与外部光场有低耦合损耗的集成光波导结构制造技术

一种集成光波导结构，包括：用于引导光场并形成在下包层（１１１）上的波导芯（１１３）。波导芯包括：与下包层基本共同延伸并有基本均匀厚度（ｔ）的波导芯层（１１３ａ），和有基本均匀高度（ｈ－ｔ）的波导芯肋（１１３ｂ），波导芯肋从波导芯层表面突出，该表面与面向下包层的表面相对。波导芯肋的外形确定导向光场的路径。集成光波导结构包括：光路波导部分（１１７ａ），其中波导芯层有适合于引导光场通过光路的第一宽度（Ｗ↓［０］），和至少一个耦合波导部分（１０１），它适合于耦合光路波导部分到外部光场。该耦合部分包括：有第二宽度（Ｗ）的终端波导芯肋部分（１１７ｃ），它的第二宽度小于第一宽度，并终止在侧面（１１９）上，和过渡波导芯肋部分（１１７ｂ），它与光路波导部分和终端波导部分互相光路连接；过渡波导芯肋部分是沿横向逐渐缩减，使其宽度从第一宽度减小至第二宽度。该波导结构允许集成光学器件设计者满足光路的需要，与此同时，可以确保与外部光场的满意耦合效率。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及平面型集成光波导，具体涉及有中至高折射率反差值的集成光波导。
技术介绍
低折射率反差值集成光波导(即，其特征是折射率反差值约小于1％的波导)传统上用在有相对宽横截面的集成光学器件中，因为这些波导支持的光模尺寸可以与标准光纤模式尺寸相当；因此，当集成波导耦合到光纤时，可以确保高的耦合效率(光纤与波导耦合效率)。事实上，当光纤与集成光波导对接耦合时，从一种光导向结构转移到另一种光导向结构的光功率与这两种光导向结构中每种光导向结构支持的光模重叠程度十分有关。这两种光导向结构支持的模式之间重叠积分通常作为耦合效率的量度。近年来，人们不断要求增大的快速数据转移带宽就需要有合适频谱特性的低成本装置；为此目的，已经增大集成光学器件的集成规模。利用中至高折射率反差值的集成波导，已经实现很高的集成规模，其特征是折射率反差值是在高于1％至高达约40％的范围内，它与具体的应用有关。这些集成波导可以制成非常紧致的装置，因为在不发生高损耗的条件下可以制作具有小至几微米的小弯曲半径波导模式。通常，高折射率反差值集成波导是由半导体材料制成，例如，InGaAsP/InP和InGaAs/GaAs。半导体波导的特征是折射率差大于1×10-2(与此对比，在玻璃光纤中，折射率差通常小于5×10-3)。然而，利用这种类型波导在该波导与光纤耦合时存在损耗的问题。事实上，为了确保在高折射率反差波导中的单模工作条件，该波导必须有很小的横截面，这意味着有小的光场尺寸。波导中模式与其耦合的光纤中模式的尺寸比率可以非常低，因此，两个导向结构支持的模式之间重叠积分可以下降到非常低的数值。为了在许多感兴趣的商业应用中利用高反差值波导，光纤-波导的耦合损耗需要减小到可接受的水平。在文献中已经报告有关增大半导体波导中光纤-波导耦合效率的几种方案。具体地说，有人建议的几个光斑尺寸转换结构可用于适应(“转换”)波导中的光斑尺寸成光纤中的光斑尺寸。大多数的这种结构实现沿横向和纵向渐变型波导结构的组合多层，它设计成把波导场形状转变成光纤模式。这种结构的例子是在描述InGaAsP/InP波导的集成光束扩展转换器的US Patent No.6,240,233中，G.Wenger et al描述用于InGaAsP/InP波导的光斑尺寸转换器的技术手稿“Design andFabrication of Monolithic Optical Spot Size Transformer(MOST′s)for Highly Efficient Fiber-Chip Coupling”，IEEE Journal ofLightwave Technology，Vol.12，No.10，October 1994，pages1782-1790，和描述用于InGaAs/GaAs波导的渐变肋型波导-光纤耦合的US Patent No.6,229,947。在I.Moerman et al的技术手稿“AReview on Fabrication Technologies for the Monolithic Integration ofTapers with III-V Semiconductor Devices”，IEEE Journal of SelectedTopics In Quantum Electronics，Vol.3，No.6，December 1997，pages1308-1320中给出关于半导体波导模式尺寸转换器的综述。集成这些已知的模式尺寸转换结构是很难的，除了制造集成光学器件和波导通常所要求的步骤之外，还需要许多其他的制造步骤。具体地说，上述二维(即，沿纵向和横向)渐变型光斑尺寸转换器结构使制造过程变得非常复杂。用于制造有低至高折射率反差值集成光波导的新颖和有前景技术取决于使用氧氮化硅(SiON)。最近以来，在各种集成光学器件中不断增多地使用SiON；使用这种材料主要原因是它具有优良的光学性质，例如，在可见和近红外波长范围内有低的吸收损耗。此外，可以在1.45(SiO2的折射率)与2.0(Si3N4的折射率)之间很大的范围内容易地调整SiON的折射率。这意味着，可以实现从相对低至非常高折射率反差值范围内的平面型集成波导，它满足对于高集成密度光学元件不断增长的要求。有人建议复杂的纵向和横向渐变结构用作高折射率反差值SiON波导，它类似于半导体波导结构，例如，R.M.de Ridder et al.的技术文献“A Spot-Size Transformer for Fiber-Chip Coupling in SensorApplication at 633nm in Silicon Oxynitride”，Proceedings LEOS′95，Vol.2，1995，pages 86-87，描述在SiO2波导上设计SiON的模式尺寸适配器，其折射率反差值等于0.24(其百分数约为16％)，它是由沿横向锥形SiON波导构成，它的厚度是逐渐缩减到锥形点，其剩余宽度可以达到0.5μm。此外，在这种情况下，沿纵向和横向的逐渐缩减使得制造过程复杂化。为了简化制造过程，就需要平面型光斑尺寸转换器结构。有人建议采用周期性或准周期性或非周期性分段波导的平面型光斑尺寸转换器，例如，在M.M.Spuehler et al.的技术文献“A VeryShort Planar Silica Spot-Size Converter Using a NonperiodicSegmented Waveguide”，IEEE Journal of Lightwave Technology，Vol.16，No.9，September 1998，pages 1680-1685中公开，它描述在SiO2/SiON材料系统中设计和实现平面型光斑尺寸转换器结构。本申请人观察到，这些结构仅能利用复杂的发展优化过程进行设计，并要求极其精确的技术。在文献中报告的另一些用于耦合集成波导与光纤技术是利用透镜或锥形光纤。例如，技术文献T.Paatzsch et al的“Very low-losspassive fiber-to-chip coupling with tapered fibers”，Applied Optics，Vol.36，No.21，20 July 1997，pages 5129-5133，描述在利用嵌入在导向结构中锥形光纤基础上的渐变型光纤-芯片耦合。本申请人观察到，这些解决方案在工业应用中很难付诸实施。较简单的平面型光斑尺寸转换器是由仅仅沿横向锥形波导构成，横向宽度可能是按照优化外形沿其过渡部分变化，在它与光纤的连接侧面上达到最佳值，为了使光纤-波导耦合中的重叠积分最大化。实质上，简单的沿横向锥形波导模式转换器是基于这样的事实，当波导宽度减小到给定值以下时，该波导支持的模式宽度就增大；因此，使朝向连接侧面的波导逐渐变窄直至波导模式尺寸可以与光纤模式尺寸相当，就可以实现高的光纤与波导耦合效率，与此同时保持单模运行。已经证明，这些结构能够使InP/InGaAsP埋入式波导实现高的光纤与芯片耦合效率。例如，在Kasaya et al的技术文献“A SimpleLaterally Ta本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种集成光波导结构，包括：用于引导光场的波导芯（１１３），波导芯形成在下包层（１１１）上，其中波导芯包括：与下包层基本共同延伸并有基本均匀厚度（ｔ）的波导芯层（１１３ａ），和从波导芯层表面突出的波导芯肋（１１３ｂ），该表面与面向下包层的表面相对，所述波导芯肋（１１３ｂ）有基本均匀的高度（ｈ－ｔ），波导芯肋的外形确定导向光场的路径，其特征是，集成光波导结构包括：光路波导部分（１１７ａ），其中波导芯肋有适合于引导光场通过光路的第一宽度（Ｗ↓［０］），和至少 一个适合于耦合光路波导部分到外部光场的耦合波导部分（１０１），所述耦合波导部分包括：有第二宽度（Ｗ）并终止在侧面（１１９）上的终端波导芯肋部分（１１７ｃ），第二宽度小于第一宽度，和过渡波导芯肋部分（１１７ｂ），它与光路波导部 分的芯肋和终端波导芯肋部分互相光路连接，所述过渡波导芯肋部分沿横向逐渐缩减，使其宽度从第一宽度减小至第二宽度。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：拉菲拉库斯塔，朱瑟谱库斯梅，安德瑞麦勒尼，
申请(专利权)人：皮雷利C有限公司，
类型：发明
国别省市：IT[意大利]