用于具有不同模尺寸的波导之间的耦合的光学模变换器制造技术

本发明专利技术示出一种用于不同模尺寸的光子集成电路(PIC)与光纤之间的耦合的光学模变换器。光学模变换器包括波导组件，波导组件包括单波导结构、多层波导结构和过渡波导结构。单波导结构包括单波导。单波导的第一端的尺寸和传播常数类似于光子集成电路(PIC)的波导。此外，多层波导结构包括多层波导。另外，在过渡结构处形成过渡波导结构。过渡波导结构允许光学模在单波导结构与多层波导结构之间过渡。多层波导结构被配置成用于耦合过渡波导结构与光纤之间的光，并且单波导结构被配置成用于耦合PIC与过渡波导结构之间的光。

【技术实现步骤摘要】
用于具有不同模尺寸的波导之间的耦合的光学模变换器相关申请的交叉引用本申请要求享有于2018年6月20日提交的美国临时专利申请号62/687,776的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
本申请涉及一种包括集成光子器件的光学模块，并且尤其涉及光纤与集成光子部件的连接。
技术介绍
快速发展的云计算和人工智能应用正在推动互联网技术巨头构建强大的数据中心。到目前为止，构建大型数据中心比构建多个中等尺寸的数据中心以扩大处理能力更节省成本且更不复杂。然而，为了以超高速传输海量数据，数据中心中的服务器节点/机架需要高传输带宽。传统上，通过使用铜缆以及用于发送和接收电信号形式的数据的电收发器来实施互连。这种电解决方案非常庞大，并且在10吉比特每秒(Gbps)的数据速率下传输距离小于20米(m)。由于光学解决方案在10Gbps下具有更节省空间和达到300m的更长的传输距离方面具有明显的优点，多年来光纤网络已经取代了铜基网络。数据中心中的常规光学收发器主要是多模光纤(MMF)。典型的多模光纤链路仅在最长到600m的链路长度上具有10兆比特每秒(Mbps)到10Gbps的数据速率。然而，很常见的是，当今Mega数据中心的节点互连轻易地超过500m到2km的距离。结果，用于连接节点之间单模光纤传输的单模收发器有非常大的需求。常规的单模收发器由许多高成本的分立光学部件构成。它们所占空间大并且需要高成本的组装过程和维护。随着硅光子学(SiPh)技术的出现，对于超过500m到2km的互连的大量实施来说，出现成本低且所占空间小的解决方案的可能性增加。SiPh技术应用最先进的互补金属氧化物半导体(CMOS)铸造工艺来制造大多数光学部件集成到单个硅芯片上的光子集成电路(PIC)器件。然而，SiPh芯片(也称为SiPIC)输入/输出(I/O)端口的光学模尺寸(波导中的光的光斑尺寸)约为1μm的数量级，而单模光纤(SMF)约为10μm的数量级。这种模尺寸的大差异在对接耦合(SiPICI/O端口与SMF之间的头对头耦合)中引起了大的光功率损耗。从PIC到光纤、PLC(常规的玻璃基平面光波电路)和边缘发射激光二极管的常规耦合方法的光功率损耗相当高(大于50％)。主要原因是PIC中的波导的光学模尺寸远小于光纤、PLC和激光二极管的光学模尺寸。传统的耦合方法使用诸如微尺寸透镜的分立自由空间光学部件来变换模尺寸。这种高成本的方法不是这个问题的可行解决方案。除非解决了此耦合问题，否则SiPh技术将不是大容量实施SMF互连的解决方案。
技术实现思路
提供
技术实现思路
部分是为了引入与用于具有不同模尺寸的波导之间的耦合的光学模变换器相关的概念。本
技术实现思路
部分既不旨在标识所请求保护的主题的必要特征，也不旨在用于确定或限制所请求保护的主题的范围。在一个实施方式中，示出了用于不同模尺寸的光子集成电路(PIC)与光纤、平面光波电路(PLC)和激光二极管中之一之间的耦合的光学模变换器。光学模变换器包括波导组件，该波导组件包括单波导结构、多层波导结构和过渡波导结构。单波导结构包括单波导。单波导的第一端的尺寸和传播常数类似于光子集成电路(PIC)的波导。此外，多层波导结构包括多层波导。另外，在过渡结构处形成过渡波导结构。过渡波导结构允许光学模在单波导结构与多层波导结构之间过渡，其中单波导结构的波导轴大致位于多层波导结构的中心处。此外，多层波导结构被配置成用于耦合过渡波导结构与光纤之间的光，并且其中单波导结构被配置成用于耦合PIC和过渡波导结构之间的光。附图说明参考附图描述详细说明。在图中，附图标记的最左边的数字标识附图标记首次出现的附图。在所有附图中使用相同的数字来表示相似的特征和部件。图1示出了根据本专利技术的实施例的光学模变换器的示意性侧视图。图2示出了根据本专利技术的实施例的光学模变换器的示意性横截面图。图3a和图3b示出了根据本专利技术的实施例的光学模变换器的变型的侧视图和俯视图。图4a和图4b示出了根据本专利技术的实施例的光学模变换器中在单波导结构和多层波导结构处形成的倒锥体之间的重叠。图5a和图5b示出了根据本专利技术的实施例在多层波导结构处形成的倒锥体的长度变化。图6示出了根据本专利技术的实施例的在多层波导结构处具有偶数层的光学模变换器的侧视图。图7a和图7b示出了根据本专利技术的实施例的多层波导结构的每层中的两个波导的俯视图。图8示出了根据本专利技术的实施例的连接单层波导和多层波导结构的中间层的锥形波导。图9a和图9b示出了根据本专利技术的实施例的连接单层波导和多层波导结构中的中间层的锥形波导的俯视图。图10a和图10b示出了根据本专利技术的实施例的在过渡波导结构处的锥形波导与倒锥体之间的重叠的前视图和俯视图。图11示出了根据本专利技术的实施例的在过渡波导结构处的锥形波导与倒锥体之间的重叠的俯视图。具体实施方式在整个说明书中提及“各种实施例”、“一些实施例”、“一个实施例”或“实施例”意味着结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方中出现的短语“在各种实施例中”、“在一些实施例中”、“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定都指相同的实施例。此外，特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合在一个或多个实施例中。本申请旨在通过在没有显著功率损耗的情况下变换光学模尺寸来降低光子集成电路(PIC)与光纤之间的光功率耦合损耗。本申请还简化了从自由空间光耦合到常规平面光波电路(PLC)组装过程的组装过程。换句话说，本申请旨在最小化PIC与光纤之间耦合的光功率损耗，并且将组装过程简化为常规PLC组装过程。在一个实施例中，公开了用于具有不同模尺寸的波导之间的耦合的光学模变换器。模变换器可以被配置成用于PIC与单模光纤之间的耦合。光学模变换器优选地制造在PIC器件中，用于PIC与单模光纤之间的光学模变换。PIC器件可以是硅光子器件。光学模变换器可以含有波导组件的三个部分。图1中表示了光学模变换器100的示意性侧视图。然而，图2表示根据本专利技术的实施例的光学模变换器100的横截面侧视图。光学模变换器100包括具有三个区域/部分的波导组件，即单波导结构102、多层波导结构104和过渡波导结构106。必须注意，这三个部分仅仅是光学模变换器100的不同功能区域的说明，并且在所有这三个部分之间没有物理边界。这三个部分可以是单个元件。在一个实施例中，单波导结构102包括具有第一端和第二端的单波导108。单波导结构102中的单波导108的第一端具有与PIC波导相似的尺寸和传播常数。单波导108被低折射率材料层120包围。单波导结构102耦合单波导108与过渡结构之间的光。过渡结构是在单波导结构102与多层波导结构104之间形成的结构，在下文中称为过渡波导结构106。在一个实施例中，多层波导结构104包括多层波导118。多层波导118的多个层由高介电常数的介电材料形成，并且被嵌入具有相对较低介电常数的材料中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于不同模尺寸的光子集成电路(PIC)与光纤、平面光波电路(PLC)和激光二极管中之一之间的耦合的光学模变换器，所述光学模变换器包括：/n波导组件，所述波导组件包括：/n具有单波导的单波导结构，其中所述单波导的第一端的尺寸和传播常数类似于光子集成电路(PIC)的波导；/n具有多层波导的多层波导结构；/n具有第一倒锥体的过渡波导结构，其中所述过渡波导结构允许光学模在所述单波导结构与所述多层波导结构之间过渡，其中所述第一倒锥体大致位于所述多层波导结构的中心处，其中所述多层波导结构被配置成用于耦合所述过渡波导结构与光纤之间的光，并且其中所述单波导结构被配置成用于耦合所述光子集成电路(PIC)与所述过渡波导结构之间的所述光。/n

【技术特征摘要】
20180620 US 62/687,7761.一种用于不同模尺寸的光子集成电路(PIC)与光纤、平面光波电路(PLC)和激光二极管中之一之间的耦合的光学模变换器，所述光学模变换器包括：
波导组件，所述波导组件包括：
具有单波导的单波导结构，其中所述单波导的第一端的尺寸和传播常数类似于光子集成电路(PIC)的波导；
具有多层波导的多层波导结构；
具有第一倒锥体的过渡波导结构，其中所述过渡波导结构允许光学模在所述单波导结构与所述多层波导结构之间过渡，其中所述第一倒锥体大致位于所述多层波导结构的中心处，其中所述多层波导结构被配置成用于耦合所述过渡波导结构与光纤之间的光，并且其中所述单波导结构被配置成用于耦合所述光子集成电路(PIC)与所述过渡波导结构之间的所述光。


2.如权利要求1所述的光学模变换器，其中，所述单波导结构的波导轴大致位于所述多层波导结构的中心处。


3.如权利要求1所述的光学模变换器，其中，对于所述多层波导结构，所述多层波导由嵌入在具有相对较低的介电常数的材料中的介电材料制成。


4.如权利要求1所述的光学模变换器，其中，所述多层波导结构中每层的波导的光学模组合在一起形成与所述光纤的光学模尺寸和传播常数相匹配的较大的光超模。


5.如权利要求1所述的光学模变换器，其中所述多层波导的每一层的厚度和形状是不同的。


6.如权利要求1所述的光学模变换器，其中所述光学模变换器制造在所述光子集成电路(PIC)中。


7.如权利要求1所述的光学模变换器，其中，所述过渡波导结构的结构取决于所述多层波导的层数。


8.如权利要求7所述的光学模变换器，其中，所述单波导结构的所述单波导连接到所述过渡波导结构的所述第一倒锥体，
其中所述第一倒锥体朝向所述多层波导结构延伸并且被所述多层波导结构的多层的延伸部围绕，
其中所述第一倒锥体的横截面积随着接近所述多层波导结构而减小，
其中所述光学模尺寸随着所述第一倒锥体的所述横截面积减小而增大，
并且其中具有扩展的光学模的所述第一倒锥体中的光经由渐逝场耦合而耦合到所述多层结构，并且当在所述多...

【专利技术属性】
技术研发人员：王志仁，马薇，陈逸轩，陈玉雅，洪伟，
申请(专利权)人：云晖科技有限公司，
类型：发明
国别省市：中国香港;HK