DE60129495T2

DE60129495T2 - Optischer Wellenleiterschaltkreis

Info

Publication number: DE60129495T2
Application number: DE60129495T
Authority: DE
Inventors: Kazuhisa Chiyoda-ku Kashihara; Hiroyuki Chiyoda-ku Koshi; Kazutaka Chiyoda-ku Nara; Takeshi Chiyoda-ku Nakajima
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2000-02-08
Filing date: 2001-02-08
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2021-02-09
Also published as: US20010046361A1; US6539158B2; EP1130424A2; EP1130424B1; DE60129495D1; JP2001221923A; EP1130424A3

Description

Allgemeiner Stand der Technik
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Wellenleiterschaltkreis wie zum Beispiel einen optischen Multiplexer/Demultiplexer vom gruppierten Wellenleitergittertyp zur Verwendung in der optischen Kommunikation oder dergleichen.
2. Beschreibung des Standes der Technik
In den vergangenen Jahren wurde aktive Forschungs- und Entwicklungsarbeit auf dem Gebiet der optischen Wellenlängenmultiplexkommunikation in der Hoffnung geleistet, die Datenübertragungskapazität der optischen Kommunikation exponentiell steigern zu können, und inzwischen werden die ersten Schritte der Umsetzung in die Praxis unternommen. Bei der optischen Wellenlängenmultiplexkommunikation werden Daten übertragen, indem zum Beispiel mehrere Lichtstrahlen mit verschiedenen Wellenlängen einer Wellenlängenmultiplexierung unterzogen werden. Bei einem solchen optischen Wellenlängenmultiplexkommunikationssystem müssen die übertragenen mehreren Lichtstrahlen mit verschiedenen Wellenlängen separat auf der Grundlage der Wellenlänge durch den Empfänger der Lichtstrahlen aufgenommen werden. Darum sind für das System ein lichtdurchlässiges Element, das nur einen Lichtstrahl einer vorgegebenen Wellenlänge durchlässt, oder gleichwertige andere Elemente unverzichtbar.
Ein Beispiel des lichtdurchlässigen Elements ist ein gruppiertes Wellenleitergitter (Arrayed Waveguide Grating – AWG), wie in 1 gezeigt. Das gruppierte Wellenleitergitter hat auf einem Substrat 11 aus Silizium oder dergleichen eine optische Wellenleiterausbildungsregionstruktur, wie in 1 gezeigt. Die optische Wellenleiterstruktur des gruppierten Wellenleiters besteht aus: einem oder mehreren nebeneinander angeordneten optischen Eingangswellenleitern 12; einem ersten Plattenwellenleiter 13, der mit den Austrittsenden des einen oder der mehreren optischen Eingangswellenleiter 12 verbunden ist; einem gruppierten Wellenleiter 14, der aus mehreren Kanalwellenleitern 14a besteht, die nebeneinander angeordnet sind und mit dem Austrittsende des ersten Plattenwellenleiters verbunden sind; einem zweiten Plattenwellenleiter 15, der mit dem Austrittsende des gruppierten Wellenleiters 14 verbunden ist; und mehreren optischen Ausgangswellenleitern 16, die nebeneinander angeordnet sind und mit dem Austrittsende des zweiten Plattenwellenleiters 15 verbunden sind. Der gruppierte Wellenleiter 14 breitet Licht aus, das von dem ersten Plattenwellenleiter 13 ausgegeben wird, und besteht aus mehreren Kanalwellenleitern 14a, die nebeneinander angeordnet sind. Die Längen benachbarter Kanalwellenleiter unterscheiden sich voneinander, wobei der Unterschied vorgegeben ist. Die Festlegung der Anzahl optischer Ausgangswellenleiter 16 erfolgt zum Beispiel anhand der Anzahl an Lichtstrahlen, die voneinander verschiedene Wellenlängen haben und die im Ergebnis des Demultiplexierens oder Multiplexierens von Signallicht durch das gruppierte Wellenleitergitter erzeugt werden sollen. Die Kanalwellenleiter, aus denen der gruppierte Wellenleiter besteht, sind in der Regel in einer großen Zahl vorhanden, zum Beispiel 100. Jedoch ist 1 vereinfacht, und die Anzahl der Kanalwellenleiter, der optischen Ausgangswellenleiter 16 und der optischen Eingangswellenleiter 12 in 1 spiegelt nicht exakt ihre tatsächliche Anzahl wider.
Die optischen Eingangswellenleiter 12 sind zum Beispiel mit übertragungsseitigen optischen Fasern verbunden, so dass Licht, das der Wellenlängenmultiplexierung unterzogen wurde, in die optischen Eingangswellenleiter eingespeist wird. Das Licht, das den optischen Eingangswellenleiter durchquert hat und in den ersten Plattenwellenleiter eingespeist wurde, wird durch dessen Brechkraft gebrochen und tritt in den gruppierten Wellenleiter ein, um sich entlang dem gruppierten Wellenleiter zu bewegen.
Nach dem Durchqueren des gruppierten Wellenleiters 14 erreicht das Licht den zweiten Plattenwellenleiter 15 und wird dann in den optischen Ausgangswellenleitern 16 kondensiert, um von ihnen ausgegeben zu werden. Wegen des vorgegebenen Unterschieds zwischen benachbarten Kanalwellenleitern 14a des gruppierten Wellenleiters 14 haben die Lichtstrahlen nach dem Durchqueren des gruppierten Wellenleiters 14 voneinander verschiedene Phasen. Die Wellenfront des gewanderten Lichts ist entsprechend diesem Unterschied geneigt, und die Position, wo das Licht kondensiert wird, wird durch den Winkel dieser Neigung bestimmt. Darum werden die Lichtstrahlen, die unterschiedliche Wellenlängen haben, an voneinander verschiedenen Positionen kondensiert. Durch Ausbilden der optischen Ausgangswellenleiter 16 an diesen Positionen können die Lichtstrahlen, die unterschiedliche Wellenlängen haben, von ihren jeweiligen optischen Ausgangswellenleitern 16, die für die jeweiligen Wellenlängen vorgesehen sind, ausgegeben werden.
Zum Beispiel werden, wie in 1 gezeigt, Lichtstrahlen, die der Wellenlängenmultiplexierung unterzogen wurden und die jeweils Wellenlängen λ1, λ2, λ3, ..., λn haben (wobei n eine ganze Zahl von mindestens 2 ist), in einen der optischen Eingangswellenleiter 12 eingespeist. Die Lichtstrahlen werden in dem ersten Plattenwellenleiter 13 gebeugt, erreichen den gruppierten Wellenleiter 14 und bewegen sich durch den gruppierten Wellenleiter 14 und den zweiten Plattenwellenleiter 15. Dann werden, wie oben beschrieben, die Lichtstrahlen jeweils an verschiedenen Positionen, die durch ihre Wellenlängen bestimmt sind, kondensiert, treten in verschiedene optische Ausgangswellenleiter 16 ein, bewegen sich entlang ihrer jeweiligen optischen Ausgangswellenleiter 16 und werden von den Austrittsenden der jeweiligen optischen Ausgangswellenleiter 16 ausgegeben. Die Lichtstrahlen, die unterschiedliche Wellenlängen haben, werden durch optische Fasern zum Ausgeben von Licht herausgeführt, die mit den Austrittsenden der optischen Ausgangswellenleiter 16 verbunden sind.
In diesem gruppierten Wellenleitergitter ist die Wellenlängenauflösung des Gitters proportional dem Längenunterschied (ΔL) zwischen den benachbarten Kanalwellenleitern 14a des gruppierten Wellenleiters 14, der das Gitter bildet. Wenn das gruppierte Wellenleitergitter so ausgelegt ist, dass es einen großen ΔL-Wert aufweist, so ist es möglich, Licht so zu multiplexieren oder zu demultiplexieren, dass ein Wellenlängenmultiplexieren mit einem schmalen Wellenlängenintervall erreicht wird, was mit anderen Typen von Multiplexern oder Demultiplexern des Standes der Technik nicht erreicht wurde. Es ist somit möglich, dass das gruppierte Wellenleitergitter eine Funktion des Multiplexierens oder Demultiplexierens mehrerer Signallichtstrahlen aufweist, speziell eine Funktion des Demultiplexierens oder Multiplexierens mehrerer optischer Signale mit einem Wellenlängenintervall von 1 nm oder weniger, was eine Funktion ist, die für die optische Wellenlängenmultiplexkommunikation mit hoher Dichte als notwendig erachtet wird.
Das oben angesprochene gruppierte Wellenleitergitter ist ein optischer Wellenleiterschaltkreis, wobei ein optischer Wellenleiterabschnitt 10, der eine Unterschicht, einen Kern und eine Oberschicht aufweist, die aus Glas auf Siliciumdioxidbasis oder dergleichen besteht, auf dem Substrat 11 aus Silizium oder dergleichen ausgebildet ist. Die Unterschicht ist auf dem Substrat 11 ausgebildet, der Kern mit der oben angesprochenen optischen Wellenleiterstruktur ist darauf ausgebildet, und die Oberschicht ist so auf dem Kern ausgebildet, dass sie diesen bedeckt. Die Oberschicht besteht aus Glas auf Siliciumdioxidbasis, das zum Beispiel durch Dotieren von reinem Siliciumdioxid mit 6 Mol-% B₂O₃ und 6 Mol-% P₂O₅ (SiO₂-B₂O₃-P₂O₅) hergestellt wird.
4A bis 4D veranschaulichen einen Prozess zur Herstellung des gruppierten Wellenleitergitters, und weiter unten wird unter Bezug auf die 4A bis 4D ein Verfahren zur Herstellung des optischen Wellenleiterschaltkreises beschrieben. Zuerst wird, wie in 4A gezeigt, eine Lage für eine Unterschicht 1b auf dem Substrat 11 ausgebildet, und anschließend wird eine Lage für einen Kern 2 darauf ausgebildet. Als nächstes wird die Lage für den Kern 2 zum Ausbilden einer optischen Wellenleiterstruktur des gruppierten Wellenleitergitters mittels eines photolithografischen reaktiven Ionenätzverfahrens unter Verwendung einer Maske 8, wie in 4B gezeigt, bearbeitet, wodurch der Kern 2 mit der oben beschriebenen optischen Wellenleiterstruktur, wie in 4C gezeigt, entsteht.
Dann wird eine Lage für eine Oberschicht 1a auf dem Kern 2 dergestalt ausgebildet, dass der Kern 2, wie in 4D gezeigt, bedeckt wird. Jede Lage für die Unterschicht, den Kern und die Oberschicht 1a wird durch ein Flammhydrolyseabscheidungsverfahren und Konsolidieren der Glasteilchen 50 bei einer Temperatur von beispielsweise 1200°C bis 1250°C ausgebildet.
Wenn bei der oben angesprochenen optischen Wellenlängenmultiplexkommunikation nur eine horizontal polarisierte Welle als Signallicht übertragen wird, so verwandelt sich eine vertikal polarisierte Welle, die senkrecht zu der horizontal polarisierten Welle verläuft, in ein Rauschen, das die Übertragungscharakteristik dieser Kommunikation verschlech tert. Das Rauschen verursacht eine Verringerung der Datenübertragungskapazität und des Übertragungsabstands, weshalb eine weniger vertikal polarisierte Welle besser ist. Wenn andererseits bei der oben angesprochenen optischen Wellenlängenmultiplexkommunikation nur eine vertikal polarisierte Welle als Signallicht übertragen wird, so muss eine horizontal polarisierte Welle, die senkrecht zu der vertikal polarisierten Welle verläuft, so weit wie möglich verringert werden.
Oder anders ausgedrückt: Das Polarisationsübersprechen (d. h. das Extinktionsverhältnis von Signallicht zu Rauschlicht, das in der Richtung polarisiert ist, die senkrecht zu der Polarisation des Signallichts verläuft) muss in dem optischen Wellenlängenmultiplexkommunikationssystem so klein wie möglich sein. Genauer gesagt, beträgt ein wünschenswertes Polarisationsübersprechen für das gesamte optische Wellenlängenmultiplexkommunikationssystem insgesamt maximal –20 dB. Das Polarisationsübersprechen wird zum Beispiel als folgende Gleichung ausgedrückt: Polarisationsübersprechen = 10 log (Py/Px) (1)wobei die Intensität Px der horizontal polarisierten Welle (in der Richtung x polarisiert) das Signallicht ist und die Intensität Py der vertikal polarisierten Welle (in der Richtung y polarisiert) das Rauschlicht ist.
Dementsprechend muss jede der optischen Komponenten, die in dem optischen Wellenlängenmultiplexkommunikationssystem verwendet werden, ein Polarisationsübersprechen von weniger als –20 dB aufweisen. Jedoch werden in einem herkömmlichen optischen Wellenleiterschaltkreis, der als das lichtdurchlässige Element des gruppierten Wellenleitergitters oder dergleichen benutzt wird, die horizontal polarisierte Welle und die vertikal polarisierte Welle zusammen übertragen, wenn Licht, das in die Schaltung eintritt, beides aufweist.
Dadurch wird es schwierig, das Polarisationsübersprechen zwischen einer polarisierten Welle, die als Signallicht dient, und einer polarisierten Welle, die senkrecht zu der erstgenannten Welle verläuft, zu verringern.
Ein Artikel mit dem Titel "Polarization-insensitive arrayed-waveguide grating wavelength multiplexer an silicon" (Hiroshi Takashi und Mitarbeiter, Optics Letters, Optical Society of America, Washington, USA, Band 17, Nr. 7, 1. April 1992, Seiten 499-501, XP000262595, ISSN: 0146-9592) offenbart einen polarisationsunempfindlichen Multiplexer mit einem gruppierten Wellenleitergitter und mit einem optischen Wellenleiterabschnitt, der auf einem Si-Substrat ausgebildet ist.
Der optische Wellenleiterabschnitt hat einen Kern, der aus SiO₂-GeO₂ besteht, und eine Oberschicht aus SiO₂.
Die Doppelbrechung B in dem Kern ist auf 3,3 × 10^-4 eingestellt, und die λ/2-Plattenpolarisationsplatte ist in eine Nut in der Mitte des gruppierten Wellenleiters eingeschoben, um die Polarisationsabhängigkeit zu beseitigen.
Ein Artikel mit dem Titel "Silica waveguides an silicon and their application to integrated-optic components" (Masao Kaurachi, Optical and Quantum Electronics, Band 22, 1990, Seiten 391-416, XP567665) offenbart einen Siliziumdioxid-Wellenleiter, der auf einem Siliziumsubstrat ausgebildet ist und eine Doppelbrechung von 4 × 10^-4 aufweist.
Kurzdarstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung dient der Lösung der oben beschriebenen Probleme, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung eines optischen Wellenleiterschaltkreises, der ein geringes Polarisations übersprechen aufweist und der für die optische Wellenlängenmultiplexkommunikation geeignet ist.
Um die oben genannte Aufgabe zu erfüllen, stellt die vorliegende Erfindung einen optischen Wellenleiterschaltkreis mit folgendem Aufbau bereit. Der optische Wellenleiterschaltkreis der vorliegenden Erfindung ist dergestalt aufgebaut, dass:
ein optischer Wellenleiterabschnitt auf einem Substrat ausgebildet ist;
der optische Wellenleiterabschnitt eine Unterschicht, einen Kern und eine Oberschicht aufweist, die aus Glas auf Siliciumdioxidbasis besteht; dadurch gekennzeichnet, dass die
Doppelbrechung B im Kern so eingestellt ist, dass |B| = 1,2 × 10^-4 erfüllt ist, wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient der Oberschicht als αg gegeben ist und der Wärmeausdehnungskoeffizient des Substrats als αs gegeben ist, wobei αg = αs – 4,39 × 10^-7 erfüllt ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung des optischen Wellenleiterschaltkreises und eines gruppierten Wellenleitergitters mit dem obigen optischen Wellenleiterschaltkreis bereitgestellt. Das gruppierte Wellenleitergitter umfasst: einen oder mehrere nebeneinander angeordnete optische Eingangswellenleiter; einen ersten Plattenwellenleiter, der mit den Austrittsenden der optischen Eingangswellenleiter verbunden ist; einen gruppierten Wellenleiter, der mit dem Austrittsende des ersten Plattenwellenleiters verbunden ist, um Licht zu übertragen, das durch den ersten Plattenwellenleiter geleitet und von dem ersten Plattenwellenleiter ausgesandt wird, und der aus mehreren Kanalwellenleitern besteht, wobei die Kanalwellenleiter nebeneinander angeordnet sind und verschiedene Längen aufweisen, wobei der Unter schied zuvor festgelegt wurde; einen zweiten Plattenwellenleiter, der mit dem Austrittsende des gruppierten Wellenleiters verbunden ist; und mehrere optische Ausgangswellenleiter, die nebeneinander angeordnet sind und mit dem Austrittsende des zweiten Plattenwellenleiters verbunden sind.
Die Autoren der vorliegenden Erfindung haben ihre Aufmerksamkeit dem Wert der Doppelbrechung in dem optischen Wellenleiterabschnitt zugewandt, der den optischen Wellenleiterschaltkreis bildet und die Unterschicht, den Kern und die Oberschicht aufweist, um das Polarisationsübersprechen in dem optischen Wellenleiterschaltkreis des gruppierten Wellenleitergitters oder dergleichen zu verringern. Genauer gesagt, variieren in dem gruppierten Wellenleitergitter zum Beispiel lichtkondensierende Abschnitte für eine horizontal polarisierte Welle und eine vertikal polarisierte Welle in Abhängigkeit vom Wert der Doppelbrechung. Darum kamen die Autoren der vorliegenden Erfindung auf den Gedanken, dass eine polarisierte Welle, die als Rauschen dient (eine vertikal polarisierte Welle, wenn das Signallicht eine horizontal polarisierte Welle ist, wohingegen das Rauschen eine horizontal polarisierte Welle ist, wenn das Signallicht eine vertikal polarisierte Welle ist), entfernt werden kann, indem die Doppelbrechung auf einen geeigneten Wert eingestellt wird.
Des Weiteren haben die Erfinder für den Fall des gruppierten Wellenleitergitters die Beziehung zwischen der Doppelbrechung in dem optischen Wellenleiterabschnitt und dem Polarisationsübersprechen untersucht. Im Ergebnis dieser Untersuchung wurde festgestellt, dass, wenn das gruppierte Wellenleitergitter auf ein optisches Kommunikationssystem angewendet wird, das aus einer Polarisationsbeibehaltungsvorrichtung besteht, und eine Doppelbrechung B so eingestellt ist, dass |B| ≥ 1,2 × 10^-4 erfüllt ist, eine polarisierte Welle, die als Rauschen dient, effektiv durch das gruppierte Wellenleitergitter entfernt werden kann und das Polarisationsübersprechen auf –20 dB oder weniger verringert werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Doppelbrechung B auf einen Wert eingestellt, der es ermöglicht, das Polarisationsübersprechen auf –20 dB oder weniger zu verringern, indem man – auf der Grundlage der Ergebnisse der Untersuchung der Beziehung zwischen dem Wert der Doppelbrechung in dem Kern und dem Polarisationsübersprechen – (|B| = 1,2 × 10^-4) einstellt. Darum kann die vorliegende Erfindung das Polarisationsübersprechen in dem optischen Wellenleiterschaltkreis des gruppierten Wellenleitergitters oder dergleichen verringern, was den optischen Wellenleiterschaltkreis für die optische Wellenlängenmultiplexkommunikation geeignet macht.
Weil des Weiteren αg = αs – 4,39 × 10^-7 erfüllt ist, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient der Oberschicht als αg gegeben ist und der Wärmeausdehnungskoeffizient des Substrats als αs gegeben ist, kann die Doppelbrechung B auf einen Wert eingestellt werden, der er ermöglicht, das Polarisationsübersprechen auf –20 dB oder weniger zu verringern. Der oben erwähnte Effekt kann somit korrekt ausgeübt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es werden nun Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben, in denen Folgendes dargestellt ist:
1 ist ein Schaubild, das einen optischen Wellenleiterschaltkreis, der für die vorliegende Erfindung wie auch für den Stand der Technik gilt, sowie seine Arbeitsweise beim Demultiplexieren von Licht zeigt.
2 ist ein Kurvendiagramm, das die Ergebnisse des Erhalts der Beziehung zwischen der Doppelbrechung in dem optischen Wellenleiterabschnitt und dem Polarisationsübersprechen zeigt, wenn eine linear polarisierte Welle in den optischen Wellenleiterschaltkreis eintritt, wobei der Orientierungswinkel der linear polarisierten Welle variiert.
3 ist ein erläuterndes Schaubild, das ein Beispiel eines Polarisationsübersprechungsmesssystems veranschaulicht, das dafür verwendet wird, die Beziehung zwischen Doppelbrechung und Polarisationsübersprechen in 2 zu erhalten.
4A bis 4D sind erläuternde Schaubilder, die schematisch einen Prozess zur Herstellung des optischen Wellenleiterschaltkreises zeigen.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Im Weiteren werden Einzelheiten der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben, die eine Ausführungsform der Erfindung veranschaulichen. Beim Beschreiben der Ausführungsform werden die Teile, die mit denen des herkömmlichen Beispiels identisch sind, mit den gleichen Bezugssymbolen bezeichnet, und ihre Beschreibungen werden gekürzt oder weggelassen. Ein optischer Wellenleiterschaltkreis gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat das gleiche Erscheinungsbild wie das herkömmliche Beispiel, und er hat die Schaltkreisstruktur des in 1 gezeigten herkömmlichen Beispiels.
Der optische Wellenleiterschaltkreis dieser Ausführungsform hat ein Substrat 11 und einen optischen Wellenleiterabschnitt 10, wie in 1 gezeigt, und die Wellenleiterstruktur eines Kerns 2 des optischen Wellenleiterabschnitts 10 ist ebenfalls der gleiche wie beim herkömmlichen Bei spiel. Ein gruppiertes Wellenleitergitter dieser Ausführungsform ist durch das Einstellen der Doppelbrechung B im Kern 2 gekennzeichnet, insbesondere durch Einstellen der Doppelbrechung B auf einen Wert, der |B| = 1,2 × 10^-4 erfüllt, so dass Polarisationsübersprechen verringert werden kann, um den optischen Wellenleiterschaltkreis für die optische Wellenlängenmultiplexkommunikation geeignet zu machen.
Das gruppierte Wellenleitergitter dieser Ausführungsform fungiert als ein optischer 16-Kanal-Multiplexer/Demultiplexer, der ein optisches Eingangslicht in wellenlängenmultiplexierte Lichter mit einem Wellenlängenintervall von 100 GHz (etwa 0,8 nm bei 1,55 μm Band) demultiplexiert oder mehrere WDM-Lichter mit einem Wellenlängenintervall von 100 GHz in einen optischen Ausgang multiplexiert. Sein FSR (Free Spectral Range = Freier Spektralbereich) ist 26 nm, der Längenunterschied ΔL zwischen benachbarten Kanalwellenleitern eines gruppierten Wellenleiters 14 beträgt 65,3 μm, seine Beugungsordnung m ist 60, und seine Differenz Δ des spezifischen Brechungsindex' beträgt 0,8%.
In dem gruppierten Wellenleitergitter variieren lichtkondensierende Abschnitte einer horizontal polarisierten Welle und einer vertikal polarisierten Welle in Abhängigkeit vom Wert der Doppelbrechung im Kern 2 des optischen Wellenleiterabschnitts 10, der zusätzlich zu dem Kern 2 eine Unterschicht 1b und eine Oberschicht 1a aufweist. Darum hatten die Autoren der vorliegenden Erfindung den Gedanken, dass eine polarisierte Welle, die als Rauschen dient (eine vertikal polarisierte Welle, wenn das Signallicht eine horizontal polarisierte Welle ist, wohingegen die Rauschkomponente eine horizontal polarisierte Welle ist, wenn das Signallicht eine vertikal polarisierte Welle ist), entfernt werden kann, indem die Doppelbrechung auf einen geeigneten Wert eingestellt wird und das Polarisationsübersprechen in dem gruppierten Wellenleitergitter somit verringert werden kann.

Bei einem Herstellungsverfahren, das in den 4A bis 4D veranschaulicht ist, wird die Oberschicht 1A aus Kieselglas hergestellt, das mit 3,6 bis 7 Mol-% B₂O₃ und 3,6 bis 7 Mol-% P₂O₅ (SiO₂-B₂O₃-P₂O₅) dotiert ist, wie in Tabelle 1 gezeigt. Es ist zu beachten, dass die Beigaben von B₂O₃ und P₂O₅ für verschiedene gruppierte Wellenleitergitter unterschiedlich sind. Infolge dessen werden vier gruppierte Wellenleitergitter, die unterschiedliche Doppelbrechungen B haben, als repräsentative Beispiele des optischen Wellenleiterschaltkreises hergestellt. Diese gruppierten Wellenleitergitter-Proben haben jeweils die in 1 gezeigte Wellenleiterstruktur. Tabelle 1

	Experimentbedingung 1	Experimentbedingung 2	Experimentbedingung 3	Experimentbedingung 4
B₂O₃ Mol-%	7	5,8	5,2	3,6
P₂O₅ Mol-%	7	5,8	5,2	3,6
Doppelbrechung \|B\|	0,7 × 10^-4	1,6 × 10^-4	2,2 × 10^-4	3,5 × 10^-4

Die Doppelbr echungswerte B in Tabelle 1 werden folgendermaßen berechnet. Zuerst erhält man den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Oberschicht 1a für jede der vier gruppierten Wellenleitergitter-Proben durch folgende Berechnung.
Eine interne mechanische Beanspruchung σ, die in dem optischen Wellenleiterschaltkreis erzeugt wird, wird als folgende Gleichung (2) ausgedrückt, wenn der Biegeradius des optischen Wellenleiterschaltkreises bezüglich der Substratebene als R gegeben ist. σ = {Esb2}/{6(1 – ys)R·d} (2)
In Gleichung (2) ist Es der Elastizitätsmodul des Substrats 11 (in dieser Ausführungsform ein Siliziumsubstrat), und sein Wert in dieser Ausführungsform ist 1,3 × 10¹¹ (Pa). Die Dicke des Substrats 11 ist durch b dargestellt, die in dieser Ausführungsform 1,0 × 10^-3 (m) beträgt. γ_s ist der Poissonsche Beiwert des Substrats 11 und beträgt in dieser Ausführungsform 0,28. Durch d wird die Dicke der Oberschicht 1a dargestellt (der Abstand zwischen der Oberseite der Unterschicht 1b und der Oberseite der Oberschicht 1a), die in dieser Ausführungsform 0,03 × 10^-3 (m) beträgt.
Wärmebeanspruchung σ_T, die auf den optischen Wellenleiterschaltkreis einwirkt, wird als folgende Gleichung (3) ausgedrückt. σT = Eg(αg – αs)ΔT (3)
In Gleichung (3) ist E_g der Elastizitätsmodul der Oberschicht 1a. Bei Approximierung mit dem Wert von reinem Quarz ist E_g 7,29 × 10¹⁰ (Pa). αg und αs stellen den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Oberschicht 1a bzw. den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Substrats 11 dar. ΔT ist der Temperaturunterschied zwischen einer Temperatur, bei der das Glas auf Siliziumdioxidbasis, das zum Ausbilden der Oberschicht 1a verwendet wird, konsolidiert, und einer Raumtemperatur.
Wenn die gesamte innere mechanische Beanspruchung sich als Wärmebeanspruchung darstellt, so gilt in diesem Fall σ = σ_T. Somit ergibt sich aus den Gleichungen (2) und (3) die folgende Gleichung (4): αg = αs + [{Esb2}/{Eg(1 – γs)d·R·ΔT}] (4)
Dann wird der Grad der konvexen Krümmung der wie oben beschrieben hergestellten optischen Wellenleiterschaltungen mittels eines Oberflächenformmessgerätes vom Direktkontakttyp gemessen. Der gemessene Grad der konvexen Krümmung wird in Gleichung (4) ersetzt, um den tatsächlichen Wert des Wärmeausdehnungskoeffizienten der Oberschicht 1a zu erhalten. Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Silizium wird hier für den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Substrats 11 verwendet, und αs = 3,0 × 10^-60C^-1.
Im Fall des gruppierten Wellenleitergitters, das gemäß Experimentbedingung 2 hergestellt wird, beträgt zum Beispiel der Biegeradius 23,5 m, und der Wärmeausdehnungskoeffizient αg der Oberschicht 1a, der aus Gleichung (4) berechnet wurde, beträgt 2,41 × 10^-60C^-1. Das gruppierte Wellenleitergitter ragt hier, wenn das Gitter auf dem Substrat 11 ausgebildet ist, nach oben hervor (d. h. auf der Seite des Substrats 11 konkav gewölbt).
Die Doppelbrechung B wird als folgende Gleichung (5) ausgedrückt. Der erhaltene Wärmeausdehnungskoeffizient αg der Oberschicht 1a wird in Gleichung (5) ersetzt, um die Doppelbrechung B zu erhalten. B = (C2 – C1)Eg(αg – αs)ΔT (5)
In Gleichung (5) ist C₁ die Photoelastizitätskonstante der Oberschicht 1a parallel zum Substrat 11. C₂ stellt die Photoelastizitätskonstante der Oberschicht 1a senkrecht zum Substrat 11 dar. E_g ist der Elastizitätsmodul der Oberschicht 1a. αg, αs und ΔT stellen das gleiche dar wie in Gleichung (3) und haben die gleichen Werte wie in Gleichung (3).
Die Photoelastizität von Kieselglas parallel zum Substrat 11, –0,65 × 10^-2 (Pa^-1) tritt an die Stelle von C₁ in Gleichung (5). C₂ wird durch die Photoelastizität von Kiesel glas senkrecht zum Substrat 11 ersetzt: –4,22 × 10^-12 (Pa^-1). Der Elastizitätsmodul von Quarz, 7,29 × 10¹⁰ (Pa), tritt an die Stelle von E_g. ΔT wird durch einen Wert ersetzt, der aus einer Temperatur des Sinterns der Oberschicht 1a erhalten wird: –1000°C. Des Weiteren wird der Wärmeausdehnungskoeffizient αg der Oberschicht gemäß der Experimentbedingung 2, 2,41 × 10^-6, in Gleichung (5) ersetzt, um die Doppelbrechung B zu erhalten. Infolge dessen ist B im Fall der Experimentbedingung 2 gleich 1,6 × 10^-4.
Das Polarisationsübersprechen wird für jede der gruppierten Wellenleitergitter-Proben mit Hilfe eines Polarisationsübersprechmesssystems gemessen, das wie in 3 gezeigt aufgebaut ist. In 3 ist das gruppierte Wellenleitergitter mit dem Bezugszeichen 5 versehen. In dem Messsystem ist – in der Zeichnung von links nach rechts und in dieser Reihenfolge – eine Lichtquelle 3, eine Linse 21, ein Polarisationsfilter 4, eine Linse 22, das gruppierte Wellenleitergitter 5, eine Linse 23, einen Analysator 6, eine Linse 24 und ein optisches Leistungsmessgerät 7 angeordnet.
Wenn mittels dieses Messsystems ein Polarisationsübersprechen gemessen wird, so wird eine Richtung x in 3 zuerst auf die Richtung der horizontal polarisierten Welle des gruppierten Wellenleitergitters 5 ausgerichtet. Eine in der Richtung x polarisierte Komponente wird somit als das Signallicht eingestellt, und eine in einer Richtung y polarisierte Komponente wird als Rauschlicht eingestellt. Dann tritt Licht, das von der Lichtquelle 3 ausgeht, über die Linse 21 in das Polarisationsfilter 4 ein. Die Polarisation des Lichts wird durch das Polarisationsfilter 4 geändert, wodurch eine linear polarisierte Welle entsteht, das relativ zur x-Achse einen Orientierungswinkel von 0, 5, 10, 20, 30 oder 45 Grad bildet. Die linear polarisierte Welle tritt über die Linse 22 in den gruppierten Wellenleiter 5 ein.
Das Licht tritt nach dem Verlassen des gruppierten Wellenleitergitters 5 über die Linse 23 in den Analysator 6 ein. Das Licht wird aus dem Analysator 6 abgegeben, während der Analysator 6 gedreht wird, und es passiert die Linse 24 und wird durch das optisches Leistungsmessgerät 7 detektiert. Der Maximalwert (der in diesem Fall einer Intensität Px in der horizontalen Richtung (der Richtung x) entspricht) und der Minimalwert (der in diesem Fall einer Intensität Py in der vertikalen Richtung (der Richtung y) entspricht) des detektierten Lichts werden gemessen und dafür verwendet, das Polarisationsübersprechen mittels der Gleichung (1) zu erhalten.
Die Ergebnisse sind in 2 gezeigt. In 2 zeigt eine Kennlinie a die Beziehung zwischen der Doppelbrechung und dem Polarisationsübersprechen an, wenn der Winkel der linear polarisierten einfallenden Welle des gruppierten Wellenleitergitters relativ zur x-Achse 0 Grad beträgt. Gleichermaßen zeigen die Kennlinien b, c, d, e und f die Beziehung, wenn der Winkel 5 Grad, 10 Grad, 20 Grad, 30 Grad bzw. 45 Grad beträgt. Wenn der Winkel der linear polarisierten einfallenden Welle des gruppierten Wellenleitergitters relativ zur x-Achse 45 Grad beträgt, so ist das optische Leistungsverhältnis der Welle, die in der Richtung x polarisiert ist, zu dem der Welle, die in der Richtung y polarisiert ist, 1:1.
Wie aus 2 zu ersehen ist, wird das Polarisationsübersprechen mit größer werdendem Doppelbrechungswert geringer. Wenn der Winkel der linear polarisierten Welle relativ zur x-Achse 0 Grad beträgt, so ist das Polarisationsübersprechen unabhängig vom Doppelbrechungswert gering. Das liegt daran, dass das Polarisationsübersprechen in dem Maße geringer wird, wie der Winkel der linear polarisierten Welle relativ zur x-Achse kleiner wird, und daran, dass es keine Rauschkomponente gibt, wenn der Orientierungswinkel 0 Grad beträgt.
Das gruppierte Wellenleitergitter dieser Ausführungsform findet Anwendung in einem optischen Kommunikationssystem zum Übertragen von Licht unter Beibehaltung der Polarisation des Lichts. Eine optische Vorrichtung, die in einem solchen optischen Kommunikationssystem verwendet wird, besteht aus Polarisationsbeibehaltungsvorrichtungen.
Dementsprechend hat das optische Ausgangssignal von jeder optischen Vorrichtung (Polarisationsbeibehaltungsvorrichtung), aus der das optische Kommunikationssystem dieses Typs besteht, keine so große polarisierte Wellenkomponente, die als Rauschkomponente dient (eine vertikal polarisierte Welle, wenn das Signallicht eine horizontal polarisierte Welle ist, wohingegen die Rauschkomponente eine horizontal polarisierte Welle ist, wenn das Signallicht eine vertikal polarisierte Welle ist). Es wird somit angenommen, dass, wenn das gruppierte Wellenleitergitter dieser Ausführungsform auf das oben erwähnte optische Kommunikationssystem angewendet wird, die Gesamtheit der Rauschkomponenten der Polarisationsbeibehaltungsvorrichtungen (Verschlechterung der polarisierten Extinktion infolge der Verbindung zwischen Vorrichtungen), die sich auf der Eintrittsseite des gruppierten Wellenleitergitters befinden, im Allgemeinen nicht 10 Grad überschreitet, wenn die als der Orientierungswinkel ausgedrückt wird.
Dann wurde auf der Basis der in 2 gezeigten Ergebnisse die Beziehung zwischen Doppelbrechung und Polarisationsübersprechen in dem Fall untersucht, wo der Orientierungswinkel maximal 10 Grad beträgt, während gleichzeitig eine allgemeine Rauschkomponente einer polarisierten Welle berücksichtigt wird, die in das gruppierte Wellenleitergitter eintritt. Die Untersuchung hat ergeben, dass Polarisationsübersprechen auf –20 dB oder weniger verringert werden kann, wenn der Doppelbrechungswert B |B| ≥ 1,2 × 10^-4 erfüllt. Kurz gesagt, wenn der absolute Wert der Doppel brechung in dem gruppierten Wellenleitergitter auf 1,2 × 10^-4 oder mehr eingestellt wird und der Orientierungswinkel maximal 10 Grad beträgt, so kann der gruppierte Wellenleiter effektiv eine polarisierte Welle entfernen, die als Rauschen dient.
Um die Doppelbrechung auf einen Wert einzustellen, der |B| ≥ 1,2 × 10^-4 erfüllt, wird der Wärmeausdehnungskoeffizient αg der Oberschicht 1a so eingestellt, dass αg = 2,56 × 10^-60C^-1 erfüllt ist, wenn das Substrat 11 wie im oben Dargelegten ein Siliciumsubstrat ist.
Wie aus der Gleichung (5) zu erkennen ist, wird der Doppelbrechungswert durch die Photoelastizitätskonstante C₁ der Oberschicht 1a parallel zum Substrat 11, die Photoelastizitätskonstante C₂ der Oberschicht 1a senkrecht zum Substrat 11, den Elastizitätsmodul E_g der Oberschicht 1a, den Wärmeausdehnungskoeffizienten αg der Oberschicht 1a und den Wärmeausdehnungskoeffizienten αs des Substrats 11 bestimmt. Wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient αg der Oberschicht 1a durch den Wärmeausdehnungskoeffizienten αs des Substrats 11 mittels der Gleichung (5) verallgemeinert wird, so erhält man αg ≤ αs – 4,39 × 10^-7. Deshalb muss αg diese Gleichung erfüllen, wenn das Substrat 11 kein Siliziumsubstrat ist, sondern beispielsweise ein Saphirsubstrat.
Die obige Untersuchung wurde mit einer Welle, die in der Richtung x polarisiert war, als das Signallicht und mit einer Welle, die in der Richtung y polarisiert war, als das Rauschlicht angestellt. Jedoch erhält man das gleiche Ergebnis in dem Fall, wo das Signallicht eine Welle ist, die in der Richtung y polarisiert ist, und das Rauschlicht eine Welle ist, die in der Richtung x polarisiert ist. Wenn ein optischer Wellenleiterschaltkreis, wie zum Beispiel diese gruppierten Wellenleitergitter, auf das optische Kommunikationssystem angewendet wird, so wird eine polarisierte Welle mit einer höheren Intensität unter Lichtstrah len, die aus dem optischen Wellenleiterschaltkreis ausgegeben werden, als das Signallicht angesehen, und das Licht dieser polarisierten Welle wird übertragen, während eine Komponente der polarisierten Welle senkrecht zu der übertragenen polarisierten Welle als das Rauschlicht angesehen wird.
In dieser Ausführungsform wird die Doppelbrechung B in dem optischen Wellenleiterabschnitt 10 des gruppierten Wellenleitergitters auf der Grundlage der obigen Untersuchung so eingestellt, dass |B| = 1,2 × 10^-4 erfüllt ist. Somit kann Polarisationsübersprechen auf einen zweckmäßigen Wert verringert werden, beispielsweise –20 dB oder weniger, was den optischen Wellenleiterschaltkreis für die optische Wellenlängenmultiplexkommunikation geeignet macht. Durch Anwenden dieser Ausführungsform auf ein optisches Wellenlängenmultiplexkommunikationssystem ist es möglich, die Rauschkomponente auf der Eintrittsseite des optischen Wellenleiterschaltkreises gemäß dieser Ausführungsform präzise zu entfernen.
Es ist ein optisches Wellenlängenmultiplexkommunikationssystem in seiner Arbeitsweise vorgeschlagen worden (K. Imai und Mitarbeiter in Proc. Communications Society Conference of IEICE, B-10-87, 1999). In diesem System multiplexiert ein erstes gruppiertes Wellenleitergitter Wellenlängen ungerader Kanäle, ein zweites gruppiertes Wellenleitergitter multiplexiert Wellenlängen gerader Kanäle, und das Licht, das durch das erste gruppierte Wellenleitergitter multiplexiert wird, und das Licht, das durch das zweite gruppierte Wellenleitergitter multiplexiert wird, werden so multiplexiert, dass ihre polarisierten Richtungen senkrecht zueinander stehen. Wenn diese Ausführungsform auf das optische Wellenlängenmultiplexkommunikationssystem als solches angewendet wird, so kann zum Beispiel die optische Übertragung durch das vorgeschlagene System zum Beispiel durch Multiplexieren einer Welle, die in der Richtung x polarisiert ist, als das Signallicht in dem ersten gruppierten Wellenleitergitter und durch Multiplexieren einer Welle, die in der Richtung y polarisiert ist, als das Signallicht in dem zweiten gruppierten Wellenleitergitter sicher vorgenommen werden.
Es ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die obige Ausführungsform beschränkt ist, sondern verschiedene Modi für die Ausführung der Erfindung annehmen kann. Zum Beispiel braucht der optische Wellenleiterschaltkreis, der in der obigen Ausführungsform ein gruppiertes Wellenleitergitter ist, nicht unbedingt ein gruppiertes Wellenleitergitter zu sein. Es können verschiedene Arten eines optischen Wellenleiterschaltkreises sein, solange er ein Substrat und einen auf dem Substrat ausgebildeten optischen Wellenleiterabschnitt hat und eine Unterschicht, einen Kern und eine Oberschicht aus Kieselglas aufweist.

Claims

Optischer Wellenleiterschaltkreis, umfassend einen optischen Wellenleiterabschnitt (10), der auf einem Substrat (11) ausgebildet ist, wobei der optische Wellenleiterabschnitt (10) eine Unterschicht (1b), einen Kern (2) und eine Oberschicht (1a) aufweist, die aus Glas auf Siliciumdioxidbasis besteht, und dadurch gekennzeichnet, dass die Doppelbrechung B im Kern (2) so eingestellt ist, dass |B| = 1,2 × 10^-4 erfüllt ist, und der Wärmeausdehnungskoeffizient der Oberschicht (1a) als αg gegeben ist und der Wärmeausdehnungskoeffizient des Substrats (11) als αs gegeben ist, wobei αg = αs – 4,39 × 10^-7 erfüllt ist.
Optischer Wellenleiterschaltkreis nach Anspruch 1, wobei das Übersprechen der Polarisation ≤ –20 dB ist.
Optischer Wellenleiterschaltkreis nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Unterschicht (1b), der Kern (2) und die Oberschicht (1a) jeweils durch ein Flammhydrolyseabscheidungsverfahren hergestellt werden und die Glaspartikel (50) bei einer Temperatur von 1200°C bis 1250°C konsolidiert werden.
Optischer Wellenleiterschaltkreis nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Dicke des Substrats (11) 1,0 × 10^-3 beträgt und die Dicke der Oberschicht (1a) 0,03 × 10^-3 beträgt.
Gruppiertes Wellenleitergitter (5) mit einem optischen Wellenleiterschaltkreis nach einem der Ansprüche 1-4, wobei das gruppierte Wellenleitergitter umfasst: einen oder mehrere nebeneinander angeordnete optische Eingangswellenleiter (12); einen ersten Plattenleiter (13), der mit den Austrittsenden der optische Eingangswellenleiter (12) verbunden ist; einen gruppierten Wellenleiter (14), der mit dem Austrittsende des ersten Plattenleiters (13) verbunden ist, um Licht zu übertragen, das durch den ersten Plattenleiter (13) geleitet und von dem ersten Plattenleiter (13) ausgesandt wird, und der aus mehreren Kanalwellenleitern (14a) besteht, wobei die Kanalwellenleiter (14a) nebeneinander angeordnet sind und verschiedene Längen aufweisen, wobei die Längenunterschiede zuvor festgelegt wurden; einen zweiten Plattenleiter (15), der mit dem Austrittsende des gruppierten Wellenleiters (14) verbunden ist; und mehrere optische Ausgangswellenleiter (16), die nebeneinander angeordnet sind und mit dem Austrittsende des zweiten Wellenleiters (15) verbunden sind.
Verfahren zur Herstellung eines optischen Wellenleiterschaltkreises, wobei der optische Wellenleiterschaltkreis einen optischen Wellenleiterabschnitt (10) umfasst, der auf einem Substrat (11) ausgebildet ist, wobei der optische Wellenleiterabschnitt (10) aus einer Unterschicht (1b), die aus Glas auf Siliciumdioxidbasis besteht, einem Kern (2), der aus Glas auf Siliciumdioxidbasis besteht, und einer Oberschicht (1a) auf Siliciumdioxidbasis gebildet wird, und dadurch gekennzeichnet, dass die Doppelbrechung B im Kern (2) so eingestellt wird, dass |B| = 1,2 × 10^-4 erfüllt ist, und wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient αg der Oberschicht (1a) und der Wärmeausdehnungskoeffizient αs des Substrats (11) so eingestellt werden, dass die Bedingung αg = αs – 4,39 × 10^-7 erfüllt ist.
Verfahren zur Herstellung eines gruppierten Wellenleitergitters (5) unter Verwendung eines optischen Wellenleiterschaltkreises nach Anspruch 6.