用于耦合光的光学芯片和方法与流程

本发明涉及用于耦合光的光学芯片和方法。具体地，所述光学芯片和方法的目的在于光耦合至诸如激光器之类的有源光学器件，以及从其接收光。本发明的光学芯片优选地基于硅光子技术。

背景技术：

硅光子学作为一种广泛应用在电信、数据通讯、互联及传感的通用技术平台正迅速变得日益重要。硅光子通过在高品质、低成本的硅基板上使用cmos可兼容的晶圆级技术以实现光子功能，来制造硅光子芯片。

特别是对于数据通讯、互联或接入网这样的短距离应用，芯片成本是一个主要问题。通过硅量产的优势，集成了数百个基本构建的光子芯片的价格将极具竞争力。但是，由于硅是间接带隙材料这一事实，很难单片集成有源组件。因此，光子芯片和有源器件需要对接耦合或倒装芯片耦合，这将导致昂贵的封装费用。否则，制造过程会变得更加复杂。

这个问题的一种解决方案是在硅上生长锗。虽然此解决方案允许制造光探测器和电吸收调制器，但制造过程非常复杂。此外，制造的元件也没有传统的iii-v半导体元件那么好。再者，此解决方案仍无法使用放大器和激光器。

作为替代解决方案，提出了通过晶片键合的异构集成。虽然使用此解决方案获得了满意的结果，但由于需要在硅晶片上进行iii-v半导体处理，因此仍然不切实际。

第三种解决方案使用转移技术(例如倒装芯片或转印)，这种技术允许成品器件的高吞吐量放置。如图7所示，有源器件701和光子芯片702可以使用对接耦合方法连接，其中两个器件701、702各自的波导面703面对面机械放置。如果波导703的模式遵循某些规则，若对准精确(如图7中的左侧所示)，则光可以在所述两个对接耦合的器件701、702之间以最小的损耗流动。

这种技术甚至可进一步降低硅光子芯片的成本，同时提高其性能。这种可能性有多重原因。所有iii-v半导体处理都可以在专门的iii-v晶片厂中完成，也可以在具有相同器件的密集阵列的晶片上完成。由于这些器件可以紧密地封装在一起，因此每个器件的成本可以非常低。此外，还可以针对器件充分优化晶片，这点优于单片集成。此外，iii-v半导体器件还可以转移或结合到硅光子平台上。

然而，此解决方案存在一个问题：使用当前可用的机器为这种技术实现的对准精度是有限的(例如，限于约3σ<1.5μm)。当两个波导703失准时(如图7右侧所示)，插入损耗会迅速增加。也就是说，为了能够使用此解决方案制造高性能通信应用产品，需要提供有源器件701和光子芯片702之间的对准容差接口。

具有更多对准容差接口的传统解决方案涉及使用波导工程，特别是为了在有源器件和光子芯片面处放大光学模式。相比紧凑的光学模式，更宽的光学模式本质上对失准不太敏感。但是，无论是在有源器件侧，还是在光子芯片侧，通常都需要更复杂的处理，这显著增加了芯片成本。

如图8所示，提出了用于光子芯片侧的所谓三叉型耦合器800，作为增加水平对准容差而不增加制造复杂性的方法。所述三叉型耦合器800的使用允许光子芯片侧上具有更大的光学模式轮廓，因此，与诸如传统的倒锥形耦合器等相比，实际上允许容差更大的耦合。具体地，利用所述三叉型耦合器800，通过双芯硅波导801从诸如激光器之类的有源器件接收光，然后在所述三叉型耦合器800内绝热地传输到单个硅波导802。

为了进一步改善对准容差，如图9所示，提出了替代性光耦合器900。在此版本中，在边缘处还有一个双芯波导901用于从诸如激光器之类的有源器件接收光。然而，接收的光随后并非绝热地重组到单个波导中，就像在图8的三叉型耦合器800中那样，而是保留在两个单独的输出波导902中。采用这种设计，激光器或光纤等相对于光子芯片900的横向失准是通过所述光所传输至的两个片上单模输出波导902之间的变化相位差来适应。与图8中的三叉型耦合器800设计相比，改善了对准容差，因为可以在芯片边缘处耦合至所述双芯波导901的一阶和二阶光学模式。

此光耦合器900的设计的主要缺点是所述两个输出波导902只能单独使用。也就是说，由于所述两个输出波导902的光学模式之间取决于耦合器件之间的失准的相位失配，所述两个输出波导902的功率无法轻易地重组到单个通道中。

将两种模式重组到单个波导或通道中，例如光纤，可以导致建设性重组(无损耗)或破坏性重组(无传输)，这取决于相位关系。对于大多数应用，两个单独的输出波导902是不可接受的，因此无法使用图9中所示的解决方案。

技术实现要素：

鉴于上述问题和缺点，本发明旨在改进传统的解决方案。具体地，本发明的目的在于提供一种用于将光学芯片耦合至有源器件的解决方案，其改进了对准容差。同时，应该可以将光学芯片接收的光的功率重组到具有低损耗的单个通道。换句话说，应避免将注入的光功率分到两个单独的输出通道。因此，目的为提供一种失准容差耦合设计，以实现可用于广泛应用的低成本组件。

本发明的目的通过所附独立权利要求中提供的解决方案实现。本发明的有利的实现方案在从属权利要求中进一步定义。

具体地，本发明的解决方案基于包括边缘耦合器的光学芯片，所述边缘耦合器能够在两个正交光学模式上接收光，所述两个正交光学模式具有相同的偏振。例如，这些模式可以是单尖端输入波导内的两种模式，或是双尖端输入波导内的两种模式(例如超模式)。

本发明的第一方面提供了一种光学芯片，包括：输入边缘耦合器，其具有至少一个输入波导，用于在具有相同偏振的两个正交模式上接收光；解复用器，用于将所述两个正交模式划分成第一中间波导上承载的模式和第二中间波导上承载的模式，所述第二中间波导与所述第一中间波导相互独立；偏振复用器，用于将所述中间波导上承载的模式重组成一个输出波导上承载的两个偏振正交模式。

所述光学芯片允许将来自两个单独中间波导的光重组到一个单一通道而没有额外损耗，并且单独将来自所述光学芯片的对准位置的光重组到有源器件，其中所述光从所述有源器件接收。因此，所述光学芯片适用于广泛的应用。一旦光重组到一个输出波导后，就可以进一步使用从诸如激光器之类的有源器件耦合至所述光学芯片中的全功率，例如通过将其耦合至标准单模光纤。

当重组所述中间波导的两个光学模式时，通过使用偏振分集来避免解构干扰。为此，所述两个中间波导的模式作为两个偏振正交模式重组到输出波导中，例如，所述两个模式是单个波导的横电te模式和横磁tm模式。由于偏振是正交的，因此即使两个模式是相干的，两者之间也没有功率交换。因此，两个模式的总功率保持不变。偏振分集通过使用偏振复用器获得。

根据所述第一方面，在所述光学芯片的第一种实现方式中，所述输入边缘耦合器具有两个用于接收光的输入波导。

在根据所述第一方面的所述第一种实现方式，在所述光学芯片的第二种实现方式中，两个输入波导都朝向所述输入边缘耦合器的输入面锥化。

因此，光能够以低损耗绝热地耦合至所述光学芯片。

根据所述第一方面的所述第一种或第二种实现方式，在所述光学芯片的第三种实现方式中，所述两个具有相同偏振的正交模式是所述两个输入波导的偶超模和奇超模。

利用所述两个输入波导以及使用这些超模，可以容易地获得宽光学模式轮廓，从而改善对准容差。

根据所述第一方面的所述第一种至第三种实现方式，在所述光学芯片的第四种实现方式中，所述解复用器包括两个大半径弯曲，所述两个大半径弯曲将具有较小间距的两个输入波导分成具有较大间距的两个中间波导。所述中间波导的间距大于所述输入波导之间的间距。

因此，能够以较低的结构和制造复杂度实现所述解复用器。

所述第一种至第四种实现方式所述光学芯片的双尖端波导设计允许在图9所示的结构基础上构建。采用这种双尖端波导设计，关于插入损耗的对准不耐受可增加一倍以上。

根据所述第一方面，在所述光学芯片的第五种实现方式中，所述输入边缘耦合器具有一个用于接收光的多模输入波导。

根据所述第一方面的所述第五种实现方式，在所述光学芯片的第六种实现方式中，所述两个具有相同偏振的正交模式是所述多模输入波导的基本模式和一阶模式。

根据所述第一方面的所述第五种或第六种实现方式，在所述光学芯片的第七种实现方式中，所述解复用器是一个光学元件，用于将所述多模波导的所述一阶模式转换为所述中间波导之一的基本模式。

所述第五种至第七种实现方式的所述光学芯片的单尖端波导设计实现了关于插入损耗的对准不耐受的显著改进。此外，可以使用非常简单的输入边缘耦合器。

根据所述第一方面或根据所述第一方面的前述任一种实现方式，在所述光学芯片的第八种实现方式中，所述偏振复用器是偏振分光器和旋转器(polarizationsplitterandrotator，简称psr)。

psr提供了一种用于获得偏振复用的简单有效的解决方案，其用于重组所述中间波导的光学模式。

根据所述第一方面或根据所述第一方面的前述任一种实现方式，在所述光学芯片的第九种实现方式中，所述光学芯片还包括布置在所述输入边缘耦合器和所述偏振复用器之间的无源和/或有源光学元件。

添加有源/无源片上功能的可能性是一个很大的优势，并且允许非常灵活的芯片设计。优选地，无源和/或有源光学元件的数量是标准单个波导输入情况下的两倍。

根据所述第一方面的所述第十种实现方式，在所述光学芯片的第十种实现方式中，所述无源和/或有源光学元件用于分别独立地作用于所述第一和第二中间波导上承载的光。

因此，在重组之前，可以对所述光单独成形，如果需要还可以制成不同形状，这为所述光学芯片的设计提供了高灵活性。

根据所述第一方面或根据所述第一方面的前述任一种实现方式，在所述光学芯片的第十一种实现方式中，所述两个偏振正交模式是所述输出波导的基本横电模式和基本横磁模式。

根据所述第一方面或根据所述第一方面的前述任一种实现方式，在所述光学芯片的第十二种实现方式中，偏振无关输出耦合器用于将所述两个偏振正交模式耦合至光纤中。

因此，还可以完全使用注入所述光学芯片的光功率。

根据所述第一方面或根据所述第一方面的前述任一种实现方式，在所述光学芯片的第十三种实现方式中，所述光学芯片用于光耦合至诸如激光器之类的有源光学器件，以及从其接收光。

本发明的第二方面提供了一种用于耦合光的方法，所述方法包括以下步骤：使用至少一个输入波导在具有相同偏振的两个正交模式上接收光；将所述两个正交模式解复用为第一中间波导上承载的模式和第二中间波导上承载的模式，所述第二中间波导与所述第一中间波导相互独立；以及将所述中间波导上承载的模式重组成一个输出波导上承载的两个偏振正交模式。

根据所述第二方面，在所述方法的第一种实现方式中，使用两个输入波导接收所述光。

根据所述第二方面的所述第一种实现方式，在所述方法的第二种实现方式中，两个输入波导都朝向光输入面锥化。

根据所述第二方面的所述第一种或第二种实现方式，在所述方法的第三种实现方式中，所述两个具有相同偏振的正交模式是所述两个输入波导的偶超模和奇超模。

根据所述第二方面的所述第一种至第三种实现方式，在所述方法的第四种实现方式中，所述解复用通过两个大半径弯曲实现，所述两个大半径弯曲将具有较小间距的两个输入波导分成具有较大间距的两个中间波导。

根据所述第二方面，在所述方法的第五种实现方式中，使用一个多模输入波导接收所述光。

根据所述第二方面的所述第五种实现方式，在所述方法的第六种实现方式中，所述两个具有相同偏振的正交模式是所述多模输入波导的基本模式和一阶模式。

根据所述第二方面的所述第五种或第六种实现方式，在所述方法的第七种实现方式中，所述解复用通过一个光学元件实现，其将所述多模波导的所述一阶模式转换为所述中间波导之一的基本模式。

根据所述第二方面或根据所述第二方面的前述任一种实现方式，在所述方法的第八种实现方式中，所述重组通过psr实现。

根据所述第二方面或根据所述第二方面的前述任一种实现方式，在所述方法的第九种实现方式中，所述无源和/或有源光学元件在所述解复用之后作用于所述光。

根据所述第二方面的所述第十种实现方式，在所述方法的第十种实现方式中，所述无源和/或有源光学元件分别独立地作用于所述第一和第二中间波导上承载的光。

根据所述第二方面或根据所述第二方面的前述任一种实现方式，在所述方法的第十一种实现方式中，所述两个偏振正交模式是所述输出波导的基本横电模式和基本横磁模式。

根据所述第二方面或根据所述第二方面的前述任一种实现方式，在所述方法的第十二种实现方式中，重组的两个偏振正交模式耦合至光纤中。

根据所述第二方面或根据所述第二方面的前述任一种实现方式，在所述方法的第十三种实现方式中，所述方法用于光耦合至诸如激光器之类的有源光学器件，以及从其接收光。

利用所述第二方面的所述方法，可以实现与所述第一方面的所述光学芯片相同的优点和效果。

需要注意的是，本申请所描述的所有器件、元件、单元和方式均可在软件或硬件元件或它们的任意组合中实现。本申请中描述的各种实体所执行的步骤以及所描述的各种实体要执行的功能均意在指各个实体用于执行各个步骤和功能。即使在具体实施例的下述描述中，由外部实体执行的特定功能或步骤未在执行特定步骤或功能的实体的特定详细元件的描述中体现，技术人员也应该了解这些方法和功能可以在各个软件或硬件元件或它们的任意组合中实现。

附图说明

结合所附附图，下面具体实施例的描述将阐述上述本发明的各方面及其实现形式，其中：

图1示出了根据本发明实施例的光学芯片；

图2示出了根据本发明实施例的光学芯片；

图3展示了根据本发明实施例的光学芯片的对准容差；

图4示出了根据本发明实施例的光学芯片；

图5展示了根据本发明实施例的光学芯片的对准容差；

图6示出了根据本发明实施例的方法；

图7至图9示出了传统光学芯片和传统光学芯片的失准问题。

具体实施方式

图1示出了根据本发明实施例的光学芯片100。所述光学芯片100包括输入边缘耦合器101、解复用器103和偏振复用器106，它们是光连接的。

具体地，所述输入边缘耦合器101具有至少一个输入波导102，其用于优选地从诸如激光器之类的有源器件接收光，所述有源器件与所述光学芯片100对接耦合。这方便从具有相同偏振的两个正交模式上接收所述光。

然后，所述解复用器103进一步用于将所述两个正交模式分别划分成第一中间波导104上承载的模式和第二中间波导105上承载的模式，所述第二中间波导105与所述第一中间波导104相互独立。也就是说，所述两个波导104、105并非光耦合。

所述偏振复用器106优选为psr，其用于将所述中间波导104、105上承载的模式重组成一个输出波导107上承载的两个偏振正交模式。

也就是说，所述光学芯片100的所述输入边缘耦合器101的输入面上的所述输入波导102采用的是工程设计的波导，使得所述输入边缘耦合器101的输入面支持两个具有相同偏振的光学模式。然后，所述两个光学模式被解复用成两个独立的中间波导104、105。在诸如基本模式t0的一种特定模式中对通过所述中间波导104、105传播的光解复用后，可以在所述光学芯片100中独立地处理由所述两个中间波导104、105承载的光。因此，可以在片上实现任何无源和/或有源功能。随后，所述两个中间波导104、105输入到所述偏振复用器106中，所述偏振复用器106将所述两个中间波导104、105的模式重组到一个输出波导107。因此，获得两个偏振正交模式，例如te0和基本横磁模式tm0，或基本模式t0及更高模式的任意其它组合，尤其是一阶模式t1，只要它们彼此正交。然后，可以通过使用诸如与偏振无关的标准输出耦合器将所述两个偏振正交模式耦合至光纤。

相比图7至图9中所示的传统解决方案，水平对准容差至少可以增加一倍，这取决于所述有源设备和所述光学芯片100的具体特征。此外，在没有专用制造步骤的情况下，更容易调整所述光学芯片100的输入，例如激光束。

图2示出了根据本发明的一个具体实施例的光学芯片100，其基于图1所示的一般实施例。在图2中的所述光学芯片100中，所述输入边缘耦合器101基于双芯波导。也就是说，它具有两个输入波导202，所述两个输入波导202优选地朝向所述输入边缘耦合器101的输入面锥化。所述波导尖端的宽度以及所述两个输入波导202之间的间距取决于所使用的材料。有利地，使用厚度为330nm的氮化硅芯以及氧化硅顶部和底部包层，以制造所述输入波导202。在输入面处，所述两个波导202优选地具有350nm的宽度，并且优选地具有1.4μm的间距。当所述波导202移离所述光学芯片100的输入面时，所述两个波导202的宽度优选地在优选的100μm的距离上增加至750nm，而间距值优选地不变。

然后，优选地使用两个大半径弯曲203隔开所述两个输入波导202，以便具有优选地超过6μm的最终间距。这样的最终间距值允许所述输入波导202变为未耦合状态，即，形成两个彼此独立的中间波导104、105。因此，自动实现了解复用。

解复用两个输入模式后，所述两个输入模式优选地为耦合的所述输入波导202的奇偶超模，光在所述中间波导104、105中传播，优选地作为所述波导的基本横电模式te0。现在，所述两个中间波导104、105可以包括任何种类的无源和/或有源光学元件204，其可以独立地作用于所述波导104、105各自承载的光。

所述两个中间波导104、105优选地通过psr复用在一起，作为所述偏振复用器106的有益的实现方式。在图2所示的光学芯片100的情况中，由于解复用后的传播模式优选地为te0模式，因此传统的psr可用作偏振复用器106。所述两个中间波导104、105之一的模式优选地变为te模式，更优选地为输出波导107的te0模式，而所述中间波导105、104的另一个波导的模式优选地变为tm模式，更优选地为所述输出波导107的tm0模式。然后，从所述输出波导107，光可以优选地进一步耦合至光纤206，例如，通过偏振无关光纤耦合器105。

图3以灰度图的形式示出了当用于耦合至标准dfb激光器时图2中所示的光学芯片100的插入损耗(右侧)。将该插入损耗与针对相同平台进行了优化的传统三叉型耦合器的插入损耗(左侧)进行比较。在x轴上和在y轴上分别针对水平失准和垂直失准显示了插入损耗。可以看出，在水平失准的值较小时，传统三叉型耦合器的插入损耗就已达到很高水平(黑色区域)。事实上，与传统的三叉型耦合器相比，图2中所示的光学芯片100的水平对准容差增加了一倍多。

图4示出了根据本发明的一个具体实施例的另一光学芯片100，其基于图1所示的一般实施例。与图2所示的光学芯片100不同，图4所示的光学芯片100的输入边缘耦合器101基于多模单芯波导。也就是说，它具有一个多模输入波导402。优选地，所述多模输入波导402为氮化硅波导，厚度优选为230nm，并且宽度优选为2.8μm。从有源器件201接收的光现在优选地耦合至t0和t1模式，更优选地耦合至所述多模波导402的te0和一阶横电模式te1。然后，例如，通过使用te1至te0解复用器103对te1模式进行解复用。这可以使用传统的解复用器实现，所述传统的解复用器可以通过若干已知的方式设计。图4所示的光学芯片100的其余部分与图2中所示的光学芯片100相同。

图5示出了(与图3类似，作为灰度图)图4所示的光学芯片100的插入损耗，所述插入损耗取决于水平失准(x轴)和垂直失准(y轴)。与传统三叉型耦合器的插入损耗相比(如图3中的左侧所示)，使用图4所示的光学芯片100可以实现更大的对准容差。

图6示出了根据本发明实施例的用于耦合光的方法600。所述方法600包括第一步601：使用至少一个输入波导102、202、402在具有相同偏振的两个正交模式上接收光。此外，所述方法600还包括第二步602：将所述两个正交模式解复用成第一中间波导104上承载的模式和第二中间波导105上承载的模式，所述第二中间波导105与所述第一中间波导104相互独立。最后，所述方法600还包括第三步603：将所述中间波导104、105上承载的模式重组成一个输出波导107上承载的两个偏振正交模式。

已经结合作为实例的不同实施例以及实施方案描述了本发明。但本领域技术人员通过实践所请发明，研究附图、本公开以及独立权项，能够理解并获得其它变体。在权利要求以及描述中，术语“包括”不排除其它元件或步骤，且“一个”并不排除复数可能。单个元件或其它单元可满足权利要求书中所叙述的若干实体或项目的功能。在仅凭某些措施被记载在相互不同的从属权利要求书中这个单纯的事实并不意味着这些措施的结合不能在有利的实现方式中使用。