光耦合器制造技术

本发明专利技术的光耦合器具有锥形波导，该锥形波导形成为从规定的开始位置起到信号放出端，波导宽度逐渐变窄。使第一耦合率与第二耦合率之差在预定的范围内。第一耦合率是在第一位置切断锥形波导的情况下，与具有与第一位置相同宽度的波导在固有模式下的耦合率。第二耦合率是在从第一位置起在放出端方向上离开规定距离的第二位置切断锥形波导的情况下，与具有与第二位置相同宽度的波导在固有模式下的耦合率。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种将用于光通信的光纤和集成光路连接起来的光耦合器。
技术介绍
随着近年来通信需要的扩大，利用适于大容量和长距离的DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex)的光通信系统被广泛使用。作为DWDM系统的关键部分，象图16(平面图)所示的AWG(ArrayedWaveguide Grating)元件那样的波导型光学功能元件的需要正在增加。为了实现上述波导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。为了实现元件尺寸的小型化，使波导的纤芯(折射率n1)和包层(折射率n2)的折射率差Δn变大是有效的。当使折射率差Δn变大时，能将光很好地封闭在波导中，所以能减小弯曲波导的最小弯曲半径等各波导要素，从而能减小元件尺寸。但是，当增大Δn＝(n12-n22)÷(n12+n22)时，光波导内的光波的束斑直径缩小，光纤的束斑直径变小，从而由于在连接部的束斑直径的不匹配而导致产生较大的耦合损耗。例如，在PLC(PlannarLightwave Circuit)型的波导器件中，采用直接对接连接(butt joint)法连接时，其连接损耗在Δn＝0.5％情况下，接近单端2.0dB，双端为4.0dB。这是超过波导器件的一般容许损耗值的损耗。为了降低该损耗，与半导体激光器同样，通过扩大波导器件的光波的束斑大小，来获得与光纤的束斑大小的匹配性的束斑尺寸变换型光耦合器的开发正在进行。迄今为止，采用如下的方法，即利用图17所示的二维锥形波导结构来扩大波导前端部分，由此扩大前端部分的光波场(lightwave field)，使其扩大到光纤的束斑大小。此外，也制造了各种改变纤芯的三维形状的束斑大小变换器，但该技术存在工艺复杂的问题。迄今为止，图17所示的锥形波导结构最广泛使用，通过使波导1401的宽度扩大为锥形，从而扩大波导1401的二维束斑大小。在使用该方法的情况下，可以使水平方向的束斑大小绝热地扩大，而不会使波面的曲率和整体外观变化，但垂直方向的束斑大小相对于基板没有扩大。因此，可以改善耦合损耗中的一半(耦合损耗1.6dB变为0.8dB)，但不会超过上述改善。上述方法在原耦合损耗小的情况下是有效的，但在耦合损耗大的情况下不会得到所期望的效果。因此，提出了多种用于实现垂直方向的束斑大小扩大的新方法。其中一种方法是通过使波导宽度变细，减弱由波导引起的束缚，来扩大束斑大小。此外，还有通过三维地使垂直方向的波导结构扩大或变窄，来三维地扩大束斑大小的方法。例如，在文献1(特许2929481号公报)中，公开了设定波导前端的标准化传输常数V以使与光纤的耦合率最佳的尖端渐细型光耦合器。按文献1的技术，设定与光纤的耦合效率为低损耗的0.1以下到0.01以上的波导结构的参数，通常在从波导部分到前端部分以及在锥形波导中变换前端部的标准化传输常数b(＝neff-n22)÷(n12+n22)。其中，neff是波导的传输常数，表示在波导中传输的光在实际行进方向上的波数。另一方面，标准化传输常数b是利用传输常数neff以及纤芯和包层的折射率n1、n2标准化的值，是在材料和结构不同的波导间比较传输常数时使用的参数。标准化传输常数b接近1意味着，在波导的行进方向波数与波导的纤芯行进方向端数大致相同，在该情况下，光能的大部分被封闭在纤芯内。另一方面，标准化传输常数b接近0意味着，光波的束斑比纤芯大，大部分的光能存在于包层中。标准化传输常数b也是表示在波导中传导的光波中的多少比率在纤芯中传输的参数，例如，b＝0.07表示波导光波中的7％在波导纤芯中传输。但是，即使在文献1所记载的结构中，在变细到目标波导宽度期间也会发生散射损耗，不能进行稳定的光波变换。在利用文献1的技术变细到目标波导宽度的情况下，光波耦合为散射模式，发生散射损耗。在文献1的技术中，存在局部耦合损耗小的场所，但由于上述散射损耗，无法确保低损耗部分的公差。图18是表示利用三维光束传播法进行解析的、直线锥形的尖端渐细光耦合器的耦合效率的推移。示出了在行进方向的中途切断锥形波导，在切断之前使其与光纤耦合时的耦合损耗。横轴是行进方向距离，纵轴是耦合损耗。该结构可以假定为PLC器件，波导结构为4.0μm×4.0μm、包层折射率n2＝1.457568、Δn＝1.3％、锥长12000μm的直锥形结构，将波导缩小到0.4μm×4.0μm。如果不使用束斑大小变换器而使其与直线波导耦合，则发生1.6dB的损耗。如图18所示，在该光耦合器的情况下，被传输的光信号在向着波导的行进方向上，其耦合损耗最大改善0.4dB(1400μm附近)。但是，由于所传输的光波(光信号)被变换为散射模式，所以束斑大小过于扩大，从而结合损耗大幅度地增加。在该条件下，耦合损耗为0.5dB以下的区域仅存在250μm左右。这里所说的散射模式由于光波全部脱离波导的束缚，按原来的状态扩大，所以难以使耦合效率良好的区域为1mm以上。为了改善上述问题，一种束斑大小变换器被提出，该束斑大小变换器的结构为利用使设在光波导中的锥形的变化为多项式等的曲线形状来进行稳定的光波变换。但是，即使使用这样的结构，也会象图18那样，在到达耦合率为最佳的波导结构之前发生散射模式，耦合率的公差大幅下降。此外，如图19所示，虽然锥形区域1601的耦合率良好，但即使与直线波导1602耦合，也不会改善与光纤的耦合公差。这是因为，在到达直线波导之前，光波大部分已被变换为散射模式。由于已被耦合为散射模式的光波的波面弯曲，所以仅通过配置直线波导也不会耦合是公知的。如上所述，在现有技术的光耦合器中，可以在局部大大提高耦合效率，但如果切断位置的公差很严格，切断位置一偏移，则会导致耦合损耗的严重恶化。如上所述，现有的光耦合器的峰值耦合效率为略小于0.5dB，但公差在数百μm以下，结合损耗由切断工序的切断精度决定。因此，在现有的光耦合器中，光波导器件的合格率由光耦合器的切断位置的精度决定。此外，波导结构为三维的光耦合器存在获得稳定耦合的可能性，但由于形成三维结构，所以存在制造工艺非常复杂的问题。
技术实现思路
本专利技术就是为了解决上述问题而提出的，其目的在于，不增加制造成本，即可降低与光纤的耦合损耗。本专利技术的一个实施方式的光耦合器具有锥形波导，该锥形波导形成为从规定的开始位置起到信号放出端，波导宽度逐渐变窄，其特征在于，使第一耦合率与第二耦合率之差在预定的范围内，上述第一耦合率是在第一位置切断上述锥形波导的情况下，与具有与上述第一位置相同宽度的波导的在固有模式下的耦合率，上述第二耦合率是在从上述第一位置起在上述放出端方向上离开规定距离的第二位置切断上述锥形波导的情况下，与具有与上述第二位置相同宽度的波导的在固有模式下的耦合率。采用该光耦合器，在锥形波导中传输的光信号越向放出端，束斑大小越扩大。在上述光耦合器中，用1减去在上述放出端前方从该放出端放射出的光信号所耦合的对象之间的期望的耦合损耗而得到第一值，将该第一值乘以用上述第一位置和上述第二位置之间的距离分割上述锥形波导的分割数而得到的结果作为第二值，用1减去该第二值而得到第三值，上述第一耦合率与第二耦合率之差比上述第三值小。本专利技术的另一个实施方式的光耦合器具有锥形波导，该锥形波导形成为从规本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光耦合器，具有锥形波导，该锥形波导形成为从规定的开始位置起到信号放出端，波导宽度逐渐变窄，其特征在于，　　　　使第一耦合率与第二耦合率之差在预定的范围内，上述第一耦合率是在第一位置切断上述锥形波导的情况下，与具有与上述第一位置相同宽度的波导的在固有模式下的耦合率，上述第二耦合率是在从上述第一位置起在上述放出端方向上离开规定距离的第二位置切断上述锥形波导的情况下，与具有与上述第二位置相同宽度的波导的在固有模式下的耦合率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：铃木耕一，花田忠彦，卖野丰，
申请(专利权)人：日本电气株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]