电磁波隔离器和集成光学器件的制作方法
专利名称：电磁波隔离器和集成光学器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及例如光学隔离器的电磁波隔离器的领域。具体而言，其可以在集成光学器件中使用。
背景技术：
存在如下应用，在这些应用中，防止波信号的反向传播以便抑制串扰和干扰。基本上，如果光可以从A行进到B，则其也可以从B行进到A。由于光学隔离器或者光学二极管， 即允许光仅在一个方向上传输的光学部件，可以实现打破这一规律。这种器件大多依赖于法拉第效应(磁光效应)。然而，它们一般而言依赖于极化。即使可以克服极化问题，遗留的问题是这种器件并不适于集成，并且因此可能不会被考虑用于诸如片上光学信号处理和一般而言的集成光学元件的应用。以下专利文献提供了本领域中的背景技术的感兴趣细节-US5574595 公开了一种基于磁光效应的不依赖于极化的光学隔离的方法；_US5^7078:提出了一种包括用于不同光极化状态的选择性隔离的极化分离器的系统；-US7113676针对在薄的绝缘体上硅(SOI)结构中的平面波导光学隔离器；以及-US5764681教导了一种用于使用分离的镜子的环形激光器的方向控制方法和装置。实际上，很难获得成本效益高并且与CMOS技术更加兼容的解决方案。接下来，除了专利文献之外，多个出版物也致力于该主题，例如如[1]T. R. Zaman, X. Guo and R. J. Ram "Proposal for a PoIariζation-Independent Integrated Optical Circulator". IEEE Photonics Technology Letters，18(12)，1359-1361， (2006).[2] N. Bahlmann, M. Lohmeyer, A. Zhuromski i , H. Doetsch and P. Hertel “Nonreciprocal coupled waveguides for integrated optical isolators and circulators for TM-modes，，· Optics Communications,161 (4-6),330-337, (1999).[3]T. Zaman, X. Guo and R. J. Ram, "Integrated Optical Circulator in InP，，， Conference on Lasers and Electro-Optics CLE0,2,1321-1323, (2005).[4]J. Y. Lee, X.Luo and A. W. Poon, Reciprocal transmissions and asymmetric modal distributions in waveguide-coupled spiral-shaped microdisk resonators, Optics Express 15(22),14650-14666, (2007).[5]Z. Yu and S. Fan,"Complete optical isolation created by indirect interband photonic transitions，，· Nature photonics 3,91-94, (2009).[6]M. T. Hill, H. J. S. Dorren, T. de Vries, J. M. Leijtens, J. H. den Besten, B. Smalbrugge, Y. -S. Oei, H. Binsma, G. -D. Khoe and M. K. Smit. "All-optical memory based on coupled microring lasers，，· Nature 432, 206-209 (2004).
具体而言，参考文献[1]的解决方案与CMOS/硅光子器件显著不兼容。参考文献 [5]中提出的解决方案要求折射率(即，材料)的变化以及后续滤光片。
发明内容
在一个方面中，本发明体现为电磁波隔离器，其包括具有给定对称性并且限定电磁波传播的两个方向的主体，其中该隔离器进一步包括一个或者多个特征，该一个或者多个特征被配置成降低主体的的对称性，从而使得在一个方向上相比于在另一方向上显著更多地支持波传播。在各个实施例中，该隔离器可以包括以下特征中的一个或者多个-该特征进一步被配置成使得该隔离器在包含主体和该特征的最大共同截面的平面中是手性的(chiral)；-主体限定回路，两个方向为对应于该回路的两个相反的方向；-该主体具有椭圆盘形或者环形形状，并且该隔离器被配置成使得在包含主体和该特征的最大共同截面的平面中，不存在关于在该截面中将主体的中心与该特征的中心连结起来的径向轴的镜面对称性；-该特征与在主体的周界处的最靠近切线方向平行地延伸；-该特征被配置成主体中的凹陷，优选地为在其表面上的开口；-该特征从主体的周界延伸；-本发明的隔离器包括至少两个所述特征，这些特征被对称地布置，从而使得该隔离器具有倒反中心(center of inversion)；-该特征具有楔形形状；-主体和特征是单片的；-本发明的隔离器还包括与主体波连通的一个或者多个波导，所述特征相对于该一个或者多个波导的平均轴偏离旋转(off-rotated)；-本发明的隔离器还包括至少一个光子晶体；-本发明的隔离器还包括适于等离子体应用的金属材料；以及
-本发明的隔离器被配置成微波腔。在另一方面中，本发明体现为集成光学装置，其包括两个或者更多隔离器，该隔离器中的第一个根据本发明，并且该隔离器中第二个也根据本发明。现在将通过非限制性示例的方式并且通过参照附图来描述体现本发明的隔离器和其他器件。
图1描绘了现有技术的环形谐振器，图3图示了通过仿真该谐振器中的波传播而获得的结果；图2A至图2B以及图6至图10B示出了根据本发明的各个实施例的器件；图4A至图5C示出了通过仿真图2A的器件中的波传播而获得的结果；图IlA至图12B比较了附加的器件的仿真(图IlB和图12B是本发明的备选实施例)；以及
图13A至图13B提供了根据又一实施例的两个器件的详细几何描述。
具体实施例方式作为以下描述的简介，首先指向针对电磁波隔离器的本发明的一般方面。首先，隔离器包括主体(典型地类似于盘形谐振器或者环形谐振器)，其基本上限定电磁波的两个传播方向(例如，两个相反的圆形方向)。第二，该隔离器还包括降低由主体所赋予的对称性的特定特征。其例如可以包含向外且切线地延伸到主体的周界的楔形，以便打破该器件的径向对称性。作为降低结构对称性的结果，基本上仅在一个方向上支持波传播。该隔离器典型地耦合到波导。许多这种隔离器可以在集成光学器件中使用。与已知的解决方案形成对照，不需要与CMOS不兼容的铁磁材料或者结构特性。此处，仅由于修改的结构特性实现了单向传播。此外，该器件的制造并不需要比现有CMOS工艺显著更多的步骤，借此可以考虑低成本大批量制造。由于本发明的隔离器的尺度简单地随着谐振波长而缩放，所以可以考虑各种类型的电磁波。该原理也扩展到声波。然而，为了图示起见，以下描述仅集中于光学应用。鉴于图1中描绘的典型的当前技术环形谐振器，应当容易理解本本发明。与通常一样，两个波导31、32耦合，从而允许与环形谐振器20的光通信(在两种情况中都可以使用Si)，环形谐振器20的直径典型地为3微米至50微米。衬底40例如由SW2制成。制造这种器件例如可以使用已知的绝缘体上硅(或S0I)技术。理想地，该结构具有高的品质因子(或者Q)。光例如可以如由一对黑色箭头所指示的那样输入/输出。由于该器件的对称性，也可以有三个其他输入/输出对。因此，这种器件并不提供在环形的任一侧的优选的传播方向。接下来，参照图2A，公开了类似的器件，其例如可以使用与图1中相同的材料，除了现在该谐振器利用打破(即，降低)主体四的对称性的两个特定特征21、22而增补。然而，仍然由主体四提供波传播的两个一般方向，即Dl和D2，这两个方向是对应于由主体限定的相同圆形回路的相反的方向。值得注意的是，所描绘的布置导致基本上仅在Dl的方向上支持波传播。本发明人已经意识到，该效应可以以不同的方式获得。例如，特征21、22可以被配置成切线地延伸到主体的周界。具体而言，其可以但是不必从周界向外延伸。实际上，这种特征21、22可以被配置成主体四中的凹陷，可能以便从周界向内延伸，如稍后将讨论的。然而，已经发现，在所研究的多个情况中，该特征有利地与主体的周界处的最靠近切线方向平行地延伸。可能主张如果有主体的径向对称性，则这种特征优选地被配置成降低主体的径向对称性。例如，如果主体具有盘形或者环形形状，则该特征可以被设计成非对称的，以便打破关于将主体的中心与该特征的质心连结起来的径向轴的镜面对称性，并且这在它们最大共同截面的平面中。作为一个变型，该特征可以是对称的(例如，具有矩形形状)，但是被不对称地布置(例如，切线地)，以便打破(或者至少降低)径向对称性。更一般而言，该特征优选地被布置成使得隔离器在包含主体和特征的最大共同截面的平面中是手性的。在几何上，如果一个图形不不与它的镜像相同(或者，如果仅通过旋转和平移不能将其映射到其镜像)，则该图形被称为手性的。在二维中(由于考虑主体和特征的共同截面，所以这是此处的情况)，具有对称轴的图形是非手性的。对比而言，不与其来自任一个对称轴的镜像相同的图形是手性的。因此，在主体和特征的最大共同截面中(或者，在隔离器的平均平面中)不存在对称轴。这在稍后参照图13A和图1 精确地图示。在实践中，可以尝试若干设计，如果需要的话作为试错过程。可以首先尝试降低整体对称性的第一设计(例如，矩形形状)，常规地布置该形状，并且检查其怎样影响实际波传播。如果不满意，则进一步降低形状对称性(例如，三角形)等，直到获得满意的结果。尽管呈现了一个或者多个特征的精确配置，但是所引起的对称性的降低导致在一个方向上比在其他方向上更显著的传播损耗。在图2A或者图2B中，传播损耗沿着方向 D2(竖直虚线的弯曲的箭头)发生，而不是在相反的方向Dl (点划线箭头)上发生。更具体地，诸如在图2A中描绘的特征，可以有利地具有楔形形状，从而它们在此后被称为“楔”。注意到，如以上所述，楔的切线定向有助于降低径向对称性。如上所述，可以考虑各种备选设计和布置。特征例如可以从主体四的周界向外延伸，该设计最终尤其有利于将波高效辐射远离主体。这继而导致沿方向D2传播的光子的尤其高效的“阻挡”。因此，方向D2可以便利地称为“阻挡方向”，D 1逻辑上是“非阻挡”方向。实际上，如稍后参照图7A至图12B图示的，一个楔足以实现所期望的效果。增加楔的数目简单地(以大致上线性的方式)增加效率。在效率与可制造性权衡方面，提供两个楔是良好的折衷。此外，具体参照图2B，楔可以具有非常简单的形状，即一个薄端(例如，锥形)和一个厚端，这变成已经是高效的(参见下文，对于3 μ m的盘直径而言，沿D2的抑制率大于 10% )。此外并且作为对图2A和图2B的备选，所述特征可以向内而不是向外延伸，或者甚至被配置成在主体四中提供的凹陷。仍然可以获得类似的效果；这将参照图7A至图12B 更详细讨论。按如下顺序评论-首先，在图2A或者图2B的设计中，隔离器具有对称中心，这必然也影响波传播。-其次，楔有利地相对于波导的平均轴进一步偏离旋转，如图2A或者图2B中所描绘的，以便有利于主体与波导的良好耦合。-第三，如前所述，主体并不必是盘形或者环形，其可以具有椭圆形状，或者更一般而言限定回路，两个方向D 1、D2是对应于该回路的相反的方向潜在效果基本上保持相同。接下来，为了评估以上器件，已经利用从头开始(ab initio)对麦克斯韦方程求解的数值工具执行了有限差分时域(FDTD)仿真。该仿真结果因此可以被视为实际波传播。例如，可以仿真环形谐振器或者隔离器，其利用通过环形的谐振频率处或者其附近的波导的光脉冲来激励。已经对图1的谐振器进行了这种仿真(仿真结果在图3中)，以及在非阻挡方向 (参见图4A至图4C)与阻挡方向(参见图5A至图5C)两者对图2A的隔离器进行了这种仿真。在图6中示出了附加的结果。其他仿真，即针对其他类型的器件的仿真，示出在图IlA 至图12B中。针对器件主体所考虑的半径为7. 75 μ m ；激励波长为1550nm，而波导和主体之间的间隔为385nm。
首先，在图3中描绘的仿真结果涉及图1的环形谐振器(如现有技术已知的，没有楔)。如图所示，光从在左下输入端口的源传播到左上排出端口。波传输行进通过环形，然后到左上排出端口。图3进一步示出了对应的平面内电场|Exy|的曲线图。注意到，所使用的灰度水平使得不同地渲染两个符号。图3清楚地示出了从输入端口到排出端口的光传播的发生。注意到，如果源位于左上端口处，则右下排出端口将呈现相同的传输特性由于该结构是对称的，适用互易性 (reciprocity) 0在谐振处，可以获得高达100%的传输。与图3的已知环形谐振器形成对照的是，本发明的隔离器具有附加的特征，这些特征被配置成使得依赖于方向而支持或者干扰波传播。当光在非阻挡方向上传播时，光被汇集到环形中而没有显著远离辐射。该效应逻辑上导致高的传输，如现在将参照图4A至图 4C讨论的。图4A和图4B分别示出了在排出端口和输入端口处，关于波长λ (电磁波传输) 的变化。如图可见，在谐振波长附近确实获得了高的传输。现在，假定反转楔的方向，这相当于反转输入，S卩，考虑来自图4C中的右下的输入。这种情况实际上在图5Α至图5C中图示，其中由于楔配置，现在光被“诱使”偏离方向行进。此处，光子被楔显著剥夺，从而导致每个楔近似0. 2%的损耗，如以下可见。就这一方面而言，试探性解释如下。在阻挡方向上发生的分离(参见图5Α至图 5C)显然引起在该方向上的能量的显著损耗。在楔的级别处，折射率的改变(略微增加)， 参见图5C，模式可以在阻挡方向上被辐射远离楔。在非阻挡方向上(图4C)，模式并未被辐射远离而是由楔引导。例如，楔设计和功能可能让人想起高速公路坡道(出口 /入口坡道)，即允许车辆进入或者离开高速公路的短道路部分。此处类似地，由于楔配置，光子被引导离开或者重新进入主体。然而，潜在物理原理可能很不同。考虑到此，将进一步理解楔的配置和维度可能需要根据谐振波长调节，如果有必要的话作为试错过程。作为另一指示，遵守图2Α、图2Β以及图IlB-图12Β中的表示的比例。然而，在图7Α至图10Β、图13Α和图13Β中并不如此。现在，返回到图5C(阻挡方向)，如果主体被设计成使得光在出射之前在谐振器中行进几十万次(“高Q腔”)，则光经历例如2XQ次散射事件，这基本上导致抑制所涉及的一个或者多个模式，如图5A至图5C所示。在排出端口处传输的强度(图5A，灰色曲线)远小于对应于图4A的参考强度(虚线)。因此，可以公正地说，获得了支持仅在一个方向上的光传播的器件。接下来，图6保持仿真的附加结果，即传输频谱。图6中的曲线包括作为参考注入到输入端口中的脉冲其表示频率功率的100% (或者在曲线图中的1)。图1的环形谐振器(直线)示出了在其谐振波长(即1557. 5nm)处接近100%的传输。由于楔，该器件的折射率稍微增加，由此产生较低的谐振波长(近似1547nm)。在该波长处，所公开的器件的非阻挡方向(点划线)具有高的传输，这与阻挡方向(虚线曲线)相反。已经计算了阻挡方向和非阻挡方向之间的消光率。看来具有为仅5700的品质因子Q的结构引起高达99%的抑制，这对应于在波长1547nm处的仅的残余传输。该结构的进一步优化(例如，具有对于更多散射事件的更高Q值的更大直径)可以导致更高的消光效率，即，接近100%。如前所述，除了图2A的楔之外，还设计并且仿真了各种其他几何形状。例如，诸如图2B中描绘的简单的楔结构已经导致了在阻挡方向上的多于10%的抑制。稍后将参照图 7A至图1 讨论又一些其他几何形状。根据本发明的隔离器在以集成光学器件开始的各种光学器件中是有利的。本发明的隔离器确实可以被视为一般而言的集成光学元件并且具体而言的硅光子器件的基本构建块。本发明因此涵盖从诸如本文描述的若干隔离器构建的集成光学器件或者装置。因此， 本发明有利地适于诸如芯片到芯片光学互连之类的其中需要高物理集成密度的应用中。目前，给出了附加的细节，其涉及楔的可能的变型。如上所述，可以考虑各种楔形状和布置。这在7A至图IOB中进一步图示。如图所示，可以以与图2A或者图2B类似的方式在周界处提供单个或者两个楔特征(图7A至图 8B，顶视图)。相反，楔特征可以被布置成凹陷(图9A至图10B，透视图)，可能由外部特征增补(图10B)。此外，这些特征可以为非对称的，例如参见图7A或者图9A，或者为对称的但是切线地延伸的(图8B)，或者仍然为非对称且切线地延伸的(图8A)。最后，特征不需要为均质的或者数目受限，从而使得可能的设计变化不计其数。然而，注意到，在所描绘的情况中的隔离器的平均平面中缺少对称轴。如上所述，仅一个楔就足以获得期望的阻挡效果。就这一方面而言，已经进一步执行了与图3至图5C可比的仿真，以图示这一点。在图IlA至图IlB中，激励环形主体。然而，在图IlB中，提供了楔形特征，其被配置为从环形的内周界延伸的凹陷。结果，与图IlA 相比，在图IlB的情况中多得多能量被辐射远离谐振器。在图12A至图12B中，主体耦合到一个波导。在图12B的情况中，提供了从环形的外周界延伸的楔形特征。图12A与图12B的比较立刻证明楔形谐振器(此处在阻挡配置中)的阻挡行为。此外，在该说明书先前已经注意到，楔特征有利地与在主体的周界处的最靠近切线方向平行地延伸。严格来讲，这意味着-该特征的主轴-在包含最靠近特征质心的周界点的-主体的周界处的切向方向上的-正交投影-为非零的。其甚至优选地大于在径向轴上的投影。顺便提及，以上定义也适用于椭圆主体。直观地，所述“主轴”适于表示1维中的楔。依赖于楔特征的具体形状，主轴例如可以与平均轴、“主要轴(principal axis)”、“长轴(major axis)”或者“滚轴(roll axis)” 重合。这可以是界定该特征的方形的最长轴。这还可以是具有椭圆截面的、从主体的(内或者外)周界切线地并且向外延伸的楔的长轴。相比而言，在理想球形特征中，不能标识特定轴，这很难用于本发明目的。图13A和图1 例示了以上给出的定义。在每种情况中，表示了主体和特征两者的共同截面。如果隔离器具有平板形状，则所表示的截面与端截面重合。相反，如果隔离器的截面沿着横贯轴(垂直于绘图平面)变化，则所表示的截面是主体和特征的最大共同截面。在图13A中，楔形从周界切线地且向外延伸，而在图13B的示例中其被配置成凹陷。为了说明起见，夸大了尺度和配置。在所述附图的每个中，楔形特征具有质心《并且与主轴χ相关联。该轴以某种方式适于在1维中表示楔形特征。0表示椭圆主体的中心，并且P,是将0和《连结起来的径向方向。@表示在主体的周界上的最靠近终的点，而^^表示在该点处的切线方向。接下来， P,和巧是平均轴W到^和^^中的每个上的正交投影。由图可见，在最靠近切线方向上的投影为非零的。相反，其甚至大于径向投影8。因此，可以得出的结论为，楔形特征(仅)与在主体的周界处的最靠近切线方向平行地延伸。很容易看出，楔没有通过的镜像对称性。换言之，楔不具有径向对称性，这有助于降低隔离器的对称性(尤其在隔离器是环形或者盘形时)。更一般而言，楔使得隔离器在所描绘的平面中为手性的。此外，如上所述，除了环形或者椭圆之外的其他形状也可以考虑用于隔离器主体。 也就是说，隔离器可以具有由非对称特征增补的T形，所述特征使得修改的T形为手性的。此外，隔离器可以进一步包括至少一个光子晶体。该布置因此可以包括一个手性光子晶体或者非对称地耦合到彼此的至少两个光子晶体。此外，隔离器另外还可以包括适于等离子体应用的金属材料，例如以实现等离子体纳米腔(例如参见 Hill，M.T.et al. Nature Photon. 1，589-594 (2007))。最后，隔离器可以被配置为呈现楔形特征并且因此呈现手性的微波腔。尽管已经参照某些实施例描述了本发明，但本领域技术人员将理解的是，可以做出各种改变，以及可以用各种等价方式替换，而不脱离本发明的范围。另外，可以做出许多修改以将特定情形适于本发明的教导，而不脱离其范围。因此，旨在使本发明并不限于所公开的实施例，而是使本发明包括落入所附权利要求书范围内的所有实施例。例如，可以使用除了 Si、InP或者S^2之外的其他材料。
权利要求
1.一种电磁波隔离器(10)，包括主体( )，所述主体具有给定对称性并且限定电磁波传播的两个方向(Dl，D2)，其中，所述隔离器进一步包括一个或者多个特征01，22)，所述特征被配置成降低所述主体的对称性，从而使得在一个方向(Dl)上相比于在另一方向 (D2)上显著更多地支持波传播。
2.根据权利要求1所述的隔离器，其中所述特征进一步被配置成使得所述隔离器在包含所述主体和所述特征的最大共同截面的平面中是手性的。
3.根据权利要求1或者2所述的隔离器，其中所述主体09)限定回路，所述两个方向 (D1，D2)为对应于所述回路的两个相反的方向(D1，D2)。
4.根据权利要求3所述的隔离器，其中所述主体09)具有椭圆盘形或者环形形状， 并且其中所述隔离器被配置成使得在包含所述主体和所述特征的最大共同截面的平面中， 不存在关于在该截面中将所述主体的中心(。)与所述特征的中心(《)连结起来的径向轴 (P,)的镜面对称性。
5.根据权利要求4所述的隔离器，其中所述特征与在所述主体的周界处的最靠近切线方向(R)平行地延伸。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的隔离器，其中所述特征被配置成所述主体中的凹陷，优选地为在其表面上的开口。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的隔离器，其中所述特征从所述主体的周界延伸。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的隔离器，包括至少两个所述特征01，22)，所述特征对称地布置，从而使得所述隔离器具有倒反中心。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的隔离器，其中所述特征具有楔形形状。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的隔离器，其中所述主体和所述特征为单片的。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的隔离器，进一步包括一个或者多个波导(31， 32，3 ，其与所述主体09)波连通，所述特征相对于所述一个或者多个波导的平均轴偏离旋转。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的隔离器，还包括至少一个光子晶体。
13.根据权利要求1-11中任一项所述的隔离器，还包括适于等离子体应用的金属材料。
14.根据权利要求1-11中任一项所述的隔离器，其被配置成微波腔。
15.一种集成光学器件，其包括两个或者更多隔离器，所述隔离器中的第一个根据前述权利要求中的任何一项，以及所述隔离器中的第二个根据前述权利要求中的任何一项。
全文摘要
本发明针对一种电磁波隔离器(10)，其包括主体(29)，该主体具有例如椭圆盘形或者环形形状，以便限定两个圆形传播方向(D1，D2)。该主体还利用降低该隔离器的对称性的一个或者多个特征(21，22)增补，从而使得在一个方向(D1)上相比于在相反方向(D2)上显著更多地支持波传播。本发明扩展到集成光学器件。
文档编号G02B6/42GK102549465SQ201080046081
公开日2012年7月4日 申请日期2010年9月24日 优先权日2009年10月12日
发明者J·霍弗里希特, N·莫尔 申请人:国际商业机器公司
技术领域：
本发明涉及例如光学隔离器的电磁波隔离器的领域。具体而言，其可以在集成光学器件中使用。
背景技术：
存在如下应用，在这些应用中，防止波信号的反向传播以便抑制串扰和干扰。基本上，如果光可以从A行进到B，则其也可以从B行进到A。由于光学隔离器或者光学二极管， 即允许光仅在一个方向上传输的光学部件，可以实现打破这一规律。这种器件大多依赖于法拉第效应(磁光效应)。然而，它们一般而言依赖于极化。即使可以克服极化问题，遗留的问题是这种器件并不适于集成，并且因此可能不会被考虑用于诸如片上光学信号处理和一般而言的集成光学元件的应用。以下专利文献提供了本领域中的背景技术的感兴趣细节-US5574595 公开了一种基于磁光效应的不依赖于极化的光学隔离的方法；_US5^7078:提出了一种包括用于不同光极化状态的选择性隔离的极化分离器的系统；-US7113676针对在薄的绝缘体上硅(SOI)结构中的平面波导光学隔离器；以及-US5764681教导了一种用于使用分离的镜子的环形激光器的方向控制方法和装置。实际上，很难获得成本效益高并且与CMOS技术更加兼容的解决方案。接下来，除了专利文献之外，多个出版物也致力于该主题，例如如[1]T. R. Zaman, X. Guo and R. J. Ram "Proposal for a PoIariζation-Independent Integrated Optical Circulator". IEEE Photonics Technology Letters，18(12)，1359-1361， (2006).[2] N. Bahlmann, M. Lohmeyer, A. Zhuromski i , H. Doetsch and P. Hertel “Nonreciprocal coupled waveguides for integrated optical isolators and circulators for TM-modes，，· Optics Communications,161 (4-6),330-337, (1999).[3]T. Zaman, X. Guo and R. J. Ram, "Integrated Optical Circulator in InP，，， Conference on Lasers and Electro-Optics CLE0,2,1321-1323, (2005).[4]J. Y. Lee, X.Luo and A. W. Poon, Reciprocal transmissions and asymmetric modal distributions in waveguide-coupled spiral-shaped microdisk resonators, Optics Express 15(22),14650-14666, (2007).[5]Z. Yu and S. Fan,"Complete optical isolation created by indirect interband photonic transitions，，· Nature photonics 3,91-94, (2009).[6]M. T. Hill, H. J. S. Dorren, T. de Vries, J. M. Leijtens, J. H. den Besten, B. Smalbrugge, Y. -S. Oei, H. Binsma, G. -D. Khoe and M. K. Smit. "All-optical memory based on coupled microring lasers，，· Nature 432, 206-209 (2004).
具体而言，参考文献[1]的解决方案与CMOS/硅光子器件显著不兼容。参考文献 [5]中提出的解决方案要求折射率(即，材料)的变化以及后续滤光片。
发明内容
在一个方面中，本发明体现为电磁波隔离器，其包括具有给定对称性并且限定电磁波传播的两个方向的主体，其中该隔离器进一步包括一个或者多个特征，该一个或者多个特征被配置成降低主体的的对称性，从而使得在一个方向上相比于在另一方向上显著更多地支持波传播。在各个实施例中，该隔离器可以包括以下特征中的一个或者多个-该特征进一步被配置成使得该隔离器在包含主体和该特征的最大共同截面的平面中是手性的(chiral)；-主体限定回路，两个方向为对应于该回路的两个相反的方向；-该主体具有椭圆盘形或者环形形状，并且该隔离器被配置成使得在包含主体和该特征的最大共同截面的平面中，不存在关于在该截面中将主体的中心与该特征的中心连结起来的径向轴的镜面对称性；-该特征与在主体的周界处的最靠近切线方向平行地延伸；-该特征被配置成主体中的凹陷，优选地为在其表面上的开口；-该特征从主体的周界延伸；-本发明的隔离器包括至少两个所述特征，这些特征被对称地布置，从而使得该隔离器具有倒反中心(center of inversion)；-该特征具有楔形形状；-主体和特征是单片的；-本发明的隔离器还包括与主体波连通的一个或者多个波导，所述特征相对于该一个或者多个波导的平均轴偏离旋转(off-rotated)；-本发明的隔离器还包括至少一个光子晶体；-本发明的隔离器还包括适于等离子体应用的金属材料；以及
-本发明的隔离器被配置成微波腔。在另一方面中，本发明体现为集成光学装置，其包括两个或者更多隔离器，该隔离器中的第一个根据本发明，并且该隔离器中第二个也根据本发明。现在将通过非限制性示例的方式并且通过参照附图来描述体现本发明的隔离器和其他器件。
图1描绘了现有技术的环形谐振器，图3图示了通过仿真该谐振器中的波传播而获得的结果；图2A至图2B以及图6至图10B示出了根据本发明的各个实施例的器件；图4A至图5C示出了通过仿真图2A的器件中的波传播而获得的结果；图IlA至图12B比较了附加的器件的仿真(图IlB和图12B是本发明的备选实施例)；以及
图13A至图13B提供了根据又一实施例的两个器件的详细几何描述。
具体实施例方式作为以下描述的简介，首先指向针对电磁波隔离器的本发明的一般方面。首先，隔离器包括主体(典型地类似于盘形谐振器或者环形谐振器)，其基本上限定电磁波的两个传播方向(例如，两个相反的圆形方向)。第二，该隔离器还包括降低由主体所赋予的对称性的特定特征。其例如可以包含向外且切线地延伸到主体的周界的楔形，以便打破该器件的径向对称性。作为降低结构对称性的结果，基本上仅在一个方向上支持波传播。该隔离器典型地耦合到波导。许多这种隔离器可以在集成光学器件中使用。与已知的解决方案形成对照，不需要与CMOS不兼容的铁磁材料或者结构特性。此处，仅由于修改的结构特性实现了单向传播。此外，该器件的制造并不需要比现有CMOS工艺显著更多的步骤，借此可以考虑低成本大批量制造。由于本发明的隔离器的尺度简单地随着谐振波长而缩放，所以可以考虑各种类型的电磁波。该原理也扩展到声波。然而，为了图示起见，以下描述仅集中于光学应用。鉴于图1中描绘的典型的当前技术环形谐振器，应当容易理解本本发明。与通常一样，两个波导31、32耦合，从而允许与环形谐振器20的光通信(在两种情况中都可以使用Si)，环形谐振器20的直径典型地为3微米至50微米。衬底40例如由SW2制成。制造这种器件例如可以使用已知的绝缘体上硅(或S0I)技术。理想地，该结构具有高的品质因子(或者Q)。光例如可以如由一对黑色箭头所指示的那样输入/输出。由于该器件的对称性，也可以有三个其他输入/输出对。因此，这种器件并不提供在环形的任一侧的优选的传播方向。接下来，参照图2A，公开了类似的器件，其例如可以使用与图1中相同的材料，除了现在该谐振器利用打破(即，降低)主体四的对称性的两个特定特征21、22而增补。然而，仍然由主体四提供波传播的两个一般方向，即Dl和D2，这两个方向是对应于由主体限定的相同圆形回路的相反的方向。值得注意的是，所描绘的布置导致基本上仅在Dl的方向上支持波传播。本发明人已经意识到，该效应可以以不同的方式获得。例如，特征21、22可以被配置成切线地延伸到主体的周界。具体而言，其可以但是不必从周界向外延伸。实际上，这种特征21、22可以被配置成主体四中的凹陷，可能以便从周界向内延伸，如稍后将讨论的。然而，已经发现，在所研究的多个情况中，该特征有利地与主体的周界处的最靠近切线方向平行地延伸。可能主张如果有主体的径向对称性，则这种特征优选地被配置成降低主体的径向对称性。例如，如果主体具有盘形或者环形形状，则该特征可以被设计成非对称的，以便打破关于将主体的中心与该特征的质心连结起来的径向轴的镜面对称性，并且这在它们最大共同截面的平面中。作为一个变型，该特征可以是对称的(例如，具有矩形形状)，但是被不对称地布置(例如，切线地)，以便打破(或者至少降低)径向对称性。更一般而言，该特征优选地被布置成使得隔离器在包含主体和特征的最大共同截面的平面中是手性的。在几何上，如果一个图形不不与它的镜像相同(或者，如果仅通过旋转和平移不能将其映射到其镜像)，则该图形被称为手性的。在二维中(由于考虑主体和特征的共同截面，所以这是此处的情况)，具有对称轴的图形是非手性的。对比而言，不与其来自任一个对称轴的镜像相同的图形是手性的。因此，在主体和特征的最大共同截面中(或者，在隔离器的平均平面中)不存在对称轴。这在稍后参照图13A和图1 精确地图示。在实践中，可以尝试若干设计，如果需要的话作为试错过程。可以首先尝试降低整体对称性的第一设计(例如，矩形形状)，常规地布置该形状，并且检查其怎样影响实际波传播。如果不满意，则进一步降低形状对称性(例如，三角形)等，直到获得满意的结果。尽管呈现了一个或者多个特征的精确配置，但是所引起的对称性的降低导致在一个方向上比在其他方向上更显著的传播损耗。在图2A或者图2B中，传播损耗沿着方向 D2(竖直虚线的弯曲的箭头)发生，而不是在相反的方向Dl (点划线箭头)上发生。更具体地，诸如在图2A中描绘的特征，可以有利地具有楔形形状，从而它们在此后被称为“楔”。注意到，如以上所述，楔的切线定向有助于降低径向对称性。如上所述，可以考虑各种备选设计和布置。特征例如可以从主体四的周界向外延伸，该设计最终尤其有利于将波高效辐射远离主体。这继而导致沿方向D2传播的光子的尤其高效的“阻挡”。因此，方向D2可以便利地称为“阻挡方向”，D 1逻辑上是“非阻挡”方向。实际上，如稍后参照图7A至图12B图示的，一个楔足以实现所期望的效果。增加楔的数目简单地(以大致上线性的方式)增加效率。在效率与可制造性权衡方面，提供两个楔是良好的折衷。此外，具体参照图2B，楔可以具有非常简单的形状，即一个薄端(例如，锥形)和一个厚端，这变成已经是高效的(参见下文，对于3 μ m的盘直径而言，沿D2的抑制率大于 10% )。此外并且作为对图2A和图2B的备选，所述特征可以向内而不是向外延伸，或者甚至被配置成在主体四中提供的凹陷。仍然可以获得类似的效果；这将参照图7A至图12B 更详细讨论。按如下顺序评论-首先，在图2A或者图2B的设计中，隔离器具有对称中心，这必然也影响波传播。-其次，楔有利地相对于波导的平均轴进一步偏离旋转，如图2A或者图2B中所描绘的，以便有利于主体与波导的良好耦合。-第三，如前所述，主体并不必是盘形或者环形，其可以具有椭圆形状，或者更一般而言限定回路，两个方向D 1、D2是对应于该回路的相反的方向潜在效果基本上保持相同。接下来，为了评估以上器件，已经利用从头开始(ab initio)对麦克斯韦方程求解的数值工具执行了有限差分时域(FDTD)仿真。该仿真结果因此可以被视为实际波传播。例如，可以仿真环形谐振器或者隔离器，其利用通过环形的谐振频率处或者其附近的波导的光脉冲来激励。已经对图1的谐振器进行了这种仿真(仿真结果在图3中)，以及在非阻挡方向 (参见图4A至图4C)与阻挡方向(参见图5A至图5C)两者对图2A的隔离器进行了这种仿真。在图6中示出了附加的结果。其他仿真，即针对其他类型的器件的仿真，示出在图IlA 至图12B中。针对器件主体所考虑的半径为7. 75 μ m ；激励波长为1550nm，而波导和主体之间的间隔为385nm。
首先，在图3中描绘的仿真结果涉及图1的环形谐振器(如现有技术已知的，没有楔)。如图所示，光从在左下输入端口的源传播到左上排出端口。波传输行进通过环形，然后到左上排出端口。图3进一步示出了对应的平面内电场|Exy|的曲线图。注意到，所使用的灰度水平使得不同地渲染两个符号。图3清楚地示出了从输入端口到排出端口的光传播的发生。注意到，如果源位于左上端口处，则右下排出端口将呈现相同的传输特性由于该结构是对称的，适用互易性 (reciprocity) 0在谐振处，可以获得高达100%的传输。与图3的已知环形谐振器形成对照的是，本发明的隔离器具有附加的特征，这些特征被配置成使得依赖于方向而支持或者干扰波传播。当光在非阻挡方向上传播时，光被汇集到环形中而没有显著远离辐射。该效应逻辑上导致高的传输，如现在将参照图4A至图 4C讨论的。图4A和图4B分别示出了在排出端口和输入端口处，关于波长λ (电磁波传输) 的变化。如图可见，在谐振波长附近确实获得了高的传输。现在，假定反转楔的方向，这相当于反转输入，S卩，考虑来自图4C中的右下的输入。这种情况实际上在图5Α至图5C中图示，其中由于楔配置，现在光被“诱使”偏离方向行进。此处，光子被楔显著剥夺，从而导致每个楔近似0. 2%的损耗，如以下可见。就这一方面而言，试探性解释如下。在阻挡方向上发生的分离(参见图5Α至图 5C)显然引起在该方向上的能量的显著损耗。在楔的级别处，折射率的改变(略微增加)， 参见图5C，模式可以在阻挡方向上被辐射远离楔。在非阻挡方向上(图4C)，模式并未被辐射远离而是由楔引导。例如，楔设计和功能可能让人想起高速公路坡道(出口 /入口坡道)，即允许车辆进入或者离开高速公路的短道路部分。此处类似地，由于楔配置，光子被引导离开或者重新进入主体。然而，潜在物理原理可能很不同。考虑到此，将进一步理解楔的配置和维度可能需要根据谐振波长调节，如果有必要的话作为试错过程。作为另一指示，遵守图2Α、图2Β以及图IlB-图12Β中的表示的比例。然而，在图7Α至图10Β、图13Α和图13Β中并不如此。现在，返回到图5C(阻挡方向)，如果主体被设计成使得光在出射之前在谐振器中行进几十万次(“高Q腔”)，则光经历例如2XQ次散射事件，这基本上导致抑制所涉及的一个或者多个模式，如图5A至图5C所示。在排出端口处传输的强度(图5A，灰色曲线)远小于对应于图4A的参考强度(虚线)。因此，可以公正地说，获得了支持仅在一个方向上的光传播的器件。接下来，图6保持仿真的附加结果，即传输频谱。图6中的曲线包括作为参考注入到输入端口中的脉冲其表示频率功率的100% (或者在曲线图中的1)。图1的环形谐振器(直线)示出了在其谐振波长(即1557. 5nm)处接近100%的传输。由于楔，该器件的折射率稍微增加，由此产生较低的谐振波长(近似1547nm)。在该波长处，所公开的器件的非阻挡方向(点划线)具有高的传输，这与阻挡方向(虚线曲线)相反。已经计算了阻挡方向和非阻挡方向之间的消光率。看来具有为仅5700的品质因子Q的结构引起高达99%的抑制，这对应于在波长1547nm处的仅的残余传输。该结构的进一步优化(例如，具有对于更多散射事件的更高Q值的更大直径)可以导致更高的消光效率，即，接近100%。如前所述，除了图2A的楔之外，还设计并且仿真了各种其他几何形状。例如，诸如图2B中描绘的简单的楔结构已经导致了在阻挡方向上的多于10%的抑制。稍后将参照图 7A至图1 讨论又一些其他几何形状。根据本发明的隔离器在以集成光学器件开始的各种光学器件中是有利的。本发明的隔离器确实可以被视为一般而言的集成光学元件并且具体而言的硅光子器件的基本构建块。本发明因此涵盖从诸如本文描述的若干隔离器构建的集成光学器件或者装置。因此， 本发明有利地适于诸如芯片到芯片光学互连之类的其中需要高物理集成密度的应用中。目前，给出了附加的细节，其涉及楔的可能的变型。如上所述，可以考虑各种楔形状和布置。这在7A至图IOB中进一步图示。如图所示，可以以与图2A或者图2B类似的方式在周界处提供单个或者两个楔特征(图7A至图 8B，顶视图)。相反，楔特征可以被布置成凹陷(图9A至图10B，透视图)，可能由外部特征增补(图10B)。此外，这些特征可以为非对称的，例如参见图7A或者图9A，或者为对称的但是切线地延伸的(图8B)，或者仍然为非对称且切线地延伸的(图8A)。最后，特征不需要为均质的或者数目受限，从而使得可能的设计变化不计其数。然而，注意到，在所描绘的情况中的隔离器的平均平面中缺少对称轴。如上所述，仅一个楔就足以获得期望的阻挡效果。就这一方面而言，已经进一步执行了与图3至图5C可比的仿真，以图示这一点。在图IlA至图IlB中，激励环形主体。然而，在图IlB中，提供了楔形特征，其被配置为从环形的内周界延伸的凹陷。结果，与图IlA 相比，在图IlB的情况中多得多能量被辐射远离谐振器。在图12A至图12B中，主体耦合到一个波导。在图12B的情况中，提供了从环形的外周界延伸的楔形特征。图12A与图12B的比较立刻证明楔形谐振器(此处在阻挡配置中)的阻挡行为。此外，在该说明书先前已经注意到，楔特征有利地与在主体的周界处的最靠近切线方向平行地延伸。严格来讲，这意味着-该特征的主轴-在包含最靠近特征质心的周界点的-主体的周界处的切向方向上的-正交投影-为非零的。其甚至优选地大于在径向轴上的投影。顺便提及，以上定义也适用于椭圆主体。直观地，所述“主轴”适于表示1维中的楔。依赖于楔特征的具体形状，主轴例如可以与平均轴、“主要轴(principal axis)”、“长轴(major axis)”或者“滚轴(roll axis)” 重合。这可以是界定该特征的方形的最长轴。这还可以是具有椭圆截面的、从主体的(内或者外)周界切线地并且向外延伸的楔的长轴。相比而言，在理想球形特征中，不能标识特定轴，这很难用于本发明目的。图13A和图1 例示了以上给出的定义。在每种情况中，表示了主体和特征两者的共同截面。如果隔离器具有平板形状，则所表示的截面与端截面重合。相反，如果隔离器的截面沿着横贯轴(垂直于绘图平面)变化，则所表示的截面是主体和特征的最大共同截面。在图13A中，楔形从周界切线地且向外延伸，而在图13B的示例中其被配置成凹陷。为了说明起见，夸大了尺度和配置。在所述附图的每个中，楔形特征具有质心《并且与主轴χ相关联。该轴以某种方式适于在1维中表示楔形特征。0表示椭圆主体的中心，并且P,是将0和《连结起来的径向方向。@表示在主体的周界上的最靠近终的点，而^^表示在该点处的切线方向。接下来， P,和巧是平均轴W到^和^^中的每个上的正交投影。由图可见，在最靠近切线方向上的投影为非零的。相反，其甚至大于径向投影8。因此，可以得出的结论为，楔形特征(仅)与在主体的周界处的最靠近切线方向平行地延伸。很容易看出，楔没有通过的镜像对称性。换言之，楔不具有径向对称性，这有助于降低隔离器的对称性(尤其在隔离器是环形或者盘形时)。更一般而言，楔使得隔离器在所描绘的平面中为手性的。此外，如上所述，除了环形或者椭圆之外的其他形状也可以考虑用于隔离器主体。 也就是说，隔离器可以具有由非对称特征增补的T形，所述特征使得修改的T形为手性的。此外，隔离器可以进一步包括至少一个光子晶体。该布置因此可以包括一个手性光子晶体或者非对称地耦合到彼此的至少两个光子晶体。此外，隔离器另外还可以包括适于等离子体应用的金属材料，例如以实现等离子体纳米腔(例如参见 Hill，M.T.et al. Nature Photon. 1，589-594 (2007))。最后，隔离器可以被配置为呈现楔形特征并且因此呈现手性的微波腔。尽管已经参照某些实施例描述了本发明，但本领域技术人员将理解的是，可以做出各种改变，以及可以用各种等价方式替换，而不脱离本发明的范围。另外，可以做出许多修改以将特定情形适于本发明的教导，而不脱离其范围。因此，旨在使本发明并不限于所公开的实施例，而是使本发明包括落入所附权利要求书范围内的所有实施例。例如，可以使用除了 Si、InP或者S^2之外的其他材料。
权利要求
1.一种电磁波隔离器(10)，包括主体( )，所述主体具有给定对称性并且限定电磁波传播的两个方向(Dl，D2)，其中，所述隔离器进一步包括一个或者多个特征01，22)，所述特征被配置成降低所述主体的对称性，从而使得在一个方向(Dl)上相比于在另一方向 (D2)上显著更多地支持波传播。
2.根据权利要求1所述的隔离器，其中所述特征进一步被配置成使得所述隔离器在包含所述主体和所述特征的最大共同截面的平面中是手性的。
3.根据权利要求1或者2所述的隔离器，其中所述主体09)限定回路，所述两个方向 (D1，D2)为对应于所述回路的两个相反的方向(D1，D2)。
4.根据权利要求3所述的隔离器，其中所述主体09)具有椭圆盘形或者环形形状， 并且其中所述隔离器被配置成使得在包含所述主体和所述特征的最大共同截面的平面中， 不存在关于在该截面中将所述主体的中心(。)与所述特征的中心(《)连结起来的径向轴 (P,)的镜面对称性。
5.根据权利要求4所述的隔离器，其中所述特征与在所述主体的周界处的最靠近切线方向(R)平行地延伸。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的隔离器，其中所述特征被配置成所述主体中的凹陷，优选地为在其表面上的开口。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的隔离器，其中所述特征从所述主体的周界延伸。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的隔离器，包括至少两个所述特征01，22)，所述特征对称地布置，从而使得所述隔离器具有倒反中心。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的隔离器，其中所述特征具有楔形形状。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的隔离器，其中所述主体和所述特征为单片的。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的隔离器，进一步包括一个或者多个波导(31， 32，3 ，其与所述主体09)波连通，所述特征相对于所述一个或者多个波导的平均轴偏离旋转。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的隔离器，还包括至少一个光子晶体。
13.根据权利要求1-11中任一项所述的隔离器，还包括适于等离子体应用的金属材料。
14.根据权利要求1-11中任一项所述的隔离器，其被配置成微波腔。
15.一种集成光学器件，其包括两个或者更多隔离器，所述隔离器中的第一个根据前述权利要求中的任何一项，以及所述隔离器中的第二个根据前述权利要求中的任何一项。
全文摘要
本发明针对一种电磁波隔离器(10)，其包括主体(29)，该主体具有例如椭圆盘形或者环形形状，以便限定两个圆形传播方向(D1，D2)。该主体还利用降低该隔离器的对称性的一个或者多个特征(21，22)增补，从而使得在一个方向(D1)上相比于在相反方向(D2)上显著更多地支持波传播。本发明扩展到集成光学器件。
文档编号G02B6/42GK102549465SQ201080046081
公开日2012年7月4日 申请日期2010年9月24日 优先权日2009年10月12日
发明者J·霍弗里希特, N·莫尔 申请人:国际商业机器公司
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