CN115151849A - 低损耗高效率光子移相器 - Google Patents

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Abstract

所公开的光子设备包括第一包覆层、包括耦合到第一介电部分的第一引线的第一电触件、包括耦合到第二介电部分的第二引线的第二电触件、包括包含第一材料的平板层的波导结构，以及第二包覆层。平板层可以耦合到第一电触件的第一介电部分和第二电触件的第二介电部分。第一介电部分和第二介电部分的介电常数可以大于第一材料的介电常数。

Description

低损耗高效率光子移相器
优先权要求
本申请要求于2020年1月29日提交的标题为“Low Loss High EfficiencyPhotonic Phase Shifter”的美国临时专利申请号62/967,166的优先权，该申请在此通过引用整体并入本文，如同全部和完全在本文阐述一样。
技术领域
本文的实施例一般而言涉及诸如移相器和开关之类的电光设备。
背景技术
电光(EO)调制器和开关已用于光学领域。一些EO调制器利用自由载流子电折射、自由载流子电吸收或DC克尔(Kerr)效应在操作期间修改光学特性，例如，改变通过EO调制器或开关传播的光的相位。作为示例，光学相位调制器可以用于集成光学系统、波导结构和集成光电子器件。
尽管在EO调制器和开关领域取得了进展，但本领域需要与EO调制器和开关相关的改进方法和系统。
发明内容
本文描述的一些实施例涉及诸如电光开关和移相器之类的光子设备。该设备可以包括第一包覆层、包括耦合到第一介电部分的第一引线的第一电触件、包括耦合到第二介电部分的第二引线的第二电触件、包括包含第一材料的平板层的波导结构，以及第二包覆层。平板层可以耦合到第一电触件的第一介电部分和第二电触件的第二介电部分。
第一介电部分和第二介电部分的介电常数可以大于第一材料在分隔第一介电部分和第二介电部分的方向上的介电常数。在大于1mK、小于77K、小于150K和/或在另一个温度范围内的第一温度处，第一介电部分和第二介电部分的介电常数可以大于第一材料的介电常数。在一些实施例中，第一材料是折射率大于第一包覆层和第二包覆层的折射率的透明材料。在一些实施例中，第一介电部分和第二介电部分的介电常数与第一材料的介电常数之间的比率为2或更大。
波导结构可以包括第一脊部分，该第一脊部分包括第一材料并且耦合到平板层，其中第一脊部分部署在第一电触件和第二电触件之间。脊部分可以部署在平板层的第一侧并且可以延伸到第一包覆层中，并且第一介电部分和第二介电部分可以在平板层的与波导结构的脊部分邻接的第一侧耦合到平板层。
在其它实施例中，脊部分部署在平板层的第一侧并且延伸到第一包覆层中，其中第一介电部分和第二介电部分在平板层的与第一侧相对的第二侧耦合到平板层。在一些实施例中，第一电触件和第二电触件部署在平板层的第二侧。
在一些实施例中，第一电触件通过从平板层的第二侧到平板层的第一侧穿过平板层而耦合到第一介电部分，并且第二电触件通过从平板层的第二侧到平板层的第一侧穿过平板层而耦合到第二介电部分。
在一些实施例中，第一介电部分和第二介电部分由钛酸锶(STO)、钛酸锶钡(BST)、氧化铪、氧化锆、氧化钛、氧化石墨烯、氧化钽、锆钛酸铅(PZT)、锆钛酸铅镧(PLZT)或铌酸锶钡(SBN)中的一种构成。
在一些实施例中，第一材料是钛酸钡(BTO)、钛酸锶钡(BST)、铌酸锂、锆钛酸铅(PZT)、锆钛酸铅镧(PLZT)、氧化铝、氮化铝、或铌酸锶钡(SBN)中的一种。
本发明内容旨在提供对本文档中描述的一些主题的简要概述。因此，应该认识到的是，上述特征仅仅是示例，并且不应被解释为以任何方式缩小本文所描述的主题的范围或精神。本文所述主题的其它特征、方面和优点将从以下具体实施方式、附图说明和权利要求中变得清楚。
附图说明
为了更好地理解所描述的各种实施例，应结合以下附图来参考下面的具体实施方式，附图中相似的附图标记在整个图中指代对应的部分。
图1是例示根据一些实施例的光开关的简化示意图；
图2是例示根据一些实施例的包含与波导脊相对放置的高κ电极的波导结构的横截面的简化示意图；
图3是例示根据一些实施例的包含具有穿透引线的、与波导脊相对放置的高κ电极的波导结构的横截面的简化示意图；
图4是例示根据一些实施例的包含在与波导脊相同侧放置的高κ电极的波导结构的横截面的简化示意图；
图5是例示根据一些实施例的包含高κ电极并呈现夹层结构的波导结构的横截面的简化示意图；
图6是例示根据一些实施例的包含高κ材料的垂直波导结构的横截面的简化示意图；
图7是例示根据一些实施例的具有与波导结构对齐的介电部分的波导结构的横截面的简化示意图；
图8是例示根据一些实施例的具有呈现脊状轮廓的介电部分的波导结构的横截面的简化示意图；
图9是示出根据一些实施例的波导结构的俯视图的简化示意图；
图10是根据一些实施例的用户与混合量子计算设备接口交互的例示；以及
图11是例示根据一些实施例的显示感应电场方向的波导结构的横截面的简化示意图。
虽然本文描述的特征可能易于受到各种修改和替代形式的影响，但其特定实施例在附图中以示例的方式示出并且在本文中被详细描述。但是，应该理解的是，附图及其详细描述并不旨在限于所公开的特定形式，相反，意图是涵盖落入如所附权利要求所定义的主题的精神和范围内的所有修改、等效形式和替代形式。
具体实施方式
现在将详细参考实施例，其示例在附图中示出。在以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对各种描述的实施例的透彻理解。但是，对于本领域的普通技术人员来说清楚的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践各种描述的实施例。在其它情况下，没有详细描述众所周知的方法、过程、组件、电路和网络，以免不必要地混淆实施例的方面。
为了解释的目的，前面的描述已经参考特定实施例进行了描述。但是，上述说明性讨论并不旨在穷举或将权利要求的范围限制为所公开的精确形式。鉴于上述教导，许多修改和变化都是可能的。选取实施例是为了最好地解释权利要求及其实际应用的基本原理，从而使本领域的其它技术人员能够最好地使用具有适合所设想的特定用途的各种修改的实施例。
本发明的实施例涉及光学系统。更特别地，本发明的实施例在光调制器和开关中使用高介电常数材料(即，高κ材料)以降低操作期间的功耗。注意的是，如本文所使用的，“高介电常数材料”旨在指示与光调制器或开关的操作组件内的其它材料相比，特别是与用于构造波导的材料相比，具有高介电率(dielectric permittivity)的材料。仅作为示例，本发明的实施例是在包括有源光学设备的集成光学系统的上下文中提供的，但是本发明不限于该示例并且具有对各种光学和光电系统的广泛适用性。
根据一些实施例，本文描述的有源光子设备利用电光效应，诸如半导体中的自由载流子感应的折射率变化、普克尔效应和/或DC克尔效应来实现光信号的调制和/或切换。因此，本发明的实施例适用于调制器，其中透射光被调制为ON或OFF，或者光通过透射百分比的部分变化进行调制，以及光开关，其中透射光被输出在第一输出端(例如，波导)或第二输出端(例如，波导)上，或具有多于两个输出端以及多于一个输入端的光开关。因此，本发明的实施例适用于各种设计，包括利用本文讨论的方法、设备和技术的M(输入)x N(输出)系统。
图1是例示根据本发明的实施例的光开关的简化示意图。参考图1，开关100包括两个输入端：输入端1和输入端2，以及两个输出端：输出端1和输出端2。作为示例，开关100的输入端和输出端可以被实现为可操作以支持单模或多模光束的光波导。作为示例，开关100可以被实现为分别与一组50/50分束器105和107集成的马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪。如图1中所示，输入端1和输入端2光耦合到第一50/50分束器105(也称为定向耦合器)，它接收来自输入端1或输入端2的光，并通过50/50分束器中的倏逝(evanescent)耦合，将来自输入端1的输入光的50％引导到波导110中，将来自输入端1的输入光的50％引导到波导112中。同时，第一50/50分束器105将来自输入端2的输入光的50％引导到波导110中，并将来自输入端2的输入光的50％引导到波导112中。仅考虑来自输入端1的输入光，则该输入光在波导110和112之间均匀分开。
马赫-曾德尔干涉仪120包括相位调整部分122。电压V0可以施加在相位调整部分122中的波导上，使得它可以在相位调整部分122中具有可控地变化的折射率。因为波导110和112中的光在传播通过第一50/50分束器105之后仍然具有明确定义的相位关系(例如，它们可以是同相、180°反相等)，因此相位调整部分122中的相位调整可以在波导130和132中传播的光之间引入预定的相位差。如本领域技术人员清楚的，在波导130和132中传播的光之间的相位关系可以导致输出光出现在输出端1(例如，光束同相)或输出端2(例如，光束反相)，从而提供开关功能，因为根据施加在相位调整部分122处的电压V0，光被引导到输出端1或输出端2。虽然在图1中例示了单个有源臂，但是应该认识到的是，马赫-曾德尔干涉仪的两个臂都可以包括相位调整部分。
如图1中所示，与全光开关技术相比，电光开关技术利用在开关的有源区域上施加电偏置(例如，图1中的V0)来产生光学变化。由施加该电压偏置产生的电场和/或电流导致有源区的一种或多种光学特性(诸如折射率或吸光度)发生变化。
虽然图1中例示了马赫-曾德尔干涉仪实施方式，但本发明的实施例不限于这种特定的开关体系架构，并且其它相位调整设备包括在本发明的范围内，包括环形谐振器设计、马赫-曾德尔调制器、广义马赫-曾德尔调制器等。本领域普通技术人员将认识到许多变化、修改和替代形式。
在一些实施例中，本文描述的光学移相器设备可以用于量子计算系统内，诸如图10中所示的混合量子计算系统。替代地，这些光学移相器设备可以用在其它类型的光学系统中。例如，其它计算、通信和/或技术系统可以利用光子移相器来引导系统或网络内的光信号(例如，单光子或连续波(CW)光信号)，并且在各种实施例中，本文描述的移相器体系架构可以在这些系统内使用。
图2-图8–光子移相器的横截面
图2-图8是例示根据各种实施例的用于光子移相器的各种体系架构的简化截面图。注意的是，图2-图8中所示的体系架构是示意图，不一定按比例绘制。虽然图2-图8中所示的体系架构在几个重要的设计特征方面有所不同，但它们也共享一些共同的特征。例如，如下文更详细描述的，图2-图8中的每一个都展示了两个电触件，并且每个电触件包括连接到介电电极(240、340、440、540、640、740和840，以及242、342、442、542、642、742和842)的引线(230、330、430、530、630、730和830，以及232、332、432、532、632、732和832)。在一些实施例中，引线可以由金属构成，或者替代地由半导体材料构成。
介电电极被配置为靠近波导中的光学模式的位置延伸，并且光子移相器被配置为使得可以跨两个介电电极引入可控电压差，以改变传播通过波导的光子模式的累积相位。例如，介电电极可以经由引线耦合到施加可控电压差的电压源。
重要的是，介电电极可以由具有大介电常数的高κ材料构成，使得介电电极具有比波导和/或平板层(slab layer)的材料更大的介电常数。如本文所使用的，κ用于表示介电常数，它是指相对介电率的实数分量，κ＝Re(εr)＝Re(ε/ε0)，其中εr是复值相对介电率，ε是材料的绝对介电率，并且ε0是介电率自由空间。应该注意的是，为清楚起见，εr的虚数分量与材料的电导率相关，而实数分量κ与材料的介电极化率相关。
与(AC)电压相比，在存在直流(DC)电压的情况下，材料的介电常数可能具有不同的值，并且材料在AC电压下的介电常数可能是频率的函数κ(ω)。因此，在一些实施例中，当为介电电极、平板层和/或脊波导选择材料时，可以考虑在光子移相器的工作频率处的材料的介电常数。
介电电极可以沿着分隔第一介电部分和第二介电部分的方向(例如，图2-图5和图7-图8中的x方向，或图6中的y方向)由具有比平板层的第一材料更高的介电常数的材料构成。例如，在各向异性介质中，介电率张量ε可以用以下矩阵表达，该矩阵使电场E与电位移D相关。
Figure BDA0003805712080000071
其中分量εxx，εxy,等表示介电率张量的各个分量。在一些实施例中，可以选择第一介电电极和第二介电电极的材料，使得沿着分隔介电电极的方向的介电率张量的对角分量大于平板层和/或波导结构的材料的介电率张量的对应对角分量。
Figure BDA0003805712080000072
Figure BDA0003805712080000081
表1-各种材料的χ(3)、折射率和介电常数值
表1例示了各种材料的χ(3)、折射率和介电常数值。如表1中所示，在一些实施例中，STO对于10K以下的温度具有极高的介电常数，使得STO可以是用于介电电极的理想材料，而BTO可以用于波导的平板层和/或脊部分。
如图所示，图2-图8中的每一个中所示的体系架构展示了包括第一包覆层(cladding layer)和第二包覆层的光子设备。例如，标记为210、310、410、510、610、710和810的区域表示在波导一侧的第一包覆层，而标记为212、312、412、512、612、712和812的区域表示在波导另一侧的第二包覆层。注意的是，术语“第一”和“第二”仅用于区分两个包覆层，例如，术语“第一包覆层”可以指在波导任一侧的包覆层。在一些实施例中，第一包覆层和第二包覆层的折射率可以低于波导结构的折射率。
图2-图8进一步展示了第一电触件和第二电触件，第一电触件包括耦合到第一介电部分(240、340、440、540、640、740和840)的第一引线(230、330、430、530、630、730和830)，并且第二电触件包括耦合到第二介电部分(242、342、442、542、642、742和842)的第二引线(232、332、432、532、632、732和842)。第一和第二引线可以由诸如金属之类的导电材料构成，或者替代地它们可以由半导体材料构成。在各种实施例中，第一介电部分和第二介电部分由钛酸锶(STO)、钛酸钡(BTO)、钛酸锶钡(BST)、氧化铪、铌酸锂、氧化锆、氧化钛、氧化石墨烯、氧化钽、锆钛酸铅(PZT)、锆钛酸铅镧(PLZT)、铌酸锶钡(SBN)、氧化铝、氧化铝或其掺杂变体或固溶体中的一种或多种构成。
图2-图8例示了包括平板层(220、320、420和520、651、754和851)的波导结构，该平板层包含第一材料，其中平板层耦合到第一电触件的第一介电部分和第二电触件的第二介电部分。在一些实施例中，波导结构还包括由第一材料(或不同材料，例如，氮化硅或任何其它材料)构成并耦合到平板层的脊部分(251、351、451和551)，其中脊部分部署在第一电触件和第二电触件之间。在各种实施例中，第一材料是钛酸锶(STO)、钛酸钡(BTO)、钛酸锶钡(BST)、氧化铪、铌酸锂、氧化锆、氧化钛、氧化石墨烯、氧化钽、锆钛酸铅(PZT)、锆钛酸铅镧(PLZT)、铌酸锶钡(SBN)、氧化铝、氧化铝或其掺杂变体或固溶体中的一种。
在一些实施例中，可以基于构成平板层和/或波导结构的第一材料来选择构成第一介电部分和第二介电部分的第二材料。例如，可以选择第二材料使得第二材料具有比第一材料的介电常数更大的介电常数。作为一个示例，如果第一材料是BTO，那么第二材料可以被选择为STO，其在光子设备旨在操作的低温温度(例如，4K)处具有比BTO更大的介电常数。有利的是，对于从波导到电极中的给定的可接受水平的损耗，介电电极的大介电常数可以使得介电电极与金属电极相比能够更靠近波导放置。例如，金属电极的高电导率将导致来自波导的光子吸收(即，损耗)的程度大于与波导相同间隔处的介电电极的吸收。因而，对于给定的损耗容限，介电电极可以比金属电极更靠近波导放置。介电电极的高介电常数对应于介电材料的高极化率，这又导致节能控制机制来调节波导结构内的电场。
在一些实施例中，用于介电电极的材料和波导结构可以基于它们的有效介电常数来选择。例如，虽然材料的介电常数(或各向异性材料的介电张量)是固有的材料特性，但结构的有效介电常数不仅与其介电常数成比例，而且还取决于结构的形状和尺寸。在这些实施例中，可以选择用于第一介电部分和第二介电部分的材料，使得第一介电部分和第二介电部分的有效介电常数大于波导结构的有效介电常数。
在一些实施例中，诸如图10中所示的低温恒温器1113之类的低温设备可以被配置为将第一电触件、第二电触件和波导结构维持在低温温度，例如，在77开尔文处或以下。
在一些实施例中，第一电触件和第二电触件被配置为在波导结构中沿着一个或多个方向(例如，沿着x方向)产生电场，并且波导结构的特征在于电光系数(例如，χ(2)普克尔系数，或χ(3)克尔系数)具有沿着电场方向对齐的非零值。例如，引线可以耦合到施加可控(例如，可编程)电压差的电压源，从而在波导结构中产生电场，如图10中所示。附加地或替代地，由波导结构支持的导模可以具有与x方向对齐的偏振方向。
在一些实施例中，第一介电部分和第二介电部分被配置为与平板层共面并邻近平板层的第一侧部署的第二层。例如，第一介电部分和第二介电部分可以(例如，使用外延或另一种方法，诸如金属有机化学气相沉积、分子束外延、物理气相沉积、溶胶-凝胶等)生长到平板层的第一侧上，使得第一介电层和第二介电层直接耦合到平板层。替代地，在一些实施例中，中间层可以部署在平板层与第一介电层和第二介电层之间，使得平板层与第一介电层和第二介电层间接耦合。在一些实施例中，中间层可以由氧化物材料构成。
第一介电部分和第二介电部分可以由间隙区域(例如，间隙区域243或343)分隔开。在一些实施例中，间隙区域可能已经被蚀刻掉，并且可以用包覆材料填充。在一些实施例中，第一介电部分和第二介电部分二者可以作为单个第二层在平板层上方生长，并且随后可以蚀刻掉一个区域以使第一介电部分和第二介电部分分隔开。该蚀刻区域随后可以用包覆材料填充。替代地，蚀刻区域可以留空(即，可以用空气填充或者真空)。
在一些实施例中，第一介电部分和第二介电部分的介电常数大于在分隔第一介电部分和第二介电部分的方向上的第一材料的介电常数。在大于1mK、小于77K、小于150K和/或在另一个温度范围内的第一温度处，第一介电部分和第二介电部分的介电常数可以大于波导结构的介电常数。在一些实施例中，第一材料是具有大于第一包覆层和第二包覆层的折射率的折射率的透明材料。在一些实施例中，第一介电部分和第二介电部分的介电常数与第一材料的介电常数之间的比率为2或更大。
以下段落描述在图2-图8中所示的体系架构之间不同的各种设计特征。
图2例示了其中波导结构的脊部分(251)部署在平板层的底部并且延伸到第一包覆层(210)中的体系架构。如图2中所示，脊部分和平板层的组合具有大于单独平板层(220)的第二厚度(260)的第一厚度(262)，并且第一厚度相对于第二厚度的超出部分延伸到在平板层的底侧的包覆层(210)中。如图2中所示，第一介电部分(240)和第二介电部分(242)在平板层的与底侧相对的顶侧耦合到平板层(220)。此外，第一电触件(230)和第二电触件(232)部署在平板层(220)的顶侧。应该注意的是，术语“顶”和“底”是为了清楚地参考图中所示的透视图而使用的，并且不一定是指相对于整个设备的任何特定朝向。
图3例示了其中波导结构的脊部分(351)部署在平板层的顶侧并且延伸到第一包覆层(312)中、第一介电部分和第二介电部分在平板层的与顶侧相对的底侧耦合到平板层的体系架构。如图所示，脊部分和平板层的组合具有大于单独平板层(320)的第二厚度(360)的第一厚度(362)，并且第一厚度相对于第二厚度的超出部分延伸到在平板层(320)的顶侧的第一包覆层(312)中。如图3中所示，第一介电部分(340)和第二介电部分(342)在平板层的与顶侧相对的底侧耦合到平板层(320)。此外，第一电触件(330)通过从平板层的顶侧到平板层的底侧穿过平板层(320)而耦合到第一介电部分(340)，并且第二电触件(332)通过从平板层的顶侧到平板层的底侧穿过平板层(320)而耦合到第二介电部分(342)。
图4例示了其中波导结构的脊部分(451)和平板层的组合具有大于平板层(420)的第二厚度(460)的第一厚度(462)并且第一厚度相对于第二厚度的超出部分延伸到在平板层的顶侧的第一包覆层(412)中的体系架构。如图4中所示，第一介电部分(440)和第二介电部分(442)耦合到在平板层的顶侧的第一材料(420)。此外，第一介电部分(440)和第二介电部分(442)邻接波导结构的脊部分(451)。
图5例示了其中波导结构包括第一条形波导部分(554)和第二条形波导部分(556)的体系架构，其中第一条形波导部分和第二条形波导部分分别由第二材料和第三材料构成，并且其中平板层(520)部署在第一条形波导部分(554)和第二条形波导部分(556)之间。第一条形波导部分和第二条形波导部分可以由相同或不同的材料构成。例如，它们可以各自分别由氮化硅(Si3N4)、二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)或其它类似材料构成。
图6例示了其中第一介电部分(642)在平板层的顶侧耦合到平板层(651)并且第二介电部分(640)在平板层的与顶侧相对的底侧耦合到平板层(651)的垂直波导体系架构。换句话说，第一介电部分和第二介电部分耦合到波导结构的顶侧和底侧，使得波导结构内的感应电场沿着y方向定向。
图7例示了其中第一介电部分(740)和第二介电部分(742)中的每一个与波导结构(754)成直线部署的波导体系架构。换句话说，第一介电部分和第二介电部分中的每一个与波导结构部署在具有单一宽度的单一层内。
图8例示了其中第一介电部分(840)和第二介电部分(842)与波导结构(851)共享脊状轮廓的波导体系架构，其中脊状轮廓延伸到第一包覆层(812)中。例如，第一介电部分(840)可以包括脊部分(844)，该脊部分(844)的厚度(862)大于第一介电部分的其余部分的厚度(860)，并且第二介电部分(842)可以包括脊部分(846)，该脊部分(846)的厚度(862)大于第二介电部分的其余部分的厚度(860)。此外，第一介电部分和第二介电部分的脊部分可以呈现与波导结构(851)相同的厚度。
图9–光子移相器的俯视图
图9是根据一些实施例的光子移相器体系架构的俯视图。如图所示，移相器可以包括第一引线(930)和第二引线(932)、第一介电部分(940)和第二介电部分(942)、平板层(920)，以及波导结构的脊部分(951)。
图10–混合量子计算系统
图10是例示根据一些实施例的将具有低温恒温器的电光开关结合到混合量子计算系统中的简化系统图。为了在低温(例如液氦温度)处操作，本发明的实施例将本文讨论的电光开关集成到包括冷却系统的系统中。因此，本发明的实施例提供了可以在混合计算系统中使用的光学移相器，例如，如图8中所示。混合计算系统1101包括通信耦合到混合量子计算(QC)子系统1105的用户接口设备1103。用户接口设备1103可以是任何类型的用户接口设备，例如，包括显示器、键盘、鼠标、触摸屏等的终端。另外，用户接口设备本身可以是诸如个人计算机(PC)、膝上型电脑、平板计算机等的计算机。在一些实施例中，用户接口设备1103提供了用户可以使用其与混合QC子系统1105交互的接口。例如，用户接口设备1103可以运行诸如文本编辑器、交互式开发环境(IDE)、命令提示符、图形用户界面等软件，使得用户可以对QC子系统进行编程或以其它方式与之交互以运行一种或多种量子算法。在其它实施例中，QC子系统1105可以被预编程，并且用户接口设备1103可以只是用户能够发起量子计算、监控进程并从混合QC子系统1105接收结果的接口。混合QC子系统1105还包括耦合到一个或多个量子计算芯片1109的经典计算系统1107。在一些示例中，经典计算系统1107和量子计算芯片1109可以耦合到其它电子组件1111，例如，脉冲泵浦激光器、微波振荡器、电源、联网硬件等。
在利用低温操作的一些实施例中，量子计算系统1109可以容纳在低温恒温器(例如，低温恒温器1113)内。在一些实施例中，量子计算芯片1109可以包括一个或多个组成芯片，例如，混合电子芯片1115和集成光子芯片1117。信号能够以多种方式，例如，经由光学互连1119和经由其它电子互连1121在芯片上和芯片外路由。
图11–光子移相器中的感应电场
图11是例示根据一些实施例的图2中所示的波导结构的横截面的简化示意图，其中感应电场的方向用箭头示出。如图所示，小箭头示出了感应电场方向，该方向大致沿着正x方向指向通过设备的介电部分。如图所示，电场在介电部分上方和下方均以凸形方式弯曲。此外，指向正x方向的大箭头(1150)例示了可以行进通过平板层和波导的光学模式的偏振方向。
在一些实施例中，第一介电部分、第二介电部分和波导结构部署在具有第一厚度的单个层内，并且波导结构部署在第一介电部分和第二介电部分之间。例如，参见图7。
在一些实施例中，第一介电部分和第二介电部分各自包括相应的脊结构，该脊结构的第一厚度大于第一介电部分和第二介电部分的平板结构的第二厚度。第一厚度与波导结构的厚度相同。在这些实施例中，波导结构部署在第一介电部分和第二介电部分之间并且耦合到第一介电部分和第二介电部分的脊结构。例如，参见图8。
还应该理解的是，本文描述的示例和实施例仅用于说明目的，并且根据其的各种修改或改变将被建议给本领域技术人员并且将被包括在本申请的精神和范围和所附权利要求的范围内。

Claims (33)

1.一种设备，包括：
第一包覆层；
第一电触件，包括第一引线和第一介电部分，其中第一引线耦合到第一介电部分；
第二电触件，包括第二引线和第二介电部分，其中第二引线耦合到第二介电部分，并且其中第一介电部分和第二介电部分由间隙区域分隔开；
波导结构，包括由钛酸钡构成的平板层，其中平板层耦合到第一电触件的第一介电部分和第二电触件的第二介电部分；
耦合到平板层的脊部分，其中脊部分部署在第一电触件和第二电触件之间；以及
第二包覆层，
其中第一介电部分和第二介电部分在第一方向上的介电常数大于钛酸钡在第一方向上的介电常数，其中第一方向包括将第一介电部分与第二介电部分隔开的方向，并且其中第一方向平行于平板层。
2.如权利要求1所述的设备，
其中脊部分部署在平板层的第一侧并且延伸到第一包覆层中，以及
其中第一介电部分和第二介电部分在平板层的与第一侧相对的第二侧耦合到平板层。
3.如权利要求1所述的设备，其中平板层由与脊部分不同的材料构成。
4.一种设备，包括：
第一包覆层；
第一电触件，包括第一引线和第一介电部分，其中第一引线耦合到第一介电部分；
第二电触件，包括第二引线和第二介电部分，其中第二引线耦合到第二介电部分；
波导结构，包括由第一材料构成的平板层，其中平板层耦合到第一电触件的第一介电部分和第二电触件的第二介电部分；以及
第二包覆层，
其中第一介电部分和第二介电部分在第一方向上的介电常数大于第一材料在第一方向上的介电常数。
5.如权利要求4所述的设备，
其中波导结构还包括耦合到平板层的第一脊部分，其中第一脊部分部署在第一电触件和第二电触件之间。
6.如权利要求5所述的设备，
其中平板层由钛酸钡构成，以及
其中第一脊部分由氮化硅构成。
7.如权利要求5所述的设备，
其中第一脊部分由第一材料构成。
8.如权利要求5所述的设备，
其中第一脊部分部署在平板层的第一侧并且延伸到第一包覆层中，并且
其中第一介电部分和第二介电部分在平板层的第一侧耦合到平板层。
9.如权利要求5所述的设备，
其中脊部分部署在平板层的第一侧并且延伸到第一包覆层中，
其中第一介电部分和第二介电部分在平板层的与第一侧相对的第二侧耦合到平板层。
10.如权利要求9所述的设备，
其中第一电触件和第二电触件部署在平板层的第二侧。
11.如权利要求9所述的设备，
其中第一电触件通过从平板层的第二侧到平板层的第一侧穿过平板层而耦合到第一介电部分，并且
其中第二电触件通过从平板层的第二侧到平板层的第一侧穿过平板层而耦合到第二介电部分。
12.如权利要求4所述的设备，
其中第一介电部分和第二介电部分由钛酸锶构成。
13.如权利要求4所述的设备，
其中波导结构还包括第一条形波导部分和第二条形波导部分，
其中第一条形波导部分和第二条形波导部分分别由第二材料和第三材料构成，并且
其中平板层部署在第一条形波导部分和第二条形波导部分之间。
14.如权利要求13所述的设备，
其中第二材料和第三材料为氮化硅。
15.如权利要求4所述的设备，
其中第一介电部分和第二介电部分包含在与平板层共面的第二层内并且部署为邻近平板层的第一侧。
16.如权利要求4所述的设备，
其中第一介电部分和第二介电部分由间隙区域分隔开。
17.如权利要求4所述的设备，其中第一材料的折射率大于第一包覆层和第二包覆层的折射率。
18.如权利要求4所述的设备，其中第一介电部分和第二介电部分的介电常数与第一材料在第一方向上的介电常数之间的比率为2或更大。
19.如权利要求4所述的设备，
其中第一方向包括平行于平板层并将第一介电部分与第二介电部分分隔开的方向。
20.如权利要求4所述的设备，
其中第一介电部分在平板层的第一侧耦合到平板层，并且
其中第二介电部分在平板层的与第一侧相对的第二侧耦合到平板层。
21.如权利要求4所述的设备，
其中第一介电部分和第二介电部分由以下之一构成：
钛酸锶钡；
氧化铪；
氧化锆；
氧化钛；
氧化石墨烯；
氧化钽；
锆钛酸铅；
锆钛酸铅镧；或者
铌酸锶钡。
22.如权利要求4所述的设备，
其中平板层由钛酸钡构成。
23.如权利要求4所述的设备，
其中平板层由以下之一构成：
钛酸锶钡；
铌酸锂；
锆钛酸铅；
锆钛酸铅镧；
氧化铝；
亚硝酸铝；或者
铌酸锶钡。
24.如权利要求4所述的设备，
其中第一介电部分和第二介电部分被配置为在波导结构中沿着x方向产生电场。
25.如权利要求24所述的设备，
其中波导结构的特征在于电光系数具有沿着x方向对齐的非零值。
26.如权利要求4所述的设备，还包括：
低温设备，被配置为将第一电触件、第二电触件和波导结构维持在77开尔文处或以下。
27.如权利要求4所述的设备，
其中，在大于1mK的第一温度处，第一介电部分和第二介电部分的介电常数大于第一材料在第一方向上的介电常数。
28.如权利要求4所述的设备，
其中，在大于1mK且小于77K的第一温度处，第一介电部分和第二介电部分的介电常数大于第一材料在第一方向上的介电常数。
29.如权利要求4所述的设备，
其中第一引线和第二引线由金属构成。
30.如权利要求4所述的设备，
其中第一引线和第二引线由半导体材料构成。
31.如权利要求4所述的设备，
其中第一介电部分、第二介电部分和波导结构部署在具有第一厚度的单个层内，并且
其中波导结构部署在第一介电部分和第二介电部分之间。
32.如权利要求4所述的设备，
其中第一介电部分和第二介电部分各自包括相应的脊结构，该脊结构的第一厚度大于第一介电部分和第二介电部分的平板结构的第二厚度，
其中波导结构部署在第一介电部分和第二介电部分之间并且耦合到第一介电部分和第二介电部分的脊结构，并且
其中波导结构具有第一厚度。
33.一种光开关，包括：
至少一个输入端口；
至少一个输出端口；
耦合到分束器的马赫-曾德尔干涉仪，其中马赫-曾德尔干涉仪包括第一臂和第二臂；
包含在马赫-曾德尔干涉仪的第一臂内的光子移相器，所述光子移相器包括：
第一包覆层；
第一电触件，包括耦合到第一介电部分的第一引线；
第二电触件，包括耦合到第二介电部分的第二引线；
波导结构，包括由第一材料构成的平板层，其中平板层耦合到第一电触件的第一介电部分和第二电触件的第二介电部分；以及
第二包覆层，
其中第一介电部分和第二介电部分在第一方向上的介电常数大于第一材料在第一方向上的介电常数。
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