阅读说明：本技术 无热化多路径干涉滤波器 (Athermalized multipath interference filter ) 是由 A.特里塔 于 2018-07-16 设计创作，主要内容包括：一种多路径干涉滤波器。多路径干涉滤波器包括第一端口波导、第二端口波导以及连接第一端口波导和第二端口波导的光学结构。光学结构具有从第一端口波导到第二端口波导的第一光学路径,以及从第一端口波导到第二端口波导的不同于第一光学路径的第二光学路径。第一光学路径具有在氢化非晶硅内具有第一长度的部分。第二光学路径具有在结晶硅内具有第二长度的部分,并且第二光学路径或者不具有在氢化非晶硅内的部分,或者具有在氢化非晶硅内具有第三长度的部分,第三长度小于第一长度。(A multipath interference filter. The multi-path interference filter includes a first port waveguide, a second port waveguide, and an optical structure connecting the first port waveguide and the second port waveguide. The optical structure has a first optical path from the first port waveguide to the second port waveguide and a second optical path different from the first optical path from the first port waveguide to the second port waveguide. The first optical path has a portion having a first length within the hydrogenated amorphous silicon. The second optical path has a portion having a second length in the crystalline silicon, and the second optical path either has no portion in the hydrogenated amorphous silicon or has a portion having a third length in the hydrogenated amorphous silicon, the third length being less than the first length.)

无热化多路径干涉滤波器

(一个或多个)相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年7月17日提交的标题为“A-SI:H FOR ATHERMAL WDM”的美国临时申请No.62/533,545的优先权和权益，该申请的全部内容通过引用并入本文中。

技术领域

根据本发明的实施例的一个或多个方面涉及阵列波导光栅，并且更具体地涉及改进的阵列波导光栅设计。

背景技术

阵列波导光栅(AWG)可用于各种应用中，以根据其波长来为光确定路线。矩形AWG可具有各种有利的特性，包括紧凑性，但是利用这种器件可以实现的通道数量和通道间距可以由对阵列的波导之间的横向间隙的约束来限制。此外，AWG或另一多路径干涉滤波器的行为可以是温度相关的。

因此，需要一种改进的多路径干涉滤波器设计。

发明内容

根据本公开的实施例，提供了一种阵列波导光栅，包括：第一星形耦合器；第二星形耦合器；波导阵列，其连接第一星形耦合器和第二星形耦合器；一个或多个第一端口波导，其连接到第一星形耦合器；以及一个或多个第二端口波导，其连接到第二星形耦合器，其中：从第一端口波导的第一波导通过波导阵列的第一波导到第二端口波导的第一波导的第一光学路径包括在氢化非晶硅内具有第一长度的部分，第一光学路径的剩余部分在晶体硅之内，从第一端口波导的第一波导通过波导阵列的第二波导到第二端口波导的第一波导的第二光学路径包括在氢化非晶硅内具有第二长度的部分，第二光学路径的剩余部分在晶体硅之内，并且第二长度不同于第一长度。

在一个实施例中，阵列波导光栅的通道的中心波长随温度的改变速率小于70pm/℃。

在一个实施例中，波导阵列的第一波导包括具有等于第一长度的长度的第一部分，第一部分由氢化非晶硅构成，波导阵列的第一波导的剩余部分由晶体硅构成，波导阵列的第二波导包括具有等于第二长度的长度的部分，该部分由氢化非晶硅构成，以及波导阵列的第二波导的剩余部分由晶体硅构成。

在一个实施例中，第一波导的第一部分与第一波导的剩余部分的一部分之间的界面是具有表面法线的基本上平坦的表面，表面法线与第一部分的纵向方向之间的角度大于0.1度。

在一个实施例中，表面法线与第一部分的纵向方向之间的角度小于30度。

在一个实施例中，第一星形耦合器包括自由传播区，自由传播区包括由氢化非晶硅构成的区域，第一星形耦合器的自由传播区的剩余部分由晶体硅构成，区域包括楔形部分。

根据本公开的实施例，提供了一种多路径干涉滤波器，包括：第一端口波导；第二端口波导；以及光学结构，其连接第一端口波导和第二端口波导，光学结构具有：从第一端口波导到第二端口波导的第一光学路径，以及从第一端口波导到第二端口波导的不同于第一光学路径的第二光学路径，第一光学路径具有在氢化非晶硅内具有第一长度的部分，第二光学路径具有在晶体硅内具有第二长度的部分，并且第二光学路径或者不具有在氢化非晶硅内的部分，或者具有在氢化非晶硅内具有第三长度的部分，第三长度小于第一长度。

在一个实施例中，第一光学路径与第二光学路径之间的光学路径延迟差具有小于2e-5弧度/℃的随温度的改变速率。

在一个实施例中，光学结构包括马赫-曾德尔干涉仪，所述马赫-曾德尔干涉仪具有：第一耦合器，第二耦合器，第一波导，其连接第一耦合器和第二耦合器，以及第二波导，其连接第一耦合器和第二耦合器，其中：第一光学路径的一部分在第一波导内，并且第二光学路径的一部分在第二波导内。

在一个实施例中，光学结构包括一般化的马赫-曾德尔干涉仪，所述一般化的马赫-曾德尔干涉仪具有：第一耦合器，第二耦合器，第一波导，其连接第一耦合器和第二耦合器，第二波导，其连接第一耦合器和第二耦合器，以及第三波导，其连接第一耦合器和第二耦合器，

其中：第一光学路径的一部分在第一波导内，并且第二光学路径的一部分在第二波导内。

在一个实施例中，光学结构包括两个级联的马赫-曾德尔干涉仪。

在一个实施例中，光学结构包括中阶梯光栅。

在一个实施例中，第一光学路径与第二光学路径之间的光学路径延迟差在从20℃到70℃延伸的温度范围内展现小于2e-3弧度的最大改变。

附图说明

参考说明书、权利要求和附图，本发明的这些和其它特征和优点将被领会和理解，其中：

图1A是根据本发明的实施例的矩形阵列波导光栅的平面图；

图1B是根据本发明的实施例的根据增量延迟长度的自由光谱范围的图；

图1C是根据本发明的实施例的矩形阵列波导光栅的示意图；

图2A是根据本发明的实施例的矩形阵列波导光栅的示意图；

图2B是根据本发明的实施例的T形阵列波导光栅的示意图；

图3是根据本发明的实施例的T形阵列波导光栅的平面图；

图4A是根据本发明的实施例的肋形波导的横截面；

图4B是根据本发明的实施例的条形波导的横截面；

图4C是根据本发明的实施例的共享平板上的肋形波导阵列的一部分的横截面；

图4D是根据本发明的实施例的肋形到条形转换器的横截面的一部分；

图5是根据本发明的实施例的T形阵列波导光栅的示意图；

图6A是根据本发明的实施例的可调谐T形阵列波导光栅的示意图；

图6B是根据本发明的实施例的可调谐T形阵列波导光栅的示意图；

图7是根据本发明的实施例的无热阵列波导光栅的示意图；

图8是根据本发明的实施例的无热阵列波导光栅的图；

图9是根据本发明的实施例的无热阵列波导光栅的图；

图10是根据本发明的实施例的无热阵列波导光栅的图；

图11A是根据本发明的实施例的无热阵列波导光栅的图；

图11B是根据本发明的实施例的无热阵列波导光栅的图；

图12A是根据本发明的实施例的无热马赫-曾德尔干涉仪的示意图；

图12B是根据本发明的实施例的无热格型滤波器的示意图；

图12C是根据本发明的实施例的无热一般化的马赫-曾德尔干涉仪的示意图；

图13A是根据本发明的实施例的无热中阶梯光栅的图；以及

图13B是根据本发明的实施例的图13A的部分13B的放大图。

具体实施方式

下面结合附图阐述的具体实施方式旨在作为根据本发明提供的T形阵列波导光栅的示例性实施例的描述，并且不旨在表示在其中可以构造或利用本发明的唯一形式。该描述结合所图示的实施例阐述了本发明的特征。然而，应当理解的是，相同或等效的功能和结构可以通过不同的实施例来实现，这些实施例也旨在被涵盖在本发明的精神和范围内。如本文中其它地方所表示的，相似的元件编号旨在指示相似的元件或零件。

参考图1A，在一些实施例中，矩形阵列波导光栅(AWG)可用于根据光的波长将来自输入波导110的光引导到多个输出波导120中的一个。来自输入波导110的光在第一星形耦合器130处照射波导140的阵列145中的每个波导140，波导140中的每个波导具有不同的长度。在第二星形耦合器150处，离开波导140的光可以在输出波导120中的一个处相长干涉。

在其处相长干涉发生的输出波导取决于光的波长；因此，波长可以与每个输出波导120相关联。对应于两个相邻输出波导的波长之间的波长(或频率)差在本文中被称为“通道间隔”。AWG可以是互易器件，例如，对于在一个方向上行进通过AWG的光，其可以表现为波分复用(WDM)复用器，并且对于在相反方向上行进的光，其可以表现为WDM解复用器。因为光可以在任一方向上行进通过AWG，所以输出波导120可以用作输入，并且输入波导110可以用作输出。因此，输入波导110和输出波导120中的每一个可以被称为“端口”波导。

AWG的自由光谱范围(FSR)可以通过表达式FSR＝c/(n_gΔL)与波导阵列的增量延迟长度(ΔL)相关，其中n_g是在波导阵列中使用的波导的分组索引并且取决于制造平台，并且c是真空中的光速。在3um绝缘体上硅(SOI)平台的情况下，该表达式在图1B中绘制。另一方面，AWG的FSR可以大于或等于乘积N_Chx Ch_Spac，以便例如使感兴趣范围内的每个通道被明确地确定路线到AWG的对应输出端口之外。因此，在乘积N_Chx Ch_Spac和增量延迟长度(ΔL)之间出现折衷：小的递增延迟长度(ΔL)可用于具有大量通道或大通道间隔(或两者)的AWG。在矩形AWG布局的情况下，最小增量延迟长度(ΔL)可以受到波导之间的最小横向间隙Δ_WG的约束，这转而可以被约束以防止波导的过度模式重叠或物理重叠(图1C)。出于此原因，在100GHz的通道间隙处实现多于16个通道可能是不可行的，其中在3um SOI平台上制造矩形AWG布局。

参考图2A，在矩形AWG设计中，波导阵列的最内波导205与波导阵列的最外波导210之间的长度差可以通过如由箭头所示向上或向下移动相应水平部分来调整，但是如果波导205、210是要避免彼此干涉或者与可能存在于它们之间的其它波导干涉，则可以实现的最小长度差被约束。

相比之下，在图2B的AWG的波导的T形阵列中，通过向上移动上水平部分中的一个或两个(如由两个上箭头220所示出)，最外波导215可以被加长，而不干涉阵列的其它波导，并且通过向下移动下水平部分(如由下箭头230所示出)，最内波导225可以被加长，而不干涉阵列的其它波导。因此，最内波导225可比最外波导215更长或更短，并且可实现的最小长度差不受相邻波导之间的最小横向间隙的约束的影响。星形耦合器130、150在图2A和2B中示意性地示出。此外，图2B的AWG的布局促进在阵列中包括相对大数量的波导。包括相对大数量的波导的能力在AWG设计中可能是有利的，在其中阵列中的波导的数量是(i)输入通道的数量和(ii)输出通道的数量的3-6倍。

参照图3，在一些实施例中，阵列的每个波导可以沿着波导在从第一星形耦合器到第二耦合器的方向上包括第一直区段305(在第一星形耦合器130的孔口内侧)、第一弯曲区段310、第二直区段315、第一顺时针弯曲部320、第三直区段325，第二顺时针弯曲部330、第四直区段335、第一逆时针弯曲部340、第五直区段345、第二逆时针弯曲部350、第六直区段355、第三顺时针弯曲部360、第七直区段365、第四顺时针弯曲部370、第八直区段375、第二弯曲区段380和第九直区段385(在第一星形耦合器130的孔口内侧)。

因此，阵列的每个波导可以包括四个顺时针弯曲部和两个逆时针弯曲部，其沿着波导在从第一星形耦合器到第二耦合器的方向上，或者等效地，阵列的每个波导可以包括四个逆时针弯曲部和两个顺时针弯曲部，其沿着波导在从第二星形耦合器到第一耦合器的方向上。在一些实施例中，可以不存在直区段中的一些。例如，第三直区段325和第七直区段365可以不存在最内波导，和/或第五直区段345可以不存在最外波导。

如本文中所用的“弯曲部”和“弯曲区段”是在其内曲率是在一个方向上的波导的一部分，例如，当在一个方向上沿着波长进行时的顺时针方向和当在相反方向上沿着波长进行时的逆时针方向。尽管通常弯曲部可以被称为弯曲区段，并且反之亦然，但是本文中的惯例是使用术语“弯曲部”来指代具有相对短曲率半径(例如，小于200微米)并且导致方向的显著改变(例如，大于60度)的波导的区段，并且使用术语“弯曲区段”来指代具有相对长曲率半径(例如，在0.5mm和20mm之间)并且导致方向相对小改变(例如，小于10度)的波导的区段。

可以根据方向改变的总量对弯曲部进行计数。例如，其中方向改变180度的波导的剧烈弯曲部分可以被称为单个180度弯曲部，或者等效地，被称为两个90度弯曲部。如果它们中的每个中的方向改变是90度，则由直区段分离的两个剧烈弯曲部分可以被称为两个90度弯曲部或者它们可以被称为单个180度弯曲部。每个直区段可具有小于0.01/mm的曲率。在一些实施例中，每个波导的每个弯曲部基本上与阵列的所有其它波导的对应弯曲部相同，使得弯曲部的相位效应是共模，并且波导之间的相位差仅归因于长度差。在一些实施例中，所有的顺时针弯曲部具有第一形状，并且所有的逆时针弯曲部具有第二形状。在一些实施例中，每个逆时针弯曲部具有为每个顺时针弯曲部的形状的镜像图像的形状。

整个结构可以是紧凑的，具有总体长度L和总体宽度W，如所示出的那样，并且占据L x W的有效基片面积。W可以在1.5mm和14mm之间，或者在一些实施例中，在3mm和7mm之间，并且L可以在4mm和28mm之间，或者在一些实施例中，在8mm和14mm之间。有效基片面积可以在6mm²和35mm²之间。例如，在一个实施例中，具有24个通道和100GHz的通道间隔的阵列波导光栅具有3mm x 8mm的尺寸。在另一实施例中，具有48个通道和100GHz的通道间隔的阵列波导光栅具有7mm x 14mm的尺寸。

在一些实施例中，波导阵列的每个波导是沿着其长度的一个或多个部分的肋形波导。参考图4A，波导可以被制造为绝缘体上硅(SOI)结构，在其中硅(Si)层3微米厚，在二氧化硅(SiO₂)层(其可以被称为“掩埋氧化物”或“BOX”层)上被蚀刻以形成平板部分410和在平板部分410上方延伸的肋形部分420。在一个实施例中，肋形部分的宽度w_r为3.0微米，肋形部分的高度h_r为1.2微米，以及平板的高度h_s为1.8微米。出于制造目的，硅的薄(例如，0.2微米厚)层430可保留在平板的两侧上的区中的二氧化硅上；该层可以对波导的光学特性具有可忽略的影响。波导阵列120中的相邻波导可以共享平板部分410(如图4C中所示出)。

每个波导可以在弯曲区段310、380中具有肋形横截面。弯曲的肋形波导可以散发(shed)较高阶模式(即，将它们限制得足够差，使得它们在这些部分内的衰减很大，例如大于1000dB/cm)，并且因此耦合到相邻于弯曲区段310、380的弯曲部320、370中的任何光可以基本上完全处于基本模式中。

在弯曲部内，并且在直区段325、335、345、355、365内，波导可以是条形波导，如图4B中所图示，包括条形物440并且缺少平板部分。条形物可以具有等于平板部分410和肋形部分420的组合高度(即，h_s+h_r的高度)的高度。条形波导可以适合于形成紧密的(＜200微米，或者甚至更紧密的)弯曲半径，而没有不可接受的光损耗，并且具有从基本模式到较高阶模式中的最小耦合。它们也可以是多模式波导。

渐缩(即，沿着波导长度的横截面的逐渐改变)可用于在肋形和条形波导之间的转变，以及用于到宽肋形横截面的转变，其可提供到星形耦合器130、150的自由传播区的改进耦合。肋形波导条形波导之间的每个转变都可以被称为“肋形到条形转换器”，其具有连接到肋形波导的“肋形端”和连接到条形波导的“条形端”。每个肋形到条形转换器可以包括在其中每个肋形波导的平板部分410渐缩逐渐变得较窄直到其与对应的肋形部分420相同宽度并且不再与肋形部分420不同的区。至较高阶模式被弯曲部分310、380抑制的程度，并且肋形到条形转换器不将光耦合到较高阶模式中的程度，耦合到弯曲部的条形波导中的光可以完全在基本模式中。通过将肋形到条形转换器制造成波导的直(即，非弯曲的)区段，可以减少到肋形到条形转换器中的光的耦合；例如，肋形到条形转换器可以形成在第二直区段315和第八直区段375中。

图4C示出了在肋形到条形转换器的肋形端上的波导阵列的一部分的横截面。在图4C的实施例中，肋形波导共享平板部分410。图4D示出了波导阵列的一部分在肋形到条形转换器内的点处的横截面。几乎延伸到平板部分的底部、每对相邻肋形部分之间的中间的沟槽445在肋形到条形转换器的肋形端处开始，以及然后在肋形到条形转换器的条形端的方向上变宽。

波导阵列的每个波导可以具有沿着波导的长度绝热的曲率，即，不超过设定值的曲率的改变速率，例如，在从1/mm²到20/mm²的范围内的值，例如，5/mm²、10/mm²或15/mm²。如本文中所使用的，波导的“曲率”是曲率半径的倒数。例如，波导阵列的每个波导的部分(诸如弯曲区段310、380和弯曲部320、330、340、350、360、370)可以具有欧拉螺旋的一部分的形状，其遵循一曲线，针对所述曲线的沿着曲线的随距离的曲率改变速率恒定。例如，波导阵列的波导的弯曲部分可以具有欧拉弧的形状，其由欧拉螺旋的两个对称部分组成。如本文中所使用的，“欧拉弧”(或“欧拉弯曲部”)关于其中点对称，具有在其中点处最大并且在欧拉弧的两端中的每个处消失、并且在欧拉弧的每一半中以恒定速率改变的曲率，曲率的改变速率在欧拉弧的两个半个中在大小上相等并且在符号上相反。术语“欧拉曲线”在本文中用于指在一端处具有消失曲率的欧拉螺旋的任何部分。

波导的曲率中不存在不连续可以防止耦合到较高阶模式中，所述较高阶模式原本可能出现在这样的不连续处。此外，如上所述，肋形波导的弯曲区段(如，例如，弯曲区段310、380)可充当模式滤波器，从而有效地仅限制基本(TE0和TM0)模式。

使用光刻或采用来制造光子集成电路的其它制造技术制造的波导可具有有着小尺度(例如，nm尺度)粗糙度的壁。该粗糙度可以导致波导的每个壁具有在小尺度上的局部曲率，所述局部曲率相对较大并且沿着波导的长度显著波动。然而，这种局部粗糙度可能对波导中的光传播具有相对小的影响，并且对基本模式和泄漏较高阶模式之间的耦合具有较小的影响。因此，波导的曲率(与波导的壁的局部曲率不同)在本文中被定义为如果忽略波导的小尺度粗糙度则将测量到的曲率。波导的曲率可以例如利用光学显微镜来测量，所述光学显微镜可以对显著小于可见光波长的特征(诸如波导壁粗糙度)不敏感。

虽然在图3中图示了5x 8阵列波导光栅，其在第一星形耦合器130的外部端处具有5个波导并且在第二星形耦合器第二的外部端处具有8个波导，但是可以以类似的方式将其它实施例制造为具有M个第一波导和N个第二波导的M x N阵列波导光栅，其中M和N分别具有可以与5和8不同的整数值，并且可以和1一样小。类似地，进一步的实施例可以被制造为循环的N x N阵列波导光栅或非循环的N x N阵列波导光栅。本发明的实施例可在适合于形成紧密90度弯曲部的任何高指数对比系统中制造，例如，绝缘体上硅(SOI)、磷化铟(InP)或氮化硅/二氧化硅(SiN/SiO₂)。

图5示出了T形阵列波导光栅的示意图，所述T形阵列波导光栅没有图3的实施例的两个最外弯曲部(例如，没有第一和第四顺时针弯曲部320、370)，但是以其它方式类似。图6A和图6B示出了包括调谐区段610的可调谐T形阵列波导光栅。在调谐区段610中，波导的子集(该子集包括所有波导，或者是适当的子集，并且包括例如除了一个波导之外的全部)的每个波导包括波导区段，在其内可以例如使用温度调谐(使用每个波导上的单独的加热器或具有梯度热分布的全局加热器)或使用子集的每个波导中的相位调制器来调整有效折射率。以此方式，如果波导的长度全部相同，则当调谐区段610被调整以使得所有波导区段具有相同的有效折射率(使得有效长度也都相同，即对于任何波导对的有效长度差为零)时，馈送到中心输入中的单色光将从中心输出离开(如图6A中所示出)。如果调谐区段610被调整为使得波导区段不全部具有相同的有效折射率(例如，使得在有效长度上存在差，这对于任何相邻波导对之间是一样的)，则馈送到中心输入中的单色光可以从另一输出离开(如图6B中所示出)。诸如图6A和6B的可调谐T形阵列波导光栅的可调谐T形阵列波导光栅也可以用作具有可调谐和任意大的自由光谱范围的阵列波导光栅。

阵列波导光栅(或更一般地，如下面进一步详细讨论的多路径干涉滤波器)可以被设计为使得阵列波导光栅的第一波导和第二波导之间的光学路径延迟差(即，(i)由沿着第一波导的传播引起的相位延迟和(ii)由沿着第二波导的传播引起的相位延迟之间的差)具有某一设计值(例如，取决于期望的中心波长λ_c和取决于期望的光栅阶数m(m是整数)的值，其转而取决于器件的期望FSR)。该设计标准可以写成：

这转而导致相位差：

其中L₁和L₂分别是第一波导和第二波导的长度，并且n是波导的有效折射率。

在阵列波导光栅的折射率中随着温度的改变可导致阵列波导光栅的特性的改变(例如，通道的中心波长的改变)，并且这转而可导致系统性能的恶化。因此，在一些实施例中，通过使用具有不同热光系数的波导的区段，在被称为无热阵列波导光栅的器件中降低温度改变的影响。如本文中所使用的，波导的“热光系数”是波导的有效折射率随温度的改变速率。参照图7，阵列波导光栅的每个波导可以包括具有第一有效折射率n₁和第一热光系数的第一部分和具有第二有效折射率n₂和第二热光系数的第二部分。相应的第一部分和第二部分的长度可以逐个波导而不同。例如，第一波导701可以具有具有长度L₁₁的第一部分和具有长度L₂₁的第二部分，第二波导702可以具有具有长度L₁₂的第一部分和具有长度L₂₂的第二部分，以及第三波导703可以具有具有长度L₁₃的第一部分和具有长度L₂₃的第二部分。然后，等式(1)可以被概括如下：

如果对于任何波导对(例如，对于由第一波导701和第二波导702组成的波导对)，还满足以下等式：

一阶温度效应(即，(i)通过第一波导701的光学延迟与(ii)通过第二波导702的光学延迟之间的差随着温度而改变的速率)可能消失。在等式(3)中，ΔL₁是相应的第一部分的长度之间的差，以及ΔL₂是相应的第二部分的长度之间的差。例如，对于第一波导701和第二波导702，ΔL₁＝L₁₂-L₁₁以及ΔL₂＝L₂₂-L₂₁。从等式(3)可以看出，如果热光系数具有相同的符号(即，如果)，则ΔL₁和ΔL₂具有相反的符号(即，ΔL₁ΔL₂＜0)。

如果，如对于阵列波导光栅可能的情况，(i)第一波导701的总光学延迟和(ii)第二波导702的总光学延迟之间的差与(i)第二波导702的总光学延迟和(ii)第三波导703的总光学延迟之间的差相同，则对于由第二波导702和第三波导703组成的波导对，对于相同的ΔL₁和ΔL₂的值，可以满足等式(3)，即，如果L₁₃-L₁₂＝ΔL₁并且L₂₃-L₂₂＝ΔL₂，则对于该波导对可以满足等式(3)。

在一些实施例中，可以使用具有由晶体硅(c-Si)构成的部分和由氮化硅(SiN)构成的部分的波导来构造无热阵列波导光栅。晶体硅部分可以具有1.84e-4/℃的热光系数，并且氮化硅部分可以具有2.45e-5/℃的热光系数。图8示出了使用(除了在三角形区805中)由晶体硅构成的波导的矩形阵列波导光栅设计的示例，在所述三角形区805中它们由氮化硅构成。诸如图8的设计的设计可在针对其被设计的操作温度下具有消失的一阶温度效应。然而，制造与图8的器件类似的器件可能是具有挑战性的，这是因为在制造具有适合于波导的厚度的氮化硅结构、以及将这样的结构与阵列波导光栅的剩余部分的晶体硅结构集成时出现的挑战。此外，氮化硅的折射率与晶体硅的折射率之间的相对大的失配可限制由这些材料制造的阵列波导光栅的性能。

在其它实施例中，可以代替地使用具有由晶体硅构成的部分和由氢化非晶硅(a-Si：H)构成的部分的波导来构造无热阵列波导光栅。氢化非晶硅部分可具有2.3e-4/℃的热光系数。晶体硅的热光系数和氢化非晶硅的热光系数之间的相对小的差可能是由这些材料构造矩形无热阵列波导光栅的障碍，但是T形阵列波导光栅(诸如图9中所示出的阵列波导光栅)或马蹄形阵列波导光栅(诸如图10中所示出的阵列波导光栅)可以由这些材料制造。在图9和图10的实施例中的每个中，阵列波导光栅的波导由晶体硅构成，除了在其中它们由氢化非晶硅构成的相应三角形区905、1005中。通过首先利用氢化非晶硅代替三角形区中的晶体硅，然后在后续步骤中掩模和蚀刻阵列波导光栅结构的波导和星形耦合器，可以从具有晶体硅上表面的晶片制造这些器件。

例如，在一些实施例中，在绝缘体上硅(SOI)晶片的上层硅上形成具有合适形状和大小的孔口(例如，三角形孔口)的掩模(例如，氧化物硬掩模)。然后使用合适的蚀刻过程(例如，反应离子蚀刻过程或另一电感耦合等离子体过程)将对应的(例如，三角形)腔蚀刻到SOI晶片的顶表面中。该蚀刻可以在掩模孔口的区中移除SOI晶片的上层硅(向下到SOI晶片的掩埋氧化物(BOX)层)。在一些实施例中，可然后在SOI晶片上形成具有略大于氧化物硬掩模的孔口的孔口的另一掩模，并且可在SOI晶片上沉积氢化非晶硅。然后可以移除掩模，从而留下填充腔的氢化非晶硅层并且在围绕腔的周边的条中重叠到氧化物硬掩模上。在其它实施例中，可采用各种不同过程中的一个，例如，在形成腔之后，可在整个晶片上沉积氢化非晶硅，并且然后可执行CMP以将其移除，除了从腔内移除。氢化非晶硅可以使用例如等离子体增强化学气相沉积(PECVD)使用SiH₄以70标准立方厘米每分钟(sccm)的流速率、以210sccm的氩、300℃的衬底温度、500m托的压力、250W的射频(RF)功率、380kHz的RF频率和96nm每分钟的沉积速率来沉积。

沉积的氢化非晶硅的特性可以取决于用于沉积其的过程和过程参数而变化。在一些实施例中，可以使用上述过程的变型，在其中针对所列出的一个或多个参数使用不同的值(例如，不同的流速率、不同的温度或不同的RF功率或频率)。在一些实施例中，在PECVD过程期间施加两个或更多频率处的RF功率(并且所有频率处的功率可以不相同)。可以凭经验调整该过程以实现沉积的氢化非晶硅的特性的若干个目标中的一个或多个，包括(i)低应力(例如，小于+/-50MPa)(以避免应力引起的双折射和不可接受的晶片弯曲)，(ii)与晶体硅的折射率类似的折射率(例如，在晶体硅的折射率的10％内)(以避免界面处的高损耗)，(iii)尽可能大的热光系数(即，与晶体硅的热光系数尽可能大的不同，从而使得小器件的设计成为可能)，(iv)低光学损耗和(v)承受后续处理步骤中的高温的能力，而没有不可接受的氢输出扩散。在一些实施例中，一旦已经选择了用于沉积氢化非晶硅的过程(以及已经选择了过程参数)，则可以使用该过程从沉积的测试膜测量光学特性(例如，折射率、热光系数和诸如热光系数随温度或随波长的改变速率之类的较高阶特性)，以及然后可以选择要制造的器件中的氢化非晶硅部分的尺度，使得在器件中实现可接受的温度补偿。可以采用该方法，只要用于沉积氢化非晶硅的过程产生具有可重复特性的氢化非晶硅，即使氢化非晶硅的特性对过程参数的相关性未被完全理解。

在一些实施例中，选择硬掩模的形状以在由氢化非晶硅构成的波导部分与由晶体硅构成的波导部分之间产生成角度的界面，以减小反射的影响(通过避免与波导模式匹配的反射的产生)。在一些实施例中，由氢化非晶硅构成的波导部分与由晶体硅构成的波导部分之间的每个界面是基本上平坦的表面，其具有相对于两个波导部分中的一个或两个的纵向方向成大于或等于0度且小于30度的角度的表面法线。由氢化非晶硅构成的波导部分与由晶体硅构成的波导部分之间的界面的角度可以是氧化物硬掩模中的孔口的边的斜率的结果(例如，如果使用具有简单三角形孔口的掩模，则每个界面可以平行于三角形的边)，或者掩模孔口可以具有各自包括多个直线段的边、在其中将形成具有与设计界面角对应的方向的波导的每个点处的线段。

可以沉积超过SOI晶片的上层硅的厚度的氢化非晶硅的总厚度(例如，可以在SOI晶片上沉积5微米的氢化非晶硅，针对所述SOI晶片上层硅具有3微米的厚度)。然后可以使用化学机械抛光(CMP)来移除过量的氢化非晶硅，使得剩余的氢化非晶硅刚好填充腔，并且使得氢化非晶硅的上表面与周围氧化物硬掩模的上表面齐平。氧化物硬掩模也可以用作CMP过程的蚀刻停止。可以在后续的处理步骤中移除氧化物硬掩模。

然后可以在两个步骤中蚀刻波导(其可以按任何顺序执行)：(i)在一个步骤中，氢化非晶硅的区可以被遮蔽，并且可以通过SOI晶片的上层硅的适合蚀刻来形成波导(以及，例如，星形耦合器)，并且(ii)在另一步骤中，SOI晶片的上层硅可以被遮蔽，并且可以通过氢化非晶硅的适合蚀刻来形成波导(或其它结构)。在一些实施例中，使用自对准过程，在其中图案化氧化物硬掩模以限定连续晶体硅和氢化非晶硅波导(即，具有每个材料的部分的连续波导)，并且然后在分别用于晶体硅和氢化非晶硅的两个分离的后续波导蚀刻步骤期间进一步以抗蚀剂覆盖硬掩模。在一些实施例中，用于这两个步骤的蚀刻过程是相同的(例如，电感耦合等离子体过程)，并且分离地执行这些步骤，因为通过该过程实现的蚀刻速率对于氢化非晶硅与对于晶体硅而言是不同的。用于两个蚀刻步骤的掩模之间的任何配准误差可导致所产生结构的性能的一些恶化，但如果配准误差小(例如，约+/-200nm或更小)，那么恶化可以是可接受的或不显著的。可以避免涉及高温(例如，超过350℃的温度)的后续处理步骤，以避免结构的氢化非晶硅部分内的光学传播损耗的增加(例如，由于氢输出扩散)。

三角形区905、1005的尺度可以使用等式(2)和(3)来选择，以使一阶温度效应消失。当操作温度范围足够小以使得较高阶效应可以保持小时，这样的方法可以是适当的。在一些实施例中，在其内波导由不同材料构成的区的形状不是如所示出的等腰三角形，而是缺少等腰三角形的对称性的三角形，或者不是三角形的形状(例如，在其中三角形905的边中的一个或多个已经利用曲线代替的形状)，同时保留满足等式(2)并且满足等式(3)的不同材料内的传播长度(或对于在其中较高阶效应是显著的应用的类似要求，如下面进一步详细讨论的)。在一些实施例中，阵列的一个波导不具有氢化非晶硅部分；在其它实施例中，一个波导具有短的氢化非晶硅部分，其被包括使得波导阵列的每个波导包括晶体硅部分和氢化非晶硅部分之间的两个界面，使得由这些界面产生的损耗在所有波导中大部分相同。这种损耗平衡在其它器件中(例如，在下面讨论的一般化的马赫-曾德尔干涉仪中)比在阵列波导光栅中具有更大的重要性。

在一些实施例中，如果操作温度范围足够大以使得较高阶效应(例如，二阶效应，诸如热光系数随温度的改变)显著，则可以使用另一品质因数(而不是设计足够小或消失的一阶温度效应)来设计区的尺度(和形状，如果准许偏离三角形形状)，在所述区内波导由除了晶体硅之外的材料(例如氢化非晶硅)构成。例如，在操作温度范围内的任何通道的中心波长的最大改变可以用作品质因数。模拟示出对于具有约0.8nm的通道间隔的图9的实施例，在从20℃到70℃延伸的温度范围内的任何通道的中心波长的最大改变可以如250pm那样小，而对于其中阵列波导光栅的波导完全由晶体硅构成的类似结构，中心波长的最大改变可以是4nm。

阵列波导光栅具有偏振无关的特性可能是有利的。对于图9的实施例，具有基本上正方形横截面(其包括由氢化非晶硅构成的部分)的条形波导的每个波导的部分可以固有地具有低双折射。作为肋形波导的每个波导的部分可以具有显著的双折射，但是双折射的影响可以(i)如果肋形波导部分具有相同的长度和形状(并且器件的行为因此可以是偏振无关的)，则其在阵列的每个波导中相同，或者(ii)当在硅肋形波导结构的顶部上形成热氧化物层1010(图10)时，则其被补偿，因为它以与硅肋形波导中固有的双折射源的总体效应相反的方式引起影响TM和TE偏振的相对透射的物理应力。

参照图11A和图11B，在一些实施例中，可以使用星形耦合器的自由传播区中的一个或两个中的氢化非晶硅的一个或多个区域1110来构造无热阵列波导光栅。每个这样的区域1110可以在自由传播区内具有楔形部分(区域1110可以是如所示出的楔形的，或者例如三角形的)，使得通过波导阵列的两个不同波导的从星形耦合器之一的端口波导到另一个星形耦合器的端口波导的光学路径在区域1110内包括不同的长度。可以代替另外的晶体硅波导中的氢化非晶硅部分或除了该部分之外使用氢化非晶硅的这样的区域1110。一个或多个区域的尺度可以从上面的等式(3)确定，其中量ΔL₁和ΔL₂被定义为包括在包含这样的区域1110的星形耦合器(或多个星形耦合器)的自由传播区(或多个自由传播区)内的路径。

本发明的实施例不仅可用于阵列波导光栅中，还可用于任何其它光学器件(诸如多路径干涉滤波器)中，在其中差分延迟可受到温度改变的影响，并且在其中控制这种温度效应的影响可以是有利的。如本文中所使用，“多路径干涉滤波器”是通过将在第一端口波导(例如，输入波导)处接收到的一个输入光学场划分成具有不同光学路径长度的两个或更多中间光学路径并且通过将中间光学路径重新组合成由中间路径之间的干涉而被修改的第二端口波导(例如，输出波导)处的输出场来选择波长的任何光学器件。第一端口波导后面可以是第一光学功率分配器，该第一光学功率分配器将输入流划分成中间光学路径，该中间光学路径径由第二光学功率分配器(作为组合器操作)重新组合，后面是第二端口波导；因此，光学器件包括从第一端口波导到第二端口波导的至少两个不同的光学路径。多路径干涉滤波器的示例包括马赫-曾德尔滤波器。这种滤波器可包括将输入光分成多个波导的分路器，以及组合器，所述组合器在光的部分已传播通过波导中的相应波导之后将光重新组合。波导的衰减和相对延迟可以被选择用于期望的滤波器响应。根据本发明的实施例，例如通过在每个波导中包括由晶体硅构成的一个或多个部分和氢化非晶硅构成的一个或多个部分，波导可以被无热化。在这样的无热化器件中，在1550nm的波长处，第一端口波导和第二端口波导之间的两个不同路径之间的光学路径延迟差随温度的改变速率可以小于2e-4弧度/℃，例如，其可以小于4e-5弧度/℃或小于4e-6弧度/℃或更小。在一些实施例中，在从20℃到70℃延伸的温度范围内，在1550nm的波长处光学路径延迟差的最大改变小于1e-2弧度，例如，其可以小于2e-3弧度或小于2e-4弧度或更小。

例如，参考图12A，马赫-曾德尔干涉仪可以包括第一耦合器(例如，多模干涉(MMI)耦合器)1205、第二耦合器(例如，MMI耦合器)1210和两个波导，每个波导具有由氢化非晶硅构成的一个或多个部分1220和由晶体硅构成的一个或多个部分1225。在图12A的示意图中，两个波导的总长度被图示为相等，尽管在一些实施例中它们不相等。可以选择由氢化非晶硅构成的部分1220的长度和由晶体硅构成的部分1225的长度以满足等式(2)并且满足等式(3)(或对于在其中较高阶效应是显著的应用的类似要求)。

参考图12B，可以通过级联多个马赫-曾德尔干涉仪来形成格型滤波器(如所示出的那样)，其中每对相邻马赫-曾德尔干涉仪共享耦合器。在图12B的实施例中，格型滤波器包括两个马赫-曾德尔干涉仪，所述马赫-曾德尔干涉仪包括三个耦合器(第一耦合器(例如，MMI耦合器)1205、第二耦合器(例如，MMI耦合器)1210和第三耦合器(例如，MMI耦合器)1215)、如所示出的两对波导，每个波导具有由氢化非晶硅构成的一个或多个部分1220和由晶体硅构成的一个或多个部分1225。在一些实施例中，另外相似的格型滤波器包括多于两个级联的马赫-曾德尔干涉仪。在图12B的示意图中，每个波导对的两个波导的总长度被图示为相等，尽管在一些实施例中它们不相等。如对于图12A的实施例的情况，可以选择由氢化非晶硅构成的部分1220的长度和由晶体硅构成的部分1225的长度以满足等式(2)并且满足等式(3)(或对于在其中较高阶效应是显著的应用的类似要求)。

参考图12C，一般化的马赫-曾德尔干涉仪可以包括第一耦合器1235和第二耦合器1240，由波导阵列连接第一耦合器1235和第二耦合器1240，每个波导具有由氢化非晶硅构成的一个或多个部分1220和由晶体硅构成的一个或多个部分1225。在图12C的示意图中，波导阵列的所有波导的相应总长度被图示为相等，尽管在一些实施例中它们是不相等的。如对于图12A的实施例的情况，可以选择由氢化非晶硅构成的部分1220的长度和由晶体硅构成的部分1225的长度以满足等式(2)并且满足等式(3)(或对于在其中较高阶效应是显著的应用的类似要求)。

如本文中所使用的，“耦合器”是具有一个或多个第一端口(例如，输入端口)和一个或多个第二端口(例如，输出端口)的无源线性时变光学器件，输入端口和输出端口的总数至少为3。耦合器的示例包括MMI耦合器、星形耦合器、定向耦合器、Y-结和绝热分路器。

参考图13A，可以利用输入波导1305并且利用多个输出波导1310形成中阶梯光栅，每个输出波导1310是结束于具有平板区1315的边界处的波导，所述边界在罗兰圆上。光栅可以沿着光栅曲线1330形成，所述光栅曲线1330可以是具有罗兰圆半径的两倍的圆的一部分，并且与由来自输入波导的光照射的光栅曲线的区内的罗兰圆相切。光栅1325可以包括如图13B的放大图中所图示的一系列反射小平面1335。平板区1315可以包括如所示出的氢化非晶硅的区1350。氢化非晶硅的区可以具有导致第一端口波导(例如，输入波导)与第二端口波导(例如，输出波导)之间的不同光学路径的任何形状，其满足等式(2)并且满足等式(3)(或对于在其中较高阶效应是显著的应用的类似要求)。

虽然本文中已经具体描述和图示了T形阵列波导光栅的示例性实施例，但是许多修改和变型对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，应当理解的是，根据本发明的原理构造的T形阵列波导光栅可以以不同于本文中具体描述的那样体现。本发明还在随后的权利要求及其等同物中限定。