专利名称：纳米光子定向耦合装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及纳米光子器件，尤其是纳米定向耦合装置。
背景技术：
定向耦合器将光信号从一个波导转入一个第二波导，而不引起该两个波导的直接接触。该波导可以是光子线波导，例如如美国专利No.5878070所披露的，或光子井波导(photonic well waveguides)，例如美国专利No.5790583。在此结合美国专利No.5790583和No.5878070的全部以参考。具体地讲，能量通过光的隧道效应——在每一个波导所导引模式的交叠易消失的尾部之间的相干耦合，来从一个波导到另一个波导进行传输。定向耦合器在波分复用(WDM)和密集波分复用(DWDM)应用中是可以使用的，其中光信号如所需可选择进行多道传递和密集多道传递。
定向耦合器，例如锂酸盐耦合器在先有技术中是已知的。然而，锂酸盐耦合器在波导内的折射率和在波导外介质的折射率之间存在着大约为.01的差别。结果，锂酸盐耦合器就必须形成至少几个毫米的长度，以获得可接受的信号传输水平(也即，从一个波导到另一个波导的光信号的传输)。
先有技术中具有大约几百个微米的半导体定向耦合器也在发展之中。由于使用了相比下其之间的折射率差别直到.1的波导内介质和波导外介质，就获得了长度减小了的锂酸盐耦合器的设计。尤其是，定向耦合器可用于显微孔隙的谐振腔方面，例如在悬而未决的美国专利申请No.＿所述的，其包括了一个带有弓形末端的卵形的波导，具有小的周长(一般是5至20μm)，和两个非常小的直线长度。通过本质上为具有不同耦合因数的定向耦合器，该卵形波导的直线部分分别耦合在输入和输出波导上。(该“耦合因数”是从输入波导耦合进入谐振腔的功率百分数，由直线部分和间隔所决定。)还有，在谐振腔的使用上，希望能够控制从波导耦合至谐振腔的光束的偏振量，反之亦然。因此，比较紧凑和偏振可控制的定向耦合器是显微孔隙谐振腔器件的一个很重要且主要的部分。
因此，现有技术中就存在着对能够克服上述先有技术中缺点的光学器件的需求。
本发明的概要本发明提供了一种纳米光子定向耦合器，其带有一个第一波导和一个第二波导。每一个波导均各自具有一个输入口和输出口以及位于两者之间的耦合部。该第一波导的耦合部与该第二波导的耦合部相分开。
优选的是，该定向耦合器在下面的参数内成形在宽度小于.5μm的波导之间确定的间隙；波导的宽度小于1μm；耦合器的长度(称作“耦合长度”)小于50μm；波导内的折射率对波导之间间隙内的介质的折射率的比率大于1.5。此外，必须考虑到光信号的偏振度，以确保波导之间有理想的光信号传输水平。
优选的是，该定向耦合装置是对称的。具体地讲，波导是等同的或大体等同的形成(材料；尺寸)，以能够得到有效的光信号传输效率。在一个优选的实施例中，该波导是光子井波导(photonic wellwaveguides)。另一方面，如果使用的是光子线波导，优选的是两个波导的芯线(激活(active)介质，光通过其进行传播)都具有相同的高度，和相同的宽度，以促使获得有效的光信号传输效率。此外，优选的是该芯线的高度和宽度尺寸是相等的。
该定向耦合器的操作是受光信号的偏振度影响的。对于横向电场(TE)信号，优选的是波导的宽度小于.25μm。而对于横向磁场(TM)信号，优选的是波导的宽度大于.35μm。如果一个定向耦合器被设计用来适应具有特定偏振度的光信号，则对不同的偏振度信号是不会有效工作的。例如，如果一个定向耦合器被设计以专门用于TE信号光(小于.25μm)，则TM信号就只能很少的穿过该定向耦合器或者不能穿过。
也有可能形成不依赖于偏振度的定向耦合器，即，能够传输任一偏振度的光信号。为了形成“通用的”对偏振度不敏感的定向耦合器，则波导的宽度可成形大于.25μm而小于.35μm。然而，应当理解，该“通用的”设计并不能像如上所述专门设计用于每一偏振度的定向耦合器那样具有良好的性能。此外，对于特定的参数可设计出真实的不依赖于偏振的定向耦合器，其中该器件成形以用于传输具有横向电场偏振度的光，其能基本上具有同横向磁场偏振度的光相同的功率因数。虽然该设计限制于设计的参数，但对两个偏振度其具有相同的效率。
上述的参数可影响定向耦合器的性能特性。理论上，光信号的全部(100％)可从一个波导传入定向耦合器中的另一个波导。而在实际的情形下，由于存在着损失，所以信号“完全”的传输是不可能实现的。然而，上述的各种参数可以被调节以获得不同的信号传输程度。
相应的，本发明的一个目标在于提供一种改进了的定向耦合器，用于在两个波导之间传输光信号。
本发明的另一个目标在于提供一种纳米光子定向耦合器，其适宜适应一个偏振度或成形为基本上不受偏振度的影响。
相应的本发明包括结构的特征、元件的组合、以及各部分的设置，这些将在此举例说明，且本发明的范围由权利要求指出。
附图的简要说明在并未按比例的所附附图中，其仅仅是示意性的，且在整个几幅附图中相同的参考标记描述了类似的元件
图1是依照本发明形成的一个定向耦合器的顶视平面图；图2是沿图1线2-2的截面示意图；图3的图表示出了TE和TM偏振各种波导宽度下耦合长度和间隙尺寸之间的关系；图4的图表示出了对于给定的参数值和间隙折射率，对TE和TM信号的理论耦合长度之间的差别；图5的图表示出了对形成适应TM光信号的定向耦合器其各种不同的波导宽度时耦合长度和间隙之间的关系；图6的图表示出了对包含有宽为0.4μm、间隙为0.2μm的波导的定向耦合器其理论和实验的耦合长度和功率因数之间的关系。
优选实施例的详细描述参看图1，示出了一种通常的纳米光子定向耦合装置10，其由两个波导来确定输入波导12和输出波导14。波导12、14均是延长的且分别形成带有输入口12a、14a，和输出口12b、14b。波导12、14成形以用来从各自的一端口传播光到另一端口。
虽然并未示出，但该定向耦合装置10可成形作为一个半导体器件的一部分，该半导体器件可用于光信号的处理，例如多路复用和密集多路复用。该定向耦合装置10用作将光信号从波导12、14中的一个转入另一个。为了说明本发明的操作，借助了非限定的例子，在此设定一个光信号被输入穿过输入波导12的输入口12a并向输出口12b传播，且被转入输出波导14。一旦该光信号被传输，其将继续沿与传输前相同的方向进行传播。从而，在给定的例子中，一个传输的光信号将朝着输出波导14的输出口14b进行传播。很容易理解，光信号能够沿各个方向进入和离开该定向耦合装置10，且为了方便起见使用术语“输入”和“输出”。
波导12、14均各自形成有传送部16、18，渐变部20、22，耦合部24、26。对每个波导12、14来说，各个部连续延伸从而形成一个整体的波导结构。
耦合部24、26的设置确定了其中的一个间隙，其具有宽度g，在下面将会对其作更进一步地说明。优选的是，耦合部24、26均基本上为直线且耦合部24、26基本上是平行的。耦合部24、26各自具有耦合长度L1、L2。优选的是，该耦合长度L1、L2是相等的。
传送部16、18整个地分开至少相距一距离x，其大于间隙的宽度g。传送部16、18将光信号传向定向耦合装置10或从定向耦合装置10中传送出光信号，其可以成形为各种长度。另外，传送部16、18并不必是直线。传输部16、18其关键的一点是其应当比耦合部24、26分开一个更大的距离。
渐变部20、22在耦合部24、26和传送部16、18之间延伸并经它们连接起来。具体地讲，渐变部20、22延伸远离耦合部24、26，且具有分开间距为x的各自的末端28、30。借助非限定的例子，渐变部20、22和传送部16、18可成形为直线，且波导12、14的传送部16、18是平行的。对每一个波导12、14，传送部16、18也可是共线对准的。
该定向耦合装置10也可成形带有各种尺寸的组合物。下面所列的就是该定向耦合装置10的临界参数及合格的值。
间隙宽度(g)n2wg耦合部24、26之间的间隙宽度g优选的是小于.5μm。专门应用所需的间隙宽度g可如下计算g=λnwg2-ng2,]]>公式1其中λ是自由空间中光信号的波长；nwg是波导内的折射率；ng是位于间隙内介质的折射率。
传播穿过波导12、14的光信号通常包括了一定范围的波长。尤其是该信号是由在所需波长(通常为1550nm)或含有一定范围波长处泵浦该信号的激光装置产生。
参看图2，每一个波导12、14都包含了一个芯线11，优选的是其位于包层13之间。波导内的折射率nwg是波导的芯线11的折射率。该芯线11是激活(active)媒质，光信号实际上是通过它来传播的。该芯线11可被包层13和/或衬底15所包围，其可由砷化镓或磷化铟制成；这些材料均具有大约为3.5的折射率。此外，优选的是用深度刻蚀来形成波导12、14。另外，折射率ng指的是位于间隙g中的介质的折射率。最一般的是，该介质是具有折射率为1.0的空气。然而，其它的绝缘介质也是可以使用的。
波长宽度(w)波导12、14均具有宽度w，其优选的是小于1μm。具体的宽度w可由下式来计算w＝λ/nwg公式2优选的是，波导12、14具有相同的宽度w。此外，如果波导12、14是光子线波导，那么芯线11的高度(如图2所示)优选的是也和该两个波导12、14相等。优选的是对光子线波导来说，宽度w等于高度h。
耦合长度(L1，L2)如上面所讨论的，波导12、14的耦合部24、26各自均具有耦合长度L1，L2。优选的是，耦合长度L1、L2是相等的。此外，在一个优选的实施例中，耦合长度L1、L2小于50μm。
折射率比率波导内折射率nwg对间隙内介质的折射率ng的比率优选的是大于1.5。在此简单表示为，nwg/ng＞1.5 公式3折射率的巨大差别对各自波导12、14中的光信号产生了严格的限制，且能在波导12、14之间提供比先有技术中更有效的光信号传输。
功率因数功率因数指示了该定向耦合装置10的性能。在此讨论的参数会对功率因数产生影响。对定向耦合器来说，术语“功率因数”用于指示假定无损失时光信号在定向耦合器中的传输百分比。因此，通过改变一个或多个参数，就可获得所需的功率因数。具体地讲，功率因数可通过假定无损失时，对特定波长理论上为100％的光信号从一个波导传入到另一个波导的理论耦合长度(Lc)计算出。理论的耦合长度可如下计算 其中Ns是耦合波导对称模式的有效折射率；NA是耦合波导非对称模式的有效折射率。
为了在定向耦合装置10中获得理论上的完全传输，以说明理论的耦合长度Lc，耦合长度L1、L2被设定为零。
功率因数(Fc)可如下来进行计算，Fc＝sin2[πL/(2Lc)]，公式5其中L是计算功率因数的实际的耦合长度。
因此，该功率因数是实际耦合长度和理论耦合长度的一个函数。理论上，当L＝Lc时该功率因数等于1.0，但实际上由于损失，1.0的功率因数是不可能得到的。应当注意，在当长度大于和小于理论耦合长度时，该功率因数可小于1。
偏振度如上所讨论的，光信号或者具有TM偏振度，或者具有TE偏振度。从而，在用于一定向耦合器时，不同偏振度的信号其表现也不同，且具有不同的传输特性。例如，有效的折射率Ns、NA对TE和TM信号一般是不同的。考虑到偏振度，优选的是将TM特定定向耦合器设计具有波长宽度大于.35μm的额外限制。相反，优选的是将TE特定定向耦合器设计具有波长宽度小于.25μm的额外限制。应当注意，具有TM偏振度的光信号不会在TE特定定向耦合器中传输，然而，具有TE偏振度的光信号可在TM特定定向耦合器中部分传输。在两种情况下，信号的传输都是效率很低或者是不能传输的。此外，TM特定定向耦合器一般具有比TE特定定向耦合器更大的耦合长度。这就意味着为了设计适宜特定偏振度的定向耦合器，该定向耦合器就必须同时满足波长宽度、间隙尺寸和长度的一定组合。
然而，在特定的有限条件下，可限制或甚至消除对偏振度的依赖。在操作上，不依赖于偏振度的定向耦合器是指TE和TM偏振光均可从一个波导传输到另一个波导的定向耦合器。换句话说，对TE信号的耦合长度(LcTE)等于对TM信号(LcTM)的耦合长度。因此，对于不依赖于偏振度的波导，等于LcTE-LcTM的ΔLc等于零。
参看图3，描绘了相对于不同的波长宽度w和间隙尺寸(g)，TE和TM值的两条曲线。图3是以ng＝1.0来描绘出的。阴影的带子S表示波导宽度w在.25μm至.35μm的范围内。在该w范围中，对所有间隙尺寸的TE和TM偏振光信号，耦合长度大约是相同的。尤其是，图3示出了w＝0.3μm的TE和TM曲线相交于间隙尺寸大约为0.2μm的一点处。这就意味着设计具有参数w＝0.3μm和g＝0.2μm的定向耦合器将是不依赖于偏振度的。
对于不依赖于偏振度，对于给定的一组参数，对TE信号理论的耦合长度(LcTE)和对TM信号理论的耦合长度(LcTM)将会是相等的。因此，对于不依赖于偏振度的设计，等于LcTE-LcTM的ΔLc等于零。
作为一个说明性的例子，给出了下面的表1，其包括了间隙ng内对不同的折射率的ΔLc计算值表1
表1是由下列参数绘制的间隙宽度g＝.25μm；波长宽度w＝.4μm；光学波长λ＝1.55μm；波导内部折射率nwg＝3.4。
如在表1所示的，ΔLc值从正值变为负值是在ng值在1.85和1.86之间。具体地讲，在ng＝1.8516处计算出ΔLc等于零。因此，在该点就获得了确实的对偏振度的不依赖，且表2说明了与该点相关的值表2
此外，图4是ΔL相对间隙ng的折射率所绘制的图表。对于ng＝1.8516，ΔL等于零。
本领域的熟练人员将会认识到，上述说明的例子是为了说明起见，通过改变参数、对TE和TM信号的参数来计算NA和Ns以及确定ΔL，可获得不依赖于偏振度的其它点。影响不依赖偏振度的四个基本参数是间隙内的折射率ng；波导内的折射率nwg；间隙宽度g；和波导宽度w。借助于实例，表3指出了对不同的参数不依赖于偏振度的第二个点(除非说明，否则使用的参数相同于表1的)
表3
在前述的数据下，该定向耦合装置10可设计具有多个尺寸特征和性能特性，即使这些特性是不在优选实施例的范围之内。借助于非限定的例子，参看图5，其示出了对于具有w为.4μm宽度的波导，其间隙宽度g相对于理论耦合长度(Lc)所绘制的图表。该图假定λ＝1.55μm，折射率nwg，ng的比率大于1.5。如在该图中所指出的，也设定了TM偏振度。
为了验证理论耦合长度的精确性，并确定实际的损失，构造了一个具有波导宽度w为.4μm、间隙为.2μm的定向耦合器。此外，该定向耦合器具有λ＝1.55μm，ng＝1.5，nwg＝3.4。改变耦合长度，且测量来自输入波导和输出波导的输出信号的强度。从输出波导输出的信号的测量强度被输入信号的强度划分以计算出实际上的功率部分(powerfraction)。参看图6，实验点指示了实际功率部分对在该点处所用的耦合器长度(定向耦合器的实际物理长度)的测量点。图6也包括了一条曲线，其指示了耦合长度所公开的范围内理论上的功率部分值。应当注意，实验值与理论值相符得很好。而且理论上，该耦合长度是最大功率部分出现时的长度。
参看图5，间隙大约为.2μm的理论耦合长度是大约25μm。实验上最大的功率部分(0.9)出现在耦合长度为25μm处，这与理论耦合长度相一致。如图6所示，在耦合长度实际上为25μm时，实际的功率部分在大约.9且位于所绘实验曲线的最高点上。因此，对给定的参数，实际的耦合长度25μm基本上提供了完全的传输能量，其可得到比其它的耦合长度更高的信号传输率。从而，带有在此公开的参数，可成形一个定向耦合器，其具有小于50μm的长度，能够获得基本上完全的信号传输率——本发明的耦合长度范围大大低于现有技术中的且在其基础上确定了一个基本的改进。
因此，虽然其中的优选实施例已经示出并描述且指出了本发明基本的新颖性特征，但应当理解本领域的熟练人员在不脱离本发明的精神下可对该公开的发明细节作出各种删减、替代和改变。因此，本发明仅仅限于所附权利要求限定的范围。
还应当理解，下面的权利要求涵盖了本发明此处所有的一般和具体的特征，下面对本发明的范围进行描述和陈述。
权利要求
1.一种用于传输光的定向耦合装置，所述定向耦合装置包括一个第一波导，用来在其中传播光，所述第一波导沿一纵轴延伸且带有一个输入口和一个输出口，以及输入口和输出口之间确定的第一和第二部分；和一个第二波导，用来在其中传播光，所述第二波导带有一个输出口和第一和第二部分；其中，所述第一波导的所述第一部分与所述第二波导的所述第一部分分开一个第一间距，所述第一波导的所述第二部分与所述第二波导的所述第二部分分开一个第二间距，所述第一间距小于所述第二间距，其中在所述第一波导中来自所述输入口传向所述输出口的光从所述第一波导的所述第一部分传输进入所述第二波导的第一部分，且继续朝着所述第二波导的所述输出口进行传播，其中所述定向耦合装置被成形以在基本上与带有横向磁场偏振度的光相同的功率因数来传输带有横向电场偏振度的光。
2.如权利要求1的定向耦合装置，其中所述第一波导和所述第二波导被设计具有ΔLc＝0其中，ΔLc是横向电场偏振度信号的理论耦合长度和横向磁场偏振度信号的理论耦合长度之间的差值。
3.如权利要求1的定向耦合装置，其中所述第一间距小于.5μm。
4.如权利要求1的定向耦合装置，其中所述第一波导的所述第一部分确定了一个宽度，所述宽度大于.35μm。
5.如权利要求1的定向耦合装置，其中所述第一波导的所述第一部分确定了一个宽度，所述宽度小于.25μm。
6.如权利要求1的定向耦合装置，其中所述第一波导的所述第一部分确定了一个宽度，所述宽度大于.25μm而小于.35μm。
7.如权利要求1的定向耦合装置，其中所述第一波导形成有一个芯线，光通过该芯线进行传播，所述芯线具有一个内部折射率，其中在所述第一波导的所述第一部分和所述第二波导的所述第一部分之间设置有介质，所述介质具有一个外部折射率，所述内部折射率对所述外部折射率的比率大于1.5。
8.如权利要求1的定向耦合装置，其中所述第一和第二波导基本上是等同形成的。
9.如权利要求1的定向耦合装置，其中所述第一波导的所述第一部分大体上平行于所述第二波导的所述第一部分。
10.如权利要求1的定向耦合装置，其中所述第一波导的所述第一部分和所述第二波导的所述第一部分均基本上呈直线。
11.一种用于传输光的定向耦合装置，所述定向耦合装置包括一个第一波导，用来在其中传播光，所述第一波导沿一纵轴延伸且带有一个输入口和一个输出口，以及输入口和输出口之间确定的第一和第二部分；和一个第二波导，用来在其中传播光，所述第二波导带有一个输出口和第一和第二部分；其中，所述第一波导的所述第一部分与所述第二波导的所述第一部分分开一个第一间距，所述第一波导的所述第二部分与所述第二波导的所述第二部分分开一个第二间距，所述第一间距小于所述第二间距，其中在所述第一波导中来自所述输入口传向所述输出口的光从所述第一波导的所述第一部分传输进入所述第二波导的第一部分，且继续朝着所述第二波导的所述输出口进行传播，其中所述第一间距小于.5μm。
12.如权利要求11所述的定向耦合装置，其中所述第一间距等于λnwg2-ng2,]]>其中λ是光信号的中央波长；nwg是光传播穿过的所述第一波导其内的芯线的折射率；和ng是在位于所述第一波导所述第一部分和所述第二波导所述第一部分之间介质的折射率。
13.一种用于传输光的定向耦合装置，所述定向耦合装置包括一个第一波导，用来在其中传播光，所述第一波导沿一纵轴延伸且带有一个输入口和一个输出口，以及输入口和输出口之间确定的第一和第二部分；和一个第二波导，用来在其中传播光，所述第二波导带有一个输出口和第一和第二部分；其中，所述第一波导的所述第一部分与所述第二波导的所述第一部分分开一个第一间距，所述第一波导的所述第二部分与所述第二波导的所述第二部分分开一个第二间距，所述第一间距小于所述第二间距，其中在所述第一波导中来自所述输入口传向所述输出口的光从所述第一波导的所述第一部分传输进入所述第二波导的第一部分，且继续朝着所述第二波导的所述输出口进行传播，其中所述第一波导在所述第一部分确定了一个宽度，所述宽度大于.25μm而小于.35μm。
14.一种用于传输光的定向耦合装置，所述定向耦合装置包括一个第一波导，用来在其中传播光，所述第一波导沿一纵轴延伸且带有一个输入口和一个输出口，以及输入口和输出口之间确定的第一和第二部分；和一个第二波导，用来在其中传播光，所述第二波导带有一个输出口和第一和第二部分；其中，所述第一波导的所述第一部分与所述第二波导的所述第一部分分开一个第一间距，所述第一波导的所述第二部分与所述第二波导的所述第二部分分开一个第二间距，所述第一间距小于所述第二间距，其中在所述第一波导中来自所述输入口传向所述输出口的光从所述第一波导的所述第一部分传输进入所述第二波导的第一部分，且继续朝着所述第二波导的所述输出口进行传播，其中所述第一波导的所述第一部分具有小于50μm的宽度。
15.一种用于传输光的定向耦合装置，所述定向耦合装置包括一个第一波导，用来在其中传播光，所述第一波导沿一纵轴延伸且带有一个输入口，以及两者之间确定的第一和第二部分；和一个第二波导，用来在其中传播光，所述第二波导带有一个输出口和第一和第二部分；其中，所述第一波导的所述第一部分与所述第二波导的所述第一部分分开一个第一间距，所述第一波导的所述第二部分与所述第二波导的所述第二部分分开一个第二间距，所述第一间距小于所述第二间距，其中在所述第一波导中来自所述输入口传向所述输出口的光从所述第一波导的所述第一部分传输进入所述第二波导的第一部分，且继续朝着所述第二波导的所述输出口进行传播，其中所述第一波导在所述第一部分确定了一个宽度，所述宽度大于.35μm。
16.一种用于传输光的定向耦合装置，所述定向耦合装置包括一个第一波导，用来在其中传播光，所述第一波导沿一纵轴延伸且带有一个输入口，以及两者之间确定的第一和第二部分；和一个第二波导，用来在其中传播光，所述第二波导带有一个输出口和第一和第二部分；其中，所述第一波导的所述第一部分与所述第二波导的所述第一部分分开一个第一间距，所述第一波导的所述第二部分与所述第二波导的所述第二部分分开一个第二间距，所述第一间距小于所述第二间距，其中在所述第一波导中来自所述输入口传向所述输出口的光从所述第一波导的所述第一部分传输进入所述第二波导的第一部分，且继续朝着所述第二波导的所述输出口进行传播，其中所述第一波导在所述第一部分确定了一个宽度，所述宽度小于.25μm。
全文摘要
本发明披露了一种纳米光子定向耦合器(10),用来从一个波导(12)将光转入一个第二波导(14)。该定向耦合器(10)成形具有相对小的尺寸参数,且能成形以适应横向电场(TE)和横向磁场(TM)的偏振度光信号。
文档编号G02B6/125GK1361874SQ00810612
公开日2002年7月31日 申请日期2000年5月19日 优先权日1999年5月21日
发明者M·K·陈, S·T·何 申请人:内诺维什技术公司, 西北大学