CN100470278C - 光分路单元及其制造方法 - Google Patents

Abstract

光分路器(1)的基板(10)具有：光输入部分(21)，光线从该部分进入；光分路部分(22A-22G)，它们按预定比率对进入光输入部分的光进行分路；光输出部分(23A-23H)，它们将光分路部分分出的光引导至预定的位置；以及虚设图形(24A-24H)，通过使用与光输入部分、光分路部分和光输出部分相同的材料，这些虚设图形排布在基板上但与光输入部分、光分路部分和光输出部分所占据的基板区域分隔开，以便达到大于70%的占有率，该占有率是排除光输入部分、光分路部分和光输出部分所占据的区域后的比率。

Description

光分路单元及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种光分路单元，它可用在光通信领域并且将输入到输入端的光束输出到多个输出端。

背景技术

PLC(平板型光波导回路)组件是一种光波导回路组件。已报道了一种PLC组件的示例，其中在硅基板上形成了光波导回路的图形，并且部分独立的芯图形设置在具有光波导回路的基板上(特许公开号为11-271545的日本专利申请)。

然而，在上述专利申请11-271545中，对于作为PLC组件的光分路结构，有一个特别的问题。即，在光输入侧和光输出侧波导数目(面积)不相同，并且在基板上干蚀的蚀刻率因负载作用而差别很大。结果，在蚀刻之后，输入侧曲形波导的线宽形成得比设计值要更细，并且在所用波长的长波长一侧该曲形波导的损耗增大。结果，该光分路单元的插入损耗的波长均一性变差。

此外，在蚀刻之后，在基板的所有区域(包括通过蚀刻形成的芯部)上设置镀层，在芯部，镀层像一个凸起那样突出。因此，当用粘合剂固定玻璃盖子时，应力集中在芯部，且PDL(偏振依赖性损耗)恶化了。

发明内容

本发明的目的是提供一种光分路单元，它具有很高的插入损耗波长均一性和很低的偏振依赖性损耗。

本发明提供了一种光分路单元，它包括：光输入部分，用于输入光线；光分路，它按预定比率对输入到光输入部分的光线进行分路；光输出部分，它将光分路分出的光线引导至预定的位置；粘合层，该粘合层在光输入部分、光分路和光输出部分上形成预定的厚度；基板，它承载着光输入部分、光分路和光输出部分；覆盖部件，它通过粘合层盖住基板上的光输入部分、光分路和光输出部分；以及应力均衡部件，它设置在基板上且独立于光输入部分、光分路和光输出部分所在的区域，用于防止粘合层硬化时产生的应力作用于基板上的光输入部分、光分路和光输出部分之一或全部，其中所述应力均衡部件具有一定的面积，使得占有率，即定义为所述应力均衡部件、所述光输入部分、所述光分路和所述光输出部分的总面积相对于所述基板的总面积，至少是70％。

根据上述光分路单元，当用粘合剂固定覆盖部件时所产生的应力的影响减小了。因此，固定覆盖部件之后偏振依赖性损耗(PDL)的恶化得到抑制。

此外，本发明提供了一种光分路单元，它包括：光输入部分，用于输入光线；光分路，它按预定比率对输入到光输入部分的光进行分路；光输出部分，它将光分路所分出的光引导至预定的位置；以及应力均衡部件，它设置在基板上且独立于光输入部分、光分路和光输出部分所处的区域，其构成材料与光输入部分、光分路和光输出部分相同，并且它被限定要具有一定的面积，使得占有率，即定义为所述应力均衡部件、所述光输入部分、所述光分路和所述光输出部分的总面积相对于所述基板的总面积，是70％或更高。

即，在上述光分路单元中，当蚀刻区域被用作光输入部分、光分路和光输出部分时，在基板上所有的区域中蚀刻率基本上相等。因此，通过负载作用，用作光输入部分、光分路和光输出部分的各区域的厚度(宽度)差异的产生得到抑制，并且使每一个区域的宽度(厚度)相等。因此，在光分路单元的曲形波导中，可以使长波长一侧的总损耗减小，并且插入损耗的波长均一性可以得到改善。

此外，本发明提供了一种制造光分路单元的方法，它包括：在基板上堆叠预定厚度的光传输材料层，其折射率比基板高，所述基板被用作光波导；界定用于传输光信号的第一区域以及位于第一区域周围但留有预定间隔的第二区域，并且使蚀刻第一区域的蚀刻率在基板的所有区域中基本上都相等，其中设置所述第二区域的面积使得通过将所述第一区域和第二区域的总面积除以所述基板的总面积而获得的占有率至少是70％；在第一区域和第二区域中形成非蚀刻图形，并且通过蚀刻使基板的其余区域图形化；在图形化后剩余未蚀刻的光传输材料层的所有区域中以及露出的基板区域中设置一种折射率比光传输材料层要低的材料，这样便形成了与第一和第二区域不同的第三区域；以及通过粘合剂将覆盖部件接合到第三区域。

根据制造光分路单元的方法，用粘合剂固定覆盖部件时所产生的应力的影响减小了。因此，固定覆盖部件之后偏振依赖性损耗(PDL)的恶化得到抑制。如上所述，有可能获得高产量，并且光分路单元的成本更低。

此外，本发明提供了一种光分路单元，它包括：光输入部分，用于输入光线；光分路，它按预定比率对输入到光输入部分的光线进行分路；光输出部分，它将光分路所分出的光引导至预定的位置；粘合层，它在光输入部分、光分路和光输出部分上形成预定的厚度；基板，用于承载光输入部分、光分路和光输出部分；以及非光信号传输区域，该区域设置在基板上且独立于光输入部分、光分路和光输出部分所处的区域，并且当光输入部分、光分路和光输出部分形成于该基板上时，光输入部分、光分路和光输出部分沿基板表面方向上的线宽或长度变得不均一的度减小了，其中所述非光信号传输区域具有一定的面积，使得占有率，即定义为所述非光信号传输区域、所述光输入部分、所述光分路和所述光输出部分的总面积相对于所述基板的总面积，至少是70％。

即，在上述光分路单元中，当蚀刻区域用作光输入部分、光分路和光输出部分时，在基板的所有区域中蚀刻率基本上相等。因此，通过负载作用，用作光输入部分、光分路和光输出部分的各区域的厚度(宽度)差异的产生得到抑制，并且使每一个区域的宽度(厚度)相等。因此，在光分路单元的曲形波导中，可以使长波长一侧的总损耗减小，并且插入损耗的波长均一性可以得到改善。

此外，本发明提供了一种制造光分路单元的方法，该方法包括：在基板上堆叠预定厚度的光传输材料层，其折射率比基板高，所述基板被用作光波导；界定用于传输光信号的第一区域以及位于第一区域周围但留有预定间隔的第二区域，并且使蚀刻第一区域的蚀刻率在基板的所有区域中基本上都相等，其中设置所述第二区域的面积使得通过将所述第一区域和第二区域的总面积除以所述基板的总面积而获得的占有率至少是70％；在第一区域和第二区域中形成非蚀刻图形，并且通过蚀刻使基板的其余区域图形化；以及在图形化后剩余未蚀刻的光传输材料层的所有区域中以及露出的基板区域中设置一种折射率比光传输材料层要低的材料，这样便形成了与第一和第二区域不同的第三区域。

根据制造光分路单元的方法，当蚀刻用于光信号传输的图形时，因负载作用，蚀刻率根据基板上的位置而变化，并且在蚀刻后输入侧曲形波导的线宽变得比设计值要窄的现象得到抑制。因此，无论所用的波长是多少，都可以使曲形波导的损耗达到均一，并且光学特性得到改善。

附图说明

图1是根据本发明一实施例的光分路单元的示意图；

图2是图1所示光分路单元沿线I-I的示意图；

图3A示出了制造图1和2所示光分路单元的过程；

图3B示出了制造图3A所示光分路单元的过程之后接下来的过程；

图3C示出了制造图3B所示光分路单元的过程之后接下来的过程；

图3D示出了制造图3C所示光分路单元的过程之后接下来的过程；

图3E示出了制造图3D所示光分路单元的过程之后接下来的过程；

图3F示出了制造图3E所示光分路单元的过程之后接下来的过程；

图4解释了图1和2所示光分路单元中所不希望的芯部(或与芯部相对应的区域)宽度变化的诸因素；

图5解释了占有率(％)和PDL(dB)之间的关系；以及

图6解释了占有率(％)和总损耗(dB)之间的关系。

具体实施方式

下面将参照附图详细描述本发明的诸实施例。

图1是根据本发明一实施例的光分路单元的示例的示意图。

如图1所示，光分路单元1具有：基板10，主要由二氧化硅构成；以及光波导结构20，该光波导结构20是通过在基板10上按预定的形状进行图形化而形成的。光波导结构20被一种充当镀层30的部件覆盖，以便使光波导结构20可以用作芯部。芯部和镀层区域(镀层30)之间的相对折射率差是0.45％。

光波导结构20包括：输入端21，用于输入通过未示出的光传输部件(比如光纤和前一级的光分路单元)而提供的光束(光信号)；光分路22A-22G，用于按第一和第二比率对施加到输入端21的光信号进行分路；以及输出端23A和23H，用于将光分路22A-22G(本示例中有8个)所分出的光信号引导至未示出的单模光纤或后一级的光分路单元。

在围绕着光波导结构20的区域(或通过堆叠镀层部件30而被覆盖的区域)中，与堆叠在基板10上的芯部相同的材料被设置成部件24A-24H(这是与光波导结构20相同的步骤中)，当使芯部(光波导结构)20图形化时，该材料使预定形状中剩余的应力均衡(下文中被称为虚设图形)。即，当通过干蚀方法蚀刻而形成芯部20时，虚设图形24A-24H仍然未被蚀刻。

通过使主要由二氧化硅构成的石英玻璃图形化，在基板10上形成了预定厚度的光波导结构(芯部)20和虚设图形24A-24H。在堆叠未示出的镀层部件到预定厚度之后，将磷、钛、锗或铝掺到芯部或与光波导结构20相对应的部分中，这样也可以形成光波导结构20。在基板10的所有区域中堆叠其折射率可用作芯部的材料到预定厚度之后，选择性地将硼酸或氟掺到与未示出的镀层区域相对应的区域中从而降低折射率，这样也可以形成光波导结构20。此外，通过使用多成分玻璃(其中包括热膨胀比率大约低于3.5×10^-6的成分)，并且通过公知的离子交换法交换离子从而选择性地改变与芯部相对应的区域的折射率，这样也可以形成光波导结构20。

图2示出了图1所示光分路单元沿线I-I的示意图。

如图2所示，光波导结构(芯部)20、虚设图形24A-24H(在沿图2的线I-I截取的横截面中只能看到24A-24C)以及镀层30堆叠在基板10上。在镀层30上形成预定厚度的粘合层25。盖子或覆盖玻璃层40通过粘合层25固定到镀层30上。在图1和2所示的光分路单元1上，基板10的厚度约为1毫米，芯部(光波导结构)20的厚度以及沿基板10的方向上的长度约为6微米(横截面中的正方形的一边约为6微米)，虚设图形24A-24H的厚度约为6微米(根据位置的不同，宽度会不同)，镀层30的厚度约为25微米，粘合层25的厚度约为25微米，并且盖子40的厚度约为1.5微米。粘合层25的厚度最好介于10到50微米的范围中，并且在考虑盖子40的接合强度和PDL的恶化的情况下来设置其厚度。

此外，从图2中可以很明显看到，通过按预定宽度(沿基板10表面的方向上的长度)使光波导结构(20)图形化而形成的芯部20在其两侧(除了基板10的末端以外)分布着虚设图形24A-24H(图2只示出了24A-24C)。芯部20和虚设图形24A-24H之间的间距被界定为等于或超过芯部20的宽度(厚度)，这在图4中会解释。因此，在图1中，关于输出端23A-23H所表示的多个芯部(20)，虚设图形24E-24H可以省略，这取决于这些芯部中的间隔(分路的数目)。

图3A-3F解释了制造图1和2所示光分路单元的过程(方法)。

如图3A所示，首先制备主要由二氧化硅构成的玻璃板，将其用作基板10。然后，通过CVD方法(化学汽相沉积方法)堆叠预定厚度的像二氧化硅这样的材料，该材料可以用作光波导结构20和虚设图形24A-24H且折射率比基板10要高。在用作光波导结构20的二氧化硅薄层上，如有必要可掺杂磷、钛、锗或铝，从而增大折射率。

如图3B所示，在氧化硅层(20)上堆叠预定厚度的钨硅(WSi)保护膜121。

接下来，在保护膜121上涂布预定厚度的抗蚀性材料122(比如光塑性树脂)。在未示出的干燥过程中使抗蚀性材料硬化之后，与芯部20和虚设图形24A-24H相对应的图形被记录下来(露出)。之后，在未示出的冲洗过程中，冲洗抗蚀性材料，便形成了与芯部20和虚设图形24A-24H相对应的抗蚀性图形123(作为非蚀刻图形而形成的保护膜)。

接下来，如图3D所示，通过蚀刻，除掉要被蚀刻的区域中的保护膜121。因此，之前在基板10上堆叠到预定厚度作为光波导结构20的高折射率层(二氧化硅)中要被蚀刻的蚀刻部分124暴露于接下来的处理过程中。

然后，如图3E所示，通过公知的干蚀方法除去蚀刻部分124，并且形成了芯部20和虚设图形24A-24H(图3E中的24B和24C)。

然后，如图3F所示，在基板10上所有的区域中(包括芯部20和虚设图形24A-24H，在图3F中只有24A-24C)，堆叠预定厚度的用作镀层30的材料(比如二氧化硅)。可以用硼酸或氟对镀层30掺杂，以减小折射率。

形成芯部(光波导结构20)、虚设图形24A-24H(光波导结构20)和镀层30的方法并不限于CVD方法。它们也可以通过火焰水解沉积方法(FHD)来形成。该方法并不限于特定的方法。

然后，图2所示的粘合层25形成于镀层30上，并将覆盖(玻璃)层或盖子40固定到粘合层25。当在与芯部20和虚设图形24A-24H相对应的区域中突出镀层30时(像个凸起)，通过未示出的平滑(抛光)过程，可以使表面不平整特别是突出部分变平。作为通过粘合层25将盖子40固定到镀层30上的方法的替代，通过用与盖子40相同的材料或热膨胀率在预定范围内的材料形成镀层30，将盖子置于镀层30上，并且对盖子40施加预定的压力和热以便使盖子40和镀层30同化，这样也可以将盖子40固定到镀层30上。

图4解释了当蚀刻光波导结构以形成预定的光信号传输线路或芯部时，图1和2所示光分路单元中不希望的芯部(或与芯部相对应的区域)宽度变化的诸多因素。在图4中，横轴是形成芯部的过程，用于表示芯部(与芯部相对应的区域)宽度波动(3σ)。在图4中，每一条曲线表示芯部宽度波动(3σ)和芯部20(图1)及虚设图形24A-24H在基板10中的面积比(即占有率)之间的关系(参照图1)。曲线a表示90％的占有率，曲线b表示70％的占有率，曲线c表示50％的占有率，曲线d表示30％的占有率，曲线e表示5％的占有率。

90％的占有率对应于这样一种情况，虚设图形24A-24H的区域设置在芯部之外以便留有一个与芯部宽度基本上相同的间距。50％的占有率对应于没有虚设图形的情况。

从图4中可以明显看到，芯部蚀刻过程具有最大的芯部宽度波动(3σ)。应该理解，通过将占有率设置到90％或更高，便可以使波动(3σ)减小到0.1微米或更小。当占有率是5％时，如图1中的分割线L所示，蚀刻率在光输入侧和光输出侧大不相同，并且有理由想到，通过不同的蚀刻率，来增大芯部宽度波动(3σ)。在输出端23A-23H(图1)，根据分路(通道)数目，使多个芯部中的间隔变窄，并且当多个芯部中的间隔小于芯部宽度(沿基板10表面方向上的长度，或芯部厚度)的两倍时，虚设图形不再是必需的。

图5解释了当盖子玻璃接合好时图形占有率(芯部和虚设图形的总和)和PDL之间的关系。图5所示的PDL是通过将基板10(图1)的尺寸设置为短边为6英寸(约125毫米)的方形并且通过改变芯部(光波导结构)20和虚设图形24A-24H(图1)的总面积而获得的。

从图5中可以明显看到，通过将占有率设置为90％或更高(设置虚设图形24A-24H的面积，以便在芯部之外留有和芯部宽度差不多的间距)，便可以使PDL减小到0.07(dB)。

已确认，通过将基板10上的虚设图形24A-24H设置成具有70％或更高的占有率(从而留下光波导结构20的预定部分作为非蚀刻部分)，便可以使基板10末端的芯部的蚀刻度(该蚀刻度高于基板10中部或中部附近的芯部的蚀刻度)减小。

图6解释了总损耗(dB)和基板中的芯部、虚设图形的占有率之间的关系。在图6中，曲线a表示90％的占有率，曲线b表示70％的占有率，曲线f表示50％的占有率，曲线e表示5％的占有率。

如图6所示，当占有率很小时，因负载作用，输入侧曲形波动形成得比其它部分要更细。因此，光束从该曲形部分中泄漏，并且在长波长一侧损耗会增大。当占有率增大时，使曲形波导的线宽均一，并且光束的泄漏得到抑制，从而提供了较平的波长特征。如图4所示，通过将占有率设置为70％或更高，芯部宽度波动(3σ)可以减小到0.15微米或更低。通过将占有率设置为90％或更高，芯部宽度波动(3σ)可以减小到0.1微米或更低。

如上所述，根据本发明，在基板的所有区域中蚀刻率基本上相等，并且芯部宽度被抑制得没有很大波动。因此，提供了一种光分路单元，即使接合了覆盖玻璃(盖子)，该光分路单元也具有很高的插入损耗波长均一性，并且通过虚设芯部保持很低的偏振依赖性损耗。

本发明并不限于上述实施例。在不背离本发明的基本特征的情况下，实践阶段有可能作出各种修改和变化。各实施例可以尽可能地进行恰当的组合。在这种情况下，可以获得组合效果。例如，在上述实施例中，已经解释了光分路单元，它对主要输入到输入侧的光信号进行分路。在基板上具有光波导结构的光学元件中可以获得相同的效果，比如，光波合成器(它具有两个或更多个输入侧并且按顺序合成输入的光信号)以及1输入2输出光方向耦合器(它从两个输出端口中输出从两个输入端口之一中输入的光信号)。

工业应用性

提供了一种光分路单元，它具有很高的插入损耗波长均一性以及很低的偏振依赖性损耗。

根据本发明，有可能提供一种高产量的光分路单元，即使接合了覆盖玻璃，该光分路单元也具有很高的插入损耗波长均一性并且保持很低的偏振依赖性损耗。

Claims (12)

1.一种光分路单元，包括：

光输入部分，用于输入光线；

光分路，用于按预定比率对输入到所述光输入部分的光线进行分路；

光输出部分，用于将所述光分路分出的光线引导至预定位置；

粘合层，所述粘合层在所述光输入部分、所述光分路和所述光输出部分上形成预定的厚度；

基板，所述基板承载所述光输入部分、所述光分路和所述光输出部分；

覆盖部件，所述覆盖部件通过所述粘合层覆盖所述基板上的光输入部分、所述光分路和所述光输出部分；以及

应力均衡部件，它设置在所述基板上且独立于所述光输入部分、所述光分路和所述光输出部分，并且防止粘合层硬化时产生的应力作用于基板上的所述光输入部分、所述光分路和所述光输出部分中的任一部分或全部；

其中所述应力均衡部件具有一定的面积，使得占有率，即定义为所述应力均衡部件、所述光输入部分、所述光分路和所述光输出部分的总面积相对于所述基板的总面积，至少是70％。

2.如权利要求1所述的光分路单元，其特征在于，所述应力均衡部件的面积使得所述占有率至少是90％。

3.如权利要求1所述的光分路单元，其特征在于，所述应力均衡部件是由与所述光输入部分、所述光分路和所述光输出部分相同的材料构成的。

4.如权利要求1所述的光分路单元，其特征在于，所述应力均衡部件是与所述光输入部分、所述光分路和所述光输出部分一起形成的。

5.一种光分路单元，包括：

光输入部分，用于输入光线；

光分路，用于按预定比率对输入到所述光输入部分的光线进行分路；

光输出部分，用于将所述光分路分出的光线引导至预定的位置；以及

应力均衡部件，所述应力均衡部件：(i)设置在基板上且独立于所述光输入部分、所述光分路和所述光输出部分，(ii)其构成材料与所述光输入部分、所述光分路和所述光输出部分相同，并且(iii)具有一定的面积使得占有率，即定义为所述应力均衡部件、所述光输入部分、所述光分路和所述光输出部分的总面积相对于所述基板的总面积，至少是70％。

6.如权利要求5所述的光分路单元，其特征在于，所述应力均衡部件的面积使得所述占有率至少是90％。

7.如权利要求6所述的光分路单元，其特征在于，所述应力均衡部件是与所述光输入部分、所述光分路和所述光输出部分一起形成的。

8.一种制造光分路单元的方法，所述方法包括：

在基板上堆叠预定厚度的光传输材料层，所述基板被用作光波导，所述光传输材料层的折射率比所述基板高；

定义被用来传输光信号的第一区域以及位于所述第一区域周围且留有预定间隔的第二区域，使蚀刻第一区域的蚀刻率基本相等，其中设置所述第二区域的面积使得通过将所述第一区域和第二区域的总面积除以所述基板的总面积而获得的占有率至少是70％；

在所述第一区域和第二区域的每一个中形成非蚀刻图形，并且通过蚀刻使所述基板的剩余区域图形化；

通过在所述图形化之后尚未蚀刻的光传输材料层中所有区域中以及露出的基板区域中设置折射率比光传输材料层低的材料，形成与所述第一区域和第二区域不同的第三区域；以及

通过粘合剂将覆盖部件接合到所述第三区域。

9.如权利要求8所述的制造光分路单元的方法，其特征在于，设置所述第二区域的面积，使得通过将所述第一和第二区域的总面积除以所述基板的总面积而获得的占有率是至少90％。

10.如权利要求8所述的制造光分路单元的方法，其特征在于，所述第二区域的面积被限定为，使接合覆盖部件时产生的应力作用于所述第一区域的影响减弱。

11.一种光分路单元，包括：

光输入部分，用于输入光线；

光分路，用于按预定比率对输入到所述光输入部分的光线进行分路；

光输出部分，用于将所述光分路分出的光线引导至预定的位置；

粘合层，所述粘合层在所述光输入部分、所述光分路和所述光输出部分上形成预定的厚度；

基板，用于承载所述光输入部分、所述光分路和所述光输出部分；以及

非光信号传输区域，它设置在所述基板上且独立于所述光输入部分、所述光分路和所述光输出部分，并且当所述光输入部分、所述光分路和所述光输出部分形成于所述基板上时，减小由所述光输入部分、所述光分路和所述光输出部分中的每一个沿基板表面方向的长度，或线宽，变得不均一的程度；

其中所述非光信号传输区域具有一定的面积，使得占有率，即定义为所述非光信号传输区域、所述光输入部分、所述光分路和所述光输出部分的总面积相对于所述基板的总面积，至少是70％。

12.一种制造光分路单元的方法，包括：

在基板上堆叠预定厚度的光传输材料层，所述基板被用作光波导，所述光传输材料层的折射率比所述基板高；

定义被用来传输光信号的第一区域和位于所述第一区域周围但留有预定间隔的第二区域，使蚀刻所述第一区域的蚀刻率基本上相等，其中设置所述第二区域的面积使得通过将所述第一区域和第二区域的总面积除以所述基板的总面积而获得的占有率至少是70％；

在所述第一区域和第二区域的每一个中形成非蚀刻图形，并且通过蚀刻使所述基板的剩余区域图形化；以及

通过在所述图形化之后尚未蚀刻的光传输材料层中所有区域中以及露出的基板区域中设置折射率比光传输材料层低的材料，形成与所述第一区域和第二区域不同的第三区域。

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