具有用于监控2×1光开关断开状态的集成光电二极管的2×1mmi的设备及方法
【专利说明】具有用于监控2 X 1光开关断开状态的集成光电二极管的2 X1MMI的设备及方法
[0001 ]本申请要求享有2014年4月4日提交的名为“具有用于监控2 X I光开关断开状态的集成光电二极管的2 X IMMI的设备及方法”的美国非临时申请N0.14/245，481的权益，该申请据此通过引用结合在本申请中。
技术领域
[0002]本发明涉及光开关，并且在具体实施例中，涉及具有用于监控2X1光开关断开状态的集成光电二极管的2X1多模干涉仪(MMI)的设备及方法。
【背景技术】
[0003]在电信领域，硅纳米线光波导被用作光子器件的平台，例如，相干接收器的平台。大型开关矩阵被视为该技术的一项应用，但为了实现可行的产品，仍存在一些技术挑战。这些挑战包括插入损耗、消光比和闭环开关控制。此外，硅纳米线平台中的锗光检测器已经达到成熟的水平，使多项目晶片成为可能。这样的发展使监控器光电二极管能够集成到开关矩阵中。输出光路中的功率分接头(power tap)与紧随其后的波导光电二极管结合能够对开关单元进行闭环操作。然而，功率分接头会导致插入损耗，随着多个切换阶段，会累积大量的插入损耗。需要一种具有低插入损耗的改进的2 X IMMI耦合器。
【发明内容】
[0004]根据一个实施例，光开关包括:2XI多模干涉仪(MMI)耦合器，其包括共同耦合到输出波导的两个输入波导；以及光检测器，耦合到所述输入波导中的第一波导的边缘并紧邻所述输出波导的一侧设置。
[0005]根据另一个实施例，光学芯片包括两个彼此平行的输入波导，以及与所述两个输入波导耦合的输出波导。所述光学芯片进一步包括耦合到所述两个输入波导中的第一波导并紧邻所述输出波导设置的光检测器，以及从所述第一波导延伸到所述光检测器中的分支波导。
[0006]根据再一个实施例，制造光开关的方法，所述方法包括使用光刻工艺在基板上形成包括共同耦合到输出波导的两个输入波导的2 X IMMI耦合器，以及形成邻近所述输入波导中的第一波导的边缘并紧邻所述输出波导的一侧的光检测器。
[0007]以上非常宽泛地概述了本发明实施例的特征，以便可以更好地理解下文对本发明的详细描述。本发明实施例的附加特征和优点将在下文进行描述，其构成本发明权利要求的主题。本领域技术人员应理解，所公开的概念和具体实施例可以容易地用作修改或设计用于实施本发明相同目的的其他结构或过程的基础。本领域技术人员还应认识到，这种等效构造并不偏离所附权利要求中所述的本发明的精神和范围。
【附图说明】
[0008]为了更完整的理解本发明及其优点，现结合附图进行以下描述，其中
[0009]图1显示了一个2 X IMMI耦合器；
[0010]图2显示了图1中的2ΧβΜΙ耦合器的通过状态(同相输入)；
[0011]图3显示了图1中的2XIMMI耦合器的阻断状态(异相输入)；
[0012]图4显示了具有集成检测器的改进的2X IMMI耦合器的一实施例；
[0013]图5显示了图4中的改进的2XIMMI耦合器的通过状态(同相输入)；
[0014]图6显示了图4中的改进的2XIMMI耦合器的阻断状态(异相输入)；
[0015]图7显示了具有集成检测器的改进的2X IMMI耦合器的另一实施例；
[0016]图8显示了图7中的改进的2XIMMI耦合器的通过状态(同相输入)；
[0017]图9显示了图7中的改进的2XIMMI耦合器的阻断状态(异相输入)；
[0018]图10是制造具有集成检测器的改进的2X IMMI耦合器的一实施例方法的流程图。
[0019]不同图中的相同数字和符号通常是指相同的部件，除非另有指明。绘制各图以清楚说明实施例的相关方面，各图不一定按比例绘制。
【具体实施方式】
[0020]下面对目前优选实施例的制造和使用进行详细讨论。但应理解的是，本发明提供了许多可应用的发明构思，其可以体现在各种特定的环境中。所讨论的具体实施例仅是为了说明制造和使用本发明的具体方式，并不限制本发明的范围。
[0021]图1显示了一个可用于开关装置的2X1开关100单元的设计。该2X1开关单元在本文中也被称为2 X I多模干涉仪(MMI)耦合器。例如，该2 X IMMI耦合器100可用于旨在减少串扰的开关拓扑中，也被称为“路由和选择”开关。该开关在其前半部分(“路由”这一半)中使用1X2开关单元，在其后半部分(“选择”这一半)中使用2X I开关单元。所述2X IMMI耦合器100包括两个输入波导110，它们在接合点115处结合成I个输出波导120，接合点115在本文中也被称为“盒”。为了将光学检测器(或光检测器)包括在2 X IMMI耦合器100中，以前使用的一个策略是将2X2单元耦合到2X1开关单元的输入波导110，并将一个检测器(如光电二极管)包含在所述2 X 1丽1耦合器100的“转储(dump)”端口中(如分接到输出波导120)。所述2X2单元允许将光信号切换到“阻断”状态，另一状态为输出光的“穿过”或“通过”状态。因此，可以使用互补的光信号建立一个控制回路。但是，由于其固有的不对称性，2X2耦合器比2 X I耦合器更难以设计和制造。
[0022]图2显示了2X IMMI耦合器100的通过状态。在该通过状态下，在耦合器200的相应输入波导110中的光输入是同相的。在此情况下，输入在输出波导120中有效结合，而没有实质性的能量损耗。图3显示了2X IMMI耦合器100的阻断状态(异相输入)，其中两个光输入是异相的。在此情况下，在接合点或盒115处存在明显的光散射。虽然有些光穿过输出波导120，但是存在大量的光能量从盒115的两侧向耦合器100的外部散射或辐射，如图所示。由于这种散射损耗，输出波导120中的输出光的能量显著降低。当通过分接输出而监测输出光的一部分时，这会影响阻断状态的检测精度，如前文所述。阻断状态在本文中也称为断开状
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[0023]本文提供了具有用于监控断开状态的集成光电二极管的改进的2X I开关单元设计的实施例。本文使用的术语检测器、光检测器和光电二极管可互换，用于指芯片上的集成光学检测器。图4显示了具有集成检测器的改进的2X IMMI耦合器400的一个实施例。耦合器400可在基板上由硅和/或其他合适的材料，例如其他半导体或介电材料制成。例如，使用绝缘体上娃(silicon on insulator，SOI)技术，親合器可以包括娃芯，娃芯被娃基板或介电载体顶部的二氧化硅侧部/顶部/底部包覆层围绕。该设计包括将一个或两个检测器430(例如锗光电二极管)与2 X IMMI耦合器400集成。
[0024]在一实施例中，每个检测器430从耦合器接合点或盒415的端部沿着输出波导420的长度并靠近输出波导420延伸，如图所示。在此情况下，检测器430形成在与耦合器相同的平面上。盒415的横向尺寸(相对于光传播方向)可明显宽于输出波导420的横向尺寸。一个或多个检测器430从输出波导420所处的盒415的中心偏移。吸收检测器430可以精心设计(例如通过选择尺寸和材料)以减少(从检测器430的)背向反射，否则背向反射会在阻断状态(断开状态)发生。例如，检测器430的横向尺寸明显大于相应的输入波导410和检测器430之间的接口的横向尺寸，如图所示。这可以提高接口处的耦合效率。进一步地，面对输出波导420侧的检测器430的一侧逐渐变细，以使两侧之间的间隔沿输出波导420长度增加，如图所示。这一形状可以防止在输出波导420中传播的光在通过状态下泄露到检测器430中。虽然两个检测器430显示在盒415的两侧，但是在另一实施例中，也可仅在盒415的一侧使用一个检测器430。但是，使用两个检测器430可以减少损耗和改进检测。
[0025]在另一个实施例中，检测器430(例如，作为锗结构)形成在与耦合器接合点或盒415接触的硅延伸层的顶部。在此情况下，检测器430形成在耦合器平面上方。因此，检测器430是硅层上的包覆层，用于吸收硅层中的从各自的输入波导110传播的光。
[0026]图5显示了一个改进的2XIMMI耦合器400的通过状态。在该通过状态下，在耦合器400的相应输入波导410中的光输入是同相的。如果检测器430被精心设计(以使背向反射最小化)，则所述输入在输出波导420中有效地结合，没有实质性的能量损耗。图3显示了2 XIMMI耦合器400的阻断状态，其中所述两个光输入是异相的。在此情况下，在盒415处散射的光被吸收到盒415的相应侧的各检测器430中。因此，散射