CN1639604A - 具有两个不同通道的光学模式适配器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一光学模式适配器，所述适配器包括在光学基片(31)上有第一通道(C1)和第二通道(C2)，以把第一波导和第二波导分别连接到其第一(11)、第二(12)端上。所述两通道覆盖有至少一导引层(33)，第一通道(C1)的折射率比第二通道(C2)的小。

Description

具有两个不同通道的光学模式适配器
技术领域
本发明涉及有两不同通道的光学模式适配器。
本发明的领域为集成光学领域，在所述领域中，物镜可在同一基片上实现许多模块。所述装置的基本元件为可在不同模块间传输光能的波导。
背景技术
通常关心的问题即是尽可能限制集成装置的体积，波导的尺寸因而要尽可能小，因此支持一缩小传播模。另外，还可把所述装置连接到任何一外部设备上，这一般是通过光纤来实施。但光纤为支持一扩散传播模的波导，其空间扩散比集成装置中采用的缩小模式大得多。
显然，两不同几何形状的波导之间的联接会导致光学损耗。
发明内容
因此，本发明的目的在于提出一较小损耗的光学模式适配器。
根据本发明，适配器在光学基片上有第一通道和第二通道，以分别把第一波导和第二波导连接到其第一、第二端上，所述两通道覆盖有至少一导引层，第一通道的折射率比第二通道的小。
因此，折射率适合两通道内不同传播模的所需几何特征。
第一通道的宽度通常比第二通道的略大。
最好，适配器有一适配元件，两通道在所述适配元件中相接触，所述适配元件的第一、二端分别安放在适配器的第一、二端附近，第一通道的宽度从适配元件的第一端向第二端逐渐减小。另外，若可能，第一通道的宽度在所述适配元件的第二端处为零。
同样，第二通道的宽度从适配元件的第二端向第一端逐渐减小，在所述适配元件的第一端处很可能为零。
适配元件第二端很可能与适配器第二端重合。
另外，导引层的折射率比基片的大。
有利地是，适配器包括至少一覆盖层，所述覆盖层沉积在导引层上，所述覆盖层的折射率小于导引层及通道的折射率。
根据适配器的第一实施方式，所述通道中至少之一集成在基片中。
根据适配器的第二实施方式，所述通道中至少之一突出在基片上。
另一方面，导引层的折射率等于基片的折射率乘以大于1.001的一系数。
一般地，导引层组的厚度在1到20微米之间。
本发明还提出了第一种制造适配器的方法，所述方法包括以下各步骤：
——在所述基片上实施一用于限定所述通道C1、C2中至少一个的图形M的掩模，
——对带掩模的基片进行离子注入，
——去掉所述掩模，
——将所述导引层沉积在基片上。
第二种方法包括以下各步骤：
——对基片进行离子注入，
——在所述基片上实施一用于限定所述通道C1、C2中至少一个的图形M的掩模，
——蚀刻所述基片到一个深度，该深度至少等于离子注入的深度，
——去掉所述掩模，
——将所述导引层沉积在基片上。
最好，所述前两种方法包括紧接在离子注入基片后的所述基片退火的步骤。
第三种方法包括以下各步骤：
——在所述含有活动离子的基片上覆盖一用于限定所述通道C1、C2中至少一个的图形M的掩模；
——把带掩模的基片浸入含可极化离子的一浴槽中，
——去掉所述掩模，
——将所述导引层沉积在基片上。
第四种方法包括以下各步骤：
——沉积折射率比所述基片的大的第一层，
——在所述基片上覆盖用于限定所述第一通道C1的第一掩模，
——蚀刻基片，
——去掉所述第一掩模，
——沉积第二层，
——在所述基片上覆盖用于限定所述第二通道C2的第二掩模，
——蚀刻基片，
——去掉所述第二掩模，
——将所述导引层沉积在基片上。
另一方面，所述方法适合实现适配器的上述不同特征。
附图说明
后文将参照附图所示的实施例，举例更详细地描述本发明。附图中：
——图1为适配器基体结构的一俯视简图，
——图2为改进后适配器的一俯视简图，
——图3为适配器的一剖面图，
——图4示出了根据第一实施变型的适配器的制造，
——图5示出了根据第二实施变型的适配器的制造，
——图6为薄层型适配器的一剖面图。
出现在不同图中的相同元件只采用唯一的、相同的标号。
具体实施方式
如图1所示，在其基体结构中，第一端11、第二端12限定的适配器1包括一适配元件2，所述适配元件具有第一21端、第二端22相对于适配器的1相应端部放置。
适配元件的第二端22可能与适配器第二端12合在一起。
矩形状的第一通道C1沿一纵轴从适配器第一端11向适配元件的第二端22延伸。宽度比第一通道C1小、也为矩形状的第二通道C2沿同一纵轴从适配器第二端12向适配元件的第一端21延伸。在适配元件2中的第二通道C2的部分和第一通道C1部分重叠，确定了一耦合段。
第一通道C1的折射率比第二通道C2的小。
此处小于第一通道C1宽度的第二通道C2的宽度很可能等于或略大于第一通道。
尽管适配元件2并非必可缺少，但它可明显地降低两通道之间的耦合损耗。
如图2所示，所述适配元件的结构可最优化，为此，确定了一调校标记23，所述调校标记为垂直于适配器的轴的一条直线，位于适配元件的两端21、22之间。
第一通道C1外轮廓的宽度从所述适配元件的第一端21直至调校标记23处逐渐减小。此处，所述减小为线性的，但它也可呈抛物线、指数或其它任何性质。然后，所述宽度在调校标记23和适配元件第二端22之间大致不变，在所述适配元件之外略大于第二通道C2的宽度。第一通道C1的剩余宽度，其相当于减小的所述第一通道外轮廓的宽度和第二通道C2的宽度可相互抵消。
第二通道C2的宽度在适配元件第二端22和调校标记23之间大致不变，然后开始减小，直至适配元件第二端21，甚至可在所述端处减为零。
当然，适配元件2可为任何形状，重要的是，两通道C1、C2在其至少一面上相接触或几乎接触到。因此，图1、2中交错的所述两通道，可并置、重叠或根据至少一共同面搭接。
根据一优化实施方式，适配器采用离子注入技术实施。
如图3a所示，基片为二氧化硅或硅，或可产生热氧化物，或可沉积一二氧化硅或其它材料的层。因此，它有一上表面或光学基片31，所述基片通常为二氧化硅，厚度例如在5至20微米之间。此处，离子注入法实施而成的第一通道C1集成在光学基片中，而所述光学基片又覆盖有一导引层33。通道折射率当然比二氧化硅的大。5微米厚的导引层例如为加了掺杂的二氧化硅，其折射率大于光学基片的折射率，例如为0.3％。它还可能由薄层叠放而成。最好，同样由薄层叠放形成的覆盖层34被置于导引层33上。厚度也为5微米的所述覆盖层34，其折射率小于导引层及通道的折射率；在这种情况下，它为未掺杂的二氧化硅。
如图4a所示，第一种制造适配器的方法包括第一步骤，即在光学基片31上实施第一掩模42，这采用了传统的光刻法。所述掩模42为树脂、金属或离子注入时可构成不可逾越的屏障的其它任何材料。掩模还可能通过直接写入法获得。它再现了对应两通道C1、C2接合的一图形M。
如图4b所示，图形M由离子注入带掩模基片中而产生。例如，为了注入钛，第一通道C1所需的注入剂量D1在1016/cm2和1018/cm2之间，而能量在数十和数百千电子伏之间。
如图4c所示，去掉第一掩模，例如采用化学蚀刻法。
下一步骤即在光学基片31上实施第二掩模，所述基片可再现第二通道C2的形状。所述第二通道由在带掩模基片中注入剂量(D2-D1)在1016/cm2和1018/cm2之间的离子，这样，其最后注入剂量为D2。再去掉掩模。
相对于第一掩模，第二掩模位置的准确性必须要高，调校标记23和适配元件第二端22之间的第一通道C1的宽度在所述适配元件之外略大于第二通道C2的宽度。另外，在适配元件第一端21处的第二通道C2的宽度，并非完全为零，因为实际上不可能在掩模上实施理想的一点。
再对基片退火，以降低两通道内的传播损耗。例如，温度介于400到500摄氏度之间，空气受到控制，或为自由空气，而时间约为数十小时。
如图4d所示，因而，可采用任何一种已知技术把导引层33放在基片31上，只要所述技术可产生一种折射率易控制的低损耗材料。最后，覆盖层34可能放在导引层18上。
如图3b所示，第一通道C1的折射率相对较小，例如为1.56，这样，扩展传播模GM可在导引层33上大范围延伸。选择所述通道的宽度，例如7.5微米，及所述导引层的厚度，使传播模GM和单模光纤的传播模尽可能相近。这样，光纤的耦合系数值可达90％。导引模的有效折射率小于导引层及通道的折射率；它大于顶面31及覆盖层34的折射率。
如图3c所示，第二通道C2支持缩减传播模PM，所述模式接近未注入导引层的波导的模式。因而，通道折射率相对较高，如1.90。所述通道的宽度明显减小。导引模的效率比导引层的大，比通道的小。缩减模PM的横向限制很大。
可看到，现在实施离子注入时，注入离子的剂量相当精确，一般为1％。二氧化硅光学基片的折射率没有或几乎没有变化，因此，得到的通道折射率相当准确。例如，若注入1016/cm2或1017/cm2剂量的钛，折射率的准确度可达10-4或10-3。研究扩散传播模GM时，所述准确度特别重要，因为第一通道的折射率是相当敏感地影响光纤耦合的一参数。
如图5a所示，第二种制造适配器的方法包括第一步骤，即注入整个光学基片31。剂量D1和注入能量和第一通道C1的相对应。
下一步骤在于采用上述方法，在光学基片31上实施和第二掩模相同的一掩模。所述第二通道因而注入剂量(D2-D1)，再去掉掩模。
如图5b所示，下一步骤在于在基片31上实施一新掩模51。所述掩模确定了和第一种方法中使用的第一掩模的图形互补的一图形，但它不必经过注入步骤。
如图5c所示，图形25可通过在光学基片上蚀刻一深度而获得，所述深度至少等于注入深度。任何已知蚀刻技术都适合，只要所述技术能获得可接受的几何特征，尤其是侧面图及表面状况。
此处可看出，第一种方法的优势在于确定了一波导，所述波导的结构完全是平的，因为它没有经过蚀刻步骤。
如图5d所示，去掉掩模，此处基片也被退火。于是，导引层33及可能还有覆盖层34被根据第一种方法沉积。
根据所述第二种方法的一变型，第一步骤在于在整个光学基片31中注入一剂量(D2-D1)。下一步骤在于实施确定第二通道C2的一掩模，再蚀刻基片以确定所述第二通道。于是，向基片注入剂量D1，下一步骤在于实施掩模，所述掩模确定了和第一种方法中使用的第一掩模的图形互补的一图形。再蚀刻基片，沉积导引层。
第三种方法应用了离子交换技术。在此情况下，基片为含有相对低温下活动离子的一玻璃，硅酸盐玻璃中例如含有氧化钠。基片也有一掩模，相对于第一种方法，注入步骤被浸入含可极化离子如银或钾的溶液中的一步骤取代。因此，图形通过在和基片的活动离子交换可极化离子后增加折射率来实现。然后，一般地，通道由于施加垂直于基片表面的一电场而被掩藏(enterré)。
所述第三种方法相当简便。但它需选择一特别基片，所述基片不一定具有所有所需特性。另外，由于离子大量横向扩散，空间分辨率受到限制。
第四种方法应用了薄层技术。一般地，基片上表面为二氧化硅。折射率比二氧化硅大的第一层61，通过任何已知技术如火法水解沉积(英文称为《Flame Hydrolysis Deposition》)，加或不加等离子的高温或低压相化学沉积，真空蒸发，阴极喷射或离心法沉积，沉积在光学基片上。所述层通常为添杂的二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅，还可使用聚合物或溶胶-凝胶。因而，确定第一通道C1及耦合段S的掩模施放在沉积层61上。再采用化学蚀刻或干蚀刻如等离子蚀刻、反应离子蚀刻或离子束蚀刻法，实现所述通道。
蚀刻后去掉掩模，第二层62被沉积。进行新一蚀刻步骤前，确定第二通道C2的另一掩模随后施放在第二层62上。于是，导引层33施放在两通道上。
此处，要相当准确重叠两掩模可能会遇到困难。
根据一变型，为避免两通道搭接时产生移动，用于蚀刻第一层61的掩模确定第一通道C1而没有耦合段S。
很难控制所述方法必需的蚀刻操作，无论是空间分辨率，还是通道侧面的表面状况，所述特征直接会影响适配器的传播损耗。
选择上面所述的本发明的实施例是因为其具体特征。但不可能完全涵盖本发明涉及到的所有实施方式。尤其所描述的各步骤或各装置，可用等同步骤或装置代替，这并未超出本发明的范围。

Claims (19)

1.一种光学模式适配器，所述适配器包括在光学基片(31)上的第一通道C1和第二通道C2，以把第一波导和第二波导分别连接到其第一端(11)和第二端(12)，
其特征在于，所述两通道覆盖有至少一导引层(33)，第一通道C1的折射率比第二通道C2的小。
2.按照权利要求1所述的适配器，其特征在于，第一通道C1的宽度比第二通道C2的大。
3.按照权利要求1或2所述的适配器，其特征在于，它包括一适配元件2，两通道C1、C2在所述适配元件中相接触，所述适配元件的第一端(21)和第二端(22)分别布置在适配器的第一端(11)和第二端(12)附近，第一通道C1的宽度从所述适配元件的第一端(21)向第二端(22)逐渐减小。
4.按照权利要求3所述的适配器，其特征在于，第一通道C1的宽度在所述适配元件的第二端(22)处为零。
5.按照权利要求1或2所述的适配器，其特征在于，它包括一适配元件(2)，两通道C1、C2在所述适配元件中相接触，所述适配元件的第一端(21)和第二端(22)分别布置在适配器的第一端(11)和第二端(12)附近，第二通道C2的宽度从所述适配元件的第二端(22)向第一端(21)逐渐减小。
6.按照权利要求5所述的适配器，其特征在于，第二通道C2的宽度在所述适配元件第一端(21)处为零。
7.按照权利要求3至6任一项所述的适配器，其特征在于，所述适配元件第二端(22)与适配器第二端(12)重合。
8.按照上述任一项权利要求所述的适配器，其特征在于，所述导引层(33)的折射率比基片(31)的大。
9.按照上述任一项权利要求所述的适配器，其特征在于，它包括至少一覆盖层(34)，所述覆盖层被设置在所述导引层(33)上，所述覆盖层的折射率小于导引层的折射率及所述通道C1、C2的折射率。
10.按照上述任一项权利要求所述的适配器，其特征在于，所述通道C1、C2中至少之一集成在所述基片(31)中。
11.按照权利要求1至9中任一项所述的适配器，其特征在于，所述通道C1、C2中至少之一突出在所述基片(31)上。
12.按照上述任一项权利要求所述的适配器，其特征在于，所述导引层(33)的折射率等于所述基片(31)的折射率乘以大于1.001的一系数。
13.按照上述任一项权利要求所述的适配器，其特征在于，导引层(33)组的厚度在1到20微米之间。
14.按照上述权利要求任一项所述的适配器，其特征在于，所述通道C1、C2中至少之一由在所述基片(31)中注入离子而形成。
15.按照权利要求1至13中任一项所述的适配器的制造方法，其特征在于，它包括以下各步骤：
——在所述基片(31)上实施一用于限定所述通道C1、C2中至少一个的图形M的掩模，
——对带掩模的基片进行离子注入，
——去掉所述掩模，
——将所述导引层(33)沉积在基片上。
16.按照权利要求1至13中任一项所述的适配器的制造方法，其特征在于，它包括以下各步骤：
——对基片(31)进行离子注入，
——在所述基片上实施一用于限定所述通道C1、C2中至少一个的图形M的掩模，
——蚀刻所述基片(31)到一个深度，该深度至少等于离子注入的深度，
——去掉所述掩模，
——将所述导引层(33)沉积在基片上。
17.按照权利要求15或16所述的方法，其特征在于，它包括紧随在离子注入步骤后的一基片31退火步骤。
18.按照权利要求1至13中任一项所述的适配器的制造方法，其特征在于，它包括以下各步骤：
——在所述含有活动离子的基片(31)上覆盖一用于限定所述通道C1、C2中至少一个的图形M的掩模；
——把带掩模的基片浸入含可极化离子的一浴槽中，
——去掉所述掩模，
——将所述导引层(33)沉积在基片上。
19.按照权利要求1至13中任一项所述的适配器的制造方法，其特征在于，它包括以下各步骤：
——沉积折射率比所述基片(31)的大的第一层(61)，
——在所述基片(31)上覆盖用于限定所述第一通道C1的第一掩模，
——蚀刻基片(31)，
——去掉所述第一掩模，
——沉积第二层(62)，
——在所述基片(31)上覆盖用于限定所述第二通道C2的第二掩模，
——蚀刻基片(31)，
——去掉所述第二掩模，
——将所述导引层(33)沉积在基片上。
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