專利名稱：用于波導(dǎo)電路的波導(dǎo)彎角的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光通信設(shè)備，更具體地，涉及光波導(dǎo)裝置。
背景技術(shù)：
典型的埋溝式石英波導(dǎo)具有相對(duì)較大的彎角半徑。例如，在其核心和包層區(qū)域之間具有0.5％折射率對(duì)比度的波導(dǎo)具有至少約5mm的彎角半徑。這個(gè)相對(duì)較大的彎角半徑會(huì)不利地影響波導(dǎo)電路的尺寸。

發(fā)明內(nèi)容
按照本發(fā)明的原理，波導(dǎo)彎角具有以互相之間成一個(gè)角度取向并通過(guò)反射面互相光耦合的兩個(gè)波導(dǎo)，這解決現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題。在一個(gè)實(shí)施例中，反射面是在波導(dǎo)的核心與包層區(qū)域中形成的溝槽(trench)的側(cè)面，它被設(shè)計(jì)來(lái)根據(jù)全內(nèi)反射(TIR)來(lái)反射光。反射面可被設(shè)計(jì)成具有適當(dāng)?shù)膹澢男螤钜詼p小在波導(dǎo)之間的耦合損耗。由于對(duì)于反射面可達(dá)到的相對(duì)較陡的轉(zhuǎn)彎(反射)角度，本發(fā)明的波導(dǎo)彎角占用的電路面積比起典型的現(xiàn)有技術(shù)波導(dǎo)彎角的大大地減小。


圖1顯示具有現(xiàn)有技術(shù)波導(dǎo)彎角的光學(xué)裝置的頂視圖；圖2顯示按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的具有波導(dǎo)彎角的光學(xué)裝置的頂視圖；圖3圖形地顯示按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的、圖1的波導(dǎo)彎角的光學(xué)特性；圖4顯示按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的具有90度波導(dǎo)彎角的光學(xué)裝置的頂視圖；以及圖5顯示按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的具有180度波導(dǎo)彎角的光學(xué)裝置的頂視圖。
具體實(shí)施例方式
這里關(guān)于“一個(gè)實(shí)施例”或“實(shí)施例”是指結(jié)合實(shí)施例描述的具體的特性、結(jié)構(gòu)或特征可被包括在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中。詞組“在一個(gè)實(shí)施例中”在本技術(shù)說(shuō)明書中的各種場(chǎng)合的出現(xiàn)不一定都指同一個(gè)實(shí)施例，也不是與其它實(shí)施例互斥的分開的或替換的實(shí)施例。
圖1顯示具有現(xiàn)有技術(shù)波導(dǎo)彎角的光學(xué)裝置100的頂視圖。更具體地，裝置100具有互相之間成90度取向并通過(guò)彎曲的鏈接器(linker)104連接的兩個(gè)平面波導(dǎo)102a和102b。波導(dǎo)102a-b和鏈接器104，每個(gè)具有被形成在基片上的核心和包層區(qū)域，圖1顯示核心區(qū)域的輪廓。核心區(qū)域的折射率高于包層區(qū)域的折射率，這提供核心區(qū)域中光的側(cè)向和橫向限制。
正如本領(lǐng)域所熟知的，為了避免大的信號(hào)損耗，鏈接器104優(yōu)選地應(yīng)當(dāng)具有大于某個(gè)最小值的曲率半徑。例如，在用約4％的折射率對(duì)比度值(Δ)實(shí)施的裝置100中，鏈接器104具有至少約350μm的半徑R1，其中Δ由公式(1)如下地定義Δ=ncore-nclncl...(1)]]>其中ncl和ncore分別是包層和核心區(qū)域的折射率。結(jié)果，裝置100的波導(dǎo)彎角占用約350×350μm2的電路面積。
圖2顯示按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的具有波導(dǎo)彎角的光學(xué)裝置200的頂視圖。更具體地，裝置200具有類似于裝置100的波導(dǎo)102a和102b的兩個(gè)波導(dǎo)202a和202b。波導(dǎo)202a和202b以互相之間成角度Ω被取向，以及通過(guò)鏈接器結(jié)構(gòu)204被光學(xué)耦合。鏈接器結(jié)構(gòu)204包括(i)波導(dǎo)202a-b的交叉末端部分，以及(ii)在這些末端部分的核心和包層區(qū)域中形成并被填充以具有相對(duì)較低的折射率的材料的溝槽206。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，溝槽206被填充以環(huán)境氣體，諸如空氣。由于在溝槽206與波導(dǎo)202a-b的核心區(qū)域之間的相對(duì)較大的折射率對(duì)比度，溝槽的側(cè)面208可以起到全內(nèi)反射(TIR)鏡的作用。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)看到，為了使能TIR，角度Ω應(yīng)當(dāng)大于臨界TIR角(θC)的值的兩倍。例如，當(dāng)ncore＝1.5和溝槽被填充以空氣時(shí)，θC≈42°和Ω可以是約84度那樣陡。然而，當(dāng)側(cè)面208具有反射性涂層時(shí)，這些限制對(duì)于角度Ω不適用。
在不同的實(shí)施例中，側(cè)面208可被設(shè)計(jì)成具有平坦的(平面)形狀或適當(dāng)?shù)那嫘螤睢＠?，在如圖2所示的實(shí)施例中，溝槽206的側(cè)面208具有拋物線形狀，即，由虛線表示的一段拋物線。圖2所示的形狀和取向可以按如下面描述地被選擇，以使得(1)由側(cè)面208的拋物線形狀定義的焦點(diǎn)F位于波導(dǎo)202b里面，以及(2)沿波導(dǎo)202a的中心軸傳播的光的射線被側(cè)面208引導(dǎo)，以沿波導(dǎo)202b的中心軸傳播。側(cè)面208的形狀和取向可以有利地使得在波導(dǎo)202a-b之間的耦合損耗最小化。
圖3圖形地顯示按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的、溝槽206的側(cè)面208的光學(xué)特性。更具體地，圖3顯示由公式(2)描述的拋物線308y=2Px...(2)]]>拋物線308具有坐標(biāo)為(x＝P，y＝0)的焦點(diǎn)。這意味著，平行于X軸入射到拋物線308的準(zhǔn)直光束310被聚集到該焦點(diǎn)，如圖3所示。用于側(cè)面208的實(shí)現(xiàn)的拋物線308的適當(dāng)?shù)姆侄?12可以通過(guò)使用由如下的公式(3a)給出的在角度Ω與拋物線的導(dǎo)數(shù)之間的關(guān)系而被選擇Ω2=π2-arctandydx|x=x0=π2-arctanPx0...(3a)]]>其中x0是分段312的大約的中點(diǎn)的X坐標(biāo)。如果側(cè)面208沒(méi)有反射性涂層，則由公式(3b)給出的約束條件還應(yīng)當(dāng)被考慮θC<Ω2<π2...(3b)]]>例如，當(dāng)光束310對(duì)應(yīng)于波導(dǎo)202a時(shí)，側(cè)面208可被設(shè)計(jì)成具有相應(yīng)于這些分段312的形狀和取向。
正如可以從公式(3)看到的，對(duì)于給定的Ω值，不同的拋物面形狀可以滿足公式(3)。更具體地，只要P/x0的比值具有正確的數(shù)值(由公式(3a)定義)，可以使用來(lái)自不同(即，具有不同的P值)的拋物線的適當(dāng)?shù)姆侄?。然而，?dāng)從分段312到焦點(diǎn)的距離受限時(shí)(例如，限于特定的長(zhǎng)度)，這個(gè)附加限制連同公式(3a)一起規(guī)定對(duì)于側(cè)面208的實(shí)現(xiàn)的P和x0的唯一的選擇。
圖4顯示按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的具有90度波導(dǎo)彎角的光學(xué)裝置400的頂視圖。更具體地，裝置400具有三個(gè)波導(dǎo)402a-c，它們通過(guò)使用兩個(gè)鏈接器結(jié)構(gòu)404-1和404-2被光耦合。裝置400的波導(dǎo)402和鏈接器結(jié)構(gòu)404，每個(gè)分別類似于裝置200的波導(dǎo)202與鏈接器結(jié)構(gòu)204。由于鏈接器結(jié)構(gòu)404-1和404-2的相對(duì)較小的尺寸，裝置400中90度波導(dǎo)彎角的尺寸可以有利地比起在現(xiàn)有技術(shù)裝置100(圖1)中的彎角的尺寸小約10倍。
鏈接器結(jié)構(gòu)404-1包括(i)波導(dǎo)402a-b的交叉末端部分，以及(ii)溝槽406-1。溝槽406-1的側(cè)面408-1具有由圖4的虛線表示的拋物線表示1拋物線形狀。側(cè)面408-1的拋物線形狀定義焦點(diǎn)F，該焦點(diǎn)位于波導(dǎo)402b的里面，如圖4所示。鏈接器結(jié)構(gòu)404-1具有約135度的Ω角。結(jié)果，沿波導(dǎo)402a的中心軸傳播的光的射線從側(cè)面408-1反射，以沿波導(dǎo)402b的中心軸傳播，由此產(chǎn)生約45度的方向的改變。
包括波導(dǎo)402b-c的交叉末端部分和溝槽406-2的鏈接器結(jié)構(gòu)404-2基本上是與鏈接器結(jié)構(gòu)404-1相對(duì)于穿過(guò)焦點(diǎn)F并正交于波導(dǎo)402b的平面的鏡像。另外，波導(dǎo)402b的長(zhǎng)度使得側(cè)面408-1和408-2的拋物線形狀定義的焦點(diǎn)基本上一致。結(jié)果，被鏈接器結(jié)構(gòu)404-1聚焦在焦點(diǎn)F上的光線被如圖4所示的鏈接器結(jié)構(gòu)404-2有效地重新校直。所以，當(dāng)準(zhǔn)直光束被耦合到波導(dǎo)402a時(shí)，類似的準(zhǔn)直光束將被鏈接器結(jié)構(gòu)404-1和404-2引導(dǎo)到波導(dǎo)402c。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解，當(dāng)在波導(dǎo)之間不需要具有準(zhǔn)直光束耦合時(shí)，波導(dǎo)402b可以具有不同的長(zhǎng)度，這不會(huì)導(dǎo)致由側(cè)面408-1和408-2的拋物線形狀定義的焦點(diǎn)的一致性。另外或替換地，裝置400可被實(shí)施成使得鏈接器結(jié)構(gòu)404-1和404-2互相不是鏡像。
圖5顯示按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的具有180度波導(dǎo)彎角的光學(xué)裝置500的頂視圖。更具體地，裝置500具有四個(gè)波導(dǎo)502a-d，它們通過(guò)使用三個(gè)鏈接器結(jié)構(gòu)504-1，504-2和504-3被光耦合。鏈接器結(jié)構(gòu)504-1具有角度Ω1和包括(i)波導(dǎo)502a-b的交叉末端部分，以及(ii)溝槽506-1。溝槽506-1的側(cè)面508-1具有由圖5的虛線表示的拋物線表示的拋物線形狀。鏈接器結(jié)構(gòu)504-2包括波導(dǎo)502c-d的交叉末端部分，以及基本上是鏈接器結(jié)構(gòu)504-1的鏡像。鏈接器結(jié)構(gòu)504-3具有角度360°-2Ω1以及包括(i)波導(dǎo)502b-c的交叉末端部分，以及(ii)溝槽506-3。溝槽506-3基本類似于溝槽506-1，除了前者的反射面508-3比起作為后者的反射面508-1的拋物面形狀更平坦以外。
沿波導(dǎo)502a的中心軸傳播的光線從側(cè)面508-1反射，以沿波導(dǎo)502b的中心軸傳播，由此產(chǎn)生約180°-Ω1的方向的改變。所述反射的射線(沿波導(dǎo)502b的中心軸傳播)然后從側(cè)面508-3被反射，以沿波導(dǎo)502c的中心軸傳播，由此產(chǎn)生約2Ω1-180°的方向的附加改變。這個(gè)反射的射線(沿波導(dǎo)502c的中心軸傳播)然后從側(cè)面508-2被反射，以沿波導(dǎo)502d的中心軸傳播，由此產(chǎn)生約180°-Ω1的方向的改變。結(jié)果，由鏈接器結(jié)構(gòu)504-1，504-2，和504-3產(chǎn)生的方向的總的改變是約180度。
在一個(gè)實(shí)施例中，側(cè)面508-1和508-2的拋物線形狀和取向以及波導(dǎo)502b-c的長(zhǎng)度被選擇為使得由這些拋物線形狀定義的焦點(diǎn)基本上一致并且位于側(cè)面508-3上。這個(gè)結(jié)構(gòu)可以有利地使得在波導(dǎo)502a與502d之間的耦合損耗最小化。另外，當(dāng)被準(zhǔn)直光線被耦合到波導(dǎo)502a時(shí)，類似的準(zhǔn)直光線將被鏈接器結(jié)構(gòu)504-1，504-2和504-3引導(dǎo)到波導(dǎo)502d。在一個(gè)實(shí)施例中，角度Ω1約為120度。
雖然參考說(shuō)明性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但該描述不打算被看作為限制意義。本發(fā)明的波導(dǎo)彎角可以以非TIR(例如，金屬涂覆的反射側(cè)面)鏡被實(shí)施和或具有任意的角度。本發(fā)明的一個(gè)、兩個(gè)或多個(gè)鏈接器結(jié)構(gòu)可被使用來(lái)產(chǎn)生想要的彎角角度。例如，取決于在核心區(qū)域與溝槽之間的折射率對(duì)比度，90度波導(dǎo)彎角可以用一個(gè)、兩個(gè)、或多個(gè)鏈接器結(jié)構(gòu)被實(shí)施。本發(fā)明的波導(dǎo)彎角可以通過(guò)使用對(duì)稱和或非對(duì)稱反射器形狀來(lái)實(shí)施。本發(fā)明的裝置可以被設(shè)計(jì)用于不同的波長(zhǎng)和波導(dǎo)模式，以及被使用于用數(shù)據(jù)調(diào)制的光信號(hào)的傳輸。本發(fā)明的原理可被應(yīng)用到非平面波導(dǎo)。本發(fā)明的裝置可以通過(guò)使用傳統(tǒng)的制造技術(shù)被制造?？梢赃m當(dāng)?shù)負(fù)诫s材料，如現(xiàn)有技術(shù)已知的。各個(gè)表面例如可以通過(guò)用于增強(qiáng)的反射率和或?qū)щ娐实慕饘俪练e，或通過(guò)用于增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度的離子植入，而被修正。對(duì)于波導(dǎo)的不同的布局可以按需要和/或?qū)τ诒绢I(lǐng)域技術(shù)人員清楚的方式被實(shí)現(xiàn)。所描述的實(shí)施例的各種修正以及本發(fā)明有關(guān)的技術(shù)的技術(shù)人員明白的本發(fā)明的其它實(shí)施例被看作為屬于如以下權(quán)利要求中表達(dá)的本發(fā)明的原理和范圍內(nèi)。
雖然在以下的方法權(quán)利要求中的步驟，如果有的話，以具有相應(yīng)的標(biāo)號(hào)的特定的順序中被闡述，但是除非權(quán)利要求闡述是指用于實(shí)施某些或所有的這些步驟的特定的序列，這些步驟不一定打算限于以該特定的順序被實(shí)施。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)裝置，包括通過(guò)第一反射面被光耦合到第二波導(dǎo)的第一波導(dǎo)，其中每個(gè)波導(dǎo)包括被形成在基片上的核心區(qū)域和包層區(qū)域，其中第一反射面是與第一和第二波導(dǎo)的核心區(qū)域相鄰的第一溝槽的側(cè)面；第一和第二波導(dǎo)以互相之間成不同于180度的角度取向；以及所述第一反射面適合于把光線從第一波導(dǎo)引導(dǎo)到第二波導(dǎo)。
2.權(quán)利要求1的光學(xué)裝置，其中第一反射面適合于基于全內(nèi)反射來(lái)反射光線。
3.權(quán)利要求1的光學(xué)裝置，其中第一反射面具有基本上拋物線的形狀；以及由所述拋物線形狀定義的焦點(diǎn)位于第二波導(dǎo)里面。
4.權(quán)利要求1的光學(xué)裝置，其中所述裝置還包括通過(guò)第二反射面被光耦合到第二波導(dǎo)的第三波導(dǎo)，其中所述第二反射面是與第二和第三波導(dǎo)的核心區(qū)域相鄰的第二溝槽的側(cè)面；第二和第三波導(dǎo)以互相之間成不同于180度的角度取向；以及所述第二反射面適合于把光線從第二波導(dǎo)引導(dǎo)到第三波導(dǎo)。
5.權(quán)利要求4的光學(xué)裝置，其中第一和第二反射面具有基本上拋物線的形狀；以及第一反射面的拋物線形狀基本上是第二反射面的拋物線形狀的鏡像；以及第一反射面的拋物線形狀定義的焦點(diǎn)基本上與第二反射面的拋物線形狀定義的焦點(diǎn)一致。
6.權(quán)利要求4的光學(xué)裝置，其中所述裝置還包括通過(guò)第三反射面被光耦合到第三波導(dǎo)的第四波導(dǎo)，其中所述第三反射面是與第三和第四波導(dǎo)的核心區(qū)域相鄰的第三溝槽的側(cè)面；第三和第四波導(dǎo)以互相之間成不同于180度的角度取向；以及第三反射面適合于把光線從第三波導(dǎo)引導(dǎo)到第四波導(dǎo)。
7.權(quán)利要求6的光學(xué)裝置，其中第一和第三反射面具有基本上拋物線的形狀；第二反射面基本上是平的；第一反射面的拋物線形狀定義的焦點(diǎn)基本上與第三反射面的拋物線形狀定義的焦點(diǎn)一致并位于第二反射面上；以及第一反射面的拋物線形狀基本上是第三反射面的拋物線形狀的鏡像。
8.權(quán)利要求1的光學(xué)裝置，其中所述側(cè)面用反射涂層覆蓋。
9.權(quán)利要求1的光學(xué)裝置，其中所述第一溝槽包括第一材料；所述核心區(qū)域包括不同于第一材料的第二材料；以及所述包層區(qū)域包括不同于第一和第二材料的第三材料。
10.一種光學(xué)裝置，包括用于引導(dǎo)光線的第一裝置，該第一裝置被光耦合到用于引導(dǎo)所述光線的第二裝置；以及用于把光線從所述用于引導(dǎo)的第一裝置耦合到所述用于引導(dǎo)的第二裝置的裝置，其中用于耦合的裝置適合于基于全內(nèi)反射來(lái)反射光線；以及用于引導(dǎo)的第一裝置、用于引導(dǎo)的第二裝置和用于耦合的裝置被實(shí)現(xiàn)在單個(gè)集成電路中。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于波導(dǎo)電路的波導(dǎo)彎角。波導(dǎo)彎角具有互相之間成一個(gè)角度取向并通過(guò)反射面互相光耦合的兩個(gè)波導(dǎo)。在一個(gè)實(shí)施例中，反射面是在波導(dǎo)的核心與包層的區(qū)域中形成的溝槽的側(cè)面，它被設(shè)計(jì)來(lái)基于全內(nèi)反射(TIR)來(lái)反射光。反射面可被設(shè)計(jì)成具有適當(dāng)?shù)膹澢男螤钜詼p小在波導(dǎo)之間的耦合損耗。由于對(duì)于反射面可達(dá)到的相對(duì)較陡的轉(zhuǎn)彎(反射)角度，本發(fā)明的波導(dǎo)彎角占用的電路面積比起典型的現(xiàn)有技術(shù)波導(dǎo)彎角的大大地減小。
文檔編號(hào)G02B6/10GK1808197SQ200510022880
公開日2006年7月26日 申請(qǐng)日期2005年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月10日
發(fā)明者馬赫茂德·拉斯拉斯, 安喬·G.·旺－富瓦 申請(qǐng)人:朗迅科技公司