專利名稱：楔狀肋形波導(dǎo)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種楔狀肋形波導(dǎo)，用于提供從相對(duì)大截面的光波導(dǎo)到較小截面的光波導(dǎo)的過渡。
集成光路使用光波導(dǎo)沿著光路傳輸光和連接到外部的光波導(dǎo)例如光纖上。集成光波導(dǎo)和/或光纖可能截面尺寸不同，所以需要一種提供從相對(duì)大截面的光波導(dǎo)向相對(duì)小截面光波導(dǎo)過渡的裝置。已經(jīng)提出了用于這一目的的各種裝置，但是這些裝置傾向于相對(duì)復(fù)雜和/或難以制造。
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單和相對(duì)容易制造的楔狀肋形波導(dǎo)，該波導(dǎo)用于提供從大截面向較小截面的低損耗過渡。
應(yīng)該注意這里使用的詞語例如“上”、“下”、“橫向”等等是相對(duì)含義，即相對(duì)于附圖中所示的裝置的方位而言的，而不是指任何相對(duì)于重力方向的取向。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種楔狀肋形波導(dǎo)，從大的多模光波導(dǎo)向較小的單模光波導(dǎo)逐漸變窄，該楔狀肋形波導(dǎo)包括至少兩個(gè)由同種材料形成的部分從大波導(dǎo)向較小波導(dǎo)橫向逐漸變窄的下部，和形成在所述下部上的上部，該上部變窄為一點(diǎn)或以其他形式終止，兩部分的尺寸設(shè)置成基本上所有在大的多模波導(dǎo)中傳播的基模耦合到較小的單模波導(dǎo)中。
通過說明書的附加權(quán)利要求書和下面的描述，本發(fā)明的較佳特征將更加明顯。
現(xiàn)在將參考附圖進(jìn)一步描述本發(fā)明，只是以舉例方式。其中

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的楔狀肋形波導(dǎo)的最佳實(shí)施例的透視圖；圖2A是根據(jù)本發(fā)明的楔狀肋形波導(dǎo)的另一實(shí)施例的平面示意圖，圖2B是它的截面圖；以及圖3A和3B、4A和4B以及5A和5B示出了根據(jù)本發(fā)明的楔狀肋形波導(dǎo)的三個(gè)其他實(shí)施例的平面示意圖和側(cè)視圖。
附圖示出了從大約10微米×10微米的大尺寸多模波導(dǎo)向大約4.3微米×4微米的較小單模波導(dǎo)逐漸變窄的楔狀肋形波導(dǎo)。
所述波導(dǎo)是形成在硅層例如硅-絕緣體芯片的上表面上的肋的形式。硅-絕緣體芯片最好用普通晶片制造，例如用于超大規(guī)模集成(VLSI)電子電路的晶片。論文“Reduced defect density insilicon-on-insulator structures formed by oxygenimplantation in two steps”(作者J.Morgail et al，發(fā)表在《應(yīng)用物理通訊》54卷，第526頁，1989年)描述了適用晶片的制造。在硅-絕緣體芯片上制造肋形波導(dǎo)的方法在論文“Low loss singlemode optical waveguides with large cross-section insilicon-on-insulator”(作者J.Schmidtchen-et al，發(fā)表在《電子通訊》第27卷，第1486頁，1991年)中進(jìn)行了描述。
附圖示出了形成在這種芯片的硅層1上的肋形波導(dǎo)并示出了把硅層1與硅基質(zhì)3分開的氧化層2。在肋上通常還設(shè)置二氧化硅包層(未示出)。
圖中示出的楔狀肋形波導(dǎo)包括兩部分下部4，在大約長(zhǎng)度1000微米上從大約寬度10微米橫向逐漸變窄為大約寬度4微米；和上部5，它形成在下部4上，在大約長(zhǎng)度800微米上從大約寬度10微米逐漸變窄為一點(diǎn)。這樣上部5變窄比下部4快，而且在示出的實(shí)施例中從上面看時(shí)具有三角形的楔形形狀。然而兩部分都設(shè)計(jì)成基本上絕熱的楔形。
在另一結(jié)構(gòu)中(未示出)，上部5和下部4以同一角度逐漸變窄，所以兩部分的邊彼此平行。在這種情況下，上部5的寬端比下部4的寬端窄。
上部5和下部4較好以小于1度最好小于0.5度的角度(相對(duì)波導(dǎo)的軸)逐漸變窄。這樣漸變的楔形確保由于楔形引起的任何損失保持較小。上部5變窄為一點(diǎn)或者以其他形式終止。在圖1所示的結(jié)構(gòu)中，上部5的變窄部分形成在下部4的變窄部分之上。
兩部分4和5，包括輸入面6，可以通過常規(guī)的光刻法和干蝕法一起形成，因?yàn)樗鼈冇纱怪泵嫦薅?。它們由同種材料形成，因此折射率相同。兩部分可以相同構(gòu)造形成在芯片上。或者，可以單獨(dú)形成上部5并安裝在下部4上。
上部5和下部4的上表面基本上平行于芯片平面，即上部5和下部4每一個(gè)都有一個(gè)高于芯片表面的基本恒定高度(在所示的例子中分別為7.2微米和1.5微米)。
這樣，圖中所示的楔狀肋形波導(dǎo)提供二維楔形，橫向方向的楔形由波導(dǎo)實(shí)際變窄提供，垂直方向(即垂直于芯片平面方向)的楔形通過橫向變窄的上部5提供。因此避免了與形成垂直楔狀波導(dǎo)有關(guān)的問題，即如同一些現(xiàn)有技術(shù)中使用的由非垂直表面限定的垂直楔狀波導(dǎo)。
楔狀肋形波導(dǎo)的形狀和尺寸是這樣的，即如果大的多模波導(dǎo)只在基模下受激，隨著波導(dǎo)的截面形狀是從較大波導(dǎo)的截面形狀逐漸變?yōu)檩^小波導(dǎo)的截面形狀的，這一模式被迫向下進(jìn)入較小的單模波導(dǎo)。上部5的有效折射率是隨著它變窄逐漸減小的。這使得該模式進(jìn)入波導(dǎo)的下部4。應(yīng)該注意楔狀肋形波導(dǎo)不需要兩部分之間有折射率差，或者用于保持較大波導(dǎo)的單模操作。如上所述，10微米×10微米的較大波導(dǎo)是多模波導(dǎo)，但是如果僅是在它的軸上被基模激勵(lì)，例如來自光纖，那么較高級(jí)模式的功率可以忽略。
硅波導(dǎo)與二氧化硅包層(未示出)之間的較大折射率差有助于確保上部5的有效折射率被足夠抑制，以便在到達(dá)最窄的部分之前將光?；旧先總鲗?dǎo)到下部4內(nèi)。這樣，如上所述，上部5不需要變窄為一點(diǎn)，以便可以避免在上部5的窄端制造非常窄的部分的困難。
根據(jù)肋形波導(dǎo)的常規(guī)要求和適合于把基本上所有在大尺寸多模波導(dǎo)中傳播的基模耦合到較小單模波導(dǎo)的尺寸的要求，選擇兩部分4和5的尺寸。
具有如圖所示尺寸的典型例子在兩個(gè)波導(dǎo)之間提供低損耗耦合(通常0.1dB或更少)。
這里描述的楔狀肋形波導(dǎo)可以用于提供不同尺寸波導(dǎo)之間的過渡，尤其是從光纖到較小集成波導(dǎo)的過渡。較大波導(dǎo)通常截面尺寸在寬7-12微米，厚7-12微米(這樣與常規(guī)光纖相一致)的范圍內(nèi)，較小波導(dǎo)通常截面尺寸在寬2-5微米，厚4-5微米(這樣與常規(guī)的集成光波導(dǎo)相一致)范圍內(nèi)。如圖1所示，厚度是從氧化層2開始算起。
如上所述，輸入面6可以通過干刻蝕形成，不需要鋸切或拋光。面6可以垂直于波導(dǎo)軸或與之成角度。
還應(yīng)該理解楔狀肋形波導(dǎo)可以用于任何方向上，即從大波導(dǎo)到小波導(dǎo)或從小波導(dǎo)到大波導(dǎo)。
可以容易地把上述的楔狀肋形波導(dǎo)與集成光路的其他元件集成。把光輸入到面6的光纖(未示出)可以放置在設(shè)置于硅-絕緣芯片上的V形槽(未示出)內(nèi)。V形槽與楔狀肋形波導(dǎo)的定位可以通過共同的光刻步驟限定，所以它們自動(dòng)彼此對(duì)齊。
申請(qǐng)人的共同專利申請(qǐng)PCT/GB96/01068(公開號(hào)WO97/45234)描述了集成光波導(dǎo)與光纖之間的連接，包括在這里以供參考。這一早期申請(qǐng)描述了形成在硅-絕緣體芯片上的肋形波導(dǎo)，肋形波導(dǎo)和二氧化硅基層伸出在形成于芯片上的V形槽端部之上，光纖放置在所述V形槽內(nèi)，所以肋形波導(dǎo)的端部緊密靠近光纖的端部，該伸出量在V形槽端部不垂直于芯片的表面形成時(shí)是需要的。
這里描述的楔狀肋形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以形成在這種伸出物上，以便在用于接收來自光纖的光的大尺寸多模波導(dǎo)與形成在芯片上的較小單模集成波導(dǎo)之間提供過渡。
所描述的實(shí)施例包括形成為直波導(dǎo)的楔狀肋形波導(dǎo)。然而在一些情況下，可能希望在逐漸彎曲波導(dǎo)上形成類似結(jié)構(gòu)。上部5和下部4的變窄邊不需要是直的，但是也可能是彎曲的，它們也不需要是對(duì)稱的。
如上所述，楔形應(yīng)該是逐漸的。如果楔形變化過快，損失將較大。另一方面，如果楔形變化過緩，裝置可能比希望的大。通常需要在這兩個(gè)技術(shù)要求之間折衷。
除了變窄的下部4以外，硅板7的楔形部分也可能如圖1中的虛線所示去掉。去掉鄰近肋形波導(dǎo)的板7，增大了波導(dǎo)與它周圍的折射率差，而且通過逐漸使距離7變窄，逐漸減小了有效折射率差。
所述實(shí)施例示出了具有兩層即上部5和下部4的楔狀波導(dǎo)。然而，應(yīng)該理解可以提供其他層，例如在上部5上的附加楔狀部分，而且變窄可以出現(xiàn)在沿著波導(dǎo)不同部分上的兩個(gè)或多個(gè)級(jí)上。
圖2A和2B是描述多級(jí)楔狀肋形波導(dǎo)例子的示意圖。10微米厚肋10開始變窄為7微米厚的肋11，然后變窄為4微米厚的肋12。圖2B示出了沿著圖2A中的截面線a-a剖開的截面。通過這種方式，10×10微米波導(dǎo)可以通過兩級(jí)變窄為2×4微米波導(dǎo)，例如用于與激光耦合。變窄的部分10覆蓋變窄部分11，以便減小由于隨著其被迫從部分10減小到部分11而產(chǎn)生的光發(fā)散引起的損失或使之最小，類似地，變窄部分11覆蓋變窄部分12。
圖3-5示出了楔狀波導(dǎo)的其他實(shí)施例。
除了變窄結(jié)構(gòu)13以外，圖3A和3B所示的結(jié)構(gòu)與圖1所示的結(jié)構(gòu)類似，變窄結(jié)構(gòu)13包括上部5和下部4以及把這些形成在上面的基質(zhì)14，它是安裝在硅-絕緣體芯片15上的分離部件，并與上面的波導(dǎo)16對(duì)齊。這樣使得變窄結(jié)構(gòu)13由不同的材料形成，例如二氧化硅或氮化硅，而且使得它能夠與光路的其余部分分開制造。
通過對(duì)著芯片15的槽或切口部分中的相應(yīng)表面15A和15B來定位表面13A和13B，把變窄結(jié)構(gòu)13安裝在硅-絕緣體芯片15上?？梢蕴峁┝硪粚?duì)支承表面(未示出)，用于把它在相對(duì)于波導(dǎo)16的橫向方向上定位。變窄結(jié)構(gòu)13可以利用粘合劑固定在位置上。
也可以用類似于圖4A和4B所示的方式制造兩級(jí)肋形波導(dǎo)。在這種情況下，提供分離肋形結(jié)構(gòu)17，包括位于不變窄部分18上的上變窄部分5和基質(zhì)19。下變窄部分4形成在硅-絕緣體芯片15上。用與上述方法類似的方法，把變窄部分17安裝在硅-絕緣體芯片15上并與之對(duì)準(zhǔn)。
圖5A和5B示出了另一種結(jié)構(gòu)，其中不同材料的楔狀結(jié)構(gòu)20直接形成在硅-絕緣體芯片15上。圖5A和5B與圖3A和3B類似，但是在這種情況下，上部5和下部4以及基質(zhì)14直接形成在芯片15上。楔狀結(jié)構(gòu)20例如可以由沉積或生長(zhǎng)在硅-絕緣體芯片15上的二氧化硅形成或由旋轉(zhuǎn)涂敷在芯片上的聚合材料形成。
由于楔狀結(jié)構(gòu)13、17和20由與波導(dǎo)16(以及圖4中的下部4)不同材料形成，最好在兩者之間提供減反膜，以便幫助減小從楔狀結(jié)構(gòu)通過硅-絕緣體裝置的光的后反射。
雖然上面描述的例子形成在硅-絕緣體芯片上，但是雖然這樣具有如上所述的優(yōu)點(diǎn)，類似的楔狀肋形波導(dǎo)可以形成在其他類型的芯片上。
權(quán)利要求
1.一種楔狀肋形波導(dǎo)，從大的多模光波導(dǎo)向較小的單模光波導(dǎo)逐漸變窄，該楔狀肋形光波導(dǎo)包括至少兩個(gè)由同種材料形成的部分從大波導(dǎo)向較小波導(dǎo)橫向逐漸變窄的下部，和形成在所述下部上的上部，該上部變窄為一點(diǎn)或以其他形式終止，兩部分的尺寸設(shè)置成基本上所有在大的多模波導(dǎo)中傳播的基模耦合到較小的單模波導(dǎo)中。
2.如權(quán)利要求1所述的楔狀肋形波導(dǎo)，其中上部和下部的形狀由垂直面限定。
3.如權(quán)利要求1或2所述的楔狀肋形波導(dǎo)，其中上部的變窄部分覆蓋或形成在下部變窄部分的上方。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的楔狀肋形波導(dǎo)，其中上部和下部每個(gè)具有大體上恒定的高度。
5.如前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的楔狀肋形波導(dǎo)，其中上部和下部以小于1度最好小于0.5度的角度(相對(duì)波導(dǎo)的軸)橫向逐漸變窄。
6.如前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的楔狀肋形波導(dǎo)，其中大波導(dǎo)截面尺寸在寬7-12微米、厚7-12微米的范圍內(nèi)。
7.如前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的楔狀肋形波導(dǎo)，其中較小波導(dǎo)截面尺寸在寬2-5微米、4-5微米厚的范圍內(nèi)。
8.如前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的楔狀肋形波導(dǎo)，其中第一和第二部分以相同構(gòu)造形成。
9.如前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的楔狀肋形波導(dǎo)，具有另一變窄部分，從而變窄是從大波導(dǎo)到中間尺寸波導(dǎo)然后到小波導(dǎo)分段實(shí)現(xiàn)的。
10.如前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的楔狀肋形波導(dǎo)，其中鄰近肋型波導(dǎo)的板狀波導(dǎo)的變窄部分也被去掉。
11.如前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的楔狀肋形波導(dǎo)，形成在硅-絕緣體芯片上。
12.如權(quán)利要求11所述的楔狀肋形波導(dǎo)，與V形槽對(duì)齊，以便放置光纖。
13.如權(quán)利要求11或12所述的楔狀肋形波導(dǎo)，形成在一部分芯片上，該部分伸出在形成于芯片上的V形槽端部之上。
14.如前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的楔狀肋形波導(dǎo)，其中上部形成為分離結(jié)構(gòu)的一部分，該分離結(jié)構(gòu)與較小單模波導(dǎo)對(duì)齊安裝。
15.如權(quán)利要求14所述的楔狀肋形波導(dǎo)，其中下部和上部形成為分離結(jié)構(gòu)的一部分，該分離結(jié)構(gòu)與較小單模波導(dǎo)對(duì)齊安裝。
16.如前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的楔狀肋形波導(dǎo)，其中上部和/或下部由與較小單模波導(dǎo)不同的材料形成。
17.如權(quán)利要求16所述的楔狀肋形波導(dǎo)，其中上部和下部由生長(zhǎng)、沉積或旋轉(zhuǎn)涂敷在基質(zhì)上的材料形成，在所述基質(zhì)上形成有較小單模波導(dǎo)。
18.如前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的楔狀肋形波導(dǎo)，在光纖與集成光波導(dǎo)之間提供耦合。
19.一種楔狀肋形波導(dǎo)，基本上如前面參考附圖的圖1或圖2所述的那樣。
全文摘要
一種楔狀肋形波導(dǎo),從大的多模光波導(dǎo)向較小的單模光波導(dǎo)逐漸變窄,該楔狀肋形波導(dǎo)包括由同種材料形成的兩個(gè)部分(4,5):從大波導(dǎo)向較小波導(dǎo)槽向逐漸變窄的下部(4),和形成在所述下部(4)上的上部(5),該上部變窄為一點(diǎn)(或以其他形式終止),兩部分(4,5)的尺寸設(shè)置成基本上所有在大的多模波導(dǎo)中傳播的基模耦合到較小的單模波導(dǎo)中。
文檔編號(hào)G02B6/30GK1246928SQ98802408
公開日2000年3月8日 申請(qǐng)日期1998年2月6日 優(yōu)先權(quán)日1997年2月7日
發(fā)明者A·G·里克曼, A·P·R·哈平, R·J·R·莫里斯, M·阿斯加里 申請(qǐng)人:布克哈姆技術(shù)有限公司