用于减轻波导-波导不对称的多段耦合器

摘要

一种与波长无关的多段光耦合器具有至少三个光耦合器和至少两个微分相格。每一个光耦合器具有两个波导，这两个波导形成一个具有净耦合值的耦合区域。上述至少三个光耦合器的每一个耦合区域的耦合值都不同于其它两个耦合区域的耦合值。每个微分相格连接着上述光耦合器中相邻的光耦合器。每一个微分相格在各个光耦合器之间穿行的光信号中引起微分相移，其中微分相格的微分相移以及每个耦合区域的耦合值被选定为可使得对于设计的功率分束比而言上述与波长无关的多段光耦合器的波长与制造敏感性达到最小。

说明书

有关申请的交叉参照

不适用。

联邦资助研究或开发的相关声明

不适用。

联合研究协议的参与方的名称

不适用。

引用了光盘上提交的“序列列表”、表格或计算机程序列表附录以及该光盘上的资料的“公司-参考”(参见§1.52(E)(5))。

不适用。

背景技术

有一类重要的光学器件通常被称为“平面光波回路”或“平面光波芯片”即“PLC”。PLC包括许多技术，其中光学组件和网络被整体设置在一个或多个光学薄膜的层叠体之内，这些层叠体由公共的机械基片(比如半导体晶片或玻璃晶片)支撑着。PLC通常被设计成提供特定的传输或路由功能，可用在光纤光通信网络内。这些网络分布在多个位置分散的终端上，并且通常通过单模光纤在多个终端之间进行传输。对于在这种网络中对光信号提供透明管理的器件而言，它必须维持光信号的单模性质。这样，PLC通常是基于单模波导的配置，虽然不是很严格。因为光信号不需要返回路径，所以这些波导配置通常不符合经典的“回路”定义，但是因其与电子电路相比有物理和功能的相似性，所以波导系统也常常被称为回路。

用于PLC的标准材料系基于二氧化硅，已被广泛地证明具有优越的损耗特性。二氧化硅层叠体包括多个层，这些层可能是纯二氧化硅，也可能掺有其它元素(比如硼、磷、锗或其它元素或材料)。掺杂可允许控制这些层的折射率和其它必要的物理性质。二氧化硅(包括掺杂的二氧化硅)以及一些不太常用的其它元素的氧化物通常统称为“氧化物”。此外，尽管从技术上讲术语“玻璃”是指可由各种材料实现的物质状态，但是通常“玻璃”是指一种基于二氧化硅的透明的非晶材料。因此，常常会听到氧化物波导也被称为“玻璃”波导。接下来，“硅石”一词被用于指代适于制造波导或其它集成光子器件的氧化硅材料。重要的是，注意到在本发明中，其它波导材料也是合适的，比如铌酸锂、旋压玻璃、硅、氧氮化硅、氧碳化硅、聚合物或美国专利6,614,977所描述的其它材料(该专利全部内容引用在此作为参考)。

在典型的PLC示例中，由芯材料构成的波导位于顶部包层和底部包层之间。在一些情况下，可能不使用顶部包层。波导通常是这样形成的：超出通道波导的横向限制，至少部分地除去(通常用蚀刻工艺)芯材料；用至少一层侧面包层材料来替换它，该侧面包层材料的折射率低于芯材料的折射率。侧面包层材料通常是与顶部包层材料一样的材料。在本示例中，以这样一种方式对每一层进行掺杂，使得与顶部包层或底部包层相比波导的折射率更高。当二氧化硅玻璃层被用于波导时，这些层通常位于硅晶片之上。作为第二示例，波导可以包括三个或更多个InGaAsP的层。在本示例中，相邻的层所具有的成分中的组成元素In、P、Ga和As的百分比不同。作为第三示例，波导的一个或多个光学层可以包括透光的聚合物。波导的另一个示例包括具有梯度折射率的层，使得最高折射率区域与多个较低折射率区域相邻接。掺杂二氧化硅波导通常是较佳的，因为它具有许多吸引人的特性，其中包括低成本、低损耗、低双折射、稳定以及适合与光纤耦合。

许多集成光学器件都要求创造高度对称的物理结构。一个关键的示例是平面波导耦合器，它由横跨一间隙彼此耦合着的两个光波导构成。在许多情况下，这种耦合器中的最高性能的实现要求这两个波导彼此完全一样。实现这一目的的常规方法是：通过使用光刻和蚀刻工艺并且借助于一种由两个横截面完全一样且被一间隙分隔开的波导构成的图案来定义光波导。在该方案中，制造完全一样的波导依赖于光刻与蚀刻工艺的极高的保真度，以将完全一样的掩模图案再现到光波导中。这一策略将允许集成光耦合器被制造成具有一定水平的性能，可足够用于某些类型的器件。然而，最终的性能可能因制造过程所引入的不对称而受到限制。

发明内容

本发明一般涉及与波长无关的多段光耦合器，它包括至少三个光耦合器和至少两个微分相格(differential phase cell)。每一个光耦合器具有两个波导，这两个波导形成一个具有净耦合值的耦合区域。上述至少三个光耦合器的每一个耦合区域的耦合值都不同于其它两个耦合区域的耦合值。每一个微分相格连接着上述光耦合器中相邻的光耦合器。每一个微分相格在各个光耦合器之间穿行的光信号中引起微分相移，其中对于设计的功率分束比而言，微分相格的微分相移以及每个耦合区域的耦合值被选定为可使得上述与波长无关的多段光耦合器的波长与制造敏感性达到最小。

在本发明的一个版本中，第一和第二微分相格都具有第一波导分支和第二波导分支。第一波导分支具有第一路径程度(P1)，第二波导分支具有第二路径程度(P2)，其中P1＞P2。通常，P1和P2之差大约小于在上述第一和第二波导分支中穿行的光信号的一个波长。

在本发明较佳的方面中，对于1530nm-1570nm的波长而言，在形成耦合区域的波导之间的不对称介于±30nm的情况下，与波长无关的光耦合器的归一化交叉-端口功率的偏差离期望的功率分束比不到2％。在本发明更佳的方面中，对于1530nm-1570nm的波长而言，在形成耦合区域的波导之间的不对称介于±30nm的情况下，与波长无关的光耦合器的归一化交叉-端口功率的偏差离期望的功率分束比不到1％。

在另一个版本中，本发明涉及一种制造与波长无关的多段光耦合器的方法，该与波长无关的多段光耦合器具有至少三个光耦合器和至少两个微分相格。在本方法中，计算微分相格的微分相移以及每个耦合区域的唯一的净耦合值，使得对于设计的功率分束比而言上述与波长无关的多段光耦合器的波长与制造敏感度达到最小。然后，形成至少三个光耦合器以及至少两个微分相格，使得微分相格在各个光耦合器之间交错，每个光耦合器具有两个波导，这两个波导形成具有净耦合值的耦合区域，每个微分相格在各个光耦合器之间穿行的光信号中引起微分相移。

在一个方面中，形成的步骤被进一步定义为：形成具有第一波导分支和第二波导分支的微分相格，第一波导分支具有第一路径长度(P1)，第二波导分支具有第二路径长度(P2)，其中P1＞P2。在另一个方面中，计算微分相移的步骤被进一步定义为：计算P1和P2以使其大约小于在上述第一和第二波导分支中穿行的光信号的一个波长。

附图说明

上述关于本发明的特征和优点可以得到详细地理解，关于本发明的更特别的描述可以参照附图所示的本发明的各实施方式。然而，应该理解，附图仅仅示出了本发明的典型实施方式，因此，并不被视为限定其范围，因为本发明可以有其它等效的实施方式。

图1是现有技术中由两个波导构成的一段式定向耦合器的示意图。

图2a是图2所示的分束比为3dB的一段式定向耦合器的性能模拟图，并且其中假定了两个波导具有完全一样的宽度。

图2b是图2所示的分束比为3dB的一段式定向耦合器的性能模拟图，并且其中假定了波导宽度相差了10nm。

图3是根据本发明构造的多段耦合器的示意图。

图4a是图4所示的分束比为3dB的多段耦合器的性能模拟图，并且其中假定了用于形成该多段耦合器的波导具有完全一样的宽度。

图4b是图4所示的分束比为3dB的多段耦合器的性能模拟图，并且其中假定了用于形成该多段耦合器的波导的宽度相差了10nm。

图5是根据本发明用于将光掩模上的图案转移到基片上的薄膜光学材料上的典型光刻系统的示意图。

具体实施方式

本发明的较佳实施方式在上述附图中有示出在下文中有详细描述。在描述较佳实施方式的过程中，相似或相同的标号被用于标识完全一样的或相似的元件。附图并不必然按比例绘制，某些特征和某些图可能被夸大或是示意性的，只是为了清晰和简洁。

现在参考附图，特别是图1示出了现有技术的一段式定向耦合器10。定向耦合器10是实现高度集成的平面光波回路的基本构造模块之一。定向耦合器10具有两个波导12a和12b，这两个波导形成一个或多个输入端14a和14b、具有长度18(也被称为长度L)的耦合区域16、介于这两个波导12a和12b之间的间隙20以及一个或多个输出端22a和22b。波导12a和12b也具有宽度W1和W2。

如果这两个耦合波导的宽度W1和W2是完全一样的，则定向耦合器10被归类为对称的定向耦合器。对称的定向耦合器的净耦合值可以被写成方程1中所示的矩阵，其中K是耦合系数，L是耦合器的长度。

$T=\left(\begin{array}{cc}\cos (K·L)& -i·\sin (K·L)\\ -i·\sin (K·L)& \cos (K·L)\end{array}\right)$方程1

定向耦合器10的净耦合值T是耦合强度K(两个波导之间的交互强度)和耦合区域的长度L的函数。通过为耦合强度K和长度L选择不同的值，可以实现相同的净耦合值T(比如50％)。例如，如果这两个波导之间的间隙变得更大，则耦合强度K减小，但是通过使耦合长度L更长就可以对此作出补偿且仍然实现相同的净耦合值。

在大规模集成平面波导回路中，每个单独的耦合器10需要按设计的耦合比即cos(KL)进行工作。然而，因为过程有变化，即间隙大小有变化，所以在制造过程中耦合比无法被非常精确地控制。耦合系数也强烈地依赖于波长，因为波导中有模式色散，由此，在期望的工作波带内耦合比会发生变化。

图2a是图1所示的分束比为3dB的一段式定向耦合器10的性能模拟图，并且其中假定了两个波导12a和12b具有完全一样的宽度W1和W2。图2b是图1所示的分束比为3dB的一段式定向耦合器10的性能模拟图，并且其中假定了波导12a和12b的宽度W1和W2相差了10nm。可以看出，穿过耦合器10的光信号的波长从1530nm变化到1570nm也改变了定向耦合器10的归一化交叉端口功率。

参照图3，其中示出了根据本发明构造的与波长无关的多段光耦合器50。在下文中，与波长无关的多段光耦合器50可以被称为“多段耦合器50”。通常，多段耦合器50具有输入端口和至少两个输出端口，输入端口用于接收具有输入功率的光信号，每个输出端口接收光信号的输入功率的一部分。在较佳的实施方式中，耦合器50是双向的或可逆的，即，如果输出端口变为输入端口，耦合器50一样地工作。此外，在较佳实施方式中，耦合器50是对偏振不敏感的。

多段耦合器50包括至少三个光耦合器，它们是按照与上述光耦合器10相似的方式进行构造的，在图3中被标记为52a、52b和52c。光耦合器52a、52b和52c分别具有长度L1、L2和L3。多段耦合器50也包括至少两个微分相格54。微分相格54被标记为54a和54b。微分相格54a和54b在至少三个光耦合器52a、52b和52c之间交错。光耦合器52a、52b和52c是从第一波导56a和第二波导56b中构造出的。每一个光耦合器52a、52b和52c都具有两个输入端口、两个输出端口以及一个耦合区域，在耦合区域中光信号在第一和第二波导56a和56b之间耦合。特别是，光耦合器52a具有第一和第二输入端口58a和58b、第一和第二输出端口60a和60b以及耦合区域62a，光耦合器52b具有第一和第二输入端口64a和64b、第一和第二输出端口66a和66b以及耦合区域62b，光耦合器52c具有第一和第二输入端口68a和68b、第一和第二输出端口70a和70b以及耦合区域62c。耦合区域62a、62b和62c分别具有净耦合值T1、T2和T3。上述至少三个光耦合器52a、52b和52c的每个耦合区域62a、62b和62c的净耦合值T1、T2和T3最好是彼此不同的。

每个微分相格54a和54b连接着上述光耦合器52a、52b和52c中相邻的光耦合器。例如，微分相格54a将光耦合器52a的第一和第二输出端口60a和60b分别连接到光耦合器52b的第一和第二输入端口64a和64c，同时，微分相格54b将光耦合器52b的第一和第二输出端口66a和66b分别连接到光耦合器52c的第一和第二输入端口68a和68b。

光耦合器52a的第一和第二输入端口58a和58b之一构成多段耦合器50的输入端口以接收光信号，光耦合器52c的第一和第二输出端口70a和70b构成多段耦合器50的输出端口。每个微分相格54a或54b在各个光耦合器之间穿行的光信号中引起微分相移。如下文更详细地描述的那样，微分相格的微分相移以及每个耦合区域62a、62b和62c的净耦合值被选定，使得对于设计的功率分束比而言上述与波长无关的多段光耦合器的波长与制造敏感度达到最小。由此，多段耦合器50被设计成减轻制造过程中所形成的缺陷或不对称，并且用于设计多段耦合器50的算法假定了这些缺陷在光耦合器52a、52b和52c之间是均匀的。

第一和第二微分相格54a和54b都具有第一波导分支和第二波导分支。特别是，第一微分相格54a具有第一波导分支80a和第二波导分支80b；第二微分相格54b具有第一波导分支82a和第二波导分支82b。第一波导分支80a和82a具有第一路径长度(P1)，第二波导分支80b和82b具有第二路径长度(P2)，其中P1＞P2，它们形成了第一微分相格54a的路径长度差δ11(即P1-P2)以及第二微分相格54b的路径长度差δ12。路径长度差δ11和δ12被选定，使得第一和第二微分相格54a和54b将不对穿过第一和第二微分相格54a和54b的光信号执行滤波功能。通常，路径长度差δ11和δ12大约小于在上述第一波导分支80a、82a和第二波导分支80b、82b中穿行的光信号的一个波长，然而，在某些情况下，P1和P2之差可以大于在上述第一波导分支80a、82a和第二波导分支80b、82b中穿行的光信号的一个波长。

微分相格54a和54b的第一波导分支80a、82a和第二波导分支80b、82b可以按照能够在第一波导分支80a、82a和第二波导分支80b、82b中分别穿行的光信号之间引起相移而不引起滤波功能的任何方式进行构造。例如，第一波导分支80a、82a和/或第二波导分支80b、82b可以具有相同的长度但是由不同的材料构成；或者第一波导分支80a、82a和/或第二波导分支80b、82b可以具有相同的长度且由相同的材料构成但向第一波导分支80a、82a和/或第二波导分支80b、82b之一施加热或压力等介质以引起预定的相移。

图4a是图3所示的分束比为50/50的多段耦合器50的性能模拟图，并且其中假定了用于形成该多段耦合器50的波导56a和56b具有完全一样的宽度。

图4b是图3所示的分束比为50/50的多段耦合器50的性能模拟图，并且其中假定了用于形成该多段耦合器50的波导56a和56b的宽度相差10nm。

如图4a和4b所示，对于1530nm-1570nm之间的波长而言，在形成耦合区域的波导56a和56b之间的不对称介于±10nm的情况下，与多段光耦合器50的归一化交叉-端口功率的偏差离期望的功率分束比(比如50/50)偏差了不到2％(不到1％则更佳)。通常，通过使用下文所讨论的设计参数，多段光耦合器50的归一化交叉-端口功率的偏差可能发生变化，但是最好离设计的分束比不到5％。此外，上述设计所能容许的用于形成耦合区域的波导之间的不对称量可以变化，但通常介于±50nm的范围中。

在构造多段耦合器50的过程中，使用了设计参数T1、T2、T3、δ11和δ12。T1、T2、T3、δ11和δ12的值被优化，以在9组参数所描述的条件下使多段耦合器50接近所设计的耦合比(50/50，60/40，70/30等)：{{K-ΔK，K，K+ΔK}{-Δw，0，+Δw}}；其中Δw是两个耦合器波导之间的不对称度；并且ΔK是耦合比与设计值之间的偏差。

这9组参数可以展开成：{K-ΔK/-Δw}，{K-ΔK/0}，{K-ΔK/+Δw}，{K/-Δw}，{K/0}，{K/+Δw}，{K+ΔK/-Δw}，{K+ΔK/0}，{K+ΔK/+Δw}。它们穷尽了耦合比与不对称度之间可能的组合方式。上述优化可以使用能同时解决多变量问题的任何合适的例程来实现，比如非线性最小二乘拟合。

或者，通过将耦合区域62a、62b和62c中的波导56a与56b之间的间隙宽度设计成一均匀的值，就可以将耦合区域的L1、L2和L3的设计参数替换成净耦合值T1、T2和T3，或者设计参数L1、L2和L3可以被设为相同的值且间隙的宽度是变化的。

现在参照图5，多段耦合器50可以被实现为一种使用现有技术中任何已知制造技术的集成平面光波回路的一部分。例如，如图5所示，标号100是根据本发明将光掩模112上的图案转移到基片116上的芯材料114的典型光刻系统，用于制造具有多段耦合器50的集成平面光波回路。在一个实施方式中，芯材料114是由选自下列的材料构造的薄膜：硅；氮化硅；氧氮化硅；氧碳化硅；掺锗的二氧化硅；磷化铟；砷化镓；高折射率聚合物；以及它们的组合。芯材料114被沉积在包层材料118上，包层材料118的构成材料的折射率低于芯材料114的折射率。包层材料118可以选自：二氧化硅、低折射率氧氮化硅；低折射率氧碳化硅；砷磷化铟镓；聚合物；以及它们的组合。美国专利6,614,977讨论了适于形成芯材料114和包层材料118的薄膜光学材料和包层的各种组合示例(及其制造方法)，该专利全部内容引用在此作为参考。

光刻胶层120被沉积在芯材料114上。通常，光刻胶层120的构成材料可以防止光刻胶120下面的材料在后续的除去芯材料114的预定部分的处理过程(比如蚀刻过程)中被除去，或者防止直接在光刻胶层120下面的材料被除去。由此，光刻胶层120可以是正性光刻胶或负性光刻胶。作为示例，在描述本发明时光刻胶层120是正性光刻胶。通过使用任何合适的工艺(比如旋转涂敷)，可以将光刻胶层120设置在芯材料114上。

光刻系统100还具有电磁能量源122，用于引导能量穿过步进器成像透镜系统124和光掩模112到达光刻胶层120。电磁能量源122提供能够与光刻胶层120发生反应的电磁能量，以将光掩模112上的图案转移到光刻胶层120上。在一个实施方式中，电磁能量源122可以是高强度紫外光源。

步进器成像透镜系统124接收来自电磁能量源122的电磁能量，引导该能量到达光掩模112，光掩模112使光刻胶层120的一些部分暴露给该电磁能量。这种曝光可以是通过任何合适的方法实现的，比如接触、靠近和投影。

一旦光刻胶层120被曝光，则该光刻胶层120被显影，以形成具有复杂布局/几何形状的掩模，其中包括多段耦合器50和集成平面光波回路的其它部分。

一旦形成了掩模，则该掩模所构成的图案就被转移到芯材料114上，从而形成了用于构成多段耦合器50的光波导。在一个较佳实施方式中，多段耦合器50被形成为两个波导，这两个波导具有蛇形图案并且在耦合区域中间隔开一预定的量，正如图3所示那样。上述转移可以通过任何合适的工艺(比如蚀刻工艺)来实现。应该理解，用于形成PLC的光波导可以是用半导体工业中所使用的标准技术或以后开发的技术来形成的以沉积光波导材料并使其图案化，比如干蚀、湿法蚀刻、火焰水解沉积(FHD)、化学汽相沉积(CVD)、活性离子蚀刻(RIE)、物理增强CVD(PECVD)等等。一旦形成了波导，就将掩模除去，然后在整个表面上沉积另一层包层材料(未示出)，如有必要，使用任何合适的工艺使其平整化。例如，题为“Integrated Optical Circuit With Dense PlanarizedCladding Layer”的美国专利6,768,828讨论了涂敷另一层包层材料的工艺，该专利的全部内容引用在此作为参考。

尽管本发明的多段耦合器50的制造方法是结合制造一个多段耦合器50的情况下进行描述的，但是本领域普通技术人员应该理解，这种制造方法以及目前已知或随后开发的任何其它合适的制造技术都可以被用于制造一个或多个多段耦合器50或其一部分，比如在芯片上或具有多个芯片的晶片(比如硅晶片)上包括一个或多个多段耦合器50的情况。

在一个示例中，使用下列设计参数来设计多段光耦合器50：

芯折射率＝1.55，包层折射率＝1.45，标称波导尺寸是2x2平方微米，偏振是TE，K＝0.008(rad/um)，ΔK＝0.0003(rad/um)，ΔW＝20nm。基于这些设计参数，可以计算多段光耦合器50的下列尺寸：L1＝92.4nm，L2＝177.7nm，L3＝159.6nm，δ11＝0.661nm，且δ12＝0.896nm。使用这些设计参数的多段耦合器50可以容许耦合器波导之间有+/-20nm的不对称。

根据上面的描述，应该理解，在不背离本发明的真实精神的情况下，可以在本发明的较佳和备选实施方式中作出各种修改和变化。上面的描述仅仅旨在示出，不应该被解释为具有限制的含义。本发明的范围应该仅仅由权利要求书确定。在权利要求书中，术语“包括”旨在意味着“至少包括”，使得所引述的元件在权利要求中是开放的一组。“一”、“一个”及其它单数的术语旨在包括复数的形式，除非特别排除。