光合波/分波元件的制作方法

专利名称：光合波/分波元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及对光信号进行合波和分波的光合波/分波元件。
背景技术：
在光用户系统中，需要利用一条光纤进行从用户向基站的光传输即 上行传输以及从基站向用户的光传输即下行传输。因此，在上行传输和 下行传输中使用不同波长的光。因此，需要对这些不同波长的光进行合 波/分波的光合波/分波元件。
在用户侧使用的光合波/分波元件被称为ONU (Optical Network Unit:光网络单元)。现在使用的大多数ONU由在空间光学上光轴一致 的波长滤波器、光电二极管和激光二极管构成。并且，还公知有通过使 用光波导而不需要使光轴一致的ONU (例如参照专利文献1)。
并且，近年来，量产性优良的使用Si作为波导材料的ONU受到瞩 目。作为这种ONU，公知有使用马赫-曾德尔干涉仪的ONU、使用定向 耦合器的ONU、或使用光栅的ONU。
专利文献1日本特开平8-163028号公报
但是，使用定向耦合器的Si制ONU在光源的波长偏差方面较弱。 并且，元件为几百nm级的大小，所以难以实现小型化。
并且，使用光栅的Si制ONU需要使光栅的周期为波长的一半以下， 所以难以进行精细加工。
进而，使用马赫-曾德尔干涉仪的Si制ONU的等效折射率、定向耦 合器的耦合系数等的波长依赖性极大，所以，在ONU所使用的波长范围 中，会产生串扰或光强度的降低，因而无法获得期望的特性
发明内容
本发明是鉴于上述这种问题而完成的。因此，本发明的目的在于，
提供使用马赫-曾德尔干涉仪的光合波/分波元件，其在ONU所使用的波 长范围中，能够降低串扰，并且，与以往相比能够抑制强度损耗，且能 够实现小型化。
本发明的发明人想到，通过以如下方式配置马赫-曾德尔干涉仪，能 够实现上述目的即，串联配置3级以上的光路长度差AL恒定的马赫-曾德尔干涉仪，并且，连续2级的马赫-曾德尔干涉仪组成的对的光路长 度差之和为0的对、以及光路长度差之和为+2AL或-2AL的对分别有一 个以上。即，本发明具有如下的技术特征。
本发明的光合波/分波元件在基板上并列设置有一端作为第1光输入 输出端口且另一端作为第2光输入输出端口的第1和第2光波导，串联 设置3级以上的由第1和第2光波导的第1和第2光输入输出端口之间 的第1和第2光波导形成的马赫-曾德尔干涉仪。
而且，根据波长对输入到任意一个第1光输入输出端口的不同波长 的第1和第2光的合波光进行分波，并分别从第1和第2光波导的第2 光输入输出端口输出。
在该光合波/分波元件中，针对在所述第1和第2光波导中传播的光， 各个马赫-曾德尔干涉仪的光路长度差AL的绝对值恒定。
并且，分别具有一个以上的光路长度差之和为+2AL或-2AL的由连 续2级的马赫-曾德尔干涉仪组成的对、以及光路长度差之和为0的由连 续2级的马赫-曾德尔干涉仪组成的对。
使用第1和第2光的波长，将各个马赫-曾德尔干涉仪的光路长度差 AL设定为规定值，由此，能够根据波长对输入输出到任意一个第1光输 入输出端口的第1和第2光的合波光进行分波，并分别从第2光输入输 出端口输入输出。
具体而言，例如，在第1和第2光的合波光从一个第1光输入输出 端口输入到光合波/分波元件的情况下，从一个第2光输入输出端口输出 第1光，从另一个第2光输入输出端口输出第2光。
但是，在第1和第2光中，相反过程也同样成立，所以，例如，从一个第2光输入输出端口输入到光合波/分波元件的第1光经由与上述相 反的路径，与第2光合波，然后从一个第l光输入输出端口输出。
艮P，在将第1光作为"用户一基站"的上行信号、且将第2光作为 "基站一用户"的下行信号的情况下，该光合波/分波元件能够作为ONU 发挥功能。
并且，在一个马赫-曾德尔干涉仪中，将光路长度差AL定义为(第 1光波导的光路长度-第2光波导的光路长度)时，光路长度差为AL和-AL 这两种值。
因此，在考虑相邻(连续)2级的马赫-曾德尔干涉仪组成的对的情 况下，光路长度差之和为2AL、 0 (零)、-2么1^这三种值。
在该光合波/分波元件中，具有一个以上的光路长度差之和为2AL或 -2^^的由马赫-曾德尔干涉仪组成的对，并且，具有一个以上的光路长度 差之和为0 (零)的由马赫-曾德尔干涉仪组成的对。
通过这样构成，能够扩宽在马赫-曾德尔干涉仪中以交叉(cross)状 态输入输出的光(第2光)的波段以及以直通(bar)状态输入输出的光 (第l光)的波段。
在该光合波/分波元件中，优选当分别设第1和第2光的第1和第2 光波导中的波长为^和X2 a2〉^)时，AL由下述式(1)给出。
△L= (2m+l) x、，且AL-2mx、(其中，m是自然数)…(1)
通过这样构成，波长、的第1光以直通状态在光合波/分波元件中传
播。并且，波长、a2>、)的第2光以交叉状态在光合波/分波元件中
传播。其结果，光合波/分波元件能够对第1光和第2光进行波长分离。
在该光合波/分波元件中，优选以直通状态从一个第2光输入输出端 口输出第1光，并且，以交叉状态从另一个第2光输入输出端口输出第2 光。
在该光合波/分波元件中，优选以Si为材料来形成第1和第2光波导。 通过这样构成，能够利用Si半导体元件的制造工艺容易地制造光合 波/分波元件。
在该光合波/分波元件中，优选构成马赫-曾德尔干涉仪的弯曲波导部分的第1和第2光波导的与光传播方向正交的截面形状为正方形状，并 且，构成马赫-曾德尔干涉仪的定向耦合器部分的第1和第2光波导的与
光传播方向正交的截面形状为如下的长方形状与基板主面垂直的方向
的长度比与基板主面平行的方向的长度长。
通过这样构成，能够使光合波/分波元件不依赖于偏振波。 在该光合波/分波元件中，优选利用直线状的波导和曲率半径相等的
多个曲线波导来形成弯曲波导部分。
通过这样构成，能够进一步降低光合波/分波元件中的第1光和第2
光的损耗。
在上述光合波/分波元件中，优选利用构成第1和第2光波导的材料 的等效折射率的波长依赖性来求出光路长度差AL。
在上述光合波/分波元件中，优选构成第1和第2光波导的材料为Si。 在上述光合波/分波元件中，优选在设第1和第2光的波长差为A入， 设第1和第2光波导针对第1和第2光的等效折射率差为An，且m为正 整数的情况下，下述式(15)成立，并且，光路长度差AL满足下述式U6)。 An/n2= (1-AAA2) / (2m) -Am2 …(15) 2n2AL/ i2= (1-AXA2) / (AAA2+An/n2) …(16) 其中，ri2是光波导针对第2光的等效折射率。
本发明的另一光合波/分波元件在基板上并列设置有一端设为第1光 输入输出端口且另一端设为第2光输入输出端口的第1和第2光波导， 串联设置3级以上的由第1和第2光波导的第1和第2光输入输出端口 之间的第1和第2光波导形成的马赫-曾德尔干涉仪。
而且，根据波长对输入到任意一个第1光输入输出端口的不同波长 的N波长(其中，N是N》3的整数)的合波光进行分波，从第1光波 导的第2光输入输出端口输出(N-i)波长(其中，i是l《i《N-l的整数) 的光，并且，从第2光波导的第2光输入输出端口输出i波长的光。
这里，当设m是l以上的整数时，针对在所述第1和第2光波导中 传播的光，各个马赫-曾德尔干涉仪的光路长度差AL的绝对值恒定。
并且，分别具有一个以上的光路长度差之和为+2AL或-2AL的由连续2级的马赫-曾德尔干涉仪组成的对、以及光路长度差之和为0的由连
续2级的马赫-曾德尔干涉仪组成的对。
进而，下述式(15)，和式(16)，同时成立。 An/na=Am (l-AAAa) / (2m) -AAAa…(15)， 2naMW2m=Am (l-AA/AJ / (AXAa+An/na) …(16)， 其中，Am是由2-N给出的整数，^是基准波长，Ha是光波导针对基
准波长的光的等效折射率。
本发明具有上述这种技术特征。由此，获得如下的使用马赫-曾德尔
干涉仪的光合波/分波元件其在ONU所使用的波长范围中，能够降低
串扰，并且，与以往相比能够抑制强度损耗，且能够实现小型化。


图1 (A)是本实施方式的光合波/分波元件的平面图，(B)是本实 施方式的光合波/分波元件的侧视图。
图2 (A)是马赫-曾德尔干涉仪的平面图，(B)是沿(A)的A-A 线的切断面的切断端面图，(C)是沿(A)的B-B线的切断面的切断端 面图。
图3是示意性示出马赫-曾德尔干涉仪的结构的平面图。 图4是弯曲波导部分的主要部分放大平面图。 图5示出R/AL和6之间的关系、以及L16/AL和9之间的关系。 图6 (A)和(B)是示出为了使定向耦合器部分不依赖于偏振波， 耦合长度与第1和第2光波导的宽度之间的关系的仿真结果。 图7是说明本实施方式的光合波/分波元件的动作特性的图。 图8 (A)和(B)是示出光合波/分波元件的变形例的图。 图9是说明光合波/分波元件的变形例的图。 图IO是用于求出An和na的仿真结果。 图ll是使式(15)图表化的特性图。
具体实施方式
下面，参照

本发明的实施方式。另外，各图只不过以能够 理解本发明的程度概略地示出各结构要素的形状、大小和配置关系。并
且，下面说明本发明的优选结构例，但是，各结构要素的材质和数值条 件等仅仅是优选例。因此，本发明完全不限于以下的实施方式。并且， 在各图中，对共通的结构要素标注相同标号并省略其说明。 (结构)
参照图1 图9说明本实施方式的光合波/分波元件的结构。图1(A) 是光合波/分波元件的平面图。图1 (B)是光合波/分波元件的侧视图。 另外，在图1 (A)和(B)中，考虑理解图的容易度，在表示第1和第 2光波导的区域中标注斜线。
参照图1 (A)，光合波/分波元件10由基板12以及第1和第2光波 导14和16形成。基板12由以单晶硅为材料的下层12a和以硅氧化膜为 材料的作为包层的上层12b构成，例如构成为长方体形状。而且，在上 层12b中，并列设置有以单晶硅为材料的作为纤芯的第1光波导14和第 2光波导16。
第1和第2光波导14和16设置于在厚度方向上测量的距平坦的第 1主面12e深度相等的位置上。并且，第1和第2光波导14和16与下层 12a之间的间隔d通常为1^im以上，以防止光向下层12a漏出。
第1光波导14在基板12的一个侧面12c上具有第1光输入输出端 口 14a。并且，在基板12的另一个侧面12d上具有第2光输入输出端口 14b。
同样，第2光波导16在基板12的一个侧面12c上具有第1光输入 输出端口 16a。并且，在基板12的另一个侧面12d上具有第2光输入输 出端口 16b。
在本实施方式中，作为一例，在第1光输入输出端口 14a和16a与 第2光输入输出端口 14b和16b之间，串联形成有由第1和第2光波导 14和16形成的4级的马赫-曾德尔干涉仪18、 20、 22和24。
更详细地讲，马赫-曾德尔干涉仪18 24参照图2 (A)在后面详细 叙述，但是，从第1光输入输出端口 14a和16a侧朝向第2光输入输出端口 14b和16b，按照18—20—22—24的顺序排列。
而且，马赫-曾德尔干涉仪18与第1光输入输出端口 14a和16a之 间利用连接用光波导14c和16c连接。同样，马赫-曾德尔千涉仪24与第 2光输入输出端口 14b和16b之间利用连接用光波导14d和16d连接。
马赫-曾德尔干涉仪18 24除了在后述的弯曲波导部分18b 24b中 第1光波导14和第2光波导16哪个长这点以外，结构相同。
在图1 (A)所示的例子中，在马赫-曾德尔干涉仪18和20中，形 成为第1光波导14的光路长度比第2光波导16长，并且，在马赫-曾德 尔干涉仪22和24中，形成为第2光波导16的光路长度比第1光波导14 长。第1和第2光波导14和16分别具有沿着从第1光输入输出端口 14a 和16a到第2光输入输出端口 14b和16b的直线方向形成定向耦合器的 直线波导区域。进而，第1和第2光波导14和16从前方侧的直线波导 区域到弯曲波导区域的直线方向上的终点位置是相同位置。并且，第1 和第2光波导14和16从弯曲波导区域到后方侧的直线波导区域的直线 方向起点位置是相同位置。因此，关于各个马赫-曾德尔干涉仪18 24， 设弯曲波导部分18b 24b中的第1和第2光波导14和16的光路长度差、 即"(第1光波导14的光路长度)-(第2光波导16的光路长度)"为AL。 此时，AL的绝对值与马赫-曾德尔干涉仪18 24无关，是恒定的。艮P， 对于全部马赫-曾德尔干涉仪18 24,在弯曲波导部分18b 24b中，第1 光波导14和第2光波导16的光路长度差相等。另外，弯曲波导部分18b 24b的整个区域可以由弯曲区域形成，或者，也可以在局部划分弯曲区域 和直线区域来形成，如何构成是设计上的问题。
并且，该光合波/分波元件10分别具有一个以上的光路长度差之和 为+2AL或-2AL的由连续2级的马赫-曾德尔干涉仪组成的对、以及光路 长度差之和为0的由连续2级的马赫-曾德尔干涉仪组成的对。在图1(A) 所示的例子中，前者的对是马赫-曾德尔干涉仪18和20、以及22和24， 后者的对是马赫-曾德尔干涉仪20和22。
更详细地讲，求出连续2级的马赫-曾德尔干涉仪组成的对(18和 20、 20和22、 22和24)中的光路长度差之和。于是，在"对18和20"中，光路长度差之和为2AL (=AL+AL)。在"对20和22"中，光路长 度差之和为0 (=AL+ (-AL))。并且，在"对22和24"中，光路长度差 之和为-2AL (= (-AL) + (-AL))。即，该光合波/分波元件10具有2个 (18和20、以及22和24)光路长度差之和为+2AL或-2AL的由马赫-曾 德尔干涉仪组成的对，且具有1个(20和22)光路长度差之和为0的由 马赫-曾德尔干涉仪组成的对。
下面，参照图7，说明光路长度差之和为+2AL或-2AL的由连续2 级的马赫-曾德尔干涉仪组成的对(以下也称为"直通状态对")、以及光 路长度差之和为0的由连续2级的马赫-曾德尔干涉仪组成的对(以下也 称为"交叉状态对")分别设为一个以上的原因。
发明人使直通状态对和交叉状态对的总对数恒定，增减直通状态对 的数量来进行仿真。其结果可知，越增加直通状态对的数量，直通状态 的波段、即图7中曲线1的峰值平坦部的宽度Wb越宽。
并且可知，越增加交叉状态对的数量，交叉状态的波段、即图7中 曲线2的峰值平坦部的宽度Wc越宽。
由此，通过光合波/分波元件10至少分别具有一个以上的直通状态 对和交叉状态对，由此，能够使直通状态和交叉状态的波段扩宽到实用 方面可允许的程度。
(马赫-曾德尔干涉仪的结构)
接着，参照图2 (A) (C)，以马赫-曾德尔干涉仪18为例详细说 明其结构。图2 (A)是除去基板12的上层12b而示出马赫-曾德尔干涉 仪18的波导结构的平面图。图2 (B)是沿图2 (A)的A-A线的切断面 的切断端面图。图2 (C)是沿图2 (A)的B-B线的切断面的切断端面 图。
参照图2(A)，马赫-曾德尔干涉仪18具有定向耦合器部分18a、 18a、 和弯曲波导部分18b。
第1和第2光波导14和16的定向耦合器部分18a、 18a是相互结合 来形成定向耦合器的部分，这些部分18a、 18a是以可光耦合的间隔平行 配置有第1和第2光波导14和16的部分。弯曲波导部分18b是定向耦合器部分18a和18a之间的区域，如以 上说明的那样，通过组合将不同长度的第1和第2光波导14和16弯曲 成规定形状的弯曲区域和直线区域而形成。在马赫-曾德尔干涉仪18和 20中，形成为第l光波导14的光路长度比第2光波导16长(参照图1)。
另外，弯曲波导部分18b中的第1和第2光波导14和16的光路长 度差AL、以及实现AL的弯曲波导部分18b的设计在后面叙述。
并且，参照图2 (B)和(C)可知，在定向耦合器部分18a和弯曲 波导部分18b中，第1和第2光波导14和16的高度、即与光传播方向 垂直且与基板12的主面12e垂直的长度相等，但是，宽度、即与光传播 方向垂直且与基板12的主面12e平行的长度不同。
并且，在弯曲波导部分18b中，第1和第2光波导14和16在与光 传播方向垂直的面切断而得到的横截面形状为正方形(参照图2 (B))。 即，宽度W1和高度H1相等。
与此相对，在定向耦合器部分18a中，第1和第2光波导14和16 的横截面形状为宽度比弯曲波导部分18b窄的长方形状，所以，高度H1 比宽度W2大。
因此，在弯曲波导部分18b和定向耦合器部分18a的边界部，第1 和第2光波导14和16的宽度不连续地变化。
另外，关于定向耦合器部分18a和弯曲波导部分18b中的光波导的 宽度差异在后面叙述。 (关于AL)
接着，说明马赫-曾德尔干涉仪18 24的弯曲波导部分18b 24b中 的第1和第2光波导14和16的光路长度差AL。
考虑光合波/分波元件10要合波/分波的光的波长来决定AL。 一般， 在马赫-曾德尔干涉仪中，针对所输入的光的波长来适当设定弯曲波导部 分的光路长度差，由此，能够使输入光以直通状态或交叉状态的任意状 态输出。
参照图3，更具体地说明直通状态和交叉状态。图3是示意示出马 赫-曾德尔干涉仪的结构的平面图。在图3中，马赫-曾德尔干涉仪M具有2条光波导WG,和WG2。在光波导WG,中设有输入端口 IN,和输出端 口OUT,。同样，在光波导WG2中设有输入端口IN2和输出端口OUT2。
而且，在输入端口 IN,和IN2侧可光耦合地平行配置有光波导WGj 和WG2，来形成定向耦合器HK,。同样，在输出端口 OUTi和OUT2侧可 光耦合地平行配置有光波导WG,和WG2，来形成定向耦合器HK2。
在这些定向耦合器HK,和HK2之间，形成有作为使光波导WG,和 WG2弯曲的弯曲区域和直线区域的组合区域的弯曲波导部分C。
这里，设马赫-曾德尔干涉仪M的弯曲波导部分C的光路长度差为 AL。该AL由(光波导WGi的光路长度)-(光波导WG2的光路长度) 给出。并且，设从输入端口 IN,输入真空中的波长为X的光L。
此时，"以直通状态输出"表示，在定向耦合器HK,和HK2中，不 产生光L向光波导WG2的功率转移，从光波导WG,的输出端口 OU^ 输出光L。
并且，"以交叉状态输出"表示，在定向耦合器HK!和HK2中，光L 的功率向光波导WG2转移，从光波导WG2的输出端口 OUT2输出光L。
公知根据弯曲波导部分C的光路长度差AL和光的波长人之间的关 系，来决定光L为直通状态还是为交叉状态。即，在下述式(2)成立的 情况下，光L为交叉状态，在下述式(3)成立的情况下，光L为直通状 态。
27mAL/、=2nwt(2) 2兀nAL从(2m+l) ti…(3)
其中，n是光波导WGi和WG2的折射率。并且，m是自然数。 再次返回图1，对光合波/分波元件10的光路长度差AL进行说明。
光合波/分波元件10利用马赫-曾德尔干涉仪的上述性质，进行光的合波/分波。
艮P，如图1所示，设定弯曲波导部分18b 24b的光路长度差AL， 以便以直通状态输出第1光Li，并以交叉状态输出第2光L2。由此，光 合波/分波元件10能够对第1光L！和第2光L2进行合波/分波。
接着，列举实际的数值，说明设计弯曲波导部分18b 24b的光路长度差AL的方法。
这里，设第1光L,和第2光L2为在光用户系统中一般使用的波长的 光。即，设第1光L,在真空中的波长、v为1.3拜，且设第2光L2在真 空中的波长、v为1.49^m。
并且，设第1和第2光波导14和16对第1光"的等效折射率为m (=2.53)，且设第1和第2光波导14和16对第2光L2的等效折射率为 n2 (=2.25)。
留意到以直通状态输出第l光Lp并以交叉状态输出第2光L2，并 且，将这些值代入式(2)和式(3)时，得到下述式(4)和式(5)。 27m2AI7 L2V=27rAIVX2=27ix;2.;25AL/1.49=27rm ' (4) STmjAL/^v^TcAL/^^TixiHMVl.h (2m+l)兀…(5) 其中，、表示在第1和第2光波导14和16中传播的第1光L,的波 长。同样，^表示在第1和第2光波导14和16中传播的第2光L2的波 长。
取式(4)和式(5)之差，得到AL-1.15^m。
将这样求出的AL (=1.15)代入式(4)求出m时，m=1.729。但是， 存在m是自然数这样的条件，不满足该条件时，第2光L2不是交叉状态。 通过波导的设计，能够准确地使m=2，但是，在一般的设计中，将最接 近1.729的自然数即2作为m的值(m=2)。
这样确定了m的值，所以，将m-2再次代入式(4)求AL时，得 到AL-1.32pm。这是最终结果。
艮P，在马赫-曾德尔干涉仪18 24中，设弯曲波导部分18b 24b的 光路长度差AL为1.32miti，由此，能够以直通状态输出第1光Lp并以 交叉状态输出第2光L2。由此，能够进行第1光L,和第2光L2的波长分 离。
(关于Si细线波导时的AL) 在(关于AL)的项目中，关于AL的计算方法，说明了最一般的情 况。但是，在构成光波导WG,和WG2的材料的折射率的色散大的情况下， 通过优化光波导WGt和WG2的尺寸，能够使上述式(2)和式(3)同时成立。
这里，作为构成光波导WG,和WG2的材料的折射率的色散大的材 料，例如可以列举Si。
下面，详细说明这种情况。
如图1所示，设定AL以便以直通状态输出第1光L,(波长 、v=1.3nm)，并以交叉状态输出第2光L2 (波长人2fl.4^m)，所以，上 述式(2)和式(3)能够改写为下述式(2)，和下述式(3)'。
27m!AL/入iv-2m兀…(2)，
27m2AL/X2V= (2m+l)兀(3)，
其中，m是光波导针对波长、v的光的等效折射率，n2是光波导针对 波长^v的光的等效折射率。
如果能求出同时满足式(2)'和式(3)'的AL，则能够以直通状态 输出第l光Lp并以交叉状态输出第2光L2。
因此，设An=n2-ni和AX=X2V -、v，使用这些An和丛来求出AL。 首先，取(2)，和式(3)'之差进行变形时，得到下述式(14)。
2AL=X2V a2VD / (厶 ai2+人2vAn)…(14)
在式(14)中，设波长^v为设计上重视的基准波长、，设光波导针 对基准波长、的光的等效折射率为na (=n2)。然后，将式(14)代入式 (2)，进行变形时，得到下述式(15)。
△n/na= (I-AD / (2m) -AAAa …(15)
由式(15)可知，由比值An/na和AX/、来决定AL的设计条件。艮P， 只要求出使式(15)成立的整数m即可。
但是，在式(15)中，在第1光L,和第2光L2的波长已知的情况下， A入和、是常数。由此，在式(15)中，未知量仅为An/iv
能够通过仿真来求出An和ria。图10示出该仿真结果。在图10中， 左纵轴示出光波导针对基准波长^a的光的等效折射率na (量纲为1)。右 纵轴示出An (量纲为1)。横轴示出在与光传播方向正交的面切断的光波 导的尺寸(^m)。另外，在该仿真中，与光传播方向正交的光波导的截面 形状为正方形状。在该仿真中，改变光波导的尺寸，计算此时的An和光波导针对基准 波长、(=1.49pm)的光的等效折射率na。根据图10所示的结果，能够 求出An/ria。
图11是使式(15)图表化的特性图。在图11中，纵轴是An/iia (量 纲为1)，横轴是光波导的尺寸。在图11中，与图10同样，光波导的截 面形状也为正方形状。
在图11中描绘了3条水平线，这是在式(15)中分别代入m4、 2、 3的值而得到的AnA^的值。并且，图11中的曲线是由图IO得到的An/na 的值。
参照图11， m=2的水平线和由图IO得到的An/na的曲线在光波导的 尺寸约为0.35nm且An/na约为0.09的点交叉。即，可知式(15)在该点成立。
对式(14)进行变形，得到下述式(16)。
2riaAL/ ia:2n^ (l-AD / (AXAa+An/na) …(16)
由此，如果将由图11得到的An/na (=0.09)与其他已知量一起代入
式(16)，则能够求出同时满足式(2)'和式(3)'的AL。实际使用式 (16)进行计算时，得到AL=1.17|im。
这样，在构成光波导WGi和WG2的材料的折射率的色散大的情况
下，例如在Si细线光波导的情况下，能够求出严格满足式(2)和式(3)
的AL。
另外，上述的理论也能够应用于对N波长(N是3以上的整数)的 光进行合波/分波的光合波/分波元件。这里，"对N波长的光进行合波/ 分波"表示以交叉状态输出(N-i)波长(其中，i是l《i《N-l的整数) 的光，并以直通状态输出i波长的光。
该情况下，在光合波/分波元件的两端，波长的干涉次数之差大于1。 由此，该情况下，式(2)'和式(3)'能够以更一般的形式改写为下述 式(17)。
2兀rij厶LA^2兀(m+Am) …(17)
其中，、表示要合波/分波的光的波长，以j越大波长越短的方式排列(其中，j是1《i《N的整数)。并且，rij是光波导针对波长为、的光 的等效折射率。Am是由2-N给出的值。
使用式(17)进行计算时，在N波长的情况下，上述式(15)和式 (16)能够分别变形为下述式(15)'和式(16)'。
△n/na=Am (l-MAj / (2m) -AAAa…(15)，
2naMW2m-Am (l-AV" / (AXy、+An/na) …(16)，
由此，通过与上述同样的理论，在构成光波导WG,和WG2的材料 的折射率的色散大的情况下，通过式(15)'和式(16)'，可求出能够对 N波长的光进行合波/分波的AL的值。 (实现AL的弯曲波导的设计)
参照图4，说明用于在弯曲波导部分18b 24b中实现上述光路长度 差AL的第1和第2光波导14和16的设计方法。图4是弯曲波导部分的 主要部分放大平面图。另外，弯曲波导部分18b 24b的形状相同，所以， 在以下的说明中，以弯曲波导部分22b为例进行说明。
弯曲波导部分22b设计为将直线波导即直线区域和具有均一曲率半 径的曲线波导即弯曲区域连接起来。
艮P，如图4所示，弯曲波导部分22b的第1光波导14从第1光输入 输出端口 14a侧起，按照曲线波导50a—曲线波导50b—直线波导50c— 曲线波导50d—曲线波导50e的顺序构成。
这里，在曲线波导50a、 50b、 50d和50e中，曲率半径R和圆弧角
e分别相等。并且，关于直线波导50c的长度，使用圆弧角e、以及弯曲
波导部分22b中的第1和第2光波导14和16的光路长度差AL，从几何 观点求出为ALcos6/ (1 -cose )。
同样，弯曲波导部分22b的第2光波导16从第1光输入输出端口 16a侧起，按照曲线波导51a—直线波导51b—曲线波导51c—直线波导 51d—曲线波导51e的顺序构成。
这里，在曲线波导51a和51e中，曲率半径R和圆弧角6分别相等。 并且，曲线波导51c的曲率半径为R，圆弧角为20。另外，上述第l光 波导14中的R和0与第2光波导16中的R和e是分别相同的值。并且，关于直线波导5ib和5id的长度，使用圆弧角e、以及弯曲波
导部分中的第1和第2光波导14和16的光路长度差AL，从几何观点求 出为(AL/2) / (l-cos0)。
在这种结构的弯曲波导部分22b中，为了求出R和e，考虑在弯曲 波导部分22b中传播的光的强度损耗最少的条件。
这里，设曲线波导50a、 50b、 50d、 50e、 51a、 51c和51e中的每单 位长度的光的强度损耗为aR。并且，设直线波导50c、 51b和51d中的每 单位长度的光的强度损耗为ccs。
并且，设曲线波导50b和直线波导50c的接合部、直线波导50c和 曲线波导50d的接合部、曲线波导51a和直线波导51b的接合部、直线 波导51b和曲线波导51c的接合部、曲线波导51c和直线波导51d的接 合部、以及直线波导51d和曲线波导51e的接合部中的光强度损耗为ctms。
并且，设曲线波导50a和50b、以及50d和50e的接合部中的光强度
损耗为(XjRRo
此时，弯曲波导部分22b中的第1光波导14的光强度损耗之和a,4Lw 由下述式(6)给出。另夕卜，其中，L"表示弯曲波导部分22b中的第1 光波导14的全长，0114示出弯曲波导部分22b中的第1光波导14的每单
位长度的强度损耗。
ai4L14=aR4R6+ (asALcos0) / (l-cos9) +2ajRS+2ajRR…(6) 并且，弯曲波导部分22b中的第2光波导16的光强度损耗之和a16L16 由下述式(7)给出。另外，其中，Lw表示弯曲波导部分22b中的第2 光波导16的全长，a16表示弯曲波导部分22b中的第2光波导16的每单
位长度的强度损耗。
ai6Li6=aR4Re+ (asAL) / (1-cose) +4aJRS…(7)
一般公知，曲率半径R越小，曲线波导50a、 50b、 50d、 50e、 51a、
51c和51e中的光强度损耗越大。因此，由式(6)和式(7)暗示了存在
光强度损耗最少的e。
因此，在弯曲波导部分22b中，根据式(7)求出第2光波导16的 光强度损耗最少的条件。另外，求出第2光波导16的光强度损耗最少的条件而不是第1光波导14的光强度损耗最少的条件是因为，第2光波导 16的光路长度比第1光波导14长，因此，光强度损耗也比第1光波导大。
艮口，以e对式(7)进行微分，由此，作为光强度损耗最少的条件式， 得到下述式(8)。
d (a16L16) /d (0) =aR4R- (asALsine) / (l-cos0) 2=0 …(8)
对式(8)进行变形时，得到下述式(9)。
R/AL= (as/aR) xsin0/{4 (l-cos0) 2} …(9)
根据式(9)可知，光强度损耗最少的条件成为e和标准化的曲率半
径R/AL之间的关系。
在图5中，示出as/aR=l时的式(9)的R/AL和9之间的关系(曲 线l)、以及将根据该关系得到的R/AL的值代入式(7)而求出的标准化 的第2光波导16的全长L16/AL和0之间的关系(曲线2)。
在图5中，左纵轴示出R/AL (量纲为1)，右纵轴示出L16/AL (量纲 为1)。横轴示出e (degrees,度)。
但是，如以往公知的那样，曲线波导中的每单位长度的光强度损耗 c^和直线波导中的每单位长度的光强度损耗as大致相等的实用的曲率半 径R为5|am以上。
因此，取R为5pm，并使用在(关于AL)的项目中求出的AL (=l，32nm)，求出R/AL，将其代入图5的曲线1时，求出能够使光强度 损耗01161^6最少的6约为30° 。
并且，将0=30°和AL-1.32pm代入图5的曲线2时，求出使光强度 损耗01161^16最少的第2光波导16的全长"6约为26pm。
艮口，即使考虑定向耦合器部分18a 24a的长度，也能够将光合波/ 分波元件10的全长抑制在200拜左右。
(关于定向耦合器部分和弯曲波导部分的光波导的宽度)
在(马赫-曾德尔干涉仪的结构)的项目中，说明了定向耦合器部分 18a 24a的光波导的宽度W2比弯曲波导部分18b 24b的光波导的宽度 Wl稍小的情况。这种情况的原因是使光合波/分波元件10不依赖于偏振 波。在构成为沟道型波导的弯曲波导部分18b 24b中，为了不产生偏振 波依赖性，公知只要使第1和第2光波导14和16的横截面形状(与光 传播方向垂直的切断面的形状)为正方形状即可。
据此，优选使构成弯曲波导部分18b 24b的第1和第2光波导14 和16的横截面形状为例如0.3^imx0.3(im的正方形状。
通过这样设计弯曲波导部分18b 24b的横截面形状的尺寸，在弯曲 波导部分18b 24b中，第1和第2光波导14和16不依赖于偏振波，并 且，对于第l和第2光Lj和L2作为单模波导发挥功能。
为了使定向耦合器部分18a 24a不依赖于偏振波，需要调节第1和 第2光波导14和16的横截面形状和定向耦合器部分18a 24a的耦合长 度(沿光传播方向的长度)。
更详细地讲，发明人针对波长入2v (=1.49^m)的第2光L2，改变耦 合长度以及第1和第2光波导14和16的宽度来进行仿真，决定了定向 耦合器部分18a 24a不依赖于偏振波的耦合长度和波导宽度。
在图6 (A)禾B (B)中示出该仿真结果。在图6 (A)和(B)两者 中共通地，纵轴表示耦合长度(pm)，横轴表示第1和第2光波导14和 16的宽度(pm)。
并且，图6(A)示出设第1和第2光波导14和16之间的间隔为0.3, 的情况，图6(B)示出设第1和第2光波导14和16之间的间隔为0.35pm 的情况。
并且，在图6 (A)和(B)中，实线所示的曲线1示出关于TE偏 振波的耦合长度和波导宽度之间的关系，虚线所示的曲线2示出关于TM 偏振波的耦合长度和波导宽度之间的关系。
另外，在图6 (A)和(B)中共通地，与弯曲波导部分18b 24b 同样地，使第l和第2光波导14和16的高度H为0.3)om，来进行仿真。
参照图6 (A)可知，在定向耦合器部分18a 24a中，在第1和第2 光波导14和16的间隔为0.3pm的情况下，曲线1和2在耦合长度(纵 轴)约为13)iim、且波导宽度(横轴)约为0.28^im这点交叉。
并且，参照图6 (B)可知，在定向耦合器部分18a 24a中，在第1和第2光波导14和16的间隔为0.35nm的情况下，曲线1和2在耦合长 度(纵轴)约为21pm、且波导宽度(横轴)约为0.287^im这点交叉。
这意味着，在这些曲线1和曲线2的交叉点，定向耦合器部分18a 24a不依赖于偏振波。但是，比较图6 (A)和(B)时可知，曲线l和曲 线2两者的倾斜度在图6 (A)中都比在图6 (B)中缓和，所以可知， 第1和第2光波导14和16的间隔为0.3|am时的偏振波依赖性比间隔为 0.35pm时的偏振波依赖性小。
由此，在考虑了定向耦合器部分18a 24a的制造时的尺寸误差的情 况下，即使尺寸多少有些不准确，与最佳条件的偏差少的图6 (A)(间 隔为0.3拜)的情况，在设计方面是有利的。
另外，下面说明利用该仿真并着眼于波长、v的第2光L2来设计定 向耦合器部分18a 24a的原因。
在利用单晶硅形成第1和第2光波导14和16的情况下，与利用石 英形成光波导的情况相比，在ONU所使用的波长范围(1.3 1.49miti) 中，定向耦合器部分18a 24a的波长依赖性大，在耦合长度上产生4倍 左右的差异。即，波长？Hv (1.3pm)的第1光I^与波长人2v U.49Mm) 的第2光L2相比，耦合非常弱。
由此，以直通状态输出耦合弱的第l光"在设计方面是有利的。在 这样设计的情况下，需要以交叉状态输出第2光L2。但是， 一般在马赫-曾德尔干涉仪中，为了以良好的消光比输出交叉状态，公知需要严格地 设定耦合长度。另一方面，公知即使不严格地设定耦合长度，直通状态 也能够以良好的消光比输出。
这就是仅针对第2光L2来设计定向耦合器部分18a 24a的原因。
(动作)
再次参照图1，说明本实施方式的光合波/分波元件10的动作。 首先，考虑从第1光输入输出端口 14a对光合波/分波元件IO输入第
l光Li (波长、fl.3(im)和第2光L2 (波长、fl.4^m)的情况。
该情况下，如上所述，以直通状态、即从第2光输入输出端口 14b
输出第1光L,。另一方面，如上所述，以交叉状态、即从第2光输入输出端口 16b输出第2光L2。
在用作ONU的情况下，设第1光L,为从用户向基站的上行信号， 第2光L2为从基站向用户的下行信号。
该情况下，从第2光输入输出端口 14b输入的第1光L,(上行信号)， 以直通状态从第1光输入输出端口 14a输出。并且，从第1光输入输出 端口 14a输入的第2光L2 (下行信号)，以交叉状态从第2光输入输出端 口 16b输出。
接着，参照图7，说明本实施方式的光合波/分波元件10的动作特性。 图7是动作特性的仿真结果。纵轴示出直通状态和交叉状态的输出强度 相对于输入强度的比率(量纲为1)，横轴示出输入光合波/分波元件10 的光的波长。并且，在图7中，实线所示的曲线1示出直通状态，虚线 所示的曲线2示出交叉状态。
用于仿真的光合波/分波元件10除了以下这点以外，利用在(结构) (关于定向耦合器部分和弯曲波导部分的光波导的宽度)的项目中说明 的尺寸来设计。
(1) 定向耦合器部分18a 24a的耦合长度的微调 在定向耦合器部分18a 24a和弯曲波导部分18b 24b的接合部附
近，构成弯曲波导部分18b 24b的第1和第2光波导14和16接近到可 光耦合的距离。为此，将定向耦合器部分18a 24a的耦合长度调节到很 短的11.6,。
(2) 设弯曲波导部分18b 24b中的第1和第2光波导14和16的 光路长度差AL为1.344|_im。
这是因为，考虑单晶硅制的第1和第2光波导14和16的等效折射 率进行调节，以使第1光L! alv=1.3nm)和第2光L2 a2v=1.49|im)分 别为直通状态和交叉状态的中心波长。
参照图7可知，在波长1.3拜附近的直通状态和波长1.49^im附近的 交叉状态这两个状态中，在宽波长范围进行波长分离。完全进行了波长 分离的波段约为50nm，能够充分吸收光源的波长波动或光合波/分波元件 10的制造误差。并且，能够得到强度与输入光的强度大致相等的输出光。 (效果)
(1) 如图7所示，本实施方式的光合波/分波元件10能够几乎不产 生串扰地，对第1光"和第2光L2进行合波/分波。
(2) 并且，如图7所示，与以往相比，本实施方式的光合波/分波 元件10能够降低光强度的损耗。
(3) 并且，本实施方式的光合波/分波元件10的全长为200)am左右， 与以往的Si制马赫-曾德尔干涉仪型的ONU相比，是小型的。
(设计条件、变形例等)
(1 )在本实施方式中，说明了串联连接4级马赫-曾德尔干涉仪18 24的情况。但是，构成光合波/分波元件10的马赫-曾德尔干涉仪的个数 不限于4级。
只要分别具有一个以上的直通状态对和交叉状态对，则不限于该级 数。例如，也可以如图8 (A)所示为3级。该情况下，直通状态对和交
叉状态对分别各设置一个。
并且，也可以如图8 (B)所示为6级。该情况下，设置3个直通状 态对和2个交叉状态对。
(2) 在本实施方式中，说明了在弯曲波导部分18b 24b和定向耦 合器部分18a 24a的边界部中，使第1和第2光波导14和16的宽度从 Wl到W2不连续地变化的情况。在该设计中，也能够将光强度损耗抑制 在实用方面足够的水平。但是，为了进一步降低光强度损耗，优选在边 界部中，使第1和第2光波导14和16的宽度呈锥状平稳变化。
(3) 如在(实现AL的弯曲波导的设计)的项目中说明的那样，在 本实施方式中，利用直线波导和具有均匀曲率半径的曲线波导来形成马 赫-曾德尔千涉仪18 24的弯曲波导部分18b 24b。
但是，也可以组合不同曲率半径的曲线波导来设计弯曲波导部分 18b 24b。
更详细地讲，也可以如图9所示那样设计构成光合波/分波元件10 的马赫-曾德尔干涉仪60的弯曲波导部分60b。艮口，该马赫-曾德尔干涉仪60由第1光波导62和第2光波导64构 成。而且，通过这些第1和第2光波导62和64，形成定向耦合器部分 60a和60a、以及弯曲波导部分60b。
弯曲波导部分60b的第1光波导62按照曲线波导66a—曲线波导66b —曲线波导66c—曲线波导66d的顺序构成。
这里，在曲线波导66a 66d中，各曲率半径R2和圆弧角02分别相等。
弯曲波导部分60b的第2光波导64按照曲线波导68a—曲线波导68b —曲线波导68c—曲线波导68d的顺序构成。
这里，在曲线波导68a 68d中，各曲率半径R, (#R2)和圆弧角9,
(#e2)分别相等。
在该弯曲波导部分60b中，用于实现光路长度差AL的第1和第2 光波导62和64的设计方法，参照在(实现AL的弯曲波导的设计)中说 明的方法。
即，针对光路长度长的第2光波导64，考虑弯曲波导部分60b中的
光强度损耗(X64L64。其中，L64表示弯曲波导部分60b中的第2光波导64
的全长，a64表示弯曲波导部分60b中的第2光波导64的每单位长度的强
度损耗。该强度损耗016山64由下述式(10)给出。
(X64L6faiu4R!e产aiu(AL+4R2sin"(R!sin9i/R2"+4ajRR…(10)
其中，ci!u是曲线波导68a 68d中的每单位长度的光强度损耗。并 且，ajRR是曲线波导68a和68b的接合部、曲线波导68b和68c的接合部、 以及曲线波导68c和68d的接合部中的光强度损耗。
由图9可知，如果R2无限大，则能够得到更有效的光路长度差AL。 由此，在式(10)中，通过设112—°°，得到下述式(11)。
a64L64-aju(AL+4R!s线)+4ajRR…(11)
但是，在弯曲波导部分60b中，将第1和第2光波导62和64投影 到马赫-曾德尔干涉仪的中心轴上的长度必须相等，所以，得到下述式 (12)。
R产AL/(4(e,-s线))…(12)将式(12)代入式(11)，最终结果得到下述式(13)。 a64L64-aR,AL(0,-sine!))+4ajRR…(13)
由式(13)可知，光强度损耗016山64相对于圆弧角e,变化。并且可知，
优选圆弧角e,较大，在e产兀/2时，光强度损耗Ct64L64最小。
权利要求
1. 一种光合波/分波元件，该光合波/分波元件在基板上并列设置有一端为第1光输入输出端口且另一端为第2光输入输出端口的第1和第2光波导，串联设置3级以上的由所述第1和第2光波导的第1和第2光输入输出端口之间的所述第1和第2光波导形成的马赫-曾德尔干涉仪，根据波长对输入到任意一个所述第1光输入输出端口的波长不同的第1和第2光的合波光进行分波，并分别从所述第1和第2光波导的第2光输入输出端口输出，该光合波/分波元件的特征在于，针对在所述第1和第2光波导中传播的光，各个马赫-曾德尔干涉仪的光路长度差ΔL的绝对值恒定，分别具有一个以上的光路长度差之和为+2ΔL或-2ΔL的由连续2级的马赫-曾德尔干涉仪组成的对、以及光路长度差之和为0的由连续2级的马赫-曾德尔干涉仪组成的对。
2. 根据权利要求1所述的光合波/分波元件，其特征在于， 当分别设所述第1和第2光在所述第1和第2光波导中的波长为入,和人2 a2〉 n)时，所述光路长度差AL由下述式(1)给出△L= (2m+l) x、，且AL-2mx^ (其中，m是自然数)…(1)。
3. 根据权利要求2所述的光合波/分波元件，其特征在于， 以直通状态从一个所述第2光输入输出端口输出所述第1光，并且，以交叉状态从另一个所述第2光输入输出端口输出所述第2光。
4. 根据权利要求l 3中的任一项所述的光合波/分波元件，其特征在于，以Si为材料来形成所述第1和第2光波导。
5. 根据权利要求l 3中的任一项所述的光合波/分波元件，其特征 在于，构成所述马赫-曾德尔干涉仪的弯曲波导部分的所述第1和第2光波 导的与光传播方向正交的截面形状为正方形状，并且，构成所述马赫-曾德尔干涉仪的定向耦合器部分的所述第1和第2光波导的与光传播方向正交的截面形状为如下的长方形状与所述基板主面垂直的方向的长度比与所述基板主面平行的方向的长度长。
6. 根据权利要求5所述的光合波/分波元件，其特征在于，利用直线状的波导和曲率半径相等的多个曲线波导来形成所述弯曲波导部分。
7. 根据权利要求2所述的光合波/分波元件，其特征在于，利用构成所述第1和第2光波导的材料的等效折射率的波长依赖性来求出所述光路长度差AL。
8. 根据权利要求7所述的光合波/分波元件，其特征在于，构成所述第1和第2光波导的材料为Si。
9. 根据权利要求7或8所述的光合波/分波元件，其特征在于，在设所述第1和第2光的波长差为AX，设所述第1和第2光波导针对所述第1和第2光的等效折射率差为An，且m为正整数的情况下，下述式(15)成立，并且，所述光路长度差AL满足下述式(16)，△n/n2= (1-AXA2) / (2m) -AAA2…(15)2n2AL/>t2= (1-AXA2) / (AXA2+An/n2) …(16)其中，ri2是光波导针对第2光的等效折射率。
10. —种光合波/分波元件，该光合波/分波元件在基板上并列设置有一端为第1光输入输出端口且另一端为第2光输入输出端口的第1和第2光波导，串联设置3级以上的由所述第1和第2光波导的第1和第2光输入输出端口之间的所述第1和第2光波导形成的马赫-曾德尔干涉仪，根据波长对输入到任意一个所述第1光输入输出端口的波长不同的N波长(其中，N是N^3的整数)的合波光进行分波，从所述第1光波导的第2光输入输出端口输出(N-i)波长(其中，i是l《i《N-l的整数)的光，并且，从第2光波导的第2光输入输出端口输出i波长的光，该光合波/分波元件的特征在于，当设m是l以上的整数时，针对在所述第1和第2光波导中传播的光，各个马赫-曾德尔干涉仪的光路长度差AL的绝对值恒定，分别具有一个以上的光路长度差之和为+2AL或-2AL的由连续2级的马赫-曾德尔干涉仪组成的对、以及光路长度差之和为0的由连续2级的马赫-曾德尔干涉仪组成的对，下述式(15)，和式(16)，同时成立 An/na=Am (l-AD / (2m) -AAAa…(15)， 2naAma=2m=Am (l-AAAa) / (AWAnAia) …(16)， 其中，Am是由2-N给出的整数，、是基准波长，na是光波导针对基准波长的光的等效折射率。
全文摘要
本发明提供使用马赫-曾德尔干涉仪的特性良好的光合波/分波元件。该光合波/分波元件在基板(12)上并列设置有一端为第1光输入输出端口(14a、16a)且另一端为第2光输入输出端口(14b、16b)的第1和第2光波导(14、16)，在第1和第2光输入输出端口之间具有3级以上的马赫-曾德尔干涉仪(18～24)，根据波长对输入输出到一个第1光输入输出端口的波长不同的第1和第2光(L₁、L₂)的合波光进行分波，并分别从第2光输入输出端口输入输出，各个马赫-曾德尔干涉仪的光路长度差ΔL的绝对值恒定，分别具有一个以上的光路长度差之和为+2ΔL或-2ΔL的连续2级的马赫-曾德尔干涉仪的对、以及光路长度差之和为0的连续2级的马赫-曾德尔干涉仪的对。
文档编号G02B6/12GK101504472SQ20091000432
公开日2009年8月12日 申请日期2009年2月6日 优先权日2008年2月8日
发明者冈山秀彰 申请人:冲电气工业株式会社