光学波导部件的制作方法

本发明涉及一种光学波导部件，该光学波导部件包括输出面，光线通过该输出面从该波导部件中射出。特别地，本发明涉及这样一种波导部件，即，该波导部件在该输出面为沿着该波导部件传输的光线提供低反射率。示例地，本发明在半导体激光元件与该波导部件相连接的情况下是有效的，特别是当光线通过调光器从该输出面输出时。

背景技术：

在很多半导体光学应用中，通过波导传输的光线需要通过一个输出面被射到例如空气、其他波导或者其他光传输介质。特别是在将半导体激光器的输出波导耦合至其他元件(例如，调制元件)，或者可能地，通过空气耦合至光导纤维的情况下。在这种状况下，一种重要的应用示例为激光发射机元件，例如，sfp+(enhancedsmallformfactorpluggable，增强型小封装可插拔式)元件。

上述的输出面通常会引起损耗和不需要的反射。这些反射通常会损害激光元件的性能特性。

为了缓解上述问题，可以使用各种各样的抗反射涂层。另外，也可以将波导以不与输出面垂直的方向设置，以保证一旦发生反射，反射光被引导而离开该波导。

然而，这种方法不足以提供充分的反射管理。例如，在一些情况下，在光学电路的输出光束的方向上会有几何限制，以使在芯片内部，波导只被允许与输出面法线(normal)保持适当的角度，在这种情况下，模态反射的相关联的降低可能是不足够的。上述情况较多地出现在具有强横向光限制的深度蚀刻的波导上，但即使是较弱的浅薄肋状波导也会发生上述情况。

另外，已经提出在输出面附近使用所谓的“窗口”区域。通过先对输出面附近的波导进行蚀刻，再利用透明材料填充被蚀刻掉的区域的方式形成该窗口区域。这允许光线在射入该输出面之前被水平地以及垂直地衍射，以此实现对模态平面反射率的降低。

上述窗口区域的生产需要单独的、附加的流程工序，并且可能会引起窗口内的模态(mode)振型(shape)失真，并进而导致近场和远场模式下的失真。这反而降低了与例如输出透镜队列或者输出光纤的耦合效率。

技术实现要素：

本发明用于解决上述问题。

因此，本发明涉及一种光学波导部件，该波导部件用于通过该波导部件的输出面传输光线，该波导部件包括：包含半导体衬底以及半导体光线传输的脊形部位的脊形波导，其中，该输出面被设置为与光线沿着该波导的主方向保持一定角度，以使沿着该主方向在波导中传输的光线朝着该输出面具有2°到14°的入射角度，并被朝向该脊形部位的第一侧壁反射，其中，该波导包括：mmi(multimodeinterferometer，多模式干涉仪)，用于在该输出面上大致生成输出影像。

附图说明

在下文中，将根据本发明的示例性实施例以及附图对本发明进行更详细地描述，其中：

图1a为根据本发明的第一优选的光学波导部件的俯视图；

图1b为上述第一部件沿着截面a-a的截面图；

图2a为根据本发明的第二优选的光学波导部件的俯视图；

图2b为上述第二部件沿着截面b-b的截面图；

图2c为上述第二部件沿着截面c-c的截面图；

图2d为根据本发明的替换的实施例的上述第二部件沿着截面c-c的截面图；

图3为根据本发明的第三优选的光学波导部件的俯视图；

图4为第一波导的截面图；

图5为第二波导的截面图；以及

图6为在光学电路中根据本发明的光学波导部件的俯视图。

所有附图中，相同或者相应的部件共享相同的参考数字。三位参考数字在不同附图中共享后两位数字，以表示相应的部件。一般来说，上述附图为简化的，且并非按比例的。

具体实施方式

本发明通常涉及在附图中以示例性的方式示出的光学波导部件100、200、300、400、500、600。该光学波导部件用于通过该波导部件的输出面30(虚线)传输光线。该光学波导部件通常还用于接收输入波导10中射出的光线，该光线沿着光线z的主方向传输，以及，将该入射光通过该输出面30并传输至输出波导20，这期间该光线可能会经过该输出面30与该输出波导20之间的大量空气、惰性气体、真空环境或者其他材料。具有代表性的是，通过该输出面30输出的光线通常被射出至空气21中，接着被传统的透镜队列(未在图中示出)所捕获，以聚集该光线并使其返回至其他半导体芯片、玻璃基的波导芯片或者光导纤维20中。特别地，优选的是，在光线从单片集成于调光器50的激光器40中被射出的情况下，将空气21填充于该输出面30与该波导20之间，特别是在该输出面30被设置在该调光器50在该主光线方向z上的后方(如下所述)的情况下。

在附图中，x轴为波导部件的脊形波导的横向方向，y轴同时垂直于x轴和z轴。对波导部件的蚀刻通常在y轴的负方向上被执行。

另外，该波导部件100、200、300、400、500、600包括脊形波导结构，该脊形波导结构包括：半导体衬底120、220、320、620，以及半导体光线传输的脊形部位。此处的脊形波导为通常意义上的脊形波导，并且该脊形波导可以使用，例如，传统的inp/ingaasp(磷化铟/磷砷化镓铟)基的半导体材料系统，在这里不再赘述。优选地，该脊形波导结构形成为单片集成结构，其也可以与其他光学元件集成(可能地，单片集成)，例如，与激光器40以及调光器50(如图6以及下文所示)集成。优选地，该脊形波导结构的脊形部位的宽度在1.5至6.0μm(微米)之间，优选为4.0至5.0μm之间。

该输出面30被设置为沿着输入波导10与光线z的主方向保持角度α，以致使沿着该主方向z在输入波导中传输的光线朝着该输出面具有2°到14°的入射角度。也就是说，附图中所示的角度α也在2°到14°之间。

由于该角度α的存在，该入射光线被朝向该脊形部位的第一侧壁101、201、301、401、501反射，该第一侧壁与反向的第二侧壁102、202、302、402、502相对。

根据本发明，该输入波导10包括mmi(多模式干涉仪)110、210、310、410、510、610，该mmi用于在该输出面30上大致生成输出影像。

因此，上述的以主方向z沿着该输入波导10，朝向该输出面30传输的光线，通过该mmi110、210、310、410、510、610，并最终被投影在该输出面30上。

该波导部件100、200、300、400、500、600在从该输出面30中并返回至该输入波导10的过程中提供极低的反射，该特征适用于如下文所详细描述的多种情况。事实上，发明人已经发现，相较于未设置mmi的情况，本发明将输出面的光能反射率降低了不只一个数量级，特别是在与传统的波导输出相比，与该输出波导40的耦合没有显著降低的情况下，特别是在优选的示例中，该输出波导为光导纤维，该光导纤维在主光线方向z上的前方为如上所述的透镜队列。

值得注意的是，为了使附图的表示更清晰，根据斯纳尔定律对附图进行了某种程度上的简化，由于每个输入半导体波导与输出面法线(normal)呈一定的角度，输出光线将被引向一个偏离该法线的角度。例如，当输出面与垂直于光线传播z的主方向的平面的夹角为8°时，在空气中，输出光线与该平面的夹角大约为26.4°。

设置有1x1mmi:s的测试系统的实验结果显示，除了该波导部件100、200、300、400、500、600的输出面反射率被极大地降低之外，在将光纤耦合功率与输出面上没有配置mmi的控制设备的耦合效率相比时，与输出光纤波导40的耦合效率并未检测到显著的下降。

本发明所提供的另一个有益效果在于，在制造该波导部件100、200、300、400、500、600时，只需修改现有的制造工序中的光刻掩模标准，即可获得上述的mmi110、210、310、410、510、610。或者说，不需要为了将本发明的结构引入现有的光学元件设计，而增加新的或者附加的制造工序。

该mmi能够滤除大部分沿着该主方向z正向或者反向通过mmi110、210、310、410、510、610的第一高阶模态的光线。因此，在输出面30上被反射的、具有第一高阶模态振型的光线在其回程过程中通过上述的mmi110、210、310、410、510、610并进入输入波导10时，从振幅上被大大减弱。该mmi也同样大体上过滤掉从该输出面30上反射出的、具有其他高阶横向模态振型的光线。因此，返回至该输入波导10的多余的反射光能量的总量通常被大大削减，特别是从偶对称高阶模态返回至基本模态下的输入波导的光线量仍然被进一步地削减。

根据一优选的实施例，将该输出面30设置为角度α，以致使从该输出面30上反射的光线的分布在大体上具有上述第一高阶模态的形态和相位分布，这会为基本模态下的输入波导提供非常小的干扰性的反射光能量，这不仅源于该第一阶模态与该输入波导的基本模态之间的正交性，还在于在经过上述mmi的过程中，由于mmi的过滤效应，被反射的第一阶模态的能量本身已经被削弱。

根据优选的实施例，该输出面30包括ar(antireflection，抗反射)涂层，该ar涂层为沿着传播z的主方向射入该输出面30的光线提供低反射率。

根据一示例性实施例，该输入波导10，优选地还包括在该输出面30之前、作为一个整体波导部件100、200、300、600，为强引导(guide)的。需要说明的是，上述的波导为“强引导的”，可以理解为，以波导的横截面的视角来看，通过该波导传输的光线的最大光强度至少在附图中所示的y方向上，落入波导的脊形部位内。如图4所示，最大光线强度区域413处于波导400的脊形部位411的导波层412内，该脊形部位包含侧壁401和402。相较之下，图5中示出“弱引导的”波导500，在该波导500中，最大光线强度区域513处于在y方向上低于被蚀刻的脊形部位511的导波层512中。

在一实施例中，波导部件100、200、300、600通常，例如，沿着输入波导10而不沿着该波导的可能的纵向部位223、323，为强引导的，该纵向部位位于具有如下文所述的光线射出开口的该输出面30附近。或者说，除了该mmi110、210、310、410、510、610所在的分段外，该波导部件可以为强引导的。

另外，优选地，如附图所示，该mmi110、210、310、410、510、610的输出端，例如可以是一个被切割(cleaved)的或者被蚀刻的平面，与该输出面30大体一致。优选地，该mmi的输出端与该输出面的位置，至少在z方向上，大体一致。更优选地，该mmi在输出面这一端不会在输出波导端口中变窄。

现代芯片切割设备能够达到的切割精度为±2μm。由此，该mmi110、210、310、410、510、610的性能，以及在该输出面30上或者极其靠近该输出面30的模态影像的形成，对于制造过程中的典型的平面切割位置的不确定性，大体上是不敏感的。

图1a-1b根据本发明示出了第一示例性的波导部件100设计，其中，mmi110被设置于该输出面30前方，理由如上所述。

图2a-2c以及图3示出了本发明的另外两个优选的示例，其中，如上所述的脊形波导由脊形部位的侧壁201、202、301、302上的半导体材料制成，该脊型部位的每一侧壁分别被向下蚀刻至特定的深度，由此，该波导部件200、300包括位于该输出面30的附近的纵向部位223、323，沿着上述脊形部位的第一侧壁201、301的第一侧壁部位221、321，相较于沿着z轴的主方向在该纵向部位223、323的前方的该波导部件200、300的主部位，例如该波导10和/或mmi210、310的其余部分，具有更弱的引导，其中，该第一侧壁部位221、321使得光线从波导中横向地射出该波导。

特别地，如附图所示，优选地，该第一侧壁部位221、321，相较于沿着上述主部位方向，沿着该脊形部位的第一侧壁201、301以及纵向部位223、323被刻蚀的深度更浅，或者，更优选地，未被蚀刻。

更优选地，该第一侧壁部位221、321，相较于对面的纵向部位223、323的第二侧壁部位224、324，沿着该脊形部位的第一侧壁部位221、321以及该纵向部位223、323，被蚀刻至较浅的深度，其中，该第二侧壁部位224、324为该第二侧壁102、202的子部件，这与该第一侧壁部位221、321和第一侧壁201、301之间的关系相一致。根据一优选的实施例，该第一侧壁部位221、321未被蚀刻，因此，该第一侧壁部位221、321与该脊形部位的顶部同高。上述情况在图2d中示出，也可以以图2c为替代，但是该图2c的其他部分所示出的结构与图2d相同。在一些实施例中，在该输出面30附近的第一侧壁部位221、321以及该第二侧壁部位224、324的侧壁可以为完全未被蚀刻的，以此保证切割平面的质量。

俯视图和截面图2a、2b、2c以及图3中示出了具有该脊形部位以及侧壁201、202、221、224、301、302、321、324的结构。在这些附图中，与该第一侧壁部位221、321横向相邻的区域，以及部位223、323之外的输入波导10以及mmi210、310的相同部位，被蚀刻为不同的(较浅的)深度；与第二侧壁部位224、324横向相邻的区域，以及输入波导10以及mmi210、310的相同部位，通常被蚀刻为相同的深度。然而，值得注意的是，不同的蚀刻深度被用于该波导部件的不同部位，只要与第一侧壁部位221、321横向相邻的区域比起与第二侧壁部位224、324横向相邻的区域被蚀刻为不同的深度(或者通过完全不蚀刻以实现该目的)，以此形成不对称蚀刻的纵向部位223、323。

因此，上述结构中，该第一侧壁部位221、321能够形成光线射出开口，使得光线能够在纵向部位223从波导横向地射出该波导。

换句话说，该mmi210、310侧壁部位221、321中靠近该输出面30的部位已经被移除并被重置为一个开口，以对从有角度的输出面30反射的光线的横向射出进行辅助。被移除的部位优选为足够短并且接近该mmi的射出端，以致使该mmi射出端生成的光学影像大体上不被位于该mmi侧壁部位221、321的开口所影响。

优选的，该第一侧壁部位221、321沿着纵向部位223、323被蚀刻的深度，如在波导横截面所看到的那样，不超出上述的最大光强度。或者说，最大光强度沿着y方向在未蚀刻的波导内部下降，该下降的情况是以被蚀刻地更浅的(或者完全未被蚀刻的)一侧为依据而出现的。

优选地，该纵向部位223、323大体上一直延伸至该输出面30。

图2b示出了沿着上述部位223的浅蚀刻部位的侧壁222(如同在图2b的横断面图中以图2a的左手侧的视角所看到的那样)。从图2b中可以清楚的看到，沿着第一侧壁部位221的蚀刻相较于沿着该第二侧壁224更浅。相应的情况在图3中示出，其中包含了侧壁322。如上所述，在一优选的实施例中，该脊形部位的该第一侧壁部位221、321沿着纵向部位223、323完全未被蚀刻，以致使该脊形部位横向地，大体上是沿着该部位223、323垂直于该主光线方向z，延伸至x，进而有效地将该第一侧壁部位221、321完全去除。在某些应用中，该实施例提供了较好的反射管理，以及较简单的制造工艺。

图2b中示出的该侧壁222大体上垂直于该主光线方向z，并且沿着横向的方向x(的负方向)延伸。然而，如图3中所示，该侧壁322可以以一个不垂直的角度向该主光线方向z延伸，特别是，如侧壁222延伸并远离该纵向部位323，沿着一个远离该输出面30的方向。

另外，在图2a中，该第一侧壁部位221为直线形式的。由于设计更为简单，该情况在很多应用中都是优先选项。然而，如图3中所示，根据一优选的实施例，该第一侧壁部位321不是直线形式的。特别地，沿着该纵向部位323的第一侧壁321与沿着波导上的该纵向部位323附近的纵向部位323b的第一侧壁321不共线。或者说，该第一侧壁321在其沿着该mmi310的线路上改变了方向。优选地，该第一侧壁321的成角度部分为直线形式的，但是，也可以有至少一部分是曲线，或者，可以包含不只一个指向不同方向的直线部分。优选地，该第一侧壁321大体上，与上述的不对称侧壁蚀刻一样，沿着同样的纵向部位323延伸，而该成角度部分可以，如z方向所示，延伸至稍微超出该不对称蚀刻部位，并远离该输出面30(如图3所示)。

根据一非常优选的实施例，该第一侧壁321，至少与上述成角度部分相同，被设置为与主光线方向z的夹角β为3-10°，优选为7-9°，以致使脊形部位沿着该部位、朝向该输出面横向且连续地拓宽。如图3所示，该第二侧壁324优选为直的，但也可以包含一个或多个成角度部分，特别是需要在该输出面30之前提供横向延伸的mmi310时。

上述的夹角β提供沿着该第一侧壁321的反射表面，该反射表面将被该输出面30反射的光线反射回该mmi310中，而后，该光线进入该输入波导10。相较于只在该输出面30上被反射的光线，上述的经过双重反射的光线能够提供一定程度上的相消干扰，进而减少来自该输出面30的干扰反射。

在特别优选的实施例中，结合光线朝向该输出面30的入射角度α对第一侧壁321沿着该纵向部位323的夹角β进行选择，如此，以使得在被该输出面30反射之后再被该第一侧壁321的成角度部分反射的光线与被该输出面30反射之后未被该第一侧壁321反射的光线之间发生上述的相消干扰。优选地，在给定某个角度α以及某个光线波长的情况下，选择能够提供最大的相消干扰夹角β，并且可能地，沿着该第一侧壁部位321的折射率对比度(indexcontrast)也适用于这种情况。

换句话说，在一更优选的实施例中，特定的固体材料，优选为半导体材料，被设置于该脊形部位附近，以致使沿着该纵向部位323的该第一侧壁部位321，通过该固体材料与脊部材料之间的过渡表面，被明确定义。在这种情况下，该固体材料与脊部材料之间的沿着纵向部位323的折射率对比度优选为不同于沿着该第一侧壁部位301的其余部分的相应的折射率对比度。

根据一优选的实施例，沿着该纵向部位323的该侧壁部位321的折射率对比度，与该夹角β一同被选择，以获取一个规定角度α以及某个光线波长，并进而提供上述类型的最大相消干扰。

为了优化对mmi反射侧壁321的角度以及沿着该壁反射的大小的选择，必须对该输出面30中形成的模态影像的尺寸进行考量。一个非常紧凑的影像对应于一个组成平面波的相对分散的光谱，而一个更大的模态影像对应于一个更平行的平面波放射光谱。就前者而言，更大比例的被反射的模态能量将被引回至该输入波导，而不被侧壁321反射，以致使需要相对较大的侧壁反射率来实现光线的侧壁反射部分与无侧壁反射部分之间的有效的相消干扰。反之，对于更大并且更加平行的光线影像来说，大部分反射光谱被指向部分反射的侧壁321，以致使在该侧壁上的较弱的反射，或者也许完全无反射(未蚀刻的该侧壁部位321)，成为该边界的适当的选择。关于对沿着该侧壁的这一段的反射振幅的选择，可以通过波导沿着侧壁321被蚀刻的深度，和/或折射率对比度的大小来选择。

蚀刻深度以及材料对比度也会影响侧壁部位321反射的相对的光相位。

优选地，该mmi110、210、310、410、510、610为1x1mmi。然而，尤其在某种更复杂的应用中，还可以使用具有不止一个输入端口和/或不止一个输出端口的mmi元件，只要保证光线在输出面位置的附近大体上成像，以使得反射和损耗最小化。使用多输出的mmi元件意味着将来自其中一个mmi输出端口的输出影像配置在该输出面30上。

在上述所有的示例性实施例中，相较于该第二侧壁部位224、324，该第一侧壁部位221、321被蚀刻的深度较浅，以此为该输出面30反射的光线提供射出路径。然而，可以意识到的是，在一些实施例中，沿着该第二侧壁部位224、324被实施的蚀刻也可以是较浅的(或者未蚀刻的)，或者该第二侧壁部位224、324可以以任何其他的方式被射置，只要能够保证，作为最终结果，该第一侧壁部位221、321的射出功能不被削弱。

另外，优选的，该输出面30上的输出影像大体上位于该波导横截面的中心。这使得通过该mmi110、210、310、410、510、610射入的光线在远离mmi波导侧壁的情况下射至该输出面30上，以此避免该波导侧壁上的可能的局部ar涂层厚度不均匀或者可能的由于切割诱发的非理想因素。

此外，上述的纵向部位223、323优选为沿着该波导部件的短部设置，并且紧靠着该输出面30，如此，上述输出影像大体上不会被该纵向部位223、323所影响。例如，当该mmi110、210、310、410、510、610在z方向上的长度大致为100μm，例如95.3μm时，具有上述不对称蚀刻特征的该纵向部位223、323在z方向上的长度优选为不超过20μm。优选地，该纵向部位223、323的长度最大为该mmi110、210、310、410、510、610在z方向上的总长度的25％，特别是当该mmi110、210、310、410、510、610为1x1mmi时。对于其他类型的mmi：s来说，对具有上述不对称蚀刻特性的该纵向部位223、323的长度的设置，优选为能够致使输出面上的生成影像与完全完整的mmi相比在大体上是不失真的，该影像优选为至少足够地不失真，以为后续的光学器件提供适当的光耦合。

图6示出一优选的设置，其中，该波导部件的波导被设置用于传输半导体激光器20射出的光线。图6还示出优选的情况，其中，该波导部件的波导被设置用于传输光学调光器40，例如mz(mach-zehnder，马赫-曾德尔)调光器，射出的光线。该半导体激光器40以及该光学调光器50可以单独或者同时被使用。当前低反射的波导部件100、200、300、400、500、600为对反射光线敏感的元件40、50提供了可观的操作条件。

上文提供了很多优选的实施例。然而，对于专业人士来说，在不背离本发明的基本思想的情况下，很多的改变可以被附加于上述实施例。

例如，在不对称蚀刻的设计、该侧壁部位221、321以及该侧壁222、322等方面，除了图2a-3中所示的那样，可以考虑多种不同的几何形态细节。该几何形态可以包括：包含各种角度和延伸的曲线或者直线部分，只要所选取的角度α和β都能够提供特定期望下的低反射率。

本发明所述的该波导部件的一种特别值得注意的应用为：sfp+元件的一个子部件，该sfp+元件包含半导体激光器，或者接收(feed)半导体激光器射出的光线，并且优选地，也包含用于调节上述激光器射出的光线的调光器，特别是，整体光学电路形式的该sfp+发射器依次包含上述激光器和调光器。

因此，本发明不是只限于上述实施例，而是在所附权利要求的范围内可变的。