波向量匹配的谐振器及总线波导系统

摘要

一种光学设备，包括：折射率是的n

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学设备，该光学设备相对于耦合至一个或多个纳米/ 微光子谐振器的总线波导具有低至中等的折射率，用于光通信，尤其用于波 分复用（WDM）技术。

背景技术

被称为WDM的波分复用是用于通过允许多数据信道通过单光纤传输 线传输，来增加光纤通信系统的传输容量的技术。

该技术的不同实施已经被报导。图1中所示的最普遍的方法依赖于分别 调制的并且由多路器结合至单信道的多个波长激光器。Fang等人（光学快报 2008，卷16,4413页）提出了使用硅技术来实施25个分布式反馈激光器，集 成地耦合至以40Gb/s操作的25个调制器并且共同复用至单波导来形成波分 复用1Tb/s数据流。这种方法的问题是WDM设备的不同组件之间的接口生 成大量的使源（一个或多个）不稳定的背反射。此外，这种方法的复杂性导 致了极其严格的制造公差，这在实践中是难以实现的。

基于具有一系列附加至硅总线波导的典型谐振波长的可调环形谐振器 的另一种方法已经由Dong（光学快报，2010，卷18,9852页）通过使用热可 重构微环谐振器以及由Xu（光学快报，2006，卷14,9430页）通过使用在连 接至PIN结点的微谐振器中的载波注入证明。该技术允许了在基于单硅设备 中的光滤波、调制和复用的组合。然而，由于在两种材料之间的折射率的失 配，硅波导的使用使得设备与光纤的集成相对地复杂和低效。

US6411752描述了在交叉栅波导结构上具有一系列垂直耦合的光环形 谐振器设备的波长调制器装置。谐振器垂直地耦合在总线波导的顶部并且通 过缓冲层与波导分离。谐振在耦合至环形的光与经过总线波导的光干扰时发 生。在US6411752中描述的调制器具有的问题是，其需要满足严格的波向 量（被定义为|k|=2Π/λ，方向为垂直于波前）的匹配条件，该匹配条件限制 了对总线波导和环形谐振器的材料的选择。这些阻止了大部分用于低插入损 耗操作的有前景的配置的使用，例如基于玻璃的总线波导和硅环形谐振器。

光斑尺寸转换器是目前最流行的对于在不同尺度、成分和折射率的波导 之间耦合的普遍问题的解决方案[举例参看US5199092]。该技术需要待解决 的波导的一个或二者的锥状化来得到在失配模之间的过渡。锥形，尤其是尖 端的制造是有挑战性的。虽然这种方法在理想情况下表现良好[光学快报 11,2927-2939（2003）]；通常，每个接口1.5-2dB的损耗被报导。其它的问 题是高性能平版印刷技术被需求来制造转换器，并且由于累积损耗，可以被 级联（cascade）的设备的数量是有限的。

发明内容

根据本发明，提供了一种用在光通信中的光学设备，包括：波导，该波 导的折射率是n_a，用于携带一个波长的至少一个模（mode）；以及至少一个 谐振器，该至少一个谐振器具有谐振波长，其中所述谐振器具有小于谐振波 长的10³倍的模体积（mode volume）；其中，在使用中所述波导中的光垂直 地耦合于所述至少一个谐振器，并且所述波导和所述谐振器（一个或多个） 被适配，从而在所述谐振器的至少一个模和所述波导的至少一个模之间的波 向量匹配被实现。

谐振器（一个或多个）可以在折射率是不等于na的n_b的层中，并且该 设备还包括：折射率为n_c的势垒层，其中n_c＜n_a且n_c＜n_b；以及折射率是n_d＜n_b的衬底，其中谐振器层在所述势垒层和所述衬底之间，并且所述波导在 所述势垒层的顶部并且与所述谐振器（一个或多个）对齐，从而允许了在波 导和谐振器（一个或多个）之间的光耦合。所述下方覆层可以具有不均匀的 厚度和/或不均匀的成分。所述势垒层可以具有不均匀的厚度。

所述波导可以是单模波导或多模波导。

谐振器（一个或多个）携带一个或多个模，其中在该一个或多个模中， 至少一个空腔模在空间上与通过所述波导传播的至少一个模重叠，从而允许 光耦合从所述波导至所述谐振器。

所述设备可以具有N个波长特定谐振器，从而能够作为N阶滤波器来 操作。

至少一个谐振器可以被嵌入在PIN节点内形成谐振器-调制器。所述至 少一个谐振器-调制器可以是电吸收调制器。

多个谐振器可以被耦合在一起以形成作为具有“平顶（flat-top）”光谱 响应的光延迟线的波导。

所述至少一个谐振器可以被适配为提供在谐振频率的两个退化谐振。

所述波导可以是介质波导或聚合物波导。所述波导可以由玻璃制成，例 如氮氧化硅或TRIPLEX或HYDEX波导。

所述谐振器可以选自广泛范围的设备，例如光子晶体缺陷空腔、离子 （plasmonic）结构、纳米天线或开口环。

所述光子晶体可以由氮化硅或者诸如磷化铟、砷化镓、氮化镓或磷化铟 镓的III-V半导体材料制成。

当所述谐振器是光子晶体时，谐振器可以具有经设计的模色散 （engineered mode dispersion），从而使得所述谐振器内的光路径在给定的波 长间隔上是连续的。

当所述谐振器是光子晶体时，所述至少一个谐振器可以被掺杂有具有对 应于被掺杂的谐振器的谐振波长的吸收带的材料，其中耦合至空腔的谐振模 激发光生载波（photogenerated carrier）。

所述谐振器可以由硅/锗多层制成。

光布置可以是：在使用中所述波导中的光被垂直地耦合至所述至少一个 谐振器。

所述设备可以具有多个谐振器，每个谐振处于不同波长。调制器可以与 每个谐振器相关联。调制器可以被操作来改变与其相关联的谐振器的谐振波 长。

附图说明

本发明的多个方面将参照附图以仅为示例的方式被表述，其中，

图2示出了被简化的WDM调制器设备的分解视图；

图3示出了图2中的WDM调制器的横截面视图；

图4示出了表现WDM设备与光纤和光检测布置一同使用的原理图；

图5示出了表现设备的操作原理的原理图；

图6示出了耦合至聚合物波导并且使用集成的PIN二极管调谐的光子晶 体空腔调制器的实验传输耦合响应；

图7示出了示例谐振器的模型轮廓（a），对应的k-空间分布（b）以及 总线波导的k-空间分布（c）；

图8示出了（a）与波导k-空间重叠的谐振器的k-空间区域的特写以及 （b）当不同的总线波导被使用时的模拟耦合响应（3D时域有限差分）；

图9示出了耦合至标称等同光子晶体空腔的不同总线波导（具有不同的 有效折射率）的实验传输曲线响应；

图10示出了具有沿着x方向xh间隔的内孔和沿着y方向yh间隔的内 孔的标准六边PhC晶格；

图11示出了波向量空间强度轮廓；

图12示出了测得的PhC空腔的基模的消减比（extinction ratio），作为 在yh的变化（以百分比）的函数；

图13示出了（a）传统空腔和（b）白光空腔的传输频谱；

图14示出了作为频率可选光检测器操作的WDM调制器设备的横截面 视图；以及

图15示出了基于耦合至总线波导的金属结构的谐振器的横截面。

具体实施方式

图2和3示意了WDM调制器设备6。该设备具有折射率是n_a的总线波 导24，整体地与光子晶体装配10集成。该光子晶体装配10具有由折射率是 n_b的材料制成并且被放置在折射率是n_d的衬底层14和折射率是n_c的势垒介 电层16之间的光子晶体板12。该光子晶体板12具有由一系列缺陷空腔中断 而形成规则晶格的气孔20的网络。

每个谐振器由光子晶体中的结构缺陷建立，从而形成集中在缺陷区域的 光模。空腔模的模体积足够小来生成宽阔的波向量分布，导致了与波导的耦 合的增加。尤其是，每个空腔的模体积小于波长的10³倍，其中该波长是空 腔的谐振波长。每个缺陷空腔是具有谐振条件的光谐振器，该谐振条件由缺 陷空腔的尺寸来指示。根据特定的应用，设备中的每个谐振器可以被设计为 具有唯一的谐振波长。只有处于谐振频率的波导模耦合于空腔时执行滤波功 能。

每个谐振器被嵌入在光子晶体板12的P掺杂区26和N掺杂区28之间 以形成谐振调制器22（为了清晰在图2中只示出了一个）。每个谐振器-解调 器可以通过分别地改变施加至与其关联的P和N掺杂区26和28的电压来被 单独地控制。因此在波导中的不同光的波长可以通过使用谐振器解调器而被 单独地和分别地调制，波导中的每个光波长匹配于一个谐振器解调器。这一 点将在随后详细地描述。

总线波导24沿着光子晶体10的长度轴延展，并且被放置在势垒层的顶 部从而垂直于一系列缺陷空腔18排列。势垒层的厚度形状可以是多变的以 促进或抑制波导和WDM设备中的不同部分的缺陷空腔之间的耦合。折射率 n_a、n_b、n_c和n_d的相对值被选择以促进通过总线波导24传播的至少一个模和 通过出现在光子晶体板12上的谐振空腔18传播的一系列模之间的垂直倏逝 耦合。这在下列条件组被满足时被典型地实现： {n_c＜n_a,n_c＜n_b,n_b≠n_a,n_d＜n_b}。在大多数情况中，使用的材料具有n_b＞ 1.8。

如图4所示，图2和3中的WDM调制器设备6可以被用在内联（in-line） 调制配置中。在这里，光缆被用于将光传输至设备。使用WDM调制器设备 来将光滤波和调制，并且接下来通过另一个光缆被传输至内联波长可选的光 电探测器。

图5示出了设备的操作原理。这是在不同的时间沿着波导传播的多波长 信号的示意图表示。在这种情况中，设备具有处于λ2和λ3谐振的两个谐振 器。

在时间t1时，由具有λ1、λ2、λ3波长的三个波代表的多波长信号被耦 合至波导。该波导运载由模传播向量k=2πn_eff/λ₀定义的单模，其中λ₀是真空 波长，并且n_eff是波导在该波长的有效折射率。信号经由全内反射生成在势 垒层延展的倏逝场在波导中传输。

在时间t2时，多波长信号经过第一缺陷空腔谐振器。通过空腔传播的 模的倏逝尾延展至势垒层，导致在波导模和空腔模之间的倏逝耦合。第一缺 陷空腔谐振器被设计为在λ2谐振，引起了信号的λ2分量与缺陷空腔谐振器 的自发耦合。

通过在PIN节点两端施加电压来实现信号调制。这通过载波离子色散效 应生成了穿过缺陷空腔的调整空腔的折射率和谐振波长的电流。当空腔偏谐 振时，分量不被影响地经过空腔的λ2。因此，通过改变施加至PIN节点的电 压，λ2光可以被可选地调制。图6示出了对此的实验数据。可选地，可以通 过使用形成在嵌入在偏置PIN节点内的硅/锗多层23中的缺陷空腔谐振器来 实现调制。穿过PIN节点的场的生成改变了硅/锗多层的吸收带。通过改变 穿过PIN节点的场，谐振器可以作为电吸收调制器被操作。

在时间t4时，经过第二缺陷空腔谐振器的多波长信号具有谐振波长λ3， 引起了信号的λ3分量的耦合和调制。在时间t5时，在λ3的被调制的模耦合 回波导。因此，在波导输出处的光被波分复用，该光具有被调制来运载不同 的数据/信息的不同波长。

同时，两个谐振器被示出，可以理解的是，图5中所示的操作的基本原 理可以被延展至N个缺陷空腔谐振器，其主要限制是谐振器的自由频谱范 围。在很多情况中，单模光子晶体空腔会被用于给出超过500nm的自由频谱 范围，从而提供极大数量的WDM信道。

在波导和空腔模之间的耦合强度由重叠的空间模以及在两个模之间匹 配的波向量来决定。空间重叠由势垒层的厚度以及缺陷空腔谐振器的设计来 控制。在波导和空腔模之间的倏逝耦合发生在势垒层。因此，势垒层的厚度 控制了在两个模的倏逝尾之间的重叠程度[光学快报30，1476-1478（2005）]。

图7（a）示出了示例谐振器的模轮廓。缺陷空腔谐振器被设计为具有多 达谐振波长的10³倍的模体积。参看图7b，由于这种强空间限制，被支持的 模具有宽波向量空间（宽动量分布）。为了实现在空腔模和总线波导之间的 耦合，在二者之间必须有k-空间重叠（参见图7c中的相对应的波向量空间）。

图8a示出了空腔的波向量空间与两个不同的被标记（A和B）的波导 的波向量的重叠区域的特写。参看曲线A，通过适当地选择总线波导有效折 射率，存在导致与空腔强烈耦合的强重叠。曲线B示出的是，由于在图8a 中显示的k-空间轮廓的复杂度，在总线波导的n_eff中的相对小变化可以显著 地改变重叠，从而降低了耦合效率。当前的制造技术可以将总线波导的n_eff控制在必要容差内。图9示出了该点的实验演示。在这种情况中，空腔表现 出了具有不同谐振频率和波向量分布的两种模。通过改变波导n_eff，与两个 模的耦合可以大幅度地改变。

图10-12示出了光子晶体空腔可以被设计以使得空腔模表现适于匹配特 定波导的波向量空间的波向量空间的示例。

图10示出了具有沿着x方向间隔的xh的内孔和沿着y方向yh间隔的 内孔的标准PhC晶格。通过扭曲/挤压/拉伸标准（六边）光子晶体晶格，波 向量空间可以被用于在期望区域中发展更高的强度，实现改善的耦合。

通过使用具有内孔的六边晶格（间隔在接下来邻近的孔之间），其中等 于晶格周期a的内孔间隔作为起始点，可以通过以x方向拉伸/挤压晶格和/ 或以y方向拉伸/挤压晶格来扭曲六边晶格。在x方向中，内孔距离x_h从其 原始值a改变为更高或更小值和/或根据解析公式改变。同样地，在y方向中， 垂直内孔间距y_h从其原始值（sqrt（3）/2）*a改变为更高或更小值和/或根 据解析公式改变。因此，模分布由于在光子晶体带结构中的变化和其在不同 方向的渗透深度而间接地变化；和/或由于与某些孔的模交互而直接地变化。 这允许了耦合至不同类型的光子晶体空腔实现改善的参数（例如自由频谱范 围和Q因子）选择的灵活性。

特定光子晶体空腔的耦合效率可以被调谐/校正而不会强烈地影响空腔 设计或甚至切换至不同类型的空腔。设计空腔k-空间的可替换方法是在空腔 中引进槽，类似于[应用物理快报94,063503（2009），其内容通过引用合并 于此]中所实施的和/或参照波导旋转空腔。

图11示出了波向量空间强度轮廓。通过减少该孔内间隔、扭曲原始六 边晶格，波向量空间的强度在包围区域中增强。除了在期望k-空间区域内的 强度的特定增强，晶格扭曲也可以被用于得到相反的效果。在这种情况下， 大约k=0（抑制全内反射的区域）的强度可以被降低从而减少从空腔的光子 损失。通过在x和/或y方向拉伸/挤压晶格，空腔的质量因子可以被提高。

图12示出了测得的PhC空腔的基本模的消减比，作为在yh的变化（以 百分比）的函数。可以观察到的是消减比随着在Yh百分比的增加而降低。

相比于现有技术，例如US6411752和光学快报30，1476-1478（2005）， 在本发明的设备中，用于波向量匹配的操作被很大地改善并且在两个不同模 之间的有效耦合变得可行。这种k-空间匹配原理允许对许多不同应用的范围 的创建。下面的方程示出了可以如何优化特定应用：

$\frac{1}{Q_{\mathrm{total}}}=\frac{1}{Q_{\mathrm{design}}}+\frac{1}{Q_{\mathrm{coupling}}}+\frac{1}{Q_{\mathrm{fabrication}}}$

Q_design是通过模拟给定的绝缘空腔的Q因子，Q_coupling依赖于实际空间和 在总线波导和空腔模之间的k-空间重叠。Q_fabrication由用于创建设备的制造过 程给定。

与谐振器的谐振的传输（总线波导的）被指定为：

$T=\frac{{Q_{\mathrm{total}}}^2}{{Q_{\mathrm{design}}}^2}+\frac{{Q_{\mathrm{total}}}^2}{{Q_{\mathrm{fabrication}}}^2}$

对于Q_design=500,000,Q_fabrication=750,000,Q_total=10,000的典型值，谐振传输 可以低至0.1％。考虑到在有透镜的光纤和SiONx波导之间的耦合光损耗可 以低至0.2dB，该系统允许具有高消减比和低插入损耗的光调制器的创建。 当Q足够时调制速度可以很高（大于4GHz）以允许载波消耗被使用。对于 Q_total=100,000，T可以低至6％，意味着94％的光被耦合至空腔，使得该配 置非常有前景地用于非线性应用。

大量材料可以被用于WDM调制器设备6的构建。波导可以是诸如氮氧 化硅的聚合物或者是诸如TriPleX^TM或HYDEX^R的更复杂的组合结构。势垒 层可以是诸如硅的介电材料，化学蒸汽沉积技术或使用旋涂玻璃沉积的。光 子晶体板可以以硅、氮化硅或者诸如磷化铟、砷化镓、磷化铟镓或氮化镓的 III-V半导体材料制造。其还可以由硅/锗多层来制成。光子晶体晶格的结构 以及缺陷空腔谐振器及谐振器-调制器的数量和设计可以根据规格来改变。 下方覆层典型地由硅石制成，虽然在一些情况中会有空气。衬底是硅或III-V 半导体。

此外，多个光学功能可以被合并至该设备。例如，WDM设备中的每个 谐振器可以执行不同的信号处理功能，包括滤波器、开启/关闭开关、调幅器 和色散补偿器的功能。

多个谐振器可以被耦合至一起来形成也被称为耦合谐振光波导 （CROW）的耦合空腔波导。在这种配置中，波导作为光延迟线来操作，其 中每个缺陷空腔产生延迟，因此全部地产生“慢光”。通过将给定波长范围 的近单一（near-unity）传输与极锋利的截止结合，该设计可以被用于得到“平 顶”响应功能。这种响应功能尤其适用于数据传输应用。

具有经设计的色散的不同类型的谐振器，被称为“白光”空腔，具有在 给定波长间隔上被保持恒定的光路径。为了实现白光空腔条件（λ/n＝cst）， 空腔的折射率需要随波长增长。这需要以“快光”形式操作，其中组速率 。这种“异常”色散特征可以通过在窄带宽波长范围（例如， Δλ≈1nm，n≈100GHz）上的色散设计来得到。这可以通过将空腔添加至谐振 器的镜像区域来实现，从而使得作为Gires-Tournois干涉仪，或通过由类似 于在光学快报16,6227-6232（2008）中描述的设备改变谐振器的波导部分。

图13示出了对于（a）传统空腔和（b）白光空腔的跨越10nm带宽的计 算的传输光谱。实线和虚线分别代表了对应于具有3.50折射率和3.52折射 率的空腔的传输曲线。在传统空腔的情况（a）中，根据Δn/n=Δλ/λ，以Δn=0.02 调节折射率而使得空腔谐振曲线改变了约3nm。当考虑到白光空腔（b），以 Δn=0.02调节折射率而使得谐振完全地开启和闭合（虚线）。这意味着任何切 换动作依赖于损耗限制质量因子“Q”，如在a）中，然而可被适应的带宽依 赖于通过其可以实现适合的色散设计的频谱范围。

单独缺陷空腔谐振器的其它组合可以被选择来创建在谐振频率的退化 谐振。空腔，或两个空腔的组合可以被设计为使其表现在谐振频率的两种退 化谐振。这保证了从空腔耦合出进入总线波导的光从后方破坏性地干扰，降 低或消除后方。表现为单模的空腔作为陷波滤波器并且会在谐振时将光耦合 回至波导。对于一些应用（其中光隔离器被插入例如源和调制器之间），这 种背反射对使得单空腔方法成为适合的解决方案不成问题。

谐振器-解调器可以被配置为频率可选的光检测器。图14示出了作为频 率可选光检测器操作的WDM调制器设备横截面视图。在这种情况中，缺陷 空腔被掺杂有例如氢或硅的杂质32。被掺杂的缺陷空腔36具有能够根据在 谐振波长λ₀的传播模的耦合生成光激发的载荷子的吸收带。接下来载荷子由 围绕被掺杂的缺陷空腔的偏置PIN节点提取，引起了光电流。使用电流检测 器34测量的光电流与特定波长的光生成载荷子的总量成比例。

虽然本发明主要参照光子晶体空腔缺陷谐振器被描述，但是其它谐振器 也可以被使用。例如，每个谐振器可以基于金属结构，例如纳米天线[物理 评论快报101，116805（2008）]，或者离子谐振器[光学快报19,（6）5268 （2011）]或者开口环[光学快报31,1259（2006）]。类似于光子晶体空腔的 情况，紧密模限制（tight mode confinement）导致了宽k-空间从而允许了总 线和谐振器之间的耦合。图15示出了一种配置。总线波导40垂直地经过金 属纳米结构44从而使得模的倏逝尾重叠。金属纳米结构44位于合适的衬底 46上并且整个结构被包装在合适的覆层材料42内。

技术人员可以理解的是，在不背离本发明的情况下，公开的布置的变型 是可行的。而且，上述的特定实施方式的描述仅通过示例被给出并且并不以 限制为目的。技术人员清楚的是在不明显改变描述的操作时可以进行小幅的 调整。