[发明专利]具有混合锥形波导段及超材料段的光纤耦合器

说明书

本申请涉及具有混合锥形波导段及超材料段的光纤耦合器，揭示光学耦合器结构包括具有沿第一行对齐的波导超材料段的波导。第二绝缘体位于第一绝缘体及该波导超材料段上。耦合器结构位于该第二绝缘体中并具有沿第二行对齐的耦合器超材料段。该第一行与该第二行平行并在一个平面内。该波导的一部分与该耦合器结构的一部分重叠。该波导超材料段与该平面相交并具有垂直于该平面的第一宽度，且该第一宽度沿该第一行具有第一锥形。该耦合器超材料段与该平面相交并沿垂直于该平面的方向具有第二宽度。该第二宽度沿该第二行具有第二锥形，在该波导与该耦合器结构重叠之处，该第二锥形不同于该第一宽度的该第一锥形。

技术领域

本申请涉及与光纤一起使用的光学耦合器，尤其涉及使用锥形波导(waveguide)的光学耦合器。

背景技术

许多通信系统用光传输数据，以增加传输速度及带宽(bandwidth)。出于本文中的目的，术语“光”包括所有形式的电磁辐射，包括在人类可见波长内及此类波长外的电磁辐射。

为执行光传输，光纤由具有高内反射率的材料制成，如玻璃、塑料等。此类光纤常常与可识别光内的数据的电路连接。通常使用光学耦合器来物理连接电路与光纤。例如，波导内的光波可具有多种模式，包括横电磁(transverse electromagnetic；TEM)模式、横电(transverse electric；TE)模式、横磁(transverse magnetic；TM)模式等。一些光纤可传输多种模式的光波(多模光纤)，而其它光纤仅可传输单个模式(单模光纤)。

有时出现的一个问题涉及光纤与耦合器的对齐。一些耦合器具有物理对齐机制(V-槽等)，而其它耦合器需要手动对齐。实际上，理想的情况是整个光传输系统具有很高的内反射，以使输入至光纤中的所有或大部分光到达电路；目标是在传输光的组件内的全内反射(total internal reflection；TIR)。与耦合器适当对齐的光纤更有效地将光传输至电路；因此，理想的情况是耦合器适应一些未对齐。

发明内容

本文中的耦合器结构包括(除其它组件以外)衬底(例如硅)，位于该衬底上的下绝缘体层(例如，埋置氧化物(buried oxide；BOX))以及位于该下绝缘体上的第一绝缘体(例如，浅沟槽隔离(shallow trench isolation；STI)材料等)。该下绝缘体位于该第一绝缘体与该衬底之间。第二绝缘体层(例如，未掺杂硅酸盐玻璃(undoped silicate glass；USG)等)位于该第一绝缘体层上。

此结构还包括第一(例如，下)及第二(例如，上)波导。该波导位于该第一绝缘体层中且该耦合器结构位于该第二绝缘体中。该波导可由任意合适的材料形成，例如硅、氮化铝等；以及该耦合器结构也可由任意合适的材料形成，例如氮化硅、氮化铝等。此外，该波导的至少一部分与该耦合器结构的至少一部分重叠，以允许在该些波导之间的光传递。

该波导可至少部分分段位于该第一绝缘体层中(“波导超材料段”)。该波导超材料段(waveguide metamaterial segment)彼此相邻并隔开，且沿单行(“第一行”)对齐。该第二绝缘体层还位于这些波导超材料段上。该耦合器结构也可至少部分分段位于该第二绝缘体层中(“耦合器超材料段”)。该耦合器超材料段彼此相邻并隔开，并且也沿单行(“第二行”)对齐。

该第一行(line)与该第二行平行并在同一平面内(例如，任意参考平面)，意味着该波导与耦合器结构沿同一平面，并相互平行。该波导超材料段与该同一平面相交并具有多个第一宽度(其中，该宽度沿垂直于该平面的方向)。该耦合器超材料段也与同一平面相交并具有第二宽度(同样，沿垂直于该平面的该方向)。

该波导超材料段的该第一宽度沿该第一行可具有第一锥形(相邻段之间的宽度改变)。类似地，该第二宽度沿该第二行可具有第二锥形，其不同于该第一宽度的该第一锥形(至少沿该波导与该耦合器结构重叠之处)。