專利名稱：具有高折射率的平面波導(dǎo)的制作方法
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明一般涉及用于光通信的平面光學(xué)器件，特別涉及應(yīng)用纖芯具有較高折射率的波導(dǎo)和/或由纖芯和外部包層確定的纖芯折射率和包層折射率差別較大的波導(dǎo)的平面光學(xué)器件。
2.技術(shù)背景已知平面光學(xué)器件的波導(dǎo)纖芯的折射率遠(yuǎn)高于外部包層。這些器件包括一個(gè)其上配置下包層的平面基底或本身用作下包層的平面基底；一種圖案(patterned)纖芯材料，配置在下包層上，形成光波導(dǎo)線路；和，一個(gè)可選的上包層，它與下包層一起環(huán)繞著圖案纖芯。其波導(dǎo)由折射率相當(dāng)高的圖案纖芯材料限定的平面光學(xué)器件的一個(gè)例子是光學(xué)照相開(kāi)關(guān)。由于這種器件中纖芯材料的折射率相對(duì)較高，所以纖芯的截面尺寸(即寬度和高度)通常遠(yuǎn)小于折射率約為1.4的典型纖芯材料的截面尺寸。一般而言，由于與較大截面尺寸關(guān)聯(lián)的多模傳播導(dǎo)致無(wú)法接受的光強(qiáng)損耗(即信號(hào)損耗和信噪比下降)，所以必須減小截面尺寸以維特經(jīng)過(guò)波導(dǎo)的單模光傳播。
已知的平面光學(xué)器件使用一種折射率較高和/或纖芯折射率與外部包層折射率差別較大的纖芯材料，即使在適當(dāng)?shù)刂圃煲苑乐苟嗄９鈧鞑r(shí)，與典型的波導(dǎo)相比仍顯示出相對(duì)高的信號(hào)強(qiáng)度損耗，該典型波導(dǎo)的纖芯折射率較低，截面尺寸較大，纖芯折射率和包層折射率的差別較大。這導(dǎo)致，光波在穿過(guò)一個(gè)由折射率較高的纖芯材料限定的波導(dǎo)時(shí)，與穿過(guò)一個(gè)由折射率較低的纖芯材料限定的典型波導(dǎo)相比，撞擊纖芯和包層間界面的頻率將更高。無(wú)論何時(shí)，當(dāng)光撞擊波導(dǎo)的纖芯和包層間的界面時(shí)，光會(huì)因?yàn)榻缑嫣幍娜毕荻⑸?。因此，光撞擊纖芯和包層間的界面的頻率越高，導(dǎo)致在界面缺陷處的光散射越多，纖芯折射率較高和/或纖芯折射率與包層折射率差別較大的光學(xué)器件中的信號(hào)強(qiáng)度損耗越大。
在纖芯折射率較高和/或纖芯折射率與包層折射率差別較大的已知光學(xué)器件中，除了信號(hào)強(qiáng)度損耗較大的缺點(diǎn)外，還有與光從一個(gè)典型波導(dǎo)耦合入該器件關(guān)聯(lián)的附加損耗，該典型波導(dǎo)例如是截面尺寸(直徑)遠(yuǎn)大于平面光學(xué)器件中高折射率纖芯材料的截面尺寸的標(biāo)準(zhǔn)光纖。典型地，通過(guò)將光纖一端的表面與光學(xué)器件一端的表面鄰接，并將光纖一端粘附到光學(xué)器件，就將光纖連接到平面光學(xué)器件的波導(dǎo)的輸入端。鄰接表面基本上垂直于通過(guò)光纖和通過(guò)平面光學(xué)器件波導(dǎo)的光徑，這樣光纖的纖芯就盡可能接近地對(duì)準(zhǔn)平面光學(xué)器件的纖芯，使纖芯與纖芯的接觸面積達(dá)到最大，并使光纖和平面光學(xué)器件間界面處的損耗最少。然而，由于典型光纖纖芯的截面尺寸和纖芯折射率較高的典型光學(xué)器件纖芯的截面尺寸差別較大，所以光纖和平面光學(xué)器件間界面處的損耗也相對(duì)較大。另一個(gè)導(dǎo)致光纖和平面光學(xué)器件間界面處損耗較大的因素是光纖纖芯的折射率和平面光學(xué)器件纖芯的折射率間差別較大，而引起的在界面處反射的光。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及包含一個(gè)波導(dǎo)的平面光學(xué)器件，該波導(dǎo)包含一個(gè)圖案(patterned)纖芯和至少一個(gè)其上配置圖案纖芯的下包層，其中纖芯材料具有相對(duì)高的折射率和/或纖芯折射率與包層折射率間的差別較大；并且器件中和光纖與平面光學(xué)器件光輸入端之間界面上的光信號(hào)損耗低于纖芯折射率較高的傳統(tǒng)平面光學(xué)器件中的相應(yīng)損耗。這些改善是用一個(gè)平面光學(xué)器件獲得的，該平面光學(xué)器件包括一個(gè)波導(dǎo)段，該波導(dǎo)段有一個(gè)纖芯，纖芯的截面尺寸和折射率與典型光纖纖芯的截面尺寸和折射率相緊密匹配；第二區(qū)域，該第二區(qū)域有一個(gè)纖芯，與第一段的纖芯相比，該纖芯具有較高的折射率和適當(dāng)較小的截面尺寸以防止多模光波傳播；以及一個(gè)過(guò)渡段，它有一個(gè)由兩種不同材料制成的纖芯，這兩種材料形成沿過(guò)渡段長(zhǎng)度延伸的界面。
依照本發(fā)明的一個(gè)方面，一個(gè)平面光學(xué)器件包括一個(gè)波導(dǎo)，該波導(dǎo)包含纖芯材料為第一折射率的第一波導(dǎo)段；纖芯材料為第二折射率的第二波導(dǎo)段；及在第一和第二波導(dǎo)段之間的過(guò)渡波導(dǎo)段。過(guò)渡波導(dǎo)段包括第一折射率的纖芯材料和第二折射率的纖芯材料，第一和第二纖芯材料包括一個(gè)相對(duì)于光穿過(guò)該波導(dǎo)的方向傾斜成銳角的界面。
依照本發(fā)明的另一個(gè)方面，一個(gè)平面光學(xué)器件包括一個(gè)波導(dǎo)，該波導(dǎo)包含折射率約為1.5或更小的第一纖芯材料的第一段，折射率約大于1.5的第二纖芯材料的第二段，和配置在第一段和第二段間的過(guò)渡段。該過(guò)渡段包括一個(gè)由第一纖芯材料和第二纖芯材料構(gòu)成的纖芯。過(guò)渡段中的第一纖芯材料與第一段中的第一纖芯材料鄰接，并且其截面尺寸在從第一段向第二段的方向上遞減。過(guò)渡段中的第二纖芯材料與第二段中的第二纖芯材料鄰接，并且其截面尺寸在從第二段到第一段的方向上遞減。過(guò)渡段界面中的第一和第二纖芯材料沿過(guò)渡段的長(zhǎng)度接合。
依照本發(fā)明的又一方面，一個(gè)平面光學(xué)器件包括一個(gè)波導(dǎo)，該波導(dǎo)包括第一段，該段包括一個(gè)纖芯和一個(gè)包層，其中纖芯折射率與包層折射率之差為約0.2％到約2％；第二段，該段也包括一個(gè)纖芯和一個(gè)包層，其中纖芯折射率與包層折射率之差約大于2％；和位于第一段和第二段間的過(guò)渡段。過(guò)渡段包括由第一材料連續(xù)塊和第二材料連續(xù)塊組成的纖芯，和一個(gè)包層，其中第一材料折射率與包層折射率之差為約0.2％到約2％，第二材料折射率與包層折射率之差大于約2％。第一和第二連續(xù)塊的沿過(guò)渡段的長(zhǎng)度接合。第一連續(xù)塊與第一波導(dǎo)段的纖芯相接，并且它的截面尺寸在從第一波導(dǎo)段到第二波導(dǎo)段的方向上遞減。第二連續(xù)塊與第二波導(dǎo)段的纖芯相接，并且它的截面尺寸在從第一波導(dǎo)段到第二波導(dǎo)段的方向上遞增。
本發(fā)明的平面光學(xué)器件易于將纖芯折射率相對(duì)較低且纖芯折射率與包層折射率之差相對(duì)較小的典型光纖連接到纖芯折射率相對(duì)較高和/或纖芯折射率和包層折射率之差相對(duì)較大的平面光學(xué)波導(dǎo)。特別地是，通過(guò)使第一波導(dǎo)段的纖芯尺寸與標(biāo)準(zhǔn)光纖的纖芯尺寸相匹配，并提供具有錐形高和低折射率纖芯的過(guò)渡段，該纖芯能在高和低折射率纖芯的界面處降低反射損耗，從而本發(fā)明的平面光學(xué)器件在光纖和第一波導(dǎo)段的界面處展示出非常低的插入損耗。
本發(fā)明的其他特征及優(yōu)點(diǎn)將在下面詳細(xì)闡述，那些技術(shù)熟練人員將從描述中明白，或通過(guò)實(shí)現(xiàn)下列描述、權(quán)利要求及附圖中描述的本發(fā)明而認(rèn)識(shí)到本發(fā)明的這些特征和優(yōu)點(diǎn)。
應(yīng)當(dāng)明白上面的描述只是本發(fā)明的示范，試圖提供一個(gè)概況，用于理解如權(quán)利要求中所詳細(xì)說(shuō)明的本發(fā)明的本質(zhì)和特征。所包括的附加圖提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步了解，合并入并構(gòu)成本說(shuō)明書(shū)的一部分。


的本發(fā)明各種特征和實(shí)施例，與其他描述一起用于解釋本發(fā)明的原理的操作。
附圖簡(jiǎn)述圖1是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的平面光學(xué)器件的垂直截面示意圖；圖2是沿圖1剖面線II-II的圖1所示器件的截面示意圖；圖3是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的另一個(gè)平面光學(xué)器件的垂直截面示意圖；圖4是沿圖3剖面線IV-IV的截面示意圖；圖5是沿圖4剖面線V-V的截面示意圖；圖6是類似于圖3-5所示器件的一個(gè)器件的垂直截面示意圖，該示意圖用作評(píng)估器件特性作為其幾何形狀函數(shù)的模型；圖7是用于確定圖6所示器件特性作為其幾何形狀函數(shù)的計(jì)算結(jié)果的曲線圖，即對(duì)n＝1.45和波導(dǎo)厚度為6.3微米的波導(dǎo)錐體的長(zhǎng)度繪制出相對(duì)功率輸出；圖8是用于確定圖6所示器件特性作為其幾何形狀函數(shù)的計(jì)算結(jié)果的曲線圖，即對(duì)n＝1.47和波導(dǎo)厚度為6.3微米的波導(dǎo)錐體的長(zhǎng)度繪制出相對(duì)功率輸出；圖9是是用于確定圖6所示器件特性作為其幾何形狀函數(shù)的計(jì)算結(jié)果的曲線圖，即對(duì)n＝1.5和波導(dǎo)厚度為6.3微米的波導(dǎo)錐體的長(zhǎng)度繪制出相對(duì)功率輸出；圖10是是用于確定圖6所示器件特性作為其幾何形狀函數(shù)的計(jì)算結(jié)果的曲線圖，即對(duì)n＝1.7和波導(dǎo)厚度為6.3微米的波導(dǎo)錐體的長(zhǎng)度繪制出相對(duì)功率輸出；圖11是是用于確定圖6所示器件特性作為其幾何形狀函數(shù)的計(jì)算結(jié)果的曲線圖，即對(duì)n＝1.7和波導(dǎo)厚度為1微米的波導(dǎo)錐體的長(zhǎng)度繪制出相對(duì)功率輸出。
較佳實(shí)施例詳述圖1和圖2顯示了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的一方面的液晶交連開(kāi)關(guān)10。開(kāi)關(guān)10是一個(gè)平面光學(xué)器件，包含基底11，基底層上配置了包層12。配置在包層12上的是一個(gè)圖案(patterned)纖芯層14，該纖芯層比標(biāo)準(zhǔn)光纖或其他標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)具有相對(duì)較高的折射率。纖芯層14有錐形邊緣或傾斜邊緣16，17，由此纖芯層14的厚度就沿著由纖芯層14和包層12限定的波導(dǎo)長(zhǎng)度而變化。配置在纖芯層14和未被纖芯層14覆蓋的包層12區(qū)域上的是第二圖案(patterned)纖芯層18，它具有比圖案纖芯層14的折射率相對(duì)較低的折射率。配置在第二圖案纖芯層18上的是上包層20。
層12，14，18，和20被溝槽22分開(kāi)，溝槽中充滿液晶材料23，形成液晶交連開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)10包括由第二圖案纖芯層18、包層12和20構(gòu)成的輸入波導(dǎo)段24；第一過(guò)渡段26，其中通過(guò)低折射率纖芯層18傳播的光進(jìn)入高折射率纖芯層14；把光傳輸?shù)揭壕Р牧?3的第一高折射率波導(dǎo)段27；充滿液晶材料23的溝槽22；第二高折射率波導(dǎo)段，其中收集通過(guò)液晶材料23傳播的光；第二過(guò)渡段29，其中通過(guò)第二過(guò)渡段28的高折射率纖芯層14傳播的光進(jìn)入低折射率纖芯14；及由纖芯層18、包層12和20構(gòu)成的輸出波導(dǎo)段30。
輸入波導(dǎo)段24和輸出波導(dǎo)段30均有一個(gè)截面尺寸和折射率與標(biāo)準(zhǔn)光纖或其他波導(dǎo)的截面尺寸和折射率非常匹配的纖芯層18?；蛘撸鼘?4和20的厚度最好至少等于標(biāo)準(zhǔn)光纖包層的徑向厚度，其折射率與標(biāo)準(zhǔn)光纖或其他典型光波導(dǎo)的包層的折射率非常匹配。通過(guò)使輸入波導(dǎo)段24和輸出波導(dǎo)段30的幾何形狀和光學(xué)特性與標(biāo)準(zhǔn)光纖或其他典型光波導(dǎo)(如另一個(gè)光學(xué)器件上的平面波導(dǎo))的幾何形狀和光學(xué)特性相匹配，當(dāng)器件10(它包括纖芯折射率較高且纖芯和包層的折射率之差較大的波導(dǎo)段)連接到纖芯為典型折射率(如約1.45)且纖芯層折射率與包層折射率間為典型差別(如約0.35％)的標(biāo)準(zhǔn)光纖或其他波導(dǎo)時(shí)，可能達(dá)到較低的光信號(hào)損耗。
過(guò)渡波導(dǎo)段26使光沿纖芯層18和纖芯層14間的錐形或傾斜過(guò)渡界面16和17從輸入段24的纖芯層18有效地傳輸?shù)嚼w芯層14，使得由于光撞擊界面的角度相對(duì)較小而使纖芯層18和纖芯層14界面處的反射損耗減小到最少。同樣，由于光撞擊過(guò)渡段28中纖芯層18和纖芯層14間的傾斜界面的角度相對(duì)較小，過(guò)渡波導(dǎo)段28能使光從纖芯層14有效地傳輸?shù)狡骷?0輸出端的纖芯層18。
在高折射率段27和28中，大多數(shù)光穿過(guò)纖芯層14，該纖芯層的折射率約匹配于液晶材料23的折射率。盡管一些光穿過(guò)高折射率段27和28中的纖芯層18，尤其是與液晶材料23直接鄰接的高折射率段28的纖芯層18區(qū)域，但是纖芯層18更多地是作為這些段的包層。高折射率段27和28中纖芯層14的厚度通常為不允許光信號(hào)多模傳輸?shù)淖畲笾怠Ｈ缢?，其厚度取決于纖芯和包層(或兩個(gè)包層，如果上包層和下包層不同)在穿過(guò)該器件的信號(hào)波長(zhǎng)處的折射率。對(duì)于圖1和圖2描述的器件10，下包層12的折射率通常約等于標(biāo)準(zhǔn)光纖的包層折射率(例如，約1.44)，纖芯層18的折射率通常約等于標(biāo)準(zhǔn)光纖纖芯的折射率(例如約1.45)，而纖芯層14的折射率約等于液晶材料23的折射率(例如約1.7)。用這些典型數(shù)值，高折射率纖芯層14的厚度約為0.2微米，而低折射率纖芯層18厚度約為6微米。
纖芯層14和18間的錐形或傾斜界面16和17解決了兩個(gè)主要問(wèn)題，該兩個(gè)主要問(wèn)題與纖芯折射率較高的平面光學(xué)器件有關(guān)。首先，傾斜界面16和17易于傳輸來(lái)自一個(gè)其尺寸與典型光纖或其他光學(xué)波導(dǎo)尺寸緊密相配的波導(dǎo)的光。在這種結(jié)構(gòu)中，用低折射率波導(dǎo)和高折射率波導(dǎo)尺寸的漸變代替典型光纖或其他波導(dǎo)的低折射率纖芯的截面尺寸和該器件的高折射率波導(dǎo)截面尺寸的突變引起的信號(hào)損耗。這導(dǎo)致信號(hào)損耗的顯著減少。另一個(gè)好處是用該器件的輸入和輸出波導(dǎo)段比用高折射率纖芯的傳統(tǒng)平面光學(xué)器件更易實(shí)現(xiàn)光纖或其他波導(dǎo)的合適對(duì)準(zhǔn)，在高折射率纖芯中，與典型光纖尺寸相比，由折射率相對(duì)較高且截面尺寸相對(duì)較小的纖芯材料構(gòu)成該器件的整個(gè)波導(dǎo)。其次，與傳統(tǒng)器件相比，低折射率纖芯18和高折射率纖芯14間的傾斜或錐形界面16和17顯著地減少了反射損耗，該傳統(tǒng)器件中光纖的低折射率纖芯和平面光學(xué)器件的高折射率纖芯間的界面一般與光穿過(guò)該界面的方向垂直。
所述的液晶交連開(kāi)關(guān)10示范了本發(fā)明的特殊應(yīng)用，它涉及一種平面光學(xué)器件的規(guī)格，此光學(xué)器件包括一個(gè)高折射率波導(dǎo)段，一個(gè)低折射率波導(dǎo)段和一個(gè)過(guò)渡段，在該光學(xué)器件中，光信號(hào)能從低折射率波導(dǎo)段有效地傳輸?shù)礁哒凵渎什▽?dǎo)段，或從高折射率波導(dǎo)段有效地傳輸?shù)降驼凵渎什▽?dǎo)段，其信號(hào)損耗很小。包含液晶材料23的液晶開(kāi)關(guān)是一個(gè)特殊器件的實(shí)例，其中高折射率波導(dǎo)是非常有用的。然而，為了完整和清楚起見(jiàn)，開(kāi)關(guān)10的工作原理只作簡(jiǎn)要描述。通過(guò)給液晶材料23施加一個(gè)電場(chǎng)，開(kāi)關(guān)10可以用作on/off開(kāi)關(guān)。眾所周知，液晶方向可以用電場(chǎng)控制，而液晶材料23的折射率取決于液晶方向。因此，通過(guò)液晶材料23的適當(dāng)選擇和電場(chǎng)的適當(dāng)應(yīng)用，可以被改變液晶材料23的折射率，以允許光穿過(guò)液晶材料23或者在纖芯材料14和液晶材料23間的界面上反射。
器件10設(shè)計(jì)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是由于在液晶材料23中自由傳播引起散射的光線在高折射率段18的纖芯層18中至少部分被收集，因此與只有單一高折射率纖芯材料的傳統(tǒng)器件相比減少了損耗。
用傳統(tǒng)的沉積技術(shù)和光刻技術(shù)制備器件10。例如，可以利用任何合適的沉積技術(shù)將下包層12沉積在基底11上，沉積技術(shù)包括物理汽相沉積(PVD)過(guò)程，如濺射、電子束蒸發(fā)、分子束外延和激光蝕刻；較佳的是化學(xué)汽相沉積(CVD)過(guò)程，包括火焰水解沉積(FHD)、大氣壓化學(xué)汽相沉積(APCVD)、低壓化學(xué)汽相沉積(LPCVD)、等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積(PECVD)、和化學(xué)束外延。對(duì)典型的平面光學(xué)器件來(lái)說(shuō)，因?yàn)榈偷牟▽?dǎo)傳輸損耗和極好的成分及厚度均勻度，火焰水解沉積(FHD)和等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積(PECVD)已經(jīng)是最廣泛應(yīng)用的方法?；?1可以是半導(dǎo)體(如單晶硅)、陶瓷或玻璃。器件的不同層可以用已知的溶膠-凝膠沉積技術(shù)來(lái)沉積。波導(dǎo)纖芯層14最好用溶膠-凝膠沉積技術(shù)形成，因?yàn)檫@種技術(shù)能產(chǎn)生更光滑、在纖芯層與包層間的界面上引起光表面散射的缺陷更少的表面。該設(shè)備的不同層也可以用已知的溶膠-凝膠沉積技術(shù)來(lái)沉積。波導(dǎo)纖芯層14最好用溶膠-凝膠沉積技術(shù)形成，因?yàn)檫@種技術(shù)能產(chǎn)生更光滑、在纖芯層與包層間界面上引起光表面散射的缺陷更少的表面。然而，權(quán)利要求中“基底”的描述意味著一般包含任一種玻璃層可以在其表面上形成圖案的固體材料，盡管通常首選的是硅襯底。例如，下包層12可以是高硅玻璃。然而，也可以用其他的玻璃、晶體材料或陶瓷材料。下包層12的合適厚度為約10到約20微米。依照特殊應(yīng)用，下包層12的典型折射率約為1.44，盡管它可能稍微高或低。沉積在下包層12上的是一個(gè)高折射率纖芯層14，這個(gè)纖芯層14的典型折射率約大于1.5，更典型地為約1.7到4或5，并甚至能更高。高折射率纖芯層14可以是任一種合適的玻璃、晶體或陶瓷材料，該纖芯層對(duì)所述信號(hào)波長(zhǎng)(如1550納米)的光是透明的，并在所述信號(hào)波長(zhǎng)處具有所需的高折射率。合適材料的實(shí)例包括石英-氧化鈦玻璃、硅和鉛-鑭-鋯的鈦酸鹽(PLZT)。根據(jù)層14的折射率和周?chē)鼘拥恼凵渎室阅骋缓穸瘸练e纖芯層14。層14的厚度比層18的厚度小，并通常在約0.1微米到約1或2微米范圍之間。在低折射率纖芯層18沉積之前，必須使纖芯層14形成圖案，它可以通過(guò)已知的光刻技術(shù)來(lái)完成。例如，層14可以通過(guò)一塊掩模來(lái)沉積。在通過(guò)一塊掩模在包層12上進(jìn)行物理或化學(xué)汽相沉積期間就形成了錐形邊緣16和17。或者，層14的圖案可以通過(guò)先沉積一個(gè)厚度均勻的層，然后蝕刻掉層14中那些不想要的部分來(lái)完成。這可以通過(guò)在纖芯層14上施加一個(gè)光阻層(正或負(fù))，通過(guò)一塊掩模照射光阻層來(lái)固化部分光阻層或退化部分光阻層，以此用脫模材料移去部分掩模，以允許將層14蝕刻成所需的圖案。在蝕刻過(guò)程中，形成錐形或傾斜邊緣16和17。
在層14形成所需的圖案后，沉積低折射率纖芯層18。低折射率纖芯層18一般可以包括任何一種對(duì)信號(hào)波長(zhǎng)(如1,550納米)的光是透明的且在信號(hào)波長(zhǎng)處有所需折射率的玻璃、晶體或陶瓷材料。典型地，纖芯層18的折射率比包層12的折射率高約0.2％到約2％，更典型地高約0.2％到約1％，而甚至更典型地高約0.2％到約0.5％(如約0.35％)。一般可以用前面所描述的圖案纖芯層14的任何傳統(tǒng)蝕刻或沉積過(guò)程使纖芯層18形成圖案。高折射率纖芯層14的折射率比包層12的折射率至少高約2％，更典型至少高10％，并可以高達(dá)250％或更高。上包層20可以沉積到纖芯層18上。與層12和14一樣，層18和20可以用可接受的物理汽相沉積或化學(xué)汽相沉積技術(shù)進(jìn)行沉積。溝槽22可以通過(guò)沉積在層20上的有圖案的光阻層對(duì)層12，14，18，和20進(jìn)行蝕刻而建立，或通過(guò)切割或定向溝槽22而機(jī)械化地建立，或通過(guò)在確定溝槽22底部的基底11的上表面區(qū)域掩膜，沉積層12和16，使層16形成圖案，沉積層18和20，然后從確定溝槽22底部的區(qū)域除去掩模來(lái)建立。其后，用液晶材料23填充溝槽22，并提供了把液晶材料23置于電場(chǎng)的傳統(tǒng)電接觸件(沒(méi)有顯示)。
圖3和圖4示出一個(gè)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明另一方面的二維光學(xué)晶體器件110。器件110包括石英基底111，波長(zhǎng)為1550納米時(shí)的折射率為1.444；二維光學(xué)晶體114；和低折射率纖芯層118，波長(zhǎng)為1550納米時(shí)的折射率為1.449。二維光學(xué)晶體114上面的空間150填充了空氣，其折射率為1.0，并用作晶體114的上包層。二維光學(xué)晶體114由高折射率材料制成，如波長(zhǎng)為1550納米時(shí)折射率為3.85的晶體硅。二維光學(xué)晶體已被普遍認(rèn)識(shí)，并且已經(jīng)應(yīng)用到其他領(lǐng)域，如微波應(yīng)用。已示出能使光在一個(gè)有限空間以90度角折射的二維光學(xué)晶體。二維光學(xué)晶體114包含孔陣140，孔的直徑約是信號(hào)光波長(zhǎng)的1/4(如1550/4納米)，且孔與孔之間的間隔距離約為信號(hào)光波長(zhǎng)的1/4(如1550/4納米)?；趫D4中所示的圖案，光以與它進(jìn)入器件110的方向成90度的方向從二維光學(xué)晶體114和器件110中出來(lái)。
與器件10一樣，器件110包含輸入段124，由低折射率纖芯118和包層111構(gòu)成；過(guò)渡段，包括低折射率纖芯層118和包層111；過(guò)渡段126，其中光可以從低折射率纖芯材料118有效地傳輸?shù)礁哒凵渎世w芯材料114；第二過(guò)渡段128，其中光可以從二維光學(xué)晶體114的高折射率材料有效地傳輸?shù)嚼w芯118的低折射率材料；和輸出段130。過(guò)渡段126和128包括低折射率纖芯材料和高折射率纖芯材料間的傾斜界面，這減少了界面上的反射損耗，并使輸入和輸出段124和130具有與標(biāo)準(zhǔn)光纖和其他光波導(dǎo)的截面尺寸相匹配的截面尺寸，因此易于將光纖低損耗地連接到器件110的輸入和輸出段。這種結(jié)構(gòu)也利于輸入和輸出段124和130具有纖芯和包層的兩種折射率，該折射率可以與標(biāo)準(zhǔn)光纖或其他光波導(dǎo)的纖芯和包層的折射率緊密匹配，因此減少光纖和具有高折射率纖芯材料的光學(xué)器件的輸入和/或輸出波導(dǎo)段間界面處另外可能出現(xiàn)的反射損耗。器件110可以包含在它端部的上包層120，以易于和標(biāo)準(zhǔn)光纖連接。
圖6顯示了類似于器件110的器件210，它用作該器件特性作為幾何形狀的函數(shù)的計(jì)算模型。器件210包含基底211，充當(dāng)下包層，其厚度為20微米，折射率為1.444。用傳統(tǒng)的BeamPropTM軟件為光學(xué)晶體錐體計(jì)算錐形長(zhǎng)度。圖6示出計(jì)算中所用的幾何結(jié)構(gòu)。假定硅波導(dǎo)214長(zhǎng)約為2000微米，厚度約為0.3微米。低折射率波導(dǎo)224的折射率和厚度是變化的。硅波導(dǎo)錐體216和低折射率波導(dǎo)錐體225的長(zhǎng)度也是變化的。四種低折射率的波導(dǎo)被認(rèn)為有以下的折射率n＝1.45，n＝1.47，n＝1.5，n＝1.7。假設(shè)波導(dǎo)的高度為6.3微米。因此，n＝1.47，n＝1.5，n＝1.7的波導(dǎo)為多模，n＝1.45的波導(dǎo)為單模。計(jì)算的結(jié)果顯示在圖7-11中?？梢钥闯?，隨著波導(dǎo)折射率的增加，損耗明顯減少。低折射率波導(dǎo)錐體225的長(zhǎng)度和高折射率(硅)波導(dǎo)錐體216的長(zhǎng)度是很重要的。例如，如果錐體216很長(zhǎng)，而錐體225短，損耗就很大。當(dāng)錐體216的長(zhǎng)超過(guò)2000微米，而錐體225的長(zhǎng)超過(guò)5000微米時(shí)，就產(chǎn)生n＝1.7時(shí)的最小損耗(圖中y軸上的功率輸出1)。當(dāng)n＝1.7的波導(dǎo)是單模(厚度1微米)時(shí)，對(duì)錐體216約大于2000微米和低折射率波導(dǎo)錐體225約大于1000微米的硅波導(dǎo)來(lái)說(shuō)，功率輸出與錐體長(zhǎng)度無(wú)關(guān)?；谶@個(gè)結(jié)果，錐體的長(zhǎng)度較佳地應(yīng)大于1000微米，更佳地大于2000微米。圖表沒(méi)有按比例。具體而言，錐體界面的角度被大大地夸大了。例如，當(dāng)波導(dǎo)214為1微米厚時(shí)，對(duì)于一個(gè)1000微米長(zhǎng)的界面，基底層211上表面與界面116間的角度應(yīng)為約3.4分。
已說(shuō)明的器件10和110僅僅是典型的應(yīng)用，本發(fā)明的其他應(yīng)用例如包括電光器件，其中對(duì)電流敏感的高折射率纖芯用作信號(hào)切換或衰減。本發(fā)明的原理可以有利地應(yīng)用到各種希望在相對(duì)高折射率(如約1.45或更少)纖芯材料間的界面處減少信號(hào)損耗的光學(xué)器件中。
很顯然，對(duì)于那些技術(shù)熟練的人員能對(duì)這里描述的本發(fā)明較佳實(shí)施例作各種修改，并沒(méi)有背離由附加權(quán)利要求所規(guī)定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種平面光學(xué)器件，其特征在于，包括一個(gè)波導(dǎo)，確定光信號(hào)按一個(gè)方向傳輸?shù)墓鈴?，該波?dǎo)包括第一波導(dǎo)段，它具有第一折射率的第一纖芯材料；第二波導(dǎo)段，具有第二折射率的第二纖芯材料；及所述第一波導(dǎo)段和所述第二波導(dǎo)段之間的過(guò)渡波導(dǎo)段，所述過(guò)渡波導(dǎo)段包括所述第一纖芯材料和所述第二纖芯材料，所述第一纖芯材料和所述第二纖芯材料的界面與光通過(guò)所述波導(dǎo)的方向成銳角傾斜。
2.如權(quán)利要求1所述的平面光學(xué)器件，其特征在于，所述第一折射率約小于1.5，及所述第二折射率約大于1.5。
3.如權(quán)利要求1所述的平面光學(xué)器件，其特征在于，所述第一纖芯材料和所述第二纖芯材料可以從玻璃材料、晶體材料和陶瓷材料組中獨(dú)立選擇。
4，如權(quán)利要求1所述的平面光學(xué)器件，其特征在于，所述第一波導(dǎo)段和所述第二波導(dǎo)段進(jìn)一步由一包層材料構(gòu)成，而所述第一纖芯材料的折射率與所述包層材料的折射率之差為約0.2％到約2％，所述第二纖芯材料的折射率與包層材料的折射率之差大于約2％。
5.如權(quán)利要求1所述的平面光學(xué)器件，其特征在于，所述傾斜界面的長(zhǎng)度大于約1000微米。
6.如權(quán)利要求1所述的平面光學(xué)器件，其特征在于，所述傾斜界面的長(zhǎng)度大于約2000微米。
7.一種平面光學(xué)器件，其特征在于，包括一個(gè)波導(dǎo)，確定光信號(hào)按一個(gè)方向傳輸?shù)墓鈴?，所述波?dǎo)包括第一段、第二段和配置在所述第一段和所述第二段間的過(guò)渡段；所述第一段具有折射率約為1.5或更小的第一纖芯材料；所述第二段具有折射率大于約1.5的第二纖芯材料；所述過(guò)渡段包括由第一纖芯材料和第二纖芯材料構(gòu)成的纖芯，所述過(guò)渡段的第一纖芯材料與所述第一段的第一纖芯材料相接，且其截面尺寸在從所述第一段到所述第二段的方向上減小，所述過(guò)渡段的第二纖芯材料與所述第二段的第二纖芯材料相接，且其截面尺寸在從所述第二段向所述第一段的方向上減小，這樣所述過(guò)渡段中的所述第一纖芯材料和所述第二纖芯材料構(gòu)成了一個(gè)延伸所述過(guò)渡段長(zhǎng)度的傾斜界面。
8.如權(quán)利要求7所述的平面光學(xué)器件，其特征在于，所述第二折射率大于約1.7。
9.如權(quán)利要求7所述的平面光學(xué)器件，其特征在于，所述第一纖芯材料和所述第二纖芯材料可以從玻璃材料、晶體材料和陶瓷材料中獨(dú)立選擇。
10.如權(quán)利要求7所述的平面光學(xué)器件，其特征在于，所述第一段、所述第二段和所述過(guò)渡段進(jìn)一步包括一個(gè)包層，其中所述第一纖芯材料的折射率與所述包層的折射率之差為約0.2％到約2％，所述第二纖芯材料的折射率與所述包層的折射率之差約大于2％。
11.如權(quán)利要求10所述的平面光學(xué)器件，其特征在于，所述第二纖芯材料的折射率與所述包層的折射率之差約大于10％。
12.如權(quán)利要求7所述的平面光學(xué)器件，其特征在于，所述傾斜界面的長(zhǎng)度大于約1000微米。
13.如權(quán)利要求7所述的平面光學(xué)器件，其特征在于，所述傾斜界面的長(zhǎng)度大于約2000微米。
14.如權(quán)利要求7所述的平面光學(xué)器件，其特征在于，所述過(guò)渡段中所述第一纖芯材料和所述第二纖芯材料間的界面與光在波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)姆较虺射J角。
15.一種平面光學(xué)器件，其特征在于，包括一個(gè)波導(dǎo)，確定光信號(hào)按一個(gè)方向傳輸?shù)墓鈴?，所述波?dǎo)包括第一段，第二段，和配置在所述第一段和所述第二段間的錐形過(guò)渡段；所述第一段含有第一纖芯材料和包層材料，其中所述第一纖芯材料的折射率與所述包層材料的折射率之差為約0.2％到約2％；所述第二段含有第二纖芯材料和所述包層材料，其中所述第二纖芯材料的折射率與所述包層的折射率之差約大于2％；及所述錐形過(guò)渡段包括所述第一纖芯材料的連接塊，所述第二纖芯材料的連接塊和所述包層材料，所述第一連接塊和所述第二連接塊構(gòu)成延伸所述過(guò)渡段長(zhǎng)度的界面。
16.如權(quán)利要求15所述的平面光學(xué)器件，其特征在于，所述第一纖芯材料的折射率約為1.45，所述包層材料的折射率約為1.44，而所述第二纖芯材料的折射率至少約為1.7。
17.如權(quán)利要求16所述的平面光學(xué)器件，其特征在于，所述第一纖芯材料、所述第二纖芯材料和所述包層材料可以從玻璃材料、晶體材料和陶瓷材料中獨(dú)立選擇。
18.如權(quán)利要求17所述的平面光學(xué)器件，其特征在于，所述波導(dǎo)配置在基底上。
19.如權(quán)利要求18所述的平面光學(xué)器件，其特征在于，所述基底是硅。
20.如權(quán)利要求19所述的平面光學(xué)器件，其特征在于，所述過(guò)渡段中所述第一纖芯材料和所述第二纖芯材料間的所述界面與光在波導(dǎo)里傳輸?shù)姆较虺射J角。
21.一種把來(lái)自光纖的光信號(hào)耦合到具有第一折射率約大于1.7的第一纖芯材料的第一波導(dǎo)的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟提供平面光學(xué)器件，確定光信號(hào)按某一個(gè)方向傳輸?shù)墓鈴?，該平面光學(xué)器件包括第一波導(dǎo)；第二波導(dǎo)，具有第二折射率約少于1.5的第二纖芯材料；和過(guò)渡波導(dǎo)，位于所述第一波導(dǎo)和所述第二波導(dǎo)間，所述過(guò)渡波導(dǎo)包括第一折射率的纖芯材料和第二折射率的纖芯材料，所述第一纖芯材料和所述第二纖芯材料的界面與光在平面光學(xué)器件里傳輸?shù)姆较虺射J角；以及把來(lái)自所述光纖的光信號(hào)耦合到所述第二波導(dǎo)段。
22.如權(quán)利要求21的方法，其特征在于，所述第一纖芯材料和所述第二纖芯材料可以從玻璃材料、晶體材料和陶瓷材料中獨(dú)立選擇。
23.如權(quán)利要求22的方法，其特征在于，所述第一段、第二段和過(guò)渡段進(jìn)一步包括一個(gè)包層，其中所述第一纖芯材料的折射率與所述包層的折射率之差為約0.2％到約2％，所述第二纖芯材料的折射率與所述包層的折射率之差約大于2％。
24.如權(quán)利要求22的方法，其特征在于，所述第二纖芯材料的折射率與所述包層的折射率之差約大于10％。
25.如權(quán)利要求21的方法，其特征在于，所述傾斜界面長(zhǎng)度約大于1000微米。
26.如權(quán)利要求21的方法，其特征在于，所述傾斜界面長(zhǎng)度約大于2000微米。
全文摘要
具有相對(duì)高折射率波導(dǎo)的平面光學(xué)器件(10)能連接到具有相對(duì)低折射率波導(dǎo)的標(biāo)準(zhǔn)光纖和標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)波導(dǎo)，該平面光學(xué)器件與具有高折射率波導(dǎo)的傳統(tǒng)平面光學(xué)器件相比展示了減少的信號(hào)損耗。這個(gè)器件包括一個(gè)波導(dǎo)，該波導(dǎo)包括具有第一折射率的纖芯材料(18)的第一波導(dǎo)段(24)，和介于第一波導(dǎo)段(24)和第二波導(dǎo)段(27)之間的過(guò)渡波導(dǎo)段(26)。這個(gè)過(guò)渡波導(dǎo)段(26)包括第一折射率的纖芯材料(18)和第二折射率的纖芯材料(14)。在不同折射率的纖芯材料間，第一和第二纖芯材料(18，14)有一個(gè)相對(duì)損耗界面，該界面是銳角的傾斜面或錐形面(16，17)。
文檔編號(hào)G02B6/12GK1398356SQ01804530
公開(kāi)日2003年2月19日 申請(qǐng)日期2001年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月8日
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