CN111624791A - 热光移相器、热光移相器网络及光电装置 - Google Patents

Abstract

本公开涉及热光移相器、热光移相器网络及光电装置。提供了一种热光移相器，包括：多个第一波导，每个第一波导具有第一宽度并且沿第一方向延伸；以及多个第二波导，每个第二波导具有不同于第一宽度的第二宽度并且沿第一方向延伸，其中，多个第一波导和多个第二波导交替地在不同于第一方向的第二方向上间隔布置，其中，多个第一波导和多个第二波导中的至少一个波导被掺杂以用作热光移相器的发热单元，以及其中，多个第一波导和多个第二波导中的未被掺杂的波导光学地串联耦接，以在两端分别提供热光移相器的光输入端口和光输出端口。

Description

热光移相器、热光移相器网络及光电装置

技术领域

本公开总体上涉及光电子器件领域，并且更具体而言，本公开涉及热光移相器、热光移相器网络及光电装置。

背景技术

在光电子器件及其相关应用中，通常可以通过光电效应、电光效应、声光效应、磁光效应、热光效应等多种物理效应来实现各种功能性器件。其中，利用热光效应来实现光的相位调制的热光移相器是光电子器件当中的一种重要的功能性器件，其具有制作简单、成品率高、成本低、易于集成等优点。现有的热光移相器一般在波导外部设置加热器，从而通过加热器提供的热量来调制在波导中传播的光的相位。但是，这种热光移相器的尺寸较大，功耗较高，调制速度慢，并且移相效率低。这些问题尤其在热光移相器作为单元器件而被应用于大规模网络性结构时更为严重。

发明内容

根据本公开的第一方面，提供了一种热光移相器，包括：多个第一波导，每个第一波导具有第一宽度并且沿第一方向延伸；以及多个第二波导，每个第二波导具有不同于所述第一宽度的第二宽度并且沿所述第一方向延伸，其中，所述多个第一波导和所述多个第二波导交替地在不同于所述第一方向的第二方向上间隔布置，其中，所述多个第一波导和所述多个第二波导中的至少一个波导被掺杂以用作所述热光移相器的发热单元，以及其中，所述多个第一波导和所述多个第二波导中的未被掺杂的波导光学地串联耦接，以在两端分别提供所述热光移相器的光输入端口和光输出端口。

在一些实施例中，所述第一方向与所述第二方向垂直。

在一些实施例中，所述多个第一波导和所述多个第二波导是彼此平行的直波导。

在一些实施例中，所述多个第一波导和所述多个第二波导在所述第二方向上以均等的间隔布置。

在一些实施例中，所述多个第一波导和所述多个第二波导在所述第二方向上的间隔被配置为使得相邻波导之间的耦合强度低于预定阈值。

在一些实施例中，所述第一宽度小于所述第二宽度。

在一些实施例中，被掺杂的所述至少一个波导是第二波导。

在一些实施例中，相邻两个被掺杂的波导之间存在至少一个未被掺杂的波导。

在一些实施例中，相邻两个被掺杂的波导之间存在三个未被掺杂的波导。

在一些实施例中，热光移相器还包括多个第三波导，每个第三波导具有弯曲部分，其中所述多个第一波导和所述多个第二波导中的相邻两个未被掺杂的波导经由所述多个第三波导中的相应第三波导光学地耦接。

在一些实施例中，每个第三波导的弯曲部分的弯曲半径基于所述多个第一波导和所述多个第二波导中的耦接到该第三波导两端的波导之间的间隔和相对角度以及所述第一方向与所述第二方向的相对角度中的至少一者而确定。

在一些实施例中，每个第三波导的宽度被配置为等于所述多个第一波导和所述多个第二波导中的耦接到该第三波导两端的波导的宽度当中的最小宽度。

在一些实施例中，热光移相器还包括多个第四波导，其中所述多个第三波导中的耦接在第一波导和第二波导之间的第三波导经由所述多个第四波导中的相应第四波导与第二波导光学地耦接，每个第四波导在该第四波导与第三波导耦接的一端具有所述第一宽度并且在该第四波导与第二波导耦接的一端具有所述第二宽度。

在一些实施例中，每个被掺杂的波导包括至少一个第一掺杂区域和至少一个第二掺杂区域，所述至少一个第一掺杂区域和所述至少一个第二掺杂区域沿所述第一方向交替地布置在该被掺杂的波导中。

在一些实施例中，第一掺杂区域为P型掺杂区域，以及第二掺杂区域为N型掺杂区域。

在一些实施例中，每个被掺杂的波导中的相邻掺杂区域彼此接触以形成至少一个PN结。

在一些实施例中，热光移相器还包括第一电学端口和不同于所述第一电学端口的第二电学端口，其中所述热光移相器被配置为在所述第一电学端口处的电压高于所述第二电学端口处的电压时，每个被掺杂的波导中的PN结导通。

在一些实施例中，每个被掺杂的波导的各个第一掺杂区域均电学耦接至所述第一电学端口，以及每个被掺杂的波导的各个第二掺杂区域均电学耦接至所述第二电学端口。

在一些实施例中，每个被掺杂的波导的与该被掺杂的波导的第一端最接近的第一掺杂区域均电学耦接至所述第一电学端口，以及每个被掺杂的波导的与该被掺杂的波导的第二端最接近的第二掺杂区域均电学耦接至所述第二电学端口，所述第二端与所述第一端相对。

在一些实施例中，热光移相器还包括设置在所述多个第一波导和所述多个第二波导中的至少一个波导上方的至少一个金属条，所述至少一个金属条中的每个金属条被配置为与被掺杂的波导中的相应PN结电学地耦接。

在一些实施例中，热光移相器还包括与被掺杂的所述至少一个波导中的相应的被掺杂的波导电学地串联耦接的至少一个附加电阻，所述至少一个附加电阻被配置为具有与被掺杂的波导的电阻温度系数匹配的电阻温度系数。

在一些实施例中，所述附加电阻的电阻温度系数为正。

在一些实施例中，所述附加电阻为金属电阻。

在一些实施例中，所述附加电阻被实现为设置在与该附加电阻电学地串联耦接的被掺杂的波导上方的金属膜。

根据本公开的第二方面，提供了一种热光移相器网络，包括：多个第一电学网络端口；不同于所述多个第一电学网络端口的多个第二电学网络端口；以及布置在阵列中的多个热光移相单元，每个热光移相单元包括至少一个根据本公开的第一方面中任一实施例所述的热光移相器，其中每个热光移相单元电学耦接在所述多个第一电学网络端口中的相应第一电学网络端口与所述多个第二电学网络端口中的相应第二电学网络端口之间，其中，每个热光移相单元被配置为当与该热光移相单元对应的第一电学网络端口处的电压高于与该热光移相单元对应的第二电学网络端口处的电压时改变通过该热光移相单元的光的相位。

在一些实施例中，所述多个热光移相单元中的位于同一行的热光移相单元均电学耦接至所述多个第一电学网络端口中的同一个第一电学网络端口，以及所述多个热光移相单元中的位于同一列的热光移相单元均电学耦接至所述多个第二电学网络端口中的同一个第二电学网络端口。

在一些实施例中，每个热光移相单元中的热光移相器彼此电学地并联或串联耦接。

在一些实施例中，每个热光移相单元中的热光移相器彼此光学地并联或串联耦接。

根据本公开的第三方面，提供了一种光电装置，所述光电装置为光开关设备、光调制设备、光学现场可编程门阵列网络、相控阵雷达和光子人工智能芯片中的一者，所述光电装置包括根据本公开的第一方面中任一实施例所述的热光移相器。

根据本公开的第四方面，提供了一种光电装置，所述光电装置为光开关设备、光调制设备、光学现场可编程门阵列网络、相控阵雷达和光子人工智能芯片中的一者，所述光电装置包括根据本公开的第二方面中任一实施例所述的热光移相器网络。

通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得更为清楚。

附图说明

从结合附图示出的本公开的实施例的以下描述中，本公开的前述和其它特征和优点将变得清楚。附图结合到本文中并形成说明书的一部分，进一步用于解释本公开的原理并使本领域技术人员能够制造和使用本公开。其中：

图1是根据本公开的一些实施例的热光移相器的示意性平面图；

图2是根据本公开的一些实施例的热光移相器的示意性平面图；

图3A至图3C是根据本公开的一些实施例的热光移相器的示意性局部平面图；

图4是根据本公开的一些实施例的热光移相器的示意性平面图；

图5是根据本公开的一些实施例的热光移相器的示意性平面图；

图6A是图5的热光移相器的示意性平面图，其中示出了热光移相器的示例性金属布线结构；

图6B是沿着图6A中的线II-II’截取的图6A的热光移相器的示意性截面图；

图6C是沿着图6A中的线III-III’截取的图6A的热光移相器的示意性截面图；

图7A是根据本公开的一些实施例的热光移相器的示意性平面图，其中示出了热光移相器的示例性金属布线结构；

图7B是沿着图7A中的线IV-IV’截取的图7A的热光移相器的示意性截面图；

图7C是图7B的热光移相器的示例的示意性截面图；

图8是根据本公开的一些实施例的N×M热光移相器网络的示意图；

图9是根据本公开的一些实施例的2×2热光移相器网络的示意图；以及

图10A至图10C是用于操作图9的2×2热光移相器网络的示例性时序图。

注意，在以下说明的实施方式中，有时在不同的附图之间共同使用同一附图标记来表示相同部分或具有相同功能的部分，而省略其重复说明。在一些情况中，使用相似的标号和字母表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了便于理解，在附图等中所示的各结构的位置、尺寸及范围等有时不表示实际的位置、尺寸及范围等。因此，本公开并不限于附图等所公开的位置、尺寸及范围等。

具体实施方式

下面将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。也就是说，本文中的结构及方法是以示例性的方式示出，来说明本公开中的结构和方法的不同实施例。然而，本领域技术人员将会理解，它们仅仅说明可以用来实施的本公开的示例性方式，而不是穷尽的方式。此外，附图不必按比例绘制，一些特征可能被放大以示出具体组件的细节。

另外，对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

热光移相器是利用热光效应来实现对光的相位调制的器件。通常，热光移相器可以通过以下方法来制造：首先在衬底上形成波导，然后在波导附近形成加热器以用于向该波导提供热量，该加热器通常是电阻型的，并且例如可以被形成为位于波导上方或两侧的金属条等，该金属条可以被配置为具有沿着波导延伸的细长结构。当外部地向电阻型加热器供电时，该电阻型加热器会由于焦耳效应而产生热量，这些热量向四周扩散并且其中一部分会传递至波导从而引起波导的至少一些部分的温度升高。作为结果，波导的温度升高的部分的折射率变化，使得该波导的有效波导长度变化，从而造成光在离开波导时相对于进入波导时发生相位变化。但是，这种热光移相器的尺寸较大，功耗较高，调制速度慢，移相效率低。这些问题尤其在热光移相器作为单元器件而被应用于大规模网络性结构时更为严重。例如，当多个热光移相器被提供在具有多通道的光子电路中以用于进行各通道的光相位调制时，如果每个热光移相器都具有高功耗和大尺寸，那么整个光子电路的总功耗将非常大，总体尺寸也非常大，而这是不期望的。

为了降低功耗，一些热光移相器在波导两侧设置隔热槽或者将波导下方的部分衬底去除以使得该波导在衬底上具有桥状结构，从而利用空气的相对低的热导率来减小热量损耗。然而，这种构造虽然可以降低热光移相器的功耗，但是却显著降低了热光移相器的调制速度，并且增加了工艺难度以及器件的总体尺寸。

因此，需要一种具有改进的结构的热光移相器。

本公开的第一方面提供了一种热光移相器。该热光移相器包括多个第一波导和多个第二波导。每个第一波导具有第一宽度并且沿第一方向延伸，并且每个第二波导具有不同于第一宽度的第二宽度并且沿第一方向延伸。第一波导和第二波导交替地在不同于第一方向的第二方向上间隔布置。多个第一波导和多个第二波导中的至少一个波导被掺杂以用作热光移相器的发热单元。多个第一波导和多个第二波导中的未被掺杂的波导光学地串联耦接，以在两端分别提供热光移相器的光输入端口和光输出端口。

根据本公开的第一方面的热光移相器通过将不同宽度的波导交替地间隔布置以使得相邻波导的宽度彼此不同，可以有效地减弱相邻波导之间的耦合并改善光串扰现象，使得这些波导可以以更小的间距紧凑地布置在一起，从而可以减小器件的总体尺寸。此外，根据本公开的热光移相器使用被掺杂的波导作为发热单元，这些被掺杂的波导与用于传输光的波导紧密相邻，并且可以被配置为具有适当的导电性从而在通电时能够由于焦耳效应而发热，以引起附近的用于传输光的波导的热光效应，使得从热光移相器的光输入端口输入的光在经过受热的波导后从热光移相器的光输出端口出射时发生相位变化。通过使用被掺杂的波导作为发热单元并将它们与用于传输光的波导紧凑地布置在一起，根据本公开的热光移相器可以在保持较高调制速度的同时实现低功耗，并且具有显著提高的移相效率。

下面参照图1详细描述根据本公开的一些实施例的热光移相器100。应注意，实际的热光移相器可能还存在其它部件，而为了避免模糊本公开的要点，附图没有示出且本文也不去讨论其它部件。

如图1所示，热光移相器包括多个第一波导101-1、101-2、101-3、101-4、101-5、101-6、101-7(下文中，也可以被统称为第一波导101)和多个第二波导102-1、102-2、102-3、102-4、102-5、102-6、102-7(下文中，也可以被统称为第二波导102)。每个第一波导101具有第一宽度w₁并且沿第一方向D1延伸，以及每个第二波导具有不同于第一宽度w₁的第二宽度w₂并且沿第一方向D1延伸。

在一些实施例中，第一宽度w₁可以小于第二宽度w₂。在一些示例中，第一宽度w₁可以在400nm至500nm的范围内，或者可以在425nm至475nm的范围内，或者可以是例如450nm。在一些示例中，第二宽度w₂可以在450nm至550nm的范围内，或者可以在475nm至525nm的范围内，或者可以是例如500nm。可以理解，各个第一波导101的第一宽度可以彼此相同，也可以彼此不同，以及各个第二波导102的第二宽度可以彼此相同，也可以彼此不同，只要保证热光移相器中的相邻波导的宽度不同即可。另外，第一波导101和第二波导102的长度在本文中不受特别限制，它们中的一个或多个可以是相同的或不同的，这可以根据实际需要具体设置。

虽然在图1中热光移相器100被描绘为具有七个第一波导和七个第二波导，但是这仅仅是示例性的而非限制性的。可以理解的是，热光移相器中包括的第一波导和第二波导的数量可以根据实际需要进行具体设置，并且第一波导和第二波导的数量不必是相同的。

第一波导和第二波导的形状不受特别限制，而是可以采用任何合适的形状，作为非限制性示例，第一波导和第二波导可以是直波导、弯曲波导等。如本文所使用的，“波导沿第一方向延伸”可以是指波导的中心线上的每一点处的切线方向与第一方向的夹角不超过15°，或者不超过10°，或者不超过5°，或者不超过1°。

例如，参考图3A至图3C，点线指示波导的中心线，以及短划线指示平行于第一方向D1的方向。在图3A中，第一波导(例如，101-1’)是直波导，其中心线与第一方向的夹角为θ₁，以及第二波导(例如，102-1’)是直波导，其中心线与第一方向的夹角为θ₂，其中θ₁、θ₂不超过15°，或者不超过10°，或者不超过5°，或者不超过1°。θ₁、θ₂可以具有相同的值，也可以具有不同的值。在一些实施例中，多个第一波导和多个第二波导可以是彼此平行的直波导。例如，如图3C所示，第一波导和第二波导是各自平行于第一方向D1延伸的彼此平行的直波导，即θ₁和θ₂等于0°。在另一些示例中，第一波导和第二波导也可以是与第一方向D1成相同角度地延伸的彼此平行的直波导。另外，在图3B中，第一波导(例如，101-1”)是弯曲波导，其中心线上的每一点处的切线方向与第一方向的夹角为θ₁，以及第二波导(例如，102-1”)是弯曲波导，其中心线上的每一点处的切线方向与第一方向的夹角为θ₂。对于作为弯曲波导的第一波导和第二波导，它们的中心线上的每一点处的切线方向与第一方向的夹角θ₁、θ₂虽然不一定是恒定不变的，但是始终都满足前述范围，使得第一波导和第二波导沿第一方向D1延伸。

第一波导101和第二波导102交替地在不同于第一方向D1的第二方向D2上间隔布置。第一方向D1与第二方向D2之间的夹角可以被表示为α，在一些实施例中，第一方向D1可以与第二方向D2垂直，即α等于90°，例如如图1所示。在另外一些实施例中，第一方向D1可以不与第二方向D2垂直，例如如图3C所示。可以根据具体情况设置第一方向D1与第二方向D2之间的夹角α。

在本文中，相邻的第一波导101和第二波导102之间的间隔d被定义为该第一波导101的中心线与该第二波导102的中心线之间的在第二方向D2上的最小距离，例如如图1和图3A至图3C所示。在一些实施例中，多个第一波导101和多个第二波导102在第二方向D2上以均等的间隔d布置。但是应理解，所有的相邻波导之间的间隔不需要是相同的，而是可以根据实际需要具体设置。在一些实施例中，多个第一波导101和多个第二波导102在第二方向D2上的间隔被配置为使得相邻波导之间的耦合强度低于预定阈值。该预定阈值可以根据对热光移相器的具体性能要求进行设置。一般地，相邻波导之间的耦合强度越低，其间的光串扰越少。在本实施例中，由于第一波导101和第二波导102具有不同的宽度并且交替地布置在第二方向上，使得相邻波导的宽度彼此不同。由于不同宽度的波导具有不同的等效传播常数，因此与具有相同宽度的两个相邻波导相比，具有不同宽度的两个相邻波导之间的耦合明显减弱，从而对于具有不同宽度的相邻波导可以实现更小的间距d。由此，在本公开中，多个第一波导101和多个第二波导102可以具有更紧凑的布置，使得热光移相器100的总体尺寸大大缩小。例如，在第一波导101的第一宽度w₁为450nm以及第二波导102的第二宽度w₂为500nm的情况下，多个第一波导101和多个第二波导102可以以1.0μm的间隔紧密地交替排列而不会发生明显的串扰，由此可以获得大大减小的器件尺寸。

多个第一波导101和多个第二波导102中的至少一个波导可以被掺杂以用作热光移相器的发热单元。可以根据具体情况选择多个第一波导101和多个第二波导102中的一个或多个波导进行掺杂，以便使其具有期望的电阻以用于发热。在一些实施例中，相邻两个被掺杂的波导之间可以存在至少一个未被掺杂的波导。优选地，具有较大宽度的波导中的一个或多个可以被掺杂。例如，在图1所示的热光移相器100中，第二波导102的第二宽度w₂大于第一波导101的第一宽度w₁，在多个第二波导102当中，第二波导102-2、102-4和102-6被掺杂以用作热光移相器100的发热单元，并且在第二波导102-2、102-4和102-6中的任意相邻两个之间存在三个未被掺杂的波导。位于每个被掺杂的波导两侧的未被掺杂的波导分享该被掺杂的波导产生的热量。被掺杂的波导在热光移相器100中的具体位置和数量可以例如综合考虑热光移相器100的尺寸和移相效率等因素来设置。被掺杂的波导中的掺杂区域可以占据该波导的体积的部分或全部。对波导进行掺杂可以采用P型掺杂和N型掺杂中的至少一种，稍后将详细描述作为发热单元的波导的掺杂。

多个第一波导101和多个第二波导102中的未被掺杂的波导光学地串联耦接，以在两端分别提供热光移相器的光输入端口和光输出端口。如图1所示，未被掺杂的第一波导101-1、第二波导102-1、第一波导101-2、第一波导101-3、第二波导102-3、第一波导101-4、第一波导101-5、第二波导102-5、第一波导101-6、第一波导101-7、第二波导102-7光学地串联耦接(如由图1中的粗虚线所指示的)，以在第一波导101-1的第一端和第二波导102-7的第二端处分别提供热光移相器100的光输入端口110和光输出端口120。由此，光在光输入端口110处进入热光移相器100后，依次通过第一波导101-1、第二波导102-1、第一波导101-2、第一波导101-3、第二波导102-3、第一波导101-4、第一波导101-5、第二波导102-5、第一波导101-6、第一波导101-7、第二波导102-7，最后从光输出端口120出射。当被掺杂的第二波导102-2、102-4和102-6被通电时，第二波导102-2、102-4和102-6发热并引起附近的波导的热光效应，造成这些波导本身折射率的变化，使得光在通过受热的第一波导101-1、第二波导102-1、第一波导101-2、第一波导101-3、第二波导102-3、第一波导101-4、第一波导101-5、第二波导102-5、第一波导101-6、第一波导101-7、第二波导102-7后从光输出端口120出射时的相位相比于从光输入端口110入射时的相位发生了变化。例如，假设光在热光移相器100中通过的波导的长度为L，以及波导的温度变化为ΔT，则光的相位变化

可以被表示为

其中λ表示光的波长，以及

表示波导材料的热光系数，例如对于硅材料来说，该热光系数一般为1.86×10^-4/K。

相邻的未被掺杂的波导之间的光学耦接可以采用任何合适的方式来实现。例如，光在从前一个未被掺杂的波导(例如，第一波导101-1)离开后，可以被能够改变光路方向的任何合适的光学元件(诸如反射镜、透镜等)或其组合改变其传播方向，然后通过能够把光耦合到波导中的任何合适的耦合装置(诸如光栅、棱镜等)重新进入后一个未被掺杂的波导(例如，第二波导102-1)。另外，相邻的未被掺杂的波导之间的光学耦接也可以通过附加的波导来实现。

在一些实施例中，热光移相器还可以包括多个第三波导，每个第三波导可以具有弯曲部分，其中多个第一波导和多个第二波导中的相邻两个未被掺杂的波导经由多个第三波导中的相应第三波导光学地耦接。

图2示出了根据本公开的一些实施例的热光移相器100A。热光移相器100A与热光移相器100相比，不同之处在于热光移相器100A还包括多个第三波导103-1、103-2、103-3、103-4、103-5、103-6、103-7、103-8、103-9、103-10(下文中，也可以被统称为第三波导103)。第三波导103-1将第一波导101-1与第二波导102-1光学地耦接，并且类似地，第三波导103-2、103-3、103-4、103-5、103-6、103-7、103-8、103-9、103-10分别将第二波导102-1与第一波导101-2、第一波导101-2与第一波导101-3、第一波导101-3与第二波导102-3、第二波导102-3与第一波导101-4、第一波导101-4与第一波导101-5、第一波导101-5与第二波导102-5、第二波导102-5与第一波导101-6、第一波导101-6与第一波导101-7、第一波导101-7与第二波导102-7光学地耦接。第三波导可以被用于改变光的传播方向，并将来自耦接在该第三波导的一端的波导的光耦合到耦接在该第三波导的另一端的波导中。使用第三波导来实现未被掺杂的波导之间的光学耦接不仅可以简化热光移相器的布置，缩小器件尺寸，还可以保持较低的光损耗。

第三波导103可以具有弯曲部分。在一些实施例中，每个第三波导103的弯曲部分的弯曲半径基于多个第一波导101和多个第二波导102中的耦接到该第三波导103两端的波导之间的间隔和相对角度以及第一方向与第二方向的相对角度中的至少一者而确定。

例如，在图2所示的示例中，每个第三波导103两端的波导彼此平行(即，相对角度为0°)并且第一方向与第二方向垂直(α为90°)，则在这种情况下，第三波导103的弯曲部分的弯曲半径可以基于该第三波导103两端的波导之间的间隔来确定。如果在波导的耦接处第三波导的中心线与该第三波导所耦接的波导的中心线对齐，则第三波导103的弯曲部分的弯曲半径可以为耦接至该第三波导103两端的波导之间的间隔的二分之一。例如，在多个第一波导101和多个第二波导102以1.0μm的间隔紧密地交替排列的情况下，第三波导103的弯曲部分的弯曲半径可以为0.5μm。

例如，在图3C所示的示例中，每个第三波导103两端的波导彼此平行(即，相对角度为0°)并且第一方向与第二方向不垂直，则在这种情况下，第三波导103-1”的弯曲部分的弯曲半径可以基于第一波导101-1与第二波导102-1之间的间隔d以及第一方向与第二方向的相对角度α来确定。在一些示例中，第三波导103的弯曲部分的弯曲半径可以为dsinα/2。

另外，当第三波导103两端的波导彼此不平行时，例如如图3A所示，第三波导103-1’将第一波导101-1’和第二波导102-1’光学地耦接，其中第一波导101-1’和第二波导102-1’之间的相对角度为(θ₁+θ₂)，则在这种情况下，第三波导103-1’的弯曲部分的弯曲半径可以基于第一波导101-1’与第二波导102-1’之间的间隔d和相对角度(θ₁+θ₂)来确定。在一些示例中，第三波导103-1’的弯曲部分的弯曲半径可以等于d/(cosθ₁+cosθ₂)。

应理解的是，虽然在附图中第三波导103的弯曲部分被描绘为是圆形的，但是可以理解的是，第三波导103的弯曲部分也可以是非圆形的弯曲部分。另外，在一些实施例中，第三波导103除了弯曲部分外还可以具有直线部分，该直线部分可以被看作是与该第三波导103耦接的波导的延伸部分，以便布置第三波导103的弯曲部分。例如，如图3C所示，与图2所示的热光移相器100A相比，图3C中的第一波导和第二波导交替地在与第一方向D1不垂直的第二方向D2上间隔排列(101-1、102-1、101-2、102-2、101-3、……)。在图3C中，第一波导和第二波导的长度相同，但是由于第一方向D1与第二方向D2不垂直，导致从垂直于第一方向D1的角度看第一波导和第二波导相对于彼此偏移。在这种情况下，第三波导103-1”、103-2”、103-3”、……除了弯曲部分外还包括直线部分以补偿耦接在其两端的波导之间的相对偏移。

在一些实施例中，每个第三波导的宽度被配置为等于多个第一波导和多个第二波导中的耦接到该第三波导两端的波导的宽度当中的最小宽度。

具体地，例如参考图2，第三波导103-1耦接在具有第一宽度w₁的第一波导101-1和具有第二宽度w₂的第二波导102-1(w₁<w₂)之间，并且第三波导103-1的宽度可以等于第一波导101-1的第一宽度w₁。第三波导103-3耦接在第一波导101-2和101-3之间，并且第三波导103-3的宽度可以等于第一波导101-2和101-3的宽度中的较小值(对于每个第一波导101的第一宽度w₁彼此相同的情况，第三波导103-3的宽度可以等于第一宽度w₁)。另外，如果第三波导耦接在两个第二波导之间，该第三波导的宽度可以等于这两个第二波导的宽度中的较小值(对于每个第二波导102的第二宽度w₂彼此相同的情况，该第三波导的宽度可以等于第二宽度w₂)。通过使得第三波导的宽度等于耦接到该第三波导两端的波导的宽度当中的最小宽度，可以进一步降低器件的光损耗。

在一些实施例中，热光移相器还可以包括多个第四波导，其中多个第三波导中的耦接在第一波导和第二波导之间的第三波导经由多个第四波导中的相应第四波导与第二波导光学地耦接，每个第四波导在该第四波导与第三波导耦接的一端具有第一宽度并且在该第四波导与第二波导耦接的一端具有第二宽度。

图4示出了根据本公开的一些实施例的热光移相器100A。热光移相器100B与热光移相器100A相比，不同之处在于热光移相器100B还包括多个第四波导104-1、104-2、104-3、104-4、104-5、104-6、104-7(下文中，也可以被统称为第四波导104)。第四波导104-1、104-2、104-3、104-4、104-5、104-6、104-7分别将第三波导103-1与第二波导102-1、第二波导102-1与第三波导103-2、第三波导103-4与第二波导102-3、第二波导102-3与第三波导103-5、第三波导103-7与第二波导102-5、第二波导102-5与第三波导103-8、第三波导103-10与第二波导102-7光学地耦接。每个第四波导104在其与第三波导103耦接的一端具有第三波导103的宽度并且在其与第二波导102耦接的一端具有第二波导102的宽度。第四波导被用来提供不同宽度的波导之间的连接，从而进一步降低器件的光损耗。

在一些实施例中，第三波导的宽度可以不同于耦接到该第三波导的两端的波导中的每一个的宽度。在这样的实施例中，第三波导可以在其两端分别包括第四波导，并经由相应的第四波导与耦接到该第三波导的两端的波导中的每一个光学地耦接。

在一些实施例中，如稍后描述的图5所示，多个第一波导和多个第二波导中的未被掺杂的波导通过多个第三波导和多个第四波导耦接在一起，共同形成一个连续的蛇形波导。在一些实施例中，该蛇形波导可以被一体地形成。

下面将详细描述根据本公开的热光移相器中的被掺杂的波导的具体配置。在一些实施例中，每个被掺杂的波导可以包括具有相同掺杂类型的一个或多个掺杂区域。在一些实施例中，每个被掺杂的波导可以包括具有不同掺杂类型的多个掺杂区域。本文所述的“掺杂类型”包括P型掺杂和N型掺杂。

在一些实施例中，每个被掺杂的波导可以包括至少一个第一掺杂区域和至少一个第二掺杂区域，其中至少一个第一掺杂区域和至少一个第二掺杂区域沿第一方向交替地布置在该被掺杂的波导中。在一些实施例中，第一掺杂区域为P型掺杂区域，以及第二掺杂区域为N型掺杂区域。在另外一些实施例中，第一掺杂区域为N型掺杂区域，以及第二掺杂区域为P型掺杂区域。在一些实施例中，每个被掺杂的波导中的相邻掺杂区域彼此接触以形成至少一个PN结。

例如，如图5所示，热光移相器200包括蛇形波导210以及位于蛇形波导210两端的光输入端口211和光输出端口212。与热光移相器100B相比，热光移相器200的蛇形波导210可以例如由如图4所示的多个第一波导101、多个第二波导102、多个第三波导103和多个第四波导104组合而成，或者可替代地被一体地形成。热光移相器200与热光移相器100B相比，不同之处在于热光移相器200的三个被掺杂的第二波导221、222、223各自包括五个掺杂区域。具体地，第二波导221依次包括第一掺杂区域221a、第二掺杂区域221b、第一掺杂区域221c、第二掺杂区域221d和第一掺杂区域221e，第二波导222依次包括第一掺杂区域222a、第二掺杂区域222b、第一掺杂区域222c、第二掺杂区域222d和第一掺杂区域222e，以及第二波导223依次包括第一掺杂区域223a、第二掺杂区域223b、第一掺杂区域223c、第二掺杂区域223d和第一掺杂区域223e。在每个被掺杂的第二波导221、222、223中，第一掺杂区域与第二掺杂区域交替布置并且彼此接触以形成多个PN结。

虽然图5中将被掺杂的波导描述为包括三个第一掺杂区域和两个第二掺杂区域，但是可以理解，被掺杂的波导可以被配置为包括任何合适数量的第一掺杂区域和第二掺杂区域，并且第一掺杂区域和第二掺杂区域的数量也可以是相同的。可以通过调整被掺杂的波导中的第一掺杂区域与第二掺杂区域的数量来调节PN结的数量。

形成PN结的优点可以在于，与不包括PN结的波导(例如，只包括P型掺杂区域或只包括N型掺杂区域的波导)相比，包括PN结的波导具有更小的电阻，使得包括这样的被掺杂的波导作为发热单元的热光移相器具有更小的驱动电压。

为了描述方便，在后文中，以第一掺杂区域为P型掺杂区域并且第二掺杂区域为N型掺杂区域为例进行说明，但是本领域技术人员能够理解，以下描述的各种实施例也适用于第一掺杂区域为N型掺杂区域并且第二掺杂区域为P型掺杂区域的情况。

每个掺杂区域的掺杂浓度、宽度和长度等参数可以根据实际需要具体设置。在一些实施例中，P型掺杂区域和N型掺杂区域都采用重掺杂。在一些实施例中，掺杂区域的宽度可以在200nm至400nm的范围内，或者在250nm至350nm的范围内，例如可以为300nm。在一些实施例中，掺杂区域的长度可以在30μm至70μm的范围内，或者在40μm至60μm的范围内，例如可以为50μm。

在一些实施例中，热光移相器200还可以包括第一电学端口和不同于第一电学端口的第二电学端口，其中热光移相器200可以被配置为在第一电学端口处的电压高于第二电学端口处的电压时，每个被掺杂的波导中的PN结导通。利用PN结的电流单向导通性，当被施加正向偏压时，被掺杂的波导中的PN结导通并且发热，而当被施加反向偏压时，被掺杂的波导中的PN结截止并且不产生热量。由此，虽然单个热光移相器200和之前描述的具有电阻型加热器(双向导通)的传统热光移相器一样也需要两个电学端口来控制操作，但是当被应用于大规模网络性结构时，包括热光移相器200作为单元器件的网络结构所需的电学端口数量相比于包括传统热光移相器作为单元器件的网络结构所需的电学端口数量大大减小，这将在下文中进一步详细描述。

每个被掺杂的波导221、222、223中的PN结之间的电学耦接方式可以根据具体需要进行设置。例如，在一些实施例中，同一个被掺杂的波导中的多个PN结可以进行并联，从而增大给定电压下的热功率。在另外一些实施例中，同一个被掺杂的波导中的多个PN结也可以进行串联，从而调整热光移相器的驱动电压。在另外一些实施例中，同一个被掺杂的波导中的多个PN结可以根据实际需要进行混联，从而获得期望的驱动电压和热功率。不同的被掺杂的波导的PN结之间的电学耦接方式也可以根据具体需要进行设置。例如，在一些实施例中，同一个被掺杂的波导中的多个PN结可以串联，然后不同的被掺杂的波导的PN结相互并联。以上这些仅仅是示例性的说明，并不旨在限制本公开。实际上，可以通过设置被掺杂的波导的PN结的掺杂浓度、数量、电学耦接方式等来适当地调节被掺杂的波导的等效电阻，以获得期望的驱动电压和热功率。

下面结合图6A至图6C来描述热光移相器200的一种示例性金属布线结构。如图6A所示，热光移相器200包括第一电学端口230和第二电学端口240。热光移相器200的每个被掺杂的波导221、222、223的各个第一掺杂区域均电学耦接至第一电学端口230，以及每个被掺杂的波导的各个第二掺杂区域均电学耦接至第二电学端口240。具体地，第一掺杂区域221a、222a、223a经由金属线231电学耦接至第一电学端口230，第一掺杂区域221c、222c、223c经由金属线232电学耦接至第一电学端口230，以及第一掺杂区域221e、222e、223e经由金属线233电学耦接至第一电学端口230。另外，第二掺杂区域221b、222b、223b经由金属线241电学耦接至第二电学端口240，以及第二掺杂区域221d、222d、223d经由金属线242电学耦接至第二电学端口240。在这样的配置中，每个被掺杂的波导221、222、223中的多个PN结是彼此并联的。例如，金属线的材料可以包括但不限于铜、铝等导电性好的金属或其组合。

参考图6B和图6C，热光移相器200中包括的各个波导可以被形成在衬底261上。衬底261可以是任何适于在其上形成波导的衬底，诸如可以采用硅衬底、锗衬底、绝缘体上硅(SOI)衬底、绝缘体上锗(GOI)衬底、绝缘体上锗硅(SGOI)衬底、硅上锗(Ge-on-Si)衬底、锗上SOI(Ge-on-SOI)衬底、锗硅上SOI(SiGe-on-SOI)衬底等。相应地，热光移相器200中包括的各个波导的材料可以包括但不限于硅、锗、氮化硅、氧化硅、氮氧化硅等。例如，以衬底261为SOI衬底为例，热光移相器200的波导结构可以形成在衬底261的埋氧层上的顶硅层中，各个波导例如可以具有脊型结构，或者可以具有其它合适的结构。热光移相器200的波导210、221、222、223(或者前述热光移相器的第一波导至第四波导)可以利用同一掩模通过一次刻蚀处理来形成，或者也可以利用多个掩模通过多次刻蚀处理来形成。然后，对其中一些波导(例如，波导221、222、223)进行掺杂以形成多个第一掺杂区域和多个第二掺杂区域。在波导上覆盖有电介质层262。当热光移相器200中包括的各个波导为硅波导时，电介质层262例如可以采用氧化硅。电介质层262不仅可以用作波导的包层，还可以用于将波导与后续沉积的金属线隔离。可以理解，电介质层262可以基于波导材料而采用其它合适的材料，只要其折射率与波导材料匹配并且能够将波导与金属布线结构隔离即可。

每个被掺杂的波导的各个掺杂区域与金属线之间是通过通孔来连接的。例如，如图6B所示，掺杂区域222a、222b、222c、222d、222e分别经由通孔282a、282b、282c、282d、282e与金属线231、241、232、242、233连接，其中通孔内填充有金属材料。通常，通孔内填充的金属材料与金属线相同。在一些实施例中，通孔的侧壁与填充金属之间还可以包括绝缘层、扩散阻挡层和/或种子层。在一些实施例中，通孔中的金属材料可以直接接触掺杂区域。优选地，在一些实施例中，通孔中的金属材料可以通过设置在掺杂区域上的接触层与掺杂区域间接接触。例如，掺杂区域222a、222b、222c、222d、222e分别经由接触层272a、272b、272c、272d、272e与通孔282a、282b、282c、282d、282e接触。接触层272a、272b、272c、272d、272e例如可以包括金属硅化物或者钨与金属硅化物的组合。同样，如图6C所示，掺杂区域221e、222e、223e分别经由接触层271e与通孔281e、接触层272e与通孔282e、接触层273e与通孔283e电学耦接至同一金属线233。

在一些实施例中，每个被掺杂的波导的与该被掺杂的波导的第一端最接近的第一掺杂区域可以均电学耦接至第一电学端口，以及每个被掺杂的波导的与该被掺杂的波导的第二端最接近的第二掺杂区域可以均电学耦接至第二电学端口，其中第二端与第一端相对。在这样的配置中，相同的被掺杂的波导中的多个PN结可以彼此串联，而不同的被掺杂的波导可以彼此并联。

例如，参考图7A，热光移相器300与热光移相器200相比，不同之处在于，被掺杂的波导221、222、223还分别包括第二掺杂区域221f、222f、223f。第一掺杂区域221a、222a、223a均通过金属线251电学耦接至第一电学端口250a，以及第二掺杂区域221f、222f、223f均通过金属线252电学耦接至第一电学端口250b。结合图7B，以被掺杂的波导222为例，第一掺杂区域222a通过接触层272a和通孔282a与金属线251连接，而第二掺杂区域222f通过接触层272f和通孔282f与金属线252连接。另外，在第一掺杂区域222c、222e之上还可以分别形成有栅极电介质层2532a、2542a以及栅极2532b、2542b，其中栅极2532b、2542b分别经由金属线253、254共同连接到电学端口250c以接收栅极控制电压。这样，当第一电学端口250a处的电压高于第二电学端口250b的电压并且电学端口250c处的栅极控制电压处于高电平时，被掺杂的波导222中的多个PN结串联导通。栅极2532b、2542b的材料可以包括与金属线相同的材料，或者可以包括其它合适的栅极材料。栅极电介质层2532b、2542b的材料可以包括以下中的一种或多种：氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等。在一些示例中，栅极2532b、2542b可以分别经由金属线253、254连接到不同的电学端口以分别接收栅极控制电压。在一些示例中，包括栅极电介质层和栅极的栅极结构也可以替代地形成第二掺杂区域222b、222d之上。即，栅极结构可以形成在多个第一掺杂区域中的未连接到第一电学端口的第一掺杂区域之上，或者替代地形成在多个第二掺杂区域中的未连接到第二电学端口的第二掺杂区域之上。在一些示例中，也可以不包括栅极电介质层2532a、2542a，而是利用电介质层262的在栅极2532b、2542b的底部与下方的相应第一掺杂区域222c、222e的顶部之间的部分作为相应的栅极电介质层。

在一些实施例中，热光移相器还可以包括与被掺杂的波导中的相应的被掺杂的波导电学地串联耦接的至少一个附加电阻，该至少一个附加电阻被配置为具有与被掺杂的波导的电阻温度系数匹配的电阻温度系数。

以热光移相器300为例，对于包括PN结的被掺杂的波导来说，由于PN结的电阻温度系数为负(即，PN结的电阻随着温度升高而减小)，因此在一些实施例中，附加电阻可以被配置为具有正的电阻温度系数(电阻随温度升高而增大)。例如，这样的附加电阻可以包括但不限于金属电阻。通过设置具有与被掺杂的波导的电阻温度系数匹配的电阻温度系数的附加电阻，可以便于调节热光移相器的等效电阻，并且使得热光移相器的等效电阻在温度发生变化时也不发生明显变化，从而提高热光移相器的控制准确性。

在一些实施例中，这样的附加电阻可以被实现为设置在与该附加电阻电学地串联耦接的被掺杂的波导上方的金属膜。该金属膜例如可以被配置为具有沿波导延伸的细长结构。该金属膜的材料例如可以包括但不限于钨、氮化钛或其它合适的金属等。例如如图7C所示，热光移相器300’相比于热光移相器300，不同之处在于还包括设置在被掺杂的波导(例如，波导222)上方的金属膜(例如，金属膜292)。如图7C所示，金属膜292形成在电介质层262上方的附加电介质层263中，并且通过通孔282f和接触层272f与第二掺杂区域222f连接，然后在另一端经由设置在附加电介质层263中的通孔2921连接到金属线252’，从而连接到第二电学端口250b。附加电介质层263可以采用与电介质层262相同的材料，也可以采用任何其它合适的电介质材料，只要能够实现金属结构之间的隔离即可。由此，被掺杂的波导222中包括的多个PN结以及金属膜292以串联方式耦接在第一电学端口250a与第二电学端口250b之间。注意，虽然图7C中未示出图7B中所描绘的栅极结构，但是可以理解的是，热光移相器300’可以包括图7B中所描绘的栅极结构，并且本领域技术人员能够理解，这些栅极结构与作为附加电阻的金属膜以及其它金属布线结构可以采取适当的布置被合理地设置在一个或多个电介质层中而不彼此冲突。

金属膜292的厚度、宽度、长度以及材料等可以根据期望的等效电阻来具体设置。可以理解的是，每个被掺杂的波导可以对应地设置有一个或多个附加电阻，并且这些附加电阻与被掺杂的波导或其包括的PN结之间的电学耦接方式不限于纯串联，而是可以通过适当的金属布线结构实现各种各样的电学耦接方式。

另外，这样的附加电阻也不一定要设置在与其对应的被掺杂的波导上方，而是可以设置在附加电介质层263中的任何合适位置处，只要可以通过适当的金属布线结构与对应的被掺杂的波导电学耦接即可。例如，它们也可以设置在未被掺杂的波导上方。另外，这些附加电阻还可以分布在不同附加电介质层中。

作为发热单元的被掺杂的波导还可以通过合适的金属布线结构与其它传统发热单元(例如，钨加热器、氮化钛加热器或其它金属条等)电学耦接在一起，从而为热光移相器的阻值调节和结构设计提供更多自由度。在一些实施例中，热光移相器可以包括设置在多个第一波导和多个第二波导中的至少一个波导上方的至少一个金属条，每个金属条可以被配置为与被掺杂的波导中的相应PN结电学地耦接。

根据本公开的热光移相器可以获得面积小于0.006m²、实现π相移的功率小于2.0mW的移相器。与现有的不采用隔热槽工艺的热光移相器相比，功率降低了10倍以上。与现有的采用隔热槽工艺的热光移相器相比，调制速度大幅提升。

本公开的第二方面提供了一种热光移相器网络，该热光移相器网络可以包括多个第一电学网络端口、不同于多个第一电学网络端口的多个第二电学网络端口、以及布置在阵列中的多个热光移相单元。每个热光移相单元可以包括至少一个如以上任一实施例所述的热光移相器。每个热光移相单元可以电学耦接在多个第一电学网络端口中的相应第一电学网络端口与多个第二电学网络端口中的相应第二电学网络端口之间。每个热光移相单元可以被配置为当与该热光移相单元对应的第一电学网络端口处的电压高于与该热光移相单元对应的第二电学网络端口处的电压时改变通过该热光移相单元的光的相位。

下面参考图8详细描述根据本公开的N×M热光移相器网络400。热光移相器网络400包括多个第一电学网络端口P1、P2、P3、……、PN以及多个第二电学网络端口Q1、Q2、……、QM。图8中的点线框指示一个热光移相单元。由此，热光移相器网络400可以包括N×M个热光移相单元，每个热光移相单元电学耦接在相应一个第一电学网络端口与相应一个第二电学网络端口之间。注意，虚线框中的电阻和二极管的混联电路仅仅是示意性地表示热光移相单元的等效电路，而不代表热光移相单元的实际等效电路。

每个热光移相单元可以包括至少一个如以上任一实施例所述的热光移相器。在一些实施例中，每个热光移相单元中的热光移相器可以彼此光学地并联或串联耦接。在一些实施例中，每个热光移相单元中的热光移相器可以彼此电学地并联或串联耦接，由此可以调整每个热光移相单元的整体驱动电压和相同电压下所能产生的热功率。每个热光移相单元可以被配置为当与该热光移相单元对应的第一电学网络端口Pi(i＝1,2,…,N)处的电压高于与该热光移相单元对应的第二电学网络端口Qj(j＝1,2,…,M)处的电压时改变通过该热光移相单元的光的相位。

在一些实施例中，多个热光移相单元中的位于同一行的热光移相单元均电学耦接至多个第一电学网络端口中的同一个第一电学网络端口，以及多个热光移相单元中的位于同一列的热光移相单元均电学耦接至多个第二电学网络端口中的同一个第二电学网络端口。例如，热光移相器网络400中位于第i(i＝1,2,…,N)行的热光移相单元均电学耦接至第一电学网络端口Pi(i＝1,2,…,N)，并且位于第j(j＝1,2,…,M)列的热光移相单元均电学耦接至第二电学网络端口Qj(j＝1,2,…,M)。

特别地，如之前所讨论的，对于被掺杂的波导包括PN结的热光移相器，可以利用PN结的电流单向导通性来实现对热光移相器网络400中的热光移相单元的寻址操作。可以通过第一电学网络端口Pi和第二电学网络端口Qj对热光移相单元(i,j)施加正向偏压和反向偏压来实现对热光移相单元(i,j)的开关状态的控制。由此，只需要(N+M)个端口就能实现对热光移相器网络400中的每个热光移相单元的开关状态的独立控制。相比之下，对于具有N×M个不包括PN结的传统热光移相器的网络来说，至少需要(N×M+1)个端口才能实现对每个热光移相单元的开关状态的独立控制。因此，利用根据本公开的实施例的热光移相器形成的热光移相器网络所需的端口数量大大减少，由此可以大大降低器件电学封装的难度和成本，并且这些效果在热光移相器网络的规模越大时越显著。

下面结合图9以及图10A至图10C，以2×2热光移相器网络为例来描述根据本公开的热光移相器网络的寻址操作，在该2×2热光移相器网络中每个热光移相单元包括一个热光移相器。该2×2热光移相器网络包括四个热光移相器PS11、PS12、PS21和PS22，其中热光移相器PS11电学耦接在第一电学网络端口V1和第二电学网络端口VV1之间，热光移相器PS12电学耦接在第一电学网络端口V1和第二电学网络端口VV2之间，热光移相器PS21电学耦接在第一电学网络端口V2和第二电学网络端口VV1之间，以及热光移相器PS22电学耦接在第一电学网络端口V2和第二电学网络端口VV2之间。每个热光移相器PS11、PS12、PS21和PS22可以是如之前关于被掺杂的波导包括PN结所讨论的任一实施例所述的热光移相器。利用热光移相器中的PN结的单向导通性，根据以下表1所指示的热光移相器处于开启(热光移相器所包括的PN结导通)和关闭(热光移相器所包括的PN结截止)的电压条件，可以分别在V1、V2、VV1、VV2处设置不同的电压，进而选择性地让网络中的某一个热光移相器工作，而其它热光移相器不工作；或者是让网络中的某一行(列)热光移相器工作，而其它行(列)热光移相器不工作。换句话说，可以实现对热光移相器网络的寻址(点寻址、行寻址和列寻址)，如图10A至图10C所示。基于这一特点，通过对电压的时序控制，具体地，通过控制每个电学网络端口的电压及其随时间的变化，可以控制每个热光移相器的加热功率的大小和加热时间的长短，从而实现期望的相位变化。下面将结合图10A至图10C对这种时序控制方法进行更加详细的说明。

表1

热光移相器	开启	关闭
			PS11	VV1<V1	VV1≥V1
PS12	VV2<V1	VV2≥V1
			PS21	VV1<V2	VV1≥V2
PS22	VV2<V2	VV2≥V2

在图10A所示的时序控制中，可以实现对2×2热光移相器网络的点寻址。这里，t₀、t₁、t₂、t₃、t₄之间的时间间隔均为T，T表示每个热光移相器实现相位变化2π所需要的时间。具体地，在t₀～t₁时间段，V1和VV2一直处于高电平而V2和VV1一直处于低电平，因此在该时间段内只有热光移相器PS11工作而其它热光移相器不工作，并且热光移相器PS11实现相位变化2π。在t₁～t₂时间段，V1在前T/2的时间段内处于高电平而在后T/2的时间段内处于低电平，VV1一直处于高电平，并且V2和VV2一直处于低电平，因此在该时间段内只有热光移相器PS12工作而其它热光移相器不工作，并且热光移相器PS12实现相位变化π。在t₂～t₃时间段，V2在前T/4的时间段内处于高电平而在后3T/4的时间段内处于低电平，VV2一直处于高电平，并且V1和VV1一直处于低电平，因此在该时间段内只有热光移相器PS21工作而其它热光移相器不工作，并且热光移相器PS21实现相位变化π/2。在t₃～t₄时间段，V2在前T/6的时间段内处于高电平而在后5T/6的时间段内处于低电平，VV1一直处于高电平，并且V1和VV2一直处于低电平，因此在该时间段内只有热光移相器PS22工作而其它热光移相器不工作，并且热光移相器PS22实现相位变化π/3。

在图10B所示的时序控制中，可以实现对2×2热光移相器网络的行寻址。这里，t₀、t₁、t₂、t₃、t₄之间的时间间隔均为T，T表示每个热光移相器实现相位变化2π所需要的时间。具体地，在t₀～t₁时间段，V1一直处于高电平而V2一直处于低电平，VV1在前T/2的时间段内处于低电平而在后T/2的时间段内处于高电平，VV2在前2T/3的时间段内处于低电平而在后T/3的时间段内处于高电平，因此在该时间段内只有位于第一行的热光移相器PS11和PS12工作而其它热光移相器不工作，并且热光移相器PS11实现相位变化π，热光移相器PS12实现相位变化4π/3。在t₁～t₂时间段，V2一直处于高电平而V1一直处于低电平，VV1在前T/2的时间段内处于低电平而在后T/2的时间段内处于高电平，VV2在前2T/3的时间段内处于低电平而在后T/3的时间段内处于高电平，因此在该时间段内只有位于第二行的热光移相器PS21和PS22工作而其它热光移相器不工作，并且热光移相器PS21实现相位变化π，热光移相器PS22实现相位变化4π/3。在t₂～t₃时间段，V1一直处于高电平而V2一直处于低电平，VV1在前T/3的时间段内处于低电平而在后2T/3的时间段内处于高电平，VV2在前T/4的时间段内处于低电平而在后3T/4的时间段内处于高电平，因此在该时间段内只有位于第一行的热光移相器PS11和PS12工作而其它热光移相器不工作，并且热光移相器PS11实现相位变化2π/3，热光移相器PS12实现相位变化π/2。在t₃～t₄时间段，V2一直处于高电平而V1和VV2一直处于低电平，VV1在前T/2的时间段内处于低电平而在后T/2的时间段内处于高电平，因此在该时间段内只有位于第二行的热光移相器PS21和PS22工作而其它热光移相器不工作，并且热光移相器PS21实现相位变化π，热光移相器PS22实现相位变化2π。

在图10C所示的时序控制中，可以实现对2×2热光移相器网络的列寻址。这里，t₀、t₁、t₂、t₃、t₄之间的时间间隔均为T，T表示每个热光移相器实现相位变化2π所需要的时间。具体地，在t₀～t₁时间段，V1和V2在前T/2的时间段内处于高电平而在后T/2的时间段内处于低电平，VV1一直处于低电平而VV2一直处于高电平，因此在该时间段内只有位于第一列的热光移相器PS11和PS21工作而其它热光移相器不工作，并且热光移相器PS11实现相位变化π，热光移相器PS21实现相位变化π。在t₁～t₂时间段，V1在前T/4的时间段内处于高电平而在后3T/4的时间段内处于低电平，VV2一直处于低电平而VV1和V2一直处于高电平，因此在该时间段内只有位于第二列的热光移相器PS12和PS22工作而其它热光移相器不工作，并且热光移相器PS12实现相位变化π/2，热光移相器PS22实现相位变化2π。在t₂～t₃时间段，V1在前T/4的时间段内处于高电平而在后3T/4的时间段内处于低电平，V2在前T/6的时间段内处于高电平而在后5T/6的时间段内处于低电平，VV1一直处于低电平而VV2一直处于高电平，因此在该时间段内只有位于第一列的热光移相器PS11和PS21工作而其它热光移相器不工作，并且热光移相器PS11实现相位变化π/2，热光移相器PS21实现相位变化π/3。在t₃～t₄时间段，V1在前T/2的时间段内处于高电平而在后T/2的时间段内处于低电平，V2在前T/4的时间段内处于高电平而在后3T/4的时间段内处于低电平，VV2一直处于低电平而VV1一直处于高电平，因此在该时间段内只有位于第二列的热光移相器PS12和PS22工作而其它热光移相器不工作，并且热光移相器PS12实现相位变化π，热光移相器PS22实现相位变化π/2。

根据本公开的热光移相器和热光移相器网络可以被应用于各种各样的光电装置。例如，对于光开关设备，输入波导在输入端口处被分成两个分支波导，这两个分支波导中的至少一个可以连接到根据本公开的热光移相器或者根据本公开的热光移相器网络或其热光移相单元，并且这两个分支波导在输出端口处再次结合成输出波导，从而实现光开关设备。具体地，如果在这两个分支波导中传播的光分量的相位被相互偏移π，则在输出端口处的输出是零。如果没有发生相移，则光如同其被输入时那样被输出。这样，能够实现光开关设备的开/关控制。此外，根据本公开的热光移相器或者根据本公开的热光移相器网络还可以被结合作为光调制设备、光学现场可编程门阵列网络、相控阵雷达和光子人工智能芯片中的光相位调制元件。以上这些应用仅仅是示例性的而不是限制性的，根据本公开的热光移相器和热光移相器网络可以在任何合适的应用场景中被用来进行光的相位调制。

在说明书及权利要求中的词语“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“上”、“下”、“高”、“低”等，如果存在的话，用于描述性的目的而并不一定用于描述不变的相对位置。应当理解，这样使用的词语在适当的情况下是可互换的，使得在此所描述的本公开的实施例，例如，能够在与在此所示出的或另外描述的那些取向不同的其它取向上操作。例如，在附图中的装置倒转时，原先描述为在其它特征“之上”的特征，此时可以描述为在其它特征“之下”。装置还可以以其它方式定向(旋转90度或在其它方位)，此时将相应地解释相对空间关系。

在说明书及权利要求中，称一个元件位于另一元件“之上”、“附接”至另一元件、“连接”至另一元件、“耦合”至另一元件、“耦接”至另一元件、或“接触”另一元件等时，该元件可以直接位于另一元件之上、直接附接至另一元件、直接连接至另一元件、直接耦合至另一元件、直接耦接至另一元件或直接接触另一元件，或者可以存在一个或多个中间元件。相对照的是，称一个元件“直接”位于另一元件“之上”、“直接附接”至另一元件、“直接连接”至另一元件、“直接耦合”至另一元件、“直接耦接”至另一元件或“直接接触”另一元件时，将不存在中间元件。在说明书及权利要求中，一个特征布置成与另一特征“相邻”，可以指一个特征具有与相邻特征重叠的部分或者位于相邻特征上方或下方的部分。

如在此所使用的，词语“示例性的”意指“用作示例、实例或说明”，而不是作为将被精确复制的“模型”。在此示例性描述的任意实现方式并不一定要被解释为比其它实现方式优选的或有利的。而且，本公开不受在技术领域、背景技术、发明内容或具体实施方式中所给出的任何所表述的或所暗示的理论所限定。

如在此所使用的，词语“基本上”意指包含由设计或制造的缺陷、器件或元件的容差、环境影响和/或其它因素所致的任意微小的变化。词语“基本上”还允许由寄生效应、噪声以及可能存在于实际的实现方式中的其它实际考虑因素所致的与完美的或理想的情形之间的差异。

另外，仅仅为了参考的目的，还可以在本文中使用“第一”、“第二”等类似术语，并且因而并非意图限定。例如，除非上下文明确指出，否则涉及结构或元件的词语“第一”、“第二”和其它此类数字词语并没有暗示顺序或次序。

还应理解，“包括/包含”一词在本文中使用时，说明存在所指出的特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件，但是并不排除存在或增加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件以及/或者它们的组合。

在本公开中，术语“提供”从广义上用于涵盖获得对象的所有方式，因此“提供某对象”包括但不限于“购买”、“制备/制造”、“布置/设置”、“安装/装配”、和/或“订购”对象等。

如本文所使用的，术语“和/或”包括相关联的列出项目中的一个或多个的任何和所有组合。本文中使用的术语只是出于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本公开。如本文中使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另外清楚指示。

本领域技术人员应当意识到，在上述操作之间的边界仅仅是说明性的。多个操作可以结合成单个操作，单个操作可以分布于附加的操作中，并且操作可以在时间上至少部分重叠地执行。而且，另选的实施例可以包括特定操作的多个实例，并且在其它各种实施例中可以改变操作顺序。但是，其它的修改、变化和替换同样是可能的。可以以任何方式和/或与其它实施例的方面或元件相结合地组合以上公开的所有实施例的方面和元件，以提供多个附加实施例。因此，本说明书和附图应当被看作是说明性的，而非限制性的。

本公开还可以包括如下示例：

1、一种热光移相器，包括：

多个第一波导，每个第一波导具有第一宽度并且沿第一方向延伸；以及

多个第二波导，每个第二波导具有不同于所述第一宽度的第二宽度并且沿所述第一方向延伸，

其中，所述多个第一波导和所述多个第二波导交替地在不同于所述第一方向的第二方向上间隔布置，

其中，所述多个第一波导和所述多个第二波导中的至少一个波导被掺杂以用作所述热光移相器的发热单元，

以及其中，所述多个第一波导和所述多个第二波导中的未被掺杂的波导光学地串联耦接，以在两端分别提供所述热光移相器的光输入端口和光输出端口。

2、根据示例1所述的热光移相器，其中，所述第一方向与所述第二方向垂直。

3、根据示例1所述的热光移相器，其中，所述多个第一波导和所述多个第二波导是彼此平行的直波导。

4、根据示例1所述的热光移相器，其中，所述多个第一波导和所述多个第二波导在所述第二方向上以均等的间隔布置。

5、根据示例1所述的热光移相器，其中，所述多个第一波导和所述多个第二波导在所述第二方向上的间隔被配置为使得相邻波导之间的耦合强度低于预定阈值。

6、根据示例1所述的热光移相器，其中，所述第一宽度小于所述第二宽度。

7、根据示例6所述的热光移相器，其中，被掺杂的所述至少一个波导是第二波导。

8、根据示例1所述的热光移相器，其中，相邻两个被掺杂的波导之间存在至少一个未被掺杂的波导。

9、根据示例8所述的热光移相器，其中，相邻两个被掺杂的波导之间存在三个未被掺杂的波导。

10、根据示例6所述的热光移相器，还包括多个第三波导，每个第三波导具有弯曲部分，其中所述多个第一波导和所述多个第二波导中的相邻两个未被掺杂的波导经由所述多个第三波导中的相应第三波导光学地耦接。

11、根据示例10所述的热光移相器，其中，每个第三波导的弯曲部分的弯曲半径基于所述多个第一波导和所述多个第二波导中的耦接到该第三波导两端的波导之间的间隔和相对角度以及所述第一方向与所述第二方向的相对角度中的至少一者而确定。

12、根据示例10所述的热光移相器，其中，每个第三波导的宽度被配置为等于所述多个第一波导和所述多个第二波导中的耦接到该第三波导两端的波导的宽度当中的最小宽度。

13、根据示例12所述的热光移相器，还包括多个第四波导，其中所述多个第三波导中的耦接在第一波导和第二波导之间的第三波导经由所述多个第四波导中的相应第四波导与第二波导光学地耦接，每个第四波导在该第四波导与第三波导耦接的一端具有所述第一宽度并且在该第四波导与第二波导耦接的一端具有所述第二宽度。

14、根据示例1至13中任一项所述的热光移相器，其中，每个被掺杂的波导包括至少一个第一掺杂区域和至少一个第二掺杂区域，所述至少一个第一掺杂区域和所述至少一个第二掺杂区域沿所述第一方向交替地布置在该被掺杂的波导中。

15、根据示例14所述的热光移相器，其中，第一掺杂区域为P型掺杂区域，以及第二掺杂区域为N型掺杂区域。

16、根据示例15所述的热光移相器，其中，每个被掺杂的波导中的相邻掺杂区域彼此接触以形成至少一个PN结。

17、根据示例16所述的热光移相器，还包括第一电学端口和不同于所述第一电学端口的第二电学端口，其中所述热光移相器被配置为在所述第一电学端口处的电压高于所述第二电学端口处的电压时，每个被掺杂的波导中的PN结导通。

18、根据示例17所述的热光移相器，其中，每个被掺杂的波导的各个第一掺杂区域均电学耦接至所述第一电学端口，以及每个被掺杂的波导的各个第二掺杂区域均电学耦接至所述第二电学端口。

19、根据示例17所述的热光移相器，其中，每个被掺杂的波导的与该被掺杂的波导的第一端最接近的第一掺杂区域均电学耦接至所述第一电学端口，以及每个被掺杂的波导的与该被掺杂的波导的第二端最接近的第二掺杂区域均电学耦接至所述第二电学端口，所述第二端与所述第一端相对。

20、根据示例16所述的热光移相器，还包括设置在所述多个第一波导和所述多个第二波导中的至少一个波导上方的至少一个金属条，所述至少一个金属条中的每个金属条被配置为与被掺杂的波导中的相应PN结电学地耦接。

21、根据示例1所述的热光移相器，还包括与被掺杂的所述至少一个波导中的相应的被掺杂的波导电学地串联耦接的至少一个附加电阻，所述至少一个附加电阻被配置为具有与被掺杂的波导的电阻温度系数匹配的电阻温度系数。

22、根据示例21所述的热光移相器，其中，所述附加电阻的电阻温度系数为正。

23、根据示例22所述的热光移相器，其中，所述附加电阻为金属电阻。

24、根据示例23所述的热光移相器，其中，所述附加电阻被实现为设置在与该附加电阻电学地串联耦接的被掺杂的波导上方的金属膜。

25、一种热光移相器网络，包括：

多个第一电学网络端口；

不同于所述多个第一电学网络端口的多个第二电学网络端口；以及

布置在阵列中的多个热光移相单元，每个热光移相单元包括至少一个根据示例1至24中任一项所述的热光移相器，其中每个热光移相单元电学耦接在所述多个第一电学网络端口中的相应第一电学网络端口与所述多个第二电学网络端口中的相应第二电学网络端口之间，

其中，每个热光移相单元被配置为当与该热光移相单元对应的第一电学网络端口处的电压高于与该热光移相单元对应的第二电学网络端口处的电压时改变通过该热光移相单元的光的相位。

26、根据示例25所述的热光移相器网络，其中，所述多个热光移相单元中的位于同一行的热光移相单元均电学耦接至所述多个第一电学网络端口中的同一个第一电学网络端口，以及所述多个热光移相单元中的位于同一列的热光移相单元均电学耦接至所述多个第二电学网络端口中的同一个第二电学网络端口。

27、根据示例25所述的热光移相器网络，其中，每个热光移相单元中的热光移相器彼此电学地并联或串联耦接。

28、根据示例25所述的热光移相器网络，其中，每个热光移相单元中的热光移相器彼此光学地并联或串联耦接。

29、一种光电装置，所述光电装置为光开关设备、光调制设备、光学现场可编程门阵列网络、相控阵雷达和光子人工智能芯片中的一者，所述光电装置包括根据示例1至24中任一项所述的热光移相器。

30、一种光电装置，所述光电装置为光开关设备、光调制设备、光学现场可编程门阵列网络、相控阵雷达和光子人工智能芯片中的一者，所述光电装置包括根据示例25至28中任一项所述的热光移相器网络。

虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。在此公开的各实施例可以任意组合，而不脱离本公开的精神和范围。本领域的技术人员还应理解，可以对实施例进行多种修改而不脱离本公开的范围和精神。本公开的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种热光移相器，包括：

多个第一波导，每个第一波导具有第一宽度并且沿第一方向延伸；以及

多个第二波导，每个第二波导具有不同于所述第一宽度的第二宽度并且沿所述第一方向延伸，

其中，所述多个第一波导和所述多个第二波导交替地在不同于所述第一方向的第二方向上间隔布置，

其中，所述多个第一波导和所述多个第二波导中的至少一个波导被掺杂以用作所述热光移相器的发热单元，

以及其中，所述多个第一波导和所述多个第二波导中的未被掺杂的波导光学地串联耦接，以在两端分别提供所述热光移相器的光输入端口和光输出端口。

2.根据权利要求1所述的热光移相器，其中，每个被掺杂的波导包括至少一个第一掺杂区域和至少一个第二掺杂区域，所述至少一个第一掺杂区域和所述至少一个第二掺杂区域沿所述第一方向交替地布置在该被掺杂的波导中。

3.根据权利要求2所述的热光移相器，其中，第一掺杂区域为P型掺杂区域，以及第二掺杂区域为N型掺杂区域。

4.根据权利要求3所述的热光移相器，其中，每个被掺杂的波导中的相邻掺杂区域彼此接触以形成至少一个PN结。

5.根据权利要求4所述的热光移相器，还包括第一电学端口和不同于所述第一电学端口的第二电学端口，其中所述热光移相器被配置为在所述第一电学端口处的电压高于所述第二电学端口处的电压时，每个被掺杂的波导中的PN结导通。

6.根据权利要求5所述的热光移相器，其中，每个被掺杂的波导的各个第一掺杂区域均电学耦接至所述第一电学端口，以及每个被掺杂的波导的各个第二掺杂区域均电学耦接至所述第二电学端口。

7.根据权利要求1所述的热光移相器，还包括与被掺杂的所述至少一个波导中的相应的被掺杂的波导电学地串联耦接的至少一个附加电阻，所述至少一个附加电阻被配置为具有与被掺杂的波导的电阻温度系数匹配的电阻温度系数。

8.一种热光移相器网络，包括：

多个第一电学网络端口；

不同于所述多个第一电学网络端口的多个第二电学网络端口；以及

布置在阵列中的多个热光移相单元，每个热光移相单元包括至少一个根据权利要求1至7中任一项所述的热光移相器，其中每个热光移相单元电学耦接在所述多个第一电学网络端口中的相应第一电学网络端口与所述多个第二电学网络端口中的相应第二电学网络端口之间，

其中，每个热光移相单元被配置为当与该热光移相单元对应的第一电学网络端口处的电压高于与该热光移相单元对应的第二电学网络端口处的电压时改变通过该热光移相单元的光的相位。

9.一种光电装置，所述光电装置为光开关设备、光调制设备、光学现场可编程门阵列网络、相控阵雷达和光子人工智能芯片中的一者，所述光电装置包括根据权利要求1至7中任一项所述的热光移相器。

10.一种光电装置，所述光电装置为光开关设备、光调制设备、光学现场可编程门阵列网络、相控阵雷达和光子人工智能芯片中的一者，所述光电装置包括根据权利要求8所述的热光移相器网络。

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