CN102144179A - 损耗得以减少的介电波导相交点 - Google Patents

Abstract

一种波导相交点（300）包括：输入波导（205）和输出波导（210）；与所述输入波导（205）和所述输出波导（210）相交以形成相交点（135）的交叉波导（215）；被光学结合到所述相交点（135）以使得在所述相交点（135）内产生导模（405）的块（305，310）。一种减少波导相交点（300）内的光损耗的方法：包括增大相交点（135）的截面高度以使得经过该相交点（135）的光能（405）在横向上得到限制。

Description

损耗得以减少的介电波导相交点

背景技术

光束或者光信号常常被用以传输数字数据。例如，光信号能够被用以在单个电路板上的电子部件之间或者在邻近电路板上的电子部件之间传输数据。光信号正越来越多地被用以在集成电路内的子部件之间传输数据。

可以使用波导来对光信号进行路由。波导通过施加对光能的扩展进行控制并把光能引导到期望位置的边界来载送光能。光波导典型地由被诸如包层或者空气之类的具有较低的介电常数的材料包围的具有相对高的折射率的介电材料构造而成。例如，脊形波导可以被构造成在集成电路内的子部件之间载送光信号。典型地，脊形波导是具有矩形的或者圆形的横截面的修长结构，其以光学方式把信号源连接到一个或者多个探测器。脊形波导可以由在目标光波长或者波长范围下至少部分透明的各种材料制成。

当波导必须彼此交叉时，使得集成光电路的设计和制造复杂得多。对此问题的一个可能方案是把交叉波导中的一个路由到电路的平面外以在另一波导的上面或者下面穿过。然而，把这样的平面外结构加到集成光电路的制造大大增加了制造集成光电路的复杂性和成本。另外，波导中的向电路平面外和回到电路平面中的转弯和弯曲可能导致不想要的反射或者损耗或者信号强度。

附图说明

附图图示了本文所述的原理的各种实施例，且附图是本说明书的一部分。所图示的实施例仅仅是示例并且不限制权利要求的范围。

图1是根据本文所述的原理的一个实施例的波导相交点的说明性图示，其示出了由于输入波导和交叉波导的相交点处的串扰而引起的光损耗。

图2是根据本文所述的原理的一个实施例的脊形波导相交点的说明性三维图示，其示出了由于输入波导和交叉波导的相交点处的后向反射而引起的光损耗。

图3是根据本文所述的原理的一个实施例的脊形波导相交点的说明性图示，其示出了上部和下部介电块在输入波导和交叉波导的相交点处的添加。

图4是示出根据本文所述的原理的一个实施例的输入波导中的光导模（guided optical mode）的说明性图示。

图5是示出根据本文所述的原理的一个实施例的穿越交叉波导的光导模的说明性图示。

贯穿附图，同样的附图标记指明相似的但未必相同的元素。

具体实施方式

在构造集成光电路时，通过波导相交点来促进空间制约和在多个输入波导上进行操作的期望。由于制造平面外弯曲方面的困难以及该弯曲所产生的辐射和反射，波导在不同的平面或者层上可以不彼此物理交叉，而是在相同的共平面区域中相交。本说明书因此描述了在不牺牲信号完整性的情况下允许光信号穿过波导之间的物理相交点的结构和技术。

使用大量波导相交点的典型应用包括用于形成多核芯片设计之间的互连的大量并行光子网络。随着多核芯片设计中的互连的密度和数目的增加，各核之间的电互连变成限制系统性能的因素。通过用片上波导网络代替电互连，该互连能够提供优越的速度、较小的覆盖区（footprint）以及较低的热散逸。随着片上介电波导被更密集地布置，波导相交点变得更加常见并且减小这些波导相交点处的信号串扰变得更加重要。

使用光子网络的另一应用是在光交换网络中。在光交换网络中，大量输入被引导到同样多的输出，且为了使每个输入连接到每一输出，波导相交点是必要的。在大的交换体系结构中，与光波导相交相关联的损耗特别受关注，这是因为该损耗将是在特别选择的路径中遇到的波导相交点数目的函数，以及因此该损耗将随路径而变化。

当两个或者更多波导交叉时，它们创建了相交点，在该相交点处波导介质被用来把来自两个或者更多输入波导的光能传输到对应的输出波导中。波导相交点在避免不期望的光损耗和串扰方面应该是尽可能地高效的。理想地，光能会从输入波导进入相交点且在没有中断或者损耗的情况下经过该相交点进入期望的输出波导中。然而，两个或者更多波导的物理相交点典型地造成光路径的有效折射率的大的变化。此不连续点干扰了入射导模且通常导致到开放空间中的散射、后向反射以及串扰。

串扰是光能到非预期的波导中的泄露。波导相交点处的串扰的一个原因是在相交点中缺少对光能传播的横向约束。在相交点中，缺少先前用作限定导模的边界的输入波导的侧壁。在没有这些横向约束的情况下，光能在相交点中扩展，因此光能的一部分泄出到交叉波导中。该扩散的光能于是可能污染其它光信号。

后向反射在光能中的一部分在光学介质中的不连续点或者接口处反转方向的情况下发生。如上所述，有效折射率在相交点的入口和出口处突变。有效折射率的该变化能够引起后向反射，此后向反射能够导致输出功率的损耗和噪音。

散射可以在光能遇到粗糙的表面、边缘或者其它疵点以及被转移出光波导时发生。在相交点处，光能不再被包含在输入波导之内并进行扩散，因此增大了光能与周围表面的相互作用以及增大了散射的可能。

在下列说明中，为了解释的目的，阐述了众多具体细节以便提供对本系统和方法的透彻理解。然而，对本领域技术人员来说将显然的是，本设备、系统和方法可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在说明书中对“实施例”、“示例”或者类似语言的提及意味着与该实施例或者示例相结合而描述的特定特征、结构或者特性被包括在至少那一个实施例中，但未必被包括在其它实施例中。说明书中各处的短语“在一个实施例中”或者类似短语的各实例未必都指代相同的实施例。

如在本说明书中以及在所附权利要求中所使用的那样，术语“光能”指具有通常在10毫微米和500微米之间的波长的辐射能。这样定义的光能包括但不限于紫外光、可见光和红外光。光能的束本文可以被称为“光束”或者“光学束”。

现在将相对于说明性的系统和方法来论述本文所公开的原理。

图1是波导相交点（100）的说明性图示。根据一个说明性实施例，波导相交点（100）由输入波导（105）、输出波导（110）和交叉波导（115）形成。所述波导的相交点（135）通过点线框被标出轮廓线。理想地，入射光能（120）行进通过输入波导（105），在没有任何损耗的情况下径直穿过相交点（135）并进入到输出波导（110）中。

如上所述，在波导相交点处可以发生损耗的原因有多个。例如，入射光能（120）的一部分可以泄出到交叉波导（115）中。该串扰能量（130）表示能量从入射光能（120）的不期望的损耗。输出能量（125）的量值减少了泄出作为串扰能量（130）的能量量。该串扰能量（130）然后叠加在行进通过交叉波导（115）的信号上。该非预期的信号可以损坏行进通过交叉波导（115）的信号的完整性，或者引起电路故障。

图2是脊形波导相交点（200）的说明性三维图示。该脊形波导相交点（200）由输入波导（205）、输出波导（210）和交叉波导（215）形成。如上所述，脊形波导可以由在一个或者多个目标光波长下至少部分透明的各种材料制成。根据一个说明性实施例，脊形波导可以由使用集成电路制造技术沉积在衬底上并被成形的二氧化硅制成。举例来说但并非限制，脊形波导可以由多种玻璃、硅、硅化合物、聚合物或者其它介电材料构成。在一些实施例中，可以使用标准集成电路制造技术来构造脊形波导。

如上所述，入射光能（120）通过输入波导（205）朝向相交点前进。入射光能（120）的模态（mode shape）受到输入波导和周围材料的几何形状和物理属性的影响。这些周围材料可以包括衬底基座、附加的包覆层、邻近的结构或者涂层。除其他特性外，输入波导（205）和周围材料规定行进通过该波导的光的有效折射率和模态。特定的模态和有效折射率可能受到多种因素的影响。举例来说但并非限制，这些因素可以包括波导的几何形状、材料的温度、入射光能的波长、各种电磁场的存在等等。可以调节输入波导以在最小的损耗的情况下载送光能的特定波长或者波长范围。

在入射光模中所载送的能量被限制在入射波导内部以及紧邻近入射波导的区域内。波导的几何形状以及其它物理约束迫使光能在行进通过波导时呈现一个或者多个模态。术语“模态”是指在光能行进通过介质时光能的分布。当光能到达相交点时，缺少限制光能在横向方向上的扩展的输入波导的壁。如上面指出的，于是光能可以耦合到在横向方向上自由传播的模态中，这导致大量光能通过交叉波导（215）离开相交点。如上所述，此串扰能量（130）可以对穿过系统的光信号产生不期望的影响。该串扰不仅减少了输出信号的幅值而且还引入了传播通过该交叉波导的不想要的信号。

当入射光能（120）在其路径中遇到不连续点时，能够发生后向反射。一个这样的不连续点能够在入射光能（120）与参考平面A（220）交叉并进入到波导相交点（220）的相交点时发生。当输入波导的先前限制性的壁由于交叉波导（215）的相交点而被中断时，介质的有效折射率突变。在该转变处能够产生后向反射A（230）。

当光能重新进入限制性的输出波导时，另一转变发生在参考平面B（225）处。相似的后向反射B（235）能够在该点产生。根据一个示例性实施例，可以把后向反射（230，235）调节成使得它们具有相似的幅值和相反的相位。当经调节的后向反射（230，235）向回行进到输入波导（205）时，它们将产生相消干涉。该相消干涉抵消了各后向反射并减少了光信号中的噪声和能量损耗。

可以使用多种因素把后向反射（230，235）调节成具有相似的幅值和相反的相位，所述多种因素包括但不限于：调整相交点的宽度、选择光学材料、调整波导的几何形状和/或调整周围结构的几何形状。

当入射光能（120）在其路径中遇到不连续点时，能够发生到开放空间中的散射。在此过程中，以导模形式沿着波导行进的光能能够被散射到该波导之外且进入到周围介质中。该散射能量（240，245）是光信号的不期望的损耗。在入射光能（120）与参考平面A（220）交叉且进入波导相交点（200）的相交点时，一个这样的不连续点能够发生。当光能重新进入限制性的输出波导时，另一转变发生在参考平面B（225）处。在平面B（235）处的相似散射能够在该点处产生。

图3是脊形波导相交点（300）的说明性图示。在一个实施例中，波导的宽度在10-200毫微米之间且厚度在5-100毫微米之间。另外，这些波导可以以多种角度相交。在图3中所图示的示例中，交叉波导（215）以90度与输入和输出波导（205，210）相交。在其它实施例中，相交角度可以在从几度的锐角到大的钝角的范围内变化。

根据一个说明性实施例，一个或者多个介电块（305，310）形成在输入波导（205）和交叉波导（210）的相交点处。在图3中，上部块（305）形成在相交点的上面而下部块（310）形成在相交点的下面。上部和下部块（305，310）的存在产生了在入射导模的方向上传播的有限数目的本征模（eigenmode）。这限制了在相交点处光能在横向方向上的扩展。此外，块（305，310）可以被配置为减少在相交点中的后向反射。

可以使用与集成光电路中的波导和其它部件相同的过程来形成这些块（305，310）。根据一个实施例，可以使用多层纳米压印掩模来形成介电块和交叉的波导二者。多层纳米压印平版印刷术的使用允许在单个操作中形成三维结构。这提供了介电块和交叉的波导之间的优越的配准。在一些实施例中，仅形成上部和下部块（305，310）其中之一。使用仅一个块能够减少制造复杂性而仍然导致相交点处的损耗和串扰的显著减少。

上部和下部块（305，310）可以由折射率高于周围介质的折射率的各种材料来形成。根据一个说明性实施例，块（305，310）是由与波导相同的材料形成的，以便简化制作过程。在其它实施例中，可以选择块材料以改进波导相交点（300）的光学特性。举例来说但并非限制，可以选择具有特定折射率的块材料以减少由相交点所产生的后向反射。

在图3的说明性图示中，块（305，310）的几何形状被示为覆盖整个相交点的边缘尖锐的矩形。可以使用多个其它几何形状。例如制造约束可以规定块（305，310）具有更圆形的边缘。另外，块（305，310）可以具有比相交点更小或者更大的覆盖区。块的厚度也能够被调整成实现对光能的期望的限制。较厚的块导致光能到相交点中心的更强烈的限制，而较薄的块导致较小的限制。根据一个说明性实施例，块（305，310）具有的厚度等于或者小于波导（205，210，215）的厚度。

上部和下部块（305，310）理想地被并入波导中，以使得块成为相交点的完整组成部分。在一个实施例中，块和波导是单片的并在单个过程中形成。通过消除块和相交点之间的光学边界，块可以更直接地作用于经过相交点的光能。此外，消除块和相交点之间的光学边界可以消除不期望的反射和散射。

图4是在参考平面C（310）处截取的、看向输入波导（205）中的输入波导（205）截面图。如上所论述的，输入波导（205）及其周围提供了限定光能经过它的光能的模态的边界和其它条件。该输入模（400）被图示为一系列同心椭圆。光通量的密度由同心椭圆内的填充来图示，其中较深的填充表示较高的光通量而较淡的填充表示较低的光通量。

如上所论述的，输入模（400）由输入光信号的特性组合以及由输入波导和周围结构的物理约束而产生。在图4的图解中，光通量的大部分被限制在输入波导（205）内，其中，在输入波导（205）的中心处光通量密度最高。如由外面的椭圆所示出的，仅少量的光能分布在波导（205）之外。

图5是在参考平面（310）处截取的、看向相交点中的相交点截面图。示出了交叉波导（215）、上部块（305）以及下部块（310）的截面。在缺少上部和下部块（305，310）的配置中，相交点内的光模在横向方向上将是无约束的。如上所论述的，这可以导致显著的串扰、反射、散射和其它不期望的光学行为。

上部和下部块（305，310）的添加提供了横向约束并导致了被良好限制的相交点模（405），所述相交点模（405）具有集中在两个块（305，310）之间的场。此相交点模（405）随着两个块（305，310）的厚度的增加而变得被更紧密地限制。这样的导向相交点模（405）的存在提供了与在入射边界处的输入模（400）和在相交点的出射边界处的输出模相匹配的好得多的模。

类似于上面所描述的输入模（400），相交点模（405）被图示为一系列的同心椭圆。此模内的光通量的密度由同心椭圆内的填充来图示，其中，较深的填充指示较高的光通量而较淡的填充指示较低的光通量。当与输入模（400）比较时，相交点模（405）由于较小的横向边界而具有更大的横向扩散。然而，相交点模（405）把光能的大部分限制到相交点的中心并限制损耗给串扰的能量量。

另外，上部和/下部块（305，310）的添加减少了跨波导和相交点的有效折射率之间的失配。因此，后向反射的量值显著降低。根据一个示例性实施例，当上部和下部介电块（305，310）被加到波导相交点设计时，观察到85%的串扰减少和90%的后向反射减少。通过把交叉区域的大小选定为导模的有效波长的一半，能够进一步减少后向反射。

由于上部和/或下部块（305，310）所引入的模匹配属性，入射导模中所载送的能量与相交点模（405）更好地匹配。另外，相交点模（405）更好地匹配到输出波导中的导模。这减少了模不连续点并大大抑制了向周围介质中的散射。

总而言之，存在对在片上建造大量并行光子网络的增长的需求，以便满足来自多核芯片设计的互连需求。随着片上介电波导被更密集地布置以及彼此交叉的机会的增加，降低波导相交点处的光损耗以及串扰变得越来越重要。

在波导相交的相交点上形成上部块和/或下部块显著降低了相交点处的光损耗和串扰。使用常规光刻工艺能够有效地形成上部和下部块。所述块创建了相交点内被良好限制的导向本征模。在块厚度增加时，场变得更加集中在相交点的中心处。这样的导模的存在提供了与相交点的入射边界和出射边界处的入射导模相匹配的好得多的模，从而使得交叉波导所捕获的能量（串扰能量）得以大大减少。由相交点所产生的到入射波导中的后向反射以及到周围介质中的散射也显著减少。通过这些方式，光信号的完整性得到了保护，且在波导相交点处从入射光信号的能量损耗被大大降低。

已经提供了前面的说明，仅用以图示和描述所描述的原理的实施例和示例。该说明并不意图是详尽的或者把这些原理限制为所公开的任何精确形式。按照上面的教导，许多修改和改变是可能的。

Claims (15)

1.一种波导相交点（300），包括：

输入波导（205）和输出波导（210）；

交叉波导（215），其与所述输入波导（205）和所述输出波导（210）相交以形成所述相交点（135）；和

块（305，310），所述块（305，310）被光学结合到所述相交点（135）以使得在所述相交点（135）内产生导模（405）。

2.如权利要求1所述的波导相交点（300），还包括：把所述块（310）光学结合到所述相交点（135）的下表面以使得所述导模（405）在所述相交点（135）内被创建。

3.如权利要求1所述的波导相交点（300），还包括：把所述块（305）光学结合到所述相交点（135）的上表面以使得所述导模（405）在所述相交点（135）内被创建。

4.如权利要求1所述的波导相交点（300），还包括：把第一块（305）光学结合到所述相交点（135）的上表面和把第二块（310）光学结合到所述相交点（135）的下表面。

5.如权利要求1所述的波导相交点（300），其中，所述块（305，310）是立方体形的。

6.如权利要求1所述的波导相交点（300），其中，所述块（305，310）基本上覆盖所述相交点（135）的平面表面。

7.如权利要求1所述的波导相交点（300），其中，所述块（305，310）与下列中的至少一个具有相似的材料属性：所述输入波导（205）、所述输出波导（210）和所述交叉波导（215）。

8.如权利要求1所述的波导相交点（300），其中，所述块（305，310）为来自下列中的任何一个的、进入所述波导相交点的光能提供基本相似的横向限制：所述输入波导（205）、所述输出波导（210）和所述交叉波导（215）。

9.一种损耗得以减少的波导相交点，包括：

输入波导（205）和输出波导（210），所述输入波导（205）和所述输出波导（210）是共线的；

交叉波导（215），其与所述输入波导（205）和所述输出波导（210）相交以形成相交点（135）；所述交叉波导（215）基本垂直于所述输入波导（205）和所述输出波导（210）；以及

上部块（305）和下部块（310），所述上部块（305）和所述下部块（310）具有基本上方形的覆盖区并覆盖所述相交点（135），所述上部块（305）和所述下部块（310）由与用以形成所述输入波导（205）和所述输出波导（210）的材料基本相似的材料形成；

其中所述波导相交点（300）是使用多层纳米压印掩模形成的。

10.一种减少波导相交点（300）内的光损耗的方法，包括：

增大相交点（135）的截面高度以使得经过所述相交点（135）的光能在横向上得到限制。

11.如权利要求10所述的方法，还包括：

通过把至少一个块（305，310）光学结合到所述波导相交点（300）来增大所述截面高度。

12.如权利要求11所述的方法，还包括：通过把第一块（305）光学结合到所述波导相交点（300）的一侧以及把第二块（310）结合到所述波导相交点（300）的相反侧来增大所述截面高度。

13.如权利要求11所述的方法，还包括：调整所述至少一个块（305，310）的高度以实现对所述光能（405）的期望量的横向限制。

14.如权利要求11所述的方法，还包括：调节所述至少一个块（305，310）的物理特性以使后向反射最小化。

15.如权利要求11所述的方法，其中，所述至少一个块与所述相交点具有基本相同的覆盖区。

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