CN109073842B - 用于将至少一个光纤耦合到至少一个光电子器件的***器组合件和布置 - Google Patents

用于将至少一个光纤耦合到至少一个光电子器件的***器组合件和布置 Download PDF

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Abstract

公开了用于将至少一个光纤耦合到至少一个光电子器件的***器组合件和布置。***器组合件(10)包括：***器(100)，所述***器包括至少一个光波导(110)，所述光波导包括第一端(111)和第二端(112)；以及衬底(400)，所述衬底包括至少一个光电子器件(410)、至少一个光接收/发射元件(420)和至少一个光学通道(430)。***器(100)和衬底(400)是光学连通的，使得从至少一个光波导(110)耦合出来的光耦合到至少一个光接收/发射元件(420)中，且/或从至少一个光接收/发射元件(420)耦合出来的光耦合到***器(100)的至少一个光波导(110)中。

Description

用于将至少一个光纤耦合到至少一个光电子器件的***器组 合件和布置
相关申请的交叉引用
本申请根据专利法要求2016年3月2日提交的美国临时申请号62/302,438的优先权，所述临时申请以引用方式并入本文。
技术领域
公开了一种用于将至少一个光纤耦合到至少一个光电子器件的***器组合件，该***器组合件可以集成在衬底，例如SiP(Silicon Photonics)芯片中。还公开了用于将至少一个光纤耦合到至少一个光电子器件的布置和使用所公开的***器组合件来制造所述布置的方法。
背景技术
光电子器件，例如光子集成电路(PIC)可以提供在衬底中并由Silicon Photonics(SiP)技术制造。Silicon Photonics预示集成光学电路的许多优点，但仍然受到将光耦合到这些光子集成电路和将来自这些光子集成电路的光耦合出去的难题的影响。因此，输入-输出耦合仍然是SiP技术商业化的先决条件。
有两种主要技术用于光纤到芯片的耦合。第一种技术基于使用光栅耦合器，该光栅耦合器相对于光子集成电路的平面垂直地接收和发射光。第二种技术使用边缘耦合器，其将波导端接在光子集成电路的边缘处。这些光纤到芯片耦合技术具有其优点和挑战。
例如，光栅耦合器可提供高耦合效率、芯片上的低占用空间以及几乎可访问芯片上的任何位置。然而，它们要求光纤几乎垂直于芯片表面来布置。基于使用光栅耦合器的方法意味着主动对准并导致非平坦的形状因子，尤其在数据中心应用中是非常不希望的。另外，光栅耦合器是偏振敏感的，或者需要复杂且有损耗的双偏振光栅用于耦合光。最后，需要在芯片表面上以约1微米的精度放置光纤以限制耦合损耗。
边缘耦合共有偏振和精度要求，但是在这里，光纤布置在光子集成电路的平面中，因此不需要整个组合件的过高的高度，从而产生紧凑的解决方案。侧耦合的另一大优势是其可扩展至多光纤耦合解决方案。然而，尺寸仅为几百纳米的Si波导的模场与标准单模光纤(大约10μm)的模场不匹配，因此需要3D光斑尺寸转换器以获得良好的耦合效率。为了实现低损耗的耦合，这些转换器必须是绝热的，因此在包括光子集成电路的芯片上或任何附加芯片上需要大量空间，从而推进光子集成电路的成本并且使其紧凑性无效。
期望提供一种用于以低损耗将至少一个光纤耦合到至少一个光电子器件的布置。还存在未解决的需求，即提供一种制造用于以低损耗将至少一个光纤耦合到至少一个光电子器件的布置的方法。
发明内容
一种用于将至少一个光纤耦合到至少一个光电子器件的布置包括***器，所述***器包括至少一个光波导，该光波导具有光学耦合到所述至少一个光纤的第一端和第二端。该布置还包括耦合器件，用于将至少一个光纤光学耦合到***器，并将至少一个光纤对准至少一个光波导，以在至少一个光纤和至少一个光波导之间传输光。耦合器件的第一部分设置在至少一个光纤的一端，耦合器件的第二部分设置在***器处，使得当耦合元件的第一部分机械耦合到耦合器件的第二部分时，至少一个光纤机械耦合到***器的边缘。所述至少一个光波导的第二端被配置为将光耦合到所述至少一个光波导中/从所述至少一个光波导耦合出来。
该布置还包括衬底，该衬底包括至少一个光电子器件、至少一个光接收/发射元件和至少一个光学通道，该光学通道具有光学连接到至少一个光接收/发射元件，以将光耦合到所述至少一个光学通道中/从所述至少一个光学通道耦合出来的第一端和第二端，所述至少一个光电子器件光学连接到所述至少一个光学通道的第二端。***器和衬底被布置成使得在至少一个光波导的第二端处从至少一个光波导耦合出来的光耦合到至少一个光接收/发射元件中且/或从至少一个光接收/发射元件耦合出来的光在至少一个光波导的第二端处耦合到至少一个光波导中。
耦合器件的第一部分可以实施为可插拔的多光纤连接器，其通过耦合器件的第二部分来边缘耦合到***器，该第二部分可以实施为插座。***器可以由玻璃、硅、聚合物或其他材料制成。***器可以包括与至少一个光纤模式匹配的波导阵列。至少一个光纤可以配置为单模光纤(SMF)或多模光纤(MMF)。
为了将光耦合到至少一个光波导中/从至少一个光波导耦合出来，在至少一个光波导的第二端处的端面可以实施为成角度的镜子以提供在所述至少一个光波导的核心内传输的光的全内反射(TIR)，使得光被引向衬底，例如芯片上的至少一个光接收/发射元件。衬底可以安装在***器的下表面下方。至少一个光接收/发射元件可以配置为光栅耦合器或VCSEL或光电二极管的光栅结构。根据***器的厚度，可以在***器的材料中设置诸如光学透镜的聚焦元件。聚焦元件被配置为将在至少一个光波导的第二端的端面处反射的光聚焦到衬底的至少一个光接收/发射元件上。
制造用于将至少一个光纤耦合到至少一个光电子器件的布置的方法包括提供包括至少一个第一基准和多个***器的第一晶片，以及提供包括至少一个第二基准和多个衬底的第二晶片的步骤。第一晶片和第二晶片借助于至少一个第一基准和至少一个第二基准对准，使得第一晶片的多个***器中的相应一个***器和第二晶片的多个衬底中的相应一个衬底被布置成使得在至少一个光波导的第二端处从多个***器中的相应一个***器的至少一个光波导耦合出来的光耦合到多个衬底中的相应一个衬底的至少一个光接收/发射元件中且/或从多个衬底中的相应一个衬底的至少一个光接收/发射元件耦合出来的光在至少一个光波导的第二端处耦合到多个***器中的相应一个***器的至少一个光波导中。根据随后的步骤，各自成对的多个***器中的相应一个***器和多个衬底中的相应一衬底被单一化。
当第一晶片包括多个***器时，第二晶片包括衬底/芯片，所述衬底/芯片包括可以体现为光子集成电路的至少一个光电子器件。在切割晶片堆叠之前，堆叠并对准第一和第二晶片。晶片堆叠制造方法是指晶片级元件的处理，即该工艺的每个步骤应用于可包含多达数万个组件的整个第一和第二晶片。
光子集成电路与包含至少一个波导的***器的对准和附接可以在晶片级上完成，例如，使用包括***器的第一晶片和包括具有光电子器件，例如光子集成电路的衬底/芯片的第二晶片上的对准标记/基准。此外，制造波导和至少一个波导的端面处的光反射结构可以通过使用晶片级工艺来完成，例如通过离子交换工艺或激光刻写工艺。完成该过程后，将组件单一化供使用。处理整个晶片而不是单个组件节省了时间和成本。还公开了一种***器组合件，其包括***器，该***器包括至少一个具有第一端和第二端的光波导，附接到***器并用于光学耦合到***器的第一端的耦合器件，衬底与***器光学连通，所述衬底包括至少一个光电子器件、至少一个光接收/发射元件和至少一个光学通道，所述光学通道具有与所述至少一个光接收/发射元件光学连通的第一端和与至少一个光电子器件(410)光学连通的第二端，其中***器(100)的至少一个光波导(110)的横截面沿着至少一个光波导的纵向方向改变，使得第一端具有光的第一偏振，第二端具有光的第二偏振。
附图说明
图1A示出了光纤的未配合布置，以及包括***器和包括光电子器件的衬底的说明性***器组合件。
图1B示出了图1A的布置，其中光纤耦合到***器组合件。
图2示出了来自***器的光波导的光朝向衬底的光接收/发射元件的耦合。
图3示出了***器和衬底的布置，其中光学透镜布置在***器的材料中。
图4示出了通过改变波导的横截面的形状来选择在光波导中传输的光的可能偏振的偏振。
图5A和5B示出了通过在光波导的核心的纵向方向附近添加空气填充的通道来通过波导形状来选择偏振。
图6示出了耦合到多个衬底的***器的布局，所述多个衬底分别包括至少一个光电子器件。
图7示出了耦合到包括至少一个光电子器件的衬底的***器的布局的实施方案。
图8A和8B示出了来自***器的光波导的光与在衬底表面上沿不同方向取向的光接收/发射元件的耦合。
图9示出了包括至少一个光电子器件的衬底与***器的对准。
图10示出了包括多个***器的第一晶片和包括多个衬底的第二晶片的对准，所述多个衬底包括至少一个光电子器件。
图11示出了布置在第一晶片上的多个***器和布置在第二晶片上的多个光接收/发射元件彼此对准。
具体实施方式
图1A和1B示出了处于未配合状态(图1A)和配合状态(图1B)的用于将至少一个光纤耦合到至少一个光电子器件的说明性布置10。详细公开了布置10以传达***器组合件1的操作和概念。***器组合件1包括***器100，***器100包括至少一个光波导110，其具有光耦合到至少一个光纤200的第一端111和第二端112。该布置还包括耦合器件300，用于将至少一个光纤200光学耦合到***器100，并将至少一个光纤200对准至少一个光波导110，以在至少一个光纤200和至少一个光波导110之间传输光。
耦合器件300包括设置在至少一个光纤200的端部201处的第一部分310和设置在***器100的边缘处的第二部分320。耦合器件300的第一和第二部分310、320被配置成使得当耦合元件的第一部分310机械地耦合到耦合器件300的第二部分320时，至少一个光纤200可以光学耦合到***器100的边缘。
耦合器件300的设计可以变化。根据布置1的可能实施方案，耦合器件300可以被配置为MTP/MPO或其他接口。耦合器件的第一部分可以被配置为基于MT套圈的连接器或基于透镜的连接器中的一个。耦合器件300的第二部分320可以配置为插座。作为示例而非限制，基于MT套圈的连接器可以是插销物理接触连接器，并且基于透镜的连接器可以是扩束连接器。
所述至少一个光波导110的第二端112被配置为将光耦合到至少一个光波导110中/从至少一个光波导110耦合出来。该布置还包括衬底400，衬底400包括至少一个光电子器件410，例如光子集成电路，至少一个光接收/发射元件420，例如光栅耦合器、VCSEL或光电二极管，以及至少一个光学通道430。所述至少一个光学通道430可以具有第一端431，其连接到所述至少一个光接收/发射元件420，以将光耦合到所述至少一个光学通道430中/从所述至少一个光学通道430耦合出来，以及第二端432，至少一个光电子器件410连接到所述第二端432。
光纤200与***插座320中的耦合器件的第一部分310端接。连接器310和插座320提供对准，使得至少一个光纤200与至少一个光波导110对准并允许低损耗耦合。此外，连接器310提供至少一个光纤200与***器100的重复耦合。
图2示出了***器100和衬底400的布置，衬底400包括至少一个光电子器件410、至少一个光接收/发射元件420和至少一个光学通道430。***器100和衬底400被布置成使得在至少一个光学波导110的第二端112处从至少一个光学波导110耦合出来的光耦合到至少一个光接收/发射元件420中且/或从至少一个光接收/发射元件420耦合出来的光在至少一个光学波导110的第二端112处耦合到至少一个光波导110中。衬底/芯片400可以布置在***器100的下表面下方。衬底/芯片400可以例如附接到***器100的下表面。
根据图2所示的布置的实施方案，至少一个光波导110的第二端112被切割成角度，以在至少一个光波导110的端面113处提供全内反射(TIR)，以便将在至少一个光波导110中传输的光经由***器的材料中的光学路径101朝向衬底的至少一个接收/发射元件420反射。为此目的，如图1A至2所示切削/切割***器，以在***器的表面中提供TIR区域/腔102。腔的一侧倾斜成角度，以在至少一个光波导110的端面113处提供全内反射。
耦合到至少一个光接收/发射元件420，例如光栅耦合器或光电二极管中的光可以经由至少一个光学通道430传输到至少一个光电子器件410，例如光子集成电路。光的方向可以是双向的，这意味着至少一个光接收/发射元件420，例如光栅耦合器或VCSEL，也可以用于传输光信号而不是接收光信号。在这种情况下，光将从至少一个接收/发射元件420耦合到***器100，在那里光被引导到波导110中，例如通过全内反射。然后，光从至少一个光波导110耦合到在连接器接口300处安装到***器的边缘的至少一个光纤200中。
在使用光栅耦合器作为光接收/发射结构的情况下，为了在给定方向上发生耦合，光束不是垂直于至少一个接收/发射元件420发射，而是以预定角度，例如相对于垂直于至少一个光波导110的纵向的方向约8°的角度来发射。至少一个光接收/发射元件420的精确光栅设计将取决于许多参数，包括波长、至少一个光波导110的模式形状、波导110与至少一个接收/发射元件420的光栅结构之间的距离等。至少一个光波导110的倾斜端面113可以通过蚀刻工艺或激光加工制成，其非常精确并且可以适应不同的角度以在必要时提供全内反射(TIR)。
根据另一实施方案，端面113可以涂覆有反射涂层，以将从至少一个光波导110耦合出来的光朝向至少一个光接收/发射元件420的光栅结构反射或者将从至少一个光接收/发射元件420的光栅结构耦合出来的光反射到至少一个光波导110的核心中。
取决于至少一个光波导110、***器100和包括至少一个光电子器件(例如光子集成电路)的任何衬底的相对尺寸和它们之间的距离，当将来自至少一个光波导的光耦合到至少一个光电子器件时，光束可以在光学路径101中扩展到大于光接收/发射元件420的光栅结构的尺寸，或者当将来自至少一个接收/发射元件420的光栅结构的光耦合到***器100时，光束可以扩展到大于至少一个光波导110的直径的尺寸。为了提供高耦合效率，可以在布置在光的光学路径101中的***器的材料中提供附加的光学透镜130以聚焦光。
根据图3所示的布置的实施方案，该布置包括光学透镜130，该光学透镜130在光的光学路径101中布置在***器100的材料内。所述至少一个光波导110的第二端112被配置成使得从所述至少一个光纤200耦合到至少一个光波导中的光在所述至少一个光波导的第二端112处在至少一个光波导110的端面113处被反射以便通过光学路径101和光学透镜130朝向衬底400传输。
光学透镜130被配置为将光聚焦到衬底400的接收/发射元件420。为了能够将来自至少一个光电子器件(例如光子集成电路)的光耦合到至少一个光波导110中，光学透镜130可以被配置为将从至少一个接收/发射元件420入射到光学透镜130的光朝向至少一个光波导110聚焦。光学透镜可以通过离子交换或激光刻印工艺制造。
为了在至少一个光纤、至少一个光波导和光接收/发射元件之间实现高耦合效率，不仅需要将SM模场相对于彼此调整，而且必须控制偏振，因为光接收/发射元件，例如光栅耦合器是非常偏振敏感的。
根据该布置的实施方案，至少一个光接收/发射元件420可以被配置为以比具有第二偏振P2的光更低的损耗来接收/发射具有第一偏振P1的光。根据***器100的至少一个光波导110的实施方案，至少一个光波导110可以被配置为从在波导的第一端111处耦合到至少一个光波导110中的光的偏振中选择第一偏振P1，使得在至少一个光波导110的第二端112处耦合出来的光具有第一偏振P1且/或从在第二端112处耦合到至少一个光波导110中的光的偏振中选择第二偏振P2使得在至少一个光波导110的第一端111处耦合出来的光具有与第一偏振P1不同的第二偏振P2。
根据图4所示的实施方案，至少一个光波导110的横截面沿着至少一个光波导的纵向方向改变，例如绝热地改变，使得选择在第一端111处耦合到至少一个光波导110中的光偏振的第一偏振P1，使得在至少一个光波导110的第二端112处耦合出来的光具有第一偏振P1，且/或选择在第二端112处耦合到至少一个光波导110中的光的偏振的第二偏振P2，使得在至少一个光波导的第一端111处耦合出来的光具有第二偏振P2。光波导的横截面的一个轴被延长，而横截面的被布置在垂直于延长轴的横截面的平面中的另一个轴被缩短或保持恒定。
通过将至少一个光波导110的横截面，即至少一个光波导的核心116沿着其在***器的材料内的纵向方向来改变，例如绝热调节，选择在光波导的核心内传输的光的模式的偏振。图4示意性地示出了至少一个光波导110的核心116的形状从正方形或圆形横截面到仅支持一个偏振的矩形或椭圆形横截面的缓慢变化，其中需要根据接收/发射元件，例如光栅耦合器的光栅结构的要求来调节特定偏振。在所提出的设计中，光的反射是偏振相关的，因此必须调整全内反射(TIR)发生的角度以考虑到光的偏振。
通过光波导110的核心116的横截面的变化(例如绝热变化)来选择光的偏振的原理可以通过确保排除其他偏振的附加特征来支持。为此目的，空气填充的圆形沟槽、通道或孔可以沿着至少一个光波导的核心的延长尺度来布置在***器的材料内，如图5A和5B所示。
根据图5A和5B所示的布置的实施方案，***器100可以包括空气填充通道120，所述空气填充通道沿着至少一个光波导的纵向方向、紧邻至少一个光波导的核心部分116布置在至少一个光波导110的包层115中。可以通过沿着光波导的纵向方向、在核心116附近添加空气填充的孔/通道120来支持偏振的选择。两个气孔/通道120可以相对于光波导的核心的延长轴对称地、在光波导的核心116的两侧布置在光波导的包层115中。
根据图5A所示的实施方案，至少一个光波导的光学核心116的圆形横截面变为椭圆形。第一和第二气孔/通道120对称地布置在光波导的核心116的横截面的延长轴的两侧。根据图5B所示的实施方案，光波导的核心116的正方形横截面沿着从光波导的第一端111到第二端112的光波导的纵向方向改变为矩形形状。
图6示出了***器100的布局的实例，该***器100耦合到可以布置在***器100下方的多个衬底/芯片400a、400b和400c。***器100包括布置在***器100的边缘处的耦合器件300。耦合器件300可以配置为插座320。光纤可以通过耦合器件300连接到***器100的材料中的波导100。从光波导100，例如波导阵列中的光纤耦合的光信号，可以通过在***器的区域102处的光波导的相应端面113处的全内反射来传输到衬底400的接收/发射元件420。
从光波导110耦合出来并由衬底400的相应光栅耦合器420接收的光可以被转移到衬底400a、400b、400c的光子集成电路。其他光电子器件500a、500b，例如VECSEL或光电二极管，也可以耦合到***器100。光可以经由光波导110从VECSEL 500a耦合到区域102，在区域102处，光通过全内反射朝向衬底/芯片400c的光栅耦合器反射。此外，光信号可以从衬底/芯片400b的光电子器件传输到衬底400b的光栅耦合器，并通过全内反射耦合到***器100的光波导中。光通过光波导110传输到光电二极管500b。
图6中所示的***器的布局的实施方案允许通过在***器100的区域102处的全内反射，将信号从波导阵列耦合到接收/发射元件例如光栅耦合器阵列的至少一个光栅结构。此外，单个波导和单个光栅耦合器或光电元件之间的连接也是可能的。
当针对两个偏振方向设计***器100和衬底400的光学通道430时，可以应用光波导和光学通道，使得至少不会由于接收/发射元件，例如光栅耦合器的光栅结构的偏振敏感性而损失功率。图7示出了***器100和衬底400的布置的实施方案，其中衬底400包括至少一个接收/发射元件421中的第一个接收/发射元件，其被配置为以比具有第二偏振P2的光更低的损耗来接收/发射具有第一偏振P1的光。衬底400可以包括至少一个接收/发射元件422中的第二个接收/发射元件，其被配置为以比具有第一偏振P1的光更低的损耗来接收/发射具有第二偏振P2的光。
至少一个光波导100可包括第一部分110a、第二部分110b和第三部分110c。至少一个光波导100可以包括第三端113和分离节点114，第一部分110a在所述分离节点处分离成第二和第三部分110b、110c。至少一个光波导110的第一部分110a在***器100内从至少一个光波导的第一端111延伸到分离节点114。至少一个光波导110的第二部分110b在***器100的材料内从分离节点114延伸到至少一个光波导110的第二端112。至少一个光波导110的第三部分110c在***器100内从分离节点114延伸到至少一个光波导110的第三端113。所述至少一个光波导110的第二端112被配置为将光耦合到至少一个光波导的第二部分110b中/从至少一个光波导的第二部分110b耦合出来。所述至少一个光波导的第三端113被配置为将光耦合到至少一个光波导的第三部分110c中/从至少一个光波导的第三部分110c耦合出来。
***器100和衬底400被布置成使得在第二端112处从至少一个光波导的第二部分110b耦合出来的光耦合到第一光接收/发射元件421中，且/或从第一光接收/发射元件421耦合出来的光在第二端112处耦合到至少一个光波导的第二部分110b中。
***器100和衬底400还被布置成使得在第三端113处从至少一个光波导的第三部分110c耦合出来的光耦合到第二光接收/发射元件422中，且/或从第二光接收/发射元件422耦合出来的光在第三端113处耦合到至少一个光波导110的第三部分110c中。
根据图7中所示的耦合结构，光纤在插座320处耦合到***器100，并且光耦合到波导110中。波导100的第一部分110a在分离节点114处被分成波导的两个单独部分110b和110c。光波导110的第二部分110b的横截面可以在分离节点114和光波导110的第二端112之间改变，例如绝热地改变，使得选择在分离节点114处耦合到光波导的第二部分110b中的光的偏振的第一偏振P1，使得在光波导的第二端112处耦合出来的光具有第一极性P1。光从光波导的第二部分110b传输到第一接收/发射元件421。
光波导110的第二部分110b耦合到第一接收/发射元件421。光波导110的第三部分110c的横截面可以在分离节点114和光波导110的第三端113之间改变，例如绝热地改变，使得选择在分离节点114处耦合到光波导的第三部分110c中的光的偏振的第二偏振P2，使得在光波导的第三端113处耦合出来的光具有第二极性P2。光从光波导的第三部分110c传输到第二接收/发射元件422。
根据图7中所示的实施方案，至少一个光学通道430包括第一路径430a、第二路径430b和第三路径430c。至少一个光学通道430还包括第三端433和合并节点434，光学通道的第一和第三路径430a、430c在该合并节点434处合并成第二路径430b。至少一个光学通道的第一路径430a从至少一个光学通道的第一端431延伸到合并节点434。至少一个光学通道的第一端431连接到第一接收/发射元件421。至少一个光学通道的第二路径430b从合并节点434延伸到至少一个光学通道的第二端432。至少一个光学通道的第三路径430c从至少一个光学通道的第三端433延伸到合并节点434。至少一个光学通道的第三端433连接到第二接收/发射元件422。
光学通道的第一和第三部分430a、430c在连结/合并节点434处相遇，光学通道的单个第二部分430b从所述连结/合并节点延伸到功能结构/光电子器件410。光电子器件410和光波导110的第一部分110a之间的所述轨迹也可以沿相反方向遵循。
为了保持信号完整性，必须确保各个信号的光路长度具有基本相等的长度，使得包括光波导的第二部分110b、光波导的第二部分110b的端面和第一光接收/发射元件421之间的路径101，以及光学通道430的第一部分430a的光路的长度等于包括光波导的第三部分110c、光波导的第三部分110c的端面和接收/发射元件422之间的光学路径101，以及光学通道430的第三部分430c的光路的长度。
如上所述，光波导110的第二和第三部分110b、110c可以被配置为选择光的偏振，使得在光波导110的第二部分110b的端面处耦合出来的光具有第一偏振P1，并且从光波导110的第三部分110c耦合出来的光具有第二偏振P2。光波导的第二和第三部分110b、110c的相应核心的横截面可以在分离节点114和光波导的第二部分110b的末端之间以及在分离节点114和光波导的第三部分110c的末端之间以不同的方式改变。
为了以低损耗接收/发射具有不同极性的光，第一和第二光接收/发射元件421、422布置在衬底400的表面上并以相对于彼此的一定角度转向。举例来说，信号的转向可以是大约90°的角度。
图8A和8B示出了如何通过调整光接收/发射元件的光栅结构的取向和光波导110的端面113，即TIR镜的倾斜度来确保从光波导110到光接收/发射元件420的不同偏振的低损耗耦合。根据图8A，通过光波导的切割端面113，使光朝向光接收/发射元件420反射，该切割端面具有在垂直于光波导的纵向方向的y方向上y＝41°和在垂直于y方向的x方向上x＝0°的倾斜度，使得光的方向与法线成8°的角度，以使光最佳地耦合到衬底/芯片400。由于光接收/发射元件420的光栅结构的布置，仅横向电(TE)模式耦合到光学通道430中，而横向磁(TM)模式不耦合到光学通道430。
根据图8B所示的实施方案，光接收/发射元件420的光栅结构与图8A的光接收/发射元件420的光栅结构相比旋转大约90°并且将光波导的端面113的TIR镜的方向改变以仅将TM模式耦合到光接收/发射元件420。光波导的端面113在y方向上以y＝45°并且在x方向上以x＝4°来切割。这意味着TIR镜在垂直于波导的纵向的方向上为45°，并且在垂直于y方向的方向上成约4°的角度。
通过如图8A所示为光波导的第二部分110b的端面113提供TIR镜，并通过如图8A所示布置第一光接收/发射元件421的光栅结构，并通过如图8B所示，提供光波导的第三部分110c的端面113和第二光接收/发射元件422的光栅结构的取向，两个偏振，即TE模式和TM模式可以耦合到光电子器件410。
根据制造用于将至少一个光纤200耦合到至少一个光电子器件410的布置的方法，可以提供***器100，其包含与至少一个光纤200的模场匹配的至少一个光波导110。为了通过接收/发射元件420(例如光栅耦合器)将光电子器件410(例如光子集成电路)耦合到至少一个光纤200，至少一个光波导110需要是单模的。
在***器100的材料内制造单模波导可以通过离子交换过程来实现，其中***器的表面通过局部改变***器材料，例如***器100的玻璃的折射率的离子来轰击，之后是扩散过程，光波导110通过该扩散过程埋入***器100内。制造至少一个光波导110的第二种方法是利用飞秒激光器在***器100的材料(例如玻璃)中直接刻写至少一个光波导。通过仔细选择工艺参数，例如用于离子轰击的掩模中的迹线的宽度以及随后的扩散时间或激光刻写的波导的尺寸，可以使波导在所需波长下成为单模的，使得它可以耦合到SM光纤和光子集成电路。
在为***器100提供插座320和至少一个光波导110，并且为衬底400提供至少一个光电子器件410，例如光子集成电路，至少一个光接收/发射元件420和至少一个光学通道430之后，***器100和衬底400必须对准，使得光可以低损耗地在至少一个光波导110和至少一个光电子器件410之间耦合。
如图9所示，可以通过使用如图9所示的基准，将每个衬底/芯片400相对于它必须单独耦合的***器100进行对准来完成结构的对准。具有插座320的***器100可以包括多个基准e1、e2和e3，包括基准d1、d2和d3的衬底400与其对准。衬底/芯片400的基准d1、d2和d3与***器100的基准e1、e2和e3的对准确保了衬底/芯片400的光接收/发射元件正确地对准提供TIR的区域102。
制造用于将至少一个光纤200耦合到至少一个光电子器件410的布置的另一种方法在图10和11中示出。根据图10和11的方法，提供了第一晶片1000，其包括至少一个第一基准1100和多个***器100，如图11左侧所示。此外，提供了第二晶片2000，其包括至少一个第二基准2100和多个衬底400，如图11右侧所示。
根据图10和11的制造方法，第一晶片1000和第二晶片2000借助于至少一个第一基准1100和至少一个第二基准2100对准，使得第一晶片1000的多个***器100中的相应一个***器和第二晶片2000的多个衬底400中的相应一个衬底被布置成使得在至少一个光波导110的第二端112处从多个***器100中的相应一个***器的至少一个光波导110耦合出来的光耦合到多个衬底400中的相应一个衬底的至少一个光接收/发射元件420中，且/或从多个衬底400中的相应一个衬底的至少一个光接收/发射元件420耦合出来的光在至少一个光波导110的第二端112处耦合到多个***器100中的相应一个***器的至少一个光波导110中。从包括第一和第二晶片的晶片堆叠中，将成对的多个***器100中的相应一个***器和多个衬底400中的相应一个衬底单一化。
与如图9所示的组件的单独对准和附接相反，参考图10和11描述的替代方法提供了晶片级上的组件的对准。***器100和衬底400都可以在晶片级上制造，其包括诸如掩模、离子交换、激光刻写和蚀刻的制造步骤。光波导和TIR结构的制造通过晶片级工艺完成，例如通过离子交换工艺或激光刻写工艺。当第一和第二晶片1000、2000都已完成时，对于全晶片可以高精度地进行对准和连接，如图10所示。这确保了两个晶片上的所有部件彼此对准。由于大量组件在一个步骤中对准，因此这是一个成本非常低的过程。
将至少一个光纤200耦合到至少一个光电子器件410的布置包括包含至少一个光波导110的***器100和包括至少一个光电子器件410，例如光子集成电路的衬底400，这种布置有几个优点。其中一个优点是可扩展至多光纤耦合，因为所有元件都可以适应多于一条光路的结构。虽然光学连接器310是明确包含光纤的唯一元件，但是***器100和衬底400都可以包含用于接收(RX)和发送(TX)过程的多个波导。
该布置允许通过机械接口进行被动对准，所述机械接口包括连接器310，例如MT-(物理接触)或MXC样(扩束)连接器，以及插座320。由于插座320允许在不必破坏和重新对准任何粘结剂的情况下***和拔出连接器310，因此插座320允许重复配合。TIR元件102适应衬底的入射角，例如约8°的角度。在***器100内控制从至少一个光纤到衬底400的光的偏振，从而简化了芯片上的光栅设计。可以在不知道精确光纤设计的情况下设计该布置的所有元件。***器提供用于耦合光子集成电路的多个衬底的通用接口。不同的光子集成电路可以使用同一个***器来连接，而不需要单独地对准光纤。该布置允许将光纤耦合到芯片上的几乎任何位置，而不仅仅是边缘。

Claims (25)

1.一种用于将至少一个光纤耦合到至少一个光电子器件的布置，其包括：
***器，所述***器包括至少一个光波导，所述光波导具有光学耦合到所述至少一个光纤的第一端，和第二端；
耦合器件，所述耦合器件用于将所述至少一个光纤机械地耦合到所述***器，以便将所述至少一个光纤与所述至少一个光波导对准，从而将所述至少一个光纤和所述至少一个光波导光学耦合；
其中所述耦合器件的第一部分设置在所述至少一个光纤的一端，并且所述耦合器件的第二部分设置在所述***器上，使得当所述耦合器件的第一部分机械地耦合到所述耦合器件的第二部分时，所述至少一个光纤可以光学耦合到所述***器的边缘，
其中所述至少一个光波导的第二端被配置为光学耦合到所述至少一个光波导；
衬底，所述衬底包括所述至少一个光电子器件、至少一个光接收/发射元件和至少一个光学通道，所述光学通道包括光学连接到所述至少一个光接收/发射元件以便光学耦合所述至少一个光学通道的第一端，和第二端，其中所述至少一个光电子器件光学连接到所述至少一个光学通道的第二端；并且
其中所述***器和所述衬底被布置成使得在所述至少一个光波导的第二端处从所述至少一个光学波导耦合出来的光耦合到所述至少一个光接收/发射元件中，且/或从所述至少一个光接收/发射元件耦合出来的光在所述至少一个光学波导的第二端处耦合到所述至少一个光波导中；
其中所述至少一个光接收/发射元件被配置为以比具有第二偏振的光更低的损耗来接收/发射具有第一偏振的光，并且所述至少一个光波导被配置为选择在第一端耦合到所述至少一个光波导中的光的偏振中的第一偏振，使得在所述光波导的第二端耦合出来的光具有所述第一偏振，且/或选择在第二端耦合到所述至少一个光波导中的光的偏振中的第二偏振，使得在所述至少一个光波导的第一端耦合出来的光具有不同于第一偏振的第二偏振；
其中所述至少一个光波导的横截面沿着所述至少一个光波导的纵向方向改变，使得选择在第一端耦合到所述至少一个光波导中的光的偏振中的第一偏振，使得在所述至少一个光波导的第二端耦合出来的光具有第一偏振，且/或选择在第二端耦合到所述至少一个光波导中的光的偏振中的第二偏振，使得在所述至少一个光波导的第一端耦合出来的光具有第二偏振。
2.如权利要求1所述的布置，其中所述***器包括一个或多个通道，所述通道沿着所述至少一个光波导的纵向方向，与所述至少一个光波导的核心部分相邻，布置在所述至少一个光波导的包层中。
3.如权利要求1至2中任一项所述的布置，其包括：
光学透镜；
其中所述至少一个光波导的第二端被配置为从所述至少一个光纤来光学耦合所述至少一个光波导，并在所述至少一个光波导的端面处将光朝向衬底反射到所述***器的光学路径，并且所述光学透镜在光的光学路径中布置在所述***器的材料内。
4.如权利要求1所述的布置，其中所述至少一个光电子器件被配置为光子集成电路，并且所述至少一个光接收/发射元件被配置为光栅耦合器。
5.如权利要求1所述的布置，其中所述至少一个光波导的第二端被切割成角度，以将所述至少一个光波导中的光经由所述光学路径来反射到所述至少一个光接收/发射元件。
6.如权利要求1所述的布置，其中所述衬底包括所述至少一个光接收/发射元件中的第一个光接收/发射元件，所述第一个光接收/发射元件被配置为以比具有第二偏振的光更低的损耗来接收/发射具有第一偏振的光，并且所述衬底包括所述至少一个光接收/发射元件中的第二个光接收/发射元件，所述第二个光接收/发射元件被配置为以比具有第一偏振的光更低的损耗来接收/发射具有第二偏振的光。
7.如权利要求6所述的布置，其中所述至少一个光波导包括第一部分、第二部分、第三部分和第三端，并且所述至少一个光波导包括分离节点，在所述分离节点处，所述第一部分被分离成所述第二和第三部分，其中所述至少一个光波导的第一部分在所述***器内从所述至少一个光波导的第一端延伸到所述分离节点；
其中所述至少一个光波导的第二部分在所述***器内从所述分离节点延伸到所述至少一个波导的第二端；
其中所述至少一个光波导的第三部分在所述***器内从所述分离节点延伸到所述至少一个光波导的第三端；
其中所述至少一个光波导的第二端被配置为光学地耦合所述至少一个光波导的第二部分，并且所述至少一个光波导的第三端被配置为光学地耦合到所述至少一个光波导的第三部分。
8.如权利要求7所述的布置，其中所述***器和所述衬底被布置成在所述至少一个光波导的第二端处将所述至少一个光波导的第二部分光学地耦合到所述第一光接收/发射元件；并且
其中所述***器和所述衬底被布置成使得在所述至少一个光波导的第三端处将所述至少一个光波导的第三部分光学耦合到所述第二光接收/发射元件中。
9.如权利要求6至8中任一项所述的布置，其中所述至少一个光学通道包括第一路径、第二路径、第三路径和第三端；
其中所述至少一个光学通道包括合并节点，在所述合并节点处，所述第一和第三路径合并到所述第二路径；
其中所述至少一个光学通道的第一路径从所述至少一个光学通道的第一端延伸到所述至少一个光学通道的合并节点，其中所述至少一个光学通道的第一端连接到所述第一光接收/发射元件；
其中所述至少一个光学通道的第二路径从所述合并节点延伸到所述至少一个光学通道的第二端；
其中所述至少一个光学通道的第三路径从所述至少一个光学通道的第三端延伸到所述至少一个光学通道的合并节点，其中所述至少一个光学通道的第三端连接到所述第二光接收/发射元件。
10.如权利要求6所述的布置，其中所述第一和第二光接收/发射元件分别配置为光栅耦合器；并且
其中所述第一和第二光接收/发射元件设置在所述衬底的表面上并相对于彼此以90°转向。
11.如权利要求1所述的布置，其中所述耦合器件的第一部分被配置为基于MT套圈的连接器和基于透镜的连接器中的一个，并且所述耦合器件的第二部分被配置为插座。
12.一种制造用于将至少一个光纤耦合到至少一个光电子器件的布置的方法，其包括：
提供包括多个***器和至少一个第一基准的第一晶片，每个所述***器包括至少一个光波导；
提供包括多个衬底和至少一个第二基准的第二晶片，每个所述衬底包括所述至少一个光电子器件、至少一个光接收/发射元件和至少一个光学通道；
借助于所述至少一个第一基准和所述至少一个第二基准将所述第一晶片和所述第二晶片对准，使得所述第一晶片的多个***器中的相应一个***器和所述第二晶片的多个衬底中的相应一个衬底被布置成使得在所述至少一个光波导的第二端处从所述多个***器中的相应一个***器的至少一个光波导耦合出来的光耦合到所述多个衬底中的相应一个衬底的至少一个光接收/发射元件中，且/或从所述多个衬底中的相应一个衬底的至少一个光接收/发射元件耦合出来的光在所述至少一个光波导的第二端处耦合到所述多个***器中的相应一个***器的至少一个光波导中；
将成对的所述多个***器中的相应一个***器和所述多个衬底中的相应一个衬底单一化，以提供所述布置；
其中每个所述衬底的所述至少一个光接收/发射元件被配置为以比具有第二偏振的光更低的损耗来接收/发射具有第一偏振的光，并且每个所述***器的所述至少一个光波导被配置为选择在第一端耦合到所述至少一个光波导中的光的偏振中的第一偏振，使得在所述光波导的第二端耦合出来的光具有所述第一偏振，且/或选择在第二端耦合到所述至少一个光波导中的光的偏振中的第二偏振，使得在所述至少一个光波导的第一端耦合出来的光具有不同于第一偏振的第二偏振；
其中每个所述***器的所述至少一个光波导的横截面沿着所述至少一个光波导的纵向方向改变，使得选择在第一端耦合到所述至少一个光波导中的光的偏振中的第一偏振，使得在所述至少一个光波导的第二端耦合出来的光具有第一偏振，且/或选择在第二端耦合到所述至少一个光波导中的光的偏振中的第二偏振，使得在所述至少一个光波导的第一端耦合出来的光具有第二偏振。
13.如权利要求12所述的方法，其进一步包括：通过选择离子交换过程和使用飞秒激光器的刻写过程之一，提供***器中的相应一个***器的至少一个光波导。
14.一种***器组合件，其包括：
***器，所述***器包括至少一个具有第一端和第二端的光波导；
与所述***器光学连通的衬底，所述衬底包括所述至少一个光电子器件、至少一个光接收/发射元件和至少一个光学通道，所述光学通道包括与所述至少一个光接收/发射元件光学连通的第一端和与所述至少一个光电子器件光学连通的第二端；
其中所述***器和所述衬底被布置成使得在所述至少一个光波导的第二端处从所述至少一个光学波导耦合出来的光耦合到所述至少一个光接收/发射元件中，且/或从所述至少一个光接收/发射元件耦合出来的光在所述至少一个光学波导的第二端处耦合到所述至少一个光波导中；
其中所述至少一个光接收/发射元件被配置为以比具有第二偏振的光更低的损耗来接收/发射具有第一偏振的光，并且所述至少一个光波导被配置为选择在第一端耦合到所述至少一个光波导中的光的偏振中的第一偏振，使得在所述光波导的第二端耦合出来的光具有所述第一偏振，且/或选择在第二端耦合到所述至少一个光波导中的光的偏振中的第二偏振，使得在所述至少一个光波导的第一端耦合出来的光具有不同于第一偏振的第二偏振；
其中所述***器的至少一个光波导的横截面沿着所述至少一个光波导的纵向方向改变，使得选择在第一端耦合到所述至少一个光波导中的光的偏振中的第一偏振，使得在所述至少一个光波导的第二端耦合出来的光具有第一偏振，且/或选择在第二端耦合到所述至少一个光波导中的光的偏振中的第二偏振，使得在所述至少一个光波导的第一端耦合出来的光具有第二偏振。
15.如权利要求14所述的***器组合件，其中所述至少一个光接收/发射元件被配置为以比具有第二偏振的光更低的损耗来接收/发射具有第一偏振的光。
16.如权利要求14所述的***器组合件，其中所述***器包括一个或多个通道，所述通道沿着所述至少一个光波导的纵向方向布置在所述至少一个光波导的包层中。
17.如权利要求14至16中任一项所述的***器组合件，其进一步包括：
光学透镜，其中所述光学透镜布置在所述***器的光学路径中；并且
所述至少一个光波导的第二端在端面处具有反射表面。
18.如权利要求14所述的***器组合件，其中所述至少一个光电子器件是光子集成电路，并且所述至少一个光接收/发射元件是光栅耦合器。
19.如权利要求14所述的***器组合件，其中所述至少一个光波导的第二端被切割成角度。
20.如权利要求14所述的***器组合件，其中所述至少一个光接收/发射元件包括：第一光接收/发射元件，所述第一光接收/发射元件被配置为接收/发射具有所述第一偏振的光；以及第二光接收/发射元件，所述第二光接收/发射元件被配置为接收/发射具有所述第二偏振的光，其中所述第一偏振提供比所述第二偏振更低的光损耗。
21.如权利要求20所述的***器组合件，其中所述***器的至少一个光波导包括第一部分、第二部分、第三部分和第三端；
分离节点，在所述分离节点处，所述第一部分被分离成所述第二部分和第三部分，其中所述至少一个光波导的第一部分在所述***器内从所述至少一个光波导的第一端延伸到所述分离节点；
其中所述至少一个光波导的第二部分在所述***器内从所述分离节点延伸到所述至少一个波导的第二端；并且
其中所述至少一个光波导的第三部分在所述***器内从所述分离节点延伸到所述至少一个光波导的第三端。
22.如权利要求21所述的***器组合件，其中所述***器和所述衬底被布置成使得在所述至少一个光波导的第二端处从所述至少一个光波导的第二部分耦合出来的光耦合到所述第一光接收/发射元件中，且/或从所述第一光接收/发射元件耦合出来的光在所述至少一个光波导的第二端处耦合到所述至少一个光波导的第二部分中；
其中所述***器和所述衬底被布置成使得在所述至少一个光波导的第三端处从所述至少一个光波导的第三部分耦合出来的光耦合到所述第二光接收/发射元件中，且/或从所述第二光接收/发射元件耦合出来的光在所述至少一个光波导的第三端处耦合到所述至少一个光波导的第三部分中。
23.如权利要求20至22中任一项所述的***器组合件，其中所述衬底的至少一个光学通道包括第一路径、第二路径、第三路径和第三端；
其中所述至少一个光学通道包括合并节点，在所述合并节点处，所述第一路径和所述第三路径合并到所述第二路径；
其中所述至少一个光学通道的第一路径从所述至少一个光学通道的第一端延伸到所述至少一个光学通道的合并节点，并且所述至少一个光学通道的第一端连接到所述第一光接收/发射元件；
其中所述至少一个光学通道的第二路径从所述合并节点延伸到所述至少一个光学通道的第二端；
其中所述至少一个光学通道的第三路径从所述至少一个光学通道的第三端延伸到所述至少一个光学通道的合并节点，并且其中所述至少一个光学通道的第三端连接到所述第二光接收/发射元件。
24.如权利要求20所述的***器组合件，其中所述第一光接收/发射元件和所述第二光接收/发射元件分别被配置为光栅耦合器，并且所述第一光接收/发射元件和所述第二光接收/发射元件布置在所述衬底的表面上并以相对于彼此的一定角度转向。
25.如权利要求14所述的***器组合件，其进一步包括附接到所述***器的耦合器件，所述耦合器件用于光学耦合到所述***器的第一端，其中所述耦合器件包括第一部分，并且所述第一部分被配置为基于MT套圈的连接器和基于透镜的连接器之一；并且
其中所述耦合器件的第二部分被配置为插座。
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