高折射率对比度光子器件及其应用

摘要

光子处理模块(100)包括高折射率对比度波导器件，其包括基板(102)、具有第一折射率的设置在基板上的第一层(104)和设置在第一层上的相对薄的第二层(106)。第二层具有提供与第一层的高折射率对比度的第二折射率，并且该器件包括在第二层中形成的至少一个薄脊波导元件(108)，其在纵向方向上支持导引模式。光输入端口(110)被配置成将输入光束引导到第二层的平板模式，该光束被引导以与薄脊波导元件的纵向方向成预定角度θ传播。角度θ与第二层的平板模式与薄脊波导元件的导引模式之间的谐振耦合相关联。因此，当输入光束包括对应于谐振耦合的一个或更多个光学元件时，生成输出光束。光输出端口(112)被配置成接收输出光束。

说明书

发明领域

本发明涉及光子电路，更具体地涉及绝缘体上硅(SOI)以及包括谐振结构的其他高折射率对比度光子器件(high index-contrast photonic device)连同此类器件和结构的应用。

发明背景

硅基技术长期以来一直是现代微电子学的主导者。在第一个初步的硅电子器件展示之后的几十年中，持续的进步已经产生越来越小、更快、更高度集成的部件和电路。

近年来，通过光学而不是电子信号运送的信息的光子技术已经成熟为信息传输技术，特别是长距离光纤通信系统的形式。基本光子系统包括光源(例如，激光器)、用于将信息加到光信号的调制器、波导和光电检测器。然而，与其中所有部件可以集成到单个芯片上的硅电子技术相比，当前阶段的光子系统主要基于分立部件和串联制造。长期以来，人们一直希望将成熟的硅制造技术的优势转移到光子学领域，包括组合光子和电子部件的集成电路的开发。光传输可以实现比金属导体高得多的数据速率，而不会产生与电磁干扰相关联的问题。因此，集成的光子/电子电路可以提供新的功能，以及电路板、板上的芯片之间和甚至单个芯片上的不同元件之间的更快的通信。

硅光子技术还可用于在光通信系统中提供光学处理功能，诸如开关、滤波和基于波长的处理，诸如光信道的复用和解复用。光子电路的应用也可在感测领域中找到。

除了成熟的制造工艺的可用性之外，硅本身具有许多理想的物理特性。例如，硅具有高导热性和高光学损伤阈值，并因此是光子应用材料的有利选择。绝缘体上硅(SOI)晶圆以相对较低的成本和高质量可获得，这提供了CMOS兼容的平面光波电路的有效和性价比高的制造前景。

类似的考虑也适用于其他已建立的技术和材料，如氮化硅(Si₃N₄)，半导体材料(如InP和其他III-V族半导体)，以及高折射率玻璃(如硫属化合物玻璃和碲酸盐玻璃)。

范围广泛的光学电路应用中的关键要素为谐振器。谐振器可用于一系列应用，如波长滤波、色散工程和场增强。

因此，存在对于开发新型谐振结构的持续需求，该谐振结构可以以SOI技术有效制造，是紧凑的，并且可以用于一系列光学和光电信号处理、通信、感测和其他应用。本发明的实施例提供了一系列满足这些要求的新型器件。

发明概述

一方面，本发明提供了光子处理模块，包括：

高折射率对比度波导器件，其包括基板、具有第一折射率的设置在基板上的第一层和设置在第一层上的相对薄的第二层，该第二层具有提供与第一层的高折射率对比度的第二折射率，该器件包括在第二层中形成的至少一个薄脊波导元件，该薄脊波导元件在纵向方向上支持导引模式；

光输入端口，其被配置成将输入光束引导到第二层的平板模式，该光束被引导以与薄脊波导元件的纵向方向成预定角度θ传播，其中，预定角度θ与在第二层的平板模式和薄脊波导元件的导引模式之间的谐振耦合相关联，由此当输入光束包括与谐振耦合相对应的一个或更多个光学分量时生成输出光束；以及

第一光输出端口，其被配置成接收输出光束。

在实际实施例中，第二折射率和第一折射率之间的折射率对比度(例如为15％-20％或更大)适合于实现本发明的优点。在本文所述的实施例中，波导器件为绝缘体上硅(SOI)器件，其中，第一层为绝缘层，诸如二氧化硅(SiO2)，而第二层为硅层(SOI层)。然而，在可选实施例中，高折射率对比度波导可由其他合适的材料(诸如氮化硅(Si₃N₄))，诸如InP和其他III-V族半导体的半导体材料、以及高折射率玻璃(诸如硫属化合物玻璃和碲酸盐玻璃)形成。

体现本发明的光子处理模块利用了本发明人已经发现的高折射率对比度薄脊波导的令人惊奇的特性。具体地，当横电(TE)光束入射到支持强导引横磁(TM)模式的薄脊波导元件上时，存在TE平板模式与TM导引模式相位匹配的入射角。因此，能量从TE平板模式耦合到TM导引模式，但令人惊奇的是，此能量被耦合回到反射的TE光束。发现TE光束的反射系数取决于包括入射角、波长和波导结构/几何形状的参数。交互作用是强谐振的。

应指出，在本说明书中引用了光学“端口”或更具体地“输入端口”或“输出端口”，这些术语应被广泛地解释为涵盖任何明确定义的空间体积或区域，凭借体现本发明的相关联处理模块的配置，光束通过这些端口。光学端口可包括波导结构、准直透镜和/或定义用于光束的特定输入或输出路径的其他物理部件。然而，光学端口还可包括SOI(或其他高折射率对比度)器件的平板区域或自由空间的区域，光束在光子电路或系统的处理模块和/或其他部件之间传播时通过该区域。此外，除非模块、电路或器件的特定结构另有限制，否则光场的传播通常是可逆的或双向的。因此，为便于理解，提供了“输入”和“输出”端口的特定标识，而不想要关于在器件、模块或系统的特定应用中的光束的实际传播方向的一般性的任何缺失。

在本发明的一些实施例中，波导器件包括多个平行耦合的薄脊波导元件。可选择多个波导元件的数量和相关联的尺寸以实现SOI波导器件的预期特征光谱响应。通过适当地设计和制造薄脊波导元件，特征光谱响应可近似常规RF滤波器设计的特性，诸如巴特沃斯滤波器响应、切比雪夫滤波器响应或椭圆滤波器响应。

在一些实施例中，波导器件还包括被布置成与波导元件相邻并间隔开的多个介质加载元件，并且选择平行耦合的薄脊波导元件的数量和相关联尺寸以及介质加载元件的数量、相关联尺寸和距波导元件的间距来实现高折射率对比度波导器件的预期特征光谱响应。

体现本发明的光子处理模块还可包括第二光输出端口，其被配置成接收包括不与谐振耦合对应的一个或更多个分量的透射光束。例如，在此布置中，“谐振的”输入光束的频率分量被反射到第一输出端口，而“非谐振的”频率分量被发送到第二输出端口。

根据本发明的一些实施例，SOI波导器件还包括折射率调制装置，其适于使SOI层的至少一部分的折射率能够受到干扰。折射率调制装置可以是加热元件。可选地，折射率调制装置可以是具有与施加在薄脊波导元件的顶部上的薄脊波导元件的折射率不同折射率的流体。在一些实施例中，液晶结构也可用作调制装置。

在其他实施例中，折射率调制装置是电光调制器，其被配置成响应于电输入信号来修改薄脊波导元件中的自由载流子浓度。电光调制器可包括PIN二极管，其中薄脊波导元件在PIN二极管的本征(I)区域内形成。

在另外的实施例中，光输入端口被配置成引导输入光束的角度可在诸如1.0度、2.0度或类似数量级的范围的范围内可调节，由此谐振耦合的特征波长是可调谐的。

本发明的实施例可用在许多不同的应用中，包括：

·波长选择性光学滤波器；

·波长选择性复用器/解复用器部件；

·可调谐光学滤波器；

·偏振分束器；

·传感器；

·分束器；

·干涉仪；以及

·色散工程装置，包括色散补偿装置。

从各种实施例的以下公开将认识到，本发明的操作原理连同各种应用和配置及其相关联的益处和优点的进一步细节。然而，这些实施例通过示例的方式提供，而不是旨在限制如前述任何一个陈述或所附权利要求中所定义的本发明的整体范围。

附图简述

现将参考附图描述本发明的实施例，其中，相同的参考数字指示相同的特征，并且其中：

图1(a)和(b)是示出了体现本发明的硅基光子处理模块的截面图和顶视图的示意图；

图2是来自SOI薄脊波导结构的横向泄漏的示意图；

图3(a)和(b)是根据本发明的实施例的入射光束的透射和反射的示意图；

图4是示出了本发明的实施例的作为入射角的函数的TE反射率的曲线图；

图5是示出了本发明的实施例的作为波长的函数的TE反射率的曲线图；

图6是包括多个平行耦合的薄脊波导元件的硅基光子处理模块的示意图；

图7是示出了对于不同数量的波导元件的如图6所示的模块的光谱响应的曲线图；

图8(a)、(b)和(c)是对于体现本发明的单个波导模块的计算场强的示例；

图9(a)示出了体现本发明的五阶薄脊波导反射器元件的示意性横截面；

图9(b)示出了根据本发明的另一实施例的三阶薄脊波导反射器元件的示意性横截面；

图10(a)、(b)和(c)是对于被设计为近似巴特沃斯滤波器特性的五阶薄脊波导反射器元件的计算场强的示例；

图11(a)是示出了与图10所示的反射器对应的示例性反射光谱的曲线图；

图11(b)是示出了与包括图9(b)所示的实施例的反射器对应的示例性反射光谱的曲线图；

图11(c)是示出了将光束的入射角改变为图9(b)所示的实施例的调谐效果的曲线图；

图12(a)、(b)和(c)是对于被设计为近似切比雪夫滤波器特性的五阶薄脊波导反射器元件的计算场强的示例；

图13是示出了与图12所示的反射器对应的示例性反射光谱的曲线图；

图14是基于体现本发明的光子处理模块的波长复用/解复用器件的示意图；

图15(a)、(b)和(c)是基于体现本发明的光子处理模块的干涉仪装置的示意图；以及

图16是基于体现本发明的光子处理模块的示例性色散补偿装置的示意图。

实施例的具体描述

图1(a)示出了体现本发明的硅基光子处理模块100的示意性横截面，而图1(b)示出了对应的示意性顶视图。该模块包括绝缘体上硅(SOI)波导器件，其包括诸如硅基板的基板102。绝缘层104(诸如二氧化硅层)被设置在基板102上。最后，在绝缘层104上设置相对薄的硅层106(SOI层)。在SOI层中形成薄脊波导元件108。薄脊波导元件108可使用常规的硅处理步骤(诸如蚀刻或电子束光刻)形成。

硅脊108的高度可在几纳米到几十纳米的数量级上，例如10nm的数量级，或约10nm到约120nm之间的任何数值。薄脊波导元件108支持在图1(b)中沿纵向方向(即从左向右或从左向左)传播的横磁(TM)导引模式。

除了由薄脊波导108导引的TM模式之外，薄硅膜层106还支持在横电(TE)偏振中定向并且被垂直限制但是在脊108的区域外部横向辐射的平板模式。

对于如波导108的薄脊波导，导引TM模式的有效折射率低于TE平板模式的有效折射率。因此，导引TM模式可与辐射TE平板模式纵向相位匹配，该辐射TE平板模式以与导引TM模式成有效角度地传播。这由图2所示的示意图200示出。导引TM模式202沿波导108纵向传播。在浅脊壁的索引不连续性致使在导引TM模式下功率耦合到相位匹配的TE平板模式。因此，导引TM模式持续失去TE平板模式的功率，例如，204、206，其以与导引TM模式的传播方向成角度θ传播。可以看出，角度θ由以下表达式给出：

其中，为导引TM模式的有效折射率，以及为辐射TE平板模式的有效折射率。

对于典型的薄脊波导尺寸，辐射TE平板模式的传播角度约为50度。

Webster等人在2007年3月15日在IEEE Photonics Technology Letters卷19第6期第429-431页的“Width-dependence of inherent TM mode lateral leakage loss insilicon on insulator ridge waveguides”实验地观察和描述了这种来自简单的直薄脊SOI波导的横向泄漏。该现象的分析可在Nguyen等人在2009年4月1日在IEEE PhotonicsTechnology Letters卷21第7期第486-488页的“Rigorous modelling of lateralleakage loss in SOI thin-ridge waveguides and couplers”中找到。

本发明的实施例和应用基于本发明人的新颖且意想不到的发现。虽然可以预期经由输入端口110以角度θ116施加到薄脊波导108的入射TE光束将产生功率从波导108的入射TE模式到导引TM模式的逐渐耦合，但是本发明人已识别出令人惊奇的谐振特性。具体地，对于入射光束的适当确定的角度θ和相应的波长(或等效地，频率)，入射光束实际上在相应定位的输出端口112的方向上从波导108反射。当不满足这些谐振条件时，入射光束经由平板模式传输到相应定位的第二光输出端口114。

这些过程在图3中进一步示出，其中，图3(a)示意性地示出入射光束的透射，而图3(b)示意性示出了根据本发明的实施例的入射光束的反射。这些图中所示的现象可解释如下。

当TE波110以等于导引TM模式的TE辐射角的角度θ从左侧(如图3所示)入射到波导108上时，TE波中的能量的一部分将耦合到导引模式。TE波的其余部分通过波导区域到达右手侧。同时，在波导108内导引的TM模式将在波导的两侧生成泄漏TE波。从导引TM模式泄漏的生成TE波与通过波导透射的TE波之间的相位差使得波导108的右手侧上的TE波将相消干涉，导致在波导的右手侧没有出现TE场。相反，在波导108的左手侧发生相长干涉，由此生成反射光束112。因此，“横向泄漏波导”108可被用作TE平板波110的谐振器。

体现本发明的结构的严格数值建模揭示了非常不寻常的特性。通常，强谐振需要更长的路径长度(诸如在环形谐振器中)或非常强的折射率对比度(诸如光子晶体中的孔)。然而，尽管非常紧凑(波导的宽度可在1μm或以下的数量级)，但是本发明的新颖谐振器结构实现非常强的谐振。这使得能够体现本发明的模块的高集成度，例如允许多个谐振器结构在单个芯片上组装成复杂的超级结构。

作为说明，图4和图5为分别示出作为入射角和波长的函数的TE反射率的曲线图。曲线图400示出了水平轴线402上的入射角，以及垂直轴线404上的TE反射系数。曲线图400上的四条曲线对应于波导108的四个不同的宽度。这些宽度为1.40μm(406)、0.9μm(408)、0.8μm(410)和0.7μm(412)。可以看出，谐振所需的入射角存在很小的变化，这取决于波导宽度。此外，较窄宽度的波导表现出更尖锐的谐振。

图5中的曲线图500示出了沿水平轴线502的波长和垂直轴线504上的TE反射系数。再次示出了四个不同的波导宽度，分别为1.04μm(506)、0.9μm(508)、0.8μm(510)和0.7μm(512)。

图4和图5清楚地示出了可以在体现本发明的模块内使用单个波导来提供具有Q因子的波长选择性滤波器或谐振器，在此情况下，该Q因子由波导的宽度定义。通常，波导的其他参数(诸如高度和组成)也影响Q因子。

根据本发明的另外的实施例，SOI波导器件可包括多个耦合的薄脊波导元件。在最简单的布置中，如图6所示的布置600示意性所示，波导元件平行排列。在此布置中，提供波导阵列602，其中，可利用多个物理参数来控制器件600的整体特性(例如，反射率和透射光谱)。可控参数可包括每个波导的宽度、波导的间隔和每个波导的高度。优选地，对于相同的角度θ，由所有波导支持的TM模式的有效折射率是相同的，以便使所有波导上的TE和TM模式之间的耦合最大化。因此，在利用具有不同宽度的波导的情况下，匹配有效折射率的一种机制是调整波导高度。然而，实际上，使用常规和广泛可用的硅制造工艺可能难以制造具有不同波导高度的器件。因此，可采用用于匹配有效折射率的其他技术，诸如波导的选择性掺杂以改变材料折射率、在波导顶部添加附加层、添加介质加载元件、在波导中掺入凹坑或其他结构等等。

图7是示出采用如图6所示的平行耦合的薄脊波导元件的模块的光谱响应的曲线图700。水平轴线702表示波长，而垂直轴线704是输入光束110和输出光束112之间的TE模式反射率。示出了对于三种不同结构的结果，其分别具有一个周期706、五个周期708和10个周期710。值得注意的是，增加细脊波导元件的数量致使通带平坦化，而阻带内的光谱纹波保持由单个波导响应限制。

在微波工程领域内使用的耦合谐振器阵列滤波器中观察到了类似的特性。用于合成此类滤波器的技术是众所周知的，并且已经采用类似的技术来合成耦合的环形谐振器光波导，例如，由Yariv等人于1999年在Optics Letters卷24第711页的“Coupled ResonatorOptical Waveguide:A proposal and analysis”。在滤波器合成中，每个谐振器的尺寸小于工作波长是优选的，这在微波领域内容易实现，但在光学领域内不怎么普遍实用。然而，图5的曲线图500所示的结果表明，例如，可以根据本发明的原理使用具有宽度为1μm或更小的薄脊波导制造在波长1.55μm处操作的滤波器。因此，可使用从微波工程领域得到的技术来合成体现本发明的模块。

因此，例如，可基于使用开发用于微波领域中的滤波器设计表来合成具有近似普通微波滤波器类型(诸如巴特沃斯、切比雪夫或椭圆滤波器)的频谱响应的滤波器。因此，设计者可以选择滤波器量级、期望的通带和/或阻带纹波(取决于滤波器类型)，然后查找相应的滤波器设计表，以便确定每个谐振器所需的Q因子。对于给定的平板厚度，可以结合所需的入射角确定在预期操作波长处所需的有效折射率(见公式1以及图4和图5)。然后确定每个波导的参数(例如，宽度、高度或其他可控物理参数)，以便在实现所需的有效折射率值时提供正确的Q因子。

现在将参考图8至图13来说明该设计方法的用途。图8(a)、(b)和(c)示出了对于采用单个波导谐振器的模块的计算场强的示例。场强图800对应于具有10nm带宽、1550nm波长(对应于波导谐振)和200μm全宽半最大值(FWHM)的高斯分布的输入光束802。如图所示，该谐振光束中的大部分能量被反射且传播作为输出光束804。

计算场强806对应于类似的光束，但具有1555nm的中心频率，因此对应于波导谐振器的带边缘。输入光束808被部分反射810并部分透射812，即，波导谐振器用作分束器。

计算场强814对应于具有1560nm的中心波长的输入光束816，因此其与波导非谐振。该光束中的大部分光被透射820，仅有少量残余反射818。

图9(a)示出了体现本发明的五阶薄脊波导反射器元件的示意性横截面。反射器元件900的五个波导902的间距、宽度和高度可根据上述合成方法来确定。根据第一示例，已经设计了五阶巴特沃斯滤波器，其中尺寸已被确定如下：w1＝511.5nm；h1＝224.5nm；s1＝2.298μm；w2＝395nm；h2＝229.5nm；s2＝2.377μm；w3＝356.5nm；h3＝232nm；平板厚度为200nm；以及基板厚度为1.5μm。需注意到，基板厚度不是关键的，但是提供至少1.5μm确保基板泄漏不显著。

如上所述，改变波导高度的替代方案包括将介质加载结构结合到波导反射器元件中。图9(b)中示出了该方法的示例，图9(b)示出了体现本发明的三阶薄脊波导反射器元件910的示意性横截面。三个波导912a、912b、912c具有相同的高度(h＝220nm)，平板厚度为150nm，以及基板厚度为1.5μm。两个外部波导的宽度为w1＝662nm，以及中心波导宽度为w2＝578nm。多晶硅介质加载条914a、914b、914c的对被布置在SOI层916内每个波导的外侧。加载条的横截面尺寸为hl＝160nm以及wl＝200nm。替代实施例900中采用的波导高度变化，通过选择波导912a、912b、912c与加载条914a、914b、914c之间的间距来实现加载变化。在所示实施例910中，与外部波导的间距为o1＝254nm，而与中心波导的间隔为o2＝143nm。与相邻波导相关联的加载条之间的间距为s＝1404nm。

图10(a)、(b)和(c)示出了与图8(a)、(b)和(c)中也示出的场景相对应的对于五阶巴特沃斯滤波器900的计算场强的示例。计算场强1000示出了具有1550nm的中心波长的输入光束1002，其从波导阵列反射以产生输出光束1004。场强1006示出了具有1555nm的中心波长的输入光束1008，其被分成反射光束1010和透射光束1012。计算场强1014示出了具有1560nm的中心波长的输入光束1016，其基本上被透射到输出光束1020中，仅有少量残余反射1018。

图11(a)示出了示出与五阶巴特沃斯滤波器设计900对应的示例性反射光谱的曲线图1100。水平轴线1102表示波长，而垂直轴线1104以dB表示反射系数。示出了三条曲线，即理想的巴特沃斯滤波器响应1106、对于平面波输入场的计算响应1108以及对于包括具有高斯分布的光束的输入场的计算响应1110。曲线图1100所示的结果证实了用于近似五阶巴特沃斯滤波响应的滤波器合成技术的有效性。可以看出，结构的光谱特性受到光束分布的影响。实际上，在可选实施例中，可以以各种方式来控制光谱响应，诸如通过沿着其长度调节波导的谐振强度，或者通过调整光束的分布，例如，正弦分布光束可用于近似矩形光谱响应)。类似地，产生波导谐振特性的调制的结构也可被设计为控制光谱响应，例如，波导“Q”上的正弦函数调制可用作近似矩形响应的替代手段。

图11(b)示出了与三阶介质加载的巴特沃斯滤波器设计910对应的示例性反射光谱的曲线图1120。水平轴线1122再次表示波长，而垂直轴线1124以dB表示反射系数。响应1126为对于41.79度的输入光束角的模拟结果。这表明介质加载作为采用不同波导高度的替代方案的有效性。

图11(c)示出了曲线图1130，其示出了将光束的入射角改变为三阶介质加载的巴特沃斯滤波器设计910的调谐效果。水平轴线1132再次表示波长，而垂直轴线1134以dB表示反射系数。作为参考，示出了对于设计入射角为41.79度的响应1126。微小的旋转可被用作微调机构。例如，+0.5度(至42.29度)的旋转产生响应1136，其中通带波长已被上移约25nm。类似地，-0.5度(至41.29度)的旋转产生响应1138，其中通带波长已被下移约20nm。进一步旋转例如+1.0度或-1.0度，产生进一步的波长偏移，如对应的响应1140、1142所示。随着波长偏移，还观察到通带和阻带特性的变化，表明对于该设计910，有限的角调谐范围是可用的，这取决于所需的滤波器参数和性能。

已经采用类似的技术来合成具有10nm带宽和0.5dB阻带纹波的五阶切比雪夫滤波器。再次参考图9，对于合成滤波器的参数为：w1＝386.5nm；h1＝230nm；s1＝2.341μm；w2＝435.5nm；h2＝227.5nm；s2＝2.390μm；w3＝296nm；h3＝236.5nm；平板厚度为200nm；以及基板厚度为1.5μm。

图12(a)、(b)和(c)示出了与合成的五阶切比雪夫滤波器对应的计算场强。计算场强1200示出了输入光束1202，其具有基本上被反射以生成输出光束1204的1550nm的中心波长。场强1206示出了被波导阵列部分透射1212和部分反射1210的具有1555nm的中心波长的输入光束1208。场强1214示出了具有1560nm的中心波长的输入光束1216，其被波导阵列基本上透射1220，仅有残余反射光束1218。

图13是示出对于合成的五阶切比雪夫滤波器的对应反射光谱的曲线图1300。水平轴线1302表示波长，而垂直轴线1304以dB表示反射系数。曲线图1300包括三个曲线，其为理想的滤波器响应1306、对于平面波输入的计算响应1308以及对于具有高斯分布的输入光束的计算响应1310。结果再次说明了用于生成近似所需的五阶切比雪夫滤波器响应的波导阵列的滤波器合成技术的有效性。

体现本发明的模块和波导器件在光信号处理、数据通信、感测等方面具有许多应用。现在将通过举例的方式讨论多种这些潜在的应用。这并不是所有可能的应用的详尽列表，并且体现本发明的器件和模块的其他用途对于相关领域的技术人员来说也是明显的。

体现本发明的单个模块可用在波长选择性光学滤波器中。如上所述，具有波长/频率范围的输入TE光束可以被单个波导谐振器或波导谐振器阵列选择性地滤波。可通过提供扰乱光栅结构的折射率的机构来实现可调谐滤波器。例如，可采用加热元件经由热光效应来改变折射率特性。可选地，可将具有与硅层不同的折射率的流体施加在光栅的顶部上，以调谐光谱响应。可使用静电效应来可控地施加或去除光栅区域中的流体。如已知的，硅的折射率取决于自由载流子浓度，因此可通过使得能够响应于电输入信号修改自由载流子浓度的设计来实现电光效应。波导可例如被结合到PIN二极管结构中，其中波导元件在二极管的本征(I)区域内形成。电输入信号(即电压)施加到二极管端子将然后产生波导区域内自由载流子浓度的变化。

在另一应用中，具有体现本发明的波导谐振器的模块可用作偏振滤波器或分束器。对于由TM和TE偏振光组成的输入场，波导结构将强烈反射TE光束，并且透射TM光束，从而将模块的第一和第二输出之间的两个偏振态分开。反向工作时，模块将用作偏振组合器。

体现本发明的模块的另一应用是传感器器件。此类器件可利用可以在波导阵列的通带和阻带之间实现的陡峭光谱斜率。该跃迁区域的波长受到导引TM模式的折射率的影响。该TM模式具有强的消逝场，并因此其有效折射率强烈依赖于外部环境。因此，跃迁波长可以受到位于波导上方的材料的小变化的强烈影响。在采用具有与滤波器跃迁相对应的波长的输入光束(例如，仅在阻带内或仅在通带内)的情况下，将根据导引TM模式的有效折射率在模块的第一和/或第二输出端生成或抑制输出信号，因此其可用于感测周围环境的小变化。

体现本发明的模块的进一步应用是用于波分复用(WDM)通信系统的插分(add/drop)滤波器。此结构1400在图14中示意性地示出。包括多个波长通道1402的输入光束入射到体现本发明的级联波导阵列器件上。第一阵列1404被设计成反射第一波长1406，而其他波长1408被透射。随后，第二波导阵列1410反射第二波长1412，而剩余的波长1414被透射。第三阵列1416反射第三波长1420。布置1400也相反地操作，即可以用于波长复用以及解复用。可以继续光栅结构1404、1410、1416的级联，以便复用或解复用附加波长。

体现本发明的模块也可以用作分束器。例如，通过设计波导元件，可实现光栅耦合器，由此输入TE场的一定百分比被反射，而剩余的场能通过光栅透射。这类似于图8、图10和图12所示的带边缘场强计算中所示的场景。

鉴于体现本发明的模块实现分束器和反射器的能力，还可以制造实现各种类型的干涉仪的装置。图15(a)、(b)和(c)中示出了三个示例。例如，对称的马赫-策德尔(Mach-Zehnder)干涉仪1500可被设计成具有入射到分束器1504上的输入端1502，该分束器1504将输入光束分成指向反射器1506、1508的两个路径。反射的光束入射到另一分束器1510上，从而产生两个干涉仪输出1512、1514。

具有输入光束1522的不对称马赫-策德尔干涉仪1520在不同的布置中采用相应的部件。第一分束器1524将输入光束1522分成两个路径，其中一个路径经由两个反射阵列1526、1528传播到第二分束器1530。来自分束器1524的第二输出经由较短路径直接传播到第二分束器1530。干涉仪1520具有输出端1532、1534。

最后，图15(c)示出了萨格纳克环路干涉仪(Sagnac loop interferometer)1540。输入光束1542入射到分束器1544上。来自分束器1544的输出在围绕包括三个反射器1546、1548、1550的环路的两个方向上传播。反向传播光束在分束器1544处重新组合，从而产生两个干涉仪输出1552、1554。

如应理解的，也可以实现其他干涉仪结构。此外，可采用此类结构来实现诸如滤波器、传感器和开关的部件和器件。

图16示出了体现本发明的模块以实现色散补偿器1600的应用。如图所示，输入光束1602包括由于色散而经历差分延迟的多个分量。以与WDM复用器布置1400相似的方式布置一组三个波长选择性反射器1604、1606、1608。因此，每个光谱分量在被反射之前行进不同的距离，如光束1610、1612、1614所示。反射器1616、1618、1620的另外级联将分量重新组合成单输出光束1622。不同波长路径之间的差分延迟产生存在于输入光束1602中的色散的补偿。

此外，图16中所示类型的结构可被设计成提供任何期望的色散分布。可使用已描述用于扰动波导元件的折射率的技术来调谐或重新配置色散分布。

如已经注意到的，体现本发明的模块的上述应用并非旨在是详尽的。其他可能的应用包括制造一维和二维光子晶体器件。例如，相同的波导可被布置在周期性结构中，使得所得的模块表现得像光子晶体。缺陷可被引入此阵列，例如通过去除一个或更多个波导，从而产生用于TE偏振光的光子晶体波导。还可以在二维阵列而不是一维阵列中形成薄脊波导。此类结构可用于形成二维光子晶体。这些可能够执行常规深蚀刻光子晶体的功能，而且具有更容易的制造和与渐逝TM模式的强相互作用。

此外，在体现本发明的结构的另一可能应用中，可实现从TE到TM偏振的转换。例如，通过限制光栅的长度，输入光束中的能量可基本上转换成平行薄脊波导阵列内的TM导引模式。有限的长度将防止TM模式转换回TE平板模式，并且可生成输出TM偏振光束。此结构也可相反地操作，以便将TM光束转换为TE光束。光栅结构可被实现具有不同形状(诸如椭圆形)，并且可被变迹以最大化偏振状态之间的转换。

尽管已经描述了本发明的各种实施例、结构和应用，但是这些实施例旨在说明本发明的原理和操作，并非旨在对所有可能的实施例和/或应用的详尽讨论。因此，应理解，本发明的范围不受所公开的实施例的限制，而是由所附权利要求限定。