CN102918437A - 实现在光波导的交叉区域中低损失的设计 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于，降低由多个光波导的交叉形成的、在核心的交叉区域空间(通常，为长方体)的6个面的光的损失。公开了如下的核心的交叉区域结构：其配置为，在构成光波导的核心和包围核心的包层中，对多个核心交叉的交叉区域空间的上下的2个面(取代使用包层材料)追加地配置与核心相同的材料。此外，还公开了如下的核心的交叉区域结构：在构成光波导的核心和包层中，将多个核心交叉的交叉区域空间分割(孤立)的4个侧面，即，对于连接交叉区域空间的核心的其交叉区域空间的4个不连续空间(取代使用核心材料而连续连接)填充与包层相同的材料。

Description

实现在光波导的交叉区域中低损失的设计

技术领域

本发明涉及具有交叉区域的光波导及其制造方法。

背景技术

近几年，作为解决伴随电子系统的高集成化和高性能化而出现的信号延迟和传送率增加等问题的方法，关注于高密度与并行性等出色的光线路。

对于这个光线路来说，光电路不可缺少，但是，光电路成本高，所以可期待可以单纯廉价地制做、以及树脂(塑料等)制的光波导。

光波导主要的构成是核心(core)和包层(clad)，典型地具有包层包围核心的配置。依据核心的折射率和包层的折射率的大小关系、和那些达到接触的界面的光的入射向角，重复作为光的传播的原理的反射和折射。

若打算廉价制造光波导，则优选地，一层的核心在平面制作，但是若作为平面结构实现光波导的光线路，有时由多个光波导产生交叉区域，有时在那个交叉区域产生光的损失，所以如何降低这个损失成为应该克服的课题。

专利文献1记载了，在有交叉区域的光波导中要降低在交叉区域的光的漏出把3个折射率n的大小关系设为n1(核心的交叉区域)>n2(核心)>n3(包层)的2维平面结构的设计及其光波导的制造。

可是，没有提及考虑以下方面的设计：立体地捕捉核心的交叉区域，包含位于那个核心的交叉区域的上下的界面的性质。

专利文献2记载了，在光波导互相交叉并形成交叉区域的、连接到交叉区域的光波导的那个交叉区域的连接位置，形成等同折射率的不连续带(杂质区域，或，槽部)的X交叉型光波导。

可是，核心本身不是通过不连续带分割的构成，而是使在核心上设置的上部包层的厚度变化这样的构成。还有，关于那个目的，等同折射率的不连续带作为光的遮蔽域起作用，在光传播时减少交叉区域的光泄漏。

专利文献3记载了，形成格子状的核心层，在光的行进方向并行，在缝隙处分割核心层的交叉区域的光波导及其制造方法。通过设置缝隙，控制光的损失。

可是，没有记载分割的位置填充包层材料，也没有考虑在立体地分割的位置填充的材料和对其上下配置的材料的共同性的设计。

先行技术文献

专利文献

专利文献l：特开2004-205537号公报

专利文献2：特平方根3-287206号公报

专利文献3：特开2006-139149号公报

发明内容

本发明的目的在于，降低由多个光波导的交叉形成的、在核心的交叉区域空间(通常，为长方体)的6个面的光的损失。换而言之，降低光的损失这个目标在于，在降低光的漏出、闭光方面，对现有技术做出技术上的贡献。

在本发明的第1实施例中，公开了如下的核心的交叉区域结构：在构成光波导的核心和包层中，对多个核心交叉的交叉区域空间的上下的2个面(取代使用包层材料)追加地配置与核心相同的材料。

在本发明的第2实施例中，公开了如下的核心的交叉区域结构：在构成光波导的核心和包层中，将多个核心交叉的交叉区域空间分割(孤立)的4个面，即，对于连接交叉区域空间的核心的其交叉区域空间的4个不连续空间(取代使用核心材料而连续连接)填充与包层相同的材料。

降低由多个光波导的交叉形成的、在核心的交叉区域空间(通常，为长方体)的光的传播损失(光的漏出)，并闭光。

附图说明

图1是表示光波导的主要的构成的示意图．

图2是表示在图1的光波导的光的输入输出和光的漏出的关系的示意图。

图3是核心的交叉区域结构的斜视图。

图4是表示本发明的第1实施例的光波导的交叉区域的构成的图。

图5是表示本发明的第2实施例的光波导的交叉区域的构成的图。

图6是表示关于本发明的第2实施例用于计算在光波导的交叉区域的损失的模型和使用这个模型根据波束传播法计算的传播损失的图。

图7是与图6的模型相对应的折射率分布。

图8是表示根据BPM(Beam Propagation Method：波束传播方法)算出的光的场强的分布的图。

图9表示在本发明的第2实施例的光波导中对任意的包层部的折射率n3和相对折射率差(relative difference in refractive index)△寻求光的传播损失成为最小的间隙宽度δmin的图。

具体实施方式

图1是表示光波导的主要的构成的示意图。图1(a)是平面图。光波导4由核心2及包层3组成。

这个图的例子中，上下平行地排列的直线状的3个核心2和左右平行地排列的直线状的3个核心2，在平面上互相不平行，直角地交叉，所以核心2成为格子状。

只要多个核心2包括作为一层的核心在平面互相不平行的核心的组合，就呈现核心2的交叉区域1，这在几何学上是必然的。在这个图的例子中，核心的交叉区域1呈现9处。

包层3包围多个核心2，配置成按与多个核心2的关系形成界面。

图1(b)是图1(a)的A-A’的断面图，图1(c)是图1(a)的B-B’的断面图。在这里，关于3个折射率n的大小关系，设为n1(核心的交叉区域)>n2(核心)>n3(包层)。关于这样设定折射率的构成，在专利文献1也被说明。

图2是表示在图1的光波导的光的输入输出和光的漏出的关系的示意图。如图2(a)所示，输入光通过核心2直线传播，如果可能，理想地其100%作为输出光来引导。可是，在交叉区域，如(b)所示，其一部分的光向横穿左右交叉的核心露出，产生光的损失。

在图2(a)的例子中，同样，输入光从左输入而输出光向右输出，输入光从下输入而输出光向上输出，这2个方向的光的流动也可能存在。因此，能理解，不仅是在平面中1个方向的光的流动的光的损失，还需要考虑在平面中2维的不同方向的流动的光的传播损失。

图3是核心的交叉区域结构的斜视图。是图1(a)的C-C’的断面图。核心的交叉区域1(必定)是一定的高度(厚度)H的空间，所以在多个核心2以直角(图1(a)中90度)交叉的场合，成为长方体。核心的交叉区域2的宽度分别是W1和W2。在多个核心2如X型交叉那样地倾斜(图1(a)中非直角的交叉角度)相交的场合，成为高度(厚度)H的钻石形的空间。以下，核心的交叉区域1也称为核心的交叉区域空间1。

在这里，核心的交叉区域空间1有6个面。所谓6个面是上面、下面、和4个侧面。若以核心的交叉区域空间1为中心观看，在核心的交叉区域空间1的上面，配置包层3(被包围)并与包层材料的界面接触，在核心的交叉区域空间1的下面，配置包层3(被包围)并与包层材料的界面接触。另一方面，在核心的交叉区域空间1的4个侧面，连续连接并形成核心2(作为连续空间)。

以上，图1、图2、图3的说明是在专利文献1中也同样说明了的内容，是现有技术。以下，在本发明中，将这个现有技术的全部或一部分组合以作为前提的构成，作为那个构成的改良展开说明。

实施例1

图4是表示本发明的第1实施例的光波导的交叉区域的构成的图。这个构成中，其特征在于，在图3说明的核心的交叉区域空间1的上下的2个表中，与核心2相同的材料作为界面接触，由此配置与核心2相同的材料。换而言之，其特征在于，对核心的交叉区域空间1的上面、下面的双方，取代使用包层材料，成为用与核心2相同的材料形成盖。

在核心2的断面使光以等偏角传播这一点，优选地，大致是正方形。在核心2的断面为正方形的场合，核心的交叉区域空间1为立方体。

采用这样特征的构成的技术的意义在于，在核心的交叉区域空间1的上下的2个表面中，调整界面的折射率比。换而言之，在于调整折射率比，以在交叉区域空间1的界面和不属于交叉区域空间1的核心2的界面之间折射率比不变(连续恒定)。

实际上，核心的交叉区域空间1的折射率是n1，与核心2相同的材料的盖的折射率是n2，所以上面或下面的界面的折射率比是n2/n1。

另一方面，在不属于交叉区域空间1的位置的核心2和包层3接触的界面的折射率比是n3/n2，能作为下面的(式1)的关系表示折射率比的关系在那些的多个界面不变(连续恒定)的设计思想。

n2/n1=n3/n2                (式1)

还有，盖的高度(厚度)L可足够高，使得折射率比的关系在界面中不变(连续)，实际上降低来自光波导的输入光的漏出。也可依据输入光的波长和输入光的模式，在设计中适宜地调整。

以上，在交叉区域空间1、核心2、包层3能采用设定并配置不同的折射率的材料的设计。还有，已知通过照射光等对材料施加后续的作用，随后使折射率不同，所以也能应用提及的作用。

因此，光波导能在以树脂为材料进行的光硬化等的处理中制作。这样的盖的构成，能在光刻中图形化制作。

例如，已知通过光照射折射率上升，并且，曝光量越多折射率越大的树脂。另一方面，还已知通过光照射折射率减少，并且，曝光量越多折射率越小的树脂。因此，在光刻中图形化制作的经过中，能容易地导入。

实施例2

图5是表示本发明的第2实施例的光波导的交叉区域的构成的图。这个构成中，其特征在于，对于核心2和核心的交叉区域空间1之间的4个不连续空间(在图3说明的核心的交叉区域空间1分割(孤立)的4个侧面，即，核心2在交叉区域空间1本来要连接位置)，填充与包层3相同的材料。换而言之，其特征在于如下结构：对核心的交叉区域空间1的4个侧面，取代使用向核心2连续连接地核心材料，而是填充与包层3相同的材料。

换而言之，这个结构成为考虑在立体地分割了的位置的不连续空间填充的材料、和与其不连续空间的上下配置的材料的共同性的设计。或，取代分割了的核心，填充的包层材料成为桥接其分割的方式。

不连续空间捕捉本来连续连接(实际上不是)的位置的核心成为不连续的形态的几何学，表现(核心的)间隙、(核心的)槽等。这个不连续空间也可以用光刻图形化制作，一旦制作了连续连接的核心后，根据激光加工和机械加工等切削不连续空间等，此后用包层材料填充来制作。还有，由于能采用与上下的包层材料共同的包层材料，能容易地导入填充的处理。

图6是表示关于本发明的第2实施例用于计算在光波导的交叉区域的损失的模型和使用这个模型根据波束传播法计算的传播损失的图。图6(a)是对4个侧面的全部设置间隙的场合的模型。

在这里的条件如下：核心2的折射率n2=1.593(从1.4~1.6的范围的选择)，包层3的折射率n3=1.542(从1.4~1.6的范围的选择)，相对折射率差(relative difference in refractive index)

△，若为图9(a)的横轴所示的式        (式2)，

则△=5%。条件还有：核心的交叉区域空间1是立方体，核心2是正方形断面，H=W1=W2=35μm。输入的光的波长是λ=850nm。

还有，图6(b)表示模型的传播损失。(b)的横轴是间隙的宽度，纵轴是损失。这个模型中，槽宽度δ为2μm(δmin)附近的场合特别有意义，在数值范围表示在1μm～6μm的场合有利，可认识到，达到1μm～4μm的范围的场合则更加有意义。从这个图，在槽宽度为δmin时，光的传播损失最小。

图7是与图6的模型相对应的折射率分布。横轴表示与光的传播方向垂直的方向的位置，纵轴是光的传播方向的位置，交叉区域的位置位于纵轴中心。数字的单位是入射光的波长(850nm)。

图8是表示根据BPM(Beam Propagation Method：波束传播方法)算出的光的场强的分布的图。对应图7，测量的横轴和纵轴相对应，关于横轴成为2倍的比例尺。在这里，以扇形延长的变化出现，但是，这表示在交叉部的光为少量漏出的情况。

图9表示在本发明的第2实施例的光波导中对任意的包层部的折射率n3和相对折射率差△寻求光的传播损失成为最小的间隙宽度δmin的图。(a)是表示向如图6所示的、本发明的第2实施例的光波导入射波长850nm的光时的传播损失成为最小的间隙宽度δmin以及包层和核心的相对折射率差△的关系的图。在图中，表示包层部的折射率n3是1.5，光的波长是850nm的场合的例子。图中的线是线形近似δmin和△的关系时的图表。关于其他的n3的值δmin和△的关系也能同样地线形近似。图9(b)中，分别表示线形近似图9(a)的δmin和△时的图表的截距A和斜率B，即对于包层部的折射率n3的图。图中的线是线形近似各个关系时的图表。图9(c)中表示对各波长，线形近似A和n3的关系时的图表的截距A₀和斜率D。同样，表示对各波长，线形近似的B和n3的关系时的图表的截距B₀和斜率E。据此，对任意的相对折射率差△和包层部的折射率n3，能算出光的传播损失变成最小的间隙宽度δmin的值。

在这个理论的算出中，使用了以下的条件。

<槽的宽度的范围>

设为下列的范围。

包层的折射率(refractive index)n3：1.4~1.8

入射光的波长(wavelength)λ：850~1350nm

核心和包层的相对折射率差(relative difference in refractive index)△：1~5%

波导核心宽度及高度(waveguidewidth and height)W1,W2,H：30~50nm(在这里，W1=W2=H)

<槽的宽度的求法>

对具有任意的包层的折射率n3、光的波长λ、以及特定的包层部和核心部的相对折射率差的光波导，光的传播损失成为最小的槽的宽度δmin能用下列的方法求出。在图9(a)，通过波束传播方法算出包层部的折射率n3是1.5的场合的、光波导的光的传播损失成为最小的δ的值δmin，对相对折射率差△的值进行绘制。数据能如下地近似线形:

δmin=B△+A               (式3)

这里，B和A分别是斜率和Y截距。在其他的包层部的折射率n3的值的场合，也能同样地线形近似，求出斜率和Y截距。

如图9(b)为与包层的折射率n3相对，分别绘制斜率A和Y截距B。若线形近似各个的图表，则用下面的式表示：

A=Dn3+A0         (式4)

B=En3+B0         (式5)。

在这里，D和E是各个图表的斜率的参数，A0和B0是Y截距的参数。

因此，光的传播损失成为最小的槽宽δmin如下来求出。

1.使用(式4)和(式5)，分别求出对想寻求的n3值的，A和B的值。

2.使用1.中得到的A和B的值，根据(式3)求出δmin的值。

交叉区域空间的尺寸是H(高度)=W1(宽度)=W2(宽度)=35μm，相对屈折率差△=5%条件下，求出槽宽δ=2μm。

交叉区域空间的尺寸是H(高度)=W1(宽度)=W2(宽度)=30~50μm，相对屈折率差△=2~5%条件下，求出槽宽δ=1~6μm。

在这里，本发明说明了在核心和包层的“界面”存在折射率的阶差(步阶)的步阶率光纤。可是，也可适用于核心的折射率不同，对折射率倾斜的梯度率光纤(GI光纤)。GI光纤中，折射率是核心的中心最高，朝向核心的外侧略微降低，在包层的界面与包层相同，在核心和包层之间，折射率的阶差不存在。

即，“界面”是根据核心和包层的“关系形成”，且不需要清楚定义成固定空间或固定物理位置。依据波长λ，以及根据光照到“界面”的入射角，重复作为光的传播的原理的反射和折射。作为本发明的技术的思想的范围，“界面”的用语的意义应广泛地解释。

应注意折射率的设定不需要根据核心的交叉区域为n1，核心为n2，包层为n3，这样严密均匀的材料，只要本领域技术人员能再现本发明的技术的思想的情况。

符号的说明

1核心的交叉区域，核心的交叉区域空间

2核心

3包层

4光波导

5盖

6间隙、槽、不连续空间

H(核心的交叉区域空间的)高度

L盖的高度(厚度)

n1折射率(核心的交叉区域)

n2折射率(核心)

n3折射率(包层)

W1(核心的交叉区域空间的)宽度

W2(核心的交叉区域空间)宽度

Claims (6)

1.一种光波导，其特征在于，包括：

多个核心(2)，上述多个核心作为一层的核心是在平面配置的直线状，包括在平面互相不平行的核心的组合，由折射率n2的材料组成；

包层(3)，包围多个核心，配置成按与多个核心的关系形成界面，由折射率n3的材料组成；

核心的交叉区域空间(1)，多个核心互相交叉而形成，由折射率n1的材料组成；

其中，折射率的大小关系设定为n1(核心的交叉区域)>n2(核心)>n3(包层)；

对核心的交叉区域空间的上面及下面，以折射率n2的材料作为盖来配置；按核心和包层的关系形成的界面的折射率比n2/n3等于按核心的交叉区域空间和盖的关系形成的界面的折射率比n1/n2。

2.一种光波导，其特征在于，包括：

多个核心(2)，上述多个核心作为一层的核心是在平面配置的直线状，包括在平面互相不平行的核心的组合，由折射率n2的材料组成；

包层(3)，包围多个核心，配置成按与多个核心的关系形成界面，由折射率n3的材料组成；

核心的交叉区域空间(1)，多个核心互相交叉而形成，由折射率n2的材料组成；

其中，折射率的大小关系设定为n2(核心)>n3(包层)；

在核心的交叉区域空间的4个侧面，与交叉的4个核心之间分割，形成4个宽度δ的间隙，分割的4个宽度δ的间隙用折射率n3的材料来填充。

3.如权利要求2所述的光波导，其特征在于，

交叉区域空间的尺寸是H(高度)=W1(宽度)=W2(宽度)=35μm，相对折射率差△=5%的条件下，则槽宽度δ=2μm。

4.如权利要求2所述的光波导，其特征在于，

交叉区域空间的尺寸是H(高度)=W1(宽度)=W2(宽度)=30~50μm，相对折射率差△=2~5%的条件下，则槽宽度δ=1~6μm。

5.如权利要求3所述的光波导，其特征在于，

核心2的折射率n2=1.593，包层3的折射率n3=1.542。

6.如权利要求3所述的光波导，其特征在于，

核心2的折射率n2=1.4~1.6，包层3的折射率n3=1.4~1.6。

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