CN103238093A - 光分支元件、使用光分支元件的光波导设备，以及制造光分支元件的方法，制造光波导设备的方法 - Google Patents

Abstract

为了提供能适当地抑制相位差的生成以便分支甚至从光波导的中心偏移的入射光的光分支元件、使用光分支元件的光波导设备、制造光分支元件的方法以及制造光波导设备的方法，光分支元件包括：第一波导部，具有从第一端部到第二端部单调地减小其芯宽的形状；第四波导部，具有从第三端部到分别连接第二和第三波导部的第四端部单调地减小其芯宽的形状；以及第五波导部，连接该第二端部和第三端部，以及具有从0.8μm到2.7μm的任意值的芯宽。关于C波段波长域中的光，第一至第五波导部的芯和包层的相对折射率为至少1.3%。

Description

光分支元件、使用光分支元件的光波导设备,以及制造光分支元件的方法,制造光波导设备的方法

技术领域

本发明涉及光分支元件和使用光分支元件的光波导设备，以及特别地涉及Y分支结构型的光分支元件、使用该光分支元件的光波导设备，以及该光分支元件的制造方法和光波导设备的制造方法。

背景技术

近年来，随着光波导技术的进步，通过光波导与各种光学元件连接并集成的各种光波导设备投入实际使用。为组成光集成电路，特别在用于这种光波导设备的光学元件中，光分支元件是重要的元件之一。

通常，作为光分支元件，例如，使用Y分支结构型光分支元件、多模干涉仪型光分支元件、定向耦合器或Mach-Zehnder干涉仪型光分支元件。通过应用半导体制造工艺的薄膜成形技术和精加工技术制造它们。

在定向耦合器、Mach-Zehnder干涉仪型光分支元件或多模干涉仪型光分支元件的情况下，通过制造干扰，诸如折射率变化和图案化误差，光分支比可能灵敏地改变。定向耦合器、Mach-Zehnder干涉仪型光分支元件或多模干涉仪型光分支元件的光分支比理论上随波长而改变。因此，必须限制所使用的波段。另一方面，Y分支结构型光分支元件具有对分来自一个波导的输入光和输出所对分的输入光的对称结构。因此，Y分支结构型光分支元件通常用作最基本的光分支元件，因为如果适当地设计Y分支结构型光分支元件，不存在光分支比的波长相关性，而且Y分支结构型光分支元件在制造干扰上相对鲁棒。

此外，尽管为设备小型化，期望使组成光集成电路的光波导中的弯曲波导部的曲率半径尽可能小，有必要以某一或更大的曲率半径设计光波导中的弯曲波导部以便抑制由于光泄漏的损失出现。通过光波导的芯和光波导的包层间的相对折射率差（在下文中，称为相对折射率差）和芯的大小，确定这一最小曲率半径的设计值。

即使光波导具有相同的相对折射率差，当光波导传输越多模时，光封闭效果变得越大。即，传输光波导的光通常在电场从光波导某种程度上泄漏的状态下传播。当该泄漏量变得越小时，能降低弯曲波导中辐射到外部的成分。因为与在单模波导中相比，该泄漏在传输许多模的多模波导中更小，以及光被强烈地封闭在波导中并传播，即使在其小弯曲半径中，也能抑制出现的损失。

另一方面，在单模光波导的情况下，通过泄漏到光波导的外部，在光波导中激发的较高次模不能稳定地存在，而是仅能传播有限的距离直到较高次模消失。然而，通过构成其传播距离以致某一长度的量能保持特性，即使单模光波导也具有使其弯曲半径小，某种程度上抑制损失的效果。

通过这种光波导制成光集成电路，变得可以绕更小曲率半径拉光波导，而不改变相对折射率差，结果使芯片尺寸小。

然而，当通过使用这种光波导，构成包括Y分支型光分支元件的光波导设备时，出现下述问题。

在传播多模式的光波导中，因为每一模式彼此结合传播，传播光的电场干扰的中心不完全与波导的中心一致，以及有些蛇行地行进。

该蛇行状态由传播的光的波长改变，以及由光波导的直段和弯曲部的每一长度或拐点的数量复杂地改变。由此，当在波导中蛇行传播的光进入Y分支型光分支元件时，因为光在Y分支型光分支元件中继续蛇行，分支的对称性将丢失。

用于解决这一问题的技术在例如日本专利申请公开号No.1996-292340（在下文中，称为专利文献1）或日本专利申请公开号No.2006-011417（在下文中，称为专利文献2）中公开。如图8所示，在专利文献1和2中公开的技术是在与Y分支型光分支元件相连的波导部的芯中提供两个锥形部21和22，以及在两个锥形部21和22间的细长部23的芯宽变窄的结构。在专利文献1中，将细长部23的宽度设置成6.0μm至6.5μm，以及在专利文献2中，设置成3.5μm。根据该结构，由蛇行从光波导的中心偏移传播的光在从锥形部21到细长部23的范围中辐射较高次模，以及光强峰值向波导的中心减小。因此，因为传播光的蛇行消失以及电场分布经锥形部22从电场分布的中心与波导的中心一致的状态分支到两个输出波导24和25，能有效地防止光分支比的偏差出现。

引用清单

专利文献

【专利文献1】日本专利申请公开No.1996-292340

【专利文献2】日本专利申请公开No.2006-011417

发明内容

本发明要解决的问题

在上述专利文献1和2中描述的技术就即使当在波导中蛇行传播的光进入时，也不会变为问题来说，能在常规的光分支设备中，均匀地保持Y分支型光分支元件的光分支比。

然而，在除光强外，处理相位信息的设备的情况下，在专利文献1和2中所述的技术中，即使在光导电路中蛇行传播的光的光强峰值到波导的中心减小，也非常难以分支同时抑制相移。

例如，通过用于超高速通信的极化的正交多个多值数字信号调制方法的数字相干接收机可以包括光波导设备。这种数字相干接收机需要图9中所示的干涉仪，其承担90度光混合功能，从极化-多路分用的光信号抽取相位信息。在图9所示的干涉仪中，光波导臂26和27在光程长(optical path length)上是相等的，另一方面，按传播的光的相位角来说，使光波导臂28的光程长比光波导臂29长π/2。将在光分支元件30中分支的光信号按相同相位分别输入到耦合器32和33。另一方面，将在光分支元件31中分支的本地振荡光(local oscillation light)按彼此90度相位差输入到耦合器32和33。在使用波段中，该相位差通常必须在90±5度内。

在该干涉仪中，当Y分支结构型光分支元件用于光分支元件30和31时，可能通过在专利文献1和2中公开的技术来抑制通过波导蛇行传播的光的蛇行，以及能通过足够均匀强度来分支光。然而，即使正好在分支前传播的光的峰值强度从波导的中心稍微偏移，在分支光的各个相位间仍然生成大的差值。因此，在专利文献1和2中公开的技术能在足够光强级上均匀地分支，但难以控制分支光的相移的生成，以及相移导致对设备设计的限制以及产量的下降。

本发明的目的是解决上述问题，以及提供光分支元件、使用该光分支元件的光波导设备，及其制造方法，即使光入射并从波导的中心偏移，也能适当地抑制分支光的相移的生成。

解决方案

本发明的光分支元件包括：第一波导部，具有从第一端部到第二端部单调地减小其芯宽的形状；第四波导部，具有从第三端部到分别连接到第二和第三波导部的第四端部单调地增加其芯宽的形状；以及第五波导部，连接该第二端部和第三端部，以及具有从0.8μm到2.7μm的值的芯宽，其中，关于C波段波长域中的光，第一至第五波导部的芯和包层的相对折射率差为至少1.3%。

本发明的光分支元件的制造方法包括：在基板上形成第一包层的步骤；在第一包层上层压芯层的步骤；图案化芯层和形成芯的步骤；以及用具有与第一包层相同的折射率的第二包层覆盖芯的步骤，其中，关于C波段波长域中的光，芯与第一包层和第二包层间的相对折射率差为至少1.3%，以及在图案化芯层中，形成：波导部，具有从第一端部到第二端部单调地减小其芯宽的形状，第四波导部，具有从第三端部到分别连接第二和第三波导部的第四端部单调地增加其芯宽的形状，以及第五波导部，连接第二端部和第三端部，具有从0.8μm到2.7μm的任意值的芯宽。

本发明的有益效果

本发明提供了一种光分支元件、使用该光分支元件的光波导设备、及其制造方法，能够甚至即使在入射光从波导的中心偏移时，也能适当地抑制至分支的相位差的生成。

附图说明

[图1]示出了本发明的第一示例性实施例的光分支元件的光波导芯的结构的俯视图；

[图2]示出了本发明的第一示例性实施例的光分支元件的光波导结构的截面图；

[图3]示出了用于本发明的特性计算的光分支元件模型的结构的俯视图；

[图4]示出了对第五波导部5的每一长度L，输出光相位差与第五波导部5的宽度W的变化的图；

[图5]示出了对第五波导部5的每一长度L，损耗与第五波导部5的宽度W的变化的图；

[图6]示出了本发明的第二示例性实施例的光分支元件的结构的俯视图；

[图7]示出了通过组合本发明的第三实施例的两个90度光混合干涉仪的极化的正交多个多值数字信号调制方法的数字相干接收机的结构的俯视图；

[图8]示出了在专利文献1和2中公开的光分支元件的结构的俯视图；

[图9]示出了90度光混合功能干涉仪的结构的俯视图。

具体实施方式

接着，将参考附图，描述本发明的示例性实施例。

（第一示例性实施例）

图1是示出了第一示例性实施例的光分支元件的光波导芯的结构的俯视图，以及图2是示出了沿图1的A-B部分的光波导结构的截面图。该光分支元件包括第一波导部3、第四波导部4和第五波导部5。第一波导部3具有从第一端部到第二端部单调地减小芯宽的形状。第四波导部4具有从第三端部到分别连接第二波导部6和第三波导部7的第四端部单调地增加芯宽的形状。第五波导部5具有从0.8μm到2.7μm的任何值的芯宽，以及连接第二端部和第三端部。关于C波长域中的光，第一至第五波段部的芯1和包层2的相对折射率差设置成至少1.3%。

该光分支元件是将从第一端部入射的光输出到第二和第三波导部6和7，以及适当地处理从1530nm到1570nm的波长段的C波段的光信号的Y分支结构型光分支元件。当芯1和包层2的相对折射率差为1.3%或更大时，获得光波导的适当光封闭效果，以及能将该光分支元件应用于使用整体地具有小的曲率半径的弯曲波导的小型化的光波导设备。

当从第一端部入射蛇行传播的光时，光可以被分支，使得通过变窄第五波导的宽度W和调整到波导的中心的传播光的电场强度峰值，光强可以变得足够相等。然而，为分支光，甚至抑制相移，有必要进一步变窄第五波导的宽度W以及更严格地调整将光传播到波导的中心的电场强度峰值。

图4示出了当使用具有图3所示的尺寸的光分支元件模型，通过从光波导的中心偏移1.0μm，入射波长1550nm的高斯光束时，关于值W，对输出光1和输出光2的相位差的计算结果。参考图4，当W变得较小时，输出光相位差收敛在固定范围内。当第五波导部5的长度L的值变得较大时，输出光相位差收敛在固定极限内的W的值倾向于变得较大。然而，当W超过2.7μm时，即使L设置成不小于700μm，输出相位差也不能收敛。因此，期望将W设置成不超过2.7μm。

尽管如上所述，通过变窄W，能使分支输出光的相位差较小，但当使其太小时，出现损耗增加的问题。图5是使用具有图3所示的尺寸的光分支元件模型，当通过从光波导的中心偏移1.0μm，入射波长1550nm的高斯光束时，关于W，入射光的损耗的变化的计算结果。此外，图5的垂直轴示为输出光对入射光的损耗，包括由于输入的偏移1.0μm的固定耦合损耗。认为该损耗是由于从锥形部的辐射。当W变为约2.7μm时，到波导的中心附近，传播光变窄，以及损耗值变为几乎固定的。然而，当W变为小于0.8μm时，损耗值将快速地增加。这被认为是在芯的第五波导部5中出现的损耗，期望将W设置成大于0.8μm的值，以便抑制该部分中的损耗出现。

如上所述，当第五波导部5的芯宽W设置成从2.7μm到0.8μm间时，能同时抑制相位差的出现以及分支光的损耗。

如上所述，该示例性实施例的光分支元件能分支即使入射并从波导的中心偏移的光，适当地抑制相位差的出现。

（第二示例性实施例）

接着，将描述本发明的第二示例性实施例。图6是示出第二示例性实施例的光分支元件的结构的俯视图，其中，将第一示例性实施例的光分支元件中的第五波导部的宽度设置成2μm。宽4μm和高4μm的光波导8与第一端部连接。

期望将第一波导3和第四波导4的锥形角（波导的中心线与芯边缘的倾角）设置成小于3度以便所传播的光不会激发传导模式。尽管期望使锥形角更小以便抑制不必要的光损耗，但与第一波导部3相比，能将芯宽扩大的第四波导部4设置成较大锥形角。因为整个元件的大小变得巨大以致使这些锥形角小，通过考虑芯片大小和光波导的布局，可以设置锥形角以便可以获得所需特性。

在图6中，第一波导部3的长度为500μm，以及在该部分处，使芯宽从4μm变窄2μm。在这种情况下，锥形角为约0.11度。另一方面，第四波导部4的长度为700μm，以及在该部分处，芯宽从2μm扩大至12.5μm。在这种情况下，锥形角为约0.43度。第一波导部3和第四波导部4共同的芯宽的变化是足够准静态的，所传播的光不会激发传导模式，以及它们能通过释放不必要的较高次模以及光分支特性从设计值的偏离来抑制损耗。

此外，当如图4所示，L变得较大时，输出光相位差收敛在固定极限内的W值倾向于变得较大，以及当输出光相位差的变化收敛时，相位差的变化量倾向于变得适合较小值。然而，当L超过700μm时，几乎不再看得出这种趋势。因为当L变得比必要更长时，损耗也增加，期望将L的长度设置成不超过700μm。

此外，通过应用用于常规半导体制造工艺的精加工技术，能合并光波导地生产图6所示的光分支元件。在通过化学气相生长法，硅基板上形成例如达10μm厚的、变为下包层的低折射率的二氧化硅膜后，层压达4μm厚的、变为芯层的高折射率的二氧化硅膜。在此之后，使用具有上述预定波导芯形状的图案的光掩模，通过光刻法，将该芯层图案化为波导芯。通过层压10μm厚的、变为上包层的低折射率的二氧化硅膜，并覆盖在上述波导芯上，能构成预定光波导。通过磷和硼的掺杂量，可选择地调整二氧化硅膜的折射率。

在该示例性实施例中，如上所述，可以抑制传播光的损耗和提高光分支的效率。

（第三示例性实施例）

作为本发明的第三示例性实施例，图7是示出当通过结合图9中所示的两个90度光混合干涉仪的，极化的正交多个多值数字信号调制方法，将本发明应用于数字相干接收机时的结构的俯视图。在图7中，将与图6所示的相同的光分支元件用于光分支元件9-13的任何一个。

为调制和传输TE模式和TM模式的两个极化状态的不同数据，在图7的数字相干接收机中，有必要分开这两个极化状态并在接收侧解调。为通过具有更大尺寸的TIA（跨阻抗放大器），执行输出信号的处理，根据输入端口和输出端口的位置，在有限芯片大小中，复杂地牵绕光波导。在这种光波导的布局中，因为正使用具有小曲率半径的许多弯曲波导，在理想的单模波导中，损耗变得太大。因此，期望使用保持距离直到所激发的高次模在某种程度上消失的波导。在这种情况下，因为基本上进入光分支元件10和12的光将在很大程度上蛇行传播，在一般Y光分支元件中，难以将相位差的出现抑制到所需水平并执行光分支。在这种结构的光波导中，图6所示的光分支元件的应用特别地产生该效果。

通过与第二示例性实施例所述的、应用用于常规半导体制造工艺的精加工技术的光分支元件的制造方法相同的过程，能制造图7的数字相干接收机。

如上所述，该示例性实施例能通过即使对在有限芯片大小中，复杂地牵绕波导的光波导设备，也将相位差的出现抑制到所需水平，执行光分支以及在波导中传播的光在很大程度上蛇行。

尽管参考上述示例性实施例，描述了本发明，但本发明不限于上述示例性实施例。能在本发明的结构和细节方面执行在本发明的范围内本领域的技术人员能理解的各种改变。

本申请要求在2010年12月1日提交的日本专利申请No.2010-268548的优先权，其全部内容在此引入以供参考。

参考数字的说明

1       芯

2       包层

3       第一波导部

4       第四波导部

5       第五波导部

6       第二波导部

7       第三波导部

8       光波导

9-13    光分支元件

21，22  锥形部

23      细长部

24，25  输出波导

26-29   光波导臂

30，31  光分支元件

32，33  耦合器

Claims (8)

1.一种光分支元件，包括：

第一波导部，具有从第一端部到第二端部单调地减小其芯宽的形状；

第四波导部，具有从第三端部到分别连接到第二和第三波导部的第四端部单调地增加其芯宽的形状；以及

第五波导部，连接所述第二端部和所述第三端部，并且具有从0.8μm到2.7μm的任意值的芯宽，其中，关于C波段波长域中的光，所述第一至第五波导部的芯和包层的相对折射率差为至少1.3%。

2.根据权利要求1的光分支元件，其中，所述第五波导部的长度短于700μm。

3.根据权利要求1或2的光分支元件，其中，所述第四波导部的锥形角小于3度并且大于所述第一波导部的锥形角。

4.一种使用光分支元件的光波导设备，包括：

为根据权利要求1至3的任何一项的光分支元件的第一和第二光分支元件；

第一和第二光波导臂，所述第一和第二光波导臂从所述第一光分支元件分支并且具有相等的光程长；

第三和第四光波导臂，所述第三和第四光波导臂从所述第二光分支元件分支并且具有作为传播光的相位角的度数为π/2的光程长差；

第一光耦合器，用于连接所述第一光波导臂和所述第三光波导臂；以及

第二光耦合器，用于连接所述第二光波导臂和所述第四光波导臂。

5.一种光分支元件的制造方法，包括：

在基板上形成第一包层的步骤；

在所述第一包层上层压芯层的步骤；

图案化所述芯层和形成芯的步骤；以及

用具有与所述第一包层相同的折射率的第二包层覆盖所述芯的步骤，其中

关于C波段波长域中的光，所述芯的相对折射率与所述第一包层和所述第二包层的相对折射率间的相对折射率差设置成至少1.3%，以及在图案化所述芯层中，形成：

第一波导部，具有从第一端部到第二端部单调地减小其芯宽的形状，

第四波导部，具有从第三端部到分别连接到第二和第三波导部的第四端部单调地增加其芯宽的形状，以及

第五波导部，连接所述第二端部和所述第三端部，并且具有从0.8μm到2.7μm的任意值的芯宽。

6.根据权利要求5的光分支元件的制造方法，其中，使得所述狭窄波导部的长度短于700μm。

7.根据权利要求5或6的光分支元件的制造方法，其中，所述第四锥形波导部的锥形角小于3度并且设置成大于所述第一波导部的锥形角。

8.一种使用光分支元件的光波导设备的制造方法，其中，

通过根据权利要求5至7的任何一项的光分支元件的制造方法，构造：

第一和第二光分支元件；

第一和第二光波导臂，所述第一和第二光波导臂从所述第一光分支元件分支并且具有相等的光程长；

第三和第四光波导臂，所述第三和第四光波导臂从所述第二光分支元件分支并且具有作为传播光的相位角的度数为π/2的光程长差；

第一光耦合器，用于连接所述第一光波导臂和所述第三光波导臂的传播光；以及

第二光耦合器，用于连接所述第二光波导臂和所述第四光波导臂的传播光。

Images