[发明专利]光耦合结构以及包括光栅耦合器的光学装置

说明书

技术领域

这里的主题大体上涉及一种光学装置，其被配置成通过光栅耦合器与例 如光纤或者激光的其它元件光学地耦合。

背景技术

近来，越来越多的行业开始使用光学装置，并且，特别是基于硅光子技 术发展的光学装置。例如，光子集成电路(PIC)可被用于光通信，仪表设 备以及信号处理领域的不同应用中。PIC可以使用亚微粒波导以互连不同的 片内部件，例如光开关，耦合器，路由器，分离器，复用器/分解器，调制器， 放大器，波长转换器，光电转换器以及电光转换器。PIC具有的一个优点是 用于大规模生产的潜力以及通过已知的半导体制造技术(例如，互补金属氧 化物半导体(CMOS)的集成化。

PIC可以与外部光纤或者光源光学耦合，因此该PIC可以从光纤或者光 源接收光线和/或引导光线进入光纤。然而，以高效的方式，例如大于50％ 的效率将光纤和PIC光学耦合是一种挑战。比如说，光纤的横截面积要比 PIC的亚微粒波导的横截面积大得多。因此，由于光线从光纤到PIC的跃迁， 模-域(mode-field)横截面积必须被显著地减少，或者反之亦然。

两个最普遍的光耦合解决方案是面内耦合和面外耦合。面内耦合，其可 能同时被称为边缘耦合或者对接耦合，包括定位光纤以使光纤端部与波导的 中心轴线对准。换句话说，光纤的端部与波导是共面的。尽管面内耦合可以 是高效的并且可以有效地减少模-域直径，但利用面内耦合的PIC难以生产， 封装以及质量控制试验。

在面外耦合中，光纤不与波导的中心轴线或者平面对准。相反，光纤的 轴线几乎正交于波导的平面。面外耦合可以通过光栅耦合器实现。光栅耦合 器包括平面光栅，其被定位成几乎正交于光纤的轴线。该光栅被配置成，以 在期望的方向上(例如，进入PIC的波导或者进入光纤)传播光线的方式散 射光线。

光栅耦合器通常对于错位有更大的容许度，并且有助于减少封装的复杂 性。然而，至少对于一定的应用，包括光栅耦合器的PIC通常不如包括面内 耦合的PIC高效。此外，PIC和光纤的对准仍然存在困难。例如，通常必须 定位光纤从而使光纤不完全与光栅正交。例如，光纤通常被设置为相对于法 线大约9.0°至大约12.0°内。对于某些应用，以这一取向难以可靠地设置 光纤。

因此，存在一种需要，使光耦合结构具有能够耦合有效地正交于光栅耦 合器的光束的光栅耦合器。

发明内容

在一个实施例中，提供一种光耦合结构。该光耦合结构包括配置成与光 学元件光学耦合的光栅耦合器。该光栅耦合器具有平行于光栅平面延伸的衍 射光栅。该光栅耦合器被配置成当光束从光学元件被引导到光栅耦合器并且 有效(effectively)正交于光栅平面时，将光束衍射至第一和第二衍射部分。第 一和第二衍射部分彼此远离地传播。光耦合结构还包括第一和第二中间波 导，其与光栅耦合器光学耦合并且被配置成从光栅耦合器分别接收第一和第 二衍射部分。该光耦合结构还包括公共波导，其与第一和第二中间波导在波 导接头处耦合。第一和第二衍射部分分别在第一和第二中间波导内传播，并 且在波导接头处被同相结合(combinedin-phase)。

在某些实施例中，当光束在大约6.0°范围内正交于光栅平面时，光束 有效正交于光栅平面。

在某些实施例中，第一和第二中间波导由一个波导层组成。波导层还形 成了光耦合部分，其并排于衍射光栅延伸。该衍射光栅被配置成引导第一和 第二衍射部分进入光耦合部分。第一和第二衍射部分在光耦合部分内在相反 方向上传播。可选择地，光栅耦合器包括包层，其并排于波导层延伸。衍射 光栅可以被嵌入包层内，以使包层的一部分在衍射光栅和波导层之间延伸。 可选择地，衍射光栅通过包层子层与波导层隔开。

在某些实施例中，衍射光栅的光栅周期小于光束的波长。例如，衍射光 栅的光栅周期可以小于1000纳米。