多模光學(xué)耦合器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明的實(shí)施例提供由多個(gè)材料層構(gòu)成的光學(xué)透鏡，每個(gè)材料層具有與其他層的折射率不同的折射率，其中按照增大的折射率來布置該材料層。透鏡區(qū)域能夠使進(jìn)入透鏡區(qū)域的光束被聚焦成在至少一個(gè)維度上更小的輸出光束。波導(dǎo)光學(xué)耦合到光學(xué)透鏡，并且光電耦合器光學(xué)耦合到該波導(dǎo)。光學(xué)透鏡能夠使用半導(dǎo)體處理技術(shù)來制造，并且能夠被集成到集成電路芯片中。
【專利說明】多模光學(xué)耦合器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的實(shí)施例大體涉及光學(xué)互連、光通信和數(shù)據(jù)傳輸、激光、光學(xué)多模透鏡、光學(xué)率禹合和娃光子。
【背景技術(shù)】
[0002]使用基于光學(xué)的技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸和通信相對于基于標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)體的系統(tǒng)提供了優(yōu)點(diǎn)，如更高的數(shù)據(jù)傳輸率。激光器可以產(chǎn)生在其上可編碼和傳輸數(shù)據(jù)的光(電磁輻射)。激光器產(chǎn)生的光可以是例如在電磁波譜的紅外、可見、紫外或X-射線區(qū)中的電磁輻射?；诠璧墓鈱W(xué)通常使用在紅外區(qū)域中的光。為了高數(shù)據(jù)傳輸率，使用多個(gè)波長的光來編碼數(shù)據(jù)，然后將多個(gè)波長的光復(fù)用在一起，發(fā)送到輸入設(shè)備，解復(fù)用，然后在檢測器處檢測。
[0003]光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸可以例如在個(gè)人計(jì)算機(jī)、服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心的內(nèi)部和周圍以及更長距離的數(shù)據(jù)傳輸和通信活動中是很有用的。將小型光學(xué)設(shè)備經(jīng)濟(jì)高效地耦合在一起以使能數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨筇岢隽颂魬?zhàn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0004]圖1示出一種使能多模光的光學(xué)聚焦的漸變折射率透鏡(graded-1ndex lens)。
[0005]圖2A示出用于漸變折射率多模耦合器的計(jì)算得出的漸變折射率曲線。
[0006]圖2B示出用于漸變折射率多模耦合器的計(jì)算得出的焦距。
[0007]圖3示出一種用于將入射光學(xué)信號轉(zhuǎn)換成電信號的單元。
[0008]圖4示意性示出一種具有光學(xué)數(shù)據(jù)輸入能力的計(jì)算系統(tǒng)。
[0009]圖5示意性示出一種光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。
【具體實(shí)施方式】
[0010]本發(fā)明的實(shí)施例提供一種能夠?qū)⒍嗄９庠磁c具有一個(gè)或多個(gè)實(shí)質(zhì)上較小尺寸的波導(dǎo)耦合在一起的設(shè)備。在本發(fā)明的實(shí)施例中，多模光源(如多模波導(dǎo)、光纖和/或透鏡)具有在幾十微米范圍內(nèi)的尺寸，而從多模光源輸出的光被引導(dǎo)到的設(shè)備具有在微米或亞微米范圍內(nèi)的尺寸。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的能夠?qū)⒕哂胁煌某叽绲墓庠催M(jìn)行耦合的設(shè)備在光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用中例如，在個(gè)人計(jì)算機(jī)、服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心內(nèi)部或者周圍，以及對于更長范圍的數(shù)據(jù)傳輸是很有用的。另外，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的設(shè)備適于在具有其他組件和設(shè)備的集成電路芯片之上制造，并且適于通過半導(dǎo)體處理技術(shù)制造。
[0011]圖1提供了一種使能輸出波導(dǎo)的所支持模式的光學(xué)聚焦的漸變折射率透鏡。在圖1的實(shí)施例中，漸變折射率透鏡的光輸出被聚焦到耦合到光電檢測器的波導(dǎo)。在圖1中，來自光波導(dǎo)(例如多模光纖和/或透鏡)的光105 (未不出)進(jìn)入被容納在基板115上的漸變折射率透鏡區(qū)域110?；?15是諸如硅或絕緣體上硅之類的半導(dǎo)體材料，并且基板115可選地是用來容納其他電子元件的集成電路芯片的基板。漸變折射率透鏡區(qū)域110使光束能夠聚焦到較小尺寸的波導(dǎo)區(qū)域120中。虛線箭頭106表示從芯片上的漸變折射率透鏡110輸出的更聚焦的光束。進(jìn)入所述漸變折射率透鏡區(qū)域110的光(如多模光)被聚焦到波導(dǎo)區(qū)120中，并且行進(jìn)到可選的光電檢測器125。在本發(fā)明的實(shí)施例中，漸變折射率透鏡110能夠把輸入光束(如多模光束)聚焦到輸出波導(dǎo)區(qū)120中，輸出波導(dǎo)區(qū)120在至少一個(gè)維度上變小至少70%，或者在至少一個(gè)維度上縮小至少85%，或在至少一個(gè)維度上變小至少90%。漸變折射率區(qū)域110是由數(shù)個(gè)材料層構(gòu)成，其中每個(gè)層比起前一層具有接連更大的折射率，且折射率向著波導(dǎo)120增大。箭頭111表示折射率增大的方向。波導(dǎo)區(qū)域120具有與擁有最高折射率的漸變折射率透鏡區(qū)域相同的折射率。在本發(fā)明的實(shí)施例中，漸變折射率透鏡110由Si(1_x)Gex材料構(gòu)成。折射率隨著Ge在Si(1_x)Gex材料中的構(gòu)成百分比的增大而增大。在本發(fā)明的實(shí)施例中，從3.5到3.56的折射率變化表示具有從O原子％至10原子％的Ge的SiGe材料。漸變折射率區(qū)域110包括至少4個(gè)材料層，或者至少5個(gè)材料層，或者是在5層至10層之間并且包括5層至10層的若干層。
[0012]在本發(fā)明的實(shí)施例中，來自波導(dǎo)、光纖或透鏡的入射多模光105的尺寸為20-30微米乘20-30微米，高度為Ii1，并且漸變折射率透鏡區(qū)110的寬度(未示出)為30微米。輸出光106的高度h2為3到4微米，而寬度(未示出)為30微米。在本實(shí)施例中，漸變折射率透鏡150的焦距fd為300微米。入射光、光輸出波導(dǎo)、焦距的其他尺寸也是可能的。例如，處于50微米和62.5微米的直徑的作為光波導(dǎo)的多模光纖也是商業(yè)上可獲得的。通常，本發(fā)明的實(shí)施例可用作需要多模耦合和光束大小轉(zhuǎn)換的光子鏈路。本發(fā)明的實(shí)施例能夠在多模光源和較小尺寸的波導(dǎo)之間提供至少70%的耦合效率。
[0013]漸變折射率透鏡110的其他材料還可以包括，例如，介電SiON、聚合物和II1-V族/I1-VI族半導(dǎo)體。II1-V族/I1-VI族半導(dǎo)體的半導(dǎo)體材料是由分別來自周期表的III族(3A)、V族(5A)、II族(2A)、和VI族(6A)的元素構(gòu)成的材料。來自III族的元素包括例如鋁、銦和鎵，來自V族的元素包括例如磷、砷和銻，來自II族的元素包括例如鈹、鎂、鈣和鍶，來自VI族的元素包括氧、硫、硒和碲。在本發(fā)明的實(shí)施例中，漸變折射率透鏡為GaAs或InP。用于漸變折射率透鏡110的其他材料和折射率范圍的其他范圍值也是可能的。
[0014]在波導(dǎo)光電檢測器125和漸變折射率透鏡區(qū)域110之間插入可選的中階梯光柵130。該中階梯光柵130由寬度與衍射光的波長接近的狹縫構(gòu)成。狹縫填充有例如二氧化硅。該中階梯光柵130能當(dāng)作解復(fù)用器，解復(fù)用器根據(jù)承載不同信息流的光的波長來分離光束。該中階梯光柵可以使不同的波長在不同的角度折射。然后這些不同波長將被引導(dǎo)到不同位置上。波導(dǎo)光電檢測器125被光學(xué)耦合到波導(dǎo)120，波導(dǎo)光電檢測器125例如是SiGe光電檢測器、p-1-n光電二極管、p-n光電二極管、雪崩光電二極管，或者是邊緣檢測器。Yin, Tao等人的“31GHz Ge n-1-p Waveguide Photodetectors on Silicon-on-1nsulatorSubstrate” (Optics Express,第15卷第12期13965 (2007年))中描述了倏逝地稱合到波導(dǎo)的示例的P-1-n光電檢測器。波導(dǎo)光電檢測器125被耦合到導(dǎo)電區(qū)域127和128，導(dǎo)電區(qū)域127和128允許波導(dǎo)光電檢測器125由電子裝置(未示出)來驅(qū)動。用來驅(qū)動波導(dǎo)光電檢測器125并且將包含在入射中的數(shù)據(jù)輸出作為電信號的電子裝置還可選地與漸變折射率透鏡110 —起共同位于IC芯片上?；?15可以是容納用于數(shù)據(jù)輸出轉(zhuǎn)換的電子裝置的基板，由此輸入光被轉(zhuǎn)換為輸出電信號。導(dǎo)電區(qū)域127和128包含例如，p-或η-摻雜的半導(dǎo)體(例如P-或η-摻雜的娃)和/或金屬。導(dǎo)電區(qū)域127和128不一定由相同的材料構(gòu)成。區(qū)域135由例如娃的材料構(gòu)成,但其他材料也可以。另外,波導(dǎo)光電檢測器125還可選地位于區(qū)域126中。
[0015]通常，波導(dǎo)由芯和至少部分包圍該芯的包層(cladding)或基板構(gòu)成。芯材料的折射率比周圍材料(包層)的折射率高。波導(dǎo)通過在芯內(nèi)的全內(nèi)反射來作為光波的路由器。波導(dǎo)在光通信所工作的波長(例如，紅外波長)處是透明的。通常，模式可被認(rèn)為是沿著波導(dǎo)傳播的具有恒定分布的電場分布，即該電場分布不會隨著其傳播而變化。
[0016]圖2A示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的漸變折射率多模透鏡在I方向上的計(jì)算得出的漸變折射率曲線的圖。圖2A中的圖是使用近軸近似計(jì)算的，即，當(dāng)射線軌跡幾乎平行于z軸時(shí)，射線方程可以被簡化為如公式(1)所示那樣。
[0017]
【權(quán)利要求】
1.一種設(shè)備，包括: 容納透鏡區(qū)域的基板，所述透鏡區(qū)域由至少四個(gè)材料層構(gòu)成，每個(gè)所述材料層具有與其他層的折射率不同的折射率，其中，按照增大的折射率的順序排列所述材料層，并且其中，所述透鏡區(qū)域能夠使進(jìn)入所述透鏡區(qū)域的光束被聚焦成在至少一個(gè)維度上變小的輸出光束， 光學(xué)耦合到所述透鏡區(qū)域的波導(dǎo)，其中，所述波導(dǎo)具有比所述透鏡區(qū)域中的至少三個(gè)所述層的折射率更高的折射率，以及 光電檢測器，其光學(xué)耦合到所述波導(dǎo)并且能夠檢測來自所述波導(dǎo)中的光束的光。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述透鏡區(qū)域由五到十個(gè)材料層構(gòu)成。
3.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述波導(dǎo)附加地包括解復(fù)用結(jié)構(gòu)，所述解復(fù)用結(jié)構(gòu)針對由不同波長的光構(gòu)成的輸入光束，能夠?qū)⑺鲚斎牍馐蛛x為承載不同信息流的不同波長。
4.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，針對多模輸入光束，所述透鏡區(qū)域與所述波導(dǎo)之間的耦合效率是至少70%。
5.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述材料層由硅和鍺構(gòu)成。
6.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述材料層由II1-V族半導(dǎo)體材料或I1-VI族半導(dǎo)體材料構(gòu)成。
7.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述波導(dǎo)由硅和鍺構(gòu)成。
8.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述基板是容納集成電路設(shè)備的半導(dǎo)體基板。
9.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，進(jìn)入所述透鏡區(qū)域的光束被聚焦成在至少一個(gè)維度上至少變小70%的輸出光束。
10.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，進(jìn)入所述透鏡區(qū)域的光束被聚焦成在至少一個(gè)維度上至少變小85%的輸出光束。
11.一種設(shè)備，包括: 處理器和光學(xué)數(shù)據(jù)輸入模塊，其中，所述處理器操作性地耦合到所述光學(xué)數(shù)據(jù)輸入模塊，并且能夠從所述光學(xué)數(shù)據(jù)輸入模塊接收數(shù)據(jù)，其中，輸入到所述光學(xué)數(shù)據(jù)輸入模塊的光學(xué)信號能夠被所述光學(xué)數(shù)據(jù)輸入模塊轉(zhuǎn)換成電信號，并且其中，所述光學(xué)數(shù)據(jù)輸入模塊包括: 容納透鏡區(qū)域的基板，所述透鏡區(qū)域由至少四個(gè)材料層構(gòu)成，每個(gè)所述材料層具有與其他層的折射率不同的折射率，其中，按照增大的折射率的順序排列所述材料層，并且其中，所述透鏡區(qū)域能夠使進(jìn)入所述透鏡區(qū)域的光束被聚焦成在至少一個(gè)維度上變小的輸出光束， 光學(xué)耦合到所述透鏡區(qū)域的波導(dǎo)，其中，所述波導(dǎo)具有比所述透鏡區(qū)域中的至少三個(gè)所述層的折射率更高的折射率，以及 光電檢測器，其光學(xué)耦合到所述波導(dǎo)并且能夠檢測來自所述波導(dǎo)中的光束的光，其中，所述光電檢測器能夠?qū)⒔邮盏墓鈱W(xué)信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出。
12.如權(quán)利 要求11所述的設(shè)備，其中，所述透鏡區(qū)域由五到十個(gè)材料層構(gòu)成。
13.如權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中，所述材料層由硅和鍺構(gòu)成。
14.如權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中，所述材料層由II1-V族半導(dǎo)體材料或I1-VI族半導(dǎo)體材料構(gòu)成。
15.如權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中，進(jìn)入所述透鏡區(qū)域的光束被聚焦成在至少一個(gè)維度上至少變小70%的輸出光束。
16.如權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中，進(jìn)入所述透鏡區(qū)域的光束是來自多模源的輸出。
17.如權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中，所述光學(xué)數(shù)據(jù)輸入模塊附加地包括轉(zhuǎn)換模塊，所述轉(zhuǎn)換模塊能夠?qū)乃龉怆姍z測器接收的電信號轉(zhuǎn)換成放大的電壓信號輸出。
18.如權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中，所述設(shè)備是計(jì)算機(jī)、便攜式計(jì)算設(shè)備、打印機(jī)、HDTV、電視機(jī)、遠(yuǎn)程存儲器設(shè)備或監(jiān)視器。
【文檔編號】G02B6/38GK103649800SQ201280032173
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2012年6月28日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月30日
【發(fā)明者】T·尹, Y-C·那 申請人:英特爾公司