光子芯片光收发信机的制作方法

本申请要求于2015年11月30日提交的题为“光子芯片光收发信机”的美国临时专利申请No.62/261,246的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及光通信领域，并且特别涉及光耦合器。

背景技术：

硅光子学，包括在同一芯片上制造的光、电气和光电子组件，可以为数据通信、电信、特别是光通信提供低成本、低功率、高速的光解决方案。通过将光、电组件和光电组件集成在同一基板上，可以实现收发信机通道和传输速度的缩放。

技术实现要素：

至少一个方面涉及一种光子芯片。光子芯片包括至少一个光组件、波导、光栅耦合器、和光纤耦合器。波导的一端耦合到至少一个光组件。光栅耦合器具有带有窄端和宽端的喇叭部，其中窄端耦合到波导的第二端，宽端包括具有多个脊的光栅部分，喇叭部具有波束大小，该波束大小由喇叭部在沿着喇叭部的纵向轴线的光栅长度的点处基本垂直于所述纵向轴线的所述喇叭部的平面的尺寸限定。光纤耦合器被配置为以相对于光栅耦合器的平面的法线成角度将光束引导到光栅耦合器的光栅部分上，其中光束的模场直径基本上等于波束。

在一些实施方式中，波束大小在约3-7μm之间。在一些实施方式中，波束大小为约5μm。

在一些实施方式中，所述多个脊由沟槽分开，且所述多个脊中的每一个脊沿着垂直于所述光栅耦合器的平面的轴线的厚度为约20-100nm。

在一些实施方式中，所述多个脊由沟槽分开，且所述多个脊中的每一个脊沿着垂直于所述光栅耦合器的平面的轴线的厚度为约50nm。

在一些实施方式中，喇叭部是第一喇叭部，波导是第一波导，并且光栅耦合器是包括具有耦合到第二波导的第二窄端的第二喇叭部的二维光栅耦合器。二维光栅耦合器被配置为接收来自光纤耦合器的光束，该光束包括具有第一偏振的第一光信号和具有不同于第一偏振的第二偏振的第二光信号。二维光栅耦合器被配置为将第一光信号引导到第一波导，并将第二光信号引导到第二波导。

在一些实施方式中，所述至少一个光组件包括光复用器、光解复用器、调制器或光电检测器中的一个或多个。

至少一个方面涉及一种光子芯片。光子芯片可以包括至少一个光组件、波导、光栅耦合器和激光源耦合器。波导的一端耦合到至少一个光组件。光栅耦合器具有喇叭部，其具有窄端和宽端，其中窄端耦合到波导的第二端，并且宽端包括具有多个脊的光栅部分，喇叭部具有波束大小，波束大小由在沿着所述喇叭部的纵向轴线的光栅耦合器长度的点处基本垂直于所述纵向轴线的所述喇叭部的平面的尺寸限定。激光源耦合器被配置为以相对于光栅耦合器的平面的法线成角度将光束引导到光栅耦合器的光栅部分上，其中光束的模场直径基本上等于波束大小。

在一些实施方式中，波束大小大于约15μm。在一些实施方式中，波束大小在约20-25μm之间。

在一些实施方式中，所述多个脊由沟槽分开，且所述多个脊中的每一个脊沿着垂直于光栅耦合器的平面的轴线的厚度为约20-100nm。

在一些实施方式中，所述多个脊由沟槽分开，且所述多个脊中的每一个脊沿着垂直于光栅耦合器的平面的轴线的厚度为约50nm。

在一些实施方式中，至少一个光组件包括光复用器、光解复用器、调制器、或光电检测器中的一个或多个。

在一些实施方式中，激光源耦合器包括放大光学器件，其被配置为在光束入射到光栅耦合器上之前增加光束的模场直径。

至少一个方面涉及一种光收发信机。光收发信机包括第一光子芯片部和第二光子芯片部。第一光子部包括第一光组件，具有耦合到第一光组件的第一端的第一波导、第一光栅耦合器和光纤耦合器。第一光栅耦合器具有第一喇叭部，其具有第一窄端和第一宽端，其中，第一窄端耦合到第一波导的第二端，并且所述第一宽端包括具有第一多个脊的第一光栅部分和第一喇叭部，第一喇叭部具有第一波束大小，第一波束大小由在沿着第一喇叭部的纵向轴线的第一光栅耦合器长度的点处基本垂直于纵向轴线的第一喇叭部的平面的尺寸限定。光纤耦合器被配置为以相对于第一光栅耦合器的平面的法线成角度将第一光束引导到第一光栅耦合器的光栅部分上，其中第一光束的模场直径基本上等于第一波束大小。第二光子芯片部包括第二光组件、具有耦合到第二光组件的第一端的第二波导、第二光栅耦合器和激光源耦合器。第二光栅耦合器具有带有第二窄端和第二宽端的第二喇叭部，其中第二窄端耦合到第二波导的第二端，所述第二宽端包括具有第二多个脊的第二光栅部分，第二喇叭部具有第二波束大小，第二波束大小由在沿着第二喇叭部的纵向轴线的第二光栅耦合器长度的点处基本垂直于纵向轴线的第二喇叭部的平面的尺寸限定。激光源耦合器被配置为以相对于第二光栅耦合器的平面的法线成角度将第二光束引导到第二光栅耦合器的光栅部分上，其中第二光束的模场直径的光基本上等于第二波束大小。

在一些实施方式中，激光源包括可操作以产生具有1271nm，1291nm，1310，1311nm，1331nm或1550nm中的一个或多个的输出的一个或多个的激光器。

附图说明

图1A示出了用于光通信中的示例光子芯片的示意图。

图1B示出了耦合到光耦合器和激光源耦合器的图1A所示的示例光子芯片的示意图。

图2A和2B分别示出了第一光纤耦合器和第二光纤耦合器内的光组件的示意图。

图3A和3B示出了示例性光栅耦合器的俯视图。

图4A和4B示出了可以在光栅耦合器中使用的跨示例光栅的光子芯片的横截面视图。

图5示出了示例收发信机的框图。

图6示出了示例二维光栅耦合器的俯视图。

各个附图中相同的附图标记和名称指示相同的元件。

具体实施方式

以上介绍的以及下面更详细讨论的各种概念可以以多种方式中的任一种来实现，因为所描述的概念不限于任何特定的实现方式。提供具体实现和应用的示例主要是为了说明的目的。

硅光子技术中的关键挑战之一是有效地将来自激光器或光纤的光耦合到光子芯片中和从光子芯片中耦合出来。一种在光子芯片和光纤或激光器之间耦合光的方法是使用光栅耦合器。然而，由于光栅耦合器是谐振器件，它们通常具有有限的光带宽。因此，在耦合光时，光的波长与光栅耦合器谐振波长的差异越大，光栅耦合器具有越大的损耗。缩放硅光子收发信机速度的一种方法包括波分复用(WDM)，其对具有宽波长范围的光束进行复用，因此需要具有能够适应宽波长范围的带宽的光组件。然而，具有窄带宽的典型光栅耦合器不太适合于WDM。

此外，用于制造光栅耦合器的半导体制造工艺的变化可能导致光栅耦合器的性能的变化，特别是光栅耦合器的谐振频率的变化。这些变化可能加重光栅耦合器的早已有限的带宽对WDM应用的影响。一些典型的解决方案包括使用单波长、多光栅耦合器、和并行单模光纤的空分复用。然而，除了光信号中的光纤耦合损耗之外，这样的解决方案具有较高的光纤布线和连接器成本。在一些情况下，这些解决方案需要相对于芯片的表面垂直定向的连接器和耦合器，导致庞大的封装。

以下讨论的方面涉及宽带宽光栅耦合器。这些宽带宽光栅耦合器可以容易地用于WDM应用中。特别地，光栅耦合器的带宽可以通过选择适合于入射光束的小模场直径的光栅耦合器的尺寸(诸如小于约10μm的模场直径，例如，约4-6μm之间，或约5μm)来改进。为此，结合图2A和2B讨论适当地减小从光纤接收的光束的模场直径的光组件。此外，结合图3A和3B讨论了用于耦合小模场直径光束的具有宽带宽的光栅耦合器。在一些实施方式中，选择其中制造光栅的硅层的厚度可以改善光栅耦合器的带宽。下面结合4B讨论一个这样的示例。

图1A示出了用于在光通信中使用的示例光子芯片100的示意图。特别地，光子芯片100可以用于处理光信号和电子信号。光子芯片100可以包括一个或多个光组件102和一个或多个电子组件104。在一些实施方式中，光/光电组件102可以包括但不限于光电检测器、激光器、波导、分光器、滤光器、透镜、反射器、偏振器、延迟器、光和/或电光调制器、放大器、衰减器等。光组件可用于处理通过光纤接收的光信号或用于处理在光子芯片100上产生的光信号。在一些实施方式中，光子芯片100还可以包括第一组光栅耦合器106和第二组光栅耦合器114。第一和第二组光栅耦合器106和114允许光子芯片100上的光组件102和芯片外光纤或激光器之间的光信号的耦合。在一些实施方式中，可以使用波导112在第一光栅耦合器106或第二光栅耦合器114和其它光组件106之间引导光束。下面参照图3A-3B进一步讨论第一光栅耦合器106。

在一些实施方式中，电子组件104可以包括模拟和数字电子组件，诸如但不限于电压和/或电流放大器、跨导放大器、滤波器、数字信号处理器、模数转换器、数模转换器等。电子组件104和光组件102可用于实现各种电光功能块，诸如但不限于发射机、接收机、开关、调制器、中继器、放大器等。虽然图1A示出在相同芯片上制造的光、电光、和电子组件，在一些实施方式中，这些组件可以被制造在通过电互连(例如，引线接合，铜柱等)和/或光互连(例如，波导、光纤等)互连的分离的芯片上。

图1B示出了耦合到光纤耦合器108和激光源耦合器116的图1A所示的示例性光子芯片100的示意图。特别地，光纤耦合器108可以用作光子芯片100和一个或多个光纤110之间的接口，而激光源耦合器116可以用作光子芯片100和一个或多个激光源(未示出)之间的接口。在一些实施方式中，激光源耦合器116还可以容纳一个或多个激光源。替选地，可以使用多个第一激光源耦合器116，每个激光源一个。激光源可以包括适于光通信的任何光波长的激光源。在一些实施方式中，激光源可以生成光，例如但不限于，1271nm、1291nm、1311nm、1331nm、或1550nm。光纤耦合器108通常可以位于光子芯片100上的第一组光栅耦合器106(图1)之上。与第一组光栅耦合器106结合，光纤耦合器108可以有助于光纤110和光子芯片100上的光组件102之间的双向光信号通信。光纤耦合器108可以包括用于封装一个或多个光组件的壳体，所述光组件诸如透镜、反射镜、棱镜、偏光镜等。该壳体还可以提供光组件的特定的放置和定向，使得光可以以期望的角度从光纤110和光栅耦合器106接收并发送到光纤110和光栅耦合器106。在一些实施方式中，一个或多个光组件的放置和定向是可调节的。

激光源耦合器116可以位于光子芯片100上的第二组光栅耦合器114(图1A)之上。激光源耦合器116可以有助于从激光器产生的光信号到光子芯片100上的传输。类似于光纤耦合器108，激光源耦合器116可以包括用于封装一个或多个光组件的壳体。壳体还可以提供光组件的特定放置和定向，使得由一个或多个激光器产生的光可以被传递到光子芯片100上的光组件102。

图2A和2B分别示出了第一光纤耦合器202和第二光纤耦合器204内的光组件的示意图。特别地，第一或第二光纤耦合器202和204可以用于实现图1B所示的光纤耦合器108。第一光纤耦合器202可以包括透镜206和棱镜/反射器208。透镜202和棱镜/反射器208可以以使得从光纤210发出的光可以聚焦并反射到光栅耦合器212(例如图1A所示的光栅耦合器106)的方式来布置。图2B所示的第二光纤耦合器204可以包括具有透镜216的棱镜214。棱镜214和透镜216被以使得从光纤210发出的光可以聚焦并反射到光栅耦合器212上的方式来布置。在一些实施方式中，可以在第一和第二光纤耦合器202和204中使用诸如反射器、反射镜、偏光镜和透镜的附加组件。在一些实施方式中，第一和第二光纤耦合器202和204内的一个或多个光组件的位置和定向是可调节的。

在一些实施方式中，第一和第二光纤耦合器202和204可以确保入射在光栅耦合器212上的光相对于光栅耦合器平面的法线处于期望的角度，或者光的入射平面相对于光栅耦合器212的平面或光栅耦合器212的纵向轴线中的任一个或两者处于期望的角度。在一些实施方式中，第一和第二光纤耦合器202和204可以调整入射在光栅耦合器212上的光的模场直径(MFD)。如本文所使用的，MFD被定义为光束的直径，所述光束的强度是光束最大强度的约1/e²倍。例如，第一和第二光纤耦合器202和204可以相对于从光纤210发出的光的MFD增加或减小入射在光栅耦合器212上的光的MFD。在一些实施方式中，第一和第二光纤耦合器202和204可以用于将来自光子芯片的光引导到光纤210。例如，第一和第二光纤耦合器202和204可以接收从相应的光栅耦合器212发出的光，并将光反射到相应的光纤210中。光组件的位置和定向可以布置成使得光以所需的角度和模场直径入射到光纤上。在一些实施方式中，在光纤耦合器202和204中利用的各种光组件可以涂覆抗反射涂层，以减少或减轻反射对光束质量的影响。替选地，可以利用光隔离器减少反射。

图3A和3B示出了示例光栅耦合器的俯视图。具体地，图3A示出了第一光栅耦合器302，图3B示出了具有相对宽带宽的第二光栅耦合器352。在一些实施方式中，第一光栅耦合器302和第二光栅耦合器352可以由硅、氮化硅、氮氧化硅、多晶硅或这些材料的组合制成。在一些实施方式中，第一光栅耦合器302或第二光栅耦合器352可用于实现图1A所示的第一组光栅耦合器106中的一个或多个，用于将光子芯片100与光纤110耦合。在一些实施方式中，图3A和3B所示的光栅耦合器可用于实现图2A和2B所示的光栅耦合器212。

参考图3A，第一光栅耦合器302包括具有窄端和宽端的第一喇叭部304。波导306可以耦合到第一喇叭部304的窄端，而第一光栅308可以形成在第一喇叭部304的宽端。喇叭形状允许具有相对较大MFD的入射光与具有相对较窄模式的波导306相耦合。第一光栅308可以包括多个光栅线或脊310，其可以形成或弯曲，例如椭圆形、抛物线形、或圆弧形。线或脊310由形成在制造第一光栅耦合器302的芯片表面中的沟槽分开。在一些实施方式中，第一光栅308可以包括不必由沟槽分隔的具有相似光指数的多个周期性间隔的区域。在一些实施方式中，第一光栅308可以被认为用作光天线，其将入射在第一光栅308上的光束引导或导向第一喇叭部304的窄端并进入波导306。

在一些实施方式中，可以基于入射束的MFD来选择第一喇叭段304的尺寸值。如本文所提及的，第一喇叭部304的波束大小被定义为在第一光栅308沿着基本上垂直于纵向轴线的轴线方向的大小，例如在第一光栅308在第一喇叭部304的纵向轴线方向的长度的大约中点处垂直相交。注意，波束的中心的最佳位置不需要与沿着光栅的纵向轴线的中点重合。最佳位置主要取决于光栅的散射强度。如果光栅强烈散射，则波束中心的最佳位置将向左便宜；即朝向第一喇叭部的窄端。如果光栅散射弱，则它会向右偏移；即朝向第一喇叭部的宽端。在一些实施方式中，在入射波束的横截面基本上是圆形的情况下，第一喇叭部304的波束大小可以基本上等于第一光栅308沿着第一喇叭部304的纵向轴线的长度。在一些实施方式中，第一喇叭部304的波束大小可以基本上等于入射波束的MFD。通常，第一喇叭部304的尺寸可以被配置为使得入射在第一光栅308上的光束紧密地包围在包括第一光栅308的第一喇叭部304的区域内。第一喇叭部304具有喇叭角h₁以及第一光栅距离d₁，其可以表示沿着第一喇叭部304的纵向轴线的第一喇叭部304的窄端和第一光栅308之间的距离。在一些实施方式中，喇叭角h₁可以是大约10°至约14°或约12.7°，并且对于约5μm的MFD，第一光栅距离d₁可以为约23μm至约27μm或约25μm。

参考图3B，第二光栅耦合器352包括具有窄端和宽端的第二喇叭部354。波导306可以耦合到第二喇叭部354的窄端，而第二光栅358可以形成在第二喇叭部354的宽端。第二光栅358可以包括多个光栅线或脊360，其可以形成或弯曲，例如，椭圆形、抛物线形、或圆弧形。线或脊360由形成在制造第一光栅耦合器302的芯片表面中的沟槽分开。第二光栅耦合器352的第二喇叭部354的形状类似于图3A所示的第一光栅耦合器302的第一喇叭部304的形状。此外，第二喇叭部354的波束大小也基本上等于入射光束的MFD。然而，对于相同的MFD，第二喇叭部354与第一喇叭部304的不同之处在于喇叭角度和光栅距离。例如，对于相同的MFD，第二喇叭角h₂大于第一喇叭角h₁，并且第二光栅距离d₂小于第一光栅距离d₁。例如，在一些实施方式中，第二喇叭角h₂可以是大约23°至大约27°、或者大约25°，并且对于约5μm的MFD，第二光栅距离d₂可以是大约10至14μm、或者大约12.5μm。

应当注意，上述第一和第二光栅耦合器302和352的尺寸值仅仅是示例。也可以选择光栅耦合器的尺寸的其它值。通常，光栅耦合器的喇叭部的尺寸可以基于喇叭角h、光栅距离d、和入射光束的MFD之间的以下近似关系(等式(1))来选择，只要喇叭部的波束大小基本上等于MFD：

MFD≈2·d·tan(h/2) (1)

在一些实施方式中，具有满足等式(1)的尺寸的光栅耦合器可以为小MFD光束提供相对宽的带宽。例如，具有MFD＜＜10μm的光束可以提供相对宽的带宽，例如在约3-7μm或4-6μm之间或等于约5μm。因此，这种光栅耦合器非常适合于WDM应用，特别是当与产生小MFD光束的光器件结合使用时(MFD＜＜10μm，例如在约3-7μm或4-6μm之间或等于约5μm)。在一些实施方式中，具有较大带宽的这些光栅耦合器还可以在其上形成有光栅耦合器的光子芯片的制造期间对工艺变化提供较低的灵敏度。

图4A和4B示出了可以用于光栅耦合器中的示例光栅上的光子芯片的横截面图。具体地，图4A示出了在典型的光栅耦合器中使用的光栅424的横截面视图，而图4B示出了可以用于上述一个或多个光栅耦合器(例如，在图1A，3A和3B所示的光栅耦合器中)的宽带宽光栅426的横截面视图。注意，图4A中的光栅也可以用于宽带宽光栅耦合。有两种机制可以增加带宽。第一种机制是减小波束大小，第二种机制是减小硅厚度。两种机制可以组合。图4A和4B分别示出了绝缘体上硅(SOI)芯片400和402，每个芯片可以包括硅处理或衬底404和沉积在硅衬底404上的掩埋氧化物层406。SOI芯片400与SOI芯片402的不同之处至少在于沉积在掩埋氧化物层406上的它们各自的硅层的厚度。例如，SOI 400包括薄硅层408，其被图案化以形成具有由沟槽412分开的脊410的光栅424。SOI 402还包括薄硅层414，薄硅层414被图案化以形成具有由沟槽418分隔开的脊部416的宽带宽光栅426。然而，SOI 402的薄硅层414比SOI 400的薄硅层408更薄。部分地由于在其上形成脊416的硅层414越薄，脊416提供的带宽比在典型的SOI 400上形成的脊410提供的带宽越宽。例如，曲线图420和422示出了耦合分别与脊410和脊416相关联的各种波长的光的损耗(以dB为单位)。从曲线图420和422可以看出，对于相似的波长范围，与脊416相关联的损耗的幅度小于与脊410相关联的损耗幅度。因此，与光栅424的典型脊410提供的带宽相比，脊416为光栅426提供更宽的带宽。

在一些实施方式中，脊416可用作图3A和3B中所示的光栅的替代物。特别地，脊416可以利用具有大约10μm的标准MFD的入射光束，而不是大约3-7μm或4-6μm的相对小的MFD。因此，在一些实施方式中，使用脊416可减轻对附加光组件的需要，所述附加光组件将以其他方式用于将由光纤输出的光的标准MFD减小到更小MFD。

在一些实施方式中，硅层408的厚度可为约220nm，而硅层414的厚度可为约20-100nm。在一些实施方式中，硅层414的厚度可为约50nm。作为示例，硅层414的厚度可以比用于形成典型的光栅耦合器的硅层410的厚度小大约五倍。在一些实施方式中，与脊410相关联的脊距(两个相邻脊的中心之间的距离)可为约500nm，而脊416的脊距可为约960nm。作为示例，脊416的光栅间距可以是典型脊410的间距的大约两倍。在一些实施方式中，与沟槽418大约480nm的宽度相比，沟槽412的宽度可以是大约250nm。作为示例，沟槽418的宽度可以是典型光栅耦合器的沟槽412的宽度的大约两倍。脊416和沟槽418的特征大小相对于脊410和沟槽412的特征大小的增加对于制造是有利的，因为较大的特征大小可以放宽对用于图案化光栅的光刻工艺的分辨率的约束。

在一些实施方案中，具有较薄横截面的光栅可通过局部减薄包含光栅的喇叭部的部分而形成。在一些实施方式中，制造工艺可以包括用于执行这种薄化的附加工艺阶段。例如，附加工艺阶段可以包括使用将蚀刻隔离到包括光栅的喇叭部的部分的掩模的蚀刻阶段。在一些实施方式中，喇叭部的厚度可以从形成光栅的部分逐渐增加到喇叭部的窄端。在一些实施方式中，可以使用包括化学蚀刻或各向同性蚀刻的蚀刻技术。在一些实施方案中，可形成变迹光栅、在硅层414的底部处的反射器、和多层硅层414的形式的附加增强。

虽然以上关于图3A-4B讨论的光栅耦合器也可以用于将来自激光源的光耦合到光子芯片，但是在一些实施方式中，也可以考虑具有不同特征的光栅耦合器。例如，在一些实施方式中，具有比图3A和3B所示的波束大小相对更大的波束大小的光栅耦合器可以用于将来自激光器的光耦合到光子芯片上。这种光栅耦合器可以改善与光组件的对准相关的对准公差，以将激光束对准到光栅耦合器的光栅上。此外，由于较大的波束尺寸缩小了光栅耦合器的带宽，所以这种光栅耦合器非常适合于耦合具有相对窄带宽的激光。在一些实施方式中，用于耦合来自激光源的光的光栅耦合器的波束大小可大于约15μm。在一些实施方式中，用于耦合来自激光源的光的光栅耦合器的波束大小可以为约20μm至约25μm。

在一些实施方式中，由激光器生成的光束的MFD可以基本上小于光栅耦合器的波束大小。在一些这样的实施方式中，放大光学器件可以用于在光束入射到光栅耦合器上之前增加光束的MFD。这种放大光学器件可以例如容纳在图1B所示的激光源耦合器116中。

图5示出了示例收发信机500的框图。具体地，收发信机500可以实现在一个或多个光子芯片上，诸如图1A和1B所示的光子芯片100。收发信机500包括发射机502和接收机504。发射机502可以用于通过第一光纤506发射光信号，而接收机504可以用于通过第二光纤508接收光信号。发射机502可以包括一个或多个激光器510、一个或多个大MFD光栅耦合器512、一个或多个调制器514、复用器516、发射机小MFD光栅耦合器518、和发射机光纤耦合器520。接收机504可以包括接收机光纤耦合器522、一个或多个接收机小MFD光栅耦合器524、一个或多个解复用器526、一个或多个光信号检测器528、和一个或多个解调器530。

如上所述，发射机502可以包括一个或多个激光器510。激光器510可以生成具有一个或多个波长的一个或多个光信号。在一些实施方式中，一个或多个激光器510可以包括或可以是能够生成多个等间隔光信号的梳状生成器的一部分。在一些实施方式中，一个或多个激光器可以容纳在激光源耦合器116中，如图1B所示。在一些实施方式中，壳体可以包括光组件，其确保一个或多个光信号以适当的定向入射到大MFD光栅耦合器512上。例如，光组件可以被布置为使得一个激光束入射在多个大MFD光栅耦合器512中的一个上。大MFD光栅耦合器512可以包括光栅耦合器，其被配置为将由激光器510生成的大MFD、窄波长光束耦合到制造耦合器512的光子芯片上的各种光组件上。在一些实施方式中，大MFD光栅耦合器512中的每个可以是具有用于接收相对大(大于约10μm)MFD激光束的相对大(大于约10μm)波束大小的低带宽光栅耦合器。大MFD光栅耦合器512可以通过多个波导(未示出)将光输出到调制器514。在一些实施方式中，图1A中所示的大光栅耦合器114可用于实现大MFD光栅耦合器512。

调制器514可以将从大MFD光栅耦合器512接收的多个光信号用作载波信号，并且基于数据流d₁至d_n调制载波信号以生成n个数据信号。在一些实施方式中，诸如例如Mach-Zehnder调制器(MZM)的电光调制器，可以用于利用数据信号调制载波信号信号中的每个载波信号。在一些其它实施方式中，调制器514中的一个或多个可包括基于谐振环振荡器的调制器或任何其它合适的光或电光调制器。在一些实施方式中，也可以使用除电光调制器之外的调制器，诸如但不限于声光调制器、磁光调制器、机械光调制器、热光调制器或其组合。在一些实施方式中，调制器514可利用诸如用于调制载波信号的正交幅度调制(QAM)和相移键控(PSK)的技术。可以使用其他类型的调制。由调制器514生成的数据信号被馈送到复用器516。

复用器516可以将由调制器514提供的n个数据信号复用成单个发射机光信号。在一些实施方式中，可以使用将n个数据信号组合成发射机光信号的光信号组合器来实现复用器514。在一些实施方式中，组合器可以是级联的Mach-Zehnder滤波器。在一些实施方式中，组合器可以是中阶梯光栅。在一些实施方式中，组合器可以是阵列波导光栅。在一些实施方式中，组合器可以是二向色组合器，其将不同波长的光信号组合成单个光束。在一些实施方式中，光分插复用器可以用于将n个数据信号和导频载波信号组合成发射机光信号220。复用器516将发射机光信号输出到发射机小MFD光栅耦合器518。

发射机小MFD光栅耦合器518将从复用器516接收的发射机光信号耦合到发射机光纤耦合器520。发射机MFD光栅耦合器518可类似于上文关于图3A、3B和4B所论述的光栅耦合器。如上所述，图3A，3B和4B所示的光栅耦合器提供了适合于在芯片上光子组件和光纤之间耦合多路复用WDM信号的大带宽。

发射机光纤耦合器520将从发射机小MFD光栅耦合器518接收的发射机光信号引导到第一光纤506上。发射机光纤耦合器520可包括光组件，诸如反射器、棱镜、反射镜、透镜、隔离器等，其以使得入射发射机光信号光束以适当的入射角被引导到第一光纤506上的方式来布置。在一些实施方式中，发射机光纤耦合器520还可以在发射机光信号光束在第一光纤506上传输之前改变其MFD。例如，发射机光纤耦合器520可以将MFD从大约4-6μm(例如，大约5μm)增加到大约10μm或者适于特定第一光纤506的其它标准MFD。在一些实施方式中，第一光纤耦合器202(图2A)或第二光纤耦合器204(图2B)可用于实现发射机光纤耦合器520。

接收机504从第二光纤508接收接收机光信号。在一些实施方式中，接收机光信号可以是WDM信号，其包括被复用到单个接收机光信号光束中的各种波长的各种光信号。接收机光纤耦合器522可以以适当的角度将接收机光信号光束引导到接收机小MFD光栅耦合器524上。接收机光纤耦合器522还可以改变接收机光信号波束的MFD。例如，MFD可以从10μm改变为约3-7μm或4-6μm；例如约5μm。通常，接收机光纤耦合器522可以被配置为将接收机光信号的MFD改变为基本上等于接收机小MFD光栅耦合器524的波束大小。在一些实施方式中，第一光纤耦合器202(图2A)或第二光纤耦合器204(图2B)可用于实现接收机光纤耦合器522。

接收机小MFD光栅耦合器524可以将接收机光信号光束与在其上制造光栅耦合器524的光子芯片上的各种光组件耦合。特别地，光栅耦合器524可以将入射接收机光信号光束经波导(未示出)引导到解复用器526。诸如以上关于图3A、3B和4B讨论的那些光栅耦合器可以用于实现接收机小MFD光栅耦合器524。如上所述，图3A、3B和4B中所示的光栅耦合器表现出宽带宽并且非常适合于WDM应用。

解复用器526将接收机光信号光束中的WDM光信号解复用成n个数据信号。解复用器526使用的解复用技术可以互补在发射机处复用n个数据信号所使用的复用技术。在一些实施方式中，阵列波导光栅(AWG)可以用于解复用接收机光信号。在一些实施方式中，解复用器可以是级联的Mach-Zehnder滤波器。在一些实施方式中，解复用器可以是中阶梯光栅。在一些其它实施方式中，可重配置光分插解复用器可用于解复用接收机光信号。解复用器526将经解复用的n个数据信号输出到检测器528，检测器528可以检测n个数据信号并将其从光域转换到电域。在一些实施方式中，检测器528可以包括输出与入射光信号的强度成比例的电信号的光电二极管。检测器528可以向解调器530提供n个电数据信号。解调器530可以将从检测器328接收的数据信号解调为n个数据流。在一些实施方式中，解调器530可以使用与发射机处使用的调制技术互补的解调技术来调制n个数据信号。

在一些实施方式中，收发信机500的一个或多个组件可以制造在相同的光子芯片上。在一些其它实施方式中，收发信机500的各种组件可在通过波导互连的分离的光子芯片上制造。

在一些实施方式中，上文关于一维(1D)光栅耦合器所论述的光栅的各种尺寸的选择还可应用于选择二维(2D)光栅耦合器及其它高级光栅耦合器的各种尺寸设计以增强光带宽。图6示出了示例2D光栅耦合器600的俯视图。2D光栅耦合器600可以用作偏振分离光栅耦合器，以从单个光纤接收具有不同的偏振的两个不同光信号。2D光栅耦合器600包括两个波导602和604，彼此部分重叠的两个喇叭606和608以及2D光栅610。2D光栅210可以由放置在椭圆或圆的交叉点处的各种形状的线和脊组成。这些线和脊可以被蚀刻，类似于前述ID光栅耦合器中的沟槽。可以使用用于增强1D光栅耦合器的光带宽的相同技术(即，具有类似距离d和喇叭角h的较小波束大小，和/或具有相似距离d和喇叭角h的较薄硅层)来增强2D光栅耦合器的光带宽。2D光栅耦合器可以用作偏振分离耦合器以将两个不同的光信号耦合到两个波导602和604。光纤中的特定偏振状态确定多少光耦合到每个波导中。在一些实施方式中，光纤可沿着由虚线612指示的方向与光栅耦合器的平面的法线形成小角度。

本公开中描述的实施方式的各种修改对于本领域技术人员来说是显而易见的，并且在不脱离本公开的精神或范围的情况下，本文定义的一般原理可以应用于其他实施方式。因此，权利要求并不旨在限于本文所示的实施方式，而是要符合与本公开、本文公开的原理和新颖特征一致的最宽范围。