CN110892302B - 宽带星形耦合器 - Google Patents

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Abstract

一种光学装置。在一些实施方案中，所述光学装置包括：第一界面；第二界面；在所述第一界面处的第一多个波导；在所述第二界面处的第二多个波导；以及自由传播区。所述第一多个波导中的第一波导具有比所述第一多个波导中的第二波导大至少20%的宽度。

Description

宽带星形耦合器
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年8月17日提交的标题为“BROADBAND STAR COUPLER”的美国临时申请No. 62/547,009的优先权和利益，所述申请的全部内容通过引用并入本文中。
技术领域
根据本发明的实施方案的一个或多个方面涉及星形耦合器。
背景技术
星形耦合器在与宽带光一起使用时可能会展现出波长相关行为，所述波长相关行为可能会导致系统性能的降级。因此，需要一种经改进的星形耦合器。
发明内容
根据本发明的一个实施方案，提供一种光学装置，所述光学装置包括：第一界面；第二界面；在所述第一界面处的第一多个波导；在所述第二界面处的一个或多个第二波导；以及自由传播区，所述自由传播区连接所述第一多个波导与所述一个或多个第二波导，所述第一多个波导中的第一波导具有第一宽度，所述第一多个波导中的第二波导具有第二宽度，所述第一宽度比所述第二宽度大至少5%。
在一些实施方案中，所述光学装置是星形耦合器，所述第一界面是所述星形耦合器的第一孔隙，并且所述第二界面是所述星形耦合器的第二孔隙。
在一些实施方案中，所述光学装置是中阶梯光栅。
根据本发明的一个实施方案，提供一种波长选择元件，所述波长选择元件包括：光学装置，所述波长选择元件被配置成：接收处于第一波长的光、将处于所述第一波长的所述光引导到所述第一波导、接收处于第二波长的光以及将处于所述第二波长的所述光引导到所述第二波导。
在一些实施方案中，所述第一宽度与所述第二宽度的比率与所述第一波长与所述第二波长的比率偏差在10%之内。
在一些实施方案中，所述波长选择元件是阵列波导光栅。
在一些实施方案中，所述光学装置是星形耦合器，所述第一界面是所述星形耦合器的第一孔隙，并且所述第二界面是所述星形耦合器的第二孔隙。
在一些实施方案中，所述第一宽度与所述第二宽度的比率与所述第一波长与所述第二波长的比率偏差在10%之内。
在一些实施方案中，选择所述第一波导的所述宽度，使得在所述第二孔隙处的与所述第一波导的基模对应的第一场方向图在被所述第二孔隙对着的角度的范围内包括所述第一场方向图的功率的至少99%。
在一些实施方案中，选择所述第二波导的所述宽度，使得在所述第二孔隙处的与所述第二波导的基模对应的第二场方向图在被所述第二孔隙对着的角度的范围内包括所述第二场方向图的功率的至少99%。
在一些实施方案中，所述光学装置是星形耦合器，所述第一界面是所述星形耦合器的第一孔隙，所述第二界面是所述星形耦合器的第二孔隙，并且在所述第一波导与所述第一多个波导中的与所述第一波导相邻的波导之间的沟槽具有小于1微米的宽度。
在一些实施方案中，所述沟槽的宽度小于700 nm。
在一些实施方案中，所述第一孔隙处的一对相邻波导之间的每个沟槽具有小于1微米的宽度。
在一些实施方案中，所述第一孔隙处的一对相邻波导之间的每个沟槽具有小于700 nm的宽度。
根据本发明的一个实施方案，提供一种波长选择元件，所述波长选择元件包括：光学装置，所述波长选择元件被配置成：接收处于第一波长的光、将处于所述第一波长的所述光引导到所述第一波导、接收处于第二波长的光并且将处于所述第二波长的所述光引导到所述第二波导。
在一些实施方案中，所述波长选择元件是阵列波导光栅。
在一些实施方案中，所述波长选择元件是阵列波导光栅，所述阵列波导光栅具有在所述阵列波导光栅的第一界面处的一个端口波导以及在所述阵列波导光栅的第二界面处的多个端口波导，所述阵列波导光栅包括第一星形耦合器，所述第一星形耦合器连接到所述阵列波导光栅的所述第一界面处的所述端口波导，并且所述光学装置连接到所述阵列波导光栅的所述第二界面处的所述多个端口波导。
附图说明
将参考说明书、权利要求书和附图来了解和理解本公开的这些和其他的特征和优点，在附图中：
图1A是根据本公开的一个实施方案的星形耦合器的示意图；
图1B是根据本公开的一个实施方案的星形耦合器的示意图；
图2是根据本公开的一个实施方案的阵列波导光栅的示意图；
图3A是根据本公开的一个实施方案的星形耦合器的示意图；
图3B是根据本公开的一个实施方案的星形耦合器的示意图；
图3C是根据本公开的一个实施方案的星形耦合器的示意图；
图4A是根据本公开的一个实施方案的星形耦合器的示意图；
图4B是根据本公开的一个实施方案的星形耦合器的示意图；
图4C是根据本公开的一个实施方案的星形耦合器的示意图；
图4D是根据本公开的一个实施方案的星形耦合器的示意图；
图5A是根据本公开的一个实施方案的脊形波导的示意性截面图；
图5B是根据本公开的一个实施方案的多个脊形波导的示意性截面图；
图6A是根据本公开的一个实施方案的星形耦合器的示意图；
图6B是根据本公开的一个实施方案的多个脊形波导沿着图6A的截面线6B-6B截取的示意性截面图；
图7A是根据本发明的一个实施方案的中阶梯光栅的图式；以及
图7B是根据本发明的一个实施方案的图7A的部分7B的放大图。
具体实施方式
在下文结合附图陈述的详细描述意欲作为根据本公开提供的宽带星形耦合器的示例性实施方案的描述，并且不意欲表示可以建构或利用本公开的仅有形式。所述描述结合所示实施方案陈述了本公开的特征。然而，将理解，相同的或等效的功能和结构可以通过不同实施方案来实现，所述不同的实施方案也意欲包含在本公开的范围内。如本文中别处所指出，相似的元件符号意欲指示相似的元件或特征。
参看图1A和图1B，星形耦合器可以包括由自由传播区115分隔的第一波导105的阵列和第二波导110的阵列。第一波导105和第二波导110中的每一者可以是脊形波导(例如在硅光子(例如，绝缘体上硅)芯片上制作)，并且自由传播区115可以是芯片上的厚片区。
所述星形耦合器可以是互易装置，即，从第一波导105中的一者到第二波导110中的一者传播通过所述装置的光所经历的损失和延迟可能与在相反方向上传播通过所述同样的两个波导的光所经历的损失和延迟相同。所述星形耦合器可以在第一波导105中的一者是输入波导(例如，传输波导，将光传输到自由传播区115中)并且第二波导110是输出波导(例如，接收波导) (如图1A和图1B中所示)的情况下(即，在图1A和图1B的视图中光向上行进的情况下)操作，或者所述星形耦合器可以改为在第二波导110是输入波导(例如，传输波导)并且第一波导105中的一者是输出波导(例如，接收波导)的情况下操作。图1A和图1B示出通过第一波导中的一者传输的光可能在较短波长(例如，1500 nm，如图1A中所示)的情况下具有比在较长波长(例如，2500 nm，如图1B中所示)的情况下小的发散角。此可能会导致在2500 nm的情况下比在1500 nm的情况下高的光损耗，用于例如从第一波导105中的在第一波导105的阵列的中间附近的一个第一波导耦合到第二波导110中的在与第二波导110的阵列的中间附近的一个第二波导。所述星形耦合器可以是互易的，使得在相反方向上从第二波导110中的在第二波导110的阵列中间附近的所述一个第二波导行进到第一波导105中的在第一波导105的阵列中间附近的所述一个第一波导的光的损耗可能是相同的。
图2示出5 × 11 AWG，所述AWG具有在第一界面205处的第一多个端口波导(例如，输入波导)、在第二界面210处的第二多个端口波导(例如，输出波导)、连接到所述第一多个端口波导的第一星形耦合器215、连接到第二多个端口波导的第二星形耦合器220以及将第一星形耦合器215连接到第二星形耦合器220的波导阵列225。1 × 16 AWG可以类似于图2的5 × 11 AWG，但在所述AWG的第一界面205处可以仅具有一个波导并且在所述AWG的第二界面210处可以具有16个波导(而非图2中的所示的11个)。星形耦合器中的波导相关行为的效应可能会导致具有波长相关损耗的1 × 16阵列波导光栅(AWG)，所述波长相关损耗在第一波长(例如，2264 nm)时可能比在第二波长(例如，1636 nm)时(例如)大0.9 dB。如可从图2中看出，在一些实施方案中，星形耦合器的一些波导是未用的，即，未连接到其他光学元件。可以被称作“哑波导”的此类未用的波导可以帮助确保如果每个波导的振型受相邻波导的存在影响，那么已使用的波导的振型(即，非哑波导的波导的振型)在可接受程度上仍然是类似的。所述AWG可以是互易装置，使得在一个方向上在一个通道中的损耗可能与在相反方向上在同一个通道中的损耗相同。所述AWG可以是波长选择元件。如本文中使用，“波长选择元件”是基于或部分基于光的波长来引导光的光学元件。
像图1A和图1B一样，图3A和图3B示出较长波长的光可能出现的较大的发散角。参看图3C，在一个实施方案中，调整波导宽度以降低发散角的波长相关性。举例来说，图3C的星形耦合器可以是一种系统的部分(例如，AWG的部分)，在所述系统中，所述第一波导中的每一者主要携载特定的相应波长或波长范围的光。在此种情况中，可以选择每个此类波导的宽度(在波导与自由传播区115之间的过渡处) (例如，对于较长波长使宽度变宽并且对于较短波长使宽度变窄)，使得与不同波长对应的发散角几乎相同。在一些实施方案中，选择所述宽度，使得发散角全都基本上相同。举例来说，如图3C中所指示，第一波导105中的第一者305携载具有约1500 nm的波长的光，并且第一波导105中的第二者310携载具有约2500nm的波长的光，并且使第一波导中的第二者310比第一波导中的第一者305宽，使得离开这两个波导的相应射束的发散角大致相同。图3C是其中未示出波导的宽度的差异的示意图。
在一些实施方案中，选择所述发散角，使得场方向图中的大多数功率，例如，所述功率的99% (或所述功率的99.7%，或所述功率的99.9%)是在被第二波导110的阵列(或被“第二孔隙”，如下文更详细地论述)对着的角度的范围内。此类射束可以据说具有等于被所述第二孔隙对着的角度的99%全宽度(θ_99) (或99.7%全宽度(θ_99.7)或99.9%全宽度(θ_99.9))。举例来说，在第二波导对着13.8度的角度的一个实施方案中，携载波长约1500 nm的光的波导具有4.5微米的宽度，并且携载波长约2500 nm的光的波导具有7微米的宽度，使得由所述两个波导产生的场方向图都具有13.8度的99%全宽度。发散角可以是偏振相关的(即，对于两种基模，即，基础TE模和基础TM模，发散角可能不同)。在操作中预计仅存在一种偏振的应用中，可以选择每个波导宽度以产生对于该偏振具有合适的发散角的场方向图。在操作中预计存在两种偏振的应用中，可以选择每个波导的宽度以具有在(i)使得基础TE模场方向图具有设计发射角的宽度与(ii)使基础TM模场方向图具有设计发散角的宽度之间的值。
参看图4A至图4D，在一些实施方案中，在所述星形耦合器的一侧上的波导(例如，在图4A至图4D的左边的那些波导，在图4A至图4D中标示为第一波导105)具有根据既定操作波长而变的宽度，并且在所述星形耦合器的另一侧的所有波导(例如，在图4A至图4D的右边的那些波导，在图4A至图4D中标示为第二波导110)具有相同宽度。参看图4A，在操作中，当光(例如，2500 nm的光)经由第一波导105中的第一者405进入星形耦合器时，所述光在自由传播区115中以发散角θ2发散。当如图4B中所示光(例如，1500 nm的光)经由第一波导105中的第二者410进入星形耦合器时，所述光在自由传播区115中以发散角θ1发散。尽管此波长比图4A中的波长短，但是因为第一波导105中的第二者410比第一波导105中的第一者405窄，所以发散角θ1可能与发散角θ2相同。参看图4C，当1500 nm的光以合适的相对相位进入所有第二波导110时，所述光在第一波导105中的第二者410上收敛，并且参看图4D，当2500nm的光以合适的相对相位进入所有第二波导110时，所述光在第一波导105中的第一者405上收敛。第一波导105 (包括任何哑波导)与自由传播区115邻接的表面可以被称作所述星形耦合器的“第一孔隙”或“第一界面”，并且第二波导110 (包括任何哑波导)与自由传播区115邻接的表面可以被称作所述星形耦合器的“第二孔隙”或“第二界面”。为方便起见，在相应的第一和第二孔隙处的所述波导的端部被示出为矩形，但是在一些实施方案中，自由传播区具有与波导的脊相同的高度(在下文进一步详细地论述)，因此，与图4A至图4D的示意图中所示的视图相反，此处可能不存在将波导与自由传播区115分离的可视线，并且边界可以改为由所述孔隙处的罗兰圆结构420并且由相邻波导之间的沟槽610 (图6A)的端部限定。
将理解，在夫琅和费近似中，发散角与波长与离开波导的光模的宽度的比率成比例；因此，将每个波导设计为具有与其将携载的光的波长成比例的宽度可能会导致基本上相等的发散角。出于各种原因，此近似可能不是精确的。可以通过将离开传输波导的光表示为平面波的叠加并且将在接收波导处得到的场计算为平面波场的和来在数值上执行更精确的分析。可以使用可购自(例如) Photon Design (photond.com)或Lumerical(www.lumerical.com)的各种市售软件包来执行此类数值分析。
在一些实施方案中，在所述星形耦合器的每个孔隙处的每个波导是脊形波导。参看图5A，所述波导可以被制作为绝缘体上硅(SOI)结构，其中蚀刻二氧化硅(SiO2)层(其可以被称作“内埋氧化物”或“BOX”层)上的3微米厚的硅(Si)层以形成厚片部分510和在厚片部分510上方延伸的脊形部分520。在一个实施方案中，脊的宽度wr是3.0微米，脊的高度hr是1.2微米，并且厚片的高度hs是1.8微米。薄(例如，0.2微米厚)硅层530可以保留在所述厚片的两侧上的区中的二氧化硅上，以用于制作；此层可能会对波导的光学特性具有可忽略不计的影响。相邻的波导可以共用厚片部分510 (如图5B中所示)。
参看图6A，在一些实施方案中，使相邻波导之间的沟槽610尽可能地窄，使得第一波导105在未彼此干扰的情况下尽可能地宽。举例来说，可以使每个沟槽像制作工艺所容许的极限那样窄，例如，比1微米窄或比700 nm窄(例如，600 nm)。在此类实施方案中，第一波导105中的每一者的相对较大的宽度可能会导致峰值通道插入损耗的增加，但可能还会在使用此类星形耦合器的AWG的每个通道中导致较宽的带通响应。较宽的带通响应在被配置用于用作多路复用器的AWG (例如，N × 1 AWG)中可能是有利的。图6B是多个脊形波导沿着图6A的截面线6B-6B截取的示意性截面图。
在一些实施方案中，通过识别第一孔隙上的一些位置来选择宽度，所述第一波导中的每一者居中位于所述位置处(对应于所述波导的设计中心波长)。第一波导中的第一者(例如，在第一孔隙的一端处的波导)的波长随后可以被选择为具有某一标称值，例如，3微米。随后使沿着第一孔隙的每个后续波导变宽(或变窄)，直到其与前一个波导间的沟槽610的宽度是合适的(例如，等于制作工艺能够生产的最小宽度，例如600 nm)为止。在一些实施方案中，如果此过程导致其他波导中的一些波导过窄或过宽，那么可以针对所述第一波导中的第一者使用不同的宽度(例如，分别使用较窄宽度或较宽宽度)来重复所述过程。
参看图7A，中阶梯光栅是波导选择元件的另一个实例，所述中阶梯光栅可以由输入波导705和多个输出波导710形成，所述输出波导中的每一者是终止于与厚片区715的边界处的波导，所述边界在罗兰圆上。所述光栅可以沿着光栅曲线730形成，所述光栅曲线可以是圆的一部分，所述圆具有罗兰圆的半径的两倍并且在所述光栅曲线的通过来自输入波导705的光照射的区内与罗兰圆相切。光栅725可以包括如图7B的放大图中所示的一连串反射端面735。可以使用与上文针对星形耦合器描述的那些方法类似的方法来选择输出波导710的宽度(例如，每个波导的宽度可以被选择为与对应波长成比例、或大致成比例)，或者宽度可以被选择为使得在光栅725处的与输出波导的基模对应的场方向图中的大部分功率(例如，所述功率的99.7%或所述功率的99.9%)是在光栅725在输出波导处对着的角度的范围内，或者宽度可以被选择为导致相邻输出波导710之间的沟槽610，所述沟槽与制作工艺所容许的极限那样窄。
如本文中使用，术语“光学系统”、“光学装置”和“光学元件”是同义的并且指代具有光学输入和光学输出的事物。这些术语可以联合使用来描述(例如)包括多个光学元件的光学系统或包括光学装置和一个或多个其他光学元件的光学系统。
在本文中的描述的一些部分中，为方便起见，将光学元件描述为具有“输入波导”和“输出波导”。然而，将理解，本文中描述的星形耦合器、AWG和中阶梯光栅可以是互易装置，并且因而，被描述为“输出”的任何波导可以用作输入。举例来说，AWG可以是互易装置，例如，对于在一个方向上行进通过所述AWG的光来说，所述AWG可以像波分复用(WDM)多路复用器一样表现，并且对于在相反方向上行进的光，所述AWG可以像WDM解多路复用器一样表现。因此，光学元件的每个输入波导和每个输出波导更大体上可以被称作“端口”波导。
虽然已在本文中特定地描述和说明了宽带星形耦合器的示例性实施方案，但是许多修改和变化将是本领域的技术人员显而易见的。因此，应理解，根据本公开的原理建构的宽带星形耦合器可以与本文中特定描述的情况不同地体现。还在以下权利要求书以及其等效物中限定本发明。

Claims (14)

1.一种星形耦合器，所述星形耦合器包括：
第一界面；
第二界面；
在所述第一界面处的第一多个波导；
在所述第二界面处的一个或多个第二波导；以及
自由传播区，所述自由传播区连接所述第一多个波导与所述一个或多个第二波导，
所述第一多个波导中的第一波导具有第一宽度，
所述第一多个波导中的第二波导具有第二宽度，
所述第一宽度比所述第二宽度大至少5％，并且所述第一宽度与所述第二宽度的比率和所述第一波导所携载的第一波长与所述第二波导所携载的第二波长的比率偏差在10％之内。
2.如权利要求1所述的星形耦合器，其中：
所述第一界面是所述星形耦合器的第一孔隙，并且
所述第二界面是所述星形耦合器的第二孔隙。
3.如权利要求1所述的星形耦合器，其中：
所述第一界面是所述星形耦合器的第一孔隙，
所述第二界面是所述星形耦合器的第二孔隙，并且
在所述第一波导与所述第一多个波导中的与所述第一波导相邻的波导之间的沟槽具有小于1微米的宽度。
4.如权利要求3所述的星形耦合器，其中所述沟槽的所述宽度小于700nm。
5.如权利要求3所述的星形耦合器，其中所述第一孔隙处的一对相邻波导之间的每个沟槽具有小于1微米的宽度。
6.如权利要求5所述的星形耦合器，其中所述第一孔隙处的一对相邻波导之间的每个沟槽具有小于700nm的宽度。
7.一种波长选择元件，所述波长选择元件包括：
如权利要求1所述的星形耦合器，
所述波长选择元件被配置成：
接收处于所述第一波长的光，
将处于所述第一波长的所述光引导到所述第一波导，
接收处于所述第二波长的光，以及
将处于所述第二波长的所述光引导到所述第二波导。
8.如权利要求7所述的波长选择元件，其中所述波长选择元件是阵列波导光栅。
9.如权利要求8所述的波长选择元件，其中：
所述第一界面是所述星形耦合器的第一孔隙，并且
所述第二界面是所述星形耦合器的第二孔隙。
10.如权利要求9所述的波长选择元件，其中选择所述第一波导的所述宽度，使得在所述第二孔隙处的与所述第一波导的基模对应的第一场方向图在被所述第二孔隙对着的角度的范围内包括所述第一场方向图的功率的至少99％。
11.如权利要求10所述的波长选择元件，其中选择所述第二波导的所述宽度，使得在所述第二孔隙处的与所述第二波导的基模对应的第二场方向图在被所述第二孔隙对着的角度的范围内包括所述第二场方向图的功率的至少99％。
12.一种波长选择元件，所述波长选择元件包括：
如权利要求3所述的星形耦合器，
所述波长选择元件被配置成：
接收处于第一波长的光，
将处于所述第一波长的所述光引导到所述第一波导，
接收处于第二波长的光，并且
将处于所述第二波长的所述光引导到所述第二波导。
13.如权利要求12所述的波长选择元件，其中所述波长选择元件是阵列波导光栅。
14.如权利要求13所述的波长选择元件，其中：
所述波长选择元件是阵列波导光栅，所述阵列波导光栅具有在所述阵列波导光栅的第一界面处的一个端口波导以及在所述阵列波导光栅的第二界面处的多个端口波导，
所述阵列波导光栅包括第一星形耦合器，所述第一星形耦合器连接到所述阵列波导光栅的所述第一界面处的所述端口波导，并且
所述星形耦合器连接到所述阵列波导光栅的所述第二界面处的所述多个端口波导。
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