用于光学收发器的光学插入器的制作方法

1.本发明的实施例涉及用于光学收发器或光传感器集成系统的光子集成系统的领域。更具体地，涉及用于使用cmos制造技术在光子集成电路中提供多种功能的光子集成系统的集成。


背景技术：

2.快速增长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，与构建大量中等规模的数据中心以扩大处理能力相比，构建大型数据中心具有更高的成本效益并且不那么复杂。但是，为了在数据中心的服务器节点/机架之间以超高速传输大量数据，需要高传输带宽。传统上，互连是通过使用铜缆和电收发器以电信号形式发送和接收数据来实现的。这样的电气解决方案非常庞大，并且在每秒10吉比特(gbps)的数据速率下，传输距离小于20米(m)。
3.光学插入器是一种光子集成电路(pic)，光子集成电路包括集成在公共衬底(通常是半导体衬底)上的一个或多个基于波导的光学器件。插入器pic用于在光学收发器接口(例如pic波导)和外部光学接口(例如，光纤、光纤阵列、平面光波电路(plc)或自由空间光学系统)之间耦合光学信号。
4.鉴于光学解决方案在具有更小的占地面积和更长的传输距离(在50gbps下可达300m)方面具有明显的优势，多年来，光纤网络已经取代了铜基网络。数据中心的常规光学收发器大多是多模光纤(mmf)。典型的多模光纤链路在长达仅600m的链路长度上具有10兆比特/秒(mbps)到10gbps的数据速率。但是，当今的巨型数据中心中的节点互连很容易超过500m到2km的距离并不罕见。因此，强烈需求用于单模光传输的单模收发器在节点之间连接光纤。常规的单模收发器由许多高成本的离散的光学组件组成。它们具有较大的占地面积，并且需要高成本的组装过程和维护。
5.随着硅光子学(siph)技术的出现，增加了用于大规模实现超过500m至2km的互连的低成本和小占地面积解决方案的可能性。siph技术采用最先进的互补金属氧化物半导体(cmos)铸造工艺来制造光子集成电路(pic)器件，其中大多数光学组件集成在单个硅芯片上。但是，siph芯片(也称为si pic)输入/输出(i/o)端口的光模式尺寸(光在波导中的光斑尺寸)约为1μm，而单模光纤(smf)为约10μm。如此大的光模式尺寸差异会在对接耦合(si pic i/o端口与smf之间的头对头耦合)中引入较大的光学功率损耗。从pic到光纤，plc(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非常高(超过50％)。
6.主要原因是pic中的波导的光模尺寸比光纤、plc和激光二极管的光模尺寸小得多。传统的耦合方法使用离散的自由空间光学组件(如微型镜头)来转换光模式尺寸。这种高成本的方法不是解决此问题的可行解决方案。除非解决了这种耦合问题，否则siph技术将不是大规模实现smf互连的解决方案。
7.因此，本发明旨在提供一种光学插入器，该光学插入器用于光学收发器接口和外部光学接口的最佳光学耦合，以克服现有技术的上述缺点。


技术实现要素：

8.通过采用在光学收发器接口和外部光学接口之间耦合光学信号的光学插入器来实现本发明的前述目的。特别地，光学插入器包括：插入器光子集成电路(pic)，可操作地配置/适配在光学收发器接口和外部光学接口之间耦合光学信号；一个或多个基于波导的光学器件，可操作地集成在公共衬底上；以及一个或多个插入器输入/输出(i/o)通道，与光学收发器接口和外部光学接口的收发器pic输入/输出(i/o)通道可操作地配置/适配。
9.根据本发明的实施例，光学收发器接口是收发器光子集成电路(pic)。
10.根据本发明的实施例，公共衬底是半导体衬底。
11.根据本发明的实施例，外部光学接口是光纤、光纤阵列、平面光波电路(plc)、自由空间光学系统等中的任何一个。
12.根据本发明的实施例，光学插入器位于收发器光子集成电路(pic)和外部光学接口之间。
13.根据本发明的实施例，光学插入器可操作地用作半导体芯片。
14.根据本发明的实施例，光学插入器可操作地用作收发器pic输入/输出(i/o)通道与外部光学接口之间的光模式尺寸转换器。
15.根据本发明的实施例，光学插入器可操作地用作偏振选择器和/或偏振开关。
16.根据本发明的实施例，光学插入器可操作地用作偏振旋转器。
17.根据本发明的实施例，光学插入器可操作地用作路由电路以分配节距。
18.根据本发明的实施例，光学插入器可操作地用作偏振分束器。
19.根据本发明的实施例，光学插入器可操作地用作光学多路复用器(mux)和/或光学多路解复用器(demux)。
20.根据本发明的实施例，光学多路复用器(mux)可操作地配置/适配为接收来自收发器光子集成电路(pic)的一个或多个光学信号，将一个或多个光学信号多路复用为单个信号。
21.根据本发明的实施例，光学多路解复用器(demux)从外部光学接口接收单个信号，并将单个信号解复用为一个或多个信号。
22.根据本发明的实施例，光学插入器还包括成角度的插入器接口。
23.根据本发明的实施例，光学插入器还包括成角度的插入器波导。
24.根据本发明的实施例，插入器波导的折射率值在收发器光子集成电路波导值和外部光学接口波导值之间。
25.根据本发明的实施例，光学插入器连接到一个或多个外部光学接口。
26.根据本发明的实施例，光学插入器可操作地配置/适配为提供与一个或多个收发器pic输入/输出通道以及一个或多个外部光学通道的最佳光学耦合(和/或光学连接)。
附图说明
27.因此，为了详细地理解本发明的上述特征的方式，可以通过参考实施例来对以上简要概述的本发明进行更具体的描述，其中一些实施例在附图中示出。然而，应注意的是，附图仅示出了本发明的典型实施例，因此不应视为对本发明范围的限制，因为本发明可允许其他等效实施例。
28.图1a是示出根据本发明的实施例的光学插入器的俯视图的示意图；
29.图1b是示出根据本发明的实施例的光学插入器的侧视图的示意图；
30.图2是示出根据本发明的一个实施例的具有外部光学接口的光学插入器的示意图；
31.图3是示出根据本发明的另一实施例的具有外部光学接口的光学插入器的示意图；
32.图4是示出根据本发明的又一实施例的具有外部光学接口的光学插入器的示意图；
33.图5是根据本发明的一个实施例的示出了横向电(te)偏振和横向磁(tm)偏振的光学插入器的示意图；
34.图6是根据本发明的另一实施例的示出了横向电(te)偏振的光学插入器的示意图；
35.图7是根据本发明又一实施例的示出了横向磁(tm)偏振的光学插入器的示意图；
36.图8是根据本发明的实施例的示出了在多个收发器pic输入/输出(i/o)通道与多个外部通道之间的光学信号耦合的插入器光子集成电路(pic)的示意图；
37.图9是示出根据本发明的实施例的用于对光学信号进行复用和/或解复用的光学插入器的示意图；
38.图10示出了根据本发明的实施例的连接到多个外部光学接口的光学插入器的示意图；
39.图11示出了根据本发明的一个实施例的光学插入器到收发器光子集成电路(pic)的插入器接口；
40.图12示出了根据本发明的另一实施例的光学插入器到外部光学接口的成角度的插入器接口；
41.图13示出了根据本发明的一个实施例的在光学插入器接口到收发器光子集成电路(pic)上的成角度的波导；
42.图14示出了根据本发明的另一实施例的在光学插入器接口到外部光学接口上的成角度的波导。
43.元件列表
44.光学插入器
‑
100
45.插入器光子集成电路(pic)
‑
105
46.光学收发器接口
‑
110
47.收发器光子电路
‑
115
48.外部光学接口
‑
120
49.插入器波导
‑
125
50.用于光学收发器接口的插入器输入/输出(i/o)通道
‑
130
51.用于外部光学接口的插入器输入/输出(i/o)通道
‑
135
52.收发器pic输入/输出(i/o)通道
‑
140
53.收发器波导
‑
145
54.光纤
‑
150
55.光纤阵列
‑
155
56.平面光波电路(plc)
‑
160
57.自由空间光学系统
‑
165
58.外部plc电路
‑
170
59.外部光路
‑
175
60.为了方便和更好地理解本发明的各个实施例中的示例性示例，以下附图标记可互换使用：
61.收发器光子集成电路(pic)
‑
110
具体实施方式
62.本发明涉及一种可操作地配置/适配在光学收发器接口和外部光学接口之间提供最佳光学耦合(和/或光学连接)的光学插入器。
63.通过参考图1a至图14可以最好地理解本发明的原理及其优点。在以下对本公开的说明性或示例性实施例的详细描述中，足够详细地描述了可以实践本公开的特定实施例，以使本领域技术人员能够实践所公开的实施例。
64.因此，以下详细描述不应被理解为限制性的，并且本公开的范围由所附权利要求及其等同物来限定。说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“多个实施例”或“一个或多个实施例”的引用旨在指示结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本公开的至少一个实施例中。
65.图1a和图1b示出了根据本发明的一个或多个实施例的光学插入器的示意性俯视图和侧视图。特别地，光学插入器100包括插入器光子集成电路(pic)105、具有插入器波导125的一个或多个基于波导的光学器件以及一个或多个插入器输入/输出(i/o)通道(130和/或135)。
66.插入器光子集成电路(pic)105可操作地配置/适配为在光学收发器接口110和外部光学接口120之间耦合光学信号。
67.具有插入器波导125的基于波导的光学器件集成在公共衬底上。特别地，公共衬底是半导体衬底。
68.插入器输入/输出(i/o)通道130与光学收发器接口110的收发器pic输入/输出(i/o)通道140可操作地配置/适配。并且，插入器输入/输出(i/o)通道135也与外部光学接口120可操作地配置/适配。
69.根据本发明的实施例，光学收发器接口110是收发器光子集成电路(pic)110。收发器光子集成电路(pic)110还包括收发器光子电路115、收发器波导145以及收发器pic输入/输出(i/o)通道140。
70.根据本发明的实施例，外部光学接口120是光纤150、光纤阵列155、平面光波电路(plc)160、自由空间光学系统165等的任一个。
71.参照图1a和图1b，光学插入器100包括收发器光子集成电路(pic)110和外部光学接口120中的光纤阵列155。
72.根据本发明的实施例，光学插入器100可操作地定位在收发器光子集成电路(pic)110和外部光学接口120之间，以在收发器光子集成电路(pic)110和外部光学接口120之间
提供最佳的光学耦合。
73.根据本发明的实施例，光学插入器100可操作地用作半导体芯片，以在收发器光子集成电路(pic)110和外部光学接口120之间提供桥接器。特别地，桥接器以不同的功能提供到外部光学接口120的特定连接。此外，光学插入器100用作半导体芯片，半导体芯片独立于作为收发器光子集成电路(pic)110的扩展而组装的功能性光子集成电路(pic)。
74.根据本发明的实施例，光学插入器100可操作地用作光模式尺寸转换器，以用于与收发器光子集成电路(pic)110的最佳光学耦合(或光学连接)。特别地，如图1a所示，光学插入器100充当收发器pic输入/输出(i/o)通道140与诸如光纤150之类的外部光学接口120之间的光模式尺寸转换器。此外，基于波导的光学器件分别具有与收发器光子集成电路(pic)110进行最佳光学耦合(或光学连接)的边缘，并调整基于波导的光学器件中的光模式形态，以输出合适的光模式以耦合到外部光学接口中，通常采用具有更大的光模式尺寸。
75.图2、图3以及图4示出了根据本发明的一个或多个实施例的连接到外部光学接口的光学插入器的示意图。特别地，在图2、图3以及图4中，外部光学接口分别是光纤150、平面光波电路(plc)160以及自由空间光学系统165。
76.根据本发明的实施例，如图1a、图2、图3以及图4所示，光学插入器100可操作以匹配收发器光子集成电路(pic)输入/输出(i/o)通道140和外部光接口120的节距配置，以减小基于波导的光学器件的尺寸并简化多通道器件。
77.图5是根据本发明的一个实施例的示出了横向电(te)偏振和横向磁(tm)偏振的光学插入器的示意图。特别地，光学插入器100基于te偏振/tm偏振选择输入光学信号，并且将te模式光学信号和tm模式光学信号输出到不同的输出端口。光纤阵列155具有一对光学i/o，称为tx/rx。光学插入器100提供了连接收发器光子集成电路(pic)110和光纤阵列155的桥接器，用于将tx信号从收发器光子集成电路(pic)110传输到光纤阵列155。此外，为了接收来自光纤阵列155阵列的信号，将光与te和tm模式组合。
78.根据本发明的实施例，光学插入器100可操作地用作偏振分束器。特别地，光学插入器选择te和tm模式，并导向不同的端口，并耦合回收发器光子集成电路(pic)110的接收器侧。
79.在pic/plc场景中，te偏振是指光模式的大致上平行于平面且垂直于传播方向的电场。并且，tm偏振是指光模式的大致垂直于平面和传播方向的电场。
80.图6是根据本发明的另一实施例的示出了横向电(te)偏振的光学插入器的示意图。特别地，插入器光子集成电路(pic)105上的基于波导的光学器件可操作地配置/适配为基于te/tm偏振选择输入光学信号，并且还将输入tm模式光学信号切换到te模式光学信号。尽管te和tm模式被选择性地指向两个不同的端口，但是在光学插入器100中的传播期间，tm模式被旋转到te模式。因此，输出端口包含te光学信号。
81.图7是根据本发明的又一实施例的示出了横向磁(tm)偏振的光学插入器的示意图。插入器光子集成电路(pic)105上的基于波导的光学器件可操作地配置/适配为基于te/tm偏振选择输入光学信号，并且还将输入te模式光学信号切换为tm模式光学信号。尽管te和tm模式选择性地指向两个不同的端口，但是在光学插入器100中传播期间，te模式被旋转到tm模式。因此，输出端口包含tm光学信号。
82.根据本发明的实施例，光学插入器100可操作地用作偏振选择器。
83.根据本发明的实施例，光学插入器100可操作地用作偏振开关。
84.根据本发明的实施例，光学插入器100可操作地用作偏振旋转器。
85.根据本发明的实施例，光学插入器可操作地用作路由电路以分配节距。
86.图8是根据本发明实施例的示出了光学信号的耦合的插入器光子集成电路(pic)的示意图。特别地，光学插入器100上的基于波导的光学器件可操作地配置/适配为在多个收发器pic输入/输出(i/o)通道与多个外部通道之间耦合光学信号。此外，多通道耦合为光子集成电路提供了路由路径，以使输出通道具有可设计的节距，以耦合到外部光学接口。
87.图9是根据本发明的实施例示出了用于对光学信号进行复用和/或解复用的光学插入器的示意图。
88.根据本发明的实施例，在发射器侧，光学插入器100接收来自收发器光子集成电路(pic)110的多个光学信号，并将多个光学信号多路复用为单个信号并将该单个信号输出到外部光学接口120。
89.根据本发明的实施例，光学插入器从外部光学接口120接收单个信号，并将其解复用为几个信号，并将其引导至收发器光子集成电路(pic)110。因此，减少了外部光学接口120中的输入/输出(i/o)通道的数量。
90.根据本发明的实施例，光学插入器100可操作地用作光学多路复用器(mux)和/或光学多路解复用器(demux)，以允许制造具有较低相位误差、更低的内部传播损耗和更高的制造公差以及更低的热敏度的无源器件。
91.图10示出了根据本发明的实施例的光学插入器的示意图，该光学插入器还包括多个外部光学接口。特别地，多个外部光学接口不限于光学插入器的一个边缘。
92.根据本发明的实施例，多个通道用作上述功能之一，例如但不限于光模式尺寸转换器、分光器/合成器、波长滤波器、偏振分束器、偏振旋转器以及光多路复用器/解复用器。
93.图11和图12示出了根据本发明的一个或多个实施例的相对于收发器光子集成电路(pic)110和外部光学接口120的光学插入器的插入器接口。特别地，插入器接口是成角度的插入器接口。此外，成角度的插入器接口以某一角度横向抛光，以最大程度地减少背反射。
94.图13和图14示出了根据本发明的一个或多个实施例的到收发器光子集成电路(pic)110和外部光学接口120的插入器接口。特别地，插入器接口不是刻意地成角度的，波导以特定的角度可调节地倾斜以实现非成角度的接口并且实现使背反射最小化的相同效果。
95.根据本发明的实施例，插入器波导的折射率值是在收发器光子集成电路波导值和外部光学接口波导值(或自由空间中的光路)之间。
96.因此，本发明的实施例提供了用于在光收发器接口和外部光接口之间最佳耦合光信号(和/或光连接)的光学插入器。特别地，光学插入器具有更高的对准公差、更低的波导传播损耗、更高的性能、更低的内部传播损耗以及更高的制造公差。
97.尽管已经通过参考特定实施例对本发明进行了说明，但是对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明不限于前述说明性实施例的细节，并且在不脱离本发明范围的情况下，可以对本发明进行各种改变和修改。因此，当前的实施例在所有方面都应被认为是说明性的，而不是限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是前述描述来指明，并且因
此，将所有落入权利要求的等同物的含义和范围内的改变都旨在包含在其中。换句话说，可以预期涵盖在基本原理的范围内并且本专利申请要求保护其基本属性的任何和所有修改、变化或等同物。应该理解的是，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本发明的实施例能够按照本发明以与上述或所示的不同的其他顺序或者以取向来操作。