具有反射式光栅的混合平面光波导线路制造技术

本发明专利技术涉及混合平面光波导线路（ＰＬＣ），其包括波导线路芯片（２１），以及通过在波导线路芯片（２１）中所形成的槽被安装到波导线路芯片（２１）上的硅反射式衍射光栅芯片（２９），其中，波导线路芯片（２１）包括形成在硅基板（２６）上的高光学性能二氧化硅波导结构（２２，２３，２４），硅反射式衍射光栅芯片（２９）包括分离的晶片光栅基板（３１）和在其中形成的反射式衍射光栅（２８）。反射式衍射光栅（２８）通过高度精确的深反应离子蚀刻工艺（ＤＲＩＥ）形成于晶片光栅基板（３１）中，使得可以制造出高精度的反射式衍射光栅芯片（２９）。由此，本发明专利技术中的混合平面光波导线路（ＰＬＣ）包括分离制造的，高精度的，衍射光栅芯片（２９）以及分离制造的，高质量的波导结构（２２，２３，２４），衍射光栅芯片（２９）被安装于波导结构（２２，２３，２４）上，从而可以在处理衍射光栅芯片（２９）中使用新的ＤＲＩＥ技术，以及在进行衍射光栅芯片（２９）的安装操作时使用倒装芯片接合。所披露的基于衍射光栅的混合平面光波导线路（ＰＬＣ）所带来的好处，不仅在于设备可以以与现有混合ＰＬＣ技术相等同复杂的配置来被制造，更在于设备可以通过使用一种可在非常低的表面粗糙度条件下产生非常高质量纵向蚀刻的技术（ＤＲＩＥ），使得设备的制造更加简单容易。具体的，由于反射式衍射光栅芯片（２９）是用硅材料或相类似的材料被分离制造的，ＤＲＩＥ技术就可以被使用，不同于现有的通常排除使用ＤＲＩＥ技术的ＰＬＣ制造方法的技术。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及平面光波导线路(PLC),尤其是涉及具有混合到多层波导结构上 的反射式衍射光栅的PLC。在光学中，衍射光栅是在反射或透明基底上的细的、平行的、相等地间隔开 的刻槽(groove)(刻线)，所述刻槽导致将反射或透射电磁能集中在被称为"级次"或 "光谱级次"的分立方向上的书于射和相互干涉效应。刻槽尺寸和间隔在所讨论的波长的数量级上。在衍射光栅的使用最为普遍的 光学波段中，每毫米有数百或数千刻槽。零级相应于正透射或镜面反射。高级次导致入射光束从几何(光线)光学所 预测的方向偏离。在垂直入射角的情况下，角e,即衍射光线从几何光学所预测的方向 的偏离，由下列方程式给出，其中m是光语级次，A是波长，以及d是相邻刻槽的相 应部分之间的间隔。因为衍射光束的偏离角是与波长有关的，所以衍射光栅是色散的，即，衍射 光栅在空间上将入射光束分成其组成波长分量，产生光谱。由衍射光栅产生的光谱级次可能重叠，取决于入射光束的光谱含量(spectral content)和光栅上每单位距离的刻槽的数量。光语级次越高，进入下一低级次内的重叠 就越多。衍射光栅常常被用在单色仪和其它光学仪器中。通过控制刻槽的横截面形状， 有可能将大部分衍射能聚集在所关心的级次内。本技术被称为"闪耀(blazing)"。最初高分辨率衍射光栅被刻划。高质量刻划机的构造是极大的保证。后来的 光刻技术允许光栅从全息干涉图样产生。全息光栅具有正弦形刻槽，所以不是那么亮， 但在单色仪中是优选的，因为它们产生比闪耀光栅低得多的杂散光水平。复制技术允许
技术介绍
5从母光栅制造高质量复制光栅，这有助于降低光栅的成本。平面光波导反射式衍射光栅包括以有规律的顺序布置的小面(facet)的阵列。参考图1,其示出简单衍射光栅的性能。具有多个波长通道、、人2、人3……的光束1以特定的入射角0in进入具有等级间距(grading pitch) A和衍射级次m的衍射光栅2。 根据光栅方程式，该光束接着以依赖于波长和级次的角e。w被有角度地分散 m;UA(sin仗+ s《J (1)根据光栅方程式(l),用于形成衍射级次的条件取决于入射光的波长XN。当考虑光谱的形成时，需要知道衍射角0N。ut如何随着入射波长ein变化。因此，假定入射 角9in是固定的，通过对方程式(1 )的0N。ut求导，得到下面的方程式deN。ut/dx的值代表相应于波长入的微小变化的衍射角e他ut的变化，这被称为衍射光栅的角色散。角色散随着级次m的增加、随着等级间距A的减少以及随着衍射角 0N。ut的增加而增加。衍射光栅的线性色散是该项和系统的有效焦距的乘积。因为不同波长^N的光以不同的角e他ut衍射，每个级次m被拉开到光谱中。可 由给定衍射光栅产生的级次的数量被等级间距A限制，因为0N。ut不能超过90。。最高级 次由A/人N给出。因此，粗光栅(具有大A)产生很多级次，而细光栅可能只产生一个 或两个级次。闪耀光栅是控制其中的衍射光栅的刻槽以形成具有闪耀角w的直角三角形的 光栅，如图1所示。闪耀角w的选择提供了最优化该衍射光栅的总效率分布的机会， 特别是对于给定的波长。基于平面波导衍射的器件在近红外(1550nm)区为密集波分复用(DWDM) 提供了优异的性能。特别是，由于通常工作在高衍射级次(40到80)、高入射角(大约 60°)和大等级间距的中阶梯光栅(Echelle grating)的进步，带来干涉路径之间的大相 差。因为光栅面的尺寸随着衍射级次按比例调整，所以很长时间以来认为这样的大相差 对基于衍射的平面波导器件的可靠制造是必须的。因此，现有的器件由于所需的高衍射 级次而被限制在小波长范围内操作。直接蚀刻到平面光波导线路中的反射式衍射光栅由于其高性能和小尺寸而常6常被用作波长滤波器。传统的PLC可被制造在很多不同类型的基底上，包括硅基二氧 化硅、绝缘体上硅(SOI)或磷化铟(InP)。在图1中示出了在平板波导的一侧形成的 衍射光栅滤波器的一般配置。假定所有的作用都在平行于本页面平面的两维平面内，即， 光被限制在垂直方向上(垂直于本页面)。另一系统在图2和3中示出，其中凹面反射式衍射光栅IO形成于设置在芯片 12中的平板波导11的边缘处。输入口由波导13的端部限制，波导13从芯片12的边 缘延伸到平板波导11以传输输入波分复用(WDM)信号，包括其上的多个波长通道(、、 、,X3……)。光通过该输入口进入两维平板波导11中并水平地扩展，即，在水平面内 发散。随后，光遇到由很多小反射面组成的反射式光栅10。第一级反射信号根据光波 长在一个位置处结构性合并，其中输出波导15的端部被设置以捕获所关心的波长通道。如在这里通过引用被并入的2006年12月19日授权给铱诺博伦斯(Enablence) 技术有限公司的美国专利号7,151,635中所定义的，且如图2所示，衍射光栅10具有大 于3、优选地大于5和可能大于10的长宽比(aspect ratio, F/S )以及具有小于或等于 波长通道(、、X2、 X3……)的平均波长的侧壁长度S。输入波导13被设置以确保入 射角e,n小于45。，优选地小于30。和可能小于15。或甚至小于6°,且等级间距A被选择 以确保光栅10提供5或更少和优选地3或更少的级次内的衍射。衍射光栅10使输入信 号色散成组成波长并将每个波长通道聚焦在以输出波导15的端部的形式的分离的输出 口上，这些端部沿着由罗兰圓限定的光栅10的焦线16布置，以传输回芯片12的边缘。 所示器件也可用于将输入波导15的多个波长通道多路复用到单个输出信号，该单个输 出信号通过输入波导13被传输到芯片12的边缘。该输入和输出口代表在平板波导11 上可发射或捕获光的位置；然而，这些口可与其它传输器件光学耦合或仅仅被封闭。在PLC中制造反射式衍射光栅(例如图1和2所示)的最大的挑战之一是产 生小反射面所需的非常高质量的蚀刻。存在有制造有效率的光栅所必须克服的两个主要 挑战，即，接近完美的蚀刻垂直度和非常平滑的侧壁。图2所示的光栅齿一般被金属化 以提高其反射性。然而，因为光在下层二氧化硅中传播，光被反射离开内部金属，这大 致符合二氧化硅蚀刻的粗糙度和非垂直度，导致光栅的性能问题。消除这个问题的唯一 方法是发展具有非常低粗糙度的非常高质量的垂直蚀刻。不幸的是，在大多数蚀刻工艺中， 一般有蚀刻垂直度与蚀刻壁的粗糙度方面 的折衷，与制造良好光栅所必须的相反。这在大部分材料系统中是真实的；然而，当仅7在硅中实现时，在硅的深反应离子蚀刻(DRIE)中的最近发展使得可以实现非常深、 垂直、平滑的蚀刻。DR正工艺已经被非常普遍地用在MEM组件和很多其它应用中。然而，使用硅作为PLC波导是非常有限制的，且一般导致低性能组件。为了 获得在现代电信系统中所需要的高性能、低损耗组件，大多数PLC滤波器芯片被制造 在硅基二氧化硅基底中，其中光只在硅顶部上的薄玻璃层中传播。DR正技术可适用于 二氧化硅晶片，但蚀刻结果远逊于在硅中所得到的结果。由于那个原因，实际上在二氧 化硅晶片内蚀刻的所有反射式衍射光栅存在与蚀刻反射镜的垂直度和/或粗糙度相关的 性能问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是通过提供混合PLC器件来克服现有技术的缺点，在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种平面光波导线路ＰＬＣ器件，其包括：　输入口，用于发射输入光束；　第一基底上的平板波导，所述平板波导限定上覆层和下覆层之间的核心层，具有在其间形成的向下至所述核心层的槽；　设置在第二基底上的反射式衍射光栅，所述反射式衍射 光栅被安装在所述槽中，所述槽与用于使所述输入光束衍射的所述输入口光学地耦合；以及　第一输出口，其与所述反射式衍射光栅光学地耦合，用于输出由所述反射式衍射光栅改向的所述输入光束的至少一部分；　由此所述核心层和所述反射式衍射光栅由不 同的材料单独地制成。

【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：马特皮尔森，阿斯霍克贝拉克里施南，瑟奇比德尼克，
申请(专利权)人：铱诺博伦斯有限公司，
类型：发明
国别省市：CA[加拿大]