[发明专利]高折射率对比度光子器件及其应用

说明书

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。

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。