[发明专利]光束斑点尺寸转换器

说明书

提供一种具有主体的光束斑点尺寸转换器。该主体包含具有第一折射率的第一光波导以及各自具有高于第一折射率的第二折射率的多个第二光波导。第一光波导被布置成接收输入光束。第一光波导还被布置成使得来自输入光束的光从第一光波导被耦合到多个第二光波导中。主体还包含输出光波导以及被耦合到多个第二光波导和输出光波导的反射部分。反射部分被布置成将从多个第二光波导接收的光束聚焦成单个光束，其被引导至输出光波导。

技术领域

本发明涉及光束斑点尺寸转换器以及包含光束斑点尺寸转换器的光子系统芯片。

背景技术

硅光子技术的近期进展通过该技术与互补金属氧化物半导体（CMOS）生产技术的兼容性来实现，这已使片上光子系统（PSoC）成为现实。PSoC可在仅几个平方毫米的芯片上包含大量的专用光子电路。这意味着PSoC可用于生产大规模（high scale）光交换设备、高速多波长收发机或其它类型的光处理设备。

然而，PSoC具有光损耗，其随着芯片中集成的光子电路的数量而增加。在诸如数据中心或无线电接入网的许多应用中，被耦合到PSoC的光互连接口没有足够大的功率预算来容许这样的光损耗。虽然掺铒光纤放大器（EDFA）能够被用于增加PSoC输出的光信号的功率，但是由于成本，此解决方案是不可行的。

因此，希望有大致无损耗的PSoC。然而，因为硅材料不能够发光，所以由III-V材料制成的、采取半导体光放大器（SOA）的形式的光放大元件会需要被集成到硅光子芯片中。类似地，如果希望生产具有包括若干激光器的复杂多通道光收发机的PSoC，则有必要将采取具有III-V活性层的管芯的形式的激光器集成到硅芯片中。

已研究了用于将SOA/激光器集成到PSoC中的各种技术，例如，如Zhiping Zhou、Bing Yin和Jourgen Michel的“On-chip light sources for silicon photonics”（Light: Science and Applications (2015) 4, e358; doi: 10.1038/lsa.2015.131,2015）中详细描述的技术。一种可行的技术是基于III-V管芯（具有SOA和/或激光器功能）在硅衬底上的倒装芯片接合。在此技术中，将III-V管芯的接口对接耦合在硅波导的前面。然而，硅波导的光束斑点尺寸（一般是数百纳米）和III-V管芯的光束斑点尺寸是截然不同的。因此，为了实现低耦合损耗，需要使用光束斑点尺寸转换器（SSC）电路。

存在多种现有的SSC电路。在Shimizu T、Hatori N、Okano M、Ishizaka M、Urino Y等人的“High density hybrid integrated light source with a laser diode arrayon a silicon optical waveguide platform for interchip opticalinterconnection”（8^th IEEE International Conference on Group IV Photonics, IEEE2011第181-183页）；以及在Hirohito Yamada的“Analysis of Optical Coupling for SOIwaveguides”（PIERS Online Vol. 6, No. 2, 2010）中描述了第一类型的SSC。在图1中说明此第一类型的SSC 100。

SSC 100包含用富硅氧化物（SiO_x:）光波导芯层110包围的硅（Si）光波导105。硅光波导105和富硅氧化物光波导芯110由二氧化硅包层115包围，并且在被布置于硅（Si）衬底120上的隐埋氧化物（BOX）层116之上。硅光波导105具有沿着它的长度的一部分从硅光波导105的第一末端125延伸的倒锥形，因此，硅光波导105的宽度逐渐增加。例如从III-V管芯输入的光被限定在二氧化硅结构内部，并且光在它的传播期间改变它的振形，以便适应于硅光波导105。以此方式，从SSC 100输出的光具有与输入到SSC 100中的光不同的光束斑点尺寸。