[发明专利]模式形状转换器、其制造方法和利用该部件的集成光学器件

说明书

本发明涉及模式形状转换器、该模式形状转换器的制造方法和利用该模式形状转换器的集成光学器件，而更具体地说，涉及设置在光学器件的输入和输出端并适合于耦合通过光纤输入光学器件或从其中输出的光的模式形状转换器。本发明还涉及这样的模式形状转换器的制造方法和利用该模式形状转换器的集成光学器件。

集成光学技术是一种利用波导把不同的光学器件集成在一块基片上的技术。利用这种集成光学技术，有可能容易地把具有复杂结构的多功能光学器件集成在有限的小面积上，因为单元光学器件的对准能够容易地实现。

实现集成光学器件的波导结构的实例是肋形波导，后者是对平面波导进行局部蚀刻而制成的信道波导。这种肋形波导具有如下各种优点。首先，有可能在很宽的范围内选择纤芯和包层各自的折射率。其次，可以制造出截面积大的单模波导，而不管纤芯和包层之间的折射率不同。第三，在利用蚀刻深度作为主要处理参数的条件下，有可能容易地调整诸如模式分布和传播常数等光学特性。第四，与矩形波导相比，可以获得精确的图形。这是因为肋形波导中的蚀刻深度小于矩形波导。第五，有可能减少纤芯层蚀刻过程中的出现的损坏，例如，各向异性的蚀刻引起的图形尺寸的误差、具有应力的层的蚀刻过程中出现的开裂现象和由蚀刻过程中形成的副产品的再积累引起的损坏。

尽管有这些优点，上述肋形波导也存在缺点，就是当光纤耦合到光学器件的波导时，产生非常大的耦合损耗。单模光纤具有宽高比1∶1的圆形模式分布，而同时具有较大的尺寸，例如，10μm(微米)。另一方面，肋形波导具有椭圆形模式分布，其中，其水平宽度大于其垂直宽度。在许多情况下，这种肋形波导的模式分布尺寸也大于单模光纤的模式分布尺寸。因此，存在肋形波导和光纤之间的连接处模式形状不重合现象。由于这种模式形状不重合现象，光波在经过接合面时遇到不连续性，使得它在被反射和散射的同时引致耦合损失。为了解决这个问题，在光纤要耦合到的集成光学器件的输入或输出端设置一种模式形状转换器。模式形状转换器用来把光纤的模式缓慢地转换成适合于执行光学器件功能的模式形状，从而达到减小耦合损失的目的。

图1是图解说明美国专利No.5,078,516中公开的传统模式形状转换器的结构的透视图。图1所示的模式形状转换器包括第一波导100、第二波导102和基片104。在图1中，标号106表示输入端子，而标号108表示输出端子。标号110表示第一波导100、第二波导102和基片104各自的折射率。第一波导100设计成具有适合于执行该模式形状转换器所耦合到的光学器件的功能的小模式尺寸。第二波导102设计成具有小于第一波导100的折射率，而同时具有大的模式尺寸，以便获得与光纤的有利的输入/输出耦合。输入端子106的波导仅仅由第二波导102构成。这第二波导102使用空气作为其上包层，而同时利用基片104作为其下包层，以便在深度方向上约束光波。为了在纵向约束光波，对作为纤芯的第二波导102进行局部蚀刻，以便具有肋形波导的结构。

输出端子108的波导仅仅由第一波导100构成。输出端子108的第一波导100具有不同于输入端子106的肋形波导结构的带状加载波导结构。第一波导100使用空气作为其上包层，而同时利用第二波导102作为其下包层。

模式转换区被限定在输入端子106和输出端子108之间，以便把从光纤输入到光学器件之后的耦合模式转换成适用于在没有任何耦合模式损失的情况下执行该光学器件功能的模式形状。具有大模式尺寸的肋形波导借助模式转换区转换成具有小模式尺寸的带状加载波导。通过模式形状转换器导引的光被缓慢地移向第一波导100，因为第一波导100具有高于第二波导102的折射率，尽管第一波导和第二波导100和102两者的宽度都增大了。当被导引的光到达输出端子108时，其功率主要向第一波导100集中。 

图2a是举例说明上述模式形状转换器输入端子106的模式分布的示意图，而图2b是举例说明上述模式形状转换器输出端子108的模式分布的示意图。

但是，配备上述模式形状转换器的集成光学器件有如下问题。首先，制造是困难的，因为它需要使用由不同材料制成的两个纤芯，而且第一波导应该精密地形成在第二波导上。第二，在把从该光学器件到具有圆形模式的光纤的耦合损失减到最小方面有限制，因为输入端子106的肋形波导结构具有椭圆形波导模式，尽管它具有大的模式尺寸。第三，因为模式形状转换器具有下锥形(down-tapering)结构，以便提高输入端波导的模式尺寸，其波导尖锥体在长度上增大。在模式转换过程中传输损失增大。