CN105629402B - 准直光束与光波导的光耦合增效的透镜*** - Google Patents

Abstract

本发明披露了一种光耦合***，以使准直光束与半导体材料制成的波导耦合。在光调制器和/或光混合器中采用该波导，以及，因为半导体材料的增强折射率，该波导具有截面有限的芯部。由包括第一透镜和第二透镜的双透镜***，将准直光束聚焦在芯部上。第一透镜具有的焦距短于第二透镜的焦距，首先使第一透镜与芯部对准，然后，使第二透镜与芯部对准，作为在固定第一透镜期间所产生的第一透镜偏离的补偿。

Description

准直光束与光波导的光耦合增效的透镜***

技术领域

本发明涉及一种透镜***，以对准直光束与光波导的光耦合增效。

背景技术

由半导体材料形成平面光路(PLC)的技术在本领域已经普及。常规PLS通常由电介质材料例如铌酸锂(LiNbO₃)制成。因为大多数半导体材料的折射率大于LiNbO₃的折射率，半导体材料的PLC不仅减小其平面尺寸，而且减小其截面。带有台面结构的光波导具有由台面宽度和波导层厚度确定的有效尺寸。前一种尺寸延伸至数微米(μm)，但后一种尺寸被迫限制于亚微米。

对于波导的光耦合增强效率的常规已知技术是：在露出光波导的母料端面附近，设置光斑尺寸转换器(SSC)。SSC可以同等地扩展波导的截面。然而，SSC固有地需要形成复杂结构，这提高了光波导的生产成本。

发明内容

本申请的一方面涉及一种可应用于数字相干***的光接收器。本申请实施例的光接收器包括第一输入端口、第二输入端口、光混合器(optical hybrid)、以及光耦合***。接收信号光束的第一输入端口具有准直透镜，以使输入信号光束准直。接收本振光束的第二输入端口也包括准直透镜，以使本振光束准直。通过执行信号光束与本振光束的干涉，光混合器可以提取信号光束中所包含的数据/信息。光混合器具有两个波导，各波导由半导体材料制成。光耦合***使信号光束和本振光束与光混合器耦合。光耦合***设置各具有第一透镜和第二透镜的第一单元和第二单元。各个单元中的第一透镜和第二透镜的组合，将准直信号光束聚集于光混合器中的一个波导上，以及，将准直本振光束聚集于另一波导上。与各个第二透镜相比，各个单元中的第一透镜更靠近于光混合器布置。

本发明的另一方面涉及光调制器。该光调制器设置有输入端口、光调制器、输出端口、以及光耦合***。输入端口接收连续波(CW)光束。通过对CW光束执行相位调制，光调制器产生经调制光束。本申请的光调制器具有由半导体材料制成的波导。光耦合***使作为发散光束的经调制光束准直，以及，使准直光束与输出端口耦合。本申请的光调制器的特征在于，光耦合***包括第一透镜和第二透镜，第一透镜布置为相比于第二透镜更靠近光调制器，以及，第二透镜具有的焦距大于第一透镜的焦距。

附图说明

根据下文结合附图详细描述的本发明优选实施方式，将更好地理解本发明的上述以及其它的目的、方面和优点，附图中：

图1示意性图示光接收器的功能方块图；

图2示意性图示根据本发明第一实施例的光接收器内部的平面图；

图3示出光波导的剖视图；

图4A和图4B比较了用于半导体材料所制成波导的光耦合***；

图5A和图5B比较了分别关于单透镜***与双透镜***的光耦合容差；

图6示出了第一透镜的偏离与用于补偿光耦合效率的第二透镜偏置之间的关系，以及补偿后的耦合效率；

图7A和图7B示意性示出根据图2中所示双透镜***进行变化后的双透镜***的光学布置；

图8示出双透镜***的装配流程；

图9是示出根据本发明第二实施例的光调制器内部的平面图；以及

图10A和图10B示出波导实施例的剖视图，该波导形成于图9所示光调制器中的调制装置内。

具体实施方式

图1示意性图示光接收器的功能方块图，这里，光接收器100可应用于相干光通信***。光接收器100主要包括光单元10和设置在光单元10下游的电单元40。

光单元10包括偏振分束器(PBS)12、分束器(BS)14、两个光混合器16、多个光接收部件18、放大器20、半波板22、以及两个反射镜24a、24b。光单元10可以进一步设置有光学器件，以补偿被PBS 12和BS 14分开的两个通道之间的时滞(skews)，这些时滞可能由透镜、反射镜等导致；但图1中省略了调整时滞的那些光学器件。电单元40包括模拟-数字转换器(A/D-C)42和数字信号处理器(DSP)43。

BBS 12使由单模光纤(SMF)提供的光信号SIG分光成各自具有X偏振和Y偏振的两个光束，这里，本说明书设定：X偏振处在与光单元10的主表面平行的平面中，而Y偏振处在与主表面垂直的平面中。具有X偏振的一个光束进入X-混合器16x；同时，在由半波板22使其偏振方向旋转90°之后，具有Y偏振的另一光束进入另一混合器，Y-混合器16y。

BS 14使由本振光源通过保偏光纤(PMF)提供的本振光束(LO)分光成两个光束。将处于偏振的本振光束LO设定处于X偏振，也就是，使该偏振与进入X-混合器16x的光束的偏振、以及通过半波板22进入Y-混合器16y的光束的偏振相匹配。

各个混合器16x和16y使各来自光信号SIG的光束与来自本振光束LO的光束相乘(multiply)，并将这样处理过的光束从输出端口输出。具体而言，X-混合器16x使源自光信号SIG的光束与源自本振光束LO的光束干涉或相乘，提取光信号SIG中所包含的同相分量和异相分量。前一种分量称为同相分量，对应于光信号SIG中相位与本振信号LO的相位匹配的分量，而后一种分量称为正交分量，对应于相位与本振光束LO的相位相差90°的分量。这些分量各自以差动形式输出。类似地，Y-混合器16y输出光信号SIG中关于Y偏振的同相分量和正交分量。这些分量各自也以差动形式输出。也就是，X-混合器16x可以输出：差动形式的同相分量，即X-Ip和X-In，同样为差动形式的正交分量，X-Qp和X-Qn。Y-混合器16y输出各具有差动形式的两种分量，Y-Ip和Y-In，以及Y-Qp和Y-Qn。两个混合器16x、16y可以是形成于硅衬底上的PLC类型。

光接收部件18，其可以是光电二极管(PDs)，将从混合器16x、16y输出的各个光束转换成光电流。各放大器20差动放大从PDs 18输出的互补信号。放大器20可以具有称为跨阻放大器(TIA)的装置，以将电流信号转换成电压信号。将各个放大器的输出提供给电单元40，以在其中进行电处理。

A/D-Cs 42将各从TIAs 42输出的模拟电压信号转换成数字信号。DSP 44处理由A/D-Cs 42这样转换后的数字信号，以相对于信号SIG调整本振光束LO的相位和波长等，用于实现相干光通信。

(第一实施例)

图2示意性图示根据本发明第一实施例的光接收器10内部的平面图。图2只示出光单元10并省略图1中的电单元40。光接收器10中与图1中所示元件类似或相同的元件使用与图1中类似或相同的附图标记，并不再重复说明。

一个输入端口25b容纳单模光纤(SMF)，用于接收进来的信号SIG；同时，另一输入端口25a容纳保偏光纤(PMF)27，以接收本振光束LO。输入端口25a和25b设置有各自的准直透镜21a和21b。除了图1中所示的元件之外，壳体24还安装有一些光学部件，例如反射镜28x和28y、调整时滞的无源装置29x和29y、透镜30xS1至30yL2、等等。反射镜28x和28y、以及无源装置29x和29y设置用于各自的光混合器16x和16y。采用了总共八个(8)透镜30xS1至30yL2。进入光混合器16x和16y的各光路设置有一对透镜30。

取决于偏振方向，PBS 12将由SMF 26提供的光信号SIG分光成两个光束，两个光束中具有X偏振并通过PBS 12的一个光束，随着通过无源装置29x以及经两个透镜30xS2和30xS1聚集，进入光混合器16x。同时，被PBS 12折转(bent)的另一光束，随着通过半波板22、被反射镜28y反射以及经两个透镜30yS2和30yS1聚集，进入另一光混合器16y。

提供自PMF 27的本振光束LO经BS 14均等地分光成两个光束，两个光束中被BS 14折转的一个光束，随着被反射镜28x再次折转以及经两个透镜30xL2和30xL1聚集，进入第一光混合器16x。通过BS 14的另一光束，随着通过无源装置39y以调整时滞、以及经两个透镜30yL2和30yL1聚集，进入另一光混合器16y。

对于光混合器16x，以从BS 14到反射镜28x的距离，本振光束LO的光路长于信号SIB的光路。据此，在信号SIG的光路中放置无源装置29x，以调整两个光束之间的时滞或相位，也就是，无源装置29x使信号SIG的相位延迟。另一方面，对于光混合器16y，以从BS12到反射镜28y的距离，信号SIG的光路长于本振光束LO的光路。所以，在本振光束LO的光路中放置另一无源装置29y，以调整两个光束之间的时滞或相位，也就是，无源装置29y使本振光束LO的相位延迟。无源装置29x和29y可以由玻璃、硅等制成，这里，它们对于两个光束SIG和LO来说是基本透明的。

各光混合器16x和16y设置有波导，以将进入其中的光束引导至多模干涉(MMI)耦合器，从而执行这两个光束之间的相乘处理。波导暴露在各光混合器16x和16y的小面(facet)中。图3示出本实施例的光波导的剖视图。本实施例的光混合器16x或16y由半导体材料制成，以及，形成于其中的波导也由半导体材料制成。具体而言，在半绝缘InP衬底上，光混合器16x或16y设置有：下包覆层16b，其具有1.5微米厚度，并且掺杂有硅；中间层16c，其由半绝缘InP层制成，并掺杂有离子，具有55纳米(nm)厚度和5×10¹⁵厘米^-3的载流子密度；芯层16d，由未经掺杂的InGaAsP制成，具有0.5微米厚度，并具有对应于1.05微米的频带隙能量Eg；以及上包覆层16e，由未经掺杂的InP制成，具有1.0微米的厚度。从上包覆层16e到部分下包覆层16b的层叠，形成波导台面16m，其具有2.5微米宽度和2.2微米高度；据此，在台面16m两侧中按约0.8微米的深度除去下包覆层26b。在台面16m的侧面中设置树脂制成的包埋层16f。另外，整个台面16m和包埋层16f覆盖有保护层16g。InP具有的折射率小于芯层16d的InGaAsP的折射率。此外，台面16m侧面中的树脂具有的折射率也小于InGaAsP的折射率。据此，芯层16d和周围区域16b、16e、以及16f形成波导结构。

例如图3中所示的半导体材料制成的波导的特征在于，暴露在混合器16x或16y小面中的芯层的尺寸只有2.5微米×0.5微米；尤其是，其高度或厚度只有0.5微米。为了可靠地使光束与截面极窄的光波导耦合，采用数项技术是不可避免的。

接着，对根据本发明的半导体材料制成的波导所用的光耦合***进行描述。

图4A和图4B比较用于半导体材料所制成波导的光耦合***，一种只设置一个透镜(图4A)，以及，另一种光耦合***具有两个透镜(双透镜)(图4B)。光耦合***设定，光轴为沿Z方向，与光轴垂直并且平行于托架中安装有透镜的表面的延伸方向是X方向，以及，同样垂直于光轴但垂直于托架该表面的其余方向是Y方向。

图5A和图5B比较一个透镜***(图5A)和双透镜***(图5B)的光耦合容差。在图5A和图5B中，左列和右列分别与X、Y容差以及Z容差对应。在图5B中，上栏中的性能对应于第一透镜30a，而下栏中的性能示出第二透镜30b的容差。各个性能的水平标度具有微米的尺寸，而竖向标度按最大耦合效率归一化。

对于图4A中所示的单透镜***，透镜30是厚度为0.84毫米的非球面透镜类型，具有0.7毫米的焦距，以及，从透镜边缘到焦点的距离设定为0.3毫米。在光接收器10中，光混合器的光波导的小面与透镜的焦点对准。在单透镜***中，光波导端部处的光束腰可以具有约3微米的直径，这可比于波导的截面尺寸。透镜经常用树脂典型为紫外线固化树脂固定在托架上。这种树脂通常在固化期间收缩几微米，这导致透镜偏离对准位置。参见单透镜***中耦合效率沿X方向或Y方向偏离的性能(图5A)，仅几微米的偏离导致耦合效率相当大的劣化。

对于如图4B中所示的双透镜***，第一透镜30a更靠近于光混合器放置，以及，第二透镜30b设定为与之远离。此外，相比于第一透镜30a，第二透镜30b具有更长的焦距，这意味着相比于第一透镜30a，第二透镜30b具有更大的位置容差。首先用紫外线固化树脂将第一透镜30a固定在托架上；然后，也用紫外线固化树脂将第二透镜30b放置在托架上。如已经描述的那样，第一透镜30a在树脂固化期间固有地导致偏离，但第二透镜30b可以补偿此偏离。第二透镜30b在固化期间也导致另外的偏离。然而，相比于第一透镜30a，第二透镜30b具有更大的容差。参见图5B，用于第二透镜的横轴的标度大于第一透镜的标度和图5A中所示单透镜***中透镜的标度，前者为后者的五倍。据此，由第二透镜可以有效地抑制或完全补偿光耦合效率的劣化。

在示例中，第一透镜30a具有0.7毫米的焦距，这与图4A中的透镜相同，同时，第二透镜30b也是非球面透镜类型，其具有3.548毫米的焦距。同样，第一透镜30a具有0.84毫米的厚度，以及，从其表面到焦点也就是到光混合器边缘的距离是0.155毫米。第二透镜30b具有0.73毫米的厚度，以及，从其表面到第一透镜30a端部的距离设定为0.50毫米。这种光学***在焦点处也就是光混合器的小面处可以示出约3微米的场直径。此场直径可比于图4A的单透镜***中所得到的场直径。

因此，因为双透镜***加宽了第一透镜30a的位置容差，双透镜***可以补偿第一透镜的偏离，在树脂固化期间不可避免地产生这种偏离。

图6中，第一透镜的偏离与用于补偿光耦合效率的第二透镜偏置之间的关系由实线表示，以及，补偿后的耦合效率由虚线表示。横轴与第一透镜的偏离对应，同时，右侧的竖轴与施加于第二透镜的偏置对应，以及，左侧的竖轴示出总的或补偿后的耦合效率。第一透镜的偏离以及第二透镜的偏置都沿光轴即Z方向。

如图6中所示，当第一透镜30a偏离设计位置时，这导致光耦合效率的劣化，需要第二透镜30b来恢复此劣化。例如，当第一透镜30a朝光混合器16x侧从设计位置偏离0.02毫米时，第二透镜需要朝与光混合器16x相反的一侧(也就是远离第一透镜30a的一侧)偏置约0.5毫米。于是，使光耦合效率恢复至约1.0。因此，即使靠近光混合器16x并且对光耦合效率的容差较低的第一透镜30a产生位置偏离，第二透镜可以补偿光耦合效率的降低，达到大致等于偏离之前的值，或有时超过偏离之前的值。此外，比较第一透镜30a的偏离和第二透镜30b的补偿，后者远大于前者，例如，在上述情况下，两个量之比为0.5/0.02＝25。据此，即使要与透镜***进行光耦合的对象的光输入端口具有有限尺寸，如本实施例的波导，双透镜***也提供了较大的容差，用于各个透镜的对准。

(变化例)

图7A和图7B示意性示出对图2所示实施例进行变化后的双透镜***的光学布置。图7A中所示的光学布置具有这样的特征：双透镜***的两个单元32和34各自具有彼此不同的第二透镜30b和30d。也就是，在各个单元32和34中，第一透镜30a与光混合器16x之间的距离等于第一透镜30c与光混合器16x之间的距离，但是，第二透镜30b与第一透镜30a之间的距离不同于第二透镜30d与第一透镜30c之间的距离。对于第一单元32，第一透镜30a与光混合器之间的距离是L2，以及，第一透镜30a与第二透镜30b之间的距离设定为L1。同时，在第二单元34中，前一种距离也是L2，但是，后一种距离也就是第一透镜30c与第二透镜30d之间的距离设定为L3，该距离L3大于第一单元中的距离L1。第二单元34的第二透镜30d具有的焦距大于第一单元32的第二透镜30b的焦距。即使在这样一种布置中，第二透镜30b和30d可以补偿第一透镜30a和30c的偏离。此外，第二单元34中的第二透镜30d远离第一透镜30c，以在二者之间以及在第一单元32中的第二透镜30b一侧形成空间，这能够提高用于各个第二透镜30b和30d的对准处理。

图7B示出根据本发明的光学布置的又一变化例。图7B中所示的布置具有将图7A中所示特征更改后的特征：第二单元34中的第一透镜30c设置为更靠近于光混合器16x。也就是，第二单元34中第一透镜30c与光混合器16x之间的距离L4短于第一单元32中的距离L2。在图7B所示的这种布置中，第一单元32的第二透镜30b的侧面空间，也就是，第二单元34中第一透镜30c与第二透镜30d之间的空间变得更宽，以提高双透镜***的光学对准的生产率。

图8示出装配如参照附图所描述的双透镜***的流程。首先，在步骤S10，本过程安装光学器件例如光混合器16x等，但透镜除外。然后，使第一透镜30a和30c与光混合器16x光学对准。具体而言，在用PDs 18实际监测光束的幅度的时候，通过第一透镜30a和30c，将模拟图1中本振光束LO或信号光束SIG的测试光束引导至光混合器16x的波导。将第一透镜30a和30c对准各自位置，在该位置处PDs 18检测到最大幅度。然后，在步骤S12，通过照射紫外线以固化施加在第一透镜30a和30c上的树脂，使第一透镜30a和30c固定于此处。然后，在步骤S14，通过热处理使树脂硬化。在固化和硬化的这些步骤中，第一透镜30a和30c有可能偏离对准位置几微米。

接着，将第二透镜30b和30d光学对准，从而，对通过两个透镜30a和30b或30c和30d进入光混合器16x的光束，由各自PDs 18检测到的光束幅度成为最大或至少超过预设水平。第二透镜30b和30d能够可靠地恢复或补偿由第一透镜30a和30c的偏离所导致的劣化。然后，在步骤S16，通过使树脂固化，使第二透镜30b和30d固定。最后，在步骤S18，通过进行热处理，使第二透镜30b和30d牢靠地固定。

虽然以上描述集中于X偏振一侧，但用于Y偏振的两个透镜的装配也可以用相同过程进行。

(第二实施例)

本申请的第二实施例是将两个透镜(双透镜)***应用于光调制器的示例。

图9是示出光调制器210内部的平面图，该光调制器210包括：两个光学端口62和64，各端口与各自的光纤66和68耦合；光耦合***70；光调制器72；透镜74；以及壳体60，用于封装这些光学部件70至74。光调制器210接收通过光纤66进入输入端口62中的连续波(CW)。由透镜76将CW光束转变成准直光束，然后，经透镜74将其聚焦在调制装置72中的波导上。用电子信号，对进入调制装置72的CW光束的相位进行调制，并从两个波导输出。与这两个波导耦合的光耦合***70接收经调制的光束，以及，在由半波板94将光束之一的偏振方向转变90°之后，由偏振光束组合器98接收经调制的光束，并将这样接收的两种经调制光束进行组合。组合光束从输出端口64输出，该输出端口64采用了聚光透镜84，以将组合光束聚集在输出光纤68上。

光耦合***70包括：用于经调制光束之一的第一透镜86、第二透镜88、以及反射镜，以及，用于另一经调制光束的另一第一透镜90、另一第二透镜92。两个透镜86和88、以及另两个透镜90和92，分别将来自调制装置72的发散的经调制光束转变成各自准直光束。

图10A和图10B示出形成于调制装置72内的波导实施例的剖视图，其中，图10A示出的波导不具有对波导内所传播光束进行调制的电极，而图10B示出带有电极的另一波导。图10A中所示的波导暴露在调制装置72的小面中。图10A中所示的波导72a，在n型InP制成的半导体衬底73a上设置有：下包覆层73b，由n型InP制成，具有3.3微米的厚度；芯层73c，由多量子阱(MQW)制成，具有0.5微米的厚度，其中MQW芯层包括彼此交替层叠的多个AlGaInAs阱层和多个AlInAs阻挡层；上包覆层73d，由p型InP制成，具有1.5微米的厚度；以及接触层73e，由p⁺-InGaAs制成，具有0.3微米的厚度。

部分下包覆层73b至接触层73e形成宽度为1.5微米的波导台面73m。经由0.3微米厚度的二氧化硅(SiO₂)保护层73p，通过由树脂制成的包埋层73f，掩埋波导台面73m的两侧。上述这些层中，相比于芯层73周围的层，芯层73c具有更大的折射率。因此，以1.5微米宽度和0.5微米厚度的尺寸，实现了本波导结构。波导台面73m在带有电极E的部分中进一步覆盖有中间层73i，该中间层73i由InP制成，并具有0.2至0.3微米的厚度。

因为暴露在调制装置72小面处的波导具有这样缩窄的尺寸，从端面(face)输出的经调制光束成为发散光束。根据本发明的双透镜***可以将这种发散光束有效地转变成准直光束，以及，设置在调制装置72下游的光耦合***70能够容易并且可靠地将两个准直光束组合。

虽然图9中没有明确图示，但在输入端口62与调制装置72的输入之间，光调制器210可以设置有两个透镜的***(双透镜***)，以使来自光纤的输入光束与调制装置72中的波导耦合。调制装置72由半导体材料制成，这种半导体材料具有的折射率大于电介质材料的折射率，典型为可应用于常规调制装置的铌酸锂(LiNbO₃)，这意味着减小了用于以单模传输光的波导芯的尺寸或截面。在本实施例中，光混合器16的芯尺寸是2.5微米×0.5微米，同时，调制装置72的尺寸是1.5微米×0.5微米。由单透镜***很难进行与这样缩窄芯部的光耦合效率；然而，在本发明的双透镜***中，设定为远离光混合器和调制装置的第二透镜能够补偿第一透镜的偏离，在硬化树脂以将第一透镜固定在托架上期间不可避免会产生这种偏离。据此，虽然光学部件的数量增加了一个；可以改进光学模块的光学对准或制造加工。

在上文的具体描述中，参照其特定示例性实施方式描述了本发明的方法和装置。然而，应当理解，可以对其进行多种更改和变化，而不脱离本发明的精神和范围。本说明书和附图相应地应当视为说明性而非限制性的。

Claims (3)

1.一种光调制器装置，包括：

输入端口，以接收连续波(CW)光束；

光调制器，通过对所述CW光束进行相位调制以产生经调制光束，所述光调制器具有半导体材料制成的波导，所述经调制光束作为发散光束从所述波导输出，所述波导具有芯部，所述芯部置于各由InP制成的上包覆层与下包覆层之间；

输出端口，以输出所述经调制光束；以及

光耦合***，以使发散的经调制光束准直，以及，使准直的经调制光束与所述输出端口耦合，

其中，所述光耦合***包括第一透镜和第二透镜，相比于所述第二透镜，所述第一透镜布置为更靠近于所述光调制器，以及，所述第二透镜具有的焦距大于所述第一透镜的焦距，以及

其中，所述波导的所述芯部具有亚微米尺寸，以及，所述芯部由多量子阱(MQW)制成，所述多量子阱包括彼此交替层叠的多个AlGaInAs阱层和多个AlInAs阻挡层。

2.根据权利要求1所述的光调制器装置，

其中，所述芯部具有0.5微米的厚度。

3.根据权利要求2所述的光调制器装置，

其中，所述芯部、以及所述上包覆层和所述下包覆层形成具有1.5微米宽度的台面。