[发明专利]绝热波导过渡

说明书

技术领域

[01]本发明涉及在平面光波线路中形成的光学装置，该光学装置包含在平板波导和信道波导之间的过渡区域以减小光学损耗。特别地，本发明包含星型耦合器和阵列波导光栅(AWG)装置，所述阵列波导光栅装置包含减小损耗的过渡区域。

背景技术

[02]目前，光学通信网络依靠诸如星型耦合器、支路功率分束器和阵列波导光栅(AWG)和可变光学衰减器(VOA)的平面光波线路(PLC)装置来同时控制整个网络的众多波长复用光信号。

[03]PLC包含光学波导，该光学波导沉积并图案化在基底上。在一种常用的技术中，掺杂硅石(silica)芯层和包层被沉积并被图案化在硅石或硅基底上。也可采用其它的基底和波导技术。PLC中的常用结构为星型耦合器。星型耦合器为M×N的功率分配器。AWG在其结构中包含两个星型耦合器。星型耦合器具有耦合到平板波导的M个信道波导和耦合到平板波导相对侧的N个信道波导的第一阵列。平板波导为光引导结构，在其中允许波前仅在一维被限制为单模传播，然而，信道波导将光在垂直于传播方向的二维限制为单模传输。由于反射和散射，来自平板波导的突变进入信道波导阵列会引起光学损耗。这种损耗作为插入损耗被测量并且是不需要的。经过阵列的反射和散射的变化会引起插入损耗的变化，这也是不需要的。

[04]关于在平板和信道波导输出阵列之间的过渡的一个问题是：信道波导经过过渡变得不连续。在每一个波导之间存在间隙。这些间隙会引起未被耦合入波导的光的反射和散射。

[05]针对这一问题的一个解决方案是在输出阵列中提供一种锥形信道波导，此输出阵列在扇出区域波导的宽度逐渐增大，以使波导的的宽边缘完全填充平板波导的端面边界。但是，这样的设计与加工制造技术不相兼容，因为在平板波导附近，波导之间的间隙太小以致于不能被分解为锥形波导。在PLC技术中，对可采用光刻解决的结构的尺寸和可用包层材料完全覆盖的间隔的尺寸都有限制。不完全的包覆留下空洞而且会导致无法接受的损耗。如果加工公差太小，制造产量会下降而且制造变得不切实际。

[06]对于针对约1550nm波长设计的硅石(silica)波导PLC来说，波导结构的厚度(高度)为5微米。波导结构的高度比宽度的比率接近1是理想的。如果将波导结构的宽度减小，那么该比率将增加。在5微米高的芯片中，宽度小于5微米的波导结构在工艺可变范围内会变得较难控制。用于硅基二氧化硅PLC的光刻沉积的波导结构的实际限制是至少3微米的宽度。二氧化硅(silicon dioxide)包层通常被应用到波导结构的周围。可靠包层的最小间隙尺寸为1微米，或较优选为1.5微米。这些仅仅是针对1550nm应用的硅石(silica)PLC事例。当然，在可替代的波导技术中，不同的材料和折射率对比对尺寸有不同的限制。

[07]上面所指的突变是物理效应和光学效应共同作用的结果。波导的边缘代表光学折射率的突然变化。但是，光学领域中波的传播不完全被限制在波导的芯中。而是，延伸到包围其芯的包层区域。因此，确定光学领域的传播的有效光学折射率是通过芯的折射率和包层折射率的共同作用确定的。如果可以改变波导的有效(平均)折射率，那么会影响光学模式尺寸、模式传播、插入损耗和插入损耗一致性。

[08]本发明是以这样的方式通过将变化或扰动引入包层来消除这些突变：控制传播波的有效折射率从平板波导到输出波导平稳且单调变化。现有技术中已经对这样的逐渐过渡作了研究。但是，与高产量制造工艺相兼容的设计中，仍然需要一种可提供低插入损耗和插入损耗一致性的解决方案。

[09]公开在“IEEE Journal of Lightwave Technology，vol 13，no.10，October 1995”中的Weissman等人的文章“周期分段式波导模式扩展器的分析”(“Analysis of PeriodicallySegmented Waveguide Mode Expanders”)中介绍了逐渐改变有效折射率的技术。此文章讲述了一种用于创建模式扩展器的周期分段式波导结构，此模式扩展器用来将Ti、InP或高折射率硅石的小模式尺寸波导耦合入大得多的模式尺寸石英光纤。有效折射率是由分段波导的占空比确定的。但仅仅考虑了单模波导耦合。