CN107111169A - 应力调谐平面照明电路及其方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种平面光波电路，其能够与具有低光损耗的外部设备光耦合，同时还提供了对传播通过PLC的光信号的低功率功能控制。PLC包括其中形成应力诱导(SI)移相器的高对比度波导区域，使得它能够控制光信号的相位。高对比度波导区域经由斑点尺寸转换器光耦合到低对比度波导区域，由此使到能够光耦合到具有低光损耗的芯片外设备。在高对比度波导区域中形成SI移相器使得能够有改进的响应性和相位控制、降低的电压以及更小的所需芯片占用面积。因此，本发明使得能够实现更低成本和更高性能的PLC***。

Description

应力调谐平面照明电路及其方法

相关申请的交叉引用

本案是于2013年10月11日提交的共同未决的美国专利申请序列号14/051715(代理人案号：142-024US1)的部分继续申请，该专利申请要求于2012年10月11日提交的美国临时专利申请序列号61/712,587(代理人案号：142-024PR1)的优先权，其中每一个都通过引用被结合于此。

此外，以下案子的基本概念(但不一定是语言)通过引用被结合于此：

(1)2006年12月5日颁发的美国专利7,146,087；

(2)美国专利申请序号14/321,138；以及

(3)2006年11月28日颁发的美国专利7,142,759。

如果本申请与在本案中已经通过引用结合的、可能影响保护范围的解释的一个或多个案子之间存在任何语言的矛盾或不一致，那么本案中的保护范围应当被解释为与本案中的语言一致。

技术领域

本发明一般而言涉及集成光学器件，并且更具体而言涉及表面波导结构和技术。

背景技术

平面光波电路(PLC)是包括集成在基板的表面上的一个或多个波导的光学***，其中波导通常被组合以提供复杂的光学功能。这些“表面波导”通常包括被第二材料围绕的第一材料的芯，其中第二材料的折射率低于第一材料的折射率。在材料之间的界面处的折射率的变化使得传播通过芯的光能够反射，由此沿着波导的长度引导光。

基于PLC的设备和***已经在许多应用(诸如光通信***、传感器平台、固态投影***等)中具有显著的影响。表面波导技术满足这些***中对于可以对传播通过***的多个光信号提供功能控制的小尺寸的可靠的光电路部件的需求。示例包括简单设备(例如，1x2和2x2光学开关、基于Mach-Zehnder干涉仪的传感器等)，以及具有多个波导元件和许多输入和输出端口的更复杂的基于矩阵的***(例如，波长分插复用器、交叉连接、波长组合器等)。

这些***中大多数的共同之处在于需要一种基于PLC的开关元件。历史上，最常见的开关元件基于被称为热光(TO)移相器的设备。通过包括部署在表面波导的上部包层的顶部的薄膜加热器，TO移相器利用玻璃的折射率(即，光在材料中的速度)与温度有关(被称为热光效应)的事实。通过加热器的电流生成传播到包层和芯材料中的热量，改变其温度并因此改变其折射率。TO移相器已经被证明具有最大2π的诱导相位变化。

TO移相器通常包括在另一个波导元件(诸如Mach-Zehnder干涉仪(MZI))中，以形成光学开关元件。在MZI开关布置中，输入光信号被分成两个相等的部分，这两个部分沿着一对基本完全相同的路径(即，臂)向下传播到接头，然后在此它们被重新组合成输出信号。其中一个臂结合用于控制那个臂中的光的相位的TO移相器。通过在臂中的光信号部分之间施加π的相位差，两个信号在重新组合时相消干涉，由此彼此抵消，产生零功率输出信号。当光信号部分之间的相位差为0(或n*2π，其中n为整数)时，这两个信号相长性重新组合，产生全功率输出信号。

遗憾的是，现有技术的基于PLC的开关元件的缺点至今都限制它们在许多应用中的采用。首先，TO移相器消耗大量功率–每个加热器元件为300-500mW的量级。另外，除了将加热器元件正下方的芯和包层材料加热，来自薄膜加热器的热也会在玻璃中横向扩散，这会导致相邻波导之间的热串扰。此外，玻璃具有低导热系数，这导致长的加热和冷却时间–通常在几毫秒的量级。因此，TO移相器不能很好地适用于许多应用。

为了克服TO移相器的一些限制，开发了压电致动的应力诱导(SI)移相器。与常规硅上二氧化硅波导集成的SI移相器，例如，由S.Dalati等人在IEEE PhotonicsTechnologies Letters第10卷第1428-1430页(1998)上出版的“Piezoelectric Actuationof Silica-on-Silicon Waveguide Devices”中所公开的。已经显示出这种现有技术的移相器能够实现具有低功率耗散的微秒级的光开关。

应当指出的是，硅上二氧化硅波导是“低对比度波导”，其特征在于它们的芯和包层材料的折射率仅有微小差异(<1％)。低对比度波导被开发用在其中传播损耗低是关键因素的电信***中。低对比度波导可以具有小于0.1dB/cm的传播损耗。另外，低对比度波导的模场尺寸通常与光纤的模场尺寸良好匹配，这有助于它们之间的低损耗光耦合。

遗憾的是，由于这种低折射率对比度，光仅被宽松地限制在低对比度波导的芯中，并且其光能的大部分作为渐逝尾光相当程度地扩展到包层中。因此，在低对比度波导中传播的光信号的模场分布(即，围绕波导的中心轴的光能的分布)相当大。此外，低对比度波导需要非常厚的(通常为12-25微米厚)的包层。对这种厚包层的需求会降低集成的移相器的有效性。

此外，光信号的松散限制的光能可以在其沿着波导传播时泄漏出波导，尤其是在紧致弯曲和环路处。还有，为了避免相邻波导的松散限制的模场分布的重叠，低对比度波导必须很好地隔开，以避免它们之间的光耦合。

因此，基于低对比度波导的PLC需要大量的芯片占用面积来实现任何显著的功能，这导致高的每芯片成本。此外，低对比度波导的大弯曲半径要求排除了一些波导部件的实现，诸如需要小弯曲半径的大型自由光谱范围环形谐振器。

期望将SI移相器技术与需要更少芯片占用面积的PLC技术组合，以实现低成本、低功率、快速的光信号控制，同时维持与外部光学器件的低损耗光耦合。

发明内容

本发明实现了可以与具有低光损耗的外部设备光耦合的PLC，同时还对经传播通过PLC的光信号提供低功率功能控制，其中PLC可以包括小芯片区域内的高密度表面波导。因此，本发明的实施例可以以低成本和低光损耗提供高功能操作。本发明的实施例尤其适用于诸如电信、数据通信、投影***和传感器的应用。

本发明采用具有多层芯的高对比度波导结构，其对于传播通过波导的光产生紧密限制的模场分布。因此，这种波导结构的包层可以比现有技术的基于电介质的表面波导更薄。这使得能够将部署在上部包层上的SI移相器的压电层的应变更有效地转移到波导中，其中应变表现为应力诱导的波导材料的折射率变化。因此，本发明能够实现对光信号的更有效的相位控制，以及可以比现有技术的光功能PLC显著更小和更便宜的PLC芯片。

本发明的说明性实施例是一种PLC，其包括其中形成基于Mach-Zehnder干涉仪的光开关的高对比度波导区域。MZI开关的输出经由斑点尺寸转换器与低对比度波导区域中的低对比度波导光耦合。低对比度波导终止于具有与外部光纤匹配的模场分布的输出端口，由此实现它们之间的低损耗光耦合。

高对比度波导包括具有多层芯的波导结构，多层芯包括由非常薄的二氧化硅层隔开的第一和第二氮化硅层。第一氮化硅层具有适合作为低对比度波导操作的第一厚度，而不存在第二氮化硅层。第二氮化硅层具有选择成使得两个氮化硅层共同限定支持具有紧密限制的光模式的光信号的传播的高对比度波导芯的第二厚度。多层芯的二氧化硅层足够薄，使两个氮化硅层被光耦合，使得它们共同支持光信号的传播，就好像二氧化硅层不存在一样。换句话说，二氧化硅层的存在不会明显地扰乱由具有两个氮化硅层的组合厚度的单层氮化硅所支持的形式的光模式的形状。

低对比度波导具有包括第一氮化硅层但不包括第二氮化硅层的芯。因此，低对比度波导作为常规的氮化硅条纹波导工作，其支持相对较大的光模式，其模场分布基本上与常规光纤的匹配。在一些实施例中，低对比度波导的模场分布与不同的外部设备(诸如激光、检测器等)匹配。在一些实施例中，低对比度波导终止于包括模场扩展器的输出端口，模场扩展器控制光信号的模场分布，以便于与外部设备的光耦合。

斑点尺寸转换器包括光耦合高对比度波导和低对比度波导的过渡区域。该过渡区域具有包括第一和第二氮化硅层和中间二氧化硅层的多层芯。过渡区域的一端在第一点处与高对比度区域邻接，而过渡区域的另一端在第二点处与低对比度波导邻接。第二氮化物层的厚度从第一点处的第二厚度变为第二点处的消光。因此，过渡区域绝热地过渡高对比度区域中相对较小的模场和低对比度区域中相对较大的模场之间的模场分布。

经由在MZI开关的一个臂中形成的SI移相器提供对高对比度波导区域中的光信号的功能控制。SI移相器包括底部和顶部电接触层以及它们之间的压电层。底部触点与高对比度波导的薄上部包层物理接触，使得施加在两个电接触层之间的电信号在压电层中诱导应变，该应变作为多层芯和/或高对比度波导的上部包层中的应力被高效地转移。另外，在说明性实施例中，SI移相器区域中的上部包层变薄，以进一步增强压电层和波导材料之间的机械能转移。

像现有技术的SI移相器一样，本发明通过在波导的材料上施加应力来诱导传播通过波导的光信号的相移。但是，与现有技术的SI移相器相反，在本发明的实施例中，本发明的SI移相器可操作地与高对比度波导耦合。这为本发明的实施例提供了优于现有技术的若干优点，包括：

i.由于较薄的芯和包层，改进由SI移相器与波导诱导的应力的机械耦合；或者

ii.通过更紧密的光模式限制、更紧的弯曲半径以及高对比度波导的改进的波导密度能力，对PLC而言降低的占用面积要求；或者

iii.降低的整体***成本；或者

iv.I、ii和iii的任意组合。

通过包括斑点尺寸转换器，在维持与外部设备(诸如光纤、激光器和/或检测器)的良好光耦合的同时产生这些优点。

在一些实施例中，高对比度区域中的上部包层在SI相位调制器之下不变薄。

本发明的实施例是一种平面光波电路(PLC)，该PLC包括：(1)高对比度波导区域，包括第一波导部分，该第一波导部分包括共同支持具有第一模场分布的光信号的传播的多层芯，该多层芯具有：(a)包括第一材料的第一层，该第一层具有第一厚度；(b)包括第一材料的第二层，该第二层具有大于第一厚度的第二厚度；和(c)位于第一层和第二层之间的第三层，该第三层包括第二材料，其中第三层具有小于或等于500nm的第三厚度；(2)低对比度波导区域，包括第二波导部分，该第二波导部分包括共同支持具有大于第一模场分布的第二模场分布的光信号的传播的单层芯，该单层芯包括第一层；(3)使第一波导部分和第二波导部分光耦合的斑点尺寸转换器；以及(4)部署在高对比度波导区域中的移相器，该移相器包括第一波导部分、第一电极层、第二电极层以及位于第一电极层和第二电极层之间的压电层，其中移相器操作用于响应于控制信号而在第一波导部分中诱导应力。

附图说明

图1描绘了根据本发明的说明性实施例的基于PLC的光调制器的功能框图。

图2描绘了根据说明性实施例的适于形成PLC的方法的操作。

图3描绘了调制器100的表面波导网络的示意图。

图4描绘了根据说明性实施例的HC波导的横截面图的示意图。

图5描绘了根据说明性实施例的LC波导的横截面图的示意图。

图6A-B分别描述了父申请中公开的斑点尺寸转换器的一部分的横截面和俯视图的示意图。

图7A描绘了开关元件102的顶视图的示意图。SI移相器122可操作地与MZI 306的臂310B耦合。

图7B描绘了SI移相器122和臂310B的横截面图的示意图。

图8描绘了根据说明性实施例的适于形成SI移相器的方法的子操作。

图9描绘了模拟结果，对于在相移器122下面的上部包层的不同厚度t5示出了在HC波导302中诱导2π相变相对于上电极宽度w2所需的电压。

图10A描绘了根据本发明的替代实施例的开关元件的横截面图的示意图。

图10B描绘了根据本发明的替代实施例的开关元件的横截面图的示意图，其中相位控制区域是经由顶部包层材料在多层芯上的保形沉积形成的。

图11对于压电层706的不同长度和厚度描绘了根据说明性实施例的HC波导302的有效折射率相对于上电极宽度w2的模拟结果。

图12描绘了测得的由移相器122在HC波导302中诱导出的调制深度的曲线图。

图13描绘了由移相器122测得的HC波导302中的开关速度的曲线图。

具体实施方式

为了本说明书的目的，包括所附权利要求，术语“部署在…上”或“在…上形成”被限定为在底层材料或层上“存在”，或者与其直接物理接触或者利用一个或多个中间层。例如，如果材料被描述为在基板上“部署(或生长)”，那么这可以意味着或者(1)材料与基板紧密接触；或者(2)材料与已经存在于基板上的一层或多层接触。应当指出的是，保形层被认为部署在它与其共形的结构的每个表面上。

本案是标题为“Surface Waveguide Having a Tapered Region and Method ofForming”的美国专利申请序列号14/051715的部分继续申请(以下称为“父案”)，其整体上通过引用并入全文。如在父案中所讨论的，通过在波导刻面实现对模场分布的尺寸的控制使得其可以更紧密匹配光纤的尺寸，基于波导锥形的斑点尺寸转换器的使用提供了一种改进高对比度波导(即，具有折射率的大差异(通常为25-100％)的芯和包层材料的表面波导)与常规光纤之间的光耦合效率的途径。

但是，现有技术的斑点尺寸转换器具有若干缺点。首先，一些只能在一个维度上控制光模式的形状，由此仅提供光耦合效率的最小的改进。其次，对完整的模式分布形状提供控制的那些斑点尺寸转换器通常很难可控地制造，从而使得它们难以商业化。父案引入了一种斑点尺寸转换器，其克服了这些现有技术的斑点尺寸转换器的一些缺点。

本发明将父发明的斑点尺寸转换器与在PLC基板的高对比度波导区域中形成的SI移相器组合，以实现具有对一个或多个光信号的功能控制以及到外部光学设备的低光耦合损耗的PLC，其中PLC所需的芯片占用面积显著小于现有技术中所可能的。

图1描绘了根据本发明的说明性实施例的基于PLC的光调制器的功能框图。调制器100包括开关元件102、斑点尺寸转换器104、输入端口106和输出端口108，所有这些都被单片地集成在基板110上。调制器100可操作用于控制光从与输入端口106光耦合的光纤120A到与输出端口108光耦合的光纤120B的传输。换句话说，调制器100接收光信号112并提供输出信号118。应当指出的是，调制器100仅仅是本发明适用的示例性的基于PLC的光学***。

调制器100是本发明的说明性示例，因为既包括高对比度波导区域又包括低对比度波导区域，其中至少一个表面波导对于这两种类型的区域是公共的。传播通过这种波导的光信号的模场分布经由斑点尺寸转换器在每个区域的波导之间绝热地转换。另外，经由在高对比度波导区域内形成的SI移相器提供对光信号的功能控制。

还有，调制器100包括开关元件102，其包括高对比度波导网络和可操作地与波导网络的一部分耦合的相位控制元件(即，SI移相器122)。

图2描绘了根据说明性实施例的适于形成PLC的方法的操作。方法200从操作201开始，其中提供了调制器100的表面波导网络。继续参考图1以及参考图3-7，描述方法200。

图3描绘了调制器100的表面波导网络的示意图。网络300包括在高对比度波导区域114中形成的高对比度波导302(下文称为HC波导302)、在低对比度波导区域116中形成的低对比度波导304(下文称为LC波导304)，以及斑点尺寸转换器104A和104B，转换器104A和104B中的每一个包括HC波导302的一部分和LC波导304的一部分(即，每个斑点尺寸转换器包括LC和HC波导区域的一部分)，以及其端部与LC和HC波导区域中的每一个邻接的过渡区域。在一些实施例中，HC波导区域114和LC波导区域116中的至少一个包括以与图1所示类似的方式经由斑点尺寸转换器而互连的若干不连续的子区域。

图4描绘了根据说明性实施例的HC波导的横截面图的示意图。波导302包括下部包层402、多层芯404和上部包层412，如图所示，它们都部署在基板110上。多层芯404包括下部芯406、中心芯408和上部芯410，它们共同支持光信号112的传播，使得信号的光模式被紧密地限制。根据本发明的适用于形成HC波导的方法在父申请中详细描述。

下部包层402是经由常规方法(诸如热氧化、低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、旋涂技术、溅射、晶片键合等)形成的二氧化硅层。下部包层402具有大约8微米的厚度。通常，下部包层402具有在大约2微米至大约15微米范围内的厚度，但是其它厚度在本发明的范围内。在一些实施例中，下部包层402包括除二氧化硅之外的一种或多种材料，诸如不同的氧化硅或其它电介质。本领域技术人员将认识到的是，为了实现作为用于波导302的包层，如下所述，下部包层402的折射率必须低于芯406和408的有效折射率。本领域技术人员将清楚如何指定、制作和使用下部包层402。另外，在一些实施例中，基板110包括适合用作用于波导302的下部包层的材料(诸如熔融二氧化硅或另一种玻璃)。在这些实施例的一些当中，不包括下部包层402，并且基板110本身充当用于波导302的下部包层。

多层芯404的形成从下部芯406的形成开始。下部芯406是LPCVD沉积的化学计量氮化硅层，其厚度t1大约为65纳米(nm)。下部芯406的厚度是基于低折射率区域120中或调制器100的入射面和出射面处的光信号112的期望的模场分布来选择的。例如，65nm的厚度对于其中LC波导想要与常规光纤(针对其波长为1550纳米或接近1550纳米的光信号)进行模式匹配的应用是优选的。但是，对于可见光应用，下部芯406优选地较薄，厚度在大约25nm至大约50nm的范围内。通常，下部芯406具有在大约10nm至大约100nm范围内的厚度，但是其它厚度在本发明的范围内。

中心芯408是与下部芯406直接接触形成的LPCVD沉积的、基于TEOS的二氧化硅层。中心芯408具有大约100nm的厚度t2。中心芯408的厚度被选择成使得下部芯406和上部芯410能够光耦合使得这些层共同支持光信号112的传播，同时还减轻光信号在其传播通过波导302时的扰动。通常，中心芯408具有在大约10nm至大约500nm的范围内的厚度t2。应当指出的是，对于可见光应用，中心芯408的厚度优选地在大约100nm至大约200nm的范围内。本领域技术人员将在阅读本说明书之后认识到的是，在中心芯408中使用的材料将依赖于用于下部芯406和上部芯410的材料的选择以及光信号112的波长。

上部芯410是与中心芯408直接接触形成的LPCVD沉积的化学计量氮化硅层。上部芯410具有大约300nm的厚度t3。通常，上部芯410的厚度值t3在大约100nm至大约300nm的范围内，但是其它厚度也在本发明的范围内。对于可见光应用，上部芯410的厚度通常比针对红外应用的波导更薄。因此，在可见光应用中，上部芯410的厚度优选地在大约100nm至大约200nm的范围内。

上部包层412是与上部芯410直接接触形成的LPCVD沉积的基于TEOS的二氧化硅层。上部包层412具有大约8微米的厚度。通常，上部包层412具有在大约2微米至大约15微米的范围内的厚度。在一些实施例中，上部包层412包括除LPCVD沉积的基于TEOS的二氧化硅之外的材料。适于在上部包层412中使用的材料包括但不限于LPCVD沉积的氧化硅、PECVD沉积的氧化硅、旋涂玻璃、其它电介质等。

本领域技术人员将认识到的是，芯层406、408和410的厚度和材料是设计选择的问题，并且基于光信号112中的光的波长及其期望的模场分布。适于在芯层406、408和410中使用的材料包括对于工作波长基本上是透明的任何材料，诸如化学计量的氮化硅、非化学计量的氮化硅、富含硅的氮化硅、其它电介质、掺杂的玻璃、半导体、硅化合物(例如，碳化硅、硅-锗等)、化合物半导体等。

图5描绘了根据说明性实施例的LC波导的横截面图的示意图。波导304包括下部包层402、下部芯406、中心芯408和上部包层412。换句话说，LC波导304的结构是不包括上部芯410的HC波导302的结构。应当指出的是，中心芯408和上部包层共同限定用于LC波导304的上部包层。在一些实施例中，中心芯408不包括在LC波导304的波导结构中。

下部芯406被设计为支持光信号112的传播，使得信号的光模式基本上与光纤120的光模式匹配。因此，LC波导304形成输入端口106和108，这使得能够低损耗光耦合到光纤120A和120B。根据本发明的适于形成LC波导的方法在父申请中详细描述。

在一些实施例中，端口106和108中的至少一个包括模场转换器(例如，附加的斑点尺寸转换器)，其将其相应光信号的模场分布从LC波导304的模场分布转换为与常规光纤以外的外部光学元件(诸如光源(例如，激光、LED、VCSEL等)、检测器、自由空间透镜***等)匹配的模场分布。

现在返回到图3，HC波导区域114包括共同限定MZI 306的多个HC波导。MZI 306包括输入波导308、臂310A和310B以及输出波导312。布置输入波导308、臂310A和310B以及输出波导312使得当光信号112传播通过输入波导308时，其被分成等分部分312A和312B，其分别传播通过相等长度的臂310A和310B，到达输出波导312。

输入波导308经由斑点尺寸转换器104A与输入端口106光耦合。以类似的方式，输出波导312经由斑点尺寸转换器104B与输出端口108光耦合。每个斑点尺寸转换器被设计成使得其在HC波导302的模场分布和LC波导304的模场分布之间绝热地转换其相应光信号的模场分布。斑点尺寸转换器104的结构和制造类似于在父案中所描述的斑点尺寸转换器的结构和制造。

图6A-B分别描绘了父申请中公开的斑点尺寸转换器的一部分的横截面和顶视图的示意图。斑点尺寸转换器104B包括输出波导312的一部分、输出端口108的一部分以及过渡区域602。应当指出的是，斑点尺寸转换器104B代表斑点尺寸转换器104A。

过渡区域602包括下部包层402、下部芯406、中心芯408、垂直锥形604和上部包层412。过渡区域602使得斑点尺寸转换器能够在输出信号118通过高对比度波导(即，输出波导312)和低对比度波导(即，输出端口108)之间时控制输出信号118的光模式的尺寸和形状。如上面所讨论的，现有技术的许多斑点尺寸转换器仅具有横向锥形。这种斑点尺寸转换器的性能受到限制，因为它们主要仅在一个维度上控制模场的尺寸。但是，斑点尺寸转换器104B包括过渡区域602中的横向和垂直锥形二者。因此，斑点尺寸转换器104B可以实现对模场的完整分布的控制，并且与现有技术的这样的斑点尺寸转换器相比可以产生具有改进的性能的斑点尺寸转换器。

垂直锥形604是基本上线性的锥形，其厚度沿着长度L1从点606处(在点606处过渡区域602与高对比度区域114邻接)的上部芯410的沉积的厚度(即，t3)单调变化到点608处(在点608处过渡区域602与低对比度区域116邻接)的零(即，消光)。垂直锥形604与x-z平面形成角度θ1，如图所示。选择θ1的量值，以促进输出信号118在输出波导312和输出端口108之间的绝热耦合。适于形成垂直锥形604的方法在2014年5月6日授予且标题为“Method forForming a Spotsize Converter”的美国专利No.8718432中描述，其整体上并入本文。在一些实施例中，垂直锥形604经由适于在层中形成成形的垂直分布的不同方法形成，诸如荫罩蚀刻、通过牺牲的渐变厚度掩模的反应离子蚀刻(例如，利用灰度级光刻等形成的)、湿法蚀刻等。在一些实施例中，垂直锥形604具有非线性锥形，如在2014年5月5日提交的标题为“Layer Having a Non-linear Taper and Method of Fabrication”的美国专利申请No.14/270,014中所描述的，其整体上并入本文。

HC波导302和LC波导304被限定为使得各自具有等于大约1微米的宽度w1，这使得能够对于每种类型的波导进行单模操作。对于LC波导304，这种宽度促进与常规光纤的良好光耦合。在一些实施例中，HC波导302和LC波导304中的一个或两个被设计为具有不同的宽度。在此类实施例中，横向锥形被限定为使得下部芯402和上部芯410的宽度沿着过渡区域602的长度(或者替代地，在HC区域114和LC区域116之一内)线性变化，以绝热地改变当光信号118在HC区域114和LC区域116之间传播时光信号118的光模式分布的宽度。例如，在一些实施例中，LC区域116用作PLC中的长的低传播损耗区段。在此类实施例中，可以期望LC波导304的宽度更大(例如，宽度为2-3微米)，以减轻由于侧壁粗糙度造成的损耗，同时仍保持单模行为。

还应当指出的是，在一些实施例中，在HC波导302和LC波导304的横向限定期间，在多层芯的蚀刻分布中形成角度，这导致上部芯410的宽度小于下部芯406的宽度。

现在返回到方法200，在操作202，SI移相器122在HC波导区域114中形成，使得移相器和306MZI共同地作为开关元件102工作。

图7A描绘了根据本发明的说明性实施例的开关元件102的俯视图的示意图。开关元件102包括SI移相器122，其可以与MZI 306的臂310B中的HC波导302可操作地耦合。

图7B描绘了SI移相器122和臂310B的横截面图的示意图。图7B中所示的横截面是通过图7A的线a-a截取的。SI移相器122与臂310B中的HC波导302的波导层物理耦合，使得在移相器中生成的应变在波导的至少一些层中产生应力。SI移相器122包括底部电极704、压电层706和顶部电极708。

图8描述了根据说明性实施例的适于形成SI移相器的方法的子操作。操作202从可选的子操作801开始，其中上部包层412通过在相位控制区域702中将其蚀刻到深度d1而变薄，使得移相器下的上部包层材料具有厚度t5。

本发明的一方面是在SI移相器122下的区域中减薄上部包层412增强压电层706与臂310B的波导层之间的机械耦合。这促进将压电材料中引导出的应变高效转换成下面的波导层中的应力。

图9描绘了模拟结果，其示出了，对于在移相器122下面的上部包层的不同厚度t5，在HC波导302中诱导2π相位变化所需的电压相对于上电极宽度w2的关系。曲线图900示出了，当移相器的维度变化时(具体而言，上电极708的宽度以及SI移相器下面的上部包层412的厚度t5)，由根据本发明的SI移相器对HC波导302的应力调谐的有效性。SI移相器部署在宽度为1.1微米的双条波导上，其中下部芯和上部芯分别具有65nm和175nm的厚度。

迹线902至912分别对应于厚度为8、7、6、5、4和3.5微米的结构。总的来说，迹线902-912清楚地显示了减薄SI移相器下面的上部包层412的优点。对于3.5微米的包层厚度t5诱导2π相移所需的电压几乎是未减薄的上部包层所需的一半(即，迹线902，其t5是8.0微米)。还应当指出的是，对于较薄的上部包层，顶部电极908的所需宽度也减小。

在子操作802，底部电极704在相位控制区域702中形成，使得其与上部包层412有良好的物理接触。底部电极704是厚度为大约0.1微米的导电材料层。

在子操作803，压电层706在底部电极704上形成。压电层706是具有示例性维度的压电材料层，其包括大约2微米的厚度t4，大约4.6mm的长度L3，大约35微米的宽度w2。应当指出的是，在不背离本发明的范围的情况下，压电层706可以具有任何合适的维度。另外，如下文和关于图10所讨论的，为压电层706选择的维度对SI移相器122操作的有效性具有显著影响。适于在压电层706中使用的材料包括但不限于锆钛酸铅(PZT)、硝酸铝、石英、聚偏二氟乙烯等。

在子操作804，顶部电极708在压电层706上形成。顶部电极708是具有大约0.1微米厚度的导电材料层。适于在底部电极704和顶部电极708中的每一个当中使用的材料包括但不限于金属(例如，铂、金、钨、钛-钨等)、硅化物、半导体、导电聚合物等。此外，在不背离本发明的范围的情况下，底部电极704和顶部电极708中的至少一个可以具有不同于0.1微米的厚度。

应当指出的是，相对于HC波导302的维度，压电层的长度和宽度可以显著影响SI移相器122的有效性。

图10A描绘了根据本发明的替代实施例的开关元件的横截面图的示意图。图10中所示的横截面图是通过图7A的线b-b截取的。开关元件1000包括SI移相器1002，其与臂310B中的HC波导302的波导层物理耦合，使得在移相器中生成的应变在波导的至少一些层中产生应力。SI移相器1002包括底部电极1008、压电层1010和顶部电极1012，并且在相位控制区域1004中形成。相位控制区域1004类似于相位控制区域702；但是，相位控制区域1004包括共同限定相位控制区域1004的拓扑的突起1006和场区域1014。突起1006包括顶表面1016和侧面1018。相位控制区域1004内的拓扑促进在波导结构中开发增强的应力配置。具体而言，相位控制区域1004的拓扑引起在突起1006的边缘发生的应力效应。

底部电极1008、压电层1010和顶部电极1012类似于底部电极704、压电层706和顶部电极708，如上面并关于图7B所描述的。但是，在替代实施例中，底部电极1008、压电层1010和顶部电极1012中的每一个具有基本上符合相位控制区域1004的拓扑的形状。因此，这些层中的每一层部署在突起1006的顶表面和侧面1018中的每一个上。因此，由于在压电层1010中产生压电效应，因此产生横向指向的应力张量。这种横向指向的应力可以增强HC波导302的层对折射率的影响。

用于相位控制区域1004的示例性维度包括大约5微米的深度d2，这导致场区域1014中的上部包层412的场厚度t6为大约3微米，从而给出多层芯404与突起1006之间的上部包层412的大约2.5微米的厚度t8。突起1006在场厚度之上突出高度t7(其大约为3微米)并且具有大约10微米的宽度w3。因此，波导芯404的每个边缘与突起1006的边缘之间的间隔s1等于大约4.5微米(对于如上面并关于图4所讨论的具有1微米的宽度w1的HC波导302)，并且波导302与顶表面1016之间的间隔s2大约为3微米。

一般而言，根据本发明的相位控制区域的维度是基于HC波导300的核心层的维度。换句话说，相位控制区域702和1004的维度通常相对于下部芯406、中心芯408和上部芯410中的每一个的宽度和厚度来设计。另外，多层芯302的结构与突起1006的特征之间的间隔s1和s2(以及因此，SI移相器1002的拓扑)是基于光信号112的波长。通常，s1和s2的值随着波长缩放(即，对于越短的波长，s1和s2越小)。虽然相位控制区域1004的拓扑可以具有任何合适的维度而不背离本发明的范围，但是对于具有在0.5微米至3微米的范围内的宽度的芯层的波导，突起1006的宽度w3通常在大约0.5微米至大约20微米的范围内，场厚度t6通常在大约2微米至3微米的范围内，并且突起1006的高度t7通常在大约0.5微米至大约6微米的范围内。因此，间隔距离s1和s2通常在几微米至大约10微米的范围内。

本发明的一方面是可以控制芯404与突起之间突起1006的宽度w3与上部包层1006的厚度t8之比，以控制在HC波导302的波导层中诱导出的横向应力和垂直应力的分布。因此，通过控制这个比率，本发明使得能够测量对HC波导的模态双折射的控制。这个比率通常在大约2.5:1至大约6:1的范围内。

以类似的方式，本发明的另一方面是可以控制突起1006的宽度w3与HC波导302的宽度w1之比，以影响波导的模态双折射。突起宽度w3与芯宽度w1之比率通常在1:1至15:1的范围内。

在一些实施例中，通过以保形方式沉积上部包层412的材料而形成相位控制区域1004，使得突起1006在多层芯404的区域外的场区域(即，场区域1024)中的上部包层上方突出。

图10B描绘了根据本发明的替代实施例的开关元件的横截面图的示意图，其中相位控制区域经由顶部包层材料在多层芯上的保形沉积而形成。如上所述，开关元件1024包括SI移相器1002。

在开关元件1024的制造期间，通过在多层芯404的拓扑上形成上部包层412作为保形层而形成突起1026。因此，相位控制区域1022具有基本上等于多层芯404的宽度加上上部包层412的厚度t9的宽度w3。换句话说，s1的量值近似等于t9的量值，并且多层芯404被上部包层材料的基本上均匀厚度的层包围。如上面所讨论的，相位控制区域1022的拓扑引起在突起1026的边缘处产生的应力效应。

一般而言，t9的值在大约2微米至大约15微米的范围内。但是，通常，t9在大约2微米至7微米的范围内，并且优选地在大约3微米至4微米的范围内。因此，w3与w1之比在大约5:1至大约30:1的范围内，并且通常在大约5:1至大约15:1的范围内。但是，优选地，w3与w1之比在大约7:1至大约9:1的范围内。

现在返回到说明性实施例，图11描绘了，对于压电层706的不同长度和厚度，HC波导302的有效折射率相对于上电极宽度w2的模拟结果。曲线图1100示出了压电层706的维度变化对于SI移相器122在恒定的施加电场下改变波导302对TM偏振光的有效折射率的有效性的影响。曲线图1102示出了压电层706的维度变化对SI移相器122在恒定的施加电场下改变波导302对于TE偏振光的有效折射率的有效性的影响。

图12描绘了测得的由移相器122在HC波导302中诱导出的调制深度的曲线图。曲线图1200示出了输出信号118的传输强度相对于在0V至35V的范围内的施加电压的关系。

曲线图1200示出可以在合理的施加电压下获得π相位调制，其对应于大约3微瓦的功耗。为了进行比较，应当指出的是，现有技术的TO移相器将需要大约500毫瓦(即，大于该功率的十万倍)，以实现2π相位调制。

图13描绘了由移相器122在HC波导302中测得的开关速度的曲线图。曲线图1300包括迹线1302和1304。迹线1302示出所施加的驱动信号，而迹线1304对应于输出信号118。

曲线图1300证明了利用SI移相器获得的大约150ns的开关速度。据信根据本发明利用不同的配置可获得更快的开关速度。相比之下，现有技术的TO移相器将需要大约100微秒来切换输出信号118(大约慢六个数量级)。

应当理解的是，本公开仅教导了说明性实施例的一个示例，并且在阅读本公开之后，本领域技术人员可以容易地设计出本发明的许多变体，并且本发明的范围应当由随附权利要求书确定。

Claims (26)

1.一种平面光波电路，所述平面光波电路包括：

(1)高对比度波导区域，包括第一波导部分，所述第一波导部分包括共同支持具有第一模场分布的光信号的传播的多层芯，所述多层芯具有：

(a)包括第一材料的第一层，所述第一层具有第一厚度；

(b)包括所述第一材料的第二层，所述第二层具有大于所述第一厚度的第二厚度；以及

(c)位于所述第一层和所述第二层之间的第三层，所述第三层包括第二材料，其中第三层具有小于或等于500nm的第三厚度；

(2)低对比度波导区域，包括第二波导部分，所述第二波导部分包括共同支持具有大于所述第一模场分布的第二模场分布的光信号的传播的单层芯，所述单层芯包括所述第一层；

(3)斑点尺寸转换器，其将所述第一波导部分和所述第二波导部分光耦合；以及

(4)布置在所述第一波导部分中的移相器，所述移相器包括第一电极层、第二电极层以及位于所述第一电极层和所述第二电极层之间的压电层，其中所述移相器操作用于响应于控制信号而在所述第一波导部分中诱导应力。

2.如权利要求1所述的平面光波电路，还包括(5)第一波导，其包括所述第一波导部分、所述第二波导部分和所述斑点尺寸转换器，其中所述第一波导包括布置在所述高对比度波导区域中的所述多层芯上的第一包层，所述第一包层在所述高对比度波导区域中具有第四厚度，所述第四厚度小于或等于15微米。

3.如权利要求2所述的平面光波电路，其中所述第四厚度小于或等于8微米。

4.如权利要求2所述的平面光波电路，还包括(5)包括所述移相器的相位控制区域，所述相位控制区域在所述高对比度波导区域内，其中所述第一包层在所述相位控制区域内具有第五厚度，所述第五厚度小于第四厚度。

5.如权利要求4所述的平面光波电路，其中所述第五厚度小于或等于3.5微米。

6.如权利要求4所述的平面光波电路，其中所述相位控制区域中的所述第一包层包括具有顶部和侧面的突起，其中所述突起具有大于所述第五厚度的第六厚度，并且其中所述第一电极层、所述第二电极层和所述压电层中的每一个布置在所述顶部和所述侧面中的每一个上。

7.如权利要求6所述的平面光波电路，其中所述第六厚度小于所述第四厚度。

8.如权利要求6所述的平面光波电路，其中所述突起具有第一宽度，并且所述第一波导区域的所述多层芯具有第二宽度，并且其中所述第一宽度与所述第二宽度之比在大约1:1至大约15:1的范围内。

9.如权利要求6所述的平面光波电路，其中所述突起具有第一宽度，并且其中所述第一宽度与所述第五厚度之比在大约2.5:1至大约6:1的范围内。

10.如权利要求4所述的平面光波电路，其中所述相位控制区域中的所述第一包层包括具有顶部和侧面的突起，其中所述突起具有等于所述第四厚度的第六厚度，并且其中所述第一电极层、所述第二电极层和所述压电层中的每一个布置在所述顶部和所述侧面中的每一个上。

11.如权利要求1所述的平面光波电路，其中所述第一材料是氮化硅，并且所述第二材料是氧化硅。

12.如权利要求1所述的平面光波电路，其中所述压电层包括锆钛酸铅。

13.如权利要求1所述的平面光波电路，其中所述斑点尺寸转换器包括过渡区域，其中所述第一层的厚度从所述过渡区域与所述高对比度波导区域邻接的第一点处的所述第一厚度变到所述过渡区域与所述低对比度波导区域邻接的第二点处的零。

14.一种平面光波电路，所述平面光波电路包括：

(1)基板；

(2)布置在所述基板上的波导，所述波导包括芯和上部包层，所述芯位于所述基板和所述上部包层之间，其中所述芯支持光信号的传播，并且其中所述芯包括；

(i)第一区域，包括：

(a)第一材料的第一层，所述第一层具有第一厚度；

(b)包括所述第一材料的第二层，所述第二层具有小于所述第一厚度的第二厚度；以及

(c)第二材料的第三层，其中所述第三层在所述第一层和所述第二层之间，并且其中所述第三层具有小于或等于500nm的第三厚度；

其中所述第一层、第二层和第三层共同支持光信号在第一区域中的传播，使得所述第一信号具有第一模场分布；

(ii)第二区域，包括所述第二层，其中所述芯在所述第二区域中没有第一层，并且其中所述第二层支持所述光信号在所述第二区域中的传播，使得所述第一信号具有在至少一个维度中大于所述第一模场分布的第二模场分布；以及

(iii)过渡区域，包括所述第一层、第二层和第三层，所述第一过渡区域在第一点处与所述第一区域邻接并且在第二点处与所述第二区域邻接，其中所述过渡区域中所述第一层的厚度从所述第一点处的所述第一厚度变到所述第二点处的消光；以及

(3)SI移相器，其布置在与所述第一区域至少部分地共同定位的第三区域中的所述波导上，所述SI移相器可操作用于响应于电压信号而在所述波导中诱导应力。

15.如权利要求14所述的平面光波电路，其中所述SI移相器包括第一导电层、第二导电层以及位于所述第一导电层和所述第二导电层之间的第四层，所述第四层包括压阻式的第四材料，其中所述第一导电层与所述第三区域中的所述上部包层物理接触。

16.如权利要求15所述的平面光波电路，其中所述第四材料包括锆钛酸铅。

17.如权利要求14所述的平面光波电路，其中所述上部包层在所述第三区域内比在所述第三区域外更薄。

18.如权利要求14所述的平面光波电路，其中所述第一材料包括氮化硅，并且所述第二材料包括氧化硅。

19.一种用于形成平面光波电路的方法，所述平面光波电路具有相位控制区域，所述方法包括：

提供布置在基板上的第一层，所述第一层包括第一材料并具有第一厚度；

形成布置在所述基板上的第二层，所述第二层包括所述第一材料，并且所述第二层具有大于所述第一厚度的第二厚度；

形成布置在所述基板上的第三层，所述第三层位于所述第一层和所述第二层之间，其中所述第三层包括第二材料，并且具有小于或等于500nm的第三厚度；

去除第一区域中的所述第二层，以限定低对比度波导区域，其中所述第二层在它在所述第一区域中被去除期间在第二区域中被保护，所述第二区域限定高对比度波导区域；

在所述第二层中形成第一锥形区域，其中所述第一锥形区域中所述第二层的厚度从过渡区域与所述第二区域邻接的第一点处的所述第一厚度变到所述过渡区域与所述第一区域邻接的第二点处的消光；

限定在所述第一区域中具有第一部分、在所述第二区域中具有第二部分并且在所述过渡区域中具有第三部分的波导芯；

形成布置在所述波导芯上的上部包层，所述上部包层具有小于或等于15微米的第四厚度；以及

形成与所述波导芯可操作地耦合的SI移相器，所述SI移相器在所述第二区域内的第三区域中形成。

20.如权利要求19所述的方法，其中所述上部包层被形成为使得所述第四厚度小于或等于8微米。

21.如权利要求19所述的方法，还包括减薄所述第三区域中的所述上部包层，使得其具有小于所述第四厚度的第五厚度。

22.如权利要求21所述的方法，其中所述第五厚度小于或等于3.5微米。

23.如权利要求19所述的方法，还包括在所述上部包层中形成相位控制区域，其中所述相位控制区域中的所述上部包层包括(1)具有第五厚度的场区域和(2)具有第六厚度的突起，其中所述第五厚度小于所述第四厚度，并且所述第六厚度大于所述第五厚度，并且其中所述突起包括顶表面和侧面，并且其中所述第一层、第二层和第三层中的每一个布置在所述顶表面和所述侧面中的每一个上。

24.如权利要求23所述的方法，其中所述相位控制区域被形成为使得所述第六厚度小于所述第四厚度。

25.如权利要求19所述的方法，其中所述SI移相器通过以下操作形成，包括：

形成第一导电层，使得所述第一导电层与所述第三区域中的所述上部包层物理接触；

形成与所述第一导电层物理接触并电接触的第四层，所述第四层包括压阻式的第三材料；以及

在所述第四层上形成第二导电层，使得所述第二导电层和所述第四层物理接触并电接触。

26.如权利要求25所述的方法，其中所述第四材料包括锆钛酸铅。