[发明专利]具有高折射率的平面波导

说明书

发明背景

1.发明领域

本发明一般涉及用于光通信的平面光学器件，特别涉及应用纤芯具有较高折射率的波导和/或由纤芯和外部包层确定的纤芯折射率和包层折射率差别较大的波导的平面光学器件。

2.技术背景

已知平面光学器件的波导纤芯的折射率远高于外部包层。这些器件包括一个其上配置下包层的平面基底或本身用作下包层的平面基底；一种图案(patterned)纤芯材料，配置在下包层上，形成光波导线路；和，一个可选的上包层，它与下包层一起环绕着图案纤芯。其波导由折射率相当高的图案纤芯材料限定的平面光学器件的一个例子是光学照相开关。由于这种器件中纤芯材料的折射率相对较高，所以纤芯的截面尺寸(即宽度和高度)通常远小于折射率约为1.4的典型纤芯材料的截面尺寸。一般而言，由于与较大截面尺寸关联的多模传播导致无法接受的光强损耗(即信号损耗和信噪比下降)，所以必须减小截面尺寸以维特经过波导的单模光传播。

已知的平面光学器件使用一种折射率较高和/或纤芯折射率与外部包层折射率差别较大的纤芯材料，即使在适当地制造以防止多模光传播时，与典型的波导相比仍显示出相对高的信号强度损耗，该典型波导的纤芯折射率较低，截面尺寸较大，纤芯折射率和包层折射率的差别较大。这导致，光波在穿过一个由折射率较高的纤芯材料限定的波导时，与穿过一个由折射率较低的纤芯材料限定的典型波导相比，撞击纤芯和包层间界面的频率将更高。无论何时，当光撞击波导的纤芯和包层间的界面时，光会因为界面处的缺陷而散射。因此，光撞击纤芯和包层间的界面的频率越高，导致在界面缺陷处的光散射越多，纤芯折射率较高和/或纤芯折射率与包层折射率差别较大的光学器件中的信号强度损耗越大。

在纤芯折射率较高和/或纤芯折射率与包层折射率差别较大的已知光学器件中，除了信号强度损耗较大的缺点外，还有与光从一个典型波导耦合入该器件关联的附加损耗，该典型波导例如是截面尺寸(直径)远大于平面光学器件中高折射率纤芯材料的截面尺寸的标准光纤。典型地，通过将光纤一端的表面与光学器件一端的表面邻接，并将光纤一端粘附到光学器件，就将光纤连接到平面光学器件的波导的输入端。邻接表面基本上垂直于通过光纤和通过平面光学器件波导的光径，这样光纤的纤芯就尽可能接近地对准平面光学器件的纤芯，使纤芯与纤芯的接触面积达到最大，并使光纤和平面光学器件间界面处的损耗最少。然而，由于典型光纤纤芯的截面尺寸和纤芯折射率较高的典型光学器件纤芯的截面尺寸差别较大，所以光纤和平面光学器件间界面处的损耗也相对较大。另一个导致光纤和平面光学器件间界面处损耗较大的因素是光纤纤芯的折射率和平面光学器件纤芯的折射率间差别较大，而引起的在界面处反射的光。

发明概述

本发明涉及包含一个波导的平面光学器件，该波导包含一个图案(patterned)纤芯和至少一个其上配置图案纤芯的下包层，其中纤芯材料具有相对高的折射率和/或纤芯折射率与包层折射率间的差别较大；并且器件中和光纤与平面光学器件光输入端之间界面上的光信号损耗低于纤芯折射率较高的传统平面光学器件中的相应损耗。这些改善是用一个平面光学器件获得的，该平面光学器件包括一个波导段，该波导段有一个纤芯，纤芯的截面尺寸和折射率与典型光纤纤芯的截面尺寸和折射率相紧密匹配；第二区域，该第二区域有一个纤芯，与第一段的纤芯相比，该纤芯具有较高的折射率和适当较小的截面尺寸以防止多模光波传播；以及一个过渡段，它有一个由两种不同材料制成的纤芯，这两种材料形成沿过渡段长度延伸的界面。

依照本发明的一个方面，一个平面光学器件包括一个波导，该波导包含纤芯材料为第一折射率的第一波导段；纤芯材料为第二折射率的第二波导段；及在第一和第二波导段之间的过渡波导段。过渡波导段包括第一折射率的纤芯材料和第二折射率的纤芯材料，第一和第二纤芯材料包括一个相对于光穿过该波导的方向倾斜成锐角的界面。

依照本发明的另一个方面，一个平面光学器件包括一个波导，该波导包含折射率约为1.5或更小的第一纤芯材料的第一段，折射率约大于1.5的第二纤芯材料的第二段，和配置在第一段和第二段间的过渡段。该过渡段包括一个由第一纤芯材料和第二纤芯材料构成的纤芯。过渡段中的第一纤芯材料与第一段中的第一纤芯材料邻接，并且其截面尺寸在从第一段向第二段的方向上递减。过渡段中的第二纤芯材料与第二段中的第二纤芯材料邻接，并且其截面尺寸在从第二段到第一段的方向上递减。过渡段界面中的第一和第二纤芯材料沿过渡段的长度接合。