專(zhuān)利名稱(chēng)：光合波/分波元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)光信號(hào)進(jìn)行合波和分波的光合波/分波元件。
背景技術(shù)：
在光用戶(hù)系統(tǒng)中，需要利用一條光纖進(jìn)行從用戶(hù)向基站的光傳輸即 上行傳輸以及從基站向用戶(hù)的光傳輸即下行傳輸。因此，在上行傳輸和 下行傳輸中使用不同波長(zhǎng)的光。因此，需要對(duì)這些不同波長(zhǎng)的光進(jìn)行合 波/分波的光合波/分波元件。
在用戶(hù)側(cè)使用的光合波/分波元件被稱(chēng)為ONU (Optical Network Unit:光網(wǎng)絡(luò)單元)?，F(xiàn)在使用的大多數(shù)ONU由在空間光學(xué)上光軸一致 的波長(zhǎng)濾波器、光電二極管和激光二極管構(gòu)成。并且，還公知有通過(guò)使 用光波導(dǎo)而不需要使光軸一致的ONU (例如參照專(zhuān)利文獻(xiàn)1)。
并且，近年來(lái)，量產(chǎn)性?xún)?yōu)良的使用Si作為波導(dǎo)材料的ONU受到矚 目。作為這種ONU，公知有使用馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的ONU、使用定向 耦合器的ONU、或使用光柵的ONU。
專(zhuān)利文獻(xiàn)1日本特開(kāi)平8-163028號(hào)公報(bào)
但是，使用定向耦合器的Si制ONU在光源的波長(zhǎng)偏差方面較弱。 并且，元件為幾百nm級(jí)的大小，所以難以實(shí)現(xiàn)小型化。
并且，使用光柵的Si制ONU需要使光柵的周期為波長(zhǎng)的一半以下， 所以難以進(jìn)行精細(xì)加工。
進(jìn)而，使用馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的Si制ONU的等效折射率、定向耦 合器的耦合系數(shù)等的波長(zhǎng)依賴(lài)性極大，所以，在ONU所使用的波長(zhǎng)范圍 中，會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_或光強(qiáng)度的降低，因而無(wú)法獲得期望的特性
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于上述這種問(wèn)題而完成的。因此，本發(fā)明的目的在于，
提供使用馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的光合波/分波元件，其在ONU所使用的波 長(zhǎng)范圍中，能夠降低串?dāng)_，并且，與以往相比能夠抑制強(qiáng)度損耗，且能 夠?qū)崿F(xiàn)小型化。
本發(fā)明的發(fā)明人想到，通過(guò)以如下方式配置馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x，能 夠?qū)崿F(xiàn)上述目的即，串聯(lián)配置3級(jí)以上的光路長(zhǎng)度差A(yù)L恒定的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x，并且，連續(xù)2級(jí)的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x組成的對(duì)的光路長(zhǎng) 度差之和為0的對(duì)、以及光路長(zhǎng)度差之和為+2AL或-2AL的對(duì)分別有一 個(gè)以上。即，本發(fā)明具有如下的技術(shù)特征。
本發(fā)明的光合波/分波元件在基板上并列設(shè)置有一端作為第1光輸入 輸出端口且另一端作為第2光輸入輸出端口的第1和第2光波導(dǎo)，串聯(lián) 設(shè)置3級(jí)以上的由第1和第2光波導(dǎo)的第1和第2光輸入輸出端口之間 的第1和第2光波導(dǎo)形成的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x。
而且，根據(jù)波長(zhǎng)對(duì)輸入到任意一個(gè)第1光輸入輸出端口的不同波長(zhǎng) 的第1和第2光的合波光進(jìn)行分波，并分別從第1和第2光波導(dǎo)的第2 光輸入輸出端口輸出。
在該光合波/分波元件中，針對(duì)在所述第1和第2光波導(dǎo)中傳播的光， 各個(gè)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的光路長(zhǎng)度差A(yù)L的絕對(duì)值恒定。
并且，分別具有一個(gè)以上的光路長(zhǎng)度差之和為+2AL或-2AL的由連 續(xù)2級(jí)的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x組成的對(duì)、以及光路長(zhǎng)度差之和為0的由連 續(xù)2級(jí)的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x組成的對(duì)。
使用第1和第2光的波長(zhǎng)，將各個(gè)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的光路長(zhǎng)度差 AL設(shè)定為規(guī)定值，由此，能夠根據(jù)波長(zhǎng)對(duì)輸入輸出到任意一個(gè)第1光輸 入輸出端口的第1和第2光的合波光進(jìn)行分波，并分別從第2光輸入輸 出端口輸入輸出。
具體而言，例如，在第1和第2光的合波光從一個(gè)第1光輸入輸出 端口輸入到光合波/分波元件的情況下，從一個(gè)第2光輸入輸出端口輸出 第1光，從另一個(gè)第2光輸入輸出端口輸出第2光。
但是，在第1和第2光中，相反過(guò)程也同樣成立，所以，例如，從一個(gè)第2光輸入輸出端口輸入到光合波/分波元件的第1光經(jīng)由與上述相 反的路徑，與第2光合波，然后從一個(gè)第l光輸入輸出端口輸出。
艮P，在將第1光作為"用戶(hù)一基站"的上行信號(hào)、且將第2光作為 "基站一用戶(hù)"的下行信號(hào)的情況下，該光合波/分波元件能夠作為ONU 發(fā)揮功能。
并且，在一個(gè)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x中，將光路長(zhǎng)度差A(yù)L定義為(第 1光波導(dǎo)的光路長(zhǎng)度-第2光波導(dǎo)的光路長(zhǎng)度)時(shí)，光路長(zhǎng)度差為AL和-AL 這兩種值。
因此，在考慮相鄰(連續(xù))2級(jí)的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x組成的對(duì)的情 況下，光路長(zhǎng)度差之和為2AL、 0 (零)、-2么1^這三種值。
在該光合波/分波元件中，具有一個(gè)以上的光路長(zhǎng)度差之和為2AL或 -2^^的由馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x組成的對(duì)，并且，具有一個(gè)以上的光路長(zhǎng)度 差之和為0 (零)的由馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x組成的對(duì)。
通過(guò)這樣構(gòu)成，能夠擴(kuò)寬在馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x中以交叉(cross)狀 態(tài)輸入輸出的光(第2光)的波段以及以直通(bar)狀態(tài)輸入輸出的光 (第l光)的波段。
在該光合波/分波元件中，優(yōu)選當(dāng)分別設(shè)第1和第2光的第1和第2 光波導(dǎo)中的波長(zhǎng)為^和X2 a2〉^)時(shí)，AL由下述式(1)給出。
△L= (2m+l) x、，且AL-2mx、(其中，m是自然數(shù))…(1)
通過(guò)這樣構(gòu)成，波長(zhǎng)、的第1光以直通狀態(tài)在光合波/分波元件中傳
播。并且，波長(zhǎng)、a2>、)的第2光以交叉狀態(tài)在光合波/分波元件中
傳播。其結(jié)果，光合波/分波元件能夠?qū)Φ?光和第2光進(jìn)行波長(zhǎng)分離。
在該光合波/分波元件中，優(yōu)選以直通狀態(tài)從一個(gè)第2光輸入輸出端 口輸出第1光，并且，以交叉狀態(tài)從另一個(gè)第2光輸入輸出端口輸出第2 光。
在該光合波/分波元件中，優(yōu)選以Si為材料來(lái)形成第1和第2光波導(dǎo)。 通過(guò)這樣構(gòu)成，能夠利用Si半導(dǎo)體元件的制造工藝容易地制造光合 波/分波元件。
在該光合波/分波元件中，優(yōu)選構(gòu)成馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的彎曲波導(dǎo)部分的第1和第2光波導(dǎo)的與光傳播方向正交的截面形狀為正方形狀，并 且，構(gòu)成馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的定向耦合器部分的第1和第2光波導(dǎo)的與
光傳播方向正交的截面形狀為如下的長(zhǎng)方形狀與基板主面垂直的方向
的長(zhǎng)度比與基板主面平行的方向的長(zhǎng)度長(zhǎng)。
通過(guò)這樣構(gòu)成，能夠使光合波/分波元件不依賴(lài)于偏振波。 在該光合波/分波元件中，優(yōu)選利用直線狀的波導(dǎo)和曲率半徑相等的
多個(gè)曲線波導(dǎo)來(lái)形成彎曲波導(dǎo)部分。
通過(guò)這樣構(gòu)成，能夠進(jìn)一步降低光合波/分波元件中的第1光和第2
光的損耗。
在上述光合波/分波元件中，優(yōu)選利用構(gòu)成第1和第2光波導(dǎo)的材料 的等效折射率的波長(zhǎng)依賴(lài)性來(lái)求出光路長(zhǎng)度差A(yù)L。
在上述光合波/分波元件中，優(yōu)選構(gòu)成第1和第2光波導(dǎo)的材料為Si。 在上述光合波/分波元件中，優(yōu)選在設(shè)第1和第2光的波長(zhǎng)差為A入， 設(shè)第1和第2光波導(dǎo)針對(duì)第1和第2光的等效折射率差為An，且m為正 整數(shù)的情況下，下述式(15)成立，并且，光路長(zhǎng)度差A(yù)L滿(mǎn)足下述式U6)。 An/n2= (1-AAA2) / (2m) -Am2 …(15) 2n2AL/ i2= (1-AXA2) / (AAA2+An/n2) …(16) 其中，ri2是光波導(dǎo)針對(duì)第2光的等效折射率。
本發(fā)明的另一光合波/分波元件在基板上并列設(shè)置有一端設(shè)為第1光 輸入輸出端口且另一端設(shè)為第2光輸入輸出端口的第1和第2光波導(dǎo)， 串聯(lián)設(shè)置3級(jí)以上的由第1和第2光波導(dǎo)的第1和第2光輸入輸出端口 之間的第1和第2光波導(dǎo)形成的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x。
而且，根據(jù)波長(zhǎng)對(duì)輸入到任意一個(gè)第1光輸入輸出端口的不同波長(zhǎng) 的N波長(zhǎng)(其中，N是N》3的整數(shù))的合波光進(jìn)行分波，從第1光波 導(dǎo)的第2光輸入輸出端口輸出(N-i)波長(zhǎng)(其中，i是l《i《N-l的整數(shù)) 的光，并且，從第2光波導(dǎo)的第2光輸入輸出端口輸出i波長(zhǎng)的光。
這里，當(dāng)設(shè)m是l以上的整數(shù)時(shí)，針對(duì)在所述第1和第2光波導(dǎo)中 傳播的光，各個(gè)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的光路長(zhǎng)度差A(yù)L的絕對(duì)值恒定。
并且，分別具有一個(gè)以上的光路長(zhǎng)度差之和為+2AL或-2AL的由連續(xù)2級(jí)的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x組成的對(duì)、以及光路長(zhǎng)度差之和為0的由連
續(xù)2級(jí)的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x組成的對(duì)。
進(jìn)而，下述式(15)，和式(16)，同時(shí)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給出的整數(shù)，^是基準(zhǔn)波長(zhǎng)，Ha是光波導(dǎo)針對(duì)基
準(zhǔn)波長(zhǎng)的光的等效折射率。
本發(fā)明具有上述這種技術(shù)特征。由此，獲得如下的使用馬赫-曾德?tīng)?br> 干涉儀的光合波/分波元件其在ONU所使用的波長(zhǎng)范圍中，能夠降低
串?dāng)_，并且，與以往相比能夠抑制強(qiáng)度損耗，且能夠?qū)崿F(xiàn)小型化。


圖1 (A)是本實(shí)施方式的光合波/分波元件的平面圖，(B)是本實(shí) 施方式的光合波/分波元件的側(cè)視圖。
圖2 (A)是馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的平面圖，(B)是沿(A)的A-A 線的切斷面的切斷端面圖，(C)是沿(A)的B-B線的切斷面的切斷端 面圖。
圖3是示意性示出馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的結(jié)構(gòu)的平面圖。 圖4是彎曲波導(dǎo)部分的主要部分放大平面圖。 圖5示出R/AL和6之間的關(guān)系、以及L16/AL和9之間的關(guān)系。 圖6 (A)和(B)是示出為了使定向耦合器部分不依賴(lài)于偏振波， 耦合長(zhǎng)度與第1和第2光波導(dǎo)的寬度之間的關(guān)系的仿真結(jié)果。 圖7是說(shuō)明本實(shí)施方式的光合波/分波元件的動(dòng)作特性的圖。 圖8 (A)和(B)是示出光合波/分波元件的變形例的圖。 圖9是說(shuō)明光合波/分波元件的變形例的圖。 圖IO是用于求出An和na的仿真結(jié)果。 圖ll是使式(15)圖表化的特性圖。
具體實(shí)施方式
下面，參照

本發(fā)明的實(shí)施方式。另外，各圖只不過(guò)以能夠 理解本發(fā)明的程度概略地示出各結(jié)構(gòu)要素的形狀、大小和配置關(guān)系。并
且，下面說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)選結(jié)構(gòu)例，但是，各結(jié)構(gòu)要素的材質(zhì)和數(shù)值條 件等僅僅是優(yōu)選例。因此，本發(fā)明完全不限于以下的實(shí)施方式。并且， 在各圖中，對(duì)共通的結(jié)構(gòu)要素標(biāo)注相同標(biāo)號(hào)并省略其說(shuō)明。 (結(jié)構(gòu))
參照?qǐng)D1 圖9說(shuō)明本實(shí)施方式的光合波/分波元件的結(jié)構(gòu)。圖1(A) 是光合波/分波元件的平面圖。圖1 (B)是光合波/分波元件的側(cè)視圖。 另外，在圖1 (A)和(B)中，考慮理解圖的容易度，在表示第1和第 2光波導(dǎo)的區(qū)域中標(biāo)注斜線。
參照?qǐng)D1 (A)，光合波/分波元件10由基板12以及第1和第2光波 導(dǎo)14和16形成?；?2由以單晶硅為材料的下層12a和以硅氧化膜為 材料的作為包層的上層12b構(gòu)成，例如構(gòu)成為長(zhǎng)方體形狀。而且，在上 層12b中，并列設(shè)置有以單晶硅為材料的作為纖芯的第1光波導(dǎo)14和第 2光波導(dǎo)16。
第1和第2光波導(dǎo)14和16設(shè)置于在厚度方向上測(cè)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光波導(dǎo)14和16與下層 12a之間的間隔d通常為1^im以上，以防止光向下層12a漏出。
第1光波導(dǎo)14在基板12的一個(gè)側(cè)面12c上具有第1光輸入輸出端 口 14a。并且，在基板12的另一個(gè)側(cè)面12d上具有第2光輸入輸出端口 14b。
同樣，第2光波導(dǎo)16在基板12的一個(gè)側(cè)面12c上具有第1光輸入 輸出端口 16a。并且，在基板12的另一個(gè)側(cè)面12d上具有第2光輸入輸 出端口 16b。
在本實(shí)施方式中，作為一例，在第1光輸入輸出端口 14a和16a與 第2光輸入輸出端口 14b和16b之間，串聯(lián)形成有由第1和第2光波導(dǎo) 14和16形成的4級(jí)的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x18、 20、 22和24。
更詳細(xì)地講，馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x18 24參照?qǐng)D2 (A)在后面詳細(xì) 敘述，但是，從第1光輸入輸出端口 14a和16a側(cè)朝向第2光輸入輸出端口 14b和16b，按照18—20—22—24的順序排列。
而且，馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x18與第1光輸入輸出端口 14a和16a之 間利用連接用光波導(dǎo)14c和16c連接。同樣，馬赫-曾德?tīng)柷鎯x24與第 2光輸入輸出端口 14b和16b之間利用連接用光波導(dǎo)14d和16d連接。
馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x18 24除了在后述的彎曲波導(dǎo)部分18b 24b中 第1光波導(dǎo)14和第2光波導(dǎo)16哪個(gè)長(zhǎng)這點(diǎn)以外，結(jié)構(gòu)相同。
在圖1 (A)所示的例子中，在馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x18和20中，形 成為第1光波導(dǎo)14的光路長(zhǎng)度比第2光波導(dǎo)16長(zhǎng)，并且，在馬赫-曾德 爾干涉儀22和24中，形成為第2光波導(dǎo)16的光路長(zhǎng)度比第1光波導(dǎo)14 長(zhǎng)。第1和第2光波導(dǎo)14和16分別具有沿著從第1光輸入輸出端口 14a 和16a到第2光輸入輸出端口 14b和16b的直線方向形成定向耦合器的 直線波導(dǎo)區(qū)域。進(jìn)而，第1和第2光波導(dǎo)14和16從前方側(cè)的直線波導(dǎo) 區(qū)域到彎曲波導(dǎo)區(qū)域的直線方向上的終點(diǎn)位置是相同位置。并且，第1 和第2光波導(dǎo)14和16從彎曲波導(dǎo)區(qū)域到后方側(cè)的直線波導(dǎo)區(qū)域的直線 方向起點(diǎn)位置是相同位置。因此，關(guān)于各個(gè)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x18 24， 設(shè)彎曲波導(dǎo)部分18b 24b中的第1和第2光波導(dǎo)14和16的光路長(zhǎng)度差、 即"(第1光波導(dǎo)14的光路長(zhǎng)度)-(第2光波導(dǎo)16的光路長(zhǎng)度)"為AL。 此時(shí)，AL的絕對(duì)值與馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x18 24無(wú)關(guān)，是恒定的。艮P， 對(duì)于全部馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x18 24,在彎曲波導(dǎo)部分18b 24b中，第1 光波導(dǎo)14和第2光波導(dǎo)16的光路長(zhǎng)度差相等。另外，彎曲波導(dǎo)部分18b 24b的整個(gè)區(qū)域可以由彎曲區(qū)域形成，或者，也可以在局部劃分彎曲區(qū)域 和直線區(qū)域來(lái)形成，如何構(gòu)成是設(shè)計(jì)上的問(wèn)題。
并且，該光合波/分波元件10分別具有一個(gè)以上的光路長(zhǎng)度差之和 為+2AL或-2AL的由連續(xù)2級(jí)的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x組成的對(duì)、以及光路 長(zhǎng)度差之和為0的由連續(xù)2級(jí)的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x組成的對(duì)。在圖1(A) 所示的例子中，前者的對(duì)是馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x18和20、以及22和24， 后者的對(duì)是馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x20和22。
更詳細(xì)地講，求出連續(xù)2級(jí)的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x組成的對(duì)(18和 20、 20和22、 22和24)中的光路長(zhǎng)度差之和。于是，在"對(duì)18和20"中，光路長(zhǎng)度差之和為2AL (=AL+AL)。在"對(duì)20和22"中，光路長(zhǎng) 度差之和為0 (=AL+ (-AL))。并且，在"對(duì)22和24"中，光路長(zhǎng)度差 之和為-2AL (= (-AL) + (-AL))。即，該光合波/分波元件10具有2個(gè) (18和20、以及22和24)光路長(zhǎng)度差之和為+2AL或-2AL的由馬赫-曾 德?tīng)柛缮鎯x組成的對(duì)，且具有1個(gè)(20和22)光路長(zhǎng)度差之和為0的由 馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x組成的對(duì)。
下面，參照?qǐng)D7，說(shuō)明光路長(zhǎng)度差之和為+2AL或-2AL的由連續(xù)2 級(jí)的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x組成的對(duì)(以下也稱(chēng)為"直通狀態(tài)對(duì)")、以及光 路長(zhǎng)度差之和為0的由連續(xù)2級(jí)的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x組成的對(duì)(以下也 稱(chēng)為"交叉狀態(tài)對(duì)")分別設(shè)為一個(gè)以上的原因。
發(fā)明人使直通狀態(tài)對(duì)和交叉狀態(tài)對(duì)的總對(duì)數(shù)恒定，增減直通狀態(tài)對(duì) 的數(shù)量來(lái)進(jìn)行仿真。其結(jié)果可知，越增加直通狀態(tài)對(duì)的數(shù)量，直通狀態(tài) 的波段、即圖7中曲線1的峰值平坦部的寬度Wb越寬。
并且可知，越增加交叉狀態(tài)對(duì)的數(shù)量，交叉狀態(tài)的波段、即圖7中 曲線2的峰值平坦部的寬度Wc越寬。
由此，通過(guò)光合波/分波元件10至少分別具有一個(gè)以上的直通狀態(tài) 對(duì)和交叉狀態(tài)對(duì)，由此，能夠使直通狀態(tài)和交叉狀態(tài)的波段擴(kuò)寬到實(shí)用 方面可允許的程度。
(馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的結(jié)構(gòu))
接著，參照?qǐng)D2 (A) (C)，以馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x18為例詳細(xì)說(shuō) 明其結(jié)構(gòu)。圖2 (A)是除去基板12的上層12b而示出馬赫-曾德?tīng)柛缮?儀18的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的平面圖。圖2 (B)是沿圖2 (A)的A-A線的切斷面 的切斷端面圖。圖2 (C)是沿圖2 (A)的B-B線的切斷面的切斷端面 圖。
參照?qǐng)D2(A)，馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x18具有定向耦合器部分18a、 18a、 和彎曲波導(dǎo)部分18b。
第1和第2光波導(dǎo)14和16的定向耦合器部分18a、 18a是相互結(jié)合 來(lái)形成定向耦合器的部分，這些部分18a、 18a是以可光耦合的間隔平行 配置有第1和第2光波導(dǎo)14和16的部分。彎曲波導(dǎo)部分18b是定向耦合器部分18a和18a之間的區(qū)域，如以 上說(shuō)明的那樣，通過(guò)組合將不同長(zhǎng)度的第1和第2光波導(dǎo)14和16彎曲 成規(guī)定形狀的彎曲區(qū)域和直線區(qū)域而形成。在馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x18和 20中，形成為第l光波導(dǎo)14的光路長(zhǎng)度比第2光波導(dǎo)16長(zhǎng)(參照?qǐng)D1)。
另外，彎曲波導(dǎo)部分18b中的第1和第2光波導(dǎo)14和16的光路長(zhǎng) 度差A(yù)L、以及實(shí)現(xiàn)AL的彎曲波導(dǎo)部分18b的設(shè)計(jì)在后面敘述。
并且，參照?qǐng)D2 (B)和(C)可知，在定向耦合器部分18a和彎曲 波導(dǎo)部分18b中，第1和第2光波導(dǎo)14和16的高度、即與光傳播方向 垂直且與基板12的主面12e垂直的長(zhǎng)度相等，但是，寬度、即與光傳播 方向垂直且與基板12的主面12e平行的長(zhǎng)度不同。
并且，在彎曲波導(dǎo)部分18b中，第1和第2光波導(dǎo)14和16在與光 傳播方向垂直的面切斷而得到的橫截面形狀為正方形(參照?qǐng)D2 (B))。 即，寬度W1和高度H1相等。
與此相對(duì)，在定向耦合器部分18a中，第1和第2光波導(dǎo)14和16 的橫截面形狀為寬度比彎曲波導(dǎo)部分18b窄的長(zhǎng)方形狀，所以，高度H1 比寬度W2大。
因此，在彎曲波導(dǎo)部分18b和定向耦合器部分18a的邊界部，第1 和第2光波導(dǎo)14和16的寬度不連續(xù)地變化。
另外，關(guān)于定向耦合器部分18a和彎曲波導(dǎo)部分18b中的光波導(dǎo)的 寬度差異在后面敘述。 (關(guān)于AL)
接著，說(shuō)明馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x18 24的彎曲波導(dǎo)部分18b 24b中 的第1和第2光波導(dǎo)14和16的光路長(zhǎng)度差A(yù)L。
考慮光合波/分波元件10要合波/分波的光的波長(zhǎng)來(lái)決定AL。 一般， 在馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x中，針對(duì)所輸入的光的波長(zhǎng)來(lái)適當(dāng)設(shè)定彎曲波導(dǎo)部 分的光路長(zhǎng)度差，由此，能夠使輸入光以直通狀態(tài)或交叉狀態(tài)的任意狀 態(tài)輸出。
參照?qǐng)D3，更具體地說(shuō)明直通狀態(tài)和交叉狀態(tài)。圖3是示意示出馬 赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的結(jié)構(gòu)的平面圖。在圖3中，馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯xM具有2條光波導(dǎo)WG,和WG2。在光波導(dǎo)WG,中設(shè)有輸入端口 IN,和輸出端 口OUT,。同樣，在光波導(dǎo)WG2中設(shè)有輸入端口IN2和輸出端口OUT2。
而且，在輸入端口 IN,和IN2側(cè)可光耦合地平行配置有光波導(dǎo)WGj 和WG2，來(lái)形成定向耦合器HK,。同樣，在輸出端口 OUTi和OUT2側(cè)可 光耦合地平行配置有光波導(dǎo)WG,和WG2，來(lái)形成定向耦合器HK2。
在這些定向耦合器HK,和HK2之間，形成有作為使光波導(dǎo)WG,和 WG2彎曲的彎曲區(qū)域和直線區(qū)域的組合區(qū)域的彎曲波導(dǎo)部分C。
這里，設(shè)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯xM的彎曲波導(dǎo)部分C的光路長(zhǎng)度差為 AL。該AL由(光波導(dǎo)WGi的光路長(zhǎng)度)-(光波導(dǎo)WG2的光路長(zhǎng)度) 給出。并且，設(shè)從輸入端口 IN,輸入真空中的波長(zhǎng)為X的光L。
此時(shí)，"以直通狀態(tài)輸出"表示，在定向耦合器HK,和HK2中，不 產(chǎn)生光L向光波導(dǎo)WG2的功率轉(zhuǎn)移，從光波導(dǎo)WG,的輸出端口 OU^ 輸出光L。
并且，"以交叉狀態(tài)輸出"表示，在定向耦合器HK!和HK2中，光L 的功率向光波導(dǎo)WG2轉(zhuǎn)移，從光波導(dǎo)WG2的輸出端口 OUT2輸出光L。
公知根據(jù)彎曲波導(dǎo)部分C的光路長(zhǎng)度差A(yù)L和光的波長(zhǎng)人之間的關(guān) 系，來(lái)決定光L為直通狀態(tài)還是為交叉狀態(tài)。即，在下述式(2)成立的 情況下，光L為交叉狀態(tài)，在下述式(3)成立的情況下，光L為直通狀 態(tài)。
27mAL/、=2nwt(2) 2兀nAL從(2m+l) ti…(3)
其中，n是光波導(dǎo)WGi和WG2的折射率。并且，m是自然數(shù)。 再次返回圖1，對(duì)光合波/分波元件10的光路長(zhǎng)度差A(yù)L進(jìn)行說(shuō)明。
光合波/分波元件10利用馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的上述性質(zhì)，進(jìn)行光的合波/分波。
艮P，如圖1所示，設(shè)定彎曲波導(dǎo)部分18b 24b的光路長(zhǎng)度差A(yù)L， 以便以直通狀態(tài)輸出第1光Li，并以交叉狀態(tài)輸出第2光L2。由此，光 合波/分波元件10能夠?qū)Φ?光L！和第2光L2進(jìn)行合波/分波。
接著，列舉實(shí)際的數(shù)值，說(shuō)明設(shè)計(jì)彎曲波導(dǎo)部分18b 24b的光路長(zhǎng)度差A(yù)L的方法。
這里，設(shè)第1光L,和第2光L2為在光用戶(hù)系統(tǒng)中一般使用的波長(zhǎng)的 光。即，設(shè)第1光L,在真空中的波長(zhǎng)、v為1.3拜，且設(shè)第2光L2在真 空中的波長(zhǎng)、v為1.49^m。
并且，設(shè)第1和第2光波導(dǎo)14和16對(duì)第1光"的等效折射率為m (=2.53)，且設(shè)第1和第2光波導(dǎo)14和16對(duì)第2光L2的等效折射率為 n2 (=2.25)。
留意到以直通狀態(tài)輸出第l光Lp并以交叉狀態(tài)輸出第2光L2，并 且，將這些值代入式(2)和式(3)時(shí)，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光波導(dǎo)14和16中傳播的第1光L,的波 長(zhǎng)。同樣，^表示在第1和第2光波導(dǎo)14和16中傳播的第2光L2的波 長(zhǎng)。
取式(4)和式(5)之差，得到AL-1.15^m。
將這樣求出的AL (=1.15)代入式(4)求出m時(shí)，m=1.729。但是， 存在m是自然數(shù)這樣的條件，不滿(mǎn)足該條件時(shí)，第2光L2不是交叉狀態(tài)。 通過(guò)波導(dǎo)的設(shè)計(jì)，能夠準(zhǔn)確地使m=2，但是，在一般的設(shè)計(jì)中，將最接 近1.729的自然數(shù)即2作為m的值(m=2)。
這樣確定了m的值，所以，將m-2再次代入式(4)求AL時(shí)，得 到AL-1.32pm。這是最終結(jié)果。
艮P，在馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x18 24中，設(shè)彎曲波導(dǎo)部分18b 24b的 光路長(zhǎng)度差A(yù)L為1.32miti，由此，能夠以直通狀態(tài)輸出第1光Lp并以 交叉狀態(tài)輸出第2光L2。由此，能夠進(jìn)行第1光L,和第2光L2的波長(zhǎng)分 離。
(關(guān)于Si細(xì)線波導(dǎo)時(shí)的AL) 在(關(guān)于AL)的項(xiàng)目中，關(guān)于AL的計(jì)算方法，說(shuō)明了最一般的情 況。但是，在構(gòu)成光波導(dǎo)WG,和WG2的材料的折射率的色散大的情況下， 通過(guò)優(yōu)化光波導(dǎo)WGt和WG2的尺寸，能夠使上述式(2)和式(3)同時(shí)成立。
這里，作為構(gòu)成光波導(dǎo)WG,和WG2的材料的折射率的色散大的材 料，例如可以列舉Si。
下面，詳細(xì)說(shuō)明這種情況。
如圖1所示，設(shè)定AL以便以直通狀態(tài)輸出第1光L,(波長(zhǎng) 、v=1.3nm)，并以交叉狀態(tài)輸出第2光L2 (波長(zhǎng)人2fl.4^m)，所以，上 述式(2)和式(3)能夠改寫(xiě)為下述式(2)，和下述式(3)'。
27m!AL/入iv-2m兀…(2)，
27m2AL/X2V= (2m+l)兀(3)，
其中，m是光波導(dǎo)針對(duì)波長(zhǎng)、v的光的等效折射率，n2是光波導(dǎo)針對(duì) 波長(zhǎng)^v的光的等效折射率。
如果能求出同時(shí)滿(mǎn)足式(2)'和式(3)'的AL，則能夠以直通狀態(tài) 輸出第l光Lp并以交叉狀態(tài)輸出第2光L2。
因此，設(shè)An=n2-ni和AX=X2V -、v，使用這些An和叢來(lái)求出AL。 首先，取(2)，和式(3)'之差進(jìn)行變形時(shí)，得到下述式(14)。
2AL=X2V a2VD / (厶 ai2+人2vAn)…(14)
在式(14)中，設(shè)波長(zhǎng)^v為設(shè)計(jì)上重視的基準(zhǔn)波長(zhǎng)、，設(shè)光波導(dǎo)針 對(duì)基準(zhǔn)波長(zhǎng)、的光的等效折射率為na (=n2)。然后，將式(14)代入式 (2)，進(jìn)行變形時(shí)，得到下述式(15)。
△n/na= (I-AD / (2m) -AAAa …(15)
由式(15)可知，由比值A(chǔ)n/na和AX/、來(lái)決定AL的設(shè)計(jì)條件。艮P， 只要求出使式(15)成立的整數(shù)m即可。
但是，在式(15)中，在第1光L,和第2光L2的波長(zhǎng)已知的情況下， A入和、是常數(shù)。由此，在式(15)中，未知量?jī)H為An/iv
能夠通過(guò)仿真來(lái)求出An和ria。圖10示出該仿真結(jié)果。在圖10中， 左縱軸示出光波導(dǎo)針對(duì)基準(zhǔn)波長(zhǎng)^a的光的等效折射率na (量綱為1)。右 縱軸示出An (量綱為1)。橫軸示出在與光傳播方向正交的面切斷的光波 導(dǎo)的尺寸(^m)。另外，在該仿真中，與光傳播方向正交的光波導(dǎo)的截面 形狀為正方形狀。在該仿真中，改變光波導(dǎo)的尺寸，計(jì)算此時(shí)的An和光波導(dǎo)針對(duì)基準(zhǔn) 波長(zhǎng)、(=1.49pm)的光的等效折射率na。根據(jù)圖10所示的結(jié)果，能夠 求出An/ria。
圖11是使式(15)圖表化的特性圖。在圖11中，縱軸是An/iia (量 綱為1)，橫軸是光波導(dǎo)的尺寸。在圖11中，與圖10同樣，光波導(dǎo)的截 面形狀也為正方形狀。
在圖11中描繪了3條水平線，這是在式(15)中分別代入m4、 2、 3的值而得到的AnA^的值。并且，圖11中的曲線是由圖IO得到的An/na 的值。
參照?qǐng)D11， m=2的水平線和由圖IO得到的An/na的曲線在光波導(dǎo)的 尺寸約為0.35nm且An/na約為0.09的點(diǎn)交叉。即，可知式(15)在該點(diǎn)成立。
對(duì)式(14)進(jìn)行變形，得到下述式(16)。
2riaAL/ ia:2n^ (l-AD / (AXAa+An/na) …(16)
由此，如果將由圖11得到的An/na (=0.09)與其他已知量一起代入
式(16)，則能夠求出同時(shí)滿(mǎn)足式(2)'和式(3)'的AL。實(shí)際使用式 (16)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，得到AL=1.17|im。
這樣，在構(gòu)成光波導(dǎo)WGi和WG2的材料的折射率的色散大的情況
下，例如在Si細(xì)線光波導(dǎo)的情況下，能夠求出嚴(yán)格滿(mǎn)足式(2)和式(3)
的AL。
另外，上述的理論也能夠應(yīng)用于對(duì)N波長(zhǎng)(N是3以上的整數(shù))的 光進(jìn)行合波/分波的光合波/分波元件。這里，"對(duì)N波長(zhǎng)的光進(jìn)行合波/ 分波"表示以交叉狀態(tài)輸出(N-i)波長(zhǎng)(其中，i是l《i《N-l的整數(shù)) 的光，并以直通狀態(tài)輸出i波長(zhǎng)的光。
該情況下，在光合波/分波元件的兩端，波長(zhǎng)的干涉次數(shù)之差大于1。 由此，該情況下，式(2)'和式(3)'能夠以更一般的形式改寫(xiě)為下述 式(17)。
2兀rij厶LA^2兀(m+Am) …(17)
其中，、表示要合波/分波的光的波長(zhǎng)，以j越大波長(zhǎng)越短的方式排列(其中，j是1《i《N的整數(shù))。并且，rij是光波導(dǎo)針對(duì)波長(zhǎng)為、的光 的等效折射率。Am是由2-N給出的值。
使用式(17)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，在N波長(zhǎng)的情況下，上述式(15)和式 (16)能夠分別變形為下述式(15)'和式(16)'。
△n/na=Am (l-MAj / (2m) -AAAa…(15)，
2naMW2m-Am (l-AV" / (AXy、+An/na) …(16)，
由此，通過(guò)與上述同樣的理論，在構(gòu)成光波導(dǎo)WG,和WG2的材料 的折射率的色散大的情況下，通過(guò)式(15)'和式(16)'，可求出能夠?qū)?N波長(zhǎng)的光進(jìn)行合波/分波的AL的值。 (實(shí)現(xiàn)AL的彎曲波導(dǎo)的設(shè)計(jì))
參照?qǐng)D4，說(shuō)明用于在彎曲波導(dǎo)部分18b 24b中實(shí)現(xiàn)上述光路長(zhǎng)度 差A(yù)L的第1和第2光波導(dǎo)14和16的設(shè)計(jì)方法。圖4是彎曲波導(dǎo)部分的 主要部分放大平面圖。另外，彎曲波導(dǎo)部分18b 24b的形狀相同，所以， 在以下的說(shuō)明中，以彎曲波導(dǎo)部分22b為例進(jìn)行說(shuō)明。
彎曲波導(dǎo)部分22b設(shè)計(jì)為將直線波導(dǎo)即直線區(qū)域和具有均一曲率半 徑的曲線波導(dǎo)即彎曲區(qū)域連接起來(lái)。
艮P，如圖4所示，彎曲波導(dǎo)部分22b的第1光波導(dǎo)14從第1光輸入 輸出端口 14a側(cè)起，按照曲線波導(dǎo)50a—曲線波導(dǎo)50b—直線波導(dǎo)50c— 曲線波導(dǎo)50d—曲線波導(dǎo)50e的順序構(gòu)成。
這里，在曲線波導(dǎo)50a、 50b、 50d和50e中，曲率半徑R和圓弧角
e分別相等。并且，關(guān)于直線波導(dǎo)50c的長(zhǎng)度，使用圓弧角e、以及彎曲
波導(dǎo)部分22b中的第1和第2光波導(dǎo)14和16的光路長(zhǎng)度差A(yù)L，從幾何 觀點(diǎn)求出為ALcos6/ (1 -cose )。
同樣，彎曲波導(dǎo)部分22b的第2光波導(dǎo)16從第1光輸入輸出端口 16a側(cè)起，按照曲線波導(dǎo)51a—直線波導(dǎo)51b—曲線波導(dǎo)51c—直線波導(dǎo) 51d—曲線波導(dǎo)51e的順序構(gòu)成。
這里，在曲線波導(dǎo)51a和51e中，曲率半徑R和圓弧角6分別相等。 并且，曲線波導(dǎo)51c的曲率半徑為R，圓弧角為20。另外，上述第l光 波導(dǎo)14中的R和0與第2光波導(dǎo)16中的R和e是分別相同的值。并且，關(guān)于直線波導(dǎo)5ib和5id的長(zhǎng)度，使用圓弧角e、以及彎曲波
導(dǎo)部分中的第1和第2光波導(dǎo)14和16的光路長(zhǎng)度差A(yù)L，從幾何觀點(diǎn)求 出為(AL/2) / (l-cos0)。
在這種結(jié)構(gòu)的彎曲波導(dǎo)部分22b中，為了求出R和e，考慮在彎曲 波導(dǎo)部分22b中傳播的光的強(qiáng)度損耗最少的條件。
這里，設(shè)曲線波導(dǎo)50a、 50b、 50d、 50e、 51a、 51c和51e中的每單 位長(zhǎng)度的光的強(qiáng)度損耗為aR。并且，設(shè)直線波導(dǎo)50c、 51b和51d中的每 單位長(zhǎng)度的光的強(qiáng)度損耗為ccs。
并且，設(shè)曲線波導(dǎo)50b和直線波導(dǎo)50c的接合部、直線波導(dǎo)50c和 曲線波導(dǎo)50d的接合部、曲線波導(dǎo)51a和直線波導(dǎo)51b的接合部、直線 波導(dǎo)51b和曲線波導(dǎo)51c的接合部、曲線波導(dǎo)51c和直線波導(dǎo)51d的接 合部、以及直線波導(dǎo)51d和曲線波導(dǎo)51e的接合部中的光強(qiáng)度損耗為ctms。
并且，設(shè)曲線波導(dǎo)50a和50b、以及50d和50e的接合部中的光強(qiáng)度
損耗為(XjRRo
此時(shí)，彎曲波導(dǎo)部分22b中的第1光波導(dǎo)14的光強(qiáng)度損耗之和a,4Lw 由下述式(6)給出。另夕卜，其中，L"表示彎曲波導(dǎo)部分22b中的第1 光波導(dǎo)14的全長(zhǎng)，0114示出彎曲波導(dǎo)部分22b中的第1光波導(dǎo)14的每單
位長(zhǎng)度的強(qiáng)度損耗。
ai4L14=aR4R6+ (asALcos0) / (l-cos9) +2ajRS+2ajRR…(6) 并且，彎曲波導(dǎo)部分22b中的第2光波導(dǎo)16的光強(qiáng)度損耗之和a16L16 由下述式(7)給出。另外，其中，Lw表示彎曲波導(dǎo)部分22b中的第2 光波導(dǎo)16的全長(zhǎng)，a16表示彎曲波導(dǎo)部分22b中的第2光波導(dǎo)16的每單
位長(zhǎng)度的強(qiáng)度損耗。
ai6Li6=aR4Re+ (asAL) / (1-cose) +4aJRS…(7)
一般公知，曲率半徑R越小，曲線波導(dǎo)50a、 50b、 50d、 50e、 51a、
51c和51e中的光強(qiáng)度損耗越大。因此，由式(6)和式(7)暗示了存在
光強(qiáng)度損耗最少的e。
因此，在彎曲波導(dǎo)部分22b中，根據(jù)式(7)求出第2光波導(dǎo)16的 光強(qiáng)度損耗最少的條件。另外，求出第2光波導(dǎo)16的光強(qiáng)度損耗最少的條件而不是第1光波導(dǎo)14的光強(qiáng)度損耗最少的條件是因?yàn)椋?光波導(dǎo) 16的光路長(zhǎng)度比第1光波導(dǎo)14長(zhǎng)，因此，光強(qiáng)度損耗也比第1光波導(dǎo)大。
艮口，以e對(duì)式(7)進(jìn)行微分，由此，作為光強(qiáng)度損耗最少的條件式， 得到下述式(8)。
d (a16L16) /d (0) =aR4R- (asALsine) / (l-cos0) 2=0 …(8)
對(duì)式(8)進(jìn)行變形時(shí)，得到下述式(9)。
R/AL= (as/aR) xsin0/{4 (l-cos0) 2} …(9)
根據(jù)式(9)可知，光強(qiáng)度損耗最少的條件成為e和標(biāo)準(zhǔn)化的曲率半
徑R/AL之間的關(guān)系。
在圖5中，示出as/aR=l時(shí)的式(9)的R/AL和9之間的關(guān)系(曲 線l)、以及將根據(jù)該關(guān)系得到的R/AL的值代入式(7)而求出的標(biāo)準(zhǔn)化 的第2光波導(dǎo)16的全長(zhǎng)L16/AL和0之間的關(guān)系(曲線2)。
在圖5中，左縱軸示出R/AL (量綱為1)，右縱軸示出L16/AL (量綱 為1)。橫軸示出e (degrees,度)。
但是，如以往公知的那樣，曲線波導(dǎo)中的每單位長(zhǎng)度的光強(qiáng)度損耗 c^和直線波導(dǎo)中的每單位長(zhǎng)度的光強(qiáng)度損耗as大致相等的實(shí)用的曲率半 徑R為5|am以上。
因此，取R為5pm，并使用在(關(guān)于AL)的項(xiàng)目中求出的AL (=l，32nm)，求出R/AL，將其代入圖5的曲線1時(shí)，求出能夠使光強(qiáng)度 損耗01161^6最少的6約為30° 。
并且，將0=30°和AL-1.32pm代入圖5的曲線2時(shí)，求出使光強(qiáng)度 損耗01161^16最少的第2光波導(dǎo)16的全長(zhǎng)"6約為26pm。
艮口，即使考慮定向耦合器部分18a 24a的長(zhǎng)度，也能夠?qū)⒐夂喜? 分波元件10的全長(zhǎng)抑制在200拜左右。
(關(guān)于定向耦合器部分和彎曲波導(dǎo)部分的光波導(dǎo)的寬度)
在(馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的結(jié)構(gòu))的項(xiàng)目中，說(shuō)明了定向耦合器部分 18a 24a的光波導(dǎo)的寬度W2比彎曲波導(dǎo)部分18b 24b的光波導(dǎo)的寬度 Wl稍小的情況。這種情況的原因是使光合波/分波元件10不依賴(lài)于偏振 波。在構(gòu)成為溝道型波導(dǎo)的彎曲波導(dǎo)部分18b 24b中，為了不產(chǎn)生偏振 波依賴(lài)性，公知只要使第1和第2光波導(dǎo)14和16的橫截面形狀(與光 傳播方向垂直的切斷面的形狀)為正方形狀即可。
據(jù)此，優(yōu)選使構(gòu)成彎曲波導(dǎo)部分18b 24b的第1和第2光波導(dǎo)14 和16的橫截面形狀為例如0.3^imx0.3(im的正方形狀。
通過(guò)這樣設(shè)計(jì)彎曲波導(dǎo)部分18b 24b的橫截面形狀的尺寸，在彎曲 波導(dǎo)部分18b 24b中，第1和第2光波導(dǎo)14和16不依賴(lài)于偏振波，并 且，對(duì)于第l和第2光Lj和L2作為單模波導(dǎo)發(fā)揮功能。
為了使定向耦合器部分18a 24a不依賴(lài)于偏振波，需要調(diào)節(jié)第1和 第2光波導(dǎo)14和16的橫截面形狀和定向耦合器部分18a 24a的耦合長(zhǎng) 度(沿光傳播方向的長(zhǎng)度)。
更詳細(xì)地講，發(fā)明人針對(duì)波長(zhǎng)入2v (=1.49^m)的第2光L2，改變耦 合長(zhǎng)度以及第1和第2光波導(dǎo)14和16的寬度來(lái)進(jìn)行仿真，決定了定向 耦合器部分18a 24a不依賴(lài)于偏振波的耦合長(zhǎng)度和波導(dǎo)寬度。
在圖6 (A)禾B (B)中示出該仿真結(jié)果。在圖6 (A)和(B)兩者 中共通地，縱軸表示耦合長(zhǎng)度(pm)，橫軸表示第1和第2光波導(dǎo)14和 16的寬度(pm)。
并且，圖6(A)示出設(shè)第1和第2光波導(dǎo)14和16之間的間隔為0.3, 的情況，圖6(B)示出設(shè)第1和第2光波導(dǎo)14和16之間的間隔為0.35pm 的情況。
并且，在圖6 (A)和(B)中，實(shí)線所示的曲線1示出關(guān)于TE偏 振波的耦合長(zhǎng)度和波導(dǎo)寬度之間的關(guān)系，虛線所示的曲線2示出關(guān)于TM 偏振波的耦合長(zhǎng)度和波導(dǎo)寬度之間的關(guān)系。
另外，在圖6 (A)和(B)中共通地，與彎曲波導(dǎo)部分18b 24b 同樣地，使第l和第2光波導(dǎo)14和16的高度H為0.3)om，來(lái)進(jìn)行仿真。
參照?qǐng)D6 (A)可知，在定向耦合器部分18a 24a中，在第1和第2 光波導(dǎo)14和16的間隔為0.3pm的情況下，曲線1和2在耦合長(zhǎng)度(縱 軸)約為13)iim、且波導(dǎo)寬度(橫軸)約為0.28^im這點(diǎn)交叉。
并且，參照?qǐng)D6 (B)可知，在定向耦合器部分18a 24a中，在第1和第2光波導(dǎo)14和16的間隔為0.35nm的情況下，曲線1和2在耦合長(zhǎng) 度(縱軸)約為21pm、且波導(dǎo)寬度(橫軸)約為0.287^im這點(diǎn)交叉。
這意味著，在這些曲線1和曲線2的交叉點(diǎn)，定向耦合器部分18a 24a不依賴(lài)于偏振波。但是，比較圖6 (A)和(B)時(shí)可知，曲線l和曲 線2兩者的傾斜度在圖6 (A)中都比在圖6 (B)中緩和，所以可知， 第1和第2光波導(dǎo)14和16的間隔為0.3|am時(shí)的偏振波依賴(lài)性比間隔為 0.35pm時(shí)的偏振波依賴(lài)性小。
由此，在考慮了定向耦合器部分18a 24a的制造時(shí)的尺寸誤差的情 況下，即使尺寸多少有些不準(zhǔn)確，與最佳條件的偏差少的圖6 (A)(間 隔為0.3拜)的情況，在設(shè)計(jì)方面是有利的。
另外，下面說(shuō)明利用該仿真并著眼于波長(zhǎng)、v的第2光L2來(lái)設(shè)計(jì)定 向耦合器部分18a 24a的原因。
在利用單晶硅形成第1和第2光波導(dǎo)14和16的情況下，與利用石 英形成光波導(dǎo)的情況相比，在ONU所使用的波長(zhǎng)范圍(1.3 1.49miti) 中，定向耦合器部分18a 24a的波長(zhǎng)依賴(lài)性大，在耦合長(zhǎng)度上產(chǎn)生4倍 左右的差異。即，波長(zhǎng)？Hv (1.3pm)的第1光I^與波長(zhǎng)人2v U.49Mm) 的第2光L2相比，耦合非常弱。
由此，以直通狀態(tài)輸出耦合弱的第l光"在設(shè)計(jì)方面是有利的。在 這樣設(shè)計(jì)的情況下，需要以交叉狀態(tài)輸出第2光L2。但是， 一般在馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x中，為了以良好的消光比輸出交叉狀態(tài)，公知需要嚴(yán)格地 設(shè)定耦合長(zhǎng)度。另一方面，公知即使不嚴(yán)格地設(shè)定耦合長(zhǎng)度，直通狀態(tài) 也能夠以良好的消光比輸出。
這就是僅針對(duì)第2光L2來(lái)設(shè)計(jì)定向耦合器部分18a 24a的原因。
(動(dòng)作)
再次參照?qǐng)D1，說(shuō)明本實(shí)施方式的光合波/分波元件10的動(dòng)作。 首先，考慮從第1光輸入輸出端口 14a對(duì)光合波/分波元件IO輸入第
l光Li (波長(zhǎng)、fl.3(im)和第2光L2 (波長(zhǎng)、fl.4^m)的情況。
該情況下，如上所述，以直通狀態(tài)、即從第2光輸入輸出端口 14b
輸出第1光L,。另一方面，如上所述，以交叉狀態(tài)、即從第2光輸入輸出端口 16b輸出第2光L2。
在用作ONU的情況下，設(shè)第1光L,為從用戶(hù)向基站的上行信號(hào)， 第2光L2為從基站向用戶(hù)的下行信號(hào)。
該情況下，從第2光輸入輸出端口 14b輸入的第1光L,(上行信號(hào))， 以直通狀態(tài)從第1光輸入輸出端口 14a輸出。并且，從第1光輸入輸出 端口 14a輸入的第2光L2 (下行信號(hào))，以交叉狀態(tài)從第2光輸入輸出端 口 16b輸出。
接著，參照?qǐng)D7，說(shuō)明本實(shí)施方式的光合波/分波元件10的動(dòng)作特性。 圖7是動(dòng)作特性的仿真結(jié)果。縱軸示出直通狀態(tài)和交叉狀態(tài)的輸出強(qiáng)度 相對(duì)于輸入強(qiáng)度的比率(量綱為1)，橫軸示出輸入光合波/分波元件10 的光的波長(zhǎng)。并且，在圖7中，實(shí)線所示的曲線1示出直通狀態(tài)，虛線 所示的曲線2示出交叉狀態(tài)。
用于仿真的光合波/分波元件10除了以下這點(diǎn)以外，利用在(結(jié)構(gòu)) (關(guān)于定向耦合器部分和彎曲波導(dǎo)部分的光波導(dǎo)的寬度)的項(xiàng)目中說(shuō)明 的尺寸來(lái)設(shè)計(jì)。
(1) 定向耦合器部分18a 24a的耦合長(zhǎng)度的微調(diào) 在定向耦合器部分18a 24a和彎曲波導(dǎo)部分18b 24b的接合部附
近，構(gòu)成彎曲波導(dǎo)部分18b 24b的第1和第2光波導(dǎo)14和16接近到可 光耦合的距離。為此，將定向耦合器部分18a 24a的耦合長(zhǎng)度調(diào)節(jié)到很 短的11.6,。
(2) 設(shè)彎曲波導(dǎo)部分18b 24b中的第1和第2光波導(dǎo)14和16的 光路長(zhǎng)度差A(yù)L為1.344|_im。
這是因?yàn)?，考慮單晶硅制的第1和第2光波導(dǎo)14和16的等效折射 率進(jìn)行調(diào)節(jié)，以使第1光L! alv=1.3nm)和第2光L2 a2v=1.49|im)分 別為直通狀態(tài)和交叉狀態(tài)的中心波長(zhǎng)。
參照?qǐng)D7可知，在波長(zhǎng)1.3拜附近的直通狀態(tài)和波長(zhǎng)1.49^im附近的 交叉狀態(tài)這兩個(gè)狀態(tài)中，在寬波長(zhǎng)范圍進(jìn)行波長(zhǎng)分離。完全進(jìn)行了波長(zhǎng) 分離的波段約為50nm，能夠充分吸收光源的波長(zhǎng)波動(dòng)或光合波/分波元件 10的制造誤差。并且，能夠得到強(qiáng)度與輸入光的強(qiáng)度大致相等的輸出光。 (效果)
(1) 如圖7所示，本實(shí)施方式的光合波/分波元件10能夠幾乎不產(chǎn) 生串?dāng)_地，對(duì)第1光"和第2光L2進(jìn)行合波/分波。
(2) 并且，如圖7所示，與以往相比，本實(shí)施方式的光合波/分波 元件10能夠降低光強(qiáng)度的損耗。
(3) 并且，本實(shí)施方式的光合波/分波元件10的全長(zhǎng)為200)am左右， 與以往的Si制馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x型的ONU相比，是小型的。
(設(shè)計(jì)條件、變形例等)
(1 )在本實(shí)施方式中，說(shuō)明了串聯(lián)連接4級(jí)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x18 24的情況。但是，構(gòu)成光合波/分波元件10的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的個(gè)數(shù) 不限于4級(jí)。
只要分別具有一個(gè)以上的直通狀態(tài)對(duì)和交叉狀態(tài)對(duì)，則不限于該級(jí) 數(shù)。例如，也可以如圖8 (A)所示為3級(jí)。該情況下，直通狀態(tài)對(duì)和交
叉狀態(tài)對(duì)分別各設(shè)置一個(gè)。
并且，也可以如圖8 (B)所示為6級(jí)。該情況下，設(shè)置3個(gè)直通狀 態(tài)對(duì)和2個(gè)交叉狀態(tài)對(duì)。
(2) 在本實(shí)施方式中，說(shuō)明了在彎曲波導(dǎo)部分18b 24b和定向耦 合器部分18a 24a的邊界部中，使第1和第2光波導(dǎo)14和16的寬度從 Wl到W2不連續(xù)地變化的情況。在該設(shè)計(jì)中，也能夠?qū)⒐鈴?qiáng)度損耗抑制 在實(shí)用方面足夠的水平。但是，為了進(jìn)一步降低光強(qiáng)度損耗，優(yōu)選在邊 界部中，使第1和第2光波導(dǎo)14和16的寬度呈錐狀平穩(wěn)變化。
(3) 如在(實(shí)現(xiàn)AL的彎曲波導(dǎo)的設(shè)計(jì))的項(xiàng)目中說(shuō)明的那樣，在 本實(shí)施方式中，利用直線波導(dǎo)和具有均勻曲率半徑的曲線波導(dǎo)來(lái)形成馬 赫-曾德?tīng)柷鎯x18 24的彎曲波導(dǎo)部分18b 24b。
但是，也可以組合不同曲率半徑的曲線波導(dǎo)來(lái)設(shè)計(jì)彎曲波導(dǎo)部分 18b 24b。
更詳細(xì)地講，也可以如圖9所示那樣設(shè)計(jì)構(gòu)成光合波/分波元件10 的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x60的彎曲波導(dǎo)部分60b。艮口，該馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x60由第1光波導(dǎo)62和第2光波導(dǎo)64構(gòu) 成。而且，通過(guò)這些第1和第2光波導(dǎo)62和64，形成定向耦合器部分 60a和60a、以及彎曲波導(dǎo)部分60b。
彎曲波導(dǎo)部分60b的第1光波導(dǎo)62按照曲線波導(dǎo)66a—曲線波導(dǎo)66b —曲線波導(dǎo)66c—曲線波導(dǎo)66d的順序構(gòu)成。
這里，在曲線波導(dǎo)66a 66d中，各曲率半徑R2和圓弧角02分別相等。
彎曲波導(dǎo)部分60b的第2光波導(dǎo)64按照曲線波導(dǎo)68a—曲線波導(dǎo)68b —曲線波導(dǎo)68c—曲線波導(dǎo)68d的順序構(gòu)成。
這里，在曲線波導(dǎo)68a 68d中，各曲率半徑R, (#R2)和圓弧角9,
(#e2)分別相等。
在該彎曲波導(dǎo)部分60b中，用于實(shí)現(xiàn)光路長(zhǎng)度差A(yù)L的第1和第2 光波導(dǎo)62和64的設(shè)計(jì)方法，參照在(實(shí)現(xiàn)AL的彎曲波導(dǎo)的設(shè)計(jì))中說(shuō) 明的方法。
即，針對(duì)光路長(zhǎng)度長(zhǎng)的第2光波導(dǎo)64，考慮彎曲波導(dǎo)部分60b中的
光強(qiáng)度損耗(X64L64。其中，L64表示彎曲波導(dǎo)部分60b中的第2光波導(dǎo)64
的全長(zhǎng)，a64表示彎曲波導(dǎo)部分60b中的第2光波導(dǎo)64的每單位長(zhǎng)度的強(qiáng)
度損耗。該強(qiáng)度損耗016山64由下述式(10)給出。
(X64L6faiu4R!e產(chǎn)aiu(AL+4R2sin"(R!sin9i/R2"+4ajRR…(10)
其中，ci!u是曲線波導(dǎo)68a 68d中的每單位長(zhǎng)度的光強(qiáng)度損耗。并 且，ajRR是曲線波導(dǎo)68a和68b的接合部、曲線波導(dǎo)68b和68c的接合部、 以及曲線波導(dǎo)68c和68d的接合部中的光強(qiáng)度損耗。
由圖9可知，如果R2無(wú)限大，則能夠得到更有效的光路長(zhǎng)度差A(yù)L。 由此，在式(10)中，通過(guò)設(shè)112—°°，得到下述式(11)。
a64L64-aju(AL+4R!s線)+4ajRR…(11)
但是，在彎曲波導(dǎo)部分60b中，將第1和第2光波導(dǎo)62和64投影 到馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的中心軸上的長(zhǎng)度必須相等，所以，得到下述式 (12)。
R產(chǎn)AL/(4(e,-s線))…(12)將式(12)代入式(11)，最終結(jié)果得到下述式(13)。 a64L64-aR,AL(0,-sine!))+4ajRR…(13)
由式(13)可知，光強(qiáng)度損耗016山64相對(duì)于圓弧角e,變化。并且可知，
優(yōu)選圓弧角e,較大，在e產(chǎn)兀/2時(shí)，光強(qiáng)度損耗Ct64L64最小。
權(quán)利要求
1. 一種光合波/分波元件，該光合波/分波元件在基板上并列設(shè)置有一端為第1光輸入輸出端口且另一端為第2光輸入輸出端口的第1和第2光波導(dǎo)，串聯(lián)設(shè)置3級(jí)以上的由所述第1和第2光波導(dǎo)的第1和第2光輸入輸出端口之間的所述第1和第2光波導(dǎo)形成的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x，根據(jù)波長(zhǎng)對(duì)輸入到任意一個(gè)所述第1光輸入輸出端口的波長(zhǎng)不同的第1和第2光的合波光進(jìn)行分波，并分別從所述第1和第2光波導(dǎo)的第2光輸入輸出端口輸出，該光合波/分波元件的特征在于，針對(duì)在所述第1和第2光波導(dǎo)中傳播的光，各個(gè)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的光路長(zhǎng)度差ΔL的絕對(duì)值恒定，分別具有一個(gè)以上的光路長(zhǎng)度差之和為+2ΔL或-2ΔL的由連續(xù)2級(jí)的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x組成的對(duì)、以及光路長(zhǎng)度差之和為0的由連續(xù)2級(jí)的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x組成的對(duì)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光合波/分波元件，其特征在于， 當(dāng)分別設(shè)所述第1和第2光在所述第1和第2光波導(dǎo)中的波長(zhǎng)為入,和人2 a2〉 n)時(shí)，所述光路長(zhǎng)度差A(yù)L由下述式(1)給出△L= (2m+l) x、，且AL-2mx^ (其中，m是自然數(shù))…(1)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光合波/分波元件，其特征在于， 以直通狀態(tài)從一個(gè)所述第2光輸入輸出端口輸出所述第1光，并且，以交叉狀態(tài)從另一個(gè)所述第2光輸入輸出端口輸出所述第2光。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l 3中的任一項(xiàng)所述的光合波/分波元件，其特征在于，以Si為材料來(lái)形成所述第1和第2光波導(dǎo)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l 3中的任一項(xiàng)所述的光合波/分波元件，其特征 在于，構(gòu)成所述馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的彎曲波導(dǎo)部分的所述第1和第2光波 導(dǎo)的與光傳播方向正交的截面形狀為正方形狀，并且，構(gòu)成所述馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的定向耦合器部分的所述第1和第2光波導(dǎo)的與光傳播方向正交的截面形狀為如下的長(zhǎng)方形狀與所述基板主面垂直的方向的長(zhǎng)度比與所述基板主面平行的方向的長(zhǎng)度長(zhǎng)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光合波/分波元件，其特征在于，利用直線狀的波導(dǎo)和曲率半徑相等的多個(gè)曲線波導(dǎo)來(lái)形成所述彎曲波導(dǎo)部分。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光合波/分波元件，其特征在于，利用構(gòu)成所述第1和第2光波導(dǎo)的材料的等效折射率的波長(zhǎng)依賴(lài)性來(lái)求出所述光路長(zhǎng)度差A(yù)L。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的光合波/分波元件，其特征在于，構(gòu)成所述第1和第2光波導(dǎo)的材料為Si。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的光合波/分波元件，其特征在于，在設(shè)所述第1和第2光的波長(zhǎng)差為AX，設(shè)所述第1和第2光波導(dǎo)針對(duì)所述第1和第2光的等效折射率差為An，且m為正整數(shù)的情況下，下述式(15)成立，并且，所述光路長(zhǎng)度差A(yù)L滿(mǎn)足下述式(16)，△n/n2= (1-AXA2) / (2m) -AAA2…(15)2n2AL/>t2= (1-AXA2) / (AXA2+An/n2) …(16)其中，ri2是光波導(dǎo)針對(duì)第2光的等效折射率。
10. —種光合波/分波元件，該光合波/分波元件在基板上并列設(shè)置有一端為第1光輸入輸出端口且另一端為第2光輸入輸出端口的第1和第2光波導(dǎo)，串聯(lián)設(shè)置3級(jí)以上的由所述第1和第2光波導(dǎo)的第1和第2光輸入輸出端口之間的所述第1和第2光波導(dǎo)形成的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x，根據(jù)波長(zhǎng)對(duì)輸入到任意一個(gè)所述第1光輸入輸出端口的波長(zhǎng)不同的N波長(zhǎng)(其中，N是N^3的整數(shù))的合波光進(jìn)行分波，從所述第1光波導(dǎo)的第2光輸入輸出端口輸出(N-i)波長(zhǎng)(其中，i是l《i《N-l的整數(shù))的光，并且，從第2光波導(dǎo)的第2光輸入輸出端口輸出i波長(zhǎng)的光，該光合波/分波元件的特征在于，當(dāng)設(shè)m是l以上的整數(shù)時(shí)，針對(duì)在所述第1和第2光波導(dǎo)中傳播的光，各個(gè)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的光路長(zhǎng)度差A(yù)L的絕對(duì)值恒定，分別具有一個(gè)以上的光路長(zhǎng)度差之和為+2AL或-2AL的由連續(xù)2級(jí)的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x組成的對(duì)、以及光路長(zhǎng)度差之和為0的由連續(xù)2級(jí)的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x組成的對(duì)，下述式(15)，和式(16)，同時(shí)成立 An/na=Am (l-AD / (2m) -AAAa…(15)， 2naAma=2m=Am (l-AAAa) / (AWAnAia) …(16)， 其中，Am是由2-N給出的整數(shù)，、是基準(zhǔn)波長(zhǎng)，na是光波導(dǎo)針對(duì)基準(zhǔn)波長(zhǎng)的光的等效折射率。
全文摘要
本發(fā)明提供使用馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的特性良好的光合波/分波元件。該光合波/分波元件在基板(12)上并列設(shè)置有一端為第1光輸入輸出端口(14a、16a)且另一端為第2光輸入輸出端口(14b、16b)的第1和第2光波導(dǎo)(14、16)，在第1和第2光輸入輸出端口之間具有3級(jí)以上的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(18～24)，根據(jù)波長(zhǎng)對(duì)輸入輸出到一個(gè)第1光輸入輸出端口的波長(zhǎng)不同的第1和第2光(L₁、L₂)的合波光進(jìn)行分波，并分別從第2光輸入輸出端口輸入輸出，各個(gè)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的光路長(zhǎng)度差ΔL的絕對(duì)值恒定，分別具有一個(gè)以上的光路長(zhǎng)度差之和為+2ΔL或-2ΔL的連續(xù)2級(jí)的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的對(duì)、以及光路長(zhǎng)度差之和為0的連續(xù)2級(jí)的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的對(duì)。
文檔編號(hào)G02B6/12GK101504472SQ20091000432
公開(kāi)日2009年8月12日 申請(qǐng)日期2009年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月8日
發(fā)明者岡山秀彰 申請(qǐng)人:沖電氣工業(yè)株式會(huì)社