专利汇可以提供用于低损耗波导弯曲的系统和方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且在一种 实施例 中,公开了一种 波导 介质(20),它使用全内反射来对经过波导的光学 信号 产生相当急剧(大约90°)的弯曲。介质(例如空气)的不连续性结构(21)用于在波导路径(12、13)内产生转向镜。通过使这种不连续性结构发生弯曲,将整个输入光学信号聚焦到波导的输出部分(13)中,从而补偿弯曲处光学信号的衍射损耗。在一种实施例中,为了便于将掩膜正确对准,将第一掩膜上波导的某些部分延伸(加宽)到超过其最佳物理尺寸。然后用这种延伸部分对第二掩膜的边缘进行 定位 ,从而通过调整 曲率 而使由波导的延伸部分造成的光学信号散射得到补偿。,下面是用于低损耗波导弯曲的系统和方法专利的具体信息内容。
1.一种光学传输介质(20),包括:
位于所述介质内的光学路径(12、13),用于使光学信号能够沿所述 光学路径传递,和
具有曲率半径(204)的至少一个介质不连续性结构(21),其定位 成沿着所述光学路径,所述介质不连续性结构具有大于45°的用于光学信 号的临界角,以使得对于沿所述光学路径传递的光学信号能够发生全内反 射,所述全内反射使沿所述光学路径传递的所述光学信号经过急剧的弯 曲,其中,所述曲率半径使得所述光学信号的至少大部分在经过所述弯曲 的同时仍保持在所述光学路径内。
2.根据权利要求1所述的光学传输介质,其中,所述不连续性结构包 括空气界面。
3.根据权利要求1所述的光学传输介质,其中,所述不连续性结构是 通过折射率低于所述传输介质折射率的介质产生的。
4.根据权利要求1所述的光学传输介质,其中,所述不连续性结构的 宽度宽到足以捕获经过所述弯曲的大部分所述光学信号。
5.根据权利要求1所述的光学传输介质,其中,所述曲率半径设置成 对被导向的光学信号的衍射进行补偿,以使所有所述光学信号大体上绕所 述弯曲来传输。
6.根据权利要求1所述的光学传输介质,其中,所述曲率半径在5微 米到1000微米之间。
7.根据权利要求1所述的光学传输介质,其中,所述不连续性结构的 至少一个表面自行对准所述光学路径剖面的至少一个延伸部分。
8.根据权利要求1所述的光学传输介质,其中,所述光学路径是在第 一掩膜层上在所述介质中构成的,所述不连续性结构是在另外的掩膜层上 在所述介质中构成的,其中,第一掩膜层上的所述光学路径的部分延伸以 便于自行对准。
9.根据权利要求8所述的光学传输介质,其中,所延伸的部分的宽度 比所述掩膜之间的对准容限大得多,所延伸的部分的长度足以捕捉所有的 模式轮廓。
10.一种用于构成波导的方法,所述方法包括:
通过使用第一掩膜来划分要被除去以形成光学路径的区域,从而产生 穿过介质的所述光学路径,所述第一掩膜除了产生穿过所述介质的最佳光 学路径外,还产生具有延伸区域的光学路径;以及
使用第二掩膜在所述介质内产生不连续性结构区域,其中通过将所述 第二掩膜与由所述第一掩膜产生的所述延伸区域对准来对所述第二掩膜进 行定位,所述不连续性结构区域定位成与由所述第一掩膜产生的所述光学 路径的部分邻近。
11.根据权利要求13所述的方法,其中,所述延伸区域位于两个光学 路径的相交处。
12.根据权利要求14所述的方法,其中,所述延伸区域具有至少一个 弯曲部分。
13.一种波导,包括:
构成于介质内的波导芯(12、13),所述波导芯中带有弯曲,所述弯 曲将所述波导芯的第一部分(12)从所述波导芯的第二部分(13)分离 开;和
位于所述弯曲处的全内反射腔(21),使得沿着所述波导芯第一段行 进接触所述全内反射腔的信号沿着所述波导芯的所述第二段基本上无衰减 地继续行进,其中,所述全内反射腔具有至少一个弯曲表面(204)。
14.根据权利要求18所述的波导,其中,所述弯曲表面是所述全内反 射腔中所述光学信号首先接触的表面。
用波导在光电子装置中引导光学信号已经是常见的情况,所述波导是 在容纳在其他电路元件中的介质内形成。这些装置称为光子集成电路 (PIC),无源波导用于在这些电路上的有源装置之间引导光学信号。波 导还用来在这些电路中从/向其他电路引导光学信号,这种引导通常通过光 纤端口来进行。
随着这种PIC的密度增加,沿着波导路径急剧转弯的需求也增加了。 这些急剧转弯经常在90度的量级。为了避免这些弯曲处光学信号的辐射 损失,使用的波导具有高折射率对比介质(high index contrast medium)。 高折射率波导利用波导芯与周围介质(例如电介质/空气)之间的较大折射 率不连续性结构,从而在横向上对光学模式进行严格限制。但是,由于这 种严格的光学限制,这种高折射率对比波导与低折射率对比波导相比,来 自波导侧壁的粗糙度(在制造过程中引入)引起的散射损耗更大。
对于单模工作,因为下列原因而优选采用具有低折射率对比的波导 (例如脊状加载波导、掩埋式波导等):它们有较大的截面尺寸 (>1μm)从而可以用传统的光刻方式比较容易地制造;它们与光纤的模 式匹配更好,从而使功率耦合损失较低。但是,低折射率波导需要比较大 (大于几mm)的弯曲半径来避免由于辐射损耗造成的过度衰减。因此, 低折射率波导不适于用在需要沿着光学信号路径急剧弯曲的装置中。
图1A和图1B示出了具有不连续性结构界面11的现有技术波导10。 如图1A所示,光在输入端口12处进入波导,并在波导内以光学模式的形 式传播,直到其到达不连续性结构11,在本实施例中,不连续性结构11 是空气界面。不连续性结构11的边缘19相对于光的行进方向成大约45° 角。如下面由图4A和图4B将要看到的,由于这个45°角以及波导10的介 质(波导芯)与不连续性结构11的介质(空气)之间的折射率差异,光 学模式发生TIR并在波导内被引向输出处13。以此方式,通过TIR转向镜 11的空气界面实现了急剧弯曲(在90°量级)。转向角可以大于90°,只 要输入光束在TIR反射镜上的入射角度大于临界角即可。
图1A所示的波导图示了带有脊14的脊状波导,脊14位于上部包层 15上方,上部包层15又位于波导芯16上方。波导芯16下方是下部包层 17,它们都构造在衬底18上方。注意,整个结构10通常是通过刻蚀去某 些部分而构造成一体结构,这些都是已知的。脊周围的空气形成了折射率 阶梯分布,对波进行横向限制。脊14和上部包层可以是相同材料,也可 以是不同材料。波导芯16除了空气沟槽11之外都是连续板(slab),空 气沟槽11形成了TIR反射镜,该反射镜被刻蚀穿过波导芯并进入下部包 层17。被引导的、要经过波导10行进的光波进入输入端口12并离开输出 端13。轮廓101示出了典型的波导模式轮廓。
图1B是波导10的视图,其中为清楚起见已经将脊14抬起。沟槽11 是通过将各向异性刻蚀向下进行到波导的下部包层产生的,用于防止在 TIR反射镜处向下部包层和衬底发生辐射损耗。理想情况下,被引导的波 的全部能量都应当被电介质空气界面反射,并应当进入输出波部分13。但 是,如波导模式轮廓101所示(图1A),被引导的波中相当一部分能量 由于横向折射率导向作用较弱而延伸了脊宽度“w”。
在被引导的波经过波导芯区域、从TIR不连续性结构11的前表面19 (见图1A和图1B)反射时,横向模式轮廓的能量端部(energy tail)发生 附加的相位延迟。这种额外的相位延迟使被导向的波前发生扭曲并造成了 衍射损耗。
图4图示了构成波导部分12与13之间不连续性结构界面的一种现有 技术方法。用两个单独的掩膜层(mask level)构成TIR反射镜43。第一 掩膜层用于限定波导部分12和13,TIR反射镜由两个掩膜层1和2限 定。图6A-6D和7A-7D示出了处理流程,并图示了为什么失准会改变 TIR反射镜界面。即使采用亚微米级对准精度的机器,也不能保证在指定 精度范围内复制转向镜的形状和位置。轻微的失准就可能对转向镜执行其 所需功能的效率造成很大影响。
图1C示出了沿1C-1C线所取的现有技术波导10(如图1A所示)的 剖视图,并示出了构成不连续性结构界面的一种现有技术方法。
图1D示出了沿1D-1D线所取的现有技术波导10(如图1A所示) 的剖视图。
发明内容
使用全内反射(TIR)的低折射率对比波导介质来对经过波导的光学 信号产生相当急剧(大约90°)的弯曲。介质(例如空气)的不连续性结 构在波导路径内产生了转向镜。通过使这种不连续性结构发生弯曲,将整 个输入光束聚焦到波导的输出部分中,从而对转向镜处的衍射损耗进行补 偿。
以可复制方式制造带有转向镜的波导弯曲部是通过在与波导图案相同 的掩膜层上限定TIR反射镜来实现的。为了便于掩膜的正确对准,第一掩 膜上的某些波导部分被延伸并加宽到超过其最佳物理尺寸。然后用这种延 伸部分来对用于在介质中形成不连续性结构的第二掩膜的边缘进行定位, 使得制造处理引入的失准不会改变转向镜与波导之间的相对位置。通过调 整曲率来补偿由波导的延伸部分造成的光学信号散射损耗。
附图说明
图1A和图1B示出了具有不连续性结构界面的现有技术波导;
图1C和图1D示出了现有技术波导的剖面;
图2示出了本发明的一种实施例,图示了弯曲的不连续性结构,所述 弯曲的不连续性结构形成了用于低折射率对比波导的转向镜;
图3A和图3B示出了转向角度的计算;
图4示出了构成不连续性结构界面的现有技术方法。
图5A和图5B示出了本发明的实施例,用于使构成不连续性结构界面 的不连续性结构掩膜自行对准;
图6A-6D、图7A-7D以及图8示出了用于在波导中构成全内反射 转向镜的处理。
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