[发明专利]制造对称光波导的方法

说明书

本发明要求1996年2月15日提交的60/011713号美国临时申请的35USC§119(e)的利益。

技术领域

本发明涉及制造诸如平面波导等光学器件的方法，尤其涉及从包含光折射敏感成分的最初非波导结构制造光波导器件的方法，此方法包括在该结构中充入氢并使该结构的一部分选择性地暴露于光化学辐射线中，以改变这部分的折射率并形成波导。本发明还涉及本方法所使用的结构以及本方法所制造的产品。

背景技术

成行的光学纤维衍射光栅已成公知。在光学纤维中写入成行光栅的一个方法包括使纤维一部分中的两束光化学(通常是UV)辐射发生干涉。这两束光线沿横向入射到纤维上，两束光线之间的角度(以及辐射的波长)限定光栅间隔。一般，以锗掺杂的纤维来形成纤维光栅，通过热氢处理来增强锗掺杂纤维对光化学辐射的敏感度。在预定压强和温度下充入氢。此方法可用于把光栅写入纤维或平面硅石(silica)波导并把一波道(channel)写入平面光波导的核心层中。波导玻璃例如石英玻璃必须包含诸如二氧化锗等光折射敏感成分。

5,235,659号美国专利和5,287,427号相关美国专利揭示了通过一种处理可在基于硅石的光波导(纤维或平面波导)中获得大的归一化折射率变化，该处理包括在至多250℃的温度下使波导的至少一部分暴露于压强适度的氢中并以光化学辐射线来照射暴露部分的一部分。尤其是，揭示了一种改变平面波导折射率的方法(第5栏的第34行到第6栏的第9行)。形成包括例如硅衬底的层状结构，在硅衬底上形成透明石英构成的下包层、中间(核心)硅酸锗层以及透明石英构成的上包层。在此结构的核心层的竖直平面内具有波导特性，但不把辐射线限制在核心层水平平面内。通过在此结构中充入氢、以垂直于层状结构的聚焦光化学辐射线来照射该结构并以预定方式在此结构上移动射束来实现水平限制。把硅酸锗核心层中被照射区域的折射率提高到超过核心层中的邻近横向部分，从而提供横向波导。包层的折射率基本上保持不变。

在如5,235,659号美国专利所述的结构中，在已呈现平面波导特性的层状结构中进行写操作，这是因为包含锗杂质的核心层的折射率已超过缺乏该杂质的下包层和上包层的折射率而已提供了竖直限制。在写操作后，进一步增加了核心层中被照射区域的折射率。核心中被写区域与上下包层之间的折射率之差将大于核心的被写区域与核心层中包含杂质的邻近横向区域之间的折射率。此平面波导的一个缺点在于它是一个不对称的波导，即被写区域和邻近区域之间的折射率之差并非沿所有的方向都相等。在此结构中，与水平线度相比，沿竖直线度的波道波导及周围结构之间的折射率之差较大。因此，这种模沿水平方向的传播较少并且沿此方向扩展。

不对称波导的缺点是由于在此结构中传播的不对称模场(mode field)。其结果包括单模纤维的耦合损耗增加以及与偏振有较大关系。通过使波导的剖面形成矩形，例如高度比它的宽度大，可使不对称波导的模场形成圆形对称。此方案将克服耦合损耗较高的问题。然而，此方案仍将发生在波道波导和平面或“平板”波导之间产生耦合这一事实。此耦合将导致相应于波道波导的本征模的传播常数与平面波导的本征模的传播常数(几个)相等的选定波长处的传输损耗。用于对称平面波导的本发明没有“平板”波导，所以这些损耗将不会产生。

本发明的一个目的是提供在制造具有对称波导特性的波导中所使用的非波导结构。

发明内容

简短地说，本发明提供了一种在形成光学元件中所使用的结构，该结构包括光学材料构成的非波导主体；以及主体内一定浓度的光折射敏感成分，从而在用一束光化学辐射线照射主体的一部分时，被照射部分的折射率增加。

在本发明的另一个方面提供了一种制造光学元件的方法，该方法包括提供光学材料构成的非波导主体；在主体内提供一定浓度的光折射敏感成分；使光学材料构成的非波导主体与包含氢、氘及其混合物中一种的气氛相接触；以及把光学材料构成的非波导主体的一部分暴露于光化学辐射线中，从而增加暴露部分的折射率。

可用此结构和方法来形成对称平面波导，光学纤维波导和诸如光栅等其他光学元件。

在本发明的另一个方面，提供了一种在形成对称平面波导中所使用的结构，该结构包括由折射率为选定值的光学材料构成的第一和第二层；以及由光学材料构成的位于第一和第二层之间的第三层，该层包括浓度选定的光折射敏感成分，以使第三层的折射率充分接近于第一和第二层的值来防止波导。