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技术

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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术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。
技术介绍
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插入损耗。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。系统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系统的不同地方，并扩大系统的应用范围。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)插入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插入损耗。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系统。
技术实现思路
先有技术中尚待解决的需求将在本专利技术中予以说明，它涉及了光学系统的设计，该系统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，本专利技术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，本专利技术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插入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插入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θair和θSi)，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θSi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θair(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(θSi)以及棱镜面(θair)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(θair)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，对于组本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：马格利特吉龙，普拉卡什约托斯卡，罗伯特凯斯蒙特哥莫里，威普库马帕特尔，索哈姆帕塔克，卡尔潘都夏斯特里，凯瑟琳A亚努舍弗斯奇，
申请(专利权)人：斯欧普迪克尔股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]