CN115469396A - 具有扩大光束的集成光学组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种集成光学组件，包括基础光学组件和设置在基础光学组件顶面的透明垫，基础光学组件包括配置为沿穿过基础光学组件顶面的轨迹分别发射或接收发散或会聚光束的内部光闸，透明垫具有与基础光学组件的顶面平行的第三面并在第三面处包括外部光闸，透明垫在其顶面包括面向基础光学组件的顶面旋转的平面镜，基础光学组件在其顶面包括面向透明层的第三面旋转的会聚镜，所述平面镜和会聚镜布置成使得光束通过在平面镜上的反射和通过在会聚镜上的反射穿过透明垫而在内部光闸和外部光闸之间传播。本申请提供的集成光学组件限制了制造成本，还可以与具有扩大光束的不同光连接器耦合，从而提高了集成光学组件与不同光连接器的兼容性。

Description

具有扩大光束的集成光学组件
技术领域
本发明的领域是片上集成光子学。本发明更具体地涉及光子芯片与外部设备的光学耦合，例如与另一个光子芯片、光纤或一组光纤的光学耦合。
背景技术
集成光学组件、特别是硅上光子组件可以在同一个芯片上组合多种功能，也称为PIC(photonic integrated circuit，光子集成电路)。在这些组件中，光被驱动到在PIC内密集分布的功能块之间的宽度通常小于一微米的小型光导中。
这些集成光学组件旨在通过光耦合交换光与外部系统进行通信。与光耦合相关的挑战是限制光损耗。在例如打算在光纤中耦合的单模光束的情况下，因为所使用的光束直径较小，耦合尤其困难。
在硅上光子学中，在PIC平面内传输的光可以通过专用功能元件(例如衍射网络)引导到平面外，并与裂解或抛光的单模光纤耦合，该单模光纤与垂直方向形成一个角度，通常约8°左右。
来自这些光学组件的单模光束通常具有接近10微米的直径。与单模光纤直接耦合是可能的，但很难，因为光纤必须以足够的耦合率定位并限制光损耗。
这种贴装精度难以实现，需要使用昂贵且速度慢的专用机器。为了促进耦合和增加定位公差，一种解决方案包括将从集成光学组件射出的光束的直径扩大到几十微米。例如，直径为50μm的光束可以将定位公差增加到±10μm。放宽对准和定位的约束，不再需要使用高精度机器。随后可以通过更便宜和更快的机器完成装配。
文献FR3066617 A1公开了一种解决方案，该解决方案可以通过利用在其上制造集成光学组件的衬底的厚度来使光束变宽。衬底是SOI((Silicon On Insulator，绝缘体上硅)类型，并且包括称为BOX(Buried Oxide，埋层)的掩埋二氧化硅层。在衬底后面相对的反射镜使得可以将光束反射到前面的方向上，其中耦合设有光连接器。光束的自然衍射导致光束在通过衬底传播时发生扩大。因此，衬底中光束轨迹的长度决定了在正面获得的光束的大小。因此，正面中的光束直径显著增加。
在实践中，这种方案的缺点是制造复杂，成本相对较高。需要优化这种集成光学组件。
美国专利文献US2021/165165 A1和US2019/265421 A1公开了用于通过平面镜和会聚镜耦合PIC和光纤的解决方案。对于这种类型的解决方案，PIC和光纤的组装精度仍然非常关键。
本发明的一个目的是满足这种需求并且提出一种集成光学组件，其至少部分地克服了上述一些缺点。
本发明的其他目的、特征和优点将通过研究以下描述和附图而显现。可以理解，可以结合其他优点。特别地，集成光学组件的某些特性和某些优点可以比照适用于光学系统和/或制造该组件的方法，反之亦然。
发明内容
为了实现这个目的，根据一个实施例，提供了一种集成光学组件，其被配置为确保光束在称为内部的第一光闸和称为外部的第二光闸之间的传播。光束通常具有光轴、在第一光闸处横向于光轴截取的第一切割表面和在第二光闸处横向于光轴截取的第二切割表面，使得第二切割的大小表面严格地大于第一切割表面的大小，优选地至少大三倍。该集成光学组件包括包含所述内部光闸的基础光学组件。
基础光学组件具有称为底面的第一面和与底面相对的称为顶面的第二面。内部光闸被配置为沿着穿过顶面的轨迹发射或接收分别发散或会聚的光束。
有利地，集成光学组件还包括设置在基础光学组件的顶面上的透明层。该透明层具有与基础光学组件的顶面相对且平行的第三面。透明层在所述第三面处包括外部光闸。
有利地，透明层还包括位于第三面上或第三面处并与基础光学组件的顶面相对旋转的平面镜。基础光学组件包括例如位于顶面上或顶面处、与透明层的所述第三面相对旋转的会聚镜。
有利地，平面镜和会聚镜布置成使得光束通过在平面镜上的反射和通过在会聚镜上的反射穿过透明层而在内部光闸和外部光闸之间传播。
因此，在内部光闸发出发散光束的情况下，该光束在基础光学组件中沿顶面方向传播，然后在透明层中传播。然后它被平面镜反射到会聚镜的方向，然后再次被会聚镜反射到外部光闸的方向。光束在其在内部光闸和平面镜之间、然后在平面镜和会聚镜之间的轨迹期间特别是在透明层内被扩大。然后会聚镜通常可以用作准直器，以形成平行光束。这使得可以使光束变宽，从而使其在外部光闸处具有增加的大小。在圆形截面光束的情况下，这意味着外部光闸处的直径明显大于其在内部光闸处的初始直径。光束因此在其进入透明层的过程中被有利地扩大。下面，这个透明层也被称为“透明垫”。
集成光学组件还可以在内部光闸被配置为接收会聚光束的情况下工作。根据光的可逆性原理，入射到外部光闸的光束(优选地平行光束)沿会聚镜方向传播，然后沿内部光闸方向向平面镜反射。行进该轨迹的光束变窄，使其在内部光闸处具有最小直径，显著小于其在外部光闸处的初始直径。
在本发明的发展范围内，文献FR3066617 A1中提出的解决方案似乎暗示光束必须多次穿过二氧化硅和硅之间的界面。这些材料之间的强折射率对比导致很大一部分光(约15％)被反射并因此丢失。在界面处引入抗反射层可以改进这种解决方案。然而，由于技术原因，在文献FR3066617 A1提出的集成光学组件架构中，在二氧化硅和硅之间的界面上贴装这样的抗反射层似乎很困难且成本高昂。在本发明的发展范围内已经确定的这种已知解决方案的另一个缺点与在衬底的背面中实现反射镜有关。这尤其涉及在背面制造该反射镜期间保护正面，然后去除该保护。这增加了制造成本。在本发明的发展范围内还确定的另一个缺点是，在文件FR3066617 A1公开的集成光学组件中，衬底的厚度不能独立于所需的光束直径来选择。这会导致额外的大小限制。
在本发明中，光束不穿过衬底，避免了不方便的干扰反射。这使得限制光损耗成为可能。此外，衬底的厚度可以独立于所需的光束变宽来选择，例如根据与散热或电连接相关的约束。
平面镜上的反射不受平面镜横向平移的影响，即平面镜平面中的平移。因此，透明垫在基础光学组件上的横向定位容许大于2μm、甚至大于5μm、甚至大于10μm的定位不精确。因此，可以使用标准工业芯片贴装设备(称为“拾取-贴装”的设备)将透明垫组装到基础光学组件上，通常提供±10μm的精度。这使得可以限制这种集成光学组件的制造成本。
此外，外部光闸通常是非特定的，可以与不同的标准光连接器耦合。外部光闸通常以第三面的优选平坦部分的形式呈现。根据本发明的集成光学组件因此可以与具有扩大光束的不同光连接器耦合。从而提高了集成光学组件与不同光连接器的兼容性。
本发明的另一方面涉及一种系统，该系统包括至少一个如上所述的集成光学组件和与外部光闸耦合的光连接器。本发明的另一方面涉及一种制造集成光学组件的方法，包括：在第一衬底上形成基础光学组件，在第二衬底上形成透明层和平面镜，并且包括：在基础光学组件上延伸组装所述透明层组装，所述组装是使用聚合物插入层完成的。集成光学组件的架构使得透明垫在足够凸起的基础光学组件上的定位公差成为可能。对于成本和工业生产的挑战，因此有利的是例如在第一条生产线中分别制造基础光学组件，例如在第二条生产线中制造均包括平面镜的透明层或垫，然后通常使用粘合剂聚合物层组装它们。这种集成光学组件也可以很容易地与来自第三条生产线的光连接器耦合。
附图说明
本发明的目标、目的以及特征和优点将从以下附图所示的本发明实施例的详细描述中得到最好的体现，其中：
图1示意性地示出了根据本发明实施例的集成光学组件。
图2示意性地示出了根据本发明实施例的光束的传播。
图3示意性地示出了根据本发明实施例的基础光学组件。
图4示意性地示出了根据本发明另一实施例的集成光学组件。
图5示意性地示出了根据本发明另一实施例的集成光学组件。
图6示意性地示出了根据本发明另一实施例的集成光学组件。
图7示意性地示出了根据本发明实施例的光互连系统。
图8示意性地示出了根据本发明另一实施例的光互连系统。
图9示意性地示出了根据本发明另一实施例的光互连系统。
附图作为示例给出并且不限制本发明。它们构成旨在促进对本发明的理解的原理示意图，并且不一定符合实际应用的规模。特别是在原理图上，不同元件(组件、垫、会聚镜、连接器等)的大小不一定代表实际。
具体实施方式
在开始详细回顾本发明的实施例之前，下面陈述可选特征，其可能结合使用或替代地使用：
根据一个示例，所述平面镜和会聚镜布置成使得光束在平面镜和会聚镜之间传播，而不完全穿过、优选地不穿透到包括内部光闸的层。
根据一个示例，所述平面镜和会聚镜布置成使得光束仅通过穿过透明垫和可能的透明插入层在平面镜和会聚镜之间传播。
根据一个示例，沿垂直于平面镜的轴投影，会聚镜位于内部光闸和外部光闸之间。
根据一个示例，集成光学组件包括衬底，并且基础光学组件由衬底在底面承载。
根据一个示例，平面镜插入在内部光闸和会聚镜之间的光束轨迹上。它特别平行于基础光学组件的顶面。它是平坦的并且与顶面平行的事实使得可以增加关于内部光闸的贴装公差。
根据一个示例，会聚镜插入在外部光闸和平面镜之间的光束轨迹上。例如，这使得可以将具有平行光线的光束返回到外部光闸。根据一个示例，会聚镜具有被配置为将具有平行光线的光束返回到外部光闸的焦距。根据一个示例，会聚镜位于基础光学组件的顶面。
根据一个示例，内部光闸被配置为使得光束在内部光闸和平面镜之间以及在平面镜和会聚镜之间具有彼此不平行的光线。光束因此可以根据光束的传播方向在内部光闸和会聚镜之间的整个轨迹上变宽或变窄。光束在从内部光闸到平面镜以及从平面镜到会聚镜的传播过程中尤其可以扩大。
根据一个示例，会聚镜被配置为使得光束在外部光闸和所述会聚镜之间具有彼此平行的光线。从外部光闸出射的光束因此被准直。这使得可以提高集成光学组件与其他元件(通常是标准光连接器)的兼容性。根据一个示例，会聚镜具有介于0.8.L和1.2.L之间的焦距f，L是在内部光闸和会聚镜之间传播的光束的轨迹长度。
根据一个示例，集成光学组件被配置为使得内部光闸和平面镜之间的光束的轨迹在会聚镜的外围处穿过基础光学组件的顶面。因此改进了组件的紧凑性。
根据一个示例，外部光闸位于平面镜的外围。这也提高了组件的紧凑性。
根据一个示例，内部光闸是垂直耦合器，其被配置为沿光轴发射或接收光束，该光轴关于第二面和第三面的法线方向具有5°和20°之间、通常为8°的角度θ。例如，垂直耦合器是通过衍射网络实现的，并与衍射网络形成垂直耦合器，也称为“垂直光栅耦合器(vertical grating coupler)”。衍射网络不一定与光轴正交。衍射网络可以是矩形的，或具有基本上三角形的形状，或其他形状。来自该网络的光束不一定具有与该网络形状相同的截面。光束基本上由高斯光学元件形成，即它在横截面中具有高斯强度分布。光轴在反射和/或穿过界面期间(例如在组件的出口界面处)改变方向。
根据一个示例，会聚镜选自球面或抛物曲面镜或菲涅耳镜或衍射镜。根据一个示例，通常对于衍射会聚镜，会聚镜位于内部光闸和平面镜之间的中间平面中。根据一个示例，会聚镜位于内部光闸和顶面之间的中间平面中。因此，内部光闸与垂直于z方向的第一平面相交，顶面沿垂直于z方向的第二平面延伸，外部光闸与垂直于z方向的第三平面相交，并且会聚镜与垂直于z方向的中间平面(位于第一平面和第三平面之间，优选地位于第一平面和第二平面之间)相交。
根据一个示例，内部光闸选自衍射网络、与波导末端相关联的偏转镜、光电探测器、垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser，VCSEL)。此列表并不详尽，因此可以考虑不同的内部光闸。这些内部光闸可以是纯发射式的，例如VCSEL，也可以是纯接收式的，例如光电探测器或光电二极管，或者也可以是在发射或接收中工作的双向内部光闸。
根据一个示例，透明垫在垂直于第三面的方向上具有在50μm和300μm之间的高度h。
根据一个示例，光束的第二表面的大小比第一表面的大小大至少三倍，优选地大至少五倍。
根据一个示例，集成光学组件包括位于透明垫和基础光学组件之间的聚合物插入层。例如，这使得可以将透明垫粘合到基础光学组件上。因此可以单独制造透明垫。
根据一个示例，透明垫和基础光学组件是具有折射率n的二氧化硅基(silica-based)材料。
根据一个示例，聚合物插入层是具有折射率np的透明聚合物基(transparentpolymer-based)材料，其中0.9.n≤np≤1.1.n。这使得当光束穿过聚合物插入层时可以避免干涉反射。根据另一示例，聚合物插入层是具有折射率np的透明聚合物基材料，其中1.2≤np≤1.7。
根据一个示例，聚合物插入层填充了基础光学组件的会聚镜和透明垫之间的空间。例如，这使得可以适应透明垫和会聚镜之间的形状差异。聚合物插入层因此确保会聚镜和透明垫之间的材料连续性。透明垫可以具有彼此平行的平面。这简化了透明垫的设计。
根据一个示例，透明垫与基础光学组件以及会聚镜直接接触。透明垫可以例如通过热层压透明聚合物的沉积而直接制造在基础光学组件上。在这种情况下，透明垫可以塑造出会聚镜的形状。
除了不兼容之外，针对给定实施例详细描述的技术特征可以与作为示例且以非限制性方式描述的其他实施例的上下文中描述的技术特征相结合，从而形成不必示出或描述的另一实施例。这样的实施例显然不排除在本发明之外。
在本发明的范围内，表述“确保光束在第一光闸和第二光闸之间的传播”是指可以将光束从第一光闸传送到第二光闸，或者相反，即光束可以从第二光闸传送到第一光闸。光束通常沿着光学轨迹或路径传播。
在本发明的范围内，“透明”物体或材料是指该物体或材料让来自光束的至少90％的光强度通过。
透明层可以具有不同的形状。可以将其限定为透明垫，而此表述不限制该层可以具有的形状。因此，透明垫不一定限于矩形的平行六面体形状。例如，它可能类似于圆柱体，或者具有中空或凸出的尖角。
术语“反射”或其等同词是指从入射光束的表面向一个或多个方向上重新发射的现象，其方向与入射方向相反。在本说明书中，只要表面重新发射至少85％的入射光束强度，就认为该表面具有反射性。反射可以是镜面反射(一个反射方向)，也可以是漫反射(几个反射方向)。
需要说明的是，在本发明的范围内，术语“在……上(on)”、“超过(surmounts)”、“在下面(underlying)”、“相对/相反(opposite)”及其等同词不一定意味着“接触”。因此，例如，第一层沉积在第二层上并不强制意味着这两个层直接相互接触，而是意味着第一层通过直接与其接触或通过至少一个其他层或至少一个其他元件与其隔开而至少部分地覆盖第二层。
此外，一个层可以由一种相同材料或不同材料的多个子层组成。
材料A“基(based)”的衬底、元件、层是指仅包含该材料A或该材料A和可能的其他材料(例如合金元素和/或掺杂元素)的衬底、元件、层。
包括轴x、y、z的优选正交标记在附图中表示。当一个标记出现在一组相同的图示上时，该标记适用于该组的所有图示。
在本专利申请中，高度和深度是沿z轴取的。光束沿光轴传播，其形状随着传播而展开。在与光轴相交的平面中，通过考虑光束在该平面中的轮廓来评估光束的形状和尺寸。光束在与光轴相交的平面中的轮廓定义为该平面内相对于光轴上的光束中心而言强度降低了1/e2的点的位置，e为约等于2.71828的欧拉常数。因此，光束的形状可以例如是圆形并且由直径限定，或者例如是椭圆形并且由大直径和小直径限定。在一般情况下，光束在给定横向平面中的大小将被视为在该平面中光束轮廓的任意两点之间的最大线性尺寸。对于给定的横向平面，光束的“截面”或“表面”定义为位于光束轮廓内的横向平面的表面。该截面或表面的“大小”定义为光束在所考虑的横向平面中的大小。
根据一种可能性，在内部光闸处，在与光轴正交的平面中测量光束的大小或光束的尺寸特性，例如图2中表面S1的大小d1。光束在外部光闸处的折射通常会在透明层和外部介质之间的界面处引起光轴方向的变化。这个界面被称为“第三表面”。因此，在外部光闸处测量光束大小有多种可能性。光束的大小或光束的尺寸特性可以在外部光闸处在与集成光学组件外部的光轴正交的平面中测量，例如图2中表面S′的大小d′，或在集成光学组件的透明层内与光轴正交的平面中测量，例如图2中表面S的大小d。根据另一种可能性，光束的大小或光束的尺寸特性在外部光闸处在第三表面的平面中测量。因此，“横截面”或“横向”表面不一定意味着该截面或表面与光轴正交。
“在……上(on)”、“超过(surmounts)”、“在……下(under)”、“在下面(underlying)”、“上方(above)”、“下方(below)”等相对术语是指在z方向上的位置。此术语列表并不详尽。其他相关术语可以根据需要通过参考附图容易地指定。
一个元件位于另一个元件“处(at)”意味着该元件位于该另一个元件上或紧邻该另一个元件。通常，位于第三面处的平面镜意味着平面镜直接位于该第三面上，或相对于该第三面略微偏移，例如通过封装在第三面下方的透明层中，最大深度为所述透明层的20％厚度。“处”表示允许定位公差。对于图中所示的理想位置，该公差约为20％。
术语“垂直的(vertical)”、“垂直地(vertically)”指的是沿z轴的方向。术语“水平的(horizontal)”、“水平地(horizontally)”指的是平面xy中的方向。当涉及运动或定位时，术语“横向的(lateral)”也指平面xy中的方向。
与另一个元件“垂直地对齐”或“位于其右侧”的元件意味着这两个元件都位于图中垂直定向的同一条线上。
下面描述了集成光学组件的不同实施例，并在图1至图9中进行了说明。该光学元件的原理是在内部光闸——其中光束的尺寸特性被减小——和外部光闸——其中光束的尺寸特性被扩大——之间修改光束的大小。扩大的尺寸特性优选地比减小的尺寸特性大三倍，优选地大五倍。光束的尺寸特性通常可以是直径，或椭圆的大轴或小轴。下面，为了清楚起见，“直径”将被简单地提及，以表示该特性尺寸。光束通常具有约1.3μm或1.5μm的波长λ。
图1示出了根据本发明的集成光学组件1的第一示例。
集成光学组件1包括由衬底10承载的基础光学组件20。基础光学组件20包括内部光闸21。它具有底面201和顶面202。
该基础光学组件20通常可以是由绝缘体上硅(SOI)型衬底形成的芯片或硅上光子组件。这样的SOI衬底通常包括：作为沿z的叠层，称为顶硅(topSi)的薄硅层，例如300nm厚；所谓的掩埋氧化物(BOX)层，例如800nm厚；所谓的“块状(bulk)”硅固体衬底。块状硅在此形成基础光学组件20的支撑衬底10。BOX和体之间的界面对应于基础光学组件20的底面201。
topSi层(顶硅层)通常被结构化以形成光子元件，例如一个或多个波导21′。基础光学组件20可以包括各种功能，例如电光调制器、光电二极管(例如由硅上锗制成)、过滤或路由功能以及用于控制不同光子元件的金属电导体25。
所有光子和电学元件通常被封装在绝缘且透明的介电材料基封装层23中，例如二氧化硅。下面，将考虑封装层23由二氧化硅制成，其具有折射率n＝1.45。
根据未示出的可能性，也可以考虑其他类型的基础光学组件20，例如由III-V或II-VI族材料制造的电路。
在图1所示的示例中，topSi层在波导21′的末端被结构化，以形成衍射网络21a。该衍射网络21a在此形成内部光闸21。它向上定向，即，它被配置为用于通过顶面202发射或接收光束F的垂直耦合器。衍射网络21a可以被视为沿光方向的输出闸或输入闸。这里，它形成了双向内部光闸21。
光束的形状和大小沿着光束F的光轴演进。在下面的描述中，将考虑光束的形状是圆形的，或者具有对称平面xz的椭圆形。在椭圆光束的情况下，“直径”一词将表示位于对称平面xz中的椭圆的直径。
光束F通常在内部光闸21处具有大小减小的第一截面，标记为S1。如果是圆形的或椭圆形的，则该截面通常在平面xz中具有直径d1，如图2所示。该减小的直径d1位于内部光闸21处。该减小的直径d1例如约为9μm。如图1所示，光束F通常是朝上的，相对于垂直方向的角度θ约为8°。
基础光学组件20还包括会聚镜22，该会聚镜在其顶面202处，向上定向，并且直径大于或等于该水平的光束宽度D，光束的宽度在水平方向x上测量。宽度D如图2所示。
集成光学组件1还包括贴装在基础光学组件20的表面上的透明层30，也称为透明垫30。该透明垫30可以具有不同的形状，例如矩形平行四边形的形状，而该特定形状不是限制性的。该透明垫30位于内部光闸21和会聚镜22上方。它在其顶面302上具有平坦反射区或平面镜32。透明垫30通常可以具有平行于平面xy的平坦面301、302。平面镜32使得光束F在透明垫30内反射成为可能，从而在内部光闸21与会聚镜22之间建立光的轨迹。因此，内部光闸21发出的光束在基础光学组件20中、然后在透明垫30中向上传播，同时扩大。然后光束F被平面镜32沿会聚镜22的方向反射。光束F以这种方式返回到透明垫30，同时扩大(变宽)，然后被会聚镜22准直。准直的光束F然后在外部光闸31的方向上向上引导。它因此从集成光学组件1射出。
选择垫30的厚度h以提供足够的路径长度，使得光束F在其轨迹期间变宽，直到在会聚镜22上反射后达到直径d。d越大，对错位的容忍度越高。会聚镜的厚度h和焦距尤其可以相互选择或确定。
如图2所示，一般将位于与内部光闸21耦合的光束颈部中心的点标注为P，d1是该颈部处光束的直径。发射角θ取于称为光轴的光束的中心半径和沿z的垂直线(垂直方向)之间。会聚镜22和外部光闸31之间的光束截面用S表示。如果是圆形的或椭圆形的，该截面通常具有用d表示的直径。通过出射外部光闸31，光束可以具有与角度θ不同的角度θ′以及截面S′或直径d′。这通常是由于在面302处的光折射现象。因此，光束F在外部光闸31处具有扩大尺寸的第二截面。该第二截面可以具有在集成光学组件内部的表面S或在集成光学组件外部的表面S′。
光束F的扩大部分因此具有第二表面S或S′，其大小严格大于在内部光闸21取的第一表面S1的大小，优选至少大三倍，更优选至少大五倍。
需要提醒的是，通常被称为“光的可逆性原理”的光学定律表明，沿一个方向行进的光线轨迹也可以沿相反方向行进，这意味着在“输出”光闸(即发射光束)的情况下提出的推理可以在“输入”光闸(即接收光束)的情况下通过反转光路的方向来重写。因此，保证光束在第一光闸和第二光闸之间的传播意味着光束可以从第一光闸传播到第二光闸，或者相反，光束可以从第二光闸传播到第一光闸。
图3更详细地示出了基础光学组件20的一个实施例。在该示例中，在组件20的顶面202处制造中心为O且焦距为f的曲面会聚镜22a。该会聚镜22a具有足以反射直径为d的光束的直径。会聚镜D22的直径例如在30到100微米之间，通常约为70微米。会聚镜22a可以具有0.5和3微米之间的高度h22a，例如约1.2微米。
这种曲面镜可以通过灰度光刻技术实现。然后通过在二氧化硅封装层23中的蚀刻来转移通过这种灰度光刻获得的图案。在转移的图案处沉积反射层，例如约200nm厚的AlSi层的铝层。由此获得曲面镜22a。优选地，但可选地，在会聚镜22a和基础光学组件20的顶面202上形成保护透明层24(例如，氮化硅层)。有利地，可以选择氮化硅基保护层24的厚度，以形成抗反射层。
根据另一种可能性，封装层23是聚合物材料基的，并且曲面镜22a通过使用模具(“纳米压印光刻，nano-imprint lithography”)压印聚合物材料来制造。然后例如通过铝沉积用反射层覆盖由此获得的弯曲表面。
可以考虑其他类型的会聚镜。图4举例说明了菲涅耳镜或衍射镜类型的会聚镜22b。这种衍射镜可以是二元的，也可以是多级的。它通常被定义为细度可能小于光的波长(“亚波长衍射镜，sub-wavelength diffractive mirror”)。
会聚镜22向上定向，即它对于从顶部到底部的光束是反射性和会聚性的。会聚镜在其中心O处的轴线通常是垂直的，但也可以将会聚镜设计为使其轴线倾斜，以在反射后改变光束的方向。
图5图示了集成光学组件1的另一个实施例，其中内部光闸21是“侧耦合器”类型。在该示例中，波导21′与同偏转镜212相关联的模式转换器211耦合。内部光闸21因此在这里是由模式转换器211和偏转镜212组成的复合光闸。
由硅波导21′引导的光学模式的大小通常小于1微米，使用例如由氮化硅制成的模式转换器211来产生直径更宽的光束F1，例如d1＝6微米，是有利的。该光束F1然后由偏转镜212根据角度θ在平面镜32的方向上返回。如图1所示的耦合网络21a的情况，光闸21b是双向闸。在本发明的范围内，将不涉及该复合闸的组成和制造的细节，并且将其视为仅以上述两个参数θ和d1为特征的实体。
根据图6所示的另一个实施例，内部光闸21也可以是像锗光电二极管那样的光接收器21c。这种光电二极管可以例如在硅腔中制造，例如具有直径d1＝9μm。该内部光闸21、21c因此只是光输入闸。可以考虑其他类型的内部光闸21，例如垂直腔面发射激光器(VCSEL)，其因此将是光输出闸。
在集成光学组件1中，透明垫30与基础光学组件20相关联。该透明垫30包括平面镜32和在其面302处的外部光闸31。这样的透明垫30可以以多种方式制造。
在第一实施例中，该透明垫30与基础光学组件20分开制造。透明垫30在此通常由二氧化硅衬底33制造，其中在该二氧化硅衬底上将通过光刻，例如以铝基层的形式，制备平面镜32。为了保护该平面镜32，优选地在平面镜32上和透明垫30的面302上形成例如氮化硅基的透明封装镜34。有利地，可以选择氮化硅基的封装层34的厚度，以形成抗反射层。
然后可以将透明垫30粘合在基础光学组件20上，在内部光闸21和会聚镜22上方，如不同的图1至图9所示。透明垫30的平面镜32必须这样定位，以反射来自基础组件20的内部光闸21的光，而不阻挡被会聚镜22反射的光。由于平面镜32和透明垫30的面301、302的平坦度，定位的精度并不关键。因此可以容忍几微米、甚至几十微米的水平平移。因此，可以使用具有有限精度和高速的贴装机来执行在基础光学组件20上延伸透明垫30的这项操作。这在工业化生产集成光学组件1的背景下是有利的。
可以使用透明的、聚合物基的粘合层203(也称为聚合物插入层)来完成胶合。这有利地使得可以填充存在于会聚镜22(通常在曲面镜22a的情况下)上方的空腔或空间E。优先选择具有能够限制基础光学组件20和透明垫30之间的干涉反射的折射率的粘合层203。在基础光学组件20的封装层23由二氧化硅制成且透明垫30的衬底33也由二氧化硅制成的情况下，通常会选择折射率接近二氧化硅的粘合层203。特别地，可以使用在紫外线照射下的聚合粘合层203，以在其实施过程中冻结透明垫30的位置。此外，使用“双固化”型粘合层203会是有利的，这使得可以通过第一次短暂的紫外线照射快速冻结透明垫30，然后例如当所有透明垫30被贴装在基础光学组件20上时，在彼此共同延伸的范围内进行整体热退火，以结束粘合层203的聚合。
为了在胶合期间精确限定顶面202的平面镜32与组件20之间的距离h，可以使用衬垫(未示出)，例如在透明垫30的底面301上制造的平面接触端子，或校准垫片，或者也可以使用分散在粘合层203中的校准球。
在组件20的顶面202是平坦的并且具有与直接胶合兼容的平坦度和粗糙度的情况下，可以考虑用于胶合透明垫30的其他方式，例如直接胶合(也称为“分子胶合，moleculargluing”)。
有利地，透明垫30共同实施在基础光学组件20晶圆上，以便受益于共同延伸方法的有效性。在延伸透明垫30之后，通常在制造结束时切割晶圆，以生产单独的集成光学组件1。
在另一实施例中，通过沉积透明聚合物材料直接在基础光学组件20上形成透明垫30。在这种情况下，透明垫30可以例如由基础光学组件20上的热层压聚合物膜形成，然后通过光刻在其上形成平面镜32。例如，然后可以在聚合物膜和平面镜32上施加透明聚合物清漆基的保护层。
下面详细介绍了大小和公差示例。用于计算的建模和符号如图2所示。此处的计算是针对波长λ＝1.310μm(在真空中)进行的。这些计算可以转置到任何其他波长。为简单起见，将参考以下情况，其中所通过的材料都具有二氧化硅的折射率，n＝1.447。考虑具有垂直轴的中心O的会聚镜22。内部光闸21通常在会聚镜22的中心O的高度以下的距离z处，通常为几微米，例如z＝4μm。不太常见的情况是内部光闸21的高度大于会聚镜22的中心高度，将对应于负的高度值z。然而，这个z值在透明垫30的厚度h之前很小，在计算中一般可以忽略。
光束F被认为是高斯单模光束，这是对现实的良好近似。高斯光束的发散度为
Figure BDA0003689352160000141
为了获得其直径取决于会聚镜22上的反射的光束，必须允许其扩大长度L＝d/Δθ上。因此，所需的透明垫的厚度为h＝L/2cos(θ)。为了产生准直光束F，会聚镜22的焦距f优选地等于L。对于集成光学组件1通常寻求这种情况。
在第一近似中，会聚镜22可以是球形的，弯曲半径R＝2f。然而，要考虑角度θ的倾斜入射，可以考虑在入射平面(图2中的平面xz)中半径为R1＝2f/cos(θ)且在矢状平面(垂直于入射平面)中半径为R2＝2f cos(θ)的椭圆表面。通常，本领域技术人员会通过光学设计软件(例如Zemax、Oslo或CODE V)来确定理想的表面。会聚镜22的表面大小大于内部光闸的大小。
光束F通过外部光闸31从透明垫30射出，以直径d′并沿角度为θ′的方向在折射率为n′的介质中传播。将考虑光束F出射到空气中的典型情况，即n′＝1。
可以写出折射关系n sin(θ)＝n′sin(θ′)，它给出了输出角θ′＝arcsin(n sin(θ)/n′)作为θ的函数。还可以写出几何关系d/cos(θ)＝d′/cos(θ′)，它给出了会聚镜22处的光束直径：d＝d′cos(θ)/cos(θ′)作为d′的函数。
会聚镜22处光束的水平直径D为D＝d/cos(θ)。会聚镜22的直径必须大于或等于D。
在透明垫30的顶面302上的平面镜32处，光束的水平直径为Ds＝L/2·Δθ/cos(θ)。平面镜32的直径必须大于或等于Ds。为了在实践中实现这种几何形状，在会聚镜22上反射之后，必须确定平面镜32处的光束边缘与外部光闸31处出现的光束边缘之间的余量xs。这使得可以验证平面镜32的边缘没有隐藏一些出射光束的风险。余量xs可以根据以下公式计算：xs＝Lsin(θ)–(D+Ds)/2。
这种建模的另一个挑战与光学系统对几何变化的公差有关。特别地，可以根据透明垫30的高度h的变化，或者同样地，根据透明垫30下方的聚合物粘合层203厚度的变化来确定内部光闸21和外部光闸31之间的耦合灵敏度。内部光闸21与会聚镜22的中心O之间的距离x根据dx/dh＝2tan(θ)变化。光束在内部光闸平面中的位置x1的变化与x的变化有关，即δx1＝δx·cos(θ)。因此，dx1/dh＝dx/dh cos(θ)＝2sin(θ)。因此，产生差值δx1的厚度变化δh为δh＝δx1/(2sin(θ))。根据相对于光闸21的中心的差值δx1，光闸21中的透射率(假定为高斯)是T＝exp(-4(δx1/d1)2)。例如，对于差值δx1＝d1/5，透射率T等于T＝85％。与这种情况相对应的高度变化称为δh(85％)。这种高度变化等于δh(85％)＝(d1/5)/(2sin(θ))＝d1/(10sin(θ))。
作为补充，角度和空间公差是针对射入折射率n′＝1的介质的光束指出的。输出光束的角宽度为
Figure BDA0003689352160000151
对于光束的角度差δθ′，外部光闸31中的透射率根据T＝exp(-4(δθ′/Δθ′)2)演变，并且例如对于δθ′＝Δθ′/5等于T＝85％，将被记为δθ′(85％)的值。对于入射光束相对于其理想位置的差值δx′，外部光闸中的透射率根据T＝exp(-4(δx′/d′)2)演变。对应于透射率降低到T＝85％的差值将称为δx′(85％)。
下面的表1[表1]呈现了在三种配置中对出射模式的直径d′为50μm进行的计算。左边的三列是输入参数，其他参数是由它们推导出的。
表1
Figure BDA0003689352160000161
表2呈现了在三种配置中对出射模式的直径d′为70μm进行的计算。
表2
Figure BDA0003689352160000162
在所有呈现的配置中，余量xs大于10μm，这为平面镜32的边缘位置留下了舒适的公差。因此，在透明垫30通过延伸组装到基础光学组件20的情况下，可以通过使用精度为±10μm的芯片贴装设备(“拾取-贴装”设备)来实现这种延伸，这在工业设备中很常见。与需要更精细贴装(通常为±2μm)的已知解决方案相比，这种贴装公差是舒适且有利的。此外，根据本发明的集成光学组件和光连接器之间的错位公差随着光束的扩大而增加。
透明垫30的厚度公差δh(85％)根据配置在1.4至6.5μm之间变化。在透明垫的制造过程中，衬底33的厚度可以通过适当的抛光和测量方法控制在±1μm或更好。通过使用衬垫，也可以以相同的精度优化胶合。因此，此处描述的配置可以在实践中实现。优选地，将选择直径d1尽可能宽的内部光闸21，例如6或9μm，因为正是这种情况为厚度h提供了最宽的公差。
如图7、8和9所示，根据本发明的包括透明垫30的集成光学组件1可以与配置成与扩大光束耦合的光纤连接器2一起使用。
这种连接器2通常在光纤40的末端包括一个或多个微透镜42。这种类型的连接器特别在Senko(扇港)商业化。连接器2还可以包括使用偏转镜和微透镜或曲面偏转镜使光从光纤40偏离的套管或导光管41。这使得可以改变光束的方向，使其扩大和准直。这种类型的连接器特别在USConec商业化。
根据所考虑的光连接器2的几何形状，必须调整其相对于集成光学组件1的方向，使得光轴正确对准。图7和8对于集成光学组件1有两种与连接器2相关的定位和对准可能性。
如图9所示，还可以提供机械底座3，以确保根据上述公差的可重复定位。特别地，10μm或更大的横向公差δx′(85％)使得可以考虑光连接器2在机械底座3上的简单机械互锁，以确保该对准精度。与直接胶合在传统集成光学组件的内部光闸上方的裸光纤的连接通常需要±2μm的精度相比，这是一个宽松的公差。该机械底座3因此可以通过简单的凸耳43与连接器2接合。
根据本发明的集成光学组件1使得可以使用许多种光连接器。透明垫和会聚镜的大小尤其可以用上述公式确定，以产生从集成光学组件射出的扩大光束，其直径d′等于所考虑的光连接器2的标称模式直径。与现有技术已知的解决方案相反，基础光学组件20中使用的会聚镜22的焦距以及内部光闸21的直径d1不受连接器2的选择的限制。
此外，在本发明中，光束不穿过衬底10，因此不存在不便的干涉反射。使用像二氧化硅这样的透明材料并在容易接近的面202、302上实施抗反射层使得可以提出显著限制光学损耗的解决方案。此外，由于光束的扩大不依赖于衬底10，衬底10的厚度将不受所寻求模式的直径d、d′的选择的限制。因此，可以独立地选择该衬底10的厚度，以适应其他约束(例如，确保光学热耗散，或实现通孔TSV的使用)。这使得可以在集成光学组件1的设计中考虑更大的通用性。
从上面的描述可以清楚地看出，根据本发明的集成光学组件1具有较小的光学损耗，能够方便组装(贴装精度为10微米的透明垫就足够了)，并且可以与市场上的不同连接器相关联(在设计期间无需涉及特定连接器)。本发明不限于上述实施例。

Claims (18)

1.一种集成光学组件(1)，被配置为确保光束(F)在所谓的第一的内部光闸(21)和所谓的第二外部光闸(31)之间的传播，所述光束(F)具有光轴、在所述第一光闸(21)处横向于所述光束(F)的光轴截取的第一表面(S1)和在所述第二光闸(31)处横向于所述光束(F)的光轴截取的第二表面(S')，使得所述第二表面(S')严格具有更大的尺寸，优选地比所述第一表面(S1)至少大三倍，所述集成光学组件(1)包括基础光学组件(20)，所述基础光学组件包括所述内部光闸(21，21a，21b，21c)，
所述基础光学组件(20)具有称为底面(201)的第一面和与所述底面(201)相对的称为顶面(202)的第二面，
所述内部光闸(21)被配置为沿着穿过所述基础光学组件(20)的顶面(202)的轨迹发射或接收分别发散或会聚的所述光束(F)，
所述集成光学组件(1)的特征在于还包括布置在所述基础光学组件(20)的顶面(202)上的透明层(30)，所述透明层(30)具有第三面(302)，所述第三面面向并平行于所述基础光学组件(20)的顶面(202)，所述透明层(30)在所述第三面(302)处包括所述外部光闸(31)，并且
所述透明层(30)包括位于所述第三面(302)处并面向所述基础光学组件(20)的顶面(202)旋转的平面镜(32)，所述基础光学组件(20)包括面向所述透明层(30)的第三面(302)旋转的会聚镜(22，22a，22b)，
所述平面镜(32)和所述会聚镜(22)布置成使得所述光束(F)通过在所述平面镜(32)上的反射和通过在所述会聚镜(22)上的反射穿过所述透明层(30)而在所述内部光闸(21)和所述外部光闸(31)之间传播。
2.根据前一项权利要求所述的组件，其中，所述平面镜(32)插入在所述内部光闸(21)和所述会聚镜(22)之间的所述光束(F)的轨迹上，并且其中，所述会聚镜插入在所述外部光闸(31)和所述平面镜(32)之间的所述光束的轨迹上。
3.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中，所述内部光闸(21)被配置为使得所述光束(F)在所述内部光闸(21)和所述平面镜(32)之间以及在所述平面镜(32)和所述会聚镜(22)之间具有彼此不平行的光线。
4.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中，所述会聚镜(22)被配置为使得所述光束(F)在所述外部光闸(31)和所述会聚镜(22)之间具有彼此平行的光线。
5.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中，所述会聚镜(22)具有在0.8.L和1.2.L之间的焦距f，L是在所述内部光闸(21)和所述会聚镜之间传播的所述光束(F)的轨迹的长度。
6.根据前述权利要求中任一项所述的组件，被配置为使得在所述内部光闸(21)和所述平面镜(32)之间的所述光束(F)的轨迹在所述会聚镜(22)的外围处穿过所述第二面(202)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中，所述外部光闸(31)位于所述平面镜(32)的外围。
8.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中，所述内部光闸(21)被配置为沿着光轴发射或接收所述光束(F)，所述光轴相对于垂直于所述第二面(202)和所述第三面(302)的方向具有在5°和20°之间、通常为8°的角度θ。
9.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中，所述会聚镜(22)选自球面或抛物面曲面镜(22a)、菲涅耳镜、衍射镜(22b)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中，所述内部光闸(21)选自衍射网络(21a)、与波导(21b)端部相关联的偏转镜、光电探测器(21c)、垂直腔面发射激光器。
11.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中，所述透明层(30)具有沿垂直于所述第三面(302)的方向截取的介于50μm和300μm之间的高度h。
12.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中，所述光束的第二表面(S')的大小比所述第一表面(S1)至少大三倍，优选地至少大五倍。
13.根据前述权利要求中任一项所述的组件，包括位于所述透明层(30)和所述基础光学组件(20)之间的聚合物插入层(203)。
14.根据前一项权利要求所述的组件，其中，所述透明层(30)和所述基础光学组件(20)是具有折射率n的二氧化硅基材料，并且其中，所述聚合物插入层(203)是具有折射率np的透明聚合物基材料，使得0.9.n≤np≤1.1.n。
15.根据前述两项权利要求中任一项所述的组件，其中，所述聚合物插入层(203)填充所述基础光学组件(20)的会聚镜(22)和所述透明层(30)之间的空间(E)。
16.根据权利要求1至12中任一项所述的组件，其中，所述透明层(30)与所述基础光学组件(20)以及所述会聚镜(22)直接接触。
17.一种系统，包括至少一个根据前述权利要求中任一项所述的集成光学组件(1)和与所述外部光闸(31)耦合的光连接器(2)。
18.一种制造根据权利要求13至15中任一项所述的组件的方法，包括：在第一衬底上形成所述基础光学组件(20)和所述会聚镜(22)；以及在第二衬底上形成所述透明层(30)和所述平面镜(32)，并且包括：在所述基础光学组件(20)上延伸和组装所述透明层(30)，所述组装是使用所述聚合物插入层(203)完成的。
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