CN1981224A - 光分路单元 - Google Patents

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Abstract

在根据本发明的光分路单元中，在光分路(22)中分路成两个输出波导(25－1，25－2)的前一级区域内的横截面形状是具有不同纵横比的矩形或非圆形，包括沿基片(10)表面上的长度被限定为比与在基片10表面正交的方向上的长度短的区域，输出波导的输出端(23－1，23－2)上的横截面是具有不同纵横比的矩形或非圆形，其中沿基片表面上的长度被限定为比与在基片表面正交的方向上的长度长。

Description

光分路单元
技术领域
本发明涉及可用于光通信领域、并将输入到输入端的光束输出给多个输出端的光分路单元。
背景技术
在使用光波导的光分路单元中，作为一种光学特性，特别需要插入损耗的波长均一性在各分路目的地中不变化，即各目的地的波长均一性基本上相等。
例如，公开号为4-172308的日本专利申请公开了一种Y形分光回路，它包括一个其高阶膜被截止且基模中较低的等效衍射率和基片上形成的其它波导相比要更低的波导，并且以该波导作为输入波导的一部分。
然而，甚至在以上公开号为4-172308的专利申请所公开的方案中，当导向输入波导的光束偏移该输入波导的轴线或中心轴时，波长均一性也会在各分路目的地中改变。该波长特性在较短波长侧特别地降低。
此外，光分路单元的输入波导与例如光纤相连，并且施加(输入)在光纤中传送的光信号。在许多情形中，输入波导被粘贴到光纤上，并且在粘贴波导和光纤、或者使粘胶硬化期间难以完全防止波导轴线和光纤中心轴之间的偏移。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种光分路单元，即使用于输入来自基片外部的光束的输入波导与基片外的光传输元件之间发生偏移，该光分路单元也能够在光线被光分路单元分路之后减少射向分路目的地输出端的光线、还能够降低损耗、并具有较高的输出侧损耗波长均一性。
本发明提供了一种光分路单元，它包括：
支承基片，它支承光分路结构，该光分路结构以预定的光分路比对光束进行分路；
输入波导，它将施加到该光分路结构的光束从支承基片外部导向该光分路结构；以及
第一和第二输出波导，它们将经由该光分路结构分路后要发射的光束导向独立于支承基片设置的光波导结构，
其中该输入波导的端面被限定为：在与光束的输入方向正交的平面上，垂直于支承基片的方向上的长度、或高度比沿支承基片方向上的长度大；并且该第一和第二输出波导的端面被限定为：沿支承基片方向上的长度比垂直于支承基片的方向上的长度、或高度大。
即根据上述光分路单元，当在输入来自支承基片外部的光束的输入波导与该基片外部的光学传输结构之间发生偏移时，在分路结构分路之后射向分路目的地输出端的多模分量有所减少，并且损耗的波长均一性变化在输出侧得到补偿。
此外，本发明提供了一种光分路单元，它在基片上具有：输入来自基片外部的光线的输入波导、按预定分路比将输入到该输入波导的光线进行分路的光分路、以及将光分路按预定分路比分出的各光线输出到基片外部的输出波导，其中从基片外部输入的光线按预定的分路比进行分路，并被输出到该基片的外部，
其中在输入波导与光分路之间的预定位置处的横截面形状是具有不同纵横比的矩形或非圆形，包括沿基片表面的长度被限定为小于在与基片表面正交的方向上的长度的区域；并且各输出波导输出端处的横截面是具有不同纵横比的矩形或非圆形，其中沿基片表面的长度被限定为比与基片表面正交的方向上的长度要长。
即按预定分路比对来自基片外部的输入光线进行分路、并将光线射向基片外部的光分路单元中，在输入波导与光分路之间的预定位置处的横截面是具有不同纵横比的矩形或非圆形，包括沿基片表面的长度被限定为小于在与基片表面正交的方向上的长度的区域；并且各输出波导的输出端上的横截面是具有不同纵横比的矩形或非圆形，其中沿基片平面的长度被限定为比在与基片表面正交的方向上的长度长。因此，当在输入来自支承基片外部的光束的输入波导与该基片外部的光学传输结构之间发生轴偏移时，在分路结构分路之后射向分路目的地输出端的多模分量有所减少，并且输出波长均一性中的变化在输出侧得到补偿。因此，在各个分路目的地中，损耗的波长均一性增大。
此外，本发明提供了一种光分路单元，它包括：
基片，它包括由第一方向和与该第一方向正交的第二方向限定的表面；
输入波导，它沿基片的表面设置、并输入来自基片外部的光线；
第一光分路单元，设置于基片表面上的预定位置，并按预定比率对从基片外部输入的光线进行分路；
第二光分路单元，设置于基片表面上的预定位置，并进一步按预定比率对由第一光分路单元按预定比率分出的光线之一进行分路；
第三光分路单元，设置于基片表面上的预定位置，并进一步按预定比率对由第一光分路单元按预定比率分出的另一光线进行分路；
输出波导，设置于基片表面上的预定位置、第二和第三光分路单元中作为与第一光分路单元相关的输出端的位置，并将由第二和第三光分路单元分路的光线输出到基片的外部，
其中，连接第一光分路单元和第二光分路单元的光波导部件、以及连接第一光分路单元和第三光分路单元的光波导部件被限定为包括在与基片表面正交的方向上的长度被限定为比在沿基片平面的长度长的区域的至少一部分中。
即，在上述光分路单元中，将输入来自基片外部的光束的光分路单元连接到在被设置成将分成若干光束的光束射向基片外部的多个输出波导中提供的多个光分路单元的光波导，包括在与基片表面正交的方向上的长度被限定为比在沿基片平面的长度长的至少一个区域。当光分路单元的若干级被串联排列时，可能补偿射向输出端的光束的波长均一性变化，以将光束射向基片的外部。因此，在各分路目的地中，损耗的波长均一性增大，并且整个分路单元的损耗降低。
附图说明
图1是说明根据本发明一实施例的光分路单元的一个示例的示图；
图2是从图1平面(z轴)方向看图1所示光分路单元的示图；
图3A是说明图1和图2所示的光分路单元的光波导结构的横截面特征的视图；
图3B是说明图1和图2所示的光分路单元的光波导结构的横截面特征的视图；
图4是说明图1和图2所示的光分路单元的光波导结构的可选位置的纵横比与该横截面的总损耗之间的关系的曲线图；
图5是说明图1和图2所示的光分路单元的光波导结构横截面的可选位置的纵横比、与改变输出侧端口之间巨大损耗(波长均一性中的变化)的状态之间关系的曲线图；
图6是说明通过设置图4和5所示的纵横比，减少波长均一性相关于轴偏移的变化的原理的曲线图；
图7是说明图1和图2所示的光分路单元的另一实施例的示意图；以及
图8是说明通过图7所示光分路单元获得的过度损耗中的变化的曲线图。
具体实施方式
下文中，将参照附图对本发明的各个实施例进行详细说明。
图1是说明根据本发明一实施例的光分路单元的一个示例的示意图。
如图1所示，光分路单元1具有主要由二氧化硅(SiO2)形成的基片、以及通过在基片10上按预定形状图形化而形成的光波导结构20。围绕该光波导结构20的空间被用作镀层30的元件覆盖，以使光波导结构20可用作芯。芯部分(光波导结构20)与镀覆区域(镀层30)之间的相对折射率差值为0.45％。
光波导结构20包括：输入端21，以输入经由未示出的诸如光纤的光传输元件、以及前一级的光分路单元提供的光束(光信号)；光分路22，按第一和第二比率对施加于输入端21的光信号进行分路；以及输出端23-1和23-2，以将经由光分路22分出的光信号导向未示出的单模态光纤、或后一级的光分路单元。在下文中，输入端21和光分路22之间的波导结构被称为输入波导24，且光分路22与两个输出端23-1和23-2之间的光波导结构被称为输出波导25-1和25-2。
光波导结构20通过使主要由二氧化硅构成、并在基片10上形成预定厚度的石英玻璃图形化来形成。光波导结构20还可通过在将对应于镀层30的元件堆叠成预定厚度之后，将磷(P)、钛(Ti)、锗(Ge)、或铝(Al)掺杂到与光波导结构20相对应的芯或部件中来形成。还可通过在基片10的所有区域内将具有可用作芯的折射率的材料堆叠成预定厚度之后，在对应于镀层30的区域中掺杂硼酸(B)或氟(F)而选择性地降低折射率来形成光波导结构20。此外，还可通过使用包含热膨胀率低于约3.5×10-6的可选成分的多成分玻璃、并通过公知的离子交换法交换离子而选择性地改变与芯(光波导结构20)相对应的区域的折射率，来形成光波导结构20。
图2示出在平面(z轴)方向上看到的图1的光分路单元。
如图2所示，根据制造工艺，光分路22与输出端23-1/23-2、输入波导24、以及输出波导25-1和25-2形成为一体，作为光波导结构20。然而，光分路被分成：输入部分22A，通过输入波导24可以向该输入部分提供来自基片10外部(例如用来输入光信号的未示出光纤)的光信号的或来自前一级的光分路单元的光信号；以及第一和第二输出部分22-1和22-2，用于将按预定比率进行分路的光信号输入给两个输出波导25-1和25-2。
在光分路22的输出部分22-1和22-2中、在各位置处的横截面中、或在x-y平面上(从z轴方向看光波导结构20在基片10上突起的状态)，在沿基片10表面方向上、或作为y轴方向上长度的宽度W22-1或W22-2被限定为比作为相应输出波导25-1和25-2的可选位置处y轴方向上的长度的宽度W25-1或W25-2窄。输出部分22-1或22-2的宽度W22-1或W22-2被限定为等于或略窄于光分路22的输入波导24和输入部分22A的宽度WA。另一方面，输出部分22-1或22-2的宽度W22-1或W22-2不必相等，并且宽度W22-1或W22-2的至少之一可形成为等于或略窄于宽度WA。
输出波导25-1和25-2具有这样的形状：在各位置的横截面中或x-y平面上(从z轴方向看光波导结构20在基片10上突起的状态)，分别通过连续曲线或弧将光分路22的输出部分22-1和22-2连接到光波导结构20的第一和第二输出端23-1和23-2。
如图3A所示，输入部分22A具有这样的横截面：在沿基片10的表面方向(y轴方向)上其长度被限定为比在与基片10的表面方向正交的方向(z轴方向)上的长度或高度h短(窄)。特别地，当光波导结构20的基片10的高度h、或用作芯的层的厚度假定为‘1’时，输入部分22A的宽度WA被限定为是由0.4-0.8界定的宽度(y轴方向的长度)，如下面参照图4所述。
如图3B所示，输出波导25-1和25-2具有这样的横截面：在与沿基片10的表面方向正交的方向(z轴方向)上其长度被限定为比沿基片10的表面方向(y轴方向)的长度或宽度窄(即高度被限定得更低)。特别地，当光波导结构20的基片10的高度h、或用作芯部分的层的厚度(高度h)假定为‘1’时，输出波导25-1和25-2中至少之一的y轴方向的长度、或截面方向宽度具有被限定为1.0-1.5的宽度w1或w2(y轴方向的长度)，如下面参照图4所述。当高度h假定为‘1’时，宽度w1或w2最好是1.2-1.5。
换言之，以从与光波导结构20中光传输方向正交的方向(x轴方向)观看的状态，在光分路22的前一级中的预定位置赋予光波导结构20一个WA＜h横截面形状。此外，以从与光波导结构20的光分路22分出的光线沿x-y平面传输到输出端23-1和23-2的方向相正交的方向上一可选位置观看的状态，光波导结构20还被赋予一个至少w1＞h或w2＞h的横截面形状。该w1或w2最好被设置成当光分路22中的分路比相等时W1＝w2。
图4是示出光波导结构中生成的总损耗与图3A和3B所示的输入部分和输出波导的形状特征之间的关系，该形状特征为横截面高度(垂直宽度＝z轴方向上的长度)与水平宽度(y轴方向上的长度)之比，即纵横比。
从图4中可以看出，本发明的光分路单元可用于防止与短波长一侧标准值1310nm相关的插入损耗变化(曲线a)以及与长波长一侧标准值1550nm相关的插入损耗变化(曲线b)，其中1310纳米相关的插入损耗可用于估算光波导或光纤中的损耗。特别地，通过将分路输入侧(图2的输入端21)的横截面形状的纵横比设置成小于“1”，在1310nm的波长处插入损耗增大。相反，通过将纵横比设置成大于“1”，输出侧的插入损耗减小。
因为插入损耗(总损耗)是根据包括输入和输出侧的损耗、以及芯部分的损耗的数值来估算的，所以从图4可看出插入损耗的变化可减小。相似地，对于波长为1550nm的光线而言，输入侧和输出侧之间的插入损耗差异小于波长为1310nm的光线，且总损耗的变化减小。
当输入侧的纵横比被设置成小于“1”时，有必要考虑作为将输入光线传输到光分路22的光传输元件的未示出光纤、或如图1和图2所述的光波导结构20、或前一级中光分路单元的轴偏移。
图5是说明通过改变光波导结构的输入侧横截面的纵横比，来改变输出侧端口中巨大损耗(波长均一性中的变化)的状态。在图5中，实线曲线A和B表示：在具有横截面形状为图3A所示的WA＜h的输入部件的光波导结构中，当通过将WA设置成4μm、将h设置成6μm，未示出的光学传输元件的中心轴相对于光波导结构输入侧的中心轴沿基片10(图2)的表面仅偏移0.5μm时，第一输出波导25-1(图2)和第二输出波导25-2(图2)中损耗的波长相关性。作为对比示例，虚线曲线a和b表示：通过将横截面形状设置成WA＝h＝6μm，使用具有其未示出光学传输元件的中心轴相对于光波导结构输入侧的轴线沿基片表面仅偏移0.5μm的输入部分的光波导结构，两个输出波导中损耗的波长相关性。
从图5中可以看出，通过将光波导结构的输入侧的横截面的纵横比设置成小于“1”，与1260-1660nm光线相关的损耗的变化大为减小，这其中包括用于估算损耗的短波长一侧的标准值1310nm和长波长一侧的标准值1550nm。
这表示与如前参照图4所述的将输入侧的纵横比设置成小于“1”的情形相似，可增大波长均一性。这还表示：即使未示出光传输元件的中心轴与光波导结构的输入侧的轴线之间发生轴偏移，也可减少波长均一性的变化。
通过将输入侧的纵横比设置成小于“1”(使芯横截面在垂直方向上较长)来减少波长均一性中变化的原因是：当经由光学波导结构(芯部分)传送时，因轴偏移产生的多模分量从芯部分传输(辐射)到镀覆区域。
图6是说明当光传输元件的中心轴与光波导结构的输入侧的轴线之间发生轴偏移时，通过如图4和5所示将光波导结构的输入侧中横截面的纵横比设置为小于“1”，来减少波长均一性的变化的原理的曲线图。图6示出在光传输元件(光纤)的中心轴与光波导结构的输入侧的轴线之间沿着基片表面仅偏移0.5μm的状态下施加260-1660nm光线时，获得两个输出波导中损耗差的最大值(曲线a)、以及插入损耗的最大值(曲线b)的结果。
如图6中曲线a所示，认为通过设置光波导结构输入侧中横截面的纵横比可增加均一性(损耗差异减小)。然而，如曲线b所示，如果纵横比被设置成小于0.5，则损耗快速增加。因此，当将将光波导结构的输入侧中横截面的纵横比设置为小于“1”时，较佳范围为0.5-0.8(均性在0.8或以上时减小)。这符合降低图4所示总损耗中的变化的原因。
因此，即使在封装时发生轴偏移插入损耗和波长特性的高波长均一性也难以波动的光分路单元通过设置光分路输入侧中芯的横截面形状来获得，从而在沿基片10表面的方向上长度(芯的宽度)和与基片10表面正交的方向上长度(芯的高度)的纵横比变成小于“1”。
图7是示出图1和2所示的光分路单元的另一实施例的示意图。在图7中，给予与图1和图2中所示组件相同的组件相同的标号，并不作赘述。
如图7所示，光分路单元101具有基片10、以及在基片10上形成的光波导结构120。围绕该光波导结构的空间被未示出镀层元件覆盖，以使光波导结构120可用作芯。该光波导结构120通过连接图1和图2所示的多个光波导结构20来构建。
因此，以从作为传输施加于光波导结构120的光束的光传输元件的未示出光纤处、或前一级的光分路观看的状态(在图7中从左侧向右侧观看的状态)，如图7所示的光分路单元101中的光波导结构120通过输入端21、输入波动24、光分路22和光分路22进行分路，并通过用作后一级中光分路222的输入波动的输出波动25-1、以及光分路22进行分路。依次排列用作下一级光分路322的输入波导的输出波导25-2、与各个输出波导相连的光分路222和322、以及两个分路222和322的输出波导α、β、γ和δ。
在图7所示的光分路单元中，在沿光波导结构120的基片10的表面方向(y轴方向)上的长度、或用作芯的部件的宽度，在光分路22的输入波导24和输入部分22A中为WA，在光分路22的输出部件22-1和22-2中或其附近为W22-1或W22-2，在输出波导25-1和25-2中或其附近为W25-1或W25-2，在光分路222的输入部件222A中或其附近为W222A，在光分路322的输入部件3223中或其附近为W322A，在光分路222的输出部件222-1和222-2中或其附近为W222-1或W222-2，在光分路322的输出部件322-1和322-2中或其附近为W322-1或W322-2，在输出波导225-1和225-2中或其附近为W225-1或W225-2，以及在输出波导325-1和325-2中或其附近为W325-1或W325-2。比较用作芯的光波导结构120部件的各个位置的宽度，WA≌W22-1或者WA≌W22-2、W22-1＜W25-1或者W22-2＜W25-2、W25-1＜W222A或者W25-21＜W322A、W222A≌W222-1≌W222-2或者W322A≌W322-1≌W322-2、W222-1＜W225-1或者W222-2＜W225-2、以及W322-1＜W225-1或者W322-1＜W325-2。
图8示出当由曲线b示出的WA＝W25-1(或者WA＝W25-2)和由曲线a示出的WA＜W25-1(或者WA＜W25-2)(限定成WA＝W222A(W322A)的不同宽度部分)在输出波导225-1(225-2)中形成时，比较相对于连接第一级分路(光分路22)和第二级分路(光分路222(或322))、或输出波导225-1(225-2)的路径额外生成的过度损耗的大小。
从图8中显而易见，当WA＝W25-1(WA＝W25-2)并且WA＝W222A(W322A)时，即当给予连接第一级分路(光分路22)和第二级分路(光分路222(或322))、或输出波导225-1(或225-2)的路径的至少之一比其它区域更宽的结构时，较长波长范围中的过度损耗被减小，并且波导的特性得以改进。
如前所述，根据本发明，光分路单元的插入损耗的波长均一性对从光波导或光纤提供的光束进行分路。可减少整个分路单元的损耗。此外，封装(组装)包括光分路单元的光学传输线的生产得以改进。
本发明并不限于前述实施例。在实践阶段中各种更改和变化都是可能的，而不背离其本质特性。各实施例可尽可能地适当组合。在该情形中，获得组合效果。
工业实用性
提供了一种具有插入损耗的高波长均一性的光分路单元，即使封装时发生轴偏移，该光分路单元也能够保持波长特性均一并且减少损耗。
根据本发明，当在输入来自基片外部的光束的输入波导与基片外部的光传输元件之间发生轴偏移时产生的多模分量向分路目的地输出端的发射减少，并且损耗的波长均一性的变化在外部得到了补偿。因此，在各分路目的地中改进损耗的波长均一性。整个分路单元的损耗被减少。此外，封装(组装)包括光分路单元的光学传输线的生产得以增长。

Claims (7)

1.一种光分路单元，其特征在于，包括：
支承基片，它支承光分路结构，所述光分路结构按预定的光分路比对光束进行分路；
输入波导，它将从所述支承结构外部施加到所述光分路结构的光束导向所述光分路结构；以及
第一和第二输出波导，它引导由所述光分路结构分路的光束，发射到独立于所述支承基片设置的光波导结构，
其中所述输入波导的端面被限定为：在与所述光束输入方向垂直的平面中，在与所述支承基片垂直的方向上的长度、或高度大于沿所述支承基片的长度；并且所述第一和第二输出波导的端面被限定为：沿所述支承基片的方向上的长度大于与所述支承基片垂直的方向上的长度或高度。
2.如权利要求1所述的光分路单元，其特征在于，假定与所述支承基片垂直方向上的长度为“1”时，所述输入波导的端面沿所述支承基片方向的长度为0.5-0.8。
3.如权利要求1所述的光分路单元，其特征在于，假定与所述支承基片垂直方向上的长度为“1”时，每一个输出波导的端面沿所述支承基片方向的长度为1.0-1.5。
4.一种光分路单元在基片上具有：输入波导，输入来自基片外部的光线；光分路，按预定的分路比对输入到所述输入波导的光线进行分路；以及输出波导，向基片外部输出由所述光分路按预定分路比分出的各个光束，其中从基片外部输入的光线按预定的分路比进行分路，并被输出到基片外部，
其特征在于，在所述输入波导和光分路之间的预定位置处的横截面形状是具有不同纵横比的矩形或非圆形，包括沿基片表面的长度被限定为比与基片表面正交方向上的长度短的区域；并且各输出波导的输出端的横截面是具有不同纵横比的矩形或非圆形，其中沿基片表面的长度被限定为比与基片表面正交的方向上的长度长。
5.如权利要求4所述的光分路单元，其特征在于，假定与所述基片垂直方向的长度为“1”时，在所述输入波导和光分路之间的预定位置的横截面中，沿所述基片方向的长度为0.5-0.8。
6.如权利要求4所述的光分路单元，其特征在于，假定与所述基片垂直方向的长度为“1”时，各输出波导的输出端沿所述基片方向的长度为1.0-1.5。
7.一种光分路单元，其特征在于，包括：
基片，包括由第一方向和与所述第一方向正交的第二方向限定的表面；
输入波导，沿所述基片表面设置，并输入来自所述基片外部的光线；
第一光分路单元，设置于所述基片表面的预定位置，并按预定比率对来自所述基片外部的光线进行分路；
第二光分路单元，设置于所述基片表面的预定位置，并进一步按预定比率对由所述第一光分路单元按预定比率分出的光线之一进行分路；
第三光分路单元，设置于所述基片表面的预定位置，并进一步按预定比率对由所述第一光分路单元按预定比率分出的其它光线进行分路；以及
输出波导，它们被设置于所述基片表面的预定位置的所述第二和第三光分路单元中作为第一光分路单元输出端的位置，并向所述基片外部输出由所述第二和第三光分路单元分出的光线，
其中连接所述第一光分路单元和第二光分路单元的光波导部件以及连接所述第一光分路单元和第三光分路单元的光波导部件被限定为包括：与所述基片表面垂直方向的长度被限定为比沿表面方向的长度长的区域的至少一部分。
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