光纖到光柵耦合器的光學連接的制作方法

本申請(1)要求于2014年5月15日提交的美國臨時專利申請No.61/994089的優先權，(2)是于2015年4月23日提交的美國專利申請No.14/695008的部分繼續申請，該美國專利申請是于2013年4月11日提交的美國專利申請No.13/861273的部分繼續申請，其(a)要求于2012年4月11日提交的美國臨時專利申請No.61/623027的優先權；(b)要求于2012年9月10日提交的美國臨時專利申請No.61/699125的優先權；(c)是于2013年3月5日提交的美國專利申請No.13/786448的部分繼續申請，該美國專利申請要求于2012年3月5日提交的美國臨時專利申請No.61/606885的優先權。這些申請通過引用并入本文。下面列出的所有出版物作為引用并入本文。

技術領域

本發明涉及將光耦合進和耦合出光子集成電路(PIC)，更具體地涉及光纖到PIC的光學連接。

背景技術：

光子集成電路(PIC)或集成光學電路是將多個(至少兩個)光子功能集成起來的裝置，由此類似于電子集成電路。兩者之間的主要區別在于，光子集成電路提供了施加到光學波長(一般在可見光譜中或近紅外850nm-1650nm)上的信息信號的功能性。

PIC用于電信、儀表和信號處理領域中的各種應用。PIC通常使用光波導來實施和/或互連各自上部件，比如波導、光開關、耦合器、路由器、分裂器、多路復用器/多路信號分離器、調制器、放大器、波長轉換器、光電(O/E)和電光(E/O)信號轉換器(例如光電二極管、激光器)等。PIC中的波導一般是片上實心導光器，其借助波導芯層和包層之間的折射率對比來引導光。

對于正確操作，PIC通常需要有效地在外部光纖和片上波導中的一個或多個之間耦合光。有兩個基本的但是不同的方法來將光從光纖耦合到PIC。

在第一方法中，光纖耦合到PIC的邊緣。這要求從晶片切掉模子，并在與光纖連接之前拋光邊緣。因此，PIC不能在晶片上測試，并且必須在確定PIC是好的或壞的之前進行封裝。這增加了PIC的生產成本，并需要光纖和波導的拋光端之間嚴格的對準公差。

在第二方法中，來自光纖的光使用衍射光柵耦合器耦合進/出PIC。在該情況下，光纖正交于PIC的平坦表面抵靠耦合(butt-coupled)，光正交于平坦表面離開/進入PIC。如圖1所示，在現有技術中，纖維1抵靠耦合到硅PIC 3表面上的光柵耦合器2。這意味著可以在切割之前使用探針測試PIC，探針合并了電子和纖維光學探針頭。這可減少PIC的封裝成本。

然而，使用光柵耦合器的現有技術具有至少兩個主要缺點。第一個是光纖一般終止于石英纖維陣列(光學透明)。石英纖維陣列將光纖的線性陣列定位在標準間距上(例如250微米)，但是公差一般大于1微米，這對于單模應用是不理想的。額外地，石英纖維陣列制造起來昂貴，這是因為它們一般放在CNC機床上，因此，隨著增加的生產體積，沒有成本節省。最后，石英纖維陣列和光纖的彎曲半徑增加了封裝的PIC的高度。(圖1中的現有技術光學耦合器可以與圖2示意性示出的創造性理念的光學耦合進行比較。)

另外，大多數光柵耦合器設計成與傾斜的拋光光纖(即，端面位于不垂直于纖維軸線的平面上)一起工作。這給采用傾斜的拋光光纖添加了另一復雜度，傾斜的拋光光纖具有特定傾斜端面，其生產匹配光柵耦合器的設計角度的模場。

需要一種改進的方法來將光纖光學耦合進/出PIC，其以減少的成本提高公差、可制造性、易用性、功能性和可靠性。

技術實現要素：

本發明通過提供一種新穎的方法來在光纖和光子集成電路(PIC)的光柵耦合器之間進行光學耦合而克服了現有技術的缺點。根據本發明，提供了反射鏡來將光轉向光纖/轉動來自光纖的光，以允許光纖的軸線與PIC的表面成小角度或平行于PIC的表面取向，并下降到接近PIC的表面。因此，光纖和耦合器光柵之間的光連接器可以是低調的(low-profile)，并且裝配進較小的收發器封裝件中。

在本發明的另一方面中，反射鏡構造成再成形光以產生匹配光纖輸入/輸出和目標光柵耦合器的設計角度的模場。在一個實施例中，反射鏡構造成再成形平坦拋光光纖(即端面在垂直于纖維軸線的平面中)的光輸入/輸出以產生類似于傾斜拋光光纖的模場的模場，以匹配現有光柵耦合器的設計角度，現有光柵耦合器設計成與傾斜拋光光纖一起工作。

反射鏡和光連接器中的光纖對準結構可以通過精確壓印一體地/同時形成，這允許以大體積或小體積經濟地生產連接器部件，同時提高公差、可制造性、易用性、功能性和可靠性。

附圖說明

為了全面理解本發明的屬性和優點以及優選實施例，結合附圖參考下面的詳細描述。在附圖中，相同的參考標號表示附圖中的相同或類似的零件。

圖1是現有技術纖維到光柵耦合器連接的示意圖。

圖2是示出根據本發明的一個實施例的纖維到光柵耦合器連接的創造性理念的示意性剖視圖。

圖3是根據本發明的一個實施例的光具座的延長部分的放大透視圖。

圖4是纖維對準溝槽沿光纖的縱軸的剖視圖。

圖5是圖4的透視剖視圖。

圖6是示出根據本發明的另一實施例的在光纖和PIC上的光柵耦合器之間的光的反射的剖視圖。

具體實施方式

下面參考附圖關于各實施例來描述本發明。盡管在實施本發明的目的的最佳實施方式方面描述了本發明，但是本領域技術人員應明白，在不脫離本發明的精神或范圍的情況下，考慮到這些教導，可以完成變型例。

本發明提供了一種新穎方法來在光纖和光子集成電路(PIC)的光柵耦合器之間耦合光。根據本發明，提供了反射鏡來將光轉向光纖/轉動來自光纖的光，以允許光纖的軸線與PIC的表面成小角度或平行于PIC的表面取向，并下降到接近PIC的表面。因此，光纖和耦合器光柵之間的光連接器可以是低輪廓(low-profile)的，并且裝配進較小的收發器封裝件中。

圖2示意性示出本發明的創造性理念。圖2示意性示出光耦合/連接裝置10中的微光具座11(MOB)的剖視圖。光纖24支撐在光具座11上，其軸線基本上平行于光柵耦合器2和硅PIC 3的平面。圖2示出支撐光纖24的終止端部的光具座11，光纖處于裸露形式，暴露包層，不具有光纖纜線(圖6所示23)的保護緩沖層和護套層。光具座11包括溝槽25形式的光纖對準結構和聚焦微反射鏡12形式的結構化反射表面。溝槽25沿預期設計光學路徑6(圖2示意性示出光路的形狀)相對于反射鏡12定位和對準光纖24。光纖24的端面115的邊緣的一部分抵在肩部5上，肩部設置在溝槽25的末端處，充當止動件來相對于反射鏡12限定端面115的位置。溝槽25和肩部5相對于結構化反射表面12精確地定位和對準光纖24，端面115位于距反射鏡12預定距離處。

反射鏡12具有結構化反射表面，其構造成相對于反射鏡12轉動光纖24的輸入/輸出，以在光纖和光柵耦合器2之間耦合光。在所示實施例中，光纖24是單模(SM)平坦拋光的。光纖24的端面115位于基本上垂直于其縱軸的平面中。

將與圖2所示結構與圖1所示現有技術纖維到光柵耦合器連接進行比較，顯然，創造性纖維到光柵連接產生了總體明顯更低的輪廓。創造性連接器提供了關于PIC放置光具座的簡單方式，如下面討論的圖6的實施例所示。

在本發明的另一方面中，反射鏡/結構化反射表面和光連接器中的光纖對準結構可通過精確地壓印原材料(例如金屬坯或條)而一體地/同時形成，這允許以大體積或小體積經濟地生產連接器部件，同時提高公差、可制造性、易用性、功能性和可靠性。通過在相同的單個最終壓印操作中同時形成結構反射表面和光纖對準結構，可以在最終壓印步驟中維持要求在相同工件/零件上對準的所有特征的尺寸關系。代替利用沖床的單次沖擊以在光具座上形成所有特征的沖壓操作，可設想的是，可以實施多次沖擊以在光具座上逐步預形成某些特征，利用最終沖擊同時限定光具座上的各結構化特征的最終尺寸、幾何形狀和/或光潔度，包括需要保證(在保證方面有重要作用)相應部件/結構沿設計光學路徑的恰當對準的反射鏡、光纖對準結構/溝槽等。

本發明的受讓人nanoPrecision Products,Inc.開發了各種擁有的光學耦合/連接裝置，具有與光學數據傳輸一起使用的光具座。更確切地，本發明涉及將光纖耦合到PIC中的光柵耦合器，同時采用壓印光具座的類似理念，包括在較早光學耦合裝置中實施的壓印的反射鏡。

例如，US2013/0322818A1公開了一種具有用于發送光學數據信號的壓印結構化表面的光學耦合裝置，尤其是一種用于發送光學信號的光學耦合裝置，包括基底；限定在基底上的結構化表面，其中，結構化表面具有再成形和/或反射入射光的表面輪廓；以及限定在基底上的對準結構，構造有表面特征以便于與結構化表面對準地將光學部件定位在基底上，以允許光沿結構化表面和光學部件之間的限定路徑傳輸，其中，結構化表面和對準結構通過壓印基底的可鍛材料一體地限定在基底上。

US2013/0294732A1還公開了一種具有集成光學元件的密封光纖對準組件，尤其是一種包括套圈部分的密封光纖對準組件，套圈部分具有接收光纖的端部的多個溝槽，其中，溝槽相對于套圈部分限定出端部的位置和方位。該組件包括用于將光纖的輸入/輸出耦合至光電模塊中的光電裝置的集成光學元件。光學元件可以是結構化反射表面的形式。光纖的末端位于結構化反射表面的限定距離處，并與結構化反射表面對準。結構化反射表面和纖維對準溝槽可以通過壓印形成。

美國專利申請No.14/695,008還公開了一種光學通信模塊中使用的發送光學信號的光學耦合裝置，尤其是一種在基底上限定結構化表面和限定在基底上的對準結構的光學耦合裝置，結構化表面具有再成形和/或反射入射光的表面輪廓，對準結構構造有表面特征以便于與結構化表面光學對準地將光學部件定位在基底上，以允許光沿結構化表面和光學部件之間的限定路徑傳輸。結構化表面和對準結構通過壓印基底的可鍛材料一體地限定在基底上。對準結構便于以與結構化表面的光學對準被動對準基底上的光學部件，以允許光沿結構化表面和光學部件之間的限定路徑傳輸。結構化表面具有反射和/或再成形入射光的反射表面輪廓。

美國專利No.7,343,770公開了一種新穎的精密壓印系統，用于制造小公差零件。這種創造性壓印系統可在各種壓印過程中實施，以生產上述nanoPrecision專利文件中公開的裝置，并可類似地實施以生產本文公開的結構。這些壓印過程涉及壓印松散材料(例如金屬坯或原材料)以在緊(即小)公差下形成最終表面特征，包括與其它限定表面特征精確對準的具有期望幾何形狀的反射表面。

圖3至6示出光連接器110形式的光學耦合裝置的實施例，其采用圖2所示創造性理念。光連接器110包括套圈140和蓋142形式的光具座。套圈142具有延伸超出蓋142的相鄰端的部分70。套圈142具有纖維對準溝槽134，其延伸超出蓋的邊緣到延伸部70。每個溝槽134終止于結構化反射表面113，結構化反射表面位于蓋142的相鄰邊緣之外。每個光纖124在溝槽134中延伸以超出蓋142的邊緣，以更靠近結構化反射表面113。為了簡化，圖3示出光連接器110的局部視圖，延伸部70放大。圖6示出總體光連接器110。

圖4是沿光纖24的縱軸截取的剖視圖。圖5是沿光纖24的縱軸截取的透視剖面圖。在所示實施例中，纖維對準結構是敞開溝槽134形式的，其完全接收光纖24的裸露端部，使得光纖24的末端位于結構化反射表面113的限定距離處，并與結構化反射表面對準。敞開溝槽134包括大致U形橫截面，其貼合地接收裸露光纖24。結構化反射表面113的位置和方位相對于纖維對準溝槽134固定。在所示實施例中，溝槽134和結構化反射表面113限定在相同(例如整體的)套圈140上。溝槽134具有限定出光纖24的端面115和結構化反射表面113之間的空間的部分124。在所示實施例中，該部分124具有與溝槽134的剩余部分類似的寬度，但是比溝槽的剩余部分更淺的底部。該部分124限定出肩部127，肩部提供止動件，光纖24的端面115的邊緣的一部分抵在止動件上。相應地，沿光軸的距離限定在端面115和結構化反射表面113之間。在所示實施例中，光纖完全接收在溝槽134中，光纖24的外表面與套圈140的頂表面139平齊。光在PIC3和光纖24之間沿光學路徑100轉動。

圖6是示出相對于PIC 3上的光柵耦合器2構造光連接器110的一個實施例的剖視圖。光連接器110經由開口121附接在光電模塊112的殼體114的基底116中，延伸部分70位于模塊殼體114內。結構化反射表面113與PIC 3上的光柵耦合器2光學對準。圖6示出光在光纖24和光柵耦合器2之間在延伸部70處經由結構化反射表面113的反射，結構化反射表面是凹反射表面。

光連接器110可被認為充當具有內置光學器件和用于光纖帶的對準套圈的密封引線(feedthrough)，從而消除了分離的光學元件與光電模塊112的PIC 3上的光柵耦合器2光學耦合的需求。

結構化反射表面113和對準溝槽134可以通過精確地壓印由可鍛金屬材料制成的光具座(即套圈140)而一體地形成。結構化反射表面的設計和壓印可涉及與上述在nanoPrecision的較早專利文件中公開的那些類似的考慮因素，并還修改為提供光纖和PIC上的光柵耦合器之間的期望光學耦合。例如，美國專利No.7343770公開了精確壓印工藝和設備，該專利共同受讓給本發明的受讓人。該專利通過引用并入本文。其中公開的工藝和壓印設備可適于精確壓印本發明的套圈140和/或蓋142的特征(包括結構化反射表面和光纖對準溝槽)。壓印工藝和系統可生產具有小于(優于)1000nm公差的零件。

光連接器110的外表面可以高公差維持，用于使用對準套筒對準。在上述實施例中，不需要對準銷來將套圈對準至殼體114。相應地，為了壓印套圈部分(套圈和蓋)，這包括壓印套圈部分的整個本體(包括形成溝槽)、匹配套圈部分的表面與和套筒(或在圖6的情況下與殼體114的開口)接觸的外表面套筒接觸的外表面。這維持了溝槽134和光連接器110的外部對準表面之間所需的尺寸關系，便于例如在不依靠對準銷的情況下對準。

在所述上述實施例中，結構化反射表面113可構造成平坦的、凹的或凸的或者組合以構成復合反射表面。在一個實施例中，結構化反射表面具有平滑(具有類似于拋光光潔度的光潔度)的反射鏡表面。代替地，其可以是反射的紋理表面(textured surface)。結構化反射表面可具有均勻的表面特性或變化的表面特性，比如在表面上變化的平滑度和/或紋理，或者各平滑區域和紋理表面的組合，以構成結構化反射表面。結構化反射表面可具有對應于下列等同光學元件中的至少一個的表面輪廓和/或光學特性：反射鏡、聚焦透鏡、發散透鏡、衍射光柵或它們的組合。結構反射表面可具有限定出對應于不同等同光學元件的多于一個區域(例如由發散的環形區域圍繞聚焦的中心區域)的復合輪廓。在一個實施例中，結構化反射表面限定在不會使光透過表面的不透明材料上。

根據本發明的光連接器110克服了現有技術的許多缺陷，這提供了在環境條件下的精確對準、高可靠性，并可以低成本制造。創造性連接器組件可構造成支撐單個或多個纖維，用于光學對準和/或密封引線(可包括一體光學元件)。

在本發明的另一方面中，反射鏡12的結構化反射表面和結構化反射表面113構造成再成形光以產生匹配光纖輸入/輸出和目標光柵耦合器的設計角度的模場。在一個實施例中，反射鏡12/結構反射表面113構造成再成形具有平坦拋光端(即端面在垂直于光纖軸線的平面中)的光纖的光輸入/輸出，以產生類似于傾斜拋光抵靠耦合光纖的模場，以匹配現有光柵耦合器(設計用于與傾斜拋光抵靠耦合光纖一起使用)的設計角度。該向后兼容方法不需要開發新的光柵耦合器。

下面是采用壓印反射鏡來耦合到PIC(例如硅PIC或SiPIC)的光柵的創造性理念的其它設計考慮和特征。反射鏡可以壓印為專用于應用的金屬片、金屬箔、體塊金屬。各種可鍛金屬、利用工具鋼或碳化鎢工具可壓印物可構成反射鏡的本體，包括任意300或400系列不銹鋼、Kovar、任意沉淀或溶解硬化金屬的任意組分以及Ag、Al、Au、Cu的任意合金。在1310nm之上的長波長處，鋁是高度反射(>98％)的并通過壓印經濟地成形。包括反射鏡的金屬一部分的反射表面可以是上述提及的金屬中的任一、高度反射金屬的任意涂層(通過濺射、蒸發或電鍍工藝施加)。

為了提供光功率，反射鏡表面可具有下列(單獨地或組合地)任一的表面幾何曲率功能：橢圓或雙曲圓錐焦點、具有各種數量的偶數和奇數非球面項的環形非球面、具有各種數量的偶數或奇異(off)項的X-Y非球面曲線以及由這些功能涵蓋的更簡單表面的各種類族。表面還可以是自由形式表面，沿任意平面或矢量不具有對稱性。

纖維對準溝槽相對于反射鏡以高精度形成。反射鏡可以設計成對于各種類型的源以及寬帶源操作，各種類型的源包括多模(MM)和單模(SM)纖維(MM和SM VCSEL在各波長下的)。反射鏡可設計成在各種透射介質中操作，包括空氣、玻璃、折射率匹配環氧樹脂、塑料和上述的組合。

反射鏡的焦距范圍可以從50至50000微米。

反射鏡的F數(焦距與通光孔徑之比)可以是任意物理可獲得的值。

下面是SM纖維至SiPIC耦合的優選實施例：

a.反射鏡以厚度為0.5至10mm的片狀金屬壓印。

b.對于在1310、1490nm、1550nm波長下的SM纖維耦合，對于反射表面，選擇的材料是鋁。

c.為了提供光功率，反射鏡表面是橢圓的(圓錐焦點)。

d.反射鏡表面的焦距介于300微米和2000微米之間。

e.反射鏡的最大通光孔徑小于100微米至500微米。

f.反射鏡設計用于在空氣或折射率匹配環氧樹脂中操作。

g.相對于光柵耦合器法線的操作角為+/-20度。

h.操作位于空氣或折射率匹配環氧樹脂中。

i.反射鏡再現從以設計角度傾斜的平坦拋光纖維離開的場。

j.反射鏡涂覆有高反射率涂層(金、介質反射體等)以改進反射鏡材料的固有反射率。

連接的光學性能取決于壓印光學器件的質量(形式和表面光潔度)以及纖維-反射鏡-光柵耦合器的位置和方位。保持反射光學器件的本體應當由具有接近匹配PIC材料的膨脹系數(CTE)的材料制成。例如，Kovar接近匹配硅。該CTE匹配最小化光學路徑中的熱誘導失準以及由熱膨脹引起的熱機械應力。

如果壓印的反射鏡表面過于粗糙，則光被散射。散射光的一些可在周圍反彈，并終止于連接進相鄰纖維中，這會導致串擾。根據本發明，在壓印操作期間在沖床和模子之間對可鍛材料(例如鋁、銀、銅或金)的壓縮對高反射的反射鏡質量表面產生高接觸壓力。對壓印反射鏡的最初實驗表明高耦合效率為約89％(0.5db)或更高。

本發明的商業使用包括將光纖連接到PIC以用于數據通信。在該應用中，PIC可以是收發器，其將數字電信號轉換為數字光信號。另一可能應用可以在光開關內，光開關在多個端口之間發送數字光信號。其它應用可以是使用光進行換能的傳感器(例如電光MEMS加速計)。另一應用可以是用于生物分子檢測或氣體分子檢測的光感測。

盡管上述實施例參考經由單個反射鏡連接到單個光柵耦合器的單個光纖(圖2)，但是通過采用本發明的理念，可以實施經由反射鏡的1D陣列(圖3)連接到光柵耦合器的1D陣列的光纖的1D陣列，經由反射鏡的2D陣列連接到光柵耦合器的2D陣列的光纖的2D陣列。另外，除了上面討論的光學路徑，通過構造具有不同反射幾何形狀的結構化反射表面來產生具有不同形狀的光學路徑。

盡管參考優選實施例示出和描述了本發明，但是本領域技術人員應理解，在不脫離本發明的精神、范圍和教導的情況下，可以進行各種形式和細節的改變。相應地，公開的發明僅考慮為示例性的，其范圍僅由權利要求書中指定的限定。