[发明专利]一种光电衬底上的高约束波导

说明书

技术领域

本发明涉及一种包括位于光电衬底(如铌酸锂)上的无源高约束波导(如富硅氮化硅)的光学器件，所述高约束波导被光学耦合至光电衬底内的一个波导。此高约束波导结构可以实现多种光电器件，包括：定向耦合器、紧凑型抽头耦合器、折叠式光电器件、包括环形谐振腔的光电调制器、光电光栅。由本发明实现的更多应用还包括与光电有源波导集成的混合无源平面光波回路(PLC)，其采用该高约束波导作为在无源与有源部件之间传递光功率的中间波导。 

背景技术

用于光电衬底上的高约束波导因其可减小光波导弯曲半径的能力而非常合乎需求。这将可以方便减小器件尺寸、在光电芯片上实现更多的功能和更高的封装密度。其进一步的优势是可以创造出混合PLC光电芯片。 

由于扩散波导与周围光电衬底(如钛扩散铌酸锂)之间较小的折射率变化量，目前在可接受的损耗条件下波导的弯曲半径还相当大。这是缩小光电器件尺寸方面的一个主要限制因素。折射率更大的更高约束的单片或混合集成波导将可实现更小的弯曲半径和更小的器件特征。然而，如果用于制造较高约束波导的较高折射率的材料为光电无源性，则光功率必须在高约束波导与较低约束的光电有源波导之间以绝热方式传递。因此需要一种无源特征的结构(如弯段)，其可以使光学信号模式场紧缩，而又允许在器件的其他部分中，在光电衬底内有尽可能多的传输。此外还需要低约束和高约束波导的单片或混合垂直集成，因为这将不再需要由不同材料制成的衬底之间的对接接头光学过渡(所述对接接头光学过渡需要精确的对正)，由此可降低器件的总成本。 

平面光波回路(PLC)是一种经过充分开发的无源光学技术。最为常见的是一种硅上二氧化硅结构，其中具有掺杂二氧化硅(SiO₂)芯的波导被沉积在一个无掺杂二氧化硅包层上，被平版蚀刻，随后涂覆一层无掺杂二氧化硅上包层。掺杂二氧化硅芯的折射率稍高于包层。在硅衬底的氮化硅SiN中也制有波导。氮化硅波导的芯必须比二氧化硅波导要薄得多且窄得多，以便仅允许存在一个导模，因为SiN的折射率可能会比掺杂SiO₂高得多，从而使折射率变化量Δn高得多。 

在以下文章中介绍了一种混合无源光波导：Y.Shani等人的“硅上集成光绝热器件”(Integrated optic adiabatic devices on silicon)，IEEE量子电子学期刊，第27卷，第3期，1991年3月，556-566页。在如图1所示的该混合波导1中，掺杂SiO₂芯4内加工有一个作为内芯2的化学计量的SiN带(Si₃N₄)。大多数光被引导在此混合波导1中的Si₃N₄带2内。图2示出了由Shani在上文中所介绍的Si₃N₄带2的横向宽度内的绝热锥3，它使Si₃N₄带2内携带的光功率可以被传递到更大模式的掺杂SiO₂芯4内，或者反向传递，而不造成模式改变或光功率损失。图3示出了同样由Shani等人介绍的常规二氧化硅波导8和SiN波导6之间的重叠锥5、7，可以实现功率的绝热传递。对于掺杂SiO₂芯4宽于SiN带2的部分，重叠区的横截面与图1类似。 

现有技术的美国专利4,737,015介绍了一种在铌酸锂上用于创制应力感应波导的“氮氧化物”层。该“氮氧化物”层是SiO₂与SiN的混合物。US专利6,670,210和6,864,512也介绍了一种含有SiO₂和SiN的波导。必须要指出的是，在以铌酸锂作为下包层衬底的条件下，这些专利中所述的“氮氧化物”的折射率并没有高到足以作为波导芯。实际上，化学计量SiN(Si₃N₄)的光学指数过低，不能直接在铌酸锂衬底上生成波导芯。在现有技术中，通过改变氮的量以实现折射率之差，在芯体和包层的生成中均使用SiN。作为替代方式，使用SiO₂作为包层。然而，这样会对光电器件提供过多的约束。