波导器件及模块的制作方法

专利名称：波导器件及模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种采用了基板上的波导的光器件，具体而言，涉及一种在基板内的 任意位置阻断不与输入或输出光纤连接的波导从而使得在该波导中传输的光信号的强度 发生衰减的技术。
背景技术：
随着宽带通信在各个家庭中的爆炸性普及，网络内容的多样性逐渐增加。随之产 生的通信量的增力卩、通信服务的扩展对支持他们的通信网络在大容量化、高速化、高性能方 面的要求日益增加。近年来，光通信技术为响应上述要求发挥着重要的作用。并且，在迄今 为止的光通信网络中，通过光-电、电-光转换的信号处理使两点间相连的点对点通信系统 是主流。但重要的是，今后将进一步向无线网格型通信系统发展，并由此实现更为丰富多彩 的用户通信利用形式，其中所谓“无线网格型通信系统”为在包括接入网在内的所有的网 络上，都无需将光信号转换为电信号而是直接用光信号连接多个点。波导器件是在上述光通信系统中发挥重要作用的部件中的一个例子。通过应用光 干涉原理，实现了例如光信号的分光/耦合器、波长复用/去复用器、梳状滤波器、光开关、 可变光衰减器(VOA=Variable Optical Attenuator)等各种功能。由于这些器件是波导式 的，因此回路设计上具有灵活性，易于实现大规模化、高度集成化。不仅如此，因为可以沿袭 LSI等的半导体部件制造工艺，所以上述器件的可批量生产性很受期待。采用半导体、高分 子材料加工成的波导等各种各样的部件已被实际应用，其中，尤其是在硅基板上加工的二 氧化硅光波导由于具有损失小、稳定性及与光纤的接合性优良的特点，是实际应用最广泛 的波导器件之一。用上述波导器件构成的光通信系统节点的方式之一是用于波分复用(WDM Wavelength Division Multiplexing)信号的可重构型光分插复用技术(R0ADM Reconfigurable Add/Drop Multiplexing)。该方式具有下述功能，即，结点与下层网络间 仅仅就任意的WDM通道信号进行交换之后，将全部信号传送给与该节点相邻的节点。该方 式主要作为配置环形网络的方案。实现上述功能所需的光器件包括用于对每个波长的 WDM信号进行复用或去复用的波长复用/去复用滤波器、用于进行信号通道切换的光开关、 用于调整信号光强度的V0A、光信号收发器、光强度监视器等。其中，尤其是波长复用/去复 用滤波器、光开关、VOA等可以通过波导器件来实现。近年来，通过将上述波导器件集成在一个模块内，可构成实现ROADM系统的主要 功能的高性能光器件，在实际网络系统中广泛应用。图14是其中的一例，在该图所示的 电路框图中，波长复用/去复用滤波器(1404，1406，1416)、光开关(1408-1 1408-N)、 VOA(1410-1 1410-N)、光耦合器(1402，1412-1 1412-N)、监视用的光电探测器(PD, Photo Detector) (1414-1 1414-N)被集成为一个模块1400。根据图14所示，从输入 (In)处进入主路径的WDM信号首先由分接头光耦合器1402进行分支处理而形成支路信 号。之后，其中一路信号由丢弃(Drop)路径用去复用(DEMUX)滤波器1404分支成各个波长3的信号，并仅从中检测出供下层网络使用的波长的信号。另一路信号由另外的DEMUX滤波 器1406同样分支成各个波长的信号，然后通过2X 1光开关1408-1 N，其中，所述光开关 从由下层网络发送来的、来自附加(Add)路径的信号和来自主路径的信号中任选一个。在 2X1光开关中，来自附加路径的信号中仅具有与之前在丢弃路径中检测到的波长信号所对 应的波长的信号会被选择。进而，通过V0A1410-1 N来调整各波长的信号的信号电平，然 后，通过分接头光耦合器1412-1 N以及与其连接的监视器用PD 1414-1 N对输出信号 进行监视和反馈，以对VOA处的衰减量进行控制。电平调整后的各波长的信号由波长复用 (MUX)滤波器1416转换成WDM信号，然后通过主路径的输出(out)向外传输。根据现有技术，上述各个光器件在模块内通过光纤互相连接从而实现模块化。但 是，今后要进一步实现微型化、大规模化、低耗电化，如何进一步提高集成度就成为一个重 要课题。多芯片集成技术是为响应上述提高集成度的要求而提出的技术方案之一。通过这 种技术，使各个波导器件基板之间无需光纤而直接进行连接，从而实现波导器件本身的微 型化并可减小其在模块内的封装面积。例如，在图14的结构中，将波长复用/去复用滤波 器1406、1416加工成一个波导器件基板1420。同样，将光开关1408-1 N、V0A 1410-1 N以及光耦合器1412-1 N加工成一个波导器件基板1430。之后，在对其进行连接时，无 需通过光纤而直接将基板连接在一起。另外，虽然监视器用PD 1414-1 N并非波导器件， 但其也可连接于光耦合器1412-1 N的监视器端口、波长复用/去复用滤波器基板1420 的端面、或光开关等的基板1430的端面中，而无需通过光纤连接。利用本技术，可以缩短模 块1400中使用的光纤的长度，并且减少用于连接光纤和基板1420、1430的部件数量，从而 能够减小各器件在模块中的安装面积，从而能够提高器件集成度。此时，VOA的功能是通过 衰减操作来调整要通过的信号光的光级，从而抑制各通道间的电平偏差。图15A示出了波导器件的VOA的最基本的结构。VOA 1500是马赫-曾德尔干涉仪 (MZI =Mach Zehnder Interferometer)式的光器件，包括两个将光信号分支、合流的定向耦 合器1504、1508和分支波导1506a、1506b，并且，在分支波导1506a、1506b上形成有薄膜加 热器1512a、1512b。从端口 150 入射的光信号由定向耦合器1504分支，并分别在分支波 导1506a及1506b中进行传输，然后，再通过定向耦合器1508进行合流。此时，如果由电极 衬垫1516、1518向薄膜加热器1512a、及151 中的任意一者供电，分支波导1506a及150 之间就会产生相位差，从端口 1510a或1510b出射的光信号强度随着定向耦合器1508中的 相位关系变化而发生变化。当相位差为0时，光信号从端口 1510b 100%出射；当相位差为 JI时，光信号从端口 1510al00%出射。利用这种现象，如果通过模拟控制对薄膜加热器的 供电来调整所述相位差，该装置就可以作为VOA来使用。图15B是沿图15A的XVB-XVB线 的截面图。光波导形成于硅基板1520上，并由石英玻璃制成的覆层1522以及被其覆盖的 矩形芯15M构成。分支波导的两侧设置有隔热槽1514，可以降低切换或衰减所需的功率， 其中，所述隔热槽1514是通过蚀刻技术将覆层沿着波导除去后所得到的槽。在此，一般而 言，将端口 150 至端口 1510b的路径或者端口 150 至端口 1510a的路径(交叉路径)作 为主信号路径，其目的在于，根据MZI的干涉原理，即使分光耦合器的耦合率因加工误差而 存在误差，也能获得充分的消光比或光衰减量。并且，考虑到功耗或热光效应对偏振的依赖 性，在薄膜加热器1512a、1512b未通电时，阻断光信号，或者，进行驱动以达到最大衰减量，这些都是最常见的方式。为此，在分支波导1506a、1506b中，需要预先对光信号在波导内传 输的有效光学距离即光路长度赋予适当的差(光路长度差)。通过以包括两条光波导的MZI为基本元件的VOA的光衰减操作，使主端口的光级 (与光纤或其他波导器件连接的输入波导)发生衰减，并且将过剩部分(衰减后的部分)的 光功率输出至其他的端口(虚拟端口)。例如，在使用交叉路径作为主信号路径的MZI式的 VOA中，在以图15A的端口 150 作为输入的情况下，端口 1510b为主端口，端口 1510a成为 虚拟端口。根据现有的技术，一般而言，过剩光功率在被输出到虚拟端口后，被传输至波导 器件基板的输出端面，并直接向空气中辐射。引用文献专利文献1 日本专利公报第3755762号1 :Y. Hashizume ^AW "Compact 32-channel 2x2 optical switch array based on PLC technology for OADM systems，，，发表于 ECOC 2003，MO 3-5-
发明内容
技术问题但是，如图16所示，如果采用多芯片集成技术进行封装，将包括阵列波导光栅 (AffG =Arrayed Waveguide Grating)及监视器PD等的波导器件基板1608和包括V0A1602 和分接头用光耦合器1604的波导器件基板1606直接连接在一起，这种封装存在明显问题。 也就是说，在波导器件基板1606的端面辐射出的来自V0A1602的过剩光功率的一部分与光 波导1610发生耦合，其中，该光波导1610由设置于V0A1602的后一级的分接头用光耦合器 1604导出。从结果看，这成为造成分光偏差和串扰的主要原因，从而导致电路性能劣化。另 外，对于后续的AWG和监视器PD(未图示)等同样成为引发串扰的主要原因，也是导致电路 性能劣化的原因。另外，即使不用多芯片集成技术，而用普通的光纤连接方式进行波导器件封装，但 是，随着集成度的提高，波导器件基板端面上的光波导密度实现了飞跃式提高，很显然，由 于传输的过剩光功率与主总线耦合，或者，在端面辐射出的过剩光功率与光纤耦合，从而成 为导致发生串扰的主要原因。因此，如何对波导器件中过剩光功率进行恰当的阻断处理就成为重要的课题。技术方案本发明的目的在于，通过在基板上的任意位置阻断波导器件中的过剩光功率而不 使其向外辐射出，来抑制对光纤及其他波导器件造成的串扰问题。为了达成上述目的，本发明的一种实施方式的波导器件的特征在于，具有填充了 遮光材料的阻断结构，该阻断结构用于阻断来自波导端部的光。另外，本发明的一种实施方式的波导器件的特征在于，波导端部为锥形或多模干 涉仪的形状。另外，本发明的一种实施方式的波导器件的特征在于，阻断结构构成为使得来自 波导端部的光的入射角发生倾斜。另外，本发明的一种实施方式的波导器件的特征在于，上述入射角为偏振角。另外，本发明的一种实施方式的波导器件的特征在于，阻断结构按照包围波导端部的方式构成。另外，本发明的一种实施方式的波导器件的特征在于，阻断结构包括槽，该槽在基 板平面内的形状不包含顶点而由曲线所组成。另外，本发明的一种实施方式的波导器件的特征在于，包含马赫-曾德尔式光开 关、可变衰减器、光分路器和阵列波导光栅中的至少一种。另外，本发明的一种实施方式的波导器件的特征在于，所述遮光材料包括吸收或 散射来自波导端部的光的材料。另外，本发明的一种实施方式的模块的特征在于，利用上述波导器件集成多芯片 模块。有益效果根据本发明，在波导器件中，在基板上的任意位置除去覆层(clad)及芯从而在光 波导上形成槽，并在槽中填满使光信号的强度发生衰减的材料(遮光材料)，由此阻断光波 导。由此，入射至上述阻断结构的光信号由于遮光材料而发生衰减，从而能够抑制上述光信 号成为串扰成分而影响其他光器件。因此，不仅可以抑制同一个基板中集成的光器件之间 相互影响，也可以抑制对直接连接于该基板的其他光器件(例如，其他波导器件，或发光元 件和感光元件)造成的影响。因此，在实现更高集成度的光器件方面非常有效，可期待其为 需要各种光信号控制的大容量光通信网络的发展做出重大贡献。


图1是表示本发明的第1实施例的波导器件的结构的图。图2A是表示在图1的波导器件中包括可变光衰减器的基板的电路布局的图。图2B是表示在图1的波导器件中包括可变光衰减器的基板的电路布局的图。图2C是表示在图1的波导器件中包括可变光衰减器的基板的电路布局的图。图3是表示阻断本发明的第1实施例中光波导的槽在基板水平面内的形状的图。图4是表示阻断本发明的第4实施例中光波导的槽在基板水平面内的形状的图。图5A是表示本发明的第5实施例中被阻断的光波导的锥形形状的图。图5B是表示本发明的第5实施例中被阻断的光波导的锥形形状的图。图6是表示本发明的第5实施例中被阻断的光波导的匪I形状的图。图7A是表示本发明的第6实施例中包围光波导的阻断结构的图。图7B是表示本发明的第6实施例中包围光波导的阻断结构的图。图8A是表示本发明的第7实施例中包围光波导的阻断结构的图。图8B是表示本发明的第7实施例中包围光波导的阻断结构的图。图9A是表示本发明的第8实施例的波导器件的概要的图。图9B是表示本发明的第8实施例的波导器件的概要的图。图IOA是表示在由波导器件实现2X 1光开关时的具体结构示例的图。图IOB是表示在由波导器件实现2X 1光开关时的具体结构示例的图。图IOC是表示在由波导器件实现2X 1光开关时的具体结构示例的图。图11是表示本发明第9实施例的波导器件的概要的图。图12是表示本发明第10实施例的1 X6分路器的结构示例的图。
图13A是表示本发明第10实施例的1X40波长去复用滤波器的结构示例的图。图1 是表示本发明第10实施例的1X40波段去复用滤波器的透射光光谱示例 的图。图14是表示实现ROADM系统的主要功能的波导器件的模块结构示例的电路框图。图15A是表示波导器件中可变光衰减器的基本结构的图。图15B是沿图15A的XVB-XVB线的截面图。图16是用来说明在利用了现有的多芯片集成技术的波导器件中存在的过剩光功 率问题的图。
具体实施例方式下面，参照附图对本发明的实施例进行详细的说明。在下述实施例中，对使用了形 成于硅基板上的二氧化硅单模光波导的光器件进行说明。其理由在于，该结构稳定且易于 集成，并且与二氧化硅光纤之间的兼容性能良好，从而可提供低损耗的光器件。但本发明并 不限于这种结构。实施例1图1是表示本发明的一个实施例的波导器件的结构的图。如图所示，本实施例的 器件100构成为具有光级调节功能的波长复用滤波器(VMUX 具有VOA的MUX)，其中，基板 120和基板130连接在一起，基板120包括VOA 1410-1 N，基板130包括阵列波导光栅 (AffG =Arrayed Waveguide Grating) 110。上述光器件应用于如WDM系统中。在本结构例 中，VOA 104-1 N和分接头用光耦合器106-1 N集成在一个基板120内，光功率监视器 用PD 108和AWG 110集成在另外一个基板130内。图2A表示本实施例中包括VOA 104-1 N的基板120的详细的电路布局。另 外，在图1以及图2A至图2C中，为了简化附图，只对驱动VOA 104-1 N的薄膜加热器进 行记述，而省略了用于对加热器供电的电气布线的记述以及对后面所述隔热槽的记述。为 了能够同时对多个通道的光级进行调整，并联设置的VOA 104-1 N分别包括串联连接为 两级的MZI 202-1 N和204-1 N，并通过向MZI 202-1 N和204-1 N施加电压来 实现衰减操作。在VOA 104-1 N的后级连接有非波长依赖型耦合器(WINC =Wavelength Independent Coupler)作为分接头用光耦合器106-1 N。并且，将主端口 206a和分接头 端口 206b引出至基板端部，以分别连接另一个基板130中集成的AWG 110和监视各通道的 光功率级的PD 108。通过V0A104-1 N的衰减操作，从各MZI 202-1 N、204_l N传输 至虚拟端口 208-1 N的过剩光经由虚拟端口的延长线传输至阻断结构201-1 N中，并衰 减并终止于不会对其他电路和通道产生串扰或杂散光的功率级，其中，阻断结构210-1 N 包括通过在基板上任意位置除去覆层及芯后所形成的槽和该槽中所填充的使光强度发生 衰减的材料(遮光材料)。本实施例中的遮光材料是使用了以硅树脂为母材且在该母材中混入作为遮光材 料通常使用的炭黑所得到的混合物。向遮光材料中入射的光，主要通过炭黑的吸收来衰减 光功率。包括上述VOA 104-1 N的基板120，按照下述工序来加工。在厚度为1mm、直径 为6英寸的硅基板上，通过组合利用石英玻璃膜沉积技术与活性离子蚀刻技术来加工单模光波导，其中，所述单模光波导包括由石英玻璃形成的覆层以及埋入式芯部，所述石英玻璃 膜沉积技术利用了例如3比14、6化14等原料气体的火焰水解反应。然后，在覆层表面上通过 真空沉积技术以及图案化技术形成了薄膜加热器和用于供电的电极。加工成的光波导的芯 尺寸通常为7 μ mX 7 μ m，与覆层的相对折射率差Δ为0.75%。利用上述光波导，通过组合直波导与弯波导来形成实施例1中的VOA和WINC。覆 层表面形成的薄膜加热器为基于热光效应的相移器，其厚度为0. 1 μ m，宽度为20 μ m，长度 为2mm。进一步构成下述结构，即沿薄膜加热器形成隔热槽，使薄膜加热器产生的热量有 效地传递至光波导的芯。另外，在加工隔热槽的同时，形成与VOA 104-1 N的虚拟端口连 接的阻断结构210-1 N的槽。在本实施例中，槽的大小是宽度为ΙΟΟμπκ长度为1mm。槽 深至芯部之下，也可以深至基板。由实施例1的VOA 104-1 N和WINC 106-1 N构成的 光回路的全长为50_，其中，实施例1的VOA 104-1 N和WINC 106-1 N是以MZI为基 本元件构成的。将构成VOA 104-1 N的MZI 202-1 N和204-1 N的两个分支的光路长度差 设定为所通过的信号光的半波长，在VOA 104-1 N未通电的状态下主端口中的信号光为 阻断(衰减量最大)状态。在本实施例中，为了对各波长通道的WDM信号进行处理而并列 配置V0A。为了简化设计，将所有VOA的光路长度差统一成所处理的信号光波长带的中间值 1. 55 μ m的二分之一，即0. 75 μ m。需要说明的是，就严格意义而言，也可将各VOA的光路长 度差设定为与传播信号光的波长对应。通过连续地改变被施加给薄膜加热器的电压，可以对VOA 104-1 N设置任意的 衰减量。另外，在通常情况下，大多要求消光比为50dB以上，而在仅由1级MZI构成的情况 下无法获得足够的消光比，其中，消光比是指在衰减量为零的状态下与衰减量最大的状态 下主端口的光信号功率之差。因此，在本实施例中，采用2级MZI串联连接所得的结构，从 而使消光比达到了 ^dB以上。在本实施例中，当VOA的衰减量最大时，被传输至虚拟端口的过剩光功率最大，如 果不进行充分的阻断处理，就会对后一级的WINC或直接连接VOA基板120的AWG基板130 形成串扰，从而带来不良影响。为了与图2A中所示的本实施例的电路(样本1)相比较，还 同时制造了下述电路，即在虚拟端口 208-1 N上完全不设置阻断结构，在图2B中的线段 A-A’的位置上设置波导终点的电路(样本2)；以及如图2C所示的仅设置有槽212-1 N而 未设置遮光材料的电路(样本幻。在本实施例所制造的样本中，为了观察虚拟端口 208-1 N的阻断结构210-1 N对串扰的抑制效果，在VOA的衰减量最大(阻断光输出)的状态 下，对与传输光信号的通道相邻的通道的串扰量进行了测定。在样本2中，在其虚拟端口 208-1 N上完全没有设置用于阻断的槽和遮光材料， 相邻通道的主端口 206a和该主端口的分接头端口 206b分别产生了约-30dB的串扰。这表 示，传输至虚拟端口 208-1 N的过剩光功率全部在虚拟端口的终点处按照覆层模式进行 传输，并与相邻通道的波导耦合而造成了串扰。另外，即使是在虚拟端口 208-1 N的终端仅设置槽212_1 N而未设置遮光材 料的样本3，由于相邻通道的串扰比较大，主端口 206a和分接头端口 206b也分别产生了 约-40dB的串扰。由此可知，虽然从槽212-1 N的波导端面辐射出的光由于在槽内的反 射和散射而衰减了一部分光功率，但再以覆层模式传输后，与相邻的波导耦合，其结果，就会造成串扰。另一方面，样本1的虚拟端口 208-1 N由槽和槽内填充的遮光材料所阻断，在该 样本1中显示对相邻通道的串扰值低于_60dB。能够确认由于本发明的遮光效果，过剩光 功率衰减到对其他电路没有影响的功率级，从而实现了恰当的阻断处理。另外，如图3所示，本实施例中的阻断结构210-1 N的槽的形状为槽的入射面 相对于被阻断的波导的传输方向的角度(Θ)是8度。在本实施例中，虽然硅树脂和炭黑的 混合物即遮光材料的折射率与石英玻璃大致相等，但考虑到所存在的若干折射率差，通过 增加角度(Θ)的设计使得不影响VOA的反射衰减量。实际上，在对遮光材料的折射率、阻 断结构的设置空间以及槽的加工精度等因素进行考虑的基础上来确定最佳的角度(θ )。通 过对本实施例中所制造的样本1中V0A-1 N的输入侧的反射衰减量进行测定后，发现衰 减量达到50dB以上，具有良好的特性。实施例2
在本发明的实施例2中，采用了与图1和图2A相同的结构，在V0A104-1 N的虚 拟端口 208-1 N的阻断部使用了以硅树脂为母材并在其中混合金属微粒粉末所得的混合 物作为遮光材料，其中金属微粒粉末也可用作颜料。入射至遮光材料的光主要通过金属微 粒粉末的光散射作用来衰减光功率。与实施例1同样地，本实施例中加工成的样本包括形 成在硅基板上的二氧化硅光波导，并具备设置有槽和遮光材料的阻断结构210-1 N以防 止与相邻的光波导耦合而造成串扰。即使在本实施例中，给相邻通道造成的串扰也在_60dB 以下。另外，考虑到光波导和遮光材料的折射率，将入射面相对于被阻断的波导的槽的 角度(图3的θ )设定为15度。此时，VOA 104-1 N的输入侧的反射光衰减量为50dB以 上，具有良好的特性。实施例3在本发明的实施例3中，采用了与实施例2相同的结构，并将入射面相对于被阻断 的波导的槽的角度(图3的θ)设为偏振角(布鲁斯特角)。其他的结构以及遮光材料等 与实施例2相同。计算出本实施例中的偏振角约为50度。由于将入射面的角度设为偏振 角，基板水平方向的偏振分量全部入射到遮光材料中，只有基板垂直方向的偏振分量的一 部分通过反射被辐射到波导基板内。由此，进一步降低了整个波导基板内由辐射光引起的 串扰影响。通过本实施例，对相邻通道的串扰为_65dB以下，VOA 104-1 N的输入侧的反 射光衰减量也达到^dB以上。另外，本实施例显然也适用于实施例1等实施例2以外的结 构。因此，可以根据在电路内配置阻断结构的空间需要，将入射角设定为偏振角，从而更有 效地阻断过剩光功率。实施例4在本发明的实施例4中，采用了与实施例1相同的结构，如图4所示，阻断虚拟端 口 208的槽在基板水平面内的形状由闭合曲线形成后再设置遮光材料，其中，所述闭合曲 线不包含顶点且仅由平滑连接的曲线和直线组成。遮光材料采用了硅树脂和炭黑的混合 物，所制成的样本形成有光滑的槽壁面，因此遮光材料不易脱落，其长期稳定性也得以提 高。另外，对串扰的降低效果与实施例1相同，对相邻通道的串扰在_60dB以下。在本实施 例中，也将入射面相对于阻断部的槽的角度设为8度，因此，VOA 104-1 N输入侧的反射9光衰减量达到了 50dB以上。实施例5在本发明的实施例5中，采用了与实施例1相同的结构，如图5A和图5B所示，虚 拟端口 208的阻断部分的光波导形状为锥形。这样做的意图是，使得所传输的光的模场直 径与其他位置的普通宽度的光波导的情况相比有所增大，从而使入射至遮光材料的光的功 率密度降低。例如，在遮光材料通过吸收光来衰减VOA 104-1 N的过剩光功率时，光功率 转换成热量而使遮光材料的温度升高。这时，功率密度越高，就越容易发生局部温度急速上 升的情况，因此，作为遮光材料的母材的硅树脂可能会损坏。尤其是在ROADM等节点系统的 光器件中，额定输入光功率有时会达到200mW(+23dB)以上，以此推测出，在一个通道中，向 VOA虚拟端口 208传输的最大过剩光功率达到IOmW(+IOdB)左右。在这种情况下，根据入射 的模场直径，遮光材料的上升温度可能超过300度，这超出了硅树脂的允许温度范围。在本实施例中，就图5A所示的抛物线形状和图5B所示的直线形状这两种锥形而 言，它们各自的锥长度为ΙΟΟμπι，锥宽度(阻断结构的入射侧)为30μπι，采用由硅树脂和 炭黑混合而成的遮光材料，观测它们对输入功率的耐受性后可以确认无论采用任何一种 形状，IOmW(+IOdB)的输入功率都没有造成遮光材料的损坏。具体而言，在光的入射部附近， 沿着与光的入射方向垂直的截面切断遮光材料，进而用目视来确认。根据本实施例，显而易见，那个获得充分的高功率耐受性，因此也能适用于节点系 统。另外，本实施例中的锥长度、宽度只是一个例子，各数值由与相邻波导及其他电路 之间的位置关系、空间来决定，并不限于本实施例中所记述的数值。即，锥长度可以在数十 μ m到数mm之间任意选取。而且，就锥的宽度而言，即使比通常的光波导宽度窄也可以增大 模场直径。因此，从尽量扩大模场直径的角度出发，锥宽度可以在0 μ m到30 μ m之间进行 任意选取。另外，如图6所示，阻断部分的光波导的形状为马赫-曾德尔干涉仪的形状，在 这种情况下，也同样观测了对输入功率的耐受性，结果发现在干涉仪长ΙΟΟμπι、干涉仪宽 30 μ m的形状时，IOmff (+IOdB)的输入功率也没有造成遮光材料的损坏。在任意形状的情况下，从增大模场直径的角度出发，都可望获得同样的作用，都获 得了充分的效果。实施例6在本发明的实施例6中，如图7A所示，以如下方式设置，即，在基板水平面内，用槽 和遮光材料包围被阻断的光波导。由此，使得在光波导阻断部分产生的反射光不会影响其 他电路等。在图7A中，包围被阻断的光波导的结构710被设置为入射光702在光波导的 终点704处被阻断，并且，其中一部分转变成反射光706，维持一定的宽度在基板内传输，通 过上述结构710阻断反射光706。上述实施例2中，用硅树脂及金属微粒粉末的混合物作为遮光材料，因此，与石英 玻璃的折射率差导致发生了一定的反射光。但是，通过将入射面相对于被阻断的光波导的 槽的角度设定为15度，使得反射光基本上被辐射到光波导基板内而不会与被阻断的光波 导耦合。此时，即使被阻断的光波导的阻断结构形成为如图3或图4、图5A、图5B、图6那样 的结构，上述被辐射出的反射光最终会发生一定的衰减并到达基板端面，而不会与输入输出光纤耦合地向空气中辐射，因此，不会对电路性能产生影响。然而，在任意位置设置光波导的阻断结构的波导式光器件中，在基板端面或基板 表面集成监视器用PD等的光接收部件的情况下，上述反射光被接收，并可能检测出串扰， 从而对电路性能产生影响。对此，制造具有图7A中所示结构的阻断结构的波导器件，使用硅树脂和金属微粒 粉末的混合物作为遮光材料，用PD在基板的所有位置(端面、上下表面)进行串扰测定，结 果发现对于输入被阻断的光波导中的光强度，任意位置的串扰都在_60dB以下。与图5A 那样的结构相比较，例如，依赖于电路结构或位置的差异，也可有IOdB或更大的串扰改善。另外，由于本实施例的结构以阻断反射光为目的，所以，在不给其他电路设置等带 来影响的范围内，可以任意确定本实施例的结构的大小、位置和形状。而且，阻断光波导的 部分和阻断反射光的部分也没有必要必须为连续的形状，例如如图7B所示的形状，阻断反 射光的结构714与光波导的阻断结构712虽然在图形上并不连续，但本发明的效果相同。在 上述情况下，就结构712、结构714而言，其形状可以由闭合曲线组成，所述闭合曲线不包含 顶点且仅由平滑连接的曲线和直线所组成，其材料可以是吸收或散射光的物质。另外，虽然 在图7A和图7B中，波导设置为锥形，但也可以是这些以外的形状。实施例7图8A和图8B是表示本发明的实施例7的结构的图。在实施例5中说明了提高对 入射至光波导的阻断结构的光的高功率耐受性的结构。但是，在需要阻断输入功率达数十 mff的光功率时，上述耐受性是不够的。对此，图8A中表示了一种以进一步提高高功率耐受性的结构。在本实施例中，被 阻断的光波导802具有波导宽度朝着阻断方向逐渐缩小的直锥形结构，设置有如实施例6 中所示的遮光材料的槽形状810包围波导的周围。而且，在波导的阻断位置，光波导802的 终点和阻断结构802通过距离为Ll的覆层的间隙连接在一起。设定距离Li，使得由波导的 末端辐射出的光能够被阻断结构完全吸收，例如，设定为Imm以下的值。此时，将锥形的长 度L2设定为500 μ m,形成为下述形状，即通过增大波导宽度的变化率使得在波导中传输 的光的光点直径急剧变化。另外，将波导终点和阻断结构间的距离Ll设定为750μπι，光相 对于阻断结构的入射角θ为15度。在图8Α的L3部分，包围被阻断的光波导的周围的槽 形成为逐渐向光波导靠近的形状，在线性锥形部分，根据加工误差和所需的衰减量，从光波 导宽度的中心点到槽的距离在下述范围内向光波导靠近，该范围是光波导宽度的一半(槽 与波导芯的侧壁接触)到光波导宽度之间。在本实施例中，将L3的距离设定为250μπι，将 线性锥形起始位置的光波导中心到槽的距离设为与波导宽度相等的7 μ m。制作图8A的结构的样本，使用由硅树脂和炭黑混合所得的遮光材料，观测样本对 输入功率的耐受性，结果证实50mW(+17dBm)的输入功率不会对遮光材料造成损坏。根据本实施例的结构，由于采用了使线性锥形的光点直径急剧变化的结构而产生 辐射光，因此，可通过包围光波导周围的遮光材料使部分光功率发生衰减。另外，模场因锥 形而增大的光功率中的大部分在光波导上传输，在阻断位置经由覆层的间隙入射至阻断结 构，因此，光功率被进一步分散，从而能够缓和遮光材料内部因局部光吸收引起的温度剧烈 升高。测定本实施例的结构中VOA的输入侧的反射光衰减量，结果为55dB以上。而且，用PD在基板的任何位置进行串扰测定，结果发现对于输入被阻断的光波导的光强度，任 意位置的衰减量都为_60dB以下。在本实施例中，光波导的锥形优选形成为波导宽度朝着末端方向缩小的形状，但 是，在终点处的宽度可以在比通常的波导宽度窄的范围内进行任意设置。另外，虽然也存在 下述情况，即宽度缩小的线性锥形形状采用两种不同的宽度变化率从而形成两级线性锥 形连接的形状。采用这种形状的光波导的结构也包含在本发明的范围内。此外，对于光波导的终点和阻断结构之间的覆层的间隙，所述间隙的距离根据电 路中设置的空间和入射的光功率进行调整，其范围在Imm以下比较合适。即，设定为使得 波导的末端辐射出的光能够由阻断结构充分吸收。相反，也可能存在图8A中的距离Ll为 Omm的情况，但在这种情况下，光功率可能会局部入射至阻断结构内，所以，可能无法获得充 分的高功率耐受性。但是，就阻断光波导以抑制串扰的目的而言，能够在不损坏遮光材料的 范围内达到上述效果。在图8A的结构中，能够证实数十mW的高功率耐受性，但是，在功率更高的情况下， 例如，当入射功率为100mW(+20dBm)时，根据遮光材料的种类的不同，有时难以获得充分的 耐受性。对此，通过采用实施图8B所示的结构，可望进一步提高高功率耐受性。S卩，包围 被阻断的光波导804的槽812仅在任意距离L’ 4的范围内与光波导的芯接触，该距离L’ 4 延续至光波导804的起点。并且，该光波导804的线性锥形呈下述形状，即其宽度朝着终 点逐渐缩小的形状。另外，如图8A所示，在光波导804的终点和阻断结构812之间存在覆 层的间隙。在本实施例中，将锥形长度L’ 2设置为500μπι，将间隙的距离L’ 1同样设置为 500 μ m,使与光波导芯侧壁接触的槽之间所夹持的部分的宽度W’保持一定，直至阻断结构 812为止。根据本结构，从槽与光波导804接触的位置起，所传输的光功率的一部分被辐射 到槽内并发生衰减，进而朝阻断结构的方向传输并扩大模场后，在阻断结构中过剩光功率 进一步发生衰减并被阻断。由此，较之于此前的实施例中记述的结构，本实施例的结构能够 以更缓和的方式使光功率发生衰减。制造图8B的结构的样本，使用由硅树脂和炭黑的混合 物所制成的遮光材料，观测该结构对输入功率的耐受性，结果证实IOOmW(+20dBm)的输入 功率没有造成遮光材料的损坏。而且，经测定输入侧的反射光衰减量，结果为55dB以上。 用PD在基板的任何位置进行串扰测定，结果证实对于输入被阻断的光波导的光强度，任 意位置的串扰都为_60dB以下。在图8B的结构中，被槽夹持的部分的宽度W’ 一定，但是， 即使是在线性锥形部分采用与光波导芯侧壁接触的形状，也能够进一步提高输入功率耐受 性。另外，为了防止与芯侧壁接触的槽的加工误差(错位、图形漂移)所导致的芯图案缺 陷，也可以在槽的附近区域光波导的传输损失增大的范围内在槽与芯侧壁之间设置覆层从 而使该二者之间保持1 15 μ m的距离。实施例8图9A是表示本发明实施例8的波导器件的结构的图。本实施例的器件900a构成 ROADM系统的主要功能，其中，波导器件基板920a和波导器件基板930直接连接在一起，波 导器件基板920a集成了波导式光开关(未图示)、V0A902和WINC904，波导器件基板930集 成了 AWG和监视器PD。在本实施例中，阻断结构908a利用由槽和遮光材料来阻断V0A902的虚拟端口 906。另外，在图9A和图9B中，省略了光开关、AWG和监视器PD的详细描述。光开关和AWG都由与VOA相同的光波导组成，监视器PD与基板端面相连接。光开关具有图14中的2X 1 开关1408-1 N的功能，该光开关在下述两个路径中进行选择，即经过DEMUX (波长去复 用)的光信号路径和由下层网络附加(Add)的光信号路径(附加路径)。所选择的光信号 由VOA 902进行光级调整，并经由WINC 904与MUX(波长合波)用AWG连接。此时，阻断VOA的虚拟端口 906的阻断结构908a的遮光材料采用了环氧树脂和炭 黑。分别对WINC904的下一级所连接的AWG和监视器PD中的串扰进行测定，结果发现都 在-60dB以下。在这里，图9A中的光波导的入射面相对于阻断结构908a的角度为0度，此 时，在光开关的输入侧测到的反射光衰减量为45dB以上。为了对比，如图9B所示，将入射 面相对于阻断结构908b的角度设置为8度，结果，反射光衰减量变为50dB以上。如实施例 1或本实施例这样遮光材料的折射率与石英玻璃接近的情况下，考虑到槽在基板水平面内 的大小，即使将入射面的角度设定为0度也能得到充分的反射光衰减量特性，但是，在要求 更高的反射光衰减量的情况下，需要采用反射光不会与被阻断的光波导耦合的结构，偏振 角等为最佳选择。图9A和图9B中任意一种情况下，在基板水平面中的槽的形状由闭合曲线形成，其 中，所述闭合曲线不包含顶点且仅由平滑连接的曲线和直线所组成，这种结构经证实不会 发生遮光材料从槽壁面脱落的情况，从而可确保长期可靠性。另外，在图9A中，虽然将光开关和V0A902作为分开的电路来描述，但是，也存在使 用相同的MZI同时实现光开关和VOA功能的情况，图9A中所示的结构并非表示本发明的限 定结构。作为ROADM用光开关以及VOA的结构例，例如，可以参考专利文献1或非专利文献 1。根据非专利文献1，如图IOA至图IOC的概念图所示，直通通路侧上的光开关和附加路径 侧上的光开关分别包括两级直接连接的MZI。此时，选择任意一条路径，同时，通过连续施加 功率来驱动2级MZI，从而还可以同时进行光级调整。此时，由各MZI导出的虚拟端口通过 本发明的由槽和遮光材料构成的阻断结构被分别或一并阻断，从而使过剩光功率不会对其 他的电路造成影响。实施例9图11是表示本发明实施例9的波导器件的结构的图。与实施例8同样地，本实施 例的器件包括直接连接在一起的波导器件基板1120和波导器件基板1130，构成了 ROADM系 统的主要功能，其中，波导器件基板1120集成了波导式光开关、V0A1102和WINC1104，波导 器件基板1130集成了 AWG和监视器PD。在本实施例中，包括槽和遮光材料的阻断结构1108将V0A1102的虚拟端口 1106 阻断，并且，包括槽和遮光材料的阻断结构1112将WINC1104的输入侧虚拟端口 1110阻断。 在本实施例中，遮光材料采用了以硅树脂作为母材并在其中混合了金属微粒粉末所得到的 混合物。另外，入射面相对于槽的入射角都设定为(Θ =)22. 5度。根据本实施例，不仅可 以抑制被传输至VOA的虚拟端口的过剩光功率的衰减操作对其他电路造成的串扰，并且， 在波导器件基板1120的输入部与其他波导器件和光纤连接时产生的连接损失导致串扰成 分、以及因光开关和VOA 1102的光波导与WINC的输入侧虚拟端口 1110耦合而产生的过 剩损失而导致串扰成分的情况下，还可抑制对耦合器的耦合率造成的影响。在WINC的输 入侧虚拟端口 1110处未设置阻断结构1112的现有结构中，由于受光纤连接部或光开关、 VOAl 102处产生的串扰的影响，相对于WINC的设定耦合率可能会产生百分之几的耦合率误差，从而对监视器用PD的反馈控制造成不利影响。对此，经测定本实施例的结构的WINC设定耦合率误差，可证实耦合率误差在 士0. 5%以内，本发明能够充分地抑制串扰对WINC的影响。另外，也证实了 V0A1102的虚拟端口 1106的阻断结构1108的串扰抑制效果，所有 位置的串扰都在_60dB以下。而且，光开关输入侧的反射光衰减量同样达到50dB以上。本实施例中的输入侧虚拟端口的末端不限于WINC，对于以MZI为基本元件的光开 关、VOA等输入侧设置有虚拟端口的结构的任何光路，通过阻断输入侧端口都可以同样获得 对串扰影响进行抑制等的技术效果。实施例10在本实施例中记述的在基板上的任意位置的光波导的阻断结构的情况并不适用 于此前所叙述的光开关和V0A，而是适用于其他波导器件。图12是光分路器的例子。例如，列举图12的结构作为实现1 X 6分路器的方法。在 这种情况下，以ι χ 8分路器1200为基本结构，通过对未被用作输出端口的2个光波导1202 应用本发明的阻断结构1204，可以抑制其他输出端口的串扰。在本实施例中，采用硅基板上 加工的石英玻璃的光波导来制造基于图12的结构的1X6分路器。在1300nm 1650nmd 的波长范围内分别对各输出端口(图12的1 6)进行光谱测定，结果可知在整个波长范 围内，输出功率的端口间偏差为0. 5dB左右，特性良好。图13A是AWG的例子。例如，在1输入N输出的AWG 1302中，在输出端口每隔一 定间隔利用本发明的阻断结构1304对输出侧光波导进行阻断，从而能够进行下述信号处 理，即对每一批波长组的光信号进行分离，使得波长组相互分离并且由ITU网栅Gl至G4 之一间隔。在本实施例中，采用在硅基板上加工的高分子波导制造基于图13A的结构的AWG 基板。在本实施例的AWG 1302中，对于一个输入波导，将波长组分为5组，每组具有8个波 长，在输出侧设置44个光波导，其中，波导被阻断为使得每8个光波导分为一组。被两个波 长组夹持的波长(被阻断的波长)共有四个。在任何情况下，除了被阻断的端口以外的所 有端口的串扰都在_40dB以下。在上述本发明的实施例1 10中，对硅基板上由石英玻璃和高分子材料形成的波 导器件进行了描述。本发明也适用于采用构成波导器件的其他材料，例如离子扩散型的铌 酸锂波导等，制成的所有波导式光学电路。另外，就阻断光波导的槽而言，并没有特别涉及槽的深度，例如，在硅基板上加工 的采用了石英玻璃的波导器件中，优选深达硅基板。但是，也可以在考虑加工条件、给其他 电路带来影响等因素的基础上任意设定深度，即使如此，本发明也能获得显著的技术效果。 当然，上述槽的深度至少要能够确保芯从光波导端部部分的槽壁面露出。除此以外，本发明 的结构并不对上述深度进行特殊限定。1权利要求
1.波导器件，其特征在于，具有填充了遮光材料的阻断结构，该阻断结构用于阻断来自波导端部的光。
2.如权利要求1所述的波导器件，其特征在于， 所述波导端部为锥形或多模干涉仪的形状。
3.如权利要求1或2所述的波导器件，其特征在于，所述阻断结构被配置为使得来自所述波导端部的光的入射角是倾斜的。
4.如权利要求3所述的波导器件，其特征在于， 所述入射角为偏振角。
5.如权利要求1-4中任意一项所述的波导器件，其特征在于， 所述阻断结构被配置为围绕所述波导端部。
6.如权利要求1-5中任意一项所述的波导器件，其特征在于，所述阻断结构构成为槽，该槽在基板平面内的形状不包含顶点而由曲线所组成。
7.如权利要求1-6中任意一项所述的波导器件，其特征在于，包括马赫-曾德尔式光开关、可变衰减器、光分路器和阵列波导光栅中的至少任意一
8.如权利要求1-7中的任意一项所述的波导器件，其特征在于， 所述遮光材料包括吸收或散射来自所述波导端部的光的材料。
9.利用权利要求1-8中的任意一项所述的波导器件集成的多芯片模块。
全文摘要
恰当地阻断波导器件中的过剩光功率。根据本发明的一个实施例，波导器件具有填充了遮光材料的阻断结构，该阻断结构用于阻断来自波导端部的光。该阻断结构可以按照下述方式构成，即通过去除覆层和芯在光波导上形成槽，在该槽中填充能使光的强度发生衰减的材料(遮光材料)。由此，可通过遮光材料使入射至阻断结构的光发生衰减，从而抑制因所述光成为串扰成分而对其他光器件造成影响。利用这种阻断结构，不仅可以抑制对集成在同一基板内的光器件的影响，还可以抑制对与该基板直接连接的其他光器件等的影响。
文档编号G02B6/122GK102047159SQ20098011955
公开日2011年5月4日 申请日期2009年5月26日 优先权日2008年5月26日
发明者乡隆司, 奥野将之, 村泽敦志, 柳泽雅弘, 桥诘泰彰, 永野充, 相马俊一, 石川贵规 申请人:Ntt电子股份有限公司, 日本电信电话株式会社