光分路單元的製作方法

2023-11-03 02:11:42 2

專利名稱：光分路單元的製作方法
技術領域：
本發明涉及可用於光通信領域、並將輸入到輸入端的光束輸出給多個輸出端的光分路單元。
背景技術：
在使用光波導的光分路單元中，作為一種光學特性，特別需要插入損耗的波長均一性在各分路目的地中不變化，即各目的地的波長均一性基本上相等。
例如，公開號為4-172308的日本專利申請公開了一種Y形分光迴路，它包括一個其高階膜被截止且基模中較低的等效衍射率和基片上形成的其它波導相比要更低的波導，並且以該波導作為輸入波導的一部分。
然而，甚至在以上公開號為4-172308的專利申請所公開的方案中，當導向輸入波導的光束偏移該輸入波導的軸線或中心軸時，波長均一性也會在各分路目的地中改變。該波長特性在較短波長側特別地降低。
此外，光分路單元的輸入波導與例如光纖相連，並且施加(輸入)在光纖中傳送的光信號。在許多情形中，輸入波導被粘貼到光纖上，並且在粘貼波導和光纖、或者使粘膠硬化期間難以完全防止波導軸線和光纖中心軸之間的偏移。

發明內容
本發明的一個目的是提供一種光分路單元，即使用於輸入來自基片外部的光束的輸入波導與基片外的光傳輸元件之間發生偏移，該光分路單元也能夠在光線被光分路單元分路之後減少射向分路目的地輸出端的光線、還能夠降低損耗、並具有較高的輸出側損耗波長均一性。
本發明提供了一種光分路單元，它包括支承基片，它支承光分路結構，該光分路結構以預定的光分路比對光束進行分路；輸入波導，它將施加到該光分路結構的光束從支承基片外部導向該光分路結構；以及第一和第二輸出波導，它們將經由該光分路結構分路後要發射的光束導向獨立於支承基片設置的光波導結構，其中該輸入波導的端面被限定為在與光束的輸入方向正交的平面上，垂直於支承基片的方向上的長度、或高度比沿支承基片方向上的長度大；並且該第一和第二輸出波導的端面被限定為沿支承基片方向上的長度比垂直於支承基片的方向上的長度、或高度大。
即根據上述光分路單元，當在輸入來自支承基片外部的光束的輸入波導與該基片外部的光學傳輸結構之間發生偏移時，在分路結構分路之後射向分路目的地輸出端的多模分量有所減少，並且損耗的波長均一性變化在輸出側得到補償。
此外，本發明提供了一種光分路單元，它在基片上具有輸入來自基片外部的光線的輸入波導、按預定分路比將輸入到該輸入波導的光線進行分路的光分路、以及將光分路按預定分路比分出的各光線輸出到基片外部的輸出波導，其中從基片外部輸入的光線按預定的分路比進行分路，並被輸出到該基片的外部，其中在輸入波導與光分路之間的預定位置處的橫截面形狀是具有不同縱橫比的矩形或非圓形，包括沿基片表面的長度被限定為小於在與基片表面正交的方向上的長度的區域；並且各輸出波導輸出端處的橫截面是具有不同縱橫比的矩形或非圓形，其中沿基片表面的長度被限定為比與基片表面正交的方向上的長度要長。
即按預定分路比對來自基片外部的輸入光線進行分路、並將光線射向基片外部的光分路單元中，在輸入波導與光分路之間的預定位置處的橫截面是具有不同縱橫比的矩形或非圓形，包括沿基片表面的長度被限定為小於在與基片表面正交的方向上的長度的區域；並且各輸出波導的輸出端上的橫截面是具有不同縱橫比的矩形或非圓形，其中沿基片平面的長度被限定為比在與基片表面正交的方向上的長度長。因此，當在輸入來自支承基片外部的光束的輸入波導與該基片外部的光學傳輸結構之間發生軸偏移時，在分路結構分路之後射向分路目的地輸出端的多模分量有所減少，並且輸出波長均一性中的變化在輸出側得到補償。因此，在各個分路目的地中，損耗的波長均一性增大。
此外，本發明提供了一種光分路單元，它包括基片，它包括由第一方向和與該第一方向正交的第二方向限定的表面；輸入波導，它沿基片的表面設置、並輸入來自基片外部的光線；第一光分路單元，設置於基片表面上的預定位置，並按預定比率對從基片外部輸入的光線進行分路；第二光分路單元，設置於基片表面上的預定位置，並進一步按預定比率對由第一光分路單元按預定比率分出的光線之一進行分路；第三光分路單元，設置於基片表面上的預定位置，並進一步按預定比率對由第一光分路單元按預定比率分出的另一光線進行分路；輸出波導，設置於基片表面上的預定位置、第二和第三光分路單元中作為與第一光分路單元相關的輸出端的位置，並將由第二和第三光分路單元分路的光線輸出到基片的外部，其中，連接第一光分路單元和第二光分路單元的光波導部件、以及連接第一光分路單元和第三光分路單元的光波導部件被限定為包括在與基片表面正交的方向上的長度被限定為比在沿基片平面的長度長的區域的至少一部分中。
即，在上述光分路單元中，將輸入來自基片外部的光束的光分路單元連接到在被設置成將分成若干光束的光束射向基片外部的多個輸出波導中提供的多個光分路單元的光波導，包括在與基片表面正交的方向上的長度被限定為比在沿基片平面的長度長的至少一個區域。當光分路單元的若干級被串聯排列時，可能補償射向輸出端的光束的波長均一性變化，以將光束射向基片的外部。因此，在各分路目的地中，損耗的波長均一性增大，並且整個分路單元的損耗降低。


圖1是說明根據本發明一實施例的光分路單元的一個示例的示圖；圖2是從圖1平面(z軸)方向看圖1所示光分路單元的示圖；圖3A是說明圖1和圖2所示的光分路單元的光波導結構的橫截面特徵的視圖；圖3B是說明圖1和圖2所示的光分路單元的光波導結構的橫截面特徵的視圖；圖4是說明圖1和圖2所示的光分路單元的光波導結構的可選位置的縱橫比與該橫截面的總損耗之間的關係的曲線圖；圖5是說明圖1和圖2所示的光分路單元的光波導結構橫截面的可選位置的縱橫比、與改變輸出側埠之間巨大損耗(波長均一性中的變化)的狀態之間關係的曲線圖；圖6是說明通過設置圖4和5所示的縱橫比，減少波長均一性相關於軸偏移的變化的原理的曲線圖；圖7是說明圖1和圖2所示的光分路單元的另一實施例的示意圖；以及圖8是說明通過圖7所示光分路單元獲得的過度損耗中的變化的曲線圖。
具體實施例方式
下文中，將參照附圖對本發明的各個實施例進行詳細說明。
圖1是說明根據本發明一實施例的光分路單元的一個示例的示意圖。
如圖1所示，光分路單元1具有主要由二氧化矽(SiO2)形成的基片、以及通過在基片10上按預定形狀圖形化而形成的光波導結構20。圍繞該光波導結構20的空間被用作鍍層30的元件覆蓋，以使光波導結構20可用作芯。芯部分(光波導結構20)與鍍覆區域(鍍層30)之間的相對摺射率差值為0.45％。
光波導結構20包括輸入端21，以輸入經由未示出的諸如光纖的光傳輸元件、以及前一級的光分路單元提供的光束(光信號)；光分路22，按第一和第二比率對施加於輸入端21的光信號進行分路；以及輸出端23-1和23-2，以將經由光分路22分出的光信號導向未示出的單模態光纖、或後一級的光分路單元。在下文中，輸入端21和光分路22之間的波導結構被稱為輸入波導24，且光分路22與兩個輸出端23-1和23-2之間的光波導結構被稱為輸出波導25-1和25-2。
光波導結構20通過使主要由二氧化矽構成、並在基片10上形成預定厚度的石英玻璃圖形化來形成。光波導結構20還可通過在將對應於鍍層30的元件堆疊成預定厚度之後，將磷(P)、鈦(Ti)、鍺(Ge)、或鋁(Al)摻雜到與光波導結構20相對應的芯或部件中來形成。還可通過在基片10的所有區域內將具有可用作芯的折射率的材料堆疊成預定厚度之後，在對應於鍍層30的區域中摻雜硼酸(B)或氟(F)而選擇性地降低折射率來形成光波導結構20。此外，還可通過使用包含熱膨脹率低於約3.5×10-6的可選成分的多成分玻璃、並通過公知的離子交換法交換離子而選擇性地改變與芯(光波導結構20)相對應的區域的折射率，來形成光波導結構20。
圖2示出在平面(z軸)方向上看到的圖1的光分路單元。
如圖2所示，根據製造工藝，光分路22與輸出端23-1/23-2、輸入波導24、以及輸出波導25-1和25-2形成為一體，作為光波導結構20。然而，光分路被分成輸入部分22A，通過輸入波導24可以向該輸入部分提供來自基片10外部(例如用來輸入光信號的未示出光纖)的光信號的或來自前一級的光分路單元的光信號；以及第一和第二輸出部分22-1和22-2，用於將按預定比率進行分路的光信號輸入給兩個輸出波導25-1和25-2。
在光分路22的輸出部分22-1和22-2中、在各位置處的橫截面中、或在x-y平面上(從z軸方向看光波導結構20在基片10上突起的狀態)，在沿基片10表面方向上、或作為y軸方向上長度的寬度W22-1或W22-2被限定為比作為相應輸出波導25-1和25-2的可選位置處y軸方向上的長度的寬度W25-1或W25-2窄。輸出部分22-1或22-2的寬度W22-1或W22-2被限定為等於或略窄於光分路22的輸入波導24和輸入部分22A的寬度WA。另一方面，輸出部分22-1或22-2的寬度W22-1或W22-2不必相等，並且寬度W22-1或W22-2的至少之一可形成為等於或略窄於寬度WA。
輸出波導25-1和25-2具有這樣的形狀在各位置的橫截面中或x-y平面上(從z軸方向看光波導結構20在基片10上突起的狀態)，分別通過連續曲線或弧將光分路22的輸出部分22-1和22-2連接到光波導結構20的第一和第二輸出端23-1和23-2。
如圖3A所示，輸入部分22A具有這樣的橫截面在沿基片10的表面方向(y軸方向)上其長度被限定為比在與基片10的表面方向正交的方向(z軸方向)上的長度或高度h短(窄)。特別地，當光波導結構20的基片10的高度h、或用作芯的層的厚度假定為『1』時，輸入部分22A的寬度WA被限定為是由0.4-0.8界定的寬度(y軸方向的長度)，如下面參照圖4所述。
如圖3B所示，輸出波導25-1和25-2具有這樣的橫截面在與沿基片10的表面方向正交的方向(z軸方向)上其長度被限定為比沿基片10的表面方向(y軸方向)的長度或寬度窄(即高度被限定得更低)。特別地，當光波導結構20的基片10的高度h、或用作芯部分的層的厚度(高度h)假定為『1』時，輸出波導25-1和25-2中至少之一的y軸方向的長度、或截面方向寬度具有被限定為1.0-1.5的寬度w1或w2(y軸方向的長度)，如下面參照圖4所述。當高度h假定為『1』時，寬度w1或w2最好是1.2-1.5。
換言之，以從與光波導結構20中光傳輸方向正交的方向(x軸方向)觀看的狀態，在光分路22的前一級中的預定位置賦予光波導結構20一個WA＜h橫截面形狀。此外，以從與光波導結構20的光分路22分出的光線沿x-y平面傳輸到輸出端23-1和23-2的方向相正交的方向上一可選位置觀看的狀態，光波導結構20還被賦予一個至少w1＞h或w2＞h的橫截面形狀。該w1或w2最好被設置成當光分路22中的分路比相等時W1＝w2。
圖4是示出光波導結構中生成的總損耗與圖3A和3B所示的輸入部分和輸出波導的形狀特徵之間的關係，該形狀特徵為橫截面高度(垂直寬度＝z軸方向上的長度)與水平寬度(y軸方向上的長度)之比，即縱橫比。
從圖4中可以看出，本發明的光分路單元可用於防止與短波長一側標準值1310nm相關的插入損耗變化(曲線a)以及與長波長一側標準值1550nm相關的插入損耗變化(曲線b)，其中1310納米相關的插入損耗可用於估算光波導或光纖中的損耗。特別地，通過將分路輸入側(圖2的輸入端21)的橫截面形狀的縱橫比設置成小於「1」，在1310nm的波長處插入損耗增大。相反，通過將縱橫比設置成大於「1」，輸出側的插入損耗減小。
因為插入損耗(總損耗)是根據包括輸入和輸出側的損耗、以及芯部分的損耗的數值來估算的，所以從圖4可看出插入損耗的變化可減小。相似地，對于波長為1550nm的光線而言，輸入側和輸出側之間的插入損耗差異小于波長為1310nm的光線，且總損耗的變化減小。
當輸入側的縱橫比被設置成小於「1」時，有必要考慮作為將輸入光線傳輸到光分路22的光傳輸元件的未示出光纖、或如圖1和圖2所述的光波導結構20、或前一級中光分路單元的軸偏移。
圖5是說明通過改變光波導結構的輸入側橫截面的縱橫比，來改變輸出側埠中巨大損耗(波長均一性中的變化)的狀態。在圖5中，實線曲線A和B表示在具有橫截面形狀為圖3A所示的WA＜h的輸入部件的光波導結構中，當通過將WA設置成4μm、將h設置成6μm，未示出的光學傳輸元件的中心軸相對於光波導結構輸入側的中心軸沿基片10(圖2)的表面僅偏移0.5μm時，第一輸出波導25-1(圖2)和第二輸出波導25-2(圖2)中損耗的波長相關性。作為對比示例，虛線曲線a和b表示通過將橫截面形狀設置成WA＝h＝6μm，使用具有其未示出光學傳輸元件的中心軸相對於光波導結構輸入側的軸線沿基片表面僅偏移0.5μm的輸入部分的光波導結構，兩個輸出波導中損耗的波長相關性。
從圖5中可以看出，通過將光波導結構的輸入側的橫截面的縱橫比設置成小於「1」，與1260-1660nm光線相關的損耗的變化大為減小，這其中包括用於估算損耗的短波長一側的標準值1310nm和長波長一側的標準值1550nm。
這表示與如前參照圖4所述的將輸入側的縱橫比設置成小於「1」的情形相似，可增大波長均一性。這還表示即使未示出光傳輸元件的中心軸與光波導結構的輸入側的軸線之間發生軸偏移，也可減少波長均一性的變化。
通過將輸入側的縱橫比設置成小於「1」(使芯橫截面在垂直方向上較長)來減少波長均一性中變化的原因是當經由光學波導結構(芯部分)傳送時，因軸偏移產生的多模分量從芯部分傳輸(輻射)到鍍覆區域。
圖6是說明當光傳輸元件的中心軸與光波導結構的輸入側的軸線之間發生軸偏移時，通過如圖4和5所示將光波導結構的輸入側中橫截面的縱橫比設置為小於「1」，來減少波長均一性的變化的原理的曲線圖。圖6示出在光傳輸元件(光纖)的中心軸與光波導結構的輸入側的軸線之間沿著基片表面僅偏移0.5μm的狀態下施加260-1660nm光線時，獲得兩個輸出波導中損耗差的最大值(曲線a)、以及插入損耗的最大值(曲線b)的結果。
如圖6中曲線a所示，認為通過設置光波導結構輸入側中橫截面的縱橫比可增加均一性(損耗差異減小)。然而，如曲線b所示，如果縱橫比被設置成小於0.5，則損耗快速增加。因此，當將將光波導結構的輸入側中橫截面的縱橫比設置為小於「1」時，較佳範圍為0.5-0.8(均性在0.8或以上時減小)。這符合降低圖4所示總損耗中的變化的原因。
因此，即使在封裝時發生軸偏移插入損耗和波長特性的高波長均一性也難以波動的光分路單元通過設置光分路輸入側中芯的橫截面形狀來獲得，從而在沿基片10表面的方向上長度(芯的寬度)和與基片10表面正交的方向上長度(芯的高度)的縱橫比變成小於「1」。
圖7是示出圖1和2所示的光分路單元的另一實施例的示意圖。在圖7中，給予與圖1和圖2中所示組件相同的組件相同的標號，並不作贅述。
如圖7所示，光分路單元101具有基片10、以及在基片10上形成的光波導結構120。圍繞該光波導結構的空間被未示出鍍層元件覆蓋，以使光波導結構120可用作芯。該光波導結構120通過連接圖1和圖2所示的多個光波導結構20來構建。
因此，以從作為傳輸施加於光波導結構120的光束的光傳輸元件的未示出光纖處、或前一級的光分路觀看的狀態(在圖7中從左側向右側觀看的狀態)，如圖7所示的光分路單元101中的光波導結構120通過輸入端21、輸入波動24、光分路22和光分路22進行分路，並通過用作後一級中光分路222的輸入波動的輸出波動25-1、以及光分路22進行分路。依次排列用作下一級光分路322的輸入波導的輸出波導25-2、與各個輸出波導相連的光分路222和322、以及兩個分路222和322的輸出波導α、β、γ和δ。
在圖7所示的光分路單元中，在沿光波導結構120的基片10的表面方向(y軸方向)上的長度、或用作芯的部件的寬度，在光分路22的輸入波導24和輸入部分22A中為WA，在光分路22的輸出部件22-1和22-2中或其附近為W22-1或W22-2，在輸出波導25-1和25-2中或其附近為W25-1或W25-2，在光分路222的輸入部件222A中或其附近為W222A，在光分路322的輸入部件3223中或其附近為W322A，在光分路222的輸出部件222-1和222-2中或其附近為W222-1或W222-2，在光分路322的輸出部件322-1和322-2中或其附近為W322-1或W322-2，在輸出波導225-1和225-2中或其附近為W225-1或W225-2，以及在輸出波導325-1和325-2中或其附近為W325-1或W325-2。比較用作芯的光波導結構120部件的各個位置的寬度，WA≌W22-1或者WA≌W22-2、W22-1＜W25-1或者W22-2＜W25-2、W25-1＜W222A或者W25-21＜W322A、W222A≌W222-1≌W222-2或者W322A≌W322-1≌W322-2、W222-1＜W225-1或者W222-2＜W225-2、以及W322-1＜W225-1或者W322-1＜W325-2。
圖8示出當由曲線b示出的WA＝W25-1(或者WA＝W25-2)和由曲線a示出的WA＜W25-1(或者WA＜W25-2)(限定成WA＝W222A(W322A)的不同寬度部分)在輸出波導225-1(225-2)中形成時，比較相對於連接第一級分路(光分路22)和第二級分路(光分路222(或322))、或輸出波導225-1(225-2)的路徑額外生成的過度損耗的大小。
從圖8中顯而易見，當WA＝W25-1(WA＝W25-2)並且WA＝W222A(W322A)時，即當給予連接第一級分路(光分路22)和第二級分路(光分路222(或322))、或輸出波導225-1(或225-2)的路徑的至少之一比其它區域更寬的結構時，較長波長範圍中的過度損耗被減小，並且波導的特性得以改進。
如前所述，根據本發明，光分路單元的插入損耗的波長均一性對從光波導或光纖提供的光束進行分路。可減少整個分路單元的損耗。此外，封裝(組裝)包括光分路單元的光學傳輸線的生產得以改進。
本發明並不限於前述實施例。在實踐階段中各種更改和變化都是可能的，而不背離其本質特性。各實施例可儘可能地適當組合。在該情形中，獲得組合效果。
工業實用性提供了一種具有插入損耗的高波長均一性的光分路單元，即使封裝時發生軸偏移，該光分路單元也能夠保持波長特性均一併且減少損耗。
根據本發明，當在輸入來自基片外部的光束的輸入波導與基片外部的光傳輸元件之間發生軸偏移時產生的多模分量向分路目的地輸出端的發射減少，並且損耗的波長均一性的變化在外部得到了補償。因此，在各分路目的地中改進損耗的波長均一性。整個分路單元的損耗被減少。此外，封裝(組裝)包括光分路單元的光學傳輸線的生產得以增長。
權利要求
1.一種光分路單元，其特徵在於，包括支承基片，它支承光分路結構，所述光分路結構按預定的光分路比對光束進行分路；輸入波導，它將從所述支承結構外部施加到所述光分路結構的光束導向所述光分路結構；以及第一和第二輸出波導，它引導由所述光分路結構分路的光束，發射到獨立於所述支承基片設置的光波導結構，其中所述輸入波導的端面被限定為在與所述光束輸入方向垂直的平面中，在與所述支承基片垂直的方向上的長度、或高度大於沿所述支承基片的長度；並且所述第一和第二輸出波導的端面被限定為沿所述支承基片的方向上的長度大於與所述支承基片垂直的方向上的長度或高度。
2.如權利要求1所述的光分路單元，其特徵在於，假定與所述支承基片垂直方向上的長度為「1」時，所述輸入波導的端面沿所述支承基片方向的長度為0.5-0.8。
3.如權利要求1所述的光分路單元，其特徵在於，假定與所述支承基片垂直方向上的長度為「1」時，每一個輸出波導的端面沿所述支承基片方向的長度為1.0-1.5。
4.一種光分路單元在基片上具有輸入波導，輸入來自基片外部的光線；光分路，按預定的分路比對輸入到所述輸入波導的光線進行分路；以及輸出波導，向基片外部輸出由所述光分路按預定分路比分出的各個光束，其中從基片外部輸入的光線按預定的分路比進行分路，並被輸出到基片外部，其特徵在於，在所述輸入波導和光分路之間的預定位置處的橫截面形狀是具有不同縱橫比的矩形或非圓形，包括沿基片表面的長度被限定為比與基片表面正交方向上的長度短的區域；並且各輸出波導的輸出端的橫截面是具有不同縱橫比的矩形或非圓形，其中沿基片表面的長度被限定為比與基片表面正交的方向上的長度長。
5.如權利要求4所述的光分路單元，其特徵在於，假定與所述基片垂直方向的長度為「1」時，在所述輸入波導和光分路之間的預定位置的橫截面中，沿所述基片方向的長度為0.5-0.8。
6.如權利要求4所述的光分路單元，其特徵在於，假定與所述基片垂直方向的長度為「1」時，各輸出波導的輸出端沿所述基片方向的長度為1.0-1.5。
7.一種光分路單元，其特徵在於，包括基片，包括由第一方向和與所述第一方向正交的第二方向限定的表面；輸入波導，沿所述基片表面設置，並輸入來自所述基片外部的光線；第一光分路單元，設置於所述基片表面的預定位置，並按預定比率對來自所述基片外部的光線進行分路；第二光分路單元，設置於所述基片表面的預定位置，並進一步按預定比率對由所述第一光分路單元按預定比率分出的光線之一進行分路；第三光分路單元，設置於所述基片表面的預定位置，並進一步按預定比率對由所述第一光分路單元按預定比率分出的其它光線進行分路；以及輸出波導，它們被設置於所述基片表面的預定位置的所述第二和第三光分路單元中作為第一光分路單元輸出端的位置，並向所述基片外部輸出由所述第二和第三光分路單元分出的光線，其中連接所述第一光分路單元和第二光分路單元的光波導部件以及連接所述第一光分路單元和第三光分路單元的光波導部件被限定為包括與所述基片表面垂直方向的長度被限定為比沿表面方向的長度長的區域的至少一部分。
全文摘要
在根據本發明的光分路單元中，在光分路(22)中分路成兩個輸出波導(25－1，25－2)的前一級區域內的橫截面形狀是具有不同縱橫比的矩形或非圓形，包括沿基片(10)表面上的長度被限定為比與在基片10表面正交的方向上的長度短的區域，輸出波導的輸出端(23－1，23－2)上的橫截面是具有不同縱橫比的矩形或非圓形，其中沿基片表面上的長度被限定為比與在基片表面正交的方向上的長度長。
文檔編號G02B6/30GK1981224SQ20058001511
公開日2007年6月13日 申請日期2005年5月12日 優先權日2004年5月14日
發明者高橋文雄, 石川浩嗣, 田島典拓 申請人:歐姆龍株式會社