用于低损耗波导弯曲的系统和方法
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。
1.一种用于构成波导的方法，所述方法包括：
提供上包层(15)、下包层(17)以及处于所述上包层与所述下包层之间的波导芯(16)；
通过使用第一掩膜(60)来划分要被除去以形成光学路径(12、13)的区域，从而在所述波导芯(16)中产生所述光学路径，所述光学路径具有弯曲部分以及位于所述弯曲部分处的延伸区域，所述延伸区域包括侧翼，所述侧翼的宽度大于光刻机对准容限的2倍；以及
使用第二掩膜(61)在所述波导芯内产生由空气介质(11)产生的不连续性结构(21)区域，其中，所述第二掩模暴露出所述第一掩模的边缘(81)，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弯曲部分邻接，所述波导芯中对应于所述光学路径的部分与所述不连续性结构区域之间形成全内反射界面，所述不连续性结构区域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。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述弯曲部分的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绕所述弯曲来传输。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述不连续性结构区域的宽度宽到足以捕获经过所述弯曲部分的大部分所述光学信号。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述曲率半径在5微米到1000微米之间。
背景技术
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并离开输出端口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。
具体实施方式
实现光学表面204与波导部分12和13的非常良好对准，以便以有效的方式将光学信号聚焦回输出波导部分13中，这是非常重要的。但是，波导和转向镜不连续性结构通常是作为两个单独的处理步骤来制造的，因此造成了界面204与波导部分12和13很可能失准。
图3A示出了输入光束31与输出光束32之间的转向角θ可以大于90°，只要如图3B所示输入光束(例如光束31)在TIR反射镜表面19(见图1A)处的入射角度大于临界角度即可。
图5A和5B示出了根据本发明的一种实施例，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。如图5A所示，侧翼图案51和52在与波导部分12、13相同的掩膜层上从实际波导的角部向外延伸。TIR不连续性结构43对于波导的相对位置是所述相同掩膜层上的预定位置。掩膜层2的开口暴露出掩膜层1用于TIR反射镜43的边缘。只要侧翼52、53的宽度tw大于光刻机对准容限的2倍，则用于波导的掩膜层1与用于沟槽开口的掩膜层2之间的失准不会影响TIR反射镜的形状和位置。因此，无论制造误差如何都可以复制TIR反射镜结构。侧翼52、53的长度lm应当长到足以将输入光学信号的所有模式轮廓反射到输出波导部分中。在根据本发明的一种实施例中，延伸部分的宽度是光学模式轮廓宽度的五倍。侧翼图案51和52产生的额外结构会给波导沿传播方向引入小的折射率阶梯分布。这种折射率阶梯分布倾向于使被导向的波散射，但是在必要情况下可以如上文结合图2所述通过调节转向镜界面的曲率半径来补偿。
图5B图示了这样一种弯曲的延伸结构。
图6A是示出用于波导图案的第一掩膜60的剖视图。
图6B是示出被通过干法刻蚀以形成脊14的层15的剖视图。
图6C是示出形成TIR反射镜62的第二掩膜61的剖视图。
图6D是示出经过层15、16和17形成的TIR反射镜62的剖视图。
图7A是上部包层15顶部的第一掩膜60的俯视图。
图7B是包层15顶部被刻蚀的脊的俯视图。
图7C是将要刻蚀出开口62的区域62的俯视图。
图7D是示出由掩膜1(60)和掩膜2(61)二者限定的开口62的俯视图。掩膜1、2之间的任何失准都可能改变TIR反射镜的形状，并从而改变装置的功能。
图9的俯视图示出刻蚀之前掩膜层1和2的理想对准情况的自行对准处理。只有不被掩膜1或2中任一个覆盖的开口62将要被刻蚀。由于第二掩膜层的开口暴露出第一掩膜层的边缘81，所以TIR反射镜将只由第一掩膜层的边缘81来限定。以此方式，只要延伸侧翼的宽度大于光刻机的对准容限，就可以精确地复制TIR反射镜。因此，掩膜2的轻微扭转或失准并不要紧。
尽管已经详细说明了本发明及其优点，但是应当明白，在不脱离由权利要求限定的本发明的情况下，可以进行各种改变、替代和变更。此外，本申请的范围不应限制为说明书中所述处理、机器、制造、物质成分、装置、方法和步骤的具体实施例。正如人们可以容易地根据这里公开的内容所想到的，也可以采用现有的或将来开发的那些执行与这里所述相应实施例大体上相同的功能或实现与这里所述相应实施例大体上相同的结果的处理、机器、制造、物质成分、装置、方法或步骤。因此，权利要求的范围内应当包括这样的处理、机器、制造、物质成分、装置、方法或步骤。
与联邦政府资助的研究或研制有关的声明
作出本发明部分地利用了国防高级研究计划局(DARPA)授权号为MDA972-03-03-0004的政府支持。政府在本发明中具有一定的权利。
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