CN1261675A - 模式形状转换器、其制造方法和利用该部件的集成光学器件 - Google Patents

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Abstract

公开了一种模式形状转换器及其制造方法和利用该部件的集成光学器件。模式形状转换器插入在包含于光学器件中的功能执行单元的输入端子或输出端子与光纤之间、并适合于把光纤模式与功能执行单元的输入或输出端子模式耦合,并且包括:基片、下包层、下肋形波导、纤芯、上肋形波导和上包层。纤芯用单一介质制成。由下肋形波导限定的阶梯式图案仅局部地存在于耦合和转换区域,因此简化了上肋形波导图案的形状。相应地简化了模式形状转换器的制造。

Description

模式形状转换器、其制造方法和 利用该部件的集成光学器件
本发明涉及模式形状转换器、该模式形状转换器的制造方法和利用该模式形状转换器的集成光学器件，而更具体地说，涉及设置在光学器件的输入和输出端并适合于耦合通过光纤输入光学器件或从其中输出的光的模式形状转换器。本发明还涉及这样的模式形状转换器的制造方法和利用该模式形状转换器的集成光学器件。
集成光学技术是一种利用波导把不同的光学器件集成在一块基片上的技术。利用这种集成光学技术，有可能容易地把具有复杂结构的多功能光学器件集成在有限的小面积上，因为单元光学器件的对准能够容易地实现。
实现集成光学器件的波导结构的实例是肋形波导，后者是对平面波导进行局部蚀刻而制成的信道波导。这种肋形波导具有如下各种优点。首先，有可能在很宽的范围内选择纤芯和包层各自的折射率。其次，可以制造出截面积大的单模波导，而不管纤芯和包层之间的折射率不同。第三，在利用蚀刻深度作为主要处理参数的条件下，有可能容易地调整诸如模式分布和传播常数等光学特性。第四，与矩形波导相比，可以获得精确的图形。这是因为肋形波导中的蚀刻深度小于矩形波导。第五，有可能减少纤芯层蚀刻过程中的出现的损坏，例如，各向异性的蚀刻引起的图形尺寸的误差、具有应力的层的蚀刻过程中出现的开裂现象和由蚀刻过程中形成的副产品的再积累引起的损坏。
尽管有这些优点，上述肋形波导也存在缺点，就是当光纤耦合到光学器件的波导时，产生非常大的耦合损耗。单模光纤具有宽高比1∶1的圆形模式分布，而同时具有较大的尺寸，例如，10μm(微米)。另一方面，肋形波导具有椭圆形模式分布，其中，其水平宽度大于其垂直宽度。在许多情况下，这种肋形波导的模式分布尺寸也大于单模光纤的模式分布尺寸。因此，存在肋形波导和光纤之间的连接处模式形状不重合现象。由于这种模式形状不重合现象，光波在经过接合面时遇到不连续性，使得它在被反射和散射的同时引致耦合损失。为了解决这个问题，在光纤要耦合到的集成光学器件的输入或输出端设置一种模式形状转换器。模式形状转换器用来把光纤的模式缓慢地转换成适合于执行光学器件功能的模式形状，从而达到减小耦合损失的目的。
图1是图解说明美国专利No.5,078,516中公开的传统模式形状转换器的结构的透视图。图1所示的模式形状转换器包括第一波导100、第二波导102和基片104。在图1中，标号106表示输入端子，而标号108表示输出端子。标号110表示第一波导100、第二波导102和基片104各自的折射率。第一波导100设计成具有适合于执行该模式形状转换器所耦合到的光学器件的功能的小模式尺寸。第二波导102设计成具有小于第一波导100的折射率，而同时具有大的模式尺寸，以便获得与光纤的有利的输入/输出耦合。输入端子106的波导仅仅由第二波导102构成。这第二波导102使用空气作为其上包层，而同时利用基片104作为其下包层，以便在深度方向上约束光波。为了在纵向约束光波，对作为纤芯的第二波导102进行局部蚀刻，以便具有肋形波导的结构。
输出端子108的波导仅仅由第一波导100构成。输出端子108的第一波导100具有不同于输入端子106的肋形波导结构的带状加载波导结构。第一波导100使用空气作为其上包层，而同时利用第二波导102作为其下包层。
模式转换区被限定在输入端子106和输出端子108之间，以便把从光纤输入到光学器件之后的耦合模式转换成适用于在没有任何耦合模式损失的情况下执行该光学器件功能的模式形状。具有大模式尺寸的肋形波导借助模式转换区转换成具有小模式尺寸的带状加载波导。通过模式形状转换器导引的光被缓慢地移向第一波导100，因为第一波导100具有高于第二波导102的折射率，尽管第一波导和第二波导100和102两者的宽度都增大了。当被导引的光到达输出端子108时，其功率主要向第一波导100集中。
图2a是举例说明上述模式形状转换器输入端子106的模式分布的示意图，而图2b是举例说明上述模式形状转换器输出端子108的模式分布的示意图。
但是，配备上述模式形状转换器的集成光学器件有如下问题。首先，制造是困难的，因为它需要使用由不同材料制成的两个纤芯，而且第一波导应该精密地形成在第二波导上。第二，在把从该光学器件到具有圆形模式的光纤的耦合损失减到最小方面有限制，因为输入端子106的肋形波导结构具有椭圆形波导模式，尽管它具有大的模式尺寸。第三，因为模式形状转换器具有下锥形(down-tapering)结构，以便提高输入端波导的模式尺寸，其波导尖锥体在长度上增大。在模式转换过程中传输损失增大。
因此，本发明的一个目的是提供一种包括由单一介质制成的双波导的并具有向上锥形(up-tapering)结构的模式形状转换器、该模式形状转换器的制造方法和利用该模式形状转换器的集成光学器件。
按照一个方面，本发明提供一种模式形状转换器，它插入在包括在光学器件中的功能执行单元的输入端子或输出端子和光纤之间、并且适合于把光纤的模式与功能执行单元的输入或输出端子的模式耦合，它包括：基片；涂敷在所述基片上的下包层，所述下包层在要求的区域内具有蚀刻部分；在所述下包层的蚀刻部分上形成的下肋形波导；在所述下肋形波导和所述下包层的非蚀刻部分两者之上形成的纤芯；在所述纤芯上以这样的方式形成的上肋形波导，使得它与所述下肋形波导对准，所述上肋形波导具有要求的形状；以及在所述上肋形波导和所述纤芯的不被所述上肋形波导覆盖的部分两者之上形成的上包层。
按照本发明的另一个方面，本发明提供一种制造模式形状转换器的方法，该模式形状转换器插入在包括于光学器件中的功能执行单元的输入端子或输出端子和光纤之间、并且适合于把光纤的模式与功能执行单元的输入或输出端子的模式耦合，该方法包括：(a)在基片上涂敷下包层；(b)在所述下包层上形成蚀刻掩模的图案，并利用所得的蚀刻掩模图案把所述下包层蚀刻至要求的深度；(c)在被蚀刻的所述下包层上涂敷芯层，从而形成下肋形波导和纤芯；(d)在所述纤芯上形成另一个蚀刻掩模图案，并利用所得的另一个蚀刻掩模图案蚀刻所述纤芯，从而形成上肋形波导；和(e)在所述纤芯和所述上肋形波导上涂敷上包层。
按照再一个方面，本发明提供一种集成光学器件，它包括：功能执行单元，它分别在其输入端子和输出端子上耦合到光纤；第一模式形状转换器，它设置在所述功能执行单元输入端子处，并且适合于把输入光纤的模式转换成适合于执行所述光学器件要求的功能的模式；和第二模式形状转换器，它设置在所述功能执行单元的输出端子上，并且适合于把从所述功能执行单元输出的模式转换成光纤的模式，输出端模式形状转换器具有与第一模式形状转换器相反的安排，其中，所述第一和第二模式形状转换器中的每一个包括：基片；涂敷在所述基片上的下包层，所述下包层在要求的区域具有蚀刻部分；在所述下包层的蚀刻部分上形成的下肋形波导；在所述下肋形波导和所述下包层的非蚀刻部分两者之上形成的纤芯；在所述纤芯上以这样的方式形成的上肋形波导，使得它与所述下肋形波导对准，所述上肋形波导具有所需要的形状；和在所述上肋形波导和所述纤芯的不被所述上肋形波导覆盖的部分两者之上形成的上包层。
参照附图详细地描述本发明的最佳实施例，本发明的上述目的和其它优点将变得更加清楚。
图1是图解说明传统模式形状转换器结构的透视图；
图2a是举例说明图1所示模式形状转换器输入端子的模式分布的示意图；
图2b是举例说明图1所示模式形状转换器输出端子的模式分布的示意图；
图3是举例说明按照本发明的模式形状转换器结构的透视图；
图4a，4b和4c是举例说明图3所示各区城的相应的截面形状、连同这些区域中相应的模式分布的示意图；
图5是举例说明图3中所示的下和上肋形波导的平面图；
图6是举例说明按照本发明的模式形状转换器的耦合区域的截面图；
图7a至7g是分别举例说明按照本发明的模式形状转换器制造方法的顺序加工步骤的截面图；
图8a和8b是分别举例说明按照本发明的光纤模式和双肋形波导模式的示意图；
图9是按照三维光束传播方法进行的模拟结果的示意图，举例说明图3中所示转换区域的操作；和
图10是举例说明具有按照本发明的配置的模式形状转换器的集成光学器件的示意图。
下文中将结合附图详细地描述本发明的一些最佳实施例。
图3是举例说明按照本发明的模式形状转换器的结构的透视图。图3中的模式形状转换器包括基片300、下包层302、下肋形波导304、纤芯306、上肋形波导308和上包层310。在图3中，标号312表示耦合区域，314表示转换区域，而316表示稳定区域。下肋形波导304、纤芯306和上肋形波导308均用相同的材料制成。
图4a，4b和4c是举例说明图3中所示的耦合区域312、转换区域314和稳定区域316的相应的截面形状的示意图，同时还表示这些区域中相应的模式分布。参见图4a至4c，可以发现，连接到光纤的耦合区域的圆形模式在通过转换区域314的同时逐渐转换成椭圆形模式。通过稳定区域316之后，模式转换成适合执行本模式形状转换器应用于其中的光学器件的功能的椭圆形模式。
图5是举例说明图3中所示的下肋形波导304和上肋形波导308的平面视图。在图5中，“WLi”和“WUi”表示下和上肋形波导的相应的输入端宽度，而“WLf”和“WUf”表示下和上肋形波导的相应的输出端宽度。参见图5，可以发现，每一个波导都具有按照其每一个区域变化的结构。就是说，下肋形波导304的宽度逐渐减小到0，而同时上肋形波导308的宽度逐渐增大到适合于执行光学器件的功能的宽度。这里，光学器件的功能包括光波的调制、转换或滤光。耦合区域312是模式形状转换器耦合到光纤的区域。这个耦合区域312设计成其模式具有与光纤模式相同的尺寸和形状。该耦合区域的双肋形波导结构具有以单一介质制成的纤芯。这个双肋形波导结构包括两个波导，一个是上肋形波导308，而另一个是安排在上肋形波导之下并处于相反状态的下肋形波导304。上肋形波导308连接到光学器件的功能执行单元。下肋形波导304的宽度和深度被调整到使双肋形波导的基模与光纤的圆形模式充分一致。
转换区域是把耦合到耦合区域312的光波转换成适合于执行光学器件的功能的模式形状的区域。这个转换区域设计成满足绝热条件，以便把所述转换过程中产生的辐射损失减到最小。在转换区域中，下肋形波导304在其纵向延伸的过程中宽度逐渐缩小，从而使耦合区的圆形模式转换成适合于执行光学器件的功能的椭圆形模式。随着下肋形波导304的宽度逐渐减小，由下肋形波导304限定的光波的功率逐渐减小。结果，光波迁移到上肋形波导308。
下和上肋形波导304和308各自宽度的变化设计成使辐射损失减到最小。
稳定区域316用来去除模式转换过程中产生的较高次模式，从而把适合于执行光学器件的功能的模式传输到光学器件的功能执行单元。这个稳定区域316只由上肋形波导308组成。稳定区域316只允许适合于执行所需要的功能的转换后的光波模式，而同时把剩余的较高次模式发射到基片。
具有上述结构的模式形状转换器按照以下设计制造。本发明考虑一个具有椭圆形模式的肋形波导。然后，确定与光纤模式形状一致的输入端波导的结构。在输入端波导面积减小使得波导模式形状与光纤的模式形状一致的地方，正如在下锥形的方法中，甚至在光学波导的截面形状出现细小变化时，也难以达到有效的输入耦合。因此，设计具有大截面积的波导结构，正如在向上拔梢的方法中，以便实现有效的输入耦合和增大波导截面形状的误差允许值。按照本发明，制造这样一种双肋形波导结构，它包括单肋形波导(上肋形波导)，和一个反向的肋形波导(下肋形波导)，后者处于上肋形波导之下，而同时具有大的截面积，使得它具有模式尺寸大并且模式形状呈圆形的模式。
下文中设计连接输入和输出端子的波导锥体。为了把大的圆形模式转换成椭圆形模式，必须形成在深度方向伸展的锥体。按照本发明，以这样的方式设计下和上肋形波导304和308，使得即使仅在宽度方向上做成锥形，也能够获得在深度方向上做成锥形的效果。当下肋形波导304的宽度逐渐减小时，沿着下肋形波导304行进的光波逐渐向上向上肋形波导迁移。确定上和下肋形波导308和304各自的宽度变化，以便把模式转换过程中产生的辐射损失减到最小。
如下进行模式形状转换器的截面设计。图6是举例说明按照本发明的模式形状转换器的耦合区域的截面图。图6中，标号600表示基片，602表示下包层，604表示下肋形波导，606表示纤芯，608表示上肋形波导，而610表示上包层。“WUi”代表上肋形波导608的输入端宽度，“Dt”代表纤芯606的厚度，“DUi”代表用于形成上肋形波导608的蚀刻深度，“DLi”代表用于形成下肋形波导604的蚀刻深度，而“WLi”代表下肋形波导604输入端的宽度。这些参数可以按以下方法确定。例如，在通过确定Dt，DUi和WUf把上肋形波导设计成具有适合于执行光学器件的功能的结构的情况下，剩余的参数WLi，DLi和WUi可以利用以下表达式1确定。耦合效率可以由带有光纤模式的双肋形波导模式的重叠积分求出。按照耦合模式理论，重叠积分用下列表达式1表示。
[表达式1]
Figure A0010165200121
式中，E光纤和E耦合区代表光纤的和耦合区域的相应的模式分布。
按照上列表达式1，当上述两个模式分布彼此相同，而且彼此精确对准时，重叠积分值为1。利用按照上述设计制造的下和上肋形波导的图案和蚀刻深度，制造该模式形状转换器。图7a至7g举例说明按照本发明制造上述模式形状转换器的方法。作为模式形状转换器的材料，可以采用诸如Si，GaAs或InP等半导体材料、诸如LiNbO3或聚合物等绝缘材料。
图7a至7g中举例说明的方法相当于利用聚合物制造模式形状转换器的情况。按照这个方法，首先如图7a所示，把聚合物涂敷在硅基片700上，从而形成下包层702。然后，如图7b所示，在下包层702上利用暗视场掩模按照光刻工艺形成蚀刻掩模图案704，以便形成下肋形波导。然后，如图7c所示，利用蚀刻掩模图案704把下包层702干蚀刻至要求的深度。此后，如图7d所示，在蚀刻的下包层706上涂敷聚合物，从而形成纤芯708。然后，为了形成上肋形波导，令明视场掩模对准下肋形波导。如图7e所示，利用明视场掩模按照光刻工艺形成蚀刻掩模图案710。如图7f所示，利用蚀刻掩模图案710把纤芯708干蚀刻至上述程序所确定的深度，从而形成纤芯712和上肋形波导714。如图7g所示，在纤芯712和上肋形波导714上涂敷聚合物，从而形成上包层716。
图8a和8b分别举例说明光纤的模式和按照本发明的双肋形波导的模式。为了确定光纤和双肋形波导之间的耦合度，利用有限差值法同时利用按照本发明的上述重叠积分表达式，按照截面模式分析法计算模式形状转换器的耦合效率。在图8a所示的光纤模式的情况下，光纤的纤芯和包层具有1.461和1.457的折射率(比折射率Δn＝0.27％)。光纤的纤芯具有9μm的直径。光纤的模式是圆形模式，因为在波长1.55μm处光波强度的l/e2宽度和l/e2深度均为10.61μm。
在数字模拟中用的双肋形波导的参数如下。纤芯和包层各自的折射率为1.5337和1.5169(比折射率Δn＝1.2％)。上肋形波导的宽度，WUf，是5μm，蚀刻深度DUi是1.5μm，而纤芯厚度Dt为4.0μm。通过在改变下肋形波导的宽度和深度的同时进行耦合效率的计算，求出表现出最大耦合效率的下肋形波导的宽度WLi和蚀刻深度DLi。当“WLi”为11.5μm，而“DLi”为7.5μm时，求出最大重叠积分值0.9889。该值对应于0.05dB耦合损失，这是一个小的耦合损失。在这种情况下，耦合区域的模式表现为光波强度的l/e2宽度和l/e2深度分别相当于10.61μm和10.26μm，宽高比为1.034。
转换区域是一个用来改变下和上肋形波导各自的宽度、以便把输入到耦合区域之后耦合的光波传输到稳定区域的肋形波导的区域。上肋形波导的宽度从模式形状转换器输入端的宽度WUi变为连接到光学器件的模式形状转换器输出端子处的输出端宽度WUf。下肋形波导的宽度沿着纵向逐渐缩小到0。结果，转换区域用来把光波从下肋形波导迁移到上肋形波导。
图9是按照三维光束传播法进行的模拟结果的示意图，举例说明转换区域的操作。图9中，暗的部分代表呈现高的光强度的区域。
参见图9，可以发现，在耦合区域中限制在下肋形波导中的光波在通过转换区域的同时逐渐向上肋形波导迁移。向上肋形波导迁移的光波在通过转换区域的同时辐射较高次的模式。辐射较高次模式之后，光波传输到光学器件。
图10是举例说明利用具有按照本发明的结构的模式形状转换器的集成光学器件的示意图。如图10所示，集成光学器件包括输入端模式形状转换器1000、功能执行单元1002和具有与输入端模式形状转换器1000相反配置的输出端模式形状转换器1004。
输入和输出端模式形状转换器1000和1004分别连接到光纤1006和1008。输入端模式形状转换器1000对从光纤1006接收的光波模式进行转换，然后把转换后的模式输出到功能执行单元1002。输出端模式形状转换器1004把从功能执行单元1002输出的模式转换成圆形模式，随后把该模式输出到第二光纤1008。因此，在集成光学器件中，输出端模式形状转换器1004具有与输入端模式形状转换器1000的相反的配置。
正如从以上的描述看到的，用来制造按照本发明的模式形状转换器的纤芯是由单一介质制成的。在本发明的模式形状转换器中，由下肋形波导限定的阶梯式图案只局部地存在于耦合和转换区域，这样便简化了上肋形波导的图案形状。相应地，简化了模式形状转换器的制造。本发明的模式形状转换器提供高的耦合效率，因为其输入端波导具有圆形模式。由于把适应于逐渐增大波导宽度的上锥形结构用在输入端波导，所以可以减小波导的锥体长度，而同时减小模式转换过程中的传输损失。
尽管已经参照其特定的实施例具体地显示和描述了本发明，但是，本专业的技术人员应该明白，在不脱离后附权利要求书所定义的本发明的范围的情况下，在形式上和在细节上都可以作出各种改变。

Claims (12)

1.一种模式形状转换器，它插入在包含于光学器件中的功能执行单元的输入端子或输出端子和光纤之间，并适合于把所述光纤的模式与所述功能执行单元的所述输入或输出端子的模式耦合，它包括：
基片；
涂敷在所述基片上的下包层，所述下包层在要求的区域具有蚀刻部分；
在所述下包层的所述蚀刻部分上形成的下肋形波导；
在所述下肋形波导和所述下包层的非蚀刻部分两者之上形成的纤芯；
在所述纤芯上以这样的方式形成的上肋形波导，使得它与所述下肋形波导对准，所述上肋形波导具有要求的形状；和
在所述上肋形波导和所述纤芯的不被所述上肋形波导覆盖的部分两者之上形成的上包层。
2.按照权利要求1的模式形状转换器，其特征在于所述下肋形波导包括：
耦合区域，它具有与所述光纤的模式耦合的模式；和
转换区域，其宽度以这样的方式从所述耦合区域的宽度逐渐缩小到0，使得它把所述耦合区域的所述模式传输到所述上肋形波导。
3.按照权利要求2的模式形状转换器，其特征在于：所述耦合区域的宽度逐渐缩小，使得在从所述耦合区域到所述上肋形波导的所述模式传输过程中产生的辐射损失减到最小。
4.按照权利要求2的模式形状转换器，其特征在于：所述耦合区域的输入端具有这样的截面，该截面的宽度和厚度根据所述上肋形波导的厚度和所述上肋形波导输出端的宽度以这样的方式确定，使得所述光纤的模式和所述耦合区域的模式之间的耦合效率达到最大。
5.按照权利要求2的模式形状转换器，其特征在于所述上肋形波导包括：
耦合区域，它与所述下肋形波导的所述耦合区域对准；
转换区域，它与所述下肋形波导的所述转换区域对准，并且适合于把从所述下肋形波导传输来的所述模式转换成适合于所述功能执行单元的模式；和
稳定区域，用来把从所述转换区域传输来的模式输出到所述功能执行单元。
6.按照权利要求5的模式形状转换器，其特征在于：所述上肋形波导的所述耦合区域的输入端宽度根据所述纤芯厚度、所述上肋形波导的厚度和所述上肋形波导的输出端宽度以这样的方式确定，使得所述光纤模式与所述下肋形波导的所述耦合区域的模式之间的耦合效率达到最大。
7.按照权利要求5的模式形状转换器，其特征在于：所述上肋形波导中的所述耦合区域的宽度以这样的方式变化，使得在把来自所述耦合区域的模式转换成适合于所述功能执行单元的模式的过程中产生的辐射损失减到最小。
8.按照权利要求1的模式形状转换器，其特征在于：所述上肋形波导、所述纤芯和所述下肋形波导用相同的材料制成。
9.一种制造模式形状转换器的方法，所述模式形状转换器插入在包含于光学器件中的功能执行单元的输入端子或输出端子和光纤之间，并且适合于把所述光纤的模式与所述功能执行单元的所述输入或输出端子的模式耦合，所述方法包括：
(a)在基片上涂敷下包层；
(b)在所述下包层上形成蚀刻掩模的图案，并利用所得的蚀刻掩模把所述下包层蚀刻至要求的深度；
(c)在蚀刻后的所述下包层上涂敷芯层，从而形成下肋形波导和纤芯；
(d)在所述纤芯上形成另一个蚀刻掩模图案，并利用所得另一个蚀刻掩模蚀刻所述纤芯，从而形成上肋形波导；和
(e)在所述纤芯和所述上肋形波导上涂敷上包层。
10.按照权利要求9的方法，其特征在于：分别在步骤(b)和(c)形成的所述图案是根据一些参数确定的，这些参数是这样确定的，使得所述模式形状转换器的所述输入端模式与所述光纤的所述模式的耦合效率达到最大。
11.按照权利要求10的方法，其特征在于：每一个所述图案的宽度是这样变化的，使得在所述模式形状转换器的输入端模式转换成适合于所述功能执行单元的操作的模式的过程中产生的辐射损失减到最小。
12.一种集成光学器件，它包括：功能执行单元，分别在其输入端子和输出端子上耦合到光纤；第一模式形状转换器，它设置在所述功能执行单元的所述输入端子处，并且适合于把输入光纤模式转换成适合执行所述光学器件的所需要的功能的模式；和第二模式形状转换器，它设置在所述功能执行单元的所述输出端子上，并且适合于把从所述功能执行单元输出的模式转换成光纤的模式，所述输出端模式形状转换器具有与所述第一模式形状转换器反向的配置，所述第一和第二模式形状转换器中的每一个包括：
基片；
涂敷在所述基片上的下包层，所述下包层在要求的区域具有蚀刻部分；
在所述下包层的所述蚀刻部分上形成的下肋形波导；
在所述下肋形波导和所述下包层的非蚀刻部分两者之上形成的纤芯；
在所述纤芯上以这样的方式形成的上肋形波导，使得它与所述下肋形波导对准，所述上肋形波导具有要求的形状；和
在所述上肋形波导和所述纤芯的不被所述上肋形波导覆盖的部分两者之上形成的上包层。
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