Способ изготовления оптического волновода с "гребенчатой" структурой с низкими потерями связи между оптическим волноводом с " гребенчатой" структурой и оптическим волокном и оптический волновод с "гребенчатой" структурой, изготовленный этим способом Российский патент 2018 года по МПК G02B6/30 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится в целом к оптическим волноводам с «гребенчатой» структурой ("ridge waveguide" на английском языке), которые могут представлять собой волновод в виде гребня или микроволновод. В частности, изобретение относится к способу изготовления оптических волноводов с «гребенчатой» структурой с низкими потерями связи между оптическими волноводами с «гребенчатой» структурой и оптическим волокном. Кроме того, изобретение относится к оптическим волноводам с «гребенчатой» структурой, изготовленным при помощи вышеупомянутого способа.

Уровень техники

В течение последних тридцати лет оптические волноводы с «гребенчатой» структурой привлекли большое внимание по причине их способности изолировать свет для усиления нелинейных электрооптических или оптоакустических взаимодействий.

На фиг. 1 представлен пример известного оптического волновода с «гребенчатой» структурой. В частности, на фиг. 1 показан оптический волновод 1 с «гребенчатой» структурой, выполненный на поверхности диэлектрической подложки 2. Оптический волновод 1 с «гребенчатой» структурой имеет ширину w₀ и выступает над двумя выемками (E1, E2) диэлектрической подложки 2.

Классический способ изготовления оптического волновода с «гребенчатой» структурой, представленного на фиг. 1, содержит предварительный этап выполнения оптического волновода (планарного или в виде микроленты) на поверхности диэлектрической подложки. Затем поверхность диэлектрической подложки подвергают травлению для изготовления оптического волновода с «гребенчатой» структурой, который позволяет ограничить электромагнитную волну в боковом направлении. В частности, травление диэлектрической подложки согласно этому классическому способу осуществляют сначала путем выполнения этапа литографии на поверхности диэлектрической подложки, чтобы выделить рисунок зоны, которую не собираются протравливать. За этим этапом литографии следует этап нанесения материала, называемого «маской», который закрывает и предохраняет эту не предназначенную для травления зону. Затем осуществляют этап травления зон диэлектрической подложки, не защищенных маской, чтобы получить оптический волновод с «гребенчатой» структурой по всей длине защищенной маской зоны. Травление незащищенных зон диэлектрической подложки может быть влажным (например, при травлении фтористоводородной кислотой) или сухим (например, при травлении ионной плазмой).

Этот известный способ является сложным и затратным по времени. После предварительного этапа выполнения планарного или микроленточного оптического волновода, который длится около 24 часов, травление диэлектрической подложки занимает как минимум 2.5 часа. Кроме того, этот классический способ использует большое количество расходных материалов. В частности, согласно классическому способу, травление диэлектрической подложки начинается с этапа литографии, который требует использования пипеток и фоточувствительных смол, проявителя, деионизированной воды для удаления проявителя и специальной ветоши для укладки на нее диэлектрической подложки. Кроме того, как было указано выше, травление диэлектрической подложки требует нанесения маски (как правило, металлической), чтобы закрыть поверхность не предназначенной для травления зоны. Кроме того, оно требует использования растворителей и химических продуктов для удаления остатков маски после травления и для очистки диэлектрической подложки. Кроме того, осуществление классического способа требует наличия окружающей среды чистой комнаты, в которой необходимо надевать комбинезон, одноразовые перчатки и защитные очки. Травление диэлектрической подложки согласно классическому способу требует также использования специальных мишеней, предназначенных для нанесения маски, газовых магистралей и гравировального станка. Кроме того, факторы формы (отношение высота/ширина) оптического волновода с «гребенчатой» структурой ограничены толщиной маски, защищающей диэлектрическую подложку во время травления.

В публикации "High aspect ratio lithium niobate ridge waveguides fabricated by optical grade dicing, J. Phys. D: Appl. Phys. 44 305101, (2011)" описан альтернативный способ изготовления показанного на фиг. 1 оптического волновода с «гребенчатой» структурой. Этот способ является более простым, более быстрым и более экономичным. В частности, этот способ тоже содержит предварительный этап выполнения оптического волновода (планарного или в виде микроленты) на поверхности диэлектрической подложки для обеспечения вертикального ограничения электромагнитной волны. Этот предварительный этап длится примерно 24 часа, как и в случае предварительного этапа классического способа. Однако, согласно этому способу, оптический волновод с «гребенчатой» структурой, который обеспечивает вертикальное ограничение электромагнитной волны, выполняют путем вырезания-полирования двух параллельных выемок, разделенных расстоянием w₀, на поверхности диэлектрической подложки, а не посредством травления диэлектрической подложки, как в описанном выше классическом способе. Это вырезание-полирование осуществляют в ходе одного этапа при помощи циркулярной пилы, содержащей по меньшей мере одно лезвие (например, прецизионной циркулярной пилы типа DISCO DAD 321), и оно длится около 15 минут при изготовлении оптического волновода с «гребенчатой» структурой. Таким образом, применяя способ из вышеупомянутой публикации, получают выигрыш во времени не менее 2.15 часов по сравнению с классическим способом. Кроме того, расходные материалы, используемые во время этапа вырезания, включают в себя лишь лезвие циркулярной пилы, клейкую пленку для удержания диэлектрической подложки в неподвижном положении на плите для вырезания и охлаждающую жидкость, используемую для охлаждения лезвия циркулярной пилы во время вырезания. Кроме того, способ из вышеупомянутой публикации осуществляют не в чистой комнате, поэтому расходные материалы, используемые в чистой комнате, не применяют для осуществления этого способа. Кроме того, необходимо отметить, что в рамках способа из вышеупомянутой публикации во время вырезания не требуется использовать маску, защищающую диэлектрическую подложку. Таким образом, факторы формы (отношение высота/ширина) оптического волновода с «гребенчатой» структурой, изготавливаемого при помощи этого способа, не ограничены толщиной такой маски.

В частности, как показано на фиг. 2, это вырезание-полирование производят при помощи циркулярной пилы, лезвие 3 которой опускают на необходимую глубину H_s вырезания на входе диэлектрической подложки 2, затем ему сообщают параллельное поступательное движение по всей длине поверхности диэлектрической подложки 2, чтобы произвести вырезание-полирование параллельных выемок (E1, E2), разделенных расстоянием w₀. Следует отметить, что необходимая глубина H_s вырезания соответствует глубине оптического волновода с «гребенчатой» структурой, выполняемого посредством этого вырезания. Траектория, которой следует лезвие 3 для осуществления вырезания-полирования диэлектрической подложки 2, показана стрелками на фиг. 2.

Однако, если оптический волновод с «гребенчатой» структурой, изготовленный при помощи описанных выше способов, связывают с обычным оптическим волокном (например, оптическим волокном типа SNF28 со слабо ограниченной оптической модой), появляются большие потери связи между оптическим волноводом с «гребенчатой» структурой и обычным оптическим волокном. В данном случае под потерями связи между оптическим волноводом с «гребенчатой» структурой и оптическим волокном следует понимать потери электромагнитной энергии на соединении между оптическим волноводом с «гребенчатой» структурой и оптическим волокном, где происходит передача электромагнитной энергии между оптическим волокном и оптическим волноводом с «гребенчатой» структурой.

Эти потери связи обусловлены тем, что оптическая мода оптического волновода с «гребенчатой» структурой ограничена в большей степени, чем оптическая мода обычного оптического волокна, то есть ширина на половине боковой высоты оптической моды в оптическом волноводе с «гребенчатой» структурой меньше ширины на половине боковой высоты оптической моды в известном оптическом волокне. Согласно примеру, оптический волновод с «гребенчатой» структурой шириной w₀ в 6 мкм имеет ширину на половине боковой высоты оптической моды, как правило, от 2 мкм до 2.5 мкм, тогда как обычное оптическое волокно имеет ширину на половине боковой высоты оптической моды, как правило, порядка 5 мкм. Таким образом, основная часть энергии электромагнитной волны, передаваемой обычным оптическим волокном, теряется на соединении обычного оптического волокна с оптическим волноводом с «гребенчатой» структурой.

В частности, на фиг. 3 представлен пример соединения между оптическим волноводом 1 с «гребенчатой» структурой, показанным на фиг. 1, и обычным оптическим волокном 3. Как известно специалисту в данной области, обычное оптическое волокно 3 имеет сердечник 8, который передает электромагнитную энергию вдоль оптического волокна и который окружен оболочкой 9. В частности, во время соединения между оптическим волноводом 1 с «гребенчатой» структурой и обычным оптическим волокном 3 электромагнитная энергия передается через сердечник 8 в направлении оптического волновода с «гребенчатой» структурой. Как было указано выше, тот факт, что оптическая мода оптического волновода 1 с «гребенчатой» структурой является более ограниченной, чем оптическая мода обычного оптического волокна 3, приводит к большим потерям связи между оптическим волноводом с «гребенчатой» структурой и обычным оптическим волокном 3. В частности, эти потери можно рассчитать на основании интеграла перекрывания η между вышеупомянутыми двумя оптическими модами при помощи уравнения:

где при этом a(x, y) соответствует E_in, и b(x, y) соответствует E_out, и где E_in показывает пространственное распределение электрического поля в оптическом волноводе с «гребенчатой» структурой, a E_out показывает пространственное распределение электрического поля в оптическом волокне. Таким образом, если оптическая мода оптического волновода с «гребенчатой» структурой имеет профиль, намного отличающийся от профиля оптической моды обычного оптического волокна (что можно оценить путем сравнения значений ширины на половине высоты оптических мод), интеграл перекрывания является очень небольшим, как и электромагнитная энергия, передаваемая между оптическим волокном и оптическим волноводом с «гребенчатой» структурой.

Поэтому существует реальная потребность в способе изготовления оптического волновода с «гребенчатой» структурой, который является простым, быстрым и экономичным, как в случае способа, предложенного в вышеупомянутой публикации, но который в то же время позволяет изготовить оптический волновод с «гребенчатой» структурой с небольшими потерями связи между оптическим волноводом с «гребенчатой» структурой и обычным оптическим волокном.

Раскрытие изобретения

Объектом изобретения является способ изготовления оптического волновода с «гребенчатой» структурой с низкими потерями связи между оптическим волноводом с «гребенчатой» структурой и оптическим волокном, при этом способ содержит следующие этапы:

- выполняют оптический волновод на поверхности диэлектрической подложки, при этом оптический волновод имеет первый конец и второй конец, противоположный первому концу;

- вырезают две параллельные выемки, разделенные расстоянием w_r, на поверхности диэлектрической подложки для получения оптического волновода с «гребенчатой» структурой шириной w_r, выступающего между двумя выемками,

согласно изобретению, вырезание осуществляют так, что глубина каждой выемки непрерывно и постепенно изменяется от нулевой глубины на уровне первого конца оптического волновода, в который должно заходить оптическое волокно, до максимальной глубины на заранее определенном расстоянии I_p от первого конца оптического волновода, при этом изменение глубины каждой выемки образует вертикальную переходную зону оптической моды длиной I_p между оптическим волноводом с «гребенчатой» структурой и оптическим волокном.

Вертикальная переходная зона оптической моды между оптическим волноводом с «гребенчатой» структурой и оптическим волокном, полученная после вырезания диэлектрической подложки согласно заявленному способу, служит для снижения потерь связи между оптическим волноводом с «гребенчатой» структурой и оптическим волокном.

Таким образом, заявленный способ позволяет изготовить оптический волновод с «гребенчатой» структурой, который характеризуется низкими потерями связи между оптическим волноводом с «гребенчатой» структурой и оптическим волокном в отличие от оптических волноводов с «гребенчатой» структурой, изготовленных при помощи известных способов, которые характеризуются большими потерями связи между оптическим волноводом с «гребенчатой» структурой и оптическим волокном. Кроме того, заявленный способ является простым, быстрым и экономичным по сравнению с классическим способом, описанным в известных источниках. В частности, изготовление оптического волновода с «гребенчатой» структурой при помощи заявленного способа длится примерно 24 часа (для получения планарного или микроленточного оптического волновода) и примерно 15 минут (для вырезания диэлектрической подложки с целью получения оптического волновода с «гребенчатой» структурой). Кроме того, расходные материалы, используемые во время этапа вырезания, ограничены лезвием циркулярной пилы для вырезания, клейкой пленкой для удержания диэлектрической подложки в неподвижном положении на плите для вырезания и охлаждающей водой, используемой для охлаждения лезвия циркулярной пилы после вырезания. Кроме того, необходимо отметить, что в рамках заявленного способа не требуется использовать маску, защищающую диэлектрическую подложку во время вырезания. Таким образом, факторы формы (отношение высота/ширина) не ограничены толщиной такой маски.

Другими отличительными признаками или частными вариантами осуществления, применяемыми отдельно или в комбинации, являются:

- оптический волновод является планарным волноводом.

- уменьшение глубины каждой выемки осуществляют, начиная от первого конца оптического волновода.

- оптический волновод является микроленточным волноводом.

- уменьшение глубины каждой выемки осуществляют, начиная с заранее определенного расстояния от первого конца оптического волновода.

- вырезание является механическим вырезанием.

- механическое вырезание производят при помощи циркулярной пилы, содержащей по меньшей мере одно лезвие.

- механическое вырезание производят при помощи лезвия циркулярной пилы.

- лезвие циркулярной пилы постепенно опускают на уровне заранее определенного расстояния от первого конца оптического волновода таким образом, чтобы глубина изменялась по дуге окружности с радиусом, равным радиусу лезвия циркулярной пилы.

- лезвию циркулярной пилы сообщают поступательное движение параллельно поверхности диэлектрической подложки, как только оно достигнет необходимой глубины указанных выемок.

- механическое вырезание производят при помощи двух лезвий циркулярной пилы с одной осью, отстоящих друг от друга на ширину w_r оптического волновода с «гребенчатой» структурой.

- вырезание осуществляют посредством лазерного травления.

- вырезание осуществляют таким образом, чтобы глубина каждой выемки изменялась непрерывно и постепенно от нулевой глубины на уровне второго конца оптического волновода и до максимальной глубины на заранее определенном расстоянии I_p от второго конца оптического волновода, в который должно заходить оптическое волокно, при этом изменение глубины каждой выемки образует вертикальную переходную зону оптической моды длиной I_p между оптическим волноводом с «гребенчатой» структурой и оптическим волокном.

Другим объектом изобретения является оптический волновод с «гребенчатой» структурой с низкими потерями связи между оптическим волноводом с «гребенчатой» структурой и оптическим волокном, изготовленный при помощи заявленного способа.

Краткое описание чертежей

Изобретение будет более понятно из нижеследующего описания, представленного исключительно в качестве примера, со ссылками на прилагаемые фигуры.

На фиг. 1 показан известный оптический волновод с «гребенчатой» структурой, вид в перспективе;

на фиг. 2 показано вырезание диэлектрической подложки для получения оптического волновода с «гребенчатой» структурой согласно известному способу изготовления оптического волновода с «гребенчатой» структурой;

на фиг. 3 показано соединение между оптическим волноводом с «гребенчатой» структурой, изображенным на фиг. 1, и обычным оптическим волокном;

на фиг. 4 показан способ изготовления оптического волновода с «гребенчатой» структурой согласно варианту осуществления изобретения;

на фиг. 5а показан пример оптического волновода, выполненного на поверхности диэлектрической подложки на первом этапе способа, представленного на фиг. 4;

на фиг. 5b показан другой пример оптического волновода, выполненного на поверхности диэлектрической подложки на первом этапе способа, представленного на фиг. 4;

на фиг. 6а показан пример оптического волновода, выполненного на втором этапе способа, представленного на фиг. 4;

на фиг. 6b показан другой пример оптического волновода, выполненного на втором этапе способа, представленного на фиг. 4;

на фиг. 7 изображен оптический волновод с «гребенчатой» структурой, показанный на фиг. 6b, с планкой и прокладкой;

на фиг. 8 показано вырезание поверхности диэлектрической подложки для изготовления оптического волновода с «гребенчатой» структурой, имеющего конфигурацию оптического волновода с «гребенчатой» структурой из примера, представленного на фиг. 6а;

на фиг. 9 показан оптический волновод с «гребенчатой» структурой, содержащий две вертикальные переходные зоны оптической моды между оптическим волноводом с «гребенчатой» структурой и оптическим волокном;

на фиг. 10а-10b показаны изображения оптических мод, полученных на выходе оптического волновода с «гребенчатой» структурой при поляризациях TE (поперечная электрическая) и TM (поперечная магнитная) соответственно с вертикальной переходной зоной оптической моды между оптическим волноводом с «гребенчатой» структурой и оптическим волокном;

на фиг. 11a-11b изображены оптические моды, полученные на выходе оптического волновода с «гребенчатой» структурой при поляризациях TE (поперечная электрическая) и TM (поперечная магнитная) соответственно без вертикальной переходной зоны оптической моды между оптическим волноводом с «гребенчатой» структурой и оптическим волокном.

Следует отметить, что фигуры представлены в качестве иллюстраций, и размеры представленных оптических устройств не пропорциональны реальным размерам этих устройств.

Осуществление изобретения

На фиг. 4 представлен вариант осуществления способа изготовления оптического волновода с «гребенчатой» структурой, который характеризуется низкими потерями связи, когда его соединяют с обычным оптическим волокном (например, с оптическим волокном типа SMF28 со слабо изолированной оптической модой).

На этапе 100 способа, показанного на фиг. 4, на поверхности диэлектрической подложки 10 выполняют оптический волновод для обеспечения вертикального ограничения электромагнитной волны. Этот оптический волновод имеет первый конец A и второй конец B, противоположный первому концу A.

Предпочтительно диэлектрическая подложка 10 выполнена из ниобата лития (LiNbO₃). Было установлено, что диэлектрическая подложка из ниобата лития (LiNbO₃) характеризуется более низкими потерями связи между оптическим волноводом в виде стандартной микроленты (типа титановой диффузионной микроленты) и оптическим волокном, чем потери связи, показываемые другими типами диэлектрических подложек. В другом примере диэлектрическая подложка выполнена из стекла. Тем не менее, следует отметить, что диэлектрическая подложка может быть выполнена из других материалов при условии, что электромагнитную волну можно ограничить в вертикальном направлении этими материалами.

Согласно примеру, представленному на фиг. 5a, оптический волновод, выполненный на поверхности диэлектрической подложки 10, является планарным оптическим волноводом 20. Планарный оптический волновод 20 находится на определенной глубине на всей поверхности диэлектрической подложки 10. Как показано на фиг. 5a, ширина w_p планарного оптического волновода 20 равна ширине w_s диэлектрической подложки 10, и, таким образом, электромагнитная волна ограничена по всей ширине диэлектрической подложки 10. Планарный оптический волновод 20 можно выполнить на поверхности диэлектрической подложки 10 при помощи разных технологий (например, путем нанесения титанового покрытия с последующей диффузией титана, посредством протонного обмена с последующим обжигом, ионного внедрения, ионного обмена и т.д.), которые хорошо известны специалисту в данной области. Пример этих технологий приведен в публикации "S. Fouchet, A. Carenco, С. Daguet, R. Guglielmi, L. Riviere, Wavelength dispersion of Ti induced refractive index change in LiNbO₃ as a function of diffusion parameters, Journal of Lightwave Technology, Volume: 5, Issue: 5, pp. 700, 708, May 1987". В частности, в этой публикации указано, что планарный волновод с диффузией титана можно получить при помощи нанесения титанового покрытия с его последующей диффузией при температуре порядка 1030°C во влажной атмосфере.

Согласно другому примеру, представленному на фиг. 5b, оптический волновод, выполненный на поверхности диэлектрической подложки 10, является микроленточным оптическим волноводом 30. Микроленточный оптический волновод 30 содержит ленту, которая расположена на определенной глубине поверхности диэлектрической подложки 10 и имеет определенную ширину w_d. Как показано на фиг. 5b, ширина w_d микроленты оптического волновода 30 меньше ширины w_s диэлектрической подложки 10. В случае оптического волновода 30 в виде микроленты электромагнитная волна ограничена в вертикальном направлении только в зоне ленты шириной w_d и направляется только через эту зону ленты. Под зоной ленты следует понимать зону, содержащую ленту, а также сечение вокруг ленты, и в этом сечении направляемая электромагнитная энергия превышает или равна 10% максимальной электромагнитной энергии оптической моды. Оптический волновод 30 в виде микроленты можно выполнить при помощи различных технологий, хорошо известных специалисту. Пример этих технологий приведен в публикации "Armenise, M.N., "Fabrication techniques of lithium niobate waveguides", Optoelectronics, IEE Proceedings J, vol. 135, no. 2, pp. 85, 91, Apr 1988". В частности, в этой публикации описано, что микроленточный оптический волновод с диффузией титана можно выполнить посредством нанесения титановой ленты, предварительно образованной на этапе литографии и затем подвернутой диффузии титана при температуре порядка 1030°C. Следует отметить, что микроленточный оптический волновод известен также как прямой оптический волновод или канальный оптический волновод.

Следует отметить, что этап 100 выполнения оптического волновода (планарного или в виде микроленты) на поверхности диэлектрической подложки 10 для обеспечения вертикального ограничения электромагнитной волны соответствует предварительному этапу выполнения оптического волновода (планарного или в виде микроленты) на поверхности диэлектрической подложки из известного способа. Кроме того, специалисту известно, что выполнение оптического волновода (планарного или в виде микроленты) означает, что оптический волновод образован зоной с показателем преломления, превышающим показатель преломления диэлектрической подложки, и эта зона направляет электромагнитную волну.

На этапе 200 способа, представленного на фиг. 4, на поверхности диэлектрической подложки 10 вырезают две параллельные выемки R1, R2, отстоящие друг от друга на расстояние w_r, чтобы получить оптический волновод 40 с «гребенчатой» структурой шириной w_r, выступающий между двумя выемками R1, R2. Как показано в двух примерах оптических волноводов с «гребенчатой» структурой на фиг. 6а и 6b, это вырезание двух выемок R1, R2 на поверхности диэлектрической подложки 10 осуществляют таким образом, что глубина первой выемки R1 и второй выемки R2 изменяется непрерывно и постепенно от нулевой глубины на уровне первого конца оптического волновода, в который должно заходить оптическое волокно 5, до максимальной глубины H_m на заранее определенном расстоянии I_p от первого конца оптического волновода. Изменение глубины каждой выемки R1 и R2 образует вертикальную переходную зону 50 оптической моды между оптическим волноводом 40 с «гребенчатой» структурой и оптическим волокном 5, которое соединяют с оптическим волноводом 40 с «гребенчатой» структурой. Эта вертикальная переходная зона 50 имеет длину, равную заранее определенному расстоянию I_p от первого конца оптического волновода и имеет закругленный профиль. Кроме того, как показано в двух примерах оптических волноводов с «гребенчатой» структурой на фиг. 6а и 6b, оптическое волокно 5, соединяемое с этими оптическими волноводами с «гребенчатой» структурой, содержит сердечник 8', который передает электромагнитную энергию по длине оптического волокна 5 и который окружен оболочкой 9'.

Вместе с тем, следует отметить, что в примере на фиг. 6a уменьшение глубины двух выемок R1, R2 во время вырезания поверхности диэлектрической подложки 10 осуществляют от первого конца планарного оптического волновода 20, показанного на фиг. 5а, тогда как в примере на фиг. 6b уменьшение глубины двух выемок R1, R2 осуществляют, начиная с определенного расстояния I_d от первого конца микроленточного оптического волновода 30, показанного на фиг. 5b. Таким образом, в примере оптического волновода 40 с «гребенчатой» структурой, показанном на фиг. 6а, вертикальная переходная зона 50 оптической моды между оптическим волноводом 40 с «гребенчатой» структурой и оптическим волокном 5 начинается от первого конца планарного оптического волновода 20, тогда как в примере, показанном на фиг. 6b, эта вертикальная переходная зона 50 начинается с заранее определенного расстояния I_d от первого конца микроленточного оптического волновода 30.

Необходимо отметить, что в примере оптического волновода 40 с «гребенчатой» структурой на фиг. 6b вырезание диэлектрической подложки 10 осуществляют с двух сторон микроленточного оптического волновода 30 таким образом, что ширина w_r оптического волновода 40 с «гребенчатой» структурой, полученного после вырезания, имеет такую же ширину или, возможно, ширину, превышающую ширину w_d микроленточного оптического волновода 30, показанного на фиг. 5b.

Кроме того, необходимо отметить, что конфигурация оптического волновода 40 с «гребенчатой» структурой, показанного на фиг. 6b, согласно которой уменьшение глубины двух выемок R1, R2 во время вырезания поверхности диэлектрической подложки 10 осуществляют на заранее определенном расстоянии I_d от первого конца микроленточного оптического волновода 30, позволяет приклеить планку 6 на части поверхности диэлектрической подложки 10 длиной I_d, которую не вырезают (см. фиг. 7). Планка 6 служит для улучшения склеивания между оптическим волноводом с «гребенчатой» структурой и оптическим волокном, поскольку, как показано на фиг. 7, она позволяет приклеить прокладку 7 на уровне первого конца оптического волновода, чтобы закрепить оптическое волокно 5 в положении соединения с оптическим волноводом 40 с «гребенчатой» структурой. Следует отметить, что планка 6 и прокладка 7 являются элементами, уже используемыми в области оптических волноводов и хорошо известными специалисту. На фиг. 7 показан оптический волновод с «гребенчатой» структурой, имеющий такую же конфигурацию, что и оптический волновод с «гребенчатой» структурой, показанный на фиг. 6b, и дополнительно содержащий планку 6 и прокладку 7.

Например, вырезание поверхности диэлектрической подложки 10 для выполнения оптического волновода 40 с «гребенчатой» структурой, показанного на фиг. 6а и 6b, является механическим вырезанием. Механическое вырезание можно осуществлять при помощи хорошо известной специалисту прецизионной циркулярной пилы (см. например, публикацию "High aspect ratio lithium niobate ridge waveguides fabricated by optical grade dicing, J. Phys. D: Appl. Phys, 44 305101, (2011)"). Как указано в упомянутой публикации, лезвие циркулярной пилы программируют таким образом, чтобы одновременно с вырезанием диэлектрической подложки 10 осуществлять полирование диэлектрической подложки 10. Важными критериями для обеспечения полирования высокого качества одновременно с вырезанием являются тип и скорость (скорость вращения и скорость поступательного движения) лезвия циркулярной пилы. Специалист знает, как выбрать тип и скорость лезвия циркулярной пилы в соответствии с используемой диэлектрической подложкой.

В частном примере лезвие циркулярной пилы опускают постепенно на уровне заранее определенного расстояния I_p от первого конца оптического волновода таким образом, чтобы глубина изменялась по дуге окружности с радиусом, равным радиусу лезвия циркулярной пилы. В частности, как показано на фиг. 8, когда лезвие 60 достигает необходимой глубины H_m диэлектрической подложки 10 для вырезания выемок R1 и R2, ему сообщают поступательное движение параллельно поверхности диэлектрической подложки 10. Траектория, которой следует лезвие 60 циркулярной пилы для осуществления вырезания-полирования диэлектрической подложки 10, показана стрелками на фиг. 8.

На фиг. 8 представлен пример вырезания поверхности диэлектрической подложки 10 для изготовления оптического волновода с «гребенчатой» структурой, имеющего конфигурацию оптического волновода с «гребенчатой» структурой из примера на фиг. 6а. Согласно конфигурации оптического волновода с «гребенчатой» структурой, показанного на фиг. 6а, уменьшение глубины двух выемок R1, R2 во время вырезания поверхности диэлектрической подложки 10 при помощи лезвия 60 осуществляют, начиная от первого конца планарного оптического волновода 20, показанного на фиг. 5а. Вместе с тем, следует отметить, что вырезание лезвием 60 можно выполнять таким образом, чтобы уменьшение глубины двух выемок R1, R2 осуществлять, начиная с заранее определенного расстояния I_d от первого конца микроленточного оптического волновода 30, показанного на фиг. 5b, что соответствует конфигурации оптического волновода 40 с «гребенчатой» структурой, показанного на фиг. 6b. В этом случае лезвие 60 программируют таким образом, чтобы вырезать диэлектрическую подложку 10 с двух сторон от микроленточного оптического волновода 30 и чтобы ширина w_r оптического волновода 40 с «гребенчатой» структурой, выполненного после этого вырезания, была такой же или, возможно, превышала ширину w_d микроленточного оптического волновода 30.

В другом примере механическое вырезание производят при помощи двух циркулярных пил с одной осью, отстоящих друг от друга на ширину w_r оптического волновода с «гребенчатой» структурой.

В другом примере вырезание поверхности диэлектрической подложки 10 для получения оптического волновода 40 с «гребенчатой» структурой, показанного на фиг. 6а и 6b, осуществляют посредством лазерного травления вместо механического вырезания. Согласно примеру, вместо циркулярной пилы используют фемтосекундный лазер для вырезания поверхности диэлектрической подложки 10 с целью получения оптических волноводов с «гребенчатой» структурой из примеров на фиг. 6а и на фиг. 6b, которые содержат вертикальную переходную зону 50 оптической моды между оптическим волноводом с «гребенчатой» структурой и оптическим волокном. В частности, вырезание диэлектрической подложки, выполненной из ниобата лития (LiNbO₃) или из стекла, требует применения фемтосекундного лазера с минимальной плотностью потока 1 Дж/см². Вместе с тем, необходимо отметить, что с учетом химических и структурных изменений, создаваемых лазерным пятном, вырезание диэлектрической подложки при помощи светового луча фемтосекундного лазера приводит к получению оптических волноводов с «гребенчатой» структурой, имеющих более значительную шероховатость, чем оптические волноводы с «гребенчатой» структурой, выполненные посредством вырезания диэлектрической подложки при помощи лезвия циркулярной пилы.

Кроме того, в другом примере, представленном на фиг. 9, вырезание диэлектрической подложки 10 осуществляют таким образом, чтобы, кроме образования вертикальной переходной зоны 50 оптической моды между оптическим волноводом 40 с «гребенчатой» структурой и вышеописанным оптическим волокном 5, получить вторую переходную зону 50' оптической моды между оптическим волноводом 40 с «гребенчатой» структурой и оптическим волокном 5', соединяемым с оптическим волноводом 40 с «гребенчатой» структурой на втором конце оптического волновода. В частности, в этом примере глубина каждой выемки (R1, R2) изменяется непрерывно и постепенно от нулевой глубины на уровне второго конца оптического волновода, в который должно заходить оптическое волокно 5', до максимальной глубины на заранее определенном расстоянии (I_p) от второго конца оптического волновода. Изменение глубины каждой выемки (R1, R2) образует вертикальную переходную зону 50' оптической моды длиной (I_p) между оптическим волноводом с «гребенчатой» структурой и оптическим волокном 5', соединяемым с оптическим волноводом 40 с «гребенчатой» структурой. Эта вертикальная переходная зона 50' оптической моды между оптическим волноводом 40 с «гребенчатой» структурой и оптическим волокном 5' имеет длину, равную заранее определенному расстоянию I_p от второго конца оптического волновода, и имеет закругленный профиль, как в случае вертикальной переходной зоны 50 оптической моды между оптическим волноводом 40 с «гребенчатой» структурой и оптическим волокном 5.

Вырезание диэлектрической подложки 10 в примере, показанном на фиг. 9, можно производить при помощи циркулярной пилы или при помощи фемтосекундного лазера. Согласно частному примеру (на фигурах не показан), в котором это вырезание осуществляют при помощи лезвия циркулярной пилы, это лезвие постепенно опускают на уровне заранее определенного расстояния (I_p) от первого конца оптического волновода, в который должно заходить оптическое волокно 5, таким образом, чтобы глубина менялась по дуге окружности с радиусом, равным радиусу лезвия циркулярной пилы. После достижения лезвием необходимой глубины диэлектрической подложки 10 для вырезания выемок R1 и R2, ему сообщают поступательное движение параллельно поверхности диэлектрической подложки 10. Затем, когда лезвие достигает заранее определенного расстояния (I_p) от второго конца оптического волновода, его непрерывно и постепенно поднимают таким образом, чтобы глубина менялась по дуге окружности с радиусом, равным радиусу лезвия циркулярной пилы, вплоть до достижения нулевой глубина на уровне второго конца оптического волновода, в который должно заходить оптическое волокно 5'.

Следует отметить, что в примере на фиг. 9 уменьшение глубины двух выемок R1, R2 во время вырезания поверхности диэлектрической подложки 10 осуществляют от первого конца и от второго конца планарного оптического волновода, показанного на фиг. 5а. Однако, согласно другому примеру, уменьшение глубины двух выемок R1, R2 осуществляют, начиная с заранее определенного расстояния I_d от первого конца и от второго конца микроленточного оптического волновода 30, показанного на фиг. 5b.

Необходимо отметить, что после проведения испытаний было установлено, что вертикальная переходная зона 50 оптической моды между оптическими волноводами с «гребенчатой» структурой и оптическим волокном позволяет значительно снизить потери связи между оптической модой оптического волновода с «гребенчатой» структурой и оптической модой оптического волокна. Во время испытания были замерены потери связи между оптическим волноводом с «гребенчатой» структурой и обычным оптическим волокном SMF28 для оптического волновода с «гребенчатой» структурой без такой вертикальной переходной зоны 50 (см. оптический волновод с «гребенчатой» структурой, показанный на фиг. 1) и для оптического волновода с «гребенчатой» структурой с такой вертикальной переходной зоной 50. Что касается оптического волновода с «гребенчатой» структурой, показанного на фиг. 1, потери связи при поляризациях TE (поперечные электрические) и при поляризациях TM (поперечные магнитные) электромагнитной волны составляют примерно 2.8 дБ. С другой стороны, что касается оптического волновода с «гребенчатой» структурой с вертикальной переходной зоной 50, потери связи при поляризациях TE (поперечные электрические) и при поляризациях TM (поперечные магнитные) электромагнитной волны составляют примерно 0.8 дБ. Необходимо отметить, что оба сравнительных (с вертикальной переходной зоной 50 и без нее) оптических волновода с «гребенчатой» структурой были изготовлены в одинаковых условиях и с одинаковыми размерами, то есть с шириной 6 мкм и с глубиной 30 мкм.

В частности, было установлено, что эта вертикальная переходная зона 50 служит для преобразования оптической моды оптического волновода с «гребенчатой» структурой в менее ограниченную оптическую моду, которая адаптирована к оптической моде оптического волокна. В частности, на фиг. 10а-10b представлены изображения оптических мод, полученных на выходе оптического волновода с «гребенчатой» структурой с вертикальной переходной зоной 50 при поляризациях TE (поперечные электрические) и TM (поперечные магнитные) соответственно, тогда как на фиг. 11a-11b представлены изображения оптических мод, полученных на выходе оптического волновода с «гребенчатой» структурой без вертикальной переходной зоны 50 при поляризациях TE (поперечные электрические) и TM (поперечные магнитные) соответственно. Следует отметить, что оптические моды, полученные на выходе оптических волноводов с «гребенчатой» структурой, показанных на фиг. 10а-10b и на фиг. 11a-11b, характеризуются распределением электромагнитной энергии на выходе этих оптических волноводов с «гребенчатой» структурой, полученным при подаче в эти оптические волноводы с «гребенчатой» структурой электромагнитной волны, исходящей из лазера с длиной волны 1550 нм и с оптической мощностью 0.2 мВт. Оптические волноводы с «гребенчатой» структурой, показанные на фиг. 10а-10b и 11a-11b, были изготовлены при одинаковых условиях и с одинаковыми размерами, то есть с шириной 6 мкм и с глубиной 30 мкм.

При сравнении фиг. 10а и 11а, а также фиг. 10b и 11b видно, что оптические моды, полученные на выходе оптического волновода с «гребенчатой» структурой с вертикальной переходной зоной 50, являются менее ограниченными, чем оптические моды, полученные на выходе оптического волновода с «гребенчатой» структурой без вертикальной переходной зоны 50. Таким образом, ограничение оптических мод, полученных на выходе оптического волновода с «гребенчатой» структурой с вертикальной переходной зоной 50, более адаптировано к оптическим модам обычного оптического волокна, которые являются слабо изолированными. Кроме того, потери связи между оптическими модами оптических волноводов с «гребенчатой» структурой, показанными на фиг. 10а-10b и 11a-11b, и оптической модой обычного оптического волокна можно рассчитать при помощи интеграла перекрывания n (см. уравнение 1) между оптической модой оптических волноводов с «гребенчатой» структурой и оптической модой обычного оптического волокна. В частности, было установлено, что интеграл перекрывания n составляет только 52%, когда оптическое волокно соединяют с оптическим волноводом с «гребенчатой» структурой, показанным на фиг. 11a-11b, без вертикальной переходной зоны 50, тогда как он составляет 80%, когда оптическое волокно соединяют с оптическим волноводом с «гребенчатой» структурой, показанным на фиг. 10а-10b, с вертикальной переходной зоной 50.

Следует отметить, что оптические волноводы с «гребенчатой» структурой, изготовленные при помощи способа, представленного на фиг. 4, можно использовать в самых разных областях, например, в аэрокосмической области, в области оптических телекоммуникаций и в области лазеров.

Кроме того, можно отметить, что способ, представленный на фиг. 4, особенно подходит для оптических волноводов с «гребенчатой» структурой с градиентом показателя преломления на поверхности диэлектрической подложки, в которых электромагнитная волна направляется, благодаря непрерывному вертикальному изменению показателя преломления на поверхности диэлектрической подложки, или для оптических волноводов с «гребенчатой» структурой со скачком показателя преломления на поверхности диэлектрической подложки, в которых электромагнитная волна направляется, благодаря локальному изменению показателя преломления на поверхности диэлектрической подложки.

Необходимо отметить, что в обоих случаях (оптические волноводы с градиентом показателя преломления или со скачком показателя преломления) электромагнитная волна направляется в оптическом волноводе, благодаря зоне с показателем преломления, более высоким, чем показатель преломления диэлектрической подложки. Эта зона с высоким показателем преломления образует оптический волновод, полученный на этапе 100 способа, представленного на фиг. 4, который может быть либо планарным оптическим волноводом, либо микроленточным оптическим волноводом. Кроме того, можно отметить, что эта зона с показателем преломления, более высоким, чем показатель преломления диэлектрической подложки, получена в результате применения описанных выше различных технологий изготовления планарного волновода или микроленточного волновода (см. вышеупомянутые публикации S. Fouchet et al. и M.N. Armenise).

Направление электромагнитной волны в оптическом волноводе благодаря зоне с показателем преломления, более высоким, чем показатель преломления диэлектрической подложки, позволяет получать низкие потери связи между оптическим волноводом с «гребенчатой» структурой и оптическим волокном при использовании диэлектрических подложек толщиной от 200 нм до нескольких мм. В частности, было установлено, что потери связи между оптическим волноводом с «гребенчатой» структурой и оптическим волокном значительно снижаются при толщине диэлектрической подложки сверх 10 мкм. Необходимо отметить, что, если электромагнитная волна направляется в диэлектрической подложке, а не через зону с показателем преломления, более высоким, чем показатель преломления диэлектрической подложки, как было указано выше, невозможно получить низкие потери связи с использованием значений толщины диэлектрической подложки сверх 10 мкм, так как чем больше толщина диэлектрической подложки увеличивается, начиная от 10 мкм, тем меньше оптическая мода оптического волновода с «гребенчатой» структурой перекрывается с оптической модой обычного оптического волокна, которое имеет ширину на половине боковой и вертикальной высоты оптической моды порядка 5 мкм.

Кроме того, было установлено, что оптические потери в вертикальных переходных зонах 50 и 50', показанных на фиг. 6а, 6b, 7 и 9, являются низкими, в частности, ниже 0.1 дБ, если радиус кривизны вертикальных переходных зон 50 и 50' превышает 20 мм. В этом случае нет необходимости в последующей обработке (при помощи лазера или сфокусированного пучка ионов) оптического волновода с «гребенчатой» структурой для снижения оптических потерь. Как известно специалисту в данной области, оптические потери в вертикальной переходной зоне соответствуют соотношению между оптической мощностью выхода вертикальной переходной зоны и оптической мощностью входа вертикальной переходной зоны.

Таким образом, было установлено, что боковое ограничение оптической моды оптического волновода с «гребенчатой» структурой улучшается, если глубина выемок превышает 10 мкм.

Изобретение относится к способу изготовления оптического волновода. Способ изготовления оптического волновода с «гребенчатой» структурой с низкими потерями связи между оптическим волноводом и оптическим волокном. Способ включает в себя следующие этапы, на которых выполняют оптический волновод на поверхности диэлектрической подложки, имеющий первый конец (А) и второй конец (В), противоположный первому концу (А), затем вырезают две параллельные выемки (R1, R2), разделенные расстоянием w_r, на поверхности диэлектрической подложки для получения оптического волновода с «гребенчатой» структурой шириной w_r, выступающего между двумя выемками (R1, R2). Причем вырезание осуществляют так, что глубина каждой выемки (R1, R2) непрерывно и постепенно изменяется от нулевой глубины на уровне первого конца оптического волновода, выполненного с возможностью приема оптического волокна, до максимальной глубины (H_m) на заранее определенном расстоянии (I_p) от первого конца оптического волновода, при этом изменение глубины каждой выемки (R1, R2) образует вертикальную переходную зону оптической моды длиной (I_p) между оптическим волноводом с «гребенчатой» структурой и оптическим волокном. Технический результат заключается в изготовлении волновода с «гребенчатой» структурой с небольшими потерями связи между волноводом с «гребенчатой» структурой и обычным оптическим волноводом. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Способ изготовления оптического волновода (40) с «гребенчатой» структурой с низкими потерями связи между оптическим волноводом (40) с «гребенчатой» структурой и оптическим волокном (5), при этом способ содержит следующие этапы, на которых:

- выполняют (100) оптический волновод на поверхности диэлектрической подложки (10), при этом оптический волновод имеет первый конец (А) и второй конец (В), противоположный первому концу (А);

- вырезают (200) две параллельные выемки (R1, R2), разделенные расстоянием w_r, на поверхности диэлектрической подложки для получения оптического волновода (40) с «гребенчатой» структурой шириной w_r, выступающего между двумя выемками (R1, R2),

отличающийся тем, что вырезание осуществляют так, что глубина каждой выемки (R1, R2) непрерывно и постепенно изменяется от нулевой глубины на уровне первого конца оптического волновода, выполненного с возможностью приема оптического волокна, до максимальной глубины (H_m) на заранее определенном расстоянии (I_p) от первого конца оптического волновода, при этом изменение глубины каждой выемки (R1, R2) образует вертикальную переходную зону (50) оптической моды длиной (I_p) между оптическим волноводом (40) с «гребенчатой» структурой и оптическим волокном (5).

2. Способ по п. 1, в котором оптический волновод (20) является планарным волноводом.

3. Способ по п. 2, в котором уменьшение глубины каждой выемки (R1, R2) осуществляют, начиная от первого конца оптического волновода.

4. Способ по п. 1, в котором оптический волновод (20) является микроленточным волноводом.

5. Способ по п. 4, в котором уменьшение глубины каждой выемки (R1, R2) осуществляют, начиная с заранее определенного расстояния (I_d) от первого конца оптического волновода.

6. Способ по любому из пп. 1-5, в котором вырезание является механическим вырезанием.

7. Способ по п. 6, в котором механическое вырезание производят при помощи циркулярной пилы, содержащей по меньшей мере одно лезвие.

8. Способ по п. 7, в котором механическое вырезание производят при помощи лезвия (60) циркулярной пилы.

9. Способ по любому из пп. 7 или 8, в котором лезвие (60) циркулярной пилы

постепенно опускают на уровне заранее определенного расстояния (I_p) от первого конца оптического волновода так, чтобы глубина изменялась по дуге окружности с радиусом, равным радиусу лезвия (60) циркулярной пилы.

10. Способ по п. 9, в котором, как только лезвие (60) циркулярной пилы достигает необходимой глубины выемок (R1, R2), ему сообщают поступательное движение параллельно поверхности диэлектрической подложки (10).

11. Способ по п. 7, в котором механическое вырезание производят при помощи двух лезвий циркулярной пилы с одной осью, отстоящих друг от друга на ширину (w_r) оптического волновода с «гребенчатой» структурой.

12. Способ по любому из пп. 1-5, в котором вырезание осуществляют посредством лазерного травления.

13. Способ по любому из пп. 1-5, 7, 8, 10, 11, в котором вырезание осуществляют так, что глубина каждой выемки (R1, R2) изменяется непрерывно и постепенно от нулевой глубины на уровне второго конца оптического волновода и до максимальной глубины на заранее определенном расстоянии (I_p) от второго конца оптического волновода, выполненного с возможностью приема оптического волокна, при этом изменение глубины каждой выемки (R1, R2) образует вертикальную переходную зону (50') оптической моды длиной (I_d) между оптическим волноводом с «гребенчатой» структурой и оптическим волокном (5').

14. Способ по п. 6, в котором вырезание осуществляют так, что глубина каждой выемки (R1, R2) изменяется непрерывно и постепенно от нулевой глубины на уровне второго конца оптического волновода и до максимальной глубины на заранее определенном расстоянии (I_p) от второго конца оптического волновода, выполненного с возможностью приема оптического волокна, при этом изменение глубины каждой выемки (R1, R2) образует вертикальную переходную зону (50') оптической моды длиной (I_d) между оптическим волноводом с «гребенчатой» структурой и оптическим волокном (5').

15. Способ по п. 9, в котором вырезание осуществляют так, что глубина каждой выемки (R1, R2) изменяется непрерывно и постепенно от нулевой глубины на уровне второго конца оптического волновода и до максимальной глубины на заранее определенном расстоянии (I_p) от второго конца оптического волновода, выполненного с возможностью приема оптического волокна, при этом изменение глубины каждой выемки (R1, R2) образует вертикальную переходную зону (50') оптической моды длиной (I_d) между оптическим волноводом с «гребенчатой» структурой и оптическим волокном (5').

16. Способ по п. 12, в котором вырезание осуществляют так, что глубина каждой выемки (R1, R2) изменяется непрерывно и постепенно от нулевой глубины на уровне

второго конца оптического волновода и до максимальной глубины на заранее определенном расстоянии (I_p) от второго конца оптического волновода, выполненного с возможностью приема оптического волокна, при этом изменение глубины каждой выемки (R1, R2) образует вертикальную переходную зону (50') оптической моды длиной (I_d) между оптическим волноводом с «гребенчатой» структурой и оптическим волокном (5').

17. Оптический волновод с «гребенчатой» структурой с низкими потерями связи между оптическим волноводом с «гребенчатой» структурой и оптическим волокном, отличающийся тем, что изготовлен способом по любому из пп. 1-16.