CN107850729A - 光波导装置 - Google Patents

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Abstract

当在一个光干涉回路内将薄膜元件插入基板来实现偏振分离回路、偏振旋转器等的情况下，形成共用的大尺寸的槽来作为供多个薄膜元件插入的槽。槽能通过机械加工来形成，但需要确保形成时的作业区域。由于会产生过剩损耗，因此无法在共用的槽的周边部构成其它波导，造成回路配置上的制约。在使槽倾斜形成并使插入薄膜元件的多个回路阵列化的情况下，需要使薄膜元件在槽内排成一列，会产生空间浪费。本发明的光波导型装置构成为：至少一个槽仅横穿插入薄膜元件的对应的一根光波导，不横穿与对应的一根光波导邻接的其它光波导。该槽大致为矩形，并设为与被插入的薄膜元件的尺寸适配的最小尺寸，以便能将薄膜元件稳定地保持/固定在槽内。相邻的槽形成为：与光波导大致垂直的方向的一部分对置配置。

Description

光波导装置
技术领域
本发明涉及具有插入至光波导型装置的基板的薄膜元件的光回路以及使用该光回路来实现的光装置。
背景技术
以智能手机/便携式平板终端等的爆发式普及、视频传送服务的开始为背景，对光网络的传输容量增大的要求日益提高。光通信技术被要求与该要求对应地进一步发展，实现光通信系统中所使用的零件的小型化、低成本化的技术变得日益重要。作为在光通信系统用的零件的制造中起到重要作用的技术，可举出波导型装置。波导型装置中，通过运用光的干涉原理，实现了光信号的分支耦合器、波长合分波器、交错滤波器、光开关、可变光衰减器(VOA：Variable Optical Attenuator)等各种基本功能。这些装置由于具有波导型的构造，因此回路设计上具有灵活性，具有容易大规模化且高集成化的特征。而且，由于波导型装置引入了LSI等半导体零件制造工艺来进行制造，因此作为量产性优异的装置大受期待。作为波导部分的材料，应用了半导体、高分子材料等各种材料。特别是，在硅基板上制成的石英系光波导具有低损耗且稳定性以及与光纤的兼容性优异的特征，是应用最广泛的波导型装置之一。
为了满足上述的光网络的传输容量增大的要求，数字相干光传输技术正在普及。使用波导型装置来构成的光通信用零件中，数字相干光传输中使用的光收发器尤其受瞩目。该光收发器在被波分复用(WDM：Wavelength Division Multiplexing)后的光信号中，实现了每个波长的传输速率为100Gb/s的高速工作。
数字相干光传输技术中主要使用的光信号调制方式为相位调制。具体而言，使用相移键控(PSK：Phase Shift Keying)、或者作为与强度调制组合的相位调制方式的正交幅度调制(QAM：Quadrature Amplitude Modulation)方式。而且，数字相干光传输技术中，除了相位调制之外，还组合了通过正交的两个光偏振波来对相位调制后的多个光信号进行多路复用的偏振复用方式，由此，实现了上述的高速传输速率。
数字相干光传输系统中的光接收器具备在其前端对光信号直接进行信号处理的光干涉回路。通过受光元件(PD：Photo Detector)对由光干涉回路获得的干涉光进行检测并转换成电信号，得到接收信号。来自光干涉回路的接收信号进一步经过后续的数字信号处理，实现偏振复用后的相位调制信号的解调。
上述的光干涉回路中广泛使用了光波导型装置，由对信号光的光强度进行调整的VOA、对信号光的偏振波进行分离的偏振分束器(PBS：Polarization Beam Splitter)、将信号光或局部光的偏振旋转的偏振旋转器(偏振rotator)、根据信号光以及局部光之间的干涉来检测相位差的90度混合器等基本要素来构成。特别是，使用石英系光波导的光波导型装置一般也被称为平面光波导(PLC：Planar Lightwave Circuit)。当今后实现数字相干光传输系统的进一步普及以及大容量化时，包含PLC的光接收器会成为关键零件。
图1是表示由PLC构成的现有技术的光接收器中的光干涉回路的构成的图，是观察构成有光干涉回路的硅基板的基板面的俯视图。在此省略其详细动作说明，但大致根据实现光干涉回路的不同功能的光波导型装置的各基本要素的实际形状进行了描述。光干涉回路100具备VOA15、PBS12、偏振旋转器13、90度混合器16a、16b等作为主要的基本要素。而且，还具备信号光的输入波导11、局部光的输入波导14、干涉光的输出波导18a、18b、信号光监控波导17等。在图1所示的由PLC构成并包含实现不同功能的各基本要素的组合的光干涉回路中，小型化是非常重要的技术课题。
PLC中为了制造PBS或偏振旋转器，能采用以横穿光波导的方式将光波长板插入至光干涉回路内的构成。光波长板是根据穿过该波长板的光信号的偏振来使光信号产生相位差的元件，例如使用聚酰亚胺薄膜制成的光波长板广为人知。
再次参照图1，在PBS12以及偏振旋转器13中，形成有用于供光波长板以横穿光波导的方式插入的槽3。以使在各个光波导中传输的光穿过光波长板的方式，在该槽3的内部插入有光波长板。通过这样的在基板面上具有槽的构成，能使透过光波长板的光偏振波发生旋转。例如，为了构成PBS12，在由两根光波导构成的马赫-曾德尔光干涉回路中，将λ/4波长板以彼此的双折射光轴正交的方式分别插入各光波导即可。此外，为了实现偏振旋转器13，以使双折射光轴为45度的朝向将λ/2波长板插入作为对象的光波导中即可(非专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第2614365号公报说明书
非专利文献
非专利文献1：S.Tsunashima,et al.,“Silica-based,compact and variable-optical-attenuator integrated coherent receiver with stable optoelectroniccoupling system”,November 19,2012/Vol.20,No.24/OPTICS EXPRESS 27174
发明内容
发明所要解决的问题
然而，在上述的将光波长板插入至槽内的构成的光波导型装置中，装置的小型化以及制造工序的高效化存在下述的问题。PLC中用于插入光波长板的槽例如像专利文献1中所记载，通过使用了切割装置的机械加工来形成。图1的下方示出了观察与光干涉回路100的基板面以及槽3的长尺寸方向垂直的剖面时的槽3附近的构造。以如下方式对槽3进行加工：以从光干涉回路的最上表面越过包含形成有光波导的芯层以及包层的波导层2直至到达硅基板1的方式，一边调整切割深度直至规定的值，一边进行加工。然而，在这样的基于机械加工的方法中，在用于进行由切割刀片的大小决定的槽加工的作业区域内(工作尺寸)，无法构成其它回路。考虑到切割装置自身的加工精度、加工作业所需的工作尺寸(worksize)，在槽的周边遍及1mm×5mm左右的面积地需要具有回路配置的禁止区域。
由于切割刀片与光波导相比非常大，作业区域与各基本要素的布局相互干涉，因此无法在基板上形成不同大小的多个槽。如果由于在基板上形成的槽而使得原本不需要槽的光波导被切断，就会产生无益的光损耗。结果，在用于进行槽加工的作业区域内，无法靠近并灵活地配置波长板插入所需的光波导之外的其它回路。这样的状况下，首先优先进行槽的配置，如图1所示那样形成一个共用的槽，并与其配合地利用单个槽内的不同部分来构成不同功能的光回路。
作为图1的槽3的其它形成方法，可以利用激光加工。然而，激光加工由于要将玻璃(SiO2)加热熔融来形成槽，因此可能会存在因被加工部分的热收缩而产生应力、或者槽内表面不平滑等问题。难以加工成将波长板插入部处的光损耗限制到最小的形状，也存在因加工所产生的光波导部分的变形而导致光学特性劣化的隐患。无论是通过切割还是激光的任一种机械加工方法，从其加工精度、作业区域方面考虑，都会成为光回路的小型化的制约。
作为在光干涉回路的基板上形成槽的技术，能使用基于干法蚀刻或湿法蚀刻的晶圆工艺(wafer process)。这些蚀刻方法无论是在加工精度还是形状控制的哪一方面，都能实现光波长级别的控制，因此有望作为槽形成的方法。然而，必须是适合形成供光波长板等薄膜插入的深槽的加工方法。具体而言，关于加工形状，要求向槽的深度方向的垂直性，需要抑制光波导与槽的分界面的粗糙度并且槽开口的加工容差精细的技术。引用文献1所记载的光干涉回路的构成例中，由于水平方向与深度方向之间蚀刻的比率(选择比)之差，以足够的精度加工深槽时需要使槽的长度和宽度的尺寸为固定值以上的大小。制造光波导的一般的蚀刻技术中，与基板面垂直的深度方向的蚀刻速度会比与基板面平行的水平方向的蚀刻速度慢。因此，为了形成供光波长板插入的足够深的垂直槽，需要使槽的宽度或者长度比为了插入光波长板原本所需的尺寸更大。结果，通过制造光波导的一般的干法蚀刻或湿法蚀刻难以形成供光波长板插入槽内的小槽。
因此，例如在以与邻接的光波导的距离为500μm以下的方式靠近配置的情况下，如专利文献1所记载，需要横跨多个光波导来配置一个连续的槽等的工夫。特别是在需要光回路的小型化的情况下，需要允许不可避免的损耗且遍及至原本不需要槽的光波导都形成槽，或者需要在避开槽这样的布局上下工夫的同时配置光回路，在回路设计的灵活性以及光学性能上存在较大制约。
图2是对通过现有技术形成的槽的布局上的问题点进行说明的图。图2所示的光回路150示出了如下情况的回路配置：通过现有技术的共用的一个槽151来实现供波长板153a～153f分别插入至靠近配置的多个光波导152a～152f的槽。在光回路中形成槽的情况下，为了抑制在光波导中传输的信号光穿过槽时的反射，使槽的分界面相对于光波导中的信号光的传输方向呈大于90度的角度，例如98度。图2中稍微重点示出了倾斜，但在如此地使槽151倾斜的情况下，为了跨越两根以上的光波导152a～152f来形成槽151，在光波导传输方向(图2的水平方向)上需要有一定的配置区域154。因此，特别是在使多个具有插入波长板来实现的规定功能的光回路并列而阵列化的情况下，光回路的面积增大是较大的问题。越增加阵列的数量，则配置区域154的水平方向长度越增加，光回路整体的尺寸也越大。
此外，现有技术的将光波长板插入槽内的构成的光波导型装置中，在插入光波长板并将其固定的制造工序上还存在后述的问题。如专利文献1所记载，在形成了跨越多个光波导的共用的大槽的情况下，在槽的内部确保了容纳多余的粘接剂的空间。因此，即使在安装时导入了超出光波长板的固定所需的适量的填充剂，多余的填充剂也会从槽流出，不存在影响基板内的其它光元件的可能性。
即使作为槽的形成方法而实现了适当的方法，并能使邻接的光波导彼此的距离靠近地进行配置且按每个光波导形成小槽的情况下，当形成大小不同的小槽时，也会产生组装工序上的其它问题。具体而言，为了将各个波长板粘接/固定于大小不同的多个小槽，需要设定适量的粘接剂或填充剂的量，存在制造工序复杂化的问题。如果能将槽的尺寸设定得较大来确保容纳粘接剂等的槽的容积，则能统一粘接剂的量来简化制造工序，但这样就与槽以及光干涉回路的小型化的要求完全相悖。
近年来，实现了一种被称为深蚀刻的使深度方向的蚀刻速度提高的硅深挖技术。通过这样的蚀刻技术的提高，即使能按每个光波导制造单独的槽，为了将固定光波长板时的粘接剂等适当地容纳至各个槽，也需要分别进行制造工序的优化以及调整。插入并固定光波长板的制造工序中，也依然会成为形成小型的槽来使光干涉回路小型化的障碍。
本发明是鉴于这样的问题而完成的，其目的在于实现具有供光波长板等薄膜元件插入的槽的光干涉回路的小型化。此外，提出了一种不需要制造组装时的复杂的调整工序的槽的构成。根据本发明，能提供集成度更高的光干涉回路、光波导型装置。
用于解决问题的方案
作为本发明的一个实施方式，提供了一种光波导装置，其具有构成于基板上的多个光波导，一个以上的薄膜元件横穿光波导并大致相对于基板面垂直地插入，其特征在于，具备分别横穿所述多个光波导中的至少两根以上的光波导的槽，各所述槽构成为：包含供所述薄膜元件插入的矩形部分，仅横穿对应的一根光波导，不横穿与所述对应的一根光波导邻接的其它光波导，所述槽中的邻接的至少两个槽的与各自的所述对应的一根光波导大致垂直的方向的一部分对置配置。在此，大致垂直的方向是指槽的长尺寸方向。
优选：所述邻接的至少两个槽通过在所述邻接的至少两个槽各自的对置的端部之间形成的1mm以下的连结部，来使所述邻接的至少两个槽的对置的边结合。
此外，所述槽中的至少数个槽还能具有从所述矩形部分的端部连续形成的至少一个扩张部。
而且，能容纳对用于固定所述薄膜元件无益的多余的粘接剂。
所述扩张部能具有：第一扩张部，从所述矩形部分的一端朝向所述矩形部分的长尺寸方向连续形成；或者第二扩张部，从所述矩形部分的另一端朝向构成有所述对应的一根光波导的方向连续形成。
更优选：所述第一扩张部能在至少一部分具有随着远离所述一端而宽度变宽的形状。
此外，所述第一扩张部能具有在远离所述一端的一侧具备宽度宽的底边的大致梯形的形状，所述第二扩张部能具有以所述矩形部分的长边上的所述另一端附近的一部分为一边的三角形的形状。
在上述的实施方式中，相当于所述扩张部的形状的顶点的部分可以形成为半径50μm以下的圆弧状。
此外，在上述的各实施方式的光波导装置中，所述多个槽能通过关于构成所述多个光波导的材料进行与所述基板面垂直的深度方向上的选择比大的深蚀刻工艺来形成。
而且，在上述的各实施方式的光波导装置中，能通过插入至所述槽的薄膜元件来实现偏振分束器PBS、偏振合束器或偏振旋转器中的任一种功能。
发明效果
如以上所说明，本发明实现了具有供光波长板等薄膜元件插入的槽的光干涉回路的小型化。而且，能不需要固定薄膜元件的制造组装工序中的复杂的调整工序。
附图说明
图1是表示由PLC构成的现有技术的光接收器中的光干涉回路的构成的图。
图2是对通过现有技术形成的槽的布局上的问题进行说明的图。
图3是表示本发明的实施例1的光波导装置的构成的图。
图4是表示本发明的实施例2的光波导装置的构成的图。
图5A是对本发明的光波导装置中的槽的更详细的形状进行说明的图。
图5B是对本发明的光波导装置中的槽的更详细的形状进行说明的另一图。
图6是对本发明的光波导装置中的槽的另一形状进行说明的图。
图7A是表示将邻接的两个槽结合的第一构成例的图。
图7B是表示将邻接的两个槽结合的第二构成例的图。
图7C是表示将邻接的两个槽结合的第三构成例的图。
具体实施方式
本发明的光波导型装置为了形成槽，使用了随着近年的晶圆工艺技术的发展而成为可能的深蚀刻技术。目前为止在光波导型装置中使用的湿法蚀刻或干法蚀刻技术中，在基板面，与水平方向的蚀刻速度相比，垂直方向的蚀刻速度(深度方向的选择比)非常小。近年来，开发了一种基板面的垂直方向即深度方向的选择比高的蚀刻工艺，并被作为波希法(bosch process)广泛应用于硅基板。在本发明的光波导型装置中，使用对于作为波导的构成材料的SiO2而言深度方向的选择比大的深蚀刻技术来形成用于插入薄膜元件的槽。通过深蚀刻技术，能形成能供薄膜元件适当地插入的、确保了所需的最小限度的开口部尺寸和足够的垂直深度的槽。
在本发明的光波导型装置中，至少一个槽仅横穿插入薄膜元件的对应的一根光波导，而不会横穿与该对应的一根光波导邻接的其它光波导。该槽能以大致呈矩形并能将薄膜元件稳定地保持/固定在槽内的方式，设为与所插入的薄膜元件的尺寸适配的最小的槽。
本发明的光波导型装置中所形成的槽具备按每个插入的薄膜元件而单独形成的多个槽，相邻的槽中的至少两个槽的与光波导大致垂直的方向的一部分对置配置。邻接的槽之间也可以连结成一个。在多个槽连结成一个槽的情况下，各个槽也被插入对应的薄膜元件。
在本发明的光波导型装置中，可以在矩形的槽的至少任一个端部具备从槽连续形成的扩张部。能通过对槽以及扩张部进行适当的形状的选择以及相对于光波导的配置而按光回路内的多个光波导来形成槽。能实现根据本发明制成的光波导装置的进一步的小型化。扩张部发挥容纳槽内的多余的填充剂、粘接剂等的功能，能在插入并固定薄膜元件的制造工序中简化复杂的调整工序。
以下，参照附图，对本发明的光波导型装置的实施例进行详细说明。在以下的实施例中，以使用在硅基板上形成的石英系材料的单模光波导的光波导装置为例进行说明。这是因为，该构成目前在PLC中广泛使用且容易集成化，而且与石英系光纤的兼容性优异，能提供低损耗的光装置。然而，下述的槽的构成不仅限于硅基板以及石英系材料的单模光波导，能应用于具有在基板面上形成槽并在基板上插入薄膜元件的构成的光装置。
实施例1
图3是表示本发明的实施例1的光波导装置的构成的图。图3的光波导型装置是由PLC构成的数字相干光传输用接收器的光干涉回路200。光干涉回路200具备：信号光输入波导30、本地光输入波导32、干涉光的输出波导33a、33b、信号光监控波导34。此外，光干涉回路200按信号光的传输顺序而具备：VOA31、PBS21、偏振旋转器22、以及两个90度混合器29a、29b。PBS21以及偏振旋转器22以使作为薄膜元件的波长板横穿各个光波导的方式插入至各槽来实现。
PBS21构成为：将两个λ/4波长板沿着彼此的双折射轴正交的朝向插入至分别形成于马赫-曾德尔干涉仪的两个臂波导23、24上的槽25、26中。PBS21以使输入的信号光分离成两个偏振波的方式工作。此外，偏振旋转器22构成为：将λ/2波长板插入至形成于两个光波导28a、28b中的一方的光波导28a的槽27中。偏振旋转器22在通过PBS21将信号光分离成两个偏振波之后，使一方的光的偏振旋转90度。偏振旋转器22中邻接配置的光波导28a、28b以相互的间隔为500μm的方式靠近配置。在偏振旋转器22中，在不插入波长板的一侧的光波导28b也形成了与槽27相同的槽36。由此，在通过PBS21而被偏振分离的各个光信号产生大致相同的过剩损耗。这样的情况下，也能以最小限度的区域在必要的部位配置槽。
供薄膜元件插入的槽25、26、27以及不插入薄膜元件的槽36都使用为了SiO2的深挖蚀刻而进行了优化的深蚀刻技术来形成。根据与各个功能对应地插入的波长板的尺寸来设计槽的尺寸。关于PBS21的槽25，将其长度设为1mm，并插入了长度0.75mm的λ/4波长板。关于槽26，将其长度设为2mm，并插入了长度1.8mm的λ/4波长板。两个λ/4波长板的长度不同是为了相对于与长方形的λ/4波长板的长度方向相当的光轴，将一方的λ/4波长板垂直地插入，将另一方的λ/4波长板平行地插入，来使正交的偏振波产生与各光轴对应的相位差。此外，关于偏振旋转器22的槽27，将其长度设为1.5mm，并插入了长度1.0mm的λ/2波长板。考虑到组装时的作业的难易度，每个波长板都设为最小大致1mm左右的长度。关于偏振旋转器22的不插入波长板的槽36，也将其长度设为1.5mm。
值得注意的是：在图3中，光波导的布局大致接近实际装置的样子，但是槽相对于光波导的宽度、长度等与实际构成不同。当以实际尺寸关系来描述时，槽以及波长板等无法通过视觉进行确认，因此将槽的宽度、波长板的厚度相对放大来进行了夸大绘制。
被用作波长板的薄膜元件由聚酰亚胺薄膜构成，使用了厚度10μm左右的薄膜元件。根据所插入的薄膜元件的厚度，槽的宽度设为15～30μm左右。在槽内的与薄膜元件的间隙填充具有接近石英玻璃的折射率的树脂来对插入至槽内的薄膜元件进行粘接固定，由此，将槽所横穿的光波导的过剩损耗抑制至最小限度。槽的深度设为100μm以上且300μm以下，光波导部分的蚀刻剖面相对于基板面在垂直方向上确保垂直性，并且其表面平滑。考虑到组装时的处理难易度，薄膜元件具有比基板表面向上方高出500μm左右的高度。
本发明的光波导装置中的槽相对于需要插入薄膜元件的光波导分别形成为独立的槽。在此，值得注意的是：独立的槽是指，一个槽和需要插入薄膜元件的对应的光波导一一对应，而不是指构造上分离。此外，槽25、26以仅横穿各自对应的光波导的方式配置，并不会横穿靠近配置的其它光波导。而且，在本发明的光波导装置中，相邻的槽25、26的与光波导23、24的方向(图3的水平方向)垂直的方向的一部分对置配置。槽27、36也同样如此。
因此，本发明的光波导装置具有构成于基板上的多个光波导，一个以上的薄膜元件横穿光波导并大致与基板面垂直地插入，其中，具备分别横穿所述多个光波导中的至少两根以上的光波导(23、24、28a、28b)的槽(25、26、27、36)，各所述槽构成为：包含供薄膜元件插入的矩形部分(52)，仅横穿对应的一根光波导，不横穿与所述对应的一根光波导邻接的其它光波导，所述多个槽中的邻接的至少两个槽(25、26)能实施为：与各自的所述对应的一根光波导大致垂直的方向的一部分对置配置。
在上述的本发明的光波导装置中，多个槽沿光波导方向前后配置，且与光波导大致垂直的方向的一部分对置地配置。换言之，例如，配置为：在沿光波导23、24的方向观察两个槽25、26时，与光波导大致垂直的轴上(或者沿槽的长尺寸方向的轴上)的两个槽的投影的一部分重叠，由此，能缩窄相邻的光波导23、24的间隔。不需要像图2所示的现有技术的构成那样将多个波长板沿着一个共用的槽呈一列配置，配置波长板的区域不会有空间浪费。因此，能在光波导中的信号光的传输的方向及其垂直方向这两个方向，使光回路的尺寸与现有技术相比更小。在以下的说明中，如图3的右下的放大图那样对两个槽的距离进行定义。即，两个槽的距离为从邻接的两个槽中的一方的槽25的一边到另一方的槽26的对置的一边的最短距离35。此外，与光波导方向大致垂直的方向对应于槽的长尺寸方向。如上所述，为了减少反射损耗，各槽被设定为：相对于光波导，比90度(垂直方向)还略微倾斜，例如具有98度的角度。因此，可以说本发明的多个槽中的至少邻接的两个槽配置为：槽长尺寸方向的轴上的各个槽的投影的一部分重叠。
也可以经由连结部分将两个槽结合，并以1mm以下的距离将两个槽结合。在两个槽靠近形成的情况下，由两个槽的对置的面所夹的部分的强度变弱，容易产生龟裂。通过经由连结部分来使邻接的两个槽结合来去除强度弱的部分，因此能防止槽构造的强度的劣化。
图7A～图7C是表示将邻接的两个槽结合的构成例的图。图7A表示以使两个邻接的槽73、74的对置的边相接的方式进行配置的构成例。矩形的一方的槽73的一边与矩形的另一方的槽74的对置的一边位于同一线上，两个矩形相接，而两个槽被结合。该情况下，两个槽的距离为0。图7B表示两个邻接的槽73、74通过形成于各自的端部之间的连结部77来结合的构成例。连结部77的长度即两个槽的距离78能设为大致1mm以下。图7C表示以两个邻接的槽73、74的对置的端部的一部分重叠的方式进行配置的构成例。以两个波长板75、76接触的方式，一方的槽73的矩形区域的一端与另一方的槽74的矩形区域的对置的一端重叠并结合。该情况下，两个槽的距离为负值。无论是那种情况下，两个槽都被结合，因此如后所述，为了波长板的固定粘接而导入至槽内的填充剂或粘接剂等会遍及两个槽内。如果将同图5A、图5B一起在后面进行阐述的扩张部与上述的连结后的两个以上的槽组合，则能通过减少槽自身的数量来简化导入至槽内的粘接剂等的导入工序自身，在这一点上，图7A～图7C所示的连结的槽的构成也具有优点。
制造本发明的光波导装置的槽的深蚀刻工艺是为了对光波导部分的SiO2进行深挖蚀刻而进行了优化的工艺。因此，在越过光波导部分以外的蚀刻剖面特别是SiO2的光波导部分而到达硅基板部的槽的蚀刻剖面，不一定需要相对于基板面的严格的垂直性。只要在使信号光产生相位变化的SiO2的光波导部分的蚀刻剖面确保垂直性，就能通过SiO2的槽来充分保持薄膜元件。因此，槽的深处的硅基板的蚀刻剖面即使稍稍偏离垂直状态也可以被允许。通过使用制造能得到用于插入波长板所需的足够的开口部的大小(槽的宽度)、以及光波导部分的蚀刻剖面处的垂直性和平滑性的槽的深蚀刻工艺，能实现对于保持并固定薄膜元件而言具有足够的制造容差的构造。
图5A、图5B是对本发明的光波导装置中的槽的更详细的形状进行说明的图。图5A表示在光波导装置的基板面上观察的槽的形状，省略了槽的中央部，示出了槽的两端部。图2的整体构成图未详细示出，但在本发明的光波导装置中，供薄膜元件插入的槽具备供薄膜元件54插入并容纳的矩形部分52和从矩形部分52的至少一方的端部连续形成的一个以上的扩张部。具体而言，在矩形部分52的一方的端部，形成有沿矩形部分52的长尺寸方向延伸的大致梯形的第一扩张部51。而且，在槽的另一方的端部，能形成朝向与该槽所横穿的光波导的大致相同的方向延伸的三角形的第二扩张部53。
因此，本发明的光波导装置的槽具有供薄膜元件插入的矩形部分52和从所述矩形部分的端部连续形成的至少一个扩张部。而且，该扩张部具有从所述矩形部分的一端朝向所述矩形部分的长尺寸方向连续形成的第一扩张部(51)、或者从所述矩形部分的另一端朝向构成有所述对应的一根光波导的方向连续形成的第二扩张部(53)。此外，第一扩张部能具有在远离所述一端的一侧具备宽度较宽的底边的大致梯形的形状，第二扩张部能具有以所述矩形部分的长边上的所述另一端的附近的一部分为一边的三角形的形状。
从矩形部分52的端部延伸并连续形成的第一扩张部51、第二扩张部53分别用于容纳在对插入至槽的波长板54等进行固定时所填充的粘接剂(填充剂)。现有技术的光波导装置中的槽是具有非常大的尺寸且供多个薄膜元件插入的共用的槽，因此在槽的内部具有足以容纳多余的粘接剂的空间(容积)。本发明的光波导装置中的槽形成为：在能插入/固定薄膜元件的范围内，相对于需要槽的各个光波导而言为尽量紧凑的尺寸。因此，所希望的是各个槽具备容纳对于固定薄膜元件无益的多余的粘接剂的材料容纳功能。
通过基于所使用的薄膜元件的形状、矩形部分的容积来决定第一扩张部51以及第二扩张部53的形状，能设定包含各扩张部的槽整体的粘接剂或填充剂的容纳容积。各扩张部的容积取决于形成在回路的各个槽的矩形部分52的大小。槽的矩形部分52的大小要考虑插入至槽的薄膜元件的长度以及厚度、和形成槽的蚀刻工序中所产生的容积不均(深度、宽度W1等)来决定。各扩张部的尺寸以基于由上述决定的矩形部分52的容积，并进一步考虑所填充的粘接剂的特性(粘性、触变性等)、量等，同时，包含各扩张部的槽内的整个容积设定为光回路内的各槽大致相同的方式进行设定。只要适当选择粘接剂的特性，就能在粘接固定所需的足够的粘接剂遍及保持有薄膜元件的矩形部分的基础上，使多余的粘接剂收进扩张部，起到粘接剂量的缓冲即材料的容纳功能。
通过如此决定第一扩张部51以及第二扩张部53的形状，相对于各个槽的薄膜元件的尺寸不同，此外，即使在槽的蚀刻形成时产生容积不均，也无需按每个槽来单独地调整粘接剂的量。无需按每个槽来变更预定的填充粘接剂的量，因此，填充粘接剂的工序得到简化，由粘接剂的过多或过少引起的不良减少，能实现光波导装置的成品率的提高。因此，通过在本发明的光波导装置的槽设置至少一个扩张部来使其具备粘接剂的缓冲即材料的容纳功能，能在实现槽自身的小型化的同时防止制造工序的复杂化。
因此，在本发明的光波导回路的槽中，多个槽中的至少数个槽还能具有其形状至少基于所述插入的薄膜元件的形状以及所述矩形部分的容积来决定的扩张部，其是从所述矩形部分的端部连续形成的至少一个扩张部(51、53)。在本发明的光波导装置中，能如图2所示使两个槽邻接而构成为最简单的结构。而且，能使三个以上的槽邻接构成，关于相邻的两个槽，能使与光波导垂直的方向的一部分对置配置来配置成一组。这样的情况下，进行图7A～图7C所示的槽的结合，并且，从三个以上的槽中的位于边缘的槽的矩形部分开始适当设置扩张部，能实现粘接剂的缓冲即材料的容纳功能。该情况下，也能基于所插入的薄膜元件的形状以及被结合的多个矩形部分的容积来决定扩张部的形状。
各个扩张部51、53在通过蚀刻形成矩形部分52的同时形成，以不会对射入至所插入的薄膜元件54的信号光产生影响的方式选择形状进行配置。槽以插入此槽的薄膜元件横穿光波导这样的朝向形成。形成有槽的光波导、和与其最接近的另一光波导以使这两个光波导的间隔尽量小的方式配置。因此，邻接的另一光波导配置于形成有朝向构成有光波导的方向延伸的第二扩张部53的端部侧。朝向矩形部分52的长尺寸方向延伸的第一扩张部51朝向邻接的光波导延伸，因此，不适合想要缩短光波导间的间隔的情况。在不将槽结合的情况下，以邻接的波导配置于朝向构成有光波导的方向延伸的第二扩张部侧的方式，来决定光干涉回路的整体布局即可。
在图7A～图7C中示出的将两个以上的槽连结的槽的配置例的情况下，能在位于连结的槽的两端部的槽配置扩张部。此外，只要不妨碍波长板的稳定粘接/固定、光波导的光学特性，就能在连结的多个槽中位于中途的槽设置朝向构成有光波导的方向延伸的扩张部。
图5B是表示在不连结地靠近配置两个槽的情况下形成的扩张部的构成的图。在使两个槽55、56靠近时，以使与光波导的方向垂直的方向的一部分对置的方式，并以使各个第二扩张部57、58背面相贴的朝向配置即可。分别使一方的第二扩张部57形成于对置的槽56的相反侧，使另一方的第二扩张部58形成于对置的槽55的相反侧。因此，第二扩张部57、58不会成为使两个槽55、56靠近配置时阻碍。
图5A中，第一扩张部51以及第二扩张部53只要能实现容纳多余的粘接剂的材料容纳功能，则既可以在一个槽具备两方的扩张部，也可以仅具备一方。此外，在如图7A～图7C所示那样连结两个以上的槽的构成的情况下，在连结的槽中位于两端的槽设置扩张部即可。只要能确保填充剂(粘接剂)的适当的容纳容积，以怎样的方式进行组合都可以。如图5A所示，在两个槽分离的情况下，为了简化粘接剂等的量的设定，使各个槽具备考虑了矩形部、扩张部的容积、波长板的形状的形状以及尺寸的扩张部。如果如图7A～图7C所示那样连结多个槽，则还能减少需要填充粘接剂的槽的数量本身。因此，如图3所示，通过以使两个以上的槽的与波导垂直的方向的一部分对置的方式进行配置，并且根据多个槽的配置、结合的状态进一步形成扩张部，能实现光波导以及槽的紧凑且灵活的布局以及粘接/固定波长板的工序中的粘接剂量的调整工序的简化。如果连结多个槽，则减少了需要进行粘接剂的填充和量的调整的槽的数量，同时，即使在每个槽按必要最低限度的粘接剂量来完成的方面上效率也高，与图2所示的现有技术的形成一个大的槽151的情况形成对比。
沿矩形部分的长尺寸方向延伸的第一扩张部51以梯形的例子进行了说明，但只要在不产生后述的龟裂问题而不妨碍光回路的小型化的范围内，则其形状没有任何限制。因此，只要能容纳多余的粘接剂的容纳，除矩形部之外的第一扩张部51的形状就不限于图5A所示的梯形，也可以是三角形、正方形、四边形、五边形等具有三边以上的多边形，还可以是至少一部分包含曲面的形状。同样，沿光波导的构成方向延伸的第二扩张部53只要不影响薄膜元件54的槽内的固定，则也不限于三角形，怎样的形状都可以。即，除矩形部之外的第二扩张部53的形状不仅限于图5A那样的三角形，也可以是正方形、四边形、五边形等具有三边以上的多边形，还可以是至少一部分包含曲面的形状。此外，第一扩张部以沿着矩形部分52的长尺寸方向延伸的例子进行了说明，但也可以在矩形部分52与梯形的扩张部51之间具备使方向弯曲的中间部，来使梯形的扩张部51的延伸方向弯曲，缩短与邻接的光波导的距离。
关于第一扩张部，为了确保用于容纳粘接剂的容量，所述第一扩张部优选至少在一部分具有随着远离所述一端而宽度变宽的形状。
图6是对本发明的光波导装置的槽的另一形状进行说明的图。在图6的构成例中，相对于槽的矩形部分62，从一端沿着槽的长尺寸方向形成有扩张部61。扩张部61设为大致梯形的形状，角的顶点部分平滑倒角。例如槽的位于最边缘的顶点部65a、65b具有与半径10～50μm的圆弧相近的形状。当槽的轮廓产生剧烈的形状变动时，有时会从该部分产生龟裂。通过如图6所示那样使顶点部为倒角形状，提高了装置的可靠性。毋庸置喙的是，圆弧状的倒角形状也能应用于图5A所示的第二扩张部53的顶点部。
具有光波长板的功能的薄膜元件具有大致矩形或接近正方形的形状。薄膜元件基于处理的难易度，在沿着槽的方向上具有大致1～2mm的长度、10μm左右的厚度。槽的矩形部分52、62的宽度W1为15～30μm左右，槽的深度为100～300μm左右。图5A、图5B、图6中示例性地示出的形状的各扩张部能按照如下的大小来实现。第一扩张部51、61的长度L2为50～400μm左右，梯形的长边的宽度W2为30～300μm左右，此外，第二扩张部53的长度L3、宽度W3都为50～200μm左右。上述的各数值可能会因薄膜元件的大小、深蚀刻的条件、槽的深度、粘接剂的性状等而发生变动，不仅限于上述的数值范围。
在此，再次参照图3，在本发明的光波导装置中，PBS21、偏振旋转器22、以及90度混合器29a、29b通过将连接它们的光波导折回配置。通过将折回曲线光波导的半径设为不会发生放射损耗的最小值来将三个基本要素较大地纵向排列并相互靠近地配置。通过与特征性的槽25、26一起以使PBS21的相当于马赫-曾德尔干涉仪的臂部分的两根光波导23、24的间隔为300μm以下的方式靠近配置，能大幅缩小回路整体的尺寸。需要说明的是，例如在为了波长板的尺寸而需要形成长槽等情况下，也可以根据需要将相当于臂部分的两根光波导23、24的间隔进一步扩大至1mm左右，波导间隔也不仅限于上述的数值。
如上所述，图2中说明了的使槽的分界面相对于光波导倾斜地情况下，能避免配置空间增大的问题、用于避免槽穿过的光回路的布局限制、允许槽穿过所带来的发生不希望的损耗的问题。同时，通过在槽的矩形部分适当设置扩张部，能避免插入/固定的工序中粘接剂量的设定/调整工序的复杂化。只要对连结的多个槽设置扩张部，就能减少需要进行粘接剂的填充和量的调整的槽的数量，减少粘接剂的导入工序的数量。
具体而言，在图1所示的数字相干光传输系统的光接收器中，在光干涉回路内形成了共用的一个大槽的情况下，芯片尺寸为17×9mm。另一方面，在图3所示的本发明的光波导装置中，在对必要的光波导分别形成独立的槽的情况下，用于实现与图1所示的构成相同的功能的芯片尺寸为12×7mm。通过利用本发明的光波导装置的特征性构成的槽，在面积对比方面，与现有技术的构成相比，能削减45％。
在本发明的光波导装置中，随着光回路尺寸变小，在光波导与供薄膜插入的槽的分界面产生的光反射有可能会影响到作为光接收器的性能。为了充分抑制光反射衰减量，如图3所示，以各槽25、26，27、36的光波导与槽的分界面的角度为98度的方式构成了槽。以如下方式进行布局：在直角的基础上进一步赋予规定的角度来设定槽的朝向，由此，以与光波导垂直的方向的一部分对置的方式来配置相邻的槽25、26，各槽仅横穿分别对应的一个光波导。即，本发明的光波导装置的槽仅横穿对应的光波导，不横穿靠近配置的其它光波导。
本发明的光波导装置通过直接使用现有技术的光波导设计技术，并在使用深蚀刻技术的同时变更槽的形状，就能缩小光回路的尺寸。另一方面，关于插入损耗、PBS的偏振消光比、90度混合器的相位误差、同相信号去除比等光干涉回路的光学特性，能得到与现有技术的光回路的情况完全同等的性能。
如上所述，在本发明的光波导装置中，通过具备特征性构成的槽，消除了涉及槽的布局的回路设计以及光学性能上的较大制约，实现了光回路的尺寸的大幅度小型化。此外，即使槽的数量增加，也不会产生使制造组装工序复杂化的问题。接下来的实施例中也示出了能有效利用本发明的光波导装置中的特征性的槽的光干涉回路的构成例。
实施例2
图4是表示本发明的实施例2的光波导装置的构成的图。图4示出了具备阵列化的多个PBS41a～41d、和各PBS的两侧的不限用途的直通(through)连接的多个光波导42a～42e的PBS阵列回路400。信号光47被输入至各PBS的输入波导，并通过PBS分别被分离成基板水平方向和基板垂直方向的两个偏振波，从两根输出光波导输出输出光48a、48b。在一个PBS中，将相当于马赫-曾德尔干涉仪的臂波导的两根光波导45、46的间隔设为300μm。
在本实施例的光波导装置中，将λ/4波长板分别插入至各PBS的两个光波导45、46。为了抑制由供波长板插入的槽43、44处的反射所引起的光反射衰减量，以光波导与矩形的槽的分界面的角度为98度的方式进行配置。槽43、44都构成为仅横穿各自所穿过的臂波导的一方的光波导，而不横穿靠近配置的臂波导的另一方的光波导以及直通连接的多个光波导光42a～42e。
槽43、44使用作为为了对波导部分的SiO2进行深挖蚀刻而进行了优化的工艺的深蚀刻技术来形成。关于一方的槽43，将其长度设为1mm，并插入了长度0.75mm的λ/4波长板。关于另一方的槽44，将其长度设为2mm，并插入了长度1.8mm的λ/4波长板。用作波长板的薄膜元件使用了聚酰亚胺薄膜，并使用了厚度10μm左右的薄膜。供薄膜插入的槽的宽度设为15～30μm左右，通过使用具有接近石英玻璃的折射率的树脂来将薄膜元件粘接固定在槽内，将穿过槽的光波导的过剩损耗抑制至最小限度。槽的深度设为100μm以上且300μm以下，光波导部分的SiO2的蚀刻剖面相对于基板面确保垂直性并且其表面平滑。
值得注意的是：在图4中，相对于光波导的槽的宽度、长度等与实际的图案构成样式不同。当以实际尺寸关系来描述时，槽以及波长板等无法通过视觉进行确认，因此将槽的宽度、波长板的厚度相对放大来进行夸大绘制。
如本实施例的光回路，在构成PBS阵列41a～41d的情况下，在将不与PBS连接的其它光波导42a～42e靠近配置于PBS与PBS之间的情况下，槽43、44也分别配置为仅横穿必要的光波导。因此，需要槽的光波导与对应的槽一一对应。在不需要槽的光波导42a～42e当然不形成槽。
关于作为臂波导的光波导45以及光波导46，由于被同等地施加各个槽的影响，因此波导间隔没有限制。为了使各个槽的影响相同，作为臂波导的成对的两个光波导优选将从各槽到邻接的各光波导42a～42e的距离设为相同。
如上所述，对于成对的臂波导45、46，能使两个光波导的间隔靠近，因此通过对于使多个槽沿着光波导方向前后配置并以与光波导大致垂直的方向的一部分对置的方式进行配置的本发明进一步应用如图7A～图7C所示那样连结了的槽的构成，能实现更紧凑且高效的光回路配置。
为了通过现有技术来实现图4的PBS阵列以及直通连接的多个光波导42a～42e交替配置的构成，只能在如图2所示那样在各个PBS的形成有槽的位置形成贯通的一条共用的槽。这样的情况下，为了将不同的λ/4波长板插入臂波导45、46，需要将臂波导45、46的间隔设定为足够大。除此之外，槽还横穿原本不需要形成槽地其它光波导42a～42e。这些光波导为了减少损耗，只能填充粘接剂或折射率整合剂、或者允许无用的过剩损耗，对光回路的性能也明显不利。
与此相对，在图4的光波导装置中，通过分别对需要槽的光波导独立配置最小限度的长度的槽的本发明的特征性构成的槽，能将臂波导的间隔也设定得窄。而且，也不需要考虑对不与PBS阵列41a～41d连接的其它光波导42a～42e产生过剩损耗。回路基板上的布局上也不会产生图2所示的无益的配置区域154。能在回路基板上高效地配置基本要素来实现光干涉回路。与现有技术的使用共用的槽的情况相比，能更紧凑地构成光干涉回路。
在本发明的光波导装置中，按每个供插入的光波导来形成波长板，并使槽的朝向相对于光波导比90度更进一步倾斜。而且，以使与光波导垂直的方向的一部分对置的方式来配置相邻的槽，由此，抑制了光传输方向的回路尺寸，光回路整体也能小型化。在本发明的光波导装置中，在图4所示的将供多个薄膜元件插入的多个回路阵列化的构成的情况下非常有效。此外，在成对的两个光波导中，无需插入薄膜元件，对为了使损耗量一致而形成的槽(例如图3的槽36)也适用。
在本实施例中，对图4的从左侧的输入波导输入信号光47并对输出光48a、48b进行偏振分离的PBS的功能进行了说明，但通过从图4右侧的供输出光48a、48b输出的光波导分别向基板输入水平方向、垂直方向的直线偏振波，还能作为偏振合束器来工作。该情况下，在本实施例中，从供信号光47输入的输入波导输出正交偏振复用后的光。
本实施例的槽优选除了供薄膜元件插入的矩形部分52(图5A)之外，还具备如图5A中所说明的梯形或三角形的扩张部。为了导入用于将薄膜元件固定在槽内的树脂(或粘接剂)，可以在矩形部分的一端具备稍大的梯形扩张部51(图5A)，而且，可以在矩形部分的另一端配置三角形的扩张部53(图5A)来作为用于使所导入的树脂(粘接剂)充分遍及整个槽的树脂存留部。这些扩张部能在槽形成的同时利用深蚀刻技术来形成，在图4的本实施例的构成中，也可以在能使光回路的尺寸充分小型化的范围内进行应用。毋庸置喙的是，可以对扩张部的形状进行各种变形。例如，以沿槽的矩形部分的长尺寸方向连续形成为例对梯形的扩张部进行了说明，但也可以经由从矩形部分的端部开始缓缓弯曲90度的中间部，沿与光波导相同的方向构成梯形的扩张部。无论是何种构成，只要能导入用于将薄膜元件粘接固定在槽内的材料，预先将包含矩形部分的槽的容量设定为适当的量，能实现容纳多余的材料的材料容纳功能即可。
此外，在具有形成为四边形或多边形的扩张部的槽的情况下，存在基板的应力集中于槽的顶点部分而产生龟裂等的可能性。如图6所示，可以将顶点部分设为半径10～50μm左右的圆弧状并使角部为圆形。
在上述的实施例1、实施例2中，以构成于硅基板上的石英系玻璃波导型装置为例进行了说明，但本发明也能应用于所有使用了构成光波导的其它材料，例如高分子、半导体、硅、离子扩散型的铌酸锂等的光波导装置。在SiO2以外的各种光波导材料，也可以利用在与基板的水平方向垂直的深度方向上选择比较高的深蚀刻技术。通过使用深蚀刻技术来将对应的槽一对一地构成于需要槽的光波导，能消除对与槽的配置有关的回路设计的灵活性以及光学性能的制约，能实现光回路的进一步小型化。而且，通过采用本发明所特有的具有扩张部的槽构成，即使在槽的数量增加的情况下，也不会产生制造组装工序中的调整复杂化的问题。本发明的光波导装置对包含光干涉回路的数字相干光传输中所使用的光收发器而言非常有效。
以上，如所详细说明的，通过本发明的光波导装置，实现了具有供光波长板等薄膜元件插入的槽的光干涉回路的小型化。而且，能提供不需要制造组装时的复杂的调整工序的光干涉回路。
产业上的可利用性
本发明一般能用于通信系统。特别是，能用于光通信系统的光波导型装置。

Claims (10)

1.一种光波导装置，具有构成于基板上的多个光波导，一个以上的薄膜元件横穿光波导并大致相对于基板面垂直地插入，其特征在于，
具备分别横穿所述多个光波导中的至少两根以上的光波导的槽，
各所述槽构成为：包含供所述薄膜元件插入的矩形部分，仅横穿对应的一根光波导，不横穿与所述对应的一根光波导邻接的其它光波导，
所述槽中的邻接的至少两个槽的与各自的所述对应的一根光波导大致垂直的方向的一部分对置配置。
2.根据权利要求1所述的光波导装置，其特征在于，
所述邻接的至少两个槽通过在所述邻接的至少两个槽各自的对置的端部之间形成的1mm以下的连结部，来使所述邻接的至少两个槽的对置的边结合。
3.根据权利要求1或2所述的光波导装置，其特征在于，
所述槽中的至少数个槽还具有从所述矩形部分的端部连续形成的至少一个扩张部。
4.根据权利要求3所述的光波导装置，其特征在于，
所述扩张部容纳对用于固定所述薄膜元件无益的多余的粘接剂。
5.根据权利要求3或4所述的光波导装置，其特征在于，
所述扩张部具有：
第一扩张部，从所述矩形部分的一端朝向所述矩形部分的长尺寸方向连续形成；或者
第二扩张部，从所述矩形部分的另一端朝向构成有所述对应的一根光波导的方向连续形成。
6.根据权利要求5所述的光波导装置，其特征在于，
所述第一扩张部在至少一部分具有随着远离所述一端而宽度变宽的形状。
7.根据权利要求5或6所述的光波导装置，其特征在于，
所述第一扩张部具有在远离所述一端的一侧具备宽度宽的底边的大致梯形的形状，所述第二扩张部具有以所述矩形部分的长边上的所述另一端附近的一部分为一边的三角形的形状。
8.根据权利要求3至7中任一项所述的光波导装置，其特征在于，
相当于所述扩张部的形状的顶点的部分形成为半径50μm以下的圆弧状。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的光波导装置，其特征在于，
所述多个槽通过关于构成所述多个光波导的材料进行与所述基板面垂直的深度方向上的选择比大的深蚀刻工艺来形成。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的光波导装置，其特征在于，
通过插入至所述槽的薄膜元件来实现偏振分束器PBS、偏振合束器或偏振旋转器中的任一种功能。
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