專利名稱：模式形狀轉(zhuǎn)換器、其制造方法和利用該部件的集成光學(xué)器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及模式形狀轉(zhuǎn)換器、該模式形狀轉(zhuǎn)換器的制造方法和利用該模式形狀轉(zhuǎn)換器的集成光學(xué)器件，而更具體地說(shuō)，涉及設(shè)置在光學(xué)器件的輸入和輸出端并適合于耦合通過(guò)光纖輸入光學(xué)器件或從其中輸出的光的模式形狀轉(zhuǎn)換器。本發(fā)明還涉及這樣的模式形狀轉(zhuǎn)換器的制造方法和利用該模式形狀轉(zhuǎn)換器的集成光學(xué)器件。
集成光學(xué)技術(shù)是一種利用波導(dǎo)把不同的光學(xué)器件集成在一塊基片上的技術(shù)。利用這種集成光學(xué)技術(shù)，有可能容易地把具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的多功能光學(xué)器件集成在有限的小面積上，因?yàn)閱卧鈱W(xué)器件的對(duì)準(zhǔn)能夠容易地實(shí)現(xiàn)。
實(shí)現(xiàn)集成光學(xué)器件的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的實(shí)例是肋形波導(dǎo)，后者是對(duì)平面波導(dǎo)進(jìn)行局部蝕刻而制成的信道波導(dǎo)。這種肋形波導(dǎo)具有如下各種優(yōu)點(diǎn)。首先，有可能在很寬的范圍內(nèi)選擇纖芯和包層各自的折射率。其次，可以制造出截面積大的單模波導(dǎo)，而不管纖芯和包層之間的折射率不同。第三，在利用蝕刻深度作為主要處理參數(shù)的條件下，有可能容易地調(diào)整諸如模式分布和傳播常數(shù)等光學(xué)特性。第四，與矩形波導(dǎo)相比，可以獲得精確的圖形。這是因?yàn)槔咝尾▽?dǎo)中的蝕刻深度小于矩形波導(dǎo)。第五，有可能減少纖芯層蝕刻過(guò)程中的出現(xiàn)的損壞，例如，各向異性的蝕刻引起的圖形尺寸的誤差、具有應(yīng)力的層的蝕刻過(guò)程中出現(xiàn)的開(kāi)裂現(xiàn)象和由蝕刻過(guò)程中形成的副產(chǎn)品的再積累引起的損壞。
盡管有這些優(yōu)點(diǎn)，上述肋形波導(dǎo)也存在缺點(diǎn)，就是當(dāng)光纖耦合到光學(xué)器件的波導(dǎo)時(shí)，產(chǎn)生非常大的耦合損耗。單模光纖具有寬高比1∶1的圓形模式分布，而同時(shí)具有較大的尺寸，例如，10μm(微米)。另一方面，肋形波導(dǎo)具有橢圓形模式分布，其中，其水平寬度大于其垂直寬度。在許多情況下，這種肋形波導(dǎo)的模式分布尺寸也大于單模光纖的模式分布尺寸。因此，存在肋形波導(dǎo)和光纖之間的連接處模式形狀不重合現(xiàn)象。由于這種模式形狀不重合現(xiàn)象，光波在經(jīng)過(guò)接合面時(shí)遇到不連續(xù)性，使得它在被反射和散射的同時(shí)引致耦合損失。為了解決這個(gè)問(wèn)題，在光纖要耦合到的集成光學(xué)器件的輸入或輸出端設(shè)置一種模式形狀轉(zhuǎn)換器。模式形狀轉(zhuǎn)換器用來(lái)把光纖的模式緩慢地轉(zhuǎn)換成適合于執(zhí)行光學(xué)器件功能的模式形狀，從而達(dá)到減小耦合損失的目的。


圖1是圖解說(shuō)明美國(guó)專利No.5,078,516中公開(kāi)的傳統(tǒng)模式形狀轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)的透視圖。圖1所示的模式形狀轉(zhuǎn)換器包括第一波導(dǎo)100、第二波導(dǎo)102和基片104。在圖1中，標(biāo)號(hào)106表示輸入端子，而標(biāo)號(hào)108表示輸出端子。標(biāo)號(hào)110表示第一波導(dǎo)100、第二波導(dǎo)102和基片104各自的折射率。第一波導(dǎo)100設(shè)計(jì)成具有適合于執(zhí)行該模式形狀轉(zhuǎn)換器所耦合到的光學(xué)器件的功能的小模式尺寸。第二波導(dǎo)102設(shè)計(jì)成具有小于第一波導(dǎo)100的折射率，而同時(shí)具有大的模式尺寸，以便獲得與光纖的有利的輸入/輸出耦合。輸入端子106的波導(dǎo)僅僅由第二波導(dǎo)102構(gòu)成。這第二波導(dǎo)102使用空氣作為其上包層，而同時(shí)利用基片104作為其下包層，以便在深度方向上約束光波。為了在縱向約束光波，對(duì)作為纖芯的第二波導(dǎo)102進(jìn)行局部蝕刻，以便具有肋形波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)。
輸出端子108的波導(dǎo)僅僅由第一波導(dǎo)100構(gòu)成。輸出端子108的第一波導(dǎo)100具有不同于輸入端子106的肋形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的帶狀加載波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。第一波導(dǎo)100使用空氣作為其上包層，而同時(shí)利用第二波導(dǎo)102作為其下包層。
模式轉(zhuǎn)換區(qū)被限定在輸入端子106和輸出端子108之間，以便把從光纖輸入到光學(xué)器件之后的耦合模式轉(zhuǎn)換成適用于在沒(méi)有任何耦合模式損失的情況下執(zhí)行該光學(xué)器件功能的模式形狀。具有大模式尺寸的肋形波導(dǎo)借助模式轉(zhuǎn)換區(qū)轉(zhuǎn)換成具有小模式尺寸的帶狀加載波導(dǎo)。通過(guò)模式形狀轉(zhuǎn)換器導(dǎo)引的光被緩慢地移向第一波導(dǎo)100，因?yàn)榈谝徊▽?dǎo)100具有高于第二波導(dǎo)102的折射率，盡管第一波導(dǎo)和第二波導(dǎo)100和102兩者的寬度都增大了。當(dāng)被導(dǎo)引的光到達(dá)輸出端子108時(shí)，其功率主要向第一波導(dǎo)100集中。
圖2a是舉例說(shuō)明上述模式形狀轉(zhuǎn)換器輸入端子106的模式分布的示意圖，而圖2b是舉例說(shuō)明上述模式形狀轉(zhuǎn)換器輸出端子108的模式分布的示意圖。
但是，配備上述模式形狀轉(zhuǎn)換器的集成光學(xué)器件有如下問(wèn)題。首先，制造是困難的，因?yàn)樗枰褂糜刹煌牧现瞥傻膬蓚€(gè)纖芯，而且第一波導(dǎo)應(yīng)該精密地形成在第二波導(dǎo)上。第二，在把從該光學(xué)器件到具有圓形模式的光纖的耦合損失減到最小方面有限制，因?yàn)檩斎攵俗?06的肋形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有橢圓形波導(dǎo)模式，盡管它具有大的模式尺寸。第三，因?yàn)槟Ｊ叫螤钷D(zhuǎn)換器具有下錐形(down-tapering)結(jié)構(gòu)，以便提高輸入端波導(dǎo)的模式尺寸，其波導(dǎo)尖錐體在長(zhǎng)度上增大。在模式轉(zhuǎn)換過(guò)程中傳輸損失增大。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種包括由單一介質(zhì)制成的雙波導(dǎo)的并具有向上錐形(up-tapering)結(jié)構(gòu)的模式形狀轉(zhuǎn)換器、該模式形狀轉(zhuǎn)換器的制造方法和利用該模式形狀轉(zhuǎn)換器的集成光學(xué)器件。
按照一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種模式形狀轉(zhuǎn)換器，它插入在包括在光學(xué)器件中的功能執(zhí)行單元的輸入端子或輸出端子和光纖之間、并且適合于把光纖的模式與功能執(zhí)行單元的輸入或輸出端子的模式耦合，它包括基片；涂敷在所述基片上的下包層，所述下包層在要求的區(qū)域內(nèi)具有蝕刻部分；在所述下包層的蝕刻部分上形成的下肋形波導(dǎo)；在所述下肋形波導(dǎo)和所述下包層的非蝕刻部分兩者之上形成的纖芯；在所述纖芯上以這樣的方式形成的上肋形波導(dǎo)，使得它與所述下肋形波導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)，所述上肋形波導(dǎo)具有要求的形狀；以及在所述上肋形波導(dǎo)和所述纖芯的不被所述上肋形波導(dǎo)覆蓋的部分兩者之上形成的上包層。
按照本發(fā)明的另一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種制造模式形狀轉(zhuǎn)換器的方法，該模式形狀轉(zhuǎn)換器插入在包括于光學(xué)器件中的功能執(zhí)行單元的輸入端子或輸出端子和光纖之間、并且適合于把光纖的模式與功能執(zhí)行單元的輸入或輸出端子的模式耦合，該方法包括(a)在基片上涂敷下包層；(b)在所述下包層上形成蝕刻掩模的圖案，并利用所得的蝕刻掩模圖案把所述下包層蝕刻至要求的深度；(c)在被蝕刻的所述下包層上涂敷芯層，從而形成下肋形波導(dǎo)和纖芯；(d)在所述纖芯上形成另一個(gè)蝕刻掩模圖案，并利用所得的另一個(gè)蝕刻掩模圖案蝕刻所述纖芯，從而形成上肋形波導(dǎo)；和(e)在所述纖芯和所述上肋形波導(dǎo)上涂敷上包層。
按照再一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種集成光學(xué)器件，它包括功能執(zhí)行單元，它分別在其輸入端子和輸出端子上耦合到光纖；第一模式形狀轉(zhuǎn)換器，它設(shè)置在所述功能執(zhí)行單元輸入端子處，并且適合于把輸入光纖的模式轉(zhuǎn)換成適合于執(zhí)行所述光學(xué)器件要求的功能的模式；和第二模式形狀轉(zhuǎn)換器，它設(shè)置在所述功能執(zhí)行單元的輸出端子上，并且適合于把從所述功能執(zhí)行單元輸出的模式轉(zhuǎn)換成光纖的模式，輸出端模式形狀轉(zhuǎn)換器具有與第一模式形狀轉(zhuǎn)換器相反的安排，其中，所述第一和第二模式形狀轉(zhuǎn)換器中的每一個(gè)包括基片；涂敷在所述基片上的下包層，所述下包層在要求的區(qū)域具有蝕刻部分；在所述下包層的蝕刻部分上形成的下肋形波導(dǎo)；在所述下肋形波導(dǎo)和所述下包層的非蝕刻部分兩者之上形成的纖芯；在所述纖芯上以這樣的方式形成的上肋形波導(dǎo)，使得它與所述下肋形波導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)，所述上肋形波導(dǎo)具有所需要的形狀；和在所述上肋形波導(dǎo)和所述纖芯的不被所述上肋形波導(dǎo)覆蓋的部分兩者之上形成的上包層。
參照附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明的最佳實(shí)施例，本發(fā)明的上述目的和其它優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚。
圖1是圖解說(shuō)明傳統(tǒng)模式形狀轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的透視圖；圖2a是舉例說(shuō)明圖1所示模式形狀轉(zhuǎn)換器輸入端子的模式分布的示意圖2b是舉例說(shuō)明圖1所示模式形狀轉(zhuǎn)換器輸出端子的模式分布的示意圖；圖3是舉例說(shuō)明按照本發(fā)明的模式形狀轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的透視圖；圖4a，4b和4c是舉例說(shuō)明圖3所示各區(qū)城的相應(yīng)的截面形狀、連同這些區(qū)域中相應(yīng)的模式分布的示意圖；圖5是舉例說(shuō)明圖3中所示的下和上肋形波導(dǎo)的平面圖；圖6是舉例說(shuō)明按照本發(fā)明的模式形狀轉(zhuǎn)換器的耦合區(qū)域的截面圖；圖7a至7g是分別舉例說(shuō)明按照本發(fā)明的模式形狀轉(zhuǎn)換器制造方法的順序加工步驟的截面圖；圖8a和8b是分別舉例說(shuō)明按照本發(fā)明的光纖模式和雙肋形波導(dǎo)模式的示意圖；圖9是按照三維光束傳播方法進(jìn)行的模擬結(jié)果的示意圖，舉例說(shuō)明圖3中所示轉(zhuǎn)換區(qū)域的操作；和圖10是舉例說(shuō)明具有按照本發(fā)明的配置的模式形狀轉(zhuǎn)換器的集成光學(xué)器件的示意圖。
下文中將結(jié)合附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明的一些最佳實(shí)施例。
圖3是舉例說(shuō)明按照本發(fā)明的模式形狀轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)的透視圖。圖3中的模式形狀轉(zhuǎn)換器包括基片300、下包層302、下肋形波導(dǎo)304、纖芯306、上肋形波導(dǎo)308和上包層310。在圖3中，標(biāo)號(hào)312表示耦合區(qū)域，314表示轉(zhuǎn)換區(qū)域，而316表示穩(wěn)定區(qū)域。下肋形波導(dǎo)304、纖芯306和上肋形波導(dǎo)308均用相同的材料制成。
圖4a，4b和4c是舉例說(shuō)明圖3中所示的耦合區(qū)域312、轉(zhuǎn)換區(qū)域314和穩(wěn)定區(qū)域316的相應(yīng)的截面形狀的示意圖，同時(shí)還表示這些區(qū)域中相應(yīng)的模式分布。參見(jiàn)圖4a至4c，可以發(fā)現(xiàn)，連接到光纖的耦合區(qū)域的圓形模式在通過(guò)轉(zhuǎn)換區(qū)域314的同時(shí)逐漸轉(zhuǎn)換成橢圓形模式。通過(guò)穩(wěn)定區(qū)域316之后，模式轉(zhuǎn)換成適合執(zhí)行本模式形狀轉(zhuǎn)換器應(yīng)用于其中的光學(xué)器件的功能的橢圓形模式。
圖5是舉例說(shuō)明圖3中所示的下肋形波導(dǎo)304和上肋形波導(dǎo)308的平面視圖。在圖5中，“WLi”和“WUi”表示下和上肋形波導(dǎo)的相應(yīng)的輸入端寬度，而“WLf”和“WUf”表示下和上肋形波導(dǎo)的相應(yīng)的輸出端寬度。參見(jiàn)圖5，可以發(fā)現(xiàn)，每一個(gè)波導(dǎo)都具有按照其每一個(gè)區(qū)域變化的結(jié)構(gòu)。就是說(shuō)，下肋形波導(dǎo)304的寬度逐漸減小到0，而同時(shí)上肋形波導(dǎo)308的寬度逐漸增大到適合于執(zhí)行光學(xué)器件的功能的寬度。這里，光學(xué)器件的功能包括光波的調(diào)制、轉(zhuǎn)換或?yàn)V光。耦合區(qū)域312是模式形狀轉(zhuǎn)換器耦合到光纖的區(qū)域。這個(gè)耦合區(qū)域312設(shè)計(jì)成其模式具有與光纖模式相同的尺寸和形狀。該耦合區(qū)域的雙肋形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有以單一介質(zhì)制成的纖芯。這個(gè)雙肋形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)波導(dǎo)，一個(gè)是上肋形波導(dǎo)308，而另一個(gè)是安排在上肋形波導(dǎo)之下并處于相反狀態(tài)的下肋形波導(dǎo)304。上肋形波導(dǎo)308連接到光學(xué)器件的功能執(zhí)行單元。下肋形波導(dǎo)304的寬度和深度被調(diào)整到使雙肋形波導(dǎo)的基模與光纖的圓形模式充分一致。
轉(zhuǎn)換區(qū)域是把耦合到耦合區(qū)域312的光波轉(zhuǎn)換成適合于執(zhí)行光學(xué)器件的功能的模式形狀的區(qū)域。這個(gè)轉(zhuǎn)換區(qū)域設(shè)計(jì)成滿足絕熱條件，以便把所述轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生的輻射損失減到最小。在轉(zhuǎn)換區(qū)域中，下肋形波導(dǎo)304在其縱向延伸的過(guò)程中寬度逐漸縮小，從而使耦合區(qū)的圓形模式轉(zhuǎn)換成適合于執(zhí)行光學(xué)器件的功能的橢圓形模式。隨著下肋形波導(dǎo)304的寬度逐漸減小，由下肋形波導(dǎo)304限定的光波的功率逐漸減小。結(jié)果，光波遷移到上肋形波導(dǎo)308。
下和上肋形波導(dǎo)304和308各自寬度的變化設(shè)計(jì)成使輻射損失減到最小。
穩(wěn)定區(qū)域316用來(lái)去除模式轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生的較高次模式，從而把適合于執(zhí)行光學(xué)器件的功能的模式傳輸?shù)焦鈱W(xué)器件的功能執(zhí)行單元。這個(gè)穩(wěn)定區(qū)域316只由上肋形波導(dǎo)308組成。穩(wěn)定區(qū)域316只允許適合于執(zhí)行所需要的功能的轉(zhuǎn)換后的光波模式，而同時(shí)把剩余的較高次模式發(fā)射到基片。
具有上述結(jié)構(gòu)的模式形狀轉(zhuǎn)換器按照以下設(shè)計(jì)制造。本發(fā)明考慮一個(gè)具有橢圓形模式的肋形波導(dǎo)。然后，確定與光纖模式形狀一致的輸入端波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)。在輸入端波導(dǎo)面積減小使得波導(dǎo)模式形狀與光纖的模式形狀一致的地方，正如在下錐形的方法中，甚至在光學(xué)波導(dǎo)的截面形狀出現(xiàn)細(xì)小變化時(shí)，也難以達(dá)到有效的輸入耦合。因此，設(shè)計(jì)具有大截面積的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，正如在向上拔梢的方法中，以便實(shí)現(xiàn)有效的輸入耦合和增大波導(dǎo)截面形狀的誤差允許值。按照本發(fā)明，制造這樣一種雙肋形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，它包括單肋形波導(dǎo)(上肋形波導(dǎo))，和一個(gè)反向的肋形波導(dǎo)(下肋形波導(dǎo))，后者處于上肋形波導(dǎo)之下，而同時(shí)具有大的截面積，使得它具有模式尺寸大并且模式形狀呈圓形的模式。
下文中設(shè)計(jì)連接輸入和輸出端子的波導(dǎo)錐體。為了把大的圓形模式轉(zhuǎn)換成橢圓形模式，必須形成在深度方向伸展的錐體。按照本發(fā)明，以這樣的方式設(shè)計(jì)下和上肋形波導(dǎo)304和308，使得即使僅在寬度方向上做成錐形，也能夠獲得在深度方向上做成錐形的效果。當(dāng)下肋形波導(dǎo)304的寬度逐漸減小時(shí)，沿著下肋形波導(dǎo)304行進(jìn)的光波逐漸向上向上肋形波導(dǎo)遷移。確定上和下肋形波導(dǎo)308和304各自的寬度變化，以便把模式轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生的輻射損失減到最小。
如下進(jìn)行模式形狀轉(zhuǎn)換器的截面設(shè)計(jì)。圖6是舉例說(shuō)明按照本發(fā)明的模式形狀轉(zhuǎn)換器的耦合區(qū)域的截面圖。圖6中，標(biāo)號(hào)600表示基片，602表示下包層，604表示下肋形波導(dǎo)，606表示纖芯，608表示上肋形波導(dǎo)，而610表示上包層。“WUi”代表上肋形波導(dǎo)608的輸入端寬度，“Dt”代表纖芯606的厚度，“DUi”代表用于形成上肋形波導(dǎo)608的蝕刻深度，“DLi”代表用于形成下肋形波導(dǎo)604的蝕刻深度，而“WLi”代表下肋形波導(dǎo)604輸入端的寬度。這些參數(shù)可以按以下方法確定。例如，在通過(guò)確定Dt，DUi和WUf把上肋形波導(dǎo)設(shè)計(jì)成具有適合于執(zhí)行光學(xué)器件的功能的結(jié)構(gòu)的情況下，剩余的參數(shù)WLi，DLi和WUi可以利用以下表達(dá)式1確定。耦合效率可以由帶有光纖模式的雙肋形波導(dǎo)模式的重疊積分求出。按照耦合模式理論，重疊積分用下列表達(dá)式1表示。 式中，E光纖和E耦合區(qū)代表光纖的和耦合區(qū)域的相應(yīng)的模式分布。
按照上列表達(dá)式1，當(dāng)上述兩個(gè)模式分布彼此相同，而且彼此精確對(duì)準(zhǔn)時(shí)，重疊積分值為1。利用按照上述設(shè)計(jì)制造的下和上肋形波導(dǎo)的圖案和蝕刻深度，制造該模式形狀轉(zhuǎn)換器。圖7a至7g舉例說(shuō)明按照本發(fā)明制造上述模式形狀轉(zhuǎn)換器的方法。作為模式形狀轉(zhuǎn)換器的材料，可以采用諸如Si，GaAs或InP等半導(dǎo)體材料、諸如LiNbO3或聚合物等絕緣材料。
圖7a至7g中舉例說(shuō)明的方法相當(dāng)于利用聚合物制造模式形狀轉(zhuǎn)換器的情況。按照這個(gè)方法，首先如圖7a所示，把聚合物涂敷在硅基片700上，從而形成下包層702。然后，如圖7b所示，在下包層702上利用暗視場(chǎng)掩模按照光刻工藝形成蝕刻掩模圖案704，以便形成下肋形波導(dǎo)。然后，如圖7c所示，利用蝕刻掩模圖案704把下包層702干蝕刻至要求的深度。此后，如圖7d所示，在蝕刻的下包層706上涂敷聚合物，從而形成纖芯708。然后，為了形成上肋形波導(dǎo)，令明視場(chǎng)掩模對(duì)準(zhǔn)下肋形波導(dǎo)。如圖7e所示，利用明視場(chǎng)掩模按照光刻工藝形成蝕刻掩模圖案710。如圖7f所示，利用蝕刻掩模圖案710把纖芯708干蝕刻至上述程序所確定的深度，從而形成纖芯712和上肋形波導(dǎo)714。如圖7g所示，在纖芯712和上肋形波導(dǎo)714上涂敷聚合物，從而形成上包層716。
圖8a和8b分別舉例說(shuō)明光纖的模式和按照本發(fā)明的雙肋形波導(dǎo)的模式。為了確定光纖和雙肋形波導(dǎo)之間的耦合度，利用有限差值法同時(shí)利用按照本發(fā)明的上述重疊積分表達(dá)式，按照截面模式分析法計(jì)算模式形狀轉(zhuǎn)換器的耦合效率。在圖8a所示的光纖模式的情況下，光纖的纖芯和包層具有1.461和1.457的折射率(比折射率Δn＝0.27％)。光纖的纖芯具有9μm的直徑。光纖的模式是圓形模式，因?yàn)樵诓ㄩL(zhǎng)1.55μm處光波強(qiáng)度的l/e2寬度和l/e2深度均為10.61μm。
在數(shù)字模擬中用的雙肋形波導(dǎo)的參數(shù)如下。纖芯和包層各自的折射率為1.5337和1.5169(比折射率Δn＝1.2％)。上肋形波導(dǎo)的寬度，WUf，是5μm，蝕刻深度DUi是1.5μm，而纖芯厚度Dt為4.0μm。通過(guò)在改變下肋形波導(dǎo)的寬度和深度的同時(shí)進(jìn)行耦合效率的計(jì)算，求出表現(xiàn)出最大耦合效率的下肋形波導(dǎo)的寬度WLi和蝕刻深度DLi。當(dāng)“WLi”為11.5μm，而“DLi”為7.5μm時(shí)，求出最大重疊積分值0.9889。該值對(duì)應(yīng)于0.05dB耦合損失，這是一個(gè)小的耦合損失。在這種情況下，耦合區(qū)域的模式表現(xiàn)為光波強(qiáng)度的l/e2寬度和l/e2深度分別相當(dāng)于10.61μm和10.26μm，寬高比為1.034。
轉(zhuǎn)換區(qū)域是一個(gè)用來(lái)改變下和上肋形波導(dǎo)各自的寬度、以便把輸入到耦合區(qū)域之后耦合的光波傳輸?shù)椒€(wěn)定區(qū)域的肋形波導(dǎo)的區(qū)域。上肋形波導(dǎo)的寬度從模式形狀轉(zhuǎn)換器輸入端的寬度WUi變?yōu)檫B接到光學(xué)器件的模式形狀轉(zhuǎn)換器輸出端子處的輸出端寬度WUf。下肋形波導(dǎo)的寬度沿著縱向逐漸縮小到0。結(jié)果，轉(zhuǎn)換區(qū)域用來(lái)把光波從下肋形波導(dǎo)遷移到上肋形波導(dǎo)。
圖9是按照三維光束傳播法進(jìn)行的模擬結(jié)果的示意圖，舉例說(shuō)明轉(zhuǎn)換區(qū)域的操作。圖9中，暗的部分代表呈現(xiàn)高的光強(qiáng)度的區(qū)域。
參見(jiàn)圖9，可以發(fā)現(xiàn)，在耦合區(qū)域中限制在下肋形波導(dǎo)中的光波在通過(guò)轉(zhuǎn)換區(qū)域的同時(shí)逐漸向上肋形波導(dǎo)遷移。向上肋形波導(dǎo)遷移的光波在通過(guò)轉(zhuǎn)換區(qū)域的同時(shí)輻射較高次的模式。輻射較高次模式之后，光波傳輸?shù)焦鈱W(xué)器件。
圖10是舉例說(shuō)明利用具有按照本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的模式形狀轉(zhuǎn)換器的集成光學(xué)器件的示意圖。如圖10所示，集成光學(xué)器件包括輸入端模式形狀轉(zhuǎn)換器1000、功能執(zhí)行單元1002和具有與輸入端模式形狀轉(zhuǎn)換器1000相反配置的輸出端模式形狀轉(zhuǎn)換器1004。
輸入和輸出端模式形狀轉(zhuǎn)換器1000和1004分別連接到光纖1006和1008。輸入端模式形狀轉(zhuǎn)換器1000對(duì)從光纖1006接收的光波模式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后把轉(zhuǎn)換后的模式輸出到功能執(zhí)行單元1002。輸出端模式形狀轉(zhuǎn)換器1004把從功能執(zhí)行單元1002輸出的模式轉(zhuǎn)換成圓形模式，隨后把該模式輸出到第二光纖1008。因此，在集成光學(xué)器件中，輸出端模式形狀轉(zhuǎn)換器1004具有與輸入端模式形狀轉(zhuǎn)換器1000的相反的配置。
正如從以上的描述看到的，用來(lái)制造按照本發(fā)明的模式形狀轉(zhuǎn)換器的纖芯是由單一介質(zhì)制成的。在本發(fā)明的模式形狀轉(zhuǎn)換器中，由下肋形波導(dǎo)限定的階梯式圖案只局部地存在于耦合和轉(zhuǎn)換區(qū)域，這樣便簡(jiǎn)化了上肋形波導(dǎo)的圖案形狀。相應(yīng)地，簡(jiǎn)化了模式形狀轉(zhuǎn)換器的制造。本發(fā)明的模式形狀轉(zhuǎn)換器提供高的耦合效率，因?yàn)槠漭斎攵瞬▽?dǎo)具有圓形模式。由于把適應(yīng)于逐漸增大波導(dǎo)寬度的上錐形結(jié)構(gòu)用在輸入端波導(dǎo)，所以可以減小波導(dǎo)的錐體長(zhǎng)度，而同時(shí)減小模式轉(zhuǎn)換過(guò)程中的傳輸損失。
盡管已經(jīng)參照其特定的實(shí)施例具體地顯示和描述了本發(fā)明，但是，本專業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該明白，在不脫離后附權(quán)利要求書(shū)所定義的本發(fā)明的范圍的情況下，在形式上和在細(xì)節(jié)上都可以作出各種改變。
權(quán)利要求
1.一種模式形狀轉(zhuǎn)換器，它插入在包含于光學(xué)器件中的功能執(zhí)行單元的輸入端子或輸出端子和光纖之間，并適合于把所述光纖的模式與所述功能執(zhí)行單元的所述輸入或輸出端子的模式耦合，它包括基片；涂敷在所述基片上的下包層，所述下包層在要求的區(qū)域具有蝕刻部分；在所述下包層的所述蝕刻部分上形成的下肋形波導(dǎo)；在所述下肋形波導(dǎo)和所述下包層的非蝕刻部分兩者之上形成的纖芯；在所述纖芯上以這樣的方式形成的上肋形波導(dǎo)，使得它與所述下肋形波導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)，所述上肋形波導(dǎo)具有要求的形狀；和在所述上肋形波導(dǎo)和所述纖芯的不被所述上肋形波導(dǎo)覆蓋的部分兩者之上形成的上包層。
2.按照權(quán)利要求1的模式形狀轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述下肋形波導(dǎo)包括耦合區(qū)域，它具有與所述光纖的模式耦合的模式；和轉(zhuǎn)換區(qū)域，其寬度以這樣的方式從所述耦合區(qū)域的寬度逐漸縮小到0，使得它把所述耦合區(qū)域的所述模式傳輸?shù)剿錾侠咝尾▽?dǎo)。
3.按照權(quán)利要求2的模式形狀轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述耦合區(qū)域的寬度逐漸縮小，使得在從所述耦合區(qū)域到所述上肋形波導(dǎo)的所述模式傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的輻射損失減到最小。
4.按照權(quán)利要求2的模式形狀轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述耦合區(qū)域的輸入端具有這樣的截面，該截面的寬度和厚度根據(jù)所述上肋形波導(dǎo)的厚度和所述上肋形波導(dǎo)輸出端的寬度以這樣的方式確定，使得所述光纖的模式和所述耦合區(qū)域的模式之間的耦合效率達(dá)到最大。
5.按照權(quán)利要求2的模式形狀轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述上肋形波導(dǎo)包括耦合區(qū)域，它與所述下肋形波導(dǎo)的所述耦合區(qū)域?qū)?zhǔn)；轉(zhuǎn)換區(qū)域，它與所述下肋形波導(dǎo)的所述轉(zhuǎn)換區(qū)域?qū)?zhǔn)，并且適合于把從所述下肋形波導(dǎo)傳輸來(lái)的所述模式轉(zhuǎn)換成適合于所述功能執(zhí)行單元的模式；和穩(wěn)定區(qū)域，用來(lái)把從所述轉(zhuǎn)換區(qū)域傳輸來(lái)的模式輸出到所述功能執(zhí)行單元。
6.按照權(quán)利要求5的模式形狀轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述上肋形波導(dǎo)的所述耦合區(qū)域的輸入端寬度根據(jù)所述纖芯厚度、所述上肋形波導(dǎo)的厚度和所述上肋形波導(dǎo)的輸出端寬度以這樣的方式確定，使得所述光纖模式與所述下肋形波導(dǎo)的所述耦合區(qū)域的模式之間的耦合效率達(dá)到最大。
7.按照權(quán)利要求5的模式形狀轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述上肋形波導(dǎo)中的所述耦合區(qū)域的寬度以這樣的方式變化，使得在把來(lái)自所述耦合區(qū)域的模式轉(zhuǎn)換成適合于所述功能執(zhí)行單元的模式的過(guò)程中產(chǎn)生的輻射損失減到最小。
8.按照權(quán)利要求1的模式形狀轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述上肋形波導(dǎo)、所述纖芯和所述下肋形波導(dǎo)用相同的材料制成。
9.一種制造模式形狀轉(zhuǎn)換器的方法，所述模式形狀轉(zhuǎn)換器插入在包含于光學(xué)器件中的功能執(zhí)行單元的輸入端子或輸出端子和光纖之間，并且適合于把所述光纖的模式與所述功能執(zhí)行單元的所述輸入或輸出端子的模式耦合，所述方法包括(a)在基片上涂敷下包層；(b)在所述下包層上形成蝕刻掩模的圖案，并利用所得的蝕刻掩模把所述下包層蝕刻至要求的深度；(c)在蝕刻后的所述下包層上涂敷芯層，從而形成下肋形波導(dǎo)和纖芯；(d)在所述纖芯上形成另一個(gè)蝕刻掩模圖案，并利用所得另一個(gè)蝕刻掩模蝕刻所述纖芯，從而形成上肋形波導(dǎo)；和(e)在所述纖芯和所述上肋形波導(dǎo)上涂敷上包層。
10.按照權(quán)利要求9的方法，其特征在于分別在步驟(b)和(c)形成的所述圖案是根據(jù)一些參數(shù)確定的，這些參數(shù)是這樣確定的，使得所述模式形狀轉(zhuǎn)換器的所述輸入端模式與所述光纖的所述模式的耦合效率達(dá)到最大。
11.按照權(quán)利要求10的方法，其特征在于每一個(gè)所述圖案的寬度是這樣變化的，使得在所述模式形狀轉(zhuǎn)換器的輸入端模式轉(zhuǎn)換成適合于所述功能執(zhí)行單元的操作的模式的過(guò)程中產(chǎn)生的輻射損失減到最小。
12.一種集成光學(xué)器件，它包括功能執(zhí)行單元，分別在其輸入端子和輸出端子上耦合到光纖；第一模式形狀轉(zhuǎn)換器，它設(shè)置在所述功能執(zhí)行單元的所述輸入端子處，并且適合于把輸入光纖模式轉(zhuǎn)換成適合執(zhí)行所述光學(xué)器件的所需要的功能的模式；和第二模式形狀轉(zhuǎn)換器，它設(shè)置在所述功能執(zhí)行單元的所述輸出端子上，并且適合于把從所述功能執(zhí)行單元輸出的模式轉(zhuǎn)換成光纖的模式，所述輸出端模式形狀轉(zhuǎn)換器具有與所述第一模式形狀轉(zhuǎn)換器反向的配置，所述第一和第二模式形狀轉(zhuǎn)換器中的每一個(gè)包括基片；涂敷在所述基片上的下包層，所述下包層在要求的區(qū)域具有蝕刻部分；在所述下包層的所述蝕刻部分上形成的下肋形波導(dǎo)；在所述下肋形波導(dǎo)和所述下包層的非蝕刻部分兩者之上形成的纖芯；在所述纖芯上以這樣的方式形成的上肋形波導(dǎo)，使得它與所述下肋形波導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)，所述上肋形波導(dǎo)具有要求的形狀；和在所述上肋形波導(dǎo)和所述纖芯的不被所述上肋形波導(dǎo)覆蓋的部分兩者之上形成的上包層。
全文摘要
公開(kāi)了一種模式形狀轉(zhuǎn)換器及其制造方法和利用該部件的集成光學(xué)器件。模式形狀轉(zhuǎn)換器插入在包含于光學(xué)器件中的功能執(zhí)行單元的輸入端子或輸出端子與光纖之間、并適合于把光纖模式與功能執(zhí)行單元的輸入或輸出端子模式耦合,并且包括:基片、下包層、下肋形波導(dǎo)、纖芯、上肋形波導(dǎo)和上包層。纖芯用單一介質(zhì)制成。由下肋形波導(dǎo)限定的階梯式圖案僅局部地存在于耦合和轉(zhuǎn)換區(qū)域,因此簡(jiǎn)化了上肋形波導(dǎo)圖案的形狀。相應(yīng)地簡(jiǎn)化了模式形狀轉(zhuǎn)換器的制造。
文檔編號(hào)G02B6/122GK1261675SQ0010165
公開(kāi)日2000年8月2日 申請(qǐng)日期2000年1月20日 優(yōu)先權(quán)日1999年1月21日
發(fā)明者曹正煥, 金德奉, 李相潤(rùn), 李泰衡 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社