光波导和使用该光波导的光斑尺寸转换器的制作方法

专利名称：光波导和使用该光波导的光斑尺寸转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光波导和使用该光波导的光斑尺寸转换器，具体地涉 及与光纤耦合的光波导的形状以及关于该光波导的构造的思想。
背景技术：
随着近年来通信技术的进步，己经对作为光通信系统的一部分的光回 路进行了各种类型的开发。因为平面光波回路在改善功能、减小尺寸以及 降低成本方面非常优秀，所以对于光波导装置的期望正在高涨。
在光波导装置中，为了以非常有效率的方式将光波导与光纤耦合，光 波导的模需要与光纤的模相匹配。
一般地，与光纤相比，光波导的相对折
射率差A较大，并且光波导的模直径较小。这里，使用折射率nl的芯层 和折射率n2的包层，相对折射率差A如下所示A^nl-n2ynl。此外，当 导波光的光强度分布可以通过高斯形曲线近似时，模直径为光强度相对于 光强度的最大值(通常对应于芯层的中央部分)变为1/e2 (e为自然对数 的底数)的部分的直径(MFD:模场直径)。
一般的思想是使光纤的模直径靠近光波导的模直径(例如，见专利文 献1)。但是，特别是在多通道光纤阵列的情况下，改变光纤的模直径尤 其困难。即使有可能，成本也非常高。因此，在过去，为了实现低损耗耦 合只改变过光波导式样(例如，见专利文献2到8等)。
但是，光波导的A随着光波导装置的尺寸减小而逐渐增加，并且根据 上述方法，光波导的加工尺寸需要非常微细并且非常精确。因此，变得难 以将模直径调整为光纤的直径。
因此，通过改变光波导的构造来增大模直径的方法之一为形成新的光 波导，其A为光波导的A与光纤的A之间的中间值，以使得新的光波导被 插入光波导与光纤之间(例如，见专利文献9到12等)。专利文献l:日本专利No. 3,318,406 专利文献2: JP-A-06-027334 专利文献3:日本专利No. 3,663,310 专利文献4: JP-A-2000-235128 专利文献5: JP-A-2001-337252 专利文献6: JP-A-2002-258078 专利文献7: JP-A-2005-115017 专利文献8: JP-A-2006-146212 专利文献9: JP-A-05-249331 专利文献10:日本专利No. 3450068 专利文献lh JP-A-04-015604 专利文献12: JP-A-03-081740

发明内容
技术问题
然而，上述相关技术中的任何一种都不能充分地减小耦合损耗。艮P， 上述技术具有由于形成方法的复杂性而产生的关于成本和再现性的问题， 由于折射率的不匹配而产生的关于反射发生在断面处的构造的问题，以及 由于两个或更多波导可能接收光纤的光而产生的关于光轴的调整的问题。 因此，没有能获得足够性能的光斑尺寸转换器。因此，为解决该问题，需 要新的光波导以及新的用于光纤高效耦合方法。
本发明的目的为解决上述问题，并当光波导与光纤耦合时实现高效的稱合。
解决问题的方法
为实现上述目的，根据本发明，光波导包括平板形状的衬底、设置在
衬底上的下包层以及设置在下包层上并传输光的芯层。这种光波导包括 第一光波导，其包括在包层上作为芯层的第一芯层，并被设置为沿着光传 播的方向延伸到光波导的第一位置；第二光波导，其包括下包层上作为芯
5层的第二芯层，并被设置为沿着光传播的方向延伸到光波导的第二位置， 并相对于第一光波导具有较低的相对折射率差。在第一位置与第二位置之 间，第一光波导和第二光波导形成层构造，在所述层构造中，第一芯层和 第二芯层被设置为使得在垂直于衬底的方向上第一芯层定位在离第二芯层 预定距离的位置。第一光波导和第二光波导中的至少一者包括模耦合 部，其包括在第一位置与第二位置之间进行第一芯层与第二芯层的模耦合 的定向耦合器；模转换部，其连接到模耦合部，并具有锥形芯层构造以将 第一芯层的模直径调整到第二芯层的模直径。
本发明的有益效果
根据本发明，当光波导与光纤耦合时，可以以非常高效率的方式完成
稱合o


图1为示出了根据本发明的第一示例的光波导的示意构造的图示。图 1A为上表面主要部分的截面图。图1B为平面主要部分的截面图。图1C 为右侧面主要部分的截面图。图1D为左侧面主要部分的截面图。
图2为示出了根据本发明的第二示例的光波导的示意构造的图示。图 2A为上表面主要部分的截面图。图2B为平面主要部分的截面图。图2C 为右侧面主要部分的截面图。图2D为左侧面主要部分的截面图。
图3为示出了根据本发明的第二示例的光波导的示意构造的图示。图 3A为上表面主要部分的截面图。图3B为平面主要部分的截面图。图3C 为右侧面主要部分的截面图。图3D为左侧面主要部分的截面图。 参考标记表
1:光波导
2:高A光波导(第一光波导)
2a:第一线性波导部
3:低A光波导(第二光波导)
3b:第二线性波导部11: Si衬底 12:下包层
13:高A芯层(第一芯层)
14:低A芯层(第一芯层)
15:回流层
16:上包层
17:第一模转换部
18:模耦合部
19:第二模转换部
20:第二无反射终端部
21:第一无反射终端部
具体实施例方式
随后参照

本发明的示例性实施例。
本示例性实施例使用光波导的形状和构造发生了改变的光斑尺寸转换 器。因此，本示例性实施例实现了光波导与光纤的高效率的耦合以及光波 导之间高效率的耦合。具体地，本示例性实施例将具有相对高的折射率差 △的光波导与用于光通信的单模光纤(SMF)以非常高效率的方式耦合到 一起。
因此，使用本示例性实施例的光波导的光斑尺寸转换器具有平面光波 导的结构，其至少包括平板形状的衬底；设置在衬底上的下包层；以及 设置在下包层上的芯层。芯层包括至少两种芯层具有高相对折射率差的
光波导(高A光波导)，以及具有低相对折射率差的光波导(低A光波 导)。在这些芯层耦合到一起的区域中，通过使高A光波导与低A光波导
分隔开预定的距离，在垂直于衬底的方向上形成了层构造。这些芯层中的
至少一个具有模转换部(模转换器部分)，其使用锥形构造将该芯层的 模直径调整到其他芯层的模直径；模耦合部(模耦合部分)，其使用定向
耦合器将该芯层与其他芯层耦合。
根据上述结构，高A光波导与低A光波导都可以具有模转换部和模耦合部。但是，高A光波导或低A光波导至少一者可以具有锥形无反射终端 构造，该构造的宽度朝向尖端减小。此外，高A光波导和低A光波导都可 以具有宽度朝向尖端减小的锥形无反射终端构造。此外，当通过高A光波 导和低A光波导在垂直于衬底的方向上形成层构造时，可以在高A光波导 作为下层并且低A光波导作为上层的情况下，实现模式耦合。
如上所述，根据本示例性实施例，插入并形成了新的低A光波导，并 且在光波导与光纤耦合到一起的区域中将模直径调整到的对方的模直径， 其中新的低A光波导的相对折射率差A介于高A光波导与低A光波导之 间。因为所使用的光斑尺寸转换器具有在高A光波导与低A光波导之间设 置了缓冲的多层构造的定向耦合器，所以实现了高效率的耦合。
因此，本示例性实施例表现出以下效果。
第一效果是通过设置低A光波导作为中间A，使得将模直径调整到对 方的模直径更容易，其中低A光波导为高A光波导与光纤之间的中间部 分。因此，可以在保持低功率损耗的情况下，将功率从高△光波导传输到 低A光波导。此外，可以在保持低功率损耗的情况下，使用朝向尖端变得 更粗的传统的锥形(taper)或者朝向尖端变得更细的传统的锥形，将低A 光波导与光纤耦合到一起。通过将耦合过程分割为两步，能够更容易将模 直径调整到对方的模直径。因此，可以实现高效率耦合。
第二效果可以归功于模转换部与模耦合部的分离。与传统技术不同， 用于光波导的模耦合部的目的是保持稳定的模在光到达模耦合部之前， 实现模转换以使得每个波导具有相同的模直径，之后在模耦合部传递光功 率。由于上述构造，所形成的光斑尺寸转换器对于抵抗间隙的一些改变和 光波导之间尺寸的差别非常可靠。
第三效果是因为低A光波导被夹在光纤与高A光波导之间，所以高A 光波导不直接出现在光学装置的端面上。因为高A光波导不直接出现在光 学装置的端面上，所以可能由折射率的不同所引起的端面反射(费涅耳反 射)几乎不出现。S口，可以抑制端面反射的返回光效果。此外，不直接出 现在光学装置的端面上的高A光波导的另一个效果为在端面处可以观察到 一个出光端。如果在端面处可以观察到多个芯层，因为光轴倾向于相互发散，所以光轴的对准将变得难以处理。但是，本示例性实施例也具有以下 特征因为仅有一个出光端，所以光轴几乎不彼此发散。 随后描述本发明的具体示例。
示例1
图1为示意地示出了根据本发明的第一示例的使用光波导1的光斑尺 寸转换器的构造的示例的示意图。图1A为上表面主要部分的截面图。图 IB为平面主要部分的截面图。图1C为右侧面主要部分的截面图。图ID
为左侧面主要部分的截面图。附带地，图1A和图1B示出了光波导1的主
要部分的截面表面。如图中的波浪线所示，光波导1的两端都不限于实际 波导芯片的端面。此外，在由该图所示出的示例的情况下，光波导1与光 纤耦合。可选择地，光波导1可以应用到其他情况，诸如当光波导1与例
如SOA (半导体光放大器)或LD (激光二极管)而不是光纤耦合时的情 况。
图1A到图1D中图示的光波导1以与平板形状的Si衬底11的平面表 面相平行的方向延伸。光波导1包括下包层12，其设置在Si衬底11 上；芯层，其设置在下包层12上并传导光；上包层16，其设置在芯层 上。如下所述，芯层为两层的芯层，即，经由回流层(缓冲)15在垂直于 Si衬底11的方向上设置在不同位置的下层高A芯层(第一芯层)13以及 上层低A芯层(第二芯层)14。
由于两层的芯层构造，光波导1包括高A光波导(第一光波导)2 以及低A光波导(第二光波导)3，其中高A光波导2具有高A芯层13。 高A光波导2被设置为沿着光传播的方向延伸到光波导1的第一位置Pl。 高△光波导2的相对折射率差A高于光纤的相对折射率差△。低△光波导 3被设置为沿着光传播的方向延伸到光波导1的第二位置P2。低A光波导 3的差A高于光纤的差A，但是低于高A光波导的差A。
在第一位置Pl与第2位置P2之间，高△光波导2和低△光波导3形 成层构造高A芯层13和低A芯层14被设置为使得高A芯层13经由回 流层15在垂直于Si衬底11的方向上定位在距离低A芯层14预定距离的位置。根据上述层构造，高A光波导2设置在下层，低A光波导3设置在 上层。回流层15作为高△光波导2与低△光波导3之间的波导间空隙 (缓冲)。
在第一位置Pl与第二位置P2之间，高A光波导2与低△光波导3包 括模耦合部(完全耦合部)18，模耦合部18包括进行高A芯层13与低A 芯层14之间的模耦合的定向耦合器。
例如，高A光波导2连接到图中未示出的各种光学回路。高A光波导 2包括线性延伸的第一线性波导部2a;第一模转换部(模转换器)17， 其将第一线性波导部2a与膜耦合部18顺序地连接以处于它们之间，并且 第一模转换部17具有锥形芯层构造以将高A芯层13的模直径调整到低△ 芯层14的模直径；第一无反射终端部21，其顺序地连接到模耦合部18的
末端并具有宽度朝向尖端减小的锥形芯层构造。
在图l的示例中，低A光波导3连接到光纤。低A光波导3包括线 性延伸的第二线性波导部3a;第二模转换部(模转换器)19，其将第二线 性波导部3a与膜耦合部18顺序地连接以处于它们之间，并且第二模转换 部19具有锥形芯层构造以将低A芯层14的模直径调整到高A芯层13的 模直径；第二无反射终端部20，其顺序地连接到模耦合部18的末端并具 有宽度朝向尖端减小的锥形芯层构造。
在图l的示例中，低A光波导3连接到光纤。但是，在示例中，低A 光波导3可以被应用到其他情况中，诸如，当低A光波导3经由光回路或 锥形光斑尺寸转换器连接到光纤时或当低A光波导3直接连接到光纤时的 情况。
石英用来制作下包层12、回流层15以及上包层16。下包层12、回流 层15以及上包层16的厚度为15/mi。高△芯层13有3平方/zm的尺寸。 低A芯层14有5平方/mi的尺寸。折射率有以下关系高A芯层13〉低A 芯层14>下包层12=上包层16。对于相对折射率差△，高△为2%，低△ 为1%。
在第一模转换部17中的高A芯层13为锥形，使得波导的宽度从3/mi 改变到0.7/mi。高A芯层13的模在模耦合部18与低A芯层14的模相耦
10合。在第二模转换部19中的低A芯层14为锥形，使得波导的宽度从5/mi
改变到2.5/mi。低△芯层14的模在模耦合部18与高△芯层13的模相耦 合。
此外，对于高A芯层13，第一无反射终端部21被制造为使其接着第 一模转换部17和模耦合部18，由此防止没有完全耦合的光成为返回光。 类似地，对于低A芯层14，第二无反射终端部20被制造为使其接着第二 模转换部19和模耦合部18，由此防止未完全耦合的光成为反射光。
通过上述结构，在高A光波导2的模直径在第一模转换部17和第二 模转换部19处被调整为低A光波导3的模直径之后，光波导1在模耦合 部18处进行模耦合。因此，在将功率损耗保持得非常低的同时，可以进 行耦合。结果，低A芯层14与高A芯层13的耦合损耗为O.ldB。此外， 因为对于低A芯层14形成了 0.7/mi的宽度朝向尖端减小的锥形，所以当 低△芯层14与单模光纤耦合时，低△芯层14与单模光纤的耦合损耗为 0.3dB。因此，从高A芯层13到单模光纤的总耦合损耗或者说两个损耗之 和为0.1+0.3=0.4dB。
与此相反，如果高△芯层13保持3/mi的波导宽度不变，在从高△芯 层13直接连接到单模光纤而不是上述结构的情况下，损耗为4.0dB。如果 在高△芯层13的耦合部分处形成宽度为0.7/mi并朝向尖端减小的锥形， 耦合损耗从2.5dB改善到1.5dB，这仍然是较大的耦合损耗。附带地，如 果高A芯层13的光波导可以为锥形的以使得宽度小到0.3Mm，那么可以以 0.2dB到0.3dB的耦合损耗完成耦合。但是，在生产工艺方面，很难生产 宽度0.3/xm的光波导。再现性也很难实现。因此，即使使用宽度朝向尖端 变小的锥形，也希望所使用的光波导的宽度应该尽可能得大以改善再现 性。
此外，根据本示例，回流层15作为模耦合部分18处的波导间空隙。 通过使用回流层15，可以保持预定的距离。因此，可以稳定地生产光斑尺 寸转换器。
如上所述，通过使用具有多层构造的光斑尺寸转换器表现出了低损耗因此，根据本示例，通过使用具有多层构造的定向耦合器的光斑尺寸
转换器实现了高效率耦合，其中回流层15设置在高A光波导2与低A光 波导3之间作为缓冲。
示例2
随后参考附图详细描述本发明的第二示例。
图2为示意地示出了根据本示例的光波导1的结构的示例的示意图。 图2A为上表面主要部分的截面图。图2B为平面主要部分的截面图。图 2C为右侧面主要部分的截面图。图2D为左侧面主要部分的截面图。
图2A到图2D中示出的本示例的光波导1与第一示例的光波导具有相 同的基本结构。但是，本示例与第一示例之间的区别在于本示例的光波导 不具有第一无反射终端部20和第二无反射终端部21。接下来描述这个区 别。
如果在模耦合的时候不能完成完全耦合，光被光波导的末端反射并作 为返回光返回。这种反射光作为噪声而影响装置，导致有可能降低装置的 性能。因此，期望光波导1与第一示例一样装备无反射终端部。但是，如 果完全地完成了模耦合，那么基本没有反射光的影响。在这种情况下，即 使光波导1没有装备无反射终端部，也基本没有问题。因此，第二示例示 出了这种情况。在这里，波导的尺寸等与第一示例相同
因为所生产的光波导1具有上述结构，在将高A光波导2的模直径调 整到低A光波导3的模直径之后，完成模耦合。因此，可以在将功率损耗 保持得非常低的同时完成耦合。结果，低A芯层14和高A芯层13的耦合 损耗为0.1dB。此外，当低A芯层14与单模光纤耦合时，因为形成了宽度 为0.7/mi并朝向尖端减小的锥形，所以低△芯层14和单模光纤的耦合损 耗为0.3dB。因此，从高A芯层13到单模光纤的总耦合损耗为0.4dB，这 与第一示例的结果相同。
如上所述，根据本示例，通过使用具有多层构造的光斑尺寸转换器表 现出了低损耗耦合。示例三
随后参考附图详细描述本发明的第三示例。
图3为示意地示出了根据本示例的光波导的结构的示例的示意图。图
3A为上表面主要部分的截面图。图3B为平面主要部分的截面图。图3C 为右侧面主要部分的截面图。图3D为左侧面主要部分的截面图。
图3A到图3D中示出的本示例的光波导1与第一示例的光波导具有相 同的基本结构。但是，本示例与第一示例之间的区别在于在本示例的光波 导1中，模转换部19不具有锥形部分。接下来描述这个区别。
本示例说明了可以在低A芯层14的模不被转换并且模直径在传输的 时候与低△芯层14的模直径保持相同的状态下完成模耦合的情况。高△ 芯层13在第一模转换部17处为锥形，使得波导的宽度从3/mi改变到 0.6/mi。高△芯层13的模与低△芯层14的模在模耦合部18处耦合。对于 低A芯层14，波导的宽度在第二模转换部19处为5/xm并保持不变。低△ 芯层14的模与高A芯层13的模在模耦合部18处耦合。
因为所生产的光波导1具有上述结构，在将波导2的模直径调整到波 导3的模直径之后，完成模耦合。因此，可以在将功率损耗保持得非常低 的同时完成耦合。在这里，低△芯层14和高△芯层13的耦合损耗为 0.4dB。此外，当低△芯层14与单模光纤耦合时，因为形成了宽度为 0.7/mi并朝向尖端减小的锥形，所以低A芯层14与单模光纤的耦合损耗为 0.3dB。因此，从高A芯层13到单模光纤的总耦合损耗为0.7dB。
如上所述，根据本示例，尽管本示例在某些方面可能不像第一示例那 么好，通过使用具有多层构造的光斑尺寸转换器仍表现出了低损耗耦合。
(其他示例)
根据本发明的另一个示例性实施例，光波导包括平板形状的衬底； 设置在衬底上的下包层；以及设置在下包层上并传输光的芯层。光波导包 括第一光波导和第二光波导。第一光波导包括在下包层上作为芯层的第一 芯层，并且被设置为使其沿着光传播的方向延伸到光波导的第一位置。第 二光波导包括在下包层上作为芯层的第二芯层，并且被设置为使其沿着光传播的方向延伸到光波导的第二位置，并且相对于第一光波导具有较低的
相对折射率差。第一光波导和第二光波导在第一位置与第二位置之间形成
层构造，其中，第一芯层和第二芯层被设置为使得第一芯层在垂直于衬底
的方向上定位在离第二芯层预定距离的位置。第一光波导或第二光波导中
的至少一者包括模耦合部和模转换部。模耦合部包括定向耦合器，以在第 一位置与第二位置之间进行第一芯层和第二芯层的模耦合。模转换部连接
到模耦合部，并具有锥形芯层构造以将第一芯层的模直径调整到第二芯层 的模直径。通过上述结构，在光波导中，第一光波导和第二光波导都可以 具有模转换部和模耦合部。
在具有上述结构的光波导中，在模耦合部的末端附近，第一光波导或 第二光波导中的至少一者可以包括无反射终端部，无反射终端部具有宽度 朝向尖端减小的锥形芯层构造。
在具有上述结构的光波导中，在模耦合部的末端附近，第一光波导和 第二光波导都可以包括无反射终端部，其具有宽度朝向尖端减小的锥形芯 层构造。
在具有上述结构的光波导中，在第一位置与第二位置之间，第一光波 导和第二光波导可以形成层构造，其中，第一芯层和第二芯层分别设置在
垂直于衬底方向上的上层和下层；模耦合部可以包括定向耦合器，以在第
一位置与第二位置之间进行设置在下层的第一芯层和设置在上层的第二芯 层的模耦合。
根据本发明的另一个示例性实施例，光斑尺寸转换器使用上述光波导 中的一种。
虽然参照本发明的示例性实施例和示例具体地示出并说明了本发明， 但是本发明不限于这些示例性实施例和示例。本领域的技术人员应该认识 到，可以在不超出权利要求所限定的本发明的精神和范围的同时，做出各 种形式和细节的改变。
本申请基于递交于2007年3月20日的日本专利申请No. 2007-072594，并要求其优先权，其公开的内容通过引用结合在这里。工业适用性
本发明可以用于与光纤耦合的光波导以及使用该光波导的多层光斑尺 寸转换器，并且可以被应用到构成光通信系统的核心构件的平面光波回路 等。
权利要求
1.一种光波导，其包括平板形状的衬底、设置在所述衬底上的下包层以及设置在所述下包层上并传输光的芯层，所述光波导包括第一光波导，其包括所述下包层上作为所述芯层的第一芯层，并被设置为沿着光传播的方向延伸到所述光波导的第一位置；以及第二光波导，其包括所述下包层上作为所述芯层的第二芯层，并被设置为沿着光传播的方向延伸到所述光波导的第二位置，并相对于所述第一光波导具有更低的相对折射率差，其中在所述第一位置与所述第二位置之间，所述第一光波导和所述第二光波导形成层构造，在所述层构造中，所述第一芯层和所述第二芯层被设置为使得在垂直于所述衬底的方向上所述第一芯层定位在离所述第二芯层预定距离的位置；所述第一光波导或所述第二光波导中的至少一者包括模耦合部，其包括定向耦合器，所述定向耦合器在所述第一位置与所述第二位置之间进行所述第一芯层与所述第二芯层的模耦合；以及模转换部，其连接到所述模耦合部，并具有将所述第一芯层的模直径调整到所述第二芯层的模直径的锥形芯层构造。
2. 根据权利要求1所述的光波导，其中，所述第一光波导与所述第二光波导都具有所述模转换部和所述模耦合部。
3. 根据权利要求l或2所述的光波导，其中，在所述模耦合部的末端附近，所述第一光波导和所述第二光波导中的 至少一者包括具有锥形芯层构造的无反射终端部，所述锥形芯层构造的宽度朝向尖端减小。
4. 根据权利要求1或2所述的光波导，其中，在所述模耦合部的末端附近，所述第一光波导和所述第二光波导都包 括具有锥形芯层构造的无反射终端部，所述锥形芯层构造的宽度朝向尖端 减小。
5. 根据权利要求1到4中任意一项所述的光波导，其中 在所述第一位置与所述第二位置之间，所述第一光波导与所述第二光波导形成层构造，在所述层构造中，所述第一芯层和所述第二芯层分别设置在垂直于所述衬底的方向上的上层和下层；以及所述模耦合部包括定向耦合器，以在所述第一位置与所述第二位置之 间进行设置在所述下层的所述第一芯层与设置在所述上层的所述第二芯层 的模耦合。
6. —种光斑尺寸转换器，其使用权利要求1到5中任意一项所述的光 波导中的一种。
全文摘要
本发明涉及光波导和使用该光波导的光斑尺寸转换器。光波导包括平板衬底、设在衬底上的下包层及设在下包层上允许光通过的芯层。光波导设有第一和第二光波导。第一光波导具有下包层上的第一芯层并设置为沿光传播方向延伸到第一位置。第二光波导具有下包层上的第二芯层并设置为沿光传播方向延伸到第二位置，其相对折射率差比第一光波导更低。在第一与第二位置之间，第一和第二光波导形成层构造，第一和第二芯层在垂直于衬底的方向上相距预定间隔。第一或第二光波导中至少一者具有模耦合部和模转换部。模耦合部包括在第一与第二位置之间将第一与第二芯层耦合的定向耦合器。模转换部连接到模耦合部并包括将第一芯层和第二芯层的模直径对齐的锥形芯层。
文档编号G02B6/122GK101641622SQ20088000910
公开日2010年2月3日 申请日期2008年3月7日 优先权日2007年3月20日
发明者出来裕香里, 高桥森生 申请人:日本电气株式会社