本申請(qǐng)要求2014年3月13日遞交的發(fā)明名稱為“自由空間光柵耦合器”的第14/209,115號(hào)美國(guó)非臨時(shí)專利申請(qǐng)案的在先申請(qǐng)優(yōu)先權(quán)，該在先申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容以引入的方式并入本文本中。

背景技術(shù)：

光纖已經(jīng)廣泛用于光信號(hào)的傳播，尤其是提供高速通信鏈路。利用纖維光學(xué)的光鏈路相比于電鏈路具有各種優(yōu)勢(shì)，例如，相對(duì)大的帶寬、相對(duì)高的抗噪聲性、相對(duì)減少的功率損耗和相對(duì)最小的串?dāng)_。通過(guò)光纖承載的光信號(hào)可由包括集成電路等多種光和/或光電設(shè)備處理。

光子集成，或光纖的一端到集成電路的邊緣的耦合，可以在光系統(tǒng)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。本文中使用的短語(yǔ)光子集成可指光波導(dǎo)與光纖之間的光耦合。光子集成可帶來(lái)各種益處，例如，相對(duì)較小的覆蓋面積、較高的端口密度、減少的功率損耗和/或降低的成本，這使光子集成成為一種有前景的技術(shù)，用以建立下一代集成光設(shè)備，例如，波分復(fù)用(wavelength division multiplexing，WDM)轉(zhuǎn)發(fā)器、收發(fā)器和其它類型的設(shè)備。

由于傳統(tǒng)波導(dǎo)中的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)存在差異，所以在硅波導(dǎo)片之中和之外耦合光可能是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域。光柵耦合是針對(duì)硅片耦合的歷史性方案，其中，直接對(duì)接耦合使光纖的端與波導(dǎo)在幾乎垂直于水平光柵耦合器的方向上等相接觸。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在一項(xiàng)實(shí)施例中，本發(fā)明包括一種自由空間耦合系統(tǒng)，所述自由空間耦合系統(tǒng)包括水平放置于集成電路上的波導(dǎo)，以及耦合到所述波導(dǎo)的硅殼，其中，所述硅殼包括反射面、第一端口以及第二端口，其中，所述第一端口用于在耦合點(diǎn)處從基本上平行于所述波導(dǎo)放置的光源接收光，所述第二端口相對(duì)于所述第一端口定位為約90度，以及所述第二端口與所述波導(dǎo)上的光柵端口對(duì)準(zhǔn)。

在另一項(xiàng)實(shí)施例中，本發(fā)明包括一種用于將光元件耦合到波導(dǎo)上的光柵端口的裝置，所述裝置包括：外殼，所述外殼具有第一端口和第二端口，其中，放置所述第一端口和所述第二端口以適應(yīng)光在所述光元件與所述波導(dǎo)之間的傳輸，以及所述第一端口相對(duì)于所述第二端口定位為約90度；透鏡，所述透鏡放置于所述外殼內(nèi)，用于調(diào)節(jié)在所述光元件與所述波導(dǎo)之間傳送的光；以及反射鏡，所述反射鏡放置于所述外殼中，其中，配置所述透鏡和所述反射鏡使得從所述光元件接收的第一光聚焦于所述光柵端口以及從所述波導(dǎo)接收的第二光聚焦于所述光元件。

在又一項(xiàng)實(shí)施例中，本發(fā)明包括一種構(gòu)造自由空間耦合器的方法，所述方法包括：使用制造工藝制造包括第一端口、第二端口、透鏡槽和反射鏡槽的硅殼，其中，所述第一端口相對(duì)于所述第二端口定位為約90度，所述第一端口用于容納光纖，以及所述反射鏡的角度與透鏡的發(fā)光角度相匹配，使得經(jīng)由所述第一端口接收的穿過(guò)所述透鏡的光被定向至所述第二端口；將所述透鏡固定到所述透鏡槽處；以及將鍍金反射鏡固定到所述反射鏡槽處。

在另一項(xiàng)實(shí)施例中，本發(fā)明包絡(luò)一種用于將光纖元件耦合到波導(dǎo)上的光柵端口的裝置，所述裝置包括：外殼，所述外殼具有第一端口和第二端口，其中，放置所述第一端口和所述第二端口以適應(yīng)光在所述光纖元件與所述波導(dǎo)之間的光傳輸，以及所述光纖元件在基本平行于所述波導(dǎo)的位置處耦合到所述裝置；透鏡，所述透鏡放置于所述外殼內(nèi)，用于調(diào)節(jié)在所述光纖元件與所述波導(dǎo)之間傳送的光；以及反射鏡，所述反射鏡放置于所述外殼內(nèi)，其中，配置所述透鏡和所述反射鏡使得從所述光纖元件接收的第一光聚焦于所述光柵端口以及從所述波導(dǎo)接收的第二光聚焦于所述光纖元件。

結(jié)合附圖和權(quán)利要求書，可從以下的詳細(xì)描述中更清楚地理解這些和其它特征。

附圖說(shuō)明

為了更透徹地理解本發(fā)明，現(xiàn)參閱結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式而描述的以下簡(jiǎn)要說(shuō)明，其中的相同參考標(biāo)號(hào)表示相同部分。

圖1為適用于發(fā)散光的自由空間耦合光方案的一實(shí)施例的示意圖。

圖2為耦合位置中自由空間耦合器的一實(shí)施例的橫截面視圖。

圖3為適用于發(fā)散光的自由空間耦合器的一實(shí)施例的透視圖。

圖4為耦合位置中自由空間耦合器的另一實(shí)施例的透視圖。

圖5為支持多光纖集成的自由空間耦合器的另一實(shí)施例的透視圖。

圖6為適用于準(zhǔn)直光的自由空間耦合光方案的另一實(shí)施例的示意圖。

圖7為耦合位置中自由空間耦合器的另一實(shí)施例的橫截面視圖。

圖8為適用于準(zhǔn)直光的自由空間耦合器的另一實(shí)施例的透視圖。

圖9為耦合位置中自由空間耦合器的另一實(shí)施例的透視圖。

具體實(shí)施方式

首先應(yīng)理解，盡管下文提供一項(xiàng)或多項(xiàng)實(shí)施例的說(shuō)明性實(shí)施方案，但所公開的系統(tǒng)和/或方法可使用任何數(shù)目的技術(shù)來(lái)實(shí)施，無(wú)論該技術(shù)是當(dāng)前已知還是現(xiàn)有的。本發(fā)明決不應(yīng)限于下文所說(shuō)明的說(shuō)明性實(shí)施方案、附圖和技術(shù)，包括本文所說(shuō)明并描述的示例性設(shè)計(jì)和實(shí)施方案，而是可在所附權(quán)利要求書的范圍以及其等效物的完整范圍內(nèi)修改。

在直接對(duì)接耦合方法中，光纖可基本上以直角附接到波導(dǎo)。在某些方法中，可能需要小的入射角以避免由于光柵的衍射而造成的背反射。在直接對(duì)接耦合方法中，可能需要將光纖彎曲、繞圈或者路由以獲得充分的耦合。單模光纖與光子波導(dǎo)之間的直接對(duì)接耦合可帶來(lái)某些弊端，例如，耦合損耗或泄漏、關(guān)于光纖模式和硅片模式的失配、機(jī)械調(diào)準(zhǔn)、光纖彎曲、套管尺寸中的困難等。

本文公開了用于自由空間耦合的技術(shù)，這些技術(shù)可通過(guò)允許沿著相對(duì)于波導(dǎo)基本上平行的平面進(jìn)行耦合而非直接對(duì)接耦合來(lái)最小化和/或消除來(lái)自直接對(duì)接耦合的一個(gè)或多個(gè)弊端。所公開的用于自由空間耦合的技術(shù)可包括利用固態(tài)自由空間耦合設(shè)備，其包括透鏡、反射鏡和硅殼。某些實(shí)施例可使用透鏡聚焦來(lái)自發(fā)散光束的光，而其它實(shí)施例可改變準(zhǔn)直光以聚焦于光柵端口。這些和其它技術(shù)在下文進(jìn)一步論述。使用所公開的技術(shù)而帶來(lái)的益處可包括可與平面外光束的眾數(shù)直徑成反比的帶寬。對(duì)于通常的單模光纖(single mode fiber，SMF)，光束眾數(shù)直徑可為約9微米(μm)到10微米，對(duì)應(yīng)的帶寬對(duì)于粗波分復(fù)用來(lái)說(shuō)可能太小。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的，所公開的技術(shù)并不限于此方式，并可適應(yīng)明顯小于通常SMF的光束眾數(shù)直徑，例如，具有約3μm至4μm的光束眾數(shù)直徑，從而允許具有更寬帶寬的光柵耦合器。此外，相對(duì)于采用直接對(duì)接耦合方法的系統(tǒng)，本發(fā)明涉及的生產(chǎn)成本可明顯更低，且包裝可更緊湊。

圖1為適用于發(fā)散光的自由空間耦合光方案100的一實(shí)施例的示意圖。本文中使用的發(fā)散光可指橫截面隨著到光源的距離而增大的光的光束。在自由空間耦合光方案100中，發(fā)散光102，例如，光束眾數(shù)直徑為約1μm至10μm的光，可出射光元件(例如，光纖、激光二極管(laser diode，LD)陣列或LD芯片)并入射透鏡104(例如，硅或玻璃微透鏡)。透鏡104可聚焦和/或調(diào)節(jié)光102，使得輸出光102可由反射面106(例如，鍍金反射鏡)反射和/或彎曲，并聚焦于光柵端口108上，例如，包括用于帶狀負(fù)載波導(dǎo)、信道波導(dǎo)、肋形波導(dǎo)、脊形波導(dǎo)等硅波導(dǎo)的絕緣體硅片(silicon-on-insulator，SOI)基板的光柵端口。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的，在某些實(shí)施例中，光102可源自波導(dǎo)處，在這類實(shí)施例中，自由空間耦合光方案100可以基本上相似的方式但在相反方向起作用。例如，光102可從波導(dǎo)至光纖表面光柵耦合器等光柵端口108射出，穿過(guò)聚焦和/或調(diào)節(jié)透鏡104并進(jìn)入光纖。在這類實(shí)施例中，反射鏡的角度可與光柵端口108的發(fā)光角度相匹配。在應(yīng)用自由空間耦合光方案100時(shí)，不一定需要將光纖的眾數(shù)直徑匹配到光柵端口的眾數(shù)直徑，因?yàn)橥哥R可在光纖的眾數(shù)直徑到光柵端口的眾數(shù)直徑的轉(zhuǎn)換中發(fā)揮作用。

圖2為耦合位置中自由空間耦合器200的一實(shí)施例的橫截面視圖。自由空間耦合器200可采用適用于發(fā)散光的自由空間耦合光方案100。自由空間耦合器200可包括光纖202、透鏡204、反射面206和外殼210。光纖202可由二氧化硅或其它合適的材料構(gòu)造。透鏡204可為硅透鏡或玻璃透鏡。在某些實(shí)施例中，可使用光刻技術(shù)和/或濕法腐蝕制造反射面206。

在某些實(shí)施例中，外殼210可為硅殼。光纖202可使用濕法腐蝕的v形槽等固定到外殼210。透鏡204和反射面206可采用無(wú)源粘接工藝等粘接到外殼210。透鏡204可使用干法腐蝕的溝槽等安裝到外殼210。外殼210可使用光刻技術(shù)和/或濕法或干法腐蝕制造，因此，反射面206的角度可通過(guò)光刻技術(shù)和/或各向異性濕法腐蝕在硅殼上制成。因此，透鏡204和光纖202可僅需要被動(dòng)對(duì)準(zhǔn)過(guò)程，而不是典型的主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)過(guò)程。反射面206的角度的制造過(guò)程可產(chǎn)生相對(duì)于縱軸的高精度(例如，約加或約減0.1度)的反射面206。所產(chǎn)生的反射面的角度與硅的晶體角相同。在制造和/或整理工藝期間使用濕法和/或干法腐蝕的實(shí)施例可使用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的各種掩膜(例如，以定義要保護(hù)免受腐蝕的區(qū)域)進(jìn)行濕法和干法腐蝕中的任意一者或兩者。例如，氧化硅(silicon-nitride，SiN_x)膜、二氧化硅(silicon-oxide，SiO_x)膜和/或金屬膜可用作掩膜。

自由空間耦合器200可耦合到嵌入硅波導(dǎo)等波導(dǎo)212中的光柵端口208。外殼210可包括容納光纖202的第一端口和容納去往和/或來(lái)自波導(dǎo)212的光的第二端口。如圖所示，第一端口可定位在相對(duì)于第二端口約90度。

圖3為適用于發(fā)散光的自由空間耦合器300的一實(shí)施例的透視圖。自由空間耦合器300的部件可基本上與自由空間耦合器200的部件相同，除非另有說(shuō)明。自由空間耦合器300可包括光纖302、透鏡304、反射面306和外殼310?？墒褂铆h(huán)氧固定膠或機(jī)械固定結(jié)構(gòu)等在與波導(dǎo)基本上平行的位置將光纖302耦合到外殼310。例如，光纖302可沿基本上平行于波導(dǎo)的軸平面延伸的軸平面耦合到外殼310。這種耦合可提供優(yōu)勢(shì)，例如，減少光纖彎曲、最小化套管尺寸等。雖然將外殼310的外表面描繪為矩形，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將了解到，該描繪僅為說(shuō)明性的，其它形狀也是可用的且在本發(fā)明的范圍內(nèi)。

圖4為耦合位置中自由空間耦合器400的另一實(shí)施例的透視圖。自由空間耦合器400的部件可基本上與自由空間耦合器300的部件相同，除非另有說(shuō)明。自由空間耦合器400可包括光纖402和外殼410。自由空間耦合器400可安裝于波導(dǎo)412(例如，波導(dǎo)212)上?？墒褂铆h(huán)氧固定膠或機(jī)械固定結(jié)構(gòu)等在與波導(dǎo)412基本上平行的位置將光纖402耦合到外殼410。換言之，光纖402可沿基本平行于波導(dǎo)412的軸平面延伸的軸平面耦合到外殼410。這種耦合可提供優(yōu)勢(shì)，例如，減少光纖彎曲、最小化套管尺寸等。

圖5為支持多光纖集成的自由空間耦合器500的另一實(shí)施例的透視圖。自由空間耦合器500的部件可基本上與自由空間耦合器300的部件相同，除非另有說(shuō)明。自由空間耦合器500可包括反射板506和透鏡槽505，透鏡槽505可容納透鏡(例如，透鏡304)。在某些實(shí)施例中，可通過(guò)使用干法腐蝕工藝制造透鏡槽505。如圖所示，自由空間耦合器500可設(shè)計(jì)為將多個(gè)光纖集成到單個(gè)硅殼510中以支持多通道應(yīng)用(例如，利用多個(gè)光纖)。光纖v形槽503可使用制造工藝構(gòu)造，例如，通過(guò)濕法腐蝕和/或光刻技術(shù)制造，使得光纖之間的間距或距離可控制到相對(duì)高的精度(例如，約加或減1μm)。

圖6為適用于準(zhǔn)直光的自由空間耦合光方案600的另一實(shí)施例的示意圖。本文中使用的準(zhǔn)直光可指包括大約平行的光線的光束，因此，準(zhǔn)直光可最低限度地像從原始來(lái)源傳播的光一樣傳播?？墒褂猛哥R等通過(guò)若干已知工藝產(chǎn)生準(zhǔn)直。在自由空間耦合光方案600中，準(zhǔn)直光602可出射光纖準(zhǔn)直儀或其它光元件并入射透鏡604。透鏡604可聚焦光602，使得輸出光602可由反射面606反射出去和/或彎曲并聚焦于硅波導(dǎo)上的光柵端口608。

圖7為耦合位置中自由空間耦合器700的另一實(shí)施例的橫截面視圖。自由空間耦合器700可基本上類似于自由空間耦合器200，除了沒(méi)有耦合到外殼710的光纖(例如，光纖202)，并且可采用適用于準(zhǔn)直光而非發(fā)散光的自由空間耦合光方案600。自由空間耦合器700可包括透鏡704和包在外殼710內(nèi)的反射面706。具體地，光束702(例如，從LD射出的準(zhǔn)直光束)可沿基本平行于波導(dǎo)712的軸平面延伸的軸平面耦合到外殼710。應(yīng)注意，如圖7中描繪的從反射面706光反射的角度僅為說(shuō)明性的，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，這類角度可在設(shè)計(jì)階段等隨意選擇，以最大化波導(dǎo)712上的光柵端口708與光束702之間的交互的所需光學(xué)特性。

圖8為適用于準(zhǔn)直光的自由空間耦合器800的另一實(shí)施例的透視圖。自由空間耦合器800的部件可基本上與自由空間耦合器400的部件相同。自由空間耦合器800可包括透鏡804、反射面806、外殼810和端口814。透鏡804可寬于透鏡704以容納更寬的光束和/或多個(gè)光束，例如，從光源發(fā)射的通過(guò)端口814接收的準(zhǔn)直光。端口814的寬度可基于光源的光特性選擇。透鏡804可使用被動(dòng)粘接工藝等固定到外殼810。

圖9為耦合位置中自由空間耦合器900的透視圖。自由空間耦合器900的部件可基本上與自由空間耦合器800的部件相同，除非另有說(shuō)明。在圖9中，自由空間耦合器900可安裝于波導(dǎo)912上。自由空間耦合器900可包括用于接收光的端口914。LD陣列或LD芯片918可置于波導(dǎo)912上。透鏡916可置于波導(dǎo)912上以將從LD陣列918射出的發(fā)散激光束在進(jìn)入自由空間耦合器900之前經(jīng)由端口914轉(zhuǎn)變成準(zhǔn)直光。自由空間耦合器900還可包括第二透鏡，其在自由空間耦合器900內(nèi)部，其中，第二透鏡可形成準(zhǔn)直光和/或使準(zhǔn)直光穿過(guò)反射面，然后聚焦于波導(dǎo)912上的光柵端口上。

本發(fā)明公開至少一項(xiàng)實(shí)施例，且所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員對(duì)所述實(shí)施例和/或所述實(shí)施例的特征作出的變化、組合和/或修改均在本發(fā)明公開的范圍內(nèi)。因組合、合并和/或省略所述實(shí)施例的特征而得到的替代性實(shí)施例也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。在明確說(shuō)明數(shù)字范圍或限制的情況下，此類表達(dá)范圍或限制應(yīng)被理解成包括在明確說(shuō)明的范圍或限制內(nèi)具有相同大小的迭代范圍或限制(例如，從約為1到約為10包括2、3、4等；大于0.10包括0.11、0.12、0.13等)。例如，只要公開具有下限R_l和上限R_u的數(shù)字范圍，則明確公開了此范圍內(nèi)的任何數(shù)字。具體而言，在所述范圍內(nèi)的以下數(shù)字是明確公開的：R＝R₁+k*(R_u–R₁)，其中k為從1％到100％范圍內(nèi)以1％遞增的變量，如，k為1％、2％、3％、4％、5％……70％、71％、72％……95％、96％、97％、98％、99％或100％。此外，由上文所定義的兩個(gè)數(shù)字R定義的任何數(shù)字范圍也是明確公開的。除非另有說(shuō)明，否則術(shù)語(yǔ)“約”是指隨后數(shù)字的±10％。相對(duì)于權(quán)利要求的任一元素使用術(shù)語(yǔ)“選擇性地”意味著所述元素是需要的，或者所述元素是不需要的，兩種替代方案均在所述權(quán)利要求的范圍內(nèi)。使用如“包括”、“包含”和“具有”等較廣術(shù)語(yǔ)應(yīng)被理解為提供對(duì)如“由……組成”、“基本上由……組成”以及“大體上由……組成”等較窄術(shù)語(yǔ)的支持。因此，保護(hù)范圍不受上文所陳述的說(shuō)明限制，而是由所附權(quán)利要求書界定，所述范圍包含所附權(quán)利要求書的標(biāo)的物的所有等效物。每一和每條權(quán)利要求作為進(jìn)一步揭示內(nèi)容并入說(shuō)明書中，且所附權(quán)利要求書是本發(fā)明的實(shí)施例。對(duì)所述揭示內(nèi)容中的參考進(jìn)行的論述并非承認(rèn)其為現(xiàn)有技術(shù)，尤其是具有在本申請(qǐng)案的在先申請(qǐng)優(yōu)先權(quán)日期之后的公開日期的任何參考。本發(fā)明中所引用的所有專利、專利申請(qǐng)案和公開案的揭示內(nèi)容特此以引用的方式并入本文中，其提供補(bǔ)充本發(fā)明的示例性、程序性或其它細(xì)節(jié)。

雖然本發(fā)明多個(gè)具體實(shí)施例，但應(yīng)當(dāng)理解，所公開的系統(tǒng)和方法也可通過(guò)其它多種具體形式體現(xiàn)，而不會(huì)脫離本發(fā)明的精神或范圍。本發(fā)明的實(shí)例應(yīng)被視為說(shuō)明性而非限制性的，且本發(fā)明并不限于本文本所給出的細(xì)節(jié)。例如，各種元件或部件可以在另一系統(tǒng)中組合或合并，或者某些特征可以省略或不實(shí)施。

此外，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，各種實(shí)施例中描述和說(shuō)明為離散或單獨(dú)的技術(shù)、系統(tǒng)、子系統(tǒng)和方法可以與其它系統(tǒng)、模塊、技術(shù)或方法進(jìn)行組合或合并。展示或論述為彼此耦合或直接耦合或通信的其它項(xiàng)也可以采用電方式、機(jī)械方式或其它方式通過(guò)某一接口、設(shè)備或中間部件間接地耦合或通信。其它變更、替換、更替示例對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見(jiàn)的，均不脫離此處公開的精神和范圍。