專利名稱：陣列波導格子型光合分波電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于光波長多重通信系統(tǒng)的陣列波導格子型光合分波(optical multiplexer/demultiplexer)電路。
背景技術：
目前，為了擴大通信容量，盛行采用多個光波長的光波長多重通信系統(tǒng)的開發(fā)。在該光波長多重通信系統(tǒng)中，作為在送信機一側合波多個波長的光信號、在受信機一側將一條光纖中的多個光信號分波為不同的端口的光波長合分波電路，陣列波導格子型光合分波電路被廣泛使用。
圖8為現有的陣列波導格子型光合分波電路的構造圖。
如圖8所示，現有的陣列波導格子型光合分波電路具有輸入波導1、連接在輸入波導1的第一平板波導(slab waveguide)2、由連接在第一平板波導2上并以特定的波導長差順次加長的多個光波導構成陣列波導3、連接在陣列波導3上的第二平板波導4、和連接在第二平板波導4上的多個輸出波導5(比如，參照K.Okamoto，“Fundamentalsof Optical Waveguides”，Academic Press，pp.346～381，2000)。它們使用由在平面基板10上形成的折射率高的磁芯和其周圍的金屬包層構成的光波導構造而成。
圖8所示的現有的陣列波導格子型光合分波電路中，被導入輸入波導1的光，在第一平板波導2被放大，向陣列波導3的各個光波導分支。然后，在第二平板波導4再次被合波，導向輸出波導5。此時，投射在第一平板波導2的陣列波導3一側端部的光場圖案(optical fieldpattern)，基本上被復制到第二平板波導4的陣列波導3一側的端部。
另外，在陣列波導3，由于相互比鄰的光波導設置為著光路長僅有ΔL不同，因此，依存于被輸入的光的波長，光場具有傾斜度。根據該傾斜，在第二平板波導4的輸出波導5一側，光場按每個波長使聚焦位置變化，其結果，可以進行波長分波。另外，在從輸出波導5一側射入光的情況下，根據光的相反性，將不同波長的光合波，從輸入波導1射出光。
這種陣列波導格子型光合分波電路，在向一條光纖傳送多個具有不同波長的信號的光多重通信系統(tǒng)中，一直成為不可欠缺的部件。
另外，關于擴大圖8所示的陣列波導格子型光合分波電路的透過波長帶域寬度的通帶放大陣列波導格子型光合分波電路，也有種種提案(比如，參照K.Okarmoto and A.Sugita，“Flat spectral responsearrayed-Waveguide grating multiplexer with Parabolic waveguide horns”，Electronics Letters，Vol.32，No.18，pp.1661～1662，1996)。
圖9A及圖9B為現有的通帶放大陣列波導格子型光合分波電路的構造圖。
如圖9A所示，現有的通帶放大陣列波導格子型光合分波電路為這樣的構造在圖8所示的現有的陣列波導格子型光合分波電路的輸入波導1和第一平板波導2之間，設置拋物線狀的拋物線形波導6。如圖9B所示，該拋物線形波導6如果設A為系數，W0為輸入波導1的寬度，Z0為從第一平板波導2開始的拋物線形波導6的長度，那么，連接在第一平板波導2上的輸入光波導1的寬度W，對于光波的傳播軸Z用以下公式規(guī)定。
Z＝A(W2-W02)-Z0使用這種拋物線形波導6的情況下，拋物線形波導6形成的光場成為如圖10A及圖10B所示的分布。圖10A為圖9B所示的拋物線形波導6的光場的三維分布圖。圖10B為拋物線形波導6的端部，即，拋物線形波導6和第一平板波導2的交界處的拋物線形波導6的寬度方向(x方向)的光場的二維分布圖。
如圖10A所示，輸入波導1的光場具有一個峰值，但在拋物線形波導6(圖10A中從Z＝-Z0的位置開始右側的部分)，形成具有兩個峰值的光場分布。并且，在拋物線形波導6和平板波導2相接的交界部分的光場的分布，如圖10B所示，具有雙峰。因此，即使在第二平板波導4的輸出波導5一側端部，具有該雙峰的光場被再生，與輸出波導5結合，所以，可以實現透過波長帶域的放大。
可是，具備上述拋物線形波導的現有的通帶放大陣列波導格子型光合分波電路具有重大缺點。即，具有起因于拋物線形波導內的相位分布的較大的波長分散值。圖11表示現有的通帶放大陣列波導格子型光合分波電路的對于光波長的波長分散特性及損失的圖形。從圖11可知，對于光波長的波長分散，在中心波長中具有較大的波長分散值，將其作為最大的波長分散值，在其前后的波長發(fā)生較大幅度地變化。這種波長分散特性，由于在一個波道(charnnel)內對光的信號光譜成分給以不同的遲延時間，因此，引起光信號(脈沖)的劣化顯著這樣的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明鑒于上述課題為之，目的在于提供一種降低了波長分散的陣列波導格子型光合分波電路。
解決上述課題的本發(fā)明的陣列波導格子型光合分波電路的特征在于采用在平面基板上的折射率高的磁芯和其周圍的金屬包層構成的光波導構造而成，具有多個第一光波導、連接在前述第一光波導的第一平板波導、由連接在第一平板波導上并以特定的波導長差順次加長的多個光波導構成陣列波導、連接在前述陣列波導上的第二平板波導、和連接在前述第二平板波導上的多個第二光波導；進而具有拋物線形波導，設A為系數，W0為前述第一光波導的寬度，Z0為從前述第一平板波導開始的長度，那么，連接在前述第一平板波導上的前述第一光波導的寬度W，對于光波的傳播軸Z用以下公式規(guī)定Z＝A(W2-W02)-Z0；和錐形波導，其連接在前述第二平板波導上的前述第二光波導的寬度W’對于光波的傳播軸Z，設A’為系數，W0’為前述第二光波導的寬度，Z0’為從前述第二光波導開始的長度，則通過Z＝A’(W’-W0’)-Z0’來規(guī)定；在通過前述拋物線形波導的遠方場的電場分布的主峰和第一側峰的振幅絕對值之比以0.217為上限而設定的拋物線形波導的長度Za，0與遠方場的電場分布的主峰和第一側峰的相對相位以3.14弧度為下限而設定的拋物線形波導的長度的Zp，0規(guī)定的范圍設定拋物線形波導長度Z0，Za，0≤Z0≤Zp，0。
另外，解決上述課題的本發(fā)明的陣列波導格子型光合分波電路的特征在于前述光波導為由硅平面基板上的石英系玻璃光波導構造而成。


圖1為表示一般的sinc函數的振幅及相位的圖形。
圖2為表示拋物線波導的遠方場的振幅及相位的圖形。
圖3為表示對于主峰的第一側峰的振幅及相位和表示拋物線波導的構造的變量ξ之間關系的圖形。
圖4為表示波長分散與表示拋物線形波導的構造的變量ζ之間關系的圖形。
圖5A為表示涉及本發(fā)明的實施方式之一例的陣列波導格子型光合分波電路的結構圖，為其整體圖。
圖5B為表示涉及本發(fā)明的實施方式之一例的陣列波導格子型光合分波電路的結構圖，為拋物線形波導的結構圖。
圖5C為表示涉及本發(fā)明的實施方式之一例的陣列波導格子型光合分波電路的結構圖，為錐形波導的結構圖。
圖6A～圖6E為表示涉及本發(fā)明的陣列波導格子型光合分波電路的制造工序的圖。
圖7A為表示涉及本發(fā)明的陣列波導格子型光合分波電路的拋物線形波導的長度Z0和波長分散之間關系的圖形。
圖7B為表示涉及本發(fā)明的陣列波導格子型光合分波電路的波長分散特性及損失的圖形。
圖8為現有的陣列波導格子型光合分波電路的構造圖。
圖9A為現有的通帶放大陣列波導格子型光合分波電路的構造圖，為其整體圖。
圖9B為現有的通帶放大陣列波導格子型光合分波電路的構造圖，為拋物線形波導的構造圖。
圖10A及圖10B為拋物線形波導的光場的分布圖。
圖11表示現有的通帶放大陣列波導格子型光合分波電路的波長分散特性及損失的圖形。
具體實施例方式
在陣列波導格子型光合分波電路中，為具有平坦的透過特性的通帶和低波長分散，優(yōu)選具有拋物線形波導，進而，其陣列波導的遠方場的電場分布為等相位、矩形。已知此情況下的陣列波導的遠方場的電場分布的振幅為sinc函數。
一般的sinc函數的公式表示如下，圖1為表示成為sinc函數的振幅及相位的圖形。
G(ξ)＝sinc(πξ)＝sin(πξ)/πξ這里，變量ξ為由π規(guī)格化角度(rad.)的數值。
如圖1所示，成為sinc函數的振幅，在中心具有主峰，在其兩側分布有對稱的多個小峰。另外，sinc函數為實函數，由于虛部為零，因此，相位面變得相等。即，相位成為在變量ξ＝0附近具有平坦的相位(等相位)部分的矩形波。
另一方面，實際的拋物線形波導的遠方場的電場分布，成為圖2所示的圖形。如圖2所示，拋物線形波導的遠方場的電場分布的振幅，類似sinc函數，成為在主峰兩側存在兩個側峰(第一側峰)的分布。另外，相位成為在角度θ＝0附近具有大致平坦的相位部分的分布。另外，在圖2的圖形中，振幅表示絕對值，角度θ為使入射至拋物線形波導的光波的行進方向(光軸)為0的角度。
從圖1及圖2的比較中可知，為了達到理想的電場分布，即，等相位且矩形狀的電場分布，在實際的拋物線形波導的遠方場的電場分布中，以其主峰的振幅、相位為基準，以第一側峰的振幅、相位為與sinc函數的近似尺度考慮即可。也就是說，本發(fā)明在陣列波導格子型光合分波電路中，通過將拋物線形波導的遠方場的電場分布規(guī)定為與sinc函數的近似尺度，達到等相位且為矩形狀的電場分布，實現了平坦的通帶的透過特性及低波長分散。
圖3中，在拋物線形波導的遠方場的電場分布中，將對于主峰的振幅、相位的第一側峰的振幅比、相對相位表示為與sinc函數的近似尺度。具體地說，通過傅立葉變化算出用射束傳輸法獲得的拋物線形波導的近視野像。這是以將主峰的振幅作為1時的第一側峰的振幅作為振幅比，以對于主峰的相位的第一側峰的相位差作為相對相位，對于變量ξ分別所做的曲線圖。該變量ξ為表示拋物線形波導的構造的參數，是規(guī)格化了的數值，使現有的拋物線形波導的設計值的長度達到ξ＝1。圖3中，設Z0＝250μm。另外，拋物線形波導的Z0的數值依存于通帶等的透過特性，進而，依存于圖9B的A的數值。
根據圖1，sinc函數的振幅比為0.217，相對相位為3.14。另一方面，根據圖3，存在這樣的趨勢隨著ξ的數值增大，振幅比、相對相位都減小。為了使ξ＝1的現有設計值接近sinc函數的理想值，從振幅比的觀點看，需要使ξ達到1.5左右。另外，從相對相位的觀點來看，需要使ξ達到1.8左右。因此，雖然不能使兩者完全地與sinc函數的理想值一致，但是，可以發(fā)現ξ的數值在從1.5到1.8之間大致存在最佳設計點。
因此，為確認對于變量ξ的波長分散的最佳設計點，圖4中顯示陣列波導格子型光合分波電路上的波長分散特性為具有構造由ξ特定的拋物線形波導且其通帶被放大。另外，這是表示向表示拋物線形波導的構造的變量ξ的波長分散對于在波道內進行最大的波長分散的波長(比如，圖11中的1550nm附近的波長)的依存性。另外，該陣列波導格子型光合分波電路的波道間隔為50GHz。
如圖4的圖形所示，變量ξ為1.6時，波長分散為零。該數值在1.5到1.8之間，如上所述，可以確認最佳設計點的存在。也就是說，通過適當地設定表示拋物線形波導的構造的變量ξ，能夠適當地規(guī)定拋物線形波導的遠方場的電場分布，結果意味著波長分散值被降低。具體地說，在通過“振幅比以0.217為上限的ξ”和“相對相位以3.14為下限的ξ”決定的條件下(參照圖3)，變量ξ成為降低波長分散的最恰當數值。因此，能夠同時實現一直以來拋物線形波導具有的透過波長的廣帶域特性和一直以來未能夠同時實現的低波長分散特性。
另外，目前，為了導出波長分散，通過數值計算等解析整個陣列波導格子型光合分波電路，從其傳遞函數的相位角的2階微分導出波長分散?？墒?，本發(fā)明由于通過采用變量ξ，可以省略導出波長分散的步驟，因此，可以給以恰當地決定拋物線形波導的長度的指針，能夠大幅地縮短光電路制造時的設計時間。
圖5A表示成為涉及實現上述效果的本發(fā)明的實施方式之一例的陣列波導格子型光合分波電路的構造圖，下面參照附圖詳細地進行說明。
圖5A所示的涉及本發(fā)明的陣列波導格子型光合分波電路可以是與圖8所示的現有的陣列波導格子型光合分波電路大致等同的構造。即，具有由成為第一光波導的輸入波導1、連接在輸入波導1的第一平板波導2、由連接在第一平板波導2上并以特定的波導長差順次加長的多個光波導構成的陣列波導3、連接在陣列波導3上的第二平板波導4、和由連接在第二平板波導4上的多個第二光波導構成的輸出波導5。它們采用由在平面基板10上形成的折射率高的磁芯和其周圍的金屬包層構成的光波導構造而成。另外，輸入波導1也可以是多個。
另外，在輸入波導1和第一平板波導2之間，設置有拋物線狀的拋物線形波導6。該拋物線形波導6也可以是與圖9B所示的相同的構造，假設A為系數，W0為輸入波導1的寬度，Z0為從第一平板波導2開始的拋物線形波導6的長度，那么，連接在第一平板波導2上的輸入光波導1的寬度W，對于光波的傳播軸Z用以下公式規(guī)定(參照圖5B)。
Z＝A(W2-W02)-Z0…………(1)其中，為0≥Z≥-Z0，A＞0。
另外，本發(fā)明通過從圖3及圖4表示的上述公式(1)所規(guī)定的拋物線形波導的構造的圖形設定Z0，從而成為波長分散較小的變量ξ。也就是說，條件如下在通過拋物線形波導的遠方場的電場分布的主峰和第一側峰的振幅絕對值之比以0.217為上限的Za，0與遠方場的電場分布的主峰和第一側峰的相對相位以3.14弧度為下限的Zp，0規(guī)定的范圍，存在拋物線形波導長Z0，即，Za，0≤Z0≤Zp，0。
另外，涉及本發(fā)明的陣列波導格子型光合分波電路在第二平板波導4和輸出波導5之間還設置有錐形狀的錐形波導7。該錐形波導7設A’為系數，W0’為輸出波導5的寬度，Z0’為從第二平板波導4開始的錐形波導7的長度，那么，連接在第二平板波導4的輸出光波導5的寬度W0’對于光波的傳播軸Z用以下公式規(guī)定(參照圖5C)。
Z＝A’(W’-W0’)-Z0’其中，0≥Z≥-Z0’，A≥0。
另外，上述錐形波導在A’＝0的情況下，即，包括錐形波導的傾斜為0這樣的平行光波導，未必需要為錐形形狀。
下面，用圖6A～圖6E簡單地說明涉及本發(fā)明的光電路的波導的制作方法。
在成為平面基板的硅基板11上用火焰堆積法堆積以SiO2為主體的下部金屬包層玻璃煙垢(clad glass soot)12、在SiO2添加了GeO2的磁芯玻璃煙垢13(參照圖6A)。
其后，以1000℃以上的高溫進行玻璃透明化，下部金屬包層玻璃煙垢12成為下部包層玻璃層14，磁芯玻璃煙垢13成為磁芯玻璃15。此時，進行下部金屬包層玻璃煙垢12、磁芯玻璃煙垢13的堆積，使下部金屬包層玻璃層14厚度達到30μm，磁芯玻璃15達到7μm(參照圖6B)。
接著，采用光刻法技術在磁芯玻璃15上形成蝕刻掩膜16(圖6C)，通過反應性離子蝕刻進行磁芯玻璃15的圖案化(圖6D)。在此，就形成了如圖5所示的形狀的光波導。
除去蝕刻掩膜16之后，以火焰堆積法再次形成上部金屬包層玻璃17。在上部金屬包層玻璃(clad glass)17中添加B2O3或P2O5等摻雜劑，降低玻璃轉移溫度，使被圖案化了的磁芯玻璃15之間的狹窄縫隙中也進入上部金屬包層玻璃17(圖6E)。
上述光電路，作為涉及本發(fā)明的實施方式之一例，表示光波導由硅平面基板上的石英系玻璃光波導構成的陣列波導格子型光合分波電路，即使其光波導的材料為聚酰亞胺、硅、半導體、LiNbO3等，本發(fā)明也可以適用。另外，平面基板并不限定為硅。
為了驗證圖4所示的波長分散的ξ依存性，測定了在250～600 μm的范圍內設計拋物線型波導長度的陣列波導格子型光合分波電路的波長分散。這里，以基于以往設計的拋物線型波導長Z0＝250μm作為基準。圖7A表示拋物線形波導的長度Z0和波長分散之間關系的圖形。Z0＝400μm，即，ξ＝1.6時，確認波長分散大致為零。
在圖7B中表示根據本發(fā)明，ξ＝1.6，即，具有作為Z0＝1.6×250μm＝400μm設計的拋物線形波導的波道間隔50GHz的陣列波導格子型光合分波電路的波長分散特性及損失。如圖7B所示，涉及本發(fā)明的陣列波導格子型光合分波電路實現了-15ps/nm以下的低波長分散特性，同時，在3dB帶域內也能夠使對于波長的波長分散大致平坦化。該波長分散與根據圖4所示的現有設計的分散值-58ps/nm相比較，該波長分散大幅度降低到約1/4(約26％)。
產業(yè)上的實用性本發(fā)明可以放大陣列波導格子型光合分波電路的透過波長的通帶，同時，可以實現現有不能同時達到的波長分散的降低，并且，對于波長的波長分散的不均也可以大致平坦化。另外，通過給以現有技術未明確的拋物線形波導的設計指針，也可以實現設計的效率化。
權利要求
1.一種陣列波導格子型光合分波電路，其特征在于在平面基板上配置以下構件而構成多個第一光波導、連接在所述第一光波導上的第一平板波導、由連接在所述第一平板波導上并以特定的波導長差順次加長的多個光波導構成的第二平板波導、和連接在所述第二平板波導上的多個第二光波導；進而具有拋物線形波導，其連接在所述第一平板波導上的所述第一光波導的寬度W對于光波的傳播軸Z，假設A為系數，W0為所述第一光波導的的寬度，Z0為從所述第一光波導開始的長度，那么，由Z＝A(W2-W02)-Z0來規(guī)定；和錐形波導，其連接在所述第二平板波導上的所述第二光波導的寬度W’對于光波的傳播軸Z，設A’為系數，W0’為所述第二光波導的寬度，Z0’為從所述第二光波導開始的長度，那么，由Z＝A’(W’-W0’)-Z0’來規(guī)定；在通過所述拋物線形波導的遠方場的電場分布的主峰和第一側峰的振幅絕對值之比以0.217為上限的Za，0與遠方場的電場分布的主峰和第一側峰的相對相位以3.14弧度為下限的Zp，0規(guī)定的范圍設定所述長度Z0，即，Za，0≤Z0≤Zp，0。
2.如權利要求1所述的陣列波導格子型光合分波電路，其特征在于所述各波導為硅平面基板上的石英系玻璃光波導。
全文摘要
本發(fā)明提供一種減少波長分散的陣列波導格子型光合分波電路。依次連接輸入波導(1)、第一平板波導(2)、陣列波導(3)、第二平板波導(4)和輸出波導(5)，另外，具有在輸入波導(1)和第一平板波導(2)之間配置的拋物線形波導(6)與在第二平板波導(4)和輸出波導(5)之間配置的錐形波導(7)，在通過拋物線形波導(6)的遠方場的電場分布的主峰和第一側峰的振幅絕對值之比以0.217為上限的拋物線形波導長度Z
文檔編號G02B6/34GK1732397SQ20038010777
公開日2006年2月8日 申請日期2003年12月26日 優(yōu)先權日2002年12月27日
發(fā)明者鬼頭勤, 井上靖之, 井藤干隆, 日比野善典, 金子明正 申請人:日本電信電話株式會社, Ntt電子股份有限公司