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JP2005062756A - Optical waveguide-coupler circuit device - Google Patents

Optical waveguide-coupler circuit device Download PDF

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JP2005062756A
JP2005062756A JP2003296320A JP2003296320A JP2005062756A JP 2005062756 A JP2005062756 A JP 2005062756A JP 2003296320 A JP2003296320 A JP 2003296320A JP 2003296320 A JP2003296320 A JP 2003296320A JP 2005062756 A JP2005062756 A JP 2005062756A
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Japan
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optical waveguide
polymer
circuit device
wavelength
optical
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JP2003296320A
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Japanese (ja)
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Hosetsu Chin
抱雪 陳
Mamoru Iso
守 磯
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Nitta Corp
Original Assignee
Nitta Corp
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polymeric optical waveguide circuit nearly independent of a change of polarized light and undesirable thickness and refractive index changes which occur particularly in formation of a core layer. <P>SOLUTION: The optical waveguide-coupler circuit device comprises a substrate, a polymeric lower cladding layer formed on the substrate, at least two polymeric optical waveguides formed on the polymeric lower cladding layer, a polymeric upper cladding layer which covers the polymeric optical waveguides, and a plurality of directional couplers fabricated by making two optical waveguides of the above at least two polymeric optical waveguides close to each other in a plurality of positions, wherein one end of each of the two polymeric optical waveguides is used as an input terminal and the other end as an output terminal. The two optical waveguides which connect adjacent arbitrary two directional couplers of the plurality of directional couplers are made different from each other in the effective optical path by ΔL and this effective optical path difference ΔL is set at 0.28-0.39 μm. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、高分子光導波路回路デバイスに関するものである。例えば光通信などにおいて、光分波器および合波器などに適用される、偏光変化および特にコア層の作成時に起こる望ましくない膜厚変化、屈折率変化に強い高分子光導波路回路に関するものである。   The present invention relates to a polymer optical waveguide circuit device. The present invention relates to a polymer optical waveguide circuit that is resistant to changes in polarization and, particularly, undesirable film thickness changes and refractive index changes that occur when creating a core layer, which are applied to optical demultiplexers and multiplexers in optical communications, for example. .

S、CそしてL波長バンドの光を用いた高密度波長 多重(DWDM)通信システムにおいて、1550nm 波長を中心とする80-100nm バンドの光が波長の変化によらず一定の分配比率で、二つチャンネルに分けられるように出力される光デバイスとして、波長無依存光導波路カプラがある。その分配比率が1 :1 であるカプラは3dB カプラと呼ばれ、多くの場面で使われている。
波長無依存光導波路カプラは、図7 に例示されるようなマッハツェンダ干渉計型光 回路17 で構成され、石英或いはシリコンウェーハ等からなる基板20 の表面に形成された2 本の光導波路コア13 、14 を備えている(例えば、非特許文献1、特許文献1参照。)。
In a high-density wavelength division multiplexing (DWDM) communication system using light in the S, C, and L wavelength bands, 80-100 nm band light centered at 1550 nm wavelength is distributed at a constant distribution ratio regardless of wavelength change. There is a wavelength-independent optical waveguide coupler as an optical device that is output so as to be divided into channels. A coupler with a distribution ratio of 1: 1 is called a 3dB coupler and is used in many situations.
The wavelength-independent optical waveguide coupler is composed of a Mach-Zehnder interferometer type optical circuit 17 as illustrated in FIG. 7, and two optical waveguide cores 13 formed on the surface of a substrate 20 made of quartz or a silicon wafer, 14 (for example, see Non-Patent Document 1 and Patent Document 1).

K.JINGUJI et al, ”MACH-ZEHNDER INTERFEROMETER TYPE OPTICAL WAVEGUIDE COUPLER WITH WAVELENGTH-FLATTENED COUPLING RATIO”, Electron. Lett., 1990, Vol.26, No.17, pp.1326-1327K.JINGUJI et al, “MACH-ZEHNDER INTERFEROMETER TYPE OPTICAL WAVEGUIDE COUPLER WITH WAVELENGTH-FLATTENED COUPLING RATIO”, Electron. Lett., 1990, Vol.26, No.17, pp.1326-1327 特開平3-213829号公報Japanese Patent Laid-Open No. 3-213829

光導波路コア13 、14 は、基板20 上に形成された下部 クラッド層18 と上部 クラッド層19 で覆われている。そのコアとクラッドの主成分が二酸化珪素(SiO2 )からなる場合には石英光導波路と称されるに対して、高分子材料からなる場合には高分子光導波路と呼ばれている 。
このマッハツェンダ干渉計型光回路17 は、前記光導波路コア13 、14 を互いに平行に接近させることによって形成した二つの方向性結合器15 、16 を備えている。マッハツェンダ干渉計型光回路17 は、前記光導波路コア13 、14 のうち、一方の光導波路コア13 或いは14 の一端部、13a 或いは14a に入力した1550nm 波長を中心とする80-100nm 波長バンドを有する信号光のパワーを1 :1 の分配比 率で分離し、前記光導波路コア13 、14 の別端13b 、14b にそれぞれ入力の50 %で出力している。
The optical waveguide cores 13 and 14 are covered with a lower clad layer 18 and an upper clad layer 19 formed on the substrate 20. When the main component of the core and the clad is made of silicon dioxide (SiO 2 ), it is called a quartz optical waveguide, whereas when it is made of a polymer material, it is called a polymer optical waveguide.
The Mach-Zehnder interferometer type optical circuit 17 includes two directional couplers 15 and 16 formed by bringing the optical waveguide cores 13 and 14 close to each other in parallel. The Mach-Zehnder interferometer type optical circuit 17 has an 80-100 nm wavelength band centered on the 1550 nm wavelength input to one end of the optical waveguide core 13 or 14, 13 a or 14 a of the optical waveguide cores 13 and 14. The power of the signal light is separated at a distribution ratio of 1: 1 and output to the other ends 13b and 14b of the optical waveguide cores 13 and 14 at 50% of the input, respectively.

このマッハツェンダ干渉計型光回路17 の1 つの応用例として、図2 に例示されるような2 ×2 Nスプリッ タが挙げられる。この2 ×2 Nスプリッ タは、マッハツェンダ干渉計型光回路17 と同様な導波路配線を有する波長無依存3dB カプラ9 、と横に並んだ二つの1 ×Nスプリッ タから構成した導波路分岐回路10 との長手方向の 接続により構成される。このような特徴的な配線構造 を持つ図2 に示される2 ×2 Nスプリッ タは、DWDMに要求された波長バンドを有しながら光パワースプリッタ機能を実現している。
例えば、図2 に示された2 ×2 Nスプリッ タは、前記波長無依存3dB カプラ9 の入力口9a と9b のうち一方の入力口9a に入力した1550nm 波長を中心とする80-100nm の波長バンドを有する信号光λを 前記導波路分岐回路10 のそれぞれの 出力口101 、102 、.... 、102N から、入力光パワーを均等に分配 し出力させる働きを持つ。 入力口9 b に入力しても効果が全く同じ であるが、通常の 通信システムでは通信回路 の安全性を考慮し、入力口9a と9b のうち何れか 一つが予備としての役割を果たすことになっている 。
One application example of the Mach-Zehnder interferometer type optical circuit 17 is a 2 × 2 N splitter as illustrated in FIG. This 2 × 2 N splitter is a waveguide branching circuit composed of a wavelength-independent 3 dB coupler 9 having waveguide wiring similar to that of the Mach-Zehnder interferometer type optical circuit 17 and two 1 × N splitters arranged side by side. 10 in the longitudinal direction. The 2 × 2 N splitter shown in FIG. 2 having such a characteristic wiring structure realizes an optical power splitter function while having a wavelength band required for DWDM.
For example, the 2 × 2 N splitter shown in FIG. 2 has a wavelength of 80-100 nm centered on the 1550 nm wavelength input to one of the input ports 9 a and 9 b of the wavelength-independent 3 dB coupler 9. The signal light λ having a band has a function of evenly distributing and outputting the input optical power from the respective output ports 10 1 , 10 2 ,..., 10 2N of the waveguide branch circuit 10. Even if it is input to the input port 9b, the effect is exactly the same, but in a normal communication system, considering the safety of the communication circuit, one of the input ports 9a and 9b serves as a spare. It has become.

図2 に示されるような高分子導波路を用いた2 ×2 Nスプリッ タを製造するには、基板の上に、下部クラッド層をスピンコーティングすることにより作成し、その上に導波路コア層を同様な方法により作る。その後、図2 に示す2 ×2 Nスプリッ タを一つのセルとして、同じ形状の多数のセルを並べたパターンを有するマスクを用いて、フォトリソグラフィ技術と反応性イオンエッチング技術で、前記導波路コア層をドライエッチングして導波路回路を形成する。その上に、さらにスピンコーティングで上部クラッド層を作成する。その後、各セルをダイシングで切断分離し、端面研磨を行って図2 に示す2 ×2 Nスプリッ タを得る。
上述のように、下部クラッド層、導波路コア層および上部クラッド層をそれぞれスピンコーティングで成膜するときに、中心から半径方向の位置での慣性力(或いは遠心力)が異なり、また製膜過程で膜の表面張力の作用によって、作成後の基板上で半径方向に膜厚のバラツキによる変化が生じるのが一般的である。導波路コアの厚みが変化すると、導波モードの伝搬定数が変わるため、このコア厚みのバラツキは図2 に示す2 ×2 Nスプリッ タの導波光の特性に影響を与えてしまう。
一方、導波路コア層を反応性イオンエッチングでドライエッチングしてパターン化をした後、導波路コアに掛かる応力が変わり、それにより導波路コアとその周囲のクラッドとの比屈折率差が変わってしまうことがよく起こる。この変化はコアとクラッド用原材料の屈折率と関連している他に、導波路パターンにも微妙に関係しているので、精密な制御は困難となる。導波路コアとその周囲のクラッドとの比屈折率差が変わると、この場合も導波モードの伝搬定数が変わるため、図2 に示す2 ×2 Nスプリッ タの光特性が変わってしまう。
また、高分子材料は複屈折性 が有り、使用される 光の偏光方向が変わると特性の変化も大きくなる ため、図2 に示す2 ×2 Nスプリッ タの偏光依存損失特性(PDL )は悪くなる 。
但し、図2 に示す2 ×2 Nスプリッ タの後半部 を構成する前記 導波路分岐回路10 は、高分子光導波路を用いても特性上はコア層の膜厚変化、比屈折率差変化と偏光変化に依存し難いので、 コア層の膜厚変化、比屈折率差変化と偏光変化による影響をあまり受けない(例えば、特許文献2参照。)。
In order to manufacture a 2 × 2 N splitter using a polymer waveguide as shown in Fig. 2, a lower cladding layer is formed on a substrate by spin coating, and a waveguide core layer is formed thereon. Is made in a similar manner. Then, using the 2 × 2 N splitter shown in FIG. 2 as one cell and a mask having a pattern in which many cells of the same shape are arranged, the waveguide core is formed by photolithography technique and reactive ion etching technique. The layer is dry etched to form a waveguide circuit. An upper clad layer is further formed thereon by spin coating. Thereafter, each cell is cut and separated by dicing, and end face polishing is performed to obtain a 2 × 2 N splitter shown in FIG.
As described above, when the lower clad layer, the waveguide core layer, and the upper clad layer are formed by spin coating, the inertial force (or centrifugal force) in the radial direction from the center differs, and the film forming process In general, due to the action of the surface tension of the film, a change due to film thickness variation in the radial direction occurs on the substrate after fabrication. When the waveguide core thickness changes, the propagation constant of the waveguide mode also changes. Therefore, this variation in the core thickness affects the characteristics of the 2 × 2 N splitter guided light shown in FIG.
On the other hand, after the waveguide core layer is patterned by dry etching using reactive ion etching, the stress applied to the waveguide core changes, thereby changing the relative refractive index difference between the waveguide core and the surrounding cladding. It often happens. This change is not only related to the refractive indexes of the core and cladding raw materials, but also delicately related to the waveguide pattern, so that precise control becomes difficult. If the relative refractive index difference between the waveguide core and the surrounding cladding changes, the propagation constant of the waveguide mode also changes in this case, so the optical characteristics of the 2 × 2 N splitter shown in FIG. 2 change.
In addition, since the polymer material has birefringence and the change in characteristics increases as the polarization direction of the light used changes, the polarization dependent loss characteristic (PDL) of the 2 × 2 N splitter shown in Fig. 2 is poor. Become .
However, the waveguide branch circuit 10 constituting the latter half of the 2 × 2 N splitter shown in FIG. 2 has characteristics such as a change in the thickness of the core layer and a change in the relative refractive index even if a polymer optical waveguide is used. Since it is difficult to depend on the change in polarization, it is not significantly affected by the change in the thickness of the core layer, the change in relative refractive index difference, and the change in polarization (for example, see Patent Document 2).

Bao-Xue Chen et al, ”Optical Coupler”, US Patent 5757995Bao-Xue Chen et al, “Optical Coupler”, US Patent 5757995

従って、問題となるの は図2 に示す2 ×2 Nスプリッ タの前半部 を構成する前記 波長無依存3dB カプラ9で ある。    Therefore, the problem is the wavelength-independent 3 dB coupler 9 constituting the first half of the 2 × 2 N splitter shown in FIG.

光導波路に用いられる代表的な 高分子材料であるフッ素化ポリイミドの複屈折は、約0.0082 となるなど、石英がほぼゼロであるのに比べて高分子材料では、一般的に、この値は大きい。膜厚変化については、8μmの導波路コア層を上述の方法で作成しようとして、実際に作成された 導波路コア層の厚みの変化はプリズムカプッラー法で測定した結果によると、その範囲は、約0.7 μmの変動幅をもっていた。また、同時に比屈折率差の変化は約±10 %であった。この大きさで導波路コアの厚さ、比屈折率差もしくは 光の偏光面が変わると、前記波長無依存3dB カプラ9 を伝播する導波モードの伝搬定数もしくは実効屈折率が大きく変わり、設計したパラメータのバランスが崩れて特性は設計目標から外れてしまうことになる。    In general, this value is large for polymer materials compared to the fact that quartz is almost zero, such as the birefringence of fluorinated polyimide, which is a typical polymer material used in optical waveguides, is about 0.0082. . Regarding the change in film thickness, according to the result of measuring the thickness of the waveguide core layer actually created by the prism coupler method when trying to create an 8 μm waveguide core layer by the above method, the range is as follows: It had a fluctuation range of about 0.7 μm. At the same time, the change in the relative refractive index difference was about ± 10%. When the waveguide core thickness, relative refractive index difference or light polarization plane changes with this size, the propagation constant or effective refractive index of the waveguide mode propagating through the wavelength-independent 3 dB coupler 9 changes greatly. The balance of parameters will be lost and the characteristics will deviate from the design target.

前記波長無依存3dB カプラ9 と同じ構造を持つ 図7 に例示されるマッハツェンダ干渉計型光 回路17 を用いて分析すると 、導波路コア13、14 の厚さか、若しくは、それら導波路コアの周りのクラッドとの比屈折率差が変わると、導波路を伝搬する光の伝搬定数が変わり、それにより引き起こされる 特性劣化は、主に二つの原因による。一番目の原因としては、前記二つの方向性結合器15 、16 の完全結合長が変わってしまい 、設計した結合率を達成することが出来なくなることである 。二番目のもの としては、前記の導波路コア13 と14 の光路長差より生じる 位相差が変わり、これによりパワー分配比 率が変化して しまうことである 。また、入力する信号光の偏光面が変化すると 、複屈折の影響を受けて光導波路の等価屈折率が変わってしまう。これにより前記の二つの方向性結合器15、16の完全結合長と前記の導波路コア13と14の光路長差より生じた位相差が変わってしまい、パワー分配比率が設計値 よりずれてしまうことになる。    When analyzed using the Mach-Zehnder interferometer type optical circuit 17 illustrated in FIG. 7 having the same structure as the wavelength-independent 3 dB coupler 9, the thickness of the waveguide cores 13 and 14 or the thickness around the waveguide cores is analyzed. When the relative refractive index difference with the cladding changes, the propagation constant of the light propagating through the waveguide changes, and the characteristic deterioration caused by this is mainly due to two causes. The first cause is that the complete coupling length of the two directional couplers 15 and 16 changes, and the designed coupling rate cannot be achieved. The second is that the phase difference caused by the optical path length difference between the waveguide cores 13 and 14 changes, thereby changing the power distribution ratio. Further, when the polarization plane of the input signal light changes, the equivalent refractive index of the optical waveguide changes due to the influence of birefringence. As a result, the phase difference caused by the complete coupling length of the two directional couplers 15 and 16 and the optical path length difference between the waveguide cores 13 and 14 changes, and the power distribution ratio deviates from the design value. It will be.

上述の 導波路コア層の膜厚変化から起こる問題を解決するためには、基板中心部のコア層膜の厚さを精密に制御し、基板中心部とその近辺の領域のみを使えば良いのであるが、使える基板の有効面積が小さくなることになり当然、製造コストは高くなることになる。    In order to solve the above-mentioned problems caused by the change in the thickness of the waveguide core layer, it is only necessary to precisely control the thickness of the core layer film in the center portion of the substrate and use only the center portion of the substrate and the vicinity thereof. However, the effective area of the substrate that can be used is reduced, which naturally increases the manufacturing cost.

また、導波路コアとその周りのクラッドとの比屈折率差の変化を押さえるためには、コアとクラッドを形成するのに使われるそれぞれの高分子原材料の屈折率を精密に制御することが必要である。しかしながら、それは高分子原材料の製造条件、保存状態とそれに伴う経時変化に加えてコア層の作成条件および導波路パターンなど、様々な複雑かつ多くの要因が影響してくるために、実際上、そのような精密に制御は非常に困難である。    In addition, in order to suppress the change in the relative refractive index difference between the waveguide core and the surrounding cladding, it is necessary to precisely control the refractive index of each polymer raw material used to form the core and the cladding. It is. However, since it is influenced by various complex and many factors such as the manufacturing conditions of the polymer raw materials, the storage conditions and the accompanying aging, as well as the preparation conditions of the core layer and the waveguide pattern, in practice, Such precise control is very difficult.

偏光依存性の問題については、これを解決するために、導波路断面に溝を掘って、その溝に薄膜波長板を挿し入れ、これにより偏光面を直角方向 に回転させ、回転前後の影響が相殺することにより偏光依存性をキャンセルする方法がある。しかしこの効果を果たすためには鏡 面対称的な光導波路回路配線が必要なので、AWG のような対称構造のもの に使われているが、光導波路回路の非対称性により波長無依存化を実現するような カプラにはこの方法は適用できない。また、導波路に溝を掘りその溝に薄膜波長板を挿し入れる等の製造工程に課せられる条件が煩雑であることから厳しくなり、顕微鏡作業が要るなどの理由で 歩留まりが悪く、コスト高となる等の不利な面もある。    In order to solve the problem of polarization dependence, in order to solve this, a groove is dug in the waveguide cross section, and a thin film wave plate is inserted into the groove, thereby rotating the polarization plane in a right angle direction, and the influence before and after the rotation is affected. There is a method of canceling the polarization dependence by canceling. However, in order to achieve this effect, mirror-symmetric optical waveguide circuit wiring is required, so it is used for symmetric structures such as AWG. However, wavelength independence is realized by the asymmetry of the optical waveguide circuit. This method cannot be applied to such couplers. In addition, the conditions imposed on the manufacturing process, such as digging a groove in the waveguide and inserting a thin film wave plate into the groove, are complicated, and the yield is poor due to the need for microscopic work, resulting in high costs. There are also disadvantageous aspects such as.

従って 上述のような幾何的なパラメータと物性的なパラメータ 依存性の問題を一括的に解決するにあたっては 、より全体 的な導波路回路構造の改良が必要である。本発明の目的は、高分子光導波路を採用した最も重要な理由である低コストというメリットを保持しつつ、既存の技術でシリコンや石英基板等の上に偏光無依存且つ 導波路コア層の膜厚変化と比屈折率差変化に無依存となる、広い波長バンドを有する高分子光導波路型マッハツェンダ型干渉計光回路を提供することにある。    Therefore, in order to solve the above-mentioned problem of dependence on geometric parameters and physical parameters as described above, it is necessary to improve the overall waveguide circuit structure. The object of the present invention is to maintain the merit of low cost, which is the most important reason for adopting the polymer optical waveguide, while maintaining the advantage of polarization-independent on the silicon or quartz substrate with the existing technology. It is an object of the present invention to provide a polymer optical waveguide type Mach-Zehnder interferometer optical circuit having a wide wavelength band that is independent of changes in thickness and relative refractive index difference.

上記課題を解決し目的を達成するために、図1 に示す本発明の偏光変化、導波路コア層の膜厚変化と比屈折率差変化に強い高分子光導波路カプラ回路8 は、石英或いはシリコンウェーハ等からなる基板1 の表面に形成された2 本の光導波路コア2 、3からなる 。この光導波路コア2 、3 が基板1 上に形成された下部 クラッド層6 と上部クラッド層7 に覆われ、光導波路コア2 、3 を互いに平行に接近させることによって形成した二つの方向性結合器4 、5 を持ち、光導波路コア2 、3 の断面形状および回路配線に関わる各ファクタを、回路特性が波長変化、偏光変化、導波路コアの厚さ変化と比屈折率差の変化によっても一定に保たれるように最適化することを特徴としている。    In order to solve the above problems and achieve the object, the polymer optical waveguide coupler circuit 8 resistant to the change in polarization, the change in the thickness of the waveguide core layer and the change in the relative refractive index difference shown in FIG. It consists of two optical waveguide cores 2 and 3 formed on the surface of a substrate 1 made of a wafer or the like. The optical waveguide cores 2 and 3 are covered by a lower clad layer 6 and an upper clad layer 7 formed on the substrate 1, and two directional couplers are formed by bringing the optical waveguide cores 2 and 3 close to each other in parallel. 4 and 5, the factors related to the cross-sectional shape and circuit wiring of the optical waveguide cores 2 and 3 are constant even when the circuit characteristics change with wavelength, polarization, waveguide core thickness and relative refractive index difference. It is characterized by optimizing to be kept at

図1に示すように、クラッド層6 、7 によって覆われた光導波路コア2 、3 を二本有し、二本の光導波路コア2 、3 を互いに接近させて形成した方向性結合器4 、5 をこれら光導波路の長手方向に二つ設け、二本の光導波路コア2 、3 の長さを互いに異なるようにした 導波路回路において、その回路特性が波長変化だけではなく偏光変化、導波路コア厚さと比屈折率差の変化に対しても一定に保たれるように最適化した各要素が次に記述したパラメータを有することを特徴とする光導波路回路である。    As shown in FIG. 1, a directional coupler 4 having two optical waveguide cores 2 and 3 covered with cladding layers 6 and 7 and formed by bringing the two optical waveguide cores 2 and 3 close to each other, 5 is provided in the longitudinal direction of these optical waveguides, and the length of the two optical waveguide cores 2 and 3 is different from each other. The optical waveguide circuit is characterized in that each element optimized so as to be kept constant with respect to changes in core thickness and relative refractive index difference has the parameters described below.

この手法は、以下に示すように説明することが出来る。
図1に示す光回路8 の光導波路コア2 の一端部2a にTE 偏光或いはTM 偏光の光信号を入力しているとして、図1 の光導波路2 、3 の別端2b 、3b を出力している光のパワー分配比 率ηは

Figure 2005062756


ここで

Figure 2005062756


Figure 2005062756


のように表せる。ここにAout とBout はそれぞれ光導波路コア2 、3 の別端2b 、3b から出力する光の振幅、Lc1 とLc2 はそれぞれ方向性結合器4 、5 の完全結合長、L1 とL2 はそれぞれ方向性結合器4 、5 の平行部の長さ、Le1 とLe2 はそれぞれ方向性結合器4 、5 の等価平行部増加長、βは光導波路コア2 、3 を伝播する導波モードの伝播定数およびΔL は光導波路コア2 と3 の長さの差である。但し、前記Lc1 、Lc2 とLe1 、Le2 およびβは偏光方向により異なる値を持っている。
前記のLc1 、Lc2 とLe1 、Le2 は偏光のみに依存するのではなく、ともに波長λ、光導波路コア2 、3 の幅w と厚さt 、光導波路コア2 、3 の屈折率ng 、クラッド6 、7 の屈折率nc 、方向性結合器4 、5 の平行部間隔s1 、s2 との関数

Figure 2005062756

Figure 2005062756


である。それらと同じく 、伝播定数βも波長λと、光導波路コア2 、3 の幅w と厚さt と、光導波路コア2 、3 の屈折率ng と、クラッド6 、7 の屈折率nc との関数

Figure 2005062756


である。光導波路コア2 、3 の屈折率ng とクラッド6 、7 の屈折率nc はともに偏光モード(TE mode or TM mode )と波長λとの関数

Figure 2005062756

Figure 2005062756


である。通常、比屈折率差Δを

Figure 2005062756


で定義する。式4 から式9 を式1 に代入すると、パワー分配比 率ηは波長λ、比屈折率差Δ、導波路コアの厚さt と偏光モードとの関数

Figure 2005062756


である。偏光モードを考慮して 、使用波長バンドと、想定する導波路コア厚さt と比屈折率差Δの変化範囲で、次の式11 から式15 までの連立方程式

Figure 2005062756


Figure 2005062756


Figure 2005062756


Figure 2005062756


Figure 2005062756


を満足するように、光導波路コア2 、3 の幅w 、方向性結合器4 、5 の平行部間隔s1 、s2 、クラッド6 、7 の屈折率nc 、方向性結合器4 、5 の平行部の長さL1 、L2 および光導波路2 と3 の長さの差ΔL という各パラメータを最適化することにより、波長依存性、導波路コア厚さ依存性、比屈折率差依存性と偏光依存性をともに解消することが出来る。ここでδη≦2% となるようにσλ 、σΔ とσt を設定した。但し、 図1に示す光回路8 の出力特性は周期性を持つので、一つ偏光モードに対して波長、導波路コア厚さおよび 比屈折率差を 共に無依存化した最適化パラメータのセット数は多数存在する。これによりTE モードとTM モードをそれぞれ計算し得る最適化パラメータのセット数はその二倍となる。 This technique can be explained as follows.
Assuming that a TE-polarized or TM-polarized optical signal is input to one end 2a of the optical waveguide core 2 of the optical circuit 8 shown in FIG. 1, the other ends 2b and 3b of the optical waveguides 2 and 3 shown in FIG. The power distribution ratio η

Figure 2005062756


here

Figure 2005062756


Figure 2005062756


It can be expressed as Where A out and B out are the amplitudes of the light output from the other ends 2b and 3b of the optical waveguide cores 2 and 3, respectively, L c1 and L c2 are the complete coupling lengths of the directional couplers 4 and 5, respectively, and L 1 L 2 is the length of the parallel parts of the directional couplers 4 and 5, respectively, Le 1 and Le 2 are the equivalent parallel part increase lengths of the directional couplers 4 and 5, respectively, and β is propagated through the optical waveguide cores 2 and 3. The propagation constant and ΔL of the waveguide mode are the difference between the lengths of the optical waveguide cores 2 and 3. However, L c1 , L c2 and L e1 , L e2 and β have different values depending on the polarization direction.
The above-mentioned L c1 , L c2 and Le 1 , Le 2 do not depend only on the polarization, but both the wavelength λ, the width w and the thickness t of the optical waveguide cores 2 and 3, the refractive index of the optical waveguide cores 2 and 3 n g , refractive index n c of clads 6 and 7, function of directional couplers 4 and 5, parallel spacing s 1 and s 2

Figure 2005062756

Figure 2005062756


It is. They Like, also the wavelength λ propagation constant beta, a width w and thickness t of the optical waveguide core 2, 3, and the refractive index n g of the optical waveguide core 2, 3, and the refractive index n c of the cladding 6, 7 Functions

Figure 2005062756


It is. The optical waveguide core 2, 3 function of the refractive index n c of the refractive index n g and the cladding 6, 7 are both polarization mode (TE mode or TM mode) and the wavelength λ of

Figure 2005062756

Figure 2005062756


It is. Usually, the relative refractive index difference Δ

Figure 2005062756


Defined in Substituting Equation 4 to Equation 9 into Equation 1, the power distribution ratio η is a function of wavelength λ, relative refractive index difference Δ, waveguide core thickness t and polarization mode.

Figure 2005062756


It is. Considering the polarization mode, the following simultaneous equations (11) to (15) are used in the wavelength band to be used and the range of change of the assumed waveguide core thickness t and relative refractive index difference Δ.

Figure 2005062756


Figure 2005062756


Figure 2005062756


Figure 2005062756


Figure 2005062756


The optical waveguide cores 2 and 3 have a width w, the directional couplers 4 and 5 have parallel portion spacing s 1 and s 2 , the claddings 6 and 7 have a refractive index n c , and the directional couplers 4 and 5 to satisfy By optimizing parameters such as the lengths L 1 and L 2 of the parallel part and the difference ΔL between the lengths of the optical waveguides 2 and 3, wavelength dependence, waveguide core thickness dependence, and relative refractive index difference dependence And polarization dependency can be eliminated. Here, σ λ , σ Δ and σ t were set so that δη ≦ 2%. However, since the output characteristics of the optical circuit 8 shown in FIG. 1 are periodic, the number of optimization parameter sets in which the wavelength, waveguide core thickness, and relative refractive index difference are all made independent for one polarization mode. There are many. As a result, the number of optimization parameter sets that can calculate the TE mode and the TM mode, respectively, is doubled.

次に、上述の計算により得られた波長、導波路コア厚さおよび 比屈折率差を 共に無依存化した導波路回路パラメータを更に 偏光無依存化するために、統計的最適化方法を用いた。ここでηlmn は上述の計算により得られた光のパワー分配比 率、Q は設計の目標値とされ、Dlmno はηlmno とQ の差

Figure 2005062756


として設定される 。ここに添字l=1,2 はそれぞれTE とTM モードを指し、m 、n とo はそれぞれ波長、導波路コア厚さと比屈折率差のサンプリング値を示す 。従って計算値と目標値との一致の程度 を統計的に表す評価関数δを

Figure 2005062756


で表示することが出来る。数値計算法により 式17 のδを最小化することによって選ばれた 各パラメータを使った高分子光導波路カプラ回路は偏光依存性、導波路コア厚さ依存性、比屈折率差依存性それに波長依存性を共に解消することが出来る。 Next, a statistical optimization method was used to make the waveguide circuit parameters independence of the wavelength, the waveguide core thickness, and the relative refractive index difference obtained by the above calculation further polarization independent. . Where η lmn is the power distribution ratio of the light obtained by the above calculation, Q is the design target value, and D lmno is the difference between η lmno and Q

Figure 2005062756


Set as. Here, the subscripts l = 1 and 2 indicate the TE and TM modes, respectively, and m, n and o indicate the sampling values of the wavelength, the waveguide core thickness and the relative refractive index difference, respectively. Therefore, the evaluation function δ that statistically represents the degree of coincidence between the calculated value and the target value is

Figure 2005062756


Can be displayed. The polymer optical waveguide coupler circuit using each parameter selected by minimizing δ in Equation 17 by numerical calculation is polarization dependent, waveguide core thickness dependent, relative refractive index difference dependent, and wavelength dependent Both sexes can be eliminated.

本発明は、図1に示す高分子光導波路カプラ回路8 のコア断面形状、屈折率それに回路配線に関わる各ファクタを、回路特性が波長変化だけではなく偏光変化、導波路コア厚さ変化と比屈折率差の変化に対しても一定に保たれるように最適化されたので、高分子光導波路の製造プロセスにより発生する導波路コア厚さのバラツキ、比屈折率差の変化と複屈折から引き起こされる 偏光依存性によるパワー分配比 率の影響が明らかに低減される。
従って、本発明は、高密度波長 多重通信に用いられる1550nm 波長を中心とする120nm の波長バンドを有しながら、入力光信号に対する偏光保持手段が要らずに使える高分子光導波路カプラ回路を製造する時に、そのプロセス条件を大幅に緩和し、歩留まりを向上することが出来る。
In the present invention, the factors relating to the core cross-sectional shape, refractive index and circuit wiring of the polymer optical waveguide coupler circuit 8 shown in FIG. Optimized to keep constant with respect to changes in refractive index difference, therefore, due to variations in waveguide core thickness caused by polymer optical waveguide manufacturing process, changes in relative refractive index difference and birefringence The effect of the power distribution ratio due to the polarization dependence caused is clearly reduced.
Therefore, the present invention manufactures a polymer optical waveguide coupler circuit that can be used without a polarization maintaining means for an input optical signal, while having a wavelength band of 120 nm centered on a 1550 nm wavelength used for high-density wavelength multiplex communication. Sometimes the process conditions can be greatly relaxed and the yield can be improved.

上述の手法を用いた本発明の偏光、導波路コア厚さと比屈折率差の変化に強い高分子光導波路カプラ回路8 は、次のように各要素を最適化したことを特徴としている。即ち、図1に示すように基板1 の材質は石英或いはシリコン等であり、光導波路コア2 、3 の材料は1550nm 波長では1.508 〜1.568 の屈折率ng と0.008 〜0.01 の複屈折を有する高分子であり、光導波路コア2 、3 を覆う下部クラッド層6と上部クラッド層7 の材料は1550nm 波長では1.503 〜1.562 の屈折率nc と0.008 〜0.01 の複屈折を有する高分子である。また その光導波路コア2 、3 の断面形状は8 μm の幅と7 〜8 μm の厚さを有する方形であり、方向性結合器4 の平行部長さL1 は0.702 〜0.979mm 或いは1.956 〜2.539mm 、方向性結合器5 の平行部長さL2 は1.956 〜2.539mm 或いは0.702 〜0.979mm 、方向性結合器4 の平行部間隔s1 は4.7 〜5.1 μm 、方向性結合器5 の平行部間隔s2 は4.7 〜5.1 μm および光導波路コア2 と3 の長さの差ΔL は0.28 〜0.39 μm であることを特徴としている。 The polymer optical waveguide coupler circuit 8 which is resistant to changes in polarization, waveguide core thickness and relative refractive index difference of the present invention using the above-described method is characterized by optimizing each element as follows. That is, the material of the substrate 1 as shown in FIG. 1 is a quartz or silicon, or the like, the optical waveguide core 2, 3 of material 1550nm wavelength high a birefringent refractive index n g and from 0.008 to 0.01 of from 1.508 to 1.568 is a molecule, the material of the lower cladding layer 6 and the upper cladding layer 7 covering the optical waveguide core 2, 3 is a 1550nm wavelength is a polymer having a birefringence of refractive index n c and 0.008 to 0.01 of from 1.503 to 1.562. The cross-sectional shape of the optical waveguide cores 2 and 3 is a square having a width of 8 μm and a thickness of 7 to 8 μm, and the parallel part length L 1 of the directional coupler 4 is 0.702 to 0.979 mm or 1.956 to 2.539. mm, parallel part length L 2 of the directional coupler 5 is 1.956 ~2.539Mm or 0.702 ~0.979mm, parallel portion spacing s 1 of the directional coupler 4 is 4.7 ~5.1 μm, parallel portion interval of the directional coupler 5 The characteristic feature is that s 2 is 4.7 to 5.1 μm and the length difference ΔL between the optical waveguide cores 2 and 3 is 0.28 to 0.39 μm.

本発明は,光導波路カプラ回路デバイスにおいて、基板と、該基板上に形成された高分子下部クラッド層と、該高分子下部クラッド層上に形成された少なくとも2 本の高分子光導波路と、該高分子光導波路を被覆する高分子上部クラッド層と、前記少なくとも2 本の高分子光導波路のうちの2 本の光導波路を複数個所で互いに近接させて構成した複数個の方向性結合器とを具え、前記2 本の高分子光導波路の各一方の端部を入力端,各他方の端部を出力端とする光導波路カプラ回路デバイスであって、前記複数個の方向性結合器のうちの隣り合う任意の2 個の方向性結合器の間を連結する前記2 本の光導波路の実効光路長に差ΔL を設け、この実効光路長差ΔL を0.28 乃至0.39 μm に設定したことを特徴とする。
本発明は、光導波路カプラ回路デバイスにおいて、基板と、該基板上に形成された高分子下部クラッド層と、該高分子下部クラッド層上に形成された少なくとも2 本の高分子光導波路と、該高分子光導波路を被覆する高分子上部クラッド層と、前記少なくとも2 本の高分子光導波路のうちの2 本の光導波路を複数個所で互いに近接させて構成した複数個の方向性結合器とを具え、前記複数個の方向性結合器のうちの隣り合う任意の2 個の方向性結合器の間を連結する前記2 本の光導波路の実効光路長に差ΔL を設けるとともに、この実効光路長差ΔL を0.28 乃至0.39 μm に設定し、前記各方向結合器は、それぞれ2 本の光導波路の平行部分を具えることを特徴とする。
本発明は、光導波路カプラ回路デバイスにおいて、前記高分子光導波路を1550nm 波長において、1.508 〜1.568 の屈折率を有する高分子材料で構成したことを特徴とする。
本発明は、光導波路カプラ回路デバイスにおいて、前記高分子光導波路を1550nm の波長において、0.008 〜0.01 の複屈折を有する高分子材料で構成したことを特徴とする。
本発明は、光導波路カプラ回路デバイスにおいて、前記高分子光導波路を1550nm 波長において、1.508 〜1.568 の屈折率と1550nm 波長において、0.008 〜0.01 の複屈折とを有する高分子材料で構成したことを特徴とする。
本発明は、光導波路カプラ回路デバイスにおいて、前記高分子下部クラッド層を1550nm の波長において、1.503 〜1.562 の屈折率を有する高分子材料で構成したことを特徴とする。
本発明は、光導波路カプラ回路デバイスにおいて、前記高分子上部クラッド層を1550nm 波長において、1.503 〜1.562 の屈折率を有する高分子材料で構成したことを特徴とする。
本発明は、光導波路カプラ回路デバイスにおいて、前記高分子下部クラッド層を1550nm の波長において、0.008 〜0.01 の複屈折を有する高分子材料で構成したことを特徴とする。
本発明は、光導波路カプラ回路デバイスにおいて、前記高分子上部クラッド層を1550nm の波長において、0.008 〜0.01 の複屈折を有する高分子材料で構成したことを特徴とする。
本発明は、光導波路カプラ回路デバイスにおいて、前記高分子下部クラッド層を1550nm 波長において、1.503 〜1.562 の屈折率と1550nm 波長において、0.008 〜0.01 の複屈折を有する高分子材料で構成したことを特徴とする。
本発明は、光導波路カプラ回路デバイスにおいて、前記高分子上部クラッド層を1550nm 波長において、1.503 〜1.562 の屈折率と1550nm の波長において、0.008 〜0.01 の複屈折を有する高分子材料で構成したことを特徴とする。
本発明は、光導波路カプラ回路デバイスにおいて、前記高分子下部クラッド層及び前記高分子上部クラッド層を1550nm 波長において、1.503 〜1.562 の屈折率と1550nm の波長において、0.008 〜0.01 の複屈折を有する高分子材料で構成したことを特徴とする。
本発明は、光導波路カプラ回路デバイスにおいて、前記一方の方向性結合器における2 本の光導波路の平行部分の長さを0.702 〜0.979mm 、前記他方の方向性結合器における平行部分の長さを1.956 〜2.539mm にそれぞれ選定したことを特徴とする。
本発明は、光導波路カプラ回路デバイスにおいて、前記各方向性結合器における2 本の光導波路の平行部分における間隔を4.7 〜5.1 μm にそれぞれ選定したことを特徴とする。
本発明は、光導波路カプラ回路デバイスにおいて、前記光導波路の断面形状を幅W 及び厚さt を有する方形に形成したことを特徴とする。
本発明は、光導波路カプラ回路デバイスにおいて、前記光導波路の断面形状を方形とし、その一辺の長さを8 μm としたことを特徴とする。
本発明は、光導波路カプラ回路デバイスにおいて、前記光導波路の断面形状を方形とし、その厚さt を7〜8μm としたことを特徴とする。
本発明は、光導波路カプラ回路デバイスにおいて、前記光導波路の断面形状を方形とし、幅W を8 μm とし、厚さt を7〜8μm としたことを特徴とする。
本発明は、光導波路カプラ回路デバイスにおいて、前記基板を石英板で構成したことを特徴とする。
本発明は、光導波路カプラ回路デバイスにおいて、前記基板をシリコン板で構成したことを特徴とする。
本発明は、光導波路カプラ回路デバイスにおいて、前記基板をポリイミド樹脂板で構成したことを特徴とする。
The present invention relates to an optical waveguide coupler circuit device, a substrate, a polymer lower cladding layer formed on the substrate, at least two polymer optical waveguides formed on the polymer lower cladding layer, A polymer upper cladding layer covering the polymer optical waveguide; and a plurality of directional couplers configured by bringing two of the at least two polymer optical waveguides close to each other at a plurality of locations. An optical waveguide coupler circuit device having one end of each of the two polymer optical waveguides as an input end and the other end as an output end, wherein the plurality of directional couplers are A difference ΔL is provided between the effective optical path lengths of the two optical waveguides connecting between any two adjacent directional couplers, and the effective optical path length difference ΔL is set to 0.28 to 0.39 μm. To do.
The present invention relates to an optical waveguide coupler circuit device, a substrate, a polymer lower cladding layer formed on the substrate, at least two polymer optical waveguides formed on the polymer lower cladding layer, A polymer upper cladding layer covering the polymer optical waveguide; and a plurality of directional couplers configured by bringing two of the at least two polymer optical waveguides close to each other at a plurality of locations. A difference ΔL is provided between the effective optical path lengths of the two optical waveguides connecting between any two adjacent directional couplers of the plurality of directional couplers. The difference ΔL is set to 0.28 to 0.39 μm, and each of the directional couplers includes a parallel portion of two optical waveguides.
The present invention is characterized in that in the optical waveguide coupler circuit device, the polymer optical waveguide is made of a polymer material having a refractive index of 1.508 to 1.568 at a wavelength of 1550 nm.
The present invention is characterized in that in the optical waveguide coupler circuit device, the polymer optical waveguide is composed of a polymer material having a birefringence of 0.008 to 0.01 at a wavelength of 1550 nm.
In the optical waveguide coupler circuit device, the polymer optical waveguide is composed of a polymer material having a refractive index of 1.508 to 1.568 at a wavelength of 1550 nm and a birefringence of 0.008 to 0.01 at a wavelength of 1550 nm. And
The present invention is characterized in that in the optical waveguide coupler circuit device, the polymer lower clad layer is made of a polymer material having a refractive index of 1.503 to 1.562 at a wavelength of 1550 nm.
The present invention is characterized in that in the optical waveguide coupler circuit device, the polymer upper clad layer is made of a polymer material having a refractive index of 1.503 to 1.562 at a wavelength of 1550 nm.
The present invention is characterized in that in the optical waveguide coupler circuit device, the polymer lower cladding layer is made of a polymer material having a birefringence of 0.008 to 0.01 at a wavelength of 1550 nm.
According to the present invention, in the optical waveguide coupler circuit device, the polymer upper cladding layer is made of a polymer material having a birefringence of 0.008 to 0.01 at a wavelength of 1550 nm.
The present invention is the optical waveguide coupler circuit device, wherein the polymer lower cladding layer is composed of a polymer material having a refractive index of 1.503 to 1.562 at a wavelength of 1550 nm and a birefringence of 0.008 to 0.01 at a wavelength of 1550 nm. And
According to the present invention, in the optical waveguide coupler circuit device, the polymer upper clad layer is composed of a polymer material having a refractive index of 1.503 to 1.562 at a wavelength of 1550 nm and a birefringence of 0.008 to 0.01 at a wavelength of 1550 nm. Features.
The present invention provides an optical waveguide coupler circuit device in which the polymer lower cladding layer and the polymer upper cladding layer have a refractive index of 1.503 to 1.562 at a wavelength of 1550 nm and a birefringence of 0.008 to 0.01 at a wavelength of 1550 nm. It is composed of molecular materials.
In the optical waveguide coupler circuit device, the length of the parallel portion of the two optical waveguides in the one directional coupler is 0.702 to 0.979 mm, and the length of the parallel portion of the other directional coupler is It is characterized by being selected from 1.956 to 2.539mm respectively.
The present invention is characterized in that, in the optical waveguide coupler circuit device, the distance between the parallel portions of the two optical waveguides in each of the directional couplers is selected to be 4.7 to 5.1 μm.
The present invention is characterized in that, in an optical waveguide coupler circuit device, the cross-sectional shape of the optical waveguide is formed in a square shape having a width W and a thickness t.
The present invention is characterized in that, in the optical waveguide coupler circuit device, the cross-sectional shape of the optical waveguide is rectangular, and the length of one side thereof is 8 μm.
The present invention is characterized in that, in the optical waveguide coupler circuit device, the cross-sectional shape of the optical waveguide is a square, and the thickness t is 7 to 8 μm.
The present invention is characterized in that, in an optical waveguide coupler circuit device, the cross-sectional shape of the optical waveguide is rectangular, the width W is 8 μm, and the thickness t is 7 to 8 μm.
The present invention is characterized in that in the optical waveguide coupler circuit device, the substrate is made of a quartz plate.
According to the present invention, in the optical waveguide coupler circuit device, the substrate is formed of a silicon plate.
According to the present invention, in the optical waveguide coupler circuit device, the substrate is made of a polyimide resin plate.

図1に示すように、本発明の偏光、導波路コア厚さの変化と比屈折率差の変化に強い高分子光導波路カプラ回路8 は、石英板からなる基板1 の表面に形成された2 本の光導波路コア2 、3 を備えたものである。図のように光導波路コア2 、3 は1.508 〜1.568 の屈折率ng と0.008 〜0.01 の複屈折を有する高分子材料からなり、その断面形状が8 μm の幅と7 〜8 μm の厚さを有する方形となるように作成される。光導波路コア2 、3 を覆った下部クラッド層6と上部クラッド層7 の材料は1.503 〜1.562 の屈折率nc と0.008 〜0.01 の複屈折を有する高分子である。
光導波路コア2 、3 は、互いに平行に接近されて形成した二つの方向性結合器4 、5 を備えている。この方向性結合器4 は、その平行部長さL1 が0.702 〜0.979mm (或いは1.956 〜2.539mm )であり、平行部間隔s1 が4.7 〜5.1 μm であるように作成される。方向性結合器5 は、その平行部長さL2 が1.956 〜2.539mm (或いは0.702 〜0.979mm )であり、平行部間隔s2 が4.7 〜5.1 μm であるように作成される。
光導波路コア2 と3 の長さの差ΔL は、0.28 〜0.39 μm 範囲に形成されるのが好適である。
As shown in FIG. 1, a polymer optical waveguide coupler circuit 8 which is resistant to changes in polarization, waveguide core thickness and relative refractive index difference according to the present invention is formed on the surface of a substrate 1 made of a quartz plate. The optical waveguide cores 2 and 3 are provided. Optical waveguide core 2 as shown in FIG, 3 is 1.508, a polymer material having a birefringence index of refraction n g and 0.008 to 0.01 of ~1.568, width and 7-8 thickness of [mu] m of the cross section 8 [mu] m Created to be a square with The material of the lower cladding layer 6 and the upper cladding layer 7 covering the optical waveguide core 2, 3 is a polymer having a birefringence of refractive index n c and from 0.008 to 0.01 of from 1.503 to 1.562.
The optical waveguide cores 2 and 3 are provided with two directional couplers 4 and 5 which are formed close to each other in parallel. The directional coupler 4 is formed so that the parallel part length L 1 is 0.702 to 0.979 mm (or 1.956 to 2.539 mm) and the parallel part interval s 1 is 4.7 to 5.1 μm. The directional coupler 5, the parallel portion length L 2 is 1.956 ~2.539mm (or 0.702 ~0.979mm), is created as a parallel section spacing s 2 is at 4.7 ~5.1 μm.
The length difference ΔL between the optical waveguide cores 2 and 3 is preferably formed in the range of 0.28 to 0.39 μm.

本発明に係る高分子光導波路カプラ回路8 の製造方法の一例を以下に述べる。
基板1として石英板を用い、その 表面に、下部クラッド層を形成する 高分子の溶液(4,4 ’- (ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジフタル酸無水物(4,4’-(Hexafluoroisopropylidene) diphthalic anhydride)と2,2’-ビス(トリフルオロメチル)4,4’-ジアミノビフェニル(2,2’-Bis(trifluoromethyl)-4,4’-diaminobiphenyl)の等モル量をN,N,-ジメチルアセトアミド(N,N,-Dimethylacetamide)に溶解し、25℃で、24時間、窒素雰囲気下で攪拌した溶液) をスピンコート法 により薄膜を形成させ、その後、脱溶媒および熱処理などによって、約20 μm 厚の高分子下部 クラッド層6 を形成する。
そして、この下部クラッド層6の上に、上記クラッド層を形成する高分子を作成する際に用いるジアミンの2,2’-ビス(トリフルオロメチル)4,4’-ジアミノビフェニル(2,2’-Bis(trifluoromethyl)-4,4’-diaminobiphenyl)の一部に代わり4,4’-ジアミノジフェニルエーテル(4,4’-Diaminodiphenyl ether)を用いて、そのジアミン量の合計が4,4 ’- (ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジフタル酸無水物(4,4’-(Hexafluoroisopropylidene) diphthalic anhydride)と等モルになるように添加し、同様な手段によって作成した高分子溶液用いて、先の高分子下部クラッド層上にスピンコート法により薄膜を形成させ、その後、脱溶媒および熱処理などによって、屈折率を下部 クラッド層6 よりも0.24% 〜0.30% 程度高めた7 〜8 μm 厚さの高分子コア層を形成する。
そして、前記コア層の表面にフォトレジストによって所定の光導波路パターンを形成したのち、酸素ガスの雰囲気で反応性イオンエッチング によってコア層の選択的エッ チングを行うことにより、所定パターンを有する光導波路コア2 、3 を形成する。その後、再び上述の下部クラッドを形成させるために用いたものと同じ高分子溶液を用いて、スピンコートする方法とそれに続く脱溶媒および熱処理などの方法によって、光導波路コア2、3を埋め込むよ うに高分子上部 クラッド層7 を形成する。なお、上部 クラッド層7 の屈折率はコアのものより低いが、必ずしも下部 クラッド層6 と等しくする必要はない。
An example of a method for producing the polymer optical waveguide coupler circuit 8 according to the present invention will be described below.
A quartz plate is used as substrate 1 and a lower clad layer is formed on its surface. Polymer solution (4,4 '-(Hexafluoroisopropylidene) diphthalic anhydride) And 2,2'-bis (trifluoromethyl) 4,4'-diaminobiphenyl (2,2'-Bis (trifluoromethyl) -4,4'-diaminobiphenyl) in N, N, -dimethylacetamide ( N, N, -Dimethylacetamide), and a solution stirred at 25 ° C. for 24 hours under a nitrogen atmosphere is formed into a thin film by spin coating, and then about 20 μm thick is removed by solvent removal and heat treatment. A polymer lower cladding layer 6 is formed.
Then, on this lower clad layer 6, 2,2′-bis (trifluoromethyl) 4,4′-diaminobiphenyl (2,2 ′) of diamine used in preparing the polymer for forming the clad layer is formed. -Bis (trifluoromethyl) -4,4'-diaminobiphenyl) is replaced with 4,4'-Diaminodiphenyl ether, and the total amount of diamines is 4,4'- ( Hexafluoroisopropylidene) diphthalic anhydride (4,4 '-(Hexafluoroisopropylidene) diphthalic anhydride) was added in an equimolar amount, and the polymer lower clad layer was formed using the polymer solution prepared by the same means. A thin film is formed on top by spin coating, and then a 7-8 μm thick polymer core layer with a refractive index higher by 0.24% to 0.30% than the lower cladding layer 6 is formed by solvent removal and heat treatment. To do.
Then, after a predetermined optical waveguide pattern is formed with a photoresist on the surface of the core layer, the core layer is selectively etched by reactive ion etching in an oxygen gas atmosphere, whereby an optical waveguide core having the predetermined pattern is formed. 2 and 3 are formed. Thereafter, the optical waveguide cores 2 and 3 are embedded by spin coating using the same polymer solution as that used for forming the lower cladding, followed by methods such as solvent removal and heat treatment. A polymer upper cladding layer 7 is formed. The refractive index of the upper cladding layer 7 is lower than that of the core, but it is not necessarily equal to that of the lower cladding layer 6.

なお、上記の実施例においては、前記基板1として、石英板を用いたが、シリコン板或いはポリイミド樹脂板を用いることもできる。    In the above embodiment, a quartz plate is used as the substrate 1, but a silicon plate or a polyimide resin plate can also be used.

上記の本発明に係る高分子光導波路カプラ回路8 の作用について、実験を行った。その結果は以下の通りである。
まず、導波路コア厚さを7 μm、 比屈折率差を0.24% 〜0.30% の間で変化させて、図1に示す本発明の偏光変化、導波路コア厚さと比屈折率差の変化に強い高分子光導波路カプラ回路8 の光導波路コア2 の一端部2a に7 種類の波長、1490nm 、1510nm 、1530nm 、1550nm 、1570nm 、1590nm と1610nm の光をTE 偏光とTM 偏光で入力し、前記の光導波路コアの 別端2b、3b から出てきた光パワーの比率、即ちパワー分配比 率を各波長についてプロットしたグラフを図3 と図5に示した。結果では120nm のバンド幅上の波長変化と0.24% 〜0.30% の比屈折率差変化によるパワー分配比 率はそれぞれ50 ±1.91 %と50 ±1.75 %の範囲に入っている。
An experiment was conducted on the operation of the polymer optical waveguide coupler circuit 8 according to the present invention. The results are as follows.
First, the waveguide core thickness is changed to 7 μm and the relative refractive index difference is changed between 0.24% and 0.30% to change the polarization of the present invention shown in FIG. 1 and the change of the waveguide core thickness and the relative refractive index difference. Seven wavelengths, 1490 nm, 1510 nm, 1530 nm, 1550 nm, 1570 nm, 1590 nm, and 1610 nm light are input as TE polarized light and TM polarized light to one end 2 a of the optical waveguide core 2 of the strong polymer optical waveguide coupler circuit 8. FIGS. 3 and 5 are graphs in which the ratio of the optical power coming out from the other ends 2b and 3b of the optical waveguide core, that is, the power distribution ratio, is plotted for each wavelength. The results show that the power distribution ratio due to the change in wavelength over the 120 nm bandwidth and the change in relative refractive index difference between 0.24% and 0.30% is in the range of 50 ± 1.91% and 50 ± 1.75%, respectively.

次に、導波路コア厚さを8 μm、 比屈折率差を0.24% 〜0.30% の間で変化させて、上述のと同じ実験を行った。TE とTM 偏光のパワー分配比 率をそれぞれ図4と図6に示した。波長変化と0.24% 〜0.30% の比屈折率差変化によるパワー分配比 率は、それぞれ50 ±1.91 %と50 ±1.75 %の範囲に入っており、偏光、導波路コア厚さ、比屈折率差そして波長の変化による影響はほとんどない。
したがって、本発明の偏光、導波路コア厚さと比屈折率差の変化に強い高分子光導波路カプラ回路8 は、高密度波長 多重通信に用いられる1550nm 波長を中心とする120nm バンドを有する信号光の波長の変化および信号光の偏光変化に対する影響が非常に少なく、且つプロセス誤差により出来た導波路コア厚さと比屈折率差がそれぞれ7 〜8 μm、0.24% 〜0.30% の範囲で変化しても、その特性は変わらない。したがって、本発明の偏光、導波路コア厚さと比屈折率差の変化に強い高分子光導波路カプラ回路8 は、1 例として図2 に示された高分子光導波路2 ×2 Nスプリッ タを構成する広い波長バンドを有しながら偏光を無依存化し、且つ製造プロセスでの生じる幾何的および物性的変化に無依存となるために製造が容易なカプラ9 となる。
Next, the same experiment as described above was performed by changing the waveguide core thickness to 8 μm and the relative refractive index difference between 0.24% and 0.30%. Figures 4 and 6 show the power distribution ratio of TE and TM polarized light, respectively. The power distribution ratio due to the change in wavelength and the change in relative refractive index difference of 0.24% to 0.30% is in the range of 50 ± 1.91% and 50 ± 1.75%, respectively. Polarization, waveguide core thickness, relative refractive index difference And there is almost no influence by the change of wavelength.
Therefore, the polymer optical waveguide coupler circuit 8 that is resistant to changes in polarization, waveguide core thickness, and relative refractive index difference of the present invention is a signal light having a 120 nm band centered on a 1550 nm wavelength used for high-density wavelength multiplexing communications. Even if the waveguide core thickness and relative refractive index difference caused by process errors change in the range of 7 to 8 μm and 0.24% to 0.30%, respectively, they have very little effect on wavelength change and signal light polarization change. The characteristics remain the same. Therefore, the polymer optical waveguide coupler circuit 8 which is resistant to changes in polarization, waveguide core thickness and relative refractive index difference of the present invention constitutes a polymer optical waveguide 2 × 2 N splitter shown in FIG. 2 as an example. This makes the coupler 9 easy to manufacture because it makes the polarization independent while having a wide wavelength band, and is independent of the geometrical and physical changes that occur in the manufacturing process.

本発明は、前記の最適化方法によって、偏光変化と波長変化に対する依存性がほぼゼロの近くに抑えられるので、1つの応用 例として高分子光導波路2 ×2 Nスプリッ タの偏光を無依存化するために使われることが出来る。
本発明は、従来使ってきた材料をそのまま変えずに最適化をする方法を提供するため、これまで開発されてきた高分子光導波路製造プロセスを変える必要がない。したがって、高分子を材料として用いる場合の光導波路の製造コストが低いというメリットを保有しながら、回路特性における偏光と波長無依存化を達成することが出来る。
In the present invention, the dependence on the polarization change and the wavelength change is suppressed to almost zero by the above optimization method, so that the polarization of the polymer optical waveguide 2 × 2 N splitter is made independent as one application example. Can be used to
Since the present invention provides a method for optimization without changing the materials that have been used in the past, it is not necessary to change the polymer optical waveguide manufacturing process that has been developed so far. Therefore, polarization and wavelength independence in circuit characteristics can be achieved while maintaining the merit that the optical waveguide manufacturing cost is low when a polymer is used as a material.

本発明の一実施形態を示すカプラ回路の平面図とその側面図。The top view and side view of the coupler circuit which show one Embodiment of this invention. 高分子光導波路2 ×2N スプリッタの平面図。Top view of polymer optical waveguide 2 × 2N splitter. コア厚さが、7μm、比屈折率差の変動範囲が0.24 〜0.30 %である時に、本発明に係る光導波路カプラ回路デバイスにおけるTEモード信号光の波長変化に対するパワー分配比率の変化を示す図。The figure which shows the change of the power distribution ratio with respect to the wavelength change of TE mode signal light in the optical waveguide coupler circuit device based on this invention, when core thickness is 7 micrometers and the fluctuation | variation range of a relative refractive index difference is 0.24-0.30%. コア厚さが、8μm、比屈折率差の変動範囲が0.24 〜0.30 %である時に、本発明に係る光導波路カプラ回路デバイスにおけるTEモード信号光の波長変化に対するパワー分配比率の変化を示す図。The figure which shows the change of the power distribution ratio with respect to the wavelength change of TE mode signal light in the optical waveguide coupler circuit device based on this invention, when core thickness is 8 micrometers and the fluctuation | variation range of a relative refractive index difference is 0.24-0.30%. コア厚さが、7μm、比屈折率差の変動範囲が0.24 〜0.30 %である時に、本発明に係る光導波路カプラ回路デバイスにおけるTMモード信号光の波長変化に対するパワー分配比率の変化を示す図。The figure which shows the change of the power distribution ratio with respect to the wavelength change of TM mode signal light in the optical waveguide coupler circuit device based on this invention, when core thickness is 7 micrometers and the fluctuation | variation range of a relative refractive index difference is 0.24-0.30%. コア厚さが、8μm、比屈折率差の変動範囲が0.24 〜0.30 %である時に、本発明に係る光導波路カプラ回路デバイスにおけるTMモード信号光の波長変化に対するパワー分配比率の変化を示す図。The figure which shows the change of the power distribution ratio with respect to the wavelength change of TM mode signal light in the optical waveguide coupler circuit device based on this invention, when core thickness is 8 micrometers and the fluctuation | variation range of a relative refractive index difference is 0.24-0.30%. マッハツェンダ干渉計型光回路17の上面図とその側面図。The top view and side view of the Mach-Zehnder interferometer type optical circuit 17.

符号の説明Explanation of symbols

1 基板
2 光導波路コア
3 光導波路コア
4 方向性結合器
5 方向性結合器
6 下部クラッド層
7 上部クラッド層
9 波長無依存3dB カプラ
10 導波路分路回路
13 光導波路コア
14 光導波路コア
15 方向性結合器
16 方向性結合器
18 下部クラッド
19 上部クラッド
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Optical waveguide core 3 Optical waveguide core 4 Directional coupler 5 Directional coupler 6 Lower clad layer 7 Upper clad layer 9 Wavelength independent 3 dB coupler 10 Waveguide shunt circuit 13 Optical waveguide core 14 Optical waveguide core 15 direction Sexual coupler 16 Directional coupler 18 Lower clad 19 Upper clad

Claims (21)

基板と、
該基板上に形成された高分子下部クラッド層と、
該高分子下部クラッド層上に形成された少なくとも2 本の高分子光導波路と、
該高分子光導波路を被覆する高分子上部クラッド層と、
前記少なくとも2 本の高分子光導波路のうちの2 本の光導波路を複数個所で互いに近接させて構成した複数個の方向性結合器とを具え、
前記2 本の高分子光導波路の各一方の端部を入力端,各他方の端部を出力端とする光導波路カプラ回路デバイスであって、
前記複数個の方向性結合器のうちの隣り合う任意の2 個の方向性結合器の間を連結する前記2 本の光導波路の実効光路長に差ΔL を設け、
この実効光路長差ΔL を0.28 乃至0.39 μm に設定したことを特徴とする光導波路カプラ回路デバイス。
A substrate,
A polymer lower cladding layer formed on the substrate;
At least two polymer optical waveguides formed on the polymer lower cladding layer;
A polymer upper cladding layer covering the polymer optical waveguide;
A plurality of directional couplers configured by bringing two optical waveguides out of the at least two polymer optical waveguides close to each other at a plurality of locations;
An optical waveguide coupler circuit device having one end of each of the two polymer optical waveguides as an input end and the other end as an output end,
A difference ΔL is provided in the effective optical path length of the two optical waveguides connecting between any two adjacent directional couplers of the plurality of directional couplers;
An optical waveguide coupler circuit device characterized in that the effective optical path length difference ΔL is set to 0.28 to 0.39 μm.
基板と、
該基板上に形成された高分子下部クラッド層と、
該高分子下部クラッド層上に形成された少なくとも2 本の高分子光導波路と、
該高分子光導波路を被覆する高分子上部クラッド層と、
前記少なくとも2 本の高分子光導波路のうちの2 本の光導波路を複数個所で互いに近接させて構成した複数個の方向性結合器とを具え、
前記複数個の方向性結合器のうちの隣り合う任意の2 個の方向性結合器の間を連結する前記2 本の光導波路の実効光路長に差ΔL を設けるとともに、この実効光路長差ΔL を0.28 乃至0.39 μm に設定し、
前記各方向結合器は、それぞれ2 本の光導波路の平行部分を具えることを特徴とする光導波路カプラ回路デバイス。
A substrate,
A polymer lower cladding layer formed on the substrate;
At least two polymer optical waveguides formed on the polymer lower cladding layer;
A polymer upper cladding layer covering the polymer optical waveguide;
A plurality of directional couplers configured by bringing two optical waveguides out of the at least two polymer optical waveguides close to each other at a plurality of locations;
A difference ΔL is provided in the effective optical path length of the two optical waveguides connecting between any two adjacent directional couplers of the plurality of directional couplers, and the effective optical path length difference ΔL Is set to 0.28 to 0.39 μm,
Each of the directional couplers comprises a parallel portion of two optical waveguides, respectively.
前記高分子光導波路を1550nm 波長において、1.508 〜1.568 の屈折率を有する高分子材料で構成したことを特徴とする請求項1又は2記載の光導波路カプラ回路デバイス。    3. The optical waveguide coupler circuit device according to claim 1, wherein the polymer optical waveguide is made of a polymer material having a refractive index of 1.508 to 1.568 at a wavelength of 1550 nm. 前記高分子光導波路を1550nm の波長において、0.008 〜0.01 の複屈折を有する高分子材料で構成したことを特徴とする請求項1又は2記載の光導波路カプラ回路デバイス。    3. The optical waveguide coupler circuit device according to claim 1, wherein the polymer optical waveguide is made of a polymer material having a birefringence of 0.008 to 0.01 at a wavelength of 1550 nm. 前記高分子光導波路を1550nm 波長において、1.508 〜1.568 の屈折率と1550nm 波長において、0.008 〜0.01 の複屈折とを有する高分子材料で構成したことを特徴とする請求項1又は2記載の光導波路カプラ回路デバイス    3. The optical waveguide according to claim 1, wherein the polymer optical waveguide is made of a polymer material having a refractive index of 1.508 to 1.568 at a wavelength of 1550 nm and a birefringence of 0.008 to 0.01 at a wavelength of 1550 nm. Coupler circuit device 前記高分子下部クラッド層を1550nm の波長において、1.503 〜1.562 の屈折率を有する高分子材料で構成したことを特徴とする請求項1 又は2記載の光導波路カプラ回路デバイス。    3. The optical waveguide coupler circuit device according to claim 1, wherein the polymer lower cladding layer is made of a polymer material having a refractive index of 1.503 to 1.562 at a wavelength of 1550 nm. 前記高分子上部クラッド層を1550nm 波長において、1.503 〜1.562 の屈折率を有する高分子材料で構成したことを特徴とする請求項1 又は2記載の光導波路カプラ回路デバイス。    3. The optical waveguide coupler circuit device according to claim 1, wherein the polymer upper clad layer is made of a polymer material having a refractive index of 1.503 to 1.562 at a wavelength of 1550 nm. 前記高分子下部クラッド層を1550nm の波長において、0.008 〜0.01 の複屈折を有する高分子材料で構成したことを特徴とする請求項1 又は2記載の光導波路カプラ回路デバイス    3. The optical waveguide coupler circuit device according to claim 1, wherein the polymer lower cladding layer is made of a polymer material having a birefringence of 0.008 to 0.01 at a wavelength of 1550 nm. 前記高分子上部クラッド層を1550nm の波長において、0.008 〜0.01 の複屈折を有する高分子材料で構成したことを特徴とする請求項1 又は2記載の光導波路カプラ回路デバイス    3. The optical waveguide coupler circuit device according to claim 1, wherein the polymer upper cladding layer is made of a polymer material having a birefringence of 0.008 to 0.01 at a wavelength of 1550 nm. 前記高分子下部クラッド層を1550nm 波長において、1.503 〜1.562 の屈折率と1550nm 波長において、0.008 〜0.01 の複屈折を有する高分子材料で構成したことを特徴とする請求項1 又は2記載の光導波路カプラ回路デバイス    3. The optical waveguide according to claim 1, wherein the polymer lower cladding layer is made of a polymer material having a refractive index of 1.503 to 1.562 at a wavelength of 1550 nm and a birefringence of 0.008 to 0.01 at a wavelength of 1550 nm. Coupler circuit device 前記高分子上部クラッド層を1550nm 波長において、1.503 〜1.562 の屈折率と1550nm の波長において、0.008 〜0.01 の複屈折を有する高分子材料で構成したことを特徴とする請求項1 又は2記載の光導波路カプラ回路デバイス    3. The optical waveguide according to claim 1, wherein the polymer upper cladding layer is made of a polymer material having a refractive index of 1.503 to 1.562 at a wavelength of 1550 nm and a birefringence of 0.008 to 0.01 at a wavelength of 1550 nm. Waveguide coupler circuit device 前記高分子下部クラッド層及び前記高分子上部クラッド層を1550nm 波長において、1.503 〜1.562 の屈折率と1550nm の波長において、0.008 〜0.01 の複屈折を有する高分子材料で構成したことを特徴とする請求項1 又は2記載の光導波路カプラ回路デバイス    The polymer lower clad layer and the polymer upper clad layer are made of a polymer material having a refractive index of 1.503 to 1.562 at a wavelength of 1550 nm and a birefringence of 0.008 to 0.01 at a wavelength of 1550 nm. Item 1 or 2 optical waveguide coupler circuit device 前記一方の方向性結合器における2 本の光導波路の平行部分の長さを0.702 〜0.979mm 、前記他方の方向性結合器における平行部分の長さを1.956 〜2.539mm にそれぞれ選定したことを特徴とする請求項1 乃至12の何れか1項記載の光導波路カプラ回路デバイス。    The length of the parallel portion of the two optical waveguides in the one directional coupler is selected from 0.702 to 0.979 mm, and the length of the parallel portion in the other directional coupler is selected from 1.95 to 2.539 mm. The optical waveguide coupler circuit device according to any one of claims 1 to 12. 前記各方向性結合器における2 本の光導波路の平行部分における間隔を4.7 〜5.1 μm にそれぞれ選定したことを特徴とする請求項1乃至13の何れか1項記載の光導波路カプラ回路デバイス。    The optical waveguide coupler circuit device according to any one of claims 1 to 13, wherein an interval between parallel portions of two optical waveguides in each directional coupler is selected to be 4.7 to 5.1 µm. 前記光導波路の断面形状を幅W 及び厚さt を有する方形に形成したことを特徴とする請求項1乃至14何れか1項記載の光導波路回路デバイス。    15. The optical waveguide circuit device according to claim 1, wherein a cross-sectional shape of the optical waveguide is formed in a square shape having a width W and a thickness t. 前記光導波路の断面形状を方形とし、その一辺の長さを8 μm としたことを特徴とする請求項15記載の光導波路カプラ回路デバイス。    16. The optical waveguide coupler circuit device according to claim 15, wherein the cross-sectional shape of the optical waveguide is a square, and the length of one side thereof is 8 μm. 前記光導波路の断面形状を方形とし、その厚さt を7〜8μm としたことを特徴とする請求項15記載の光導波路カプラ回路デバイス。    16. The optical waveguide coupler circuit device according to claim 15, wherein the optical waveguide has a square cross section and a thickness t of 7 to 8 [mu] m. 前記光導波路の断面形状を方形とし、幅W を8 μm とし、厚さt を7〜8μm としたことを特徴とする請求項15記載の光導波路カプラ回路デバイス。    16. The optical waveguide coupler circuit device according to claim 15, wherein the optical waveguide has a square cross section, a width W of 8 [mu] m, and a thickness t of 7 to 8 [mu] m. 前記基板を石英板で構成したことを特徴とする請求項1乃至18の何れか1項記載の光導波路カプラ回路デバイス。    19. The optical waveguide coupler circuit device according to claim 1, wherein the substrate is made of a quartz plate. 前記基板をシリコン板で構成したことを特徴とする請求項1乃至18の何れか1項記載の光導波路カプラ回路デバイス。    19. The optical waveguide coupler circuit device according to claim 1, wherein the substrate is made of a silicon plate. 前記基板をポリイミド樹脂板で構成したことを特徴とする請求項1乃至18の何れか1項記載の光導波路カプラ回路デバイス。    The optical waveguide coupler circuit device according to claim 1, wherein the substrate is made of a polyimide resin plate.
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