阅读说明：本技术 用于具有不同模尺寸的波导之间的耦合的光学模变换器 (Optical mode converter for coupling between waveguides having different mode sizes ) 是由 王志仁 马薇 陈逸轩 陈玉雅 洪伟 于 2019-06-20 设计创作，主要内容包括：本发明示出一种用于不同模尺寸的光子集成电路(PIC)与光纤之间的耦合的光学模变换器。光学模变换器包括波导组件,波导组件包括单波导结构、多层波导结构和过渡波导结构。单波导结构包括单波导。单波导的第一端的尺寸和传播常数类似于光子集成电路(PIC)的波导。此外,多层波导结构包括多层波导。另外,在过渡结构处形成过渡波导结构。过渡波导结构允许光学模在单波导结构与多层波导结构之间过渡。多层波导结构被配置成用于耦合过渡波导结构与光纤之间的光,并且单波导结构被配置成用于耦合PIC与过渡波导结构之间的光。(An optical mode converter for coupling between Photonic Integrated Circuits (PICs) of different mode sizes and optical fibers is shown. The optical mode converter includes a waveguide assembly including a single waveguide structure, a multilayer waveguide structure, and a transition waveguide structure. The single waveguide structure includes a single waveguide. The dimensions and propagation constant of the first end of the single waveguide are similar to those of a Photonic Integrated Circuit (PIC). Further, the multilayer waveguide structure includes a multilayer waveguide. In addition, a transition waveguide structure is formed at the transition structure. The transition waveguide structure allows an optical mode to transition between the single waveguide structure and the multilayer waveguide structure. The multilayer waveguide structure is configured to couple light between the transition waveguide structure and the optical fiber, and the single waveguide structure is configured to couple light between the PIC and the transition waveguide structure.)

用于具有不同模尺寸的波导之间的耦合的光学模变换器

相关申请的交叉引用

本申请要求享有于2018年6月20日提交的美国临时专利申请号62/687,776的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本申请涉及一种包括集成光子器件的光学模块，并且尤其涉及光纤与集成光子部件的连接。

背景技术

快速发展的云计算和人工智能应用正在推动互联网技术巨头构建强大的数据中心。到目前为止，构建大型数据中心比构建多个中等尺寸的数据中心以扩大处理能力更节省成本且更不复杂。然而，为了以超高速传输海量数据，数据中心中的服务器节点/机架需要高传输带宽。传统上，通过使用铜缆以及用于发送和接收电信号形式的数据的电收发器来实施互连。这种电解决方案非常庞大，并且在10吉比特每秒(Gbps)的数据速率下传输距离小于20米(m)。

由于光学解决方案在10Gbps下具有更节省空间和达到300m的更长的传输距离方面具有明显的优点，多年来光纤网络已经取代了铜基网络。数据中心中的常规光学收发器主要是多模光纤(MMF)。典型的多模光纤链路仅在最长到600m的链路长度上具有10兆比特每秒(Mbps)到10Gbps的数据速率。然而，很常见的是，当今Mega数据中心的节点互连轻易地超过500m到2km的距离。结果，用于连接节点之间单模光纤传输的单模收发器有非常大的需求。常规的单模收发器由许多高成本的分立光学部件构成。它们所占空间大并且需要高成本的组装过程和维护。

随着硅光子学(SiPh)技术的出现，对于超过500m到2km的互连的大量实施来说，出现成本低且所占空间小的解决方案的可能性增加。SiPh技术应用最先进的互补金属氧化物半导体(CMOS)铸造工艺来制造大多数光学部件集成到单个硅芯片上的光子集成电路(PIC)器件。然而，SiPh芯片(也称为Si PIC)输入/输出(I/O)端口的光学模尺寸(波导中的光的光斑尺寸)约为1μm的数量级，而单模光纤(SMF)约为10μm的数量级。这种模尺寸的大差异在对接耦合(Si PIC I/O端口与SMF之间的头对头耦合)中引起了大的光功率损耗。从PIC到光纤、PLC(常规的玻璃基平面光波电路)和边缘发射激光二极管的常规耦合方法的光功率损耗相当高(大于50％)。

主要原因是PIC中的波导的光学模尺寸远小于光纤、PLC和激光二极管的光学模尺寸。传统的耦合方法使用诸如微尺寸透镜的分立自由空间光学部件来变换模尺寸。这种高成本的方法不是这个问题的可行解决方案。除非解决了此耦合问题，否则SiPh技术将不是大容量实施SMF互连的解决方案。

发明内容

提供发明内容部分是为了引入与用于具有不同模尺寸的波导之间的耦合的光学模变换器相关的概念。本发明内容部分既不旨在标识所请求保护的主题的必要特征，也不旨在用于确定或限制所请求保护的主题的范围。

在一个实施方式中，示出了用于不同模尺寸的光子集成电路(PIC)与光纤、平面光波电路(PLC)和激光二极管中之一之间的耦合的光学模变换器。光学模变换器包括波导组件，该波导组件包括单波导结构、多层波导结构和过渡波导结构。单波导结构包括单波导。单波导的第一端的尺寸和传播常数类似于光子集成电路(PIC)的波导。此外，多层波导结构包括多层波导。另外，在过渡结构处形成过渡波导结构。过渡波导结构允许光学模在单波导结构与多层波导结构之间过渡，其中单波导结构的波导轴大致位于多层波导结构的中心处。此外，多层波导结构被配置成用于耦合过渡波导结构与光纤之间的光，并且其中单波导结构被配置成用于耦合PIC和过渡波导结构之间的光。

附图说明

参考附图描述详细说明。在图中，附图标记的最左边的数字标识附图标记首次出现的附图。在所有附图中使用相同的数字来表示相似的特征和部件。

图1示出了根据本发明的实施例的光学模变换器的示意性侧视图。

图2示出了根据本发明的实施例的光学模变换器的示意性横截面图。

图3a和图3b示出了根据本发明的实施例的光学模变换器的变型的侧视图和俯视图。

图4a和图4b示出了根据本发明的实施例的光学模变换器中在单波导结构和多层波导结构处形成的倒锥体之间的重叠。

图5a和图5b示出了根据本发明的实施例在多层波导结构处形成的倒锥体的长度变化。

图6示出了根据本发明的实施例的在多层波导结构处具有偶数层的光学模变换器的侧视图。

图7a和图7b示出了根据本发明的实施例的多层波导结构的每层中的两个波导的俯视图。

图8示出了根据本发明的实施例的连接单层波导和多层波导结构的中间层的锥形波导。

图9a和图9b示出了根据本发明的实施例的连接单层波导和多层波导结构中的中间层的锥形波导的俯视图。

图10a和图10b示出了根据本发明的实施例的在过渡波导结构处的锥形波导与倒锥体之间的重叠的前视图和俯视图。

图11示出了根据本发明的实施例的在过渡波导结构处的锥形波导与倒锥体之间的重叠的俯视图。

具体实施方式

在整个说明书中提及“各种实施例”、“一些实施例”、“一个实施例”或“实施例”意味着结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方中出现的短语“在各种实施例中”、“在一些实施例中”、“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定都指相同的实施例。此外，特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合在一个或多个实施例中。

本申请旨在通过在没有显著功率损耗的情况下变换光学模尺寸来降低光子集成电路(PIC)与光纤之间的光功率耦合损耗。本申请还简化了从自由空间光耦合到常规平面光波电路(PLC)组装过程的组装过程。换句话说，本申请旨在最小化PIC与光纤之间耦合的光功率损耗，并且将组装过程简化为常规PLC组装过程。

在一个实施例中，公开了用于具有不同模尺寸的波导之间的耦合的光学模变换器。模变换器可以被配置成用于PIC与单模光纤之间的耦合。光学模变换器优选地制造在PIC器件中，用于PIC与单模光纤之间的光学模变换。PIC器件可以是硅光子器件。光学模变换器可以含有波导组件的三个部分。图1中表示了光学模变换器100的示意性侧视图。然而，图2表示根据本发明的实施例的光学模变换器100的横截面侧视图。

光学模变换器100包括具有三个区域/部分的波导组件，即单波导结构102、多层波导结构104和过渡波导结构106。必须注意，这三个部分仅仅是光学模变换器100的不同功能区域的说明，并且在所有这三个部分之间没有物理边界。这三个部分可以是单个元件。在一个实施例中，单波导结构102包括具有第一端和第二端的单波导108。单波导结构102中的单波导108的第一端具有与PIC波导相似的尺寸和传播常数。单波导108被低折射率材料层120包围。单波导结构102耦合单波导108与过渡结构之间的光。过渡结构是在单波导结构102与多层波导结构104之间形成的结构，在下文中称为过渡波导结构106。

在一个实施例中，多层波导结构104包括多层波导118。多层波导118的多个层由高介电常数的介电材料形成，并且被嵌入具有相对较低介电常数的材料中。多层波导118可以由多个高折射率材料层形成。必须注意，单波导108和多层波导118都由如图1中所表示的低折射率材料层120分隔。此外，组合在一起的多层波导118中的每个层结构的光学模形成与光纤116、玻璃基PLC等的光学模尺寸和传播常数相匹配的更大的光学超模。多层波导118中每层的厚度可以相同或不同。多层波导118中的层的形状可以相同或不同。多层波导118的每一层的材料可以相同或不同。多层波导结构104的层和单波导108的材料可以相同或不同。

在一个实施例中，过渡波导结构106是存在于过渡结构处的波导结构，并且允许光学模在单波导结构102与多层波导结构104之间过渡。在一个实施例中，单波导结构102的波导轴围绕多层波导结构104的中间。然而，必须注意，过渡波导结构106有多种选择。过渡波导结构106基本上是单波导108和多层波导118延伸并且彼此重叠的区域，其中过渡波导结构106用作耦合区域/过渡结构。对于不同的应用，在过渡波导结构106处的单波导108和多层波导118的重叠部分的结构和尺寸可以不同。图3至图11表示了在过渡波导结构106处的单波导108和多层波导118的重叠部分的结构和尺寸的变化的一些示例，但不限于此。

图3a和图3b表示光学模变换器100的侧视图和俯视图，单波导结构102中的单波导108连接到表示为存在于过渡波导结构106中的倒锥体1的电介质结构。倒锥体1朝向多层波导结构104延伸，并且被多层波导结构104的多层的延伸部包围，其中第一倒锥体(后文称为倒锥体1)大致位于多层波导结构104的中心处。倒锥体1的横截面积随着接近多层波导结构104而减小。光学模尺寸随着倒锥体1的横截面积减小而增大。具有扩展光学模的倒锥体1中的光经由渐逝场耦合而耦合到多层波导118，并且当在多层波导结构104中传播时形成大面积光学模。

在一个实施例中，如果在多层波导结构104中存在奇数个层，则围绕光学模的中心的层被放置在倒锥体1下方或上方，使得倒锥体1与多层波导结构104的至少一层在过渡波导结构106中垂直重叠。在一个实施例中，倒锥体1与多层波导结构104的至少一层可以彼此不直接接触，并且可以被较低折射率材料120的薄层分隔。

现在参考图4a和图4b，多层波导结构104中的多层波导118作为第二倒锥体(后文称为倒锥体2)延伸到过渡波导结构106中。此倒锥体2朝向单波导结构102延伸，然后在过渡波导结构106中围绕来自单波导结构102的倒锥体1。在一个实施例中，来自多层波导结构104的倒锥体2的宽度或横截面积随着接近过渡波导结构106中的单波导结构102而减小。

在一个实施例中，多层波导结构104的各倒锥体2可以不必具有相同的形状。值得注意的是，多层波导结构104的两或多层延伸并连接到过渡波导结构106中的倒锥体2，其中对应于该两或多层的倒锥体2的尺寸是不同的。图5a和图5b表示在多层波导118的多层处形成的倒锥体2的形状的变化。如图5a和图5b所表示的，相比于与多层波导118中的中间层相关联的倒锥体2-2，与多层波导118中的顶层相关联的倒锥体2-1具有不同的形状/尺寸。倒锥体2-1和倒锥体2-2终止于过渡波导结构106中的不同位置处。在这种超模结构中，光学模尺寸随着波导器件的宽度或横截面积减小而减小。在来自多层波导结构的倒锥体2中的光经由渐逝场耦合而耦合到来自单波导结构的倒锥体1，并且当在单波导结构102中传播时形成小面积光学模。

在一个实施例中，多层波导结构104中的层数可以是偶数。图6表示多层波导结构104的多层波导118中的偶数层。如果存在偶数层，则过渡波导结构106中的倒锥体1可以围绕多层波导结构104的多层波导118的延伸部的中间放置，使得倒锥体1的位置接近光学模变换器的中心，如图6的光学模变换器的横截面图所示。

在一个实施例中，多层波导结构104的每一层不限于具有一个单波导。多层波导结构104可以由在相同垂直水平的沿着波导轴的多个波导组成。每层处波导的数量可以是偶数。图7a表示在多层波导结构104的每一层中具有两个波导的光学模变换器100的俯视图。图7b表示多层波导结构104的另一变型，其中在相同垂直水平的波导连接/延伸到过渡波导结构106中的倒锥体2。

此外，如果情况为：多层波导118中的层数是奇数并且每一层处的波导数是偶数，则单波导结构102的波导在多层波导118的中心处具有相同的层的垂直位置。

在一个实施例中，过渡波导结构106中的波导可以与多层波导结构118中的波导和单波导108直接接触。如图8所表示，在过渡波导结构106处的锥形波导802与单波导结构102的单波导108和多层波导结构104中的中间层直接接触。必须注意，锥形波导802、单波导108和多层波导结构104的中间层是共面的，并且在这种情况下具有相同的高度。

图9a表示连接单波导108和多层波导结构104中的中间层的锥形波导802的俯视图。如图9a所表示，过渡波导结构106的锥形波导802是单波导结构102的锥形结构，其一端具有与单波导108相同的面积，并且朝向在多层波导结构104中的围绕光学模的中心的波导层扩展宽度，直到其与多层波导结构104的中心处的波导的宽度/面积相匹配为止。图9b表示另一变型，其中来自多层波导结构104的其余波导层连接到过渡波导结构106中的倒锥体2。

在一个实施例中，单波导结构102的单波导108可以具有在多层波导结构104的奇数层数中的围绕光学模的中心的层的相同垂直位置，但是它们的波导高度可能不匹配。在这种情况下，在单波导结构102处的单波导108的一部分可以连接到过渡波导结构106中的锥形波导802，并且单波导108的由额外的高度引起的另一部分连接到插置在锥形波导108上的倒锥体1，该倒锥体1扩展以匹配和连接多层波导结构104中的围绕光学模的中心的波导层用于更好的光学模变换，如图10a和图10b中所示。

图11表示图10的多层波导结构104的另一变型，其中来自多层波导结构104的其余波导层连接到过渡波导结构106中的倒锥体2。

尽管已经以结构特征专用的语言描述了用于光子集成电路(PIC)与光纤之间的耦合的光学模变换器的实施方式，但是应当理解，所附权利要求不必限制于这些特定特征。相反，这些特定特征是作为用于不同模尺寸的光子集成电路(PIC)与光纤之间的耦合的光学模变换器的实施方式的示例而公开的。