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CN1643413A - 光路的制造方法和装置 - Google Patents

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CN1643413A CNA038074028A CN03807402A CN1643413A CN 1643413 A CN1643413 A CN 1643413A CN A038074028 A CNA038074028 A CN A038074028A CN 03807402 A CN03807402 A CN 03807402A CN 1643413 A CN1643413 A CN 1643413A
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Abstract

本发明描述了一种光子光路器件，其包括一个半导体基底(220)，和两个或多个光学元件(226，228，236，240)，其中在所述半导体基底中形成一个或多个空心光波导(230，232，234)，从而光学上连接所述两个或多个光学元件。该PLC可包括一个盖部分(44)和一个基座部分(42)。可以使PLC适合于接收光学元件(8；608)或者光学元件可以单片地形成于其中。此外还公开了具有反射层的涂层。

Description

光路的制造方法和装置
本发明一般地涉及集成光学装置，更加具体地涉及改进的光子光路(PLC)装置。
光子电路模块是构成许多光学通信、传感器和仪器设备的主要部分。在这种光子电路装置中，许多光学元件是刚性地固定在适当的位置，典型地使用波导如光纤在光学上连接需要的元件。这些光学元件和相互连接的纤维是固定在合适的基底上的适当位置。
用于光子电路的安装技术的一个实例是硅光具座(SiOB)。正如名称所表示的，SiOB是由硅或类似的半导体材料制成的光具座。利用微制造处理在硅材料中蚀刻出通道和插槽，从而固定各种光学元件。微制造处理的高精度允许光学元件和光纤在各个插槽和通道中相对于彼此精确地对准。这提供了所谓的元件“被动对准”，并降低了主动确保将光学电路的各个元件彼此对准的要求。还可以使用自由空间光学器件例如透镜等等，将光在各个光学元件之间引导。
还已知的是例如参考US4902086和EP0856755，能够淀积各种材料层从而形成与SiOB集成的波导。典型地，在硅基底上形成一个基层例如二氧化硅。然后将具有高折射率的掺杂二氧化硅的层即芯线层淀积在低折射率基层的上部。对芯线层构图以形成合适的波导。视需要，还将低折射率材料的上部覆层淀积在已构图的芯线层上。换句话说，直接在硅基底上形成波导而不是作为独立的光纤来制造。
已知的包括那些基于SiOBs的光子电路装置的缺点是每个光学元件必须以较高的精确程度与相关的波导对准，以便确保有效的光学连接。除了确保精确的光纤和光学元件的物理对准，还必须将来自每个二氧化硅波导的端部的不期望的反射减到最小。这就要求波导与光学元件折射率匹配，或者使用凝胶或抗反射涂层。此外要求透镜为元件之间的光的自由空间耦合提供方便。这些要求增大了复杂性，从而增加了光子电路的制造成本。
本发明的一个目的是减轻上述缺点中的至少一些。
根据本发明的第一方面，光子光路装置包括一个半导体基底和两个或多个光学元件，其中在所述半导体基底中形成一个或多个空心光波导，从而在光学上连接所述两个或多个光学元件。
本发明比现有技术的光子电路装置有利，因为其不需要为元件之间的连接提供光纤，或者淀积材料层以形成实心波导。本发明提供了一种容易制造的光子光路(PLC)，并且它比现有技术的成本更低。
连接多个元件和空心光波导的另一个优点是增加了光功率，从而电路能够比现有技术更好地对光子电路进行控制，该光子电路使用了实心(典型地是二氧化硅或硅)波导连接光学元件。此外，在波导的表面上不需要指数匹配凝胶或环氧树脂或抗反射涂层。
如此形成空心波导，以便在PLC的光学元件之间引导光。这些光学元件可以是任何能够形成、检测或作用于光信号的设备；例如光束分离器/复合器、标准结构、透镜、波片、调制器、激光器、光检测器或致动光学元件。术语光学元件还应该包括形成于空心波导中的光学结构或从空心波导形成的光学结构，例如表面光栅轮廓等等。空心波导可以是平面的或者是如下面描述的二维的导向。光学元件还可以是一个光纤电缆；例如可以使用光纤电缆将光引入PLC或从PLC引出。
利用微制造技术可以高精度地蚀刻半导体基底。有利地基底包括一个多层晶片；例如SiGe或绝缘体上硅(SOI)或玻璃上硅。本领域技术人员可以理解微制造技术典型地包括光刻步骤，以便限定图案，随后是蚀刻步骤，从而在基底材料上或基底材料中的一个或多个层中传输图案。光刻布置包括照相平版印刷术、x射线或电子束光刻。可以使用离子束铣削、化学蚀刻、干等离子蚀刻或深干法蚀刻(也称为深硅蚀刻)进行蚀刻步骤。这种类型的微制造技术与不同层的淀积技术如溅蚀、CVD和电镀是一致的。
有利地，半导体基底包括一个或多个对准槽，每个对准槽适合于接收成对准的光学元件。使对准槽形成需要的形状以接收光学元件，因此可以比空心光波导更深/更浅和/或更宽/更窄。
这样可以以足够的精度制造对准槽，从而对准其接收的光学元件。将光学元件放置在这种对准槽中可以自然地对准光学元件，而不需要元件对准或调节步骤。可以使用在电子电路等的制造中使用的这种常规的挑选和放置技术将光学元件放置在对准槽中。
或者，挑选和放置技术可以提供必要的对准。例如，当将元件放置并固定(例如粘结)保持对准时，元件可以精确地对准。
可以以一定的尺寸公差制造对准槽和(特别是)光学元件。在光学元件和相关联的空心光波导之间的耦合效率将随着光学元件相对于空心波导的对准角度误差的增大而降低。然而，虽然由于减小的芯线尺寸和增大的(更严格的)横向对准公差，会导致光波导中略微增加的损失，但是空心波导的截面尺寸的减小可以增大可接收的角度对准公差。因此，可以了解对准公差，同时某一光学元件(例如通过对光学元件的制造公差的了解)允许选择空心波导的尺寸，从而确保高耦合效率。
还可以如此形成对准槽，以便在适当的位置夹持实心光纤，从而允许光学输入/输出给PLC。还可以提供阶梯形光纤对准槽以固定缓冲层和覆层。例如通过夹紧在对准槽中的光纤覆层，可以实现空心光纤的芯与PLC上的空心波导的对准，这是特别有利的，因为空气芯与空气芯的连接将没有任何不期望的反射。
为了提供光纤的芯和PLC的空心波导之间的有效耦合，空心波导的截面应该适合于光纤芯的截面。在实心纤维的情况下，进入覆层的泄漏意味着纤维具有的模态的宽度实际上比芯直径更大；例如典型地10μm的实心单一模态的玻璃纤维具有大约14μm的总场宽度。如果模态宽度与空心波导的芯不同，可以使用透镜(例如球形或GRIN杆状等等)扩大或减小光场，以便能够使光导入/导出具有不同尺寸芯的纤维给PLC的空心波导的纤维。实心纤维的纤维端部可以是抗反射的。
便利地，两个或多个光学元件中的一个或多个由半导体基底材料制成；即可以形成单片元件。
或者，PLC上的一些或者所有光学元件，以及通过在半导体基底中形成的空心波导相互连接的光学元件可以如上面所描述的连接到半导体基底。换句话说，可以形成一种混合电路装置。
有利地，所述两个或多个光学元件中的至少一个包括一个微机电(MEMS)装置。该MEMS元件可以是混合电路或单片电路。采用的MEMS包括微机械元件、微系统技术、微机器人技术和微工程学技术。MEMS光学元件的实例包括对准元件、下推式菲涅耳透镜、回转仪、可移动反射镜、可调Fabry-Perot空腔、自适应光学元件、开关、可变光学衰减器、滤光器等等。
便利地，半导体基底形成光子光路装置的基座部分，附加地提供一个盖板部分以便形成所述空心光波导。
方便地，一个或多个光学元件连接在盖板部分上。光学元件可以仅安装在盖板上、仅安装在基座部分上或者既在盖板上又在基座上。
盖板部分可以由半导体材料例如硅制成，有利地可以在盖板部分上形成一个或多个光学元件。或者盖板部分可以由玻璃制成。优选地，盖板应该具有与基底相同的热膨胀特性；例如盖板由与基底相同的半导体材料制成。
在盖板安装元件的情况下，将基座部分蚀刻，以便形成空心波导结构，并提供用于光学元件的凹槽，这些光学元件由盖板部分形成或与盖板部分连接。在基座部分上安装盖板部分允许光学元件与基座部分的光波导对准。本领域技术人员应该理解可以提供各种技术，例如精确对准配合的部件或晶片或芯片对准工具，从而确保盖板和基座的精确对准。或者，可以直接在形成于基座部分中的对准槽中安装一些或所有的光学元件。这使得盖板部分安装在基座部分上，而不需要精确对准盖板和基座部分。
便利地，盖板部分具有一反射涂层。该反射涂层可以根据需要覆盖所有的盖板部分或选择的部分。有利地，该反射涂层可包括一材料层，该材料的折射率比在工作的波长带范围中的波导芯的折射率低；例如金、银或铜。或者，可以提供一层或多层电介质材料或碳化硅层。
本领域技术人员应该理解盖板部分和基座部分是如何连接在一起的。例如，可以使用中间层如导电的或非导电的环氧树脂。或者，在金属层的情况下，该金属层被用作低折射率层，可以形成金属半导体共晶结合。可以使用玻璃粉技术将盖板连接到半导体基座部分，或者如果盖板是由玻璃制成，可以使用阳极技术。
有利地，半导体基底包括硅。这可以以各种形式提供，例如以晶片形式(例如硅、绝缘体上硅或玻璃上硅)或者作为硅基底上的外延层(例如锗化硅或砷化镓)。有利地，可以使用SOI。
便利地，形成一个或多个空心光波导的第一内表面的光学特性与形成该空心光波导的第二内表面的光学特性不同。这使得可以形成空心波导，从而更加有效地导向一定偏振的光，正如下面参考图6所详细描述的。
或者，所述一个或多个空心光波导的至少一些内表面具有反射涂层。
有利地该反射涂层包括一层材料，该材料的折射率比在工作的波长带范围中的波导芯的折射率低。
在PLC波导范围中该具有比空心波导芯更低的折射率的材料层可提供光的全内反射(TIR)，由此可减小光损失。
应该注意的是当形成空心光波导结构时，中空芯线可能会填充空气。这里芯线的折射率假定为在大气压和大气温度下空气的折射率(即n≈1)。然而，应该看到这决不是对本发明范围的限制。该中空芯线可以包含任何流体(例如液体或任何惰性气体例如氮气)或者是真空。术语中空芯线仅表示没有任何固体材料的芯线。此外，这里采用的术语全内反射(TIR)应该包括衰减的全内反射(ATIR)。
便利地，在空心光波导的内表面上的反射材料是一种金属例如金、银或铜。这些金属在一定的波长范围上具有合适的低折射率，这由金属的物理特性决定的；标准的课本例如“the handbook of optical constants”(作者E.D.Palik，Academic Press，London，1998)提供了各种材料的相关折射率的波长的精确数据。特别地，在波长为大约500nm-2.2μm的范围中金的折射率比空气小；这包括了在重要的无线电通讯波段1400nm-1600nm中的波长。铜具有的折射率在560nm-2200nm的波长范围上小于单位(unity)，而银在320nm-2480nm的整个波长范围上具有相似的折射率特性。
利用本领域技术人员公知的各种技术可以淀积金属层。这些技术包括溅射、蒸发、化学汽相淀积(CVD)和(电的或少部分电的)镀覆。CVD和电镀技术可以进行金属层淀积，而没有显著的与厚度变化相关的方向。甚至使用旋转试样和/或源的溅射也可以提供镀层。因为电镀技术可以进行成批(例如多个基底平行的)处理，因此是特别有利的。
本领域人员应该理解可以在淀积金属层之前在空心波导上淀积粘附层和/或阻挡扩散层。例如，在淀积金之前，可以提供铬或钛层作为粘附层。也可以在金淀积之前在粘附层上淀积扩散阻挡层，例如铂。或者，可以使用组合的粘附和扩散层(例如氮化钛、钛钨合金或绝缘层)。
便利地，通过全电介质或金属-电介质堆叠在空心波导(包括任何盖板部分)的内表面上提供反射涂层。本领域技术人员应该理解电介质层的光学厚度具有决定涂层的反射特性的干涉效应。利用CVD或溅射或反应溅射可以淀积电介质材料。或者，利用与淀积的金属层发生化学反应来形成电介质层。例如，银层可以与卤化物发生化学反应，从而生成卤化银的薄表面层。
换句话说，可以通过全电介质或金属-电介质堆叠在空心波导(包括任何盖板部分)的内表面上提供反射涂层。本领域技术人员应该理解电介质层的光学厚度给出需要的干涉效应，并由此决定涂层的反射特性的。在某种程度上，涂层的反射特性可以由材料的特性决定，在该材料中形成空心波导。因此，在下面的半导体基底还可以形成一基层，并构成任何这种多层电介质堆叠的一部分。
此外，便利地在空心波导的内表面上的这层材料是碳化硅。
如上所述，可以选择附加的低折射率材料层在任何需要的波长下提供有效的工作。碳化硅的折射率在10.6μm时为0.06，从而使这种材料特别适合包括在工作在该波长下的装置中。
有利地，一个或多个空心光波导中的至少一个具有大体上矩形(这里的矩形应该包括正方形)的截面。正方形或者几乎是正方形截面的空心波导提供了一个波导，在该波导中损失大体上是偏振相关的，并且当光的偏振态未知或改变时，这种空心波导是优选的。
优选地，矩形空心光波导具有平行于第一波导壁的第一截面尺寸和垂直于所述第一截面尺寸的第二截面尺寸，其中该第一截面尺寸比第二截面尺寸大至少5％或10％或15％或25％或50％。正如下面参考图7d所描述的，对于已知偏振的线性偏振光这种波导是优选的。
有利地，限定至少一个矩形内截面的空心光波导的表面的折射率大体上是相同的。这能够减小在波导中的偏振相关损失。
优选地，形成矩形内截面的空心光波导的相对表面具有大体上相同的有效折射率，而形成矩形内截面的空心光波导的相邻表面具有不同的有效折射率。正如下面参考图7a-7c所描述的，当导向已知的线性偏振光时，减小相对的一对波导壁的折射率能够减小传输损失。
有利地，矩形内截面的空心光波导的一对相对表面具有高折射率涂层。优选地当如下面所描述的反射s-偏振光时，可提供想要的高折射率。
还可以将基底的半导体材料掺杂成改变它的光学特性，以减小空心波导损失。
便利地，一个或多个空心光波导中的至少一个支持基本模态传播。此外，有利的是一个或多个空心光波导中的至少一个支持多模态传播。优选地，多模态区域是在这样一个长度下，使得如下面所详细描述的再成像可以发生。
本领域技术人员应该理解空心波导的形状和尺寸将影响相关的光学导向特性。例如，可以使用锥形的空心波导提供光束扩展或光束压缩功能。利用微制造技术可以制造具有高分辨率的空心波导，以允许根据需要减小导向特性成最佳的PLC工作。然而本领域技术人员应该理解通过使用这种类型的微制造加工在某种程度上可以规定空心光波导的形状。例如在[100]硅片中可以容易地湿蚀刻出V形-槽，同时利用湿蚀刻也可以容易地在[110]硅片中提供矩形波导。然而，深反应离子蚀刻(DRIE)可提供最容易的制造。
有利地，提供一种装置，它可使用波长范围为0.1μm-20μm、0.8μm-1.6μm或者更优选地范围是1.4μm-1.6μm的辐射进行工作。因此金、银和铜涂层的光学特性使得这些金属特别地适合于包括在用于在无线电通讯波长带(例如在波长中心大约为1.55μm时使用)中操作的PLC装置中。有利地，该装置可以在3-5μm或8-12μm的热红外带下操作。
便利地，该半导体基底包括至少一个对准槽，并布置成接收光纤电缆和在光学上通过所述半导体基底的一个或多个空心光波导中的一个耦合所述光纤电缆。
此外，有利地在对准槽的附近提供模态匹配装置，从而允许各种模态的光纤和相似模态的具有不同芯线直径的空心光波导之间的耦合。例如，在基本模态光纤的情况下，模态匹配装置耦合基本模态的光纤和基本模态的空心波导。在多模态传播的情况下，将光纤的波模频谱与空心波导的波模频谱匹配。有利地，该模态匹配装置包括GRIN杆、球形透镜、常规透镜或菲涅耳透镜。
或者，对准槽可以布置成接收有透镜的光纤。
优选地，对准槽布置成接收空心光纤。该光纤可以是多模态的或单一模态的。
有利地，所述两个或多个光学元件中的至少一个包括镜式表面，该表面形成一角度以将光导出半导体基底平面。该镜式表面可以是单片电路(例如如图15所描述的有角度的半导体表面)或混合布置。换句话说，PLC并不限于将光导入基底表面平面。可以将光导出基底平面。例如可以根据本发明制造堆叠的或三维的PLC。
便利地，PLC还可以包括至少一个微波元件和/或空心微波波导。换句话说，可以提供一个光/微波混合电路。
根据本发明的第二方面，一种用于光子光路的基座部分，包括一个半导体基底，该半导体基底包括形成于其中的一个或多个空心通道，其中所述基座部分如此布置，使得当与合适的盖板部分相结合时，形成至少一个空心光波导。
便利地，在基座部分的半导体基底中形成至少一个插槽，以接收对准的光学元件。
根据本发明的第三方面，用于光子光路的基座部分包括一个半导体基底，其中形成了一个或多个空心波导通道和至少一个接收对准的光学元件的插槽。
根据本发明的第四方面，一种制造光子光路的方法，包括以下步骤：采用根据本发明第二或第三方面的基座部分，并将其与一盖板连接。
根据本发明的第五方面，一种制造光子光路装置的方法，包括以下步骤：在半导体基底中微制造一个或多个空心通道，这些空心通道适合于用作空心波导。
便利地，还包括以下步骤：为了对在基底中的光学元件进行被动对准，在半导体基底中形成多个插槽。可以利用微制造技术或精密工程学技术例如激光加工来制造插槽。
有利地，该方法还包括步骤：在空心通道的内表面涂覆一层材料，该材料的折射率比在工作的波长带范围中的波导芯的折射率低。
根据本发明的第六方面，一种制造光子光路的方法，包括以下步骤：(a)采用半导体基底，其中形成至少一个空心光波导和接收光学元件的至少一个插槽，以及(b)将光学元件引入到至少一个插槽中，由此将光学元件引入到至少一个插槽中的步骤也可以用于对准所述光学元件。
根据本发明的第七方面，提供一种适合于在可变形材料层中形成图案的母片，其中该母片包括适合于构图的半导体材料，从而在所述可变形材料中形成至少一个空心波导通道和至少一个对准槽，其中所述至少一个对准槽布置成接收对准的光学元件。
或者，可以在半导体基底中形成一个母片，以允许制造次级母片。然后使用该次级母片在可变形材料中形成需要的图案，从而限定PLC。还可以使用母片或次级母片作为模型在可固定的层中形成需要的图案。
根据本发明的第八方面，一种形成光子光路的方法包括以下步骤：(a)使用根据本发明第七方面的母片来持久地在可变形材料层中形成图案，和(b)将至少一个光学元件引入到在可变形材料中形成的至少一个对准槽中。
因此提供一种光子光路器件，其包括一个半导体基底，其中在半导体基底中形成有一个或多个空心光波导。
现在参考附图仅仅作为实例描述本发明，其中；
图1示出了现有技术中典型的包括多个光学元件的SiOB；
图2示出了在某些现有技术的SiOB装置中使用的集成实心波导；
图3示出了根据本发明的PLC的一部分；
图4示出了根据本发明的多个空心波导；
图5示出了各种空心波导的截面视图；
图6示出了用于s-偏振和p-偏振光的镀铜表面的菲涅耳反射系数；
图7示出了四个附加空心波导的截面视图；
图8a示出了一个空心分光镜，图8b示出了一个布鲁斯特片，图8c示出了硅的反射率随s-偏振和p-偏振光的入射角变化的函数；
图9示出了在硅基底中形成的一个单片透镜(图9a)和聚焦反射镜(图9b)；
图10示出了一个PLC，在该PLC中光被导入和导出光纤电缆；
图11示出了在硅基底中形成的锥形波导；
图12示出了在硅基底中形成的空心波长信号分离器；
图13示出了一个空心近程耦合器；
图14示出了一个既有空心波导又有实心波导的PLC；
图15示出了一个具有镜式表面的PLC，该表面形成一角度以耦合从基底平面出来的光；
图16示出了在本发明的PLC中使用的空心波导的光损失；
图17示出了角度失准的结果；
图18示出了横向偏移的结果；
图19示出了将一元件对准地固定在对准槽中的装置。
参考图1，它示出了典型的现有技术的硅光具座装置。
图1a示出了具有微制造的空心槽4和一对焊料接头6的硅光具座2。该硅光具座2布置成固定激光器8和二氧化硅光纤电缆10。
图1b示出了二氧化硅光纤10和安装在硅光具座2上的激光二极管8。空心槽4形成具有足够高的精度，以便激光器8输出的光与二氧化硅光纤10的末端精确对准。焊料接头6提供一个电气连接，并将激光二极管8固定在基底上。
为了使不期望的来自每个二氧化硅波导端部的反射减到最小，提供一个抗反射涂层(未示出)。或者，二氧化硅波导可以是折射率匹配的(例如使用指数匹配凝胶)，并与每个光学元件直接连接。对抗反射涂层和/或指数匹配的要求增加了整个装置的成本，并使得制造更加复杂且费时。
为了简单起见，虽然在图1示出了单个光纤电缆(即二氧化硅光纤电缆10)和光学元件(即激光器8)，但是本领域技术人员应该理解可以使用相同的原理来制造复杂的多元件光子电路。可以在硅光具座上设置多个光学元件，并使用不同长度的二氧化硅光纤波导建立各元件之间的连接。这些光学元件包括例如光调制器、光束分离器、光束复合器、检测器等等。
参考图2，示出了现有技术中用作硅光具座的部件的集成光波导。
将一低折射率二氧化硅层20淀积在硅光具座基底22上。在该二氧化硅层20上形成一掺杂二氧化硅的高折射率层，并通过将掺杂二氧化硅的高折射率层部分蚀刻掉来形成一高折射率波导芯24。一低折射率的覆盖层26覆盖高折射率波导芯24。
高折射率波导芯24可用作光波导，同时，与覆盖层相比具有高折射率的芯线由于全内反射可提供光引导。这提供了一个与硅光具座集成在一起的光波导，不仅仅是保持与硅光具座固定连接在一起。因此实心集成光波导是公知的用作安装在硅光具座上的通道中的光纤的另一种选择。然而使用这种集成光波导不会降低指数匹配波导对光学元件的要求，或者提供抗反射涂层。在硅基底上淀积附加的材料层还增加了制造光子电路的复杂程度。
参考图3，它示出了构成本发明的装置的一部分的空心波导光子光路(PLC)；图3a表示该PLC的透视图，图3b示出了沿图3a中虚线标记的“A”的截面。
空心波导PLC40包括一个硅基座42和硅盖板44。激光器8固定在光具座42上并与光具座42对准。将由激光器8发出的光引入到由硅基座和硅盖板44形成的单一模态的空心波导46中。换句话说，空心波导直接形成在硅片中，PLC基座和盖板由该硅片制造。为了简单起见，没有示出与激光器8的电连接，因为本领域技术人员应该理解可以采用各种方式的电连接；例如使用基座42中的二极管隔离的轨道注入。
可以看出图3中的空心波导46具有矩形截面。使用具有大体上相等的深度和宽度的矩形波导(这里术语矩形应该包括正方形)可以减小偏振相关损失，这在无线电通讯应用中是有利的。
尽管示出了矩形波导，波导的截面也可以制成需要的形状。例如，可以使用合适的蚀刻技术在硅基座中形成圆形或抛物线形或V形的波导。还可以在硅盖板44中形成空心的波导结构。然而，这要求对基座和盖板这两者进行构图，也意味着基座和盖板必须精确对准。可以选择空心波导的尺寸以便需要支持基本模态或者多模态传播，下面将详细地进行说明。
在参考图3描述的实例中，使用硅片来形成PLC，这是因为对于本领域技术人员来说，可以使用这类公知的微制造技术以非常高的精度对其进行蚀刻。然而，本领域技术人员还应该理解可以使用任何微制造的半导体材料来制造本发明的PLC。
激光器8是一个连接在硅基座42上的独立元件；换句话说这是一个混合布置。本领域技术人员还应该理解可以将激光器8与盖板连接，或者在硅片自身中形成光学元件。尽管参考图3仅示出了激光器8，但是也可以在硅基座或盖板上设置或形成和/或对准多个光学元件。这样这种技术允许制造复杂的多元件PLC。这些光学元件包括例如光调制器、光束分离器、光束复合器、检测器、光栅、反射镜、GRIN(梯度折射率)透镜等等。下面将更加详细地描述在本发明的PLC中形成的一些这种类型的光学元件的实例。
为了使通过空心波导46的光传输最大，在空心波导46的内表面提供一金层48。例如使用合适的金属淀积技术如溅蚀或电镀，可以容易地将金箔层淀积在硅基座和盖板上。
可以用本领域技术人员熟知的各种方式将盖板与基座连接。不构成空心波导的硅区域可以左端暴露在盖板部分和/或基座部分上，并且盖板和基座可以通过金-硅共晶结合连接。也可以使用加入银的环氧树脂、焊料或聚合物粘合剂连接盖板和基座。盖板可以根据需要仅覆盖基座的一部分。
金层48的存在为具有一定波长的光提供了空心装置中的ATIR，其中该光的波长在无线电通讯波长带(例如波长大约为1.55μm)内。在这些无线电通讯波长下，金具有期望的n＜1的折射率特性。
尽管已经描述了金层48，本领域技术人员应该理解在该波长下具有折射率小于空气(或者任何包含在空腔中的物质)的任何材料都能够淀积在限定空心波导的表面上，其中波导可在该波长下工作。在各种出版物中可以找到不同材料的折射率，例如“the handbook of optical constants”(作者E.D.Palik，Academic Press，London，1998)。典型地金属在给定波长范围上具有小于空气的折射率；特定的波长范围取决于金属的物理特性。
应该注意的是尽管金层48可提供ATIR，但是使用附加的低折射率材料层覆盖空心波导46不是必须的。在0.5μm和300μm之间的波长下硅的折射率是大约3.4，因此由无涂层的硅制成的空心(或填充了空气)波导在这种波长范围中不会提供光的ATIR。然而，无涂层的硅还会通过菲涅耳(Fresnel)反射提供光引导。使用菲涅耳反射来引导光的空心波导将比提供TIR的波导产生更大的光损失，但是在某些情况下这种光损失的增加程度是可以接收的。
如果提供一反射涂层，则基底可以由微制造材料制成而不用半导体。通过使用热模压或注塑技术可以制造例如塑料波导装置。这些技术包括形成母片。可以在半导体材料例如硅片中使用深干法蚀刻形成母片。或者，通过使用LIGA或UV LIGA技术的电铸层来形成母片。一旦形成了母片，就可以在塑料基底中利用压印(例如压模)或热压印形成空心波导。还可以使用适合于形成可用于在塑料基底中形成空心波导的次级母片来形成母片。因此可以形成空心波导并涂覆一反射涂层。涂覆了反射涂层的塑料空心波导还可以由塑料或聚合物制成。例如，可以使用光刻处理在“旋涂的”聚合物涂层(例如可从Microchem，Corporation获得的SU8)上形成空心波导。
尽管参考图3描述了简化的PLC，本领域技术人员应该理解本发明同样可以应用于复杂的PLC。例如，多路光学元件可以安装在PLC上，并通过从PLC基底形成的空心波导进行连接。这种PLC能够形成光信号处理和/或光信号通路和分析系统的基础。下面给出这种PLC的一些实例。
参考图4a，以平面视图的方式示出了在硅基底62中形成的空心波导结构60a、60b和60c。并提供形成角度的表面(例如表面64)以使光偏转90°。
为了使反射上的相位扰动减到最小，理想地该形成角度的表面64需要平直度好于λ/10的表面抛光平面，或者更加优选地是好于λ/20的表面抛光。如果使用1.5μm的波长，可以获得平直度好于150nm的表面抛光。利用微制造技术可以容易地达到这种精度水平，通常微制造技术可达到30-50nm的分辨率。
这样形成角度的表面64提供允许各段空心波导彼此以任意角度定向的反射镜。实际上不可能弯曲光纤电缆转过如此大的角度。如果使用公知的SiOB技术制造类似的光路，就必须提供两段具有分离(精确对准的)反射镜的光纤，以便在光纤段之间将光耦合。因此本发明可以提供比现有技术的SiOB装置更复杂且紧凑的电路布置。
尽管在图4a中示出了单片反射镜，应该理解混合布置也可以提供相同的光学功能。例如，可以制造对准槽来接收成直线排列的抛光反射镜。这种混合布置是有用的，因为它允许使用高光学质量的反射镜，该反射镜可设计成具有最小的偏振相关性；例如它们可以具有偏振相关的多层涂层。
参考图4描述的波导结构大体上都是直的，并利用适当布置的反射镜进行连接。然而，空心波导结构也可以弯曲。例如，参考图4b，它示出了在硅基底62中形成的弯曲波导66。本领域人员应该理解可以获得的最大曲率取决于导轨厚度。
参考图5a，示出了穿过参考图4a描述的这种类型的空心波导结构60的截面。
在硅基底62中形成空心波导结构60，并没置一个硅盖板部分68，其能够以上面描述的方式固定在基底62上，从而提供需要的空心波导。
如图5b所示，每个形成空心69的壁的内表面可以附加地涂覆一层材料70，例如铜、金或银，以便通过TIR增强1.55μm辐射的反射能力。
如果线性地导引已知偏振化的偏振光，可以提供空心波导，在该空心波导中不同的内表面具有不同的光学特性，以进一步减小与波导相关的光损失。
图6示出了对于从空气中以86°入射到表面上的光的菲涅耳反射系数随折射率(n)和该表面对s-偏振(Rs)和p-偏振(Rp)光的吸收(k)的函数。从图6可以看出菲涅耳反射系数非常依赖于光的偏振。因此，如果由矩形空心波导导向的光的偏振态是已知的，那么一对形成波导的相对的表面可以设置成具有低的折射率，以优化对p-偏振光的反射能力，同时第二对相对的表面可以设置成具有更高的折射率，以使对s-偏振光的反射能力最大。
参考图7描述了多种技术，可以用于形成波导，在该波导不同的内表面具有不同的光学特性。
图7a示出了使用绝缘体硅(SOI)制造技术在SOI晶片80中形成的空心波导。该晶片80包括一个在基底84上布置的SiO2材料的绝缘层82，和布置在绝缘层上的硅层86。将该硅层86蚀刻掉到达绝缘层82，以形成需要的通道88。还提供由SiO2材料制造的盖板部分90。
这样就形成了具有由硅制成的第一表面92和第二表面94的空心波导，同时第三表面96和第四表面98由二氧化硅制成。硅的折射率大约是3.5，而二氧化硅的折射率大约是1.5。因此，当沿波导的y-方向传播的光在z-方向被偏振时，减小了波导中的光损失；也就是，在第一表面92和第二表面94有Rs反射，在第三表面96和第四表面98有Rp反射。
参考图7b，示出了在硅基底102中形成的、并具有盖板部分103的空心波导。上壁104(也就是由盖板部分103限定的壁)和下壁106涂覆有第一材料，同时侧壁108和侧壁110涂覆有第二材料。第一材料和第二材料可以选择成分别具有低折射率和高折射率，从而使沿波导的y方向传播的在z-方向偏振的光的光损失减到最小。
尽管图7b示出了涂覆在波导的所有四个壁面的涂层，但是应该理解可以根据需要仅涂覆一个壁面或一对相对的壁面。换句话说，一个或多个壁面可以保持没有涂层，因此可以使用半导体材料的光学特性来形成基底。
此外，对于给定的偏振化光可以根据需要在硅中形成物理结构，从而增强反射能力。图7c示出了如何在包括校准器侧壁结构122的硅基底中形成空心波导。在这种情况下，校准器侧壁结构可以增强反射能力。尽管示出中空部分充满了空气的标准结构，但是可以使用另一种材料(例如液体或气体)代替空气来增强反射能力。
通过控制波导芯的形状也可以进一步减小与空心波导关联的光损失。例如，波导芯越宽，相关的光损失越小。图7d示出了在硅层130中形成的矩形截面波导132，且该波导具有一个硅盖板部分134。波导132的空心宽度“a”小于其深度“b”。因此在z-方向偏振并沿波导132传播的光比如果该光传播通过深度为“a”的波导具有更小的光损失，
还应该注意的是可以在PLC中形成这些结构，在该PLC中光仅在一个平面内被导引；例如，可以布置成沿垂直的轴线有自由空间传播，而在水平轴线为波导。在这种情况下，波导表示的是平面波导；也就是，它们仅在一个平面内导向。可以在一个维数上需要扩束器的地方使用平面波导，同时通过在第二维数上导向来限制光束宽度。如果仅需要在水平平面导向，可以不要盖板。这种转换位置是可能的，在这种转换位置光在波导的盖板和波导基底之间导向，但不在横向平面内导向。
参考图8，其示出了如何在空心波导PLC中形成光束分离器和偏振滤光器。
图8a示出了一个在硅基底160中形成的由空心波导结构制成的光束分离器。该光束分离器包括输入空心波导162、第一输出空心波导164和第二输出空心波导166。传播通过输入空心波导162的光从一薄硅壁168部分地反射进入到第一输出空心波导164中，还部分地传输和耦合进入到第二输出空心波导166中。
输入空心波导162和第一输出空心波导164之间的角度(θ)确定了光入射到薄硅壁168上的角度。如图8c所示，硅片的反射特性取决于入射的角度和入射光的偏振态。这样通过以某一角度(θ)制造装置，就可以选择从输入空心波导162耦合到第一和第二空心波导64和166的功率的相对比例。
此外，如图8b所示，通过没置角度(θ)等于布鲁斯特角来制造偏振分离器。在这种情况下，θ＝74°的角度将导致在z-方向偏振的光通过第一输出空心波导164从装置导引出，同时在x-方向偏振的光通过第二输出空心波导166从装置导引出。
可以在参考图8a和8b描述的这种类型的装置中形成一个标准滤光器来代替薄硅壁168。这将提供一种光学元件，其对于不同波长的光具有不同的反射特性，从而装置也可以作为光谱滤光器工作。
尽管已经描述了单片光束分离器和布鲁斯特片，本领域人员还应该理解可以使用混合布置来实现相似的光学功能。可以在基底中形成对准槽以接收必要的光学元件。
参考图9，可以看出还可以如何形成基底的硅材料以提供聚光功能。
图9a示出了一个硅基底190，在该硅基底中形成了一个硅透镜结构192和空心波导194。该透镜结构192可用作透镜，以使沿空心波导194导引的光196聚焦到点198。这些透镜也可以用于，例如将光聚焦在检测器元件上。
如图9b所示，还可以在硅基底202中形成一成形的硅反射器200，以光学地连接空心波导。该反射器200能够将光以某一角度(在这种情况下是90°)从第一空心波导204导引到第二空心波导206，同时还聚焦光208。此外，这种元件可以在PLC中以多种不同的方式使用，并且因为不需要抗反射涂层，所以可以相对简单地实现。
尽管这里描述的PLC包括一个完整的光学电路，但是典型地通过光纤将光引入或引出PLC也是必要的。
图10示出了在硅基底220中形成并布置成接收来自第一输入光纤222的光的PLC。该第一输入光纤222具有一中空芯线，通过使用输入球形透镜226将来自该第一输入光纤222的光耦合到输入空心波导224。沿输入空心波导224传播的光被导向标准结构228。该标准结构228根据光的光谱特性，在光谱上将光过滤进入第一输出空心波导230或第二输出空心波导232。通过球形透镜236将通过第一输出空心波导230传播的光耦合到第一输出光纤234，通过球形透镜240将通过第二输出空心波导23传播2的光耦合到第二输出光纤238。此外，可以用二氧化硅混合校准滤光器替代示出的单片元件。
尽管在图10中示出了球形透镜，但是作为选择可以使用其它透镜例如GRIN杆状透镜。如果需要也可以使用光束分离器或布鲁斯特片替代校准器结构228。如果需要光纤可以是单一模态的或多模态的。
特别地SOI技术适合于形成与光纤耦合的PLC。这是因为典型的SOI晶片包括一具有一定厚度的硅层，该厚度在制造处理过程中被精确地限定。在SOI晶片的硅层中制造空心波导结构时，对蚀刻处理来说二氧化硅绝缘层用作垂直的“停止层”。因此SOI技术可以提供次-微米通道深度的精度。
应该将SOI蚀刻精度与在纯硅中的通道蚀刻精度进行对比，其中后者的精度为大约百分之几的蚀刻深度。在纯硅晶片中蚀刻一条通道来得到一个纤维(剥除至125.0μm的包层直径)将产生蚀刻通道深度的3.0μm至4.0μm的误差。由于纤维的芯的直径通常只有10.0μm，因此当从一些其他元件(例如从半导体激光器)耦合到纤维/从纤维到一些其它元件时，这种量级的垂直失准将是有害的。因此，基于制造通道的SOI对于对准和可以减小偏振相关损失的波导截面精度有利。
如上所述，本发明的PLC包括允许单一或多模态传播的空心波导。在某些情况下改变空心波导的尺寸是必要的；例如为了有效地将光引入或引出不同的光学元件。
参考图11a，它示出了在硅基底262中形成的空心波导结构260。视需要通过一锥形波导部分268将较宽(125μm)直径的输出波导264与较窄(62.5μm)直径的输入波导266连接。锥形部分的长度是1.875mm。
图11b示出了在输出波导264中传播由输入波导266中的基本模态的输入光束产生的光的强度场，如图11c所示，输出波导264中的输出光主要以基本模态传播。换句话说，锥形波导允许光束尺寸变大，同时确保输出光束功率的大部分耦合到基本模态中。
本发明的PLC还可以包括在基底中形成的空心多模态干涉(MMI)装置。在US5410625中给出了一个光束分离器和光束复合MMI装置的实例。对US5410625的基本MMI装置的变化和改进也是公知的。例如，US5379354描述了输入导向位置的变化如何用于获得多路光束分离器，该光束分离器可将输入辐射分成具有不同强度的输出光束。在US5675603中还公开了使用MMI装置来形成激光腔。MMI分离器和复合器装置的各种组合也可以用于提供光学选路性能；例如参见US5428698。在所有上述情况中，可以用硅和任何其它合适的半导体材料制造用作空心波导的MMI装置，并构成PLC的主要部分。
该MMI装置可以由在基底中形成的多模态区域制造，输入和输出信号模态的光纤电缆与该MMI装置耦合。通过这种方式，可以获得光束分离/复合，其中分离的光束是输入光束的像。
特别地，矩形和正方形截面的中空多模态波导可以设计成通过设计波导的长度来提供对称的、反-对称的和不对称的光学视场的再成像，从而具有与其宽度合适的比例关系。例如对于在正方形截面的波导中对称的场，再成像长度可由波长宽度的平方除以传播辐射的波长得到，即L＝w2/λ，其中L表示波导长度，w表示其宽度，λ表示辐射的波长。在该长度和长度的整数倍即在n·w2/λ的情况下，其中n表示整数，可发生对称视场的再成像。
在50.0μm宽的空心波导和1.55μm的辐射的情况下，再成像的长度由502/1.55＝1613μm＝1.613mm给出。在这个长度以及该长度的整数倍即3.23mm、4.84mm等等可以对对称视场再成像。例如，在1.613mm的距离处，可以对来自单一模态光纤的TEM00高斯输入光束再成像。在再成像点，可以设置任何需要的光学元件。通过这种方式，再成像现象可提供在多个元件之间导引光的另一种方式。
或者，在不对称的光学视场的情况下，在八倍于对称场再成像需要的长度时会发生再成像，即对于50.0μm宽的空心波导在12.09mm(8×1.613mm)处。不对称场的镜像还可以在该长度的一半即在6.05mm处形成。
在水平宽度和垂直宽度基本上不同的矩形波导的情况下，与这两个宽度关联的再成像长度本身是不同的。然而，通过设置矩形空心波导的宽度之间的关系使得对于每个宽度在同样的长度下可以产生再成像，并可以对任何场再成像。
例如，通过没置使得与轴线宽度w1和w2关联的再成像长度L1＝n1·w1 2/λ和L2＝n2·w2 2/λ是相同的，在空心的矩形波导中对称场可以进行再成像。这可以通过使w2＝(n1/n2)1/2W1来实现，这里的w1与前面一样，n1和n2表示整数。
在共同未决的PCT专利申请案GB2002/004560中描述的另一种适合于包括在本发明的PLC中的MMI装置是波长多路分离器，如图12所示。
在硅SOI基底302中形成该多路分离器，其包括一个输入基本模态波导304、中心多模态区域306和四个输出波导308a-308d(共称为308)。波导的尺寸和位置可以如此选择(正如在GB2002/004560中所描述的)，使得进入多模态区域306的四个波长元件与输入基本模态波导304分开，并通过输出波导308独立输出。
还可以形成PLC装置，在该PLC装置中将光近程耦合到相邻的波导中。参考图13，示出了在硅基底346中形成的第一空心波导340、第二空心波导342和第三空心波导344，并具有盖板部分347。硅壁348和350的厚度“c”充分地薄，从而能够使光传输给相邻的波导。可以使用这种类型的近程耦合器元件作为光束分离器；例如导出一小部分的传播光束，而不用将光束分离元件插入到光路中。
参考图14，PLC包括空心和实心(例如“脊状”)硅波导。这在实心和空心技术中能够实现光学功能。
图14a示出了在空心波导400和实心波导402之间的布鲁斯特干涉，这两种波导都是在SOI基底上形成。图14b示出了空心波导400沿B-B的截面，图14c示出了实心波导402沿A-A的截面。该空心波导400在实心波导402的倾斜界面404结束。如此布置波导400和402使得界面处于布鲁斯特角。这样可以提供空心波导和实心波导之间的有效耦合。
参考图15，它示出了空心波导450和形成角度的表面452。该表面452与基底平面成大约45°，从而光454可以耦合出基底平面。图15示出的布置可以用于将光耦合入设置在不同的纵向平面中的其它电路或器件或从它们耦合到该基底平面。通过这种方式，可以产生三维堆叠的PLC(例如三维光学开关)。
单片地制造这种反射镜的一种方式是在偏移角度为大约8-9°的[100]硅材料中精确离轴切割。对于本领域技术人员来说，许多可选择的制造这种形成角度的表面的方法都是显而易见的。也可以使用混合反射镜布置。
参考图16，它示出了表示相关于适合结合到本发明的PLC中的空心光波导的光传输特性的波导长度的经验数据。
曲线500表示预测的在硅基底中形成的、具有宽度和深度为50μm的正方形内芯的空心波导的光传输，测量的点为502a-502c。曲线504表示预测的相似波导的光学特性，其中在每个波导的内表面上涂覆了铜镀层，测量的点为506a-506c。
曲线508表示预测的在硅基底中形成的、具有宽度和深度为125μm的正方形内芯的空心波导的光传输，测量得到的点为510a-510c。曲线512表示预测的相似波导的光学特性，其中在每个波导的内表面上涂覆了铜镀层。在所有图16示出的情况中，可以使用波长为1.55μm的辐射。
可以看出增加波导的尺寸可减小光损失，包含反射涂层(在这种情况下是铜)可进一步减小损失。但是，允许的角度对准公差也减小了。
参考图17，它示出了多个元件角度对准的结果。
图17a示出了一个硅基底600，在该硅基底中形成了第一空心波导602、第二空心波导604和第三空心波导606。在对准槽610中设置一个光束分离元件608。可以看出该元件608具有由元件和插槽的制造公差确定的角度失准(θ)。
图17b表示功率耦合效率在各种模态的空心波导中作为角度失准(θ)的函数。曲线620表示功率耦合到基本模态中，而曲线622表示光功率耦合到更高量级的模态。
参考图18，它示出了横向对准的结果。
图18a示出了距第二空心波导652横向偏移1的第一空心波导650。图18b表示功率耦合系数作为横向位移的函数，其中曲线654表示率耦合到基本模态中，而曲线656表示光功率耦合到更高量级的模态。
从上面可以看出如果适当地选择波导尺寸和和对准公差，可以获得通过由空心波导相互连接的元件的集成系统的基本模态传播。这在多元件系统中尤其重要，该多元件系统可以将光耦合入/耦合出单一模态光纤，因为在基本波导模态中功率的量表示有多少光耦合入/耦合出单一模态光纤。确保在波导中高效率的基本模态传播可以保证良好的耦合到单一模态光纤的基本模态和总体较低的插入损失。
换句话说，可以在波导的宽度以及要求的(波导和元件的)角度和横向对准公差之间交替使用，从而确保实现有效的基本模态传播。通过使波导截面(宽度)足够大，可以获得更低的衰减系数，因为衰减系数与波导宽度反相关。使波导宽度更大也会降低横向对准公差，但是可以看出这使角度对准公差更加严格。
参考图19，它示出了一种确保放置在插槽中的元件精确对准的方法。
一硅基底700具有形成于其中的插槽，以便固定光学元件702，利用公知的微制造技术可以在硅片中形成多个弹簧夹704(也称为微卡爪)。这些弹夹704使得当移动弹簧夹时，它们可提供横向力。通过这种方式，将元件牢固地夹持在插槽中成一直线。
尽管图19示出了围绕光学元件的弹簧夹，但是也能够相对于参考表面例如插槽的侧壁按压元件。本领域人员还应该理解弹簧或其它利用在硅晶片中去除氧化物的牺牲层制造的MEMS特征将产生一定量的底切。如果与对准槽相关联，这种底切没有任何影响，并且对于在矩形空心波导中的传播也没有影响，其中在矩形空心波导中模态分布通常为圆形或椭圆形。
本发明的PLC可以用于实现多种不同的光路。这些光路的实例包括干涉仪(例如Michelson或Mach-Zender)、分光计、激光雷达和MEM装置的光读出(例如传感器或致动器)。本发明的PLC也可以实现电信电路(路由选择器、多路复用器、多路分离器等等)。尽管上面描述了多种光学元件，当然PLC也可以作为选择地或附加地包括微波元件和空心波导来导引微波辐射。这样就能够实现光-微波集成在单一电路中。

Claims (47)

1.一种光子光路装置，包括一个半导体基底和两个或多个光学元件，其中在该半导体基底中形成一个或多个空心光波导，以便在光学上连接所述两个或多个光学元件。
2.如权利要求1所述的装置，其中该半导体基底包括一个或多个对准槽，每个对准槽适合于接收对准的光学元件。
3.如前面任何一项权利要求所述的装置，其中所述两个或多个光学元件中的一个或多个由半导体基底材料制成。
4.如前面任何一项权利要求所述的装置，其中该半导体基底包括硅。
5.如前面任何一项权利要求所述的装置，其中该半导体基底包括绝缘体上硅(SOI)晶片。
6.如前面任何一项权利要求所述的装置，其中该半导体基底形成一个光子光路装置的基座部分，并附加地提供一个盖板部分，以便形成所述一个或多个空心光波导。
7.如权利要求5所述的装置，其中一个或多个光学元件与盖板部分连接。
8.如权利要求6-7中任何一项所述的装置，其中该盖板部分包括半导体材料。
9.如权利要求8所述的装置，其中该盖板部分的半导体材料是硅。
10.如权利要求8-9中任何一项所述的装置，其中在该盖板部分的半导体材料中形成一个或多个光学元件。
11.如前面任何一项权利要求所述的装置，其中所述一个或多个空心光波导的至少一些内表面具有反射涂层。
12.如权利要求11所述的装置，其中该反射涂层包括一层或多层材料，以在操作的波长带范围中提供有效折射率比波导芯低的表面。
13.如权利要求12所述的装置，其中该反射涂层包括至少一层的金、银或铜中的任何一个。
14.如权利要求12或13中任何一项所述的装置，其中该反射涂层包括至少一层电介质材料。
15.如权利要求12所述的装置，其中该反射涂层包括至少一层碳化硅。
16.如前面任何一项权利要求所述的装置，其中至少一个或多个空心光波导中的一个支持基本模态传播。
17.如权利要求1-15中任何一项所述的装置，其中至少一个或多个空心光波导中的一个支持多模态传播。
18.如权利要求17所述的装置，其中多模态区域具有使得再成像可以发生的长度。
19.如前面任何一项权利要求所述的装置，其中一个或多个空心光波导中的至少一个具有大体上矩形的内截面。
20.如权利要求19所述的装置，其中一个或多个空心光波导中的至少一个具有大体上正方形的内截面。
21.如权利要求19所述的装置，其中该矩形空心光波导具有平行于第一波导壁的第一截面尺寸和垂直于所述第一截面尺寸的第二截面尺寸，其中该第一截面尺寸比第二截面尺寸大至少10％。
22.如权利要求19-21中任何一项所述的装置，其中确定至少一个矩形内截面的空心光波导的表面的折射率基本上相同。
23.如权利要求19-21中任何一项所述的装置，其中形成矩形内截面的空心光波导的相对表面具有大体上相同的有效折射率，而形成矩形内截面的空心光波导的相邻表面具有不同的有效折射率。
24.如权利要求23所述的装置，其中矩形内截面的空心光波导的一对相对表面具有高折射率涂层。
25.如前面任何一项权利要求所述的装置，可使用波长范围为0.1μm-20μm的辐射进行操作。
26.如前面任何一项权利要求所述的装置，可使用波长带范围为3μm-5μm的辐射进行操作。
27.如权利要求1-25任何一项所述的装置，可使用波长带范围为8μm-12μm的辐射进行操作。
28.如权利要求1-25任何一项所述的装置，可使用波长带范围为1.4μm-1.6μm的辐射进行工作。
29.如前面任何一项权利要求所述的装置，其中该半导体基底包括至少一个布置成接收光纤电缆，并将所述半导体基底的一个或多个空心光波导中的一个在光学上与所述光纤电缆耦合的对准槽。
30.如权利要求29所述的装置，其中在对准槽的附近附加地提供一个模态匹配装置，从而允许一个光纤的各种模态和具有不同芯线直径的空心光波导的相似模态之间的耦合。
31.如权利要求30所述的装置，其中该模态匹配装置是GRIN或球形透镜中的任何一种。
32.如权利要求29-31中任何一项所述的装置，其中该对准槽布置成接收空心光纤。
33.如权利要求29所述的装置，其中该对准槽布置成接收有透镜的光纤。
34.如前面任何一项权利要求所述的装置，其中所述两个或多个光学元件中的至少一个包括微机电(MEMS)装置。
35.如前面任何一项权利要求所述的装置，其中至少所述两个或多个光学元件中的一个包括镜式表面，该表面形成一角度以将光导出半导体基底平面。
36.如前面任何一项权利要求所述的装置，其还包括至少一个微波元件。
37.如前面任何一项权利要求所述的装置，其中该半导体基底附加地包括空心微波波导。
38.一种用于光子光路的基座部分，包括一个半导体基底，该基底中具有一个或多个形成于其中的空心通道，其中所述基座部分如此布置，使得当与合适的盖板部分相结合时，形成至少一个空心光波导。
39.一种如权利要求38所述的用于光子光路的基座部分，其中在基座部分的半导体基底中形成至少一个插槽，以便接收对准的光学元件。
40.一种用于光子光路基座部分，包括半导体基底，在该基座部分中形成一个或多个空心波导通道和至少一个接收对准的光学元件的通道。
41.一种制造光子光路的方法，包括以下步骤：采用如权利要求38-40中任何一项所述的基座部分，并将其与一盖板连接。
42.一种制造光子光路装置的方法，包括以下步骤：在半导体基底中微制造一个或多个空心通道，这些空心通道适合于用作空心光波导。
43.如权利要求42所述的方法，还包括步骤：为了在半导体基底中光学元件的被动对准，在半导体基底中形成多个插槽。
44.如权利要求42-43中任何一项所述的方法，还包括下述附加步骤：在空心通道的内表面涂覆一层材料，该材料的折射率比在工作的波长带范围中的波导芯的折射率低。
45.一种制造光子光路的方法，包括以下步骤：
(a)采用半导体基底，在该半导体基底中形成了至少一个空心光波导和至少一个接收光学元件的插槽，以及
(b)将光学元件引入到至少一个插槽中，
由此将光学元件引入到至少一个插槽中的步骤还可以用于对准所述光学元件。
46.一种适合于在可变形材料层中形成图案的母片，其中该母片包括适当地构图的半导体材料，从而在所述可变形材料中形成至少一个空心波导通道和至少一个对准槽，其中所述至少一个对准槽布置成接收对准的光学元件。
47.一种制造光子光路的方法，包括以下步骤：
(a)使用如权利要求43所述的母片永久地在可变形材料层中形成图案；以及
(b)将至少一个光学元件引入到在可变形材料中形成的至少一个对准槽。
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