光耦合器制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)的光耦合器具有錐形波導(dǎo)，該錐形波導(dǎo)形成為從規(guī)定的開始位置起到信號(hào)放出端，波導(dǎo)寬度逐漸變窄。使第一耦合率與第二耦合率之差在預(yù)定的范圍內(nèi)。第一耦合率是在第一位置切斷錐形波導(dǎo)的情況下，與具有與第一位置相同寬度的波導(dǎo)在固有模式下的耦合率。第二耦合率是在從第一位置起在放出端方向上離開規(guī)定距離的第二位置切斷錐形波導(dǎo)的情況下，與具有與第二位置相同寬度的波導(dǎo)在固有模式下的耦合率。（*該技術(shù)在2022年保護(hù)過(guò)期，可自由使用*）

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國(guó)外來(lái)華專利技術(shù)】
本專利技術(shù)涉及一種將用于光通信的光纖和集成光路連接起來(lái)的光耦合器。
技術(shù)介紹
隨著近年來(lái)通信需要的擴(kuò)大，利用適于大容量和長(zhǎng)距離的DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex)的光通信系統(tǒng)被廣泛使用。作為DWDM系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，象圖16(平面圖)所示的AWG(ArrayedWaveguide Grating)元件那樣的波導(dǎo)型光學(xué)功能元件的需要正在增加。為了實(shí)現(xiàn)上述波導(dǎo)元件的低成本化和高功能化，元件尺寸的小型化是非常重要的。為了實(shí)現(xiàn)元件尺寸的小型化，使波導(dǎo)的纖芯(折射率n1)和包層(折射率n2)的折射率差Δn變大是有效的。當(dāng)使折射率差Δn變大時(shí)，能將光很好地封閉在波導(dǎo)中，所以能減小彎曲波導(dǎo)的最小彎曲半徑等各波導(dǎo)要素，從而能減小元件尺寸。但是，當(dāng)增大Δn＝(n12-n22)÷(n12+n22)時(shí)，光波導(dǎo)內(nèi)的光波的束斑直徑縮小，光纖的束斑直徑變小，從而由于在連接部的束斑直徑的不匹配而導(dǎo)致產(chǎn)生較大的耦合損耗。例如，在PLC(PlannarLightwave Circuit)型的波導(dǎo)器件中，采用直接對(duì)接連接(butt joint)法連接時(shí)，其連接損耗在Δn＝0.5％情況下，接近單端2.0dB，雙端為4.0dB。這是超過(guò)波導(dǎo)器件的一般容許損耗值的損耗。為了降低該損耗，與半導(dǎo)體激光器同樣，通過(guò)擴(kuò)大波導(dǎo)器件的光波的束斑大小，來(lái)獲得與光纖的束斑大小的匹配性的束斑尺寸變換型光耦合器的開發(fā)正在進(jìn)行。迄今為止，采用如下的方法，即利用圖17所示的二維錐形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來(lái)擴(kuò)大波導(dǎo)前端部分，由此擴(kuò)大前端部分的光波場(chǎng)(lightwave field)，使其擴(kuò)大到光纖的束斑大小。此外，也制造了各種改變纖芯的三維形狀的束斑大小變換器，但該技術(shù)存在工藝復(fù)雜的問(wèn)題。迄今為止，圖17所示的錐形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)最廣泛使用，通過(guò)使波導(dǎo)1401的寬度擴(kuò)大為錐形，從而擴(kuò)大波導(dǎo)1401的二維束斑大小。在使用該方法的情況下，可以使水平方向的束斑大小絕熱地?cái)U(kuò)大，而不會(huì)使波面的曲率和整體外觀變化，但垂直方向的束斑大小相對(duì)于基板沒(méi)有擴(kuò)大。因此，可以改善耦合損耗中的一半(耦合損耗1.6dB變?yōu)?.8dB)，但不會(huì)超過(guò)上述改善。上述方法在原耦合損耗小的情況下是有效的，但在耦合損耗大的情況下不會(huì)得到所期望的效果。因此，提出了多種用于實(shí)現(xiàn)垂直方向的束斑大小擴(kuò)大的新方法。其中一種方法是通過(guò)使波導(dǎo)寬度變細(xì)，減弱由波導(dǎo)引起的束縛，來(lái)擴(kuò)大束斑大小。此外，還有通過(guò)三維地使垂直方向的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)擴(kuò)大或變窄，來(lái)三維地?cái)U(kuò)大束斑大小的方法。例如，在文獻(xiàn)1(特許2929481號(hào)公報(bào))中，公開了設(shè)定波導(dǎo)前端的標(biāo)準(zhǔn)化傳輸常數(shù)V以使與光纖的耦合率最佳的尖端漸細(xì)型光耦合器。按文獻(xiàn)1的技術(shù)，設(shè)定與光纖的耦合效率為低損耗的0.1以下到0.01以上的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的參數(shù)，通常在從波導(dǎo)部分到前端部分以及在錐形波導(dǎo)中變換前端部的標(biāo)準(zhǔn)化傳輸常數(shù)b(＝neff-n22)÷(n12+n22)。其中，neff是波導(dǎo)的傳輸常數(shù)，表示在波導(dǎo)中傳輸?shù)墓庠趯?shí)際行進(jìn)方向上的波數(shù)。另一方面，標(biāo)準(zhǔn)化傳輸常數(shù)b是利用傳輸常數(shù)neff以及纖芯和包層的折射率n1、n2標(biāo)準(zhǔn)化的值，是在材料和結(jié)構(gòu)不同的波導(dǎo)間比較傳輸常數(shù)時(shí)使用的參數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)化傳輸常數(shù)b接近1意味著，在波導(dǎo)的行進(jìn)方向波數(shù)與波導(dǎo)的纖芯行進(jìn)方向端數(shù)大致相同，在該情況下，光能的大部分被封閉在纖芯內(nèi)。另一方面，標(biāo)準(zhǔn)化傳輸常數(shù)b接近0意味著，光波的束斑比纖芯大，大部分的光能存在于包層中。標(biāo)準(zhǔn)化傳輸常數(shù)b也是表示在波導(dǎo)中傳導(dǎo)的光波中的多少比率在纖芯中傳輸?shù)膮?shù)，例如，b＝0.07表示波導(dǎo)光波中的7％在波導(dǎo)纖芯中傳輸。但是，即使在文獻(xiàn)1所記載的結(jié)構(gòu)中，在變細(xì)到目標(biāo)波導(dǎo)寬度期間也會(huì)發(fā)生散射損耗，不能進(jìn)行穩(wěn)定的光波變換。在利用文獻(xiàn)1的技術(shù)變細(xì)到目標(biāo)波導(dǎo)寬度的情況下，光波耦合為散射模式，發(fā)生散射損耗。在文獻(xiàn)1的技術(shù)中，存在局部耦合損耗小的場(chǎng)所，但由于上述散射損耗，無(wú)法確保低損耗部分的公差。圖18是表示利用三維光束傳播法進(jìn)行解析的、直線錐形的尖端漸細(xì)光耦合器的耦合效率的推移。示出了在行進(jìn)方向的中途切斷錐形波導(dǎo)，在切斷之前使其與光纖耦合時(shí)的耦合損耗。橫軸是行進(jìn)方向距離，縱軸是耦合損耗。該結(jié)構(gòu)可以假定為PLC器件，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為4.0μm×4.0μm、包層折射率n2＝1.457568、Δn＝1.3％、錐長(zhǎng)12000μm的直錐形結(jié)構(gòu)，將波導(dǎo)縮小到0.4μm×4.0μm。如果不使用束斑大小變換器而使其與直線波導(dǎo)耦合，則發(fā)生1.6dB的損耗。如圖18所示，在該光耦合器的情況下，被傳輸?shù)墓庑盘?hào)在向著波導(dǎo)的行進(jìn)方向上，其耦合損耗最大改善0.4dB(1400μm附近)。但是，由于所傳輸?shù)墓獠?光信號(hào))被變換為散射模式，所以束斑大小過(guò)于擴(kuò)大，從而結(jié)合損耗大幅度地增加。在該條件下，耦合損耗為0.5dB以下的區(qū)域僅存在250μm左右。這里所說(shuō)的散射模式由于光波全部脫離波導(dǎo)的束縛，按原來(lái)的狀態(tài)擴(kuò)大，所以難以使耦合效率良好的區(qū)域?yàn)?mm以上。為了改善上述問(wèn)題，一種束斑大小變換器被提出，該束斑大小變換器的結(jié)構(gòu)為利用使設(shè)在光波導(dǎo)中的錐形的變化為多項(xiàng)式等的曲線形狀來(lái)進(jìn)行穩(wěn)定的光波變換。但是，即使使用這樣的結(jié)構(gòu)，也會(huì)象圖18那樣，在到達(dá)耦合率為最佳的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)之前發(fā)生散射模式，耦合率的公差大幅下降。此外，如圖19所示，雖然錐形區(qū)域1601的耦合率良好，但即使與直線波導(dǎo)1602耦合，也不會(huì)改善與光纖的耦合公差。這是因?yàn)椋诘竭_(dá)直線波導(dǎo)之前，光波大部分已被變換為散射模式。由于已被耦合為散射模式的光波的波面彎曲，所以僅通過(guò)配置直線波導(dǎo)也不會(huì)耦合是公知的。如上所述，在現(xiàn)有技術(shù)的光耦合器中，可以在局部大大提高耦合效率，但如果切斷位置的公差很嚴(yán)格，切斷位置一偏移，則會(huì)導(dǎo)致耦合損耗的嚴(yán)重惡化。如上所述，現(xiàn)有的光耦合器的峰值耦合效率為略小于0.5dB，但公差在數(shù)百μm以下，結(jié)合損耗由切斷工序的切斷精度決定。因此，在現(xiàn)有的光耦合器中，光波導(dǎo)器件的合格率由光耦合器的切斷位置的精度決定。此外，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為三維的光耦合器存在獲得穩(wěn)定耦合的可能性，但由于形成三維結(jié)構(gòu)，所以存在制造工藝非常復(fù)雜的問(wèn)題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)就是為了解決上述問(wèn)題而提出的，其目的在于，不增加制造成本，即可降低與光纖的耦合損耗。本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施方式的光耦合器具有錐形波導(dǎo)，該錐形波導(dǎo)形成為從規(guī)定的開始位置起到信號(hào)放出端，波導(dǎo)寬度逐漸變窄，其特征在于，使第一耦合率與第二耦合率之差在預(yù)定的范圍內(nèi)，上述第一耦合率是在第一位置切斷上述錐形波導(dǎo)的情況下，與具有與上述第一位置相同寬度的波導(dǎo)的在固有模式下的耦合率，上述第二耦合率是在從上述第一位置起在上述放出端方向上離開規(guī)定距離的第二位置切斷上述錐形波導(dǎo)的情況下，與具有與上述第二位置相同寬度的波導(dǎo)的在固有模式下的耦合率。采用該光耦合器，在錐形波導(dǎo)中傳輸?shù)墓庑盘?hào)越向放出端，束斑大小越擴(kuò)大。在上述光耦合器中，用1減去在上述放出端前方從該放出端放射出的光信號(hào)所耦合的對(duì)象之間的期望的耦合損耗而得到第一值，將該第一值乘以用上述第一位置和上述第二位置之間的距離分割上述錐形波導(dǎo)的分割數(shù)而得到的結(jié)果作為第二值，用1減去該第二值而得到第三值，上述第一耦合率與第二耦合率之差比上述第三值小。本專利技術(shù)的另一個(gè)實(shí)施方式的光耦合器具有錐形波導(dǎo)，該錐形波導(dǎo)形成為從規(guī)本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種光耦合器，具有錐形波導(dǎo)，該錐形波導(dǎo)形成為從規(guī)定的開始位置起到信號(hào)放出端，波導(dǎo)寬度逐漸變窄，其特征在于，　　　　使第一耦合率與第二耦合率之差在預(yù)定的范圍內(nèi)，上述第一耦合率是在第一位置切斷上述錐形波導(dǎo)的情況下，與具有與上述第一位置相同寬度的波導(dǎo)的在固有模式下的耦合率，上述第二耦合率是在從上述第一位置起在上述放出端方向上離開規(guī)定距離的第二位置切斷上述錐形波導(dǎo)的情況下，與具有與上述第二位置相同寬度的波導(dǎo)的在固有模式下的耦合率。

【技術(shù)特征摘要】
【國(guó)外來(lái)華專利技術(shù)】...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：鈴木耕一，花田忠彥，賣野豐，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：日本電氣株式會(huì)社，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：JP[日本]