本申請(qǐng)要求于2014年3月31日提交的申請(qǐng)?zhí)枮?4/231,429、名稱為“用于包括一系列彎曲的波導(dǎo)偏振器的裝置與方法”的美國(guó)專利申請(qǐng)的權(quán)益，其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用結(jié)合于在本申請(qǐng)中。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光通信領(lǐng)域，在具體實(shí)施例中，涉及一種用于包括一系列彎曲的波導(dǎo)偏振器的裝置與方法。

背景技術(shù)：

硅線波導(dǎo)用作超小型光子集成電路(PIC)的平臺(tái)。在典型結(jié)構(gòu)中，高折射率的硅芯由諸如二氧化硅、或者有時(shí)為氮化硅、氮氧化硅或空氣等低折射率材料(稱為包層)包圍。這種結(jié)構(gòu)形成光的波導(dǎo)，通常用在例如1310納米或1550納米的通信波長(zhǎng)的頻帶。硅PIC芯片包括單模和多模波導(dǎo)元件的光刻定義布局，這些波導(dǎo)元件形成光子電路。在一些光子集成電路中，光子單元的輸出旨在包含單偏振(例如，相對(duì)于具有兩個(gè)正交偏振的其它電路)。然而，由于制造公差或由于各單元的固有電磁物理，輸出光除了所需的單偏振可能還包含一小部分不希望的偏振。因此，向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)或PIC芯片添加偏振組件是可取的。另外，采用同一制造平臺(tái)來(lái)形成偏振組件和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)或PIC芯片是可取的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的實(shí)施例，光學(xué)偏振器包括：光波導(dǎo)，用于以指定偏振模式傳播光，并且包括與被傳播的光處于同一平面的彎曲。所述彎曲具有用于將所述被傳播光的所述指定偏振模式包含在所述光波導(dǎo)內(nèi)并將所述被傳播光的第二偏振模式輻射到所述光波導(dǎo)外的幾何形狀。

根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的另一實(shí)施例，光學(xué)設(shè)備包括：光波導(dǎo)，用于以指定偏振模式傳播光。所述光學(xué)設(shè)備還包括：彎曲波導(dǎo)，與所述光波導(dǎo)耦合，并且配置有彎曲幾何形狀以將被傳播的光的所述指定偏振模式包含在所述光波導(dǎo)內(nèi)并將所述被傳播光的第二偏振模式輻射到所述彎曲波導(dǎo)外。

根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的又一實(shí)施例，一種用于制造偏振器設(shè)備的方法包括：利用半導(dǎo)體制造工藝在基板上形成光波導(dǎo)。所述形成包括成形所述光波導(dǎo)的幾何形狀和尺寸，以根據(jù)期望的工作波長(zhǎng)支持光傳播的指定偏振模式。所述方法還包括：在所述半導(dǎo)體制造工藝過(guò)程中在所述波導(dǎo)中形成一系列彎曲。所述形成包括成形所述彎曲的幾何形狀和尺寸以將所述指定偏振模式包含在波導(dǎo)內(nèi)并將第二偏振模式輻射到波導(dǎo)外。所述方法還包括：在基板上設(shè)置圍繞所述波導(dǎo)和所述波導(dǎo)的所述彎曲的光吸收材料。

為了使本發(fā)明的以下詳細(xì)描述可以更好地被理解，前述內(nèi)容已相當(dāng)廣泛地概括了本發(fā)明實(shí)施例的特征。以下將對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的附加特征和優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行描述，其形成本發(fā)明權(quán)利要求的主題。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，所公開(kāi)的概念和具體實(shí)施例可以輕而易舉地用作修改或設(shè)計(jì)其它結(jié)構(gòu)或過(guò)程的基礎(chǔ)，以便執(zhí)行與本發(fā)明相同的目的。本領(lǐng)域技術(shù)人員還應(yīng)該理解，這種等效構(gòu)造并不脫離所附權(quán)利要求中闡述的本發(fā)明的精神和范圍。

附圖說(shuō)明

為了更全面地理解本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖參考以下描述，其中：

圖1示出了包含偏振器的光接收器的示例；

圖2示出了包含偏振器的光子開(kāi)關(guān)芯片的示例；

圖3示出了偏振器設(shè)計(jì)的實(shí)施例；

圖4為偏振器的彎曲設(shè)計(jì)的實(shí)施例的頂部平面視圖；

圖5示出了橫向電場(chǎng)(TE)偏振器設(shè)計(jì)的實(shí)施例的橫截面；

圖6示出了橫向磁場(chǎng)(TM)偏振器設(shè)計(jì)的實(shí)施例的橫截面；以及

圖7示出了包括一系列彎曲的偏振設(shè)備的制造方法的實(shí)施例。

除非另有說(shuō)明，不同附圖中的相應(yīng)數(shù)字和符號(hào)通常指代相應(yīng)的部件。對(duì)附圖進(jìn)行繪制以清楚說(shuō)明各實(shí)施例的相關(guān)方面，并且不一定按比例進(jìn)行繪制。

具體實(shí)施方式

以下將對(duì)當(dāng)前優(yōu)選實(shí)施例的形成和使用進(jìn)行詳細(xì)討論。然而，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明提供了許多可以在各種特定背景下體現(xiàn)的適用性發(fā)明構(gòu)思。所討論的具體實(shí)施例僅僅用來(lái)說(shuō)明用以形成和使用本發(fā)明的具體方式，并不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。

本文中的實(shí)施例提供了一種包括一系列彎曲的波導(dǎo)偏振器。所述波導(dǎo)偏振器可以用在光波導(dǎo)裝置(或芯片/電路)中，其中，例如為了單偏振輸出而需要偏振光。偏振器設(shè)計(jì)不依賴光學(xué)設(shè)備的功能。例如，偏振器可以用在光調(diào)制器、開(kāi)關(guān)、多路復(fù)用器或多路分用器中。這些設(shè)備和其它偏振光設(shè)備可以包括單模波導(dǎo)，其中光只需要在具有橫向電場(chǎng)(TE)偏振的模式下傳播，例如，為最低階波導(dǎo)模式的TE0模式。在這種情況下，偏振器設(shè)計(jì)成拒絕橫向磁場(chǎng)TM偏振光，比如TM0模式。也提出了針對(duì)TM偏振模式的另一種偏振器設(shè)計(jì)。例如，偏振器可以通過(guò)拒絕分別為T(mén)M偏振或TE偏振的一部分光來(lái)將具有混合偏振，比如，45度偏振的模式，轉(zhuǎn)換為線性偏振模式，比如，TE0模式或TM0模式。所有偏振器設(shè)計(jì)包括使光成為沿著所期望方向進(jìn)行偏振的一個(gè)或多個(gè)彎曲，并且可以與光波導(dǎo)設(shè)備在所述光學(xué)設(shè)備的相同制造過(guò)程中，例如，同一基板或板(board)上的光刻工藝中制造。雖然各實(shí)施例根據(jù)基于硅的制造工藝進(jìn)行描述，該方案也適用于其它材料系統(tǒng)，例如砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、鈮酸鋰(LiNbO3)、鋯鈦酸鉛鑭(PLZT)和氮化硅(SiN)。

因?yàn)樗鰪澢愃朴诳赡茉诠庾蛹呻娐分行枰钠渌▽?dǎo)彎曲，所以可以采用光刻圖案成形來(lái)建立偏振器設(shè)計(jì)，而不需要寬度非常窄的波導(dǎo)并且不用引入新的制造步驟?？梢园ㄟ@種用于偏振的波導(dǎo)彎曲的偏振分集光子電路的例子包括在給定光載波上含有正交(X和Y)偏振光的光纖輸入、將輸入的X和Y偏振轉(zhuǎn)換成兩個(gè)相應(yīng)光波導(dǎo)的TE模式的偏振分束單元、執(zhí)行偏振分束單元的反函數(shù)的偏振合束輸出單元以及具有兩個(gè)TE模式光波導(dǎo)電路的偏振分集芯(polarization diverse core)，其中，這兩個(gè)TE模式光波導(dǎo)電路一般相同并且每個(gè)執(zhí)行諸如檢測(cè)、調(diào)制或切換等光學(xué)功能。這兩個(gè)電路分別作用在來(lái)自光纖中的正交(X和Y)偏振光。

圖1示出了光接收器100，其可以包括根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容實(shí)施例的偏振器。入射光束105包含兩個(gè)正交偏振X和Y的光。接收器100可以為包括偏振光束分束器(PBS)110的相干接收機(jī)。PBS 110包括偏振分束表層光柵耦合器，其將入射光束105，例如TE模式下的入射光束，分離成兩個(gè)相應(yīng)路徑上的兩個(gè)正交偏振部分(X和Y偏振光束)：第一路徑與第一波導(dǎo)電路131耦合，第二路徑與第二波導(dǎo)電路132耦合。各所述電路131和132包括配置用于TE模式的相似波導(dǎo)。然而，第二波導(dǎo)電路132中的波導(dǎo)相對(duì)于第一電路131中的波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)90度。這樣，來(lái)自PBS 110的X偏振光可以在第一電路131的波導(dǎo)中與TE模式匹配，并且來(lái)自PBS 110的正交Y偏振光可以在第二波導(dǎo)電路132的波導(dǎo)中與TE模式匹配。這兩個(gè)電路131和132與檢測(cè)陣列140耦合以便將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。如果LO光106也處于TE模式，所述電路131和132還將來(lái)自本地振蕩器激光(Lo In)的光106與信號(hào)光105混合。

由于光學(xué)組件的制造缺陷或固有的電磁物理，來(lái)自PBS 110的偏振輸出光束可能含有一些不需要的偏振。因此，可以在第一路徑上將第一偏振器121插入PBS 110和第一波導(dǎo)電路131之間，以實(shí)現(xiàn)僅包含最初被X偏振化的光的更純的TE模式(不需要的偏振較少)。實(shí)現(xiàn)這種更純的偏振模式或者去除光束中其它不希望的偏振在本文中稱為清理偏振模式。類似地，可以在第二路徑上將第二偏振器122插入PBS 110和第二波導(dǎo)電路132之間，以實(shí)現(xiàn)僅包含最初被Y偏振化的光的更純的TE模式。第二偏振器122可以具有與第一偏振器121相同的設(shè)計(jì)。

圖2示出了可以包括偏振器的光子開(kāi)關(guān)芯片200的示例。光子開(kāi)關(guān)芯片200包括多個(gè)光纖或波導(dǎo)210，其攜帶雙偏振輸入光束陣列(例如，TE和TM模式偏振光)和與光纖210耦合的相應(yīng)陣列或偏振分束器212。芯片200還包括TE波導(dǎo)的第一開(kāi)關(guān)矩陣225和TE波導(dǎo)的類似的第二開(kāi)關(guān)矩陣225，兩個(gè)矩陣均與偏振分束器212耦合。偏振分束器212將入射光分離為T(mén)E和TM模式并將每個(gè)模式的入射光轉(zhuǎn)發(fā)給兩個(gè)開(kāi)關(guān)矩陣225中的一個(gè)。例如，偏振分束器212可以是定向耦合器、彎曲的定向耦合器或多模干涉儀元件。

偏振旋轉(zhuǎn)器陣列202位于偏振分束器212和第二開(kāi)關(guān)矩陣225的輸入端之間。例如，偏振旋轉(zhuǎn)器202可以為具有非對(duì)稱橫截面的波導(dǎo)。這使得能夠?qū)⑷肷涞腡M模式偏振光旋轉(zhuǎn)成適于與第二開(kāi)關(guān)矩陣225中波導(dǎo)的TE模式耦合的正交偏振光。兩個(gè)開(kāi)關(guān)矩陣225的輸出均與偏振合束器陣列213耦合，其將來(lái)自開(kāi)關(guān)矩陣225的相應(yīng)入射光束合為到另一光纖陣列211的雙偏振輸出光束。第二偏振旋轉(zhuǎn)器陣列201位于偏振合束器213和第一偏振開(kāi)關(guān)矩陣225的輸出端之間。這使得能夠?qū)?lái)自第一開(kāi)關(guān)矩陣225的TE模式偏振光旋轉(zhuǎn)成適于與偏振合束器213的TM模式耦合的正交偏振光。然后，在偏振合束器213中將TM模式與從第二開(kāi)關(guān)矩陣225接收的TE模式合成。另外，可以將TE清理偏振器221添加在如圖所示開(kāi)關(guān)矩陣225的任何一個(gè)或多個(gè)輸入端和輸出端中。所添加的偏振器221清理開(kāi)關(guān)矩陣225的輸入端和輸出端處的光束偏振。

如上所述，偏振器121，122，221清理光束的偏振模式并提高光學(xué)設(shè)備的性能。這些偏振器提供一種避免偏振串?dāng)_、不準(zhǔn)確光功率檢測(cè)、多路徑傳播串?dāng)_或其它不期望的光學(xué)代價(jià)的偏振清潔(polarization-clean)信號(hào)。圖3示出了針對(duì)諸如偏振器121，122，221等偏振器的偏振設(shè)計(jì)300的實(shí)施例。所述設(shè)計(jì)300為包括具有一系列彎曲的單模光波導(dǎo)的低損耗波導(dǎo)偏振器。所述波導(dǎo)可以為絕緣體上的硅波導(dǎo)，例如，基板(比如硅基板)上的二氧化硅(也稱作硅石)。所述彎曲設(shè)計(jì)成對(duì)于所期望偏振的期望光模式具有低損耗。此外，在實(shí)施例中，所述彎曲也可以設(shè)計(jì)成對(duì)于正交偏振模式或除所需偏振模式之外的其它模式具有高損耗。彎曲和彎曲間的波導(dǎo)部分均在期望模式的同一平面上。如圖所示，波導(dǎo)包括一系列具有蛇形形狀的彎曲。在其它實(shí)施例中，彎曲波導(dǎo)包括具有蛇形形狀、雙蛇形形狀和螺旋形狀中一種或其組合的一系列彎曲。

波導(dǎo)及其彎曲可以設(shè)計(jì)成對(duì)于TE偏振模式具有低損耗，對(duì)于TM偏振模式具有高損耗。這種模式選擇可以通過(guò)對(duì)彎曲進(jìn)行設(shè)計(jì)以將TE模式基本包含在波導(dǎo)內(nèi)并將TM模式輻射到波導(dǎo)外來(lái)實(shí)現(xiàn)。彎曲和波導(dǎo)均與所包含的TE模式和所輻射的TM模式位于同一平面上。波導(dǎo)可以由合適的吸收材料進(jìn)一步包圍，以防止輻射的TM模式再進(jìn)入波導(dǎo)(例如，在不同的波導(dǎo)部分)。彎曲的幾何形狀可以包括圓弧彎曲、貝塞爾彎曲、正弦狀彎曲、其它合適的彎曲或曲線幾何性狀或其組合。波導(dǎo)可以包括在芯處的硅(其中，光進(jìn)行傳播)以及作為圍繞硅芯的包層的二氧化硅。光在包層和芯之間的界面進(jìn)行內(nèi)反射，從而包層保證了光在波導(dǎo)芯內(nèi)傳播時(shí)對(duì)光的約束。在其它實(shí)施例中，其它芯片組件中使用的其它合適材料也可以用于波導(dǎo)偏振器的芯和包層。

彎曲可以設(shè)置成蛇形或之字形布局，包括90度彎曲或180度彎曲(如圖3中所示)，其中，彎曲之間具有筆直的區(qū)域或平緩彎曲的區(qū)域。為了防止TM模式的光耦合回到設(shè)計(jì)300中蛇形布局的下一周期，在蛇形布局每個(gè)周期之間的間隔處設(shè)置吸收區(qū)域。吸收材料的例子包括鍺和/或重?fù)诫s硅層，其通常用在硅光子芯片的制造中。

表1示出了針對(duì)具有多個(gè)彎曲的偏振器的設(shè)計(jì)示例。如下所述，表格數(shù)據(jù)比較了貝塞爾絕熱彎曲和具有正弦-圓-正弦設(shè)計(jì)的自定義絕熱彎曲。本文中所使用的術(shù)語(yǔ)，絕熱彎曲或絕熱部分表示彎曲結(jié)構(gòu)或部分其曲率平穩(wěn)而緩慢變化，沒(méi)有任何不連續(xù)或者突然變化，這最大限度地減少了彎曲的光損耗。曲率半徑不連續(xù)性的彎曲可以導(dǎo)致不連續(xù)處產(chǎn)生不希望的光散射。在表1的所有例子中，硅波導(dǎo)的寬度為0.45微米(μm)。采用表1中的設(shè)計(jì)參數(shù)，仿真結(jié)果表明，半徑為3μm的正弦形彎曲對(duì)于TE將具有0.007分貝的損耗，對(duì)于TM將具有0.86分貝。這樣，20個(gè)彎曲對(duì)于TE將具有0.14分貝的損耗，對(duì)于TM將具有17分貝的損耗，偏振器會(huì)有0.14分貝的插入損耗和17分貝的偏振消光?？梢圆捎貌煌瑪?shù)量的彎曲、不同的彎曲半徑以及不同的彎曲形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)插入損耗、偏振消光和物理尺寸的不同數(shù)值。彎曲可以全部相同，或者可以隨著設(shè)備的長(zhǎng)度而變化。

表1：貝塞爾絕熱彎曲和自定義絕熱彎的比較

圖4為基板上偏振器的正弦-圓-正弦彎曲設(shè)計(jì)400的實(shí)施例的俯視平面圖。彎曲設(shè)計(jì)400對(duì)應(yīng)于上述自定義絕熱彎曲。所述彎曲的不同部分可以包括不同的彎曲形狀。所述形狀包括在與波導(dǎo)接觸的彎曲的邊緣處的兩個(gè)正弦形絕熱彎曲部分，以及在兩個(gè)正弦形絕熱彎曲之間的圓形彎曲。得到的設(shè)計(jì)形成整體90度的彎曲。其它設(shè)計(jì)可以包括用于其它彎曲角度的彎曲形狀部分的其它組合。

圖5示出了TE偏振器設(shè)計(jì)500的實(shí)施例的橫截面，例如，在底部具有基板(未示出)。所述偏振器為包括一個(gè)或多個(gè)彎曲的波導(dǎo)，以確保如上所述的TE0低損耗和TM0高損耗。橫截面示出了寬度大于高度的矩形橫截面輪廓波導(dǎo)。所述波導(dǎo)具有硅芯和二氧化硅包層。類似地，彎曲可以被設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)對(duì)于TM0具有低損耗，對(duì)于TE0具有高損耗，并且可被用作TM偏振器。圖6示出了TM偏振器設(shè)計(jì)600的實(shí)施例的橫截面。所述偏振器為包括一個(gè)或多個(gè)彎曲的波導(dǎo)，以確保TM0低損耗和TE0高損耗。橫截面示出了高度大于寬度的矩形輪廓波導(dǎo)。所述波導(dǎo)具有硅芯和二氧化硅包層。

圖7示出了包括一系列彎曲的偏振設(shè)備(波導(dǎo)偏振器)的制造方法700的實(shí)施例。所述方法700可用于形成上述偏振器，其作為整個(gè)光子電路或光學(xué)設(shè)備的制造過(guò)程的組成部分。在步驟710，利用半導(dǎo)體制造工藝形成光子電路或光學(xué)設(shè)備的波導(dǎo)。所述形成步驟包括：配置所述波導(dǎo)的幾何形狀和尺寸，以例如根據(jù)所需的操作波長(zhǎng)支持TE、TM或其它期望的偏振模式。例如，可以利用光刻曝光和蝕刻工藝在硅或介電基板上形成帶有二氧化硅包層的硅芯波導(dǎo)。在步驟720，在波導(dǎo)中形成一系列彎曲以對(duì)所需的波導(dǎo)偏振模式進(jìn)行清理。如上所述，所述彎曲可以具有不同的形狀。該步驟可以是波導(dǎo)形成步驟的一部分。例如，對(duì)包括波導(dǎo)和彎曲的整個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行曝光，然后顯影，再進(jìn)行蝕刻。在步驟730，例如，在光子電路的基板載體上，設(shè)置圍繞波導(dǎo)和波導(dǎo)彎曲的光吸收材料(填充材料)。

雖然本公開(kāi)內(nèi)容中提供了幾個(gè)實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)理解，所公開(kāi)的系統(tǒng)和方法在不脫離本公開(kāi)內(nèi)容的精神或范圍的前提下可以體現(xiàn)為許多其它特定形式。本發(fā)明實(shí)施例應(yīng)被認(rèn)為是說(shuō)明性而不是限制性的，其意圖并不限于本文中所給出的細(xì)節(jié)。例如，可以將各種元件或組件組合或集成在另一系統(tǒng)中，或者可以忽略或不實(shí)施某些特定特征。

此外，可以將各實(shí)施例中描述并示意為分離或單獨(dú)的技術(shù)、系統(tǒng)、子系統(tǒng)和方法與其它系統(tǒng)、模塊、技術(shù)或方法進(jìn)行組合或結(jié)合，而不脫離本公開(kāi)內(nèi)容的范圍。所顯示或討論的相互之間的耦合或直接耦合或通信的其它術(shù)語(yǔ)可以是通過(guò)一些接口、設(shè)備或中間組件的間接耦合或通信，可以是電性、機(jī)械或其它的形式。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以確定改變、替換和修改的其它例子，而不脫離本文中所公開(kāi)的精神和范圍。