[发明专利]使波导锥形化的方法和工艺以及形成最佳波导结构的方法和工艺

说明书

背景技术

最近，随着波分复用(WDM)光学通信系统的使用，对于在 WDM光学通信系统中使用的光学器件的需求已经显著增长。光纤 通常用作光学信号在光学通信上的传送通路。然而，在制造具有多 信道的光纤器件例如多信道光学耦合器和WDM器件时存在技术限 制。因此，其中集成了光波导和许多单元光学器件的平面光波导电 路(PLC)被用于WDM器件中。

光学通信系统构造为在多个位置之间传播信号。通过至少一部 分这种通信系统，信号被提供为沿光学通路传播的光。在沿通信系 统的光学通路的多个位置处，可能需要整形或度量沿光学通路传播 的光的模式。例如，一般将模式整形为满足沿光学通路定位的光学 元件的模式匹配要求。例如，模式可以整形为适应从光纤至集成光 学元件的转变。如此处所用，术语“模式”指的是相对于垂直于光 学通路定向的截面区域的光的空间分布。为了有效率地耦合，用于 耦合的波导应当相对无损耗并且保持单模波导，尽管在两个尺寸之 间的其信道宽度方面存在改变。后者的考虑需要沿信道的折射率随 着其几何形状的改变而反向改变。这些因素造成了问题。

特别是，如果信道宽度所需的改变通过普通的光刻技术、在需 要的两个尺寸之间其宽度逐渐变小的信道而简单实现，则信道波导 的折射率倾向于沿锥形区域的长度保持均匀，这是因为添加以形成 信道中折射率改变的杂质浓度倾向于沿该长度保持均匀。结果，由 于信道的宽度沿该长度改变，而折射率沿该长度保持均匀，因此沿 锥形区域的模式属性改变。所需要的是使模式属性沿该长度基本上 保持不变，其中信道宽度改变是沿该长度的折射率的补偿改变。

该问题对于波导特别关键的在于在信道和其基底之间使用大折 射率改变以实现信道中能量的紧密密封。大折射率改变导致用于集 成电路器件的相对窄单模式信道波导和一般较宽的光纤之间的大 模式不匹配，该光纤通常耦合到这种信道波导。

通过波导轴向锥度的模式属性的转变在许多环境中是有用的。 例如，模式尺寸转变允许对波导的不同部分中的模式尺寸进行独立 优化，用于有效输入和输出耦合。模式尺寸转变也可以用于得到外 部耦合模式的窄远场。从单模至多模波导的绝热锥形也允许加强耦 合到多模波导的基本模式中。这在包含较宽分离波长的模式之间的 相互作用的非线性波导器件的某些类型中是重要的。

模式匹配的现有技术解决方案使用光纤和微透镜，例如球面透 镜或梯度折射率(gradient index)透镜。光纤和微透镜允许来自输 出元件例如输出光纤的光的收集。光纤和微透镜也提供光输入耦合 到输入元件例如输入光纤中。利用这种解决方案的典型缺点是在提 供构形为接收输入模式以及提供适当整形输出模式的元件方面存 在设计困难。

锥形光纤也已经用于整形模式。锥形光纤包括一个或多个锥形 部分，即具有沿其各个长度改变的截面区域的部分。这些光纤的锥 形部分一般通过控制递增加热而形成。例如，通过加热光纤的一部 分，光纤纤芯倾向于膨胀，从而导致光纤截面区域的局部增加。光 纤的同时加热和拉伸导致覆层和纤芯尺寸的减小。利用锥形光纤的 可能缺点包括光纤的机械强度降低。

此外，具有连续锥形和分段锥形的集成光波导已经用于整形模 式。如在此所用，术语“分段锥形”指的是由多个部分构成或被划 分为多个部分的波导锥形，这些部分具有由介质层限定的不同的光 学属性。当沿光的传播轴观察时，这些介质层形成在波导部分和基 底材料的部分之间。术语“连续锥形”涉及波导锥形，其中其传播 时的光不横越波导部分和基底材料的部分之间的介质层。从而，在 具有连续锥形的波导中，锥形以连续且绝热方式改变其光学属性。 具有分段锥形的波导能够提供二维模式锥度。然而，由于形成在分 段波导部分之间的多个介质层边界，这些波导一般具有高损耗。此 外，分段精确控制在技术上已解决。因此，可以理解，需要一种解 决了现有技术的这些和/或其他缺点的系统和方法。