基于集成光学的应力光学相位调制器和形成方法技术

本发明专利技术揭示一种用于控制表面波导中的光信号的相位的相位控制器及其制造方法。所述相位控制器通过在波导结构中诱发应力、由此控制其至少一些组成层的折射率来控制所述光信号的所述相位。所述相位控制器包含形成于所述波导的顶部包层的表面形态特征上的相位控制元件，其中这些特征(1)为所述相位控制元件提供与所述光信号的模场的形状相匹配的形状，且(2)产生将所诱发的应力聚焦并导引到所述波导结构的特定区中的应力集中点，由此提供高效相位控制。因此，与现有技术的集成光学相位控制器相比，所述相位控制器可在更低的电压、更低的功率下和/或在更短的相互作用长度内操作。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于集成光学的应力光学相位调制器和形成方法对相关申请的交叉参考本申请案要求保护2018年1月19日申请的标题为“基于集成光学的应力光学相位调制器和形成方法(Integrated-Optics-BasedStress-OpticPhaseModulatorandMethodforForming)”的美国专利申请案第15/875,340号(档案号：142-029US1)的权益，所述美国专利申请案通过引用的方式并入本文中。如果在本申请案与已通过引用方式并入的案中的一或多个之间存在会影响对此案中的权利要求书的解译任何语言矛盾或不一致，那么此案中的权利要求书应被解译为与此案中的语言一致。
技术介绍
平面光波电路(PLC)为包括集成在衬底的表面上的一或多个集成光学波导的光学系统，其中波导通常经组合以提供复杂光学功能性。这些“表面波导”通常包含由折射率低于第一材料的折射率的第二材料包围的第一材料芯。在材料之间的界面处的折射率的改变实现对传播穿过芯的光的反射，由此沿着表面波导的长度来导光。基于PLC的装置和系统已在许多应用(例如，光学通信系统、传感器平台、固态投影系统等)中产生显著影响。表面波导技术满足这些系统中对于可提供对传播通过系统的多个光学信号的功能控制的小型可靠的光学电路组件的需要。实例包含简单装置(例如，1×2和2×2光学开关、基于马赫曾德尔干涉仪的传感器等)以及更复杂的基于矩阵的系统，所述基于矩阵的系统具有多个表面波导元件和许多输入及输出端口(例如，波长分插多路复用器、交叉连接件、波长组合器等)。常见的是，这些系统中的大多数都需要开关元件。历史上，适合在PLC中使用的最常见开关元件是基于被称为热光(TO)型相位控制器的装置。TO相位控制器利用以下事实：玻璃的折射率(即，光在材料中的速度)通过包含安置于表面波导的上包层的顶部上的薄膜加热器而随温度变化(称为热光效应)。穿过加热器的电流产生传播到包层和芯材中的热量，从而改变其温度且因此改变其折射率。TO相位控制器已证实所诱发的相变多达2π。为了形成光学开关元件，TO相位控制器通常包含于表面波导元件中，例如马赫曾德尔干涉仪(MZI)。在MZI开关布置中，输入光学信号分裂成沿着一对基本上相同的路径(即，臂)向下传播到接合点的两个相等部分，在所述接合点处，所述两个相等部分随后经再组合成输出信号。一个臂并入有控制所述臂中的光的相位的TO相位控制器。通过在臂中的光信号部分之间赋予相位差π，两个信号在再组合时相消地干涉，由此相互抵消以产生零功率输出信号。当光信号部分之间的相位差为0(或n*2π，其中n为整数)时，两个信号相长地再组合，产生满功率输出信号。不利的是，迄今为止，现有技术的基于PLC的开关元件的缺点限制了其在许多应用中被采用。首先，TO相位控制器消耗大量功率。此外，除了在加热元件正下方加热芯和包覆材料之外，来自薄膜加热器的热量也在玻璃中横向扩散，这可导致邻近表面波导之间的热串扰。再者，玻璃具有低导热系数，这使得加热和冷却时间较长(通常约几毫秒)。热串扰还限制可形成加热元件的密度，从而限制了单个芯片上可包含的TO相位控制器的数目。因此，TO相位控制器不太适合于许多应用。最近，已将光弹效应用作对表面波导的材料的折射率的热光调谐的替代方案。基于光弹效应的表面波导中的光信号的相移是揭示于以下中：例如，发布于IEEE光子技术快报(IEEEPhotonicsTechnologiesLetters)，第10卷，第1428至1430页(1998)的S·多纳蒂(S.Donati)等人的“硅基二氧化硅波导装置的压电致动(PiezoelectricActuationofSilica-on-SiliconWaveguideDevices)”和蔡(Tsia)等人的“硅波导的双折射率的电性调谐(ElectricalTuningofBirefringenceinSiliconWaveguides)”，应用物理学快报(App.Phys.Lett.)，第92卷，061109(2008)以及美国专利第9,221,074号及第9,764,352号，所述专利中的每一者是通过引用的方式并入本文中。虽然证实了在功率耗散较低的情况下的微秒级相移，但在表面波导的组成层(确切地说，芯层)中可诱发相变的效率较差。因此，需要非常高的电压和较大相互作用长度，这限制了实际PLC系统中现有技术的基于光弹的相位调谐的效用。仍需要实现快速、低功率消耗操作的高效集成式光学相位调谐技术，其在现有技术中尚未得到满足。
技术实现思路
本专利技术实现以比现有技术更高的效率在表面波导中传播的光信号的基于光弹的相位控制。本专利技术的实施例尤其非常适合于在例如电信、数据通信、投影系统和传感器等应用中使用。类似于现有技术的应力光学相位控制器，本专利技术的实施例采用安置于表面波导的拓扑特征上的相位控制元件以在表面波导的组成层中诱发横向和竖直导向的应力。在现有技术中，这些拓扑特征形成为波导的上包层的部分，或由于上包覆层沉积在芯自身的结构上方而形成。与现有技术相比，在本专利技术的实施例中，拓扑特征是通过部分地蚀刻下包层以产生脊状突起且经由上包层材料的保形沉积外涂布这个突起而形成的上包层材料突起。因此，本专利技术提供对波导芯的几何结构、上包覆层和下包覆层的厚度以及波导芯和相位控制元件的相对位置的独立控制，这使得能够将本专利技术应用于几乎任何表面波导结构和技术。因此，根据本专利技术的实施例适合用于几乎任何表面波导技术，所述表面波导技术包含脊形波导、沟道波导、低对比度波导、高对比度波导、具有均质芯结构的表面波导、具有包括多个不同材料层的芯的表面波导，以及形成于广泛范围的材料系统中的表面波导。此外，波导芯和包覆层结构的独立性使得能够选择相位控制元件相对于波导芯的定位，以促进相位控制元件诱发到芯中的应力的效率。举例来说，相位控制元件中的应力集中点可存在于波导芯的顶表面的相同高度处或顶表面下方，由此使得能够更有效地诱发光导材料中的折射率变化。本专利技术的说明性实施例是一种相位控制器，其包括应力光学相位控制元件，所述应力光学相位控制元件安置于通过部分地蚀刻波导的下部芯以限定隆脊且保形地将上部芯层沉积在所述隆脊上方而形成的突起上。相位控制元件形成于突起上，使得其形状基本上匹配波导芯所支持的光学模式的形状。另外，相位控制元件沿着突起的侧面向下延伸以获得在波导的芯的顶表面下方的应力集中点，且可更有效地将应力赋予芯材中。另外，其上安置相位控制元件的突起的形状基本上匹配波导所支持的光学模式的形状。因此，相位控制元件非常接近于模场的周界的较大部分，由此增加其在诱发所要相位延迟方面的有效性。在一些实施例中，选择下包层蚀刻深度和顶部包覆层的厚度以及相位控制元件，以获得其中相位控制元件的顶部与芯的顶部基本上对准的结构。本专利技术的实施例是一种相位控制器，其包括：安置于衬底116上的表面波导302，所述表面波导包含下包层306、芯308以及包括突起316和场区520的上包层310，其中所述表面波导支持具有第一形状的模场324；以及安置于突起的至少一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种相位控制器(104)，其包括：/n安置于衬底(116)上的表面波导(302)，所述表面波导包含下包层(306)、芯(308)以及包括突起(316)和场区(520)的上包层(310)，其中所述表面波导支持具有第一形状的模场(324)；及/n安置于所述突起的至少一部分上的相位控制PC元件(304)，其中所述PC元件包括第一电极(312-1)、第二电极(312-2)和在所述第一电极与所述第二电极之间的压电层(314)；/n其中所述芯具有限定第一平面(P1)的第一表面(514)，且其中所述场区具有限定第二平面(P2)的第二表面(524)，且另外其中所述第二平面处于或低于所述第一平面的高度；/n其中所述PC元件包含处于或低于所述第一平面的所述高度的第一应力集中点(SP1A)；以及/n其中所述PC元件的形状基本上与所述模场的所述形状匹配。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180119 US 15/875,3401.一种相位控制器(104)，其包括：
安置于衬底(116)上的表面波导(302)，所述表面波导包含下包层(306)、芯(308)以及包括突起(316)和场区(520)的上包层(310)，其中所述表面波导支持具有第一形状的模场(324)；及
安置于所述突起的至少一部分上的相位控制PC元件(304)，其中所述PC元件包括第一电极(312-1)、第二电极(312-2)和在所述第一电极与所述第二电极之间的压电层(314)；
其中所述芯具有限定第一平面(P1)的第一表面(514)，且其中所述场区具有限定第二平面(P2)的第二表面(524)，且另外其中所述第二平面处于或低于所述第一平面的高度；
其中所述PC元件包含处于或低于所述第一平面的所述高度的第一应力集中点(SP1A)；以及
其中所述PC元件的形状基本上与所述模场的所述形状匹配。


2.根据权利要求1所述的相位控制器，其中所述第一电极与所述突起直接接触，且所述第二电极不与所述突起直接接触，并且其中所述第二电极包含所述第一应力集中点(SP2A)。


3.根据权利要求1所述的相位控制器，其中所述第一平面和第二平面基本上共面。


4.根据权利要求1所述的相位控制器，其中所述第一平面和第二平面基本上共面。


5.根据权利要求1所述的相位控制器，其中所述表面波导(702)在所述衬底上的第一区域(706)内具有蛇形形状。


6.根据权利要求5所述的相位控制器，其中所述PC元件(802)在所述第一区域内具有蛇形形状。


7.一种用于形成相位控制器(104)的方法，所述方法包括：
提供波导(302)，其可操作用于传送具有模场(324)的光信号(112)，所述模场(324)具有第一形状，所述波导包括：
第一包层(306)，其具有第一场区(516)和从所述第一场区突出的柱状脊(530)；
安置于所述柱状脊上的芯(308)，其中所述芯具有限定第一平面(P1)的第一表面(514)，并且其中所述芯和所述柱状脊共同地限定隆脊(518)；及
第二包层(310)，其包含第二场区(520)和从所述第二场区突出的突起(316)，其中所述第二包层保形地安置于所述第一场区和所述隆脊上，使得所述隆脊和所述第二包层共同限定所述突起，且其中所述第二场区具有限定第二平面(P2)的第二表面(524)，且另外其中所述突起具...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·莱因斯，R·G·海德曼，J·P·埃平，
申请(专利权)人：莱恩尼克斯国际有限责任公司，
类型：发明
国别省市：荷兰;NL