专利名称：波导型光分支元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及波导型光分支元件，尤其涉及具有按给定的分支比分支光的X分支型光回路的波导型光分支元件。
背景技术：
在光通信系统的存取系列网络中，用于将从2条输入侧光纤入射的波长为1.25～1.65μm的光不限于波长、偏振、输入口且按一定分支比向多个输出侧光纤分支的光分支元件(2×N分接器)成为不可缺少的构成要素。
2×N分接器，通常是由具有一定的分支比的2输入2输出的光分支元件(2×2分接器)和分别与该2×2分接器的各输出口纵向连接的两个1输入M输出的光分支元件(1×M分接器，且M＝N/2)构成。
一般来讲，由于2×2分接器的光学特性与1×M分接器相比较差，因而2×N分接器的光学特性主要受2×2分接器的光学特性的限制。因此，为了实现高性能、低价格的2×N分接器，实现不限于波长、偏振、输入口且具有一定分支比的2×2分接器成为重要的技术课题。
还有，由于2×2分接器是波导型光分支元件的最基本的构成要素之一，因此，实现不限于波长等条件且具有一定分支比的2×2分接器的话，还能应用在存取系列网络以外的光通信用零部件上或光通信以外的领域上所使用的光波导零部件上，因此，将大为有用。
作为实现分支比不依存于波长、偏振、输入口的2×2分接器的技术，已知有使用经热粘接及延伸的光纤的热粘接分接器、使用了马赫-曾德干涉仪的波导型波长非依存分接器(MZI-WINC)、使用了非对称X分支型光回路的波导型光分支元件(波导型分接器)及使用了定向耦合型光回路的波导型光分支元件。
如图12所示，使用了定向耦合型光回路的波导型光分支元件90，具有两个输入口91a、91b和两个输出口92a、92b，并且各输入口91a、91b和各输出口92a、92b分别与波导93、94连接。两个波导93、94彼此逐渐靠近，并形成由两个波导93、94平行地接近而构成的耦合部95。如图13所示那样，两个波导93、94由形成于基板96上且光传播方向截面为矩形形状的芯97，以及覆盖该芯97的包层98构成。另外，图中的G是耦合部95中的两个芯97之间的间隙的长度。
从波导型光分支元件90的一个输入口91a输入的光信号，在耦合部95上变换模式并按光电力比大致1比1地分支后从两个输出口92a、92b输出(例如参见专利文献1特许第3225819号公报；非专利文献1Y.Shani et al“Integrated Optic Adiabatic Devices on Silicon”，IEEE，J.Lightwave Technol.1991，vol.27，pp.556-566)。
还有，如图14所示，使用了非对称X分支型光回路的波导型光分支元件100，在未图示的基板上形成有两个输入口101a、101b和两个输出口102a、102b，并形成了将自输入口101a、101b及输出口102a、102b的光波导103、104、105、106耦合成X字形的耦合部107。输入口101a、101b侧的两条光波导103、104其芯的宽度相等，对此，输出口102a、102b侧的两条光波导105、106形成为，一方光波导105的芯宽度较大，另一方光波导106的芯宽度较小。
在图14的波导型光分支元件100上，从一个输入口101a输入的光信号也是在耦合部107上大致1比1地分支后从两个输出口102a、102b输出(例如参见非专利文献2M.Izutsu，A.Enokihara，T.Sueta“Optical-waveguidehybrid coupler”OPTICS LETTERS.1982，Vol.7，No.11，pp.549-551)。
然而，在使用了热粘接分接器或MZI-WINC的2×2分接器上，由于各自的制造方法及光回路的设计原理的原因，存在在所制作的光分支元件上容易产生制造误差且分支比随输入波长和输入口容易变化等问题。
因此，使用了热粘接分接器或MZI-WINC的2×2分接器会产生相对全部的使用波长、全部的输入口保持分支比恒定较难的问题。
还有，这种2×2分接器，受制造误差的影响其光学特性容易变化，因此，也不容易廉价地制造。
再有，在使用了现有的非对称X分支型光回路的波导型光分支元件或使用了定向耦合型光回路的光分支元件中，虽然在分支比不对称时(例如为1∶4或其以上)其有效性得以确认，但若在现实的制造条件下制造分支比为1∶1的波导型光分支元件，则存在分支比依存输入波长和输入口而较大地变动，以致不能满足光通信系统的要求性能的问题。
为此，在图12及图13中所说明的波导型光分支元件90上，为了不受输入波长或输入口限制并使分支比保持恒定，有必要加长耦合部95的长度(耦合长度)或加强在耦合部95的光耦合。
在非对称X分支型光回路及定向耦合型光回路上，根据关于在光的传播方向上结构变化(芯的截面形状变化)的系列的波动传播所论述的绝热定理，已知通过充分加长耦合长度，能够使上述光回路不受波长和输入口的限制并保持恒定，但在现实中，由于受制造设备和制造成本的限制，因此，不容易使光耦合的长度超过一定的值以上。还有，为了较长地形成耦合长度，而使波导型光分支元件的尺寸增大是不可取的。
为了在不加长耦合部95的长度的基础上实现一定分支比的非对称X分支型光回路，需要使耦合部95的间隙G变窄以加强两个光波导之间的光耦合，但耦合部95的间隙G非常微小，因此，以常用的制造方法，因受曝光及蚀刻技术的限制，难以使耦合部95的间隙G减小到一定值以下。
根据上述理由，在常用的制造方法中，在不加大实际光回路的尺寸的前提下实现一定分支比的非对称光回路是困难的。
发明内容
于是，本发明的目的在于解决上述课题提供不限于波长、偏振及输入口并具有一定分支比的输入输出2×2的波导型光分支元件。
为了达到上述目的，本发明的第一方案的波导型光分支元件，在形成有两个输入口及两个输出口，并使自上述输入口及上述输出口的光波导渐渐地靠近而形成耦合部的波导型光分支元件中，做成在从上述输入口到上述耦合部的输出端的范围内，当光从一个输入口输入时主要激发偶数模，当光从另一个输入口输入时主要激发奇数模，与此同时，使上述耦合部的波导的芯在高度方向的中央宽度比芯在高度方向的上面的宽度大。
本发明的第二方案的波导型光分支元件，在形成有两个输入口及两个输出口，形成有分别连接于两个输入口上的输入波导，形成有分别连接于两条输入波导上并互相渐渐地靠近的耦合用波导，形成有分别连接于上述两个输出口上的输出波导，形成有分别连接于两条输出波导上并互相渐渐地靠近的分支用波导，并通过一个连接用波导连接上述耦合用波导和上述分支用波导的波导型光分支元件中，做成在从上述输入口到上述耦合用波导的输出端的范围内，当光从一个输入口输入时主要激发偶数模，当光从另一个输入口输入时主要激发奇数模，与此同时，使上述耦合用波导的芯在高度方向的中央宽度比芯在高度方向的上面的宽度大。
本发明的第三方案是，在第二方案所述的波导型光分支元件中，使两个耦合用波导的芯宽度非对称地变化的同时，渐渐地缩小两个耦合用波导的间距。
本发明的第四方案是，在第二方案或第三方案所述的波导型光分支元件中，从输入口到输出口的分支比在4∶1～1∶4的范围内。
本发明的第五方案是，在第一方案至第四方案任意一项所述的波导型光分支元件中，上述芯为使用石英或掺有杂质的石英而形成。
根据本发明，能够得到不限于波长、偏振及输入口且按一定分支比分支输入光的突出的效果。
图1是表示本发明的波导型光分支元件的较适合的第一实施例的俯视图。
图2是图1的沿2A-2A线的剖视图。
图3是说明耦合部上的光耦合原理的模式图。
图4是说明光输入到一方耦合用光波导上时的耦合部上的光的固有电场分布的模式图。
图5是说明光输入到另一方耦合用光波导上时的耦合部上的光的固有电场分布的模式图。
图6是表示现有波导型光分支元件的输入口及输出口与透射损失之间的关系的图。
图7是表示图1的波导型光分支元件的输入口及输出口与透射损失之间的关系的图。
图8是表示图1的波导型光分支元件的透射损失的偏振依存性的图。
图9是表示图1的波导型光分支元件的透射损失的波长依存性的图。
图10是表示较适合的第二实施例的波导型光分支元件的俯视图。
图11是表示较适合的第三实施例的波导型光分支元件的俯视图。
图12是表示具有现有的定向耦合器型光回路的波导型光分支元件的俯视图。
图13是图12的沿13A-13A线的剖视图。
图14是表示使用了现有的X分支型光回路的波导型光分支元件的俯视图。
图中10-波导型光分支元件，16-输入侧间距变换部，17-耦合部，18-连接部，19-分支部，20-输出侧间距变换部，21、22-输入波导，23、24-输出波导，25、26-耦合用波导，27、28-分支用波导，29-连接用波导。
具体实施例方式
下面根据
本发明的较适宜的一个实施方式。
图1是表示本发明的波导型光分支元件的较适合的实施方式的俯视图。
如图1所示，本实施方式的波导型光分支元件10在基板11上由芯和包覆芯的包层组成的光波导构成，并且两个输入口12、13和两个输出口14、15互相形成于基板11的相反一侧的端面上。输入口12、13及两个输出口14、15用于与外部的光输入输出。
在该两个输入口12、13上分别连接输入波导21、22，在两个输出口14、15上分别连接输出波导23、24。在两条输入波导21、22上分别连接互相渐渐地靠近的耦合用波导25、26，在两条输出波导23、24上分别连接互相渐渐地靠近的分支用波导27、28，且耦合用波导25、26和分支用波导27、28通过一个连接用波导29连接。
如图2所示，在本实施方式中，基板11由石英或Si形成，并在基板11的上面形成由纯石英或掺有杂质的石英构成的下部包层41，在下部包层41的上面形成由纯石英或掺有杂质的石英构成的芯42，并以覆盖芯42及下部包层41的方式层叠由纯石英或掺有杂质的石英构成的上部包层43。芯和包层之间的折射系数之差Δ为0.3～0.4％，芯42的膜厚为7.0～8.0μm。
还有，在基板11由石英形成的情况下，也可以不设置下部包层41。
返回图1，在波导型光分支元件10中，由两条输入波导21、22构成的部位作为输入侧间距变换部16，由互相靠近的两条耦合用波导25、26构成的部位作为耦合部17，由连接用波导29构成的部位作为连接部18，由互相靠近的两条分支用波导27、28构成的部位作为分支部19，由两条输出波导23、24构成的部位作为输出侧间距变换部20。
在输入侧间距变换部16上，通过在输入波导21、22上形成弯曲，并直到将要发生光耦合为止使两条输入波导21、22之间的间隔缩短，从而发挥防止耦合部17过分拉长的作用。
耦合部17对实现波导型光分支元件10来讲是最为重要的部分，由两条波导隔着微小的间距平行而形成，并且耦合用波导25、26的光耦合力较弱，且对在耦合部17上传播的光存在两个超模。
具体来讲，作为耦合部17，一方耦合用波导(图中上侧)25以其芯宽度朝向输入端33渐渐地变大的方式形成，另一方耦合用波导(图中下侧)26以其芯宽度朝向输入端33渐渐地变小的方式形成，再有，耦合用波导25、26之间的距离朝向输入端33渐渐地变小。
耦合部17以从一方输入端31输入的光在耦合部17的输入端33上只激发具有大致偶对称性的超模(偶数模)，从另一方输入端32输入的光在耦合部17的输入端33上只激发具有大致奇对称性的超模(奇数模)的方式发挥控制光的电场成分的振幅分布及相位分布的作用。
为此，耦合部17具有满足如下两个条件的结构。
(A)“在输入端33，两条耦合用波导25、26具有不同的芯宽度W1、W2”。
(B)“两条耦合用波导25、26之间的距离从输入端31、32朝向输入端33渐渐地变小”。
连接部18具有连接耦合部17的输入端33和分支部19的输入端34的一条连接用波导29。连接用波导29通过调节产生在耦合部17上的不必要电场成分的相对相位，发挥减小分支比的输入口依存性的作用。
连接用波导29设计成光电场分布在垂直于传播方向的波导截面内，尽量在从耦合部17的输入端33到分支部19的输入端34之间不发生变化。也可以完全省去连接部18而直接连接耦合部17的输入端33和分支部19的输入端34。
分支部19及输出侧间距变换部20将入射到分支部19的输入端34上的具有偶对称性的超模(偶数模)和具有奇对称性的超模(奇数模)的光能按一定的分支比分配给大致按给定间距隔开的输出口14、15，并发挥向外部输出的作用。在分支部19上，虽然为了使两条分支用波导27、28的分支比为1∶1而形成了对称Y形分支，但也有形成为具有非对称Y形分支、两根带锥度的正弦曲线图形、锥形图形、带偏置的圆弧图形或两根带锥度的直线图形的形状。
这里，说明耦合部17中光耦合的机构。
如图3所示，为了实现不限于波长、偏振、输入口且具有一定分支比的非对称X分支回路，有必要不受波长、偏振、输入口的限制地使对输出波导23、24的输入光的电场分布与分支用波导27、28的输入端34上的基(0次)模(图中a)及高次(1次)模(图中b)一致。
如图4所示，采取通过使耦合部17的从芯直径较大的耦合用波导25输入的光渐渐地耦合到芯直径较小的耦合用波导26上，使得耦合部17的输入端33上的电场分布与分支用波导27、28的输入端34上的基模(图3中的a)一致，且如图5所示，当光从耦合部17的芯直径较小的耦合用波导26输入时，使光从芯直径较小的耦合用波导26渐渐地耦合到芯直径较大的耦合用波导25上，使得耦合部17的输入端33上的电场分布与分支用波导27、28的输入端34上的高次模(图3中的b)一致的方式，决定两根耦合用波导25、26的形状及有效折射率。
耦合用波导25、26只要是在耦合部17的输入端33上从输入口12输入的光只激发具有大致偶对称性的超模(偶数模)，并在耦合部17的输入端33上从输入口13输入的光只激发具有大致奇对称性的超模(其数模)的结构即可，并不限定于图1所示的形状。
然而，虽然可考虑多个能够同时满足上述两种必要条件(A)、(B)的耦合部17的光回路图形，但一般来讲，凭经验可知要么不限于光回路的图形而充分加长耦合波导长度(两根耦合用波导25、26达到能够进行光电力交换程度地彼此靠近的区域)，要么充分缩小两条耦合用波导25、26之间的距离(间距)，不然，无法满足上述必要条件。
不过，本实施方式的波导型光分支元件10，其特征在于，注意到缩小波导芯中央部的间距G′比缩小芯上面的间距G更重要，并做成芯在高度方向的中央部的宽度W1′、W2′比芯在高度方向的上面的宽度W1、W2大(参见图2)。
在波导型光分支元件10的耦合部17，将两条耦合用波导25、26的芯侧面44、45形成斜面，并做成各个耦合用波导25、26的芯的中央部的宽度W1′、W2′比芯上面的宽度W1、W2大。由此，芯中央部的间距G′形成为比芯上面的间距G狭窄。
在耦合部17，两条耦合用波导25、26，形成为芯宽度相对光的传播方向直线地变化的直线锥形状或曲线地变化的曲线锥形状。对于输入端33上的芯宽度，一方的耦合用波导25的上面的芯宽度W1为7.0～9.0μm，另一方的耦合用波导26的上面的芯宽度W2为2.0～3.0μm。连接部18的长度为1.0μm。分支部19的分支用波导27、28，为了使分支比为1∶1，形成为芯宽度彼此相等。从耦合部17的输入端31、32到分支部19的输入端35的长度L做成8.0～10μm。
波导型光分支元件10，虽然用光刻法及蚀刻法等形成并制作光回路的图形，但通过使芯的侧壁44、45倾斜，能够使芯中央部的间距G′比由曝光精度的极限决定的芯上面的间距G更小。因此，能够使用一直沿用的制造方法形成较狭窄的间隙，即能够实现较强的光耦合的波导型光分支元件，并能够大幅度地改善非对称X分支光回路的分支特性。
这里，将耦合用波导25、26的芯侧壁垂直地形成，其他光回路图形与图1的波导型光分支元件10相同地形成的波导型光分支元件(G＝G′)的透射损失表示在图6上，并将本实施方式的耦合用波导25、26的芯侧壁44、45形成斜面的图1的波导型光分支元件10(G＞G′)的透射损失表示在图7中。在图6及图7中，纵轴表示透射损失且横轴表示元件序号(A～D)和各个输出口序号。例如在图6中，对于以同形状、同条件制作的四个波导型光分支元件(元件A～元件D)，表示根据输入输出口的组合和变换检测波长测定其透射损失后的结果。口序号表示输入-输出，例如1-1表示从输入1(参见图1)输入并从输出1输出的光的透射损失。特性曲线51、53表示输入波长为1.31μm时的情况，特性曲线52、54表示输入波长为1.55μm时的情况。
如图6所示，在耦合用波导25、26的芯侧壁垂直地形成的波导型光分支元件中，相对因输入波长和输入口产生的1.5dB左右的透射损失的标准离差，如图7所示那样，在本实施方式的波导型光分支元件10(耦合用波导25、26的芯的侧壁44、45倾斜时)中，能够将因输入波长和输入口引起的透射损失的标准离差抑制在0.5dB以下，并能够得到实用上充分的特性。
图6及图7所示的波导型光分支元件的特性结果表明，由于除了耦合用波导25、26的侧壁角以外采用了同一试制条件，因此，通过使芯的侧壁倾斜，能够实现不限于波长和输入口且分支比恒定的非对称X分支光回路。
还有，如图8所示，在本实施方式的波导型光分支元件的偏振依存损失(PDL)中，由波长和输入口引起的透射损失的标准离差抑制在0.05dB以下，也能够减小透射损失的偏振依存性。
如图9所示，波长为1.25～1.65μm时的透射损失的标准离差为0.3dB以下，且几乎不存在透射损失的波长依存性。
如此地、若选择耦合用波导25、26的侧壁形状使得G-G′＞0，则能够缩小实效上的间距，能够改善非对称X分支的分支比特性，并能够实现分支比随波长、偏振、输入口几乎不产生变化的理想的2×2分接器。
在本实施方式中，虽然只将耦合用波导25、26的芯侧壁44、45形成为斜面，但也可以将基板上的整个光波导(输入波导21、22、输出波导23、24、分支用波导27、28、连接用波导29)的芯侧面形成为斜面。通过将整个光波导的芯侧面形成为斜面，具有减少曝光、蚀刻等上的制造工艺步骤的益处。
至此，在本实施方式中，对于输出侧的分支比为1∶1的波导型光分支元件作了说明，但也能够容易地实现其他的分支比为1∶4～4∶1左右的2×2分接器。
下面根据图10说明本发明的较适宜的第二实施方式。
虽然其基本结构部分与上述图1的波导型光分支元件10大致相同，对相同的结构部分附注与图1的场合相同的符号，但不同点在于，在分支部71，通过非对称地形成两条分支波导，实现了1∶1以外的分支比。
如图10所示，本实施方式的波导型光分支元件70，在分支部71的输入端34中，一方(图中上侧)的分支用波导72的宽度形成为比另一方(图中下侧)的分支用波导73的宽度大，分支用波导72形成为朝向输出波导23其芯的宽度渐渐地减小，分支用波导73形成为朝向输出波导24其芯的宽度渐渐地变大，与此同时，使输出波导23、24彼此芯宽度相等并连接。
如图11所示，较适宜的第三实施方式的波导型光分支元件80与图1的波导型光分支元件10相比在分支部81及输出侧间距变换部82上不同。波导型光分支元件80在分支部81的输入端34，两个分支用波导83、84形成为其芯宽度彼此相同，一方的(图中上侧)分支用波导83形成为其芯的宽度朝向输出波导23保持一定，另一方的分支用波导84形成为其芯的宽度朝向输出波导85渐渐地减小，且连接于该分支用波导84上的输出波导85也形成为其芯宽度相对另一方的输出波导23小。
第二及第三实施方式的波导型光分支元件70、80，在分支部71、81的波导形状(输入端和输出端上的芯宽、锥形状、回路形状)上有较大的任意性，并通过根据光束传播方法(Beam Propagation Method)等数值计算的方法，适宜地选择形状、长度、折射系数等参数而形成，能够按所期望的分支比分支光。
图10及图11所示的波导型光分支元件70、80也与图1的波导型光分支元件10相同，通过至少在耦合部17做成其芯中央的宽度大于芯上面的宽度，能够加强光耦合力，并改善非对称X分支光回路的分支特性。
本发明的有效范围并不限于上述参数范围内。本发明的将芯的侧壁做成倾斜，从而改善非对称X分支光回路的分支特性的方法，可适用于各种各样的波导材料、折射系数差、芯膜厚、耦合部的回路图形及分支部的图形。
第一～第三实施方式的波导型光分支元件10、70、80，能够作为干涉仪内部的分支元件使用。在各种干涉仪(马赫-曾德、迈克耳逊、泰曼等)的输入输出部上，需要对波长、偏振、输入口依存性较小的分支回路。因此，本实施方式的波导型光分支元件10，对干涉仪的工作波长的宽带化非常有用。
尤其，若在马赫-曾德干涉仪上使用波导型光分支元件10，则比以往更能够使波长分离器、VOA(可变光衰减器)、1×2光开关、2×2光开关宽带化，从而有用。
由于波导型光分支元件10、70、80能够作为光强度监测器用分支元件使用，还有，其动作波长带较宽且制造误差所引起的特性变动较小，因此，作为宽带的光强度监视器用也是有用的(拉曼放大系统的功率监视器、计算测量及加工用等)。
再有，波导型光分支元件10、70、80，能够在有必要操作横跨波长400～700nm的较广范围的波长的可见光用设备或差频混合、二次谐波发生、4波混频、参量放大、参量起振等需要多个波长的非线性光学器件等需要X分支的宽带的器件上应用。
权利要求
1.一种波导型光分支元件，形成有两个输入口及两个输出口，并使自上述输入口及上述输出口的光波导渐渐地靠近而形成耦合部，其特征在于，在从上述输入口到上述耦合部的输出端的范围内，当光从一个输入口输入时主要激发偶数模，当光从另一个输入口输入时主要激发奇数模，与此同时，使上述耦合部的波导芯在高度方向的中央宽度比芯在高度方向的上面的宽度大。
2.一种波导型光分支元件，形成有两个输入口及两个输出口，形成有分别连接于两个输入口上的输入波导，形成有分别连接于两条输入波导上并互相渐渐地靠近的耦合用波导，形成有分别连接于上述两个输出口上的输出波导，形成有分别连接于两条输出波导上并互相渐渐地靠近的分支用波导，并通过一个连接用波导连接上述耦合用波导和上述分支用波导，其特征在于，在从上述输入口到上述耦合用波导的输出端的范围内，当光从一个输入口输入时主要激发偶数模，当光从另一个输入口输入时主要激发奇数模，与此同时，使上述耦合部的波导的芯在高度方向的中央宽度比芯在高度方向的上面的宽度大。
3.根据权利要求2所述的波导型光分支元件，其特征在于，使两个耦合用波导的芯宽度非对称地变化的同时，渐渐地缩小两个耦合用波导的间距。
4.根据权利要求2或3所述的波导型光分支元件，其特征在于，从输入口到输出口的分支比在4∶1～1∶4的范围内。5.根据权利要求1至4中任意一项所述的波导型光分支元件，其特征在于，上述芯使用石英或掺有杂质的石英而形成。
全文摘要
本发明提供不限于波长、偏振及输入口且具有一定分支比的输入输出2×2的波导型光分支元件。本发明在形成有两个输入口(12、13)及两个输出口(14、15)并使自输入口(12、13)及输出口(14、15)的光波导(25、26)渐渐地靠近而形成耦合部(17)的波导型光分支元件中，做成在从输入口到耦合部(17)的输出端(33)的范围内，当光从一个输入口(12)输入时主要激发偶数模，当光从另个输入口(13)输入时主要激发奇数模，使耦合部(17)的波导(25、26)的芯在高度方向的中央宽度(W1′、W2′)比芯在高度方向的上面的宽度(W1、W2)大。
文档编号G02B6/26GK1952708SQ20061013571
公开日2007年4月25日 申请日期2006年10月17日 优先权日2005年10月18日
发明者石川弘, 白田知之 申请人:日立电线株式会社