CN104246560A - 耦合波导装置及其结构 - Google Patents

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Abstract

平面波导装置提供一种波导(100)，该波导至少部分地覆于无源内埋肋波导之上，以用于对两者之间的光学辐射进行耦合。该上覆波导(100)具有至少一个渐细区段(200)，该渐细区段的宽度决定了在沿着该渐细区段的点处在这两个波导之间的耦合程度。该无源波导在截面中包含由纤芯材料组成的肋(140)，该肋在所有侧面上由包层材料环绕。该内埋肋能够避免晶体生长到蚀刻的四元层表面带来的问题，以及避免构造物的萃取精度需求带来的问题。

Description

耦合波导装置及其结构
技术领域
本发明涉及用于在光电子器件结构、组件或系统中使用的耦合波导装置及其结构，以及制造此类装置和结构的方法。本发明实施例尤其用于有源器件的光模扩展，例如用在光子集成（photonic integration）中。
背景技术
现已知，可以使用耦合波导来将光辐射从一个器件或结构传播到另一个器件或结构，以及使用耦合波导的特性来改善这种传播。
例如，历史上，半导体光学器件曾具有很小的波导模（waveguidemode），而光纤则倾向于具有大很多的波导模，例如为前者的10倍。在模尺寸上的不匹配会导致波导与光纤之间的耦合效率极低。
现已知，使用辅助波导来扩展半导体光学器件的模斑（mode spot）尺寸。第5,985,685号和第6,282,345号美国专利中揭示了这些实例。但是，这样做存在一些问题，诸如制造产量、可重现性以及/或者性能相对较低，而这些可以带来昂贵的生产成本。
发明内容
根据本发明实施例的第一方面，提供一种用于对由基板支撑的波导之间的光学辐射进行耦合的平面波导装置，所述装置包含无源波导以及相对于所述基板至少部分地覆于所述无源波导之上的波导，该上覆波导具有至少一个渐细区段以在使用所述装置时支持所述上覆波导与所述无源波导之间的所述耦合，并且所述无源波导包含纤芯层和包层材料，其中所述无源波导在截面中包含由纤芯材料组成的肋，所述肋在所有侧面上由所述包层材料环绕，从而提供内埋肋波导。
在实践中可以将所述包层材料制成多个层，其中各个层含有一种或多种不同材料。
使用一种无源波导结构，其中在任一侧面上纤芯层均被完全蚀刻并打穿，然后埋入包层材料中，这样的结构克服诸如在蚀刻深度上的关键依赖性以及所暴露的四元层的过度生长等问题，如在US6,282,345中描述。
所述上覆波导可以包含有源材料以在使用中提供光学增益。然后可以将此类波导实施为有源器件，诸如半导体光学放大器（SOA）或激光器。
所述渐细区段可以在一个或多个维度中渐细化。在许多已知的制造技术中，例如光刻技术，会出于便利而将所述渐细区段在平行于或大体平行于基板的平面中渐细化，但并非必须如此。唯一重要的是所述渐细区段支持在所述上覆波导与所述无源波导之间的至少一种光模的耦合。
在许多实施例中，出于便利，所述无源波导提供相对于所述上覆波导的模扩展。这样就能够在诸如SOA或激光器等可能具有严格限制的上覆波导与诸如光纤等具有较大模斑尺寸的波导之间对光学辐射进行耦合。
在大多数情况下，在使用所述装置时，如果所述上覆波导的渐细区段的传播方向，与发生耦合的内埋肋波导中的一部分的传播方向相互平行或者至少基本上遵循相同路径，就能够以最佳方式达成有效耦合。然而，可能存在传播方向并非完全相同或并非一直相同的布置。
在所述无源波导与所述上覆波导在相互耦合距离内延伸之处，可能会传播一种或多种寄生模。（在这种情况中，寄生模指的是例如由于传递到上覆波导的模不完整而在无源波导中留下的不想要的光模。）在所述无源波导中的断点或终止点提供了与上覆波导相关的至少一个无引导区域，这样在使用所述装置时可以减少或避免此类寄生模。此类断点或终止点具体来说可以由所述无源波导的纤芯层中的断点或间隔来提供，并且优选地在设置之后在使用所述装置时不会影响在所述上覆波导中传播的一个或多个模，例如通过改变模斑尺寸或形状来设置。
如果所述上覆波导具有一个或多个电驱动区域，例如如果所述上覆波导并入到有源器件或波导中，那么可能尤其重要的是要避免寄生模。在此情况中，在使用所述装置时，至少一个无引导区域可能相对于所述基板位于上覆波导的至少一个电驱动区域之下。
所述无源波导还可以通过具有至少一个弯曲引导部分来提供路由，以将光学辐射引导偏离所述上覆波导的传播方向。同样地，此类结构可能尤其有益，其中弯曲引导部分有部分相对于所述基板处于所述上覆波导的电驱动区域之下。
所述无源波导的其他修改为，所述无源波导可能包含至少一个光栅，所述光栅用作滤波器或分布式布拉格反射器。所述无源波导可能会分支耦合到单独的上覆波导，并且这种耦合可能偏向不同的各自光学传播模，例如，不同的偏振模。
进而可以存在通过修改上覆波导而引入的特征。举例而言，在所述上覆波导中的断点可以提供基于所述上覆波导或并入所述上覆波导的两个或多个电驱动器件之间的电隔离。
根据本发明实施例的第二方面，提供一种制造用于对渐细波导与无源波导之间的光学辐射进行耦合的波导装置的方法，所述方法包含以下步骤：
a)在由包层材料组成的一个或多个支撑层上外延生长包含由纤芯材料组成的一个或多个层的层结构；
b)在所述纤芯材料上生长由包层材料组成的至少一个另外层；
c)应用掩模并进行蚀刻，穿过由包层材料组成的所述另外层以及所述纤芯材料直至到达所述支撑层，从而形成肋波导结构；
d)移除所述掩模，并将所述肋波导结构埋入由包层材料组成的一个或多个掩埋层中，从而形成所述无源波导；以及
e)制造所述渐细波导，使其由所述掩埋层支撑，所述渐细波导在基本上平行于所述无源波导的轴向方向中延伸并且至少部分地覆于所述无源波导之上，以便在使用时两者之间进行光学耦合。
所述渐细波导可以包含具有至少一个渐细区段的波导，所述渐细区段覆于所述无源波导之上以便两者之间进行光学耦合。
附图说明
现在参考附图且仅以实例的方式对用于光学耦合的波导装置作为本发明的实施例进行描述，在附图中：
图1所示为耦合波导装置的第一实施例的垂直横向截面图；
图2所示为图1的耦合波导装置的平面图；
图3a至图3d所示为在制造过程中一系列步骤中的图1的波导装置的垂直横向截面图；
图4所示为波导装置的第二实施例的垂直横向截面图，其中包括一个斜撑层（outrigger layer）；
图5所示为波导装置的第三实施例的垂直横向截面图，其中包括两个斜撑层；
图6所示为具有额外层的第一实施例的垂直横向截面图的扫描电子显微镜图像；
图7所示为图6的波导装置所使用的模场（mode field）数据；
图8所示为波导装置的第四实施例的平面图，该波导装置并入了隔离区；
图9和图10所示为在波导装置中的纤芯模（core mode）和寄生模（parasitic mode）；
图11所示为波导装置的第五实施例的平面图，该波导装置并入了下引导件（lower guide）中的断点（break），以允许寄生模变得不再受引导；
图12所示为波导装置的第六实施例的平面图，该波导装置并入了弯曲的下引导件以将寄生模路由到外部；
图13和图14所示为用于波长选择或滤波的光栅的使用的平面图；以及
图15所示为提供偏振控制的配置的平面图。
应注意，附图未必按比例绘制。
具体实施方式
参看图1和图2，根据本发明的一项实施例的提供模扩展的平面波导装置包括位于内埋肋140上方的脊波导（ridge waveguide）100。脊波导100提供了诸如激光器或光学放大器之类的已知类型的有源器件的一部分，而内埋肋140提供了无源波导。在平面图中，可以看到，脊波导100具有渐细区段200，在渐细区段200中，波导100的横向维度发生改变。在波导100相对较宽之处，该器件携载大致在有源层120上确定中心的较小光模105，而在波导100渐细到相对较窄的横向维度之处，在该器件中的光学辐射会（以已知方式）向下耦合，形成较大的无源模110。
一般而言，“平面波导装置”是用来描述具有提供波导性质的一个或多个层的器件或组件的术语。此类装置通常会通过将下方材料置于已有基板上的外延（epitaxy）或涂层等方法来构造，但并非必须使用这些方法来构造。
在以下描述中，脊波导100大体被描述为具有有源层120以及/或者提供有源器件的至少一部分。但是，并非必须如此。上波导100可以同样提供无源器件的至少一部分，并且有源层120也许可以被更恰当地描述为纤芯层120，并且有源层120可以包含无源材料，而不是有源材料。
词语“有源”在此处意在描述材料或器件能够在使用中提供光学增益。与此相反，无源材料在使用中不提供光学增益。波导的纤芯层和包层在使用中具有不同的折射率，以对在波导中传播的光模进行引导，从而使光模遵循纤芯层并至少大体上由纤芯层来引导。纤芯层或包层的材料可以包含一种以上的不同的材料或材料类型。
上波导100为脊波导，但并非必须如此。对于上波导100也可以使用其他结构，诸如内埋的异质结构或内埋肋。如果无源内埋肋140中具有断点或不受引导的部分，或者内埋肋140用于将光路由偏离上波导100，那么这些结构适合于这些器件。下文会参考图11和图12来进一步描述这些实施例。
参看图1，波导装置用作基于n型掺杂的磷化铟（InP）基板135的芯片。该芯片载有n型掺杂InP缓冲层130，在n型掺杂InP缓冲层130上存在由Q1.125材料组成的肋140，肋140具有薄的n型掺杂InP盖层。“Q1.125”在此处是指具有1.125μm的能隙截止波长λg的四元材料。这些材料为含有四种不同元素的已知半导体材料，在此情况中为铟、镓、砷或磷。肋140还被埋于另外的n型掺杂InP缓冲层125中，在该n型掺杂InP缓冲层125上存在有源层120，有源层120上具有Q1.07蚀刻终止层115。
有源层120的设计通常由该有源层所属的器件来决定，并且可能，例如，含有多量子阱（MQW）结构以用于SOA或半导体激光器中。
位于有源层120上方的脊波导100主要为p型掺杂InP包层145，该p型掺杂InP包层145具有由砷化铟镓（InGaAs）组成的p++型掺杂盖层150。
在实践中，应理解，该等层中的一层或多层自身可以包含子层（sub-layer）。举例而言，下部包层或缓冲层130可以包括由较高折射率材料组成的薄层，以帮助达成所需模形状，此处示出了该薄层的一个简单实例，斜撑层400，下文会围绕图4来对其描述。
参看图2，在平面图中可以看出，脊波导100包含平行侧区域205，该区域终止于位于内埋肋140上的渐细部分200中。脊波导100和内埋肋140在轴向上平行，并且脊波导100在内埋肋140上方居于中央。平行侧区域205可以提供诸如半导体光学放大器（SOA）或激光器等器件中的有源纤芯。为完成此器件所需的额外层在图6中示出，并且下文将围绕图6对这些额外层进行进一步描述。
总体上说，图2中所示的组合以及图6中的额外层提供了芯片215，芯片215包含有源器件，该有源器件是基于由脊波导100的平行侧区域205所提供的有源纤芯，该有源器件（在使用中）光学耦合到由脊波导100的渐细部分200和内埋肋140所提供的模扩展器（mode expander）。芯片215被剪切为矩形，但是在此实施例中，脊波导100以一定角度斜向通过芯片215，从而形成反射率变小的成角度端面210来作为模扩展器200、140的光学输出端，该角度例如可为10°。该成角度端面例如可以用于有源器件205为SOA的情况，用以改善性能。
参看图3，制造该波导装置的方法的步骤描述如下：
图3a：在InP基板135上建立初始晶片，方式为先沉积n型InP缓冲层130，然后再沉积由Q1.125材料组成的薄波导层300，薄引导层300具有薄n型掺杂InP盖层305；
图3b：使用氧化物盖310对该晶片进行图案化，并且蚀刻以形成引导层300以及InP盖层305的浅肋；
图3c：将氧化物盖310移除，继续覆盖以形成逐层埋入的肋140，以构建出完整的激光器或SOA，这些层包含n型掺杂InP缓冲层125、有源层120、Q1.07蚀刻终止层115、p型掺杂InP包层145以及盖层150；
图3d：图案化并蚀刻，穿过上部p型掺杂InP包层145和盖层150以形成渐细的脊波导100，该脊的宽度决定了在该波导装置使用时的模位置。
这种设计方法中具有的额外益处是它不会对有源层120进行蚀刻，因为有源层120包含基于铝的多量子阱（MQW）材料，诸如砷化铟镓铝（InGaAlAs），也被称作四元铝（aluminium quaternary）或Al Q材料。如果将此有源材料类型切削到接近于一定区域并且在该器件使用时该区域中会被供应正偏电流的话，则可能会对可靠性造成危害。在本发明的实施例中，不需要将有源层120切削到会被供应电流的区域，因而不同于诸如在第6,229,947号美国专利中所描述的已知类型的脊波导模扩展器。
还可以使用有源层120的替代结构，诸如由磷化砷铟镓（InGaAsP）制成的主体层（bulk layer）或MQW结构。相似地，内埋肋140可以具有复合构造。一般而言，通常需要将从器件的有源层120发出的光学辐射耦合至另一部件中，而内埋肋140则提供对准标记（alignment key），因为它限定了输出模的位置。
现已知可以对由光学结构所支持的模进行模型化，并且一些公司已经提供了合适的软件。例如，一种对波导模进行模型化的软件已上市，商标为FimmWave，由英国牛津郡（Oxford,UK）的光子设计有限公司（PhotonDesign Ltd）推出。对于有源层120的替代结构的FimmWave模型化已经实现。经模型化的替代结构有，例如：
·较低限制的四层量子阱有源层，其适用于高功率泵浦激光器以及增压半导体光学放大器（booster semiconductor optical amplifier），有源层限制因子约为5%
·较高限制的八层或十层量子阱有源层，其能够提供较多增益，适用于高增益半导体光学放大器和高速激光器，有源层限制因子约为20%
通过使用此类模型化，已经发现，对于内埋肋140无源波导的常见设计在每种情况下均可使用，而内埋肋140无源引导件的几何形状则由光模扩展的所需水平来决定。通过改变有源层120的厚度，可以简单地改变脊宽度，而模经由脊宽度传递到底层无源结构140。
参看图4和图5，用于无源波导的简单内埋肋140可以给出相对圆形的光模，但是已发现，需要添加薄的四元斜伸层400、500来达成完整的模扩展（下文会在小标题“耦合与模扩展”之下论述部分模扩展与完整模扩展）。在内埋肋140下方需要此类层400之处，使用与肋140自身的Q1.125材料相同组成的材料。位于肋上方的四元斜撑层500由Q1.07材料组成，因为在有源层120上方使用这种组成可以提供对有源脊100的蚀刻终止。使用这些组成并非必须，但是可以简化晶片生长阶段。
耦合与模扩展
在有源层120中行进的光束耦合或传递到内埋肋140中并随后进行模扩展的过程所达程度，是由若干因素现以已知方式决定的，这些因素包括脊波导100的渐细设计，以及形成脊波导100和内埋肋无源波导140的材料结构的维度和相对折射率。
对于从脊波导100到内埋肋无源波导140的耦合，脊波导100的渐细区段200存在最小宽度，在该最小宽度处脊波导100实质上被截断，使得光学辐射几乎完全被传递到无源内埋肋140。也就是说，存在最小宽度来确保到无源波导结构的耦合。该最小宽度（通过已知方式）由脊波导100和内埋肋无源波导140所提供的限制强度以及由所需要的模扩展程度来决定。脊波导100在材料和维度上的性质有可能至少部分地由该脊波导所具有的功能来决定，例如作为低限制SOA或高限制SOA的功能。无源肋140的设计有可能至少部分地由该无源肋所要将光束传递给的部件来决定。因此，渐细区段200的最小宽度必须得适应这些其他因素。一条大体规则为，较之于高限制脊波导布置100，在低限制脊波导布置100中，渐细区段200的最小宽度可以相对较大。
对于模扩展，参看内埋肋140，就给定材料来说，肋140的维度决定了模尺寸。而选择这些参数的目的，既可以是为了围绕存在于脊波导100中的模来给出模扩展，也可以是简单地为了提供用于在不同的有源元件之间进行光学路由的无源波导。如果肋140是用于光学路由，那么较大的厚度或宽度会给出较强的引导，使得肋140被设计成在相同的光学损失下具有相对更紧密的弯折，且使得在脊波导100与内埋肋140之间的模传递区段的长度变短。大体来说，较浅或较窄的肋140会产生较弱的引导和较大的模尺寸。但是，较大的模尺寸会需要在脊波导100与内埋肋140之间的较长的模传递区段，这样才能维持低损失的或基本上绝热的模变换。
应理解，内埋肋140的宽度不一定必须为恒定的，也可以改变，例如为了达成耦合中的特定耦合特性或空间变化。该宽度还可以用于改变无源波导中的模尺寸，例如，由此来充当模扩展器中的一部分或者来执行某种其他功能。
对于形成内埋肋140的材料结构的相对折射率而言，同样采用波导的已知方式，模斑尺寸受到在肋140与围绕肋140的缓冲层125、130之间的折射率的差的影响。较大的差倾向于使引导增强并使模斑尺寸变小。如上文所提及，肋140可以包含四元材料，该四元材料具有1.125μm的能隙截止波长λg。如果该材料具有较高的能隙截止波长λg，那么其折射率将更高，并且肋140所需的深度会变小以获得相同的模斑尺寸。这样也可以是有优势的，因为肋140的深度可以在肋140上方的结构中产生不均匀性。因此，优选地，将该肋保持为相对较浅，并且在下文的实例1和实例2中所描述的结构类型中，已发现0.2μm的最大深度是恰当的，但是其他深度也是可能的并且可以使用。
实例1和实例2涉及由内埋肋140形成的部分模扩展和完整模扩展。部分模扩展是为了针对透镜封端的光纤实现较低的耦合损失。肋140可以具有16° FWHM（半极大处全宽度）远场散射角（far-field diffraction angle），对应于约为3μm的模尺寸。对于SOA的标准封装来说，低的光学损失对于低的噪声数据是关键，因此部分扩展模是优选的，对于激光器来说，为了最大化模块输出功率，部分扩展模仍是优选的。例如，对于耦合到剪切的光纤或耦合到指定的硅石波导而言，诸如0.75%Δ（在纤芯与包层之间的折射率差）的无源波导，完整模扩展是优选的。在此情况中的远场角可能为约10°至12°，对应于约6μm的较大模尺寸。对于肋140与另一部件的无源对准而言，完整模扩展还可以提供增加的对准容限，但是对于低损失模扩展器而言，该器件必须相对较大，以容纳在脊波导100与内埋肋140之间的较长的模传递区段。
在实例1和实例2中，参考了不同类型的SOA，说明如下：
·SOA-L——此SOA具有低限制的四量子阱有源层，适用于高功率泵浦激光器以及功放SOA（有源层限制因子约为5%）。
·SOA-S以及SOA-NL——此类SOA具有较高限制的十量子阱有源层，能够提供更高增益，适用于高增益SOA以及高速激光器（该有源层限制因子约为20%）。
低限制有源层还适用于高功率激光器，而高限制有源层可适用于具有高调制带宽的激光器。
实例1：用于部分模扩展的无源波导
参看图4，对于适中的模扩展，在初始缓冲层130的底座处可能需要斜伸层400，以增加垂直模斑尺寸。在一实例中，结构使用的是具有掺杂浓度2e18cm-3的n型掺杂基板135，在基板135上生长有具有Q1.125μm波长的90nm厚层400，接下来是掺杂到1.2e18cm-3的2.0μm厚n型掺杂缓冲层130，以及由Q1.125材料组成的0.16μm厚肋层140，肋层140具有薄InP盖，用以在冷却期间保护该肋层。这部分结构先得图案化成3μm宽度，然后才能生长上部的1μm厚n型掺杂缓冲层125，接下来是生长上文图3a至图3d的描述中所提及的有源层和包层120、115、145、150。
对于该SOA-L的四阱有源层来说，此类结构要求脊波导100的渐细区段200须从平行侧区段205处的3μm宽渐细化为约0.9μm，然后TE（横向电场）和TM（横向磁场）模才传递到内埋肋140。对于较强的十阱SOA-S或SOA-NL有源层来说，脊波导100的渐细区段200从1.6μm宽渐细化为约0.5μm，然后TE模和TM模才传递到内埋肋140。
一旦该模从该等四阱或十阱结构中的任一者传递出，由FIMMWave模型化使用有限差模（FDM）解算器（同样由光子设计公司FimmWave供应商提供）预测出的模尺寸，以已知方式表达为由位于芯片出口端面处的内埋肋140所发出的光模的远场中的FWHM（半极大处全宽度）度数，图示于表1中。根据相对于最接近脊波导100的内埋肋140的矩形表面的平行方向和垂直方向中的模所相关的测量情况，所得结果属于标准类型。标题为“Para10deg”的这列给出的是平行方向中模的测量值，但是其中内埋肋140的纵轴与芯片的出口端面成10°，进而降低了在出口端面处的反射率。
表1.
关于此部分扩展实施例中的测量数据显示出，在实践中，模尺寸略微小于FimmWave模型化的预测值。下文会参考图7来进一步论述此类数据。
实例2：用于完整模扩展的无源波导
参看图5，对于完整模扩展，下部斜伸层400为由Q1.125波长材料组成的50nm厚层，接下来是3μm厚n型掺杂InP缓冲层130，以及0.1μm厚Q1.125肋层140。将此结构图案化为4μm宽度，然后才能生长上部的间隔物层，这些间隔物层包含作为第一缓冲层505的2μm的n型掺杂InP、50nm厚Q1.07上部斜伸层500以及另外的1μm厚n型掺杂InP间隔物/缓冲层510，然后才能生长有源层和包层120、115、145、150。
对于SOA-L，此结构同样需要将脊波导100从形成该SOA中有源纤芯的平行侧区段205处的3μm宽渐细化为约0.9μm，然后TE和TM模才传递到内埋肋140。对于较强的十阱SOA-S或NL有源层构造，脊波导100或SOA的平行侧区段205处的宽度以1.6μm开始，并且必须渐细化为约0.4μm至0.5μm，然后TE模和TM模才传递到无源内埋肋140。
在这两种情况中，一旦模已传递，则模尺寸便如表2所示，表2是使用与表1相同的方式计算出的。
表2.
参看图2和图6，使用接近于芯片输出端面210的扫描电子显微镜所获得的图像显示出，脊波导100的渐细部分200接近于其最窄值，例如小于1.0μm。为清晰起见，添加了虚线来强调内埋肋140和下部斜伸层400的位置。如所属领域的技术人员所了解，根据以上论述，该最窄值由无源内埋肋140和有源器件以其维度和组成确定的引导强度来决定的，此处的有源器件用脊波导100的平行侧部分205来表示。举例来说，较之于高限制有源器件，低限制有源器件的最小脊宽度可以相对较大。
图6中所图示的额外层包括位于脊波导100顶部的接触层150（参照上文关于图1、图3c和图3d所描述的盖层150）、处于远离脊波导100的区域中的硅石遮蔽/钝化层610，以及用于与基于InP的激光器或SOA结合使用的已知类型的p侧金属触点600，其包含由钛、铂、再次是钛和金组成的各层。
参看图7，对于具有SOA-L类型有源层构造且与芯片出口端面210成10°角度的波导100，基于远场角度（FWHM），测量了图6所示类型芯片的模尺寸测量值。这些数据是在20℃并对脊波导100施以400mA驱动电流的情况下获得的。图中图示了关于脊波导100的平行方向和垂直方向中的结果。平行曲线605显示出模远场角度（FWHM）为约15°，而垂直曲线600显示出模远场角度（FWHM）为约19°。
应用
本发明实施例大体上支持模扩展脊波导器件，但是对于包含Al Q有源层的芯片而言，本发明的实施例在改善可靠性和高温操作方面有着特别的优势。
变更脊波导100的宽度可以将该技术扩展为整合各种有源部件，方式为将该模传递到在各个器件区段之间的底层低损失引导件。另外，如果将在各器件区段之间将重新生长的p型掺杂层之类的掺杂层移除，则可能在各个区之间提供极高的电隔离。
参看图8，整合芯片805载有基于由脊波导100提供的有源纤芯的器件。第一器件并入了脊波导100的第一平行侧区域205，而第二器件并入了脊波导100的第二平行侧区域810。关于该等器件的输入端和输出端由脊波导100的渐细部分200来提供，以用于耦合到底层无源波导800中或从底层无源波导800耦合出。该两个器件区域205、810通过在两者之间的脊波导100的宽度缩减而实现隔离。在图8中，此种隔离被图示为间隙，但是从光学目的上说，在实践中可能仅需要将脊波导100渐细化为显著低于截止点的宽度，以便携载一个模或模的一部分。但是，需要物理间隙来提供电隔离。
参看图9和图10，通过使用上文提及的Fimmwave软件，已发现在本发明的实施例中可以产生寄生光模，方式与已知的脊波导模扩展器的相同。图9所示为有源纤芯模900（折射率为3.202），而图10所示为产生于无源波导140中的寄生模1000（折射率为3.167）。举例来说，这些寄生模发生的原因可以是，例如，在增大脊宽度时并不是所有的光学辐射均从无源波导140传递到上部纤芯引导件120、100。尽管可以通过增加模扩展器的长度或者减小模扩展的水平来减弱这些效应，但是在实际应用中这些效应并不能被完全消除。
在传统脊波导器件中，模扩展器和有源器件的形成是在单个外延阶段中生长的层上进行的，因此，对于为减少这种问题而采取的步骤，存在一些限制条件。在本发明的实施例中，模扩展和无源波导的功能被分割在了不同的生长阶段中，这样就可以在设计中实现更大的灵活性来克服这种问题。
参看图11，例如，可以在基于脊波导100的器件的有源纤芯区域1100下方移除下无源引导件140，使得任何寄生模均不会被引导。无引导区域（unguided region）的长度可以取决于有源纤芯区域1100以及所制造的器件的类型。
参看图12，在另一替代配置中，下引导件可以增宽并且/或者设计成具有弯曲部分1200，弯曲部分1200会将寄生模引导偏离有源纤芯区域1100。所需的弯曲半径则取决于光学波导140的强度。因此，如果不是用于制造出大的模尺寸，弯曲半径可以更小。注意到，在许多实施例中，无源波导140的低光学限制意味着需要相对较大的弯曲半径。对于提供完整模扩展的波导140来说，弯曲半径可能需要高达4mm、5mm或甚至更高。
但是，将无源引导件生长与渐细区域和有源纤芯分开，还可能实行更复杂的光学功能，包括：
·光抽头（optical tap），其中脊波导100的渐细区段200被有意设计成在底层无源波导140中留下一些光。
·波长选择元件，诸如用于实现粗略的波长路由的定向耦合器
参看图13和图14，可以在无源内埋肋波导140中设置一个或多个高次光栅1300，以提供分布式布拉格反射器（distributed Bragg reflector）（DBR）形式的波长选择性反馈，或提供波长选择性滤波（wavelengthselective filtering）。图13所示为处于脊波导100的渐细区段200之间的光栅1300，其中不存在脊波导100的有源纤芯区域。此处的光栅1300可以充当例如窄带滤波器。图14所示为位于装有脊波导100中的平行侧区域205的器件下方的光栅1300。此处的光栅1300可以充当例如DBR。
参看图15，可以使用多模干涉器件（MMI）、定向耦合器或“Y”形连接来在无源波导层处分割光学辐射。在图15中，无源波导140呈现出“Y”形连接，具有两个臂，并且信号可以在这两个臂之间进行分割。此结构可以用于路由，或者在两个臂具有不同的特性时，用于提供传播替代方案。
图15所示为在两个臂具有不同特性时的实例。第一臂载有脊波导100的窄渐细区段1500，而第二臂载有宽渐细区段1505。这些不同的渐细区段各自支持不同的偏振特性。在非方形波导中，横向电场（TE）模和横向磁场（TM）模具有不同的模折射率（modal index），因此会在脊波导100的各个渐细区段1500、1505与底层波导140之间以不同方式耦合。大体而言，对于上覆的波导100来说，纤芯区域的厚度小于脊的宽度，TM模会首先开始向下耦合到无源波导140中，其中渐细区段1500、1505仍相对较宽。在本文本所描述的本发明的实施例中，例如，当渐细区段1500、1505具有处于1.8μm至1.4μm之间的宽度时，对于TM模来说，模中的绝大部分会传递到底层无源引导件，而对于TE模来说，在处于1.4μm至1.0μm之间的宽度时才会发生上述现象。然后，可以对各个渐细区段进行设计以偏向于TE模或TM模的耦合，方式为在所偏向的耦合发生的区域上选择宽度相对长度变小的变化速率。因此，各个渐细区段对两种偏振态中的一者的耦合比另一者更有效。在图15中，较宽渐细区段1505明显地偏向TM模，而较窄渐细区段1500则偏向TE模。如果上覆的波导100为有源的，那么就可以增强TE模或TM模中任一者的增益，方式为增加在被设计成偏向所选模的臂中的驱动电流。
因为这些宽度范围相当接近甚至在一些情况中宽度范围会重叠，所以不大可能只传递一种模。但是，可以确保其中一种模在传递时的损失低于另一种模。此布置并没有设计成用作偏振分光器，但是通过调整载有不同渐细区段1500、1505的臂中的电流，可以将偏振水平修改一适中的量，以将偏振敏感性最小化。
图15所示为反射路由，但是也可以替代地使用马赫-策德尔干涉仪（Mach-Zehnder Interferometer）（MZI）布置。
可能会注意到，在本发明实施例中的无源波导140不需要提供模扩展。在无源波导140提供路由的情况中，可能优选地使用具有强引导性的无源波导140，这是因为可以将总体晶片组件制成更为紧凑。
总体上来说，本发明的实施例提供用于单片集成电路的替代平台，并且因为无源元件通常为n型掺杂或掺有铁，所以该材料会具有低的光学损失。尽管本发明确实给原本属于简单脊波导器件的器件中添加了一些生长复杂性，但是这是制造过程开始时进行的，这样就将可能造成产率损失的任何潜在成本减至最低。
应理解，关于本发明任一实施例或任一方面所描述的任何特征可以单独使用，也可以与所描述的其他特征组合使用，并且还可以在恰当时与任何其他实施例或方面的一个或多个特征组合使用，或者与任何其他实施例或方面的任何组合来组合使用。此外，在不偏离由所附权利要求书所界定的本发明的范围的前提下，还可以使用上文中未描述的等效物或修改。
应注意，在本说明书中使用诸如“光学”或“光”之类的词语或短语时，并不意图作为对任何特定波长范围的限制，诸如可见光波长范围或非可见光波长范围。

Claims (21)

1.一种平面波导装置，其用于对由基板支撑的波导之间的光学辐射进行耦合，
所述装置包含无源波导以及相对于所述基板至少部分地覆于所述无源波导之上的波导，该上覆波导具有至少一个渐细区段以在使用所述装置时支持在所述上覆波导与所述无源波导之间的所述耦合，并且所述无源波导包含纤芯层和包层材料，
其中所述无源波导在截面中包含由纤芯材料组成的肋，所述肋在所有侧面上由所述包层材料环绕，从而提供内埋肋波导。
2.根据权利要求1所述的平面波导装置，其中所述上覆波导包含有源材料以在使用中提供光学增益。
3.根据前述权利要求中任一权利要求所述的平面波导装置，其中所述上覆波导包含脊波导。
4.根据前述权利要求中任一权利要求所述的平面波导装置，其中在使用所述装置时，所述无源波导所提供的模尺寸大于所述上覆波导所提供的模尺寸。
5.根据前述权利要求中任一权利要求所述的平面波导装置，其中在使用所述装置时，所述上覆波导中的所述渐细区段的传播方向与发生耦合的所述内埋肋波导中的一部分的传播方向相互平行。
6.根据前述权利要求中任一权利要求所述的平面波导装置，其中所述无源波导中的由纤芯材料组成的所述肋包含四元材料。
7.根据前述权利要求中任一权利要求所述的平面波导装置，其中所述上覆波导包含有源纤芯层，所述有源纤芯层包含四元铝材料。
8.根据前述权利要求中任一权利要求所述的平面波导装置，其中所述无源波导中的断点或终止点相对于所述上覆波导提供了至少一个无引导区域，以用于减少或避免在底层波导中的寄生模的传播。
9.根据权利要求8所述的平面波导装置，其中所述断点或终止点由所述无源波导中的由纤芯材料组成的所述肋中的断点来提供。
10.根据权利要求8或9中任一权利要求所述的平面波导装置，其中在使用所述装置时，所述至少一个无引导区域相对于所述基板位于所述上覆波导的至少一个电驱动区域下方。
11.根据前述权利要求中任一权利要求所述的平面波导装置，其中所述无源波导包含至少一个弯曲引导部分，用于将光学辐射引导偏离所述上覆波导的传播方向。
12.根据权利要求11所述的平面波导装置，其中所述至少一个弯曲引导部分有部分相对于所述基板位于所述上覆波导的一个电驱动区域下方。
13.根据前述权利要求中任一权利要求所述的平面波导装置，其中所述无源波导包括光栅，所述光栅用作滤波器或分布式布拉格反射器。
14.根据前述权利要求中任一权利要求所述的平面波导装置，其包含具有渐细区段的另外波导，其中所述无源波导被分支，所述上覆波导的所述渐细区段支持所述无源波导的第一分支与所述上覆波导之间的耦合，并且所述另外波导的所述渐细区段支持在所述无源波导的第二分支与所述另外波导之间的耦合。
15.根据权利要求14所述的平面波导装置，其中所述渐细区段所具有的维度经选择以用于在使用所述装置时携载不同的光学传播模。
16.根据权利要求15所述的平面波导装置，其中所述不同的光学传播模包含不同的偏振模。
17.根据权利要求1至13中任一权利要求所述的平面波导装置，其包含在所述装置使用时的至少两个电驱动器件，每一器件包含所述上覆波导中的一部分并且具有所述上覆波导中的至少一个关联渐细区段以支持与所述无源波导的光学耦合，其中所述至少两个器件之间的电隔离由所述上覆波导中的断点来提供。
18.根据权利要求17所述的平面波导装置，其中所述上覆波导中的所述断点包含所述上覆波导的有源纤芯区域中的断点。
19.根据权利要求1至18中任一权利要求所述的平面波导装置，其中所述无源波导的所述包层材料被设置为两个或多个层。
20.一种制造用于对渐细波导与无源波导之间的光学辐射进行耦合的波导装置的方法，所述方法包含以下步骤：
a)在由包层材料组成的一个或多个支撑层上外延生长包含由纤芯材料组成的一个或多个层的层结构；
b)在所述纤芯材料上生长由包层材料组成的至少一个另外层；
c)应用掩模并进行蚀刻，穿过由包层材料组成的所述另外层以及所述纤芯材料直至到达所述支撑层，从而形成肋波导结构；
d)移除所述掩模，并将所述肋波导结构埋入由包层材料组成的一个或多个掩埋层中，从而形成所述无源波导；以及
e)制造所述渐细波导，使其由所述掩埋层支撑，所述渐细波导在基本上平行于所述无源波导的轴向方向中延伸并且至少部分地覆于所述无源波导之上，以便在使用时两者之间进行光学耦合。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述渐细波导包含具有至少一个渐细区段的波导，所述至少一个渐细区段覆于所述无源波导之上，以便两者之间进行光学耦合。
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