专利名称：基于光栅的光纤到波导的互连的制作方法
技术领域：
本发明的实施例涉及光纤到波导的耦合器。
背景技术：
在光纤与波导之间耦合光是任何芯片上和芯片外光学通信系统的不可缺少的一部分。然而，把光从光纤耦合到波导中或者把光从波导耦合到光纤中带来许多问题。举例来说，用于把光从波导耦合到光纤中的常规技术包括对波导的末端进行配置以散射由波导载送的光，以及将透镜放置在光纤末端处或其附近以将散射光的一部分导入光纤芯。对于多模光纤，可以使用透镜在纤芯的数值孔径内引导聚焦束的最大光线，这样可以把由所述透镜捕获的光有效地耦合到纤芯中。另一方面，为了把光耦合到单模光纤中，纤芯的模式与由所述透镜捕获的光的模式必须紧密匹配。
在单模光纤与波导之间稱合光的一种常规技术是使用光栅稱合器。来自波导的光传播经过光栅，并且以与法向成某一有限角度在自由空间内散射。因此需要以与法向成一角度放置收集光纤以用于高效的耦合。法向输入/输出操作是可能的但不是很高效，这是由于光栅区域内左与右传播波之间的耦合造成的。虽然可以以一角度放置光纤，但是这常常使芯片的设计和封装复杂化。物理学家和工程师们继续寻求降低成本并且提高光纤到波导的耦合器的效率的增强。
图I示出根据本发明的一个或多个实施例配置的示例光纤到波导的互连的等距视图。图2A-2B示出根据本发明的实施例操作的沿着图I中所示的线A-A的互连的剖面图。图3A-3C示出根据本发明的一个或多个实施例的被配置成具有一维和二维亚波长光栅图案(pattern)的亚波长光栅的俯视图。图4示出根据本发明的一个或多个实施例的来自两个单独的光栅子图案的线条的剖面图，其揭示出由透射的光获得的相位。图5示出根据本发明的一个或多个实施例的来自两个单独的光栅子图案的线条的剖面图，其揭示出透射的波前如何改变。图6示出由根据本发明的一个或多个实施例配置的亚波长光栅图案产生的示例透射相位改变轮廓(contour)图的等距视图。图7A-7B示出根据本发明的实施例的附着到光纤的末端并操作的第一示例光栅层的侧视图。图8示出根据本发明的一个或多个实施例获得的作为周期和占空比的函数的相位变化的透射相位轮廓曲线图。
图9A-9B示出根据本发明的一个或多个实施例的被配置成具有一维非周期性亚波长光栅的光栅层的俯视图。图10A-10B示出根据本发明的一个或多个实施例的被配置成具有二维非周期性亚波长光栅的两个光栅层的俯视图。
具体实施例方式本发明的实施例是针对光学波导到光纤的互连。图I示出根据本发明的一个或多个实施例配置的示例光纤到波导的互连100的等距视图。互连100包括形成在波导104的末端处的光栅I禹合器102。如图I的实例中所不，光栅I禹合器102包括锥形波导106和光栅块108。光栅块108包括由通过与波导104近似垂直地定向的凹槽分开的一系列线条构成的光栅。互连100还包括布置在光纤112的平面化末端上的光栅层110。图I还包括光栅层110的端视图114，其揭示出所述光栅层包括平面的非周期性亚波长光栅(“SWG”)116。SffG 116近似位于光栅层110的中心，并且其尺寸被确定成覆盖光纤112的芯118的末端。 图I还揭示出，光栅耦合器102与光栅层110通过气隙分开，并且光纤112的末端部分被定向成基本上与光栅耦合器102的平面垂直。如图I中所示，波导104具有比芯118的剖面面积小得多的剖面面积。光纤112可以是单模光纤或多模光纤。举例来说，在某些实施例中，波导的宽度可以处在近似2-4// m的范围，单模光纤的芯118的直径可以处在近似8-12//m的范围，以及多模光纤的芯118的直径可以处在近似20-70// m的范围。互连100可以被操作来把光从尺寸较小的波导104耦合到尺寸相对较大的芯118中，并且互连100可以被反向操作以把光从芯118耦合到波导104中。当互连100被操作来把由波导104载送的光耦合到芯118中时，光沿着波导104透射到锥形波导106中，在该处光发散并且进入光栅块108。图2A示出沿着图I所示的线A-A的互连100的剖面图，其根据本发明的一个或多个实施例被操作来把光从波导104耦合到芯118中。形成在光栅块108内的光栅204使光202以与法向206成角度离开光栅块108，如由定向箭头208所示。SWG 116被配置成使得离开光栅块108并且以角度A射在SWG 116上的光被透射到芯118中，如由定向箭头210所示。图2B示出沿着图I所示的线A-A的互连100的剖面图，其根据本发明的一个或多个实施例被操作来把光从芯118耦合到波导104中。在图2B中，沿着芯118透射到亚波长光栅116的光由定向箭头212代表。SWG 116被配置成使得透射经过SWG 116的光以角度a入射在光栅204上，如由定向箭头214所示。光栅204捕获离开SWG 116的光。光216离开光栅块108并且由锥形波导106以漏斗方式输送(funnel)到较窄的波导104中。注意,SWG 116被配置成把光以角度导向光栅块108,使得可以把光以漏斗方式输送到波导104 中。如图2A-2B中所示，SffG 116避免了对倾斜光纤以便收集从光栅块108输出的光的需要。SWG 116还能够操作为抗反射涂层，这是通过俘获入射光并且将光从近场投射到远场中来实现的，正如下面参照图4所描述的那样。波导104、锥形波导106和光栅块108可以被形成为半导体或电介质材料的单个固体实件或集成件。半导体包括但不限于诸如硅(“Si”)和锗(“Ge”)之类的元素半导体、以及化合物半导体。化合物半导体包括III-V化合物半导体和II-VI化合物半导体。III-V化合物半导体由选自硼(“B”)、铝(“Al”)、镓(“Ga”)和铟(“In”)的IIIa列元素与选自氮(“N”)、磷(“P”)、砷(“As”)和锑(“Sb”)的Va列元素组合构成。III-V化合物半导体是根据III和V元素的相对数量来分类的，比如二元化合物半导体、三元化合物半导体、四元化合物半导体。举例来说，二元半导体化合物包括但不限于GaAs、GaAl、InP> InAs和GaP ;三元化合物半导体包括但不限于IrvGa^1As或GaAs/y其中处于O与I之间的范围；以及四元化合物半导体包括但不限于Ir^GahAs/h，其中义和_7都独立地处于O与I之间的范围。II-VI化合物半导体由选自锌(“Zn”)、镉(“Cd”)、汞(“Hg”)的IIb列元素与选自氧(“O”)、硫(“S”)和硒(“Se”)的VIa元素组合构成。举例来说，合适的II-VI化合物半导体包括但不限于CdSe、ZnSe, ZnS和ZnO，这些是二元II-VI化合物半导体的实例。合适的电介质材料包括氧化硅(“Si02”)、氧化铝(“A1203”)和碳化硅(“SiC”)。 可以通过首先利用化学汽相沉积、物理汽相沉积、或者晶片接合将材料沉积在衬底上来形成光栅耦合器102。随后可以利用纳米印刻、光刻、活性离子蚀刻、聚焦束铣、或者 用于形成脊形波导和光栅的任何其他合适的公知方法来形成波导104、锥形波导106和具有光栅204的光栅块108。平面的非周期性亚波长光栅
图3A示出根据本发明的一个或多个实施例的被配置成具有形成在光栅层301中的一维光栅图案的SWG 300的俯视图。所述一维光栅图案由许多一维光栅子图案构成。在图3A的实例中，放大了三个光栅子图案301-303。在图3A中代表的实施例中，每个光栅子图案包括光栅层102材料的许多规则间隔的线状部分，其被称作形成在光栅层301中的“线条”。所述线条在方向上延伸，并且在Z方向上周期性地间隔开。图3A还包括光栅子图案302的放大的端视图304。线条306通过凹槽308分开。每个子图案可以由线条的特定周期性间距以及z方向上的线条宽度来表征。举例来说，子图案301包括以周期A分开的宽度为W1的线条，子图案302包括以周期/72分开的宽度为W2的线条，以及子图案303包括以周期P3分开的宽度为的线条。在其他实施例中，线条间距、厚度和周期可以连续地变化。光栅子图案301-303形成优先地透射在一f方向(即z方向)上偏振的入射光的亚波长光栅，条件是周期和/73小于入射光的波长。举例来说，线条宽度的范围可以是从近似IOnm到近似300nm，并且所述周期的范围可以是从近似20nm到近似I//m，这取决于入射光的波长。透射经过一个区域的光获得由线条厚度(确定的相位〃，并且占空比n被定义为
w
n = ~ p
其中，#是线条宽度，以及/7是线条的周期性间距。SffG 300可以被配置成对所透射的光施加特定相位改变，同时保持非常高的透射率。一维SWG 300可以被配置成透射入射光的z偏振分量或扁振分量的光，这是通过调节线条的周期、线条宽度和线条厚度来实现的。举例来说，特定的周期、线条宽度和线条厚度可能适于透射Z偏振分量但不适于透射_7偏振分量；以及不同的周期、线条宽度和线条厚度可能适于透射_7偏振分量但不适于透射Z偏振分量。本发明的实施例不限于一维SWG。SWG可以被配置成具有二维非周期性光栅图案以透射偏振不敏感的光。图3B-3C示出根据本发明的一个或多个实施例的包括二维SWG的两个示例光栅层的俯视图。在图3B的实例中，SWG 310由通过凹槽分开的柱而不是线条构成。占空比和周期可以在^和方向上改变。放大图(enlargement) 312和314示出两个不同的矩形的柱尺寸的俯视图。图3B包括包括放大图312的柱的等距视图316。本发明的实施例不限于矩形的柱，在其他实施例中，所述柱可以是正方形、圆形、椭圆形、或者任何其他合适的形状。在图3C的实例中，SWG 318由孔而不是柱构成。放大图320和322示出两个不同的矩形的孔尺寸。占空比可以在Z和_7方向上改变。图3C包括放大图320的等距视图324。虽然图3C中示出的孔是矩形，但是在其他实施例中，所述孔可以是正方形、圆形、椭圆形、或者任何其他合适的形状。注意，虽然所述一维和二维光栅图案被描述为由子图案构成，但是在实践中，所述一维和二维光栅的线条、柱和孔的周期、占空比和厚度可以连续地变化。图4示出根据本发明的一个或多个实施例的来自一个示例SWG的两个单独区域的线条的剖面图，其揭示出由透射的光获得的相位。举例来说，线条402和403可以是SWG的第一区域中的线条，以及线条404和405可以是相同SWG的第二区域中的线条。线条402和 403的厚度大于线条404和405的厚度t2,以及与线条402和403相关联的占空比丨也大于与线条404和405相关联的占空比/ 2。在z方向上偏振并且入射在线条402-405上的光变得被线条402和403俘获的时间周期相对长于所述入射光被线条404和405俘获的部分。所述光栅随后把光从近场投射到远场中。结果，与光的透射经过线条404和405的部分相比，光的透射经过线条402和403的部分获得较大的相移。如图4的实例中所示，入射波408和410以近似相同的相位射到线条402-405上，但是透射经过线条402和403的波412获得相对大于由透射经过线条404和405的波414所获得的相位e ’的相移0 (gpd'ye，、。图5示出根据本发明的一个或多个实施例的线条402-405的剖面图，其揭示出透射的波前如何改变。如图5的实例中所示，具有基本上均匀的波前502的入射光射到线条 402-405上，从而产生具有弯曲透射波前504的透射光。和相同的入射波前502的与具有相对较小的占空比和厚度t2的线条404和405相互作用的部分相比，入射波前502的与具有相对较大的占空比7 :和厚度t'的线条402和403相互作用的部分产生弯曲波前504。透射波前504的形状与相对于由射到线条404和405上的光所获得的较小相位的、由射到线条402和403上的光所获得的较大相位一致。图6示出根据本发明的一个或多个实施例的由光栅层604的特定SWG 602产生的示例性相位改变轮廓图600的等距视图。轮廓图600代表由透射经过SWG 602的光所获得的相位改变的量值。在图6所示的实例中，SWG 602产生轮廓图602，所述轮廓图602在由在SWG 602的中心附近透射的光所获得的相位中具有最大量值，并且由透射光所获得的相位的量值随着远离SWG 602的中心而减小。举例来说，透射经过区域606的光获得相位I，以及透射经过区域608的光获得相位02。由于^比大得多，所以与透射经过区域608的光相比，透射经过区域606的光获得大得多的相位。相位改变又对透射经过SWG的光的波前进行整形。举例来说，如上面参照图4和5所述，与具有相对较小占空比的区域相比，具有相对较大占空比的区域在透射光中产生较大的相移。结果，波前的透射经过具有大占空比的区域的一个部分落后于相同波前的透射经过具有较小占空比的不同区域的第二部分。本发明的实施例包括模制(pattern) SffG以控制相位改变并且最终控制透射波前的形状，使得可以类似于棱镜来操作SWG。图7A-7B示出根据本发明的实施例的附着到光纤702的末端并且操作的示例光栅层700的侧视图。如图7A-7B中所示，光栅层700包括被配置成透射具有波长』的光的SWG704。在图7A的实例中，入射在SWG 704上的光由入射波前708代表，并且以与法向710成入射角a射到SWG 704上。SWG 704被配置成线性地改变入射波前708的相位以产生透射波前712，所述透射波前712沿着芯706传播。在图7B的实例中，沿着芯706传播到SWG704的具有波长』的入射光由入射波前714代表。入射光以透射角a透射经过SWG 104以产生透射波前716。在其他实施例中，SWG 704可以被配置成产生具有任何所期望形状的透射波前，或者SWG 704可以被配置成将入射光散射到芯706中。
注意，光纤702可以是单模光纤或多模光纤。对于单模光纤，SWG 704可以被配置成具有支持把TEMtltl模式耦合进入及离开芯706的尺寸。对于多模光纤，SffG 704可以被配置成具有更大的尺寸以支持把其他TEMara模式耦合进入及离开光纤芯706。设计及制造亚波长光栅
SWG可以被设计成透射入射光，并且通过改变周期和占空比引入所期望的相前。图8示出利用公知的有限元方法或者严格耦合波分析根据本发明的一个或多个实施例获得的作为周期和占空比的函数的透射光的相位轮廓曲线图。诸如轮廓线801-803之类的轮廓线分别对应于由透射经过SWG的区域的光所获得的特定相位，该区域具有位于沿着所述轮廓的任何地方的周期和占空比。相位轮廓被分开0.25 V弧度。举例来说，轮廓801对应于对透射光施加-0. 25 弧度的相位的周期和占空比，以及轮廓802对应于对透射光施加_0. 5 v弧度的相位的周期和占空比。对应于700nm的光栅周期和35%占空比的点(p, /7)804引入相位9 =0.5兀弧度。对透射经过SWG的具有处在轮廓801与802之间的周期和占空比的区域的光施加在-0. 25V弧度与-0. 弧度之间的相位。可以利用对电磁系统进行模拟的应用 “MIT Electromagnetic Equation Propagation” (“MEEP”)仿真包(ab-initio.mit. edu/meep/meep-1. I. I. tar. gz)或者 C0MS0L Multiphysics 来获得所述相位轮廓，所述C0MS0L Multiphysics 是可以被用来仿真各种物理和工程应用的有限元分析和求解器软件包(参见 www. comsol. com)。由所述相位轮廓曲线图所代表的点ip, n，可以被用来为能够被操作为特定类型的透镜或棱镜的SWG选择周期和占空比。换句话说，在图8的相位轮廓曲线图中所代表的数据可以被用来设计具有特定光学性质的SWG。在某些实施例中，所述周期或占空比可以是固定的，同时改变其他参数以设计并制造SWG。在其他实施例中，可以改变周期和占空比这二者以设计并制造SWG。图9A示出根据本发明的一个或多个实施例的被配置成具有一维SWG 902以操作的光栅层900的俯视图。SWG 902的每个阴影区域代表在_7方向上延伸的线条的一种不同的光栅子图案，其中与较浅的阴影区域(比如区域906)相比，较深的阴影区域(比如区域904)代表具有相对较大的占空比的区域。图9A包括两个子区域的放大图908和910，其揭示出在_7方向上平行地延伸的线条。放大图908和910还揭示出，线条宽度#或占空比在z方向上减小。SffG 902代表这样一种配置，其中具有适当波长并且在z方向上偏振的光以线性变化的波前透射经过SWG，正如上面参照图7A和7B所描述的那样。
在某些实施例中，可以通过对SWG的线条进行适当地锥化而将SWG配置成透射在任何方向上偏振的光。图9B示出根据本发明的一个或多个实施例的被配置成操作的光栅层912的俯视图。光栅层912包括SWG 914，其具有由环状阴影区域916-920所代表的光栅图案。每个环状区域代表一种不同的线条光栅子图案。放大图916-919示出，SWG 914包括在_7方向上锥化并且在Z方向上具有恒定线条周期间距/7的线条。放大图916-919是在方向上与虚线920平行地延伸的相同线条的放大图。放大图916-919揭示出，线条周期间距保持恒定，但是线条的宽度在_7方向上随着远离SWG 914的中心而变窄或锥化。每个环状区域具有相同的占空比和周期。举例来说，放大图916、918和919具有基本上相同的占空比。结果，一个环状区域的每个部分在透射经过SWG 914的光中产生相同的近似相移。举例来说，虚线圆922代表单个相移轮廓，其中在沿着圆922的任何地方透射经过SWG的光获得基本上相同的相位光栅层还可以被配置成具有二维SWG以便将非偏振入射光耦合进入或离开光纤芯。图10A-10B示出根据本发明的一个或多个实施例的两个二维SWG的俯视图。在图IOA 的实例中，SWG 1002由如上面参照图3B所描述的柱构成。占空比和周期可以在^和_7方向上改变。放大图1004和1006示出在z方向上减小的柱尺寸。在图IOB的实例中，SWG1008由如上面参照图3C所描述的孔构成。占空比和周期也可以在z和_7方向上改变。放大图1010和1012示出在z方向上增大的孔尺寸。SWG 1002和1008是使得将适当的光以线性变化的波前透射经过SWG的配置，正如上面参照图7A和7B所描述的那样。可以在由高折射率材料构成的光栅层中制造SWG。举例来说，所述光栅层可以但不限于由元素半导体、III-V半导体、II-VI半导体、或电介质材料构成。所述光栅层可以利用晶片接合、化学汽相沉积、或物理汽相沉积而被直接沉积在平面化光纤的末端上。可以利用活性离子蚀刻、聚焦离子束铣、纳米印刻、或者光刻在光栅层中形成SWG。可以利用任何合适的公知技术来形成SWG。出于解释的目的，前述的描述使用了特定的命名法来提供对于本发明的透彻理解。然而，下述对于本领域技术人员而言将是显而易见的，即不需要特定细节以便实践本发明。前述对于本发明的特定实施例的描述是出于说明和描述的目的而给出的。它们不意图穷举本发明或者将本发明限制到所公开的精确形式。显然，鉴于上面的教导，许多修改和变化是可能的。实施例被示出和描述以便最好地解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域技术人员能够最好地利用本发明以及具有适合于所设想的特定用途的各种修改的各种实施例。本发明的范围意图由后面的权利要求书及其等同物来限定。
权利要求
1.一种光纤到波导的互连，包括 位于波导的末端的光栅耦合器(102);以及 布置在光纤(112)的末端上的光栅层(110)，所述光纤包括芯(118)，以及所述光栅层包括平面的非周期性亚波长光栅(116)，其中由所述波导载送到所述光栅耦合器中的光通过所述亚波长光栅被输出并耦合到所述芯中，并且沿着所述芯透射到所述光栅层的光被所述亚波长光栅导入所述光栅耦合器中以用于在所述波导中透射。
2.权利要求I所述的互连，其中，所述光栅耦合器还包括附着到所述波导的锥形波导(106)以及附着到所述锥形波导的光栅块。
3.权利要求2所述的互连，其中，所述光栅耦合器还包括由集成材料构成的所述波导、锥形波导和光栅块。
4.权利要求I所述的互连，其中，所述亚波长光栅还包括一维光栅图案(300)。
5.权利要求I所述的互连，其中，所述亚波长光栅还包括二维光栅图案(310，318)。
6.权利要求I所述的互连，其中，所述亚波长光栅还包括光栅图案，所述光栅图案被配置成把从所述光栅耦合器输出并且入射在所述亚波长上的光以特定入射角耦合到所述芯中。
7.权利要求I所述的互连，其中，所述亚波长光栅还包括光栅图案，所述光栅图案被配置成把从所述芯输出的光以特定入射角耦合到所述光栅块中。
8.权利要求I所述的互连，其中，所述光栅耦合器和所述光栅层通过气隙分开。
9.权利要求I所述的互连，其中，所述光纤和所述光栅耦合器还包括与所述光栅耦合器的平面近似垂直地定向的光纤.
10.
11.权利要求I所述的互连，其中，所述光纤还包括多模光纤.
12.
13.权利要求I所述的互连，其中，所述光纤还包括单模光纤。
全文摘要
本发明的实施例是针对光学波导到光纤的互连。在一个方面中，一种光纤到波导的互连包括位于波导的末端的光栅耦合器(102)以及布置在光纤(112)的末端上的光栅层(110)。所述光纤包括芯(118)，以及所述光栅层包括平面的非周期性亚波长光栅(116)。由所述波导载送到所述光栅耦合器中的光通过所述亚波长光栅被输出并耦合到所述芯中，以及沿着所述芯透射到所述光栅层的光被所述亚波长光栅导入所述光栅耦合器中以用于在所述波导中透射。
文档编号G02B6/124GK102713706SQ201080062525
公开日2012年10月3日 申请日期2010年1月29日 优先权日2010年1月29日
发明者D.A.法塔尔, R.G.博索莱尔 申请人:惠普发展公司，有限责任合伙企业