减少集成激光二极管的反射的光子集成电路边缘耦合器结构的制作方法

本公开涉及一种用于将激光光束耦合到光子芯片的方法和设备，并且更具体地，涉及减少激光光束与光子芯片之间的耦合部处的背反射。

背景技术：

基于芯片的lidar(光检测和测距)系统包括使用激光器产生光的光子芯片。来自激光器的光进入光子芯片以便通过光子芯片的各种系统。边缘耦合器用于从激光器接收光。然而，光可以在边缘耦合器处进行背反射，这会降低激光器的线宽和单频操作。另外，这种背反射降低了可用于lidar目的的光强度。因此，希望提供一种用于光子芯片的边缘耦合器，其减少可以耦合到激光器腔体中的背反射量。

技术实现要素：

在一个示例性实施例中，公开了一种用于集成光子系统的边缘耦合器。该边缘耦合器包括具有纵向轴线的光子系统的波导和在波导的一端处与激光器进行光学通信的小平面。该小平面相对于该纵向轴线成非垂直角度。

除了本文描述的一个或多个特征以外，该波导进一步包括围绕内部波导的外部波导，并且经由小平面进入外部波导的光经由内部波导发射。内部波导包括位于与外部波导的小平面相距选定距离处的小平面。内部波导的小平面垂直于纵向轴线。内部波导的具有小平面的一端渐缩以减小内部波导在靠近小平面的方向上的宽度。在各种实施例中，内部波导由硅制成，而外部波导由sion制成。选择波导的小平面的角度以优化激光器与波导之间的光耦合并且最小化进入激光器中的背反射。激光器的纵向轴线与波导的纵向轴线共线。

在另一个示例性实施例中，公开了一种用于将激光器耦合到光子芯片的方法。该方法包括将光子芯片的波导的纵向轴线与激光器的纵向轴线对准，其中波导的面向激光器的小平面相对于纵向轴线成非垂直角度，并且将光经由成角度小平面从激光器发射到波导中。

除了本文描述的一个或多个特征以外，波导进一步包括围绕内部波导的外部波导，该方法进一步包括发射光以经由小平面进入外部光导，其中光经由所述内部波导被发射到光子芯片。内部波导包括位于与外部波导的小平面相距选定距离处的小平面。内部波导的小平面垂直于纵向轴线。内部波导靠近内部波导的小平面的一部分渐缩以减小内部波导在靠近小平面的方向上的宽度。在各种实施例中，内部波导由硅制成，而外部波导由sion制成。该角度优化激光器与波导之间的光耦合并且最小化进入激光器中的背反射。激光器的纵向轴线与波导的纵向轴线共线。

在又一示例性实施例中，公开了一种光子芯片。该光子芯片包括包括具有纵向轴线的波导和在波导的一端处与激光器进行光学通信的小平面。该小平面相对于该纵向轴线成非垂直角度。

除了本文描述的一个或多个特征以外，该波导进一步包括围绕内部波导的外部波导，其中经由小平面进入外部波导的光经由内部波导发射。内部波导包括小平面，该小平面位于与外部波导的小平面相距选定距离处，该内部波导的小平面垂直于纵向轴线。内部波导包括靠近内部波导的小平面的一部分，其渐缩以减小内部波导在靠近小平面的方向上的宽度。选择该角度以优化激光器与波导之间的光耦合并且最小化进入激光器中的背反射。

从结合附图取得的本公开的最佳模式的以下详细描述，上述特征和优点以及本公开的其它特征和优点容易地显而易见。

附图说明

其它特征、优点和细节仅借助于示例出现在以下详细描述中，该详细描述参考附图，其中：

图1示出了lidar系统的示意图；

图2示出了适用于图1的lidar系统的示例性光子芯片；并且

图3示出了激光器和边缘耦合器的布置，其用于最大化从激光器发射到边缘耦合器的光量同时减少或最小化背散射到激光器中的光量。

具体实施方式

以下描述仅仅具有示例性本质并且不旨在限制本公开、其应用或用途。应当理解的是，在整个附图中，对应的附图标号指示相同或对应的部分和特征。

根据示例性实施例，图1示出了lidar系统100的示意图。lidar系统100包括光子芯片102、光学耦合器104和微机电系统(mems)扫描器106。处理器108控制光子芯片102的操作以便执行lidar系统100的操作。在各种实施例中，lidar系统100被设置在驻留于印刷电路板上的半导体集成芯片上。如关于图2进一步详细讨论，光子芯片102包括光源，诸如激光器、光学波导网络和一组光电二极管。激光器产生发射光束115，其朝向物体110发射。由于物体110的相互作用而产生的反射光束117在一组光电二极管中与发射光束115的一部分(＜10％)光学混合。处理器108通过控制调制光源的波形来控制光源的操作。处理器108进一步从光电二极管接收数据，并且根据该数据来确定物体110的各种参数。

在操作中，处理器108控制光子芯片102的光源以产生调制后的发射光束115。发射光束115通过光学耦合器104，其准直发射光束115并且将发射光束115引导朝向mems扫描器106。mems扫描器106使发射光束115在一定角度范围内转向进入lidar系统100的周围区域。

mems扫描器106包括振动构件，诸如振动镜。处理器108控制振动构件的振荡以便使发射光束115在选定角度范围内转向。在各种实施例中，mems扫描器106是二维(2d)mems扫描器，并且处理器108控制振动构件在两个角度方向上的振荡，诸如方位角和仰角。

当物体110与发射光束115相互作用时，形成反射光束117。在mems扫描器106处接收反射光束117的一部分。mems扫描器106将反射光束117引导到光学耦合器104中，该光学耦合器将反射光束117聚焦到光子芯片102中。

在各种实施例中，lidar100系统可以与车辆相关联，并且物体110可以是车辆外部的任何物体，诸如另一台车辆、行人、电线杆等。lidar系统100确定诸如范围、作为物体110的方位角和仰角的函数的多普勒效应等参数，并且车辆使用这些参数来相对于物体110进行导航以避免与物体110接触。

图2示出了适用于图1的lidar系统100的示例性光子芯片102。在各种实施例中，光子芯片102是扫描调频连续波(fmcw)lidar芯片。在各种实施例中，光子芯片102可以是硅光子芯片。光子芯片102从诸如激光器202等相干光源接收光。激光器202可以独立于光子芯片102，或者可以是光子芯片102的集成部件。激光器202可以是可以进行调频的任何单频激光器。在一个实施例中，激光器202是分布式布拉格反射器激光器。在各种实施例中，激光器202产生频率为1550纳米(nm)的光或被认为对人眼安全的其它波长的光。激光器202经由边缘耦合器230耦合到发射器波导204，该边缘耦合器从激光器202接收光。发射器波导204将来自激光器202的光经由发射器光束边缘或光栅耦合器220导出光子芯片102作为发射光束115。

本地振荡器(lo)波导206经由位于光源202与边缘耦合器220之间的定向耦合器/分束器或多模干涉耦合器/分束器210光学地耦合到发射器波导204。定向耦合器/分束器或多模干涉耦合器/分束器210将来自激光器202的光分束成持续在发射器波导204中传播的发射光束115和在本地振荡器波导206中传播的本地振荡器光束。在各种实施例中，对于发射器波束，分束比可以是90％，而对于本地振荡器波束，分束比可以是10％。本地振荡器光束指向执行光束测量的双平衡光电检测器214。

入射或反射光束117经由接收器光束边缘或光栅耦合器222进入接收器波导208。接收器波导208将反射光束117从接收器光束边缘或光栅耦合器222引导到双平衡光电检测器214。接收器波导208在位于边缘或光栅耦合器222与光电检测器214之间的定向耦合器/组合器或多模干涉耦合器/组合器212处光学地耦合到本地振荡器波导206。因此，本地振荡器光束和反射光束117在被接收于双平衡光电检测器214处之前在定向耦合器/组合器或多模干涉耦合器/组合器212处彼此相互作用。在各种实施例中，发射器波导204，本地振荡器波导206和接收器波导208可以是光纤。

双平衡光电检测器214检测由于发射器光束从物体110(图1)反射回来而在发射光束115与反射光束117之间引起的频率差。双平衡光电检测器214耦合到处理器108(图1)。处理器108(图1)根据频率差来确定物体110的参数，诸如范围或距离、物体110的到达方向以及物体110相对于lidar系统100的速度。

图3示出了激光器202和边缘耦合器230的布置300，其用于最大化从激光器202发射到边缘耦合器230的光量同时减少或最小化背散射到激光器202中的光量。在各种实施例中，边缘耦合器230是圆柱形波导，诸如光纤。边缘耦合器230包括纵向轴线306和位于边缘耦合器230的面向激光器202的一端处的小平面304。激光器202的纵向轴线320与波导230的纵向轴线306对准或大致上对准。

边缘耦合器230包括边缘耦合器波导310和位于边缘耦合器波导310内部的光子集成电路(pic)波导312。因此，边缘耦合器波导310对于pic波导312的内部波导而言是外部波导。pic波导312由第一材料制成，而边缘耦合器波导310由第二材料制成。pic波导312的纵向轴线315与边缘耦合波导310的纵向轴线306共线或大致上共线。pic波导312和边缘耦合器波导310是光学波导。边缘耦合器波导310包括在面向激光器202的一端处的小平面304。小平面304处于角度θ，其使得小平面304不垂直于边缘耦合器波导310的纵向轴线306并且因此不垂直于激光器202的纵向轴线320(即，小平面304不平行于激光器202的小平面322)。

使边缘耦合器波导310的小平面与纵向轴线320成非垂直角度减小了光返回到激光器202中的背反射量。而且，当边缘耦合器小平面304的角度θ是最佳角度时，在激光器202与边缘耦合器230之间发生最大光耦合，同时进入激光器202中的背反射最少。

pic波导312包括渐缩端316。渐缩端316与边缘耦合器波导310的小平面304相距选定距离。pic波导312的小平面314垂直于纵向轴线，并且pic波导312的渐缩端316渐缩以减小pic波导312在朝向小平面314行进的方向上的直径、半径或宽度。

从边缘耦合器波导310反射的任何光以与纵轴306、320成不同的角度指向激光器输出小平面322，并且因此不会干扰激光器操作。pic波导312捕获激光并且将光引导到集成电路的位置。

虽然已经参考示例性实施例描述了以上公开内容，但是本领域技术人员将会理解，在不脱离本公开内容的范围的情况下，可进行各种改变并且可用等同物替换其元件。另外，在不脱离本公开的实质范围的情况下，可进行许多修改以使特定的情况或材料适应本公开的教导。因此，希望本公开不限于所公开的特定实施例，而是将包括落入本申请范围内的所有实施例。