CN110554457A - 平面电介质结构中的多维光学波导 - Google Patents

平面电介质结构中的多维光学波导 Download PDF

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Abstract

本发明涉及平面电介质结构中的多维光学波导。本公开的各方面公开了在x方向、y方向和z方向中的至少一个方向上从光子电路结构的一层向所述光子电路结构的另一层提供电磁波的设备、系统和方法。为此，本公开的各方面能够制造和使用多维光子电路结构，并因此改进通过这种多维光子电路结构实现的电路的容量、功率、重量、大小和/或成本。

Description

平面电介质结构中的多维光学波导
技术领域
本公开的各方面公开了在x方向、y方向和z方向中的至少一个方向上从光子电路结构的一层向所述光子电路结构的另一层提供电磁波的设备、系统和方法。
背景技术
随着所有行业中电路的使用持续增加，努力继续寻求降低这些电路的成本、大小/占用面积、重量和/或功率同时增加其速度和/或容量的方法。为此，已经开发出三维(3D)电子电路。3D电路使用多个堆叠的平面结构来减小电路系统的占用面积，其中堆叠中的平面结构包括电气电路，并且电信号从一个平面结构耦合到下一个平面结构。然而，这种3D电气电路往往很慢并且消耗大量功率，因此会释放大量热量。
光子电路经由激光在计算机芯片之间传输数据，因此比相应的电气电路承载更多的数据，从而为电气电路提供例如一个数量级的更快和更低功率的替代。此外，由于硅制造技术的改进，例如，使用硅铸造制造用于晶片级制造，光子芯片的成本现在与电路密度成反比。这些因素使得3D光子电路成为越来越令人关注的选择，导致人们期望光子电路市场在未来五年内将增长约1000％。然而，控制这种3D光子电路中的光(例如，在z方向上)的移动是非常困难的。因此，仍然需要改进3D光子技术。
发明内容
根据本公开的各方面，提出了在x方向、y方向和z方向中的至少一个方向上从光子电路结构的一层向所述光子电路结构的另一层提供电磁波的设备、系统和方法。
根据本公开，一种多维光子电路结构包括基底、第一层以及第二层。所述基底具有沿着z方向的高度、沿着x方向的宽度以及沿着y方向的长度。所述第一层与所述基底关联并且包括第一波导。所述第二层与所述基底关联并且包括第二波导。所述第二波导的取向相对于所述第一波导的取向限定了电磁波在所述第一波导和第二波导之间在所述x方向、所述y方向和所述z方向中的至少一个方向上的电磁耦合。
根据另一方面，所述基底包括平面结构，所述平面结构包括：第一侧，所述第一侧包括所述第一层；以及第二侧，所述第二侧与所述第一侧沿所述z方向间隔开并且包括所述第二层。所述第一波导布置在所述平面结构的所述第一侧上或者至少部分地布置在所述平面结构的所述第一侧内。所述第二波导布置在所述平面结构的所述第二侧上或者至少部分地布置在所述平面结构的所述第二侧内，使得所述第二波导的所述取向相对于所述第一波导的所述取向限定了在所述第一波导和第二波导之间在所述z方向上的所述电磁耦合。
根据另一方面，所述第一波导布置在所述平面结构内，使得所述第一波导的表面与所述第一侧的表面齐平；并且所述第二波导布置在所述平面结构内，使得所述第二波导的表面与所述第二侧的表面齐平。
根据另一方面，所述基底包括：第一平面结构，所述第一平面结构包括所述第一层；以及第二平面结构，所述第二平面结构与所述第一平面结构相邻并且包括所述第二层。所述第一波导包含在所述第一平面结构上或者至少部分地位于所述第一平面结构内。所述第二波导包含在所述第二平面结构上或者至少部分地位于所述第二平面结构内，使得所述第二波导的所述取向相对于所述第一波导的所述取向限定了在所述第一波导和第二波导之间在所述z方向上的所述电磁耦合。
根据另一方面，所述第一平面结构包括沿所述z方向间隔开的第一表面和第二表面，并且所述第二平面结构包括沿所述z方向间隔开的第三表面和第四表面。所述第一波导布置在所述第一平面结构内，使得所述第一波导的表面与所述第一表面齐平。所述第二波导布置在所述第二平面结构内，使得所述第二波导的表面与所述第三表面齐平。所述第二表面与所述第三表面相邻。
根据另一方面，所述基底包括平面结构，所述平面结构包括第一侧和第二侧，所述第二侧与所述第一侧沿所述z方向间隔开。所述第一侧和第二侧中的一者包括所述第一层和第二层。所述第一波导和所述第二波导包含在所述平面结构上或者至少部分地位于所述平面结构内，使得所述第二波导的所述取向相对于所述第一波导的所述取向限定了在所述第一波导和第二波导之间在所述x方向和所述y方向中的至少一个方向上的所述电磁耦合。
根据另一方面，所述第一层进一步包括耦合到所述第一波导的第一光子电路，并且所述第二层进一步包括耦合到所述第二波导的第二光子电路。在所述第一波导和第二波导之间的所述电磁耦合提供了：由所述第一光子电路输出到所述第二光子电路的输入端的电磁波；或由所述第二光子电路输出到所述第一光子电路的输入端的电磁波。
根据另一方面，所述第二波导的所述取向相对于所述第一波导的所述取向由以下要素中的至少一个要素限定：所述第一波导和第二波导之间沿所述z方向的距离以及所述第一波导和第二波导之间沿所述x方向和所述y方向的重叠量；所述第一波导和第二波导之间沿所述x方向的距离以及所述第一波导和第二波导之间沿所述y方向和所述z方向的重叠量；所述第一波导和第二波导之间沿所述y方向的距离以及所述第一波导和第二波导之间沿所述x方向和所述z方向的重叠量；所述第一波导和第二波导的尺寸；以及所述第二波导相对于所述第一波导的角度取向。
根据另一方面，在所述第一波导和第二波导之间的所述电磁耦合进一步由以下要素中的至少一个要素限定：所述基底的材料；所述第一波导和第二波导的材料；所述第一波导和第二波导中的至少一者的温度；所述第一波导和第二波导的绝对温度或相对温度之差；所述第一波导和第二波导中的至少一者的应力；跨越所述第一波导和第二波导中的一者或二者的电磁场；跨越所述第一波导和第二波导中的一者或二者的磁场；以及跨越所述第一波导和第二波导中的一者或二者的电场。
根据另一方面，所述电磁波包括光。
所述本公开进一步公开了一种在多维光子电路结构中耦合电磁波的方法，所述多维光子电路结构包括基底、与所述基底关联并且包括第一波导的第一层以及与所述基底关联并且包括第二波导的第二层。所述基底具有沿着z方向的高度、沿着x方向的宽度以及沿着y方向的长度。该方法包括以下步骤：配置所述第一波导的取向以及配置所述第二波导的取向，使得所述第二波导的所述取向相对于所述第一波导的所述取向限定所述电磁波在所述第一波导和第二波导之间在所述x方向、所述y方向和所述z方向中的至少一个方向上的电磁耦合。该方法进一步包括以下步骤：根据限定的所述电磁耦合使所述电磁波在所述第一波导和所述第二波导之间电磁耦合。
根据另一方面，所述基底包括平面结构，所述平面结构包括：第一侧，所述第一侧包括所述第一层；以及第二侧，所述第二侧与所述第一侧沿所述z方向间隔开并且包括所述第二层。根据一个方面，配置所述第一波导的取向的步骤包括将所述第一波导配置在所述平面结构的所述第一侧上或者至少部分地配置在所述平面结构的所述第一侧内；并且配置所述第二波导的取向的步骤包括将所述第二波导配置在所述平面结构的所述第二侧上或者至少部分地配置在所述平面结构的所述第二侧内，使得所述第二波导的所述取向相对于所述第一波导的所述取向限定了在所述第一波导和第二波导之间在所述z方向上的所述电磁耦合。
根据另一方面，配置所述第一波导的取向的步骤包括将所述第一波导配置在所述平面结构内，使得所述第一波导的表面与所述第一侧的表面齐平；并且配置所述第二波导的取向的步骤包括将所述第二波导配置在所述平面结构内，使得所述第二波导的表面与所述第二侧的表面齐平。
根据另一方面，所述基底包括：第一平面结构，所述第一平面结构包括所述第一层；以及第二平面结构，所述第二平面结构与所述第一平面结构相邻并且包括所述第二层。根据一个方面，配置所述第一波导的取向的步骤包括将所述第一波导配置在所述第一平面结构上或者至少部分地配置在所述第一平面结构内；并且配置所述第二波导的取向的步骤包括将所述第二波导配置在所述第二平面结构上或者至少部分地配置在所述第二平面结构内，使得所述第二波导的所述取向相对于所述第一波导的所述取向限定了在所述第一波导和第二波导之间在所述z方向上的所述电磁耦合。
根据另一方面，所述第一平面结构包括沿所述z方向间隔开的第一表面和第二表面，并且所述第二平面结构包括沿所述z方向间隔开的第三表面和第四表面。所述第二表面与所述第三表面相邻。根据一个方面，配置所述第一波导的取向的步骤包括将所述第一波导配置在所述第一平面结构内，使得所述第一波导的表面与所述第一表面齐平；并且配置所述第二波导的取向的步骤包括将所述第二波导配置在所述第二平面结构内，使得所述第二波导的表面与所述第三表面齐平。
根据另一方面，所述基底包括平面结构，所述平面结构包括第一侧和第二侧，所述第二侧与所述第一侧沿所述z方向间隔开。所述第一侧和第二侧中的一者包括所述第一层和第二层。根据一个方面，配置所述第一波导和第二波导的取向的步骤包括将所述第一波导和所述第二波导配置在所述平面结构上或者至少部分地配置在所述平面结构内，使得所述第二波导的所述取向相对于所述第一波导的所述取向限定了在所述第一波导和第二波导之间在所述x方向和所述y方向中的至少一个方向上的所述电磁耦合。
根据另一方面，所述第一层进一步包括耦合到所述第一波导的第一光子电路，并且所述第二层进一步包括耦合到所述第二波导的第二光子电路。根据一个方面，所述电磁波在所述第一波导和第二波导之间的电磁耦合提供了：由所述第一光子电路输出到所述第二光子电路的输入端的电磁波；或由所述第二光子电路输出到所述第一光子电路的输入端的电磁波。
根据另一方面，配置所述第一波导和第二波导的取向的步骤包括以下步骤中的至少一个步骤：配置所述第一波导和第二波导之间沿所述z方向的距离以及所述第一波导和第二波导之间沿所述x方向和所述y方向的重叠量；配置所述第一波导和第二波导之间沿所述x方向的距离以及所述第一波导和第二波导之间沿所述y方向和所述z方向的重叠量；配置所述第一波导和第二波导之间沿所述y方向的距离以及所述第一波导和第二波导之间沿所述x方向和所述z方向的重叠量；配置所述第一波导和第二波导的尺寸；以及配置所述第二波导相对于所述第一波导的角度取向。
附图说明
图1A和图1B示出了根据一个示例性方面的示例性基底。
图2以三维方式示出了根据另一个示例性方面的一个示例性基底。
图3示出了根据一个示例性方面的一个示例性电磁耦合方法。
图4A至图4C示出了根据示例性方面的具有多个层的平面结构的侧视图。
图5A至图5D示出了根据示例性方面的多个平面结构和多个层的侧视图。
图6A至图6D示出了根据示例性方面的具有多个层的平面结构的俯视图和侧视图。
图7A至图7C示出了根据一个示例性方面的模拟基底的不同视图。
图8A至图8C示出了图7A至图7C的基底的模拟结果。
具体实施方式
本公开的各个方面涉及用于制造和/或使用多维光子电路结构的方法、设备、系统、计算机程序产品和/或软件，该多维光子电路结构在整个结构中经由耦合波导而方便电磁波的运动。这样的多维光子电路结构可在其中三维(3D)电路有益的任何地方实现，包括但不限于：飞行器操作和控制系统；太空、空中和海上无人机；能量收集环形飞行器；用于地面和空间应用的光学通信系统等。通过提供用于使电磁波在整个多维电路结构中沿任何方向(包括z方向)移动的装置，本公开的各个方面提供了一种电路结构，该电路结构例如在成本、复杂性、大小、容量、重量和/或功耗方面对现有光子电路和电气电路进行了改进。
图1A和图1B示出了根据本公开的各方面的示例性多维光子电路结构100，其中图1A以3D透视图示出了结构100，而图1B示出了图1A的结构100的侧视图。多维光子电路结构100包括基底110，基底110包括多个层120、140，其中第一层120包括第一波导130，并且第二层140包括第二波导150。虽然图1A和图1B示出了基底110包括两个平面结构112、114，其中每个层120、140以及每个波导130、150均位于不同的平面结构112、114中，但是本领域技术人员将理解，该解决方案不限于这样的基底110。应当理解，本公开的方面也适用于在平面结构112的相对两侧上具有层的基底110(例如，图4A至图4C)、具有多于两个平面结构的基底110(例如，图5C至图5D)、在平面结构112的一侧上具有多个层120、140的基底110(图6A至图6D)等，如本文中进一步讨论的。因此，图1A和图1B应该被解释为说明性的而非限制性的。
结构100包括基底110、(例如，第一平面结构112的)第一层120和(例如，第二平面结构114的)第二层140，其中第一层120包括第一波导130，并且第二层140包括第二波导150。第一波导130和第二波导150根据由第一波导130和第二波导150中的一者相对于第一波导130和第二波导150中的另一者的取向所限定的电磁耦合来耦合电磁波。如图1A和图1B所示，电磁波沿z方向耦合，例如，或者从第二波导150到第一波导130或者从第一波导130到第二波导150。然而，应当理解，波导130、150可取向成在任何方向(包括x方向、y方向和/或z方向)上提供电磁耦合。因此，本公开的各方面提供了使电磁波在多维光子电路结构100内有效移动的方式。
如图2所示，波导130、150可耦合到相应的光子电路170、180，使得由一个光子电路170、180输出的电磁波从一个波导耦合到下一个波导并且输入到另一个光子电路180、170。根据一个方面，由第一光子电路170输出的电磁波经由如本文中描述的电磁耦合到第二波导150的耦合器172(例如，光纤或其他光子耦合器)输入到第一波导130，并且经由另一耦合器182(例如，光纤或其他光子耦合器)输入到第二光子电路180。根据另一个方面，由第二光子电路180输出的电磁波经由如本文中描述的电磁耦合到第一波导130的耦合器182输入到第二波导150，并且经由耦合器172输入到第一光子电路170。因此，本文中公开的波导130、150能够将光子/电磁信号/波传送到多维光子电路结构100内的任何光子电路170、180。
图3示出了根据本文中公开的各方面的用于在多维光子电路结构100内进行电磁耦合的示例性方法200。方法200应用于多维光子电路结构100，该多维光子电路结构100包括基底110、与基底110关联并包括第一波导130的第一层120以及与基底110关联并包括第二波导150的第二层140。基底110具有沿着z方向的高度、沿着x方向的宽度以及沿着y方向的长度。方法200包括：配置第一波导130的取向以及配置第二波导150的取向，使得第二波导150的取向相对于第一波导130的取向限定电磁波在第一波导130和第二波导150之间在x方向、y方向和z方向中的至少一个方向上的电磁耦合(框图210)。方法200进一步包括：根据限定的电磁耦合使电磁波在第一波导130和第二波导150之间电磁耦合(框图220)。
根据示例性方面，通过一个波导(例如，第二波导150)的取向相对于另一个波导(例如，第一波导130)的取向来限定电磁耦合。例如，第一波导130和第二波导150之间沿z方向的距离以及第一波导130和第二波导150之间沿x方向和y方向的重叠量至少部分地限定z方向的电磁耦合。根据另一个方面，x方向的电磁耦合至少部分地由第一波导130和第二波导150之间沿x方向的距离以及第一波导130和第二波导150之间沿y方向和z方向的重叠量来限定。根据另一个方面，y方向的电磁耦合至少部分地由第一波导130和第二波导150之间沿y方向的距离以及第一波导130和第二波导150之间沿x方向和z方向的重叠量来限定。如本文所使用的，“重叠”是指一个波导相对于另一个波导在至少一个维度上的结构重叠160，其中波导130、150在另一个维度上间隔开。例如，如图1B所示，第一波导130的一端与第二波导150的一端沿y方向重叠，使得重叠160在y方向上具有距离“a”。虽然图1B仅示出了y方向上的重叠，但是应当理解，因为波导具有x和y尺寸，所以对于该示例，重叠在大多数情况下也发生在x方向上。
除相对波导取向的间隔和重叠方面之外，应当理解，附加取向方面也可限定电磁耦合，包括但不限于：第一波导130和第二波导150的尺寸以及第二波导150相对于第一波导130的角度取向。根据一些方面，第一波导130和第二波导150具有相同的尺寸并且平行于彼此。然而，应当理解，这不是必需的。
根据另一方面，第一波导130和第二波导150之间的电磁耦合可替代地或进一步由以下要素限定：
·基底110和/或平面结构112、114的材料；
·第一波导130和第二波导150的材料；
·第一波导130和第二波导150中的至少一者的温度；
·第一波导130和第二波导150的绝对温度或相对温度之差；
·跨越第一波导130和第二波导150中的一者或二者的电磁场；
·跨越第一波导130和第二波导150中的一者或二者的磁场；
·跨越第一波导130和第二波导150中的一者或二者的电场；
·第一波导130和第二波导150中的至少一者的应力；和/或
·围绕第一波导130和第二波导150中的一者或二者的材料。
例如，当第一波导130和第二波导150具有相同的尺寸、平行、由相同的材料制成、处于相同的温度并且被相同的材料围绕(例如，图5C至图5D)时，耦合效率较高(假设适当地选择第一波导130和第二波导150的分离距离)。在替代示例中，当第一波导130和第二波导150具有相同的尺寸、并行，但不被相同的材料围绕(例如，图1A至图1B)时，即使当适当地选择第一波导130和第二波导150的分离距离时耦合效率也较低，除非改变第一波导130和/或第二波导150的其他元件，例如，由不同的材料制成，处于不同的温度等。应当理解，波导耦合在本领域中很好地被理解，因此本文中没有进一步讨论。
图4A至图4C示出了本公开的各方面的多个示例，其中不同的层120、140是同一平面结构112的一部分，因此不同的波导130、150是同一平面结构112的一部分。根据这些方面，平面结构112具有包括第一层120的第一侧112a并具有包括第二层140的第二侧112b，其中第二侧112b与第一侧112a沿z方向间隔开，因此第一波导130与第二波导150沿z方向间隔开。第一波导130布置在第一侧112a上或者至少部分地布置在第一侧112a内，而第二波导150布置在第二侧112b上或者至少部分地布置在第二侧112b内，使得电磁波在第一波导130和第二波导150之间沿z方向耦合。例如，根据图4A所示的一个方面，第一波导130布置在第一侧112a内，使得第一波导130的第一表面132与第一侧112a的表面齐平；而第二波导150布置在第二侧112b内，使得第二波导150的第一表面152与第二侧112b的表面齐平。根据图4B所示的另一个方面，第一波导130部分地布置在第一侧112a内，使得第一波导130的第一表面132在第一侧112a的表面上方延伸；而第二波导150部分地布置在第二侧112b内，使得第二波导150的第一表面152在第二侧112b的表面上方延伸。根据图4C所示的另一个方面，第一波导130布置在第一侧112a上，使得第一波导130的第二表面134抵接第一侧112a的表面；而第二波导150布置在第二侧112b上，使得第二波导150的第二表面154抵接第二侧112b的表面。应当理解，虽然图4A至图4C的方面示出的是波导均以相同的方式布置在第一侧112a和第二侧112b上或者至少部分地布置在第一侧112a和第二侧112b内，但是本文中描述的方面并不需要相对于平面结构112的第一侧112a和第二侧112b都具有相同的取向。例如，一个波导130、150可布置在对应的第一侧112a和第二侧112b中(如图4A所示)，而另一个波导130、150可仅部分地布置在对应的第一侧112a和第二侧112b中(如图4B所示)。应当理解，可替代地实现其他组合。
图5A至图5D示出了本公开的各方面的示例，其中不同的层120、140是不同的平面结构112、114的一部分，因此不同的波导130、150是不同的平面结构112、114的一部分。第一平面结构112具有沿z方向间隔开的侧112a和侧112b，并且包括第一层120(第一层120包括第一波导130)。第二平面结构114具有沿z方向间隔开的侧114a、114b并且包括第二层140(第二层140包括第二波导150)。第一波导130布置在第一平面结构112上或者至少部分地布置在第一平面结构112内，而第二波导150布置在第二平面结构114上或者至少部分地布置在第二平面结构114内，使得电磁波在第一波导130和第二波导150之间沿z方向耦合。例如，根据一个方面，第一波导130布置在第一平面结构112内，使得第一波导130的第一表面132(例如，顶表面132)与侧112a的表面齐平；而第二波导150布置在第二平面结构114内，使得第二波导150的第一表面152与侧114b的表面齐平，如图5A所示。根据图5B所示的另一个方面，第一波导130布置在第一平面结构112内，使得第一波导130的第一表面132与侧112a的表面齐平；而第二波导150布置在第二平面结构114内，使得第二波导150的第二表面154与侧114a的表面齐平并且与侧112b的表面相邻。根据图5C所示的另一个方面，第一波导130布置在第一平面结构112内，使得第一波导130的第一表面132与侧112a的表面齐平并且与第三平面结构116相邻；而第二波导150布置在第二平面结构114内，使得第二波导150的第二表面154与侧114a的表面齐平并且与第一平面结构的侧112b的表面相邻。应当理解，其他方面可具有仅部分地布置在平面结构112、114中的一者或二者中的一个或两个波导(例如，如图5D所示)。例如，第一波导130可部分地布置在平面结构112中，使得第一波导130延伸到侧112a的表面上方，如图5D所示。根据该方面，如果另一平面结构布置在第一平面结构112的顶部上，例如第三平面结构116，则第三平面结构116可配置有切口，该切口使第三平面结构能够堆叠在第一平面结构112上面并且围绕第一波导130，如图5D所示。应当理解，可替代地应用其他组合。
图6A至图6D示出了本公开的各方面的多个示例，其中不同的层120、140是同一平面结构112的一部分，因此不同的波导130、150是同一平面结构112的一部分。根据这些方面，平面结构112具有第一侧和第二侧，第二侧与第一侧沿z方向间隔开，其中第一层120和第二层140布置在同一侧上，例如，第一波导130布置在第一侧112a上或者至少部分地布置在第一侧112a内，并且第二波导150布置在第一侧112a上或者至少部分地布置在第一侧112a内，使得电磁波在第一波导130和第二波导150之间沿x方向耦合(图6A至图6B)或者沿y方向耦合(图6C至图6D)。如图6A和图6B所示，当耦合处于x方向上时，波导130、150沿x方向间隔开，但重叠160处于y方向上。如图6C和图6D所示，当耦合处于y方向上时，波导130、150沿y方向间隔开，但重叠160处于x方向上。根据一个示例性方面，第一波导130和第二波导150布置在第一平面结构112内，使得第一波导130的第一表面132和第二波导150的第一表面152与第一平面结构112的表面(例如，第一侧112a的表面)齐平。然而，应当理解，如前所述，这不是必需的。
图7A至图7C示出了用于模拟沿x方向、y方向和z方向在模拟波导310之间耦合的示例性模拟结构300的不同视图，其中图7A至图7C中的每对波导310均对应于本文中公开的第一波导130和第二波导150。图7A至图7C模拟了多个波导310在多个维度上耦合电磁波而使电磁波在多个障碍物320、330(即x-y障碍物320和x-z障碍物330)周围移动，其中不同的波导310是不同的模拟平面结构340的一部分以绕过x-z障碍物330。图8A至图8C示出了使用图7A至图7C的结构300的模拟结果。如图8A所示，波导310在x-y方向上有效地耦合电磁波以使电磁波在障碍物320周围移动。此外，如图8B所示，波导310在x-z方向上有效地耦合电磁波以使电磁波在障碍物330上方移动。图8C示出了随沿着耦合波导310的距离而变化的信号功率的两个表示，证明了耦合波导的效率以及改进制造公差并且减少材料衰减将如何减少这种波导310的光学衰减。
本公开的各方面在波导之间耦合电磁波，以在x方向、y方向和/或z方向上使电磁波在多维光子电路结构周围移动。因此，本公开的各方面有助于在多维结构中制造和使用光子电路，这提供了成本、效率、数据速率、重量和/或功耗的可能改进。示例性电磁波包括但不限于光，特别是对于电磁耦合常见的波长中的光，所述波长例如是850nm、1300nm、1310nm、1500nm-1600nm(例如，1550nm)等。
本文中公开的波导130、150和/或平面结构可由促进电磁波耦合的任何材料构成。示例性波导/平面结构材料包括但不限于半导体、电介质、绝缘体、金属、纳米结构和光子晶体。此外，应当理解，波导130、150可以都包括单模波导或者都可以包括多模波导。替代地，波导130、150中的一者可包括单模波导，而波导130、150中的另一者可包括多模波导。
当然，本公开的各方面可以以不同于本文具体阐述的方式的其他方式来实施，而不脱离本公开的基本特征。本文中公开的方面在所有方面都被认为是说明性的而非限制性的，并且落入所附权利要求的含义和等同范围内的所有改变都旨在包含在其中。特别地，虽然本文描述的特定过程或方法的步骤被示出并描述为按照特定顺序或时间次序，但是没有其他指示的话，任何这样的过程或方法的步骤不限于以任何特定顺序或次序执行。实际上，根据本公开的特定方面，这些过程或方法中的步骤通常以各种不同的顺序和次序执行，同时仍落入本公开的范围内。

Claims (15)

1.一种多维光子电路结构(100)，该多维光子电路结构(100)包括：
基底(110)，所述基底(110)具有沿着z方向的高度、沿着x方向的宽度以及沿着y方向的长度；
第一层(120)，所述第一层(120)与所述基底(110)关联并且包括第一波导(130)；以及
第二层(140)，所述第二层(140)与所述基底(110)关联并且包括第二波导(150)，所述第二波导(150)的取向相对于所述第一波导(130)的取向限定了电磁波在所述第一波导(130)和第二波导(150)之间在所述x方向、所述y方向和所述z方向中的至少一个方向上的电磁耦合。
2.根据权利要求1所述的多维光子电路结构(100)，其中：
所述基底(110)包括平面结构(112)，所述平面结构(112)包括：
第一侧(112a)，所述第一侧(112a)包括所述第一层(120)；以及
第二侧(112b)，所述第二侧(112b)与所述第一侧(112a)沿所述z方向间隔开并且包括所述第二层(140)；
所述第一波导(130)布置在所述平面结构(112)的所述第一侧(112a)上或者至少部分地布置在所述平面结构(112)的所述第一侧(112a)内；并且
所述第二波导(150)布置在所述平面结构(112)的所述第二侧(112b)上或者至少部分地布置在所述平面结构(112)的所述第二侧(112b)内，使得所述第二波导(150)的所述取向相对于所述第一波导(130)的所述取向限定了在所述第一波导(130)和第二波导(150)之间在所述z方向上的所述电磁耦合。
3.根据权利要求2所述的多维光子电路结构(100)，其中：
所述第一波导(130)布置在所述平面结构(112)内，使得所述第一波导(139)的表面(132，134)与所述第一侧(112a)的表面齐平；并且
所述第二波导(150)布置在所述平面结构(112)内，使得所述第二波导(150)的表面(152，154)与所述第二侧(112b)的表面齐平。
4.根据权利要求1所述的多维光子电路结构(100)，其中：
所述基底(110)包括：
第一平面结构(112)，所述第一平面结构(112)包括所述第一层(120)；以及
第二平面结构(114)，所述第二平面结构(114)与所述第一平面结构(112)相邻并且包括所述第二层(140)；
所述第一波导(130)包含在所述第一平面结构(112)上或者至少部分地位于所述第一平面结构(112)内；并且
所述第二波导(150)包含在所述第二平面结构(114)上或者至少部分地位于所述第二平面结构(114)内，使得所述第二波导(150)的所述取向相对于所述第一波导(130)的所述取向限定了在所述第一波导(130)和第二波导(150)之间在所述z方向上的所述电磁耦合。
5.根据权利要求4所述的多维光子电路结构(100)，其中：
所述第一平面结构(112)包括第一表面(112a)和第二表面(112b)，所述第二表面(112b)与所述第一表面(112a)沿所述z方向间隔开；
所述第二平面结构(114)包括第三表面(114a)和第四表面(114b)，所述第四表面(114b)与所述第三表面(114a)沿所述z方向间隔开；
所述第一波导(130)布置在所述第一平面结构(112)内，使得所述第一波导(130)的表面(132，134)与所述第一表面(112a)齐平；
所述第二波导(150)布置在所述第二平面结构(114)内，使得所述第二波导(150)的表面(152，154)与所述第三表面(114a)齐平；并且
所述第二表面(112b)与所述第三表面(114a)相邻。
6.根据权利要求1所述的多维光子电路结构(100)，其中：
所述基底(110)包括平面结构(112)，所述平面结构(112)包括第一侧(112a)和第二侧(112b)，所述第二侧(112b)与所述第一侧(112a)沿所述z方向间隔开，所述第一侧(112a)和第二侧(112b)中的一者包括所述第一层(120)和第二层(140)；并且
所述第一波导(130)和所述第二波导(150)包含在所述平面结构(112)上或者至少部分地位于所述平面结构(112)内，使得所述第二波导(150)的所述取向相对于所述第一波导(130)的所述取向限定了在所述第一波导(130)和第二波导(150)之间在所述x方向和所述y方向中的至少一个方向上的所述电磁耦合。
7.根据权利要求1所述的多维光子电路结构(100)，其中：
所述第一层(120)进一步包括耦合到所述第一波导(130)的第一光子电路(170)；
所述第二层(140)进一步包括耦合到所述第二波导(150)的第二光子电路(180)；并且
在所述第一波导(130)和第二波导(150)之间的所述电磁耦合提供了：
由所述第一光子电路(170)输出到所述第二光子电路(180)的输入端的电磁波；或
由所述第二光子电路(180)输出到所述第一光子电路(170)的输入端的电磁波。
8.根据权利要求1所述的多维光子电路结构(100)，其中，所述第二波导(150)的所述取向相对于所述第一波导(130)的所述取向由以下要素中的至少一个要素限定：
所述第一波导(130)和第二波导(150)之间沿所述z方向的距离以及所述第一波导(130)和第二波导(150)之间沿所述x方向和所述y方向的重叠量；
所述第一波导(130)和第二波导(150)之间沿所述x方向的距离以及所述第一波导(130)和第二波导(150)之间沿所述y方向和所述z方向的重叠量；
所述第一波导(130)和第二波导(150)之间沿所述y方向的距离以及所述第一波导(130)和第二波导(150)之间沿所述x方向和所述z方向的重叠量；
所述第一波导(130)和第二波导(150)的尺寸；以及
所述第二波导(150)相对于所述第一波导(130)的角度取向。
9.根据权利要求1所述的多维光子电路结构(100)，其中，在所述第一波导(130)和第二波导(150)之间的所述电磁耦合进一步由以下要素中的至少一个要素限定：
所述基底的材料；
所述第一波导(130)和第二波导(150)的材料；
所述第一波导(130)和第二波导(150)中的至少一者的温度；
所述第一波导(130)和第二波导(150)的绝对温度或相对温度之差；
所述第一波导(130)和第二波导(150)中的至少一者的应力；
跨越所述第一波导(130)和第二波导(150)中的一者或二者的电磁场；
跨越所述第一波导(130)和第二波导(150)中的一者或二者的磁场；以及
跨越所述第一波导(130)和第二波导(150)中的一者或二者的电场。
10.根据权利要求1所述的多维光子电路结构(100)，其中，所述电磁波包括光。
11.一种在多维光子电路结构(100)中耦合电磁波的方法(200)，所述多维光子电路结构(100)包括基底(110)、与所述基底(110)关联并且包括第一波导(130)的第一层(120)以及与所述基底(110)关联并且包括第二波导(150)的第二层(140)，所述基底(110)具有沿着z方向的高度、沿着x方向的宽度以及沿着y方向的长度，该方法(200)包括以下步骤：
配置(210)所述第一波导(130)的取向；
配置(210)所述第二波导(150)的取向，使得所述第二波导(150)的所述取向相对于所述第一波导(130)的所述取向限定了所述电磁波在所述第一波导(130)和第二波导(150)之间在所述x方向、所述y方向和所述z方向中的至少一个方向上的电磁耦合；以及
根据限定的所述电磁耦合使所述电磁波在所述第一波导(130)和所述第二波导(150)之间电磁耦合(220)。
12.根据权利要求11所述的方法(200)，其中：
所述基底(110)包括平面结构(112)，所述平面结构(112)包括：
第一侧(112a)，所述第一侧(112a)包括所述第一层(120)；以及
第二侧(112b)，所述第二侧(112b)与所述第一侧(112a)沿所述z方向间隔开并且包括所述第二层(140)；
配置所述第一波导(130)的取向的步骤包括将所述第一波导(130)配置在所述平面结构(112)的所述第一侧(112a)上或者至少部分地配置在所述平面结构(112)的所述第一侧(112a)内；并且
配置所述第二波导(150)的取向的步骤包括将所述第二波导(150)配置在所述平面结构(112)的所述第二侧(112b)上或者至少部分地配置在所述平面结构(112)的所述第二侧(112b)内，使得所述第二波导(150)的所述取向相对于所述第一波导(130)的所述取向限定了在所述第一波导(130)和第二波导(150)之间在所述z方向上的所述电磁耦合。
13.根据权利要求12所述的方法(200)，其中：
配置所述第一波导(130)的取向的步骤包括将所述第一波导(130)配置在所述平面结构(112)内，使得所述第一波导(130)的表面(132，134)与所述第一侧(112a)的表面齐平；并且
配置所述第二波导(150)的取向的步骤包括将所述第二波导(150)配置在所述平面结构(112)内，使得所述第二波导(150)的表面(152，154)与所述第二侧(112b)的表面齐平。
14.根据权利要求11所述的方法(200)，其中：
所述基底(110)包括：
第一平面结构(112)，所述第一平面结构(112)包括所述第一层(120)；
第二平面结构(114)，所述第二平面结构(114)与所述第一平面结构(112)相邻并且包括所述第二层(140)；
配置所述第一波导(130)的取向的步骤包括将所述第一波导(130)配置在所述第一平面结构(112)上或者至少部分地配置在所述第一平面结构(112)内；并且
配置所述第二波导(150)的取向的步骤包括将所述第二波导(150)配置在所述第二平面结构(114)上或者至少部分地配置在所述第二平面结构(114)内，使得所述第二波导(150)的所述取向相对于所述第一波导(130)的所述取向限定了在所述第一波导(130)和第二波导(150)之间在所述z方向上的所述电磁耦合。
15.根据权利要求14所述的方法(200)，其中：
所述第一平面结构(112)包括第一表面(112a)和第二表面(112b)，所述第二表面(112b)与所述第一表面(112a)沿所述z方向间隔开；
所述第二平面结构(114)包括第三表面(114a)和第四表面(114b)，所述第四表面(114b)与所述第三表面(114a)沿所述z方向间隔开；
配置所述第一波导(130)的取向的步骤包括将所述第一波导(130)配置在所述第一平面结构(112)内，使得所述第一波导(130)的表面(132，134)与所述第一表面(112a)齐平；
配置所述第二波导(150)的取向的步骤包括将所述第二波导(150)配置在所述第二平面结构(114)内，使得所述第二波导(150)的表面(152，154)与所述第三表面(114a)齐平；并且
所述第二表面(112b)与所述第三表面(114a)相邻。
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