[發明專利]基于集成光學的應力光學相位調制器和形成方法

有效

• 申請號: 201980009133.6
• 申請日: 2019-01-19
• 公開（公告）號: CN111656263B
• 公開（公告）日: 2021-07-02
• 發明（設計）人: A·萊因斯;R·G·海德曼;J·P·埃平
• 申請（專利權）人: 萊恩尼克斯國際有限責任公司
• 主分類號: G02F1/01
• 分類號: G02F1/01
• 代理公司: 北京律盟知識產權代理有限責任公司 11287
• 代理人: 林彥

本發明揭示一種用于控制表面波導中的光信號的相位的相位控制器及其制造方法。所述相位控制器通過在波導結構中誘發應力、由此控制其至少一些組成層的折射率來控制所述光信號的所述相位。所述相位控制器包含形成于所述波導的頂部包層的表面形態特征上的相位控制元件，其中這些特征(1)為所述相位控制元件提供與所述光信號的模場的形狀相匹配的形狀，且(2)產生將所誘發的應力聚焦并導引到所述波導結構的特定區中的應力集中點，由此提供高效相位控制。因此，與現有技術的集成光學相位控制器相比，所述相位控制器可在更低的電壓、更低的功率下和/或在更短的相互作用長度內操作。

對相關申請的交叉參考

本申請案要求保護2018年1月19日申請的標題為“基于集成光學的應力光學相位調制器和形成方法(Integrated-Optics-Based Stress-Optic Phase Modulator andMethod for Forming)”的美國專利申請案第15/875,340號(檔案號：142-029US1)的權益，所述美國專利申請案通過引用的方式并入本文中。如果在本申請案與已通過引用方式并入的案中的一或多個之間存在會影響對此案中的權利要求書的解譯任何語言矛盾或不一致，那么此案中的權利要求書應被解譯為與此案中的語言一致。

背景技術

平面光波電路(PLC)為包括集成在襯底的表面上的一或多個集成光學波導的光學系統，其中波導通常經組合以提供復雜光學功能性。這些“表面波導”通常包含由折射率低于第一材料的折射率的第二材料包圍的第一材料芯。在材料之間的界面處的折射率的改變實現對傳播穿過芯的光的反射，由此沿著表面波導的長度來導光。

基于PLC的裝置和系統已在許多應用(例如，光學通信系統、傳感器平臺、固態投影系統等)中產生顯著影響。表面波導技術滿足這些系統中對于可提供對傳播通過系統的多個光學信號的功能控制的小型可靠的光學電路組件的需要。實例包含簡單裝置(例如，1×2和2×2光學開關、基于馬赫曾德爾干涉儀的傳感器等)以及更復雜的基于矩陣的系統，所述基于矩陣的系統具有多個表面波導元件和許多輸入及輸出端口(例如，波長分插多路復用器、交叉連接件、波長組合器等)。

常見的是，這些系統中的大多數都需要開關元件。歷史上，適合在PLC中使用的最常見開關元件是基于被稱為熱光(TO)型相位控制器的裝置。TO相位控制器利用以下事實：玻璃的折射率(即，光在材料中的速度)通過包含安置于表面波導的上包層的頂部上的薄膜加熱器而隨溫度變化(稱為熱光效應)。穿過加熱器的電流產生傳播到包層和芯材中的熱量，從而改變其溫度且因此改變其折射率。TO相位控制器已證實所誘發的相變多達2π。

為了形成光學開關元件，TO相位控制器通常包含于表面波導元件中，例如馬赫曾德爾干涉儀(MZI)。在MZI開關布置中，輸入光學信號分裂成沿著一對基本上相同的路徑(即，臂)向下傳播到接合點的兩個相等部分，在所述接合點處，所述兩個相等部分隨后經再組合成輸出信號。一個臂并入有控制所述臂中的光的相位的TO相位控制器。通過在臂中的光信號部分之間賦予相位差π，兩個信號在再組合時相消地干涉，由此相互抵消以產生零功率輸出信號。當光信號部分之間的相位差為0(或n*2π，其中n為整數)時，兩個信號相長地再組合，產生滿功率輸出信號。

不利的是，迄今為止，現有技術的基于PLC的開關元件的缺點限制了其在許多應用中被采用。首先，TO相位控制器消耗大量功率。此外，除了在加熱元件正下方加熱芯和包覆材料之外，來自薄膜加熱器的熱量也在玻璃中橫向擴散，這可導致鄰近表面波導之間的熱串擾。再者，玻璃具有低導熱系數，這使得加熱和冷卻時間較長(通常約幾毫秒)。熱串擾還限制可形成加熱元件的密度，從而限制了單個芯片上可包含的TO相位控制器的數目。因此，TO相位控制器不太適合于許多應用。