本文中讨论的实施方式涉及偏振无关光子集成电路(pic)。
背景技术：
除非另有说明，否则本文所描述的材料不是相对于本申请中的权利要求的现有技术，并且不通过包括在本部分中而被认为是现有技术。
由于波导中的光的高度限制，硅(si)光子学中的基于波导的光学器件可能是高度双折射的。可以是高度双折射的基于波导的光学器件的示例可以包括波分多路解复用器(wdm多路解复用器)，该波分多路解复用器可以用在集成硅光子集成电路(pic)的接收器处。wdm多路解复用器的传递函数可能对于横电(te)和横磁(tm)偏振而不同，这可能导致te和tm偏振的两个传递函数之间的相对大的(例如30-40nm)波长偏移。当具有未知或混合的偏振的光信号由具有偏振相关滤波器功能的wdm多路解复用器进行解复用时，与te和tm偏振相关联的这种波长上的差可能引起信道串扰。
本文中要求保护的主题不限于解决任何缺点的实施方式或仅在例如上面描述的环境下操作的实施方式。确切地说，提供该背景技术仅用于示出可以实践本文所描述的一些实施方式的一种示例技术领域。
附图说明
将通过使用附图更具体和详细地描述和说明示例实施方式，在附图中：
图1示出了分布式布拉格反射镜(dbr)辅助式中阶梯光栅wdm多路复用器/多路解复用器的顶布局视图；
图2a示出了平板厚度和有效折射率之间的示例关系的图表表示；
图2b示出了平板厚度和双折射率之间的示例关系的图表表示；
图2c示出了平板厚度、有效折射率、双折射率和波长偏移之间的示例关系的表；
图3a示出了具有由两个sio2层界定的500nmsin层的自由空间平板传播区的层视图；
图3b示出了具有sin层、延迟器层和间隔器层的自由空间平板传播区的层视图；
图4a示出了对于四种不同的偏振模式作为厚度在50nm与180nm之间的延迟器厚度、600nm的sin厚度、200nm的间隔器厚度的函数的有效折射率的模拟的图表表示；
图4b示出了作为厚度在50nm与160nm之间的延迟器厚度、600nm的sin厚度和170nm、200nm和230nm的三种不同间隔器厚度的函数的基于波导的光学器件的双折射率的模拟的图表表示；
图5示出了隔离的sin平板波导的te和tm偏振模态分布重叠积分的模拟的图表表示；
图6示出了作为延迟器厚度的函数的te和tm偏振模态分布重叠积分的模拟的图表表示；
图7是作为延迟器厚度和间隔器厚度的函数的绝对双折射率|b|的图表表示；
图8是作为延迟器厚度和间隔器厚度的函数的te和tm重叠的图表表示；
图9是作为延迟器厚度和间隔器厚度的函数的绝对pdl的图表表示；
图10a是延迟器和间隔器几何配置的可能参数的图表表示；
图10b是延迟器和间隔器几何配置的可能参数的图表表示；
图11a是被构造成减小基于波导的光学器件中的双折射率的亚波长光栅结构；
图11b是作为占空比的函数的有效折射率的图表表示；
图12a是有效延迟器折射率的模拟的图表表示；
图12b是te和tm波长差的绝对值的图表表示；
图13a是亚波长光栅结构的te模式的重叠损耗的图表表示；以及
图13b是均根据本文中描述的至少一个实施方式布置的亚波长光栅结构的te模式的重叠损耗的图表表示。
具体实施方式
在光学通信系统中使用的一些光学部件——包括光学放大器和光学波导耦合元件——的性能可能依赖于部件所接收的入射光学信号的偏振状态。光学器件可能是偏振相关的，意味着光学器件可能对入射信号的不同偏振模式具有不同的影响。具有不同偏振状态的入射信号例如可能以不同方式受光学器件影响。例如，te和tm有效折射率和te和tm的光学传递函数可能针对光学器件而不同。
由于输入至光学器件的光的偏振或其他特性可能不总是已知的，因此一些常规技术可以包括使用偏振分离器来分离te和tm并且然后使每个偏振通过单独的多路解复用器。然而，该技术可能增加损耗并且附加的多路解复用器可能占用集成器件上的更多区域。
集成在pic中的波分多路复用器(“wdm多路复用器”)、wdm多路解复用器及其他这样的基于波导的部件例如可以具有高双折射率。双折射是折射率可以依赖于光的偏振和传播方向的材料的光学性质。双折射可以被量化为由材料表现出的折射率之间的差。例如，在wdm多路解复用器件中，te和tm有效折射率可以不同并且该差可以贡献于双折射。双折射对于基于si和硅氮化物(sixny，本文中一般称为sin)的wdm多路复用器和wdm多路解复用器可能是问题。
本公开内容的各方面可以通过提供与常规器件相比可以具有较小双折射率的基于波导的光学器件来解决常规系统的这些和其他缺点。本文中描述的系统和方法可以应用于任何类型的基于波导的光学器件，例如中阶梯光栅wdm多路解复用器、基于延迟线干涉仪的wdm多路解复用器、光学差分相移键控解调器、阵列式波导光栅wdm多路解复用器等。为了便于在随后的讨论中参考，在理解本公开内容可以应用于任何类型的wdm多路复用器或wdm多路解复用器的情况下，通常在wdm多路解复用器的上下文中讨论该系统和技术。
在至少一个实施方式中，集成光学部件可以包括至少一个输入波导、至少一个输出波导以及具有第一折射率n1的第一平板波导。第一平板波导可以设置在输入波导中的至少之一与输出波导中的至少之一之间。集成光学部件还可以包括具有第二折射率n2的第二平板波导。集成光学部件还可以包括具有第三折射率n3的第三覆盖平板。第三覆盖平板可以设置在第一平板与第二平板之间。第二平板波导的厚度和第三平板波导的厚度可以可调整以减小集成光学部件的双折射率。
图1示出了分布式布拉格反射镜(dbr)辅助式中阶梯光栅wdm多路复用器/多路解复用器100(在下文中称为“多路解复用器”100)的顶布局视图。被示出为具有分布式布拉格反射镜(例如，光栅)的多路解复用器100可以包括wdm多路解复用器部件，例如输入波导105、一个或更多个输出波导110、自由空间平板传播区115和信号分离器120。可以在si光子集成电路(pic)上制造wdm解多路复用部件105、110、150和/或120中的任何部件或所有部件。sipic可以包括si衬底上的绝缘体上si(例如，二氧化硅(sio2)缓冲层上的硅)中的调制器、波导、检测器、耦合器和其他光学部件。
输入波导110可以接收输入信号(例如，光)。输入信号可以通过输入波导110并且通过自由空间平板传播区115朝向信号分离器120行进。信号分离器120可以将输入信号分成多个波束。信号分离器120还可以将波束发送(例如，反射)到一个或更多个输出波导110。波束中的每个波束通常可以包括包含在输入信号中的多个波长信道中的不同的一个波长信道。
在一些实施方式中，包括在多路解复用器100中的wdm多路解复用器部件可以是偏振敏感的。例如，wdm多路解复用器部件例如基于sin的dbr辅助式中阶梯光栅或其他信号分离器120可以呈现偏振相关滤波器功能。特别地，这样的wdm多路解复用器部件的滤波器功能可能将光的一个偏振比光的另一偏振更多地偏移，这可以导致接收器处的信道的串扰。例如，在500nmsin层中的基于sin的中阶梯光栅可以将1310nm波长信道的te偏振偏移38nm至也接收不同波长信道的tm偏振的输出引导，引起两个信道之间的串扰。在该示例中，te对tm的有效折射率可以相差大约0.052。在一些实施方式中，多路解复用器100的波长偏移可以至少部分地由自由空间平板传播区115的双折射引起。
因此，自由空间平板传播区115可以被配置成减小双折射率。在一些实施方式中，可以增加自由空间平板传播区115例如在任意限定的一组xyz坐标轴的y方向上的厚度以减小双折射率。自由空间平板传播区115的厚度可以指自由空间平板传播区115中的sin层厚度，其在本文中和附图中有时称为“平板厚度”。
如图2a所示，随着自由空间平板传播区115的厚度增加，te和tm的有效折射率变得彼此更接近，由此减小了双折射率。曲线205表示自由空间平板传播区115中的te0模式的有效折射率并且曲线210表示自由空间平板传播区115中的tm0模式的有效折射率，两者都是平板厚度的函数。图2b示出了随着自由空间平板传播区115的厚度增加的自由空间平板传播区115的双折射率。双折射率可以被定义为te和tm的有效折射率之间的差，其可以由以下等式表示：
b＝δη＝ηeff，te0-ηeff，tm0.
如图2b所示，双折射率b随着自由空间平板传播区115的厚度增加而减小。
图2c另外包括具有针对500nm和600nm的平板厚度的自由空间平板传播区115的各种te和tm有效折射率值(ηeff,te0，ηeff,tm0)的表。对于每个平板厚度，还提供了相应的双折射率(b)和波长偏移(δλ)。
图3a示出了具有由两个sio2层310界定的500nmsin层305的自由空间平板传播区的层视图300。层视图300可以是图1的多路解复用器100的侧视图。如上所述，图3a中示出的500nmsin层305的双折射率(b＝δη)为大约0.052。如结合图2c所讨论的，te有效折射率高于tm有效折射率。回到图3a，如围绕te和tm的椭圆所示，tm模式可以在y方向上比te模式更少地被限制。
图3b示出了具有sin层305(例如，第一平板波导)、延迟器层315(例如，第二平板波导)和间隔器层320(例如，第三覆盖平板)的自由空间平板传播区的层视图350。通常，延迟器层315可以与sin层305隔开预定距离。间隔器层320可以形成在延迟器层315与sin层305之间。延迟器层315和间隔器层320的厚度可以被配置成减小图3b所示的自由空间平板传播区的双折射率。延迟器层315可以包括si层并且间隔器层320可以包括sio2层。如图所示，tm模式可以比te模式更多地与延迟器层315交叠或以其他方式相互作用。为了增加tm有效折射率以更接近地匹配te有效折射率，可以调整间隔器层320和/或si延迟器层315的厚度。以该方式，可以通过调整间隔器层320和/或si延迟器层315的厚度来减小图3b的自由空间平板传播区的双折射率。在一些实施方式中，间隔器层和/或延迟器层的调整可能受到限定si层和sio2层的厚度的现有处理的限制。在一些处理中延迟器层和间隔器层的可能厚度对于减小双折射率可能不是最佳的。而且，改变那些允许制造最佳厚度的处理可能不是所期望的，原因是其可能增加成本并且可能影响硅光子电路中的其他器件。在一些实施方式中，如图3b所示，可以实现在自由空间平板区域中具有亚波长光栅的结构化si层以模拟延迟器层的特定有效折射率。这可以允许使用现有厚度的si层来产生可以低于硅的有效折射率的期望的有效折射率。对于给定的间隔器距离，可以将亚波长光栅的结构配置成可以被配置成减小双折射率。在一些实施方式中，si延迟器层315和间隔器层320的厚度被配置成使得得到的双折射率低于阈值双折射率值。在至少一个实施方式中，阈值双折射率值为0.1。在至少一个实施方式中，阈值双折射率值低于0.3。
图4a示出了根据本文中描述的至少一个实施方式布置的对于四种不同的偏振模式(te0s，tm0s，te0a，tm0a)作为厚度在50nm与180nm之间的延迟器厚度410、600nm的sin厚度、200nm的间隔器厚度的函数的有效折射率405的模拟的图表表示400。曲线415、420、425和430分别表示te0s模式、tm0s模式、te0a模式和tm0a模式的有效折射率。可以看出，在四种不同的偏振模式的折射率中，te0s模式(曲线415)具有最高的有效折射率而tm0a模式(曲线430)具有最低的有效折射率。
图4b示出了根据本文中描述的至少一个实施方式的作为厚度在50nm与160nm之间的延迟器厚度460、600nm的sin厚度和170nm、200nm和230nm的三种不同间隔器厚度的函数的基于波导的光学器件的双折射率455的模拟的图表表示450。曲线465、470和475分别表示针对170nm、200nm或230nm的平板厚度的双折射率。可以看出，对于600nm的sin厚度和170nm厚的间隔器(曲线465)，当延迟器厚度460为大约90nm时基于波导的光学器件的双折射率最接近于零。还可以看出，对于600nm的sin厚度和200nm厚的间隔器(曲线470)，当延迟器厚度为大约60nm厚并且还为大约110nm厚时基于波导的光学器件的双折射率近似为零。可以看出，对于600nm的sin厚度和230nm厚的间隔器(曲线475)，当延迟器厚度为大约60nm厚并且还为大约120nm厚时基于波导的光学器件的双折射率近似为零。
图5示出了根据本文中描述的至少一个实施方式布置的隔离的sin平板波导的te和tm偏振模态曲线505重叠积分的模拟的图表表示500。曲线515和520分别表示在有si和没有si的情况下的te模式的模态曲线，两者都作为以μm为单位的位置y的函数，位置y表示垂直于si光子电路的表面的方向(对于y轴的限定参见图3)。曲线525和530分别表示在有si和没有si的情况下的tm模式的模态曲线，两者都作为以μm为单位的y的函数。为了在将延迟器引入平板的情况下有效地激发te和tm偏振模式，与隔离的平板波导的重叠积分(没有si层的情况下)可以接近1，如图所示。
图6示出了根据本文中描述的至少一个实施方式布置的作为延迟器厚度610的函数的te和tm偏振模态曲线重叠积分605的模拟的图表表示600。如图所示，随着tm0s模式从sin层迁移到si层，tm0s-tm0重叠(曲线615)可以随着延迟器厚度的增加而减少。还示出，随着te0a模式进一步远离si层迁移，te0a-te0重叠(曲线620)增加。对于每个sin厚度和间隔器厚度，可以存在te和tm重叠相等的延迟器厚度。两条曲线615、620之间的交点指示由于从sin至具有延迟器的区域的模式的重叠引起的偏振相关损耗(pdl)为零的点。对于te和tm偏振可以实现<0.2db的重叠损耗。
图7是根据本文中描述的至少一个实施方式布置的作为延迟器厚度710和间隔器厚度715的函数的绝对双折射率|b|705的图表表示700。可以看出，对于通常在60-120nm之间的延迟器厚度710和通常在180-240nm之间的间隔器厚度715，绝对双折射率|b|705最小化。
图8是根据本文中描述的至少一个实施方式布置的作为延迟器厚度810和间隔器厚度815的函数的te和tm重叠805的图表表示800。te和tm重叠在1处或接近1时最高。可以看出，当间隔器厚度通常在200-250nm之间并且延迟器厚度在130-190nm之间时te重叠在1处或接近1。可以看出，当间隔器厚度在50-250nm之间并且延迟器厚度在60-100nm之间时tm重叠在1处或接近1。
图9是根据本文中描述的至少一个实施方式布置的作为延迟器厚度910和间隔器厚度915的函数的绝对pdl905的图表表示900。对于每个延迟器厚度，可以存在te和tm重叠相等(例如，pdl＝0)的延迟器厚度。可以看出，当延迟器厚度通常在130-160nm之间并且间隔器厚度通常在50-90nm之间时pdl几乎等于0。可以看出，当间隔器厚度通常在120-150nm之间并且延迟器厚度通常在90-160nm之间时pdl几乎等于0。可以进一步看出，当间隔器厚度通常在100-120nm之间并且延迟器厚度通常在160-250nm之间时pdl几乎等于0。
图10a是根据本文中描述的至少一个实施方式的延迟器1010和间隔器1015几何配置的可能参数的图表表示1000。在双折射率接近于0的情况下延迟器和间隔器的可能几何配置可以更好。如图所示，箭头表示双折射率减小的方向。双折射率可以与波长偏移有关。例如，当tm相对于te的波长偏移接近0时，双折射率也可以是低的。还可以看出，在曲线1020与1025之间产生的边界表示低(例如，低于1)的波长偏移1005。如图所示，可能几何配置可以使用由深蓝色线界定的“u”形带限定的任何间隔器厚度和延迟器厚度，该深蓝线在180-185nm间隔器厚度与70nm延迟器厚度之间开始，其中间隔器厚度随着延迟器厚度增加而减少直到延迟器厚度为大约90nm并且间隔器厚度在177-174nm之间，并且然后从那点开始，间隔器厚度随着延迟器厚度的增加而增加直到延迟器厚度为大约120nm并且间隔器厚度在194-199nm之间。
图10b是根据本文中描述的至少一个实施方式的延迟器1010和间隔器1015几何配置的可能参数的图表表示1050。可以看出，图10b示出了比图10a中所示的更高厚度的延迟器1010和间隔器1015的几何配置。
图11a是根据本文中描述的至少一个实施方式布置的被配置成减小基于波导的光学器件中的双折射率的亚波长光栅结构1100。对于具有亚波长周期性的周期性介质，可以抑制衍射效应并且得到的周期性介质可以表现得类似于有效的同质介质。周期性介质可以具有不同介电材料的交替层。可以看出，第一材料1105为灰色并且第二材料1110为白色。可以相对于与周期性介质相互作用的波以亚波长周期周期性地重复每个材料。不同的材料可以分别具有不同的有效折射率η1和η2。在示例中，通过改变占空比f1＝a/λ，其中a是每层的厚度并且λ是两个相同层之间的距离，可以在得到的周期性介质中获得任何有效折射率。在一些实施方式中，有效折射率可以在1.45(二氧化硅)与3.5(硅)之间。
图11b是作为占空比1160的函数的有效折射率1155的图表表示1150。曲线1165表示平行有效折射率并且可以基于以下等式导出：
图12a是根据本文中描述的至少一个实施方式布置的有效延迟器折射率1205的图表表示1200。示出的是针对n延迟器的不同值的平板结构模态曲线和有效折射率，n延迟器可以通过改变硅的结构来调整。针于n延迟＝2.57，相应的延迟器层厚度1210为大约165nm。如上面结合图10所讨论的，延迟器的可能几何配置是90nm厚，其可以使用一些制造工艺和工具来制造。回到图12a，延迟器的165nm的厚度可以与其他制造工艺和工具兼容。类似地，210nm的相应间隔器厚度1215可以与一些制造工艺和工具兼容。使用亚波长光栅结构来减小延迟器的有效折射率，得到的具有分别为165nm和210nm的延迟器厚度和层厚度的pic可以具有与不使用亚波长光栅结构并且具有分别为90nm和175nm的延迟器厚度和层厚度的pic相似的双折射率减小能力。如图所示，箭头表示减小双折射率的方向。还可以看出，在曲线1220与1225之间的边界表示低abs(tm波长偏移)。亚波长光栅结构(参见图11a)可以被设置在例如si延迟器层中。
图12b是根据本文中描述的至少一个实施方式的te和tm波长的差(即，波长偏移δλ)的绝对值的图表表示1250。在使δλ的绝对值最小化的情况下对于延迟器1210和间隔器1215的可能几何配置可以更好。如图所示，箭头表示减小双折射率的方向。还可以看出，在曲线1230与1235之间的边界表示δλ的低(例如，低于3.3)的绝对值。如图所示，可能几何配置可以使用通过由在大约209-212nm间隔器厚度与163-166nm延迟器厚度之间界定的深蓝色“菱形”形状限定的任何间隔器厚度和延迟器厚度。
图13a是根据本文中描述的至少一个实施方式的亚波长光栅结构的te模式的重叠损耗1305的图表表示1300。可以看出，亚波长光栅结构的te模式的重叠损耗1305可以为大约1db。在至少一个实施方式中，可以用诸如具有swg结构的锥形波导的过渡结构来减少重叠损耗。如图所示，te模式的重叠损耗1305在140nm厚的延迟器1310和190nm厚的间隔器1315处最小。te模式的重叠损耗可以随着延迟器厚度增加而增加。te模式的重叠损耗可以随着延迟器厚度1310和间隔器厚度1315两者的增加而增加。
图13b是亚波长光栅结构的te模式的重叠损耗的图表表示1300。
关于本文中对基本上任何复数和/或单数术语的使用，只要对于上下文和/或应用是适当的，本领域技术人员可以从复数转化为单数和/或从单数转化为复数。为了清楚起见，本文中可以明确地阐述各种单数/复数置换。
本发明可以在不脱离其精神或必要特征的情况下以其他特定形式来实施。所描述的实施方式在所有方面仅被认为是说明性的而不是限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求而不是前面的描述指示。落入权利要求的等同意义和等同范围内的所有变化被包含在权利要求的范围内。