三维光开关、三维光网络和三维光芯片

摘要

一种三维光开关、三维光网络和三维光芯片。三维光开关包括两个二维光开关和第一层间光开关。两个二维光开关分别布置在第一层和第二层二维光网络中，且每个均包括两个第一端口和两个第二端口。第一层间光开关包括两个第三端口和两个第四端口，两个第三端口中的一个布置在第一层二维光网络中且与第一层二维光网络中的二维光开关的两个第二端口中的一个光学地连接，两个第三端口中的另一个布置在第二层二维光网络中且与第二层二维光网络中的二维光开关的两个第二端口中的一个光学地连接，两个第四端口分别布置在第一层和第二层二维光网络中。第一层间光开关被配置为使得两个第三端口中的一个或两个选择性地与两个第四端口中的一个或两个光学通信。

说明书

技术领域

本公开涉及光子集成领域，特别是涉及一种三维光开关、三维光网络和三维光芯片。

背景技术

光子集成产业目前处于大规模集成的起步阶段，同集成电路产业发展历程一样，光子集成领域迫切需要一种可以推动光子集成产业快速发展的可编程光芯片产品。可编程光芯片在光通信、光子人工智能、微波光子、光量子计算、光传感等领域都有着大量潜在应用。与目前主流的开发定制化光器件相比，可编程光芯片可大幅减少设计周期并快速投入使用，这将提高设计研发效率、提高装备开发以及生产效率。

在相关技术中，基于电子集成芯片的发展思路，已经开展了可编程光器件及光网络的研究并提出了一些基本架构。光开关可以用于实现光信号在不同光路上切换，通过多个光开关组合成阵列或网络，能够实现光信号的可编程控制，作为光网络的雏形及核心器件，可编程光网络在光子AI、激光雷达、微波光子等领域有着重要的应用需求及前景。然而，在光子集成领域开发新型三维光开关以及新型的三维光网络构型还有很大的提高空间。

发明内容

提供一种缓解、减轻或者甚至消除上述问题中的一个或多个的机制将是有利的。

根据本公开的一方面，提供了一种三维光开关，包括：两个二维光开关单元，每个二维光开关单元均包括相应的两个第一端口和相应的两个第二端口，两个二维光开关单元被分别布置在第一层二维光网络和第二层二维光网络中；以及第一层间光开关单元，包括两个第三端口和两个第四端口，两个第三端口中的一个被布置在第一层二维光网络中且与第一层二维光网络中的二维光开关单元的两个第二端口中的一个光学地连接，两个第三端口中的另一个被布置在第二层二维光网络中且与第二层二维光网络中的二维光开关单元的两个第二端口中的一个光学地连接，两个第四端口被分别布置在所述第一层二维光网络和所述第二层二维光网络中。每个二维光开关单元被配置为使得相应的两个第一端口中的一个或两个选择性地与相应的两个第二端口中的一个或两个光学通信，并且第一层间光开关被配置为使得两个第三端口中的一个或两个选择性地与两个第四端口中的一个或两个光学通信。

根据本公开的另一方面，提供了一种三维光网络，包括至少两层二维光网络以及至少一个三维光开关。每个三维光开关包括如上所述的三维光开关。每个三维光开关被配置为使得至少两层二维光网络中的第一层二维光网络选择性地与至少两层二维光网络中的不同于第一层二维光网络的第二层二维光网络光学通信。

根据本公开的另一方面，提供了一种三维光芯片，包括如上所述的三维光网络和多个输入/输出端口。多个输入/输出端口光学地连接到三维光网络以使得光信号能够通过多个输入/输出端口进入或离开三维光网络。

根据在下文中所描述的实施例，本公开的这些和其它方面将是清楚明白的，并且将参考在下文中所描述的实施例而被阐明。

附图说明

在下面结合附图对于示例性实施例的描述中，本公开的更多细节、特征和优点被公开，在附图中：

图1A-1C是相关技术中的二维光开关和二维光网络的示意图；

图2是根据本公开示例性实施例的三维光开关的结构的示意性视图；

图3是根据本公开示例性实施例的如图2所示的三维光开关的说明性结构的示意性视图；

图4是根据本公开另一示例性实施例的三维光开关的结构的示意性视图；

图5是根据本公开示例性实施例的三维光网络的结构的示意性视图；

图6A-6B是根据本公开示例性实施例的蜂窝型三维光网络的结构的示意性视图；

图7A-7B是根据本公开实施例的由图3所示的三维光开关构成方格型三维光网络的结构的示意性视图；

图8是根据本公开示例性实施例的三维光芯片的示意图。

具体实施方式

将理解的是，尽管术语第一、第二、第三等等在本文中可以用来描述各种元件、部件、区、层和/或部分，但是这些元件、部件、区、层和/或部分不应当由这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分相区分。因此，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可以被称为第二元件、部件、区、层或部分而不偏离本公开的教导。

诸如“在…下面”、“在…之下”、“较下”、“在…下方”、“在…之上”、“较上”等等之类的空间相对术语在本文中可以为了便于描述而用来描述如图中所图示的一个元件或特征与另一个(些)元件或特征的关系。将理解的是，这些空间相对术语意图涵盖除了图中描绘的取向之外在使用或操作中的器件的不同取向。例如，如果翻转图中的器件，那么被描述为“在其他元件或特征之下”或“在其他元件或特征下面”或“在其他元件或特征下方”的元件将取向为“在其他元件或特征之上”。因此，示例性术语“在…之下”和“在…下方”可以涵盖在…之上和在…之下的取向两者。诸如“在…之前”或“在…前”和“在…之后”或“接着是”之类的术语可以类似地例如用来指示光穿过元件所依的次序。器件可以取向为其他方式(旋转90度或以其他取向)并且相应地解释本文中使用的空间相对描述符。另外，还将理解的是，当层被称为“在两个层之间”时，其可以是在该两个层之间的唯一的层，或者也可以存在一个或多个中间层。

本文中使用的术语仅出于描述特定实施例的目的并且不意图限制本公开。如本文中使用的，单数形式“一个”、“一”和“该”意图也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。将进一步理解的是，术语“包括”和/或“包含”当在本说明书中使用时指定所述及特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。如本文中使用的，术语“和/或”包括相关联的列出项目中的一个或多个的任意和全部组合，并且短语“A和B中的至少一个”是指仅A、仅B、或A和B两者。

将理解的是，当元件或层被称为“在另一个元件或层上”、“连接到另一个元件或层”、“耦合到另一个元件或层”或“邻近另一个元件或层”时，其可以直接在另一个元件或层上、直接连接到另一个元件或层、直接耦合到另一个元件或层或者直接邻近另一个元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当元件被称为“直接在另一个元件或层上”、“直接连接到另一个元件或层”、“直接耦合到另一个元件或层”、“直接邻近另一个元件或层”时，没有中间元件或层存在。然而，在任何情况下“在…上”或“直接在…上”都不应当被解释为要求一个层完全覆盖下面的层。

本文中参考本公开的理想化实施例的示意性图示(以及中间结构)描述本公开的实施例。正因为如此，应预期例如作为制造技术和/或公差的结果而对于图示形状的变化。因此，本公开的实施例不应当被解释为限于本文中图示的区的特定形状，而应包括例如由于制造导致的形状偏差。因此，图中图示的区本质上是示意性的，并且其形状不意图图示器件的区的实际形状并且不意图限制本公开的范围。

除非另有定义，本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员所通常理解的相同含义。将进一步理解的是，诸如那些在通常使用的字典中定义的之类的术语应当被解释为具有与其在相关领域和/或本说明书上下文中的含义相一致的含义，并且将不在理想化或过于正式的意义上进行解释，除非本文中明确地如此定义。

如本文使用的，术语“衬底”可以表示经切割的晶圆的衬底，或者可以指示未经切割的晶圆的衬底。类似地，术语芯片和裸片(die)可以互换使用，除非这种互换会引起冲突。应当理解，术语“层”包括薄膜，除非另有说明，否则不应当解释为指示垂直或水平厚度。

在相关技术中，已经提出了一些可编程光器件及光网络的基本架构。例如已经提出了三角晶格、正方晶格及六边形晶格等多种二维可编程光网络结构，实现了光信号在芯片平面内的可编程操作。其中，方格网络型架构以及蜂窝型架构由于强大的可编程特性，是现阶段应用比较广泛的结构类型。然而，对于光子集成技术而言，不同半导体材料具有各自的优越性及应用限制，多材料体系的集成也为三维可编程光网络提供了垂直于芯片平面的操作可能性。目前现有技术仅实现了芯片平面的二维可编程光网络，无法实现垂直芯片平面的三维可编程光互连。

图1A-1C是相关技术中的二维光开关和二维光网络的示意图。参照图1A，示出了马赫-曾德尔干涉仪(MZI)型二维光开关100A的基本结构。MZI型二维光开关100A包括用于输入或输出光信号110的四个端口120、130、140和150、两个定向耦合器160以及一对电极170。输入到端口120或130的光信号110，经过定向耦合器160的耦合以及加在电极170上的控制电压的调制，可以递送到端口140和端口150中的一个或两个。然而，MZI型二维光开关100A仅能实现二维光芯片平面内的光信号传输，而无法实现垂直于二维光芯片平面的光信号传输。

光开关100A’是MZI型光开关100A的简化图，其相似的附图标记表示与100A相似的元件。同样地，光开关100A’无法实现垂直于二维光芯片平面的光信号传输。

图1B是相关技术中方格型二维光网络100B的结构示意图，其相似的附图标记表示与图1A中相似的元件。如图1B所示，方格型二维光网络100B包括光开关100A’。方格型二维光网络100B能够实现二维光芯片平面内的环形光信号传输。然而，由于光开关100A’无法实现垂直于二维光芯片平面的光信号传输，方格型二维光网络100B无法实现与在垂直于光芯片平面的方向上与其彼此堆叠的另一二维光网络之间的光信号传输。

图1C是相关技术中蜂窝型二维光网络100C的结构示意图，其相似的附图标记表示与图1A和图1B中相似的元件。如图1C所示，蜂窝型二维光网络100C可以实现光信号在二维光芯片平面内的环路以及直通上的传输。类似地，由于光开关100A’无法实现垂直于二维光芯片平面的光信号传输，蜂窝型二维光网络100C也无法实现与在垂直于光芯片平面的方向上与其彼此堆叠的另一二维光网络之间的光信号传输。

图2是根据本公开示例性实施例的三维光开关200的结构的示意性视图。如图2所示，三维光开关200可以包括两个二维光开关单元220和230，以及第一层间光开关单元210。

两个二维光开关单元220和230均可以包括相应的两个第一端口和相应的两个第二端口。示例性地，光开关单元220可以包括第一端口226和228，以及第二端口222和224。光开关单元230可以包括第一端口236和238，以及第二端口232和234。两个二维光开关单元220和230被分别布置在第一层二维光网络240和第二层二维光网络250中。

第一层间光开关单元210可以包括两个第三端口216和218，以及两个第四端口212和214。两个第三端口216和218中的一个，例如第三端口216，可以被布置在第一层二维光网络240中，且可以与第一层二维光网络240中的二维光开关单元220的两个第二端口222和224中的一个，例如第二端口224，光学地连接。示例性地，第三端口216和第二端口224可以通过布置在第一层二维光网络240的波导连接。

进一步地，两个第三端口216和218中的另一个，例如第三端口218，可以被布置在第二层二维光网络250中，且可以与第二层二维光网络250中的二维光开关单元230的两个第二端口232和234中的一个，例如第二端口234，光学地连接。示例性地，第三端口218和第二端口234可以通过布置在第二层二维光网络250中的波导连接。

进一步地，第一层间光开关的两个第四端口212和214可以被分别布置在第一层二维光网络240和第二层二维光网络250中。

进一步地，每个二维光开关单元220和230可以被配置为使得相应的两个第一端口中的一个或两个选择性地与相应的两个第二端口中的一个或两个光学通信。示例性地，二维光开关单元220可以使得两个第一端口226和228中的一个或两个选择性地与两个第二端口222和224中的一个或两个光学通信。二维光开关230可以使得两个第一端口236和238中的一个或两个选择性地与两个第二端口232和234中的一个或两个光学通信。

进一步地，第一层间光开关210可以被配置为使得两个第三端口216和218中的一个或两个选择性地与两个第四端口212和214中的一个或两个光学通信。

在一些示范性实施例中，两个二维光开关单元220和230可以均是马赫-曾德尔型干涉仪(MZI)光开关。

在一些实施例中，由第一层二维光网络240中的二维光开关单元220的第一端口226或228中的任一个输入的光信号可以通过二维光开关单元220被递送至第二端口222或224。示例性地，当光信号被递送至第二端口222，则实现了在第一层二维光网络240层内的光信号的传递。可选地，当光信号被递送至第二端口224，由于第二端口224与第一层间光开关单元210布置在第一层二维光网络240中的第三端口216光学相连，光信号被传输至第三端口216。接下来，第一层间光开关单元210可以将来自第三端口216的光信号递送至布置在第一层二维光网络240中的第四端口212或者布置在第二层二维光网络250中的第四端口214。示例性地，当光信号被递送至第四端口214，则实现了光信号由第一层二维光网络240到第二层为光网络250的层间传输。

可选地，由第二层二维光网络250中的第一端口236或238输入的光信号也可以通过上述类似的递送方式将光信号递送至第一层二维光网络240中的第四端口212。

可选地，由第一层间光开关210在第一层二维光网络240的第四端口212输入的光信号也可以通过上述类似的递送方式将光信号递送至第二层二维光网络250的第一端口236和238中的一个或两个。可选地，由第一层间光开关210在第二层二维光网络250的第四端口214输入的光信号也可以通过上述类似的递送方式将光信号递送至第一层二维光网络240的第一端口226和228中的一个或两个。

在一些示范性实施例中，第一层间光开关单元210可以包括第一波导，被布置在第一层二维光网络240中，用于将布置在第一层二维光网络240中的第四端口212光学地连接到布置在第一层二维光网络240中的第三端口216。第一层间光开关单元210还包括第二波导，被布置在第二层二维光网络250中，用于将布置在第二层二维光网络250中的第四端口214光学地连接到布置在第二层二维光网络250中的第三端口218。

在一些示范性实施例中，第一层间光开关单元210还可以包括第一光耦合器211、第二光耦合器213和移相器215。第一光耦合器211可以被布置在第一波导和第二波导的一端，用于在第一波导和第二波导之间耦合光功率。第二光耦合器213可以被布置在第一波导和第二波导的另一端，用于在第一波导和第二波导之间耦合光功率。移相器215可以被布置在第一波导和第二波导上，并位于第一光耦合器211和第二光耦合器213之间，用于改变在第一波导和第二波导中传输的光信号的相位。

在一些示范性实施例中，来自第一层二维光网络240中的第一层间光开关210的第三端口216的光信号可以经由第一波导通过第一光耦合器211。示例性地，第一光耦合器211可以将光信号耦合至第二层二维光网络250中的第二波导。移相器215可以改变通过第一光耦合器211的、位于第一层二维光网络240中的第一波导的光信号的一部分的相位，并且改变被第一光耦合器211耦合至第二层二维光网络250中的第二波导的光信号的另一部分的相位。第二光耦合器213可以将位于第一波导的光信号的一部分和位于第二波导的光信号的另一部分的功率进行耦合，从而实现光信号从第四端口212和214中的一个或两个输出。

可选地，由第四端口212或214输入的光信号也可通过类似的方式被递送至第一端口226、228、236和238中的一个或多个，在此不再赘述。

综上所述，三维光开关200将一个层间光开关单元210的端口布置在不同层的二维光网络中，并分别在每一层的二维光网络中将层间光开关单元210的端口与一个二维光开关单元光学连接。故而，在二维光网络240或250平面内，光信号能够通过二维光开关单元220或230在层内传输，并且光信号能够通过层间光开关单元210使得光信号在两层二维光网络之间传输，从而实现了三维光开关200对光信号在平面内的以及垂直于平面的层间的光功率分配及可控切换。

图3是根据本公开示例性实施例的如图2所示的三维光开关200的说明性结构300的示意性视图。如图3所示，光开关200的说明性结构可以如结构300所示。说明性结构300包括第一层间光开关单元310、布置在第一层二维光网络340的二维光开关单元320和布置在第二层二维光网络350的二维光开关单元330。

为了图示的清楚性，层间光开关310的上下两层被单独地示出。如图示的，层间光开关310的一部分317布置在第一层二维光网络340中，并且层间光开关310的另一部分319布置在第二层二维光网络350中。

示例性地，第一层间光开关单元310可以包括被布置在第一层二维光网络340的第四端口312，和被布置在第二层二维光网络350的第四端口314。示例性地，第四端口312和314可以分别代表三维光开关200中的端口212和214。

二维光开关单元320可以包括被布置在第一层二维光网络340的第一端口326和328，以及第二端口322。示例性地，第一端口326和328，以及第二端口322可以分别代表三维光开关200中的端口226、228和222。

二维光开关单元330可以包括被布置在第二层二维光网络350的第一端口336和338，以及第二端口332。示例性地，第一端口336和338，以及第二端口332可以分别代表三维光开关200中的端口236、238和232。

示例性地，三维光开关的说明性结构300对光信号的递送特性可以与三维光开关200的特性相同，在此不再赘述。

图4是根据本公开另一示例性实施例的三维光开关400的结构的示意性视图。图4中相似的附图标记指示与图2中相似的元件，在此不再赘述。如图4所示，与图2的三维光开关200相比，三维光开关400可以进一步包括第二层间光开关460。第二层间光开关460可以包括两个第五端口462和464，以及两个第六端口466和468。

进一步地，两个第五端口462和464中的一个，例如第五端口462，可以被布置在第一层二维光网络240中，且与第一层二维光网络240中的二维光开关单元220的两个第一端口226和228中的一个端口，例如第一端口226，光学地连接。示例性地，两个第五端口462和464中的另一个，例如第五端口464，可以被布置在第二层二维光网络250中，且与第二层二维光网络250中的二维光开关单元230中的两个第一端口236和238中的一个端口，例如第一端口236，光学地连接。示例性地，两个第六端口466和468可以被分别布置在第一层二维光网络240和第二层二维光网络250中。

进一步地，第二层间光开关460可以被配置为使得两个第五端口462和464中的一个或两个选择性地与两个第六端口466和468中的一个或两个光学通信。

在一些示范性实施例中，第二层间光开关460还可以包括第三波导，被布置在第一层二维光网络240中，用于将布置在第一层二维光网络240中的第五端口462光学地连接到布置在第一层二维光网络240中的第六端口466。第二层间光开关460还可以包括第四波导，被布置在第二层二维光网络250中，用于将布置在第二层二维光网络250中的第五端口464光学地连接到布置在第二层二维光网络250中的第六端口468。

示例性地，第二层间光开关460还包括第三光耦合器461、第四光耦合器463和移相器465。第三光耦合器461可以被布置在第三波导和第四波导的一端，用于在第三波导和第四波导之间耦合光功率。第四光耦合器463可以被布置在第三波导和第四波导的另一端，用于在第三波导和第四波导之间耦合光功率。移相器465可以被布置在第三波导和第四波导上，并在第三光耦合器461和第四光耦合器463之间，用于改变在第三波导和第四波导中传输的光信号的相位。

在一些示例性实施例中，第一光耦合器211、第二光耦合器213、第三光耦合461和第四光耦合器463中的每一个均可以是多模干涉器(MMI)或定向耦合器。

在一些示例性实施例中，光信号可以由三维光开关400中的二维光开关220的第二端口222或二维光开关230的第二端口232中的任一个输入。示例性地，光信号由第二端口222输入，经由布置在第一层二维光网络240中的二维光开关240递送至第一端口226。由于第一端口226与第二层间光开关460的第五端口462光学地连接，光信号可以传输至第五端口462。接下来，第二层间光开关460可以将光信号递送至第六端口466和468中的一个或两个。可选地，光信号可以被递送至第六端口468，从而实现了将输入至第一层二维光网络240中的二维光开关单元220的第二端口222的光信号进行层间递送至第二层二维光网络250。相似地，输入至第二层二维光网络250中的二维光开关230的第二端口232的光信号也可被层间递送至第一层二维光网络240。

综上所述，三维光开关400通过布置第二层间光开关460，实现了由任意端口输入的光信号在层内和层间的传输，从而进一步完善了三维光开关400对光信号在平面内的以及垂直于平面的层间的光功率分配及可控切换。

图5是根据本公开示例性实施例的三维光网络500的结构的示意性视图。如图5所示，三维光网络500包括至少两层二维光网络，例如二维光网络510、520和530。三维光网络500还包括至少一个三维光开关570。三维光开关570可以是如图2、图3或图4所示的或本公开所描述的三维光开关的实施例。三维光开关570被配置为使得至少两层二维光网络510、520和530中的第一层二维光网络，例如二维光网络510，选择性地与至少两层二维光网络中的不同于第一层二维光网络的第二层二维光网络，例如二维光网络520，进行光学通信。

在一些示范性实施例中，三维光网络500中的至少两层二维光网络510、520和530可以分别布置在至少两层介质层540、550和560中。换言之，至少两层二维光网络510、520和530可以分别在不同材料的介质层540、550和560中形成。

将理解的是，图5中示出的至少两层二维光网络层和至少两层介质层的数目是示例性的，在其他实施例中，三维光网络500可以包括更多或更少的二维光网络层和介质层。

示例性地，至少两层介质层540、550和560中的每一个可以包括从以下各项所组成的组中选择的一项：绝缘体上硅有源层、氮化硅光网络层、铌酸锂调制层和磷化铟有源层。

综上所述，三维光网络500包括至少一个三维光开关570。由于三维光开关570实施例的控制光路传输的技术特征，三维光网络500可以通过三维光开关570实现每一层内的光信号传输和层间的光信号传输，从而实现了多层光信号功率可控的三维光网络500的架构。进一步地，因为不同半导体材料构成的介质层具有各自的优越性及应用限制，多材料介质层体系的、异质异构的结构特性提升了三维光网络500的性能，同时也提供了更多的功能、应用的可能性。

在一些示例性实施例，至少两层二维光网络的每个均可以是方格型光网络或蜂窝型光网络。示例性地，方格型光网络可以是三维光网络500中的二维光网络510、520或530。

图6A是根据本公开示例性实施例的蜂窝型三维光网络600A的结构的示意性视图。如图6A所示，蜂窝型三维光网络600A中的至少两层二维光网络中的每一层以是如图1C中的蜂窝型二维光网络100C。示例性地，蜂窝型三维光网络600A的至少一个三维光开关670的构型可以垂直于至少两层二维光网络所在的相应平面。

图6B是根据本公开的另一示例性实施例的蜂窝型三维光网络600B的结构的示意性视图。如图6所示，蜂窝型三维光网络600B中的至少一个三维光开关670’的构型可以不垂直于至少两层二维光网络所在的相应平面。

图7A-7B是根据本公开实施例的由图3所示的三维光开关构成三维光网络500的结构的示意性视图。图7A示出了三维光网络500中的至少两层二维光网络的第一层二维光网络700A的结构的示意性视图。相应地，图7B示出了三维光网络500中的至少两层二维光网络的第二层二维光网络700B的结构的示意性视图。应当理解的是，图7A与图7B示出的是同一个三维光网络500中的不同层700A和700B，并且两层之间通过至少一个三维光开关进行光学通信。

如图7A和7B所示，三维光网络500中的至少两层二维光网络的每个均包括方格型光网络。每层二维光网络的方格型光网络包括沿该层二维光网络的二维方向分布且彼此相邻的多个方格。为了便于描述，对于图7A和7B中的每个方格，顶边、左侧边、底边和右侧边按逆时针顺序被分别称为第一条边、第二条边、第三条边和第四条边。

在图7A和7B的示例中，第一三维光开关740被布置在第一层二维光网络700A的多个方格中的第一方格的第一条边(其包括端口742和端口744)、第一层二维光网络700A的多个方格中与第一方格的第一条边相邻的一个方格的第三条边(其包括端口746和端口748)、第二层二维光网络700B的多个方格中的第二方格的第一条边(其包括端口746’和端口748’)、以及第二层二维光网络700B的多个方格中与第二方格的第一条边相邻的一个方格的第三条边(其包括端口742’和端口744’)上。

第二三维光开关750被布置在第一方格的第二条边、第一层二维光网络700A的多个方格中与第一方格的第二条边相邻的一个方格的第四条边、第二方格的第二条边、以及第二层二维光网络700B的多个方格中与第二方格的第二条边相邻的一个方格的第四条边上。

第三三维光开关760被布置在第一方格的第三条边、第一层二维光网络700A的多个方格中与第一方格的第三条边相邻的方格的第一条边、第二方格的第三条边、以及第二层二维光网络700B的多个方格中与第二方格的第三条边相邻的一个方格的第一条边上。

第四三维光开关770被布置在第一方格的第四条边、第一层二维光网络700A的多个方格中与第一方格的第四条边相邻的方格的第二条边、第二方格的第四条边、以及第二层二维光网络700B的多个方格中与第二方格的第四条边相邻的一个方格的第二条边上。

在一些示范性实施例中，三维光开关740、750、760和770中的每一个可以具有如图3所示的三维光开关200的说明性结构300。示例性地，三维光开关740包括：被布置在第一层二维光网络700A和第二层二维光网络700B的第一层间光开关单元、被布置在第一层二维光网络700A中的二维光开关单元720和被布置在第二层二维光网络700B中的二维光开关单元730。进一步地，第一层间光开关包括布置在第一层二维光网络700A的一部分717和布置在第二层二维光网络700B的其他部分719。

在一些示范性实施例中，第一层二维光网络700A的第一条边包括第一三维光开关740的两个第四端口中的一个第四端口742和第一三维光开关740的与该第四端口742位于同一层700A的两个第一端口中的一个第一端口744。

在一些示范性实施例中，第一层二维光网络700A的第二条边包括第二三维光开关750的两个第二端口中的一个第二端口752和第二三维光开关750的与该第二端口752位于同一层700A的两个第一端口中的一个第一端口754，第二条边的第二端口752与第一条边的第四端口742通过波导光学地连接。

在一些示范性实施例中，第一层二维光网络700A的第三条边包括第三三维光开关760的两个第二端口中的一个第二端口762和第三三维光开关760的与该第二端口762位于同一层700A的两个第一端口中的一个第一端口764，第三条边的第二端口762与第二条边的第一端口754通过波导光学地连接。

在一些示范性实施例中，第一层二维光网络700A的第四条边包括第四三维光开关770的两个第四端口中的一个第四端口774和第四三维光开关770的与该第四端口774位于同一层700A的两个第一端口中的一个第一端口772，第四条边的第四端口774与第一条边的第一端口744通过波导光学地连接，第四条边的第一端口772与第三条边的第一端口764通过波导光学地连接。

示例性地，第一三维光开关740、第二三维光开关750、第三三维光开关760和第四三维光开关770的位于第一层二维光网络700A中的端口被布置在第二层三维光网络700B的相应边上。第二层三维光网络700B每条边上的三维光开关的布置方式如上文结合图2和图3所描述的，在此不再赘述。

作为示例，三维光开关740可以是如图2所示的三维光开关。三维光开关740在第一层二维光网络700A中的端口742可以代表端口212，端口744可以代表端口226，端口746可以代表端口222，端口748可以代表端口228。相应地，三维光开关740在第二层二维光网络700B中的端口742’可以代表端口214，端口744’可以代表端口236，端口746’可以代表端口232，端口748’可以代表端口238。示例性地，三维光开关750、760和770可以分别以类似的方式布置，在此不再赘述。

应当理解的是，本申请中三维光开关在三维光网络中的构型并不限于图7A图7B所示的连接方式。通过其他连接方式来构成三维光网络的实施例也是可能的。

综上所述，三维光网络500中的每一层方格型二维光网络层可以通过如图7A和7B所描述的结构来布置如图2和图3所描述的三维光开关，以使得光信号能够不仅在层内，而且在与其他方格型二维光网络的层间进行光学通信，从而实现了方格型三维光网络的多层光路可控的架构。

图8是根据本公开示例性实施例的三维光芯片800的示意图。如图8所示，三维光芯片800(例如，三维可编程芯片)可以包括如图5至图7所示的或如本公开所描述的三维光网络的实施例中的一个，在此不再赘述。

三维光芯片800还可以包括多个输入/输出端口820。多个输入/输出端口820连接到三维光网络，以使得光信号810能够通过多个输入/输出端口820进入或离开三维光网络。

将理解的是，图8中示出的输入/输出端口820的数目是示例性的，在其他实施例中，三维光芯片800可以包括更多或更少的输入/输出端口820。

综上所述，三维光芯片800包括如本公开实施例所描述的三维光网络的结构，由于本公开的三维光网络实施例实现了不同波导层/功能层间的光功率分配及可控切换，从而三维光芯片800可以实现多个功能层间的选通与逻辑控制。进一步地，三维光网络的异质异构的多材料体系以及多层堆的三维光互连特性给三维光芯片800带来了性能的提升，也提供了更多的功能、应用的可能性。

虽然在附图和和前面的描述中已经详细地说明和描述了本公开，但是这样的说明和描述应当被认为是说明性的和示意性的，而非限制性的；本公开不限于所公开的实施例。通过研究附图、公开内容和所附的权利要求书，本领域技术人员在实践所要求保护的主题时，能够理解和实现对于所公开的实施例的变型。在权利要求书中，词语“包括”不排除未列出的其他元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个，并且术语“多个”是指两个或两个以上。在相互不同的从属权利要求中记载了某些措施的仅有事实并不表明这些措施的组合不能用来获益。

方面1.一种三维光开关，包括：

两个二维光开关单元，每个二维光开关单元均包括相应的两个第一端口和相应的两个第二端口，所述两个二维光开关单元被分别布置在第一层二维光网络和第二层二维光网络中；以及

第一层间光开关单元，包括两个第三端口和两个第四端口，所述两个第三端口中的一个被布置在所述第一层二维光网络中且与所述第一层二维光网络中的二维光开关单元的两个第二端口中的一个光学地连接，所述两个第三端口中的另一个被布置在所述第二层二维光网络中且与所述第二层二维光网络中的二维光开关单元的两个第二端口中的一个光学地连接，所述两个第四端口被分别布置在所述第一层二维光网络和所述第二层二维光网络中，

其中，每个二维光开关单元被配置为使得所述相应的两个第一端口中的一个或两个选择性地与所述相应的两个第二端口中的一个或两个光学通信，并且

其中，所述第一层间光开关被配置为使得所述两个第三端口中的一个或两个选择性地与所述两个第四端口中的一个或两个光学通信。

方面2.如方面1所述的三维光开关，其中，所述第一层间光开关还包括：

第一波导，被布置在所述第一层二维光网络中，用于将布置在所述第一层二维光网络中的第四端口光学地连接到布置在所述第一层二维光网络中的第三端口；

第二波导，被布置在所述第二层二维光网络中，用于将布置在所述第二层二维光网络中的第四端口光学地连接到布置在所述第二层二维光网络中的第三端口；

第一光耦合器，被布置在第一和第二波导的一端，用于在第一和第二波导之间耦合光功率；

第二光耦合器，被布置在第一和第二波导的另一端，用于在第一和第二波导之间耦合光功率；以及

移相器，被布置在第一和第二波导上在第一和第二光耦合器之间，用于改变在第一和第二波导中传输的光信号的相位。

方面3.如方面1或2所述的三维光开关，进一步包括：

第二层间光开关，包括两个第五端口和两个第六端口，所述两个第五端口中的一个被布置在所述第一层二维光网络中且与所述第一层二维光网络中的二维光开关单元的两个第一端口中的一个端口光学地连接，所述两个第五端口中的另一个被布置在所述第二层二维光网络中且与所述第二层二维光网络中的二维光开关单元的两个第一端口中的一个端口光学地连接，所述两个第六端口被分别布置在所述第一层二维光网络和所述第二层二维光网络中，

其中，所述第二层间光开关被配置为使得两个第五端口中的一个或两个选择性地与所述两个第六端口中的一个或两个光学通信。

方面4.如方面3所述的三维光开关，其中，所述第二层间光开关还包括：

第三波导，被布置在所述第一层二维光网络中，用于将布置在所述第一层二维光网络中的第五端口光学地连接到布置在所述第一层二维光网络中的第六端口；

第四波导，被布置在所述第二层二维光网络中，用于将布置在所述第二层二维光网络中的第五端口光学地连接到布置在所述第二层二维光网络中的第六端口；

第三光耦合器，被布置在第三和第四波导的一端，用于在第三和第四波导之间耦合光功率；

第四光耦合器，被布置在第三和第四波导的另一端，用于在第三和第四波导之间耦合光功率；以及

移相器，被布置在第三和第四波导上在第三和第四光耦合器之间，用于改变在第三和第四波导中传输的光信号的相位。

方面5.如方面4所述的三维光开关，其中，所述第一光耦合器、第二光耦合器、第三光耦合器和第四光耦合器中的每个均包括从下各项组成的组中选择的一项：多模干涉器和定向耦合器。

方面6.一种三维光网络，包括：

至少两层二维光网络；以及

至少一个三维光开关，每个三维光开关包括如方面1至5中任一项所述的三维光开关，

其中，每个三维光开关被配置为使得所述至少两层二维光网络中的第一层二维光网络选择性地与所述至少两层二维光网络中的不同于所述第一层二维光网络的第二层二维光网络光学通信。

方面7.如方面6所述的三维光网络，其中，所述至少两层二维光网络每个均包括从以下各项组成的组中选择的至少一项：方格型光网络和蜂窝型光网络。

方面8.如方面7所述的三维光网络，其中，所述至少两层二维光网络每个均包括方格型光网络，每层二维光网络的方格型光网络包括沿该层二维光网络的二维方向分布且彼此相邻的多个方格，其中，

所述至少一个三维光开关中的第一三维光开关被布置在所述第一层二维光网络的所述多个方格中的第一方格的第一条边、所述第一层二维光网络的所述多个方格中与所述第一方格的第一条边相邻的一个方格的第三条边、所述第二层二维光网络的所述多个方格中的第二方格的第一条边、以及所述第二层二维光网络的所述多个方格中与所述第二方格的第一条边相邻的一个方格的第三条边上，

所述至少一个三维光开关中的第二三维光开关被布置在所述第一方格的第二条边、所述第一层二维光网络的所述多个方格中与所述第一方格的第二条边相邻的一个方格的第四条边、所述第二方格的第二条边、以及所述第二层二维光网络的所述多个方格中与所述第二方格的第二条边相邻的一个方格的第四条边上，

所述至少一个三维光开关中的第三三维光开关被布置在所述第一方格的第三条边、所述第一层二维光网络的所述多个方格中与所述第一方格的第三条边相邻的一个方格的第一条边、所述第二方格的第三条边、以及所述第二层二维光网络的所述多个方格中与所述第二方格的第三条边相邻的一个方格的第一条边上，

所述至少一个三维光开关中的第四三维光开关被布置在所述第一方格的第四条边、所述第一层二维光网络的所述多个方格中与所述第一方格的第四条边相邻的一个方格的第二条边、所述第二方格的第四条边、以及所述第二层二维光网络的所述多个方格中与所述第二方格的第四条边相邻的一个方格的第二条边上。

方面9.如方面8所述的三维光网络，其中，所述至少一个三维光开关中的每个为方面1至2中任一项所描述的三维光开关，

其中，所述第一层二维光网络的第一条边包括所述第一三维光开关的两个第四端口中的一个第四端口和所述第一三维光开关的与该第四端口位于同一层的两个第一端口中的一个，

其中，所述第一层二维光网络的第二条边包括所述第二三维光开关的两个第二端口中的一个第二端口和所述第二三维光开关的与该第二端口位于同一层的两个第一端口中的一个，所述第二条边的第二端口与所述第一条边的第四端口通过波导光学地连接，

其中，所述第一层二维光网络的第三条边包括所述第三三维光开关的两个第二端口中的一个第二端口和所述第三三维光开关的与该第二端口位于同一层的两个第一端口中的一个，所述第三条边的第二端口与所述第二条边的第一端口通过波导光学地连接，

其中，所述第一层二维光网络的第四条边包括所述第四三维光开关的两个第四端口中的一个第四端口和所述第四三维光开关的与该第四端口位于同一层的两个第一端口中的一个，所述第四条边的第四端口与所述第一条边的第一端口通过波导光学地连接，所述第四条边的第一端口与所述第三条边的第一端口通过波导光学地连接。

方面10.如方面6所述的三维光网络，其中，所述至少两层二维光网络分别布置在至少两层介质层中。

方面11.如方面10所述的三维光网络，其中，所述至少两层介质层中的每一个包括从以下各项所组成的组中选择的一项：

绝缘体上硅有源层、氮化硅光网络层、铌酸锂调制层和磷化铟有源层。

方面12.一种三维光芯片，包括：

如方面6至11中任一项所述的三维光网络；和

多个输入/输出端口，所述多个个输入/输出端口光学地连接到所述三维光网络以使得光信号能够通过所述多个输入/输出端口进入或离开所述三维光网络。