专利名称：利用波阵面的形成而实现的高效率阵列波导光栅路由器的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及光波导装置，更具体地说，本发明涉及具有小透镜方阵或非对称波导耦合器的诸如阵列波导光栅(AWG)路由器的AWG装置，但不仅限于此。
背景技术：
作为光复用器/解复用器(MUX/DEMUX)的阵列波导光栅(AWG)路由器是在密集波分复用(DWDM)网络中常用的装置。对于高信道数(例如多于16个信道)的MUX/DEMUX应用，AWG装置一般能以技术上和经济上令人满意的方式运行。
AWG装置一般包括一对星形耦合器(在输入端和输出端)和波导阵列。在传统的AWG设计中，由于平面光波回路(PLC)的标准制造技术的限制，使得难以形成无限尖锐的角/边，在波导之间就形成了缝隙。这些缝隙出现在星形耦合器的平板(slab)波导部分与波导阵列之间的界面处。这些缝隙的宽度由与特定的蚀刻和沉积/回流(re-flow)过程相关联的并受所述过程限制的最大纵横比(aspect ratio)决定。
当光波阵面通过所述界面传播时，所述缝隙将光波阵面功率的一部分散射到阵列波导之间的区域中。这使得一些传播的光波变得无法控制。在界面处的散射损耗是AWG装置的主要损耗之一。所述缝隙还增加在输出星形耦合器处的衍射损耗，其中更多的功率被传送到不需要的衍射级。
降低这些损耗的一种现有办法是，设计其中减小了在阵列波导之间的缝隙宽度的AWG装置。然而，为了制造这样的AWG装置，需要明显更好的蚀刻过程和更长的包层沉积/回流过程。这大大增加了生产成本。此外在传统的设计中，AWG装置的输出功率是不一致的(例如，外部的信道/波导有比中心的信道/波导更高的损耗)，因此，如果需要一致的输出，一般只能使用波导阵列的中心部分。这种信道/波导使用的低效率导致大的装置尺寸和更低的产量。
参考附图对本发明的非限制性且非穷尽性的实施例进行了描述，其中除非另有说明，相同的标号表示相同的部分。
图1是根据本发明实施例的阵列波导(AWG)装置的俯视图；图2是图1的AWG装置的截面图；图3是根据本发明另一实施例的AWG装置的俯视图；图4是根据本发明实施例的用于图3的AWG装置的一部分小透镜方阵的透视图。
具体实施例方式
在此描述阵列波导(AWG)装置的实施例。在以下的描述中给出了许多具体细节，以提供对本发明实施例的全面了解。但是，本领域技术人员应当认识到，可以在没有所述具体细节中的一个或多个的情况下，或者以其它方法、元件、材料等来实施本发明。在其它情况下，未详细示出或描述公知的结构、材料或操作，以免混淆本发明的各方面。
在整个本说明书中，提到“一个实施例”或“实施例”的意思是，所描述的与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。从而，在整个本说明书中的各个位置上出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不必都指相同的实施例。此外，所述的特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或多个实施例中。
另外，在附图中的本发明各实施例的图示并不一定要按比例绘制或绘制为精确的形状/轮廓。正如本领域技术人员可以理解的那样，各实施例的各个大小、形状、轮廓或其它特性可以随情况的变化而变化。诸如不同的设计、制造技术、材料等因素可以造成这样的变化。
作为概述，本发明的实施例通过使用插入阵列波导之间的非对称波导耦合器阵列来降低AWG路由器的界面损耗、衍射损耗和物理尺寸。非对称波导耦合器操作以将泄漏的光功率耦合回阵列波导。在本发明的另一实施例中，使用小透镜方阵来预先引导光波阵面的各部分。小透镜方阵包括与在阵列波导之间的缝隙对齐的小透镜列，使得光波阵面的各部分被导向阵列波导而非缝隙。
首先参考图1，在10处一般地示出了根据本发明实施例的AWG装置的俯视图。AWG装置10可以包括光路由器、复用器、解复用器等。AWG装置10包括多个由标准芯部材料制成的光波导13，将其排列成阵列12。光波导13之间的缝隙14以标准包层材料填充，并隔开光波导13。缝隙14延伸至界面区域16。星形耦合器18位于AWG装置10的输入端，星形耦合器18在界面区域16处与光波导13的阵列12相耦合。
根据本发明的实施例，多个插入元件位于界面区域1 6附近。在图1所示的实施例中，多个插入元件包括插入(或者以其它形式)在光波导13之间的缝隙14中的非对称波导耦合器20。可以将非对称波导耦合器20拉长，使得它们具有随着远离界面区域16而增加的横截面积(例如，其横截面积从窄变宽，并且因此波导耦合器20在形状上不对称)。
如图1所示，包层材料将波导耦合器20中的每一个与附近的光波导13隔开。AWG装置10的实施例还将波导耦合器20中的每一个与界面区域16隔开。之后将在下文描述这些间隔(在22处示出)的目的。
图2是图1的AWG装置10的横截面视图。为了图示的简单，在图2中未示出非对称波导耦合器20的锥形结构。光波导13和非对称波导耦合器20在它们侧面和顶部被上包层材料24覆盖，并且在它们底部被下包层材料26覆盖。下包层材料26形成于衬底28上。如图2所示，非对称波导耦合器20的使用增加了可以将光耦合到光波导的区域。
在实施例中，光波导13和非对称波导耦合器20可以具有大致类似矩形的形状或其它形状，所述形状是由用来形成它们的特定制造过程决定的。非对称波导耦合器20的末端可以是圆形，这也由用来形成它们的特定制造过程决定的。在实施例中，非对称波导耦合器20可以由与形成光波导13相同的制造过程来形成。即，沉积芯部材料，然后蚀刻选定区域以限定光波导13和非对称波导耦合器20。随后使用沉积/回流过程，以包层材料填充所蚀去的区域。
光波导13的示例宽度是6微米。非对称波导耦合器20可以在界面区域16附近具有4微米的宽度，并在远离界面区域16处具有7微米的宽度。在实施例中，非对称波导耦合器20可以全部具有基本相等的长度，例如200-300微米的长度。间隔22(以包层材料填充)的长度可以是10微米。特定的非对称波导耦合器20与附近的光波导13之间的距离可以在4微米和5微米之间。应当理解，这些尺寸是近似的，并且可以随AWG装置10的不同而变化。
在图1中，象征性地示出了非对称波导耦合器20减少界面损耗和衍射损耗的操作。空心箭头30表示导波，虚线箭头32表示耦合回的波，而实心箭头34表示散射波。通过参数(例如非对称波导耦合器20的长度、宽度和几何形状，以及间隔22的长度)的具体选择，将泄漏或散射的光功率从非对称波导耦合器20耦合回光波导13。
在操作中，光波阵面36通过星形耦合器18传播，并到达界面区域16，在那里光波阵面36被分成多个部分。一些部分以被导(guided)方式通过光波导13前进，而其它部分在界面区域16处散射，并传播进入间隔22中。然后这些散射部分从间隔22传播到非对称波导耦合器20，并且通过它们。
已知光信号通过材料的速度取决于该材料的折射率和该材料的宽度。当在光波导13和非对称波导耦合器20中传播光信号的速度相等时，耦合最强。从而，随着非对称波导耦合器20的宽度从窄变宽，在非对称波导耦合器20中传播的光信号的速度从与在光波导13中传播的光信号的速度非常不同变到在某个谐振点处两者速度相等。在谐振点处或谐振点附近耦合变得最强，并且就在谐振点附近在非对称波导耦合器20中传播的部分被耦合回光波导13。也可以这样选择(例如缩短)非对称波导耦合器20的长度，使得在谐振点后当速度又开始变得不等时，没有(或最小)逆耦合(从光波导13到非对称波导耦合器20)能发生。
间隔22的目的是为光波阵面36传播到光波导13中的部分和传播到非对称波导耦合器20中的部分提供不同的折射率。通过提供不同的折射率，光波阵面36的这些部分获得不同的初相。改变光信号之间的相对相位允许耦合的进一步优化以实现更大的能量传送，并且也降低逆耦合。
可以将类似于图1的星形耦合器18的另一星形耦合器与AWG装置10的输出端相耦合。在此输出星形耦合器处，非对称波导耦合器20修改每个光波导13的输出光场以降低衍射损耗。输出光谱也由于使用非对称波导耦合器20而变平，引起输出功率在每个信道中更加一致，这又引起更高的信道利用率。利用此特性，与传统AWG设计相比，AWG装置10的更小型设计(例如，大约为传统AWG设计的70％)可以实现相同或更好的性能。
除了降低在输入星形耦合器18处由在光波导13之间的大缝隙14造成的界面散射损耗，以及降低在输出星形耦合器处的衍射损耗之外，AWG装置10的实施例还可以使用更短并且更简单的制造过程来形成。这是因为由于可以用非对称波导耦合器20来“恢复”不然可能被散射浪费的光功率，缝隙14的宽度可以保持不变或变得更大。通过使AWG装置10更小但具有更高的信道利用率，可以降低生产成本并增加产量。
图3是根据本发明另一实施例的AWG装置40的俯视图。AWG装置40中的与图1的AWG装置10类似的元件有相同的标注。在AWG装置40的实施例中，位于界面区域16附近的多个插入元件包括位于输入端星形耦合器46的平板波导部分44中的小透镜方阵42。
小透镜方阵42包括与在阵列12中的光波导13之间的缝隙14对齐的小透镜列48。在实施例中，小透镜列48具有大致圆形的形状，并且可以由与缝隙14中所存在的相同的包层材料制成。也可以由与在填充缝隙14中使用的相同的沉积/回流过程来形成小透镜方阵42的小透镜列48。
图4是小(凹)透镜方阵42的实施例的一部分的透视图。如图4的象征性所示，可以将小透镜列48中的每一个蚀刻到平板波导部分44中，然后以包层材料填充。在实施例中，在小透镜列48之间的通道与光波导13的中心对齐。
利用参数的具体选择，例如曲率半径、宽度、位置、小透镜列48的数量和它们之间的距离，可以预先引导光波阵面36的各部分。小透镜列48的示例直径可以是4微米。小透镜列48之间的通道间距对应于光波导13的宽度，与缝隙14对齐的小透镜列48之间的间距可以是相隔10微米。应当理解，这些尺寸是近似的，并且可以随AWG装置40的不同而变化。
在实施例中，小透镜方阵42并不占据整个平板波导部分44。例如，小透镜方阵42可以包括位于界面区域16附近的10行小透镜列48，从而仅占据平板波导部分44的一部分。小透镜列48的折射率低于周围材料(例如，制成平板波导部分44的芯部材料)的折射率。此特征使得小透镜列48担当将光从它们发散出去的散焦透镜。
因此在操作中，小透镜方阵42的小透镜列48将光波阵面36的部分50预先引导向光波导13。即，在部分50到达界面区域16之前，部分50作为被小透镜列48导向光波导13的预先引导波52，通过小透镜方阵42传播。在图4中也示出了预先引导波52通过小透镜方阵42的传播。因为小透镜列48与缝隙14对齐，所以减少了光波阵面36中在界面区域16处进入缝隙14的部分一所述部分50被导向光波导13而非缝隙14。
根据实施例，可以将小透镜方阵42形成的“虚拟”波导的模式设计为与光波导13的阵列12的模式相匹配。此模式匹配降低或消除了插入损耗(insertion loss)。与图1-2的AWG装置10一样，图3的AWG装置40也可以包括可以与AWG装置40的输出端相耦合的另一星形耦合器。在此输出星形耦合器处，小透镜方阵42修改在每个光波导13处的输出光场以降低衍射损耗。输出光谱也由于使用小透镜方阵42而变平，引起输出功率在每个信道中更加一致，这又引起更高的信道利用率。利用此特性，与传统AWG设计相比，AWG装置40的更小型设计(例如，大约为传统AWG设计的50％)可以实现相同或更好的性能。
除了降低在输入星形耦合器46处由在光波导13之间的大缝隙14造成的界面散射损耗，以及降低在输出星形耦合器处的衍射损耗之外，AWG装置40的实施例还可以使用更短并且更简单的制造过程来形成。这是因为通过使用小透镜方阵42，缝隙14的宽度可以保持不变或变得更大。通过使AWG装置40更小但具有更高的信道利用率，可以降低生产成本并增加产量。
前面对本发明所示出的实施例的描述，包括在摘要中所描述的，并非要穷尽或将本发明限制为所公开的精确形式。正如本领域技术人员可以认识到的那样，虽然在此为说明性目的而描述了本发明的具体实施例和例子，但在本发明范围内，各种等同的修改都是可能的。
例如，虽然图3-4示出了基本圆形的小透镜列48，但也可以提供其它的实施例，其中小透镜列48具有不同的形状，例如椭圆或矩形。在另一实施例中，代替单个小透镜列48的使用或作为对其的补充，在小透镜方阵42中可以使用连续的条或断续的条来限定通道。
根据前面的详细描述，可以对本发明进行这些修改。在本发明的权利要求中所使用的术语不应被解释为将本发明限制为本说明书和本发明的权利要求中公开的特定实施例。相反，本发明的权利要求完全确定了本发明的范围，应根据已确立的权利要求解释原则来解释本发明的权利要求。
权利要求
1.一种装置，包括排列成阵列的多个光波导；在界面区域处与所述光波导阵列相耦合的星形耦合器；位于所述界面区域附近的多个插入元件，安置所述多个插入元件以将所述界面区域附近的光波阵面的各部分基本上引导为沿所述光波导传播。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述星形耦合器包括与所述光波导阵列的输入端相耦合的第一星形耦合器，并且所述界面区域包括在所述第一星形耦合器与所述输入端之间的第一界面区域，所述装置还包括在第二界面区域处与所述光波导阵列的输出端相耦合的第二星形耦合器。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述多个插入元件包括插入在所述光波导之间的缝隙中的波导耦合器。
4.如权利要求3所述的装置，其中所述波导耦合器包括具有随着远离所述界面区域而增加的横截面积的细长的非对称波导耦合器。
5.如权利要求3所述的装置，其中所述波导耦合器包括由与所述光波导的芯部类似的材料制成的波导耦合器。
6.如权利要求3所述的装置，其中将所述波导耦合器的末端与所述界面区域隔开。
7.如权利要求1所述的装置，其中所述多个插入元件包括位于所述星形耦合器的平板波导部分中的小透镜方阵。
8.如权利要求7所述的装置，其中所述小透镜方阵包括与在所述阵列中的所述光波导之间的缝隙对齐的列，以将所述光波阵面的各部分预先引导向所述光波导。
9.如权利要求7所述的装置，其中所述小透镜方阵的列由与在所述阵列中的所述光波导的芯部材料不同的包层材料制成。
10.一种装置，包括排列成阵列的多个光波导；在界面区域处与所述光波导阵列相耦合的耦合器；在所述耦合器中位于所述界面区域附近的小透镜方阵，所述小透镜方阵包括所安置的小透镜列以将光波阵面的各部分预先引导为向所述光波导传播。
11.如权利要求10所述的装置，其中所述耦合器包括星形耦合器。
12.如权利要求10所述的装置，其中所述小透镜方阵的所述小透镜列与在所述阵列中的所述光波导之间的缝隙对齐。
13.如权利要求10所述的装置，其中所述小透镜方阵的所述小透镜列由与在所述阵列中的所述光波导的芯部材料不同的包层材料制成。
14.一种装置，包括排列成阵列的多个光波导；在界面区域处与所述光波导阵列相耦合的耦合器；插入在所述光波导之间的缝隙中，并位于所述界面区域附近的多个波导耦合器，使所述多个波导耦合器成形为能将在所述界面区域附近散射的光波阵面部分耦合为通过所述光波导传播。
15.如权利要求14所述的装置，其中所述耦合器包括星形耦合器。
16.如权利要求14所述的装置，其中所述波导耦合器包括具有随着远离所述界面区域而增加的横截面积的细长的非对称波导耦合器。
17.如权利要求14所述的装置，其中所述波导耦合器包括由与所述光波导的芯部类似的材料制成的波导耦合器。
18.如权利要求14所述的装置，其中将所述波导耦合器的末端与所述界面区域隔开。
19.一种方法，包括在耦合器处接收光波阵面；以及在所述耦合器与光波导阵列之间的界面区域附近，在减少所述光波阵面在所述光波导之间的缝隙中传播的部分的同时，将所述光波阵面的各部分基本上引导为沿所述光波导传播。
20.如权利要求19所述的方法，其中将所述光波阵面的各部分基本上引导为沿所述光波导传播的步骤包括预先引导所述光波阵面，以在所述的各部分到达所述界面区域之前将所述光波阵面的各部分导向所述光波导。
21.如权利要求19所述的方法，其中将所述光波阵面的各部分基本上引导为沿所述光波导传播的步骤包括将在所述界面区域附近散射、并且最初在光波导耦合器中传播的所述光波阵面的部分耦合为通过所述光波导传播。
22.如权利要求21所述的方法，还包括给最初在所述光波导中传播、并且在所述光波导耦合器中传播的所述光波阵面的部分提供不同的初相。
23.如权利要求21所述的方法，还包括使所述波导耦合器成形为具有随着远离所述界面区域而增加的横截面。
24.如权利要求21所述的方法，其中将所述光波阵面部分耦合为通过所述光波导传播的步骤包括在所述波导耦合器的谐振点附近，将所述光波阵面部分耦合为通过所述光波导传播。
全文摘要
诸如阵列波导(AWG)路由器的AWG装置(10)的界面损耗、衍射损耗和物理尺寸通过使用插入到阵列波导(13)之间的非对称波导耦合器(20)阵列(12)而被降低。非对称波导耦合器(20)操作以将泄漏的光功率耦合回阵列波导(13)。还可以使用小透镜方阵来预先引导光波阵面的各部分。小透镜方阵包括与在阵列波导(13)之间的缝隙对齐的小透镜列，使得光波阵面的各部分被导向阵列波导(13)而非缝隙(14)。
文档编号G02B6/34GK1507573SQ02809379
公开日2004年6月23日 申请日期2002年5月10日 优先权日2001年5月18日
发明者德米特里·尼科诺夫, 容钟·田, 德米特里 尼科诺夫, 田 申请人:英特尔公司