CN112470050A - 具有空间调制折射率区域的光学波导 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学波导，该光学波导沿着波导的长度在第一波长下传播光学模式。光学波导具有光学芯，该光学芯在基本上垂直于波导的长度的平面中具有基本上多边形的横截面。光学芯在第一波长下具有折射率n1。第一光学包层邻近光学芯设置，并且在第一波长下具有折射率n2，n2＜n1。空间调制折射率区域具有沿着光学波导的宽度延伸并且沿着光学波导的长度布置的交替的较高折射率区域和较低折射率区域，并且被配置为提取原本将沿着波导的长度传播的光学模式。

Description

具有空间调制折射率区域的光学波导

技术领域

本公开整体涉及诸如光子集成电路的光学装置。

背景技术

光学装置可用于多种应用程序，包括：电信网络、局域网、数据中心链接以及计算机装置中的内部链接。光学功能越来越多地被结合到小型集成装置中，诸如光子集成电路(PIC)。PIC装置可包括光学元件，诸如波导、光栅检测器、激光器等，这些光学元件使用诸如材料沉积、光刻和蚀刻的工艺制造。PIC可通过光纤与外部光学装置耦合。以此方式利用PIC的一个挑战是将光有效耦合到小芯PIC波导或PIC上的其它小型光学装置中。

发明内容

一个实施方案涉及一种光学波导，所述光学波导用于沿着所述波导的长度在第一波长下传播光学模式。所述光学波导具有光学芯，所述光学芯在基本上垂直于所述波导的所述长度的平面中具有基本上多边形的横截面。所述光学芯在所述第一波长下具有折射率n1。第一光学包层邻近所述光学芯设置，并且在所述第一波长下具有折射率n2，n2＜n1。空间调制折射率区域包括沿着所述光学波导的宽度延伸并且沿着所述光学波导的所述长度布置的交替的较高折射率区域和较低折射率区域，并且被配置为提取原本将沿着所述波导的所述长度传播的光学模式。所述空间调制折射率区域具有沿着所述波导的所述长度的大于约30微米的长度L。n1随温度T的变化率为Δn1/ΔT，并且硅随温度T的变化率为Δn(Si)/ΔT，其中Δn1/ΔT＜Δn(Si)/ΔT。

在一些配置中，所述横截面可以是基本上梯形的、矩形的或正方形的。所述光学芯可包括两个基本上径直相反的侧。所述光学芯可包含氮化硅，并且/或者所述第一光学包层可包含二氧化硅。所述光学芯可包含掺杂有掺杂剂的二氧化硅，并且所述掺杂剂可使n1增加。所述掺杂剂可降低n1随温度T的变化率。所述掺杂剂可以是磷或钛。

在一些配置中，所述光学芯可包含氮氧化硅、氧化钛、氧化锆、氧化铪以及它们的合金中的一者或多者。所述光学芯可包含非晶硅。在一些配置中，n1-n2可大于约0.001、0.01、0.1、0.2、0.3或0.6。所述第一波长可在约1250nm至约1650nm的范围内。所述光学波导可能够在所述第一波长下支持多种光学模式。

在一些配置中，所述光学波导可以是光学系统的一部分。在所述系统中，所述光学波导接收来自光源的光，所述光源仅激发所述光学波导的基本光学模式。所述光源可包括沿着所述光学波导的所述长度与所述光学波导顺序地布置的第二光学波导。

在一些配置中，所述光学波导是二维波导，使得沿着所述波导的所述长度传播的光学模式基本上沿着所述光学波导的所述宽度和厚度两者受到限制。

在一些配置中，所述空间调制折射率区域的至少一部分形成于所述第一光学包层和/或所述光学芯中。所述光学波导还可包括邻近所述光学芯且与所述第一光学包层相反设置的第二光学包层，在这种情况下，所述空间调制折射率区域的至少一部分可形成于所述第二光学包层中。所述第二光学包层可包含二氧化硅。

在一些配置中，所述光学波导可包括沿着所述波导的所述长度顺序地布置的第一光学波导部分和第二光学波导部分。在这种配置中，所述第二光学波导部分可能够在所述第一波长下支持多种光学模式。所述第一光学波导部分在所述第一波长下可以是单模的，并且所述第二光学波导部分可能够在所述第一波长下支持多种光学模式。在这些配置中，沿着所述第一波导部分传播的光学单模可基本上仅激发所述第二波导部分的基本光学模式，所激发的基本光学模式沿着所述第二波导部分传播。所述光学波导还可包括连接所述第一光学波导部分和所述第二光学波导部分的过渡区域。所述过渡区域的宽度在从所述第一光学波导部分到所述第二光学波导部分的方向上逐渐增加。所述过渡区域的所述宽度可由以下等式决定：W1＝Wo+2ASin²(πx/T)，其中Wo是所述过渡区域在所述第一光学波导部分处的宽度，A是常数，并且T是所述过渡区域沿着所述光学波导的所述长度的长度。A的值可在约3微米至约75微米的范围内。所述过渡区域的所述宽度可在从所述第一光学波导部分到所述第二光学波导部分的所述方向上基本上线性增加。

在一些配置中，所述光学波导在所述第一波长下可以是单模的，或者可能够在所述第一波长下支持多种光学模式。在一些配置中，L＞40微米，L＞50微米，L＞75微米，L＞100微米，或L＞125微米。在这些配置中的任一个配置中，其中L可小于150微米。

在一些配置中，所述空间调制折射率区域的所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域可沿着所述波导的所述长度形成基本上周期性图案。所述周期性图案的周期可在约0.42微米至约2.4微米的范围内。

在一些配置中，所述空间调制折射率区域可包括皱褶表面，所述皱褶表面包括跨所述光学波导的所述宽度延伸并且沿着所述光学波导的所述长度布置的交替的凹槽和脊。在这种配置中，每个凹槽包括所述空间调制折射率区域的所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域的对应较低折射率区域。每个脊包括所述空间调制折射率区域的所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域的对应较高折射率区域。

在一些配置中，所述调制折射率区域的所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域可形成相位光栅。所述空间调制折射率区域可跨所述光学波导的基本上整个宽度延伸。所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域中的至少一个区域可跨所述光学波导的基本上所述整个宽度延伸。所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域中的大多数区域可跨所述光学波导的基本上所述整个宽度延伸。所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域中的每个区域可跨所述光学波导的基本上所述整个宽度延伸。

在一些配置中，由所述空间调制折射率区域提取的光学模式可离开所述波导，与所述波导的法线成角度，所述角度在约0度至约45度的范围内。由所述空间调制折射率区域提取的光学模式可离开所述波导，与所述波导的法线成角度，所述角度在约0度至约30度的范围内。由所述空间调制折射率区域提取的光学模式可离开所述波导具有大于约15微米的光束直径。由所述空间调制折射率区域提取的光学模式可离开所述波导具有大于约30微米的光束直径。由所述空间调制折射率区域提取的光学模式可离开所述波导具有大于约50微米的光束直径。

在一些配置中，所述光学波导还可包括光学基板，所述第一光学包层设置在所述光学芯和所述光学基板之间。所述基板可包括硅。在这种配置中，所述光学波导还可包括邻近所述光学芯设置的第二光学包层，所述光学芯设置在所述第二光学包层和所述光学基板之间。所述第二光学包层可包含二氧化硅。

在一些配置中，所述空间调制折射率区域可包括金属光栅，所述金属光栅包括跨所述光学波导的所述宽度延伸并且沿着所述光学波导的所述长度布置的交替的金属部分和电介质部分。在这种配置中，每个金属部分的折射率的实部限定所述空间调制折射率区域的所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域中的较高折射率区域和较低折射率区域中的一者，每个电介质部分限定所述空间调制折射率区域的所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域中的较高折射率区域和较低折射率区域中的另一者。所述电介质部分可包括空气。

在一些配置中，所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域中的每个较高折射率区域和较低折射率区域跨所述光学波导的所述宽度可以是长形的且直的。所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域中的每个较高折射率区域和较低折射率区域跨所述光学波导的所述宽度可以是长形的且弯曲的。所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域中的至少两个区域可具有不同的曲率半径。

在一些配置中，对于所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域中的至少第一区域，可跨所述光学波导的所述宽度，对所述第一区域的厚度和折射率中的至少一者进行空间调制。对于所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域中的至少第一区域，所述第一区域跨所述光学波导的所述宽度可以是不连续的。对于所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域中的至少第一区域，可跨所述光学波导的所述宽度，对所述第一区域的特性进行空间调制。所述特性可以是所述第一区域的厚度、宽度和折射率中的一者或多者。

在一些配置中，可跨所述光学波导的所述宽度，对所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域中的至少两个区域的同一特性进行不同地空间调制。可跨所述光学波导的所述宽度，对所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域中的至少一些区域的一个或多个特性进行空间调制，使得由所述空间调制折射率区域提取的光学模式离开所述波导具有基本上高斯强度分布。所述空间调制折射率区域可包括相对于所述光学芯升高并且限定台阶的升高区域。所述升高区域可具有所述折射率n2，并且所述空间调制折射率区域的至少一部分可形成于所述升高区域和所述光学芯中。

在一些配置中，所述光学波导还可包括镜子，所述第一光学包层设置在所述光学芯和所述镜子之间。所述镜子可以是金属镜和/或分布式布拉格反射镜。

在一种配置中，所述光学波导可以是包括光纤的光学系统的一部分。沿着所述光纤在所述第一波长下传播的光离开所述光纤时具有第一强度分布。所述第一强度分布具有第一形状。跨所述光学波导的所述宽度，对所述光学波导的所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域中的至少一些区域的一个或多个特性进行空间调制，使得由所述空间调制折射率区域提取的光学模式离开所述波导时具有第二强度分布，所述第二强度分布基本上具有所述第一形状。所述光纤被定位成接收所提取的光学模式。

在一些配置中，所述光学系统还可包括用于将所提取的光学模式朝向所述光纤重定向的光学元件。所述重定向的提取的光学模式可具有第三强度分布，所述第三强度分布具有所述第一形状。所述光学元件可减小所提取的光学模式的发散，并且所述第一形状可以是高斯分布。

在一个实施方案中，光学波导沿着所述波导的长度在第一波长下传播光学模式。所述光学波导包括具有第一光学芯部分和第二光学芯部分的光学芯，所述第一光学芯部分和所述第二光学芯部分沿着所述波导的所述长度顺序地布置并且在所述第一波长下具有不同的相应的第一折射率n1和第二折射率n2。沿着所述第一芯部分传播的所述光学模式在所述第一芯部分和所述第二芯部分之间的接口处从所述第一芯部分耦合到所述第二部分。第一光学包层邻近所述光学芯设置并且沿着所述第一光学芯部分和所述第二光学芯部分延伸。所述第一光学包层在所述第一波长下的折射率小于n1和n2。空间调制折射率区域设置在所述光学芯的所述第二光学芯部分上或中，并且包括沿着所述光学波导的宽度延伸并且沿着所述光学波导的所述长度布置的交替的较高折射率区域和较低折射率区域，并且被配置为提取原本将沿着所述波导的所述长度传播的所述光学模式。n1随温度T的变化率为Δn1/ΔT，n2随温度T的变化率为Δn2/ΔT，Δn2/ΔT＜Δn1/ΔT。

在一些配置中，n1可小于n2，并且/或者所述第一光学芯部分的厚度t1可与所述第二光学芯部分的厚度t2不同。或者，所述第一光学芯部分和所述第二光学芯部分可基本上具有相同的厚度。所述第一光学芯部分和所述第二光学芯部分可基本上具有相同的材料组成或基本上具有不同的材料组成。所述空间调制折射率区域可具有沿着所述波导的所述长度的大于约30微米的长度L。所述第一光学包层可沿着所述第一光学芯部分和所述第二光学芯部分无缝地延伸。

在一些配置中，所述第一光学包层可包括位于所述第一光学芯部分和所述第二光学芯部分之间的所述接口附近的接缝。所述第一光学包层可包括顺序地布置的第一包层部分和第二包层部分，所述第一包层部分邻近所述第一光学芯部分设置并且具有小于n1的折射率，所述第二包层部分邻近所述第二光学芯部分设置并且具有小于n2的折射率。所述第一光学包层部分的厚度t3可与所述第二光学包层部分的厚度t4不同。

在一些配置中，所述第一光学包层部分和所述第二光学包层部分可基本上具有相同的厚度。所述第一光学包层部分和所述第二光学包层部分基本上具有相同的材料组成或基本上具有不同的材料组成。对于所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域中的至少第一区域和第二区域，所述第一区域可比所述第二区域弯曲，其中所述第一区域设置在所述第一光学芯部分和所述第二区域之间。对于所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域中的至少第一区域和第二区域，可跨所述光学波导的所述宽度，在所述第一区域中以较高频率并且在所述第二区域中以较低频率对所述第一区域和所述第二区域的同一特性进行空间调制，其中所述第一区域设置在所述第一光学芯部分和所述第二区域之间。

在一些配置中，所述光学波导在对应于所述第一光学芯部分和所述第二光学芯部分中的每一者的区域中可以是单模波导，使得沿着所述波导的所述长度传播的光学模式在于所述第一光学芯部分和所述第二光学芯部分中的每一者中传播时，基本上沿着所述光学波导的所述宽度和厚度两者受到限制。在一些配置中，所述光学波导在对应于所述第一光学芯部分的区域中在所述第一波长下可以是单模波导，并且能够在对应于所述第二光学芯部分的区域中支持多种模式，使得沿着所述第一光学芯部分传播的光学单模基本上仅激发所述第二波导部分的基本光学模式。

在一些配置中，所述第一光学芯部分可比所述第二光学芯部分窄，并且/或者所述第一光学芯部分和所述第二光学芯部分基本上具有相同的厚度。所述光学波导还可包括连接所述第一光学芯部分和所述第二光学芯部分的过渡芯区域。所述过渡芯区域的宽度可在从所述第一光学芯部分到所述第二光学芯部分的方向上逐渐增加。

在一些配置中，所述光学波导在对应于所述第一光学芯部分和所述第二光学芯部分中的每一者的区域中，在所述第一波长下可以是单模的。所述光学波导可能够在对应于所述第一光学芯部分和所述第二光学芯部分中的每一者的区域中，在所述第一波长下支持多种光学模式。

所述第一光学芯部分和所述第二光学芯部分之间的所述接口可沿着基本上垂直于所述波导的所述长度的方向延伸。所述第一光学芯部分和所述第二光学芯部分之间的所述接口可沿着与所述波导的所述长度成角度α的方向延伸，α≥5度。

在一个实施方案中，光学波导在第一波长下传播光学模式。所述光学波导包括光栅和设置在基板上的光学芯，所述光栅被配置为提取原本将沿着所述光学芯传播的光学模式，所述光学芯沿着第一方向。所述光栅包括形成基本上周期性图案的多个光栅元件。每个光栅元件在基本上垂直于所述第一方向的方向上沿着所述光栅元件的长度延伸。沿着至少两个光栅元件的相应长度，对所述至少两个光栅元件的同一特性进行不同地空间调制。能够内接在所述光栅内的最大圆的直径大于约30微米。

在一些配置中，所述特性可以是所述光栅元件的高度、宽度或折射率。所述基板可以是硅，并且所述光学芯在所述第一波长下可具有折射率n1，n1随温度的变化率小于硅随温度的变化率。可沿着所述光栅元件的所述长度，对所述至少两个光栅元件中的至少一个光栅元件进行不均匀地空间调制。

在一些配置中，所述光学波导还可包括邻近所述光学芯设置在所述光学芯和所述基板之间的第一光学包层。所述第一光学包层在所述第一波长下的折射率小于所述光学芯在所述第一波长下的折射率。所述光学波导还可包括邻近所述光学芯设置的第二光学包层，所述光学芯设置在所述第二光学包层和所述基板之间。所述第二光学包层可包含二氧化硅。由所述光栅提取的光学模式离开所述波导，可具有大于约50微米的最大侧向尺寸。

附图说明

图1和图2是根据一些实施方案的光学波导的侧视图和顶视图；

图3和图4是根据各种实施方案的空间调制折射率区域的剖视图；

图5示出根据各种实施方案的波导芯几何形状的剖视图；

图6和图7是根据一些实施方案的光学波导的顶视图和侧视图；

图8和图9是根据一些实施方案的光学波导的侧视图和顶视图；

图10是根据一个实施方案的光学波导的侧视图；

图11是根据一些实施方案的光学波导系统的示意图；

图12和图13是根据一些实施方案的光学波导的顶视图；

图14和图15是根据各种实施方案的空间调制折射率区域的剖视图；并且

图16和图17是根据一些实施方案的光学波导的侧视图。

图未必按照比例绘制。图中使用的相似数字指代相似的部件。然而，应当理解，在给定图中使用数字指代部件不旨在限制另一个图中用相同数字标记的部件。

具体实施方式

本文所述的实施方案涉及光学装置，诸如光子集成电路(PIC)。PIC是使用类似于电子集成电路的工艺(诸如光刻、层沉积、蚀刻等)形成的光学装置。光栅耦合器可用于PIC系统中，用于输入和输出光耦合以及用于晶圆级测试。在一些应用中，光通过单模光纤(例如，光纤电缆组件)耦合入和耦合出PIC，其中模场直径大致为10μm。在一些装置中，扩展光束耦合用于将外部波导耦合到PIC，其中光束直径远大于10μm，以放宽随载对准要求。在本公开中，公开了可与扩展光束耦合一起使用的耦合器。

在一些实施方案中，使用硅基材料(有时称为硅光子)形成PIC。硅光子依赖于以下事实：硅在通常用于在单模光纤上通信的波长区域(1300nm-1600nm)内是透明的。低损耗波导可通过蚀刻商业绝缘硅晶圆中的硅顶层(在硅晶圆基板上的二氧化硅层上的硅薄层)中的脊或信道来制造。硅光子技术的优点是与现有制造平台(例如，用于集成电子电路的那些)兼容，并且可在芯片级上提供高度集成的光学功能。然而，由于硅波导芯和二氧化硅或空气包层之间的折射率差异较大，因此在硅光子波导中，光纤模式和光学模式之间的光学单模尺寸存在较大差异。因此，正在开发确保单模光纤和SOI(绝缘体硅)波导之间的有效耦合的系统。

已成功证明使用扩展光束方法在光纤连接器中的两根光纤之间耦合光，具有低损耗、对位置不敏感、对灰尘不敏感等优点。在此方法中，使用诸如透镜的光学部件将输入光纤的小模扩展为较大的光束，然后将光束传递到类似的光学元件，该光学元件将光聚焦回到输出光纤中。与光纤的未扩展模式相比，较大的光束受未对准或受灰尘存在的影响较小。原则上，可将扩展的光束耦合益处扩展到PIC上的光纤和波导之间的耦合，从而有利于将PIC轻松可靠地集成到大规模系统中。

在图1和图2中，示意图示出了根据示例性实施方案的光学波导100的侧视图和顶视图。光学波导100沿着波导的长度(x)在第一波长下传播光学模式10。光学波导10可以是包括光源170的光学系统300(参见图2)的一部分。在这种配置中，光学波导100接收来自光源170的光，该光仅激发光学波导100的基本光学模式。光源170可包括沿着光学波导100的长度与光学波导顺序地布置的第二光学波导。

波导100包括光学芯20，该光学芯20在基本上垂直于波导100的长度的平面(yz平面)中具有基本上多边形的横截面。光学芯20在第一波长下具有折射率n1。第一光学包层30邻近光学芯20设置并且在第一波长下具有折射率n2，其中n2＜n1。

空间调制折射率区域40具有沿着宽度(y)延伸并且沿着光学波导100的长度布置的交替的较高折射率区域41和较低折射率区域42。折射率区域40被配置为提取原本将沿着波导的长度传播的光学模式10。空间调制折射率区域具有沿着波导100的长度的大于约30微米的长度L。n1随温度T的变化率为Δn1/ΔT，并且硅随温度T的变化率为Δn(Si)/ΔT，Δn1/ΔT＜Δn(Si)/ΔT。

光学波导100可包括二维波导，使得沿着波导的长度传播的光学模式基本上沿着光学波导100的宽度和厚度(z)两者受到限制。空间调制折射率区域40的至少一部分可形成于第一光学包层30中。空间调制折射率区域40的至少一部分可形成于光学芯20中。光学波导100可包括邻近光学芯20且与第一光学包层30相反设置的第二光学包层50。空间调制折射率区域40的至少一部分可形成于第二光学包层50中。第二光学包层50可包含二氧化硅。

光学波导100还可包括光学基板80，第一光学包层30设置在光学芯20和光学基板80之间。基板80可包括硅基板。第二光学包层50可邻近光学芯20设置，使得光学芯20设置在第二光学包层50和光学基板80之间。

空间调制折射率区域40可跨光学波导100的基本上整个宽度延伸。在其它配置中，交替的较高折射率区域41和较低折射率区域42中的至少一个区域跨光学波导100的基本上整个宽度延伸。例如，交替的较高折射率区域41和较低折射率区域42中的大多数区域跨光学波导100的基本上整个宽度延伸。在另一个示例中，交替的较高折射率区域41和较低折射率区域42中的每个区域可跨光学波导100的基本上整个宽度延伸。

如图3的剖视图所见，空间调制折射率区域40可包括皱褶表面43，该皱褶表面43具有跨光学波导100的宽度延伸并且沿着光学波导100的长度布置的交替的凹槽45和脊44。每个凹槽45具有空间调制折射率区域40的交替的较高折射率区域和较低折射率区域的对应较低折射率区域。每个脊44具有空间调制折射率区域40的交替的较高折射率区域和较低折射率区域的对应较高折射率区域。

如图4的剖视图所见，调制折射率区域40的交替的较高折射率区域和较低折射率区域可形成相位光栅46。不同的交叉阴影线指示具有不同折射率的区域。调制折射率区域40的长度L可大于40微米，例如，L＞50微米，L＞75微米，L＞100微米，L＞125微米。在一些实施方案中，L可小于150微米。空间调制折射率区域的交替的较高折射率区域41和较低折射率区域42沿着波导的长度形成基本上周期性图案。周期性图案的周期可在约0.42微米至约2.4微米的范围内。

在一个实施方案中，空间调制折射率区域40的皱褶表面43包括金属光栅，该金属光栅具有跨光学波导的宽度延伸并且沿着光学波导的长度布置的交替的金属部分和电介质部分。在这种配置中，每个金属部分的折射率的实部限定在空间调制折射率区域40的交替的较高折射率区域44和较低折射率区域45中的较高折射率区域和较低折射率区域中的一者。每个电介质部分限定在空间调制折射率区域40的交替的较高折射率区域44和较低折射率区域45中的较高折射率区域和较低折射率区域中的另一者。电介质部分可包括空气。

如图5的剖视图所见，芯20的横截面可以是：如横截面20b中的基本上梯形的；如横截面20c中所见，基本上矩形的；如横截面20d中所见，基本上正方形的；或具有如横截面20a中所见的任何其它多边形形状。光学芯20可具有两个基本上径直相反的侧，例如侧20b1、20b2。

再次参考图1，由空间调制折射率区域40提取的光学模式10可离开波导100，与波导100的法线11成角度θ，该角度θ在约0度至约45度或约0度至约30度的范围内。由空间调制折射率区域40提取的光学模式10可离开波导具有大于约15微米或大于约30微米的光束直径。

光学芯20可包含氮化硅。第一光学包层30可包含二氧化硅。光学芯20可包含二氧化硅、氮氧化硅、氧化钛、氧化锆、氧化铪以及它们的合金中的一者或多者。光学芯20可包含非晶硅。光学芯可包含添加的掺杂剂，以使芯材料的折射率n1增大或减小，或者使芯折射率随温度T的变化率减小。掺杂剂可包括磷、钛或硼。芯折射率和包层折射率的差值n1-n2可大于约0.001，例如，大于约0.01、大于约0.1、大于约0.2、大于约0.3、大于约0.6等。光学模式的第一波长可在约1250nm至约1650nm的范围内。波导100可能够在第一波长下支持多种光学模式。

在图6和图7中，顶视图和侧视图示出了根据示例性实施方案的光学波导100a的另外细节，光学波导100a的一些特征结构可包括在图1所示的光学波导100中。在此示例中，波导包括沿着波导的长度顺序地布置的第一光学波导部分110和第二光学波导部分120。第二光学波导部分120可能够在第一波长下支持多种光学模式。在一种配置中，第一光学波导部分110在第一波长下可以是单模的，并且第二光学波导部分120可能够在第一波长下支持多种光学模式。在这种情况下，沿着第一波导部分110传播的光学单模10可基本上仅激发第二波导部分120的基本光学模式，所激发的基本光学模式沿着第二波导部分120传播。

在图12中所见的配置中，过渡区域70连接第一光学波导部分和第二光学波导部分。过渡区域70在从第一光学波导部分110到第二光学波导部分120的方向(x)上的宽度(W1)逐渐增加。此区域70的形状可以是绝热锥形。过渡区域的宽度W1可由以下等式决定：W1＝Wo+2ASin²(πx/T)，其中Wo是过渡区域70在第一光学波导部分110处的宽度，A是常数，并且T是过渡区域70沿着光学波导的长度(x)的长度。常数A可在约3微米至约75微米的范围内。在其它配置中，过渡区域70的宽度(W1)可在从第一光学波导部分110到第二光学波导部分120的方向上基本上线性增加。

如图12所见，交替的较高折射率区域和较低折射率区域中的每个较高折射率区域和较低折射率区域跨光学波导的宽度可以是长形的且弯曲的，如较高折射率区域41a和较低折射率区域42a所指示。较高折射率区域41a和较低折射率区域42a的弯曲可聚焦或扩展光，并且可导致沿着x方向的较短的过渡区域70。如图13所见，交替的较高折射率区域和较低折射率区域中的至少两个区域42b、42c具有不同的曲率半径r1、r2。在这种情况下，曲率半径在锥形过渡区域70的较窄部分内减小。如图14所见，对于交替的较高折射率区域41和较低折射率区域42中的至少第一区域42d，跨光学波导的宽度，对第一区域42d的厚度t5和折射率中的至少一者进行空间调制。第一区域42b跨光学波导的宽度可以是不连续的。对于交替的较高折射率区域41和较低折射率区域42中的至少一个区域42b、42c、42d，跨光学波导的宽度，对至少一个区域的特性进行空间调制。

如图15所见，空间调制特性可以是至少一个区域的厚度、宽度w3和折射率中的一者或多者。可跨光学波导的宽度，对交替的较高折射率区域41和较低折射率区域42中的至少两个区域进行不同地空间调制。

如图10所见，跨光学波导的宽度，对交替的较高折射率区域和较低折射率区域中的至少一些区域的一个或多个特性进行空间调制，使得由空间调制折射率区域提取的光学模式离开波导时具有基本上高斯强度分布12。如图16所见，空间调制折射率区域可包括相对于光学芯20升高并且限定台阶91的升高区域90。升高区域90可具有折射率n2或与芯相同的折射率n1。在这种情况下，空间调制折射率区域的至少一部分形成于升高区域90和光学芯20中。

在图11中，示意图示出了具有如先前所述的光学波导100的光学系统200。系统200包括光纤150。光151在第一波长下沿着光纤150传播，离开光纤150时具有第一强度分布152。第一强度分布152具有第一形状，例如高斯分布。跨光学波导100的宽度，对光学波导100的交替的较高折射率区域和较低折射率区域中的至少一些区域的一个或多个特性进行空间调制，使得由空间调制折射率区域40提取的光学模式离开波导100时具有第二强度分布153，该第二强度分布153基本上具有第一强度分布152的第一形状。光纤150被定位成接收所提取的光学模式。

光学系统200还可包括用于将所提取的光学模式朝向光纤150重定向的光学元件160。重定向的提取的光学模式具有第三强度分布161，该第三强度分布161具有第一形状。光学元件160减小所提取的光学模式的发散。光学元件160可以是套管或将光纤150机械和光学耦合到波导的其它光学连接器的一部分。这种光学连接器可例如，通过按扣、螺钉等保持在波导100上的适当位置来重复地附接和移除，或者可永久性地粘结到PIC。

如图17所见，光学波导100还可包括镜子130。第一光学包层50设置在光学芯20和镜子130之间。镜子130可包括金属镜和/或分布式布拉格反射镜。镜子可将由光栅提取的光反射并朝向基板相干地耦合到由光栅提取的远离基板的光束中，从而提高从波导提取光的效率。

再次参考图6和图7，光学波导100a沿着波导100a的长度(x)在第一波长下传播光学模式。波导100a包括具有第一光学芯部分21和第二光学芯部分22的光学芯20，第一光学芯部分21和第二光学芯部分22沿着波导100a的长度顺序地布置并且在第一波长下具有不同的相应第一折射率n1和第二折射率n2。光学模式10沿着第一芯部分传播，并在第一芯部分和第二芯部分之间的接口60处从第一芯部分21耦合到第二部分22。

第一光学包层30邻近光学芯20设置并且沿着第一光学芯部分21和第二光学芯部分22延伸。第一光学包层30在第一波长下的折射率小于n1和n2。空间调制折射率区域40设置在光学芯20的第二光学芯部分22上或中，并且具有沿着光学波导100a的宽度(y)延伸并且沿着光学波导100a的长度布置的交替的较高折射率区域41和较低折射率区域42。空间调制折射率区域40被配置为提取原本将沿着波导100a的长度传播的光学模式10。n1随温度T的变化率为Δn1/ΔT，并且n2随温度T的变化率为Δn2/ΔT，Δn2/ΔT＜Δn1/ΔT。在一个配置中，n1＞n2。

在光学波导100a的一种配置中，第一光学芯部分21的厚度t1与第二光学芯部分22的厚度t2不同。在其它情况下，第一光学芯部分21和第二光学芯部分22可基本上具有相同的厚度。第一光学芯部分21和第二光学芯部分22可基本上具有相同的材料组成或基本上具有不同的材料组成。空间调制折射率区域41可具有沿着波导110a的长度的大于约30微米的长度L。

第一光学包层30可沿着第一光学芯部分21和第二光学芯部分22无缝地延伸。在另一个实施方案中，第一光学包层30可包括位于第一光学芯部分21和第二光学芯部分22之间的接口附近的接缝31。第一光学包层30可包括顺序地布置的第一包层部分32和第二包层部分33。第一包层部分32邻近第一光学芯部分21设置并且具有小于n1的折射率。第二包层部分33邻近第二光学芯部分22设置并且具有小于n2的折射率。第一光学包层部分32的厚度t3可与第二光学包层部分33的厚度t4不同。第一光学包层部分32和第二光学包层部分33可基本上具有相同的厚度和/或相同的材料组成。第一光学包层部分32和第二光学包层部分33可基本上具有不同的材料组成。

在光学波导100a的一种配置中并且如图13所示，对于交替的较高折射率区域和较低折射率区域中的至少第一区域42b和第二区域42c(其中第一区域42b设置在第一光学芯部分21和第二区域42c之间)，第一区域42b比第二区域42c弯曲。在一种配置中，交替的较高折射率区域和较低折射率区域中的至少第一区域42b和第二区域42c(其中第一区域42b设置在第一光学芯部分21和第二区域42c之间)，跨光学波导100a的宽度，在第一区域42b中以较高频率并且在第二区域42c中以较低频率对第一区域42b和第二区域42c的同一特性进行空间调制。

光学波导100a在对应于第一光学芯部分21和第二光学芯部分22中的每一者的区域中可以是单模波导，使得沿着波导100a的长度传播的光学模式在于第一光学芯部分21和第二光学芯部分22中的每一者中传播时基本上沿着光学波导100a的宽度和厚度两者受到限制。在其它配置中，光学波导100a在对应于第一光学芯部分21的区域中在第一波长下可以是单模波导，并且能够在对应于第二光学芯部分22的区域中支持多种模式，使得沿着第一光学芯部分21传播的光学单模基本上仅激发第二波导部分22的基本光学模式。

如图12所见，第一光学芯部分21(W4)可比第二光学芯部分22(W5)窄。如图8所见，第一光学芯部分和第二光学芯部分可基本上具有相同的厚度(t6)。如图12所见，光学波导100a还可包括连接第一光学芯部分21和第二光学芯部分22的过渡芯区域70。过渡芯区域70的宽度(W1)在从第一光学芯部分21到第二光学芯部分22的方向上逐渐增加。光学波导100a在对应于第一光学芯部分21和第二光学芯部分22中的每一者的区域中，在第一波长下可以是单模的。在其它配置中，光学波导100a可能够在对应于第一光学芯部分21和第二光学芯部分22中的每一者的区域中，在第一波长下支持多种光学模式。

如图6所见，第一光学芯部分和第二光学芯部分之间的接口60可沿着基本上垂直于波导100a的长度的方向(y)延伸。如图9所见，第一光学芯部分和第二光学芯部分之间的接口可沿着与波导的长度成角度α的方向61延伸，其中α≥5度。

再次参考图1和图2，光学波导100的一些配置可包括光栅40，该光栅40被配置为提取原本将沿着光学芯传播的光学模式10，该光学芯沿着第一方向(x)。光栅40具有形成基本上周期性图案的多个光栅元件41、42。每个光栅元件41、42在基本上垂直于第一方向的方向(y)上沿着光栅元件的长度(G)延伸。如图13所见，沿着至少两个光栅元件42b、42c的相应长度，对至少两个光栅元件42b、42c的同一特性进行不同地空间调制。如图12所见，能够内接在光栅内的最大圆140的直径(D1)大于约30微米。如图14和图15所见，光栅元件42b、42c的特性可以是光栅元件的高度(t5)、宽度(W3)或折射率。

光学波导的基板80可以是硅。光学芯20在第一波长下可具有折射率n1，并且n1随温度的变化率小于硅随温度的变化率。可沿着光栅元件的长度，对至少两个光栅元件41、42中的至少一者进行不均匀地空间调制。光学波导100可包括邻近光学芯20设置在光学芯20和基板80之间的第一光学包层30。第一光学包层30在第一波长下的折射率可小于光学芯20在第一波长下的折射率。

光学波导100可包括邻近光学芯20设置的第二光学包层50，该光学芯20设置在第二光学包层50和基板80之间。第二光学包层50可包含二氧化硅。由光栅40提取的光学模式可离开波导，具有大于约50微米的最大侧向尺寸D(参见图10)。

概括地说，具有大面积空间调制折射率区域(例如，光栅、交替折射率材料)的光学波导可用于将光耦合到光纤和从光纤耦合出，例如，光纤耦合到扩展光束光学元件，该扩展光束光学元件使用的光束尺寸大于光纤的模场直径。空间调制折射率区域的相对较大的尺寸允许空间实现距离相关的设计。空间调制折射率区域的较大的尺寸导致侧向光学未对准，这对耦合效率的影响较小。尽管诸如具有正交锥形的二维光栅的结构可用于耦合具有正交偏振的光，但是波导可设计用于光的特定偏振。光学波导可使用用于形成半导体电子集成电路部件的既定工艺来制造。

本公开所述的实施方案包括：

项1.一种光学波导，所述光学波导用于沿着所述波导的长度在第一波长下传播光学模式，所述光学波导包括：

光学芯，所述光学芯在基本上垂直于所述波导的所述长度的平面中具有基本上多边形的横截面，所述光学芯在所述第一波长下具有折射率n1；

第一光学包层，所述第一光学包层邻近所述光学芯设置并且在所述第一波长下具有折射率n2，n2＜n1；以及

空间调制折射率区域，所述空间调制折射率区域包括沿着所述光学波导的宽度延伸并且沿着所述光学波导的所述长度布置的交替的较高折射率区域和较低折射率区域，并且被配置为提取原本将沿着所述波导的所述长度传播的光学模式，所述空间调制折射率区域具有沿着所述波导的所述长度的大于约30微米的长度L，其中n1随温度T的变化率为Δn1/ΔT，硅随温度T的变化率为Δn(Si)/ΔT，Δn1/ΔT＜Δn(Si)/ΔT。

项2.根据项1所述的光学波导，其中所述横截面是基本上梯形的。

项3.根据项1所述的光学波导，其中所述横截面是基本上矩形的。

项4.根据项1所述的光学波导，其中所述横截面是基本上正方形的。

项4a.根据项1-4中任一项所述的光学波导，其中所述光学芯包括两个基本上径直相反的侧。

项5.根据项1-4a中任一项所述的光学波导，其中所述光学芯包含氮化硅。

项6.根据项1-5中任一项所述的光学波导，其中所述第一光学包层包含二氧化硅。

项7.根据项6所述的光学波导，其中所述光学芯包含掺杂有掺杂剂的二氧化硅。

项8.根据项7所述的光学波导，其中所述掺杂剂使n1增加。

项9.根据项7-8中任一项所述的光学波导，其中所述掺杂剂使n1随温度T的变化率降低。

项10.根据项7所述的光学波导，其中所述掺杂剂是磷或钛。

项11.根据项1-4a中任一项所述的光学波导，其中所述光学芯包含氮氧化硅、氧化钛、氧化锆、氧化铪以及它们的合金中的一者或多者。

项12.根据项1-4a中任一项所述的光学波导，其中所述光学芯包含非晶硅。

项13.根据项1-12中任一项所述的光学波导，其中n1-n2大于约0.001。

项14.根据项1-12中任一项所述的光学波导，其中n1-n2大于约0.01。

项15.根据项1-12中任一项所述的光学波导，其中n1-n2大于约0.1。

项15.根据项1-12中任一项所述的光学波导，其中n1-n2大于约0.2。

项17.根据项1-12中任一项所述的光学波导，其中n1-n2大于约0.3。

项18.根据项1-12中任一项所述的光学波导，其中n1-n2大于约0.6。

项19.根据项1-18中任一项所述的光学波导，其中所述第一波长在约1250nm至约1650nm的范围内。

项20.根据项1-19中任一项所述的光学波导，所述光学波导能够在所述第一波长下支持多种光学模式。

项21.一种光学系统，所述光学系统包括从光源接收光的根据项20所述的光学波导，所述光源仅激发所述光学波导的基本光学模式。

项22.根据项21所述的光学系统，其中所述光源包括沿着所述光学波导的所述长度与所述光学波导顺序地布置的第二光学波导。

项23.根据项1-22中任一项所述的光学波导，所述光学波导是二维波导，使得沿着所述波导的所述长度传播的光学模式基本上沿着所述光学波导的所述宽度和厚度两者受到限制。

项24.根据项1-23中任一项所述的光学波导，其中所述空间调制折射率区域的至少一部分形成于所述第一光学包层中。

项25.根据项1-24中任一项所述的光学波导，其中所述空间调制折射率区域的至少一部分形成于所述光学芯中。

项26.根据项1-25中任一项所述的光学波导，所述光学波导还包括邻近所述光学芯且与所述第一光学包层相反设置的第二光学包层。

项27.根据项26所述的光学波导，其中所述空间调制折射率区域的至少一部分形成于所述第二光学包层中。

项28.根据项26-27中任一项所述的光学波导，其中所述第二光学包层包含二氧化硅。

项29.根据项1-28中任一项所述的光学波导，所述光学波导包括沿着所述波导的所述长度顺序地布置的第一光学波导部分和第二光学波导部分。

项30.根据项29所述的光学波导，其中所述第二光学波导部分能够在所述第一波长下支持多种光学模式。

项31.根据项29所述的光学波导，其中所述第一光学波导部分在所述第一波长下是单模的，并且所述第二光学波导部分能够在所述第一波长下支持多种光学模式。

项32.根据项31所述的光学波导，所述光学波导使得沿着所述第一波导部分传播的光学单模基本上仅激发所述第二波导部分的基本光学模式，所激发的基本光学模式沿着所述第二波导部分传播。

项33.根据项29-32中任一项所述的光学波导，所述光学波导还包括连接所述第一光学波导部分和所述第二光学波导部分的过渡区域，所述过渡区域的宽度在从所述第一光学波导部分到所述第二光学波导部分的方向上逐渐增加。

项34.根据项33所述的光学波导，其中所述过渡区域的所述宽度由以下等式决定：W1＝Wo+2ASin²(πx/T)，其中Wo是所述过渡区域在所述第一光学波导部分处的宽度，A是常数，并且T是所述过渡区域沿着所述光学波导的所述长度的长度。

项35.根据项34所述的光学波导，其中A在约3微米至约75微米的范围内。

项36.根据项33所述的光学波导，其中所述过渡区域的所述宽度在从所述第一光学波导部分到所述第二光学波导部分的所述方向上基本上线性增加。

项37.根据项1-36中任一项所述的光学波导，所述光学波导在所述第一波长下是单模的。

项38.根据项1-36中任一项所述的光学波导，所述光学波导能够在所述第一波长下支持多种光学模式。

项39.根据项1-38中任一项所述的光学波导，其中L＞40微米。

项40.根据项1-38中任一项所述的光学波导，其中L＞50微米。

项41.根据项1-38中任一项所述的光学波导，其中L＞75微米。

项42.根据项1-38中任一项所述的光学波导，其中L＞100微米。

项43.根据项1-38中任一项所述的光学波导，其中L＞125微米。

项44.根据项1-38中任一项所述的光学波导，其中L＜150微米。

项45.根据项1-44中任一项所述的光学波导，其中所述空间调制折射率区域的所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域沿着所述波导的所述长度形成基本上周期性图案。

项46.根据项45所述的光学波导，其中所述周期性图案的周期在约0.42微米至约2.4微米的范围内。

项47.根据项1-46中任一项所述的光学波导，其中所述空间调制折射率区域包括皱褶表面，所述皱褶表面包括跨所述光学波导的所述宽度延伸并且沿着所述光学波导的所述长度布置的交替的凹槽和脊，每个凹槽包括所述空间调制折射率区域的所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域的对应较低折射率区域，每个脊包括所述空间调制折射率区域的所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域的对应较高折射率区域。

项48.根据项1-46中任一项所述的光学波导，其中所述调制折射率区域的所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域形成相位光栅。

项49.根据项1-48中任一项所述的光学波导，其中所述空间调制折射率区域跨所述光学波导的基本上整个宽度延伸。

项50.根据项1-49中任一项所述的光学波导，其中所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域中的至少一个区域跨所述光学波导的基本上所述整个宽度延伸。

项51.根据项1-49中任一项所述的光学波导，其中所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域中的大多数区域跨所述光学波导的基本上所述整个宽度延伸。

项52.根据项1-49中任一项所述的光学波导，其中所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域中的每个区域跨所述光学波导的基本上所述整个宽度延伸。

项53.根据项1-52中任一项所述的光学波导，其中由所述空间调制折射率区域提取的光学模式离开所述波导，与所述波导的法线成角度，所述角度在约0度至约45度的范围内。

项54.根据项1-52中任一项所述的光学波导，其中由所述空间调制折射率区域提取的光学模式离开所述波导，与所述波导的法线成角度，所述角度在约0度至约30度的范围内。

项55.根据项1-54中任一项所述的光学波导，其中由所述空间调制折射率区域提取的光学模式离开所述波导时具有大于约15微米的光束直径。

项56.根据项1-54中任一项所述的光学波导，其中由所述空间调制折射率区域提取的光学模式离开所述波导时具有大于约30微米的光束直径。

项57.根据项1-54中任一项所述的光学波导，其中由所述空间调制折射率区域提取的光学模式离开所述波导时具有大于约50微米的光束直径。

项58.根据项1-57中任一项所述的光学波导，所述光学波导还包括光学基板，所述第一光学包层设置在所述光学芯和所述光学基板之间。

项59.根据项58所述的光学波导，其中所述基板包括硅。

项60.根据项1-59中任一项所述的光学波导，所述光学波导还包括邻近所述光学芯设置的第二光学包层，所述光学芯设置在所述第二光学包层和所述光学基板之间。

项61.根据项60所述的光学波导，其中所述第二光学包层包含二氧化硅。

项62.根据项1-61中任一项所述的光学波导，其中所述空间调制折射率区域包括金属光栅，所述金属光栅包括跨所述光学波导的所述宽度延伸并且沿着所述光学波导的所述长度布置的交替的金属部分和电介质部分，每个金属部分的折射率的实部限定所述空间调制折射率区域的所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域中的较高折射率区域和较低折射率区域中的一者，每个电介质部分限定所述空间调制折射率区域的所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域中的较高折射率区域和较低折射率区域中的另一者。

项63.根据项62所述的光学波导，其中所述电介质部分包括空气。

项64.根据项1-63中任一项所述的光学波导，其中所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域中的每个较高折射率区域和较低折射率区域跨所述光学波导的所述宽度是长形的且直的。

项65.根据项1-64中任一项所述的光学波导，其中所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域中的每个较高折射率区域和较低折射率区域跨所述光学波导的所述宽度是长形的且弯曲的。

项66.根据项65所述的光学波导，其中所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域中的至少两个区域具有不同的曲率半径。

项67.根据项1-66中任一项所述的光学波导，其中对于所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域中的至少第一区域，跨所述光学波导的所述宽度，对所述第一区域的厚度和折射率中的至少一者进行空间调制。

项68.根据项1-67中任一项所述的光学波导，其中对于所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域中的至少第一区域，所述第一区域跨所述光学波导的所述宽度是不连续的。

项69.根据项1-68中任一项所述的光学波导，其中对于所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域中的至少第一区域，跨所述光学波导的所述宽度，对所述第一区域的特性进行空间调制。

项70.根据项69所述的光学波导，其中所述特性是所述第一区域的厚度、宽度和折射率中的一者或多者。

项71.根据项1-70中任一项所述的光学波导，其中跨所述光学波导的所述宽度，对所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域中的至少两个区域的同一特性进行不同地空间调制。

项72.根据项1-71中任一项所述的光学波导，其中跨所述光学波导的所述宽度，对所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域中的至少一些区域的一个或多个特性进行空间调制，使得由所述空间调制折射率区域提取的光学模式离开所述波导时具有基本上高斯强度分布。

项73.根据项1-72中任一项所述的光学波导，其中所述空间调制折射率区域包括相对于所述光学芯升高并且限定台阶的升高区域，所述升高区域具有所述折射率n2，其中所述空间调制折射率区域的至少一部分形成于所述升高区域和所述光学芯中。

项74.根据项1-73中任一项所述的光学波导，所述光学波导还包括镜子，所述第一光学包层设置在所述光学芯和所述镜子之间。

项75.根据项74所述的光学波导，其中所述镜子是金属镜。

项76.根据项74所述的光学波导，其中所述镜子包括分布式布拉格反射镜。

项77.一种光学系统，所述光学系统包括：

根据项1-76中任一项所述的光学波导；以及

光纤，沿着所述光纤在所述第一波长下传播的光离开所述光纤时具有第一强度分布，所述第一强度分布具有第一形状，其中跨所述光学波导的所述宽度，对所述光学波导的所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域中的至少一些区域的一个或多个特性进行空间调制，使得由所述空间调制折射率区域提取的光学模式离开所述波导时具有第二强度分布，所述第二强度分布基本上具有所述第一形状，并且

其中所述光纤被定位成接收所提取的光学模式。

项78.根据项77所述的光学系统，所述光学系统还包括用于将所提取的光学模式朝向所述光纤重定向的光学元件。

项79.根据项78所述的光学系统，其中所述重定向的提取的光学模式具有第三强度分布，所述第三强度分布具有所述第一形状。

项80.根据项78-79中任一项所述的光学系统，其中所述光学元件减小所提取的光学模式的发散。

项81.根据项77-80中任一项所述的光学系统，其中所述第一形状是高斯分布。

项82.一种光学波导，所述光学波导用于沿着所述波导的长度在第一波长下传播光学模式，所述光学波导包括：

光学芯，所述光学芯包括第一光学芯部分和第二光学芯部分，所述第一光学芯部分和所述第二光学芯部分沿着所述波导的所述长度顺序地布置，并且在所述第一波长下具有不同的相应第一折射率n1和第二折射率n2，使得沿着所述第一芯部分传播的所述光学模式在所述第一芯部分和所述第二芯部分之间的接口处从所述第一芯部分耦合到所述第二部分；

第一光学包层，所述第一光学包层邻近所述光学芯设置并且沿着所述第一光学芯部分和所述第二光学芯部分延伸，所述第一光学包层在所述第一波长下的折射率小于n1和n2；以及

空间调制折射率区域，所述空间调制折射率区域设置在所述光学芯的所述第二光学芯部分上或中，并且包括沿着所述光学波导的宽度延伸并且沿着所述光学波导的所述长度布置的交替的较高折射率区域和较低折射率区域，并且被配置为提取原本将沿着所述波导的所述长度传播的所述光学模式，其中n1随温度T的变化率为Δn1/ΔT，n2随温度T的变化率为Δn2/ΔT，Δn2/ΔT＜Δn1/ΔT。

项83.根据项82所述的光学波导，其中n1＞n2。

项84.根据项82-83中任一项所述的光学波导，其中所述第一光学芯部分的厚度t1与所述第二光学芯部分的厚度t2不同。

项85.根据项82-83中任一项所述的光学波导，其中所述第一光学芯部分和所述第二光学芯部分基本上具有相同的厚度。

项86.根据项82-85中任一项所述的光学波导，其中所述第一光学芯部分和所述第二光学芯部分基本上具有相同的材料组成。

项87.根据项82-85中任一项所述的光学波导，其中所述第一光学芯部分和所述第二光学芯部分基本上具有不同的材料组成。

项88.根据项82-87中任一项所述的光学波导，其中所述空间调制折射率区域具有沿着所述波导的所述长度的大于约30微米的长度L。

项89.根据项82-88中任一项所述的光学波导，其中所述第一光学包层沿着所述第一光学芯部分和所述第二光学芯部分无缝地延伸。

项90.根据项82-88中任一项所述的光学波导，其中所述第一光学包层包括位于所述第一光学芯部分和所述第二光学芯部分之间的所述接口附近的接缝。

项91.根据项82-90中任一项所述的光学波导，其中所述第一光学包层包括顺序地布置的第一包层部分和第二包层部分，所述第一包层部分邻近所述第一光学芯部分设置并且具有小于n1的折射率，所述第二包层部分邻近所述第二光学芯部分设置并且具有小于n2的折射率。

项92.根据项91所述的光学波导，其中所述第一光学包层部分的厚度t3与所述第二光学包层部分的厚度t4不同。

项93.根据项91所述的光学波导，其中所述第一光学包层部分和所述第二光学包层部分基本上具有相同的厚度。

项94.根据项91-93中任一项所述的光学波导，其中所述第一光学包层部分和所述第二光学包层部分基本上具有相同的材料组成。

项95.根据项91-93中任一项所述的光学波导，其中所述第一光学包层部分和所述第二光学包层部分基本上具有不同的材料组成。

项96.根据项82-95中任一项所述的光学波导，其中对于所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域中的至少第一区域和第二区域，所述第一区域比所述第二区域弯曲，其中所述第一区域设置在所述第一光学芯部分和所述第二区域之间。

项97.根据项82-96中任一项所述的光学波导，其中对于所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域中的至少第一区域和第二区域，跨所述光学波导的所述宽度，在所述第一区域中以较高频率并且在所述第二区域中以较低频率对所述第一区域和所述第二区域的同一特性进行空间调制，其中所述第一区域设置在所述第一光学芯部分和所述第二区域之间。

项98.根据项82-97中任一项所述的光学波导，所述光学波导在对应于所述第一光学芯部分和所述第二光学芯部分中的每一者的区域中是单模波导，使得沿着所述波导的所述长度传播的光学模式在于所述第一光学芯部分和所述第二光学芯部分中的每一者中传播时，基本上沿着所述光学波导的所述宽度和厚度两者受到限制。

项99.根据项82-98中任一项所述的光学波导，所述光学波导在对应于所述第一光学芯部分的区域中在所述第一波长下是单模波导，并且能够在对应于所述第二光学芯部分的区域中支持多种模式，使得沿着所述第一光学芯部分传播的光学单模基本上仅激发所述第二波导部分的基本光学模式。

项100.根据项98-99中任一项所述的光学波导，其中所述第一光学芯部分比所述第二光学芯部分窄。

项101.根据项98-100中任一项所述的光学波导，其中所述第一光学芯部分和所述第二光学芯部分基本上具有相同的厚度。

项102.根据项82-101中任一项所述的光学波导，所述光学波导还包括连接所述第一光学芯部分和所述第二光学芯部分的过渡芯区域，所述过渡芯区域的宽度在从所述第一光学芯部分到所述第二光学芯部分的方向上逐渐增加。

项103.根据项82-102中任一项所述的光学波导，所述光学波导在对应于所述第一光学芯部分和所述第二光学芯部分中的每一者的区域中，在所述第一波长下是单模的。

项104.根据项82-102中任一项所述的光学波导，所述光学波导能够在对应于所述第一光学芯部分和所述第二光学芯部分中的每一者的区域中，在所述第一波长下支持多种光学模式。

项105.根据项82-104中任一项所述的光学波导，其中所述第一光学芯部分和所述第二光学芯部分之间的所述接口沿着基本上垂直于所述波导的所述长度的方向延伸。

项106.根据项82-104中任一项所述的光学波导，其中所述第一光学芯部分和所述第二光学芯部分之间的所述接口沿着与所述波导的所述长度成角度α的方向延伸，α≥5度。

项107.一种光学波导，所述光学波导用于在第一波长下传播光学模式，所述光学波导包括：

光学芯，所述光学芯设置在基板上；以及

光栅，所述光栅被配置为提取原本将沿着所述光学芯传播的光学模式，所述光学芯沿着第一方向，所述光栅包括形成基本上周期性图案的多个光栅元件，每个光栅元件沿着所述光栅元件的长度在基本上垂直于所述第一方向的方向上延伸，其中沿着至少两个光栅元件的相应长度，对所述至少两个光栅元件的同一特性进行不同地空间调制，并且其中能够内接在所述光栅内的最大圆的直径大于约30微米。

项108.根据项107所述的光学波导，其中所述特性是所述光栅元件的高度、宽度或折射率。

项109.根据项107-108中任一项所述的光学波导，其中所述基板是硅。

项110.根据项107-109中任一项所述的光学波导，其中所述光学芯在所述第一波长下具有折射率n1，并且其中n1随温度的变化率小于硅随温度的变化率。

项111.根据项107-110中任一项所述的光学波导，其中沿着所述光栅元件的所述长度，对所述至少两个光栅元件中的至少一个光栅元件进行不均匀地空间调制。

项112.根据项107-111中任一项所述的光学波导，所述光学波导还包括邻近所述光学芯设置在所述光学芯和所述基板之间的第一光学包层，所述第一光学包层在所述第一波长下的折射率小于所述光学芯在所述第一波长下的折射率。

项113.根据项112所述的光学波导，所述光学波导还包括邻近所述光学芯设置的第二光学包层，所述光学芯设置在所述第二光学包层和所述基板之间。

项114.根据项113所述的光学波导，其中所述第二光学包层包含二氧化硅。

项115.根据项107-114中任一项所述的光学波导，其中由所述光栅提取的光学模式离开所述波导时具有大于约50微米的最大侧向尺寸。

除非另外指明，否则本说明书和权利要求书中所使用的表达特征尺寸、量和物理特性的所有数在所有情况下均应理解成由术语“约”修饰。因此，除非有相反的说明，否则在上述说明书和所附权利要求书中列出的数值参数均为近似值，这些近似值可根据本领域的技术人员利用本文所公开的教导内容来寻求获得的期望特性而变化。由端点表述的数值范围的使用包括该范围内的所有数字(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)以及该范围内的任何范围。

上述实施方案的各种变型和更改对于本领域中的技术人员都是显而易见的，并且应当理解，本公开不局限于本文所阐述的例示性实施方案。除非另外指明，否则读者应该假设一个公开的实施方案的特征也可应用于所有其它公开的实施方案。应该理解，所有本文引用的美国专利、专利申请、专利申请公开及其它专利和非专利文献都以其不与上述公开相矛盾的范围内以引用方式并入。

Claims (10)

1.一种光学波导，所述光学波导用于沿着所述波导的长度在第一波长下传播光学模式，所述光学波导包括：

光学芯，所述光学芯在基本上垂直于所述波导的所述长度的平面中具有基本上多边形的横截面，所述光学芯在所述第一波长下具有折射率n1；

第一光学包层，所述第一光学包层邻近所述光学芯设置并且在所述第一波长下具有折射率n2，n2＜n1；以及

空间调制折射率区域，所述空间调制折射率区域包括沿着所述光学波导的宽度延伸并且沿着所述光学波导的所述长度布置的交替的较高折射率区域和较低折射率区域，并且被配置为提取原本将沿着所述波导的所述长度传播的光学模式，所述空间调制折射率区域具有沿着所述波导的所述长度的大于约30微米的长度L，其中n1随温度T的变化率为Δn1/ΔT，硅随温度T的变化率为Δn(Si)/ΔT，Δn1/ΔT＜Δn(Si)/ΔT。

2.根据权利要求1所述的光学波导，所述光学波导是二维波导，使得沿着所述波导的所述长度传播的光学模式基本上沿着所述光学波导的所述宽度和厚度两者受到限制。

3.根据权利要求1所述的光学波导，所述光学波导包括沿着所述波导的所述长度顺序地布置的第一光学波导部分和第二光学波导部分，其中所述第二光学波导部分能够在所述第一波长下支持多种光学模式，其中所述第一光学波导部分在所述第一波长下是单模的，并且所述第二光学波导部分能够在所述第一波长下支持多种光学模式，使得沿着所述第一波导部分传播的光学单模基本上仅激发所述第二波导部分的基本光学模式，所激发的基本光学模式沿着所述第二波导部分传播。

4.根据权利要求3所述的光学波导，所述光学波导还包括连接所述第一光学波导部分和所述第二光学波导部分的过渡区域，所述过渡区域的宽度在从所述第一光学波导部分到所述第二光学波导部分的方向上逐渐增加，其中所述过渡区域的所述宽度由以下等式决定：W1＝Wo+2ASin²(πx/T)，其中Wo是所述过渡区域在所述第一光学波导部分处的宽度，A是常数，并且T是所述过渡区域沿着所述光学波导的所述长度的长度，并且其中A在约3微米至约75微米的范围内。

5.根据权利要求1所述的光学波导，其中所述空间调制折射率区域包括皱褶表面，所述皱褶表面包括跨所述光学波导的所述宽度延伸并且沿着所述光学波导的所述长度布置的交替的凹槽和脊，每个凹槽包括所述空间调制折射率区域的所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域中的对应较低折射率区域，每个脊包括所述空间调制折射率区域的所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域中的对应较高折射率区域。

6.根据权利要求1所述的光学波导，其中所述空间调制折射率区域包括金属光栅，所述金属光栅包括跨所述光学波导的所述宽度延伸并且沿着所述光学波导的所述长度布置的交替的金属部分和电介质部分，每个金属部分的折射率的实部限定所述空间调制折射率区域的所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域中的较高折射率区域和较低折射率区域中的一者，每个电介质部分限定所述空间调制折射率区域的所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域中的较高折射率区域和较低折射率区域中的另一者。

7.根据权利要求1所述的光学波导，其中跨所述光学波导的所述宽度，对所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域中的至少一些区域的一个或多个特性进行空间调制，使得由所述空间调制折射率区域提取的光学模式离开所述波导时具有基本上高斯强度分布。

8.一种光学系统，所述光学系统包括：

根据权利要求1所述的光学波导；以及

光纤，沿着所述光纤在所述第一波长下传播的光离开所述光纤时具有第一强度分布，所述第一强度分布具有第一形状，其中跨所述光学波导的所述宽度，对所述光学波导的所述交替的较高折射率区域和较低折射率区域中的至少一些区域的一个或多个特性进行空间调制，使得由所述空间调制折射率区域提取的光学模式离开所述波导时具有第二强度分布，所述第二强度分布基本上具有所述第一形状，并且

其中所述光纤被定位成接收所提取的光学模式。

9.一种光学波导，所述光学波导用于沿着所述波导的长度在第一波长下传播光学模式，所述光学波导包括：

光学芯，所述光学芯包括第一光学芯部分和第二光学芯部分，所述第一光学芯部分和所述第二光学芯部分沿着所述波导的所述长度顺序地布置，并且在所述第一波长下具有不同的相应第一折射率n1和第二折射率n2，使得沿着所述第一芯部分传播的所述光学模式在所述第一芯部分和所述第二芯部分之间的接口处从所述第一芯部分耦合到所述第二部分；

第一光学包层，所述第一光学包层邻近所述光学芯设置并且沿着所述第一光学芯部分和所述第二光学芯部分延伸，所述第一光学包层在所述第一波长下的折射率小于n1和n2；以及

空间调制折射率区域，所述空间调制折射率区域设置在所述光学芯的所述第二光学芯部分上或中，并且包括沿着所述光学波导的宽度延伸并且沿着所述光学波导的所述长度布置的交替的较高折射率区域和较低折射率区域，并且被配置为提取原本将沿着所述波导的所述长度传播的所述光学模式，其中n1随温度T的变化率为Δn1/ΔT，n2随温度T的变化率为Δn2/ΔT，Δn2/ΔT＜Δn1/ΔT。

10.一种光学波导，所述光学波导用于在第一波长下传播光学模式，所述光学波导包括：

光学芯，所述光学芯设置在基板上；以及

光栅，所述光栅被配置为提取原本将沿着所述光学芯传播的光学模式，所述光学芯沿着第一方向，所述光栅包括形成基本上周期性图案的多个光栅元件，每个光栅元件沿着所述光栅元件的长度在基本上垂直于所述第一方向的方向上延伸，其中沿着至少两个光栅元件的相应长度，对所述至少两个光栅元件的同一特性进行不同地空间调制，并且其中能够内接在所述光栅内的最大圆的直径大于约30微米。

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