专利名称：用于改善光纤和集成平面波导管之间的光耦合效率的系统和锥形波导管及其制造方法
技术领域：
本发明一般涉及平面光波电路，并且更加具体地，涉及用于有效地将光纤耦合到平面集成波导管的光模转换器。
背景技术：
平面光波电路(PLC)既对短程数据又对长途电信系统发送和接收信号。为了最优操作，PLC具有诸如波导管之类的功能性光学部件。这些波导管应当在尺寸方面足够小，以便包括波导管中的锐弯管(sharpbend)在内的波导光学器件的密集集成在单个芯片上是可能的。
高折射率对比材料系统很好地适用于制造PLC。这样的材料系统能够作为硅的核心层形成在硅绝缘体(SOI)基片上，所述核心层具有大约3.5的折射率，并且在两侧由具有大约1.5的折射率的石英覆层包围。以这样的结构形成的波导管被称作通道波导管。通道波导管以较小的尺寸提供了更好的光约束。
尤其是在电信中，潜在地存在高折射率对比波导芯片的许多实际用途，在所述电信中，存在开发透明地路由并处理多波长光信号的方法的需要(亦即不用必须将光信号转换成电信号用于处理，然后再转换回来)。PLC波导芯片的一个例子是基于单模波导的“多路复用器”和“多路分解器”，用于在密集波分复用(DWDM)应用中串行化和分开多波长光信号。对于这种应用以及其他应用，通常希望构造波导管以便强制单模传播，以避免引入不希望的使不同光模的传播速度不同的效果。
面对高折射率对比光学芯片最困难的挑战之一是有效地将光耦合进出芯片。尤其困难的是光从标准光纤或外部源向芯片上的硅波导管的耦合。公共光纤尺寸和高折射率对比波导管尺寸之间大的不匹配，以及它们各自的模式尺寸，削弱了从光纤到PLC波导管的光耦合。
对于波导管和光纤之间的光耦合已利用了大量技术，包括棱镜耦合器、光栅耦合器、锥形光纤和微透镜模式转换器。遗憾的是，这些技术并不提供对于在低成本高容量的电信应用中使用所需的高耦合效率、波长独立性、可靠性、可制造性、耐久性以及鲁棒性的组合。
考虑到前述，存在对于光纤和诸如PLC之类的光学芯片上形成的平面波导管之间改进的耦合的需要。
发明内容
本发明的优点是提供了显著增加光纤和平面波导管之间的光耦合效率的锥形波导管延伸。本发明同样提供了相对简单和可靠的方法，用于在平面基片结构上制造锥形波导管，以便它能够与PLC波导管集成。
根据本发明的实施例，锥形波导管充当光纤和平面波导管之间的光模转换器。锥形波导管包括形成在平面基片结构上的核心。该核心被垂直地形成锥形。为了制造垂直锥形，使多个阶梯形成到核心的顶面中。阶梯沿着锥形波导管的光轴具有深度和长度，其被选择以将光纤的光模特性和尺寸转换到平面波导管的光模特性和尺寸。
在检查随后的附图和详细说明时，本发明的其他方面、特征、实施例、方法和优点对于本领域技术人员将会是或将会变成是明显的。打算是所有这样的另外的特征、实施例、方法和优点都包括在这个说明之内、在本发明的范围之内并且由附加的权利要求所保护。
应当理解的是，附图只是为了显示起见，并没有规定本发明的限制。进而，附图中的部件不必依比例决定，而是重点放在显示本发明的原理。在附图中，同样的参考数字贯穿不同的示图指示相应的部分。
图1是用于制造锥形平面波导管的示范性起始材料结构的横截面示意图；图2是根据本发明的示范性实施例的锥形波导管的概念性横截面侧视图；图3是图2中显示的锥形波导管的自顶向下的概念性视图；图4是显示图2中显示的波导管阶梯的尺寸细节的概念性横截面侧视图；图5是当其正在形成时的波导管阶梯的概念性透视图；图6是根据本发明另一个示范性实施例的以介电覆层沉积在其上的方式的图2中显示的锥形波导管的概念性横截面侧视图；图7是根据本发明的进一步的示范性实施例的包括图6的锥形波导管的光学系统的概念性横截面侧视图。
具体实施例方式
参考并结合附图的以下详细说明描述并显示了本发明的一个或多个特定实施例。提供不是为了限制而是为了示范并教导本发明的这些实施例，被充分详细地显示和描述，以使本领域技术人员能够实施本发明。这样一来，在适合于避免使本发明晦涩的地方，说明就可以省略对本领域技术人员而言已知的一定信息。
现在转向附图，并且具体地转向图1，在那里显示了用于制造锥形平面波导管的示范性起始材料结构10的横截面示意图。用于制造1-D和2-D波导管的优选起始材料10是硅绝缘体(SOI)结构。SOI起始材料10包括平面基片结构13上生长的晶体硅层12。平面基片结构包括形成在半导体基片16之上的介电绝缘体层14。绝缘体层14是6”硅基片16上热生长的SiO2的2μm厚的层。3μm厚的晶体硅层12沉积在SiO2层14之上以完成该结构。
构成锥形波导管20(见图2)核心的晶体硅层12具有3.47的折射率，SiO2层14具有1.46的折射率，并且硅基片具有3.47的折射率。
图2是根据本发明的示范性实施例的锥形波导管20的概念性横截面侧视图。在图2中，显示了充当经典绝热模式转换器的2-D锥形部分20，所述转换器将输入的基本模态(mode shape)(与光纤的模态相匹配)转换成平面波导模式的模态，使光耦合比根本不具有锥形的更有效率。
2-D锥形波导管20包括平面基片结构14、16上形成的阶梯晶体硅核心21。核心21被垂直且水平地形成锥形(亦即2-D形成锥形)。为了制造垂直锥形，使多个阶梯22形成到核心21的顶面中。阶梯22沿着锥形波导管20的光轴具有深度和长度，其被选择以将光纤的光模特性和物理尺寸转换到具有与锥形波导管20的相同基片上形成的平面波导管的光模特性和物理尺寸。
锥形波导管20包括1-D横向锥度(flare)，其在250μm的水平距离l之内，从锥形波导管的窄端26处的平面波导管宽度w2(见图3)延伸到锥形波导管的宽端25处的4μm的宽度w1(见图3)以匹配光纤。这个横向锥形在横向方向上使高数值孔径(HNA)光纤的模场直径(MFD)与集成平面波导管的相匹配。
执行随后的阶梯蚀刻以在1-D锥度区域中沿着核心厚度制造阶梯垂直锥形，以便在垂直方向上的HNA光纤和平面波导管之间也存在MFD匹配。在250μm的水平距离l之内，垂直锥度从锥形波导管的窄端26处的平面波导管高度h2延伸到锥形波导管的宽端25处的3μm的高度h1以匹配光纤。
图4是显示图2中显示的锥形波导管阶梯22的尺寸细节的概念性横截面侧视图。每个阶梯被形成以具有预定长度L和预定的H。在于此披露的锥形波导管20的例子中，每个阶梯为0.167μm深(H)，并且具有25μm的长度L。锥形波导管20的长度l之上的总的蚀刻深度为1.5μm。
图5是当其正在形成时的锥形波导管阶梯22的概念性透视图。使用依靠传统光刻法和硅蚀刻技术的新颖方法形成垂直阶梯22。
在形成垂直阶梯22之前，形成1-D横向锥形。这是朝着2-D锥形波导管20方向的中间步骤。1-D横向锥形本身具有比完全2-D锥形低的耦合效率，但是1-D锥形的形成需要较少的技术努力。
如图3所示，在起始材料10上初始限定锥形波导管20的掩模，以宽度尺寸从w2＝0.5μm开始一直到w1＝3μm的方式限定横向锥形。
为了限定亚微米宽度波导管几何形状，使用了光刻法，其使用来自AZ，Inc.的P4110i线(365nm)光致抗蚀剂和来自Karl Suss，Inc.的MA6掩模对准器。在掩盖起始材料10之后，使用来自Oxford，Inc.的硅干蚀刻系统蚀刻波导管。在Oxford机器中利用C4F8(流速90sccm)+SF6(流速50sccm)慢蚀刻化学处理蚀刻波导管几何形状。波导管的平均深度为～1μm。
通过首先在从波导管的较宽端25位置延伸的核心层12的阶梯区域之上施加保护层，来形成垂直阶梯。如图5所示，这是通过用Shipley1818正性光致抗蚀剂覆盖整个波导管12来完成的。使用适当的掩模，然后波导管12的非阶梯部分34暴露于UV光并且光致抗蚀剂显影，仅仅留下25μm(第一阶梯的长度)的由光致抗蚀剂覆盖的保护区域36。
然后在Oxford机器中使用先前的化学处理，执行干蚀刻以实现0.167μm的阶梯。重复这个过程，每次从较宽端延伸保护光致抗蚀剂层另一个25μm以限定另一个阶梯。重复该过程直到形成预期数目的阶梯为止。
在形成2-D锥形波导管核心21之后，介电覆层30(见图6)被e束蒸发到阶梯核心层21上，以形成通道波导管结构40。处理的晶片然后被切割成适当的小片并清洗。锥形波导管40的宽端25然后被机械抛光到镜面光洁度。为了进一步减少光耦合损失，使用传统技术向抛光的末端施加抗反射(AR)涂层。
图6是根据本发明的另一个示范性实施例的以介电覆层30沉积在其上的方式的图2中显示的锥形波导管的概念性横截面侧视图。介电覆层30是2μm厚的SiO2顶覆层，其被e束蒸发到阶梯核心层21上以形成完全的波导管结构40。顶覆层30具有大约1.46的折射率。
为了从光纤向高折射率对比单模平面波导管有效地耦合光，锥形波导管20、40能够被形成为高折射率对比单模平面波导管的整体波导管延伸。
图7是光学系统70的概念性横截面侧视图，所述光学系统70包括两个与平面波导管42整体地形成的并且从平面波导管42延伸的锥形波导管40。锥形波导管40将平面波导管42耦合到高数值孔径(HNA)光纤50。光纤50包括覆层54包围的核心52。
尽管任何单模光纤都能够耦合到在此披露的锥形波导管，但是为了进一步增加光耦合效率，高数值孔径(HNA)光纤可以用作输入光纤。特殊的拼接程序用于将常规的单模光纤SMF28耦合到HNA光纤中，以进一步减少光损失。
每个锥形波导管40都提供横向1-D锥度，其在250μm的水平距离之内从平面波导管宽度延伸到4μm的宽度。这种横向锥形在横向方向上使高数值孔径(HNA)光纤50的模场直径(MFD)与平面波导管42的相匹配。在250μm的水平距离1之内，阶梯垂直锥度从平面波导管高度延伸到3μm以匹配光纤50的MFD。
使用图1中显示的起始材料和在此说明的方法，制造了一些具有如图6所示的结构的样品波导管。使用包括1550nm DFB激光器、24dBm放大器、HNA输入光纤、显微镜物镜和自由空间InGaAs检测器的适当光学测量装置执行测试，以确定波导管传播损失以及HNA光纤和样品波导管之间的耦合损失。至少3个长度的样品波导管之间的比较被用于找出波导管传播损失值。对2-D、1-D和无锥形波导管样品的波导损失的测量得出了每种锥形的耦合效率。
当与非锥形波导管相比时，试验测试指示了HNA光纤和阶梯锥形波导管之间在耦合损失方面的显著减少。实际的测试测量表明了对于2-D阶梯锥形波导管的大约2dB的耦合损失。1-D阶梯锥形波导管被测量具有大约4dB的耦合损失。没有任何锥形，波导耦合损失测量大于8dB。
使用锥形光波导管的特定实现，前述详细说明已显示了本发明的原理。然而，本发明并不限于这些特殊实现。例如，在此披露的发明原理能够在许多其他类型的基片材料结构中实现，诸如其他半导体材料，诸如InP、GaAs或类似物，或者适合于做波导管的聚合材料，包括聚酰亚胺、PMMA或类似物。
因此，虽然已说明了本发明的一个或多个特定实施例，但是对本领域技术人员将会明显的是，处于本发明范围之内的许多更多的实施例是可能的。进一步，前述详细说明和附图仅被认为是本发明原理的显示。由于其他的修改和改变对本领域技术人员而言可以是或者可以变成是明显的，所以本发明并不限于显示和说明的确切构造和操作，并因而所有的适当修改和等价物都被认为是落在本发明的范围之内。
权利要求
1.一种波导光模转换器，包括核心，其形成在平面基片结构上；以及预定的多个阶梯，其形成到所述核心的顶面中，以便垂直地使所述核心形成锥形，每个阶梯具有预定高度和预定长度。
2.如权利要求1所述的波导光模转换器，其中，所述核心被水平地形成锥形。
3.如权利要求2所述的波导光模转换器，其中，所述垂直和水平锥形在所述核心的相同末端处变窄。
4.如权利要求1所述的波导光模转换器，进一步包括形成在所述核心之上的介电覆层。
5.如权利要求1所述的波导光模转换器，其中，所述平面基片结构包括形成在半导体基片之上的介电层。
6.如权利要求1所述的波导光模转换器，其中，所述核心为晶体硅。
7.如权利要求1所述的波导光模转换器，进一步包括形成在所述核心之下和之上的介电层，其中，所述介电层每个都具有比所述核心的折射率低的折射率。
8.一种光学系统，包括平面波导管；以及锥形波导管延伸，其形成在所述平面波导管的端部，用于耦合所述平面波导管和光纤之间的光，所述波导管延伸具有预定的多个形成到其顶面中的阶梯，以便垂直地使所述波导管延伸形成锥形，所述阶梯中的每一个都具有预定高度和预定长度。
9.如权利要求8所述的光学系统，其中，所述锥形波导管延伸被水平地形成锥形。
10.如权利要求8所述的光学系统，其中，所述锥形波导管延伸包括晶体硅核心。
11.如权利要求10所述的光学系统，其中，所述锥形波导管延伸包括形成在所述核心之上的介电覆层。
12.如权利要求8所述的光学系统，其中所述锥形波导管延伸包括两个介电层之间的核心层，其中所述介电层每个都具有比所述核心的折射率低的折射率。
13.如权利要求8所述的光学系统，进一步包含所述光纤。
14.一种制造可用作光纤和平面波导管之间的光模转换器的锥形平面波导管的方法，包括提供用于所述锥形波导管的核心材料层；以及将预定的多个阶梯形成到所述核心的顶面中，以便垂直地使所述核心层形成锥形，每个阶梯都具有预定高度和预定长度。
15.如权利要求14所述的方法，进一步包括在所述核心层中形成水平锥形。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述提供的步骤包括提供起始材料，所述起始材料包含基片、形成在所述基片上的介电层以及形成在所述介电层上的核心材料的层。
17.如权利要求14所述的方法，其中，所述形成的步骤包括(a)在所述核心层上限定所述锥形波导管的较宽端的位置；(b)在从所述限定的较宽端位置延伸的所述核心层的预定区域之上施加保护层，所述预定区域限定了一个或多个所述阶梯的区域；(c)将所述核心层的剩余的未保护区域蚀刻到限定阶梯高度的预定深度；以及(d)重复步骤(b)-(c)预定次数，每次从所述限定的较宽端位置更远地延伸所述预定区域以限定新阶梯的长度，由此形成所述预定的多个阶梯。
18.如权利要求14所述的方法，其中，使用硅干蚀刻执行所述蚀刻的步骤。
19.如权利要求14所述的方法，进一步包括抛光所述锥形波导管的较宽端。
20.如权利要求14所述的方法，进一步包括在所述锥形波导管的较宽端处施加抗反射涂层。
全文摘要
锥形波导光模转换器(20)包括平面基片结构(16)上形成的锥形核心。为了垂直地使核心(21)形成锥形，将阶梯(22)蚀刻到核心的顶面中。阶梯沿着锥形波导管的光轴具有深度和长度，其被选择以将预期光纤的光模特性转换到预期平面波导管的光模特性。核心还能够被水平地形成锥形以形成2－D锥形波导管。锥形波导管能够整体地包括在平面光波电路(PLC)中，以减少光纤和PLC波导管之间的光耦合损失。
文档编号G02B6/30GK1922519SQ200580005321
公开日2007年2月28日 申请日期2005年8月22日 优先权日2004年8月23日
发明者马苏·乔杜里, 托马斯·R·斯坦奇克, 迪安·理查森, 阿里耶勒·东瓦尔, 拉姆·奥龙, 摩西·奥龙 申请人:莫莱克斯公司