CN117858653A - 光纤到芯片互连 - Google Patents

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CN117858653A CN202280052040.3A CN202280052040A CN117858653A CN 117858653 A CN117858653 A CN 117858653A CN 202280052040 A CN202280052040 A CN 202280052040A CN 117858653 A CN117858653 A CN 117858653A
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P·J·文策尔
张龙
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Abstract

一种组装光学装置的方法，所述方法包括：提供光子集成电路，所述光子集成电路包括沿所述光子集成电路的主表面设置的多个垂直耦合元件；将光学子组件附接到所述光子集成电路；将光纤连接器可移除地连接到套圈框架，其中所述光纤连接器附接到光纤阵列；使用主动对准过程将所述套圈框架与所述光学子组件对准；以及在所述主动对准过程后，将所述套圈框架牢固地连接到所述光学子组件。

Description

光纤到芯片互连
相关申请的交叉引用
本申请要求于2021年5月25日提交的美国临时专利申请63/192,852、于2021年6月9日提交的美国临时专利申请63/208,759、于2021年6月14日提交的美国临时专利申请63/210,437、于2021年6月17日提交的美国临时申请63/212,013、于2021年7月20日提交的美国临时专利申请63/223,685、于2021年7月26日提交的美国临时专利申请63/225,779、于2021年9月16日提交的美国临时专利申请63/245,005、于2021年9月16日提交的美国临时专利申请63/245,011、于2021年10月26日提交的美国临时专利申请63/272,025、于2022年3月4日提交的美国临时专利申请63/316,551和于2022年3月11日提交的美国专利申请17/693,040的优先权。上述申请的全部内容通过引用并入。
背景
技术领域
各个示例实施例涉及光学通信设备，并且更具体地但不排他地，涉及用于将光纤阵列与平面光子集成电路互连的方法和设备。
背景技术
本节介绍了可以有助于更好地理解本公开的各方面。因此，本节的陈述应就此进行阅读，并且不应被理解为承认现有技术中有什么或现有技术中没有什么。
随着电子处理芯片的输入/输出(I/O)容量的增加，电信号可能无法在实际可行的电子芯片封装的有限尺寸上提供足够的I/O容量。可行的替代方案可以是使用光信号互连电子芯片封装，与电I/O相比，光信号通常可以以高得多的每单位面积I/O容量来递送。在一些示例中，光纤光学地耦合到光子集成电路，其中输入光信号从外部装置通过光纤传输到光子集成电路，并且输出光信号从光子集成电路通过光纤传输到外部装置。
发明内容
本文公开了一种用于光学地连接一个或多个光纤和光子集成电路(PIC)的垂直耦合元件的阵列的连接器组件的各个实施例。在一般方面，一种方法包括：提供光子集成电路，所述光子集成电路包括沿所述光子集成电路的主表面设置的多个垂直耦合元件；将光学子组件附接到所述光子集成电路；将光纤连接器可移除地连接到套圈框架，其中所述光纤连接器附接到光纤阵列；使用对准过程将所述套圈框架与所述光学子组件对准；以及在主动对准过程后，将所述套圈框架牢固地连接到所述光学子组件。
实施方案可以包括以下特征中的一个或多个特征。所述对准过程可以包括主动对准过程，所述主动对准过程包括在至少一个光纤与所述光子集成电路之间传输光。
所述主动对准过程可以包括：
通过所述光学子组件和所述多个垂直耦合元件中的至少一个垂直耦合元件在所述光纤阵列中的至少一个光纤与所述光子集成电路之间传递光，以及
基于在所述至少一个光纤与所述光子集成电路之间传递的所述光的至少一个特性调整所述套圈框架相对于所述光学子组件的位置。
所述方法可以包括从所述套圈框架移除所述光纤连接器。
所述套圈框架可以包括开口，以允许来自所述光纤阵列的光被传输到所述光学子组件。
所述方法可以包括使所述光学子组件的一部分穿过所述套圈框架的开口，以及将所述光纤连接器的端部定位在所述光学子组件附近。
所述方法可以包括使所述光纤连接器的一部分穿过所述套圈框架的开口，以及将所述光纤连接器的端部定位在所述光学子组件附近。
将所述光纤阵列可移除地连接到所述套圈框架可以包括以下各项中的至少一者：(i)使用一个或多个对准销来将所述光纤阵列与所述套圈框架对准；(ii)使用一个或多个夹具来将所述光纤阵列固定到所述套圈框架；(iii)使用一个或多个磁体来将所述光纤阵列连接到所述套圈框架；或者(iv)使用可移除粘合剂来将所述光纤阵列连接到所述套圈框架。
所述光纤阵列可以包括光纤的二维阵列。
所述光纤的二维阵列可以包括至少两排光纤。
在一些示例中，所述光纤阵列可以包括至少10个纤芯。
在一些示例中，所述光纤阵列可以包括至少50个纤芯。
在一些示例中，所述光纤阵列可以包括至少100个纤芯。
所述光学子组件可以包括第一透镜阵列，并且所述主动对准过程可以包括将来自所述光纤阵列的光穿过所述第一透镜阵列投射到对应垂直耦合元件，包括使来自所述光纤中的至少一个光纤的光穿过对应透镜到达所述对应垂直耦合元件。
所述光学子组件可以包括第二透镜阵列，并且所述主动对准过程可以包括将来自所述光纤阵列的光穿过所述第一透镜阵列和所述第二透镜阵列投射到所述至少一个垂直耦合元件。
所述光学子组件可以包括光束移位器，并且所述主动对准过程可以包括将来自所述光纤阵列的光穿过所述第一透镜阵列、所述光束移位器和所述第二透镜阵列投射到所述至少一个垂直耦合元件。
所述光学子组件可以包括半波片，并且所述主动对准过程可以包括将来自所述光纤阵列的光穿过所述第一透镜阵列、所述光束移位器、所述半波片和所述第二透镜阵列投射到所述至少一个垂直耦合元件。
所述光学子组件可以包括间隔块，所述间隔块沿光路设置在所述第一透镜阵列与所述第二透镜阵列之间，并且所述主动对准过程可以包括将来自所述光纤阵列的光穿过所述第一透镜阵列、所述间隔块和所述第二透镜阵列投射到所述至少一个垂直耦合元件。
所述光学子组件可以包括半波片，并且所述主动对准过程可以包括将来自所述光纤阵列的光穿过所述第一透镜阵列、所述间隔块、所述半波片和所述第二透镜阵列投射到所述至少一个垂直耦合元件。
所述光纤连接器可以包括第一透镜阵列，并且所述主动对准过程可以包括将来自所述光纤阵列的光穿过所述第一透镜阵列投射到对应垂直耦合元件，包括使来自所述光纤中的至少一个光纤的光穿过对应透镜到达所述对应垂直耦合元件。
所述光学子组件可以包括第二透镜阵列，并且所述主动对准过程可以包括将来自所述光纤阵列的光穿过所述第一透镜阵列和所述第二透镜阵列投射到所述至少一个垂直耦合元件。
所述光学子组件可以包括光束移位器，并且所述主动对准过程可以包括将来自所述光纤阵列的光穿过所述第一透镜阵列、所述光束移位器和所述第二透镜阵列投射到所述至少一个垂直耦合元件。
所述光学子组件可以包括半波片，并且所述主动对准过程可以包括将来自所述光纤阵列的光穿过所述第一透镜阵列、所述光束移位器、所述半波片和所述第二透镜阵列投射到所述至少一个垂直耦合元件。
所述光学子组件可以包括间隔块，所述间隔块沿光路设置在所述第一透镜阵列与所述第二透镜阵列之间，并且所述主动对准过程可以包括将来自所述光纤阵列的光穿过所述第一透镜阵列、所述间隔块和所述第二透镜阵列投射到所述至少一个垂直耦合元件。
所述光学子组件可以包括半波片，并且所述主动对准过程可以包括将来自所述光纤阵列的光穿过所述第一透镜阵列、所述间隔块、所述半波片和所述第二透镜阵列投射到所述至少一个垂直耦合元件。
所述主动对准过程可以包括调整所述套圈框架相对于所述光学子组件的所述位置，以使所述光纤阵列与所述光子集成电路之间的光传递的总体效率最大化。
按重量计所述套圈框架的至少一半可以由玻璃、金属或塑料中的至少一者制成。
所述套圈框架可以包括对紫外(UV)光透明或半透明的材料，并且将所述套圈框架牢固地连接到所述光学子组件可以包括使用UV固化粘合剂将所述套圈框架附接到所述光学子组件。
调整所述套圈框架相对于所述光学子组件的所述位置可以包括沿基本上平行于所述光子集成电路的主表面的平面调整所述套圈框架的所述位置。
沿基本上平行于所述光子集成电路的主表面的所述平面调整所述套圈框架的所述位置可以包括以下各项中的至少一者：(i)沿相对于所述光子集成电路的主表面的x轴调整所述套圈框架的所述位置；(ii)沿相对于所述光子集成电路的主表面的y轴调整所述套圈框架的所述位置；或者(iii)绕相对于所述光子集成电路的主表面的z轴旋转所述套圈框架。所述x轴和所述y轴可以基本上平行于所述光子集成电路的主表面，并且所述z轴可以基本上垂直于所述光子集成电路的主表面。
调整所述套圈框架相对于所述光学子组件的所述位置可以包括调整所述光纤连接器的端部相对于所述光学子组件的距离。
调整所述套圈框架相对于所述光学子组件的所述位置可以包括调整所述光纤连接器的端面相对于所述光学子组件的倾斜角。
在一些示例中，将所述套圈框架与所述光学子组件对准可以包括以至少10μm准确度的精度将所述套圈框架与所述光学子组件对准。
在一些示例中，将所述套圈框架与所述光学子组件对准可以包括以至少1μm准确度的精度将所述套圈框架与所述光学子组件对准。
在一些示例中，将所述套圈框架与所述光学子组件对准可以包括以至少0.1μm准确度的精度将所述套圈框架与所述光学子组件对准。
所述垂直耦合元件中的每个垂直耦合元件可以包括以下各项中的至少一者：单偏振垂直光栅耦合器、转向镜、偏振分集垂直光栅耦合器、垂直腔表面发射激光器、表面法线调制器或光电二极管。
所述光束移位器可以包括偏振相关光学元件(polarization-dependent opticalelement)。
所述光学子组件可以包括转向镜，所述转向镜使光纤与对应垂直耦合元件之间的第一光路转向。所述第一光路可以包括第一光路区段和第二光路区段，其中所述第一光路区段位于所述垂直耦合元件与所述转向镜的反射表面之间，所述第二光路区段位于所述转向镜的所述反射表面与所述光纤之间，所述第二光路区段相对于所述第一光路区段成角度θ1，并且θ1在20°至160°的范围内。
在一些示例中，θ1在45°至110°的范围内。
在一些示例中，θ1在80°至100°的范围内。
在所述套圈框架牢固地连接到所述光学子组件之后，所述套圈框架可以被定向成使得当所述光纤连接器可移除地连接到所述套圈框架时，所述光纤阵列中的至少一些光纤沿基本上平行于所述光子集成电路的主表面的方向输出光束，输出的光束相对于所述光子集成电路的主表面以角度θ2行进，并且0°≤θ2≤10°。
所述光学子组件可以包括设置在所述转向镜与所述套圈框架之间的光束移位元件。
所述光学子组件可以包括设置在所述转向镜与所述光子集成电路之间的透镜阵列。
所述方法可以包括使用计算机来控制机器，以使用所述主动对准过程将所述套圈框架与所述光学子组件对准。
在另一一般方面，一种设备包括：光子集成电路，所述光子集成电路包括沿所述光子集成电路的主表面设置的多个垂直耦合元件；光学子组件，所述光学子组件附接到所述光子集成电路；以及套圈框架，所述套圈框架被配置成使光纤连接器能够可移除地连接到所述套圈框架并与所述光学子组件对准。所述光纤连接器连接到光纤阵列，并且所述光学子组件被配置成在所述光纤阵列与所述光子集成电路上的所述垂直耦合元件之间传递光。使用主动对准过程将所述套圈框架与所述光学子组件对准，在所述主动对准过程中，光通过所述光学子组件和所述多个垂直耦合元件中的至少一个垂直耦合元件在所述光纤阵列中的至少一个光纤与所述光子集成电路之间被传递。所述套圈框架相对于所述光学子组件的位置是基于在所述至少一个光纤与所述光子集成电路之间传递的所述光的至少一个特性来调整的。在所述主动对准过程后，所述套圈框架牢固地连接到所述光学子组件。
实施方案可以包括以下特征中的一个或多个特征。在一些示例中，所述套圈框架使所述光纤阵列能够以至少10μm的精度与所述光学子组件对准。
在一些示例中，所述套圈框架使所述光纤阵列能够以至少1μm的精度与所述光学子组件对准。
在一些示例中，所述套圈框架使所述光纤阵列能够以至少0.1μm的精度与所述光学子组件对准。
所述光学子组件可以包括第一透镜阵列，并且套圈模块可以被配置成将所述光纤阵列与所述透镜阵列对准。
所述光学子组件可以包括第二透镜阵列，并且所述第二透镜阵列可以沿光束路径定位在所述第一透镜阵列与所述垂直耦合元件之间。
所述光学子组件可以包括光束移位器。
所述光学子组件可以包括半波片，所述半波片沿所述光束路径定位在所述光束移位器与所述第二透镜阵列之间。
所述光学子组件可以包括具有孔的双折射板，并且所述双折射板可以沿所述光束路径定位在所述光束移位器与所述第二透镜阵列之间。
所述光学子组件可以包括间隔块，所述间隔块沿所述光束路径设置在所述第一透镜阵列与所述第二透镜阵列之间。
所述光学子组件可以包括半波片，所述半波片沿所述光束路径定位在所述间隔块与所述第二透镜阵列之间。
所述光纤连接器可以包括第一透镜阵列，并且所述套圈模块可以被配置成将所述第一透镜阵列与所述光学子组件对准。
所述光学子组件可以包括第二透镜阵列，所述第二透镜阵列沿光束路径定位在所述第一透镜阵列与所述垂直耦合元件之间。
所述光学子组件可以包括光束移位器。
所述光学子组件可以包括半波片，所述半波片沿所述光束路径定位在所述光束移位器与所述第二透镜阵列之间。
所述光学子组件可以包括具有孔的双折射板，并且所述双折射板可以沿所述光束路径定位在所述光束移位器与所述第二透镜阵列之间。
所述光学子组件可以包括间隔块，所述间隔块沿所述光束路径设置在所述第一透镜阵列与所述第二透镜阵列之间。
所述光学子组件可以包括半波片，所述半波片沿所述光束路径定位在所述间隔块与所述第二透镜阵列之间。
每个光纤可以包括一个或多个纤芯，所述光学子组件可以包括至少一个透镜，所述至少一个透镜被配置成与所述纤芯中的单个纤芯和所述垂直耦合元件中的单个垂直耦合元件传递光。
每个光纤可以包括一个或多个纤芯，所述光学子组件可以包括多个光波导，每个光波导光学地连接所述纤芯中的相应纤芯和所述垂直耦合元件中的相应垂直耦合元件。
所述光波导中的至少一些光波导可以是锥形的。
所述光学子组件可以包括一个或多个偏振分束器。
所述光学子组件可以包括一个或多个偏振旋转元件。
每个光纤包括一个或多个纤芯，所述光学子组件可以被配置成在第一数量的所述纤芯与第二数量的所述垂直耦合元件之间传递光，并且所述第二数量大于所述第一数量。
所述垂直耦合元件中的每个垂直耦合元件可以包括以下各项中的至少一者：单偏振垂直光栅耦合器、转向镜、偏振分集垂直光栅耦合器、垂直腔表面发射激光器、表面法线调制器或光电二极管。
按重量计所述套圈框架的至少一半可以由玻璃、金属或塑料中的至少一者制成。
所述套圈框架可以包括对紫外(UV)光透明或半透明的材料，并且UV固化粘合剂用于将所述套圈框架牢固地附接到所述光学子组件。
所述光束移位器可以包括偏振相关光学元件。
所述光学子组件可以包括转向镜，所述转向镜使光纤与对应垂直耦合元件之间的第一光路转向。所述第一光路可以包括第一光路区段和第二光路区段，所述第一光路区段位于所述垂直耦合元件与所述转向镜的反射表面之间，所述第二光路区段位于所述转向镜的所述反射表面与所述光纤之间，所述第二光路区段相对于所述第一光路区段成角度θ1，并且θ1在20°至160°的范围内。
在一些示例中，θ1在45°至110°的范围内。
在一些示例中，θ1在80°至100°的范围内。
所述套圈框架可以被定向成使得当所述光纤连接器可移除地连接到所述套圈框架并且所述设备处于操作中时，所述光纤阵列中的至少一些光纤沿基本上平行于所述光子集成电路的主表面的方向输出光束，输出的光束相对于所述光子集成电路的主表面以角度θ2行进，并且0°≤θ2≤10°。
所述光学子组件可以包括设置在所述转向镜与所述套圈框架之间的光束移位元件。
所述光学子组件可以包括设置在所述转向镜与所述光子集成电路之间的透镜阵列。
在另一一般方面，一种设备包括多个光子集成电路，每个光子集成电路包括多个耦合元件。所述设备包括多个光学子组件，每个光学子组件附接到所述多个光子集成电路中的对应光子集成电路。所述设备包括多个套圈框架，每个套圈框架被配置成使对应光纤连接器能够可移除地连接到所述套圈框架并与所述光学子组件中的对应光学子组件对准。每个光纤连接器连接到光纤阵列，并且所述对应光学子组件被配置成在所述光纤阵列与所述对应光子集成电路上的所述对应耦合元件之间传递光。每个套圈框架使所述光纤阵列能够以至少10μm准确度的精度与所述对应光学子组件对准。
实施方案可以包括以下特征中的一个或多个特征。在一些示例中，每个套圈框架使所述光纤阵列能够以至少1μm准确度的精度与所述对应光学子组件对准。
在一些示例中，每个套圈框架使所述光纤阵列能够以至少0.1μm准确度的精度与所述对应光学子组件对准。
每个光学子组件可以包括转向镜，所述转向镜使光纤与对应耦合元件之间的第一光路转向。所述第一光路可以包括第一光路区段和第二光路区段，所述第一光路区段位于所述耦合元件与所述转向镜的反射表面之间，所述第二光路区段位于所述转向镜的所述反射表面与所述光纤之间，所述第二光路区段相对于所述第一光路区段成角度θ1，并且θ1在80°至100°的范围内。
在另一一般方面，一种设备包括：存储装置，所述存储装置存储指令；以及至少一个数据处理器，所述至少一个数据处理器被配置成执行所述指令并实施包括控制机器以使用主动对准过程将套圈框架与光学子组件对准的过程。所述光学子组件光学地耦合到光子集成电路。所述套圈框架被配置成使光纤连接器能够可移除地连接到所述套圈框架，所述光纤连接器附接到光纤阵列，并且所述套圈框架被配置成使所述光纤与所述光学子组件对准，以使光在所述光纤与所述光子集成电路之间传输。
在另一一般方面，一种数据中心包括上文所描述的设备中的任何设备。
在另一一般方面，一种方法包括操作上文所描述的数据中心。
在另一一般方面，一种方法包括操作上文所描述的设备中的任何设备。
在另一一般方面，一种方法包括组装上文所描述的设备中的任何设备。
在另一一般方面，一种方法包括使用上文所描述的设备中的任何设备处理数据。
在本文档中描述的***、设备和方法可以具有以下优点中的一个或多个优点。通过使用所述套圈框架，所述光纤阵列可以方便地以高精度与所述光学子组件对准，以实现所述纤芯与所述光子集成电路之间的高效光传递。用于将所述套圈框架与所述光学子组件对准的过程是简单的，并且可以在相对短的时间量内进行，从而使所述过程适于大规模生产操作。所述套圈框架可以简单地制造并且可以成本有效地(cost effectively)制造。具有大量机架安装通信***的数据中心可以以提高的效率和降低的维护成本来操作，每个机架安装通信***具有大量可插拔模块，每个可插拔模块被配置成连接到光纤阵列。
附图说明
通过举例，从以下详细描述和附图，各个所公开的实施例的其它方面、特征和益处将变得更加显而易见，其中：
图1示出了其中可以实践至少一些实施例的光学通信***的框图；
图2示出了根据一实施例的可以用于图1的光学通信***中的集成光学装置的示意性侧视图；
图3A至3G示意性地示出了根据一些实施例的可以用于图1的光学通信***中的一个或多个光纤的各个示例；
图4示意性地示出了根据一实施例的可以用于图1的光学通信***中的示例光纤阵列；
图5示出了根据一实施例的可以用于图2的集成光学装置中的光纤到PIC连接器布置的示意性横截面侧视图；
图6示出了根据另一实施例的可以用于图2的集成光学装置中的光纤到PIC连接器布置的示意性横截面侧视图；
图7示出了根据又另一实施例的可以用于图2的集成光学装置中的光纤到PIC连接器布置的示意性横截面侧视图；并且
图8A和8B示出了根据一些实施例的可以用于图7的集成光学装置中的光纤到PIC连接器布置的一部分的示意性横截面侧视图。
图8C至8E是走离晶体(walk-off crystals)的示例操作的示意图。
图9是光纤到PIC连接器的示例的示意图。
图10A是偏振分集组件的示例的侧视图。
图10B是光纤到PIC连接器的示例的侧视图。
图10C和10D是偏振分集组件的示例的俯视图。
图11A是光纤到PIC连接器的示例的俯视图。
图11B和11C是示出了走离晶体的光束移位的方向的示例的示意图。
图12是光纤到PIC连接器的示例的示意图。
图13A是偏振分集组件的示例的侧视图。
图13B是光纤连接器的示意图。
图13C是双折射孔板的示例的俯视图。
图13D是光栅耦合器的阵列的示例的俯视图。
图14A至18B示出了光栅耦合器和对应的双折射孔板的布置的示例的示意图。
图19A至20E示出了光纤端口的布置、对应的双折射孔板和光栅耦合器的对应布置的示例的示意图。
图21A至21D是双折射孔板的示例的示意图。
图22是在组装期间实现主动对准的光栅耦合器的阵列的示意图。
图23是光纤到PIC连接器的示例的示意图。
图24A和24B是光纤到PIC连接器的示例的侧视图。
图24C是光纤到PIC连接器中的走离方向的示例的示意图。
图25是通过单个光纤提供光学功率的光学能源的示例的示意图。
图26和27是通过多个光纤提供光学功率的光学能源的示例的示意图。
图28是光纤到PIC连接器的示例的示意图。
图29和30是波分复用器的示意图。
图31A至32是示出了波分复用通道分配的表格。
图33A是光电子装置的示例的俯视图。
图33B和33C是光电子装置的示例配置的侧视图。
图34A是光纤到PIC连接器的示例的侧视图。
图34B是光纤到PIC连接器的示例的俯视图。
图35是可以处理波分复用光信号的光纤到PIC连接器的示例的示意图。
图36A至36C示出了光纤端口的布置、对应的双折射孔板和光栅耦合器的对应阵列的示例的示意图。
图37A和37B是示出了从光栅耦合器到PIC上的调制器的波导路由的示例的示意图。
图38是可以处理来自多行光纤的波分复用光信号的光纤到PIC连接器的示例的示意图。
图39是包括基于滤波器的波分解复用器和复用器的光纤到PIC连接器的示例的示意图。
图40是包括隔离器的光纤到PIC连接器的示例的示意图。
图41是光纤到PIC连接器的示例的侧视图。
图42是圆形不对称(或旋转不对称)光学透镜的示例的俯视图和侧视图。
图43是示出了圆形不对称光学透镜阵列的俯视图和侧视图的示意图。
图44是示出了圆形对称光学透镜阵列的俯视图和侧视图的示意图。
图45A是示出了使用圆形不对称光学透镜阵列的光纤到PIC连接器的示例的示意图。
图45B是示出了使用圆形对称光学透镜阵列的光纤到PIC连接器的示例的示意图。
图46A和46B是示出了各自将光栅耦合器的阵列耦合到具有以一定角度抛光的端面的光纤阵列的光纤到PIC连接器的示例的示意图。
图47是包括圆形不对称透镜的阵列和圆形对称透镜的阵列的光纤到PIC连接器的示例的示意图。
图48是包括两个不同的圆形不对称透镜阵列的组件的光纤到PIC连接器的示例的示意图。
图49是包括两个圆形不对称透镜阵列、走离晶体和双折射孔板的光纤到PIC连接器的示例的示意图。
图50示出了图案化双折射板的示例的俯视图和侧视图。
图51示出了图案化双折射板的另一示例的俯视图和侧视图。
图52A是图案化双折射板的示例的透视图。
图52B至52D是图案化双折射板的示例的侧视图。
图53A和53B是示出了具有在双折射元件中生成的图案的双折射板的示例的示意图。
图53C是示出了穿过图案化双折射板的入射光的示意图。
图54至60是使用圆偏振保持光纤的光电子数据处理***的示例的示意图。
图61至64是光纤到光子集成电路连接器的示例的示意图。
图65是共同封装的光学模块和在垂直耦合元件与纤芯之间的光束的光路的示例的示意图。
图66示出了共同封装的光学子组件的示例的侧视图和俯视图。
图67A和67B是示出了光学子组件中的组件可以具有若干机械运动度的示意图。
图68是用于组装包括光子集成电路、光学子组件和套圈框架的光学堆叠的过程的示例的示意图。
图69是套圈框架的示例的俯视图。
图70是耦合在MPO连接器与光学组件之间的示例光纤阵列套圈适配器的示意图。
图71A是光电子装置的示例的俯视图。
图71B是光电子装置的侧视图。
图71C是套圈框架的示例的前视图。
图72是用于组装包括光子集成电路、包括转向镜的光学子组件和套圈框架的光学堆叠的过程的示例的示意图。
图73至75是包括套圈框架、转向镜和间隔块的光学堆叠的示例。
具体实施方式
为了适应芯片到芯片互连带宽的日益增长的需求，光学I/O的使用可以是有益的。
图1示出了可以实践至少一些实施例的通信***100的框图。如图所示，***100包括通过光纤1021-10211适当互连的集成光学通信装置1011-1016，光纤1021-10211在光学通信装置之间建立通信路径。通信***100还可以包括一个或多个外部光学能源模块103，外部光学能源模块103产生连续波(CW)光或产生一个或多个周期性或非周期性光脉冲串，以在一个或多个集成光学通信装置1011-1016中使用。一些端到端通信路径可以穿过外部光学能源模块103(例如，参见装置1012与1016之间的所示通信路径)。例如，装置1012与1016之间的通信路径可以由光纤链路1027和1028共同建立，由此来自外部光学能源103的光被复用到光纤链路1027和1028上。一些端到端通信路径可以穿过复用单元104(例如，参见装置1012与1016之间的所示通信路径)。例如，装置1012与1016之间的通信路径可以由光纤链路10210和10211共同建立，由此来自外部光学能源103的光可以在复用单元104内被复用到光纤链路10210和10211上。
通信***100的各种元件可以受益于光学互连的使用，所述光学互连可以使用包括光电子装置的与包括集成电路的电子芯片共同封装和/或共同集成的光子集成电路。
如本文所使用的，术语“光子集成电路”(或PIC)应被解释为涵盖平面光波电路(PLC)、集成光电子装置、衬底上的晶圆级产品、单独的光子芯片和裸片以及混合装置。可以用于制造各种PIC的示例材料***可以包括但不限于III-V半导体材料、硅光子、硅基二氧化硅型产品(silica-on-silicon product)、基于硅玻璃的PLC、聚合物集成平台、铌酸锂和衍生物、非线性光学材料等。经封装的装置(例如，接线的和/或包封的芯片)和未封装的装置(例如，裸片)两者都可以被称为PIC。
PIC用于电信、仪器和信号处理领域中的各种应用。PIC通常使用光波导来实施和/或互连各种电路组件，如光开关、耦合器、路由器、分路器、复用器/解复用器、滤波器、调制器、移相器、激光器、放大器、波长转换器、光电(O/E)和电光(E/O)信号转换器等。PIC中的波导通常是片上固体光导体，所述片上固体光导体由于波导的芯与包层之间的折射率对比度而引导光。PIC通常包括平面衬底，光电子装置通过增材制造工艺生长在所述平面衬底上，和/或光电子装置通过减材制造工艺，例如，使用光刻和化学处理步骤的多步骤顺序，蚀刻在所述平面衬底上。
“光电子装置”可以在光和电流(电压)两者下操作，并且可以包括以下各项中的一者或多者：(i)电驱动光源，如激光二极管；(ii)光学放大器；(iii)光电转换器，如光电二极管；以及(iv)光电子组件，所述光电子组件可以控制光的传播和/或光的某些性质，如光学调制器或开关。对应的光电子电路可以另外包括能够以与电路的预期功能一致的方式使用电路的光电子装置的一个或多个光学元件和/或一个或多个电子组件。一些光电子装置可以使用一个或多个PIC来实施。
如本文所使用的，术语“集成电路”(IC)应被解释为涵盖非封装裸片和封装裸片两者。在典型的IC制造工艺中，使用硅或其它合适的材料的晶圆以相对大的批量生产裸片(芯片)。可以使用光刻和化学处理步骤的多步骤顺序在晶圆上逐渐形成电路和光学电路。然后将每个晶圆切割(“分割”)成许多片(芯片、裸片)，每个片包括正在制造的电路的相应副本。每个单独的裸片可以在被结合到更大的电路中之前被适当地封装或保持不被封装。
术语“混合电路”可以指由多个单片IC和可能的一些分立电路组件构成的多组件电路，所有这些组件彼此附接以便可安装在公共基座或载体上并且可电连接到公共基座或载体。代表性混合电路可以包括(i)一个或多个封装或非封装裸片，其中所述裸片中的一些或全部裸片包括光学装置、光电子装置和/或半导体装置；以及(ii)一个或多个任选的分立组件，如连接器、电阻器、电容器和电感器。IC、裸片与分立组件之间的电连接可以例如使用图案化导电(如金属)层、球栅阵列、焊料凸块、焊线等来形成。单独的IC可以包括一个或多个相应衬底、一个或多个重新分布层(RDL)、一个或多个中介层、一个或多个层压板等的任何组合。
在一些实施例中，可以堆叠单独的芯片。如本文所使用的，术语“堆叠”是指封装或非封装裸片的有序布置，其中堆叠裸片的主平面基本上彼此平行。堆叠通常可以以堆叠裸片的主平面彼此平行和/或平行于载体的主平面的定向安装在载体上。
如裸片、PIC、衬底或IC等物体的“主平面”是平行于主平面的基本上平坦的表面的平面，所述主平面在物体的所有外表面中具有最大尺寸，例如，长度和宽度。该基本上平坦的表面可以被称为主表面。物体的具有一个相对大的尺寸(例如，长度)和一个相对小的尺寸(例如，高度)的外表面通常被称为物体的边缘。
图2示出了根据一实施例的示例集成光学通信装置200的示意性横截面侧视图。装置200可以用于例如实施图1的装置1011-1016中的一个或多个装置。
装置200包括PIC 210，PIC 210基于任何合适的PIC技术/材料平台，如但不限于硅光子、磷化铟或铌酸锂。PIC 210已经在其衬底201上支撑有适当连接的无源光学元件和/或其阵列，如波导220、耦合器、分光器、滤波器、延迟线等，以及光电子元件和/或其阵列，如调制器、检测器和可调谐移相器。这些元件中的一些元件可以是垂直耦合元件231，垂直耦合元件231被配置成将光耦合到PIC/从PIC耦合光。在本文中，“垂直”方向是垂直于PIC的主表面的方向。在本公开的上下文中，术语“垂直耦合”表示以相对于衬底201的主表面基本上在平面外但不一定垂直于所述主表面的角度耦合。垂直耦合通常以从衬底的主表面的表面法线测量的0度(垂直)与45度之间的角度实施。垂直耦合可以从PIC(图2中的271)的顶侧(例如，波导侧)或从PIC(图2中的272)的底侧(例如，衬底侧)执行。
在一些实施例中，垂直耦合元件231可以被实施为例如转向镜、垂直光栅耦合器、大象耦合器(elephant coupler)，或者被实施为3D打印到PIC上，适当地连接到无源光学元件或光电子元件的3D垂直耦合结构。在一示例实施例中，垂直耦合元件231可以例如使用以下专利文献中所公开的垂直耦合元件中的任何垂直耦合元件来实施：US 2015/0037044、US2015/0125110、US2015/0293305、US 9927575、US2018/0329159、US 2019/0258175和US10025043。所有这些美国专利和美国专利申请公开通过引用其整体并入本文。
在一些实施例中，垂直耦合元件231可以是表面法线光电子元件，如表面法线调制器、表面法线检测器或表面法线激光器，例如，垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。在一示例实施例中，垂直耦合元件231可以例如使用美国专利和美国专利申请公开US2019/0312642、US10025043和US 8488921中所公开的垂直耦合元件中的任何垂直耦合元件来实施，所有所述美国专利和美国专利申请公开通过引用其整体并入本文。
垂直耦合元件231可以在几何上不同地布置在此类垂直耦合元件的阵列230中。
在一些实施例中，一些光学元件或光电子元件可以与阵列230的一些垂直耦合元件231在空间上共同定位或散置。
在一些实施例中，一些光学元件或光电子元件可以位于PIC的与垂直耦合阵列230不相交的区域中。
PIC的光学元件和光电子元件被适当地连接到电子集成电路260，如驱动放大器、互阻抗放大器、电子控制电路、数字逻辑、微控制器、微处理器和/或电子开关。一些电子电路可以与阵列230的一些垂直耦合元件在空间上共同定位或散置，并且一些电子电路可以位于与阵列230在空间上不相交的区域中。一些电子电路可以与PIC的光学元件或光电子元件单片集成。一些电子电路可以位于与PIC分离的芯片上，并且可以使用合适的电互连技术电连接到PIC，所述电互连技术如接合线、球、凸块、微凸块、柱和膜片(例如，呈堆叠形式)。
在本公开的上下文中特别感兴趣的是连接器结构271和272，连接器结构271和272能够实现作为光纤链路102的一部分的一个或多个光纤202的M个空间路径与PIC的阵列230的N个垂直耦合元件之间的(可能是可插拔和/或可移除的)连接。在一些实施例中，数字N和M是大于一的不同整数。在一些其它实施例中，N＝M。
在本公开的上下文中，术语“空间路径”是指穿过单模或多模光纤的芯、多芯光纤的芯或少模光纤的一个或多个空间耦合的芯的光路，所述空间路径被配置成在其不同的空间模式下传送不同信号。空间路径可以传送在一个或多个偏振中和/或一个或多个波长上的信号。在一些实施例中，空间路径可以是偏振保持的。所述一个或多个光纤202可以包括单模光纤、多模光纤、少模光纤、多芯光纤和/或偏振保持光纤。所述一个或多个光纤202可以包括色散位移、色散补偿、非零色散偏移、标准单模色散和/或高色散光纤。所述一个或多个光纤202可以固定地附接(例如，胶合)到连接器元件250上，例如，通过将单独的光纤定位在连接器元件250内提供的单个孔中，或者通过将单独的光纤定位在V形槽的线性阵列中并且堆叠多个此类线性阵列以形成2D阵列。因此，一个或多个光纤202的M个空间路径可以形成具有特定几何布局并且在光纤端面平面243中具有特定空间路径间隔的阵列。光纤端面平面243可以平行于PIC的主表面(例如，如图2的结构271的所示细节中所示出的)，或可以相对于PIC的主表面成非零角度(例如，如图2的结构272的所示细节所示出的)。在各个实施例中，相对于PIC的主表面的所述角度可以在0度(在这种情况下，对应的光纤端面平面平行于PIC的主表面)与90度(在这种情况下，对应的光纤端面平面垂直于PIC的主表面)之间进行适当地选择。
连接器元件240可以固定地附接(例如，胶合)到PIC 210，例如，通过在组装期间将连接器元件对准并随后附连到PIC 210。连接器元件240可以附接到PIC 210的两个主表面中的任一个。连接器元件240可以固定地或可移动地附接到连接器配合平面241中的连接器元件250。连接器配合平面241可以平行于PIC的主表面(例如，如在图2的结构271中)或可以相对于PIC的主表面(例如，如在图2的结构272中)成一定角度。相对于PIC的主表面的所述角度可以在0度(在这种情况下，对应的连接器配合平面平行于PIC的主表面)与90度(在这种情况下，对应的连接器配合平面垂直于PIC的主表面)之间进行选择。在一些实施例中，连接器元件240和250可以包括使元件240和250能够自对准的机械结构。例如，此类机械结构可以使用圆柱形或圆锥形的柱和孔布置(post-and-hole arrangement)、杆和槽布置(rod-and-groove arrangement)或者球和孔布置(ball-and-hole arrangement)来实施。连接器元件240和250可以进一步包括能够在配合之后将元件240和250保持在适当位置的机械结构，例如，合适的卡扣机构。
连接器元件240和250中的任一个可以包括以下各项中的一者或多者：(i)反射光学元件，如介电界面或金属界面；(ii)折射光学元件，如透镜或棱镜；(iii)衍射光学元件，如光栅；(iv)双折射光学元件，如方解石晶体、偏振光栅或波片；(v)写入合适的基质材料如玻璃的3D波导或纳米结构；和/或(vi)3D打印的光波导、微结构或纳米结构。连接器元件240和250的组合通常被设计成适当地将光纤端面平面243中的一个或多个光纤202的M个空间路径映射到耦合平面242中的阵列230的N个垂直耦合元件。对应的一组光纤202、连接器元件240和250以及垂直耦合阵列230一起形成连接器组件271或272。本文所公开的一些实施例具体针对提供连接器组件271和272的优化设计，例如，关于制造、装配和操作中的公差。此类实施例中的一些实施例可以缩放到相对大量的空间路径，例如，M>100。
图3A至3G展示了根据一些实施例的一个或多个光纤202的配置。更具体地，图3A至3G示意性地示出了根据各个实施例的光纤耦合平面243中的一个或多个光纤202的示例横截面视图。
图3A展示了支持M＝6个空间路径的单芯单模光纤的一维(1D)阵列。所示出的六个光纤中的每个光纤包括通常由具有不同折射率的玻璃制成的相应包层301和相应芯302，使得包层的折射率低于芯的折射率以建立介电光波导。在一些实施例中，还可以使用更复杂的折射率轮廓，如折射率沟槽、多折射率轮廓或逐渐变化的折射率轮廓。在一些实施例中，还可以使用更复杂的几何结构，如非圆形芯或包层、光子晶体结构、光子带隙结构或嵌套反谐振无节点式空芯结构。对于这些结构中的任何结构，可以适当地选择几何、结构和材料性质，以允许单个引导(例如，横向)模式在***100的工作波长范围内传播。在本公开的上下文中，三种特征尺寸是令人特别感兴趣的：(i)有效芯直径Dcore，通常定义为光纤内传播的模的光强度下降到光强度值在芯中心处的1/e2时的直径(有时也称为模场直径)；(ii)阵列内的最小芯到芯间距Smin；以及(iii)阵列内的最大芯到芯间距Smax。图3A示出了与此特定实施例相对应的特征尺寸Dcore、Smin和Smax。
图3B展示了支持M＝12个空间路径的单芯单模光纤的二维(2D)阵列。图3B示出了与此特定实施例相对应的特征尺寸Smin和Smax。
图3C展示了支持M＝17个空间路径的单芯单模光纤的二维(2D)阵列。图3C示出了与此特定实施例相对应的特征尺寸Smin和Smax。
尽管图3A至3C仅示出了三个示例几何阵列布局和间距，但在各个替代性实施例中也可以使用其它几何阵列布局。基于所提供的描述，本领域的普通技术人员将能够制作和使用此类其它几何阵列布局而无需任何过度实验。一些实施例也可以使用具有不同性质的一个或多个光纤阵列来构造，如具有不同折射率轮廓、不同有效芯直径等的光纤的混合物。
图3D展示了支持M＝7个空间路径的多芯单模光纤。多芯光纤包括通常由具有不同折射率的玻璃制成的包层301和七个芯302，使得包层的折射率低于芯的折射率。在一些实施例中，还可以使用更复杂的折射率轮廓，如折射率沟槽、多折射率轮廓或逐渐变化的折射率轮廓。还可以使用更复杂的几何结构，如非圆形芯、非圆形包层、光子晶体结构、光子带隙结构或嵌套反谐振无节点式空芯结构。对于这些结构中的任何结构，可以选择几何、结构和材料性质，以允许每个芯的单个引导(例如，横向)模式在***100的工作波长范围内传播。无论这些结构的复杂性如何，都可以定义每个芯的有效芯直径Dcore。光纤内的不同芯可以具有名义上相同或基本上不同(例如，相差超过10％)的有效芯直径。图3D示出了与此特定实施例相对应的特征尺寸Dcore、Smin和Smax。
图3E展示了支持M＝4个空间路径的多芯单模光纤。图3E示出了与此特定实施例相对应的特征尺寸Smin和Smax。
图3F展示了支持M＝8个空间路径的多芯单模光纤。图3F示出了与此特定实施例相对应的特征尺寸Smin和Smax。
图3G展示了支持M＝4个空间路径的多芯单模光纤。图3G示出了与此特定实施例相对应的特征尺寸Smin和Smax。
尽管图3D至3G仅示出了四个示例几何芯布局和间距，但在各个替代性实施例中也可以使用其它几何芯布局。基于所提供的描述，本领域的普通技术人员将能够制作和使用此类其它几何芯布局而无需任何过度实验。
图4展示了根据一些实施例的一个或多个光纤202的配置。更具体地，图4示意性地示出了根据各个实施例的光纤耦合平面243中的一个或多个光纤202的示例横截面视图。
图4展示了支持M＝90个空间路径的多芯单模光纤的示例二维(2D)阵列。在一些实施例中，阵列内的不同光纤可以具有不同的相应芯计数、不同的相应有效芯直径和/或不同的相应旋转定向。图4示出了与此特定实施例相对应的特征尺寸Smin和Smax。
在一些实施例中，图3D至3H和图4中所示的一些多芯光纤的一些芯可以被设计成基本上未耦合，例如，在1km的传播距离上表现出低于20dB的芯到芯串扰，或者可以被设计成相对强耦合。图3和4中所示的单芯和/或多芯光纤的一些芯可以被设计成少模或多模，即，可以被设计成传播相对较小数量(例如，<10)或相对较大数量(例如，≥10)的横向模式。
耦合从光纤202到PIC 210的大量空间路径的重要另外的方面可以包括考虑实际可用的光纤和光学元件、光电子元件和电子元件的相对尺寸以及其在对应大阵列内的放置。例如，在PIC的一些区域中相对靠近的所需间距可以表明形成较大阵列可能是困难的，这带来了困难的可缩放性问题。另外，在一些情况下，典型的纤芯和典型的垂直光栅耦合器的相对对准可能需要1微米的数量级或更好的放置准确度以实现低耦合损耗。然而，此些要求可能不与使用常规被动对准过程实现的典型准确度兼容，这可能不利地需要使用更慢和/或更昂贵的主动对准过程。
在研究了现有光纤到PIC耦合结构的一些缺点之后，已经通过分析、建模和模拟识别并检查了适于支持大量空间路径的阵列的大量制造的可移除光纤到PIC连接的光耦合结构的各种设计。具体地，所设想的解决方案可以通过实施以下特征中的一些或全部特征来允许一个或多个光纤202的M个空间路径与N个垂直耦合元件的阵列230之间的有效耦合：(i)以第一因子(表示为A)放大或缩小光纤端面平面243中光纤的最小芯到芯间距，以匹配耦合平面242中垂直耦合元件之间的最小间距；(ii)以第二因子(表示为B)放大或缩小光纤端面平面243中光纤的最大芯到芯间距，以匹配耦合平面242中垂直耦合元件之间的最大间距；(iii)以第三因子(表示为C1)放大或缩小光纤端面平面243中光纤的有效芯直径，以匹配耦合平面242中有效垂直光栅耦合器尺寸；(iv)以第四因子(表示为C2)放大或缩小光纤端面平面243中光纤的有效芯直径，以实现与光纤端面平面243中的有效光束直径相比连接器配合平面241中的基本上不同(例如，更大)的有效光束直径；和/或(v)改变光纤端面平面243、连接器配合平面241与耦合平面242之间的至少一些区域中的多个空间路径的有效横截面几何布局。在一示例实施例中，因子A、B、C1和C2中的至少一些或全部因子可以是不同的。
对于可以获得的可能益处的示例，可以考虑A＝B＝2且C1＝1.5的示例实施例。在此特定实施例中，C1的缩放允许将连接器组件240附接到PIC 210的放宽的对准公差。A和B的缩放允许PIC 210内的甚至更放宽的光波导间距，由此潜在地降低波导到波导串扰和/或实现相对大的阵列的使用。
图5示出了根据一实施例的可以用于装置200(图2)中的光纤到PIC连接器布置500。如图所示，连接器布置500包括连接到连接器元件250的多芯光纤(MCF)202的阵列501。MCF 202的端面被布置成基本上在同一平面中，即，光纤端面平面243(仍参见图2)。连接器元件250进一步连接到连接器元件240，并且两个连接器元件之间的接口包括连接器配合平面241(仍参见图2)。
连接器元件250包括每个MCF 202一个准直透镜551。在一示例实施例中，准直透镜551可以被布置成在连接器配合平面241中提供放大的光束光斑尺寸。例如，10微米的有效芯直径连同准直透镜551的焦距f1为f1＝500微米可能导致连接器配合平面241中的有效光束直径为大约100微米。
连接器元件240包括每个MCF 202一个聚焦透镜541。连接器元件240和250的纵向尺寸可以被选择成使得连接器配合平面241位于准直透镜551与聚焦透镜541之间的任何方便的位置处。例如，此类尺寸可以被选择成使得连接器配合平面241中的光束直径扩展C2≈10倍。这种扩展可以是有益的，因为其可以显著地简化连接器对准。在替代性实施例中，其它纵向尺寸可以被类似地选择成实现因子C2的其它值。
在图5所示的示例实施例中，每个聚焦透镜541具有焦距f2＝2f1。此焦距比导致每个MCF的整个芯图案在耦合平面242中放大A＝2倍。例如，最小芯到芯间距Smin(例如，参见图3D)在耦合平面242中也被放大两倍。这种放大既适用于MCF芯的间距，也适用于与每个单独的芯相对应的特性模式尺寸。
为了独立地选择应用于光纤端面平面243与耦合平面242之间的单独空间路径的有效放大率，每个空间路径被引导穿过相应的单独透镜542。例如，在图5的实施例中，每个单独透镜542具有焦距f3＝70微米，并且因此相对缩小75％。因此，实现了总体特性模式尺寸放大率C1＝2x 0.75＝1.5。与光纤端面平面243相比，耦合平面242中的较大有效模式尺寸可以有利地帮助放宽连接器元件240相对于耦合平面242中的垂直耦合元件230的阵列的位置公差。
在一些实施例中，一些或全部透镜542可以从对应照射光束的中心横向偏移。此类横向偏移使得被导向阵列230的垂直耦合元件231的光束543以期望的耦合角(例如，不一定沿相对于对应PIC的主表面的法线)照射到所述耦合元件处。注意，在本示例中，最大芯到芯间距保持基本上不变，因为所应用的放大率是基于每个MCF发生的，由此实现B≈1的B值。
在上述示例中，几何结构缩放参数集{A，B，C1，C2}为大约{2，1，1.5，10}。然而，几何结构缩放参数集{A，B，C1，C2}的其它数值组合也可例如通过适当选择相关尺寸、位置和焦距来实现。根据以上描述，本领域的普通技术人员将能够根据需要实现此类其它数值组合，而无需任何过度实验。
此外，图5所展示的透镜***仅表示使用折射光学元件执行独立阵列图案缩放和模式尺寸缩放的许多可能方式之一。例如，给定阵列图案缩放可以在与光纤端面平面243相对应的空间路径的任何不同子集上进行。不同子集可以具有相同或不同的相应放大因子。当单独子集被不同地缩放时，光纤端面平面243的总体阵列图案几何结构可以变换以在耦合平面242中产生几何上不同的阵列图案。
在一些实施例中，图案缩放也可以在与光纤端面平面243相对应的整个空间路径集合上进行，例如通过使用横向跨越整个阵列501的单个透镜元件551，由此在耦合平面242中产生阵列501的几何上类似的缩放图像，因为后者被呈现给光纤端面平面243中的透镜***。使用这个设计的示例实施例可以实现{2，2，1.5，10}的参数集{A，B，C1，C2}。
在一些实施例中，模场直径缩放可以在与光纤端面平面243相对应的空间路径的任何子集上进行，并且可以针对不同的空间路径使用相同或不同的相应缩放(例如，放大)因子。
在一些实施例中，可以使用非球面透镜及其阵列。此类透镜可以例如使用晶圆级加工技术来制造。
在一些实施例中，透镜541和542的功能可以组合成单个非球面折射元件，所述单个非球面折射元件可以使用如由德国艾根施泰因-利奥伯德港的Nanoscribe公司(Nanoscribe of Eggenstein-Leopoldshafen,Germany)提供的以供销售的技术等技术来进行3D打印。
如本领域的普通技术人员将理解的，设置光纤202相对于PIC的主平面的角度以及选择单独的光束543在垂直耦合器阵列230上的入射角也是可能的，例如，通过将光纤202以倾斜或弯曲的方式安装在连接器元件250内，使连接器配合平面241相对于PIC的主平面倾斜一定角度，和/或在组件500内的适当位置处引入金属或介电反射界面、折射元件(如棱镜)和/或衍射元件(如光栅)。
图6示出了根据另一实施例的可以用于装置200(图2)中的光纤到PIC连接器布置600。如图所示，连接器布置600包括连接到连接器元件250的MCF 202的阵列501。MCF 202的端面被布置成基本上在同一平面中，即，光纤端面平面243(仍参见图2)。连接器元件250进一步连接到连接器元件240，并且两个连接器元件之间的接口包括连接器配合平面241(仍参见图2)。
连接器元件250包括3D波导652的阵列，所述阵列使用合适的技术(如英国利文斯顿的Optoscribe公司(Optoscribe of Livingston,United Kingdom)提供的供销售的产品中的一些产品)在合适的基质材料如玻璃中形成(例如，光学写入)。
在一些实施例中，写入到连接器元件250中的3D波导652可以扩展或适当地几何地重新布置由光纤202在光纤端面平面243处提供的空间路径的阵列几何结构。在图6所示的实施例中，3D波导在光纤端面平面243与连接器配合平面241之间以C2＝2的因子扩展模场直径。
在一些实施例中，连接器元件250的3D波导652可以独立地扩展各个波导的模场直径，以实现连接器配合平面241处的扩展光束连接。这可以通过使用在3D波导布置652内的锥形或倒锥形结构和/或通过改变一个或多个3D波导写入参数，如用于写入3D波导652的飞秒激光脉冲的扫描速度或重复率来实现，从而产生更大的3D波导模场直径。
在一些实施例中，连接器元件250中的3D波导652还可以引入弯曲角，例如，以适应来自光纤202(例如，来自不平行于PIC主表面的光纤端面平面)的光的不同入射角。在一些实施例中，3D波导弯曲部可以与由于适当放置的介电或金属界面(图6中未明确示出)引起的反射或折射角变化或与由于适当放置的光栅(图6中未明确示出)引起的衍射角变化组合。
连接器元件240可以使用3D波导644，波导644的模场直径中的一些模场直径相对于光纤端面平面243内的典型光纤模场直径在连接器配合面板241处扩展，以基本上匹配连接器元件250在连接器配合平面241处的对应波导的模场直径。
在一些实施例中，连接器元件240的3D波导644可以适当地改变阵列尺寸、阵列几何结构、模式尺寸和入射角，以便匹配耦合平面242处的相应几何参数。
在图6所示的示例实施例中，每个波导模场直径从连接器配合平面241处的C2＝2的放大率减小到其75％，由此产生从光纤端面平面243中的光纤202到耦合平面242中的垂直耦合器阵列230的总模场直径放大率C1＝2x 0.75＝1.5。与光纤端面平面243相比，耦合平面242中的较大有效模式尺寸可以有利地帮助放宽连接器元件240相对于耦合平面242中的垂直耦合元件231的阵列230的位置公差。
在一些实施例中，一些或所有波导弯曲部645可以建立与阵列230的垂直耦合元件231的期望耦合角。
上文所描述的3D波导***应仅被视为可以用于执行独立阵列模式缩放、阵列模式几何结构变换、光斑尺寸缩放和入射角适配的许多可能的实施例之一。在一些实施例中，混合组件也是可能的，并且可以被认为是上述实施例的功能等效物。一些实施例可以使用连接器元件240和250中的任一者或两者内的衍射、反射或折射表面、3D波导和3D打印结构的任何合适的组合。
一些实施例可以被构造成使用连接器组件271和272内的偏振分集光学器件。例如，所述一个或多个光纤202的一些芯可以传送随机偏振的信号或可以传送偏振复用的信号。另外，一些垂直光栅耦合器可以是偏振敏感的。将来自一个或多个光纤202的双偏振光适当地耦合到PIC 210可以因此受益于偏振分集垂直耦合元件，如二维偏振分集垂直光栅耦合器。与单偏振垂直耦合元件的***损耗相比，一些偏振分集垂直耦合元件可以具有固有地更高的***损耗。因此，用一对单偏振垂直耦合元件替代一个偏振分集垂直耦合元件并且在PIC外部，例如在连接器组件271和272内执行偏振分集可能是有益的。
一些实施例可以受益于例如在美国专利US 9927575中公开的偏振分集光学器件的使用，所述美国专利通过引用其整体并入本文。
图7示出了根据又另一实施例的可以用于装置200(图2)中的光纤到PIC连接器布置700。如图所示，连接器布置700包括连接到连接器元件250的MCF 202的阵列501。MCF 202的端面被布置成基本上在同一平面中，即，光纤端面平面243(仍参见图2)。连接器元件250进一步连接到连接器元件240，并且两个连接器元件之间的接口包括连接器配合平面241(仍参见图2)。
图7所示的实施例被构造成将光纤端面平面243中的光纤202的M＝8个空间路径耦合到阵列230的N＝16>M个垂直耦合元件231。
连接器元件250包括每个MCF 202一个准直透镜551。在一示例实施例中，准直透镜551可以被布置成在连接器配合平面241中提供放大的光束光斑尺寸。连接器元件250进一步包括偏振分集组件757。
图8A示出了根据一实施例的偏振分集组件757的子元件的示意性侧视图810。如图所示，组件757包括双折射光束移位元件753(也称为“走离(walk-off)元件”)。在一些实施例中，元件753可以由如适当定向的方解石、钒酸钇(YVO4)或a-BBO的此类双折射材料制成，如由中国福建省福州市的福州美扬光电有限公司(MT-Optics of Fuzhou,Fujian,China)提供的供销售的那些材料。双折射光束移位元件753用于将入射光束754***为对应的一对出射光束755a和755b。因此，光束755a和755b包括入射光束754的两个正交偏振状态的相应光。为了制备用于耦合到阵列230中的平行对准(与正交定向相反)的垂直光栅耦合器的光束755a和755b，光束755b穿过半波片756以使半波片中的光的偏振旋转。通过半波片756、光束755a和755b具有相同偏振状态，并且因此被适当地调节以使用阵列230中的平行定向的垂直光栅耦合器。
在替代性实施例中，光束755a(而不是光束755b)可以穿过半波片756以使半波片中的光的偏振旋转。在各个实施例中，半波片756可以由例如石英晶体、聚合物延迟膜制成，或者可以被3D打印。在一些实施例中，可以使用晶圆级光学处理和组装来制造偏振分集结构757。
在一些实施例中，偏振分集结构757可以***在光纤到PIC阵列连接器布置700中的连接器元件240或250内的其它位置处，例如，在透镜741与透镜742之间或在透镜551与透镜541之间。
在一些实施例中，偏振分集结构757的一些元件可以在功能上被分开并且放置在连接器元件271和272内的不同位置处。例如，双折射光束移位元件753可以放置在光纤端面平面243与透镜551之间，并且半波片756可以放置在透镜541与透镜542之间。
图8B示出了根据替代性实施例的偏振分集组件757的子元件的示意性侧视图820。此特定实施例使用偏振敏感光栅853，如由美国北卡罗来纳州达勒姆的ImagineOptix公司(ImagineOptix of Durham,North Carolina,USA)提供的供销售的偏振敏感光栅，所述偏振敏感光栅用于将入射光束754***为两个圆偏振光束855a和855b，这两个圆偏振光束的偏振是相互正交的。光束855a和855b被引导穿过光学层858，光学层858具有足够的厚度以使光束充分地横向分离。第二偏振光栅859然后用于衍射横向分离的光束855a和855b，使得如此衍射的光束变得平行于原始光束754。包括四分之一波偏振延迟器元件861和四分之三波偏振延迟器元件862的后续光学层860然后将两个光束855a和855b的偏振转换成同一线性偏振状态。在一示例实施例中，此线性偏振状态是用于实现线性偏振光束755a和755b有效光学耦合到阵列230的垂直光栅耦合器中的适当偏振状态。
偏振分集结构757的物理原理可以解释如下。图8C至8E包括示出了入射光束830被偏振分集结构757***为两个偏振光束的示意图。例如，入射光束830包括两个正交偏振分量，所述两个正交偏振分量被走离晶体832在空间上***为第一偏振分量834和第二偏振分量836。参考图8C，入射光束830可以具有任意方向的偏振分量，并且走离晶体832将偏振分量分离成第一偏振分量834和第二偏振分量836，这两个偏振分量的偏振彼此正交且相隔距离d。如图8D和8E所示，具有垂直于图的平面的偏振方向的分量834笔直地穿过走离晶体832，而具有平行于图的平面的偏振方向的分量836相对于分量834移位一定距离d。
然后，两个空间分离的偏振分量834、836中的至少一个偏振分量通过半波片838旋转，使得两个空间路径的所得偏振相同。在图8D的示例中，第二偏振分量836的偏振被旋转90°以生成偏振分量840，使得偏振分量834和840具有相同偏振。在图8E的示例中，第一偏振分量834的偏振被旋转90°以生成偏振分量842，使得偏振分量836和842具有相同偏振。然后，两个空间解复用的偏振分量(834和840)或(836和842)入射在偏振敏感的垂直光栅耦合器如图2中的231上，以耦合到光子集成电路(如210)中。在一些示例中，光栅耦合器仅响应于TE(横向电)偏振或TM(横向磁)偏振。TE偏振光的特征在于其电场垂直于入射平面。对于TE光，垂直于各向同性材料中的电场的磁场位于入射平面中。
在一些实施方案中，光纤到PIC布置提供了光纤与偏振相关PIC耦合元件之间的两个正交偏振的偏振管理，所述偏振相关PIC耦合元件可以是响应于例如圆偏振、线性偏振或任何其它偏振状态的垂直耦合元件或边缘耦合元件。下面描述的示例使用响应于给定线性偏振的光子集成电路边缘耦合元件，例如，垂直光栅耦合器。
在图8A的示例中，双折射光束移位元件753和半波片756都定位在光纤端面平面243与连接器配合平面241之间。在一些实施方案中，双折射光束移位元件753可以定位在光纤端面平面243与连接器配合平面241之间，并且半波片756可以定位在连接器配合平面241与耦合平面242之间。
参考图9，在一些实施方案中，光纤到PIC连接器900包括偏振分集结构902，偏振分集结构902包括走离元件904和空间变化的双折射元件906。走离元件904定位在准直透镜551与连接器配合平面241之间。空间变化的双折射元件906定位在单独的透镜542与耦合平面242之间。例如，来自芯302的入射光束908穿过准直透镜551，并且由走离元件904***为一对光束755a和755b。光束755a的偏振正交于光束755b的偏振。光束755a穿过空间变化的双折射元件906，空间变化的双折射元件906使光束755a的偏振方向旋转为与光束755b的偏振方向相同。两个光束755a和755b然后通过垂直耦合元件231耦合到光子集成电路210。
在一些实施方案中，图7和8A的空间变化的双折射元件906或光束移位元件753可以由双折射孔板(BHP)替代，其中双折射材料的板包括开口或孔，使得光束可以在偏振方向没有任何变化的情况下穿过孔，而使穿过双折射材料的光束的偏振方向旋转例如90°。双折射孔板可以与走离元件组合使用，使得光束由走离元件***为第一偏振分量和第二偏振分量，所述第一偏振分量被引导穿过双折射孔板中的孔，并且所述第二偏振分量被引导穿过双折射材料，由此产生具有相同偏振方向的两个偏振光束。
图10A至10D示出了光纤到PIC连接器1000或其部分的各个视图。参考图10A，在一些实施方案中，光纤到PIC连接器1000被配置成光学地耦合来自一行输入纤芯302的一行入射光束1008。光纤到PIC连接器1000包括偏振分集组件1002，偏振分集组件1002包括走离晶体1004和双折射孔板1006。双折射孔板1006在位置1012处具有双折射材料，所述双折射材料充当图7和8A的半波片756。入射光束1008由走离晶体1004***为最初具有不同偏振状态(例如，正交偏振状态)的两个光束755a和755b。两个光束755a和755b之一被双折射孔板1006中的双折射材料旋转，在此之后两个光束755a和755b具有相同的偏振状态。
图10B是在方向A上观察的光纤到PIC连接器1000的侧视图。来自芯302的入射光束1008穿过准直透镜551。走离晶体1004将入射光束1008***为两个光束分量，并且双折射孔板1006使光束分量之一的偏振方向旋转，从而产生具有相同偏振状态的两个光束。光束穿过第二透镜541和第三透镜542，并且被引导到光子集成电路210上的垂直耦合元件231。
图10C是偏振分集组件1002的示例的俯视图，偏振分集组件1002包括走离晶体1004和具有孔1020的双折射孔板1006。走离晶体1004引起偏振***，从而引起方向A(图10A中示出了方向A)上的束移位，所述方向在此示例中平行于行方向。来自芯302的入射光束具有由走离晶体1004从初始位置1014移位到第二位置1016的偏振分量，其中移位方向平行于行方向。虚线1018a表示一组第二透镜541和第三透镜542的位置。虚线1018b表示另一组第二透镜541和第三透镜542。第二透镜541和第三透镜542的中心偏离偏振光束分量的中心，这使得偏振光束分量被透镜折射并且以在介于0至90°之间的范围内的入射角θ被导向垂直光栅耦合器。
图10D是偏振分集组件1002的另一示例的俯视图，其中偏振***引起垂直于方向A(图10A中示出了方向A)的光束移位。在此示例中，光束移位方向垂直于行方向。来自芯302的入射光束具有由走离晶体1004从初始位置1014移位到第二位置1022的偏振分量，其中移位方向垂直于行方向。虚线1018a和1018c中的每条虚线表示一组第二透镜541和第三透镜542。第二透镜541和第三透镜542的中心偏离偏振光束分量的中心，这使得偏振光束分量被透镜折射并且以在介于0至90°的范围内的入射角θ被导向垂直光栅耦合器。
图11A是光纤到PIC连接器1100的示例的俯视图，其中一行四对纤芯302与双折射孔板1006的四对孔1020对准。图11B是示出了走离晶体1004在平行于行方向的方向1022上使每个光束的偏振分量移位的示例的示意图。图11C是示出了走离晶体1004在垂直于行方向的方向1024上使每个光束的偏振分量移位的示例的示意图。走离晶体可以被设计成在任何预定方向上使每个光束的偏振分量移位。
在一些实施方案中，双折射板可以具有不同厚度的区域，使得当由走离元件提供的两个偏振分量通过具有不同厚度的两个区域时，所得光束具有相同的偏振方向。例如，如果半波片的厚度为d1，则两个区域的厚度差可以等于d1。双折射板可以具有多对区域，在所述多对区域中，每对区域包括厚度为d1+d2的第一区域和厚度为d2的第二区域。来自走离元件的两个正交偏振的光束分量被引导到一对区域，在所述一对区域中，一个光束分量的偏振相对于另一个光束分量旋转90°，从而产生具有相同偏振方向的两个偏振光束。
图12是光纤到PIC连接器1000的示例的示意图，其中半波片(例如，756)被实施为由双折射材料1200制成的双折射板1006，其中双折射板1006包括不具有双折射材料(即，具有孔1020)的区域。来自输入纤芯302的入射光束1008由走离元件1004***为具有“x”偏振的第一光束分量1026和具有“y”偏振的第二光束分量1028。该图示出了“x”偏振是TE偏振并且“y”偏振是TM偏振的示例。第一光束分量1026穿过双折射板1006中的孔1020并且保持其偏振。第二光束分量1028穿过双折射材料1200，并且其偏振从“y”偏振变为“x”偏振。然后，具有相同或平行偏振的第一光束分量1026和第二光束分量1028分别入射到光栅耦合器231a和231b上。光栅耦合器231a和231b将第一光束分量1026和第二光束分量1028耦合到光子集成电路210。通常，“孔”板1006具有空间变化的双折射，所述空间变化的双折射被配置成将入射偏振光转换成光栅耦合器偏振状态，例如，具有使光栅耦合器的耦合效率最大化的偏振状态。
光纤到PIC连接器1000可以将来自光子集成电路210的两个输出光信号组合成在输出纤芯上传输的输出光束。例如，光子集成电路210输出两个光信号，所述两个光信号分别通过光栅耦合器231c和231d被转换成光束1030和1032，其中光束1030和1032具有相同的偏振状态。光束1030穿过第三透镜542和第二透镜541，然后穿过双折射孔板1006中的孔1020。光束1030在不改变方向的情况下笔直地穿过走离元件1004。光束1032穿过第三透镜542和第二透镜541，然后穿过双折射孔板1006中的双折射材料1200，双折射孔板1006使光束1032的偏振方向旋转90°。光束1032被走离元件1004移位一定距离并且与光束1030组合。组合光束穿过准直透镜551并且被引导到输出纤芯1034。
图13A至13D是示出了光纤连接器、双折射孔板与光栅耦合器之间的关系的示意图。图13A是光纤到PIC连接器1000的示意图，所述光纤到PIC连接器与图10A中显示的光纤到PIC连接器相同。图13B是光纤连接器1300的示意图，光纤连接器1300包括发射器光纤端口(例如，1302)、接收器光纤端口(例如，1304)和光学能源光纤端口(例如，1306)。圆圈示出输入光纤位置(例如，302)。此示例包括3行12个光纤。例如，这些行可以间隔开500μm，并且行内的光纤可以间隔开250μm。在此示例中，橙色圆圈(例如，1302)表示发射器(TX)光纤端口，棕色圆圈(例如，1304)表示接收器(RX)光纤端口，并且红色圆圈(例如，1306)表示光学能源光纤端口。于2021年2月3日提交的美国临时专利申请63/145,368中提供了关于光纤连接器的另外的信息，所述美国临时专利申请的全部内容通过引用并入。
图13C是具有孔1020的双折射孔板1006的示例的俯视图。孔1020位于光束755a的位置处。走离方向由箭头1308表示。
图13D是安装在光子集成电路的顶部上的六行十二个光栅耦合器1310(图2、5至7中的231)的阵列的示例的俯视图。每个光栅耦合器1310是TE耦合器，其中电场的方向由箭头1312表示。走离晶体1004将每个输入光束***为具有正交偏振状态的两个光束分量，并且双折射孔板1006使两个光束分量之一的偏振方向旋转，使得两个光束分量在到达光栅耦合器1310时具有相同的偏振状态。橙色三角形(例如，1316)表示用于通过发射器(TX)光纤端口1302输出的发射(TX)信号的光栅耦合器。如果发射信号具有单个偏振，则对应的发射器(TX)光纤端口1302仅需要一个光栅耦合器。棕色三角形(例如，1318)表示用于接收(RX)信号的光栅耦合器。由于输入信号的随机偏振，每个对应的接收器(RX)光纤端口1304需要两个光栅耦合器1310。红色三角形(例如，1320)表示与光学能源光纤端口1306相对应的光栅耦合器。白色三角形1314示出：(i)光栅耦合器不存在于那些位置处；(ii)光栅耦合器存在于那些位置处但未被耦合以接收或发射光信号；或(iii)光栅耦合器连接到对准波导以辅助对准校准。
图14A至18B展示了可以与图13B中示出的相同光纤阵列一起使用的光栅耦合器定向的示例。在这些示例中的每个示例中，光栅耦合器为同一类型，例如，所有TE光栅耦合器或所有TM光栅耦合器，并且光栅耦合器在同一方向上对准。图14A至18B示出了TE光栅耦合器的示例。相同的原理可以应用于具有适当调整的双折射孔板的TM光栅耦合器。
图14A和14B展示了光栅耦合器1400和对应的双折射孔板1402的布置的示例，双折射孔板1402包括预定位置处的孔1404。此示例假定走离元件输出具有方向1406上的电场的光束。每个输入光束由走离元件***为第一光束分量和第二光束分量。第一光束分量笔直地穿过走离元件，并且第二光束分量沿走离方向1408从第一光束分量移位一定距离。第一光束分量具有与光栅耦合器对准的方向1406上的电场。孔1404被定位成允许第一光束分量穿过而不影响偏振状态。在此示例中，光栅耦合器1400被定向成使光束与方向1406上的电场的耦合最大化。
图15A和15B展示了光栅耦合器1500和对应的双折射孔板1502的布置的示例，双折射孔板1502包括预定位置处的孔1504。此示例假定走离元件输出具有垂直于方向1506的电场的光束。每个输入光束由走离元件***为第一光束分量和第二光束分量。第一光束分量笔直地穿过走离元件，并且第二光束分量沿走离方向1508从第一光束分量移位一定距离。第二光束分量具有与光栅耦合器对准的方向1506上的电场。孔1504被定位成允许第二光束分量穿过而不影响偏振状态。在此示例中，光栅耦合器1500被定向成使光束与方向1506上的电场的耦合最大化。
图16A和16B展示了光栅耦合器1600和对应的双折射孔板1602的布置的示例，双折射孔板1602包括预定位置处的孔1604。此示例假定走离元件输出具有垂直于方向1606的电场的光束。每个输入光束由走离元件***为第一光束分量和第二光束分量。第一光束分量笔直地穿过走离元件，并且第二光束分量沿走离方向1608从第一光束分量移位一定距离。第二光束分量具有与光栅耦合器对准的方向1606上的电场。孔1604被定位成允许第二光束分量穿过而不影响偏振状态。在此示例中，光栅耦合器1600被定向成使光束与方向1606上的电场的耦合最大化。
图17A和17B展示了光栅耦合器1700和对应的双折射孔板1702的布置的示例，双折射孔板1702包括预定位置处的孔1704。此示例假定走离元件输出具有平行于方向1706的电场的光束。每个输入光束由走离元件***为第一光束分量和第二光束分量。第一光束分量笔直地穿过走离元件，并且第二光束分量沿走离方向1708从第一光束分量移位一定距离。第一光束分量具有与光栅耦合器对准的方向1706上的电场。孔1704被定位成允许第一光束分量穿过而不影响偏振状态。在此示例中，光栅耦合器1700被定向成使光束与方向1706上的电场的耦合最大化。
图18A和18B展示了光栅耦合器1800和对应的双折射孔板1802的布置的示例，双折射孔板1802包括预定位置处的孔1804。此示例假定走离元件输出具有垂直于方向1806的电场的光束。每个输入光束由走离元件***为第一光束分量和第二光束分量。第一光束分量笔直地穿过走离元件，并且第二光束分量沿走离方向1808从第一光束分量移位一定距离。第二光束分量具有与光栅耦合器对准的方向1806上的电场。孔1804被定位成允许第二光束分量穿过而不影响偏振状态。在此示例中，光栅耦合器1800被定向成使光束与方向1806上的电场的耦合最大化。
图13A至13D、14A、14B、15A、15B、16A、16B、17A、17B、18A和18B示出了光栅耦合器和对应的双折射孔板的各种定向的示例。光栅耦合器的定向可以取决于例如光波导路由布局。光栅耦合器可以具有不同于上述示例的定向。例如，可以基于期望的光波导布局选择光栅耦合器的定向，然后定向走离元件，使得从走离元件输出的光束分量平行于或正交于电场的方向，其中光栅耦合器具有最大耦合效率。双折射孔板被设计成使得孔被定位在光束分量不需要旋转偏振方向的位置处，以实现光栅耦合器的最大耦合效率。
图19A至19C和20A至20C展示了可以与图13B中示出的相同光纤阵列一起使用的光栅耦合器定向的示例。图19D是图19A的放大图，并且图20D是图20A的放大图。在图19D和20D中，标号“P”、“R”和“T”分别表示光学能源光纤端口、接收器光纤端口和发射器光纤端口。图19E是图19C的放大图，并且图20E是图20C的放大图。在图19E和20E中，标号“P”、“R”和“T”分别表示用于耦合光学能源光的光学能源光栅耦合器、用于耦合输入或接收光信号的接收器光栅耦合器以及用于耦合输出或发射光信号的发射器光栅耦合器。在这些示例中，一些光栅耦合器被定位于在纤芯位置之间对准的位置处，以实现更高的密度。光栅耦合器为同一类型，例如，TE光栅耦合器或TM光栅耦合器，并且光栅耦合器在同一方向上对准。图19A至20C示出了TE光栅耦合器的示例。相同的原理可以应用于具有适当调整的双折射孔板的TM光栅耦合器。
图19A至19C是光纤端口1900的布置、具有预定位置处的孔1910的双折射孔板1902和光栅耦合器1904的布置的示例的示意图。此示例假定走离元件输出具有垂直于方向1906的电场的光束。每个输入光束由走离元件***为第一光束分量和第二光束分量。第一光束分量笔直地穿过走离元件，并且第二光束分量沿走离方向1908从第一光束分量移位一定距离。第二光束分量具有方向1906上的电场。在此示例中，光栅耦合器1904被定向成使光束与方向1906上的电场的耦合最大化。因为第二光束分量的偏振已经与光栅耦合器对准，所以孔1910被定位成允许第二光束分量穿过而不改变偏振状态。图19A示出了三行12个光纤端口1900的布置。走离方向1908平行于行方向。所述光栅耦合器中的一些光栅耦合器被定位于在光纤端口1900的位置之间对准的位置处，以实现更高的密度。例如，两个相邻光栅耦合器1904之间的距离可以是一行中两个相邻纤芯之间的距离的约一半。
图20A至20C是光纤端口2000的布置、具有预定位置处的孔2010的双折射孔板2002和光栅耦合器2004的布置的示例的示意图。此示例假定走离元件输出具有平行于方向2006的电场的光束。每个输入光束由走离元件***为第一光束分量和第二光束分量。第一光束分量笔直地穿过走离元件，并且第二光束分量沿走离方向2008从第一光束分量移位一定距离。第一光束分量具有方向2006上的电场。在此示例中，光栅耦合器2004被定向成使光束与方向2006上的电场的耦合最大化。因为第一光束分量的偏振已经与光栅耦合器对准，所以孔2010被定位成允许第一光束分量穿过而不改变偏振状态。图20A示出了三行12个光纤端口的布置。走离方向2008相对于行方向成一定角度(例如，45°)。所述光栅耦合器中的一些光栅耦合器被定位于在光纤端口2000的位置之间对准的位置处，以实现更高的密度。在图20A的示例中，一行中相邻纤芯之间的距离与一列中相邻纤芯之间的距离相同。例如，两个相邻光栅耦合器2004之间的距离可以是一行中两个相邻纤芯之间的距离的约70％。
参考图21A至21D，双折射孔板可以具有各种形状中的一种或多种形状的孔。图21A是具有呈圆形形状的孔2102的双折射孔板2100的示例的示意图。图21B是具有呈正方形形状的孔2106的双折射孔板2104的示例的示意图。图21C是具有条形孔2110的双折射孔板2108的示例的示意图。在一些示例中，孔可以具有矩形形状。图21D是包括间隔开的多个单独的条状薄片2112的双折射孔板2116的一示例的示意图，其中条状薄片2112之间的空间2114形成双折射孔板2116的“孔”。在一些实施方案中，双折射孔板的孔可以具有不同形状的组合，并且这些形状可以具有任意几何结构。
通常，微光学***可以包括多个光学元件，包括用于改变光的偏振的光学双折射元件。在一些应用中，图案化双折射元件可以具有跨区域的非均匀双折射以改变由元件引起的偏振修正。一种示例是半波片(HWP)，其中穿过元件钻出通孔阵列，使得穿过通孔的光的偏振不变，而穿过半波片材料的光可能经历偏振变化。
在一些实施方案中，可以通过将双折射元件结合到微光学***中的第二元件来生成图案化双折射板，其中在通过如蚀刻、机械去除、激光切割、激光烧蚀等工艺结合之后，在双折射元件中生成图案。图案化双折射板在光穿过的平面上具有非均匀双折射，使得光的不同部分穿过具有不同双折射的图案化双折射板的不同部分。图案化双折射板可以不同地影响光的不同部分的光学性质。因此，例如，图案化双折射板可以使第一部分光的偏振旋转第一量，并且使第二部分光的偏振旋转第二量。
在双折射材料中生成具有图案的图案化双折射板的另一种方法是在不去除材料或去除最少材料的情况下改变双折射元件的双折射。一种示例是使用局部激光加热以在如晶体石英等材料中生成改变的双折射的图案。将晶体石英加热到接近其熔点可能会破坏晶体结构，从而产生无双折射的无定形结构的熔融二氧化硅。在晶体石英内产生熔融二氧化硅区域的图案化局部加热可以具有类似于在图21A至21D所示的双折射孔板中形成孔或条带的效果。在一些示例中，一个或多个粒子束，如电子束，可以激励晶体石英以改变其双折射。
图50示出了图案化双折射板5004的示例的俯视图5000和侧视图5002，其中图案化双折射元件附接到第二元件。图案化双折射板5004跨平行于图案化双折射板5004的顶表面的平面具有非均匀双折射，并且相对于通过进入图案化双折射板5004的顶侧5006(或底侧5008)并且离开底侧5008(或顶侧5006)而穿过图案化双折射板5004的光表现出非均匀双折射性质。
在一些实施方案中，光学双折射元件5010结合到第二光学元件5012，并且在光学双折射元件5010中形成图案。在一些实施方案中，首先在光学双折射元件5010中形成图案，然后将图案化光学双折射元件5010结合到第二光学元件5012。在图50所示的示例中，图案化双折射元件5010可以通过去除双折射材料来生成。这种去除可以通过多种方法来实现，包括例如机械去除、激光烧蚀和蚀刻。蚀刻可以是例如液相蚀刻(也称为湿法化学蚀刻)或等离子相蚀刻(也称为干法蚀刻)。可以例如通过在双折射材料5010与第二元件5012之间的界面处使用蚀刻停止层来控制去除过程，以防止材料从第二光学元件5012去除。例如，蚀刻停止层可以是增强双折射材料5010与第二光学元件5012之间的光透射的抗反射涂层，其中抗反射涂层也耐蚀刻。
在一些实施方案中，使用化学蚀刻工艺来去除双折射材料而不是使用机械钻孔来在双折射材料中生成开口具有以下优点：由此产生的图案化双折射元件5010是相对清洁的，而没有当使用机械钻孔来生成开口时可能出现的大量碎屑。当双折射元件5010中的图案具有小尺寸时，此有益特征是显著的。在图50所示的示例中，图案化光学双折射元件5010包括彼此平行延伸的多个双折射材料条带5014。在位于双折射材料条带5014之间的区域中，双折射材料已经被蚀刻掉。
在一些实施方案中，每个双折射材料条带5014的宽度d1基本上等于双折射材料条带5014之间的蚀刻区域5016的宽度d2。宽度d1和d2被选择成略大于穿过双折射材料条带5014和蚀刻区域5016的光束的直径。在一些示例中，宽度d1也可以不同于宽度d2。
例如，来自光纤芯的光束可以由双折射光束移位元件、走离元件、偏振敏感光栅(例如，图7和8A的753、图8B的853、图8C至8E的832、图9的904、图10A至10C、12和13A的1004、图23的2306、图24A的2408、图29的2906、图30的3008、图34A和34B的3400、图35的3512、图39的3908、图40的4002)***为第一光束分量5018(例如，类似于834或2308)和第二光束分量5020(例如，类似于836或2310)，其中第一光束分量5018和第二光束分量5020在走离方向5022上分离。走离元件可以被设计成使得在离开走离元件之后，第一光束分量5018具有正交于第二光束分量5020的偏振的偏振。走离元件将第一光束分量5018导向蚀刻区域5016，并且将第二光束分量5020导向双折射材料条带5014。双折射材料条带5014改变第二光束分量5020的偏振，而第一光束分量5018穿过蚀刻区域5016而没有任何偏振改变。图案化光学双折射元件5010的厚度可以被选择成使得图案化光学双折射元件5010在功能上等效于在蚀刻区域5016处具有开口的半波片。在此示例中，第二光束分量5020的偏振被旋转90°+n×180°，0≤n，n是整数。在穿过图案化光学双折射元件5010之后，第一光束分量5018的偏振变为平行于第二光束分量5020的偏振。
双折射光束移位元件、走离元件或偏振敏感光栅也可以用作光束组合器，以将从垂直耦合元件发射并穿过图案化光学双折射元件5010的光束分量组合成一个光束，所述一个光束被传输到对应光纤芯。
在图50的示例中，双折射材料在蚀刻区域5016中被完全蚀刻掉。在一些实施方案中，双折射材料被部分蚀刻，使得第一光束分量5018的偏振也被蚀刻区域5016中的剩余双折射材料旋转。未蚀刻的双折射材料条带5014具有更大的厚度，并且第二光束分量5020的偏振被旋转更大的量。蚀刻的深度可以被选择成使得第二光束分量5020的偏振相对于第一光束分量5018的偏振旋转90°+n×180°，0≤n，n是整数。
在一些实施方案中，来自光纤芯的光束在到达图案化光学双折射元件5010时的直径可以在49μm至999μm的范围内，并且每个双折射材料条带5014的宽度d1和蚀刻区域5016的宽度d2可以在50μm至1000μm的范围内。在一些示例中，来自光纤芯的光束在到达图案化光学双折射元件5010时的直径可以在99μm至599μm的范围内，并且每个双折射材料条带5014的宽度d1和蚀刻区域5016的宽度d2可以在100μm至600μm的范围内。在一些示例中，来自光纤芯的光束在到达图案化光学双折射元件5010时的直径可以在199μm至399μm的范围内，并且每个双折射材料条带5014的宽度d1和蚀刻区域5016的宽度d2可以在200μm至400μm的范围内。
平行的双折射材料条带5014和蚀刻区域5016的布置对应于耦合到光纤连接器的光纤的布置。例如，光纤可以布置成具有至少2行和至少8列的二维阵列。蚀刻区域可以包括至少2个平行的蚀刻区域条带。图50中所示的图案化光学双折射元件5010包括3个平行的双折射材料条带5014，并且可以用于将3行光纤的阵列耦合到光子集成电路上的垂直耦合元件的对应阵列的光纤连接器中。
在一些实施方案中，蚀刻区域可以具有基本上类似于圆形、椭圆形、三角形、正方形、矩形或具有n条边的多边形的形状，n是大于4的整数，并且该形状是沿平行于第二光学元件5012的顶表面的平面测量的。在此示例中，蚀刻区域的尺寸被选择成略大于光束的尺寸。例如，蚀刻区域中的每个蚀刻区域可以具有沿平行于走离方向的方向测量的在50μm至1000μm的范围内的尺寸。例如，蚀刻区域中的每个蚀刻区域可以具有沿平行于走离方向的方向测量的在100μm至600μm的范围内的尺寸。例如，蚀刻区域中的每个蚀刻区域可以具有沿平行于走离方向的方向测量的在20μm至400μm的范围内的尺寸。
蚀刻区域的布置对应于耦合到光纤连接器的光纤的布置。例如，光纤可以布置成具有至少2行和至少8列的二维阵列。在此示例中，蚀刻区域也可以布置成具有至少2行和至少8列的二维阵列。
蚀刻区域或双折射材料条带的尺寸仅作为示例提供。应当理解，蚀刻区域和双折射材料条带可以具有更大的尺寸，例如，当使用更大的光纤芯时，当光纤芯彼此较远地间隔开时，和/或当垂直耦合元件彼此较远地间隔开时。
图7、9、10A、11A、11B、11C、12、13A、13C、14B、15B、16B、17b、18B、19B、20B、21A-21D、23、28、29、30、35、36、38-40和49的半波片或双折射孔板可以由图案化双折射板替代，其中通过蚀刻去除双折射材料中的一些双折射材料，类似于图50的图案化双折射板5004。例如，制造光纤到PIC连接器700包括制造连接器元件250。制造连接器元件250包括制造图案化双折射板，以及将双折射板附接到另一光学元件，例如，包括准直透镜阵列551的光学元件。制造光纤到PIC连接器900包括制造连接器元件240。制造连接器元件240包括制造图案化双折射板，以及将双折射板附接到另一光学元件，例如，包括第二透镜阵列541和第三透镜阵列542的光学元件。
光纤到PIC连接器(例如，700、900)也将被称为光纤连接器，并且连接器元件(例如，240、250)也将被称为光纤连接器部件。因此，在一些实施方案中，制造光纤连接器包括通过将双折射元件附接到第二光学元件来生成图案化双折射板，并且应用去除工艺(例如，蚀刻工艺)以去除光学双折射材料在多个第一区域处的部分，使得在去除工艺之后，多个第一区域不具有光学双折射材料或具有厚度减小的光学双折射材料。制造光纤连接器进一步包括将图案化双折射板附接到另一连接器部件(例如，包括准直透镜阵列551或第二透镜阵列541和第三透镜阵列542的连接器部件)。
图51示出了图案化双折射板5104的示例的俯视图5100和侧视图5102，其中图案化光学双折射元件5110附接到第二光学元件5112。双折射板5104跨平行于双折射板5104的顶表面的平面具有非均匀双折射，并且相对于通过进入双折射板5104的顶侧5106(或底侧5108)并且离开底侧5108(或顶侧5106)而穿过双折射板5104的光表现出非均匀双折射性质。
在一些实施方案中，不具有图案的光学双折射元件5110结合到第二光学元件5112，并且在结合到第二光学元件5112之后，在光学双折射元件5110中生成图案。在一些实施方案中，在光学双折射元件5110中形成图案以产生图案化光学双折射元件5110，并且将图案化光学双折射元件5110结合到第二光学元件5112。图案是针对特定应用而选择的，在所述特定应用中，图案可以包括跨图案化光学双折射元件5110变化的光学双折射的程度和取向。
在一些实施方案中，可以通过局部加热双折射材料以改变材料性质来生成双折射图案，从而产生改变的双折射、减少的双折射或基本上没有双折射。在局部加热过程中没有去除任何材料，或者在局部加热过程中仅去除少量材料。例如，局部激光加热可以应用于晶体石英(其具有双折射性质)，以产生具有改变的双折射、低双折射或基本上没有双折射的无定形熔融二氧化硅区域。在一些示例中，将激光依次应用于各个区域，以依次产生具有较低双折射的区域。在一些示例中，将多个激光束(例如，通过使用多个激光源或将一个或多个激光光束中的每个激光光束***为多个光束)平行地应用于各个区域，以平行地产生具有较低双折射的区域。
在此，如果材料使光的偏振旋转例如小于5°或者在一些示例中小于1°，则认为所述材料基本上不具有双折射。例如，也可以使用逆过程，在所述逆过程中，非双折射材料的局部加热可以生成双折射区域。
在图51的示例中，将局部加热应用于光学双折射元件5110的第一区域5112(呈平行条带的形状)，以使第一区域5112具有减少的双折射或基本上没有双折射。在局部加热之后，光学双折射元件5110具有条状图案，所述条状图案包括与第二区域5114交替的第一区域5112，其中第一区域5112包括具有低双折射或没有双折射的平行材料条带，并且第二区域5114包括保持其双折射的双折射材料的平行条带。
在一些实施方案中，使用局部加热来减少材料的双折射而不是使用机械钻孔来在双折射材料中生成开口具有以下优点：由此产生的图案化双折射元件是相对清洁的，而没有当使用机械钻孔来生成开口时可能出现的大量碎屑。当双折射元件5110中的图案具有小尺寸时，此有益特征是显著的。在图51所示的示例中，图案化光学双折射元件5110包括彼此平行延伸的多个双折射材料条带5114。在位于双折射材料条带5114之间的区域5112中，已经应用局部加热以减少双折射，例如，基本上没有双折射。
在一些实施方案中，在第一区域5112中具有减少的双折射或没有双折射的每个材料条带的宽度d3基本上等于第二区域5114中的双折射材料条带的宽度d4。宽度d3和d4被选择成略大于穿过第一区域中的条带5112和第二区域中的条带5114的光束的直径。在一些示例中，宽度d3不同于宽度d4。
例如，来自光纤芯的光束可以通过双折射光束移位元件、走离元件或偏振敏感光栅(例如，图7和8A的753、图8B的853、图8C至8E的832、图9的904、图10A至10C、12和13A的1004、图23的2306、图24A的2408、图29的2906、图30的3008、图34A和34B的3400、图35的3512、图39的3908、图40的4002)***为第一光束分量5118(例如，类似于834或2308)和第二光束分量5120(例如，类似于836或2310)，其中第一光束分量5118和第二光束分量5120在走离方向5122上分离。走离元件可以被设计成使得在离开走离元件之后，第一光束分量5118具有正交于第二光束分量5120的偏振的偏振。走离元件将第一光束分量5118导向具有减少的双折射或基本上没有双折射的第一区域5112，并且将第二光束分量5120导向保持其双折射性质的第二区域5114。第二区域5114中的双折射材料使第二光束分量5120的偏振改变第一量，而第一光束分量5018穿过第一区域5112而没有任何偏振改变(如果第一区域5112基本上没有双折射)或偏振改变量较小(如果第一区域5112具有减少的双折射)。图案化光学双折射元件5110的厚度和经受局部加热的第一区域5112的厚度可以被选择成使得图案化光学双折射元件5110在功能上等效于在第一区域5110处具有开口的半波片。在此示例中，第二光束分量5120的偏振相对于第一光束分量5118的偏振旋转90°+n×180°，0≤n，n是整数。在穿过图案化光学双折射元件5110之后，第一光束分量5118的偏振变为平行于第二光束分量5120的偏振。
双折射光束移位元件、走离元件或偏振敏感光栅也可以用作光束组合器，以将从垂直耦合元件发射并穿过图案化光学双折射元件5110的光束分量组合成一个光束，所述一个光束被传输到对应光纤芯。
在一些实施方案中，来自光纤芯的光束在到达图案化光学双折射元件5110时可以在49μm至999μm的范围内，并且第二区域5114中的每个双折射材料条带的宽度d4和在第一区域5112中具有减少的双折射或基本上没有双折射的材料条带的宽度d3可以在50μm至1000μm的范围内。在一些示例中，来自光纤芯的光束在到达图案化光学双折射元件5110时可以在99μm至599μm的范围内，并且第二区域5114中的每个双折射材料条带的宽度d4和在第一区域5112中具有减少的双折射或基本上没有双折射的材料条带的宽度d3可以在100μm至600μm的范围内。在一些示例中，来自光纤芯的光束在到达图案化光学双折射元件5010时可以在199μm至399μm的范围内，并且第二区域5114中的每个双折射材料条带的宽度d4和在第一区域5112中具有减少的双折射或基本上没有双折射的材料条带的宽度d3可以在200μm至400μm的范围内。
第二区域5114中的平行的双折射材料条带和在第一区域5112中具有减少的双折射或基本上没有双折射的平行的材料条带的布置对应于耦合到光纤连接器的光纤的布置。例如，光纤可以布置成具有至少2行和至少8列的二维阵列。在此示例中，局部加热区域(即，第一区域5112)可以包括具有减少的双折射或基本上没有双折射的至少2个平行的材料条带。图51中所示的图案化光学双折射元件5110包括具有减少的双折射或基本上没有双折射的3个平行的材料条带，并且可以用于将3行光纤的阵列耦合到光子集成电路上的垂直耦合元件的对应阵列的光纤连接器中。
在一些实施方案中，多个局部加热区域中的每个局部加热区域可以具有基本上类似于圆形、椭圆形、三角形、正方形、矩形或具有n条边的多边形的形状，n是大于4的整数，并且该形状是沿平行于第二光学元件5112的顶表面的平面测量的。在此示例中，局部加热区域的尺寸被选择成略大于光束的尺寸。例如，局部加热区域中的每个局部加热区域可以具有沿平行于走离方向的方向测量的在50μm至1000μm的范围内的尺寸。例如，局部加热区域中的每个局部加热区域可以具有沿平行于走离方向的方向测量的在100μm至600μm的范围内的尺寸。例如，局部加热区域中的每个局部加热区域可以具有沿平行于走离方向的方向测量的在200μm至400μm的范围内的尺寸。
局部加热区域的布置对应于耦合到光纤连接器的光纤的布置。例如，光纤可以布置成具有至少2行和至少8列的二维阵列。在此示例中，局部加热区域也可以布置成具有至少2行和至少8列的二维阵列。
产生减少的双折射或基本上没有双折射的局部加热区域或条带的尺寸仅作为示例提供。应当理解，蚀刻区域和双折射材料条带可以具有更大的尺寸，例如，当使用更大的光纤芯时，当光纤芯彼此较远地间隔开时，和/或当垂直耦合元件彼此较远地间隔开时。
图7、9、10A、11A、11B、11C、12、13A、13C、14B、15B、16B、17b、18B、19B、20B、21A-21D、23、28、29、30、35、36、38-40和49的半波片或双折射孔板可以由图案化双折射板替代，其中将局部加热应用于双折射材料的一些区域以减少双折射，类似于图51的图案化双折射板5104。例如，制造光纤到PIC连接器700包括制造连接器元件250。制造连接器元件250包括制造图案化双折射板，以及将双折射板附接到另一光学元件，例如，包括准直透镜阵列551的光学元件。例如，制造光纤到PIC连接器900包括制造连接器元件240。制造连接器元件240包括制造图案化双折射板，以及将双折射板附接到另一光学元件，例如，包括第二透镜阵列541和第三透镜阵列542的光学元件。
因此，在一些实施方案中，制造光纤连接器包括将局部加热应用于双折射板以产生图案化双折射板，其中局部加热改变双折射板中的多个第一区域的双折射，以使第一区域具有不同于不接收局部加热的第二区域的双折射的双折射。制造光纤连接器进一步包括将图案化双折射板附接到另一连接器部件(例如，包括准直透镜阵列551或第二透镜阵列541和第三透镜阵列542的连接器部件)。
参考图52A至52D，在一些实施方案中，可以在双折射元件的体积内生成改变的双折射、减少的双折射或基本上为零的双折射的图案。相反的情况是可能的，其中在非双折射元件的体积内生成双折射图案。
图52A是包括改变的双折射的条形图案的图案化双折射板5200的示例的透视图。在图案化双折射板5200的体积内生成具有减少的双折射或没有双折射的材料条带5202。
在一些实施方案中，可以在双折射元件的整个厚度上生成改变的双折射图案。图52B是图案化双折射板5204的示例的侧视图，其中具有减少的双折射或没有双折射的材料条带5206从图案化双折射板5204的顶表面5208延伸到底表面5210。
在一些实施方案中，可以在双折射元件的体积内部生成改变的双折射图案。图52C是图案化双折射板5212的示例的侧视图，其中具有减少的双折射或没有双折射的材料条带5214定位在图案化双折射板5212的体积内距图案化双折射板5212的顶表面5208第一距离且距底表面5210第二距离处。
在一些实施方案中，可以在双折射元件的表面附近生成改变的双折射图案。图52D是图案化双折射板5216的示例的侧视图，其中具有减少的双折射或没有双折射的材料条带5218从图案化双折射板5216的顶表面5208延伸到距底表面5210一定距离的位置。
图52B至52D中所示的不同类型的图案可以通过将激光束以不同深度聚焦在双折射板的体积中以局部加热不同深度的双折射材料来生成。在这些示例中，局部加热区域(例如，5206、5214、5218)是图案化双折射板的整体部分，并且没有使用胶水或粘合剂来将局部加热区域结合到图案化双折射板的其它部分。
图53A和53B是示出了具有在双折射元件中生成的图案的双折射板的示例的示意图。图53A示出了具有在双折射元件中图案化的平行条带5302的双折射板5300的示例。图53B示出了具有在双折射元件中图案化的圆圈阵列5306的双折射板5304的示例。
图53C是示出了穿过包括具有零双折射的材料图案的第一区域5312的图案化双折射板5310的入射光5308的示意图。例如，入射光5308可以是单波阵面或小波束图案。当穿过非双折射图案5312时，光5314的偏振保持不变。当穿过双折射板5310的双折射材料时，光5316的偏振发生改变。
在一些实施方案中，制造光纤连接器部件(例如，图7的连接器元件250或图9的连接器元件240)的过程包括将局部加热或局部激励应用于双折射板(例如，5104)，以改变双折射板中第一区域(例如，5112)的二维图案的双折射，从而使第一区域具有不同于不接收局部加热或局部激励的第二区域(例如，5114)的双折射的双折射。所述过程包括将双折射板耦合到第二光学组件(例如，5112)以形成光纤连接器部件，所述光纤连接器部件被配置成耦合到光子集成电路上的多个光纤或多个垂直耦合元件中的至少一者，并且双折射板相对于穿过双折射板的光包括非均匀双折射性质。
例如，双折射板可以被配置成相对于穿过双折射板的第二区域的第二组光束(例如，5120)的偏振状态来改变穿过双折射板的第一区域的第一组光束(例如，5118)的偏振状态。
例如，可以将局部加热或局部激励应用于双折射板以改变双折射板中第一区域的二维阵列的双折射，从而使第一区域的阵列具有不同于不接收局部加热的第二区域的双折射的双折射，并且所述二维阵列包括至少2行和至少8列。
例如，二维阵列中的两个相邻行之间的间距可以与二维阵列中的两个相邻列之间的间距相同。
例如，光纤连接器部件可以被配置成光学地耦合到光纤的二维阵列。
例如，光纤连接器部件可以被配置成光学地耦合到光子集成电路上的垂直耦合元件的二维阵列。
例如，光纤连接器部件可以被配置成使第一组光束和第二组光束能够在光纤的二维阵列与垂直耦合元件的二维阵列之间传输。双折射板可以被配置成相对于穿过双折射板的第二区域的第二组光束的偏振状态来改变穿过双折射板的第一区域的第一组光束的偏振状态。
例如，这些第一区域中的至少一些第一区域中的每个第一区域可以具有基本上圆形形状、椭圆形形状、三角形形状、正方形形状或矩形形状。
例如，第一区域的二维图案可以包括至少2个平行的第一区域条带。将局部加热应用于双折射板可以包括应用局部加热以改变双折射板中的至少2个平行的第一区域条带的双折射，从而使所述至少2个平行的第一区域条带具有不同于不接收局部加热的第二区域的双折射的双折射。
在一些示例中，每个第一区域条带的宽度在50μm至1000μm的范围内。在一些示例中，每个第一区域条带的宽度在100μm至600μm的范围内。在一些示例中，每个第一区域条带的宽度在200μm至400μm的范围内。
例如，光纤连接器部件可以被配置成光学地耦合到光子集成电路上的多个垂直耦合元件，并且光纤连接器被配置成使第一组光束和第二组光束能够在所述多个光纤和所述多个垂直耦合元件之间传输。
例如，将局部加热或局部激励应用于双折射板可以包括将局部加热或局部激励应用于双折射板以减少第一区域处的双折射。
例如，将局部加热或局部激励应用于双折射板可以包括将局部加热或局部激励应用于双折射板以使第一区域处的双折射减少至基本上为零的双折射。
例如，将局部加热或局部激励应用于双折射板可以包括将局部加热或局部激励应用于双折射板以减少第一区域处的双折射，使得穿过第二区域的第二组光束具有相对于穿过第一区域的第一组光束的偏振旋转约90°+n×180°的偏振，0≤n，n是整数。
例如，光纤连接器部件可以包括走离元件，所述走离元件被配置成：从所述多个光纤接收多个光束，将光束***为第一光束分量和第二光束分量，第二光束分量具有正交于第一光束分量的偏振的偏振，将第一光束分量导向具有较低双折射的第一区域，并且将第二光束分量导向具有较高双折射的第二区域。
例如，将局部加热或局部激励应用于双折射板可以包括将局部加热或局部激励应用于双折射板以减少第一区域处的双折射，使得穿过第二区域的第二组光束具有相对于穿过第一区域的第一组光束的偏振旋转约90°+n×180°的偏振，0≤n，n是整数。走离元件可以被配置成使得在离开走离元件时，第一光束分量具有第一偏振，并且第二光束分量具有基本上正交于第一偏振的第二偏振。双折射板的第一区域和第二区域可以被配置成使得在穿过第一区域和第二区域之后，第一光束分量具有基本上平行于第二光束分量的偏振的偏振。
例如，走离元件可以沿走离方向分离第一光束分量和第二光束分量，第一区域中的至少一些第一区域中的每个第一区域可以具有沿平行于走离方向的方向测量的在50μm至1000μm的范围内的尺寸。
例如，第一区域中的至少一些第一区域中的每个第一区域可以具有沿平行于走离方向的方向测量的在100μm至600μm的范围内的尺寸。
例如，第一区域中的至少一些第一区域中的每个第一区域可以具有沿平行于走离方向的方向测量的在200μm至400μm的范围内的尺寸。
例如，将局部加热或局部激励应用于双折射板可以包括将局部加热或局部激励应用于双折射板以改变双折射板中第一区域的二维图案的双折射，使得双折射板被配置成以等效于改变穿过在第一区域的二维图案处具有开口的半波片的光的偏振的方式改变穿过双折射板的光的偏振。
例如，双折射板包括第一表面和第二表面。将局部加热应用于双折射板可以包括将局部加热应用于从第一表面延伸到第二表面的第一区域。参见图52B中的双折射板5204的示例。
例如，双折射板包括第一表面和第二表面。将局部加热或局部激励应用于双折射板可以包括将局部加热或局部激励应用于定位在双折射板内并且与第一表面间隔第一距离且与第二表面间隔第二距离的第一区域。参见图52C中的双折射板5212的示例。
例如，双折射板包括第一表面和第二表面。将局部加热或局部激励应用于双折射板可以包括将局部加热或局部激励应用于从第一表面延伸到双折射板内部的位置的第一区域，第一区域与第二表面间隔一定距离。参见图52D中的双折射板5216的示例。
例如，一个或多个激光束可以用于应用局部加热。
例如，一个或多个粒子束可以用于应用局部激励。
在光纤连接器部件的制造期间，光纤连接器中的各种光学组件需要被适当地对准，以确保来自光纤的光束可以适当地传输到光子集成电路上的垂直耦合元件。例如，为了制造连接器元件250，准直透镜阵列551需要与偏振分集组件757对准。对准光学组件需要时间，因此优选以减少对准光学组件所花费时间的方式制造光纤连接器部件。
在一些实施方案中，用于制造多个光纤连接器部件的过程包括将多个光学组件平行地对准并结合以形成组件，然后切割组件以单体化(singulate)单独的光纤连接器部件。例如，将具有多个未单体化的第一光学组件的第一衬底与具有多个未单体化的第二光学组件的第二衬底对准并结合，以形成包括第一衬底和第二衬底的组件。然后，切割组件以单体化包括第一光学组件和第二光学组件的单独的光纤连接器部件。
在一些实施方案中，用于制造光纤连接器部件的过程包括：提供具有多个未单体化的透镜阵列的第一模块；以及提供具有多个未单体化的图案化双折射板的第二模块。每个图案化双折射板包括双折射材料，图案化双折射板包括多个第一区域，与多个第二区域相比，所述多个第一区域具有减少的双折射或没有双折射。所述过程包括将第一模块中的所述多个未单体化的透镜阵列与第二模块中的所述多个未单体化的图案化双折射板对准；将第一模块结合到第二模块以形成第一组件；以及切割第一组件，以单体化第一模块和第二模块，从而产生多个光纤连接器部件。每个光纤连接器部件包括单体化的双折射板和单体化的透镜阵列。
在一些实施方案中，使用上文所描述的类似原理，图案化双折射板可以被配置成等效于具有孔的四分之一波片。
在一些实施方案中，光栅耦合器的阵列可以包括用于在纤芯与光子集成电路之间耦合光信号的光栅耦合器的第一子集，以及不用于在纤芯与光子集成电路之间耦合光信号的光栅耦合器的第二子集。光栅耦合器的第二子集可以用于对准目的。
参考图22，光栅耦合器2200的阵列包括用于耦合输出或发射光信号的发射-光栅耦合器2202(由标号“T”表示)、用于耦合输入或接收光信号的接收-光栅耦合器2204(由标号“R”表示)以及用于耦合光学能源光的光学能源-光栅耦合器2206(由标号“P”表示)。此示例假定走离方向2208。光栅耦合器2200的阵列包括未使用的发射-光栅耦合器，例如，2210a和2210b，所述未使用的发射-光栅耦合器可以通过波导(例如，2212)连接以实现组装期间的主动对准。术语“未使用的发射-光栅耦合器”是指不用于在光纤与光子集成电路之间耦合光信号的光栅耦合器。例如，“未使用的发射-光栅耦合器”被定位成与另一个发射-光栅耦合器相邻，其中未使用的发射-光栅耦合器沿走离方向从第二发射-光栅耦合器移位。
光子集成电路可以被设计成使得光信号从光子集成电路输出到光栅耦合器2210a，并且光电检测器检测从光栅耦合器2210b接收到的光。在光子集成电路与光纤到PIC连接器的组装期间，监测从光栅耦合器2210b接收到的光以优化光纤到PIC连接器与光子集成电路的对准，例如，通过找到光子集成电路与光纤到PIC连接器之间的对准，所述对准实现从光子集成电路的光输出端口到光栅耦合器2210a以及从光栅耦合器2210b到光电检测器的最高光传输效率。
通过将光栅耦合器阵列内的未使用的发射-光栅耦合器用于对准目的，无需增加光栅耦合器阵列的总覆盖区。可以保持光栅耦合器的阵列的几何尺寸。在图22的示例中，光栅耦合器的阵列占据总矩形覆盖区。为了提供用于对准目的的光栅耦合器，阵列的几何尺寸不需要延伸超过矩形覆盖区。
硅光子集成电路可以在其能够处理的光功率方面具有限制(例如，软限制)。过量的光功率可能导致非线性过量波导损耗。光子集成电路上的光功率保持在特定值以下，以避免过量的非线性波导损耗。纤芯可以传送光学能源光，所述光学能源光的功率大于可以由光子集成电路适当处理的功率。光学能源分光器可以将来自纤芯的光学能源光***为两个或更多个光学能源光束，使得每个光学能源光束具有适于光子集成电路的功率电平。
参考图23，在一些实施方案中，光纤到PIC连接器2300包括被配置成从偏振保持光纤(PMF)2304接收光学能源光2302的光学能源光纤端口，所述PMF的轴相对于走离元件2306的走离轴成45°对准。走离元件2306使来自光纤2304的光的一半行进到多个走离路径中的每个走离路径，从而产生第一光学能源光束2308和第二光学能源光束2310。第一光学能源光束2308通过第一光栅耦合器2312耦合到光子集成电路2316，并且第二光学能源光束2310通过第二光栅耦合器2314耦合到光子集成电路2316。每个光栅耦合器稳定地接收由偏振保持光纤2304传送的功率的一半。这样，偏振保持光纤2304可以传送光学能源光，所述光学能源光的功率是可以由光子集成电路2316适当处理的功率量的两倍。
参考图24A至24C，在一些实施方案中，可以将来自偏振保持光纤2304的光学能源光束***为四个光束，以允许偏振保持光纤2304传送光学能源光，所述光学能源光的功率是可以由光子集成电路2316适当处理的功率量的四倍。
图24A是光纤到PIC连接器2400的侧视图，所述光纤到PIC连接器包括被配置成从偏振保持光纤(PMF)2304接收光学能源光束2402的光学能源光纤端口，所述PMF的轴相对于第一走离元件2408的走离轴成45°对准。第一走离元件2408使来自光纤2304的光的一半行进到多个走离路径中的每个走离路径，从而产生光束1(2404)和光束2(2406)。四分之一波片2426将线性偏振光束1和光束2变成圆偏振光束。第二走离元件2410执行光束1和2的第二偏振***。因此，光束1被***为光束1a和光束1b，而光束2被***为光束2a和光束2b。这导致1:4功率***。第二走离元件2410相对于第一走离元件2408以角度θ(例如，90°)旋转，使得第二走离元件2410的走离方向相对于第一走离元件2408的走离方向成角度θ。后续的双折射孔板使所述光束中的一些光束的偏振旋转，以确保所有光束的偏振方向与光栅耦合器适当对准。
图24B是光纤到PIC连接器2400的第二侧视图。第二侧视图是从右侧看到的图24A的第一侧视图。如图24B所示，第二走离元件2410使来自光束1(2404)的光的一半行进到多个走离路径中的每个走离路径，从而产生第一光束1a和第二光束1b。第二走离元件2410使来自光束2(2406)的光的一半行进到多个走离路径中的每个走离路径，从而产生第三光束2a和第四光束2b。半波片2412使第二光束1b和第四光束2b旋转，使得第一光束1a、第二光束1b、第三光束2a和第四光束2b具有相同的偏振方向。
图24C是示出了从偏振保持光纤(PMF)2304接收到的光学能源光2402的位置2414的示意图。第一走离元件2408使光束2(2406)在第一走离中被移位到位置2418。光束1保持在与光学能源光2402相同的位置2414处。第二走离元件2410使光束1b在第二走离2420中被移位到位置2422。光束1a保持在与光束1(2402)相同的位置2414处。第二走离元件2410使光束2b在第二走离2420中被移位到位置2424。光束2a保持在与光束2(2406)相同的位置2418处。
光束1a、1b、2a、2b通过四个光栅耦合器耦合到光子集成电路。每个光栅耦合器稳定地接收由偏振保持光纤2304传送的功率的四分之一。这样，偏振保持光纤2304可以传送光学能源光，所述光学能源光的功率是可以由光子集成电路适当处理的功率量的四倍。
在一些示例中，代替使用四分之一波片2426，第二走离元件2410可以相对于第一走离元件2408成45°对准，以实现相同的***效果。
在一些实施方案中，第三走离元件用于将四个光束1a、1b、2a、2b***为八个光束。这允许偏振保持光纤2304传送光学能源光，所述光学能源光的功率是可以由光子集成电路适当处理的功率量的八倍。
可以使用另外的走离元件来进一步***光束，以允许偏振保持光纤2304传送具有更大功率，如功率为可以由光子集成电路适当处理的功率量的16、32、64、128倍或更大倍数的光学能源光。
参考图25，将光学能源耦合到光子集成电路可能需要仔细的偏振对准，因为光子集成电路上的调制器可能是偏振敏感的，即，仅有效地调制光的一个固定线性偏振。激光器2500可以发射线性偏振光，并且线性偏振保持光纤(LPMF)2502可以用于将外部光学能源2500连接到光子集成电路2504。
参考图26，如果需要多于一个能源输入，可以将LPMF 2502相对于偏振分束器(PBS)2600定向成45度，由此在PBS2600处实现光学能源的1:2光学功率***。在此示例中，相等的功率***可能需要LPMF 2502在激光器2500和PBS2600处的准确角度对准，这可能增加封装组件的成本。
在一些实施方案中，圆偏振光纤可以用作用于光学能源的分配光纤。参考图27，四分之一波片2700设置在激光器2500处，以将激光器输出的偏振状态从线性改变为圆形。圆偏振保持光纤(CPMF)2702将圆偏振光从四分之一波片2700传输到偏振分束器2600。由于圆偏振是两个线性偏振的叠加，因此PBS2600仍然执行1:2功率***。这种设计的优点在于，CPMF 2702可以以任何旋转角度安装到激光器2500和PBS2600，从而降低对准或封装成本。这种通用架构也适用于其它偏振***接口，包括2D光栅耦合器。
例如，圆偏振保持光纤2702可以由通过在拉制期间旋转偏振保持预成型件而生成的旋转双折射光纤制成。光纤被设计成保持圆偏振：如果输入光是右旋圆偏振的，则输出光也将是右旋圆偏振的；并且如果输入光是左旋圆偏振的，则输出光也将是左旋圆偏振的。圆偏振可以被视为两个线性偏振的叠加，其中在所述两个线性偏振之间具有定义的相位角(例如，90°)。圆偏振保持光纤2702在两个线性偏振沿光纤行进时保持这两个线性偏振之间的相位角(例如，90°)差。
参考图28，光纤到PIC连接器2800(与图23的连接器2300相同)从圆偏振保持光纤2802接收光学能源光。CPMF光纤2802可以以任何随机角度相对于走离晶体附接，以执行所指示的功率***。
上文针对图27和28的示例所描述的技术也可以用于在边缘耦合接口的输入处执行偏振***。
图29示出了WDM复用器2900的示意图。在此示例中，WDM复用器2900可以复用4个波长。相同原理可以用于设计可以复用N个波长的WDM复用器，其中N是大于4的整数。例如，WDM复用器2900可以如下操作。四个光栅耦合器2902发射处于不同的光波长(WL)且全部处于相同偏振的4个信号。双折射孔板2904使4个WL中的2个，例如WL2和WL4旋转。图2912示出了在穿过双折射孔板2904之后的WL1、WL2、WL3和WL4的偏振方向。第一走离元件2906将两种偏振组合(来自上述实施例中的偏振分离的反相操作)。以红色示出的波片2908是高阶(相对较厚)波片，其厚度被设计成使得：
●不改变WL1的偏振(“WL1处的全波片”)；
●使WL2的偏振旋转90度(“WL2处的半波片”)；
●使WL3的偏振旋转90度(“WL2处的半波片”)；以及
●不改变WL4的偏振(“WL4处的全波片”)。
图2914示出了在穿过波片2908之后的WL1、WL2、WL3和WL4的偏振方向。第二走离元件2910将(a)一种偏振的WL1+WL2处的光束和(b)正交偏振的WL3+WL4处的光束组合。第二走离元件2910的厚度为第一走离元件2906的厚度的约两倍，因为由第二走离元件2910组合的两个光束之间的移位为由第一走离元件2904组合的两个光束之间的移位的约两倍。
图30是包括石英半波片3002和钒酸钇(YVO4)波片3006的WDM复用器3000的示例的示意图。
参考图31A，表3100示出了200GBASE-FR4波分复用通道分配。参考图31B，表3102示出了200GBASE-LR4波分复用通道分配。这些通道提供800GHz间距和368GHz窗口。表3100和3102中的通道L0、L1、L2和L3的中心波长可以与图29和30中的波长WL1、WL2、WL3和WL4相对应。
参考图32，表3200示出了400GBASE-FR8波分复用通道分配。表3200中的八个通道的中心波长可以用于WDM复用器，所述复用器具有复用八个不同波长的三个走离元件。
上文所描述的光纤到PIC连接器可以被定向成使得光轴平行或垂直于(或以任何其它角度)光子集成电路的顶表面。光纤到PIC连接器的光轴是指走离元件和双折射孔板的光轴。
图33A是光电子装置3300的示例的俯视图。图33B是光电子装置3300的第一配置的侧视图，其中光纤到PIC连接器具有平行于光子集成电路3304的顶表面的光轴。透镜阵列3308耦合在垂直于PIC 3304的顶表面的方向上传播的光束，并且转向镜3306改变光束的传播方向。双折射孔板3310附接到转向镜3306。走离晶体3312附接到双折射孔板3310。透镜阵列3314附接到走离晶体3312。光纤阵列3316光学地耦合到透镜阵列3314。
图33C是光电子装置3300的第二配置的侧视图，其中光纤到PIC连接器3310具有垂直于光子集成电路3304的顶表面的光轴。走离元件输出在垂直于PIC 3304的顶表面的方向上传播的光束。转向镜3312改变光束的传播方向。在图33A至33C的示例中，转向镜(例如，3306、3312)改变光束的方向以实现水平光纤附接，即，在附接位置处，光纤平行于光子集成电路的顶表面延伸。
图34A是将光纤3402光学地耦合到PIC 3404的光纤到PIC连接器3400的侧视图。光纤到PIC连接器3400实现光信号的边缘耦合。
图34B是将光纤3402光学地耦合到PIC 3404的光纤到PIC连接器3400的俯视图。光纤到PIC连接器3400使得光信号能够边缘耦合到PIC上的波导3406。
在一些实施方案中，光纤到PIC连接器可以包括基于滤波器的WDM解复用器和/或复用器。这种光纤到PIC连接器可以将单行N个光纤转换到Nx2M光栅耦合器阵列，其中M是所使用的波长的数量。
光纤到PIC连接器可以包括波分复用器和/或解复用器。图35是从光纤3502接收波分复用(WDM)光信号或向光纤3502发射WDM光信号的光纤到PIC连接器3500的示例的侧视图。在此示例中，光纤3502中的WDM信号包括四个波长WL1、WL2、WL3和WL4。尽管图35的侧视图示出了一个光纤3502，但应当理解，在所示的光纤后面有更多的光纤交错排列。
第一滤波器3504允许具有波长WL1的光信号通过，并且反射具有波长WL2、WL3和WL4的光信号。第二滤波器3506反射具有波长WL2的光信号，并且允许具有波长WL3和WL4的光信号通过。第三滤波器3508反射具有波长WL3的光信号，并且允许具有波长WL4的光信号通过。与波长无关的反射镜3510反射具有波长WL4的光信号。
当光纤到PIC连接器3500用作解复用器时，具有带有波长WL1、WL2、WL3和WL4(每个波长两种偏振)的分量的WDM光信号被滤波器3504、3506和3508分离成四个光信号，所述四个光信号各自具有一个波长。四个单波长光信号穿过走离元件3512和双折射孔板3514，从而产生与光栅耦合器3516适当对准的具有相同偏振状态的八个光信号。当光纤到PIC连接器3500用作复用器时，来自光栅耦合器3516的具有波长WL1、WL2、WL3和WL4的光信号穿过双折射孔板3514和走离元件3512，并且被滤波器3504、3506、3508和反射镜3510引导到光纤3502。
图36A示出了光纤端口3600的布置、双折射孔板3602和光栅耦合器3604的阵列的示例的示意图。图36B是光纤端口3600的布置的放大图。标号“P”、“R”和“T”分别表示光学能源光纤端口、接收器光纤端口和发射器光纤端口。图36C是光栅耦合器3604的阵列的放大图。标号“P”、“R”和“T”分别表示用于耦合光学能源光的光学能源光栅耦合器、用于耦合输入或接收光信号的接收器光栅耦合器以及用于耦合输出或发射光信号的发射器光栅耦合器。为了进行解复用，将来自每个光纤端口3600的WDM光信号***为具有四个不同波长的八个光信号。为了进行复用，将来自光栅耦合器3604的具有四个不同波长的八个光信号复用成WDM光信号并且被引导到光纤端口3600。
图37A是示出了从光栅耦合器到PIC上的调制器的波导路由的示例的示意图。图37B是示出了从光栅耦合器到输入和输出端口的波导路由的放大图。两行光栅耦合器3702处理具有波长WL1的光信号。接下来的两行光栅耦合器3704处理具有波长WL2的光信号。接下来的两行光栅耦合器3706处理具有波长WL3的光信号。接下来的两行光栅耦合器3708处理具有波长WL4的光信号。
第一组调制器3710处理具有波长WL1和WL2的光信号。第二组调制器3712处理具有波长WL3和WL4的光信号。每个调制器具有接收光学能源光的输入端口3714，以及用于输出发射信号的输出端口3716。在此示例中，处理波长WL1和WL2的光栅耦合器位于光栅耦合器阵列的靠近第一组调制器3710的第一侧上。处理波长WL3和WL4的光栅耦合器位于光栅耦合器阵列的靠近第二组调制器3712的第二侧上。这避免了波导的交叉并且使得更容易设计波导路由。
参考图38，在一些实施方案中，光纤到PIC连接器3800被配置成耦合到多行光纤3802。所述图示出了光纤到PIC连接器3800的侧视图，其中示出了来自两行的两个光纤3802。应当理解，在所示的光纤后面有更多的光纤交错排列。连接器3800可以将K行N个光纤(例如，光纤(a)、光纤(b))转换到Nx2MK光栅耦合器阵列，其中M表示所使用的波长的数量。在此示例中，使用M＝4个波长。
光纤到PIC连接器3800包括第一滤波器3804，第一滤波器3804允许具有波长WL1的光信号通过，并且反射具有波长WL2、WL3和WL4的光信号。第二滤波器3806反射具有波长WL2的光信号，并且允许具有波长WL3和WL4的光信号通过。第三滤波器3808反射具有波长WL3的光信号，并且允许具有波长WL4的光信号通过。与波长无关的反射镜3810反射具有波长WL4的光信号。滤波器3804、3806和3808足够大以能够处理来自两个光纤3802的光束。在此示例中，两个输入光束被***为被引导到光栅耦合器的16个光束。
图39是包括基于滤波器的波分解复用器和复用器的光纤到PIC连接器3900的示例的示意图，所述基于滤波器的波分解复用器和复用器包括具有不同分光比的宽带分光器和带通滤光器。光纤到PIC连接器3900包括第一宽带分光器，所述第一宽带分光器具有25％:75％的分光比，使得25％的光穿过分光器以形成光束3904，并且75％的光被反射以形成光束3906。光束3904穿过走离元件3908，走离元件3908将光束3904***为两个偏振光束3912a和3912b。偏振光束3912a、3912b由允许波长WL1穿过的第一带通滤光器3910过滤。
光束3906被导向具有33％:67％的分光比的第二宽带分光器3918，使得光束3906的33％被分光器3918反射以形成光束3914，并且光束3906的67％穿过分光器3918以形成光束3916。光束3914具有来自光纤3924的输入光束3922的功率的约75％×33％＝25％。光束3916具有输入光束3922的功率的约75％×67％＝50％。光束3914穿过走离元件3908，走离元件3908将光束3914***为由允许波长WL2穿过的第二带通滤光器3920过滤的两个偏振光束。
光束3916被导向具有50％:50％的分光比的第三宽带分光器3922，使得光束3916的50％被分光器3922反射以形成光束3924，并且光束3916的50％穿过分光器3922以形成光束3926。光束3924和3926中的每个光束具有输入光束3922的功率的约50％×50％＝25％。光束3924穿过走离元件3908，走离元件3908将光束3924***为由允许波长WL3穿过的第三带通滤光器3928过滤的两个偏振光束。
光束3926被导向转向镜3930，转向镜3930将光束3926的100％朝向走离元件3908反射，走离元件3908将光束3926***为由允许波长WL4穿过的第四带通滤光器3932过滤的两个偏振光束。
在一些实施方案中，带通滤光器3910、3920、3928和3932可以用于图35和38的复用器和解复用器中以降低信道间串扰。
在一些实施方案中，非互易光学元件可以用于形成隔离器。参考图40，光纤到PIC连接器4000包括隔离器，使得离开光子集成电路的光(出射，蓝色箭头)不会回溯输入(入射)光路(红色箭头)，并且因此不会耦合回到光纤中。该原理也适用于显示灰色的(greyed-out)正交偏振。
入射光束4004由走离元件4002***为具有偏振A的第一入射光束4008和具有偏振A'的第二入射光束4010。-45°旋转半波片4006使第一入射光束4008的偏振旋转以具有偏振B。第一入射光束4008然后穿过+45°法拉第旋转器4012以具有与光栅耦合器4016对准的偏振C。在图的上部处的图4014中示出了偏振方向A、B和C。
出射光束最初具有偏振C。出射光束穿过+45°法拉第旋转器4012以具有偏振B。走离元件4002将出射光束的传播方向改变成不会回溯输入(入射)光路并且因此不会耦合回到光纤4020中的光束4018。
参考图41，其类似于图10B，来自纤芯302的入射光束1008穿过准直透镜551，并且由走离晶体1004***为两个光束755a和755b(参见图10A)，所述两个光束755a和755b穿过双折射孔板1006、第二透镜541和第三透镜542，并且以入射角θ被引导到光子集成电路210上的垂直耦合元件231。在一些实施方案中，入射角θ可以在一定范围内，例如，从1°至30°、从1°至16°、或从4°至12°、或约8°，这取决于垂直耦合元件231的设计，垂直耦合元件231可以是例如垂直光栅耦合器。
在一些实施方案中，每个第三透镜542是旋转对称的球面透镜。为了以期望的入射角θ将光束(例如，755a和755b)导向光栅耦合器，纤芯302、准直透镜551、走离晶体1004、双折射孔板1006和第二透镜541相对于第三透镜542定位，使得每个光束沿平行于第三透镜542的光轴的光束路径传播，并且光束路径的中心轴与第三透镜542的光轴间隔开一定偏移距离。光栅耦合器231定位在第三透镜542的焦平面附近，并且第三透镜542的光轴穿过光栅耦合器231上光束预期聚焦的位置，即焦点。光束被第三透镜542以入射角θ向焦点折射。第三透镜542的偏移距离和焦距被选择成实现期望的入射角θ。例如，增加第三透镜542的偏移距离和/或减小焦距产生更大的入射角θ。
在上述示例中，为了实现光束的中心轴与第三透镜542的光轴之间的期望偏移，使光束的直径小于第三透镜542的直径。在传播光束以光轴为中心的光学***中，旋转对称的球面透镜形状在被布置成阵列时提供足够的面积使用。然而，在如上文所述且图41所示的离轴光束的情况下，根据光束相对于光轴的偏移，仅使用了透镜面积的一部分。在大光束偏移的情况下，仅使用透镜面积的一小部分，这限制了通过透镜阵列***传播的单独光束的密度。
稳健光学***设计的一方面涉及穿过***的光束的直径。光束直径过小会导致光束发散过快，这限制了准直光束可以在其上传播的纵向距离。例如，在1.5μm的波长下直径为100μm的光束在5mm的传播距离上产生直径约138μm的光束。因此，重要的是使准直光束足够宽，以便在不过度加宽的情况下使所述准直光束传播穿过光学***(例如，图10A、10B、12、13A的光纤到PIC连接器1000)。在密集阵列中，如图20A至20C中所示的示例中，光束直径由阵列内的相邻光束之间的距离上限定。
在一些实施方案中，为了提高面积使用，增加通过透镜阵列***传播的单独光束的密度，并且尽可能地增加光束直径，提供了一种圆形不对称或旋转不对称光学透镜阵列，其中每个旋转不对称光学透镜具有类似于被截断的常规旋转对称光学透镜的表面轮廓，使得仅实施旋转对称光学透镜的与偏移光束相交的部分。与使用常规旋转对称光学透镜阵列相比，这允许常规透镜的未使用区域可供阵列中的其它旋转不对称光学透镜使用，从而增加单独光束的密度。
以下描述了圆形不对称或旋转不对称光学透镜阵列的示例，所述圆形不对称或旋转不对称光学透镜阵列被配置成以例如在从1°至30°、从1°至16°、或从4°至12°、或约8°的范围内的入射角将入射光束阵列耦合到光子集成电路的有源层上的垂直耦合元件阵列，例如，光栅耦合器，这取决于垂直耦合元件的设计。例如，如果光栅耦合器被设计成以相对于光子集成电路的主表面的法线方向的角度θ发射光，则圆形不对称光学透镜被设计成使得入射光束以等于θ的入射角聚焦到光栅耦合器上。光栅耦合器被设计成减少光栅耦合器与耦合到光栅耦合器的光波导之间的界面处的反射量。
例如，圆形不对称光学透镜可以是自由形式的光学透镜，所述自由形式的光学透镜可以是自由形式的离轴光学透镜。圆形不对称光学透镜可以通过例如灰度光刻和后续的蚀刻或3D打印来制备。圆形不对称光学透镜可以由例如硅、玻璃或基于聚合物的材料制成。
图42示出了圆形不对称(或旋转不对称)光学透镜4200的示例的俯视图和侧视图，光学透镜4200以入射角θ将偏移光束4202聚焦到垂直耦合元件4204上。垂直耦合元件4204可以是例如垂直光栅耦合器，所述垂直光栅耦合器可以定位在圆形不对称光学透镜4200的焦平面4214附近。垂直耦合元件4204耦合到光波导4210，光波导4210将在垂直耦合元件4204处接收到的光传送到光子集成电路的其它部分。圆形不对称光学透镜4200的阵列可以用于例如光纤到PIC连接器1000中。
圆形不对称光学透镜4202相对于光轴4206是圆形不对称的或旋转不对称的。圆形不对称光学透镜4202可以被视为仅实施以虚线示出的圆形对称光学透镜4208的与偏移光束4202相交的部分。圆形对称光学透镜4208相对于光轴4206旋转对称。在图42所示的示例中，圆形不对称光学透镜4200的尺寸(沿平行于光子集成电路的主表面的方向并且在与光轴4206对准的平面上测量)略大于圆形对称透镜4208的半径。在一些实施方案中，取决于光束4202与光轴4206之间的偏移，圆形不对称光学透镜4200的尺寸可以为例如圆形对称透镜4208的直径的80％、70％、60％、50％、40％、30％或20％，或者在20％至80％的范围内的任何值。通过使用与圆形对称透镜4208相比占据更小面积的更小圆形不对称光学透镜4200，释放的空间可以被其它圆形不对称光学透镜使用，从而使更高密度的光束4202能够耦合到对应更高密度的光栅耦合器4204。
以上描述涉及圆形不对称透镜4200如何以入射角θ将光束4202聚焦到光栅耦合器4204上。相同的原理相反地操作，即，光栅耦合器4204可以以出射角θ向圆形不对称透镜4200发射光，并且圆形不对称透镜4200准直光以形成耦合到对应光纤芯(例如，302)的准直光束。
在图42的示例中，如在光束路径的方向上观察的，圆形不对称光学透镜4200具有圆形外圆周，如同从圆形对称透镜4208中切出圆形切口一样。圆形不对称光学透镜不一定具有圆形外圆周或覆盖区。圆形不对称光学透镜的外圆周或覆盖区可以是例如圆形、椭圆形、正方形、矩形、多边形或任何任意形状。每个圆形不对称光学透镜4200的圆周被设计成使得圆形不对称透镜4200可以接收尽可能多的光束4202以实现期望的信噪比，而相邻的圆形不对称光学透镜4200被尽可能密集地封装，而不会引起相邻光束之间的干扰或串扰。
在一些实施方案中，圆形不对称光学透镜4200的圆周或覆盖区对应于偏移光束4202的横截面形状。例如，如果偏移光束4202具有圆形或椭圆形横截面，则圆形不对称光学透镜4202也被设计成具有对应的圆形或椭圆形圆周或覆盖区。
圆形不对称透镜4200包括具有与圆形对称透镜4208的表面轮廓或曲率相匹配的轮廓或曲率的上表面。圆形不对称透镜4200的表面轮廓或曲率可以对应于球面透镜的曲率。圆形不对称透镜4200的表面轮廓或曲率可以对应于非球面透镜的曲率，例如，以便校正一个或多个光学像差。例如，在波分复用***中，光束4202承载多个波长，并且具有非球面表面轮廓的圆形不对称光学透镜可以被设计成校正色差，以使光栅耦合器处的耦合效率最大化。此类圆形不对称光学透镜可以使用用于产生自由形式的透镜的技术来制造。
圆形不对称透镜4200具有沿外圆周的边缘4212，边缘4212位于与光束4200相交的区域之外。边缘4212可以平行于光轴4206，相对于光轴4206以一定角度倾斜，具有阶梯形状或任意形状。
在一些实施方案中，光束4202是高斯光束，并且光束4200的面积是指强度为光束4202的峰值强度的至少一半的区域。强度小于峰值强度的一半的光束4202的边缘可以延伸到或超过圆形不对称透镜4200的圆周，因此在圆形不对称透镜4200的整个阵列的设计中考虑了边缘4212处的反射和/或折射。每个单独的圆形不对称透镜4200的几何形状和相邻的圆形不对称透镜4200之间的间隔被选择成使得光束之间的干扰和/或串扰可忽略不计。
图43是示出了圆形不对称光学透镜阵列4200的俯视图和侧视图的示意图，圆形不对称光学透镜阵列4200以与光栅耦合器4204的设计相匹配的入射角θ将光束4202向垂直光栅耦合器4204聚焦，以增加光栅耦合器4204处的耦合效率并且减少光栅耦合器4204与光波导4210之间的界面处的反射。
圆形不对称透镜4200a占据以虚线示出的常规圆形对称透镜4208的面积的一部分。圆形不对称透镜4200实施旋转对称光学透镜4208的与偏移光束4202相交的部分。释放的未使用区域被其它圆形不对称透镜4200使用。在此示例中，因为相邻的圆形不对称透镜4200b、4200c、4200d与圆形对称透镜4208的区域重叠，因此如果使用圆形对称透镜阵列4208，则难以如图43所示那样密集地封装光束4202。
在此示例中，相邻光纤芯302之间的距离为约250μm，并且两个最近的相邻圆形不对称透镜4200之间的距离为约光轴4206附近的边缘4212的阶梯高度为约14μm。走离晶体1004的走离方向位于由箭头4300表示的对角线方向上。例如，来自与圆形非对称透镜4200e对准的光纤芯302的光束被走离晶体1004***为与圆形不对称透镜4200e和圆形不对称透镜4200f对准的两个光束，所述圆形不对称透镜将这两个光束以指定入射角向两个对应光栅耦合器聚焦。
图44是示出了圆形对称光学透镜阵列4208的俯视图和侧视图的示意图，圆形对称光学透镜阵列4208以与光栅耦合器4204的设计相匹配的入射角θ将光束4202向垂直光栅耦合器4204聚焦，以增加光栅耦合器4204处的耦合效率并且减少光栅耦合器4204与光波导4210之间的界面处的反射。光束4202的直径小于圆形对称光学透镜4208的直径的一半。如果光纤到PIC连接器使用圆形对称光学透镜阵列4208，则光纤芯302之间的距离将为约450μm，并且两个最近的相邻圆形对称透镜4208之间的距离将为约图43和44的比较示出了圆形不对称透镜阵列4200的优点在于圆形不对称透镜阵列4200允许光束4202被更密集地封装而不减小光束的横截面尺寸，从而允许光纤芯302被更密集地封装，使得更多的光纤芯可以封装在给定尺寸的光纤电缆内，并且对于具有被分配用于连接到光纤电缆的有限区域(例如，前面板和/或后面板中的区域)的光学通信***能够实现更高的数据吞吐量。
当使用光栅耦合器耦合来自光子集成电路(PIC)的光或将光耦合到光子集成电路时，通常会出现离轴光束。在PIC上实现的这些装置原则上可以被设计成用于任意发射角度。然而，通常离轴设计是优选的(例如，在8度下发射)，因为这允许减少组件的反射。对于PIC的许多应用，光栅耦合器的低反射或高回波损耗是令人期望的，以便实现预期功能。
图45A是示出了使用圆形不对称光学透镜阵列4200的光纤到PIC连接器4500的示例的示意图。光纤到PIC连接器4500用于将光纤耦合到具有光栅耦合器4502的光子集成电路，光栅耦合器4502以例如在1°至30°或约8°的范围内的出射角θ发射光束。当光波信号从光波导传输到光栅耦合器4502时，反射可以更小(与图45B中所示的示例相比)。
在此示例中，类似于图43的示例，相邻光纤芯302之间的距离为约250μm，并且两个最近的相邻圆形不对称透镜4200之间的距离为约每个圆形不对称透镜4200具有直径为约160μm的圆形圆周(如在光束路径的方向上观察的)，并且圆形不对称透镜4200的几何中心(如沿光束路径的方向观察的)与光轴之间的偏移距离为约/>圆形不对称透镜4200的表面曲率的半径为约610μm。圆形不对称透镜4200与焦平面4214之间的距离为约1mm。上面列出的参数值仅仅是示例，也可以使用其它值。
图45B是示出了使用圆形对称光学透镜阵列4506的光纤到PIC连接器4504的示例的示意图。光纤到PIC连接器4504用于将光纤耦合到光子集成电路，所述光子集成电路具有垂直地(即，以出射角θ＝0)发射光束的光栅耦合器4508。当光波信号从光波导传输到光栅耦合器4508时，反射可以更大(与图45A中所示的示例相比)。
在此示例中，相邻光纤芯302之间的距离为约250μm，并且两个最近的相邻圆形对称透镜4506之间的距离为约每个圆形对称透镜4506的直径为约160μm。圆形对称透镜4506的表面曲率的半径为约610μm。圆形不对称透镜4506与焦平面4214之间的距离为约1mm。上面列出的参数值仅仅是示例，也可以使用其它值。
在一些实施方案中，光纤阵列(FA)的端面以一定角度(例如，在4°至12°或约8度的范围内)抛光，以实现高回波损耗。因此，当通过包括透镜阵列和其它光学组件的微光学组件将PIC与光纤阵列介接时，轴上设计是不太优选的。另一方面，使用常规透镜阵列实现具有相同直径的准直光束的离轴设计限制了阵列的密度。因此，圆形不对称透镜阵列(例如，4200)是能够实现密集的准直光束阵列用于从光子集成电路到光纤阵列的高回波损耗接口的解决方案。
图46A和46B示出了展示了与具有相同光束密度的常规圆形对称透镜阵列(例如，4208)的设计相比，可以是自由形式的透镜的圆形不对称透镜阵列(例如，4200)如何实现更大的光束直径d2>d1的示意图。
图46A和46B展示了与使用具有相同光束密度的常规圆形对称透镜阵列的设计相比，圆形不对称透镜阵列如何实现更大的光束直径。
图46A是示出了光纤到PIC连接器4600的示例的示意图，所述光纤到PIC连接器将光栅耦合器阵列4602耦合到光纤阵列4604，其中端面以约8度的角度被抛光。光纤到PIC连接器4600包括第一圆形不对称透镜阵列4608和第二圆形不对称透镜阵列4610。例如，除了透镜4608的凹表面面向透镜4610的凹表面之外，第一圆形不对称透镜阵列4608的表面曲率可以与第二圆形不对称透镜阵列4610的表面曲率相同。第一圆形不对称透镜阵列4608接收从光栅耦合器4602以8°的出射角发射的光4612，并且准直光4612以产生准直光束4614。第二圆形不对称透镜阵列4610将准直光束4614向光纤阵列4604的光纤芯聚焦，其中聚焦光束4616的路径相对于准直光束4614的路径成8°的角度。这样，聚焦光束4616与光纤阵列4604的光纤芯对准。准直光束4614的直径是d2。
图46B是示出了光纤到PIC连接器4620的示例的示意图，所述光纤到PIC连接器将光栅耦合器阵列4602耦合到光纤阵列4604，其中端面以约8度的角度被抛光。光纤到PIC连接器4620包括第一圆形对称透镜阵列4622和第二圆形对称透镜阵列4624。除了透镜4622的凹表面面向透镜4624的凹表面之外，第一圆形对称透镜阵列4622的表面曲率可以与第二圆形对称透镜阵列4624的表面曲率相同。第一圆形对称透镜阵列4622接收从光栅耦合器4602以8°的出射角发射的光4626，并且准直光4612以产生准直光束4628。每个光束4626仅与对应的圆形对称透镜4622的一部分相交。第二圆形对称透镜阵列4624将准直光束4628向光纤阵列4604的光纤芯聚焦，其中聚焦光束4630的路径相对于准直光束4628的路径成8°的角度。这样，聚焦光束4628与光纤阵列4604的光纤芯对准。准直光束4628的直径是d1。因为仅圆形对称透镜4622和4624的部分用于处理(例如，折射)光束4626和4628，所以与光束4614相比，光束4628的直径更小，即，d1<d2。增加的光束直径d2显著地放宽了微光学***的组装公差，从而产生改进的可制造性。
参考图47，在一些实施方案中，当PIC上以8度的角度发射的光栅耦合器阵列与以0度的角度抛光的光纤阵列介接时，圆形不对称透镜阵列可以与常规透镜阵列(圆形对称透镜阵列)组合。例如，光纤到PIC连接器4700被配置成将光栅耦合器阵列4602耦合到以0度抛光的光纤阵列4702。光纤到PIC连接器4700包括准直来自光栅耦合器4602的光的第一圆形不对称透镜阵列4608，以及将准直光束向光纤阵列4702的光纤芯聚焦的第二圆形对称透镜阵列4624。
参考图48，在一些实施方案中，圆形不对称透镜阵列的两个不同(镜像对称)版本的组件被组合以将PIC上以8度角发射的光栅耦合器阵列与以-8度的角抛光的光纤阵列介接。例如，光纤到PIC连接器4800被配置成将光栅耦合器阵列4602耦合到以-8度抛光的光纤阵列4802。光纤到PIC连接器4800包括准直来自光栅耦合器4602的光的第一圆形不对称透镜阵列4608，以及将准直光束向光纤阵列4802的光纤芯聚焦的第二圆形不对称透镜阵列4804。在此示例中，第二圆形不对称透镜阵列4804相对于第一圆形不对称透镜阵列4608是镜像对称的。
参考图49，在一些实施方案中，两个相同的圆形不对称透镜阵列用于如先前所述的智能连接器组件。在此示例中，光纤到PIC连接器4900包括准直从以8°抛光的光纤阵列4604发射的光的第二圆形不对称透镜阵列4610。光纤到PIC连接器4900包括走离晶体4902，走离晶体4902将入射的准直光束4904***为两个光束分量4906a和4906b，所述两个光束分量穿过双折射孔板4908(其可以是具有开口的半波片)，其中一个光束分量使其偏振旋转90°，使得两个光束分量4906a和4906b具有相同的偏振方向。光束分量4906a和4906b由圆形不对称透镜阵列4608以适当的入射角向光栅耦合器阵列4602聚焦。
在此示例中，仅针对更靠近光栅耦合器阵列4602的第一透镜阵列4608，需要准直光束的全密度。在面向光纤阵列4604的第二透镜阵列4610中仅使用每个第二透镜。因此，第二透镜阵列还可以被实现为常规圆形对称透镜阵列。在一些实施方案中，光纤阵列以0度抛光来实现，然后面向光纤阵列的第二透镜阵列被实现为常规圆形对称透镜阵列，如图47的示例中所示。
以下描述了使用圆偏振保持光纤(CPMF)来将光从激光器传输到调制器的示例。
参考图54，在一些实施方案中，光电子数据处理***5400包括激光器5402、第一四分之一波片5404、圆偏振保持光纤(CPMF)5406、第二四分之一波片5408、调制器5410和图中未示出的其它数据处理模块。激光器5402向调制器5410提供光学能源光。激光器5402生成线性偏振光，并且第一四分之一波片5404将线性偏振光转换成圆偏振光。
虽然图54至60中描述的示例使用一个或多个圆偏振保持光纤作为将“激光器”耦合到“调制器”的机构，但所描述的技术通常可以用于将发射线性偏振状态的任何第一装置耦合到预期接收线性偏振状态的任何第二装置。第一线性偏振装置不必是激光器，而是可以是发射线性偏振光的任何装置。第二线性偏振装置不必是调制器，而是可以是优选地接受线性偏振光的任何装置。第二线性偏振装置的示例包括：(a)铌酸锂光学调制器；(b)光子集成电路上的垂直光栅耦合器；(c)集成在光子集成电路上的调制器。例如，第一线性偏振装置可以是生成光脉冲序列的本地振荡器，并且第二线性偏振装置可以是相干光接收器。例如，第一线性偏振装置可以是单偏振光发射器，并且第二线性偏振装置可以是单偏振光接收器。
圆偏振保持光纤(CPMF)5406将圆偏振光从第一四分之一波片5404传输到第二四分之一波片5408，同时保持圆偏振光的偏振状态。第一四分之一波片5404与第二四分之一波片5408之间的区域形成旋转不变区域。在本上下文中，术语“旋转不变区域”是指包括通过光学连接彼此连接以及连接到第一四分之一波片和第二四分之一波片的一个或多个圆偏振保持光纤区段的区域。由于圆偏振保持光纤的圆偏振保持性质，这些连接不必旋转对准。第二四分之一波片5408将圆偏振光转换成被传递到调制器5410的线性偏振光。调制器5410可以是例如光子集成电路2504(图27)的一部分或任何其它光电子模块的一部分。
这种设计的优点在于，圆偏振保持光纤5406可以以任何旋转角度安装到第一四分之一波片5404和第二四分之一波片5408，从而降低对准或封装成本。只要激光器5402的线性偏振相对于第一四分之一波片5404恰当地定向，并且第二四分之一波片5408相对于调制器5410恰当地定向，则圆偏振保持光纤5406的两个端部可以随机旋转，而不影响在第二四分之一波片5408之后生成的线性偏振取向。关键的旋转对准不在光纤的端部处，而是在四分之一波片5404和5408处。因为在装置组装期间，四分之一波片5404和5408分别附接到激光器5402和调制器5410，所以这总体上可能比确保光纤在沿途的每个光纤连接器处旋转对准更方便和/或更便宜。
参考图55，在一些实施方案中，光电子数据处理***5500包括激光器阵列5502、第一单个四分之一波片5504、多个圆偏振保持光纤(CPMF)5506、第二单个四分之一波片5508、调制器阵列5510和图中未示出的其它数据处理模块。激光器阵列5502包括具有对准的偏振的多个激光器，并且可以具有相同波长或不同波长。激光器阵列5502向调制器阵列5510提供光学能源光。调制器阵列5510包括多个调制器，所述多个调制器可以设置在例如光子集成电路上。圆偏振保持光纤(CPMF)5506将来自激光器阵列5502的光被传输到调制器阵列5510，其中来自每个激光器的光通过偏振保持光纤5506之一传输到对应调制器。
第一单个四分之一波片5504覆盖所有激光器输出并且将线性偏振激光器输出转换成相应圆偏振光。圆偏振保持光纤(CPMF)5506中的每个圆偏振保持光纤将圆偏振光从第一单个四分之一波片5504传输到第二单个四分之一波片5508。第二单个四分之一波片5508将来自所有圆偏振保持光纤5506的圆偏振光转换成被传递到相应调制器的线性偏振光。第二单个四分之一波片5508可以边缘耦合或垂直地耦合到包括调制器阵列的光子集成电路。第一单个四分之一波片5504与第二单个四分之一波片5508之间的区域形成旋转不变区域。
激光器阵列5502中的激光器中的每个激光器生成线性偏振光。第一激光器生成第一线性偏振光，并且第二激光器生成第二线性偏振光。当我们说第一激光器和第二激光器具有对准的偏振时，意指第一线性偏振光的偏振方向基本上平行于第二线性偏振光的偏振方向。术语“基本上平行”旨在考虑到制造和/或组装过程中的公差。例如，在一些情况下，当两个方向之间的角度在10°以内、或5°以内或1°以内时，两个方向可以是“对准的”或“基本上平行的”。类似地，在一些情况下，当两个方向之间的角度在80°至100°的范围内、或在85°至95°的范围内、或在89°至91°的范围内时，两个方向可以是“基本上正交的”。
这种设计的优点在于，圆偏振保持光纤5506中的每个圆偏振保持光纤可以以任何旋转角度安装到第一单个四分之一波片5504和第二单个四分之一波片5508，从而降低对准或封装成本。
参考图56，在一些实施方案中，光电子数据处理***5600包括第一光子集成电路5602和第二光子集成电路5604。第一光子集成电路5602包括激光器阵列5606和第一单独的四分之一波偏振旋转器阵列5608。第二光子集成电路5604包括第二单独的四分之一波偏振旋转器阵列5610和调制器阵列5612。激光器阵列5606向调制器阵列5612提供光学能源光。
多个圆偏振保持光纤(CPMF)5614光学地耦合到第一单独的四分之一波偏振旋转器阵列5608和第二单独的四分之一波偏振旋转器阵列5610。第一单独的四分之一波偏振旋转器阵列5608与第二单独的四分之一波偏振旋转器阵列5610之间的区域形成旋转不变区域。圆偏振保持光纤5614可以边缘耦合或垂直地耦合到光子集成电路5604。激光器5606生成被第一单独的四分之一波偏振旋转器5608转换成圆偏振光的线性偏振光。圆偏振光由圆偏振保持光纤5614传输到第二单独的四分之一波偏振旋转器5610，所述第二单独的四分之一波偏振旋转器将圆偏振光转换成被传递到调制器5612的线性偏振光。
在以上示例中，激光器阵列5606和单独的四分之一波偏振旋转器阵列5608可以集成在不同于光子集成电路的衬底或模块上。类似地，单独的四分之一波偏振旋转器阵列5610和调制器阵列5612可以集成在不同于光子集成电路的衬底或模块上。
这种设计的优点在于，圆偏振保持光纤5614可以以任何旋转角度安装到第一单独的四分之一波偏振旋转器5608和第二光子集成电路5604，从而降低对准或封装成本。
以下描述了使用单个圆偏振保持光纤来将光子供应光传输到两个调制器的示例。
参考图57，在一些实施方案中，光电子数据处理***5700包括光学能源5702和光子集成电路5704，其中圆偏振保持光纤5706光学地耦合在光学能源5702与光子集成电路5704之间。光学能源5702与光子集成电路5704之间的区域形成旋转不变区域。
光学能源5702包括第一激光器5708a和第二激光器5708b。第一激光器5708a生成具有第一线性偏振的第一激光，并且第二激光器5708b生成具有第二线性偏振的第二激光。例如，第一线性偏振可以基本上正交于第二线性偏振。第一激光和第二激光在偏振分束器5710处组合以生成具有第一分量和第二分量的第一组合光5712，其中第一分量具有第一线性偏振并且第二分量具有第二线性偏振。第一四分之一波片5714将第一组合光5712转换成第二组合光5716，第二组合光5716在此示例中是圆偏振组合光。第二组合光5716包括具有第一圆偏振(例如，右旋圆偏振)的第一分量和具有第二圆偏振(如，左旋圆偏振)的第二分量。第一组合光5712的第一分量(具有第一线性偏振)被四分之一波片5714转换成第二组合光5716的第一分量(具有第一圆偏振)。第一组合光5712的第二分量(具有第二线性偏振)被四分之一波片5714转换成第二组合光5716的第二分量(具有第二圆偏振)。
光子集成电路5704包括四分之一波片5718，四分之一波片5718接收由圆偏振保持光纤5706传输的第二组合光5716并且将第二组合光5716转换成第三组合光5720。第三组合光5720包括具有第一线性偏振的第一分量和具有第二线性偏振的第二分量，其中第二线性偏振基本上正交于第一线性偏振。四分之一波片5718将第二组合光5716的第一分量(具有第一圆偏振)转换成第三组合光5720的第一分量(具有第一线性偏振)。四分之一波片5718将第二组合光5716的第二分量(具有第二圆偏振)转换成第三组合光5720的第二分量(具有第二线性偏振)。偏振分束器5722将第三组合光5720***为具有第一线性偏振的第一光和具有第二线性偏振的第二光。第一光被发送到第一调制器5724a，并且第二光被发送到第二调制器5724b。
这种设计的优点在于，圆偏振保持光纤5706可以以任何旋转角度安装到第一四分之一波片5714和第二四分之一波片5718，从而降低对准或封装成本。
参考图58，在一些实施方案中，光电子数据处理***5800包括光学能源5802和光子集成电路5806，其中圆偏振保持光纤5706光学地耦合在光学能源5802与光子集成电路5806之间。光学能源5802与光子集成电路5806之间的区域形成旋转不变区域。在光学能源5802中，四分之一波片5804定位在激光器5708a和5708b与偏振分束器5710之间。在光子集成电路5806中，四分之一波片5808定位在偏振分束器5722与调制器5724a和5724b之间。在此示例中，在光学能源5802处，来自激光器5708a和5708b的线性偏振光在被偏振分束器5710组合之前被转换成圆偏振光。在光子集成电路5806处，偏振分束器5722将来自圆偏振保持光纤5706的光***为两个圆偏振光，所述两个圆偏振光被四分之一波片5808转换成被发送到调制器5724a和5724b的两个线性偏振光。
参考图59，在一些实施方案中，光电子数据处理***5900包括光学能源5902和光子集成电路5906，其中圆偏振保持光纤5706光学地耦合在光学能源5902与光子集成电路5906之间。光学能源5902与光子集成电路5906之间的区域形成旋转不变区域。光学能源5902包括具有相同线性偏振的第一激光器5708a和第二激光器5708c，即，由第一激光器5708a生成的线性偏振光的偏振方向基本上平行于由第二激光器5708b生成的线性偏振光的偏振方向。提供偏振旋转器5904，以在偏振分束器5710处与来自第一激光器5708a的光组合之前使从第二激光器5708c输出的光的偏振旋转90°。
在光子集成电路5906处，提供偏振旋转器5908，以在将从偏振分束器输出的光之一发送到调制器5724c之前使其偏振旋转90°。调制器5724c和调制器5724a被配置成接收具有相同线性偏振的光。相比之下，在图57和58的示例中，调制器5724a和5724b被配置成接收具有不同线性偏振(例如，彼此正交的偏振)的光。
参考图60，在一些实施方案中，光电子数据处理***6000包括光学能源6002和光子集成电路6004，其中圆偏振保持光纤5706光学地耦合在光学能源6002与光子集成电路6004之间。光学能源6002与光子集成电路6004之间的区域形成旋转不变区域。在光学能源6002处，四分之一波片6006定位在偏振分束器5710的上游，并且定位在偏振旋转器5904和激光器5708a的下游。在光子集成电路6004中，偏振分束器6008定位在偏振分束器5722的下游，并且定位在偏振旋转器5908和调制器5724a的上游。
图61是将输入光纤阵列耦合到光子集成电路的光纤到PIC连接器6100的示例的侧视图。光纤到PIC连接器6100实现水平光纤附接，即，在附接位置处，光纤平行于光子集成电路的顶表面延伸。该图示出了使用用于耦合到输入光纤阵列的硅透镜阵列的设计的光线追踪模拟。光纤到PIC连接器6100使入射光束能够以使垂直耦合元件的耦合效率最大化的入射角θ1被引导到光子集成电路上的垂直耦合元件处。入射角θ1可以在一定范围内，例如，从1°至30°、从1°至16°或从4°至12°、或约8°，这取决于垂直耦合元件的设计。垂直耦合元件可以是例如垂直光栅耦合器。光纤到PIC连接器6100还使出射光束能够以角度θ1从垂直耦合元件发射并且被耦合到输入光纤阵列的水平定向的光纤。
在一些实施方案中，光纤到PIC连接器6100包括具有透镜阵列6104的第一透镜阵列6102、双折射光束移位元件(或走离元件)6106、双折射孔板6108、具有反射表面6124的转向镜6110和第二透镜阵列6112。第一透镜阵列6102可以由例如硅制成。阵列6102中的每个透镜由具有不同折射率的另一种材料的弯曲界面形成。输入光纤阵列6128以例如0°入射角垂直地耦合到第一透镜阵列6102。转向镜6110可以是例如玻璃棱镜块。
来自光纤阵列6128的输入光纤的光束6116被第一透镜阵列6102中的对应透镜6104准直。使用例如光学粘合剂将第一透镜阵列6102附接到双折射光束移位元件6106。双折射光束移位元件6106将准直光束分离成具有第一偏振的第一光束分量6118和具有第二偏振的第二光束分量1028。例如，第二偏振可以相对于第一偏振旋转90°。双折射光束移位元件6106可以由例如适当定向的方解石、钒酸钇(YVO4)或a-BBO的双折射材料制成。双折射光束移位元件6106将第二光束分量6120与第一光束分量6118分离走离距离。
在一些实施方案中，双折射孔板6108可以包括具有双折射材料的区域和具有开口的区域(或不具有双折射材料的区域)，类似于双折射孔板1006(图13C)、1402(图14B)、1502(图15B)、1602(图16B)、1702(图17B)、1802(图18B)、1902(图19B)、2002(图20B)、2100(图21A)、2104(图21B)、2108(图21C)、2116(图21D)或3602(图36)。在一些实施方案中，双折射孔板6108可以包括具有双折射材料的区域和具有非双折射光学透明材料的区域，类似于图案化双折射板5004(图50)或5104(图51)。
第一光束分量6118穿过双折射孔板6108中的开口或非双折射光学透明材料并且保持其偏振。第二光束分量6120穿过双折射孔板6108的双折射材料，这使得其偏振旋转90°并且具有平行于第一光束分量6118的偏振。
反射表面6124相对于光子集成电路6134的主表面的平面成角度θ2。转向镜6110将第一光束分量6118和第二光束分量6120重新导向光子集成电路6134。角度θ2也被称为转向镜角度。第一光束分量6118和第二光束分量6120穿过第二透镜阵列6112的对应透镜，所述对应透镜以入射角θ1将第一光束分量6118和第二光束分量6120向对应光栅耦合器6122(图中仅示出一个)聚焦。例如，θ2＝41.2°，并且θ1＝8°。取决于光栅耦合器6122的设计，角度θ1和θ2也可以是其它值，以便使光栅耦合器6122的耦合效率最大化。
例如，第二透镜阵列6112可以由玻璃制成。第二透镜阵列6112附接到转向镜6110的玻璃棱镜块的下表面6126。下表面6126与光栅耦合器6122相距距离f1，其中f1大约等于第二透镜阵列6112中的透镜的焦距。例如，转向镜6110包括限定胶袋6132的一个或多个支撑部分6132，并且通过在胶袋6132内部应用胶来将转向镜6110固定到光子集成电路6134。
输入光纤阵列6128可以包括输入光纤的二维布置(例如，二维阵列)。第一透镜阵列6102可以具有与输入光纤阵列6128中的光纤的二维布置相对应的透镜6104的二维布置。光子集成电路可以具有光栅耦合器的二维布置(例如，二维阵列)。光纤到PIC连接器6100将来自输入光纤阵列6128中的光纤中的至少一些光纤的光束耦合到光子集成电路6134上的光栅耦合器6122中的至少一些光栅耦合器。
第一透镜阵列6102、双折射光束移位元件6106和转向镜6110的尺寸取决于例如输入光纤阵列6128的尺寸、光栅耦合器6122所占据的面积的尺寸以及光栅耦合器6122之间的间距。第一透镜阵列6102的厚度为t1，并且双折射光束移位元件6106的厚度为t2。例如，t1可以为约1.4mm，并且t2可以为约1.8mm。例如，气隙f1可以为约0.4mm。增加t1将增加准直光束分量6118和6120的直径。增加t2将增加第一光束分量6118与第二光束分量6120之间的走离距离。接收第一光束分量6118和第二光束分量6120的一对光栅耦合器之间的距离为d1。较大的d1对应于较大的t2，并且相反地，较小的d1对应与较小的t2。
为了便于说明，在图61的示例中，输入光纤在输入光纤耦合到第一透镜阵列6102的位置处沿z方向延伸。例如，输入光纤阵列6128包括光纤的行和列，其中行方向沿x方向延伸，并且列方向沿y方向延伸。输入光纤阵列6128在y方向上的尺寸为w1，其可以为例如2.75mm。距离w1是指定位在顶行的输入光纤的纤芯的光轴与定位在底行的输入光纤的纤芯的光轴之间的距离。输入光纤阵列6128具有沿平行于x-y平面的平面测量的覆盖区。光栅耦合器具有沿光子集成电路6134的顶表面测量的覆盖区，其中顶表面平行于x-z平面。例如，输入光纤阵列6128在y方向上的覆盖区的尺寸大致对应于光栅耦合器在z方向上的覆盖区的尺寸，并且输入光纤阵列6128在x方向上的覆盖区的尺寸大致对应于光栅耦合器在x方向上的覆盖区的尺寸。
在图61的示例中，转向镜角度(例如，41.2°)被优化使得光束相对于第二透镜阵列6112的透镜的光轴以非零角度传播，从而使得光束以例如8°的优化角度耦合到光子集成电路6134上的光栅耦合器6122。与使用离轴光束与常规透镜的组合相比，这允许更大的光束直径。双折射光束移位元件6106可以被放置在光束的传播路径中的不同位置处。在一些实施方案中，转向镜6110和第二透镜阵列6112由单个玻璃块或硅块制成。在一些示例中，第二透镜阵列6112与转向镜6110分开制造并且附接到转向镜6110。
图62示出了耦合在输入光纤阵列6128与光子集成电路6134之间的光纤到PIC连接器6100。该图示出了来自第一输入光纤6204的第一输入光束6202和来自第二输入光纤6208的第二输入光束6206的传播路径。第一输入光纤6204和第二输入光纤6208是输入光纤阵列6128的一部分。第一输入光束6202被分离成耦合到第一对光栅耦合器6212的两个光束分量。第二输入光束6206被分离成耦合到第二对光栅耦合器6214的两个光束分量。在相反方向上，从第一对光栅耦合器6212输出的光束耦合到第一输入光纤6204，并且从第二对光栅耦合器6214输出的光束耦合到第二输入光纤6208。
图63示出了耦合到光子集成电路6134的光纤到PIC连接器6300的示例。光纤到PIC连接器6300包括具有玻璃透镜6304的二维布置(例如，二维阵列)的第一透镜阵列6302。光纤到PIC连接器6300包括双折射光束移位元件(或走离元件)6106、双折射孔板6108、转向镜6110和第二透镜阵列6112，类似于光纤到PIC连接器6100的那些。在第一透镜阵列6104与双折射光束移位元件6106之间设置气隙6306。使用例如光学粘合剂通过在第一透镜阵列6104的边缘处的耦合元件6308将第一透镜阵列6104附接到双折射光束移位元件6106。第一透镜阵列6104的厚度为t3，其中t3可以为例如0.6mm。
该图示出了来自第一输入光纤6204的第一输入光束6202和来自第二输入光纤6208的第二输入光束6206的传播路径。第一输入光纤6204和第二输入光纤6208是输入光纤阵列6128的一部分。第一输入光束6202被分离成耦合到第一对光栅耦合器6212的两个光束分量。第二输入光束6206被分离成耦合到第二对光栅耦合器6214的两个光束分量。在相反方向上，从第一对光栅耦合器6212输出的光束耦合到第一输入光纤6204，并且从第二对光栅耦合器6214输出的光束耦合到第二输入光纤6208。
比较图62和63中所示的示例，光纤到PIC连接器6100中的硅透镜的一个优点在于，由于硅的高折射率，可以在透镜的正上方使用胶。因为玻璃和胶可以具有类似的折射率，所以为玻璃透镜提供气隙以保持透镜性能。玻璃透镜可以具有其它优点，例如，因为玻璃透镜对可见光透明，所以组装变得更容易。第一透镜阵列6102包括形成在硅块上的小硅透镜阵列，并且第一透镜阵列6302包括形成在玻璃块上的小玻璃透镜阵列。图62和63中所示的硅块和玻璃块由于具有不同折射率的材料中的不同光路长度而具有不同厚度。这些图中的尺寸被选择成使得光学组件具有大约1:1的放大率，以用于将光纤模式成像到光子集成电路上的光栅耦合器。
图64示出了耦合在输入光纤阵列6128与光子集成电路6134之间的光纤到PIC连接器6400的示例。光纤到PIC连接器6400包括第一透镜阵列6302、转向镜6110、双折射光束移位元件6402、双折射孔板6426和第二透镜阵列6404。在此示例中，第一透镜阵列6302耦合到转向镜6110的第一面6406。转向镜6110的第二面6408耦合到双折射光束移位元件6402的第一面6422。在第一透镜阵列6302的透镜与双折射光束移位元件6402的第一面6406之间设置气隙6420。双折射光束移位元件6402具有耦合到双折射孔板6426的第二面6424。双折射孔板6426定位在双折射光束移位元件6402的第二面6424与第二透镜阵列6404之间。双折射孔板6426可以包括具有双折射材料的区域，以及具有开口的区域(或者没有双折射材料的区域或具有非双折射光学透明材料的区域)，类似于图61至63的双折射孔板6108。
在双折射孔板6426与第二透镜阵列6404的透镜之间设置气隙6418。例如，第二透镜阵列6404包括形成在玻璃块上的玻璃透镜阵列。玻璃块的厚度为t4，其可以为例如0.6mm。例如，用于第一透镜阵列6302的玻璃块的厚度与用于第二透镜阵列6404的玻璃块的厚度可以基本上相同。
例如，来自第一输入光纤6204的第一输入光束6202被转向镜6110重新导向双折射光束移位元件6402，双折射光束移位元件6402将第一输入光束6202分离成第一光束分量6410和第二光束分量6412。在穿过双折射光束移位元件6402之后，第二光束分量6412具有相对于第一光束分量6410的偏振为例如90°的偏振。双折射孔板6426使第二光束分量6412的偏振旋转90°。在穿过双折射孔板6426之后，第一光束分量6410和第二光束分量6412具有平行偏振。第二透镜阵列6404中的对应透镜将第一光束分量6410和第二光束分量6412以例如8°的入射角聚焦到第一对光栅耦合器6212。来自第二输入光纤6208的第二输入光束6206被转向镜6110重新导向双折射光束移位元件6402，双折射光束移位元件6402将第二输入光束6206分离成具有例如正交偏振的第一光束分量6414和第二光束分量6416。在穿过双折射孔板6426之后，第一光束分量6414和第二光束分量6416具有平行偏振。第二透镜阵列6404中的对应透镜将第一光束分量6414和第二光束分量6416以例如8°的入射角聚焦到第二对光栅耦合器6214。从第一对光栅耦合器6212输出的光束耦合到第一输入光纤6204，并且从第二对光栅耦合器6214输出的光束耦合到第二输入光纤6208。
以下描述了一种用于将光纤阵列与光子集成电路准确对准以提高光纤阵列与光子集成电路之间的光耦合效率的机制。使用了一种新型组装方法，其中最终的关键对准和结合是使用结合到光学子组件堆叠的套圈框架(ferrule frame)来主动执行的。套圈框架是作为光纤阵列的连接接口的高精度组件。
图65示出了共同封装的光学模块6500的示例，共同封装的光学模块6500可以是光电子装置或***的一部分，例如，通信装置1011至1016中的任何一者。共同封装的光学模块6500包括光子集成电路6502，光子集成电路6502具有沿光子集成电路6502的主表面6506设置的垂直耦合元件6504。共同封装的光学模块6500包括用于将来自光纤阵列6510的光耦合到光子集成电路6502的光纤到光子集成电路光学子组件6508。该图示出了单个垂直耦合元件6504与光纤6510中的单个纤芯6532之间的单个光束的光路。可以有多个纤芯6532和多个垂直耦合元件6504。所述多个纤芯和/或所述多个垂直耦合元件可以布置在1D阵列或2D阵列中。
在此示例中，光学子组件6508包括第一透镜阵列6512、光束移位器6514、半波片6516和第二透镜阵列6518。该图示出了第一透镜阵列6512中的透镜之一和第二透镜阵列6518中的透镜之一。
对该布置在1550nm和1310nm信号波长下的耦合性能的模拟显示，当组件被准确定位时，例如以亚微米准确度定位时，可以实现低损耗。对于光纤和光学子组件的不同配置，可能需要不同的对准准确度。可以使用主动和被动对准方法的组合来实现所需的对准准确度。
参考图66，该图的左侧部分示出了共同封装的光学模块6500的侧视图，共同封装的光学模块6500可以实现光纤阵列6510与垂直耦合元件6504(包括例如图中所示的6504a和6504b)之间的低耦合损耗。图的右侧部分示出了共同封装的光学模块6500的每个组件的俯视图，按光学子组件中的位置顺序显示。例如，垂直耦合元件6504可以是光栅耦合器。该图示出了可以使用的许多堆叠布置之一，其中不同的堆叠布置可以根据应用程序而具有不同的堆叠组件。
在一些实施例中，光子集成电路6502可以类似于图12的光子集成电路210，并且垂直耦合元件6504可以类似于垂直耦合元件231。每个垂直耦合元件6504可以包括例如单偏振垂直光栅耦合器、转向镜、偏振分集垂直光栅耦合器、垂直腔表面发射激光器、表面法线调制器、光电二极管或以上的任何组合。第二透镜阵列6518可以包括透镜阵列6524。例如，第二透镜阵列6518可以类似于透镜阵列541、透镜阵列542或透镜阵列541与透镜阵列542的组合。半波片6516可以类似于双折射孔板1006。例如，半波片6516可以由具有孔6526的双折射材料制成，所述孔填充有非双折射介质，如空气、环氧树脂等。穿过双折射材料的光改变偏振状态，而穿过孔的光不改变偏振状态。光束移位器6514可以类似于走离晶体1004，走离晶体1004将入射光束***为对应的一对出射光束，所述对应的一对出射光束包括入射光束的两个正交偏振状态的相应光。第一透镜阵列6512可以具有透镜6528的阵列，透镜6528可以类似于透镜551。光纤阵列6510可以包括纤芯6530的阵列，纤芯6530可以类似于芯302和/或1034。
在一些实施方案中，来自纤芯6530的光束6520被第一透镜阵列6512中的透镜投射到光束移位器6514，光束移位器6514将光束***为具有“x”偏振的第一光束分量6522a和具有“y”偏振的第二光束分量6522b，类似于图12中所示的示例。例如，“x”偏振可以是TE偏振，并且“y”偏振可以是TM偏振。光栅耦合器6504a和6504b将第一光束分量6522a和第二光束分量6522b耦合到光子集成电路6502。在垂直耦合元件6504包括单偏振垂直光栅耦合器的示例中，半波片6516可以具有空间变化的双折射，所述空间变化的双折射被配置成将入射偏振光转换成光栅耦合器偏振状态，例如，具有使光栅耦合器的耦合效率最大化的偏振状态。
如图67A和67B所示，光学子组件6508中的每个组件可以具有6个机械运动度，并且各种组件可以不完全对准，例如，组件的端面可以不完全彼此平行。在此示例中，在光纤阵列6510与光子集成电路6502之间有4个光学元件，每个光学元件具有6个自由度，这产生了可能引起高光子集成电路到光纤耦合损耗的大的组装空间。另外，每个光学元件具有可能引起损耗变化的制造公差。由于光学堆叠是用结合在一起的组件构建的，因此可以使用被动对准(例如，视觉***对准装置特征或基准点)和主动对准(例如，测量从光纤到光子集成电路的耦合光)来在结合之前定位组件。就定位和角度组装公差而言，最后的对准和结合步骤可能是最关键的。
图68示出了用于组装包括光子集成电路6502、光学子组件6508和套圈框架6542的光学堆叠6544的过程6540的示例。图69示出了套圈框架6542的俯视图。此示例是一种新型组装方法，其中最终的关键对准和结合是使用结合到光学子组件堆叠的套圈框架6542来主动进行的。套圈框架6542是作为光纤阵列6510的连接接口的高精度组件。套圈框架6542被设计成使得光纤阵列6510能够可移除地附接到套圈框架6542并且被对准以优化光子集成电路6502与纤芯6530之间的光传递的效率。
例如，过程6540包括组装光学子组件6508，将光学子组件6508附接到光子集成电路6502，将光纤阵列6510可移除地附接到套圈框架6542，使用主动对准过程将套圈框架6542与光学子组件6508对准，在完成主动对准过程后将套圈框架6542牢固地附接到光学子组件6508，以及从套圈框架6542移除光纤阵列6510。
图68中所示的过程6540适于使用图66中所示的组件来组装光学子组件6508。在一些实施方案中，光学子组件可以具有不同于图66中所示的组件的组件，并且可以相应地修改过程6540。
参考图68，在一些实施方案中，过程6540包括第一步骤，在所述第一步骤中，半波片6516的下表面附接或结合到第二透镜阵列6518的上表面。箭头6548示出了放置胶或结合材料以将半波片6516牢固地附接到第二透镜阵列6518的位置。在第二步骤中，光束移位器6514的下表面附接或结合到半波片6516的上表面。箭头6550示出了放置胶或结合材料以将光束移位器6514牢固地附接到半波片6516的位置。
在第三步骤中，第一透镜阵列6512的下表面附接或结合到光束移位器6514的上表面。箭头6552示出了放置胶或结合材料以将第一透镜阵列6512牢固地附接到光束移位器6514的位置。在第四步骤中，将第二透镜阵列6518的下表面附接或结合到光子集成电路6502的主表面(上表面)。箭头6554示出了放置胶或接合材料以将第二透镜阵列6518牢固地附接到光子集成电路6502的位置。
上述步骤1至4包括直到将光学子组件6508附接到光子集成电路6502的步骤。直到步骤4的堆叠组件的顺序可以变化。例如，第一透镜阵列6512的底表面可以附接到光束移位器6514的上表面，随后将光束移位器6514的底表面附接到半波片6516的上表面。
在一些实施例中，可以使用不同的光学元件来构成光学堆叠。例如，元件6516可以不存在，并且元件6514可以是非双折射光学元件，如由玻璃或硅制成的间隔块。
在一些实施方案中，光纤阵列6510附接到光纤连接器6546，光纤连接器6546被配置成可移除地附接到套圈框架6542。过程6540包括第五步骤，在所述第五步骤中，套圈框架6542定位在光纤连接器6546与光学子组件6508之间。
在第六步骤中，光纤连接器6546可移除地附接到套圈框架6542，并且使用例如一个或多个对准销6547进行横向对准。例如，对准销6547可以类似于SMP/MTP连接器的对准销。该结构通过例如一个或多个夹具、如在美国专利公开US2022/0159860中公开的卡扣机构(所述美国专利公开的全部内容通过引用并入本文)或临时/可移除粘合剂机械地保持在一起。在第七步骤中，将套圈框架6542放置在光学子组件6508上，并且使用主动对准过程将套圈框架6542(在附接光纤连接器6546的情况下)相对于光学子组件6508对准。在一些示例中，套圈框架6542限定开口6560(参见图69)，开口6560略大于光学子组件6508的外圆周。在第七步骤中，套圈框架6542朝向光子集成电路6502移动，其中光学子组件6508的上部延伸到开口6560中，直到元件6546的底表面和/或光纤阵列6510的端面的至少一部分与光学子组件6508的上表面接触。在图68和69中所示的示例中，套圈框架6542限定两个对准孔6562，两个对准孔6562使两个对准销能够将光纤连接器6546与套圈框架6542横向对准。
在一些实施方案中，主动对准过程在光子集成电路6502上使用光学回送(例如，通过光波导连接的两个光栅耦合器)，以使得能够将参考光注入一个光纤中并且在另一个光纤中收集回送的光。例如，主动对准过程包括提供来自光纤阵列6510的第一纤芯6530a的光，以及使光穿过光学子组件6508到达第一垂直耦合元件6504。光穿过例如光子集成电路6502上的光波导从第一垂直耦合元件6504a传输到第二垂直耦合元件6504。光从第二垂直耦合元件6504b穿过光学子组件6508传输到光纤阵列6510的第二纤芯6530b。测量在第二纤芯6530b处接收的光，并且调整套圈框架6542相对于光学子组件6508的位置和/或取向，以优化纤芯6530a、6530b与光子集成电路6502之间的光传递的效率。例如，第一垂直耦合元件6504a和第二垂直耦合元件6504b可以是图22的未使用的发射光栅耦合器2210a和2210b。例如，将第一垂直耦合元件6504a光学地耦合到第二垂直耦合元件6504b的波导可以是波导2212。
在第八步骤中，从套圈框架6542移除光纤连接器6546，从而留下成品光学堆叠6544。当通信装置1011至1016被部署在现场时，如在数据中心中，光学堆叠6544准备好接收光纤连接器6546。这允许操作者将光纤电缆快速地连接到通信装置，并且同时准确地对准纤芯，以实现纤芯与光子集成电路之间的高效光传递。
上述步骤5至7包括最终的主动对准和结合。在步骤7中套圈框架6542下方的红色箭头6556表明一旦实现最佳对准就放置胶/结合材料以将套圈框架6542牢固地附接到光学子组件6508的位置。例如，套圈框架6542可以由玻璃、金属或塑料制成。例如，套圈框架6542可以由对紫外(UV)光透明或半透明的材料制成，并且可以使用UV固化粘合剂将套圈框架6542结合到光学子组件6508。
例如，在步骤7中，可以沿基本上平行于光子集成电路6502的主表面6506的平面调整套圈框架6542的位置。可以沿相对于主表面6506的x轴和/或沿相对于主表面6506的y轴调整套圈框架6542的位置。套圈框架6542可以绕相对于主表面6506的z轴旋转。在此示例中，x轴和y轴基本上平行于主表面6506，并且z轴基本上垂直于主表面6506。
在一些实施方案中，调整套圈框架6542相对于光学子组件6508的定位可以包括(i)调整光纤连接器6546的端部相对于光学子组件6508的距离，和/或(ii)调整光纤连接器6546的端面相对于光学子组件6508的倾斜角。例如，套圈框架6542相对于光学子组件6508的对准的精度可以为至少10μm准确度、至少1μm准确度或至少0.1μm准确度。在此上下文中，至少0.1μm准确度的精度意指当套圈框架6542结合到光学子模块6508时，套圈框架6542可以定位在优化纤芯6530与光子集成电路6502之间的光传递的最佳定位的0.1μm内。
例如，光纤阵列可以包括至少10个纤芯、至少50个纤芯或至少100个纤芯。因为纤芯6530被密集地封装在一起，所以纤芯6530相对于光学子组件6508的准确对准对于实现纤芯与光子集成电路6502之间的高效光传递是重要的。
使光纤连接器6546能够可移除地连接到套圈框架6542的机构以高精度制成。在使用对准销将光纤连接器6546可移除地连接到套圈框架6542的示例中，对准销和对准孔以高精度制成，使得光纤连接器6546可以以在例如10nm或100nm或1μm或0.1μm的范围内的精度附接到套圈框架6542。在此上下文中，10nm的精度意指每当光纤连接器6546可移除地附接到套圈框架6542时，光纤连接器6546的定位相对于由过程6540的步骤7中的主动对准过程确定的光纤连接器6546的最佳定位将始终在10nm内。
在一些实施方案中，光纤连接器6546包括第一透镜阵列6512。在此示例中，光学子组件6508包括光束移位器6514、半波片6516和第二透镜阵列6518。
在图68中所示的示例中，光纤连接器4146的下表面与套圈框架4142的上表面基本上齐平。在一些示例中，光纤连接器4146可以被设计成使得光纤连接器4146的一部分延伸到套圈框架4142的开口4160中。
图68中所示的过程6540可以由操作员手动执行或者可以由计算机控制的机器自动执行。例如，机器可以包括在适当的定位和取向处保持和移动各种组件的一个或多个机械臂(或保持组件的一个或多个保持器，以及驱动一个或多个保持器的一个或多个马达驱动器)。机器可以包括在过程6540期间捕获组件的图像或视频的一个或多个传感器(如相机)、压力传感器或距离传感器。计算机可以实现机器视觉以识别物体，并且确保每个组件恰当地附接到其它组件。机器可以包括一个或多个激光源，所述一个或多个激光源在主动对准过程期间提供激光，例如图68中的步骤7。机器可以包括一个或多个激光检测器，所述一个或多个激光检测器在主动对准过程期间检测返回激光。计算机可以实现算法以处理从由所述一个或多个激光检测器生成的检测信号导出的数据，并且鉴定套圈框架的最佳对准定位。在一些实施方案中，过程6540是部分自动化的，其中一个或多个步骤由操作员手动执行，并且一个或多个步骤由机器自动执行。
使用套圈框架(例如，6542)使光纤阵列(例如，6510)能够可移除地附接到套圈框架并对准以优化光子集成电路(例如，6502)与光纤阵列的纤芯(例如，6530)之间的光传递的效率的技术也可以应用于光电子装置(例如，图33A和33B的3300)，所述光电子装置具有光纤到PIC连接器，所述光纤到PIC连接器具有以基本上不同于光子集成电路的顶表面法线的角度的光轴的一部分。基本上不同的角度可以是与光子集成表面的顶表面法线成介于10度与90度之间的角度。如果光轴的一部分的角度与顶表面法线成大约90度的角度，则光轴的该部分基本上平行于光子集成电路的顶表面。
图71A和71B分别是光电子装置7100的示例的俯视图和侧视图，其中光纤到PIC连接器具有平行于光子集成电路6502的顶表面的光轴的一部分。第二透镜阵列6518耦合在垂直于PIC 6502的顶表面的方向上传播的光束，并且转向镜7102改变光束的传播方向。转向镜7102具有反射表面，所述反射表面反射光束并且重新导向光纤与光子集成电路上的垂直耦合元件之间的光路。在一些实施例中，双折射孔板7104(其可以是具有孔的半波片)附接到转向镜7102，并且在一些实施例中，走离晶体7106附接到双折射孔板7104。在一些其它实施例中，可以使用非双折射元件(例如，玻璃块)来代替走离晶体7106。第一透镜阵列7108附接到走离晶体7106。第一透镜阵列7108、走离晶体7106、双折射孔板7104、转向镜7102和第二透镜阵列6518形成光学子组件7110。在一些实施例中，双折射孔板7104可以不存在，并且走离晶体7106可以由如玻璃或硅等非双折射材料制成。
设置套圈框架7112，其中套圈框架7112限定开口7114(参见图71C)，开口7114略大于光学子组件7110的前部分的外圆周。光学子组件7110的前部分延伸到套圈框架7112的开口7114中，并且通过应用环氧树脂、胶或其它结合材料将套圈框架7112牢固地附接到光学子组件7110的前部分。在图71A和71B中，第一透镜阵列7108被套圈框架7112覆盖并且在图中不可见。在图71A至71C中所示的示例中，套圈框架7112限定两个对准孔7116，两个对准孔7116使光纤连接器6546的两个对准销7120能够与套圈框架7112对准。光子集成电路6502、光学子组件7110和套圈框架7112形成光学堆叠7118，当光电子装置7100被部署在现场中(如在数据中心中)时，所述光学堆叠准备好接收光纤连接器6546。
在图71A和71B中所示的示例中，转向镜7102是使光路转向90°的直角棱镜。在一些示例中，转向镜使光路转向角度θ1，其中20°≤θ1≤90°。走离晶体7106的纵轴可以相对于光子集成电路6502的主表面成角度θ2，其中0°≤θ2≤70°。这允许当光纤连接器6546附接到套圈框架7112时，光纤阵列相对于光子集成电路6502的主表面以角度θ2定向。
在一些示例中，转向镜使光路转向角度θ1，其中90°≤θ1≤160°。走离晶体7106的纵轴可以相对于光子集成电路6502的主表面成角度θ2，其中-70°≤θ2≤0°。这允许当光纤连接器6546附接到套圈框架7112时，光纤阵列相对于光子集成电路6502的主表面以角度θ2定向。
在一些示例中，可以有将光路重新导向两次或更多次的两个或更多个转向镜或反射表面。
图72示出了用于组装包括光子集成电路6502、光学子组件7110和套圈框架7112的光学堆叠7118的过程7200的俯视图的示例。在过程7200的步骤1中，通过将转向镜7102的第一表面附接到第二透镜阵列6518的上表面、将双折射孔板7104的第一表面附接到转向镜7102的第二表面、将走离晶体7106的第一表面附接到双折射孔板7104的第二表面以及将第一透镜阵列7108的第一表面附接到走离晶体7106的第二表面来组装光学子组件7110。光学子组件7110附接到光子集成电路6502。在一些实施例中，双折射孔板7104可以不存在，并且走离晶体7106的第一表面可以附接到转向镜7102的第二表面。在一些实施例中，走离晶体可以由非双折射材料(如玻璃或硅)制成的材料块来替代。过程7200的步骤1对应于图68的过程6540的步骤1至5。
在过程7200的步骤2中，使用对准销7120将光纤连接器6546可移除地附接到套圈框架7112。对准销7120和对准孔7116以高精度制成，使得光纤连接器6546可以以在例如10nm或100nm或1μm或0.1μm的范围内的精度附接到套圈框架7112。过程7200的步骤2对应于图68的过程6540的步骤6。
在过程7200的步骤3中，使用主动对准过程将套圈框架7112与光学子组件7110对准。在过程7200的步骤3中执行的主动对准过程类似于图68的过程6540的步骤7中执行的对准过程。
在过程7200的步骤4中，在完成主动对准过程后，将套圈框架7112牢固地附接到光学子组件7110，并且从套圈框架7112移除光纤连接器6546，由此完成光学堆叠7118的组装。过程7200的步骤4对应于图68的过程6540的步骤8。
图72中所示的过程7200适于使用图66中所示的组件以及图33A和33B中所示的转向镜来组装光学堆叠7118。在一些实施方案中，光学子组件可以具有不同于图33A、33B和66中所示的组件的组件，并且可以相应地修改过程7200。
在一些实施方案中，过程7200包括调整套圈框架7112相对于光学子组件7110的位置，类似于上述调整套圈框架6542相对于光学子组件6508的位置。例如，套圈框架7112相对于光学子组件7110的对准的精度可以为至少10μm准确度、至少1μm准确度或至少0.1μm准确度。
套圈框架7112(图71A至71C)不必与走离晶体和/或半波片组合。套圈框架7112还可以更一般地用于光学组件或光学堆叠中，其中走离晶体和半波片由玻璃或硅间隔块(如下面的图73至75中所示，标记为(A)和(B))替代，所述玻璃或硅间隔块可以具有双折射性质或不具有双折射性质。如下面的图73至75中所示，可以在光路中的各个位置处实现转向镜。
参考图73，在一些示例中，光学堆叠7300包括定位在套圈框架7112与转向镜7304之间的玻璃或硅间隔块7302，其中玻璃或硅间隔块7302可以具有双折射性质或不具有双折射性质。转向镜7304附接到透镜阵列7306，透镜阵列7306附接到光子集成电路7308。
参考图74，在一些示例中，光学堆叠7400包括定位在套圈框架7112与转向镜7304之间的第一玻璃或硅间隔块7302，以及定位在转向镜7304与透镜阵列7306之间的第二玻璃或硅间隔块7402。玻璃或硅间隔块7302或7402中的每个玻璃或硅间隔块可以具有双折射性质或不具有双折射性质。在光学堆叠7300和7400两者中，玻璃或硅间隔块7302比玻璃或硅间隔块7402长。
参考图75，在一些示例中，光学堆叠7500包括定位在套圈框架7112与转向镜7304之间的第一玻璃或硅间隔块7502，以及定位在转向镜7304与透镜阵列7306之间的第二玻璃或硅间隔块7504。玻璃或硅间隔块7502或7504中的每个玻璃或硅间隔块可以具有双折射性质或不具有双折射性质。在此示例中，玻璃或硅间隔块7502比玻璃或硅间隔块7504短。
图46A、46B和48示出了光纤阵列(例如，4604、4802)具有以例如约8°的角度抛光的端面的示例。在这些示例中，透镜(例如，4604、4608、4610、4622、4624)被适配成使得光纤到PIC连接器以与光纤阵列的倾斜端面兼容的适当角度将光束输出到光纤阵列。以下描述了可以用于在光纤阵列连接器与光学组件之间的不同斜面的任何组合之间进行适配的倾斜的光纤阵列套圈适配器。
MPO连接器通常用于将光纤电缆连接器与光纤阵列电缆连接器配合。两个连接器套圈的连接器端面可以被倾斜，以降低相对于光纤端面的光学背反射。
图70是耦合在MPO状光纤连接器7002的倾斜的MPO状光纤阵列套圈与光学组件7004之间的示例倾斜的光纤阵列套圈适配器7000的示意图。MPO状光纤连接器7002连接到多个光纤7024。光学组件7004可以包括例如上述光子集成电路7010和光纤到PIC连接器7012。例如，光纤到PIC连接器7012可以包括第一透镜阵列7014、双折射光束移位元件7016和第二透镜阵列7018。光学组件7004可以通过倾斜的光纤阵列套圈适配器7004向MPO状光纤连接器7002生成输出光束并且从所述MPO状光纤连接器接收输入光束。
MPO状光纤连接器7002具有倾斜的端部7006，并且倾斜的光纤阵列套圈适配器7000具有也被倾斜至与MPO状光纤连接器套圈的端部7006相同的角度的端部7008。倾斜的光纤阵列套圈适配器7000可以被制成与MPO状光纤连接器7002名义上相同的套圈类型，其中光纤被***在套圈孔中并且被向下抛光以在倾斜的光纤阵列套圈适配器7000的两个光学面上名义上齐平。倾斜的光纤阵列套圈适配器7000实现MPO状光纤连接器7002与光学组件7004之间的低损耗连接，所述光学组件的配合表面没有以恰当的角度倾斜以与MPO状光纤连接器7002直接配合。在一些实施方案中，光纤阵列套圈适配器7000在接口7020处永久地结合到光学子组件7004。
MPO状连接器具有被***在套圈孔中并且被向下抛光以在MPO状连接器的光学面上名义上齐平的光纤，类似于标准MPO连接器的光纤。MPO状连接器可以具有类似于标准MPO连接器的对准销或对准孔的对准销或对准孔。MPO状连接器套圈的横截面轮廓可以不同于标准MPO连接器的横截面轮廓，以适应光纤的各种布置。例如，MPO状连接器可以用于连接到具有光纤的二维布置的光纤电缆，二维布置例如光纤的二维阵列。光纤的二维阵列可以具有多行和多列光纤，例如，至少2行和至少4列光纤，或者至少2行和至少8列光纤，或者至少3行和至少8列光纤。
倾斜的光纤阵列套圈适配器7000还可以被配置成耦合在标准MPO光纤连接器的倾斜的MPO光纤阵列套圈与光学组件之间，所述光学组件的输出光束被配置成与标准MPO光纤连接器兼容。
虽然该图示出了具有0°倾斜光学面的光学组件7004，但光纤阵列套圈适配器7000可以用于在光纤阵列连接器(例如，7002)与光学组件(例如，7004)之间的不同斜面的任何组合之间进行适配。
在一些示例中，光纤阵列套圈适配器7000是具有与倾斜的MPO连接器7002中的对准孔配合的对准销7022的公连接器。在一些示例中，MPO连接器7002是具有与倾斜的光纤阵列套圈适配器7000中的对准孔配合的对准销7022的公连接器。光纤阵列套圈适配器7000的接口可以具有类似于常规套圈到套圈连接器的配置，使得光纤阵列套圈适配器7000可以与标准MPO连接器或MPO状连接器配合。
在一些实施方案中，被配置生成圆偏振光的激光源可以用于图27和54至60中所示的示例中，而无需使用四分之一波片或四分之一波偏振旋转器。
在一示例中，第一***包括数据处理器和光子集成电路，所述数据处理器被配置成处理数据，所述光子集成电路被配置成将从一个或多个光纤接收到的光信号转换成传输到数据处理器的电信号。
在一示例中，第二***包括数据处理器和光子集成电路，所述数据处理器被配置成处理数据，所述光子集成电路被配置成将来自数据处理器的电子信号转换成可以输出到一个或多个光纤的光信号。
在一示例中，第三***包括数据处理器和光子集成电路，所述数据处理器被配置成处理数据，所述光子集成电路被配置成将从一个或多个光纤接收到的光信号转换成传输到数据处理器的电信号。光子集成电路还被配置成将来自数据处理器的电子信号转换成可以输出到所述一个或多个光纤的光信号。
在一些实施方案中，第一***、第二***和第三***中的每一者可以包括光纤到PIC连接器，所述光纤到PIC连接器光学地耦合到所述一个或多个光纤并还光学地耦合到光子集成电路的耦合元件。耦合元件可以是例如光栅耦合器或边缘耦合器。光纤到PIC连接器可以包括上文所描述的特征中的一个或多个特征，如图5的光纤到PIC连接器布置500的一个或多个特征、图6的光纤到PIC连接器布置600的一个或多个特征、图7的光纤到PIC连接器布置700的一个或多个特征、图9的光纤到PIC连接器900的一个或多个特征、图10A、10B、12、13的光纤到PIC连接器1000的一个或多个特征、图11A的光纤到PIC连接器1100的一个或多个特征、图23的光纤到PIC连接器2300的一个或多个特征、图24A、24B的光纤到PIC连接器2400的一个或多个特征、图28的光纤到PIC连接器2800的一个或多个特征、图33C的光纤到PIC连接器3310的一个或多个特征、图34A、34B的光纤到PIC连接器3400的一个或多个特征、图35的光纤到PIC连接器3500的一个或多个特征、图38的光纤到PIC连接器3800的一个或多个特征、图39的光纤到PIC连接器3900的一个或多个特征和图40的光纤到PIC连接器4000的一个或多个特征。
第一***、第二***和第三***中的每一者可以包括以下文献中描述的一个或多个特征或组件：于2020年3月18日提交的美国专利申请16/822,103、于2020年4月14日提交的美国专利申请16/847,705、于2020年6月1日提交的美国专利申请16/888,890、于2020年9月18日提交的美国临时专利申请63/080,528、于2020年10月7日提交的美国临时专利申请63/088,914、于2020年11月20日提交的美国临时专利申请63/116,660以及于2021年2月5日提交的美国临时专利申请63/146,421。上述申请的全部内容通过引用并入。
相关领域的普通技术人员应当理解，本文在将来自一个或多个光纤202的光耦合到PIC210的上下文中描述的至少一些实施例可以同等地操作以将来自PIC 210的光耦合到一个或多个光纤202。耦合方向的这种可逆性是本文所描述的至少一些实施例的一般特征，包括使用偏振分集的实施例中的一些实施例。
本文所公开的示例光学***应仅被视为许多可能的实施例中的一些实施例，所述实施例可以用于使用衍射、折射、反射和偏振相关光学元件、3D波导和3D打印光学组件来执行偏振解复用和独立阵列图案缩放、阵列几何结构重新布置、光斑尺寸缩放和入射角适配。鉴于本公开并且无需任何过度实验，相关领域的普通技术人员可以制作和使用实现类似功能集的其它实施方案。
根据上文所公开的一示例实施例，例如，在发明内容部分和/或参考图1至8中的一些或全部的任何一个或任何组合，提供了一种设备，所述设备包括：一个或多个光纤(例如，202，图5)，所述一个或多个光纤具有多个纤芯(例如，302，图3A至3G)；光子集成电路(例如，210，图5)，所述光子集成电路包括沿所述光子集成电路的主表面设置的多个(例如，230，图5)垂直耦合元件(例如，231，图5)；以及光纤连接器(例如，240/250，图5)，所述光纤连接器连接在所述一个或多个光纤与所述光子集成电路之间以通过所述主表面在所述一个或多个光纤与所述光子集成电路之间传递光，所述光纤连接器包括光学器件，所述光学器件被配置成在所述多个纤芯与所述多个垂直耦合元件之间传递光，使得：第一对所述纤芯之间的距离(例如，Smin，图3A至3G)通过第一缩放因子(例如，A)被光学地缩放；并且所述纤芯中的至少一个纤芯的直径(例如，Dcore，图3A至3G)通过不同于所述第一缩放因子的第二缩放因子(例如，C1)被光学地缩放。
在上述设备的一些实施例中，所述光学器件被进一步配置成传输所述光，使得第二对所述纤芯之间的距离(例如，Smax，图3A至3G)通过不同于所述第二缩放因子的第三缩放因子(例如，B)被光学地缩放。
在上述设备中的任何设备的一些实施例中，所述光学器件被配置成传递所述光，使得所述第三缩放因子不同于所述第一缩放因子。
在上述设备中的任何设备的一些实施例中，所述光学器件被配置成传递所述光，使得所述第一缩放因子基本上等于所述第三缩放因子。
在上述设备中的任何设备的一些实施例中，所述光学器件包括：一个或多个第一透镜(例如，551，图5)，所述一个或多个第一透镜位于距所述主表面的第一偏移距离处；多个第二透镜(例如，541，图5)，所述多个第二透镜位于距所述主表面的第二偏移距离处，所述第二偏移距离小于所述第一偏移距离；以及多个第三透镜(例如，542，图5)，所述多个第三透镜位于距所述主表面的第三偏移距离处，所述第三偏移距离小于所述第二偏移距离。
在上述设备中的任何设备的一些实施例中，所述光学器件包括至少一个透镜(例如，542，图5)，所述至少一个透镜被配置成与所述纤芯中的单个纤芯和所述垂直耦合元件中的单个垂直耦合元件传递光。
在上述设备中的任何设备的一些实施例中，所述光学器件包括多个光波导(例如，652，图6)，所述多个光波导各自光学地连接所述纤芯中的相应纤芯和所述垂直耦合元件中的相应垂直耦合元件。
在上述设备中的任何设备的一些实施例中，所述光波导中的至少一些光波导是锥形的。
在上述设备中的任何设备的一些实施例中，所述光学器件包括一个或多个偏振分束器(例如，810和820，图8A和图8B)。
在上述设备中的任何设备的一些实施例中，所述光学器件包括一个或多个偏振旋转元件(例如，861、862，图8B)。
在上述设备中的任何设备的一些实施例中，所述光纤连接器包括彼此可断开地连接的第一连接器部件(例如，250，图5)和第二连接器部件(例如，240，图5)。
在上述设备中的任何设备的一些实施例中，所述光学器件被配置成在所述第一连接器部件与所述第二连接器部件之间的配合表面处产生光点(例如，560，图5)，所述光点的大小至少是所述纤芯的对应直径的两倍。
在上述设备中的任何设备的一些实施例中，所述光学器件被配置成在第一数量的所述纤芯与第二数量的所述垂直耦合元件之间传递光，所述第二数量大于所述第一数量。
在上述设备中的任何设备的一些实施例中，所述一个或多个光纤包括多芯光纤。
在上述设备中的任何设备的一些实施例中，所述垂直耦合元件中的每个垂直耦合元件选自由以下组成的元件组：单偏振垂直光栅耦合器、转向镜、偏振分集垂直光栅耦合器、垂直腔表面发射激光器、表面法线调制器和光电二极管。
根据上文所公开的另一个示例实施例，例如，在发明内容部分和/或参考图1至8中的一些或全部的任何一个或任何组合，提供了一种光纤连接器，所述光纤连接器包括：第一连接器部件(例如，240，图5)，所述第一连接器部件可在所述第一连接器部件的第一侧(例如，555，图5)处连接到具有多个纤芯(例如，302，图3A至3G)的一个或多个光纤(例如，202，图5)，，所述第一连接器部件具有与所述第一侧相对的第二侧(例如，556，图5)；第二连接器部件(例如，250，图5)，所述第二连接器部件可在所述第二连接器部件的一侧(例如，545，图5)处连接到所述第一连接器部件的所述第二侧并进一步可在所述第二连接器部件的相对侧(例如，546，图5)处连接到光子集成电路(例如，210，图2)；以及光学器件，所述光学器件被配置成在所述第一连接器部件的所述第一侧与所述第二连接器部件的所述相对侧之间传递光，使得：第一对所述纤芯之间的距离(例如，Smin，图3A至3G)通过第一缩放因子(例如，A)被光学地缩放；并且所述纤芯中的至少一个纤芯的直径(例如，Dcore，图3A至3G)通过不同于所述第一缩放因子的第二缩放因子(例如，C1)被光学地缩放。
如本文所使用的，术语“相对”是指部件的两个对应侧面或边缘的相对取向和/或定位，并且应被解释为涵盖相对定向/定位中的任何取向/定位，其中：(i)这两个侧面基本上(例如，在15度内)彼此平行但位于部件的不同端部处；(ii)这两个侧面彼此不平行，即，可以以在15度与165度之间的范围内的相对角度定向；(iii)这两个侧面基本上彼此垂直；(iv)这两个侧面中的至少一个侧面不是严格意义上的平面并且具有偏离平面几何结构的一些特征；(v)这两个侧面彼此没有接触的点；以及(vi)这两个侧面具有共同的边缘或接触区域，例如，在部件的角部处。图5所示的侧面545、546、555和556应被视为是提供此类侧面的非限制性说明性示例。
在上述光纤连接器的一些实施例中，所述光学器件被进一步配置成传递光，使得第二对所述纤芯之间的距离(例如，Smax，图3A至3G)通过不同于所述第二缩放因子的第三缩放因子(例如，B)被光学地缩放。
在上述光纤连接器中的任何光纤连接器的一些实施例中，所述光学器件被配置成传递所述光，使得所述第三缩放因子不同于所述第一缩放因子。
在上述光纤连接器中的任何光纤连接器的一些实施例中，所述光学器件被配置成传递所述光，使得所述第一缩放因子基本上等于所述第三缩放因子。
在上述光纤连接器中的任何光纤连接器的一些实施例中，所述光学器件包括：
一个或多个第一透镜(例如，551，图5)，所述一个或多个第一透镜位于距所述第二连接器部件的所述相对侧的第一偏移距离处；多个第二透镜(例如，541，图5)，所述多个第二透镜位于距所述第二连接器部件的所述相对侧的第二偏移距离处，所述第二偏移距离小于所述第一偏移距离；以及多个第三透镜(例如，542，图5)，所述多个第三透镜位于距所述第二连接器部件的所述相对侧的第三偏移距离处，所述第三偏移距离小于所述第二偏移距离，所述第一距离、所述第二距离和所述第三距离是在所述第一连接器部件和第二连接器部件彼此连接的情况下测量的。
在上述光纤连接器中的任何光纤连接器的一些实施例中，所述光学器件包括至少一个透镜(例如，542，图5)，所述至少一个透镜被配置成与所述纤芯中的单个纤芯和所述光子集成电路的垂直耦合元件中的单个垂直耦合元件传递光。
在上述光纤连接器中的任何光纤连接器的一些实施例中，所述光学器件包括多个光波导(例如，652，图6)，所述多个光波导各自被设置成光学地连接所述纤芯中的相应纤芯和所述光子集成电路的垂直耦合元件中的相应垂直耦合元件。
在上述光纤连接器中的任何光纤连接器的一些实施例中，所述光波导中的至少一些光波导是锥形的。
在上述光纤连接器中的任何光纤连接器的一些实施例中，所述光学器件包括一个或多个偏振分束器(例如，810和820，图8A和图8B)。
在上述光纤连接器中的任何光纤连接器的一些实施例中，所述光学器件包括一个或多个偏振旋转元件(例如，861、862，图8B)。
在一些实施例中，套圈框架可以具有两个或更多个部件，其中可以精确地调整不同部件之间的相对位置和取向。例如，第一部件可以结合到光学子组件(例如，图68的6508或图71A的7110)，第二部件可以可移除地附接到光纤连接器(例如，6546)，并且可以例如使用螺钉精确地调整第一部件和第二部件的相对位置。例如，套圈框架可以具有用于准确地定位光纤连接器的精密多轴***。
虽然本公开包括对说明性实施例的引用，但本说明书不旨在以限制意义来解释。对所描述的实施例的各种修改以及在本公开的范围内的对于本公开所属领域的技术人员来说显而易见的其它实施例被认为落入本公开的原理和范围内，例如，如在以下权利要求中所表达的。
除非另有明确说明，否则每个数值和范围均应被解释为近似的，如同数值或范围之前有词语“约”或“大约”一样。
应进一步理解的是，在不背离例如如以下权利要求中表达的本公开的范围的情况下，本领域的技术人员可以对已经出于解释本公开的性质的目的而描述和说明的部件的细节、材料和布置作出各种改变。
权利要求中使用附图标记和/或附图参考标记旨在标识所要求保护的主题的一个或多个可能的实施例，以便促进对权利要求的解释。此类使用不应被解释为必然将那些权利要求的范围限制于对应附图中所示出的实施例。
虽然以下方法权利要求(如果有的话)中的元素是以具有对应标记的特定顺序叙述的，但是除非权利要求陈述以其它方式暗示用于实施那些元素中的一些或全部元素的特定顺序，否则那些元素不一定旨在限制于以所述特定顺序实施。
本文对“一个实施例”或“一实施例”的提及意味着结合所述实施例描述的特定特征、结构或特性可以包括在本公开的至少一个实施例中。在本说明书中各个地方出现的短语“在一个实施例中”不一定全部指代同一个实施例，也不是与其它实施例必定相互排斥的单独实施例或替代性实施例。上述情况适用于术语“实施方案”。
除非本文另有说明，否则使用序数形容词“第一”、“第二”、“第三”等来指代多个相似对象中的一个对象仅指示此类相似对象的不同示例被提及，并且不旨在暗示如此提及的相似对象必须在时间上、空间上、排序上或以任何其它方式处于对应的次序或顺序。
同样出于本说明书的目的，术语“耦合(couple)”、“耦合(coupling)”、“耦合(coupled)”、“连接(connect)”、“连接(connecting)”或“连接(connected)”是指本领域中已知的或后来开发的任何方式，其中允许在两个或更多个元件之间传递能量，并且设想了一种或多种另外的元件的***，尽管不是必需的。相反，术语“直接耦合”、“直接连接”等暗示不存在此类另外的元件。
本说明书和附图仅展示本公开的原理。因此，应当理解，本领域的普通技术人员将能够设计出体现本公开的原理并且包括在本公开的精神和范围内的各种布置，但是本文中并未明确描述或示出所述布置。此外，本文所引用的所有示例原则上明确旨在仅用于教学目的以帮助读者理解本公开的原理和发明人为了推动本领域的发展而贡献的概念，并且应被理解为不限于此类具体引用的示例和条件。此外，本文中叙述本公开的原理、方面和实施例的全部陈述以及本公开的具体示例旨在涵盖其等效物。
如在本申请中所使用的，术语“电路***”可以是指以下各项中的一者或多者或全部：(a)仅硬件的电路实施方案(如仅模拟和/或数字电路***中的实施方案)；(b)硬件电路和软件的组合，如(如果适用的话)：(i)模拟和/或数字硬件电路与软件/固件的组合，以及(ii)具有软件的硬件处理器(包括数字信号处理器)、软件和存储器的任何部分，所述硬件处理器、软件和存储器一起工作以使如手机或服务器等设备执行各种功能；以及(c)需要软件(例如，固件)进行操作的硬件电路和或处理器，如微处理器或微处理器的一部分，但当不需要软件进行操作时，软件可以不存在。电路***的这一定义适用于这一术语在本申请、包括在任何权利要求中的全部使用。作为另外的示例，如在本申请中所使用的，术语电路***还涵盖仅硬件电路或处理器(或多个处理器)或硬件电路或处理器的一部分及它(或它们)附带软件和/或固件的实施方案。例如且如果适用于特定权利要求要素，术语电路***还涵盖用于移动装置的基带集成电路或处理器集成电路或者服务器、蜂窝网络装置或其它计算或网络装置中的类似集成电路。
术语“上”、“下”、“顶”和“底”是指图中所示的相对位置。应当理解，本文档中描述的***、装置和组件可以以各种取向使用。因此，具有在本文档中被描述为“上表面”或“顶表面”的表面的***、装置或组件可以在***、装置或组件的操作期间任意地定向，使得该表面面向任意方向，例如，面向下或侧向。
本领域的普通技术人员应当理解，本文中的任何框图表示体现本公开的原理的说明性电路***的概念视图。
尽管本发明在所附权利要求中进行了限定，但应当理解，本发明也可以根据以下实施例来限定：
实施例1：一种方法，所述方法包括：
提供光子集成电路，所述光子集成电路包括沿所述光子集成电路的主表面设置的多个垂直耦合元件；
将光学子组件附接到所述光子集成电路；
将光纤连接器可移除地连接到套圈框架，其中所述光纤连接器附接到光纤阵列；
使用对准过程将所述套圈框架与所述光学子组件对准；以及
在主动对准过程后，将所述套圈框架牢固地连接到所述光学子组件。
实施例2：根据实施例1所述的方法，所述对准过程包括主动对准过程，所述主动对准过程包括在至少一个光纤与所述光子集成电路之间传输光。
实施例3：根据实施例2所述的方法，所述主动对准过程包括：
通过所述光学子组件和所述多个垂直耦合元件中的至少一个垂直耦合元件在所述光纤阵列中的至少一个光纤与所述光子集成电路之间传递光，以及
基于在所述至少一个光纤与所述光子集成电路之间传递的所述光的至少一个特性调整所述套圈框架相对于所述光学子组件的位置。
实施例4：根据实施例1至3中任一项所述的方法，所述方法包括从所述套圈框架移除所述光纤连接器。
实施例5：根据实施例1至4中任一项所述的方法，所述套圈框架包括开口，以允许来自所述光纤阵列的光被传输到所述光学子组件。
实施例6：根据实施例5所述的方法，所述方法包括使所述光纤连接器的一部分穿过所述套圈框架的开口，以及将所述光纤连接器的端部定位在所述光学子组件附近。
实施例7：根据实施例5或6所述的方法，所述方法包括使所述光纤连接器的一部分穿过所述套圈框架的开口，以及将所述光纤连接器的端部定位在所述光学子组件附近。
实施例8：根据实施例1至7中任一项所述的方法，将所述光纤阵列可移除地连接到所述套圈框架包括以下各项中的至少一者：(i)使用一个或多个对准销来将所述光纤阵列与所述套圈框架对准；(ii)使用一个或多个夹具来将所述光纤阵列固定到所述套圈框架；(iii)使用一个或多个磁体来将所述光纤阵列连接到所述套圈框架；或者(iv)使用可移除粘合剂来将所述光纤阵列连接到所述套圈框架。
实施例9：根据实施例1至8中任一项所述的方法，所述光纤阵列包括光纤的二维阵列。
实施例10：根据实施例9所述的方法，所述光纤的二维阵列包括至少两排光纤。
实施例11：根据实施例1至10中任一项所述的方法，所述光纤阵列包括至少10个纤芯。
实施例12：根据实施例11所述的方法，所述光纤阵列包括至少50个纤芯。
实施例13：根据实施例12所述的方法，所述光纤阵列包括至少100个纤芯。
实施例14：根据实施例1至13中任一项所述的方法，所述光学子组件包括第一透镜阵列，并且所述主动对准过程包括将来自所述光纤阵列的光穿过所述第一透镜阵列投射到对应垂直耦合元件，包括使来自所述光纤中的至少一个光纤的光穿过对应透镜到达所述对应垂直耦合元件。
实施例15：根据实施例14所述的方法，所述光学子组件包括第二透镜阵列，并且所述主动对准过程包括将来自所述光纤阵列的光穿过所述第一透镜阵列和所述第二透镜阵列投射到所述至少一个垂直耦合元件。
实施例16：根据实施例15所述的方法，所述光学子组件包括光束移位器，并且所述主动对准过程包括将来自所述光纤阵列的光穿过所述第一透镜阵列、所述光束移位器和所述第二透镜阵列投射到所述至少一个垂直耦合元件。
实施例17：根据实施例16所述的方法，所述光学子组件包括半波片，并且所述主动对准过程包括将来自所述光纤阵列的光穿过所述第一透镜阵列、所述光束移位器、所述半波片和所述第二透镜阵列投射到所述至少一个垂直耦合元件。
实施例18：根据实施例15所述的方法，所述光学子组件包括间隔块，所述间隔块沿光路设置在所述第一透镜阵列与所述第二透镜阵列之间，并且所述主动对准过程包括将来自所述光纤阵列的光穿过所述第一透镜阵列、所述间隔块和所述第二透镜阵列投射到所述至少一个垂直耦合元件。
实施例19：根据实施例18所述的方法，所述光学子组件包括半波片，并且所述主动对准过程包括将来自所述光纤阵列的光穿过所述第一透镜阵列、所述间隔块、所述半波片和所述第二透镜阵列投射到所述至少一个垂直耦合元件。
实施例20：根据实施例1至13中任一项所述的方法，所述光纤连接器包括第一透镜阵列，并且所述主动对准过程包括将来自所述光纤阵列的光穿过所述第一透镜阵列投射到对应垂直耦合元件，包括使来自所述光纤中的至少一个光纤的光穿过对应透镜到达所述对应垂直耦合元件。
实施例21：根据实施例20所述的方法，所述光学子组件包括第二透镜阵列，并且所述主动对准过程包括将来自所述光纤阵列的光穿过所述第一透镜阵列和所述第二透镜阵列投射到所述至少一个垂直耦合元件。
实施例22：根据实施例21所述的方法，所述光学子组件包括光束移位器，并且所述主动对准过程包括将来自所述光纤阵列的光穿过所述第一透镜阵列、所述光束移位器和所述第二透镜阵列投射到所述至少一个垂直耦合元件。
实施例23：根据实施例22所述的方法，所述光学子组件包括半波片，并且所述主动对准过程包括将来自所述光纤阵列的光穿过所述第一透镜阵列、所述光束移位器、所述半波片和所述第二透镜阵列投射到所述至少一个垂直耦合元件。
实施例24：根据实施例21所述的方法，所述光学子组件包括间隔块，所述间隔块沿光路设置在所述第一透镜阵列与所述第二透镜阵列之间，并且所述主动对准过程包括将来自所述光纤阵列的光穿过所述第一透镜阵列、所述间隔块和所述第二透镜阵列投射到所述至少一个垂直耦合元件。
实施例25：根据实施例24所述的方法，所述光学子组件包括半波片，并且所述主动对准过程包括将来自所述光纤阵列的光穿过所述第一透镜阵列、所述间隔块、所述半波片和所述第二透镜阵列投射到所述至少一个垂直耦合元件。
实施例26：根据实施例1至25中任一项所述的方法，所述主动对准过程包括调整所述套圈框架相对于所述光学子组件的所述位置，以使所述光纤阵列与所述光子集成电路之间的光传递的总体效率最大化。
实施例27：根据实施例1至26中任一项所述的方法，按重量计所述套圈框架的至少一半由玻璃、金属或塑料中的至少一者制成。
实施例28：根据实施例1至26中任一项所述的方法，所述套圈框架包括对紫外(UV)光透明或半透明的材料，并且将所述套圈框架牢固地连接到所述光学子组件包括使用UV固化粘合剂将所述套圈框架附接到所述光学子组件。
实施例29：根据实施例1至28中任一项所述的方法，调整所述套圈框架相对于所述光学子组件的所述位置包括沿基本上平行于所述光子集成电路的主表面的平面调整所述套圈框架的所述位置。
实施例30：根据实施例29所述的方法，沿基本上平行于所述光子集成电路的主表面的所述平面调整所述套圈框架的所述位置包括以下各项中的至少一者：(i)沿相对于所述光子集成电路的主表面的x轴调整所述套圈框架的所述位置；(ii)沿相对于所述光子集成电路的主表面的y轴调整所述套圈框架的所述位置；或者(iii)绕相对于所述光子集成电路的主表面的z轴旋转所述套圈框架；
其中所述x轴和所述y轴基本上平行于所述光子集成电路的主表面，并且所述z轴基本上垂直于所述光子集成电路的主表面。
实施例31：根据实施例1至30中任一项所述的方法，调整所述套圈框架相对于所述光学子组件的所述位置包括调整所述光纤连接器的端部相对于所述光学子组件的距离。
实施例32：根据实施例1至31中任一项所述的方法，调整所述套圈框架相对于所述光学子组件的所述位置包括调整所述光纤连接器的端面相对于所述光学子组件的倾斜角。
实施例33：根据实施例1至32中任一项所述的方法，将所述套圈框架与所述光学子组件对准包括以至少10μm准确度的精度将所述套圈框架与所述光学子组件对准。
实施例34：根据实施例33所述的方法，将所述套圈框架与所述光学子组件对准包括以至少1μm准确度的精度将所述套圈框架与所述光学子组件对准。
实施例35：根据实施例34所述的方法，将所述套圈框架与所述光学子组件对准包括以至少0.1μm准确度的精度将所述套圈框架与所述光学子组件对准。
实施例36：根据实施例1至35中任一项所述的方法，所述垂直耦合元件中的每个垂直耦合元件包括以下各项中的至少一者：单偏振垂直光栅耦合器、转向镜、偏振分集垂直光栅耦合器、垂直腔表面发射激光器、表面法线调制器或光电二极管。
实施例37：根据实施例16、17、22、23和26至36中任一项所述的方法，所述光束移位器包括偏振相关光学元件。
实施例38：根据实施例1至37中任一项所述的方法，所述光学子组件包括转向镜，所述转向镜使光纤与对应垂直耦合元件之间的第一光路转向，
其中所述第一光路包括第一光路区段和第二光路区段，所述第一光路区段位于所述垂直耦合元件与所述转向镜的反射表面之间，所述第二光路区段位于所述转向镜的所述反射表面与所述光纤之间，所述第二光路区段相对于所述第一光路区段成角度θ1，并且θ1在20°至160°的范围内。
实施例39：根据实施例38所述的方法，θ1在45°至110°的范围内。
实施例40：根据实施例39所述的方法，θ1在80°至100°的范围内。
实施例41：根据实施例40所述的方法，在所述套圈框架牢固地连接到所述光学子组件之后，所述套圈框架被定向成使得当所述光纤连接器可移除地连接到所述套圈框架时，所述光纤阵列中的至少一些光纤沿基本上平行于所述光子集成电路的主表面的方向输出光束，输出的光束相对于所述光子集成电路的主表面以角度θ2行进，并且0°≤θ2≤10°。
实施例42：根据实施例38至41中任一项所述的方法，所述光学子组件包括设置在所述转向镜与所述套圈框架之间的光束移位元件。
实施例43：根据实施例38至42中任一项所述的方法，所述光学子组件包括设置在所述转向镜与所述光子集成电路之间的透镜阵列。
实施例44：根据实施例1至43中任一项所述的方法，所述方法包括使用计算机来控制机器，以使用所述主动对准过程将所述套圈框架与所述光学子组件对准。
实施例45：一种设备，所述设备包括：
光子集成电路，所述光子集成电路包括沿所述光子集成电路的主表面设置的多个垂直耦合元件；
光学子组件，所述光学子组件附接到所述光子集成电路；
套圈框架，所述套圈框架被配置成使光纤连接器能够可移除地连接到所述套圈框架并与所述光学子组件对准；
其中所述光纤连接器连接到光纤阵列，并且所述光学子组件被配置成在所述光纤阵列与所述光子集成电路上的所述垂直耦合元件之间传递光；
其中使用主动对准过程将所述套圈框架与所述光学子组件对准，在所述主动对准过程中，光通过所述光学子组件和所述多个垂直耦合元件中的至少一个垂直耦合元件在所述光纤阵列中的至少一个光纤与所述光子集成电路之间被传递，并且所述套圈框架相对于所述光学子组件的位置是基于在所述至少一个光纤与所述光子集成电路之间传递的所述光的至少一个特性来调整的；并且
其中在所述主动对准过程后，所述套圈框架牢固地连接到所述光学子组件。
实施例46：根据实施例45所述的设备，所述套圈框架使所述光纤阵列能够以至少10μm的精度与所述光学子组件对准。
实施例47：根据实施例45所述的设备，所述套圈框架使所述光纤阵列能够以至少1μm的精度与所述光学子组件对准。
实施例48：根据实施例45所述的设备，所述套圈框架使所述光纤阵列能够以至少0.1μm的精度与所述光学子组件对准。
实施例49：根据实施例45至48中任一项所述的设备，所述光学子组件包括第一透镜阵列，并且套圈模块被配置成将所述光纤阵列与所述透镜阵列对准。
实施例50：根据实施例49所述的设备，所述光学子组件包括第二透镜阵列，并且所述第二透镜阵列沿光束路径定位在所述第一透镜阵列与所述垂直耦合元件之间。
实施例51：根据实施例50所述的设备，所述光学子组件包括光束移位器。
实施例52：根据实施例51所述的设备，所述光学子组件包括半波片，所述半波片定位在所述光束移位器与所述第二透镜阵列之间。
实施例53：根据实施例51所述的设备，所述光学子组件包括具有孔的双折射板，并且所述双折射板定位在所述光束移位器与所述第二透镜阵列之间。
实施例54：根据实施例50所述的设备，所述光学子组件包括间隔块，所述间隔块沿所述光束路径设置在所述第一透镜阵列与所述第二透镜阵列之间。
实施例55：根据实施例54所述的设备，所述光学子组件包括半波片，所述半波片沿所述光束路径定位在所述间隔块与所述第二透镜阵列之间。
实施例56：根据实施例45至48中任一项所述的设备，所述光纤连接器包括第一透镜阵列，并且套圈模块被配置成将所述第一透镜阵列与所述光学子组件对准。
实施例57：根据实施例56所述的设备，所述光学子组件包括第二透镜阵列，所述第二透镜阵列沿光束路径定位在所述第一透镜阵列与所述垂直耦合元件之间。
实施例58：根据实施例57所述的设备，所述光学子组件包括光束移位器。
实施例59：根据实施例58所述的设备，所述光学子组件包括半波片，所述半波片定位在所述光束移位器与所述第二透镜阵列之间。
实施例60：根据实施例58所述的设备，所述光学子组件包括具有孔的双折射板，并且所述双折射板定位在所述光束移位器与所述第二透镜阵列之间。
实施例61：根据实施例57所述的设备，所述光学子组件包括间隔块，所述间隔块沿所述光束路径设置在所述第一透镜阵列与所述第二透镜阵列之间。
实施例62：根据实施例61所述的设备，所述光学子组件包括半波片，所述半波片沿所述光束路径定位在所述间隔块与所述第二透镜阵列之间。
实施例63：根据实施例45至48中任一项所述的设备，每个光纤包括一个或多个纤芯，所述光学子组件包括至少一个透镜，所述至少一个透镜被配置成与所述纤芯中的单个纤芯和所述垂直耦合元件中的单个垂直耦合元件传递光。
实施例64：根据实施例45至48中任一项所述的设备，每个光纤包括一个或多个纤芯，所述光学子组件包括多个光波导，每个光波导光学地连接所述纤芯中的相应纤芯和所述垂直耦合元件中的相应垂直耦合元件。
实施例65：根据实施例64所述的设备，所述光波导中的至少一些光波导是锥形的。
实施例66：根据实施例45至65中任一项所述的设备，所述光学子组件包括一个或多个偏振分束器。
实施例67：根据实施例45至66中任一项所述的设备，所述光学子组件包括一个或多个偏振旋转元件。
实施例68：根据实施例45至67中任一项所述的设备，每个光纤包括一个或多个纤芯，所述光学子组件被配置成在第一数量的所述纤芯与第二数量的所述垂直耦合元件之间传递光，并且所述第二数量大于所述第一数量。
实施例69：根据实施例45至68中任一项所述的设备，所述垂直耦合元件中的每个垂直耦合元件包括以下各项中的至少一者：单偏振垂直光栅耦合器、转向镜、偏振分集垂直光栅耦合器、垂直腔表面发射激光器、表面法线调制器或光电二极管。
实施例70：根据实施例45至69中任一项所述的设备，按重量计所述套圈框架由玻璃、金属或塑料中的至少一者制成。
实施例71：根据实施例45至69中任一项所述的设备，所述套圈框架包括对紫外(UV)光透明或半透明的材料，并且UV固化粘合剂用于将所述套圈框架牢固地附接到所述光学子组件。
实施例72：根据实施例51至53、58至60和63至71中任一项所述的设备，所述光束移位器包括偏振相关光学元件。
实施例73：根据实施例45至72中任一项所述的设备，所述光学子组件包括转向镜，所述转向镜使光纤与对应垂直耦合元件之间的第一光路转向，
其中所述第一光路包括第一光路区段和第二光路区段，所述第一光路区段位于所述垂直耦合元件与所述转向镜的反射表面之间，所述第二光路区段位于所述转向镜的所述反射表面与所述光纤之间，所述第二光路区段相对于所述第一光路区段成角度θ1，并且θ1在30°至150°的范围内。
实施例74：根据实施例73所述的设备，θ1在45°至110°的范围内。
实施例75：根据实施例74所述的设备，θ1在80°至100°的范围内。
实施例76：根据实施例75所述的设备，所述套圈框架被定向成使得当所述光纤连接器可移除地连接到所述套圈框架并且所述设备处于操作中时，所述光纤阵列中的至少一些光纤沿基本上平行于所述光子集成电路的主表面的方向输出光束，所述输出的光束相对于所述光子集成电路的主表面以角度θ2行进，并且0°≤θ2≤10°。
实施例77：根据实施例73至76中任一项所述的设备，所述光学子组件包括设置在所述转向镜与所述套圈框架之间的光束移位元件。
实施例78：根据实施例73至77中任一项所述的设备，所述光学子组件包括设置在所述转向镜与所述光子集成电路之间的透镜阵列。
实施例79：一种设备，所述设备包括：
多个光子集成电路，每个光子集成电路包括多个耦合元件；
多个光学子组件，每个光学子组件附接到所述多个光子集成电路中的对应光子集成电路；
多个套圈框架，每个套圈框架被配置成使对应光纤连接器能够可移除地连接到所述套圈框架并与所述光学子组件中的对应光学子组件对准；
其中每个光纤连接器连接到光纤阵列，并且所述对应光学子组件被配置成在所述光纤阵列与所述对应光子集成电路上的所述对应耦合元件之间传递光；
其中每个套圈框架使所述光纤阵列能够以至少10μm准确度的精度与所述对应光学子组件对准。
实施例80：根据实施例79所述的设备，每个套圈框架使所述光纤阵列能够以至少1μm准确度的精度与所述对应光学子组件对准。
实施例81：根据实施例80所述的设备，每个套圈框架使所述光纤阵列能够以至少0.1μm准确度的精度与所述对应光学子组件对准。
实施例82：根据实施例79至81中任一项所述的设备，每个光学子组件包括转向镜，所述转向镜使光纤与对应耦合元件之间的第一光路转向，
其中所述第一光路包括第一光路区段和第二光路区段，所述第一光路区段位于所述耦合元件与所述转向镜的反射表面之间，所述第二光路区段位于所述转向镜的所述反射表面与所述光纤之间，所述第二光路区段相对于所述第一光路区段成角度θ1，并且θ1在80°至100°的范围内。
实施例83：一种设备，所述设备包括：
存储装置，所述存储装置存储指令；以及
至少一个数据处理器，所述至少一个数据处理器被配置成执行所述指令并实施包括控制机器以使用主动对准过程将套圈框架与光学子组件对准的过程；
其中所述光学子组件光学地耦合到光子集成电路；并且
其中所述套圈框架被配置成使光纤连接器能够可移除地连接到所述套圈框架，所述光纤连接器附接到光纤阵列，并且所述套圈框架被配置成使所述光纤与所述光学子组件对准，以使光在所述光纤与所述光子集成电路之间传输。

Claims (83)

1.一种方法，其特征在于，所述方法包括：
提供光子集成电路，所述光子集成电路包括沿所述光子集成电路的主表面设置的多个垂直耦合元件；
将光学子组件附接到所述光子集成电路；
将光纤连接器可移除地连接到套圈框架，其中所述光纤连接器附接到光纤阵列；
使用对准过程将所述套圈框架与所述光学子组件对准；以及
在主动对准过程后，将所述套圈框架牢固地连接到所述光学子组件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对准过程包括主动对准过程，所述主动对准过程包括在至少一个光纤与所述光子集成电路之间传输光。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述主动对准过程包括：
通过所述光学子组件和所述多个垂直耦合元件中的至少一个垂直耦合元件在所述光纤阵列中的至少一个光纤与所述光子集成电路之间传递光，以及
基于在所述至少一个光纤与所述光子集成电路之间传递的所述光的至少一个特性调整所述套圈框架相对于所述光学子组件的位置。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括从所述套圈框架移除所述光纤连接器。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述套圈框架包括开口，以允许来自所述光纤阵列的光被传输到所述光学子组件。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法包括使所述光学子组件的一部分穿过所述套圈框架的开口，以及将所述光纤连接器的端部定位在所述光学子组件附近。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括使所述光纤连接器的一部分穿过所述套圈框架的开口，以及将所述光纤连接器的端部定位在所述光学子组件附近。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述光纤阵列可移除地连接到所述套圈框架包括以下各项中的至少一者：(i)使用一个或多个对准销来将所述光纤阵列与所述套圈框架对准；(ii)使用一个或多个夹具来将所述光纤阵列固定到所述套圈框架；(iii)使用一个或多个磁体来将所述光纤阵列连接到所述套圈框架；或者(iv)使用可移除粘合剂来将所述光纤阵列连接到所述套圈框架。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光纤阵列包括光纤的二维阵列。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述光纤的二维阵列包括至少两排光纤。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述光纤阵列包括至少10个纤芯。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述光纤阵列包括至少50个纤芯。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述光纤阵列包括至少100个纤芯。
14.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述光学子组件包括第一透镜阵列，并且所述主动对准过程包括将来自所述光纤阵列的光穿过所述第一透镜阵列投射，包括使来自所述光纤中的至少一个光纤的光穿过对应透镜到达对应垂直耦合元件。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述光学子组件包括第二透镜阵列，并且所述主动对准过程包括将来自所述光纤阵列的光穿过所述第一透镜阵列和所述第二透镜阵列投射到所述至少一个垂直耦合元件。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述光学子组件包括光束移位器，并且所述主动对准过程包括将来自所述光纤阵列的光穿过所述第一透镜阵列、所述光束移位器和所述第二透镜阵列投射到所述至少一个垂直耦合元件。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述光学子组件包括半波片，并且所述主动对准过程包括将来自所述光纤阵列的光穿过所述第一透镜阵列、所述光束移位器、所述半波片和所述第二透镜阵列投射到所述至少一个垂直耦合元件。
18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述光学子组件包括间隔块，所述间隔块沿光路设置在所述第一透镜阵列与所述第二透镜阵列之间，并且所述主动对准过程包括将来自所述光纤阵列的光穿过所述第一透镜阵列、所述间隔块和所述第二透镜阵列投射到所述至少一个垂直耦合元件。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述光学子组件包括半波片，并且所述主动对准过程包括将来自所述光纤阵列的光穿过所述第一透镜阵列、所述间隔块、所述半波片和所述第二透镜阵列投射到所述至少一个垂直耦合元件。
20.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述光纤连接器包括第一透镜阵列，并且所述主动对准过程包括将来自所述光纤阵列的光穿过所述第一透镜阵列投射，包括使来自所述光纤中的至少一个光纤的光穿过对应透镜到达对应垂直耦合元件。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述光学子组件包括第二透镜阵列，并且所述主动对准过程包括将来自所述光纤阵列的光穿过所述第一透镜阵列和所述第二透镜阵列投射到所述至少一个垂直耦合元件。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述光学子组件包括光束移位器，并且所述主动对准过程包括将来自所述光纤阵列的光穿过所述第一透镜阵列、所述光束移位器和所述第二透镜阵列投射到所述至少一个垂直耦合元件。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述光学子组件包括半波片，并且所述主动对准过程包括将来自所述光纤阵列的光穿过所述第一透镜阵列、所述光束移位器、所述半波片和所述第二透镜阵列投射到所述至少一个垂直耦合元件。
24.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述光学子组件包括间隔块，所述间隔块沿光路设置在所述第一透镜阵列与所述第二透镜阵列之间，并且所述主动对准过程包括将来自所述光纤阵列的光穿过所述第一透镜阵列、所述间隔块和所述第二透镜阵列投射到所述至少一个垂直耦合元件。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述光学子组件包括半波片，并且所述主动对准过程包括将来自所述光纤阵列的光穿过所述第一透镜阵列、所述间隔块、所述半波片和所述第二透镜阵列投射到所述至少一个垂直耦合元件。
26.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述主动对准过程包括调整所述套圈框架相对于所述光学子组件的所述位置，以使所述光纤阵列与所述光子集成电路之间的光传递的总体效率最大化。
27.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，按重量计所述套圈框架的至少一半由玻璃、金属或塑料中的至少一者制成。
28.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述套圈框架包括对紫外(UV)光透明或半透明的材料，并且将所述套圈框架牢固地连接到所述光学子组件包括使用UV固化粘合剂将所述套圈框架附接到所述光学子组件。
29.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，调整所述套圈框架相对于所述光学子组件的所述位置包括沿基本上平行于所述光子集成电路的主表面的平面调整所述套圈框架的所述位置。
30.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，沿基本上平行于所述光子集成电路的主表面的所述平面调整所述套圈框架的位置包括以下各项中的至少一者：(i)沿相对于所述光子集成电路的主表面的x轴调整所述套圈框架的位置；(ii)沿相对于所述光子集成电路的主表面的y轴调整所述套圈框架的位置；或者(iii)绕相对于所述光子集成电路的主表面的z轴旋转所述套圈框架；
其中所述x轴和所述y轴基本上平行于所述光子集成电路的主表面，并且所述z轴基本上垂直于所述光子集成电路的主表面。
31.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，调整所述套圈框架相对于所述光学子组件的位置包括调整所述光纤连接器的端部相对于所述光学子组件的距离。
32.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，调整所述套圈框架相对于所述光学子组件的位置包括调整所述光纤连接器的端面相对于所述光学子组件的倾斜角。
33.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，将所述套圈框架与所述光学子组件对准包括以至少10μm准确度的精度将所述套圈框架与所述光学子组件对准。
34.根据权利要求33所述的方法，其特征在于，将所述套圈框架与所述光学子组件对准包括以至少1μm准确度的精度将所述套圈框架与所述光学子组件对准。
35.根据权利要求34所述的方法，其特征在于，将所述套圈框架与所述光学子组件对准包括以至少0.1μm准确度的精度将所述套圈框架与所述光学子组件对准。
36.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述垂直耦合元件中的每个垂直耦合元件包括以下各项中的至少一者：单偏振垂直光栅耦合器、转向镜、偏振分集垂直光栅耦合器、垂直腔表面发射激光器、表面法线调制器或光电二极管。
37.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述光束移位器包括偏振相关光学元件。
38.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述光学子组件包括转向镜，所述转向镜使光纤与对应垂直耦合元件之间的第一光路转向，
其中所述第一光路包括第一光路区段和第二光路区段，所述第一光路区段位于所述垂直耦合元件与所述转向镜的反射表面之间，所述第二光路区段位于所述转向镜的所述反射表面与所述光纤之间，所述第二光路区段相对于所述第一光路区段成角度θ1，并且θ1在20°至160°的范围内。
39.根据权利要求38所述的方法，其特征在于，θ1在45°至110°的范围内。
40.根据权利要求39所述的方法，其特征在于，θ1在80°至100°的范围内。
41.根据权利要求40所述的方法，其特征在于，在所述套圈框架牢固地连接到所述光学子组件后，所述套圈框架被定向成使得当所述光纤连接器可移除地连接到所述套圈框架时，所述光纤阵列中的至少一些光纤沿基本上平行于所述光子集成电路的主表面的方向输出光束，所述输出的光束相对于所述光子集成电路的主表面以角度θ2行进，并且0°≤θ2≤10°。
42.根据权利要求38所述的方法，其特征在于，所述光学子组件包括设置在所述转向镜与所述套圈框架之间的光束移位元件。
43.根据权利要求38所述的方法，其特征在于，所述光学子组件包括设置在所述转向镜与所述光子集成电路之间的透镜阵列。
44.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括使用计算机来控制机器，以使用所述主动对准过程将所述套圈框架与所述光学子组件对准。
45.一种设备，其特征在于，所述设备包括：
光子集成电路，所述光子集成电路包括沿所述光子集成电路的主表面设置的多个垂直耦合元件；
光学子组件，所述光学子组件附接到所述光子集成电路；
套圈框架，所述套圈框架被配置成使光纤连接器能够可移除地连接到所述套圈框架并与所述光学子组件对准；
其中所述光纤连接器连接到光纤阵列，并且所述光学子组件被配置成在所述光纤阵列与所述光子集成电路上的所述垂直耦合元件之间传递光；
其中使用主动对准过程将所述套圈框架与所述光学子组件对准，在所述主动对准过程中，光通过所述光学子组件和所述多个垂直耦合元件中的至少一个垂直耦合元件在所述光纤阵列中的至少一个光纤与所述光子集成电路之间被传递，并且所述套圈框架相对于所述光学子组件的位置是基于在所述至少一个光纤与所述光子集成电路之间传递的所述光的至少一个特性来调整的；并且
其中在所述主动对准过程后，所述套圈框架牢固地连接到所述光学子组件。
46.根据权利要求45所述的设备，其特征在于，所述套圈框架使所述光纤阵列能够以至少10μm的精度与所述光学子组件对准。
47.根据权利要求45所述的设备，其特征在于，所述套圈框架使所述光纤阵列能够以至少1μm的精度与所述光学子组件对准。
48.根据权利要求45所述的设备，其特征在于，所述套圈框架使所述光纤阵列能够以至少0.1μm的精度与所述光学子组件对准。
49.根据权利要求45至48中任一项所述的设备，其特征在于，所述光学子组件包括第一透镜阵列，并且套圈模块被配置成将所述光纤阵列与所述透镜阵列对准。
50.根据权利要求49所述的设备，其特征在于，所述光学子组件包括第二透镜阵列，并且所述第二透镜阵列沿光束路径定位在所述第一透镜阵列与所述垂直耦合元件之间。
51.根据权利要求50所述的设备，其特征在于，所述光学子组件包括光束移位器。
52.根据权利要求51所述的设备，其特征在于，所述光学子组件包括半波片，所述半波片沿所述光束路径定位在所述光束移位器与所述第二透镜阵列之间。
53.根据权利要求51所述的设备，其特征在于，所述光学子组件包括具有孔的双折射板，并且所述双折射板沿所述光束路径定位在所述光束移位器与所述第二透镜阵列之间。
54.根据权利要求50所述的设备，其特征在于，所述光学子组件包括间隔块，所述间隔块沿所述光束路径设置在所述第一透镜阵列与所述第二透镜阵列之间。
55.根据权利要求54所述的设备，其特征在于，所述光学子组件包括半波片，所述半波片沿所述光束路径定位在所述间隔块与所述第二透镜阵列之间。
56.根据权利要求45至48中任一项所述的设备，其特征在于，所述光纤连接器包括第一透镜阵列，并且套圈模块被配置成将所述第一透镜阵列与所述光学子组件对准。
57.根据权利要求56所述的设备，其特征在于，所述光学子组件包括第二透镜阵列，所述第二透镜阵列沿光束路径定位在所述第一透镜阵列与所述垂直耦合元件之间。
58.根据权利要求57所述的设备，其特征在于，所述光学子组件包括光束移位器。
59.根据权利要求58所述的设备，其特征在于，所述光学子组件包括半波片，所述半波片沿所述光束路径定位在所述光束移位器与所述第二透镜阵列之间。
60.根据权利要求58所述的设备，其特征在于，所述光学子组件包括具有孔的双折射板，并且所述双折射板沿所述光束路径定位在所述光束移位器与所述第二透镜阵列之间。
61.根据权利要求57所述的设备，其特征在于，所述光学子组件包括间隔块，所述间隔块沿所述光束路径设置在所述第一透镜阵列与所述第二透镜阵列之间。
62.根据权利要求61所述的设备，其特征在于，所述光学子组件包括半波片，所述半波片沿所述光束路径定位在所述间隔块与所述第二透镜阵列之间。
63.根据权利要求45至48中任一项所述的设备，其特征在于，每个光纤包括一个或多个纤芯，所述光学子组件包括至少一个透镜，所述至少一个透镜被配置成与所述纤芯中的单个纤芯和所述垂直耦合元件中的单个垂直耦合元件传递光。
64.根据权利要求45至48中任一项所述的设备，其特征在于，每个光纤包括一个或多个纤芯，所述光学子组件包括多个光波导，每个光波导光学地连接所述纤芯中的相应纤芯和所述垂直耦合元件中的相应垂直耦合元件。
65.根据权利要求64所述的设备，其特征在于，所述光波导中的至少一些光波导是锥形的。
66.根据权利要求45至48中任一项所述的设备，其特征在于，所述光学子组件包括一个或多个偏振分束器。
67.根据权利要求45至48中任一项所述的设备，其特征在于，所述光学子组件包括一个或多个偏振旋转元件。
68.根据权利要求45至48中任一项所述的设备，其特征在于，每个光纤包括一个或多个纤芯，所述光学子组件被配置成在第一数量的所述纤芯与第二数量的所述垂直耦合元件之间传递光，并且所述第二数量大于所述第一数量。
69.根据权利要求45至48中任一项所述的设备，其特征在于，所述垂直耦合元件中的每个垂直耦合元件包括以下各项中的至少一者：单偏振垂直光栅耦合器、转向镜、偏振分集垂直光栅耦合器、垂直腔表面发射激光器、表面法线调制器或光电二极管。
70.根据权利要求45至48中任一项所述的设备，其特征在于，按重量计所述套圈框架的至少一半由玻璃、金属或塑料中的至少一者制成。
71.根据权利要求45至48中任一项所述的设备，其特征在于，所述套圈框架包括对紫外(UV)光透明或半透明的材料，并且UV固化粘合剂用于将所述套圈框架牢固地附接到所述光学子组件。
72.根据权利要求51所述的设备，其特征在于，所述光束移位器包括偏振相关光学元件。
73.根据权利要求45至48中任一项所述的设备，其特征在于，所述光学子组件包括转向镜，所述转向镜使光纤与对应垂直耦合元件之间的第一光路转向，
其中所述第一光路包括第一光路区段和第二光路区段，所述第一光路区段位于所述垂直耦合元件与所述转向镜的反射表面之间，所述第二光路区段位于所述转向镜的所述反射表面与所述光纤之间，所述第二光路区段相对于所述第一光路区段成角度θ1，并且θ1在20°至160°的范围内。
74.根据权利要求73所述的设备，其特征在于，θ1在45°至110°的范围内。
75.根据权利要求74所述的设备，其特征在于，θ1在80°至100°的范围内。
76.根据权利要求75所述的设备，其特征在于，所述套圈框架被定向成使得当所述光纤连接器可移除地连接到所述套圈框架并且所述设备处于操作中时，所述光纤阵列中的至少一些光纤沿基本上平行于所述光子集成电路的主表面的方向输出光束，所述输出的光束相对于所述光子集成电路的主表面以角度θ2行进，并且0°≤θ2≤10°。
77.根据权利要求73所述的设备，其特征在于，所述光学子组件包括设置在所述转向镜与所述套圈框架之间的光束移位元件。
78.根据权利要求73所述的设备，其特征在于，所述光学子组件包括设置在所述转向镜与所述光子集成电路之间的透镜阵列。
79.一种设备，其特征在于，所述设备包括：
多个光子集成电路，每个光子集成电路包括多个耦合元件；
多个光学子组件，每个光学子组件附接到所述多个光子集成电路中的对应光子集成电路；
多个套圈框架，每个套圈框架被配置成使对应光纤连接器能够可移除地连接到所述套圈框架并与所述多个光学子组件中的对应光学子组件对准；
其中每个光纤连接器连接到光纤阵列，并且所述对应光学子组件被配置成在所述光纤阵列与所述对应光子集成电路上的所述对应耦合元件之间传递光；
其中每个套圈框架使所述光纤阵列能够以至少10μm准确度的精度与所述对应光学子组件对准。
80.根据权利要求79所述的设备，其特征在于，每个套圈框架使所述光纤阵列能够以至少1μm准确度的精度与所述对应光学子组件对准。
81.根据权利要求80所述的设备，其特征在于，每个套圈框架使所述光纤阵列能够以至少0.1μm准确度的精度与所述对应光学子组件对准。
82.根据权利要求79至81中任一项所述的设备，其特征在于，每个光学子组件包括转向镜，所述转向镜使光纤与对应耦合元件之间的第一光路转向，
其中所述第一光路包括第一光路区段和第二光路区段，所述第一光路区段位于所述耦合元件与所述转向镜的反射表面之间，所述第二光路区段位于所述转向镜的所述反射表面与所述光纤之间，所述第二光路区段相对于所述第一光路区段成角度θ1，并且θ1在80°至100°的范围内。
83.一种设备，其特征在于，所述设备包括：
存储装置，所述存储装置存储指令；以及
至少一个数据处理器，所述至少一个数据处理器被配置成执行所述指令并实施包括控制机器以使用主动对准过程将套圈框架与光学子组件对准的过程；
其中所述光学子组件光学地耦合到光子集成电路；并且
其中所述套圈框架被配置成使光纤连接器能够可移除地连接到所述套圈框架，所述光纤连接器附接到光纤阵列，并且所述套圈框架被配置成使所述光纤与所述光学子组件对准，以使光在所述光纤与所述光子集成电路之间传输。
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