專利名稱：集成平面光波導(dǎo)和快門的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及接通和斷開輸入波導(dǎo)與輸出波導(dǎo)之間光路的光學(xué)開關(guān)。
這種光信號(hào)反射是不希望的，因?yàn)閭鬏敼β时环瓷湫盘?hào)量降低了，所以導(dǎo)致傳輸信號(hào)損失。此外，反射信號(hào)可能沿著光源的方向往回傳播，這也稱為光回波損失。光回波損失是特別不希望的，因?yàn)檫@樣能使得光信號(hào)源不穩(wěn)定。
如果兩種材料(或介質(zhì))具有大致相同的折射率，當(dāng)光信號(hào)從一種材料傳播到另一種材料時(shí)，它的傳輸特性沒有明顯變化。解決折射率不匹配的一個(gè)方案涉及使用折射率匹配液。在光學(xué)開關(guān)中的通常用法是在至少兩個(gè)波導(dǎo)之間的溝槽內(nèi)填充一種折射率大致等于波導(dǎo)折射率的材料。這樣，當(dāng)光信號(hào)通過所述溝槽從一個(gè)波導(dǎo)傳播到另一個(gè)波導(dǎo)時(shí)不經(jīng)過任何明顯的折射率變化。
這種方案的一個(gè)例子可以在WO00/25160國(guó)際專利申請(qǐng)中看到。該申請(qǐng)描述了一種在光路之間(即波導(dǎo)之間)的空腔內(nèi)使用視準(zhǔn)匹配液(collimation matching fluid)的開關(guān)，以便保持開關(guān)的光學(xué)性能。使用折射率匹配液產(chǎn)生一系列新問題，包括可能泄露和可能由于開關(guān)元件在液體內(nèi)運(yùn)動(dòng)阻力導(dǎo)致開關(guān)的響應(yīng)時(shí)間下降。
此外，當(dāng)光信號(hào)通過溝槽和波導(dǎo)之間時(shí)可能有插入損失。還有一個(gè)問題是由于波導(dǎo)輸入/輸出面和溝槽的不連續(xù)性導(dǎo)致光回波損失。通常，當(dāng)光信號(hào)通過溝槽沿著傳輸方向傳輸時(shí)，它將遇到波導(dǎo)的輸入面，由于該面的物理特性(例如反射率、垂直度、波導(dǎo)材料等)可能導(dǎo)致光信號(hào)的反射部分(根據(jù)光功率)被通過所述溝槽傳播回去(即傳播方向的相反方向)。顯然這是不希望的。
尺寸也是在光學(xué)元件(即裝置、線路和系統(tǒng))的設(shè)計(jì)、制造和結(jié)構(gòu)中一直存在的問題。顯然希望提供較小尺寸的光學(xué)元件以便光學(xué)裝置、線路和系統(tǒng)能夠制成更為緊湊，消耗較小功率，而且工作效率更高。
因此本發(fā)明包括元件的結(jié)構(gòu)特征和組合以及部件的排列，這些將在本說明書中舉例說明。本發(fā)明的范圍將在權(quán)利要求書中指出。
附圖不是按比例繪出的，只是說明性的，其中在幾個(gè)附圖中類似的參考標(biāo)號(hào)表示類似的元件，其中

圖1是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的光學(xué)開關(guān)的頂視圖；圖2A和2B是光學(xué)開關(guān)的兩個(gè)實(shí)施例沿著圖1中的線2-2剖開的截面圖；圖3是光學(xué)開關(guān)的波導(dǎo)沿著圖1中的線3-3剖開的截面圖；圖4是作為根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)開關(guān)的一部分的電熱致動(dòng)器的一個(gè)本發(fā)明最佳實(shí)施例的詳細(xì)描述本發(fā)明涉及一種光學(xué)開關(guān)，具有一個(gè)輸入波導(dǎo)和一個(gè)輸出波導(dǎo)，被溝槽分開并位于溝槽周圍。輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)具有它們各自的芯限定的各自光路；這些光路(和芯)彼此對(duì)準(zhǔn)或者同軸。這些波導(dǎo)還被所述溝槽分開，所述溝槽中具有折射率與波導(dǎo)的折射率不同的介質(zhì)。輸入和輸出波導(dǎo)被分開一段距離，該距離不足以影響從輸入波導(dǎo)傳播到輸出波導(dǎo)的光信號(hào)的傳輸特性，即使光信號(hào)在從輸入波導(dǎo)到輸出波導(dǎo)傳播時(shí)經(jīng)過不同的折射率。因此，即使從輸入波導(dǎo)傳播到輸出波導(dǎo)的光信號(hào)必須完全穿過所述溝槽，在波導(dǎo)之間光信號(hào)必須通過的距離足夠小，以致不影響信號(hào)的光學(xué)傳輸特性。
也就是說，雖然溝槽足夠大，允許把有限厚度的快門放置在溝槽內(nèi)，但是溝槽也應(yīng)該盡可能小，以便減少光在溝槽間隙內(nèi)的衍射。
現(xiàn)在詳細(xì)參考附圖，而且首先參考圖1，描述了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例構(gòu)成的光學(xué)開關(guān)1。本發(fā)明的光學(xué)開關(guān)1最好由二氧化硅基的半導(dǎo)體(例如SiO2)和其他弱限制光的波導(dǎo)構(gòu)成。也可以使用其他的半導(dǎo)體，諸如例如GaAs和InP。此外，下述波導(dǎo)構(gòu)成只是為了說明給出的，而不是本發(fā)明實(shí)施例的限制性例子；本發(fā)明也可以使用其他波導(dǎo)形狀和結(jié)構(gòu)，這些也落入本發(fā)明的范圍和實(shí)質(zhì)內(nèi)。
圖1描述了1×1開關(guān)。開關(guān)1包括輸入波導(dǎo)3及輸出波導(dǎo)5，設(shè)置在溝槽15周圍并被溝槽15分開。輸出波導(dǎo)5的截面也是輸入波導(dǎo)3的說明性例子，在圖3中示出，下面描述和參考輸出波導(dǎo)5也適用于輸入波導(dǎo)3。波導(dǎo)5利用本領(lǐng)域公知的半導(dǎo)體制造技術(shù)和方法制成，因此這里不必詳細(xì)描述。波導(dǎo)5包括沉積在下包層9b上的芯7，所述下包層9b沉積在SiO2基底13上(只是作為例子，也可以使用硅或者石英基底)。
上包層9a沉積在芯7上方并包圍芯7，以便形成埋入式波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
波導(dǎo)3、5可以由選擇具有希望光學(xué)性能的各種材料形成。雖然最好是把本發(fā)明的光學(xué)開關(guān)1制作在二氧化硅基(SiO2)平板上，但是也可以使用其他具有希望光學(xué)性能的半導(dǎo)體。例如，芯7可以包括摻鍺二氧化硅，而上下包層9a和9b可以包括熱二氧化硅或者摻磷化硼二氧化硅玻璃。該平板與光纖連接良好并且可以提供各種折射率對(duì)比(0.35％至1.10％)。作為非限制性例子，其他可以使用的平板包括SiOxNy、聚合物、或者它們的組合。也可以使用諸如磷化銦或者砷化稼的其他系列制品。
繼續(xù)參考圖3，芯7的折射率對(duì)比可以在大約0.35％至0.70％范圍內(nèi)，更為優(yōu)選的是，折射率可以在大約0.35％至0.55％范圍內(nèi)，以便與輸出光纖更好地耦合。芯7可以是長(zhǎng)方形，側(cè)面厚度為大約3-10μm，寬度為大約3-15μm。更為優(yōu)選的是，芯7是正方形，側(cè)面厚度為大約6-8μm，寬度為大約6-14μm。鄰近芯7的上下包層9a和9b可以是大約3-18μm厚，更為優(yōu)選地是大約為15μm厚，由于同樣的理由，芯的厚度可以在大約7至8μm范圍內(nèi)。在選擇最終芯和包層的尺寸時(shí)，應(yīng)該注意使得水平衍射低和不對(duì)準(zhǔn)允許誤差大。
而且，這些尺寸是以舉例方式給出的，而不是限制性的。
本發(fā)明可以用于弱限制波導(dǎo)和強(qiáng)限制波導(dǎo)。目前，優(yōu)選用于弱限制波導(dǎo)。
再次參考圖1，輸入波導(dǎo)3的芯7限定沿著波導(dǎo)的縱向長(zhǎng)度方向的光路2。光路2通常與由輸出波導(dǎo)5的芯7限定的光路8同軸。非同軸度一方面用光信號(hào)傳播方向的垂直方向與輸入波導(dǎo)-溝槽界面之間形成的角度確定，另一方面用溝槽的長(zhǎng)度確定，如同后面將解釋的一樣。因此，可以認(rèn)為輸入波導(dǎo)3和輸出波導(dǎo)5設(shè)置成彼此在對(duì)準(zhǔn)或者同軸光路上配準(zhǔn)，這樣使得從輸入波導(dǎo)3傳輸?shù)捷敵霾▽?dǎo)5的光量最大。
溝槽15形成在基底13上(例如參見圖2A和2B)，所述基底13把輸入波導(dǎo)3和輸出波導(dǎo)5分開，而且波導(dǎo)設(shè)置在它的周圍。溝槽15部分或者全部填充光學(xué)透明介質(zhì)120，具有相關(guān)折射率n，諸如例如空氣。對(duì)于空氣，折射率大約等于1.00。
開關(guān)元件130接通或斷開輸入波導(dǎo)3與輸出波導(dǎo)5之間的光信號(hào)通路。開關(guān)元件130包括設(shè)置在溝槽15內(nèi)的快門17和通過連接10與快門17耦合的致動(dòng)器33，所述連接10用于選擇移動(dòng)快門17，如同后面將詳細(xì)描述的一樣。本發(fā)明考慮了致動(dòng)器33的不同實(shí)施例，作為非限制性例子，包括電熱型、靜電型和壓電型，下面對(duì)其中每一個(gè)都進(jìn)行詳細(xì)描述。
快門17最好由輕而硬的材料制成，諸如二氧化硅、聚合物、金屬或者介質(zhì)材料。快門17可以是薄膜快門。能夠使得這樣的低質(zhì)量剛性快門17響應(yīng)電信號(hào)快速移動(dòng)，例如在圖1所示的位置和第二位置(未示出)之間，其中在圖1所示位置從輸入波導(dǎo)3輸出的光信號(hào)被阻擋，防治它進(jìn)入輸出波導(dǎo)5，在所述第二位置快門17位于光路外部，以便從輸入波導(dǎo)3輸出的光信號(hào)穿過溝槽15并進(jìn)入輸出波導(dǎo)5。
薄膜快門17可以鍍有金屬膜29以便阻擋光。因此，該開關(guān)與光波長(zhǎng)無關(guān)，即利用同一個(gè)開關(guān)覆蓋遠(yuǎn)程通信窗口的兩個(gè)波段(1310nm和1550nm)。薄膜快門17不必很光滑和以精確垂直方式定向，唯一的要求是快門17能夠阻擋波導(dǎo)3和5之間的光路。
如果需要，在快門17的至少一個(gè)表面140上可以設(shè)置高反膜，最好該表面對(duì)著輸入波導(dǎo)3的輸出端面21。該膜層使用金能夠在表面140上形成高反射面29，該反射面反射光，不產(chǎn)生失真(大約95％的反射率)，而且對(duì)于例如遠(yuǎn)程通信、數(shù)據(jù)通信、和光譜應(yīng)用，實(shí)質(zhì)上與波長(zhǎng)無關(guān)。術(shù)語“端面”是指波導(dǎo)的端部。
繼續(xù)參考圖1，快門140的后部28可以類似方式鍍上金膜。這樣的膜層能夠使開關(guān)7工作在交替模式，并調(diào)整從波導(dǎo)5傳播至波導(dǎo)3的輸入信號(hào)的傳輸。
快門17的高度為hs，那樣的話，足以完全遮擋或反射光。將會(huì)理解為了完全遮擋入射光信號(hào)，快門17的高度應(yīng)該大于芯7的厚度tc。最好使快門17的長(zhǎng)度ls最小以便減小快門17從第一位置移動(dòng)到第二位置所需移動(dòng)的距離，這樣也降低了把快門17移入和移出光路中所需要的電功率，并且提高了開關(guān)1的速度。而且，為了完全遮擋入射光信號(hào)，快門17的長(zhǎng)度ls應(yīng)該大于芯7的寬度wc?？扉T17的寬度wc影響反射光路中的插入損失。具體地說，較薄的快門17可以降低插入損失。
溝槽15可以大約為8-40μm寬。更為優(yōu)選的是溝槽大約為12-20μm寬。
快門可以大約為1-8μm厚，大約10-100μm高，大約10-100μm長(zhǎng)。快門可以由任何足夠堅(jiān)硬而且輕的材料制成。最好，快門可以大約為20-70μm長(zhǎng)。更為優(yōu)選的是，快門大約為2μm厚，大約30-40μm高，大約30-40μm長(zhǎng)?？扉T最好也由硅制成，如前所述，最好反射面由金(gold)制成。
繼續(xù)參考圖1，輸入波導(dǎo)3從光源100接收光信號(hào)(例如WDM、DWDM、UDWDM等)并在芯7中沿著光路2傳播光信號(hào)。光信號(hào)通過輸出端面21從輸入波導(dǎo)3出射并進(jìn)入溝槽15。根據(jù)快門17的位置，光信號(hào)或者穿過溝槽15傳播并通過輸入端面21，進(jìn)入輸出波導(dǎo)5，或者到達(dá)膜層29并在此反射或者被快門17的表面140吸收(如果沒有膜層)只有在前一種情況下，光信號(hào)將繼續(xù)傳播并被輸出波導(dǎo)5的芯7沿著該波導(dǎo)的光路引導(dǎo)。
繼續(xù)參考圖1，開關(guān)元件130的致動(dòng)器33控制快門17在第一和第二位置之間的移動(dòng)?？扉T17實(shí)際上可以在任意方向上移動(dòng)(例如沿著平行于或者垂直于溝槽15的底面150的平面)，只要移動(dòng)能夠防止或者允許光信號(hào)進(jìn)入輸出波導(dǎo)5。例如，圖1和2A描述了開關(guān)元件130的第一實(shí)施例，具有快門17，快門17通常可以沿著平行于溝槽15的底面平面150的平面和通常由箭頭A(圖1)所示方向上移動(dòng)。
另一個(gè)實(shí)施例在圖2B中示出，其中快門17通?？梢匝刂怪庇跍喜?5的底面150的平面和通常由箭頭B所示方向上移動(dòng)。快門17的移動(dòng)方向并不是關(guān)鍵，只要快門17能夠移入和移出在輸入波導(dǎo)3和輸出波導(dǎo)5之間限定的光路2即可。當(dāng)位于光路2中時(shí)，光信號(hào)將被快門1 7反射或吸收，不進(jìn)入輸出波導(dǎo)5中。當(dāng)位于光路2外部時(shí)，光信號(hào)將穿過溝槽15并進(jìn)入輸出波導(dǎo)5。致動(dòng)器133移動(dòng)快門17可以響應(yīng)輸入到致動(dòng)器133的控制信號(hào)。該信號(hào)可以是電、光、機(jī)械或?qū)嶋H上能夠引起致動(dòng)器133響應(yīng)的任何其他信號(hào)。
致動(dòng)器133通過連接110連接到快門17，并起把快門17移入和移出光路2的作用。雖然可以使用任何適當(dāng)?shù)闹聞?dòng)器實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，但是最好使用電熱或者機(jī)電類型致動(dòng)器。
電熱致動(dòng)器在本領(lǐng)域是公知的，因此不詳細(xì)描述。為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，應(yīng)該理解可以使用任何足以根據(jù)所施加的熱能(將會(huì)理解所述熱能可以由所施加的電能產(chǎn)生)改變它的尺寸的電熱致動(dòng)器。使用電熱致動(dòng)器的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是這樣的致動(dòng)器可以是閉鎖式裝置，即保持它的位置，而不需要連續(xù)施加能量。這意味著如果適當(dāng)設(shè)計(jì)的話，一旦切換到兩個(gè)位置之一，致動(dòng)器將保持在該位置上，直到被切換到另一個(gè)位置。
適用于本發(fā)明的說明性電熱閉鎖式致動(dòng)器233在圖4中示出。該致動(dòng)器233包括彈性元件34，在端點(diǎn)35、35′牢固固定到腔37的壁上。腔37的尺寸足以允許彈性元件34移動(dòng)。還設(shè)置有加熱器39，位置非常靠近彈性元件34。當(dāng)啟動(dòng)加熱器39時(shí)，彈性元件34變熱并膨脹。因?yàn)樵亩瞬吭诙它c(diǎn)35、35′固定，所以元件34不能簡(jiǎn)單地膨脹，以便端點(diǎn)向外移動(dòng)。相反，將沿著元件的長(zhǎng)度方向產(chǎn)生壓縮應(yīng)力。這些應(yīng)力增大直到達(dá)到一定水平，足以使導(dǎo)致元件34的位置改變到參考符號(hào)D所示的位置上。這樣，當(dāng)使加熱器39加熱(例如，利用通過接觸片(未示出)的電流)時(shí)，彈性元件34也將被加熱并被迫在環(huán)境位置(用參考符號(hào)C表示)和彎曲位置(用參考符號(hào)D表示)之間移動(dòng)。另外，彈性元件34本身也可以是加熱器。
還可以使用靜電致動(dòng)器選擇移動(dòng)快門17。靜電致動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)包括操作速度快、能量損耗低、和系統(tǒng)發(fā)熱最少?？梢杂糜诒景l(fā)明的一種類型靜電致動(dòng)器333在圖5中示出。該致動(dòng)器333包括電極41、41′，位于由一種材料制成的壓電元件43的相對(duì)表面上，當(dāng)在上面施加電場(chǎng)時(shí)，所述材料至少在一維方向(即寬度或者長(zhǎng)度方向)上膨脹。因此，通過在電極41、41′上施加電信號(hào)，產(chǎn)生電場(chǎng)，壓電元件43將在箭頭E所示方向上膨脹，導(dǎo)致快門17移動(dòng)。
可能只有一個(gè)致動(dòng)器不足以使得快門17移動(dòng)所需要的量。這可以通過提供具有多個(gè)交錯(cuò)齒45的壓電致動(dòng)器433校正，諸如圖6所示。這些齒連接到致動(dòng)器433內(nèi)的支架20上，用于防止齒45向不希望的一邊移動(dòng)。當(dāng)把電信號(hào)施加在致動(dòng)器433的電極上(未示出)時(shí)，如圖6所示，端點(diǎn)47在沿著箭頭F所示方向上的總位移量反映每個(gè)齒45的位移量。因?yàn)槎它c(diǎn)47的位移是各個(gè)齒位移量的和，因此快門17能夠?qū)崿F(xiàn)大移動(dòng)量。這種類型的靜電致動(dòng)器433可能需要施加大電壓，可能在100V數(shù)量級(jí)，以便快門17實(shí)現(xiàn)所希望的移動(dòng)。雖然所述電壓幅值高，但是只需要很小功率，因?yàn)榱鬟^靜電致動(dòng)器433的電流是可以忽略的。
再次參考圖1，每個(gè)波導(dǎo)3和5具有由構(gòu)成波導(dǎo)芯7的材料確定的相關(guān)折射率，至少部分由構(gòu)成波導(dǎo)芯7的材料確定。波導(dǎo)3和5的相關(guān)折射率大致彼此相等，而且對(duì)于二氧化硅平臺(tái)數(shù)值大約為1.45。填充在溝槽15內(nèi)的介質(zhì)120也具有可能與波導(dǎo)折射率不同的相關(guān)折射率。例如，如果介質(zhì)是空氣，它的折射率為1.00。當(dāng)光信號(hào)在傳播過程中經(jīng)過不同的折射率時(shí)，信號(hào)的某些特性可能由于不同折射率而改變。例如，當(dāng)光信號(hào)在傳播過程中經(jīng)過不同的折射率時(shí)，部分光信號(hào)(根據(jù)光功率)可能被沿著光路2反射回到輸入波導(dǎo)。反射信號(hào)可能傳播回到光源并導(dǎo)致光源不穩(wěn)定。而且，當(dāng)光信號(hào)從具有第一折射率的材料傳播到具有第二不同折射率的材料時(shí)，光信號(hào)可能產(chǎn)生項(xiàng)移。在某些情況下，這是所希望的結(jié)果。對(duì)于光學(xué)開關(guān)，當(dāng)沿著構(gòu)成開關(guān)的不同元件傳播光信號(hào)并被切換時(shí)，最好是光信號(hào)的光學(xué)特性不產(chǎn)生任何顯著變化。
為了克服不同折射率所產(chǎn)生的不希望后果，本發(fā)明控制輸入波導(dǎo)3的輸出端面21與輸出波導(dǎo)5的輸入端面21之間的距離，以便光信號(hào)傳播的距離太短，以致于折射率差不足以對(duì)光信號(hào)的特性產(chǎn)生任何顯著變化。因此，即使光信號(hào)完全穿過溝槽15，(從輸入波導(dǎo)3至輸出波導(dǎo)5)，光信號(hào)不會(huì)由于介質(zhì)與波導(dǎo)各自折射率差而受到任何顯著的不利影響。
本發(fā)明的另一個(gè)方面補(bǔ)償當(dāng)光信號(hào)在不同折射率的材料之間通過時(shí)產(chǎn)生的光回波損失。例如折射率差可能導(dǎo)致部分光信號(hào)(根據(jù)光功率)被反射并沿著輸入波導(dǎo)光路2向回傳播。反射信號(hào)可能不利地反射回到光信號(hào)源，而且可能使它不穩(wěn)定。通過相對(duì)于相應(yīng)的波導(dǎo)光路傾斜輸出端面21(例如見圖1)，任何反射信號(hào)被傳導(dǎo)向包層9a或9b，離開波導(dǎo)芯7，從而防止反射光干擾由輸入波導(dǎo)3傳導(dǎo)并在輸入波導(dǎo)3中傳播的光信號(hào)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，輸出端面21可以設(shè)置在大約5°至10°的角度上，最好是大約為6°-8°，以便使在波導(dǎo)/溝槽界面返射回輸入波導(dǎo)內(nèi)的光損失(即光回波損失(0RL))為最小。在為6°的最好情況下，對(duì)于上述同軸度的偏離在0.2μm(對(duì)于5.0μm的溝槽)至1.7μm(對(duì)于35μm的溝槽)范圍內(nèi)。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面，通過在波導(dǎo)端面21上鍍減反射膜(未示出)可以進(jìn)一步使光回波損失最小。減反射膜可以是單層或多層結(jié)構(gòu)。這樣的膜層能夠在大波長(zhǎng)范圍內(nèi)把波導(dǎo)-溝槽界面上的反射率從3.5％降低到1％以下。形成減反射膜膜層的材料和厚度與用于薄膜技術(shù)的材料和厚度相同。例如，二氧化硅波導(dǎo)與溝槽之間的最好的單層減反射膜膜層在1.55μm波長(zhǎng)的折射率為1.204，厚度為322nm。
在另一個(gè)實(shí)施例中，結(jié)合利用傾斜端面和減反射膜可以使得光回波損失最小。
本發(fā)明的另一個(gè)方面涉及用于傳播光并形成開關(guān)1的波導(dǎo)3和5的形狀。根據(jù)本發(fā)明的這個(gè)方面，如圖1和7所示，至少在波導(dǎo)3和5之一上設(shè)置錐形頸部51，以便波導(dǎo)寬度在遠(yuǎn)離溝槽15的位置49變?yōu)檩^小截面。錐形頸部51有利于減少溝槽內(nèi)的光衍射。只是作為非限制性例子，在溝槽15的區(qū)域內(nèi)，波導(dǎo)寬度可以在大約5-15μm范圍內(nèi)。該寬度在遠(yuǎn)處位置49可以變窄到大約4-10μm范圍內(nèi)。應(yīng)該理解這些尺寸只是舉例性的，其他尺寸也將落入本發(fā)明的范圍和實(shí)質(zhì)內(nèi)。
當(dāng)光信號(hào)沿著波導(dǎo)3和5傳播并被它們引導(dǎo)時(shí)錐形頸部51形成平滑過渡。錐形頸部51限制通過波導(dǎo)傳播的光，根據(jù)已知的波導(dǎo)光學(xué)原理，還大大降低了渡越損失，否則當(dāng)光通過不同尺寸的波導(dǎo)之間時(shí)將產(chǎn)生渡越損失。這與從一個(gè)寬度波導(dǎo)突然過渡到不同寬度波導(dǎo)產(chǎn)生衰減形成鮮明對(duì)比。
根據(jù)所給裝置的具體情況可以使用各種錐度。
根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)可以利用倒裝片制造技術(shù)組裝，如圖8A和8B所示。在倒裝片制造過程中，波導(dǎo)3和5與溝槽15形成在一個(gè)芯片上，快門17和致動(dòng)器33形成在另一個(gè)芯片上。在組裝之前，兩個(gè)芯片定向?yàn)楸舜讼鄬?duì)并對(duì)齊以便芯片的相應(yīng)部分彼此相對(duì)，然后接合。
或者，在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，可以通過單片形成開關(guān)元件130和波導(dǎo)3和5構(gòu)成光學(xué)開關(guān)1。在這樣的實(shí)施例中，利用現(xiàn)在已知的或后面將研究的半導(dǎo)體蝕刻技術(shù)和工藝選擇沉積并去掉不同層材料，把光學(xué)開關(guān)1的不同部分形成在單個(gè)基底13上。單片制造的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不需要在接合兩個(gè)基底之前對(duì)準(zhǔn)不同的元件。
下面參考圖9A和9B，分別示出倒裝片法和單片形成的根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)開關(guān)1。兩個(gè)圖也示出光學(xué)開關(guān)1與外部光學(xué)元件的連接，諸如例如光纖67，以便波導(dǎo)芯7與光纖芯65光學(xué)連接。每個(gè)光纖67被開槽元件69支撐，并利用光纖蓋63固定在位置上。玻璃罩61保護(hù)下面的開關(guān)元件。也可以使用其他方法固定光纖，或者使用其他光路。
兩種制造技術(shù)之間的一個(gè)區(qū)別是對(duì)于倒裝片法開關(guān)元件130位于波導(dǎo)上方，而對(duì)于單片法位于基底13上。
應(yīng)該理解本發(fā)明并不限于這里所述的角度、材料、形狀和尺寸，而是由權(quán)利要求書的描述限定角度、材料、形狀或尺寸。
因此，雖然以應(yīng)用于最佳實(shí)施例的方式給出和描述了本發(fā)明的新特征，但是應(yīng)該理解本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以對(duì)所公開發(fā)明的形式和細(xì)節(jié)進(jìn)行各種省略、替代和改變，而不脫離本發(fā)明的精神。因此，本發(fā)明將只限于權(quán)利要求書所限定的范圍。
應(yīng)該理解權(quán)利要求書意欲覆蓋這里描述的本發(fā)明所有一般和具體特征以及本發(fā)明范圍內(nèi)的所有情況，根據(jù)語言敘述，可以說本發(fā)明范圍內(nèi)的所有情況落入權(quán)利要求書中。特別是，本發(fā)明不應(yīng)該解釋為限于這里公開的尺寸、比例或者布局。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)開關(guān)，用于接通或斷開來自光源的光信號(hào)通道，該光學(xué)開關(guān)包括具有相關(guān)折射率的第一波導(dǎo)，該第一波導(dǎo)沿著通常由該第一波導(dǎo)的縱軸限定的第一波導(dǎo)光路引導(dǎo)光信號(hào)；具有相關(guān)折射率的第二波導(dǎo)，該第二波導(dǎo)沿著通常由該第二波導(dǎo)的縱軸限定而且通常與所述第一波導(dǎo)的縱軸同軸的第二波導(dǎo)光路引導(dǎo)光信號(hào)；所述第一和第二波導(dǎo)被溝槽分開，該溝槽帶有具備相關(guān)折射率的介質(zhì)；設(shè)置在該溝槽內(nèi)而且具有表面的快門；以及連接到該快門的致動(dòng)器，用于使所述快門在第一位置和第二位置之間移動(dòng)，在該第一位置，來自所述第一波導(dǎo)的光信號(hào)穿過所述溝槽而傳播到所述第二波導(dǎo)內(nèi)，在該第二位置，來自所述第一波導(dǎo)的光信號(hào)到達(dá)所述快門的表面并被防止進(jìn)入所述第二波導(dǎo)；所述第一和第二波導(dǎo)的相關(guān)折射率基本上相同，而且與所述介質(zhì)的相關(guān)折射率不同，該第一和第二波導(dǎo)被分開一段距離，在該距離上光信號(hào)不受所述第一和第二波導(dǎo)及介質(zhì)折射率不同的影響。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)開關(guān)，其中所述第一和第二波導(dǎo)被分開的距離不大于大約8-40μm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)開關(guān)，其中所述第一和第二波導(dǎo)被分開的距離不大于大約12-20μm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)開關(guān)，其中所述致動(dòng)器是電熱致動(dòng)器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)開關(guān)，其中所述致動(dòng)器是壓電致動(dòng)器或者靜電致動(dòng)器的其中之一。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)開關(guān)，其中所述溝槽具有基本上恒定的深度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)開關(guān)，其中所述溝槽具有可變深度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)開關(guān)，其中所述第一波導(dǎo)具有對(duì)著所述溝槽的端面，光信號(hào)通過該端面而從該第一波導(dǎo)出射進(jìn)入所述溝槽，所述第二波導(dǎo)具有對(duì)著該溝槽的端面，光信號(hào)通過該端面而離開所述溝槽進(jìn)入所述第二波導(dǎo)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光學(xué)開關(guān)，其中至少一個(gè)對(duì)著所述溝槽的端面相對(duì)于它的波導(dǎo)光路傾斜。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光學(xué)開關(guān)，其中至少一個(gè)所述端面傾斜為大約6°到10°之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求8述的光學(xué)開關(guān)，其中所述第一和第二波導(dǎo)端面中的每一個(gè)相對(duì)于相應(yīng)的波導(dǎo)光路傾斜。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光學(xué)開關(guān)，其中所述第一和第二波導(dǎo)端面中的每一個(gè)相對(duì)于相應(yīng)的波導(dǎo)軸的角度在大約6°到10°之間。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)開關(guān)，其中所述溝槽具有表面，并且其中使得所述快門沿著通常平行于所述表面的直線而在所述第一和第二位置之間沿著所述表面移動(dòng)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)開關(guān)，其中所述溝槽具有表面，并且其中使得所述快門沿著通常與所述表面相交的直線而在所述第一和第二位置之間移動(dòng)。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)開關(guān)，其中所述第一波導(dǎo)具有第一寬度；比該第一寬度窄的第二寬度；對(duì)著所述溝槽的端面，光信號(hào)通過該端面而從所述第一波導(dǎo)出射進(jìn)入該溝槽；以及連接所述第一和第二寬度的錐形過渡區(qū)，該第一寬度設(shè)置在所述端面。
16.根據(jù)權(quán)利要求l所述的光學(xué)開關(guān)，其中所述第二波導(dǎo)具有第一寬度；比該第一寬度窄的第二寬度；對(duì)著所述溝槽的端面，光信號(hào)通過該端面而離開該溝槽進(jìn)入所述第二波導(dǎo)；以及連接所述第一和第二寬度的錐形過渡區(qū)，該第一寬度設(shè)置在所述端面。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)開關(guān)，其中所述快門寬大約為2μm，長(zhǎng)度在大約20μm到70μm之間。
18.根據(jù)權(quán)利要求l所述的光學(xué)開關(guān)，其中所述致動(dòng)器是閉鎖式裝置。
19.一種在光學(xué)開關(guān)中切換光信號(hào)的方法，該光信號(hào)被輸入波導(dǎo)所引導(dǎo)并從該輸入波導(dǎo)的端面出射進(jìn)入輸出波導(dǎo)的輸入端面，所述輸入波導(dǎo)限定的光路與所述輸出波導(dǎo)限定的光路同軸，該輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)中，二者具有基本上彼此相同的相關(guān)折射率，所述輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)設(shè)置在溝槽的兩邊，在該溝槽中設(shè)置有介質(zhì)，該介質(zhì)具有與波導(dǎo)的相關(guān)折射率不同的相關(guān)折射率，該方法包括如下步驟，即把輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)分開一段距離，在該距離上光信號(hào)不受介質(zhì)和波導(dǎo)不同折射率的影響。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中溝槽的寬度大約在12-20μm之間，并確定分開輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)的距離。
全文摘要
一種光學(xué)開關(guān)，具有一個(gè)輸入波導(dǎo)和兩個(gè)輸出波導(dǎo)，被溝槽分開并位于溝槽周圍。輸入波導(dǎo)和第一輸出波導(dǎo)具有它們各自的芯限定的各自光路；這些光路(和芯)彼此對(duì)準(zhǔn)或者同軸。這些波導(dǎo)也被溝槽分開，所述溝槽中具有折射率與波導(dǎo)的折射率不同的介質(zhì)。輸入波導(dǎo)和第一輸出波導(dǎo)被分開一段距離，該距離不足以影響從輸入波導(dǎo)傳播到第一輸出波導(dǎo)的光信號(hào)的傳輸特性，即使光信號(hào)從輸入波導(dǎo)到第一輸出波導(dǎo)傳播時(shí)經(jīng)過不同的折射率。輸入波導(dǎo)和第二輸出波導(dǎo)通常設(shè)置在所述溝槽的同一側(cè)以便從輸入波導(dǎo)傳播到第二輸出波導(dǎo)的光信號(hào)不完全穿過所述溝槽。這樣，即使光信號(hào)從輸入波導(dǎo)到第一或者第二輸出波導(dǎo)之一傳播時(shí)經(jīng)過不同的折射率，光信號(hào)在波導(dǎo)之間必須通過的距離足夠小，從而不會(huì)影響所述信號(hào)的光學(xué)傳輸特性。
文檔編號(hào)G02B26/02GK1461420SQ00818483
公開日2003年12月10日 申請(qǐng)日期2000年11月22日 優(yōu)先權(quán)日1999年11月23日
發(fā)明者K·阿爾海梅亞里, R·D·瓊斯, J·L·希門尼斯 申請(qǐng)人:Lnl技術(shù)公司