CN1771446A - 光束整形及降低将外部光源和光学器件连接至薄硅波导引起的损耗的实用方法 - Google Patents

Abstract

本文描述了一种获得并保持光从输入和输出自由空间光学器件到亚微米厚度高折射率波导的高效率传输的实际实现方法。讨论了所需的光学元件和制造、校准和组装这些元件的方法。依照优选实施例的上下文讨论了在装置工作参数的现实范围内可靠地保持高耦合效率。

Description

光束整形及降低将外部光源和光学器件连接至薄硅波导引起的损耗的实 用方法

与相关申请的相互参照引用

本发明要求2003年4月10日提交的临时申请No.60/461,697的权益。

技术领域

本发明涉及与薄硅光学波导相关的耦合装置，特别涉及了与光束整形和减少将外部光源和光学器件与该薄波导连接引起的损耗的方法。

背景技术

在许多设备的应用中，输入信号必须在设备中作预处理，以便对实施基本功能的设备专有技术作优化；同样，在传输到外部以前，从设备核心中发出的信号必须作后期处理，以便产生一个与典型用户需求相容的信号。对于光电组件，所需的光学信号处理包括光产生、波长控制、偏振控制、相位控制、光束方向控制、光束整形、光束分离或复合、调制以及检测等功能。为了使用上的方便，或者为了控制对于设备性能至关重要的参数，一般可以将许多预处理或后期处理功能集成到组件中。例如，一项重要好处是，通过将更多的光学功能集成到组件中，通常可以降低设备的光学***损耗。这不仅是因为元件的选择可以更容易地对设备专有技术作优化，还因为不同设备或组件间的物理连接得以减少。***应用中可以使用一种低损耗光电组件，因为它更容易应用在***的不同地方，并扩大***的应用范围。此外，通过设备集成可以减小设备的物理尺寸。

预处理和后期处理光学功能的集成对于工作在红外波长的硅基光电电路尤为关键。因为商业应用中还没有广泛使用硅激光器，现在还无法像信号处理和接收元件那样在同一硅片中引入光源。因此，光信号必须从外部光源引入到硅片中。这需要(在光源和波导之间)***光学元件以对信号作预处理，以便有相当强度的光可以传输至波导。此外，因为适合于红外波长的硅基探测器刚刚开始开发，光信号必须从硅波导传输到外部探测器或接收元件。因此，设备的输出端需要有光学元件对光学信号作后期处理。先有技术中将光耦合进入高折射率反差波导的典型方法包括棱镜耦合器、光栅耦合器、楔形模式转换器以及特殊形状的光纤终端或透镜型光纤。虽然所有这些光学元件都已在实验室环境下用于将来自外部光源的一部分光传输到一个高折射率反差的波导中，当这些零件被用于低损耗设备的原型或最终产品时仍会有很多限制。

例如，特殊形状的光纤终端、透镜型光纤或楔形模式转换器能够产生的最小束斑大小在1.5μm左右，这与一些亚微米尺寸的硅波导不匹配。特别地，许多应用中需要尺寸约为0.35μm或更小的单模式硅波导。特制光纤或楔形模式转换器的输出光束的模场直径和波导模式下的模场直径间的失配将引起高的***损耗。即使波导的直径在数微米左右，因为设备的输入和输出端口必须位于包含了波导的晶片模具的切割面上，当设备耦合到特制光纤或楔形模式转换器时，设备的几何形状(例如，设备的布局和尺寸)有很多限制。

上述限制可以通过用光栅耦合器或棱镜耦合器将光从外部光源耦合进入高折射率反差波导中或从中耦合出来得以解决。通过适当的设计，可以成功将光耦合到厚度范围从数十纳米到数十微米的波导中。此外，光栅或棱镜元件可以安置在模具或晶片表面任意合适的位置，使得光能够进入模具或晶片相当大的部分。

虽然它们有相当多优点，光栅和棱镜耦合器制造上的困难仍限制了它们在一些特殊应用中的应用。光栅耦合器的耦合效率对于光栅周期、深度和倾斜角较敏感。理论上，如果光栅参数的设计目标可以满足，可以获得约70-80％的耦合效率；实际上，由于对于制造公差的敏感性，实测的耦合效率多在40％左右。

在先有技术中，棱镜耦合器需要将一个大的块体光学元件(尺寸为几毫米)安置在非常接近波导的位置且相对波导精确定位。这里，“非常接近”是指光学元件和波导间的间距允许光从光学元件到波导的消散波耦合。对于长途通讯应用中使用的红外波长，典型的间距值落在200-500nm的范围内。相对波导操纵棱镜所需的运动控制(例如，使用压电支架)可以在实验室的光学台或测试装置中完成，但这种方法无法在小型光电组件中实现。因此，棱镜耦合应用主要限制在波导测试和鉴定中。

因为在先有技术中棱镜耦合器未曾应用于小型光电组件，适合于与小型设备结构中的棱镜耦合器配合使用的光学和机械部件还没有开发出来。例如，先有技术中没有公开将光传输到小型光电组件中的棱镜耦合器装置或从中接收光的典型光学元件的具体实施例。在实验室装置中，当引入棱镜耦合器的信号发生某种变化(如波长、偏振状态、光束位置、入射角等的变化)，一般可以用多种方式调整光学元件以优化信号传输。对于小型装置，适合于设计一个对于多种输入都透明的装置；也即是说，当信号的输入状态发生改变时，为使装置正常工作仅需要调整小部分参数(或根本不需要调整)。因此，与输入和输出光束、输入和输出光学元件以及棱镜耦合器相关的光学参数的选择直接影响了装置的多用性和可制造性。然而，因为在先有技术中棱镜耦合器还没有被集成到小型光电装置中，还没有开发用于制造多用和可制造的装置的详细设计方案。

因此，本技术中还需要设计和实现可以与小型的、低损耗、稳定的光电组件中的棱镜耦合器对接的光学***。

发明内容

先有技术中尚待解决的需求将在本发明中予以说明，它涉及了光学***的设计，该***可以用于处理进入小型棱镜耦合光电装置以及从中出射的红外光信号。

特别地，本发明详细说明了几种为永久耦合的小型棱镜和波导部件提供必要接口的光学元件的实施例。这些接口包括但不局限于：将光从外部光源引至高折射率棱镜结构中的自由空间光学元件、蚀刻面用作棱镜输入和输出面的同一块硅片或模具上制成的光学元件或结构、构成了高折射率棱镜和波导间的直接物理接口的消散波耦合层，以及接收从棱镜输出面出射的输出光束的自由空间光学元件。

上述各种实施例特别适合用于远程通讯应用中常用的波段范围内的薄硅波导。然而，本发明中的各种接口装置同样也可用于其他装置，并可使用更大尺寸的波导和/或其他波长范围。详细说明了发射光学器件的具体实施例以及为棱镜耦合装置提供了新的且紧凑的封装方案的条件。公开了可将使用棱镜耦合的小型光电装置的端对端***损耗降低至最小的设计方案，并且计算了特定实施例的理论耦合效率。更为有利的是，详细说明了可产生理想输出光束强度分布并降低***损耗的消散波耦合层的具体且可制造的实施例。

参考附图，在接下来的说明过程中，相对于制造需要降低所需的自由空间光束大小的优点将会显现出来。

附图说明

现在请参考附图。

图1示出了一种硅基棱镜耦合器，该耦合器永久固定在一个包含一个硅波导层的绝缘体上硅(SOI)的晶片。

图2示出了一束光在一个棱镜结构内传播的几何路线，包括棱镜内部和外部的发射角(分别对应于θ_air和θ_Si)，以及棱镜表面处的光学耦合区域的物理尺寸，该棱镜表面与消散波耦合层直接相连；

图3显示了图1中实施例的棱镜的外部束发射角θ_Si在一定远程通讯波长范围内，以及在三个不同硅波导厚度条件下的范围；

图4显示了图1中实施例在空气中的光束发射角θ_air(在棱镜外部)在一定远程通讯波长范围内以及在三个不同硅波导厚度条件下的范围；

图5显示了棱镜结构内部(θ_Si)以及棱镜面(θ_air)外部的发射角的全部范围，覆盖了0.1至0.21μm的装置硅层厚度范围，以及1290至1590nm的波长范围；

图6示出了耦合效率曲线在覆盖了一定自由空间输入光束直径值以及在三个不同的耦合常数值

下的角半高宽(用FWHM(θ_air)表示)；

图7显示了图1中的实施例的耦合效率作为氧化硅消散波耦合层厚度的函数，在绝缘体上硅的晶片中三种不同波导层厚度下的模拟结果；

图8显示了对于与图1中的实施例相似的实施例的耦合效率作为消散波耦合层厚度的函数，对于组成消散波耦合层的三种不同材料的模拟结果。

图9显示了平整度(称作“楔形角”)的最大偏移作为自由空间输入光束直径的曲线，该平整度与图1中实施例的消散波耦合层的恒定厚度的理论模型相一致。

图10显示了与图1中相似并带有一个楔形消散波耦合层的实施例的最佳楔形角作为自由空间输入光束直径的函数。

图11示出了对于图1中的实施例在一定远程通讯波长范围内棱镜耦合面

上的输入光束尺寸与输入自由空间光束尺寸

的比值，在SOI晶片中四种不同波导层厚度下的情况；

图12(a)和(b)用顶视投影图和侧视投影图示出了一个初始未偏振的输入光束是如何被转换成两个所需偏振方向上的独立光束，因而容许光通过一个棱镜结构高效率地耦合进入波导的；

图13显示了使用促动MEM微反射镜控制光束从一个水平光源发射至棱镜外部的合适发射角的例子。

图14显示了一种物理布局，该布局展示了从一个光纤引出的边发射二极管或其他光纤输入进入装置的光的侧面发射，且输出端在组件的相反一侧；

图15显示了一种物理布局，该布局展示了从一个光纤引出的边发射二极管或其他光纤输入进入装置的光的侧面发射，且输出端在组件的同一侧；

图16显示了使用阵列VCSEL光源和微棱镜阵列将光束导向至一条棱镜结构的例子；

图17是图16的装置的另一种实施例，其中使用了一个边发射二极管阵列来代替成列的VCSEL光源组；

图18是与图16类似的另一种实施例，且使用了一组与光束控制装置联合安置的透镜型光纤；

图19显示了一个棱镜晶片，该晶片包括了在消散波耦合层界面之前校准和操纵光束的附加光学元件；

图20(a)显示了图1的优选实施例，该实施例具有恒定厚度的消散波耦合层，图20(b)和(c)显示了输入和输出光束振幅作为z的函数的曲线，图20(d)显示了图20(b)和(c)(c)的叠加；

图21包含了一张显示了一种形成一个半高斯波的特殊装置的示意图；以及

图22(a)显示了图1的优选实施例，该实施例带厚度线性变化的消散波耦合层，图22(b)和(c)显示了输入和输出光束振幅作为z的函数的曲线，图22(d)显示了图22(b)和(c)的叠加；

具体实施方式

为了更好地理解本发明的主旨，理解与输入光束相关的需求十分重要，该输入光束首先被传输到图1中显示的典型棱镜结构10的输入面，然后通过棱镜结构耦合到一个薄硅波导12。图2中示出了输入光束在棱镜结构中传播的详细原理图。该光束通过斜边(输入面)表面14进入棱镜结构10，该表面涂上了放反射层16以减少由从低折射率介质(大气)到高折射率介质(图1中的实施例中的硅)的传输引起的菲涅尔损耗。参照图2，输入光束与入射面表面14的法向成入射角θ_air，然后由棱镜折射。为与已知光学器件相一致，将棱镜内的角度(θ_Si)用光束和与波导垂直的轴所成的角度表示最为方便。依照图2的几何关系，θ_Si和θ_air有如下关系：

            θ_Si＝θ_pr-sin^-1{sinθ_air/n_Si}，

其中对于1.3-1.6μm波段内的波长n_Si＝硅折射率≈3.5。

折射同时扩大了棱镜内光束的尺寸，沿着图2所示的轴，扩大系数为：

对于耦合效率，此光束在棱镜和消散波耦合层界面上的投影是关键的参量。从与图2相关的几何关系中可见，输入自由空间光束和直径为 的自由空间输入光束在棱镜耦合表面上的投影的关系可表示为：

图2图示了控制棱镜10内部和外部光束的传播的几何限制，图1则显示了一种优选布局，其中棱镜耦合器由一块硅晶片制成，并永久固定在一块包含了波导12的连接的SOI晶片20上。如图1所示，波导层12与硅衬底22通过一个阻隔氧化层24隔开。所需的棱镜表面通过联合布线和刻蚀过程在硅晶片上制成，而不是使用一个分立的精确棱镜光学元件。所需的垂直壁30、32的部分可通过多种刻蚀处理制成，而棱镜斜面14、18最容易通过各项异性湿法刻蚀处理制成。各项异性处理对于不同的晶面有不同的刻蚀速率，因而棱镜斜面14、18与晶片平面成特定的角度。对于图1中的构造，硅棱镜晶片的是<100>晶向，因而各项异性KOH刻蚀将得到与晶片平面成54.74度夹角的晶面。通过在硅棱镜晶片或连接的SOI晶面的上部波导表面上沉积一层折射率小于硅折射率(n_Si≈3.5)的材料，可得到一个消散波耦合层26。然后，棱镜耦合器与包含了波导的SOI晶片永久相连，虽然粘合剂和焊接接合方法也可以使用，但最好是使用半导体接合处理方法。在得到的棱镜耦合器/SOI晶片部件中，棱镜耦合器10(棱镜耦合表面15)的基底与SOI晶片20的波导表面12直接接触，这样可得到一个棱镜/消散波耦合层/波导的夹层。为了减少输入和输出棱镜斜面表面处(以下称为“棱镜面”)的菲涅尔损耗，集成了棱镜面的硅棱镜耦合器的表面上沉积了一层(或多层)附加的材料。这一层或多层结构用作放反射涂层16，光横穿棱镜面时该涂层可显著提高透射率。

通过使用先有技术中的已知理论，硅棱镜结构中的光束角θ_Si可以在与单模式传播相容的一定波导厚度范围内和远程通讯应用使用的波长波段内计算出来。波导厚度为0.1、0.14和0.21μm且波长范围为1290-1630nm的θ_Si的计算结果显示在图3中。选择了这些典型的波导厚度是因为光学和高速电子功能可集成在这些相对很薄的波导中。可以看出，光束角度θ_Si(图2中已作定义)在所需的波长和波导厚度范围内覆盖了38度至58度的范围。为了确定棱镜外部合适的发射角θ_air，可使用先前得到的θ_Si和θ_air的关系。如前述，对于图1中的实施例，对于<100>取向的硅晶片，使用产生输入和输出成角的面的各项异性刻蚀处理将得到θ_pr＝54.74度。然而，图1中的实施例的使用并不局限于此特定的θ_pr值；也可以使用任意其他可通过刻蚀处理或不同方法得到的θ_pr值。图4显示了波长范围在1290-1630nm范围且波导厚度在0.10、0.14和0.21μm时θ_air的计算结果。空气中入射角的范围要大得多，在-15度到90度内变化；这是因为空气(n≈1.0)和硅(n≈3.5)的折射率相差较大。

图5提供了一种棱镜内部(θ_Si)和棱镜外部(θ_air)的角度范围的图形表示，对于54.74度的棱镜，该角度范围必须达到，以便使设备的使用可覆盖波长和波导厚度的全范围。除对于0.10μm的波导厚度大于1590nm的波长不能使用外，空气发射条件可在很宽的波长和波导厚度范围内实现。因此，图1中示出的实施例的主要优点包括(1)协调常用的半导体布线、刻蚀和接合处理来产生可制造的棱镜耦合器和波导装置，以及(2)构成一种有用结构，该结构可用于覆盖了大范围红外波长和波导厚度的应用。

图1中说明的装置的用途可通过选择可简化连接至图1中的装置的光信号接口的输入和输入光束的光学和空间特性而进一步增强。因为波长范围和输入信号的功率通常由实际应用决定，偏振方向、光束形状、光束(或波前)质量以及传播方向可在组件内调整。对于透镜耦合应用，依照本发明，精确控制这些参数是必须的，以便光从透镜耦合器到波导中时获得的预期高耦合效率。特别地，以下条件必须满足：

(1)输入光束必须从由输入光束的偏振状态和波长、硅装置波导层12(以下用W表示)和消散波耦合层26的折射率和厚度以及棱镜10和其周围介质的折射率决定的入射角出射。如果入射光束从合适的入射角出射，棱镜10和波导12内的波场传播常数将匹配，使得可以得到高耦合效率。

(2)光束必须在棱镜耦合表面15处高度准直，这样输入高斯光束的最细部分落在了棱镜耦合表面的附近。已经知道，如果波前的相位在波在棱镜耦合表面15上的投影范围内变化很大，耦合效率会减小。

(3)输入光束必须在一个特定的位置与棱镜耦合表面15相交，这依赖于消散波耦合层的形式以及输入光信号的光束强度分布。对于高斯输入光束和恒定厚度的消散波耦合层26，可以看出，光束在棱镜耦合表面上的投影中心必须位于离开图2中显示的棱镜的垂直侧壁34距离为

的位置上，以使耦合效率最大化。光束被垂直侧壁34截断的一小部分被完全内反射，在从输出面18出射前，首先由垂直侧壁34反射，然后由棱镜耦合表面15反射。需要强调的是，相对此位置 的小偏移会使耦合效率稍稍降低(约10％)。用这种特殊的方式截断输入光束在棱镜耦合表面15上的投影，防止了从棱镜结构传输至波导12的光耦合回到棱镜结构。

(4)为了使耦合效率最大化，消散波层的厚度必须适合于输入光束在棱镜耦合表面上的投影的尺寸，

从先有技术中已经知道，通过实现输入光束的投影(约为

和主要由消散波层厚度决定的耦合强度参数(此后称为“α”)间的一种特定关系，耦合效率可达到最大。这是因为α和 是重叠积分中的重要参数，该重叠积分决定了耦合效率。

为了在小型光电组件中满足这些条件，合适的准直、整形和光束重导向微型元件，以及额外的偏振和相位控制光学器件，对于将光耦合进入图1中的结构的耦合效率十分重要。因为图1中棱镜面的典型尺寸约为0.5-1.0毫米，光学元件的光阑的尺寸必须相似，以保持整个组件紧凑。光束的最大尺寸必须稍小于光学元件的尺寸，以防止因光束受限而引起透射损耗。下面将会讨论到，其他特定于棱镜耦合应用的制造因素在光束的最大尺寸上施加了更多严格限制。对于高效棱镜耦合，存在一个最佳光束尺寸(与消散波耦合层的性质有关，如前所述)和一个最小光束尺寸，这样当光束横穿棱镜结构并与棱镜耦合表面相交时可保持准直。

如果选择了一个合适的最大光束尺寸，如图1中所示的装置的制造公差更容易得到满足。特别地，可获得输入光束I的发射角以及消散波耦合层26的厚度的公差方面的显著优点。

从先有技术中已经知道，对于恒定厚度的消散波耦合层，当

时，可得到80％的最佳耦合效率。α是表示耦合强度的参数，也是从棱镜结构的输出面出射的光束的形状的特征常数，单位为长度的逆，出射光束的形状的形式为g(z)∝exp(-αz)。参数α主要由消散波耦合层厚度、消散波耦合层中的传播常数以及波导两个边界处的反射引起的相位变化决定。

如果设为0.68来优化耦合，那么因为的

值减小，α必须增大，相当于更强的耦合或更薄的消散波耦合层。增强的耦合强度引起更宽的谐振，而更宽的谐振允许更宽的波长范围或等效地输入角度耦合进入波导。实际上，β空间中(β表示传播常数)谐振的洛伦兹分布图的半高宽(FWHM)直接正比于α，关系为：

FWHM(β)＝FWHM(n_Sisinθ_Si)＝αλ/π.分子和分母乘以

并依照以下关系：

θ_Si＝θ_pr-sin^-1{sinθ_air/n_Si}，可以得出半高宽作为输入角θ_air的函数为：

其中，

F(θ_air，θ_pr){1-(sinθ_air/n_Si)²}^1/2/[cos(θ_air)×cos{θ_pr-sin^-1(sinθ_air/n_Si)}].

对于一种特定的装置构造，例如图1中所示，θ_pr和W(波导厚度)分别是固定的量(θ_pr)₀和W₀。此外，如果选择了特定的波长λ₀，则θ_air的中心值也设定在一个特定的值(θ_air)0(如图4所示)。这种情况下，相对于θ_air(进入棱镜结构的外部发射角)的小偏差的强度半高宽可表示为：

这表示，一定输入角范围内的强度分布随着决定耦合效率的参数

线性增加，并随着光束直径在棱镜耦合表面15上的投影的倒数增加。对于一个给定的耦合效率 的值，一定输入角范围内的强度分布可通过减小输入光束的直径在棱镜耦合表面15上的投影来增强。同样，稍提高耦合常数

的值，一定输入角范围内的强度分布可得到提高，而耦合效率仅稍稍下降。从制造方面考虑，选择合适的耦合常数 和光束投影 十分重要，以便最终的装置在其使用期内对于小的θ_air变化更加稳定。下面的一个例子示出了适合于高耦合效率的光束尺寸和输入角的变化范围。

图6显示了FWHM(θ_air)作为四个自由空间光束直径

值和三个不同耦合效率

值的函数。这四个选择的光束尺寸对应于以下情况：(1)63μm：透镜型光纤部件的标准输出光束尺寸；(2)100μm：激光组件内集成了微透镜的垂直共振腔表面发射激光器(VCSEL)的典型光束尺寸；(3)200μm：标准光纤光学准直器(与一个GRIN或非球面镜对齐的光纤/套管部件)中可获得的最小光束尺寸；以及(4)360μm：标准光纤光学准直器(与一个GRIN或非球面镜对齐的光纤/套管部件)中最常使用的光束尺寸。为了计算输入发射角变化下的耦合效率和半高宽，光束在棱镜耦合表面上的投影

用前面的公式从自由空间光束直径

计算出来。接下来考虑通过调整

的值来改变耦合效率的影响。如果消散波耦合层比给定光束尺寸的最佳值厚，***将处于欠耦合状态，即

小于最佳值。对于 对于图1中的实施例，仍可获得72％的耦合效率。对于输入角的容差，这种情况不是十分适合，原因是谐振更为锐利，且θ_air变化的容差小于最佳耦合条件下的容差。对于图1中工作在1550nm波长下的装置，欠耦合条件下72％的耦合效率对应于约40nm的过厚消散波耦合层(见图7)。可以看出，此耦合值下对于任何可实现的构造，FWHM(θ_air)一般不超过0.35度。最佳耦合条件下，时FWHM(θ_air)已增加至0.4-0.6度，而对于更大的光束直径则保持在约0.1-0.2度。现在考虑消散波耦合层约40nm过薄的情况，则出现耦合效率为72％， 的过耦合情况。从图6可以看出，对于

角度容差已显著提高至0.7-1.1度，对于更大的光束直径则达到约0.2-0.35度。因此，自由空间光学器件校准后，适度过耦合的装置中使用小的光束直径可显著降低装置对工作时或装置老化时产生的小的变化的敏感程度。

使用相对较小的光束直径的其他好处来源于光束与消散波耦合层相互作用的有限的物理程度。为获得高耦合效率，消散波耦合层的厚度必须精确控制。层厚的变化会直接转化为α的变化，使

的值偏离最佳值0.68。作为一个例子，图7中显示了图1中的优选实施例的耦合效率在波导层12的三种不同的厚度下作为氧化硅消散波耦合层26的厚度的函数。消散波耦合层的厚度参考1550nm的应用波长和直径为63μm的输入自由空间光束作估计。图中显示的装置层厚的范围代表了目前绝缘体上硅处理中的层厚的实际分布范围。目标装置层厚为0.14μm，如优选实施例中所示。由图可见，消散波耦合层的厚度必须落在目标值±20nm的范围内，此例中约为320nm，以防止耦合效率降低10％(如果考虑波导层12的厚度的容差，±0.01μm)。尽管如此，±20nm的容差必须在光束在棱镜耦合表面上的投影的整个物理范围内得以保持，以确保高的耦合效率。这项条件将更容易得到满足，如果(1)选择构成消散波耦合层的介质，使得图7中的耦合效率曲线的宽度适当；(2)将棱镜耦合器固定到SOI晶片的波导表面上的处理方法使得厚度容差在光束投影的物理范围内得以保持；以及(3)光束在棱镜耦合表面上的投影的物理范围相对很小。

图8显示了一种与图1相似的分析结果，但显示了耦合效率在三种不同消散波耦合层折射系数下作为消散波耦合层厚度的函数。这三个值代表了三种不同的典型介质：空气(n≈1.0)，氧化硅(n≈1.45)，以及氮化硅(n≈2.0)。这三种情况下的耦合效率曲线的基本形式是相同的，但很明显最佳消散波耦合层厚度有变化，且耦合效率曲线的宽度随着消散波耦合层的折射系数增加而略有展宽。参照图8，n＝2.0时，消散波耦合层的厚度必须落在目标值±20nm的范围内，此例中约385nm，以防止耦合效率降低10％(如果考虑到硅波导层(参考图1的波导层标注)的厚度容差，±0.01μm)。因此，使用更高折射率的消散波耦合层可获得少量好处。有趣的是，只要获得了正确的消散波耦合层厚度，这三种介质(空气、二氧化硅，以及氮化硅)在当前实施例的范围内工作良好。标出的耦合曲线宽度(氧化硅为±20nm，氮化硅为±25nm)对应于消散波耦合层厚度±6-7％的容差，此值与目前的工艺制造方法匹配。

对于图1中示出的装置构造，如果一束直径 为63μm的自由空间输入光束传输到输入棱镜面上，输入光束在耦合表面 上的投影的最大尺寸约为110μm(对于波长为1550nm，波导厚度为0.14μm，氧化硅消散波耦合层厚度约320nm)。此外，由图7可见，消散波耦合层的厚度可变化±20nm，而对于相同的装置构造仍能保持超过70％的耦合效率。装置制造过程中，棱镜耦合表面与波导平面一般不是绝对平行。相对平行位置的小的偏移将引起消散波耦合层厚度的幅度沿着棱镜耦合表面轻微变化。图9显示出了对于如图1中显示实施例，在一定输入光束尺寸范围内可支持的相对平行位置的偏移，但仍然与等厚消散波耦合层的一种模型相一致。如图7所示，对于作为一个厚度实质上恒定的耦合区域的消散波耦合层，可支持光耦合区域中最大±20nm，或总40nm厚度变化。因此，如果输入光束在棱镜耦合表面上的投影为110μm，允许的最大楔形角约为0.04μm/110μm＝4×10^-4弧度或0.02度。如果使用了氮化硅消散波耦合层，作类似的计算可知，对于直径为62μm的自由空间光束，允许的平整度的最大偏移量可适当增加至0.026度。如果使用了大尺寸的光束，消散波耦合层的最佳厚度将增加，但允许高耦合效率的厚度的变化基本保持不变，约为±20nm。对于360μm的自由空间光束尺寸

对于图1中的装置构造，对应的光束在棱镜表面的投影约为610μm。相似的计算给出，允许的楔形角已降低至0.04μm/610μm＝6.6×10^-5弧度，或0.004度。大部分楔形角容差的改进源于以下事实，即对于较小的光束尺寸关键的间隙间距需要在较小的范围内保持。因为上述所有允许的楔形角都非常小，且随着光束在棱镜耦合表面上的投影反向减小，图1中显示的可高效率地耦合光的设备的制造由于使用了相对较小的光束尺寸的设计方案而显著改进了。

图1中所示的装置构造的一种变体中，消散波耦合层厚度沿着输入和输出光耦合区域的小的变化可使耦合效率提升超过80％。从先有技术中已知，消散波耦合层的梯度厚度使得输出自由空间光束的强度本质上为高斯型，光耦合区域在光束首先通过输出棱镜从波导中分离出来的地方的厚度大于最佳厚度，而光耦合区域在波导中的最后剩余光强度由输出棱镜分离出来的地方的厚度小于最佳厚度。这与恒定厚度的消散波耦合层的情况不同，恒定厚度情况下的输出光束强度分布为指数形式。楔形的消散波耦合层带来的高斯输入光束和本质上为高斯型的输出光束间模式匹配的改善，使得理论耦合效率从80％提高到约97％。如果没有详细的数学上的讨论，用于计算图10中楔形的合适角度的基本信息可从图7中获得。如前所述，与耦合强度有关且出现在输出光束强度分布的函数形式中的参数α，主要由消散波耦合层的厚度决定。对于厚度(z)沿着波导中光的传播方向变化的楔形消散波耦合层，给定z值处的耦合强度则直接与的α，α(z)的局域值相关。消散波耦合层的厚度必须在一个约等于输入光束在棱镜耦合表面上的投影的距离尺度内从弱耦合(小α(z))变成强耦合(大α(z))。为获得高耦合效率，需要确定合适的平均厚度值(这产生一个接近α的最佳值的α值，该值适合于恒定厚度消散波耦合层的最佳耦合)以及厚度随着z的合适的线性变化，或“楔形角”。对于图7的例子，W＝0.14μm时，可以看出耦合效率在消散波厚度为250nm和450nm时降到了其最大值的约37％(或1/e)处。这对应于横过光束在耦合表面上的投影总共200nm的变化。对于图1中的实施例以及图7中示出的构造，当总投影光束长度为110μm时，输出光束在耦合表面上的投影的电场振幅从距离峰值 处下降到其最大值的约37％处。从广义理论和先有技术中的详细重叠积分可以推断，此匹配将引起输出和输入光束间的高度重叠。于是，线性变化间隙的最佳坡度为200nm/100μm＝1.8×10^-3rad＝0.1°。需要注意的是，此条件对于63μm的相对较小(但仍可达到)自由空间直径也适用。如果使用了氮化硅(图8，n≈2.0)而不是氧化硅消散波耦合层，对于直径为63μm的自由空间光束，最佳坡度适当增加至0.13°。

图10显示了对图9中显示的计算结果中使用的光束尺寸作完全相同的计算，得到的最佳楔形角作为自由空间光束尺寸的函数。需要注意的是，最佳楔形角增加了6-7倍，从自由空间光束尺寸为360μm时的0.02°增加到自由空间光束尺寸为63μm时的0.10°。同样，容差的改善主要是因为对于更小的光束尺寸需要在一个更小的距离范围内保持精确的厚度变化。

因为恒定厚度和坡度厚度的消散波耦合层所需的楔形角相对都很小，楔形角的增大显著提高了最终装置的可生产性。由图9和图10可见，当自由空间光束直径减小到200μm以下时，所需的楔形角的容差开始改善。自由空间光束尺寸降低到100μm以下时，可获得更多的益处。

虽然前面的讨论指出，由于多种原因，减小光束尺寸可显著提高装置的可制造性，但棱镜耦合器(以及之前的任何输入光学器件)的尺寸和布局限制了与该布局相容的最小光束尺寸。小直径光束在相对较小的传播距离内快速发散。此距离常用的品质因素称为瑞利路程(此处表示为z_R)，并由关系

定义，其中n为光束传播穿过的介质的折射率，而其他符号与前面的定义相同。物理上，瑞利路程大致对应于光束保持准直的距离。当使用棱镜结构将光从外部光源传输到波导时，为了获得高耦合效率，光束腰必须位于输入光束在棱镜耦合表面的投影的附近。在与棱镜耦合表面相交之前，光束必须在硅棱镜耦合器内(通常在空气或其他输入光学器件内)传播一定距离。如果光束尺寸太小，空气、输入光学器件和硅内允许的路径长度将太小，以致实际中无法实现。接下来将依照图1中的设备构造的上下文详细说明一个示例计算。

如果图1中示出的棱镜结构的基底尺寸为0.45mm(沿着V形凹槽最深的部分水平量至刻蚀处理产生的边角边缘)，且波长为1550nm的光从硅棱镜耦合器以45.5°的θ_Si值发射，从输入棱镜面到棱镜结构和棱镜耦合耦合表面的边角光束必须传播约400μm的路径长度。先于棱镜面的发射距离必须包括在光束腰的位置的计算中。该发射距离包括光束在空气中的路径长度，以及用来预处理光束的光学元件的厚度。依照所需元件的数目，先于输入面的光束路径的范围在1mm(装置对准的合理制造公差)到数mm范围内。因为空气的折射率(更普遍地，输入光学器件的折射率)比硅的折射率低很多，且先于棱镜面的路径长度通常超过了棱镜结构中的路径长度，瑞利路程计算主要由先于输入棱镜面的发射决定。利用上面给出的z_R的关系可以得出，对于20μm的光束直径，空气中的瑞利路程为0.2mm，硅中则为0.7mm。对于大一点的63μm光束直径，空气中的瑞利路程约为2.1mm，硅中则为7.3mm。对于100μm的光束直径，空气中的瑞利路径约为5.1mm，硅中则为17.6mm。为了在空气中得到至几个毫米量级的传输距离，计算显示，使用尺寸在60-100μm量级的光束是可行的。

因为如偏振光束分离器、波板以及微楔面或棱镜等典型微光学元件的厚度可达0.5mm或更小，可使用一些元件来整形、控制准直透镜后的光束，并调整光束的偏振方向。因此，60-100μm的光束尺寸符合小光束、小形化组件和微光学元件输入列的要求。为简化包装和其他前面讨论的装配方面的问题，选择60-100μm量级的输入光束直径的设计范围是适合的。

关于输入光束尺寸的最后考虑是，输入光束尺寸是棱镜耦合器、消散波耦合层和波导施加的光束尺寸的下限。这三个元件的性质决定了棱镜内光束的角度，θ_Si，因而直接影响光束在棱镜耦合表面的投影， (见图2)。此外，棱镜耦合器的材料以及几何形状将依照关系式决定光束怎样在输入棱镜面上折射。需要指出的是，一般地，由于斜面处的折射和耦合面表面处的投影，

定义为自由空间中的光束直径)。典型情况下，光束在棱镜耦合表面上的投影

超过自由空间光束直径一至三倍。

图11显示了对于图1中不同装置层厚度以及全远程通讯波长范围内，这些影响造成的棱镜耦合表面上的光束的放大。可以看出，多数情况下，光束沿着传播轴放大了1.6-2.0倍。更大的值及其更快速的增加(如对于θ_pr＝54.74°，W＝1.0μm)对应于棱镜斜面上高入射斜角时折射效应的增加。因为同样的原因，从装配的角度看，这些结构不是十分合适。因此，从实际上考虑，将假定棱镜耦合表面处的光束尺寸相对自由空间值增大了1.4-2.4倍。同样，请注意，通过选择特定的波导厚度和棱镜角度(如W＝1.7μm，θ_pr＝54.74°)，输入光束在耦合表面上的投影可基本与波长无关。这样，对于波长范围内的任意波长均可获得合适的小光束尺寸，从而简化了装置的设计。这使得给定的棱镜晶片/消散波耦合层/波导配置可在比随意的装置配置宽的多的波长范围下高耦合效率地使用。

需要了解的是，为了获得本发明中的所需的光束特性，可以设计和安装多种不同的元件来产生、传送和调节光信号。接下来的说明包括多个光源和光学元件列的典型构造，这些构造可以为与图1中的类似的装置提供一个便利的接口。

此外，对应一些应用，可选择棱镜耦合器、消散波耦合层和波导的特性以简化与外部光源或接收元件的接口。特别地，一些用来传输和调节输入光信号的元件可设计在棱镜耦合器晶片或芯片内部，因而减少了独立元件的总数并简化了组装过程。通过选择合适的消散波耦合层和波导的材料、厚度和几何形状，可获得有利的发射几何条件和光束形状，同样也简化了组装过程。

激光二极管是使用远程通讯波长(1.1-1.65μm)的光电装置中常用的典型光源。很多红外激光二极管通常包括一个砷化镓基或磷化铟基材料的多层结构，而光从激光芯片的解理边面发射(技术上称为边发射激光二极管)。该激光二极管可以直接以这种芯片的形式使用，或者，如同多种先有技术中已建立的封装技术中那样，该激光芯片可通过一系列光学元件连接至一根输出光纤。第二类典型的激光二极管在技术中称为垂直共振腔表面发射激光器，或VCSEL。红外VCSEL包括一个多层结构(使用砷化镓、磷化铟或氮化铟镓砷基材料)，其中，光垂直于层堆并透过装置的顶层表面发射。

对于一些应用，需要使用自由空间光学器件从激光芯片传送到棱镜结构中。直接与激光耦合可实现非常紧凑的封装，并提供高度的偏振控制。然而，由于激光的发射面很小而红外波长较长，输出光束可能会严重发散。工作在1300-1600nm范围内的边发射激光二极管在垂直于结的方向上通常有约32°-50°的FWHM光束发散，而在平行于结的方向上有约10°-25°的FWHM光束发散。

因为光束发散很大且各向异性，至少需要两个透镜来实现高波前质量的有效自由空间光束准直。在一种透镜部件中，使用了一对交叉的柱面透镜来校正像散，并提供快轴和慢轴上的准直。为有效准直高度发散或“快”轴，第一柱面透镜通常由一种梯度折射率的材料制成(技术上称为“GRIN”透镜)。准直较小发散或“慢”轴的第二柱面透镜可用多种光学透明材料制成，因为透镜成型本身不足以提供准直。后接微型GRIN棒透镜的典型激光二极管中出射的输入光束的直径可选择落在40μm到几个mm的范围内。第二中配置中，第一透镜用于降低垂直于结方向的发散角直到其值等于平行于结方向的发散角，使光束成圆形并校正像散。这种透镜有时称为“激光二极管校正器”或“圆化器”。第二透镜现在可以是传统的准直微透镜(以将光束发散度降至接近为0)，如平凹或非球面镜，且可由多种光学透明材料制成。第二中配置的优点是，只需要一个而不是两个特殊的透镜。从后接校正透镜的典型激光二极管中出射的输出光束直径可选择落在100μm到1mm的范围内。

VCSEL发射适度发散的光束，且发散角覆盖29°(对于透镜型部件)至18°的范围。使用的透镜可以是传统的准直微透镜(用以将光束发散度降至接近为0)，例如平凹或非球面镜，且可由多种光学透明材料制成。为得到小光束直径的准直光束，可引入集成的微棱镜作为VCSEL结构自身的一部分。如此，对于3μm的VCSEL有效面积，可得到直径为100-200μm的准直光束。虽然中红外波长的VCSEL(1270-1650μm)刚刚开始出现，它们在降低光电组件的元件数目和复杂度方面有潜在的优势。

在其他应用中，一段光纤可用作将光从激光光源传递到棱镜耦合器的导管。如果激光光源位于带有光纤输出的独立罩子内，棱镜耦合的波导装置必须备有可直接与激光光源的输出相连的输入光纤部件。(如果激光光源和棱镜耦合的波导装置间有多个光纤装置，则棱镜耦合的波导装置的输入光纤部件必定与链路的终端光纤输出相连)。如果激光光源像棱镜耦合波导装置一样引入相同的组件中，对于一些应用，在激光芯片和棱镜耦合器间使用交错的光纤仍然十分有利。例如，使用一根特殊终结的光纤，可实现范围更宽的准直光束尺寸和形状。该特殊终结可应用在离棱镜耦合器最近的光纤的一端上，且通常包括将光纤一端整形，或将一个微棱镜直接熔合到光纤的该末端上。通过改变光纤末端或透镜的弯曲部分的大小和半径，在特定于用户的工作距离上可获得一束最小光斑大小(也作“光束腰”)的准直光束。使用目前的工艺技术，照这样可以制造光束腰直径在15μm至100μm范围内的光纤准直器。激光光源可使用先有技术中已详细介绍的透镜部件与光纤的另一端相连。因此，对于图13、14和15的配置，对于光纤和激光输入都可以从熔合的透镜/光纤组件产生直径为60的光束。

虽然透镜部件提供了必要的光束准直，仍然需要确保光束在进入棱镜前处于合适的偏振状态。虽然横向电(TE)和横向磁(TM)偏振态都可以高效地耦合进入波导，在特定的θ_Si值下，仅一种偏振态可以高效地耦合。因为边发射激光二极管发射偏振态稳定而已知的光束，可使用一个微波板将偏振态旋转至合适的态。对于一些应用，可以通过选择与从边发射二极管发射一致的合适偏振态，从而完全省略波板。如果输入光束从一个偏振保持光纤中穿过，可在组装时旋转光纤以确保得到合适的偏振态，因而同样不需要额外的偏振光学器件。

然而，VCSEL的偏振态并不确切已知。特别地，偏振态可能不随时间改变，但方向未知，或者相反，偏振态可能随时间或激光器驱动电流变化。与此类似，如果使用了非偏振保持的输入光纤，光的偏振态将不确定且会随时间漂移。一种用于先有技术的光学环形器中的元件也可用在本发明中以获得正确的偏振态，如图12所示。输入光束传输到可将单输入光束分离为两束偏振光束的双折射元件50：一束处于要求的偏振态，另一束的偏振态与要求的偏振态垂直。因为光的折射率对于两种偏振态不同，两束光一开始就以不同的方向在装置50内传播。处于要求的偏振态的光束继续在不影响其偏振态的介质内传播。然而，偏振态与要求的偏振态垂直的光束穿过了第二个双折射元件，即将其偏振态旋转90度至要求的偏振态的光束方向控制元件52。最后的输出是两束独立的光束，相互稍有偏离，且都处于所需的偏振态。多数应用中，两个元件50和52结合在一起，形成一个易于校正和制造的光学子部件。天然双折射材料(例如YvO₄、石英、金红石或铌酸锂)或人造双折射元件(如次波长衍射光学器件)均可使用。如果偏振部件的方向使得两束光以完全相同的入射角照射在棱镜面14上，两束光都可以高效地耦合进入波导层12。对于一些应用，光束进入波导层后，可以再把它们复合起来。通过SOI波导层12自身内部的合适导向结构，很容易完成重复合。一旦输入光束被准直且获得了所需的偏振态，如果要将所需波长的光高效地耦合进入波导，光信号必须以合适的入射角从棱镜面上发射。对于如图1中的实施例，光束可以直接以θ_air角发射进入棱镜结构，或者，可以使用小的光学元件将输入光束重导向至棱镜结构上的输入角θ_air。由于封装方面的原因，对于边发射二极管光源、光纤输入或垂直共振腔表面发射激光器(VCSELS)，将光平行于晶片发射通常较方便(直接发射时θ_air＝-35.3°)。对于外部光源，如VCSEL，同样适合于垂直于波导发射(直接发射时θ_air＝54.74°)。由图4可见，通过为给定的波长选择合适的波导厚度，可选择合适的发射条件。然而，对于一些设计方案，特定发射角所需的波导厚度可能与竞争装置需求不相容。因为这些原因，适合于将一些光束方向控制光学器件封装在光源附近。除角度选择外，光束方向控制光学器件可与其他校准技术(如光源相对棱镜的定位)一起使用，以确保光束妥善地(平移地)定位在棱镜上。

图13和图15详细给出了将光束从边发射二极管或光纤引导至棱镜面的典型方法。图14和图15中，来自一个边发射二极管或光纤的准直自由空间光束被导向一个微光学棱镜或楔角。光束偏转的幅度随着微光学器件的折射率和楔型角的增加而增加。在输出端可使用一个类似的微光学器件将输出光束导向至一个接收光纤。或者，衍射光学元件如线性相光栅可用作光束方向控制元件。衍射光学元件在光束方向控制应用中十分有效，原因是良好设计的光栅的分散作用可以很大，使得偏振角可以很大(可达60°)。另一项优点是，较复杂的衍射光学元件可同时实现不止一种光学功能，用较少的元件提供了更好的性能。作为一个例子，除了作为光束方向控制元件外，衍射光学元件可用于波前校正以提高波前质量。

图13中，用微电子机械***(MEMS)处理方法制造的微反射镜54用于将光反射至合适的入射角θ_air。在图13示出的例子中，用硅微加工方法制造的微枢纽56将该反射镜固定在正确的角度和位置。使用此技术的一项好处是，微反射镜54的位置和角度可操纵和调节，使得θ_air和光束相对刻蚀边角的位置可以调整，以便使传输导波导的光最强。同先前一样，同一结构也用在输出侧，将输出光束导向至接收光纤。

图14-19示出了可以以高耦合效率与棱镜耦合的波导装置连接的具体输入和输出光学配置。虽然特殊光学元件(例如图15中的透镜型光纤60)仅可以在一个实施例中画出，可以推断一个给定的元件可方便地应用在多种不同的实施例中。因此，图14-19中详细绘出的实施例实际上仅为示例，而没有详细给出可能的配置。

图14和15显示了两中传统的光纤引出光电组件配置，这些光电组件被连接至棱镜耦合的波导装置。虽然棱镜结构和SOI装置晶片连接起来形成一个部件，输入和输出光学器件列的封装可包括一个单独的部件。这种情况下，光学元件被安置在一个单独的托架上的支座中并校正，该托架又与棱镜/SOI装置波导部件连接并校正。或者，如果棱镜结构制作在一块硅晶片上，可使用额外的掩模和刻蚀处理来定义凹槽，该凹槽将自由空间元件安装在正对着连接表面的硅晶片的表面中。在两种情况中，大小大致等于光学元件的外部尺寸的沟槽加工在衬底材料中。然后，自由空间光学元件被定位、校准和固定在沟槽中的指定位置。图14和图15中，光信号通过一根光纤引入组件并从中引出(技术上称为“带尾纤的光纤”)。

图14中，在带尾光纤的光电组件中有两个重要独立设备。输入光纤接口和输出光纤接口分别在该组件的一侧和另一侧。图14所示的实施例中使用了偏振保持光纤70，这样确保可以获得没有其他杂散偏振的正确偏振态。一个微小光学透镜(相当于一个微型球面，一个微型GRIN透镜，或一个微型球面透镜)被用来准直从光纤中出来的发散光，随后准直后的光束被导向光束方向控制元件74，该元件使光束偏转一定角度从而在棱镜78的入射面76上以合适的入射角θ_air入射。如果光束控制元件74进一步定位在一个单独的子支座上，并且可以如图14所示的旋转角度度，则入射角就可以在装配时作调整好，并且在设备使用期内固定不变。在设备的输出端，输出光束以相反的顺序穿过相同顺序的光学元件。虽然设备输出端并非一定需要偏振保持光纤，使用偏振保持光纤使得图14中的结构可以用作双向***。

图15中的实施例和图14中类似，展示了一个输出端口和输入端口在同一侧的组装好的设备。当组件的整体尺寸需要保持很小时，此独特的构造十分有利。如图15所示，光束传播方向被位于SOI晶片波导层内的反射光学元件逆转。光信号通过位于组件底端的光纤80引入。在这种构造中，一个微型透镜82与光纤80直接熔合在一起，这样就利用单个子部件获得了良好准直的光束。由于光束从透镜型光纤出射后偏振态不明，偏振控制元件84被用来将入射光束转换成两束具有所需偏振态的光束。偏振控制元件84的方向使得两束出射光水平移位(即包含这两束光束的平面与晶片平面平行)。因为这两束光的间距较小，在数百微米得量级，所以两束光可以用同一个光束方向控制元件86来偏转。两束光以完全相同的角度θ_air传输至棱镜89的入射面88，并耦合进入SOI晶片的波导层12。这两束相互间存在相移的光线随后通过位于波导层内的光学元件重新复合成一单束光。穿过SOI波导层内其余的光电结构后，出射光从输出棱镜面出射，并传播进入一个类似的光学输出列。然而，除非需要再得到一个非偏振的输出光束，输出端上的偏振控制元件可以被省略。

图16展示了一个备选的实件。其中，一组激光光源90直接集成在一个组件中。因为VCSEL通过外表面发射光线，并且尺寸可以较小(约100-250μm)，它们可以很容易的用硅晶片或晶片模具中刻蚀的一长条硅棱镜94排列起来。如图16所示，光束准直和光束方向控制可以通过折射透镜92阵列和衍射透镜或光束控制元件来实现。透镜组中元件的尺寸范围从数微米到数毫米不等。大部分紧凑的结构可通过直接在VCSEL晶片自身中刻蚀控制棱镜和/或准直透镜来实现。这样所有光束均以完全相同的角度θ_air传输至一条棱镜组94，随后耦合进入波导12，并从棱镜条94的输出面95出射。一组相似的透镜和衍射元件96被用来使光束偏转、整形并会聚导光纤98的接受端阵列上。或者，类似结构中也可使用边发射二极管，如图17所示，只要阵列的间距足够容纳稍大的边发射装置。参考图17，一种利用了边发射激光二极管91的实施例进一步利用了一个激光二极管准直透镜阵列93，并安置在边发射激光二极管阵列91的输出端，该处准直透镜阵列用于为光束方向控制元件92提供一个适合的信号分布。图18是显示了图17中实施例的另一种版本，且带有安置在准直透镜阵列93的输出端的透镜型光纤阵列97。

如果需要减少元件的总数目和调整步骤，可在硅棱镜晶片或模具内加工所需的光学元件，如图19所示。在这种结构中，光束通过任意特定于用户的棱镜晶片100的表面进入硅棱镜晶片100，而不是直接以合适的角度θ_air将入射光束传输至一个蚀刻的“斜边”棱镜输入面。在图19的示例中，光束通过棱镜晶片100的表面102进入，该表面正对着与SOI晶片106连接的表面104(棱镜耦合表面)。当光束在棱镜晶片100中传播时，它会遇到一系列改变其传播方向的表面，直到获得硅中的所需的发射角，θ_Si。这些表面可由晶片100的顶层表面102和底部表面104或任意其他蚀刻处理形成的表面组成。对于一束在硅晶片中传播的光束，由于硅的折射率很高，在很宽的入射角范围内均可在这些表面上获得全内反射。对于空气-硅界面(假定空气折射率n≈1，硅折射率n≈3.5)，所需的入射角必须大于全内反射的临界角16.6°，而对于一个硅-氮化硅界面(假定氮化硅折射率n≈2)，所需的入射角必须大于34.8°。如果入射角小于临界角，通过在表面102的一部分108镀金作为反射镜，仍然可以获得很高的反射率。因为硅晶片的厚度相对较小，约为500-700μm，光束在硅晶片100内传播一段相对较短物理距离(约几毫米)时，仍会遇到许多不同的反射表面。因此，硅棱镜晶片本身可作为一个紧凑的低损耗光束方向控制元件使用。

在最简单的结构中，棱镜晶片用于(1)将光束导向至一个合适的角度θ_Si，以及(2)耦合光束进入波导。穿过硅棱镜耦合器的顶层表面发射进入后，光束在硅晶片中折射并入射至刻蚀表面。如果刻蚀表面上入射角足够大，这样这个表面上会发生全内反射。相反，足够小的入射角导致全反射光朝顶层表面发射。顶层表面上入射角足够大时，光束会在顶层表面再次发生全内反射。在顶层表面发生全内反射后，光束以合适的发射角θ_Si朝光学耦合区域发射。这种控制光束的方法非常有效，因为这样可以比直接从硅棱镜耦合器顶部直接发射进入光学耦合区域获得更宽的发射角θ_Si(由于硅的高折射率)。通过在光束的直接通路中的顶层表面上加入光学元件，可以增加一些附加光学功能。在图19的示例中，光学元件可以位于光束进入硅棱镜耦合器顶层表面的初始入口点，或顶层表面上的全内反射点。这些光学元件可以包括，但不限于以下元件：用来准直发散输入光束的折射或衍射透镜，或其他提供附加的光束方向控制、光束成形、波前校正或偏振控制能力的衍射光学元件。

使用这些折射和衍射元件提供了附加的光学功能，例如将要集成在硅棱镜耦合器中的准直和偏振控制。利用传统的平版印刷、光致抗蚀通道、等离子体刻蚀、扩散以及注入等技术的结合可以在硅中加工微型透镜。或者，灰度平版印刷技术可用来产生更复杂的非球面透镜形状。利用传统的平版印刷技术可以在硅衬底中加工许多衍射元件，即光栅结构。然而，可能需要更高分辨率的平版印刷技术(如电子平版印刷)来获得可用作偏振控制元件的次波长光栅结构。

通过仔细考虑光束形状如何影响设备性能，图1中的典型设备的耦合效率可以获得显著的提高。这里有三个主要界面需要考虑：(1)来自输入光学器件的自由空间输入光束的形状；(2)消散波耦合层的确切形式；以及(3)自由空间输出光束以及输出接收光学器件的形状。

通常，耦合效率可以用从先有技术中熟知的重叠积分确定。从此积分可以得出，只有在输入光束和输出光束形状匹配时才能获得100％的耦合效率。

对于图1中的典型实施例，需要考虑三个相关重叠积分：

(1)η₁＝光源的光束形状相对于棱镜耦合耦合表面上所需的光束投影

(2)η₂＝输入棱镜耦合表面上的光束形状相对于从输出棱镜耦合表面传输过来的光束

(3)η₃＝从输出棱镜耦合表面传输过来的光束的形状相对于输出接收光学器件的所需光束形状。

这里首先依照图20中显示的首选实施例的上下文讨论耦合效率。由此实施例可见，输入和输出硅棱镜与硅波导由恒定厚度和恒定折射率的消散波耦合层分开。

对于标准带尾纤光纤的激光输入和光纤输出，图20中的实施例的总耦合效率定义为：

        η＝η₁η₂η₃≈64％

耦合效率η₁由从光源如光纤或激光输入产生一束良好准直的高斯光束所造成的损耗决定。如果光学器件集成在光源内(例如使用集成了准直和光束成形器件的透镜型光纤或激光光源)，η₁将非常高，接近100％。耦合效率η₂由棱镜的自由空间输出光束的功率与自由空间输入光束的功率的比率来确定。然而，对自由空间的高斯输入光束，η₂不会超过80％。从先有技术中已知，由于此实施例输入和输出光束的模式强度不同，η₂受到限制的。输入光束沿着传播方向的强度为高斯型，而来自输出棱镜的光束沿着传播方向的强度分布为是指数型(参看图20(b)和(c)振幅相对于位置的曲线)。最后，由于相同的理由，耦合至输出光效率η₃约为80％。同样，这是由于从棱镜出射的指数包络自由空间光束与光纤输出端的所需高斯型光束的不完全重叠造成的。因而，

        η＝η₁η₂η₃≈(1)*(0.8)*(0.8)＝0.64或大约2dB的***损耗。

很明显，如果要提高图20所示的实施例的耦合效率，需要作进一步的光束整形以将η₂或η₃提高到80％以上。对于一个光源，如激光，最常见的光束形状是高斯型或方波型分布。可以证明这两种波形产生的耦合效率都是η₂＝80％。要提高η₂，很明显必须要求输入光束有与从输出棱镜出射的光束的指数包络相近的强度分布。要实现以上意图，一种方法是使用一种“半高斯”输入波形。如图21所示，初始输入高斯光束入射到一个分波结构120上，且高斯光束中心与分波器表面的交点对齐。这样两束半光束分别传输到棱镜(未图示)并耦合至波导。可以使用合适的光学元件(如一个折叠镜122)将其中一束半光束倒转。保证这两束半光束在进入波导之前不再重新复合十分重要，否则会造成强烈的调制输入光束强度分布的干涉条纹。这种情况下，η₂＝半高斯波形与输出指数波形的重叠积分＝97％。转换成两束半高斯光束的过程中可以减小耦合效率η₁。很明显，如果调节入射光束波形有任何显著优势，将有η₁＞83％。因为用来从输入光束产生一个分布更为高斯型的光束的标准方法会显著降低强度，耦合效率η₃将更为困难。对图20所示结构，可以预期如果有附加的入射光束整形，最大的总耦合效率η可以达到80％；若没有附加入射光束整形，则只能达到约64％。

图22中所示的实施例中可获得更高的以及更容易实现的总耦合效率η。在这个实施例中，硅棱镜与硅波导被一个厚度随位置线性变化的消散波耦合层隔开。在输入面上，当能量首先传输至波导层时的消散波耦合层的厚度要小于大部分能量都已被传输至波导层时的消散波耦合层厚度。在输出面上，当大部分能量仍在波导内时，消散波耦合层的厚度值比较大。而当光束的能量从波导层耦合出来并进入棱镜时会减小。由于从入射光源到出射光纤接口处的整个光路中都可以保持近似高斯光束波形，这种方式可以获得比图20所示的实施例更高的耦合效率。

如前所述，来自激光光源或光纤的一束标准入射光束为具有高耦合效率η₁的准直高斯光束。要提高耦合效率η₂，从棱镜出射的自由空间输出光波形必须更接近高斯光束。尽管输出光通常不是真正的高斯光束，但如果新输出光与输入高斯光束的重叠积分大于指数包络与输入高斯光束的重叠积分，耦合效率仍可超过80％。从技术文献中已知，一种使输出光束更高斯化的方法是让消散波耦合层厚度随光束传播方向逐渐变化。如果消散波耦合层厚度恒定，则光束在所有点上将以相同的耦合强度从波导中耦合出来进入棱镜，结果是输出光束波形可写为g(z)∝exp(-αz)(见图20)。耦合强度随消散波耦合层厚度增加而减小，并随消散波耦合层厚度减小而增大。如果输出光束波形更接近输入光束波形，首先从棱镜表面出射的光的耦合将会很弱，所以大多数光仍留在波导层内。为确保这一点，消散波耦合层必须要充分高于最佳耦合值。为实现这一点，光的耦合强度必须增加，从而使大部分光可以被引出，形成输出“高斯”光束的峰。因此，这部分光必须作为量化消散波耦合层接近最佳厚度处的界面。这样，大部分能量从波导传送出来，并穿过输出棱镜完全从***出射。虽然耦合强度继续随消散波耦合层厚度的减小而增大，但由于波导层内光的能量不断下降，从棱镜出射的光的量开始减小。这样可以获得更符合高斯分布的输出光波形。虽然输出光束通常不是真正的高斯波形，但新的输出光束与输入高斯光束的重叠积分η₂≈97％。重要的是，消散波耦合层的坡度必须为合适的值，以产生所需的光束波形。这个坡度的确定在前面光束尺寸的部分已作讨论。

因为来自棱镜的自由空间输出光束具有输出光纤接口所需的高斯波形，耦合效率η₃现在可以很高。如前所述，从输出棱镜出射的近似高斯光束与作为光纤特征的高斯模式的重叠积分η₃可高达97％。如有需要，可使用与那些用来在光传输至光纤光缆前对激光二极管光束作整形的光学器件相似的准直和圆化光学器件，来降低任意输出光束发散或椭圆度。最后用来将准直光束会聚至光纤的透镜总是需要的。这个透镜可以是透镜型光纤或准直器部件整体的一部分，为此目的也可以是配合一个普通光纤终端使用一个单独的球面透镜或梯度折射率透镜。

图22所示的实施例的总耦合效率可表示为：

        η＝η₁η₂η₃≈(1)*(0.97)*(0.97)≈0.94，或大约0.3dB的损耗。这可能是获得从激光器或基于光纤的输入到光纤输出的高效端对端耦合的最简单的方法，且这种技术可以用于对***损耗更敏感的其他应用。然而，耦合效率的提高必须权衡获得厚度变化的消散波耦合层所需的灰度平版印刷技术的附加需求。需要注意的是，任何能从输出棱镜产生一个相似的近似高斯型输出光束或更接近高斯型的输出光束的消散波耦合层结构都可以获得≥94％的高耦合效率。即是说，耦合效率的提高并不局限于厚度线性变化的消散波耦合层。对于本发明的目的，“更接近高斯型”可定义为任意可提高已知重叠积分的输出光束波形。例如，可以证明一个厚度随着沿波导的距离对数变化的消散波耦合层比厚度线性变化的消散波耦合层产生一束更接近高斯型的光束。(在对数坐标上画出耦合效率随层厚变化的曲线将得到一个更为对称的耦合效率峰或曲线)。制造这样的厚度结构通常更为复杂，但如果94％的总耦合效率不足以满足应用的***损耗需求，这样的结构仍是必需的。

Claims (46)

1.一种为信号提供引入硅光学波导和从硅光学波导中引出的通路的光学耦合装置，该硅波导形成在绝缘体上硅(SOI)晶片的一个表面层中，该晶片包括一个形成在硅衬底上的绝缘层上的硅光学波导层，该光学耦合装置包括

一个用来截断来自光源的输入光束的硅基棱镜耦合器，该硅基棱镜耦合器永久固定在该SOI晶片上，且使得该棱镜耦合器的一个第一表面与该SOI晶片的平直表面基本平行并相连，该硅基棱镜耦合器的折射率等于或大于该硅光学波导的折射率；

插在光源和硅基棱镜耦合器之间的自由空间微光学输入元件，用于将光束准直、整形，并将光束导向硅基棱镜耦合器的特定入口点和入射角；

一个设置在该硅基棱镜耦合器和该硅光学波导之间的消散波耦合区域；以及

放置在自硅基棱镜耦合器的输出表面出射的光束的通路中的自由空间微光学元件，用于将光束整形、准直或会聚，并将光束导向一个接收元件。

2.权利要求1的光学耦合器装置，其中，该装置还包括一个与自由空间微光学输入元件耦合的光源。

3.权利要求2的光学耦合装置，其中，光源的波长落在1.1-1.65μm范围内。

4.权利要求2的光学耦合装置，其中，光源的输出光束实质上为单模式。

5.权利要求2的光学耦合装置，其中，光源的全部强度基本上落在中心波长的±5nm范围内。

6.权利要求2的光学耦合装置，其中，光源为一个边发射激光二极管。

7.权利要求5的光学耦合装置，其中，边发射激光二极管后的微光学自由空间输入元件包括一个第一微光学元件，该第一微光学元件将垂直于结的输出光束的发散角减小至平行于结的输出光束的发散角的量级，校正像散，并产生一个圆形光束，和一个随后将光束准直的第二微光学元件。

8.权利要求6的光学耦合装置，其中，边发射激光二极管后的微光学自由空间输入元件包括一个将垂直于结的输出光束准直的梯度折射率微柱面透镜，和一个随后将平行于二极管结的输出光束准直的第二微柱面透镜。

9.权利要求6的光学耦合装置，其中，边发射激光二极管后的微光学自由空间输入元件包括一个准直光束的第一球面透镜，随后是一个将光束会聚在插在二极管和硅基棱镜耦合器之间的接收光纤部件上的第二球面透镜。

10.权利要求6的光学耦合装置，其中，边发射激光二极管后的微光学自由空间输入元件包括一个准直光束的第一非球面镜，一个第二非球面镜随后将光束会聚在插在二极管和硅基棱镜耦合器之间的接收光纤部件上。

11.权利要求6的光学耦合装置，其中，边发射激光二极管后的微光学自由空间输入元件包括一个用于旋转偏振方向的微光学波板。

12.权利要求2的光学耦合装置，其中，光源是一个垂直共振腔表面发射激光二极管。

13.权利要求12的光学耦合装置，其中，垂直共振腔表面发射激光二极管后的微光学自由空间输入元件包括一个微光学准直透镜。

14.权利要求13的光学耦合装置，其中，微光学准直透镜是一个硅微透镜。

15.权利要求12的光学耦合装置，其中，垂直共振腔表面发射激光二极管后的微光学自由空间输入元件包括一个用于旋转偏振方向的微光学波板。

16.权利要求12的光学耦合装置，其中，垂直共振腔表面发射激光二极管后的微光学自由空间输入元件包括一个光学元件，该光学元件将处于未知偏振态的入射光束转化为具有确定的相同已知偏振态的两束独立的输出光束，且第二光束与第一光束相互隔开，但保持基本平行。

17.权利要求2的光学耦合装置，其中，光源为一条光纤。

18.权利要求17的光学耦合装置，其中，光纤为单模式且支持任意偏振态。

19.权利要求17的光学耦合装置，其中，光纤为单模式偏振保持光纤。

20.权利要求17的光学耦合装置，其中，光纤后的微光学自由空间输入元件包括一个微光学准直透镜。

21.权利要求20的光学耦合装置，其中，微光学准直透镜包括熔合在光纤上，形成一个透镜型光纤。

22.权利要求21的光学耦合装置，其中，从透镜型光纤出射的准直光束的直径在10-110μm范围。

23.权利要求17的光学耦合装置，其中，光纤后的微光学自由空间输入元件包括一个光学元件，该光学元件将处于未知偏振态的入射光束转化为具有相同已知偏振态的两束独立输出光束，且第二光束与第一光束相互隔开，但保持基本平行。

24.权利要求1的光学耦合装置，其中，微光学自由空间输入元件包括一个高折射率材料制成的折射楔角，以使入射光束偏转。

25.权利要求1的光学耦合装置，其中，微光学自由空间输入元件包括一个反射元件，该反射元件可通过电子促动机制而被移动和旋转，以使入射光束产生移动和角度偏转。

26.权利要求1的光学耦合装置，其中，微光学自由空间输入元件包括一个使入射光束角度偏转的衍射光学元件。

27.权利要求1的光学耦合装置，其中，消散波耦合区域的厚度基本恒定。

28.权利要求1的光学耦合装置，其中，消散波耦合区域具有楔形的厚度。

29.权利要求1的光学耦合装置，其中，该装置还包括一个用于接收来自自由空间微光学输出元件的输出光束的光学接收元件。

30.权利要求29的光学耦合装置，其中，接收元件为一条光纤。

31.权利要求29的光学耦合装置，其中，接收元件为透镜型光纤。

32.权利要求1的光学耦合装置，其中，输入和输出微光学元件，以及硅基棱镜耦合器的输入和输出表面上覆盖了防反射涂层。

33.一种为信号提供引入硅光学波导和从硅光学波导中引出的通路的光学耦合装置，该硅波导形成在绝缘体上硅(SOI)晶片的一个表面层中，该晶片包括一个形成在硅衬底上的绝缘层上的硅光学波导层，该光学耦合装置包括

一个永久固定在该SOI晶片上的硅基棱镜耦合器，且使得该棱镜耦合器的第一表面与该SOI晶片的平直表面基本平行并与之相连，该硅基棱镜耦合器的折射率等于或大于该硅光学波导的折射率；

形成该硅基棱镜耦合器的集成元件的光学元件，用于将输入光束准直、整形，并将光束导向至硅基棱镜耦合器耦合表面上的一个特定入口点和入射角；

一个设置在该硅基棱镜耦合器和硅基光学波导间的消散波耦合区域；以及

放置在自硅基棱镜耦合器的输出表面出射的光束的通路中的自由空间微光学输出元件，用于将光束整形、准直或会聚，并将光束导向一个接收元件。

34.权利要求33的光学耦合装置，其中，微透镜形成在硅基棱镜晶片的表面而不是SOI晶片的连接表面中，以使入射光束准直。

35.权利要求33的光学耦合装置，其中，衍射光学元件加工在硅基棱镜晶片的表面而不是SOI晶片的连接表面中，以将入射光束整形，或使入射光束发散或角度发生偏转。

36.权利要求33的光学耦合装置，其中，有角的表面各向异性地刻蚀在硅基棱镜耦合器中，以使入射光束在整个内部反射过程中角度发生偏转。

37.权利要求33的光学耦合装置，其中，硅基棱镜耦合器中的子表面覆盖了薄金属层，该金属层用作反射元件，使入射光束的角度发生偏转。

38.权利要求33的光学耦合装置，其中，在光束从输入棱镜耦合表面处的硅基棱镜耦合器进入波导，并离开波导进入输出棱镜耦合表面处的硅基棱镜耦合器的位置上，消散波耦合区域呈楔形，这样，SOI晶片波导外的光学耦合装置中的所有点上的光束均具有基本是高斯模式的强度分布。

39.权利要求38的光学耦合装置，其中，使用楔形的消散波耦合层得到的基本是高斯模式强度分布的输出光束使得光束可高效地耦合至接收光纤。

40.权利要求33的光学耦合装置，其中，选择了一定的SOI晶片的波导的厚度，使得从光源平行于晶片表面发射的并且入射在输入棱镜面上的光被硅基棱镜耦合器以一定角度折射，该角度与特定波长的高耦合效率有关。

41.权利要求33的光学耦合装置，其中，选择了一定的SOI晶片的波导的厚度，使得从光源垂直于晶片表面发射的并入射在输入棱镜面上的光被硅基棱镜耦合器以一定角度折射，该角度与特定波长的高耦合效率有关。

42.权利要求33的光学耦合装置，其中，该装置还包括了一个光源。

43.权利要求42的光学耦合装置，其中，光源是具有合适波长的垂直共振腔表面发射激光二极管。

44.权利要求33的光学耦合装置，其中，选择了一定的SOI晶片的波导的厚度，使得从光源发射的并入射在输入棱镜面上的光被硅基棱镜耦合器折射，这样，光束在棱镜耦合表面上的投影在很宽的波长范围内保持基本不变。

45.权利要求1的光学耦合装置，其中，选择了一定的SOI晶片的波导的厚度，这样，对于同样的波长，消散波耦合区域对给定波长和输入光束尺寸作耦合效率优化的厚度，基本上等于组成了消散波耦合区域的材料的四分之一波厚度。

46.权利要求45的光学耦合装置，其中，消散波耦合层和硅基棱镜晶片的防反射涂层可用一个处理步骤同时加工完成。

Images