彎曲光波導(dǎo)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]一般來說，本發(fā)明涉及光學(xué)和光子學(xué)。特別是，但不是唯一地，本發(fā)明涉及HIC (高折射率對比度)光學(xué)多模波導(dǎo)和它們的彎曲。
【背景技術(shù)】
[0002]包括多模介電波導(dǎo)的光波導(dǎo)被設(shè)計用于在光波段中傳輸電磁波。光波導(dǎo)基本上是光導(dǎo)管，其通過適當(dāng)選擇芯和分別具有較高和較低折射率的外圍包層材料的方式來配置，以將光限制在其中傳輸而不將其泄露至環(huán)境中。
[0003]光波導(dǎo)可以根據(jù)它們的幾何形狀(板(平面)或帶形、筒形等)、模式結(jié)構(gòu)(單模、多模)、折射率分布(階躍或梯度折射率)、以及例如材料(玻璃、聚合物、半導(dǎo)體等)進行分類。光在芯/包層分界面的折射通常受到斯涅爾定律的約束。當(dāng)光在所謂的臨界角以上到達芯和包層材料之間的界面時，基于稱為‘全內(nèi)反射’(TIR)的現(xiàn)象其被完全反射回到芯材料。
[0004]就波光學(xué)而言，多模波導(dǎo)，正如其名字所暗示的，能夠引導(dǎo)除主模式之外的幾種模式的波，即，具有邊界條件的麥克斯韋的方程的解的離散集。實際上，波導(dǎo)的芯尺寸越大，模式的數(shù)量就越多。由于例如更大的尺寸通常使得能夠更粗糙地利用，使用更實惠的硬件和制造方法，所以多模波導(dǎo)和將光與波導(dǎo)連接的相關(guān)設(shè)備通常比單模的對應(yīng)物更容易構(gòu)建。然而，與單模解決方案相比，多模失真限制了多模波導(dǎo)的‘帶寬X距離’的積。還使得密集集成大量波導(dǎo)組件(耦合器、濾波器等)的高級的波導(dǎo)電路的實現(xiàn)復(fù)雜化(或阻止實現(xiàn))。因此，這樣的電路通常利用單模波導(dǎo)實現(xiàn)，而多模波導(dǎo)主要用于點對點鏈路并且實現(xiàn)相對簡單的波導(dǎo)電路。
[0005]多模波導(dǎo)也可以局部地用作單模波導(dǎo)電路的一部分。他們可以形成組件，如多模干涉(MMI)耦合器，其中多個模式被一時激發(fā)但光最終耦合回單模波導(dǎo)。它們也可以用于僅以基本模式傳播光，但在這種情況下，光必須絕熱地耦合在單模波導(dǎo)部和多模波導(dǎo)部之間以避免激發(fā)高階模式。并且最后，當(dāng)多模失真不再相關(guān)時，例如當(dāng)將光耦合到大面積的光電檢測器中時，多模波導(dǎo)可被放置在單模波導(dǎo)后面。
[0006]根據(jù)定義，除非發(fā)生某些擾動，如波導(dǎo)形狀的改變，否則多模直波導(dǎo)的模式在不相互耦合的情況下不受擾動地傳播。具體地，彎曲可以引起不同的模式之間的顯著耦合，使得即使在彎曲之前在直部中僅激發(fā)基本模式，在彎曲的端部的直部中，通常也將激發(fā)高階模式(HOM)。曲率1/R(彎曲半徑R)越大，不需要耦合的程度越高并且，通常，顯著激發(fā)的模式的數(shù)量也越多。
[0007]實際上，單模光子集成電路的一個基本設(shè)計規(guī)則規(guī)定任何彎曲的波導(dǎo)必須是單模，使得可以避免彎曲中的模式之間的不希望有的耦合和后續(xù)有害的模拍頻和電輻射。為了集成的目的，彎曲半徑通常盡可能地小，這需要使用HIC波導(dǎo)。此外，折射率對比度越高，波導(dǎo)應(yīng)越小，以便確保單模條件。可以利用亞微米波導(dǎo)實現(xiàn)密集集成，但是他們造成許多另外的問題，包括偏振依賴性和光纖模式的低耦合效率。此外，為了可伸縮的生產(chǎn)，他們需要現(xiàn)有最先進的昂貴的制作工具以解決亞微米特征并且還對納米尺度加工誤差非常敏感。
[0008]作為參考，可以引進單模式肋形波導(dǎo)，其可以在絕緣體上硅(SOI)晶片之上圍繞形成波導(dǎo)的未蝕刻的3.5 μπι寬的肋狀物通過將最初4 μπι厚的Si層干蝕刻至約2 μπι的厚度來實現(xiàn)。雖然其大尺寸和高折射率對比度，但這個波導(dǎo)是單模的，因為高階模遠離沿著外圍2 μπι厚的Si板的肋狀物輻射功率。然而，當(dāng)肋形波導(dǎo)彎曲時，板還使基本模式能夠?qū)⒐β瘦椛涞桨逯?。因此這樣的肋形波導(dǎo)的最小彎曲半徑是約4_。為了避免彎曲中的基本模式的輻射損耗，肋形波導(dǎo)可以被局部地轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗄l形波導(dǎo)或者在彎曲周圍可以局部增加刻蝕深度[參考文獻:K.Solehmainen, T.Aalto, J.Dekker, M.Kapulainen, Μ.Harjanneand P.Heimala, ^Development of mult1-step processing in silicon-on-1nsulator foroptical waveguide applicat1ns'Journal of Optics A:Pure and Applied Optics, vol8，pp.S455-S460(2006)]。然而，在實踐中，如果彎曲半徑已相對于相應(yīng)的低損耗肋形波導(dǎo)彎曲減少了 10倍或更多，那么會導(dǎo)致HOM的不可避免的激發(fā)。
[0009]縮小多模HIC波導(dǎo)的彎曲半徑的目的可以通過匹配的弧形逼近來實現(xiàn)，這依賴于將圓形彎曲的長度與彎曲波導(dǎo)的基本模式和第一高階模式(HOM)之間的拍長的整數(shù)倍相匹配，以保證盡管在彎曲部中傳播的過程中已激發(fā)了 HOM的事實，但在彎曲的端部僅基本模式將被激發(fā)。然而，所獲得的彎曲半徑依然相當(dāng)大，實際上，例如，比波導(dǎo)寬度大兩個數(shù)量級，并且具體地，由于非常嚴格的公差要求，波導(dǎo)的制造具有挑戰(zhàn)性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]目標是至少減輕一個或多個前述的問題并且提供具有改善的急彎曲的光學(xué)多模HIC波導(dǎo)。
[0011]目標是通過在光學(xué)波段傳輸電磁福射的光學(xué)多模HIC波導(dǎo)的不同的實施方式來實現(xiàn)，該波導(dǎo)包括:導(dǎo)引芯部，具有較高折射率；以及包層部，具有顯著較低的折射率，包層部被配置為在橫向上至少部分地圍繞光導(dǎo)引芯以便于將傳播輻射限制在芯內(nèi)，波導(dǎo)被配置為支持傳播福射的多個光學(xué)模式，
[0012]其中所述芯和包層部之間的相對折射率對比度是約25 %或更高，并且波導(dǎo)包含具有彎曲曲率的彎曲波導(dǎo)段，該彎曲曲率被配置為至少逐漸，優(yōu)選地，基本上連續(xù)地從段端部向著所述段的最大曲率增加。
[0013]彎曲段的最大曲率可以出現(xiàn)在段的端部或者它們的端部之間，如段長度的一半處。在后者的情況下，任意一個或兩個端部可以與段的公共最小曲率相關(guān)聯(lián)，或至少包括局部最小值。曲率可以從一個端部向著最大值增加并且遠離最大值向著段的另一端部減少。盡管彎曲段被施加以改變波導(dǎo)的方向，但兩個段端部可以基本上是直的。段端部可以彼此平行或不平行。在一些實施方式中，波導(dǎo)可以由彎曲段組成?？商鎿Q地，波導(dǎo)同樣可以限定多個另外的段，其中每個段是直的或彎曲的。通常，幾個彎曲段還可以接合在一起以構(gòu)造更復(fù)雜的彎曲形狀。例如，基本直的段可以接著一個或多個彎曲的段以及可選擇進一步基本直的段。就福射傳播而言，一個段端部可以稱為光輸入或者親入端，而另一個為光輸出或親出端。
[0014]可以利用本發(fā)明的原理構(gòu)造各種優(yōu)化的彎曲形狀，諸如‘U’彎曲或‘L’彎曲，或螺旋片段(spiral segment)形狀。
[0015]在一個實施方式中，彎曲段包括相鄰且基本鄰接彼此的兩個鏡面對稱的子段，最大曲率可選地實現(xiàn)在所述子段的邊界處，即全部段長度的一半處。例如，可以相應(yīng)地構(gòu)造‘U’或‘L’彎曲。作為在設(shè)計各種彎曲形式中對稱性的應(yīng)用的另一個實例，可以構(gòu)造雙端螺旋形式的片段，其中對稱點(中心)承載最小曲率(直的)。
[0016]在另一個或者補充的或者可替代的實施方式中，曲率基本隨著彎曲長度線性地改變?yōu)閺亩味瞬康淖钚×肯蛑虚g最大值線性地增加。
[0017]在另一個或者補充的或者可替代的實施方式中，曲率的有效彎曲半徑是波導(dǎo)寬度的數(shù)量級。隨著曲率改變，最小半徑更小。
[0018]仍然在另一個或者補充的或者可替代的實施方式中，芯部限定基本平面的芯層，并且包層部可選地進一步限定至少一個基本平面的相鄰層?？商鎿Q地，芯部限定由包層在相對于輻射的預(yù)定傳播方向(導(dǎo)引方向)的橫向上圍繞的筒形內(nèi)部芯層。
[0019]仍然，在另一個或者補充的或者可替代的實施方式中，芯和包層之間的折射率(η)對比度Δη = (ncore_ncla)/ncla基本約是50%或更高，并且優(yōu)選地，約100%或更高。
[0020]在另一個或者補充的或者可替代的實施方式中，波導(dǎo)是介電波導(dǎo)(介質(zhì)波導(dǎo)，dielectric waveguide)，優(yōu)選地，條形波導(dǎo)。優(yōu)選地，芯包括介電材料?？商鎿Q的或另外的，包層可包括介電材料。
[0021]在另一個或者補充的或者可替代的實施方式中，芯部可以是或包括選自以下各項組成的組中的至少一種材料:半導(dǎo)體、S1、Ge、GaAs, InP, CdTe, ZnTe、氧化硅、Si3N4、Ti02、聚合物、以及金剛石。
[0022]在另一個或者補充的或者可替代的實施方式中，包層部分可以是或包括選自以下各項組成的組中的至少一種材料:空氣、包含石英的玻璃、以及聚合物。
[0023]在另一個，或者補充的或者可替代的實施方式中，彎曲段限定匹配的彎曲(在下文中更詳細地描述)?？商鎿Q地，其可以限定一般的、未匹配的彎曲。
[0024]在各種實施方式中，例如，所獲得的波導(dǎo)可以基本在微米尺度或更小。
[0025]電子、光學(xué)、光電和/或光子裝置可包括本文中提出的波導(dǎo)的實施方式。如集成光學(xué)電路的光學(xué)電路可包括本文中提出的波導(dǎo)的實施方式。如微環(huán)諧振器的微環(huán)元件可包括本文中提出的波導(dǎo)的實施方式?？蛇x地多級級聯(lián)MZI (馬赫-曾德干涉儀)可包括本文中提出的波導(dǎo)的實施方式?？蛇x地長的和低損耗的延遲線可包括本文中提出的波導(dǎo)的實施方式。同樣麗I反射器(具有利用U彎曲連接的兩個輸出端的麗I耦合器)可包括本文中提出的波導(dǎo)的實