多模干涉器件以及用于操作光信号的方法
【技术领域】
[0001] 本发明一般地设及光学器件，更具体地设及用于传播和操作光信号的多模干设 (MMI)器件。
【背景技术】
[0002] 在光通信中，可W在光载波内复用光信号的波长和偏振。电信网络越来越着眼于 灵活性和可配置性，运要求用于光通信的光子集成电路（PIC)的功能性的提高W及小型化 的器件。基于多模干设（MMI)的光学器件具有大的带宽、偏振不敏感性W及高的制造公差。
[0003] 对于一些应用，期望使操作光信号的MMI器件的长度最小化。例如，在一个MMI器 件中，诸如1叫xGaxASyPiy(成分y= 0. 4)的铜嫁神憐（InGaAs巧忍被布置在憐化铜（InP) 基板和上侧覆层之间。
[0004] 由于忍具有高折射率，光信号集中在忍内。具有相对低的折射率的覆层沿着器件 的深度引导光信号。MMI器件的长度L要求短的和长的波长的拍长的连续的重复次数。拍 长是偏振旋转360度所需的长度。
[0005]例如，
[0006]
( 1 )
[0007] 其中，王I和zj分别是波长λι和λ 2处的拍长，Μ是整数。对于宽度W的MMI器 件，在波长λ处，，对于W = 8μπι的典型的1.27/1.29 μm波长分割器长度L大 于5mm。
[000引但是，40/100GW太网的波长分隔典型地为20皿或更小。在小型器件中对W类似 的波长进行振荡的光信号进行合成和分离是具有挑战性的。
[0009]例如，在Yao等人的OpticsExpress20p. 18248，（2012)中描述了一种基于MMI 的波长分割器/合成器。但是，为了该器件的工作，波长分隔必须非常大（诸如1.3um和 1. 55um)。Jiao等人的IE邸J.如antumElectronics,Vol. 42,No. 3,P. 266(2006)描述了 另一个光学操纵器。但是，由该操纵器使用的方法仅应用于光子晶体，并且运样的操纵器难 W制造。在U.S. 7, 349, 628中描述的另一个方法使用外部控制信号来对光信号进行复用或 者解复用，运对于一些应用而言并不合适。
[0010] 需用操作具有多个波长或偏振的光信号的同时减小光学器件的长度和制造复杂 度。
【发明内容】
[0011] 本发明的各种实施方式基于W下的认识：不同波长或偏振的光信号不同程度地受 到光学器件中的1个阶段（step)的折射率的变化的影响。信号对单一阶段的折射率的响 应一般不足W提供所期望的信号操作（诸如合成或者分割不同波长的信号）。多折射率阶 段可W共同地实现所期望的效果。
[0012] 因此，本发明的一些实施方式通过MMI器件内的非均匀的折射率分布使用多模干 设（MMI)来操作光信号。通常，针对诸如合成或者分割具有预定波长的信号运样的特定任 务，选择非均匀的折射率分布。一些实施方式使用优化技术W确定特定任务（例如合成多 个波长）的非均匀的折射率分布。
[0013] 根据本发明的各种实施方式的MMI器件包括补块，该补块在MMI器件内布置成非 均匀的（即不规则的）图案。与均匀的图案相对，非均匀的图案中的补块并非均匀地隔开。 每个补块形成折射率的阶段，由此非均匀的补块图案导致MMI器件内的非均匀的折射率分 布。在一个实施方式中，补块具有不同的尺寸，但是具有相同的形状（例如矩形形状）和厚 度。此外，补块可W被布置在MMI器件内的相同的深度处，并且由具有相同折射率的材料形 成。在可替代的实施方式中，补块在图案、间隔、形状、大小、材料、厚度或者深度上不同。
[0014] 本发明的一些实施方式基于W下另外的认识：除了或者代替使用非均匀的补块图 案，可W使用具有非均匀的形状的较少数量的补块W提供MMI器件内的非均匀的折射率分 布。如运里所使用的那样，由不同类型的几何基元的组合来形成非均匀的补块形状。例如， 非均匀的形状可W由包括具有非零曲率的至少一条曲线的多条曲线的相交形成。在不同的 实施方式中，相交的曲线可W具有不同的曲率和/或类型。一般的，多条曲线包括W非平角 相交的曲线对。在一些情况下，非均匀的形状可W简化MMI器件的制造和/或进一步减小 其长度。
[0015] 因此，一个实施方式公开了一种多模干设（MMI)器件，包括：基板层；忍层，布置在 基板层上，用于传播光信号；W及覆层，布置在忍层上，用于引导光信号，其中，所述MMI器 件包括补块，该补块具有由多条曲线的相交形成的非均匀的形状，并在MMI器件内形成非 均匀的折射率分布，其中，所述多条曲线包括至少一条具有非零曲率的曲线。
[0016] 另一个实施方式公开了一种用于由多模干设（MMI)器件根据预定的任务操作光 信号的方法。该方法包括：确定在MMI器件内形成非均匀的折射率分布的非均匀的补块图 案，W使得非均匀的补块图案根据预定的任务操作光信号，其中非均匀的补块图案包括具 有由多条曲线的相交而形成的非均匀的形状的补块，其中所述多条曲线中的至少两条曲线 具有不同的曲率；并且制造具有非均匀的补块图案的MMI器件。
【附图说明】
[0017] 图1是根据本发明的一个实施方式的示意性的多模干设（MMI)器件的等角视图。
[0018] 图2是根据本发明的一个实施方式的包括非均匀的补块（patch)图案的MMI器件 的横截面。
[0019] 图3是图2的器件的非均匀的折射率分布的俯视图。
[0020] 图4A和图4B是根据本发明的各种实施方式的图1的器件的俯视图。
[0021] 图5是根据本发明的一个实施方式的用于确定非均匀的补块图案的方法的框图。
[0022] 图6是根据本发明的一个实施方式的MMI器件横截面。
[0023] 图7是根据本发明的另一个实施方式的MMI器件的横截面。
[0024] 图8是根据本发明的又一个实施方式的MMI器件的横截面。
[00巧]图9是根据本发明的又一个实施方式的MMI器件的横截面。
[0026] 图10、11和12是根据本发明不同的实施方式的包括非均匀的形状的补块的器件 的俯视图。
【具体实施方式】
[0027]图1示出了根据本发明的一个实施方式的、根据预定的任务操作光信号的示意性 的多模干设（MMI)器件100的等角视图。
[002引如W下所描述的那样，MMI器件可W被实施为具有基板、忍W及覆层运些层的外延 生长构造。例如，在一个实施方式中，MMI器件是憐化铜（InP)/铜嫁神憐（InGaAs巧构造， 其包括1吐基板、具有例如与1吐60%晶格匹配的43成分的1祐曰43?忍层^及1吐覆层。 在另一个实施方式中，MMI器件可W包括神化嫁（GaAs)/神化侣嫁（AlGaAs)。其它变形也 是可W的且在本发明的实施方式的范围内。
[0029]例如，匪I器件100包括：基板层（例如InP层101);忍层，（例如InGaAsP层10。， 生长在基板层上，用于传播光信号；W及覆层（例如InP层103)，生长在忍层上，用于引导 光信号。
[0030] 匪I器件100包括：输入波导110,用于输入光信号120;输出波导130和135,用于 输出两个信号。在一个实施方式中，光信号包括不同波长的两个信号。例如，光信号包括具 有第一波长λ1的第一信号W及具有第二波长λ2的第二信号。在该实施方式中，预定的任 务包括将光信号分割成第一信号和第二信号。
[0031] 在各实施方式之间预定的任务不同。例如，在一个实施方式中，预定的任务包括将 多个信号合成为一个信号。在另一个实施方式中，预定的任务包括基于信号的偏振来合成 或者分割多个信号。而且，在各种实施方式中，信号的波长和/或偏振可W不同。
[0032] 发明的各种实施方式基于W下的认识：不同波长或偏振的信号不同程度地受到变 化（例如光学操作器中的折射率的阶段）的影响。针对单一折射率变化的信号的响应通常 不足W提供所希望的信号操作，诸如合成或者分割不同波长的信号。但是，多个折射率阶段 可W共同地实现所希望的效果。因此，在各种实施方式中，ΜΜΙ器件包括在ΜΜΙ器件内形成 非均匀的折射率分布的非均匀的补块图案。
[003引图2示出了包括非均匀的补块图案的匪I器件200的横截面。在该例子中，忍层 202是ΙηΡ基板201和ΙηΡ覆层203之间的1叫xGaxASyPiy(y= 0. 4)。光信号集中在忍层 中，该忍层具有比覆层的折射率更高的折射率。覆层的较低的折射率用于支持沿着MMI器 件的深度传播光信号。
[0034] 在该实施方式中，InixGaxASyPiy是四元材料，其中x(从0至1)是Ga的部分，