CN1839331A - 与外部光场有低耦合损耗的集成光波导结构 - Google Patents

Abstract

一种集成光波导结构，包括：用于引导光场并形成在下包层(111)上的波导芯(113)。波导芯包括：与下包层基本共同延伸并有基本均匀厚度(t)的波导芯层(113a)，和有基本均匀高度(h－t)的波导芯肋(113b)，波导芯肋从波导芯层表面突出，该表面与面向下包层的表面相对。波导芯肋的外形确定导向光场的路径。集成光波导结构包括：光路波导部分(117a)，其中波导芯层有适合于引导光场通过光路的第一宽度(W₀)，和至少一个耦合波导部分(101)，它适合于耦合光路波导部分到外部光场。该耦合部分包括：有第二宽度(W)的终端波导芯肋部分(117c)，它的第二宽度小于第一宽度，并终止在侧面(119)上，和过渡波导芯肋部分(117b)，它与光路波导部分和终端波导部分互相光路连接；过渡波导芯肋部分是沿横向逐渐缩减，使其宽度从第一宽度减小至第二宽度。该波导结构允许集成光学器件设计者满足光路的需要，与此同时，可以确保与外部光场的满意耦合效率。

Description

与外部光场有低耦合损耗的集成光波导结构

技术领域

本发明一般涉及平面型集成光波导，具体涉及有中至高折射率反差值的集成光波导。

背景技术

低折射率反差值集成光波导(即，其特征是折射率反差值约小于1％的波导)传统上用在有相对宽横截面的集成光学器件中，因为这些波导支持的光模尺寸可以与标准光纤模式尺寸相当；因此，当集成波导耦合到光纤时，可以确保高的耦合效率(光纤与波导耦合效率)。事实上，当光纤与集成光波导对接耦合时，从一种光导向结构转移到另一种光导向结构的光功率与这两种光导向结构中每种光导向结构支持的光模重叠程度十分有关。这两种光导向结构支持的模式之间重叠积分通常作为耦合效率的量度。

近年来，人们不断要求增大的快速数据转移带宽就需要有合适频谱特性的低成本装置；为此目的，已经增大集成光学器件的集成规模。

利用中至高折射率反差值的集成波导，已经实现很高的集成规模，其特征是折射率反差值是在高于1％至高达约40％的范围内，它与具体的应用有关。这些集成波导可以制成非常紧致的装置，因为在不发生高损耗的条件下可以制作具有小至几微米的小弯曲半径波导模式。

通常，高折射率反差值集成波导是由半导体材料制成，例如，InGaAsP/InP和InGaAs/GaAs。半导体波导的特征是折射率差大于1×10^-2(与此对比，在玻璃光纤中，折射率差通常小于5×10^-3)。

然而，利用这种类型波导在该波导与光纤耦合时存在损耗的问题。事实上，为了确保在高折射率反差波导中的单模工作条件，该波导必须有很小的横截面，这意味着有小的光场尺寸。波导中模式与其耦合的光纤中模式的尺寸比率可以非常低，因此，两个导向结构支持的模式之间重叠积分可以下降到非常低的数值。

为了在许多感兴趣的商业应用中利用高反差值波导，光纤-波导的耦合损耗需要减小到可接受的水平。

在文献中已经报告有关增大半导体波导中光纤-波导耦合效率的几种方案。

具体地说，有人建议的几个光斑尺寸转换结构可用于适应(“转换”)波导中的光斑尺寸成光纤中的光斑尺寸。大多数的这种结构实现沿横向和纵向渐变型波导结构的组合多层，它设计成把波导场形状转变成光纤模式。这种结构的例子是在描述InGaAsP/InP波导的集成光束扩展转换器的US Patent No.6,240,233中，G.Wenger et al描述用于InGaAsP/InP波导的光斑尺寸转换器的技术手稿：“Design andFabrication of Monolithic Optical Spot Size Transformer(MOST′s)for Highly Efficient Fiber-Chip Coupling”，IEEE Journal ofLightwave Technology，Vol.12，No.10，October 1994，pages1782-1790，和描述用于InGaAs/GaAs波导的渐变肋型波导-光纤耦合的US Patent No.6,229,947。在I.Moerman et al的技术手稿：“AReview on Fabrication Technologies for the Monolithic Integration ofTapers with III-V Semiconductor Devices”，IEEE Journal of SelectedTopics In Quantum Electronics，Vol.3，No.6，December 1997，pages1308-1320中给出关于半导体波导模式尺寸转换器的综述。

集成这些已知的模式尺寸转换结构是很难的，除了制造集成光学器件和波导通常所要求的步骤之外，还需要许多其他的制造步骤。具体地说，上述二维(即，沿纵向和横向)渐变型光斑尺寸转换器结构使制造过程变得非常复杂。

用于制造有低至高折射率反差值集成光波导的新颖和有前景技术取决于使用氧氮化硅(SiON)。最近以来，在各种集成光学器件中不断增多地使用SiON；使用这种材料主要原因是它具有优良的光学性质，例如，在可见和近红外波长范围内有低的吸收损耗。此外，可以在1.45(SiO₂的折射率)与2.0(Si₃N₄的折射率)之间很大的范围内容易地调整SiON的折射率。这意味着，可以实现从相对低至非常高折射率反差值范围内的平面型集成波导，它满足对于高集成密度光学元件不断增长的要求。

有人建议复杂的纵向和横向渐变结构用作高折射率反差值SiON波导，它类似于半导体波导结构，例如，R.M.de Ridder et al.的技术文献：“A Spot-Size Transformer for Fiber-Chip Coupling in SensorApplication at 633nm in Silicon Oxynitride”，Proceedings LEOS′95，Vol.2，1995，pages 86-87，描述在SiO₂波导上设计SiON的模式尺寸适配器，其折射率反差值等于0.24(其百分数约为16％)，它是由沿横向锥形SiON波导构成，它的厚度是逐渐缩减到锥形点，其剩余宽度可以达到0.5μm。

此外，在这种情况下，沿纵向和横向的逐渐缩减使得制造过程复杂化。

为了简化制造过程，就需要平面型光斑尺寸转换器结构。

有人建议采用周期性或准周期性或非周期性分段波导的平面型光斑尺寸转换器，例如，在M.M.Spuehler et al.的技术文献：“A VeryShort Planar Silica Spot-Size Converter Using a NonperiodicSegmented Waveguide”，IEEE Journal of Lightwave Technology，Vol.16，No.9，September 1998，pages 1680-1685中公开，它描述在SiO₂/SiON材料系统中设计和实现平面型光斑尺寸转换器结构。

本申请人观察到，这些结构仅能利用复杂的发展优化过程进行设计，并要求极其精确的技术。

在文献中报告的另一些用于耦合集成波导与光纤技术是利用透镜或锥形光纤。例如，技术文献：T.Paatzsch et al的“Very low-losspassive fiber-to-chip coupling with tapered fibers”，Applied Optics，Vol.36，No.21，20 July 1997，pages 5129-5133，描述在利用嵌入在导向结构中锥形光纤基础上的渐变型光纤-芯片耦合。

本申请人观察到，这些解决方案在工业应用中很难付诸实施。

较简单的平面型光斑尺寸转换器是由仅仅沿横向锥形波导构成，横向宽度可能是按照优化外形沿其过渡部分变化，在它与光纤的连接侧面上达到最佳值，为了使光纤-波导耦合中的重叠积分最大化。实质上，简单的沿横向锥形波导模式转换器是基于这样的事实，当波导宽度减小到给定值以下时，该波导支持的模式宽度就增大；因此，使朝向连接侧面的波导逐渐变窄直至波导模式尺寸可以与光纤模式尺寸相当，就可以实现高的光纤与波导耦合效率，与此同时保持单模运行。

已经证明，这些结构能够使InP/InGaAsP埋入式波导实现高的光纤与芯片耦合效率。例如，在Kasaya et al的技术文献“A SimpleLaterally Tapered Waveguide for Low-Loss Coupling to Single-ModeFibers”中，IEEE Photonic Technology Letters，Vol.5，No.3，March1993，pages 345-347，报告利用简单的InP/InGaAsP锥形波导实现低损耗耦合，该波导是由InP基片上沿横向锥形InGaAsP导向层和InP包层区构成。Mitomi et al的技术文献“Design of a Single-ModeTapered Waveguide for Low-Loss Chip-to-Fiber Coupling”，IEEEJournal of Quantum Electronics，Vol.30，No.8，August 1994，pages1787-1793，描述用于设计非线性锥形InP/InGaAsP波导的过程。

已经得到关于SiON埋入式波导的类似结果，如在K.Woerhoff etal的技术文献“Design，Tolerance Analysis，and Fabrication of SiliconOxynitride Based Planar Optical Waveguide for CommunicationDevices”中所报告的，IEEE Journal of Lightwave Technology，Vol.17，No.8，August 1999，pages 1401-1407。

在UK Patent Application No.GB 2345980中描述肋式集成波导结构的优点，并描述有上光肋波导和下光肋波导的模式形状转换器，它包含基片，涂敷到基片上的下包层，下肋波导，芯，上肋波导和上包层。下肋波导确定仅在耦合区和转换区中部分存在的阶梯图形。

在半导体基集成光学器件技术中，采用锥形波导与其他结构的组合，例如，在European Patent Application No.EP 1245971 A2中所描述的，该专利申请描述沿横向延伸到锥形肋式波导的横向肋限制波导装置。

在不同于实现光纤与集成波导耦合结构的应用中也采用锥形波导；例如，International patent Application No.WO 02/42808A2描述利用锥形波导用于形成光波导多模与单模转换器，用于连接有多模输出的激光器到单模光纤，模式转换器有利用SiON制成的高折射率芯层，其周围是较低折射率包层。芯层包含宽输入波导部分，用于接收包含基模的多模光输出。输入波导部分耦合到窄的输出波导部分，其中锥形区有逐渐缩减的长度，它能够从宽输入波导部分中绝热转移多模光的基模到输出波导部分，与此同时抑制(剥离)其他的模式。窄的输出波导部分支持包含基模的单模光输出。输入波导部分和锥形区包括：在芯层上有脊的脊形波导，其中脊的宽度在锥形区中逐渐缩减。在终止于端面上的输出波导部分，氮化硅芯的横向边缘被刻蚀通过以形成真正的折射率导向结构。

本申请人观察到，一般地说，在设计集成光学元件时，集成波导特征必须满足几个要求：例如，波导几何尺寸通常必须确保单模运行，必须选取这样的折射率反差值，可以使弯头中的辐射损耗最小化，并有高的集成密度，借助于形成双折射或其他方法补偿材料的双折射。此外，在处理高折射率反差值波导时，需要想出解决光纤-波导耦合损耗问题的合适方案，为的是确保损耗是在可接受的低水平上。为了在制造过程中满足所有这些要求。

现有技术中已知的锥形波导模式适配器或者是制造太复杂或者是很难优化设计，或在简单的沿横向逐渐缩减的埋入式波导情况下，仅仅优化光纤与芯片耦合效率(即，注意力主要集中在埋入式波导的终端宽度和过渡区的形状)，没有考虑需要满足的其他光路要求。

鉴于以上概述的现有技术状态，本发明的目的是提供一种有简单平面型模式尺寸转换器的集成波导结构，用于耦合集成波导与光纤，更一般地是外部光场。

具体地说，回顾现有技术，本申请人观察到脊型或肋型集成波导优于其他的集成波导结构，例如，埋入式波导，因为脊型或肋型波导可以给集成光学器件设计者提供较高的灵活性。利用肋型波导，从与外部光场耦合效率的观点考虑，例如，集成光学器件与光纤的耦合效率，以及从其他波导光路要求的观点考虑，设计优化的集成波导较容易。

更详细地说，本申请人已经知道，在处理中至高折射率结构时，即，折射率反差值是在约1％至约40％范围内的结构，最好是在约1％至约20％范围内的结构，肋型波导结构优于其他的集成波导结构，原因是存在平板可以给设计者提供更大的自由度，且更容易实现不同要求之间有利的折衷。例如，利用平板高度能使材料双折射补偿有利于偏振不灵敏运行。此外，厚的平板允许方向耦合器中较高的耦合系数和较宽的间隙，它有利于在技术过程中有较高的容差；另一方面，过大的平板高度造成波导的小半径弯头有高的辐射损耗；平板厚度也影响与光纤的耦合效率和单模运行。不同的物理和几何参数(折射率反差值，波导尺寸，平板高度)可用于满足一组不同的要求：集成密度，弯曲辐射损耗，单模条件，模式尺寸等。

发明内容

按照本发明的第一方面，提供一种按照权利要求1限定的集成光波导结构。

总之，该集成光波导结构包括：用于引导光场的波导芯，波导芯形成在下包层上；波导芯包括：与下包层基本共同延伸并有基本均匀厚度的波导芯层，和有基本均匀高度的波导芯肋，波导芯肋是从波导芯层表面突出，该表面与面向下包层的表面相对，波导芯肋的外形确定导向光场的路径。

在本发明中，基本共同延伸的意思是，波导芯层有充分宽的表面延伸，因此，波导芯层中的光场在波导芯层边界邻近基本上等于零。例如，波导芯层的尺寸至少是本地光场在1/e处最大宽度的两倍。换句话说，波导芯层的表面延伸是这样的，它基本不影响光的横向限制，光的横向限制仅由波导芯肋确定。

该集成光波导结构包括：光路波导部分，其中波导芯层有适合于引导光场通过光路的第一宽度，和至少一个适合于耦合光路波导部分到外部光场的耦合波导部分。

耦合波导部分包括：有第二宽度并终止在侧面上的终端波导芯肋部分，第二宽度小于第一宽度，和过渡波导芯肋部分，它与光路波导部分的波导芯肋和终端波导芯肋部分互相光路连接。过渡波导芯肋部分是沿横向逐渐缩减，使其宽度从第一宽度减小到第二宽度。

在本发明的优选实施例中，按照这样方法选取第二宽度与第一宽度之比率和波导芯层的高度与波导芯的总体高度之比率，可以确保在外部光场与集成波导耦合时产生的耦合损耗是在预定值以下。

具体地说，按照这样方法至少选取第一宽度值，波导芯的总体高度值和波导芯层的高度值中的一个数值，使它符合对与光路有关的光路波导部分的要求；按照这样方法至少选取第二宽度值和波导芯层的高度值中的一个数值，在集成波导与有第一光场尺寸的外部光场耦合时可以实现预定的效率。

光路波导部分可以设计成支持有第二光场尺寸的光场，其中第二光场尺寸等于或小于第一光场尺寸；耦合波导部分完成用于第二光场尺寸与第一光场尺寸适应的光场尺寸适应。

在本发明的实施例中，光路波导部分设计成支持单模光场。然而，这不是严格必需的，因为终端波导芯肋部分的受限宽度可以确保在光路波导部分中的单模激励。

最好是，按照这样方法设计集成光路波导，使第一光场尺寸与第二光场尺寸之比率是在约1至约3的范围内。

下包层有第一折射率，波导芯有第二折射率，和覆盖波导芯的上包层有第三折射率；在本发明的优选实施例中，第一折射率，第二折射率和第三折射率是这样的，波导芯与下包层和上包层之间的折射率反差值是在约1％至约20％的范围内，更好的是在约5％至约7％的范围内。

有利的是，波导芯是由氧氮化硅(SiON)制成；下包层是由二氧化硅制成；上包层是由二氧化硅或气体制成，例如，空气。

在本发明的优选实施例中，过渡波导芯肋部分长度的选取与于第一宽度与第二宽度之比率有关。具体地说，选取的这种长度至少等于由公式(1-W/W₀)×500给出的最小长度，长度的单位是微米。

最好是，选取的终端波导芯肋部分长度是在分割小片过程中考虑到技术容差的最短可能长度，其中光波导结构是从相同晶片形成的其他小片中集成。具体地说，在所述最小长度和过渡波导芯肋部分长度的基础上，可以确定终端波导芯肋部分的长度。最好是，选取终端波导芯肋部分的长度近似地等于由公式L_tecexp((-L/L_min)²)给出的数值，长度的单位是微米，其中L_tec示与所述技术容差有关的长度，和L_min是所述最小长度。

按照本发明的第二方面，提供一种按照权利要求16中限定的耦合外部光场到集成光波导的方法，该集成光波导包括：用于引导光场并形成在下包层上的波导芯，其中波导芯包括：波导芯层，它与下包层基本共同延伸并有基本均匀的厚度，和有基本均匀高度的波导芯肋，波导芯肋是从波导芯层表面突出，该表面与面向下包层的表面相对，波导芯肋的外形确定导向光场的路径。

该耦合方法包括：至少提供一个耦合波导部分，它设计成耦合外部光场到光路波导部分，其中波导芯肋有第一宽度。

耦合波导部分包括：有第二宽度并终止在侧面上的终端波导芯肋部分，第二宽度小于第一宽度，和过渡波导芯肋部分，它与光路波导部分中的波导芯肋和终端波导芯肋部分互相光路连接。过渡波导芯肋部分是沿横向逐渐缩减，使其宽度从第一宽度减小到第二宽度。

在本发明的实施例中，按照这样方法选取第二宽度与第一宽度之比率，和波导芯层的高度与波导芯的总体高度之比率，它可以确保在外部光场与集成波导耦合时产生的耦合损耗是在预定值以下。

具体地说，按照这样方法至少选取第一宽度值，波导芯的总体高度值和波导芯层的高度值中一个数值，它符合对与光路有关的光路波导部分的要求；按照这样方法至少选取第二宽度值和波导芯层高度值中的一个数值，在有第一光场尺寸的外部光场与集成波导耦合时可以实现预定的效率。

按照本发明的第三方面，提供一种用于制造集成光波导结构的方法，该方法包括：

在基片上制成下包层；

在下包层上制成波导芯，其中所述制成波导芯包括：

制成与下包层基本共同延伸并有基本均匀厚度的波导芯层，和

制成波导芯肋，波导芯肋是从波导芯层的表面突出，该表面与面向下包层的表面相对，所述波导芯肋有基本均匀的高度，波导芯肋的外形确定导向光场的路径。

所述制成波导芯肋还包括：

至少制成一个耦合波导部分，它设计成耦合外部光场到光路波导部分，其中波导芯肋有第一宽度。所述至少制成一个耦合波导部分还包括：

制成有第二宽度并终止在侧面上的终端波导芯肋部分，第二宽度小于第一宽度，和

制成过渡波导芯肋部分，它与光路波导部分中的波导芯肋和终端波导芯肋部分互相光路连接，所述过渡波导芯肋部分是沿横向逐渐缩减，使其宽度从第一宽度减小到第二宽度。

在本发明的实施例中，所述制成波导芯包括：

在下包层上制成材料层，和

有选择地去除材料层以限定波导芯层和波导芯肋。

有利的是，制成终端部分和过渡部分与所述制成波导芯肋可以同时进行。

附图说明

根据以下参照附图对典型实施例的详细描述，本发明的特征和优点是显而易见的，其中：

图1是按照本发明实施例的平面型集成光波导示意图；

图2是两个圆形高斯光场之间耦合效率(沿纵轴)作为在1/e处光场直径比率(沿横轴，对数比例)函数的变化曲线图，其中一个光场是在光纤中，而另一个光场是在集成光波导中；

图3是图1所示波导支持的光模在1/e处的宽度和高度(沿纵轴)作为波导宽度(沿横轴)函数的曲线图；

图4A，4B和4C表示按照本发明实施例模拟图1中波导的波导-光纤耦合损耗作为波导芯层高度与总体波导芯高度之比率(t/h，沿纵轴)和波导终端宽度与波导光路部分宽度之比率(W/W₀，沿横轴)函数的等值曲线图，其中有三个不同的折射率反差值，和固定的光纤-波导模式尺寸比率；

图5A是类似于图4A，4B和4C所示的曲线图，它表示根据图4A，4B和4C的曲线图中耦合损耗值计算的平均耦合损耗等值曲线图；

图5B是类似于图4A，4B和4C所示的曲线图，它表示根据图5A中给出的平均耦合损耗的耦合损耗标准偏差；

图6A至6C表示类似于图4A，4B和4C的耦合损耗等值曲线图，它模拟图1中波导的两个不同光纤-波导模式尺寸，和固定的折射率反差值，该反差值等于图4B中的反差值；

图7A和7B是测量耦合效率(沿纵轴，dB比率)分别作为沿水平轴和垂直轴的光纤-波导未对准(沿横轴，单位为μm)函数的曲线图；和

图8表示典型集成光学器件的示意图，其中利用按照本发明实施例的波导结构。

具体实施方式

在不同的附图中，相同的参考数字用于识别相同或相当的部件。此外，应当指出，这些附图不必按照比例画出，强调的是清楚地说明本发明的原理。

参照图1，图1是按照本发明实施例的平面型集成光波导结构示意图。更精确地说，在图1中仅仅展示波导101中的一小部分，即，与波导101边缘或终端103邻近的波导部分，该部分可以耦合到光纤105(更一般地说，导向或非导向的外部光场)。

波导101被集成在芯片107中，其中还可以集成一个或多个光学元件(图1中未画出)。芯片107包含基片109，例如，硅晶片小片。在基片109上形成下包层111；下包层的折射率是n_lc；例如，下包层是由SiO₂制成(n_lc＝1.45)，利用化学蒸汽沉积(CVD)制成下包层，具体地说是等离子增强CVD(PECVD)，而它的厚度为几个微米。

在下包层111上形成折射率为n_core的波导芯113。例如，波导芯113是由氧氮化硅(SiON)制成，其折射率n_core是在约1.45至约2的范围内，它是通过沉积SiON层到下包层111上制成，例如，利用CVD，具体是PECVD。然后，借助于常规的光刻技术，在此之后是蚀刻步骤，例如，利用活性离子蚀刻形成有图形的沉积SiON层，为的是在整个小片上形成有基本均匀高度t的芯基片层(术语是平板)113a，在芯基片层113a上形成高度(h-t)的芯脊或芯肋113b，其中h表示波导芯113的总体高度。

如果需要，在下包层111与波导芯113之间可以形成双折射补偿层(图1中未画出)；例如，可以利用低压CVD(LPCVD)方法形成由氮化硅(Si₃N₄)制成双折射补偿层。

折射率为n_uc的上包层115覆盖波导芯113。上包层115可以是材料层，例如，由类似于下包层111的SiO₂制成(在此情况下，上包层的折射率n_uc与下包层的折射率n_lc相同)。或者，上包层可以由空气(折射率n_uc等于1)形成，或其他的流体或气体。

如在图1中详细画出的，光场121传播通过波导101，它被波导芯113引导或基本限制在波导芯113内。具体地说，波导芯肋113b从上部或沿横向限制光场121，而它的轮廓图形确定平行于芯基片层113a的平面上光场路径。

波导芯肋113b在整个小片上有基本均匀的高度(h-t)。波导芯肋113b在芯片107的不同区域内有变化的宽度。具体地说，波导芯肋113b有很大长度的光路波导芯肋部分117a，它是与芯片107中集成的光学器件相互作用的部分波导；光路波导芯肋部分117a有第一宽度(光路波导宽度)W₀。在波导终端103邻近，沿横向逐渐缩减的过渡波导芯肋部分117b有长度L和变化宽度，它连接光路波导部分117a到长度为L_tip和有第二宽度(终端波导宽度)W的终端波导芯肋部分117c，第二宽度W小于光路波导宽度W₀。在与过渡部分117b的相对方向，终端波导芯肋部分117c终止在侧面119上(通常是，但不局限于，侧面与芯片周界面重合)；更一般地说，它是有层113的空间中区域与没有层113的空间中相邻区域之间界面，例如，对应于在芯片区域中形成的槽)，波导101通过该侧面可以与外部光场接触，例如，通过光纤105传输光场，或可以发射光辐射。

在波导终端103邻近的波导芯肋113b宽度减小产生模式光斑尺寸的转换结构，它扩展波导支持的光模变成与外部光场尺寸相当的尺寸，具体是与光纤支持光模尺寸相当的尺寸。在光路波导芯肋部分117a，波导芯肋可以有较大的宽度；例如，在本发明的实施例中，光路波导芯肋部分117a的宽度可以是仍然确保单模工作条件的最大宽度。

在集成光波导101中，至少对于基本光模，光路波导部分有很强的引导作用，而有减小芯肋宽度的终端波导对基本光模有很弱的引导作用。

沿横向逐渐缩减的过渡波导芯肋部分117b的外形和长度L是这样选取的，可以避免较窄终端波导芯肋部分117c与较宽光路波导芯肋部分117a之间突变的过渡。

具体地说，按照任何已知的设计步骤，例如，在已引用O.Mitomiet al的技术手稿：“Design of a Single-Mode Tapered Waveguide forLow-Loss Chip-to-Fiber Coupling”，IEEE Journal of QuantumElectronics，Vol.30，No.8，August 1994，pages 1787-1793中所描述的设计步骤，可以确定沿横向逐渐缩减的过渡波导芯肋部分117b的长度L和外形，全文合并在此供参考。

图1中描绘的平面型集成波导结构给集成光学器件设计者在设计集成波导方面提供很大的灵活性，这种集成波导满足光路波导特性以及与光纤耦合效率的要求。具体地说，虽然可以按照这样方法选取波导芯113的总体高度h，平板113a的高度t和光路波导芯肋部分117a的宽度W₀中的一个或多个数值，为的是满足波导的光路要求，即，波导与芯片107中集成的光学器件相互作用的要求，设计者仍然可以自由地确定平板113a的高度t和终端波导宽度W中的至少一个数值，为的是优化波导与有给定平均模式直径的选取光纤之间耦合效率。

换句话说，采用肋式波导结构，即，波导芯包含均匀厚度的芯基片层或平板113a，和芯肋113b的波导结构，就能够设计和制造优化光路要求的波导，并借助于简单的沿横向逐渐缩减模式光斑尺寸转换结构，还可以优化与外部光场的耦合效率。

以下，我们描述图1所示按照本发明实施例用于制成集成波导结构的步骤。

首先，为了评价集成波导与外部光场之间的耦合效率η，例如，光纤105引导的光场，按照以下公式确定这两种引导结构支持的模式之间重叠积分：

$\mathrm{\η}=\frac{{[\∫e_f(x,y)e_{\mathrm{wg}}(x,y)\mathrm{dxdy}]}^2}{\∫e_f^2(x,y)\mathrm{dxdy}\∫e_{\mathrm{wg}}^2(x,y)\mathrm{dxdy}}$

其中e_f(x，y)和e_wg(x，y)分别表示光纤中和集成波导中的横向光场分布。我们考虑两个圆形高斯分布的情况，它们在1/e处的光场宽度等于S_f和S_wg，则耦合效率有以下较简单的表达式：

$\mathrm{\η}={\left(\frac{{2S}_{\mathrm{wg}}{S}_f}{S_{\mathrm{wg}}^2+S_f^2}\right)}^2$

在图2中，它表示耦合效率η(沿纵坐标)作为比率S_f/S_wg(沿横坐标，对数比率)函数的曲线图。

集成波导101的折射率反差值Δ定义为：

$\mathrm{\Δ}=\frac{{2n}_{\mathrm{core}}-n_{\mathrm{lc}}-n_{\mathrm{uc}}}{n_{\mathrm{lc}}+n_{\mathrm{uc}}}$

折射率反差值Δ取决于折射率n_core，n_lc和n_uc；在下包层和上包层都是由SiO₂制成的典型情况下，SiON波导芯折射率等于1.4645，对应的折射率反差值Δ约为1％；若SiON波导芯折射率等于2，则折射率反差值Δ约为40％。

一般地说，有肋宽度W₀，高度h和平板高度t的肋型波导支持的模式是，在1/e处的垂直尺寸为S^v _wg，在1/e处的水平尺寸为S^h _wg，和平均模式尺寸S_wg等于：

S_wg＝(S^v _wg+S^h _wg)/2

我们还假设与波导耦合的光纤平均光斑尺寸在1/e处为S_f：

S_f＝KS_wg

其中K＝S_f/S_wg是两个光场尺寸的比率，和K≥1。

根据图2中的曲线，我们可以知道，若光场尺寸比率K不同于1，则耦合效率快速地下降到很低的数值。例如，当平均光斑尺寸S_f约为10μm的标准单模光纤与折射率反差值Δ约为2％的波导耦合时，其平均模式尺寸S_wg约为4.6μm，则形成的光场尺寸比率K约等于2.17，可以实现的耦合效率约为58％；当波导的折射率反差值Δ约为6％时，其平均模式尺寸S_wg约为2.8μm，则形成的光场尺寸比率K约等于3.17，而耦合效率下降到27％。在波导的折射率反差值Δ约为8％时，其平均模式尺寸S_wg约为2.2μm(光场尺寸比率K约为4.54)，则耦合效率快速地下降到18％。

利用图1中的波导结构，能够使耦合效率最大化，与此同时，可以减小光纤与波导对准灵敏度。这可以通过合适地改变参数L，W，L_tip，h和t的数值实现。具体地说，通过合适地选取波导终端的宽度W和平板113a的高度t，可以使光纤中模式和波导中模式之间的耦合效率最大化。

在图3中，它表示在连接侧面119上光场垂直尺寸S^v _wg和光场水平尺寸S^h _wg(都沿纵坐标)随波导终端宽度W变化的曲线图。可以看出，光场的垂直尺寸S^v _wg和水平尺寸S^h _wg都随波导终端宽度W而变化；具体地说，通过减小宽度W，光场水平尺寸S^h _wg就相应地增大，当宽度W趋于零时，它趋向无限大；与此相反，光场垂直尺寸S^v _wg增大到基本等于平板113a中光场的垂直尺寸，若波导是非对称的，则光场垂直尺寸S^v _wg不再增大。在考虑非对称波导结构和在截止值以下的平板高度t的情况时，当宽度W趋于零时，光场的垂直尺寸S^v _wg也趋向无限大。

本申请人对图1中的波导结构进行数字研究，为的是建立与光纤模有最大耦合效率的波导参数值，以下给出这些研究的结果。

参照图4A，4B和4C，这些图画出单位为dB的耦合损耗(定义为耦合效率η的1-余数1-η)作为两个波导几何参数比率W/W₀(沿横坐标)和t/h(沿纵坐标)函数的等值曲线。通过计算在连接侧面119上波导中的光场与光纤的圆形高斯光场之间重叠积分，其中波导中的光场是基于光束传播方法模拟器进行模拟，可以得到这些曲线图。应当指出，仅仅在波导101的终端(对应于终端波导芯肋部分117c)模拟光场的传播，得到图4A，4B和4C中的这些曲线图。通过模拟光场传播通过包括过渡部分117b(一旦选取它的具体外形)和光路部分117a的整个波导101，可以得到更精确的数字结果。然而，本申请人观察到，得到的曲线图与从数字观点得到的结果仅有微小的差别，而从定性观点上考虑是基本相同的。

具体地说，在得到图4A，4B和4C所示三个曲线图的计算中，光场尺寸比率K保持恒定并等于1.44，而折射率反差值是变化的：在图4A中的曲线中，Δ＝2％；在图4B中的曲线中，Δ＝6.64％；和在图4C中的曲线中，Δ＝8％，为的是建立波导结构的耦合效率与折射率反差值Δ之间的关系。

应当理解，可以确定最佳的比率值W/W₀和t/h，它与折射率反差值有关，从而保证最小的耦合损耗和最大的耦合效率。例如，考虑图4B中的曲线图，若W/W₀＝0.35和t/h＝0.05，则可以实现最小的耦合损耗为0.18dB。重要的是，选取对应于最小耦合损耗点作为工作点，可以确保系统对几何和光学参数的变化有最小灵敏度，因此，这些参数的容差对于产生的结构耦合效率有弱的影响。

此外，可以理解，为了满足其他的要求，可以选取比率W/W₀和t/h中的一个或两个比率等于最佳值，例如，为了满足具体的光路要求，设计者需要利用平板高度t与给定波导高度h的组合，其中比率t/h不同于最佳值，通过选取比率W/W₀和t/h是在预定范围内的参数W，W₀，t，和h，它们与折射率反差值有关，仍然可以保持耦合损耗是在预定值以下。例如，再考虑图4B中的曲线图，只要按照这样的方法选取几何参数W，W₀，t，和h，其中0.3≤W/W₀≤0.44和t/h≤0.1，耦合损耗可以保持在0.28dB以下。设计者可以接受的耦合损耗值越大，则比率W/W₀和t/h可以变化的范围就越宽，因此，几何参数W，W₀，t，和h可以变化的范围也就越宽。所以，除了确定最佳工作点以外，可以确定保证耦合损耗保持在预定值以下的最佳工作区。

研究图4A，4B和4C所示的曲线图，可以理解的另一个重要方面是，为了确保耦合损耗是在预定值以下，比率W/W₀和t/h的数值，而不是单个几何参数的数值，需要落在预定的范围内；这意味着，根据诸如单模性，最小弯曲半径，方向耦合器效率等的其他要求，设计者可以自由地选取几何参数W，W₀，t，和h的绝对值。

通过比较图4A，4B和4C所示的三条曲线，可以理解，当折射率反差值Δ变化时，耦合损耗和最佳工作点略微地变化；因此，不同的W/W₀和t/h比率值对应于不同的耦合损耗。图5A中的曲线图给出计算的耦合损耗等值曲线，它是通过对图4A，4B和4C中给出的结果取平均得到的，而在图5B中，它展示耦合损耗值在不同平面区(W/W₀；t/h)中的标准偏差。可以理解，这种波导结构在恒定光场尺寸比率K(＝1.44)下对于折射率反差值Δ的变化(至少是在选取的可变化范围内)有低的灵敏度。因此，一旦选取最大的可接受耦合损耗值，例如，0.5dB，就可以确定由几何参数比率W/W₀和t/h数值表示的工作区，当折射率反差值变化时，在此工作区内形成的耦合损耗变化可以保持在预定的容差内；例如，这个容差可以低至±0.01dB，因此，耦合损耗可以基本上与折射率反差值无关。

在图4A，4B和4C所示的曲线中，折射率反差值Δ是在2％与8％之间的范围内变化；然而，本申请人观察到，即使在折射率反差值Δ远远大于8％的情况下，例如，20％或更大，仍然可以得到类似的结果(理论上，只要K的数值是合适的，对于任何的折射率反差值Δ，可以得到这些结果，如以下所讨论的)。

图6A和6B中所示的曲线图分别表示在K＝1和K＝3以及如同图4B中折射率反差值Δ＝6.64％情况下计算的耦合损耗等值曲线。可以理解，与以上的情况不同，耦合损耗等值曲线随不同的光场比率K有很大的变化；具体地说，当K增大时，最佳工作区移动到较小的W/W₀和t/h比率值。

以上的研究可以说明，一旦确定光场比率K的数值，作为比率W/W₀和t/h函数的耦合损耗在折射率反差值Δ变化时略微地发生变化；换句话说，对于每个K值，可以导出在不同Δ值下类似于图4A，4B和4C所示的一组曲线。

从实际观点考虑，如果需要确定由几何参数比率W/W₀和t/h数值表示的工作区，确保在此工作区内的耦合损耗是在0.5dB以下，则K大致等于3的数值似乎是K值的合理上限。事实上，我们观察图6B，在K值大于3的情况下，耦合损耗在0.5dB以下的区域趋向于减小到平面(W/W₀；t/h)上的原点。然而，我们观察到，只要耦合损耗大于0.5dB是可以接受的，则可以考虑K值大于3的情况。

关于沿横向逐渐缩减的过渡波导芯肋部分117b，如上所述，可以按照常规的方法进行设计，为的是避免较窄的终端波导芯肋部分117c与较宽的光路波导芯肋部分117a之间的突变过渡。通常，选取过渡波导芯肋部分117b的长度L为几百微米的数量级。

在本发明的优选实施例中，选取过渡波导芯肋部分117b的长度L为大于以下公式确定的最小值L_min：

L_min＝(1-W/W₀)L₀

其中L₀是过渡波导芯肋部分117b的最小长度，即使在终端波导芯肋部分117c的宽度W选取成等于零和连接侧面119的区域减小为零的情况下，可以保证绝热过渡，从而使波导与外部光场的连接仅仅减小到平板113a。在确定几个不同光斑尺寸转换结构的尺寸时，本申请人观察到，波导过渡部分小于500μm能够确保光场从较宽的光路波导部分到较窄的终端波导部分时有良好的绝热转变。利用较长的波导过渡部分可以避免绝热转变，但是没有观察到能够证明较大区域的占领有其他优点。因此，本申请人在宽度W减小到零的最临界情况下采用500μm作为过渡部分长度的下限L₀。

制成几个不同光斑尺寸的转换结构，并基于文献中提供的数值，本申请人观察到，若满足条件L≥L_min，则可以证明过渡波导芯肋部分117b是绝热的，并确保图4A，4B和4C所示的曲线图。

选取终端波导芯肋部分117c的长度L_tip为几百微米的数量级，并考虑在把晶片切割成小片和制备芯片边缘面过程中的技术容差，可以确定这种波导芯肋部分的有效长度。通常，选取L_tip的长度等于或大于100μm。然而，我们观察到，L_tip应当尽可能地小，因为在传播通过终端波导芯肋部分117c时，由于该芯肋部分有很小的波导横截面，光场往往是被微弱地引导，因此可以发生过大的辐射损耗。若过渡波导芯肋部分117b是足够长和W/W₀接近于1，则没有理由使用长的终端波导芯肋部分117c以保护波导结构免受技术容差的限制；与此相反，若考虑短的过渡区和小的W/W₀数值，则必须提供合适的保护。由于这些原因，我们考虑终端波导芯肋部分117c有以下的长度数值：

L_tip＝L_tecexp[1-(L/L_min)²]

其中L_tec与把晶片切割成小片和制备芯片边缘面过程中的技术容差有关。本申请人发现，L_tec的合理数值是300μm，而这个数值是确保传播损耗可忽略的最大值。

除了以上讨论的优点以外，图1中的集成波导结构还具有两个其他的重要性质。

当集成波导结构用作元件的输入端口时，输入光纤耦合到终端波导芯肋部分117c，由于它有极小的横截面可以确保单模性。这个事实确保在光路波导芯肋部分117a中仅仅激励基模，即，在光路波导中，不管光纤与波导之间是否存在任何可能的未对准。当光路波导的横截面区接近或甚至大于第二截止导模时(两个模式传播是可能的情况)，这个特征变得极其有用，但是仅仅需要基模的激励。

此外，本申请人得到的实验结果说明，图1中波导结构在大的未对准容差下能够有高的耦合效率。为了说明这最后一个特征，本申请人制作有图1所示结构的波导，它有以下的参数值：

Δ＝6.35％；

W₀＝2.4μm；

h＝1.8μm；

t＝0.4μm；

L＝240μm；

W＝0.8μm；

L_tip＝200μm

沿横向逐渐缩减的过渡波导芯肋部分117b有立方体外形，且集成波导已耦合到在1/e处的平均模直径(S_f)等于3.6μm的小纤芯光纤。

在1/e处的光路波导平均模式尺寸(S_wg)确定为等于2.6μm；因此，K的数值是1.38。

根据选取的几何参数，比率W/W₀的数值＝0.33，比率t/h的数值＝0.22。

参照图5A和5B的曲线图，可以预期耦合损耗略微高于0.5dB。

测得的耦合损耗为0.53dB：考虑到图5A和5B中的曲线图是根据模拟得到的，它与K的数值等于1.44略微不同，以及考虑到实验和技术容差，我们认为这个结果与上述的设计过程非常一致。

为了进行比较，使光纤耦合到第二集成波导结构，它没有图1中所示模式光斑尺寸转换结构，即，它与图1中光路波导相一致的集成波导。在这种情况下，测得的耦合损耗等于0.8dB。

图7A和7B中的曲线图给出以上讨论的两个实验情况下测量耦合效率(沿纵轴，单位为dB)作为光纤水平(图7A)和光纤垂直(图7B)未对准(沿横轴，单位为μm)的函数。这些曲线已归一化到它们的最大值。可以清楚地看出，图1中的波导结构对于未对准较不灵敏，特别是在沿垂直轴的方向。

在制作任何集成光学元件时可以采用图1中的集成波导结构。

作为一个例子，图8表示集成光学元件821的示意图，包括：集成在芯片807中的环形滤波器823，具体是，但不局限于，工作在波长等于1550nm的高位速率应用中滤波器。环形滤波器823包括类似于图1中所示光路波导部分的集成波导。

在芯片807上集成波导801。波导801有图1所示的结构，并包括：输入模式光斑尺寸转换器825a，输出模式光斑尺寸转换器825b，和插入在二者之间相对于环形滤波器823的光路波导部分827，为的是形成方向耦合器829。输入模式光斑尺寸转换器825a和输出模式光斑尺寸转换器825b分别耦合到输入光纤805a和输出光纤805b。

例如，波导801的光学和几何参数可以是与以上给出的相同参数(Δ＝6.35％，W₀＝2.4μm，h＝1.8μm，t＝0.4μm，L＝240μm，W＝0.8μm，L_tip＝200μm)。具体地说，关于平板高度t，参照图4B中的曲线可以看出，取t＜0.4μm可以实现较高的耦合效率，但太小的平板高度不能实现方向耦合器829中所需的耦合系数，特别是在高位速率的应用中，在开口的技术容差方面，两个波导之间有极窄的间隙。若取t＝0.4μm，则可以在这个最后特征与光纤-波导耦合效率之间实现合适的折衷。

因此，在任何集成光学元件中采用图1所示的波导结构能够实现高的光纤耦合效率，与此同时，必须满足其他的要求。

总之，上述波导结构的主要优点是能够实现与合适光纤的高耦合效率，与此同时，它满足耦合效率以外的波导特性要求，例如，形成的具体集成光学器件和与波导相互作用的要求(光路要求)，几何和光学参数容差对耦合效率产生微弱影响的要求，光纤-芯片对准的低灵敏度要求，和可选择基本模激励的要求，即使是在采用多模(具体是二模)光路波导的情况下。

上述波导结构特别适用于具有中至高折射率反差值特征的集成波导，具体地说，折射率反差值是在约1％至约20％的范围内。若上述波导结构是利用确保折射率反差值是从约5％至约7％的材料制成，则可以获得极好的结果。我们观察到，这些折射率反差值适合于实现波分复用(WDM)和密集WDM(DWDM)通信系统的集成光学器件。利用这些折射率反差值，可以制成有非常小弯曲半径的波导，并可以得到诸如有自由频谱范围的环形滤波器(如图8所示的环形滤波器)和Mach-Zehnder干涉仪的小型器件。例如，自由频谱范围为100GHz的环形滤波器需要小于300μm的弯曲半径，以及仅在折射率反差值至少等于5％的情况下可以实现的环形滤波器。然而，上述波导结构还可有利地用于高达约40％的较高折射率反差值。总之，本申请人发现，可以利用的上述波导结构折射率反差值间隔值取决于波导支持的光场尺寸与耦合到波导的外部光场尺寸之比率：只要这个比率是相对地较低，具体是在约1至3的范围内，则任何的折射率反差值都是合适的。

上述波导结构是对称的，并可用于集成光学器件的光输入端口和光输出端口。

虽然本发明的公开和描述是借助于实施例，但是专业人员显然知道，在不偏离所附权利要求书限定的范围内，对已描述的实施例和本发明其他实施例的改动是可能的。

例如，虽然我们描述的是集成波导与光纤之间的耦合，但是本发明一般可应用于集成波导与外部导向或非导向光场的耦合，具体地说，外部光场尺寸与集成波导支持的光场尺寸之比率K是相对低的外部光场，且K值最好是在约1至约3的范围内。

按照本发明的波导结构是容易制造的。由于仅仅存在沿横向逐渐缩减的波导芯肋，借助于相同的光刻技术，在与确定肋芯113b的同时可以实现模式光斑尺寸的转换结构；与制造肋式波导比较，它不需要附加的制造步骤，仅仅是光刻掩模的特定外形。与现有技术中涉及多个步骤复杂过程的已知二维缩减技术比较，这是一个很大的优点。然而，还可以有其他的制造方法。

Claims (21)

1.一种集成光波导结构，包括：用于引导光场的波导芯(113)，波导芯形成在下包层(111)上，其中波导芯包括：与下包层基本共同延伸并有基本均匀厚度(t)的波导芯层(113a)，和从波导芯层表面突出的波导芯肋(113b)，该表面与面向下包层的表面相对，所述波导芯肋(113b)有基本均匀的高度(h-t)，波导芯肋的外形确定导向光场的路径，其特征是，

集成光波导结构包括：

光路波导部分(117a)，其中波导芯肋有适合于引导光场通过光路的第一宽度(W₀)，和

至少一个适合于耦合光路波导部分到外部光场的耦合波导部分(101)，所述耦合波导部分包括：

有第二宽度(W)并终止在侧面(119)上的终端波导芯肋部分(117c)，第二宽度小于第一宽度，和

过渡波导芯肋部分(117b)，它与光路波导部分的芯肋和终端波导芯肋部分互相光路连接，所述过渡波导芯肋部分沿横向逐渐缩减，使其宽度从第一宽度减小至第二宽度。

2.按照权利要求1的集成光波导结构，其中按照这样的方法选取第二宽度与第一宽度之比率，和波导芯层高度与波导芯总体高度(h)之比率，可以确保在外部光场与集成波导耦合时产生的耦合损耗是在预定值以下。

3.按照权利要求2的集成光波导结构，其中按照这样方法至少选取第一宽度值，波导芯层的高度值(t)和波导芯的总体高度值(h)中的一个数值，使它符合对与光路有关的光路波导部分的要求，以及按照这样方法至少选取第二宽度值和波导芯层高度值(t)中的一个数值，在集成波导与有第一光场尺寸(S_f)的外部光场耦合时可以实现预定的效率。

4.按照权利要求3的集成光波导结构，其中光路波导部分设计成支持第二光场尺寸(S_wg)的光场，第二光场尺寸等于或小于第一光场尺寸，所述耦合波导部分完成使第二光场尺寸适应第一光场尺寸的光场适应。

5.按照权利要求4的集成光波导结构，其中光路波导部分设计成支持单模光场。

6.按照权利要求4或5的集成光波导结构，其中第一光场尺寸与第二光场尺寸之比率(K)是在约1至约3的范围内。

7.按照权利要求6的集成光波导结构，其中波导芯是由上包层(115)覆盖。

8.按照权利要求7的集成光波导结构，其中下包层有第一折射率(n_lc)，波导芯有第二折射率(n_core)，和上包层有第三折射率(n_uc)，第一折射率，第二折射率和第三折射率是这样的，波导芯与下包层和上包层之间的折射率反差值是在约1％至约20％的范围内。

9.按照权利要求8的集成光波导结构，其中所述折射率反差值是在约5％至约7％的范围内。

10.按照权利要求8或9的集成光波导结构，其中所述波导芯是由氧氮化硅(SiON)制成。

11.按照权利要求10的集成光波导结构，其中所述下包层是由二氧化硅(SiO₂)制成。

12.按照权利要求10的集成光波导结构，其中所述上包层是由二氧化硅(SiO₂)或气体制成，具体是空气。

13.按照权利要求1的集成光波导结构，其中所述过渡波导芯肋部分长度(L)的选取与第一宽度与第二宽度之比率有关，其长度至少等于公式(1-W/W₀)×500给出的最小长度，长度的单位是微米。

14.按照权利要求13的集成光波导结构，其中所述终端波导芯肋部分长度(L_tip)的选取是考虑到分割小片过程中技术容差的最短可能长度，其中光波导结构是从相同晶片形成的其他小片中集成。

15.按照权利要求13的集成光波导结构，其中在所述最小长度和过渡波导芯肋部分长度的基础上，确定终端波导芯肋部分的长度，使它等于由公式L_tecexp((-L/L_min)²)给出的数值，长度的单位是微米，其中L_tec表示与所述技术容差有关的长度，而L_min是所述最小长度。

16.一种用于耦合外部光场到集成光波导的方法，该集成光波导包括：用于引导光场并形成在下包层(111)上的波导芯(113)，其中波导芯包括：与下包层基本共同延伸并有基本均匀厚度(t)的波导芯层(113a)，和从波导芯层表面突出的波导芯肋(113b)，该表面与面向下包层的表面相对，所述波导芯肋有基本均匀的高度(h-t)，波导芯肋的外形确定导向光场的路径，其特征是包括：

至少提供一个耦合波导部分(101)，它设计成耦合外部光场到光路波导部分(117a)，其中波导芯层有适合于引导光场通过光路的第一宽度(W₀)，所述耦合部分包括：

有第二宽度(w)并终止在侧面(119)上的终端波导芯肋部分(117c)，第二宽度小于第一宽度，和

过渡波导芯肋部分(117b)，它与光路波导部分中的波导芯肋和终端波导芯肋部分互相光路连接，所述过渡波导芯肋部分沿横向逐渐缩减，使其宽度从第一宽度减小到第二宽度。

17.按照权利要求16的方法，包括：

按照这样方法选取第二宽度与第一宽度之比率，和波导芯层高度与波导芯总体高度(h)之比率，可以确保在外部光场与集成波导耦合时产生的耦合损耗是在预定值以下。

18.按照权利要求17的方法，包括：

按照这样方法至少选取第一宽度值，波导芯层的高度值(t)和波导芯的总体高度值(h)中的一个数值，使它符合对光路有关的光路波导部分的要求，和

按照这样方法至少选取第二宽度值和波导芯层的高度值(t)中的一个数值，在有第一光场尺寸(S_f)的外部光场与集成波导耦合时可以实现预定的效率。

19.一种用于制造集成光波导结构的方法，包括：

在基片(109)上制成下包层(111)；

在下包层上制成波导芯，其中所述制成波导芯包括：

制成与下包层基本共同延伸并有基本均匀厚度(t)的波导芯层(113a)，和

制成从波导芯层表面突出的波导芯肋(113b)，该表面与面向下包层的表面相对，所述波导芯肋有基本均匀的高度(h-t)，波导芯肋有确定导向光场路径的外形，其特征是，

所述制成波导芯肋还包括：

至少制成一个耦合波导部分(101)，它设计成耦合外部光场到光路波导部分，其中波导芯肋有第一宽度(W₀)，所述至少制成一个耦合波导部分包括：

制成有第二宽度(W)并终止在侧面(119)上的终端波导芯肋部分(117c)，第二宽度小于第一宽度，和

制成过渡波导芯肋部分(117b)，它与光路波导部分中的波导芯肋和终端波导芯肋部分互相光路连接，所述过渡波导芯肋部分沿横向逐渐缩减，使其宽度是从第一宽度减小到第二宽度。

20.按照权利要求19的方法，其中所述制成波导芯包括：

在下包层上形成材料层，和

有选择地去除材料层以限定波导芯层和波导芯肋。

21.按照权利要求20的方法，其中制成终端部分和过渡部分是与制成波导芯肋同时进行。

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