CN115016062A - 平面光波电路光分路器/混频器 - Google Patents

Abstract

描述了具有将输入波导部分与输出波导部分连接的摇摆过渡部分的平面波导结，其中所述摇摆过渡具有与所述输入波导和所述输出波导匹配的交替段以有效地转换光信号。所述平面波导结可用于形成有效的光分路器、混频器或分接件。

Description

平面光波电路光分路器/混频器

本申请是申请日为2018年04月16日、进入中国国家阶段日为 2019年12月06日、申请号为201880037966.9(“平面光波电路光分路器/混频器”)的中国专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及平面光波电路的低光学损耗无源光耦合器/分路器。本发明还涉及用于形成包括低损耗光耦合器的平面光波电路的方法。

背景技术

平面光波电路(PLC)技术已经成为将现有和新的光学部件功能集成到基于芯片的石英波导集成光学电路中的主要技术平台。例如，参见K.Okamoto(2010)的“Fundamentalsof Optical Waveguides”(Academic Press)，通过引用并入本文中以了解光学波导技术和平面光波电路的形成。Y形分支波导是广泛的光学电路中重要的集成光学器件电路元件。Y形分支波导用于将来自单个波导的光信号分配到两个分开的波导中(“分路器”)；或者重组沿分开的路径传播的两个光信号(根据干涉原理)(“合路器”)。Y形分支波导的这种1x2 性质通过Y形分支电路元件的集成级联(integrated cascading)扩展到更大的分开或合并比。

由于导线包含电信号的传播，因此光学波导不“包含”光信号的传播。波导仅影响光信号沿其路径或其路径附近的传播。波导结构中的缺陷通常导致光信号的一些光仅从波导传播而去。这导致引导的光信号中能量减小且信号完整性降低。因此，这种波导电路元件的重要设计目标是使它们具有尽可能少的过量损耗。由于通常级联Y形分支元件以生成更大的歧管(manifold)，因此即使每个Y形分支中的损耗百分比很小，也可能导致不良的电路损耗。

光学网络通常包括传输组件，这些传输组件被设计为在合理距离内传输波长带。波长带通常包括旨在用于多个客户/用户的信号。因此，单个光纤可以用于同时传输多个信号，随后划分这些信号以进行传送。类似地，在最终划分以进行路由和/或传送之前，合并各个信号以通过公共线路进行传输。因此，将各个带划分为的较小的波长范围，这些较小的波长范围对应于与各个用户(包括少量用户的聚合)相关的信号，并且复用和解复用功能可以用于用于公共线路的合并后的信号与用于与各个用户进行路由和/或交互的各个信号之间的转换。平面光波电路通常有效地用于许多光学功能，这些光学功能是用于波分复用的。

发明内容

在第一方面中，本发明涉及一种平面波导结，包括至少一个输入波导部分、至少两个输出波导部分、以及将至少一个输入波导部分和至少两个输出波导部分光学连接的过渡波导部分。过渡区可以包括沿光路交替的间隙段和无间隙段。横向于光路的波导芯部段的间隙段与由光芯部中的间隙分开的至少两个输出波导部分相对应，并且无间隙部分具有横向连续芯部，该横向连续芯部的总宽度在间隙段处的芯部的横向宽度总和的±25％内。过渡部分可以具有至少3个间隙段和至少 3个无间隙段。

在另一方面中，本发明涉及一种光混频器，包括：a)弯曲波导，该波导包括输入波导部分、耦合部分和终止部分；以及b)Y形分路器，放置来在耦合部分处光学耦合到弯曲的波导。Y形分路器可以包括输入波导部分、过渡部分、第一输出部分和第二输出部分，其中过渡部分将输入波导部分与第一输出波导部分和第二输出波导部分光学连接。通常，输入部分包括从w的初始宽度变宽到2w+g的锥形。锥形可以被配置用于与弯曲的波导进行光学耦合，使得弯曲波导中的零阶模耦合到输出波导部分中的一阶模，并且其中过渡部分包括沿光路交替的间隙段和无间隙段，具有横向于光路的波导芯部的间隙段与由光核中的间隙分开的两个输出波导部分相对应，以及无间隙段具有横向连续芯部。

该光混频器可以用于控制光信号输出的方法中，其中该方法包括合并两个光信号，并且将合并后的光信号引导到过渡区中，以基于两个光信号的相位关系将所选的光信号引导到第一输出部分和第二输出部分中。通常，为了形成合并的光信号，第一光信号处于零阶模且第二光信号处于第一阶模，以提供两个光信号在Y形分路器的输入部分内的干涉来形成合并的光信号。该方法可用于实现可变的光衰减、光切换(optical switching)或偏振分束。关于偏振分束的实施例，第一光信号的第一偏振相对于第二光信号的相应偏振180度异相到达混频器，并且第一光信号的第二偏振相对于第二光信号的相应偏振同相到达混频器。

在又一方面中，本发明涉及一种非对称的光学结，包括：输入波导部分、第一输出波导部分、第二输出波导部分、以及将所述输入波导部分与所述输出波导部分连接的过渡波导部分，其中第一输出波导部分在过渡部分处具有垂直于光路的宽度比第二输出部分的相应宽度大至少约10％。通常，过渡段包括沿光路交替的间隙段和无间隙段，该间隙段具有横向与光路的波导芯部，这些波导芯部与由光芯部中的间隙分开的两个输出波导部分相对应，并且无间隙段既有横向连续芯部。

附图说明

图1是理想的1x2光分路器的芯部在平面结构中的俯视图。

图2是图1的理想1x2分路器的光场强度的仿真图，其中该仿真描绘了光学强度从单个波导到分开波导中的分开。

图3是归一化为总光学强度的、图1的分开波导中的一个分开波导内沿波导的位置的函数的仿真光学模强度的曲线图。

图4是实际生产的近似于图1的理想分路器的芯部的俯视图，其中尖锐的锥形间隙被与该间隙相符的边缘代替。

图5是图4的1x2分路器的光场强度的仿真图。

图6是归一化为总光学强度的、图4的分开波导中的一个分开波导内沿波导的位置的函数的仿真光学模强度的曲线图。

图7是基于图4的分路器设计的修改的改进的光分路器的实施例的芯部的俯视图，其具有一些添加的结构以辅助光学强度的分开。

图8是图7的所述1x2分路器的光场强度的仿真图。

图9是归一化为总光学强度的、图7的分路器设计内的沿着波导的位置的函数的光学模强度的曲线图。

图10是1x2光分路器的局部俯视图，其中如图4中所示的过渡区被摇摆(waggled)过渡部分替代，该摇摆过渡部分以放大的分开示图在底示图中示出。

图11是图10的下挖剪图像的摇摆过渡部分的局部视图，其中带有指示设计参数的标记。

图12是摇摆过渡的备选实施例的局部视图，其中间隙在横向和纵向上均增大。

图13是具有备选结构的单个摇摆部分的局部视图，其其中移除了连接段以形成跨摇摆的矩形间隙。

图14是具有图10的结构的单个摇摆部分的局部视图，其中这些部分被标记为与图13的备选实施例形成对比。

图15是示出了用具有摇摆过渡的1x2光分路器获得的光信号的分开场强度的仿真图。

图16是具有摇摆过渡的1x2光分路器的俯视图，以放大的尺寸示出了摇摆过渡，以清楚地观察摇摆。

图17是图15的仿真的沿着一个输出波导的位置的函数的光学模强度的曲线图。

图18A至图18C是一组仿真数据，其中汇总了仿真场强度图和模强度图，以提供图4的分路器(来自图5和图6的结果)(18A)、图7 的分路器(来自图8和图9的结果)(18B)、和图16的分路器(来自图15和图17的结果)(18C)的并排式比较。

图19A至图19C是针对分开波导描绘了峰中的光学强度的分开的位置的函数的光学振幅的一组图，以提供图4的分路器(图19A)、图 7的分路器(图19B)、和图16的分路器(图19C)的并排式比较。

图20是有效的2x2耦合器/分路器的俯视图，其中形成定向光耦合器的两个输入波导，定向光耦合器被配置为将弯曲耦合波导中的零阶模耦合到Y形分路器的一阶模中，其中Y形分路器具有摇摆波导部分。

图21A至图21C是一组仿真数据，具有用一阶模输入光信号获得的仿真场强度图和模强度图，以提供图4的分路器(21A)、图7的分路器(21B)和图16的分路器(21C)的并排式比较，它们与基于零阶光学输入信号的先前的图形成对比。

图22是具有摇摆过渡部分的非对称Y形分路器的俯视图，该过渡段通常适于针对两个输出波导部分之间达约80：20的分开描述的示例参数。

图23是非对称Y形分路器的俯视图，该非对称Y形分路器具有相对于输入波导部分向下移位的输出波导部分，以提供用于使主输出波导部分的边缘与过渡部分的边缘和输入波导部分的端部的边缘近似对准，从而为较小(minor)输出波导部分提供低分接件(tap)功能。

图24是非对称Y形分路器的俯视图，该非对称Y形分路器具有相对于图23的结构进一步向下移位的输出波导部分，对摇摆过渡部分进行了相应的改变以提供分接件中的较小耦合。

图25是具有摇摆过渡部分的1x3分路器的俯视图。

图26是具有摇摆过渡部分的2x3合路器的俯视图。

对于上面的设备图，从输入波导部分和输出波导部分继续以集成到平面光波电路(PLC)结构的角度来看，这些图可以被视为局部视图。通常，对于一些实施例，尽管在下面描述了分接件实施例的可选例外，但是对于打算用于传输的模，波导继续以达到恒定的宽度。

具体实施方式

描述了具有改善的性能的光耦合器，该光耦合器具有过渡部分，该过渡部分将N个输入波导部分与M个输出波导部分连接起来，从而减少了由于连接分支波导的结周围的非理想行为而导致的光学损耗。在该讨论中，我们将本设计称为“摇摆”波导过渡。英语中“摇摆”的定义包括“以短的快速的方式从一侧移动到另一侧”。在本耦合器结构中，两个(或更多个)分开的波导在覆盖过渡区的相对短的传播距离上从一侧到另一侧移入和移出。尽管下面将进一步描述交替的过渡，但是应当强调，过渡区跨越在第一波导结构(比如，单个加宽的波导) 与第二波导结构(比如，两个分开的波导)之间。发现了由于输入波导分开成输出波导而得到的结构具有较低量的光学损耗。在备选实施例中，相应的摇摆过渡可以用于非对称过渡、1x3过渡、2x3过渡或其他过渡。发现摇摆的过渡对于形成光学分接件特别有效。分路器/耦合器可以单独或与附加的光学组件一起集成到平面光波电路(PLC)中。描述了形成该结构的PLC加工技术。

本文中描述的描述和改进的分路器/耦合器可适用于非常广范围的波导参数。一个典型的示例是：(i)芯部的折射率比周围的材料高 1.5％；(ii)波导厚度大致为4微米；(iii)标称波导宽度(在变宽之前，或者在分开之后)大致为4微米；以及(iv)波导之间的最小可成形间隙大致为2微米。为了促进进展和比较，尽管基于本文中教导的设备不限于这些适合于石英玻璃波导的示例参数，但是贯穿讨论、配置和仿真使用了的这些示例参数。本领域普通技术人员可以针对不同的适合参数(比如，更高的折射率差)、对于不同的光学频率而不同的波导尺寸、不同光学材料、或者本领域已知的其他设计问题而相应地按比例缩放该结构。

图1中描绘了理想化的Y形分支分路器100。由于与横向宽度(图中水平的)相比，沿传播方向的长度(图中垂直的)比所描绘的要长得多，因此图1中的理想分路器的物理布局未按比例绘制。理想化的 Y形分支分路器100包括单个波导部分102、过渡波导部分104、第一分开波导部分106和第二分开波导部分108。在该示意图中，在底处开始的单个波导部分逐渐加宽到其宽度的约两倍，然后分开成逐渐分开一定距离的两个波导部分，然后在两个波导已经变得足够独立后，更快地分开。可以基于光学特性来选择过渡波导部分104在分开波导端处的精确边界，并且该边界不需要精确地定义。但是一旦光信号定位在分开波导中，则将这些波导适当地视为分开波导。此配置非常相似于字母“Y”，因此通常被称为Y形分支分路器(或合路器)。图2示出了在图中描绘的取向上光传播从底到顶通过图1的理想Y形分支结构的数值仿真。本文中提供的该仿真和相应类似的仿真基于众所周知的“光束传播方法”(BPM)。图2示出了电场强度，该电场强度被示为沿波导的芯部集中(concentrate)，信号沿过渡区平滑过渡到分开波导中。这表明理想的Y形分支有效且平均地将光学功率划分到两个分支中。

图3的曲线图示出了根据数值仿真耦合到各个输出波导中的输入功率的计算分数(归一化为1)。因为在分开之前没有输出波导，因此在分开之前该值为零。当输出波导部分首先开始分开时，它们之间没有明显的间隔，并且由于短距离，因此无法准确计算出功率。因此，对于每个波导，测量到的功率暂时超过最大功率的0.5(50％)。随着波导更明显地分开，功率测量准确反映了所仿真的内容。一旦分开波导为可识别的，理想分路器的每个输出臂中的光学强度便基本上等于理论最大值的50％，因此将分路器识别为“理想的”。

PLC技术已成为无源集成光学器件的主导商业技术，这是有许多实际原因的，但是使用实际制造技术，PLC技术无法制造如图1所示的理想分路器。这是因为波导是3维结构，其深度近似于其宽度。这样，不可能准确地创设在最初开始分开的波导之间突然锥化的、深的、窄的间隙。使用实际制造技术的PLC波导设计需要在波导之间的“最小间隙”，因此在Y形分支中，在输出波导开始之前单个波导必须进一步扩展，直到它与两个输出波导加上最小间隙一样宽为止。在图4 中描绘了根据理想分路器改编的实际Y形分支分路器120，其中所得的波导布局在波导之间具有可实现的间隙。Y形分支分路器120包括输入波导部分122、过渡波导部分124、第一分开波导段126和第二分开波导部分128。过渡波导部分具有标记在输入波导部分122在宽度为2w的点处的侧边上的边缘，其中w为标称长距离波导宽度。再次，除了一旦信号被很好地定位在各个波导中就将波导视为分开之外，过渡波导部分124朝向分开波导部分的边缘不是特别明显。有限间隙在图4中被标记为“g”。

图5描绘了根据上面的示例参数的光传播通过图4的结构的BPM 仿真的电场强度。通过图5可以容易地看出，光传播受到有限间隙g 的明显干扰。在图6中证实了这一观察结果，图6示出了将归一化的光输入功率中基本上小于理想的50％的那部分耦合到每个输出波导中，其余部分则在周围介质中损失掉。

由实际逼近理想的Y形分支分路器而产生的光损耗是已知的，并在参考文献中进行了讨论，其中参考文献提出了各种关于实用性和有效性的改进。例如，Matsuura等人描述了基本问题并提出了对波导锥形进行修改以提高效率，参见题为“Optical BranchingDevice”的美国专利5,586,209，该专利通过引用并入本文中。Chen等人的题为“OpticalCoupler”的美国专利5,757,995进一步描述了由于Y形分支缺陷而引起的信号损失并提出了使用模态干涉以提高耦合效率，该专利通过引用并入本文中。已经提出了，在过渡之后附加连接在输出之间的宽度渐进减小的多个波导芯部路径，这是一些相当有效和商业上实现的改进的基础。参见Li的题为“Optical Devices Having Low Insertion Loss”的美国专利5,745,618(以下称为Li)，尤其需要注意图8，该专利通过整体引用并入本文中。在Yu的题为“Optical Coupling Arrangement Having Low Coupling Loss and High ProductionYield”的美国专利 6,892,004(图6示出了一个1xN分路器)和Laurent-Lund的题为“Optical Component and a Method of Fabricating an Optical Component”的美国专利7,343,071中描述了Li的结构的进一步变化，这两个专利通过引用并入本文中。许多这些改进相对于图4的Y形分支分路器显著提高了效率。

图7本着由Li和其他参考文献提出的改进的精神示出了Y形分支分路器140的波导布局，添加了芯部材料的渐进变细的桥142，桥 142形成了从输入波导部分146向发散波导148、150的过渡波导部分 144。再次参考示出了理想Y形分支的仿真的图2，可以看出，在波导之间只有很小间隙的区(该结构中不实际制造的那部分)中，原本沿 Y形分支下部的中心达到峰的光学强度分布沿具有亚分辨率间隔的区分开为两个峰，使得有双峰耦合到Y形分支的两个不同上部分中。可以认为这种现象本质上是为什么Y形分支是理想有效的，在该示例中，将来自下臂的完整的50％的光信号耦合到两个上臂的每个上臂中。进一步参考图5中绘制的实际Y形分支的仿真，可以看到，在达到明显分开的上臂之前，没有从下臂中的单个中心峰到双峰中的过渡。这主要是为什么基本的实际Y形分支中的有效耦合会大大降低的原因。在图8中绘制了本着图7中所示的Li和其他参考文献中的精神而改善的 Y形分支的仿真。在这里可以看到，这些改进仍然没有在上臂之前提供强度峰的分开，这是理想化的Y形分支的关键特征。

在图4中，缺少了图7中所示的改进，下臂的中心峰光信号遇到上臂之间的有限间隙，并且很大一部分光传播到上臂之间的间隙中。根据波导的基本性质，上臂之间的折射率必须低于波导芯部的折射率。因此，传播到间隙中的那部分光在耦合到上臂的引导模中的那部分光之前移动。这使得光学波前失真，并且形象化地减少了光的中心部分重新耦合到在上臂上传播的光信号的机会，从而导致过多的损耗以及降低的耦合效率。对图7中所示改进的简化解释是，桥适当地减慢了试图在间隙中传播的中心光的速度，并且提高了该中心光耦合回上臂中的光学模的可能性。从这个意义上说，并且实际上，图7的实施例中的这些改进并不是寻求“固定(fix)”中心峰中分开的缺乏，而是更多地减少了产生的影响并在某种程度上将光学强度引导回波导中。在图9中可以看到这些影响，其中绘制了在该分路器改进的帮助下耦合到上臂中的光。即使超过添加的桥的范围，也可以轻易地看到上臂中引导模能量的振荡。这是模“晃动”，因为引导模和侧向光尝试协调为复合引导模。这些特定类型的改进的配置可以将实际Y形分支的效率提高到理想值的95％以内，但是在效率、稳定性、处理质量和其他特征上仍存在进一步改进的有价值空间。在与本文中描述的分路器具有概念重叠的用于阵列波导光栅的平板波导的上下文中，Sugita等人描述了该方法的变体，该变体用厚度(厚度尺寸是图中未描绘的第三尺寸)变薄的芯部元件来代替桥。参见Sugita等人的″Very Low Insertion Loss Arrayed-Waveguide Grating with Vertically TaperWaveguides″ IEEE Photonics Technology Letters 12(9)September 2000，pp1180-1182，其内容通过引用并入本文中。人们会期望这将提供与桥相似或略有改善的结果，但是会大大增加制造时间和成本。

已经尝试了各种方法来仿真理想化的Y形分支分路器的下臂中的模态分开。例如，Sakamaki等人为了产生中心峰的分开，提出了沿下臂的波导宽度的计算机优化的多个随机变化。参见Sakamaki等人的″Low-Loss Y-Branch Waveguides Designed by WavefrontMatching Method″Journal of Lightwave Technology，27(9)May 2009，pp1128-1134，其内容通过引用并入本文中。Sakamaki的波前匹配方法在原理上肯定是有希望的，但是需要设计参数的精细平衡，并且在忠实地将这些平衡的数值设计转换为实际制造的波导元件方面出现了重大挑战。

虽然已尝试减少实际设计的Y形分支分路器中的光损耗，但是本文中的Y形分支设计提供了具有一些明显优点的改进的Y形分支波导结的备选方法。本Y形分支设计还可以应用于其他类型的波导分开结，这些波导分开结不能通过上面讨论的其他备选方法很好地解决，比如下面描述的光学分接件。

出于本文中讨论的目的，除非另有明确说明，否则术语“输入”是指来自具有较少物理波导通道的设备的一侧(例如，Y形分支的单个臂侧)的波导或其部分和/或光信号，并且术语“输出”是指具有较多物理光学通道的设备的一侧(例如，Y形分支的侧向分离壁)上的波导或其部分和/或光信号。由于这些分路器是无源的光学线性设备，因此本领域的技术人员众所周知，针对从输入到输出的光传输提供的改进也将针对从输出到输入的光传播提供相应的改进(在适当考虑光学干涉的情况下)。因此，术语“输入”和“输出”的选择仅是为了便于更容易理解的描述，并不意味着传播方向的要求取向。类似地，附图中的取向是出于说明的目的，并且可以针对特定应用来取向实际的设备，并且通常对于非对称设备，具有相反取向的设备的镜像被本公开相应地覆盖。

本Y形分支创新的基本原理如图10中所呈现的。如专利附图通常所接受的，尤其是在微观尺度上，附图不是横向的到纵向的，也不是不同的纵向部分之间的均匀比例，以提供更好的可视化。参考图10 的上图，Y形分支分路器170包括设备输入侧上的单个波导段172、过渡部分174、第一分开波导176和第二分开波导178，其中分开波导 176、178基于上面的术语在设备的输出侧上。在该实施例中，输入波导可以被认为具有初始宽度“w”，并且每个输出波导也可以被认为也具有约“w”的宽度，其中输出波导之间的间隙表示为“g”。在理想的(无法实现的)分路器中(如图1所示)，输入波导会逐渐变宽为2*w的宽度，然后宽度均为w的输出波导将分开并最终分开。在基本的实际分路器中(如图4所示)，输入锥形部将逐渐持续直至达到2*w+g的宽度，然后宽度为w的两个不同输出波导被最小实际间隙g分开，进而分开。在本设计中，替换了过渡部分，在过渡部分中锥形从2*w的宽度变为2*w+g的宽度(图10的上部中的阴影区)。具体地，锥形部的过渡部分由“摇摆的”波导过渡部分180代替，如图10的下图表示。

在该示例中，摇摆的过渡部分180具有约2w的初始宽度，然后突然移位到宽度均为w的2个波导段182、184，波导段182、184被 g的间隙186分开从而形成所谓的间隙段。在很短的距离之后，它“摇摆”回到单个波导的宽度为2w的无间隙段188，形成了所谓的无间隙段。连接段190、192分别将间隙段的波导段182、184与单个波导段 172和无间隙段188连接。在图10的下示意图中，为了简化示意图，仅第一周期提供了附图标记，但是应当理解，如总共描绘了10个摇摆的本实施例中所概括的，这些周期重复进行。间隙段类似于与过渡部分相邻的输出波导部分，并且无间隙段类似于与过渡部分相邻的输入部分。图10中的实施例是期望的实际实施例，但是接下来以该特定实施例作为适当的背景来讨论更一般的设计考虑。

两个波导部分和单个波导部分的这种交替可以重复若干次，通常在每个后续周期中，具有两个分开波导的一部分长度可以增加，并且具有单个波导的一部分长度可以减小，尽管可能有一部分长度可以在一个或几个周期保持大致相同的相邻的摇摆。被示为10个摇摆(10 个无间隙段和10个间隙段)的交替段的总数通常可以是至少3个摇摆，在一些实施例中，过渡部分中有4至约75个摇摆，在其他实施例中，过渡部分中有6至25个摇摆。本领域普通技术人员将认识到，在上面的明确范围内的摇摆的附加范围是可预期的并在本公开内。

为了“引导”波，波导芯部通常会延伸数百微米或更长，而不会造成显著的中断。尽管将波导芯部的较短结构称为“波导”是常见且常规的，并且本文中相应地进行了使用，但是更准确地说，它们是“折射元件”，应该考虑这种区别以理解摇摆的波导过渡的行为。尽管不希望受到概述简化的限制，但是对本文中描述的设备的操作进行了一些观察。光信号不会立即分开并跟随波导芯部进出；取而代之的是，光信号对图案的折射特性做出反应。在这种结构中延伸的光信号在宽度上比在芯部元件的实际结构中要宽。当光信号遇到波导芯部的元件时，与光信号通过芯部元件周围的那部分相比，信号穿过芯部的那部分是轻微折射延迟的。这趋于使光信号的波前绕芯部元件的轴向内弯曲。在没有这种影响的情况下，通过介质行进的受限光信号由于基本光学物理特性而趋向于向外弯曲。为了实现最有效的期望的波导过渡应该完成两件事：(a)输入模的中心峰应该平滑地分成与输出波导大致对准的两个峰，并由一个谷分开；以及(b)波前应该保持平坦，因此其既不收敛也不发散。理想的分路器完成了这两项(作为理论设备)，因此其具有非凡的(理论上的)效率。上面在本发明之前讨论的用于减少Y 形分支分路器的光学损耗的其他方法不直接解决这两个问题，或者至少不解决(a)。实际上，其他方法(例如，图7)通常使(b)比什么都不做更糟，并且显然，如图10的实施例可用的那样，需要改进的光分开。

在图11中对摇摆过渡的结构进一步详细说明。此处突出了一个关键原理，输入波导200上有“分布A”并在过渡部分202到共同形成分布B的输出波导204、206处的界面有复合“分布B”，其中分布A 和分布B两者可以实际制造。从图中可以看出，摇摆过渡的原理是相当明确的：该结构在分布A与分布B之间交替若干次，靠近输入的周期在分布A中占长度的比例较大，并且靠近输出的周期在分布B中占长度的比例较大。在具有摇摆的过渡部分202中，交替的分布段具有它们之间的连接部分C。每个周期的长度(被描绘为为“p”)在整个过渡过程中无需是恒定的，并且从初始分布长度q0开始的分布长度(被描绘为n*dq)无需是一致的，但是应该大体上是增加的，尽管不一定在每个周期上都增加。对于如上面呈现的本文中使用的示例参数，dq 的合适值将为约0.25微米。因此，通过摇摆中的宽范围变化可以实现合适的性能。实际上，恒定的“p”和一致的“dq”效果很好。在该文档中稍后会提供尺寸的数值示例，并讨论结果。

可以注意到，图10和图11描绘了分布之间的倾斜的耦合段。这对于过渡的基本效率并非至关重要的，并且这些连接段的其他形状可以也是适当地有效的。然而，这些倾斜还有其他优点，将对它们进行简短的描述。虽然，尤其是在处理方面的考虑会导致连接段的缺陷，但是对连接段进行了适当的选择，这些缺陷就不会那么明显。

尽管未以这种方式表示，但是上述Li、Yu、Laurent-Lund和类似的其他参考文献的Y形分割器设计参考也可以表示为分布之间的渐进交替。由于图1的理想结构并不实际，因此可以尝试用减少的损耗来促进光信号的分开的实际结构通常包括一些形式的交替结构，其有助于更平稳地分开波前的中心峰。但是，本没计并入了两个其他重要因素(或单个重要因素的两个方面)，它们支撑了本文中设计的效率。一个设计方面是，分布A的芯部(例如，无间隙段)的总量大致等于分布B的芯部(例如，无间隙段)的总量。期望的结果可以缓解这种情况，使得在一些实施例中，分布A的芯部可以在分布B的芯部结构的±25％之内，在其他实施例中在±15％内，在另外的实施例中在±10％内，在又一实施例中在分布B的芯部结构的±5％内。类似地，分布A 和分布B的芯部宽度在过渡部分中与相同类型的段在相同范围内、在±25％内、在±15％内、在±10％内、在±5％内的变化可能很小。在其他实施例中，对于以上呈现的具有“g”的间隙的设计参数，交替段在传播方向上的范围(图11中的参数“p”)通常可以在约2*g至约30*g的范围内，在其他实施例中为约3*g至约25*g，并且在另外的实施例中为约4*g至约20*g。如上所述，在输入侧开始时，分布A段在传播方向上的范围大于分布B段，但是分布A段在传播方向上的范围逐渐变小而分布B段在传播方向上的范围逐渐减。本领域普通技术人员将认识到，在上面的明确范围内的跨分布的相对芯部数量的附加范围和分布在传播方向上的范围是可预期的并在本公开内。

回想上面所述的，芯部结构被称为折射元件，并且它们包括沿光学波前的局部延迟。如果该延迟在正确的区域范围内，则光学波前从延迟向内弯曲的趋势平衡了其从传播向外弯曲的趋势，并且波前名义上保持平直。如果穿过路径的芯部过多，则波前可能会被延迟，并且整体向内弯曲。如果穿过的芯部太少，则波前可能会向外弯曲。保持波前中心区的总横截面大致恒定有助于保持波前平直，从而可以在输出波导中获得更高的效率以及降低的噪声(“晃动”)。注意，因为倾斜的构造，即使从一个分布摇摆到另一个，但是横截面中的芯部总量仍集合保持恒定(倾斜的优势之一)。参考图10，在摇摆段内，结构中心的芯部中的孔在上附件和下附件中镜像到芯部，一半的孔填充在顶部而剩下的一半填充在底部，以保持芯部宽度的量大致一致，尽管分开。然而，通常，光学性能并不是非常依赖连接段的形状，其中连接段的形状在传播方向上可以具有较短的范围。尽管Li的“石英路径”和Laurent-Lund的“横向波导芯部”显著增加了波导芯部的总横截面而不是其相邻分布的横截面，但在交替图案的情况下，芯部材料的总宽度根本没有保持恒定。Yu中描述的“段”交替出现并显著增大，并且减少了交替分布上的芯部的总横截面。

本文中的设计的另一个优点是上述通过过渡区的大致恒定总横截面的直接结果。由于分布B段中的间隙，因此芯部输入样分布A的总横向范围小于芯部输出样分布B的总横向范围(过渡区的外边缘必须向外突出以从A延伸到B)。由于分布A的宽度约为2*w并且没有间隙，而分布B的宽度约为2*w加上间隙，因此发生了这种移位。相反，上面引用的Li和Yu都教导了输入分布，输入分布实质上宽于输出波导的范围，以便将光学模的尾部进一步移出输出波导的范围。因此，虽然Li和Yu都教导了交替的部分，但是分布却截然不同。

与穿过过渡区的芯部横截面大致恒定的概念一致，分布B段的间隙可以从输入端改变到输出端，比如逐渐过渡。参考图12，示出了具有三个摇摆的段。参考过渡部分220的局部图，输入部分具有宽度2w，并且分布B段222、224、226分别具有间隙g1、g2、g3，其中g1＜g2＜g3。分布A段228、230、232、234等同于图10和图11的对应分布A段以及输入部分。连接段会相应更改，以考虑变化的间隙。通常，初始间隙可以被选择为最小的实际间隙，并且该间隙可以在过渡部分结束之前缓慢增长。在一些实施例中，间隙对于若干摇摆可以是恒定的，然后改变，等等。

图13描绘了摇摆过渡250的一部分，其中分布之间没有倾斜。换言之，在分布A段与分布B段之间几乎没有连接段。参考图13，摇摆过渡250的描绘部分包括分布A段252、分布B段254和分布A 段256。分布B段254具有近似矩形的间隙258。没有倾斜(即，没有连接段)的过渡区的仿真预测将像具有倾斜的连接段那般有效地大致耦合，然而有一些次要的考虑因素可以使倾斜更可取。更一般地，仿真对连接段的精确形状并非特别敏感，其具有小于分布段的纵向范围。如上所述的，并根据垂直特征的排列方式，可能更容易通过倾斜的互连大致建立“恒定的总芯部横截面”。其次，图13中的阴影区域描绘了制造工艺试图生产的90°内角。设计规则的确允许在最小尺寸的情况下形成90°内角，但是当它们存在时，应该仔细控制制造过程以生产它们。在那种情况下，这样的特征可能将制造工艺限制在可以另外调整以改善其他类型的特征的区域中，这意味着受限的处理灵活性。第三，图13中描绘的垂直边缘可以沿输入方向反射少量的光。这些反射通常太小而不会影响效率，但是光学系统甚至对沿输入反射回的非常少量的光敏感。一个多组件光学电路，其中每个组件反射回光的 1/10,000甚至是1/100,000可能会导致规格失败。在一些实施例中，连接段具有沿波导的传播方向的范围，通常不超过分布段的最小横向范围的25％或间隙的50％。本领域普通技术人员将认识到，在上面的明确范围内的连接段的横向范围的附加范围是可预期的并在本公开内。

图14描绘了具有一个摇摆的过渡部分的一部分270，该摇摆具有倾斜的连接。参考图14中的局部图，过渡部分270包括分布A段272、连接段274、分布B段276、连接段278和分布A段280。分布B段包括间隙区282的矩形部分，间隙区282的三角形部分延伸到连接段274和连接段278中。总体上，间隙区282具有六边形形状。除了前面提到的在管理恒定横截面方面的改进之外，这里还解决了关于图13 的垂直连接而提出的其他两个问题。在图14中可以看出，所有的内部 90°角可以打开到例如110°至130°。如图14中通过散列所示，确实沿内部间隙的水平中心创建了两个新的内角。然而，只要打开角度小于 135°，这些新的内角也将大于90°。因此，这些结构在制造商的可重复性更高，并在处理其他问题的处理控制中具有更大的灵活性。在图 14中也很明显，不再有任何垂直边缘。这些边缘中任何边缘的任何小的背反射主要是指向远离波导轴的方向而不是沿输入的背向，这大大降低了这些结构出现背反射问题的可能性。

图15描绘了具有关于图10和图11描述的过渡部分的Y形分支分路器的仿真性能。本文中的仿真是用10个摇摆进行的。为了便于观看，在图16中描绘了相应的设备布局，该设备布局并非是以恒定的纵向比例绘制的；与其他结构相比，摇摆过渡显示出更少的周期，并且被拉长，以更好地强调其结构。在该示例中，过渡被设计为早先描述的示例参数：折射率对比为1.5％，输出波导的宽度均为4μm，以及输出波导之间的间隙为2μm。在一个特定的仿真实施例中，以10.5个周期(将从分布A到分布B的最后一个过渡算作一个半周期，其随着分开波导连续)实现了理想的解决方案，其中周期长度为7μm，故过渡部分为约75μm。对于该实施例，沿分布B部分的光路的增长和分布A部分的缩短大致补偿了每个循环，因此周期长度大致上保持恒定，但是可以使用周期长度的其他变体。摇摆过渡部分代替了如图4中所示的过渡部分，其中输入将从8μm宽变宽到10μm宽。对于这些参数，锥形部分通常为约200μm长，因此本文中描述的设备还可以减少过渡的占用面积。这种结构的仿真结果描绘在图15中。没有针对仿真显示输入锥形的较早部分，但是光学强度在锥形的较早部分中没有明显变化。所描述的摇摆过渡沿Z轴位于约500μm至580μm之间。如果将其与图3、图6和图9进行比较，可以识别出该过渡的行为更像理想的分路器，其中输入中的中心峰表现良好，在耦合到输出波导中之前分开成两个对称的峰。图17中的曲线图进一步支持了该行为，该曲线图示出了对于相同结构，约98％理想值表现良好且有效地耦合到每个输出波导中。

图18A至图18C汇集了图4(18A)的传统实施例、图7(18B) 的示例性改进以及举例说明的摇摆实施例(18C)的仿真和振幅图，以进行更直接地比较。这些图是再现自早先的图，图18A再现自图5 和图6，图18B再现自图8和图9，以及图18C再现自图15和图17。相对于具体的一般设计，用于生成图18B和图18C的模型均进行了单独优化以提高性能。注意，由于图7的连接路径与摇摆过渡(例如，图10)应用于分路器的不同部分，因此可以将它们进行结合。然而，由于摇摆过渡已经提供了清晰的间隔并耦合到输出模，因此添加的连接路径不会提供任何明显的益处，并且实际上会引起一些额外的散射和其自身的损耗。

图19A至图19C提供了基于通过比较结构的仿真传播的另一组比较。图19A至图19C中的曲线示出了沿分路器平面的相关区域在各个位置处的光学强度的横截面。在图19A中，图1的理想的(实际上无法实现的)光分路器的仿真示出了光学强度函数从中心峰到双峰的表现良好且干净的转换，并且在它们之间有平滑的下降。该行为表明在过渡中大致保持了平直波前。图19B示出了图4的实施例的光学强度函数。参考图19B，尽管大部分光耦合到输出波导，但可以看出存在一个难题，最初没有实现平滑的双峰形状，并且相应的波前没有相应地保持非常平直。该行为还表明对处理变化和波长变化的较高敏感性，并且在基于类似设计的进一步改进中，对设计提出了重大挑战。类似于图7的设计可能仍然适于许多目的，但是期望具有更好的性能。如上面关于图16所描述的那样，对具有上面概述的参数的摇摆过渡设计进行了仿真。尽管图19C的曲线的光学强度行为不如图19A的真实理想仿真理想，但显然比图19B的光学强度观察到的要近得多。中心峰平滑地分开成两个对称的峰，其中平滑的谷介于它们之间且几乎没有散射噪声(沿绘制的强度波动)。这表明波前大致保持平直，并且峰的分开稳健而稳定。该行为还表明，过渡对波长变化的较不敏感，可对工艺变化的容忍度更高，并且可还有进一步提高效率的空间(尽管可以恢复超过此设计点的剩余光损耗非常小)。

在一些应用中，可以预期输入臂中的高阶波导模。图20示出了用于引入这些模的平面光学结构的光芯部。上面对Y形分路器功能的讨论仅考虑了最低阶模，在最低阶模中强度是中心峰的，或者分开为两个峰，但是中间的谷直到输出波导充分分开之后才会达到零。如本文所使用的，最低阶的光学模由于不具有零交叉而被称为零阶模，而下一阶模由于具有一个零交叉而被称为一阶模。一阶模自然具有两个侧向峰，并且它们之间的谷突然穿过零强度，因此一个峰与另一个峰异相180°(即，负振幅)。参考图20，更高阶的分路器290包括摇摆 Y形分路器291和弯曲的耦合波导292。弯曲的耦合波导292变细到终端点，该终端点通常驱动光学强度耦合到摇摆Y形分路器291的相邻耦合波导中。尽管并没有为了限定结构或理解其功能对部分进行精确划分，但是弯曲耦合波导292具体地包括输入波导部分293、通过具有与Y形分路器291具有显著耦合而可识别的耦合波导部分294、以及终止部分295。摇摆的Y形分路器291包括输入波导部分296、第一输出波导部分297、第二输出波导部分298和摇摆过渡部分299。上面讨论的各种Y形分路器实施例中的任何实施例都可以适用于该设备，并且因此并入到该讨论中。弯曲耦合波导292接近输入波导部分 296以形成绝热的光耦合器。图20中的输入波导部分296下方的弯曲耦合波导292将光耦合到摇摆Y形分路器291的较宽输入波导部分 296的较高阶模中。具体地，弯曲耦合波导292的零阶模中的光可以有效地耦合(例如绝热耦合)到摇摆的Y形分路器291的一阶模中。在Narevicius的题为“Methodand Apparatus for Optical Mode Division Multiplexing and Demultiplexing”的已公开美国专利申请2005/0254750 中对弯曲的单模波导与紧邻的多模波导的绝热耦合进行了描述，其内容通过引用并入本文中。这种关系允许图20的结构操作为光混频器，用作光学开关、光学调制器或偏振状态的分路器的输出耦合器，如下面进一步讨论的。光混频器可以将单个光信号从任意输入平均分开在输出之间，但是如果两个输入上都存在信号，则这两个信号之间的光学干涉会将总光学功率朝输出中的一个输出或另一个输出引导。对于强度相等的两个输入，可以被引导到单个输出的最大光学功率与可以引导到单个输出的最小光学功率之间的比值称为“消光比”。采用光混频器的应用通常优选尽可能高的消光比。这意味着当两个输入信号具有相等的强度和适当的相位时，能够在输出中实现非常接近于零的光。根据干涉的基本原理，近似于零信号需要几乎相等的效率来分开两个单独的模。对于如图20中描绘的结构，期望分路器能够有效地分开任一模(零阶模或一阶模)。

在上面已对最低阶模的分开进行了完备的讨论。图21A至图21C 用Y形分路器组件的三个不同的实施例描绘了在2x2分路器实施例中关于一阶模的分开效率。由于一阶模下的功率沿波导轴的中心接近于零，因此不会因遇到有限的间隙而对分开产生明显的不利影响。光波已经自然地分开为两个峰，因此可以很好地耦合到输出波导。图21A示出了即使在图4的Y形分路器实施例的情况下，简单、实际的Y形分支也有限地分开该较高阶模。在图21B中，图7的Y形分路器实施例的连接路径帮助将光学功率的剩余迹线引导到输出波导中以提供更有效的耦合。在图21C中，具有摇摆过渡的Y形分路器实际上在高阶模下表现略差。实际上，对于这种模，它的效率比图4的Y形分路器低。注意到该设计点被设置为将中心峰模分为两个峰，这可以解释这种结果。当呈现已经具有两个峰的模时，它可能会过度补偿，从而耦合损耗也会增加。然而，请注意，对于某些实施例，这种针对高阶模的降低的效率并不一定是损害。当制作高隔离的开关或偏振状态的分路器时，期望分路器的分开效率对于每种模都相等，而不必尽可能高。通过调整摇摆过渡的几何参数，可以使模的分开效率大致相等且仍然很高。例如，通过使分布B中的两个波导的宽度稍宽于分布A的宽度的一半，一个波导被设计为远离零阶模的最佳效率而朝向一阶模的最佳效率。在小范围的设计选项内，可以很容易地识别出交叉点，在该交叉点处，两种模的分开同样有效。在一些实施例中，零阶模和一阶模可具有彼此在1％内的分开效率，在其他实施例中彼此的分开效率在0.5％内，并且在另外的实施例中彼此的分开效率在0.25％内。本领域普通技术人员将认识到，在上面的明确范围内的效率差异的附加范围是可预期的并在本公开内。对于图4和图7的Y形分路器设计，没有相应的调整是已知的，使得除非将两者都设置为非常差，否则期望高阶模的效率始终比低阶模的效率高，这不是合理的选择。

关于图20的2x2分路器/耦合器的操作，Y形分路器291的输入波导部分296可以包括具有与弯曲耦合波导292的零阶模的特定相位关系的零阶模。弯曲耦合波导292的零阶模耦合到Y形分路器291内的一阶模，然后两个光信号会发生干涉。如果零阶模从输入波导部分 296传播，并且一阶模从弯曲耦合波导292耦合到Y形分路器291，则这两种个模之间的干涉将根据两个入站模之间的相位差使光信号功率集中到一侧或另一侧。根据干涉信号之间的相位关系，可以有效地使用这种基本行为在两个输出之间路由得到的信号。例如，进入输入波导部分296和弯曲耦合波导292的输入信号可以具有相同的相位，使得干涉信号然后对第一阶信号的一部分进行相长干涉，并对一阶信号的另一部分进行相消干涉，从而跨波导的横向方向上产生非对称信号。然后将非对称信号对齐以仅进入输出波导部分297、298中的一个输入波导部分。如果输入波导部分296和弯曲耦合波导292中的两个信号异相180度，则信号干涉且带有在空间上反转的相长和相消贡献以形成相反的不对称信号，然后将其对准以进入相反的输出波导部分 297、298。基于输入波导部分296中合并后的两个信号的干涉，可以使用较小程度的相位失准来调整每个输出波导中的信号量。以这种方式，通过调节两个输出波导中两个信号之间的相对相位以提供切换功能，该功能可以在一个输出波导部分或另一个输出波导部分中的所有信号之间进行连续调节，例如可变光衰减和/或在一个输出或另一个输出之间进行有效切换。

如果光信号传达偏振相关信息，则明显偏振的相位分别干涉图20 的设备的合并的信号。以这种方式，如果不同的偏振具有相对于彼此的不同相位，则不同的偏振状态可以被引导到不同的输出波导部分中，使得相反的相位对于相反的偏振有不同的干涉。如果对于一个偏振，输入之间的相位差以及因此的模之间的相位差相对于另一偏振是180 度异相，则图20的设备可以用作偏振分束器的最终混频器。可以期望地利用图20的设备来实现无论是否是基于偏振的切换功能，图20的设备是零阶模且第一阶模由具有近似相同效率的图20的摇摆Y形分路器分开，因为这导致切换功能中的较高消光比性能。

在一些应用中，可能期望除了对称50％/50％以外的光学强度分开比。图22描绘了基于本文中呈现的概念的非对称配置，其可以与实际配置一起使用以基于本文中使用的和上面描述的示例参数来创建介于50％/50％和约80％/20％之间的分路器。用不同的参数，具有该结构的非对称分开的修改范围是可能的。由于破坏的对称性，用基于Y 形分路器结构的任何已知方法都难以实现光分路器。基于常规Y形分路器设计的非对称分路器设计往往对波长改变和工艺变化非常敏感，对于实际应用而言通常过于冗余。由于摇摆的仿真了图1的理想分路器的行为，因此可以通过实际设计显著改善波长依赖和工艺公差。

参考图22，非对称分路器300包括输入部分302、副输出波导部分304、副输出部分306和过渡部分308。主输出波导部分304具有大于副输出部分306的宽度。为了实现光学强度分开，输出波导的宽度在过渡区附近是非对称的，并且间隙相应地被非对称地放置。可以基于输出光学强度的期望比率粗略地选择输出波导的非对称宽度的比率，但是仿真或经验评估可以调整这些选择以实现期望的光学输出。通常，为了实现较低量的分开光学强度，随着下输出波导的宽度相对于上输出波导减小时，在过渡部分中会出现间隙。虽然改变宽度的比例会相应地调整光分开的性能，但是可以使用仿真和/或经验调节来实现期望的分开程度。副输出波导波导的宽度通常在约w与约2w之间。副输出波导的宽度，以及因此间隙的位置，不能减小到工艺设计规则所支持的最小宽度以下，例如对于本文中的示例的工艺为约2微米。为了在副输出部分中完成较低量的光学强度的分开，可以如下面的实施例中描述的那样将整个输出波导分布相对较低地移位。参考图22，输入部分302从w的初始宽度变宽到w1+w2+g，其中w1是主输出波导部分304的宽度，w2是副输出部分306的宽度，以及g是间隙。通常，w1/w2至少为约1.1，即w1比w2大10％。在一些实施例中，w1/w2 可以在约1.1至8的范围内，在其他实施例中在约1.2至约6的范围内，并且在另外的实施例中在约1.3至约4的范围内。本领域普通技术人员将认识到，在上述明确范围内的光分开和宽度比的附加范围是可以预期的并在本公开内。

在该实施例中，过渡部分308包括分布B 310的8个段(在图中被标记为一个代表性段)和分布A 312的8个段(在图中被标记为一个代表性段)，其具有w1+w2的宽度。分布B段310具有分布，该分布具有由间隙g分开的宽度为w1的上波导和宽度为w2的下波导部分。连接段314将分布A段312与分布B段310连接。上面对于图 10的过渡部分详细描述的摇摆的各种备选实施例通常也适用于图22 的非对称分路器的适当实施例，并且在不明确再现语言的情况下将其在这里进行并入，但是应当理解为仿佛语言在这里进行再现。具体地，上面与这种非对称实施例相关的讨论包括但不限于上面关于过渡部分 (例如3-100)中的分布A和分布B段的数量、沿分布A段和分布B 段的光路从过渡部分的输入端到输出端的纵向范围变化(例如， q0+n·dq)、在分布A段和分布B段的芯部材料的横向宽度的比较(例如，大约等于或±25％)、连接段的性质(例如，是否存在以及形状和大小)以及其他适当的参数。

为了使光信号的一小部分可靠地耦合到副输出波导中，已经发现输出波导应从输入波导的中心线移位。随着输出波导从输入波导的中心线移位，过渡区的分布A段的边缘相应地移位以保持与输出波导的对准。在图中使用的定向中，这种移位导致边缘的向下移位，相对于分布B段，上凸块变小而下凸块变大。随着移位的继续，上凸块可以消失，从而使分布A段与分布B段的上边缘对准(图23)，甚至随着移位的增加，上凸块变成凹口，分布B段的上边缘相对于分布A段的侧向边缘向下移位(图24)。随着输出波导位置的移位，也可以调整输出波导的相对宽度。在不对称分开的类型之后更经常方法是分开较小部分(通常10％或更少)的光作为监视信号，而大部分的光信号是通过单个波导向前路由到随后的光学电路。在小型分开设备的该描述内的结构通常被称为光学“分接件”，副输出波导为光学分接件波导。在图23和图24中描绘了与将摇摆分路器应用于低百分比光学分节件相关的光分路器的实施例。基于上面的描述，图22和图23的实施例之间的中间移位输出波导是清楚的，所有配置参数在处理能力内是连续可调整的。

例如，如果输出波导向下移位足够远，则输出分布的上边缘可以与输入波导的上边缘对准，从而使摇摆过渡的上边缘沿其长度近似平直，如图23的光学分接件330中那样。这表示可以用于制造5％至 10％的分接件的配置类型。可以类似于图22的输出波导宽度来调整主输出波导和副输出波导的宽度。类似地，改变输出波导的移位量以及宽度的比例调整了光学分开性能，并且可以使用仿真和/或经验调整来实现期望的分开程度。在备选或另外的实施例中，在相对于分布A段的侧向边缘的分布B段处的凸起可以连续地在从g/2(图22)至0(图 23)至负值(图24)的范围内变化，选择以提供期望的非对称分开。光学分接件330包括输入波导部分332、输出波导部分334、波导分接件336和过渡部分338。过渡部分338包括具有8个分布B段340(被标记为一个代表性分布B段)和8个分布A段342(被标记为一个代表性分布A部分)的摇摆，其中连接段344连接分布A段342与分布 B段340。输入波导部分332通常从w的初始宽度变宽到wo+wt的宽度，其中wo是主输出波导部分334的宽度，以及wt是波导分接件336 的宽度。通常，w0在w和2w之间。分布B段通常具有宽度wo的上波导部分和宽度wt的下波导部分，它们由间隙g分开。通常，上波导的宽度将从wo变窄到w超出分开区。由于波导的上边缘近似平直，因此在该实施例中，分布B段中的摇摆的移位仅沿下边缘。当然，对上和下的引用仅是为了方便参考附图，并且不意味着暗示空间中的任何实际取向，并且该装置可以以翻转配置进行定向，以便分接件在相对于主光波导的另一个方向上传输信号。同样，上面针对图10中的摇摆过渡的摇摆结构的备选实施例的一般描述可以相应地应用于图21A 至图21C的实施例，其对于该实施例是适合的，并且上面的文本仿佛是为了备选实施例而在这里写的。具体地，上面与这种非对称实施例相关的讨论包括但不限于上面关于过渡部分(例如3-100)中的分布A 和分布B段的数量、沿分布A段和分布B段的光路从过渡部分的输入端到输出端的纵向范围变化(例如，q0+n·dq)、在分布A段和分布 B段的芯部材料的横向宽度的比较(例如，大约等于或±25％)、连接段的性质(例如，是否存在以及形状和大小)以及其他适当的参数。

为了使分接件部分更小，输出波导甚至需要从输入波导的中心线进一步偏移。在这样的配置中，主输出波导的输出分布的上边缘可以在输入分布的上边缘的下方。在该配置中，上边缘实际上可以向内移动，在该处过渡会摇摆到更宽的分布，如图24的光学分接件360中所示。通常，可以选择浸渍度以提供期望的分接件输出。这是通常可用于制造光学强度小于约5％的分接件的配置类型。通常使用弱共振耦合来制作具有小分接件比(例如，低于10％)的波导分接件，该弱共振耦合基本上是波长相关的。基于弱共振耦合的分接件意味着分接件比率通常在操作波长的期望范围内显著变化，并且期望能够制作出更稳定的小比率分接件。图23和图24中描绘的分接件的类型应该能够制作这种具有显著提高的波长稳定性的小比率分接件。关于这些分接件设计，据申请人所知，不存在基于图1的对称分路器的相应理想化没计。据申请人所知，不存在基于图4和图7的分路器概念的这种分接头设计。

参考图24，光学分接件360包括输入波导部分362、输出波导部分364、波导分接件366和过渡部分368。过渡部分368包括具有8 个分布B段370(被标记为一个代表性分布B段)和8个分布A段 372(被标记为一个代表性分布A段)的摇摆，其中连接段374连接分布A段372与分布B段370。输入波导部分362通常从w的初始宽度变宽到wo+wt的宽度，其中wo是主输出波导364的宽度，以及wt 是波导分接件366的宽度。分布B段通常具有宽度为wo的上波导部分、宽度为wt的下波导部分，它们由间隙g分开。由于输出波导的侧向上边缘在输入波导部分362的端部的侧向上边缘下方，因此摇摆在分布B部分的顶部处具有凹谷而不是凸起，并且摇摆的下延伸具有相对于输入波导部分362的端部的下边缘进一步向下延伸的侧向边缘。相应地，在图24的实施例中，分布B部分处的间隙相对于图23的实施例向下方移位。再次，对于图24的实施例，对上和下的引用仅是为了方便参考附图，并且不意味着暗示空间中的任何实际取向，并且该装置可以以翻转配置进行定向，以便分接件在相对于主光波导的另一个方向上传输信号。而且，上面针对图10中的摇摆过渡的摇摆结构的备选实施例的一般描述可以相应地应用于图24的实施例，其对于该实施例是适和的，并且上面的文本仿佛是为了备选实施例而在这里写的。具体地，上面与这种非对称实施例相关的讨论包括但不限于上面关于过渡部分(例如3-100)中的分布A和分布B段的数量、沿分布A段和分布B段的光路从过渡部分的输入端到输出端的纵向范围变化(例如，q0+n·dq)、在分布A段和分布B段的芯部材料的横向宽度的比较 (例如，大约等于或±25％)、连接段的性质(例如，是否存在以及形状和大小)以及其他适当的参数。

对于图22至图24的非对称分路器，输出波导部分起初具有与过渡部分相邻的宽度，该宽度被选择为提供期望的光学强度分开。分开之后，输出波导部分可以逐渐变窄到具有w的宽度，以支持信号传输更长的距离。对于光学分接件，可以在短距离之后将分接件引导到光学检测器等，这可以使分接件输出部分的锥形变得多余。

摇摆过渡的原理不限于1x2过渡。图25示出了本发明在1x3分路器上的应用。对于该实施例，1x3分路器400包括输入波导部分402、第一输出波导部分404、第二输出波导部分406、第三波导部分408 和过渡部分410。过渡部分410被描绘为具有分布A和分布B的6个交替段。连接段被示出在每个分布A与分布B之间。为了简化附图，在图25中标记了一个分布A段414和一个分布B段412以及相邻的连接段416、418。分布B段412具有三个波导段(由间隙g彼此分开宽度w1、w2和w3)。分布A段具有连续的芯部，其宽度约为 w1+w2+w3。

图26示出了应用于2x3光混频器430的情况。光混频器430包括2个输入波导部分432、434，三个输出波导部分436、438、440和过渡部分442。如图所示，过渡部分442包括5个分布A段和5个分布B段以及相应的连接段。为了简化附图，标记了一个分布A段446、一个分布B段444以及相应的连接段448、450。分布A段446具有三个波导部分，由间隙g分开宽度为w1、w2、w3。分布A段具有两个波导部分，由间隙g分开宽度为w4、w5。通常，满足以下条件： w1+w2+w3＝w4+w5。此外，对于平衡耦合，w1＝w3且w4＝w5。

图25和图26的过渡部分中的间隙以类似于图10的六边形形状示出。然而，对于这些实施例，六边形间隙不对应于具有芯部材料的连接段，其具有与分布A段和分布B段中的芯部的侧向宽度相同的后宽度。根据仿真，连接段中芯部材料的侧向宽度的变化不会显著影响性能，并且六边形的间隙通常提供了方便的处理。通常，其他合理的间隙形状可以用于各种实施例。如上面针对其他实施例所描述的，图 25和图26中的实施例可以具有不同数量的分布A段和分布B段。而且，上面针对图10中的摇摆过渡的摇摆结构的备选实施例的一般描述可以相应地应用于图25和图26的实施例，其对于这两个实施例是适和的，并且上面的文本仿佛是为了备选实施例而在这里写的。具体地，上面与这种非对称实施例相关的讨论包括但不限于上面关于过渡部分 (例如3-100)中的分布A和分布B段的数量、沿分布A段和分布B 段的光路从过渡部分的输入端到输出端的纵向范围变化(例如， q0+n·dq)、在分布A段和分布B段的芯部材料的横向宽度的比较(例如，大约等于或±25％)、连接段的性质(例如，是否存在以及形状和大小)以及其他适当的参数。

可以使用CVD、其变型、火焰水解或其他恰当的沉积方法将用于在PLC内形成的本文中描述的平面设备的材料沉积在衬底上。合适的衬底包括例如具有较高加工温度的适当公差的材料(例如硅、陶瓷)，例如石英或氧化铝等。在一些实施例中，为了在衬底上形成PLC，可以引入合适的二氧化硅前体，并且可以掺杂石英玻璃以提供期望的折射率和加工性能。类似地，可以对其他光学材料执行沉积和掺杂。可以用光刻或其他合适的图案化技术来执行图案化。例如，在Zhong等人的题为“GEBPSG Top Clad for a Planar LightwaveCircuit”的美国专利7,160,746中描述了基于等离子增强CVD(PECVD)的掺杂有Ge、 P和B的石英玻璃的形成，其用作PLC的顶包层，该专利的内容通过引用并入本文中。类似地，例如在Zhong等人的题为“GEPSG Corefor a Planar Lightwave Circuit”的美国专利6,615,615中描述了用于光学平面波导的芯部的形成，该专利的内容通过引用并入本文中。

本文中描述的设备通常可以与平面光波电路内的其他组件集成在一起，尽管它们可以备选地作为单个设备并入平面光波电路内，以使用适当的连接器连接到光纤和/或其他分开的平面光波电路。

本发明已被描述为适用于分路器、混频器和分接件的特定配置和取向，但是本领域技术人员将很容易地看到它适用于这类设备的更广范围，并适用于在任一方向上的光学传播。这些描述旨在举例说明而不是限制本发明。

上面的描述旨在是说明性的而非限制性的。其他的实施例在权利要求书内。另外，虽然已参考具体实施例对本发明进行了描述，但是本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行修改。限制上面通过引用文件的任何并入，使得没有并入与本文中的明确公开相反的主题。就具体结构而言，本文中用组件、元件、组分或其他分割来描述了成分和工艺，应当理解，本文中的公开涵盖了具体实施例，包括具体组件、元件、组分、其他分割或它们的结合的实施例，以及如本公开中所提出的，除非另外具体指明，否则基本上由这样的具体组件、元件、组分、其他分割或它们的结合的实施例可以包括不改变主题的基本性质的其他的特征。

Claims (9)

1.一种非对称光学结，包括输入波导部分、第一输出波导部分、第二输出波导部分、以及将所述输入波导部分与所述输出波导部分相连接的过渡波导部分，其中，所述第一输出波导部分在所述过渡部分处垂直于光路的宽度比所述第二输出部分的相应宽度大至少约10％，并且其中，所述过渡部分包括沿光路交替的间隙段和无间隙段，横向于所述光路的波导芯部的所述间隙段与由光芯部中的间隙分开的两个输出波导部分相对应，并且所述无间隙段具有横向连续芯部。

2.根据权利要求1所述的非对称光学结，其中，所述波导包括石英玻璃。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的非对称光学结，其中，从所述输入波导部分传输到所述过渡波导部分的光学强度的小于10％的光学强度传播通过所述第二输出波导部分。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的非对称光学结，其中，所述过渡部分具有6至25个间隙段和6至25个无间隙段。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的非对称光学结，其中，连接段将间隙段连接到相邻的无间隙段，并且其中，跨间隙段和两个相邻的连接段延伸的间隙大致形成六边形。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的非对称光学结，其中，所述间隙段的侧向边缘相对于与所述光路垂直的所述无间隙段的中心对称地布置。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的非对称光学结，其中，所述间隙段的侧向边缘相对于与所述光路垂直的所述无间隙段的中心非对称地布置。

8.根据权利要求7所述的非对称光学结，其中，所述过渡部分在一个侧向边缘上是近似线性的。

9.根据权利要求7所述的非对称光学结，其中，所述间隙区的侧向边缘具有相对于所述无间隙段的侧向边缘形成凹陷的一个边缘、和相对于所述无间隙段的另一侧向边缘形成突起的一个边缘。

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