本申請(qǐng)依據(jù)35U.S.C.§120要求2014年4月29日提交的美國申請(qǐng)序列號(hào)14/264,341的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，所述申請(qǐng)的內(nèi)容是本申請(qǐng)的基礎(chǔ)并以引用方式整體并入本文。

領(lǐng)域

本公開涉及光纖耦合器，并且更具體地，涉及用于光子集成電路系統(tǒng)的具有小模場直徑的光柵耦合器組件。

背景

集成光纖系統(tǒng)與光子集成電路(PIC；也稱為“光子芯片”)來形成光子集成電路系統(tǒng)有越來越大的商業(yè)利益。這類系統(tǒng)可以用來形成多種裝置，諸如天線系統(tǒng)(例如，相控陣列天線)、干涉儀(馬赫-曾德爾干涉儀)、生物傳感器和分光計(jì)。

PIC系統(tǒng)通常需要用于以合理耦合效率將光耦合進(jìn)和/或耦合出PIC的光波導(dǎo)的機(jī)制。單模纖維(SMF)常規(guī)用于基于光柵的纖維到芯片光學(xué)耦合。普遍認(rèn)為，具有小模場直徑(MFD)(例如，小于用于常規(guī)SMF的約為10微米(μm)的常規(guī)MFD)的SMF將具有給定纖維與對(duì)應(yīng)芯片上波導(dǎo)之間的減小耦合效率，這是因?yàn)榕c模場重疊的光柵周期的數(shù)目較小。這導(dǎo)致對(duì)光柵耦合器在絕緣體上硅(SOI)集成光子系統(tǒng)中的占據(jù)面積(面積)的較低限制。此外，使占據(jù)面積盡可能小以增大用于光子集成電路系統(tǒng)的光學(xué)連接的密度將是有利的。

概述

本公開的各個(gè)方面是針對(duì)用于將光光學(xué)耦合進(jìn)和/或光學(xué)耦合出PIC的光柵耦合器組件和相關(guān)方法。所述光柵耦合器組件可通過使用具有相對(duì)小MFD的光纖而具有為0.7或更大的相對(duì)高耦合效率。小MFD允許減小由PIC的SOI襯底支撐的對(duì)應(yīng)光柵耦合器的面積或占據(jù)面積。這又增大連到PIC的光纖連接的集成程度。光纖可以是單核纖維或多核纖維。

本公開的一個(gè)方面是用于將光光學(xué)耦合進(jìn)和/或光學(xué)耦合出PIC的光柵耦合器組件。所述組件包括：絕緣體上硅(SOI)襯底；至少一個(gè)硅波導(dǎo)，所述至少一個(gè)硅波導(dǎo)是由所述SOI襯底支撐；至少一個(gè)光柵耦合器，所述至少一個(gè)光柵耦合器是由所述SOI襯底支撐并光學(xué)耦合到所述至少一個(gè)硅波導(dǎo)；光纖，所述光纖具有一個(gè)末端和至少一個(gè)纖芯，所述至少一個(gè)纖芯具有在5μm≤MFD₆₀≤6μm范圍中的模場直徑MFD₆₀，其中所述光纖末端設(shè)置成鄰近于所述至少一個(gè)光柵耦合器；并且其中所述光纖的至少一個(gè)纖芯和所述至少一個(gè)光柵耦合器限定耦合效率CE≥0.7。

本公開的另一方面是用于將光光學(xué)耦合進(jìn)和/或光學(xué)耦合出PIC的光柵耦合器組件。所述組件包括：硅波導(dǎo)，所述硅波導(dǎo)是由SOI襯底支撐；光柵耦合器，所述光柵耦合器是由所述SOI襯底支撐并光學(xué)耦合到所述硅波導(dǎo)，所述光柵耦合器具有耦合器占據(jù)面積；光纖，所述光纖具有一個(gè)末端和至少一個(gè)纖芯，所述至少一個(gè)纖芯具有在5μm≤MFD₆₀≤6μm范圍中的模場直徑MFD₆₀，其中所述光纖末端設(shè)置成鄰近于所述光柵耦合器，所述光纖末端與所述光柵耦合器之間有折射率n_m>1的居間介質(zhì)；其中所述光纖的至少一個(gè)纖芯和所述至少一個(gè)光柵耦合器限定耦合效率CE≥0.7；并且其中耦合器占據(jù)面積相較由模場直徑標(biāo)稱地為10μm的單模光纖限定的現(xiàn)有技術(shù)耦合器占據(jù)面積來說減小至少15％。

本公開的另一方面是用于將光光學(xué)耦合進(jìn)和/或光學(xué)耦合出PIC的方法，所述PIC包括光學(xué)耦合到至少一個(gè)硅波導(dǎo)的至少一個(gè)光柵耦合器。所述方法包括：將光透射通過具有一個(gè)末端的光纖的至少一個(gè)纖芯，所述至少一個(gè)纖芯限定用于所述透射光的模場直徑MFD₆₀，其中模場直徑MFD₆₀在5μm≤MFD₆₀≤6μm范圍中；將來自所述光纖末端的所述透射光發(fā)射到所述至少一個(gè)光柵耦合器；以及將來自所述至少一個(gè)光柵耦合器的所述發(fā)射光導(dǎo)向到所述至少一個(gè)硅波導(dǎo)，以使光從至少一個(gè)光柵耦合器到至少一個(gè)硅波導(dǎo)的光學(xué)耦合是以耦合效率CE≥0.7來完成。

本公開的另一方面是用于光學(xué)耦合來自PIC的光的方法，所述PIC包括光學(xué)耦合到至少一個(gè)硅波導(dǎo)的至少一個(gè)光柵耦合器。所述方法包括：將光從所述至少一個(gè)硅波導(dǎo)透射到所述至少一個(gè)光柵耦合器；將來自至少一個(gè)光柵耦合器的所述透射光導(dǎo)向到具有一個(gè)末端的光纖的至少一個(gè)纖芯，所述末端布置成鄰近于所述至少一個(gè)光柵耦合器，所述至少一個(gè)纖芯限定用于所述透射光的模場直徑MFD₆₀，其中所述模場直徑MFD₆₀在5μm≤MFD₆₀≤6μm范圍中；并且其中光從至少一個(gè)硅波導(dǎo)到至少一個(gè)纖芯的光學(xué)耦合是以耦合效率CE≥0.7來完成。

額外的特征和優(yōu)點(diǎn)在以下詳述中加以陳述，并部分地將根據(jù)所述描述而易于對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見，或通過實(shí)踐如所撰寫的說明書和其權(quán)利要求書以及附圖中描述的實(shí)施方式認(rèn)識(shí)到。應(yīng)當(dāng)理解，以上概述和以下詳述兩者僅是示例性的，并且意圖提供理解權(quán)利要求書的本質(zhì)和特性的概述或框架。

附圖簡述

附圖被包括來提供進(jìn)一步的理解，并被并入本說明書中并構(gòu)成本說明書的一部分。附圖示出一或多個(gè)實(shí)施方式并與詳述一起用來解釋各種實(shí)施方式的原理和操作。因此，根據(jù)結(jié)合附圖來進(jìn)行的以下詳述，本公開將得到更全面的理解，在附圖中：

圖1是示例光子集成電路(PIC)系統(tǒng)的正視圖，所述PIC系統(tǒng)包括PIC和光纖(“纖維”)，所述光纖使用任選居間介質(zhì)經(jīng)由光柵耦合器將所述光纖光學(xué)耦合到所述PIC，其中纖維、光柵耦合器和任選居間介質(zhì)限定光柵耦合器組件；

圖2是圖1的光柵耦合器組件的特寫圖；

圖3A和圖3B是經(jīng)由錐形區(qū)段光學(xué)連接的光柵耦合器和硅波導(dǎo)的示例配置的自頂向下視圖；

圖4A是SOI襯底的表面上的面積的自頂向下視圖，示出被設(shè)定尺寸以適應(yīng)來自常規(guī)SMF的常規(guī)MFD的光柵耦合器的現(xiàn)有技術(shù)布置并且示出來自纖維的光的投射面積；

圖4B類似于圖4A并且示出SOI襯底的表面上的相同面積，但是其中基于本文中公開的光柵耦合器組件中使用的纖維的較小的MFD₆₀和投射面積AP₆₀，光柵耦合器的尺寸被縮小以具有圖4A的光柵耦合器的面積的約一半；

圖5是示例光柵耦合器配置的橫截面圖；

圖6A是針對(duì)模場直徑為5.4μm的纖維并針對(duì)1,550納米(nm)波長的耦合效率CE對(duì)影響距離DI(μm)的曲線圖，該圖示出最佳影響距離；

圖6B是耦合效率CE對(duì)波長λ(nm)的曲線圖，示出在λ＝1,550nm的最大耦合效率；

圖7A和圖7B是針對(duì)示例光柵耦合器組件的示例光柵耦合器的x-y平面中的(模擬)電場幅度分布的曲線圖，所述光柵耦合器組件使用MFD_C＝10μm(圖7A)的常規(guī)SMF和本文中公開的在λ＝1,550nm時(shí)MFD₆₀＝5.4μm(圖7B)的纖維，該圖示出電場幅度針對(duì)使用具有較小MFD₆₀的纖維的光柵耦合器組件如何更緊密地集中；

圖8A和圖8B是利用多核纖維的的示例光柵耦合器組件的正特寫圖，示出利用具有較小MFD₆₀的纖芯的圖8B的光柵耦合器組件如何實(shí)現(xiàn)光柵耦合器的較大集成密度；

圖9A是纖維的折射率輪廓n(r)對(duì)半徑r(μm)的曲線圖，示出生成5.4μm的MFD₆₀的示例折射率輪廓；

圖9B是纖維的標(biāo)準(zhǔn)化電場E_N對(duì)半徑r(μm)的曲線圖，示出針對(duì)圖9A的纖維計(jì)算出的電場形狀，并且示出標(biāo)稱地為5.4μm的MFD₆₀；

圖10A和圖10B示出兩個(gè)示例錐形纖維的末端部分；

圖11類似于圖2并示出作為光柵耦合器組件的一部分的示例錐形光纖；

圖12是針對(duì)如圖11所示的光柵耦合器組件的示例配置的標(biāo)準(zhǔn)化電場E_N對(duì)半徑r(μm)的曲線圖；

圖13A是針對(duì)MFD₆₀＝5.4μm(曲線C1)的纖維和針對(duì)MFD_C＝10μm(曲線C2)的纖維計(jì)算出的耦合效率CE(標(biāo)準(zhǔn)化成它的最大值)對(duì)影響距離DI(μm)的曲線圖；以及

圖13B是公差T(μm)對(duì)MFD(μm)的曲線圖，示出公差T隨MFD增大而線性增大。

詳述

現(xiàn)在詳細(xì)參照本公開的各種實(shí)施方式，它們實(shí)例在附圖中示出。只要可能，相同或相似的參考數(shù)字和符號(hào)在附圖中始終用來指示相同或相似的零件。這些附圖不一定按比例，并且本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，這些附圖已簡化來示出本公開的關(guān)鍵方面。

如下文陳述的權(quán)利要求并入此詳述中并構(gòu)成此詳述的一部分。

本文中提到的任何公布或?qū)＠募娜抗_內(nèi)容是以引用方式并入。

在一些附圖中為參考而示出笛卡爾坐標(biāo)，并且笛卡爾坐標(biāo)并不意圖對(duì)方向或取向有所限制。

在以下討論中，術(shù)語“光子集成電路”或“PIC”用來描述可以處理電氣信號(hào)和光學(xué)信號(hào)兩者(包括在電氣信號(hào)與光學(xué)信號(hào)之間轉(zhuǎn)換)的集成電路裝置。示例性光子芯片包括光學(xué)部件、電氣部件和電光部件。

模場直徑或MFD是在光纖中傳播的光的光斑尺寸或光束寬度的度量。MFD隨源波長、纖維纖芯半徑(r₀)和纖維折射率輪廓n(r)而變。在本文中公開的實(shí)例和分析中，模場直徑MFD是在對(duì)應(yīng)于電場的1/e位置的半徑處取得。常規(guī)單模光纖的MFD在本文中表示為MFD_C并且假設(shè)其標(biāo)稱為10μm，而如下文所公開的具有小于常規(guī)MFD_C的MFD的單模纖維60的MFD表示為MFD₆₀。

如本文中所使用的術(shù)語“相對(duì)折射率”被限定為：

Δ(r)＝[n(r)²-n_REF²)]/2n(r)²，

其中n(r)是半徑r處的折射率，除非另有規(guī)定。相對(duì)折射率是在1,550nm處限定的，除非另有規(guī)定。在一方面，折射率n_REF是石英玻璃的折射率。另一方面，參考折射率n_REF是包層的最大折射率。如本文所使用，相對(duì)折射率由Δ表示并且它的值是以“％”為單位給出，除非另有規(guī)定。在一個(gè)區(qū)的折射率小于參考折射率n_REF的情況下，相對(duì)折射率為負(fù)且所述區(qū)可以說被壓低或具有壓低的折射率，并且最小相對(duì)折射率是在相對(duì)折射率為最大負(fù)值的那一點(diǎn)計(jì)算出的，除非另有規(guī)定。在一個(gè)區(qū)的折射率大于參考折射率n_REF的情況下，相對(duì)折射率為正且所述區(qū)可以說被升高或具有正折射率。

如本文中所使用的術(shù)語“摻雜劑”是指改變玻璃相對(duì)于純(未摻雜)的SiO₂的相對(duì)折射率的物質(zhì)。一種或多種不是摻雜劑的其他物質(zhì)可能存在于光纖的一個(gè)區(qū)(例如，纖芯)中，所述區(qū)具有正的相對(duì)折射率Δ。

以下對(duì)光柵耦合器組件70的描述假設(shè)使用與單偏振光柵耦合器30相結(jié)合的具有單偏振的光66，以便于描述和說明。然而，光柵耦合器30可以包括兩組線性疊加(即，獨(dú)立)的光柵線(例如，橢圓光柵線)，其可以適應(yīng)雙偏振光66。因此，光柵耦合器組件70的雙偏振實(shí)施方式預(yù)期具有與其單偏振對(duì)應(yīng)物大體相同的性能。

PIC系統(tǒng)

圖1是包括PIC 10的示例PIC系統(tǒng)6的正視圖。PIC 10包括具有上表面22的SOI襯底20，所述上表面22支撐多個(gè)部件，諸如至少一個(gè)光柵耦合器30、至少一個(gè)硅(通道)波導(dǎo)40以及光學(xué)耦接到所述至少一個(gè)硅波導(dǎo)的一或多個(gè)額外PIC部件50。一或多個(gè)PIC部件50可以包括例如第二光柵耦合器、光檢測器、調(diào)制器、偏振器、分束器、耦合器、反射體、光學(xué)放大器、濾光器、干涉儀等中的一或多個(gè)。一或多個(gè)PIC部件50可以包括有源部件、無源部件或有源部件與無源部件的組合。

PIC系統(tǒng)6還包括如下文所描述的具有相對(duì)小MFD₆₀的光纖(“纖維”)60。纖維60相對(duì)于光柵耦合器30可操作地布置。纖維60包括末端62并且支持導(dǎo)向光66的傳輸，取決于光是被耦合進(jìn)還是耦合出纖維，所述導(dǎo)向光66可以在纖維內(nèi)在任一方向上行進(jìn)。纖維60可以在其相反末端(未示出)處連接到光源、光檢測器或另一裝置(例如，未示出的另一PIC)。纖維60、光柵耦合器30和任選的居間介質(zhì)(下文介紹并討論)限定了用于PIC系統(tǒng)6的光柵耦合器組件70。光柵耦合器組件70還可包括多個(gè)纖維60和多個(gè)光柵耦合器30。

光柵耦合器組件

圖2是PIC系統(tǒng)6的光柵耦合器組件70的特寫圖，其中纖維60的纖維末端62定位成鄰近光柵耦合器30。示例SOI襯底20包括硅襯底23、在所述硅襯底上的二氧化硅(SiO₂)層25以及在所述SiO₂層上的硅波導(dǎo)40。光柵耦合器30形成于硅層41的一部分中，所述硅層也限定了硅波導(dǎo)40。圖3A和圖3B是示出其中光柵耦合器30和硅波導(dǎo)40經(jīng)由錐形區(qū)段42光學(xué)連接的示例配置的自頂向下視圖。

纖維60被布置以使得纖維末端62布置成鄰近于光柵耦合器30，以便離開纖維的光66入射于光柵耦合器30上，或離開光柵耦合器的光入射于纖維末端上。在實(shí)例中，纖維60布置成相對(duì)于z方向成角度θ。在實(shí)例中，大體對(duì)紅外光(例如，1,550nm)透明的居間介質(zhì)72位于纖維末端62與光柵耦合器30之間。在實(shí)例中，居間介質(zhì)72用來將纖維60相對(duì)于光柵耦合器30支撐在適當(dāng)位置。居間介質(zhì)72的實(shí)例是UV可固化的環(huán)氧樹脂和折射率匹配的凝膠。

在一些配置中，光柵耦合器30和硅波導(dǎo)40可由一或多個(gè)透明層72L(圖2中示出為虛線)覆蓋，所述一或多個(gè)透明層72L是為了其他PIC功能而保留的，如例如在A.Mekis等人的標(biāo)題為“A grating-coupler-enabled CMOS photonics platform,”的公布(IEEE J.Sel.Top.Quant.El.17(3),597-608(2011))中所描述。因此，在示例實(shí)施方式中，居間介質(zhì)72可以包括一或多個(gè)這類的透明層72L。

纖維60與光柵耦合器30間隔開纖維距離DF，所述纖維距離DF在實(shí)例中小于表征由衍射引起的光束發(fā)散度的瑞利范圍(即，π·(BW)²·n/λ₀，其中BW是導(dǎo)向光66的光束腰)，以使得光在此距離(例如，DF≈10μm)上的任何光束發(fā)散度很小并且可以忽略。

纖維60和光柵耦合器30還限定影響距離DI，所述影響距離DI被限定為從光66的模中心到光柵耦合器的邊緣的距離。針對(duì)單核纖維，光66的模中心標(biāo)稱地是纖維60的中心軸。當(dāng)纖維60是MCF時(shí)，來自每個(gè)纖芯的光66的模中心標(biāo)稱地是由對(duì)應(yīng)纖芯的中心軸(未示出)來限定的。

來自纖維末端62的發(fā)射光66由光柵耦合器30接收，并且被指向來作為導(dǎo)向光66G在硅波導(dǎo)40中行進(jìn)。光耦合過程的耦合效率(CE)是由與發(fā)射光的總量相比較的耦合進(jìn)硅波導(dǎo)40的來自纖維60的發(fā)射光66的量來限定。耦合效率CE因此通常在0到1的范圍中。耦合效率CE也可以用dB＝10·Log₁₀(P_C/P_T)來表達(dá)，其中P_C是耦合進(jìn)硅波導(dǎo)40的光學(xué)功率的量并且P_T是從纖維末端62發(fā)射的總光學(xué)功率。還注意到，光66可以在相反方向上行進(jìn)，即，從硅波導(dǎo)40到光柵耦合器30，然后到纖維60。在此情況下，耦合效率CE是與發(fā)射光的總量相比較的從硅波導(dǎo)40發(fā)射并且耦合進(jìn)纖維60的光66的量。

在實(shí)例中，纖維60是SMF并且具有由包層69圍繞的纖芯67。如上文指出，纖維60具有相對(duì)小的MFD₆₀，即，大致上小于約為10μm的標(biāo)準(zhǔn)SMF MFD_C的MFD₆₀。在實(shí)例中，MFD₆₀在5μm≤MFD₆₀≤6μm范圍中，并且在特定實(shí)例中標(biāo)稱為5.4μm。利用具有上述小MFD₆₀的纖維60的光柵耦合器組件70可以維持低損耗耦合，即，在任一光行進(jìn)方向上為﹣1.5dB或更好(即，約為0.7或更好的耦合效率)。下文討論示例小MFD纖維60。

減小的耦合器占據(jù)面積

纖維60的使用可以導(dǎo)致光柵耦合器30所需的面積量相較使用常規(guī)SMF時(shí)所需的面積量來說有實(shí)質(zhì)減小。通過比較針對(duì)常規(guī)SMF纖維和針對(duì)纖維60的光66到光柵耦合器上的投射面積AP，可大致估計(jì)光柵耦合器30的占據(jù)面積的減小。

對(duì)于給定MFD，投射面積AP由AP＝π·(MFD/2)²·Cos(θ)給出，其中θ是中心軸AC與垂直于光柵耦合器30的平面之間的前述角度(參見圖2)。如果將針對(duì)具有MFD_C的常規(guī)SMF的投射面積AP表示為AP_C，并且將通過使用纖維60而形成的投射面積AP₆₀表示為AP₆₀＝π·(MFD₆₀/2)²·Cos(θ)，那么可將面積減小率R限定為：

R＝AP₆₀/AP_C＝[π·(MFD₆₀/2)²-Cos(θ)]/[π·(MFD_C/2)²-Cos(θ)]＝[MFD_C/MFD₆₀]²

如果采用MFD_C＝10μm并且MFD₆₀在5μm到6μm的范圍中，那么面積減小率R在0.25到約0.35的范圍中，其表示75％與65％之間的耦合器占據(jù)面積減小。當(dāng)考慮裝得更密集的硅波導(dǎo)40時(shí)，此耦合器占據(jù)面積減小可以甚至更大。在一個(gè)實(shí)例中，耦合器占據(jù)面積減小了至少10％，而另一實(shí)例中，耦合器占據(jù)面積減小至少15％。

當(dāng)考慮到硅波導(dǎo)40的鋪設(shè)選擇時(shí)，光柵耦合器30和硅波導(dǎo)40(即，耦合器占據(jù)面積和波導(dǎo)占據(jù)面積)所占據(jù)的總耦合面積(即，總耦合占據(jù)面積)相較與標(biāo)準(zhǔn)SMF關(guān)聯(lián)的現(xiàn)有技術(shù)總耦合面積來說可以減小多達(dá)50％。在實(shí)例中，總耦合占據(jù)面積減小至少10％。

在纖維60是具有嵌入單個(gè)包層69中的多個(gè)纖芯67的多核纖維(MCF)的實(shí)例中，耦合器占據(jù)面積的減小可以甚至更大，這是因?yàn)闇p小的纖芯尺寸和減小的纖芯到纖芯距離以及更緊密地局部化的模式。因此，也可使錐形區(qū)段42更小，所述錐形區(qū)段42將光柵耦合器30連接到硅波導(dǎo)40。

減小的耦合器占據(jù)面積有利于增大PIC 10中的集成密度。在纖維60呈MCF形式的情況下，從MCF的機(jī)械屬性(例如，改善的彎曲屬性)的角度來看，包層69的較小直徑可以是有利的。使用纖維60的光柵耦合器70的示例帶寬約為60nm，這與標(biāo)準(zhǔn)基于SMF的光柵耦合器的帶寬相當(dāng)。

圖4A是SOI襯底20的表面22上的面積的自頂向下視圖，示出被設(shè)定尺寸來適應(yīng)來自常規(guī)SMF的常規(guī)MFD的光柵耦合器30的現(xiàn)有技術(shù)布置。在光柵耦合器30中的每個(gè)上示出常規(guī)投射面積AP_C。圖4B類似于圖4A并且示出SOI襯底20的表面22上的相同面積AR，但是光柵耦合器30的尺寸被縮小以具有圖4A的光柵耦合器的面積的約一半，這是基于與纖維60相關(guān)聯(lián)的較小MFD₆₀。還在光柵耦合器30中的每一個(gè)上示出投射面積AP₆₀。圖4B的較小光柵耦合器30允許更多的光柵耦合器裝配在相同的面積AR中，從而提供連到PIC 10的光學(xué)連接的更大密度(即，更大集成密度)。

在圖4A和圖4B所示的簡化示例配置中，集成密度增大是針對(duì)相同表面積AR從五個(gè)到十個(gè)光柵耦合器30，其表示80％的集成密度增大。取決于光柵耦合器30和硅波導(dǎo)40的精確配置和尺寸，估計(jì)在一些實(shí)施方式中，集成密度可以增大多達(dá)50％，而在其他實(shí)施方式中，集成密度可以增大多達(dá)30％。

光柵耦合器

圖5是形成于硅波導(dǎo)40中的示例光柵耦合器30的橫截面圖。光柵耦合器30包括光柵線32和光柵空間34。光柵耦合器30包括以下參數(shù)：第一個(gè)(即，最左側(cè))光柵線32的高度h1；光柵線相對(duì)于光柵底部35的高度h2；光柵線32的寬度w1；光柵空間34的寬度w2；以及最后一個(gè)(即，最右側(cè))光柵線32的寬度w3和高度h3。光柵耦合器30的標(biāo)稱周期由∧＝wl+w2給出。在給定光柵線32處測量的光柵耦合器30的總厚度為TH1，而到光柵底部35的厚度表示為TH2。硅層41的厚度表示為TH3。

耦合效率

針對(duì)具有MFD₆₀＝5.4μm的示例纖維60在數(shù)值上分析光柵耦合器組件70的耦合效率CE，并且其中允許光柵耦合器30的光柵耦合器參數(shù)改變來最優(yōu)化耦合效率CE。使用時(shí)域有限差分(FDTD)方法執(zhí)行數(shù)值分析。個(gè)別光柵線32和空間34的周期∧和填充系數(shù)也在數(shù)值上最優(yōu)化來最大化纖維60與光柵耦合器30之間的模式重疊，從而導(dǎo)致約為70％的最大耦合效率CE以及在C頻帶(即，1,530nm到1,565nm)中的60nm、1-dB帶寬。光柵參數(shù)的示例標(biāo)稱值是：光柵周期∧＝600nm；w1＝300nm；w2＝300nm；w3＝90nm；h1＝h3＝120nm；h2＝200nm；TH1＝370nm，TH2＝170nm；以及TH3＝250nm。光柵周期的數(shù)目是16。在示例值的+/-30％內(nèi)發(fā)現(xiàn)最優(yōu)化值。硅波導(dǎo)40的折射率在λ＝1,550nm處是3.45。內(nèi)埋式氧化層25的折射率在1,550nm處是1.45，硅波導(dǎo)40沉積在所述內(nèi)埋式氧化層25上(參見圖2)。

光柵耦合器30的左末端并未以任何特殊方式處理，但是模場強(qiáng)度在左末端處需要足夠小以便不會(huì)對(duì)耦合有實(shí)質(zhì)影響。當(dāng)最優(yōu)化的光柵線32的數(shù)目從16減小到14時(shí)，耦合效率CE減小了約1％。光柵耦合器30的右邊緣具有寬度w3≈90nm的窄光柵線32，這對(duì)耦合效率CE有正面貢獻(xiàn)。

圖6A是針對(duì)使用圖5的光柵耦合器30的光柵耦合器組件70的耦合效率CE(左側(cè)垂直軸)對(duì)影響距離DI(μm)的曲線圖。還在右側(cè)垂直軸上繪出以dB為單位的損耗。MFD₆₀＝5.4μm。圖6A的曲線圖示出在從約2.4μm到2.8μm范圍中的影響距離DI處約為0.7的最大耦合效率。

圖6B類似于圖6A，只不過水平軸是由纖維60運(yùn)載并且從纖維60發(fā)射的光66的波長λ(nm)。圖6B的影響距離DI在2.4μm到2.8μm的上述范圍(即，來自圖6A的最佳范圍)中。圖6B示出在約λ＝1,550nm(這是PIC10的所需操作波長的實(shí)例)處的最大耦合效率CE。

圖7A和圖7B是用于示例光柵耦合器組件70的光柵耦合器30的x-y平面中的電場幅度分布的曲線圖，所述光柵耦合器組件70使用MFD_C＝10μm(圖7A)的常規(guī)SMF和在λ＝1,550nm時(shí)MFD₆₀＝5.4μm(圖7B)的纖維。圖7A和圖7B的黑白曲線圖是基于使用數(shù)值模擬獲得的彩色曲線圖。所述曲線圖示出電場幅度在x方向上(即，橫向于光柵線32)以及在y方向上(即，聚焦方向或橫向于光柵線)如何更緊密地集中。這意味著可以使耦合占據(jù)面積小于與標(biāo)準(zhǔn)SMF相關(guān)聯(lián)的常規(guī)耦合占據(jù)面積。這又導(dǎo)致如上所述的連到PIC10的光學(xué)連接的更高密度。硅層41的過渡到硅波導(dǎo)40的錐形區(qū)段42在尺寸上類似地減小，因?yàn)殄F長隨著硅波導(dǎo)的初始寬度的平方按比例縮放。

圖8A和圖8B是示例光柵耦合器組件70的抬高特寫圖，每個(gè)示例光柵耦合器組件70具有帶有七個(gè)纖芯67的MCF纖維60。圖8A示出具有常規(guī)尺寸纖芯67的纖維60，而圖8B示出具有的較小纖芯的纖維，所述較小纖芯限定較小MFD₆₀。圖8B的較小纖芯67允許每個(gè)光柵耦合器30的耦合器占據(jù)面積有所減小，并且因此多個(gè)光柵耦合器以及對(duì)應(yīng)的纖維60和硅波導(dǎo)40的集成密度更高。

在示例實(shí)施方式中，通過定制纖維的折射率輪廓來實(shí)現(xiàn)纖維60的較小MFD₆₀(與常規(guī)SMF相比較)。圖9A是針對(duì)示例纖維60的折射率輪廓n(r)對(duì)纖維半徑r(μm)的曲線圖。所述曲線圖示出纖芯67與包層69之間的過渡區(qū)TR。n(r)曲線的數(shù)學(xué)形狀是Tanh(r/w)，其中w＝0.2μm，并且纖芯折射率是Δ＝0.01?？梢越?jīng)由Ge摻雜來實(shí)現(xiàn)漸變過渡。

圖9B繪出針對(duì)圖9A的折射率輪廓的對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化電場E_N＝E(r)/E₀對(duì)半徑r(μm)，并且示出2.7μm的模場半徑r_MF，所述模場半徑r_MF限定MFD₆₀＝5.4μm。對(duì)于呈利用圖9A的折射率輪廓n(r)的MCF形式的示例纖維60，相較針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)SMF纖維的約為1m^-1到2m^-1的值來說，針對(duì)27μm的纖芯到纖芯距離(間隔)的耦合系數(shù)約為0.075m^-1，所述標(biāo)準(zhǔn)SMF纖維具有約為9.5μm的纖芯直徑、約為0.004的相對(duì)折射率Δ和約為30μm的纖芯到纖芯距離。耦合系數(shù)是對(duì)耦合強(qiáng)度(即，纖維纖芯67之間的串?dāng)_)的度量。MCF纖維60可以因此實(shí)現(xiàn)較小的纖芯到纖芯串?dāng)_。較小耦合系數(shù)還意味著可以在多核纖維60中將纖芯67裝得更密集以增大PIC系統(tǒng)6的集成密度。可以使用更復(fù)雜的折射率輪廓n(r)(例如，具有溝等)來增強(qiáng)其他纖維特性，諸如傳輸、彎曲不敏感性、彌散等。

在另一示例實(shí)施方式中，通過將標(biāo)準(zhǔn)SMF拉錐來定制纖維60的MFD₆₀。圖10A和圖10B是示例纖維60的末端部分65的橫截面圖，其中所述末端部分向纖維末端62拉錐。可以使用技術(shù)領(lǐng)域中已知的數(shù)種不同方法來執(zhí)行纖維60的拉錐。一種方法涉及切削包層69以形成逐漸變窄的纖維末端部分65，它看起來很像鉛筆末端，如圖10A所示。可以使用激光或通過化學(xué)蝕刻來執(zhí)行切割。錐形繼續(xù)到位置LC，在位置LC處包層69被完全移除，因此切割纖芯67來形成錐形的剩余部分。錐形具有錐角φ，在實(shí)例中使所述錐角足夠小以確保導(dǎo)向光66G在沿著錐形的每個(gè)點(diǎn)處的絕熱過渡。

另一纖維拉錐方法包括加熱纖維60的末端部分65并施加拉伸力來拉長纖維的已加熱的末端部分。可執(zhí)行這種方法以使得纖芯67和包層69都以大致上保持纖芯與包層直徑的比率的方式拉錐，如圖10B所示。在均勻熱區(qū)中加熱末端部分65允許具有衰減指數(shù)輪廓的錐形。用線性變化熱量加熱末端部分65允許錐形被定制成具有直線形狀到拋物線形狀的任何形狀。

圖11類似于圖2并且示出作為光柵耦合器組件70的一部分的錐形光纖60的示例實(shí)施方式。為了使耦合損耗最小化，由錐形半徑r(z')(其中z'是沿著纖維中心軸AC)限定的纖維末端區(qū)段65的錐形形狀必須滿足絕熱準(zhǔn)則dr/dz'≤-r·((β₁(r)-(β₂(r))/2π，其中β₁(r)和β₂(r)是基諧模式和功率最容易耦合到的模式(通常是LP₀₂模式)的局部傳播常數(shù)。

在使用具有折射率n_m的居間介質(zhì)72的情況下，可以選擇折射率來實(shí)現(xiàn)所需MFD₆₀。例如，對(duì)于SMF纖維SMF-28 60，n_m的上限是1.434(Δ＝1％)以產(chǎn)生MFD₆₀＝5.4μm。纖維尖端尺寸的選擇取決于n_m。當(dāng)n_m從1.434(Δ＝1％)減小到1.304(Δ＝10％)時(shí)，對(duì)應(yīng)的尖端半徑從2.1μm單調(diào)增大到3.4μm，以得出MFD₆₀＝5.4μm。圖12繪制針對(duì)圖11所示的示例配置的標(biāo)準(zhǔn)化電場E_N對(duì)半徑r(μm)。

可實(shí)現(xiàn)的耦合效率CE取決于纖維60相對(duì)于光柵耦合器30的定位的公差。圖13A是針對(duì)MFD₆₀＝5.4μm(曲線C1)的纖維和針對(duì)MFD₆₀＝10μm(曲線C2)的纖維的計(jì)算出的耦合效率CE(標(biāo)準(zhǔn)化成它的最大值)對(duì)影響距離DI(μm)的曲線圖。纖維60與光柵耦合器30之間的位置公差可以限定為影響距離DI的間隔，其對(duì)應(yīng)于最大耦合效率CE的1dB下降。這意味著需要纖維60的定位的更高的準(zhǔn)確度。

圖13B是公差T(μm)對(duì)MFD(μm)的曲線圖，示出公差T隨著MFD增大而線性增大。因此，對(duì)于MFD_C＝10.0μm，公差為10.7μm，而對(duì)于MFD₆₀＝5.4μm，公差為5.8μm。雖然對(duì)于較小MFD₆₀，公差較小，但是它仍是合理的。還注意到，如可以從圖13A看出，纖維60的位置偏差對(duì)耦合效率CE的影響是不對(duì)稱的。影響距離DI相對(duì)于其最佳值的減小的影響比增大的影響更關(guān)鍵。

本公開的一個(gè)方面包括用于將光66光學(xué)耦合進(jìn)PIC 10的方法。所述方法包括將光66透射通過纖維60的至少一個(gè)纖芯67，其中所述纖芯將MFD₆₀限定在5μm≤MFD₆₀≤6μm范圍中。所述方法還包括將來自纖維末端62的透射光66從至少一個(gè)纖芯67發(fā)射到至少一個(gè)光柵耦合器30。所述方法還包括將來自至少一個(gè)光柵耦合器30的發(fā)射光66導(dǎo)向到光學(xué)耦合到所述至少一個(gè)光柵耦合器30的至少一個(gè)硅波導(dǎo)40。光66從至少一個(gè)纖芯67到至少一個(gè)硅波導(dǎo)40的光學(xué)耦合是以耦合效率CE≥0.7來完成。

本公開的另一方面包括將光66從至少一個(gè)硅波導(dǎo)40光學(xué)耦合到纖維60的至少一個(gè)纖芯67的方法。所述方法包括將光66從至少一個(gè)硅波導(dǎo)40透射到光學(xué)耦合到所述至少一個(gè)硅波導(dǎo)40的至少一個(gè)光柵耦合器30。所述方法還包括將來自至少一個(gè)光柵耦合器30的透射光66通過纖維末端62傳到纖維60的至少一個(gè)纖芯67。至少一個(gè)纖芯67將MFD₆₀限定在5μm≤MFD₆₀≤6μm范圍中。光66從至少一個(gè)硅波導(dǎo)40到至少一個(gè)纖芯67的光學(xué)耦合是以耦合效率CE≥0.7來完成。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)明白，在不背離所附權(quán)利要求書中限定的本公開的精神或范圍的情況下，可對(duì)本文中描述的本公開的優(yōu)選實(shí)施方式做出各種修改。因此，本公開涵蓋了修改和變更，只要它們?cè)谒綑?quán)利要求書和其等效物的范圍內(nèi)。