专利名称：包含二维光栅的偏振分集光栅耦合器的制作方法
技术领域：
本发明一般来说涉及光学装置，且更具体来说涉及光学装置的光学耦合器以及其使用及制造方法。
背景技术：
此部分介绍可有助于促进对本发明的更好理解的方面。因此，应根据此来阅读此部分的陈述。此部分的陈述不应理解为关于什么是现有技术或什么不是现有技术的承认。目前使用离散光学器件来制作用于通信应用(例如，光纤到户应用)的光学双工器及三工器光学装置。举例来说，多工器及三工器通常是逐件地组装且涉及数个对准程序， 因此增加制造此些装置的费用。
发明内容
一个实施例是一种光学装置。所述装置包含具有平面表面且在上面具有光学核心的衬底。所述装置还包含位于所述光学核心中的二维光栅，所述二维光栅由光折射结构的规则二维图案形成，所述光折射结构中的一者位于位于横向限界区中的规则二维格的每一节点处。所述装置还包含处于所述平面衬底上且具有端耦合到所述二维光栅的端的第一及第二光学波导，所述第一光学波导使得接近其所述端的传播的方向实质上沿所述二维格的基格向量，所述第二光学波导使得接近其所述端的传播的方向不平行于所述规则二维格的基格向量。光学装置的另一实施例包含上文所描述的衬底、光学核心及二维光栅。所述装置还包含处于所述平面衬底上且具有端耦合到所述二维光栅的端的一个或一个以上光学波导。所述一个或一个以上光学波导使得接近其所述端的传播的方向实质上沿所述规则二维格的非基格向量。另一实施例是一种使用光学装置的方法。所述方法包含将光传输穿过光学耦合器。传输包括朝向光学核心层中的二维光栅引导所述光，所述光是以实质上法向于所述光学核心层位于其上的平面衬底的角度被引导，所述二维光栅是由光折射结构的规则二维图案形成，所述光折射结构中的一者位于位于横向限界区中的规则二维格的每一节点处。传输包括在所述二维光栅中衍射所述光，使得所述光射出所述二维光栅，进入到处于所述平面衬底上且具有端耦合到所述二维光栅的端的第一及第二光学波导中，所述第一光学波导使得接近其所述端的传播的方向实质上沿所述二维格的基格向量，所述第二光学波导使得接近其所述端的传播的方向不平行于所述规则二维格的基格向量。另一实施例是一种制造光学装置的方法。所述方法包含在平面衬底上制作光学耦合器。制作所述光学耦合器包括形成二维光栅，包括在所述衬底上形成光学核心层。制作所述光学耦合器包括图案化所述光学核心层以形成光折射结构的周期性布置，所述光折射结构中的一者位于位于横向限界区中的规则二维格的每一节点处。制作所述光学耦合器包括图案化所述光学核心层以形成处于所述平面衬底上且具有端耦合到所述二维光栅的端的第一及第二光学波导，所述第一光学波导使得接近其所述端的传播的方向实质上沿所述二维格的基格向量，所述第二光学波导使得接近其所述端的传播的方向不平行于所述规则二维格的基格向量。
当参照附图阅读下文详细说明时可从中最好地理解本发明的实施例。对应或相同编号或字符指示对应或相同结构。各图可能未按比例绘制且为清晰地进行论述可能在大小上任意地增大或减小。现在结合附图参考以下说明，附图中图1呈现实例性光学装置的透视图；图2呈现图1中所展示的实例性装置的一部分的详细平面图；图3呈现图1中所展示的实例性装置的一部分的横截面图；图4呈现使用光学装置(例如，图1到图3中所描绘的装置)的实例性方法的流程图；图5呈现制造光学装置(例如，图1到图3中所描绘的装置)的实例性方法的流程图；图6展示在空间频域中实例性光栅(例如，图1到图3中所描绘的光栅)中的光衍射的示意性表示；图7展示实例性装置(例如，图1到图3中所描绘的装置)的从小面光纤到光栅光纤的光纤到光纤传输率(在1577nm波长区中)，其中θ等于约2度；图8展示实例性装置(例如，图1到图3中所描绘的装置)的从小面光纤到光栅光纤的光纤到光纤传输率(在1577nm波长区中)，其中θ等于约5度；图9展示实例性装置(例如，图1到图3中所描绘的装置)的从光栅到光电二极管的净响应率(在1270nm波长区中)，其中θ等于约2度；图10展示实例性装置(例如，图1到图3中所描绘的装置)的从小面到光电二极管的光电二极管的净响应率(在1577nm波长区中)，其中θ等于约2度；图IlA呈现类似于图1到图3中所描绘的光学装置的实例性光学装置的透视图； 及图IlB针对图IlA中所描绘的装置展示恰好在到达光栅之前光纤中的所测量位错误率对所接收光学功率。
具体实施例方式如果将多工器及三工器制造为平面光子集成电路(PIC)的部分可更空间高效且成本高效。举例来说，其端在PIC的表面上方且实质上法向于PIC定向的标准光纤可将光学信号发送到Pic或从PIC接收光学信号。二维光栅耦合器可允许光纤如此耦合到PIC。尽管光纤可约垂直地耦合到位于PIC的表面上的光栅耦合器，但可难以同时将两个显著不同波长的光耦合到同一光栅耦合器。举例来说，为在两个波长相位匹配的情况下同时耦合1300nm及1500nm波长的光，光纤通常必须离开法向于所述PIC的表面的角度倾斜较大入射角度(例如，约士 15度以上)。此又可导致高度偏振相依的损耗，且导致后勤问题，例如将光纤维持为所要的倾斜角度。
本文中所揭示的各种光学耦合器提供二维QD)光栅及光学波导，所述光学波导经布置以准许光实质上垂直地传输到所述二维光栅中(例如，经由光纤的一端)且接着准许所述光射出所述光栅进入到实质上不平行(例如，斜行)于其节点为所述光栅的光折射结构的位置的二维格的基格向量的光学波导的端中。在一些实施例中，此种光学耦合器可进一步经配置以使得能够将第二不同波长的光从沿实质上平行于所述二维光栅的所述光折射结构的平面的方向对准的另一波导同时引导到所述二维光栅中。所述第二光可(例如)沿所述第一光沿其传播的约相同的轨迹(例如，几乎法向于所述PIC))垂直地射出所述光栅。因此，单个光学耦合器可在不必远离所述Pic的表面的法线倾斜耦合光纤的定向的情况下耦合一个载波波长的光上的传入光学信号及非常不同的第二载波波长的光上的传出光学信号。本发明的一个实施例是一种光学装置。图1呈现实例性光学装置100的透视图。 在一些实施例中，所述光学装置配置为多工器PIC或三工器PIC。图2呈现对应于图1中所展示的视图2的实例性装置(例如，图1中所展示的实例性装置)的一部分的平面图。图3 呈现沿图2中所展示的视图线3-3的实例性装置(例如，图1中所展示的实例性装置)的一部分的横截面图。如图1中所展示，实例性光学装置100包含位于平面衬底110上(例如，沿衬底110 的平面表面111)的光学耦合器105(例如，平面光学耦合器)。所述光学耦合器包括二维光栅115及一个或一个以上波导120、122。二维光栅115及一个或一个以上波导120、122两者均位于平面衬底110上的光学核心层125中。本文中所使用的术语光学核心层是指比其周围材料具有更高的折射指数的结晶、多晶或非晶层。举例来说，在一些实施例中，例如图 1中所展示，硅光学核心层125可邻近于硅氧化物的上部或下部包覆层130、132(为清晰起见，仅部分地描绘上部包覆层132)。本文中，二维光栅为由规则二维格的节点处的类似形状的衍射结构的分布形成的平面结构。所述衍射结构中的一者位于所述规则二维格的每一节点处，如果所述节点位于选定的横向限界区中的话。可不使所述规则二维格啁啾，使得其节点具有约相等的间距，或可使所述规则二维格啁啾，使得其节点的间距单独沿一个方向啁啾，(例如)沿所述方向线性地生长。所述规则二维格可具有各种局部对称类型，例如，二维正方形格、二维矩形格、二维平行四边形格或这些特定格中的任一者的线性啁啾的变化形式。在相等间隔的节点的情况下，规则二维格的每一节点的位置向量L可写为L = N · A+M · B，其中N及M为整数且A及B为不平行基格向量。本文中，对于此种二维格，所述基格向量为可用以界定所述格的节点的位置的两个最短格向量。举例来说，正方形格的基格向量是正交的。如图1中进一步所示，二维光栅115经配置以接收或传输(或既接收又传输)沿处于实质上法向于平面衬底110的角度140的方向行进的光135。在一些情况下，角度140 为90士 15度。一个或一个以上波导120、122的一端145光学耦合到二维光栅115。在一些情况下，一个或一个以上波导120、122中的每一者的另一相对端146光学耦合到集成于装置100中的光电二极管150。在一些情况下，装置100包括光学耦合到波导120、132的光学滤光器155 (例如，马赫曾德尔(Mach-khnder)干涉仪滤光器)，例如，滤光器155可包括在一个或一个以上波导120、122的光导引路径中。
如图2及图3中所展示，二维光栅115包括实质上类似的光折射结构205的二维图案。光折射结构205中的一者位于规则二维格207的每一节点处，规则二维格207位于横向限界区208中，例如针对所图解说明的二维光栅为正方形。如本文中所使用的术语光折射结构205是指光135(图1)被引导到的光学核心层125的一部分中的开口或所述部分上的凸起特征。由于其在规则二维格的节点处的位置，光折射结构205形成列210及行212，其中列210经定向而平行于第一基格向量，且所述行经定向而平行于不平行于所述第一基格向量的第二基格向量。在所图解说明的实施例中，二维光栅115是正方形格的正方形形状的横向区，其包括沿所述正方形格的每一基格向量的方向的20个格节点处的折射结构205。光折射结构205可在列210及行212(例如，重复数目个列及行)中彼此对准。在一些实施例中，光栅115包含折射结构205的20X20正方形格。一个或一个以上波导120、 122中的每一者的端145(图1)光学耦合到二维光栅115，使得光135穿过波导120、122的传播的方向147将实质上不平行于行及列210、212，S卩，不平行于下伏于二维光栅115的折射结构205的位置下面的所述规则二维格的基格向量。出于本发明的目的，当穿过所述基格向量(例如，在一些情况下，图2中所描绘的行210及列212)的方向220的直线与穿过一个或一个以上波导120、122的光传播222、224 的方向的直线之间存在约士 10度或更大的相交角度215时，满足光传播方向147实质上不平行于所述基格向量(例如，在一些情况下，行210及列21 的条件。如图3中所图解说明，在一些实施例中，所述光学耦合器可进一步包括位于二维光栅115下面的反射结构310(例如，平面反射结构)。所述反射结构可(例如)通过将原本将由于光散射到衬底110中而损耗的传输穿过光栅115的光135反射回到光栅115中而改善穿过光栅115的光传输的效率。在一些情况下，反射结构可为金属层，例如金或银层。 在其它情况下，反射结构310可为分布式布拉格反射器(例如，平面分布式布拉格反射器)。在一些情况下，例如图1及图2中所展示，装置100的实施例，两个波导120、122 两者光学耦合到二维光栅115，使得光135穿过波导120、122的传播的方向147实质上不平行于二维光栅115的基格向量(例如，对应于行或列210、212)的方向，且沿穿过两个波导120、122(例如，波导的中心)的线222、224的方向147实质上彼此正交(例如，90士 10 度)。在图2中所图解说明的实例中，相交角度215相对于行及列210、212两者可为约45 度。然而，基于本发明，所属领域的技术人员将理解在需要的情况下可如何调整邻近光折射结构205位于其上的节点的二维格以实现不同的相交角度215。此些调整可包括(例如) 光折射结构205的大小及邻近光折射结构205之间的间隔的改变。在一些实施例中，波导120中的一者载送光135的偏振部分且波导122中的另一者载送光135的不同的第二偏振部分。在一些情况下，穿过相应波导120、122的所述第一及第二偏振部分两者为光135的横向电模式(TE)，或两者为光135的横向磁模式(TM)，且其处于相对于彼此的正交偏振状态。光135可由两个波导120、122中的每一者单独地引导到装置100的光电二极管150的不同端。由光135载送的光学信号在光电二极管150中转换成电子信号。可将所述电子信号发送到装置100的电组件(未展示)(例如，跨导放大器及电子集成电路)，以促进对所述电信号的进一步处理。如图1中进一步图解说明，光学装置100可进一步包括位于平面衬底110上方(例如，所述衬底的平面上方)的光纤160。然而，在其它实施例中，光135可经由其它光源(例如，激光器或透镜)传输到光栅135。在一些情况下，光纤160可经配置以将光135传递到二维光栅115或从二维光栅115传递光135(或两者)。在一些情况下，光纤160的长轴165 以实质上法向于衬底110的角度140定向。例如，长轴165可与平面衬底110的平面表面的法向向量在约士 15度内对准。在一些实施例中，光纤160偏离平面衬底110的法向角度 140而倾斜非零入射角度167。举例来说，具有在偏离法向角度140约2度到10度的范围中的入射倾斜角度167可有利地减少归因于光反射的光135的损耗。如下文进一步解释， 还可调整偏离法向角度140的非零入射倾斜角度167以促进两个特定波长的不同光在两个波长相位匹配的情况下通过光栅115。可调整光栅115的邻近光折射结构205之间的特定中心到中心距离230，以适应处于一个或一个以上波导120、122中的光传播222、2M的实质上不平行方向的特定波长的光的耦合。举例来说，参考图1及图2中所展示的基于正方形格的实例性光栅115，光135 的波长(81)可等于约a · neff/ V 2，其中a为光折射结构205的给定列或行210、212中的光折射结构205中的邻近者之间的中心到中心距离230，且neff为二维光栅115的有效折射指数。例如，a为所图解说明的二维光栅115的正方形格的格间距。所属领域的技术人员将理解如何(例如)通过对光栅115的格结构的本征模进行数值求解以计算传播常数且从而计算neff来计算neff。因此，为将特定波长(81)的光135传输穿过光学装置100，可构造光栅115，使得a的值满足条件81 · V 2/neff(例如，a = 81 · V 2/neff)。作为实例，考虑当光学核心层125包含结晶硅且其中的光栅115具有2. 9的有效折射指数(Iieff)时。为传输 1. 27微米波长(81)的光135，a优选地等于约0. 62微米。在一些情况下，中心到中心距离230(例如，格间距a)对于在同一行212中对准的所有光折射结构205相同。在一些情况下，邻近行212之间存在相同的中心到中心距离 230。例如，中心到中心距离230在同一列210中的邻近光折射结构205之间相同。然而， 在其它情况下，邻近行212中的光折射结构205之间的中心到中心距离可存在相续的连续改变。例如，行212之间的中心到中心距离230的连续改变可由所属领域的技术人员熟知的切趾函数界定(例如，线性地啁啾或其它)。还如所图解说明，在图1中，在一些实施例中，二维光栅115可进一步经配置以传输或接收第二光170。第二光170穿过光栅115的传输或接收可与第一光135的传输或接收(例如上文所描述)同时发生。第二光170可传播穿过光学核心层125中的另一波导175。另一波导175的一端 176光学耦合到二维光栅115。与上文所描述的波导120、122相比，另一波导175光学耦合到二维光栅115，使得第二光170穿过另一波导175或接近波导175的端176的传播的方向177实质上平行于界定光栅115的节点的位置的基格向量(例如，光折射结构205的行或列210、212中的至少一者)。当穿过列或行210、212中的至少一者的直线220与穿过另一波导175或接近波导 175的端176的光传播的直线方向240之间存在等于或小于约10度的相交角度235时，满足第二光170的传播的方向177实质上平行于行或列210、212的条件。类似于上文针对第一光135所论述的内容，可调整邻近光折射结构205之间的中心到中心距离230，以适当特定波长(8 的第二光170。举例来说，考虑图1及图2中所描绘的光栅115的正方形格间距。光170的波长(82)等于约a · nrff，其中a为给定列或行 210,212中的光折射结构205中的邻近者之间的中心到中心距离230，且neff为邻近于光学核心层125(包括二维光栅115)的包覆层130、132的折射指数。作为实例，考虑当由硅构成的光学核心层125具有2. 9的有效折射指数(Iieff)时。为将1. 577微米波长(8 的第二光170传输穿过光栅115，a优选地等于约0. 54微米。在一些实施例中，第二光170可以实质上法向于衬底110的平面的角度140射出光栅115。举例来说，具有第一波长的光135可经由位于平面衬底110上方的光纤160传输到二维光栅115，且具有不同的第二波长的第二光170可以角度140传输出二维光栅115 且进入到相同光纤160中。在一些情况下，通过一个或一个以上波导120、122的第一光135 还通过光学装置100的光学滤光器155且滤光器155经配置而在所述第一波长下具有最大传输效率且在第二光170的第二波长下具有最小传输效率。或者，在其它实施例中，第一光135及第二光170两者可以实质上法向于衬底110 的平面的角度140进入光栅115，且第一光135可射出光栅115，进入到一个或一个以上波导120、122中，而所述第二光可射出光栅115，进入到另一波导175中。所属领域的技术人员基于本发明将理解在装置100的另外其它实施例中可如何将光135、170传输到光栅115 及从光栅115传输光135、170。在使用两个不同波长的光135、170的装置100的实施例中，可有利地协作地调整中心到中心距离230(例如，格间距a)及实质上法向角度140，以适应光135及第二光170 的两个特定波长。举例来说，中心到中心距离230及角度140可具有同时满足以下关系的值kout,X = kin,X Sin θ + 2π/α其中 kin, x = 2 Ji ncl/ (82)且 kout, x = 2 Ji neff/(82)，及
权利要求
1.一种光学装置，其包含衬底，其具有平面表面且在上面具有光学核心；二维光栅，其位于所述光学核心中，所述二维光栅由光折射结构的规则二维图案形成， 所述光折射结构中的一者位于位于横向限界区中的规则二维格的每一节点处，及第一及第二光学波导，其处于所述平面衬底上且具有端耦合到所述二维光栅的端，所述第一光学波导使得接近其所述端的传播的方向实质上沿所述二维格的基格向量，所述第二光学波导使得接近其所述端的传播的方向不平行于所述规则二维格的基格向量。
2.根据权利要求1所述的装置，其进一步包含第三光学波导，其处于所述平面衬底上且具有端耦合到所述二维光栅的一端，所述第三光学波导使得接近其所述端的传播的方向实质上沿所述二维格的不同基格向量。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述一个或一个以上波导中的一者载送所述光的第一偏振部分，且所述一个或一个以上波导中的另一者载送所述光的不同的第二偏振部分。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述光的所述偏振部分由所述两个波导中的每一者单独地弓丨导到集成于所述光学装置中的光电二极管的不同端。
5.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括光纤，所述光纤经定向以朝向所述平面衬底的所述平面表面引导光，使得所述经弓I导光传递到所述二维光栅中。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述规则二维格具有不同长度的基格向量或既不平行又不垂直的基格向量。
7.一种光学装置，其包含衬底，其具有平面表面且在上面具有光学核心；二维光栅，其位于所述光学核心中，所述二维光栅由光折射结构的规则二维图案形成， 所述光折射结构中的一者位于位于横向限界区中的规则二维格的每一节点处，及一个或一个以上光学波导，其处于所述平面衬底上且具有端耦合到所述二维光栅的端，所述一个或一个以上光学波导使得接近其所述端的传播的方向实质上沿所述规则二维格的非基格向量。
8.一种使用光学装置的方法，其包含将光传输穿过光学耦合器，其包括朝向光学核心层中的二维光栅引导所述光，所述光是以实质上法向于所述光学核心层位于其上的平面衬底的角度引导的，其中所述二维光栅由光折射结构的规则二维图案形成，所述光折射结构中的一者位于位于横向限界区中的规则二维格的每一节点处；及在所述二维光栅中衍射所述光，使得所述光射出所述二维光栅而进入到处于所述平面衬底上且具有端耦合到所述二维光栅的端的第一及第二光学波导中，所述第一光学波导使得接近其所述端的传播的方向实质上沿所述二维格的基格向量，所述第二光学波导使得接近其所述端的传播的方向不平行于所述规则二维格的基格向量。
9.根据权利要求8所述的方法，其中反转所述光的所述传播方向。
10.一种制造光学装置的方法，其包含在平面衬底上制作光学耦合器，其包括形成二维光栅，其包括在所述衬底上形成光学核心层；图案化所述光学核心层以形成光折射结构的周期性布置，所述光折射结构中的一者位于位于横向限界区中的规则二维格的每一节点处；及图案化所述光学核心层以形成处于所述平面衬底上且具有端耦合到所述二维光栅的端的第一及第二光学波导，所述第一光学波导使得接近其所述端的传播的方向实质上沿所述二维格的基格向量，所述第二光学波导使得接近其所述端的传播的方向不平行于所述规则二维格的基格向量。
全文摘要
一种光学装置包含具有平面表面且在上面具有光学核心的衬底。所述装置还包含位于所述光学核心中的二维光栅，所述二维光栅由光折射结构的规则二维图案形成，所述光折射结构中的一者位于位于横向限界区中的规则二维格的每一节点处。所述装置还包含处于所述平面衬底上且具有端耦合到所述二维光栅的端的第一及第二光学波导，所述第一光学波导使得接近其所述端的传播的方向实质上沿所述二维格的基格向量，所述第二光学波导使得接近其所述端的传播的方向不平行于所述规则二维格的基格向量。
文档编号G02B6/126GK102498425SQ201080030738
公开日2012年6月13日 申请日期2010年6月22日 优先权日2009年7月7日
发明者克里斯托弗·R·多尔 申请人:阿尔卡特朗讯