CN1589415A

CN1589415A - 具有垂直及水平模成形的光波导终端

Info

Publication number: CN1589415A
Application number: CN02822895.2A
Authority: CN
Inventors: 罗辉; 敏岛格斯·F·岛塔特斯; 丹·A·斯坦伯格; 戴维·W·舍利尔
Original assignee: SIPOREI CORP
Current assignee: SIPOREI CORP; Rohm and Haas Electronic Materials LLC
Priority date: 2001-12-05
Filing date: 2002-12-05
Publication date: 2005-03-02

Abstract

公开了包含单模波导(700)的一种光学装置，该单模波导在第一区域支持第一光模，在第二区域支持第二光模。该波导包含导向层(703)，具有至少一个翼(750)从该导向层(703)向外延伸。导向层(703)可以理想地在翼处具有肋形波导(706、707)的截面形状。在沿导向层的长度方向，翼(750)的宽度减小，以使翼处的肋形波导模转换成信道波导模。

Description

具有垂直及水平模成形的光波导终端

技术领域

本发明通常涉及光集成电路(OIC)，并且尤其涉及用于耦合光波导的一种结构。

背景技术

光通信正在演变成为用于数据及语音通信的精选技术。目前光网络中的大多数OIC是分立的无源元件，提供单一的功能例如对一个光信号进行功率分配使之成为几个信号(1×N)，建立用于光信号的(N×M)开关，均衡或衰减信号，通过阵列的波导光栅进行波长解复用，或者将选定的波长分插入光路(光分插多路复用)。更高水平的集成可以将其中的一些功能组合在单个OIC芯片上。此外，有源装置例如激光器、调制器及光电探测器的混合集成已经实现，并且随着更多成熟制造方法的研究而得到普及。

尽管该技术成熟很快，但是因为目前的“低Δn”(低折射率差)平面光电路弯曲半径大、纤芯尺寸大以及模限制有限，所以光集成电路的尺寸仍比电子集成电路大。例如，模场直径与目前通信光纤相同的平面波导纤芯可以使带有功率均衡的一个8×8光开关消耗整个100mm的晶片。目前这代OIC中现在使用大纤芯尺寸以及纤芯与包层之间的低折射率对比的原因是为了在网络中使用的目前单模光纤与该OIC之间实现模匹配。这种模匹配使得该OIC与将OIC连接到网络其余部分的光纤之间的耦合损耗较低。但是，在这种OIC中仅能在每个晶片中实现有限的密度。因此，需要增大该折射率对比，以能够更好地利用晶片表面这个“不动产”，由此能够实现更高水平的功能。这种高折射率对比的OIC通常称作“高Δn”波导，指在该OIC平面波导中纤芯与包层折射率差较大(例如2％～10％)。

为了在光电路中实现高组装密度，应增大纤芯与包层之间的折射率差，使得可以减小纤芯尺寸。因此，在相同能量损耗情况下高Δn波导允许减小的纤芯尺寸以及更紧的回转半径，并且使得密集的波导由于纤芯中的模限制较好而串扰较小。此外，由于高Δn波导中的纤芯可以更细并且模可以更紧密地受限，因此用于制造OIC的平面波导的纤芯和包层的厚度可以更薄。这可以降低制造高Δn OIC，尤其是利用蚀刻的纤芯使用传统的无机玻璃制造的OIC的成本和难度。

尽管有这些潜在的好处，但是，由于存在许多难题，高Δn波导仍处于待采用的状态。阻碍高Δn波导的商业应用的最大难题之一就是高Δn波导不能极好地适用于直接耦合到常用的模场直径典型地为7μm至9μm的单模光纤。按照光模理论可以理解这种元件之间缺乏兼容性。

平面光波导，包括高Δn波导，以及在高速和长距离光传输系统中有用的光纤波导，通常被设计为支持单模。换句话说，该波导使得波动方程具有一个离散解；尽管可能具有无数个连续解(传播常数)。该离散解是一个受限模的解，而连续解是辐射模的解。

因为每个波导对于其受限模将具有一个不同的离散(特征值)解，所以，合理地说，两个全异的波导，例如一个光纤和一个平面波导，对于单个受限模通常不具有相同的解。因此，为了提高光耦合效率，在OIC的平面波导与光纤之间需要具有一个波导转换区域。理想地，该转换区域使得该模可以绝热压缩或膨胀，使得可以实现模从一种类型的波导到另一种类型的波导的有效耦合。

如上所述，与高Δn波导结构例如平面波导所支持的模相比，光纤典型地支持的模尺寸(电磁场空间分布)在水平和垂直方向都大得多。因此，一个难题是提供一个波导转换区域，使得该模可以绝热膨胀，使其被光纤支持。此外，在水平和垂直方向都能实现模的绝热膨胀很有用。已经证明，使用常规的制造技术，制造一个波导能够在垂直方向实现模的绝热膨胀很困难。例如，通过常规技术逐渐减小波导的厚度以实现模的垂直绝热膨胀极其困难。

因此，本领域仍需要一些装置，用于在具有各异特性的模的波导之间实现有效耦合，例如高Δn波导(例如屋脊激光器和绝缘体上硅结构(SOI)肋形波导)、不对称模装置与流行的(低)Δn波导(例如单模光纤)之间的模失配。

发明内容

根据本发明的一个示例性实施例，公开了包括单模波导的一种光学装置，在第一区域支持第一光模以及在第二区域支持第二光模，该波导包含一个导向层，具有至少一个翼从该导向层向外延伸。理想地，该波导可以具有两个翼，使得该波导可以具有肋形波导的截面形状，用于将本发明的一个光学装置耦合到一个肋形波导装置。在沿该导向层的长度方向，该翼的宽度可以减小，以使模从肋形波导模转换成信道波导模。该波导还可以包含一个导向层，具有第一锥度的较低部分以及第二锥度的较高部分。导向层的较低部分可以从第一宽度逐渐减小到第二宽度，较高部分可以从第一宽度逐渐减小到一个点。该导向层理想地是单个材料层。

附图说明

结合附图将更好地理解前面的概述以及随后的本发明较好实施例的详细描述，其中：

图1(a)是根据本发明的一个示例性实施例的波导的顶视图；

图1(b)是图1(a)所示波导的透视图；

图1(c)是根据本发明的一个示例性实施例的波导的图1(a)波导的侧视图；

图2(a)是根据本发明的一个示例性实施例的耦合到光纤的一个波导的透视图；

图2(b)是根据本发明的一个示例性实施例的波导的顶视图；

图3(a)-3(f)是根据本发明的一个示例性实施例的波导在不同区域处的光模的电场分布的图解表示；

图4(a)-4(d)是根据本发明的示例性实施例的波导的导向层的顶视图；

图5是本发明的一个示例性实施例的透视图；

图6是本发明的一个示例性实施例的透视图；

图7(a)是根据本发明的一个示例性实施例的波导的透视图，其中该波导包含翼用于耦合到一个肋形波导；

图7(b)是图7(a)的波导的端视图，显示包含翼的该波导的端部；

图7(c)是图7(a)的波导的顶视图；

图7(d)是一个波导的透视图，构型上与图7(a)所示类似，但是具有厚度逐渐减小的翼；

图8(a)和8(b)是根据本发明的具有更多示范翼构型的波导的顶视图；以及

图9是根据本发明的一个示例性实施例的波导的顶视图，与图8(a)类似，但是具有宽度减小的较高波导部分。

术语定义

1.这里所用的术语“上”可以意味着正好在上面或者在其间具有一个或多个层。

2.这里所用的术语“单个材料”包含具有完全均匀化学计量的材料。这些材料可以有掺杂，也可以没有。示例性材料包含但是决不限于硅、SiO_xN_y、SiO_x、Si₃N₄和InP。此外，这里使用的术语“单个材料”包含超微复合材料、有机玻璃材料。

3.这里所用的术语“平分”可以意味着分成两个相等的部分，或者，术语“平分”可以意味着分成两个不相等的部分。

具体实施方式

在以下详细描述中，为了解释而非限制，提出了公开特定细节的示范实施例，以提供对本发明的更全面的理解。但是，对于已经得到了本公开的好处的熟练的技术人员，显然本发明可以在与这里公开的特定细节不符的其它实施例中实施。此外，可能省略了对众所周知的装置、方法和材料的描述，以免影响本发明的描述。

简要地，本发明涉及一种光波导，促进绝热的模膨胀/压缩，由此使得支持第一光模的第一波导与支持第二光模的第二波导实现光耦合。根据一个示范实施例，该波导在第一区域支持第一光模，在第二区域支持第二光模。本发明的波导示例性地使OIC的一个平面波导，例如信道波导或肋形波导，耦合到光通信系统的一个光纤或另一个波导。该波导可以包含单个材料导向层，具有第一锥度的较低部分以及第二锥度的较高部分。根据本发明的另一个示范实施例，公开了一种光学装置，包含具有单个材料导向层的一个波导。该单个材料导向层具有从第一宽度逐渐减小到第二宽度的一个较低部分，以及从第一宽度逐渐减小到一个点的一个较高部分。

该单个材料可以位于一个应力补偿层上，该应力补偿层用于减小应力导致的偏振模色散和温度导致的偏振模色散。这个应力补偿层完全不影响波导的光特性。根据本发明的另一个示范实施例，公开了一种光学装置，包含具有导向层的一个波导，具有从该导向层向外延伸的两个翼。该翼位于波导的一个选定端，以提供该波导的一个端面，非常适用于耦合到OIC的一个肋形波导。

根据这里描述的示范实施例的波导可以是在OIC制造过程中形成的OIC的有机组成部分。当然，可以使用多个波导在OIC的不同位置耦合多个光纤。例如，通过利用并入本发明的多个波导的一个装置，一个8信道光纤阵列可以有效地耦合到一个8信道SOI波导。通过解决本发明的一个内插器芯片中的模匹配难题，这样一种构型不需要SOI波导中的昂贵的上方锥度。

现在参考附图，图1(a)和1(b)显示根据本发明的一个示例性实施例的波导100。导向层101位于较低包层102上。该导向层101示例性地为单个材料。较高包层(未显示)覆盖该导向层101。较高和较低包层的折射率可以相同或者不同。就一切情况而论，较高和较低包层的折射率小于导向层101的折射率(n_g)。波导100包含第一区域103和第二区域104。导向层101进一步包含较高部分105和较低部分106。较高部分105相对于导向层101的边107以θ₂的角度逐渐减小。较低部分106相对于导向层101的边107以θ₁的角度逐渐减小。

减小导向层101的厚度和宽度对穿越该波导的光模的绝热膨胀/压缩有很大的影响。(对于熟练的技术人员，很显然，当模在+z向传播时，发生绝热膨胀；而由光学的可逆原理，当模在-z向传播时，发生绝热压缩。)当导向层101的宽度沿着第一锥度108从宽度w₁减小到有效零宽度终止点109，有效折射率减小。此外，导向层101沿第二锥度111从宽度w₁减小到端面110处的一个有限宽度w₂。同样，有效折射率随着导向层101的宽度减小而减小。由于有效折射率的减小，当模在+z向穿越波导时，光模的水平部分膨胀(在导向层101中较少受限)。导向层101的第一锥度108和第二锥度111的制造可以通过众所周知的技术实现，如下进一步详述。

当然，光模的垂直部分绝热膨胀/压缩也是有用的。为了使光模的垂直部分经历完全绝热的膨胀/压缩，减小了导向层的厚度。

转向图1(c)，显示图1(a)的示例性实施例的一个侧视图。在该实施例中，导向层101的厚度如图所示在+z向从厚度t₁减小到厚度t₂。较高包层(未显示)可以覆盖导向层101。虽然当导向层101的厚度从厚度t₁减小到厚度t₂时，用于导向层101的单个材料具有折射率n_g，但是有效折射率减小了。因此，在+z向穿越导向层101的光模的垂直部分将膨胀，因为它较少受限于导向层101。最后，根据图1(a)和1(b)中所示的本发明的示例性实施例，导向层101的端面110的宽度w₂、厚度t₂以及折射率使得产生与光纤良好匹配的光模。因此，波导100支持的在端面110处的单个光模也将被光纤支持。因此，波导100的导向层101与光纤(未显示)的导向层之间实现良好的光耦合。

根据本发明的示范实施例的波导100可以使得导向层101的较高部分和较低部分关于纵向平分导向层101的一个平面对称。或者，根据本发明的示范实施例的波导100可以使得导向层101的较高部分，或者较高部分和较低部分，关于平分波导100的一个轴不对称。此外，根据本发明的示范实施例的一个波导可以包含从该导向层向外延伸的一个或多个翼。该翼可以位于波导的一个端面，使得该端面特别适于耦合到一个肋形波导。本发明的这些和其它示范实施例在以下例子中描述。

例子I

转向图2(a)，显示根据本发明的一个示范实施例的波导200的透视图。较低包层202位于基底201上。导向层203位于较低包层202上。波导200具有第一区域204和第二区域205。导向层203包含较低部分206和较高部分207。光模从端面209耦合到光纤208。为了便于讨论，图2(a)中未显示较高包层。这个较高包层将覆盖导向层203。较高包层、导向层203和较低包层202构成根据本发明的一个示例性实施例的波导200。较高包层的折射率可以与较低包层202相同。或者，较高包层的折射率可以比较低包层202高(或低)。导向层203的折射率n_g大于较高包层和较低包层202的折射率。最后，根据本发明的本例的示例性实施例，较高部分207和较低部分206关于平分导向层203的轴210对称，如图2(b)中所示。

如上所述，可能希望将光纤208耦合到OIC(未显示)。这种耦合可以通过将光纤耦合到OIC的一个平面波导(未显示)实现。但是，该平面波导支持第一光模，而光纤208支持第二光模。因此，该光纤将不能以有效方式支持该平面波导的第一光模，并且平面波导的第一光模的能量的很大部分可以在光纤208中转换成辐射模。

波导200可以位于OIC的平面波导与光纤208之间，以便于它们之间的有效光耦合。为此，如上详述，平面波导的第一光模在平面波导的导向层中比第二光模在光纤的导向层中实际上更多受限。即，平面光波导的受限模小于光纤的受限模。因此，波导200对于使平面波导的第一光模的能量通过该模的完全绝热膨胀有效地转移到光纤208中很有用。换句话说，平面波导的波动方程的解为第一光模。当平面波导所支持的模穿越波导200时，转换到柱形光波导(光纤208)支持的第二光模。

有利地，平面波导支持的模转换成波导200支持的模，并且最终转换成光纤208支持的模，完全是绝热转换。因此，从平面波导到光纤208的转换损耗极小。示例性地，转换损耗近似0.1％以下。此外，波导200的第二区域205实现模的水平和垂直转换。最后，上述讨论引向波导200中模的绝热膨胀。当然，由光学的可逆原理，模从光纤208(-z向)传播到一个平面波导将根据相同的物理原理经历绝热压缩。

图2(b)显示图2(a)的波导200的顶视图。波导200的导向层203包含第一区域204，第一区域204耦合到另一个波导(或是它的一部分)，例如一个平面波导(未显示)。在第二区域205中，平面波导中支持的模转换成另一个波导(例如光纤208)支持的模。该第二区域205包含较低部分206和较高部分207。到达端面209时，单个受限模被光纤208支持。因此，在光纤中，该模的很大比例的能量未损失到辐射模。总之，图2(a)和图2(b)的示例性实施例的结构导致该光模的水平部分和垂直部分都有效耦合。该结构容易采用标准半导体制造技术制造。

如图2(b)所示，当导向层203逐渐减小时，较低部分206相对于波导203的边成第一角度θ₁；较高部分207照样相对于波导203的边成第二角度θ₂。示例性地，该角度在近似0°到近似0.5°的范围内。有时，较好地该角度在大于0°到近似0.5°的范围内。熟练的技术人员可以容易地意识到，锥度的角度越大，锥度的长度越短。反之，锥度的角度越小，锥度的长度越长。如这里将详述，锥度长度越长可能要求芯片面积越大，这从集成方面看是不利的，但是可能导致模的更绝热的转换(膨胀/压缩)。最终，这可以分别减小波导的第二区域205和光纤208中的转换损耗和辐射模。最后，注意角度θ₁和角度θ₂不必相等。示例性地，角度θ₂可以大于角度θ₁。

较低部分206的锥度的长度(图2(b)中显示为L₂)为近似100μm至1500μm。当然，图2(b)未按比例绘制，因为波导的宽度(显示为w_g)比锥度部分的长度L₂小几百倍(例如1～10微米宽)。波导的较高部分207的锥度的长度(显示为L₁)为近似100μm至近似1500μm。如上所述，锥度角度越小将导致锥度长度(L₁)越长，并且因此可能需要的芯片表面面积越大，这在高度集成的结构中可能是不太希望的。但是，锥度的长度(L₁)还决定了模成形的效率。为此，锥度越长模成形可以越有效，因为模转换越绝热。

在图2(a)和2(b)的示例性实施例中，导向层203的较高部分207和较低部分(206)关于平分导向层203的轴210完全对称。因此，较低部分的第一角度θ₁在轴210的两侧是相等的。类似地，较高部分的第二角度θ₂在轴210的两侧是相等的。在本实施例中，较高部分207和较低部分206关于轴210对称，长度L₁和L₂在轴210的两侧是相等的。

最后，如下所述，波导的锥度减小了导向层203的宽度(w_g)，使得模的水平部分能够完全绝热膨胀/压缩。在端面209处，宽度减小到所示的宽度w₂。示例性地，该宽度w₂在近似0.5μm至近似2.0μm的范围内。虽然该实施例显示导向层203在该宽度处终止得非常陡，当然，象图1(a)和1(b)的示例性实施例中一样，但是该导向层203仍有可能以该减小的宽度w_g继续一个有限长度，最终在端面处终止。

波导200的制造可以通过相对标准的半导体制造加工工艺实现。尤其有利的是，导向层203可以由单个层，示例性地单层单个材料制成。为了制造图1中示例性所示的装置，在单个沉积步骤中沉积一种合适的材料。其后进行常规的光刻步骤，并且可以进行常规的蚀刻例如活性离子腐蚀(RIE)技术，以形成波导203以及定义较低部分206。较高部分207可以通过第二常规光刻/蚀刻顺序制造。

或者，可以将单片材料沉积在层202上，并且在沉积步骤中，可以形成第二区域205的较低部分206的锥度。在沉积步骤之后，导向层203可以被部分蚀刻，以形成顶部部分207中的锥度。顶部部分207可以通过标准干或湿蚀刻技术各向同性和各向异性地蚀刻。虽然到现在为止所述的示例性实施例说的是导向层203由单个层构成，但是很明显该波导也可以由多层单个材料构成。为此，导向层203可以包括一个较低层和一个较高层(未显示)，较低层包含较低部分206，较高层包含较高部分207。在两层顺序沉积的技术中，其后顶部层通过标准技术蚀刻，以构成导向层203的第二区域205的顶部部分207的锥度。

为了示例，而非限制，在该示例性示范实施例中，较低包层202为二氧化硅(SiO₂)，折射率为近似1.46。导向层203示例性地为氮氧化硅(SiO_xN_y)，并且较高包层(未显示)也为SiO₂。在材料的该示例性例子中，在第一区域204中，导向层203的厚度(图2(a)中显示为t₁)为近似2.0μm至近似4.0μm。如图2(a)中所见，导向层203的厚度从t₁减小到t₂。此外，如图2(a)中所见，在213处导向层203的厚度t₁是较高部分207的厚度t₃与较低部分206的厚度t₂之和。在截面211处，导向层203的厚度减小到较低部分206的厚度t₂。

在较高部分207和较低部分206的锥度(宽度w_g的减小)导致受限模的水平部分的绝热膨胀的时候，厚度从t₁减小到t₂导致受限模的垂直部分的绝热膨胀。如上所述，导向层203的厚度的减小导致该模的垂直部分的折射率(n_eff)的减小。因此，该模在导向层中垂直方向受限较小，并且当其在+z向穿越波导200时逐渐膨胀。在端面209处，该模与光纤208的导向层特性有效匹配。较低部分206的示例性厚度(t₂)在近似1.0μm至近似2.0μm的范围内。最后，较高部分207的示例性厚度(t₃)在近似1.0μm至近似2.0μm的范围内。

图3(a)和3(b)分别显示在波导200的第一部分204中的受限模在沿x轴点z₀以及沿y轴点z₀处的电场分布。换句话说，图3(a)显示第一区域204中受限模的电场的水平部分，而图3(b)显示该模的电场的垂直部分。可以意识到，该模能量尤其在波导200的第一区域204尤其受限。特征性地，这是一个平面波导(未显示)所支持的特征模的能量分布，该平面波导容易耦合到波导200的第一区域204，波导200实质上具有与该平面波导相同的物理特性。

图3(c)和3(d)显示波导200的第二区域205中受限模的电场，尤其是点212附近的电场。更确切地，图3(c)和3(d)分别显示波导200的第二区域205中的受限模的电场分布的水平和垂直部分。如图所示，波导200的该部分中支持的模与第一区域204中支持的模相比，稍微膨胀(较少受限于导向层203)。

图3(e)和3(f)分别显示波导200的第二区域205的近似端面209处受限模的电场分布的水平和垂直部分。在该点处，受限模的电场分布在水平方向(图3(e))和垂直方向(图3(f))都明显更大。该模从第一区域204的相对受限的模到端面209处相对膨胀的模的绝热转换是相对绝热的，并且使得转换损耗可以完全忽略。

图3(a)-3(f)的概观揭示了在+z向穿越导向层203的受限模的绝热膨胀。如上所述，较低部分206和较高部分207的锥度导致导向层203的宽度w_g的减小。这导致该模的水平部分的有效折射率(n_eff)的减小。因此，该模的水平部分较少受限于导向层203。因此，该模在其穿越波导200时膨胀。此外，导向层203的厚度从t₁至t₂的减小导致该模的垂直部分的有效折射率(n_eff)的减小。因此，该模较少受限于导向层203。图3(d)和3(f)所示的模将可以被光纤支持。

例子II

如上所述，例子I中导向层203的较高部分207和较低部分206关于平分导向层203的轴210完全对称。在例子II的示例性实施例中，导向层401的较高部分407可以关于平分导向层401的轴413不对称。较低部分402可以关于平分导向层401的轴413对称。或者，较高部分407和较低部分402可以都关于平分导向层401的轴413不对称。从加工和制造方面看，只有导向层401的较高部分407或者是导向层401的较高和较低部分407和402都关于平分导向层401的轴413不对称可能是有利的。

在该例子所述的示例性实施例中，导向层401的较高部分407或者是较高部分407和较低部分402的锥度的不对称在制造过程中提供了更大的允差。为此，当制造不对称的锥度时，掩模定位允差更大。注意结合例子I中示例性实施例描述的标准掩模和蚀刻步骤可以用于制造本例子的示例性实施例的波导。此外，如结合例子I的示例性实施例所述，根据该示例性实施例的波导通过光模的绝热膨胀/压缩促进两个波导之间的有效光耦合。此外，根据例子II的示范实施例的波导示例性地将一个光通信系统的光纤耦合到一个OIC的平面波导。

转向图4(a)，显示一个波导的导向层401的顶视图。再次，一个较低包层(未显示)和一个较高包层(未显示)可以分别位于导向层401的下方和上方，因此构成一个波导。该较高和较低包层与结合以上完全描述的示例性实施例所述完全相同。导向层401的较低部分402具有较低部分第一锥度403和较低部分第二锥度404。较低部分第一锥度403由角度θ₃和长度405定义。较低部分第一锥度403的长度405通过画一条垂线到第一锥度403的终点可以容易地确定。较低部分第二锥度404由角度θ₄和长度406定义。长度406再次通过画一条垂线到终点定义。导向层401的较高部分407位于较低部分402上。较高部分407具有较高部分第一锥度408，由角度θ₁和长度410定义，长度410可以通过从较高部分第一锥度408的终点画一条垂线得到。类似地，较高部分407的较高部分第二锥度409由角度θ₂和长度411定义，长度411可以通过从该锥度的终点向导向层401的边画一条垂线得到。导向层401具有示例性的长度w_g，在端面410处减小到宽度w₂。截面412是示例性的，并且具有减小的宽度w₂的端面可以位于较低部分402的终端。

在图4(a)的示例性实施例中，轴413平分导向层401。较高部分407关于轴413不对称。相反，较低部分402关于轴413完全对称。在图4(a)的示例性实施例中，角度θ₃和θ₄完全相等。较低部分第一和第二锥度403和404的分别的长度405和406完全相等。有利地，当与上述实施例中较高部分关于平分导向层401的轴对称的情况相比时，在构成导向层401的较高部分407的过程中对掩模定位允差的约束减轻了。

可以容易地意识到，通过改变较低部分第一锥度403的角度θ₃和较低部分第一锥度403的长度405，以及通过改变较低部分第二锥度404的角度θ₄和较低部分第二锥度404的长度406，以及通过改变较高部分第一锥度408的角度θ₁和较高部分第一锥度408的长度410，以及通过改变较高部分第二锥度409的角度θ₂和较高部分第二锥度409的长度411，导向层401可以实现多种结构。结果可以是较高部分407关于轴413不对称，而较低部分402关于轴413对称。或者，导向层401的较高部分407和较低部分402可以都关于轴413对称。以下描述了一些示例性结构。当然，这些仅是示范并且决不是对本发明的限制。

转向图4(b)，显示本发明的一个示例性实施例的顶视图。在图4(b)的示例性实施例中，导向层401的较低部分402关于轴413完全对称。即角度θ₃完全等于角度θ₄，并且长度405完全等于第二长度406。但是，角度θ₂和长度411实质上等于零。因此，没有较高部分407的第二锥度。较高部分407完全由θ₁和长度410定义。该实施例尤其有利之处在于用于定义较高部分407的掩模仅需要半自动对准。即它仅需要与较低部分402相交，因为较高部分407的锥度是单侧的并且在较低部分402的边上的一点处终止。这种缺少第二锥度导致掩模对准精度的需求降低。

转向图4(c)，显示本发明的另一个示例性实施例。导向层401包含较低部分402和较高部分407。在该示例性实施例中，角度θ₁和θ₄实质上等于零。较高部分407包含较高部分第二锥度409，锥度长度411。较低部分402具有第一锥度403，锥度长度405。

根据该示例性实施例，较高部分407和较低部分402都关于平分导向层401的轴413不对称。

转向图4(d)，显示本发明的另一个示例性实施例。在该示例性实施例中，较低部分402和较高部分407都关于平分导向层401的轴413不对称。此外，角度θ₁和θ₂结合长度410和411可以用于定义较高部分407的锥度。类似地，角度θ₃和长度405可以用于定义导向层401的较低部分402的锥度。

由例子II的示例性实施例的概观可以容易地意识到，导向层可以是多种结构。所述的实施例仅是本发明的波导的示范。因此，这些示范实施例仅是示例性的而决不是对本发明的限制。

例子III

在本例子中，描述了本发明的其它示例性实施例。这些示例性实施例可以并入上述导向层的对称和不对称的原理。此外，结合例子I和II的示例性实施例所述的许多制造技术都可以使用。

图5显示根据本发明的另一个示例性实施例的透视图。波导500包含较低包层502。较低包层502可以位于基底501上。导向层503位于较低包层502上。较高包层(未显示)可以位于导向层503上。在图5所示实施例中，导向层503的较低部分507是一个扩散的导向层。在图5所示特定实施例中，较低部分507示例性地为TiLiNbO₃波导。波导503的顶部部分506的材料的折射率与较低部分507(扩散的波导)完全相同。有利地，图5所示实施例是有用的，因为扩散的导向层通常宽度(沿x轴)比深度(沿y轴)大。顶部部分506的第二区域505以类似前面实施例例如图1所示的方式逐渐减小。第二区域505的顶部部分506在既提供垂直又提供水平模转换时是有用的。

转向图6，显示本发明的另一个示例性实施例。在该示例性实施例中，波导600具有第二区域605，第二区域605示例性地包含三层。当然，这仅是示例性的，更多的层也是可能的。基底601上面具有较低包层602。导向层603具有第一区域604和第二区域605。第二区域605具有较低部分606和中间部分607和顶部部分610。较高包层611(未显示)可以位于导向层603上方。此外，一个波导耦合到端面608；并且示例性地该波导为一个光纤(未显示)。在图6所示示例性实施例中，第二区域605关于平分较低部分606的轴609对称。制造顺序和材料在图6所示实施例中完全相同。当然，在该实施例中必须进行第三光刻/蚀刻步骤，其中一层材料被沉积以构成导向层603。当然，可以以结合图1所述一致的方式进行相同材料的多次沉积。其后，将进行顺序的光刻和蚀刻步骤，以实现第二区域605的较低部分606、中间部分607和顶部部分610。

例子IV

到现在为止所述的示例性实施例已经包含了尤其适用于耦合到信道波导的构型。但是，此外，如该例的实施例中所述，本发明同样极其适合于耦合到肋形波导。在这点上，该例的实施例包含一个波导端部，具有与肋形波导兼容的截面形状，如例如图7(b)中所示。

更详细地转向图7(a)-(c)，显示波导700包含导向层703，在波导700的端面710处具有从该导向层703向外延伸的两个翼750。波导700包含较低包层702，导向层703位于较低包层702上。较高包层(未显示)可以以类似上述实施例的方式位于导向层703上。较高包层的折射率可以与较低包层702相同。或者，较高包层的折射率比较低包层702高(或低)。导向层703的折射率n_g比较高包层和较低包层702都大。导向层703包含较高部分707和较低部分706，它们的构型可以与上述实施例相同。例如，较高和较低部分707、706可以以类似前述实施例例如图1的方式逐渐减小。或者，导向层703可以没有锥度。

每个翼750的材料可以与较低部分706以及较高部分707相同，以提供单个材料结构，如图7(b)的端视图所示。或者，一个或两个翼750可以包括与较低部分706和/或较高部分707不同的材料。每个翼750在端面710处具有宽度w_w和厚度t₃，使得导向层703与翼750的组合结构具有肋形波导的截面形状。因此，波导700在肋形端部710处的部分极其适合于耦合到例如OIC中具有的肋形波导。翼750的厚度t₃可以与较低部分706相同或者可以与较低部分706不同。

如图7(a)和7(c)所见，翼750的宽度沿导向层703的长度方向减小，以使波导700中的模从端面710处的肋形波导模转换成波导700的对侧端面709处的信道波导模(或者反之，与波导700的传播方向有关)。即，随着翼750的宽度减小，翼750中包含的光模的能量转移到导向层703中，导向层703具有信道波导的截面形状。为了有助于导向层703与翼750之间的能量转移，翼750的厚度t₃可以沿导向层703的长度方向从端面710处的最大值减小，如图7(d)所示。

翼宽度w_w减小的比率受图7(c)所示的翼角度θ_w的选择控制，反过来决定了模转换的绝热情况。尤其，1°以下的翼角度θ_w可以足够小，以提供从肋形模到信道模的绝热模转换。如所述，每个翼750可以具有相同的翼角度θ_w。或者，每个翼750可以具有不同的翼角度θ_w。此外，翼角度θ_w可以小于或者大于较低部分706的锥度角度θ₁。或者，翼角度θ_w可以等于较低部分806的锥度角度θ₁，如图8(a)的实施例所述。

图8(a)的波导800显示一个有翼波导的另一个示范实施例的顶视图，在许多方面与图7(a)-(d)的实施例类似。波导800包含导向层803，在波导800的端面810处具有从导向层803向外延伸的两个翼850。波导800包含较低包层802，导向层803位于较低包层802上。较高包层(未显示)可以以与关于波导700所述类似的方式位于导向层803上。导向层803包含较高部分807和较低部分806，可以类似于以上实施例所示的相应结构。但是，在图8(a)的实施例中，翼角度θ_w与锥度角度θ₁相同。此外，翼850随意地具有长度l_w，从端面810延伸到较低部分锥度开始的锥度点852。因此，对于翼850和较低部分806的这样一种构型，翼侧壁851和较低部分锥度的锥度侧壁817是共面的。波导800的这样一种构型还可用于肋形波导模与信道波导模之间的模转换。

在类似图8(a)的另一个示范实施例中，翼角度θ_w可以大于较低部分锥度角度θ₁，如图8(b)的波导860所示。如同波导800，波导860包含导向层863，在波导860的端面870处具有从导向层863向外延伸的两个翼880。波导860包含较低包层862，导向层863位于较低包层862上。较高包层(未显示)可以以与关于波导800所述类似的方式位于导向层863上。导向层863包含较高部分867和较低部分866，可以类似于以上实施例所示的相应结构。在图8(b)的实施例中，翼角度θ_w大于锥度角度θ₁。此外，翼880随意地具有长度l_w，从端面810延伸到较低部分锥度开始的锥度点854。如同图8(a)的实施例，波导860还可用于肋形波导模与信道波导模之间的模转换。

现在转向图9的示范实施例，显示根据本发明的波导900的另一个构型。波导900在一些方面类似于图8(a)的波导800。如同波导800，波导900包含导向层903，在波导900的端面910处具有从导向层903向外延伸的两个翼950。波导900包含较低包层902，导向层903位于较低包层902上。较高包层(未显示)可以以与关于波导800所述类似的方式位于导向层903上。导向层903包含较高部分907和较低部分906，类似于图8(a)所示的相应结构。尤其翼角度等于锥度角度，使得翼侧壁和较低部分锥度的锥度侧壁共面。但是，与波导800不同，波导900的较高部分907的宽度w_u在沿波导900的长度方向的所有点处均小于较低部分906和翼950的宽度。

关于波导的制造，在例子I-III中结合示例性实施例描述的标准掩模及蚀刻步骤可以用于制造本例的波导。因此，将进行顺序的光刻和蚀刻步骤，以实现较低部分706、806、906、翼750、850、950和较高部分707、807、907。

在前述例子中，描述波导被制成具有水平宽度变化的锥度，即，宽度在制造波导的基底平面方向变化。这是本发明的一个优点，因为虽然具有垂直锥度的波导也可以作为本发明的一个实施例制造，但是制造更困难。此外，虽然显示锥度截面具有平面的壁，但是锥度截面也可以具有弓形的壁以提供一个弯曲的锥度。

由前述说明书，对于熟练的技术人员来说，本发明的这些及其它优点将很明显。因此，熟练的技术人员应意识到，可以对上述实施例进行修改或变型，而不偏离本发明的广泛的发明思想。因此应当理解该发明不限于这里所述的特定实施例，而是意欲包含如权利要求书中所提出的在本发明的范围和精神内的所有修改和变型。

Claims

1.一种光学装置，包括单模波导，在第一区域支持第一光模，在第二区域支持第二光模，该波导包含一个导向层，具有至少一个翼从该导向层向外延伸。

2.如权利要求1所述的光学装置，其中该导向层包括单个材料。

3.如权利要求1所述的光学装置，其中该导向层和翼包括单个材料。

4.如权利要求1所述的光学装置，其中该翼包括与导向层不同的材料。

5.如权利要求1所述的光学装置，其中该至少一个翼包括位于该导向层对侧的两个翼。

6.如权利要求5所述的光学装置，其中该翼对称位于该导向层的对侧。

7.如权利要求5所述的光学装置，其中该波导在翼处具有肋形波导的截面形状。

8.如权利要求5所述的光学装置，其中该翼位于该波导的一端。

9.如权利要求1所述的光学装置，其中该翼位于该波导的一端。

10.如权利要求1所述的光学装置，其中在沿该导向层的长度方向，该翼的厚度减小。

11.如权利要求1所述的光学装置，其中该导向层包括具有第一锥度的较低部分。

12.如权利要求11所述的光学装置，其中该翼的厚度等于较低部分的厚度。

13.如权利要求11所述的光学装置，其中该翼的厚度大于较低部分的厚度。

14.如权利要求11所述的光学装置，其中该翼的厚度小于较低部分的厚度。

15.如权利要求11所述的光学装置，其中该导向层包括具有第二锥度的较高部分。

16.如权利要求15所述的光学装置，其中该第二锥度逐渐减小到一个点。

17.如权利要求15所述的光学装置，其中该第一锥度成第一角度，第二锥度成第二角度。

18.如权利要求17所述的光学装置，其中该第一角度在近似0°到近似0.5°的范围内。

19.如权利要求17所述的光学装置，其中该第二角度在近似0°到近似0.5°的范围内。

20.如权利要求15所述的光学装置，其中该导向层包括具有第三锥度的中间部分，该中间部分位于该较低部分与较高部分之间。

21.如权利要求15所述的光学装置，其中该较高部分绝热地转换该第一光模的垂直部分。

22.如权利要求15所述的光学装置，其中该较高部分关于平分该较低部分的轴对称。

23.如权利要求15所述的光学装置，其中该较高部分关于平分该较低部分的轴不对称。

24.如权利要求1所述的光学装置，其中该导向层为单个层。

25.如权利要求1所述的光学装置，其中该第二区域在一个端面处终止，并且其中该导向层在第一区域具有第一宽度，在该端面处具有第二宽度。

26.如权利要求1所述的光学装置，其中该第二区域在一个端面处终止，并且该导向层在第一区域具有第一厚度，在该端面处具有第二厚度。

27.如权利要求26所述的光学装置，其中该第一厚度为近似2.0微米到近似4.0微米，并且第二厚度为近似1.0微米到近似2.0微米。

28.如权利要求1所述的光学装置，其中该导向层具有一个宽度并且该宽度从第一宽度减小到第二宽度。

29.如权利要求1所述的光学装置，其中该导向层具有一个厚度并且该厚度从第一厚度减小到第二厚度。

30.如权利要求1所述的光学装置，其中该导向层包括硅、氮氧化硅、二氧化硅、氮化硅、磷化铟，或其组合。

31.如权利要求1所述的光学装置，其中在该导向层中该第一光模比第二光模更紧密地受限。

32.如权利要求1所述的光学装置，其中该导向层包括多个层。