[發(fā)明專利]基于集成非球面半透鏡的超緊湊平面模式尺寸轉(zhuǎn)換器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201880027527.X
• 申請(qǐng)日: 2018-02-27
• 公開（公告）號(hào): CN110770616B
• 公開（公告）日: 2021-02-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 錫亞馬克·阿巴斯盧;江偉;羅伯特·加圖杜拉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 羅格斯（新澤西州立）大學(xué)
• 主分類號(hào): G02B6/14
• 分類號(hào): G02B6/14;G02B6/26;G02B13/18;G02F1/035;G02F1/295
• 代理公司: 南京知識(shí)律師事務(wù)所 32207
• 代理人: 李湘群

光束轉(zhuǎn)換器包括：錐形耦合器結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)寬度是變化的；集成非球面半透鏡結(jié)構(gòu)，其直邊近端與所述錐形耦合器結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)端相鄰，并與之直接接觸；凸形半透鏡結(jié)構(gòu)，其彎曲的近端與所述集成非球面半透鏡結(jié)構(gòu)的彎曲遠(yuǎn)端直接接觸。

與相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)按照美國(guó)專利法35U.S.C§119(e)向于2017年4月11日提出的申請(qǐng)?zhí)枮?2/484,185的臨時(shí)專利申請(qǐng)和于2017年2月27日提出的申請(qǐng)?zhí)枮?2/463,941的臨時(shí)專利申請(qǐng)聲明優(yōu)先權(quán)。本文的引用包含上述申請(qǐng)。

政府利益

根據(jù)美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)的批準(zhǔn)號(hào)N66001-12-1-4246，本文公開的發(fā)明至少部分地在美國(guó)政府的支持下完成。因此，美國(guó)政府對(duì)本發(fā)明具有一定的權(quán)利。

領(lǐng)域

本文一般涉及光子(光學(xué))器件。更具體地，本文涉及基于集成非球面半透鏡的超緊湊平面模式尺寸轉(zhuǎn)換器。

背景

光子集成電路利用光而不是電子來(lái)實(shí)現(xiàn)各種光學(xué)性能，例如在芯片周圍布線輸送信息。納米結(jié)構(gòu)、超材料和硅技術(shù)的最新發(fā)展拓寬了高度集成光學(xué)芯片的功能范圍。絕緣體上硅(SOI)中的光子集成電路(PICs)在高度集成和大規(guī)模的光子平臺(tái)上具有巨大潛力。模式尺寸轉(zhuǎn)換器可以在緊湊高效的PICs中得到多種應(yīng)用。

大規(guī)模PICs作為一種很有前景的技術(shù)，可以在高性能計(jì)算系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心中實(shí)現(xiàn)大容量的光互連。由于和高可拓展、成熟的硅制造技術(shù)兼容，大規(guī)模PICs有潛力制造低成本、緊湊型的光學(xué)I/O芯片。而硅晶體在發(fā)光方面的固有缺陷，使高性能光源的集成成為硅基光學(xué)I/O芯片的主要挑戰(zhàn)。Si/III-V混合激光器則是硅基I/O芯片上光源的很有潛力的替代品。為了實(shí)現(xiàn)倒裝芯片鍵合配置的低損耗光學(xué)耦合，往往需要緊湊高效的模式尺寸轉(zhuǎn)換器。尺寸轉(zhuǎn)換器也可以集成到激光二極管中來(lái)減小光束的發(fā)散。光束轉(zhuǎn)換器是集成光子學(xué)的重要組成部分。光束轉(zhuǎn)換器是廣泛用于匹配不同寬度的波導(dǎo)模式的光學(xué)裝置，采用準(zhǔn)直光束擴(kuò)展其模式寬度(也可以聚焦光或縮小其模式寬度)。

簡(jiǎn)介

本解決方案提供了一種緊湊且低損耗的光束轉(zhuǎn)換器。光束轉(zhuǎn)換器包括一個(gè)寬度可變的錐形耦合器部分。光束轉(zhuǎn)換器還包括集成非球面半透鏡部分，其具有直邊的近端和錐形耦合器部分的遠(yuǎn)端相鄰。具有直邊的近端與錐形耦合器部分的遠(yuǎn)端直接接觸。光束轉(zhuǎn)換器還包括凸半透鏡部分，凸半透鏡部分彎曲的近端與集成非球面半透鏡部分的彎曲遠(yuǎn)端直接接觸。

錐形耦合器部分包括拋物線錐形部分，拋物線錐形部分具有拋物線形狀的橫截面，并且接收來(lái)自光源的光。錐形耦合器部分還包括快速線性錐形部分，快速線性錐形部分的近端的第一寬度小于其遠(yuǎn)端的第二寬度。快速線性錐形部分的近端與拋物線錐形部分的直邊相鄰，并與拋物線錐形部分的直邊直接接觸。

在一些實(shí)施例中，凸半透鏡部分具有直邊的遠(yuǎn)端連接有波導(dǎo)，波導(dǎo)的寬度基本上與凸半透鏡部分的遠(yuǎn)端寬度相同。在一些實(shí)施例中，錐形耦合器部分為非絕熱錐形。

在一些實(shí)施例中，錐形耦合器部分、集成非球面半透鏡部分和凸半透鏡部分位于單個(gè)半導(dǎo)體材料層中。在一些實(shí)施例中，單個(gè)半導(dǎo)體材料層包括硅。

在一些實(shí)施例中，光束轉(zhuǎn)換器包括二氧化硅層，并且單個(gè)半導(dǎo)體材料層位于二氧化硅層上。在一些實(shí)施例中，光束轉(zhuǎn)換器還包括硅襯底層，并且二氧化硅層位于單個(gè)半導(dǎo)體材料層和硅襯底層之間。在一些實(shí)施例中，光束轉(zhuǎn)換器還包括在單個(gè)半導(dǎo)體材料層的表面上的第二層二氧化硅層包層。

在一些實(shí)施例中，光束轉(zhuǎn)換器的總長(zhǎng)度小于或等于光波長(zhǎng)的六倍左右。工作波長(zhǎng)為1520nm至1570nm左右。在一些實(shí)施例中，光束轉(zhuǎn)換器的波導(dǎo)寬度比為20：1左右。在一些實(shí)施例中，光束轉(zhuǎn)換器在凸半透鏡部分中至少產(chǎn)生具有類高斯強(qiáng)度分布的平面波前。