專利名稱：帶有溝槽結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)的制作方法
優(yōu)先權(quán)信息本申請(qǐng)對(duì)申請(qǐng)于2000年10月13日的序列號(hào)為60/240,282的臨時(shí)申請(qǐng)要求優(yōu)先權(quán)。
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明制作在低折射率差波導(dǎo)中可能用到的，另外也用于來(lái)自/通向光纖和兩個(gè)垂直定位的波導(dǎo)之間的高效耦合的小彎曲半徑的彎頭(bends)。這種光學(xué)互連能提高光學(xué)元件在一個(gè)芯片上的集成密度。
2.現(xiàn)有技術(shù)波導(dǎo)彎頭，分離器耦合器是光路上的基本元件。成熟開(kāi)發(fā)的“二氧化硅臺(tái)階”技術(shù)適用于多路復(fù)用的和解多路復(fù)用及其他光學(xué)元件的波導(dǎo)干涉濾波器。在波導(dǎo)核心和包覆層之間折射率的反差很小，導(dǎo)致波導(dǎo)相對(duì)大的剖面和折射率的匹配，以便使來(lái)自和通向光纖的耦合只有很低的插入損耗。這是這項(xiàng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用的一個(gè)原因。然而鑒于下述事實(shí)光學(xué)元件的集成密度受到限制對(duì)于通過(guò)小折射率反差形成的波導(dǎo)，彎頭必須具有相對(duì)大的彎曲半徑以使輻射損耗保持在可接受的范圍內(nèi)。
核心和包覆層之間的折射率之差Δn主要由二氧化硅臺(tái)階技術(shù)中的諸如Ge，B等的雜質(zhì)的摻雜控制。這樣，Δn通常被控制到0.01或更小，導(dǎo)致彎頭曲率處在mm數(shù)量級(jí)。因?yàn)橐粋€(gè)90度的波導(dǎo)分離器由兩個(gè)彎頭構(gòu)成，該結(jié)構(gòu)要求和彎頭一樣大的曲率。這樣，二氧化硅臺(tái)階集成的光路就具有約10×10平方厘米的面積。
很明顯，在臺(tái)階中增加Δn將降低彎頭和分離器的曲率。然而，難以找到折射率低于二氧化硅的包覆層材料，因?yàn)槎趸韬诵牡恼凵渎室偷健?.5。這樣，二氧化硅技術(shù)就停留在相對(duì)大的臺(tái)階上的低密度光路上。
除了上述原因外，即使在集成光路中采用了高折射率反差系統(tǒng)，光纖和集成光路之間的模式尺寸之差也變得很大，光纖和集成光路之間的界面上的菲涅爾反射也帶來(lái)巨大的連接損耗。
為了增加核心和包覆層之間的折射率之差，采用空氣包覆層是有效的。關(guān)于空氣包覆層，授予Marcatili等人的專利號(hào)為3,712,705的美國(guó)專利顯示了在光纖中的情形。該空氣包覆層光纖被敘述成包括一個(gè)低損耗電介質(zhì)核心，有一個(gè)設(shè)置在在光路外套內(nèi)的多邊形截面。因?yàn)槠湫螤?，核心?shí)際上完全被空氣包圍，從而使Δn變大。
發(fā)明概述在本發(fā)明中提供了一種有兩個(gè)或更多和空氣溝槽包覆層交界的側(cè)壁的波導(dǎo)彎頭。本發(fā)明應(yīng)用了折射率引導(dǎo)，絕熱轉(zhuǎn)變以及向反菲涅爾反射誘導(dǎo)的連接損耗的模式匹配的原理。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種有相對(duì)小曲率的波導(dǎo)的彎頭和分離器，以及提供一種來(lái)自/通向光纖和平面外波導(dǎo)之間的耦合器。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種該結(jié)構(gòu)的制造方法。晶片黏結(jié)允許將空氣作為低折射率材料而相結(jié)合。
本發(fā)明用彎頭和交叉上的局部空氣溝槽處理低折射率反差波導(dǎo)的波導(dǎo)彎頭和交叉，這些空氣溝槽取決于核心折射率而局部將折射率之差增加到0.5或更大。在本發(fā)明中，空氣作為一個(gè)實(shí)例被選作為低折射率材料，但是包括低折射率聚合物和絕緣體在內(nèi)的其他材料也能被用來(lái)替代溝槽中的空氣。
附圖簡(jiǎn)述

圖1是根據(jù)本發(fā)明的波導(dǎo)彎頭配置的頂視示意圖；圖2A是取自圖1的A-A’線的波導(dǎo)彎頭配置的剖面圖；圖2B是取自圖1的A-A’線的波導(dǎo)彎頭配置的一個(gè)替代實(shí)施例的剖面圖；圖3是顯示波導(dǎo)彎頭的模擬結(jié)果的曲線圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的T-分離器500的頂視示意圖；圖5A和5B分別顯示了不帶有和帶有本發(fā)明的溝槽結(jié)構(gòu)的模式的模擬結(jié)果；圖6A-6G是顯示制造圖2A中顯示的空氣溝槽結(jié)構(gòu)的工藝流程的示意圖；和圖7A-7H是顯示制造圖2B中顯示的空氣溝槽結(jié)構(gòu)的工藝流程的示意圖。
本發(fā)明的詳細(xì)描述圖1是根據(jù)本發(fā)明的波導(dǎo)彎頭配置100的示意性頂視方框圖。波導(dǎo)彎頭由一個(gè)核心區(qū)域102，第一104和第二106空氣溝槽區(qū)域和一個(gè)周圍包覆層區(qū)域108限定。空氣溝槽波導(dǎo)彎頭的性能通過(guò)適當(dāng)?shù)腻F形長(zhǎng)度部分，彎頭半徑，以及被彎曲的波導(dǎo)的寬度和偏移而優(yōu)化。彎曲波導(dǎo)的寬度及其從(直線)錐形輸出的橫向偏移在圖1中顯示和選擇以便于將錐形輸出處的光最優(yōu)化地和彎頭的最低順序泄漏模式匹配。
對(duì)于適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)尺寸，帶有或不帶有彎頭處的偏移，各種模擬顯示了所提出的空氣溝槽彎頭有大于98％(每角彎頭小于0.1dB損耗)的傳輸效率。對(duì)于7％和0.7％(D＝Δn/n)的折射率反差，該模擬分別顯示了長(zhǎng)度上一個(gè)4和30的系數(shù)的尺寸減少(和一個(gè)相同折射率反差的正規(guī)波導(dǎo)彎頭相比)，對(duì)應(yīng)于面積上16到900倍的減少。推斷出可以預(yù)期有更低的，光纖類的折射率反差接近0.25％，邊緣長(zhǎng)度系數(shù)大到50，或面積上大到2500的更緊湊的彎頭。
該彎頭包括三個(gè)部分，即波導(dǎo)部分(1)，(2)和(3)。波導(dǎo)部分(0)和(3)是單模的。雖然波導(dǎo)部分(1)和(2)是多模的穩(wěn)定狀態(tài)，但它們?cè)谶@樣一個(gè)短距離內(nèi)保持了作為一個(gè)短暫模式的準(zhǔn)單模。由于模式失配引起的傳輸損耗可被忽略。
對(duì)于整個(gè)配置，核心區(qū)域的折射率保持不變。波導(dǎo)部分(1)包括核心和周圍的包覆層，其折射率差為0.05。波導(dǎo)部分(2)和(3)分別是錐形的和彎曲的，兩者都用空氣溝槽區(qū)域作為在其內(nèi)遏制光和減少輻射損耗的機(jī)構(gòu)。
圖2A是取自圖1的A-A’線的波導(dǎo)彎頭配置的剖面圖。該結(jié)構(gòu)包括被第一(104)和第二(106)空氣溝槽區(qū)域?qū)嶋H包圍的核心102，該核心區(qū)域又包括上溝槽(200)和下溝槽(202)。核心102由包覆層108的第一延伸(204)和第二延伸(206)支撐。在這種構(gòu)型中，核心實(shí)際上被懸浮在空氣包覆層中。因?yàn)樵摌?gòu)型在彎頭內(nèi)因由空氣溝槽區(qū)域形成的“空氣壁”而限定了一個(gè)局部的高折射率差，從側(cè)壁延伸的傳播模式的拖尾(evanescent tail)被減到最小。溝槽200，202被這樣構(gòu)型，使它們的深度d大于拖尾的長(zhǎng)。因此，在彎頭內(nèi)光不能有實(shí)際意義地耦合到輻射模式。雖然存在進(jìn)入上下包覆層的長(zhǎng)拖尾，它們也因?yàn)榭諝鉁喜蹍^(qū)域104，106(即它們的上下延伸，諸如區(qū)域200，202)而不能耦合到輻射模式。
圖2B是取自圖1的A-A’線的波導(dǎo)彎頭配置100的一個(gè)替代實(shí)施例的剖面圖。該結(jié)構(gòu)包括被第一(104)和第二(106)空氣溝槽區(qū)域?qū)嶋H包圍的核心102，該核心區(qū)域又包括下208溝槽。核心102僅由包覆層108的一個(gè)延伸210支撐。在這種構(gòu)型中，核心實(shí)際上也被懸浮在空氣包覆層中。這樣，核心在其頂表面有一個(gè)空氣包覆層以及兩個(gè)側(cè)壁。雖然一個(gè)長(zhǎng)場(chǎng)拖尾延伸進(jìn)下包覆層，向輻射模式的耦合仍由下空氣溝槽(208)遏制。
光波從波導(dǎo)的一端到另一端的透射比如在圖3的曲線圖中顯示的模擬結(jié)果預(yù)測(cè)的那樣約為97％或更高。模式的形狀在插畫中顯示。這里，假設(shè)核心折射率為1.5，包覆層折射率為1.45(Δn＝0.05)，在空氣溝槽中Δn增加到0.5。然而，對(duì)于0.001＜Δn/n＜0.1，所提出的原理在減少?gòu)濐^尺寸上還是有效的。
波導(dǎo)T型分離器也能遵照這里敘述的兩個(gè)原理中的任一個(gè)而構(gòu)型。圖1的錐形波導(dǎo)和空氣溝槽區(qū)域能被修改成具有如圖4顯示的兩個(gè)輸出。圖4是根據(jù)本發(fā)明的T-分離器配置400的頂視示意方框圖。T-分離器包括三個(gè)波導(dǎo)402，404，406。每一個(gè)波導(dǎo)包括各自的由一個(gè)包覆層408包圍的核心區(qū)域403，405，407。該T-分離器配置400也包括在波導(dǎo)中的空氣溝槽區(qū)域410，412，414。
在入口波導(dǎo)402的光通過(guò)一個(gè)小的T-分離器部分的三個(gè)漸變的錐形分離而進(jìn)入兩個(gè)波導(dǎo)404，406。彎頭的半徑可以因由空氣溝槽提供的空氣包覆層而變小。在這種方式中，T-分離器可以實(shí)現(xiàn)得有比當(dāng)前能得到的分離器更小的尺寸。
因?yàn)楸景l(fā)明包括在有效的Δn逐漸增加下的波導(dǎo)錐體，該錐體單獨(dú)作為一個(gè)從光纖到波導(dǎo)的耦合器而工作。其最初的效果是消除了在低和高折射率反差(Δn)區(qū)域之間的連接損耗。耦合器很明顯是雙向的，如在圖3顯示的彎頭中達(dá)到的高傳輸效率所顯示的那樣。
空氣溝槽區(qū)域通過(guò)被增加的折射率差的優(yōu)點(diǎn)而起到在側(cè)壁方向抑制水平延伸的拖尾的作用。在結(jié)構(gòu)中模式擠壓的存在同時(shí)擴(kuò)展了在平面外方向上模式的垂直拖尾。這將模式的剖面形狀從圓形轉(zhuǎn)變到橢圓形。這樣，增強(qiáng)了在平面外多層波導(dǎo)中的垂直耦合。
為了垂直(平面內(nèi))耦合的目的，圖5A和5B分別顯示不帶有或帶有空氣溝槽側(cè)壁的模式的模擬結(jié)果。圖5A顯示了不帶空氣溝槽的模式是圓形的。然而在帶有空氣溝槽的配置中模式變成橢圓的，而且僅朝向頂部和底部包覆層帶有長(zhǎng)拖尾，如圖5B所示。這說(shuō)明，平面外耦合變得更高效。
圖6A-6G是顯示制造圖2A中顯示的空氣溝槽結(jié)構(gòu)的工藝流程的示意圖。在Si晶片600上通過(guò)常規(guī)的工藝(a)形成一個(gè)SiO2層602(圖6A-6B)。工藝可以是熱氧化，CVD(化學(xué)氣相淀積)，火焰水解等。SiO2層602被用作下包覆層。602層可以是B摻雜的SiO2，P摻雜的SiO2等。然后通過(guò)常規(guī)工藝(b)在SiO2層602上形成波導(dǎo)核心材料604(圖6C)。材料604可以是Ge摻雜的SiO2，通過(guò)經(jīng)選擇的Δn(例如0.01)其折射率比602層高。在604層上通過(guò)常規(guī)的工藝(c)形成另一層SiO2層606(圖6D)。606層是上包覆層并且可以和602層一樣。波導(dǎo)和溝槽可以用常規(guī)的光刻工藝制造。然后該結(jié)構(gòu)通過(guò)常規(guī)的工藝(d)刻蝕(圖6E)。最后晶片600和另一晶片608(圖6F)(光的硅晶片)黏結(jié)在一起以形成如圖2A所示的空氣溝槽結(jié)構(gòu)610。
所敘述的工藝和材料僅是制造該結(jié)構(gòu)的實(shí)例，這樣本發(fā)明就不被上面提及的方法所限制。例如，602，604和606層的材料可以通過(guò)B，P和Ge雜質(zhì)的注入而形成。核心和包覆層之間的低折射率差～0.01也可以通過(guò)選擇構(gòu)成的Si3N4核心和SixNyOz達(dá)到。此外，也可以通過(guò)用選擇構(gòu)成的Six’Ny’Oz’核心和SixNyOz達(dá)到。雖然0.5是用空氣溝槽的SiO2核心中的最大的折射率差，但對(duì)于SiNO核心的空氣溝槽結(jié)構(gòu)有甚至更大的不超過(guò)1.0的折射率差。
圖7A-7H是顯示制造圖2B中顯示的空氣溝槽結(jié)構(gòu)的工藝流程的示意圖。通過(guò)常規(guī)的工藝(a)和(b)，在晶片700上形成了一個(gè)帶有一個(gè)波導(dǎo)層704和一個(gè)下包覆層702的結(jié)構(gòu)(圖7A-7C)。通過(guò)常規(guī)的工藝(d)在晶片706上形成上包覆層708(圖7E-7F)。光刻以后，通過(guò)常規(guī)的工藝(c)和(e)制作波導(dǎo)和溝槽結(jié)構(gòu)710和712(圖7D和7G)。最后該結(jié)構(gòu)710和712被黏結(jié)在一起以形成一個(gè)如圖2B顯示的空氣溝槽結(jié)構(gòu)714。
概括地說(shuō)，圖1和4中的結(jié)構(gòu)舉例說(shuō)明了避免連接損耗損失的折射率導(dǎo)引和絕熱模式形狀。從入口波導(dǎo)傳輸?shù)墓獗怀尚味M(jìn)入另一個(gè)其側(cè)壁包覆層是空氣的波導(dǎo)。這樣，因?yàn)槎掏衔?，傳輸波幾乎不耦合到輻射模式。光通過(guò)彎頭以后，波導(dǎo)構(gòu)型恢復(fù)到初始的包覆層，光以出口波導(dǎo)的基礎(chǔ)模式被重新捕獲。T-分離器根據(jù)同樣的原理工作。
在所述本發(fā)明的實(shí)施例中，空氣被選擇作為低折射率材料的一個(gè)實(shí)例，但包括低折射率的聚合物和絕緣體的其他材料也能被用于代替溝槽中的空氣。
雖然本發(fā)明通過(guò)其幾個(gè)優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了顯示和敘述，但可以進(jìn)行不背離本發(fā)明的精神和范圍的各種變化，形式和細(xì)節(jié)上的省略和添加。
權(quán)利要求
1.一種波導(dǎo)配置，其特征在于，該配置包括一個(gè)具有從底部表面向頂部表面延伸的第一和第二側(cè)壁的核心區(qū)域；和所述核心區(qū)域相鄰的第一和第二溝槽區(qū)域，該溝槽區(qū)域分別縱向沿所述第一和第二側(cè)壁延伸，并且在所述頂部和底部表面的上下垂直延伸一個(gè)預(yù)先確定的深度，所述深度大于在所述核心傳播的光的拖尾的長(zhǎng)度；和一個(gè)包圍所述核心區(qū)域和溝槽區(qū)域的包覆區(qū)域。
2.如權(quán)利要求1所述的配置，其特征在于，其中所述核心區(qū)域和所述溝槽區(qū)域之間折射率的差遠(yuǎn)大于所述核心區(qū)域和所述包覆區(qū)域之間折射率的差。
3.如權(quán)利要求1所述的配置，其特征在于，其中所述溝槽區(qū)域包括一種低折射率材料。
4.如權(quán)利要求3所述的配置，其特征在于，其中所述低折射率材料包括空氣。
5.如權(quán)利要求1所述的配置，其特征在于，其中所述核心區(qū)域用從所述包覆區(qū)域到所述核心區(qū)域的所述底部表面的一個(gè)支撐延伸支撐在所述溝槽區(qū)域之間。
6.如權(quán)利要求5所述的配置，其特征在于，其中所述核心區(qū)域用從所述包覆區(qū)域到所述核心區(qū)域的所述頂部表面的一個(gè)支撐延伸進(jìn)一步支撐在所述溝槽區(qū)域之間。
7.如權(quán)利要求5所述的配置，其特征在于，其中所述溝槽區(qū)域連續(xù)相鄰于所述核心區(qū)域的所述頂部表面。
8.作為一個(gè)波導(dǎo)彎頭實(shí)施的如權(quán)利要求1所述的配置。
9.作為一個(gè)波導(dǎo)T-分離器實(shí)施的如權(quán)利要求1所述的配置。
10.作為一個(gè)光纖耦合器實(shí)施的如權(quán)利要求1所述的配置。
11.一種波導(dǎo)配置，其特征在于，該配置包括第一部分，具有一個(gè)寬度為w1，有第一和第二側(cè)壁以及頂部和底部表面的核心區(qū)域和一個(gè)包圍所述核心區(qū)域的包覆區(qū)域的；第二部分，在該第二部分內(nèi)所述核心區(qū)域從寬度w1到寬度w2成為錐形，相鄰于所述核心區(qū)域的第一和第二溝槽區(qū)域縱向分別沿所述第一和第二側(cè)壁延伸，并在所述頂部和底部表面上下垂直延伸一個(gè)預(yù)先確定的深度，所述深度大于在所述核心傳播的光的拖尾的長(zhǎng)度，所述包覆區(qū)域包圍所述核心區(qū)域和所述溝槽區(qū)域；和第三部分，包括所述寬度為w2的核心區(qū)域，所述第一和第二溝槽區(qū)域相鄰于所述核心區(qū)域，以及所述包覆區(qū)域包圍所述核心區(qū)域和所述溝槽區(qū)域。
12.如權(quán)利要求11所述的配置，其特征在于，其中所述核心區(qū)域和所述溝槽區(qū)域之間折射率的差遠(yuǎn)大于所述核心區(qū)域和所述包覆區(qū)域之間折射率的差。
13.如權(quán)利要求11所述的配置，其特征在于，其中所述溝槽區(qū)域包括一種低折射率材料。
14.如權(quán)利要求13所述的配置，其特征在于，其中所述低折射率材料包括空氣。
15.如權(quán)利要求11所述的配置，其特征在于，其中所述核心區(qū)域用從所述包覆區(qū)域到所述核心區(qū)域的所述底部表面的一個(gè)支撐延伸支撐在所述溝槽區(qū)域之間。
16.如權(quán)利要求15所述的配置，其特征在于，其中所述核心區(qū)域用從所述包覆區(qū)域到所述核心區(qū)域的所述頂部表面的一個(gè)支撐延伸進(jìn)一步支撐在所述溝槽區(qū)域之間。
17.如權(quán)利要求15所述的配置，其特征在于，其中所述溝槽區(qū)域連續(xù)相鄰于所述核心區(qū)域的所述頂部表面。
18.作為一個(gè)波導(dǎo)彎頭實(shí)施的如權(quán)利要求11所述的配置。
19.作為一個(gè)波導(dǎo)T-分離器實(shí)施的如權(quán)利要求11所述的配置。
20.作為一個(gè)光纖耦合器實(shí)施的如權(quán)利要求11所述的配置。
21.如權(quán)利要求11所述的配置，其特征在于，在所述第一部分中所述相鄰于所述核心區(qū)域的所述側(cè)壁的包覆區(qū)域被所述溝槽區(qū)域包圍并且向內(nèi)成錐形，以便于向所述核心區(qū)域提供一個(gè)逐漸增加的折射率差。
全文摘要
用空氣溝槽包覆層的配置能將拖尾減到最小以抑制光耦合到輻射模式，產(chǎn)生低損耗彎頭和分離器。用這樣的空氣溝槽包覆層提供包括沒(méi)有傳輸損耗的急劇彎頭和T－分離器，沒(méi)有串話的交叉以及來(lái)自/通向光纖和沒(méi)有實(shí)質(zhì)損耗的平面外波導(dǎo)的耦合器在內(nèi)的結(jié)構(gòu)。波導(dǎo)的空氣溝槽側(cè)壁包覆層將拖尾推向頂部和底部包覆層以增強(qiáng)垂直定位的波導(dǎo)之間的耦合。也提供了應(yīng)用晶片黏結(jié)技術(shù)的制造工藝。
文檔編號(hào)G02B6/136GK101052906SQ01819132
公開(kāi)日2007年10月10日 申請(qǐng)日期2001年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月13日
發(fā)明者L·C·基默林, K·瓦達(dá), H·A·豪斯, M·波波維奇, S·阿基亞馬 申請(qǐng)人:馬薩諸塞州技術(shù)研究院