УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ВОЛНОВОДНОГО ПОЛЯРИЗАТОРА, СОДЕРЖАЩЕГО ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ИЗГИБОВ
APPARATUS AND METHOD FOR WAVEGUIDE POLARISER COMPRISING A SERIES OF BENDS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области оптической передачи данных, и, в конкретных вариантах осуществления, к устройству и способу для волноводного поляризатора, содержащего последовательность изгибов.
Уровень техники
Волноводы из кремниевого провода используются в качестве платформы для ультрамалых фотонных интегральных схем (PIC). В типичной структуре кремниевая сердцевина с высоким показателем преломления окружена материалом с низким показателем преломления (называется оболочкой), таким как двуокись кремния или иногда нитрид кремния, оксинитрид кремния или воздух. Такая структура формирует оптический волновод, обычно используемый при передаче данных на таких длинах волн, как в полосах 1310 нанометров или 1550 нанометров. Кремниевые микросхемы PIC включают в себя литографически определенную компоновку волноводных элементов, работающих с одиночной модой и множеством мод, которые формируют фотонную схему. В некоторых фотонных интегральных схемах выходные фотонные элементы предназначены для одной поляризации (например, в противоположность другим схемам с двумя ортогональными поляризациями). Однако из-за допусков при изготовлении или из-за присущих электромагнитных физических свойств элемента, выходной свет может содержать фракцию с нежелательной поляризацией, отличной от требуемой единственной поляризации. Таким образом, желательно добавить поляризационный компонент в волноводную структуру или микросхему PIC. Кроме того, желательно сформировать поляризационный компонент с волноводной структурой или микросхемой PIC, используя одну и ту же производственную платформу.
Сущность изобретения
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, оптический поляризатор содержит оптический волновод, выполненный с возможностью распространения светового излучения с требуемой поляризационной модой и содержащий изгиб в той же плоскости, что и распространяемое световое излучение. Изгиб имеет конфигурацию, обеспечивающую возможность иметь в оптическом волноводе требуемую поляризационную моду распространяемого светового излучения и излучать наружу из оптического волновода вторую поляризационную моду распространяющегося светового излучения.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, оптическое устройство содержит оптический волновод, выполненный с возможностью распространения светового излучения с требуемой поляризационной модой. Оптическое устройство также содержит изогнутый волновод, соединенный с оптическим волноводом, и выполненный в изогнутой конфигурации, такой чтобы иметь в изогнутом волноводе требуемую поляризационную моду распространяющегося светового излучения и излучать наружу из изогнутого волновода вторую поляризационную моду распространяющегося светового излучения.
В соответствии с еще одним объектом изобретения, способ изготовления поляризатора характеризуется тем, что формируют оптический волновод на подложке, используя технологический процесс изготовления полупроводниковых приборов. Формирование включает в себя: обеспечение конфигурации и размеров оптического волновода, подходящих для поддержания требуемой поляризационной моды для распространения светового излучения в соответствии с требуемой рабочей длиной волны. Способ также включает формирование последовательности изгибов в волноводе в ходе изготовления полупроводникового прибора. Формирование включает в себя придание формы в соответствии с конфигурацией и размерами изгибов, которые обеспечивают требуемую поляризационную моду в волноводе и излучение наружу из волновода второй поляризационной моды. Способ также включает: размещение на подложке поглощающего свет материала вокруг волновода и изгибов волновода.
Выше было представлено общее описание, которое, скорее, широко описывает признаки варианта осуществления настоящего изобретения для лучшего понимания подробного описания изобретения, которое следует далее. Ниже будут описаны дополнительные функции и преимущества вариантов осуществления изобретения, которые формируют формулу изобретения. Для специалиста в данной области техники должно быть понятно, что раскрытые концепция и конкретные варианты могут непосредственно использоваться как основание для модификации или разработки других структур или обработки для выполнения того же назначения настоящего изобретения. Для специалиста в данной области техники также должно быть понятно, что такие эквивалентные конструкции не выходят за пределы сущности и объема изобретения в том виде, как оно представлено в приложенной формуле изобретения.
Краткое описание чертежей
Для более полного понимания настоящего изобретения и его преимуществ теперь будет сделана ссылка на следующее описание, которое следует рассматривать совместно с приложенными чертежами, на которых:
фиг. 1 иллюстрирует пример оптического приемника, содержащего поляризатор;
фиг. 2 иллюстрирует пример микросхемы фотонного переключателя, содержащего поляризатор;
фиг. 3 иллюстрирует вариант осуществления конструкции поляризатора;
фиг. 4 - вид сверху варианта конструкции изгиба для поляризатора;
фиг. 5 иллюстрирует поперечное сечение варианта конструкции поперечно-электрического (ТЕ) поляризатора;
фиг. 6 иллюстрирует поперечное сечение варианта конструкции поперечно-магнитного (ТМ) поляризатора; и
фиг. 7 иллюстрирует вариант осуществления способа изготовления устройства поляризации, содержащего последовательность изгибов.
Соответствующие номера ссылочных позиций и символы на разных фигурах, в общем относятся к соответствующим частям, если только не указано другое. Фигуры вычерчены так, чтобы ясно иллюстрировать соответствующие аспекты вариантов осуществления изобретения и не обязательно представлены в масштабе.
Подробное описание вариантов осуществления изобретения
Изготовление и использование предпочтительных в настоящее время вариантов осуществления изобретения подробно описано ниже. Следует, однако, понимать, что настоящее изобретение направлено на множество применимых изобретательских концепций, которые могут быть воплощены в широком разнообразии конкретных контекстов. Описанные конкретные варианты представляют собой просто иллюстрацию конкретных способов для осуществления и использования изобретения, и не ограничивают объем изобретения.
Варианты осуществления изобретения представлены здесь для поляризатора волновода, содержащего последовательность изгибов. Поляризатор волновода может использоваться в устройствах оптического волновода (или в микросхемах/схемах), где требуется поляризованный свет, такой как выход с одной поляризацией. Конструкция поляризатора не зависит от функции оптических устройств. Например, поляризатор может использоваться в оптических модуляторах, переключателях, мультиплексорах или демультиплексорах. Такие устройства и другие устройства с поляризованным светом могут включать в себя волноводы с одиночной модой, где свет должен распространяться только в моде, которая является поляризованной поперечно-электрической (ТЕ) волной, такой как мода ТЕ0 которая представляет собой моду самого низкого порядка, распространяющуюся в волноводе. В этом случае поляризатор разработан для «отбрасывания» поляризованной поперечно-магнитной ТМ волны, такой как мода ТМ0. Другая конструкция поляризатора также представлена для моды поляризованной ТМ волны. Например, поляризатор может преобразовывать моду, которая имеет гибридную поляризацию, такую как мода с поляризацией под углом 45 градусов, в линейно поляризованную моду, такую как мода ТЕ0 или мода ТМ0, «отбрасывая» часть излучения, которая является соответственно ТМ поляризованной или ТЕ поляризованной. Все конструкции поляризатора содержат один или больше изгибов, которые вызывают поляризацию света вдоль требуемого направления, и могут быть изготовлены с устройством светового волновода при использовании одних и тех же технологических процессов для изготовления (например, литографические процессы на одной и той же подложке или плате) оптического устройства. В то время как варианты осуществления изобретения описаны в отношении производства на основе кремния, эти схемы также применимы для систем из других материалов, таких как арсенид галлия (GaAs), фосфид индия (InP), ниобат лития (LiNbO3), титанат циркония-свинца, модифицированный лантаном (PLZT), и нитрид кремния (SiN).
Конструкции поляризатора могут быть реализованы, используя литографическое формирование структуры, при котором не требуется необычно узкая ширина волновода, и без ввода новых производственных этапов, поскольку изгибы аналогичны другим изгибам волновода, которые могут потребоваться в фотонных интегральных схемах. Примеры фотонных схем с различной поляризацией, которые могут содержать такие изгибы волновода для поляризации, включают в себя оптоволоконный ввод, содержащий ортогонально (X и Y) поляризованный свет на заданном оптическом носителе, элемент расщепления поляризации, который преобразует входные X и Y поляризации в моду ТЕ двух соответствующих оптических волноводов, элемент вывода с объединенной поляризацией, который выполняет функцию, обратную по отношению к элементу расщепления поляризации, и сердцевина для различной поляризации с двумя схемами оптического волновода, с двумя ТЕ модами, которые (схемы) обычно идентичны и каждая выполняет оптическую функцию, такую как детектирование, модуляция или переключение. Эти две схемы воздействуют, соответственно, на ортогонально (X и Y) поляризованный свет из оптического волокна.
На фиг. 1 показан оптический приемник 100, который может включать в себя поляризатор, в соответствии с вариантами осуществления изобретения. Падающий луч 105 света содержит свет с двумя ортогональными поляризациями X и Y. Приемник 100 может представлять собой когерентный приемник, включающий в себя поляризующий расщепитель 110 луча (PBS). PBS 110 содержит решеточный светоделитель с поляризационно расщепляющей поверхностью, который расщепляет падающий луч 105 света, например, с ТЕ модой, на две ортогонально поляризованные части (лучи поляризованного счета X и Y) по двум соответствующим путям: первый путь связан с первой волноводной схемой 131, и второй путь связан со второй волноводной схемой 132. Каждая из схем 131 и 132 содержит аналогичные волноводы, сконфигурированные для работы с ТЕ модой. Однако волноводы во второй волноводной схеме 132 повернуты на 90 градусов относительно волноводов в первой схеме 131. При этом X поляризованный свет из PBS 110 может быть согласован с ТЕ модой в волноводах первой схемы 131, а ортогональный Y поляризованный свет из PBS 110 может быть согласован с ТЕ модой в волноводах второй волноводной схемы 132. Две схемы 131 и 132 связаны с массивом 140 детектирования для преобразования оптических сигналов в электрические сигналы. Схемы 131 и 132 также смешивают свет 106 из гетеродинного лазера (Lo In) со светом 105 сигнала, если свет 106 LO также находится в ТЕ моде.
Из-за несовершенства при изготовлении или присущих электромагнитных свойств оптических компонентов, лучи поляризованного выходного света из PBS 110 могут содержать некоторую нежелательную поляризацию. Поэтому, первый поляризатор 121 может быть вставлен на первом пути между PBS 110 и первой волноводной схемой 131 для получения более чистой ТЕ моды, содержащей только свет, который был изначально X поляризован (с меньшим уровнем нежелательной поляризации). Достижение такой более чистой поляризационной моды или удаление других нежелательных поляризаций из луча света называется здесь очисткой поляризационной моды. Аналогично, второй поляризатор 122 может быть вставлен во второй путь между PBS 110 и второй волноводной схемой 132 для достижения более чистой ТЕ моды, содержащей только свет, который изначально был Y поляризованным. Второй поляризатор 122 может иметь такую же конструкцию, как и у первого поляризатора 121.
На фиг. 2 показан пример фотонной микросхемы 200 переключателя, который может включать в себя поляризатор. Фотонная микросхема 200 переключателя включает в себя множество волокон или волноводов 210, переносящих массив входных световых лучей с двойной поляризацией (например, поляризованный свет с ТЕ и ТМ модами) и соответствующий массив поляризационных расщепителей 212, связанных с волокнами 210. Микросхема 200 также включает в себя первую матрицу 225 переключателя волноводов ТЕ и вторую матрицу 225 переключателя также волноводов ТЕ, обе связаны с поляризационными расщепителями 212. Поляризационные расщепители 212 расщепляют поступающий свет на ТЕ и ТМ моды, и перенаправляет каждый из них в одну из двух матриц 225 переключателей. Например, поляризационный расщепитель 212 может представлять собой направленный соединитель, изогнутый направленный соединитель или многомодовый интерференционный элемент.
Массив поляризационных вращателей 202 расположен между поляризационными расщепителями 212 и входом второй матрицы 225 переключателя. Например, поляризационный вращатель 202 может представлять собой волновод с асимметричным поперечным сечением. Это позволяет поворачивать поступающий поляризованный свет с ТМ модой в ортогонально поляризованный свет, пригодный для связывания ТЕ модами волноводов во второй матрице 225 переключателя. Выходы обеих матриц 225 переключателя связаны с массивом поляризационных объединителей 213, которые объединяют соответствующие входные лучи из матриц 225 переключателей в выходные лучи света с двойной поляризацией для другого массива оптических волокон 211. Массив вторых поляризационных вращателей 201 расположен между поляризационными объединителями 213 и выходом первой матрицы 225 переключателей поляризации. Это позволяет поворачивать поляризованный свет ТЕ моды из первой матрицы 225 переключателя в ортогональный поляризованный свет, пригодный для связывания с ТМ модой поляризационных объединителей 213. ТМ моды затем объединяют в поляризационных объединителях 213 с ТЕ модами, принятыми из второй матрицы 225 переключателя. Кроме того, очищающие поляризаторы 221 ТЕ могут быть добавлены к любому одному или больше из входов и выводов матриц 225 переключателя, как показано. Добавленные поляризаторы 221 «очищают» лучи поляризационного света на входах и выходах матриц 225 переключателя.
Как описано выше, поляризаторы 121, 122 и 221 «очищают» поляризационную моду оптического излучения и улучшают рабочие характеристики оптического устройства. Поляризаторы обеспечивают поляризационно чистый сигнал, что исключает перекрестные помехи, связанные с поляризацией излучения, неточное детектирование оптической мощности, перекрестные помехи из-за многолучевого распространения или другие нежелательные оптические проблемы. На фиг. 3 показан вариант поляризационной конструкции 300 для поляризатора, такого как поляризаторы 121, 122 и 221. Конструкция 300 представляет собой волноводный поляризатор с низкими потерями, содержащий оптический волновод с одиночной модой, имеющий последовательность изгибов. Волновод может представлять собой кремниевый волновод на изоляторе, например, из диоксида кремния (также называемый кремнеземом) на подложке (например, на кремниевой подложке). Изгибы выполнены так, чтобы они имели низкие потери для предназначенной моды излучения с заданной поляризацией. Кроме того, в вариантах осуществления изобретения изгибы могут быть дополнительно выполнены так, чтобы они имели высокие потери для мод ортогональной поляризации или других мод, кроме желательной поляризационной моды. Изгибы и участки волновода между изгибами - все находятся в одной и той же плоскости желательной моды. Как показано, волновод содержит последовательность изгибов, имеющих змеевидную форму. В других вариантах осуществления изобретения изогнутый волновод содержит последовательность изгибов, имеющих одну или комбинацию из змеевидной формы, двойной змеевидной формы и спиральной формы.
Волновод и его изгибы могут быть выполнены так, чтобы они имели низкие потери для ТЕ поляризационной моды и высокие потери для ТМ поляризационной моды. Такой выбор моды может быть достигнут при выполнении изгибов так, чтобы они по существу содержали моду ТЕ в волноводе и излучали моду ТМ за пределами волновода. Изгибы и волновод располагаются в той же плоскости, что и содержащаяся ТЕ мода и излучаемая ТМ мода. Волновод может быть дополнительно окружен подходящим поглощающим материалом для предотвращения повторного ввода ТМ моды в волновод (например, на другом участке волновода). Геометрия изгиба может включать в себя изгиб «дуги круга», изгиб Безье, изгиб синусоидальной формы, другую подходящую геометрию изгиба или изогнутости, или их комбинации. Волновод может содержать кремний в сердцевине (где распространяется излучение) и двуокись кремния в виде оболочки вокруг кремниевой сердцевины. Оболочка обеспечивает удержание излучения, при его распространении внутри сердцевины волновода, в результате внутреннего отражения излучения на границе перехода между оболочкой и сердцевиной. В других вариантах осуществления изобретения другие подходящие материалы, которые используются в других компонентах микросхем, могут также использоваться для сердцевины и оболочки волноводного поляризатора.
Изгибы могут быть размещены, используя змеевидную компоновку или зигзагообразную компоновку, содержащую изгибы на 90 градусов или изгибы на 180 градусов (как показано на фиг. 3) с прямой областью или малоизогнутой областью между изгибами. Для предотвращения обратной связи излучения в моде ТМ в следующий цикл змеевидной компоновки в конструкции 300, поглощающая область помещена в зазоре между каждым циклом змеевидной компоновки. Примеры поглощающего материала включают в себя слои германия и/или сильнолегированного кремния, которые обычно используются при изготовлении кремниевых фотонных микросхем.
В Таблице 1 представлены примеры конструкции для поляризатора с множеством изгибов. Данные в таблице представляют сравнение между адиабатическим изгибом Безье и специально разработанным адиабатическим изгибом, имеющим конструкцию синусоидальная-круговая-синусоидальная, как описано дополнительно ниже. Используемый здесь термин адиабатический изгиб или адиабатический участок представляет изогнутую структуру или участок с радиусом кривизны, который изменяется плавно и медленно без разрывов или резких изменений, что минимизирует оптические потери на изгибе. Изгиб, который включает в себя разрыв в радиусе кривизны, может вызывать нежелательное оптическое рассеяние в месте разрыва. Ширина кремниевого волновода составляет 0,45 микрометра (мкм) во всех случаях, представленных в Таблице 1. С конструктивными параметрами, представленными в Таблице 1, результаты моделирований показывают, что изгиб синусоидальной формы с радиусом 3 мкм мог бы иметь потери 0,007 дБ для ТЕ и 0,86 дБ для ТМ. Таким образом, последовательность из 20 изгибов привела бы к потере 0,14 дБ для ТЕ и 17 дБ для ТМ, и поляризатор имел бы вносимые потери 0,14 дБ и поляризационное затухание 17 дБ. Различные значения вносимых потерь, поляризационного затухания и физических размеров могут быть достигнуты, используя разное количество изгибов, разный радиус изгиба и разную форму изгиба. Все изгибы могут быть выполнены одинаковыми или могут изменяться вдоль длины устройства.
На фиг. 4 показан вид сверху варианта конструкции 400 изгиба синусоидальной-круговой-синусоидальной формы поляризатора, например, на подложке. Конструкция 400 изгиба соответствует специально разработанному адиабатическому изгибу, представленному выше. Изгиб может содержать разные формы изгиба на разных участках. Формы включают в себя два участка адиабатического изгиба синусоидальной формы на краях изгиба, контактирующих с волноводами, и изгиб круговой формы между двумя адиабатическими изгибами синусоидальной формы. Полученная в результате конструкция формирует общий изгиб на 90 градусов. Другие конструкции могут включать в себя другие комбинации участков изогнутой формы для других углов изгиба.
На фиг. 5 показан вид в поперечном сечении варианта конструкции 500 поляризатора ТЕ, например, с подложкой в нижней части (не показана). Поляризатор представляет собой волновод, содержащий один или больше изгибов для обеспечения низких потерь ТЕ0 и больших потерь ТМ0, как описано выше. Поперечное сечение представляет волновод с прямоугольным профилем в поперечном сечении с большей шириной, чем высота. Волновод имеет кремниевую сердцевину и оболочку из двуокиси кремния. Аналогично, изгиб может быть выполнен для обеспечения низких потерь для ТМ0 и больших потерь для ТЕ0, и использоваться как ТМ поляризатор. На фиг. 6 показано поперечное сечение варианта конструкции 600 ТМ поляризатора. Поляризатор представляет собой волновод, содержащий один или больше изгибов для обеспечения низких потерь ТМ0 и высоких потерь ТЕ0. В поперечном сечении представлен волновод с прямоугольным профилем, с большей высотой, чем ширина. Волновод имеет кремниевую сердцевину и оболочку из двуокиси кремния.
На фиг. 7 показан вариант осуществления способа 700 изготовления поляризационного устройства (волноводного поляризатора), содержащего последовательность изгибов. Способ 700 может использоваться для формирования поляризаторов, описанных выше, как интегрированная часть процесса изготовления всей фотонной схемы или оптического устройства. На этапе 710 формируют волновод фотонной схемы или оптического устройства, используя технологические процессы изготовления полупроводникового устройства. Этап формирования включает в себя: конфигурирование геометрии и размеров волноводов для поддержки ТЕ, ТМ или других требуемых поляризационных мод, например, в соответствии с требуемыми рабочими длинами волн. Например, волновод с кремниевой сердцевиной, с оболочкой из двуокиси кремния может быть сформирован на кремниевой или диэлектрической подложке, используя процессы литографического экспонирования и травления. На этапе 720 последовательность изгибов формируется в волноводах для «очистки» требуемой поляризационной моды волновода. Изгибы могут иметь разные формы, как описано выше. Этот этап может представлять собой часть этапа формирования волновода. Например, экспонируют всю конструкцию, включая волноводы и изгибы, затем проявляют и затем вытравливают. На этапе 730, поглощающий излучение материал (материал заполнения) размещается вокруг волновода и изгибов волновода, например, на носителе подложки фотонной микросхемы.
Несмотря на то, что некоторые варианты были представлены в настоящем описании, следует понимать, что раскрытые системы и способы могут быть воплощены во множестве других конкретных форм, без выхода за пределы сущности или объема настоящего изобретения. Существующие примеры следует рассматривать как иллюстративные, а не ограничительные, и изобретение не должно быть ограничено деталями, представленными здесь. Например, различные элементы или компоненты могут быть скомбинированы или интегрированы в другой системе, или определенные свойства могут быть исключены или не воплощены.
Кроме того, технологии, системы, подсистемы и способы, описанные и представленные в различных вариантах осуществления, как дискретные или отдельные, могут быть скомбинированы или интегрированы с другими системами, модулями, технологиями или способами, без выхода за пределы объема настоящего изобретения. Другие элементы, показанные или описанные, как связанные или прямо соединенные или связывающиеся друг с другом, могут быть соединенными опосредованно или могут связываться через некоторый интерфейс, устройство или промежуточный компонент электрически, механически или по-другому. Другие примеры изменений, замен и преобразований могут быть выполнены специалистом в данной области техники и могут быть выполнены без выхода за пределы раскрытых здесь сущности и объема изобретения.