CN102436028A

CN102436028A - 平面光波导结构及其制作方法

Info

Publication number: CN102436028A
Application number: CN2011104390351A
Authority: CN
Inventors: 宋齐望; 孙麦可
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2011-12-23
Publication date: 2012-05-02

Abstract

本发明公开了一种平面光波导结构，包括锥形段波导和恒径段波导，所述锥形段波导与波导器件相连，其波导芯横截面为锥形，宽度沿光纤到波导器方向逐渐减小，由N个波导芯组成，且沿着光纤到光波导方向，波导芯长度逐渐增加，各波导芯间的间隙长度逐渐减小，波导芯四周充满包层材料；所述恒径段波导与光纤相连，由M个具有相同长度的波导芯组成，各个波导芯间的间隙长度相同，波导芯四周均充满包层材料。同时提供一种平面光波导结构的制作方法。通过改变波导芯在宽度和长度方向的截面形状和大小，借此来改变波导中光束的模场分布，有效地降低了波导与光纤间的耦合损耗，提高了产品性能，此外，该波导结构生产制造相对简单，易于大规模生产。

Description

平面光波导结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及光波导领域，具体地，涉及一种平面光波导结构及其制作方法。

背景技术

自从1969年贝尔实验室首次提出光集成的概念至今，经过多年的发展，光集成技术取得了长足的进步，特别是近十年来，光通信向高速率、大容量的方向发展，对于光集成器件的需求亦越来越迫切。

平面光波导技术作为光集成的核心技术，其生产出的器件体积小、集成度高、可靠性好。大部分集成光学器件，如光调制器、光开关、光功率分配器、光耦合器、波分复用器、光滤波器、偏振分束器、微透镜等等, 都是以平面光波导技术为基础的波导型器件。为了将这些平面光波导器件应用于光通信系统，则必须考虑如何将平面光波导器件与光纤进行有效地耦合，而耦合效率的高低直接影响到各种光集成器件的性能。

一个理想的耦合应该是效率高，能获得尽可能大的出纤功率，以利于扩展系统的传输距离和提高系统的信噪比；也要做到反射小，能尽可能减少耦合反射光对集成光学器件工作特性的影响。如果光纤与波导之间是理想的对准，耦合的总插入损耗就包括菲涅耳反射（两端面多次反射）损耗、传输损耗和光纤与波导间的模场失配损耗。菲涅耳反射损耗一般可以通过使用折射率匹配液或在波导端面镀上一层抗反射层而消减。在总插入损耗中，模场失配损耗是个主要因素，因为波导与光纤中光能的转移是通过波导模场和光纤中模场的匹配来完成的。

众所周知，单模光纤中模场呈高斯分布，且光纤是圆对称，而在一般的集成光学器件中，光波导通常情况下是矩形的，而且在绝大多情况下折射率的分布也与光纤的折射率分布不同，所以其模场分布在大小和形状上都不能与光纤中的模场相匹配。特别是为了将光波导器件尺寸减小时，其光波导芯层折射率n1和包层折射率n2的折射率差δn （δn=(n1-n2)/n1）将增大，以至于远大于通用光纤的芯/包折射率差，引起模场失配。因此，必须设法改变光波导或是光纤的截面形状和大小，改变光波导和光纤中的模场分布，从而提高光波导与光纤间的耦合效率。

随着光通信向高速率、大容量、长距离方向发展，人们对各种集成光学器件与光纤的耦合要求也越来越高。为此，人们开始尝试改变光波导结构，研制各种“模式转换器”。

综上所述，在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下缺陷：现有的平面光波导结构耦合损耗高。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种平面光波导结构及其制作方法，以实现耦合损耗低且制作简单、易于大规模生产的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种平面光波导结构，包括锥形段波导和恒径段波导，所述锥形段波导与波导器件相连，其波导芯横截面为锥形，宽度沿光纤到波导器方向逐渐减小，由N个波导芯组成，且沿着光纤到光波导方向，波导芯长度逐渐增加，各波导芯间的间隙长度逐渐减小，波导芯四周充满包层材料；

所述恒径段波导与光纤相连，由M个具有相同长度的波导芯组成，各个波导芯间的间隙长度相同，波导芯四周均充满包层材料。

根据本发明的优选实施例，所述N至少为3个，所述M为4-15个。

同时本发明还提供了一种平面光波导结构的制作方法，包括以下步骤：

选用二氧化硅或硅作为衬底，在衬底上生长下包层和波导芯层，该波导芯层中掺杂有二氧化硅，使波导芯层折射率略高于衬底；

在上述波导芯层上使用光刻的方法形成具有一定波导结构的光刻胶；

将多余的掺杂波导芯层腐蚀掉；

将多余的光刻胶去除；

在下包层上形成一层能完全覆盖波导芯层的折射率与下包层相同的上包层。

本发明的技术方案通过改变波导芯在宽度和长度方向的截面形状和大小，借此来改变波导中光束的模场分布，有效地降低了波导与光纤间的耦合损耗，提高了产品性能，此外，该波导结构生产制造相对简单，易于大规模生产。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例所述的平面光波导结构的结构示意图；

图2a为本发明实施例所述的平面光波导结构制作方法中生长下包层和波导芯层后的结构示意图；

图2b为本发明实施例所述的平面光波导结构制作方法中形成光刻胶后的结构示意图；

图2c为本发明实施例所述的平面光波导结构制作方法中腐蚀掉多余波导芯层后的结构示意图；

图2d为本发明实施例所述的平面光波导结构制作方法中去除多余的光刻胶后的结构示意图；

图2e为本发明实施例所述的平面光波导结构制作方法中形成上包层后的结构示意图；

图3为光纤与光波导的耦合损耗随波导芯间隙长度差值的变化曲线图；

图4为光纤与光波导的耦合损耗随波导芯宽度差值的变化曲线图。

结合附图，本发明实施例中附图标记如下：

1-锥形段波导；2-恒径段波导；3-波导芯；4-衬底；5-下包层；6-波导芯层；7-光刻胶；8-上包层；

图中箭头方向为光波导方向。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一：

如图1所示，一种平面光波导结构，包括锥形段波导1和恒径段波导2，锥形段波导1与波导器件相连，其波导芯横截面为锥形，宽度沿光纤到波导器方向逐渐减小，由3个波导芯3组成，且沿着光纤到光波导方向，波导芯3长度逐渐增加，各波导芯间的间隙长度逐渐减小，波导芯四周充满包层材料；

恒径段波导2与光纤相连，由4个具有相同长度的波导芯3组成，各个波导芯间的间隙长度相同，波导芯四周均充满包层材料。

其中锥形段波导中的波导芯至少选用3个，恒径段波导中的波导芯可以选用7个、9个、13个或15个，其选用个数一般为4至15个。

实施例二：

如图2a至图2e所示，一种平面光波导结构的制作方法，

选用二氧化硅或硅作为衬底4，在衬底4上生长下包层和波导芯层6，该波导芯层中掺杂有二氧化硅，使波导芯层折射率略高于衬底；

在上述波导芯层上使用光刻的方法形成具有一定波导结构的光刻胶7；

将多余的掺杂波导芯层6腐蚀掉；

将多余的光刻胶7去除；

在下包层5上形成一层能完全覆盖波导芯的折射率与下包层相同的上包层8。

具体的制作工艺流程图如图2a至图2e所示：选用二氧化硅或硅作为衬底，在衬底上生长下包层和波导芯层，波导芯层中掺杂的二氧化硅，使其折射率略高于衬底；在波导芯层上光刻形成具有一定波导结构的光刻胶；将多余的掺杂波导芯层腐蚀掉，留下具有一定形状的部分作为波导芯层；将多余的光刻胶去除；在下包层上形成一层能完全覆盖波导芯的上包层，其折射率与下包层相同。

该波导结构通过改变平面光波导的模场分布，使其与光纤的模场分布相匹配，由此来改善光波导与光纤间的耦合损耗，实现平面光波导与光纤的低损耗耦合。

通过图3和图4可知对于每一给定的光波导的δn =(n1-n2)/n1，调整波导芯间隙长度差值和波导芯宽度差值可将耦合损耗降低。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种平面光波导结构，其特征在于，包括锥形段波导（1）和恒径段波导（2），所述锥形段波导（1）与波导器件相连，其波导芯横截面为锥形，宽度沿光纤到光波导方向逐渐减小，由N个波导芯（3）组成，且沿着光纤到光波导方向，波导芯(3)长度逐渐增加，各波导芯（3）间的间隙长度逐渐减小，该波导芯（3）四周充满包层材料；

所述恒径段波导（2）与光纤相连，由M个具有相同长度的波导芯（3）组成，各个波导芯(3)间的间隙长度相同，该波导芯(3)四周均充满包层材料。

2.根据权利要求1所述的平面光波导结构，其特征在于，所述N至少为3个。

3.根据权利要求1所述的平面光波导结构，其特征在于，所述M为4-15个。

4.一种如权利要求1至3所述的平面光波导结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

选用二氧化硅或硅作为衬底（4），在衬底（4）上生长下包层（5）和波导芯层（6），该波导芯层（6）中掺杂有二氧化硅，使波导芯层（6）折射率略高于衬底（4）；

在上述波导芯层（6）上使用光刻的方法形成具有一定波导结构的光刻胶（7）；

将多余的上述掺杂波导芯层（6）腐蚀掉；

将多余的上述光刻胶（7）去除；

在下包层（5）上形成一层能完全覆盖波导芯层（6）的折射率与下包层（5）相同的上包层（8）。