CN102621630A - 使用光学功率横向传送的光学接合设备和方法 - Google Patents

Abstract

光学装置包括在基底(1902)上制造的光学装置(1910)，在基底(1902)和/或光学装置上制造的外部传递光学波导(1930)，以及传输光学波导(1920)。配装并定位光学装置和/或外部传递波导，以便在它们之间传递光学功率(终端传递或横向传递)。外部传递波导和/或传输波导适合于在它们之间横向传递光学功率(模式干涉耦合或绝热)。传输波导最初是以与基底、设备和外部传递波导机械分离的部件的方式提供的。通过把传输波导与基底、设备和/或外部传递波导装配在一起，导致外部传递波导和传输波导的相对定位，以便在它们之间横向传递光学功率。从而能够通过外部传递波导在设备和传输波导之间传递光学功率。传输波导最好包括波导基底上的一个平面波导。

Description

使用光学功率横向传送的光学接合设备和方法

本发明是申请日为2002年6月28日、申请号为02826494.0且发明名称为“使用光学功率横向传送的光学接合设备和方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明的领域涉及光通信。特别地，涉及使用组装的光学组件之间的光功率的横向传送的光学接合设备和方法。

背景技术

本申请涉及以下文献公开的主题：

A1)题目为“Waveguides and resonator for integrated opticaldevices and methods of fabrication and use thereof”，提交日期为12/21/2000，发明人为Oskar J.Painter的美国临时申请60/257,218(案卷号ALG04P)，本文全文引用所述临时申请作为参考；

A2)题目为“Waveguide-fiber Mach-Zender interferometer andmethods of fabrication and use thereof”，提交日期为06/27/2001，发明人为Oskar J.Painter，David W.Vernooy和Kerry J.Vahala的美国临时申请60/301,519(案卷号ALG05P)，本文全文引用所述临时申请作为参考；

A3)题目为“Fiber-optic-taper probe for characterizingtransversely-optically-coupled waveguides and resonators”，提交日期为09/13/2001，发明人为David W.Vernooy的美国临时申请60/322,272(案卷号CQC11P)，本文全文引用所述临时申请作为参考；

A4)题目为“Method for improving the planarity of etchedmirror facets”，发布日期为07/16/1991，发明人为Peter.L.Buchman，Peter Vettiger，Otto Voegeli和David J.Webb的美国专利5,032,219，本文全文引用所述专利作为参考；

A5)题目为“Improved planar etched mirror facets”，发布日期为04/07/1992，发明人为Peter.L.Buchman，Peter Vettiger，OttoVoegeli和David J.Webb的美国专利5,103,493，本文全文引用所述专利作为参考；

A6)题目为“Method of passivating etched mirror facets ofsemiconductor laser diodes”，发布日期为01/05/1993，发明人为Peter.L.Buchman，David J.Webb和Peter Vettiger的美国专利5,177,031，本文全文引用所述专利作为参考；

A7)题目为“Self-aligned optical waveguide to laser structureand method of making the same”，发布日期为11/02/1993，发明人为Gian-Luca Bona，Fritz Gfeller，Heinz Jaeckel和David J.Webb的美国专利5,259,049，本文全文引用所述专利作为参考；

A8)题目为“Integrated end-coupled transverse-optical-couplingapparatus and methods”，提交日期为10/30/2001，发明人为Henry A.Blauvelt，Kerry J.Vahala，Peter C.Sercel，Oskar J.Painter和GuidoHunziker的美国临时申请60/334,705(案卷号CQC15P)，本文全文引用所述申请作为参考；

A9)题目为“Alignment apparatus and methods for transverseoptical coupling”，提交日期为11/23/2001，发明人为Charles I.Grosjean，Guido Hunziker，Paul M.Bridger和Oskar J.Painter的美国临时申请60/333,236(案卷号CQC16P)，本文全文引用所述申请作为参考；

A10)题目为“Multi-layer dispersion-engineered waveguides andresonator”，提交日期为12/21/2001，发明人为Oskar J.Painter，DavidW.Vernooy和Kerry J.Vahala的美国非临时申请10/037,966(案卷号CQC14NP)，本文全文引用所述申请作为参考；以及

A11)题目为“Alignment-insensitive optical junction apparatusand methods employing adiabatic optical power transfer”，提交日期为02/27/2002，发明人为Henry A.Blauvelt，Kerry J.Vahala，DavidW.Vernooy和Joel S.Paslaski的美国临时申请60/360,261(案卷号CQC17P)，本文全文引用所述申请作为参考。

本申请还涉及以下出版物公开的主题，本文全文引用所述出版物作为参考：

P1)Y.P.Li and C.H.Henry，Silicon Optical Bench WaveguideTechnology，in Optical Fiber Telecommunications，IIIb，I.P.Kaminow and T.L.Koch eds.，Academic Press，1997；

P2)T.Ramadan，R.Scarmozzino，and R Osgood，“AdiabaticCouplers：Design Rules and Optimization”，IEEE J.Lightwave Tech.，v16，No.2，pp 277-283，(1998)；

P3)D.G.Dalgoutte，R.B.Smith，G.Achutaramayya，and J.H.Harris，“Externally mounted fibers for integrated opticsinterconnections”，Appl.Optics，Vol.14，No.8，pp 1860-1865(1975)；以及

P4)Y.Shani，C.H.Henry，R.C.Kistler，R.F.Kazarinov，and K.J.Orlowsky，“Integrated optic adiabatic devices on silicon”，IEEE J.Quant.Elec.，Vol.27，No.3，pp 556-566(1991).

光通信领域中的基本问题是实现组装光学组件之间的光信号功率的有效和高性价比传送。一个特别重要的例子是实现有源或无源光学装置与低损耗传输光学波导(包括光纤和/或平面波导线路)之间的光信号功率传送。有源光学装置的例子包括但不限于半导体激光器，电吸收调制器，电吸收调制激光器，电光调制器，半导体光学放大器，光电二极管或其他光电探测器，NxN光开关等。无源设备的例子包括但不限于波分复用器/分用器，波分分波器/交织器，波分分插(add/drop)滤波器，其他光学滤波器，分离器/组合器，干涉仪，移相器，色散补偿器，固定或可变光学衰减器等。此类光学装置通常包括小型(特别在半导体基的装置中)光模的生成，相互作用和/或处理，光模通常仅为几微米宽，其高度不超过1微米。相互作用模式尺寸通常远小于单模光纤或平面光波线路支持的光模尺寸(通常为10微米宽)。因此，由于空间模式失配，将光纤或平面波导线路终端耦合到光学装置上是低效率的(5-15％左右)，生成具有较大插入损失的装置。存在获得高终端耦合效率的现有方法，但是需要能够实现更好模式匹配的昂贵组件(非球面镜头等)，同时需要高精度对准光学组件和光学装置(允许公差为0.1μm，并且必须在每个装置上实现)。

存在用于低成本终端耦合的光学组件的现有技术(如基于硅光具座技术的方法)。然而，由于上述原因，此类低成本解决方案的缺点是，光学装置与光纤或其他波导之间的低光学功率传送效率。

经由终端耦合(即端射耦合或终端传送)的光学功率传送的特征在于，沿需要传送的光学信号功率的传播方向，以首尾相接的几何形状方式放置光学组件。在按上述方式形成的光学连接区中，光学功率穿过一个光学组件的端面，进入另一个光学组件的端面。作为选择，可利用所谓的横向耦合(即横向传送)实现光学功率传送，其中相对于光学信号功率的传播方向，以并排几何方式放置光学组件。在横向耦合形成的光学连接区中，通常至少在一个连接段中光学功率同时沿两个组件传播。

光学组件之间的有效终端传送要求各组件内的光模的空间模式匹配。光学装置和传输光学波导之间的光功率的横向传送提供在光学装置和传输波导之间传送光学信号功率的终端传送的另一种选择(例如，通过光纤的锥形段或通过平面波导的合适部分)。特别地，无需空间模式匹配；可以实现不同空间模式尺寸和/或形状的光模之间的光功率的横向传送。

上文引用的某些现有专利申请详细描述了横向传送(也称为横向耦合，横向光学耦合，瞬逝光学耦合，瞬逝耦合，定向光学耦合，定向耦合)，本文不再赘述。利用转变为耦合波导光学系统的光模特性的独立光学波导(或其他光学组件)的光模特性，更容易描述横向传送。前一种模式称为“系统模式”或“耦合系统模式”，后一种模式称为“隔离模式”或“隔离波导模式”。采用几种工作方式中的一种方式，横向耦合可以实现光学波导之间的光学信号功率的有效传送。本文论述的两种方式为所谓的模式干涉耦合和所谓的绝热光功率传送。

在所谓的模式干涉耦合(上述参考文献特别是A8和A10中有有关叙述，本文简称为横向光学耦合)中，在两个引导的系统模式之间分配从一个波导进入接合区域的光学信号功率。理论上，配置进入接合区域的转变，从而隔离模式非常接近两个低阶系统模式的线性叠加。当光学信号功率进入接合区域时，该条件导致高阶系统模式(和/或发射模式)的最低功率损耗。两种系统模式以不同的传播常数(对两个最低阶系统模式为β+和β-)沿波导方向穿过接合区域。在到达接合区域的末端时，根据两个系统模式的相对相位，将光学信号功率划分为两个波导。再者，为了将高阶和/或发射系统模式的损耗降到最低程度，隔离模式应类似两个系统模式的线性叠加。由于实际装置就是这样，并且即使不是这样也能提供合理逼近，因此可以利用隔离模式的属性来描述接合区域的特性，下文将使用此种描述。特别地，隔离波导模式之间的横向重叠程度(特征为耦合系数κ)，在模式叠加上的传播距离(即接合区域长度或互作用长度L)，以及模折射率失配的程度(特征为Δβ＝β₁-β₂，β为各隔离波导模式的传播常数)，确定经由模式干涉耦合的光学信号功率传送的程度。在模式干涉耦合中，通常认为κ、β₁、β₂在接合区域之长度L上保持不变。模式干涉耦合波导之间的光学功率的传送定义为(忽略光学损耗的影响)：

$\frac{{\left|E_2\left(L\right)\right|}^2}{{\left|E_1\left(0\right)\right|}^2}=\frac{{\left|\mathrm{\κ}\right|}^2}{q^2}{\sin }^2\left(\mathrm{qL}\right)$

$q^2={\left|\mathrm{\κ}\right|}^2+\frac{1}{4}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}^2$

其中以下定义适用：

E_1，2(z)耦合场的振幅；

β_1，2耦合场的传播常数；

κ由于耦合场的空间重叠产生的耦合振幅；

z纵向传播距离坐标

其空间限制在接合区域前的第一光学波导内的振幅E₁的入射场传送到其他光学组件，在z＝L的合成\场幅度为E₂(L)(其中z＝0为接合区域的起点，z＝L为接合区域的终点)。因此，作为接合区域长度L之函数的光学功率传送随着依赖于κ和Δβ的特性周期(即“拍频长度”)振荡。表示接合区域内激励的传送光学信号功率的系统模式之间的干涉。更大的耦合振幅κ和/或更大的模折射率失配Δβ将减少拍频长度。振荡功率传送的绝对数值随逐渐增加的模折射率失配以及Δβ接近零时在光学组件之间往返的光学功率的全部传送而降低。对于给定的Δβ和κ，通过利用长度L配置接合区域实现所需的传送部分，能够实现从某一波导到其他波导的特定程度的光学功率传送。

为了理解模式干涉耦合与绝热功率传送之间的区别，首先必须理解光学波导一般语境中的绝热条件的含义。用两个例子进行说明。首先考虑为修改横向宽度和导向模式的传播常数而对某段长度上是锥形的单模波导。支持单模的波导的锥化处理将耦合引入发射模式。然而，假设锥化是充分渐变的以致发射损耗不充分(即绝热锥化)，将横过锥形波导的光学功率视为单模仍然有意义，纵使横过锥形波导段时其属性具有纵向位置依赖(即z依赖)。假设绝热条件满足(即锥化足够慢以致向其他模式提供的耦合最小或低于操作上可接受程度)，则可使用纵向变化数值(如依赖于z的传播“常数”β(z))描述该模式。

作为第二个例子，可以沿纵向传播方向改变波导的属性，从而波导在某个位置支持单个横向模式，而在另一个位置支持两个或多个横向模式。在本例中，波导属性的绝热变动将对其他模式的耦合是可以忽略的(或操作上可接受的)，因此可以认为沿波导传播时保持单“模”，即使作为其传播“常数”β和/或其横向空间外形之类的属性依赖于波导方向的纵向位置z的模式。

认为光模服从纵向或横向方向的绝热变动的近似方式是理解绝热功率传送装置之操作的重要概念。请注意，在满足绝热条件的波导和连接上下文中，术语“模式”具有更普遍的含义。特别地，在其他模式的偶合最小或不超过某些操作上可接受的程度的范围内，本文将使用术语“模式”或“光模”，即使该模式沿其属性在绝热方式中纵向变化的波导方向传播时，空间、时间、偏振和/或其他属性可能发展。在模式沿纵向不变的波导传播时，模式的更普遍解释与术语“模式”的常规用途不同，后者通常暗示保留某些模态属性，如传播常数β，横向空间形状，偏振状态等。

对于绝热光学功率传送，隔离波导的两个隔离模式a₁(z)和a₂(z)特性在进入接合区域时开始经历弱耦合。在绝热条件下，弱耦合的特征为耦合系数κ(z)和模折射率失配Δβ＝β₁(z)-β₂(z)。由此生成的系统模式类似下式给定的耦合波导系统的叠加模式a+(z)和a-(z)

$a_{\±}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\±}}{\sqrt{{\mathrm{\κ}}^2+{\mathrm{\λ}}_{\±}^2}}{a}_1+\frac{\mathrm{\κ}}{\sqrt{{\mathrm{\κ}}^2+{\mathrm{\λ}}_{\±}^2}}$ 其中 ${\mathrm{\λ}}_{\±}=\left(\frac{\mathrm{\Δ\β}}{2}\right)\±\sqrt{{\mathrm{\κ}}^2+{\left(\frac{\mathrm{\Δ\β}}{2}\right)}^2}$

其中所有数值均依赖于z。为了便于论述，术语“叠加模式”和“系统模式”可互换使用，即使系统模式在接合区域并不类似于叠加模式。在接合区域的起点(即z＝0)，叠加模式a₊最好与隔离模式a₁或a₂中的一个模式非常类似，而a-类似于另一个。例如，在极限情况|Δβ|＞＞|κ|(即严重模折射率失配)下，

$a_{+}\text{\≈}{a}_1+\frac{\mathrm{\κ}}{\mathrm{\Δ\β}}{a}_2\≈a_1$ 和 $a_{-}\≈a_2-\frac{\mathrm{\κ}}{\mathrm{\Δ\β}}{a}_1\≈a_2$

意味着每个叠加模式主要与该极限(即

和

)下的单一隔离波导模式关联。对于绝热光学耦合，在z＝0时，隔离波导模式最好|Δβ|＞＞|κ|。在该输入结束条件下，叠加模式类似隔离波导模式，并且将第一波导内进入接合区域的光学信号功率主要(或唯一)传送到对应的系统模式中。配置接合区域从而|Δβ|(对于隔离波导模式)最初沿接合区域降低。系数κ可以沿接合区域改变，最好在接合区域内达到最大绝对值。正如从定义叠加模式的公式中看到的那样，Δβ和/或κ的变化导致叠加模式(更准确地说系统模式)沿接合区域的长度发展。如上所述，绝热条件要求Δβ和/或κ的变化充分渐变，以致系统模式之间和/或系统模式与其他光模(导向或其他)之间的光学功率的传送不超过某些操作上可接受的程度。该标准等价于参考文献P2描述的绝热条件。特别地，波导间隔、横向尺寸、模态和/或材料折射率或其他属性方面的任何改变(接合区域前，接合区域内和/或接合区域后)必须充分渐变，以便最小化或成为进入耦合波导系统之不合需要模式的操作上可接受程度的光学功率传送。

最好对连结波导的“逼近区域”(即在接合区域之前和之后的区域；也称为输入和输出区域)进行改装，以满足绝热条件。需要连接的波导以比较小的角度彼此逼近，以便将突然逼近产生的不合需要的光学功率传送或光学损耗降到最低程度。作为选择，某一波导可以起于狭窄的尖端，沿其他波导增加高度和/或宽度，直至达到其全部横向尺寸。可以使光学材料的渐变“外观”充分渐变，以满足/保持绝热条件。同样，在接合区域之后，波导可以以小角度离开，或某一波导可降低横向尺寸，直至狭窄尖端。逼近区域和接合区域的相对长度通常依赖于连结波导之间的互作用长度。对于接合区域中波导之间的强烈互作用，接合区域可较短，同时要求十足的渐变逼近和波导分离(以及相对长的逼近区域)，以保持绝热条件。另一方面，接合区域中波导之间的微弱互作用需要相对长的接合区域，以获得给定程度的光学功率传送，但使用较短的逼近区域，尽管如此仍然避免不合需要的光学功率传送到其他光模。对于给定的波导类型/几何形状，可以在其不合需要的光学耦合低于某些操作上可接受程度的波导之间实现所需程度的光学功率传送，同时将绝热光学功率传送装置的总长度降到最低程度。在给定装置中，如果更高程度的不合需要的光学耦合是允许的(即，操作上可接受的)，则可以使用更短的逼近区域，以降低整个装置的尺寸。请注意，可以不明确标定逼近区域和接合区域，而是逐渐从一个区域过渡到下一个。为了满足绝热条件，逐渐过渡是必须的。

为了在波导之间完全传送光学功率，Δβ最好达到零，并且在接合区域的某点改变符号，此后|Δβ|沿接合区域增加。在足够长的接合区域的末端(即在z＝L时，|Δβ|＞＞|κ|；输出结束条件)，传送光学功率的系统模式成为类似第二波导的隔离波导模式，并且光学功率离开第二波导的耦合区域。在接合区域的末端或接合区域后，第一波导可能终止也可能不终止，前提是终止满足绝热条件。同样，第二波导仅仅出现在接合区域的起点或接合区域之前，前提是此类出现满足绝热条件。

请注意，从第一波导到第二波导的光学功率的绝热传送是在不使用“模式耦合”的情况下实现的。特别地，光学功率离开第二波导，其中与传送进入第一波导上的接合区域的光学信号功率的系统模式“相同”的系统模式传送第二波导。发生的原因在于，绝热条件规定在波导之间的光学功率的传送期间，只有可以忽略的(或至多操作上可接受的)光学功率传送到其他模式(即，连接的绝热属性保持系统模式，即使其物理性质已经通过接合区域)。该性能与模式干涉耦合的性能完全不同，后者依赖于利用多个系统模式(通常为两个)传送光学功率通过接合区域，以完成光学功率传送。

为了分割离开两个绝热耦合波导之间的接合区域的光学功率(智能通过一个波导进入接合区域)，必须配置接合区域，以便在z＝L时系统模式类似包含两个隔离波导模式之实际组件的的叠加模式。在上述条件下，将系统模式中的光学功率划分为两个隔离波导模式，并离开两个波导中的接合区域。例如，约50％(即3dB)的光学功率传送适合于实现干涉仪装置。通过使|Δβ|降到零，然后在接合区域的剩余长度L上接近零，可使用绝热光学功率传送。由此生成的系统模式具有与接合区域之末端的每个隔离波导模式相对应的相同权重的组件，导致相同百分数的光学功率离开各波导中的接合区域。通过使用特定装置所需的绝热横向光学功率传送，可以实现其他百分数的光学功率传送。

与模式干涉耦合波导的性能相反，在模式干涉耦合波导中，光学功率传送作为连接长度L的函数波动，而绝热光学功率传送的功率传送百分数为距离L的单调函数，通常接近某个最小距离(依赖于κ和Δβ)后的渐近值，在剩余连接长度内保持不变。性能方面的根本区别对生产横向耦合光学组件所需的制造/装配/调准公差有重要影响。简言之，κ和/或Δβ的变化可能影响在波导之间实现预期程度的光学功率传送所需的最小接合区域长度，但是通常并不影响传送的光学功率的渐近百分数。只要装配装置的接合区域的长度大于由于制造/装配/调准变化引起的最小接合区域长度的最大值，则组装装置中的光学功率传送的百分数将不受影响。下文将详细论述，并且是本发明的重要特征。

通常光学接合装置的目的是，实现从一个光学组件到与其装配在一起的另一个光学组件的特定程度的光学功率传送。利用模式干涉耦合实现所需程度的光学功率传送要求设计、制造、装配其κ、Δβ和L保持精确公差(尽管不像终端耦合所需的公差那样精确，参见参考文献A8)的横向光学耦合元件。光学元件的相对位置的变化(影响κ，也可能影响Δβ)引起“拍频长度”的变化，由此引起给定接合区域长度L(通常为数十微米到100微米)的光学功率传送程度的变化。例如，模式干涉耦合到某个基底(3-5μm宽)的绝缘波导之顶面上的光纤锥形段(直径2-3μm)要求水平方向的定位精度在±0.5μm内，垂直方向的精度在±20nm内，以保持标称的完全(100％)光学功率传送，即超过90％(0.5dB)。实现上述公差是困难的，昂贵的，并且是耗费时间的，并且可能降低装置产量，特别是在大规模生产时。同样，必须设计、制造足够精确的模式干涉耦合元件，以获得足够精确的Δβ和κ。Δβ的变化引起拍频长度的变化，以及可以实现的光学功率传送的最大值的变化。有关模式干涉耦合和光学耦合的一般论述请参考Fundamentals of Photonics，作者B.E.A.Saleh和M.C.Teich(Wiley，New York，1991)，本文全文引用作为参考。请特别注意第七章和第十八章。

可以开发绝热光学功率传送，以便进一步放松与模式干涉耦合有关的组装光学组件和装置的制造公差。例如，为了利用绝热光学功率传送实现从一个波导到另一个波导的光学功率的全部传送，应使接合区域的长度足够长(通常为数百微米到数毫米)，从而对光学装置的制造和装配过程中出现的各种|κ|和|Δβ|，实现全部光学功率传送。因此，有关κ和Δβ的制造变更对波导之间的光学功率的完全传送没有什么影响(与模式干涉耦合的情况相反)。例如，在上例中，即耦合到某个基底(3-5μm宽，其模折射率在长度为数百微米的接合区域上变化)的介质波导之顶面上的光纤锥形段(直径2-3μm)，仅要求其定位精度为模式干涉耦合所需的定位精度的3到5倍。

因此，可以开发绝热光学功率传送技术和结构，以构造将最初分离的光学组件组装在一起的光学装置，由此提供能够克服上述缺点的在光学组件之间传送光学信号功率的设备和方法。最好提供在利用绝热光学连接连结的波导之间传送光学信号功率的设备和方法。最好实现用于绝热光学功率传送的设备和方法，其中相对于终端耦合和模式干涉横向耦合，充分放松制造、装配和/或调准公差。最好支持波导的无源调准。最好提供至少一种波导作为基底上的集成光学组件。最好实现与现有光学装置技术兼容的绝热光学功率横向传送绝热设备和方法。

光纤通信领域中的基本问题是：光纤和用于生成和/或处理光学信号功率的光学装置之间的光学信号功率的有效传送。可以有利使用光学功率的横向传送，以便通过中间的外部传送光学波导在光纤和光学装置之间传送光学功率。最好提供通过与基底上的光学装置光学集成在一起的外部传送波导在基底上的光学装置和传输波导之间传送光学信号功率的设备和方法，其中利用光学功率横向传送(绝热或不绝热)在外部传送波导和传输波导之间传送光学信号功率。利用终端传送或横向传送(绝热或不绝热)在装置和外部传送波导之间传送光学功率。适合于与光学装置一起进行终端传送的外部传送波导可以是空间模式匹配的。传输光学波导可以是光纤(适合于横向传送)或平面波导。平面传输光学波导更容易向光纤传送光学信号功率，或传送光纤的光学信号功率。经由外部传送波导的光学功率传送设备和方法最好与现有光学装置技术兼容。外部传送光学波导(适合于光学功率横向传送，绝热或不绝热，带有传输波导)可以为与光学装置光学集成在一起的组件，并且可使用与制造和处理光学装置使用的精确空间选择制造和处理技术相同的技术进行提供。通过使用上述制造技术，能够在晶片级上制造和精确调准单一基底上平行排列的许多外部传送波导/装置对，从而显著节约制造光学装置的时间和成本。最好支持和/或方便同时装配/调整一个光学装置和两个或更多传输波导。

发明内容

本发明的某些方面克服现有技术的一个或多个缺点和/或提升光学功率传送的技术发展水平，并满足以下目的中的一个或多个目的：

提供用于光学波导之间的绝热光学功率横向传送的设备和方法；

提供装配时适合于绝热光学功率横向传送的机械上分离的光学波导；

以用于光学功率传送的松弛制造和/或对准公差，提供适合于绝热光学功率横向传送的波导；

提供用于光学波导之间的绝热光学功率横向传送的设备和方法，其中与终端传送和/或模式干涉耦合横向传送相比，光学功率横向传送对波导的尺寸和/或相对位置不敏感；

提供无源对准和装配时适合于绝热光学功率横向传送的机械上分离的光学波导；

提供用于波导之间的绝热光学功率横向传送的设备和方法，其中功率传送程度在有关波导的横向位置范围内保持扁平；

提供用于波导之间的绝热光学功率横向传送的设备和方法，其中功率传送程度在波导横向偏移范围内保持在0.5dB的最高程度内，该范围比波导的对应横向空间模尺寸特征大±1.0倍；

提供适合于实质绝热光学功率横向传送的至少一个光学波导作为基底上的集成光学组件；

提供适合于实质绝热光学功率横向传送的至少一个光学波导作为基底上的平面波导；

提供与现有光学装置技术兼容的绝热光学功率横向传送设备和方法；

提供用于支持和/或方便光纤和基底上的光学装置之间的光学信号功率之传送的设备和方法；

提供通过外部传送光学波导在光学装置和传输光学波导之间传送光学信号功率的设备和方法，将外部传送光学波导与公用基底上的光学装置以光学方式集成在一起，外部传送光学波导和传输光学波导适合于它们之间的光学功率横向传送；

提供合适的(用于横向传送的)光纤作为传输光学波导；

提供合适的(用于横向传送的)平面波导作为传输光学波导；

提供合适的(用于横向传送的)平面波导作为传输光学波导，平面波导适合于向光纤传送光学功率或传送来自光纤的光学功率；

提供适合于光学功率的实质空间模式匹配的终端传送的光学装置和/或外部传送光学波导；

提供适合于光学功率的横向传送的光学装置和/或外部传送光学波导；

提供适合于实质绝热光学功率横向传送的外部传送光学波导和/或传输光学波导；

提供适合于无源模折射率匹配的模式干涉耦合光学功率横向传送的外部传送光学波导和/或传输光学波导；

提供适合于有源模折射率匹配的模式干涉耦合光学功率横向传送的外部传送光学波导和/或传输光学波导；

提供传输光学波导和集成光学装置/外部传送光学波导，作为装配时适合于外部传送光学波导和传输光学波导之间的光学功率横向传送的机械上分离的组件；

提供传输光学波导和集成光学装置/外部传送光学波导，作为无源对准和装配时适合于外部传送光学波导和传输光学波导之间的光学功率横向传送的机械上分离的组件；

通过将光刻、淀积、掩模和/或蚀刻技术之类的精密材料处理技术，提供光学集成的外部传送波导，从而精确对准外部传送光学波导和光学装置；

提供与现有光学装置技术兼容的外部传送光学波导设备和方法；

提供晶片级制造和精确对准单一基底上平行排列的许多光学集成的外部传送波导/设备对；

提供能够装配/对准公用平面波导基底上的多个光学装置的设备和方法，各装置适合于其平面波导基底上有一个或多个平面传输波导的光学功率传送；

支持和/或方便同时装配/对准一个波导与两个或更多其他传输波导，以建立它们之间的光学功率横向传送；以及

支持和/或方便同时装配/对准一个光学装置与两个或更多波导，以建立该装置和各波导之间的光学接合。

在本发明中，利用在第一光学波导和第二光学波导之间传送光学功率的设备，实现上述目的中的一个或多个目的，第一和第二波导最初是分离的，随后进行组装以形成光学功率传送的光学连接。该设备包括：包含光学接合区域的第一光学波导；以及包含光学接合区域的第二光学波导。某一波导或两个波导的接合区域适合于实质绝热光学功率传送，通过沿其长度方向改变一个或多个光学性质。第一和第二波导的尺寸和/或光学性质的纵向变化充分渐变，以致在导向系统光模和其他光模之间生成的不合需要的光学功率传送不超过操作上的可接受程度。组装第一和第二波导以定位各自的光学接合区域，从而支持波导之间的绝热光学功率传送。相对于终端传送和/或模式干涉耦合横向传送，绝热光学功率传送的性质导致松弛的调准公差。可采用无源调准来装配光学功率传送的第一和第二波导。可以修改接合区域，以便提供波导之间的光学功率的完全传送。

在本发明中，利用在光学装置和传输光学波导之间传送光学功率的设备，实现上述目的中的一个或多个目的，该设备包括：a)基底上的光学装置；b)传输光学波导；以及c)与光学装置光学集成的外部传送光学波导，外部传送波导适合于在光学装置和传输光学波导之间传送光学功率。光学装置和/或外部传送光学波导最好适合于它们之间的光学功率的终端传送或横向传送。外部传送波导和/或传输光学波导最好适合于它们之间的光学功率的横向传送(模式干涉耦合或绝热)。提供的传输光学波导为最初与光学装置和外部传送光学波导机械分离的组件。通过组装传输光学波导与基底、光学装置和/或外部传送光学波导，为它们之间的光学功率的横向传送定位传输光学波导和外部传送光学波导。通过使用晶片级制造和处理技术，提供与光学装置光学集成的外部传送波导，从而支持晶片级制造和精确调准单一基底上平行排列的许多外部传送波导/装置对。传输光学波导可以为合适的(用于外部传送光学波导的横向传送)光纤，最好为合适的(用于外部传送光学波导的横向传送)平面传输光学波导。平面波导适合于向光纤传送光学功率和传送光纤的光学功率，从而通过集成的外部传送波导和组装的平面传输波导，在设备和光纤之间传送光学功率。平面传输波导可以为平面波导线路的一部分。

附图说明

通过参考附图以及详细说明书和/或权利要求书描述的本发明的最佳和选择实施方式，本发明的其他目的和优点将更加显而易见。

图1A、1B和1C分别是为根据本发明的绝热光学功率传送而修改组装的波导的顶视图、侧视图和端视图。

图2A、2B和2C分别是为根据本发明的绝热光学功率传送而修改组装的波导的顶视图、侧视图和端视图。

图3A、3B和3C分别是为根据本发明的绝热光学功率传送而修改组装的波导的顶视图、侧视图和端视图。

图4A、4B和4C分别是为根据本发明的绝热光学功率传送而修改组装的波导的顶视图、侧视图和端视图。

图5A、5B和5C分别是为根据本发明的绝热光学功率传送而修改组装的波导的顶视图、侧视图和端视图。

图6A和6B分别是为根据本发明的绝热光学功率传送而修改组装的波导的顶视图和侧视图。

图7A和7B分别是为根据本发明的绝热光学功率传送而修改组装的波导的顶视图和侧视图。

图8A和8B分别是为根据本发明的绝热光学功率传送而修改组装的波导的侧视图和端视图。

图9A、9B和9C分别是为根据本发明的绝热光学功率传送而修改组装的波导和光纤的顶视图、侧视图和端视图。

图10A和10B是为根据本发明的绝热光学功率传送而修改组装的波导和光纤锥形段的顶视图。

图11A和11B是为根据本发明的绝热光学功率传送而修改组装的波导和光纤锥形段的顶视图。

图12是为根据本发明的绝热光学功率传送而修改组装的波导和光纤锥形段的顶视图。

图13A和13B分别是为根据本发明的绝热光学功率传送而修改的波导的顶视图和侧视图。

图14A和14B分别是包含为根据本发明的绝热光学功率传送而修改的波导的光学装置的侧视图和底视图。

图15A和15B分别是包含为根据本发明的绝热光学功率传送而修改的波导的组装光学装置的顶视图和侧视图。

图16A和16B分别是为根据本发明的绝热光学功率传送而修改的波导的顶视图和侧视图。

图17A和17B分别是为根据本发明的绝热光学功率传送而修改的光纤的侧视图和底视图。

图18A和18B分别是包含为根据本发明的绝热光学功率传送而修改的波导和光纤的组装光学装置的顶视图和侧视图。

图19A和19B分别是包含根据本发明的集成外部传送波导的光学装置的顶示意图和侧示意图。图19C和19D分别是包含根据本发明的集成外部传送光学波导的光学装置的顶示意图和侧示意图。

图20A和20B分别是包含根据本发明的集成外部传送光学波导的典型光学装置的顶视图和侧视图。图20C和20D分别是包含根据本发明的集成外部传送光学波导的典型光学装置的顶视图和侧视图。图20E和20F分别是包含根据本发明的集成外部传送光学波导的典型光学装置的顶视图和侧视图。图20G和20H分别是包含根据本发明的集成外部传送光学波导的典型光学装置的顶视图和侧视图。

图21是根据本发明的典型外部传送光学波导的侧视图。

图22A和22B分别是包含根据本发明的集成外部传送光学波导的典型光学装置的顶视图和侧视图。

图23是根据本发明的典型外部传送光学波导的顶视图。

图24是包含根据本发明的集成外部传送光学波导的典型光学装置的顶视图。

图25是包含根据本发明的集成外部传送光学波导的典型光学装置的顶视图。

图26A和26B是包含根据本发明的集成外部传送光学波导的典型光学装置的等距图。

图27A和27B是包含根据本发明的集成外部传送光学波导的典型光学装置的等距图。

图28A和28B是包含根据本发明的集成外部传送光学波导的典型光学装置的等距图。

图29A、29B、29C和29D是包含根据本发明的集成外部传送光学波导的典型光学装置的等距图。

图30是包含根据本发明的集成外部传送光学波导的典型光学装置的等距图。

图31是包含根据本发明的集成外部传送光学波导的典型光学装置的等距图。

图32是包含根据本发明的集成外部传送光学波导的典型光学装置的等距图。

图33A和33B是包含根据本发明的集成外部传送光学波导的典型光学装置的等距图。

图34A和34B是包含根据本发明的集成外部传送光学波导的光学装置的侧视图。

图35A和35B是包含根据本发明的集成外部传送光学波导的典型光学装置的顶视图。

图36A和36B是包含根据本发明的集成外部传送光学波导的光学装置的侧视图。

图37A和37B是包含根据本发明的集成外部传送光学波导的光学装置的侧视图。

图38是包含根据本发明的集成外部传送光学波导的典型光学装置的顶视图。

图39是包含根据本发明的集成外部传送光学波导的典型光学装置的侧视图。

图40是一个工艺流程图(横截面)，说明根据本发明制造外部传送光学波导或平面传输光学波导的流程。

图41是一个工艺流程图(设计面)，说明根据本发明制造包含平面传输光学波导的平面波导基底的流程。

图42A和42B是根据本发明在平面波导基底上装配的典型光学装置的平面图。

图43A和43B是根据本发明在平面波导基底上装配的典型光学装置的平面图。

图44A和44B是根据本发明在平面波导基底上装配的典型光学装置的平面图。

图45A和45B是为根据本发明的横向传送而修改组装的典型光学连接的平面图和侧视图。

图46表示作为终端传送、模式干涉耦合横向传送以及绝热横向传送之横向偏移之函数的波导之间的光学功率传送。利用简单分析模型计算光学功率传送。

图47表示作为横向偏移之函数的波导之间的光学功率传送，其中为根据本发明的绝热横向传送而修改并定位上述波导。使用数值模型计算曲线(有实心三角形的曲线)，而空正方形为实验测量值。

请注意，为了清楚地说明本发明，附图所示的各种结构的相对比例可能是失真的。各种设备、波导、谐振器、光纤/锥形之间以及其相对横向和/或纵向比例的相对尺寸可能是失真的。在许多附图中，为清晰起见，相对于纵向尺寸放大光学元件的横向尺寸，因此对纵向位置而言，横向尺寸的变化是夸大的。同时，在表示用于终端传送光学功率的光纤的附图中，相对于其他波导尺寸的光纤直径通常比描绘的直径更大。为显示光纤的精确比例，可以使其超过图纸尺寸。另一方面，表示光纤锥形段的附图更接近实际的相对比例。

附图所示的实施方式是示范性的，而不是像本文公开和/或主张的那样限制本发明的范围。

具体实施方式

为了书面描述和/或权利要求书的目的，“折射率”指特定材料的体积折射率(也称为“材料折射率”)或指“有效折射率”n_eff，后者与特定光学元件中的特定光模的传播常数β的关系为β＝2πn_eff/λ。也可以将有效折射率称为“模折射率”。正如本文说明的那样，术语“低折射率”指折射率小于2.5的任何材料和/或光学结构，而“高折射率”指折射率大于2.5的任何材料和/或结构。在上述限度内，“低折射率”最好指：石英(SiO_x)，锗硅酸盐，硼硅酸盐，其他掺杂石英，和/或其他硅基材料；氮化硅(Si_xN_y)和/或硅氮氧化物(SiO_xN_y)；其他玻璃制品；其他氧化物；各种聚合物；合/或其折射率低于2.5的任何其他合适的光学材料。“低折射率”可包括光纤，光学波导，平面波导，和/或包含此类材料和/或模折射率低于2.5的任何其他光学部件。同样，“高折射率”最好指以下材料，如半导体、IR材料，和/或折射率高于2.5的任何其他合适的光学材料，和/或包含此类材料和/或模折射率高于2.5的任何合适类型的光学波导。术语“高折射率”和“低折射率”与本文使用的术语“较低折射率”和“较高折射率”是有区别的。“低折射率”和“高折射率”指折射率的绝对值(大于或小于2.5)，而“较低折射率”和“较高折射率”为相对项，指两种材料中具有较高折射率的材料，而不考虑折射率的绝对值。

本文使用的术语“平面光学波导”指在平面基底上提供的任何光学波导。此类波导的例子包括脊形波导，埋入式波导，半导体波导，其他高折射率的波导，硅基波导，聚合物波导，其他低折射率的波导，核心/包层波导，多层反射器波导，金属包层波导，导流波导(air-guidedwaveguide)，基于光子晶体/光子带隙的波导，以及本文未明确阐述但仍然属于本文公开和/或主张的发明概念范围内的各种其他例子。可以使用各种合适基底，包括半导体，水晶，石英或石英基，其他玻璃制品，陶瓷，金属，以及本文未明确阐述但仍然属于本文公开和/或主张的发明概念范围内的各种其他例子。

为提供与本发明相应的光学接合设备和方法，需要在最初分离随后装配的光学部件之间横向传递光学功率(绝热或模式干涉耦合)。使用此类光学接合在用于构造装配光学装置、系统和/或子系统的各类光学部件之间传递光学信号功率。为实现光学功率传递而进行装配的最初分离的部件包括但不限于：两条独立光纤；两个独立的平面波导；一条光纤与一个平面波导；集成到基底上的一个光学装置以及与该基底分离的一条光纤、平面波导或其他光学波导；集成到独立基底上的两个光学装置。需要特别注意的是，使用与本发明相应的设备和方法在光学传输系统(特别是光纤传输系统)和基底上的基于半导体的光学装置之间传递光学功率。通过使用根据本发明的适合于横向传递光学功率(绝热或模式干涉耦合)的设备和方法，可以光学耦合独立光学部件的其他组合。通常使用某类连结元件组装最初分离随后装配在一起的部件。连结元件(由部件之间的互作用和/或与一个或两个部件关联的结构件而引起)的例子包括但不限于：定位器，夹钳，扣钉，粘合剂，焊锡，填充或装填材料，夹子，抽头/插槽，凹槽，光学接触，静电和/或静磁力(包括基于MEMS的设备)，弹簧或微型弹簧，装配部件的密封或微型密封，晶片粘结技术。构造光学装置，其中光学装置的功能性的各个方面存在于最初分离的光学部件中，在组装并建立各独立部件之间的光学接合后，光学装置具有全部功能。经由与本发明相应的光学接合，提供、修改和/或控制装置的功能性。

可以在公用基底上提供多个平面光学波导，以构成所谓的平面波导线路，有时也称为平面光波线路(PLC)，光学集成线路，或光电集成线路。可以在基础波导基底上以相同的高度或厚度提供多个平面波导，或者在上述波导基底上以多种高度或厚度提供多个平面波导，以构成三维光学网络。通过在单一波导基底上提供多个平面波导能够构造复合光学部件，包括采用任何合适拓扑连接的多个光学装置。平面波导和平面波导线路包括用于实现本发明的重要类别的传输光学波导。平面波导通常包括在平面基底上制造的低折射率核心/包层类型的介质波导，通常为在涂有氧化层的硅基底上制造的石英或石英基波导。硅为一种理想的波导基底材料，其原因包括但不限于：相对容易的易于理解的材料生产工艺；成熟的行业标准；能获得相当平滑的单晶面；可选择干浸蚀和/或湿浸蚀；高刚性；理想的热特性。硅基底通常配有石英覆盖层，石英覆盖层上有一个或多个平面波导。石英和石英基材料为理想的易于理解的光学材料。

在建立光学接合时，使用光学功率的实质绝热横向传递提供降低的对准灵敏度。为了实现绝热光学功率传递，至少一个连结光学部件(通常为波导)的模折射率沿接合区域的长度方向变化，以使波导适合于绝热横向传递。可采用各种方式实现模折射率变化：1)波导核心和/或包层的一个或两个横向尺寸可以沿波导的长度方向变化；2)核心和/或包层材料的折射率可以沿波导的长度方向变化；3)在波导附近放置其数量和/或距离沿波导之长度方向变化的选定折射率的材料；4)沿波导写入线性调频脉冲光栅并淀积不同折射率的光学材料，由此生成沿波导之长度方向变化的有效折射率。可以设计其他技术，可以单独或组合使用各种合适技术，以生成适合于绝热光学功率传递的波导，从而提供与本发明相应的光学接合。

为了书面描述和/或权利要求书的目的，将绝热条件概括定义为，一个或多个波导属性的纵向变化足够平缓，以便将感兴趣的隔离或系统模与另一个隔离、系统或辐射模之间的光学功率传递保持在操作上的可接受程度内。利用由性能、制造、装置产量、装配、测试、可用性、成本、供应、需求、和/或围绕特定装配光学装置之制造和部署的其他因素而引起的适用约束和/或需求的任何有关集合或子集，定义操作上的可接受程度。

图1A、1B、1C、2A、2B、2C、3A、3B和3C示意表示一对堆叠波导110和120(即表面连结)，波导110位于基底111上，波导120位于基底121上(为清晰起见，图1A、2A和3A省略基底121)。在接合区域101上，每个波导核心112/122的宽度沿各自波导的长度方向变化。波导核心的高度或横向尺寸也可以沿接合区域的长度方向变化(未示出。)核心尺寸的变化导致Δβ沿波导方向的相应变化，最好配置Δβ，以便在结合区域101内的某个点上Δβ＝0成立。将进入波导110的光学信号功率(从基底111上的另一处)完全传递到波导120，前提是：1)在接合区域101的末端|κ|＜＜|Δβ|；2)在接合区域101的中心点κ足够大；以及3)在靠近接合区域的一个末端时Δβ为正，在靠近另一个末端时Δβ为负。作为选择，将通过波导120进入的光学信号功率完全传递到波导110(由此到达与波导110光学集成在一起的其他部件，如果有的话)。介质波导110和120的典型尺寸为：最大核心宽度1-10μm，最好在2-5μm之间；接合区域101的长度在100到2000μm之间，通常为数百μm；波导核心之间的间隔在0-3μm之间。

就κ的变化而言，绝热光学功率传递的性能意味着，在波导110和120的相对位置范围比终端耦合或模式干涉耦合设备能够忍受的相对位置范围更宽的位置范围内，实现波导110和120之间的光学功率的完全传递。因此可使用无源对准技术定位波导120，例如，在基底111上提供对准结构(未示出)，以便相对于波导110接受并定位波导120(正如前面引述的申请A9中那样)；在基底121上提供适合于与基底111紧密配合的波导120，以便正确定位波导110和120；或利用其他装置。也可以使用有源对准技术(如机器视觉装配技术，或者通过监控耦合波导的光学性能)，并且借助本发明提供的松弛对准公差，更容易以更经济的方式实现该技术。

在图1A、1B和1C中，将“逼近区域”102/103表示为，在最终到达末端前，波导120或110分别在水平尺寸上双向锥化。例如，在波导120的末端，狭窄的尖端接头外形对波导110的隔离模的扰动最小。波导120沿逼近区域102方向的宽度增加最好足够平缓，以避免不合需要的光学功率传递到达其他系统模(即，宽度方向上绝热增加)。同样，波导110沿逼近区域103双向锥化，在狭窄的尖端接头处终止，在该处对波导120的隔离模的扰动最小。图2A、2B和2C表示类似结构的逼近区域102/103，其中仅从一端开始对波导进行水平锥化(即切成斜角)。图3A、3B和3C表示沿逼近区域102/103对波导110/120进行垂直锥化或切成斜角处理的结构。在本实施方式中，主要通过使锥形波导表面逐渐逼近其他波导，实现绝热条件。上述结构是示范性的，通过使用许多其他等效结构也可以沿逼近区域方向保持绝热条件。同时请注意，在以上示例和后续示例中，无需清晰描绘“逼近区域”和“接合区域”之间的分割，无论是从结构上还是从功能上，事实上，为满足绝热条件，逼近区域和接合区域最好从一个区域平滑过渡到另一个区域。

图4A、4B、4C、5A、5B和5C示意表示一对并排波导410和420(即侧面连结)，波导410位于基底411上，波导420位于基底421上(为清晰起见，图4A和5A省略基底421)。在接合区域401上，每个波导核心412/422的宽度沿各自波导的长度方向变化(或者其高度或两个横向尺寸沿接合区域的长度方向变化；未示出)。正如在前一个例子中那样，核心尺寸的变化导致Δβ沿波导方向的相应变化，最好配置Δβ，以便在结合区域401内的某个点上Δβ＝0成立。可以完全传递光学信号功率，前提是：1)在接合区域401的末端|κ|＜＜|Δβ|；2)在接合区域401的中心点κ足够大；以及3)在靠近接合区域的一个末端时Δβ为正，在靠近另一个末端时Δβ为负。相对于模式干涉耦合波导，在上述实施方式中可采用与前述示例类似的方式，松弛用于实现完全光学功率传递的位置公差，并使用类似技术对准/组装侧面连结的示例。

在图4A、4B和4C中，将逼近区域402/403表示为，波导420或410分别对水平尺寸进行锥化或切成斜角处理，最终到达末端，在，末端狭窄的尖端接头与其他波导接触。例如，在波导420的末端，狭窄的尖端接头外形对波导410的隔离模的扰动最小。波导420沿逼近区域402方向的宽度增加最好足够平缓，以避免不合需要的光学功率传递到达其他系统模(即，宽度方向上绝热增加)。同样，波导410沿逼近区域403锥化，在与波导420接触的狭窄的尖端接头处终止，在该处对波导420的隔离模的扰动最小。图5A、5B和5C表示沿逼近区域403/402对波导410/420进行水平锥化或切成斜角处理的结构，但是每个波导的狭窄尖端接头远离其他波导。在本实施方式中，主要通过使锥形波导表面逐渐逼近其他波导，实现绝热条件。上述结构是示范性的，通过使用许多其他等效结构也可以沿逼近区域方向保持绝热条件。

图6A和6B表示将基底610上的波导610侧面连结(图6A)或表面连结(图6B)到基底621(为清晰起见图6A省略)上的波导620。在以上示例中，利用波导核心612/622和相应的波导包层之间的折射率差分的纵梯度，实现波导的模折射率的变化。在各波导中，折射率微分在一端为最大值(波导610/620的输入/输出端)，在接合区域的对面降为零。折射率微分梯度由包层折射率梯度，核心折射率梯度(正如在图6A和6B中那样)，或二者引起。借助上述渐变折射率微分波导，可实现本文公开的耦合波导的任何特定示例或其等价物。

通过使用标准空间选择材料生产工艺，可轻易实现图1A-6B之实施方式所示的纵向模折射率变化，生产工艺包括但不限于，光刻，淀积，掺杂，植入，掩模，蚀刻，光学密化，光化学等。同时，可使用上述技术在基底上制造其他光学部件以及适合于绝热光学功率传递的一个波导，以便从基底上集成的各种部件向独立波导传递光学功率。前述申请A8详尽描述了外部传递波导的用途(其中“外部传递波导”称为“外部耦合波导”；为书面描述和/或权利要求书的目的，认为以上短语是相同的)，下文将详细论述。申请A8终端耦合到公用基底上的光学部件的外部传递波导以及耦合到独立传输波导的模式干涉的用途。可以修改前述申请A8中公开的所有方法、设备和实施方式，以包含适合于向独立的传输光学波导绝热传递光学功率的外部传递波导。由此松弛制造、组装和对准公差，并且此类装置的构造将不再困难、昂贵和/或费时。

光学功率的绝热横向传递的程度依赖于波导位置，相应波导的横向光模尺寸特性最容易刻画波导位置。在许多横向传递中，可以在一个横向尺寸上(相对于基底的垂直或水平/横向方向)轻易实现波导的足够准确和精确的相对定位，即使定位公差只是波导的相应横向光模尺寸特性的一小部分(例如，位置公差小于相应横向尺寸的横向模式尺寸的0.5倍)。在图1A-3C所示的典型实施方式中，利用表面连结波导之间，一个波导与其他波导基底上提供的支持/对准结构之间，和/或各波导基底上的支持/对准结构之间的机械接触，确定垂直相对定位。此类定位的准确度依赖于制造波导所用的精密材料制造和生产工艺，从而提供足够的准确度和精确度，以实现光学功率的可靠的可再生的横向传递，即使公差只是垂直横向模式尺寸的一小部分。同样，在图4A-6B所示的典型实施方式中，精密制造波导能够利用侧面连结波导之间的机械接触，实现精确的横向或水平定位，即使在水平横向模式尺寸的一小部分内。通常不容易在其他横向尺寸上实现波导的类似准确度的相对定位(在图1A-3C中，水平或横向定位，在图4A-6B中，垂直定位)。

然而，对于绝热横向传递而言，已经证明可以在其水平位置公差为波导的水平横向光模尺寸特性之一倍或两倍的范围内，实现光学功率的完全传递。正如生成图46中的曲线的简单分析模式所示的那样，光学功率传递相对于波导的相对横向偏移的变化程度(对表面连结波导，在水平尺寸上)在绝热横向传递的较大范围内是平直的。模式干涉耦合横向传递和终端传递的光学功率传递的程度随横向位置快速变化。上述计算(基于简单分析模型)的基础是，波导核心的厚度为5μm，厚度为3μm，与包层的垂直间隔为1μm，核心折射率为1.5，包层的折射率为1.45。对于绝热情况，核心宽度在长为750μm的接合区域上的变化幅度为20％。相对于终端耦合功率传递达到的最大功率传递(通常受空间模式失配限制)，远离最大功率传递位置达水平横向模式尺寸之±0.3倍的波导的水平偏移，导致0.5dB的横向偏移光学传递损耗。将横向模式尺寸定义强度的1/e²半宽，其中当波导支持不同尺寸的光模时，均方根模式尺寸为相关模式尺寸。对于模式干涉耦合情况，选择光学接合长度以产生完全光学功率传递，假设波导是折射率匹配的。对于模式干涉耦合横向传递，水平波导偏移为水平横向模式尺寸的±0.7倍导致类似的0.5dB的横向偏移传递损耗(相对于可达到的最大横向传递；原则上，完全光学功率传递)。当水平偏移为绝热横向传递的横向模式尺寸的1.5倍时，横向偏移传递损耗保持在0.5dB以下，并且是平直的。可以将横向偏移传递损耗的平直性刻画为，在可接受的横向偏移范围内，保持在标称光学功率传递损耗的特定范围内(在本例中，在100％传递的0.5dB内)。

以上数值依赖于光学功率的横向传递所使用的波导的特定几何形状，使用的核心和包层材料，以及耦合常数κ的大小。模式干涉耦合横向传递的偏移公差也依赖于所实现的互作用长度的准确度。对于绝热横向传递，偏移公差还依赖于光学接合区域的长度以及κ和Δβ沿接合区域中的波导的变化。对于类似数值的耦合常数κ，当绝热横向传递的光学接合区域比模式干涉耦合横向传递的光学接合区域长5倍时，实现图46所示的结果。加长绝热横向传递的接合区域和/或增加κ的数值，可忍受更大的水平偏移，其前提是沿波导方向保持核心的绝热条件。

通过使用具有更大长宽比的波导核心，可以增强绝热横向传递展现的横向偏移的不灵敏性。图47表示带有薄膜核心的表面连结波导之间的光学功率传递的数值模型曲线和测量数据。在250μm长的光学接合区域上，波导的核心宽度从2.2μm降低为0.5μm。核心的厚度为0.13μm，与包层的垂直间隔为0.8μm，核心的折射率为2.0，包层的折射率为1.45。在靠近光学接合区域中Δβ＝0的位置点的水平尺寸上，核心的宽度为1.4μm，由此生成的光模尺寸为0.7μm。在水平偏移范围为±1.5μm，即对应横向光模尺寸的±2倍时，横向偏移光学功率传递损耗保持在0.5dB以内(并且是平直的)。

对于本文描述的使用光学功率的模式干涉耦合横向传递的各种光学接合，当横向偏移至少为某一波导的对应横向光模尺寸特性的±0.5倍时，横向偏移光学功率传递损耗最好保持在0.5dB以内。对于本文描述的使用光学功率的绝热横向传递的各种光学接合，当横向偏移至少为对应横向光模尺寸的±1倍，并且最好至少为对应横向光模尺寸的±1.5倍时，横向偏移光学功率传递损耗最好保持在0.5dB以内。对于本文描述的使用光学功率的绝热横向传递的各种光学接合，当横向偏移至少为对应横向光模尺寸的±1倍，并且最好至少为对应横向光模尺寸的±1.5倍时，其特征为“平直”的横向偏移传递损耗最好保持在标称传递损耗的±0.5dB(最好在±0.3dB)内。图47所示的试验和数值数据表示容易实现上述标准。

通过机械修改更标准的默祷结构(即波导，光纤，或其核心和/或包层分布最初没有纵向变化的类似结构)，提供用于实现本发明的对准不灵敏的光学接合的波导。通过以非常小的角度蚀刻或抛光标准波导，制造其模折射率纵向变化的切成斜角的耦合区域。通过把经过蚀刻或抛光的表面放置到另一个波导的对面，能够实现波导之间的光学功率传递，前提是满足结束条件。图7A和7B(侧面连结)以及8A和8B(表面连结)表示侧面和表面连结示例。以小角度蚀刻位于基底711上且包含核心712的波导710(例如对于宽为5μm的波导，0.5°将导致长为600μm的接合区域；可以使用其他角度和接合区域长度)。同样适合或抛光基底721(为清晰起见图7A省略)上带有核心722的第二波导720，并相对于波导710进行定位，最好使经过蚀刻/抛光处理的波导表面相接触。就像上述实施方式那样，绝热光学功率传递的性质导致相对位置很宽广的波导710和720之间的光学信号功率的完全传递，无论是水平方向还是垂直方向。如上所述，能够轻而易举地和/或经济地实现无源和/或低精确度组装/对准技术，以构造装置。容易实现足够平缓的逼近条件，因为包层的厚度可以是任意的，更厚的包层能够减少其他波导的狭窄尖端接头外形对某个波导的隔离模的扰动。

正如迄今为止提供的实施方式那样，确保波导之间的光学功率的完全传递的一种方式是使用两个相同的波导(当然具有相反的模折射率梯度)。从而确保接合区域内存在Δβ＝0的位置点，并且Δβ在接合区域两端的符号相反(对对准不灵敏和完全绝热光学功率传递的必要条件)，从而简化设计过程。同时上述结构确保如果满足输入结束条件，则同样满足输出结束条件。然而，可以使用不同实现使用绝热光学功率传递的对对准灵敏的光学接合设备和方法，而并不背离本文公开和/或主张的发明概念。此类波导可以为相同类型，但其尺寸、材料、折射率、纵向梯度等不同。作为选择，波导可以为不同类型，只要满足适当的结束和绝热条件即可。需要特别注意的是，两个波导无需具有纵向模式折射率梯度。可采用本发明的方法和装置实现绝热横向传递，其中一个或两个波导具有纵向模折射率梯度。

在图9A、9B和9C中，以小角度抛光带有核心922的光纤920，以生成其模折射率纵向变化的斜角区域。例如，带有8μm核心直径的单模光纤以及0.5°的抛光角将生成长为1mm的接合区域；可以使用其他角度和耦合区域长度。将光纤920表面连结到基底911上带有核心912的波导910。也可以使用侧面连结，但证明机械上不方便，因为光纤920的包层的直径的缘故。波导910的模折射率没有纵向变化。波导910的模折射率应大于光纤920的包层的折射率，但小于整条光纤920(全部核心912加全部包层)的模折射率。作为选择，波导910可以有任何合适方式的纵向变化的模折射率，包括图1A至8B所示的方式。

图10A、10B、11A、11B和12表示适合于绝热光学功率传递的光纤锥形段和各种波导。在图10A和10B中，将锥形段1020表面连结(图10A)或侧面连结(图10B)到波导1010，波导1010包括一个横向锥化核心1012。波导1010的模折射率最好大于锥形段1020的模折射率，波导1010的包层的折射率最好小于锥形段1020的模折射率。在图11A和11B中，将锥形段1120表面连结(图11A)或侧面连结(图11B)到波导1110，波导1110包括带有纵向折射率微分梯度的核心1112。波导1110的模折射率最好大于锥形段1120的模折射率，波导1110的包层的折射率最好小于锥形段1120的模折射率。图12表示绝热侧面连结到侧面蚀刻(或侧面抛光)的斜角波导1210的光纤锥形段1220。蚀刻波导合锥形段也可以使用表面连结，但证明机械上不方便。波导1210的模折射率最好大于锥形段1220的模折射率，波导1210的包层的折射率最好小于锥形段1220的模折射率。请注意，构成上述实施方式中的绝热光学功率传递接合的部分光纤锥形段1020/1120/1220最好为光纤锥形的正中央部分，并且沿锥形段方向的直径和模折射率相对于纵向位置保持不变。也可以使用其直径和/或模折射率纵向变化的部分光纤锥形构造绝热光学功率传递装置。

在图10A至12所示的各种实施方式中，波导1010/1110/1210位于基底1011/1111/1211上，并且可以与其上的光学部件集成在一起。可以采用前述申请A9中描述的对准结构，以便相对于波导对准光纤锥形段1020/1120/1220。绝热光学传递的性质确保光纤锥形段之间的光学功率的传递，并且对几微米范围内的光纤锥形段的精确对准不灵敏。在光纤锥形和波导之间使用绝热光学功率传递的装置的构造，不及将光纤锥形模式干涉耦合到波导的类似装置的制造困难，昂贵和/或费时。仍然可以使用模式干涉耦合设备，并且最好在下文论述的环境下。

图13A、13B、14A、14B、15A和15B表示使用所谓的“倒装晶片”结构和平面波导组装用于绝热光学功率传递的光学波导。图13A和13B分别表示基底1311上的部分平面波导线路的顶视图和侧视图，包含带有锥形波导核心1312a和1312b的平面波导1310a和1310b。为清晰起见，将锥形核心1312a和1312b表示为沿两个横向尺寸进行锥化，但是可以仅沿一个横向尺寸进行锥化，具有纵向折射率微分梯度，或者以任何其他合适形式提供沿接合区域纵向变化的模折射率。基底1311配备有对准导杆1315和电接触1316。配装平面波导线路以接收光学部件，向波导1310a/1310b传输光学功率/通过波导1310a/1310b传输光学功率。图14A和14B分别表示基底1321上的光学装置1324的侧视图和底视图。设备1324为所需种类的有源或无源设备，包括激光器，调制器，滤光器或其他光学装置。在基底1321上定位外部传递波导1320a和1320b，并终端耦合到设备1324，采用前述申请A8中公开的方式(其中将外部传递波导称为外部耦合波导；为书面描述和/或权利要求书的目的，认为两个术语是等效的)。外部传递波导1320a和1320b配备有核心1322a/1322b，分别具有按上述任何合适方式提供的纵向变化的模折射率。光学装置1324配有电接触1326，以啮合接触1316。

图15A和15B分别表示与波导基底1311组装在一起的基底1321上的设备1324的顶视图和侧视图。对准导杆1315啮合光刻式定义的设备基底1321的对准边缘，以定位外部传递波导1320a/1320b，分别用于平面波导1310a/1310b的绝热光学功率传递。可以采用许多其他形式的对准导杆，包括但不限于隆起，边缘，抽头，插槽，插针，凸缘，错齿，光靶等。从而将光学信号从平面波导完全传递到装置，并在装置起作用后，完全传递到其他平面波导。作为选择，可以将装置1324发射的光学信号功率传递到外部传递波导1310a/1310b。绝热横向传递的松弛公差能够以更少的时间、费用和/或难度，将光学装置插入到平面波导系统中，并增加装置产量。特别地，正如图15A和15B所示的那样，松弛公差能够同时对准光学装置与众多波导。终端耦合或模式干涉耦合很难实现同时对准。可以在单一波导基底上提供图13A和13B所示的多个装置位置，从而组装按图14A和14B所示方式提供的多个光学装置。

需要再次强调的是，可以使用与外部传递波导相同的适合于绝热光学功率传递的波导，实现前述申请A8中公开的任何方法和装置(在前述申请A8中，将外部传递波导称为外部耦合波导；为书面描述和/或权利要求书的目的，认为两个术语是等效的)。绝热光学功率传递提供的松弛对准公差，将进一步增强通过使用申请A8的外部传递波导而提供的便利。

图16A、16B、17A、17B、18A和18B表示适合于平面波导和光纤之间的绝热光学信号功率传递的部件。图16A和16B分别是适合于向光纤绝热传递光学功率的平面波导基底1611的一部分的顶视图和侧视图。在带有锥形核心1612的基底1611上提供波导1610。利用任何其他合适的结构，包括沿一个或两个横向尺寸进行锥化的核心，分级折射率微分核心，或任何其他合适形式，提供锥形核心1612提供的纵向变化模折射率。基底1611配有对准导杆1615。图17A和17B分别是位于斜角V型块1621内的角抛光斜角光纤1620的侧视图和底视图。最好利用块1621的斜角V型凹槽1623将光纤1620抛光为适当斜角，然后相对于波导1610定位光纤1620和核心1622的斜角末端。

图18A和18B分别是与块1621组装在一起的平面波导基底1611的顶视图和侧视图。对准导杆1615啮合光刻定位的块1621的对准边缘，以便相对于锥形核心1612定位光纤1620的抛光部分，用于它们之间的绝热光学功率传递。可以采用许多其他形式的对准导杆，包括但不限于隆起，边缘，抽头，插槽，插针，凸缘，错齿，光靶等。绝热光学功率传递的松弛公差能够以更少的时间、费用和/或难度，将光纤耦合到平面波导系统中，并增加装置产量。根据本发明的设备和方法特别适合于同时组装/对准光学部件或组件与两个或更多其他光学波导，装置和/或组件。

可使用各种波导类型作为适合于实质绝热光学功率传递的波导，并保持在本发明的范围内。包含核心和较低折射率的包层的低折射率的介质波导为适合于实质绝热光学功率传递的波导(如附图所示)。通过使用精密材料生产工艺，用石英基材料制造上述波导。利用由此生成的波导向石英基光纤锥形段或角抛光光纤绝热传递光学功率。可以等效使用其他波导材料和/或构造，开发各不相同的波导属性以修改和/或增强绝热光学功率传递的效用。通常使用锗硅酸盐作为波导或纤维芯材料，适合于作为本发明的核心材料。氮化硅(Si_xN_y)和/或硅氮氧化物(SiO_xN_y)是构造适合于绝热横向传递的波导核心的最佳材料。可以使用波导，其中通过以下方式实现波导光模的密封：利用较低折射率的包层包围一个或多个波导核心，分布式布拉格反射器，其他多层反射器，光子带隙/光子晶体基技术，金属反射器涂层，介质反射器涂层，和/或位于空气/波导接口的内部反射。带有核心的波导包括单核心或多核心，使用后者改变支持的隔离或系统模的场分布(所谓的“场平化”，从而降低装配的光学装置的对准灵敏性)。波导材料包括(但不限于)以下材料中的一种或多种：石英，锗硅酸盐，和/或其他掺杂石英或石英基材料；氮化硅和/或硅氮氧化物；半导体材料；有机材料；无机材料；晶体材料；玻璃或非晶材料；聚合材料；电光材料；其他低或高折射率介质材料等。低折射率介质波导(包括石英，锗硅酸盐，氮化硅和/或硅氮氧化物材料)和石英基光纤(角抛光和/或锥化)为适合于本发明的绝热光学功率横向传递的波导。此类波导几乎不依赖波长或偏振上的绝热光学功率传递性能，因此各种光学装置最好使用适合于本发明的绝热光学功率传递的波导。请注意，前述申请A1至A10公开的多层波导也适合作为适用于绝热光学功率传递的波导。此类波导依赖于波长和/或偏振上的绝热光学功率传递性能，适合于各种光学装置。在适合于绝热光学功率传递的波导中插入电致和/或非线性光学材料，能够有效控制波导的性能。

在附图所示的典型实施方式中，将适合于绝热光学功率传递的波导表示为端接，预定在完全传递波导之间的光学信号功率的情况中使用所示实施方式。波导(或核心)无需在此类实施方式中终止，波导和/或核心不终止的实施方式也属于本文公开和/或主张的本发明的范围内。使用适合于绝热光学功率传递的波导部分传递波导之间的光学信号功率也属于本文公开和/或主张的本发明的范围内。

通过使用精密材料生产工艺，制造适合于绝热光学功率传递的波导。当在基底上集成提供此类波导与采用类似技术制造的其他光学部件和/或装置时，上述处理是非常便利的。类似技术包括精密和/或空间选择材料生产工艺，如光刻，淀积，掺杂，掩模，蚀刻等。可以在晶片级上实现此类技术，以便同时制造光学装置，部件和/或波导的集成组合。特别地，通过使用上述技术，在晶片级上制造适合于绝热光学功率传递的波导，后者作为前述申请A8中公开的光学装置的外部传递波导。

使用外部传递光学波导作为在基底上制造的光学装置和传输光学波导之间的连结是一项有效技术，并且是前述申请A8和A11引入的。使用晶片级制造同时制造许多光学装置，各装置具有光学集成的外部传递光学波导，以便为光学接合提供传输波导(平面波导，光纤，或某些其他传输光学波导)。精密材料生产工艺能够正确定位并对准各光学装置以及用于光学功率传递的外部传递光学波导(即光学集成，用于终端传递或横向传递)。通过将外部传递光学波导和传输光学波导之间的光学功率传递配置为光探针(正如前述申请A3中公开的那样)，能够在将晶片分成单独的装置(器件)的困难、费时和昂贵处理之前，对基底上的光学装置进行测试和鉴定。

光学功率横向传递(特别是绝热横向传递)的松弛对准公差能够正确定位并对准外部传递光学波导和传输光学波导。绝热横向传递特别适合于以下应用，即需要全部传递光学功率和/或需要依赖于偏振和/或波长的传递时，并提供本文论述的光学功率传递技术的最低要求的对准公差。然而，光学接合区域可以很长，其长度甚至超过1mm，从而增加整个装置的尺寸。当需要依赖于偏振和/或波长的传递时，当需要有源控制光学功率传递时，当需要不同程度的光学功率传递时，和/或当需要较短的光学接合区域(甚至不足100μm)并需要更小的装置尺寸时，模式干涉耦合的横向传递特别合适。

图19A、19B、19C和19D示意表示光学装置1910和传输光学波导1920的一般例子，其中配装并定位外部传递光学波导1930，以便根据本发明传递光学功率。光学装置1910通常定义几微米宽的空间光模1911。此类设备支持的模式在水平和垂直尺寸上可以不同，有时其高度不足1微米。以前光学装置的端面包括材料的一个劈开端面，通过该端面制造装置，经由该端面传输光学信号功率。对于根据本发明实现的光学装置，可以蚀刻而不是劈开端面1914。可使用其他材料加工方法(光刻，淀积，掩模，蚀刻等)在装置基底1902上制造外部传递光学波导1930。相对于装置1910定义的空间模式1911，当在装置基底1902上制造并对准外部传递光学波导1930时，精密材料生产工艺能够实现亚微米公差。最好制造外部传递光学波导1930，以支持光模1931(隔离时波导1930的特性)和装置1910定义的光模1911的空间模式匹配。由于空间模式匹配，所以能够在光学装置1910和外部传递光学波导1930之间有效传递光学功率。作为选择，可利用任何方法，包括终端传递和横向传递(绝热或模式干涉耦合)方法，在光学装置和外部传递光学波导之间传递光学功率。无论使用何种方式在光学装置和外部传递光学波导之间传递光学功率，公用基底上光学装置和外部传递光学波导的制造/集成能够实现精确对准，以及有效的、可再生的、可靠的光学功率传递。

外部传递光学波导1930配备有横向传递光学接合段1934，以便在其光学接合段1924内在光学装置1910和传输光学波导1920之间传递光学信号功率。首选传输光学波导包括：具有横向传递锥形段的光纤，在基底上制造的、具有横向传递光学接合段的平面波导或平面波导线路，具有侧面蚀刻的横向传递光学接合段的光纤或光学波导，或具有适当配装的横向传递光学接合段的其他合适传输光学波导。传输光学波导支持光模1921(隔离时波导1920的特性)。外部传递光学波导1930和传输光学波导1920的相应光学接合段1934/1924适合于模式干涉耦合的光学功率横向传递(图19A和19B描绘)，或者适合于绝热光学功率横向传递(图19C和19D描绘，在图19D中，传输波导1920在基底1922上)。位于接合区域1924/1934或其附近的光模类似隔离波导模式1921/1931的叠加，或者为与隔离波导模式或其叠加不类似的系统模。

相对于外部传递光学波导1930的光学接合段1934，定位传输波导1920的光学接合段1924，以实现外部传递光学波导1930的光模1931和传输光学波导1920的光模1921之间的光学功率的横向传递。可以选择光学接合段1924和/或1934的结构，尺寸，材料和/或位置，以便通过提供有效传递光学功率的耦合系数κ和互作用长度L的正确组合，实现模折射率匹配的横向传递。作为选择，可以选择光学接合段1924和/或1934的结构，尺寸，材料和/或位置，以便通过提供耦合系数κ(z)和模折射率失配Δβ(z)的正确的纵向变化，实现绝热横向传递。可以在光学装置上提供对准结构，以便相对于外部传递光学波导的光学接合段，无源对准传输光学波导的光学接合段。

图20A以及许多后续附图中的实施方式概括描绘通过外部传递光学波导在光学装置和传输光学波导之间横向传递光学功率的构造。以上附图中描绘的所有实施方式均适合于外部传递光学波导和传输光学波导之间的模式干涉耦合或绝热横向传递，并认为包含两种构造，除非另有说明。

图20A至20H表示利用外部传递光学波导连接到传输光学波导的光学装置的例子。将标准边缘发射半导体激光器2010表示为具有有源层2016和包层2018定义的装置光模。通过装置的蚀刻形成的端面2013和2014终接激光器。在与半导体激光器2010相同的基底2002上制造外部传递光学波导2030。配置并定位外部传递光学波导2030，以支持其空间模式与半导体激光器输出的空间模式匹配的光模。可以使用高精密材料生产工艺(如光刻，淀积，掩模，蚀刻等)，以便以远远超过有源对准独立部件所达到的准确度的方式，对准外部传递光学波导2030与激光器输出。包含自对准方法在内的此类技术通常与制造半导体激光器2010所用的技术相同或相似，并且可以按比例缩减，以便在晶片级加工期间同时制造众多光学集成的精确对准的激光器/波导装置。

可以在单一的多步制造流程期间，或者在截然不同的激光器和波导制造流程期间，制造激光器2010和外部传递光学波导2030。可利用相同材料(如基于半导体的材料)或不同材料(如基于半导体的激光器和基于石英的波导)制造激光器2010和波导2030。激光器2010和波导2030之间的界线可以是突然的，也可以是平缓的。请注意，光学装置和外部传递光学波导之间的区别可以是功能上的和/或结构上的。在所有情况中，激光器2010发射的光学功率足以通过半导体激光器2010的端面2014(或小端面2014)终端传递到外部传递光学波导2030。可利用蚀刻形成端面2014。作为选择，可使用任何其他合适的空间选择材料生产工艺(如空间选择量子井混合)，以形成适合于终端传递光学功率的端面2014。最好在激光器的小端面2013和/或激光器的小端面2014和外部传递光学波导2030之间提供一层或多层光学涂层。激光器的小端面上的光学涂层的目的是，修改和/或控制小端面的反射率和激光器的操作属性。在制造外部传递波导2030前，在小端面2014上覆盖光学涂层，或者在制造后在小端面2014和波导2030之间形成光学涂层。最好以斜角小端面的方式提供端面2014，并且以互补方式为外部传递波导2030提供斜角端面，以降低进入激光器2010的反作用，同时实现激光器2010和外部传递波导2030之间的有效终端传递。

作为选择，可以定位并配装光学装置和相应的外部传递光学波导，用于它们之间的光学功率的横向传递。可使用上述精密制造技术实现光学装置与外部传递光学波导之间的光学功率的有效横向传递。

在将光学功率传递到外部传递光学波导2030之后，在传输和外部传递光学波导2020/2030的相应光学接合段2024/2034内，利用横向传递(图20A-20D适合于模式干涉耦合的横向传递；图20E-20H适合于绝热横向传递)传递到传输光学波导2020(上述例子中的光纤锥形段)。在上述典型装置中，外部传递光学波导2030最好包括一个低折射率的光学波导，后者包括用较低折射率的包层2038(包括石英，锗硅酸盐，氮化硅，硅氮氧化物，其他玻璃，聚合物等)包围的核心2036。将低折射率波导以无源方式模折射率匹配到(通常通过正确设计光学接合段的横向形状/尺寸)石英基光纤的光纤锥形段2020，用于模折射率匹配的横向传递(图20A-20D)。如果与激光器2010空间模式匹配和与光纤锥形段2020模折射率匹配要求的外部传递光学波导2030的横向形状/尺寸不同，则使外部传递光学波导2030足够长，以实现不同形状/尺寸之间的绝热转变。作为选择，通过使用电致和/或非线性光学材料与电和光控制信号，外部传递光学波导适合于有源模折射率匹配。相对于外部传递光学波导2030定位光纤锥形段2020，实现特征为耦合系数κ的模式干涉耦合横向传递(部分由外部传递光学波导2030的光学接合段2034的横向形状/尺寸确定)。最好分别配置外部传递光学波导2030和光纤锥形段2020的光学接合段2034和2024，以使耦合系数κ和互作用长度L满足κL≈π/2，从而将光学功率从外部传递光学波导完全传递到光纤。

在图20E-20H所示的典型实施方式中，采用上述方式中的任何方式，在光学接合区域2024/2034之间使用绝热横向传递。在其他典型实施方式中，使用其他类型的传输光学波导代替光纤锥形段2020。例如，在外部传递光学波导2030和平面波导之间建立光学功率横向传递。

上文详细论述了为了使用模式干涉耦合或绝热横向传递实现所需程度的光学功率传递(最好为完全传递)，而定位传输光学波导2020和外部传递光学波导2030的光学接合段2024/2034的精确度。通过在凹槽、凸缘、接线柱，抽头，插槽，叉臂，焊锡/金属表面张力之类的相对于外部传递光学波导的光学接合段将传输光学波导的光学接合段(在本例中为光纤的光纤锥形段)引导到正确的对准位置并保持对准的基底中和/或基底上，提供对准结构，方便或实现准确的横向定位。可使用光纤段(与传送光学信号的光纤分离)作为结构件，对准并支撑光纤锥形或其他传输波导，并且可以在其上制造圆环，凹槽，凸缘，刀口等。图20C/20D和20G/20H所示的对准结构2060用于相对于外部传递波导2030定位光纤锥形段2020。前述申请A9中公开了其他类似的对准结构。

对于模式干涉耦合横向传递，配置外部传递光学波导2030的光学接合段2034，以生成适当的互作用长度L，从而将光学功率从外部传递光学波导2030完全传递到传输光学波导2020。通过在激光器2010和光学接合段2034之间的外部传递光学波导2030中提供弯管，确定互作用长度，其中超出弯管的外部传递光学波导部分为适当的互作用长度(图21A-20H)。作为选择，可以为外部传递光学波导2130的光学接合段2134配备长为L的凸起部分，以及从/向光纤锥形段2120的光学接合段2124进行模折射率匹配的横向传递所需的κ值(图21)。无论在哪一种情况中，均不需要相对于外部传递光学波导的光纤锥形段的精确纵向定位。因此，可使用无源对准技术，实现光纤(即本例中的传输波导)及其光纤锥形段与外部传递光学波导(进而与半导体激光器)的足够精确的对准。可利用任何合适技术，将传送激光器输出功率的光纤连接、分割或耦合到基于光纤的光学系统。当使用绝热横向传递而不是模式干涉耦合横向传递时，可进一步松弛光学接合段的对准精度和长度公差。

因此，能够更经济地生产包含上述光学集成外部传递光学波导在内的光学装置(上例中的半导体激光器)。在实现高效光学功率传递的同时，使用无源对准技术用于传输光学波导和光学装置之间的相对定位是对现有技术的重大改进。其他益处包括能够预先检验和预先鉴定在单一晶片上同时制造的大量装置/波导。对于劈开的终端耦合的装置，必须在测试其上的装置前劈开晶片。因此，在装置上花费的处理时间、努力和费用可能废弃。然而，根据本发明，在劈开晶片前为各装置配备外部传递光学波导，外部传递光学波导支持与装置的光学耦合，以便在分割晶片前测试和定性。同时，也可以使用装置本身利用电试探器和电接触诊断相邻装置。例如，在激光器二极管的晶片上，可以使二极管反偏压，以便充当监控相邻装置的激光器输出功率的光电探测器。作为选择，可以将诊断装置明确设计到生产光学装置的制造过程中。

包含上述段落阐述的光学集成外部传递波导的半导体激光器仅仅提供本发明的一种典型实现。实际上，可以将本发明推广到在基底上制造的任何光学装置中。对此类装置，可以在装置基底上制造外部传递光学波导作为完整的装置部件，适合于外部传递光学波导和光学装置之间的光学功率的终端传递和/或横向传递。利用外部传递光学波导光学接合段，提供装置和传输光学波导之间的光学功率的有效传递。本发明可用于单端(即单端口)装置，如前述例子中半导体激光器，或用于多端口装置，如调制器，滤光器，开关，多路复用器，分路器/组合器等。在装置与许多输入/输出段装配在一起后，可适当配装以用于光学功率传递(终端或横向传递)和外部传递光学波导。外部传递光学波导提供光学装置和连接到光学系统的各传输波导之间的光学功率横向传递。外部传递光学波导及其相应传输光学波导之间的光学功率横向传递可以是绝热的或模式干涉耦合的(有源或无源模折射率匹配)，并且对于与光学装置关联的所有外部传递波导，无需是相同的。

图22A和22B表示具体的两端口示例，表示半导体电吸收调制器2210，分别将输入和输入外部传递光学波导2230和2231终端耦合到输入和输出端面2214和2215。最好在公用基底2202上制造调制器2210和外部传递光学波导2230/2231。外部传递光学波导2230/2231的空间模式与调制器2210定义的空间模式匹配，并与其对准。输入和输出外部传递光学波导2230/2231分别实现调制器2210与输入和输出传输光学波导2220/2221(在本例中为光纤的光纤锥形段；也可以使用图13A-15B所示的其他传输光学波导，如平面波导)之间的光学功率横向传递。通过输入传输光学波导2220，从光学系统那里接收需要调制的光学信号，利用横向传递传递到输入外部传递光学波导2230，利用终端传递传递到调制器2210，在通过调制器时进行调制，利用终端传递传递到输出外部传递光学波导2231，利用横向传递传递到输出传输波导2221，然后传输到光学系统。作为选择，可以在调制器2210和外部传递光学波导2230/2231之间使用光学功率横向传递。光学功率的高效传递生成具有低插入损耗的调制器。对于根据本发明制造的任何设备而言，能够实现上文所述的制造和生产经济以及晶片级的预先测试和预先鉴定。

可以使用各种波导类型作为外部传递光学波导(适合于绝热或模式干涉耦合横向传递)，而仍然保持在本发明的范围内。包含核心和较低折射率的包层的低折射率的介质波导为首选外部传递波导。通过使用精密材料生产工艺，利用石英，锗硅酸盐，其他掺杂石英，氮化硅，硅氮氧化物，其他玻璃，聚合物等制造此类波导。由此合成的波导的模折射率容易与使用类似材料或石英基光纤锥形段制造的平面波导的模折射率匹配。可以等效使用其他波导材料和/或构造，开发各不相同的波导性质以修改和/或增强光学装置的功能性。用于本发明的最佳实施方式的合适外部传递光学波导为：1)在其一端进行配装，用于外部传递光学波导和光学装置之间的光学功率终端传递；2)适合于外部传递光学波导和光学装置之间的光学功率横向传递；3)在其光学接合段内进行配装，以便生成具有合适κ、L和/或Δβ值的传输光学波导，用于模式干涉耦合横向传递(有源或无源模折射率匹配)；和/或4)在其光学接合段内进行配装，用于传输光学波导的绝热横向传递。可以使用波导，其中通过以下方式实现波导光模的密封：利用较低折射率的包层包围一个或多个波导核心，分布式布拉格反射器，其他多层反射器，基于光子晶体/光子带隙的技术，金属反射器涂层，介质反射器涂层，和/或位于空气/波导接口的内部反射。带有核心的波导包括单核心或多核心，使用后者改变支持的隔离或系统模的场分布(所谓的“场平化”，从而降低装配的光学装置的对准灵敏性)。波导材料包括(但不限于)以下材料中的一种或多种：石英，锗硅酸盐，和/或其他石英基材料，氮化硅，硅氮氧化物，有机材料，无机材料，晶体材料，玻璃或非晶材料，聚合材料，半导体材料，电光材料等。可以将低折射率介质波导(如石英基)无源模折射率匹配到相同折射率的传输波导。此类波导几乎不依赖波长或偏振上的横向耦合效率，适合于使用本发明的外部传递光学波导的各种光学装置。

需要(特别是使用模式干涉耦合横向传递时)以各种方式修改外部传递光学波导的远端(未与光学装置耦合的末端)。最好消除由外部传递光学波导的远端背反射的光学功率而引起的对光学装置的光学反作用。通过提供光学损耗元件(光吸收器和/或光扩散器)，和/或通过有意制造外部传递光学波导的不重合端面以使背反射的光学功率不反向传播通过波导，修改远端以消除以上反作用。带有角的端面可以提供用于测试和/或监控光学装置的附加效用。平面(或适当弯曲，如果需要聚焦属性的话)有角或有斜角的端面用来将光学功率横向反射到外部传递光学波导的外面(朝基底的下方，与基底平行，或向上远离基底)。可以检测和/或分析按上述方式从外部传递光学波导中输出的光学功率，用于光学装置的测试/定性/监控。在使波导端面倾斜或使其成斜角以将光学功率引离晶片时，可使用外部检测器用于制造工序中的装置测试和鉴定。作为选择，可以将检测器集成到晶片以及光学装置和外部传递光学波导上，并继续作为最终光学装置的一部分，充当设备性能的现场监视器，又能够在制造工序中进行测试。

对于给定波长附近的模折射率匹配，最好提供更大范围的公差。在图23所示的另一种实施方式中，与多个不同的光学接合段2334a-2334d一起制造外部传递光学波导2330，将各光学接合段设计为在不同波长与传输光学波导2320模折射率匹配。模折射率匹配的波长最好从段2334a到2334d单调变化，并且段2334a-d的相应模折射率匹配的带宽最好稍微重叠，以提供连续不断的波长覆盖。在组装光学装置时，将传输波导2320顺序耦合到各段2334a-d上，直至发现模折射率匹配的接合段。该图表示4个接合段2334，但是可以提供任意合适数目的独立光学接合段2334。

在某些情况下，需要向/从光学装置提供依赖于波长或偏振的光学功率传递。例如，图24的设备表示多个半导体激光源2410a-d，各激光源通过光学集成的外部传递光学波导2430a-d耦合到单个传输波导2420，以形成波长多路复用器。最好在公用基底2402上制造激光器2410a-d和外部传递光学波导2430a-d。然而，如果传输波导2420与各外部传递光学波导2430a-d之间的横向传递不是依赖于波长的，则从第一激光器2410a传递到传输波导2420的光学功率的至少一部分将从传输波导2420传递到后续的外部传递光学波导2430b-d中，从而造成损耗。通过在传输波导2420与外部传递光学波导2430a-d的光学接合段2434a-d之间提供特定波长的横向传递，从一个激光器传递到传输波导的光学功率将在不受干扰的情况下通过后续外部传递光学波导。

通过处理传输波导和适合于模式干涉耦合横向传递的外部传递光学波导之间的模折射率匹配，能够非常容易地实现依赖于波长的横向光学耦合。可以开发外部传递光学波导的光学接合段的色散属性和横向尺寸和/或形状，以生成所需波长范围上的横向传递。单独的材料色散不足以生成用于横向传递的狭窄波长范围。多层反射器波导(在申请A1和A2中称为DBR波导，在申请A10中称为MLR波导)在所支持的光模的模折射率内显示出非常大的波长色散，适合作为根据本发明的光学装置的依赖于波长的外部传递光学波导。前述申请A1、A2和A10详细叙述了此类波导，后者通常包含具有不同折射率的上下λ/4堆叠材料(也称为多层镜子或多层反射器)之间的核心层。上下堆叠的材料和/或层数可以相同，也可以不同，取决于所需的波导特性(在某些实现中，完全没有上层堆叠，甚至是核心)。可以从波导的侧面(与MLR堆叠光栅波矢垂直)或从波导的表面(沿MLR堆叠光栅波矢)横向传递到MLR波导。堆叠用来限制波导光模，引起MLR波导的色散属性。使用介质和/或半导体层制造本发明使用的MLR波导，可以将MLR波导设计为展现所需的色散属性。

通过精确设计、制造MLR波导能够实现所需波长范围上的传输光学波导和外部传递光学波导之间的无源模折射率匹配的模式干涉耦合横向传递。作为选择，可使用MLR波导的电光属性(所用材料的固有属性或明确插入到一种或多种电光材料层中的属性)实现有源模折射率匹配的模式干涉耦合横向传递。正如图25所示的那样，在外部传递光学波导2530的光学接合段2534上提供控制电极2536或接触2538，并施加控制电压以实现与所需波长范围上的光纤锥形段2520的光学接合段2524的模折射率匹配。最好在公用基底2502上制造设备2510和外部传递光学波导2530，以实现它们之间的空间模式匹配终端耦合。有源模折射率匹配实现能够选择所需的横向传递波长，即使不能非常精确地设计、制造MLR波导，或则MLR 2510的设计波长存在制造公差。同时，有源模折射率匹配能够构造可重新动态配置依赖于波长的属性的光学装置。

作为选择，可使用多层色散设计的光学波导作为适合于绝热光学功率横向传递的外部传递光学波导。可采用任何方式沿其长度方向改变多层反射器波导的光学属性，以实现绝热横向传递。可使用不同折射率、厚度、宽度的一层或多层，提供适合于本发明的绝热横向传递的外部传递光学波导。多层反射器实现享有绝热横向传递的松弛对准公差，同时仍然能够有源控制光学功率横向传递。

MLR波导通常展现所支持光模的依赖于偏振的模折射率。该属性是最容易开发的，以支持传输光学波导和外部传递光学波导之间的可选择偏振的模式干涉耦合横向传递。在许多情况中需要可选择偏振的横向传递，其中包括依赖于偏振的波束组合，以便向掺杂光纤增益介质传送泵浦激光功率。前述申请A4中公开了用于光学功率横向传递的许多依赖于偏振的设备和方法，以及使用依赖于偏振的横向传递的许多情况。

请注意，除作为本发明的外部传递光学波导之外，MLR波导还可作为全部或部分光学装置，如调制器，滤光器，N×N开关，多路复用器/多路分解器等。可以为此类光学装置配备本发明的一个或多个外部传递光学波导，外部传递光学波导包括本文公开的各种外部传递光学波导类型，包括MLR波导。对于到达/来自传输光学波导的模式干涉耦合横向传递，对外部传递光学波导进行有源或无源模折射率匹配，并且可以体现也可以不体现依赖于波长和/或偏振的横向耦合(与传输波导的耦合)。作为选择，可实现用于本发明的绝热横向传递的外部传递光学波导。请注意，对于使用MLR波导用于装置部分以及外部传递光学波导的本发明的光学装置，可以包含相同类型的MLR结构，或者包含不同类型的MLR结构。

图26A/26B和27A/27B表示与本发明的外部传递光学波导光学集成在一起的基于MLR的光学装置示例，将各装置表示为基于MLR波导并且安装有本发明的外部传递光学波导的单端口装置。在图26A和26B中，将MLR设备2610终端耦合到外部传递光学波导2630(同时在基底2602上制造)，后者适合于到达/来自传输光学波导2620(在本例中为光纤锥形段)的横向传递。在图26A的示例中，将外部传递光学波导2630表面连结到光纤锥形段，并适合于利用接触2632/2634提供的有源模折射率匹配，进行模式干涉耦合横向传递。在图26B的示例中，将外部传递光学波导2630侧面连结到光纤锥形段，并适合于利用无源模折射率匹配，进行模式干涉耦合横向传递。接触2612/2614提供对设备2610的电子访问(例如，提供激光器的驱动电流；提供探测器的偏压和/或信号输出；提供调制器的驱动信号等)。外部传递光学波导2630沿某一方向或沿两个方向在MLR设备2610和传输光学波导2620之间传递光学信号功率。

在图27A和27B中，将MLR装置2710终端耦合到外部传递光学波导2730(同时在基底2702上制造)，后者适合于到达/来自传输光学波导2720的横向传递，在本例中传输光学波导为平面波导(为清晰起见附图省略了波导基底)。在图27A的示例中，将外部传递光学波导2730表面连结到平面波导，并适合于在它们之间的绝热横向传递。在图27B的示例中，将外部传递光学波导2730表侧面连结到平面波导，并适合于利用接触2712/2714提供绝热条件的有源控制，进行绝热横向传递。接触2712/2714提供对设备2710的电子访问。

可以实现许多其他装置组合和/或构造而仍然属于本文公开的发明概念范围内，图28A/B和后续附图表示此类示例。所示装置构造是示范性的，并不表示本发明实现的装置构造的详尽集合。此类装置包括任何合适装置类型或构造(包括基于MLR的装置)，可以使用任何合适的外部传递光学波导类型。带有外部传递波导的装置适合于构成任何合适传输光学波导类型(包括但不限于光纤锥形段和平面波导)的光学接合。外部传递光学波导和传输光学波导之间的光学功率传递可使用模式干涉耦合和/或绝热横向传递，前提是适合特定情况。可采用倒装晶片几何形状(如图15A/15B)，实现带有一个或多个光学集成外部传递光学波导的光学装置，特别是希望与平面传输光学波导一起使用时。

图28A和28B表示根据本发明在基底2802上光学集成外部传递光学波导2830/2831的典型双端口光学装置2810。在本例中，传输光学波导2820为光纤锥形段。电极或接触2814/2818提供对设备2810的电子访问。在图28A的示例中，外部传递光学波导2830/2831和表面连结的传输光学波导2820之间的光学功率横向传递为有源模折射率匹配的模式干涉耦合，提供的接触2832/2833/2834/2835用于模折射率匹配。在图28B的示例中，外部传递光学波导2830/2831和侧面连结的传输光学波导2820之间的光学功率横向传递为无源模折射率匹配的模式干涉耦合。操作图28A/28B的装置，以便通过外部传递光学波导2830/2831中的一个波导，将传输波导2820的光学功率完全传递到装置，并且在装置2810处理后，通过另一个外部传递光学波导，回传到传输波导。作为选择，两个外部传递波导之间的装置2810和传输波导2820的锥形段可充当Mach-Zender干涉仪的两个臂支架。装置2810充当相位调制器，用于由此形成的干涉仪的一个臂支架，从而能够调制传输的光学功率，尽管传输波导2820越过外部传递波导2830/2831。

图29A-29D表示在基底2902上制造的Mach-Zender干涉仪调制器2910与外部传递光学波导2930/2931。从传输波导2920将光学功率完全传递到外部传递波导2930和Mach-Zender干涉仪2910。使用接触或电极2911/2912/2913/2914控制传输通过干涉仪2910，通过外部传递波导2931将传输的光学功率传递到传输波导2920。通过使用含有任何合适种类的电致有源材料的任何合适种类的波导(包括多层波导)，构造Mach-Zender干涉仪2910。在Mach-Zender干涉仪2910中，可以使用非线性光学材料代替电极和电致有源材料，使用光学控制信号控制传输。图29A将传输波导2920表示为表面连结到外部传递波导2930/2931的光纤锥形段，使用无源模折射率匹配模式干涉耦合横向传递。图29B将传输波导2920表示为侧面连结到外部传递波导2930/2931的光纤锥形段，使用受电极2932/2933/2934/2935控制的有源模折射率匹配模式干涉耦合横向传递。图29C将传输波导2920/2921表示为表面连结到外部传递波导2930/2931的平面波导(为清晰起见，图29C省略波导基底)，使用绝热横向传递。图29D将传输波导2920/2921表示为侧面连结到外部传递波导2930/2931的平面波导(为清晰起见，图29D省略波导基底)，使用绝热横向传递。

图30表示在波导基底3002上制造的2×2光学开关3010以及外部传递波导3030/3031/3032/3033。将相应的传输波导3020/3021/3022/3023表示为表面连结到外部传递波导，并表示为平面光学波导(为清晰起见，图30省略波导基底)。可以等效使用其他传输波导种类(包括光纤锥形段)，可以等效使用侧面连结。各传输波导与对应外部传递波导之间的光学功率的横向传递可以是绝热的，有源模折射率匹配模式干涉耦合的，或无源模折射率匹配模式干涉耦合的。所有传输波导/外部传递波导对的横向传递性质无需相同。向电极或接触3011/3012/3013/3014施加的控制信号控制光学传输通过2×2开关3010，可使用含有任何合适种类的电致有源材料的任何合适种类的波导(包括多层波导)构造开关。在2×2开关3010中，可使用非线性光学材料代替电极和电致有源材料，使用光学控制信号控制传输。

图31表示谐振光学调制器和外部传递波导3130/3131，调制器包括在基底3102上制造的谐振器3110，光学损失元件3117和波导3118。将相应的传输波导3120/3121表示为表面连结到外部传递波导，并表示为平面光学波导(为清晰起见，图31省略波导基底)。可以等效使用其他传输波导种类(包括光纤锥形段)，可以等效使用侧面连结。各传输波导与对应外部传递波导之间的光学功率的横向传递可以是绝热的，有源模折射率匹配模式干涉耦合的，或无源模折射率匹配模式干涉耦合的。两个传输波导/外部传递波导对的横向传递性质无需相同。向电极或接触3111/3112(波导/谐振器耦合)，3113/3114(谐振器损失)和3115/3116(谐振器频率)施加的控制信号控制通过谐振调制器的光学传输，可使用含有任何合适种类的电致有源材料的任何合适种类的波导(包括多层波导)构造谐振调制器。在谐振调制器中，可使用非线性光学材料代替电极和电致有源材料，使用光学控制信号控制传输。可以使用图31的设备单独调制通过传输波导3120/3121和波导3118传输的特定波段的波长。

图32表示谐振滤光器与外部传递波导3230/3231/3232/3233，滤光器包括在基底3202上制造的谐振器3210和波导3217/3218。将相应的传输波导3220/3221/3222/3223表示为表面连结到外部传递波导，并表示为平面光学波导(为清晰起见，图32省略波导基底)。可以等效使用其他传输波导种类(包括光纤锥形段)，可以等效使用侧面连结。各传输波导与对应外部传递波导之间的光学功率的横向传递可以是绝热的，有源模折射率匹配模式干涉耦合的，或无源模折射率匹配模式干涉耦合的。两个传输波导/外部传递波导对的横向传递性质无需相同。向电极或接触3211/3212(波导/谐振器耦合)，3213/3214(波导/谐振器耦合)和3115/3116(谐振器频率)施加的控制信号控制通过谐振滤光器的光学功率传输，可使用含有任何合适种类的电致有源材料的任何合适种类的波导(包括多层波导)构造谐振滤光器。在谐振滤光器中，可使用非线性光学材料代替电极和电致有源材料，使用光学控制信号控制传输。可以使用图32的设备单独切换传输波导3217/3218之间的特定波段的波长。

在图28A/28B和图29A/29B的示例中，将传输光学波导表示为其配装和定位用于两个外部传递光学波导之横向传递的单一波导。在需要完全传递传输波导的光学功率以便光学装置进行后续处理后回传到同一传输波导的任何装置构造中，需要在单一传输波导的中间位置上提供光学损失机制。此类损失机制可采取以下形式：位于外部传递波导之间且适合于横向传递的附加光学波导，吸收或散射涂层，吸收或散射横向耦合的光学元件，或其他光学损失机制。这样，以光学方式对传输波导的两端进行去耦，同时机械上保持耦合以方便装置制造和/或组装。图33A表示在基底3302上制造的双端口装置3310与外部传递光学波导3330/3331，其中传输波导3320的定位和配装用于与外部传递波导进行横向传递。附加光学波导3380利用外部传递波导之间的传输波导3320的横向传递，提供光学损失。图33B表示类似示例，其中结构传输波导对准构件3370提供外部传递波导之间的光学损失。

迄今为止公开的大部分示例均使用平面光学波导或光纤锥形段作为传输波导。也可以使用前述申请A6中公开的侧面蚀刻的光纤段与适当排列的外部传递波导段进行横向传递。同样，可以使用为横向传递(绝热的或模式干涉耦合的)配置的任何光学波导实现本发明。

平面波导和平面波导线路包括用于实现本发明的重要种类的传输光学波导。平面波导通常包括在平面基底上制造的低折射率核心/包层类型的介质波导，平面基底通常为在涂氧化层的硅基底上制造的石英或石英基波导。硅是一种理想的波导基底材料，其原因包括但不限于：相对容易的易于理解的材料生产工艺；成熟的行业标准；通过较大的晶片尺寸实现规模经济以及获得相当平滑的单晶面的能力；可选择干浸蚀和/或湿浸蚀；高刚性；理想的热特性。硅基底通常配有石英覆盖层，石英覆盖层上有一个或多个平面波导。石英和硅基材料为理想的易于理解的光学材料。作为选择，平面波导可以包括在石英、石英、或其他低折射率或绝缘基底(或半导体基底上的覆盖层)上形成的一个或多个高折射率波导(如半导体波导)。高折射率波导具有以下优点，更容易实现到达其他高折射率光学部件的横向传递。在与光学装置和/或光纤的终端耦合构造中习惯使用硅基平面波导，但是通常具有较高的插入损失，原因是较差的空间模式匹配，特别是与基于半导体的光学装置一起使用时。根据本发明的外部传递波导通过启用到达/来自平面波导的横向传递，能够显著降低此类光学装置的插入损失。图13A/13B，14A/14B和15A/15B表示适合于与双端口光学装置光学集成的平面传输波导和外部传递波导之间的绝热横向传递的例子。

图34A和34B表示与输入和输出外部传递波导3431/3431光学集成的双端口光学装置3410(如电吸收调制器)的另一个例子。外部传递波导可以为与光学装置定义的光模进行空间模式匹配终端耦合并且横向传递到平面传输波导3420/3421的任何类型。横向传递可以是：绝热的，有源模折射率匹配模式干涉耦合的，或无源模折射率匹配模式干涉耦合的。就像基于光纤锥形的传输波导那样，实现平面传输波导和外部传递波导之间的有效横向传递所需对准精度的数量级，必须小于空间模式匹配的平面传输波导和光学装置之间的终端传递所需精度的数量级，以便使用无源对准技术，相对于平面传输波导定位光学装置。在图34A/34B的典型实施方式中，在公用基底3402上制造光学装置3410和外部传递波导3430/3431。在基底3422上制造平面传输波导3420/3421。采用所谓的“倒装晶片”几何形状组装两个部件，以建立外部传递波导3430/3431和平面传输波导3420/3421之间的横向传递，以及电极3414和接触3424之间的电子耦合。通过平面传输波导3420，从光学系统那里接收需要处理的光学信号，利用横向传递传递到外部传递波导3430，利用终端传递传递到设备3410，在通过设备3410时进行处理，利用终端传递传递到另一个外部传递波导3431，利用横向传递传递到另一个平面传输波导3421，然后传输到光学系统。光学功率的高效传递生成具有低插入损失的装置。可以与任何合适的光学装置一起使用此类平面波导。

本发明的平面波导装置提供多种光学部件的高级集成，以构成混合或复合光学装置。在各点上以一定间隙在基底上制造构成所需拓扑的光学网络的多个平面传输波导，其中将光学部件定位到各点上。在每个可能的装置位置附近配装传输平面波导，用于光学功率横向传递(绝热和/或模式干涉耦合；可以在单一平面波导基底上混合两种类型)。各光学部件可以为光学集成本发明的一个或多个外部传递波导的光学装置，相对于部件装置进行定位，以实现到达/来自光学装置的有效终端传递或横向传递。定位并配装各外部传递波导，以便在平面波导基底上定位部件时，实现到达/来自相应平面传输波导的横向传递。采用所谓的“倒装晶片”几何形状，建立外部传递波导和基底上的对应平面波导之间的横向传递。在部件和/或平面波导基底上提供配合对准结构，以建立外部传递波导和相应平面传输波导的相当准确的相对定位。

图35A/35B，36A/36B和37A/37B表示带有许多横向耦合的子部件的光学装置示例，其中在平面波导基底3522上，采用倒装晶片方式，安装带有一个或多个光学集成的外部传递波导的激光器/波导混合部件和调制器/波导混合部件。一个平面传输波导3524将光学功率从激光器3542传输到调制器3552，第二平面传输波导3526在横向传递段3528内终止，以便将经过调制的光学功率横向传递到光纤锥形3520(图35A)。对来自激光器3542的光学功率进行以下处理：利用终端传递传递到外部传递波导3546(与基底3544上的激光器3542光学集成)；利用横向传递传递到第一平面传输波导3524；利用横向传递传递到输入外部传递波导3556(与基底3554上调制器3552光学集成)；利用终端传递传递到调制器3552；在通过调制器3552时进行调制；利用终端传递传递到输出外部传递波导3557(与基底3554上的调制器3552光学集成)；利用横向传递传递到第二平面传输波导3526；利用横向传递传递到光纤的光纤锥形段3520(图35A)。横向传递步骤可以是绝热的(图36A/36B)或模式干涉耦合的(有源或无源；图37A/37B)，并且组件中的各横向传递光学接合无需为相同类型。

传输波导3526适合于充当空间模式扩展器用于终端传递到光纤3529(图35B；见下文中的论述)或其他大模式光学波导，而不是横向传递到光纤锥形。混合装置可以实现全部光学功率通过量(即，低插入损失)。采用与图35A类似的方式，通过使用将光学功率传输到光纤锥形的基底上的平面传输波导，构造图24的波长复用示例，各激光源包括一个采用倒装晶片安装的激光器，后者具有一个集成的外部传递波导，以横向传递到平面传输波导。如上所述，通过使用本发明的一个或多个外部传递波导，可以将任何光学装置耦合到一个或多个平面传输波导。图35A表示一个光纤锥形段3520，利用来自/到达平面传输波导3528的横向传递，将光学功率传递到平面波导基底或传递来自平面波导基底的光学功率，可以等效使用其他方法和/或构造。平面传输光学波导3526包括空间模式扩展段，以将正在传播的光学功率终端传递到光纤3529。空间模式扩展最好是绝热的，以将不合需要的光学损失降到最低程度。

本发明的设备和方法可以进一步应用，以便利用光学“试验板”方法组装复杂光学装置。基底配备有许多位置，用于以倒装晶片的方式安装模块光学装置，各装置含有本发明的一个或多个外部传递波导。以阵列模式(正方形，长方形，三角形/六角形，或其他)在基底上提供倒装晶片安装位置，在将各倒装晶片安装位置连接到一个或多个相邻部件的基底上，提供众多平面传输波导。为所需类型的模块光学装置配备外部传递波导，以便在基底上的安装位置倒装晶片安装装置时，建立到达/来自相应平面传输波导的横向传递。可以提供其上只有一个外部传递波导的附加倒装晶片部件(没有附加装置)，以便光学“桥接”空闲的倒装晶片安装位置(单一外部传递波导建立与两个平面传输波导的横向传递)。然后，以任何组合和任意拓扑的方式，光学耦合模块光学装置的所有组合，以构造复杂的混合装置。可以为光学试验板配备适合于横向传递到光纤锥形段或其他波导的平面波导，或适合于终端传递到光纤或其他波导的平面波导，从而将光学功率传递到试验板装置和/或传递试验板装置的光学功率。模块试验板方法对装置原型设计和/或柔性装置制造非常有用。

作为选择，可以使用本发明的方法和装置进行更高程度的光学装置集成。可采用任何平面波导线路拓扑，制造带有多个平面波导、多个光学接合段和多个设备位置的单一平面波导基底。可以在单一装置基底上制造带有多个对应外部传递波导的多装置。在装置基底上定位多装置和外部传递光学波导，其位置与波导基底上的装置位置的排列相对应。同样，定位多个外部传递波导的光学接合区域，以便与平面波导的光学接合区域相对应。利用组装波导基底和装置基底的单一组装步骤，建立多个平面波导和多个外部传递波导之间的光学接合，以形成所需复杂程度的复合光学装置。通过使用高度并行的精密材料生产工艺，可以在制造基底和结构时实现大部分的精确对准。

可以在公用基底上制造光学装置和光学集成的外部传递波导，以修改和/或控制装置性能或特性，或提供装置功能性。在图38的示例中，在基底3802上制造激光器3810和光学集成的外部传递波导3830和3831。波导3830提供激光器3810和传输波导3820之间的光学功率传递。波导3831用来改变激光器3810的光学属性和/或性能。例如，波导3831中的光栅结构用来定义激光器3810发射激光的波长。作为选择，波导3831支持的空间光模可以定义激光器输出的横向空间模式特性。根据本发明，可以使用具有不同结构和特性的外部传递波导，以便为各种光学装置提供各不相同的光学装置功能性，所述功能性包括但不限于：波长选择性，空间模式选择性，光学过滤，偏振选择性，热补偿，功率监控，反射率，调制等。选择性系指相关光学属性的调谐，稳定和/或调制。外部传递光学波导包括光栅结构，热光元件或其他合适的功能部件。可以在制造和/或加工时处理装置的小端面，以改变根据本发明实现的装置的光学特性。例如，为实现波长特性，偏振特性等对小端面进行涂层。按照某个曲率制造装置小端面，以充当透镜，从而改变输入到装置中的和/或装置输出的光学的传播特性。利用带有角的或成斜角小端面，将光学功率横向引出外部传递波导(作为转向镜)以便监控装置，或降低光学反作用。

图39表示另一种实施方式，其中在传输光学波导中提供部分光学装置功能性，并且/或只有启用装置和传输波导之间的光学功率传递(通过外部传递光学波导)，光学装置才完全起作用。平面波导基底3922带有平面传输波导3920和3921。在基底3902上提供激光器二极管3910和集成外部传递光学波导3930和3931。外部传递波导3930和传输波导3920之间的横向传递提供输出光程，用于激光器3910的输出。通过使传输波导3921成为激光腔的一部分，激光器3910和传输波导3921之间的光学功率的传递能够控制、修改和/或处理激光器3910的输出。传输波导3921的光学/光谱特性的控制或处理，将对激光器3910的输出产生相应影响。例如，可以在传输波导3921内提供光栅结构，以稳定激光器3910的波长，或者传输波导3921的空间模式特性控制激光器3910的输入的空间模式特性。可以在本发明的范围内设计其他装置和方案。例如，只有在装置和提供部分装置功能性的传输光学波导之间建立光学功率传递后，装置才起作用。根据本发明，可以使用具有不同结构和特性的传输波导，以便为各种光学装置提供各不相同的光学装置功能性，所述功能性包括但不限于：波长选择性，空间模式选择性，光学过滤，偏振选择性，热补偿，功率监控，反射率，调制等。传输光学波导包括光栅结构，热光元件或其他合适的功能部件。在某些示例中，传输波导仅仅修改光学装置的操作，而在其他示例中，装置的运行需要传输波导。

根据前两段的论述，术语“光学装置”可能需要澄清。如上所述，“光学装置”指独立运行部件，如激光器，调制器，滤光器，开关等。作为选择，“光学装置”也可以指不能独立运行，必须与其他部件一起使用才能运行的部件。例子包括带有抗反射涂层的小端面和外部传递波导的半导体增益介质。此类部件本身不能作为激光源。如果在外部传递波导中，或者在与外部传递波导形成光学接合的传输波导中提供反射器，则反射器和半导体一起形成功能激光器。许多其他类似示例也属于本文公开和/或主张的发明概念范围内。

图40和41为工艺流程图(分别为横剖图和平面图)，表示根据本发明的首选平面传输波导的制造。尺寸和材料构成是示范性的，可以在本发明的范围内进行修改。在硅基底4002上准备5μm厚的石英过渡层4004，10μm厚的锗硅酸盐层4006，以及70nm厚的氮化硅(Si_xN_y)层4008。在氮化硅层上制作布线图案并蚀刻，以形成6μm宽的所需几何形状的波导核心4124，图41表示在两端进行水平锥化。然后蚀刻锗硅酸盐层，以形成10μm宽6μm高的凹形波导4120，以及对准/支持结构4170的顶部。然后在剩余锗硅酸盐层4006和石英过渡层4004制作布线图案，保留宽过渡凹形4126支持的凹形波导4120，其中过渡凹形4126包括锗硅酸盐层(约4μm剩余厚度)和石英层。利用上述步骤构造对准/支持结构4170的底部。利用0.5μm厚的锗石英淀积覆盖层覆盖凹形4120和4126。在基础硅基上制作布线图案并蚀刻，以形成v型凹槽4150，以便最终容纳单模光纤的末端。提供凹槽4152(利用锯痕或任何其他合适方法)以终止v型凹槽，以便光纤到达波导4120的末端。通过使用适合的空间选择材料生产工艺，提供接触/电极4160和其他所需元件。尽管列举制作布线图案/蚀刻用于各种加工部分，但是也可以等效使用任何合适的空间选择材料生产工艺。可以使用类似处理顺序生产各种构造，图42A/42B，43A/43B和44A/44B表示典型实施方式。

接着，平面波导部件(相等地，类似PLC的部件)容纳带有本发明之一个或多个外部传递波导的光学装置，最好采用倒装晶片几何形状或任何合适的组装几何形状。凹形波导4120的氮化硅核心的一个锥化端适合于用于光学装置的外部传递光学波导的绝热光学功率横向传递，凹形波导4120充当传输光学波导。作为选择，可以为凹形波导4120配置外部传递光学波导，用于模式干涉耦合的光学功率横向传递。凹形波导4120的氮化硅核心的另一个锥化端充当模式扩展器，用于凹形波导4120与v型凹槽4150内的光纤(未示出光纤)之间的光学功率的终端传递。当核心4122的宽度下降时，核心4122/波导4120支持的光模扩大为波导4120。核心4122的锥化处理应足够平缓，以便模式扩展满足绝热条件(如前所述)。通过选择用于凹形波导4120的适当横向尺寸，能够实现波导4120和光纤之间的所需程度的空间模式匹配，以启用波导4120和光纤之间的光学功率终端传递。

在图42A和42B中，在平面波导基底4222的一端配装适合于绝热光学功率横向传递的平面传输波导4220，用于二极管激光器的外部传递波导。在激光器基底4202上光学集成二极管激光器和外部传递波导，采用倒装晶片方式安装到图42B中的基底4222上。基底4222上的v型凹槽4250用来定位光纤4290(图42B)，以便与波导4220进行终端传递。可以在另一端配装波导4220，用于模式扩展以及与光纤4290的空间模式匹配。在基底4222的一端定位并配装辅助波导4240，以便从波导4220中传递二极管激光器的一部分光学输出功率。波导4240的另一端适合于向监视光电二极管传送光学功率。提供接触/电极4224/4244，分别用于二极管激光器和光电二极管的电子访问。提供对准/支持组件4270/4272，分别对准和支持倒装晶片方式安装的二极管激光器和光电二极管。

将监视光电二极管集成到平面波导基底4222上，最好作为光电二极管基底4242上的独立部件，在图42中以倒装晶片方式安装到平面波导基底4222上。波导4240的第一末端适合于横向传递波导4240的光学功率(如图42A/42B所示)，或者以任何其他合适方式进行配装，以便传递波导4220的光学功率。波导4240的第二末端适合于作为转向镜，用于将基底4222上的光学功率向上引导到监视光电二极管上。通过在波导4222的第二末端提供成斜角的小端面，在加工基底4222时完成上述处理。作为选择，可使用任何合适装置，将波导4240的光学功率传送到光电二极管。例如，为波导4240的第二末端配备光学散射器，光电二极管检测部分散射光学功率。在另一个例子中，为光电二极管配备本发明的外部传递光学波导，以便横向传递(绝热的或模式干涉耦合的)波导4240的光学功率，然后将光学功率传送到光电二极管。可以等效使用其他装置。

图43A/43B表示带有平面传输光学波导4320和4321的平面波导基底4322。为二极管激光器提供激光器基底4302上的外部传递光学波导，在图43B中采用倒装晶片的方式安装到基底4322上。为光学调制器提供调制器基底4303上的两个外部传递光学波导，在图43B中采用倒装晶片的方式安装到基底4322上。在第一末端配装适合于横向传递(绝热的或模式干涉耦合的)光学功率的波导4320，用于二极管激光器的外部传递波导，在第二末端配装适合于横向传递(绝热的或模式干涉耦合的)光学功率的波导，用于调制器的第一外部传递波导。在第一末端配装适合于横向传递光学功率的波导4321，用于调制器的第二外部传递波导(绝热的或模式干涉耦合的)，并在第二末端配装，用于模式扩展以及与光纤4390进行的终端传递，光纤位于图43B中的v凹槽4350内。在基底4322上提供辅助波导4340和4341，在第一末端进行定位和配装，以便分别传递波导4320和4321的部分光学功率。将转向部分引导到光电二极管上，最好在独立的光电二极管基底4344/4345上提供以上二极管，并且在图43B中，以倒装晶片的方式安装到基底4322上。可以安装以上段落中的叙述配装波导4340/4341和光电二极管。提供接触/电极4370/4371/4372/4373，用于二极管激光器、调制器和光电二极管的电子访问。在基底4322上提供对准/支持组件4380/4381/4382/4383，用于对准和支持二极管激光器，调制器和光电二极管。上述实施方式是示范性的。光学装置(带有外部传递波导)和传输波导的许多其他构造均属于本文公开和/或主张的本发明的范围内。

在图44A和44B中，在平面波导基底4422的一端配装适合于绝热光学功率横向传递的平面传输波导4420，用于二极管激光器波的外部传递光学导。在激光器基底4402上光学集成二极管激光器和外部传递波导，采用倒装晶片方式安装到图44B中的基底4422上。基底4422上的v型凹槽4450用来定位光纤4490(图44B)，以便与波导4420进行终端传递。可以在另一端配装波导4420，用于模式扩展以及与光纤4490和球形透镜4494的空间模式匹配，在基底4422的凹处容纳球形透镜。基底4422有一个附加凹处，用于容纳在球形透镜4494和光纤4490之间插入的光学隔离器4496。在基底4422的一端定位并配装辅助波导4440，以便从波导4420中传递二极管激光器的一部分光学输出功率。波导4440的另一端适合于向监视光电二极管传送光学功率，在基底4444上以倒装晶片的方式安装监视光电二极管。提供接触/电极4770/4472，分别用于二极管激光器和光电二极管的电子访问。提供对准/支持组件4480/4482，分别对准和支持倒装晶片方式安装的二极管激光器和光电二极管。

本文所示的各种典型实施方式包括支持/对准组件，以便精确定位和支持平面波导基底上的光学装置(带有外部传递波导的基底)。可能需要在装置基底上提供支持和/或对准结构。此类支持结构用来保护组装装置和波导基底时损坏外部传递光学波导(通常为凸出结构)。图45A和45B表示典型支持组件。在装置基底4502上光学集成光学装置(未示出)和外部传递光学波导4530，以及支持组件4560(在本例中，与波导4530平行的细长凸出部分；可以实现其他构造)。当在波导基底4522(为清晰起见，图45A省略)上组装装置与平面传输波导4520时，凹形4560啮合波导基底的表面，以便为外部传递波导4530提供机械支持和保护。

以最佳实施方式和备择实施方式的形式阐述本发明。然而，对本文公开的使用光学功率横向传递的光学接合设备和方法的任何修改，均属于本文公开和/或主张的发明概念的范围内。

Claims (8)

1.一种光学设备，包括：

基底上的光学装置；

外部传递光学波导，该外部传递光学波导包括一个光学接合区域；以及

传输光学波导，该传输光学波导包括一个光学接合区域，

其中：

将所述光学装置和所述外部传递光学波导光学集成到所述基底上，以便在所述光学装置和所述外部传递光学波导之间传递光学功率；

在其光学接合区域配装所述传输光学波导或所述外部传递光学波导，以便在各自的光学接合区域在所述外部传递光学波导和所述传输光学波导之间横向传递光学功率；

把所述传输光学波导与所述基底、所述光学装置或所述外部传递光学波导组装在一起，以便定位各自的光学接合区域，从而在所述外部传递光学波导和所述传输光学波导之间横向传递光学功率；

所述传输光学波导或所述外部传递光学波导的光学接合区域被配装，以便在所述外部传递光学波导和所述传输光学波导之间实质绝热横向传递光学功率；以及

在所述光学接合区域内存在Δβ＝0的位置点并且Δβ在所述接合区域两端的符号相反的条件下，所述传输光学波导和所述外部传递光学波导关于尺寸、材料、折射率和纵向梯度中的至少一项是不同的，其中Δβ表示所述传输光学波导和所述外部传递光学波导的传播常数之差。

2.根据权利要求1所述的设备，还包括：

第二外部传递光学波导，第二外部传递光学波导包含一个光学接合区域；以及

第二传输光学波导，第二传输光学波导包含一个光学接合区域，

其特征在于：

将光学装置和第二外部传递光学波导光学集成到基底上，以便在光学装置和第二外部传递光学波导之间传递光学功率；

第二传输光学波导或第二外部传递光学波导被配装在它的相应光学接合区域内，以便在各自的光学接合区域内在第二外部传递光学波导和第二传输光学波导之间横向传递光学功率；以及

把第二传输光学波导与基底、光学装置或第二外部传递光学波导组装在一起，以便定位各自的光学接合区域，从而在第二外部传递光学波导和第二传输光学波导之间横向传递光学功率。

3.根据权利要求1所述的设备，配装并相对定位光学装置或外部传递光学波导，以便利用以下方式在光学装置和外部传递光学波导之间传递光学功率：a)终端传递；c)通过蚀刻装置端面的终端传递；d)横向传递；e)模式干涉耦合横向传递；h)实质绝热横向传递；或i)偏振相关横向传递。

4.根据权利要求1所述的设备，其中传输光学波导适合于：a)与另一个传输光学波导进行横向传递；b)与另一个传输光学波导进行终端传递；d)与光纤进行终端传递；e)与光纤进行实质空间模式匹配的终端传递；f)光学空间模式扩展；或g)在多个分支波导之间分割光学功率。

5.根据权利要求1所述的设备，其中光学装置包括：a)基于半导体的光学装置；c)激光器；d)调制器；e)光电探测器。

6.根据权利要求5所述的设备，其中配装外部传递光学波导或传输光学波导的至少一部分，以便提供光学装置的部分功能性，由此提供的功能性包括：a)波长选择性；b)光学波导光栅结构；c)热光功能性；d)特定偏振的功能性；e)光学功率监控功能性；f)光电探测；g)光学功率监控；h)特定空间模式的功能性；或i)热补偿。

7.根据权利要求1所述的设备，其中配装传输光学波导或外部传递光学波导，从而当横向偏移至少与横向偏移公差相同时，将外部传递光学波导和传输光学波导之间的横向偏移光学功率传递损耗保持在0.5dB以下，横向偏移公差为传输光学波导和外部传递光学波导之相应横向光模尺寸特性的±0.5倍，±1.0倍或±1.5倍之一。

8.根据权利要求1所述的设备，其中配装传输光学波导或外部传递光学波导，从而当横向偏移至少与横向偏移公差相同时，将外部传递光学波导和传输光学波导之间的横向偏移光学功率传递损耗保持在标称光学功率传递损耗程度的±0.5dB内，横向偏移公差为传输光学波导和外部传递光学波导之相应横向光模尺寸特性的±0.5倍，±1.0倍或±1.5倍之一。

Images