专利名称：使用光学功率横向传送的光学接合设备和方法
技术领域：
本发明的领域涉及光通信。特别地，涉及使用组装的光学组件之间的光功率的横向传送的光学接合设备和方法。
背景技术：
本申请涉及以下文献公开的主题Al)题目为“Waveguides and resonator for integrated optical devices andmethods of fabrication and use thereof ”，提交日期为 12/21/2000，发明人为 OskarJ. Painter的美国临时申请60/257，218(案卷号ALG04P)，本文全文引用所述临时申请作为
参考;A2)题目为 “Waveguide-fiber Mach-Zender interferometer and methods offabrication and use thereof ”，提交日期为 06/27/2001，发明人为 Oskar J. Painter,David W. Vernooy 和 Kerry J. Vahala 的美国临时申请 60/301，519(案卷号 ALG05P)，本文全文引用所述临时申请作为参考；A3)题目 为 “Fiber-optic-taper probe for characterizingtransversely-optically-coupled waveguides and resonators，，，提交日期为09/13/2001，发明人为David W. Vernooy的美国临时申请60/322，272(案卷号CQC11P)，本文全文引用所述临时申请作为参考；A4)题目为“Method for improving the planarity of etchedmirror facets，，，发布日期为 07/16/1991，发明人为 Peter. L. Buchman，Peter Vettiger, Otto Voegeli 和David J. Webb的美国专利5，032，219，本文全文引用所述专利作为参考；A5)题目为“Improved planar etched mirror facets”，发布日期为 04/07/1992，发明人为 Peter. L Buchman, Peter Vettiger, Otto Voegeli 和 David J. Webb 的美国专利5，103，493，本文全文引用所述专利作为参考；A6)题目为“Method of passivating etched mirror facets of semiconductorlaser diodes”，发布日期为 01/05/1993，发明人为 Peter. L Buchman, David J. Webb 和Peter Vettiger的美国专利5，177，031，本文全文引用所述专利作为参考；A7)题目为 “Self-aligned optical waveguide to laser structure andmethod of making the same”，发布日期为 11/02/1993，发明人为 Gian-Luca Bona, FritzGfeller，Heinz Jaeckel和David J. Webb的美国专利5，259，049，本文全文引用所述专利作为参考；A8)题目 为“Integrated end-coupled transverse-opticaI-couplingapparatus and methods，，，提交日期为 10/30/2001，发明人为 Henry A.Blauvelt，KerryJ.Vahala, Peter C. Sercel, Oskar J. Painter 和 Guido Hunziker 的美国临时申请60/334，705(案卷号CQC15P)，本文全文引用所述申请作为参考；A9)题目为“Alignment apparatus and methods for transverse opticalcoupling”,提交日期为 11/23/2001,发明人为 Charles I. Gros jean, Guido Hunziker, PaulM. Bridger和Oskar J. Painter的美国临时申请60/333，236 (案卷号CQC16P)，本文全文引用所述申请作为参考；A10)题目 为“Multi-layer dispersion-engineered waveguides andresonator”，提交日期为 12/21/2001,发明人为 Oskar J. Painter, David W. Vernooy 和Kerry J. Vahala的美国非临时申请10/037，966 (案卷号CQC14NP)，本文全文引用所述申请作为参考；以及All)题目 为“Alignment-insensitive optical junction apparatus andmethods employing adiabatic optical power transfer，，，提交日期为 02/27/2002,发明人为 Henry A. BlauveIt, Kerry J. Vahala, David W. Vernooy 和 Joel S. Paslaski 的美国临时申请60/360，261 (案卷号CQC17P)，本文全文引用所述申请作为参考。本申请还涉及以下出版物公开的主题，本文全文引用所述出版物作为参考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).光通信领域中的基本问题是实现组装光学组件之间的光信号功率的有效和高性价比传送。一个特别重要的例子是实现有源或无源光学装置与低损耗传输光学波导(包括光纤和/或平面波导线路)之间的光信号功率传送。有源光学装置的例子包括但不限于半导体激光器，电吸收调制器，电吸收调制激光器，电光调制器，半导体光学放大器，光电二极管或其他光电探测器，NxN光开关等。无源设备的例子包括但不限于波分复用器/分用器，波分分波器/交织器，波分分插(add/drop)滤波器，其他光学滤波器，分离器/组合器，干涉仪，移相器，色散补偿器，固定或可变光学衰减器等。此类光学装置通常包括小型(特别在半导体基的装置中)光模的生成，相互作用和/或处理，光模通常仅为几微米宽，其高度不超过I微米。相互作用模式尺寸通常远小 于单模光纤或平面光波线路支持的光模尺寸(通常为10微米宽)。因此，由于空间模式失配，将光纤或平面波导线路终端耦合到光学装置上是低效率的(5-15%左右)，生成具有较大插入损失的装置。存在获得高终端耦合效率的现有方法，但是需要能够实现更好模式匹配的昂贵组件(非球面镜头等)，同时需要高精度对准光学组件和光学装置(允许公差为O. I μ m，并且必须在每个装置上实现)。
存在用于低成本终端稱合的光学组件的现有技术(如基于娃光具座技术的方法)。然而，由于上述原因，此类低成本解决方案的缺点是，光学装置与光纤或其他波导之间的低光学功率传送效率。经由终端耦合(即端射耦合或终端传送)的光学功率传送的特征在于，沿需要传送的光学信号功率的传播方向，以首尾相接的几何形状方式放置光学组件。在按上述方式形成的光学连接区中，光学功率穿过一个光学组件的端面，进入另一个光学组件的端面。作为选择，可利用所谓的横向耦合(即横向传送)实现光学功率传送，其中相对于光学信号功率的传播方向，以并排几何方式放置光学组件。在横向耦合形成的光学连接区中，通常至少在一个连接段中光学功率同时沿两个组件传播。光学组件之间的有效终端传送要求各组件内的光模的空间模式匹配。光学装置和传输光学波导之间的光功率的横向传送提供在光学装置和传输波导之间传送光学信号功率的终端传送的另一种选择(例如，通过光纤的锥形段或通过平面波导的合适部分)。特别地，无需空间模式匹配；可以实现不同空间模式尺寸和/或形状的光模之间的光功率的横向传送。上文引用的某些现有专利申请详细描述了横向传送(也称为横向耦合，横向光学耦合，瞬逝光学耦合，瞬逝耦合，定向光学耦合，定向耦合)，本文不再赘述。利用转变为耦合波导光学系统的光模特性的独立光学波导(或其他光学组件)的光模特性，更容易描述横向传送。前一种模式称为“系统模式”或“耦合系统模式”，后一种模式称为“隔离模式”或“隔离波导模式”。采用几种工作方式中的一种方式，横向耦合可以实现光学波导之间的光学信号功率的有效传送。本文论述的两种方式为所谓的模式干涉耦合和所谓的绝热光功率传送。在所谓的模式干涉耦合(上述参考文献特别是AS和AlO中有有关叙述，本文简称为横向光学耦合)中，在两个引导的系统模式之间分配从一个波导进入接合区域的光学信号功率。理论上，配置进入接合区域的转变，从而隔离模式非常接近两个低阶系统模式的线性叠加。当光学信号功率进入接合区域时，该条件导致高阶系统模式(和/或发射模式)的最低功率损耗。两种系统模式以不同的传播常数(对两个最低阶系统模式为β+和β_)沿波导方向穿过接合区域。在到达接合区域的末端时，根据两个系统模式的相对相位，将光学信号功率划分为两个波导。再者，为了将高阶和/或发射系统模式的损耗降到最低程度，隔离模式应类似两个系统模式的线性叠加。由于实际装置就是这样，并且即使不是这样也能提供合理逼近，因此可以利用隔离模式的属性来描述接合区域的特性，下文将使用此种描述。特别地，隔离波导模式之间的横向重叠程度(特征为耦合系数K)，在模式叠加上的传播距离(即接合区域长度或互作用长度L)，以及模折射率失配的程度(特征为△ β =β「β2，β为各隔离波导模式的传播常数)，确定经由模式干涉耦合的光学信号功率传送的程度。在模式干涉耦合中，通常认为K在接合区域之长度L上保持不变。模式干涉耦合波导之间的光学功率的传送定义为(忽略光学损耗的影响)
权利要求
1.一种光学设备，包括 基底上的光学装置； 外部传递光学波导，该外部传递光学波导包括一个光学接合区域；以及 传输光学波导，该传输光学波导包括一个光学接合区域， 其中 将所述光学装置和所述外部传递光学波导光学集成到所述基底上，以便在所述光学装置和所述外部传递光学波导之间传递光学功率； 在其光学接合区域配装所述传输光学波导或所述外部传递光学波导，以便在各自的光学接合区域在所述外部传递光学波导和所述传输光学波导之间横向传递光学功率； 把所述传输光学波导与所述基底、所述光学装置或所述外部传递光学波导组装在一起，以便定位各自的光学接合区域，从而在所述外部传递光学波导和所述传输光学波导之间横向传递光学功率； 所述传输光学波导或所述外部传递光学波导的光学接合区域被配装，以便在所述外部传递光学波导和所述传输光学波导之间实质绝热横向传递光学功率；以及 在所述光学接合区域内存在Λ β = O的位置点并且Λ β在所述接合区域两端的符号相反的条件下，所述传输光学波导和所述外部传递光学波导关于尺寸、材料、折射率和纵向梯度中的至少一项是不同的，其中Λβ表示所述传输光学波导和所述外部传递光学波导的传播常数之差。
2.根据权利要求I所述的设备，还包括 第二外部传递光学波导，第二外部传递光学波导包含一个光学接合区域；以及 第二传输光学波导，第二传输光学波导包含一个光学接合区域， 其特征在于 将光学装置和第二外部传递光学波导光学集成到基底上，以便在光学装置和第二外部传递光学波导之间传递光学功率； 第二传输光学波导或第二外部传递光学波导被配装在它的相应光学接合区域内，以便在各自的光学接合区域内在第二外部传递光学波导和第二传输光学波导之间横向传递光学功率；以及 把第二传输光学波导与基底、光学装置或第二外部传递光学波导组装在一起，以便定位各自的光学接合区域，从而在第二外部传递光学波导和第二传输光学波导之间横向传递光学功率。
3.根据权利要求I所述的设备，配装并相对定位光学装置或外部传递光学波导，以便利用以下方式在光学装置和外部传递光学波导之间传递光学功率a)终端传递；c)通过蚀刻装置端面的终端传递；d)横向传递；e)模式干涉耦合横向传递；h)实质绝热横向传递；或i)偏振相关横向传递。
4.根据权利要求I所述的设备，其中传输光学波导适合于a)与另一个传输光学波导进行横向传递山)与另一个传输光学波导进行终端传递；d)与光纤进行终端传递；e)与光纤进行实质空间模式匹配的终端传递；f)光学空间模式扩展；或0在多个分支波导之间分割光学功率。
5.根据权利要求I所述的设备，其中光学装置包括a)基于半导体的光学装置；c)激光器；d)调制器；e)光电探测器。
6.根据权利要求5所述的设备，其中配装外部传递光学波导或传输光学波导的至少一部分，以便提供光学装置的部分功能性，由此提供的功能性包括a)波长选择性；b)光学波导光栅结构；c)热光功能性；d)特定偏振的功能性；e)光学功率监控功能性；f)光电探测；g)光学功率监控；h)特定空间模式的功能性；或i)热补偿。
7.根据权利要求I所述的设备，其中配装传输光学波导或外部传递光学波导，从而当横向偏移至少与横向偏移公差相同时，将外部传递光学波导和传输光学波导之间的横向偏移光学功率传递损耗保持在O. 5dB以下，横向偏移公差为传输光学波导和外部传递光学波导之相应横向光模尺寸特性的±0. 5倍，±1. O倍或±1. 5倍之一。
8.根据权利要求I所述的设备，其中配装传输光学波导或外部传递光学波导，从而当横向偏移至少与横向偏移公差相同时，将外部传递光学波导和传输光学波导之间的横向偏移光学功率传递损耗保持在标称光学功率传递损耗程度的±0. 5dB内，横向偏移公差为传输光学波导和外部传递光学波导之相应横向光模尺寸特性的±0. 5倍，±1. O倍或±1. 5倍之一 O
全文摘要
光学装置包括在基底(1902)上制造的光学装置(1910)，在基底(1902)和/或光学装置上制造的外部传递光学波导(1930)，以及传输光学波导(1920)。配装并定位光学装置和/或外部传递波导，以便在它们之间传递光学功率(终端传递或横向传递)。外部传递波导和/或传输波导适合于在它们之间横向传递光学功率(模式干涉耦合或绝热)。传输波导最初是以与基底、设备和外部传递波导机械分离的部件的方式提供的。通过把传输波导与基底、设备和/或外部传递波导装配在一起，导致外部传递波导和传输波导的相对定位，以便在它们之间横向传递光学功率。从而能够通过外部传递波导在设备和传输波导之间传递光学功率。传输波导最好包括波导基底上的一个平面波导。
文档编号G02B6/30GK102621630SQ20121009235
公开日2012年8月1日 申请日期2002年6月28日 优先权日2001年10月30日
发明者乔尔·S·帕斯拉斯基, 亨利·A·布劳维特, 凯瑞·J·维赫拉, 戴维·W·维奴 申请人:Hoya美国公司