專利名稱：光波導耦合器線路器件的制作方法
技術領域：
本發明涉及應用于光通信等中的光分波器和光合波器等抗溫變高分子光波導線路。
背景技術：
在使用了S、C及L波段的光的密集波分復用(dense wavelengthdivision multiplex DWDM)通信系統中，存在波長無關型光波導耦合器，該光波導耦合器作為一種光器件，它把以1550nm的波長為中心、波段(波長バンド)為80-100nm的光，與波長變化無關地按恒定的分配比率分為2個通道輸出。該分配比率為1∶1的耦合器被稱為3dB耦合器，其在很多情況下被使用(K.JINGUJI et al，“Mach-Zehnder Interferometertype optical waveguide coupler with wave length-flattened couplingratio具有波長展平耦合率的馬赫-曾德干涉計式光波導耦合器”，Electron.Lett.，1990，Vol.26，No.17，pp.1326-1327)。
波長無關型光波導耦合器由圖8示例的Mach-Zehnder(馬赫-曾德)干涉計式光線路17構成，它具有2條光波導芯13、14，它們形成于石英或硅晶片等構成的基片20的表面上。
光波導芯13、14被形成于基片20上的下部覆層18和上部覆層19所覆蓋。當這些芯和覆層的主要成分由二氧化硅(SiO2)構成時，稱為石英光波導，當由高分子材料構成時，稱為高分子光波導。
該Mach-Zehnder干涉計式光線路17具有2個方向性耦合器15、16，它們是通過使上述光波導芯13、14相互平行地接近而形成的。Mach-Zehnder干涉計式光線路17把從上述光波導芯13、14中的其中一方的光波導芯13或14的一個端子13a或者14a輸入的信號光(該信號光的波長以1550nm為中心具有波段80-100nm)的能量按1∶1的分配比率進行分離，分別以輸入能量的50％從上述光波導芯13、14的另一個端子13b和14b輸出。
作為該Mach-Zehnder干涉計式光線路17的應用例，可舉出圖2所示的交錯器(interleaver)。該交錯器由2條高分子光波導9、10構成，并且具有使用了2個如上述圖8所示的Mach-Zehnder干涉計式光線路17的、反對稱設置的線路11、12。具有這樣的布線特征的上述圖2所示的交錯器，由于為了實現具有100nm波段的波長分離器的功能而必須調整的因素只有上述2條光波導9、10的光程差，因此在設計上給予了很大的簡便性。
例如，如圖2所示的交錯器，如果適當地設計上述2條光波導9、10的光程差，那么，將從上述光波導9、10中的其中一方的光波導9的一個端子9a輸入的、以1550nm波長為中心具有80-100nm波段的λ1到λn的信號光按恒定的波長間隔進行分離，分別從上述2條光波導9、10的另一個端子9b和10b交替地分離輸出各波長。
因為圖2所示的交錯器利用了高分子光波導，當使用溫度發生變化時，特性的變動就會很大，因此其能應用的溫度范圍比較狹窄。因為用于光波導的高分子材料的折射率溫度系數是石英的十幾倍以上，當周圍溫度變化時，上述光波導9、10以及這些光波導周圍的覆層的折射率就發生很大變化，破壞了設計的參數的平衡，其特性就偏離了設計目標。因溫度變化而引起的特性劣化可認為主要是由下列2個原因所引起。第1個原因是由于上述光波導9、10的光程差產生的相位差隨周圍溫度的變化而變化，因此偏離了中心波長。第2個原因是2個Mach-Zehnder干涉計式光線路11、12的波段由于周圍溫度的變化向長波側或短波側偏移。例如，假設用于光波導的高分子材料的折射率溫度系數的實測值大約為-(1.1～1.8)×10-4/K，環境溫度的變化為40℃，那么其對應的波段的偏移量約為6.5nm。該值對0.8nm波長間隔的交錯器來說，意味著在波段兩側附近，偏移8個波長通道。根據實驗，若溫度變化為40℃的話，上述2個Mach-Zehnder干涉計式光線路11、12的波段兩側的輸出變化達到±2％以上，因此不能把串擾抑制在-30分貝以下。
為解決上述第1個問題，最好對上述光波導9、10的一部分物理參數進行最優化設計，使得在波段滿足下列的關系式∂β10∂T=∂β9∂TL9L10---(1)]]>式(1)中的β9和β10分別是傳播光波導9、10的波導模式的傳播常數，L9和L10是光波導9、10的2個Mach-Zehnder干涉計式光線路11、12所夾部分的長度，T表示溫度。
為解決上述第2個原因的問題，由于上述交錯器的2個Mach-Zehnder干涉計式光線路11、12的結構比較復雜，必須進一步對整體結構進行改進。在一部分石英光波導線路中產生也與此類似的問題。在石英材料的情況下，因為該折射率溫度系數為正值并且很小，在石英光波導芯上涂覆具有負折射率溫度系數的高分子薄膜以取消該溫度依存性的方法已公知。但由于高分子材料的折射率溫度系數幾乎全為負值，并且其絕對值很大，所以該方法對高分子光波導并不適宜。
為改善高分子光波導的溫度特性，也存在使用由熱膨脹系數很大的高分子材料構成的基片的方法。該方法主要是充分發揮基片所具有的高熱膨脹系數，以抵消由于高分子光波導所具有的負的光程溫度特性。然而該方法只限于具有高熱膨脹系數的材料，對硅或石英基片等熱膨脹系數值較低的對象來說，還是不能象在硅基片上集成其它半導體器件那樣，在其上制作高分子光波導線路。

發明內容
因此本發明的目的是提供一種既能保持作為采用高分子光波導的最重要理由即低成本這一優點，同時又能用現有的技術在硅或石英基片等上形成的與溫度無關的高分子光波導型Mach-Zehnder干涉計式光線路。
本發明的光波導耦合器的線路器件具有基片；形成于該基片上的高分子下部覆層；形成于該高分子下部覆層上的至少2條高分子光波導；覆蓋該高分子光波導的高分子上部覆層；多個方向性耦合器，其通過使上述至少2條高分子光波導中的2條光波導在多個位置相互接近而構成。所述2條高分子光波導的各自的一個端部為輸入端，各自的另一端為輸出端。本發明的特征在于，把連接于上述多個方向性耦合器中相鄰的任意2個方向性耦合器之間的上述2條光波導的有效光程差設為ΔL，并且將該有效光程差ΔL設定為0.6至0.8μm(μm)。
本發明具有基片；形成于該基片上的高分子下部覆層；形成于該高分子下部覆層上的至少2條高分子光波導；覆蓋該高分子光波導的高分子上部覆層；多個方向性耦合器，其通過使上述至少2條高分子光波導中的2條光波導在多個位置相互接近而構成，把連接于上述多個方向性耦合器中相鄰的任意2個方向性耦合器之間的上述2條光波導的有效光程差設為ΔL，并且將該有效光程差ΔL設為0.6至0.8μm，本發明的特征在于，上述各方向性耦合器分別具有2條光波導的平行部分。
本發明的特征在于，上述高分子光波導由折射率為1.5182～1.5667的高分子材料構成。
本發明的特征在于，上述高分子下部覆層由折射率為1.5136～1.5620的高分子材料構成。
本發明的特征在于，上述高分子上部覆層由折射率為1.5136～1.5620的高分子材料構成。
本發明的特征在于，上述方向性耦合器的其中一方的2條光波導的平行部分的長度選擇為0.031～0.072mm，而另一方的平行部分的長度選擇為0.982～1.741mm。
本發明的特征在于，上述各方向性耦合器的2條光波導的平行部分之間的間隔分別選擇為4.1～6.4μm。
本發明的特征在于，上述光波導的截面形狀形成為具有寬度為w、厚度為t的矩形。
本發明的特征在于，上述光波導的截面形狀形成為正方形。
本發明的特征在于，上述光波導的截面形狀形成為正方形，其邊長為6～8μm。
本發明的特征在于，上述基片由石英片構成。
本發明的特征在于，上述基片由硅片構成。
本發明的特征在于，上述基片由聚酰亞胺樹脂構成。
為達到解決上述問題的目的，圖1所示的抗溫度變化的高分子光波導耦合器線路器件8由2條光波導芯2、3構成，該芯2、3形成于由石英片、硅片或聚酰亞胺樹脂片等構成的基片1的表面上，其特征在于，該光波導芯2、3被形成于基片1上的下部覆層6和上部覆層7所覆蓋，并具有使光波導芯2、3相互平行地接近而形成的2個方向性耦合器4、5，對與光波導芯2、3的截面形狀、折射率和線路布線有關的各因素進行最優化，使得在波長變化和溫度變化時也能使線路特性保持恒定。
該方法可通過如下所示進行說明。
現在假設將光輸入到圖1所示的光線路8的光波導芯2的一個端子2a，那么從圖中的光波導2、3的另一端子2b、3b輸出的光的能量分配比率η可表示如下η=|Bout|2|Aout|2+|Bout|2=a2+b2+2abcos(βΔL)---(2)]]>此處，a、b可表示為a=cos[π2Lc1(L1+Le1)]sin[π2Lc2(L2+Le2)]---(3)]]>b=sin[π2Lc1(L1+Le1)]cos[π2Lc2(L2+Le2)]---(4)]]>其中，Aout和Bout分別為從光波導芯2、3的另一端子2b、3b輸出的光的振幅，Lc1和Lc2分別為方向性耦合器4、5的完全結合長度，L1和L2分別為方向性耦合器4、5的平行部的長度，Le1和Le2分別為方向性耦合器4、5的等價平行部的增加長度，β為傳播光波導芯2、3的波導模式的傳播常數、ΔL為光波導芯2、3的長度之差。
上述lc1、Lc2和Le1、Le2都是下列參數的函數波長λ、光波導芯2、3的寬度w和厚度t、光波導芯2、3的折射率ng、覆層6、7的折射率nc、方向性耦合器4、5的平行部間隔s1、s2，即Lci＝Lci(λ，w，t，ng，nc，si)，i＝1，2 (5)Lei＝Lei(λ，w，t，ng，nc，si)，i＝1，2 (6)傳播常數β是下列參數的函數光波導芯2、3的寬度w和厚度t、光波導芯2、3的折射率ng、以及覆層6、7的折射率nc，即β＝β(λ，w，t，ng，nc)， (7)光波導芯2、3的折射率ng和覆層6、7的折射率nc都是環境溫度T和波長λ的函數ng＝ng(λ，T)， (8)nc＝nc(λ，T)， (9)在設定使用波長的溫度變化范圍內，為滿足下述聯立方程式(10)至(13)η(λ，T)＝50％±δη (10)|δη(λ,T)|λ=|∂η∂T×δλ|<σλ---(11)]]>|δη(λ,T)|T=|∂η∂T×δT|<σT---(12)]]>δη＝|δη(λ，T)|λ+|δη(λ，T)|T(13)通過將光波導芯2、3的寬度w和厚度t、方向性耦合器4、5的平行部間隔s1、s2、光波導芯2、3的折射率ng和覆層6、7的折射率nc、方向性耦合器4、5的平行部的長度L1、L2以及光波導芯2、3的長度之差ΔL等各參數最優化，可以同時消除波長依存性和溫度依存性。
此處設定σλ和σT使δη≤1％。
采取上述措施的本發明的抗溫度變化的高分子光波導耦合器線路8的特征在于如下將各要素最優化。
如圖1所示，基片1的材質是石英、硅、或聚酰亞胺樹脂等，光波導芯2、3的材料是折射率ng為1.5182～1.5667的高分子材料，覆蓋光波導芯2、3的下部覆層6和上部覆層7的材料是折射率nc為1.5136～1.5620的高分子材料。此外，該光波導芯2、3的截面形狀是邊長為6～8μm的正方形，方向性耦合器4的平行部的長度L1為0.031～0.072mm或0.982～1.741mm，方向性耦合器5的平行部的長度L2為0.982～1.741mm或0.031～0.072mm，方向性耦合器4的平行部間隔s1為4.1～6.4μm，方向性耦合器5的平行部間隔s2為4.1～6.4μm，以及光波導芯2、3的長度差ΔL為0.6～0.8μm。


圖1是示出本發明的一個實施方式的伴隨溫度變化的高分子光波導耦合器線路器件的平面圖和側視圖。
圖2是高分子光波導交錯器的平面圖。
圖3是當使用溫度為20℃時，圖1所示的實施方式中的能量分配比率變化對信號光的波長變化的關系示意圖。
圖4是當使用溫度為0℃時，圖1所示的實施方式中的能量分配比率變化對信號光的波長變化的關系示意圖。
圖5是當使用溫度為10℃時，圖1所示的實施方式中的能量分配比率變化對信號光的波長變化的關系示意圖。
圖6是當使用溫度為30℃時，圖1所示的實施方式中的能量分配比率變化對信號光的波長變化的關系示意圖。
圖7表示當使用溫度為40℃時，圖1所示的實施方式中的能量分配比率變化對信號光的波長變化的關系示意圖。
圖8是Mach-Zehnder干涉計式光線路17的俯視圖和側視圖。
具體實施例方式
(實施例)以下參照附圖來說明本發明的實施例。
圖1是本發明的光波導耦合器線路器件示意圖。
如圖1所示，本發明的抗溫度變化型光波導耦合器線路器件8具有2條光波導芯2、3，該芯2、3形成于由石英構成的基片1的表面上。如圖所示，光波導芯2、3由折射率ng為1.5182～1.5667的高分子材料構成，并且其截面形狀為邊長6～8μm的正方形。覆蓋光波導芯2、3的下部覆層6和上部覆層7的材料是折射率nc為1.5136～1.5620的高分子。
具有使光波導芯2、3相互平行接近而形成的方向性耦合器4、5。該方向性耦合器4的平行部長度L1為0.031～0.072mm，平行部間隔s1為4.1～6.4μm。方向性耦合器5的平行部長度L2為0.982～1.741mm，平行部間隔s2為4.1～6.4μm。
其次，與此相反，當然可以選擇L1為0.982～1.741mm，L2為0.031～0.072mm。
光波導芯2、3的長度之差ΔL形成的范圍為0.6～0.8μm。
其次，對上述本發明的抗溫度變化型光波導耦合器線路器件8的制造方法的一個例子進行說明。
采用石英片作為上述基片1，把形成下部覆層的高分子的溶液，亦即把4，4’-(六氟異亞丙基)二鄰苯二甲酸酐(4，4’-(Hexafluoroisopropylidene)Diphthalic anhydride)和2，2-雙(三氟甲基)-4，4’-二氨基聯苯(2，2-Bis(trifluoromethyl)-4，4’-diaminodiphenyl)等摩爾溶解于N，N，-二甲基乙酰胺(N，N，-Dimethylacetamide)中，在25℃下經過24小時，在氮氣氛下攪拌所得的溶液，通過旋轉涂敷法(Spin coating)使該溶液在石英片表面形成薄膜，其后，經由脫溶劑和熱處理，形成約20mm厚的高分子下部覆層6。
進而，在該下部覆層6上，用4，4’-二氨基聯苯醚(4，4’-diaminodiphenyl ether)代替制備形成上述覆層的高分子時所用的二胺2，2-雙(三氟甲基)-4，4’-二氨基聯苯的一部分，進行添加使得該二胺量的總量與4，4’-(六氟異亞丙基)二鄰苯二甲酸酐(4，4’-(Hexafluoroisopropylidene)Diphthalic anhydride)等摩爾，利用通過同樣方法制備的高分子溶液，通過旋轉涂敷法，在早先形成的高分子下部覆層上形成薄膜，此后，經由脫溶劑和熱處理等，形成折射率比下部覆層6提高0.25％～0.45％左右的大約8μm厚的高分子芯層。
進而，在上述芯層的表面上通過光刻膠形成規定的光波導圖形之后，在氧氣氣氛中通過反應性離子蝕刻法對芯層進行選擇性蝕刻，從而形成具有規定圖形的光波導芯2、3。其后，再次采用剛才形成下部覆層時所用的同樣的高分子溶液，通過旋轉涂敷法和隨后的脫溶劑和熱處理方法，形成能嵌入光波導芯2、3的高分子上部覆層7。此外，上部覆層7的折射率低于芯的折射率，但并不一定要與下部覆層6的折射率相等。
此外，在上述實施例中，作為上述基片1使用了石英片，但也可以使用硅片、或聚酰亞胺樹脂片等。此外，光波導芯的截面形狀也可以形成寬度為w、厚度為t的矩形。
上述實施例的抗溫度變化的高分子光波導耦合器線路器件8的試驗結果如下。
首先，在假設使用溫度為20℃的環境中，將7種波長的光輸入圖1所示的本發明的抗溫度變化的高分子光波導耦合器線路器件8的光波導芯2的一端子2a，該7種波長分別為1490nm，1510nm，1530nm，1550nm，1570nm，1590nm和1610nm，在圖3中示出從上述光波導芯的另一端子2b、3b輸出的光能量的比率，即能量分配比率對各種波長的的曲線。其結果為，根據在120nm的波段上的波長變化的能量分配比率全部在50±0.69％的范圍內。
其次，在使用溫度分別為0℃、10℃、30℃、40℃的情況下，按20℃時的相同條件進行仿真。在各種溫度下每種波長的能量分配比率分別表示于圖4、圖5、圖6、圖7。如圖所示，根據波長變化的能量分配比率分別在50±0.67％、50±0.70％、50±0.69％、50±0.68％的范圍內，幾乎沒有受到溫度變化的影響。
此外，如圖3至圖7所示，對波段兩側的波長，亦即1490nm和1610nm的波長，從0℃到40℃之間的溫度變化所對應的分配比率的變化范圍分別抑制在0.06％和0.002％以內，幾乎看不到因溫度變化而產生的波段偏移。
因此，本發明的抗溫度變化的高分子光波導耦合器線路8對用于密集波分復用通信中的以1550nm(納米)的波長為中心、波段為120nm的信號光的波長變化，影響非常之小，并且即使使用溫度從0℃變化到40℃，其特性也不會改變。因此，作為本發明的抗溫度變化的高分子光波導耦合器線路8的一個例子，可以用作構成如圖2所示的高分子光波導交錯器的溫度無關型耦合器11、12。
另外，本發明并不只限于用作高分子光波導交錯器，也可以與2個1×N通道光波導分離器連接，構成2×2N通道的溫度無關型光波導分離器。
在本發明中，因為對高分子光波導耦合器線路器件的光波導芯截面形狀、折射率以及與線路布線有關的各因素進行了優化，使得其線路特性不僅對波長變化，而且對溫度變化也能保持恒定，因此明顯地降低了因為光波導對溫度的高依存性而導致的對能量分配比率的影響。
因此，本發明的高分子光波導耦合器線路器件既可以具有密集波分復用通信中的以1550nm的波長為中心的120nm的波段，而且還可以在溫度從0℃變化到40℃的變化范圍內不必專門附加恒溫設備就可使用。
本發明通過上述的最優化方法，將在波段兩側的波長對溫度的依存性抑制到幾乎接近于0，因為不存在由于溫度變化而引起的對波段偏移的影響，作為一個應用例，可用于使高分子光波導交錯器與溫度無關。
由于本發明提供不改變現有的使用材料而進行最優化的方法，因此，沒有必要改變目前已開發出來的高分子光波導的制造工藝。從而，當采用高分子材時，既可以保持光波導制造成本低的優點，又可以達到線路特性與溫度的無關化。
權利要求
1.一種光波導耦合器線路器件，其具有基片；形成于該基片上的高分子下部覆層；形成于該高分子下部覆層上的至少2條高分子光波導；覆蓋該高分子光波導的高分子上部覆層；多個方向性耦合器，其通過使所述至少2條高分子光波導中的2條光波導在多個位置相互接近而構成，所述2條高分子光波導的各自的一個端部為輸入端，各自的另一端部為輸出端，該光波導耦合器線路器件的特征在于，將連接于所述多個方向性耦合器中相鄰的任意2個方向性耦合器之間的所述2條光波導的有效光程差設定為ΔL，并且該有效光程差ΔL設定為0.6至0.8μm。
2.一種光波導耦合器線路器件，其具有基片；形成于該基片上的高分子下部覆層；形成于該高分子下部覆層上的至少2條高分子光波導；覆蓋該高分子光波導的高分子上部覆層；多個方向性耦合器，其通過使所述至少2條高分子光波導中的2條光波導在多個位置相互接近而構成，該光波導耦合器線路器件的特征在于，將連接于所述多個方向性耦合器中相鄰的任意2個方向性耦合器之間的所述2條光波導的有效光程差設定為ΔL，并且該有效光程差ΔL設定為0.6至0.8μm，所述各方向性耦合器分別具有2條光波導的平行部分。
3.如權利要求1或2所述的光波導耦合器線路器件，其特征在于，所述高分子光波導由折射率為1.5182～1.5667的高分子材料構成。
4.如權利要求1至3中任何一項所述的光波導耦合器線路器件，其特征在于，所述高分子下部覆層由折射率為1.5136～1.5620的高分子材料構成。
5.如權利要求1至4中任何一項所述的光波導耦合器線路器件，其特征在于，所述高分子上部覆層由折射率為1.5136～1.5620的高分子材料構成。
6.如權利要求1至5中任何一項所述的光波導耦合器線路器件，其特征在于，所述方向性耦合器的其中一方的2條光波導的平行部分的長度選擇為0.031～0.072mm，另一方的平行部分的長度選擇為0.982～1.741mm。
7.如權利要求1至6中任何一項所述的光波導耦合器線路器件，其特征在于，所述各方向性耦合器的2條光波導的平行部分的間隔分別選擇為4.1～6.4μm。
8.如權利要求1至7任何一項所述的光波導耦合器線路器件，其特征在于，所述光波導的截面形狀形成為具有寬度為w、厚度為t的矩形。
9.如權利要求1至8任何一項所述的光波導耦合器線路器件，其特征在于，所述光波導的截面形狀形成為正方形。
10.如權利要求9所述的光波導耦合器線路器件，其特征在于，所述光波導的截面形狀為正方形，其邊長為6～8μm。
11.如權利要求1至10任何一項所述的光波導耦合器線路器件，其特征在于，所述基片由石英片構成。
12.如權利要求1至10任何一項所述的光波導耦合器線路器件，其特征在于，所述基片由硅片構成。
13.如權利要求1至10任何一項所述的光波導耦合器線路器件，其特征在于，所述基片由聚酰亞胺樹脂片構成。
全文摘要
本發明提供一種光波導耦合器線路器件，如圖1所示，光波導耦合器線路器件8由在基片1的表面上形成的2條光波導芯2、3構成。該光波導芯2、3由形成于基片1上的下部覆層6和上部覆層7覆蓋，并具有通過使光波導芯2、3相互平行地接近而形成的2個方向性耦合器4、5，本發明的特征在于，通過對光波導芯2、3的截面形狀、折射率和有關線路布線的各因素進行最優化，使得即使在波長變化和溫度變化時也能使線路特性保持恒定。
文檔編號G02B6/34GK1444064SQ0311926
公開日2003年9月24日 申請日期2003年3月6日 優先權日2002年3月7日
發明者陳抱雪, 磯守 申請人:新田株式會社