CN101437441B - 使波导锥形化的方法和工艺以及形成最佳波导结构的方法和工艺 - Google Patents

Abstract

在本发明的一些实施例中，电场横跨波导基底施加以便引起影响波导截面的离子交换过程。根据本发明，成形的电场可以控制波导的沿着它本身的尺寸和形状。

Description

使波导锥形化的方法和工艺以及形成最佳波导结构的方法和工艺

背景技术

最近，随着波分复用(WDM)光学通信系统的使用，对于在WDM光学通信系统中使用的光学器件的需求已经显著增长。光纤通常用作光学信号在光学通信上的传送通路。然而，在制造具有多信道的光纤器件例如多信道光学耦合器和WDM器件时存在技术限制。因此，其中集成了光波导和许多单元光学器件的平面光波导电路(PLC)被用于WDM器件中。

光学通信系统构造为在多个位置之间传播信号。通过至少一部分这种通信系统，信号被提供为沿光学通路传播的光。在沿通信系统的光学通路的多个位置处，可能需要整形或度量沿光学通路传播的光的模式。例如，一般将模式整形为满足沿光学通路定位的光学元件的模式匹配要求。例如，模式可以整形为适应从光纤至集成光学元件的转变。如此处所用，术语“模式”指的是相对于垂直于光学通路定向的截面区域的光的空间分布。为了有效率地耦合，用于耦合的波导应当相对无损耗并且保持单模波导，尽管在两个尺寸之间的其信道宽度方面存在改变。后者的考虑需要沿信道的折射率随着其几何形状的改变而反向改变。这些因素造成了问题。

特别是，如果信道宽度所需的改变通过普通的光刻技术、在需要的两个尺寸之间其宽度逐渐变小的信道而简单实现，则信道波导的折射率倾向于沿锥形区域的长度保持均匀，这是因为添加以形成信道中折射率改变的杂质浓度倾向于沿该长度保持均匀。结果，由于信道的宽度沿该长度改变，而折射率沿该长度保持均匀，因此沿锥形区域的模式属性改变。所需要的是使模式属性沿该长度基本上保持不变，其中信道宽度改变是沿该长度的折射率的补偿改变。

该问题对于波导特别关键的在于在信道和其基底之间使用大折射率改变以实现信道中能量的紧密密封。大折射率改变导致用于集成电路器件的相对窄单模式信道波导和一般较宽的光纤之间的大模式不匹配，该光纤通常耦合到这种信道波导。

通过波导轴向锥度的模式属性的转变在许多环境中是有用的。例如，模式尺寸转变允许对波导的不同部分中的模式尺寸进行独立优化，用于有效输入和输出耦合。模式尺寸转变也可以用于得到外部耦合模式的窄远场。从单模至多模波导的绝热锥形也允许加强耦合到多模波导的基本模式中。这在包含较宽分离波长的模式之间的相互作用的非线性波导器件的某些类型中是重要的。

模式匹配的现有技术解决方案使用光纤和微透镜，例如球面透镜或梯度折射率(gradient index)透镜。光纤和微透镜允许来自输出元件例如输出光纤的光的收集。光纤和微透镜也提供光输入耦合到输入元件例如输入光纤中。利用这种解决方案的典型缺点是在提供构形为接收输入模式以及提供适当整形输出模式的元件方面存在设计困难。

锥形光纤也已经用于整形模式。锥形光纤包括一个或多个锥形部分，即具有沿其各个长度改变的截面区域的部分。这些光纤的锥形部分一般通过控制递增加热而形成。例如，通过加热光纤的一部分，光纤纤芯倾向于膨胀，从而导致光纤截面区域的局部增加。光纤的同时加热和拉伸导致覆层和纤芯尺寸的减小。利用锥形光纤的可能缺点包括光纤的机械强度降低。

此外，具有连续锥形和分段锥形的集成光波导已经用于整形模式。如在此所用，术语“分段锥形”指的是由多个部分构成或被划分为多个部分的波导锥形，这些部分具有由介质层限定的不同的光学属性。当沿光的传播轴观察时，这些介质层形成在波导部分和基底材料的部分之间。术语“连续锥形”涉及波导锥形，其中其传播时的光不横越波导部分和基底材料的部分之间的介质层。从而，在具有连续锥形的波导中，锥形以连续且绝热方式改变其光学属性。具有分段锥形的波导能够提供二维模式锥度。然而，由于形成在分段波导部分之间的多个介质层边界，这些波导一般具有高损耗。此外，分段精确控制在技术上已解决。因此，可以理解，需要一种解决了现有技术的这些和/或其他缺点的系统和方法。

平面型光学器件可以由多种材料例如玻璃、半导体、非晶硅和聚合物形成。离子交换(IE)和其他离子扩散技术已经越来越引起人们的注意，将其作为在玻璃和其他材料中生产信道光波导的方法。生产信道玻璃波导的重要性源于它们与光纤的兼容性，潜在的低成本，低传播损耗和其他因素。利用IE(离子交换)方法制造平面波导的方法例子包括题为“Method for Fabricating BuriedWaveguides”的美国专利No.4913717(1990年4月3日)，题为“Method of Producing Optical Waveguides”的美国专利No.5035734(1991年7月31日)，题为“Process for Producing Low-lossEmbedded Waveguide”的美国专利No.5160360(1992年11月3日)，具有玻璃中通过离子交换制造的匹配折射率分布的条形波导(pp.1966，about.1974 of‘J.Appl.Phys’，1991 by T.Poszner，G.Schreiter，R.Muller)，玻璃中的场辅助离子交换：屏蔽膜(MaskingFilm)的效果(pp.1212.about.1214 of‘Appl.Phys.Lett’，1993 by B.Pantchev，P.Danesh，Z.Nikolov)，和玻璃中的偏振不敏感离子交换阵列波导光栅复用器(pp.279.about.298 of‘Fiber and integratedoptics’，1998 by B.Buchold，C.Glingener，D.Culemann，E.Voges)。离子交换技术的内容由Ramaswamy et al.，J.of Lightwave Technology，Vol.6，No.6，p.p.984-1002，June 1998给出。

由上述专利和论文提出的利用离子交换方法制造平面波导方法可以概述如下：

处理基于折射率的局部改变，其通过用其他离子在低温(低于玻璃基底的应变点)下替代来自玻璃的网络改性剂而实现。在大多数的情况下所交换的离子是钠。向内扩散的离子可以是另一种碱金属(锂，钾，铷和铯)或另一种一价或二价离子：银，铊或铜。大多数通常使用的离子是钾和银。在钾的情况下，对于钠IE，折射率改变主要通过由离子半径的大区别引起的压力诱发，而在银的情况下，对于钠IE，折射率改变由于Ag+离子的高极化性而引起。

交换离子的源可以是沉积在玻璃表面上的熔盐或金属层。交换可以通过热扩散或电迁移进行。为了实现IE时的高Δn，对于钠的银和对于钠的铊在碱金属改变(change)中是优选的。银IE的另一优点是可以产生无压力从而无双折射产品。

当称为掩模的金属薄膜之间的玻璃表面接触盐水时，离子交换在基底玻璃中的具体离子(主要为Na+离子)和包含具体离子(例如K+，Ag+，Cs+，Li+，Rb+和Tl+离子)的盐水中的具体离子之间发生。基于该原理，具有高折射率的波导在基底玻璃的预定部分处形成。

一般的扩散处理通过离子交换处理举例说明，其中一块玻璃或另一适当的材料(晶片)接触(例如浸入)包含所需离子的金属。选择金属离子，例如Ti+，Cs+，K+，Li+，Ag+，Rb+离子具有高于晶片离子的极化性，该金属离子与来自晶片的离子，一般为Na+进行交换。离子交换技术的内容由Ramaswamy et al.，J.ofLightwave Technology，Vol.6，No.6，p.p.984-1002，June 1998给出。通常，该技术包括在玻璃基底上沉积金属掩模，其具有由光刻实现的狭缝，使基底与包含所选阳离子的熔料接触，以及一旦表面波导通过离子交换和扩散产生，任选地施加电磁场以强制表面下的阳离子产生“嵌入”波导。

折射率由于下面三个因素在基底中局部增加：玻璃密度的局部改变，局部交换离子的更高极化性，和局部压力。

更详细地，玻璃基底或另一适当材料(晶片)的表面通过在基底表面上沉积掩模材料层而被初始遮盖，以及刻蚀掩模材料层的光刻工序，留下开口，其中将形成波导通路。遮盖表面通过第一熔化盐槽接触。在大多数情况下，基底玻璃中的钠离子对于掺杂阳离子例如Cs，Ag，Ru或Tl进行交换。电场有时候在该第一离子交换处理期间施加。

可替换第一离子交换处理：玻璃基底或另一适当材料(晶片)的表面通过在基底表面上沉积纯金属或包括施主(银)离子的金属层而被初始遮盖，以及刻蚀适当材料层的光刻工序，仅在其中将形成波导通路的地方留给它。其中玻璃中的初始(钠)离子在高温下通过扩散工序与涂层中的施主(银)离子进行交换的离子交换处理随后进行，电场有时候在该第一离子交换处理期间施加。

该第一离子交换处理的结果通常是相邻于表面的玻璃中的波导根据掩模设计具有相对高Δn，相对均匀Δn，相对低厚度，和宽度。

波导通路可以通过下述过程嵌入在基底表面下：去除掩模，在炉中横跨基底施加外部电场，以及使有效侧与包含对基底折射率贡献较小的离子例如Na和K离子的第二熔化盐槽接触。两种作用有助于该第二离子交换处理—嵌入工序：

1.电场产生离子电流(电流意味着离子电迁移)和波导偏移(迁移，拖动)到更深的深度。

2.电流在玻璃中产生热并与炉的热量，施主(银)离子扩散速率相结合，使波导膨胀。

作为该双离子交换处理的结果，在第一基底表面下方形成信号承载区域，其具有比围绕它的区域更高的折射率，基底中的嵌入波导根据工序设计具有相对低Δn，相对高直径和圆形。

题为“Process for tapering waveguides”的美国专利No.4,886,538(1989年12月12日)涉及一种形成信道波导的方法，其中信道几何形状和信道折射率沿信道长度相对改变，以保持信道的模式特性均匀，该方法使用信道波导的非均匀加热以引起信道掺杂离子的非均匀扩散。在一个实施例中，信道以非均匀速率通过激光下方以将信道曝光在不同数目的激光脉冲下。

题为“Optical systems incorporating waveguides and methods ofmanufacture”的美国专利No.6,751,391(2004年6月15日)涉及一种光学系统，其包括基本上平面的基底和至少部分嵌入在基底中的伸长二维锥形波导信道。它涉及一种形成光学系统的方法，其包括：提供基底；在基底上沉积轮廓信道预型，其由能够与基底进行离子交换的材料形成；和将来自信道预型的离子扩散到基底中以形成至少部分嵌入在基底中的波导信号。

题为“Method of manufacturing a planar waveguide using IonExchange method”的美国专利No.6,769,274(2004年8月3日)涉及一种制造平面波导的方法，包括三个步骤。第一步骤为通过离子交换处理在玻璃基底上制造表面层，其具有高于玻璃基底的折射率和给定厚度；第二步骤为在玻璃基底上的表面层中形成波导的图案；和第三步骤为在包括波导的整个表面上涂敷覆层。根据本发明的方法，可以产生在尺寸控制和再现性上优秀并且具有陡台阶壁的波导。

使波导锥形化以及形成最佳波导结构的现有技术方法和处理以相对复杂的方式进行。因此，可以理解，需要一种解决了现有技术的这些和/或其他缺点的系统和方法。

发明内容

本发明涉及一种形成信道波导的方法和处理，该波导的宽度和深度可以沿其长度以任何所需方式变化，一般在短的长度内从相对宽的尺寸至相对窄的尺寸以连续方式和绝热设计锥形化，以及其中沿该长度的信道中的折射率以补偿几何形状的改变的方式而变化。结果，信道的模式属性在长度上基本上保持均匀。

在该处理中，其宽度和深度将被控制的信道部分沿其长度在一定时间内和一定温度下受到非均匀电场，以便沿该长度实现掺杂离子或杂质的非均匀扩散。

电场倾向于从信道向外扩散杂质并且增加其宽度和深度。此外，由于掺杂相同量的离子或杂质仅在较宽波导体积上分布，因此，体积的增加通过折射率的相应降低来补偿。

多种方式对于提供所需的非均匀电场是可行的。在优选实施例中，沿基底长度的局部非均匀电场保持，而电极之间的整个外部电场沿基底长度固定和不变。

本发明的另一目的是改善光学电路的结构和波导光学放大器。

本发明的其他系统，方法，特征和优点将在阅读了下述附图和详细描述后对本领域技术人员是显而易见的。其是要将所有这些附加的系统，方法，特征和优点包括在本说明书中，以及在本发明的范围中，并通过所附权利要求保护。

附图说明

本发明的主题在说明书的结束部分特别指出并清楚要求。然而，本发明的操作的结构和方法，以及与其目的，特征和优点一起可以通过阅读所附附图参考下面的详细描述时最好地理解，在附图中：

图1是根据本发明一些实施例的在离子交换处理中横跨基底的电场的示意截面描述；

图2是根据本发明实施例的锥形器件的示意截面；

图3是根据本发明一些实施例运行的沿波导的纵向轴锥形化器件的示意截面描述；

图4是根据本发明一些实施例运行的沿波导的纵向轴锥形化器件的示意截面描述；

图5A-5C是根据本发明一些实施例运行的沿波导的纵向轴锥形化器件的示意截面描述；和

图6是根据本发明一些实施例制造的耦合波导的示意截面描述。

应当理解，为了说明的简单和清楚，附图中所示的元件没有必要按比例示出。例如，为了清楚，一些元件的尺寸可以相对于其他元件放大。此外，在适当考虑的地方，附图标记可以在附图中重复以表示相应或类似的元件。

具体实施方式

在下面的详细描述中，给出了许多具体细节以便提供对本发明的完全理解。然而，本领域技术人员应当理解，本发明可以在这些具体细节之外实施。在其他例子中，已知的方法，程序，元件和器件不再详细描述以便不使本发明不清楚。

应当理解，本发明可以用于多种应用中。尽管本发明的范围不限于该方面，但是在此公开的器件和方法可以用于多种设备中，例如光电器件，激光二极管，光学二极管，光纤等。激光二极管和单模光纤之间的匹配器件，单模和多模光纤之间的匹配器件，大光学点聚焦到小光学点等。除非另外陈述，否则如从下述讨论中很明显的，可以理解在整个说明书的讨论中，利用术语例如“处理”，“运算(computing)”，“计算(calculating)”，“决定”等涉及计算机或计算机系统，或类似的电子计算器件的动作和/或处理，其将计算机系统的寄存器和/或存储器中的表示为物理例如电子量的数据操作和/或转换为计算机系统的存储器，寄存器或其他这种信息存储器，传输或显示器件的类似表示为物理量的其他数据。

本发明的实施例可以包括进行在此操作的器件。该器件可以对于所需目的具体构造，或它可以包括通用目的的设备或系统。

在均匀电场(例如在无限的平行板电容器)中：

E＝V/d

其中E是电场强度，V是电压，d是板或电极之间的距离。

在离子交换(IE)处理的情况下，当d为局部基底厚度，V为横跨具有传导熔盐的两个基底界面之间的基底的电压时，横跨基底的局部内部电场通过相同的等式给出。

现在参考图1，其是根据本发明一些实施例的在离子交换处理中横跨基底16的内部电场的示意截面描述。根据所示描述，通过对接触传导材料例如熔盐14的电极12施加电压V而施加外部电场E，该电极与基底14的相对表面接触，这些表面彼此相对距离d。由于所得到的电场E，基底16的离子在基底14内部沿箭头19从位置17被拖拉到位置18，波导初始芯17从椭圆形被整形为圆形18。

基于上述处理，波导的形状可以控制以沿其纵轴具有所需形状。根据本发明的一些实施例，通过将施加电场的电极之间的距离限定到非常数，如图1所示，则电场E大小的控制可以实现。

楔形基底

现在参考图2，其是根据本发明实施例运行的沿波导22的纵轴的锥形器件20的示意截面。最初，芯，初始波导可以通过在线性梯度电场下方嵌入银波导而在基底16中形成。然后，电场(未示出)可以施加到定位在形成为楔形的基底16的表面24上的电极上，以便表面24之间的距离沿基底16线性改变。因此，电场的大小(在图2中从上电极24至下电极24横跨基底16)线性改变，越接近于右侧越弱，越接近于基底16的左侧越强(图2)。由于电场沿波导16的不同大小，因此初始芯形状(未示出)上的改变越接近于基底16的右侧越弱，越接近于基底16的左侧越强，从而波导22可以从左至右锥形化。锥形波导通过在线性梯度电场下嵌入银波导而产生。在可变电场条件下，两种作用有助于锥形波导：

1.高电场产生更高的离子电流，则跟随更深的嵌入深度。(高电流意味着更快的离子电迁移)

2.高电流在玻璃中产生更多的热量，银离子扩散速率增加，引起更多的波导膨胀。

作为处理结果，产生锥形波导，具有一侧(低电场侧)的小MFD(模式场直径)和浅深度，以及另一侧(高电场侧)的高MFD和深波导。

另外的模拟楔形基底—线性

现在参考图3，其是根据本发明一些实施例运行的沿波导22的纵向轴锥形化器件30的示意截面描述。以类似于图2所述的方式，构造楔形状器件30，然而这里电极34之间逐渐改变的距离通过与基底16的表面33邻接的模拟楔形32的连接来实现。这使得得到的电场类似于上面关于图2所述的电场。

另外的模拟楔形玻璃基底—非线性

现在参考图4，其是根据本发明一些实施例运行的沿波导22的纵向轴锥形化器件40的示意截面描述。以类似于图2和3所述的方式，构造楔形状器件40，然而这里电极44之间逐渐改变的距离通过与基底16的表面43邻接的模拟楔形42的连接来实现。在图4所示的例子中，电极44之间的距离非线性改变，这些电极之间的电场相应改变。结果，波导22的锥形可以是非线性的。

另外的虚拟楔形玻璃基底-复合线性或弯曲的楔形玻璃

现在参考图5A、5B和5C，其是根据本发明一些实施例运行的沿波导22的纵向轴锥形化器件50的示意截面描述。以与关于图3和4的描述相似的方式，构造器件50，然而在此电极54之间的变化距离通过与基底16的表面53邻接的块52、55、57的连接来实现。块52、55、57具有复合线性或弯曲的变化外表面。相应地，电极54之间的距离复合变化并由此产生复合的锥形波导22。

现在参考图6，其是利用本发明的锥形化处理根据上述本发明一些方法制造的耦合波导的示意截面描述。波导60可以包含具有较小的、椭圆形截面的第一端部62以及具有较大的、基本为圆形截面的第二端部64，分别如视图66、68所示。波导63例如可用作用于使激光二极管连接到端部62以及光纤连接到端部64的适配器或光学转变器。这种配置通过例如阶段二的单独控制能够简化例如锥形接续器的一个生产步骤，而没有另外的生产步骤。这种配置还能够实现外部模式尺寸转变器的制造，该转变器包括具有输入部分、输出部分以及设置在输入部分和输出部分之间的锥形部分的波导。波导的输入部分和输出部分之间的横截面在波导的全长上可平滑变化。通过在光学器件之间设置外部模式尺寸转变器60，相比于直接耦合基本提高了光学器件之间的耦合。例如，通过在激光器和光纤之间定位外部模式尺寸转变器，相比于这些光学器件之间的直接耦合显著提高了激光器与光纤的耦合。

本领域技术人员应当清楚，上述用于制造波导的方法和器件只是示例。只要施加电场而在基底中形成了所需的波导，能以一些其他方法使用相同的发明技术方案。

虽然在此说明并描述了本发明的一些技术特征，但对于本领域技术人员而言存在一些修改、替换、改变和等同物。因此，应当理解所附权利要求倾向于覆盖落入本发明真实精神范围内的所有上述修改和改变。

Claims (8)

1.一种在基底中整形光波导的方法，所述方法包括：

(a)在基底表面上沉积掩模材料层；

(b)进行刻蚀所述掩模材料层的光刻工序，同时留下开口，其中将形成波导通路；

(c)通过将基底的遮盖表面与第一熔化盐槽接触来进行第一离子交换处理，以便使得基底中的钠离子对于掺杂阳离子进行交换；

其中进行第一离子交换处理包括形成光波导，所述光波导在基底中且相邻于基底表面；

(d)通过进行不同的第二离子交换处理来将光波导更深地嵌入到基底中，所述第二离子交换处理包括以下步骤：

(i)从基底表面去除掩模材料层；

(ii)将基底放置在炉中，并横跨基底施加定向成基本上垂直于基底表面的非均匀电场；

(iii)与步骤(ii)一起，使基底的有效侧与包含对基底折射率贡献较小的离子的第二熔化盐槽接触；

其中施加非均匀电场的步骤包括：产生离子电流，从而(AA)使得来自于步骤(c)中的第一离子交换处理的交换离子朝向基底的深度电迁移，以及(BB)使得光波导朝向基底的深度偏移；

(iv)控制横跨基底施加的非均匀电场的大小，并在横跨基底施加的非均匀电场中产生沿着基底的梯度，从而改变光波导沿着基底的嵌入深度。

2.根据权利要求1的方法，包括：

通过一个或多个操作来引起基底中光波导膨胀，所述一个或多个操作包括至少：

(A)增大上述步骤(d)(iii)中炉的热量；以及

(B)增大横跨基底施加的非均匀电场的大小。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其中横跨基底施加定向成基本上垂直于基底表面的非均匀电场的步骤包括：

将光波导芯从椭圆形整形为圆形。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中横跨基底施加定向成基本上垂直于基底表面的非均匀电场的步骤包括：

改变非均匀电场的大小，以沿着光波导逐渐衰减。

5.根据权利要求4所述的方法，其中改变非均匀电场的大小的步骤包括：

沿着光波导进行所述非均匀电场的大小的线性改变。

6.根据权利要求4所述的方法，其中改变非均匀电场的大小的步骤包括：

沿着光波导进行所述非均匀电场的大小的非线性改变。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中横跨基底施加定向成基本上垂直于基底表面的非均匀电场的步骤包括：

(A)将光波导形成为锥形形状，所述锥形形状具有连续变窄信道宽度，和(B)将光波导形成为具有改变的折射率的信道，以补偿信道几何形状的变化，以及(C)将光波导形成为在信道长度上保持其模式属性均匀的信道。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其中横跨基底施加定向成基本上垂直于基底表面的非均匀电场的步骤包括：

在基底表面下方形成信号承载区域，该信号承载区域具有比围绕它的区域更高的折射率。

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