[发明专利]具有形成图案的包层的平面波导及其生产方法

说明书

发明领域

本发明涉及具有形成图案的(patterned)上包层的集成光波导，以及 使该上包层形成图案的方法。

发明背景

集成光波导典型地由形成图案的、被包层材料(其折射率为n2)包围 并且安装在机械性能坚固的衬底之上的光导芯层(其折射率为n1，其中 n2＜n1)构成。这些波导通常具有平的端面，常常通过采用钻石轮划片机 (dicing saw)切割该衬底和波导结构、然后通过抛光步骤去除散射中心来 生产。通过芯和包层之间的折射率差，将沿波导传播的光在芯中进行导引。

参照附图，图1a和1b示出了现有技术中已知的典型集成光波导10 的端面的侧视图和端视图，其包含衬底11、下包层12、光导芯13和上包 层14。根据材料系统，可使用多种技术来沉积下包层、芯层和上包层，它 们包括火焰水解法或者化学气相沉积法(例如用于玻璃)、分子束外延(例 如用于半导体)以及旋涂(例如用于聚合物)。可通过光刻 (photolithography)和活性离子蚀刻法(适用于大多数材料)或者通过光 刻和湿法蚀刻法(例如用于可由光形成图案的聚合物)(photo-patternable polymers)来使芯层形成图案。下包层12和上包层14的折射率需小于芯 13的折射率以便将光限定在芯内。通常，下包层12和上包层14具有相同 的折射率，以便使导引模式(guided mode)对称，尽管这种对称并不是必 须的。如果衬底材料11是透明的并且具有低于芯材料13的折射率，那么 可以省略下包层12。

平面波导典型具有可传输光的、延伸的芯区域，该芯区域的横截面是 正方形或矩形。通常将底面定义为与衬底相邻或最靠近衬底的面。顶面是 与该底面平行但离该衬底最远的面。侧面是那些与该衬底垂直的面。

在前面描述的现有技术中的这种集成光波导中，芯被包层材料——要 么下包层、要么上包层——所围绕。然而，情况并非必须这样，并且存在 某些应用，在这些应用中，芯的至少一部分在至少一侧上不与包层材料接 触是有利的。因此，本发明的一个实施形态涉及一种集成光波导，其上包 层形成图案，使得在至少一个区域内、芯的至少一侧不与上包层材料接触。

在US5,850,498和US6,555,288中已经披露了形成图案的上包层，其用 于减小波导芯中的应力。在这些披露的内容中，形成图案的上包层被描述 为“共形(conformal)”，该上包层具有与芯的形状基本等同的形状，换 句话说，芯被薄薄一层上包层材料所封装(enclose)(底面除外、该底面 与衬底或下包层材料接触)。这区别于本发明中的形成图案的上包层，在 本发明中，使上包层形成图案，使得在至少一个区域内、芯的至少一侧不 与上包层材料接触。

芯的至少一个区域在至少一侧不与包层材料接触较为有利的一种应用 是具有一体化透镜结构(unitary lens structure)的集成光波导。如上所述， 芯和包层之间的折射率差将光沿着集成光波导进行导引，但是，光在离开 芯而进入自由空间(或实际中的空气)时立即发散。这种发散在平行和垂 直于衬底的两个维度内产生。如果想要得到准直的输出光束，则需要某种 正(也就是会聚)透镜。同样地，需要会聚透镜来使准直光束聚焦到集成 光波导中。

一种解决方案是使用诸如球型透镜或圆柱型梯度折射率(GRIN)透 镜之类的分离元件，但是，这些透镜由于尺寸较小而难以操作，它们需要 在两个维度上精确调准，并且引入了额外的交界面(伴随着固有反射损耗)。

因此，使透镜结构与该光波导集成在一起更为可取。多年以来人们已经提 出了许多类型的集成透镜，包括菲涅耳透镜(US4,367,916、US4,445,759) 和布拉格透镜(US4,262,996、US4,440,468)在内。这些透镜仅在透镜结构 的平面(总是平行于衬底)内提供一维聚焦。

另一种可能是在端面装配(fabricate)GRIN透镜(US5,719,973)。 这些透镜提供二维聚焦，但它们具有圆柱对称性，因此用于光纤相比于用 于集成光波导(其典型具有矩形形状)更为合适。

将透镜结构与光波导集成在一起的一种方法是在波导的端面上制造透 镜形状的凸起。这可以通过选择性地蚀刻包层而留下凸起的芯、然后再将 波导材料加热到其软化点(例如采用CO2激光脉冲)使得有角的凸起塌陷 为圆形的凸透镜形状来实现。这样的一种结构同样提供了二维聚焦。