波导阵列中的相位调谐
阅读：0发布：2021-09-08
专利汇可以提供波导阵列中的相位调谐专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且根据各种 实施例 ，可以使用邻近阵列 波导 设置的一个或多个加热器以赋予波导之间的增量热致 相移 ，来调谐 阵列波导光栅 的 波长 色散。备选地，根据各种实施例，可以使用包括一个或多个加热器的束扫描器以使在束扫描器与阵列波导光栅的输入自由传播区域的界面处由束扫描器聚焦的光的横向 位置 移位，来调谐阵列波导光栅的波长响应。阵列波导光栅、束扫描器和(一个或多个)加热器可以被实现在绝缘体上 硅 衬底中， 绝缘体上硅衬底 可以包括在相应加热器下面的一个或多个背部蚀刻区域。，下面是波导阵列中的相位调谐专利的具体信息内容。
1.一种用于调谐波长响应的系统，包括：
阵列波导光栅(AWG)，包括连接在第一输入自由传播区域(FPR)和第一输出FPR之间的多个波导；以及
束扫描器，用于调谐所述AWG的波长响应，所述束扫描器包括：
第二输入FPR，
与所述AWG的第一输入FPR邻接并且光学地耦合的第二输出FPR，
连接在所述第二输入FPR和所述第二输出FPR之间的至少三个波导，所述至少三个波导和所述第二输出FPR被配置为：将在所述至少三个波导中从所述第二输入FPR向所述第二输出FPR传播的光聚焦在焦点处，所述焦点处于所述第二输出FPR与所述第一输入FPR之间的界面处，以及
与所述至少三个波导横向地重叠的至少一个前向加热器和后向加热器对，所述加热器中的每个加热器被配置为赋予在所述至少三个波导中传播的所述光之间的增量相移，从而使所述焦点的横向位置移位，由所述前向加热器赋予的所述相移具有与由所述后向加热器赋予的所述相移相反的符号，由此所述前向加热器和所述后向加热器使所述焦点的所述横向位置在相互相反的方向上移位。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述束扫描器的所述至少三个波导在数目上比所述AWG的所述波导少。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，在紧接在所述第二输出FPR之前的区域中，所述束扫描器的所述至少三个波导沿着从共同中心发出的射线被布置，所述共同中心处于所述第二输出FPR与所述第一输入FPR的所述界面处。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，在紧接在所述第一输入FPR之后的区域中，所述AWG的所述多个波导沿着从所述中心发出的射线被布置。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述束扫描器的所述至少三个波导在长度上均相等。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述加热器中的每个加热器被配置为赋予所述至少三个波导中的所有相邻波导对之间的恒定增量相移。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述加热器中的每个加热器被配置为将与所述至少三个波导在空间上重叠的加热区域加热到基本上均一的温度，以便赋予每单位长度加热波导的均一相移，所述加热区域被成形和定位以使得加热的波导部分在所有相邻波导对之间以恒定长度增量增加。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述至少三个波导被均一地间隔开，并且所述加热区域的形状为三角形。
9.根据权利要求6所述的系统，其中，基于与所述加热器相关联的温度分布来选择所述至少三个波导之间的间距，以实现所述恒定增量相移。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述加热器中的每个加热器包括加热丝，所述加热丝跨与所述至少三个波导在要被加热的区域中横向地重叠的区域盘绕。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述加热丝包括由金属连接件连接的具有相等且恒定的宽度的段。
12.根据权利要求1所述的系统，包括多个加热器对，每对包括前向加热器和后向加热器，所述前向加热器中的至少一些前向加热器或所述后向加热器中的至少一些后向加热器被配置为并行操作。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述加热器与其中所述至少三个波导均具有共同曲率的所述至少三个波导的区段横向地重叠。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述加热器与所述至少三个波导的笔直区段横向地重叠。
15.根据权利要求1所述的系统，其中，所述AWG和所述束扫描器被实现在包括绝缘体上硅(SOI)衬底的光子集成电路中，所述绝缘体上硅(SOI)衬底包括硅处理部、设置在所述硅处理部的顶部上的掩埋氧化物层、设置在所述掩埋氧化物层的顶部上的硅器件层、以及设置在所述硅器件层的顶部上的覆层。
16.根据权利要求15所述的系统，还包括在所述加热器对下面处于所述硅处理部中的背部蚀刻区域。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述背部蚀刻区域跨所述至少三个波导具有恒定宽度。
18.根据权利要求15所述的系统，还包括隔热通道，所述隔热通道围绕所述至少三个波导的加热部分形成在所述硅器件层或所述覆层中的至少一个中。
19.根据权利要求15所述的系统，其中，所述AWG和所述扫描器的波导形成在所述硅器件层内。
20.根据权利要求15所述的系统，其中，所述加热器包括嵌入所述覆层中的加热段。
21.根据权利要求20所述的系统，还包括在所述加热段之间嵌入所述覆层中的温度感测元件。
22.根据权利要求21所述的系统，还包括在相邻的加热段与温度感测元件之间处于所述覆层中的隔热沟槽。
23.根据权利要求15所述的系统，其中，所述加热器包括在所述硅器件层中的掺杂的电阻性区域。
24.根据权利要求1所述的系统，其中，所述AWG是双向的，所述系统还包括第二扫描器，所述第二扫描器包括：
第三输入FPR，
与所述AWG的所述第一输出FPR邻接并且光学地耦合的第三输出FPR，
连接在所述第三输入FPR与所述第三输出FPR之间的至少三个波导，所述至少三个波导和所述第三输出FPR被配置为：将在所述至少三个波导中从所述第三输入FPR向所述第三输出FPR传播的光聚焦在焦点处，所述焦点处于所述第三输出FPR与所述第一输出FPR之间的界面处，以及
与所述至少三个波导横向地重叠的至少一个前向加热器和后向加热器对，所述加热器中的每个加热器被配置为赋予在所述至少三个波导中传播的所述光之间的增量相移，从而使所述焦点的横向位置移位，由所述前向加热器赋予的所述相移具有与由所述后向加热器赋予的所述相移相反的符号，由此所述前向加热器和所述后向加热器使所述焦点的所述横向位置在相互相反的方向上移位。
25.一种用于调谐波长响应的系统，包括：
阵列波导光栅(AWG)，包括连接在第一输入自由传播区域(FPR)与第一输出FPR之间的多个波导；以及
束扫描器，用于调谐所述AWG的波长响应，所述束扫描器包括：
第二输入FPR，
与所述AWG的所述第一输入FPR邻接并且光学地耦合的第二输出FPR，
连接在所述第二输入FPR与所述第二输出FPR之间的至少三个波导，在紧接在所述第二输出FPR之前的区域中，所述至少三个波导沿着从所述第二输出FPR与所述第一输入FPR的界面处的共同中心点发出的射线被布置，以便将在所述至少三个波导中从所述第二输入FPR向所述第二输出FPR传播的光聚焦在所述界面处的焦点处，以及
与所述至少三个波导横向地重叠的至少一个加热器，所述加热器中的每个加热器被配置为赋予在所述至少三个波导中传播的所述光之间的增量相移，从而使所述焦点的横向位置移位。
26.一种用于调谐波长响应的方法，包括：
利用束扫描器来调谐阵列波导光栅(AWG)的波长响应，所述束扫描器包括输入FPR、与所述AWG的输入FPR邻接并且光学地耦合的输出FPR、连接在所述束扫描器的输入FPR与输出FPR之间的至少三个波导、以及与所述至少三个波导横向地重叠的前向加热器和后向加热器对，所述调谐包括：
将在所述至少三个波导中从所述束扫描器的输入FPR向所述束扫描器的输出FPR传播的光聚焦在焦点处，所述焦点处于所述束扫描器的输出FPR与所述AWG的输入FPR之间的界面处，以及
使用所述前向加热器或所述后向加热器中的一个加热器来赋予在所述至少三个波导中传播的所述光之间的增量相移，从而使所述焦点的横向位置移位，
其中，由所述前向加热器赋予的所述相移具有与由所述后向加热器赋予的所述相移相反的符号，由此所述前向加热器和所述后向加热器使所述焦点的所述横向位置在相互相反的方向上移位。
波导阵列中的相位调谐
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2015年7月24日提交的美国临时申请No.62/196,437的优先权和权益，其通过引用整体并入本文。
技术领域
背景技术
[0004] 在波分复用系统中，阵列波导光栅(AWG)通常用作光学复用器或解复用器。参考图1，AWG 100通常包括波导103的阵列102，其通常在相邻波导103之间具有恒定的光程长度增量，相邻波导连接在输入自由传播区域(FPR)104与输出FPR 106之间。如所描绘的，当AWG
100作为波长解复用器来操作时，包括从输入波导108或其他输入耦合器衍射到输入FPR
104中的多个波长的输入光传播通过输入FPR 104，以照射波导103的阵列102的输入端口。
在传播通过波导103的阵列102并且由于不同的相应光程长度而在波导103中的不同波导中累积不同的光学相位之后，在其输出端口处离开波导103的阵列102的光被重新聚焦在输出FPR 106中，由此不同波长的光相长干涉，并且因此在不同位置处重新聚焦。多个输出波导
110或其他输出耦合器可以被放置在各个焦点处，以便捕获相应波长的光。为了使AWG 100作为复用器来操作，光传播通过AWG 100的方向以及因此FPR 104、106的作用可以被颠倒：
多个波长的光从多个相应的波导110耦合到FPR 106中(其由此用作到AWG 100的输入)并且在FPR 106中被色散，以照射波导103的阵列102，并且在传播通过波导103的阵列102之后，来自所有阵列波导103的此刻混合波长的光在FPR 104(现在用作AWG的输出)中被重新聚焦，其从FPR 104出射到波导108中。
100作为波长解复用器来操作时，包括从输入波导108或其他输入耦合器衍射到输入FPR
104中的多个波长的输入光传播通过输入FPR 104，以照射波导103的阵列102的输入端口。
在传播通过波导103的阵列102并且由于不同的相应光程长度而在波导103中的不同波导中累积不同的光学相位之后，在其输出端口处离开波导103的阵列102的光被重新聚焦在输出FPR 106中，由此不同波长的光相长干涉，并且因此在不同位置处重新聚焦。多个输出波导
110或其他输出耦合器可以被放置在各个焦点处，以便捕获相应波长的光。为了使AWG 100作为复用器来操作，光传播通过AWG 100的方向以及因此FPR 104、106的作用可以被颠倒：
多个波长的光从多个相应的波导110耦合到FPR 106中(其由此用作到AWG 100的输入)并且在FPR 106中被色散，以照射波导103的阵列102，并且在传播通过波导103的阵列102之后，来自所有阵列波导103的此刻混合波长的光在FPR 104(现在用作AWG的输出)中被重新聚焦，其从FPR 104出射到波导108中。
[0005] 当被实施在PIC中时，AWG易受到能够影响其波长响应的多种因素的影响，常常导致波长到输出波导的误映射。例如，由于PIC的制造公差，阵列中波导的有效指标可能不能被精确地控制到足以实现预期的波长响应。在波导尺寸小时，在AWG波导芯在厚度控制差的沉积层中时，或者在波导芯的折射率取决于材料生长或沉积条件时，与预期响应的基于制造的偏离是特别可能的。除了这些问题之外，阵列中波导的有效指标以及因此AWG作为整体的波长响应根据温度而变化。这种效应在使用具有大热光系数的波导芯材料(例如硅)的情况下特别明显，并且趋向于限制AWG能够被使用的温度范围。减少由于环境温度波动而引起的AWG响应的不期望的波长偏移、和/或补偿与期望的波长响应的基于制造的偏离的一种方法涉及主动地控制AWG的温度，然而这需要大量的功率，致使PIC效率较低。附图说明
[0006] 图1是可以在各种实施例中使用的AWG的示意性俯视图。
[0007] 图2A是根据各种实施例的耦合到AWG的输入FPR的束扫描器(sweeper)的俯视图。
[0008] 图2B是根据各种实施例的包括双向AWG和耦合到AWG的两个FPR的束扫描器的系统的俯视图。
[0009] 图3是根据各种实施例的图2A的束扫描器与AWG之间的耦合区域的特写俯视图。
[0010] 图4是根据各种实施例的图2的束扫描器的另一俯视图，还图示了加热区域在笔直波导区段中的放置。
[0011] 图5是根据各种实施例的具有设置在波导的笔直区段上方的加热器的AWG的俯视图。
[0012] 图6是根据各种实施例的具有多波导结构以及实施在其中的相关联的加热器和温度感测元件的SOI衬底的横截面视图。
[0013] 图7是根据各种实施例的设置在笔直波导区段上方的加热器的俯视细节图。
[0014] 图8是图7的加热器的另一俯视细节图，还图示了根据各种实施例的温度感测元件和隔热沟槽的放置。
具体实施方式
[0015] 本文在各种实施例中描述的是用于通过向波导主动地、受控地施加热来调谐阵列中波导之间的相对相位的系统、设备和结构，例如用于调谐AWG或其他色散光栅的波长响应的目的。在一些实施例中，一个或多个加热器在AWG中被直接设置在波导附近(例如，在阵列波导上方、之间或者甚至与阵列波导部分重叠)，以赋予波导之间的增量热致相移。(通过“波导之间的增量相移”在本文中意指相邻波导之间的相移全部在相同方向上，使得累积的相移跨阵列单调地变化。在许多实施例中但不一定是所有的实施例中，相邻波导之间的增量跨阵列是恒定的)。在其他的一些实施例中，耦合到AWG的输入FPR并将光聚焦到AWG的输入FPR上的单独的多波导结构包括一个或多个加热器，以控制单独的结构的波导之间的相对相位，以便使焦点的横向位置移位，由此改变AWG的波长响应；这种单独的多波导结构在本文中被称为“束扫描器”(或简称为“扫描器”)。(本文中的“横向位置”是指沿着与总体传播方向垂直的方向的位置)。
[0016] 在AWG的输入处使用束扫描器而不是直接放置在AWG中的加热器是有益的，特别是在其中AWG包括大量波导使得AWG波导的直接加热能量消耗高的实施例中。比AWG本身具有更少的波导的单独的束扫描器可以允许更高效地调谐AWG波长响应。根据本文的束扫描器也可以与除了AWG之外的色散光栅一起使用，诸如与例如中阶梯光栅或垂直光栅耦合器一起使用(其中束扫描器可以用于调谐耦合束的方向)。此外，本文公开的束扫描器可以找到除了任何色散光栅之外的应用，例如在光学开关中。在这些实施例中的任何中的AWG或束扫描器中使用的加热器可以基于利用合适的温度感测元件而测量的波导温度来控制。
[0017] 在AWG的上下文中，术语“输入FPR”和“输出FPR”在本文中用于限定(definiteness)，并且用于参考作为解复用器操作的AWG来将它们与结构而不是功能联系起来。在这些指定的情况下，作为复用器的AWG的操作涉及在输出FPR处进入AWG并在输入FPR处离开AWG的光。以这种方式，术语“输入FPR”一致地用于指代复用(混合波长)的光被耦合到其中或从其中被耦合出来的FPR，并且术语“输出FPR”一致地用于指代解复用的光(多个单独的波长的光)从其中被耦合出来或被耦合到其中的FPR；在结构上，输出FPR可以例如借助于从其发出的多个输出波导(例如，参考图1的波导110)与输入FPR区分开。此外，在包括扫描器和AWG的实施例中，扫描器被一致地耦合到AWG的输入FPR，而不管AWG是用作解复用器(在这种情况下，光在进入AWG之前传播通过扫描器)还是用作复合器(在这种情况下，光在进入扫描器之前传播通过AWG)。注意，根据一些实施例，AWG可以是双向的，因为它展现出对称性，这允许其在任一方向上用作复用器或解复用器。在这种情况下，在波导阵列的两侧上的FPR用作输入FPR和输出FPR两者，例如通过各自连接到输入波导和多个输出波导两者。为了调谐这种双向AWG的波长响应，束扫描器可以被对称地耦合到输入FPR/输出FPR两者。
[0018] 根据各种实施例，AWG和/或束扫描器以及相关联的加热器被实现为SOI衬底中的PIC的一部分，SOI衬底包括硅处理部(handle)、设置在硅处理部的顶部上的掩埋氧化物层、设置在掩埋氧化物层的顶部上的硅5层、以及设置在硅器件层的顶部上的覆层。例如，波导和FPR可以被形成在硅器件层中，并且加热器和温度感测元件可以被嵌入覆层中。备选地，加热器的段可以通过对硅进行掺杂来改变其电阻而直接创建在硅器件层中，例如被放置在波导之间。各种结构特征可以用于增加经由热量而进行的波长响应调谐(例如可以根据用于实现特定相移的功率或者在AWG的情况下实现波长偏移的功率而测量)的效率。例如，在加热器下面的区域中的硅处理部中的背部蚀刻区域可以消除硅处理部原本构成的热沉(heat sink)的很大一部分，从而基本上减少了进入硅处理部中的热量耗散。由于去除硅处理部可能导致波导上的机械应力，这继而可以影响波长响应，所以背部蚀刻区域的宽度可以被限制以限制应力的量，并且还可以跨波导为恒定的以确保任何剩余应力均一地影响所有波导(以便避免不期望的相对相移)。加热效率还可以利用形成在围绕加热的波导区域的硅器件层和/或覆层中的隔热沟槽来增加，隔热沟槽可以用来保持这些区域中生成的热量，并且大大减少到衬底中的热量耗散。类似地，隔热沟槽可以被形成在加热器(或加热器段)与温度感测元件之间的加热区域内，以确保所生成的热量主要被施加到相邻的波导而不是温度感测元件。
[0019] 如本文所述的增加AWG和/或扫描器的波长调谐效率的另一方法涉及双向加热器对的使用。双向加热器对包括第一加热器和第二加热器，第一加热器和第二加热器在波导之间赋予相反符号的相移，使得当离开波导的光被向下聚焦(例如通过扫描器而聚集到AWG的输入FPR上，或者在AWG的输出FPR中聚集到输出波导上)时，第一加热器在与由第二加热器引起的横向焦点位置中的移位相反的方向上引起横向焦点位置中的移位。第一加热器和第二加热器在本文中还分别被称为“前向加热器”和“后向加热器”。(如将容易理解的，在任何给定的时间，双向对中的加热器中的仅一个加热器被操作，即前向加热器和后向加热器不同时被操作)。使用双向加热器对，可以利用加热器实现给定的总相位调谐范围(对应于两个极端相位之间的相位差)，加热器中的每一个仅单独覆盖该范围的一半；与实现相同范围的单个加热器的峰值功耗相比，这继而将与调谐范围相关联的峰值功耗降低到大约一半。
[0020] 在一些实施例中，引起相同方向上的相移的多个加热器被并行使用，从而累积由个体加热器引起的相移(其受制于加于可以通过加热器的功率上的限制)以实现更大的总相移。并行使用多个加热器降低了与给定的总相移相关联的驱动电压要求，使加热器可部署在其中大驱动电压不可用的系统中和/或与许多标准光子封装(例如，四通道小型可插拔(QSFP))的电子要求兼容。
[0021] 在各种实施例中，加热器被配置为赋予相邻波导之间的恒定增量相移。例如，加热器可以被配置为生成(如下文所定义的)基本上均一加热的区域，从而赋予每单位长度的加热波导的均一相移，加热区域被成形和定位以使得加热的波导部分在相邻的波导之间以恒定长度增量增加。例如，加热区域的形状可以是三角形的并且与均匀间隔开的波导的笔直区段重叠。备选地，波导可以在加热区域中不均匀地间隔开，间距例如基于利用加热器而可实现的给定温度分布来设计，以在相邻的波导对之间得到恒定相移。在一些实施例中，加热器由携载电流的加热丝实现，该加热丝例如由铂或钨(或某种其他合适的金属)制成，加热丝跨限定加热区域的区域而被盘绕。加热丝在该区域内可以具有恒定的宽度和/或横截面，以简化对所得到的温度分布的建模和/或促进更准确的结果。如本领域普通技术人员将容易理解的，对要利用加热丝来加热的区域(该加热丝跨限定该区域的区域而盘绕)进行近似将通常导致跨加热区域的温度分布中的某种水平的变化；在这样的温度变化处于可接受的范围内时，区域在本文中被认为是“基本上均一加热”的。在一些实施例中，可接受的范围由该区域内的平均温度的±10％定义。
[0022] 从以下对附图的详细描述中将更容易理解前述内容。
[0023] 图2A是根据各种实施例的束扫描器200的俯视图，束扫描器200耦合到AWG 100的输入FPR 104。如所图示的，束扫描器200包括输入FPR 202、与AWG 100的输入FPR 104邻接并因此光学地耦合到AWG 100的输入FPR 104的输出FPR 204、以及连接扫描器200的输入FPR 202和输出FPR 204的波导207的阵列206。输入光信号可以经由输入波导210被提供给扫描器200的输入FPR 202。(与参考作为解复用器操作的AWG 100而对AWG 100的指定“输入FPR 104”和“输出FPR 106”一致地，扫描器200的FPR 202、204作为“输入FPR 202”和“输出FPR 204”的指定被使用。也就是说，当AWG 100作为解复用器操作时，束扫描器200在AWG 100之前，并且光在扫描器200中从输入FPR 202向输出FPR 204传播。当AWG 100作为复用器操作时，束扫描器200在光传播方向上在AWG 100之后，其中光在输出FPR 204处进入束扫描器200并且在输入FPR 202处离开扫描器200)。
[0024] 图2B是根据各种实施例的包括双向AWG 250和耦合到AWG 250的两个FPR的束扫描器200的系统的俯视图。这里，波导阵列102的任一端上的FPR在结构上和功能上都是输入和输出FPR 104/106两者。为了能够用作输出FPR，FPR 104/106中的每一个耦合到输出波导110。为了能够用作输入FPR，FPR 104/106中的每一个还耦合到束扫描器200的输出FPR
204，其在输入FPR 202处通过输入波导210接收其混合波长输入光。在图示的实施例中，包括AWG 250和耦合到AWG 250的两个束扫描器200的系统(以及AWG 250本身)是对称的。
204，其在输入FPR 202处通过输入波导210接收其混合波长输入光。在图示的实施例中，包括AWG 250和耦合到AWG 250的两个束扫描器200的系统(以及AWG 250本身)是对称的。
[0025] 再次参考图2A，扫描器200的波导207和输出FPR 204可以被配置为在扫描器200与AWG 100的界面处将在波导207中传播的光从输入FPR 202聚焦到扫描器200的输出FPR 204。例如，如图3中提供的扫描器200与AWG 100之间的耦合区域的特写图所示，在紧接在输出FPR 204之前的区域中，扫描器波导207可以沿着从界面302处的共同中心点300发出的射线被取向。类似地，在紧接在AWG 100的输入FPR 104之后的区域中，AWG波导103可以沿着从相同(或基本上相同)的中心点300发出的射线被取向。(术语“基本上”在本文中说明分别对应于AWG波导103沿其被取向的射线和扫描器波导207沿其被取向的射线的中心点之间的轻微偏差(如在实践中可能例如由于制造不准确而出现的)，并且通常不影响设备的功能。)此外，扫描器200的输出FPR 204的入口表面和AWG 100的输入FPR 104的出口表面可以各自与以点300为中心的圆的圆周相符，其中波导207、103垂直于相应的表面(由于它们在从中心点300发出的射线上的布置)。
[0026] 在没有热量施加到扫描器波导207的情况下，离开波导207的光将被聚焦在点300处，并且从点300色散到AWG的输入FPR 104中，以照射AWG波导103的输入端口。当扫描器200的(一个或多个)加热器用于跨波导207的阵列206施加线性相位变化时，在界面302处的焦点从中心点300横向(向侧面)平移(如由箭头304所指示的)，导致AWG 100的波长响应改变。当跨阵列206施加的总相移在一个极端与另一极端之间(例如，对于单个加热器，在零和最大相移之间，或者对于双向加热器对，在任一方向上的最大相移之间)被连续地调谐时，焦点追踪沿着界面302的线。
[0027] 扫描器200的输出FPR 204和AWG 100的输入FPR 102可以是连续的，并且当被实现在SOI衬底中时通常是连续的。在所描绘的实施例中，FPR 204、104被成形为在界面302处形成收缩部或“腰部”306。该腰部306可以用作防止较高衍射级的光进入AWG 100的输入FPR 104的空间滤波器；当AWG 100被用作解复用器时，这可能导致波长通道以减小的串扰分离到其相应的输出波导110上。腰部306还提供FPR 204、104之间的界限。然而，注意，不需要在每个实施例中都形成FPR 206、104之间的腰部。相反，由FPR 204、104形成的连续区域可以没有扫描器200与AWG 100的FPR 204、104之间的清晰的视觉边界。因此，界面302在本文中在功能上被定义为在扫描器200的输出处的焦平面，也就是说，经过点300处的焦点并且垂直于总体传播方向而取向的竖直平面。
[0028] 再次返回到图2A，在各种实施例中，束扫描器200的波导207长度相等，这避免了波长相关的色散，以确保所有波长的光被聚焦在扫描器200的输出处的相同点(大约点300)中。(当然，一旦跨波导207的阵列206施加相位梯度，就会得到轻微的波长色散。然而，这种影响如此小以至于可忽略。通常，扫描器200中两个相邻波导之间的最大热致相移仅相当于中心波长的小部分。为了比较，AWG中两个相邻波导之间的光程差可以为几十个波长的量级)。所描绘的相等长度波导的配置的特征在于由两个相等的部分组成的阵列，两个相等的部分对应于在通过对称中心262的水平线260上方和下方的部分，其在一个部分绕着对称中心262旋转180°时映射到彼此。
[0029] 当与AWG 100结合使用时，扫描器200通常比AWG 100包括更少的波导，以便减少与调谐AWG 100的波长响应相关联的功率要求(与使用包括在AWG 100的波导103正上方的加热器相比)。另一方面，扫描器200的波导阵列206通常被提供有足够数目的波导207，以将输入FPR 202处的插入损耗限制到可接受的水平，并且实现在扫描器200的输出处(即，在输出FPR 204与AWG 100的输入FPR 104之间的界面300处)生成的焦点的期望图像质量。在扫描器200中具有太少波导207的情况下，来自输入波导210的光的很大部分可能不被波导阵列206捕获，和/或在输出处的光的很大部分可能被集中在焦点的旁瓣而不是中心焦点区域中。通常，期望生成对良好近似高斯的焦点。在各种实施例中，扫描器200中的阵列206包括至少三个并且通常为更多个(例如，大约15-30个)的波导207。
[0030] 现在参考图4，根据一些实施例的束扫描器200中的加热器的放置被图示在另一俯视图中。通常，束扫描器200可以包括一个或多个加热器，例如并行驱动的多个加热器，以在每个加热器的给定驱动电压下获得较大的整体相位调谐范围，或者包括在相互相对的方向上引起相移的一个或多个双向加热器对(由“F”指示前向加热器，而“B”指示后向加热器)。在图示的实施例中，扫描器200包括加热器404、405、406、407的两个双向对400、402。加热器通常在相同或不同的层中与波导207横向重叠(即，在俯视图中重叠)地放置。例如，在一些实施例中，加热器被放置在波导207的上方(也参见图6)，并且在其他的一些实施例中，加热器被放置在限定波导207的层内(并且可能包括波导207的部分)。如所图示的，加热器404、
405、406、407可以被放置在波导207的笔直区段上方(或之内)，这可以简化热致相移的热建模。
405、406、407可以被放置在波导207的笔直区段上方(或之内)，这可以简化热致相移的热建模。
[0031] 根据各种实施例，加热器被配置为引起在相邻波导207对之间的恒定增量相移。原则上，这可以例如通过均一地加热与均匀间隔开的波导重叠的三角形区域而实现，其中三角形的一个边与波导并行地取向，使得与三角形区域重叠的波导部分的长度在相邻波导之间以恒定增量增加。结合由于跨加热区域的均一温度而导致的每单位长度的加热波导的均一相移，该配置可以实现期望的恒定增量相移。然而，在实践中，可能难以足够均一地加热三角形区域。在这种情况下，可以基于热建模来调节波导之间的间距，以实现恒定相位增量，尽管温度分布不均一。图2和图4中所示的波导阵列206的几何结构便于根据期望修改波导间距而不影响任何波导的总长度，由此保持所有的波导207的相等长度。例如，为了增加顶部波导410与其相邻波导412之间在笔直波导区域415中的间距，顶部波导410在顶部区域420中的笔直区段的长度可以被减小，并且顶部波导410在底部区域425中的笔直区段的长度可以增加相同的距离。任何其他波导207对之间的间距可以通过将波导中的一个波导在顶部区域420和底部区域425中的长度修改相等且相反符号的量来类似地调节。
[0032] 图5是根据各种实施例的具有设置在波导103的笔直区段上方的加热器的示例AWG 500的俯视图。这里，AWG 500的波长响应直接由在AWG 500的波导103上赋予的热致相移来调谐而不是由在AWG 500的输入FPR 104处的单独的束扫描器200调谐。如上文所描述的包括在束扫描器200中的加热器的各种特征同样适用于AWG中的加热器。例如，AWG通常可以包括一个或多个加热器，并且可以使用前向加热器和后向加热器的一个或多个双向对和/或并行驱动的多个加热器。在图示的示例中，AWG 500包括四个双向加热器对502、503、504、
505。如图所示，双向加热器对502、503、504、505对称地布置在阵列102波导103的笔直区段上方。有益的是，笔直区段上方的加热器放置允许使用为前向加热器和后向加热器使用相同的设计，同时在每个方向上实现相同幅度的最大相移。然而，注意，加热器通常也可以被放置在波导103的阵列102的弯曲区段上方。
505。如图所示，双向加热器对502、503、504、505对称地布置在阵列102波导103的笔直区段上方。有益的是，笔直区段上方的加热器放置允许使用为前向加热器和后向加热器使用相同的设计，同时在每个方向上实现相同幅度的最大相移。然而，注意，加热器通常也可以被放置在波导103的阵列102的弯曲区段上方。
[0033] 图5还更详细地图示了个体加热器的配置和设计。如所图示的，每个加热器(例如，由包围的虚线指示的、对502的前向加热器510)可以包括在几何上平行排列的并且具有合适长度的多个丝状电阻性加热段512，以共同限定期望形状的加热区域。在图示的实施例中，例如，每个加热器的加热段512共同限定三角形区域。在每个个体加热器内，加热段512由金属连接件514串联连接，以便有效地形成跨加热区域盘绕的单个加热丝。在加热丝的相对端处的电连接节点(对于前向加热器的两个极性标记为F+和F-，而对于后向加热器的两个极性标记为B+和B-)之间施加的电压引起电阻性地对丝加热的电流。然而注意，加热段512和它们之间的金属连接件514可以在其横截面尺寸和材料性质方面不同，结果是它们相应的电阻不同。例如，低电阻的金属连接件514可以与更高电阻的加热段512一起使用，使得当电流流过丝时，热量优先地在加热段512中被生成。前向加热器可以通过将它们相应的正极连接节点F+彼此连接并将它们相应的负极连接节点F-彼此连接而被并行驱动。类似地，后向加热器可以通过将相同极性的相应节点彼此连接而并行驱动。
[0034] 根据各种实施例，基于加热器中加热丝的配置，使用热建模来计算由加热器创建的所得到的温度分布。从该分布，可以继而计算在波导上赋予的相移。在一些实施例中，加热丝或至少其中的加热段具有恒定的宽度和横截面，这简化了建模。加热器和波导可以共同地被配置为在相邻波导的对之间实现期望的恒定增量相移。例如，具有均一温度(如果可达到的话)的三角形加热区域可以与均匀间隔开的波导结合使用。对于非均一的温度分布，可以调节在加热器下面的波导的间距；例如，如果温度根据近似指数曲线从最高温度下降，则波导之间的间距可以朝向指数尾部增大。
[0035] 现在转到如上文描述的AWG和束扫描器在PIC中的实现，图6是根据各种实施例的具有在其中实现的多波导结构以及相关联的加热段和温度感测元件的示例SOI衬底600的横截面。SOI衬底600包括硅处理部602、设置在处理部602上方的掩埋氧化物(BOX)层604、在BOX层604的顶部上的硅器件层606、以及在硅器件层606上方的介电覆层608。在硅器件层606中形成多个硅脊形波导610。(例如，通过蚀刻创建的)脊形波导610之间的空间可以用介电材料(例如，与用于覆层608的材料相同的材料)填充。脊形波导610可以实现如本文所述的AWG或束扫描器的阵列波导103、207。
[0036] 在图6的示例实施例中，加热器通过在覆层608中设置在波导610上方的加热段512来实现。替代或除了被设置在波导610上方的层608中，加热段512也可以例如通过对硅进行掺杂以使其具有电阻性而被创建在硅器件层606内(未示出)；在这种情况下，加热段512可以被放置在波导610之间，或者甚至包括部分的波导610(换言之，至少部分在空间上与波导610重叠)。在任一情况下，加热段512都与波导横向地重叠，这意味着它们在水平平面内的投影重叠。此外，如所图示的，温度感测元件614(例如形成电阻性热器件(RTD)的段)可以被嵌入覆层608中，以直接测量加热区域中的温度。温度感测元件614和加热段512可以以交替方式布置。
[0037] 基于由温度感测元件614测量的加热区域内的温度，通过有意地加热波导而赋予的相移的温度依赖性(或者诸如在扫描器中所得到的光学特性、在扫描器输出处焦点的横向移位的温度依赖性)可以被校准。备选地，可以校准根据施加给加热器的电压或电流而变化的相移(在一些实施例中，消除了对感测加热区域的温度的需要)。为了补偿由于环境温度的变化而引起的AWG 100的不期望相移，可以测量AWG 100在加热器外部的区域中的波导103的温度，以从中确定需要多少调谐。因此，在各种实施例中，温度感测元件被包括在加热区域内和加热区域附近(在扫描器中或在AWG的直接加热的波导区段中，视情况而定)并且被包括在远离加热器的区域中。
[0038] 图7提供了设置在波导700的笔直区段上方的两个加热器的俯视细节图，再次参考图6并且进一步参考图7，图示了旨在增加热相调谐的效率的各种特征。一个这样的特征是硅处理部602中位于加热的波导区域正下面的背部蚀刻区域620。加热器下面的硅去除用于消除在背部蚀刻区域620内到硅处理部602中的热耗散，这有助于在硅器件层606的加热区域中保留更多的热量。根据各种实施例，硅在背部蚀刻区域620的边界内被完全去除，而不留下任何硅“岛”，从而最大化背部蚀刻的效果。另一方面，为了避免SOI衬底600的结构稳定性中的不必要损失，根据各种实施例，从处理部602去除硅被局限于与由加热器限定的区域基本上重合的区域620(例如，不超过加热器的最大横向尺寸多于20％)。这在图7中更清楚地进行了图示。如所示出的，背部蚀刻区域620可以例如在波导700的方向上位于加热段512的外部界限内，并且在垂直于波导700的方向上仅略微延伸到加热段512的外部界限以外(例如，使得垂直于波导700测量的背部蚀刻区域620的尺寸超过加热器的尺寸不多于20％)。
[0039] 除了对SOI衬底600的总体结构稳定性的影响之外，与波导610、700下面的背部蚀刻区域620相关联的另一关心点是由于衬底的不均一性而施加在波导上的机械应力。对在波导700的方向上所测量的背部蚀刻区域620的宽度710进行限制可以使这个问题最小化。在一些实施例中，背部蚀刻区域620的宽度710小于40μm；作为比较，AWG内的波导阵列的典型尺寸可以在200μm×200μm的量级。因此，背部蚀刻区域620在面积上明显小于波导阵列。
另外，可以通过确保所有波导经受相同的应力水平，来抵消任何剩余的机械应力对波导的相位的影响。这继而通过以下来实现：使用跨波导阵列(例如，其在形状上为矩形)具有恒定宽度710的背部蚀刻区域620并且将加热器以及由此将背部蚀刻区域放置在其中波导是笔直的和/或具有恒定曲率(对应于零曲率的笔直波导)的波导阵列的区域中，或者以其他方式确保对于所有波导来说，与背部蚀刻区域620重叠的波导的长度是相同的。
另外，可以通过确保所有波导经受相同的应力水平，来抵消任何剩余的机械应力对波导的相位的影响。这继而通过以下来实现：使用跨波导阵列(例如，其在形状上为矩形)具有恒定宽度710的背部蚀刻区域620并且将加热器以及由此将背部蚀刻区域放置在其中波导是笔直的和/或具有恒定曲率(对应于零曲率的笔直波导)的波导阵列的区域中，或者以其他方式确保对于所有波导来说，与背部蚀刻区域620重叠的波导的长度是相同的。
[0040] 除了去除加热器下面的热沉，通过将加热区域与硅器件层中的周围区域热隔离，可以增加调谐效率。为了此目的，各种实施例包括围绕加热的波导部分在波导阵列的任一侧或两侧上的波导610、700旁边的硅器件层606(如所示的)和/或介电覆层608(未示出)中的隔热通道(或者如果顶部处打开，则是“沟槽”)622。此外，在包括与加热段512邻近(例如，与加热段512交替布置)的温度感测元件614的实施例中，隔热沟槽624可以被包括在相邻的加热元件512与温度感测元件614之间，使得热量主要被施加给波导610而不是温度感测元件614。
[0041] 图8是根据各种实施例的图7的加热器的另一细节图，示出了温度感测元件614和隔热沟槽的放置。该视图对应于叠加在波导700的俯视图上的通过介电覆层608所取的水平横截面。如所示出的，温度感测元件614被放置在与其平行的加热段512之间，并且由金属连接件串联地连接，以形成跨由两个加热器限定的区域盘绕的连续的温度感测丝800。隔热沟槽624衬有(line)温度感测丝800的部分的侧面，特别是在加热段512与温度感测元件614之间的区域中。
[0042] 以下编号的示例是说明性的实施例。
[0043] 1.一种PIC，包括：绝缘体上硅(SOI)衬底，包括硅处理部、设置在硅处理部的顶部上的掩埋氧化物层、设置在掩埋氧化物层上的硅器件层、以及设置在硅器件层的顶部上的覆层；至少部分地形成在硅器件层内的AWG，包括连接在输入FPR与输出FPR之间的波导阵列，波导跨阵列在光程长度上增量式地变化，从而引起波长色散；至少部分地设置在覆层或硅器件层中的至少一个内的一个或多个双向加热器对，一个或多个双向加热器对与波导阵列横向地重叠，并且被配置为赋予波导之间的增量热致相移，从而改变AWG的波长色散；以及一个或多个背部蚀刻区域，在相应的一个或多个双向加热器对下面形成硅衬底内。
[0044] 2.根据示例1所述的PIC，其中，背部蚀刻区域跨波导阵列具有恒定宽度。
[0045] 3.根据示例2所述的PIC，其中，恒定宽度不超过四十微米。
[0046] 4.根据前述示例中的任一项所述的PIC，其中，一个或多个背部蚀刻区域被局限于与由相应的一个或多个双向加热器对限定的区域基本上重合的区域。
[0047] 5.根据前述示例中的任一项所述的PIC，其中，加热器与波导的笔直区段横向地重叠。
[0048] 6.根据示例1-4中的任一项所述的PIC，其中，加热器与其中波导均具有共同曲率的波导阵列的区段横向地重叠。
[0049] 7.根据前述示例中的任一项所述的PIC，还包括隔热通道，隔热通道围绕波导阵列的加热区域形成在硅器件层或覆层中的至少一个中。
[0050] 8.根据前述示例中的任一项所述的PIC，其中，加热器中的每个加热器包括加热丝，加热丝跨与波导阵列要被加热的区域横向地重叠的区域盘绕。
[0051] 9.根据示例8所述的PIC，其中，加热丝包括由金属连接件连接的具有相等且恒定的宽度的加热段。
[0052] 10.根据示例8所述的PIC，还包括在加热丝的加热段之间嵌入覆层中的温度感测元件。
[0054] 12.根据示例1-9中的任一项所述的PIC，其中，加热器中的每个加热器包括在硅器件层中的掺杂的电阻性区域。
[0055] 13.根据前述示例中的任一项所述的PIC，包括被配置为并行操作的多个双向加热器对。
[0056] 14.根据前述示例中的任一项所述的PIC，其中，加热器中的每个加热器被配置为赋予阵列的所有相邻波导对之间的恒定增量相移。
[0057] 15.根据示例14所述的PIC，其中，加热器中的每个加热器被配置为将与波导阵列在空间上重叠的加热区域加热到基本上均一的温度，以便赋予每单位长度加热波导的均一相移，加热区域被成形和定位以使得加热的波导部分在所有相邻波导对之间以恒定长度增量增加。
[0058] 16.根据示例15所述的PIC，其中，波导在加热区域中被均一地间隔开，并且加热区域的形状为三角形。
[0059] 17.根据示例14-16中的任一项的PIC，其中，基于与加热器相关联的温度分布来选择波导之间的间距，以实现恒定增量相移。
[0060] 18.一种系统，包括：包括连接在第一输入FPR与第一输出FPR之间的多个波导的AWG；以及束扫描器，束扫描器用于调谐AWG的波长响应，束扫描器包括：第二输入FPR；与AWG的第一输入FPR邻接并且光学地耦合的第二输出FPR；连接在第二输入FPR与第二输出FPR之间的至少三个波导，至少三个波导和第二输出FPR被配置为将在至少三个波导中从第二输入FPR向第二输出FPR传播的光聚焦在焦点处，该焦点处于第二输出FPR与第一输入FPR之间的界面处；以及与至少三个波导横向地重叠的至少一个双向加热器对，加热器中的每个加热器被配置为赋予在至少三个波导中传播的光之间的增量相移，从而使焦点的横向位置移位。
[0061] 19.根据示例18所述的系统，其中，束扫描器的至少三个波导在数目上比AWG的波导少。
[0062] 20.根据示例18或示例19所述的系统，其中，在紧接在第二输出FPR之前的区域中，束扫描器的至少三个波导沿着从共同中心发出的射线被布置，共同中心处于第二输出FPR与第一输入FPR的界面处。
[0063] 21.根据示例20所述的系统，其中，在紧接在第一输入FPR之后的区域中，AWG的多个波导沿着从该中心发出的射线被布置。
[0064] 22.根据示例18-21中的任一项所述的系统，其中，束扫描器的至少三个波导在长度上均相等。
[0065] 23.根据示例18-22中的任一项所述的系统，其中，加热器中的每个加热器被配置为赋予至少三个波导中的所有相邻波导对之间的恒定增量相移。
[0066] 24.根据示例23所述的系统，其中，加热器中的每个加热器被配置为将与至少三个波导在空间上重叠的加热区域加热到基本上均一的温度，以便赋予每单位长度加热波导的均一相移，加热区域被成形和定位以使得加热的波导部分在所有相邻波导对之间以恒定长度增量增加。
[0067] 25.根据示例24所述的系统，其中，至少三个波导被均一地间隔开，并且加热区域的形状为三角形。
[0068] 26.根据示例23所述的系统，其中，基于与加热器相关联的温度分布来选择至少三个波导之间的间距，以实现恒定增量相移。
[0069] 27.根据示例18-27中的任一项所述的系统，其中，加热器中的每个加热器加热丝，加热丝包括跨与至少三个波导在要被加热的区域中横向地重叠的区域盘绕。
[0070] 28.根据示例10所述的系统，其中，加热丝包括由金属连接件连接的具有相等且恒定的宽度的段。
[0071] 29.根据示例18-28中的任一项所述的系统，包括多个双向加热器对，每对包括前向加热器和后向加热器，前向加热器中的至少一些前向加热器或后向加热器中的至少一些后向加热器被配置为并行操作。
[0072] 30.根据示例18-29中的任一项所述的系统，其中，加热器与其中至少三个波导均具有共同曲率的至少三个波导的区段横向地重叠。
[0073] 31.根据示例30所述的系统，其中，加热器与至少三个波导的笔直区段横向地重叠。
[0074] 32.根据示例18-31中的任一项所述的系统，其中，AWG和束扫描器被实现在包括SOI衬底的PIC中，SOI衬底包括硅处理部、设置在硅处理部的顶部上的掩埋氧化物层、设置在掩埋氧化物层的顶部上的硅器件层、以及设置在硅器件层的顶部上的覆层。
[0075] 33.根据示例32所述的系统，还包括在双向加热器对下面处于硅处理部中的背部蚀刻区域。
[0076] 34.根据示例33所述的系统，其中，背部蚀刻区域跨至少三个波导具有恒定宽度。
[0077] 35.根据示例32所述的系统，还包括隔热通道，隔热通道围绕至少三个波导的加热部分形成在硅器件层或覆层中的至少一个中。
[0078] 36.根据示例35所述的系统，其中，加热器包括嵌入在覆层中的加热段。
[0079] 37.根据示例36所述的系统，还包括在加热段之间嵌入覆层中的温度感测元件。
[0080] 38.根据示例37所述的系统，还包括在相邻的加热段与温度感测元件之间处于覆层中的隔热沟槽。
[0081] 39.根据示例32所述的系统，其中，加热器包括在硅器件层中的掺杂的电阻性区域。
[0082] 40.根据示例18-39中的任一项所述的系统，其中，AWG是双向的，系统还包括第二扫描器，第二扫描器包括：第三输入FPR；与AWG的第一输出FPR邻接并且光学地耦合的第三输出FPR；连接在第三输入FPR与第三输出FPR之间的至少三个波导，至少三个波导和第三输出FPR被配置为将在至少三个波导中从第三输入FPR向第三输出FPR传播的光聚焦在焦点处，该焦点处于第三输出FPR与第一输出FPR之间的界面处；以及与至少三个波导横向地重叠的至少一个双向加热器对，加热器中的每个加热器被配置为赋予在至少三个波导中传播的光之间的增量相移，从而使焦点的横向位置移位。
[0083] 41.一种系统，包括：AWG，其包括连接在第一输入FPR与第一输出FPR之间的多个波导；以及束扫描器，其用于调谐AWG的波长响应，束扫描器包括：第二输入FPR；与AWG的第一输入FPR邻接并且光学地耦合的第二输出FPR；连接在第二输入FPR与第二输出FPR之间的至少三个波导，在紧接在第二输出FPR之前的区域中，至少三个波导沿着从第二输出FPR与第一输入FPR的界面处的共同中心发出的射线被布置，以便将在至少三个波导中从第二输入FPR向第二输出FPR传播的光聚焦在界面处的焦点处；以及与至少三个波导横向地重叠的至少一个加热器，加热器中的每个加热器被配置为赋予在至少三个波导中传播的光之间的增量相移，从而使焦点的横向位置移位。
[0084] 42.一种方法，包括：利用束扫描器来调谐阵列波导光栅(AWG)的波长响应，束扫描器包括输入FPR、与AWG的输入FPR邻接并且光学地耦合的输出FPR、连接在束扫描器的输入FPR与输出FPR之间的至少三个波导、以及与至少三个波导横向地重叠的前向加热器和后向加热器对，调谐包括：将在至少三个波导中从束扫描器的输入FPR向束扫描器的输出FPR传播的光聚焦在束扫描器的输出FPR与AWG的输入FPR之间的界面处的焦点处，以及使用前向加热器或后向加热器中的一个加热器来赋予在至少三个波导中传播的光之间的增量相移，从而使焦点的横向位置移位，其中，由前向加热器赋予的相移具有与由后向加热器赋予的相移相反的符号，由此前向加热器和后向加热器使焦点的横向位置在相互相反的方向上移位。
[0085] 43.一种方法，包括：利用束扫描器来调谐阵列波导光栅(AWG)的波长响应，束扫描器包括输入FPR、与AWG的输入FPR邻接并且光学地耦合的输出FPR、连接在束扫描器的输入FPR与输出FPR之间并且在紧接在束扫描器的输出FPR之前的区域中沿着从束扫描器的输出FPR与AWG的输入FPR的界面处的共同中心发出的射线被布置的至少三个波导、以及与至少三个波导横向地重叠的至少一个加热器，调谐包括：将在至少三个波导中从束扫描器的输入FPR向束扫描器的输出FPR传播的光聚焦在束扫描器的输出FPR与AWG的输入FPR之间的界面处的焦点处，以及使用至少一个加热器来赋予在至少三个波导中传播的光之间的增量相移，从而使焦点的横向位置移位。
[0086] 44.一种方法，包括：在光子集成电路(PIC)中包括绝缘体上硅(SOI)衬底、至少部分地形成在SOI衬底的硅器件层内的阵列波导光栅(AWG)、至少部分地设置在覆层或硅器件层中的至少一个内并且与波导阵列横向地重叠的前向加热器和后向加热器对、以及在加热器对下面形成在SOI衬底内的背部蚀刻区域；通过使用所述前向加热器或后向加热器中的一个加热器以赋予AWG的相邻波导之间的增量热致相移，来改变AWG的波长色散，由前向加热器赋予的相移具有与由后向加热器赋予的相移相反的符号，其中，背部蚀刻区域减少由前向加热器或后向加热器中的一个加热器生成的热量在SOI衬底中的耗散。
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