CN111796360B - 弯曲波导构造 - Google Patents
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Abstract
一种光子集成电路，其可以包括衬底和与衬底集成的光波导。该光波导可以包括弯曲部分，其中，该弯曲部分的弯曲形状由曲率函数限定，以抑制波导模态转变。
Description
技术领域
本发明总体上涉及波导弯曲构造和具有弯曲部分的波导，该弯曲部分由曲率函数限定，以抑制波导模态转变。
背景技术
光学部件之间的耦合光可以使用波导来实现。波导可以制造在光子集成电路上和/或中，并且可以用于有效的耦合或布线。设计光子集成电路的方法包括使用磷化铟(InP)光子集成电路或硅光子集成电路。波导弯曲可以结合到与光子集成电路集成的波导中，以实现高密度和复杂布局的光学部件的耦合。一些波导可以支持多种传播模态。在这种情况下，波导弯曲的弯曲曲率可能导致耦合到更高阶的模态，这可能对波导弯曲下游(例如，相对于通过波导弯曲的光信号传输的下游)的电路元件造成负面影响。
发明内容
根据一些可能的实施方式，光子集成电路可以包括衬底和与衬底集成的光波导。光波导可以包括弯曲部分，其中该弯曲部分的弯曲形状由曲率函数限定，以抑制波导模态转变。
根据一些可能的实施方式，集成光波导可以包括具有第一取向的第一部分、具有第二取向的第二部分以及将第一部分耦合到第二部分的弯曲部分。该弯曲部分的弯曲形状可以由曲率函数限定，以抑制波导模态向高阶模态的转变。
根据一些可能的实施方式，复用/解复用设备包括具有集成光波导的衬底。集成光波导可以包括具有第一取向的第一部分、具有一个或多个第二取向的一个或多个第二部分、以及将第一部分耦合到所述一个或多个第二部分的一个或多个弯曲部分。所述一个或多个弯曲部分的一个或多个弯曲形状可以由在傅立叶空间中表现出旁瓣抑制(side lobesuppression)的一个或多个函数来限定。
附图说明
图1A-1C是本文描述的一个或多个示例性实施例的图。
图2A-2E是本文描述的一个或多个示例性实施例的物理和光学特性图。
图3A和3B是本文描述的一个或多个示例性实施例的物理特性图。
图4A和4B是本文描述的一个或多个示例性实施例的物理特性图。
具体实施方式
示例性实施例的以下详细描述参考了附图。不同附图中相同的附图标记可以表示相同或相似的元件。
在光子集成电路(photonic integrated circuit)中，例如用于光通信系统中的相干传输，波导弯曲可以用于耦合光子集成电路的光学部件。例如，第一光学部件可以以第一取向耦合到波导的第一端，第二光学部件可以以第二取向耦合到波导的第二端。设置在波导端部之间的弯曲部分可以将波导从第一取向转变到第二取向。例如，弯曲部分可以实现取向的90度改变、取向的180度改变、S形弯曲(例如，取向的多次改变导致取向的净零度改变)，或者取向的任何其他改变。一些光子集成电路可以包括具有圆形曲率的弯曲部分的波导。
当光通过圆形弯曲部分传播时，可能发生在多个传播模态之间的耦合，这可能导致性能下降。例如，在马赫-曾德尔(Mach-Zehnder：MZ)调制器中，当高阶模态通过MZ调制器的多模干涉(MMI)分束器或组合器时，消光比可能下降。可以通过增大弯曲部分的半径来减少模态耦合，这减少了弯曲部分的局部曲率。然而，增大弯曲部分的半径可能导致弯曲部分的整体尺寸增加。用于管控耦合的另一种技术可以是增加1×1MMI，以提供对于高阶模态的一些滤波。增大弯曲部分的半径或增加1×1MMI可能导致光子集成电路的尺寸增大，也可能导致额外的光功率损失。然而，随着光学部件密度的增加，以在光通信系统中提供更高的通量，可能希望减小光子集成电路和/或其波导的尺寸，而不负面地影响模态耦合。
本文描述的一些实施方式提供了一种波导弯曲构造，以使得波导弯曲相对于其他波导构造具有降低的模态耦合。例如，光子集成电路可以包括与衬底集成的光波导，并且包括具有由一曲率函数限定的弯曲形状的弯曲部分。在这种情况下，该曲率函数可以是形式为a*sinn(b*s)的正弦函数，其中a和b是可配置常数，n是大于0的值，s表示沿着弯曲部分的路径长度。此外，或者可替换地，该曲率函数可以是其它种类型的函数，例如Dolph-Chebyshev函数、分段定义函数、连续函数、窗函数(例如这样的函数：在区间之外是零值，在区间端点之间的近似中点处具有最大值，并且在区间端点与中点之间具有渐缩形状)，其例如信号处理或谱分析类型的窗函数，和/或类似函数。这样，相对于使用圆形曲率函数或其他类型的波导弯曲形状而言，这种弯曲部分可以抑制波导模态转变。基于抑制波导模态转变，光子集成电路可以相对于使用圆形曲率函数、集成1x1 MMI以对模态耦合进行滤波和/或类似方法而言，实现改进的性能和/或减小的形状因子。例如，对于III-V波导，将波导弯曲几何形状从圆形曲率函数切换到sin4曲率函数可以在波导模态转变中实现例如60分贝(dB)的改善。尽管这里以n的整数倍来描述一些实施例，但是n的其他值也是可以的。
图1A-1C是本文描述的一个或多个示例性实施例100/100’/100”的图。
如图1A所示，在示例性实施例100中，光子集成电路110可以包括与衬底集成的波导。如图1C所示，在一些实施方式中，波导可以是设置在衬底上的深蚀刻III-V型波导。例如，波导可以是大约3微米(μm)高的波导，具有大约0.5微米(μm)厚的高折射率芯，这实现了相对低水平的损耗。另外，或者替代地，如图1B所示，波导可以与另一种材料系统和/或另一种芯厚度相关联，例如100纳米(nm)和500nm之间的厚度、200nm和400nm之间的厚度、大约220nm和/或类似尺寸。附加地或替代地，波导可以与其他材料系统和/或其他芯厚度相关联。另外，或者可替换地，波导可以至少部分地集成到衬底中。
回到图1A，波导可以包括具有第一取向的第一部分112和具有第二取向的第二部分114。例如，第一部分112中的波导的第一端可以耦合到光子集成电路110的第一部件，而第二部分114中的波导的第二端可以耦合到光子集成电路110的第二部件。在这种情况下，耦合到波导的第一和第二部件可以包括集成光学元件，例如组合器、分束器、调制器、放大器、波长复用器、波长解复用器、模态复用器、模态解复用器、偏振复用器、偏振解复用器、输入端口、输出端口等。例如，波导可以是与光子集成电路集成的复用器/解复用器光学设备的一部分。在一些实施方式中，弯曲部分116可以耦合到与弯曲部分116不在同一衬底上的另一光学元件。在一些实施方式中，弯曲部分116可以耦合到另一个弯曲部分(例如，具有相同或不同的弯曲构造)。在一些实施方式中，弯曲部分116可以耦合到另一个部件，而不干涉直的第一部分或第二部分。
在一些实施方式中，波导可以是1×1(1输入，1输出)波导。例如，波导可以具有单个的第一部分112和单个第二部分114。此外，或者可选地，波导可以是1×L(L>1)，例如1×2的波导。例如，波导可以具有单个的第一部分112和多个的第二部分114(例如，耦合到具有分裂部的单个弯曲部分116，在弯曲部分116之后耦合到具有分裂部的单个弯曲部分116)。波导也可以是L×1波导(L>1)，例如2×1，其在第一部分112中在分裂部之后耦合到相应弯曲部分116。1×2波导可以用光子集成电路上的1×2MMI来实现。例如，1×2波导可以包括弯曲部分，该弯曲部分包括用于接收光信号的具有第一取向的第一端、为1×2MMI的第一分支输出光信号的具有第二取向的第二端和为1×2MMI的第二分支输出光信号的具有第三取向的第三端。在这种情况下，第二和第三取向可以相同或不同。在一些实施方式中，第二端和第三端可以是由相同曲率函数或不同曲率函数定义的相应弯曲部分，从而导致不同的弯曲形状(例如，第二端可以与由sin2曲率函数定义的弯曲部分相关联，而第三端可以与由sin3曲率函数定义的弯曲部分相关联)。另外，或者可替换地，可以使用其他波导结构(例如，Y分束器、定向耦合器)来形成1×2光学器件。
如图1A进一步所示，弯曲部分116可以耦合第一部分和第二部分，从而将波导从第一部分的第一取向转变到第二部分的第二取向。例如，弯曲部分116可以包括具有弯曲形状的波导的一部分，该弯曲形状由曲率函数定义，诸如正弦函数(例如，sinn函数)、Dolph-Chebyshev函数、分段函数、曲率函数的傅立叶近似、曲率函数的另一种近似和/或类似函数。一阶模态和二阶模态可以由一组耦合模态方程来表示:
其中，A表示二阶模态(例如，将被抑制)，B表示一阶模态，k0表示与波导横截面相关的耦合系数，C(s)表示沿着波导路径长度s的曲率，Δβ表示两种模态之间的波数差。对于很好地抑制不希望的二阶模态的情况，我们可以假定B～1意味着基模态的振幅几乎不受影响。那么等式(1)可以被积分以产生以下形式的傅立叶变换近似:
在这种情况下，可以选择曲率函数，使得曲率函数在傅立叶空间中表现出强的旁瓣抑制(例如，相对于例如恒定曲率函数而言)，这可以导致二阶模态的抑制。
例如，可以通过确定曲率函数在傅立叶空间中实现阈值旁瓣抑制而导出曲率函数。例如，旁瓣抑制相对于主瓣可以是100分贝(dB)。另外，或者替代地，相对于主瓣，旁瓣抑制可以大于10dB、大于20dB、大于50dB、大于75dB、大于100dB和/或类似值。以这种方式，相对于其他曲率形状，例如，恒定曲率(也可以称为圆形曲率)、欧拉曲率和/或类似形状，波导可以抑制高阶模态，如这里更详细描述的。例如，相对于恒定曲率的情况，波导对模态间串扰的抑制可以大于阈值百分比，例如大于30dB、大于50dB等。此外，当使用多个模态来增加信道容量时(例如，在模分复用情况下)，使用这种波导弯曲可以减少多个模态之间的耦合。
如图1B所示，通过硅波导的示例性实施例100’，波导的第一横截面包括围绕高折射率材料122的低折射率材料120。例如，低折射率材料120可以是二氧化硅结构(例如，折射率为1.45)。在一些实施方式中，高折射率材料122可以是硅结构(例如，折射率为3.48)。在一些实施方式中，波导的横截面可以是矩形横截面。在一些实施方式中，高折射率材料122可以是掺杂的高折射率硅材料、一组多量子阱(MQW)、块状四元半导体和/或类似物。尽管这里根据特定的一组材料(例如二氧化硅和硅)描述了一些实施方式，但是也可以选择其他可行的高折射率和/或低折射率材料。此外，或者可替换地，波导的其他构造也是可行的，例如具有附加层、不同横截面等的波导。
与此不同，如图1C所示，通过磷化铟波导的示例性实施方式100”，不同于围绕高折射率材料122的低折射率材料120，低折射率材料120(例如，具有1.45的折射率)可以部分地围绕高折射率材料122(例如，具有3.39的折射率)，高折射率材料130可以部分地围绕低折射率材料120。在这种情况下，高折射率材料130可以是磷化铟(InP)材料(例如，折射率为3.18)。
波导的其他例子可以包括氮化硅波导、砷化镓波导、聚合物波导、半导体波导、铌酸锂波导、二氧化硅波导等。在一些实施方式中，波导可以被深蚀刻，如图1C所示，或者被浅蚀刻。在另一个例子中，波导可以具有较高折射率材料的顶部和底部包层以及较低折射率材料的侧面包层。通过对波导弯曲的几何形状使用本文所述的曲率函数，抑制了高阶模态，从而改善了波导和/或与其耦合的部件的性能。
如上所述，图1A-1C仅作为一个或多个示例提供。其他示例可能不同于关于图1A-1C所描述的。
图2A-2E是示出本文描述的波导弯曲的示例物理和光学特性的图。
如图2A所示，通过图200所示，用于波导的不同的曲率函数是可行的，例如图1A-1C的波导。例如，波导可以具有混合曲率函数(例如，非连续曲率函数，其是用于弯曲部分的第一部分的正弦(sin)函数，用于弯曲部分的第二部分的恒定或圆形(cir)曲率函数，和用于弯曲部分的第三部分的正弦函数)。类似地，波导可以具有欧拉曲率函数、sin1曲率函数、sin2曲率函数、sin3曲率函数、sin4曲率函数、Dolph-Chebyshev(Dolph-Cheb)曲率函数和/或类似函数。曲率函数(例如sinn)，可以定义这样的波导，该波导在有效半径Reff上的性能优于例如恒定曲率。如图2B所示，通过图210，高阶正弦曲率函数和Dolph-Chebyshev函数可以沿着弯曲部分的路径长度具有不同的物理曲率。
在这种情况下，通过设定波导曲率形状，由前述曲率函数(例如sin2、sin3、sin4、Dolph-Chebyshev和/或类似函数)限定的弯曲部分抑制了高阶模态，从而改善了例如光子集成电路的光学部件的性能。例如，宽度为2微米(μm)且波长为1550纳米(nm)的磷化铟波导中90度弯曲的传输的计算值在图2C中示出，并由图220示出。前述曲率函数实现了在波导的不同有效半径上的横电模态(transverse electric mode)(TE0)的增加传输(例如，相对于恒定曲率函数)。此外，如图2D和2E所示，分别在物理空间和傅立叶空间中，前述曲率函数在不同有效半径上(例如，相对于恒定曲率函数)实现了减小的TE1模态耦合。以这种方式，高阶正弦曲率函数和Dolph-Chebyshev函数抑制高阶模态(例如，TE1)，从而改善低阶模态(例如，TE0)的传输性能。
如上所述，图2A-2E仅作为一个或多个示例提供。其他示例可能不同于关于图2A-2E所描述的。
图3A和3B是示出本文描述的波导弯曲的示例物理特性的图。
图3A和3B示出了曲率方程的示例图，分别用于90度取向变化和180度(s形弯曲)取向变化，其形式为:
其中，C表示曲率，s表示沿着弯曲部分的路径长度，θ(s)表示曲率的斜率角度。在这种情况下，一些波导的曲率方程可以遵循一组条件：
C＝0,θ＝θstart，在s＝0处 (5)
C＝0,θ＝θstart+α，在s＝smax处 (6)
其中，α表示弯曲部分中波导的取向从s＝0处的第一取向到s＝smax处的第二取向的变化。如图3A和3B进一步所示，在笛卡尔空间中，曲率方程可以由一组方程表示：
使用这些方程，作为说明性的例子，sinn，其中n＝1，它是正弦曲率方程，可以表示为:
ψ＝s/smax (12)
因此，在笛卡尔空间中，正弦曲率方程可以表示为:
其中，J0是第一类零阶Bessel函数，等式15和16表示等式12和13的曲率函数的尺寸因子。其他正弦曲率函数可以类似地表示为:
其中，n是正弦曲率函数的阶数，例如2、2.5、3、4和/或类似值。
如上所述，图3A和3B仅作为一个或多个示例提供。其他示例可能不同于关于图3A和3B所描述的。
图4A和图4B是示出本文描述的波导弯曲的示例光学特性的图。
如图4A所示，对于奇次幂正弦曲率函数定义的波导弯曲，可以通过连续正弦曲率来实现S形弯曲。例如，在sin1或sin3函数的正弦曲线的中点处，该函数变为负值，导致产生S形弯曲。与此不同，如图4B所示，对于偶次幂正弦曲率函数定义的波导弯曲，通过分段正弦曲率实现S形弯曲。在这种情况下，波导弯曲的第一部分由偶次幂正弦曲率函数(例如，sin2、sin4等)定义，波导弯曲的第二部分由偶次幂正弦曲率函数的负值(例如，修改的正弦函数)定义，如图所示。
如上所述，图4A和4B仅作为一个或多个示例提供。其他示例可能不同于关于图4A和图4B所描述的。
前述公开内容提供了说明和描述，但并不旨在穷举或将实现限制为所公开的精确形式。可以根据上述公开内容进行修改和变化，或者可以从实现的实践中获得修改和变化。
即使特征的特定组合在权利要求中陈述和/或在说明书中公开，这些组合并不旨在限制各种实施方式的公开。事实上，这些特征中的许多可以以权利要求中未具体列举和/或说明书中未公开的方式组合。尽管下面列出的每个从属权利要求可以直接仅依赖于一个权利要求，但是各种实现的公开包括每个从属权利要求与权利要求集中的每个其他权利要求的组合。
除非明确说明，否则本文中使用的任何元素、动作或指令都不应被解释为关键或必要的。此外，如这里所使用的，冠词“一”旨在包括一个或多个项目，并且可以与“一个或多个”互换使用此外，如本文所用，冠词“该”旨在包括与冠词“该”相关的一个或多个项目，并且可以与“一个或多个”互换使用此外，如本文所用，术语“组”旨在包括一个或多个项目(例如，相关项目、不相关项目、相关和不相关项目的组合等)，并且可以与“一个或多个”互换使用。如果只打算使用一个项目，则使用短语“只有一个”或类似的语言。此外，如在此使用的，术语“具有”、“包括”、“含有”等旨在是开放式术语。此外，短语“基于”旨在表示“至少部分基于”，除非另有明确说明。此外，如本文所用，术语“或”在一系列中使用时旨在是包含性的，并且可以与“和/或”互换使用，除非另有明确说明(例如，如果与“任一”或“仅其中之一”结合使用)。
相关申请
本申请要求2019年4月1日提交的美国临时专利申请第62/827542号的优先权，其名称为“WAVEGUIDE BENDS FOR REDUCED MODE CONVERSION”，其全部内容通过引用结合于此。
本申请要求2019年9月20日提交的美国临时专利申请第62/903464号的优先权，其名称为“WAVEGUIDE BENDS FOR REDUCED MODE CONVERSION”，其全部内容通过引用结合于此。
Claims (20)
1.一种光子集成电路，包括:
衬底；
第一部分，其与第一光学部件相关联，具有第一取向；
第二部分，其与第二光学部件相关联，具有第二取向；和
与衬底集成的光波导，
该光波导包括：
弯曲部分，其将所述第一部分耦合到所述弯曲部分的第一端，并且将第二部分耦合到所述弯曲部分的第二端；
其中，该弯曲部分的在第一端和第二端之间的弯曲形状具有连续曲率，该连续曲率使光波导从第一取向过渡至第二取向；
其中，所述连续曲率由曲率函数限定，以抑制波导模态转变，其中所述曲率函数是：
sin1曲率函数，
sin2曲率函数，
sin3曲率函数，
sin4曲率函数，或
Dolph-Chebyshev曲率函数。
2.根据权利要求1所述的光子集成电路，其中，所述光波导是以下至少一个：
硅波导，
磷化铟波导，
氮化硅波导，
砷化镓波导，
聚合物波导，
半导体波导，
铌酸锂波导，或
二氧化硅波导。
3.根据权利要求1所述的光子集成电路，其中，所述弯曲部分形成S形弯曲，以将第一部分耦合到第二部分。
4.根据权利要求1所述的光子集成电路，进一步包括至少一个集成光学元件。
5.根据权利要求4所述的光子集成电路，其中，所述至少一个集成光学元件包括以下至少一个：
组合器，
分束器，
调制器，
波长复用器，
波长解复用器，
模态复用器，
模态解复用器，
偏振复用器，或者
偏振解复用器。
6.根据权利要求1所述的光子集成电路，其中，所述弯曲形状包括围绕硅结构的二氧化硅结构。
7.根据权利要求1所述的光子集成电路，其中，所述弯曲形状包括部分围绕磷化铟材料结构的二氧化硅结构。
8.一种集成光波导，包括:
具有第一取向的第一部分，其与第一光学部件相关联；
具有第二取向的第二部分，其与第二光学部件相关联；和
将第一部分连接到第二部分的弯曲部分，
其中，该弯曲部分的在弯曲部分的第一端和弯曲部分的第二端之间的弯曲形状具有连续曲率，该连续曲率使集成光波导从第一取向过渡至第二取向，
其中，所述连续曲率由曲率函数限定，以抑制波导模态向高阶模态的转变，其中，所述曲率函数为：
sin1曲率函数，
sin2曲率函数，
sin3曲率函数，
sin4曲率函数，或
Dolph-Chebyshev曲率函数。
9.根据权利要求8所述的集成光波导，其中，所述第一取向和所述第二取向之间的角度是以下之一：
30度，
45度，
90度，或者
180度。
10.根据权利要求8所述的集成光波导，其中，所述曲率函数是a*sinn(b*s)函数，其中n>0，s表示沿着该弯曲部分的路径长度，并且a和b是常数。
11.根据权利要求8所述的集成光波导，其中，所述曲率函数是Dolph-Chebyshev曲率函数。
12.根据权利要求8所述的集成光波导，其中，所述曲率函数是分段函数。
13.根据权利要求8所述的集成光波导，其中，所述曲率函数是从傅立叶空间中的旁瓣抑制函数导出的。
14.根据权利要求8所述的集成光波导，其中，所述弯曲形状的特征在于该曲率函数的傅立叶变换的旁瓣抑制，并且傅立叶变换的旁瓣抑制小于阈值。
15.根据权利要求8所述的集成光波导，其中，所述第一取向不同于所述第二取向。
16.根据权利要求8所述的集成光波导，进一步包括:
具有第三取向的第三部分；和
将第一部分耦合到第三部分的另一弯曲部分，
其中，所述另一弯曲部分的另一弯曲形状由另一曲率函数限定，以抑制高阶模态中的波导模态转变。
17.一种复用/解复用装置，包括:
具有集成光波导的衬底，
该集成光波导包括：
具有第一取向的第一部分，
具有两个或更多个第二取向的两个或更多个第二部分，
两个或更多个弯曲部分，以将第一部分耦合到所述两个或更多个第二部分，
其中，所述两个或更多个弯曲部分的在所述第一部分和所述两个或更多个第二部分之间的两个或更多个弯曲形状中的每一个具有对应的连续曲率，该连续曲率使集成光波导从第一取向过渡至对应的第二取向，并且，
其中，每个对应的连续曲率由在傅立叶空间中表现出旁瓣抑制的一个或多个函数来限定，所述一个或多个函数包括以下至少一个：
sin1曲率函数，
sin2曲率函数，
sin3曲率函数，
sin4曲率函数，或
Dolph-Chebyshev曲率函数。
18.根据权利要求17所述的复用/解复用装置 ，其中，所述两个或更多个弯曲部分包括具有相同的弯曲形状的多个弯曲部分。
19.根据权利要求17所述的复用/解复用装置 ，其中，所述两个或更多个弯曲部分包括具有多个不同的弯曲形状的多个弯曲部分。
20.根据权利要求17所述的复用/解复用装置 ，其中，相对于圆形弯曲形状，所述两个或更多个弯曲形状对模态间串扰的抑制大于阈值。
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