用于光学耦合及光电子转换的方法及设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光学通信领域，且更特定来说涉及光学耦合技术及用于结合光学互连件使用的设备。
【背景技术】
[0002]转让给与本申请案相同的受让人的美国专利申请公开案第US2011/0150487号揭示一种用于高速光学通信的光学互连件。如所述公开案中所描述，所揭示的互连件具有用于在第一位置与第二位置之间建立通信链路的应用，所述第一位置具有接收将传达的输入数据的电驱动器电路，且所述第二位置具有用于产生表示所述输入数据的输出数据的电接收器电路。方法包含下列步骤:提供倾斜充电发光装置，其位于第一位置处且与驱动器电路耦合，使得由所述倾斜充电发光装置所产生的光根据输入数据而变化；在第一位置与第二位置之间提供光纤；将光从倾斜充电发光装置耦合到光纤中；及在第二位置处提供与光纤及接收器电路耦合的光检测器；借此从接收器电路输出表示输入数据的电信号。
[0003]在这个光学互连系统的接收器电路处，必需将光学信号从光纤电缆的输出端耦合到将所述光学信号转换成电信号的光学检测器(通常为半导体光检测器)中。当然，高效率地执行这个耦合是有利的；即，离开光纤的输出端的光的损耗最小。然而，所属领域中的问题为:高效率耦合的实现可实质上增加接收器子组合件的成本，其使致力于实现适于广泛用于通信应用的相对廉价光学互连的期望难以实现。
[0004]在试图实施有效光学耦合技术时，涉及许多成本组成部分。首先，应注意，光纤及光检测器有效区域的相对尺寸(通常为直径)可能无法完全匹配，且可能随光学互连件的不同类型而变动。一个此类成本组成部分为光学耦合元件本身(例如用于将从光纤输出的光聚焦到光检测器作用区中的透镜)的成本。另一成本组成部分涉及装配过程，其包含将光学耦合组件定位、对准及固定在适当位置且这样做不会损及组合件的最终光学耦合效率。
[0005]图1及2中展示现有技术方法的实例。这两个图展示其中安装有包括芯部105及包层108的光纤的输出端的插座120。透镜元件190将从光纤输出的光聚焦到光检测器上。在图1中，光聚焦在衬底182上的光检测器180的后侧上。在图2中，光聚焦在衬底182上的光检测器183的前侧上。(图中未单独展示光检测器的电输出)。如所说明，现有技术可涉及:使用相对较大透镜以便耦合从光纤发射的光到光检测器上。透镜通常由折射率类似于光纤的折射率的塑料构成。在装配期间，需要达到一定精度以使装置间隔与透镜焦距匹配。此外，建构精确弯曲表面的困难促成较高透镜成本。
[0006]本发明的目的为解决如所描述的现有技术方法的缺点及限制。
【发明内容】
[0007]申请人已发现:采用易于使用的平坦光学接口的简练技术可提供折射聚焦效应且可实现高光学耦合效率的目的，同时还满足对适于广泛廉价通信应用的光学互连来说为理想选择的不复杂装配及低成本的目的。
[0008]根据本发明的形式，提出一种用于将在光纤(即，如本文中所使用，典型包层光纤的光纤芯部)中传播的光学信号转换成电输出信号的方法，其包含下列步骤:提供具有对置平坦表面且由折射率实质上高于所述光纤的折射率的材料形成的光学接口 ；在所述光纤的输出端邻近处安置所述接口的对置平坦表面中的第一者，且在所述接口的对置平坦表面中的第二者邻近处安置光检测器；借此所述光信号耦合到所述光检测器中并由所述光检测器转换成电输出信号。
[0009]在本发明的这种形式的实施例中，提供所述光学接口的所述步骤包括提供由折射率高于光纤的折射率至少20%的材料形成的接口。在这个实施例的优选形式中，所述光纤具有约1.5的折射率，且提供所述光学接口的所述步骤包括提供由具有约3.1的折射率的材料形成的光学透明接口。在这个实施例中，光学接口由InP形成。替代材料的实例包含但不限于S1、GaAs、GaN, GaP及ZnSe。此外，在这个实施例中，在所述光纤的输出端与所述接口的所述对置平坦表面的中第一者之间提供抗反射层。此外，在这个实施例中，在所述接口的对置平坦表面中的第二者邻近处安置光检测器的所述步骤包含在所述接口的所述对置平坦表面中的所述第二者上沉积半导体光检测器。所述光检测器还可例如接合在所述表面中的所述第二者上。
[0010]根据本发明的进一步形式，提出一种用于接收在光纤中传播的光学信号并将所述光学信号转换成电输出信号的光学接收器子系统，其包括:光学接口，其具有对置平坦表面且由折射率实质上高于所述光纤的折射率的材料形成；所述接口的对置平坦表面中的第一者，其安置在所述光纤的输出端邻近处；及光检测器，其邻近于所述接口的对置平坦表面中的第二者；借此所述光信号耦合到所述光检测器中并由所述光检测器转换成电输出信号。
[0011]从结合随附图式进行的下文详细描述，更容易明白本发明的进一步特征及优点。
【附图说明】
[0012]图1及2为展示使用常规透镜接口的现有技术光纤光学接收器组合件的操作的图。
[0013]图3为说明具有根据本发明的实施例的高差折射率接口(HDII)且可用于实践本发明的方法的实施例的光纤到检测器耦合机构的横截面图。HDII的平坦表面容许光发射及光检测的相应轴的自对准。
[0014]图4展示使用光Zemax软件的图3结构的模拟。在不使用AR涂层时，实现约88%的耦合效率。在施加适当AR涂层于耦合到光纤的HDII表面时，耦合效率提高到99%。
[0015]图5为根据检测器有效面积而变化的从具有0.3的NA的62.5 μ m直径光纤到光检测器中的图3及4的实例的光耦合效率的图表，其中所述面积的直径从45 μ m变动到85 μ mo图表的模拟结果指示:即使光检测器有效面积实质上小于(小于约40% (约49μπι作用区直径对62.5 μπι芯部直径))光纤波导的芯部面积，仍可实现超过80%的耦合效率。
[0016]对于图4及5的实例，其中62.5 μπι芯部直径光纤发射13.35 μ w的光学功率，图6的表在中心栏中列出耦合到左手栏中所列的光检测器有效区域的每一者的光检测器中的功率(以μ w为单位)。右手栏列出耦合到光检测器中的功率的百分比。
[0017]图7说明其中光纤机械地压抵高差折射率接口(HDII)的抗反射(AR)涂层表面的本发明的实施例。这导致约5μπι的气隙。相比于需要额外装配步骤(包含固化)的环氧树脂的使用，机械方法的使用通过减小装配复杂性来降低成本。
[0018]图8Α(部分分解)及SB说明其中HDII电耦合及光耦合到光检测器的前侧的进一步实施例。
【具体实施方式】
[0019]光学媒体的折射率η为描述辐射(例如光)如何传播穿过所述媒体的无因次数。其被定义为n = c/v，其中c为光在真空中的速度且V为光在所述媒体中的速度。在光波从一个折射率ηι的媒体进入到第二折射率n2的另一媒体时，其经历由斯涅尔折射定律及菲涅尔反射定律所描述的两种光学现象。
[0020]根据斯涅尔定律:
[0021]Ii1Sin Θ j= n 2sin θ 2
[0022]在光波横穿具有折射率Ii1的媒体且以传播角Θ i (相对于表面法线)进入第二折射率n2的另一媒体时，由上列方程式给出所得传播角Θ 2。
[0023]例如，对于Θ 1= 17.45°、η1= 1及112= 3.1，媒体2中的所得传播角为5.55°。因此，相对较高折射率的区可用于减小光波的传播角(更少发散或更少收敛)。
[0024]此外，根据菲涅尔定律，在光波在具有折射率!^的媒体中传播且以传播角Θ i进入第二折射率n2的另一媒体时，所述光波的一些被反射。为显著减少菲涅尔反射，表面可涂布有适当抗反射(AR)涂层。
[0025]根据本发明的实施例的特征，平坦高差折射率接口(HDII)在一侧上耦合到光学波导(光纤)且另一侧耦合