用于耦合光的光栅和透镜系统的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年10月26日提交的美国临时申请no.62/413,073和于2017年8月24日提交的美国专利申请no.15/685,056的优先权，其通过引用整体并入本文。

本公开涉及一种用于在光纤连接器与波导之间耦合光的设备，波导被包括在光子集成电路中或耦合到光子集成电路。

背景技术：

光纤连接器可以朝向光子集成电路定向来自光纤的光。对于被形成为层状结构的光子集成电路，将来自光纤的光耦合到规定的层中是很困难的。

附图说明

在附图的图中通过示例而非限制的方式示出本公开，在附图中，相同的附图标记表示相似的元素。

图1示出了根据一些实施例的可以在光纤连接器与波导之间耦合光的光学设备的示例；

图2示出了根据一些实施例的可以在光纤连接器与波导之间耦合光的另一光学设备的示例；以及

图3示出了根据一些实施例的用于耦合光的方法的示例。

应当注意，附图中的元素不一定按比例绘制。附图中所示的配置仅仅是示例，而不应当被解释为以任何方式限制。

具体实施方式

光子集成电路可以被形成为层状结构。在光子集成电路内部，光可以在规定的层内传播，诸如在耦合到特定层的波导内。一个或多个光耦合设备可以用于从光子集成电路提取光，或将光注入到光子集成电路中。

例如，光耦合设备可以接收准直的入射光，诸如从在操作上连接到光源(例如，单模光纤)的连接器，并且准直来自光源的光。连接器可以可选地重定向准直的入射光，以朝向层状结构的一个或多个层传播，可选地与层状结构中的层正交传播。光可以进入耦合到层状结构的层的波导。

耦合设备可以包括具有透镜中心轴的透镜。透镜可以聚焦第一光束(例如，准直的第一光束)以形成会聚的第二光束。第一光束可以具有偏离透镜中心轴的第一光束中心轴。第二光束可以具有相对于第一光束中心轴成一定角度的第二光束中心轴。平面光栅可以重定向第二光束以形成会聚的第三光束。第三光束可以具有平行于光栅的平面的第三光束中心轴。与其中第一光束和第二光束具有如下中心，该中心被定位在透镜的中心的配置相比，以这种方式将第一光束中心轴从透镜中心轴偏离可以有助于放宽波长、制造和/或对准容忍度。

注意，在本文中的讨论中，光可以从光纤连接器接收，传播通过光耦合设备，并且进入波导(例如，光子集成电路的波导)。应当理解，光通过耦合设备是完全可逆的，并且为了便于说明，严格采用从连接器传播到波导行进的光的惯例。应当理解，光也可以离开波导，通过耦合设备在相反方向上传播，并且进入光纤连接器。

图1示出了根据一些实施例的被配置为在诸如由光纤连接器(c)提供的光源与波导(w)之间耦合光的光耦合设备100的示例。波导(w)可以被包括在光子集成电路(pic)中/与光子集成电路(pic)集成或耦合到光子集成电路(pic)。虽然光纤连接器(c)和波导(w)被示出为不同的元件/部件，但是在其他示例中，它们可以是光耦合设备100的部分。设备100仅是耦合设备的一个示例；也可以使用其他耦合设备配置。

连接器(c)可以包括可以发射发散光的光纤。因此，连接器(c)可以包括用于准直来自光纤的光使得光作为准直光束从连接器(c)出现的一个或多个准直元件。连接器(c)还可以包括用于重定向光束使得准直光以规定的传播方向离开准直器的一个或多个元件。在示例实施例中，连接器(c)可以使用任何适当的机械结构耦合到光耦合设备100。在一些示例中，连接器(c)还可以包括一个或多个机械参考点，使得离开连接器(c)的光束的传播方向被规定为在相对于参考点的特定角度容忍度内。连接器(c)可以形成有插入式连接，其中连接适当地精确以将离开的光束对准到特定的角度容忍度和适当的定位容忍度内。离开连接器(c)的光束在以下讨论中被称为第一光束。

设备100被示出为包括透镜102。透镜102可以聚焦第一光束106以形成会聚的第二光束108。第一光束106可以是准直的、发散的或会聚的。透镜102可以具有光功率，其被选择为使得来自第二光束108的光可以在下游被聚焦到波导(w)的纵向端部上，用于耦合到波导(w)中。

透镜102可以具有透镜中心轴104。第一光束106可以具有从透镜中心轴104偏离(例如，横向移位或偏心)的第一光束中心轴110。在一些示例实施例中，第一光束中心轴110可以以非法线入射与透镜102的表面相交。第二光束108可以具有相对于第一光束中心轴110成一定角度的第二光束中心轴112。在其中第二光束108仅传播通过透镜102的部分的一些示例中，透镜区域的一个或多个未使用部分可以省略。在这些示例中的一些中，透镜中心轴104可以在透镜102本身外部。

在一些示例中，透镜102可以形成为透镜层122的相对表面。透镜层122可以包括面对第一光束106的第一表面124和背对第一光束106的第二表面126。第一表面124可以包括弯曲的透镜部分。在一些示例中，第一光束中心轴110可以以非法线入射与弯曲的透镜部分相交。第二光束108可以从透镜层122的第一表面124传播到透镜层122的第二表面126。在一些示例中，透镜层122的第一表面124和第二表面126中的一个或两个可以具有零曲率(例如，平坦)或具有有限曲率。透镜层122可以包括光学地各向同性的材料，诸如二氧化硅或空气。在一些示例中，光耦合设备100的透镜层122可以在基底表面上或者在包括波导的表面上直接附接到光子集成电路(pic)。在一些示例中，透镜表面可以在光子集成电路(pic)外部，通过气隙隔开。在一些示例中，透镜102可以被形成为附接到设备100的分立元件。

设备100可以包括平面光栅114。平面光栅114可以重定向第二光束108以形成朝向波导(w)传播的会聚的第三光束116。第三光束116可以具有平行于光栅114的平面的第三光束中心轴118。在一些示例中，波导(w)可以被定位在光栅114的平面中，使得光栅114可以将会聚的第三光束116以特定的方向定向到波导(w)的纵向端部上，用于耦合到波导(w)中。在其中波导(w)的纵向端部被取向为与波导(w)正交的一些示例中，光栅114可以在平行于波导的方向上朝向波导(w)定向第三光束116(例如，使得第三光束中心轴118平行于波导)。在其中波导(w)的纵向端部相对于波导(w)成角度的其他示例中，光栅114可以以适当的方向朝向波导(w)定向第三光束116，该方向可以提供到波导(w)中的适当的耦合。在一些示例中，光栅114可以被取向为与第一光束中心轴110正交。

光栅114可以以小于九十度的角度120重定向第二光束108以形成会聚的第三光束。可以在指向第二光束108的传播方向的第二光束中心轴112与指向第三光束116的传播方向的第三光束中心轴118之间形成重定向角度120。与其中重定向正好为九十度的可比较的设备(诸如其中第一光束中心轴110和第二光束中心轴112与透镜中心轴104重合的配置)相比，以小于九十度的角度重定向可以有助于放宽连接器(c)和/或波导(w)的制造、定位和/或对准容忍度。

光栅114可以包括其中折射率周期性变化的区域。区域的周期性变化可以被取向为与第三光束中心轴118正交。在一些示例实施例中，周期性变化可以是线性的，使得重定向后的第三光束116保持与入射的第二光束108大致相同的会聚。在其他示例中，周期性变化可以额外地被弯曲，以向第三光束116上赋予额外的会聚。弯曲光栅114的周期性变化可以放宽对弯曲的透镜表面的一些容忍度。

光栅114可以是均匀地周期性的。对于这些示例，光栅114可以在光栅114的整个区域上是均匀的。这样的均匀性可以有助于放宽光耦合设备100中的对准容忍度，因为如果第二光束108在光栅114处稍微未对准，则光栅114的性能不变。在其他配置中，光栅114可以被变迹(apodize)以匹配光栅114处的第二光束108的强度分布。例如，光栅114的属性可以在特定区域上以与在光栅114处的第二光束108的强度分布相对应的方式变化。这样的变迹可以潜在地使得光栅114的性能能够超过均匀光栅的性能。

在一些示例中，光栅114可以相对于平行于光栅114的平面的轴对称。对于这些示例，光栅114的正的第一衍射级的衍射效率可以等于衍射光栅114的负的第一衍射级的衍射效率。在其他示例中，光栅114可以相对于平行于光栅114的平面的轴是不对称的。对于这些示例，光栅114的正的第一衍射级的衍射效率可以不同于光栅114的负的第一衍射级的衍射效率。以这种方式调节正和负衍射级的衍射效率可以针对特定配置定制光栅性能。例如，在图1的配置中，期望将尽可能多的光从第二光束108衍射成与第三光束116相对应的衍射级，并且将尽可能少的光衍射成其他衍射级。

在一些示例中，光栅114可以形成在光栅层128上或光栅层128内。光栅层128可以在平行于光栅114的平面中伸长。光栅层128也可以平行于透镜层122。光栅层128可以包括面对透镜102的第一表面130和背对透镜102的第二表面132。在一些示例中，光栅114可以位于光栅层128的第一表面130处。在其他示例中，光栅114可以被定位在光栅层128的第二表面132处。在其他示例中，光栅114可以被定位在光栅层128内，并且与光栅层128的第一表面130和第二表面132间隔开。

图2示出了根据一些实施例的可以在光纤连接器(c)与波导(w)之间耦合光的另一光耦合设备200的示例。光耦合设备200包括具有与光耦合设备100中的元件的相同功能的若干元件。因此，相同的附图标记用于表示相同或相似的特征。

与图1的光耦合设备100相比，图2的光耦合设备200添加了可以被包括在光栅层128中的反射镜202。反射镜202可以被取向为平行于光栅114，并且被定位为使得光栅114在透镜102与反射镜202之间。反射镜202可以朝向光栅114反射来自第二光束108的光，来自第二光束108的光没有被重定向地通过光栅114。光栅114然后又可以将从反射镜202反射的光204定向到第三光束116中。

在一些示例中，光栅114可以被设计为使得各种衍射级具有衍射效率，其适应于将光从反射镜有效地耦合到第三光束116中。

另外，由于反射镜和光栅114是平行的，所以形成在反射光与第三光束中心轴118之间的重定向角220可以具有与图1的配置相同的值。与其中重定向正好为九十度的可比较的设备(诸如其中第一光束中心轴和第二光束中心轴与透镜中心轴104重合的配置)相比，该值也可以小于九十度，这可以有助于放宽连接器的制造、定位和对准容忍度。

图3示出了根据一些实施例的用于耦合光的方法300的示例。在一些示例中，方法300可以由图1和图2的设备100、200执行，尽管其他适当的装置也可以执行方法300。方法300仅是用于耦合光的一种方法；也可以使用其他适当的方法。

在操作302，设备可以在透镜处接收准直的第一光束。透镜可以具有透镜中心轴。第一光束可以具有偏离透镜中心轴的第一光束中心轴。

在操作304，设备可以通过透镜聚焦第一光束以形成会聚的第二光束。第二光束可以具有相对于第一光束中心轴成一定角度的第二光束中心轴。

在操作306，设备可以通过平面光栅重定向第二光束以形成会聚的第三光束。第三光束可以具有平行于光栅的平面的第三光束中心轴。在一些示例中，光栅可以以小于九十度的角度重定向第二光束。在一些示例中，该设备还可以使用反射镜，反射镜被取向为平行于光栅，并且被定位为使得光栅在透镜与反射镜之间以朝向光栅反射来自第二光束的光，来自第二光束的光没有被重定向地穿过光栅。

为了进一步说明本文中公开的装置和相关方法，下面提供非限制性示例列表。以下非限制性示例中的每个可以独立地存在，或者可以以任何排列或组合来与其他示例中的任何一个或多个相组合。

在示例1中，一种光耦合设备可以包括：光连接器，被配置为递送来自光源的光作为第一光束；透镜，具有透镜中心轴，该透镜被配置为聚焦该第一光束以形成会聚的第二光束，该第一光束具有偏离该透镜中心轴的第一光束中心轴，该第二光束具有相对于该第一光束中心轴成一定角度的第二光束中心轴；平面光栅，被配置为重定向该第二光束以形成会聚的第三光束，该第三光束具有平行于该光栅的平面的第三光束中心轴；以及光波导，与该第三光束中心轴对准，并且被配置为接收该第三光束。

在示例2中，示例1的光耦合设备可以可选地被配置为使得光栅被配置为以小于九十度的角度重定向该第二光束。

在示例3中，示例1-2中任一项的光耦合设备可以可选地被配置为使得该光栅的平面与该第一光束中心轴正交。

在示例4中，示例1-3中任一项的光耦合设备可以可选地还包括透镜层，该透镜层包括该透镜，该透镜层在平行于该光栅的平面中伸长。

在示例5中，示例1-4中任一项的光耦合设备可以可选地被配置为使得该透镜层包括面对该第一光束的第一表面和背对该第一光束的第二表面，该第一表面包括弯曲的透镜部分。

在示例6中，示例1-5中任一项的光耦合设备可以可选地被配置为使得该第二光束从该透镜层的第一表面传播到该透镜层的第二表面。

在示例7中，示例1-6中任一项的光耦合设备可以可选地还包括光栅层，该光栅层包括该光栅，该光栅层在平行于该光栅的平面中伸长。

在示例8中，示例1-7中任一项的光耦合设备可以可选地被配置为使得该光栅层包括面对该透镜的第一表面和背对该透镜的第二表面。

在示例9中，示例1-8中任一项的光耦合设备可以可选地被配置为使得该光栅被定位在该光栅层的第一表面处。

在示例10中，示例1-9中任一项的光耦合设备可以可选地被配置为使得该光栅被定位在该光栅层的第二表面处。

在示例11中，根据示例1-10中任一项的光耦合设备可以可选地被配置为使得该光栅被定位在该光栅层内，并且与该光栅层的第一表面和第二表面间隔开。

在示例12中，示例1-11中任一项的光耦合设备可以可选地被配置为使得该光栅层还包括反射镜，该反射镜被取向为平行于该光栅，并且被定位为使得该光栅在该透镜与该反射镜之间，该反射镜被配置为朝向该光栅反射来自该第二光束的没有重定向地穿过该光栅的光。

在示例13中，示例1-12中任一项的光耦合设备可以可选地被配置为使得该光栅相对于平行于该光栅的平面的轴对称，使得该光栅的正的第一衍射级的衍射效率等于该光栅的负的第一衍射级的衍射效率。

在示例14中，示例1-13中任一项的光耦合设备可以可选地被配置为使得该光栅相对于平行于该光栅的平面的轴不对称，使得该光栅的正的第一衍射级的衍射效率不同于该光栅的负的第一衍射级的衍射效率。

在示例15中，示例1-14中任一项的光耦合设备可以可选地被配置为使得该光栅是均匀地周期性的。

在示例16中，示例1-15中任一项的光耦合设备可以可选地被配置为使得该光栅被变迹以匹配该光栅处的该第二光束的强度分布。

在示例17中，一种方法可以包括：经由光连接器从光源接收光，所接收的光形成第一光束；在透镜处定向该第一光束，该透镜具有透镜中心轴，该第一光束具有偏离该透镜中心轴的第一光束中心轴；通过该透镜聚焦该第一光束以形成会聚的第二光束，该第二光束具有相对于该第一光束中心轴成一定角度的第二光束中心轴；以及通过平面光栅重定向该第二光束以形成会聚的第三光束，该第三光束具有平行于该光栅的平面的第三光束中心轴。

在示例18中，示例17的方法可以可选地被配置为使得该光栅被配置为以小于九十度的角度重定向该第二光束。

在示例19中，示例17-18中任一项的方法可以可选地还包括：通过反射镜以朝向该光栅反射来自该第二光束的没有重定向地穿过该光栅的光，该反射镜被取向为平行于该光栅，并且被定位为使得该光栅在该透镜与该反射镜之间。

在示例20中，一种光耦合设备可以包括：光连接器，被配置为接收来自光源的光作为第一光束；透镜层，包括透镜，该透镜具有透镜中心轴，该透镜被配置为聚焦该第一光束以形成会聚的第二光束，该第一光束具有偏离该透镜中心轴的第一光束中心轴，该第二光束具有相对于该第一光束中心轴成一定角度的第二光束中心轴；光栅层，包括被取向为与该第一光束中心轴正交的平面光栅，该光栅被配置为以小于九十度的角度重定向该第二光束以形成会聚的第三光束，该第三光束具有平行于该光栅的平面的第三光束中心轴，该光栅层还包括反射镜，该反射镜被取向为平行于该光栅，并且被定位为使得该光栅在该透镜与该反射镜之间，该反射镜被配置为朝向该光栅反射来自该第二光束的没有重定向地穿过该光栅的光；以及光波导，与该第三光束中心轴对准，并且被配置为接收该第三光束。