CN116848445A - 用于多芯光纤的紧凑型双偏振耦合器 - Google Patents

Abstract

一种用于将多芯光纤(105)的多个芯(160)耦合至集成光子器件的光纤耦合器(135)，包括光栅阵列，该光栅数组包括以对应于多芯光纤(105)中的多个芯(160)的方式布置的多个偏振分光光栅(180)。光纤耦合器(135)还包括从多个偏振分光光栅(180)的每个偏振分光光栅的第一侧和第二侧延伸的第一模转换器和第二模转换器(235,240)，以接收由偏振分光光栅(180)散射的光学信号的第一偏振模式和第二偏振模式。多个波导(145‑a，145‑b)从模转换器(235,240)的每个模转换器的端部延伸以引导光学信号中的一个光学信号的单个偏振模式。

Description

用于多芯光纤的紧凑型双偏振耦合器

相关申请的交叉引用

本申请基于35U.S.C.§119要求于2021年2月5日提交的美国临时申请第63/146,260号的优先权，本申请基于该临时申请的内容并且该临时申请的内容通过引用的方式整体并入本文。

技术领域

本公开内容涉及光纤耦合器，并且更具体地，涉及用于多芯光纤的光栅耦合器。

背景技术

在数据中心及光学网络中运用光纤传输系统以光学地连接多个不同的光学装置。为了增加此类光纤传输系统的容量，已研究了包含多芯光纤的各种空分复用技术。若来自芯中的全部芯的光能有效率地耦合，则采用如此多芯光纤为最有益的。例如，若来自多芯光纤的光被传输至集成光子器件(诸如光子集成电路)，则光栅耦合器可被用于将多芯光纤的每个芯耦合至光子集成电路的波导。现有的光栅耦合器可包含用于将来自多芯光纤的每个芯的光学信号引导至波导的一个波导的光栅及波导锥形体。此类现有的光栅及波导锥形体在结构上与特定多芯光纤不兼容。若多芯光纤中的芯到芯间隔距离太小，例如，现有的光栅及波导锥体组合可能过于庞大，无法有效率地将来自每个芯的两种偏振模式的光耦合至单独的波导。因此，现有的光栅耦合器可能会致使光学信号中的偏振多样性的损失，这对于高端通信系统而言为不可接受的。

发明内容

本公开内容的第一方面包含光学系统，光学系统包括：多芯光纤，多芯光纤包括多个芯；以及光纤耦合器。光纤耦合器包括光栅阵列，光栅阵列包括设置在基板上的多个偏振分光光栅。多个偏振分光光栅以对应于多芯光纤中的多个芯以接收来自多个芯中的一个芯的光学信号中的方式布置。多个偏振分光光栅包括的偏振分光光栅的数量小于或等于多芯光纤的芯的数量。光纤耦合器还包括第一模转换器，其从多个偏振分光光栅的每个偏振分光光栅的第一侧延伸以接收由偏振分光光栅散射的光学信号的第一偏振模式；第二模转换器，其从多个偏振分光光栅的每个偏振分光光栅的第二侧延伸，以接收由偏振分光光栅散射的光学信号的第二偏振模式；以及多个波导，其从模转换器的每个模转换器的端部延伸以引导光学信号的一个光学信号的单个偏振模式。

本公开内容的第二方面包含根据第一方面的光学系统，其中多个芯中的毗邻芯彼此通过小于或等于45μm的最小芯到芯间隔距离隔开。

本公开内容的第三方面包含根据第一至第二方面中任一项的光学系统，其中多芯光纤包括小于或等于125μm的总直径。

本公开内容的第四方面包含根据第一至第三方面中任一项的光学系统，其中多芯光纤包括至少2个芯，使得4个偏振模式由从每个模转换器的端部延伸的多个波导引导。

本公开内容的第五方面包含根据第一至第四样中任一项的光学系统，其中多芯光纤包括至少5个芯，使得10个偏振模式由从每个模转换器的端部延伸的多个波导引导。

本公开内容的第六方面包含根据第一至第五方面中任一项的光学系统，其中多个芯中的相邻芯彼此由小于或等于35μm的最小芯到芯间隔距离隔开。

本公开内容的第七方面包含根据第一至第六方面中任一项的光学系统，其中多个偏振分光光栅的第一侧及第二侧与多个芯中的每个芯的模式场直径至少一样长。

本公开内容的第八方面包含根据第一至第七方面中任一项的光学系统，其中模场直径大于或等于5μm且小于或等于25μm。

本公开内容的第九方面包含根据第一至第八方面中任一项的光学系统，其中从多个偏振分光光栅中的每个偏振分光光栅延伸的第一模转换器及第二模转换器包括在垂直于第一偏振模式及第二偏振模式的传播方向的方向上的尺寸，该尺寸小于或等于模式场直径的1.2倍。

本公开内容的第十方面包含根据第一至第九方面中任一项的光学系统，其中从多个偏振分光光栅中的每个偏振分光光栅延伸的第一模转换器及第二模转换器包括在第一偏振模式及第二偏振模式的所述传播方向上的尺寸，该尺寸小于或等于模式场直径。

本公开内容的第十一方面包含根据第一至第十方面中任一项的光学系统，其中每个偏振分光光栅以及从其延伸的第一模转换器及第二模转换器包括小于或等于250μm²的结合横截面积。

本公开内容的第十二方面包含根据第一至第十一方面中任一项的光学系统，其中光栅阵列的相邻偏振分光光栅的中心彼此由最小光栅间隔距离隔开，所述最小光栅间隔距离对应至多个芯的间隔。

本公开内容的第十三方面包含根据第一至第十二方面中任一项的光学系统，其中多个波导的每个波导与多个波导中的其他波导由至少500nm的最小波导间隔距离隔开。

本公开内容的第十四方面包含根据第一至第十三方面中任一项的光学系统，其中多个波导被弯曲使得多个波导延伸至光栅阵列的外侧。

本公开内容的第十五方面包含根据第一至第十四方面中任一项的光学系统，其中多个波导中的至少一个波导被弯曲，使得在光栅阵列的外侧，所述至少一个波导的延伸方向在模转换器端部相对于最初的延伸方向改变至少90°。

本公开内容的第十六方面包含根据第一至第十五方面中任一项的光学系统，其中多个波导中的至少一个波导在光栅阵列内的偏振分光光栅中的两个偏振分光光栅之间延伸。

本公开内容的第十七方面包含根据第一至第十六方面中任一项的光学系统，其中光学信号的每个偏振模式以大于或等于-6.0dB耦合效率耦合至多个波导中的一个波导中。

本公开内容的第十八方面包含根据第一至第十七方面中任一项的光学系统，其中光学信号的每个偏振模式以大于或等于-10dB且小于或等于-0.5dB的耦合效率耦合至多个波导中的一个波导中。

本公开内容的第十九方面包含根据第一至第十八方面中任一项的光学系统，其中光纤耦合器在1550nm附近以大于或等于50nm的3dB耦合效率带宽，耦合多个波导中每个光学信号的两种偏振模式。

本公开内容的第二十方面包含根据第一至第十九方面中任一项的光学系统，其中从偏振分光光栅中的每个偏振分光光栅延伸的第一模转换器及第二模转换器中的每个模转换器包括沿着弯曲的轮廓延伸的多个纳米结构，所述弯曲的轮廓朝着从模转换器延伸的波导延伸。

本公开内容的第二十一方面包含根据第一至第二十方面中任一项的光学系统，其中多个纳米结构包括100nm的最小特征尺寸。

本公开内容的第二十二方面包含用于将多芯光纤耦合至光子器件的光学装置，包括。光学装置包括偏振分光光栅，其被设置在基板上，偏振分光光栅在第一传播方向上将第一偏振模式的光朝向偏振分光光栅的第一侧引导，在第二传播方向上将第二偏振模式的光朝向偏振分光光栅的第二侧引导。第一侧及第二侧的长度大于或等于10μm且小于或等于15μm。光学装置还包含从偏振分光光栅的第一侧及第二侧延伸的第一侧及第二模转换器，第一侧及第二模转换器将第一传播方向及第二传播方向上的第一偏振模式及第二偏振模式分别引导至从第一模转换器及第二模转换器延伸的第一波导及第二波导中。第一模转换器及第二模转换器包括沿着第一传播方向及第二传播方向的长度，所述长度小于或等于偏振分光光栅的第一侧及第二侧的长度。

本公开内容的第二十三方面包含根据第二十二方面的光学装置，其中偏振分光光栅、第一模转换器以及第二模转换器包括小于或等于250μm²的结合横截面积。

本公开内容的第二十四方面包含根据第二十二至第二十三方面中任一项的光学装置，其中偏振分光光栅的第一侧和第二侧包括大于或等于10μm的长度。

本公开内容的第二十五方面包含根据第二十二至第二十四方面中任一项的光学装置，其中第一及第二模转换器沿着第一传播方向及第二传播方向包括大于或等于3μm且小于或等于10μm的长度。

本公开内容的第二十六方面包含根据第二十二至第二十五方面中任一项的光学装置，其中第一及第二模转换器将第一偏振模式及第二偏振模式引导至第一导及第二波导，其带有大于或等于-0.5dB的插入损耗。

本公开内容的第二十七方面包含根据第二十二至第二十六方面中任一项的光学装置，其中偏振分光光栅为包括多个偏振分光光栅的光栅阵列的组件，多个偏振分光光栅以对应于多芯光纤中的多个芯的布置的方式布置，使得多个偏振分光光栅中的每个偏振分光光栅接收来自芯中的一个芯的光学信号。

本公开内容的第二十八方面包含根据第二十二至第二十七方面中任一项的光学装置，进一步包括从多个偏振分光光栅的每个偏振分光光栅的第一侧及第二侧延伸的模转换器对，所述模转换器对中的每个模转换器将光学信号中的一个光学信号的偏振模式引导至被设置在模转换器的端部的波导。

本公开内容的第二十九方面包含根据第二十二至第二十八方面中任一项的光学装置，其中光栅阵列的相邻偏振分光光栅的中心彼此由最小光栅间隔距离隔开，最小光栅间隔距离为小于或等于50μm。

本公开内容的第三十方面包含根据第二十二至第二十九方面中任一项的光学装置，进一步包括将多芯光纤保持在基板上方小于50μm处，使得多个芯中的一个芯与光栅阵列的多个偏振分光光栅中的一个偏振分光光栅对准。

本公开内容的第三十一方面包含根据第二十二至第三十方面中任一项的光学装置，其中多芯光纤中的多个芯包括小于或等于45μm的最小芯到芯间隔距离。

本公开内容的第三十二方面包含根据第二十二至第三十一方面中任一项的光学装置，其中多芯光纤中的多个芯的相邻芯彼此通过大于或等于20μm且小于或等于25μm的最小芯到芯间隔距离隔开。

本公开内容的第三十三方面包含根据第二十二至第二十三方面中任一项的光学装置，其中多芯光纤包括小于或等于125μm的总直径。

本公开内容的第三十四方面包含一种将来自多芯光纤的光耦合至光子集成电路的方法。所述方法包括以下步骤将多个光学信号从多芯光纤的多个芯传输至光子集成电路的光栅阵列上，光栅阵列包括设置在基板上的多个偏振分光光栅，多个偏振分光光栅以对应于多芯光纤中的多个芯的方式布置，以接收光学信号中的一个光学信号。方法包括以下步骤，在多个偏振分光光栅的一个偏振分光光栅处散射多个光学信号中的每个光学信号的光，使得在第一传播方向及第二传播方向上分别引导多个光学信号的第一偏振模式及第二偏振模式。方法包括以下步骤，使用从多个偏振分光光栅中的每个偏振分光光栅延伸的模转换器将第一偏振模式及第二偏振模式中的每个偏振模式个别地引导至多个波导中。多芯光纤包括至少5个芯，使得至少10种不同的偏振模式经由多个模转换器被引导至多个波导中。多个芯中的相邻芯是由小于或等于45μm的芯到芯间隔距离隔开。

本公开内容的第三十五方面包含根据第三十四方面的方法，其中多芯光纤包括小于或等于125μm的总直径。

本公开内容的第三十六方面包含根据第三十四方面至第三十五方面中任一项的方法，其中，芯到芯最小间隔距离小于或等于35μm。

本公开内容的第三十七方面包含根据第三十四方面至第三十六方面中任一项的方法，其中多芯光纤包括至少2个芯，使得至少4种不同的偏振模式经由模转换器引导至多个波导中。

本公开内容的第三十八方面包含根据第三十四方面至第三十七方面中任一项的方法，其中一个偏振分光光栅以及从其延伸的多个模转换器的模转换器对包括小于或等于250μm²的结合横截面积。

应当了解，上述一般性描述以及以下实施方式二者呈现的实施例仅为示例性的，并且预期提供概述或框架，此类概述或框架以理解权利要求的性质与特征。附加特征与优点将于随后的实施方式中阐述，并且部分地对于本领域技术人员而言从描述中为显而易见的，或通过实践在书面描述及权利要求中描述的实施例和所附附图认知。

附图说明

此说明书包含附图以提供进一步了解，且附图被并入并构成此说明书的一部分。附图为本公开内容的所选方面的示例，并与描述一起用于说明本公开内容所包含的方法、产物、及组合物的原理及操作，其中：

图1A示意性地描绘了根据本文中所描述的一个或多个实施例的包括多芯光纤以及用于在第一集成光子器件与第二集成光子器件之间传输多个光学信号的光栅耦合器的光学传输系统；

图1B示意性地描绘了根据本文中所描述的一个或多个实施例的图1A中所描绘的光学传输系统的多芯光纤以及光栅耦合器；

图1C示意性地描绘了根据本文中所描述的一个或多个实施例的图1B中所描绘的光栅耦合器的偏振分光光栅以及从中延伸的一对模转换器；

图1D示意性地描绘了根据本文中所描述的一个或多个实施例的图1C中所描绘的光栅耦合器的一部分的截面视图；

图1E示意性地描绘了根据本文中所描述的一个或多个实施例的图1B中所描绘的多芯光纤的截面视图；

图2A示意性地描绘了根据本文中所描述的一个或多个实施例的光栅耦合器，其包括以对应于多芯光纤的第一多个芯的方式布置的多个偏振分光光栅；

图2B示意性地描绘了根据本文中所描述的一个或多个实施例的光栅耦合器，其包括以对应于多芯光纤的第二多个芯的方式布置的多个偏振分光光栅；

图2C示意性地描绘根据本文中所描述的一个或多个实施例的光栅耦合器，其包括以对应至多芯光纤的第三多个芯的方式布置的多个偏振分光光栅；

图3A描绘了根据本文中所描述的一个或多个实施例的光栅耦合器的图像，所述光栅耦合器包括以对应于具有32μm的最小芯到芯间隔距离的多芯光纤的7个芯的方式布置的多个偏振分光光栅；

图3B描绘了根据本文中所描述的一个或多个实施例的图3A中所描绘的光栅耦合器的偏振光栅的一个7个芯的光栅的图像；

图3C描绘了根据本文中所描述的一个或多个实施例的用于测试图3A中所描绘的光栅耦合器的集成光子器件及多芯光纤的图像；

图3D描绘了根据本文中所描述的一个或多个实施例的在使用图3C中所描绘的集成光子器件测试图3A中所描绘的光栅耦合器期间实现的模拟耦合效率相对于波长的曲线图；以及

图3E描绘了根据本文中所描述的一个或多个实施例的使用图3A中所描绘的光栅耦合器的图3C中所描绘的多芯光纤的14种偏振模式的耦合效率以及芯中的两个芯之间的串扰的曲线图。

具体实施方式

现在将详细参考包括多芯光纤及用于将多芯光纤的多个芯耦合到集成光子器件的光纤耦合器的光学系统的实施例。光纤耦合器包括多个偏振分光光栅，此类偏振分光光栅以对应于多芯光纤中的多个芯的方式布置，使得每个偏振分光光栅接收来自多个芯的一个的光学信号。第一模转换器和第二模转换器从偏振分光光栅中的每一个偏振分光光栅延伸至将光学信号的不同偏振模式从芯路由到集成光子器件的其他组件的波导。将偏振分光光栅及从其延伸的模转换器的结构针对紧凑性设计，以有助于以对应于多芯光纤中的芯布置的阵列方式布置。在实施例中，例如，与每个偏振分光光栅相关联的第一模转换器和第二模转换器从偏振分光光栅的相邻第一侧及第二侧延伸以在第一传播方向上将第一偏振模式的光学信号并且在第二传播方向上将第二偏振模式的光学信号引导至波导。在实施例中，第一模转换器和第二模转换器包括沿着第一传播方向和第二传播方向的长度，所述第一传播方向和第二传播方向的长度小于或等于偏振分光光栅的第一侧和第二侧的长度。在实施例中，每个偏振分光光栅及从其延伸的第一模转换器和第二模转换器包括小于或等于250μm²的结合横截面积。在实施例中，多芯光纤相对于多芯光纤保持耦合角度，使得多芯光纤的每个芯耦合至偏振光栅的一个偏振光栅。在实施例中，耦合角度使得多芯光纤相对于光纤耦合器的表面法线以非零角度延伸。在实施例中，耦合角度使得多芯光纤垂直于光纤耦合器(例如，与其相关联的基板)延伸。

每个偏振分光光栅的紧凑性允许在将来自特定多芯光纤的光耦合到集成光子器件时保持偏振多样性。例如，在实施例中，具有最小芯到芯间隔距离小于或等于50μm(例如，小于或等于45μm、小于或等于40μm、小于或等于35μm、小于或等于32μm、小于或等于30μm、小于或等于25μm、小于或等于22μm)的多芯光纤，可通过本文中所描述的光栅耦合器耦合至集成光子器件，同时仍保持芯中的所有芯之间的偏振多样性。即，即便当芯中的每一个芯与多个芯中的相邻芯以小于或等于45μm分离时，多芯光纤的多个芯中的每个芯的两种不同偏振模式可耦合至集成光子器件的单独波导中。鉴于此，本文中所描述的光栅耦合器和模转换器有助于将具有与标准单模式光纤相关联的尺寸(例如，小于或等于125μm)及相对高的芯计数(例如，大于或等于2个芯、大于或等于5个芯、大于或等于7个芯、大于或等于8个芯)耦合，同时仍保持偏振多样性。本文中所描述的偏振分光光栅和模转换器的结构可适用于波分复用与空分复用以及偏振多样性相结合的系统的情况，以用于高数据速率或其他受空间约束的应用，诸如高密度光纤阵列。

在本说明书及随后的权利要求中，将引用数个术语，此类术语应界定成具有以下含义：

如本文中所使用，术语“约”意指数量、尺寸、配方、参数、及其他数量与特征并非且无需为确切值，但是可根据需要为近似和/或更大或更小，反射容差、转换因子、四舍五入、测量误差等，以及本领域技术人员已知的其他因素。当术语“约”被使用于描述范围的值或端点时，此公开内容应被了解为包含所称的特定值或端点。无论说明书中的范围的数值或端点列举“约”与否，范围的数值或端点预期包含两个实施例：一个由“约”修饰，一个未以“约”修饰。将进一步了解，每个范围的端点相对于另一个端点二者皆为显著的，且独立于另一个端点。

多芯光纤，还称作多芯部分或“MC”，出于本公开内容的目的，被认为包含设置在形成共同包层的包覆层矩阵之内的两个或更多个芯。每个芯可被认为具有由较低折射率内包层围绕的较高折射率芯区域。每个芯可包含由一个或多个较低折射率内包层围绕的较高折射率芯区域，所述内包层设置在每个芯与共同包层的包层矩阵之间。

如本文中所使用，多芯光纤可包含多个芯，其中可将每个芯界定成第i芯(即，第1或第一、第2或第二、第3或第三、第4或第四、等……)。第i芯可具有外半径r _Ci。将第i芯设置在多芯光纤的包层矩阵之内，其界定多芯光纤的共同包覆层。共同包覆层包含外半径R CC。

如本文中所使用，术语“相邻芯”是指最接近参考芯的芯。在实施例中，多芯光纤的所有芯可彼此等距地间隔。在其他实施例中，芯可彼此不等距地间隔。在实施例中，一些芯部分与参考芯部分的间隔将比相邻芯部分与参考芯部分的间隔更远。

如本文中所使用，将术语“耦合效率”测量和确定为两个光学组件之间的光功率传输的百分比，并计算为(例如，从单个波导测量的)输出功率除以来自(例如，在多芯光纤的特定芯中)输入的光功率。

如本文中所使用，术语“串扰”(当不被使用于描述多芯光纤耦合中的串扰时)是指由光纤至芯片(fiber-to-chip)光栅耦合器中所存在的非理想性所诱发的、在集成光子器件的波导之间发生的光学信号耦合。如本文中所描述，耦合至特定波导的串扰可通过确定从相邻波导(例如，除了正在测量串扰的波导以外的波导)输出的光功率并将所测量的光功率除以输入到多芯光纤的芯的信号的光功率，所述多芯光纤的芯被耦合到被测量的串扰的波导。

通过确定多芯光纤中信号强度掉落至峰值强度e^-2倍处的径向位置来测量模场直径(MFD)。除非另作说明，否则“模场直径”或“MFD”是指在1550nm处的模场直径。

如本文中所使用的方向性术语-例如，上、下、右侧、左侧、前、后、顶部、底部-仅是参照所绘制的附图，并不旨在暗示绝对定向。

除非另作明确说明，否则不旨在预期将本文中阐述的任何方法解释为要求按特定顺序进行步骤，设备还不需要任何特定定向。因此，在方法权利要求没有实际列举其步骤应被遵循的顺序的情况下，或在任何装置权利要求并未实际列举个别组件叙述的顺序或定向的情况下，或在权利要求或说明书中没有具体地说明步骤将被限制成特定顺序的情况下，或未列举设备组件的特定顺序或定向的情况下，不旨在预期在任何方面推断顺序或定向。此主张适用于任何可能的非表达基础的解释，包含:相对于与步骤的布置相关的逻辑问题、操作流程、组件的顺序、或组件的定向；从语法组织或标点符号衍生简单明了的含义，以及；说明书中叙述的实施例的数量或类型。

如本文中所使用，除非内容另作明确指定，否则单数形式“一”(a)、“一”(an)、以及“所述”(the)包含多个对象。因此，例如，除非上下文另作明确表示，否则“一”组件的参考包含具有两个或更多个此类组件的方面。

图1A示意性地描绘光学传输系统100。光学传输系统100包括发射光学装置110、接收光学装置115以及在发射光学装置110与接收光学装置115之间延伸的多芯光纤105。取决于光学传输系统100的环境，可采用各种形式的发射光学装置110及接收光学装置115。在实施例中，发射光学装置110及接收光学装置115中的一者或多者为集成光子器件，其中组件中的至少部分组件形成设置在共同基板上的光子集成电路。例如，在实施例中，发射光学装置110包括第一集成光子器件并且接收光学装置115包括第二集成光子器件。在实施例中，发射光学装置110和接收光学装置115可以是，例如，在中心局(central office，CO)、前端、交换中心等处实现的系统。在实施例中，发射光学装置110和接收光学装置115可在消费者场所设备(consumer premises equipment，CPE)或其他装置处实现。光学传输系统100可用于数据中心间通信及数据中心内通信。本文中所描述的光栅耦合器可用于可插拔光学器件以及共同封装的光学器件二者。尽管本文中描述在1550nm波长下进行通信的示例，但光学传输系统100可在与本公开内容一致的其他波长(例如，1310nm)下操作。

在所描绘的实施例中，发射光学装置110包括多个发射器125和耦合至多个发射器125的多个光学通信链路130。例如，第一发射器125-a可被配置成生成耦合至光学通信链路130-a的第一光学通信链路的第一光学信号。发射光学装置110可包括n个发射器125和光学通信链路130，使得能生成n个不同的光学信号并将其耦合至多个光学通信链路130中的各个光学通信链路中。在实施例中，多个光学通信链路130包括将多个光学信号从多个发射器125路由至耦合器120的多个光纤(例如，单模光纤或多模光纤)。在实施例中，多个光学通信链路130包括将多个光学信号从多个发射器至耦合器120的多个波导。取决于实现方式，由多个发射器125生成的多个光学信号中的每个光学信号可包括通过光学通信链路130传播的两个偏振模式。

在实施例中，发射光学装置110的耦合器120被配置成将由多个发射器125生成的多个光学信号的一个光学信号耦合至多芯光纤105的芯中。应理解到，在实施例中，耦合器120的结构可具有类似于本文中所描述的耦合器135的结构。即，本文中所描述的基于偏振分光光栅的耦合器可与本文中所描述的具体示例反向顺序操作以将多个波导耦合至多芯光纤105中。

取决于实现方式，多芯光纤105可具有各种长度。在实施例中，光学传输系统100既可用于短距离光学通信系统(例如，用于数据中心之内的连接)，还可用于长距离光学通信系统(例如，用于数据中心间连接、大都市环境、海底环境(诸如横贯大陆光学通信链接)二者。如将应当理解的，此类应用可利用具有不同长度的多芯光纤。

在实施例中，多芯光纤105包括设置在形成共同包层的包层矩阵之内的多个芯。每个芯可被认为具有通过较低折射率内包层围绕的较高折射率芯区域。每个芯可包含由一个或多个较低折射率内包层围绕的较高折射率芯区域，所述内包层设置在每个芯与共同包层的包层矩阵之间。在实施例中，耦合器120包括光纤扇入装置(诸如基于锥形光纤的耦合器)、透镜耦合系统、基于波导的耦合器、或基于光栅的耦合器，以耦合通过多个光学通信链路130传播的光学信号。在实施例中，多芯光纤105包括对应于多个发射器125中的发射器数量的芯的数量，使得由此生成的每个光学信号耦合至多芯光纤105的第二芯中。

在实施例中，多芯光纤105包括基于光学传输系统100的附加组件配置的结构。例如，诸如开关、检测器以及接收光学装置115的其他组件之类的组件可配置成与具有外直径为150μm或更小(例如，125μm)并且模场直径小于或等于15μm(例如，10μm、8μm、等)的光纤一起操作。附加地，为了将数据传输速率最大化，若多芯光纤105包括至少2个芯(例如，大于或等于3个芯、大于或等于4个芯、大于或等于5个芯、大于或等于6个芯、大于或等于7个芯、大于或等于8个芯)可以是有益的。将此类数量的芯局限在多芯光纤105之内、在此类尺寸约束之内操作致使多芯光纤105的多个芯彼此相对靠近。例如，在实施例中，多芯光纤105的多个芯中相邻的多个芯之间以最小芯到芯间隔距离小于或等于50μm(例如，小于或等于45μm，小于或等于40μm、小于或等于35μm、小于或等于32μm、小于或等于30μm、小于或等于25μm、小于或等于22μm)彼此隔开。此类芯到芯间距对将通过多芯光纤传播的光学信号耦合至接收光学装置115提出挑战。

在所描绘的实施例中，接收光学装置115为集成光子器件，其中将其多个组件设置在基板150上。接收光学装置115包括耦合器135、多个光学通信链路145以及多个接收器140。在本文中所描述的实施例中，耦合器135包括光栅耦合器，光栅耦合器包含以对应于多芯光纤105中的芯布置的方式布置的多个偏振分光光栅。多芯光纤105的端部可相对于基板150保持间隔关系，使得多芯光纤105的每个芯与光栅阵列的偏振分光光栅的一个偏振分光光栅对准，使得由传输光学装置110生成的光学信号中的一个光学信号被偏振分光光栅中的一个偏振分光光栅散射。如本文中所描述，多个光学信号中的一个光学信号可包含多个偏振模式。在此类情况下，偏振分光光栅可在第一传播方向上引导光学信号中的一个光学信号的第一偏振模式的光并在第二传播方向上引导光学信号的第二偏振模式的光。光栅阵列可包括从多个偏振分光光栅中的每个偏振分光光栅的两侧延伸的模转换器，以将与光学信号相关联的第一偏振模式和第二偏振模式中的每个偏振模式耦合至多个光学通信链路145中的一个光学通信链路。例如，光学通信链路145-a中的第一光学通信链接可接收由发射光学装置110生成的第一光学信号的第一偏振模式，且光学通信链路145-b中的第二通信链路可接收第二光学信号的第二偏振模式。在实施例中，发射光学装置包含n个光学通信链路145，其中n对应于由发射光学装置110生成的光学信号的数量。在实施例中，接收光学装置115的光学通信链路145的数量包括耦合器135的偏振分光光栅的至少双倍数量。尽管在所描绘的实施例中，发射光学装置110及接收光学装置115包含相同数量的光学通信链路(即，发射光学装置110包含n个光学通信链路130且接收光学装置115包含n个光学通信链路145)，应理解到，还考虑其中发射光学装置110及接收光学装置115包含不等数量的光学通信链路的实施例二者。

在实施例中，接收光学装置115的多个光学通信链路145包括在基板150中形成的层(或设置在基板150上的层)中的多个波导。例如，如本文中所描述，光学通信链路145可包括形成在与耦合器135的多个偏振分光光栅相同的材料层中的多个波导。多个接收器140被配置成接收通过多个光学通信链路145传播的光学信号并对其进行操作。在实施例中，例如，多个接收器140是用于将多个光学信号路由至接收光学装置115的不同组件的光学开关等的输入。在实施例中，多个接收器140将被引导至其的光学信号转换成电信号以用于光子集成电路中的附加操作。

现在参照图1B，根据示例实施例更详细地描绘了图1A的光学传输系统的多芯光纤105与耦合器135之间的接口。在所描绘的实施例中，多芯光纤105包括被设置在共同包层155中的多个芯160。多个芯160包括第一芯160-a、第二芯160-b、第三芯160-c、第四芯160-d、第五芯160-e、第六芯160-f以及第七芯160-g。多芯光纤105还包括延伸通过多芯光纤105的纵向中心线的中心轴165。在实施例中，多芯光纤105保持与基板150的间隔关系(例如，经由未描绘的光纤单元)，使得多芯光纤105的端部170设置在靠近耦合器135处。在实施例中，经由粘着剂将多芯光纤105的端部170固定在基板150上。在实施例中，将多芯光纤105相对于基板150定位，使得中心轴165与基板150的表面法线175以一角度延伸。在实施例中，该角度被配置成使多个芯160的每个芯与耦合器135的多个偏振分光光栅180中的一个偏振分光光栅之间的耦合效率最大化。在实施例中，中心轴165与基板150的表面法线175之间的角度大于或等于5°(例如，大于或等于7°、大于或等于10°、大于或等于12°)以将耦合效率最大化并有益地减少将光反向散射回多个芯160中。将在本文中参照图1E更详细地描述多芯光纤105的结构。

在所描绘的实施例中，多芯光纤105的端部170垂直于中心轴165。应当了解，在实施例中，多芯光纤105以非零劈开角度切割以降低在多芯光纤105的端部170处的反射。应当了解，在多芯光纤以一角度抛光是的光纤端部170大致上平行于基板150延伸的情况下，可达到类似的耦合结果。多芯光纤105的此类端部面抛光可有益地致使多个芯之间的均匀耦合并减少至多芯光纤105中的反向散射。

在图1B所描绘的实施例中，耦合器135为包括多个偏振分光光栅180的光栅耦合器。在实施例中，多个偏振分光光栅180以对应于多芯光纤105中的多个芯160的方式布置。例如，在实施例中，多个偏振分光光栅180包括第一偏振分光光栅180-a、第二偏振分光光栅180-b、第三偏振分光光栅180-c、第三偏振分光光栅180-c、第五偏振分光光栅180-e、第六偏振分光光栅180-f以及第七偏振分光光栅180-g。即，耦合器135包括与多芯光纤105中的芯相同数量的偏振分光光栅。多芯光纤105可与基板150保持间隔关系，使得通过多个芯160中的一个芯传播的七个光学信号中的一个光学信号经由多个偏振分光光栅180中的对应的一个偏振分光光栅耦合至多个光学通信链路145中的一对光学通信链路。例如，通过多芯光纤105的第一芯160-a传播的第一对光学信号(具有正交偏振)可被引导至耦合器135的第一偏振分光光栅180-a，通过多芯光纤105的第二芯160-b传播的第二对光学信号可被引导至耦合器135的第二偏振分光光栅180-b，以此类推。在实施例中，多个偏振分光光栅180包括相同的布置(例如，相邻光栅上的对应点之间的最小光栅到光栅间隔距离可与多个芯160的最小芯到芯间隔距离相同)。

如本文中所描述，在实施例中，多芯光纤105的多个芯160中的至少一个芯可具有以两种不同偏振模式传播的多个光学信号。例如，通过多个芯160传播的多个光学信号可分解成两个正交偏振模式：LP01-x偏振模式以及LP01-y偏振模式。为了将与多个光学信号中的每个光学信号相关联的两种模式独立地耦合至多个光学通信链路145中的各个光学通信链路中，多个偏振分光光栅180中的每个偏振分光光栅均包括散射元件阵列，所述散射元件阵列被设计成在不同方向上散射每个偏振模式。例如，在实施例中，多个偏振分光光栅180中的每个偏振分光光栅包括叠加的二维光栅，所述二维光栅包括被布置成在不同的传播方向上引导每个光学信号的每个偏振模式的两个散射元件阵列。在本文中参照图1C更详细地描述了多个偏振分光光栅180的结构。

如图1B所描绘，多个光学通信链路145中的一对光学通信链接从多个偏振分光光栅180中的每个偏振分光光栅延伸。如本文中所描述，多个光学通信链路145可包括在基板150上形成的多个波导。多个波导可定位成接收由多个偏振分光光栅180中的每个偏振分光光栅散射的正交偏振模式中的一个正交偏振模式。如本文中所描述，从多个偏振分光光栅180中的每个偏振分光光栅延伸的一对波导可从与多个偏振分光光栅中的每个偏振分光光栅的侧面接触的模转换器延伸。模转换器通常作为光斑尺寸转换器，用于聚焦来自由偏振分光光栅180散射的光学信号的光以与多个波导相关联的传播模式参数兼容。在实施例中，基于通过多芯光纤105传播的光学信号的波长以及构造接收光学装置115的材料(例如，形成多个偏振分光光栅180及模转换器的层)的相应折射率建构波导。在实施例中，多个偏振分光光栅180基本上为正方形，其长度基本上对应至多个芯160中的每个芯的模式场直径(例如，大于或等于8μm，大于或等于10μm)。多个波导可包括小于或等于5μm(例如，小于或等于500nm)的标称宽度(例如，在平行于基板150的平面中)。因此，模转换器可将与光学信号相关联的光斑尺寸缩小至少10倍(例如，20倍)，以有助于与多个波导耦合。在本文中参照图1C更详细地描述模转换器的结构。

在所描绘的实施例中，耦合器135包括七个偏振分光光栅180以及从多个偏振分光光栅180中的每个偏振分光光栅延伸的成对的模转换器和光学通信链路145。因此，接收光学装置包括14个光学通信链路145，其为在多个偏振分光光栅180的每个偏振分光光栅与多个接收器140之间延伸的波导。波导中的每个波导将与通过多芯光纤105传播的多个光学信号中的一个光学信号相关联的一个偏振模式耦合至多个接收器140中。如本文中所描述，耦合器135的各种组件(例如，偏振分光光栅180及从其延伸的模转换器)的尺寸设计有助于在耦合至接收光学装置115中时保持光学信号中的偏振多样性。

多个光学通信链路145的路由还被设计成使多个芯160与多个接收器140之间的耦合效率最大化。在所描绘的实施例中，例如，多个光学通信链路145在耦合器135与多个接收器140之间延伸时不彼此相交，以减少与波导相交处的信号相互作用相关联的信号损耗。在实施例中，多个光学通信链路145中的每个光学通信链路与多个光学通信链路145中的所有其他光学通信链路中的每个光学通信链路隔开最小波导分离距离185。在实施例中，最小波导间隔距离185大于或等于500nm(例如，大于或等于1μm)，以在将多芯光纤105耦合至多个接收器140的过程中使光学信号的偏振模式之间的串扰最小化。

由于多芯光纤105的多个芯160之间的间距，多个偏振分光光栅180还彼此相对地靠近。此类接近的光栅对光栅间距，再加上耦合至多个接收器140的偏振模式的数量，需要对耦合器135与多个接收器140之间的多个光学通信链路145的路由进行仔细设计。在所描绘的实施例中，多个光学通信链路145中的每个光学通信链路均包括至少一个弯曲部195，其延伸方向在所述至少一个弯曲部中改变以不与接收光学装置115的任何其他组件相交。在实施例中，多个光学通信链路中的每个光学通信链路的至少一个弯曲部195包括大于或等于5μm的曲率半径以降低在至少一个弯曲部195处发生的信号损耗。因此，耦合器135的组件的紧凑性有助于保持通过包括相对高芯密度的多芯光纤105传播的光学信号的偏振多样性，同时实现波导路由以使信号损耗最小化。即，与通过多芯光纤105传播的光学信号的每个光学信号相关联的两种偏振模式能以相对高的耦合效率耦合至接收光学装置115中。在实施例中，与通过多芯光纤105传播的多个光学信号中的一个光学信号相关联的每个偏振模式以大于或等于-6.0dB的耦合效率耦合至多个光学通信链路145中的一个光学通信链路中。现在将更详细地描述多个偏振分光光栅180以及从其延伸的模转换器的结构。

图1C描绘了图1B中所描绘的接收光学装置115的区域190的特写视图。第三偏振分光光栅180-c被描绘成包括第一多个散射元件200和第二多个散射元件205的叠加交叉光栅。第一多个散射元件200包括以垂直于第一传播方向220延伸的行布置的纳米结构(例如，柱、空腔等)的阵列。第一多个散射元件200可在行中彼此间隔分开，以便将在第一传播方向220上通过多芯光纤105传播的光学信号的波长处的光朝向第三偏振分光光栅180-c的第一侧210散射。第二多个散射元件205包括以垂直于第二传播方向225延伸的行布置的纳米结构(例如，柱、空腔等)的阵列。第二多个散射元件205可在行中彼此间隔分开，以便将在第二传播方向225上通过多芯光纤105传播的光学信号的波长处的光朝向第三偏振分光光栅180-c的第二侧215散射。因此，由于与第三偏振分光光栅180-c相互作用，通过多芯光纤(见图1B)的第三芯160-c传播的光学信号的LP01-x及LP01-y模式二者均可能在不同的两个传播方向上散射及传播。

在实施例中，第三偏振分光光栅180-c的第一侧210和第二侧215的长度可对应至多芯光纤105的第三芯160-c的模场直径，所述模场直径可大于或等于5μm(例如，大于或等于8μm，大于或等于10μm)。在实施例中，第一侧210和第二侧215的长度大于模场直径。模转换器从第一侧210和第二侧215延伸，以重新调整散射光的尺寸以沿着多个光学信号通信链路145的一个光学信号链路向下传播。例如，如图所示，第一模转换器235从第三偏振分光光栅180-c的第一侧210延伸以将第一偏振模式的光耦合至第一光学通信链路145-a中。第二模转换器240从第三偏振分光光栅180-c的第二侧215延伸以将第二偏振模式的光耦合至第二光学通信链路145-b中。在所描绘的实施例中，第一光学通信链路145-a和第二光学通信链路145-b包括在基板150上形成的波导(例如，条状加载波导、信道波导、肋形波导或脊形波导)。取决于其厚度及构成波导的材料，波导可包括小于或等于1μm(例如，小于或等于500nm、小于或等于450nm)的标称宽度230(例如，在平行于基板150的平面中)。

第一模转换器235和第二模转换器240重新调整由第三偏振分光光栅180-c散射的偏振模式的尺寸，以耦合至第一光学通信链路145-a和第二光学通信链路145-b中。现有的光栅耦合器通常利用具有长度大于100μm的基于锥形波导的耦合器来进行此类模转换。此类基于锥形波导的耦合器的尺寸设计使得保持特定多芯光纤的偏振多样性变得困难，因为偏振分光光栅及锥形波导的组合具有太大的表面面积覆盖范围，而无法与多芯光纤的每个芯的耦合进行布置。据此，在实施例中，使用目标函数迭代地设计第一模转换器235和第二模转换器240，此目标函数满足与将第三偏振分光光栅180-c的第一侧210和第二侧215处的光耦合至波导中相关联的约束。此类约束可限制第一模转换器235和第二模转换器240的尺寸，且所述算法可输出任意离散的介电常数分布，在给定尺寸约束的情况下，所述介电常数分布可转换与用于耦合至波导中的偏振模式相关联的光斑尺寸。在实施例中，将第一模转换器235和第二模转换器240设计成沿着光在通过其传播的传播方向(即，分别沿第一传播方向220和第二传播方向225)以具有小于多芯光纤的多个芯160的模场直径(例如，小于或等于25μm、小于或等于15μm、小于或等于10μm、小于或等于8μm)的宽度。在实施例中，将第一模转换器235和第二模转换器240设计成在垂直于光通过其传播的传播方向(例如，平行于第一侧210和第二侧215)上以具有小于或等于多芯光纤(例如，小于或等于50μm、小于或等于30μm、小于或等于20μm)的多个芯的模场直径(例如，小于或等于模式场直径的1.2倍)的2.0倍的宽度。给定此类尺寸约束，迭代技术可输出用于第一模转换器235的第一离散化介电常数分布和用于将每个偏振模式分别耦合至第一光学通信链路145-a和第二光学通信链路145-b中的第二模转换器240的第二离散化介电常数分布。可经由使用预确定的最小特征尺寸(例如，50nm、100nm、200nm)的光刻技术来形成如此离散化的介电常数分布。

在实施例中，第三偏振分光光栅180-c、第一模转换器235、及第二模转换器240的组合包括小于或等于300μm²(例如，小于或等于250μm²、小于或等于225μm²，小于或等于200μm²)的横截面面积。即使当多个芯160相对紧密地封装(例如，包括小于或等于45μm的最小芯到芯间隔距离)时，与耦合器135的每个光栅相关联的此类最小覆盖范围有助于以对应于多芯光纤105的芯160的布置的方式来布置多个偏振分光光栅180。尚未使用常规的基于锥形波导的模转换器来实现针对多芯光纤105的每个芯皆具有如此紧密封装的芯的此类多偏振耦合。

在耦合器135内，第三偏振分光光栅180-c与多个偏振分光光栅180中的其他偏振分光光栅相比更为远离多个接收器140(见图1B)。即，耦合器135的组件(例如，第二偏振分光光栅180-b以及与其相关联的模转换器和波导)位于第三偏振分光光栅180-c与多个接收器140之间。鉴此，第一光学通信链路145-a和第二光学通信路145-b可采用间接路由以避免与此类其他组件相交。如图1C所描绘，第一光学通信链路145-a包括多个弯曲部245，在所述多个弯曲部245中其延伸方向改变。在其第一端部250处，第一光学通信链路145-a基本上平行于第一传播方向220延伸，而在其第二部分255处，第一光学通信链路145-a在相对于第一传播方向220大于或等于90°的角度延伸的方向上延伸。即，通过弯曲波导的路径，任何偏振模式的传播方向可在耦合器135内改变超过90度，以围绕与耦合器135相关联的各种其他组件而路由光，以避免相交和/或信号损失。

现在参照图1D，示意性地描绘了穿过过图1C的线II-II的第三偏振分光光栅180-c的截面视图。在实施例中，图1D中描绘的截面视图标识本文中所描述的接收光学装置115的整体的结构。例如，图1D中描绘的各种层(诸如基板150)可延伸贯穿及整个接收光学装置115。如图所描绘，第三偏振分光光栅180-c包括基板150、埋入氧化层260以及上层265。在实施例中，基板150包括硅基板、绝缘体上硅基板或通常被用于光子集成电路中的任何其他合适类型的基板。埋入氧化层可由诸如二氧化硅的介电层构成。上层265可由硅构成。

在所描绘的实施例中，第一多个散射元件200包括在上层265中形成的多个空腔270。在所描绘的实施例中，多个空腔270中的每个空腔具有相同的深度。应当了解，在实施例中，第一多个散射元件200可包含具有非均匀深度的多个空腔270。在实施例中，第一多个散射元件200和第二多个散射元件202可包括不同的深度。在实施例中，使用对应于多个空腔270的期望分布的图案经由光刻技术的电子光束光刻，接着为反应性蚀刻步骤(例如，反应性离子蚀刻)以去除上层265的部分以形成第一多个散射元件200，来形成第一多个散射元件200。在实施例中，多个空腔仅部分地延伸通过上层265。在实施例中，多个空腔延伸通过上层265的整个厚度。尽管所描绘的实施例将第一多个散射元件200实现成被蚀刻至上层265中的阴特征，但应理解到，还预想到将第一多个散射元件200(及第二多个散射元件202)实现成设置在上层265顶部的阳特征(例如，柱)的情况。在实施例中，第三偏振分光光栅180-c(及其他多个偏振分光光栅180中的每个偏振分光光栅)包括设置在其上的包层(未描绘)。每个光栅的多个散射元件200和202中的每个散射元件均可(例如，通过等离子体增强化学气相沉积所沉积的氧化硅层)封装在包层中，以提供适当的折射率对比以有助于耦合。

在实施例中，可在与耦合器135的多个偏振分光光栅180共同的层中形成接收光学装置115的附加组件。例如，在实施例中，以与第一多个散射元件200相同的光刻/蚀刻序列，可在上层265之内或者上层上形成从多个偏振分光光栅180中的每个偏振分光光栅延伸的第一模转换器235和第二模转换器240以及多个光学通信链路145。例如，用于将光耦合至波导中的第一模转换器235和第二模转换器240的第一离散化介电常数分布和第二离散化介电常数分布可通过在上层265中经由在本文中所描述的优化技术确定的位置蚀刻多个孔所实现。还可通过使用任何合适的技术图案化上层265以形成多个光学通信链路145。

图1E描绘了通过图1B中所描绘的线I-I的多芯光纤105的截面视图。如图所描绘，多芯光纤105包括设置在共同包层155中的第一芯160-a、第二芯160-b、第三芯160-c、第四芯160-d、第五芯160-e、第六芯160-f以及第七芯160-g。共同包层155包括外边缘290，其界定共同包层半径Rcc(在外边缘290与多芯光纤105的每个纵轴中心线280之间径向延伸)以及多芯光纤105的外径。在实施例中，R cc小于或等于100μm(例如，小于或等于75μm、小于或等于65μm、小于或等于62.5μm)使得多芯光纤105的外径小于或等于200μm(例如，小于或等于150μm、小于或等于130μm、小于或等于125μm)。在实施例中，多个芯160的边缘与外边缘290间隔分开至少一个最小芯边缘到光纤边缘距离295。如图1E中所描绘，最小芯边缘至光纤边缘距离295是从沿着芯外圆周的点至沿着外边缘290圆周的最接近点的最小距离，如通过在垂直于纵向中心线280的平面中沿着芯的外圆周的点与沿着外边缘290上圆周的最接近点之间的线区段确定的。在实施例中，最小芯边缘至光纤边缘距离295大于或等于8微米。在实施例中，最小芯边缘至光纤边缘距离295大于或等于12微米。在实施例中，最小芯边缘至光纤边缘距离295大于或等于15微米。不旨在受任何特定理论的束缚，据信由于隧道效应造成的信号损失程度取决于最小芯边缘至光纤边缘距离295的最小值。

在所描绘的实施例中，将多个芯160设置成六边形晶格布置，其中第四芯160-d延伸通过每个纵向中心线280。多芯160的每个芯与第四芯160-d以及多个芯160中的另一个芯形成等边三角度形，使得每个芯包括两个相邻芯，它们通过最小芯到芯间隔距离285彼此隔开。在实施例中，多个160中的每个芯的中心线与两个相邻芯的中心线通过最小芯到芯间隔距离285间隔开。在实施例中，最小芯到芯间隔距离285大于或等于20μm以有助于多个芯260之间的相对低的串扰。在实施例中，最小芯到芯间隔距离285小于或等于45μm(例如，小于或等于40μm、小于或等于35μm、小于或等于30μm、小于或等于25μm，小于或等于22μm)。如此低的最小芯到芯间隔距离有助于包含相对地大量的芯的多芯光纤105以增加数据传输速率，但是，如本文中所描述，在借着光栅耦合器将多芯光纤105耦合至集成光子器件时还会产生困难。

在实施例中，多个芯160的每个芯包括由一个或多个相对地低折射率内包层围绕的相对地较高折射率芯区域。多个芯160的每个芯的折射率分布可被设计成在适用于特定应用的特定波长处实现模场直径。在实施例中，多个芯160的每个芯的模场直径大于或等于5μm(例如，大于或等于8μm，大于或等于10μm)，以有助于耦合至现有光学互连中的标准单模光纤。如本文中所描述，多个芯160的每个芯的模场直径可对应于耦合器135的多个偏振分光光栅180的尺寸。

尽管本文中参照图1A至1E所描述的实施例包含具有7个芯的多芯光纤105，使得14种不同的偏振模式耦合至接收光学装置115上的14个波导，但应理解到，具有不同数量及布置的芯的实施例被考虑并在本公开内容的范围之内。例如，在实施例中，多芯光纤105仅包括布置在等边三角度形的顶点处的三个芯(例如，每个芯与另一个芯通过前文所论述的最小芯到芯间隔距离285隔开)。等边三角度形可被居中设置在共同包层155之内，使得每个纵向中心线延伸通过等边三角度形的中心。在另一示例中，多芯光纤105包括以2×2布置所设置的4个芯，其中每个芯被设置在正方形的角落处。在此示例中，每个芯可与其他芯中的通过两个最小芯到芯间隔距离285隔开。在另一个示例中，多芯光纤包括以1×4布置所设置的4个芯。在实施例中，多芯光纤105可包括大于7个芯(例如，8个芯以2×4布置设置，每个芯可与其他芯中的两个由最小芯到芯间隔距离285隔开)。还预想其中多芯光纤105包括不等间隔的芯(例如，彼此最接近的芯可由不同的距离隔开)情况的实施例。多芯光纤105可包含与本公开内容一致的任意数量(例如，3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15个)的芯。

在具有相对高数据速率要求的特定应用中，在多芯光纤105中合并相对大量的芯可能为有益的。例如，在多芯光纤105中合并大于或等于5个芯(例如，6个芯、7个芯、8个芯、9个芯、10个芯)可能为有益的。将多芯光纤105的外径保持在特定要求之内还可能为有益的以有助于与光学传输系统100的其他组件的耦合。例如，在实施例中，多芯光纤105包括125μm的外径(即，R cc＝62.5μm)以有助于与标准单模光纤组件的兼容性。除了其他要求(例如，芯边缘至光纤边缘的间隔距离)之外，在具有如此大小的光纤中如此大量的芯，约束相邻芯之间的最小芯对芯间隔距离。如本文中所描述，由于存在与光栅耦合器相关联的尺寸约束，因此减小最小芯到芯间隔距离会在保持偏振多样性方面产生困难。

本文中所描述的极小型偏振分光光栅及模式耦合器有助于保持通过具有密集封装芯的多芯光纤传播的多个光学信号的偏振多样性。例如，图2A至2C描绘了配置用于将不同的多芯光纤耦合至集成光子器件的示例光栅耦合器300、305以及310。图2A至2C的每个图中的圆圈描绘多芯光纤中芯的布置，每个光栅耦合器300、305以及310被设计成耦合至集成光子器件中。例如，图3A的光栅耦合器300被设计成耦合包括多个芯315(例如，第一芯315-a、第二芯315-b、第三芯315-c、第四芯315-d、第五芯315-e、第六芯315-f、第七芯315-g、第八芯315-h)以2×4布置方式所布置的多芯光纤，使得每个芯的中心被最小芯到芯间隔距离320隔开，所述最小芯到芯间隔距离320小于或等于30μm(例如，25μm)。

光栅耦合器300包括以对应于多个芯315的方式布置的多个偏振分光光栅325(例如，多个偏振分光光栅325中的相邻光栅通过对应于最小芯到芯间隔距离320的最小芯到芯间隔距离彼此隔开)。偏振分光光栅325可为正方形且包括大于或等于多个芯315的模场直径的长度。例如，在实施例中，多个芯315的每个芯包括8μm的模场直径，偏振分光光栅325包括10μm×10μm的正方形。偏振分光光栅325在结构上可对应至本文中参照图1A至1E所描述的多个偏振分光光栅180，并在不同方向上散射来自不同偏振模式的光。光栅耦合器300进一步包括一对模转换器330(例如，类似于本文中所描述的第一模转换器235和第二模转换器240)，从每个偏振分光光栅325延伸以将偏振模式耦合至从一对模转换器330延伸的一对波导335。在实施例中，迭代地构成模转换器以在给定的预定尺寸约束的情况下拥有任意介电常数分布。例如，在实施例中，一对模转换器330中的每个模转换器在传播通过其中的光的传播方向上包括5μm的宽度(例如，每个模转换器可包括10μm×5μm的矩形形状)。因此，偏振分光光栅325的一个偏振分光光栅及一对模转换器330的组合包括200μm²的结合横截面面积。如图所描绘，如此紧凑性有助于将16个波导耦合至通过多个芯315传播的不同偏振模式，同时仍保持最小波导到波导间隔距离340以避免显著的串扰。在实施例中，最小波导到波导间隔距离340大于或等于1μm。

图2B描绘另一光栅耦合器305，其被设计成耦合多个芯345(第一芯345-a、第二芯345-b、第三芯345-c、第四芯345-d、第五芯345-e、第六芯345-f以及第七芯345-g)至集成光子器件。将多个芯345布置成六边形晶格布置，使得多个芯345的每一个芯与其他芯中的两个芯通过小于或等于30μm的最小芯到芯间隔距离350(例如，25μm)隔开。光栅耦合器305(如参照图2A描述的光栅耦合器300)包括多个偏振分光光栅325，其具有从每个偏振分光光栅325的侧面延伸的一对模转换器330以将来自多个芯的一个芯的两个偏振模式耦合至从一对模转换器330延伸的一对波导335中。尽管25μm的最小芯到芯间隔距离350相对较低，但当7个芯耦合至集成光子器件时，仍然可保持偏振多样性。

图2C描绘另一光栅耦合器310，其设计成将多个芯355(第一芯355-a、第二芯355-b、第三芯355-c、第四芯355-d、第五芯355-e、第六芯355-f、第七芯355-g以及第八芯355-h)耦合至集成光子器件。多个芯355以2×4的布置方式布置，使得每个芯的中心通过小于或等于25μm(例如，22μm)的最小芯到芯间隔距离360隔开。即，在图2C中，多芯光纤包括与图2A的示例类似的芯布置，但是最小芯到芯间隔距离少3μm(从25μm减少至22μm)。光栅耦合器310(如参照图2A描述的光栅耦合器300)包括多个偏振分光光栅325，具有从每个偏振分光光栅325的侧面延伸的一对模转换器330，以将来自多个芯的一个芯的两个偏振模式耦合至从一对模转换器330延伸的一对波导335中。尽管22μm的最小芯到芯间隔距离350相对较低，但当8个芯耦合至集成光子器件时，仍然可保持偏振多样性。

在图2A及图2C中描绘的示例光栅耦合器300与310之间值得注意的区别为偏振分光光栅325及一对模转换器330的定向。在图2A中，耦合光在光栅耦合器300外部的波导335中的最终传播方向为向下(例如，图2A中描绘的负y方向)，垂直于光栅阵列的行的长度方向。在所述对模转换器330之间延伸的每个偏振分光光栅325的角落365指向向下的方向，平行于由光栅耦合器300外部的波导引导的光的方向。

在图2C中，调整偏振分光光栅325的相对定向以补偿减少的光栅间距。如图2C中所描绘，所耦合的光在光栅耦合器310外部的波导335中的最终传播方向为侧面(例如，图2C中所描绘的负x方向)，平行于光栅阵列的行的长度方向。偏振分光光栅325相对于图2A中描绘的定向旋转，使得角落365不再指向下方，而是指向更靠近耦合至波导的光的最终传播方向的一侧。由于偏振分光光栅325的此类旋转，其包含模转换器的侧不再与包含模转换器的其他偏振分光光栅325的侧面相邻，从而在光栅之间提供更多空间以路由波导。

因此，通过仔细选择偏振分光光栅325相对于光在集成光子器件上被引导的最终方向的定向，可适应芯布置的各种不同组合。在本文中所描述的实施例中，偏振分光光栅325具有共同的定向，且成对的模转换器330从每个偏振分光光栅325的相同侧延伸。应理解到，还预想到，光栅耦合器中的偏振分光光栅具有不同定向(例如，使得角落365指向不同方向)的情况和/或模转换器330从光栅延伸至光栅的不同侧的情况还被考虑并在本公开内容的范围之内，其中应当了解，在此类实施例中，可取决于其相对于期望传播方向的定向个别地设计偏振分光光栅。

示例

制造光栅耦合器以耦合与多芯光纤的7个芯相关联的14个偏振模式，所述多芯光纤具有图1E中所描绘的多芯光纤105的结构。多个芯160在1550nm处具有8μm的模场直径，最小芯到芯间隔距离为32μm。多芯光纤的外径为125μm。

在绝缘体上硅基板上制造光栅耦合器400(如图3A中所描绘)。光栅耦合器400包括具有3μm厚度的埋入氧化层(例如，对应至图1D中描绘的埋入氧化层260)以及硅层(例如，对应至图1D中描绘的具有250nm厚度的上层265)。经由电子束光刻图案化硅层，最小特征尺寸为100nm。可使用两个光刻步骤(硅层的全部蚀刻或120nm部分蚀刻)。进行反应离子蚀刻以形成偏振分光光栅及波导的散射元素。光栅部分地蚀刻通过硅层，而模转换器及波导为通过蚀刻硅层的全部厚度所形成。在光刻及蚀刻步骤中形成具有标称宽度为450nm的波导。蚀刻之后，通过等离子体增强化学气相沉积采用1μm二氧化硅层包覆芯片。

图3A中描绘所制造的光栅耦合器400。光栅耦合器400包括7个二维光栅405，其大致上为正方形形状，长度为10μm。图3B描绘二维光栅405中的一个二维光栅405的特写视图。使用时域有限差分方法设计二维光栅405。针对10°耦合角度设计光栅。二维光栅405的每个迭加光栅为正交，并以不同偏振模式的定向光在相对于彼此延伸大约83.1°的方向上引导以负担10°耦合角度。如图3A及图3B中所描绘，光栅耦合器400包括从二维光栅405中的两个二维光栅相邻侧延伸的模转换器410。模转换器410将二维光栅405中的一个二维光栅405的每个输出连接至450nm硅波导415。在仅为10μm×5μm的面积上，使用基于梯度的(称为Stanford光子逆设计软件(SPINS))的优化软件设计模转换器410。因此，二维光栅405中的每个二维光栅405及其对应的一对模转换器410的结合横截面面积为200μm²。如图3B中所描绘，模转换器410中的每个模转换器410包括经由延伸至硅层中的多个穿孔412表示离散化介电常数分布。穿孔412通常以多个弯曲轮廓延伸，每个弯曲轮廓具有随着与二维光栅405中的一个二维光栅405的距离增加而朝向波导415弯曲的锥形形状。

使用图3C中所描绘的测试装置420建模及测试图3A及图3B中所描绘的光栅耦合器400。多芯光纤425与光栅耦合器保持间隔关系，使得二维光栅405中的每一个二维光栅405均与多芯光纤425的芯对准。来自每个芯的光学信号经由二维光栅405中的一个二维光栅405耦合至波导415中的一个波导415。将多个一维光栅430布置在每个波导415的端部，以将光耦合至多个单模光纤435中以用于量测。

对测试装置420进行时域有限差分(“FDTD”)仿真。图3D描绘了耦合至其中一个单模光纤435的每个模的耦合效率曲线图440。每个模的FDTD仿真耦合效率为-3.8dB，带宽为57nm。模转换器410仿真成具有-0.5dB的插入损耗，考虑到它们的极小型覆盖范围，这为相对地较低。在实施例中，本文中所描述的光栅耦合器在1550nm周围具有大于或等于50nm的3dB耦合效率带宽。

还通过将来自可调谐连续激光源的光耦合至单模光纤435的一个单模光纤435中，经由多个一维光栅430的一个一维光栅430耦合至波导415中的一个波导，并经由光栅耦合器400的二维光栅405的一个二维光栅405耦合至多芯光纤425的芯中的一个芯中以进行光栅耦合器400的物理测试。检测器收集来自多芯光纤425的光以确定光栅耦合器400对于每个偏振模式的耦合效率。将单模光纤与多芯光纤425的一个芯对准，以将光引导至检测器，所述检测器包括功率计及光学光谱分析仪。在图3E的耦合效率曲线图444中描绘第四芯(例如，对应于图1E的第四芯160-d)与第六芯(例如，对应于图1E的第六芯160-g)之间测量的耦合效率及模间串扰。如图所示，光栅耦合器400实现48nm的3dB带宽，范围从1505nm至1553nm。第二芯160-b的最高耦合效率为-4.4dB，而第一芯160-a的最低耦合效率为-6.0dB。此类差异可通过芯与芯片表面之间的非均匀间距说明，因为光纤没有以一定角度度劈开。另一方面，结果显示出最大偏振相关损失仅为0.4dB，这可归因于制造装置中的小量不对称性以及馈送波导的不同弯曲半径。在1509nm处测量最大串扰：-36.4dB，比在此波长处的耦合效率低-28.4dB。

从上述的描述所显而易见的，光纤耦合器可被用于将多芯光纤的多个芯耦合至集成光子器件。光纤耦合器包括多个偏振分光光栅及从多个偏振分光光栅的每个偏振分光光栅的多个侧延伸的多个模转换器。拓扑优化技术可被用于设计偏振分光光栅以及模转换器，以实现紧凑性及与具有紧密封装的芯结构的多芯光纤的兼容性。本文中所描述的光栅耦合器组件的紧凑性有助于在将多芯光纤耦合至集成光子器件时保持偏振多样性，同时仍保持相对高的耦合效率及低串扰。本文中所描述的光栅耦合器可能适用于先进通信系统，其中波分复用与空分复用及偏振多样性相结合以实现高数据速率。

对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离所请求保护的主题的精神及范围的情况下，能对本文中所描述的实施例进行各种修改及变化。因此，只要此类修改及变化落入随附权利要求及其均等物的范围之内，本说明书预期涵盖本文中所描述的各种实施例的修改及变化。

Claims (38)

1.一种光学装置，包括：

多芯光纤，所述多芯光纤包括多个芯；以及

光纤耦合器，包括：

光栅阵列，所述光栅阵列包括设置在基板上的多个偏振分光光栅，所述多个偏振分光光栅以对应于所述多芯光纤中的所述多个芯的方式布置，以接收来自所述多个光纤中的一个光纤的光学信号，其中，所述多个偏振分光光栅包括的偏振分光光栅的数量小于或等于所述多芯光纤的芯的数量；

第一模转换器，所述第一模转换器从所述多个偏振分光光栅中的每个偏振分光光栅的第一侧延伸，以接收由所述偏振分光光栅散射的所述光学信号的第一偏振模式；

第二模转换器，所述第二模转换器从所述多个偏振分光光栅中的每个偏振分光光栅的第二侧延伸，以接收由所述偏振分光光栅散射的所述光学信号的第二偏振模式；以及

多个波导，所述多个波导从模转换器中的每个模转换器的端部延伸以引导所述光学信号中的一个光学信号的单个偏振模式。

2.如权利要求1所述的光学装置，其中所述多个芯中的相邻芯彼此由小于或等于45μm的最小芯到芯间隔距离隔开。

3.如权利要求1所述的光学装置，其中所述多芯光纤包括小于或等于125μm的总直径。

4.如权利要求1所述的光学装置，其中所述多芯光纤包括至少2个芯，使得4个偏振模式由从每个模转换器的所述端部延伸的所述多个波导引导。

5.如权利要求1所述的光学装置，其中所述多芯光纤包括至少5个芯，使得10个偏振模式由从每个模转换器的所述端部延伸的所述多个波导引导。

6.如权利要求1所述的光学装置，其中所述多个芯中的相邻芯彼此由小于或等于35μm的最小芯到芯间隔距离隔开。

7.如权利要求1所述的光学装置，其中所述多个偏振分光光栅的所述第一侧和所述第二侧与所述多个芯中的每个芯的模场直径至少一样长。

8.如权利要求7所述的光学装置，其中所述模场直径大于或等于5μm且小于或等于25μm。

9.如权利要求7所述的光学装置，其中从所述多个偏振分光光栅中的每个偏振分光光栅延伸的所述第一模转换器和第二模转换器包括在垂直于所述第一偏振模式和第二偏振模式的传播方向的方向上的尺寸，所述尺寸小于或等于所述模场直径的1.2倍。

10.如权利要求9所述的光学装置，其中从所述多个偏振分光光栅中的每个偏振分光光栅延伸的所述第一模转换器和第二模转换器包括在所述第一偏振模式和第二偏振模式的所述传播方向上的尺寸，所述尺寸小于或等于所述模场直径。

11.如权利要求1所述的光学装置，其中每个偏振分光光栅以及从其延伸的所述第一模转换器何第二模转换器包括小于或等于250μm²的结合横截面积。

12.如权利要求1所述的光学装置，其中所述光栅阵列的相邻偏振分光光栅的中心彼此由最小光栅间隔距离隔开，所述最小光栅间隔距离对应于所述多个芯的间隔。

13.如权利要求1所述的光学装置，其中所述多个波导中的每个波导与所述多个波导中的其他波导由至少500nm的最小波导间隔距离隔开。

14.如权利要求1所述的光学装置，其中所述多个波导被弯曲使得所述多个波导延伸至所述光栅阵列的外侧。

15.如权利要求1所述的光学装置，其中所述多个波导中的至少一个波导被弯曲，使得在所述光栅阵列的外侧，所述至少一个波导的延伸方向在模转换器端部相对于最初的延伸方向改变至少90°。

16.如权利要求1所述的光学装置，其中，所述多个波导中的至少一个波导在所述光栅阵列内的两个偏振分光光栅之间延伸。

17.如权利要求1所述的光学装置，其中所述光学信号的每个偏振模式以大于或等于-6.0dB的耦合效率耦合至所述多个波导中的一个波导中。

18.如权利要求1所述的光学装置，其中所述光学信号的每个偏振模式以大于或等于-10dB且小于或等于-0.5dB的耦合效率耦合至所述多个波导中的一个波导中。

19.如权利要求1所述的光学装置，其中所述光纤耦合器在1550nm附近以大于或等于50nm的3dB耦合效率带宽耦合所述多个波导中的每个光学信号的两种偏振模式。

20.如权利要求1所述的光学装置，其中从所述偏振分光光栅中的每个偏振分光光栅延伸的所述第一模转换器和第二模转换器中的每个模转换器包括沿着弯曲的轮廓延伸的多个纳米结构，所述弯曲的轮廓朝着从所述模转换器延伸的所述波导延伸。

21.如权利要求10所述的光学装置，其中所述多个纳米结构包括100nm的最小特征尺寸。

22.一种用于将多芯光纤耦合至光子器件的光学装置，包括：

基板；

偏振分光光栅，所述偏振分光光栅被设置在所述基板上，所述偏振分光光栅在第一传播方向上将第一偏振模式的光朝向所述偏振分光光栅的第一侧引导，在第二传播方向上将第二偏振模式的光朝向所述偏振分光光栅的第二侧引导，其中所述第一侧和所述第二侧的长度大于或等于10μm且小于或等于15μm；以及

从所述偏振分光光栅的所述第一侧和第二侧延伸的第一模转换器和第二模转换器，所述第一模转换器和第二模转换器将所述第一传播方向上和所述第二传播方向上的所述第一偏振模式和所述第二偏振模式分别引导至从所述第一模转换器和所述第二模转换器延伸的第一波导和第二波导中，其中所述第一模转换器和所述第二模转换器沿着所述第一传播方向和所述第二传播方向包括小于或等于所述偏振分裂光栅的所述第一侧和所述第二侧的长度的长度。

23.如权利要求22所述的光学装置，其中所述偏振分光光栅、所述第一模转换器以及所述第二模转换器包括小于或等于250μm²的结合横截面积。

24.如权利要求23所述的光学装置，其中所述偏振分光光栅的所述第一侧和所述第二侧包括大于或等于10μm的长度。

25.如权利要求22所述的光学装置，其中所述第一模转换器和所述第二模转换器沿着所述第一传播方向和所述第二传播方向包括大于或等于3μm且小于或等于10μm的长度。

26.如权利要求22所述的光学装置，其中所述第一模转换器和所述第二模转换器将所述第一偏振模式和所述第二偏振模式引导至所述第一波导和第二波导，其带有大于或等于-0.5dB的插入损耗。

27.如权利要求22所述的光学装置，其中所述偏振分光光栅为包括多个偏振分光光栅的光栅阵列的组件，所述多个偏振分光光栅以对应于所述多芯光纤中的多个芯的布置的方式布置，使得所述多个偏振分光光栅中的每个偏振分光光栅接收来自所述芯中的一个芯的光学信号。

28.如权利要求27所述的光学装置，进一步包括从所述多个偏振分光光栅中的每个偏振分光光栅的所述第一侧和所述第二侧延伸的模转换器对，所述模转换器对的每个模转换器将所述光学信号中的一个光学信号的偏振模式引导至被设置在模转换器的端部的波导。

29.如权利要求28所述的光学装置，其中所述光栅阵列的相邻偏振分光光栅的中心彼此由小于或等于50μm的最小光栅间隔距离隔开。

30.如权利要求27所述的光学装置，进一步包括将所述多芯光纤保持在所述基板上方小于50μm处，使得所述多个芯的一个芯与所述光栅阵列的所述多个偏振分光光栅中的一个偏振分光光栅对准。

31.如权利要求30所述的光学装置，其中所述多芯光纤中的所述多个芯包括小于或等于45μm的最小芯到芯间隔距离。

32.如权利要求31所述的光学装置，其中所述多芯光纤中的所述多个芯的相邻芯彼此由大于或等于20μm且小于或等于25μm的最小芯到芯间隔距离隔开。

33.如权利要求30所述的光学装置，其中所述多芯光纤包括小于或等于125μm的总直径。

34.一种将来自多芯光纤的光耦合至光子集成电路的方法，所述方法包括以下步骤：

将多个光学信号从所述多芯光纤的多个芯传输至所述光子集成电路的光栅阵列上，所述光栅阵列包括设置在基板上的多个偏振分光光栅，所述多个偏振分光光栅以对应于所述多芯光纤中的所述多个芯的方式布置，以接收所述光学信号中的一个光学信号；

采用所述多个偏振分光光栅中的一个偏振分光光栅散射所述多个光学信号中的每个光学信号的光，使得在所述第一传播方向和第二传播方向上分别引导所述多个光学信号的第一偏振模式和第二偏振模式；

使用从所述多个偏振分光光栅中的每个偏振分光光栅延伸的模转换器将所述第一偏振模式和所述第二偏振模式中的每个偏振模式个别地引导至所述多个波导中，其中：

所述多芯光纤包括至少5个芯，使得至少10种不同的偏振模式经由所述多个模转换器被引导至所述多个波导中；以及

所述多个芯中的相邻芯由小于或等于45μm的芯到芯间隔距离隔开。

35.如权利要求34所述的方法，其中所述多芯光纤包括小于或等于125μm的总直径。

36.如权利要求34所述的方法，其中所述芯到芯最小间隔距离小于或等于35μm。

37.如权利要求34所述的方法，其中所述多芯光纤包括至少2个芯，使得至少4种不同的偏振模式经由所述模转换器引导至所述多个波导中。

38.如权利要求34所述的方法，其中所述偏振分光光栅中的一个偏振分光光栅以及从其延伸的所述多个模转换器的一对模转换器包括小于或等于250μm²的结合横截面积。