CN102822707A - 光波导和光波导器件 - Google Patents

Abstract

应当针对光波导对正确地控制光路长度差，即使该光波导对中的光波导包括大量弯曲波导部分的组合。一种光波导对，其中的光波导包括弯曲部，其中，弯曲部具有包括弓形波导部分的形状，所述弓形波导部分具有相同的曲率；并且光波导对中的光波导具有相同数目的弓形波导部分。

Description

光波导和光波导器件

技术领域

本发明涉及具有弯曲部的光波导，具体涉及具有弯曲部的光波导，其中弯曲部的光路长度的偏差是可以被控制的。

更具体地，本发明涉及光波导和光波导器件光波导，其中在具有弯曲部对的光波导中，彼此的光路长度差的偏差是可以被控制的。

背景技术

对于用于光网络系统的光开关和光调制器来说，通过能够集成和批量生产的PLC(平面光波回路)技术制造的光波导器件是有效的。通过在半导体集成电路制造工艺中使用同样的精细加工技术，PLC技术在衬底上形成了具有各种形状的光波导。

作为光波导回路的示例，图6示出了用于从偏振分离之后的光信号中获得拓扑信息的90度光混合干涉仪的一般组成。

图6的90度光混合干涉仪包括分光器件11和12、光波导臂13-16以及具有两个输入和两个输出的光耦合器17、18。

在该光波导回路中，分割光信号的两个臂13和14的光路长度彼此相等，而在分割本地振荡光的两个臂之中，臂15的光路长度比臂14的光路长度长λ/(4n)。在本文中，n是波导的等效折射率，λ是光波长。因此，通过正确地给出光路长度差，可以在该90度光混合干涉仪中获得所需的干涉信号。

此外，为了调节各个臂的长度，需要调节光波导的形状。

具有弯曲部的光波导通常包括弓形弯曲波导和直线波导的组合。

然而，在光波导的弯曲部处，在波导中心与传播光的电场强度峰值位置之间出现间隙，并且波导中传播的光的实际光路长度取决于相应光波导的形状而变化。在弯曲方向发生改变的部分，即，变成光波导拐点的部分和变成弯曲部与直线部之间连接点的部分，形成了传播光的电场强度峰值位置的差异。众所周知，这些电场强度峰值位置的间隙导致了耦合损耗的产生。

在专利文献1中记载了解决这种问题的技术示例。在专利文献1记载的光波导中，通过以下操作来避免耦合损耗的产生：在成为拐点的部分或成为弯曲部和直线部之间连接点的部分之前和之后将光波导的中心轴设置为非连续，并提供阶变使得在该部分之前和之后电场强度峰值位置可以相同。

基于在光波导中传播的光信号的电场强度的峰值位置与波导中心之间的间隙量的计算值，来确定阶变的宽度，即，偏移量。该间隙宽度的理论值根据光波导的相对折射率差值、芯尺寸或曲率而变化。例如，当光波导的曲率不同时，波导中心与电场强度峰值位置之间的间隙量也不同。因此，当在相应臂的弯曲部中混杂曲率不同的弧形部分时，上述偏移量也会不同，那么设计就变得复杂。因此，臂的弯曲部由曲率全都相同的弧段组成，在整个长度上调节臂长度，使得组成弯曲部的各个弯曲波导的长度与直线部光波导的长度的组合可以满足期望的条件。

[专利文献1]日本专利申请公开号1997-288219。

发明内容

本发明要解决的技术问题

然而，在需要对形成对等对(如，90度光混合干涉仪)的光波导的光路长度差进行严格控制的光波导器件中，上述技术难以正确地控制形状不同的各个光波导的光路长度。

特别是，当通过分别组合大量的弧形部分来组成光波导对时，很难严格控制光波导对中的光路长度差。

也就是说，如果能够正确掌握光波导的弯曲部中波导中心与电场强度峰值位置之间的间隙量，就能够以期望的值来设计实际光路长度。如图7所示，通过根据波导中心与电场强度峰值位置之间的间隙量来设置相对于基准轮廓的偏移，可以提供这样的构成，使得在成为拐点的部分和成为弯曲部与直线部之间连接点的部分中，电场强度峰值位置可以相同。然而，例如对于上述90度光混合干涉仪，由于偏移量的值一般不大于0.5μm的小值，所以很难正确估计最优值。此外，由于光波导的设计参数包括制造波动，所以实际偏移量也会波动微小的值。

例如，图8是示出了在组成上述90度光混合干涉仪的弯曲波导中，基于波导中心与电场强度峰值位置之间的偏离量的计算值或者基于实验结果来设置偏移的状态。在本文中，90度光混合干涉仪的臂15和16的基准轮廓由弓形弯曲波导和直线波导的组合组成，弓形弯曲波导具有半径r以及中心角φ和θ(弧长度分别是rφ和rθ)。此外，将弯曲波导的半径r设置为基于波导中心的值。假定将波导中心和电场强度峰值位置之间的偏离量估计为d，那么图7所示，为了补偿拐点部分处电场强度峰值位置的不一致，相对于基准轮廓的偏移量将是2d。

如图8所示，可以通过以下操作来提供该偏移：设置相对于基准轮廓的阶变，使得弯曲波导部分的半径可以是r-d。臂16具有半径为r-d的4个弯曲波导，并使中心角以及波导中心与模式中心之间的偏离量分别为θ和d。通过设置偏移，得到在整个4个弯曲波导部分中光传播的总距离为4rθ。

假定由于制造偏差和设计中计算不够精确，在实际电场强度峰值位置与设计电场强度峰值位置之间形成位置不一致(偏移估计误差)，并且波导中心和电场强度峰值位置之间的间隙量相对于计算值d而偏移了Δd。在这种情况下，4个弯曲波导部分中的光路长度将总计偏移4θ×Δd。

另一方面，两个弯曲波导连接至臂15，在两个整个弯曲波导部分中光传播经过的总距离是2rφ。假定与此相关的偏移估计误差是Δd，则弯曲波导部分中的光路长度类似地偏移总计2φ×Δd。因此，臂14和15之间的光路长度差相对于设计值偏离了(4θ-2φ)×Δd。

当例如在图8的90度光混合干涉仪中设置θ＝π/6，φ＝π/4并且Δd＝0.03μm时，光路长度差相对于设计值的偏离量将是0.016μm。

由λ/(4n)来表示用于实现90度混合功能的光路长度差，其中λ和n分别表示传播光的波长和波导的等效折射率，例如，对于1550nm的波长和1.46的光波导折射率，该光路长度差是大约0.265μm。假定光路长度差偏移了±0.015μm，则混合角改变±5°。

在OIF(光互联论坛)中(OIF是促进高速数据通信的工业协会)，认为信号解调所需的混合角应当在90±5°之内。

必须考虑实际器件的可用波段内混合角的波长相依性和温度相依性，并且需要将光路长度差控制到小于0.015μm的级别。

然而如上所述，在图8的配置中，由于偏移量改变，增大了光路长度差的波动。这导致了如下问题：损害了混合角的精度并且降低了制造产率。

本发明的目的是解决上述问题，并提供一种光波导和光波导器件，其中，针对光波导对，甚至是在包括大量弯曲波导部分的组合的光波导对中，可以正确地控制所述光波导和光波导器件的光路长度差。

解决问题的方案

本发明的光波导是包括弯曲部的光波导对。光波导的特征在于，弯曲部具有包括弓形波导部分的形状，所述弓形波导部分具有相同的曲率，所述光波导具有相同数目的弓形波导部分。

本发明的有益效果

根据本发明，可以提供光波导回路和光波导器件，包括光波导对，所述光波导对具有大量弯曲波导部分的组合，其中可以正确地控制光波导对的光路长度差。

附图说明

图1是示出了本发明第一示例实施例的光波导的组成的示意图。

图2是示出了本发明第二示例实施例的90度光混合干涉仪的组成的示意图。

图3是示出了本发明第三示例实施例的90度光混合干涉仪的组成的示意图。

图4是示出了本发明第四示例实施例的90度光混合干涉仪的组成的示意图。

图5是示出了光波导的接合部分中模型差的状态的示意图。

图6是示出了90度光混合干涉仪的示例配置的示意图。

图7是示出了弯曲波导的接合处对偏移的补偿的示例的示意图。

图8是示出了90度光混合干涉仪的光波导的一般组成和设计参数的示意图。

具体实施方式

接下来将参考附图描述本发明的示例实施例。

[第一示例实施例]

图1是示出了本发明示例实施例的光波导的配置的示意图。图1所示的光波导1和2是一对具有弯曲部的光波导，弯曲部至少包括相同曲率的弓形波导部分1a-1d和2a-2d。

这对光波导1和2中的每一个具有相同数目的弓形波导部分1a-1d和2a-2d。

图1中这对光波导1和2中的每一个包括弯曲波导，弯曲波导的弯曲部具有相同的曲率。在相同曲率的弯曲波导中，可以认为相对于波导中心的传播光电场强度峰值位置偏差量是相同的，且在直线波导部分中波导中心和电场强度峰值位置是相同的。因此，这种电场强度峰值位置偏差量只会出现在弯曲波导部分中。因此，当这对光波导1和2中的每一个具有相同数目的弯曲波导部分时，就各光波导对的光路长度差而言，由电场强度峰值位置偏差引起的光路长度差的波动被抵消。即使电场强度峰值位置偏差量偏离了设计值，仍然可以有效地抑制光路长度差的偏差，这是因为该偏差量仍然被抵消。另一方面，光波导1和2包含的直线波导部分的数目和长度并不影响光路长度的波动。

如果由于设计精度和制造差异导致上述电场强度峰值位置偏差量偏离了设计值，那么只要制造是基于设计的，就认为由设计精度引起的偏离是固定的。另一方面，对于由制造差异而引起的偏离，认为在组成光波导的氧化硅薄膜中掺杂的材料的密度偏差或蚀刻速率波动是引起这种偏离的因素。即使在每一制造批次和每一衬底存在波动，也认为这些工艺因素不会在相同衬底中引起太大的波动。因此，如果偏离量出现在相同衬底中，则认为出现在相似结构部中的偏离量几乎相同。因此，认为偏离量被抵消，并且对光波导对的光路长度差的影响几乎消失。

此外，尽管图1中将弓形波导部分和直线波导部分的组合示例为光波导1和2，然而形同数目的相同形状波导部分(并非弧形形状的弯曲波导部分)也可以包含在光波导1和2中。如果形状相同，那么即使不是简单的弧形形状，也可以认为电场强度峰值位置偏差量仍然相同。如果包含在光波导1和2中的数目相同，则光路长度差的波动成为零，原因在于电场强度峰值位置偏差量被抵消。

如上所述，根据该实施例，还可以正确地控制光波导对的光路长度差，所述光波导对具有许多弯曲波导部分的组合。

[第二示例实施例]

图2是示出了本发明第二示例实施例的光波导的配置的示意图。该光波导包括：分光器件5，分割第一输入光，并向光波导3和4输出；以及分光器件8，分割第二输入光，并向光波导6和7输出。此外，该光波导配备有：光耦合和分光器件9，在耦合了通过光波导3和6传播的光之后，分割并输出所耦合的光；以及光耦合和分光器件10，在耦合了通过光波导4和7传播的光之后，分割并输出所耦合的光。光波导3、4、6和7具有弯曲部。在波导对3、4以及波导对6、7中，弯曲部由具有相同曲率的弓形波导组成。此外，组成弯曲部的弓形波导部分的数目相等。对于构成90度光混合干涉仪的光波导，光波导对3、4的光路长度相等，而光波导7的光路长度比光波导6的光路长度长λ/(2n)。在本文中，n是光波导的等效折射率，λ是波导光的波长。如果光波导对3、4的光路长度相等，则光波导对3、4可以彼此形状不同。

本示例实施例示出了90度光混合干涉仪，其具有上述本发明第一实施例的两个光波导的组合。90度光混合干涉仪需要复杂形状的波导布局，并且两个光波导对的光路长度差需要被正确地控制。因此，通过将本发明的光波导应用于90度光混合干涉仪而获得的本示例实施例的优点特别显著。

[第三示例实施例]

接下来将参考附图描述本发明的第三示例实施例。图3是示出了本发明第三实施例的光波导的配置的示意图。图3中以相同的数字来表示与图2的部件相对应的部件。在图3的光波导回路的波导对3、4以及波导对6、7中，与图2相类似，弯曲部由具有相同曲率的弓形波导组成。此外，组成弯曲部的弓形波导部分的数目相等。对于构成90度光混合干涉仪的光波导，光波导对3、4的光路长度相等，而光波导7的光路长度比光波导6的光路长度大λ/(2n)。本文中，n是光波导的等效折射率，λ是波导光的波长。

在本文中，光波导6和7仅在B-C之间形状不同。光路长度差由该部分的弧形部长度或直线部长度来设置。另一方面，这两个光波导形状在C-D之间相同，而在A-B之间具有相同的形状和反转的结构。光波导3和4在A-B之间具有形状相同的反转结构，而在A-B之间的其余部分处均形状相同。

在图3中，例如，将A-D之间的距离设置为大约3mm，将B-C之间的距离设置为大约500μm。光波导7的光路长度比光波导4的光路长度长0.265μm。在本文中，当光波导6和7之间的光路长度差形成在A-D之间时，对于A-D之间大约3mm的距离，需要将光波导的长度控制为0.265μm作为光波导的长度。因此，考虑到在对光波导芯进行构图时使用的光掩模，当掩模数据的分辨率较低并且绘制精度不足时，不能恰当地给出光路长度差。而当光波导6和7之间的光路长度差形成在B-C之间时，应当对于B-C之间大约500μm的距离控制0.265μm，并且特别是不再需要具有高绘制精度的光掩模。

如上所述，根据本示例实施例，由于形状仅在有限的部分中彼此不同并且还在该部分中形成光路长度差，所以可以放宽进行制造所需的精度，并且在光波导对中设计也变得容易。

[第四示例实施例]

接下来将参考附图来描述本发明的第四示例实施例。图4是示出了本发明第四示例实施例的光波导回路的配置的示意图。图4中相同的数字表示与图3中相对应的部件。图4的光波导回路也组成了与图3相似的90度光混合干涉仪。本文中，尽管第二示例实施例仅关注于光路长度，然而在第三实施例中也考虑对电场强度峰值位置失配的补偿。即，图4的光波导回路与图3所示光波导的基准轮廓是相同的。然而为了补偿在弯曲方向改变的位置处发生的电场强度峰值位置的失配，在这些部分处实现相对于基准轮廓的偏移(阶变)。通过使弧形部或者弧形部与直线部的接合部分相对于其基准轮廓变动位置，来形成这种偏移。可以通过将两个弧形或二者之一的曲率半径改变与偏移量相对应的长度，来配置在这两个弧形之间实现的拐点处的偏移。

在弯曲波导与直线波导之间的接合部分以及弯曲波导的接合部分中，图5示出了通过针对一个波导设置相对于基准轮廓的阶变(偏移)来实现电场强度峰值位置相一致的示例。在本文中，d是光波导中心与电场强度峰值之间的间隙，Δd是电场强峰值度位置的差异。

如图4所示，通过在光波导的弯曲方向发生改变的部分设置偏移，这种偏移使得与假定的电场强度峰值位置相匹配。按照这种方式，通过设置偏移，实质上抑制了在弯曲方向发生改变的部分中的耦合损耗。此外，如图5所示，当实际电场强度峰值和波导中心之间的间隙相对于计算值偏移了Δd时，产生了一定的耦合损耗。然而光波导对1、2和光波导对4、5具有相同数目的弯曲波导部分，由电场强度峰值位置偏差Δd而引起的光路长度差的波动被抵消，于是光路长度差就没有改变，如上所述。

如上所述，除了使得能够抑制光路长度差的波动之外，还具有以下效果：类似于第三示例实施例，在本示例实施例中，在弯曲方向发生改变的位置处，可以抑制所产生的光耦合损耗。

[第五示例实施例]

根据本发明第五示例实施例的光波导制造方法是一种光波导对的制造方法，其中光波导具有弯曲部，该方法的特征在于：弯曲部具有包括弓形波导的形状，所述弓形波导具有相同的曲率，并且在光波导对中，各个光波导的所述弓形波导部分的数目被设置为相等。

(补充注释1)

一种光波导对，其中的光波导包括弯曲部，其中，

弯曲部具有包括弓形波导部分的形状，所述弓形波导部分具有相同的曲率；并且

光波导具有相同数目的弓形波导部分。

(补充注释2)

根据补充注释1所述的光波导，还包括：阶变结构，所述阶变结构在由弓形波导部分形成拐点的接合部分以及在所述弯曲波导部和直线波导部之间的接合部分中，其中弓形波导部分的弧形的外部向另一指向的波导的中心方向滑动与在接合部分处产生的电场强度峰值位置的失配量相对应的宽度。

(补充注释3)

根据补充注释2所述的光波导，其中，通过在给出拐点的接合部分中改变弓形波导部分的曲率半径，在给出拐点的接合部分处实现阶变结构。

(补充注释4)

根据补充注释1至3中任一项所述的光波导，其中，光波导对具有预定的光路长度差。

(补充注释5)

根据补充注释1至3中任一项所述的光波导，其中，光波导对具有相同的光路长度和不同的形状。

(补充注释6)

根据补充注释1至5中任一项所述的光波导，其中，光波导对的光路长度差由构成光波导的弓形波导部分和直线波导部分中至少一个的长度来调节。

(补充注释7)

一种光波导器件，包括根据补充注释1至6中任一项所述的光波导。

(补充注释8)

一种光波导对的制造方法，其中光波导包括弯曲部，所述制造方法包括：

形成弯曲部，所述弯曲部包括相同曲率的弓形波导部分；并且

针对每个光波导形成相同数目的弓形波导部分。

(补充注释9)

根据补充注释8所述的光波导制造方法，还包括：在由弓形波导部分形成拐点的接合部分以及在弯曲波导部和直线波导部之间的接合部分中，形成阶变结构，其中弓形波导部分的弧形的外部向另一指向的波导的中心方向滑动与在接合部分处产生的电场强度峰值位置的失配量相对应的宽度。

(补充注释10)

根据补充注释9所述的光波导制造方法，其中，通过在给出拐点的接合部分中改变弓形波导部分的曲率半径，在给出拐点的接合部分处实现阶变结构。

(补充注释11)

根据补充注释8至10中任一项所述的光波导制造方法，其中，光波导对具有预定的光路长度差。

(补充注释12)

根据补充注释8至10中任一项所述的光波导制造方法，其中，光波导对具有相同的光路长度和不同的形状。

(补充注释13)

根据补充注释8至12中任一项所述的光波导制造方法，其中，光波导对的光路长度差由构成光波导的弓形波导部分和直线波导部分中至少一个的长度来调节。

(补充注释14)

一种光波导器件的制造方法，其中，使用根据补充注释8至13中任一项所述的光波导制造方法来进行制造。

尽管已经参考本发明的示例实施例具体示出并描述了本发明，然而本发明不限于这些实施例。本领域技术人员应理解，在不脱离如权利要求所限定的本发明的精神和范围的前提下，可以对本发明进行各种形式和细节上的修改。

本申请基于并要求2010年3月17日提交的日本专利申请号2010-060505的优先权权益，其全部公开一并在此作为参考。

工业应用

在上述示例中，尽管描述了本发明应用于90度光混合干涉仪的情况，然而本发明不限于这种应用，而是也可以合适地应用于需要对光路长度差的偏差加以控制的光波导器件。

参考符号列表

1    光波导

1a-1d  光波导部分

2      光波导

2a-2d  光波导部分

3      光波导

4      光波导

5      分光器件

6      光波导

7      光波导

8      分光器件

9      光耦合和分光器件

10     光耦合和分光器件

11     分光器件

12     分光器件

13     光波导臂

14     光波导臂

15     光波导臂

16     光波导臂

17     光耦合器

18     光耦合器

Claims (11)

1.一种光波导对，所述光波导包括弯曲部，其中，

所述弯曲部具有包括弓形波导部分的形状，所述弓形波导部分具有相同的曲率；以及

所述光波导具有相同数目的所述弓形波导部分。

2.根据权利要求1所述的光波导，其中，所述光波导对具有预定的光路长度差。

3.根据权利要求1所述的光波导，其中，所述光波导对具有相同的光路长度和不同的形状。

4.根据权利要求2所述的光波导，其中，所述光波导对的所述光路长度差由构成所述光波导的所述弓形波导部分和直线波导部分中至少一个的长度来调节。

5.根据权利要求2或4所述的光波导，其中，具有所述光路长度差的所述光波导对包括：利用相同数目的具有相同长度的所述弓形波导部分的组合来组成所述弯曲部的光波导部分；以及利用相同数目的具有不同长度的所述弓形波导部分的组合来组成所述弯曲部的光波导部分。

6.根据权利要求1至5中任一项权利要求所述的光波导，还包括：在由所述弓形波导部分形成拐点的接合部分以及所述弯曲波导部和直线波导部之间的接合部分中的阶变结构，其中所述弓形波导部分的弧形的外部向另一指向的波导的中心方向滑动与在所述接合部分处产生的传播光的电场强度峰值位置的失配量相对应的宽度。

7.根据权利要求6所述的光波导，其中，通过将所述弓形波导部分的曲率半径改变与给出所述拐点的所述接合部分中所述电场强度峰值位置的失配量相对应的所述宽度，在给出所述拐点的所述接合部分处实现所述阶变结构。

8.一种光波导，包括第一光波导对和第二光波导对，每个所述光波导对包括根据权利要求1至7中任一项权利要求所述的光波导，其中，所述第一光波导对和所述第二光波导对中的至少一对具有预定的光路长度差。

9.一种光波导器件，包括：

第一分光装置，分割第一输入光并向第一光波导和第二光波导输出；

第二分光装置，分割第二输入光并向第三光波导和第四光波导输出；

第一光耦合和分光装置，在耦合了传播通过所述第一光波导和所述第三光波导的光之后，分割并输出所耦合的光；以及

第二光耦合和分光装置，在耦合了传播通过所述第二光波导和所述第四光波导的光之后，分割并输出所耦合的光；

其中，包括所述第一光波导和所述第二光波导的光波导对具有根据权利要求2、4和5中任一项权利要求所述的光波导对，包括第三光波导和第四光波导的光波导对具有根据权利要求3所述的光波导对。

10.根据权利要求9所述的光波导器件，还包括：在由所述弓形波导部分形成拐点的接合部分以及所述弯曲波导部和直线波导部之间的接合部分中的阶变结构，其中所述弓形波导部分的弧形的外部向另一指向的波导的中心方向滑动与在所述接合部分处产生的传播光的电场强度峰值位置的失配量相对应的宽度，其中所述弓形波导部分构成所述第一光波导和所述第四光波导的所述弯曲部。

11.根据权利要求10所述的光波导器件，其中，通过将所述弓形波导部分的曲率半径改变与给出所述拐点的所述接合部分中所述电场强度峰值位置的失配量相对应的所述宽度，在给出所述拐点的所述接合部分处实现所述阶变结构。

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