CN100437212C - 平面光波导线路型可变光衰减器 - Google Patents

Abstract

本发明提供偏振波依存性小的波导型可变光衰减器。通过将第一和第二光耦合器部中的波导双折射率(绝对值)设定为3.5×10^-4以上，可使偏振波模式结合为-25dB以下，可抑制由第一和第二光耦合器中交叉口的偏振波模式结合引起的偏振波依存性的影响。此外，或单独地将臂波导长度设计成以波导双折射除使用光波长求出的拍频长的整数倍。

Description

平面光波导线路型可变光衰减器

技术领域

本发明涉及由基板上的光波导构成的波导型可变光衰减器。更详细地说，本发明涉及将作为其构成要素的光耦合器的波导双折射设定在一定值以上，抑制偏振波模式结合，或通过将臂波导的长度设定为双折射拍频长度的整数倍，抑制了偏振波依存性的偏振波无依存波导型可变光衰减器。

背景技术

近年来，为了扩大通信容量，积极开发使用多个光波长的光波长多重通信系统(WDM系统)。在光波长多重通信系统中，从抑制非线性和抑制串音的观点出发，要求使各波长信号的电平相等。现在，为了使该电平相等，广泛使用波导型可变光衰减器。波导型可变光衰减器由于容易进行阵列化等的集成化，从经济化和小型化的观点来看，较此外的散装(bulk)型、磁光学型，MEMS(Micro Electro MechanicalSystems：微电子机械系统)型可变光衰减器有利。

参照附图说明波导型可变衰减器。图8表示现有的代表性的波导型可变光衰减器的俯视图。该波导型可变衰减器100具有输入波导101a、101b、第一光耦合器102、两条臂波导103、104、配置在这些臂波导上的相位控制器105、第二光耦合器106、输出波导107a、107b和薄膜加热器108。110为后述的应力释放槽。

图9为假设在没有形成上述应力释放槽110的现有例的情况下，沿着图8的IX-IX切线的放大截面图。如图9所示，使用热传导性优良的硅基板109作为波导型可变光衰减器100的基板，构成为在埋入有石英类波导103、104的表面上配置有薄膜加热器108。

以下简单地说明该波导型可变光衰减器100的工作原理。从输入波导101a入射的光被第一光耦合器102分支，分为两条臂波导103、104。接着，在具有相位控制器105的臂波导103、104中传输的光通过再次由第二光耦合器106合波而相互干涉，在相互的相位一致的情况下，根据其中间状态时相互的相位差，光分别从两个输出波导107a、107b输出至交叉口输出波导107b；在互相相位偏移π的情况下，该光输出至直通口输出波导107a。入射到第二光耦合器106时两束光的相位关系由设置在臂波导104中的相位控制器105控制。作为相位控制器105，广泛使用由配置在石英类波导103、104上的薄膜加热器108构成的热光学相位控制器。热光学效应由于在原理上没有偏振波依存性现象，所以与光电效应和光弹效应相比，具有偏振波依存性少的特征。

如上所述，使用热光学效应的现有的波导型可变光衰减器由于容易进行阵列化等集成化，所以与使用光电效应和光弹效应等其他技术的可变光衰减器相比，从经济化和小型化的观点来看有利。

然而，实际上，使用热光学效应的现有的波导型可变光衰减器，当增加可变光衰减器的衰减量时，有偏振波依存性(polarizationdependent loss：PDL，偏振依存损失)大的问题。图10表示具有图9的截面结构的可变光衰减器的光衰减量与PDL的关系。如图10所示，在15dB的光衰减量下产生接近4dB的大的PDL。光衰减时的PDL大，这一点在没有规定光纤中的偏振波状态的现行的光通信系统运用上是极大的问题，它是妨碍波导型可变光衰减器普及的最大原因。

这样，现有的波导型可变光衰减器存在当可变光衰减器的光衰减量增加时，要解决光衰减器的偏振波依存性大的问题。

[非专利文献1]：Y.Inoue et al.，“Polarization sensitivity of a silicawaveguide thermo-optic phase shifter for planer lightwave circuits，”IEEE Photon.Technol.Lett.，vol.4，no.1，pp.36-38，Jan.1992.

[非专利文献2]：KIM et al.，“Limitation ofPMD Compensation Dueto polarization-Dependent Loss in High-speed Optical TransmissionLinks，”IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS，VOL.14，NO.1，JANUARY 2002.

发明内容

本发明的目的在于通过消除波导型可变光衰减器偏振波依存性的问题，提供偏振波依存性小的波导型可变光衰减器。

为了达到上述目的，本发明的第一方式为由在基板上形成的波导构成的波导型可变光衰减器，其特征在于：上述可变光衰减器由输入波导、第一光耦合器、第二光耦合器、连接上述第一与第二光耦合器的两条臂波导和输出波导构成，上述第一和第二光耦合器分别为方向性结合器，上述方向性结合器包含与上述两条臂波导接近的区域，特别是上述第一、第二光耦合器的偏振波模式结合在-25dB以下。

这里，可以使特征为构成上述第一、第二光耦合器的该光耦合器部分上的波导的双折射率的绝对值在3.5×10^-4以上。

此外，上述臂波导的长度被设计成为使用光波长除以波导双折射而求得的拍频长的整数倍。

而且，上述臂波导的长度被设计成为使用光波长除以波导双折射而求得的拍频长的整数倍。

此外，优选在上述两条臂波导的至少一条上具有相位控制器，作为可变光衰减器或光开关。

而且，优选上述基板为硅基板，上述波导为石英类玻璃波导。

通过上述结构，根据本发明可以实现光衰减时的PDL(偏振波依存性)小的波导型可变光衰减器、光开关和滤光器。结果，根据本发明，小型且集成性优良的波导型可变光衰减器、光开关和滤光器可实用，因此，本明对光波长多重通信系统的通信装置等经济化等有贡献。

附图说明

图1为表示本发明的第一实施方式的波导型可变光衰减器的结构的俯视图。

图2为放大表示本发明的第一实施方式的波导型可变光衰减器的截面结构的截面放大图。

图3A为表示本发明的第一实施方式的波导型可变光衰减器的波导制造工序的工序图。

图3B为表示本发明的第一实施方式的波导型可变光衰减器的波导制造工序的工序图。

图3C为表示本发明的第一实施方式的波导型可变光衰减器的波导制造工序的工序图。

图3D为表示本发明的第一实施方式的波导型可变光衰减器的波导制造工序的工序图。

图3E为表示本发明的第一实施方式的波导型可变光衰减器的波导制造工序的工序图。

图4是表示波导双折射和方向性结合器交叉口的偏振波模式结合量关系的特性图。

图5为表示本发明的第一实施方式的波导型可变光衰减器的光衰减量与偏振波依存损失(PDL)的关系的特性图。

图6为表示本发明的第二实施方式的波导型可变光衰减器的光衰减量与偏振波依存损失(PDL)的关系的特性图。

图7为表示本发明的第三实施方式波导型可变光衰减器的光衰减量与偏振波依存损失(PDL)的关系特性图。

图8为表示现有技术的波导型可变光衰减器的结构的俯视图。

图9为放大表示现有技术的波导型可变光衰减器的截面结构的截面放大图。

图10为表示现有技术的波导型可变光衰减器的光衰减量与偏振波依存损失(PDL)的关系的特性图。

图11为放大表示现有技术的带有应力释放槽的波导型可变光衰减器的截面结构的截面放大图。

图12为表示现有技术的带有应力释放槽的可变光衰减器的光衰减量与偏振波依存损失(PDL)的关系的特性图。

具体实施方式

(偏振波依存性发生模型和用于抑制偏振波依存性的必要条件)

在说明具体的本发明的实施方式之前，说明分析波导型可变光衰减器的偏振波依存性的原因的结果。

上述在现有技术的项目中石英类玻璃中的热光学效应基本上没有偏振波依存性现象。以下，参照图8和图9说明为什么波导型可变光衰减器具有偏振波依存性。偏振波依存性的主要原因有以下两个。一个是热光学相位控制器105的偏振波依存性，另一个是光耦合器102、106的偏振波模式结合。

首先，在非专利文献1中提出了关于前者的热光学相位控制器105的偏振波依存性的报告。现将该报告的内容简单说明如下。由薄膜加热器108局部地加热的石英类波导103、104膨胀。在这种情况下，向与基板109垂直的方向(图9的上方向)膨胀，而向与基板109平行的方向(图9的横方向)，由于被未加热周围的石英类玻璃(包层：cladding)111包围，所以不能膨胀。结果，在与基板109的表面平行的方向上产生强的压缩应力。该压缩应力由于光弹效应而增加波导(芯部)103、104的折射率。因此，在薄膜加热器108正下面的波导103、104与伴随温度上升的热光学效应一起，利用由局部的玻璃热膨胀引起的光弹效应而增加折射率。由于这样，不论热光学效应本身是否有偏振波依存性，由于热膨胀产生的应力有各向异性，因此光弹效应引起的折射率变化具有偏振波依存性。

如图11所示，通过在热光学相位控制器105(和薄膜加热器108)的两侧形成应力释放槽110，可在一定程度上抑制该光弹效应引起的热光学相位控制器的偏振波依存性。图12表示形成有图11所示的应力释放槽110的可变光衰减器的光衰减量与PDL的关系。在图9的截面结构的可变光衰减器中，15dB衰减时的PDL为3.8dB(参见图10)，而若在图11的带有应力释放槽的可变光衰减器中为1.7dB，则PDL可降低至一半以下值。然而，15dB衰减时的PDL为1.7dB的值，在现行光通信系统的运用上不是充分的值，还需要抑制PDL。本发明的目标是使15dB衰减时的PDL为实际上现行的光通信系统运用上必要的值所要求的0.5dB以下(非专利文献2)。

配置在薄膜加热器108两侧的图11的应力释放槽110，由于具有抑制由薄膜加热器108产生的热加热波导以外的区域的绝热槽的作用，所以对降低热光学相位控制器的消耗电力有效。

其次，说明由光耦合器的偏振波模式结合产生的偏振波依存性。这里，作为光耦合器，可设想图8所示的，使两条波导接近构成的方向性结合器102、106。一般，在平面基板上的波导中，只要没有扰动，就不产生偏振波模式间的结合。但是，在方向性结合器部中，由于芯部接近，当将核心埋入上部包层时，该两个芯部在相互接近的方向上受力。更具体地说明如下。当利用火焰堆积法形成上部包层时，在将玻璃微粒子堆积在芯部上和周围进行的透明化热处理的过程中，玻璃微粒子溶融收缩并覆盖芯部。然而，在由两个芯部夹持的区域中，由于玻璃微粒子供给不足，玻璃变粗，两个芯部被从两外侧向内侧压紧。由于该压力使波导的光学主轴倾斜，所以产生偏振波模式间的结合。由于这样，利用方向性结合器结合的交叉口光的一部分引起偏振波模式结合。另一方面，与两个芯部分离相应，光学主轴回到原来的上下左右，直通口光不产生偏振波模式结合。这种现象不限于方向性结合器的情况，在两条臂波导接近的情况下必然引起。即：在多模式干涉耦合器和非对称X型分支器中，在输入输出端，由于两条臂波导接近，引起偏振波模式结合。其次，分析在存在光耦合器的偏振波模式结合时的光的传输。以下，参照图8说明这种情况。从第一输入波导(输入口)101a经过第一臂波路103传输至第一输出波导(输出口)107a的光由以下式(1)表示；从第一输入波导101a经过第二臂波导104传输至第一输出波导107a的光由以下式(2)表示；从第一输入波导101a经过第一臂波导103传输至第二输出波导107b的光由以下式(3)表示；从第一输入波导101a经过第二臂波导104传输至第二输出波导107b的光由以下式(4)表示。

这里，下式矩阵的第一行表示TE成分，第二行表示TM成分。另外，定义I_TE(TM)为输入光的TE(TM)成分；k为光耦合器的结合效率，α为光耦合器的光学主轴的倾斜。θ_1(2)TE(TM)为第1(2)臂波路103、104的TE(TM)成分的相位变化量。这里，光耦合器的交叉口的偏振波模式结合量以Sin2α表示。

(式1)

$\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\α}& -j\·\sin \mathrm{\α}\\ -j\·\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right)\sqrt{1-k^2}\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\α}& j\·\sin \mathrm{\α}\\ j\·\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}{e}^{\mathrm{j\θ}1\mathrm{TE}}& 0\\ 0& e^{\mathrm{j\θ}1\mathrm{TM}}\end{array}\right)$

$\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\α}& -j\·\sin \mathrm{\α}\\ -j\·\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right)\sqrt{1-k^2}\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\α}& j\·\sin \mathrm{\α}\\ j\·\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{TE}}\\ I_{\mathrm{TM}}\end{array}\right)---\left(1\right)$

$=(1-k^2)\left(\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{TE}}{e}^{\mathrm{j\θ}1\mathrm{TE}}\\ I_{\mathrm{TM}}{e}^{\mathrm{j\θ}1\mathrm{TM}}\end{array}\right)$

(式2)

$\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\α}& -j\·\sin \mathrm{\α}\\ -j\·\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right)\mathrm{jk}\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\α}& -j\·\sin \mathrm{\α}\\ -j\·\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}{e}^{\mathrm{j\θ}2\mathrm{TE}}& 0\\ 0& e^{\mathrm{j\θ}2\mathrm{TM}}\end{array}\right)$

$\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\α}& j\·\sin \mathrm{\α}\\ j\·\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right)\mathrm{jk}\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\α}& j\·\sin \mathrm{\α}\\ j\·\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{TE}}\\ I_{\mathrm{TM}}\end{array}\right)$

$=-k^2\left(\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{TE}}(e^{\mathrm{j\θ}2\mathrm{TE}}{\cos }^{2}2\mathrm{\α}+e^{\mathrm{j\θ}2\mathrm{TM}}{\sin }^{2}2\mathrm{\α})+j{I}_{\mathrm{TM}}(e^{\mathrm{j\θ}2\mathrm{TE}}-e^{\mathrm{j\θ}2\mathrm{TM}})\sin 2\mathrm{\α}\cos 2\mathrm{\α}\\ j{I}_{\mathrm{TE}}(-e^{\mathrm{j\θ}2\mathrm{TE}}+e^{\mathrm{j\θ}2\mathrm{TM}})\sin 2\mathrm{\α}\cos 2\mathrm{\α}+I_{\mathrm{TM}}(e^{\mathrm{j\θ}2\mathrm{TE}}{\sin }^{2}2\mathrm{\α}+e^{\mathrm{j\θ}2\mathrm{TM}}{\cos }^{2}2\mathrm{\α})\end{array}\right)---\left(2\right)$

(式3)

$\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\α}& j\·\sin \mathrm{\α}\\ j\·\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right)\mathrm{jk}\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\α}& j\·\sin \mathrm{\α}\\ j\·\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}{e}^{\mathrm{j\θ}1\mathrm{TE}}& 0\\ 0& e^{\mathrm{j\θ}1\mathrm{TM}}\end{array}\right)$

$\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\α}& -j\·\sin \mathrm{\α}\\ -j\·\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right)\sqrt{1-k^2}\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\α}& j\·\sin \mathrm{\α}\\ j\·\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{TE}}\\ I_{\mathrm{TM}}\end{array}\right)---\left(3\right)$

$=\mathrm{jk}\sqrt{1-k^2}\left(\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{TE}}{e}^{\mathrm{j\θ}1\mathrm{TE}}\cos 2\mathrm{\α}+j{I}_{\mathrm{TM}}{e}^{\mathrm{j\θ}1\mathrm{TM}}\sin 2\mathrm{\α}\\ j{I}_{\mathrm{TE}}{e}^{\mathrm{j\θ}1\mathrm{TE}}\sin 2\mathrm{\α}+I_{\mathrm{TM}}{e}^{\mathrm{j\θ}1\mathrm{TM}}\cos 2\mathrm{\α}\end{array}\right)$

(式4)

$\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\α}& -j\·\sin \mathrm{\α}\\ -j\·\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right)\sqrt{1-k^2}\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\α}& j\·\sin \mathrm{\α}\\ j\·\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}{e}^{\mathrm{j\θ}1\mathrm{TE}}& 0\\ 0& e^{\mathrm{j\θ}1\mathrm{TM}}\end{array}\right)$

$\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\α}& j\·\sin \mathrm{\α}\\ j\·\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right)\mathrm{jk}\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\α}& j\·\sin \mathrm{\α}\\ j\·\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{TE}}\\ I_{\mathrm{TM}}\end{array}\right)$

$=\mathrm{jk}\sqrt{1-k^2}\left(\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{TE}}{e}^{\mathrm{j\θ}2\mathrm{TE}}\cos 2\mathrm{\α}+j{I}_{\mathrm{TM}}{e}^{\mathrm{j\θ}2\mathrm{TE}}\sin 2\mathrm{\α}\\ j{I}_{\mathrm{TE}}{e}^{\mathrm{j\θ}2\mathrm{TM}}\sin 2\mathrm{\α}+I_{\mathrm{TM}}{e}^{\mathrm{j\θ}2\mathrm{TM}}\cos 2\mathrm{\α}\end{array}\right)---\left(4\right)$

从第一输入波导101a向第一输出波导107a的直通口输出取为上述(1)和上述(2)的和，为下式(5)。

(式5)

$\left(\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{TE}}\{(1-k^2)e^{\mathrm{j\θ}1\mathrm{TE}}-k^2(e^{\mathrm{j\θ}2\mathrm{TE}}{\cos }^{2}2\mathrm{\α}+e^{\mathrm{j\θ}2\mathrm{TM}}{\sin }^{2}2\mathrm{\α})\}-j{I}_{\mathrm{TM}}{k}^2(e^{\mathrm{j\θ}2\mathrm{TE}}-e^{\mathrm{j\θ}2\mathrm{TM}})\sin 2\mathrm{\α}\cos 2\mathrm{\α}\\ -j{I}_{\mathrm{TE}}{k}^2(-e^{\mathrm{j\θ}2\mathrm{TE}}+e^{\mathrm{j\θ}2\mathrm{TM}})\sin 2\mathrm{\α}\cos 2\mathrm{\α}+I_{\mathrm{TM}}\{(1-k^2)e^{\mathrm{j\θ}1\mathrm{TM}}-k^2(e^{\mathrm{j\θ}2\mathrm{TE}}{\sin }^{2}2\mathrm{\α}+e^{\mathrm{j\θ}2\mathrm{TM}}{\cos }^{2}2\mathrm{\α})\}\end{array}\right)---\left(5\right)$

在上式(5)中，为便于推侧，假定下式(6)作为光耦合器的结合率。

(式6)

K^-2＝1/2    (6)

从两条臂波路长相等，可得出直通口输出衰减最严重的条件，由下式(7)表示

(式7)

e^jθ1TE＝e^jθ2TE，e^jθ1TM＝e^jθ2TM    (7)

当将上式(6)和上述(7)代入上述(5)中时，可求出不依存于偏振光状态，上式(5)＝0总是成立的条件。这就是偏振波无依存条件。所谓与偏振光状态不依存是指与I_TE与I_TM的强度比和相位差不依存。

(式8)

$\frac{(e^{\mathrm{j\θ}1\mathrm{TE}}-e^{\mathrm{j\θ}1\mathrm{TM}})\sin 2\mathrm{\α}}{2}\left(\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{TE}}\sin 2\mathrm{\α}-j{I}_{\mathrm{TM}}\cos 2\mathrm{\α}\\ j{I}_{\mathrm{TE}}\cos 2\mathrm{\α}-I_{\mathrm{TM}}\sin 2\mathrm{\α}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}0\\ 0\end{array}\right)---\left(8\right)$

从上式(8)导出作为无偏振波依存条件的下式(9)。其中m为整数。

(式9)

Sin2α＝0

且θ_1TE-θ_1TM＝2mπ    (9)

这里，当令第一臂波导103的臂波导长度为L，使用波长为λ，TM光的实际有效折射率为n_1TM，TE光的实际有效折射率为n_1TE，波导双折射为B时，θ_1TE、θ_1TM和B可以分别定义为下式(10)、(11)、(12)。

(式10)

${\mathrm{\θ}}_{1\mathrm{TE}}=2\mathrm{\π}\frac{n_{1\mathrm{TE}}L}{\mathrm{\λ}}---\left(10\right)$

(式11)

${\mathrm{\θ}}_{1\mathrm{TM}}=2\mathrm{\π}\frac{n_{1\mathrm{TM}}L}{\mathrm{\λ}}---\left(11\right)$

(式12)

B＝n_1TM-n_1TE    (12)

将式(10)、(11)代入上述(9)的下段式(以下称为第二式)中，采用式(12)时，得到下式(13)。

(式13)

$L=-m\frac{\mathrm{\λ}}{B}---\left(13\right)$

即：如果从上式(9)、(13)求出光耦合器的偏振波模式结合(Sin2α)为0或者臂波导长度(L)为使用光波长(λ)除以波导双折射(B)而求出的拍频长的整数倍(m)，则可消除直通口输出的偏振波依存性。

同样，从第一输入波导101a向第二输出波导107b的交叉口输出取为上式(3)与上式(4)的和，变成下式(14)。

(式14)

$\mathrm{jk}\sqrt{1-k^2}\left(\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{TE}}(e^{\mathrm{j\θ}1\mathrm{TE}}+e^{\mathrm{j\θ}2\mathrm{TE}})\cos 2\mathrm{\α}+j{I}_{\mathrm{TM}}(e^{\mathrm{j\θ}1\mathrm{TM}}+e^{\mathrm{j\θ}2\mathrm{TE}})\sin 2\mathrm{\α}\\ j{I}_{\mathrm{TE}}(e^{\mathrm{j\θ}1\mathrm{TE}}+e^{\mathrm{j\θ}2\mathrm{TM}})\sin 2\mathrm{\α}+I_{\mathrm{TM}}(e^{\mathrm{j\θ}1\mathrm{TM}}+e^{\mathrm{j\θ}2\mathrm{TM}})\cos 2\mathrm{\α}\end{array}\right)---\left(14\right)$

交叉口输出衰减最严重的条件为两条臂波导长之差为使用光波长的1/2波长的情况。这个条件由下式(15)表示。

(式15)

e^jθ1TE +e^jθ2TE＝e^jθ1TM +e^jθ2TM＝0    (15)

当将上述(15)代入上式(14)时，求出不与偏振光状态依存；上式(14)＝0总是成立的条件。这就是无偏振波依存条件。

(式16)

$-k\sqrt{1-k^2}\sin 2\mathrm{\α}\left(\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{TM}}(e^{\mathrm{j\θ}1\mathrm{TM}}-e^{\mathrm{j\θ}1\mathrm{TE}})\\ I_{\mathrm{TE}}(e^{\mathrm{j\θ}1\mathrm{TE}}-e^{\mathrm{j\θ}1\mathrm{TM}})\end{array}\right)---\left(16\right)$

从上式(16)导出作为偏振波无依存条件的下式(17)。

(式17)

Sin2α＝0

且θ_1rE-θ_1TM＝2mπ    (17)

上式(17)与上式(9)相等。因此，从上式(17)可得出上式(13)。即，如果光耦合器的偏振波模式结合(Sin2α)为0或者臂波导长度(L)为使用光波长(λ)除以波导双折射(B)而求出的的拍频长的整数倍(m)，则可消除直通口输出和交叉口输出的偏振波依存性。

通过以上的考察，求出抑制波导型可变光衰减器和光开关的偏振波依存性的必要条件。

以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。

(第一实施方式)

图1表示本发明的第一实施方式的波导型可变光衰减器的结构。该波导型可变光衰减器100具有输入波导101a、第一光耦合器102、两条臂波导103、104、配置在这些臂波导上的相位控制器105、第二光耦合器106、输出波导107b、薄膜加热器108和应力释放槽110。在本实施方式中，相对于输入波导101a，使用位于交叉口的波导107b作为输出波导。使用交叉口输出的理由为在作为第一和第二光耦合器102、106使用的方向性结合器为相同设计的情况下，可使两者的结合率大致相等，结果，可得到高的可变光衰减量。

图2表示沿着图1的II-II切断线的放大截面图。基本的电路结构与现有技术所述的图11的结构相同。本实施方式与现有技术的不同点为将构成第一和第二光耦合器的方向性结合器102、106的波导双折射率的绝对值设定在3.5×10^-4以上。这里，波导的双折射率B如式(12)定义的那样，为TM模式的实际有效折射率n_TM和TE模式的实际有效折射率n_TE之差(B＝n_TM-n_TE)。

参照图3A～3E的工序图，简单说明本实施方式的波导制造工序。在硅基板109上通过火焰堆积法(FHD)分别堆积在以SiO₂为主成分的下部包层玻璃微粒子301，和在SiO₂中添加有GeO₂的核心玻璃微粒子302(参见图3A)。在这个阶段，为了散射光，玻璃微粒子301和302看起来是白的膜。

然后，在1000℃以上的高温下进行玻璃的透明化。若对表面上堆积有玻璃微粒子301和302的硅基板109慢慢加热，则玻璃微粒子熔融，形成透明的玻璃膜。这时，分别调整玻璃粒子的堆积量，使下部包层玻璃层303的厚度为30μm，核心玻璃层304的厚度为7μm(参见图3B)。

接着，利用光刻技术和反应性离子蚀刻(RIE)在核心玻璃层304上形成图案。这样，在下部包层玻璃层303上形成核心305(参见图3C)

利用火焰堆积法(FHD)将SiO₂上部包层玻璃微粒子306堆积在下部包层玻璃层303和核心305的上部(参见图3D)。

最后进行高温透明化，制造形成有透明的上部包层玻璃层307的埋入波导(参见图3E)。通过在上部包层玻璃层307中加入搀杂剂，降低玻璃转移温度，使得在上部包层玻璃层307的高温透明化工序中核心305不变形。另外，图3E所示的上部包层玻璃层(以下称为上部包层)307和下部包层玻璃层(以下称为下部包层)303与图2的包层111对应，核心305与图2的波导(核心)103、104对应。

波导双折射与核心305的纵横比和基板109、核心玻璃305、包层玻璃303、307等的热膨胀系数和它们的玻璃软化温度有关。由于这样，通过适当选择这些值，可以控制波导双折射。

为了制造波导型可变光衰减器，除了图3A～3E说明的工序外，向上部包层307的表面上形成图1和图2所示的薄膜加热器108以及线路电极，另外，为了抑制由热光学相位控制器105产生的热应力引起的偏振波依存性，形成图1和图2所示的应力释放槽110。

在说明本明的具体实施方式之前，为了证实现有所述的偏振波依存性发生模型，首先评价利用方向性结合器部的偏振波模式结合。另外，根据偏振波模式结合量与波导双折射是否依存的观点，求出两者的相关关系。图4表示利用方向性结合器部的偏振波模式结合量与波导双折射的关系。这里，横轴表示波导双折射，纵轴表示透过一层方向性结合器后的交叉口输出的偏振波模式结合量。从图4可看出，在交叉口输出的偏振波模式结合量与波导双折射之间强的相关。这个现象可解释为“模式结合量与引起结合的两个模式(这里为两个偏振波模式)之间的传输常数差(波导双折射)成反比”。此外，在图4中，对于相同波导双折射，偏振波模式结合量有一定程度的偏差，这可用由于各种扰动偏振波模式结合变动来解释。

如果光耦合器102、106的偏振波模式结合量即|Sin2α|在-25dB以下，则即使上式(16)左边的值最大，对于输入电平也在-25dB以下。换句话说，与输入光偏振波依存的光相对于输入电平为-25dB。因此，在光衰减量15dB下，可将PDL抑制在由下式(18)求出的PDL以下。

(式18)

$\mathrm{PDL}=\mathrm{ABS}\left[10\log \left(\frac{{10}^{\frac{15}{10}}+{10}^{\frac{25}{10}}\·\frac{1}{2}}{{10}^{\frac{15}{10}}-{10}^{\frac{25}{10}}\·\frac{1}{2}}\right)\right]=0.43---\left(18\right)$

即：可将光源推量15dB下的PDL抑制在0.5dB以下。

根据图4，通过将波导双折射的绝对值设定在3.5×10^-4以上，可使偏振波模式结合量在-25dB以下。即，可将光衰减量15dB下的PDL抑制在0.5dB以下。因此，本实施方式的特征是使第一和第二光耦合器102、106的偏振波模式结合量成为-25dB以下，另外，使构成第一和第二光耦合器的方向性结合器的波导双折射率(绝对值)为3.5×10^-4以上。

图5表示作为本发明的第一实施方式实际制造的波导型可变光衰减器的衰减量和PDL的相关关系。在本实施方式中，为了与后述的第三实施方式比较，强行使臂波导长偏离拍频长的整数倍的条件约2.5倍的11mm。

实际制造的波导双折射由塞拿蒙(Senarmont)测定系统另外求出为3.5×10^-4。这时，如图5所示，15dB衰减时的PDL为0.4dB，实现了当初作为目标的0.5dB以下。

在本实施方式中，对图1和图2所示以多器件作为波导型可变光衰减器进行了说明，但通过在入射在第二光耦合层106上时的两个光的相位差为0或π的两个值下使用，图1和图2所示的器件可作为光开关利用。与此同样，以下所述的本发明的其他实施方式也可以作为光开关利用。

(第二实施方式)

本发明的第二实施方式与上述本发明的第一实施方式相同，是对输入波导利用交叉口输出作为输出波导的可变光衰减器，其基本结构与图1和图2相同。第一实施方式与第二实施方式的不同点在于，第一实施方式的特征为“将构成第一和第二光耦合变的方向性结合器的波导双折射率的绝对值设定为3.5×10^-4以上”，而第二实施列的特征在于，“将臂波导长度设定为使用光波长除以波导双折射而求出的拍频长的整数倍”。

在第二实施方式中相当于上式(17)的第二式的偏根波依存条件。

在本实施中，制造的波导的双折射为1.2×10^-4。在这种情况下，利用波导双折射，计算使用光波长1.55μm的偏振波一次旋转的拍频长为12.9mm。在本实施方式中，将臂波导104的长度设计成相当于拍频长的12.9mm。

图6表示利用上述设计条件而实际制造的本实施方式的波导型可变光衰减器的衰减量与PDL的相关关系。从图6可看出，15dB衰减时的PDL为0.9dB，可以抑制在比现有例小的值。

(第三实施方式)

本发明的第三实施方式也与上述本发明的第一和第二实施方式相同，是对输入波导101a使用交叉口输出107a作为输出波导的可变光衰减器。其基本结构与图1和图2相同。第三实施方式的特征兼具作为第一实施方式的特征“将构成第一和第二光耦合器的方向结合器的波导双折射率(绝对值)设定为3.5×10^-4以上”和作为第二实施方式特征的“将臂波导长度设定为使用光波长除以波导双折射而求出的拍频长的整数倍”二者。

实际制造波导的双折射为3.5×10^-4。臂波导的长度设定为拍频长的三倍13.3mm。

图7表示实际制造的第三实施方式的波导型可变光衰减器的衰减量与PDL的相关关系。可看出，15dB衰减时的PDL为0.2dB，另外，在25dB衰减时的PDL也抑制在0.6dB的极小值。这样，由于可以独立设计“将构成第一和第二光耦合器的方向性结合器的波导双折射率(绝对值)设定为3.5×10^-4以上”和“将臂波导长度设定为使用光波长除以波导双折射而求出的拍频长的整数倍”，所以优选是制造同时满足二者的可变光衰减器。

(其他实施方式)

以上，例示并说明了本发明的优选实施方式，但本发明的实施方式不限于上述例子，如在权利要求范围所述的范围内，则其构成部件等的置换、变更、追加、个数的增减、形状设计的变更等各种变形全部包含在本发明的实施方式中。

例如，在上述本发明各个实施方式中，作为制造方法想定火焰堆积法，但作为埋入的波导制造方法，除火焰堆积法以外还有CVD法(Chemical Vapor Deposition：化学气相沉积)，VPE法(Vapor PhaseEpitaxy：气相外延)等气相成长法和飞溅法等物理堆积法。在使用这些制造方法的情况下本发明也有效。

另外，在上述本发明的各个实施方式中，作为光耦合器设想方向性结合器，但在多模式干涉型(Multi-Mode Interference)合分波器，非对称X型分支器等中，在接近核心的区域中，产生偏振波模式结合，作为构成本发明的光耦合器也有效。即：在光合分波器中，对于产生偏振波模式结合的光耦合器，对其形状不依存也有效。

另外，在上述本发明各个实施方式中，表示了使用在硅基板上形成的石英类玻璃波导的光干涉计，但是波导材料除了玻璃以外，还有例如聚酰亚胺、硅酮(silicone)、半导体、LiNbO₃等。本发明的上述原理中也适用。此外，基板的材质也不仅限于硅。

Claims (6)

1.一种波导型可变光哀减器，由在基板上形成的波导构成，其特征在于：

所述可变光衰减器由输入波导、第一光耦合器、第二光耦合器、连接所述第一与第二光耦合器的两条臂波导和输出波导构成，所述第一和第二光耦合器分别为方向性结合器，所述方向性结合器包含与所述两条臂波导接近的区域，特别是

所述第一、第二光耦合器的偏振波模式结合在-25dB以下。

2.如权利要求1所述的波导型可变光衰减器，其特征在于：

构成所述第一、第二光耦合器的该光耦合器部分上的波导的双折射率的绝对值在3.5×10^-4以上。

3.如权利要求1所述的波导型可变光衰减器，其特征在于：

所述臂波导的长度被设计成为使用光波长除以波导双折射而求得的拍频长的整数倍。

4.如权利要求2所述的波导型可变光衰减器，其特征在于：

所述臂波导的长度被设计成为使用光波长除以波导双折射而求得的拍频长的整数倍。

5.如权利要求1～4中任一项所述的波导型可变光衰减器，其特征在于：

在所述两条臂波导的至少一条上具有相位控制器，作为可变光衰减器或光开关。

6.如权利要求1～4中任一项所述的波导型可变光衰减器，其特征在于：

所述基板为硅基板，所述波导为石英类玻璃波导。

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