TWI258606B - Light guide coupler circuit device - Google Patents

Description

1258606 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於例如於光通信等，適用於光分波器與 合波裔等’可抗溫度變化之向分子光導波路回路。 【先前技術】 使用S、C、與L波長帶之光，於高密度波長多功 (DWDM)通信系統，以1550 nm為中心波長，而波帶為8〇一 100 nm之光束，不因波長變化，而以一定之分配率，分出 如此二通道而輸出之光元件，稱之為波長無依存光導波耦 合為。其分配率為1 ·· 1之耗合器’又稱之為3dB耗合器， 其在許多場合使用（K· Jinguji et al.，“Madi_Zehnder Interferometer type Optical Waveguide Coupler With

Wavelength- Flattebed Coupling Ratio，，，Electro· Lett” 1990

Vol.26, No· 17, pp· 1326-1327)。 ’ 波長無依存光導波耦合器，具備如第8圖所示由 Mach-Zehnder干涉計型光回路17所構成，於由石英或石夕 晶圓專所成之基板20之表面，所形成之二個光導波核線 13、14。 光導波核線13、14，形成於基板20之表面，其被下 部覆蓋層18與上部覆蓋層19所覆蓋。其核線與覆蓋層之 主要成由氧化矽所成之情形，稱之為石英光導波路，而由 高分子材料所成之情形，稱之為高分子光導波路。 此Mach-Zehnder干涉計型光回路π，其該光導波核 線13、14相互平行接近而形成具備有二個方向性耦合器 1258606 i5、！6。Mach-Zehnder干涉計型光回路丨7，於該光導波核 線13、14之中，光導波核線13或14之一端丨如或工乜 為輸入端，以1550 nm為中心波長而波帶為8〇 — 1〇〇 nm 之信號光，以功率為1:1之分配率而分離。該光導波核線 13或14之另一端13b或14b，分別以輸入之5〇%輸出。 此Mach-Zehnder干涉計型光回路17之應用，如第2 圖所示，以交錯器（interleave為例。此交錯器係由二個高 分子光導波路9、1〇所構成，且如第8圖所示，使用二個 Mach-Zehnder干涉計型光回路17，而具備有反對稱之如此 設計的回路11、12。持有如此配線特徵之交錯器，如第2 圖所不’冑100 nm之波長帶，為了達到波長分離機能， 而必要調整的因子，僅為該二個光導波路9與1〇之光路長 差，元件設計可大幅簡化。 例如，第2圖所示之交錯器，假使對二個光導波路9 與10之光路長差適當設計，該光導波路9與10之中的一 方，由光導波路9之一端子9a輸入以1550 nm為中心波長 而波帶為80 —1〇〇 nmi信號光，從心到^有一定之波長 間隔，而從該光導波路9與10之另一端％、1%，分別交 互將波長分離而輸出。 如第2圖所之交錯器，對於使用高分子光導波路，當 使2溫度變化，其特性會有大幅變動，其適用溫度範圍比 車乂 =。用於光導波路之高分子材料之折射率溫度係數，為 石英之數十倍以上，當週遭之溫度變化，該光導波路9與 10以及前面的光導波路周圍之覆蓋層之折射率會很大的 1258606 改變，會破壞設計參數的平衡，而特性會偏離設計目標。 由於溫度變化所引起之惡化，可考慮二個主要原因。第— 原因為，該光導波路9與10之光路差愈會產生相位差，其 會隨周圍之溫度變化而變化，因此中心波長會偏移。第二 原因為，二個Mach-Zehnder干涉計型光回路η、12之、、皮 長帶，由於周圍之溫度變化，會往短波長侧或長波長侧偏 移。例如，用於光導波路之高分子材料之折射率溫度係數 之貫測值約為-(1·1〜1·8)χ1(Γ4/Κ，假設環境溫度變化為 40°C，其對應之波長帶之偏移量約為6·5 nm。此值，於 〇.8nm波長間隔之交錯器，波長帶中心之附近意味著會有 8個波長通道之偏移。由實驗上，假使溫度變化為4〇〇c， 該二個Mach-Zehnder干涉計型光回路u、12之波長帶中 心之輸出變化在+/_2%以上，因此不可能將串音(cr_ 壓制到-30 dB以下。 為了解決上述之第-問題，波長帶滿足如下式之關係 (1 彳 ^10 _ L9 可以將該光導波路9與10之-部份的物理參數最適化設 計。於式（1)之與々1G，為分別傳播於光導波路9與10之 導波权式之傳播常數，“與l1q為光導波路9與1Q之二個

Mach-Zehnder干涉計型光回路i丨、丨2所夾的部分的長度， T表示溫度。 又 為了解决上述之第一原因之問題，由於該交錯器之二 1258606 個Mach-Zehnder干涉計型光回路u、12之構造複雜，更 必，改良全體之構造。此類似問題，也會發生於—部份之 石英光導波路回路。於石英材料之情形，其折射率溫度係 數為正值且小量，於石英料波路減塗佈有負的折ς率 溫度係數之高分子薄膜，此㈣除此溫度依存性之方法等 為-般所知。但是高分子材料之折射率溫度係數幾乎為負 ^ ’且有大的絕對值’此方法不適驗高分子光波之 情形。 為了改善高分子光波導路之溫度特性 膨脹率之高分子材料而形成基板之方法。本方== 基板持有大的齡祕，與冑分？級導輯持之 路長溫度特性相消。因此本方法 ;;几 羊之材枓，砍或石夬基板等之熱線膨脹率之值小，於 板上積集其他半導體元件，於其上無法製作出高分子光& 導路。 【發明内容】 因此本發明之目的，其採用高分子光波導路之最重要 面守住減本之優點，而贿存的技術切或石英 J板等上，提供溫度無依存之高分子光導波路型 Mach_Zehnder型干涉計光回路。 本發明之特徵為-種光導波輕合回路裝置 板;-高分子下部覆蓋層，形成於該基板上;至少二個言二 2導波路’形成，高分子下部覆蓋層上卜高分子= =層’彼覆該些高分子光導波路;該些至少二個高分子光 ¥波路之其二個光導波路’具有於複數個地方，相互接近 1258606 構成之複數個方向性耦合哭· — 端為輸人端，而^波路之個別一 柄合回路元件輸“ ’而所成之-光導波 二個方向性耦合器之門：忒些方向性耦合器之任意相鄰 路長差从，該^光二该二個光導波路，設定—實際光 米。 心丄先路長差从之範圍設定為0.6〜〇.8微 4八—種光導波_合回路裝置，包括:—基板. 導^ 蓋層，形成於該基板上;至少二個高分子光 展’，址^成!!該高分子下部覆蓋層上;—高分子上部覆蓋 i之：f些尚分子光導波路满些至少二個高分子光導波 之複數具有於複數個地方，相互接近構成 相邦二侗古°耦合：；連接於該些方向性耦合器之任意 路：：ΛΤ向性耦合器之間之該二個光導波路之-實際光 Ο Λ丄設定該實際光路長差AL之範圍設定為0.6〜 波各方向爾器，具侧之該二個光導 具有折射 本發明之高分子光導波路由高分子材料 率在1.5182〜1.5667之間。 M t本發明之該高分子下部覆蓋層由高分子材料，具有 折射率在1.5136〜1.5620之間。 本發明之該高分子上部覆蓋層由高分子材料，具有 折射率在1.5136〜1.5620之間。 、本發明中於該些方向性耦合器之一端之二個光導波 平行部份之長為〇·〇311〜〇 〇72 mm，於該些方向性耦 口态之另一端，其平行部份之長為0.982〜1.741 mm。 1258606 部份之H日\巾於触方向性-合1之二光導波路之平行 知之間,分別為4.1〜6.4微米。 w與厚明之該些光導波路之剖面形狀為—方形有寬度 本發明之該些光導波路之剖面形狀為一正方形。 微米本發明之該些光導波路之該正方形，其邊長為6〜8 本發明之該基板包括石英板。 本叙明之該基板包括石夕板。 本毛明之该基板包括聚硫亞氨(polyimide)樹脂板。 ^本發明之上述和其他㈣、特徵、和優點能更明 ”、、、幢，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作_ 細說明如下·· I〗口八邗坪 【實施方式】 為了達成解決前述問題之目的，第！圖緣示依據本發 月y半隨溫度變化高分子光導波齡回路裝置8，係在由 石英板，矽板或聚硫亞氨(polyimide)樹脂板所構成之一基 |反1之表面’形成二個光導波路核線2、3所構成。此在基 =上形成下部覆蓋層6與上部覆蓋層7，披覆光導波路 =2、3，以支撐由光導波路核線2、3相互平行接近而 =成之二個方向性私器4、5。光導波路娜2、3之剖 面形狀、折射率、與回路配線之相關因子，即使變 =度變化，也可以最適化使回路特性保持一定，具此特 10 1258606 此方法用以下之說明表示出來。 端2a^t私第1圖所示之光回路8之光導波路核線2之一 而2a做為輪入端，而 塌出端，其光功率分核線2、3之另-端％、 ⑺

+ 5 Cl = cos 2M cos(々 ΔΖ)， (3) (4)

a1 + b2 + sm π -τ 厂 k(A 仏ι) sin π 一 厂 疋'(Α +4丨） cos - π 2L -(L2 + Le 'cl π 2L \L2 + L fc2 t、t中，A_與B⑽分別為光導波路核線2、3之另 而 、3b之輸出光振幅，Lci盥L 9分为丨au i 器4、5之全部社人旦ta/ c2刀別為方向性耦合 之平行邱之^”/’^山分別為方向性輕合器^ 之十仃邛之長度，；Le丨與Le分別為方向性 哭 f效平行部增加長，β為光導波路核 口傳播波, 式之傳播讀，M 為光導波_線2 ^^差導极 邊Ld、Le2與，Lei、Le2之波長皆為λ，苴 核線2與3之寬度wik厚产 巧，、以先導波路 一 7予度t光導波路核線2盥3夕姑 射率〜，覆蓋層6、7之折射率〜，方哭、=斤 平行部間隔81、心之函數為 稱口為4、5之 (5) Lci-Lci(\w，t，ng，nc，Si)，卜 I〕 ⑹ Lei Lei(X，w，t，ng，nc，Si)，1 2 ? !258606 傳播常數β與波長λ，光導波路核線2與3之寬度w與厚 度t，光導波路核線2與3之折射率七，覆蓋層6、7之折 射率nc之函數為 ⑺ |34(X，w，t，ng，nc)， 光導波路核線2與3之折射率％與覆蓋層6、7之折射率 nc與環境溫度及波長χ之變化之函數數為 ⑻ ng，，T) ⑼ ne=(、T)。 滿足以下式 在使用波長帶與預定之溫度變化範圍 (10)〜(13)之連立方程式 (10) η^,Τ)^ 50% ±δη (11) I δη(λ5Τ) I λ- ~~χδλ < σχ

Ο A (12) I δη(λ?Τ) I < 〇τ (13) δη=|δη(λ，Τ)|λ+|δη(λ，τ)|τ 方向性耦 2與3之 藉由對光導波路核線2與3之寬度w與厚戶七 合器4、5之平行部間隔&、&，光導波路^線 12 1258606 折射率ng，fif 6、7之折射率〜，方向性I馬合器4、, 之乎盯部之長又i、L2,以及光導波路核線2、 參數之最佳化’波*依存性與溫度依存性Γ同之 於此，在δη$1%下，設定％與〜。 使用上述之方法，抗溫度變化之高分 f裝置8 ’可依如下之各要素將其最佳化，為4::; 如第1圖所示之基板！之材料為石英板 * 亞氣(Pdyimide)樹脂板等。光導波路核線2與3之== Γ泉+層與上部覆蓋層7之材料，有Μ =之〜1 合器4之平輪Ϊ1；長二Γ〇:米之正方形。方向性搞 咖。方向性νΛ; 乂 mm或是_2〜1·741 埃曰㈣】 平行部長二2為0.0982〜1.741麵 4 l"V4；^*Q.72mm。方向性麵合器4之平行部間隔&為 措半方向性耦合器5之平行部間隔呂2為4.1〜6.4 〇ϋ.8微i路核線2與3之光路長差从之範圍設定為 貧施例 以I，翏照圖示，說明本發明之實施例。 如第1圖所示，本發明之抗溫度變化之高分子光導波 焉合回路裝置8，包括於石英板為基板1之表面，形成二 1258606 個光導波路核線2、3 ^如圖之光導波路核線2、3，由有折 射率ng在1.5182〜1.5667之高分子材料所形成，其剖面形 狀，有邊長為6〜8微米之正方形所成。彼覆光導波路核線 2、3之下部覆蓋層6與上部覆蓋層7之材料，有折射率： 在1.5136〜1.5620之高分子材料。 c 光導波路核線2、3，相互平行接近形成二個方向性耦 合器4、5。此方向性耦合器4，其平行部長]^為〇.031〜〇.72 mm ’平行部間隔Si為4.1〜6.4微米而所成。方向性輕合 器5 ’其平行部長L2為0.982〜1·741 mm，平行部間隔s7 為4· 1〜6.4微米而所成。 又，反過來，也可以L!為0.982〜1·741 mm與l2為 0.031 〜0·72 mm 〇 光導波路核線2、3之長差AL，形成範圍為〇·6〜〇·8微 米。 次之’本發明之抗溫度變化之南分子光導波輕合回路 裝置8之製造方法之一例如下述。 使用石英板為基板1 ’於其表面，使用將用於形成下 部覆蓋層之高分子溶液，即是，4,4，- (Hexafluorroisopropylidene) diphthalic anhydride 與 2,2，-

Bis(trifluoromethyl)-4?4,-diaminobiphenyl 之等克分子量 N，N’-Dimethylacetamide之溶液，利用旋塗法，而形成薄 膜。之後，利用脫溶媒與熱處理，而形成約20mm厚之高 分子下部覆蓋層6。 接著，於此下部覆蓋層6上，於形成上述覆蓋層之高 分子作成之際，使用聯氨之 2,2，- 14 l2586〇6 ^is(trifluoromethyl)-4545-diaminobipkenyl 之一部使用 4,4’-diaminobiphenylether取代之，其聯氨量之合計，滿足 4,4’ - (Hexafluorroisopropylidene) diphthalic anhydride 添力口 等克分子量之量，利用相同方法作成使用之高分子溶液， 於先前高分子下部覆蓋層上，利用旋塗法薄膜。之後，利 用脫溶媒與熱處理，而形成約8微米厚之高分子核線層， 具有之折射率比下部覆蓋層6高0.25%〜0.45%。 接著，該核線層之表面，利用為光阻所定之圖案形成 光導波路，於氧氣環境下，利用反應性離子蝕刻，對核線 層進行選擇性|虫刻，而形成具有所定之圖案之光導波路核 線2、3。其後，再使用與形成下部覆蓋層所使用之相同溶 液，利用旋塗法以及脫溶媒與熱處理之方法，形成上部覆 蓋層7，將光導波路核線2、3埋入。又，上部覆蓋層7之 折射率要比核線低，但是不必要與下部覆蓋層6相等。 前述之實施例之抗溫度變化之高分子光導波耦合回 路裝置8，其實驗結果如下進行。 首先，在使用溫度為20°C之環境下，如第1圖抗溫 度變化之高分子光導波耦合回路裝置8之光導波路核線2 之一端2a ’輸入七個波長為I490nm、1510nm、1530nm、 1550nm、1570nm、1590nm、1610nm 之光，從該光導波路 核線之另一端2b、3b輸出之功率分配率，即是，各波長之 功率分配率如第3圖所繪示。其結果，以120 nm波帶寬 之波長變化，其功率比率全部都在5〇士0.69%之範圍内。 次之，在使用溫度分別為〇°C、10°C、30°C、40〇C之 情形下，與20〇C時相同，進行模擬。於各溫度之波長之功 15 1258606 率分配率，分別是示於第4、5、6、7圖。如圖所示，於波 長變化之功率分配率，個別為5㈣·67%、獅7〇%、 50士0.69%、5㈣.68%之範圍内，又其並不受溫度變 影響。 又如第3〜7目所不’波長帶之兩邊，即1490 nm * ^Onm之波長’對應從代到4〇〇c之溫度變化，之分配 率變動分別在〇.()6%與_2%之間，於溫度變化，而 不見有波帶偏移之情形。 因此，本發明抗溫度變化之高分子光導波搞合回路袭 置8，於使用於多重波長通信之155〇麵巾心波長波帶 120 nm之信，相對之波長變化影響非常小，且於用 溫度從〇以術之變化，其特性不冑。因此，本發明= 溫度變化之南分子光導波耦合回路裝置8，如第丨圖與第2 :m成高分子光導波交錯器可使用溫度無依存性耦 又，本發明，並不僅使用於高分子光導波交錯器，與 =個之1ΧΝ通道之光導波路分離ϋ連接，而構成2x2N通 逼之溫度無依存光導波路分離器。 本發明之高分子光導波耦合回路裝置，由於光導波路 核線之剖面形狀、折射率、與回路配線之相關因子，即使 波長變化與溫度變化，也可以最適化使回路特性保持一 定’可明顯降降低由於光導波路之高溫度依存性，而造 的功率分配率之影響。 〇 因此’本發明之高分子光導波耦合回路裝置，對於高 岔度多重波長通信之1550 nm中心波長且波帶寬12〇 nm 16 1258606 之信號光，即使溫度由〇〇c到4〇 ^ 用恒溫裝置維持。 之變化範圍，也不必使 们州則迷最適化方法，、士曰 的溫度依存性，可壓制在大約雯 波長帶之二邊之波長 變化產生之波帶偏移之影響。近，不會有由於溫度 高分子光光導波路交錯^溫二=例中，可因此得到 广舉例變化傳統之材料:二最 不必改變目前之高分子光導波路之適化之方法， :材料之情形下，—方面保有光以=高分 :圖=:上’也可達到溫度無依存化之降 第1圖纟胃示依據本發明，伴隨溫度 輕合回路裝置之平面圖與側面圖。 心子光導波 ，2圖繪示高分子光導波路交錯器之平面圖。 第3圖繪示使用溫度為20°C時，於第1圖之每a 中之仏號光之波長變化，其相對之功率分配率變化例 第4圖繪示使用溫度為0°C時，於第1圖之實於 之k號光之波長變化，其相對之功率分配率變化。、】中 第5圖繪示使用溫度為10°c時，於第1圖之實A 中之信號光之波長變化，其相對之功率分配率變化T麵例 第6圖繪示使用溫度為30〇C時，於第丨圖之實广| 中之信號光之波長變化，其相對之功率分配率變化T知例 第7圖繪示使用溫度為40〇c時，於第1圖之實施 中之信號光之波長變化，其相對之功率分配率變化。&蚵

17之上视 圖繪示Mach-Zehnder干涉計型光回路 1258606 圖與側面圖。 【主要元件符號說明】 1，20 基板 2 ， 3 ， 13 ， 14 光導波路核線 4 ， 5 ， 15 ， 16 方向性麵合器 6，18 下部覆蓋層 7，19 上部覆蓋層 9，10 光導波路 η，12 Mach-Zehnder干涉計型光回路 18

Claims (1)

1258606 十、申晴專利範圍·· L 一種光導波耦合回路裝置，包括： 一基板； · :高分子下部覆蓋層’形成於該基板上； 蓋層上.個南分子光導波路’形成於該高分子下部覆 二Γ分子上部覆蓋層’坡覆該些高分子光導波路； 目女^t至少二個高分子光導波路之其二個光導波路’， /、 \複丈個地方’相互接近構成之複數個方向性耦合器. 該些二個光導波路之個別—端為輸人端，而個別I -端為輸出端，而所成之一光導波輕合回路元件； 其中連接於該些方向性耦合器之任意相鄰二個方向 =馬合器之間之該二個光導波路，設定—實際光路長差 該貫際光路長差AL之範圍設定為〇 6〜0 8微米。 2· —種光導波耦合回路裝置，包括： 一基板； 一高分子下部覆蓋層，形成於該基板上； 至少一個咼分子光導波路，形成於該高分子下部覆 蓋層上； 一高分子上部覆蓋層，彼覆該些高分子光導波路； 该些至少二個尚分子光導波路之其二個光導波路， 具有於複數個地方，相互接近構成之複數個方向性耦合哭· 連接於該些方向性耦合器之任意相鄰二個方向性°輕’ 合器之間之該二個光導波路之一實際光路長差AL，設定該 19 1258606 貝際光路長差AL之範圍設定為〇·6〜〇·8微米， 之平各方向性耦合器，具有個別之該二個光導波路 導波魏3人如中請專利範圍第1項與第2項之其—所述之先 路裝置，其中該高分子光導波路由高； 〃有折射率在1·5182〜1.5667之間。 導魅4人如申請專利範圍第1項至第2項之其—所述之光 :波=:，裝置’其中該高分子下部覆蓋層 ） 〃有折射率在1.5136〜1.5620之間。 導㈣5人如巾請專利範圍第1項至第2項之其—所述之光 ^皮輕合回路裝置，其中該高分子 ^ 枓，具有折射率在丨划〜丨划之間m㈤子材 mm 導波為6人如中請專利範圍第1項至第2項之其—所述之光 個iti回路裝置，其中於該些方向_合器之—端之― ==路之平行部份之長為G細〜⑽2 _，於該: 口卜輕合器之另一端，其平行部份之長為〇 982 〜i74i 7·如申請專利範圍第1項至第2項之直一所述之 ^波輕合回路裝置，其中於該些 ^ 路之平行部份之_分別為41〜6.4微=之一先 導料申請專利範圍第1項至第2項之其—所述之光 來右办:°路裝置’其中該些光導波路之剖面形狀為-方 t有見度w與厚度t。 9·如申凊專利範圍第1項至第2項之豆一所述之光 導波執合叫裝置，其巾該些光導波路之剖面形^-i 20 1258606 方形。 10. 如申請專利範圍第9項所述之光導波耦合回路 裝置，其中該些光導波路之該正方形，其邊長為6〜8微米。 11. 如申請專利範圍第1項至第2項之其一所述之光 導波耦合回路裝置，其中該基板包括石英板。 12. 如申請專利範圍第1項至第2項之其一所述之光 導波耦合回路裝置，其中該基板包括矽板。 13. 如申請專利範圍第1項至第2項之其一所述之光 導波耦合回路裝置，其中該基板包括聚硫亞氨(polyimide) 樹脂板。 21