專利名稱：與外部光場有低耦合損耗的集成光波導結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及平面型集成光波導，具體涉及有中至高折射率反差值的集成光波導。
背景技術：
低折射率反差值集成光波導(即，其特征是折射率反差值約小于1％的波導)傳統(tǒng)上用在有相對寬橫截面的集成光學器件中，因為這些波導支持的光模尺寸可以與標準光纖模式尺寸相當；因此，當集成波導耦合到光纖時，可以確保高的耦合效率(光纖與波導耦合效率)。事實上，當光纖與集成光波導對接耦合時，從一種光導向結構轉(zhuǎn)移到另一種光導向結構的光功率與這兩種光導向結構中每種光導向結構支持的光模重疊程度十分有關。這兩種光導向結構支持的模式之間重疊積分通常作為耦合效率的量度。
近年來，人們不斷要求增大的快速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移帶寬就需要有合適頻譜特性的低成本裝置；為此目的，已經(jīng)增大集成光學器件的集成規(guī)模。
利用中至高折射率反差值的集成波導，已經(jīng)實現(xiàn)很高的集成規(guī)模，其特征是折射率反差值是在高于1％至高達約40％的范圍內(nèi)，它與具體的應用有關。這些集成波導可以制成非常緊致的裝置，因為在不發(fā)生高損耗的條件下可以制作具有小至幾微米的小彎曲半徑波導模式。
通常，高折射率反差值集成波導是由半導體材料制成，例如，InGaAsP/InP和InGaAs/GaAs。半導體波導的特征是折射率差大于1×10-2(與此對比，在玻璃光纖中，折射率差通常小于5×10-3)。
然而，利用這種類型波導在該波導與光纖耦合時存在損耗的問題。事實上，為了確保在高折射率反差波導中的單模工作條件，該波導必須有很小的橫截面，這意味著有小的光場尺寸。波導中模式與其耦合的光纖中模式的尺寸比率可以非常低，因此，兩個導向結構支持的模式之間重疊積分可以下降到非常低的數(shù)值。
為了在許多感興趣的商業(yè)應用中利用高反差值波導，光纖-波導的耦合損耗需要減小到可接受的水平。
在文獻中已經(jīng)報告有關增大半導體波導中光纖-波導耦合效率的幾種方案。
具體地說，有人建議的幾個光斑尺寸轉(zhuǎn)換結構可用于適應(“轉(zhuǎn)換”)波導中的光斑尺寸成光纖中的光斑尺寸。大多數(shù)的這種結構實現(xiàn)沿橫向和縱向漸變型波導結構的組合多層，它設計成把波導場形狀轉(zhuǎn)變成光纖模式。這種結構的例子是在描述InGaAsP/InP波導的集成光束擴展轉(zhuǎn)換器的US Patent No.6,240,233中，G.Wenger et al描述用于InGaAsP/InP波導的光斑尺寸轉(zhuǎn)換器的技術手稿“Design andFabrication of Monolithic Optical Spot Size Transformer(MOST′s)for Highly Efficient Fiber-Chip Coupling”，IEEE Journal ofLightwave Technology，Vol.12，No.10，October 1994，pages1782-1790，和描述用于InGaAs/GaAs波導的漸變肋型波導-光纖耦合的US Patent No.6,229,947。在I.Moerman et al的技術手稿“AReview on Fabrication Technologies for the Monolithic Integration ofTapers with III-V Semiconductor Devices”，IEEE Journal of SelectedTopics In Quantum Electronics，Vol.3，No.6，December 1997，pages1308-1320中給出關于半導體波導模式尺寸轉(zhuǎn)換器的綜述。
集成這些已知的模式尺寸轉(zhuǎn)換結構是很難的，除了制造集成光學器件和波導通常所要求的步驟之外，還需要許多其他的制造步驟。具體地說，上述二維(即，沿縱向和橫向)漸變型光斑尺寸轉(zhuǎn)換器結構使制造過程變得非常復雜。
用于制造有低至高折射率反差值集成光波導的新穎和有前景技術取決于使用氧氮化硅(SiON)。最近以來，在各種集成光學器件中不斷增多地使用SiON；使用這種材料主要原因是它具有優(yōu)良的光學性質(zhì)，例如，在可見和近紅外波長范圍內(nèi)有低的吸收損耗。此外，可以在1.45(SiO2的折射率)與2.0(Si3N4的折射率)之間很大的范圍內(nèi)容易地調(diào)整SiON的折射率。這意味著，可以實現(xiàn)從相對低至非常高折射率反差值范圍內(nèi)的平面型集成波導，它滿足對于高集成密度光學元件不斷增長的要求。
有人建議復雜的縱向和橫向漸變結構用作高折射率反差值SiON波導，它類似于半導體波導結構，例如，R.M.de Ridder et al.的技術文獻“A Spot-Size Transformer for Fiber-Chip Coupling in SensorApplication at 633nm in Silicon Oxynitride”，Proceedings LEOS′95，Vol.2，1995，pages 86-87，描述在SiO2波導上設計SiON的模式尺寸適配器，其折射率反差值等于0.24(其百分數(shù)約為16％)，它是由沿橫向錐形SiON波導構成，它的厚度是逐漸縮減到錐形點，其剩余寬度可以達到0.5μm。
此外，在這種情況下，沿縱向和橫向的逐漸縮減使得制造過程復雜化。
為了簡化制造過程，就需要平面型光斑尺寸轉(zhuǎn)換器結構。
有人建議采用周期性或準周期性或非周期性分段波導的平面型光斑尺寸轉(zhuǎn)換器，例如，在M.M.Spuehler et al.的技術文獻“A VeryShort Planar Silica Spot-Size Converter Using a NonperiodicSegmented Waveguide”，IEEE Journal of Lightwave Technology，Vol.16，No.9，September 1998，pages 1680-1685中公開，它描述在SiO2/SiON材料系統(tǒng)中設計和實現(xiàn)平面型光斑尺寸轉(zhuǎn)換器結構。
本申請人觀察到，這些結構僅能利用復雜的發(fā)展優(yōu)化過程進行設計，并要求極其精確的技術。
在文獻中報告的另一些用于耦合集成波導與光纖技術是利用透鏡或錐形光纖。例如，技術文獻T.Paatzsch et al的“Very low-losspassive fiber-to-chip coupling with tapered fibers”，Applied Optics，Vol.36，No.21，20 July 1997，pages 5129-5133，描述在利用嵌入在導向結構中錐形光纖基礎上的漸變型光纖-芯片耦合。
本申請人觀察到，這些解決方案在工業(yè)應用中很難付諸實施。
較簡單的平面型光斑尺寸轉(zhuǎn)換器是由僅僅沿橫向錐形波導構成，橫向?qū)挾瓤赡苁前凑諆?yōu)化外形沿其過渡部分變化，在它與光纖的連接側面上達到最佳值，為了使光纖-波導耦合中的重疊積分最大化。實質(zhì)上，簡單的沿橫向錐形波導模式轉(zhuǎn)換器是基于這樣的事實，當波導寬度減小到給定值以下時，該波導支持的模式寬度就增大；因此，使朝向連接側面的波導逐漸變窄直至波導模式尺寸可以與光纖模式尺寸相當，就可以實現(xiàn)高的光纖與波導耦合效率，與此同時保持單模運行。
已經(jīng)證明，這些結構能夠使InP/InGaAsP埋入式波導實現(xiàn)高的光纖與芯片耦合效率。例如，在Kasaya et al的技術文獻“A SimpleLaterally Tapered Waveguide for Low-Loss Coupling to Single-ModeFibers”中，IEEE Photonic Technology Letters，Vol.5，No.3，March1993，pages 345-347，報告利用簡單的InP/InGaAsP錐形波導實現(xiàn)低損耗耦合，該波導是由InP基片上沿橫向錐形InGaAsP導向?qū)雍虸nP包層區(qū)構成。Mitomi et al的技術文獻“Design of a Single-ModeTapered Waveguide for Low-Loss Chip-to-Fiber Coupling”，IEEEJournal of Quantum Electronics，Vol.30，No.8，August 1994，pages1787-1793，描述用于設計非線性錐形InP/InGaAsP波導的過程。
已經(jīng)得到關于SiON埋入式波導的類似結果，如在K.Woerhoff etal的技術文獻“Design，Tolerance Analysis，and Fabrication of SiliconOxynitride Based Planar Optical Waveguide for CommunicationDevices”中所報告的，IEEE Journal of Lightwave Technology，Vol.17，No.8，August 1999，pages 1401-1407。
在UK Patent Application No.GB 2345980中描述肋式集成波導結構的優(yōu)點，并描述有上光肋波導和下光肋波導的模式形狀轉(zhuǎn)換器，它包含基片，涂敷到基片上的下包層，下肋波導，芯，上肋波導和上包層。下肋波導確定僅在耦合區(qū)和轉(zhuǎn)換區(qū)中部分存在的階梯圖形。
在半導體基集成光學器件技術中，采用錐形波導與其他結構的組合，例如，在European Patent Application No.EP 1245971 A2中所描述的，該專利申請描述沿橫向延伸到錐形肋式波導的橫向肋限制波導裝置。
在不同于實現(xiàn)光纖與集成波導耦合結構的應用中也采用錐形波導；例如，International patent Application No.WO 02/42808A2描述利用錐形波導用于形成光波導多模與單模轉(zhuǎn)換器，用于連接有多模輸出的激光器到單模光纖，模式轉(zhuǎn)換器有利用SiON制成的高折射率芯層，其周圍是較低折射率包層。芯層包含寬輸入波導部分，用于接收包含基模的多模光輸出。輸入波導部分耦合到窄的輸出波導部分，其中錐形區(qū)有逐漸縮減的長度，它能夠從寬輸入波導部分中絕熱轉(zhuǎn)移多模光的基模到輸出波導部分，與此同時抑制(剝離)其他的模式。窄的輸出波導部分支持包含基模的單模光輸出。輸入波導部分和錐形區(qū)包括在芯層上有脊的脊形波導，其中脊的寬度在錐形區(qū)中逐漸縮減。在終止于端面上的輸出波導部分，氮化硅芯的橫向邊緣被刻蝕通過以形成真正的折射率導向結構。
本申請人觀察到，一般地說，在設計集成光學元件時，集成波導特征必須滿足幾個要求例如，波導幾何尺寸通常必須確保單模運行，必須選取這樣的折射率反差值，可以使彎頭中的輻射損耗最小化，并有高的集成密度，借助于形成雙折射或其他方法補償材料的雙折射。此外，在處理高折射率反差值波導時，需要想出解決光纖-波導耦合損耗問題的合適方案，為的是確保損耗是在可接受的低水平上。為了在制造過程中滿足所有這些要求。
現(xiàn)有技術中已知的錐形波導模式適配器或者是制造太復雜或者是很難優(yōu)化設計，或在簡單的沿橫向逐漸縮減的埋入式波導情況下，僅僅優(yōu)化光纖與芯片耦合效率(即，注意力主要集中在埋入式波導的終端寬度和過渡區(qū)的形狀)，沒有考慮需要滿足的其他光路要求。
鑒于以上概述的現(xiàn)有技術狀態(tài)，本發(fā)明的目的是提供一種有簡單平面型模式尺寸轉(zhuǎn)換器的集成波導結構，用于耦合集成波導與光纖，更一般地是外部光場。
具體地說，回顧現(xiàn)有技術，本申請人觀察到脊型或肋型集成波導優(yōu)于其他的集成波導結構，例如，埋入式波導，因為脊型或肋型波導可以給集成光學器件設計者提供較高的靈活性。利用肋型波導，從與外部光場耦合效率的觀點考慮，例如，集成光學器件與光纖的耦合效率，以及從其他波導光路要求的觀點考慮，設計優(yōu)化的集成波導較容易。
更詳細地說，本申請人已經(jīng)知道，在處理中至高折射率結構時，即，折射率反差值是在約1％至約40％范圍內(nèi)的結構，最好是在約1％至約20％范圍內(nèi)的結構，肋型波導結構優(yōu)于其他的集成波導結構，原因是存在平板可以給設計者提供更大的自由度，且更容易實現(xiàn)不同要求之間有利的折衷。例如，利用平板高度能使材料雙折射補償有利于偏振不靈敏運行。此外，厚的平板允許方向耦合器中較高的耦合系數(shù)和較寬的間隙，它有利于在技術過程中有較高的容差；另一方面，過大的平板高度造成波導的小半徑彎頭有高的輻射損耗；平板厚度也影響與光纖的耦合效率和單模運行。不同的物理和幾何參數(shù)(折射率反差值，波導尺寸，平板高度)可用于滿足一組不同的要求集成密度，彎曲輻射損耗，單模條件，模式尺寸等。

發(fā)明內(nèi)容
按照本發(fā)明的第一方面，提供一種按照權利要求1限定的集成光波導結構。
總之，該集成光波導結構包括用于引導光場的波導芯，波導芯形成在下包層上；波導芯包括與下包層基本共同延伸并有基本均勻厚度的波導芯層，和有基本均勻高度的波導芯肋，波導芯肋是從波導芯層表面突出，該表面與面向下包層的表面相對，波導芯肋的外形確定導向光場的路徑。
在本發(fā)明中，基本共同延伸的意思是，波導芯層有充分寬的表面延伸，因此，波導芯層中的光場在波導芯層邊界鄰近基本上等于零。例如，波導芯層的尺寸至少是本地光場在1/e處最大寬度的兩倍。換句話說，波導芯層的表面延伸是這樣的，它基本不影響光的橫向限制，光的橫向限制僅由波導芯肋確定。
該集成光波導結構包括光路波導部分，其中波導芯層有適合于引導光場通過光路的第一寬度，和至少一個適合于耦合光路波導部分到外部光場的耦合波導部分。
耦合波導部分包括有第二寬度并終止在側面上的終端波導芯肋部分，第二寬度小于第一寬度，和過渡波導芯肋部分，它與光路波導部分的波導芯肋和終端波導芯肋部分互相光路連接。過渡波導芯肋部分是沿橫向逐漸縮減，使其寬度從第一寬度減小到第二寬度。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，按照這樣方法選取第二寬度與第一寬度之比率和波導芯層的高度與波導芯的總體高度之比率，可以確保在外部光場與集成波導耦合時產(chǎn)生的耦合損耗是在預定值以下。
具體地說，按照這樣方法至少選取第一寬度值，波導芯的總體高度值和波導芯層的高度值中的一個數(shù)值，使它符合對與光路有關的光路波導部分的要求；按照這樣方法至少選取第二寬度值和波導芯層的高度值中的一個數(shù)值，在集成波導與有第一光場尺寸的外部光場耦合時可以實現(xiàn)預定的效率。
光路波導部分可以設計成支持有第二光場尺寸的光場，其中第二光場尺寸等于或小于第一光場尺寸；耦合波導部分完成用于第二光場尺寸與第一光場尺寸適應的光場尺寸適應。
在本發(fā)明的實施例中，光路波導部分設計成支持單模光場。然而，這不是嚴格必需的，因為終端波導芯肋部分的受限寬度可以確保在光路波導部分中的單模激勵。
最好是，按照這樣方法設計集成光路波導，使第一光場尺寸與第二光場尺寸之比率是在約1至約3的范圍內(nèi)。
下包層有第一折射率，波導芯有第二折射率，和覆蓋波導芯的上包層有第三折射率；在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，第一折射率，第二折射率和第三折射率是這樣的，波導芯與下包層和上包層之間的折射率反差值是在約1％至約20％的范圍內(nèi)，更好的是在約5％至約7％的范圍內(nèi)。
有利的是，波導芯是由氧氮化硅(SiON)制成；下包層是由二氧化硅制成；上包層是由二氧化硅或氣體制成，例如，空氣。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，過渡波導芯肋部分長度的選取與于第一寬度與第二寬度之比率有關。具體地說，選取的這種長度至少等于由公式(1-W/W0)×500給出的最小長度，長度的單位是微米。
最好是，選取的終端波導芯肋部分長度是在分割小片過程中考慮到技術容差的最短可能長度，其中光波導結構是從相同晶片形成的其他小片中集成。具體地說，在所述最小長度和過渡波導芯肋部分長度的基礎上，可以確定終端波導芯肋部分的長度。最好是，選取終端波導芯肋部分的長度近似地等于由公式Ltecexp((-L/Lmin)2)給出的數(shù)值，長度的單位是微米，其中Ltec示與所述技術容差有關的長度，和Lmin是所述最小長度。
按照本發(fā)明的第二方面，提供一種按照權利要求16中限定的耦合外部光場到集成光波導的方法，該集成光波導包括用于引導光場并形成在下包層上的波導芯，其中波導芯包括波導芯層，它與下包層基本共同延伸并有基本均勻的厚度，和有基本均勻高度的波導芯肋，波導芯肋是從波導芯層表面突出，該表面與面向下包層的表面相對，波導芯肋的外形確定導向光場的路徑。
該耦合方法包括至少提供一個耦合波導部分，它設計成耦合外部光場到光路波導部分，其中波導芯肋有第一寬度。
耦合波導部分包括有第二寬度并終止在側面上的終端波導芯肋部分，第二寬度小于第一寬度，和過渡波導芯肋部分，它與光路波導部分中的波導芯肋和終端波導芯肋部分互相光路連接。過渡波導芯肋部分是沿橫向逐漸縮減，使其寬度從第一寬度減小到第二寬度。
在本發(fā)明的實施例中，按照這樣方法選取第二寬度與第一寬度之比率，和波導芯層的高度與波導芯的總體高度之比率，它可以確保在外部光場與集成波導耦合時產(chǎn)生的耦合損耗是在預定值以下。
具體地說，按照這樣方法至少選取第一寬度值，波導芯的總體高度值和波導芯層的高度值中一個數(shù)值，它符合對與光路有關的光路波導部分的要求；按照這樣方法至少選取第二寬度值和波導芯層高度值中的一個數(shù)值，在有第一光場尺寸的外部光場與集成波導耦合時可以實現(xiàn)預定的效率。
按照本發(fā)明的第三方面，提供一種用于制造集成光波導結構的方法，該方法包括在基片上制成下包層；在下包層上制成波導芯，其中所述制成波導芯包括制成與下包層基本共同延伸并有基本均勻厚度的波導芯層，和制成波導芯肋，波導芯肋是從波導芯層的表面突出，該表面與面向下包層的表面相對，所述波導芯肋有基本均勻的高度，波導芯肋的外形確定導向光場的路徑。
所述制成波導芯肋還包括至少制成一個耦合波導部分，它設計成耦合外部光場到光路波導部分，其中波導芯肋有第一寬度。所述至少制成一個耦合波導部分還包括制成有第二寬度并終止在側面上的終端波導芯肋部分，第二寬度小于第一寬度，和制成過渡波導芯肋部分，它與光路波導部分中的波導芯肋和終端波導芯肋部分互相光路連接，所述過渡波導芯肋部分是沿橫向逐漸縮減，使其寬度從第一寬度減小到第二寬度。
在本發(fā)明的實施例中，所述制成波導芯包括在下包層上制成材料層，和有選擇地去除材料層以限定波導芯層和波導芯肋。
有利的是，制成終端部分和過渡部分與所述制成波導芯肋可以同時進行。


根據(jù)以下參照附圖對典型實施例的詳細描述，本發(fā)明的特征和優(yōu)點是顯而易見的，其中圖1是按照本發(fā)明實施例的平面型集成光波導示意圖；圖2是兩個圓形高斯光場之間耦合效率(沿縱軸)作為在1/e處光場直徑比率(沿橫軸，對數(shù)比例)函數(shù)的變化曲線圖，其中一個光場是在光纖中，而另一個光場是在集成光波導中；圖3是圖1所示波導支持的光模在1/e處的寬度和高度(沿縱軸)作為波導寬度(沿橫軸)函數(shù)的曲線圖；圖4A，4B和4C表示按照本發(fā)明實施例模擬圖1中波導的波導-光纖耦合損耗作為波導芯層高度與總體波導芯高度之比率(t/h，沿縱軸)和波導終端寬度與波導光路部分寬度之比率(W/W0，沿橫軸)函數(shù)的等值曲線圖，其中有三個不同的折射率反差值，和固定的光纖-波導模式尺寸比率；圖5A是類似于圖4A，4B和4C所示的曲線圖，它表示根據(jù)圖4A，4B和4C的曲線圖中耦合損耗值計算的平均耦合損耗等值曲線圖；圖5B是類似于圖4A，4B和4C所示的曲線圖，它表示根據(jù)圖5A中給出的平均耦合損耗的耦合損耗標準偏差；圖6A至6C表示類似于圖4A，4B和4C的耦合損耗等值曲線圖，它模擬圖1中波導的兩個不同光纖-波導模式尺寸，和固定的折射率反差值，該反差值等于圖4B中的反差值；圖7A和7B是測量耦合效率(沿縱軸，dB比率)分別作為沿水平軸和垂直軸的光纖-波導未對準(沿橫軸，單位為μm)函數(shù)的曲線圖；和圖8表示典型集成光學器件的示意圖，其中利用按照本發(fā)明實施例的波導結構。
具體實施例方式
在不同的附圖中，相同的參考數(shù)字用于識別相同或相當?shù)牟考４送?，應當指出，這些附圖不必按照比例畫出，強調(diào)的是清楚地說明本發(fā)明的原理。
參照圖1，圖1是按照本發(fā)明實施例的平面型集成光波導結構示意圖。更精確地說，在圖1中僅僅展示波導101中的一小部分，即，與波導101邊緣或終端103鄰近的波導部分，該部分可以耦合到光纖105(更一般地說，導向或非導向的外部光場)。
波導101被集成在芯片107中，其中還可以集成一個或多個光學元件(圖1中未畫出)。芯片107包含基片109，例如，硅晶片小片。在基片109上形成下包層111；下包層的折射率是nlc；例如，下包層是由SiO2制成(nlc＝1.45)，利用化學蒸汽沉積(CVD)制成下包層，具體地說是等離子增強CVD(PECVD)，而它的厚度為幾個微米。
在下包層111上形成折射率為ncore的波導芯113。例如，波導芯113是由氧氮化硅(SiON)制成，其折射率ncore是在約1.45至約2的范圍內(nèi)，它是通過沉積SiON層到下包層111上制成，例如，利用CVD，具體是PECVD。然后，借助于常規(guī)的光刻技術，在此之后是蝕刻步驟，例如，利用活性離子蝕刻形成有圖形的沉積SiON層，為的是在整個小片上形成有基本均勻高度t的芯基片層(術語是平板)113a，在芯基片層113a上形成高度(h-t)的芯脊或芯肋113b，其中h表示波導芯113的總體高度。
如果需要，在下包層111與波導芯113之間可以形成雙折射補償層(圖1中未畫出)；例如，可以利用低壓CVD(LPCVD)方法形成由氮化硅(Si3N4)制成雙折射補償層。
折射率為nuc的上包層115覆蓋波導芯113。上包層115可以是材料層，例如，由類似于下包層111的SiO2制成(在此情況下，上包層的折射率nuc與下包層的折射率nlc相同)?；蛘撸习鼘涌梢杂煽諝?折射率nuc等于1)形成，或其他的流體或氣體。
如在圖1中詳細畫出的，光場121傳播通過波導101，它被波導芯113引導或基本限制在波導芯113內(nèi)。具體地說，波導芯肋113b從上部或沿橫向限制光場121，而它的輪廓圖形確定平行于芯基片層113a的平面上光場路徑。
波導芯肋113b在整個小片上有基本均勻的高度(h-t)。波導芯肋113b在芯片107的不同區(qū)域內(nèi)有變化的寬度。具體地說，波導芯肋113b有很大長度的光路波導芯肋部分117a，它是與芯片107中集成的光學器件相互作用的部分波導；光路波導芯肋部分117a有第一寬度(光路波導寬度)W0。在波導終端103鄰近，沿橫向逐漸縮減的過渡波導芯肋部分117b有長度L和變化寬度，它連接光路波導部分117a到長度為Ltip和有第二寬度(終端波導寬度)W的終端波導芯肋部分117c，第二寬度W小于光路波導寬度W0。在與過渡部分117b的相對方向，終端波導芯肋部分117c終止在側面119上(通常是，但不局限于，側面與芯片周界面重合)；更一般地說，它是有層113的空間中區(qū)域與沒有層113的空間中相鄰區(qū)域之間界面，例如，對應于在芯片區(qū)域中形成的槽)，波導101通過該側面可以與外部光場接觸，例如，通過光纖105傳輸光場，或可以發(fā)射光輻射。
在波導終端103鄰近的波導芯肋113b寬度減小產(chǎn)生模式光斑尺寸的轉(zhuǎn)換結構，它擴展波導支持的光模變成與外部光場尺寸相當?shù)某叽纾唧w是與光纖支持光模尺寸相當?shù)某叽?。在光路波導芯肋部?17a，波導芯肋可以有較大的寬度；例如，在本發(fā)明的實施例中，光路波導芯肋部分117a的寬度可以是仍然確保單模工作條件的最大寬度。
在集成光波導101中，至少對于基本光模，光路波導部分有很強的引導作用，而有減小芯肋寬度的終端波導對基本光模有很弱的引導作用。
沿橫向逐漸縮減的過渡波導芯肋部分117b的外形和長度L是這樣選取的，可以避免較窄終端波導芯肋部分117c與較寬光路波導芯肋部分117a之間突變的過渡。
具體地說，按照任何已知的設計步驟，例如，在已引用O.Mitomiet al的技術手稿“Design of a Single-Mode Tapered Waveguide forLow-Loss Chip-to-Fiber Coupling”，IEEE Journal of QuantumElectronics，Vol.30，No.8，August 1994，pages 1787-1793中所描述的設計步驟，可以確定沿橫向逐漸縮減的過渡波導芯肋部分117b的長度L和外形，全文合并在此供參考。
圖1中描繪的平面型集成波導結構給集成光學器件設計者在設計集成波導方面提供很大的靈活性，這種集成波導滿足光路波導特性以及與光纖耦合效率的要求。具體地說，雖然可以按照這樣方法選取波導芯113的總體高度h，平板113a的高度t和光路波導芯肋部分117a的寬度W0中的一個或多個數(shù)值，為的是滿足波導的光路要求，即，波導與芯片107中集成的光學器件相互作用的要求，設計者仍然可以自由地確定平板113a的高度t和終端波導寬度W中的至少一個數(shù)值，為的是優(yōu)化波導與有給定平均模式直徑的選取光纖之間耦合效率。
換句話說，采用肋式波導結構，即，波導芯包含均勻厚度的芯基片層或平板113a，和芯肋113b的波導結構，就能夠設計和制造優(yōu)化光路要求的波導，并借助于簡單的沿橫向逐漸縮減模式光斑尺寸轉(zhuǎn)換結構，還可以優(yōu)化與外部光場的耦合效率。
以下，我們描述圖1所示按照本發(fā)明實施例用于制成集成波導結構的步驟。
首先，為了評價集成波導與外部光場之間的耦合效率η，例如，光纖105引導的光場，按照以下公式確定這兩種引導結構支持的模式之間重疊積分η=[∫ef(x,y)ewg(x,y)dxdy]2∫ef2(x,y)dxdy∫ewg2(x,y)dxdy]]>其中ef(x，y)和ewg(x，y)分別表示光纖中和集成波導中的橫向光場分布。我們考慮兩個圓形高斯分布的情況，它們在1/e處的光場寬度等于Sf和Swg，則耦合效率有以下較簡單的表達式η=(2SwgSfSwg2+Sf2)2]]>在圖2中，它表示耦合效率η(沿縱坐標)作為比率Sf/Swg(沿橫坐標，對數(shù)比率)函數(shù)的曲線圖。
集成波導101的折射率反差值Δ定義為Δ=2ncore-nlc-nucnlc+nuc]]>折射率反差值Δ取決于折射率ncore，nlc和nuc；在下包層和上包層都是由SiO2制成的典型情況下，SiON波導芯折射率等于1.4645，對應的折射率反差值Δ約為1％；若SiON波導芯折射率等于2，則折射率反差值Δ約為40％。
一般地說，有肋寬度W0，高度h和平板高度t的肋型波導支持的模式是，在1/e處的垂直尺寸為Svwg，在1/e處的水平尺寸為Shwg，和平均模式尺寸Swg等于Swg＝(Svwg+Shwg)/2我們還假設與波導耦合的光纖平均光斑尺寸在1/e處為SfSf＝KSwg其中K＝Sf/Swg是兩個光場尺寸的比率，和K≥1。
根據(jù)圖2中的曲線，我們可以知道，若光場尺寸比率K不同于1，則耦合效率快速地下降到很低的數(shù)值。例如，當平均光斑尺寸Sf約為10μm的標準單模光纖與折射率反差值Δ約為2％的波導耦合時，其平均模式尺寸Swg約為4.6μm，則形成的光場尺寸比率K約等于2.17，可以實現(xiàn)的耦合效率約為58％；當波導的折射率反差值Δ約為6％時，其平均模式尺寸Swg約為2.8μm，則形成的光場尺寸比率K約等于3.17，而耦合效率下降到27％。在波導的折射率反差值Δ約為8％時，其平均模式尺寸Swg約為2.2μm(光場尺寸比率K約為4.54)，則耦合效率快速地下降到18％。
利用圖1中的波導結構，能夠使耦合效率最大化，與此同時，可以減小光纖與波導對準靈敏度。這可以通過合適地改變參數(shù)L，W，Ltip，h和t的數(shù)值實現(xiàn)。具體地說，通過合適地選取波導終端的寬度W和平板113a的高度t，可以使光纖中模式和波導中模式之間的耦合效率最大化。
在圖3中，它表示在連接側面119上光場垂直尺寸Svwg和光場水平尺寸Shwg(都沿縱坐標)隨波導終端寬度W變化的曲線圖?？梢钥闯?，光場的垂直尺寸Svwg和水平尺寸Shwg都隨波導終端寬度W而變化；具體地說，通過減小寬度W，光場水平尺寸Shwg就相應地增大，當寬度W趨于零時，它趨向無限大；與此相反，光場垂直尺寸Svwg增大到基本等于平板113a中光場的垂直尺寸，若波導是非對稱的，則光場垂直尺寸Svwg不再增大。在考慮非對稱波導結構和在截止值以下的平板高度t的情況時，當寬度W趨于零時，光場的垂直尺寸Svwg也趨向無限大。
本申請人對圖1中的波導結構進行數(shù)字研究，為的是建立與光纖模有最大耦合效率的波導參數(shù)值，以下給出這些研究的結果。
參照圖4A，4B和4C，這些圖畫出單位為dB的耦合損耗(定義為耦合效率η的1-余數(shù)1-η)作為兩個波導幾何參數(shù)比率W/W0(沿橫坐標)和t/h(沿縱坐標)函數(shù)的等值曲線。通過計算在連接側面119上波導中的光場與光纖的圓形高斯光場之間重疊積分，其中波導中的光場是基于光束傳播方法模擬器進行模擬，可以得到這些曲線圖。應當指出，僅僅在波導101的終端(對應于終端波導芯肋部分117c)模擬光場的傳播，得到圖4A，4B和4C中的這些曲線圖。通過模擬光場傳播通過包括過渡部分117b(一旦選取它的具體外形)和光路部分117a的整個波導101，可以得到更精確的數(shù)字結果。然而，本申請人觀察到，得到的曲線圖與從數(shù)字觀點得到的結果僅有微小的差別，而從定性觀點上考慮是基本相同的。
具體地說，在得到圖4A，4B和4C所示三個曲線圖的計算中，光場尺寸比率K保持恒定并等于1.44，而折射率反差值是變化的在圖4A中的曲線中，Δ＝2％；在圖4B中的曲線中，Δ＝6.64％；和在圖4C中的曲線中，Δ＝8％，為的是建立波導結構的耦合效率與折射率反差值Δ之間的關系。
應當理解，可以確定最佳的比率值W/W0和t/h，它與折射率反差值有關，從而保證最小的耦合損耗和最大的耦合效率。例如，考慮圖4B中的曲線圖，若W/W0＝0.35和t/h＝0.05，則可以實現(xiàn)最小的耦合損耗為0.18dB。重要的是，選取對應于最小耦合損耗點作為工作點，可以確保系統(tǒng)對幾何和光學參數(shù)的變化有最小靈敏度，因此，這些參數(shù)的容差對于產(chǎn)生的結構耦合效率有弱的影響。
此外，可以理解，為了滿足其他的要求，可以選取比率W/W0和t/h中的一個或兩個比率等于最佳值，例如，為了滿足具體的光路要求，設計者需要利用平板高度t與給定波導高度h的組合，其中比率t/h不同于最佳值，通過選取比率W/W0和t/h是在預定范圍內(nèi)的參數(shù)W，W0，t，和h，它們與折射率反差值有關，仍然可以保持耦合損耗是在預定值以下。例如，再考慮圖4B中的曲線圖，只要按照這樣的方法選取幾何參數(shù)W，W0，t，和h，其中0.3≤W/W0≤0.44和t/h≤0.1，耦合損耗可以保持在0.28dB以下。設計者可以接受的耦合損耗值越大，則比率W/W0和t/h可以變化的范圍就越寬，因此，幾何參數(shù)W，W0，t，和h可以變化的范圍也就越寬。所以，除了確定最佳工作點以外，可以確定保證耦合損耗保持在預定值以下的最佳工作區(qū)。
研究圖4A，4B和4C所示的曲線圖，可以理解的另一個重要方面是，為了確保耦合損耗是在預定值以下，比率W/W0和t/h的數(shù)值，而不是單個幾何參數(shù)的數(shù)值，需要落在預定的范圍內(nèi)；這意味著，根據(jù)諸如單模性，最小彎曲半徑，方向耦合器效率等的其他要求，設計者可以自由地選取幾何參數(shù)W，W0，t，和h的絕對值。
通過比較圖4A，4B和4C所示的三條曲線，可以理解，當折射率反差值Δ變化時，耦合損耗和最佳工作點略微地變化；因此，不同的W/W0和t/h比率值對應于不同的耦合損耗。圖5A中的曲線圖給出計算的耦合損耗等值曲線，它是通過對圖4A，4B和4C中給出的結果取平均得到的，而在圖5B中，它展示耦合損耗值在不同平面區(qū)(W/W0；t/h)中的標準偏差?？梢岳斫猓@種波導結構在恒定光場尺寸比率K(＝1.44)下對于折射率反差值Δ的變化(至少是在選取的可變化范圍內(nèi))有低的靈敏度。因此，一旦選取最大的可接受耦合損耗值，例如，0.5dB，就可以確定由幾何參數(shù)比率W/W0和t/h數(shù)值表示的工作區(qū)，當折射率反差值變化時，在此工作區(qū)內(nèi)形成的耦合損耗變化可以保持在預定的容差內(nèi)；例如，這個容差可以低至±0.01dB，因此，耦合損耗可以基本上與折射率反差值無關。
在圖4A，4B和4C所示的曲線中，折射率反差值Δ是在2％與8％之間的范圍內(nèi)變化；然而，本申請人觀察到，即使在折射率反差值Δ遠遠大于8％的情況下，例如，20％或更大，仍然可以得到類似的結果(理論上，只要K的數(shù)值是合適的，對于任何的折射率反差值Δ，可以得到這些結果，如以下所討論的)。
圖6A和6B中所示的曲線圖分別表示在K＝1和K＝3以及如同圖4B中折射率反差值Δ＝6.64％情況下計算的耦合損耗等值曲線?？梢岳斫?，與以上的情況不同，耦合損耗等值曲線隨不同的光場比率K有很大的變化；具體地說，當K增大時，最佳工作區(qū)移動到較小的W/W0和t/h比率值。
以上的研究可以說明，一旦確定光場比率K的數(shù)值，作為比率W/W0和t/h函數(shù)的耦合損耗在折射率反差值Δ變化時略微地發(fā)生變化；換句話說，對于每個K值，可以導出在不同Δ值下類似于圖4A，4B和4C所示的一組曲線。
從實際觀點考慮，如果需要確定由幾何參數(shù)比率W/W0和t/h數(shù)值表示的工作區(qū)，確保在此工作區(qū)內(nèi)的耦合損耗是在0.5dB以下，則K大致等于3的數(shù)值似乎是K值的合理上限。事實上，我們觀察圖6B，在K值大于3的情況下，耦合損耗在0.5dB以下的區(qū)域趨向于減小到平面(W/W0；t/h)上的原點。然而，我們觀察到，只要耦合損耗大于0.5dB是可以接受的，則可以考慮K值大于3的情況。
關于沿橫向逐漸縮減的過渡波導芯肋部分117b，如上所述，可以按照常規(guī)的方法進行設計，為的是避免較窄的終端波導芯肋部分117c與較寬的光路波導芯肋部分117a之間的突變過渡。通常，選取過渡波導芯肋部分117b的長度L為幾百微米的數(shù)量級。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，選取過渡波導芯肋部分117b的長度L為大于以下公式確定的最小值LminLmin＝(1-W/W0)L0其中L0是過渡波導芯肋部分117b的最小長度，即使在終端波導芯肋部分117c的寬度W選取成等于零和連接側面119的區(qū)域減小為零的情況下，可以保證絕熱過渡，從而使波導與外部光場的連接僅僅減小到平板113a。在確定幾個不同光斑尺寸轉(zhuǎn)換結構的尺寸時，本申請人觀察到，波導過渡部分小于500μm能夠確保光場從較寬的光路波導部分到較窄的終端波導部分時有良好的絕熱轉(zhuǎn)變。利用較長的波導過渡部分可以避免絕熱轉(zhuǎn)變，但是沒有觀察到能夠證明較大區(qū)域的占領有其他優(yōu)點。因此，本申請人在寬度W減小到零的最臨界情況下采用500μm作為過渡部分長度的下限L0。
制成幾個不同光斑尺寸的轉(zhuǎn)換結構，并基于文獻中提供的數(shù)值，本申請人觀察到，若滿足條件L≥Lmin，則可以證明過渡波導芯肋部分117b是絕熱的，并確保圖4A，4B和4C所示的曲線圖。
選取終端波導芯肋部分117c的長度Ltip為幾百微米的數(shù)量級，并考慮在把晶片切割成小片和制備芯片邊緣面過程中的技術容差，可以確定這種波導芯肋部分的有效長度。通常，選取Ltip的長度等于或大于100μm。然而，我們觀察到，Ltip應當盡可能地小，因為在傳播通過終端波導芯肋部分117c時，由于該芯肋部分有很小的波導橫截面，光場往往是被微弱地引導，因此可以發(fā)生過大的輻射損耗。若過渡波導芯肋部分117b是足夠長和W/W0接近于1，則沒有理由使用長的終端波導芯肋部分117c以保護波導結構免受技術容差的限制；與此相反，若考慮短的過渡區(qū)和小的W/W0數(shù)值，則必須提供合適的保護。由于這些原因，我們考慮終端波導芯肋部分117c有以下的長度數(shù)值Ltip＝Ltecexp[1-(L/Lmin)2]其中Ltec與把晶片切割成小片和制備芯片邊緣面過程中的技術容差有關。本申請人發(fā)現(xiàn)，Ltec的合理數(shù)值是300μm，而這個數(shù)值是確保傳播損耗可忽略的最大值。
除了以上討論的優(yōu)點以外，圖1中的集成波導結構還具有兩個其他的重要性質(zhì)。
當集成波導結構用作元件的輸入端口時，輸入光纖耦合到終端波導芯肋部分117c，由于它有極小的橫截面可以確保單模性。這個事實確保在光路波導芯肋部分117a中僅僅激勵基模，即，在光路波導中，不管光纖與波導之間是否存在任何可能的未對準。當光路波導的橫截面區(qū)接近或甚至大于第二截止導模時(兩個模式傳播是可能的情況)，這個特征變得極其有用，但是僅僅需要基模的激勵。
此外，本申請人得到的實驗結果說明，圖1中波導結構在大的未對準容差下能夠有高的耦合效率。為了說明這最后一個特征，本申請人制作有圖1所示結構的波導，它有以下的參數(shù)值
Δ＝6.35％；W0＝2.4μm；h＝1.8μm；t＝0.4μm；L＝240μm；W＝0.8μm；Ltip＝200μm沿橫向逐漸縮減的過渡波導芯肋部分117b有立方體外形，且集成波導已耦合到在1/e處的平均模直徑(Sf)等于3.6μm的小纖芯光纖。
在1/e處的光路波導平均模式尺寸(Swg)確定為等于2.6μm；因此，K的數(shù)值是1.38。
根據(jù)選取的幾何參數(shù)，比率W/W0的數(shù)值＝0.33，比率t/h的數(shù)值＝0.22。
參照圖5A和5B的曲線圖，可以預期耦合損耗略微高于0.5dB。
測得的耦合損耗為0.53dB考慮到圖5A和5B中的曲線圖是根據(jù)模擬得到的，它與K的數(shù)值等于1.44略微不同，以及考慮到實驗和技術容差，我們認為這個結果與上述的設計過程非常一致。
為了進行比較，使光纖耦合到第二集成波導結構，它沒有圖1中所示模式光斑尺寸轉(zhuǎn)換結構，即，它與圖1中光路波導相一致的集成波導。在這種情況下，測得的耦合損耗等于0.8dB。
圖7A和7B中的曲線圖給出以上討論的兩個實驗情況下測量耦合效率(沿縱軸，單位為dB)作為光纖水平(圖7A)和光纖垂直(圖7B)未對準(沿橫軸，單位為μm)的函數(shù)。這些曲線已歸一化到它們的最大值?？梢郧宄乜闯觯瑘D1中的波導結構對于未對準較不靈敏，特別是在沿垂直軸的方向。
在制作任何集成光學元件時可以采用圖1中的集成波導結構。
作為一個例子，圖8表示集成光學元件821的示意圖，包括集成在芯片807中的環(huán)形濾波器823，具體是，但不局限于，工作在波長等于1550nm的高位速率應用中濾波器。環(huán)形濾波器823包括類似于圖1中所示光路波導部分的集成波導。
在芯片807上集成波導801。波導801有圖1所示的結構，并包括輸入模式光斑尺寸轉(zhuǎn)換器825a，輸出模式光斑尺寸轉(zhuǎn)換器825b，和插入在二者之間相對于環(huán)形濾波器823的光路波導部分827，為的是形成方向耦合器829。輸入模式光斑尺寸轉(zhuǎn)換器825a和輸出模式光斑尺寸轉(zhuǎn)換器825b分別耦合到輸入光纖805a和輸出光纖805b。
例如，波導801的光學和幾何參數(shù)可以是與以上給出的相同參數(shù)(Δ＝6.35％，W0＝2.4μm，h＝1.8μm，t＝0.4μm，L＝240μm，W＝0.8μm，Ltip＝200μm)。具體地說，關于平板高度t，參照圖4B中的曲線可以看出，取t＜0.4μm可以實現(xiàn)較高的耦合效率，但太小的平板高度不能實現(xiàn)方向耦合器829中所需的耦合系數(shù)，特別是在高位速率的應用中，在開口的技術容差方面，兩個波導之間有極窄的間隙。若取t＝0.4μm，則可以在這個最后特征與光纖-波導耦合效率之間實現(xiàn)合適的折衷。
因此，在任何集成光學元件中采用圖1所示的波導結構能夠?qū)崿F(xiàn)高的光纖耦合效率，與此同時，必須滿足其他的要求。
總之，上述波導結構的主要優(yōu)點是能夠?qū)崿F(xiàn)與合適光纖的高耦合效率，與此同時，它滿足耦合效率以外的波導特性要求，例如，形成的具體集成光學器件和與波導相互作用的要求(光路要求)，幾何和光學參數(shù)容差對耦合效率產(chǎn)生微弱影響的要求，光纖-芯片對準的低靈敏度要求，和可選擇基本模激勵的要求，即使是在采用多模(具體是二模)光路波導的情況下。
上述波導結構特別適用于具有中至高折射率反差值特征的集成波導，具體地說，折射率反差值是在約1％至約20％的范圍內(nèi)。若上述波導結構是利用確保折射率反差值是從約5％至約7％的材料制成，則可以獲得極好的結果。我們觀察到，這些折射率反差值適合于實現(xiàn)波分復用(WDM)和密集WDM(DWDM)通信系統(tǒng)的集成光學器件。利用這些折射率反差值，可以制成有非常小彎曲半徑的波導，并可以得到諸如有自由頻譜范圍的環(huán)形濾波器(如圖8所示的環(huán)形濾波器)和Mach-Zehnder干涉儀的小型器件。例如，自由頻譜范圍為100GHz的環(huán)形濾波器需要小于300μm的彎曲半徑，以及僅在折射率反差值至少等于5％的情況下可以實現(xiàn)的環(huán)形濾波器。然而，上述波導結構還可有利地用于高達約40％的較高折射率反差值?？傊?，本申請人發(fā)現(xiàn)，可以利用的上述波導結構折射率反差值間隔值取決于波導支持的光場尺寸與耦合到波導的外部光場尺寸之比率只要這個比率是相對地較低，具體是在約1至3的范圍內(nèi)，則任何的折射率反差值都是合適的。
上述波導結構是對稱的，并可用于集成光學器件的光輸入端口和光輸出端口。
雖然本發(fā)明的公開和描述是借助于實施例，但是專業(yè)人員顯然知道，在不偏離所附權利要求書限定的范圍內(nèi)，對已描述的實施例和本發(fā)明其他實施例的改動是可能的。
例如，雖然我們描述的是集成波導與光纖之間的耦合，但是本發(fā)明一般可應用于集成波導與外部導向或非導向光場的耦合，具體地說，外部光場尺寸與集成波導支持的光場尺寸之比率K是相對低的外部光場，且K值最好是在約1至約3的范圍內(nèi)。
按照本發(fā)明的波導結構是容易制造的。由于僅僅存在沿橫向逐漸縮減的波導芯肋，借助于相同的光刻技術，在與確定肋芯113b的同時可以實現(xiàn)模式光斑尺寸的轉(zhuǎn)換結構；與制造肋式波導比較，它不需要附加的制造步驟，僅僅是光刻掩模的特定外形。與現(xiàn)有技術中涉及多個步驟復雜過程的已知二維縮減技術比較，這是一個很大的優(yōu)點。然而，還可以有其他的制造方法。
權利要求
1.一種集成光波導結構，包括用于引導光場的波導芯(113)，波導芯形成在下包層(111)上，其中波導芯包括與下包層基本共同延伸并有基本均勻厚度(t)的波導芯層(113a)，和從波導芯層表面突出的波導芯肋(113b)，該表面與面向下包層的表面相對，所述波導芯肋(113b)有基本均勻的高度(h-t)，波導芯肋的外形確定導向光場的路徑，其特征是，集成光波導結構包括光路波導部分(117a)，其中波導芯肋有適合于引導光場通過光路的第一寬度(W0)，和至少一個適合于耦合光路波導部分到外部光場的耦合波導部分(101)，所述耦合波導部分包括有第二寬度(W)并終止在側面(119)上的終端波導芯肋部分(117c)，第二寬度小于第一寬度，和過渡波導芯肋部分(117b)，它與光路波導部分的芯肋和終端波導芯肋部分互相光路連接，所述過渡波導芯肋部分沿橫向逐漸縮減，使其寬度從第一寬度減小至第二寬度。
2.按照權利要求1的集成光波導結構，其中按照這樣的方法選取第二寬度與第一寬度之比率，和波導芯層高度與波導芯總體高度(h)之比率，可以確保在外部光場與集成波導耦合時產(chǎn)生的耦合損耗是在預定值以下。
3.按照權利要求2的集成光波導結構，其中按照這樣方法至少選取第一寬度值，波導芯層的高度值(t)和波導芯的總體高度值(h)中的一個數(shù)值，使它符合對與光路有關的光路波導部分的要求，以及按照這樣方法至少選取第二寬度值和波導芯層高度值(t)中的一個數(shù)值，在集成波導與有第一光場尺寸(Sf)的外部光場耦合時可以實現(xiàn)預定的效率。
4.按照權利要求3的集成光波導結構，其中光路波導部分設計成支持第二光場尺寸(Swg)的光場，第二光場尺寸等于或小于第一光場尺寸，所述耦合波導部分完成使第二光場尺寸適應第一光場尺寸的光場適應。
5.按照權利要求4的集成光波導結構，其中光路波導部分設計成支持單模光場。
6.按照權利要求4或5的集成光波導結構，其中第一光場尺寸與第二光場尺寸之比率(K)是在約1至約3的范圍內(nèi)。
7.按照權利要求6的集成光波導結構，其中波導芯是由上包層(115)覆蓋。
8.按照權利要求7的集成光波導結構，其中下包層有第一折射率(nlc)，波導芯有第二折射率(ncore)，和上包層有第三折射率(nuc)，第一折射率，第二折射率和第三折射率是這樣的，波導芯與下包層和上包層之間的折射率反差值是在約1％至約20％的范圍內(nèi)。
9.按照權利要求8的集成光波導結構，其中所述折射率反差值是在約5％至約7％的范圍內(nèi)。
10.按照權利要求8或9的集成光波導結構，其中所述波導芯是由氧氮化硅(SiON)制成。
11.按照權利要求10的集成光波導結構，其中所述下包層是由二氧化硅(SiO2)制成。
12.按照權利要求10的集成光波導結構，其中所述上包層是由二氧化硅(SiO2)或氣體制成，具體是空氣。
13.按照權利要求1的集成光波導結構，其中所述過渡波導芯肋部分長度(L)的選取與第一寬度與第二寬度之比率有關，其長度至少等于公式(1-W/W0)×500給出的最小長度，長度的單位是微米。
14.按照權利要求13的集成光波導結構，其中所述終端波導芯肋部分長度(Ltip)的選取是考慮到分割小片過程中技術容差的最短可能長度，其中光波導結構是從相同晶片形成的其他小片中集成。
15.按照權利要求13的集成光波導結構，其中在所述最小長度和過渡波導芯肋部分長度的基礎上，確定終端波導芯肋部分的長度，使它等于由公式Ltecexp((-L/Lmin)2)給出的數(shù)值，長度的單位是微米，其中Ltec表示與所述技術容差有關的長度，而Lmin是所述最小長度。
16.一種用于耦合外部光場到集成光波導的方法，該集成光波導包括用于引導光場并形成在下包層(111)上的波導芯(113)，其中波導芯包括與下包層基本共同延伸并有基本均勻厚度(t)的波導芯層(113a)，和從波導芯層表面突出的波導芯肋(113b)，該表面與面向下包層的表面相對，所述波導芯肋有基本均勻的高度(h-t)，波導芯肋的外形確定導向光場的路徑，其特征是包括至少提供一個耦合波導部分(101)，它設計成耦合外部光場到光路波導部分(117a)，其中波導芯層有適合于引導光場通過光路的第一寬度(W0)，所述耦合部分包括有第二寬度(w)并終止在側面(119)上的終端波導芯肋部分(117c)，第二寬度小于第一寬度，和過渡波導芯肋部分(117b)，它與光路波導部分中的波導芯肋和終端波導芯肋部分互相光路連接，所述過渡波導芯肋部分沿橫向逐漸縮減，使其寬度從第一寬度減小到第二寬度。
17.按照權利要求16的方法，包括按照這樣方法選取第二寬度與第一寬度之比率，和波導芯層高度與波導芯總體高度(h)之比率，可以確保在外部光場與集成波導耦合時產(chǎn)生的耦合損耗是在預定值以下。
18.按照權利要求17的方法，包括按照這樣方法至少選取第一寬度值，波導芯層的高度值(t)和波導芯的總體高度值(h)中的一個數(shù)值，使它符合對光路有關的光路波導部分的要求，和按照這樣方法至少選取第二寬度值和波導芯層的高度值(t)中的一個數(shù)值，在有第一光場尺寸(Sf)的外部光場與集成波導耦合時可以實現(xiàn)預定的效率。
19.一種用于制造集成光波導結構的方法，包括在基片(109)上制成下包層(111)；在下包層上制成波導芯，其中所述制成波導芯包括制成與下包層基本共同延伸并有基本均勻厚度(t)的波導芯層(113a)，和制成從波導芯層表面突出的波導芯肋(113b)，該表面與面向下包層的表面相對，所述波導芯肋有基本均勻的高度(h-t)，波導芯肋有確定導向光場路徑的外形，其特征是，所述制成波導芯肋還包括至少制成一個耦合波導部分(101)，它設計成耦合外部光場到光路波導部分，其中波導芯肋有第一寬度(W0)，所述至少制成一個耦合波導部分包括制成有第二寬度(W)并終止在側面(119)上的終端波導芯肋部分(117c)，第二寬度小于第一寬度，和制成過渡波導芯肋部分(117b)，它與光路波導部分中的波導芯肋和終端波導芯肋部分互相光路連接，所述過渡波導芯肋部分沿橫向逐漸縮減，使其寬度是從第一寬度減小到第二寬度。
20.按照權利要求19的方法，其中所述制成波導芯包括在下包層上形成材料層，和有選擇地去除材料層以限定波導芯層和波導芯肋。
21.按照權利要求20的方法，其中制成終端部分和過渡部分是與制成波導芯肋同時進行。
全文摘要
一種集成光波導結構，包括用于引導光場并形成在下包層(111)上的波導芯(113)。波導芯包括與下包層基本共同延伸并有基本均勻厚度(t)的波導芯層(113a)，和有基本均勻高度(h－t)的波導芯肋(113b)，波導芯肋從波導芯層表面突出，該表面與面向下包層的表面相對。波導芯肋的外形確定導向光場的路徑。集成光波導結構包括光路波導部分(117a)，其中波導芯層有適合于引導光場通過光路的第一寬度(W
文檔編號G02B6/12GK1839331SQ03827101
公開日2006年9月27日 申請日期2003年8月4日 優(yōu)先權日2003年8月4日
發(fā)明者拉菲拉·庫斯塔, 朱瑟譜·庫斯梅, 安德瑞·麥勒尼 申請人:皮雷利 & C.有限公司