[发明专利]基于集成光学的应力光学相位调制器和形成方法

说明书

本发明揭示一种用于控制表面波导中的光信号的相位的相位控制器及其制造方法。所述相位控制器通过在波导结构中诱发应力、由此控制其至少一些组成层的折射率来控制所述光信号的所述相位。所述相位控制器包含形成于所述波导的顶部包层的表面形态特征上的相位控制元件，其中这些特征(1)为所述相位控制元件提供与所述光信号的模场的形状相匹配的形状，且(2)产生将所诱发的应力聚焦并导引到所述波导结构的特定区中的应力集中点，由此提供高效相位控制。因此，与现有技术的集成光学相位控制器相比，所述相位控制器可在更低的电压、更低的功率下和/或在更短的相互作用长度内操作。

对相关申请的交叉参考

本申请案要求保护2018年1月19日申请的标题为“基于集成光学的应力光学相位调制器和形成方法(Integrated-Optics-Based Stress-Optic Phase Modulator andMethod for Forming)”的美国专利申请案第15/875,340号(档案号：142-029US1)的权益，所述美国专利申请案通过引用的方式并入本文中。如果在本申请案与已通过引用方式并入的案中的一或多个之间存在会影响对此案中的权利要求书的解译任何语言矛盾或不一致，那么此案中的权利要求书应被解译为与此案中的语言一致。

背景技术

平面光波电路(PLC)为包括集成在衬底的表面上的一或多个集成光学波导的光学系统，其中波导通常经组合以提供复杂光学功能性。这些“表面波导”通常包含由折射率低于第一材料的折射率的第二材料包围的第一材料芯。在材料之间的界面处的折射率的改变实现对传播穿过芯的光的反射，由此沿着表面波导的长度来导光。

基于PLC的装置和系统已在许多应用(例如，光学通信系统、传感器平台、固态投影系统等)中产生显著影响。表面波导技术满足这些系统中对于可提供对传播通过系统的多个光学信号的功能控制的小型可靠的光学电路组件的需要。实例包含简单装置(例如，1×2和2×2光学开关、基于马赫曾德尔干涉仪的传感器等)以及更复杂的基于矩阵的系统，所述基于矩阵的系统具有多个表面波导元件和许多输入及输出端口(例如，波长分插多路复用器、交叉连接件、波长组合器等)。

常见的是，这些系统中的大多数都需要开关元件。历史上，适合在PLC中使用的最常见开关元件是基于被称为热光(TO)型相位控制器的装置。TO相位控制器利用以下事实：玻璃的折射率(即，光在材料中的速度)通过包含安置于表面波导的上包层的顶部上的薄膜加热器而随温度变化(称为热光效应)。穿过加热器的电流产生传播到包层和芯材中的热量，从而改变其温度且因此改变其折射率。TO相位控制器已证实所诱发的相变多达2π。

为了形成光学开关元件，TO相位控制器通常包含于表面波导元件中，例如马赫曾德尔干涉仪(MZI)。在MZI开关布置中，输入光学信号分裂成沿着一对基本上相同的路径(即，臂)向下传播到接合点的两个相等部分，在所述接合点处，所述两个相等部分随后经再组合成输出信号。一个臂并入有控制所述臂中的光的相位的TO相位控制器。通过在臂中的光信号部分之间赋予相位差π，两个信号在再组合时相消地干涉，由此相互抵消以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，两个信号相长地再组合，产生满功率输出信号。

不利的是，迄今为止，现有技术的基于PLC的开关元件的缺点限制了其在许多应用中被采用。首先，TO相位控制器消耗大量功率。此外，除了在加热元件正下方加热芯和包覆材料之外，来自薄膜加热器的热量也在玻璃中横向扩散，这可导致邻近表面波导之间的热串扰。再者，玻璃具有低导热系数，这使得加热和冷却时间较长(通常约几毫秒)。热串扰还限制可形成加热元件的密度，从而限制了单个芯片上可包含的TO相位控制器的数目。因此，TO相位控制器不太适合于许多应用。