弯曲光波导的制作方法
【技术领域】
[0001]一般来说，本发明涉及光学和光子学。特别是，但不是唯一地，本发明涉及HIC (高折射率对比度)光学多模波导和它们的弯曲。
【背景技术】
[0002]包括多模介电波导的光波导被设计用于在光波段中传输电磁波。光波导基本上是光导管，其通过适当选择芯和分别具有较高和较低折射率的外围包层材料的方式来配置，以将光限制在其中传输而不将其泄露至环境中。
[0003]光波导可以根据它们的几何形状(板(平面)或带形、筒形等)、模式结构(单模、多模)、折射率分布(阶跃或梯度折射率)、以及例如材料(玻璃、聚合物、半导体等)进行分类。光在芯/包层分界面的折射通常受到斯涅尔定律的约束。当光在所谓的临界角以上到达芯和包层材料之间的界面时，基于称为‘全内反射’(TIR)的现象其被完全反射回到芯材料。
[0004]就波光学而言，多模波导，正如其名字所暗示的，能够引导除主模式之外的几种模式的波，即，具有边界条件的麦克斯韦的方程的解的离散集。实际上，波导的芯尺寸越大，模式的数量就越多。由于例如更大的尺寸通常使得能够更粗糙地利用，使用更实惠的硬件和制造方法，所以多模波导和将光与波导连接的相关设备通常比单模的对应物更容易构建。然而，与单模解决方案相比，多模失真限制了多模波导的‘带宽X距离’的积。还使得密集集成大量波导组件(耦合器、滤波器等)的高级的波导电路的实现复杂化(或阻止实现)。因此，这样的电路通常利用单模波导实现，而多模波导主要用于点对点链路并且实现相对简单的波导电路。
[0005]多模波导也可以局部地用作单模波导电路的一部分。他们可以形成组件，如多模干涉(MMI)耦合器，其中多个模式被一时激发但光最终耦合回单模波导。它们也可以用于仅以基本模式传播光，但在这种情况下，光必须绝热地耦合在单模波导部和多模波导部之间以避免激发高阶模式。并且最后，当多模失真不再相关时，例如当将光耦合到大面积的光电检测器中时，多模波导可被放置在单模波导后面。
[0006]根据定义，除非发生某些扰动，如波导形状的改变，否则多模直波导的模式在不相互耦合的情况下不受扰动地传播。具体地，弯曲可以引起不同的模式之间的显著耦合，使得即使在弯曲之前在直部中仅激发基本模式，在弯曲的端部的直部中，通常也将激发高阶模式(HOM)。曲率1/R(弯曲半径R)越大，不需要耦合的程度越高并且，通常，显著激发的模式的数量也越多。
[0007]实际上，单模光子集成电路的一个基本设计规则规定任何弯曲的波导必须是单模，使得可以避免弯曲中的模式之间的不希望有的耦合和后续有害的模拍频和电辐射。为了集成的目的，弯曲半径通常尽可能地小，这需要使用HIC波导。此外，折射率对比度越高，波导应越小，以便确保单模条件。可以利用亚微米波导实现密集集成，但是他们造成许多另外的问题，包括偏振依赖性和光纤模式的低耦合效率。此外，为了可伸缩的生产，他们需要现有最先进的昂贵的制作工具以解决亚微米特征并且还对纳米尺度加工误差非常敏感。
[0008]作为参考，可以引进单模式肋形波导，其可以在绝缘体上硅(SOI)晶片之上围绕形成波导的未蚀刻的3.5 μπι宽的肋状物通过将最初4 μπι厚的Si层干蚀刻至约2 μπι的厚度来实现。虽然其大尺寸和高折射率对比度，但这个波导是单模的，因为高阶模远离沿着外围2 μπι厚的Si板的肋状物辐射功率。然而，当肋形波导弯曲时，板还使基本模式能够将功率辐射到板中。因此这样的肋形波导的最小弯曲半径是约4_。为了避免弯曲中的基本模式的辐射损耗，肋形波导可以被局部地转变为多模条形波导或者在弯曲周围可以局部增加刻蚀深度[参考文献:K.Solehmainen, T.Aalto, J.Dekker, M.Kapulainen, Μ.Harjanneand P.Heimala, ^Development of mult1-step processing in silicon-on-1nsulator foroptical waveguide applicat1ns'Journal of Optics A:Pure and Applied Optics, vol8，pp.S455-S460(2006)]。然而，在实践中，如果弯曲半径已相对于相应的低损耗肋形波导弯曲减少了 10倍或更多，那么会导致HOM的不可避免的激发。
[0009]缩小多模HIC波导的弯曲半径的目的可以通过匹配的弧形逼近来实现，这依赖于将圆形弯曲的长度与弯曲波导的基本模式和第一高阶模式(HOM)之间的拍长的整数倍相匹配，以保证尽管在弯曲部中传播的过程中已激发了 HOM的事实，但在弯曲的端部仅基本模式将被激发。然而，所获得的弯曲半径依然相当大，实际上，例如，比波导宽度大两个数量级，并且具体地，由于非常严格的公差要求，波导的制造具有挑战性。
【发明内容】
[0010]目标是至少减轻一个或多个前述的问题并且提供具有改善的急弯曲的光学多模HIC波导。
[0011]目标是通过在光学波段传输电磁福射的光学多模HIC波导的不同的实施方式来实现，该波导包括:导引芯部，具有较高折射率；以及包层部，具有显著较低的折射率，包层部被配置为在横向上至少部分地围绕光导引芯以便于将传播辐射限制在芯内，波导被配置为支持传播福射的多个光学模式，
[0012]其中所述芯和包层部之间的相对折射率对比度是约25 %或更高，并且波导包含具有弯曲曲率的弯曲波导段，该弯曲曲率被配置为至少逐渐，优选地，基本上连续地从段端部向着所述段的最大曲率增加。
[0013]弯曲段的最大曲率可以出现在段的端部或者它们的端部之间，如段长度的一半处。在后者的情况下，任意一个或两个端部可以与段的公共最小曲率相关联，或至少包括局部最小值。曲率可以从一个端部向着最大值增加并且远离最大值向着段的另一端部减少。尽管弯曲段被施加以改变波导的方向，但两个段端部可以基本上是直的。段端部可以彼此平行或不平行。在一些实施方式中，波导可以由弯曲段组成。可替换地，波导同样可以限定多个另外的段，其中每个段是直的或弯曲的。通常，几个弯曲段还可以接合在一起以构造更复杂的弯曲形状。例如，基本直的段可以接着一个或多个弯曲的段以及可选择进一步基本直的段。就福射传播而言，一个段端部可以称为光输入或者親入端，而另一个为光输出或親出端。
[0014]可以利用本发明的原理构造各种优化的弯曲形状，诸如‘U’弯曲或‘L’弯曲，或螺旋片段(spiral segment)形状。
[0015]在一个实施方式中，弯曲段包括相邻且基本邻接彼此的两个镜面对称的子段，最大曲率可选地实现在所述子段的边界处，即全部段长度的一半处。例如，可以相应地构造‘U’或‘L’弯曲。作为在设计各种弯曲形式中对称性的应用的另一个实例，可以构造双端螺旋形式的片段，其中对称点(中心)承载最小曲率(直的)。
[0016]在另一个或者补充的或者可替代的实施方式中，曲率基本随着弯曲长度线性地改变为从段端部的最小量向着中间最大值线性地增加。
[0017]在另一个或者补充的或者可替代的实施方式中，曲率的有效弯曲半径是波导宽度的数量级。随着曲率改变，最小半径更小。
[0018]仍然在另一个或者补充的或者可替代的实施方式中，芯部限定基本平面的芯层，并且包层部可选地进一步限定至少一个基本平面的相邻层。可替换地，芯部限定由包层在相对于辐射的预定传播方向(导引方向)的横向上围绕的筒形内部芯层。
[0019]仍然，在另一个或者补充的或者可替代的实施方式中，芯和包层之间的折射率(η)对比度Δη = (ncore_ncla)/ncla基本约是50%或更高，并且优选地，约100%或更高。
[0020]在另一个或者补充的或者可替代的实施方式中，波导是介电波导(介质波导，dielectric waveguide)，优选地，条形波导。优选地，芯包括介电材料。可替换的或另外的，包层可包括介电材料。
[0021]在另一个或者补充的或者可替代的实施方式中，芯部可以是或包括选自以下各项组成的组中的至少一种材料:半导体、S1、Ge、GaAs, InP, CdTe, ZnTe、氧化硅、Si3N4、Ti02、聚合物、以及金刚石。
[0022]在另一个或者补充的或者可替代的实施方式中，包层部分可以是或包括选自以下各项组成的组中的至少一种材料:空气、包含石英的玻璃、以及聚合物。
[0023]在另一个，或者补充的或者可替代的实施方式中，弯曲段限定匹配的弯曲(在下文中更详细地描述)。可替换地，其可以限定一般的、未匹配的弯曲。
[0024]在各种实施方式中，例如，所获得的波导可以基本在微米尺度或更小。
[0025]电子、光学、光电和/或光子装置可包括本文中提出的波导的实施方式。如集成光学电路的光学电路可包括本文中提出的波导的实施方式。如微环谐振器的微环元件可包括本文中提出的波导的实施方式。可选地多级级联MZI (马赫-曾德干涉仪)可包括本文中提出的波导的实施方式。可选地长的和低损耗的延迟线可包括本文中提出的波导的实施方式。同样丽I反射器(具有利用U弯曲连接的两个输出端的丽I耦合器)可包括本文中提出的波导的实