專利名稱：光導(dǎo)波路和光傳播方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及作為光通信設(shè)備而使用的光導(dǎo)波路。
背景技術(shù)：
光導(dǎo)波路為了降低與光纖的耦合損失，把芯體的剖面形狀制作成矩形較為理想。但是，在通過使用壓模的復(fù)制法制作時(shí)，由于在壓模上具有拔模斜度等，使得芯體的剖面不是矩形，而是具有一定斜度的形狀(梯形)(專利文獻(xiàn)1等)。圖1是表示具有錐狀的芯體剖面的光導(dǎo)波路的一個(gè)例子的概略立體圖。在該光導(dǎo)波路10中，在上下玻璃基板11、12之間夾有疊層了下包層13和上包層14的部分。在設(shè)置于下包層13上面的芯體溝15內(nèi)填充有芯體16。
這種光導(dǎo)波路10例如利用壓模法制作下包層13。在該方法中，在玻璃基板11上滴下紫外線固化型樹脂，用壓模按壓紫外線固化型樹脂，使其在基板和壓模之間展開，通過紫外線照射，使紫外線固化型樹脂固化，形成下包層13。此時(shí)，利用具有壓模的凸形狀，在下包層13的上面形成芯體溝15，但是，為了使壓模容易脫模，在凸形狀的兩側(cè)面帶有向脫模方向傾斜的斜度，所以，芯體溝15的兩側(cè)面也形成有沿著深度方向的斜度。接著，通過向形成于下包層13上面的芯體溝15中填充芯體材料，來形成芯體16，下包層13和玻璃基板12之間形成有上包層14，下包層13和上包層14之間封閉有芯體16。因此，通過在將芯體材料填充到芯體溝15內(nèi)而成形的芯體16的剖面的兩側(cè)面也帶有沿著深度方向的斜度。
另外，即使是通過注塑成型來形成下包層的方法，為了使成形模具容易地從在成形模具內(nèi)進(jìn)行樹脂成形的下包層中脫模，沿著芯體溝的深度方向也帶有斜度。另外，即使利用半導(dǎo)體的制造工序，在下包層上堆積了芯體材料層之后，通過蝕刻來形成芯體的情況下，在曝光時(shí)，由于光延伸到芯體材料層的深度方向，所以，蝕刻后的芯體也帶有斜度。這樣，由于在這些制造方法中，芯體都帶有斜度，所以，芯體的剖面也為梯形狀。
這樣，如果與芯體的長度方向垂直的剖面帶有沿著深度方向或高度方向的斜度，則根據(jù)距離芯體下表面的高度的不同，芯體剖面的寬度也不同。因此，芯體剖面的寬度較窄部分比芯體剖面的寬度較寬部分的等價(jià)折射率小。芯體的等價(jià)折射率小時(shí)，該等價(jià)折射率跟下包層和上包層折射率的差變小，所以，在芯體剖面寬度較窄部分，芯體內(nèi)的光的封閉性比芯體剖面寬度較寬部分弱。因此，如果芯體剖面帶有斜度，則因芯體剖面寬度的變化，高度方向的模態(tài)分布(mode profile)會產(chǎn)生相對于芯體中央非對稱的現(xiàn)象。
圖2(a)表示具有上面芯體寬度較寬、下面芯體寬度較窄的錐狀剖面的芯體16和上下包層13、14，圖2(b)表示在芯體16的剖面的左右中央，沿著高度方向的折射率的變化，圖2(c)中，實(shí)線所示的曲線表示在該芯體16內(nèi)傳播的光信號的模態(tài)分布。圖2(c)的縱軸表示從芯體16的剖面的高度方向的中央開始測量的高度，橫軸表示在芯體16內(nèi)傳播的光信號的強(qiáng)度。另外，圖2(c)中虛線所示的曲線表示剖面為矩形的芯體理想的模態(tài)分布。圖2(c)的虛線所示的理想模態(tài)分布中，畫出了關(guān)于芯體剖面的高度方向的中央對稱的曲線。與此相對，在帶有斜度的芯體剖面的情況下，在芯體16的下面，向下包層13側(cè)的漏光變大，使該模態(tài)分布變得不對稱。
這樣，在芯體剖面帶有斜度的以往的光導(dǎo)波路中，由于芯體的模態(tài)分布在上下方向上是非對稱的，所以存在如下的問題在芯體內(nèi)部傳播的光與上下方向?qū)ΨQ的模態(tài)分布的光纖的連接損失變大。
特開2003-240991號公報(bào)發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明就是鑒于上述的技術(shù)課題而提出的，其目的在于，在具有因芯體剖面的形狀而產(chǎn)生的非對稱的模態(tài)分布的光導(dǎo)波路中，減少該模態(tài)的分布的非對稱性。
本發(fā)明之一的光導(dǎo)波路，在包層內(nèi)嵌入芯體，在向與光傳播方向垂直的剖面觀察時(shí)，對應(yīng)從包層表面離開的距離，芯體的寬度逐漸增加或減少，其特征在于，在上述芯體寬度窄的一側(cè)的面與上述包層的邊界面附近，形成有折射率大于上述芯體的折射率或者小于上述包層的折射率的折射率調(diào)整區(qū)域。另外，此處所謂的包層可以是上包層，也可以是下包層，還可以是單體的包層。另外，所謂的距包層表面的距離為從包層的表面開始測定的芯體的高度方向或深度方向的距離。
在本發(fā)明之一的光導(dǎo)波路中，通過由上述芯體形成折射率大的折射率調(diào)整區(qū)域，在芯體寬度較窄側(cè)，芯體(折射率調(diào)整區(qū)域)的等價(jià)折射率和包層的折射率的折射率之差變大，光的封閉性可以與芯體寬度較寬側(cè)相同程度地變強(qiáng)，所以，可以使在芯體內(nèi)傳播的光的強(qiáng)度的分布接近對稱。另外，通過由上述包層形成折射率小的折射率調(diào)整區(qū)域，在芯體寬度較窄側(cè)，芯體的等價(jià)折射率和包層(折射率調(diào)整區(qū)域)的折射率的折射率之差變大，光的封閉性可以與芯體寬度較寬側(cè)相同程度地變強(qiáng)，所以，可以使在芯體內(nèi)傳播的光的強(qiáng)度的分布接近對稱。由此，可以提高與光纖等的耦合效率。
在第1光導(dǎo)波路的實(shí)施方式中，上述折射率調(diào)整區(qū)域通過改變上述包層或上述芯體的材質(zhì)而形成。例如，通過在包層或芯體中注入金屬或半導(dǎo)體的離子、或者使其擴(kuò)散，可以在任意的深度上改變包層或芯體的材質(zhì)。
另外，在第1光導(dǎo)波路的其他實(shí)施方式中，上述折射率調(diào)整區(qū)域通過在上述芯體和上述包層的邊界面上堆積與芯體和包層不同的材料而形成。作為所堆積的材料，可以使用金屬或半導(dǎo)體。根據(jù)該方法，在光集成電路的制造工序中，可以簡單地形成折射率調(diào)整區(qū)域。
本發(fā)明的第2光導(dǎo)波路，在上包層和下包層之間嵌入芯體，在向與光傳播方向垂直的剖面觀察時(shí)，對應(yīng)從兩個(gè)包層的邊界面離開的距離，芯體的寬度逐漸增加或減少，其特征在于，上述芯體寬度寬的一側(cè)的面與任意一個(gè)上述包層的邊界面附近，形成有折射率小于上述芯體的折射率、且大于與上述芯體的寬度窄的一側(cè)的面鄰接的包層的折射率的折射率調(diào)整區(qū)域。另外，所謂的兩個(gè)包層的邊界面間的距離為從兩個(gè)包層的邊界面開始測量的芯體的高度方向或深度方向的距離。
在本發(fā)明的第2光導(dǎo)波路中，通過在芯體寬度較寬側(cè)的面和任意一個(gè)包層的邊界面附近，形成折射率比芯體小、且比與芯體寬度較窄側(cè)的面相連的包層大的折射率調(diào)整區(qū)域，在芯體寬度較寬側(cè)，芯體的等價(jià)折射率和折射率調(diào)整區(qū)域的折射率的折射率之差變小，光的封閉性可以與芯體寬度較窄側(cè)相同程度地變?nèi)?，所以，可以使在芯體內(nèi)傳播的光的強(qiáng)度的分布接近對稱。由此，可以提高與光纖等的耦合效率。
在第2光導(dǎo)波路的實(shí)施方式中，上述折射率調(diào)整區(qū)域通過改變上述芯體或與芯體較寬側(cè)的面相連的包層的材質(zhì)而形成。例如，通過在包層或芯體中注入金屬或半導(dǎo)體的離子、或者使其擴(kuò)散，可以在任意的深度上改變包層或芯體的材質(zhì)。
另外，在第2光導(dǎo)波路的其他實(shí)施方式中，上述折射率調(diào)整區(qū)域是上包層和下包層中的與芯體寬度較寬側(cè)的面相連側(cè)的包層整體。
另外，在第2光導(dǎo)波路的其他實(shí)施方式中，上述折射率調(diào)整區(qū)域通過在上述芯體和任意一個(gè)上述包層的邊界面上疊層與該芯體和包層不同的材料而形成。作為所疊層的材料，可以使用金屬或半導(dǎo)體。根據(jù)該方法，在光集成電路的制造工序中，可以簡單地形成折射率調(diào)整區(qū)域。
本發(fā)明的第3光導(dǎo)波路，在包層內(nèi)嵌入芯體，在向與光傳播方向垂直的剖面觀察時(shí)，對應(yīng)從包層表面離開的距離，芯體的寬度逐漸增加或減少，其特征在于，上述芯體寬度窄的一側(cè)的面與上述包層的邊界面附近，形成其拉抻應(yīng)力大于周圍的拉抻應(yīng)力的區(qū)域。另外，所謂的距包層表面的距離是從包層的表面開始測量的芯體的高度方向或深度方向的距離。
在本發(fā)明的第3光導(dǎo)波路中，通過在上述芯體寬度較窄側(cè)的面和上述包層的邊界面的附近形成拉抻應(yīng)力比周圍高的區(qū)域，可以在芯體寬度較窄側(cè)形成折射率比上述包層小的區(qū)域。因此，在芯體寬度較窄側(cè)，芯體的等價(jià)折射率和拉抻應(yīng)力高的區(qū)域的折射率之間的折射率差變大，光的封閉性可以與芯體寬度較寬側(cè)相同程度地變強(qiáng)，所以，可以使在芯體內(nèi)傳播的光的強(qiáng)度的分布接近對稱。由此，可以提高與光纖等的耦合效率。
本發(fā)明的光的傳播方法，由傳播光的第1光纖、與該第1光纖構(gòu)成光學(xué)耦合的光導(dǎo)波路及與該光導(dǎo)波路光學(xué)耦合的第2光纖組成，該光從光發(fā)送單元射出，在第1光纖內(nèi)傳播，從該第1光纖射出后，入射到上述光導(dǎo)波路內(nèi)進(jìn)行傳播，從該光導(dǎo)波路出射后，入射到第2光纖內(nèi)進(jìn)行傳播，用光接收單元接收，上述光波導(dǎo)路的包層內(nèi)嵌入芯體，在向與光傳播方向垂直的剖面觀察時(shí)，對應(yīng)從包層表面離開的距離，芯體的寬度逐漸增加或減少，上述芯體寬度窄的一側(cè)的面與上述包層的邊界面附近形成有折射率大于上述芯體的折射率或者小于上述包層的折射率的折射率調(diào)整區(qū)域。另外，所謂的距包層表面的距離是從包層的表面開始測量的芯體的高度方向或深度方向的距離。
另外，對于本發(fā)明的以上所說明的結(jié)構(gòu)要素，在條件允許的情況下可以進(jìn)行任意的組合。


圖1是表示具有錐狀芯體剖面的光導(dǎo)波路的一例的概略立體圖。
圖2(a)～(c)是說明圖1所示光導(dǎo)波路的作用的說明圖。
圖3是表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的光導(dǎo)波路的立體圖。
圖4是表示圖3的光導(dǎo)波路的變形例的概略剖面圖。
圖5(a)～(d)是對圖3所示的光導(dǎo)波路的制造工序進(jìn)行說明的概略圖。
圖6(a)～(c)是說明圖3所示實(shí)施例的作用的說明圖。
圖7是表示在使低折射率層的折射率變化時(shí)的芯體上半部的模態(tài)分布的變化的仿真圖。
圖8是表示在使低折射率層的折射率變化時(shí)的芯體下半部的模態(tài)分布的變化的仿真圖。
圖9是對本發(fā)明的其他實(shí)施例進(jìn)行說明的圖。
圖10(a)～(d)是對圖9所示的光導(dǎo)波路的制造工序進(jìn)行說明的概略圖。
圖11是表示本發(fā)明的其他實(shí)施例的光導(dǎo)波路的立體圖。
圖12(a)～(d)是對圖11所示的光導(dǎo)波路的制造工序進(jìn)行說明的概略圖。
圖13(a)～(c)是說明圖11所示的實(shí)施例的作用的說明圖。
圖14是表示在使中折射率層的折射率變化時(shí)的芯體上半部的模態(tài)分布的變化的仿真圖。
圖15是表示在使中折射率層的折射率變化時(shí)的芯體下半部的模態(tài)分布的變化的仿真圖。
圖16是表示本發(fā)明其他實(shí)施例的光導(dǎo)波路的立體圖。
圖17(a)～(c)是對圖16的實(shí)施例的光導(dǎo)波路的制造過程進(jìn)行說明的概略圖。
圖18(a)～(c)是說明圖16所示實(shí)施例的作用的說明圖。
圖19(a)是表示本發(fā)明其他實(shí)施例的光導(dǎo)波路的要部的概略圖，圖19(b)是表示在芯體內(nèi)傳播的光的模態(tài)分布圖。
圖20是表示在使低折射率層的折射率變化時(shí)的芯體上半部的模態(tài)分布的變化的仿真圖。
圖21是表示在使低折射率層的折射率變化時(shí)的芯體下半部的模態(tài)分布的變化的仿真圖。
圖22是本發(fā)明其他實(shí)施例的光導(dǎo)波路的剖面圖。
圖23是表示光導(dǎo)波路內(nèi)的應(yīng)力分布的圖。
圖24是本發(fā)明其他實(shí)施例的光的傳播方法的模式圖。
圖中21、22玻璃基板；23下包層；24上包層；25芯體溝；26芯體；27低折射率層；28高折射率層；29中折射率層；41高應(yīng)力區(qū)域。
具體實(shí)施例方式
以下，結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行具體的說明。另外，以下說明的實(shí)施例是一個(gè)例子，本發(fā)明不限于下述實(shí)施例。
圖3是表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的光導(dǎo)波路的立體圖。在該光導(dǎo)波路20中，在下面?zhèn)鹊牟ＡЩ?1和上面?zhèn)鹊牟ＡЩ?2之間，疊層了下包層23和上包層24。形成在下包層23上面的芯體溝25內(nèi)設(shè)置有芯體26。芯體26的兩側(cè)面具有斜度，芯體26的剖面為下面?zhèn)鹊膶挾容^窄的梯形。另外，在芯體26的下面(寬度最窄的面)與下包層23之間設(shè)置有低折射率層27。下包層23和上包層24由透明樹脂形成，具有相同的折射率。優(yōu)選下包層23和上包層24由同一種透明樹脂形成。芯體26由折射率比下包層23和上包層24大的透明樹脂形成。低折射率層27具有比下包層23小的折射率。如果將芯體26的高度設(shè)為6μm，則低折射率層27的厚度為0.5～1.0μm左右。
另外，在圖3中，在芯體溝25的下表面上設(shè)置低折射率層27，但是，如圖4所示，低折射率層27也可以嵌入到比芯體溝25的下面稍深的位置上。另外，雖然未圖示，但低折射率層27即使位于芯體26內(nèi)的下表面附近也無妨。但是，在該情況下，由于芯體26的中心向上方移動(dòng)，所以，光強(qiáng)度的分布中心也向上方偏移。
圖5(a)～(d)是對圖3所示的光導(dǎo)波路20的制造工序進(jìn)行說明的概略圖。首先，在玻璃基板21的上面滴下紫外線固化型樹脂，并用壓模31對其進(jìn)行按壓，使紫外線固化型樹脂在壓模31和玻璃基板21之間展開。通過紫外線照射，使紫外線固化型樹脂固化，形成下包層23，然后，使壓模31從下包層23上脫模。在這樣形成的下包層23上形成有芯體溝25(圖5(a))。由于壓模31上設(shè)置有下面?zhèn)葘挾容^窄的剖面為梯形狀的凸部，所以，芯體溝25的剖面為兩側(cè)面帶有斜度的倒梯形剖面。
接下來，沿著芯體溝25的全長，在其下表面通過真空蒸鍍來堆積金屬和Si等半導(dǎo)體。作為該金屬或半導(dǎo)體，優(yōu)選使用使下包層23的折射率降低的物質(zhì)、或者通過擴(kuò)散在下包層23中使下包層23的折射率降低的雜質(zhì)。當(dāng)芯體溝25的下面堆積有金屬或半導(dǎo)體時(shí)，由于折射率降低，所以，在芯體溝25的下表面上形成有折射率比下包層23低的低折射率層27(圖5(b))。或者，也可以在芯體溝25的下表面注入金屬離子、氫離子、氦離子等，通過離子注入，改變芯體溝25的下表面的性質(zhì)，形成低折射率層27。
然后，在芯體溝25內(nèi)填充芯體材料的樹脂，形成芯體26(圖5(c))。另外，在下包層23和芯體26上滴下紫外線固化型樹脂，并用玻璃基板22對其進(jìn)行按壓，使其玻璃基板22和下包層23之間展開。當(dāng)紫外線照射到該處時(shí)，紫外線固化型樹脂固化，形成上包層24，制作出光導(dǎo)波路20(圖5(d))。
圖6是對圖3所示的實(shí)施例的作用進(jìn)行說明的圖，圖6(a)是表示光導(dǎo)波路20的芯體附近的概略圖，圖6(b)是表示沿著芯體26中央的高度方向的折射率的變化，圖6(c)是表示在該芯體內(nèi)傳播的光信號的模態(tài)分布圖。圖6(c)的縱軸表示從芯體剖面的高度方向的中央開始測量的高度，橫軸表示在芯體內(nèi)傳播的光信號的強(qiáng)度，實(shí)線所示的曲線表示該芯體26內(nèi)傳播的光信號的模態(tài)分布，雙點(diǎn)劃線所示的曲線是圖2(c)中實(shí)線所示的以往例的模態(tài)分布。
在沒有低折射率層27的以往例的情況下，由于芯體26下面?zhèn)鹊膶挾容^窄，所以在芯體26的底部，等價(jià)折射率變小，其結(jié)果，芯體26底部的等價(jià)折射率和下包層23的折射率之間的差變小，所以，如圖6(c)的雙點(diǎn)劃線所示，從芯體26下表面的漏光變大，模態(tài)分布為非對稱。
在本實(shí)施例的情況下，在芯體26的下表面和下包層23的邊界面附近設(shè)有低折射率層27(圖6(a))。由于該低折射率層27的折射率比下包層23小，所以，可以認(rèn)為低折射率層27是下包層23的一部分。因此，在本實(shí)施例中，在芯體26的下表面和下包層23的邊界面上，芯體26的等價(jià)折射率和低折射率層27的折射率的差Δn比沒有低折射率層27時(shí)大(圖6(b))。其結(jié)果，芯體26的下表面上光的封閉性變強(qiáng)，如圖6(c)所示的實(shí)線曲線那樣，緩和了模態(tài)分布的非對稱性的程度。通過使模態(tài)分布接近對稱，可以使具有梯形剖面的芯體26的2維強(qiáng)度分布也為同心圓狀的分布。并且，通過使模態(tài)分布接近對稱，可以提高與光纖的耦合效率。
為了使模態(tài)分布對稱，雖然可考慮使剖面為梯形的芯體的折射率從寬度較大側(cè)向?qū)挾容^小側(cè)逐漸變大，但是，這種方法，芯體的制作比較麻煩，成本也會上升。另外，由于整個(gè)芯體內(nèi)折射率發(fā)生變化，所以有可能使在芯體內(nèi)傳播的信號波形失真。而在本實(shí)施例的情況下，由于整個(gè)芯體26內(nèi)的折射率是相同的，所以，光導(dǎo)波路20容易制作，另外，傳播信號的波形不容易失真。
圖7和圖8是利用仿真畫出在光導(dǎo)波路20中使上述低折射率層27的折射率變化時(shí)的模態(tài)分布的變化圖。圖7表示芯體26的高度方向的中央偏上側(cè)的模態(tài)分布，圖8表示芯體26的高度方向的中央偏下側(cè)的模態(tài)分布，任意一個(gè)縱軸表示高度，橫軸表示光信號的強(qiáng)度。圖7和圖8所示的模態(tài)分布的仿真條件為芯體26中央的高度和寬度都為6μm，芯體26和下包層23的折射率的差為芯體26的折射率的0.37％。另外，低折射率層27的厚度為1μm，低折射率層27的寬度與芯體26的下表面的寬度相等。并且，求出下包層23的折射率和低折射率層27的折射率的差比下包層23的折射率低0.00％、0.01％、0.03％、0.04％、0.06％、0.07％的6種模式的模態(tài)分布。圖7和圖8是表示其結(jié)果的圖。
此處，在圖7所示的上側(cè)模態(tài)分布中，例如，如果觀察強(qiáng)度為0.300[a.u.]處的高度，則與低折射率層27的折射率無關(guān)，距離芯體26中央的高度約為4.210μm。因此，如果模態(tài)分布是對稱的，則即使距離芯體26中央的高度約為-4.210μm，強(qiáng)度也為0.300[a.u.]。因此，觀察圖8的模態(tài)分布可知在低折射率層27的折射率比下包層23的折射率低0.06％的情況下，高度約為-4.210μm時(shí)的強(qiáng)度為0.300[a.u.]。因此，可知如果低折射率層27的折射率比下包層23的折射率小0.06％，則可以獲得大致對稱的模態(tài)分布。
在上述實(shí)施例中，芯體26的下表面和下包層23的邊界面附近設(shè)有折射率比下包層23低的層，但是，也可以在該邊界面的附近設(shè)置折射率比芯體26稍微大的層。圖9是對這種實(shí)施例進(jìn)行說明的圖。圖9(a)是表示該光導(dǎo)波路的芯體附近的概略圖，芯體26的剖面為下面?zhèn)葘挾容^窄的梯形，芯體26的底部附近設(shè)置有折射率比芯體26稍大的高折射率層28。圖9(b)是表示沿著芯體26中央的高度方向的折射率的變化圖。圖9(c)是表示在該芯體內(nèi)傳播的光信號的模態(tài)分布圖，實(shí)線所示的曲線表示該芯體26內(nèi)傳播的光信號的模態(tài)分布，雙點(diǎn)劃線所示的曲線是以往例的模態(tài)分布。
另外，在圖9(a)中，芯體26的下表面設(shè)置有高折射率層28，但是，高折射率層28也可以位于芯體26的下表面稍微靠上的位置上。另外，高折射率層28即使位于芯體溝25內(nèi)的下表面附近(下包層23)也無妨。
在圖9所示的實(shí)施例的情況下，在芯體26的下表面和下包層23的邊界面附近設(shè)置有高折射率層28(圖9(a))。由于該高折射率層28的折射率比芯體26大，所以，可以將高折射率層28考慮成芯體26的一部分。因此，在本實(shí)施例中，在芯體26的下表面和下包層23的邊界面上，高折射率層28的等價(jià)折射率和下包層23的折射率的差Δn比沒有高折射率層28時(shí)大(圖9(b))。其結(jié)果，芯體26的下表面上的光的封閉性變強(qiáng)，如圖9(c)所示的實(shí)線曲線那樣，模態(tài)分布的非對稱性的程度得到了緩和。通過使模態(tài)分布接近對稱，可以使具有梯形剖面的芯體26的2維強(qiáng)度分布也為同心圓狀的分布。并且，通過使模態(tài)分布接近對稱，可以提高與光纖的耦合效率。但是，在本實(shí)施例中，由于受高折射率層28的折射率的影響，光強(qiáng)度分布的中心向下方偏移，所以，光纖的連接位置也向下方移動(dòng)。
另外，由于本實(shí)施例的整個(gè)芯體26內(nèi)的折射率是相同的，所以，光導(dǎo)波路20的制作容易，而且，傳播信號的波形不容易失真。
圖10(a)～(d)是對圖9所示的光導(dǎo)波路的制造工序進(jìn)行說明的概略圖。首先，在玻璃基板21的上面形成具有芯體溝25的下包層23(圖10(a))。芯體溝25的剖面為兩側(cè)面帶有斜度的倒梯形剖面。
接下來，沿著芯體溝25的全長，在其下表面通過真空蒸鍍堆積金屬或Si等的半導(dǎo)體。作為該金屬或半導(dǎo)體，可以使用通過使其作為雜質(zhì)擴(kuò)散在芯體26中而提高芯體26的折射率的物質(zhì)。由于當(dāng)在芯體溝25的下面堆積了這種金屬或半導(dǎo)體后，芯體26的折射率增大，所以在芯體26的下面形成了折射率比芯體26高的高折射率層28(圖10(b))。
然后，通過在芯體溝25內(nèi)填充芯體材料的樹脂，來作成芯體26(圖10(c))。接著，通過在下包層23和芯體26的上表面與玻璃基板22之間形成上包層24，來制作成光導(dǎo)波路(圖10(d))。
另外，關(guān)于該情況下的模態(tài)分布的仿真圖，由于與圖7和圖8的情況相同，故在此省略。
圖11是本發(fā)明的其他實(shí)施例，該圖所示的光導(dǎo)波路30，在芯體26的上表面(寬度最寬的面)和上包層24的邊界面上，在上包層24中形成有折射率比上包層24高、且比芯體26低的中折射率層29。
另外，在圖11中，在上包層24的下面設(shè)置有中折射率層29，但是，中折射率層29也可以位于上包層24的下表面稍向上的位置上。另外，中折射率層29位于芯體26的上表面附近也無妨。
圖12(a)～(d)是對圖11所示的光導(dǎo)波路30的制造工序進(jìn)行說明的概略圖。首先，在玻璃基板21的上表面滴下紫外線固化型樹脂，并用壓模31對其進(jìn)行按壓，使其在壓模31和玻璃基板21之間展開。通過紫外線照射，使紫外線固化型樹脂固化，形成下包層23，然后，將壓模31從下包層23上脫模。在這樣形成的下包層23上，形成芯體溝25(圖12(a))。芯體溝25的剖面為兩側(cè)面帶有斜度的倒梯形剖面。在該芯體溝25中填充芯體材料的樹脂，形成芯體26(圖12(b))。
接下來，通過在芯體26的上表面堆積金屬或半導(dǎo)體，在芯體26的上面形成折射率比上包層24大、比芯體26小的中折射率層29(圖12(c))。
然后，在下包層23和中折射率層29上滴下紫外線固化型樹脂，并用玻璃基板22對其進(jìn)行按壓，使其在玻璃基板22和下包層23之間展開。通過紫外線照射該處，使紫外線固化型樹脂固化，形成上包層24，從而制作出光導(dǎo)波路30(圖12(d))。
在圖11所示的實(shí)施例中，由于設(shè)置在芯體26的上面和上包層24的邊界面附近的中折射率層29的折射率比芯體26的折射率稍小、且比上包層24的折射率稍大(圖13(a))，所以，在芯體26的上面和上包層24的邊界面上，芯體26的等價(jià)折射率和中折射率層29的折射率的差Δn比沒有中折射率層29時(shí)小(圖13(b))。其結(jié)果，芯體26的上面上的光的封閉性變?nèi)?，如圖13(c)所示的實(shí)線曲線那樣，模態(tài)分布的非對稱性的程度得到了緩和。通過使模態(tài)分布接近對稱，可以使具有梯形剖面的芯體26的2維強(qiáng)度分布也為同心圓狀的分布。并且，通過使模態(tài)分布接近對稱，可以提高與光纖的耦合效率。
圖14和圖15是利用仿真畫出在光導(dǎo)波路30中使上述中折射率層29的折射率變化時(shí)的模態(tài)分布的變化圖。圖14和圖15的仿真與圖7和圖8的仿真條件相同。另外，圖14和圖15中，畫出了中折射率層29的折射率和上包層24的折射率的差比上包層24的折射率高0.00％、0.01％、0.03％、0.04％、0.06％、0.07％的6種模式的模態(tài)分布。
此處，在圖15所示的下側(cè)模態(tài)分布中，例如，如果觀察強(qiáng)度為0.300[a.u.]處的高度，則與中折射率層29的折射率無關(guān)，距離芯體26中央的高度約為-4.400μm。因此，只要模態(tài)分布是對稱的，即使距離芯體26中央的高度約為-4.400μm，強(qiáng)度也為0.300[a.u.]。因此，觀察圖14的模態(tài)分布可知在中折射率層29的折射率比上包層24的折射率高0.120％(利用外插法)的情況下，高度約為4.400μm時(shí)的強(qiáng)度為0.300[a.u.]。因此，可知如果中間折射率29的折射率比上包層24的折射率大0.120％，則可以獲得大致對稱的模態(tài)分布。
在圖11實(shí)施例中，在芯體26的上面形成了中折射率層29，但是，作為與其相同的方法，也可以提高上包層24整體的折射率。即，在圖16所示的實(shí)施例中，使上包層24的折射率比下包層23的折射率高、且比芯體26的折射率低。
圖17(a)～(c)是對圖16所示的光導(dǎo)波路32的制造過程進(jìn)行說明的概略圖。首先，在玻璃基板21的上面形成具有剖面為梯形的芯體溝25的下包層23(圖17(a))。接下來，在芯體溝25內(nèi)填充芯體材料的樹脂，形成芯體26(圖17(b))。然后，在下包層23和芯體26的上面與玻璃基板22之間，使用折射率比下包層23高的樹脂形成上包層24(圖17(c))。
圖18是對圖16所示的實(shí)施例的作用進(jìn)行說明的圖，圖18(a)是表示光導(dǎo)波路32的芯體附近的概略圖，圖18(b)表示沿著芯體26中央的高度方向的折射率的變化，圖18(c)是表示在芯體26內(nèi)傳播的光信號的模態(tài)分布圖。圖18(c)的縱軸表示從芯體剖面的高度方向的中央開始測量的高度，橫軸表示在芯體內(nèi)傳播的光信號的強(qiáng)度，實(shí)線所示的曲線表示該芯體26內(nèi)傳播的光信號的模態(tài)分布，雙點(diǎn)劃線所示的曲線是圖2(c)中實(shí)線所示的以往例的模態(tài)分布。
在本實(shí)施方式中，由于上包層24的折射率比下包層23的折射率高，所以，如圖18(b)所示，芯體26的上表面的等價(jià)折射率和上包層24的折射率的差Δn與芯體26的下表面的等價(jià)折射率和下包層23的折射率的差相同。因此，如圖18(c)所示，在芯體26內(nèi)傳播的光從芯體26的上表面漏出的量變大，模態(tài)分布接近對稱。因此，提高了芯體26和光纖的耦合效率。
對于該實(shí)施方式的模態(tài)分布的仿真圖沒有示出，但是，根據(jù)其作用也可以明確該實(shí)施例的仿真也與圖14和圖15的仿真一樣，具有相同的傾斜度。
另外，作為該實(shí)施例的變形例，也可以以與芯體26大致相同的厚度，將下包層23劃分成位于與芯體26相同高度處的層和位于芯體26的下方的層，使位于芯體26下方的層的折射率比位于與芯體26大致相同高度處的層的折射率低(未圖示)。
圖19示出了在芯體26的下表面和兩側(cè)面底部的附近，在下包層23上形成低折射率層27的本發(fā)明的實(shí)施例。芯體26的厚度為6μm，從芯體26的下表面到兩側(cè)面，例如將低折射率層27設(shè)為1μm。該實(shí)施例相當(dāng)于在圖3的實(shí)施例中，將設(shè)置在芯體26下表面的低折射率層27延伸到芯體26的兩側(cè)面底部的實(shí)施例。因此，根據(jù)與圖3實(shí)施例相同的作用，在芯體26內(nèi)傳播的光的模態(tài)分布可以對稱。
圖20和圖21是利用仿真畫出在該實(shí)施例中使低折射率層27的折射率變化時(shí)的模態(tài)分布的變化圖。圖20和圖21的仿真與圖7和圖8的仿真條件相同。另外，圖20和圖21中，畫出了低折射率層27的折射率和下包層23的折射率的差比下包層23的折射率低0.00％、0.01％、0.03％、0.04％、0.06％、0.07％的6種模式的模態(tài)分布。
此處，在圖20所示的上側(cè)模態(tài)分布中，例如，如果觀察強(qiáng)度為0.300[a.u.]處的高度，則與低折射率層27的折射率無關(guān)，距離芯體26中央的高度約為4.210μm。因此，只要模態(tài)分布是對稱的，即使距離芯體26中央的高度約為-4.210μm，強(qiáng)度也為0.300[a.u.]。因此，觀察圖21的模態(tài)分布可知在低折射率層27的折射率比下包層23的折射率低0.07％的情況下，高度約為-4.210μm時(shí)的強(qiáng)度為0.300[a.u.]。因此，可知只要低折射率層27的折射率比下包層23的折射率小0.07％，便可以獲得大致對稱的模態(tài)分布。
另外，在本發(fā)明中，可以對上述實(shí)施例進(jìn)行組合。例如，在芯體的上表面附近的上包層上設(shè)置上包層和芯體的中間折射率的中折射率層，并且，也可以在芯體的下表面附近的下包層上設(shè)置折射率比下包層低的低折射率層(或者，折射率比芯體高的高折射率層)。
圖22是本發(fā)明的其他實(shí)施例的光導(dǎo)波路的剖面圖。在該光導(dǎo)波路40中，在芯體26的下表面附近的下包層23內(nèi)形成有內(nèi)部拉抻應(yīng)力高的高應(yīng)力區(qū)域41。
為了制作這種光導(dǎo)波路，使用固化收縮比較大的芯體、包層材料(樹脂)，通過壓模法在下包層23中制作了呈下方較窄的梯形剖面的芯體溝25，然后向芯體溝25內(nèi)注入芯體材料(樹脂)，通過用透明的平板從上面按壓，形成芯體26，在該狀態(tài)下，使芯體材料固化。然后，通過在下包層23上形成上包層24，封裝芯體26。
如果這樣制作光導(dǎo)波路，則由于芯體26的固化收縮的方向和下包層23的固化收縮方向不同，所以，在芯體26和下包層23之間產(chǎn)生拉抻應(yīng)力，在芯體26的下表面附近的下包層23中形成高應(yīng)力區(qū)域41。在產(chǎn)生了較高拉抻應(yīng)力的高應(yīng)力區(qū)域41中，因拉抻應(yīng)力而使樹脂(下包層23)的密度變低，因此，在芯體26的下表面附近的高應(yīng)力區(qū)域41中，折射率比周圍的下包層23小。例如，考慮到當(dāng)產(chǎn)生10MPa的拉抻應(yīng)力時(shí)，會產(chǎn)生0.1％左右的折射率的變化。因此，芯體26的等價(jià)折射率和高應(yīng)力區(qū)域41的折射率的差比芯體26的等價(jià)折射率和下包層23的差大，在芯體26的下表面?zhèn)龋獾姆忾]性變大，從而光的模態(tài)分布接近對稱。
圖23是利用仿真畫出通過壓模法制作光導(dǎo)波路時(shí)發(fā)生在芯體周邊的拉抻應(yīng)力的分布圖。即，分別求出在形成下包層23和芯體溝25時(shí)、形成芯體26時(shí)和形成上包層24時(shí)的各階段的應(yīng)力，然后將它們迭加。在該仿真圖中，在芯體26的上表面?zhèn)龋討?yīng)力為0MPa～7MPa，在芯體26內(nèi)約為7MPa，在下包層23內(nèi)的大部分區(qū)域中為5MPa，芯體26的下表面附近為大于等于7MPa～10MPa。因此，芯體26的下表面附近的折射率變小，光不容易從芯體26的下表面漏出。
圖24是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的光的傳播方法的模式圖。光導(dǎo)波路40是分路器。光導(dǎo)波路40的芯體26具有Y分路構(gòu)造，輸入側(cè)的端口為1個(gè)，輸出側(cè)的端口為2個(gè)。為了將芯體26光學(xué)耦合在輸入側(cè)端口上，輸入側(cè)端口連接了一根光纖61。另外，輸出側(cè)端口也同樣連接2根光纖62。在與光纖61的輸入側(cè)端口相反側(cè)的端面上，為了與光纖61光學(xué)耦合，連接有發(fā)光元件63。另外，在與光纖62的輸出側(cè)端口相反側(cè)的端面上，為了與光纖62光學(xué)耦合，連接有兩個(gè)受光元件64。從發(fā)光元件63出射的光輸入到光纖61中，在其內(nèi)部傳播。從光線61的另一端面出射的光輸入到光導(dǎo)波路40的芯體26的輸入側(cè)端口中，在芯體26的內(nèi)部傳播，分成兩路，從輸出側(cè)端口射出。從芯體26的輸出側(cè)端口射出的光入射到光纖62中，在其內(nèi)部傳播。從光纖62射出的光由受光元件64受光。
由于光纖61、62的芯體的剖面形狀為圓形，所以，在內(nèi)部傳播的光的模態(tài)分布是對稱的。在光導(dǎo)波路40的芯體26的下表面附近，在下包層23上出現(xiàn)了高應(yīng)力區(qū)域41，芯體26的等價(jià)折射率與高應(yīng)力區(qū)域41的折射率的差比芯體26的等價(jià)折射率與下包層23的差大，從而，在芯體26的下表面?zhèn)?，光的封閉性變大。因此，在芯體26的內(nèi)部傳播的光的模態(tài)分布是對稱的。因此，從發(fā)光元件63出射的光能夠在光纖61、62和芯體26之間不產(chǎn)生連接損失，而在受光元件64側(cè)被受光。
另外，在本實(shí)施例中，光導(dǎo)波路40是分光器，但并不限于此，即使在光合分波器、光收發(fā)器、光開關(guān)等其他的設(shè)備中也能產(chǎn)生同樣的效果。另外，也包含用其他方法形成了折射率調(diào)整區(qū)域的光導(dǎo)波路。另外，在本實(shí)施例中，是將光纖61、62、發(fā)光元件63和受光元件64直接連接，但并不限于此，也包含在光纖61、62和發(fā)光元件63、受光元件64之間插入其他的光導(dǎo)波路和光放大器等的非直接連接的情況。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，對芯體的剖面形狀為梯形的例子進(jìn)行了說明，但并不限于此，例如可以適用于具有像半圓形狀那樣在芯體的深度方向或高度方向上單純增加或減少的剖面形狀的芯體的所有光導(dǎo)波路。
權(quán)利要求
1.一種光導(dǎo)波路，在包層內(nèi)嵌入芯體，在向與光傳播方向垂直的剖面觀察時(shí)，對應(yīng)從包層表面離開的距離，芯體的寬度逐漸增加或減少，其特征在于，在上述芯體寬度窄的一側(cè)的面與上述包層的邊界面附近，形成有折射率大于上述芯體的折射率或者小于上述包層的折射率的折射率調(diào)整區(qū)域。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光導(dǎo)波路，其特征在于，上述折射率調(diào)整區(qū)域通過改變上述包層或上述芯體的材質(zhì)而形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光導(dǎo)波路，其特征在于，上述折射率調(diào)整區(qū)域通過在上述芯體與上述包層的邊界面上堆積與芯體和包層不同的材料而形成。
4.一種光導(dǎo)波路，在上包層和下包層之間嵌入芯體，在向與光傳播方向垂直的剖面觀察時(shí)，對應(yīng)從兩個(gè)包層的邊界面離開的距離，芯體的寬度逐漸增加或減少，其特征在于，上述芯體寬度寬的一側(cè)的面與任意一個(gè)上述包層的邊界面附近，形成有折射率小于上述芯體的折射率、且大于與上述芯體的寬度窄的一側(cè)的面鄰接的包層的折射率的折射率調(diào)整區(qū)域。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光導(dǎo)波路，其特征在于，上述折射率調(diào)整區(qū)域通過改變上述芯體或與芯體的寬度寬的一側(cè)的面鄰接的包層的材質(zhì)而形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光導(dǎo)波路，其特征在于，上述折射率調(diào)整區(qū)域是上包層和下包層中的與芯體的寬度寬的一側(cè)的面相鄰接的一側(cè)的包層整體。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光導(dǎo)波路，其特征在于，上述折射率小的區(qū)域通過在上述芯體與任意一個(gè)上述包層的邊界面上堆積與該芯體和包層不同的材料而形成。
8.一種光導(dǎo)波路，在包層內(nèi)嵌入芯體，在向與光傳播方向垂直的剖面觀察時(shí)，對應(yīng)從包層表面離開的距離，芯體的寬度逐漸增加或減少，其特征在于，上述芯體寬度窄的一側(cè)的面與上述包層的邊界面附近，形成其拉抻應(yīng)力大于周圍的拉抻應(yīng)力的區(qū)域。
9.一種光的傳播方法，由傳播光的第1光纖、與該第1光纖構(gòu)成光學(xué)耦合的光導(dǎo)波路及與該光導(dǎo)波路光學(xué)耦合的第2光纖組成，該光從光發(fā)送單元射出，在第1光纖內(nèi)傳播，從該第1光纖射出后，入射到上述光導(dǎo)波路內(nèi)進(jìn)行傳播，從該光導(dǎo)波路出射后，入射到第2光纖內(nèi)進(jìn)行傳播，用光接收單元接收，其特征在于，上述光波導(dǎo)路的包層內(nèi)嵌入芯體，在向與光傳播方向垂直的剖面觀察時(shí)，對應(yīng)從包層表面離開的距離，芯體的寬度逐漸增加或減少，上述芯體寬度窄的一側(cè)的面與上述包層的邊界面附近形成有折射率大于上述芯體的折射率或者小于上述包層的折射率的折射率調(diào)整區(qū)域。
全文摘要
本發(fā)明提供一種光導(dǎo)波路和光傳播方法，其目的在于，在具有因芯體剖面的形狀而產(chǎn)生的非對稱模態(tài)分布的光導(dǎo)波路中，減少該模態(tài)分布的非對稱性。本發(fā)明的光導(dǎo)波路，在下包層(23)上面形成剖面為底面窄、上面寬的梯形的芯體溝(25)。在芯體溝(25)內(nèi)形成芯體(26)，芯體(26)的上面利用上包層(24)覆蓋。在芯體溝(25)的底面形成有折射率比下包層(23)小的低折射率層(27)。由此，可提高芯體(26)和下包層(23)的實(shí)際折射率之差。
文檔編號G02B6/13GK1657987SQ200510007738
公開日2005年8月24日 申請日期2005年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月16日
發(fā)明者佐野彰彥, 三角修一, 畑村章彥, 安田成留, 細(xì)川速美 申請人:歐姆龍株式會社