CN103270440B - 光波导装置和光波导装置的制造方法 - Google Patents

光波导装置和光波导装置的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明降低了向在构成相干混频器的光波导臂中传播的光波施加的相位差的波长依赖性，光波导装置包括：第一光分支装置，其分支第一输入光并输出到第一和第二光波导；第二光分支装置，其分支第二输入光并输出到第三和第四光波导；第一光耦合器，其混合通过第一和第三光波导行进的光波，然后分支并输出第一和第二输出光；第二光耦合器，其混合通过第二和第四光波导行进的光波，然后分支并输出第三和第四输出光。其中，在第一和第二光波导之间，以及在第三和第四光波导之间，光路长度彼此相等。第一光分支装置具有从与该装置的光传播中心重叠的位置执行光输入的结构。此外，第二光分支装置包括配备有从比该装置的光传播中心更靠端部侧的位置执行光输入的结构的3dB多模干涉仪分束器。

Description

光波导装置和光波导装置的制造方法
[技术领域]
本发明涉及光波导装置，特别是涉及配备有相位延迟功能的光波导装置。
[背景技术]
近年来，在超过100Gbit/秒的超高速通信中，注意到通过在波长利用效率、接收特性和色散补偿能力上优异的偏振波正交复用多值数字信号调制方法（DP-QPSK:DualPolarizationDifferentialQuadraturePhaseShiftKeying：双偏振差分正交相移键控）的通信技术。对DP-QPSK系统中的接收机，将光信号偏振波分离成TE（TransverseElectric：横电）光信号和TM（TransverseMagnetic：横磁）光信号的功能，以及用于从执行了偏振波分离的这些光信号中提取相位信号的90度光混合的功能是必要的。该相位信息是I-Q面上的四值相位信息，由彼此具有π相位差的Ip和In、以及分别具有对Ip和In的π/2相位延迟的Qp和Qn组成。
认为使用光波导的平面光波电路优于实现这种DP-QPSK系统的接收机功能的装置，并且其开发在近年来发展。光波导技术是通过与半导体集成电路制造工艺相同的精加工技术，在基板上形成具有各种形状的光波导的技术，并且适用于集成和批量生产。
例如，作为将上述偏振波分离功能和90度光混合功能集成到平面光电路的光波导装置，在非专利文献1中公开了一种图8所示的光波电路结构。图9作为示意图，指示在执行90度光混合功能的部分中，TE光信号侧的平面光电路的组成。
图9所示的光波电路由通常称为相干混频器的干涉仪组成。在图9中，分别由光分支装置10和11来分支输入TE光信号和本地振荡光。作为最基本光分支装置的Y分支结构型光分支装置通常被用作光分支装置10和11。原因在于因为采用输入光被从一个波导分离到两个分支并输出的简单的对称结构，Y分支结构型光分支装置基本上不具有对光分支的波长依赖性，并且制造时相对耐干扰。光波导臂12-15由干涉仪组成，并且臂12-14在光路长度(opticalpathlength)上相同，而臂15的光路长度比其他臂长相当于在光波导中传播的光波的波长的1/4，以致提供90度相位差。即，由公式（1）表示两臂的光路长度差dL和通过那些臂行进的光的相位差dφ间的关系，其中，波长是λ，并且光波导的有效折射率为n。
dφ＝2π·n·dL/λ（1）
根据公式（1），由公式（2）表示对应于90度（π/2弧度）相位差的光路长度差dL。
dL＝λ/4n（2）
相应地，通过如上所述对光波导臂产生光路长度差，从光耦合器16和17输出I-Q平面上的四值相位信息，并且实现上述90度光混合功能。
[引用文献]
[非专利文献]
[NPL1]ToshikazuHashimoto和其他七人，“Dualpolarizationopticalhybridmoduleusingplanarlightwavecircuit”，Proceedingsofthe2009theInstituteofElectronics,InformationandCommunicationEngineers(IEICE)ElectronicSocietyConference（2009年电子信息通信工程学会（IEICE）的电子协会会议的论文集），2009年9月15日，194页
[发明内容]
[技术问题]
然而，通过如图9所示的结构，即使在臂间对于某一波长光产生对应于90度相位差的光路长度差，当光信号的波长不同时，相位差不会变成90度。然而，实际上，属于由ITU-T(InternationalTelecommunicationUnion：国际电信联盟)规定的、用于波长多路复用的光波长线路、即ITU-T网格的各种波长被用于波长多路复用传输系统。例如，称为C波段的波长带宽约为1530-1565nm，并且L波段约为1580-1610nm，并且在设计用于C波段的相干混频器的情况下，通常基于作为波段中心的1550nm的波长来调整波导的几何长度。即，对这种情形，根据公式（2），光路长度差dL为dL＝1.55/(4×1.465)≒0.265μm，其中，有效折射率n=1.465，并且臂15将比其他臂长该光路长度差。然而，通过该设计，对C波段的最短波长1530nm的光，该相位差为约91.17度，并且对最长波长，为约89.14度。即，在C波段的带宽中，通过臂14和15的行进光波的相位差取决于波长而具有对90度约±1度的宽度。此外，在使用C波段和L波段的整个带宽的情况下，相位差取决于波长而具有对90度约±2.3度的宽度。一般来说，在相位调制信号的解调中要求的相位差的容许范围是在对90度±5度内，以及上述波长依赖性是在容许范围内单独确定的量。然而，当积累了由一些其他因素引起的相位差的波动时，上述波长依赖性可能是引起超出容许范围的危险的重要因素。
本发明的目的是解决上述问题，以及提供光波导装置和光波导装置的制造方法，其能降低向通过构成相干混频器的光波导臂行进的光波提供的相位差的波长依赖性。
[问题的解决方案]
本发明的光波导装置包括：第一光分支装置，其分支第一输入光并输出到第一和第二光波导；第二光分支装置，其分支第二输入光并输出到第三和第四光波导；第一光耦合器，其混合通过第一和第三光波导行进的光波，并且然后分支并输出第一和第二输出光；第二光耦合器，其混合通过第二和第四光波导行进的光波，并且然后分支并输出第三和第四输出光。其中，在第一和第二光波导之间，以及在第三和第四光波导之间，光路长度彼此相等。并且第一光分支装置具有从与该装置的光传播中心重叠的位置执行光输入的结构。此外，第二光分支装置包括3dB多模干涉仪分束器，该3dB多模干涉仪分束器配备有从比该装置的光传播中心更靠端部侧的位置执行光输入的结构。
本发明的光波导装置的制造方法包括：在基板上形成第一覆层（cladlayer）的步骤，在第一覆层上堆叠芯层的步骤，通过图案化芯层来形成芯的步骤，以及用具有与第一覆层相同折射率的第二覆层覆盖芯的步骤。在此，通过使用掩模图案来执行芯层的图案化，该掩模图案包括：第一光分支装置，其分支第一输入光并输出到第一和第二光波导；第二光分支装置，其分支第二输入光并输出到第三和第四光波导；第一光耦合器，其混合通过第一和第三光波导行进的光波，然后分支并输出第一和第二输出光；第二光耦合器，其混合通过第二和第四光波导行进的光波，然后分支并输出第三和第四输出光。其中，分别在第一和第二光波导的对之间，以及在第三和第四光波导的对之间，光路长度彼此相等。第一和第二光分支装置的任何一个具有1输入和2输出对称分支结构型光分支装置，并且另一个具有2输入和2输出3dB多模干涉仪分束器。
[本发明的有益效果]
根据本发明，能提供光波导装置和光波导装置的制造方法，其能降低向通过构成相干混频器的光波导臂行进的光波提供的相位差的波长依赖性。
附图说明
[图1]是示出本发明的第一实施例的光波导装置的结构的示意图。
[图2]是示出用于本发明的第一实施例的光波导装置的、具有2输入和2输出的3dB多模干涉仪分束器的结构的示意图。
[图3]是示出从包括光行进方向的中心的位置向其输入光的、具有1输入和2输出的多模干涉仪分束器的结构的示意图。
[图4]是示出与第一至第四输出光有关的输出特性之间的关系的图。
[图5]是示出用于本发明的第二实施例的光波导装置的、具有2输入和2输出的3dB多模干涉仪分离的具体尺寸的结构图。
[图6]是示出在具有2输入和2输出的多模干涉仪分束器和通过向一对光波导设置特定光路长度差来产生相位差的构造之间的相位差的波长依赖性的比较的图。
[图7]是示出本发明的第三实施例的90度光混合干涉仪的结构的示意图。
[图8]是示出常规90度光混合干涉仪的结构的示意图。
[图9]是示出常规相干混频器的结构的示意图。
具体实施方式
在下文中，将参考图，描述本发明的实施例。
（第一实施例）
图1是示出本发明的第一实施例的光波导装置的结构的示意图。图1的光波导装置具有：光分支装置3，其分支第一输入光并将其输出到光波导1和2；以及光分支装置6，其分支第二输入光并将其输出到光波导4和5。并且图1的光波导装置具有：光耦合器7，其混合通过光波导1和4行进的光波，并且然后分离混合光波以输出第一和第二输出光；以及光耦合器8，其混合通过光波导2和5行进的光波，并且然后分离混合光波以输出第三和第四输出光。
光波导1和2对和光波导4和5对的每一个在光路长度上是相等的。光分支装置3采用具有从与该装置的光传播中心重叠的位置输入光的结构的光分支装置，并且光分支装置6采用具有从比该装置的光传播中心更靠端部侧的位置输入光的结构的3dB多模干涉仪分束器作为光分支装置。
在此，光分支装置的光传播中心是通过光分支装置的光输入侧端面的中心和光输出侧端面的中心的直线，在图1中由虚拟所示。并且如图1所示，比光分支装置的光传播中心更靠端部侧的位置是比光分支装置的光传播中心更接近光分支装置的侧面的、构成光波导装置的面上的位置。
在图1中，示出了将具有1输入和2输出的对称分支结构型光分支装置用于光分支装置3，并且将作为光分支装置的、具有2输入和2输出的3dB多模干涉仪分束器用于仅从一个输入端口输入光的光分支装置6的例子。在这种情况下，在光分支装置3处分支的光之间，光强度和相位彼此是相同的，但尽管在光分支装置6处分支的光之间，光强度彼此是相同的，但通过多模干涉仪内部的干涉效果，不可避免地产生π/2的相位差。在图2中，示出了在2输入和2输出3dB多模干涉仪分束器中，在Cross侧上的光输出产生对在Bar侧上的光输出的π/2相位差的状态。由此，通过将2输入和2输出3dB多模干涉仪分束器用作用于光分支装置6的光分支装置，在通过光波导5的行进光波和通过光波导4的行进光波间生成π/2的相位差。因此，当图1的光波导装置被用作相干混频器时，不需要设置光路长度差来向通过光波导5行进的光波的相位提供π/2的延迟。由于在由多模干涉仪内部的干涉效果产生的π/2的相位差中几乎无波长依赖性，因此，与在光波导的对间设置光路长度差以便生成相位差的结构不同，通过该结构，能有效地解决取决于波长的相位差波动的问题。
此外，因为如上所述，光分支装置3和光分支装置6在结构上是不同的，因此，在来自图1中的各个光分支装置的分支光的出射位置之间的间隔d和D不会变得相同。而且与例如Y分支结构型光分支装置不同，被用作光分支装置6的多模干涉仪分束器具有不仅在输入侧而且在输出侧均带有锥形波导的结构。因此，例如，当通过组合具有相同曲率的相同多个光波导部件来构成光波导1、2、4和5，以便使光波导1、2、4和5的所有光路长度均相等时，需要诸如将直波导部分插入短波导中的调整。
然而，在图1的构造中，仅需要分别使光波导1和2的光路长度彼此相同，以及光波导4和5的光路长度彼此相同。为此，不需要执行上述调整，并且能基本上降低设计和制造的麻烦。
如上所述，通过应用本发明的光波导装置的构造，能降低向通过构成相干混频器的每一光波导臂的行进光波提供的相位差的波长依赖性。
（第二实施例）
接下来，描述本发明的第二实施例。第二实施例将Y分支结构型光分支装置用作图1中的光分支装置3。作为光分支装置3，例如，即使使用如图3所示的具有从包括光传播方向的中心的位置执行光输入的一个输入端的、具有1输入和2输出的多模干涉仪分束器，也能执行相同的光分支而不引起相位差。然而，Y分支结构型光分支装置具有如下特性，即，该结构相对简单，基本上无波长依赖性，以及在制造中相对耐干扰。
并且，作为光耦合器7和8，例如，能使用特性相同的马赫-曾德（Mach-Zehnder）干涉仪。
此外，使光波导1和2对，以及光波导4和5对两者在光路长度上是相同的，并且将具有2输入和2输出的3dB多模干涉仪分束器用作光分支装置6。以此，相对于从Bar侧输出并通过光波导4行进的光波，在从Cross侧输出并通过光波导5行进的光波中生成π/2的相位差。
在该结构中，当改变通过光波导1的行进光波相对于通过光波导4的行进光波的相位差时，相对于第一输出光的输出强度变化特性，第二输出光的输出强度变化特性使其变化特性偏移仅π的相位差。并且当改变通过光波导2的行进光波相对于通过光波导5的行进光波的相位差时，相对于上述第一输出光的输出强度变化特性，第三输出光的输出强度变化特性使其变化特性偏移仅π/2的相位差。此外，当改变通过光波导2的行进光波相对于通过光波导5的行进光波的相位差时，相对于上述第一输出光的输出强度变化特性，第四输出光的输出强度变化特性使其变化特性偏移仅3π/2的相位差。在图4中示出了与上述第一至第四输出光有关的输出特性之间的相互关系。在图4中，水平轴指示输入到光耦合器7或8的第一和第二输入光之间的相位差，而垂直轴指示第一至第四输出光的输出强度。
具有这种输出特性关系的第一至第四输出光的布置与关于输出相干接收机的输出信号的端口布置顺序的、由OIF（OpticalInternetworkingForum：光互联论坛）确定的规范一致。
通过应用用于半导体集成电路制造工艺的精加工技术，能一次全部生成上述结构的光波导装置。
例如，在通过化学气相沉积方法，在硅基板上形成变为下覆层的10μm厚的低折射率二氧化硅膜后，堆叠变为芯层的4μm厚的高折射率二氧化硅膜。在此之后，使用由具有构成上述光分支装置、光耦合器、光波导等等的预定形状芯图案的光掩模，通过光刻方法，一次全部执行该芯层的图案化。此外，通过堆叠变为上部覆层的10μm厚的低折射率二氧化硅膜以便覆盖上述波导芯，能构成预定光波导。在这种情况下，通过磷或硼的掺杂量，可以任意地调整二氧化硅膜的折射率。其中，例如，将上覆层或下覆层与芯层的相对折射率差Δn调整成使得为1.3%。
图5是用作光分支装置6的2输入和2输出3dB多模干涉仪分束器的结构例子。并且图6指示在图5的多模干涉仪分束器中的输出光之间的相位差的模拟计算结果与在光波导对之间设置特定光路长度差以便生成相位差的构造的情况下，相位差的波长依赖性的比较。如图6所示，在光波导的对中设置特定光路长度差以便生成相位差的构造中，行进光之间的相位差具有大的波长依赖性，因此，在所使用的波长带宽的上限和下限处产生大间隔。相比之下，2输入和2输出3dB多模干涉仪分束器的输出光之间的相位差的波长依赖性在所使用的整个波长带宽上非常小。
此外，在上述结构中，将Y分支结构型光分支装置用作光分支装置3。然而，在为尽可能抑制相位误差而试图使光波导1、2、4和5的所有光路长度均相同的情况下，如果将图3中所示的多模干涉仪分束器用作光分支装置3，则用于光路长度调整的设计变得容易。
并且，作为光分支装置6，可以采用如下光分支装置：通过将图2中所示的2输入和2输出3dB多模干涉仪分束器中不执行光输入的一侧上的光输入端口消除来获得其形状，并且其结构具有从比光传播中心更偏移向端部侧的位置来执行光输入的1输入和2输出。
通过由本实施例的光波导装置构成相干混频器，用于I-Q平面上的四值相位信息的输出端口的布置能够符合由OIF规定的、用于相干接收机的输出信号的输出端口的布置顺序的规范。
并且，由于不需要通过光路差加长特定波导，因此，该光波导装置使得设计和生产容易。此外，因为能缩减干涉仪的尺寸，因此，能使由构成干涉仪的波导的生产分散引起的相位误差的影响更小。
（第三实施例）
接下来，描述本发明的第三实施例。图7是示出通过并列布置两个第二实施例的相干混频器构成的90度光混合干涉仪的光波导结构的示意图。
然而，在图7中，相对于上侧相干混频器，下侧相干混频器在光信号和本地振荡光的输入端口之间具有反转位置关系。因此，下侧相干混频器交换输入光分支装置的位置，将Y分支结构型光分支装置用作光分支装置3b，并且将2输入和2输出3dB多模干涉仪分束器用作光分支装置6b。此外，还交换光分支装置6b的输入光的输入侧。因此，通过如上所述构成下侧相干混频器，上述第一至第四输出光的相位差的布置关系能与上侧相干混频器相同。
通过如图7所示，构成90度光混合干涉仪，输入被分离的横电（TE）光信号和横磁（TM）光信号的偏振波，并且获得I-Q平面上的四值相位信息Ip、In、Qp和Qn。
通过上述结构，如图7所示，输入信号光和本地振荡光的四端口以及输出输出信号八个端口的布置顺序遵循由OIF确定的DP-QPSK的接收机规范。
此外，因为输入本地振荡光的部件中的两个输入端口彼此相邻，能采用简单的光波导布局，其中，同一光源的本地振荡光被分支并输入到两个端口，而不交叉其他光波导臂。
在如上所述的实施例中，能减少向通过构成各个相干混频器的各个光波导臂行进的光波提供相位差的波长依赖性，并且能获得高制造良率的90度光混合干涉仪。此外，通过减少了在光波导臂之间的交叉部分的光电路结构，能获得实现OIF标准的输入/输出端口布置的90度光混合干涉仪。
尽管参考其示例性实施例，具体示出和描述了本发明，但本发明不限于这些实施例。本领域的普通技术人员将理解到在不背离如由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，能在形式和细节上做出各种改进。
本申请基于2010年12月21日提交的日本专利申请No.2010-284281并要求其优先权的权益，其公开在此全部引入以供参考。
[参考符号列表]
1光波导
2光波导
3光分支装置
4光波导
5光波导
6光分支装置
7光耦合器
8光耦合器
10光分支装置
11光分支装置
12光波导臂
13光波导臂
14光波导臂
15光波导臂
16光耦合器
17光耦合器

Claims (8)

1.一种光波导装置，包括：
第一光分支装置，所述第一光分支装置分支第一输入光并输出到第一和第二光波导，
第二光分支装置，所述第二光分支装置分支第二输入光并输出到第三和第四光波导，
第一光耦合器，所述第一光耦合器混合通过所述第一和第三光波导行进的光波，并且然后分支并输出第一和第二输出光，
第二光耦合器，所述第二光耦合器混合通过所述第二和第四光波导行进的光波，并且然后分支并输出第三和第四输出光，
其中，在所述第一和第二光波导之间，以及在所述第三和第四光波导之间，光路长度彼此相等，
所述第一光分支装置具有从与该装置的光传播中心重叠的位置执行光输入的结构，并且
所述第二光分支装置包括3dB多模干涉仪分束器，所述3dB多模干涉仪分束器配备有从比该装置的光传播中心更靠端部侧的位置执行光输入的结构，
其中，相对于当改变通过所述第一光波导行进的光波与通过所述第三光波导行进的光波的相位差时的、所述第一输出光的输出强度变化特性，使得：
当改变通过所述第一光波导行进的光波与通过所述第三光波导行进的光波的相位差时的、所述第二输出光的输出强度变化特性，
当改变通过所述第二光波导行进的光波与通过所述第四光波导行进的光波的相位差时的、所述第三输出光的输出强度变化特性，以及
当改变通过所述第二光波导行进的光波与通过所述第四光波导行进的光波的相位差时的、所述第四输出光的输出强度变化特性，
分别偏移多达π，π/2和3π/2的相位差。
2.根据权利要求1所述的光波导装置，其中，所述第一光分支装置包括Y分支结构型光分支装置。
3.根据权利要求1所述的光波导装置，其中，所述第一至所述第四光波导的光路长度相等。
4.一种光波导装置，包括在同一芯片上并列布置两个如在权利要求1中所述的光波导装置而使得依次布置所有各个光输入部和光输出部的构造。
5.一种光波导装置的制造方法，包括：
在基板上形成第一覆层，
在所述第一覆层上堆叠芯层，
通过图案化所述芯层来形成芯，
以及利用具有与所述第一覆层相同折射率的第二覆层来覆盖所述芯，
其中，通过使用掩模图案来执行所述芯层的图案化，所述掩模图案包括：
第一光分支装置，所述第一光分支装置分支第一输入光并输出到第一和第二光波导，
第二光分支装置，所述第二光分支装置分支第二输入光并输出到第三和第四光波导，
第一光耦合器，所述第一光耦合器混合通过所述第一和第三光波导行进的光波，并且然后分支并输出第一和第二输出光，
第二光耦合器，所述第二光耦合器混合通过所述第二和第四光波导行进的光波，并且然后分支并输出第三和第四输出光，
其中，分别在所述第一和第二光波导的对之间，以及在所述第三和第四光波导的对之间，光路长度彼此相等，
并且，所述第一和所述第二光分支装置的任何一个具有1输入和2输出对称分支结构型光分支装置，并且另一个具有2输入和2输出3dB多模干涉仪分束器，
其中，相对于当改变通过所述第一光波导行进的光波与通过所述第三光波导行进的光波的相位差时的、所述第一输出光的输出强度变化特性，使得：
当改变通过所述第一光波导行进的光波与通过所述第三光波导行进的光波的相位差时的、所述第二输出光的输出强度变化特性，
当改变通过所述第二光波导行进的光波与通过所述第四光波导行进的光波的相位差时的、所述第三输出光的输出强度变化特性，以及
当改变通过所述第二光波导行进的光波与通过所述第四光波导行进的光波的相位差时的、所述第四输出光的输出强度变化特性，
分别偏移多达π，π/2和3π/2的相位差。
6.根据权利要求5所述的光波导装置的制造方法，其中，所述第一光分支装置采用Y分支结构型光分支装置。
7.根据权利要求5所述的光波导装置的制造方法，其中，使所述第一至所述第四光波导的每一光路长度相等。
8.一种光波导装置的制造方法，包括将两个在权利要求5中所示的光波导装置构造为在同一芯片上并列布置，使得依次布置所有各个光输入部和光输出部。
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