一種低損耗光交叉的制作方法
【專(zhuān)利摘要】一個(gè)光交叉的實(shí)施例包括：交叉區(qū)域，其中所述交叉區(qū)域的光路橫向不受約束；具有輸入交叉端和輸入遠(yuǎn)端的輸入波導(dǎo)，其在所述輸入交叉端耦合至所述交叉區(qū)域，從而形成了所述光路的一部分；具有輸出交叉端和輸出遠(yuǎn)端的輸出波導(dǎo)，其在所述輸出交叉端耦合至所述交叉區(qū)域，從而形成了所述光路的一部分；其中，所述輸出交叉端的輸出波導(dǎo)的交叉寬度大于所述輸入交叉端的輸入波導(dǎo)的交叉寬度；所述輸出交叉端的輸出波導(dǎo)的橫向中心被橫向移位，移位距離是其與所述輸入交叉端的輸入波導(dǎo)的橫向中心之間的偏移量。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種低損耗光交叉[0001 ]本申請(qǐng)要求于2014年1月27日遞交的申請(qǐng)?zhí)枮椤?4/165,229”、發(fā)明名稱(chēng)為“一種低 損耗光交叉及其制造方法(Low Loss Optical Crossing and Method of Making Same)” 的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)案的在先申請(qǐng)優(yōu)先權(quán)，該在先申請(qǐng)的內(nèi)容以引入的方式并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明通常涉及光集成器(PIC)，尤其涉及一種光交叉及其制造方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0003]PIC是一種集成了多種光子電路元件的設(shè)備，類(lèi)似于電子集成電路。PIC不同于電子集成電路，因?yàn)樗捎霉舛皇请娮尤?zhí)行各種光學(xué)功能。PIC使得光學(xué)系統(tǒng)更緊湊，更高效，功能更強(qiáng)。這樣的光學(xué)系統(tǒng)比由離散光學(xué)組件組成的光學(xué)系統(tǒng)成本低。PIC通常被應(yīng)用在光學(xué)通信系統(tǒng)以及光子計(jì)算系統(tǒng)中，其中，對(duì)高速和高帶寬電路的需求正日益增加。隨著對(duì)速度和帶寬需求的增加，對(duì)更密集、更復(fù)雜的PIC的需求也在增加。自成像交叉和衍射光束傳播交叉等低損耗光子電路元件可以使這些需求在各種設(shè)備中得到滿(mǎn)足，包括光開(kāi)關(guān)、自適應(yīng)濾波器、多載波收發(fā)器、調(diào)制器、復(fù)用器和解復(fù)用器等等。
[0004]PIC通常包括多個(gè)光波導(dǎo)，并由多種材料制造而成，包括:硅、二氧化硅、鈮酸鋰 (LiNb03)、砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、鈦酸鋯酸鑭鉛(PLZT)和氮化硅(Si3N4)。例如，硅光波導(dǎo)的典型結(jié)構(gòu)包括高折射率的硅芯，該硅芯被低折射率的二氧化硅(silica)包層包圍， 通常置于硅片上。這種結(jié)構(gòu)常用于通信波長(zhǎng)，如1310納米波段、1490納米波段和1550納米波段。PIC可以通過(guò)光刻技術(shù)形成，包括光學(xué)光刻和電子束光刻。光學(xué)鄰近校正技術(shù)可以被用于增強(qiáng)光學(xué)光刻，從而更精確地創(chuàng)造出PIC材料所需要的元件形狀，提高制造光子電路元件的精確度。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明實(shí)施例提供了一種光交叉及其制作方法。
[0006]在一個(gè)實(shí)施例中，一種具有光交叉的PIC包括具有交叉長(zhǎng)度的交叉區(qū)域，其中所述交叉區(qū)域的光路橫向不受約束。在該實(shí)施例中，所述PIC還包括輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)。所述輸入波導(dǎo)具有輸入交叉端和輸入遠(yuǎn)端，并在所述輸入交叉端耦合至所述交叉區(qū)域，從而形成了所述光路的一部分。所述輸出波導(dǎo)具有輸出交叉端和輸出遠(yuǎn)端，同樣地，在所述輸出交叉端耦合至所述交叉區(qū)域，從而形成了所述光路的一部分。所述輸出交叉端的輸出波導(dǎo)的交叉寬度大于所述輸入交叉端的輸入波導(dǎo)的交叉寬度，差值根據(jù)所述交叉長(zhǎng)度設(shè)置。此外， 所述輸出交叉端的輸出波導(dǎo)的橫向中心被橫向移位，移位距離是其與所述輸入交叉端的輸入波導(dǎo)的橫向中心之間的偏移量，該偏移量也是根據(jù)所述交叉長(zhǎng)度設(shè)置。
[0007]在一個(gè)實(shí)施例中，在PIC中制造光交叉的方法包括形成波導(dǎo)。然后，形成的交叉波導(dǎo)將所述波導(dǎo)二等分成輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)，從而形成交叉區(qū)域。在所述交叉區(qū)域，所述輸出波導(dǎo)寬于所述輸入波導(dǎo)。根據(jù)穿過(guò)所述交叉區(qū)域的光束的衍射，所述輸出波導(dǎo)被橫向移位了一個(gè)偏移量。
[0008]附圖與下述描述將對(duì)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)闡釋。本發(fā)明的其他特征、目的及優(yōu)勢(shì)在描述、附圖及權(quán)利要求中顯而易見(jiàn)?！靖綀D說(shuō)明】
[0009]為了更完整地理解本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在參考下文結(jié)合附圖進(jìn)行的描述，其中: [〇〇1〇]圖1為一個(gè)Pic實(shí)施例的示意圖；
[0011]圖2為一個(gè)非常寬的多模光脊波導(dǎo)的實(shí)施例的橫截面的示意圖；
[0012]圖3為一種光交叉實(shí)施例的示意圖；
[0013]圖4為一系列光交叉實(shí)施例的示意圖；
[0014]圖5是一種制造PIC方法的實(shí)施例的流程圖。
[0015]除非另有指示，否則不同圖中的對(duì)應(yīng)標(biāo)號(hào)和符號(hào)通常指代對(duì)應(yīng)部分。繪制各圖是為了清楚地說(shuō)明實(shí)施例的相關(guān)方面，因此未必是按比例繪制的。為了更好地描述某些實(shí)施例，表示相同結(jié)構(gòu)，材料或者過(guò)程步驟變化的字母可能緊隨圖標(biāo)號(hào)。【具體實(shí)施方式】
[0016]下文將詳細(xì)論述實(shí)施例的制作和使用。但應(yīng)了解，本發(fā)明提供的許多適用發(fā)明概念可實(shí)施在多種具體環(huán)境中。所論述的具體實(shí)施例僅僅說(shuō)明用以實(shí)施和使用本發(fā)明的具體方式，而不限制本發(fā)明的范圍。
[0017]—種典型的PIC波導(dǎo)包括高折射率的電介質(zhì)區(qū)域，該電介質(zhì)區(qū)域被至少一個(gè)較低折射率的電介質(zhì)區(qū)域豎向和橫向包圍，形成矩形或正方形的光波導(dǎo)。這類(lèi)波導(dǎo)支持零個(gè)或者多個(gè)受約束的光模，其中受約束的光模沿所述波導(dǎo)傳播，沒(méi)有輻射出所述波導(dǎo)。傳播常數(shù)最高的受約束的光模被稱(chēng)為最低階模。最低階模在向波導(dǎo)芯的中心移動(dòng)時(shí)擁有峰值振幅， 遠(yuǎn)離峰值時(shí)單調(diào)遞減。通常來(lái)說(shuō)，橫向電(TE)極化有一個(gè)最低階模，橫向磁(TM)極化有一個(gè)最低階模，其中最強(qiáng)的電磁場(chǎng)元件分別為與底層平面平行的電場(chǎng)(TE)或者磁場(chǎng)(TM)。
[0018]復(fù)雜的PIC通常包括至少一個(gè)光波導(dǎo)，該光波導(dǎo)物理上穿過(guò)一個(gè)或多個(gè)其它光波導(dǎo)，在交點(diǎn)處形成交叉區(qū)域。在一些PIC中，單條光路可以有100或更多的連續(xù)光交叉。這些交叉可以是任何角度的，比如，一個(gè)90度的交叉，一個(gè)45度的交叉，一個(gè)30度的交叉，或者其他角度的交叉。光交叉可導(dǎo)致傳播的光信號(hào)丟失或者串?dāng)_。當(dāng)一條光束穿過(guò)所述交叉區(qū)域時(shí)，信號(hào)在交叉波導(dǎo)里丟失，在所述交叉波導(dǎo)中產(chǎn)生串?dāng)_。相似地，當(dāng)信號(hào)在所述交叉波導(dǎo)傳播時(shí)，光束也會(huì)遭受串?dāng)_。當(dāng)光束豎向并橫向散射和輻射出所述交叉區(qū)域時(shí)，光也會(huì)丟失。
[0019]當(dāng)一條光束離開(kāi)一個(gè)輸入波導(dǎo)的窄孔徑，進(jìn)入所述交叉區(qū)域，隨著所述光束穿過(guò)所述交叉區(qū)域，所述光束衍射并變大。當(dāng)所述光束到達(dá)所述輸出波導(dǎo)，它呈現(xiàn)為更大的輸出模式。許多PIC技術(shù)支持單一光層，所有交叉都在平面內(nèi)。所以，穿過(guò)所述交叉區(qū)域的光路一般豎向被約束，而橫向不受約束，其中，豎向指的是垂直于PIC芯片表面的一個(gè)平面;橫向指的是垂直于所述光束的傳播方向的芯片平面。此外，穿過(guò)所述交叉區(qū)域的光束一般會(huì)橫向展寬。在附加層中，在所述交叉區(qū)域豎向也不受約束的情況下，光束將可以豎向展寬。
[0020]—些PIC使用非常寬的多模波導(dǎo)。當(dāng)只有最低階光模被激發(fā)時(shí)，所述多模波導(dǎo)損耗低。硅波導(dǎo)的高折射率對(duì)比在芯包層邊界加大散射損耗。這些波導(dǎo)有非常大的核心，該核心有淺脊或者分支。這些波導(dǎo)有時(shí)被稱(chēng)為寬脊波導(dǎo)，或者簡(jiǎn)單地稱(chēng)為脊形波導(dǎo)。通過(guò)只激發(fā)最低階光模，大部分電磁場(chǎng)(EM)被局限于所述硅芯內(nèi)，使得電磁場(chǎng)的振幅在芯包層邊界比較小，從而減少散射效應(yīng)。相對(duì)于核心的總大小來(lái)說(shuō)，低硅脊的芯包層邊界的高度比較小，但可以進(jìn)一步減少散射。這些多模波導(dǎo)相互交叉的一個(gè)方法就是采用衍射光束交叉。當(dāng)最低階光模的光到達(dá)所述交叉區(qū)域，所述光模成為穿越所述交叉區(qū)域的光束。此外，所述光束的電磁場(chǎng)被局限于所述核心，淺脊使得散射減小，從而得到低損耗交叉。[〇〇21 ]在此處需要意識(shí)到，當(dāng)一條光束從一個(gè)輸入波導(dǎo)到一個(gè)輸出波導(dǎo)穿過(guò)一個(gè)交叉區(qū)域時(shí)，會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致光束展寬，從而可以提高具有非常寬的多模波導(dǎo)的低耗損交叉。在此處需要意識(shí)到，所述輸出波導(dǎo)的模式應(yīng)該大于所述輸入波導(dǎo)的模式，因此使光束與所述輸出波導(dǎo)的光模的重疊部分達(dá)到最大值?？筛鶕?jù)穿過(guò)所述交叉區(qū)域的預(yù)期光束展寬計(jì)算出模式大小的增加。例如，可通過(guò)旁軸高斯光束算法計(jì)算出光束展寬，這取決于在所述交叉區(qū)域的傳播距離。其他的參數(shù)包括交叉中的材料折射率，所述輸入光模的電磁橫截面，以及所述輸出光模的電磁橫截面。例如，對(duì)于相交于相同寬度的交叉波導(dǎo)的具有6微米寬娃的輸入波導(dǎo)，當(dāng)給出的自由空間波長(zhǎng)為1550納米時(shí)，基于計(jì)算出的光束展寬，相應(yīng)的輸出波導(dǎo)可能為 6.13微米。[〇〇22] 在此處還需要意識(shí)到，通過(guò)實(shí)現(xiàn)穿過(guò)所述交叉區(qū)域的光束的角度對(duì)準(zhǔn)，已有的低損耗交叉可被進(jìn)一步提高。此處需要意識(shí)到，當(dāng)所述輸出交叉波導(dǎo)大于所述輸入交叉波導(dǎo)， 所述輸入波導(dǎo)的交叉端不再垂直于所述輸入波導(dǎo)。因此，光束折射到所述輸入波導(dǎo)的交叉端，并以較小的角度橫向傳播。在交叉中衍射的光束在進(jìn)入交叉中時(shí)也會(huì)折射。在此處還需要意識(shí)到，當(dāng)所述光束進(jìn)入所述交叉區(qū)域，根據(jù)所述光束的預(yù)期折射，所述輸出波導(dǎo)應(yīng)該被橫向移位，移位距離是其與所述輸入波導(dǎo)之間的偏移量。其他參數(shù)包括:交叉中的材料折射率，所述輸入光模的電磁橫截面，以及所述輸出光模的電磁橫截面。當(dāng)所述輸入波導(dǎo)與所述輸出波導(dǎo)不共線(xiàn)，在這里需要意識(shí)到，在所述輸出波導(dǎo)的交叉端，被移位的輸出波導(dǎo)以衍射的光束為中心，從而進(jìn)一步使衍射的光束與所述輸出波導(dǎo)的光模的重疊部分達(dá)到最大值。
[0023]在此處還需要意識(shí)到，所述輸入和輸出波導(dǎo)在寬度上的最佳差值與所述輸入和輸出波導(dǎo)之間的橫向偏移量有關(guān)。為了實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)，PIC設(shè)計(jì)師需要一起計(jì)算所述差值和所述偏移量。例如，通常來(lái)說(shuō)，橫向偏移量越大，所述輸入和輸出波導(dǎo)的寬度差值就越大。
[0024]在此處還需要意識(shí)到，交叉經(jīng)常連續(xù)發(fā)生，產(chǎn)生了當(dāng)所述光路跨越每個(gè)交叉時(shí)，所述輸出波導(dǎo)逐漸擴(kuò)大的實(shí)際問(wèn)題。在此處還需要意識(shí)到，各交叉之間，交叉的輸出波導(dǎo)的寬度可以漸變至輸入波導(dǎo)的寬度。在這樣的布置中，在一個(gè)有連續(xù)交叉的PIC中，當(dāng)光束傳播時(shí)，進(jìn)入每個(gè)交叉的輸入波導(dǎo)的寬度相同，且在所述交叉中，輸出波導(dǎo)更大，并漸變回所述輸入波導(dǎo)的寬度。
[0025]圖1為一個(gè)PIC100的實(shí)施例示意圖。在PIC100中，此處介紹的光交叉及其制造方法可以被具體化并實(shí)施。PIC100包括4列開(kāi)關(guān)元件，列110-1，列110-2，列110-3和110-4，形成光子開(kāi)關(guān)的一部分。當(dāng)光路140進(jìn)入列110-1的開(kāi)關(guān)元件，PIC100將他們路由到列110-2的不同開(kāi)關(guān)元件，使得大部分光路產(chǎn)生大量交叉。例如，光路120(加粗凸顯)穿過(guò)列110-1和列 110-2之間的7個(gè)交叉，列110-2和列110-3之間的3個(gè)交叉，列110-3和列110-4之間的1個(gè)交叉，共11個(gè)交叉。在單獨(dú)光路以轉(zhuǎn)換的光束150存在之前，PIC100的其他實(shí)施例可包括好幾百個(gè)交叉。
[0026]圖2為一個(gè)非常寬的多模光脊波導(dǎo)200的實(shí)施例的示意圖。A部分闡明了波導(dǎo)200的傳播維度，B部分闡明了波導(dǎo)200的橫截面。波導(dǎo)200的寬度足以支持多個(gè)光模，只有所述波導(dǎo)200的最低階模式或者基諧模被激發(fā)。典型地，這可以通過(guò)形成只支持一個(gè)最低階模式的窄單模波導(dǎo)(圖2未示出)的光路來(lái)實(shí)現(xiàn)。所述窄單模波導(dǎo)逐漸向?qū)挾嗄２▽?dǎo)200漸變。只要漸變很小，光會(huì)停留在最低階模式。采用所述最低階模式穿過(guò)所述波導(dǎo)200的光信號(hào)的損耗非常低。[〇〇27] 波導(dǎo)200包括一個(gè)核心260,該核心260具有一個(gè)脊230,該脊230被一個(gè)分支210和另一個(gè)分支240橫向包圍。核心260被一個(gè)包層220所包圍。在某些實(shí)施例中，所述包層220是相同種類(lèi)的，但是在另一些實(shí)施例中，包層220在所述核心260各個(gè)側(cè)面不相同?？梢圆捎酶鞣N材料系統(tǒng)形成所述波導(dǎo)200。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，所述核心260由硅和二氧化硅形成。 所述脊230的硅的深度大于所述分支210和所述分支240,從而在所述脊230和分支240交界處形成一面?zhèn)缺?50,并且在所述脊230和所述分支210交界處形成另一面?zhèn)缺冢瑘D2中未示出。所述側(cè)壁由蝕刻術(shù)形成，使得所述側(cè)壁粗糙，從而不利于減少散射損耗。所述脊230,分支210和分支240的頂部和底部表面一般更為平滑，使得損耗少。所述分支240和分支210使得核心260的側(cè)壁的一部分略寬，這樣所述波導(dǎo)200的基諧模被局限于中心，遠(yuǎn)離側(cè)壁，從而減少基諧模的散射損耗。[〇〇28]圖3為一個(gè)光交叉300的實(shí)施例的示意圖。光交叉300以一個(gè)PIC的形式呈現(xiàn)，其中， 所述PIC由各種材料系統(tǒng)構(gòu)成，包括硅基二氧化硅，鈮酸鋰，砷化鎵等等。所述光交叉300包括一個(gè)輸入波導(dǎo)302和一個(gè)輸出波導(dǎo)304。所述輸入波導(dǎo)302和所述輸出波導(dǎo)304在一個(gè)交叉區(qū)域310形成一條主光路312。所述主光路312在所述交叉區(qū)域310二等分一個(gè)交叉光路318， 從而二等分所述輸入波導(dǎo)302和所述輸出波導(dǎo)304。所述交叉光路318由一個(gè)輸入交叉波導(dǎo) 306和一個(gè)輸出交叉波導(dǎo)308組成，同樣也被所述交叉區(qū)域310二等分。所述輸入波導(dǎo)302有一個(gè)輸入寬度332和一個(gè)定義基本光模的折射率橫截面。在所述橫向維度中，為所述輸入波導(dǎo)302定義所述輸入寬度332。當(dāng)所述主光路312通過(guò)所述輸入波導(dǎo)302到達(dá)所述交叉區(qū)域 310時(shí)，它擔(dān)任一個(gè)輸入模斑324所表不的一個(gè)振形。所述輸入模斑324橫向集中在所述輸入波導(dǎo)302。相對(duì)于所述主光路312,所述交叉區(qū)域310橫向不受約束。隨著光束穿過(guò)所述輸入波導(dǎo)302并到達(dá)所述交叉區(qū)域310,光束輕微折射，調(diào)整所述主光路312的角度，從而形成折射的光路314。此外，隨著光束穿過(guò)所述交叉區(qū)域310,由于衍射，出現(xiàn)光束展寬。生成的輸出振形比由所述輸入模斑324表示的輸出振形略大。輸出振形由輸出模斑326表示，且比輸入模斑324略大。[〇〇29]所述輸出波導(dǎo)304有一個(gè)位于所述交叉區(qū)域310附近的交叉端，并且有一個(gè)遠(yuǎn)離所述交叉區(qū)域310的遠(yuǎn)端。相對(duì)于所述輸入波導(dǎo)302,所述輸出波導(dǎo)304被橫向移位。所述移位為了將所述輸出模斑326橫向集中于所述輸出波導(dǎo)304,從而提高折射和衍射的光路314與所述輸出波導(dǎo)304的基諧模的重疊部分。所述移位減少了當(dāng)所述輸出波導(dǎo)304的基諧模與所述輸入波導(dǎo)302共線(xiàn)時(shí)產(chǎn)生的損耗，因此，當(dāng)光路312進(jìn)入交叉區(qū)域310時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生折射。所述移位用所述輸入模斑324與所述輸出模斑326之間的橫向偏移量進(jìn)行量化。
[0030]基于預(yù)期的所述交叉區(qū)域310的折射和衍射，可計(jì)算出橫向偏移量，這是所述交叉區(qū)域310的維度的常見(jiàn)功能。
[0031]在橫向維度中，所述輸出波導(dǎo)304在其交叉端有一個(gè)輸出交叉寬度334。所述輸出交叉寬度334略大于所述輸入寬度332。當(dāng)光束穿過(guò)所述交叉區(qū)域310時(shí)，稍微增加寬度會(huì)導(dǎo)致光束展寬。可根據(jù)預(yù)期的光束展寬計(jì)算出輸出交叉寬度334,這是所述交叉區(qū)域310的維度的常見(jiàn)功能。該計(jì)算可以基于旁軸高斯光束算法，此算法利用沿著光路傳播方向的所述交叉區(qū)域310長(zhǎng)度來(lái)計(jì)算。或者，傳播計(jì)算可以基于光束傳播算法或時(shí)域有限差分算法。所述輸出交叉寬度334的寬度越寬，會(huì)更進(jìn)一步提高衍射的光路與具有所述輸出波導(dǎo)304的基諧模的略大的輸出振形的重疊部分，從而進(jìn)一步減少損耗。所述輸出波導(dǎo)304的近端的光學(xué)效率可被計(jì)算為所述光路314和所述輸出模斑326的電磁場(chǎng)的重疊積分?；蛘?，光學(xué)效率的計(jì)算可以基于光束傳播算法或時(shí)域有限差分算法。[〇〇32]當(dāng)衍射的光路314在其交叉端進(jìn)入所述輸出波導(dǎo)304,所述衍射光路314再次折射時(shí)，擔(dān)任一個(gè)平行于所述主光路312的主輸出光路。所述輸出波導(dǎo)304向一個(gè)相等于輸入寬度332的輸出遠(yuǎn)側(cè)寬度336漸變。所述輸出波導(dǎo)304的漸變彌補(bǔ)了穿過(guò)所述交叉區(qū)域310的光束展寬。從所述輸出交叉寬度334到所述輸出遠(yuǎn)端寬度336的漸變?cè)谝欢味叹嚯x之內(nèi)完成， 例如所述交叉區(qū)域310與其它連續(xù)交叉區(qū)域之間的距離。所述漸變使得連續(xù)的交叉區(qū)域擁有一致的輸入寬度。否則，所述波導(dǎo)將逐漸擴(kuò)大，將會(huì)導(dǎo)致使用交叉的實(shí)際問(wèn)題。
[0033]與所述主光路312相似，所述交叉光路318在進(jìn)入所述交叉區(qū)域310時(shí)折射，當(dāng)它穿過(guò)所述交叉區(qū)域310時(shí)衍射并展寬，當(dāng)它離開(kāi)所述交叉區(qū)域310時(shí)折射。所述輸入交叉波導(dǎo) 306有一個(gè)定義基諧模的輸入交叉寬度338。所述基諧模在所述交叉區(qū)域310的邊界擔(dān)任交叉振形。所述交叉振形被表示為一個(gè)交叉輸入模斑328，該交叉輸入模斑328相對(duì)于所述輸入交叉波導(dǎo)306橫向集中。當(dāng)一個(gè)交叉光束穿過(guò)所述輸入交叉波導(dǎo)306并到達(dá)所述交叉區(qū)域 310時(shí)，產(chǎn)生折射，光束被從所述光路318移動(dòng)到一個(gè)折射的交叉光路320。相對(duì)于所述輸入交叉波導(dǎo)306,所述交叉區(qū)域310橫向不受約束。正如相對(duì)于所述輸入波導(dǎo)302,所述交叉區(qū)域310橫向不受約束。[〇〇34]如所述輸出波導(dǎo)304,所述輸出交叉波導(dǎo)308有一個(gè)位于所述交叉區(qū)域310附近的交叉端，并且有一個(gè)遠(yuǎn)離所述交叉區(qū)域310的遠(yuǎn)端。所述輸出交叉波導(dǎo)308有一個(gè)輸出交叉寬度340,該輸出交叉寬度340略大于所述輸入交叉寬度338,從而容納由一個(gè)交叉輸出模斑 330表示的略大的交叉輸出振形。所述輸出交叉波導(dǎo)308同樣從其交叉端的所述輸出交叉寬度340漸變至其遠(yuǎn)端的輸出交叉遠(yuǎn)端寬度342,這等于輸入交叉寬度338。此外，相對(duì)于所述輸入交叉波導(dǎo)306,所述輸出交叉波導(dǎo)308被橫向移位，從而當(dāng)所述光路318進(jìn)入所述交叉區(qū)域310,導(dǎo)致折射，并實(shí)現(xiàn)折射和衍射的交叉光路320在所述交叉區(qū)域310中的傳播。橫向偏移量由所述交叉輸出模斑330表不，該交叉輸出模斑330橫向集中在所述輸出交叉波導(dǎo)308。 [〇〇35] 一條光束經(jīng)所述交叉區(qū)域310從所述輸入交叉波導(dǎo)306傳播到所述輸出交叉波導(dǎo) 308,該光束的折射、衍射和光束展寬可被算為所述交叉區(qū)域310的維度的功能，與沿著所述主光路312的折射、衍射和光束展寬相似。所述橫向移位和更大的輸出交叉寬度340提高了折射和衍射交叉光路320與擁有所述輸出交叉波導(dǎo)308的基諧模的交叉輸出模斑330的重疊部分，從而減少了由光束展寬和衍射產(chǎn)生的損耗。[〇〇36]實(shí)際應(yīng)用中，相對(duì)于所述輸入交叉波導(dǎo)306和所述輸出交叉波導(dǎo)308,所述輸入波導(dǎo)302和所述輸出波導(dǎo)304的橫向維度可以不同。輸入寬度332可以大于、等于或者小于所述輸入寬度338。在某些實(shí)施例中，一條光路可能比另一條光路有更多的交叉。在這種情況下，在實(shí)際應(yīng)用中，所述主光路312需要有比交叉光路318更多的交叉。在那些情況下，會(huì)考慮各波導(dǎo)的維度，因?yàn)樗鼤?huì)影響所述交叉區(qū)域310的長(zhǎng)度，從而影響光束展寬的衍射量。若可能， 使很長(zhǎng)的交叉區(qū)域的交叉數(shù)量達(dá)到最小。[〇〇37]圖4為一串光交叉400的實(shí)施例的示意圖。所述光交叉400以一個(gè)PIC的形式呈現(xiàn)， 其中，所述PIC由各種材料系統(tǒng)構(gòu)成，包括硅基二氧化硅，鈮酸鋰，砷化鎵等等。所述光交叉 400包括一條主光路442，該主光路442由一個(gè)輸入波導(dǎo)402，一個(gè)中間波導(dǎo)404和一個(gè)輸出波導(dǎo)406構(gòu)成。所述主光路442穿過(guò)一個(gè)第一交叉區(qū)域416,該第一交叉區(qū)域416在交點(diǎn)處將所述輸入波導(dǎo)402和所述中間波導(dǎo)404二等分為第一交叉輸入波導(dǎo)408和第一交叉輸出波導(dǎo) 412。所述主光路442也穿過(guò)一個(gè)第二交叉區(qū)域418,該第二交叉區(qū)域418在交點(diǎn)處將所述中間波導(dǎo)404和所述輸出波導(dǎo)406二等分為第二交叉輸入波導(dǎo)410和第二交叉輸出波導(dǎo)414。 [〇〇38] 所述第一交叉區(qū)域416和第二交叉區(qū)域418類(lèi)似于圖3的交叉區(qū)域310。相對(duì)于所述輸入波導(dǎo)402,所述中間波導(dǎo)404在所述第一交叉區(qū)域416中被橫向移位。此外，所述中間波導(dǎo)402有一個(gè)第一交叉寬度422,該第一交叉寬度422略大于所述輸入波導(dǎo)402的輸入寬度 420。當(dāng)所述主光路442穿過(guò)所述第一交叉區(qū)域416時(shí)，所述中間波導(dǎo)404在第一交叉區(qū)域416 中的移位和擴(kuò)大導(dǎo)致光束折射、衍射和展寬。[〇〇39]所述中間波導(dǎo)404從第一交叉寬度422漸變至第二交叉寬度424,該第二交叉寬度 424等于輸入寬度420。換句話(huà)說(shuō)，沿著所述主光路442,所述第一交叉區(qū)域416的輸入寬度等于所述第二交叉區(qū)域418的輸入寬度。在所述第二交叉區(qū)域418,相對(duì)于所述中間波導(dǎo)404， 所述輸出波導(dǎo)406被橫向移位。此外，所述輸出波導(dǎo)406具有一個(gè)交叉寬度426,該交叉寬度 426略大于所述中間波導(dǎo)404的第二交叉寬度424。當(dāng)所述主光路442穿過(guò)所述第二交叉區(qū)域 418時(shí)，所述輸出波導(dǎo)406在第二交叉區(qū)域418中的移位和擴(kuò)大導(dǎo)致光束折射、衍射和展寬。 此外，在所述中間波導(dǎo)404中，所述輸出波導(dǎo)406從所述交叉寬度426漸變至所述輸出寬度 428,該輸出寬度428等于輸入寬度420和第二交叉寬度424。[0〇4〇]第一交叉輸入波導(dǎo)408和第二交叉輸入波導(dǎo)410與圖3中的輸入交叉波導(dǎo)306相似。 第一交叉輸入波導(dǎo)412和第二交叉輸出波導(dǎo)414與圖3中的輸出交叉波導(dǎo)308相似。第一交叉光路444開(kāi)始于第一交叉輸入波導(dǎo)408,經(jīng)過(guò)第一交叉區(qū)域416,然后穿過(guò)第一交叉輸出波導(dǎo) 412。當(dāng)光束沿著第一交叉光路444穿過(guò)第一交叉區(qū)域416時(shí)，經(jīng)歷折射、衍射和光束展寬。預(yù)期的折射、衍射和光束展寬由略大于第一交叉輸入波導(dǎo)寬度430的第一交叉輸出波導(dǎo)的交叉寬度432實(shí)現(xiàn)。此外，相對(duì)于第一交叉輸入波導(dǎo)408,第一交叉輸出波導(dǎo)412被橫向移位。所述移位和擴(kuò)大提高了第一交叉光路與第一交叉輸出波導(dǎo)412的基諧模的重疊部分。第一交叉輸出波導(dǎo)412也從第一交叉輸出波導(dǎo)管交叉寬度432漸變至一個(gè)第一交叉輸出波導(dǎo)遠(yuǎn)端寬度434,該第一交叉輸出波導(dǎo)遠(yuǎn)端寬度434等于所述第一交叉輸入波導(dǎo)寬度430。[〇〇41]在第一交叉光路444中，第二交叉光路446開(kāi)始于第二交叉輸入波導(dǎo)410,經(jīng)過(guò)第二交叉區(qū)域418,然后穿過(guò)第二交叉輸出波導(dǎo)414。當(dāng)光束沿著第二交叉光路446穿過(guò)第二交叉區(qū)域418時(shí)，經(jīng)歷折射、衍射和光束展寬。預(yù)期的折射、衍射和光束展寬由略大于第二交叉輸入波導(dǎo)的寬度436的第二交叉輸出波導(dǎo)的交叉寬度438實(shí)現(xiàn)。此外，相對(duì)于第二交叉輸入波導(dǎo)410,第二交叉輸出波導(dǎo)414被橫向移位。所述移位和擴(kuò)大提高了第二交叉光路446與第二交叉輸出波導(dǎo)414的基諧模的重疊部分。第二交叉輸出波導(dǎo)414也從第二交叉輸出波導(dǎo)管交叉寬度438漸變至一個(gè)第二交叉輸出波導(dǎo)遠(yuǎn)端寬度440,該第二交叉輸出波導(dǎo)遠(yuǎn)端寬度440等于所述第二交叉輸入波導(dǎo)寬度436。[〇〇42]在一些實(shí)施例中，對(duì)輸入波導(dǎo)402的系統(tǒng)性能要求比對(duì)所述第一交叉輸入波導(dǎo)408 的系統(tǒng)性能要求更苛刻。例如。包括所述輸入波導(dǎo)402的所述主光路442比所述第一交叉光路444的光損耗預(yù)算低，所述第一交叉光路444包括所述第一交叉輸入波導(dǎo)408。例如當(dāng)輸入波導(dǎo)402有許多交叉而第一交叉輸入波導(dǎo)408只有很少的交叉時(shí)，會(huì)產(chǎn)生所述主光路442比所述第一交叉光路444的光損耗預(yù)算低。在那種情況下，所述輸入波導(dǎo)408的交叉損耗不同于所述第一交叉輸入波導(dǎo)408的交叉損耗。在發(fā)生該情況的實(shí)施例中，需要較低光耗損的光路可使用更寬的波導(dǎo)。在圖4所示的實(shí)施例中，所述輸入波導(dǎo)402寬于所述第一交叉輸入波導(dǎo)408和所述第二交叉輸入波導(dǎo)410,也即，輸入寬度420大于第一交叉輸入波導(dǎo)寬度430和第二交叉輸入波導(dǎo)寬度436。因此，所述第一交叉區(qū)域416和所述第二交叉區(qū)域418更接近矩形。相反的，當(dāng)所述輸入寬度420、第一交叉輸入波導(dǎo)寬度430和第二交叉輸入波導(dǎo)寬度436 相等時(shí)，所述第一交叉區(qū)域416和所述第二交叉區(qū)域418更接近正方形。
[0043]通常情況下，光束越大，進(jìn)入交叉區(qū)域耗損越低，因?yàn)樵谒鼋徊鎱^(qū)域的衍射低， 且較大光束比小光束的衍射小。越寬的波導(dǎo)有更大的模式，因此更適合需要低光學(xué)損耗的光路。這對(duì)具有很多交叉的光路是有利的，比如，有100或者更多的交叉。其他光路有相對(duì)很少的交叉，比如，有大約十個(gè)交叉。圖4所示的實(shí)施例中，所述主光路442有兩個(gè)交叉，而第一交叉光路444和第二交叉光路446只有一個(gè)交叉。然而，圖4描述的是包括成百個(gè)交叉的更大的PIC的一小部分。[〇〇44]確定波導(dǎo)寬度的另一個(gè)需要考慮的因素是從窄單模波導(dǎo)到寬多模波導(dǎo)的漸變導(dǎo)致的任何額外光損耗，這通常發(fā)生在有源設(shè)備，如調(diào)制器和開(kāi)關(guān)等。漸變損耗隨著寬多模波導(dǎo)的寬度的增加而增加。根據(jù)給出的光路中的交叉數(shù)量，漸變損耗、在寬多模波導(dǎo)中的傳播損耗和在交叉中的損耗可以被平衡。例如，在圖4的實(shí)施例中，包括所述輸入寬度420、所述第一交叉輸入波導(dǎo)寬度430和所述第二交叉輸入波導(dǎo)寬度436。因此，所述第一交叉區(qū)域416 和所述第二交叉區(qū)域418的形狀可根據(jù)所述主光路442、所述第一交叉光路444和所述第二交叉光路446的交叉數(shù)量進(jìn)行確定，也可根據(jù)穿過(guò)所述輸入波導(dǎo)402、所述中間波導(dǎo)404、所述輸出波導(dǎo)406、所述第一交叉輸入波導(dǎo)408、所述第一交叉輸入波導(dǎo)412、所述第二交叉輸入波導(dǎo)410和所述第二交叉輸出波導(dǎo)414產(chǎn)生的損耗進(jìn)行確定。此外，雖然在圖4中未示出從所述窄單模波導(dǎo)到所述寬多模波導(dǎo)的漸變，也需要考慮任何漸變損耗。
[0045]圖5是一種制造PIC中光交叉的方法的實(shí)施例流程圖。該方法開(kāi)始于起始步驟510。 在步驟520中，形成第一波導(dǎo)。在步驟530中，形成一個(gè)交叉波導(dǎo)，該交叉波導(dǎo)將所述第一波導(dǎo)二等分成一個(gè)輸入波導(dǎo)和一個(gè)輸出波導(dǎo)。第一波導(dǎo)和所述交叉波導(dǎo)的交點(diǎn)處形成一個(gè)交叉區(qū)域。所述輸出波導(dǎo)略大于所述輸入波導(dǎo)。橫向維度或者寬度增加，并垂直于穿過(guò)所述第一波導(dǎo)的光路。增加的所述輸出波導(dǎo)的寬度導(dǎo)致光束展寬。當(dāng)穿過(guò)所述第一波導(dǎo)的光束穿過(guò)在步驟530中形成的交叉區(qū)域時(shí)，產(chǎn)生光束展寬。寬度的增長(zhǎng)、或者所述輸入波導(dǎo)和所述輸出波導(dǎo)的寬度差值可根據(jù)預(yù)期光束展寬進(jìn)行計(jì)算。預(yù)期光束展寬是所述交叉區(qū)域維度的功能，更具體地，是穿過(guò)所述第一波導(dǎo)的光路的維度的交叉區(qū)域長(zhǎng)度功能。
[0046]所述輸出波導(dǎo)同樣被橫向移位了一個(gè)偏移量值，該偏移量值可根據(jù)所述交叉區(qū)域的維度進(jìn)行計(jì)算。該移位與所述輸入波導(dǎo)有關(guān)，所以所述輸入波導(dǎo)和所述輸出波導(dǎo)不共線(xiàn)。 當(dāng)光速進(jìn)入所述交叉區(qū)域并沿著所述第一波導(dǎo)中的所述光路在所述交叉區(qū)域中傳播時(shí)，所述移位導(dǎo)致光束折射。
[0047]在某些實(shí)施例中，所述輸出波導(dǎo)從在所述交叉區(qū)域增加的寬度漸變至與所述輸入波導(dǎo)相等的寬度。這使得在步驟530中形成的交叉連續(xù)重復(fù)，而所述第一波導(dǎo)在穿過(guò)每個(gè)交叉波導(dǎo)時(shí)沒(méi)有逐漸增加。然后，所述方法結(jié)束于步驟540。[〇〇48]雖然已參考說(shuō)明性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但此描述并不意圖限制本發(fā)明。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員在參考該描述后，將會(huì)明白說(shuō)明性實(shí)施例的各種修改和組合，以及本發(fā)明其他實(shí)施例。因此，所附權(quán)利要求書(shū)意圖涵蓋任何此類(lèi)修改或?qū)嵤├?br>【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種具有光交叉的光集成器(PIC)，其特征在于，包括:具有交叉長(zhǎng)度的交叉區(qū)域，其中所述交叉區(qū)域的光路橫向不受約束；具有輸入交叉端和輸入遠(yuǎn)端的輸入波導(dǎo)，其在所述輸入交叉端耦合至所述交叉區(qū)域， 從而形成了所述光路的一部分；具有輸出交叉端和輸出遠(yuǎn)端的輸出波導(dǎo)，其在所述輸出交叉端耦合至所述交叉區(qū)域， 從而形成了所述光路的一部分；其中，根據(jù)所述交叉長(zhǎng)度，所述輸出交叉端的輸出波導(dǎo)的交叉寬度大于所述輸入交叉 端的輸入波導(dǎo)的交叉寬度；根據(jù)所述交叉長(zhǎng)度，所述輸出交叉端的輸出波導(dǎo)的橫向中心被橫向移位，移位距離是 其與所述輸入交叉端的輸入波導(dǎo)的橫向中心之間的偏移量。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PIC，其特征在于，所述輸出波導(dǎo)從所述輸出交叉端的交叉寬 度漸變至所述輸出遠(yuǎn)端的輸入波導(dǎo)的交叉寬度。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PIC，還包括交叉波導(dǎo)，其與所述輸入波導(dǎo)和所述輸出波導(dǎo)垂 直并共面，并具有與所述交叉長(zhǎng)度相等的第一寬度。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PIC，其特征在于，根據(jù)所述交叉區(qū)域的光束展寬，設(shè)置所述輸 出波導(dǎo)的交叉寬度與所述輸入波導(dǎo)的交叉寬度的差值。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PIC，其特征在于，根據(jù)入射光束在所述交叉區(qū)域的橫向折射 和衍射，計(jì)算出所述偏移量。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PIC，其特征在于，所述輸入波導(dǎo)和所述輸出波導(dǎo)支持多個(gè)橫 向模式。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的PIC，其特征在于，所述多個(gè)橫向模式中，只有最低階模式在所 述輸入波導(dǎo)和所述輸出波導(dǎo)內(nèi)被激發(fā)。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的PIC，其特征在于，所述最低階模式是橫向電波。9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的PIC，其特征在于，所述最低階模式是橫向電波。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PIC，其特征在于，所述交叉區(qū)域的光路豎向不受約束，造成 入射光束豎向衍射。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的PIC，其特征在于，根據(jù)所述交叉長(zhǎng)度，所述輸出交叉端的輸 出波導(dǎo)的交叉高度高于所述輸入交叉端的輸入波導(dǎo)的交叉高度，其中，根據(jù)所述交叉長(zhǎng)度， 所述輸出交叉端的輸出波導(dǎo)的豎向中心被豎向移位，移位距離是其與所述輸入交叉端的輸 入波導(dǎo)的豎向中心之間的另一偏移量。12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PIC，還包括多個(gè)光交叉。13.—種制造具有光交叉的光集成器(PIC)的方法，其特征在于，包括:形成一個(gè)波導(dǎo)；形成一個(gè)交叉波導(dǎo)，該交叉波導(dǎo)將所述波導(dǎo)二等分成一個(gè)輸入波導(dǎo)和一個(gè)輸出波導(dǎo)， 從而形成一個(gè)交叉區(qū)域；其中，所述輸出波導(dǎo)寬于所述輸入波導(dǎo)；根據(jù)穿過(guò)所述交叉區(qū)域的光束的折射和衍射，所述輸出波導(dǎo)被橫向移位了一個(gè)偏移量。14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述輸出波導(dǎo)從所述交叉區(qū)域漸變至所述輸入波導(dǎo)的寬度。15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，還包括:形成另一交叉波導(dǎo)，該交叉波導(dǎo)將所述輸出 波導(dǎo)一分為二，從而形成了位于一個(gè)第一輸出波導(dǎo)和一個(gè)第二輸出波導(dǎo)之間的另一交叉區(qū) 域；所述第一輸出波導(dǎo)包括所述輸出波導(dǎo)的一個(gè)漸變部分，并且在所述另一交叉區(qū)域有所 述輸入波導(dǎo)的寬度；在另一交叉區(qū)域，所述第二輸出波導(dǎo)寬于所述第一輸出波導(dǎo)；根據(jù)穿過(guò)所述另一交叉區(qū)域的光束的另一折射和衍射，所述第二輸出波導(dǎo)被橫向移位了另一偏移量。16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述第二輸出波導(dǎo)從所述另一交叉區(qū)域 漸變至所述輸入波導(dǎo)的寬度。17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述波導(dǎo)支持多個(gè)橫向模式。18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述波導(dǎo)僅用于激發(fā)最低階模式。19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述波導(dǎo)和所述交叉波導(dǎo)相交成90度角。20.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述波導(dǎo)的形成包括形成硅波導(dǎo)芯和二氧化硅包層。21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，所述波導(dǎo)的形成還包括形成在所述波導(dǎo) 芯周?chē)墓璧臋M向環(huán)繞區(qū)域，該橫向環(huán)繞區(qū)域比所述波導(dǎo)芯薄，從而形成有分支 (shoulder)的脊形波導(dǎo)。22.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，根據(jù)所述交叉區(qū)域的光束展寬，可以確 定位于所述交叉區(qū)域的所述輸出波導(dǎo)的寬度和所述輸入波導(dǎo)的寬度的差值。
【文檔編號(hào)】G02B6/12GK105980896SQ201580006082
【公開(kāi)日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2015年1月23日
【發(fā)明人】多米尼克·古德威爾
【申請(qǐng)人】華為技術(shù)有限公司