CN105190383B - 偏振分束器和光器件 - Google Patents

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Abstract

提供的是具有高生产率的偏振分束器和光器件。根据本发明的示例性实施例的偏振分束器(PBS)包括：分波器(11)，其由脊波导(50)形成并且将输入光分波成第一输入光和第二输入光；合波器(14)，其由脊波导(50)形成并且对通过由分波器(11)分波的第一输入光和第二输入光进行合波；第一臂波导(12)，第一臂波导(12)由沟道波导(51)形成并且将第一输入光引导到合波器(11)；以及第二臂波导(13)，第二臂波导(13)由沟道波导(51)形成，在相对于传播通过第一臂波导的第一输入光生成相位差的同时，将第二输入光引导到合波器(14)。

Description

偏振分束器和光器件
技术领域
本发明涉及偏振分束器和光器件。
背景技术
近年来，关于超过100Gb/秒的超高速通信，已经对通过在波长使用效率、接收特性以及色散补偿能力方面突出的双偏振差分正交相移键控(DP-QPSK)的数字相干通信积极进行研究。用于DP-QPSK系统的接收机要求用来将光信号分成偏振波的功能，以及用于从已分裂光信号中检索相位信息的90度光混合器(90-degree optical hybrid)功能。具有这样的功能的接收机的标准化已经由OIF(Optical Internetworking Forum：光互连论坛)促进高速数据通信的行业组织研究，并且一直积极追求遵照标准化规范的接收机的发展。
附带地，据说使用光波导技术的平面光波回路作为用来实现这样的DP-QPSK系统的接收机的功能是有影响的。二氧化硅波导被用于平面光波回路。然而，对于二氧化硅波导来说难以增加核心与包层之间的相对折射率差。二氧化硅波导的相对折射率差一般地是约2％。因此，波导的最小弯曲半径大约为mm，并且因此难以使芯片最小化。在这样的情况下，最近关注已不仅集中于相干混合器，而且集中于硅波导(专利文献1)。因为硅有约3.5的高折射率，所以即使硅波导以大约数μm至数百μm的半径弯曲也不产生过度损失。
引用列表
专利文献
[专利文档1]日本未审查专利申请公报No.2012-154980
发明内容
技术问题
硅波导一般地包括沟道波导和脊波导。沟道波导覆盖有包层。沟道波导的厚度是约200nm。沟道波导能够形成有约数μm的极小弯曲半径，然而容易地感到波导侧壁的粗糙度并且波导有2dB/cm至3dB/cm的大传播损失。另外，沟道波导要求较高精度和使用EB(Electron Beam：电子束)写入器，这花费长时间绘制图案。另一方面，脊波导是以该波导被夹在包层之间的方式形成的。脊波导的厚度是约1μm至3μm。波导的弯曲半径是约200μm，其不与沟道波导的弯曲半径一样小，然而脊波导的传播损失是0.5dB/cm至1.0dB/cm，其小于沟道波导的传播损失。在脊波导的制备中，能够通过步进曝光获得足够的特性，并且因此脊波导的生产率高于沟道波导的生产率。
由于上述原因，鉴于插入损失和大规模生产率(成本)在许多情况下采用脊波导。相干接收机的商品化是不可避免的，并且存在对于其低成本生产的需求。因此，已经进行作为要由脊波导实现的相干混合器的研究和开发。
并且在使用脊硅波导来实现相干混合器的情况下，像二氧化硅波导一样，能够通过马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪实现偏振分束功能。硅波导的结构中的折射率色散大于典型的二氧化硅波导的折射率色散，这在尺寸方面是有利的。然而，硅波导对诸如波导宽度、脊高度以及核心Si层的厚度的参数敏感。因此，硅波导有生产率问题。已经鉴于上述问题做出了本发明。
本发明的一个目标是提供具有高生产率的偏振分束器和光器件。
问题的解决方案
本发明的一个示例性方面是偏振分束器，所述偏振分束器包括：分波器，所述分波器由脊波导形成并且将输入光分波成第一输入光和第二输入光；合波器，所述合波器由脊波导形成并且对所述第一输入光和所述第二输入光进行合波，所述第一输入光和所述第二输入光是通过由所述分波器对所述输入光进行分波来获得的；第一臂波导，所述第一臂波导将所述第一输入光引导到所述合波器，所述第一臂波导的至少一部分由沟道波导形成；以及第二臂波导，所述第二臂波导相对于传播通过所述第一臂波导的所述第一输入光在所述第二输入光中生成相位差，并且将所述第二输入光引导到所述合波器，所述第二臂波导的至少一部分由沟道波导形成。
发明的有益效果
根据本发明，有可能提供具有高生产率的偏振分束器和光器件。
附图说明
图1是示出光器件的总体配置的示意图；
图2是示出脊波导的横截面的图；
图3是示出沟道波导的横截面的图；
图4是示出马赫-曾德尔PBS的示意配置的平面图；
图5是示出过渡区的配置的立体图；
图6是示出WG宽度容差的曲线图；
图7是示出脊高度容差的曲线图；
图8是示出相对于波导宽度的等效折射率的改变的曲线图；以及
图9是示出相对于臂长度的光程(optical path length)的改变的曲线图。
具体实施方式
将参考附图描述本发明的示例性实施例。以下示例性实施例是本发明的示例，并且本发明不限于以下示例性实施例。本说明书和附图中的相同的附图标记表示相同的部件。
图1是示出用于数字相干通信的相干混合器元件1的示意图。相干混合器元件1例如是平面光波回路(PLC)，并且包括偏振分束器PBS和90度光混合器90°OH。偏振分束器PBS是具有偏振分束功能的回路。偏振分束器PBS例如是使用臂波导的双折射的马赫-曾德尔干涉仪。90度光混合器90°OH是具有用于检索相位信息的功能的回路(coherent mixercircuit：相干混合器回路)。
相干混合器元件1被设置在例如双偏振差分正交相移键控系统中的接收机中。具体地，相干混合器元件1是被设置在接收机中的光接收FE(前端)。相干混合器元件1是其中偏振分束功能和相位信息检索功能被收容在一个封装中的集成光器件。
输入端口31被设置在偏振分束器PBS的输入侧。输入端口31接收信号光Signal和本地振荡光Local。偏振分束器PBS将信号光Signal和本地振荡光Local分波成正交偏振分量(X/Y分量)，并且将经分波的分量输出到90度光混合器90°OH。
90度光混合器90°OH将输入光的正交偏振分量(X/Y分量)和正交相位分量(I/Q通道)分离成每个正交偏振分量和每个正交相位分量。例如，90度光混合器90°OH包括八个输出端口33。八个输出端口33分别对应于XIp、XIn、XQp、XQn、YIp、YIn、YQp以及YQn。90度光混合器90°OH从相应的输出端口向OE(Optical/Electrical：光/电)转换单元(未示出)等输出信号。
相干混合器元件1由硅波导形成。在每个硅波导中，能够增加核心与包层之间的相对折射率差。因此，与二氧化硅波导的最小弯曲半径相比能够减小硅波导的最小弯曲半径。硅波导有两种类型的结构，即，脊结构和沟道结构。图2示出具有典型的脊结构的硅波导的横截面视图，并且图3示出具有典型的沟道结构的硅波导的横截面视图。
脊波导50和沟道波导51中的每一个包括基板21、下包层22、核心层23以及上包层24。下包层22形成在作为硅基板的基板21上。在这种情况下，下包层22是SiO2膜并且由例如埋氧膜(BOX)形成。核心层23形成在下包层22上。核心层23是诸如SOI(绝缘体上硅)基板的Si膜。上包层24形成在核心层23上。上包层24例如是SiO2膜。核心层23由具有与下包层22和上包层24的折射率不同的折射率的材料形成。
在脊结构的横截面中，核心层23包括向上突出的脊23a。脊23a的两个侧面用上包层24覆盖。脊结构的厚度在从约1μm至3μm的范围内变化。脊结构的弯曲半径是约200μm，其不与沟道结构的弯曲半径一样小，并且脊结构的传播损失是0.5dB/cm至1.0dB/cm，其小于沟道结构的传播损失。在脊波导的制备中，能够通过步进曝光获得足够的特性，并且因此脊波导的生产率高于沟道波导的生产率。
在沟道结构中，用作波导的核心层23的横截面具有基本上矩形的形状。上包层24覆盖核心层23。下包层22和上包层24覆盖整个核心层23。根据这个示例性实施例的偏振分束器PBS具有沟道结构和脊结构两者。
图4示出偏振分束器PBS的示意图。偏振分束器PBS是被单片集成在相干混合器元件1中的马赫-曾德尔偏振分束器。偏振分束器PBS包括分波器11、合波器14、臂部15、输入波导16以及输出波导17。臂部15包括第一臂波导12和第二臂波导13。臂部15被布置在分波器11与合波器14之间。臂部15构成马赫-曾德尔干涉仪。分波器11和合波器14例如是MMI(多模干涉)耦合器。在这种情况下，每个MMI耦合器是2输入/2输出耦合器。替换地，定向耦合器、Y分路器件等能够被用作分波器11和合波器14。
分波器11被耦合到两个输入波导16并且将输入光分波成第一输入光和第二输入光。例如，分波器11以50:50的比率划分信号光，从而生成第一输入光和第二输入光。分波器11被耦合到第一臂波导12和第二臂波导13。通过由分波器11对输入光进行分波所获得的第一输入光传播通过第一臂波导12。通过由分波器11对输入光进行分波所获得的第二输入光传播通过第二臂波导13。第一臂波导12和第二臂波导13各自被耦合到合波器14。
合波器14对传播通过第一臂波导12的第一输入光和传播通过第二臂波导13的第二输入光进行合波。合波器14被耦合到两个输出波导17。合波器14从输出波导17中的一个输出TE(Transverse Electric：横向电)偏振光，并且从另一个输出波导17输出TM(Transverse Magnetic：横向磁)偏振光。因此，偏振分束器PBS将输入光分成偏振波。
分波器11和合波器14各自由脊型硅波导形成。臂部15的至少一部分由沟道硅波导形成。具体地，沟道波导被布置在脊波导之间。在沟道波导的情况下，无需考虑到其结构中的可变因素，即，脊高度。另外，计算的结果表明沟道波导对核心Si层的厚度不太敏感。因此，其中臂部的至少一部分由沟道波导形成的偏振分束器PBS能够实现比其中脊波导被用作臂波导两者的偏振分束器PBS更高的生产率。
偏振分束器PBS包括沟道波导和脊波导。将在下面详细地描述沟道波导和脊波导被设置在其中的区。如图4中所示，偏振分束器PBS包括脊型区41、沟道型区42以及过渡区43。在脊型区41中，如图2中所示出地设置脊波导50。在沟道型区42中，如图3中所示出地设置沟道波导51。过渡区43是脊波导50和沟道波导51之间的区域。
分波器11和合波器14被设置在脊型区41中。脊型区41延伸至臂部15的一部分。例如，其中第一臂波导12与第二臂波导13之间的间隔逐步增加的扇出45以及其中第一臂波导12与第二臂波导13之间的间隔逐步减少的扇入46构成脊型区41。臂部15的一部分形成在沟道型区42中。臂部15的形成在沟道型区42与脊型区41之间的区域对应于过渡区43。
以这种方式，第一臂波导12的至少一部分由沟道波导51形成。第一臂波导12将第一输入光引导到合波器14。第二臂波导13的至少一部分由沟道波导51形成。第二臂波导13相对于通过第一臂波导12的第一输入光传播，在第二输入光中生成相位差，并且将第二输入光引导到合波器14。
参考图5，将描述过渡区43中的波导形状。图5是示出在过渡区43附近的波导形状的立体图。包括脊23a的核心层23形成在脊型区41中。脊23a从核心层23向上突出。沟道型区42中的核心层23具有与脊型区41中的脊23a的高度相同的高度。换句话说，包括脊型区41中的脊23a的核心层23的厚度基本上等于沟道型区42中的核心层23的厚度。沟道型区42中的核心层23的宽度基本上等于脊型区41中的脊23a的宽度。
锥形部23b形成在过渡区43中，在锥形部23b处，波导宽度逐步改变。在锥形部23b处，波导宽度从脊型区41朝沟道型区42逐步减少。锥形部23b形成在沟道型区42中的核心层23的两个侧表面上。核心层与包层之间的边界表面有锥形形状。锥形部23b中的每一个的高度基本上等于排除脊型区41中的脊23a的核心层23的高度。也就是说，过渡区43中的锥形部23b中的每一个的厚度基本上等于排除脊型区41中的脊23a的核心层23的厚度。换句话说，锥形部23b中的每一个的高度低于沟道型区42中的核心层23的高度。在锥形部23b处，脊波导50中的光限制与沟道波导51中的光限制不同。因此，除非脊波导50和沟道波导51被无缝地连接，否则发生损失。因此，过渡区43具有其中板条区(slab region)尽可能平滑地变窄的结构，并且从而该结构变成沟道型。
沟道型区42中的核心层23的宽度和高度例如是1μm至3μm。具体地，例如，核心层23的宽度是1.35μm并且其高度是1.5μm。
接下来，将描述由于制造误差而导致的损失。图6示出相对于波导宽度的变化的损失的改变。图6是示出当波导宽度变化时TE偏振光中的损失的曲线图。假定在两个臂处发生波导宽度的相同变化。图7示出相对于脊高度的变化的损失的改变。图7是示出当脊高度变化时TE偏振光中的损失的曲线图。参考图6和图7，曲线1表示第一臂波导12和第二臂波导13两者具有脊型结构的情况；曲线3表示第一臂波导12和第二臂波导13两者具有沟道型结构的情况；并且曲线2表示第一臂波导12和第二臂波导13中的一个具有脊型结构并且第一臂波导12和第二臂波导13中的另一个具有沟道型结构的情况。
如图7中所示，在第一臂波导12和第二臂波导13两者具有沟道型结构的情况下，脊高度不是可变因素。当第一臂波导12和第二臂波导13具有沟道型结构时，能够减小由于脊高度的变化而导致的损失。如图6中所示，在第一臂波导12和第二臂波导13两者具有脊型结构的情况下，由于波导宽度的变化而导致的损失大于在两个波导具有沟道结构的情况下的损失。因此，在这个示例性实施例中，第一臂波导12和第二臂波导13各自由沟道波导51形成。因此，能够减小由于波导宽度的变化而导致的损失。
将描述马赫-曾德尔型偏振分束器的原理。在马赫-曾德尔干涉仪中，合波器14的耦合器输出均衡根据在第一臂波导12与第二臂波导13之间生成的相位差而改变。在偏振分离的情况下，臂部15以下述方式设计：例如，TE偏振光的相位差成为零并且TM偏振光的相位差成为π。因此，合波器14从输出波导17中的一个输出TE偏振光并且从另一个输出波导17输出TM偏振光。
如图4中所示，假定第一臂波导12的宽度由w1表示；第一臂波导12的长度由L1表示；第二臂波导13的宽度由w2表示；并且第二臂波导13的长度由L2表示。臂波导的宽度w1和宽度w2以及长度L1和长度L2被设定以便同时满足两个表达式(1)和表达式(2)。
nTE(w1)·L1-nTE(w2)·L2＝0…(1)
nTM(w1)·L1-nTM(w2)·L2＝λ/2…(2)
注意，nTE表示TE偏振光的等效折射率，并且nTM表示TM偏振光的等效折射率。λ表示输入光的波长。例如，图8示出相对于波导宽度w的等效折射率n的改变。随着波导宽度w增加，等效折射率n增加。在这种情况下，当w1和w2被选择为两臂的宽度时获得了如图9中所示的光程n×L，并且确定了满足两个表达式(1)和表达式(2)的波导长度L1和波导长度L2。波导宽度w1和波导宽度w2以及波导长度L1和波导长度L2是在TE偏振光束具有相同的相位并且TM偏振光束具有相反相位的相位条件下确定的。
以这种方式，确定了第一臂波导12和第二臂波导13中的每一个的波导宽度和波导长度。因此，在沟道型区42中，能够做出针对第一输入光和第二输入光的双折射控制以便满足相位条件。具体地，满足传播通过第一臂波导12的TE偏振光与传播通过第二臂波导13的TE偏振光之间的相位差成为0并且传播通过第一臂波导12的TM偏振光与传播通过第二臂波导13的TM偏振光之间的相位差成为π的相位条件。TE偏振光是从输出波导17中的一个输出的，并且TM偏振光是从另一个输出波导17输出的。
如上面所描述地使用沟道波导51形成臂部15使得有可能增加制造误差等的容差。这导致偏振分束器的产量和生产率的改进。另外，能够减小由于通过波导宽度的变化所引起的相位误差而导致的损失。在由脊波导形成的光回路中，过度损失一般地低于仅由沟道波导形成的配置中的损失。因此，在相结合地包括脊波导和沟道波导的偏振分束器PBS中，能够预期低于仅由沟道波导形成的偏振分束器中的损失的过度损失。此外，能够以简化的方式获得期望的波导长度和期望的波导宽度。这消除对于用于在制造工艺之后调整相位差的配置的需要，从而导致偏振分束器的生产率的改进。
能够通过步进曝光来形成脊波导50和沟道波导51。具体地，包括脊23a的核心层23是通过诸如抗蚀剂涂覆、曝光、显影、蚀刻以及抗蚀剂去除的工艺而形成的。这消除对于要求长曝光时间的EB曝光的需要，从而导致偏振分束器的生产率的改进。另外，能够通过步进曝光在一个基板上集成脊波导50和沟道波导51。因此，无需在不同基板上分别地形成脊波导50和沟道波导51并且将基板与粘合剂等结合在一起。这导致偏振分束器的生产率的改进。
为了满足相位条件，第一臂波导12和第二臂波导13具有不同的波导宽度。例如，第二臂波导13的波导宽度w2大于第一臂波导12的波导宽度w1。为了增加在第二臂波导13中间的波导宽度，第二臂波导13的一部分具有锥形形状。具体地，第二臂波导13包括在波导宽度上从分波器11向合波器14逐步增加的锥形臂波导18，以及在波导宽度上逐步增加的锥形臂波导19。类似地，第一臂波导12包括具有从分波器11朝合波器14逐步增加的宽度的锥形臂波导18，以及从分波器11朝合波器14逐步减少的宽度的锥形臂波导19。
以这种方式，第一臂波导12和第二臂波导13各自设置有锥形臂波导18和19，这使得有可能容易地获得满足相位条件的波导宽度。具有锥形形状的波导的形成导致损失的减小。另外，能够在不对于作为多模波导的臂波导12和臂波导13使用任何不必要的高阶模式的情况下输入基本模式，使得能够预期稳定的偏振分束功能。此外，与形成在第一臂波导12中的锥形臂波导18和锥形臂波导19类似的锥形臂波导18和锥形臂波导19形成在第二臂波导13中。能够补偿由于波导宽度的变化而引起的相移。因此，能够容易地获得满足相位条件的第一臂波导12和第二臂波导13。
而且，在沟道型区42中，波导具有直线形状。第一臂波导12的由沟道波导51形成的部分以及第二臂波导13的由沟道波导51形成的部分具有直线形状。因此，波导在沟道型区42中没有弯曲部。这使得有可能抑制弯曲损失。
尽管上面已经描述了硅波导，但是波导不限于硅波导。例如，半导体波导，诸如InP也能够被用作波导。包括各种材料的化合物半导体材料能够被用于波导。
已经在上面参考示例性实施例描述了本发明。然而，本发明不限于上述示例性实施例。能够在本发明的范围内以能够由本领域的技术人员所理解的各种方式修改本发明的配置和细节。
本申请基于并且要求于2013年2月18日提交的日本专利申请No.2013-028866的优先权的权益，其公开内容通过引用整体地并入在本文中。
附图标记列表
1 相干混合器元件
PBS 偏振分束器
90°OH 90度光混合器
11 分波器
12 第一臂波导
13 第二臂波导
14 合波器
15 臂部
16 输入波导
17 输出波导
18 锥形臂波导
19 锥形臂波导
21 基板
22 下包层
23 核心层
23a 脊
23b 锥形部
24 上包层
31 输入端口
33 输出端口
41 脊型区
42 沟道型区
43 过渡区
45 扇入
46 扇出
50 脊波导
51 沟道波导

Claims (4)

1.一种偏振分束器，包括：
分波器，所述分波器由脊波导形成并且将输入光分波成第一输入光和第二输入光；
合波器，所述合波器由脊波导形成并且对所述第一输入光和所述第二输入光进行合波，所述第一输入光和所述第二输入光是通过由所述分波器对所述输入光进行分波而获得的；
第一臂波导，所述第一臂波导将所述第一输入光引导到所述合波器，所述第一臂波导的至少一部分由沟道波导形成；以及
第二臂波导，所述第二臂波导相对于传播通过所述第一臂波导的所述第一输入光在所述第二输入光中生成相位差，并且将所述第二输入光引导到所述合波器，所述第二臂波导的至少一部分由沟道波导形成。
2.根据权利要求1所述的偏振分束器，其中，具有逐步变化宽度的锥形波导形成在所述脊波导与所述沟道波导之间的过渡区中。
3.根据权利要求1所述的偏振分束器，其中，所述第一臂波导的由所述沟道波导形成的部分以及所述第二臂波导的由所述沟道波导形成的部分具有直线形状。
4.一种光器件，包括：
根据权利要求1所述的偏振分束器；以及
检索在从所述偏振分束器输出的输出光上的相位信息的回路。
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