CN105683793A

CN105683793A - 光功率分离器

Info

Publication number: CN105683793A
Application number: CN201480056383.2A
Authority: CN
Inventors: 西恩·安德森; 拉维·谢卡尔·图米甸; 马克·韦伯斯特
Original assignee: Cisco Technology Inc
Current assignee: Cisco Technology Inc
Priority date: 2013-10-14
Filing date: 2014-10-09
Publication date: 2016-06-15
Also published as: US20150104130A1; EP3058402B1; WO2015057484A1; EP3058402A1

Abstract

本公开的实施例包括将光束分离到两个单独路径的设备，该设备具有对制造变型的弱化的敏感性。设备可以作为3-dB分离器进行操作，该3-dB分离器在两个输出波导之间平分输入光能量。类似地，设备还可以起到将两个光束组合到单一路径的作用(耦合器)。该设计利用绝热性模式演进并且不要求沿整个设备长度的物理对称。设备包括第一波导和第二波导，每个波导具有过渡部分，该过渡部分可以是锥形的，互相邻近安排的过渡限定了它们之间的间隙，以便光能量在波导之间耦合。

Description

光功率分离器

技术领域

本公开所呈现的实施例一般地涉及光功率分离器(耦合器)，并且更具体地涉及具有可以更可靠地制造有用设备的架构的光功率分离器(耦合器)。

背景技术

波导光学器件中的基本组件是光分离器(通常被称为Y形分离器)，该光分离器在两个单独输出波导之间平均地划分输入波导中的光功率(或在耦合器中将两个输入组合为单一波导)。光分离器通常在调制器中被用作3-dB耦合器。一个示例是光分离器结合马赫曾德尔干涉仪(MZI)使用。在MZI应用中，通常使用两个3-dB分离器，一个在输入侧(分离功能)并且一个在输出侧(组合功能)。Y形分离器的效能可以影响光学设备的整体性能。

改进的Y形分离器设计将更少地依赖物理对称，并且将对层厚度和其他类型的制造变型较不敏感。

附图说明

本专利或申请文件包括至少一幅彩色绘制的附图。具有(一幅或多幅)彩色附图的本专利或专利申请公布的副本将基于请求和支付必要费用由官方(Office)来提供。

由此，在本公开的上述特征可以被更详细地理解的方式下，本公开的更具体的描述(上面简要总结的)可以参考实施例进行，一些实施例在附图中被示出。然而，应当注意的是，附图仅示出了本公开的典型实施例，并且因为本公开可以允许其他等同有效的实施例，所以不认为附图限制了本公开的范围。

图1A是示出根据本文所公开的一个实施例的光分离器的等距视图。

图1B是参考图1A所公开的实施例的平面图。

图1C-1E示出了图1A和1B的实施例的波导沿图1B示出的剖面线的横截面面积。

图1F-1H示出了图1A-1E的实施例中的模式演进行为。

图2示出了根据本文所公开的一个实施例的光功率分离器的平面图。

图3示出了根据本文所公开的一个实施例的光功率分离器的平面图。

图4示出了根据本文所公开的一个实施例的光功率分离器的平面图。

图5A是根据本文所公开的一个实施例的光分离器的横截面视图。

图5B是根据本文所公开的一个实施例的用于制造图5A中的光分离器的流程图。

图6是根据本文所公开的一个实施例的光分离器的横截面视图，其示出了肋形(ribbed)波导。

为了便于理解，使用的相同的参考编号以在可能的情况下指定共通于附图的相同的元件。可以预期的是，一个实施例中所公开的元件可以无需具体描述而在其他实施例中被有益地利用。

具体实施方式

概述

本公开的一个实施例包括将光束分离到两个单独路径的设备，该设备对制造变型具有弱化的敏感性。设备包括输入波导、第一输出波导、和第二输出波导，其中一个输出波导是输入波导的延续，而另一个输出波导与输入波导和所述一个输出波导隔开。每个输出波导包括锥形，该锥形将射入输入波导的单峰主导模式的光过渡为双峰模式，两个输出波导中的每一个输出波导都有一个单峰。两个输出波导不是物理连接的，由此还互相提供电隔离。设备作为3-dB分离器(Y形分离器)进行操作，该3-dB分离器在两个输出波导之间平分输入光能量。类似地，设备还可以起到将两个光束组合到单一路径的作用(耦合器)。

本公开的实施例允许波导中的光能量在两个单独输出波导之间被平分，或从两个单独输出波导被组合至单一波导。该设计利用绝热性模式演进并且不要求沿设备的整个长度的物理对称，由此它消除了对制造变型的敏感性的主要来源。因为实施例利用绝热性模式演进并且不依赖于沿设备长度的物理对称，所以除了提供输出波导之间的电隔离，该设备可以具有极低损耗、低背反射、大的操作带宽和对制造变型的高容忍度。当设备被用于诸如可变光衰减器(VOA)或MZI之类的有源设备中时，电隔离是期望的特征。

本文所公开的设计适用于任意高约束或高折射率-对比度材料系统，包括采用氮化镓、硅系材料(例如，氮化硅、氮氧化硅、单晶硅、多晶硅材料)、或其它III/V材料(例如，砷化镓、磷化铟、或其他相关的化合物)的系统。通常，芯(波导)材料的折射率比包层的折射率大得多。2∶1或更大的折射率比率是典型的，但是该设计甚至在更低比率的情况下仍然起作用。分离器/耦合器还可以被在一系列设备中用来分离或组合光至多个输出/输入。例如，实施例可以包括其中若干分离器被级联的分离器树。

虽然术语“分离器”可在本公开中被用来描述一些实施例，但本公开的实施例还可以被在相反方向中用来将多个波导路径中的多个光源(耦合器)组合为单一波导路径。这个耦合应用的示例是在MZI的输出侧。

示例实施例

图1A是示出根据本文所公开的一个实施例的光分离器100的等距视图。图1B是图1A中示出的实施例的平面图。首先将参考这些附图的组合来描述该实施例的光分离器100。光功率分离器100包括输入波导102、随着输入波导102连续形成的第一输出波导104、以及与输入波导102和第一输出波导104隔开的第二输出波导106。光功率分离器包括模式演进区域108和分离区域110。模式演进区域108是这样的区域，在该区域中，输入波导102(其延续为第一输出波导104)和第二输出波导106过渡为分离区域110。分离区域110是这样的区域，在该区域中，第一输出波导与第二输出波导互相分离并且沿期望的路径延续。

输入波导102、第一输出波导104、和第二输出波导106被设计为支持至少单一模式。输出波导104和106中的每一个包括锥形部分，它们一起定义模式演进区域108。第一输出波导104从输入侧103到输出侧105在宽度上成锥形。典型尺寸可以是在输入侧103处～500nm宽、在输出侧105处～350nm、和具有在模式演进区域108中大约30-50微米的锥形长度。然而，在另一实施例中，第一输出波导104在输入侧103与输出侧105之间可以不成锥形，而是在端点103和105之间的区域维持恒定宽度。第二输出波导106在模式演进区域108中被放置于靠近(通常～200nm间隔或更小)输入波导102，并且在模式演进区域108中具有一般地平行于并且隔开于输入波导102的侧表面的侧表面，并且第二输出波导106向外成锥形(即，宽度增加)，相反于在模式演进区域中输入波导102的宽度的相应减少，从它的输入侧107到它的输出侧109在宽度上从较窄变为较宽。第二波导的典型尺寸可以是在它的输出侧107处～250nm宽、在它的输出侧109处～350nm宽、和具有等于第一波导的锥形长度的锥形长度(在模式演进区域108中大约30-50毫米)。例如，在输出侧105和109处，使用狗腿形或“S形”弯曲部112a和112b来分离输出波导104和106。本文所提供的尺寸仅是示例性的，并且其他尺寸对本领域普通技术人员将是显而易见的。

在模式演进区域108中，两个输出波导104和106之间限定间隙113。间隙优选地被设计为促进主导模式从输入波导到第二波导106的过渡，同时还促进第一输出波导104中的主导模式的延续。相反，Y形分离器的其他设计依赖于沿设备的整个长度物理对称，从而实现到每个分支的功率输出的50/50分离。在诸如硅光子之类的高折射率对比度光平台中，对分流分离器波导的物理对称的依赖使得产生设计权衡以及对制造变型的高敏感性。例如，一个波导在宽度上的变化(即使是小量的变化)可以使得到光分离器中的不同分支的功率输出产生变化。类似地，如果材料层的厚度(在一些应用硅中)改变，或如果包层的折射率改变，则到光分离器的每个分支的功率输出可能被不利地影响。此外，当前制造技术使得产生衍射光或分散光的特征。这些问题限制了需要Y形分离器来操作的设备的性能。

此外，在不使用间隙113的Y形分支功率分离器中，由于光信号在输入波导中朝着输出波导传播，因此单一输入波导到两个输出波导的突然分离使得在光分离器的顶点处产生光的背反射和散射。产生这样的结果是因为零点顶点不能使用已知制造技术来可靠地或重复地形成，即，奇点或点不能在硅中被形成。因此，顶点是在该点处散射和/或反射光的断面(discontinuity)或表面。

无间隙Y形分离器的另一示例包括单一波导，该单一波导通过梯度分离区域被分离为两个波导。由于在制造过程中通常使用的制造约束，梯度分离区域与CMOS制造不兼容。传统沉积与蚀刻技术不适于定义可能需要灰度光刻技术的垂直梯度结构。

不包括间隙113的Y形分离器依赖于物理对称以允许光从单一输入信道传递至两个分支信道。因为输出波导在物理上与输入波导是相接触的，所以对称是必要的。因此，输出波导互相不是电隔离的。缺少电隔离不是诸如MZI之类的有源设备所期望的。

在制造过程中通过蚀刻层最终形成每个波导来限定间隙113。水平锥形与传统沉积和蚀刻技术(例如，CMOS制造)相兼容。当前蚀刻过程可以被用来限定具有～200nm宽度的间隙。～500到200nm的间隔被认为足以实现本文所公开的特征。然而，模式演进区域108中波导的间隔越近，第一输出波导104与第二输出波导106之间的耦合就越好。模式演进区域中的两个输出波导104和106之间的～50-150nm的间隔将在其之间产生更好的耦合。虽然间隙113被示出为沿它的长度是对称的，但是不要求物理对称。例如，由间隙113限定的波导104和106之间的距离可以是沿间隙113的长度相同的(即，恒定的)或不相同的(即，变化的)。间隙113在现有技术设计中消除顶点的断面并提供了可以使用已知技术和设计规则约束来容易且重复制造的结构。包层材料可以被沉积在波导102、104、和106的表面以及沉积在间隙113中。

图1C-1E是光分离器100沿图1B示出的剖面线的横截面视图。图1C示出了输入侧103和107处的波导的横截面。图1D示出了一般在模式演进区域的中部的横截面。图1E示出了输出侧105和109处的波导的横截面。所示出的波导具有理想四边形，但是由于制造约束可以具有梯形或圆角。在输入侧103和107处，第一输出波导104(输入波导102的延续)具有比第二波导106更大的横截面面积。在中间区域，第二波导的横截面面积增大，并且第一输出波导的横截面面积减小。在输出侧105和109处，两个输出波导104和106的横截面面积基本相同。当两个波导在输出侧105和109处接近相等的横截面面积时，光功率分离率为50/50，使得设备成为3-dB分离器。在实践中，确切的分离率将取决于绝热性水平落入50/50周围的一个小范围。对于具有～50微米的锥形长度的设备，绝热性可以是99.8％以上，其确保分离率将不会比55/45更坏。～50微米的锥形长度还使得分离率对～50nm的带宽多达+/-10nm或100nm的带宽多达+/-5nm的厚度变化的设备层厚度(即，高度)方面的变化具有弹性。更宽的带宽和更严格的分离率范围可以通过增加锥形长度以达到更高的绝热性水平来实现。

图1F-1H示出了从光分离器的输入侧到输出侧的模式演进行为。图示描述了一阶TE(均匀)模式绝热性模式演进，其中导入至输入波导的能量构成‘均匀’或基本模式。光能量在该模式下保持，并且逐步地且平稳地从输入侧103处的单峰模式114(在图1F中示出)过渡为输出侧105和109处的双峰模式116(在图1H中示出)，即，在输出侧处，光能量被有效地分离以用于通过输出波导104和106进行进一步的传输。图1G示出了从输入中的单峰到输出中的双峰的过渡。输出侧处的每个峰最终被分别限制于两个输出波导104和106。如上所述，被维持在基本模式中的能量的数量被定义为设备的绝热性。为了使设备具有非常高的绝热性水平(如期望的)，锥形长度相比于波长应当是大的。实际上，50微米长度针对大多数应用是足够的。例如，30-50微米的锥形长度应当适于1.2-1.5微米范围的波长。

绝热性原理意味着当波导横截面的形状足够缓慢地改变时，主导模式下的能量将保持在主导模式中，独立于波导的横截面几何形状。如果设计正确，例如，波导的过渡锥形是渐进的，则主导模式中在输入处的总能量应当等于主导模式中在输出处的总能量。将能量耦合至其他模式对光设备性能是有害的。本公开的一个方面是使用过渡锥形来设计绝热性制度，不论锥形是线性或诸如指数、对数、或多项式之类的一些其他弯曲形状。过渡长度部分由被用来实现绝热性制度的锥形的形状来决定。

图2示出了根据本文所公开的另一实施例的光功率分离器200的平面图。可选择地，在第二波导206的输入侧207处，可以添加弯曲的或成角度的部分203从而产生输入处到第二波导206的平滑过渡。如果第二波导在它的输入端107(在图1B中示出)处具有大于～100nm的宽度(其可使得在输入处产生断面，由此在该点处产生过度光损耗)，则这个平滑过渡可以是期望的。制造要求可能限制波导的这个端的最小宽度，并且为了确保最佳绝热性设计，可以添加弯曲的或成角度的部分203从而最小化或消除过渡至第二输出波导的点处的断面的引入。因此，输入至输入波导202的光在两个输出波导之间的接口处(即，第二波导的输入侧207)得到平滑过渡。弯曲的或成角度的部分203随它从输入波导202与第二输出波导206之间的接口在远离输入波导202的方向上延伸而变窄。弯曲的或成角度的部分203将第二波导206过渡到模式演进区域208，在模式演进区域208中，锥形部分和间隙213在光的分离期间促进绝热性行为。

图3示出了根据本文所公开的另一实施例的光功率分离器300的平面图。这个实施例示出了输出波导304和306不需要在相同的表面或平面上。在这个实施例中，相对于支撑基板，输入波导302和它的输出波导304在第一水平面或较低水平面上，并且第二波导306在第二(较高)水平面上。模式演进区域在垂直维度(与如上面参考图1和图2所描述的水平区域相反)中取向。耦合设计的几何形状使得多级波导设备能够被制造，从而允许更多设备在单一基板或模具上被形成。包层(或间隙)材料可以被沉积在区域305中的两个波导之间，从而像上面所讨论的和本文所描述的其他实施例中的间隙一样分离两个波导。此外，在另一实施例中，分离器300的结构可以被颠倒，并且相对于基板，输入波导302和它的输出波导304在第二较高水平面上，同时第二波导306在第一较低水平面上。

图4是根据本文所公开的另一实施例的光功率分离器400的平面图，其中输入波导402在区域405中使用间隙材料与输出波导404物理地且电子地隔离)，该图示出了第一输出波导和第二输出波导的输出可以在不同方向上延伸。如所示出的，输入波导402延续为输出波导404并且在模式演进区域和分离区域之后弯曲。相反，第二波导406沿输入波导402的方向直着延续。图4仅是示例性的输出波导的角度配置。在本文所公开的分离器设计的情况下，可以实现设计的灵活性。

本文所设想的波导的横截面几何形状可以是任意四边形，例如，矩形或正方形、多边形、梯形、或允许光被传输的其他合适的形状。波导还可以在包层或第二材料之内被隔离。波导可以是平板波导或肋形波导。

图5A示出了根据本文所公开的实施例的示例性波导，该波导将被用来一般地说明制造本文所公开的设备的图5B中列出的过程步骤。为了形成光分离器，在方法550的框555处，在基板515的表面上形成绝缘层510。对于这个示例，基板515是硅基板，并且绝缘层510是二氧化硅或氮氧化硅。在框560处，然后在绝缘层510上形成表面层505。在这个示例中，表面层505是硅。在框565处，表面层505然后被图案化和被蚀刻以在表面层505中形成波导。在框570处，然后在表面层505中形成的波导上形成包层材料517。在这个示例中，包层材料517是氧化硅或氮氧化硅。波导的形状和它们之间的间隙的制造利用传统图案化和蚀刻过程，并且不要求形成不切实际的设备功能。因为波导结构不依赖于沿设备的整个长度的精确制造，并且不具有诸如上面所讨论的顶点之类的临界接口，因此设备可以被使用当前处理技术来重复地再生产。

如果波导被垂直地布置(如图3和4中所示出的)而不是如这里所示出的水平地布置，则第一波导可以在表面层505中被图案化。在包层材料517在第一波导上被形成之后，第二表面层被形成至包层材料上并且被图案化为第二波导。在这个示例中，包层材料被形成以在第一波导与第二波导之间提供期望的分离(即，间隙)。

虽然本文所描述的实施例指出表面层505和基板515是硅，但是本公开不限于此。例如，其他半导体或光传输材料可以被用来形成本文所示出的结构500。此外，表面505和基板515可以由相同的材料制成，但是在其他实施例中，这些层505和515可以由不同材料制成。

表面层505的厚度可以是从小于100纳米到大于1微米的范围。更具体地，表面层505可以是100-300纳米之间的厚度。绝缘层510的厚度可以依赖于期望的应用而变化。绝缘层510的厚度可以直接依赖于被耦合至(绝缘硅)SOI设备500的模式的尺寸和期望的效率。这样，绝缘层510的厚度可以是小于一微米到几十微米的范围。基板515的厚度可以依赖于SOI设备500的具体应用而广泛地变化。例如，基板515可以是典型半导体晶片(例如，100-700微米)的厚度或可以被变薄并被安装在另一基板上。

针对光应用，硅表面层505和绝缘层510(例如，二氧化硅、氮氧化硅等等)可以提供将光信号限制在表面层505中的波导中的对比折射率。因为硅相比于诸如二氧化硅之类的绝缘体具有更高的反射率，所以当光信号传播穿过在模式演进区域(其中部分光信号继续沿第一输出波导和另一部分光信号过渡至第二输出波导)中过渡的表面层505时，光信号主要保持在波导中。

图6是根据本文所公开的一个实施例的光分离器的横截面视图，其示出了肋形波导600。该设备类似于图5的实施例，除了过程不要求表面层605被一直蚀刻至绝缘层610。而是，两个肋形波导通过如下过程来形成：仅蚀刻表面层605的一部分以限定其中的波导、使本征层处于其下面、以及由此使得肋形波导是电子连接的。

总结

一般地，本文所公开的实施例允许波导中的光能量在两个单独输出波导之间被平分。因为本文所公开的架构利用绝热性模式演进并且不依赖于沿整个设备长度的物理对称，所以除了提供输出波导之间的电隔离，设备可以具有极低损耗、低背反射、大操作带宽、和对制造变型的高容忍度。此外，本文所公开的实施例甚至能够在硅层厚度变化(例如，+/-10％或更大的变化，以及超过100nm或更大的宽的带宽)的情况下仍维持均匀(3dB)分离。通过针对绝热性区域使用更长的锥形长度仍然可以实现对变型的较高容忍度。

依赖于沿它们的长度镜像物理对称的其他Y形分离器设计甚至极易受到小的缺陷或打乱物理对称的尺寸变型的影响。因为任何对物理对称的依赖都限制分离点处的输出端，所以本文所公开的实施例在制造变型存在的情况下显著地更加稳定。此外，相比于使用对称Y形分离器设计，分离率对其输出侧处的对称具有较弱的依赖性。相比于现有技术的对称Y形分离器设计，本发明对输出侧处不对称的敏感性降低到二分之一至四分之一，这显著地增加了对制造变型的鲁棒性。传统CMOS制造过程(例如，通常被用于硅光电的制造过程)具有+/-若干纳米的宽度容忍度。本文所公开的实施例中的5nm不对称将分离率改变为55/45，而在传统对称Y形分离器中，分离率将改变为60/40或更坏。

虽然前述是针对本发明的实施例，但是本发明的其他实施例或进一步的实施例可以在不偏离本发明的基本范围的情况下被设计出，并且本发明的范围由所附权利要求来确定。

Claims

1.一种装置，包括：

第一波导，所述第一波导具有输入端、输出端和锥形部分；

第二波导，所述第二波导具有输入端、输出端和锥形部分；

其中所述第一波导和所述第二波导中每一个的锥形部分被安排为互相邻近并且限定它们之间的间隙，所述锥形部分限定模式演进区域，所述模式演进区域在所述第一波导和所述第二波导之间分配光能量。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述间隙具有大约500nm或更小的宽度。

3.如权利要求1所述的装置，其中：

所述第一波导从第一横截面面积至第二横截面成锥形，并且所述第一横截面面积大于所述第二横截面面积；以及

所述第二波导从第一横截面面积至第二横截面成锥形，并且所述第一横截面面积小于所述第二横截面面积。

4.如权利要求1所述的装置，所述第一波导和所述第二波导的锥形部分中的每一个锥形部分具有侧面，所述第一波导和所述第二波导中的每一个波导的侧面被安排为互相面对的关系，并且限定它们之间的所述间隙。

5.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一波导和所述第二波导包括硅。

6.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一波导和所述第二波导由相同材料组成。

7.如权利要求1所述的装置，其中，包层材料被沉积在所述第一波导和所述第二波导之上。

8.如权利要求7所述的装置，其中，所述包层材料从氮化镓、二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、单晶硅、多晶硅材料、砷化镓和磷化铟中选择。

9.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一波导和所述第二波导的锥形部分是线性锥形。

10.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一波导和所述第二波导的锥形部分是非线性锥形。

11.如权利要求1所述的装置，其中，所述第二波导包括被安排在它的输入侧并且远离所述第一波导进行延伸的弯曲延伸。

12.一种光分离器，包括：

第一波导，所述第一波导具有输入端、输出端和过渡部分，所述过渡部分被安排在所述输入端与所述输出端之间，所述输入端适于接收向所述输出端传播的光信号；

第二波导，所述第二波导具有输入端、输出端和过渡部分，所述过渡部分被安排在所述输入端与所述输出端之间；并且

所述第一波导和所述第二波导中每一个的过渡部分被安排为互相邻近并且限定它们之间的间隙，其中，在所述过渡部分处，所述光信号被分离为在所述第一波导和所述第二波导中传播的两个相应的光信号。

13.如权利要求12所述的光分离器，其中，所述过渡部分是锥形的。

14.如权利要求12所述的光分离器，其中，所述间隙具有大约500nm或更小的宽度。

15.如权利要求12所述的光分离器，其中，所述第一波导和所述第二波导的锥形部分中的每一个锥形部分具有侧面，所述第一波导和所述第二波导中的每一个波导的侧面被安排为互相面对的关系，并且限定它们之间的所述间隙。

16.如权利要求12所述的光分离器，其中，所述第一波导和所述第二波导包括硅。

17.如权利要求16所述的光分离器，其中，所述第一波导和所述第二波导是在基板上形成的。

18.如权利要求17所述的光分离器，其中，包层材料被安排在所述第一波导和所述第二波导之上，并且所述包层材料从氮化镓、氮化硅、氮氧化硅、单晶硅、多晶硅材料、砷化镓和磷化铟中选择。

19.如权利要求12所述的光分离器，其中，所述第二波导包括被安排在它的输入侧并且远离所述第一波导进行延伸的弯曲延伸。

20.一种光设备，包括：

第二波导，所述第二波导具有输入端和过渡部分，所述过渡部分被安排在所述第二波导的输出端；并且

所述第一波导和所述第二波导中每一个的过渡部分被安排为互相邻近并且限定它们之间的间隙，其中，在所述过渡部分处，所述第二波导的光信号被耦合至在所述第一波导中传播的光信号。