CN102213794B - 光波导线路及光波导线路的制造方法 - Google Patents

Abstract

光波导器件包括：第一光分支器件，用于分离第一输入光并且将分离的第一输入光输出到第一和第二光波导；第二光分支器件，所述第二光分支器件布置在所述第一和所述第二光波导之间，用于分离第二输入光并且将分离的第二输入光输出到第三和第四光波导；第一光耦合器，所述第一光耦合器耦合沿所述第一和所述第三光波导传输的光，然后分离并输出所耦合的光；和第二光耦合器，所述第二光耦合器耦合沿所述第二和所述第四光波导传输的光，然后分分离并输出所耦合的光，其中所述第一和所述第二光波导对或所述第三和所述第四光波导对的光路径长度设置为相等的。

Description

光波导线路及光波导线路的制造方法

本申请基于日本专利申请No.2010-090451，申请日2010年4月9日，并要求其优先权；该申请的全部内容包含在本申请中作为参考。 

技术领域

本发明涉及一种光波导线路(circuit)，特别的，涉及一种可控制光路径长度波动的光波导线路。 

背景技术

近年来，在超过100Gbit/s的超高速通信中，采用DP-QPSK(双偏振差分正交相移键控)的通信技术在波长利用效率上的突出表现、接收特性和色散补偿能力已经引起了注意。采用DP-QPSK方法的接收器必须具有将光信号分离成TE(横向电场)和TM(横向磁场)偏振成分的功能，和用于从这些偏振光信号中恢复相位信息的90度光混合功能。这些相位信息包含I-Q平面上的四个数值，包括相差为π的Ip和In，和分别对Ip和In具有π/2相位延迟的Qp和Qn。 

因为使用光波导技术的平面光波线路是占优势的器件，其实现了这样的DP-QPSK方法的接收器的功能，因此近年来它的发展已经比较先进。光波导技术是一种采用与半导体集成线路制造工艺同样的微制造技术在基片上形成不同形状的光波导的技术，并且其适合集成和大规模生产。 

例如，在相关技术文档(Toshikazu Hashimoto等，″Dual polarization optical hybrid module using planar lightwave circuit″，Proceedings of the2009 IEICE Electronics Society Conference 1，2009年9月15日，第194页)中，披露了图6中描述的光波线路结构。这种光波线路具有普通的光波线路结构，在所述线路结构中，上面提及的偏振分离功能和90度光学混合功能均集成在平面光线路上。作为示意图，图7简要说明了对于90 度光混合中的TE光信号的平面光线路的结构。 

在图7中，简要说明了光分支器件16和17、光波导臂18-21和具有两个输入和两个输出的光耦合器22和23。臂18-21组成了一个干涉仪。臂18-20的长度是一样的。臂21的长度比其它臂的长度长沿光波导传输的光的波长的四分之一，从而沿臂21传输的光的相位被延迟了。使用这种配置，I-Q平面上的相位信息的四个数值从光耦合器22和23输出，并且因此实现了上述提及的90度光混合功能。 

发明内容

本发明的示例性目的是提供光波导线路和光波导线路的制造方法，所述光波导线路能够使每一个光波导臂组成一个干涉仪，并能抑制光路径长度上的波动。 

根据本发明的一个示例性方面的光波导器件，包括第一光分支器件，用于分离第一输入光并且将分离的第一输入光输出到第一和第二光波导；第二光分支器件，所述第二光分支器件布置在所述第一和所述第二光波导之间，用于分离第二输入光并且将分离的第二输入光输出到第三和第四光波导；第一光耦合器，所述第一光耦合器耦合沿所述第一和所述第三光波导传输的光，然后分离所述光并且输出所述光；和第二光耦合器，所述第二光耦合器耦合沿所述第二和所述第四光波导传输的光，然后分离所述光并且输出所述光，其中所述第一和所述第二光波导对或所述第三和所述第四光波导对的光路径长度设置为相等的。 

根据本发明的另一个示例性方面的光波导器件制造方法，包括在基片上形成第一包层；在所述第一包层上层叠芯层；对所述芯层构图以形成芯；和用具有与所述第一包层相同的折射率的第二包层覆盖所述芯，其中：在所述芯层的构图中使用的掩模图案用于配置：第一光分支器件，用于分离第一输入光并且将分离的第一输入光输出到第一和第二光波导；第二光分支器件，所述第二光分支器件布置在所述第一和所述第二光波导之间，用于分离第二输入光并且将分离的第二输入光输出到第三和第四光波导；第一光耦合器，所述第一光耦合器耦 合沿所述第一和所述第三光波导传输的光，然后分离所述光并且输出所述光；和第二光耦合器，所述第二光耦合器耦合沿所述第二和所述第四光波导传输的光，然后分离所述光并且输出所述光，其中所述第一和所述第二光波导对或所述第三和所述第四光波导对的光路径长度设置为相等的。 

附图说明

结合附图，从下面的详细描述中，本发明的示例性特征和优势将是显而易见的，其中： 

图1是描述本发明的第一实施例的光波导线路结构的模式图； 

图2是描述本发明的第二实施例的90度光混合干涉仪结构的模式图； 

图3A是描述作为本发明中使用的光耦合器的定向耦合器的结构的模式图； 

图3B是描述作为本发明中使用的光耦合器的Mach-Zehnder干涉仪的结构的模式图； 

图3C是描述作为本发明中使用的光耦合器的多模干涉仪的结构的模式图； 

图4是描述本发明的第三实施例的光波导线路的结构的模式图； 

图5是描述本发明的第四实施例的光波导线路的结构的模式图； 

图6是描述采用通用DP-QPSK方法的接收机的示例结构的模式图；和 

图7是描述图6中所示的采用DP-QPSK方法的接收机中的90度光混合干涉仪的一部分的结构的模式图。 

具体实施方式

下面，将参考附图描述本发明的示例性实施例。 

(第一实施例) 

图1是简述本发明的实施例的光波导线路的模式图。在图1中，光分支器件1分离第一输入光并且输出分离的光到光波导2和3。光分支器 件4布置在光波导2和3之间，并且分离第二输入光和输出分离的光到光波导5和6。 

光耦合器7耦合沿光波导2和5传输的光，然后分离这些光，并将它们输出。光耦合器8耦合沿光波导3和6传输的光，然后分离这些光，并将它们输出。 

光波导对2和3或光波导对5和6的光路径长度设置为相等。在图1中，光波导2和3具有相等的光路径长度，另一方面，光波导5和6具有不同的光路径长度。 

当干涉仪由上述提及的光波导线路配置时，因为光波导5和6是在光耦合器7和8之前分支的，它们各自的长度与图7中所示的结构的干涉仪相比可以制造得很短。另外，因为光波导5和6变得更短，整个光波导线路的尺寸可以制造得很小。 

如上述提及的，因为在此实施例中光波导的长度可以制造得充分短，导致光路径长度波动的因素如构图精度、折射率波动、薄膜之间或薄膜与基片之间形成的应力和光波导芯的变形等的影响可以有效降低。因此，能够生产抑制光路径长度中的波动的构成干涉仪的每个光波导。 

(第二实施例) 

图2是描述本发明的第二实施例的90度光混合干涉仪的模式图。在图2中，和图1中一样的元件以同样的符号表示。 

在图2中，光信号输入到输入光波导9，并且本地振荡光输入到输入光波导10。然后，沿输入光波导9传输的光信号被光分支器件1分离到光波导2和3。另一方面，输入光波导10与光波导3交叉，并且沿输入光波导10传输的本地振荡光被布置在光波导2和3之间的光分支器件4分离到光波导5和6。分别沿光波导2和5传输的光信号和本地振荡光在具有两个输入和两个输出的光耦合器7中被组合，分别沿光波导3和6传输的光信号和本地振荡光在具有两个输入和两个输出的光耦合器8中被组合。从光耦合器7和8的每一个输出的一对输出光沿光波导11-14传输并被输出到外面。在这里，光波导2和3具有相等的光路径长度。另一方面，光波导6的光路径比光波导5的长λ/(4n)，其中λ是光信号的 波长，并且n是光波导的等价折射率。 

作为光耦合器7和8，可以使用定向耦合器，其是具有两个输入和两个输出的普通光耦合器，如图3A所示。同样，如图3B所示的Mach-Zehnder干涉仪或如图3C所示的多模干涉仪可以用作光耦合器的任何一个。Mach-Zehnder干涉仪和多模干涉仪具有如下优点，即使因为处理精度或类似的问题，它们的光耦合系数偏离了设计值，相比定向耦合器，其特性波动的影响可以得到抑制。 

如此配置的90度光混合干涉仪的尺寸可以按下述方法确定。首先，输出光波导11-14必须按不引起彼此之间的光耦合的间隔距离布置。假设光波导的芯和包层之间的相对折射率差异是1.5％，例如，输出光波导11-14的平行部分以不低于10μm的间隔布置。一旦输出光波导11-14的间隔确定，光耦合器7和8之间的间隔也确定了。同样，光波导5和6可以被如此布局，其中波导的每一个弯曲部分和直线部分的长度被调节为使波导具有预定的光路径长度差异。在光被分为两部分之前，光分支器件4的波导部分需要逐渐加宽，并且因此需要一定的长度。当光波导芯的宽度是4μm时，例如，光分支器件的长度设置为540μm。光波导2和3的平行部分的间隔由光耦合器7和8的间隔和光波导5和6的布局确定。光波导2和3的长度由它们之间的间隔和光波导5、6以及光分支器件4在它们之间占据的宽度确定。 

使用上述90度光混合干涉仪结构，光波导5和6的长度最多可以降低到几十μm。通常，在如图7所示结构的90度光混合干涉仪的情况下，每一个光波导臂的长度可以延伸到几个mm。根据此实施例，有可能配置如下的90度光混合干涉仪，其中每一个光波导臂的长度充分减小，并且作为结果，抑制光路径长度的波动变得容易。另外，本实施例有助于整个90度光混合干涉仪的小型化。 

同时，上述提及的结构的光波导可以通过使用在通用半导体制造过程中使用的精细工艺技术来生产。例如，在使用化学汽相沉积方法形成低折射率的二氧化硅薄膜之后(所述二氧化硅薄膜成为在硅基片上形成的10μm厚的下包层)，层叠成为芯层的高折射率的4μm厚的二氧化硅薄膜。在此之后，通过使用具有上述提及的预定的波导形状的 图案的光掩膜的光刻方法，将此芯层构图为4μm宽的光波导芯。进一步，通过层叠10μm厚成为上包层的低折射率的二氧化硅薄膜，以覆盖上述提及的光波导芯，我们可以配置预定光波导。二氧化硅薄膜的折射率可以通过掺杂一定量的磷和硼来任意调整。 

(第三实施例) 

图4是描述本发明的第三实施例的模式图。如图2中所示，在本发明的第二实施例中，输入光波导10具有与光波导3交叉的一部分。在此交叉部分中，为了防止过度损耗以及串扰(光耦合到另一个不应被耦合的波导的现象)，交叉角必须尽可能设计成接近正交。这里，如图2所示，当输入光波导10在光波导3的直线部分交叉时，如果整个光波导线路不大，无法获得足够的交叉角。因此，在本发明的第三实施例中，如图4所示，输入光波导10在光波导3的弯曲部分交叉。通过使输入光波导10和光波导3按上述方式交叉，可以很容易的获得足够的交叉角。 

如上述论述，根据第三实施例，使输入光波导10和光波导3以足够大的角度交叉是可能的，其无须加大整个光波导线路的尺寸，不会引起串扰和过度损耗。 

(第四实施例) 

图5是描述本发明的第四实施例的模式图。这里，在光波导2中，提供了伪(dummy)波导15，其具有与光波导3和输入波导10的交叉部分对称的形状。 

根据第四实施例，即使光波导的光路径长度由于交叉部分而发生变化，因为在两个光波导中存在相似的变化，两个光波导臂之间的光路径长度差异没有根本性的改变。同样，当设计参数需要修正时，因为两个光波导的交叉部分具有对称的形状，只需要相似的修正，并且因此可以充分节约用于分析和设计的时间。 

上述披露的典型实施例的全部或部分，可以描述为但不限于下述补充注释。 

(补充1) 

一种光波导线路，包括： 

第一光分支器件，用于分离第一输入光并且将分离的第一输入光 输出到第一和第二光波导； 

第二光分支器件，所述第二光分支器件布置在所述第一和所述第二光波导之间，用于分离第二输入光并且将分离的第二输入光输出到第三和第四光波导； 

第一光耦合器，所述第一光耦合器耦合沿所述第一和所述第三光波导传输的光，然后分离所述光并且输出所述光；和 

第二光耦合器，所述第二光耦合器耦合沿所述第二和所述第四光波导传输的光，然后分离所述光并且输出所述光，其中 

所述第一和所述第二光波导对或所述第三和所述第四光波导对的光路径长度设置为相等的。 

(补充2) 

根据补充1的光波导线路，其中传输所述第二输入光的光波导和所述第一或所述第二光波导交叉。 

(补充3) 

根据补充1的光波导线路，其中传输所述第二输入光的所述光波导在所述第一或所述第二光波导的弯曲部分交叉。 

(补充4) 

根据补充1到补充3的任意一个的光波导线路，其中Mach-Zehnder干涉仪用作所述第一和所述第二光耦合器中的至少一个。 

(补充5) 

根据补充1到补充3的任意一个的光波导线路，其中多模干涉仪用作所述第一和所述第二光耦合器的至少一个。 

(补充6) 

根据补充2到补充5的任意一个的光波导线路，其中伪波导与所述第一和所述第二光波导中与传输所述第二输入光的光波导不交叉的一个交叉。 

(补充7) 

一种光波导线路的制造方法，包括： 

在基片上形成第一包层； 

在所述第一包层上层叠芯层； 

对所述芯层构图以形成芯；和 

用具有与所述第一包层相同的折射率的第二包层覆盖所述芯，其中： 

在所述芯层的构图中使用的掩模图案用于配置： 

第一光分支器件，用于分离第一输入光并且将分离的第一输入光输出到第一和第二光波导； 

第二光分支器件，所述第二光分支器件布置在所述第一和所述第二光波导之间，用于分离第二输入光并且将分离的第二输入光输出到第三和第四光波导； 

第一光耦合器，所述第一光耦合器耦合沿所述第一和所述第三光波导传输的光，然后分离所述光并且输出所述光；和 

第二光耦合器，所述第二光耦合器耦合沿所述第二和所述第四光波导传输的光，然后分离所述光并且输出所述光，其中 

所述第一和所述第二光波导对或所述第三和所述第四光波导对的光路径长度被设置为彼此相等。 

(补充8) 

根据补充7的光波导线路的制造方法，其中在所述芯层的构图中使用的掩模图案用于配置使得传输所述第二输入光的光波导与所述第一或所述第二光波导交叉。 

(补充9) 

根据补充8的光波导线路的制造方法，其中在所述芯层的构图中使用的掩模图案用于配置使得传输所述第二输入光的光波导在所述第一或所述第二光波导的弯曲部分交叉。 

(补充10) 

根据补充7到补充9的任意一个的光波导线路的制造方法，其中在所述芯层的构图中使用的掩模图案用于配置至少用作所述第一和所述第二光耦合器之一的Mach-Zehnder干涉仪。 

(补充11) 

根据补充7到补充9的任意一个的光波导线路的制造方法，其中在所述芯层的构图中使用的掩模图案用于配置至少用作所述第一和所述 第二光耦合器之一的多模干涉仪。 

(补充12) 

提供根据补充7到补充9的任意一个的光波导线路的制造方法，其中在所述芯层的构图中使用的掩模图案用于配置使得伪波导与所述第一和所述第二光波导中与传输所述第二输入光的光波导不交叉的一个交叉。 

在上述提及的90度光混合干涉仪，为了抑制特性的波动，形成一对的光波导臂之间的光路径长度差异需要严格控制。然而，因为在90度光混合干涉仪中，实现其功能的光波导线路的形状和布局是复杂的，存在一个问题，即当制造时很难控制波导臂各自的光路径长度。也就是说，即使每一个光波导臂的长度在光掩膜上正确的调整，由于加工过程中不同的因素如构图精度、折射率波动、薄膜之间或薄膜与基片之间产生的应力和光波导芯的变形，光路径长度差异会波动。作为结果，因为如90度光混合干涉仪的特性可能偏离允许范围，无法获得足够的生产产量。 

相反，本发明的效果的示例是提供光波导线路和光波导线路的制造方法，所述光波导线路能够使每一个光波导臂构成一个可以抑制光路径长度波动的干涉仪。 

虽然参考本发明的示例性实施例具体示出和描述了本发明，但本发明并不限于这些实施例。本领域普通的技术人员应理解的是，在不违背如权利要求中定义的本发明的精神和范畴下，可以对形式和细节进行各种改变。 

Claims (7)

1.一种光波导线路，包括：

第一光分支器件，用于分离第一输入光并且将分离的第一输入光输出到第一和第二光波导；

第二光分支器件，所述第二光分支器件布置在所述第一光波导和所述第二光波导之间，用于分离第二输入光并且将分离的第二输入光输出到第三和第四光波导；

第一光耦合器，所述第一光耦合器耦合沿所述第一光波导和所述第三光波导传输的光，然后分离所述光并且输出所述光；和

第二光耦合器，所述第二光耦合器耦合沿所述第二光波导和所述第四光波导传输的光，然后分离所述光并且输出所述光，其中

所述第一光波导和所述第二光波导对或所述第三光波导和所述第四光波导对的光路径长度被设置为彼此相等。

2.根据权利要求1所述的光波导线路，其中传输所述第二输入光的光波导和所述第一光波导或所述第二光波导交叉。

3.根据权利要求2所述的光波导线路，其中传输所述第二输入光的所述光波导在所述第一光波导或所述第二光波导的弯曲部分处交叉。

4.根据权利要求1所述的光波导线路，其中Mach-Zehnder干涉仪用作所述第一光耦合器和所述第二光耦合器中的至少一个。

5.根据权利要求1所述的光波导线路，其中多模干涉仪用作所述第一光耦合器和所述第二光耦合器中的至少一个。

6.根据权利要求2所述的光波导线路，其中伪波导与所述第一光波导和所述第二光波导中与传输所述第二输入光的光波导不交叉的一个交叉。

7.一种光波导线路的制造方法，包括：

在基片上形成第一包层；

在所述第一包层上层叠芯层；

对所述芯层构图以形成芯；和

用具有与所述第一包层相同的折射率的第二包层覆盖所述芯，其中：

在所述芯层的构图中使用的掩模图案用于配置：

第一光分支器件，用于分离第一输入光并且将分离的第一输入光输出到第一和第二光波导；

第二光分支器件，所述第二光分支器件布置在所述第一光波导和所述第二光波导之间，用于分离第二输入光并且将分离的第二输入光输出到第三和第四光波导；

第一光耦合器，所述第一光耦合器耦合沿所述第一光波导和所述第三光波导传输的光，然后分离所述光并且输出所述光；和

第二光耦合器，所述第二光耦合器耦合沿所述第二光波导和所述第四光波导传输的光，然后分离所述光并且输出所述光，其中

所述第一光波导和所述第二光波导对或所述第三光波导和所述第四光波导对的光路径长度被设置为彼此相等。

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