带有沟槽结构的光波导制造技术

用空气沟槽包覆层的配置能将拖尾减到最小以抑制光耦合到辐射模式，产生低损耗弯头和分离器。用这样的空气沟槽包覆层提供包括没有传输损耗的急剧弯头和Ｔ－分离器，没有串话的交叉以及来自／通向光纤和没有实质损耗的平面外波导的耦合器在内的结构。波导的空气沟槽侧壁包覆层将拖尾推向顶部和底部包覆层以增强垂直定位的波导之间的耦合。也提供了应用晶片黏结技术的制造工艺。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】优先权信息本申请对申请于2000年10月13日的序列号为60/240,282的临时申请要求优先权。
技术介绍
1.专利
本专利技术制作在低折射率差波导中可能用到的，另外也用于来自/通向光纤和两个垂直定位的波导之间的高效耦合的小弯曲半径的弯头(bends)。这种光学互连能提高光学元件在一个芯片上的集成密度。2.现有技术波导弯头，分离器耦合器是光路上的基本元件。成熟开发的“二氧化硅台阶”技术适用于多路复用的和解多路复用及其他光学元件的波导干涉滤波器。在波导核心和包覆层之间折射率的反差很小，导致波导相对大的剖面和折射率的匹配，以便使来自和通向光纤的耦合只有很低的插入损耗。这是这项技术被广泛应用的一个原因。然而鉴于下述事实光学元件的集成密度受到限制对于通过小折射率反差形成的波导，弯头必须具有相对大的弯曲半径以使辐射损耗保持在可接受的范围内。核心和包覆层之间的折射率之差Δn主要由二氧化硅台阶技术中的诸如Ge，B等的杂质的掺杂控制。这样，Δn通常被控制到0.01或更小，导致弯头曲率处在mm数量级。因为一个90度的波导分离器由两个弯头构成，该结构要求和弯头一样大的曲率。这样，二氧化硅台阶集成的光路就具有约10×10平方厘米的面积。很明显，在台阶中增加Δn将降低弯头和分离器的曲率。然而，难以找到折射率低于二氧化硅的包覆层材料，因为二氧化硅核心的折射率要低到～1.5。这样，二氧化硅技术就停留在相对大的台阶上的低密度光路上。除了上述原因外，即使在集成光路中采用了高折射率反差系统，光纤和集成光路之间的模式尺寸之差也变得很大，光纤和集成光路之间的界面上的菲涅尔反射也带来巨大的连接损耗。为了增加核心和包覆层之间的折射率之差，采用空气包覆层是有效的。关于空气包覆层，授予Marcatili等人的专利号为3,712,705的美国专利显示了在光纤中的情形。该空气包覆层光纤被叙述成包括一个低损耗电介质核心，有一个设置在在光路外套内的多边形截面。因为其形状，核心实际上完全被空气包围，从而使Δn变大。专利技术概述在本专利技术中提供了一种有两个或更多和空气沟槽包覆层交界的侧壁的波导弯头。本专利技术应用了折射率引导，绝热转变以及向反菲涅尔反射诱导的连接损耗的模式匹配的原理。本专利技术的一个目的是提供一种有相对小曲率的波导的弯头和分离器，以及提供一种来自/通向光纤和平面外波导之间的耦合器。本专利技术的另一个目的是提供一种该结构的制造方法。晶片黏结允许将空气作为低折射率材料而相结合。本专利技术用弯头和交叉上的局部空气沟槽处理低折射率反差波导的波导弯头和交叉，这些空气沟槽取决于核心折射率而局部将折射率之差增加到0.5或更大。在本专利技术中，空气作为一个实例被选作为低折射率材料，但是包括低折射率聚合物和绝缘体在内的其他材料也能被用来替代沟槽中的空气。附图简述附图说明图1是根据本专利技术的波导弯头配置的顶视示意图；图2A是取自图1的A-A’线的波导弯头配置的剖面图；图2B是取自图1的A-A’线的波导弯头配置的一个替代实施例的剖面图；图3是显示波导弯头的模拟结果的曲线图；图4是根据本专利技术的T-分离器500的顶视示意图；图5A和5B分别显示了不带有和带有本专利技术的沟槽结构的模式的模拟结果；图6A-6G是显示制造图2A中显示的空气沟槽结构的工艺流程的示意图；和图7A-7H是显示制造图2B中显示的空气沟槽结构的工艺流程的示意图。本专利技术的详细描述图1是根据本专利技术的波导弯头配置100的示意性顶视方框图。波导弯头由一个核心区域102，第一104和第二106空气沟槽区域和一个周围包覆层区域108限定。空气沟槽波导弯头的性能通过适当的锥形长度部分，弯头半径，以及被弯曲的波导的宽度和偏移而优化。弯曲波导的宽度及其从(直线)锥形输出的横向偏移在图1中显示和选择以便于将锥形输出处的光最优化地和弯头的最低顺序泄漏模式匹配。对于适当的结构尺寸，带有或不带有弯头处的偏移，各种模拟显示了所提出的空气沟槽弯头有大于98％(每角弯头小于0.1dB损耗)的传输效率。对于7％和0.7％(D＝Δn/n)的折射率反差，该模拟分别显示了长度上一个4和30的系数的尺寸减少(和一个相同折射率反差的正规波导弯头相比)，对应于面积上16到900倍的减少。推断出可以预期有更低的，光纤类的折射率反差接近0.25％，边缘长度系数大到50，或面积上大到2500的更紧凑的弯头。该弯头包括三个部分，即波导部分(1)，(2)和(3)。波导部分(0)和(3)是单模的。虽然波导部分(1)和(2)是多模的稳定状态，但它们在这样一个短距离内保持了作为一个短暂模式的准单模。由于模式失配引起的传输损耗可被忽略。对于整个配置，核心区域的折射率保持不变。波导部分(1)包括核心和周围的包覆层，其折射率差为0.05。波导部分(2)和(3)分别是锥形的和弯曲的，两者都用空气沟槽区域作为在其内遏制光和减少辐射损耗的机构。图2A是取自图1的A-A’线的波导弯头配置的剖面图。该结构包括被第一(104)和第二(106)空气沟槽区域实际包围的核心102，该核心区域又包括上沟槽(200)和下沟槽(202)。核心102由包覆层108的第一延伸(204)和第二延伸(206)支撑。在这种构型中，核心实际上被悬浮在空气包覆层中。因为该构型在弯头内因由空气沟槽区域形成的“空气壁”而限定了一个局部的高折射率差，从侧壁延伸的传播模式的拖尾(evanescent tail)被减到最小。沟槽200，202被这样构型，使它们的深度d大于拖尾的长。因此，在弯头内光不能有实际意义地耦合到辐射模式。虽然存在进入上下包覆层的长拖尾，它们也因为空气沟槽区域104，106(即它们的上下延伸，诸如区域200，202)而不能耦合到辐射模式。图2B是取自图1的A-A’线的波导弯头配置100的一个替代实施例的剖面图。该结构包括被第一(104)和第二(106)空气沟槽区域实际包围的核心102，该核心区域又包括下208沟槽。核心102仅由包覆层108的一个延伸210支撑。在这种构型中，核心实际上也被悬浮在空气包覆层中。这样，核心在其顶表面有一个空气包覆层以及两个侧壁。虽然一个长场拖尾延伸进下包覆层，向辐射模式的耦合仍由下空气沟槽(208)遏制。光波从波导的一端到另一端的透射比如在图3的曲线图中显示的模拟结果预测的那样约为97％或更高。模式的形状在插画中显示。这里，假设核心折射率为1.5，包覆层折射率为1.45(Δn＝0.05)，在空气沟槽中Δn增加到0.5。然而，对于0.001＜Δn/n＜0.1，所提出的原理在减少弯头尺寸上还是有效的。波导T型分离器也能遵照这里叙述的两个原理中的任一个而构型。图1的锥形波导和空气沟槽区域能被修改成具有如图4显示的两个输出。图4是根据本专利技术的T-分离器配置400的顶视示意方框图。T-分离器包括三个波导402，404，406。每一个波导包括各自的由一个包覆层408包围的核心区域403，405，407。该T-分离器配置400也包括在波导中的空气沟槽区域410，412，414。在入口波导402的光通过一个小的T-分离器部分的三个渐变的锥形分离而进入两个波导404，406。弯头的半径可以因由空气沟槽提供的空气包覆层而变小。在这种方式中，T-分离器可以实现得有比当前能得到的分离器更小的尺寸。因为本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种波导配置，其特征在于，该配置包括：一个具有从底部表面向顶部表面延伸的第一和第二侧壁的核心区域；和所述核心区域相邻的第一和第二沟槽区域，该沟槽区域分别纵向沿所述第一和第二侧壁延伸，并且在所述顶部和底部表面的上下垂直延伸一个 预先确定的深度，所述深度大于在所述核心传播的光的拖尾的长度；和一个包围所述核心区域和沟槽区域的包覆区域。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：LC基默林，K瓦达，HA豪斯，M波波维奇，S阿基亚马，
申请(专利权)人：马萨诸塞州技术研究院，
类型：发明
国别省市：US[美国]