CN102741721B - 平面光波导与光纤的耦合 - Google Patents

平面光波导与光纤的耦合 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用以将光在光学传输部件之间进行光耦合的装置。该装置包括第一光学传输部件和第二光学传输部件，其中所述第一光学传输部件包括平面光波导、光栅耦合器、和透明衬底，所述第二光学传输部件包括光纤。优选地，所述平面光波导包括硅，并且所述透明衬底包括玻璃。本发明也提供了用以将光在光学传输部件之间进行光耦合的方法。

Description

平面光波导与光纤的耦合
相关文件的交叉引用
本申请要求于2009年11月24日提交的、申请系列号为12/624847、标题名为“PlanarWaveguideAndOpticalFiberCoupling（平面光波导与光纤的耦合）”的美国正式专利申请的权益和优先权，其内容是可靠的，且通过引用将其全部内容合并入本申请。
背景技术
本发明总体上涉及平面光波导与光纤之间的光耦合，具体地，涉及使用光栅耦合器对透明衬底上的平面光波导与被斜切的光纤之间进行光耦合，其中，光纤轴线大致平行于衬底平面。
用于短距离应用（<1km）的、低成本的光学链路经常使用多模光纤，以使信号源与检测器之间的对准公差宽松。多模式纤芯的大尺寸使得光学互连相对于普遍使用的Fabry-Perot或VCSEL激光源和广域探测器可以承受更大的侧向、斜向和轴向的对准误差。该方法适合于低速至中速数据速率的应用，其中，使用单一光波长进行链路信令（linksignaling）。
当要求更高的链路带宽性能时，需要使用WDM（波分复用）在单一光纤上多路传输多重信号。该方法适合于短链路应用，以避免多模光纤固有的长度—带宽限制，也适合于使用单模式光纤的长链路应用。在这些情况下，一般要求在链路的信号源和接收器端部分别进行波长复用（MUX）和波长多路分解（DEMUX）操作。
平面光波电路（PLC）便于进行光学波长复用和波长多路分解操作。高折射率对比波导能够以较低光学损耗实现紧密波导弯曲。其允许在小芯片上制成紧凑波长复用装置和波长多路分解装置，减少芯片成本，并减少整体包装尺寸。例如，可以使用IIR（无限脉冲响应）环形谐振滤波装置执行波长复用和波长多路分解操作，其中，环形谐振滤波装置容易被调节以在特定波长上工作。也可以使用平面光波电路实现诸如开关、调制器和功率分配器等其它装置，以将该平台延伸到其它链路和网络应用。
如果相对直接地在芯片边缘将多模光纤抵靠耦接（buttcouple）到高折射率对比PLC波导，那么该互连并不总是实用的或者理想的，因为其要求在芯片边缘进行耦接，这约束了PLC的布线，并且对该芯片的密封造成了限制。一般用于本应用的透镜多模光纤和单模光纤要求精密对准以低损耗耦接到PLC波导。
用以将光纤耦接到PLC波导的一个方法涉及光栅耦合器装置。光栅耦合器典型地实施为宽锥形以在耦合器上捕获来自光纤的入射光，并将该入射光沿PLC波导导引。典型地，光纤被设置成大***于PLC衬底的法向位置或垂直于PLC衬底。同样的装置可以反向操作，以将光从PLC波导射入光纤中。
发明内容
一个实施例包括用以将光在光学传输部件之间进行光耦合的装置。所述装置包括第一光学传输部件和第二光学传输部件。所述第一光学传输部件包括沿纵向路径延伸的平面光波导、光栅耦合器和透明衬底。所述透明衬底设置于所述平面光波导和所述光栅耦合器的一侧。所述第二光学传输部件包括光纤。所述光纤沿纵向轴线延伸，并且包括芯和包层，还具有斜梢部。所述光纤的纵向轴线大体平行于所述平面光波导的纵向路径。
另一实施例包括将光学传输部件之间的光进行光耦合的方法。所述方法包括将光在第一光学传输部件和第二光学传输部件之间传输。所述第一光学传输部件包括沿纵向路径延伸的平面光波导、光栅耦合器和透明衬底。所述透明衬底设置于所述平面光波导和所述光栅耦合器的一侧。所述第二光学传输部件包括光纤。所述光纤沿纵向轴线延伸，并且包括芯和包层，还具有斜梢部。所述光纤的纵向轴线大体平行于所述平面光波导的纵向路径。光在所述平面光波导、光栅耦合器和光纤的芯之间进行传播。
下面将在具体实施方式中详细阐述其它特征和优势，且由具体实施方式，这些特征和优势的部分对于本领域技术人员是非常明显的，或者通过实现如本文所述的、包括以下具体实施方式、所附权利要求以及附图实施例而得到认可。
应理解的是，前述总体说明和以下详细说明都示出了示例性实施例，且意图为理解所述权利要求的本质和特点提供概述和框架。包括附图以提供进一步理解，且附图合并入本申请，组成本申请的一部分。附图示出了各种实施例，且与说明书一起用以解释各种实施例的原理和操作。
附图说明
图1示出了如本文所公开的、光耦合到光纤的平面光波导实施例的侧剖视图；
图2绘出了具有不同宽度的束源在空气中和在玻璃中的光束衍射的图表；
图3示出了如本文所述的光耦合到光纤的平面光波导另一实施例的侧剖视图；
图4示出了如本文所述的光耦合到光纤的平面光波导另一实施例的侧剖视图；
图5示出了如本文所述的光耦合到光纤的平面光波导另一实施例的侧剖视图；
图6示出了如本文所述的光耦合到光纤的平面光波导另一实施例的侧剖视图；
图7示出了如本文所述的光耦合到光纤的平面光波导另一实施例的侧剖视图；
图8示出了如本文所述的光耦合到光纤的平面光波导另一实施例的侧剖视图；
图9示出了如本文所述的光耦合到光纤的平面光波导另一实施例的侧剖视图；
图10示出了如本文所述的光耦合到光纤的平面光波导另一实施例的侧剖视图；
图11示出了在玻璃衬底上成型的硅制平面光波导和光栅耦合器的透视图；
图12A-12C示出了图11所示光栅耦合器的时域有限差分法（FDTD）模拟过程；
图13示出了图11所示光栅耦合器的电场的俯视图；
图14绘出了图11所示光栅耦合器的模拟输出功率。
具体实施方式
下面将详细参照本发明的优选实施例，附图中示出了这些优选实施方式的例子。
图1示出了光耦合到光纤120的平面光波导102实施例的侧剖视图。光纤120可以是单模光纤或多模光纤。平面光波导102沿透明衬底104的底表面、沿纵向路径延伸。光沿平面光波导102传播，如箭头108所示，直到到达光栅耦合器106。然后，光栅耦合器106将光改向，使之如箭头112所示竖直地通过透明衬底104，通过光纤120的包层122，进入光纤120的芯124。在图1中所示的实施例中，平面光波导102、光栅耦合器106和透明衬底104结合以形成第一光学传输部件110。在图1所示的实施例中，光纤120作为第二光学传输部件使用。光纤120沿纵向轴线延伸，且包括芯124、包层122和具有斜梢部126（angledtip）的端部。具有斜梢尖部126的该端部包括斜面128（angledface）。如114所示，光112通过斜面128反射，使得其沿光纤120的芯124被改向，如箭头116所示。如图1所示，光纤120的纵向轴线大体上平行于平面光波导102的纵向路径。
优选地，光纤120是多模光纤。优选地，光纤120的芯径至少40μm，如至少50μm，包括芯径在50μm到62.5μm之间的光纤。
包括斜面128的斜梢部126可以通过本领域技术人员已知的、例如激光切割方法、精密机械式光纤切割方法或机械抛光方法而制成。
本文中所使用的术语“透明的”用于说明固体材料，其中，至少70%的穿入该材料的、处于工作波长的辐射传输通过该材料，而未被材料吸收或散射。特别优选的透明材料包括这种材料，其中，至少90%的穿入该材料的、处于工作波长的辐射传输通过该材料，而未被材料吸收或散射。
尽管未限制，但用于该透明衬底的优选材料是玻璃，如大体纯净的SiO2，或是硼硅酸盐玻璃，如编号1737的玻璃。其它用作透明衬底的优选材料包括玻璃陶瓷和其它对于在可见波长至接近红外波长范围内（如波长为大约400nm至大约1700nm）的辐射为透明（如以上限定的）的陶瓷。
尽管未作限制，但用于平面光波导的优选材料是硅（Si）。其它优选材料包括锗（Ge）、硅-锗（SiGe）和碳化硅（SiC）。
本文中使用的术语“反射的”用于指这样的固体材料表面，其中，撞击该表面的至少25%的、处于工作波长的光功率被所述表面反射。
本文中使用的术语“部分反射的”用指这样的固体材料表面，其中，撞击材料表面的至少1%的、处于工作波长的辐射被所述表面反射。
可以使用本领域技术人员已知的技术将平面光波导102在透明衬底104上成型（patterned）或形成。例如，可以使用本领域技术人员已知的光刻工艺将平面光波导102在透明衬底104上成型。此光刻工艺也可以用以形成光栅耦合器106。虽然图1的侧剖视图示出了一个平面光波导102和一个光栅耦合器106，但应当理解的是，可以在单个透明衬底104上成型或形成多个平面光波导102和光栅耦合器106。然后可以以与图1所示的方式类似的方式将光纤光耦合到每个平面光波导。以此方式，可以将一组光纤光耦合到一组平面光波导。
如图1所示，透明衬底104设置在光波导102和光纤120之间，使得光从光栅耦合器106被导引穿过透明衬底104到达光纤120的芯124。换句话说，平面光波导102设置在透明衬底104的、与光纤120相对的一侧。该构造允许透明衬底104保护光栅耦合器106在如与光纤120对准期间免遭损坏。另外，透明衬底可以为光纤120的斜梢部126提供机械支撑，这也允许光纤120相对于光栅耦合器106进行更精密和稳定的定位。另外，根据该光学互连的设计，可以在不对平面光波导102或光栅耦合器106造成损害的情况下，清理或以其它方式处理透明衬底104的、靠近光纤120的表面。而且，透明衬底104也可以用作密封挡层（barrier）以保护透明衬底的、与平面光波导102处于同侧的任何有源器件，如互连到平面光波导102的器件。
虽然图1未示出，但透明衬底104可以成型有对准特征件，如与光纤120的纵向轴线对准的凹槽。除了作为对准特征件起作用以外，凹槽还能够提供光学功能，即，当光从透明衬底104的其它平坦表面穿过光纤120的包层122的弯曲表面或圆柱表面时使由于光的折射引起的像散最小化。如果该凹槽制成具有与光纤120的包层122外表面的外部曲率相配的弯曲表面，那么可以很大程度上减少平坦表面和弯曲表面之间由于折射引起的其它像散。例如，可以通过在氟化氢中进行蚀刻而在透明衬底104中设置具有此类弯曲表面的凹槽。另外，如果该凹槽的横截面不能与光纤120的包层122外曲率半径理想地相配从而在透明衬底104和光纤120的外半径之间留出气隙，那么可以通过用诸如凝胶等折射率匹配材料填充该凹槽而使以上所述的折射作用最小化。
另外，可以设计或构造透明衬底104的表面，优选地，该表面靠近光纤，以执行一项或多项光学功能，如根据本领域技术人员已知的技术聚焦、校准或以其它方式使光束成形。例如，透镜或衍射光栅可以在透明衬底104的表面上形成，以提高平面光波导102和光纤120之间的耦合效率。另外，可以在透明衬底104的表面使用防反射膜，由此减少在玻璃-空气界面因菲涅尔反射导致的光学功率的损失。
光栅耦合器106的设计不限于任何特别的设计，并且，如以下实施例所示，可以包括将光以相对于传播方向不等于90°的角度进行改向的光栅耦合器，所述传播方向如箭头108所示通过平面光波导102。如图5和图6中所示的例子，用以以不等于90°的角度将光进行改向的光栅耦合器可以构造以允许将光通过斜面128的全内反射而进行改向。例如，光栅不必限制为二级光栅（除在其表面上反射和传输光外，主要以相对于穿过平面光波导102的传播方向大致成90°的角度将光进行竖直反射），但是也可以包括更高级的光栅，如三级光栅、四级光栅和五级光栅。所述更高级的光栅具有比二级光栅更大的栅距尺寸或周期，而且由此，所述光栅可以以相对于穿过平面光波导102的传播方向不等于90°的角度将光进行反射。例如，三级光栅可以以相对于穿过平面光波导102的传播方向成60°和120°的角度将光向上或向下进行改向。光栅也可以包括偏振灵敏型光栅，而且由此，光栅耦合器106可以用以使在平面光波导102和光纤120之间传输的光偏振。
在图1所示的实施例中，第一光纤传输部件110在平面光波导102的、与光纤120相对的一侧上没有衬底（或任何固体材料）。在图1所示的实施例中，光栅耦合器106未延伸进入透明衬底104。
在优选实施例中，透明衬底104具有足够的厚度以提供如上所述的机械支撑、光纤定位和保护。优选地，透明衬底104厚度为至少100μm，如厚度在100μm到5000μm之间。更优选地，透明衬底104厚度为至少200μm，如厚度在200μm到2000μm之间，且进一步如厚度在500μm到1000μm之间。
在此方面，相对于在空气中传播，使用玻璃作为透明衬底104有助于减少传播过程中的光束衍射，由此允许光栅耦合器106和光纤120之间更大的距离，且反过来，能够使用具有更好机械属性的、更厚的透明衬底104。图2示出了光栅耦合器获得的具有不同宽度且各波长λ均为1.55μm的光束当在空气（折射率n=1.0）中传播时与在玻璃衬底材料（折射率n=1.45）中传播时相比衍射的程度。特别地，图2示出了在空气10中传播的束腰为8μm的光束、在玻璃12中传播的束腰为8μm的光束、在空气14中传播的束腰为25μm的光束、在玻璃16中传播的束腰为25μm的光束、在空气18中传播的束腰为50μm的光束、在玻璃20中传播的束腰为50μm的光束。如图2所示，相对于空气中光束的传播，玻璃中的光束传播允许光栅耦合器和光纤外表面之间更多的、用以定量衍射的间隔。此使得具有提高的机械强度的、更厚的透明衬底能够处理和使用。
本文中所公开的实施例——如图1中所示的实施例，可以提供平面光波导和光纤之间的、具有如上所述机械支撑、光纤定位和保护功能的光耦合，同时也实现平面光波导和光纤之间的、相对低的耦合损失。例如，本文所公开的实施例可以提供第一光学传输部件110（包括平面光波导102）和第二光学传输部件（包括光纤120）之间的光耦合，其中，第一光学传输部件和第二光学传输部件之间的光辐射的耦合损失小于75%，如小于80%，及进一步如小于85%，且更进一步如小于90%。
图3示出了与图1所示实施例相似的实施例的侧剖视图，除第一光学传输部件110进一步包括缓冲层130和具有反射表面140的层以外。如图3所示，具有反射表面140的层位于平面光波导102的、与光纤120背的一侧。所述反射表面面向缓冲层130，并作为反射器起作用，以将初始由光栅耦合器106向反射表面导引的光朝透明衬底104和光纤120进行改向，如箭头118所示。用于具有反射表面140的层的优选材料包括用以制作电介质层（dielectricstack）的材料，如SiO2、TiO2、Al2O3、Ta2O5、MgF2、LaF3、和AlF3。根据工作波长，除这些材料外的其它材料也可能是合适的。具有反射表面140的层也可以包括金属材料，如金、银、铝或其它对指定工作波长具有高功率反射系数的表面。
用于缓冲层130的优选材料可以包括在工作波长上相对透明的任何玻璃、玻璃陶瓷、晶体材料或聚合材料。用于缓冲层130的优选材料的例子包括硅、掺杂石英玻璃、硫属化合物类、氟化钙、氟化镁和其它专业透明玻璃。用于缓冲层130的优选材料也可以包括氮化硅、氮氧化硅和聚合物，如Su-8、聚（甲基丙烯酸甲酯）(PMMA)或聚酰亚胺。
图4示出了与图1所示的实施例相似的另一实施例的侧剖视图，除光栅耦合器106成型以将光以非高斯光束形状朝光纤120进行改向以外。在图4所示实施例中，优选地，光纤120为多模光纤，并且，光栅耦合器106构造以滤除第一传输部件110和作为第二传输部件起作用的光纤120之间的至少一种模式。在具体的优选实施例中，光栅耦合器106成型以优先激发多模光纤所支持的模式的子集，所述模式的子集具有更小的微分模延迟，导致提高的链路带宽性能。这种光栅耦合器的例子是将光以环状束型进行改向的光栅耦合器。
图5示出了另一个实施例的侧剖视图，其中光栅耦合器106将光改向以通过斜面128耦合光纤120，如箭头112所示。图5所示的实施例中，在斜梢部126的斜面128的法线（normal）与光纤120的纵向轴线之间的角度A大于45°，如为至少50°，且进一步如为至少60°，更进一步为至少70°，包括从50°至75°。这样更大的锐角允许光束（如箭头112所示）被折射进入斜面128，并被导引进入光纤（如箭头116所示）。优选地，在平面光波导102的纵向路径（光沿此路径传播，如箭头108所示）和在第一传输部件110与作为第二传输部件起作用的光纤120之间传输（如箭头112所示）的光之间的角度为至少120°，如为至少130°，且进一步如为至少140°，包括从120°至150°。
另外，大于45°的锐角A使得当***连接器组件时应更具抗损坏性的光纤端面比端面角度不大于45°的相似光纤更耐用。包括斜面128的斜梢部126可以通过例如本领域技术人员已知的激光切割方法或精密机械光纤切割方法而制成。
在与图5对应的优选实施例中，斜面128可以涂覆有防反射材料，如电介质层或设计以减少反射的涂层，以使斜面128上的向后反射和散射损失最小化。可替换地，反射损失可以通过构造光栅耦合器106和角度A而被最小化，使得撞击斜面128的光束（如箭头112所示）处于或接近布儒斯特角。明显地，为了以布儒斯特角入射以导致最小的反射损失，撞击斜面128的光束（如箭头112所示）应通过图5平面中的电场被偏振，这与光在第一光学传输部件110中仿照（resemble）横向磁（TM）场偏振的模式相对应。
图5所示的实施例，可以允许光栅耦合器的设计中光栅的指定周期更小。这种耦合构造也可以为光纤120和透明衬底104之间的轴向偏移提供更大的公差（tolerance）。例如，可以将斜梢部126向上推着抵住光纤止挡部（未示出），其中光纤止挡部将光纤120移动限制在耦合构造的公差之内。
图6示出了另一实施例的侧视图，其中光从光栅耦合器106以第一角度（如箭头112A所示）被导引穿过透明衬底104，然后从光纤120附近的透明衬底104的表面以第二角度（如箭头112B所示）被导引穿过斜面128。与图5所示实施例相似，在斜梢部126的斜面128的法线和光纤120的纵向轴线之间的角度A大于45°，如为至少50°，且进一步如为至少60°，更进一步为至少70°，包括从50°至75°。优选地，在平面光波导102的纵向路径（光沿此路径传播，如箭头108所示）和被导引穿过透明衬底的光（如箭头112A所示）之间的角度为至少100°，如为至少110°，包括从100°至120°。优选地，在平面光波导102的纵向路径和在第一光学传输部件110和作为第二光学传输部件起作用的光纤120之间传输的光（如箭头112B所示）之间的角度为至少120°，如为至少130°，且进一步如为至少140°，包括从120°至150°。
与图3所示的实施例相似，第一光学传输部件110进一步包括缓冲层130和具有反射表面140的层。如图6所示，具有反射表面140的层位于平面光波导102的、与光纤120背的一侧。所述反射表面面向缓冲层130，并作为反射器起作用，以将开始由光栅耦合器106向反射表面导引的光朝透明衬底104和光纤120进行改向，如箭头118’所示。用于具有反射表面140的层的优选材料包括用以制作电介质层的材料，如SiO2,TiO2,Al2O3,Ta2O5,MgF2,LaF3,和AlF3。根据工作波长，除这些材料外的其它材料也可能是合适的。具有反射表面140的层也可以包括金属材料，如金、银、铝或其它对指定工作波长具有高功率反射系数的表面。
用于缓冲层130的优选材料可以包括在工作波长上相对透明的任何玻璃、玻璃陶瓷、晶体材料或聚合材料。用于缓冲层130的优选材料的例子包括硅、掺杂石英玻璃、硫属化合物类、氟化钙、氟化镁和其它专业透明玻璃。用于缓冲层130的优选材料也可以包括氮化硅、氮氧化硅和聚合物，如Su-8、聚（甲基丙烯酸甲酯）(PMMA)或聚酰亚胺。
图7示出了与图5所示的实施例相似的另一实施例的侧剖视图，除光栅耦合器106成型以将光以非高斯光束形状朝光纤120进行改向以外。在图7所示实施例中，优选地，光纤120为多模光纤，并且，光栅耦合器106构造以仅优先激发多模光纤所支持的模式的子集，在特别优选的实施例中，光栅耦合器106成型以仅优先将更高级模式改向，以提高链路带宽性能。这种光栅耦合器的例子是将光以环状束型进行重定向的光栅耦合器。可替换地，该光栅耦合器106可以构造以将光沿逆向改向（即，将光从光纤120耦合到平面光波导102）。在光栅耦合器106构造以将光从光纤120耦合到平面光波导102的优选实施例中，光栅耦合器106成型以仅优先将由该光纤所支持的模式的子集耦合到该波导。
图8示出了另一实施例的侧剖视图，该实施例与图5所示的实施例相似，除设置有检测器150以检测由斜梢部126的斜面128反射的光（如箭头119所示）以外。优选地，检测器包括基于工作波长而选择的光敏二极管。光敏二极管的优选示例包括选自硅、锗、砷化镓或铟砷化镓的类型。图8所示的实施例可以用以有效地监测入射到光纤120中的功率，并且可能对于其中光纤眼安全功率限制和激光源寿命减少影响监测发射到光纤中的光功率的命令的构造来说是理想的。
图9示出了另一个实施例的侧剖视图，其中，在光纤120的斜面128上设置有反射材料160。光从光栅耦合器106被导引穿过透明衬底104，并由斜面128反射，使得光沿光纤120的芯124被导引，如箭头116所示。与图5所示实施例相似，在斜梢部126的斜面128的法线与光纤120的纵向轴线之间的角度A大于45°，如为至少50°，且进一步如为至少60°，更进一步为至少70°，包括从50°至75°。优选地，在平面光波导102的纵向路径（光可沿此路径传播，如箭头108所示）和在第一光学传输部件110和作为第二光学传输部件起作用的光纤120之间传输的光（如箭头112所示）之间的角度为至少120°，如为至少130°，且进一步如为至少140°，包括从120°至150°。
用于反光材料160的优选材料包括SiO2、TiO2、Al2O3、Ta2O5、MgF2、LaF3和AlF3。根据工作波长，除这些材料外的其它材料，也可能是合适的。用作反射材料160的优选材料也可以包括金属材料，如金、银、铝或其它对指定工作波长具有高功率反射系数的表面。
图10示出了另一实施例的侧剖视图，该实施例与图9所示的实施例相似，除在光纤120的斜面128上设置有部分反射材料160’且设置有检测器150以检测从斜梢部126的斜面128折射的光（如箭头119’所示）以外。与图9所示实施例相似，在斜梢部126的斜面128的法线和光纤120的纵向轴线之间的角度A大于45°，如为至少50°，且进一步如为至少60°，更进一步为至少70°，包括从50°至75°。优选地，在平面光波导102的纵向路径（光可沿此路径传播，如箭头108所示）和在第一光学传输部件110和作为第二光学传输部件起作用的光纤120之间传输的光（如箭头112所示）之间的角度为至少120°，如为至少130°，且进一步如为至少140°，包括从120°至150°。
用于部分反射材料160’的优选材料包括这些材料，即包括以上所述的、用于反射材料160的材料，其中，例如，这些材料用作更薄的涂层。可选择地，斜面128可以不涂覆任何材料，而仍提供部分反射的表面。
虽然图1和图3-10示出光通过光栅耦合器106从平面光波导102传播到光纤120的芯124的实施例，但是本文公开的实施例也包括光沿相反方向（即，通过光栅耦合器106从光纤120的芯124到平面光波导102）传播的实施例。
通过以下非限定示例进一步阐明本文公开的实施例。
示例1
硅制平面光波导和光栅耦合器采用深紫外线（UV）光刻在玻璃（SiO2）衬底上成型，光刻工具在波长为193nm或245nm时以图11所示的方式进行工作，其中，在该图上部右手侧，放大示出了圆形区域A，并在该图下部右手侧，放大示出了圆形区域B（图11所示的图案也可以设置有使用电子束感测光阻或聚焦离子束***的电子束写入***）。图11所示的光栅耦合器的进入部分（即波导的、以渐宽锥形示出的部分）在9μm长度上从宽度400nm到宽度3μm逐渐缩小。各光栅耦合器的栅距大约为1μm，且各硅制平面光波导的有效折射率为大约1.551。玻璃衬底厚度为大约625μm，硅层厚度为大约200nm。
使用图11所示的玻璃光栅耦合器上的硅进行了三维时域有限差分（FDTD）模拟。如图12A-12C示出，以三种不同波长λ=1.40μm、λ=1.50μm和λ=1.60μm分别执行模拟操作。图12A-12C中各图示出了光栅耦合器电场（Ex）的侧视图，所示光在该图的左侧进入，并通过光栅耦合器沿竖直方向（即，Z轴线对应于沿玻璃波导上的硅传播的方向，而Y轴线对应于平面外的方向）被衍射。如图12A-12C中各图所示，由光栅耦合器产生的横电（TE）模式的总体长度为大约12μm。另外，如图12A-12C中所示，由光栅耦合器产生的、在玻璃波导的硅上光的竖直衍射与波长没有很强的依赖关系。
图13示出了图11所示的光栅耦合器的电场（Ex）的俯视图，工作波长λ=1.50μm（即玻璃衬底上的硅制光栅耦合器的表面平面位于该图的X-Z平面内）。如图13所示，电场Ex的渐宽锥形大致与光栅耦合器的渐加宽锥形相配。
图14绘出了图11所示的光栅耦合器的模拟输出功率。如图14所示，与由二级光栅所反射的功率24相比，大量的功率22应沿竖直方向（即向上或向下）被衍射。另外，性能应是显著宽频带的。
对本领域的技术人员将会明显的是，在不偏离本发明精神和范围的情况下可以做各种修改和变体。

Claims (18)

1.一种用以将光在光学传输部件之间进行光学耦合的装置，所述装置包括：
第一光学传输部件，所述第一光学传输部件包括沿纵向路径延伸的平面光波导、光栅耦合器和透明衬底，其中，所述透明衬底设置于所述平面光波导和所述光栅耦合器的侧部，所述光栅耦合器未延伸进入所述透明衬底；和
第二光学传输部件，所述第二光学传输部件包括光纤，所述光纤沿纵向轴线延伸，并且包括芯和包层，还具有斜梢部，其中，所述光纤的所述纵向轴线大体平行于所述平面光波导的所述纵向路径，所述透明衬底设置于所述平面光波导和所述光纤之间，且在所述第一光学传输部件和所述第二光学传输部件之间的光辐射的耦合损耗小于75％，其中所述光纤是多模光纤，且所述光栅耦合器被构造成通过将光以环状束型进行改向而仅优先激活由所述多模光纤支持的模式的子集。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述透明衬底包括玻璃，并且所述平面光波导包括硅。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述透明衬底厚度为至少100μm。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一光学传输部件在所述平面光波导的、背对所述光纤的一侧没有衬底。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述斜梢部的斜面的法线与所述光纤的纵向轴线之间的角度为至少50°。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述平面光波导的纵向路径与在所述第一光学传输部件和所述第二光学传输部件之间传输的光束之间的角度为至少120°。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一光学传输部件包括位于所述平面光波导的、与所述光纤背对的一侧上的反射表面。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述斜梢部的斜面包括选自于反射表面和部分反射表面的表面。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括检测器，所述检测器构造以检测由所述斜梢部的斜面反射的光。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述透明衬底包括对准结构。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述对准结构包括凹槽。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述凹槽填充有折射率匹配材料。
13.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述凹槽具有弯曲表面，所述光纤的所述包层具有外表面，所述外表面具有外曲率，其中，所述弯曲表面与所述包层的外表面的外曲率匹配。
14.如权利要求1所述的装置，其特征在于，靠近所述光纤的所述透明衬底的表面构造为透镜或衍射光栅。
15.一种将光在光学传输部件之间进行光学耦合的方法，所述方法包括：
在第一光学传输部件和第二光学传输部件之间传输光，其中：
所述第一光学传输部件包括沿纵向路径延伸的平面光波导、光栅耦合器和透明衬底，其中，所述透明衬底设置于所述平面光波导和所述光栅耦合器的侧部，所述光栅耦合器未延伸进入所述透明衬底；和
所述第二光学传输部件包括光纤，所述光纤沿纵向轴线延伸，并且包括芯和包层，还具有斜梢部，其中，所述光纤的所述纵向轴线大体平行于所述平面光波导的所述纵向路径；以及
其中，光在所述平面光波导、光栅耦合器和所述光纤的芯之间传输，所述透明衬底设置在所述平面光波导和所述光纤之间，且在所述第一光学传输部件和所述第二光学传输部件之间的光辐射的耦合损耗小于75％，其中所述光纤是多模光纤，且所述光栅耦合器被构造成通过将光以环状束型进行改向而仅优先激活由所述多模光纤支持的模式的子集。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述透明衬底包括玻璃，并且所述平面光波导包括硅。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，在所述平面光波导的纵向路径与在所述第一光学传输部件和所述第二光学传输部件之间传输的光束之间的角度为至少120°。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括在检测器上检测从所述斜梢部的斜面反射出的光。
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