緊湊型外部光柵PBS/PBC耦合器的制作方法

本申請要求2015年1月7日遞交的發明名稱為“緊湊型外部光柵PBS/PBC耦合器”的第14/591,516號美國非臨時專利申請案的在先申請優先權，該在先申請又要求2014年5月2日遞交的發明名稱為“緊湊型外部光柵PBS/PBC耦合器”的第61/988,015號美國臨時專利申請案的在先申請優先權，該在先申請的發明人與本申請相同。上述參考申請的全部內容以引入的方式并入本文本中。

技術領域

本發明實施例大體上涉及光耦合領域。更具體地，本發明實施例涉及用于光耦合光束和硅光子芯片的緊湊型偏振分束器（polarization beam splitter，PBS）和偏振合束器（polarization beam combiner，PBC）。

背景技術：

光波導通常運用在集成光子電路中或者用作光通信系統中的傳輸介質，以提供從光波導中的一個模式到另一個模式的耦合，或者從一個波導到另一個波導的耦合。光纖是一種光波導，通常包括由介電材料構成的圓截面介電波導并且由折射率較低的第二介電材料覆蓋。光纖最常見的是由石英玻璃制成，但還可以由塑料等其它材料制成。

在Si光子學中，目前的2D偏振分束器（polarization beam splitter，PBS）和偏振合束器（polarization beam combiner，PBC）具有相對較大的插入損耗和較低的偏振消光比。插入損耗是某個波長的輸出與輸入光功率之比。雖然一些方法使用透鏡光纖來提高耦合效率，但是本方法往往需要復雜且敏感的亞微米對準。

此外，光子集成電路通常與偏振相關。由于光的偏振狀態對于單模光纖并不是始終不變，所以光子集成電路可能需要獨立于從光纖傳送的光的偏振來操作。

技術實現要素：

本發明描述了一種針對用于光耦合光束和硅光子芯片的偏振分束器（polarization beam splitter，PBS）和偏振合束器（polarization beam combiners，PBC）的方法。根據一項實施例，描述了一種偏振分束器，所述偏振分束器包括接收入射光并產生聚焦光的透鏡、從所述透鏡接收所述聚焦光并將所述光分割為第一光線和第二光線的晶體，以及接收所述第一光線和所述第二光線并將所述光線向硅片表面的方向彎曲的光楔。

根據另一項實施例，描述了一種將光源定向到硅片表面的方法，所述方法包括使用透鏡接收入射光并產生聚焦光、使用晶體將所述聚焦光分割為第一光線和第二光線，以及使用玻璃光楔將所述第一和第二光線向硅片表面彎曲。

附圖說明

附圖包含在并且構成本說明書的一部分，示出了本發明的各種實施例，并且與描述內容一起用于解釋本發明的原則：

圖1為根據本發明實施例的示例性光耦合器的方框圖。

圖2為根據本發明實施例的圖示圖1描繪的示例性光耦合器的前視圖的圖。

圖3為根據本發明實施例的圖示源為準直光的示例性光耦合器的圖。

圖4為圖示通過本發明一些實施例產生的O-ray和E-ray的光柵方位的圖。

圖5為圖示通過本發明一些實施例產生的O-ray和E-ray的光柵方位的圖，其中半波片將O-ray和E-ray的偏振都旋轉45度。

圖6為根據本發明實施例的圖示圖1的半波片在其中與玻璃光楔和YVO4晶體粘接的示例性光耦合器的圖。

圖7為根據本發明實施例的圖示圖3的半波片在其中與玻璃光楔和YVO4晶體粘接的示例性光耦合器的圖。

圖8為根據本發明實施例的圖示圖1的具有玻璃光楔底面之下的半波片的示例性光耦合器的圖。

圖9為根據本發明實施例的圖示圖3的具有玻璃光楔底面之下的半波片的示例性光耦合器的圖。

圖10為根據本發明實施例的圖示基于圖1示出的設計的示例性光耦合器的圖。

圖11為根據本發明實施例的圖示基于圖3示出的設計的示例性光耦合器的圖。

圖12為根據本發明實施例的圖示半波片在其中粘接到玻璃光楔底面的示例性光耦合器的圖。

圖13為根據本發明實施例的圖示半波片在其中粘接到玻璃光楔底面的示例性光耦合器的圖。

具體實施方式

現在將詳細地給出一些實施例的參考。雖然結合可替代的實施例描述該主題，但應該理解它們不是旨在將請求保護的主題限制于這些實施例。相反，請求保護的主題旨在覆蓋可以包括在由附加的權利要求書限定的請求保護的主題的精神和范圍內的替代物、修改和等同物。

另外，在以下本發明的詳細描述中，闡述了許多特定細節以便提供對請求保護主題的透徹理解。然而，所屬領域的技術人員將認識到，可以在沒有這些具體細節的情況下實踐實施例。在其它實例中沒有詳細描述眾所周知的方法、流程、部件和電路，以免對本請求保護的主題的各方面和特征造成不必要地模糊。

隨后的詳細描述部分以方法的觀點展示并討論。盡管在此處描述該方法的操作的附圖中公開了步驟及其排序，但是這些的步驟和排序是示例性的。實施例很適合執行各種其它步驟或此處附圖的流程圖中所有步驟的變體，并且按不同于此處描繪和描述的順序。

以流程、步驟、邏輯塊、處理和對數據比特的操作的其它符號表示的觀點展示了一些詳細描述部分，這些操作可以在計算機存儲器上執行。這些描述和表述是由數據處理領域的技術人員用來最有效地把他們的工作內容傳遞給本領域額其它技術人員的手段。存在程序、計算機執行的步驟、邏輯塊、過程等，并且通常被認為是導致所需結果的自洽步驟或指令順序。這些步驟是要求對物理量的物理操縱的那些步驟。通常，盡管并不必定如此，這些量采取能夠在計算機系統中存儲、傳遞、組合、比較或者以另外方式操作的電信號或磁信號的形式。已經證明有時，主要是出于普通使用的原因，把這些信號稱為比特、值、元素、符號、字符、術語、數字等等是方便的。

一些實施例可在由一個或多個計算機或其它設備執行的計算機可執行指令，例如程序模塊，的一般上下文中進行描述。通常，程序模塊包括執行特定任務或實施特定抽象數據類型的例程、程序、對象、部件、數據結構等。程序模塊的功能通常可根據各種實施例所需組合或分布。

緊湊型外部光柵PBS/PBC耦合器

在下面的實施例中，描述了一種方法以提供用于光束和硅光子芯片的光耦合的緊湊型偏振分束器（polarization beam splitter，PBS）和偏振合束器（polarization beam combiner，PBC）。本方法可用于將輸入光束分割為芯片上的兩個單獨光柵端口或者將從兩個單獨的光柵端口出來的兩個光束合并為單個輸出光束。

本文所描述的方法比現有技術方法有若干優勢。所描述的PBS/PBC，相比于現有2D光柵耦合器技術，具有更少的插入損耗，而且相比于現有2D光柵耦合器，由于模式匹配（例如，匹配光柵端口的模式）的靈活性而具有更寬的頻譜帶寬。本文所描述的PBS/PBC還比現有2D光柵耦合器（通常是20dB）具有更好的偏振消光比（例如，30dB），而且水平耦合配置使設計相比于在2D光柵耦合中使用的近垂直耦合更薄、更緊湊。

根據本發明，雙折射晶體（例如，YVO4晶體）用于分割光束或將多個光束合并為單個光束。使用透鏡將光的模式轉換為光柵端口的模式。玻璃光楔設計為將光從水平定向到近垂直方位以匹配光柵端口的出射角。當源或接收器利用光纖時，光纖夾持器可用于將光纖粘接到該源或接收器。本文所公開的PBS/PBC可用于密封或非密封應用中。

圖1示出了根據本發明實施例的示例性PBS。發散光101由光纖承載并經透鏡102聚焦，其中出射透鏡的光的模式匹配光柵端口的模式以提供高耦合效率。透鏡102產生的聚焦光束由YVO4晶體103接收。該晶體的雙折射屬性將光分割為尋常光線（ordinary ray，O-ray）和異常光線（extraordinary ray，E-ray）。光楔104用于將光束定向（例如，彎曲或彎成某一角度）到硅片的光柵端口105。光楔的下表面附接和/或粘接到硅片（未示出）的頂面。根據本發明實施例，入射光的入射角匹配光柵端口的出射角。根據一些實施例，光楔內的反射角大于全反射角。

圖2所示為圖1中描繪的示例性PBS的前視圖，其中能夠圖示O-ray和E-ray的間隔。O-ray 201和E-ray 202的間距取決于YVO4晶體的長度（例如，10:1的長度與間距比）。

圖3所示為示例性PBS/PBC，其中源為準直光，而不是發散光（如圖1所示）。如在圖1中，透鏡301產生的聚焦光束由YVO4晶體302接收。該晶體的雙折射屬性將光分割為尋常光線（ordinary ray，O-ray）和異常光線（extraordinary ray，E-ray）。玻璃光楔303用于將光束定向（例如，彎曲或斜移）到近垂直方向。

圖4示出了O-ray和E-ray的光柵方位。橫電場（transverse E-field，TE）波導光柵端口的偏振匹配O-ray和E-ray的偏振。在一些情況下，最好產生兩個對稱定位在芯片上的光柵端口。根據本發明一些實施例，這通過在光柵端口處改變從YVO4晶體出射的光的偏振來實現。半波片（half wave plate，HWP）可如圖5所示將O-ray和E-ray的偏振都旋轉45度。這樣，可以減少或消除背反射和過大的插入損耗。圖6和圖7示出了針對圖1和圖3所示的示例性PBS等一些應用分別與玻璃光楔和YVO4粘接的HWP。可選地，如圖8和圖9所示，根據一些實施例，HWP可在玻璃光楔底面之下。

圖10為根據本發明實施例的示例性光柵PBS單元的圖。如圖所示，示例性光柵PBS單元包括圖6所示的示例性結構的特征。光纖夾持器1006將光纖1007粘接到該單元，并且玻璃蓋1005加固該單元的結構。如在圖1中，透鏡1004產生的聚焦光束由YVO4晶體1003接收。該晶體的雙折射屬性將光分割為尋常光線（ordinary ray，O-ray）和異常光線（extraordinary ray，E-ray）。玻璃光楔1001用于在需要時對光束進行定向（例如，彎曲或彎成某一角度）。如圖6中描繪，HWP 1002與玻璃光楔1001和YVO4晶體1003粘接。

圖11為根據本發明實施例的示例性光柵PBS單元的圖。如圖所示，示例性光柵PBS單元包括圖7所示的示例性結構的特征，其中入射光為準直光束（還在圖3中示出）。兩個單元都可對準并耦合到光柵端口。如在圖3中，透鏡1104產生的聚焦光束由YVO4晶體1103接收。YVO4晶體1103的雙折射屬性將光分割為尋常光線（ordinary ray，O-ray）和異常光線（extraordinary ray，E-ray）。玻璃光楔1101用于在需要時對光束進行定向（例如，彎曲或彎成某一角度）。如圖7中描繪，HWP 1102與玻璃光楔1101和YVO4晶體1103粘接。

圖12和圖13為圖示將HWP分別粘接到圖8和圖9示出的示例性光結構的示例性方法的示意圖。