CN102692680A - 光波导装置和光混合电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光波导装置和光混合电路，所述光波导装置包括：第一光耦合器，将输入光进行分支以输出第一信号光和第二信号光；光移相器，包括光程长度彼此不同的第一光波导和第二光波导，并用于给出第一信号光与第二信号光之间的相位差；以及第二光耦合器，将从第一光波导输出的第一信号光与从第二光波导输出的第二信号光耦合。第一光波导与第二光波导具有相同的波导宽度且具有曲率半径大体相同的弯曲光波导。

Description

光波导装置和光混合电路
技术领域
本文讨论的实施例是一种光波导装置以及使用在光通信系统中的光混合电路。
背景技术
在光通信系统中，各种光波导装置用于各种信号处理。这种光波导装置以例如用于分支成任意比的光信号的光分支/耦合装置等为代表。作为用于获得任意光分支比的光分支/耦合装置，已知为这样的光波导装置，其包括两个2∶2光耦合器以及一设置在所述光耦合器之间且具有用于给出相位差的两个波导的光移相器。
已提出了对于光移相器的两个光波导给出相位差的技术，例如，提供具有相对较小宽度的线性波导区域以控制这些区域的长度的技术，在具有不同锥角的多个锥形波导中形成两个波导的技术，在一个波导中设置由弯曲光波导形成的延迟干涉仪(delay interferometer)的技术，以及其它技术。
以下为相关的实例：日本专利特许公开第2004-144963号；日本专利特许公开第2005-249973号；以及日本专利特许公开第2006-293345号。
然而，在上述技术中没有充分考虑对抗制造公差的应对措施。这样，由于在制造波导过程中的变异(variation)等，相位变化量常常与规定的相位变化量发生很大的偏移，从而不能获得理想的特性。
发明内容
因此，实施例的一个方案的目的是提供一种光波导装置和光混合电路，其具有大的制造公差和较小的因制造误差产生的特性退化。
根据实施例的一个方案，提供一种光波导装置，包括：第一光耦合器，将输入光进行分支以输出第一信号光和第二信号光；光移相器，用于给出第一信号光与第二信号光之间的相位差，所述光移相器包括：第一光波导，连接至第一光耦合器且传播第一信号光；以及第二光波导，具有与第一光波导的光程长度不同的光程长度，连接至第一光耦合器且传播第二信号光；以及第二光耦合器，连接至所述光移相器的所述第一光波导和所述第二光波导，用于将从第一光波导输出的第一信号光与从第二光波导输出的第二信号光耦合；其中第一光波导具有第一波导宽度，并且是一种以第一曲率半径弯曲的弯曲光波导，第二光波导具有第二波导宽度，并且是一种以第二曲率半径弯曲的弯曲光波导，第一波导宽度与第二波导宽度彼此相等，以及第一曲率半径与第二曲率半径之间的差值处于±20％的范围。
附图说明
图1为示出根据第一实施例的光波导装置的结构(第一部分)的平面图；
图2为示出根据第一实施例的光波导装置的结构(第二部分)的平面图；
图3为示出根据第一实施例的光波导装置的结构(第三部分)的平面图；
图4为示出根据第一实施例的光波导装置的图解剖视图；
图5为示出通过模拟给出的关于弯角θ1的下限值与光波导的曲率半径R之间的关系的图表；
图6A和图6B为说明光波导的偏移量(offset)的视图；
图7A和图7B为说明因制造过程中的波动所引起的光波导的宽度的变化的视图；
图8为示出通过模拟给出的关于光耦合器和弯曲光波导之间的偏移量与分支特性之间的关系的图表；
图9为示出根据相关技术参考实例的光波导装置的结构(第一部分)的平面图；
图10为示出通过模拟给出的关于波导宽度偏离设计值的变化与分支特性之间的关系的图表；
图11为示出根据相关技术参考实例的光波导装置的结构(第二部分)的平面图；
图12为示出根据第二实施例的光波导装置的结构的平面图；
图13为说明根据第二实施例的光波导装置的操作的平面图；
图14为示出光波导装置在光信号从输入通道入射时的分支特性的图表(第一部分)；
图15为示出相关技术的光波导装置在光信号从输入通道入射时的分支特性的图表(第二部分)；
图16为示出光移相器区域的偏移量与Q-ch不平衡之间的关系的图表(第一部分)；
图17为示出相关技术的光移相器区域的偏移量与Q-ch不平衡之间的关系的图表(第二部分)；
图18为示出波导宽度的变化量与Q-ch不平衡之间的关系的图表；
图19为示出根据第二实施例的变型的光波导装置的结构的平面图；
图20为示出根据第三实施例的光混合电路的结构的平面图；
图21为示出根据第四实施例的光波导装置的结构的平面图；以及
图22为示出根据第五实施例的光混合电路的结构的平面图。
具体实施方式
[第一实施例]
将参照图1至图11来描述根据第一实施例的光波导装置及其制造方法。
图1至图3为示出根据本实施例的光波导装置的结构的平面图。图4为示出根据本实施例的光波导装置的图解剖视图。图5为示出通过模拟给出的关于弯角θ1的下限值与光波导的曲率半径R之间的关系的图表。图6A和图6B为说明光波导的偏移量的视图。图7A和图7B为说明因制造过程中的波动引起的光波导的宽度的变化的视图。图8为示出通过模拟给出的关于光耦合器和弯曲光波导之间的偏移量与分支特性之间的关系的图表。图9和图11为示出根据参考实例的光波导装置的结构的平面图。图10为示出通过模拟给出的关于波导宽度偏离设计值的变化与分支特性之间的关系的图表。
首先，将参照图1至图5来描述根据本实施例的光波导装置的结构。
如图1所示，根据本实施例的光波导装置10包括：MMI(多模干涉)型光耦合器20、30；光波导12、14，其将信号光输入到光耦合器20中；光波导22、24，其互连光耦合器20、30；以及光波导32、34，其将信号光从光耦合器30输出。
光耦合器20是具有两个输入端口A、B和两个输出端口C、D的MMI型3-dB光耦合器，并且其将从连接输入端口A的光波导12或连接输入端口B的光波导14输入的光信号平均地分支到输出端口C、D。
光波导22和光波导24具有分别连接至光耦合器20的输出端口C和输出端口D的一个端部，并且具有分别连接至光耦合器30的输入端口E和输入端口F的另一个端部。光波导22和光波导24具有相同的波导宽度和不同的光程长度。
如图2所示，光波导22和光波导24具有曲率半径R大体相同的弯曲光波导。在具有多个弯曲部的光波导中，如在根据本实施例的光波导装置的光波导22和光波导24中，使这些弯曲部的曲率半径大体相同。
可通过例如使各自的弯角(θ1和θ2)彼此不同而在光波导22与光波导24之间产生光程差。例如，通过使光波导24的弯角θ2大于光波导22的弯角θ1，可使得光波导24的光程长度比光波导22的光程长度长。可通过适当调节弯角(θ1和θ2)而在光波导22与光波导24之间获得相应于光程差的指定的相位差。在本实施例中，所述弯角对应于这样的扇形的中心角，通过将弯曲光波导的曲率中心与弯曲光波导的端部连接起来形成所述扇形(参见图2)。
如图3为例，在光波导22和光波导24中，可在波导的配置发生改变的部分(part)处提供偏移量。弯曲光波导可以直接连接至光耦合器20、30。如图3为例，弯曲光波导可经由线性波导而被连接至光耦合器20、30。
光耦合器30是具有两个输入端口E、F和两个输出端口G、H的MMI型3-dB光耦合器。光波导22与光波导24的其它端部分别连接至输入端口E和输入端口F，并且光波导32和光波导34分别连接至输出端口G和输出端口H。光耦合器30用一分支比将光信号输出至光波导32、34，其中所述分支比对应于从光波导22、24输入的光信号之间的相位差。
图1所示的光波导装置10是高台面(high-mesa)波导，其中所述高台面波导由以台面形状图案化的作为下包覆层(lower clad layer)的InP衬底100的层体、GaInAsP核心层102以及作为上包覆层(upper clad layer)的InP层104形成。
如上所述，在根据本实施例的光波导装置10中，使用波导宽度相同、曲率半径大体相同、以及弯角彼此不同的弯曲光波导作为给出来自光耦合器20的两路输出光信号的相位差的光波导22和光波导24。
例如，当曲率半径为500μm，弯角θ1为4.0度，弯角θ2为4.62度时，在光波导22与光波导24之间产生大约61.3nm的光程差。由此给出的相位差大约为0.253π[弧度]。即，从光波导24输出的信号光比从光波导22输出的信号光在相位上延迟0.253π[弧度]。
使用曲率半径相同的弯曲光波导作为形成光波导22和光波导24的波导，从而，当在所述弯曲光波导中激发高次模或高次泄漏模时，相同的模彼此之间进行激发和削弱。这使得光波导22与光波导24之间的相移量得以被保持。
鉴于此，优选地，形成光波导22的弯曲光波导以及形成光波导24的弯曲光波导具有相同的曲率半径，但是，只要曲率半径处于使光波导22中的激发模和光波导24中的激发模有效地对彼此进行削弱的范围内，则其可以不必具有相同的曲率半径。“大体相同的曲率半径”意味着这样的范围，在该范围内使得光波导22中的激发模和光波导24中的激发模有效地对彼此进行削弱，并且能够获得所指定的特性。
例如，考虑到将根据本实施例的光波导装置应用于例如后文所述的第二实施例或第四实施例中描述的90度光混合电路，优选将Q通道不平衡抑制在±0.3dB的范围内。根据将Q通道不平衡抑制在±0.3dB的范围内，计算在光波导22的弯曲光波导的曲率半径与光波导24的弯曲光波导的曲率半径之间的差值的允许范围，并且所述允许范围处于大约±20％的范围内。即，光波导22的弯曲光波导的曲率半径与光波导24的弯曲光波导的曲率半径之间的差值被设定在±20％的范围内，从而能够将Q通道不平衡抑制在±0.3dB的范围内。这表示光波导22的弯曲光波导的曲率半径与光波导24的光波导的曲率半径之间的差值将被设定在±20％的范围内，由此光波导22中的激发模和光波导24中的激发模能够有效地对彼此进行削弱。
曲率半径R的值取决于所使用的波导参数，且不能被无条件限定，但对于如本实施例中的高台面波导结构的光波导装置来说，优选地，其下限值大约为100μm。随着曲率半径R变得更小，过多损耗增大，使得在应用于例如90度光混合电路中时难以获得Q通道平衡。以能够将Q通道不平衡抑制在±0.3dB的范围内为前提来计算上述下限值。
当曲率半径变得更小，并且光波导22无限接近线性波导时，不易在光波导22中激发高次模或高次泄漏模，从而削弱了对光波导24中所激发的模进行补偿的效果。鉴于此，优选地，将光波导22的弯角θ1的下限值设定为对应于曲率半径R的值。
图5为示出通过模拟给出的关于在光波导22的弯角θ1的下限值与曲率半径R之间的关系的图表。
如图5所示，弯角θ1的下限值随着曲率半径R的增大而减小。例如，当曲率半径R为100μm时，弯角θ1的下限值为18度。当曲率半径R为200μm时，弯角θ1的下限值为10度。当曲率半径R为300μm时，弯角θ1的下限值为6度。当曲率半径R为500μm时，弯角θ1的下限值为4度。当曲率半径R为1000μm时，弯角θ1的下限值为2度。
光波导24的弯角θ2被设定为大于光波导22的弯角θ1的值，其中，适当选择所述弯角θ2的值使得可通过与光波导22之间的光程差来获得指定的相位差。
接下来，将参照图6A至图11来描述根据本实施例的光波导装置的制造公差。
由于制造过程中的波动等导致了光波导装置的波导参数常常偏离设计值。
例如，考虑了以下情况：由于制造误差导致光耦合器的输入/输出端口处的偏移量偏离指定值的情况，所述偏移量的理论估计值偏离经验值的情况，或者其它情况。如图6A为例，在线性波导82位于光耦合器80与弯曲光波导84之间的情况下，所述偏移量为在线性波导82与弯曲光波导84之间所提供的偏移量Δ。另外，如图6B为例，在弯曲光波导84直接连接至光耦合器80的情况下，所述偏移量为弯曲光波导84对于线性波导的想象位置(imaginary position)的偏移量Δ。
考虑了这样一种情况，例如光波导的宽度本身偏离指定值的情况。例如，如图7A所示，考虑了已完成的光波导86的宽度为宽于设计值W的W+δW的情况。另外，如图7B所示，考虑了已完成的光波导86的宽度为小于设计值W的W-δW的情况。
当波导参数由于这些原因而偏离设计值时，相移量与设计值发生偏差，并且不能将分支比保持不变。
图8为示出通过模拟给出的关于光耦合器和弯曲光波导之间的偏移量与分支特性之间的关系的图表。在所述图中，实线表示根据图3所示的本实施例(图中的“本实施例”)的光波导装置的特性，虚线表示根据图9所示的参考实例(图中的“参考实例”)的光波导装置的特性。
如图9所示，除参考实例的用于提供相位差的两个光波导26、28不同之外，根据参考实例的光波导装置与根据图3所示的本实施例的光波导装置相同。参考实例的光波导装置包括两个给出相位差的波导26、28。一个波导26由线性光波导形成，另一个波导28则由弯曲光波导形成。光波导28是弯曲光波导，从而，光波导26的光程长度与光波导28的光程长度可不同，并且可在从光波导26输出的信号光与从光波导28输出的信号光之间提供相位差。
在图8所示的计算实例中，经过光波导22的信号光与经过光波导24的信号光之间的相移量、以及经过光波导26的信号光与经过光波导28的信号光之间的相移量被设定为-π/4[弧度]。用形成在光耦合器20与光波导22、24、28的弯曲光波导之间以及形成在光耦合器30与光波导22、24、28的弯曲光波导之间的线性光波导来限定线性光波导与弯曲光波导之间的偏移量Δ(参见图6A)。
假设了如图4所示的高台面波导结构作为光波导装置的结构，并且GaInAsP核心层的能带隙波长λg被设定为1.05μm，输入/输出波导宽度被设定为2.5μm。优化各自的光波导装置的操作来满足单模条件，并且以85∶15的比不对称地对信号光进行分支。
根据图3所示的本实施例的光波导装置以及根据参考实例的光波导装置使用光波导作为延迟干涉仪，这会引起模波动的风险。通常，通过在有限范围内优化偏移量Δ能够减小因模波动引起的特性退化。这种情况下，用于所有光波导装置的最佳偏移量Δ估计约为0.04μm。然而，存在最佳偏移量Δ不总是固定值而取决于制造过程中的误差的风险。
如图8所示，在参考实例的光波导装置中，当偏移量Δ从最佳值0.04μm发生移位时，与交叉端口(cross port)耦合的比(85％，～0.75dB衰减)以及与直通端口(bar port)耦合的比(15％，～8.3dB衰减)发生很大的移位。在偏移量Δ改变到±0.04μm的范围内，移位量(shift amount)甚至达到±5％和±23％。特性关于偏移量Δ产生如此大的移位的原因是：偏移量Δ从最佳偏移量Δ移位越大，在弯曲光波导中激发出越高的高次模或高次泄漏模，从而由光波导26、28之间的光程差ΔLPS所引起的指定的相移量发生改变。
然而，如图8所示，在根据本实施例的光波导装置中，尽管偏移量Δ从最佳值(0.04μm)发生了大约±0.04μm的移位，然而与交叉端口与直通端口耦合的比大体没有发生移位。在所有输出通道中对于最佳值的移位量在大约±1％的范围内。这也是因为在根据本实施例的光波导装置中，当偏移量Δ从最佳偏移量Δ移位越大时，在弯曲光波导中激发出越高的高次模或高次泄漏模，但在双臂弯曲光波导中相同的模彼此进行激发，从而保持了指定的相移量。
在图8的计算实例中，假设了线性波导出现在光耦合器20、30之间的弯曲光波导之前和之后的情况，上述情况与如图6B为例弯曲光波导直接连接至光耦合器20、30的情况相同。当耦合器设计(例如，MMI宽度和MMI长度)为适当时，可获得与图8相同的特性。
然而，当耦合器设计为不适当时，在光耦合器20、30之间的弯曲光波导之前和之后设置线性波导往往有利于提供指定的特性。例如，在MMI耦合器设计由于输入光波长依附性(dependency)、制造误差等变得不适当的情况下，MMI耦合器的输入/输出通道的模分布相对于因指定的自映像(self-imaging)产生的模分布发生移位。当随着它们的传播模进入弯曲光波导而输入它们时，即使偏移量Δ为适当的，仍会由于模不匹配而产生损耗，这使得难以改善所指定的特性。
根据本实施例的光波导装置在由于图7所示的波导宽度W的波动而引起的制造公差方面更为优越。
图10为示出通过模拟给出的关于波导宽度偏离设计值发生的变化与分支特性之间的关系的图表。在所述图中，实线表示根据图3所示的本实施例(图中的“本实施例”)的光波导装置的特性。虚线表示图11所示的第一参考实例(图中的“参考实例1”)的光波导装置的特性。一点划线表示图9所示的第二参考实例(图中的“参考实例2”)的光波导装置的特性。模拟中使用的计算条件与图8中的模拟使用的那些相同。
如图11所示，除两个波导26、28不同之外，第一参考实例的光波导装置与根据图3所示的本实施例的光波导装置相同。在第一参考实例的波导装置中，用于给出相位差的两个光波导26、28中的一个光波导26由线性波导形成，另一个光波导28由在某一部分(at a part)处具有锥形区域的锥形波导形成。
如图10所示，当波导宽度符合设计时，即，变化量δW与波导宽度的设计值相差为0μm，光波导装置的分支比近似于设计值(85∶15)，而与双臂的配置无关。然而，当变化量δW在-0.05μm～+0.05μm的范围内发生移位时，光波导装置的分支比发生很大的移位而取决于双臂的波导配置。
在具有由锥形波导设置成的光移相器的第一参考实例的光波导装置中，与交叉端口耦合的比(85％：～0.7dB)并没有对移位量δW产生太多的影响。然而，与直通端口耦合的比(15％：～8.3dB)关于移位量δW发生线性移位，移位百分比甚至达到大约11％。
如上所述，在具有由锥形波导设置成的光移相器的光波导装置中，当波导宽度偏离设计值时，锥形区域中的相移量偏离指定值，并且不能将分支比保持不变。
在以锥形波导设置成光移相器的情况下，能够通过下述公式(1)来表示特性退化比(FM1)。在公式(1)中，ko表示真空中的波数；LPS表示相移区域长度；δn1和δn2表示关于双臂的波导宽度变化的折射率变化。括号<>表示双臂的波导宽度不固定，并且折射率局部发生变化。
FM1∝ko(<δn1>-<δn2>)·LPS    ...(1)
如公式(1)所示，为了减缓因波导宽度的变化引起的特性退化，减小(<δn1>-<δn2>)或LPS至关重要。然而，这些参数具有这样一个关系，即当减小它们中的一个以获得所需的相移时，则必须增大其它参数。因此，在具有由锥形波导设置成的光移相器的光波导装置中，限制了制造公差的提高。为了克服这种限制，最有效的方法是使双臂的传播常数彼此相等。
另一方面，在第二参考实例的光波导装置以及根据本实施例的光波导装置(其中延迟干涉仪的双臂具有相同的波导宽度)中，与任何输出端口耦合的比被抑制在对于移位量δW的变化的±2.5％的范围内。如上所述，延迟干涉仪的双臂的波导宽度相同，从而，与通过锥形波导形成光移相器的情况相比，因波导宽度的变化引起的特性退化能够得以减缓。
在弯曲光波导的延迟干涉仪具有相同波导宽度的双臂的情况下，能够通过以下公式(2)来表示特性退化比(FM2)。在公式(2)中，neq表示波导的有效折射率，ΔLPS表示双臂之间的光程差。
FM2∝ko·neq·ΔLPS...(2)
在公式(1)与公式(2)之间进行比较时，有效折射率neq比(<δn1>-<δn2>)高出大约2位数，而光程长度差ΔLPS比LPS小于不少于2位数。结果是，能够使得特性退化比FM2小于特性退化比FM1，并且能够减缓因波导宽度的变化引起的特性退化。
图8和图10示出使用-π/4[弧度]相移量Δθ的计算结果，即使使用任意的相移量Δθ，也总是能够产生根据本实施例的光波导装置的特性改善效果。这样，根据本实施例的光波导装置能够对于传播模的波动以及波导宽度的变化极大地提高制造公差。
在图1和图3所示的实例中，连接至MMI耦合器的线性波导或弯曲光波导是不变(constant)的，但可以不必是不变的。例如，在连接至MMI耦合器区域的波导的宽度是锥形的情况下，也可产生相同于由图1和图3所示的光波导装置所产生的效果。
接下来，将描述根据本实施例的光波导装置的制造方法。
首先，通过例如金属有机气相外延(MOVPE)法，在n型或未掺杂InP衬底100的上方，外延生长0.5μm厚的未掺杂GaInAsP核心层102和2μm厚的p型或未掺杂InP层104(参见图4)。GaInAsP核心层102的发射波长(emission wavelength)被设定为例如1.05μm。
然后，通过例如蒸发法，在InP层104的上方，沉积将成为掩模的氧化硅膜(未示出)。
接下来，通过光刻，在氧化硅膜的上方，形成具有光波导装置的波导图案的光刻胶膜(未示出)。
然后，利用光刻胶膜作为掩模对氧化硅膜进行蚀刻，然后，利用图案化的氧化硅膜作为掩模，通过例如ICP反应离子蚀刻对InP层104、GaInAsP核心层102以及InP衬底100进行各向异性蚀刻。这样，形成了大约30.0μm高的高台面波导结构，并且完成了根据本实施例的光波导装置。
如上所述，根据本实施例，通过具有大体相同的波导宽度和曲率半径的弯曲光波导的光波导，来提供用于形成光移相器的两个光波导，从而能够防止因波导宽度的变化和模波动引起的特性退化。这样，能够极大地提高制造公差。
[第二实施例]
将参照图12至图19来描述根据第二实施例的光波导装置。本实施例的与根据第一实施例的光波导装置的那些相同的元件由相同的附图标记表示，以免重复，或用来简化对其的说明。
图12为示出根据本实施例的光波导装置的结构的平面图。图13为说明根据本实施例的光波导装置的操作的平面图。图14和图15为示出光波导装置在光信号从输入通道入射时的分支特性的视图。图16和图17为示出光移相器区域的偏移量与Q-ch不平衡之间的关系的图表。图18为示出波导宽度的变化量与Q-ch不平衡之间的关系的图表。图19为示出根据本实施例的变型的光波导装置的结构的平面图。
首先，将参照图12来描述根据本实施例的光波导装置的结构。根据本实施例的光波导装置为根据第一实施例的光波导装置的光移相器在用于解调多值调制信号的90度光混合电路中的一个应用。
如图12所示，光波导装置包括具有两个输入端口和四个输出端口的MMI型光耦合器40以及具有两个输入端口和两个输出端口的MMI型光耦合器30。光耦合器40是基于成对干涉(PI)模的2∶4MMI型耦合器。波导42、44连接至光耦合器40的输入端口。光波导46、48连接至光耦合器40的两对输出通道其中的一对输出通道。光波导22、24连接在光耦合器40的另一对输出通道与光耦合器30的输入端口之间。光波导22、24与根据第一实施例的光波导装置的光波导22、24相同，并形成光移相器。光波导32、34连接至光耦合器30的输出端口。
接下来，将参照图13来描述根据本实施例的光波导装置的操作。
如图13所示，正交相移键控(QPSK)信号和本振(local oscillator，LO)光经由光波导42和光波导44分别入射到光耦合器40的输入端口。然后，输入信号被转换为同相信号以被输出到光耦合器40的两对输出通道。对于输出到两对输出通道的信号光，输出到光波导22、24的一对输出通道成分(component)通过光波导22、24(其作为光移相器)以及光耦合器30被转换为正交相位信号。这样，根据本实施例的光波导装置用作90度光混合电路。
接下来，将参照图14至图18来描述根据本实施例的光波导装置的制造公差。
为了消除正交相位信号的串扰，适当使光移相器区域中的总相移量(θ1-θ2)为-π/4[弧度]至关重要。当由于制造工艺而导致光移相器中的Δθ偏离设计值时，只有正交相位信号成分(component)遭受特性退化。
通常，为了使光信号处理没有误差，有必要在接收的光信号时将称为共模抑制比(CMRR)的参数抑制为不大于20dB。为了获得不大于20dB的CMRR，可取的是将90度光混合电路中的I通道和Q通道不平衡抑制在～0.9dB范围内。然而，鉴于平衡光接收器(平衡光电二极管)的响应性的波动，90度光混合电路的通道不平衡更加严重。
图14和图15为示出光信号从多个输入通道其中之一入射时光波导装置的分支特性的图表。图14示出根据图11所示的本实施例的光波导的分支特性。图15示出使用图9的光波导装置的光波导26、28代替图11的光波导22、24作为光移相器的光波导装置的分支特性。所述光波导装置具有图4中所示的高台面波导结构，并且GaInAsP核心层的能带隙波长为1.05μm。将光波导22、24、26、28的偏移量Δ优化为0.04μm。
如图14和图15所示，可以看出，所有光波导都展现出良好的分支特性，并且I通道和Q通道都具有较小的不平衡。
然而，取决于光移相器区域中的波导结构，制造过程的波动对通道不平衡的影响显著不同。
图16和图17为示出光移相器区域的偏移量Δ与Q通道不平衡之间的关系的图表。图16示出根据图12所示的本实施例的光波导装置的关系。图17示出使用图9的光波导26、28代替图12的光波导22、24作为光移相器的光波导的关系。
如图16所示，在根据本实施例的光波导装置中，不考虑优化偏移量Δ，Q通道不平衡处于±0.3dB的范围内。在根据本实施例的光波导装置中，如第一实施例所述，即使在光移相器区域中发生模波动，也能够抑制其产生的影响，并且Q通道不平衡总是能够保持不变。
然而，在使用图9的光波导26、28作为光移相器的光波导装置中，如图17所示，可以看出，Q通道不平衡随着偏移量Δ偏离设计值(0.04μm)而变得显著。
根据本实施例的光波导装置还能够防止因波导宽度的变化量δW引起的特性退化。
图18为示出根据本实施例的光波导装置的波导宽度的变化量δW与Q通道不平衡之间的关系的图表。在图18中，由于I通道不平衡基本上不受波导宽度的变化量δW的影响，所以忽略I通道不平衡。
如图18所示，在根据本实施例的光波导装置中，即使当光波导宽度的变化量在-0.05μm～+0.05μm范围内发生变化时，也可在C波段范围中将通道不平衡处于±0.2dB范围内。这表示制造公差得以极大地提高。
图16至图18所示的改善效果的特性不局限于由图12所示的结构构成的光波导装置。如图19为例，对于光耦合器40的两对输出通道来说，即使将对连接至光移相器与光耦合器30的端口进行交换，也仍能够产生相同的效果。在图19所示的结构中，将用于输出同相信号与正交相位信号的通道交换。这种情况下，在光耦合器40与光耦合器30之间进行相位匹配所需的光移相器区域的总相移量(θ1-θ2)为+π/4[弧度]。
适合于图12和图19的光波导装置的总相移量(θ1-θ2)不局限于-π/4或+π/4。基本上，能够通过将总相移量(θ1-θ2)设定为-π/4-(s×π)/2(s为任意自然数)或+π/4+(t×π)/2(t为任意自然数)。
除了即将处理的图案配置之外，根据本实施例的光波导装置的制造方法与根据第一实施例的光波导装置的制造方法相同。
如上所述，根据本实施例，90度光混合电路包括根据第一实施例的光波导装置，并且90度光混合电路能够具有高的制造公差。这样，能够抑制过多的损耗和正交相位成分的串扰。
[第三实施例]
将参照图20来描述根据第三实施例的光混合电路。本实施例的与根据第一实施例与第二实施例的光波导装置的那些相同的元件由相同的附图标记表示，以免重复，或用来简化对其的说明。
图20为示出根据本实施例的光混合电路的结构的平面图。
首先，将参照图20来描述根据本实施例的光混合电路的结构。根据本实施例的光混合电路是使用根据第二实施例的光波导装置的相干光接收器(coherent optical receiver)。
即，如图20所示，跨阻放大器(TIA)52经由平衡光电二极管(BPD)50连接至根据第二实施例的光波导装置的光波导46、48的输出。AD转换单元54连接至TIA 52。一TIA 58经由BPD 56连接至光波导32、34的输出。AD转换单元60连接至TIA 58。数字计算电路62连接至AD转换单元54和AD转换单元60。
接下来，将参照图20来描述根据本实施例的光混合电路的操作。
QPSK信号脉冲以及在时间上与QPSK信号脉冲同步的LO光从光波导42、44(其作为90度光混合电路的输入端口)入射。与QPSK信号光的相位相应的信号光从光波导32、34、46、48(其作为90度光混合电路的输出端口)输出。
从90度光混合电路输出的同相通道与正交相位通道的信号光分别从BPD 50、56入射，并且通过BPD 50、56进行光电转换。
从BPD 50、56输出的电流信号通过TIAs 52、58转换为电压信号。
被转换为电压信号的模拟电信号通过AD转换器54、60转换为数字信号，以被发送到数字计算电路62。
此处，BPD 50、56的特性在于：当输入到上面的光电二极管(upperphotodiode)或下面的光电二极管(lower photodiode)时流动的电流对应于1或-1，当同时输入到两个光电二极管时，则没有电流流动。
这样，发送到数字计算电路62的数字信号进行信号处理，从而能够辨别QPSK信号的相位信息，并且能够将其用作相干光接收器。
如上所述，根据本实施例，相干光接收器包括根据第二实施例的光波导装置，从而能够实现制造公差大的相干光接收器。
[第四实施例]
将参照图21来描述根据第四实施例的光波导装置。本实施例的与根据第一实施例至第三实施例的光波导装置的那些相同的元件由相同的附图标记表示，以免重复，或用来简化对其的说明。
图21为示出根据本实施例的光波导装置的结构的平面图。
首先，将参照图21来描述根据本实施例的光波导装置的结构。根据本实施例的光波导装置是用于差分正交相移键控(DQPSK)信号光的90度光混合电路。
如图21所示，除光耦合器40的上游结构不同之外，根据本实施例的光波导装置与根据图12所示的第二实施例的光波导装置基本相同。在光耦合器40的上游，经由光波导74、76设置一具有一个输入和两个输出的MMI型光耦合器70。对光耦合器40与光耦合器70进行互连的光波导74、76具有彼此不同的光程长度。输入信号光经由光波导72输入到光耦合器70的输入端口。根据本实施例的光波导装置不包括LO光产生单元。
接下来，将参照图22来描述根据本实施例的光波导装置的操作。
经由光波导72入射到光耦合器70的DQPSK信号通过光耦合器70分支成光波导74和光波导76两个路径。在光波导74与光波导76之间给出对应于DQPSK信号脉冲的1比特延迟的光程长度差值。这样，分支成两个路径的信号光具有一个由-90度、+90度、0度以及180度4种度数构成的相位差。
光耦合器70的以下操作与根据第二实施例的光波导装置的操作相同。这样，根据本实施例的光波导装置用作90度光混合电路。
能够通过使用Y分支耦合器、2∶2MMI耦合器或2∶2定向耦合器代替光耦合器70实现同样的90度光混合操作。
如上所述，根据本实施例，通过使用根据第一实施例的光波导装置形成90度光混合电路，从而90度光混合电路能够具有大的制造公差。这样，能够抑制过多损耗和正交相位成分的串扰。LO光源不是必需的，这简化了装置的构成。
[第五实施例]
将参照图22来描述根据第五实施例的光混合电路。本实施例的与根据第一实施例、第二实施例以及第四实施例的光波导装置的那些以及根据第三实施例的光混合电路的那些相同的元件由相同的附图标记表示，以免重复，或用来简化对其的说明。
图22为示出根据本实施例的光混合电路的结构的平面图。
首先，将参照图22来描述根据本实施例的光混合电路的结构。
根据本实施例的光混合电路是使用根据第四实施例的光波导装置的相干光接收器。
即，如图22所示，跨阻放大器52经由BPD 50连接至根据第四实施例的光波导装置的输出端。AD转换单元54连接至跨阻放大器52。跨阻放大器58经由BPD 56连接至光波导32、34的输出端。AD转换单元60连接至跨阻放大器58。数字计算电路62连接至AD转换单元54和AD转换单元60。
接下来，将参照图20来描述根据本实施例的光混合电路的操作。
经由光波导72入射到光耦合器70的DQPSK信号通过光耦合器70分支成光波导74与光波导76两个路径。光波导74和光波导76具有对应于DQPSK信号的1比特延迟的光程长度差值。分支成两个路径的信号光具有这样的输出模：通过如第四实施例所述的两个路径的信号光之间的相对相位差使得所述输出模不同。
来自光波导74、76的输出光从光波导42、44(其作为90度光混合电路的输入端口)入射。这样，与DQPSK信号光的相位对应的信号光从光波导32、34、46、48(其作为90度光混合电路的输出端口)输出。
同相通道与正交相位通道的从90度光混合电路输出的信号光分别从BPD 50、56入射，并且通过BPD 50、56进行光电转换。
从BPD 50、56输出的电流信号通过跨阻放大器52、58转换为电压信号。
转换为电压信号的模拟电信号通过AD转换单元54、60转换为数字信号，以发送到数字计算电路62。
此处，BPD 50、56的特性在于：当输入到上面光电二极管(upperphotodiode)或下面光电二极管(lower photodiode)时流动的电流对应于1或-1，当同时输入到两个光电二极管时，则没有电流流动。
这样，发送到数字计算电路62的数字信号进行信号处理，从而能够辨别DQPSK信号的相位信息，并且光混合电路能够用作相干光接收器。
如上所述，根据本实施例，相干光接收器包括根据第四实施例的光波导装置，从而相干光接收器能够具有大的制造公差。LO光源不是必需的，这简化了装置的构成。
[变型实施例]
上述实施例可包括其它各种变型。
例如，上述实施例中描述的光波导装置的结构、构成材料、制造条件等只是一个实例，并且可根据本领域技术人员的技术常识等进行适当改变或变型。
例如，在上述实施例中，光波导装置由InP基化合物半导体材料形成，但是，形成光波导装置的材料不局限于它们。通过形成例如GaAs基化合物半导体材料、Si基半导体材料、介电材料、聚合物材料等构成的光波导装置，能够产生与根据上述实施例的光波导装置产生的那些相同的效果。
在上述实施例中，光波导装置具有高台面波导结构，但是，波导的结构不限于高台面波导结构。例如，光波导装置能够具有其它结构，诸如掩埋式异质(BH)结构、脊形波导结构等。
本文列举的全部实例和条件性语言是为了教示性的目的，以帮助读者理解本发明以及发明人为了促进技术而贡献的概念，并应解释为不限制于这些具体列举的实例和条件，说明书中这些实例的组织也不是为了显示本发明的优劣。尽管已经详细描述了本发明的实施例，但应理解在不背离本发明的精神和范围的情况下可作出各种变化、替换以及更改。

Claims (20)

1.一种光波导装置，包括：
第一光耦合器，将输入光进行分支以输出第一信号光和第二信号光；
光移相器，用于给出所述第一信号光与所述第二信号光之间的相位差，所述光移相器包括：
第一光波导，连接至所述第一光耦合器且传播所述第一信号光；以及
第二光波导，具有与所述第一光波导的光程长度不同的光程长度，连接至所述第一光耦合器且传播所述第二信号光；以及
第二光耦合器，连接至所述光移相器的所述第一光波导和所述第二光波导，用于将从所述第一光波导输出的所述第一信号光与从所述第二光波导输出的所述第二信号光耦合，其中
所述第一光波导具有第一波导宽度，并且是以第一曲率半径弯曲的弯曲光波导，
所述第二光波导具有第二波导宽度，并且是以第二曲率半径弯曲的弯曲光波导，
所述第一波导宽度与所述第二波导宽度彼此相等，以及
所述第一曲率半径与所述第二曲率半径之间的差值处于±20％的范围内。
2.根据权利要求1所述的光波导装置，其中，
所述第一曲率半径与所述第二曲率半径相同。
3.根据权利要求1所述的光波导装置，其中，
所述第一光波导的弯角与所述第二光波导的弯角彼此不同。
4.根据权利要求1所述的光波导装置，其中，
所述第一光波导在其弯曲部与所述第一光耦合器之间具有第一线性波导以及在其弯曲部与所述第二光耦合器之间具有第二线性波导，以及
所述第二光波导在其弯曲部与所述第一光耦合器之间具有第三线性波导以及在其弯曲部与所述第二光耦合器之间具有第四线性波导。
5.根据权利要求4所述的光波导装置，其中，
在下述部分提供偏移量：在所述第一光波导的所述弯曲部与所述第一线性波导之间，在所述第一光波导的所述弯曲部与所述第二线性波导之间，在所述第二光波导的所述弯曲部与所述第三线性波导之间，以及在所述第二光波导的所述弯曲部与所述第四线性波导之间。
6.根据权利要求1所述的光波导装置，其中，
所述第一光耦合器、所述第二光耦合器、所述第一光波导以及所述第二光波导具有高台面波导结构。
7.根据权利要求1所述的光波导装置，其中，
所述第一光耦合器具有两个输入端口以及形成两对输出通道的四个输出端口，以及
所述第一光波导和所述第二光波导连接至所述两对输出通道中的一对。
8.根据权利要求7所述的光波导装置，其中，
所述第二光耦合器是具有两个输入端口和两个输出端口的光耦合器。
9.根据权利要求7所述的光波导装置，其中，
正交相移键控信号被输入到所述第一光耦合器的所述两个输入端口中的一个，以及
本振光被输入到所述第一光耦合器的所述两个输入端口中的另一个。
10.根据权利要求7所述的光波导装置，还包括：
第三光耦合器，具有一个输入端口和两个输出端口；
第三光波导，将所述第三光耦合器的所述两个输出端口中的一个与所述第一光耦合器的所述两个输入端口中的一个互连；以及
第四光波导，其光程长度与所述第三光波导不同，且将所述第三光耦合器的所述两个输出端口中的另一个与所述第一光耦合器的所述两个输入端口中的另一个互连。
11.根据权利要求10所述的光波导装置，其中，
差分正交相移键控信号光被输入到所述第三光耦合器的所述一个输入端口中。
12.根据权利要求1所述的光波导装置，其中，
所述第二光耦合器是具有两个输入端口和两个输出端口的光耦合器。
13.根据权利要求12所述的光波导装置，其中，
正交相移键控信号被输入到所述第一光耦合器的所述两个输入端口中的一个中，以及
本振光被输入到所述第一光耦合器的所述两个输入端口中的另一个中。
14.根据权利要求12所述的光波导装置，还包括：
第三光耦合器，具有一个输入端口和两个输出端口；
第三光波导，将所述第三光耦合器的所述两个输出端口中的一个与所述第一光耦合器的所述两个输入端口中的一个互连；以及
第四光波导，其光程长度与所述第三光波导不同，且将所述第三光耦合器的所述两个输出端口中的另一个与所述第一光耦合器的所述两个输入端口中的另一个互连。
15.根据权利要求14所述的光波导装置，其中，
差分正交相移键控信号光被输入到所述第三光耦合器的所述一个输入端口中。
16.一种光混合电路，包括：
光波导装置，所述光波导装置包括：
第一光耦合器，将输入光进行分支以输出第一信号光和第二信号光；
光移相器，用于给出所述第一信号光与所述第二信号光之间的相位差，所述光移相器包括：
第一光波导，连接至所述第一光耦合器且传播所述第一信号光；以及
第二光波导，具有与所述第一光波导的光程长度不同的光程长度，连接至所述第一光耦合器且传播所述第二信号光；以及
第二光耦合器，连接至所述光移相器的所述第一光波导和所述第二光波导，用于将从所述第一光波导输出的所述第一信号光与从所述第二光波导输出的所述第二信号光进行耦合，其中
所述第一光波导具有第一波导宽度，并且是以第一曲率半径弯曲的弯曲光波导，
所述第二光波导具有第二波导宽度，并且是以第二曲率半径弯曲的弯曲光波导，
所述第一波导宽度与所述第二波导宽度彼此相等，
所述第一曲率半径与所述第二曲率半径之间的差值处于±20％的范围内，
所述第一光耦合器具有两个输入端口以及形成两对输出通道的四个输出端口，以及
所述第一光波导和所述第二光波导连接至所述两对输出通道中的一对；
光电转换单元，将从所述第一光耦合器的另一对输出端口输出的光信号以及从所述第二光耦合器的所述输出端口输出的光信号转换为电信号；以及
计算单元，基于所述电信号执行辨别所述输入光的处理。
17.根据权利要求16所述的光混合电路，其中，
所述第二光耦合器是具有两个输入端口和两个输出端口的光耦合器。
18.根据权利要求17所述的光混合电路，还包括：
第三光耦合器，具有一个输入端口和两个输出端口；
第三光波导，将所述第三光耦合器的所述两个输出端口中的一个与所述第一光耦合器的所述两个输入端口中的一个互连；以及
第四光波导，其光程长度与所述第三光波导不同，且将所述第三光耦合器的所述两个输出端口中的另一个与所述第一光耦合器的所述两个输入端口中的另一个互连。
19.一种光混合电路，包括：
光波导装置，所述光波导装置包括：
第一光耦合器，将输入光进行分支以输出第一信号光和第二信号光；
光移相器，用于给出所述第一信号光与所述第二信号光之间的相位差，所述光移相器包括：
第一光波导，连接至所述第一光耦合器且传播所述第一信号光；以及
第二光波导，具有与所述第一光波导的光程长度不同的光程长度，连接至所述第一光耦合器且传播所述第二信号光；以及
第二光耦合器，连接至所述光移相器的所述第一光波导和所述第二光波导，用于将从所述第一光波导输出的所述第一信号光与从所述第二光波导输出的所述第二信号光耦合，其中
所述第一光波导具有第一波导宽度，并且是以第一曲率半径弯曲的弯曲光波导，
所述第二光波导具有第二波导宽度，并且是以第二曲率半径弯曲的弯曲光波导，
所述第一波导宽度与所述第二波导宽度彼此相等，
所述第一曲率半径与所述第二曲率半径之间的差值处于±20％的范围内，以及
所述第二光耦合器是具有两个输入端口和两个输出端口的光耦合器；
光电转换单元，将从所述第一光耦合器的另一对输出端口输出的光信号以及从所述第二光耦合器的所述输出端口输出的光信号转换为电信号；以及
计算单元，基于所述电信号执行辨别所述输入光的处理。
20.根据权利要求19所述的光混合电路，还包括：
第三光耦合器，具有一个输入端口和两个输出端口；
第三光波导，将所述第三光耦合器的所述两个输出端口中的一个与所述第一光耦合器的所述两个输入端口中的一个互连；以及
第四光波导，其光程长度不同于所述第三光波导，且将所述第三光耦合器的所述两个输出端口中的另一个与所述第一光耦合器的所述两个输入端口中的另一个互连。
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