專利名稱：使用光學(xué)功率橫向傳送的光學(xué)接合設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的領(lǐng)域涉及光通信。特別地，涉及使用組裝的光學(xué)組件之間的光功率的橫向傳送的光學(xué)接合設(shè)備和方法。
背景技術(shù)：
本申請(qǐng)涉及以下文獻(xiàn)公開(kāi)的主題Al)題目為“Waveguides and resonator for integrated optical devices andmethods of fabrication and use thereof ”，提交日期為 12/21/2000，發(fā)明人為 OskarJ. Painter的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)60/257，218(案卷號(hào)ALG04P)，本文全文引用所述臨時(shí)申請(qǐng)作為
參考;A2)題目為 “Waveguide-fiber Mach-Zender interferometer and methods offabrication and use thereof ”，提交日期為 06/27/2001，發(fā)明人為 Oskar J. Painter,David W. Vernooy 和 Kerry J. Vahala 的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng) 60/301，519(案卷號(hào) ALG05P)，本文全文引用所述臨時(shí)申請(qǐng)作為參考；A3)題目 為 “Fiber-optic-taper probe for characterizingtransversely-optically-coupled waveguides and resonators，，，提交日期為09/13/2001，發(fā)明人為David W. Vernooy的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)60/322，272(案卷號(hào)CQC11P)，本文全文引用所述臨時(shí)申請(qǐng)作為參考；A4)題目為“Method for improving the planarity of etchedmirror facets，，，發(fā)布日期為 07/16/1991，發(fā)明人為 Peter. L. Buchman，Peter Vettiger, Otto Voegeli 和David J. Webb的美國(guó)專利5，032，219，本文全文引用所述專利作為參考；A5)題目為“Improved planar etched mirror facets”，發(fā)布日期為 04/07/1992，發(fā)明人為 Peter. L Buchman, Peter Vettiger, Otto Voegeli 和 David J. Webb 的美國(guó)專利5，103，493，本文全文引用所述專利作為參考；A6)題目為“Method of passivating etched mirror facets of semiconductorlaser diodes”，發(fā)布日期為 01/05/1993，發(fā)明人為 Peter. L Buchman, David J. Webb 和Peter Vettiger的美國(guó)專利5，177，031，本文全文引用所述專利作為參考；A7)題目為 “Self-aligned optical waveguide to laser structure andmethod of making the same”，發(fā)布日期為 11/02/1993，發(fā)明人為 Gian-Luca Bona, FritzGfeller，Heinz Jaeckel和David J. Webb的美國(guó)專利5，259，049，本文全文引用所述專利作為參考；A8)題目 為“Integrated end-coupled transverse-opticaI-couplingapparatus and methods，，，提交日期為 10/30/2001，發(fā)明人為 Henry A.Blauvelt，KerryJ.Vahala, Peter C. Sercel, Oskar J. Painter 和 Guido Hunziker 的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)60/334，705(案卷號(hào)CQC15P)，本文全文引用所述申請(qǐng)作為參考；A9)題目為“Alignment apparatus and methods for transverse opticalcoupling”,提交日期為 11/23/2001,發(fā)明人為 Charles I. Gros jean, Guido Hunziker, PaulM. Bridger和Oskar J. Painter的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)60/333，236 (案卷號(hào)CQC16P)，本文全文引用所述申請(qǐng)作為參考；A10)題目 為“Multi-layer dispersion-engineered waveguides andresonator”，提交日期為 12/21/2001,發(fā)明人為 Oskar J. Painter, David W. Vernooy 和Kerry J. Vahala的美國(guó)非臨時(shí)申請(qǐng)10/037，966 (案卷號(hào)CQC14NP)，本文全文引用所述申請(qǐng)作為參考；以及All)題目 為“Alignment-insensitive optical junction apparatus andmethods employing adiabatic optical power transfer，，，提交日期為 02/27/2002,發(fā)明人為 Henry A. BlauveIt, Kerry J. Vahala, David W. Vernooy 和 Joel S. Paslaski 的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)60/360，261 (案卷號(hào)CQC17P)，本文全文引用所述申請(qǐng)作為參考。本申請(qǐng)還涉及以下出版物公開(kāi)的主題，本文全文引用所述出版物作為參考Pl)Y. P. Li and C. H. Henry, Silicon Optical Bench Waveguide Technology, inOptical Fiber Telecommunications, IIIb, I. P. Kaminow and T. L. Koch eds. , AcademicPress,1997 ；P2)T. Ramadan, R. Scarmozzino, and R Osgood, “Adiabatic Couplers DesignRules and Optimization”，IEEE J. Lightwave Tech. , vl6, No.2, pp 277-283, (1998)；P3) D. G. Dalgoutte, R. B. Smith, G. Achutaramayya, and J. H. Harris, “Externallymounted fibers for integrated optics interconnections，，，Appl. Optics, Vol. 14,No. 8, pp 1860-1865(1975);以及P4) Y. Shani, C. H. Henry, R. C. Kistler, R. F. Kazarinov, and K. J. Orlowsky,“Integrated optic adiabatic devices on silicon，，，IEEE J. Quant. Elec. , Vol. 27,No. 3, pp 556-566(1991).光通信領(lǐng)域中的基本問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)組裝光學(xué)組件之間的光信號(hào)功率的有效和高性價(jià)比傳送。一個(gè)特別重要的例子是實(shí)現(xiàn)有源或無(wú)源光學(xué)裝置與低損耗傳輸光學(xué)波導(dǎo)(包括光纖和/或平面波導(dǎo)線路)之間的光信號(hào)功率傳送。有源光學(xué)裝置的例子包括但不限于半導(dǎo)體激光器，電吸收調(diào)制器，電吸收調(diào)制激光器，電光調(diào)制器，半導(dǎo)體光學(xué)放大器，光電二極管或其他光電探測(cè)器，NxN光開(kāi)關(guān)等。無(wú)源設(shè)備的例子包括但不限于波分復(fù)用器/分用器，波分分波器/交織器，波分分插(add/drop)濾波器，其他光學(xué)濾波器，分離器/組合器，干涉儀，移相器，色散補(bǔ)償器，固定或可變光學(xué)衰減器等。此類光學(xué)裝置通常包括小型(特別在半導(dǎo)體基的裝置中)光模的生成，相互作用和/或處理，光模通常僅為幾微米寬，其高度不超過(guò)I微米。相互作用模式尺寸通常遠(yuǎn)小 于單模光纖或平面光波線路支持的光模尺寸(通常為10微米寬)。因此，由于空間模式失配，將光纖或平面波導(dǎo)線路終端耦合到光學(xué)裝置上是低效率的(5-15%左右)，生成具有較大插入損失的裝置。存在獲得高終端耦合效率的現(xiàn)有方法，但是需要能夠?qū)崿F(xiàn)更好模式匹配的昂貴組件(非球面鏡頭等)，同時(shí)需要高精度對(duì)準(zhǔn)光學(xué)組件和光學(xué)裝置(允許公差為O. I μ m，并且必須在每個(gè)裝置上實(shí)現(xiàn))。
存在用于低成本終端稱合的光學(xué)組件的現(xiàn)有技術(shù)(如基于娃光具座技術(shù)的方法)。然而，由于上述原因，此類低成本解決方案的缺點(diǎn)是，光學(xué)裝置與光纖或其他波導(dǎo)之間的低光學(xué)功率傳送效率。經(jīng)由終端耦合(即端射耦合或終端傳送)的光學(xué)功率傳送的特征在于，沿需要傳送的光學(xué)信號(hào)功率的傳播方向，以首尾相接的幾何形狀方式放置光學(xué)組件。在按上述方式形成的光學(xué)連接區(qū)中，光學(xué)功率穿過(guò)一個(gè)光學(xué)組件的端面，進(jìn)入另一個(gè)光學(xué)組件的端面。作為選擇，可利用所謂的橫向耦合(即橫向傳送)實(shí)現(xiàn)光學(xué)功率傳送，其中相對(duì)于光學(xué)信號(hào)功率的傳播方向，以并排幾何方式放置光學(xué)組件。在橫向耦合形成的光學(xué)連接區(qū)中，通常至少在一個(gè)連接段中光學(xué)功率同時(shí)沿兩個(gè)組件傳播。光學(xué)組件之間的有效終端傳送要求各組件內(nèi)的光模的空間模式匹配。光學(xué)裝置和傳輸光學(xué)波導(dǎo)之間的光功率的橫向傳送提供在光學(xué)裝置和傳輸波導(dǎo)之間傳送光學(xué)信號(hào)功率的終端傳送的另一種選擇(例如，通過(guò)光纖的錐形段或通過(guò)平面波導(dǎo)的合適部分)。特別地，無(wú)需空間模式匹配；可以實(shí)現(xiàn)不同空間模式尺寸和/或形狀的光模之間的光功率的橫向傳送。上文引用的某些現(xiàn)有專利申請(qǐng)?jiān)敿?xì)描述了橫向傳送(也稱為橫向耦合，橫向光學(xué)耦合，瞬逝光學(xué)耦合，瞬逝耦合，定向光學(xué)耦合，定向耦合)，本文不再贅述。利用轉(zhuǎn)變?yōu)轳詈喜▽?dǎo)光學(xué)系統(tǒng)的光模特性的獨(dú)立光學(xué)波導(dǎo)(或其他光學(xué)組件)的光模特性，更容易描述橫向傳送。前一種模式稱為“系統(tǒng)模式”或“耦合系統(tǒng)模式”，后一種模式稱為“隔離模式”或“隔離波導(dǎo)模式”。采用幾種工作方式中的一種方式，橫向耦合可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)波導(dǎo)之間的光學(xué)信號(hào)功率的有效傳送。本文論述的兩種方式為所謂的模式干涉耦合和所謂的絕熱光功率傳送。在所謂的模式干涉耦合(上述參考文獻(xiàn)特別是AS和AlO中有有關(guān)敘述，本文簡(jiǎn)稱為橫向光學(xué)耦合)中，在兩個(gè)引導(dǎo)的系統(tǒng)模式之間分配從一個(gè)波導(dǎo)進(jìn)入接合區(qū)域的光學(xué)信號(hào)功率。理論上，配置進(jìn)入接合區(qū)域的轉(zhuǎn)變，從而隔離模式非常接近兩個(gè)低階系統(tǒng)模式的線性疊加。當(dāng)光學(xué)信號(hào)功率進(jìn)入接合區(qū)域時(shí)，該條件導(dǎo)致高階系統(tǒng)模式(和/或發(fā)射模式)的最低功率損耗。兩種系統(tǒng)模式以不同的傳播常數(shù)(對(duì)兩個(gè)最低階系統(tǒng)模式為β+和β_)沿波導(dǎo)方向穿過(guò)接合區(qū)域。在到達(dá)接合區(qū)域的末端時(shí)，根據(jù)兩個(gè)系統(tǒng)模式的相對(duì)相位，將光學(xué)信號(hào)功率劃分為兩個(gè)波導(dǎo)。再者，為了將高階和/或發(fā)射系統(tǒng)模式的損耗降到最低程度，隔離模式應(yīng)類似兩個(gè)系統(tǒng)模式的線性疊加。由于實(shí)際裝置就是這樣，并且即使不是這樣也能提供合理逼近，因此可以利用隔離模式的屬性來(lái)描述接合區(qū)域的特性，下文將使用此種描述。特別地，隔離波導(dǎo)模式之間的橫向重疊程度(特征為耦合系數(shù)K)，在模式疊加上的傳播距離(即接合區(qū)域長(zhǎng)度或互作用長(zhǎng)度L)，以及模折射率失配的程度(特征為△ β =β「β2，β為各隔離波導(dǎo)模式的傳播常數(shù))，確定經(jīng)由模式干涉耦合的光學(xué)信號(hào)功率傳送的程度。在模式干涉耦合中，通常認(rèn)為K在接合區(qū)域之長(zhǎng)度L上保持不變。模式干涉耦合波導(dǎo)之間的光學(xué)功率的傳送定義為(忽略光學(xué)損耗的影響)
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)設(shè)備，包括 基底上的光學(xué)裝置； 外部傳遞光學(xué)波導(dǎo)，該外部傳遞光學(xué)波導(dǎo)包括一個(gè)光學(xué)接合區(qū)域；以及 傳輸光學(xué)波導(dǎo)，該傳輸光學(xué)波導(dǎo)包括一個(gè)光學(xué)接合區(qū)域， 其中 將所述光學(xué)裝置和所述外部傳遞光學(xué)波導(dǎo)光學(xué)集成到所述基底上，以便在所述光學(xué)裝置和所述外部傳遞光學(xué)波導(dǎo)之間傳遞光學(xué)功率； 在其光學(xué)接合區(qū)域配裝所述傳輸光學(xué)波導(dǎo)或所述外部傳遞光學(xué)波導(dǎo)，以便在各自的光學(xué)接合區(qū)域在所述外部傳遞光學(xué)波導(dǎo)和所述傳輸光學(xué)波導(dǎo)之間橫向傳遞光學(xué)功率； 把所述傳輸光學(xué)波導(dǎo)與所述基底、所述光學(xué)裝置或所述外部傳遞光學(xué)波導(dǎo)組裝在一起，以便定位各自的光學(xué)接合區(qū)域，從而在所述外部傳遞光學(xué)波導(dǎo)和所述傳輸光學(xué)波導(dǎo)之間橫向傳遞光學(xué)功率； 所述傳輸光學(xué)波導(dǎo)或所述外部傳遞光學(xué)波導(dǎo)的光學(xué)接合區(qū)域被配裝，以便在所述外部傳遞光學(xué)波導(dǎo)和所述傳輸光學(xué)波導(dǎo)之間實(shí)質(zhì)絕熱橫向傳遞光學(xué)功率；以及 在所述光學(xué)接合區(qū)域內(nèi)存在Λ β = O的位置點(diǎn)并且Λ β在所述接合區(qū)域兩端的符號(hào)相反的條件下，所述傳輸光學(xué)波導(dǎo)和所述外部傳遞光學(xué)波導(dǎo)關(guān)于尺寸、材料、折射率和縱向梯度中的至少一項(xiàng)是不同的，其中Λβ表示所述傳輸光學(xué)波導(dǎo)和所述外部傳遞光學(xué)波導(dǎo)的傳播常數(shù)之差。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，還包括 第二外部傳遞光學(xué)波導(dǎo)，第二外部傳遞光學(xué)波導(dǎo)包含一個(gè)光學(xué)接合區(qū)域；以及 第二傳輸光學(xué)波導(dǎo)，第二傳輸光學(xué)波導(dǎo)包含一個(gè)光學(xué)接合區(qū)域， 其特征在于 將光學(xué)裝置和第二外部傳遞光學(xué)波導(dǎo)光學(xué)集成到基底上，以便在光學(xué)裝置和第二外部傳遞光學(xué)波導(dǎo)之間傳遞光學(xué)功率； 第二傳輸光學(xué)波導(dǎo)或第二外部傳遞光學(xué)波導(dǎo)被配裝在它的相應(yīng)光學(xué)接合區(qū)域內(nèi)，以便在各自的光學(xué)接合區(qū)域內(nèi)在第二外部傳遞光學(xué)波導(dǎo)和第二傳輸光學(xué)波導(dǎo)之間橫向傳遞光學(xué)功率；以及 把第二傳輸光學(xué)波導(dǎo)與基底、光學(xué)裝置或第二外部傳遞光學(xué)波導(dǎo)組裝在一起，以便定位各自的光學(xué)接合區(qū)域，從而在第二外部傳遞光學(xué)波導(dǎo)和第二傳輸光學(xué)波導(dǎo)之間橫向傳遞光學(xué)功率。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，配裝并相對(duì)定位光學(xué)裝置或外部傳遞光學(xué)波導(dǎo)，以便利用以下方式在光學(xué)裝置和外部傳遞光學(xué)波導(dǎo)之間傳遞光學(xué)功率a)終端傳遞；c)通過(guò)蝕刻裝置端面的終端傳遞；d)橫向傳遞；e)模式干涉耦合橫向傳遞；h)實(shí)質(zhì)絕熱橫向傳遞；或i)偏振相關(guān)橫向傳遞。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中傳輸光學(xué)波導(dǎo)適合于a)與另一個(gè)傳輸光學(xué)波導(dǎo)進(jìn)行橫向傳遞山)與另一個(gè)傳輸光學(xué)波導(dǎo)進(jìn)行終端傳遞；d)與光纖進(jìn)行終端傳遞；e)與光纖進(jìn)行實(shí)質(zhì)空間模式匹配的終端傳遞；f)光學(xué)空間模式擴(kuò)展；或0在多個(gè)分支波導(dǎo)之間分割光學(xué)功率。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中光學(xué)裝置包括a)基于半導(dǎo)體的光學(xué)裝置；c)激光器；d)調(diào)制器；e)光電探測(cè)器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中配裝外部傳遞光學(xué)波導(dǎo)或傳輸光學(xué)波導(dǎo)的至少一部分，以便提供光學(xué)裝置的部分功能性，由此提供的功能性包括a)波長(zhǎng)選擇性；b)光學(xué)波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)；c)熱光功能性；d)特定偏振的功能性；e)光學(xué)功率監(jiān)控功能性；f)光電探測(cè)；g)光學(xué)功率監(jiān)控；h)特定空間模式的功能性；或i)熱補(bǔ)償。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中配裝傳輸光學(xué)波導(dǎo)或外部傳遞光學(xué)波導(dǎo)，從而當(dāng)橫向偏移至少與橫向偏移公差相同時(shí)，將外部傳遞光學(xué)波導(dǎo)和傳輸光學(xué)波導(dǎo)之間的橫向偏移光學(xué)功率傳遞損耗保持在O. 5dB以下，橫向偏移公差為傳輸光學(xué)波導(dǎo)和外部傳遞光學(xué)波導(dǎo)之相應(yīng)橫向光模尺寸特性的±0. 5倍，±1. O倍或±1. 5倍之一。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中配裝傳輸光學(xué)波導(dǎo)或外部傳遞光學(xué)波導(dǎo)，從而當(dāng)橫向偏移至少與橫向偏移公差相同時(shí)，將外部傳遞光學(xué)波導(dǎo)和傳輸光學(xué)波導(dǎo)之間的橫向偏移光學(xué)功率傳遞損耗保持在標(biāo)稱光學(xué)功率傳遞損耗程度的±0. 5dB內(nèi)，橫向偏移公差為傳輸光學(xué)波導(dǎo)和外部傳遞光學(xué)波導(dǎo)之相應(yīng)橫向光模尺寸特性的±0. 5倍，±1. O倍或±1. 5倍之一 O
全文摘要
光學(xué)裝置包括在基底(1902)上制造的光學(xué)裝置(1910)，在基底(1902)和/或光學(xué)裝置上制造的外部傳遞光學(xué)波導(dǎo)(1930)，以及傳輸光學(xué)波導(dǎo)(1920)。配裝并定位光學(xué)裝置和/或外部傳遞波導(dǎo)，以便在它們之間傳遞光學(xué)功率(終端傳遞或橫向傳遞)。外部傳遞波導(dǎo)和/或傳輸波導(dǎo)適合于在它們之間橫向傳遞光學(xué)功率(模式干涉耦合或絕熱)。傳輸波導(dǎo)最初是以與基底、設(shè)備和外部傳遞波導(dǎo)機(jī)械分離的部件的方式提供的。通過(guò)把傳輸波導(dǎo)與基底、設(shè)備和/或外部傳遞波導(dǎo)裝配在一起，導(dǎo)致外部傳遞波導(dǎo)和傳輸波導(dǎo)的相對(duì)定位，以便在它們之間橫向傳遞光學(xué)功率。從而能夠通過(guò)外部傳遞波導(dǎo)在設(shè)備和傳輸波導(dǎo)之間傳遞光學(xué)功率。傳輸波導(dǎo)最好包括波導(dǎo)基底上的一個(gè)平面波導(dǎo)。
文檔編號(hào)G02B6/30GK102621630SQ20121009235
公開(kāi)日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2002年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月30日
發(fā)明者喬爾·S·帕斯拉斯基, 亨利·A·布勞維特, 凱瑞·J·維赫拉, 戴維·W·維奴 申請(qǐng)人:Hoya美國(guó)公司