CN1503919A - 包含绝热结的集成光学装置 - Google Patents

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Abstract

一种光学波导管装置包括集成在平面基片上的至少一个Y形结。该结包括在所述基片上延伸的第一(1)、第二(3)和第三(4)光学波导管，以及其中第二和第三波导管从第一波导管分叉的过渡部分(2)，它包括预定宽度预定宽度的截顶(5)。在截顶的位置，第一波导管的宽度小于第二波导管、第三波导管和截顶的宽度之和。第二光学波导管，第三波导管和截顶。第一光学波导管延伸入过渡部分直到其宽度基本恒定的分叉。

Description

包含绝热结的集成光学装置
本发明涉及在平面基片上包含至少一个Y形结的集成光学装置的领域。本发明还涉及用于形成包含至少一个Y形结的集成光学装置的方法。本发明还涉及用于形成包含至少一个Y形结的集成光学装置的掩膜(mask)。
在用于光通信中由集成光学装置产生的部件的领域中，产生能分裂光信号功率的结构是很重要的，该光信号功率在波导管中传播并分成两个相等的部分，这些功率被传送到两个分开的波导管中。
通常使用如图1所示的对称的Y形结来提供该功能。它一般包括宽Xs的输入波导管1，它逐渐并不断变宽，在中间过渡区域2分裂成两个分开的宽xd的输出波导管3、4(通常等于输入波导管的宽度Xs)，它们相对输入波导管1的纵向轴对称。这些波导管被集成到合适的平面基片上。对称的Y形结在现有技术中还称作“3dB耦合器”或“3dB分裂器”。
Y形结的工作原理基于模式渐变(mode evolution)。输入波导管1通常是单模的，即它具有的几何尺寸，使得只传播预定波长电磁辐射的基本模式(fundamentalmode)。输出波导管3和4也通常是单模的。另一方面，输入波导管1和输出波导管3和4之间的过渡区域2，即输入波导管逐渐变宽的区域，可以具有尺寸，使得可以传播所述电磁辐射的多个更高次的模式。两个输出波导管3和4彼此分开的分叉只是理论上如图1所示的无尺寸的“尖”10。这是因为有制造工艺产生的限制使得该分叉必须是圆的或截顶(truncation)5，例如如图2所示。
Y形结通常用作集成在单个基片上的更复杂的光学结构的“建筑砖”，诸如Mach-Zehnder干涉仪或者具有树结构的结级联，其中第一Y形结级联到各其它Y形结，来形成1×N功率分裂器，其中输入光功率在该装置的输出端被分成N个相等部分。前述装置可以是有源的或无源的。在无源装置中，装置中的电磁辐射的传播单独由平面基片上适当的波导管排列单独控制。在有源装置中，电磁辐射也由外部信号的合适变换器的辅助而控制，诸如用于电信号的电极(在电光装置中)或用于产生声波的电极(在声光装置中)或对温度变化敏感的元件(在热光装置中)，它们位于基片之上或在接近光学波导管。使用Y形结的有源装置的实例是Mach-Zehnder调制器、电光开关、电光衰减器、电光开关的级联。
对于某些应用，可以假设由波导管运载的光功率不应被分成两个输出波导管中的相等部分。因此，还可以以不纵向对称的形式构建Y形结。
Y形结通常必须满足某些要求，这包括：
a)具有较低的插入损耗；
b)具有较低的更高次模的激发；
c)具有较小的纵向尺寸。
在诸如以上所述的更复杂的光学结构中使用Y形结意味着必须严格满足这些要求。例如，在以树结构排列的Y形结级联的形式形成的无源1×N功率分裂器中，每个Y形结的高插入损耗可以将整个装置的插入损耗提高而超过所能允许的阈值；更高次模式的激发可以造成结中不准确的功率分配和/或在基片上位于结的下侧的波导管中发散的光功率的重新耦合，和/或由于光功率耦合到更高次模式而导致引导的光功率的损耗；此外，通过使每个结的纵向尺寸尽可能小，可以制成紧凑的装置，且大量节省成本。
特别地，输入波导管和输出波导管3和4之间的过渡区域2，具有和更高次模式的传播兼容的尺寸，并可以是这些模式激发的起因。可以通过使过渡区域的加宽发生在相对纵向很小的角度(＜1°)来降低光功率到更高次模式的耦合。在这种情况中，我们提及“绝热加宽”。由于不可避免地造成整个装置延长，因此该解决方案可以是不利的。
已经提出了某些解决方案来改善Y形结的特性。
例如，以Fujikura Ltd.的名义提出的专利申请(Kokai)JP 9-230151，它描述了包括基片和在所述基片上具有Y形结的波导管的光学装置。前述专利申请的目的在于制作比之前制作的那些更小尺寸的元件。该Y形结包括用于以单模传送光的第一波导管，它以其宽度随离第一波导管的距离而增加的方式配置且设计来将所传送的光从单模转变成多模；直部分，它的一端连接到加宽部分的更宽的端，它具有特别的长度和于加宽部分的更宽的端同样的宽度，且它被设计来传送多模的光；以及第二和第三波导管，它们将其端部朝向直部分的另一端，在与直部分分开时，它们被配置以使它们以特别的曲率彼此分叉，并且它们被设计来以单模传送从直部分的另一端到达的光。结型光学装置的特性在于第二和第三波导管的端部的曲率半径被选择为不超过50毫米，且直部分的宽度和长度被选择为使直部分和第二及第三波导管之间的连接损耗最小的程度。第二和第三波导管穿过特定宽度G1的第一不连续彼此面向直部分并由宽度G2的第二不连续彼此分开。为了使直部分和第二及第三波导管之间的连接损耗最小，还针对加宽部分的加宽角度，针对直部分的宽度和长度以及针对不连续G1、G2的宽度选择了最优值。
以Hitachi Cable Ltd.的名义提出的专利申请(Kokai)JP9-33740描述了一种光学波导管Y型分叉，它包括输入波导管和连接到输入波导管的两个输出波导管，用于使输入光分叉，其中输入波导管的中轴和两个分叉的波导管之间的中轴彼此不成一直线。在这种结构中，进入输入波导管的光入而两个分叉导管，同时它从两个分叉导管的中轴分叉，防止两个分叉波导管之间的光功率分配一致的情况。由此，光功率根据两个中轴不成一直线的函数分支比例而分配。在较佳的结构中，加宽的波导管将输入波导管连接到分叉波导管。
以Institut fur Mikrotechnik Mainz GmbH名义提出的专利申请WO 97/32228描述了一种具有一个输入波导管和N个输出波导管的集成的光学1×N分裂器，其中，至少最外的输出波导管相对彼此倾斜。该1×N分裂器还具有包含位于最外波导管的内边界插入点上游的区域的分离机(separator)，并具有和波导管的包层同样的折射率。该1×N分裂器具有在提供宽分支角度的同时，具有低衰减的特点。分裂器的宽度可以，例如，增加或降低。
申请人观察到在图2所示在分叉区域内具有尖端的截顶5的Y型结中，在中间的过渡区域存在更高次模式的激发，即使具有加宽的分叉亦如此。根据申请人，这是由于截顶将有限尺寸的不连续引入分叉区域的折射率分布曲线中(分叉不连续)，特别在波导管宽度支持更高次模式的传播之处。如上所述，更高次模式的激发是不希望出现的现象。申请人还观察到，如以上所引用的专利申请WO 97/32228所述，在分叉区域中提供具有和基片的折射率相同的折射率的分离区域不会使问题以满意的方式解决。
申请人发现有可能通过基本消除输入波导管1的逐渐加宽的区域并在截顶5处引入输入波导管1的最后部分的宽度和输出波导管3及4的初始位置的宽度之间的不连续来降低如图2所示的从Y形结的输入波导管到输出波导管的过渡中间区域中更高次模式的激发。根据申请人，该宽度不连续有可能基本补偿由截顶5将不连续引入位于输出波导管3和4之间的分叉区域的负面影响。特别地，申请人发现在过渡区域2中的前述几何的宽度不连续可以以本质上有光学项(term)方面的连续的方式被设计，也就是使立即在分叉之前的电磁场分布和立即在分叉之后的电磁场分布基本一致的方式。
为了制作这样的波导管结构，宽度不连续可以适当地以掩膜形成，该掩膜用于包含Y形结的装置的制造工艺中。
在第一方面中，本发明涉及光学波导管装置，它包括集成在平面基片上的至少一个Y形结。该结包括在所述基片上延伸的第一、第二和第三光学波导管、在其中所述第二和第三波导管从所述第一波导管分叉的过渡部分，所述过渡部分包括预定宽度的分叉不连续。基本在所述分叉不连续的位置上，第一波导管的宽度小于第二波导管、第三波导管以及分叉不连续的宽度之和。第一光学波导管延伸入过渡部分中直到分叉不连续，其宽度基本不变。
分叉不连续的宽通常超过0.2微米。
过渡部分还可以包括第二和第三波导管之间的分离区域，该分离区域的折射率低于第二和第三波导管的折射率。该分离区域的宽度在整个过渡区域而基本恒定，或可以离开第一波导管而逐渐增加。
第二和第三波导管的宽度还在所述过渡部分内离开第一波导管而逐渐增加。
较佳地，结的波导管是单模类型的。
第二方面中，本发明涉及用于形成集成的光学波导管装置的方法，它包括以下步骤：
提供具有折射率的第一材料的平面基片；
通过使用第二材料将波导管结构集成到所述基片的至少一个部分，所述第二材料能增加在所述基片部分的所述折射率；
所述集成步骤包括在掩膜中提供对预定波长的曝光辐射透明的至少一个区域的步骤，所述透明区域由基本对应所述波导管结构的结构界定，所述波导管结构包括至少一个Y形部分，它具有输入波导管、过渡部分和两个输出波导管，所述过渡部分包括所述输出波导管从所述输入波导管分叉的预定宽度的截顶。
在所述掩膜内提供至少一个透明区域的步骤包括在过渡部分内提供基本位于所述截顶位置处的宽度不连续，从而使输出波导管和截顶的宽度之和超过输入波导管的宽度。
集成的步骤还可以包括另外的步骤：
沉积第二材料的第一层；
沉积光阻材料的第二层；
将掩膜面向第二层；
将掩膜暴露于曝光辐射，以这种方式改变第二层来形成待集成的波导管结构的轮廓；
除去在所述轮廓之外的第二材料部分。
根据一种制造方法，在所述除去步骤之后，集成步骤还包括：
在预定的温度将第二材料扩散入所述基片。
该扩散温度可以从约900℃到1150℃。
第一材料可以是，例如，铌酸锂。第二材料可以是，例如，钛。
在第三方面，本发明涉及用于形成光学波导管装置的掩膜，它包括至少一个区域对预定波长的曝光辐射透明。该透明区域界定了基本对应在平面基片上待集成的波导管结构的结构，该波导管结构包括至少一个Y形部分，它具有输入波导管、过渡部分和两个输出波导管。过渡部分包括输出波导管从输入波导管的分叉的预定宽度的截顶。该过过渡部分还包括基本位于截顶处的宽度不连续，从而使输出波导管和截顶的宽度之和超过输入波导管的宽度。
以下将参考附图描述本发明的一些实例，附图仅为说明的目的而无限制之意，其中：
图1示出如上所述的常规方法的Y形结；
图2示意地示出如上所述的在分叉区域具有截顶的Y形结；
图3示出根据已知技术的Y形结；
图4示出根据本发明的Y形结的较佳实施例；
图5示出由申请人用于一组模拟的根据本发明的Y形结结构；
图6a和6b分别示出针对TE偏振和TM偏振用图5的结构进行的模拟的结果；
图7示出用根据已知技术用图2所示的类型的Y形结的BPM模拟的结果；
图8示出用根据已知技术用图3所示的类型的Y形结的BPM模拟的结果；以及
图9示出用根据本发明用图4所示的类型的Y形结的BPM模拟的结果。
图4示出了根据本发明的光学Y形结的较佳实施例。它集成到平面基片上并包括输入波导管1和两个输出波导管3、4。波导管1、3、4适用于引导具有预定波长的电磁辐射。该Y形结还具有以下将详细描述的过渡区域2，其中输出波导管3和4从输入波导管1分开。
这里和余下的描述中，术语“输入”和“输出”仅仅用于说明性目的而无限制之意。事实上，Y形结可以或者作为1×2分裂器工作(如果辐射从第一波导管1进入并从第二波导管3和从第三波导管4离开)，或者作为2×1耦合器工作(如果来自第二和/或从第三波导管3、4的辐射从第一波导管1离开)。
对于3dB分裂器(或耦合器)，Y形结具有垂直于图平面基本对称的平面，它确定了具有位于纵向的轴9的同一平面。该方向基本对应输入导管1中的光辐射传播的方向。对于其它应用，可以使输出波导管3、4相对轴9不对称。
平面基片可以由任何适用于光学波导管集成的材料制成。例如，基片由铌酸锂(LiNbO3)制成。该材料可适用于制造，例如，根据本发明的包含Y形结的电光或声光装置。可供选择地，基片可以由玻璃或聚合物材料制成。根据特殊需要，本技术领域内的熟练的技术人员可以将这里揭示的教导采用到形成于任何类型的平面基片的Y形结上。
在由申请人制作的实例中，Y形结形成于铌酸锂基片，它具有由垂直于结晶的x轴的切口(“x切口”)和根据结晶的y轴选择的光传播方向(“y传播”)所定向的结构。可供选择地，该结构可以包括具有垂直于y轴(“y切口”)和具有基本沿x轴的光传播(“x传播”)的基片。x切口或y切口结构减少了温度漂移现象(即，随温度变化的工作点变化很小)并使生产具有较低的电驱动功率的电光或声光装置成为可能。作为又一个选择，基片可以是具有沿z轴的切口(“z切口”)和沿x轴的传播方向(“x传播”)或沿y轴的传播方向(“y传播”)的类型。
这样的结结构使光信号具有基本由波导管1、3、4延伸的方向确定的有效电磁辐射的传播方向。特别地，输出波导管3和4至少在其初始位置形成一角度，它较佳地(在绝对项中)和轴9成小于2°。该角度可以通过以波导管3和4的中心轴为基准来测量。
较佳地，波导管1、3、4具有一宽度从而可以传播预定波长的单模辐射。该辐射的波长较佳地在约1525纳米到1610纳米之间的范围内。可供选择地，结可以在所谓的“第二窗口中”适用于1300纳米附近的辐射传播。根据特殊需要，本技术领域内的熟练的技术人员可以将这里揭示的教导采用到设计用于任何波长的光信号传播的Y形结上。
根据本发明的一个或多个Y形结有利于用在更复杂的平面光学装置中，诸如干涉仪或级联的Y形结。如上所述，该装置可以是有源的或无源的。
通过通常称为“扩散”的技术，Y形结的波导管1、3、4可以通过在基片上沉积能将折射率提高到基片的折射率之上的一层材料，例如钛，随后通过照相平版印刷技术界定其轮廓，最后通过热力方法，以约900℃至1150℃的范围内的温度，将剩余的钛扩散到下面的基片内而形成。
较佳地，初始沉积到基片中的钛的厚度小于500纳米，或更佳地，其范围在50纳米到150纳米之间。可供选择地，可以使用通常称为“质子交换方法”的方法来形成波导管。在所有的情况中，波导管区域中的折射率上升到周围的基片的折射率之上。
平面基片上的波导管的集成通常通过掩膜来进行，它以这样的方式准备，即基本复制待集成的波导管结构。特别地，掩膜以这样的方法制成，即它对于通常的紫外线的电磁暴露辐射，在对应待集成的波导管结构的区域中是透明的，而对该区域外是不透明的(正掩膜)，或反之亦然(负掩膜)。在一种生产方法中，集成工艺在基片的整个表面上提供基本均匀的钛层沉积(或可以集成到基片内，可以将折射率提升到基片的折射率之上并引起待传播的光信号的较少衰减的其它材料)。一层感光材料(通常称为“光阻材料”)沉积于钛层上。随后，掩膜面对光阻材料并暴露于辐射：形成于掩膜上的透明区域允许辐射通过和感光层的改变，并因此形成待形成的波导管结构的轮廓。在这点上，在待集成的波导管的轮廓外的额外的钛被除去，之后未被除去的钛集成到基片内(在除去了位于钛上的光阻材料层后)。根据另一种制造方法，光阻材料层首先沉积于基片上，随后施加掩膜并以掩膜出待形成的波导管的轮廓的方式曝光。除去位于该轮廓内的光阻材料的部分。在这点上，沉积了基本均匀的钛层。剩余的光阻材料随后通过合适的溶剂除去，并最终也除去其上沉积的额外的钛。
为了使在基片上集成Y形结的工艺可以重复，以一种方法准备掩膜，即由这些波导管的内边界界定的输出波导管3和4的分叉区域具有预宽度的截顶5。在图4所示的结构中，截顶5位于在剩余的描述中特别说明的任选分离区域7的端部。通常，截顶具有超过约0.2微米的宽度，较佳地超过0.5微米。在由申请人制作的实例中，截顶5具有约1.0-1.2微米的宽度。在描述中的这里或其它地方，且在以下的权利要求中，术语“宽度”表示由沿基本垂直纵向的方向进行的测量所确定的尺寸。
在允许实现Y形结生产工艺的良好的可重复性的同时，申请人观察该截顶的形成具有在截顶部分2的折射率分布曲线内产生不连续的缺点。特别地，申请人观察到该不连续显著地改变在过渡区域2中传播的模式。在描述和在权利要求中，该不连续和截顶将称为“分叉不连续”。通过用场传播模型(“波束传播法”，或BPM)进行模拟，申请人观察到分叉不连续可以在输入波导管1和输出波导管3及4之间的过渡部分2内引起高次模式的激发。
申请人发现在结内的更高次模式的激发可以通过将几何的宽度不连续引入输入波导管1和输出波导管3及4之间的过渡区域，基本在分叉不连续5的位置来降低。在图4中通过两个突然的加宽6a和6b来示出宽度不连续。较佳地，这两个加宽6a和6b基本垂直于纵向。在图4中，A表示相对纵向在分叉不连续5的位置处横断放置的表面。在表面A上，输入波导管1的宽度小于两个输出波导管3和4以及分叉不连续5的宽度之和。在剩余的描述中表面A将被称为“分叉横断表面”。
通过提供具有加宽区域6a、6b的掩膜来得到宽度不连续，其中加宽区域6a、6b在相对分叉不连续5的横断方向上基本上对齐。根据所使用工艺的类型，集成工艺最后的波导管实际排列将实际上和在掩膜上形成的稍有不同，这是因为制成该波导管的材料的倒圆和/或扩散。
申请人相信，为了从本发明得到积极的效果，宽度的不连续6a、6b和分叉不连续5应该彼此在完成的装置中沿纵向在约5微米内。因此，在此处和余下的描述以及所附权利要求中，术语“基本在分叉不连续的位置”意味着“在沿纵向测量从分叉不连续起低于约5微米的距离”。
根据由申请人提出的假设，“外”不连续6a和6b趋向“补偿”内不连续5。如以下将在余下的描述中详细说明的，申请人发现在过渡区域2中的前述几何的宽度不连续可以以基本提升光学项(term)内的连续的方式被优化，即使立即向分叉横断表面A上游的电磁场分布和立即向分叉横断表面A下游的电磁场基本一致的方式。换句话说，可以以得到在输入波导管1中传播的模式和在输出波导管3及4中传播的模式之间的最佳重叠的方法来设计宽度不连续，而不需要为此引入导管的加宽部分。
事实上，在将图4和图2比较时，可以看到，除了随后将更多描述的区域7，通过将输出波导管3及4和输入波导管1直接接触实际可以排除在过渡区域2中渐进的加宽区域。这可以避免在基片上提供具有尺寸以使它们支持更高次模式的部分波导管，它还具有由于完整的结具有更小的几何尺寸的额外优点。
为了避免更高次模式的激发，输入波导管1的尺寸使得在整个过渡区域2支持同样数量的传播模式。为此，当靠近分叉横断表面A时，输入波导管1的宽度基本保持不变。术语“基本不变的宽度”在这里和在以下的权利要求中表示不超过初始宽度的50％加宽。这不排除提供在过渡区域2内且靠近分叉横断表面A的输入波导管的较小加宽，如果这对于该装置的设计是必要的(例如，因为Y形结将被连接到具有不同尺寸的导管的另一个装置)，但是，在这种情况中，该加宽应该总是以不支持更高次模式的传播的方式改变输入波导管的尺寸。
较佳地，输出波导管3、4和分叉不连续5的宽度之和超过在分叉表面A的位置的输入波导管宽度约10％到50％，或更佳地，超过约15％到35％。
较佳地，根据本发明的Y形结的过渡区域2还包括分离区域7，它基本沿纵向从输出波导管3和4的内侧的延长线的相交处起向上游，并且其宽度至少等于分叉不连续5的宽度。分离区域7的折射率低于波导管的折射率，且分离区域7能由和基片相同的材料形成。在这种情况下，分叉不连续5将和分离区域7的一端一致。在较佳的实施例中，分离区域7的宽度离开横断分叉表面A而增加。分离区域7的出现还可以用来引起在过渡区域2内输出导管3和4的初始部分宽度的逐步增加。分离区域7还可以通过以适当的方式设计掩膜制成，通过提供基本和在适于界定过渡区域2的分离区域7对应的区域而达到。
实例1
申请人使用用于通过在铌酸锂上扩散钛集成的Y形结的常规BPM模型(BPM CAD波导管光学模型软件系统，版本4.0，由Optiwave公司销售)进行了一系列模拟。从如图5所示的波导管结构开始，包括宽度Xs的直输入波导管1和两个宽度Xd的直波导管3和4，它们由宽度D＝1.2微米的分叉不连续5分开，对使从位于分叉不连续5处的分叉表面A向上游或下游的电磁场模式的分布尽可能相等的结构进行研究。应该注意到，在图5的图示中，分叉表面A表示结的过渡部分。
特别地，针对1550纳米的电磁辐射计算从分叉表面A向上游或下游的基本模式，其后发现重叠积分(superimposition integral)，从而可以估计光功率的损耗。该重叠积分定义为：
I = | ∫ E 1 · E 2 * | 2 ∫ | E 1 | 2 · ∫ | E 2 | 2
其中E1和E2是分别从分叉表面向上游和下游的电磁场的基本模式的振幅。该积分的计算旨在涉及基片的尺寸。重叠积分I的可能值在0到1的范围内，并能表示为百分数。接近100％的百分数表示该范围基本只耦合成基本模式。
对于每个偏振态，TE和TM，分别进行计算。
模拟的结果如图6a和6b所示，它们示出分别对应TE偏振态和TM偏振态的重叠积分的水平曲线(level curve)。在这两个图中，水平轴示出输入波导管1的宽度Xs而纵轴示出输出波导管3、4和分叉不连续5的宽度和2Xd+D。直线60表示对应Xs＝2Xd+D的点的轨迹，即，从输入波导管到两个输出波导管的分叉中没有宽度不连续的那些点。
针对重叠积分所发现的最高值在图6a-6b中通过趋向环回其本身且在直线60之上的曲线示出，针对低于9-10微米的输入波导管的宽度。这对应其中的输出波导管3和4以及分叉不连续5的宽度之和高于输入波导管1宽度的结构。另一个水平线对应随与前述曲线的距离逐渐减少的重叠积分的值。特别地，图6a示出对应约99.8％的重叠积分值的两条水平曲线，这些曲线基本分别集中在约5和6微米的输入波导管的宽度Xs，具有分别为约7和8微米的分叉不连续和输出波导管的宽度之和2Xd+D。这些最后结构可便于用来形成具有用于约1550纳米的波长的光学信号的单模导管的Y形结，它具有离开分叉的输出波导管的适当加宽，直到约5-6微米的宽度。
实例2
为了揭示在3种结构中的每一个中的模型的性态，申请人用BPM模型对同样数量的Y形结进行3种不同的模拟。
在根据图2所示的已知技术制成的第一结构中，输入波导管1和输出波导管3和4分别具有6微米的宽度，而分叉不连续5具有1.2微米的宽度。过渡区域2包括相对纵向具有0.1°倾斜且长约2000微米的从6微米到6+6+1.2微米的逐渐加宽的区域。
在根据图3所示的已知技术制成的第二结构中，过渡区域2还包括具有1.2微米宽度的分离区域7，它位于输出波导管3和4的内侧延长线之间的相交处上游。该分离区域7延伸入过渡区域2约1500微米的距离，因此留下约500微米的加宽的“剩余”区域。在分开不连续5处的输出波导管3和4的初始部分宽度约3微米。
在根据图4所示的本发明的较佳实施例制成的第三结构中，输入波导管1和输出波导管3、4具有6微米宽度，而分离区域7具有1.2微米的宽度和1700微米的长度。通过使输出波导管3和4的初始部分的宽度等于3微米来提供宽度的不连续。输出波导管的初始部分的外侧倾斜为0.1°。
以下表1概括了模拟结的结构数据：
表1
比较1  比较2  本发明
输入波导管的宽度(微米) 6  6  6
过渡区域中输出波导管的宽度(微米) 6  从3到6  从3到6
分叉不连续的宽度(微米) 1.2  1.2  1.2
分离区域的长度(微米) ---  1500  1700
加宽区域的长度(微米) 2000  500  ---
加宽区域的宽度 从6到13.2  从6到7.2  ---
(微米)
加宽区域的倾斜 0.1° 0.1° ---
输出波导管的初始倾斜 0.1° 0.1° 0.1°
该实验是模拟将1550纳米的辐射注入以上所示的输入波导管中并观察其变化。
分别在图7、8和9中示出针对3种所描述的结构的从该模拟得到的结果。
如图7所示，对应图2的结构，沿输出波导管通过用属于辐射谱的模式分量来干扰传播模式。根据申请人，分叉不连续5引起在部分过渡区域内更高次模式的激发，在该部分过渡区域内波导管具有尺寸以便还支持某些更高次的模式。这些模式不通过单模输出波导管引导且以相对波导管方向的特定角度被辐射入基片，由此至少在初始部分干扰在波导管中传播的模式。此外，从第二更高次的模式上升且在分叉不连续处激发的一部分光功率可以在结的输出处以实际上不可预见和不希望的方式耦合成基本模式。
如图8所示，对应图3的结构，相对图7的结果具有一点改进，但仍可以观察到传播模式的剩余干扰。
相反地，相对图4所示的根据本发明的结构，在图9中这种干扰基本消除了。应该注意到，该结果通过使用具有1700微米长度的过渡区域得到，该过渡区域是从输出波导管分叉的起始端测量从输入波导管到输出波导管开始具有基本恒定宽度的区域的起始端，相对两个比较实例中出现的2000微米长度。由此，发现了具有较低的更高次模式激发并具有极紧凑尺寸的Y形结。特别在同一基片上包含多个Y形结的装置集成的情况中，这是很有利的。
实例3
在改变了波导管宽度后，申请人重复了参考实例2说明的模拟。在这一组模拟中，输入和输出波导管的宽度为7微米。这些波导管是双模的且用于1550纳米波长的传播。针对3种结构在结的两个分支之一的输出端估计耦合成低于更高次模式(这种情况中在波导管中传播)的基本模式的插入损耗(IL)和光功率(P)。在这种情况中，该实验模拟将1550纳米的辐射注入以上所示结构的输入波导管中来观察其变化。结果在以下的表2中概括。
表2
比较1 比较2 本发明
基本模式的IL(dB)  3.02  3.02  3.01
第一更高次模式的P -24dB -25dB -34dB
可以看到，根据本发明的结构稍许降低了基本模式的插入损耗并显著地降低了第一更高次模式的激发。
这里包含对本发明的任何背景讨论来说明本发明的内容。任何被称为“已知”的文档或信息之处，仅是承认在本申请日之前某些公众中至少一位成员已知。除非其它参考内容另外清楚地表明，否则既不表示这些知识是任何特定国家(无论是否是PCT成员国)的公众或本发明涉及的技术领域内的专家可以得到的，也不表示在本发明之前是已知的或已揭示的。此外，不表示任何文档或信息形成在世界范围内或特定国家中该技术领域的常规知识的部分。

Claims (26)

1.光学波导管装置，其特征在于，包括在平面基片上集成的至少一个Y形结，所述结包括：
第一(1)、第二(3)和第三(4)光学波导管，它们在所述基片上延伸，
过渡部分(2)，在其中所述第二(3)和第三(4)波导管从所述第一波导管(1)分叉，所述过渡部分(2)包括预定宽度的分叉不连续(5)，
基本在所述分叉不连续(5)的位置上，所述第一波导管(1)的宽度小于所述第二波导管(3)和所述第三波导管(4)以及所述分叉不连续(5)的宽度之和，以及
所述第一光学波导管(1)延伸入所述过渡部分(2)中直到所述分叉不连续(5)的宽度基本不变。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述分叉不连续(5)的宽度超过0.2微米。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述过渡部分(2)包括所述第二和第三波导管(3，4)之间的分离区域(7)，所述分离区域(7)的折射率低于所述第二和第三波导管(3，4)的折射率。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述分离区域(7)的宽度在整个过渡区域(2)而基本恒定。
5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述分离区域(7)的宽度离开所述第一波导管(1)而逐渐增加。
6.如权利要求1至5所述的装置，其特征在于，所述第二和第三波导管(3，4)的宽度在所述过渡部分(2)内离开所述第一波导管(1)而逐渐增加。
7.如权利要求1至6的任意一项所述的装置，其特征在于，在所述分叉不连续(5)处，所述第二和第三波导管(3，4)以及分叉不连续(5)的宽度之和超过所述第一波导管(1)的宽度约10％至50％。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，在所述分叉不连续(5)处，所述第二和第三波导管(3，4)以及分叉不连续(5)的宽度之和超过所述第一波导管(1)的宽度约15％至35％。
9.如前述任意一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述第一、第二和第三波导管(1，3，4)适于允许预定波长辐射的单模传播。
10.如前述任意一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述第二和第三波导管(3，4)从所述第一波导管(1)以基本对称的方式分叉。
11.如前述任意一项权利要求所述的装置所述平面基片由铌酸锂制成。
12.用于形成集成光学波导管装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供具有折射率的第一材料的平面基片；
通过使用第二材料将波导管结构集成到所述基片的至少一个部分，所述第二材料能增加在所述基片部分的所述折射率；
所述集成步骤包括在掩膜中提供对预定波长的曝光辐射透明的至少一个区域的步骤，所述透明区域由基本对应所述波导管结构的结构界定，所述波导管结构包括至少一个Y形部分，它具有输入波导管(1)、过渡部分(2)和两个输出波导管(3，4)，所述过渡部分包括所述输出波导管(3，4)从所述输入波导管(1)的分叉的预定宽度的截顶(5)；
其特征在于，在所述掩膜内提供至少一个透明区域的步骤包括
在过渡部分(2)内提供基本位于所述截顶(5)位置的宽度不连续(6a，6b)，从而使所述输出波导管(3，4)和所述截顶(5)的宽度之和超过所述输入波导管(1)的宽度，以及
在保持其宽度基本不变的同时，以将所述波导管(1)延伸入所述过渡区域(2)直到所述截顶(5)的方式提供所述输入波导管(1)。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述集成的步骤包括另外的步骤：
沉积所述第二材料的第一层；
沉积所述光阻材料的第二层；
将掩膜面向所述第二层；
将所述掩膜暴露于所述曝光辐射，以这种方式改变第二层来形成待集成的波导管结构的轮廓；
除去在所述轮廓之外的所述第二材料部分。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，在所述除去步骤之后，所述集成步骤还包括以下步骤：
在预定的温度，将所述第二材料扩散入所述基片。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述温度的范围从约900℃到1150℃。
16.如权利要求12至15的任意一项所述的方法，其特征在于，所述第一材料是铌酸锂。
17.如权利要求12至16的任意一项所述的方法，其特征在于，所述第二材料是钛。
18.如权利要求13至17的任意一项所述的方法，其特征在于，所述第一层材料的厚度小于约500纳米。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述厚度的范围从50纳米到150纳米。
20.用于形成光学波导管装置的掩膜，包括至少一个区域对预定波长的曝光辐射透明，所述透明区域界定基本对应在平面基片上待集成的波导管结构的结构，所述波导管结构包括至少一个Y形部分，它具有输入波导管(1)、过渡部分(2)和两个输出波导管(3，4)，所述过渡部分包括所述输出波导管(3，4)从所述输入波导管(1)的分叉的预定宽度的截顶(5)；
其特征在于，
它包括，在所述过渡部分(2)，基本位于所述截顶(5)处的宽度不连续(6a，6b)，从而使所述输出波导管(3，4)和所述截顶(5)的宽度之和超过所述输入波导管(1)的宽度，
以及
所述输入波导管(1)延伸入所述过渡部分(2)直到所述截顶(5)的宽度基本不变。
21.如权利要求20所述的掩膜，其特征在于，它包括，在所述过渡部分，其宽度至少等于所述截顶(5)的宽度的所述输出波导管(3，4)之间的分离区域(7)。
22.如权利要求21所述的掩膜，其特征在于，所述分离区域(7)的宽度在整个过渡部分(2)而基本恒定。
23.如权利要求21所述的掩膜，其特征在于，所述分离区域(7)的宽度离开所述第一波导管(1)而逐渐增加。
24.如权利要求20到23的任何一项所述的掩膜，其特征在于，在所述分叉处，所述输出波导管(3，4)和所述截顶(5)的宽度之和超过所述输入波导管(1)的宽度从10％到50％范围的量。
25.如权利要求24所述的掩膜，其特征在于，在所述分叉处，所述输出波导管(3，4)和所述截顶(5)的宽度之和超过所述输入波导管(1)的宽度15％到35％范围的量。
26.如权利要求20至25的任意一项所述的掩膜，其特征在于，所述截顶的宽度超过0.2微米。
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