CN109564326B - 具有绝热弯曲部的单模波导 - Google Patents

具有绝热弯曲部的单模波导 Download PDF

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Abstract

一种单模波导，所述单模波导具有直线部分(215、240)和弯曲部分(210)，所述弯曲部分(210)具有绝热弯曲部的形状。所述单模波导具有弯曲部分，所述弯曲部分根据绝热弯曲部而成形，具有连续变化的曲率，并且所述弯曲部分在所述弯曲部分与所述波导的直线部分邻接的点(220)处消失。无曲率不连续性避免了在所述波导内光功率从基本模式(225)到较高阶模式(230)的耦合，并且所述弯曲部分的所述曲率在较高阶模式中导致可在任一末端耦合到所述波导中的光功率的衰减。

Description

具有绝热弯曲部的单模波导
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年6月3日提交的题为“使用绝热弯曲部的阵列式波导光栅(AWG)中的高效较高阶模式(HOM)控制(Efficient High Order Modes (HOMs) Control inArrayed Waveguide Gratings (AWGs) Using Adiabatic Bends)”的美国临时申请No.62/345,671和2017年4月17日提交的美国申请No. 15/489,669的优先权和权益，这两个申请的全部内容以引用的方式并入本文中。
技术领域
根据本发明的实施方案的一个或多个方面涉及大光学脊形波导，并且更具体地说，涉及具有绝热弯曲部的单模波导。
背景技术
已经提出大单模脊形波导以沿着集成电路的各种路径引导光，因为它们允许放宽的制造公差并且更容易耦合到外部光纤。由于大的横截面，在大单模脊形波导中可能发生泄漏较高阶模式的瞬态传播，这可能具有倾向于降低光子集成电路性能的效果。因此，需要一种改进的系统和方法，用于最小化大光学脊形波导中的泄漏较高阶模式的瞬态传播。
发明内容
本公开的实施方案的方面涉及具有直线部分和弯曲部分的大单模脊形波导，所述弯曲部分具有绝热弯曲部的形状。所述大单模脊形波导具有弯曲部分，所述弯曲部分根据绝热弯曲部成形，其曲率连续变化，并且在波导的弯曲部分与直线部分邻接的点处消失。无曲率不连续性避免了在波导内从基模到泄漏较高阶模式的光功率的耦合，并且弯曲部分的曲率导致光功率的衰减，在泄漏较高阶模式中，光功率可以在任一端耦合到波导。
根据本发明的实施方案，提供了一种具有输入波导和输出波导的阵列式波导光栅，所述阵列式波导光栅包括：第一输入星形耦合器孔隙，所述第一输入星形耦合器孔隙连接到所述输入波导；第一自由传播区域；第一输出星形耦合器孔隙；第二输入星形耦合器孔隙；波导阵列，所述波导阵列延伸到所述第一输出星形耦合器孔隙和所述第二输入星形耦合器孔隙中，并且将所述第一输出星形耦合器孔隙连接到所述第二输入星形耦合器孔隙；第二自由传播区域；以及第二输出星形耦合器孔隙，所述第二输出星形耦合器孔隙连接到所述输出波导，所述第一输入星形耦合器孔隙经由所述第一自由传播区域耦合到所述第一输出星形耦合器孔隙，所述第二输入星形耦合器孔隙经由所述第二自由传播区域耦合到所述第二输出星形耦合器孔隙，所述波导阵列中的第一波导具有：第一部分，以及第二部分，所述第二部分具有第一末端和第二末端，所述第一部分位于所述第一输出星形耦合器孔隙内，并且具有小于0.01/mm的最大曲率，所述第二部分位于所述第一输出星形耦合器孔隙外部，所述第二部分在所述第二部分的所述第一末端处与所述第一部分邻接，所述第二部分：在所述第二部分的所述第一末端处具有小于0.01/mm的曲率，在所述第二部分的所述第二末端处具有小于0.01/mm的曲率，并且在所述第二部分的所述第一末端与所述第二部分的所述第二末端之间的点处具有大于0.3/mm的曲率，并且在所述第一波导的包括所述第一部分和所述第二部分的一段上的任意位置处，所述第一波导的曲率变化率的幅度小于15/mm2。
在一个实施方案中，波导阵列的第一波导还具有：第三部分；以及第四部分，所述第四部分具有第一末端和第二末端，所述第三部分位于所述第二输入星形耦合器孔隙内并且具有小于0.01/mm的最大曲率，所述第四部分位于所述第二输入星形耦合器孔隙外部，所述第四部分在所述第四部分的所述第一末端处与所述第三部分邻接，所述第四部分：在所述第四部分的所述第一末端处具有小于0.01/mm的曲率，并且在所述第四部分的所述第二末端处具有大于0.3/mm的曲率，并且在所述第一波导的包括所述第三部分和所述第四部分的一段上的任意位置处，所述第一波导的所述曲率变化率的所述幅度小于15/mm2。
在一个实施方案中，所述第一输出星形耦合器孔隙包括多个锥状脊形波导。
在一个实施方案中，所述锥状脊形波导中的每一个具有脊部，所述脊部具有：在所述第一输入星形耦合器孔隙的邻近于所述第一自由传播区域的第一末端处的第一宽度，以及在所述第一输入星形耦合器孔隙的第二末端处的第二宽度，所述第二末端与所述第一输入星形耦合器孔隙的所述第一末端相对，所述第一宽度比所述第二宽度大至少30%。。
在一个实施方案中，所述第一输出星形耦合器孔隙具有一定长度并且包括：在所述波导阵列的第一侧上的第一虚设波导，所述第一虚设波导仅沿着所述第一输出星形耦合器孔隙的所述长度延伸；以及在所述波导阵列的与所述第一侧相对的第二侧上的第二虚设波导，所述第二虚设波导仅沿着所述第一输出星形耦合器孔隙的所述长度延伸。。
在一个实施方案中，在第一L形弯曲部分内，所述波导阵列中的每个波导具有弯曲部，从而导致方向变化大于60度且小于120度，并且在第二L形弯曲部分内，所述波导阵列中的每个波导具有弯曲部，从而导致方向变化大于60度且小于120度。
在一个实施方案中，在所述第一L形弯曲部分内，所述波导阵列中的每个波导是条形波导，并且在所述第二L形弯曲部分内，所述波导阵列中的每个波导是条形波导。
在一个实施方案中，所述波导阵列中的每个波导在所述第一L形弯曲部分与所述第二L形弯曲部分之间具有直线部分。
在一个实施方案中，所述波导阵列在所述第一输出星形耦合器孔隙与所述第一L形弯曲部分之间具有脊形到条形转换器部分，所述脊形到条形转换器具有脊形末端和条形末端，所述波导阵列中的每个波导在所述脊形到条形转换器的所述脊形末端处为脊形波导，并且在所述脊形到条形转换器的所述条形末端处为条形波导，并且在所述脊形到条形转换器内，具有从脊形波导的横截面到条形波导的横截面连续变化的横截面。
在一个实施方案中，在所述脊形到条形转换器内，所述波导阵列中的每个波导具有小于0.01/mm的曲率。
在一个实施方案中，所述波导阵列中的每个波导沿着其长度具有幅度小于15/mm2的曲率变化率。
在一个实施方案中，所述第二部分被配置成从所述第二部分的所述第一末端透射到所述第二部分的所述第二末端：在衰减小于1 dB时为：基本横向电模式，以及基本横向磁模式，和在衰减大于10 dB时为：一阶横向电模式，以及一阶横向磁模式。
根据本发明的实施方案，提供了一种光学结构，所述光学结构包括：波导区段，所述波导区段具有至少为0.3/mm的最大曲率；以及干涉区域，所述干涉区域直接连接到所述波导区段的一个末端，在所述波导区段上的任意位置处，曲率变化率的幅度小于15/mm2。
在一个实施方案中，所述波导区段具有至少为0.5 mm的长度。
在一个实施方案中，所述干涉区域是多模干涉耦合器。
在一个实施方案中，所述光学结构包括具有两个臂的马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪，所述多模干涉耦合器是光功率分配器或光功率组合器，并且所述波导区段是所述两个臂中的一个的一部分。
在一个实施方案中，所述干涉区域是星形耦合器的自由传播区域。
根据本发明的实施方案，提供了一种光波导，所述光波导包括：波导区段，所述波导区段由以下组成：波导的第一部分；以及波导的第二部分，所述光波导是单模光波导，波导的所述第二部分与波导的所述第一部分邻接，波导的所述第一部分具有至少为0.2 mm的长度以及至多为0.01/mm的最大曲率，波导的所述第二部分具有至少为0.5 mm的长度以及至少为0.3/mm的最大曲率，并且在所述波导区段上的任意位置处，曲率变化率的幅度小于15/mm2。
在一个实施方案中，所述光学装置包括锥状脊部，所述锥状脊部在所述第一部分的第一末端处的宽度比所述锥状脊部在所述第一部分的与所述第一部分的所述第一末端相对的第二末端处的宽度大至少30%，所述第一部分具有至少为0.2 mm的长度和至多为0.01/mm的最大曲率。
在一个实施方案中，沿着所述波导区段的第二部分的曲率变化率恒定在20%以内，所述第二部分具有至少为0.5 mm的长度以及至少为0.3/mm的最大曲率。
在一个实施方案中，所述光学装置包括如权利要求18所述的光波导，其中：波导的所述第二部分具有与波导的所述第一部分邻接的第一末端以及第二末端，所述第二末端被配置成接收从光纤的邻近于所述第二末端的末端透射的光。
在一个实施方案中，波导的所述第二部分具有S形状。
附图说明
参考说明书，权利要求和附图将理解和理解本发明的这些和其它特征和优点，其中：
图1是根据本发明实施方案的阵列式波导光栅的平面图；
图2A是根据本发明实施方案的阵列式波导光栅的一部分的平面图；
图2B是图2B的一部分的放大视图。参考图2A，根据本发明的实施方案；
图3A是根据本发明的实施方案的阵列式波导光栅的一部分的平面图；
图3B是图3B的一部分的放大视图。参考图2A，根据本发明的实施方案；
图4A是根据本发明实施方案的脊形波导的截面图；
图4B是根据本发明实施方案的条形波导的横截面；
图4C是根据本发明的一个实施方案的共用板上的脊形波导阵列的一部分的横截面图；
图4D是根据本发明的一个实施方案的脊形到条形转换器的横截面的一部分；
图5是根据本发明的一个实施方案的作为弯曲半径的函数的损耗图；以及
图6是根据本发明实施方案的包括模式剥离器的光子集成电路的平面图。
具体实施方式
以下结合附图阐述的详细描述旨在作为具有根据本发明提供的绝热弯曲部的大单模脊形波导的示例性实施方案的描述，并且不旨在表示可以构造或利用本发明的仅有形式。所述描述结合所示实施方案阐述了本发明的特征。然而，应理解，相同或等效的功能和结构可以通过不同的实施方案来实现，这些实施方案也旨在涵盖在本发明的精神和范围内。如本文其它地方所示，相同的元件编号旨在表示相同的元件或特征。
参考图1，在一个实施方案中，阵列式波导光栅包括连接到第一输入星形耦合器孔隙110的第一光波导(或简称“波导”) 105、第一自由传播区域115、包括第一输出星形耦合器孔隙125和第二输入星形耦合器孔隙130的波导阵列120、第二自由传播区域135和连接到多个第二波导145的第二输出星形耦合器孔隙140。第一输入星形耦合器孔隙110、第一自由传播区域115和第一输出星形耦合器孔隙125一起形成第一星形耦合器，并且第二输入星形耦合器孔隙130、第二自由传播区域135和第二输出星形耦合器孔隙140一起形成第二星形耦合器。尽管本文的一些术语被选择为对应于光经由阵列式波导光栅从第二波导145中的一个或多个传播到第一波导105中，但阵列式波导光栅可以在任一方向上操作，例如，第一波导是输入或输出。因此，尽管波导(例如，第一波导105)在本文中可称为“输入”波导，但所述术语仅旨在将其与一个或多个其它波导(例如，第二波导145中的一个)区分开，每个波导都可以被称为“输出”波导，本公开或权利要求不限于光的特定传播方向。当在一个方向上使用时，第一波导105可以是输入，并且可以引导光经由第一波导105到第一输入星形耦合器孔隙110，其中所述光可以被发射到第一自由传播区域115中并且在所述第一自由传播区域上传播。接着，光可以通过第一输出星形耦合器孔隙125从第一自由传播区域115耦合到波导阵列120的所有波导，所述光通过波导阵列120的波导引导到第二输入星形耦合器孔隙130，并且通过第二输入星形耦合器孔隙130发射到第二自由传播区域135中。在第二自由传播区域135的另一端，波长相关干涉可以使不同波长的光在多个第二波导145中的延伸到第二输出星形耦合器孔隙140中的不同波导的位置处形成峰值。处于这些不同波长的光可以相应地经由第二输出星形耦合器孔隙140耦合到多个第二波导145中的不同相应波导中。在一些实施方案中，光可以在相反方向上传播经过第二输出星形耦合器孔隙140，其中多个第二波导145中的一个或多个是输入，并且第一波导105是输出。
尽管图1中示出了1×N阵列式波导光栅，具有一个第一波导105和多个第二波导(例如，N个第二波导)，但其它实施方案可以按类似的方式制造为具有M个第一波导和N个第二波导的M×N阵列式波导光栅。类似地，可以将其它实施方案制造成循环N×N阵列式波导光栅或非循环N×N阵列式波导光栅。本发明的实施方案可以在适合于形成紧密90度弯曲的任何高折射率对比系统中制造，例如绝缘体上硅(SOI)、磷化铟(InP)或氮化硅/二氧化硅(SiN/SiO2)。
在波导阵列120中传播的光中存在泄漏较高阶模式(为简洁起见，可称为“较高阶模式”)的程度上，它们可能导致性能下降。举例来说，如果在波导阵列120的波导中激发出的泄漏较高阶模式超出基模、具有相对于基模的不同传播速度，则将在第二输出星耦合器孔隙140处产生干涉模式，所述干涉模式不同于在波导阵列120中传播的基模所引起的干涉模式，并且这可能例如导致原本不存在的光谱响应中的鬼峰。举例来说，如果阵列式波导光栅被配置成使得第一波导105是输入，则第二自由传播区域135的输出处的鬼峰可以导致光耦合到输出波导中(此并非预期的)，从而产生串扰。
阵列式波导光栅的波导是单模的，例如，它们可以引导两种基模(例如，“TE0”横向电基模或“TM0”横向磁基模；这些模式理论上可以传播而在具有由无损介电材料组成的光滑壁的直波导的理想情况下无损耗) ，并且它们可以支持泄漏较高阶模式，其本身是有损的，表现出几dB/cm的量级的损耗，其可以在经历显著衰减之前在装置内部长距离传播并且可能因此对装置的正常操作构成威胁。
通过各种机制可以发生到较高阶模式的耦合。举例来说，参考图2A和2B，在一些实施方案中，波导可以包括遵循圆弧或“圆形弯曲”的弯曲部分210，接着是直线部分215，使得在弯曲部分210与直线部分215之间的边界或过渡区220处，曲率不连续变化。弯曲部分210的基模225 (例如，横向电基模或横基磁模)可以偏离波导的中心；因此，在弯曲部分210与直线部分215之间的边界220处(其中对应的基模230居中)，在弯曲部分210中传播的基模225可以耦合到对应基模230的叠加和在直线部分215中的较高阶(例如，一阶)模式。尽管可以通过制造波导段以使得其相应光轴之间存在偏移来补偿直线部分与弯曲部分中的基模的未对准，但这种偏移可能引起反射，这也可能降低阵列式波导光栅的性能。在图2A和2B的结构中，在另一直线部分240 (例如，在第二输入星形耦合器孔隙130内)与弯曲部分210之间的接合处可能发生到一个或多个较高阶模式的类似耦合，但这些较高阶模式可以在弯曲部分210内显著衰减(例如，它们可以辐射出弯曲部分)，如“X”345所示，并且如下文进一步详细论述。如果自由空间波的相前(phase front)不垂直于波导的光轴，则光也可能耦合到一个或多个较高阶模式，其中光从一个自由传播区域耦合到波导中。举例来说，当多个第二波导145中的一个或多个是阵列式波导光栅的输入时，对于发射(从偏离中心的点)到第二自由传播区域135中的场模式中的一些，这可能发生。举例来说，在图2A中，从第二自由传播区域135耦合到直线部分240的光可以耦合到基模250和较高阶模式255的叠加。直线部分240可以是锥状的，并且由于其锥度，可能具有由此的特性：如果它是弯曲的，它将在基模与一个或多个泄漏较高阶模式之间表现出强耦合。
参考图3A和3B，绝热弯曲部的使用在某些情况下可以减少到较高阶模式的耦合。在一些实施方案中，波导可以包括在绝热弯曲部之后的弯曲部分310，例如下文进一步详细描述的欧拉弧(Euler arc)，而不是图2A和2B的弯曲部分210的圆弧或“圆形弯曲部”。弯曲部分310之后可以是直线部分315。绝热弯曲部可以具有沿着弯曲部连续变化的曲率并且在弯曲部的两端消失，使得在弯曲部分310与直线部分315之间的边界或过渡区320处，曲率不会不连续地变化。弯曲部分310的基模325 (例如，横向电基模或横向磁基模)可以在弯曲部分310与直线部分315之间的边界320处在波导内居中；因此，在边界320处，在弯曲部分310中传播的基模325可以仅耦合到基模330中而不会耦合到直线部分315中的较高阶(例如，一阶)模式。类似地，在另一直线部分340 (例如，在第二输入星形耦合器孔隙130内)与弯曲部分310之间的接面处，到一个或多个较高阶模式中的耦合在图3A和3B的结构中可能不存在。与图2A和2B的结构中的情况一样，如果自由空间波的相前不垂直于波导的光轴，则光可以耦合到一个或多个较高阶模式，其中光从一个自由传播区域耦合到波导中。举例来说，在图3A中，从第二自由传播区域135耦合到直线部分340的光可以耦合到基模350与较高阶模式355的叠加。然而，与图2A和2B的结构的情况一样，较高阶模式可以在弯曲部分310内显著衰减(例如，它们可以辐射出弯曲部分)，如“X”345所示，并且如下文进一步详细论述的。
再次参考图1，在一些实施方案中，(波导阵列120的)波导区段在第一输出星形耦合器孔隙125内并且在第二输入星形耦合器孔隙130内是直的，并且波导阵列120具有第一弯曲部分150和第二弯曲部分155，其中波导阵列120的每个波导根据绝热弯曲部而弯曲。在第一弯曲部分150中，每个波导的绝热弯曲部在波导进入第一输出星形耦合器孔隙125的点处具有消失的(即，零)曲率。波导的曲率沿着波导在远离第一输出星形耦合器孔隙125的方向上连续增加，直到第一弯曲部分150的中间或附近的点，随后，其再次减小，在第一弯曲部分150的另一端再次消失。由此，随沿着波导的长度(从与第一自由传播区域115的界面开始)而变的波导曲率是连续函数，对于第一输出星形耦合器孔隙125内部的波导部分为零，接着在沿着波导的向左方向上在第一弯曲部分150中增大并且再次减小。如本文中所所用，波导的“曲率”是曲率半径的倒数。曲率的符号是常规问题，并且对于波导阵列120，当曲率中心位于由波导阵列120形成的“U”形状的外侧时，其在本文中定义为正。举例来说，如图所示，第一弯曲部分150和第二弯曲部分155中的波导的曲率是正的。
使用光刻法或用于制造光子集成电路的其它制造技术制造的波导可能具有小尺度(例如，nm级)粗糙度的壁。这种粗糙度可能导致波导的每个壁具有小尺度的局部曲率，所述局部曲率相对较大并且沿着波导的长度显著波动。然而，这种局部粗糙度对光在波导中的传播以及基模与泄漏较高阶模式之间的耦合的影响相对较小。因此，波导的曲率(与波导壁的局部曲率不同)在本文中定义为如果忽略波导的小尺度粗糙度则将有影响的曲率。波导的曲率可以例如用光学显微镜测量，所述光学显微镜可以对明显小于可见光波长的特征(例如波导壁粗糙度)不敏感。
波导阵列120的各波导部分可以具有欧拉螺旋的一部分的形状，其遵循曲线，对于所述曲线，曲率随沿着曲线的距离的变化率是恒定的。举例来说，波导阵列120的波导的弯曲部分可以具有欧拉弧的形状，其由欧拉螺旋的两个对称部分组成。如本文中所使用，“欧拉弧”(或“欧拉弯曲部”)关于其中点对称，在其中点处具有最大曲率并且在欧拉弧的两个末端中的每一个处消失，并且在欧拉弧的每一半中恒定地变化，在欧拉弧的两半中，曲率变化率的幅度相等，符号相反。本文中所使用的术语“欧拉曲线”是指欧拉螺旋的一端具有消失曲率的任何部分。
波导阵列120还可包括第一直线部分160、第二直线部分165、第三直线部分170、第一L形弯曲部175和第二L形弯曲部180。在一些实施方案中，第一输出星形耦合器孔隙125与第一弯曲部分150之间的过渡区对于波导阵列120的所有波导是绝热的，即，对于波导阵列120的任何波导，在这些过渡区处的曲率中无不连续性。结果，在波导中存在并且传播到第一弯曲部分150 (即，在图1中向右传播)中的任何较高阶模式可以在第一弯曲部分150中衰减，使得第一弯曲部分150的输出处的光因为第一输出星形耦合器孔隙125与第一弯曲部分150之间的过渡区是绝热的而可以全部处于基模，并且此外，可以避免进一步耦合到较高阶模式。
类似地，第二输入星形耦合器孔隙130与第二弯曲部分155之间的过渡区可以是绝热的。结果，对于在另一方向上传播的光，即进入第二弯曲部分155并且从那里传播到第二输入星形耦合器孔隙130中的光，较高阶模式在第二弯曲部分155中衰减，并且不在到第二输入星形耦合器孔隙130的过渡区中产生，因为这些过渡区是绝热的。波导阵列120中的其它过渡区可以是也可以不是绝热的。举例来说，在第一弯曲部分150与第一直线部分160之间的过渡区处、在第一直线部分160与第一L形弯曲部175之间的过渡区处等的一个或多个波导中的曲率可能存在或可能不存在不连续性。这种曲率的不连续可能导致功率耦合到较高阶模式，但所导致的性能下降可能很小，因为这些较高阶模式可能随后在第一弯曲部分150或第二弯曲部分155中衰减(取决于它们的传播方向)，并且结果，对第一自由传播区域115或第二自由传播区域135中的场的影响可能很小。由此，在一些实施方案中，如果第一波导105是阵列式波导光栅的输入，则第二弯曲部分155中的每个波导包括为欧拉曲线的部分，在波导进入第二输入星形耦合器孔隙130的点处具有消失曲率的末端可能就足够了。类似地，如果第一波导105是阵列式波导光栅的输出，则第一弯曲部分150中的每个波导包括为欧拉曲线的部分，在波导进入第一输出星形耦合器孔隙125的点处具有消失曲率的末端可能就足够了。
在一些实施方案中，波导阵列120的每个波导是沿着其长度的一部分的脊形波导。参考图4A，波导可以制造为绝缘体上硅(SOI)结构，其中二氧化硅(SiO2)层上的3微米厚的硅(Si)层(可以称为“内埋氧化物”或“BOX”层)被蚀刻以形成板坯部分410和在板坯部分410上方延伸的脊形部分420。在一个实施方案中，脊部的宽度wr为3.0微米，脊部的高度hr为1.2微米，并且板坯的高度hs为1.8微米。为了制造目的，薄的(例如，0.2微米厚)硅层430可以保留在板坯两侧区域中的二氧化硅上；此层对波导的光学特性可能具有可忽略的影响。波导阵列120中的相邻波导可以共享板坯部分410 (如图4C所示)。
波导阵列120的每个波导可以包括一个或多个锥状部分，从而影响波导可以支持的模式的形状。举例来说，在第一输出星形耦合器孔隙125内，每个波导可以具有脊形部分，其宽度wr从与第一自由传播区域115的界面处的6微米宽度逐渐变细为在到第一弯曲部分150的过渡区处的3微米。第二输入星形耦合器孔隙130中的波导可以类似地成锥状。每个星形耦合器还可以包括多个虚设波导185 (其不是波导阵列120的一部分)，其可以确保在相邻波导的存在影响波导阵列120的任何波导中的模式形状的程度上，对波导阵列120的每个波导的影响是对称的。
波导阵列120的整体形状可以如图1所示近似于“U”的形状，其中第一输出星形耦合器孔隙125内的光传播方向基本上与第二输入星形耦合器孔隙130内的光传播方向相反。举例来说，在波导阵列120的最外波导中的第一输出星形耦合器孔隙125内的光传播可以在与波导阵列120的最外波导中的第二输出星形耦合器孔隙130内的光传播的传播方向相反的方向上在4度内(或10度内或20度内)的方向上传播。此种布置可以导致阵列式波导光栅比阵列式波导光栅内的光的方向变化更小的波导光栅更紧凑。
在第一L形弯曲部175内，波导可以是条形波导，如图4B所示，包括条带440并且无板坯部分。条带的高度可以等于板坯部分410和脊形部分420的组合高度，即hs + hr的高度。第一弯曲部分150的脊形波导与第一L形弯曲部175的条形波导之间的过渡区可以被称为“脊形到条形转换器”，具有连接到第一弯曲部分150的第一末端或“脊形末端”，和连接到第一L形弯曲部175的第二末端或“条形末端”。脊形到条形转换器可以在第一直线部分160中，并且可以包括其中每个脊形波导的板坯部分410逐渐变细以逐渐变窄直到其与对应脊形部分420具有相同的宽度并且不再与脊形部分420不同的区域。脊形到条形转换器的每个波导可以是锥状的，并且由于其锥状，可能具有如下特性：如果它是弯曲的，它将在基模与一个或多个泄漏较高阶模式之间表现出强耦合。因此，每个脊形到条形转换器可以制造成基本笔直的。L形弯曲175、180的条形波导可以适合于形成紧密(<100微米)弯曲半径，其中从基模到最较高阶模式的耦合最小。它们也可以是多模波导。在弯曲部分150、155抑制较高阶模式并且脊形到条形转换器不将光耦合到较高阶模式的程度上，耦合到L形弯曲部175、180的带状波导中的光可以完全在基模中。
图4C示出了脊形到条形转换器的脊形末端上的波导阵列120的一部分的横截面。在图4C的实施方案中，脊形波导共用板坯部分410。图4D示出了在脊形到条形转换器内的点处的波导阵列120的一部分的横截面。在每对相邻脊形之间的中间几乎延伸到板坯部分的底部的沟槽445从脊形到条形转换器的脊形末端开始，并且接着在脊形到条形转换器的条形末端的方向上变宽。第二L形弯曲部180内的波导可以类似地是条形波导(可以是第二直线部分165内的波导)，经由可以位于第三直线部分170中的第二脊形到条形转换器耦合到第二弯曲部分155中的脊形波导。
在一些实施方案中，可以选择第一弯曲部分150中的每个波导的曲率，以便充分地衰减两个第一较高阶模式(即，一阶横向电“TE1”和一阶横向磁“TM1”模式)，而不将基模(即TE0和TM0模式)衰减到不可接受的程度。举例来说，可以选择曲率，以使得每个第一较高阶模式的衰减至少为100 dB/cm，并且基模的衰减至多为0.1 dB/cm。图5是对于脊部宽度wr为3.0微米、脊部高度hr为1.2微米并且板坯高度hs为1.8微米的脊形波导，基本和较高阶模式的损耗随曲率半径变化的曲线图。在图5中，第一曲线510对应于TM0模式，第二曲线520对应于TE0模式，第三曲线530对应于TM1模式，第四曲线540对应于TE1模式。从图5中可以看出，例如，对于TE1和TM1模式两者，5 mm的曲率半径导致损耗大于1000 dB cm，对于TE0和TM0模式两者，损耗小于0.1 dB/cm。在一些实施方案中，如果发射到任一自由传播区域中的较高阶模式中的功率比基模中的功率小至少30 dB，则阵列式波导光栅的性能是可接受的。如果由于相前的未对准而使耦合到较高阶模式的功率比耦合到基模中的功率小20 dB，如果较高阶模式进一步衰减至少10 dB，则可以实现这一点(例如，在1 mm长的弯曲区段中，较高阶模式损耗100 dB/cm)。
在一些实施方案中，并非具有与脊形波导的脊形相同的宽度(如图4A和4B所示)，条形波导可以比脊形波导的脊形窄，具有宽度例如1.5微米。
表1示出了根据本发明实施方案的矩形阵列式波导光栅可实现的性能，其中星号指示基于模拟的预期值，并且其余特性或者在原型中测量或者是设计选择的直接结果。在表中，“PDF”是偏振相关的频率偏移，“PDL”是偏振相关的损耗。
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表1：示例实施方案的特征
在阵列式波导光栅以外的应用中，绝热曲线也可以用于模式滤波(即，避免将功率耦合到较高阶模式并且衰减较高阶模式)。举例来说，参考图6，较高阶模式剥离器包括形成绝热S形弯曲部的第一绝热弯曲部610和第二绝热弯曲部615，其耦合到脊形到条形转换器620，后面是条形波导区段625和光子装置630。光纤640可以在含有波导的光子集成电路645的末端附近终止，并且可以将光传送到波导端650 (例如，第一绝热弯曲部610的第一末端)。光纤640可能不完全与光子集成电路645上的波导端650对准，并且因此，光纤640发射的光可以在第一绝热弯曲部610处耦合到基模与较高阶模式的叠加。然而，由于绝热S形弯曲的曲率，较高阶模式可以被强烈衰减，使得发射到脊形到条形转换器620的模式几乎完全是脊形到条形转换器620的基模。此基模接着被变换成条形波导区段625的基模，并且被传送到光子装置。
与使用波导的直线区段代替绝热S形弯曲部(并且光纤640的位置相应地移位)的替代布置相比，图6的布置可以具有性能优势，因为在这种替代布置中，光纤640的未对准可以导致光耦合到较高阶模式，所述模式不会被强烈衰减，并且因此通过传播到脊形到条形转换器620，通过带状波导区段625，并且进入光子装置630。与使用由两个圆弧组成的S形弯曲部代替绝热S形弯曲的替代布置相比，图6的配置也可以具有性能优势，因为在这种替代布置中，尽管由于光纤640的未对准发射到S弯曲部的较高阶模式中的光功率被S形弯曲衰减，但S形弯曲部与脊形到条形转换器620之间的过渡区处的曲率的不连续性可以导致光功率耦合到脊形到条形转换器620的较高阶模式中。
在一些实施方案中，具有绝热弯曲部的波导可以用于任何系统，其中光从波导发射到区域(在本文中称为“干涉区域”)，在所述区域中它可以干扰来自其它来源的光，例如，来自其它波导的光。干涉区域的示例包括多模干涉(MMI)耦合器的内部，以及星形耦合器的自由传播区域，其中任一个可以从两个或更多个波导发射光。泄漏较高阶模式也可能影响这种耦合器的行为，并且因此必须采取措施(例如使用波导的弯曲部分来衰减泄漏较高阶模式，以及使用绝热弯曲部以避免将功率耦合到泄漏较高阶模式)来控制泄漏较高阶模式的幅度。这种耦合器可以用在例如马赫-曾德尔干涉仪中。
在一些实施方案中，使用非欧拉弯曲部的绝热弯曲部。举例来说，随绝热弯曲部中的长度而变的曲率可以不是沿着弯曲部的位置的线性函数，而是可以作为另一个多项式变化，或者更一般地，作为另一个连续和/或可微分函数。在无曲率不连续变化的弯曲部中，如果曲率变化率的幅度高(例如，如果其在小于光的波长的距离上发生显著变化)，则仍然可能发生到较高阶模式的耦合。因此，在一些实施方案中，可以选择绝热弯曲部中的曲率，使得曲率变化率小于3/mm2，以避免到较高阶模式的显著耦合。
尽管本文已具体描述和说明了具有绝热弯曲部的单模波导的示例性实施方案，但是许多修改和变化对于本领域技术人员而言将是显而易见的。因此，应理解，具有根据本发明原理构造的绝热弯曲部的单模波导可以按不同于本文具体描述的方式实施。本发明还在所附权利要求及其等效物中限定。

Claims (17)

1.一种具有输入波导和输出波导的阵列式波导光栅，所述阵列式波导光栅包括：
第一输入星形耦合器孔隙，所述第一输入星形耦合器孔隙连接到所述输入波导；
第一自由传播区域；
第一输出星形耦合器孔隙；
第二输入星形耦合器孔隙；
波导阵列，所述波导阵列延伸到所述第一输出星形耦合器孔隙和所述第二输入星形耦合器孔隙中，并且将所述第一输出星形耦合器孔隙连接到所述第二输入星形耦合器孔隙；
第二自由传播区域；以及
第二输出星形耦合器孔隙，所述第二输出星形耦合器孔隙连接到所述输出波导，
所述第一输入星形耦合器孔隙经由所述第一自由传播区域耦合到所述第一输出星形耦合器孔隙，
所述第二输入星形耦合器孔隙经由所述第二自由传播区域耦合到所述第二输出星形耦合器孔隙，
所述波导阵列中的第一波导具有：
第一部分，
第二部分，所述第二部分具有第一末端和第二末端，
第三部分，以及
第四部分，所述第四部分具有第一末端和第二末端，
所述第一部分位于所述第一输出星形耦合器孔隙内，并且具有小于0.01/mm的最大曲率，
所述第二部分位于所述第一输出星形耦合器孔隙外部，所述第二部分在所述第二部分的所述第一末端处与所述第一部分邻接，
所述第二部分：
在所述第二部分的所述第一末端处具有小于0.01/mm的曲率，
在所述第二部分的所述第二末端处具有小于0.01/mm的曲率，并且
在所述第二部分的所述第一末端与所述第二部分的所述第二末端之间的点处具有大于0.3/mm的曲率，
所述第三部分位于所述第二输入星形耦合器孔隙内并且具有小于0.01/mm的最大曲率，
所述第四部分位于所述第二输入星形耦合器孔隙外部，所述第四部分在所述第四部分的所述第一末端处与所述第三部分邻接，
所述第四部分：
在所述第四部分的所述第一末端处具有小于0.01/mm的曲率，
在所述第四部分的所述第二末端处具有大于0.3/mm的曲率，
在所述第一波导的包括所述第一部分和所述第二部分的一段上的任意位置处，所述第一波导的曲率变化率的幅度小于15/mm2。
2.如权利要求1所述的阵列式波导光栅，其中在所述第一波导的包括所述第三部分和所述第四部分的一段上的任意位置处，所述第一波导的所述曲率变化率的所述幅度小于15/mm2。
3.如权利要求1或2所述的阵列式波导光栅，其中所述第一输出星形耦合器孔隙包括多个锥状脊形波导。
4.如权利要求3所述的阵列式波导光栅，其中所述锥状脊形波导中的每一个具有脊部，所述脊部具有：
在所述第一输入星形耦合器孔隙的邻近于所述第一自由传播区域的第一末端处的第一宽度，以及
在所述第一输入星形耦合器孔隙的第二末端处的第二宽度，所述第二末端与所述第一输入星形耦合器孔隙的所述第一末端相对，
所述第一宽度比所述第二宽度大至少30%。
5.如权利要求1所述的阵列式波导光栅，其中所述第一输出星形耦合器孔隙具有一定长度并且包括：
在所述波导阵列的第一侧上的第一虚设波导，所述第一虚设波导仅沿着所述第一输出星形耦合器孔隙的所述长度延伸；以及
在所述波导阵列的与所述第一侧相对的第二侧上的第二虚设波导，所述第二虚设波导仅沿着所述第一输出星形耦合器孔隙的所述长度延伸。
6.如权利要求1所述的阵列式波导光栅，其中所述波导阵列具有第一L形弯曲部分和第二L形弯曲部分，
其中：
在所述第一L形弯曲部分内，所述波导阵列中的每个波导具有弯曲部，从而导致方向变化大于60度且小于120度，并且
在所述第二L形弯曲部分内，所述波导阵列中的每个波导具有弯曲部，从而导致方向变化大于60度且小于120度。
7.如权利要求6所述的阵列式波导光栅，其中：
在所述第一L形弯曲部分内，所述波导阵列中的每个波导是条形波导，并且
在所述第二L形弯曲部分内，所述波导阵列中的每个波导是条形波导。
8.如权利要求7所述的阵列式波导光栅，其中所述波导阵列中的每个波导在所述第一L形弯曲部分与所述第二L形弯曲部分之间具有直线部分。
9.如权利要求6所述的阵列式波导光栅，其中所述波导阵列在所述第一输出星形耦合器孔隙与所述第一L形弯曲部分之间具有脊形到条形转换器部分，
所述脊形到条形转换器具有脊形末端和条形末端，
所述波导阵列中的每个波导
在所述脊形到条形转换器的所述脊形末端处为脊形波导，并且
在所述脊形到条形转换器的所述条形末端处为条形波导，并且
在所述脊形到条形转换器内，具有从脊形波导的横截面到条形波导的横截面连续变化的横截面。
10.如权利要求9所述的阵列式波导光栅，其中，在所述脊形到条形转换器内，所述波导阵列中的每个波导具有小于0.01/mm的曲率。
11.如权利要求9所述的阵列式波导光栅，其中所述波导阵列中的每个波导沿着其长度具有幅度小于15/mm2的曲率变化率。
12.如权利要求1所述的阵列式波导光栅，其中所述第二部分被配置成从所述第二部分的所述第一末端透射到所述第二部分的所述第二末端：
在衰减小于1 dB时为：
基本横向电模式，以及
基本横向磁模式，和
衰减大于10 dB时为：
一阶横向电模式，以及
一阶横向磁模式。
13.一种光波导，所述光波导包括：
波导区段，所述波导区段由以下组成：
波导的第一部分，
波导的第二部分，
波导的第三部分，以及
波导的第四部分，
所述光波导是单模光波导，
波导的所述第二部分与波导的所述第一部分邻接，
波导的所述第一部分具有至少为0.2 mm的长度以及至多为0.01/mm的最大曲率，
波导的所述第二部分具有至少为0.5 mm的长度以及至少为0.3/mm的最大曲率，并且
波导的所述第三部分具有小于0.01/mm的最大曲率，
波导的所述第四部分与波导的所述第三部分邻接，
波导的所述第四部分具有小于0.01/mm的曲率，
波导的所述第四部分具有大于0.3/mm的曲率，
在所述波导区段上的任意位置处，曲率变化率的幅度小于15/mm2。
14.如权利要求13所述的光波导，其中所述波导区段的第一部分是包括锥状脊部的锥状脊形波导，所述锥状脊部在所述第一部分的第一末端处的宽度比所述锥状脊部在所述第一部分的与所述第一部分的所述第一末端相对的第二末端处的宽度大至少30%，所述第一部分具有至少为0.2 mm的长度和至多为0.01/mm的最大曲率。
15.如权利要求13或14所述的光波导，其中沿着所述波导区段的第二部分的曲率变化率恒定在20%以内，所述第二部分具有至少为0.5 mm的长度以及至少0.3/mm的最大曲率。
16.一种光子集成电路，所述光子集成电路包括如权利要求13至15中任一项所述的光波导，其中：
波导的所述第二部分具有与波导的所述第一部分邻接的第一末端以及第二末端，
所述第二末端被配置成接收从光纤的邻近于所述第二末端的末端透射的光。
17.如权利要求16所述的光子集成电路，其中波导的所述第二部分具有S形状。
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Denomination of invention: Single mode waveguide with adiabatic bending part

Effective date of registration: 20230621

Granted publication date: 20210608

Pledgee: Wilmington Savings Fund Association

Pledgor: ROCKLEY PHOTONICS Ltd.

Registration number: Y2023990000308

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