用于光栅耦合器的模转换器的方法和系统与流程

相关申请的交叉引用/通过引用结合

本申请要求于2017年4月19日提交的美国临时申请62/487,155的优先权和权益，其全部内容通过引用结合于此。

本公开的方面涉及电子组件。更具体地，本公开的某些实施涉及用于光栅耦合器的模转换器的方法和系统。

背景技术：

用于光学光栅耦合器的常规方法可能是昂贵的、麻烦的和/或低效率的—例如，它们可能是复杂的和/或耗时的，和/或可能引入不对称性。

通过将这样的系统与如在本申请的其余部分中参考附图阐述的本公开的一些方面进行比较，常规和传统方法的进一步限制和缺点对于本领域技术人员将变得显而易见。

技术实现要素：

基本上如至少一个附图所示和/或结合至少一个附图所述，如权利要求书中更完整地阐述的，提供了用于光栅耦合器的模转换器的系统和方法。

从以下描述和附图将更充分地理解本公开的这些和其他优点、方面和新颖特征以及其所示实施方式的细节。

附图说明

图1a是根据本公开的示例实施方式的具有用于光栅耦合器的模转换器的光子使能集成电路的框图。

图1b是示出根据本公开的示例实施方式的示例性光子使能集成电路的示图。

图1c是示出根据本公开的示例实施方式的耦合到光纤电缆的光子使能集成电路的示图。

图2是示出根据本公开的示例实施方式的一维光栅的示意图。

图3示出了根据本公开的示例实施方式的具有绝热模转换器的光栅耦合器的俯视图和侧视图。

图4示出了根据本公开的示例实施方式的具有模转换器锥体的聚焦光栅的俯视图。

图5示出了根据本公开的示例实施方式的具有模转换器的二维聚焦光栅耦合器。

图6示出了根据本公开的示例实施方式的具有和不具有模转换器的光栅耦合器的实验结果。

具体实施方式

如本文所用的，术语“电路”和“电路系统”指的是物理电子组件(即硬件)以及可以配置硬件、将由硬件执行和/或以其他方式与硬件相关联的任何软件和/或固件(“代码”)。如本文所使用的，例如，特定处理器和存储器在执行第一一行或多行代码时可以包括第一“电路”，并且在执行第二一行或多行代码时可以包括第二“电路”。如本文所用的，“和/或”是指列表中由“和/或”连接的任何一个或多个项。作为一个示例，“x和/或y”是指三元素集{(x)，(y)，(x，y)}中的任何元素。换句话说，“x和/或y”是指“x和y中的一个或两者”。作为另一示例，“x，y和/或z”是指七元素集{(x)，(y)，(z)，(x，y)，(x，z)，(y，z)，(x，y，z)}中的任何元素。换句话说，“x，y和/或z”是指“x，y以及z中的一个或多个”。如本文所用的，术语“示例性”是指用作非限制性示例、实例或说明。如本文所用的，术语“例如(e.g.)”和“例如(forexample)”列出了一个或多个非限制性示例、实例或说明的列表。如本文所用的，每当电路系统或装置包括执行功能的必要硬件和代码(如果有必要)时，该电路系统或装置“可操作”以执行功能，而不管该功能的执行是否被禁用或不可用(例如，通过用户可配置的设置、工厂调整等)。

图1a是根据本公开的示例实施方式的具有用于光栅耦合器的模转换器的光子使能集成电路的框图。参考图1a，示出了在光子使能集成电路130上的光电子装置，其包括光调制器105a至105d、光电二极管111a至111d、监测光电二极管113a至113h，以及包括耦合器103a至103k、光学终端115a至115d、光栅耦合器117a至117h和模转换器121的光学装置。还示出了包括放大器107a至107d、模拟和数字控制电路109以及控制部112a至112d的电子装置和电路。放大器107a至107d例如可以包括跨阻限幅放大器(tia/la)。

在示例场景中，光子使能集成电路130包括具有耦合到ic130的顶表面的激光组件101的cmos光子管芯(die)。激光组件101可以包括具有绝缘体、透镜和/或旋转器的一个或多个半导体激光，用于将一个或多个cw光信号引导到耦合器103a。光子使能集成电路130可以包括单个芯片，或者可以集成在多个管芯上，例如一个或多个电子管芯和一个或多个光子管芯。

光信号经由在光子使能集成电路130中制造的光波导110在光学装置和光电子装置之间通信。单模或多模波导可以用于光子集成电路中。单模操作使得能够直接连接到光信号处理和网络元件。术语“单模”可以用于支持用于两个偏振(横向电(te)和横向磁(tm))中的每一个的单模的波导，或者用于真正的单模且仅支持其偏振为te的一个模的波导，该模包括平行于支撑波导的衬底的电场。所利用的两个典型波导横截面包括条形波导(stripwaveguide)和肋形波导(ribwaveguide)。条形波导通常包括矩形横截面，而肋形波导包括波导板顶部的肋形截面。当然，其他波导横截面类型也可以设想，并且在本公开的范围内。

在示例场景中，耦合器103a至103c可以包括低损耗y结功率分路器，其中，耦合器103a从激光组件101接收光信号并将该信号分裂到两个分支，该两个分支将光信号引导到耦合器103b和103c，该耦合器103b和103c再次分裂光信号，从而产生四个大致相等的功率光信号。

光调制器105a至105d例如包括马赫-曾德尔(mach-zehnder)或环形调制器，并且使得能够调制连续波(cw)激光输入信号。光调制器105a至105d可以包括高速和低速相位调制部，并且由控制部112a至112d控制。光调制器105a至105d的高速相位调制部可以用数据信号调制cw光源信号。光调制器105a至105d的低速相位调制部可以补偿用于缓慢变化的相位因子，例如由波导之间的失配、波导温度或波导应力引起的相位因子。补偿这些缓慢变化的相位因子被称为无源相位，或马赫-曾德尔调制器(mzm)的无源偏置。

光调制器105a至105d的输出可以经由波导110光耦合到光栅耦合器117e至117h。耦合器103d至103k例如可以包括四端口光耦合器，并且可以用于采样或分裂由光调制器105a至105d生成的光信号，其中，采样的信号由监测光电二极管113a至113h测量。定向耦合器103d至103k的未使用分支可以由光学终端(opticaltermination)115a至115d端接，以避免不想要的信号的背反射。

光栅耦合器117a至117h包括使得能够将光耦合进和耦合出光子使能集成电路130的光学光栅。光栅耦合器117a至117d可以用于将从光纤接收的光耦合到光子使能集成电路130中，并且光栅耦合器117e至117h可以用于将来自光子使能集成电路130的光耦合到光纤中。光栅耦合器117a至117h可以包括单偏振光栅耦合器(spgc)和/或偏振分裂光栅耦合器(psgc)。在利用psgc的情况下，可以利用两个输入或输出波导。

光栅耦合器是集成光学电路中的装置，其对电信光纤和光学电路之间的光进行连接。它们包括将引导光衍射出电路平面的表面发射元件，其中，可以用标准光纤收集引导光。与诸如端面耦合的其他耦合方法相比，光栅耦合器适合于平面制造方法，并且允许在芯片表面上自由放置光学接口。

另外，二维(2d)光栅允许重要的复用和解复用操作，即，分别将来自不同光信道的信号组合到一个信道或将同一信道中的多个信号分裂到单独的输出信道。二维光栅允许在偏振、波长和空间域中进行复用。例如，2d光栅可以将来自芯片130的两个波长的光组合成单个出射光纤。

通常，光栅耦合器通过将衍射元件的形状蚀刻到波导中，从而从波导中去除材料来制造。对于一维(1d)光栅，衍射形状可以像等距线的布置一样简单，而对于二维光栅，可以利用曲线。

最小化损耗是光栅耦合器设计的重要目标。在光可以由光栅耦合器117e至117h耦合出并且随后用光纤收集之前，光应当以最小的损耗进入光栅耦合器117e至117h的光栅区域。然而，波导110和光栅区域中的几何形状的差异导致在该接口处的损耗，例如反射和高阶模生成，从而对光栅性能产生不利影响。

在示例实施方式中，光栅耦合器117a至117h可以在耦合器的输入/输出处具有模转换器121。如图3至图5所示，模转换器121可以包括锥形部，用于使入射/出射光模式匹配光栅耦合器117a至117h的入射/出射光模式。

光纤可以例如环氧化到cmos芯片上面，并且可以与光子使能集成电路130的表面的法线成一定角度对准，以优化耦合效率。在示例实施方式中，光纤可以包括单模光纤(smf)和/或保偏光纤(polarization-maintainigfiber，pmf)。

在图1b所示的另一示例性实施方式中，通过将光源引导到芯片中的诸如光源接口135和/或光纤接口139的光学耦合装置上，光信号可以在没有光纤的情况下直接传送到光子使能集成电路130的表面。这可以通过键合到光子使能集成电路130的另一芯片倒装芯片上的定向激光源和/或光源来实现。

图1a中的光电二极管111a至111d可以将从光栅耦合器117a至117d接收的光信号转换为电信号，该电信号被传送到放大器107a至107d用于处理。在本公开的示例实施方式中，光电二极管111a至111d例如可以包括高速异质结光电晶体管，并且可以在集电极和基极区域中包括锗(ge)以用于在1.3至1.6μm光波长范围内吸收光，并且可以集成在cmos绝缘体上硅(soi)晶片上。

在另一示例实施方式中，与所示的单个芯片相反，图1a所示的四个收发器可以结合至两个或更多个芯片中。例如，诸如控制电路109和放大器/tia107a至107d的电子装置可以在电子cmos管芯中制造，而诸如光电检测器111a至111d、光栅耦合器117a至117h以及光调制器105a至105d的光学和光电子装置可以结合在诸如硅光子插入器的光子管芯上。

模拟和数字控制电路109可以在放大器107a至107d的操作中控制增益等级或其他参数，然后放大器107a至107d可以从光子使能集成电路130传送电信号。控制部112a至112d包括使得能够调制从分束器103a至103c接收的cw激光信号的电子电路系统。例如，光调制器105a至105d需要高速电信号来mzm的相应分支中的折射率。

在操作中，光子使能集成电路130可以操作以传输和/或接收和处理光信号。光信号可以由光栅耦合器117a至117d从光纤接收并由光电二极管111a至111d转换为电信号。电信号可以例如由放大器107a至107d中的跨阻放大器放大，并且随后传送到光子使能集成电路130中未示出的其他电子电路系统。

在图1a中标记为电信号输入的电信号可以驱动调制器105a至105d以调制从cw激光输入101接收的cw光信号，从而调制的光信号由光栅耦合器117a至117h并经由模转换器121传送到芯片内或芯片外。模转换器121可以转换光学模式以匹配光栅耦合器117a至117h的光学模式，并且它们相对于图2至图5进一步示出。模转换器121可以用于芯片130中的输出光信号且/或结合在芯片130的光输入处，即在光栅耦合器117a至117d处。

图1b是示出根据本公开的示例实施方式的示例性光子使能集成电路的示图。参考图1b，示出了光子使能集成电路130，其包括电子装置/电路131、光学和光电子装置133、光源接口135、芯片前表面137、光纤接口139、cmos保护环141以及表面照明的监测光电二极管143。

在示例实施方式中，光源接口135和光纤接口139例如包括光栅耦合器，其使得能够经由cmos芯片表面137耦合光信号。经由芯片表面137耦合光信号使得能够使用cmos保护环141，cmos保护环141机械地保护芯片并且防止污染物经由芯片边缘进入。

电子装置/电路131例如包括相对于图1a描述的诸如放大器107a至107d以及模拟和数字控制电路109的电路系统。光学和光电子装置133包括诸如耦合器103a至103k、光学终端(opticaltermination)115a至115d、光栅耦合器117a至117h、光调制器105a至105d、高速异质结光电二极管111a至111d以及监测光电二极管113a至113i的装置。

图1c是示出根据本公开的示例实施方式的耦合到光纤电缆的光子使能集成电路的示图。参考图1c，示出了包括芯片表面137和cmos保护环141的光子使能集成电路130。还示出了光纤到芯片耦合器145、光纤电缆149以及光源组件147。

可以如相对于图1b描述的那样，光子使能集成电路130例如包括电子装置/电路131、光学和光电子装置133、光源接口135、芯片表面137以及cmos保护环141。

在示例实施方式中，光纤电缆可以例如经由环氧树脂附接到cmos芯片表面137。光纤芯片耦合器145使得光纤电缆149能够物理耦合到光子使能集成电路130。在另一示例场景中，ic130可以包括一个管芯上的诸如光子插入器的光子装置以及电子管芯上的电子装置，两者都可以包括cmos管芯。

图2是示出根据本公开的示例实施方式的一维光栅的示意图。参考图2，示出了光栅耦合器200的俯视图和侧视图，该光栅耦合器200包括波导区域201和光栅区域203，该光栅区域203包括线性衍射元件205的阵列。衍射元件205可以包括已经从波导材料中去除材料的区域，例如凹槽或通道，在该示例中，这些区域包括基本上垂直于入射光信号的行进方向的直线。

光栅耦合器是衍射结构，其可以针对以不同速度传播的特定光分布(通常是波导区域201中的波导的基模)进行优化。为了确保光栅的最佳性能，重要的是允许所有入射光聚集到该基模中，在那里，它可以外耦合并被捕获。然而，如在光栅耦合器200的侧视图中所示，在光栅区域中或在波导区域201与光栅区域203之间的界面210处发生几种寄生效应，即反射、向高阶模的转换以及散射到结构外，这降低了行进到该基模的光量，从而降低了光栅效率。

存在两个可以在波导-光栅界面210处引起损耗的问题。首先，光在两个区域中的传播速度可能不同。由于从波导中去除了高折射率材料，所以光在光栅区域203中的传播速度高于在波导区域201中的传播速度。其次，由于光栅耦合器200的结构，光栅区域203中的基模209的分布可能会变形。在耦合器200的顶部去除的材料向下推动模中心，打破模对称性，并且改变分布在垂直方向上的衰减方式。

模传播速度和模分布的差异引起界面处的损耗机制。首先，一定量的光将被反射回波导区域201，在那里，它会干扰光子芯片的正常操作。第二，光可以散射出波导，并且第三，诸如高阶模211的高阶模可以在光栅中被激励。最终，仅基模209中的光可以由光栅耦合器200捕获，并且所提及的损耗机制中的任何光都被损耗。

为了避免在该界面处发生损耗，可以在波导区域201与光栅区域203之间插入逐渐的或绝热的锥形过渡区域。在该过渡区域中，模分布和光传播速度可以被缓慢地转换，从而允许光跟随改变的几何形状，如关于图3至图5进一步示出，从而显著减少了损耗。

图3示出了根据本公开的示例实施方式的具有绝热模转换器的光栅耦合器的俯视图和侧视图。参考图3，示出了具有绝热模转换器300的光栅耦合器，该绝热模转换器300包括波导区域301、模转换器303以及光栅耦合器区域305。在该示例中，模转换器包括锥体307的阵列，其中，锥体307的长轴平行于入射光分布311的方向定向，并且光栅耦合器305包括光栅309的阵列，光栅309可以包括从波导材料去除材料的区域。

模转换器303包括将波导顶部中的材料改变(例如去除硅波导中的硅材料)为例如具有可配置的宽度和间隔的可配置的深度。在另一示例场景中，如果后续光栅耦合器在底部具有光栅/波纹，则材料的改变可以替代地位于波导的底部。以这种方式，锥体307包括波导材料已经从顶部去除的区域。用采用平面子波长结构的平面制造技术可以实现类似的效果。当结构小于光的波长时，传播光根据结构的平均折射率而不是单个结构起作用。

图3的俯视图示出了模转换锥体307作为这种模转换结构的一个示例。锥体307的宽度比光的波长短，因此，光有效地传播，就像它在均匀介质中一样。然而，随着锥体307变宽，均匀介质逐渐接近光栅耦合器305的折射率分布，并且光模分布转变为用于光栅区域的期望分布，如图3的侧视图中所示的模分布的进展所示，其中，模被向下压缩到波导材料中。

这种方法避免了在硬波导/耦合器界面处的所有三种寄生效应。由于不存在硬/波导界面，所以模转换器303抑制散射、反射以及向高阶模的模转换。因此，可以非常高效率地激励光栅中的基模。结果，所有可用的光都可以被发射到光栅耦合器305中，在那里，它可以耦合出芯片的顶表面并且由光纤收集。

在操作中，来自波导区域301的光耦合到模转换器303中，其中，锥体307提供模转换以避免在硬波导/耦合器界面处存在的三种寄生效应。光栅耦合器305中的光栅309在期望的方向上将光模散射出模转换光栅耦合器300的表面。模转换器303允许在两个方向上操作。这样，可以可选地从光栅耦合器305接收光，该光栅耦合器305用于面外光的内耦合。锥体307然后使来自光栅区域的模分布空间松弛以匹配波导区域301的模分布，从而以类似的方式抑制寄生效应。此外，具有模转换器303的光栅耦合器305可以从两个方向接收光信号，即，从模转换器303中被转换的光栅耦合器305接收光信号，以松弛到波导区域301所需的模分布，并且还从波导区域301接收光信号，模在模转换器303中转换为匹配光栅耦合器305的模，用于从管芯的顶表面以接近法线的角度耦合出光栅耦合器305。

图4示出了根据本公开的示例实施方式的具有模转换器锥体的聚焦光栅的俯视图。参考图4，示出了模转换光栅耦合器400，其包括波导区域401、模转换器403、聚焦光栅耦合器405、锥体407、光栅409、波导411以及输入光信号413。

诸如光栅耦合器405的聚焦光栅耦合器可以用于有效地耦合到窄波导。如图4所示，可以沿着椭圆曲线布置衍射元件光栅409而不是线，以将从窄波导411发射的弯曲光前(lightfront)转换为可以耦合到光纤中的平面光前。用于这种光栅的绝热模转换器基于与光栅耦合器305相同的原理工作。模转换器403包括锥体407，其中，每个锥体407的方向，即每个锥体407的轴指向波导411的中心。锥体407可以由去除波导材料的锥形区域限定。转换器结构的位置跟随光栅的第一椭圆。

在操作中，来自波导411的输入光信号413耦合到扩展波导区域401和模转换器403中，其中，锥体407提供模转换以避免在硬波导/耦合器界面处存在的三种寄生效应。光栅耦合器405中的光栅409在期望的方向上将光模散射出模转换光栅耦合器400的表面，并且可以耦合到光纤中。

反方向操作，即从耦合到光栅耦合器405的光纤到波导411的操作，也在本公开的范围内。因此，具有模转换器403的光栅耦合器405可以从两个方向接收光信号，即，从模转换器403中被转换的光栅耦合器接收光信号，以松弛到波导区域401所需的模分布，并且还从波导区域401接收光信号，模在模转换器403中转换为匹配光栅耦合器405的模，用于从管芯的顶表面以接近法线的角度耦合出光栅耦合器405

图5示出了根据本公开的示例实施方式的具有模转换器的二维聚焦光栅耦合器。参考图5，示出了二维光栅耦合器系统500，其包括波导区域501a和501b、包括锥体507的模转换器503a和503b、包括光栅509的二维光栅耦合器505、波导511a和511b、输入光信号513a和513b、光栅轴515a和光栅轴515b。

二维光栅是由在一个以上方向上散射的散射元件组成的光栅。例如，如图5所示，通过经由波导511a和511b以及波导区域501a和501b耦合到结构中的两个输入光信号513a和513b，二维光栅可以从一个以上输入方向接收光，波导区域501a和501b从波导511a和511b的宽度逐渐加宽以匹配模转换器503a和503b的宽度。波导511a提供输入光信号513a，并且波导511b提供输入光信号511b。

除了具有两个输入之外，光栅耦合器505还包括两个聚焦光栅，该两个聚焦光栅将光聚焦在一个以上窄波导中或该两个聚焦光栅聚焦来自一个以上窄波导的光。如图5所示，沿着椭圆曲线布置衍射元件光栅509而不是线，以使从窄波导511a和511b发射的光在外耦合后平坦化。诸如模转换器503a和503b的绝热模转换器可以用于这种光栅。模转换器503a和503b可以包括模块化元件，优化时，模块化元件就可以被添加到光栅之前，而不需要改变光栅本身。对于二维光栅，每个输入方向可以使用一个模转换器。

光栅509包括沿着两个弯曲轴，即光栅轴515a和光栅轴515b布置的散射元件。以这种方式，光栅耦合器505包括二维聚焦耦合器。模转换器503a和503b中的锥体507可以定向为指向它们相应的波导511a和511b。

模转换器503a和503b减轻在硬波导/耦合器界面处存在的所有三种寄生效应。由于不存在硬波导/光栅界面，所以模转换器503a和503b抑制散射、反射以及向高阶模的模转换。因此，可以非常高效率地激励光栅中的基模。结果，所有可用的光都可以被发射到光栅耦合器505中，在那里，它可以耦合出芯片的顶表面并且由光纤收集。

反方向操作，即从耦合到光栅耦合器505的光纤到波导511a和511b的操作，也在本公开的范围内。因此，具有模转换器503a和503b的光栅耦合器505可以从两个方向接收光信号，即，从模转换器503a和503b中被转换的光栅耦合器505接收光信号，以松弛到波导511a和511b所需的模分布，并且还从波导511a和511b接收光信号，模在模转换器503a和503b转换为匹配光栅耦合器405的模，用于从管芯的顶表面以接近法线的角度耦合出光栅耦合器505。

在操作中，来自波导511a和511b的输入光信号513a和513b耦合到扩展波导区域501a和501b以及模转换器503a和503b中，其中，锥体507提供模转换以避免在硬波导/耦合器界面处存在的三种寄生效应。二维光栅耦合器505中的光栅509在期望的方向上将光模散射出二维模转换光栅耦合器500的表面，在该表面处光可以耦合到光纤中。

图6示出了根据本公开的示例实施方式的具有和不具有模转换器的光栅耦合器的实验结果。参考图6，示出了不具有模转换器的光栅耦合器610和具有模转换器630的光栅耦合器620。每个光栅耦合器图像下方的图示出了通过每种类型的光栅耦合器传送的光信号的峰值损耗，并且中间的图示出了与不具有模转换器的光栅耦合器相比，具有模转换器的光栅耦合器的改进。

如在光栅耦合器图像下方的图中可以看出的，不具有模转换器的结构示出损耗在2.32db与2.39db之间，而具有模转换器的结构损耗在1.88db与1.98db之间，从而使得具有模转换器改进0.4db至0.46db，这与来自仿真的预测一致。

在本公开的示例实施方式中，描述了一种用于光栅耦合器的模转换器的方法和系统，并且该方法和系统包括光子芯片，该光子芯片包括波导、光栅耦合器以及模转换器。波导经由模转换器耦合到光栅耦合器，其中，模转换器包括波导材料和由不具有波导材料的锥形区域限定的锥体。光子芯片可操作以：在模转换器中从波导接收光信号，所接收的光信号具有入射光分布；以及在模转换器中空间压缩入射光分布以在光栅耦合器中配置期望的分布。模转换器允许双向操作。这样，它可以可选地从光栅耦合器接收光，并且使来自光栅区域的模分布空间松弛以匹配波导区域的模分布。

锥体的长轴可以平行于光信号在波导中的行进方向。光栅可以是线性的。锥体的长轴可以指向波导与模转换器相交的点。光栅可以是弯曲的。第二波导可以经由第二模转换器耦合到光栅耦合器，并且锥体的长轴可以指向每个波导与其对应的模转换器相交的点。光栅耦合器可以包括沿曲线布置的成行的散射元件。

在另一示例实施方式中，描述了一种用于光栅耦合器的模转换器的方法和系统，并且该方法和系统包括，在包括波导、光栅耦合器以及模转换器的光子芯片中，波导经由模转换器耦合到光栅耦合器，模转换器包括波导材料和限定不具有波导材料的锥形区域的锥体：在模转换器中从光栅耦合器接收光信号，所接收的光信号具有入射光分布；以及在模转换器中空间松弛入射光分布以在波导中配置期望的分布。

尽管已经参考某些实施方式描述了本公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以替换等同物。此外，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，旨在本发明不限于所公开的特定实施方式，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施方式。