CN1478209A - 导波空间滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及到一种用来接收输入辐射并输出对应的滤波输出辐射的导波空间滤波器(300)，滤波器包括串联连接的第一和第二波导段(30，L3，L5)，用波导段：(a)相互配合发射出现在输入辐射中的基本模式辐射分量通过，提供输出辐射；并且(b)相互失配来阻止出现在输入辐射中的高阶模式辐射分量传播通过，防止其影响输出辐射。空间滤波器(300)是用肋波导实现的，用具有比较深和比较浅的蚀刻结构的各段(20，310，320)为各段提供辐射模式滤波特性。按照本发明的空间滤波器能够装入光学分光器和光学调制器来提高其性能，并且降低它们对注入其中的高阶模式辐射的灵敏度。

Description

导波空间滤波器
本发明涉及到导波空间滤波器，具体但不仅限于一种适合与光学集成电路中的肋波导配合使用的一种导波空间滤波器。
为了便于描述本发明，光辐射被定义为具有100nm到15μm范围内自由空间波长的辐射。
单片光学集成电路是公知的。在H P Zappe(ISBN 0-89006-789-9，Artech House Publishers 1995)的出版物“Introduction toSemicoductor Integrated Optics”中有所描述。常规的光学集成电路包括一个衬底，在上面装有一或多个光波导，这些波导能够环电路引导光辐射。在这种电路中特别适合采用表面肋波导，可以用平面制作工艺例如是平板印刷术和化学蚀刻制作这种肋波导。
肋波导采取由衬底的主面上突出的一个脊的形式，脊又有一或多个折射率界面区协助在脊内的光辐射约束。光辐射沿着脊被引导并主要被约束在位于一或多个界面区与距衬底最远的那一脊的上表面之间的区域。在这种肋波导中，多个界面区对于优化波导的光学特性提供了更多的自由度。
为此而设计的脊的宽度和高度的量级范围与沿着脊构成的肋波导被引导的光辐射的波长相符。例如，为引导自由空间波长约为1.5μm的光辐射而设计的肋波导所具有的横向宽度在3μm量级，而它的脊突出其衬底的高度在1μm量级。可以用硅或是III-V化合物制作这种肋波导，例如是铝镓砷(AlGaAs)和镓砷(GaAs)化合物。AlGaAs这样的III-V化合物所拥有的晶体结构缺少一个对称的中心，因此会同时具备Pockels和Kerr效应。由于这样的对称，基于III-V化合物的肋波导特别适合用来制作有源光学集成电路，例如是光学调制器和开关。
为了便于解释本发明，在能够在包括一或多个肋波导的光学集成电路内部传播的不同辐射模式之间加以区别是重要的，不同的模式包括：
(a)“面内辐射”模式，它是在与电路中一或多个肋波导突出的那一平面的表面平行的一个平面中传播；
(b)“自由辐射”模式，它对应的辐射散射到构成电路的衬底中广大的区域，还能进入肋波导和表面上面邻近的空间区域；
(c)“受约束辐射”模式，包括能够沿着波导传播的二维模式和所有高阶模式；以及
(d)“基本辐射”模式，要专门设计用来传输的波导。
高阶模式是参照其有关的“m”数表示的，该数值等于高阶模式辐射的横场剖面中的过零次数；高阶模式的m值等于或大于1。
肋波导对于引导上述基本模式光辐射是有效的；按照基本模式，大部分光辐射是在与肋波导紧密相关的区域内传播的。然而，这种波导还能引导上述受约束模式的辐射。从理论上说，当基本模式光辐射被射入能够支持多模辐射透射传播的一个肋波导时，辐射是按照基本模式辐射通过波导传播，并将来自基本模式的能量耦合到没有出现的其它辐射模式。实践中真实的光学集成电路包括在基本模式辐射与没有出现的其它辐射模式之间起耦合作用的肋波导。这种耦合出现在任何突变断点处，特别是在：
(a)肋波导在转弯处改变方向处，例如是在随着弯曲路径转弯处；
(b)肋波导连接到光耦合器处，例如是多模干涉耦合器(MMI)；或是
(c)肋波导构成的几何学干扰造成的散射缺陷处。
因此，在包括肋波导的光学集成电路中传播的基本模式辐射能够耦合到高阶受约束辐射，它总是与其有关的基本模式辐射一起传播的。实际上，基本模式辐射和高阶模式辐射有相干的相互作用。这种相干的相互作用对电路的特性往往会产生伪不规则扰动，因为基本模式辐射和高阶模式辐射拥有不同特性的传播速度，因而在集成电路内的下游相互作用区内有不同的相对相位。如果这一相互作用区关系到干涉仪调制器例如是一个Mach-Zehnder干涉仪，调制器的消光率特性就会恶化。
上述高阶模式辐射沿着与基本模式辐射完全吻合的路径传播；高阶模式与基本模式的区别是具有比较宽的空间能量分布并且包括对应着整数m值以上的相位翻转波瓣结构。由基本模式的辐射耦合还会引起上述面内辐射和自由辐射模式。
在包括将基本模式辐射耦合到高阶辐射模式的肋波导的一种光学集成电路中，采用适合促进基本模式辐射通过其传输的楔形肋波导滤波器结构来衰减高阶模式辐射没有效果。这种楔形结构只能将上述高阶模式辐射耦合到松散的受约束辐射模式，而后者仍然不遵循波导的路径。松散的受约束辐射模式会持续比较长距离，可达到mm量级，仅仅是随着传播距离逐渐扩展和耗散。
发明人业已发现自由辐射模式，面内辐射模式和受约束模式对包括肋波导的光学集成电路的光学特性是有害的。发明人还找到了一种解决这一问题的方案，该方案采取空间滤波器的形式，能有效地衰减松散的受约束辐射模式和高阶受约束辐射模式，并且能传输基本模式辐射。
按照本发明的第一方面，提供了一种用来接收输入辐射并输出对应的滤波输出辐射的导波空间滤波器，滤波器包括串联连接的第一和第二波导段，用波导段：
(a)相互配合发射出现在输入辐射中的基本模式辐射分量通过，提供输出辐射；并且
(b)相互失配来阻止出现在输入辐射中的高阶模式辐射分量传播通过，防止其影响输出辐射。
本发明具有的优点是能够衰减高阶受约束模式辐射分量并且能理想地发射基本模式辐射。
基本模式辐射被定义为对应的模态值m为零的辐射。高阶受约束模式辐射被定义为对应的模态值m等于或大于1的辐射。
空间滤波器是用缩微制作技术紧密制作的，其波导段包括肋波导。在设计光学集成电路时经常使用肋波导，因而能将本发明的滤波器装入这种电路。
在空间滤波器的实践中，按照习惯，在第一区侧面是用来支持沿第一区传播的基本模式的第一段，而在第二区侧面是用来剥离面内辐射模式的第二段，第一区的蚀刻比第二区要浅。这样的蚀刻能够使各段得到理想的光学特性。
第二区不要侵占到第二段上面，而是与第一区在空间上分离。第二区最好是朝向第二段逐渐变细形成一个针-孔型滤波器。
在使用肋波导制作上述第一和第二波导段时，精确控制其尺寸公差是重要的。为了实现这种精确的尺寸控制，发明人建议采用自对准工艺来制作各段。在能够使用自对准工艺的场合，第二区可以延伸到靠在第二段上。
为了在第二段中提供合适的辐射抑制，第二段应该包括向外倾斜到其肋波导的壁，两壁相向倾斜来阻止沿第二段传播的横向模式辐射。
在空间滤波器中需要使面内模式辐射偏离其相应的基本模式辐射的传播路径。因而要使第二段的边界边沿相对于第二段的长轴设置成不垂直的角度，利用这些边沿使所接收的高阶模式辐射偏离沿第二段的基本模式辐射传播路径。
为了获得满意的滤波，第二段的肋波导在横向上应该比第一段的肋波导宽。然而，在设计空间滤波器时要选择各段的肋波导宽度，在各段之间为基本模式辐射提供满意的匹配。
空间滤波器的布置应该配置成两个第一段在先，随后是第二段，各段被串联连接。这样布置的优点是第一段对应着在纳入滤波器作为串联部件的光学集成电路中的一种常用形式的肋波导，而滤波器对第二段采用集成电路中不常用的一种形式的肋波导。
按照本发明的第二方面，提供了一种光辐射分光器，它包括用来支持内部传播的多模辐射的一个混合区，用来向混合区注入辐射的输入波导，由混合区接收辐射输出的多个输出波导，并且在输入波导与混合区之间包括按照本发明第一方面的一个空间滤波器，用来由输入波导向混合区发射基本模式辐射，并且阻止高阶模式辐射由输入波导注入混合区。
滤波器的作用是，因连接到输入波导的光纤波导错位所造成的注入输入波导的高阶模式辐射不会干扰分光器的操作，使分光器能够减少输入到分光器的高阶模式辐射分量。
在分光器中应该有至少一个输出波导通过本发明第一方面的空间滤波器被连接到混合区，滤波器能够阻止高阶模式辐射从混合区到上述至少一个输出波导的耦合。对输出波导采用滤波器有助于防止混合区内激起的高阶模式辐射被耦合到下游连接到分光器上的其它光学器件。
按照本发明的第三方面提供了一种光学调制器，它包括调制装置，用来响应提供给该装置的控制信号将辐射选择分流输入到多个输出路径之间的装置，至少一个输出路径包括按照本发明第一方面的滤波器，用来由该装置向上述至少一个输出路径发射基本模式辐射输出，并且阻止高阶模式辐射从该装置传播到上述至少一个输出路径。
最好是按肋波导形式实现调制装置和输出路径，调制装置和滤波器位于蚀刻到足够深度的区域侧面，使高阶模式辐射不能通过这些区域传播。比较深的蚀刻区域对容纳辐射是有效的，并且能提高调制器的消光率。
为了设计紧凑的调制器，应该有至少应该输出路径在靠近调制装置处包括一个有刻面的肋波导边界，与没有带刻面的边界相比，采取这种边界能够使该路径以大角度直接向调制装置远处投影。这种大角度能够缩短按缩微制作形成的调制器。
为了降低调制器对注入的高阶模式辐射的灵敏度，调制器应该包括向调制装置注入辐射的输入路径，该输入路径通过本发明第一方面的滤波器连接，滤波器能够由输入路径向调制装置发射基本模式辐射，并且阻止高阶模式辐射从输入路径注入调制装置。
调制装置包括一种易于感应电场的结构，改变折射率使调制装置的辐射输入选择转向到输出路径。
按照本发明的第四方面提供了一种制作导波空间滤波器的方法，用来接收输入辐射并输出对应的空间滤波输出辐射，滤波器包括串联连接的第一和第二肋波导段，各段相互配合发射出现在输入辐射中的基本模式辐射分量通过，提供输出辐射，并且相互失配来阻止出现在输入辐射中的高阶模式辐射分量传播通过，防止其影响输出辐射，该制作方法包括以下步骤：
(a)提供一个用来形成滤波器的衬底；
(b)限定并形成肋波导段；并且
(c)限定并形成为各段赋予其辐射模式滤波特性的结构，肋波导段在该方法中被用来限定该结构的边界，并由此为该方法提供一种自对准作用。
以下要参照附图用举例的方式来描述本发明的实施例，在附图中：
图1的示意图表示在一个光学集成电路衬底的主表面上制作的一种现有技术肋波导的一部分；
图2是图1中所示现有技术肋波导的一个截面图，该截面图表示了与沿着波导传播的基本描述辐射有关的能量分布；
图3表示按照本发明第一实施例的一种针-孔式导波空间滤波器；
图4表示按照本发明第二实施例的一种串联式导波空间滤波器；
图5表示通过空间滤波器的段L3，L4传播的基本模式辐射的能量分布与滤波器的段L5的能量分布的比较；
图6表示用来制作图4中滤波器的掩模图形；
图7表示制作图4中的滤波器所需的处理步骤；
图8表示包括本发明第三实施例的导波空间滤波器的一种多模相干分光器，在分光器的一个光学输出端口上包括滤波器；以及
图9表示包括本发明第四实施例的导波空间滤波器的一种干涉仪调制器，仅仅在调制器的一个光学输出端口上包括滤波器。
参见图1，图中统一用10代表一个现有技术的光学集成电路。电路10依次包括GaAs衬底12，化学成分为AlxGa(1-x)As的下衬底层15，其下标x的范围是0.1到0.3。关于化学成分，符号Al，Ga和As分别代表铝，镓和砷。肋波导30的横向宽度在3到5μm的量级，而在层20的暴露的平坦暴露面35上突出的高度是在1μm的量级。图中表示的波导侧壁是朝波导30距层15，20最远的上表面方向向内逐渐变细。设计肋波导30是为了引导具有大约1.5μm的自由空间波长的光辐射。设计层20是为了提供比下衬底层15和肋波导30更高的折射率，以便于实现对波导及其紧密相关区域的辐射约束。
波导30的第一段L1是大致直线的，但是在进入第二直线段L2的弯折点40处是曲线。图中还表示了一个单模光纤波导50，光纤波导50通过聚焦透镜60向肋波导30注入光辐射。
图1仅仅表示了电路10的一部分；波导30连续到电路10的其它段，例如是调制器和耦合器。
在使用中将波导30设计成能够沿着它引导基本模式辐射；波导30还能引导高阶受约束辐射模式。沿着光纤波导50引导具有大约1.5μm自由空间波长的输入光辐射，并且从其开放端出射到透镜60，将辐射聚焦到肋波导30的开放端上。然后，辐射沿着肋波导30的第一段L1朝弯折点40传播，并且通过它沿着第二段L2进入集成电路10。
辐射进入集成电路10的耦合有许多路径，在这些路径中会激发基本模式辐射之外的辐射并且能沿着肋波导30传播进入集成电路10。第一个例子是从光纤波导50射入肋波导30的辐射不足会在肋波导30中激发高阶受约束模式辐射。第二个例子是透镜60的错位也会导致激发高阶受约束模式辐射，特别是奇数阶辐射模式。第三个例子是弯折点40会造成辐射散射，从而在位于波导30两侧的平面波导区域内激发高阶辐射模式；在弯折点40处的辐射散射会随着肋波导30的曲率半径变小而更加严重。第四个例子是几何学干扰例如是肋波导30中的弯曲或压痕70也会导致基本模式辐射到高阶模式辐射的耦合，同样也会使辐射散射成表面平面模式。
另外，来自一个芯片内滤波器(在图1中未表示)的废弃光或来自一相干调制器(在图1中也未表示)的有害附带输出也会造成非基本模式辐射在电路10内传播；这样的非基本模式辐射也可能被耦合到肋波导30。
如上所述就可以看出，对于光学集成电路，尽管需要在电路内传播基本模式辐射，但比较容易激发高阶辐射模式。这种高阶模式辐射对电路性能是有害的。发明人业已发现可以在集成电路中采用一种能够滤除所激发的受约束高阶模式辐射的结构，这种结构就是按照本发明的一或多个导波空间滤波器。
为了进一步解释沿肋波导30传播的辐射特性，请参见图2，它是图1中肋波导30的一个截面图。截面图表示了沿肋波导30传播的基本模式辐射的能量分布。能量分布沿着一个轴A-B遵循一种近似Gaussian分布，大部分基本模式能量朝着一个中心区100集中，该区在波导30与各层15，20在波导30附近的一个界面之间距离大致相等。在图2中用曲线表示这一近似Gaussian分布80。仅有很小比例的基本模式辐射进入脱离肋波导30的横向区域105，110。横向区域105，110有效地构成一个能够传播面内模式辐射的平板波导。高阶模式受约束辐射被限制在这一平板波导之内并且只能相对平缓地沿着肋波导30在空间上扩散。随着辐射模式的阶数m增大，与曲线90中如分布95所示的中心区100相比，该模式出现在横向区域105，110内的辐射能量的比例会逐渐增大。
图1和2中的波导30可以用包括以下步骤的外延制作方法来制作：
(a)提供一个抛光的整块GaAs衬底12；
(b)在衬底12上外延生长下衬底层15；
(c)在下衬底层15上外延生长上衬底层20；
(d)在上衬底层20上外延生长AlxGa1-xAs的顶层；
(e)在顶层上淀积一个耐蚀刻层，然后用一个掩模按平板印刷术刻划耐蚀刻层来界定肋波导30；
(f)通过刻划的耐蚀刻层对顶层进行反应离子蚀刻或各向同性湿法蚀刻，蚀刻掉顶层仅留下波导30的区域；如图1所示，可以允许蚀刻在比较短距离内进入上衬底层20，例如达0.5μm的量级；波导30可以突出约1μm的高度；以及
(g)剥离耐蚀刻层。
步骤(f)中的蚀刻能够使波导30形成斜坡的侧壁，但是取决于蚀刻条件和采用的蚀刻类型。各向异性湿法蚀刻为波导30产生的斜坡侧壁能自然生长出上衬底层20，提供一个<001>取向的暴露平面，使波导30的斜坡侧壁对应着<110>晶体平面。
如果将波导30制作过程中的蚀刻步骤延长，使区域105，110变薄，就能加强波导30对辐射的横向约束，特别是在弯折点40等弯折处。深入蚀刻上衬底20超过一定限度有可能使受约束高阶横向模式在沿波导30的方向上传播。这种高阶横向模式往往是有害的，因而要限制蚀刻深度并采取一种折衷。
按照现有技术有多种公知的导波结构能够提供与模式有关的滤波特性：这些特性是由起到散射扰动作用的结构带来的，散射扰动会有效增加m阶辐射模式通过该结构的传播。该结构通常采取类似于波导弯结或弧形弯的形状。若是该结构采取S-弯的形式，对脱离面内模式辐射场的基本模式辐射的横向光学路径位移还有额外的有益效果，这部分辐射应该继续其原始直线轨迹而不是如实地遵循S-弯轨迹，因为这种辐射按照定义是不受肋波导约束的。
肋波导中的圆弧弯具有极为尖锐的截止特性，考虑到围绕这一转弯的高阶模式辐射约束，它是转弯半径的函数。随着转弯半径减小也就是横向约束减弱，转弯的辐射损失特性的变化在达到一个门限值之前比较小，对于高阶模式辐射，若超过此门限值，转弯的损失特性就会急剧增大。因此可以将弧形弯设计成对基本模式辐射的损失比较小，而对较弱的受约束高阶辐射模式的损失比较大。
在设计光学集成电路中的辐射模式滤波器时配置的肋波导内包括转弯，所提供的模式滤波功能有许多问题。由直线段开始从肋波导的直线段进入肋波导的曲线段的过渡体现一种不对称的辐射轨迹扰动；曲线段是一种固有泄漏的结构。另外，在实际制作曲线段肋波导时是采用平板印刷工艺，要使用平板印刷掩模。这些掩模包括数字化的曲线图形特征并且包括一系列横向台阶，台阶是显而易见的。然而，这种台阶会形成散射特性，因此，用掩模制作的曲线肋波导能获得有限的微小散射损失。
实践中发现在光学集成电路器件的光输入端口包括比较小的S-弯肋波导滤波器不会影响对光纤波导相对于光学端口错位等所激发的高阶模式辐射分量进行有效的滤波，光纤能够将辐射射入光学端口。
发明人为此提出了一种修改的导波空间滤波器，它对于排除高阶模式辐射更加有效，并且比当前使用的上述S-弯，圆弧弯和波导弯结滤波器更加紧凑。另外，修改的空间滤波器是一种对称结构。
发明人认为，如果在上衬底层20的选定区域内深入蚀刻，就能阻挡在肋波导30表面引导的辐射。这种选择深入蚀刻能有效迫使在区域105，110内传播的至少是1-维的辐射模式被截止。上衬底层20在该区域内被选择削薄，使其不能支持通过该区域的辐射传播。最好能在上述区域内完全贯通地选择蚀刻衬底层20。
发明人还发现能够通过完全包围波导30贯通蚀刻上衬底层20来制作波导30。然而，在实践中发现用来深入蚀刻上衬底层20和下衬底层15的湿法化学蚀刻工艺还会因横向蚀刻造成波导30变窄而不能使用；用反应离子蚀刻(RIE)工艺替代湿法蚀刻工艺能够使波导30变窄的范围受阻。然而，RIE工艺成本更高并且蚀刻速度比湿法蚀刻工艺要低。另外，RIE工艺与用来制作本发明的导波空间滤波器的自动对准技术无法相容；以下要解释这种自动对准。
参见图3，图中表示按照本发明第一实施例的一种针-孔型导波空间滤波器的平面图。统一用200表示的这种针-孔滤波器包括衬底12，下衬底层15，上衬底层20，肋波导30，以及围绕波导30对称蚀刻但是对其没有侵害的两个深入蚀刻区域210，220；浅蚀刻区域230，240将波导30与深入蚀刻区域210，220分开。深入区域210，220各自采取三角形区的形式，如图所示有一个角指向波导30，各个角与波导30最近的外壁的距离是10μm。角与角相距的距离大约是23μm。
在图3中还表示了滤波器200沿一个轴C-D的截面图，图中用250表示。
在制作滤波器200时可以采用以下处理步骤：
(a)在抛光的GaAs成块衬底12上外延生长下衬底层15，下衬底层15的化学成分是AlxGa1-xAs；下标x的取值范围是0.1到0.2。
(b)在下衬底层15上外延生长上衬底层20，上衬底层的化学成分是GaAs；
(c)在上衬底层20上外延生长一个顶层，顶层的化学成分是AlyGa1yAs；下标y的范围是0.1到0.3；
(d)在顶层上淀积第一耐蚀刻层；
(e)用第一平板印刷掩模刻划第一蚀刻层，限定横向宽度额定为3μm的肋波导30，并在波导30周围留下没有掩模的区域；
(f)然后用湿法蚀刻工艺或干法离子蚀刻工艺在周围区域内肤浅蚀刻到大约1μm深度，但不要蚀刻到用刻划的第一耐蚀刻层遮掩蚀刻剂的波导30；
(g)剥离第一层，然后在波导30上淀积第二耐蚀刻层，并肤浅蚀刻波导30周围的区域；
(h)相对于波导30光学对准第二平板印刷掩模，然后向第二耐蚀刻层中深入蚀刻由第二掩模刻划的区域210，220；
(i)采用各向异性湿法蚀刻或反应离子蚀刻通过第二耐蚀刻层中刻划形成的三角形窗口蚀刻区域210，220；并且
(j)最终剥离第二耐蚀刻层。
深入蚀刻区域210，220相对于包围波导30的肤浅蚀刻区域被更深入地蚀刻进入上表面层20。必要时可将深入蚀刻区域210，220蚀刻进入下衬底层15，甚至深入到GaAs衬底12本身。
针-孔空间滤波器200的工作方式类似于光学镜片体针孔；波导30从波导30两侧的深入蚀刻区域210，220之间穿过。区域210，220对反射高阶模式辐射使其脱离波导路径是有效的，除了与波导密切相关的辐射也就是基本模式辐射和具有接近整数的m值的高阶模式辐射分量，m值的范围例如是2到10。
针孔滤波器200的数值有限。在光学集成电路中，具有m值接近整数的这些高阶辐射模式对电路性能影响最大；这些辐射模式多数能够和基本模式辐射一起通过滤波器200传播。另外，针孔滤波器200的级联性能并不比隔离的单个针孔滤波器200好，除非滤波器在级联中距离均匀。通过这种级联的辐射变成准直辐射，相对于波导30的纵轴具有比较小的折射角。另外，制作滤波器200的制作步骤(a)到(j)需要对准两个掩模；换句话说，步骤(a)到(j)不能代替自动对准步骤。发明人认为自动对准处理步骤是极为必要的。另外，区域230，240可能的最小宽度受用来限定波导30和深入蚀刻区域210，220的蚀刻步骤中的蚀刻切削公差所限制。
因此，发明人建议采用按照本发明另外设计的一种空间滤波器，它能够解决滤波器200的性能限制和与其制作有关的技术难题。参见图4，图中表示按照本发明第二实施例的一种串联式导波空间滤波器的平面图，用300本身这种串联导波空间滤波器。滤波器300包括波导30，沿着其各段L3，L4长度的侧面是背面被肤浅蚀刻的上衬底层20，使波导距层20最远的上表面在层20上面突出1μm，象集成电路10一样。滤波器300还包括位于各段L3，L4之间的中间段L5，该段的两侧侧面是深入蚀刻区域310，320。深入区域310，320朝远离波导30的方向逐渐变细；如图4所示，区域310，320在离开波导30的短距离内向外逐渐变细。另外，如图4所示，区域310，320在段L5处延伸到波导30。波导30沿段L5的宽度比其沿各段L3，L4的宽度要宽。
深入区域310，320被蚀刻到足够深入上衬底层20，防止高阶辐射模式在其中传播。必要时可以贯通蚀刻区域310，320进入下衬底层15。在有限的情况下，区域310，320可以蚀刻贯穿衬底12。
段L5被用来为有关的基本模式辐射提供与各段L3，L4有效的波导匹配。然而，它对系数值m大于或等于1的高阶辐射模式的匹配比较差。因此，这种高阶模式辐射不能有效地通过滤波器300传播，而系数值m＝0的基本模式辐射能够有效传播。
参见图5，图中表示通过空间滤波器的段L3，L4传播的基本模式辐射的能量分布400的一个示意图。图中用410表示通过段L5传播的基本模式辐射的能量分布。在分布400中，基本模式辐射横向照射超出波导30进入上衬底层20。反之，在分布410中，辐射传播更接近波导30的边界。区域420有足够薄，使高阶模式辐射在段L5中不能沿波导30传播。尽管分布400，410显出具有不同的能量分布，它们计算的重叠整数在98到99％的量级，对于通过滤波器300发射的基本模式辐射相当于0.06dB的传输损失。然而，对通过段L3，L4传播的高阶辐射模式的能量分布相对于段L5有很大不同；这样就能用滤波器300提供模式滤波。
在段L5中采用蚀刻步骤产生滤波器300会得到倾斜的侧壁430。在采用各向异性湿法蚀刻剂时就会出现这种倾斜的侧壁430，它对某些晶状平面的蚀刻比对其它平面要慢；暴露在倾斜侧壁上的晶状平面对应着慢速蚀刻平面。如果采用反应离子蚀刻形成深入区域310，320，可以将侧壁430制成具有比较陡峭的倾斜。如上所述，如果侧壁420是彼此平行的，波导30就会倾向于能够传播有害的横向辐射模式。
以下要参照图6解释制作滤波器300的方法。滤波器300是用自动对准工艺制作的，它包括分别采用第一和第二掩模MASK1和MASK2的照相平板印刷术。第一掩模被用来确定在后续步骤中成为波导30的一个区域500。第二掩模被用来保护肤浅蚀刻区域510并暴露处用于深入蚀刻的区域520。区域520在区域500旁边，用第一掩模确定波导30在段L5内的边沿。所布置的第一掩模使区域500在L5段中的宽度为8μm，而在L3，L4段中的宽度为4μm。与要求深入蚀刻区域210与波导30对称地精确对准的滤波器200不同，制作滤波器300不需要相互对准掩模；因此，要用下述的一种能有效地自动对准的步骤制作滤波器300。
在图7中用700表示了与滤波器300的制作有关的自动对准工艺的制作步骤1到7。尽管这种工艺是参照III-V半导体来描述的，也可以应用于其它材料的系统例如是硅。
步骤1：
初步提供GaAs衬底12，连同其顺序外延生长的下衬底AlxGa1-xAs层15，上衬底GaAs层20，以及顶层AlyGa1-yAs层610。生长的顶层20在其距衬底12最远的上暴露面上暴露出一个<001>平面。
步骤2：
在顶层610上面蒸气淀积一个铝-钛金属层620。然后在层620上旋涂一个有机耐蚀层630。然后用MASK1通过UV曝光在耐蚀层630中刻划出图6中对应着图4中波导30的区域500。然后用有机溶剂加工有机耐蚀层，如步骤3中所示留下耐蚀层630的岛。值得注意的是也可以交替使用金属层620，例如是氮氧化硅的介电层。
步骤3：
然后执行溅射或蚀刻步骤去掉没有受耐蚀层630剩余区域保护的层620，仍然留下步骤4中所示的金属区域640。应该注意到在步骤2到4中可以改用一个“搬移”步骤来确定金属区域640，“搬移”步骤包括直接在顶层620上面淀积耐蚀层630，通过MASK1使耐蚀层630曝光，接用于溶剂加工耐蚀层得到下层耐蚀剖面，再在耐蚀层630上淀积金属层620并在其中刻划窗口，然后用溶剂加工去掉耐蚀层630留下金属层620，金属层通过上述窗口直接淀积在顶层610上。
步骤5：
然后持续足够的时间对衬底12及其由步骤4形成的各层执行各向湿法化学蚀刻，蚀刻到顶层610顶面以下约1μm的深度。规定湿法化学蚀刻不能蚀刻到剩余金属层640。用湿法蚀刻确定波导30及其有关的倾斜侧壁，侧壁对应着顶层610暴露的<110>晶状平面。
步骤6：
然后在衬底12及其由步骤5形成的各层上旋涂一个有机耐蚀层650。然后通过MASK2将耐蚀层650对UV辐射曝光，刻划图6中对应着图4中深入蚀刻区域310，320的区域520；应该注意到从MASK2突出到耐蚀层650上面的区域520在步骤5，6的剩余金属层640上面，层650的作用是有效防止化学蚀刻的一个掩模，从而将区域520隔成两个区域310，320；这是一个重要的方面，因为能使该步骤本身具备“自动对准”特性。
步骤7：
继续加工耐蚀层650留下没有蚀刻保护的区域520。再次采用各向异性湿法化学蚀刻将对应着区域310，320的区域520蚀刻到约2μm的深度，也就是使上表面层20变得足够薄使其不能持续传播高阶模式辐射。湿法蚀刻产生如步骤7和图5中所示的倾斜侧壁430。在各向异性湿法蚀刻过程中耐蚀层650在通过MASK2对UV曝光之后留下的区域被用来保护上层20中对应着区域510的肤浅蚀刻区域。
在处理中可以用反应离子蚀刻替代湿法化学蚀刻。然而，尽管反应离子蚀刻通常是各向异性的，这种蚀刻受曝光晶状平面的影响较小，因而能生成陡峭的侧壁430。
可以配合着其它光学结构来制作图5中的空间滤波器300，例如图8就表示了一种用800表示的多模相干分光器，分光器800包括按照本发明第三实施例用810表示的一个导波空间滤波器，它被纳入分光器800的一个光学输入端口。
与分光器800相比，常规的多模分光器包括一个光学输入端口，它被耦合到包括多个光学输出端口的一个多模混合区。输入和输出端口被耦合到波导，与混合区之间往返引导光辐射。基本模式输入辐射通过与输入端口相联系的波导被提供给混合区，并在该区内激发多重辐射模式。输出端口刚好位于多重模式相互叠加形成最大能量的位置。因此，这种惯用的多模分光器能够高效率地耦合辐射。
然而，若是通过这种输入端口提供给常规分光器的辐射不是纯净的基本模式辐射而是包括基本和高阶模式辐射的一种叠加混合物，就会产生一个问题。这种高阶模式辐射会改变多模在混合区内的平衡，并由于出现能量最大值位置和相位的偏移而造成分光器效率下降。为此，发明人建议在分光器820的输入端口有必要包括这种滤波器810。
参见图8，分光器800包括一个输入肋波导820，其结构与上述的肋波导30类似。在波导820的两侧的侧面相对于波导820的上表面有1μm深度的肤浅蚀刻区域830。在对应着上衬底层20的上衬底层中蚀刻出区域830。波导820被连接到滤波器810的输入端口，在滤波器810的两侧侧面是足够薄的深入蚀刻区域840，使其不能支持高阶模式辐射在其中传播。尽管可以采用其它长度，滤波器810的最佳长度范围是150到200μm。滤波器810的输出端口860通过逐渐变细的区域850被连接到分光器800的多模混合区域860，混合区域860的两侧侧面也是同样的深入蚀刻区域840。连接在区域860远离滤波器810一端的光学输出端口被连接到相应的肋波导870，880，890。肋波导870，880，890的侧面是肤浅蚀刻区域900。另外，肋波导870，880，890与上述肋波导30的结构类似。肤浅蚀刻区域远离波导820朝后逐渐变细，尽管这并不是操作的要求。滤波器810能够为由波导820进入混合区域860的基本模式辐射传播提供有效的匹配，但对高阶辐射模式的传输无效。朝后逐渐变细的深入蚀刻区域840有助于偏转高阶模式辐射使其远离滤波器810和混合区域860。
以下要参照图8解释分光器800中滤波器810的工作方式。基本模式辐射与受约束高阶模式辐射的混合物沿着波导820传播，波导820前面的转弯或是将辐射投射进入波导820的错位的光纤波导会激发高阶模式辐射。辐射混合物沿波导820到滤波器810传播，将基本模式辐射射入混合区域860并且基本上阻止或反射高阶模式辐射。注入混合区域的基本模式辐射在其中激发一种多重辐射模式，并且趋于对高阶模式辐射在波导820中的传播基本上没有影响。混合区域860中的多重模式传播到混合区域860的输出端口并沿着波导870，880，890传播到连接分光器800的其它光学结构(未示出)。
逐渐变细区域850逐渐变细，偏转任何残余的高阶模式辐射。逐渐变细区域850是一种能够省略的优化特征，不会妨碍混合区域860执行其混合功能。
按照分光器800的一种修改版本，在混合区域860与波导870，880，890之间的输出端口上包括一或多个类似于滤波器810的滤波器，用来确保基本模式辐射被输出到波导870，880，890。
按照本发明的滤波器可以装入其它类型的光学结构。例如图9所示，图中用1000表示了一种干涉调制器，它包括按照本发明第四实施例的一个导波空间滤波器1010，滤波器1010被纳入调制器1000的光学输出端口。调制器1000包括输入肋波导1020，在其两侧侧面是肤浅蚀刻区域1030，分别用1040a，1040b表示的第一和第二细长混合区域，并且包括被输入蚀刻区域1060包围的一种调制结构1050，侧面是输入蚀刻区域1060的第一输出肋波导1070，滤波器1010的侧面是输入蚀刻区域1060，以及侧面是肤浅蚀刻区域1090的第二输出肋波导1080。采取与分光器800类似的方式，区域1060被蚀刻到足够深，使高阶模式辐射不能在其中传播。肤浅蚀刻区域1030，1090被蚀刻到足够深，使波导1020，1080能够引导基本模式辐射。波导1020被连接到第一混合区域1040a。同样，波导1070，1080被连接到第二混合区域1040b，波导1080通过滤波器1010连接。
输入波导1020，滤波器1010和混合区域1040a，1040b是基本上成直线布置的。第一输出波导1070被离轴连接到第二混合区域1040b，第一波导1070在波导1070面对第二波导1080和滤波器1010的一侧包括一反射面1100。
调制器1000是用III-V化合物技术制作的，电场感应的Pockels效应会改变结构1050的折射率，能够在输出波导1070，1080之间选择转移辐射。用1110表示的金属电极轨迹被连接到结构1050用来传送电调制信号。面1100的特征有助于向第一输出波导1070有效地提供辐射，使第一输出波导能够按40°角将其纵轴对准第二混合区域1040b的主轴。面1100能使调制器1000更加紧凑；若是省略面1100就需要将低波导1070按一个小角度连接到混合区域1040b并且包括沿波导1070的另一个转弯。面1100还能偏转高阶模式辐射，使其远离第一输出波导1070的路径。
以下要参照图9解释调制器100的工作方式。调制结构1050最初是没有偏置的，提供一种未经修改的折射率。基本模式光辐射沿输入波导1020传播到第一混合区域1040a并注入其中。注入的辐射受到模间耦合，因而在第一区域1040a内部激发产生一系列高阶辐射模式，第一区域1040a能够支持这一系列模式。混合区域1040a，1040b是这样设计的，在结构1050没有偏置时，模式在构造上相干，在第一输出波导1070的入射口上提供一个辐射节点，并在滤波器1010的入射口上提供一个辐射反节点。随之，输入波导1020上的辐射输入通过其滤波器1010被耦合到第二输出波导1080而不是第一输出波导1070。在结构1050受到电气偏置而产生一个电场从而因Pockels效应改变其折射率时，就会在滤波器1010的入射口上形成一个节点，并在第一输出波导1070的入射口上形成一个反节点。形成的节点和反节点导致通过输入波导1020输入的辐射被明显耦合到第一输出波导1070而不是滤波器1010及其相关的第二输出波导1080。
在调制器1000中，在混合区域1040a，1040b中激发一系列模式是操作的一个基本方面。滤波器1010能够确保只有基本模式辐射才能通过第二混合区域1040b进入第二输出波导1080。调制器1000的消光率性能因包括了滤波器1010而随之得到改善。
必要时可以将本发明的滤波器例如是滤波器810作为一个输入滤波器，在对第一混合区域1040a的入射口处与输入波导1020串联。输入滤波器能够有效防止高阶模式辐射沿波导1020传播而对第一和第二混合区域1040a，1040b内的多模激发形成干扰。因此，包括滤波器1010和输入滤波器就能改善调制器1000的消光性能。
滤波器1010是按自动对准工艺制作的，例如用来制作图4中所示滤波器300所采用的方法。
空间滤波器设计领域的技术人员可以看出，无需脱离本发明的范围还能对滤波器200，300，810，1010进行修改。也能用其它类型的波导技术制作按照本发明的滤波器，例如是铟磷(InP)肋波导技术或二氧化硅或是硅加二氧化硅肋波导技术。甚至还能用空心波导技术来实现按照本发明的滤波器，例如是在铝衬底中机加工的空心波导，用来引导波长在10μm的辐射，还有拼接光纤波导技术。无论采用哪种波导技术，本发明需要两个以上相互接合的波导段，它们对沿途传播的基本辐射模式是基本匹配的，而对沿途传播的高阶模式辐射不匹配。

Claims (24)

1.一种用来接收输入辐射并输出对应的滤波输出辐射的导波空间滤波器，滤波器包括串联连接的第一和第二波导段，该波导段：
(a)相互配合发射出现在输入辐射中的基本模式辐射分量通过，提供输出辐射；并且
(b)相互失配来阻止出现在输入辐射中的高阶模式辐射分量传播通过，防止其影响输出辐射。
2.按照权利要求1的空间滤波器，其特征是波导段包括肋波导。
3.按照权利要求2的空间滤波器，其特征是第一段侧面是第一区域，而第二段侧面是第二区域，第一区域被蚀刻得比第二区域浅。
4.按照权利要求3的空间滤波器，其特征是第二区域被蚀刻到足够深，使得由波导段耦合的辐射基本上不能在第二区域内传播。
5.按照权利要求3或4的空间滤波器，其特征是第二区域在空间上被第一区域与第二段隔离。
6.按照权利要求5的空间滤波器，其特征是第二区域朝第二段逐渐变细，提供一个针孔型滤波器。
7.按照权利要求3或4的空间滤波器，其特征是第二区域延伸到第二段上面。
8.按照权利要求7的空间滤波器，其特征是第二段包括朝着其肋波导向外倾斜的壁，这些壁相向倾斜阻挡沿第二段传播的横向模式辐射。
9.按照权利要求3或4的空间滤波器，其特征是第二区域的边界边沿相对于第二段的纵轴按不垂直角设置，这些边沿能偏转所接收的受约束高阶模式辐射远离沿第二段的辐射传播路径。
10.按照权利要求2到8之一的空间滤波器，其特征是第二段的肋波导在横向上比第一段的肋波导宽。
11.按照上述权利要求之一的空间滤波器，其特征是用III-V化合物材料来制作。
12.按照上述权利要求之一的空间滤波器，其特征是第二段具有配置在第二段前、后的两个第一段，各段串联连接。
13.一种光辐射分光器，它包括用来支持内部传播的多模辐射的一个辐射混合区，用来向混合区注入辐射的输入波导，由混合区接收辐射输出的多个输出波导，并且在输入波导与混合区之间包括按照上述权利要求之一的一个空间滤波器，用来由输入波导向混合区发射基本模式辐射，并且阻止高阶模式辐射由输入波导注入混合区。
14.按照权利要求13的分光器，其特征是至少一个输出波导通过权利要求1到11之一的空间滤波器被连接到混合区，滤波器能够防止高阶模式辐射从混合区耦合进入上述至少一个输出波导。
15.一种光学调制器，它包括调制装置，用来响应提供给该装置的控制信号将辐射选择分流输入到多个输出路径之间的装置，至少一个输出路径包括按照权利要求1到11之一的滤波器，用来由该装置向上述至少一个输出路径发射基本模式辐射输出，并且阻止高阶模式辐射从该装置传播到上述至少一个输出路径。
16.按照权利要求15的调制器，其特征是调制装置和输出路径是以肋波导的形式构成的，调制装置和滤波器侧面的区域被蚀刻到足够深，使它们基本上不能支持高阶模式辐射传播通过。
17.按照权利要求16的调制器，其特征是至少一个输出路径包括使路径能与调制装置接合的栅格肋波导边界，采用这种边界能够使路径按照比没有栅格边界时更大的角度远离调制装置突出。
18.按照权利要求14到16之一的调制器，其特征是包括用来向调制装置注入辐射的一个输入路径，通过权利要求1到11之一的滤波器路径输入路径，滤波器能够由输入路径向调制装置发射基本模式辐射，并且防止高阶模式辐射由输入路径注入调制装置。
19.按照权利要求14，15，16或17的调制器，其特征是调制装置包括一个用所感应的电场去改变折射率的结构，用来选择分流输入到调制装置的辐射到输出路径。
20.一种制作导波空间滤波器的方法，用来接收输入辐射并输出对应的滤波输出辐射，滤波器包括串联连接的第一和第二肋波导段，各段相互配合发射出现在输入辐射中的基本模式辐射分量通过，提供输出辐射，并且相互失配来阻止出现在输入辐射中的高阶模式辐射分量传播通过，防止其影响输出辐射，该制作方法包括以下步骤：
(a)提供一个用来形成滤波器的衬底；
(b)限定并形成肋波导段；并且
(c)限定并形成为各段赋予其辐射模式滤波特性的结构，肋波导段在该方法中被用来限定该结构的边界，并由此为该方法提供一种自对准作用。
21.基本上参照图3到9所述的一种导波空间波器。
22.基本上参照图3到9所述的一种辐射分光器。
23.基本上参照图3到9所述的一种光学调制器。
24.基本上参照图3到9所述的一种制作导波空间滤波器的方法。
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