CN102859408B - 光学装置及包含光学装置的光子集成电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学装置，其包括形成一平面结构的多个光学波导(31、32)。每一光学波导具有一总长度，所述光学波导包括具有第一宽度(Wa)的一个或一个以上第一分段及具有第二宽度(Wb)的至少一个或一个以上第二分段，所述第一宽度大于所述第二宽度。每一光学波导中的所述一个或一个以上第一分段的长度和大于所述波导的所述总长度的一半。

Description

光学装置及包含光学装置的光子集成电路

技术领域

本发明涉及光学滤光器及光学多路复用器/多路分用器，且特定来说，涉及在光子集成电路(PIC)中制成的光学滤光器及多路复用器/多路分用器。

背景技术

已知，例如硅、氮化硅及磷化铟等某些材料具有显著的热光系数。此意味着，所述材料的折射率随着温度的改变而改变。如果使用此种材料来构造滤光器，那么滤光器频谱通常将随着温度改变而在波长上移位。此热光系数针对硅为约0.1nm/℃、针对氮化硅为约0.02nm/℃且针对磷化铟为约0.1nm/℃。

发明内容

折射率的此温度相关性(此通常为不合意的)通常需要对光学装置(举例来说，PIC)进行温度控制。然而，就成本以及功率消耗来说，此温度控制通常为昂贵的。

本发明的实施例目的在于提供一种光学装置，所述光学装置包括：

-多个光学波导，其形成平面结构，每一光学波导具有一总长度；其中至少一个光学波导包括一个或一个以上第一分段及至少一个或一个以上第二分段；

-其中在所述至少一个光学波导中，每一第一分段具有第一宽度且每一第二分段具有第二宽度，且所述第一宽度大于所述第二宽度；且

其中所述至少一个光学波导中的所述一个或一个以上第二分段的长度和短于所述波导的所述总长度的一半。

根据一些特定实施例，至少一个波导中的所述第二分段的总长度小于在所述至少一个波导内行进的光学信号的波长的约500倍。

根据一些特定实施例，至少一个波导中的所述第二分段的总长度小于在所述至少一个波导内行进的光学信号的波长的约100倍。

根据一些特定实施例，至少一个波导不具有第二分段。

根据一些特定实施例，每一光学波导中的所述一个或一个以上第一分段的长度和大于所述波导的所述总长度的75%。

根据特定实施例，至少一个光学波导具有一个或一个以上第三分段，所述第三分段具有第三宽度，所述第三宽度小于所述第一宽度且不同于所述第一宽度及所述第二宽度。

根据一些特定实施例，所述第一分段的总长度及所述第二分段的所述总长度根据以下关系从一个波导到连续波导地变化：

$\left|\mathrm{\Δ}{L}_a\right|=\frac{\mathrm{\Δ}{L}_{\mathrm{eff}\left(i\right)}*\frac{{\mathrm{dn}}_b}{\mathrm{dT}}}{n_a\frac{{\mathrm{dn}}_b}{\mathrm{dT}}-n_b\frac{{\mathrm{dn}}_a}{\mathrm{dT}}}$

$\left|\mathrm{\Δ}{L}_b\right|=\frac{\mathrm{\Δ}{L}_{\mathrm{eff}\left(i\right)}*\frac{{\mathrm{dn}}_a}{\mathrm{dT}}}{n_a\frac{{\mathrm{dn}}_b}{\mathrm{dT}}-n_b\frac{{\mathrm{dn}}_a}{\mathrm{dT}}}$

其中ΔL_eff(i)为所述两个连续波导之间的有效光学路径长度差，n_a及n_b分别为所述第一分段及所述第二分段的折射率，T为温度，│ΔL_a│为所述两个连续波导之间所述第一分段的所述总长度的差的绝对值，且│ΔL_b│为所述相同连续波导之间所述第二分段的所述总长度的差的绝对值。

根据一些特定实施例，第一积与第二积之间的比率在0.8与1.2之间，其中所述第一积是从以下公式获得：

$\frac{{\mathrm{db}}_a}{\mathrm{dT}}*\left|\mathrm{\Δ}{L}_a\right|$

其中n_a为所述一个或一个以上第一分段的所述折射率，T为温度，且│ΔL_a│为所述两个连续波导之间所述第一分段的所述总长度的差的绝对值；且

所述第二积是从以下公式获得：

$\frac{{\mathrm{dn}}_b}{\mathrm{dT}}*\left|\mathrm{\Δ}{L}_b\right|$

其中n_b为所述一个或一个以上第二分段的所述折射率，T为温度，且│ΔL_b│为所述相同连续波导之间所述第二分段的所述总长度的所述差的绝对值。

根据一些实施例，所述光学滤光器或多路复用器/多路分用器为阵列波导光栅或干涉仪，举例来说，马赫-曾德尔干涉仪。

根据一些实施例，提供一种光子集成电路，其包括如本文中作为特征的光学滤光器或光学多路复用器/多路分用器。

根据一些实施例，提供一种光学设备，其包括如本文中作为特征的光学滤光器或光学多路复用器/多路分用器或者光子集成电路。

附图说明

图1是常规干涉仪的示范性示意表示。

图2是根据已知解决方案制成的干涉仪的示范性示意表示。

图3是根据一些实施例的光学滤光器或多路复用器/多路分用器的示范性示意表示。

具体实施方式

为了更好地理解由本发明的实施例提供的解决方案，认为对一些已知解决方案的简要参考是适当的。

图1是常规干涉仪(举例来说，马赫-曾德尔干涉仪)的示范性示意表示。

图1的干涉仪1包括具有第一长度的第一臂11及具有第二长度的第二臂12、用于接收传入光束的输入端口13、用于将传入光分成两个分量的分光器14，其中每一分量被引导到臂11或12中。臂11及12为波导且具有不同长度。然而，臂11及12具有相同宽度且因此具有相同有效折射率。两个臂11、12的长度差导致行进穿过臂11及12的光的相位改变。术语臂及波导可在本说明书通篇中互换使用，然而其两者指代相同元件。

因此，通过波导11的光经受不同于通过第二波导12的光的相位改变。接着将两个光束输入到自由空间传播区域15中，且在输出16中输出具有波长的所要相位改变的光束。

然而，实际上，波导的折射率随着温度的改变而改变。如上文已提及，对于例如硅、氮化硅或磷化铟等某些材料，此温度改变的系数为显著的，因此折射率的对应改变可能导致干涉仪的波长响应的显著移位。假定dn/dT为材料的折射率的改变关于温度的导数值，其中n为折射率，且ΔT为温度的改变，则干涉仪的峰值透射率的波长λ的移位Δλ可由下式表达：

$\mathrm{\Δ\λ}=\frac{\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dT}}*\mathrm{\ΔT}}{n}*\mathrm{\λ}$

为了避免此些性能误差，通常需要在操作期间对装置进行温度控制，此消耗显著的能量。

针对用于控制基于硅的装置的温度的解决方案的现有尝试通常需要复杂的控制电路及昂贵的电功率消耗。还存在一些提议使用具有负热光系数的额外材料(例如聚合物)来设法减小或消除材料的折射率随着温度的改变的解决方案(举例来说，参见K.柏木由纪(K.Kashiwagi)等人的“具有空气槽的温度不敏感硅槽波导(Temperature insensitivesilicon slot waveguides with air slot)”，ECIO，论文FrD4，2008年)。

现在参考图2，其展示根据一些已知解决方案的干涉仪的示范性示意表示。在此实例中，展示马赫-曾德尔干涉仪。在图2中，已对与图1的元件相似的元件赋予相似的参考编号。

图2的干涉仪1包括具有第一长度L₁的第一臂11及具有第二长度L₂的第二臂12。此外，以关于图1所描述的类似方式，干涉仪1具有用于接收传入光束的输入端口13、用于将传入光分成两个分量的分光器14，其中每一分量被引导到臂11或12中。在通过波导11及12之后，将两个光束输入到自由空间传播区域15中，且在输出16中输出具有波长的所要相位改变的光束。

然而，在上述已知解决方案中，波导11及12具有不同宽度。在所述图中，将波导11展示为具有对应于长度L₁的相应宽度W₁，而将波导12展示为具有对应于长度L₂的宽度W₂。

波导的不同宽度引起不同折射率。此外，由于材料的折射率随着温度的改变而改变，因此波导局限也随着温度的改变而改变，借此较窄波导(举例来说，图2中的波导12)具有比较宽波导(例如波导11)大的dn/dT，即使其可能具有较小折射率n。

波导的有效光学路径长度L_eff可由波导的折射率n与物理长度L的积表示。因此，对于波导11，L_eff1=n₁*L₁，且对于波导12，L_eff2=n₂*L₂。波导11与波导12的有效光学路径长度之间的差可表达为：ΔL_eff=(n₁*L₁)-(n₂*L₂)。然而，考虑到由温度变化导致的光学路径长度的改变，波导11与波导12的有效光学路径长度之间的差可表达为：

$\mathrm{\Δ}{L}_{\mathrm{eff}}=(n_1+\frac{{\mathrm{dn}}_1}{\mathrm{dT}}\mathrm{\ΔT})*L_1-(n_2+\frac{{\mathrm{dn}}_2}{\mathrm{dT}}\mathrm{\ΔT})*L_2---\left(1\right)$

为了使此差与温度无关(即，为了使装置无热)，需要以下方程式近似成立：

$\frac{{\mathrm{dn}}_1}{\mathrm{dT}}*L_1=\frac{{\mathrm{dn}}_2}{\mathrm{dT}}*L_2---\left(2\right)$

在以上方程式2中，已从两边抵消ΔT。

针对L₁及L₂求解方程式(1)及(2)，获得：

$L_1=\frac{\mathrm{\Δ}{L}_{\mathrm{eff}}*\frac{{\mathrm{dn}}_2}{\mathrm{dT}}}{n_1\frac{{\mathrm{dn}}_2}{\mathrm{dT}}-n_2\frac{{\mathrm{dn}}_1}{\mathrm{dT}}}---\left(3\right)$

及

$L_2=\frac{\mathrm{\Δ}{L}_{\mathrm{eff}}*\frac{{\mathrm{dn}}_1}{\mathrm{dT}}}{n_1\frac{{\mathrm{dn}}_2}{\mathrm{dT}}-n_2\frac{{\mathrm{dn}}_1}{\mathrm{dT}}}---\left(4\right)$

因此，对于针对特定应用及经多路复用或经多路分用的待滤波的特定波长或波长集合而预定的给定ΔL_eff，应将长度L₁及L₂各自近似确定为两个波导的折射率的改变率的函数，如以上方程式3及4中所展示。举例来说，ΔL_eff可由滤光器或光学多路复用器/多路分用器的所要自由频谱范围确定，所述范围为c₀/ΔL_eff，其中c₀为真空中的光速。

因此，只要n₂*(dn₁/dT)≠n₁*(dn₂/dT)，就可得出L₁及L₂的值使得滤光器或光学多路复用器/多路分用器可与温度无关(无热)地操作。

为了确定长度的值，确定对应第一及第二折射率可为适当的。此可通过以下操作实现：通过使用模求解器(例如有限元模求解器)来分别确定W₁及W₂(对应于具有长度L₁及L₂的波导的波导宽度)的对应值，并计算波导中的导模的有效折射率以得出折射率n，且接着改变材料的折射率以模拟温度的改变而得出n随着温度的改变。

作为实际的非限制性实例，对于约220nm厚度的硅波导，针对约1550nm的波长W₁及W₂的合理值为W₁=0.4μm且W₂=1.5μm。在此情况中，L₁/(ΔL_eff/n₂)≈L₂/(ΔL_eff/n₁)≈4.5，此为可使用2维有限元模求解器针对波导横截面计算的值。

从M.上沼(M.Uenuma)及T.摩卡(T.Moooka)的“与温度无关的硅波导光学滤光器”(光学期刊，第34卷，第599到601页，2009年)中已知一种方法。

使用不同宽度的波导的此基本概念可推广到其中多于仅两个波导可用的装置。此装置的一个实例为阵列波导光栅(AWG)。在此情况中，以上文关于图2的双波导干涉仪所描述的类似方式，确定将对应于第一折射率的第一宽度，且确定将对应于第二折射率的第二宽度。从M.上沼及T.摩卡的“SOI衬底上的与温度无关阵列波导光栅的设计(Designof a temperature-independent arrayed waveguide grating on SOI substrates)”(IV族光子学，2007年第4次IEEE国际会议，2007年9月)中已知一个此种解决方案。

在以上的已知解决方案中，从图1至少示意性地观察到，AWG中的波导的大多数长度由窄波导构成且仅某些部分(主要为直线部分)为具有较宽宽度的波导。然而，此设计具有某些缺点。

一个缺点与减少在蚀刻AWG的光学波导时通常不可避免的制作误差的不合意效应的问题有关。此些误差是由于有限公差所致且通常产生所述波导的分段的宽度的随机变化。此些宽度误差为不合意的，因为其导致波导的有效折射率的误差。

发明人已认识到，此些制作误差对光学波导的窄分段具有比对光学波导的宽分段更重要的影响，因为较窄分段的折射率对宽度的值通常更敏感。出于所述原因，发明人提出其中光学滤光器或多路复用器/多路分用器的每一波导的总长度的大于1/2为宽波导(换句话说，波导的总长度的小于1/2为窄波导)且优选地每一波导的总长度的大于3/4为宽波导(换句话说，波导的总长度的小于1/4为窄波导)的实施例。

在一些特定优选实施例中，干涉仪中的至少一个波导中的窄分段的总长度可忽略(理想地，约为零)，更优选地小于约100个波长且至少小于约500个波长。由于一些波导可能具有有限长度的窄波导分段，因此此些准则用于使整个光学滤光器或多路复用器/多路分用器中的窄波导分段的总长度最小化，同时使得能够产生对温度改变大致不敏感的装置。

此设计具有某些优点，举例来说，与已知装置相比，基于以上设计而制成的装置提供装置的操作的改进，因为具有宽波导的光学滤光器或多路复用器/多路分用器可具有较少相位误差且因此具有好得多的串扰及低得多的插入损耗。

一般来说，在一个特定波导中与宽波导的长度相比窄波导的长度越大，使光学滤光器或多路复用器/多路分用器适当操作就可能变得越困难。此外，针对波导的具有弯折处(弯曲处)的部分使用窄波导可能由于弯折处侧壁上的任何粗糙度而导致弯折处中的辐射损耗的增加及散射损耗的增加。

图3是根据一些实施例的光学滤光器或多路复用器/多路分用器的示范性示意表示。在所述图中，已展示阵列波导光栅(AWG)的基本结构，然而，应注意，如本文中关于图3的AWG所描述的相同原理可应用于其它光学滤光器或多路复用器/多路分用器，例如其中使用两个或两个以上波导的马赫-曾德尔干涉仪。

在图3的AWG 30中，每一个别光学波导31、32具有有第一宽度W_a的一个或一个以上第一分段及有第二较窄宽度W_b的一个或一个以上第二分段。在所述图中，出于简化目的，展示仅一个第二窄分段W_b及仅两个第一分段W_a。然而，此仅为任选的且AWG可具有除图中所展示的数目以外的任何方便数目个第一分段及第二分段。

第一与第二分段经由锥形区域端连接，所述锥形区域优选地在第一宽度W_a与第二宽度W_b之间绝热地改变光学波导的宽度。举例来说，较宽的第一分段可将AWG的对应光学波导连接到平面自由空间区域33及34，且较窄的第二分段可位于较宽的第一分段之间，如图中所展示。然而，此仅为任选的且也可在本发明实施例的范围内采用波导的宽及窄分段的其它配置。在图3中，为简化呈现，已展示仅两个波导31及32。然而，AWG通常可具有通常经连续定位从而形成平面阵列波导光栅的任何方便数目个波导。此在所述图中由较低波导31与较高波导32之间的点表示。

如在此图中所展示，AWG中的连续光学波导在总长度上变化。

此外，AWG中的连续光学波导中的每一者或一些波导可具有不同总长度的第一分段及/或具有不同长度的第二分段。

在所述图中从较低波导31向较高波导32、从一个波导向连续波导移动，随着总路径长度增加，可观察到具有较窄宽度W_b的第二分段的长度减小且具有较宽宽度W_a的第一分段的总长度增加。然而，此仅为示范性的，且也可在所主张发明的范围内采用连续波导的其它配置。

在图3的示范性表示中，可观察到，波导32中具有宽度W_b的分段的长度可忽略(几乎为零)，因此满足将窄波导的长度维持在最小值的准则。假如在波导32中具有宽度W_b的分段较长，则波导31中宽度W_b的分段将必须长出相同量。此将增加滤光器或多路复用器/多路分用器中的分段W_b的长度，从而使其性能降级。

宽度W_a的第一分段及宽度W_b的第二分段具有相应的折射率n_a及n_b。

假定在一个特定波导(比如说，来自总数目k个波导的波导编号“i”)中，所述波导的总物理长度由L_i表示，第一分段具有总长度L_ai且第二分段具有总长度L_bi。在邻近波导中，波导的总物理长度、第一分段的总长度及第二分段的总长度分别为不同的。举例来说，在波导编号“i-1”中，所述波导的总物理长度表示为L_i-1，第一分段具有总长度L_a(i-1)且第二分段具有总长度L_b(i-1)。

假定在上述两个连续波导之间第一分段的总长度的差由ΔL_a表示(│ΔL_a│为绝对值)，且相同连续波导之间第二分段的总长度的差由ΔL_b表示(│ΔL_b │为绝对值)。因此，如果以上两个连续波导之间的所要(及预定)有效光学路径长度差为ΔL_eff(i)，那么以下关系成立：

$\mathrm{\Δ}{L}_{\mathrm{eff}\left(i\right)}=(n_a+\frac{{\mathrm{dn}}_a}{\mathrm{dT}}\mathrm{\ΔT})*\left|\mathrm{\Δ}{L}_a\right|-(n_b+\frac{{\mathrm{dn}}_b}{\mathrm{dT}}\mathrm{\ΔT})*\left|\mathrm{\Δ}{L}_b\right|---\left(5\right)$

为了使此差与温度无关(无热)，需要以下方程式成立(从两边抵消ΔT)：

$\frac{{\mathrm{dn}}_a}{\mathrm{dT}}*\left|\mathrm{\Δ}{L}_a\right|=\frac{{\mathrm{dn}}_b}{\mathrm{dT}}*\left|\mathrm{\Δ}{L}_b\right|---\left(6\right)$

应注意，虽然方程式6表示数学等式，但实际上为了获得光学装置的可接受性能可能并不需要完全等式。假定P1表示积且P2表示积则可认为只要P₁与P₂之间的比率在容许范围内，光学装置的总体性能就可为可接受的。此容许范围的优选值可为±20%，换句话说，可使用以下关系作为容许范围：

0.8≤P₁/P₂≤1.20

针对|ΔL_a│及│ΔL_b│求解方程式(5)及(6)，得出：

$\left|\mathrm{\Δ}{L}_a\right|=\frac{\mathrm{\Δ}{L}_{\mathrm{eff}\left(i\right)}*\frac{{\mathrm{dn}}_b}{\mathrm{dT}}}{n_a\frac{{\mathrm{dn}}_b}{\mathrm{dT}}-n_b\frac{{\mathrm{dn}}_a}{\mathrm{dT}}}---\left(7\right)$

$\left|\mathrm{\Δ}{L}_b\right|=\frac{\mathrm{\Δ}{L}_{\mathrm{eff}\left(i\right)}*\frac{{\mathrm{dn}}_a}{\mathrm{dT}}}{n_a\frac{{\mathrm{dn}}_b}{\mathrm{dT}}-n_b\frac{{\mathrm{dn}}_a}{\mathrm{dT}}}---\left(8\right)$

方程式7及8提供在光学波导的相应窄及宽分段的总物理长度上的波导间改变(在此实例中为波导编号i及i-1)的值。根据关系(7)及(8)，可接着根据以下公式确定光学滤光器或多路复用器/多路分用器中的个别波导的总物理长度L_i：

L_i=(k-i)*|ΔL_a|+(i-1)*|ΔL_b|    (9)

其中k为光学滤光器或多路复用器/多路分用器中的波导的总数目，且i为波导在其上形成有波导的结构上的波导序列中的序列编号。此处，序列编号i从1到k变化。

如上文关于方程式6已解释，积P₁及P₂的值可在容许范围内变化，由此得出，方程式7、8及9也可被视为在容许范围内与完全方程式有偏差，因此表示可在所述容许范围内变化的近似值。

如上文已提及，可使用数值求解器(例如有限元模求解器)针对每一波导宽度计算n及dn/dT。

以此方式，可构造可以与温度的改变大致无关的方式操作的光学滤光器或多路复用器/多路分用器，从而允许在硅PIC中制成此些光学滤光器及多路复用器/多路分用器而不需要任何额外实质处理步骤或材料或任何实质电控制或功率消耗。本发明解决方案避免或大致减少与在蚀刻光学滤光器或多路复用器/多路分用器的光学波导时不可避免的制作误差的不合意效应有关的缺点，所述误差通常是由于有限公差所致且通常产生所述波导的分段的宽度的随机变化。

根据一些替代实施例，光学滤光器或多路复用器/多路分用器的一个或一个以上光学波导可包括两个以上波导宽度。举例来说，一个或一个以上光学波导可针对某些长度具有第三或更多宽度。只要针对具有有相应不同宽度的两个相应分段的每一邻近波导对方程式(7)及(8)完全或近似(在容许范围内)成立，所得光学滤光器或多路复用器/多路分用器就应提供显著与温度无关的操作。

可组合本发明的各种实施例，只要此组合兼容及/或互补即可。

如上文已提及，所述光学滤光器或多路复用器/多路分用器可为阵列波导光栅或干涉仪，举例来说，马赫-曾德尔干涉仪。也可能有以下情形：所述光学滤光器或多路复用器/多路分用器包括AWG与干涉仪的组合。

所属领域的技术人员应了解，本文中的任何框图表示体现本发明的原理的说明性电路的概念图。

Claims (10)

1.一种光学装置，其包括：

多个光学波导，其形成平面结构，每一光学波导具有一总长度；其中至少一个光学波导包括一个以上第一分段及一个以上第二分段；

其中在所述至少一个光学波导中，每一第一分段具有第一宽度及第一长度且每一第二分段具有第二宽度、第二长度，且所述第一宽度大于所述第二宽度；且

其中所述至少一个光学波导中的所述一个以上第二分段的长度和短于该光学波导的所述总长度的一半；且其中所述至少一个光学波导中的所述一个以上第二分段的所述长度和小于在所述至少一个光学波导内行进的光学信号的波长的约500倍。

2.根据权利要求1所述的光学装置，其中至少一个光学波导中的所述一个以上第二分段的长度和小于在所述至少一个光学波导内行进的光学信号的波长的约100倍。

3.根据前述权利要求中任一权利要求所述的光学装置，其中至少一个光学波导不具有第二分段。

4.根据权利要求1所述的光学装置，其中每一光学波导中的所述一个以上第一分段的长度和大于该光学波导的所述总长度的75％。

5.根据权利要求1所述的光学装置，其中至少一个光学波导具有一个以上第三分段，所述第三分段具有第三宽度，所述第三宽度小于所述第一宽度且不同于所述第一宽度及所述第二宽度。

6.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述多个光学波导被连续定位，从而形成所述平面结构，且其中所述一个以上第一分段的长度和及所述一个以上第二分段的所述长度和根据以下关系从一个光学波导到连续波导而变化：

其中ΔL_eff(i)为两个连续波导之间的有效光学路径长度差，n_a及n_b分别为所述一个以上第一分段及所述一个以上第二分段的折射率，T为温度，|ΔL_a|为所述两个连续波导之间的所述一个以上第一分段的长度和的差的绝对值，且|ΔL_b|为所述两个连续波导之间的所述一个以上第二分段的长度和的差的绝对值。

7.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述多个光学波导被连续定位，从而形成所述平面结构，且其中第一积与第二积之间的比率在0.8与1.2之间，其中所述第一积是从以下公式获得：

其中n_a为所述一个以上第一分段的折射率，T为温度，其中|ΔL_a|为两个连续波导之间的所述一个以上第一分段的长度和的差的绝对值；且

所述第二积是从以下公式获得：

其中n_b为所述一个以上第二分段的折射率，|ΔL_b|为所述两个连续波导之间的所述一个以上第二分段的长度和的差的绝对值。

8.根据权利要求1所述的光学装置，其中光学装置为阵列波导光栅或干涉仪。

9.一种光子集成电路，其包括根据权利要求1到8中任一权利要求所述的光学装置。

10.一种光学设备，其包括根据权利要求1到8中任一权利要求所述的光学装置或者根据权利要求9所述的光子集成电路。