用于使激光器单元和波导单元对准的设备和方法

摘要

一种用于使激光器单元与波导单元对准的设备和方法。该方法可以包括(a)将激光器单元放置在被测试位置上，其中激光器单元面向波导单元；(b)经由波导单元的耦合器向波导单元的对准波导供应光；(c)接收从对准波导发射的光；其中该光作为光的供应的结果而被发射；(d)确定从对准发射的光是否包括与激光器单元的对准单元相关联的光谱识别特征；以及(e)基于步骤(d)的确定来估计激光器单元是否与波导单元对准。

说明书

交叉引用

本申请要求下面的美国临时专利的优先权，所有这些专利通过引入被全部并入本文：

a.2018年6月3日递交的美国临时专利62/679,824；

b.2019年1月1日递交的美国临时专利62/794,815；

c.2019年1月21日递交的美国临时专利62/794,808。

背景

波导用于传送由激光器输出的辐射。波导和激光器通常被包括在设备的不同部分中。

波导必须与激光器对准，以便正确地传送由激光器输出的光。

为了使波导与激光器对准，激光器可以被激活，可以被诱导输出辐射，以及穿过波导的辐射可以被测量，以便确定对准。

在对准过程期间的激光器的激活可能是昂贵的，且否则是有问题的，特别是在大规模生产中制造的设备中。

可能有对用于使激光器和波导对准的有效设备和方法的增长的需要。

概述

可以提供一种用于使激光器单元与波导单元对准的方法，该方法可以包括(a)将激光器单元放置在被测试位置上，其中激光器单元面向波导单元；(b)经由波导单元的耦合器向波导单元的对准波导供应光；(c)接收从对准波导发射的光，其中该光作为光的供应的结果而被发射；(d)确定从对准发射的光是否可以包括与激光器单元的对准单元相关联的光谱识别特征(spectral signature)；以及(e)基于该确定来估计激光器单元是否可以与波导单元对准。

在激光器单元可以被停用、是闲置的或否则是不使用的时候，供应光和接收光。对准不基于通过激光器对光的传输。

该方法可以包括当确定激光器单元可能与波导单元未对准时改变被测试位置并跳转(jump)到供应光。

该方法可以包括估计离开波导单元的耦合器的光的量。因此，如果由于在光源和波导单元之间的未对准使该供应不足，则波导单元和/或供应元件可以被移动或以其他方式被粘合，以更好地光学耦合到对准波导。

对准单元可以不同于激光器单元的激光器。

对准单元可以是激光器单元的激光器。

对准波导可以不同于可以被分配用于传送从激光器单元的激光器传输的辐射的主波导。

该方法可以包括衰减穿过对准单元的光。

该方法可以包括由跟随对准单元的衰减材料衰减穿过对准单元的光。

该方法可以包括由跟随对准单元的散射元件衰减穿过对准单元的光。

该方法可以包括通过在对准单元之后的对准波导的终止来衰减穿过对准单元的光。

对准单元可以是第一布拉格光栅。

对准单元可以是第一布拉格光栅，并且其中该方法可以包括由第二布拉格光栅衰减穿过第一布拉格光栅的光。

该方法可以包括在完成激光器单元与波导单元的对准之后将激光器单元粘合到激光器载体。

可以提供可以包括激光器单元和波导单元的设备。激光器单元可以包括激光器和对准单元。波导单元可以包括对准波导和耦合器。耦合器可以被配置成接收来自光源的光并将光提供到对准波导。对准波导可以被配置成朝着激光器单元引导光。当与波导单元对准时，对准单元可以被配置成朝着对准波导反射具有对准单元的光谱识别特征的光。当与波导单元未对准时，激光器单元可以被配置成朝着对准波导反射没有对准单元的光谱识别特征的光。对准波导可以被配置成朝着耦合器引导反射光。耦合器可以被配置成朝着检测器引导反射光。

在激光器单元可以被停用时，供应光和接收光。

该设备可以包括当确定激光器单元可能与波导单元未对准时改变被测试位置并跳转到供应光。

该设备可以包括估计离开波导单元的耦合器的光的量。

对准单元可以不同于激光器单元的激光器。

对准单元可以是激光器单元的激光器。

对准波导可以不同于可以被分配用于传送从激光器单元的激光器传输的辐射的主波导。

该设备可以包括衰减穿过对准单元的光。

该设备可以包括由跟随对准单元的衰减材料衰减穿过对准单元的光。

该设备可以包括由跟随对准单元的散射元件衰减穿过对准单元的光。

该设备可以包括通过在对准单元之后的对准波导的终止来衰减穿过对准单元的光。

对准单元可以是第一布拉格光栅。

对准单元可以是第一布拉格光栅，并且其中该方法可以包括由第二布拉格光栅衰减穿过第一布拉格光栅的光。

该设备可以包括在完成激光器单元与波导单元的对准之后将激光器单元粘合到激光器载体。

附图简述

被视为本发明的主题被特别地指出并且在说明书的结束部分中被清楚地主张。然而，本发明关于操作的组织和方法以及其目的、特征和优点，在参照附图一起阅读时，通过参考以下详细描述可得到最好的理解，其中：

图1是测试设备和包括激光器和一个或更多个对准单元的设备的例子；

图2是包括激光器和一个或更多个对准单元的设备的例子；

图3是对准单元和相应电路的光谱响应的例子；

图4是包括一个或更多个对准单元的示例激光器单元；

图5是包括一个或更多个对准单元的示例激光器单元；

图6-9是激光器、激光器载体和波导单元的例子；

图10是包括一个或更多个对准单元的示例激光器单元；

图11是包括一个或更多个对准单元的示例激光器单元；

图12是示例激光器单元；以及

图13是方法的例子。

附图的详细描述

在以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在其他实例中，没有详细描述公知的方法、过程和部件，以便不使模糊本发明。

被视为本发明的主题被特别地指出并且在说明书的结束部分中被清楚地主张。然而，本发明关于操作的组织和方法以及其目的、特征和优点，在参照附图一起阅读时，通过参考以下详细描述可得到最好的理解。

将认识到，为了说明的简单和清楚，在图中所示的元件不一定按比例绘制。例如，为了清楚起见，一些元件的尺寸可以相对于其他元件被放大。此外，在被考虑为适当的场合，参考数字可以在附图中重复以指示相应或类似的元件。

因为本发明的所示实施例在大多数情况下可以使用本领域中的技术人员已知的电子部件和电路来实现，所以为了本发明的基本概念的理解和认识并且为了不使本发明的教导不清楚或从本发明的教导转移注意力，如上所示，将不在比被认为必要的程度更大的程度上解释细节。

提供了一种用于对准的方法和设备。该设备包括包含波导(波导单元)的第一部分和包含激光器(激光器单元)的第二部分。第一和第二部分可以是集成电路，例如波导集成电路(IC)和激光器IC(或任何类型的IC)。

激光器IC具有面向波导IC的第一端和可以包括反射镜的第二端。反射镜可以穿过整个激光器IC延伸，并反射从波导IC到达反射镜的任何光。

反射镜可以防止在不激活激光器的情况下测试激光器的对准，因为反射镜反射宽带宽，该宽带宽将包括探测和信号波长(实质上它接收的所有光)，并且不提供关于激光器和波导之间的空间关系的可靠指示。此外，在反射镜的顶部上，活性层具有非常强的吸收，这也限制了对准。

激光器IC可以被制造成包括一个或更多个对准单元(对准单元)，一旦波导与一个或更多个对准单元对准，对准单元就展示频率选择性响应，具有唯一的光谱识别特征(也被称为识别特征)。

对准单元可以被包括在激光器中，或者可以与激光器间隔开，同时与保持与激光器的已知空间关系。

已知空间关系可以是例如使对准单元位于距激光器的已知位移处(在一个或更多个轴上)。

在波导和对准单元对准之后，对准过程可以通过在激光器IC和波导IC之间引入相对运动来继续进行以补偿已知空间关系。

可以提供位于多个平面中的多个对准单元以使沿着多个轴(例如沿着正交于彼此或否则不平行于彼此的两个轴)的对准可行。

可选地，当对准单元与激光器间隔开时，波导IC可以包括多个波导，包括对准波导，该对准波导一旦与对准单元——波导IC的另一个波导——对准就与激光器对准。另一个波导将用于覆盖来自激光器的光。

对准单元可以包括可以具有光谱响应的带通滤波器、布拉格光栅和诸如此类，其一旦由与对准单元对准的波导照亮，光谱响应就出现。

对准单元可以朝着波导反射特定频率的光，而不反射其他频率(以提供可区分的光谱响应)。其他频率不应该由反射镜朝向对准单元且然后返回(或者至少不应该在没有被显著衰减的情况下返回)到波导。

这可以通过在反射镜和对准单元之间具有衰减材料或衰减电路和/或通过在不同方向处散射辐射来得到，从而减少(和甚至消除)从反射镜到波导的反射辐射。

图1是测试设备11和包括激光器单元30和波导单元20的设备10的例子。

来自光源12的光穿过功率分配器16传播，且然后离开光导18，照射在波导单元20的耦合器22上，进入对准波导24，并(经由激光器单元对准波导32)朝着对准单元例如但不限于第一布拉格光栅34传播。

在对准过程期间，激光器可以是无源的(甚至不被连接)，并且从对准单元34反射的光可以朝着耦合器22反射，并且可以穿过光导18朝着耦合器22传播，且然后到检测器14。

图1还示出了设备10的各种部分——氧化物层(例如BE氧化物层)21、BOX层23、硅衬底25、支撑腿42。

图2是激光器单元30和一个或更多个对准单元34和39的例子。在图2中，激光器单元30包括位于主波导25的两侧(来自激光器32的传输在这两侧上传播)的两个激光器单元对准波导32和37以及两个对准单元34和39(每个激光器单元对准波导一个对准单元)。激光器单元对准波导32和37位于离激光器的已知距离处。可以只有一个对准单元或多于两个对准单元。

一旦波导单元的一个或更多个对准波导24和27与相应的激光器单元对准波导32和37对准，来自测试设备的光就将被反射回到测试设备，并将分别包括一个或更多个对准单元34和39的识别特征。

一旦对准被实现，激光器单元的主波导35就与波导单元的主波导25对准，并且波导单元被认为与激光器单元对准。

在图2中，穿过第一对准波导24的光由耦合器26采样，并且可以被发送回到测量单元，以便监测光导18和第一对准波导24之间的光耦合。

耦合器可以是耦合器MMI或任何类型的功率监测器。它也可以是集成在波导单元中的光电检测器，该光电检测器用于测量来自光导的被馈送到对准波导的光，并且该耦合器用于使光导和对准波导对准。

当与对准波导对准时，对准单元中的任一个可以在对准过程期间被照亮，并且反射光可以展示可区分的光谱响应。

图3是对准单元和相应电路的光谱响应50的例子。在这个光谱中，我们可以定义将是遵从布拉格条件的拾取反射波长的信号以及将不被光栅反射的探测。在信号和探测之间的比率可以提供关于相对于对准单元的空间位置的准确信息。

这是带通滤波器的响应。可以提供任何其他可区分的光谱响应。在这个例子中，我们可以选择两个波长：一个是将与对准单元的拾取反射/光谱响应对准的信号波长，以及第二个波长将充当不被反射回来的探测。在信号和探测之间的比率可以是对两个单元的空间位置的指示。

每个辅助波导可以包括一个或更多个布拉格光栅，例如两个布拉格光栅。第一布拉格光栅朝着波导IC反射一些频率，而其他频率朝着第二光栅传播并被第二光栅散射，以便衰减这些其他频率的传播回到波导IC的任何频率分量。

假设层透明度由于激光开路条件而提高。在QW中吸收的光子产生电子空穴对，其可以有效地使开路激光二极管充电。作为结果，吸收减少，并且来自激光光栅的反射信号可以被感测到。激光器包括光栅，且光可以穿透并被选择性反射。

还有一个概念是使用激光器的光泵浦。在这种情况下，我们可以用较短的波长从顶部/底部或沿着光轴照亮激光器，较短的波长将引起光泵浦效应。这个泵浦将产生在可被检测到的单位激光波长处的光。

使用再生长(蚀刻激光器的一层并使透明层生长)或任何其他工艺，波导和带光栅的图案将产生强而窄的波长反射。透射光(非布拉格波长)将或者(a)在QW波导中被吸收或者(b)使用第二光栅耦合器结构被散射，该第二光栅耦合器结构联合起来向上/向下散射光。

应当注意，激光高吸收是针对激光的单位波长。对准可以涉及使用激光器作为对准单元，同时使用不同波长，QW对于这个不同波长将是相对透明的。该波长可以从激光布拉格光栅或者被内置于相邻对准结构/通道中的专用光栅的较高/较低阶反射。这可以允许使用激光器作为对准单元而没有非衰减层的再生长过程。这可以提供明显的成本降低。

图4是包括激光器单元对准波导32和37、对准单元例如第一布拉格光栅34、激光器单元主波导35和第二布拉格光栅35的激光器单元30的例子。为了解释的简单，激光器单元对准波导37被示为没有对准单元。

第二布拉格光栅34’跟随第一布拉格光栅34。

光61到达激光器单元对准波导32，并照射在第一布拉格光栅34上。第一布拉格光栅34作为提供反射信号62的反射镜操作。第二布拉格光栅34’散射(64)或吸收没有被第一布拉格光栅反射的全部(或相当大数量的)波长63，并防止它到达后宽带反射镜125。第二布拉格光栅34’部分的存在可以提供更好的信噪比，但是对于反射信号的检测不是强制的。

第二布拉格光栅是散射或吸收或衰减单元的例子。

第一布拉格光栅可以将特定波长反射回到波导单元的对准波导中。第二布拉格光栅可以用于将其他波长散射到激光器IC的衬底(例如到在图4平面之外的位置)，这将提高反射光的信噪比。

图4是包括激光器单元对准波导32和37、对准单元例如第一布拉格光栅34、激光器单元主波导35和第二布拉格光栅35的激光器单元30的例子。为了解释的简单，激光器单元对准波导37被示为没有对准单元。

图5是包括激光器单元对准波导32和37、对准单元例如第一布拉格光栅34、激光器单元主波导35和第二布拉格光栅35的激光器单元30的例子。为了解释的简单，激光器单元对准波导37被示为没有对准单元。

第一激光器单元对准波导32被终止，并且没有到达激光器单元的末端，因此穿过第一布拉格光栅34的辐射的至少一部分可以被散射或衰减，而不是朝着波导单元返回。

图6-9示出了安装在激光器载体上的激光器720的例子。

激光器载体包括：

a.底座710。

b.支撑元件，例如从底座延伸并具有接触激光器并支撑激光器的上端的四个垂直杆714。上端位于平面内。将激光器定位在上端上使激光器与平面对准。该平面可以是水平面或另一个平面。

c.在基座710上方升高的高架结构711。高架结构的第一部分具有被限制在对应于激光器的底座的假想区域内的侧壁，使得一旦激光器被定位在上端上，第一部分的侧壁就不延伸到激光器的侧面。

d.位于高架结构的顶部上的绝缘体713，其形成高架结构的顶部的一部分。绝缘体使导电垫与高架结构隔离，并防止在相邻激光器之间的串扰(通过相邻的绝缘结构)。

e.位于绝缘体的顶部上的导电垫712。导电垫由放置在垫的至少第一部分和激光器的底部上的耦合材料电气地耦合到激光器的端子。耦合材料也可以将激光器粘合到激光器载体。因为导电垫712位于高架结构的顶部上——过量的耦合材料不聚集并接触激光器的侧壁，并且不使激光器发生故障。过量的材料可以从高架结构的导电垫/侧壁落下。

f.电气地耦合到导电垫的第二部分的接合线722，其用于经由导电垫向激光器供应信号。

g.波导716例如三个波导——中间波导和指向对准单元用于对准激光器的两个侧面光波导，激光器在被对准之后将通过该中间波导输出信号。

h.比波导716稍微长的机械突出部717，其用于接触激光器并保持在激光器和波导716之间的微米标度距离。具有适当的光学折射率的胶可以放置在激光器和波导716之间。

在图6-9中，导电垫包括由较细的线连接到彼此的两个矩形区域。可以提供其他形状。

图10是包括激光器单元对准波导32”、激光器单元主波导35和激光器单元对准波导37”的激光器单元30的例子。

两个激光器单元波导单元都可以返回辐射，即使实质上不改变辐射的光谱。所发射的光可以完全返回到波导单元。这个例子说明了在激光光子集成电路(PIC)中通过任何手段回送的简单功率信号。

在图11中，布拉格光栅后面是衰减材料38或任何吸收/散射光学元件，例如弯曲/散射波导。

探测波长的消除/散射是高信号与探测消光比的关键元素。

衰减材料可以由QW制成。不从布拉格光栅反射的波长将被衰减材料高度衰减吸收。

衰减材料可以包括来自周期表的第3列的材料和来自周期表的第5列的材料的组合。

图12示出了激光器单元，其中激光器32和主波导被提供，并且激光器一旦被照亮就输出(即使是无源的)与从激光器单元的其他部分反射的光不同的某个光谱识别特征的辐射。主波导应与波导单元的相应主波导对准。

这些图展示了两种可能的方法以确保非反射光在从后反射镜弹回之前被吸收或散射。这可以使用可以在芯片表面的法线方向上反射光的第二种类型的布拉格反射镜来得到。可选地，可以将波导宽度逐渐减小到临界限制宽度之下。也可以使用小半径弯曲波导。

图13示出了方法900。

方法900可以用于将激光器单元与波导单元对准，该方法可以包括：

a.将激光器单元放置在被测试位置处，其中激光器单元面向波导单元。910

b.经由波导单元的耦合器向波导单元的对准波导供应光。920

c.接收从对准波导发射的光，其中光作为光的供应的结果而被发射。930

d.确定从对准发射的光是否包括与激光器单元的对准单元相关联的光谱识别特征。940

e.基于该确定来估计激光器单元是否与波导单元对准。950

f.对该确定做出响应。960

例如，如果找到识别特征，则确定对准被得到。

例如，如果没有找到识别特征，则确定对准没有被得到。这后面可以是选择新的被测试位置，且然后跳转到步骤920。

在激光器单元可能被停用、是闲置的或是不使用时，供应光和接收光。对准不基于通过激光器对光的传输。

该方法可以包括当确定激光器单元可能与波导单元未对准时改变被测试位置并跳转到供应光。

该方法可以包括估计离开波导单元的耦合器的光的量。因此，如果由于光源和波导单元之间的未对准导致该供应不足，则波导单元和/或供应元件可以被移动或以其他方式被粘合，以更好地光学耦合到对准波导。

对准单元可以不同于激光器单元的激光器。

对准单元可以是激光器单元的激光器。

对准波导可以不同于可以被分配用于传送从激光器单元的激光器传输的辐射的主波导。

该方法可以包括衰减穿过对准单元的光。

该方法可以包括由跟随对准单元的衰减材料衰减穿过对准单元的光。

该方法可以包括由跟随对准单元的散射元件衰减穿过对准单元的光。

该方法可以包括通过在对准单元之后的对准波导的终止来衰减穿过对准单元的光。

对准单元可以是第一布拉格光栅。

对准单元可以是第一布拉格光栅，并且其中该方法可以包括由第二布拉格光栅衰减穿过第一布拉格光栅的光。

该方法可以包括在完成激光器单元与波导单元的对准之后将激光器单元粘合到激光器载体。

术语“包括(including)”、“包括(comprising)”、“具有”、“由...组成”和“基本上由...组成”以可互换的方式被使用。例如，任何模块或芯片可以包括至少在附图中和/或在说明书中包括的部件，仅仅在附图和/或说明书中包括的部件。

对短语“可以”或“可以是”的任何提及应适用于短语“可以不”或“可以不是”。

短语“和/或”意指此外或可选地。

在前述说明书中，参考本发明的实施例的特定例子描述了本发明。然而将明显的是，可以在其中做出各种修改和改变而不偏离如在所附权利要求中阐述的本发明的更宽的精神和范围。

此外，在说明书中和在权利要求中的术语“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“在...之上”、“在...之下”和诸如此类(如果有的话)用于描述性目的，而不一定用于描述永久相对位置。应理解，这样使用的术语在适当的情况下是可互换的，使得本文所述的本发明的实施例例如能够以不同于在本文所示或以其他方式描述的那些定向的其他定向操作。

本领域技术人员将认识到，块之间的边界仅仅是说明性的，并且替代实施例可以合并块或电路元件，或者对各种逻辑块或电路元件施加功能的替代分解。因此将理解，在本文所描绘的体系结构仅仅是示例性的，并且实际上实现相同功能的许多其它体系结构可以被实现。

实现相同功能的部件的任何布置被有效地“关联”，使得实现期望的功能。因此，在本文被组合以实现特定功能的任何两个部件可以被看作与彼此“相关联”，使得期望的功能被实现，而不考虑体系结构或中间部件。同样，这样关联的任何两个部件也可以被视为“可操作地连接”或“可操作地耦合”到彼此以实现期望的功能。

此外，本领域技术人员将认识到上述操作之间的边界仅是说明性的。多个操作可以组合成单个操作，单个操作可以分布在附加操作中，并且操作可以在时间上至少部分地重叠地被执行。此外，替代实施例可以包括特定操作的多个实例，并且操作的顺序可以在各种其它实施例中改变。

然而，其它修改、变更和替代也是可能的。说明书和附图相应地在说明性意义上而不是在限制性意义上被考虑。

在权利要求中，置于括号之间的任何附图标记不应被解释为限制权利要求。词“包括”不排除除了在权利要求中列出的那些之外的其他元件或步骤的存在。此外，如本文所使用的术语“一(a)”或“一个(an)”被定义为一个或多于一个。此外，在权利要求中的引导性短语例如“至少一个”和“一个或更多个”的使用不应被解释为暗示：由不定冠词“a”或“an”对另一个权利要求元素的引入将包含这样引入的权利要求元素的任何特定权利要求限制到仅包含一个这样的元素的发明，即使同一权利要求包括引导性短语“一个或更多个”或“至少一个”和不定冠词，例如“a”或“an”。同理适用于定冠词的使用。除非另有规定，否则术语例如“第一”和“第二”用于任意区分开这样的术语所描述的元素。因此，这些术语不一定意欲指示这样的元素的时间或其他优先次序。某些度量在相互不同的权利要求中被叙述的起码事实并不指示这些度量的组合不能有利地被使用。

虽然在本文示出和描述了本发明的某些特征，但是本领域中的普通技术人员将想到许多修改、替换、改变和等同物。因此应理解，所附权利要求意欲覆盖落在本发明的真实精神内的所有这样的修改和改变。