减小区段，针对在所述第二波导中传播的光束的所述第二光模场的第二水平尺寸提供光斑尺寸转换。

所述第一波导的扩展端对准并旋转以与所述第二波导的减小端对接，使得所述第一波导和第二波导中的模场相对于彼此旋转90度，从而如此耦合在所述第一波导和第二波导之间的光束的光斑尺寸根据光束的方向而在两个横向维度上被扩展或收缩。

根据一些实施方式，至少两个所述第一波导放置在第一公共平面基板上并且至少两个所述第二波导放置在第二公共平面基板上。基板可以是分立的和平行的基板。

在一些实施方式中，波导层可以堆叠在一个公共基板上。

根据一些实施方式，上反射元件放置在所述第一波导的扩展端和所述第二波导的所述减小端以在第一波导和第二波导之间反射光。

在一些实施方式中，第一波导包括：水平弯曲区段，用于将光学组件中的所有所述第一波导的光轴对准公共光轴，以及在所述第一波导的界面处的上反射元件，用于反射来自所述第一波导的平面的光并且在每对所述第一波导和第二波导之间耦合光。第二波导的光轴可以垂直于所述第一波导的平面。

根据另外的实施方式，设置在第一波导和第二波导的对接端之间的间隙可以具有不导致在光束的两个横向方向中的任一个方向上在间隙中的显著光束发散的尺寸，从而所述第一波导和第二波导的模场彼此直接耦合，而在它们之间没有任何聚焦光学装置。

替选地，设置在所述第一波导和第二波导的对接端之间的间隙可以具有导致在相对所述第一波导的长度的横向方向上在间隙中的显著光束发散的尺寸，从而在所述第二波导的界面处通过凸透镜或凹面镜将发散光束聚焦或准直到所述第二波导。

在一些实施方式中，第二波导包括水平弯曲区段，用于将光学组件中的第一波导和第二波导的光轴对准公共光轴，从而光在每对所述第一波导和第二波导之间直接耦合，而没有耦合界面中的任何上反射元件。第一波导可以放置在具有适于容纳所述第二波导的所述弯曲区段的槽的基板上，以便将光学组件中的所有所述第一波导和第二波导的光轴对准公共光轴。

在一些另外的实施方式中，第一波导放置在一个基板上并且第二波导放置在不同的基板上，所述基板中的至少一个在至少一个方向上具有机械对准特征，适于在所述基板被压在一起时容纳其他基板上的相应的对准特征或表面。机械对准特征可以通过至少部分地加工用于形成所述第一和/或第二波导的相同材料层而被图案化。

本发明的其他实施方式可以包括来自以下项目符号列表的一个或更多个特征：

·第一、第二或两个波导包括具有锥化的波导宽度的水平光斑尺寸扩展波导区段；

·第一、第二或两个波导包括其中输入光束扩展的平板波导区域和将所述扩展的光束准直或聚焦到相对于所述输入光束具有水平扩展模场的另一波导的凹面波导镜；

·第一、第二或两个波导包括具有全反射(TIR)镜的水平弯曲区段；

·第一、第二或两个波导的上反射元件包括全反射(TIR)镜。

在本发明光学组件的一些实施方式的实际应用中，第一波导是光子集成电路(PIC)的部件。单模光纤阵列(SMF)可以光学耦合到PIC和SMF阵列之间的光学插入器，所述光学施加器包括所述第二波导的阵列。然后可以将光从第二波导的端面耦合到光纤阵列。

本发明的各种实施方式的特征在于所附权利要求中陈述的内容。

附图说明

图1示出了本发明的光子集成电路的一个实施方式；

图2示出了本发明的光子集成电路的第二实施方式；

图3示出了本发明的光子集成电路的另一实施方式；

图4示出了本发明的光子集成电路的另外的示例性实施方式。

具体实施方式

详细地，图中所示的示例性实施方式基于大约3×3μm(3μm厚和3μm宽)的第一绝缘体上硅(SOI)波导到大约3×12μm的尺寸的水平锥化，从而波导的模场水平地放大。在整个描述中，波导尺寸按高度×宽度的顺序给出。薄波导的宽度通常在PIC中变化。在3μm厚的SOI波导中，宽度通常在PIC的至少一些部件中为3μm或更窄。因此，仅参考3×3μm波导作为示例性输入波导。在这方面，图1至图4的比例并不完美，并且可以呈现大约3×5μm的波导尺寸。

当两个波导模相对于彼此旋转时，光随即耦合到具有匹配模场的12×3μm第二波导的输入端。然后第二波导的宽度从3μm逐渐锥化到12μm，以实现12×12μm的目标输出尺寸。然后，来自这种12×12μm波导的光可以耦合到标准单模光纤(SMF)的纤芯。显然，不同尺寸的SOI波导和其他类型的光波导的任何组合都可以通过相同的发明原理耦合在一起，该原理允许将光从薄波导模阵列耦合到另一个厚波导模阵列，而无需任何波导的竖直锥化。

图1中示出了一个实施方式。其示出了光子集成电路(PIC)100，其包括硅基板101上的三个3μm厚的第一波导103。PIC的功能部件没有被示出并且仅选择三个波导用于可视化本发明。图1还示出了插入器110，其包括在硅基板102上的三个12μm厚的第二波导105。为清楚起见，图中省略了埋入氧化物(BOX)层。在本实施方式中，薄波导103和厚波导105均水平平行放置，并且厚波导105倒置在薄波导103之上。

每个薄波导103由窄的(在一些实施方式中为3×3μm)输入部件103a、103b或103c(在此每个具有不同长度)、锥形区段103d、弯曲区段104和3×12μm区段103e组成。锥形区段103d是水平加宽的锥形区段，其执行从窄输入宽度(例如3μm)到最终宽度(例如12μm)的第一水平光斑尺寸转换。薄波导103的水平锥化可以通过许多替选方式和在PIC 100的不同部件中实现。例如，它可以通过波导宽度的连续锥化来实现，如图1所示，或者通过平板波导(其中光水平扩展)和曲面波导镜(其准直扩展光)的组合来实现。

弯曲区段可以由弯曲波导或水平波导镜104组成。锥形区段和弯曲区段的相对位置也可以交换甚至交叠。例如，平板波导和曲面镜的组合可以执行锥化和弯曲二者。在本发明的一些实施方式中，可以不存在弯曲区段，因为电路布局、位置要求和其他设计考虑确定每种情况下波导的最佳形状和尺寸。在图1的具体实施方式中，当直线区段103e不共享相同的光轴并且波导103将因此不会彼此交叠时，可以省略弯曲区段。

在锥形区段和弯曲区段之后，光被引导至3×12μm区段103e中，该区段以上反射镜106结束。显然，如果将组件100、110倒置，则反射镜将是下反射镜，。

类似的上反射镜107位于插入器芯片110上。在上反射镜对106和107之间，光在任一方向竖直通过，如箭头108所示。在图1中，厚波导105的窄端105a处的上反射镜107实际上向下反射来自这些波导的光，因为波导105在硅基板102下面倒置。厚波导105也具有水平锥形区段105b和宽(例如12μm宽)的输出波导区段105c。上反射镜106、107优选地是TIR(全反射)镜，但它们也可以是金属化镜或其他类似元件。在这里，使用术语“上反射镜”和“上反射元件”来指代相对于波导所在的水平面将来自波导的光向上或向下耦合的任何上或下反射结构。

光如下从PIC电路100的薄波导103a、103b、103c耦合到光学插入器110的输出端105c：光在波导中沿着每个波导区段的光轴方向传播。光轴垂直于光进入相应波导部分的每个入口点和出口点的端面。当遇到水平弯曲区段或上反射镜，如104、106或107时，光轴和光束转向。

在图1所示的情况下，三个波导103的第一部件103a、103b、103c平行。在本示例中，波导区段103a、103b和103c具有不同的长度，以便表明在本发明的一些实施方式中在基板101上相对自由地定位波导的可能性。来自每个波导区段103a-c的光束然后进入锥形区段103d，锥形区段103d逐渐将光束加宽到12μm宽的水平配置。

当光束撞击水平TIR镜104时，它们的光轴转向以变得彼此平行(在弯曲区段之前这不是必需的)。在平行波导区段103e的末端处，上反射镜106将光竖直向上反射到正交放置在上反射镜106的上面的波导105的上反射镜107以高效地收集光并且将其反射到厚波导105的窄端。上反射镜对106和107的正交放置意味着当光在第一薄波导103和第二厚波导105之间耦合时光的偏振旋转90°。然后光在倒置的波导105中水平行进，首先通过容纳波导103的水平扩大模场(现在被上反射镜106转向到垂直方向)的高而窄的区段105a。波导105的水平锥形区段105b然后在相对于已经扩大的模场的正交方向上逐渐扩大光束的模场。结果是第一波导103的薄而窄的光模(例如3×3μm)通过两个水平模尺寸扩展和两个波导103、105之间一个旋转界面的组合已经被高效地耦合到第二波导105的厚而宽的光模(例如12×12μm)。从12×12μm尺寸的波导105的输出端面(未示出)，光可以耦合到例如标准单模光纤(未示出)的纤芯。光束的偏振被转向，使得进入波导103的光束的水平TE偏振现在在波导105中是竖直取向的TM偏振，反之亦然。

如上所述，电路布局和其他设计考虑确定每种情况下的波导的最佳形状和尺寸。在图1所示的构思中，上反射镜对可以被加工在芯片上的不同位置，而不必沿着同一条线，如图1所示。当光波导103的光轴在下芯片100上合并时，上芯片110上的光波导可以以传统方式并排设置，使得下和上的上反射镜彼此对准更容易。特别是湿法蚀刻的上反射镜通常需要在特定方向上，并且图1中的所有镜确实具有相同取向。然而，这在一些实施方式中可能不是必需的，只要如图1所示每个镜对106、107正交对准即可。

如果薄和厚波导103、105位于两个分立的芯片100、110上，如图1所示，则上反射镜优选地放置在这些芯片的边缘附近，使得基板102不会与基板101交叠过多。如果有倒装芯片集成部件、引线键合或其他部件在基板101上延伸，这将是有益的。薄和厚波导103、105也可被制造作为公共基板101或102(取决于它们的相对竖直定位)上的2层PIC，例如通过使用层转移技术将一个波导层转移到其他波导层的上面。

本发明的另一实施方式在图2中示出。光子集成电路200包括在硅基板201上的三个3μm厚的第一波导203。光学插入器210包括在另一硅基板202上的三个12μm厚的第二波导205。在本实施方式中，基板202和第二波导205相对于第一波导203竖直放置。

在图2所示的实施方式中，光在第一波导203中的行进类似于图1中所描述的，即三个薄波导203包括直的、锥形的和弯曲的波导区段。锥形区段水平扩展窄(例如3μm宽)的第一波导203的模场以在每个第一波导203的输出端提供12μm的目标宽度。弯曲区段204使波导转向，使得在光耦合到3×12μm波导区段末端处的上反射镜206之前，它们在该点都共享相同的光轴。

这里，光从上反射镜206向上直接耦合到第二波导205的3×12μm宽区段205a的底端面。因此，不需要第二波导205中的上反射镜来在间隙207处耦合波导203和205之间的光。然后光束将行进穿过锥形波导区段205b以到达直波导区段205c中的12μm厚和12μm宽的目标波导尺寸。从那里，光可以通过波导端面205d耦合到光纤。

光束的偏振在此也被转向，使得波导203中光束的水平TE偏振变为波导205中的竖直取向的TM偏振。

在类似于图2中的实施方式中，12μm SOI插入器芯片210可以相当自由地放置在3μm SOI PIC 200的顶面。由于其竖直取向，芯片210将仅覆盖PIC 200及其基板201的相对小的区域。

本发明的另外的实施方式在图3和图4中示出。在图3中，PIC 300再次包括三个3μm厚的第一波导303，其具有锥形和弯曲区段以及在硅基板301上的上反射镜，如同图1至图2。三个12μm厚的第二波导305在另一个硅基板302上实现，以形成相对于3μm厚的波导303及其基板301竖直放置的光学插入器310，如同图2。每个波导305由12μm厚和大于3μm(例如12μm)宽的波导部分305b和指向相应波导303的上反射镜306的透镜305a组成。透镜可被制造为波导的部件而无需任何分立的加工或光刻步骤。它优选地在竖直方向上是平面的，与波导侧壁对准或成为波导侧壁的一部分，并且仅在水平方向上是弯曲。从上反射镜306向上反射的光束在其在上反射镜306和透镜305a之间的自由空间间隙(free-space gap)中传播时发散。这种发散在来自薄波导303的光模场窄的方向上快得多，该方向对应于厚波导305的宽度。该间隙优选地保持是小的，使得光束在对应于第二波导305的厚度和第一波导303的扩展宽度的其他方向上不会显著发散。因此，光束主要仅在一个方向上发散。然后透镜305a准直发散光束并将其耦合到波导部分305b中。

同样，在第二波导305中不需要镜，并且光的偏振在此也从进入波导303的水平TE偏振转变为波导305中的竖直取向的TM偏振，反之亦然。

图3所示实施方式相对于图1至图2的第一主要区别在于，在第二波导305中不需要锥形区段或窄(例如3μm宽)波导区段，因为厚波导305的弯曲输入面用作透镜并且在波导305外部的自由空间间隙中执行光的水平锥化。这使得第二波导305更短，并且它们也更容易制造，因为波导305不再需要具有高纵横比(即高度比宽度)。

第二主要区别在于在上反射镜306和透镜305a之间可能存在有限距离。在图1至图2中，自由空间间隙需要被最小化，因为它会导致有害的光束发散。在图3所示的实施方式中，利用有限间隙在一个方向上扩大光束。这种有限距离在PIC测试中非常有益，例如，其中插入器芯片可以保持在PIC晶片或芯片上方的安全距离处，例如15-30μm，避免它们彼此刮擦的风险。在这种类型的一些实施方式中，基板302不必如图3中那样向下延伸。该有限距离在制造永久组件时也可以是有益的。在组装和测试两者中，当两个波导芯片300、310使用被动或主动对准相对于彼此对准时，有限距离可以帮助避免刮擦任何光学输入/输出面。

在图4中，PIC 400包括在硅基板401上的三个3μm厚的第一波导403。在硅基板402上实现三个12μm厚的第二波导405，并且该光学插入器部件410相对于3个第一波导403和它们的基板401竖直放置，如同图2至图3。基板401设有槽408，槽408被蚀刻或机加工到基板401中并被设计成容纳波导405的端部。为了简单说明本发明的各种实施方式，图4中的每个波导405具有不同的光束耦合装置405a、405b和405c。优选地仅选择这些耦合装置类型中的一种以用在每个光学插入器410中。光束耦合装置在组装(或芯片/晶片测试)期间降低到每个容纳槽408，以便将PIC上的所有直波导部分403b的公共光轴与所有耦合装置405a-c的光轴对准，使得所有这些光轴合并在一起。可以通过立柱407或类似的机械布置来提供对接波导部分的正确对准。立柱407可以放置在提供机械对准特征的图案化凹部409中，或具有一些其他对准特征，其将它们锁定到基板401的特定位置。

在图4的实施方式中，在对接(interfacing)波导部分403b的端面或界面处不需要上反射镜，而是光直接传播到耦合装置405a、405b或405c中。耦合装置405a包括对接的3μm宽和12μm厚的波导部分、锥形波导区段和TIR镜，类似于图1中的项目105a、105b和104。耦合装置405b具有与图3中的透镜305a类似的透镜和TIR镜。第三示例性耦合装置405c由弯曲凹面镜组成，该凹面镜收集入射光束并将其向上反射通过波导405。所有耦合装置405a-c收集来自3μm厚和12μm宽的第一波导403的端面的光，在对应于波导区段403b的厚度的方向上扩展光束(光斑尺寸)，并且将光相对于PIC 400的基板401正交向上转向。扩展光束并向上转向光是相对于光学插入器410的表面水平地发生的。在所有图2至图4中，光学插入器仅需要一个光刻图案化步骤，其对应于厚波导205、305和405的宽度的限定。在所有实施方式中，光束的宽度和高度二者(光斑尺寸)的增加是通过将光束的水平扩大与第一103、203、303、403和第二105、205、305、405波导组合来实现的，而波导本身的厚度或其模场没有任何变化。

在图1至图4的实施方式中，需要将芯片对100+110、200+210、300+310和400+410彼此对准，以便确保光在波导和反射镜之间按照预期以最小的损耗耦合。这可以通过各种不同的方法来完成，这些方法不是本发明的核心，但在此简要讨论。

最直接的方法是使用主动对准，其中通过薄波导和厚波导的光透射以及它们之间的耦合界面被最大化。有时可以将U形环添加到任一波导芯片以同时最大化两个耦合界面的透射，例如在宽波导阵列的边缘处，并且仅通过一个波导芯片进行输入和输出耦合。将两个波导芯片耦合在一起的另一种常用方法是使用具有机器视觉和合适的对准标记的被动对准。

低成本大规模生产的一种有吸引力的方法是被动机械对准。这可以通过各种不同的方式来实现。一种选择是例如在上反射镜的制造期间在每个芯片上蚀刻V形对准凹槽，并且添加对准球或类似的突起，其在将两个V形凹槽放在一起时使它们对准。还可以在任一芯片上实现某种单片突出对准特征，诸如立柱、凸起或棱锥，它们然后被动对准在另一个芯片上的V型凹槽、倒棱锥孔或类似特征。已经结合图4讨论了一种这样的布置，其中矩形立柱407被图案化到光学插入器芯片410上的12μm厚的SOI层中并且与12μm厚的波导405和它们的耦合装置405a-c自对准。通过平坦端面，这种立柱可用于精确控制两个芯片400和410的竖直定位。通过将立柱407的平坦端面压靠到芯片400上的平坦表面上，同时将类似的(优选地较长的)立柱的顶部(或底部)和左侧(或右侧)表面压靠在类似于图4所示的槽408的蚀刻坑的侧壁上，可以在所有3个方向上进行被动对准。

还可以，尤其是对于图2至图4中的实施方式，在3μm SOI芯片上湿法刻蚀V形对准凹槽并干法刻蚀从12μm SOI层边缘延伸的光刻图案化V形尖端。当12μm SOI芯片竖直放置在3μm SOI芯片的上面时，V形尖端随即落入3μm SOI上的V型凹槽中。

可以将类似的机械对准特征添加到图2至图3所示的组件中，其中蚀刻到12μm SOI层中的各种不同的对准特征可以穿过图案化到PIC芯片中的各种不同的孔中。在某些情况下，这可能需要对准特征突出到基板(202、302、402)的边缘之外，如图4所示，参见项目407。这可以通过对Si基板进行下蚀刻或通过使用例如腔体SOI晶片来实现。

在某些应用中，可能不希望光纤相对于PIC竖直放置。为了避免这种情况，较厚的波导205、305、405可被弯曲以具有水平弯曲区段(类似于图2中的204或图4中的405a-c)，以将它们相对于PIC 200、300、400从竖直方向转向水平方向。如果这些弯曲波导的输出面(如图2中的205d)耦合到SMF阵列，则该SMF阵列的每个光纤在水平方向上，同时阵列中的各个光纤位于彼此的上面。也可以在厚波导中具有上反射镜，以使光纤能够相对于厚波导的基板正交放置。这允许将水平光纤阵列添加到图2至图4的实施方式，或者将竖直光纤阵列添加到图1的实施方式。

本发明并非旨在限于使用任何特定材料或波导尺寸。对硅、SOI、3或12μm厚的波导的提及仅是本发明的具体实施方式，不应限制本发明的范围。此外，任何对“薄”、“厚”、“窄”和“宽”波导的提及是指这些波导中的光模场的相对厚度和宽度，而不是波导本身的尺寸，因为模场尺寸还取决于波导中使用的材料和形状：有时随着波导变小，模场甚至会扩展。对“竖直”、“正交”和“平行”的提及并非指准确的角度，因为本发明也可以预期以相对于理论上给定的准确角度的微小变化来应用和/或工作。例如，波导面可以稍微倾斜以减少背反射，这导致光在这些面中发生折射。类似地，上反射元件可以沿某种非正交方向向上(或向下)反射光，这也减少了背反射。与标称角度的这些小偏差还允许将两个波导芯片放置成相对于彼此略有不平行或非正交的取向。术语“上”、“下”、“水平”和“竖直”也已用于解释本发明的具体实施方式，并且本发明显然可以应用于这些方向被反转或旋转到一些其他方向的其他取向。在本发明的范围内，将一些部件旋转180°或将它们相对于某个点或平面映射也是可能的。本发明的一些实施方式可能已经在光从薄波导传播到厚波导的假设下进行了解释，但是本发明显然也适用于相反的情况，其中对“输入”或“输出”等术语的任何提及应被交换。

Claims (20)

1.一种光学组件，用于实现水平和竖直光斑尺寸转换以在薄波导的扩展端与厚波导的一端之间耦合光，所述组件包括：

-至少一个第一薄波导，其具有：具有第一光模场的第一区段，以及水平光斑尺寸扩展区段，所述水平光斑尺寸扩展区段针对在所述第一波导中传播的光束的所述第一光模场的第一水平尺寸提供光斑尺寸转换；

-至少一个第二厚波导，其具有：具有第二光模场的第二区段，以及水平光斑尺寸减小区段，所述水平光斑尺寸减小区段针对在所述第二波导中传播的光束的所述第二光模场的第二水平尺寸提供光斑尺寸转换；其中

所述第一波导的所述扩展端对准并旋转以与所述第二波导的所述一端对接，使得所述第一波导和第二波导中的模场相对于彼此旋转90度，从而如此耦合在所述第一波导和第二波导之间的光束的光斑尺寸根据光束的方向而在两个横向维度上被扩展或收缩。

2.根据权利要求1所述的光学组件，其中，至少两个所述第一波导放置在第一公共平面基板上，以及至少两个所述第二波导放置在第二公共平面基板上。

3.根据权利要求1或2所述的光学组件，其中，上反射元件放置在所述第一波导的所述扩展端和所述第二波导的所述一端，以在所述第一波导和第二波导之间反射光。

4.根据权利要求2或3所述的光学组件，其中，所述第一波导和第二波导放置在两个分立的平行基板上。

5.根据权利要求2或3所述的光学组件，其中，所述第一波导和第二波导放置在一个公共基板上的两个堆叠波导层上。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的光学组件，其中，所述第一波导包括：水平弯曲区段，所述水平弯曲区段用于将所述光学组件中的所有所述第一波导的光轴对准公共光轴；以及在所述第一波导的界面处的上反射元件，所述上反射元件用于反射来自所述第一波导的平面的光并且在每对所述第一波导和第二波导之间耦合光，所述第二波导的光轴垂直于所述第一波导的平面。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的光学组件，其中，设置在所述第一波导和第二波导的对接端之间的间隙具有不导致在光束的两个横向方向中的任一个横向方向上在所述间隙中的显著光束发散的尺寸，从而所述第一波导的模场和第二波导的模场彼此直接耦合，而在它们之间没有任何聚焦光学装置。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的光学组件，其中，设置在所述第一波导和第二波导的对接端之间的间隙具有导致在对应于所述第二波导的宽度的横向方向上在所述间隙中的显著光束发散的尺寸，从而在所述第二波导的界面处通过凸透镜将发散光束聚焦或准直到所述第二波导。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的光学组件，其中，设置在所述第一波导和第二波导的对接端之间的间隙具有导致在对应于所述第二波导的宽度的横向方向上在所述间隙中的显著光束发散的尺寸，从而在所述第二波导的界面处通过凹面镜将发散光束聚焦或准直到所述第二波导。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的光学组件，其中，所述第二波导包括水平弯曲区段，用于将所述光学组件中的所述第一波导和第二波导的光轴对准公共光轴，从而光在每对所述第一波导和第二波导之间直接耦合。

11.根据权利要求10所述的光学组件，其中，所述第一波导放置在具有适于容纳所述第二波导的所述弯曲区段的槽的基板上，以便将所述光学组件中的所有所述第一波导和第二波导的光轴对准公共光轴。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的光学组件，其中，所述第一波导、所述第二波导或此两者分别包括水平光斑尺寸扩展波导区段或水平光斑尺寸减小波导区段，具有锥化的波导宽度。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的光学组件，其中，所述第一波导、所述第二波导或此两者分别包括水平光斑尺寸扩展区段或水平光斑尺寸减小波导区段，具有其中输入光束扩展的平板波导区域和凹面波导镜，所述凹面波导镜将所述扩展的光束分别准直或聚焦到相对于所述输入光束而具有水平扩展模场的所述第二波导或所述第一波导。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的光学组件，其中，所述第一波导、所述第二波导或此两者包括具有全反射(TIR)镜的水平弯曲区段。

15.根据权利要求3至14中任一项所述的光学组件，其中，所述薄波导、所述厚波导或此两者的所述上反射元件包括全反射(TIR)镜。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的光学组件，其中，所述第一波导是光子集成电路(PIC)的一部分。

17.根据前述权利要求中任一项所述的光学组件，其中，单模光纤阵列(SMF)光学耦合到PIC和所述SMF阵列之间的光学插入器，所述光学施加器包括所述第二波导的阵列。

18.根据权利要求17所述的光学组件，其中，光从所述第二波导的端面耦合到所述光纤阵列。

19.根据权利要求1至18中任一项所述的光学组件，其中，所述第一波导放置在一个基板上并且所述第二波导放置在不同的基板上，所述基板中的至少一个在至少一个方向上具有机械对准特征，所述机械对准特征适于在所述基板被压在一起时容纳其他基板上的相应的对准特征或表面。

20.根据权利要求19所述的光学组件，其中，所述机械对准特征通过至少部分地加工用于形成所述第一波导和/或第二波导的相同材料层而被图案化。

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