CN1398356A - 具有高折射率的平面波导 - Google Patents

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Abstract

具有相对高折射率波导的平面光学器件(10)能连接到具有相对低折射率波导的标准光纤和标准光学波导，该平面光学器件与具有高折射率波导的传统平面光学器件相比展示了减少的信号损耗。这个器件包括一个波导，该波导包括具有第一折射率的纤芯材料(18)的第一波导段(24)，和介于第一波导段(24)和第二波导段(27)之间的过渡波导段(26)。这个过渡波导段(26)包括第一折射率的纤芯材料(18)和第二折射率的纤芯材料(14)。在不同折射率的纤芯材料间，第一和第二纤芯材料(18，14)有一个相对损耗界面，该界面是锐角的倾斜面或锥形面(16，17)。

Description

具有高折射率的平面波导
发明背景
1.发明领域
本发明一般涉及用于光通信的平面光学器件，特别涉及应用纤芯具有较高折射率的波导和/或由纤芯和外部包层确定的纤芯折射率和包层折射率差别较大的波导的平面光学器件。
2.技术背景
已知平面光学器件的波导纤芯的折射率远高于外部包层。这些器件包括一个其上配置下包层的平面基底或本身用作下包层的平面基底；一种图案(patterned)纤芯材料，配置在下包层上，形成光波导线路；和，一个可选的上包层，它与下包层一起环绕着图案纤芯。其波导由折射率相当高的图案纤芯材料限定的平面光学器件的一个例子是光学照相开关。由于这种器件中纤芯材料的折射率相对较高，所以纤芯的截面尺寸(即宽度和高度)通常远小于折射率约为1.4的典型纤芯材料的截面尺寸。一般而言，由于与较大截面尺寸关联的多模传播导致无法接受的光强损耗(即信号损耗和信噪比下降)，所以必须减小截面尺寸以维特经过波导的单模光传播。
已知的平面光学器件使用一种折射率较高和/或纤芯折射率与外部包层折射率差别较大的纤芯材料，即使在适当地制造以防止多模光传播时，与典型的波导相比仍显示出相对高的信号强度损耗，该典型波导的纤芯折射率较低，截面尺寸较大，纤芯折射率和包层折射率的差别较大。这导致，光波在穿过一个由折射率较高的纤芯材料限定的波导时，与穿过一个由折射率较低的纤芯材料限定的典型波导相比，撞击纤芯和包层间界面的频率将更高。无论何时，当光撞击波导的纤芯和包层间的界面时，光会因为界面处的缺陷而散射。因此，光撞击纤芯和包层间的界面的频率越高，导致在界面缺陷处的光散射越多，纤芯折射率较高和/或纤芯折射率与包层折射率差别较大的光学器件中的信号强度损耗越大。
在纤芯折射率较高和/或纤芯折射率与包层折射率差别较大的已知光学器件中，除了信号强度损耗较大的缺点外，还有与光从一个典型波导耦合入该器件关联的附加损耗，该典型波导例如是截面尺寸(直径)远大于平面光学器件中高折射率纤芯材料的截面尺寸的标准光纤。典型地，通过将光纤一端的表面与光学器件一端的表面邻接，并将光纤一端粘附到光学器件，就将光纤连接到平面光学器件的波导的输入端。邻接表面基本上垂直于通过光纤和通过平面光学器件波导的光径，这样光纤的纤芯就尽可能接近地对准平面光学器件的纤芯，使纤芯与纤芯的接触面积达到最大，并使光纤和平面光学器件间界面处的损耗最少。然而，由于典型光纤纤芯的截面尺寸和纤芯折射率较高的典型光学器件纤芯的截面尺寸差别较大，所以光纤和平面光学器件间界面处的损耗也相对较大。另一个导致光纤和平面光学器件间界面处损耗较大的因素是光纤纤芯的折射率和平面光学器件纤芯的折射率间差别较大，而引起的在界面处反射的光。
发明概述
本发明涉及包含一个波导的平面光学器件，该波导包含一个图案(patterned)纤芯和至少一个其上配置图案纤芯的下包层，其中纤芯材料具有相对高的折射率和/或纤芯折射率与包层折射率间的差别较大；并且器件中和光纤与平面光学器件光输入端之间界面上的光信号损耗低于纤芯折射率较高的传统平面光学器件中的相应损耗。这些改善是用一个平面光学器件获得的，该平面光学器件包括一个波导段，该波导段有一个纤芯，纤芯的截面尺寸和折射率与典型光纤纤芯的截面尺寸和折射率相紧密匹配；第二区域，该第二区域有一个纤芯，与第一段的纤芯相比，该纤芯具有较高的折射率和适当较小的截面尺寸以防止多模光波传播；以及一个过渡段，它有一个由两种不同材料制成的纤芯，这两种材料形成沿过渡段长度延伸的界面。
依照本发明的一个方面，一个平面光学器件包括一个波导，该波导包含纤芯材料为第一折射率的第一波导段；纤芯材料为第二折射率的第二波导段；及在第一和第二波导段之间的过渡波导段。过渡波导段包括第一折射率的纤芯材料和第二折射率的纤芯材料，第一和第二纤芯材料包括一个相对于光穿过该波导的方向倾斜成锐角的界面。
依照本发明的另一个方面，一个平面光学器件包括一个波导，该波导包含折射率约为1.5或更小的第一纤芯材料的第一段，折射率约大于1.5的第二纤芯材料的第二段，和配置在第一段和第二段间的过渡段。该过渡段包括一个由第一纤芯材料和第二纤芯材料构成的纤芯。过渡段中的第一纤芯材料与第一段中的第一纤芯材料邻接，并且其截面尺寸在从第一段向第二段的方向上递减。过渡段中的第二纤芯材料与第二段中的第二纤芯材料邻接，并且其截面尺寸在从第二段到第一段的方向上递减。过渡段界面中的第一和第二纤芯材料沿过渡段的长度接合。
依照本发明的又一方面，一个平面光学器件包括一个波导，该波导包括第一段，该段包括一个纤芯和一个包层，其中纤芯折射率与包层折射率之差为约0.2％到约2％；第二段，该段也包括一个纤芯和一个包层，其中纤芯折射率与包层折射率之差约大于2％；和位于第一段和第二段间的过渡段。过渡段包括由第一材料连续块和第二材料连续块组成的纤芯，和一个包层，其中第一材料折射率与包层折射率之差为约0.2％到约2％，第二材料折射率与包层折射率之差大于约2％。第一和第二连续块的沿过渡段的长度接合。第一连续块与第一波导段的纤芯相接，并且它的截面尺寸在从第一波导段到第二波导段的方向上递减。第二连续块与第二波导段的纤芯相接，并且它的截面尺寸在从第一波导段到第二波导段的方向上递增。
本发明的平面光学器件易于将纤芯折射率相对较低且纤芯折射率与包层折射率之差相对较小的典型光纤连接到纤芯折射率相对较高和/或纤芯折射率和包层折射率之差相对较大的平面光学波导。特别地是，通过使第一波导段的纤芯尺寸与标准光纤的纤芯尺寸相匹配，并提供具有锥形高和低折射率纤芯的过渡段，该纤芯能在高和低折射率纤芯的界面处降低反射损耗，从而本发明的平面光学器件在光纤和第一波导段的界面处展示出非常低的插入损耗。
本发明的其他特征及优点将在下面详细阐述，那些技术熟练人员将从描述中明白，或通过实现下列描述、权利要求及附图中描述的本发明而认识到本发明的这些特征和优点。
应当明白上面的描述只是本发明的示范，试图提供一个概况，用于理解如权利要求中所详细说明的本发明的本质和特征。所包括的附加图提供对本发明的进一步了解，合并入并构成本说明书的一部分。附图说明的本发明各种特征和实施例，与其他描述一起用于解释本发明的原理的操作。
附图简述
图1是实现本发明的平面光学器件的垂直截面示意图；
图2是沿图1剖面线II-II的图1所示器件的截面示意图；
图3是实现本发明的另一个平面光学器件的垂直截面示意图；
图4是沿图3剖面线IV-IV的截面示意图；
图5是沿图4剖面线V-V的截面示意图；
图6是类似于图3-5所示器件的一个器件的垂直截面示意图，该示意图用作评估器件特性作为其几何形状函数的模型；
图7是用于确定图6所示器件特性作为其几何形状函数的计算结果的曲线图，即对n＝1.45和波导厚度为6.3微米的波导锥体的长度绘制出相对功率输出；
图8是用于确定图6所示器件特性作为其几何形状函数的计算结果的曲线图，即对n＝1.47和波导厚度为6.3微米的波导锥体的长度绘制出相对功率输出；
图9是是用于确定图6所示器件特性作为其几何形状函数的计算结果的曲线图，即对n＝1.5和波导厚度为6.3微米的波导锥体的长度绘制出相对功率输出；
图10是是用于确定图6所示器件特性作为其几何形状函数的计算结果的曲线图，即对n＝1.7和波导厚度为6.3微米的波导锥体的长度绘制出相对功率输出；
图11是是用于确定图6所示器件特性作为其几何形状函数的计算结果的曲线图，即对n＝1.7和波导厚度为1微米的波导锥体的长度绘制出相对功率输出。
较佳实施例详述
图1和图2显示了实现本发明的一方面的液晶交连开关10。开关10是一个平面光学器件，包含基底11，基底层上配置了包层12。配置在包层12上的是一个图案(patterned)纤芯层14，该纤芯层比标准光纤或其他标准波导具有相对较高的折射率。纤芯层14有锥形边缘或倾斜边缘16，17，由此纤芯层14的厚度就沿着由纤芯层14和包层12限定的波导长度而变化。配置在纤芯层14和未被纤芯层14覆盖的包层12区域上的是第二图案(patterned)纤芯层18，它具有比图案纤芯层14的折射率相对较低的折射率。配置在第二图案纤芯层18上的是上包层20。
层12，14，18，和20被沟槽22分开，沟槽中充满液晶材料23，形成液晶交连开关。开关10包括由第二图案纤芯层18、包层12和20构成的输入波导段24；第一过渡段26，其中通过低折射率纤芯层18传播的光进入高折射率纤芯层14；把光传输到液晶材料23的第一高折射率波导段27；充满液晶材料23的沟槽22；第二高折射率波导段，其中收集通过液晶材料23传播的光；第二过渡段29，其中通过第二过渡段28的高折射率纤芯层14传播的光进入低折射率纤芯14；及由纤芯层18、包层12和20构成的输出波导段30。
输入波导段24和输出波导段30均有一个截面尺寸和折射率与标准光纤或其他波导的截面尺寸和折射率非常匹配的纤芯层18。或者，包层14和20的厚度最好至少等于标准光纤包层的径向厚度，其折射率与标准光纤或其他典型光波导的包层的折射率非常匹配。通过使输入波导段24和输出波导段30的几何形状和光学特性与标准光纤或其他典型光波导(如另一个光学器件上的平面波导)的几何形状和光学特性相匹配，当器件10(它包括纤芯折射率较高且纤芯和包层的折射率之差较大的波导段)连接到纤芯为典型折射率(如约1.45)且纤芯层折射率与包层折射率间为典型差别(如约0.35％)的标准光纤或其他波导时，可能达到较低的光信号损耗。
过渡波导段26使光沿纤芯层18和纤芯层14间的锥形或倾斜过渡界面16和17从输入段24的纤芯层18有效地传输到纤芯层14，使得由于光撞击界面的角度相对较小而使纤芯层18和纤芯层14界面处的反射损耗减小到最少。同样，由于光撞击过渡段28中纤芯层18和纤芯层14间的倾斜界面的角度相对较小，过渡波导段28能使光从纤芯层14有效地传输到器件10输出端的纤芯层18。
在高折射率段27和28中，大多数光穿过纤芯层14，该纤芯层的折射率约匹配于液晶材料23的折射率。尽管一些光穿过高折射率段27和28中的纤芯层18，尤其是与液晶材料23直接邻接的高折射率段28的纤芯层18区域，但是纤芯层18更多地是作为这些段的包层。高折射率段27和28中纤芯层14的厚度通常为不允许光信号多模传输的最大值。如所知的，其厚度取决于纤芯和包层(或两个包层，如果上包层和下包层不同)在穿过该器件的信号波长处的折射率。对于图1和图2描述的器件10，下包层12的折射率通常约等于标准光纤的包层折射率(例如，约1.44)，纤芯层18的折射率通常约等于标准光纤纤芯的折射率(例如约1.45)，而纤芯层14的折射率约等于液晶材料23的折射率(例如约1.7)。用这些典型数值，高折射率纤芯层14的厚度约为0.2微米，而低折射率纤芯层18厚度约为6微米。
纤芯层14和18间的锥形或倾斜界面16和17解决了两个主要问题，该两个主要问题与纤芯折射率较高的平面光学器件有关。首先，倾斜界面16和17易于传输来自一个其尺寸与典型光纤或其他光学波导尺寸紧密相配的波导的光。在这种结构中，用低折射率波导和高折射率波导尺寸的渐变代替典型光纤或其他波导的低折射率纤芯的截面尺寸和该器件的高折射率波导截面尺寸的突变引起的信号损耗。这导致信号损耗的显著减少。另一个好处是用该器件的输入和输出波导段比用高折射率纤芯的传统平面光学器件更易实现光纤或其他波导的合适对准，在高折射率纤芯中，与典型光纤尺寸相比，由折射率相对较高且截面尺寸相对较小的纤芯材料构成该器件的整个波导。其次，与传统器件相比，低折射率纤芯18和高折射率纤芯14间的倾斜或锥形界面16和17显著地减少了反射损耗，该传统器件中光纤的低折射率纤芯和平面光学器件的高折射率纤芯间的界面一般与光穿过该界面的方向垂直。
所述的液晶交连开关10示范了本发明的特殊应用，它涉及一种平面光学器件的规格，此光学器件包括一个高折射率波导段，一个低折射率波导段和一个过渡段，在该光学器件中，光信号能从低折射率波导段有效地传输到高折射率波导段，或从高折射率波导段有效地传输到低折射率波导段，其信号损耗很小。包含液晶材料23的液晶开关是一个特殊器件的实例，其中高折射率波导是非常有用的。然而，为了完整和清楚起见，开关10的工作原理只作简要描述。通过给液晶材料23施加一个电场，开关10可以用作on/off开关。众所周知，液晶方向可以用电场控制，而液晶材料23的折射率取决于液晶方向。因此，通过液晶材料23的适当选择和电场的适当应用，可以被改变液晶材料23的折射率，以允许光穿过液晶材料23或者在纤芯材料14和液晶材料23间的界面上反射。
器件10设计的另一个优点是由于在液晶材料23中自由传播引起散射的光线在高折射率段18的纤芯层18中至少部分被收集，因此与只有单一高折射率纤芯材料的传统器件相比减少了损耗。
用传统的沉积技术和光刻技术制备器件10。例如，可以利用任何合适的沉积技术将下包层12沉积在基底11上，沉积技术包括物理汽相沉积(PVD)过程，如溅射、电子束蒸发、分子束外延和激光蚀刻；较佳的是化学汽相沉积(CVD)过程，包括火焰水解沉积(FHD)、大气压化学汽相沉积(APCVD)、低压化学汽相沉积(LPCVD)、等离子体增强化学汽相沉积(PECVD)、和化学束外延。对典型的平面光学器件来说，因为低的波导传输损耗和极好的成分及厚度均匀度，火焰水解沉积(FHD)和等离子体增强化学汽相沉积(PECVD)已经是最广泛应用的方法。基底11可以是半导体(如单晶硅)、陶瓷或玻璃。器件的不同层可以用已知的溶胶-凝胶沉积技术来沉积。波导纤芯层14最好用溶胶-凝胶沉积技术形成，因为这种技术能产生更光滑、在纤芯层与包层间的界面上引起光表面散射的缺陷更少的表面。该设备的不同层也可以用已知的溶胶-凝胶沉积技术来沉积。波导纤芯层14最好用溶胶-凝胶沉积技术形成，因为这种技术能产生更光滑、在纤芯层与包层间界面上引起光表面散射的缺陷更少的表面。然而，权利要求中“基底”的描述意味着一般包含任一种玻璃层可以在其表面上形成图案的固体材料，尽管通常首选的是硅衬底。例如，下包层12可以是高硅玻璃。然而，也可以用其他的玻璃、晶体材料或陶瓷材料。下包层12的合适厚度为约10到约20微米。依照特殊应用，下包层12的典型折射率约为1.44，尽管它可能稍微高或低。沉积在下包层12上的是一个高折射率纤芯层14，这个纤芯层14的典型折射率约大于1.5，更典型地为约1.7到4或5，并甚至能更高。高折射率纤芯层14可以是任一种合适的玻璃、晶体或陶瓷材料，该纤芯层对所述信号波长(如1550纳米)的光是透明的，并在所述信号波长处具有所需的高折射率。合适材料的实例包括石英-氧化钛玻璃、硅和铅-镧-锆的钛酸盐(PLZT)。根据层14的折射率和周围包层的折射率以某一厚度沉积纤芯层14。层14的厚度比层18的厚度小，并通常在约0.1微米到约1或2微米范围之间。在低折射率纤芯层18沉积之前，必须使纤芯层14形成图案，它可以通过已知的光刻技术来完成。例如，层14可以通过一块掩模来沉积。在通过一块掩模在包层12上进行物理或化学汽相沉积期间就形成了锥形边缘16和17。或者，层14的图案可以通过先沉积一个厚度均匀的层，然后蚀刻掉层14中那些不想要的部分来完成。这可以通过在纤芯层14上施加一个光阻层(正或负)，通过一块掩模照射光阻层来固化部分光阻层或退化部分光阻层，以此用脱模材料移去部分掩模，以允许将层14蚀刻成所需的图案。在蚀刻过程中，形成锥形或倾斜边缘16和17。
在层14形成所需的图案后，沉积低折射率纤芯层18。低折射率纤芯层18一般可以包括任何一种对信号波长(如1,550纳米)的光是透明的且在信号波长处有所需折射率的玻璃、晶体或陶瓷材料。典型地，纤芯层18的折射率比包层12的折射率高约0.2％到约2％，更典型地高约0.2％到约1％，而甚至更典型地高约0.2％到约0.5％(如约0.35％)。一般可以用前面所描述的图案纤芯层14的任何传统蚀刻或沉积过程使纤芯层18形成图案。高折射率纤芯层14的折射率比包层12的折射率至少高约2％，更典型至少高10％，并可以高达250％或更高。上包层20可以沉积到纤芯层18上。与层12和14一样，层18和20可以用可接受的物理汽相沉积或化学汽相沉积技术进行沉积。沟槽22可以通过沉积在层20上的有图案的光阻层对层12，14，18，和20进行蚀刻而建立，或通过切割或定向沟槽22而机械化地建立，或通过在确定沟槽22底部的基底11的上表面区域掩膜，沉积层12和16，使层16形成图案，沉积层18和20，然后从确定沟槽22底部的区域除去掩模来建立。其后，用液晶材料23填充沟槽22，并提供了把液晶材料23置于电场的传统电接触件(没有显示)。
图3和图4示出一个实现本发明另一方面的二维光学晶体器件110。器件110包括石英基底111，波长为1550纳米时的折射率为1.444；二维光学晶体114；和低折射率纤芯层118，波长为1550纳米时的折射率为1.449。二维光学晶体114上面的空间150填充了空气，其折射率为1.0，并用作晶体114的上包层。二维光学晶体114由高折射率材料制成，如波长为1550纳米时折射率为3.85的晶体硅。二维光学晶体已被普遍认识，并且已经应用到其他领域，如微波应用。已示出能使光在一个有限空间以90度角折射的二维光学晶体。二维光学晶体114包含孔阵140，孔的直径约是信号光波长的1/4(如1550/4纳米)，且孔与孔之间的间隔距离约为信号光波长的1/4(如1550/4纳米)。基于图4中所示的图案，光以与它进入器件110的方向成90度的方向从二维光学晶体114和器件110中出来。
与器件10一样，器件110包含输入段124，由低折射率纤芯118和包层111构成；过渡段，包括低折射率纤芯层118和包层111；过渡段126，其中光可以从低折射率纤芯材料118有效地传输到高折射率纤芯材料114；第二过渡段128，其中光可以从二维光学晶体114的高折射率材料有效地传输到纤芯118的低折射率材料；和输出段130。过渡段126和128包括低折射率纤芯材料和高折射率纤芯材料间的倾斜界面，这减少了界面上的反射损耗，并使输入和输出段124和130具有与标准光纤和其他光波导的截面尺寸相匹配的截面尺寸，因此易于将光纤低损耗地连接到器件110的输入和输出段。这种结构也利于输入和输出段124和130具有纤芯和包层的两种折射率，该折射率可以与标准光纤或其他光波导的纤芯和包层的折射率紧密匹配，因此减少光纤和具有高折射率纤芯材料的光学器件的输入和/或输出波导段间界面处另外可能出现的反射损耗。器件110可以包含在它端部的上包层120，以易于和标准光纤连接。
图6显示了类似于器件110的器件210，它用作该器件特性作为几何形状的函数的计算模型。器件210包含基底211，充当下包层，其厚度为20微米，折射率为1.444。用传统的BeamPropTM软件为光学晶体锥体计算锥形长度。图6示出计算中所用的几何结构。假定硅波导214长约为2000微米，厚度约为0.3微米。低折射率波导224的折射率和厚度是变化的。硅波导锥体216和低折射率波导锥体225的长度也是变化的。四种低折射率的波导被认为有以下的折射率：n＝1.45，n＝1.47，n＝1.5，n＝1.7。假设波导的高度为6.3微米。因此，n＝1.47，n＝1.5，n＝1.7的波导为多模，n＝1.45的波导为单模。计算的结果显示在图7-11中。可以看出，随着波导折射率的增加，损耗明显减少。低折射率波导锥体225的长度和高折射率(硅)波导锥体216的长度是很重要的。例如，如果锥体216很长，而锥体225短，损耗就很大。当锥体216的长超过2000微米，而锥体225的长超过5000微米时，就产生n＝1.7时的最小损耗(图中y轴上的功率输出1)。当n＝1.7的波导是单模(厚度1微米)时，对锥体216约大于2000微米和低折射率波导锥体225约大于1000微米的硅波导来说，功率输出与锥体长度无关。基于这个结果，锥体的长度较佳地应大于1000微米，更佳地大于2000微米。图表没有按比例。具体而言，锥体界面的角度被大大地夸大了。例如，当波导214为1微米厚时，对于一个1000微米长的界面，基底层211上表面与界面116间的角度应为约3.4分。
已说明的器件10和110仅仅是典型的应用，本发明的其他应用例如包括电光器件，其中对电流敏感的高折射率纤芯用作信号切换或衰减。本发明的原理可以有利地应用到各种希望在相对高折射率(如约1.45或更少)纤芯材料间的界面处减少信号损耗的光学器件中。
很显然，对于那些技术熟练的人员能对这里描述的本发明较佳实施例作各种修改，并没有背离由附加权利要求所规定的本发明的精神和范围。

Claims (26)

1.一种平面光学器件，其特征在于，包括：
一个波导，确定光信号按一个方向传输的光径，该波导包括第一波导段，它具有第一折射率的第一纤芯材料；第二波导段，具有第二折射率的第二纤芯材料；及所述第一波导段和所述第二波导段之间的过渡波导段，所述过渡波导段包括所述第一纤芯材料和所述第二纤芯材料，所述第一纤芯材料和所述第二纤芯材料的界面与光通过所述波导的方向成锐角倾斜。
2.如权利要求1所述的平面光学器件，其特征在于，所述第一折射率约小于1.5，及所述第二折射率约大于1.5。
3.如权利要求1所述的平面光学器件，其特征在于，所述第一纤芯材料和所述第二纤芯材料可以从玻璃材料、晶体材料和陶瓷材料组中独立选择。
4，如权利要求1所述的平面光学器件，其特征在于，所述第一波导段和所述第二波导段进一步由一包层材料构成，而所述第一纤芯材料的折射率与所述包层材料的折射率之差为约0.2％到约2％，所述第二纤芯材料的折射率与包层材料的折射率之差大于约2％。
5.如权利要求1所述的平面光学器件，其特征在于，所述倾斜界面的长度大于约1000微米。
6.如权利要求1所述的平面光学器件，其特征在于，所述倾斜界面的长度大于约2000微米。
7.一种平面光学器件，其特征在于，包括：
一个波导，确定光信号按一个方向传输的光径，所述波导包括第一段、第二段和配置在所述第一段和所述第二段间的过渡段；
所述第一段具有折射率约为1.5或更小的第一纤芯材料；
所述第二段具有折射率大于约1.5的第二纤芯材料；
所述过渡段包括由第一纤芯材料和第二纤芯材料构成的纤芯，所述过渡段的第一纤芯材料与所述第一段的第一纤芯材料相接，且其截面尺寸在从所述第一段到所述第二段的方向上减小，所述过渡段的第二纤芯材料与所述第二段的第二纤芯材料相接，且其截面尺寸在从所述第二段向所述第一段的方向上减小，这样所述过渡段中的所述第一纤芯材料和所述第二纤芯材料构成了一个延伸所述过渡段长度的倾斜界面。
8.如权利要求7所述的平面光学器件，其特征在于，所述第二折射率大于约1.7。
9.如权利要求7所述的平面光学器件，其特征在于，所述第一纤芯材料和所述第二纤芯材料可以从玻璃材料、晶体材料和陶瓷材料中独立选择。
10.如权利要求7所述的平面光学器件，其特征在于，所述第一段、所述第二段和所述过渡段进一步包括一个包层，其中所述第一纤芯材料的折射率与所述包层的折射率之差为约0.2％到约2％，所述第二纤芯材料的折射率与所述包层的折射率之差约大于2％。
11.如权利要求10所述的平面光学器件，其特征在于，所述第二纤芯材料的折射率与所述包层的折射率之差约大于10％。
12.如权利要求7所述的平面光学器件，其特征在于，所述倾斜界面的长度大于约1000微米。
13.如权利要求7所述的平面光学器件，其特征在于，所述倾斜界面的长度大于约2000微米。
14.如权利要求7所述的平面光学器件，其特征在于，所述过渡段中所述第一纤芯材料和所述第二纤芯材料间的界面与光在波导内传输的方向成锐角。
15.一种平面光学器件，其特征在于，包括：
一个波导，确定光信号按一个方向传输的光径，所述波导包括第一段，第二段，和配置在所述第一段和所述第二段间的锥形过渡段；
所述第一段含有第一纤芯材料和包层材料，其中所述第一纤芯材料的折射率与所述包层材料的折射率之差为约0.2％到约2％；
所述第二段含有第二纤芯材料和所述包层材料，其中所述第二纤芯材料的折射率与所述包层的折射率之差约大于2％；及
所述锥形过渡段包括所述第一纤芯材料的连接块，所述第二纤芯材料的连接块和所述包层材料，所述第一连接块和所述第二连接块构成延伸所述过渡段长度的界面。
16.如权利要求15所述的平面光学器件，其特征在于，所述第一纤芯材料的折射率约为1.45，所述包层材料的折射率约为1.44，而所述第二纤芯材料的折射率至少约为1.7。
17.如权利要求16所述的平面光学器件，其特征在于，所述第一纤芯材料、所述第二纤芯材料和所述包层材料可以从玻璃材料、晶体材料和陶瓷材料中独立选择。
18.如权利要求17所述的平面光学器件，其特征在于，所述波导配置在基底上。
19.如权利要求18所述的平面光学器件，其特征在于，所述基底是硅。
20.如权利要求19所述的平面光学器件，其特征在于，所述过渡段中所述第一纤芯材料和所述第二纤芯材料间的所述界面与光在波导里传输的方向成锐角。
21.一种把来自光纤的光信号耦合到具有第一折射率约大于1.7的第一纤芯材料的第一波导的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
提供平面光学器件，确定光信号按某一个方向传输的光径，该平面光学器件包括第一波导；第二波导，具有第二折射率约少于1.5的第二纤芯材料；和过渡波导，位于所述第一波导和所述第二波导间，所述过渡波导包括第一折射率的纤芯材料和第二折射率的纤芯材料，所述第一纤芯材料和所述第二纤芯材料的界面与光在平面光学器件里传输的方向成锐角；以及
把来自所述光纤的光信号耦合到所述第二波导段。
22.如权利要求21的方法，其特征在于，所述第一纤芯材料和所述第二纤芯材料可以从玻璃材料、晶体材料和陶瓷材料中独立选择。
23.如权利要求22的方法，其特征在于，所述第一段、第二段和过渡段进一步包括一个包层，其中所述第一纤芯材料的折射率与所述包层的折射率之差为约0.2％到约2％，所述第二纤芯材料的折射率与所述包层的折射率之差约大于2％。
24.如权利要求22的方法，其特征在于，所述第二纤芯材料的折射率与所述包层的折射率之差约大于10％。
25.如权利要求21的方法，其特征在于，所述倾斜界面长度约大于1000微米。
26.如权利要求21的方法，其特征在于，所述倾斜界面长度约大于2000微米。
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Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102169205A (zh) * 2010-07-28 2011-08-31 北京航空航天大学 一种低损耗介质加载型表面等离子激元光波导
CN102169206A (zh) * 2011-04-28 2011-08-31 北京航空航天大学 一种低损耗表面等离子激元光波导
CN102545050A (zh) * 2012-02-22 2012-07-04 北京航空航天大学 一种低阈值表面等离子体激光器
CN102565929A (zh) * 2012-01-16 2012-07-11 北京航空航天大学 一种纳米线阵列表面等离子激元光波导
CN102565938A (zh) * 2012-03-06 2012-07-11 北京航空航天大学 一种基于双层金属的低损耗表面等离子激元光波导
CN102565934A (zh) * 2012-01-16 2012-07-11 北京航空航天大学 一种槽型混合表面等离子激元光波导
CN102565933A (zh) * 2012-01-16 2012-07-11 北京航空航天大学 一种亚波长混合型表面等离子激元光波导
CN102565928A (zh) * 2012-01-16 2012-07-11 北京航空航天大学 一种亚波长介质加载型表面等离子激元光波导
CN102590939A (zh) * 2012-03-05 2012-07-18 北京航空航天大学 一种表面等离子激元狭缝光波导
CN111896895A (zh) * 2020-08-04 2020-11-06 中国科学技术大学 一种固态自旋磁传感器的探头结构

Families Citing this family (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7103245B2 (en) * 2000-07-10 2006-09-05 Massachusetts Institute Of Technology High density integrated optical chip
US6850683B2 (en) * 2000-07-10 2005-02-01 Massachusetts Institute Of Technology Low-loss waveguide and method of making same
US6546163B2 (en) * 2000-10-09 2003-04-08 John I. Thackara Planar waveguide switch and optical cross-connect
US20030012539A1 (en) * 2001-04-30 2003-01-16 Tony Mule' Backplane, printed wiring board, and/or multi-chip module-level optical interconnect layer having embedded air-gap technologies and methods of fabrication
US20030169970A1 (en) * 2001-07-06 2003-09-11 Michael Bazylenko Photonic signal transmitting device
US6724969B2 (en) 2001-08-03 2004-04-20 Photon-X, Inc. Method of fabricating polymer optical channel waveguides with multiple types of waveguide core materials
US6618537B2 (en) * 2002-01-14 2003-09-09 Applied Wdm, Inc. Optical waveguide structures and methods of fabrication
AU2003236616A1 (en) * 2002-01-17 2003-09-02 Cornell Research Foundation, Inc. High-index contrast distributed bragg reflector
US20030219192A1 (en) * 2002-05-07 2003-11-27 Jds Uniphase Corporation Localized hermetic seal for planar lightwave circuits
US7194176B2 (en) * 2002-05-29 2007-03-20 Hoya Corporation Functional optical devices and methods for producing them
US6870987B2 (en) * 2002-08-20 2005-03-22 Lnl Technologies, Inc. Embedded mode converter
JP2006504136A (ja) * 2002-10-21 2006-02-02 ナノインク インコーポレーティッド ナノメートル・スケール設計構造、その製造方法および装置、マスク修復、強化、および製造への適用
US20040122661A1 (en) * 2002-12-23 2004-06-24 Gensym Corporation Method, system, and computer program product for storing, managing and using knowledge expressible as, and organized in accordance with, a natural language
US7355671B2 (en) * 2003-02-21 2008-04-08 Xtellus Inc. Fabrication method for liquid crystal cell
US20110043742A1 (en) * 2003-02-21 2011-02-24 Cavanaugh Shanti A Contamination prevention in liquid crystal cells
US20060007386A1 (en) * 2003-02-21 2006-01-12 Extellus Usa Flat top tunable filter with integrated detector
US7352428B2 (en) * 2003-02-21 2008-04-01 Xtellus Inc. Liquid crystal cell platform
US7009680B2 (en) * 2003-06-02 2006-03-07 Xtellus Inc. Narrow band tunable filter with integrated detector
US6943768B2 (en) * 2003-02-21 2005-09-13 Xtellus Inc. Thermal control system for liquid crystal cell
US20040202429A1 (en) * 2003-04-10 2004-10-14 Lambda Crossing Ltd. Planar optical component for coupling light to a high index waveguide, and method of its manufacture
US7519257B2 (en) * 2004-11-24 2009-04-14 Cornell Research Foundation, Inc. Waveguide structure for guiding light in low-index material
US8509582B2 (en) * 2005-08-30 2013-08-13 Rambus Delaware Llc Reducing light leakage and improving contrast ratio performance in FTIR display devices
US9040919B2 (en) * 2010-10-25 2015-05-26 Thomas E. Darcie Photomixer-waveguide coupling tapers
US10809591B2 (en) 2016-04-28 2020-10-20 Analog Photonics LLC Optical phase shifter device
EP3797324A4 (en) 2018-05-22 2022-03-02 Fluxus, Inc. FABRICATION OF WAVEGUIDE STRUCTURES
US10976496B2 (en) * 2019-02-11 2021-04-13 Poet Technologies, Inc. Dual core waveguide
US10955614B1 (en) * 2020-01-14 2021-03-23 Globalfoundries U.S. Inc. Optical fiber coupler structure having manufacturing variation-sensitive transmission blocking region

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19626113A1 (de) * 1996-06-28 1998-01-02 Sel Alcatel Ag Optisches Halbleiterbauelement mit tiefem Rippenwellenleiter
DE19626130A1 (de) * 1996-06-28 1998-01-08 Sel Alcatel Ag Optisches Halbleiterbauelement mit tiefem Rippenwellenleiter
US6003222A (en) 1997-07-10 1999-12-21 Lucent Technologies Inc. Manufacture of tapered waveguides

Cited By (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102169205A (zh) * 2010-07-28 2011-08-31 北京航空航天大学 一种低损耗介质加载型表面等离子激元光波导
CN102169206A (zh) * 2011-04-28 2011-08-31 北京航空航天大学 一种低损耗表面等离子激元光波导
CN102169206B (zh) * 2011-04-28 2012-07-25 北京航空航天大学 一种低损耗表面等离子激元光波导
CN102565929A (zh) * 2012-01-16 2012-07-11 北京航空航天大学 一种纳米线阵列表面等离子激元光波导
CN102565929B (zh) * 2012-01-16 2013-07-03 北京航空航天大学 一种纳米线阵列表面等离子激元光波导
CN102565934A (zh) * 2012-01-16 2012-07-11 北京航空航天大学 一种槽型混合表面等离子激元光波导
CN102565933A (zh) * 2012-01-16 2012-07-11 北京航空航天大学 一种亚波长混合型表面等离子激元光波导
CN102565928A (zh) * 2012-01-16 2012-07-11 北京航空航天大学 一种亚波长介质加载型表面等离子激元光波导
CN102565934B (zh) * 2012-01-16 2013-06-19 北京航空航天大学 一种槽型混合表面等离子激元光波导
CN102565928B (zh) * 2012-01-16 2013-06-19 北京航空航天大学 一种亚波长介质加载型表面等离子激元光波导
CN102565933B (zh) * 2012-01-16 2013-06-19 北京航空航天大学 一种亚波长混合型表面等离子激元光波导
CN102545050A (zh) * 2012-02-22 2012-07-04 北京航空航天大学 一种低阈值表面等离子体激光器
CN102545050B (zh) * 2012-02-22 2013-03-20 北京航空航天大学 一种低阈值表面等离子体激光器
CN102590939A (zh) * 2012-03-05 2012-07-18 北京航空航天大学 一种表面等离子激元狭缝光波导
CN102565938B (zh) * 2012-03-06 2013-07-03 北京航空航天大学 一种基于双层金属的低损耗表面等离子激元光波导
CN102565938A (zh) * 2012-03-06 2012-07-11 北京航空航天大学 一种基于双层金属的低损耗表面等离子激元光波导
CN111896895A (zh) * 2020-08-04 2020-11-06 中国科学技术大学 一种固态自旋磁传感器的探头结构

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