光波导和以及使用其的光学部件和可变波长激光器的制造方法

文档序号:10699088
光波导和以及使用其的光学部件和可变波长激光器的制造方法
【专利摘要】提供了:一种光波导,该光波导相对容易地放大光斑尺寸并且能够与另一个光波导元件一起抑制光耦合损耗的增加;以及使用该光波导的一种光学部件和一种可变波长激光器。该光波导设置有:包覆构件;和核心层,该核心层被布置在包覆构件内,并且由其折射率高于构成包覆构件的材料的折射率的材料形成为具有矩形截面形状的细长体。其中,核心层的截面形状的特征在于具有矩形形状,在该矩形形状中,横向方向上的长度是纵向方向上的长度的至少10倍。
【专利说明】
光波导和以及使用其的光学部件和可变波长激光器
技术领域
[0001]本发明涉及一种光波导,以及使用该光波导的一种光学部件和一种可变波长激光器,并且具体地涉及一种设置有细线光波导的光波导,以及使用该光波导的一种光学部件和可变波长激光器。
【背景技术】
[0002]平面光学回路(PLC:平面光波回路)的开发和应用已经主要在基于石英的类型上取得了进展,并且它们尤其在阵列波导光栅(AWG)或分裂机中作为支撑最近光通信市场的关键部件已经起到了重要作用。最近,新功能元件的开发也已经取得了进展,诸如具有混合安装在基于石英的PLC上的化合物半导体放大器(S0A:半导体光放大器)的波长可变光源。已经积极探索将有源元件和无源元件一起安装在公共PLC基板上,以在一个芯片上实现小型廉价系统。
[0003]然而,随着所需的功能逐渐复杂化并且逐步发展,PLC中元件的大小和驱动电功率消耗已经增加,并且在通过使用基于石英的类型可实现的功能和性能上已经出现了限制。由于这个原因,诸如硅细线和光子晶体(PC)的利用硅微制造技术的SOI(绝缘体上硅结构)波导的研究与开发已经引起关注,并且检验了其用于具有小型、低电功率消耗和廉价特性的关键部件的可行性。
[0004]在SOI波导中,使用硅作为核心材料来增加特定折射率与包覆材料(S12及其电介质)的折射率的差,以实现小型化。基于石英的波导具有约5%的特定折射率差△和约500μπι的弯曲半径,而硅细线光波导的A是40 %以上并且其弯曲半径能够下降至几个μπι。由于这个原因,硅细线使得PLC大小能够显著减小。
[0005]然而,当特定折射率差增加时,芯部直径必须下降以满足用于传播光的单模式条件,并且这导致光斑尺寸与诸如光纤的其它波导元件的光斑尺寸的差,导致了光耦合损耗的增加。鉴于该,例如PTLl和PTL2公开了用于扩大光斑尺寸的技术。在PTL2中,所公开的技术通过将硅细线光波导的输出/输入区域形成为锥形形状以使得核心层的宽度和厚度在光传播的方向上各自下降,来放大光斑尺寸。
[0006][引用列表]
[0007][专利文献]
[0008][PTL1]日本专利申请特开N0.2002-162528
[0009][PTL2]国际公布 Νο.2008/111447

【发明内容】

[0010][技术问题]
[0011]然而,因为硅细线光波导内在地具有小的芯部直径和高的光限制率,所以必须确保充分长的锥形以便放大光斑尺寸。此外,当减小在光传播方向上的核心层的宽度和厚度中的每一者时,锥形的制造过程变得复杂。
[0012]鉴于上述问题,已经实施了本发明,并且其目的是提供光波导以及使用该光波导的光学部件和可变波长激光器,该光波导使得能够相对容易放大光斑尺寸以与其它波导元件一起抑制光耦合的损耗的增加。
[0013][技术方案]
[0014]为了实现上述目的,根据本发明的光波导包括:包覆构件;和核心层,所述核心层布置在所述包覆构件中,并且由其折射率高于构成所述包覆构件的材料的折射率的材料形成为具有矩形截面形状的细长体,其中所述核心层的截面形状是矩形,所述矩形在横向方向上的长度为在纵向方向上的长度的10倍以上。
[0015]为了实现上述目的,根据本发明的光学部件包括所述光波导。
[0016]为了实现上述目的,根据本发明的可变波长激光器包括:环形振荡器,所述环形振荡器包括环形振荡器和化合物半导体放大器,其中连接到化合物半导体放大器的环形振荡器的核心层的连接侧端被形成为锥形形状,所述锥形形状在横向方向上具有逐渐减小的长度。
[0017][有益效果]
[0018]上文描述的本发明的方面使得能够相对容易地放大光斑尺寸以与其它波导元件一起抑制光耦合损耗的增加。
【附图说明】
[0019][图1]图1是根据第一示例性实施例的光波导100的透明透视图。
[0020][图2A]图2A是常规波导900的截面图。
[0021][图2B]图2B是根据示例性实施例的光波导100的截面图。
[0022][图3]图3是指示硅波导的每个截面的光传播常数的图形。
[0023][图4A]图4A是指示在通过波导传播的光的横向方向上波导结构与束直径之间的关系连同横向方向的图形。
[0024][图4B]图4B是指示在通过波导传播的光的纵向的方向上波导结构与束直径之间的关系的图形。
[0025][图5]图5是根据第二示例性实施例的可变波长激光器200的透明透视图。
【具体实施方式】
[0026]〈第一示例性实施例〉
[0027]将解释的根据本发明的第一示例性实施例。根据该示例性实施例的光波导在图1中被描绘为透明透视图。在图1中,光波导100由包覆构件110和硅扁平光波导120构成。
[0028]包覆构件110由诸如S12及其电介质的材料制成,并且硅扁平光波导120被布置在包覆构件110内部。包覆构件110形成在未示出的基板(诸如,通过使用例如微制造技术沉积S12而形成的硅基底)上。
[0029]硅扁平光波导120由其折射率高于包覆构件110的折射率高的材料制成,并且光信号传播通过硅扁平光波导120。根据该示例性实施例的硅扁平光波导120被形成为长方体形状,其具有约1:10的纵横比的截面。例如,通过诸如CMOS(互补金属氧化物半导体)过程的硅微制造技术将硅扁平光波导120形成为光波导宽度为1.0ym和光波导厚度为0.05μπι的形状(纵横比是1:20)。硅扁平光波导120的光波导宽度和光波导厚度的尺寸不限于上述值,只要光波导宽度与光波导厚度的比率是10以上即可。
[0030]将比较常规波导900解释根据该示例性实施例的光波导100的操作。图2A描绘了常规波导900的截面图,并且图2B描绘了根据该示例性实施例的光波导100的截面图。
[0031]如图2A中所示,常规波导900由包覆构件910和硅细线光波导920构成。以与根据该示例性实施例的光波导100的包覆构件110的方式类似的方式构造包覆构件910。另一方面,硅细线光波导920形成为波导宽度为将近0.4μπι并且波导厚度为将近0.2μπι的长方体形状,其纵横比为约1:2。换言之,根据该示例性实施例的光波导100的硅扁平光波导120的纵横比为常规波导900的细线光波导920的纵横比的约10倍。
[0032]图2Α、图2Β描绘了波长为1.3至μπι1.55μπι的的用于通信的光信号的传播,该光信号分别注入到图2Α的常规硅细线光波导920中和根据图2Β的该示例性实施例的硅扁平光波导
120中。
[0033]如图2Α中所示,注入到常规波导900的硅细线光波导920的光信号的大部分光强度分布在硅细线光波导920的截面内。这一点的理由是,硅细线光波导920的宽度和厚度形成为使得光信号容易受到限制的尺寸。在常规波导900中,为了最小化光学装置的大小,光限制率被设计成尽可能高,使得甚至对于弯折波导而言,光的辐射损耗也处于可以忽略的水平。例如,在常规波导900中,甚至对于具有ΙΟμπι的曲率半径的非常小的弯折波导,光损耗也变成近似OdB。
[0034]另一方面,如图2Β中所示,注入到根据该示例性实施例的光波导100的硅扁平光波导120的光信号的大部分光强度分布在娃扁平光波导120的截面外部。这一点的理由是,娃扁平光波导120的厚度是细的,并且因此,光信号在厚度方向上不能完美地受到限制,从而导致了这样的分布:光强度分布的大部分在娃扁平光波导120的截面外部。
[0035]如上所述,因为根据该示例性实施例的光波导100具有小的光限制率,所以曲率半径难以减小。然而,在根据该示例性实施例的光波导100中,下列效果能够通过硅扁平光波导120的截面形状的大于或等于10的纵横比被实现。
[0036]第一效果是,根据该示例性实施例的光波导100能够将散射损耗减小至常规波导900的散射损耗的约十分之一,该散射损耗由波导的侧表面粗糙度(roughness)引起。关于光的传播损耗,在在本质上不吸收光的诸如硅的材料的情况下,大部分损耗来自波导的侧壁粗糙度中的散射损耗。具体地,当光速被限制到核心中的比率像在硅细线光波导920的情况下那样大时,与不同结构中的或不同材料的波导相比,核心的侧壁上的光是强烈的,并且出现显著的散射损耗。
[0037]图3描绘硅波导的每个截面结构的光传播常数的改变。在图3中,传播常数的斜度等同于波导的侧壁粗糙度的影响大小。例如,在波导宽度为0.Ιμπι至0.5μπι的情况下,波导厚度增加至0.Ιμπι以上导致了传播常数响应于波导宽度的变化而大变化。换言之,在硅波导的截面的纵横比约为1:1至2的情况下,由粗糙度等引起的波导宽度的变化导致了对波导宽度的变化敏感的传播常数的变化。
[0038]在图3中,点A和点B分别指示了对应于具有硅细线光波导920的波导900的位置,和对应于根据该示例性实施例的具有硅扁平光波导120的光波导100的位置。常规波导900(点Α)受到粗糙度的显著影响,这是因为传播常数响应于波导宽度的改变而大大变化。另一方面,根据该示例性实施例的光波导100的传播常数的斜度(点B)为波导900的传播常数的斜度(点A)的约十分之一,并且侧壁粗糙度的影响下降至光波导100中的波导900的侧壁粗糙度的影响的十分之一。
[0039]第二个效果是,根据该示例性实施例的光波导100能够仅通过使的硅扁平光波导120的宽度变窄,来提供令人满意的与基于不同材料的光波导的光耦合。与其它光波导相比,常规波导900的硅细线光波导920具有较小的截面,导致在光波导的连接部中的光束直径的大差异。例如,光纤中的光束直径为约ΙΟμπι,这与硅细线光波导920的亚微米束直径是相当不同的。因此,建议放大硅细线光波导920的束直径以使束直径与其它光波导的束直径一 Sc ο
[0040]图4Α和图4Β描绘了波导结构和通过波导传播的光的束直径的之间的关系。例如,当激光器由常规波导900和SOA的组合构成时,为了使基于作为SOA的原材料的InP的光波导的束直径与硅细线光波导920的束直径一致,SOA波导和硅细-线光波导920各自被处理以形成为锥形形状,使得它们的束形状成为直径为3μπι的圆。
[0041 ]在图4Α和图4Β中,点T、点A和点B指示束直径是3μπι以上的位置,该位置分别对应于具有硅细线光波导920的波导900,和对应于根据该示例性实施例的具有硅扁平光波导120的光波导100。如图4Α、图4Β中所示,点T是0.3μπι的波导宽度和将近0.05μπι的波导厚度;点A是将近0.4μπι的波导宽度和将近0.2μπι的波导厚度;点B是将近1.0ym的波导宽度和将近0.05Mi的波导厚度。
[0042]此外,当将波导900连接到SOA时,诸如波导宽度和波导厚度两者都被改变的二维锥形结构或两步式包覆结构的结构被用来将波导大小减小至硅细线光波导920的束直径(点Α)变成3μπι的点(点Τ)。然而,当应用二维锥形结构或两步式包覆结构时,其过程变得复杂。此外,由于硅细线光波导920将光信号强烈地限制在其内,所以仅通过改变波导大小不能容易地将光束直径放大。
[0043]另一方面,当激光器由根据该示例性实施例的光波导100和SOA的组合构成时,波导厚度不必改变,如图4Α、图4Β中所示,并且能够通过在一个方向上的横向渐缩的结构获得期望的束直径,在该方向中波导宽度从约1.Ομπι变化至将近0.3μπι。此外,根据该示例性实施例的硅扁平光波导120本质上具有小的光限制率,并且因此,能够容易地调节光束直径的大小。因此,能够容易地减小光耦合到基于不同材料的、诸如SOA的其它光学元件的损耗。
[0044]第三个效果是,当激光器由根据该示例性实施例的光波导100和SOA的组合构成时,与常规波导900和SOA的组合的情况下相比,能够更稳定地操作激光器。
[0045]如上所述,常规波导900显示了大的粗糙度散射,并且在这种情况下,光反射在散射点处变得更大。使用这样的光波导900作为外部谐振腔的激光器由于不必要的内反射导致不稳定的激光器操作。
[0046]与此相反,当激光器由根据该示例性实施例的光波导100和SOA的组合构成时,波导的侧壁粗糙度的影响是小的,并且在波导内的内反射量也很小。因此,通过使用根据该示例性实施例的光波导100作为外部谐振腔能够构成稳定操作的激光器。
[0047]第四个效果是,与常规波导900相比,根据该示例性实施例的光波导100能够减小硅扁平光波导120内的光的吸收损耗。硅的光吸收对于单个材料而言处于可忽略的水平,但是由于光密度变得很高,显著地发生双光子吸收,导致更大的光损耗。当双光子吸收发生时,光吸收量也随激光的输出功率的增加而增加,并且因此,光输出功率饱和。
[0048]与此相反,由于根据该示例性实施例的光波导100具有扁平光波导120,该扁平光波导120的光限制率小于硅细线光波导920的光限制率,因此它受到硅扁平光波导120中的光吸收的影响不大。换言之,由于光密度在硅扁平光波导120中是低的,所以特别地,它几乎不受与光强度的平方成比例的吸收(诸如,双光子吸收)的影响。
[0049]如上所述,与应用具有约1:1至2的截面纵横比的常规硅细线光波导920相比,应用具有约1:10的截面纵横比的硅扁平光波导120存在下述优点。换言之,尽管减小其曲率半径困难,但是能够构成这样的光波导:该光波导显示了其侧表面粗糙度的影响引起的小的散射损耗、在其内少量的内反射、和少的双光子吸收。
[0050]注意,上述效果在硅扁平光波导120的截面形状的纵横比为10以上的范围内出现。例如,在图3、图4A、和图4B的情况下,这是在硅扁平光波导120的波导宽度是0.8μπι至1.4μπι并且其波导厚度是0.02μπι至0.08μπι的范围内。此外,更多显著效果在硅扁平光波导120的波导宽度是0.9μπι至1.2μπι并且其波导厚度是0.04μπι至0.06μπι的范围内出现。
[0051 ]〈第二示例性实施例〉
[0052]将解释第二示例性实施例。该示例性实施例应用可变波长激光器作为外部谐振腔,其使用设置有在第一示例性实施例中解释的硅扁平光波导120的Si光子元件。根据该示例性实施例的可变波长激光器不仅由光谐振器构成而且由直接在PLC上实施的激光二极管(LD)或SOA构成,所述光谐振器由诸如PLC的平面光波导构成。
[0053]图5描绘了根据该示例性实施例的可变波长激光器的透明透视图。在图5中,可变波长激光器200由Si光子元件300和SOA 400构成。Si光子元件300由硅基底310、包覆构件320、第一硅扁平光波导330、第二硅扁平光波导340、第三硅扁平光波导350、第一硅扁平环形波导360和第二硅扁平环形波导370构成。
[0054]包覆构件320形成在硅基底310上。包覆构件320与在第一示例性实施例中解释的包覆构件110相同。
[0055]在包覆构件320中,硅扁平光波导330、340、和350和硅扁平环形波导360和370对准以便构成环形镜。
[0056]硅扁平光波导330、340和350各自以与在第一示例性实施例中解释的硅扁平光波导120的情况下的方式相同的方式形成。换言之,娃扁平光波导330、340、和350各自形成为I.Ομπι的光波导宽度、0.05μπι的光波导厚度和约1:20的截面纵横比的形状。
[0057]硅扁平环形波导360和370构成环形振荡器,该环形振荡器利用每一个波导之间的圆周长的微小差别来产生游标效应,其中两个峰值彼此匹配以在可变波长范围内提供期望的波长。因此,能够在可变波长激光器200中实现稳定的单模式振荡。硅扁平环形波导360、370只有必须能够构成环形振荡器,并且硅扁平环形波导的数量并不限于两个。
[0058]然后,通过由硅扁平光波导330、340、350和硅扁平环形波导360和370构成的环形镜,发自S0A400的光往返,并且在由镜和S0A400的发射端之间的环形振荡器(硅扁平环形波导360和370)选择的波长下振荡以实现激光共振。
[0059]第一硅扁平光波导330具有形成为横向锥形结构331的连接侧,该侧连接到SOA400的光波导。换言之,调节第一硅扁平光波导320与SOA 400的光波导的连接接口,使得通过应用横向锥形结构331,束形状成为直径为3μπι的圆,在横向锥形结构331中,中波导宽度从约1.Ομπι改变至将近0.3μπι,且波导厚度保持恒定。因此,在将第一硅扁平光波导330连接至IjSOA 400时的连接损耗下降至0.1dB以下。
[0060]由于横向锥形结构331可以不仅应用于波导宽度线性地改变的线性椎体,而且应用于波导宽度成指数地改变的指数椎体。注意,与线性椎体相比,指数椎体能够减小损耗。
[0061]此外,期望将非反射涂层施加到包覆构件320和SOA400之间的连接接口。所施加的非反射涂层能够防止在发射端处的光反射产生更大的连接损耗。当SOA 400的连接接口由不同于半导体的材料(诸如,二氧化硅)构成时,SOA 400的连接部可以涂覆有用于调节折射率的诸如凝胶的材料,并且此外,在S0A400的连接接口上可以形成用于调节折射率的抵抗凝胶的非反射涂层。
[0062]如是,上述可变波长激光器200显示了在第一示例性实施例中解释的四个效果,因为在构成外部谐振腔的Si光子元件300中,使用以与在第一示例性实施例中解释的硅扁平光波导120的情况中的方式相同的方式构成的娃扁平光波导330、340和350。换言之,由于根据该示例性实施例的可变波长激光器200的特征在于,硅扁平光波导330、340和350具有低传播损耗、低内反射和低耦合损耗,激光器能够在低电功率下振荡并且在期望的波长下实现稳定的激光共振。
[0063]注意,上述效果在具有长谐振腔长度的DBR-LD(分布式Bragg反射激光二极管)中显著呈现。换言之,因为DBR-LD在装置中具有许多谐振点,所以当由粗糙度的影响引起的散射损耗很大时,RIN(相对强度噪声)变大。因此,当根据该示例性实施例的硅扁平光波导330、340和350被应用于外部谐振腔时,能够提供具有小RIN的DBR-LD。
[0064]本申请发明并不限于上述示例性实施例,并且在不脱离本发明的精神的情况下,本发明包含任何设计改变。
[0065][工业实用性]
[0066]本申请中的发明能够广泛应用于连接到硅细线光波导的光波导。
[0067]本申请基于2014年3月7日提交的日本专利申请N0.2014-044935并且要求该日本专利申请的优先权,该日本专利申请的公开内容通过引用以其整体并入本文。
[0068]附图标记清单
[0069]100光波导
[0070]HO包覆构件
[0071]120硅扁平光波导
[0072]200可变波长激光器
[0073]300 Si光子元件
[0074]310硅基底
[0075]320包覆构件
[0076]330,340,350硅扁平光波导
[0077]360,370硅扁平环形波导
[0078]400 SOA
[0079]900光波导
[0080]910包覆构件[0081 ] 920硅细线光波导
【主权项】
1.一种光波导,包括: 包覆构件;和 核心层,所述核心层被布置在所述包覆构件内,并且由其折射率高于构成所述包覆构件的材料的折射率的材料形成为具有矩形截面形状的细长体,其中 所述核心层的截面形状是矩形,所述矩形在横向方向上的长度为在纵向方向上的长度的10倍以上。2.根据权利要求1所述的光波导,其中, 所述包覆构件由S12形成,并且 所述核心层由硅形成。3.根据权利要求1或2所述的光波导,其中,所述核心层的端区域形成为锥形形状,所述锥形形状在横向方向上具有逐渐减小的长度。4.根据权利要求1至3中的任一项所述的光波导,其中,所述核心层的截面形状是矩形,所述矩形在所述横向方向上具有0.8至1.4μπι的长度并且在所述纵向方向上具有0.02至0.08μηι的长度。5.一种光学部件,包括根据权利要求1至4中的任一项所述的光波导。6.根据权利要求5所述的光学部件,所述光学部件是环形振荡器,并且进一步包括: 两个以上环形波导,所述两个以上环形波导布置在所述包覆构件中并且具有彼此不同的圆周长。7.—种可变波长激光器,包括根据权利要求6所述的环形振荡器和化合物半导体放大器,其中 连接到所述化合物半导体放大器的所述环形振荡器的核心层的连接侧端被形成为锥形形状,所述锥形形状在所述横向方向上具有逐渐减小的长度。
【文档编号】H01S5/14GK106068470SQ201580011932
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2015年2月26日 公开号201580011932.9, CN 106068470 A, CN 106068470A, CN 201580011932, CN-A-106068470, CN106068470 A, CN106068470A, CN201580011932, CN201580011932.9, PCT/2015/976, PCT/JP/15/000976, PCT/JP/15/00976, PCT/JP/2015/000976, PCT/JP/2015/00976, PCT/JP15/000976, PCT/JP15/00976, PCT/JP15000976, PCT/JP1500976, PCT/JP2015/000976, PCT/JP2015/00976, PCT/JP2015000976, PCT/JP201500976
【发明人】小林直树, 佐藤健二
【申请人】日本电气株式会社
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