CN108267814A - 非互易光传输器件及包括其的光学装置 - Google Patents

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Abstract

提供了非互易光传输器件及包括该非互易光传输器件的光学装置。一种非互易光传输器件包括光输入部分、光输出部分、以及插置在光输入部分与光输出部分之间并包括光波导的中间连接部分。光波导中的任何一个或任何组合的复折射率在光输入部分与光输出部分之间变化，并且经过非互易光传输器件的光的传输方向由复折射率的变化控制。

Description

非互易光传输器件及包括其的光学装置
技术领域
与示例实施方式一致的装置和方法涉及光学器件和光学装置，更具体地，涉及非互易光传输器件及包括其的光学装置。
背景技术
因为信号传输波导基本上同样地支持双向光传输，所以随后的光信号处理过程，例如信号调制、波长和偏振滤波、逻辑运算、信号放大等，不可避免地跟随着反向光信号的产生。例如，如果反向光信号被传送到光源，则会产生作为结果的二次效应，导致波长和光强度的不稳定以及不可控的噪声量。因此，需要用于隔离(分离)反向光信号的光学器件。
对于基于非线性效应的任何光学器件以及使用激光光源的装置的稳定操作可能需要反向光信号的隔离。存在基于非线性效应的各种光学器件，诸如光逻辑运算器件、波长转换器件、光放大器、光缓存器、高次谐波发生器件等，并且基于非线性效应的光学器件可以是用于光信号处理的元件。
发明内容
示例实施方式可以解决至少上述问题和/或缺点、以及以上未描述的其它缺点。此外，示例实施方式没有被要求克服上述缺点，并且可能不会克服上述任何问题。
示例实施方式提供了光波导型的非互易光传输器件。
示例实施方式提供了利用复折射指数(或复折射率)的变化的非互易光传输器件。
示例实施方式提供了芯片集成型的非互易光传输器件。
示例实施方式提供了具有宽传输带宽的非互易光传输器件。
示例实施方式提供了具有高非互易传输比和高正向传输效率的非互易光传输器件。
示例实施方式提供了包括非互易光传输器件的光学装置(例如光探测和测距(LiDAR)装置、移动卫生保健装置等)。
根据一示例实施方式的一方面，提供了一种非互易光传输器件，其包括光输入部分、光输出部分、以及插置在光输入部分与光输出部分之间并包括多个光波导的中间连接部分。所述多个光波导中的任何一个或任何组合的复折射率在光输入部分与光输出部分之间变化，并且经过非互易光传输器件的光的传输方向由复折射率的变化控制。
复折射率在从光输入部分到光输出部分的方向上的变化样式和复折射率在从光输出部分到光输入部分的方向上的变化样式关于中间连接部分的中心非对称。
所述多个光波导可以包括第一光波导和第二光波导，第一光波导的复折射率的实部的变化量(Δn1')与第二光波导的复折射率的实部的变化量(Δn2')之间的差额可以在从光输入部分到光输出部分的方向上增大然后减小，并且在从光输出部分到光输入部分的方向上减小然后增大。
第一光波导的复折射率的虚部的变化量(Δn1")与第二光波导的复折射率的虚部的变化量(Δn2")之间的差额可以在从光输入部分到光输出部分的方向上增大然后减小。
所述多个光波导可以包括第一光波导和第二光波导，第一光波导的复折射率的虚部的变化量(Δn1")与第二光波导的复折射率的虚部的变化量(Δn2")之间的差额可以在从光输入部分到光输出部分的方向上增大然后减小。
所述多个光波导中的任何一个或任何组合的宽度和厚度中的任何一个或两者可以在从光输入部分到光输出部分的方向上变化。
所述多个光波导中的一个的宽度和厚度中的任何一个或两者可以在从光输入部分到光输出部分的方向上增大然后减小，并且在从光输出部分到光输入部分的方向上减小然后增大。
所述多个光波导中的一个的宽度和厚度中的任何一个或两者可以在从光输入部分到光输出部分的方向上减小然后增大，并且在从光输出部分到光输入部分的方向上增大然后减小。
非互易光传输器件还可以包括侧片，其设置在中间连接部分的一侧并且在所述多个光波导当中的光波导的一侧，侧片与该光波导之间的距离可以在从光输入部分到光输出部分的方向上变化。
侧片与该光波导之间的距离可以在从光输入部分到光输出部分的方向上减小然后增大。
侧片与该光波导之间的距离可以在从光输入部分到光输出部分的方向上增大然后减小。
非互易光传输器件还可以包括侧片，其设置在中间连接部分的一侧并且在所述多个光波导中的光波导的一侧，侧片与该光波导之间的距离可以在从光输入部分到光输出部分的方向上变化，并且所述多个光波导中的任何一个或任何组合的宽度和厚度中的任何一个或两者可以在从光输入部分到光输出部分的方向上变化。
光输入部分和光输出部分中的任何一个或两者可以具有Y分支结构。
光输入部分、光输出部分和中间连接部分中的一部分可以包括半导体、聚合物、电介质和金属中的任何一种或任何组合。
一种光学装置可以包括：所述非互易光传输器件；第一光学元件，其被配置为将光输入到非互易光传输器件的光输入部分中；以及第二光学元件，其被配置为接收从非互易光传输器件的光输出部分输出的光。
非互易光传输器件、第一光学元件和第二光学元件的任何组合可以设置在芯片上。
光学装置可以是光探测和测距装置。
光学装置可以是卫生保健装置。
根据一示例实施方式的一方面，提供了一种非互易光传输器件，其包括光输入部分、光输出部分、以及插置在光输入部分与光输出部分之间并包括多个光波导的中间连接部分。所述多个光波导中的任何一个或任何组合的宽度和厚度中的任何一个或两者在从光输入部分到光输出部分的方向上变化。
所述多个光波导中的任何一个或任何组合的复折射率可以在光输入部分与光输出部分之间变化。
所述多个光波导可以包括第一光波导和第二光波导，第一光波导的复折射率的实部的变化量(Δn1')与第二光波导的复折射率的实部的变化量(Δn2')之间的差额可以在从光输入部分到光输出部分的方向上增大然后减小，并且在从光输出部分到光输入部分的方向上减小然后增大。
所述多个光波导可以包括第一光波导和第二光波导，第一光波导的复折射率的虚部的变化量(Δn1")与第二光波导的复折射率的虚部的变化量(Δn2")之间的差额可以在从光输入部分到光输出部分的方向上增大然后减小。
所述多个光波导中的一个的宽度和厚度中的任何一个或两者可以在从光输入部分到光输出部分的方向上增大然后减小并且在从光输出部分到光输入部分的方向上减小然后增大，或者在从光输入部分到光输出部分的方向上减小然后增大并且在从光输出部分到光输入部分的方向上增大然后减小。
非互易光传输器件还可以包括侧片，其设置在中间连接部分的一侧并且在所述多个光波导当中的光波导的一侧，侧片与该光波导之间的距离可以在从光输入部分到光输出部分的方向上减小然后增大，或者在从光输入部分到光输出部分的方向上增大然后减小。
一种光学装置可以包括：所述非互易光传输器件；第一光学元件，其被配置为将光输入到非互易光传输器件的光输入部分中；以及第二光学元件，其被配置为接收从非互易光传输器件的光输出部分输出的光。
根据一示例实施方式的一方面，提供了一种制造非互易光传输器件的方法，该方法包括：在基板上形成绝缘层，在绝缘层上形成半导体层，以及图案化半导体层以形成第一光波导、侧片和在第一光波导与侧片之间的第二光波导。第一光波导和第二光波导中的任何一个或两者的复折射率在第一光波导和第二光波导中的相应一个的第一端与第二端之间变化。
图案化可以包括图案化半导体层以形成第一光波导和第二光波导中的任何一个或两者，第一光波导和第二光波导具有在第一端与第二端之间变化的宽度和厚度中的任何一个或两者。
图案化可以包括图案化半导体层以形成侧片，侧片离第二光波导具有在侧片的第一端与第二端之间变化的距离。
该方法还可以包括：在第一光波导、侧片和第二光波导上形成包覆层，将包覆层接合到另一基板，以及在包覆层接合到所述另一基板之后去除所述基板。
附图说明
以上和/或另外的方面将由以下结合附图的对示例实施方式的描述变得明显和更易理解，附图中：
图1是根据一示例实施方式的非互易光传输器件的俯视图；
图2是根据另一示例实施方式的非互易光传输器件的俯视图；
图3是根据另一示例实施方式的非互易光传输器件的俯视图；
图4是根据另一示例实施方式的非互易光传输器件的俯视图；
图5是根据另一示例实施方式的非互易光传输器件的俯视图；
图6是根据另一示例实施方式的非互易光传输器件的俯视图；
图7是根据另一示例实施方式的非互易光传输器件的俯视图；
图8A和8B是示出与根据一示例实施方式的非互易光传输器件中的多个光波导相关的能量参数ξ在复平面中的变化的曲线图；
图9是用于描述根据一示例实施方式的非互易光传输器件的非互易光传输特性的示意图；
图10(A)和10(B)是示出关于根据一示例实施方式的非互易光传输器件的有限元法(FEM)仿真结果的图；
图11A是根据另一示例实施方式的非互易光传输器件的透视图；
图11B是从顶部观察的图11A的非互易光传输器件的中间连接部分的俯视图；
图11C是图11A的非互易光传输器件的中间连接部分的剖视图；
图11D是根据另一示例实施方式的非互易光传输器件的透视图；
图12是示出在参照图11A至11D描述的非互易光传输器件中第一光波导的宽度的变化样式(change profile)和第一光波导与侧片(side patch)之间距离的变化样式的曲线图；
图13是根据另一示例实施方式的非互易光传输器件的中间连接部分的俯视图；
图14是根据另一示例实施方式的非互易光传输器件的中间连接部分的俯视图；
图15是根据另一示例实施方式的非互易光传输器件的中间连接部分的俯视图；
图16是根据另一示例实施方式的非互易光传输器件的中间连接部分的俯视图；
图17是示出根据一示例实施方式的非互易光传输器件的性能的测量结果的曲线图；
图18是根据另一示例实施方式的非互易光传输器件的中间连接部分的俯视图；
图19是根据一示例实施方式的应用了非互易光传输器件的光学装置的透视图；
图20是根据一示例实施方式的应用了非互易光传输器件的波束控制器件的剖视图；
图21是根据一示例实施方式的包括应用了非互易光传输器件的波束控制器件的光学装置的总体系统的框图；
图22是示出根据一示例实施方式的应用了非互易光传输器件的集成光学处理器的图；以及
图23A、23B、23C和23D是示出制造根据一示例实施方式的非互易光传输器件的方法的剖视图。
具体实施方式
现在将参照其中示出了示例实施方式的附图更全面地描述示例实施方式。
将理解，当一元件被称为“连接”或“联接”到另一元件时，它能直接连接或联接到所述另一元件，或者可以存在居间元件。相反，当一元件被称为“直接连接”或“直接联接”到另一元件时，没有居间元件存在。当在此使用时，术语“和/或”包括相关所列举项目中的一个或更多个的任何和所有组合。
将理解，虽然术语“第一”、“第二”等可以在此用于描述各种各样的元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分可以不受这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件、部件、区域、层或部分与另外的元件、部件、区域、层或部分区分开。因此，下面讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分而不背离示例实施方式的教导。
为了描述的容易，这里可以使用诸如“在……之下”、“在……下面”、“下部”、“在……之上”、“上部”等的空间关系术语来描述如图中所示的一个元件或特征的与另外的元件(们)或特征(们)的关系。将理解，除图中所绘的取向之外，空间关系术语旨在还涵盖装置在使用或操作中的不同取向。例如，如果图中的装置被翻转，则被描述为“在”另外的元件或特征“下面”或“之下”的元件将取向为“在”所述另外的元件或特征“之上”。因此，术语“在……下面”能涵盖上和下两个方向。装置可以被另行取向(旋转90度或处于另外的取向)，且在此使用的空间关系描述语被相应地解释。
在此使用的术语仅为了描述示例实施方式的目的，不旨在限制示例实施方式。当在此使用时，单数形式“一”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文清楚地另有所指。将进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指明所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多个另外的特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在或添加。
在这里参照剖视图描述了示例实施方式，所述剖视图是示例实施方式的理想化实施方式(以及中间结构)的示意图。照这样，将预期到作为例如制造技术和/或公差的结果的相对于图示的形状的变化。因此，示例实施方式可以不被解释为限于在此示出的区域的特别形状，而将包括例如由制造引起的形状的偏离。例如，被示为矩形的注入区将在其边缘处具有圆化的或弯曲的特征和/或注入浓度的梯度，而非从注入区到非注入区的二元变化。同样地，由注入形成的埋入区可以引起埋入区与注入通过其发生的表面之间的区域中的某些注入。因此，图中所示的区域本质上是示意性的，并且它们的形状不旨在示出器件的区域的实际形状，且不旨在限制示例实施方式的范围。
除非另外规定，在此使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与示例实施方式所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。还将理解，诸如通用词典中定义的术语的术语可以被解释为具有与在相关技术的背景下的它们的含义相一致的含义，且将不在理想化或过度形式化的意义上被解释，除非在此明确地如此界定。
在下文中，将参照附图详细描述根据示例实施方式的非互易光传输器件及包括其的光学装置。为了说明书的清楚和说明的方便，附图中所示的层或区域的宽度和厚度可能被夸大。在详细描述的通篇，相同的附图标记指相同的元件。
图1是根据一示例实施方式的非互易光传输器件的俯视图。
参照图1，根据一示例实施方式的非互易光传输器件可以是光波导型器件。非互易光传输器件可以包括光输入部分P10和光输出部分P30。光输入部分P10可以是输入端子，光输出部分P30可以是输出端子。非互易光传输器件可以包括在光输入部分P10与光输出部分P30之间的中间连接部分P20。中间连接部分P20可以包括光波导，例如第一光波导W10和第二光波导W20。例如，中间连接部分P20可以包括第一光波导W10和第二光波导W20。照此，如果中间连接部分P20包括两个光波导W10和W20，则光输入部分P10和光输出部分P30中的任何一个或两者可以具有Y分支结构。这里，光输入部分P10和光输出部分P30两者被示为具有Y分支结构。
中间连接部分P20中包括的光波导W10和W20中的任何一个或任何组合的复折射指数(或复折射率)可以在光输入部分P10与光输出部分P30之间变化。由于复折射率的变化，经过根据一示例实施方式的非互易光传输器件的光的传输方向可以被控制。在这方面，复折射率在从光输入部分P10到光输出部分P30的方向上的变化样式以及复折射率在从光输出部分P30到光输入部分P10的方向上的变化样式可以关于中间连接部分P20的中心不对称或非对称。
图1的中间连接部分P20上方示出了与第一光波导W10的复折射率的变化有关的曲线图。中间连接部分P20的下方示出了与第二光波导W20的复折射率的变化有关的曲线图。在图1中，第一光波导W10和第二光波导W20的每个的复折射率在光输入部分P10与光输出部分P30之间变化。
第一光波导W10的在纵向方向上的复折射率的变化Δn1由Δn1(x)＝Δn1'(x)+iΔn1"(x)表示。这里，Δn1'表示第一光波导W10的复折射率的实部的变化量，Δn1"表示第一光波导W10的复折射率的虚部的变化量。第二光波导W20的在纵向方向上的复折射率的变化量Δn2由Δn2(x)＝Δn2'(x)+iΔn2"(x)表示。这里，Δn2'表示第二光波导W20的复折射率的实部的变化量，Δn2"表示第二光波导W20的复折射率的虚部的变化量。实部与光的实质折射有关，虚部与光的吸收和能量损失有关。
从中间连接部分P20上方示出的曲线图中可以看出Δn1'和Δn1"的变化趋势。Δn1'可以是表示n1'的变化量的一阶微分值，Δn1'的变化量可以是二阶微分值。Δn1"可以是表示n1"的变化量的一阶微分值，Δn1"的变化量可以是二阶微分值。同样的表示关系也适用于中间连接部分P20下方所示的曲线图中示出的Δn2'和Δn2"。从曲线图中可以看出Δn2'和Δn2"的变化趋势。
比较中间连接部分P20上方和下方示出的两个曲线图，第一光波导W10的复折射率的实部的变化量Δn1'与第二光波导W20的复折射率的实部的变化量Δn2'之间的差额即Δn1'-Δn2'可以在从光输入部分P10到光输出部分P30的方向上增大然后减小，并且可以在从光输出部分P30到光输入部分P10的方向上减小然后增大。实部变化量差额即Δn1'-Δn2'可以在从光输入部分P10到光输出部分P30的方向上增大然后减小又再增大，并且可以在从光输出部分P30到光输入部分P10的方向上减小然后增大又再减小。Δn1'的变化曲线图可以在中间连接部分P20的中心处或中心附近具有拐点，Δn2'的变化曲线图可以在中间连接部分P20的中心处或中心附近具有拐点。
第一光波导W10的复折射率的虚部的变化量Δn1"与第二光波导W20的复折射率的虚部的变化量Δn2"之间的差额即Δn1"-Δn2"可以在从光输入部分P10到光输出部分P30的方向上增大然后减小。虚部变化量差额即Δn1"-Δn2"可以在从光输出部分P30到光输入部分P10的方向上增大然后减小。Δn1"的变化曲线图和Δn2"的变化曲线图可以在中间连接部分P20的中心处或中心附近具有峰值点。
第一光波导W10的复折射率在从光输入部分P10到光输出部分P30的方向上的变化样式和第一光波导W10的复折射率在从光输出部分P30到光输入部分P10的方向上的变化样式可以关于中间连接部分P20的中心不对称或非对称。第二光波导W20的复折射率在从光输入部分P10到光输出部分P30的方向上的变化样式和第二光波导W20的复折射率在从光输出部分P30到光输入部分P10的方向上的变化样式可以关于中间连接部分P20的中心不对称或非对称。
关于中间连接部分P20的复折射率的变化，经过根据一示例实施方式的非互易光传输器件的光的传输方向可以被控制(确定)。就是说，光可以从光输入部分P10传输/传播到光输出部分P30，并且基本上不可以从光输出部分P30传输/传播到光输入部分P10。这将稍后参照图9和10进行更详细地描述。
虽然Δn1'、Δn1"、Δn2'和Δn2"的变化在图1中被示出，但表示Δn1'、Δn1"、Δn2'和Δn2"的变化的曲线图可以改变。这样的示例在图2至7中被示出。
图2是根据另一示例实施方式的非互易光传输器件的俯视图。
参照图2，中间连接部分P21可以包括第一光波导W11和第二光波导W21。第一光波导W11的复折射率的实部的变化量Δn1'和第一光波导W11的复折射率的虚部的变化量Δn1"可以如上曲线图中所示地变化。第二光波导W21的复折射率的实部n2'和虚部n2"可以如下曲线图中所示地保持恒定。因此，Δn2'和Δn2"可以保持为0。换言之，第一光波导W11的复折射率可以变化而第二光波导W21的复折射率没有变化。
在这种情况下，第一光波导W11的复折射率的实部的变化量Δn1'和第一光波导W11的复折射率的虚部的变化量Δn1"的变化范围可以分别大于图1中的第一光波导W10的复折射率的实部的变化量Δn1'和第一光波导W10的复折射率的虚部的变化量Δn1"的变化范围。例如，第一光波导W11的复折射率的实部的变化量Δn1'和第一光波导W11的复折射率的虚部的变化量Δn1"的变化范围可以分别是图1中的第一光波导W10的复折射率的实部的变化量Δn1'和第一光波导W10的复折射率的虚部的变化量Δn1"的变化范围的两倍。
在图2的示例实施方式中，第一光波导W11的复折射率的实部的变化量Δn1'与第二光波导W21的复折射率的实部的变化量Δn2'之间的差额即Δn1'-Δn2'可以在从光输入部分P10到光输出部分P30的方向上增大然后减小，并且可以在从光输出部分P30到光输入部分P10的方向上减小然后增大。第一光波导W11的复折射率的虚部的变化量Δn1"与第二光波导W21的复折射率的虚部的变化量Δn2"之间的差额即Δn1"-Δn2"可以在从光输入部分P10到光输出部分P30的方向上增大然后减小。因此，图2的非互易光传输器件可以具有与图1的非互易光传输器件的光学特性相似的光学特性。
图3是根据另一示例实施方式的非互易光传输器件的俯视图。
在图3中，在中间连接部分P22中，第一光波导W12的复折射率不变，第二光波导W22的复折射率变化。在这种情况下，第二光波导W22的复折射率的实部的变化量Δn2'和第二光波导W22的复折射率的虚部的变化量Δn2"的变化范围可以例如分别是图1中的第二光波导W20的复折射率的实部的变化量Δn2'和第二光波导W20的复折射率的虚部的变化量Δn2"的变化范围的两倍。在图3的示例实施方式中，第一光波导W12的复折射率的实部的变化量Δn1'与第二光波导W22的复折射率的实部的变化量Δn2'之间的差额即Δn1'-Δn2'可以在从光输入部分P10到光输出部分P30的方向上增大然后减小，并且可以在从光输出部分P30到光输入部分P10的方向上减小然后增大。第一光波导W12的复折射率的虚部的变化量Δn1"与第二光波导W22的复折射率的虚部的变化量Δn2"之间的差额即Δn1"-Δn2"可以在从光输入部分P10到光输出部分P30的方向上增大然后减小。因此，图3的非互易光传输器件可以具有与图1的非互易光传输器件的光学特性相似的光学特性。
图4是根据另一示例实施方式的非互易光传输器件的俯视图。
在图4中，在中间连接部分P23中，第一光波导W13的复折射率的实部n1'变化，第一光波导W13的复折射率的虚部n1"不变化，第二光波导W23的复折射率的虚部n2"变化，第二光波导W23的复折射率的实部n2'不变化。第一光波导W13的复折射率的实部的变化量Δn1'的变化可以与图2的Δn1'的变化相等或相似，第二光波导W23的复折射率的虚部的变化量Δn2"的变化可以与图3的Δn2"的变化相等或相似。
图5是根据另一示例实施方式的非互易光传输器件的俯视图。
在图5中，在中间连接部分P24中，第一光波导W14的复折射率的虚部n1"变化，第一光波导W14的复折射率的实部n1'不变化，第二光波导W24的复折射率的实部n2'变化，第二光波导W24的复折射率的虚部n2"不变化。第一光波导W14的复折射率的虚部的变化量Δn1"的变化可以与图2的Δn1"的变化相等或相似，第二光波导W24的复折射率的实部的变化量Δn2'的变化可以与图3的Δn2'的变化相等或相似。
图6是根据另一示例实施方式的非互易光传输器件的俯视图。
在图6中，在中间连接部分P25中，第一光波导W15的复折射率的实部n1'和虚部n1"变化，第二光波导W25的复折射率的实部n2'变化，第二光波导W25的复折射率的虚部n2"不变化。Δn1'和Δn2'的变化可以与图1的Δn1'和Δn2'的变化相等或相似，Δn1"的变化可以与图2的Δn1"的变化相等或相似。
图7是根据另一示例实施方式的非互易光传输器件的俯视图。
在图7中，在中间连接部分P26中，第一光波导W16的复折射率的实部n1'和虚部n1"变化，第二光波导W26的复折射率的实部n2'不变化，第二光波导W26的复折射率的虚部n2"变化。Δn1"和Δn2"的变化可以与图1的Δn1"和Δn2"的变化相等或相似，Δn1'的变化可以与图2的Δn1'的变化相等或相似。
在图4至7的示例实施方式中，第一光波导W13至W16的复折射率的实部的变化量Δn1'与第二光波导W23至W26的复折射率的实部的变化量Δn2'之间的差额即Δn1'-Δn2'可以在从光输入部分P10到光输出部分P30的方向上增大然后减小，并且可以在从光输出部分P30到光输入部分P10的方向上减小然后增大。第一光波导W13至W16的复折射率的虚部的变化量Δn1"与第二光波导W23至W26的复折射率的虚部的变化量Δn2"之间的差额即Δn1"-Δn2"可以在从光输入部分P10到光输出部分P30的方向上增大然后减小。因此，图4至7的非互易光传输器件可以具有与图1的非互易光传输器件的光学特性相似的光学特性。
在图6的示例实施方式中，第二光波导W25的复折射率的虚部n2"而非第一光波导W15的复折射率的虚部n1"可以变化。同样，在图7的示例实施方式中，第二光波导W26的复折射率的实部n2'而非第一光波导W16的复折射率的实部n1'可以变化。在图1至7的示例实施方式中，第一光波导W10至W16可以被认为是第二光波导，或者第二光波导W20至W26也可以被认为是第一光波导。在图1至7的示例实施方式中，示出Δn1'、Δn1"、Δn2'和Δn2"的变化的曲线图是示例，并且可以各种各样地变化。
图8A和8B是示出与根据一示例实施方式的非互易光传输器件中的多个光波导相关的能量参数ξ在复平面中的变化的曲线图。图8A示出能量参数ξ在从光输入部分到光输出部分的向前方向上的变化，图8B示出能量参数ξ在从光输出部分到光输入部分的向后方向上的变化。在每个曲线图中，Re(ξ)表示能量参数ξ的实部，Im(ξ)表示能量参数ξ的虚部，EP表示本征值的例外点。Re(ξ)和Im(ξ)与复折射率有关，本征值与能量参数ξ有关。
参照图8A，在光沿着向前方向行进期间，能量参数ξ可以变化为相对于例外点(EP)在第一方向上旋转。
参照图8B，在光沿着向后方向行进期间，能量参数ξ可以变化为相对于EP在第二方向上旋转。
当能量参数ξ在围绕EP旋转的同时变化时，光的本征态变化，使得两个波导之间的光的相位可以转换到非对称模式。然而，如果能量参数ξ如图8A中所示地变化，即能量参数ξ的实部具有正(+)值并且其虚部具有正(+)值，则发生抗绝热状态跃变现象，使得光的本征态不变并且光的相位可以保持在对称模式。然而，在光沿着向后方向行进期间，抗绝热状态跃变现象不发生，使得在光沿着向后方向行进期间，光的本征态变化并且光的相位转换到非对称模式。
虽然能量参数ξ在图8A和8B中依照围绕EP的圆形形状变化，但这是示例，并且形状上的变化可以改变。例如，除了圆形形状之外，能量参数ξ还可以依照椭圆形状或多边形形状变化。
关于参照图8A和8B描述的物理特性，根据一示例实施方式的非互易光传输器件可以仅在向前方向上而不在向后方向上传输光。然而，参照图8A和8B描述的物理特性以及相关机制是示例，并且可以改变。
图9是用于描述根据一示例实施方式的非互易光传输器件的非互易光传输特性的示意图。
参照图9，非互易光传输器件可以包括光输入部分P1、光输出部分P3和其间的中间连接部分P2，中间连接部分P2可以包括光波导，例如第一光波导W1和第二光波导W2。非互易光传输器件可以对应于图1至7的非互易光传输器件中的任何一个。
当光在向前方向上行进时，即光从光输入部分P1行进到光输出部分P3时，从光输入部分P1分开的光在中间连接部分P2中保持在对称模式，然后在光输出部分P3中耦合并输出。另一方面，当光在向后方向上行进时，即光从光输出部分P3行进到光输入部分P1时，从光输出部分P3分开的光在中间连接部分P2中转换到反对称模式，因而在光输入部分P1中消失。换言之，光行出了光输入部分P1的光波导，使得经过光输入部分P1的光传播可以不被执行。因此，光可以仅在向前方向上传输，并且可以不在向后方向上传输。
图10(A)和10(B)是示出关于根据一示例实施方式的非互易光传输器件的有限元法(FEM)仿真结果的图。中间连接部分中的两个光波导的宽度为1μm，两个光波导之间的距离为2μm，中间连接部分的长度为5mm，光输入部分和光输出部分的每个的Y分支长度为300μm，使用的光的波长为1030nm。光波导的一部分的折射率为1.55，复折射率的变化幅度为0.0006，接触光波导的包覆层的折射率为1.5。非互易光传输器件的复折射率如图1中所示地变化。
参照图10(A)和10(B)，当光如图10(A)所指示地在向前方向上行进时，从光输出部分输出的光具有高强度。这意味着光在向前方向上传输良好。另一方面，当光如图10(B)所指示地在向后方向上行进时，光被散射并在光输入部分附近消失，并且光不经过光输入部分传播。
如上所述，根据一示例实施方式的非互易光传输器件可以通过利用光波导的复折射率的空间变化而控制光的传输方向。在这种情况下，复折射率可以沿着光波导的延伸方向逐渐地变化。
如在图1至7的示例实施方式中，为了使中间连接部分P20至P26的光波导W10至W16和W20至W26的复折射率变化，光波导W10至W16和W20至W26的材料或成分比可以在纵向方向上逐渐地变化。利用其它方法，光波导W10至W16和W20至W26的物理性质或特性可以逐渐地变化。例如，光波导W10至W16和W20至W26的宽度或厚度可以在纵向方向上变化，或者侧片可以邻近于光波导W10至W16和W20至W26形成，侧片与光波导W10至W16和W20至W26之间的距离可以被调节，从而使光波导W10至W16和W20至W26的复折射率(有效复折射率)变化。随着光波导的体积增大，光波导的有效复折射率的实部(即有效实部)可以增大。因此，通过使光波导的宽度或厚度变化，光波导的有效复折射率的实部(即有效实部)可以被调节。此外，随着光波导与邻近于其的侧片之间的距离减小，光波导的有效复折射率的虚部(即有效虚部)可以增大。因此，通过使光波导与邻近于其的侧片之间的距离变化，光波导的有效复折射率的虚部(即有效虚部)可以被调节。参照图11A至16，将对通过使光波导的宽度或厚度或者光波导与侧片之间的距离变化而使光波导的复折射率(有效复折射率)变化进行更详细的描述。
图11A是根据另一示例实施方式的非互易光传输器件的透视图。
参照图11A，根据当前示例实施方式的非互易光传输器件可以包括光输入部分P100、光输出部分P300和其间的中间连接部分P200。中间连接部分P200可以包括光波导，例如第一光波导W100和第二光波导W200。第一光波导W100和第二光波导W200中的任何一个或两者可以在其纵向方向上经历宽度和/或厚度变化。这里，示出了第一光波导W100的宽度在光输入部分P100与光输出部分P300之间逐渐地变化。第一光波导W100的宽度可以在从光输入部分P100到光输出部分P300的方向上增大然后减小，并且可以在从光输出部分P300到光输入部分P100的方向上减小然后增大。在这方面，第一光波导W100的有效复折射率的实部(即有效实部)的变化量可以在从光输入部分P100到光输出部分P300的方向上增大然后减小，并且可以在从光输出部分P300到光输入部分P100的方向上减小然后增大。
根据当前示例实施方式的非互易光传输器件还可以包括提供在中间连接部分P200的至少一侧的侧片S100。这里，一个侧片S100被示为在第一光波导W100旁边。在这种情况下，第一光波导W100与侧片S100之间的距离可以在光输入部分P100与光输出部分P300之间变化。第一光波导W100与侧片S100之间的距离可以在从光输入部分P100到光输出部分P300的方向上减小然后增大。在这方面，第一光波导W100的有效复折射率的虚部(即有效虚部)的变化量可以在从光输入部分P100到光输出部分P300的方向上增大然后减小。
第二光波导W200的宽度和厚度可以在光输入部分P100与光输出部分P300之间保持基本恒定。因此，第二光波导W200的有效复折射率的实部(例如有效实部)可以在光输入部分P100与光输出部分P300之间保持基本恒定。此外，因为侧片S100不影响第二光波导W200并且不存在邻近于第二光波导W200的第二侧片，所以第二光波导W200的有效复折射率的虚部(即有效虚部)可以在光输入部分P100与光输出部分P300之间保持基本恒定。
图11A的非互易光传输器件中使用的中间连接部分P200的复折射率的变化可以与参照图2描述的中间连接部分P21的复折射率的变化相同或相似。因此，图11A的非互易光传输器件可以仅在向前方向上传输光，并且不可以在向后方向上传输光。
图11B是从顶部观察的图11A的非互易光传输器件的中间连接部分的俯视图。
参照图11B，第一光波导W100的宽度w1在x轴方向上变化，第二光波导W200的宽度w2保持恒定。第一光波导W100与侧片S100之间的距离dS可以在x轴方向上变化。随着距离dS减小，第一光波导W100的有效吸收系数可以增大，使得第一光波导W10的复折射率的有效虚部的变化量可以增大。第一光波导W100与第二光波导W200之间的距离dW可以在x轴方向上变化。然而，第一光波导W100与第二光波导W200之间的距离dW可以是大的，以这样的方式使得不相互影响它们的吸收系数。因此，即使距离dW变化，第一光波导W100和第二光波导W200也不会相互影响它们的吸收系数。中间连接部分P200的长度由L表示。取决于长度L，非互易光传输器件的特性和性能可以改变。
例如，如果第一光波导W100、第二光波导W200和侧片S100包括硅(Si)，则它们的厚度可以为约150nm，宽度w1的变化范围可以为约10nm，宽度w2可以为约800nm，dS的最小值可以为约70nm，dW的平均值可以小于等于约300nm。在另一示例中，如果第一光波导W100、第二光波导W200和侧片S100包括掺杂剂掺杂聚(甲基丙烯酸甲酯)即掺杂PMMA，则它们的厚度可以为约400nm，宽度w1的变化范围可以为约100nm，宽度w2可以为约1.2μm，dS的最小值可以为约300nm，dW的平均值可以小于等于约1.2μm。然而，光波导W100和W200以及侧片S100的材料和相关尺寸是示例，并且可以各种各样地改变。
图11C是图11A的非互易光传输器件的中间连接部分P200的剖视图。
参照图11C，第一光波导W100、第二光波导W200和侧片S100可以被提供在第一包覆层C100上。在第一包覆层C100上，第二包覆层C200还可以被提供以覆盖第一光波导W100、第二光波导W200和侧片S100。因此，第一光波导W100、第二光波导W200和侧片S100可以被认为嵌入在包覆层(C100+C200)中。第一包覆层C100可以是下层或支撑层，第二包覆层C200可以是上层或覆盖层。第一包覆层C100和第二包覆层C200可以包括具有比第一光波导W100、第二光波导W200和侧片S100的折射率更低的折射率的材料。第一包覆层C100和第二包覆层C200可以包括相同的材料或不同的材料。第一光波导W100、第二光波导W200和侧片S100可以包括具有比第一包覆层C100和第二包覆层C200的折射率更高的折射率的材料。第一光波导W100、第二光波导W200和侧片S100可以包括相同的材料或不同的材料。第一光波导W100、第二光波导W200和侧片S100的厚度由t表示。厚度t可以在第一光波导W100和第二光波导W200的纵向方向上保持基本恒定。然而，根据情况，第一光波导W100和第二光波导W200中的任何一个或两者的厚度t可以在第一光波导W100和第二光波导W200的纵向方向上变化。
图11D是根据另一示例实施方式的非互易光传输器件的透视图。
图11D中示出了图11A的结构还包括图11C的第一包覆层C100和第二包覆层C200的情况。在图11D中，第一包覆层C100和第二包覆层C200可以包括低折射率材料，第一光波导W100、第二光波导W200和侧片S100可以包括高折射率材料。这里，低折射率和高折射率可以具有指示折射率的放大率的相对概念。
参照图11D描述的非互易光传输器件的第一光波导W100、第二光波导W200和侧片S100可以包括例如半导体、聚合物、电介质和金属中的任何一种或任何组合。第一包覆层C100和第二包覆层C200可以包括诸如硅氧化物的电介质、或聚合物基材料。第一光波导W100和第二光波导W200的每个的宽度可以例如为约100nm到约100μm。具有可变宽度的第一光波导W100的宽度变化范围可以例如为约10nm到约10μm。第一光波导W100与第二光波导W200之间的距离可以例如为约10nm到约10μm。第一光波导W100与侧片S100之间的距离可以例如为约1nm到约10μm。中间连接部分P200的长度可以例如为约1μm到约15mm。非互易光传输器件的全长可以例如小于等于约20mm。第一光波导W100、第二光波导W200和侧片S100的厚度可以例如为约5nm到约2μm。非互易光传输器件的材料和相关尺寸可以应用于稍后描述的图13至16的示例实施方式。
图12是示出参照图11A至11D描述的非互易光传输器件中的第一光波导W100的宽度w1的变化样式和第一光波导W100与侧片S100之间的距离dS的变化样式的曲线图。
参照图12，w1在x轴方向上增大然后减小又再增大。dS可以在x轴方向上减小然后增大。然而，图12中所示的w1的变化样式和dS的变化样式是示例，它们的变化范围和变化趋势可以改变。
参照图11A至11D描述的非互易光传输器件的复折射率的变化可以与图2中所示的复折射率的变化相同或相似。将参照图13描述的非互易光传输器件的复折射率的变化可以与图1中所示的复折射率的变化相同或相似。
图13是根据另一示例实施方式的非互易光传输器件的中间连接部分的俯视图。
参照图13，第一光波导W110和第二光波导W210中的任何一个或两者可以在其纵向方向上经历宽度和/或厚度变化。这里，第一光波导W110和第二光波导W210两者的宽度变化。第一光波导W110的宽度可以在从光输入部分到光输出部分的方向上增大然后减小，并且可以在从光输出部分到光输入部分的方向上减小然后增大。第二光波导W210的宽度可以在从光输入部分到光输出部分的方向上减小然后增大，并且可以在从光输出部分到光输入部分的方向上增大然后减小。第一光波导W110与第一侧片S110之间的距离可以在从光输入部分到光输出部分的方向上减小然后增大。第二光波导W210与第二侧片S210之间的距离可以在从光输入部分到光输出部分的方向上增大然后减小。在这种情况下，非互易光传输器件的复折射率的变化可以与图1中所示的复折射率的变化相同或相似。
在图11B中，第一光波导W100的宽度的变化可以是图13的第一光波导W110的宽度的变化的约两倍。在图11B中，第一光波导W100与侧片S100之间的距离的变化可以是图13中的第一光波导W110与第一侧片S110之间的距离的变化的约两倍。为了方便，在图11B和13中，第一光波导W100和W110被示为彼此相同，并且侧片S100和S110被示为彼此相同，但是它们的变化在两个示例实施方式之间可以是不同的。在图11B中，两个光波导W100和W200中的一个W100的宽度变化，并且使用了一个侧片S100；而在图13中，两个光波导W110和W210两者的宽度变化，并且使用了两个侧片S110和S210，使得图11B的第一光波导W100的宽度的变化量可以被分配到图13的第一光波导W110和第二光波导W210，并且归因于图11B的侧片S100的效果(复折射指数的变化的效果)也可以被分配到图13的第一侧片S110和第二侧片S210。如果两个光波导W100和W200中仅一个W100的宽度变化并且使用了一个侧片S100，则可以简化结构并且可以有助于设计和制造。
图14、15和16是根据另外的示例实施方式的非互易光传输器件的中间连接部分的俯视图。这些图示出了可应用于每个非互易光传输器件的中间连接部分。
图14中所示的中间连接部分的复折射率的变化可以对应于图3中所示的复折射率的变化。第一光波导W120的宽度可以保持恒定，第二光波导W220的宽度可以在光输入部分与光输出部分之间变化。例如，第二光波导W220的宽度可以在从光输入部分到光输出部分的方向上减小然后增大，并且可以在从光输出部分到光输入部分的方向上增大然后减小。侧片S220可以在第二光波导W220的一侧，并且第二光波导W220与侧片S220之间的距离可以在从光输入部分到光输出部分的方向上增大然后减小。
图15中所示的中间连接部分的复折射率的变化可以对应于图4中所示的复折射率的变化。第一光波导W130的宽度在纵向方向上变化，第二光波导W230的宽度可以保持恒定。侧片S230可以在第二光波导W230的一侧，并且第二光波导W230与侧片S230之间的距离可以在从光输入部分到光输出部分的方向上增大然后减小。
图16中所示的中间连接部分的复折射率的变化可以对应于图5中所示的复折射率的变化。第一光波导W140的宽度可以保持恒定，第二光波导W240的宽度可以在纵向方向上变化。侧片S140可以在第一光波导W140的一侧，并且第一光波导W140与侧片S140之间的距离可以在从光输入部分到光输出部分的方向上减小然后增大。
包括其复折射率的变化与图6和7中所示的复折射率的变化对应的中间连接部分的非互易光传输器件可以被设计。例如，如果不包括第二侧片S210并且其效果被并入图13中的第一侧片S110，则可以看到如图6中所示的复折射率的变化。如果第二光波导W210的宽度保持恒定并且第二光波导W210的宽度的变化的效果被并入第一光波导W110，则可以看到如图7中所示的复折射率的变化。此外，各种形式的非互易光传输器件可以被设计以反映修改自图1至7的各种形式的复折射率的变化。
图17是示出根据一示例实施方式的非互易光传输器件的性能的测量结果的曲线图。图17包括关于非互易传输比(NTR)和正向传输效率(FTE)的分析计算(模型)的结果和有限元法(FEM)的仿真结果。图17中所示的结果是关于如图11D中所示构造的器件中的中间连接部分P200的长度L为1mm、5mm和10mm的三种情况。已经关于具有5mm的长度L的器件执行了FEM仿真。
参照图17中的上曲线图，可以在波长区域中看到相对较高的NTR(dB)。随着波长增加，NTR(dB)增大然后减小。随着器件(中间连接部分)的长度L增加，NTR(dB)增大。
参照图17的下曲线图，可以看出FTE(dB)关于波长的变化趋势。也可以看出FTE(dB)关于器件(中间连接部分)的长度L的变化趋势。这里，FTE(dB)是对数尺度。因此，0(零)的FTE(dB)意味着比例上的效率为1(输出/输入比)，即100％。
下表1从图17的结果获得，并示出了根据一示例实施方式的非互易光传输器件的主要特征参数。
[表1]
L [NTR]max λmax Δλ10-dB Δυ10-dB <FTE>avg
1mm 11.9dB 1.11μm 62nm 15.2THz 0.977
5mm 27.8dB 1.13μm 305nm 76.5THz 1.081
10mm 34.8dB 1.18μm 500nm 119.0THz 1.072
在表1中，[NTR]max表示NTR的最大值。如果长度L为约10mm，则设定了NTR的最大值，图17中的尖峰除外。<FTE>avg表示FTE在比例(比率)上的平均值。因此，当<FTE>avg为1时，意味着效率为100％。
在表1中，λmax表示与NTR的最大值即[NTR]max对应的波长。Δλ10-dB表示图17的NTR(dB)曲线图中NTR大于等于10dB的区域的波长宽度。Δν10-dB是Δλ10-dB(波长)转换成的频率值。Δν10-dB是表示非互易光传输器件的传输带宽的频率值。
根据一示例实施方式，可以实现具有高NTR、高FTE和宽传输带宽的非互易光传输器件。NTR可以大于等于约20dB或约30dB，带宽(10dB带宽)可以大于等于约70THz或约100THz。在带宽中，平均FTE可以约为1，使得根据一示例实施方式的非互易光传输器件可以被使用而(几乎)没有信号损失。根据一示例实施方式的非互易光传输器件可以是芯片集成型器件。因此，非互易光传输器件可以在芯片上被容易地制造，或者可以与其它光学元件(光学器件)一起集成在一个芯片中。这在光学芯片的制造和实现的容易性方面可以是有意义的。
传统的光隔离器采用了诸如钇-铁-石榴石(YIG)晶体等的单晶磁光介质中发生的法拉第旋转。然而，对于单晶磁光介质，薄膜沉积技术尚未建立，因而单晶磁光介质可能无法用于芯片集成型器件的实现。此外，基于单晶磁光介质的器件的长度为约5cm到约10cm，器件的剖面面积为约几个cm2，使得器件难以插入到高集成光学装置和系统中。关于诸如NTR、FTE、带宽等的性能，优良性能的实现上存在限制。
除了基于单晶磁光介质的器件之外，还存在应用了多晶磁光介质薄膜的Si波导谐振器器件、利用间接带间光子跃迁的波导衍射光栅器件、非线性非对称波导/光子晶体谐振器器件等，但是所有这些技术具有约100GHz或更小的窄带宽和低FTE，并且在一些情况下，可能不得不使用高功率光源，使得难以在实际水平实现器件。应用了多晶磁光介质薄膜的Si波导谐振器器件具有窄带宽(<2GHz)和低FTE(～1％)。利用间接带间光子跃迁的波导衍射光栅器件具有低NTR(<3dB)，并且10GHz频带的高功率(等于0.1W)超高频声波或电光行波发生器也必须与波导器件集成在一起。非线性非对称波导/光子晶体谐振器器件具有窄带宽(<100GHz)和低FTE(<10％)，并且仅对高功率光信号操作。
然而，根据本公开的一示例实施方式的非互易光传输器件可以在芯片上被容易地制造，同时容易地保证优良的性能，诸如高NTR、高FTE、宽带宽等。例如，可以实现约90％或更高的FTE和约100THz或更宽的带宽，并且可以实现低功率操作。根据一示例实施方式的非互易光传输器件利用了复折射率的变化而不依赖于谐振腔或拍现象，因而实现了非常宽的带宽(约100THz或更宽)。因此，根据一示例实施方式的非互易光传输器件可以用在用于下一代10THz或100THz级超宽带/超高密度数字信息处理的光学集成电路器件中。提议的各种非互易光学器件通常具有诸如窄带特性、低正向传输效率、需要非现实超高频声波发生器、仅对高功率光波的可操作性、不可集成等的限制和问题。根据一示例实施方式的非互易光传输器件可以克服这样的限制和问题，因而被应用于下一代数字光学信息处理装置和系统的实现。
在上述示例实施方式中，主要对两个光波导应用于非互易光传输器件的中间连接部分的情况进行了描述和说明，但是在一些情况下，两个或更多个光波导可以应用于中间连接部分。图18中示出了这样的示例。
图18是根据另一示例实施方式的非互易光传输器件的中间连接部分的俯视图。
参照图18，中间连接部分可以包括第一光波导W150、第二光波导W250、第三光波导W350和第四光波导W450。第一光波导W150至第四光波导W450中的任何一个或任何组合的宽度可以在从光输入部分到光输出部分的方向上变化。这里，第一光波导W150和第四光波导W450的宽度变化。第二光波导W250和第三光波导W350的宽度可以保持恒定，而基本上(全局上)不变。第一侧片S150可以被进一步提供在第一光波导W150的一侧。第二侧片S250可以被进一步提供在第四光波导W450的一侧。第一光波导W150与第一侧片S150之间的距离可以在光输入部分与光输出部分之间变化。第四光波导W450与第二侧片S250之间的距离可以在光输入部分与光输出部分之间变化。第一光波导W150、第二光波导W250和第一侧片S150的结构可以与图11B的第一光波导W100、第二光波导W200和侧片S100的结构类似。第三光波导W350、第四光波导W450和第二侧片S250的结构可以与第一光波导W150、第二光波导W250和第一侧片S150的结构对称。然而，图18中描述的第一光波导W150至第四光波导W450的形式以及第一侧片S150和第二侧片S250的形式是示例，并且可以各种各样地改变。例如，基于图13至16的示例实施方式，图18的结构可以被各种各样地修改。在多个光波导W150至W450的每个的一侧，连接到其的光输入部分可以被提供，在所述多个光波导W150至W450的每个的另一侧，连接到其的光输出部分可以被提供。光输入部分和光输出部分的每个可以包括四个分支。中间连接部分中包括的光波导的数量可以等于3或者大于等于5。在一些情况下，侧片可以被提供在多个光波导之间。
虽然已经在图11A至18中主要对光波导的宽度变化以及光波导与侧片之间的距离被调节的情况进行了描述，但是光波导的厚度而非光波导的宽度可以变化。在这种情况下，光波导的厚度在纵向方向上的变化趋势可以与宽度的变化趋势类似。在一些情况下，光波导的宽度和厚度两者可以一起变化。此外，光波导的宽度/厚度变化(即体积变化)以及光波导与侧片之间的距离的调节可以不一起使用。换言之，当光波导的宽度/厚度在纵向方向上变化时，侧片的效果可以以其它方式实现而不使用侧片。而且，当使用至少一个侧片时，光波导中的宽度/厚度变化的效果可以以其它方式实现而不改变光波导的宽度/厚度。此外，根据示例实施方式的非互易光传输器件中包括的光输入部分、光输出部分和中间连接部分中的一部分可以包括半导体、聚合物、电介质和金属中的任何一种或任何组合。
根据上述示例实施方式的非互易光传输器件可以应用于各种领域中的光学器件。
图19是根据一示例实施方式的应用了非互易光传输器件的光学装置的透视图。
参照图19，根据一示例实施方式的非互易光传输元件E2被提供在基板SUB1上。非互易光传输元件E2可以对应于已经参照图1至18描述的非互易光传输器件。非互易光传输元件E2可以是一种光隔离器。可以提供用于将光输入到非互易光传输元件E2的光输入部分的输入端子连接光学元件E1。还可以提供用于接收从非互易光传输元件E2的光输出部分输出的光的输出端子连接光学元件E3。输入端子连接光学元件E1和输出端子连接光学元件E3可以与非互易光传输元件E2一起被提供在相同的基板SUB1上。输入端子连接光学元件E1可以包括例如光源。光源可以是激光源或其它光源。输出端子连接光学元件E3可以包括波导和光学部件。还可以在基板SUB1上提供连接到输出端子连接光学元件E3的至少一个其它光学元件。
例如，根据示例实施方式的非互易光传输器件(元件)可以应用于光探测和测距(LiDAR)装置。在图20中，根据一示例实施方式的非互易光传输器件(元件)被应用于LiDAR装置的波束控制器件。
图20是根据一示例实施方式的应用了非互易光传输器件的波束控制器件的剖视图。
参照图20，波束控制器件可以包括提供在基板SUB10上的输入光学元件E10和输出光学元件E50。输入光学元件E10可以是光源或从外部光源接收光的输入耦合器。输出光学元件E50可以是发射光的发射器。输出光学元件E50可以是一种输出耦合器。波束控制器件还可以包括在输入光学元件E10与输出光学元件E50之间的非互易光传输元件E20、分光器E30和光调制器E40。非互易光传输元件E20可以对应于已经参照图1至18描述的非互易光传输器件。分光器E30将从非互易光传输元件E20传送的光分成多个光。光调制器E40调制所述多个分开的光。从输出光学元件E50发射的光(即发射光)的方向可以通过光调制器E40中的光的调制而被控制。
绝缘层N10被可选地提供在基板SUB10上，并且输入光学元件E10、非互易光传输元件E20、分光器E30、光调制器E40和输出光学元件E50可以被提供在绝缘层N10上。为了方便，输入光学元件E10、非互易光传输元件E20、分光器E30、光调制器E40和输出光学元件E50被示为简单结构。光波导(们)可以被提供在两个相邻元件之间，即在输入光学元件E10与非互易光传输元件E20之间、在非互易光传输元件E20与分光器E30之间、在分光器E30与光调制器E40之间、以及在光调制器E40与输出光学元件E50之间。
在基板SUB10上，还可以提供覆盖层C10以覆盖输入光学元件E10、非互易光传输元件E20、分光器E30、光调制器E40和输出光学元件E50。覆盖层C10可以包括具有低折射率的低指数材料。例如，覆盖层C10可以包括诸如硅氧化物的电介质、或聚合物基材料。覆盖层C10也可以用作一种保护层。然而，在一些情况下，可以不使用覆盖层C10。
输入光学元件E10、非互易光传输元件E20、分光器E30、光调制器E40和输出光学元件E50中的任何一个或任何组合可以包括半导体、聚合物、电介质和金属中的任何一种或任何组合。例如，输入光学元件E10、非互易光传输元件E20、分光器E30、光调制器E40和输出光学元件E50中的任何一个或任何组合可以包括IV族材料(例如Si、Ge等)、包括IV族材料的化合物(例如SiGe等)、III-V族化合物、氧化物、氮化物和聚合物中的任何一种或任何组合。在一些情况下，输入光学元件E10、非互易光传输元件E20、分光器E30、光调制器E40和输出光学元件E50中的至少两个可以包括不同的材料。如果基板SUB10包括硅Si，或者输入光学元件E10、非互易光传输元件E20、分光器E30、光调制器E40和输出光学元件E50中的任何一个或任何组合包括Si，则根据当前示例实施方式的波束控制器件可以使用“硅光子学”领域中的技术来实现/制造。硅光子技术可以为了工艺的容易而被使用，因为硅光子技术可以和互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺一起使用(即与CMOS工艺兼容)。
图21是根据一示例实施方式的包括应用了非互易光传输器件的波束控制器件的光学装置A1的总体系统的框图。光学装置A1可以是LiDAR装置。
参照图21，光学装置A1可以包括波束控制器件1000。波束控制器件1000可以包括根据一示例实施方式的非互易光传输器件，例如，可以具有参照图20描述的器件结构。光学装置A1可以在波束控制器件1000中包括光源，或者可以包括与波束控制器件1000分开提供的光源。光学装置A1可以包括探测器2000，其探测被波束控制器件1000控制然后被物体反射的光。探测器2000可以包括光接收器。探测器2000还可以包括过滤器或其它光学构件。光学装置A1还可以包括连接到波束控制器件1000和探测器2000中的任何一个或两者的电路3000。电路3000可以包括获得并计算数据的计算器(处理器)，并且还可以包括驱动器、控制器等。电路3000还可以包括电源、存储器等。
虽然光学装置A1在图21中被示为在一个装置中包括波束控制器件1000和探测器2000，但是波束控制器件1000和探测器2000可以被分别提供在单独的装置中，而不是提供在一个装置中。电路3000可以通过无线通信而非有线通信连接到波束控制器件1000或探测器2000。图21中所示的结构可以各种各样地改变。
根据一示例实施方式的光学装置可以是LiDAR装置。LiDAR装置可以是飞行时间(TOF)型或相移型。LiDAR装置可以应用于自动驾驶车辆、像无人机等的飞行物、移动设备、小型行走装置(例如自行车、摩托车、婴儿车、板等)、机器人、用于人/动物的辅助装置(例如手杖、头盔、装饰物、手表、袋子等)、物联网(IoT)装置/系统、安全装置/系统等。根据一示例实施方式的波束控制器件和包括其的光学装置可以应用于用来获得三维(3D)图像的装置、3D照相机等。此外，根据一示例实施方式的波束控制器件和包括其的光学装置可以为了各种各样的目的应用于各种各样的光学和电子器件领域。除波束控制器件或LiDAR装置之外，根据一示例实施方式的非互易光传输器件还适用于其它各种光学装置。例如，非互易光传输器件可以应用于包括移动卫生保健装置的各种卫生保健装置。
图22是示出根据一示例实施方式的应用了非互易光传输器件的集成光学处理器的图。
参照图22，集成光学处理器可以包括根据一示例实施方式的非互易光传输器件E200。非互易光传输器件E200可以是一种芯片上光隔离器。用于将光输入到非互易光传输器件E200的光源E100可以被提供。从非互易光传输器件E200延伸的总线波导可以被提供。
根据一示例实施方式的非互易光传输器件可以应用于基于非线性效应的任何光学器件以及使用激光光源的装置。基于非线性效应的光学器件可以包括光逻辑运算器件、波长转换器件、光放大器、光缓存器、高次谐波发生器件等。根据一示例实施方式的非互易光传输器件可以应用于光学二极管、光学循环器等以及光隔离器。
在下文中，将对制造根据一示例实施方式的非互易光传输器件的方法进行简要描述。
根据一示例实施方式的非互易光传输器件可以在各种各样的基板上被制造。例如，非互易光传输器件可以在半导体基板、绝缘基板或导电基板上被制造。如果使用半导体基板，则可以使用普通的半导体基板、绝缘体上半导体(SOI)基板、玻璃上半导体(SOG)基板等。非晶半导体层(例如Si层)在基板上形成(生长)之后，非互易光传输器件可以从非晶半导体层被制造。例如，使用SOI基板制造非互易光传输器件的方法可以如图23A至23D中所示。
图23A、23B、23C和23D是示出制造根据一示例实施方式的非互易光传输器件的方法的剖视图。
参照图23A，绝缘层110可以被提供在第一基板100上，半导体层120可以被提供在绝缘层110上。第一基板100可以是半导体基板。第一基板100、绝缘层110和半导体层120可以形成一个SOI基板。绝缘层110可以是电介质或聚合物。半导体层120可以包括诸如Si、Ge、SiGe等的各种半导体中的任何一种或任何组合。
参照图23B，多个光波导120a和120b可以通过图案化半导体层120而从半导体层120形成。例如，第一光波导120a和第二光波导120b可以被形成。当执行图案化时，至少一个侧片120c可以从半导体层120进一步形成。第一光波导120a、第二光波导120b和侧片120c可以对应于参照图11A描述的第一光波导W100、第二光波导W200和侧片S100。在绝缘层110上，包覆层130可以形成为覆盖第一光波导120a、第二光波导120b和侧片120c。包覆层130可以由电介质或聚合物形成。
参照图23C，其上形成包覆层130的第一基板100可以接合到第二基板200。包覆层130的一个表面可以接合到第二基板200的一个表面。因此，包覆层130可以被提供在第一基板100与第二基板200之间。接合层210可以被提供在第二基板200与包覆层130之间。接合层210可以包括聚合物、金属等。在一些情况下，可以不使用接合层210。
接着，第一基板100可以从图23C中所示的结构(沉积结构)被去除/分离。所得物在图23D中被示出。参照图23D，包覆层130可以被提供在第二基板200上，并且第一光波导120a、第二光波导120b和侧片120c可以被提供在包覆层130中。在包覆层130上，绝缘层110可以被提供为覆盖第一光波导120a、第二光波导120b和侧片120c。绝缘层110可以是上包覆层。
参照图23A至23D描述的制造非互易光传输器件的方法是示例，并且可以各种各样地改变。该方法可以根据基板的材料、光波导的材料等各种各样地改变。如图23A至23D中执行的转移工艺可以不被使用。当非互易光传输器件被制造时，连接到其的至少一个光学元件可以被进一步形成以制造各种各样的光学装置。
虽然上文已经描述了各种各样的细节，但是它们可以被解释为提供示例实施方式的示例，而不是限制示例实施方式的范围。例如，本领域普通技术人员可以认识到，已经参照图1至18描述的非互易光传输器件的详细结构可以各种各样地改变。参照图19至22描述的光学装置的结构也可以各种各样地改变。此外，非互易光传输器件和光学装置的应用领域和应用方案可以各种各样地改变。因此，示例实施方式的范围可以由权利要求的技术精神而非由所述示例实施方式限定。
可以理解，在此描述的示例实施方式可以仅在描述性的意义上被考虑，并且不是为了限制的目的。对示例实施方式的每个中的特征或方面的描述可以被认为可用于其它示例实施方式中的其它类似特征或方面。
虽然已经参照附图描述了示例实施方式，但是本领域普通技术人员将理解，可以在此作出形式和细节上的各种各样的改变而不背离由所附权利要求限定的精神和范围。
本申请要求享有2016年12月30日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2016-0184358号的优先权，其公开通过引用全文合并于此。

Claims (25)

1.一种非互易光传输器件，包括：
光输入部分；
光输出部分；以及
中间连接部分，其插置在所述光输入部分与所述光输出部分之间并包括多个光波导，
其中所述多个光波导中的任何一个或任何组合的复折射率在所述光输入部分与所述光输出部分之间变化，并且经过所述非互易光传输器件的光的传输方向由所述复折射率的变化控制。
2.根据权利要求1所述的非互易光传输器件，其中所述复折射率在从所述光输入部分到所述光输出部分的方向上的变化样式和所述复折射率在从所述光输出部分到所述光输入部分的方向上的变化样式关于所述中间连接部分的中心非对称。
3.根据权利要求1所述的非互易光传输器件，其中所述多个光波导包括第一光波导和第二光波导，以及
所述第一光波导的复折射率的实部的变化量(Δn1')与所述第二光波导的复折射率的实部的变化量(Δn2')之间的差额在从所述光输入部分到所述光输出部分的方向上增大然后减小，并且在从所述光输出部分到所述光输入部分的方向上减小然后增大。
4.根据权利要求3所述的非互易光传输器件，其中所述第一光波导的所述复折射率的虚部的变化量(Δn1")与所述第二光波导的所述复折射率的虚部的变化量(Δn2")之间的差额在从所述光输入部分到所述光输出部分的所述方向上增大然后减小。
5.根据权利要求1所述的非互易光传输器件，其中所述多个光波导包括第一光波导和第二光波导，以及
所述第一光波导的复折射率的虚部的变化量(Δn1")与所述第二光波导的复折射率的虚部的变化量(Δn2")之间的差额在从所述光输入部分到所述光输出部分的方向上增大然后减小。
6.根据权利要求1所述的非互易光传输器件，其中所述多个光波导中的任何一个或任何组合的宽度和厚度中的任何一个或两者在从所述光输入部分到所述光输出部分的方向上变化。
7.根据权利要求6所述的非互易光传输器件，其中所述多个光波导中的一个的宽度和厚度中的任何一个或两者在从所述光输入部分到所述光输出部分的所述方向上增大然后减小，并且在从所述光输出部分到所述光输入部分的方向上减小然后增大。
8.根据权利要求6所述的非互易光传输器件，其中所述多个光波导中的一个的宽度和厚度中的任何一个或两者在从所述光输入部分到所述光输出部分的所述方向上减小然后增大，并且在从所述光输出部分到所述光输入部分的方向上增大然后减小。
9.根据权利要求1所述的非互易光传输器件，还包括侧片，其设置在所述中间连接部分的一侧并且在所述多个光波导当中的光波导的一侧，
其中所述侧片与所述光波导之间的距离在从所述光输入部分到所述光输出部分的方向上变化。
10.根据权利要求9所述的非互易光传输器件，其中所述侧片与所述光波导之间的所述距离在从所述光输入部分到所述光输出部分的所述方向上减小然后增大。
11.根据权利要求9所述的非互易光传输器件，其中所述侧片与所述光波导之间的所述距离在从所述光输入部分到所述光输出部分的所述方向上增大然后减小。
12.根据权利要求1所述的非互易光传输器件，还包括侧片，其设置在所述中间连接部分的一侧并且在所述多个光波导当中的光波导的一侧，
其中所述侧片与所述光波导之间的距离在从所述光输入部分到所述光输出部分的方向上变化，以及
所述多个光波导中的任何一个或任何组合的宽度和厚度中的任何一个或两者在从所述光输入部分到所述光输出部分的所述方向上变化。
13.根据权利要求1所述的非互易光传输器件，其中所述光输入部分和所述光输出部分中的任何一个或两者具有Y分支结构。
14.根据权利要求1所述的非互易光传输器件，其中所述光输入部分、所述光输出部分和所述中间连接部分中的一部分包括半导体、聚合物、电介质和金属中的任何一种或任何组合。
15.一种光学装置，包括：
根据权利要求1所述的非互易光传输器件；
第一光学元件，其被配置为将光输入到所述非互易光传输器件的所述光输入部分中；以及
第二光学元件，其被配置为接收从所述非互易光传输器件的所述光输出部分输出的光。
16.根据权利要求15所述的光学装置，其中所述非互易光传输器件、所述第一光学元件和所述第二光学元件的任何组合设置在芯片上。
17.根据权利要求15所述的光学装置，其中所述光学装置是光探测和测距装置。
18.根据权利要求15所述的光学装置，其中所述光学装置是卫生保健装置。
19.一种非互易光传输器件，包括：
光输入部分；
光输出部分；以及
中间连接部分，其插置在所述光输入部分与所述光输出部分之间并包括多个光波导，
其中所述多个光波导中的任何一个或任何组合的宽度和厚度中的任何一个或两者在从所述光输入部分到所述光输出部分的方向上变化。
20.根据权利要求19所述的非互易光传输器件，其中所述多个光波导中的任何一个或任何组合的复折射率在所述光输入部分与所述光输出部分之间变化。
21.根据权利要求19所述的非互易光传输器件，其中所述多个光波导包括第一光波导和第二光波导，以及
所述第一光波导的复折射率的实部的变化量(Δn1')与所述第二光波导的复折射率的实部的变化量(Δn2')之间的差额在从所述光输入部分到所述光输出部分的所述方向上增大然后减小，并且在从所述光输出部分到所述光输入部分的方向上减小然后增大。
22.根据权利要求19所述的非互易光传输器件，其中所述多个光波导包括第一光波导和第二光波导，以及
所述第一光波导的复折射率的虚部的变化量(Δn1")与所述第二光波导的复折射率的虚部的变化量(Δn2")之间的差额在从所述光输入部分到所述光输出部分的所述方向上增大然后减小。
23.根据权利要求19所述的非互易光传输器件，其中所述多个光波导中的一个的宽度和厚度中的任何一个或两者：
在从所述光输入部分到所述光输出部分的所述方向上增大然后减小，并且在从所述光输出部分到所述光输入部分的方向上减小然后增大；或者
在从所述光输入部分到所述光输出部分的所述方向上减小然后增大，并且在从所述光输出部分到所述光输入部分的所述方向上增大然后减小。
24.根据权利要求19所述的非互易光传输器件，还包括侧片，其设置在所述中间连接部分的一侧并且在所述多个光波导当中的光波导的一侧，
其中所述侧片与所述光波导之间的距离在从所述光输入部分到所述光输出部分的所述方向上减小然后增大，或者在从所述光输入部分到所述光输出部分的方向上增大然后减小。
25.一种光学装置，包括：
根据权利要求19所述的非互易光传输器件；
第一光学元件，其被配置为将光输入到所述非互易光传输器件的所述光输入部分中；以及
第二光学元件，其被配置为接收从所述非互易光传输器件的所述光输出部分输出的光。
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