專利名稱：光波導裝置和光混合電路的制作方法
技術領域：
本文討論的實施例是ー種光波導裝置以及使用在光通信系統(tǒng)中的光混合電路。
背景技術：
在光通信系統(tǒng)中，各種光波導裝置用于各種信號處理。這種光波導裝置以例如用于分支成任意比的光信號的光分支/耦合裝置等為代表。作為用于獲得任意光分支比的光分支/耦合裝置，已知為這樣的光波導裝置，其包括兩個2 2光耦合器以及ー設置在所述光耦合器之間且具有用于給出相位差的兩個波導的光移相器。已提出了對于光移相器的兩個光波導給出相位差的技術，例如，提供具有相對較小寬度的線性波導區(qū)域以控制這些區(qū)域的長度的技術，在具有不同錐角的多個錐形波 導中形成兩個波導的技術，在一個波導中設置由彎曲光波導形成的延遲干涉儀(delayinterferometer)的技術，以及其它技術。以下為相關的實例日本專利特許公開第2004-144963號；日本專利特許公開第2005-249973號；以及日本專利特許公開第2006-293345號。然而，在上述技術中沒有充分考慮對抗制造公差的應對措施。這樣，由于在制造波導過程中的變異(variation)等，相位變化量常常與規(guī)定的相位變化量發(fā)生很大的偏移，從而不能獲得理想的特性。

發(fā)明內容
因此，實施例的一個方案的目的是提供ー種光波導裝置和光混合電路，其具有大的制造公差和較小的因制造誤差產生的特性退化。根據實施例的ー個方案，提供ー種光波導裝置，包括第一光稱合器，將輸入光進行分支以輸出第一信號光和第二信號光；光移相器，用于給出第一信號光與第二信號光之間的相位差，所述光移相器包括第一光波導，連接至第一光耦合器且傳播第一信號光；以及第ニ光波導，具有與第一光波導的光程長度不同的光程長度，連接至第一光耦合器且傳播第二信號光；以及第二光耦合器，連接至所述光移相器的所述第一光波導和所述第二光波導，用于將從第一光波導輸出的第一信號光與從第二光波導輸出的第二信號光I禹合；其中第一光波導具有第一波導寬度，并且是ー種以第一曲率半徑彎曲的彎曲光波導，第二光波導具有第二波導寬度，并且是ー種以第二曲率半徑彎曲的彎曲光波導，第一波導寬度與第二波導寬度彼此相等，以及第一曲率半徑與第二曲率半徑之間的差值處于±20%的范圍。


圖I為示出根據第一實施例的光波導裝置的結構(第一部分)的平面圖；圖2為示出根據第一實施例的光波導裝置的結構(第二部分)的平面圖；圖3為示出根據第一實施例的光波導裝置的結構(第三部分)的平面圖4為示出根據第一實施例的光波導裝置的圖解剖視圖；圖5為示出通過模擬給出的關于彎角Θ i的下限值與光波導的曲率半徑R之間的關系的圖表；圖6A和圖6B為說明光波導的偏移量(offset)的視圖；圖7A和圖7B為說明因制造過程中的波動所引起的光波導的寬度的變化的視圖；圖8為示出通過模擬給出的關于光耦合器和彎曲光波導之間的偏移量與分支持性之間的關系的圖表；圖9為示出根據相關技術參考實例的光波導裝置的結構(第一部分)的平面圖；圖10為示出通過模擬給出的關于波導寬度偏離設計值的變化與分支特性之間的 關系的圖表；圖11為示出根據相關技術參考實例的光波導裝置的結構(第二部分)的平面圖；圖12為示出根據第二實施例的光波導裝置的結構的平面圖；圖13為說明根據第二實施例的光波導裝置的操作的平面圖；圖14為示出光波導裝置在光信號從輸入通道入射時的分支特性的圖表(第一部分)；圖15為示出相關技術的光波導裝置在光信號從輸入通道入射時的分支特性的圖表(第二部分)；圖16為不出光移相器區(qū)域的偏移量與Q-ch不平衡之間的關系的圖表(第一部分)；圖17為示出相關技術的光移相器區(qū)域的偏移量與Q-Ch不平衡之間的關系的圖表(第二部分)；圖18為示出波導寬度的變化量與Q-ch不平衡之間的關系的圖表；圖19為示出根據第二實施例的變型的光波導裝置的結構的平面圖；圖20為示出根據第三實施例的光混合電路的結構的平面圖；圖21為示出根據第四實施例的光波導裝置的結構的平面圖；以及圖22為示出根據第五實施例的光混合電路的結構的平面圖。
具體實施例方式[第一實施例]將參照圖I至圖11來描述根據第一實施例的光波導裝置及其制造方法。圖I至圖3為示出根據本實施例的光波導裝置的結構的平面圖。圖4為示出根據本實施例的光波導裝置的圖解剖視圖。圖5為示出通過模擬給出的關于彎角Q1的下限值與光波導的曲率半徑R之間的關系的圖表。圖6A和圖6B為說明光波導的偏移量的視圖。圖7A和圖7B為說明因制造過程中的波動引起的光波導的寬度的變化的視圖。圖8為示出通過模擬給出的關于光耦合器和彎曲光波導之間的偏移量與分支特性之間的關系的圖表。圖9和圖11為示出根據參考實例的光波導裝置的結構的平面圖。圖10為示出通過模擬給出的關于波導寬度偏離設計值的變化與分支特性之間的關系的圖表。首先，將參照圖I至圖5來描述根據本實施例的光波導裝置的結構。如圖I所示，根據本實施例的光波導裝置10包括MMI (多模干涉)型光耦合器20、30 ;光波導12、14,其將信號光輸入到光稱合器20中；光波導22、24，其互連光稱合器20、30 ;以及光波導32、34，其將信號光從光f禹合器30輸出。光耦合器20是具有兩個輸入端ロ A、B和兩個輸出端ロ C、D的MMI型3_dB光耦合器，并且其將從連接輸入端ロ A的光波導12或連接輸入端ロ B的光波導14輸入的光信號平均地分支到輸出端ロ C、D。光波導22和光波導24具有分別連接至光耦合器20的輸出端ロ C和輸出端ロ D的ー個端部，并且具有分別連接至光耦合器30的輸入端ロ E和輸入端ロ F的另ー個端部。光波導22和光波導24具有相同的波導寬度和不同的光程長度。如圖2所示，光波導22和光波導24具有曲率半徑R大體相同的彎曲光波導。在具有多個彎曲部的光波導中，如在根據本實施例的光波導裝置的光波導22和光波導24中，使這些彎曲部的曲率半徑大體相同。 可通過例如使各自的彎角(Θ i和Θ 2)彼此不同而在光波導22與光波導24之間產生光程差。例如，通過使光波導24的彎角θ2大于光波導22的彎角G1，可使得光波導24的光程長度比光波導22的光程長度長?？赏ㄟ^適當調節(jié)彎角(Θ i和Θ 2)而在光波導22與光波導24之間獲得相應于光程差的指定的相位差。在本實施例中，所述彎角對應于這樣的扇形的中心角，通過將彎曲光波導的曲率中心與彎曲光波導的端部連接起來形成所述扇形(參見圖2)。如圖3為例，在光波導22和光波導24中，可在波導的配置發(fā)生改變的部分(part)處提供偏移量。彎曲光波導可以直接連接至光耦合器20、30。如圖3為例，彎曲光波導可經由線性波導而被連接至光耦合器20、30。光耦合器30是具有兩個輸入端ロ E、F和兩個輸出端ロ G、H的MMI型3_dB光耦合器。光波導22與光波導24的其它端部分別連接至輸入端ロ E和輸入端ロ F，并且光波導32和光波導34分別連接至輸出端ロ G和輸出端ロ H。光耦合器30用一分支比將光信號輸出至光波導32、34，其中所述分支比對應于從光波導22、24輸入的光信號之間的相位差。圖I所示的光波導裝置10是高臺面(high-mesa)波導，其中所述高臺面波導由以臺面形狀圖案化的作為下包覆層(lower clad layer)的InP襯底100的層體、GaInAsP核心層102以及作為上包覆層(upper clad layer)的InP層104形成。如上所述，在根據本實施例的光波導裝置10中，使用波導寬度相同、曲率半徑大體相同、以及彎角彼此不同的彎曲光波導作為給出來自光耦合器20的兩路輸出光信號的相位差的光波導22和光波導24。例如，當曲率半徑為500 μ m，彎角Q1* 4. O度，彎角Θ 2為4. 62度時，在光波導22與光波導24之間產生大約61. 3nm的光程差。由此給出的相位差大約為O. 253 π [弧度]。SP，從光波導24輸出的信號光比從光波導22輸出的信號光在相位上延遲O. 253 η [弧度]。使用曲率半徑相同的彎曲光波導作為形成光波導22和光波導24的波導，從而，當在所述彎曲光波導中激發(fā)高次?；蚋叽涡孤┠r，相同的模彼此之間進行激發(fā)和削弱。這使得光波導22與光波導24之間的相移量得以被保持。鑒于此，優(yōu)選地，形成光波導22的彎曲光波導以及形成光波導24的彎曲光波導具有相同的曲率半徑，但是，只要曲率半徑處于使光波導22中的激發(fā)模和光波導24中的激發(fā)模有效地對彼此進行削弱的范圍內，則其可以不必具有相同的曲率半徑?！按篌w相同的曲率半徑”意味著這樣的范圍，在該范圍內使得光波導22中的激發(fā)模和光波導24中的激發(fā)模有效地對彼此進行削弱，并且能夠獲得所指定的特性。例如，考慮到將根據本實施例的光波導裝置應用于例如后文所述的第二實施例或第四實施例中描述的90度光混合電路，優(yōu)選將Q通道不平衡抑制在±0. 3dB的范圍內。根據將Q通道不平衡抑制在±0. 3dB的范圍內，計算在光波導22的彎曲光波導的曲率半徑與光波導24的彎曲光波導的曲率半徑之間的差值的允許范圍，并且所述允許范圍處于大約±20%的范圍內。S卩，光波導22的彎曲光波導的曲率半徑與光波導24的彎曲光波導的曲率半徑之間的差值被設定在±20%的范圍內，從而能夠將Q通道不平衡抑制在±0. 3dB的范圍內。這表示光波導22的彎曲光波導的曲率半徑與光波導24的光波導的曲率半徑之間的差值將被設定在±20%的范圍內，由此光波導22中的激發(fā)模和光波導24中的激發(fā)模能 夠有效地對彼此進行削弱。曲率半徑R的值取決于所使用的波導參數(shù)，且不能被無條件限定，但對于如本實施例中的高臺面波導結構的光波導裝置來說，優(yōu)選地，其下限值大約為100 μ m。隨著曲率半徑R變得更小，過多損耗増大，使得在應用于例如90度光混合電路中時難以獲得Q通道平衡。以能夠將Q通道不平衡抑制在±0. 3dB的范圍內為前提來計算上述下限值。當曲率半徑變得更小，并且光波導22無限接近線性波導時，不易在光波導22中激發(fā)高次模或高次泄漏模，從而削弱了對光波導24中所激發(fā)的模進行補償?shù)男Чｈb于此，優(yōu)選地，將光波導22的彎角Θ i的下限值設定為對應于曲率半徑R的值。圖5為示出通過模擬給出的關于在光波導22的彎角Θ i的下限值與曲率半徑R之間的關系的圖表。如圖5所示，彎角Q1的下限值隨著曲率半徑R的増大而減小。例如，當曲率半徑R為IOOym時，彎角Q1的下限值為18度。當曲率半徑R為200 μ m吋，彎角Θ i的下限值為10度。當曲率半徑R為300 μ m吋，彎角Q1的下限值為6度。當曲率半徑R為500 μ m時，彎角Q1的下限值為4度。當曲率半徑R為1000 μ m時，彎角Q1的下限值為2度。光波導24的彎角Θ 2被設定為大于光波導22的彎角Θ I的值，其中，適當選擇所述彎角Θ 2的值使得可通過與光波導22之間的光程差來獲得指定的相位差。接下來，將參照圖6A至圖11來描述根據本實施例的光波導裝置的制造公差。由于制造過程中的波動等導致了光波導裝置的波導參數(shù)常常偏離設計值。例如，考慮了以下情況由于制造誤差導致光耦合器的輸入/輸出端ロ處的偏移量偏離指定值的情況，所述偏移量的理論估計值偏離經驗值的情況，或者其它情況。如圖6A為例，在線性波導82位于光耦合器80與彎曲光波導84之間的情況下，所述偏移量為在線性波導82與彎曲光波導84之間所提供的偏移量Λ。另外，如圖6B為例，在彎曲光波導84直接連接至光耦合器80的情況下，所述偏移量為彎曲光波導84對于線性波導的想象位置〈imaginary position)的偏移量 Δ?？紤]了這樣ー種情況，例如光波導的寬度本身偏離指定值的情況。例如，如圖7A所示，考慮了已完成的光波導86的寬度為寬于設計值W的W+ δ W的情況。另外，如圖7Β所示，考慮了已完成的光波導86的寬度為小于設計值W的W-SW的情況。當波導參數(shù)由于這些原因而偏離設計值時，相移量與設計值發(fā)生偏差，并且不能將分支比保持不變。
圖8為示出通過模擬給出的關于光耦合器和彎曲光波導之間的偏移量與分支持性之間的關系的圖表。在所述圖中，實線表示根據圖3所示的本實施例(圖中的“本實施例”)的光波導裝置的特性，虛線表示根據圖9所示的參考實例(圖中的“參考實例”)的光波導裝置的特性。如圖9所示，除參考實例的用于提供相位差的兩個光波導26、28不同之外，根據參考實例的光波導裝置與根據圖3所示的本實施例的光波導裝置相同。參考實例的光波導裝置包括兩個給出相位差的波導26、28。一個波導26由線性光波導形成，另ー個波導28則由彎曲光波導形成。光波導28是彎曲光波導，從而，光波導26的光程長度與光波導28的光程長度可不同，并且可在從光波導26輸出的信號光與從光波導28輸出的信號光之間提供相位差。在圖8所示的計算實例中，經過光波導22的信號光與經過光波導24的信號光之間的相移量、以及經過光波導26的信號光與經過光波導28的信號光之間的相移量被設定為-π /4 [弧度]。用形成在光耦合器20與光波導22、24、28的彎曲光波導之間以及形成在光耦合器30與光波導22、24、28的彎曲光波導之間的線性光波導來限定線性光波導與彎曲 光波導之間的偏移量Δ (參見圖6Α)。假設了如圖4所示的高臺面波導結構作為光波導裝置的結構，并且GaInAsP核心層的能帶隙波長λ g被設定為I. 05 μ m,輸入/輸出波導寬度被設定為2. 5 μ m。優(yōu)化各自的光波導裝置的操作來滿足單模條件，并且以85 15的比不對稱地對信號光進行分支。根據圖3所示的本實施例的光波導裝置以及根據參考實例的光波導裝置使用光波導作為延遲干涉儀，這會引起模波動的風險。通常，通過在有限范圍內優(yōu)化偏移量Λ能夠減小因模波動引起的特性退化。這種情況下，用于所有光波導裝置的最佳偏移量Λ估計約為O. 04 μ m。然而，存在最佳偏移量Λ不總是固定值而取決于制造過程中的誤差的風險。如圖8所示，在參考實例的光波導裝置中，當偏移量Λ從最佳值0.04μπι發(fā)生移位時，與交叉端ロ(cross port) f禹合的比(85 %, O. 75dB衰減)以及與直通端ロ(barport)耦合的比(15%， 8.3dB衰減)發(fā)生很大的移位。在偏移量Λ改變到±0·04μπι的范圍內，移位量(shift amount)甚至達到±5%和±23%。特性關于偏移量Λ產生如此大的移位的原因是偏移量△從最佳偏移量△移位越大，在彎曲光波導中激發(fā)出越高的高次模或高次泄漏模，從而由光波導26、28之間的光程差Λ Lps所引起的指定的相移量發(fā)生改變。然而，如圖8所示，在根據本實施例的光波導裝置中，盡管偏移量△從最佳值(O. 04 μ m)發(fā)生了大約±0.04 μ m的移位，然而與交叉端ロ與直通端ロ耦合的比大體沒有發(fā)生移位。在所有輸出通道中對于最佳值的移位量在大約± I %的范圍內。這也是因為在根據本實施例的光波導裝置中，當偏移量△從最佳偏移量△移位越大時，在彎曲光波導中激發(fā)出越高的高次?；蚋叽涡孤┠?，但在雙臂彎曲光波導中相同的模彼此進行激發(fā)，從而保持了指定的相移量。在圖8的計算實例中，假設了線性波導出現(xiàn)在光耦合器20、30之間的彎曲光波導之前和之后的情況，上述情況與如圖6B為例彎曲光波導直接連接至光耦合器20、30的情況相同。當耦合器設計(例如，匪I寬度和麗I長度)為適當時，可獲得與圖8相同的特性。然而，當耦合器設計為不適當時，在光耦合器20、30之間的彎曲光波導之前和之后設置線性波導往往有利于提供指定的特性。例如，在MMI耦合器設計由于輸入光波長依附性(cbpendency)、制造誤差等變得不適當?shù)那闆r下，MMI耦合器的輸入/輸出通道的模分布相對于因指定的自映像(self-imaging)產生的模分布發(fā)生移位。當隨著它們的傳播模進入彎曲光波導而輸入它們時，即使偏移量Λ為適當?shù)?，仍會由于模不匹配而產生損耗，這使得難以改善所指定的特性。根據本實施例的光波導裝置在由于圖7所示的波導寬度W的波動而引起的制造公差方面更為優(yōu)越。圖10為示出通過模擬給出的關于波導寬度偏離設計值發(fā)生的變化與分支特性之間的關系的圖表。在所述圖中，實線表示根據圖3所示的本實施例(圖中的“本實施例”)的光波導裝置的特性。虛線表示圖11所示的第一參考實例(圖中的“參考實例I”)的光波導裝置的特性。一點劃線表示圖9所示的第二參考實例(圖中的“參考實例2”)的光波導裝置的特性。模擬中使用的計算條件與圖8中的模擬使用的那些相同。如圖11所示，除兩個波導26、28不同之外，第一參考實例的光波導裝置與根據圖3 所示的本實施例的光波導裝置相同。在第一參考實例的波導裝置中，用于給出相位差的兩個光波導26、28中的ー個光波導26由線性波導形成，另ー個光波導28由在某一部分(at apart)處具有錐形區(qū)域的錐形波導形成。如圖10所示，當波導寬度符合設計吋，S卩，變化量SW與波導寬度的設計值相差為Oym,光波導裝置的分支比近似于設計值(85 15)，而與雙臂的配置無關。然而，當變化量δ W在-O. 05 μ m +0. 05 μ m的范圍內發(fā)生移位時，光波導裝置的分支比發(fā)生很大的移位而取決于雙臂的波導配置。在具有由錐形波導設置成的光移相器的第一參考實例的光波導裝置中，與交叉端ロ耦合的比(85% O. 7dB)并沒有對移位量SW產生太多的影響。然而，與直通端ロ耦合的比(15% 8.3dB)關于移位量SW發(fā)生線性移位，移位百分比甚至達到大約11%。如上所述，在具有由錐形波導設置成的光移相器的光波導裝置中，當波導寬度偏離設計值時，錐形區(qū)域中的相移量偏離指定值，并且不能將分支比保持不變。在以錐形波導設置成光移相器的情況下，能夠通過下述公式(I)來表示特性退化比(FM1)。在公式(I)中，ko表示真空中的波數(shù)；LPS表示相移區(qū)域長度；δ ηι和δ n2表示關于雙臂的波導寬度變化的折射率變化。括號〈> 表示雙臂的波導寬度不固定，并且折射率局部發(fā)生變化。FM1 c^c ko δ 叫ンべ δ η2>) · Lps · · · (I)如公式⑴所示，為了減緩因波導寬度的變化引起的特性退化，減小 δ Πι>-< δ η2 或Lps至關重要。然而，這些參數(shù)具有這樣ー個關系，即當減小它們中的一個以獲得所需的相移時，則必須增大其它參數(shù)。因此，在具有由錐形波導設置成的光移相器的光波導裝置中，限制了制造公差的提高。為了克服這種限制，最有效的方法是使雙臂的傳播常數(shù)彼此相等。
另ー方面，在第二參考實例的光波導裝置以及根據本實施例的光波導裝置(其中延遲干涉儀的雙臂具有相同的波導寬度)中，與任何輸出端ロ耦合的比被抑制在對于移位量SW的變化的±2.5%的范圍內。如上所述，延遲干涉儀的雙臂的波導寬度相同，從而，與通過錐形波導形成光移相器的情況相比，因波導寬度的變化引起的特性退化能夠得以減緩。在彎曲光波導的延遲干涉儀具有相同波導寬度的雙臂的情況下，能夠通過以下公式⑵來表示特性退化比(FM2)。在公式⑵中，、表示波導的有效折射率，ALps表示雙臂之間的光程差。FM2 “ ko · η叫· Δ Lps. · · (2)在公式⑴與公式⑵之間進行比較時，有效折射率neq比(く δ ηι>-< δ η2 高出大約2位數(shù)，而光程長度差ALps比Lps小于不少于2位數(shù)。結果是，能夠使得特性退化比FM2小于特性退化比FM1，并且能夠減緩因波導寬度的變化引起的特性退化。圖8和圖10示出使用-π /4 [弧度]相移量Λ Θ的計算結果，即使使用任意的相移量Λ Θ，也總是能夠產生根據本實施例的光波導裝置的特性改善效果。這樣，根據本實施例的光波導裝置能夠對于傳播模的波動以及波導寬度的變化極大地提高制造公差。在圖I和圖3所示的實例中，連接至麗I耦合器的線性波導或彎曲光波導是不變(constant)的，但可以不必是不變的。例如，在連接至MMI耦合器區(qū)域的波導的寬度是錐形的情況下，也可產生相同于由圖I和圖3所示的光波導裝置所產生的效果。接下來，將描述根據本實施例的光波導裝置的制造方法。首先，通過例如金屬有機氣相外延(MOVPE)法，在η型或未摻雜InP襯底100的上方，外延生長O. 5 μ m厚的未摻雜GaInAsP核心層102和2 μ m厚的p型或未摻雜InP層104(參見圖4)。GaInAsP核心層102的發(fā)射波長(emission wavelength)被設定為例如1. 05 μ m0然后，通過例如蒸發(fā)法，在InP層104的上方，沉積將成為掩模的氧化硅膜(未示出)。接下來，通過光刻，在氧化硅膜的上方，形成具有光波導裝置的波導圖案的光刻膠膜(未不出)。然后，利用光刻膠膜作為掩模對氧化硅膜進行蝕刻，然后，利用圖案化的氧化硅膜作為掩模，通過例如ICP反應離子蝕刻對InP層104、GaInAsP核心層102以及InP襯底100進行各向異性蝕刻。這樣，形成了大約30. O μ m高的高臺面波導結構，并且完成了根據本實施例的光波導裝置。如上所述，根據本實施例，通過具有大體相同的波導寬度和曲率半徑的彎曲光波導的光波導，來提供用于形成光移相器的兩個光波導，從而能夠防止因波導寬度的變化和模波動引起的特性退化。這樣，能夠極大地提高制造公差。[第二實施例]將參照圖12至圖19來描述根據第二實施例的光波導裝置。本實施例的與根據第一實施例的光波導裝置的那些相同的元件由相同的附圖標記表示，以免重復，或用來簡化對其的說明。圖12為示出根據本實施例的光波導裝置的結構的平面圖。圖13為說明根據本實施例的光波導裝置的操作的平面圖。圖14和圖15為示出光波導裝置在光信號從輸入通道 入射時的分支特性的視圖。圖16和圖17為示出光移相器區(qū)域的偏移量與Q-ch不平衡之間的關系的圖表。圖18為示出波導寬度的變化量與Q-ch不平衡之間的關系的圖表。圖19為示出根據本實施例的變型的光波導裝置的結構的平面圖。
首先，將參照圖12來描述根據本實施例的光波導裝置的結構。根據本實施例的光波導裝置為根據第一實施例的光波導裝置的光移相器在用于解調多值調制信號的90度光混合電路中的一個應用。如圖12所示，光波導裝置包括具有兩個輸入端口和四個輸出端ロ的MMI型光耦合器40以及具有兩個輸入端口和兩個輸出端ロ的MMI型光耦合器30。光耦合器40是基于成對干涉(PD模的2 4MMI型耦合器。波導42、44連接至光耦合器40的輸入端ロ。光波導46、48連接至光耦合器40的兩對輸出通道其中的一對輸出通道。光波導22、24連接在光率禹合器40的另ー對輸出通道與光稱合器30的輸入端ロ之間。光波導22、24與根據第一實施例的光波導裝置的光波導22、24相同，并形成光移相器。光波導32、34連接至光耦合器30的輸出端ロ。接下來，將參照圖13來描述根據本實施例的光波導裝置的操作。如圖13所示，正交相移鍵控(QPSK)信號和本振(local oscillator, L0)光經由光波導42和光波導44分別入射到光稱合器40的輸入端ロ。然后，輸入信號被轉換為同相信號以被輸出到光I禹合器40的兩對輸出通道。對于輸出到兩對輸出通道的信號光，輸出到光波導22、24的一對輸出通道成分(component)通過光波導22、24(其作為光移相器)以及光耦合器30被轉換為正交相位信號。這樣，根據本實施例的光波導裝置用作90度光混合電路。接下來，將參照圖14至圖18來描述根據本實施例的光波導裝置的制造公差。為了消除正交相位信號的串擾，適當使光移相器區(qū)域中的總相移量(Q1-Q2)為-n/4[弧度]至關重要。當由于制造エ藝而導致光移相器中的Λ Θ偏離設計值時，只有正交相位信號成分(component)遭受特性退化。通常，為了使光信號處理沒有誤差，有必要在接收的光信號時將稱為共模抑制比(CMRR)的參數(shù)抑制為不大于20dB。為了獲得不大于20dB的CMRR，可取的是將90度光混合電路中的I通道和Q通道不平衡抑制在 0.9dB范圍內。然而，鑒于平衡光接收器(平衡光電ニ極管)的響應性的波動，90度光混合電路的通道不平衡更加嚴重。
圖14和圖15為示出光信號從多個輸入通道其中之一入射時光波導裝置的分支持性的圖表。圖14示出根據圖11所示的本實施例的光波導的分支特性。圖15示出使用圖9的光波導裝置的光波導26、28代替圖11的光波導22、24作為光移相器的光波導裝置的分支特性。所述光波導裝置具有圖4中所示的高臺面波導結構，并且GaInAsP核心層的能帶隙波長為I. 05 μ m。將光波導22、24、26、28的偏移量Λ優(yōu)化為0. 04 μ m。如圖14和圖15所示，可以看出，所有光波導都展現(xiàn)出良好的分支特性，并且I通道和Q通道都具有較小的不平衡。然而，取決于光移相器區(qū)域中的波導結構，制造過程的波動對通道不平衡的影響顯著不同。圖16和圖17為不出光移相器區(qū)域的偏移量Δ與Q通道不平衡之間的關系的圖表。圖16不出根據圖12所不的本實施例的光波導裝置的關系。圖17不出使用圖9的光波導26、28代替圖12的光波導22、24作為光移相器的光波導的關系。如圖16所示，在根據本實施例的光波導裝置中，不考慮優(yōu)化偏移量Λ，Q通道不平衡處于±0. 3dB的范圍內。在根據本實施例的光波導裝置中，如第一實施例所述，即使在光移相器區(qū)域中發(fā)生模波動，也能夠抑制其產生的影響，并且Q通道不平衡總是能夠保持不變。然而，在使用圖9的光波導26、28作為光移相器的光波導裝置中，如圖17所示，可以看出，Q通道不平衡隨著偏移量λ偏離設計值(0.04μπι)而變得顯著。根據本實施例的光波導裝置還能夠防止因波導寬度的變化量SW引起的特性退化。圖18為示出根據本實施例的光波導裝置的波導寬度的變化量δ W與Q通道不平衡之間的關系的圖表。在圖18中，由于I通道不平衡基本上不受波導寬度的變化量SW的影響，所以忽略I通道不平衡。如圖18所示，在根據本實施例的光波導裝置中，即使當光波導寬度的變化量 在-O. 05μπι +0. 05 μ m范圍內發(fā)生變化時，也可在C波段范圍中將通道不平衡處于 ±0. 2dB范圍內。這表示制造公差得以極大地提高。圖16至圖18所示的改善效果的特性不局限于由圖12所示的結構構成的光波導裝置。如圖19為例，對于光耦合器40的兩對輸出通道來說，即使將對連接至光移相器與光耦合器30的端ロ進行交換，也仍能夠產生相同的效果。在圖19所示的結構中，將用于輸出同相信號與正交相位信號的通道交換。這種情況下，在光耦合器40與光耦合器30之間進行相位匹配所需的光移相器區(qū)域的總相移量(Θ r Θ 2)為+ /4[弧度]。適合于圖12和圖19的光波導裝置的總相移量(θ「Θ公不局限于-π /4或+ /4?；旧?，能夠通過將總相移量(Q1-Q2)設定為-π/4_(8Χ π)/2(8為任意自然數(shù))或+ 31 /4+(tX 31) /2 (t為任意自然數(shù))O除了即將處理的圖案配置之外，根據本實施例的光波導裝置的制造方法與根據第一實施例的光波導裝置的制造方法相同。如上所述，根據本實施例，90度光混合電路包括根據第一實施例的光波導裝置，并且90度光混合電路能夠具有高的制造公差。這樣，能夠抑制過多的損耗和正交相位成分的串擾。[第三實施例]將參照圖20來描述根據第三實施例的光混合電路。本實施例的與根據第一實施例與第二實施例的光波導裝置的那些相同的元件由相同的附圖標記表示，以免重復，或用來簡化對其的說明。圖20為示出根據本實施例的光混合電路的結構的平面圖。首先，將參照圖20來描述根據本實施例的光混合電路的結構。根據本實施例的光混合電路是使用根據第二實施例的光波導裝置的相干光接收器(coherent opticalreceiver;。S卩，如圖20所示，跨阻放大器(TIA)52經由平衡光電ニ極管(BPD)50連接至根據第二實施例的光波導裝置的光波導46、48的輸出。AD轉換單元54連接至TIA 52。一 TIA58經由BPD 56連接至光波導32、34的輸出。AD轉換單元60連接至TIA 58。數(shù)字計算電路62連接至AD轉換單元54和AD轉換單元60。接下來，將參照圖20來描述根據本實施例的光混合電路的操作。QPSK信號脈沖以及在時間上與QPSK信號脈沖同步的LO光從光波導42、44(其作為90度光混合電路的輸入端ロ )入射。與QPSK信號光的相位相應的信號光從光波導32、34、46、48(其作為90度光混合電路的輸出端ロ)輸出。從90度光混合電路輸出的同相通道與正交相位通道的信號光分別從BPD 50,56入射，并且通過BPD 50、56進行光電轉換。從BPD 50、56輸出的電流信號通過TIAs 5 2、58轉換為電壓信號。被轉換為電壓信號的模擬電信號通過AD轉換器54、60轉換為數(shù)字信號，以被發(fā)送到數(shù)字計算電路62。此處，BPD 50、56的特性在于當輸入到上面的光電ニ極管(upper photodiode)或下面的光電ニ極管(lower photodiode)時流動的電流對應于I或-1，當同時輸入到兩個光電ニ極管吋，則沒有電流流動。這樣，發(fā)送到數(shù)字計算電路62的數(shù)字信號進行信號處理，從而能夠辨別QPSK信號的相位信息，并且能夠將其用作相干光接收器。如上所述，根據本實施例，相干光接收器包括根據第二實施例的光波導裝置，從而能夠實現(xiàn)制造公差大的相干光接收器。[第四實施例]將參照圖21來描述根據第四實施例的光波導裝置。本實施例的與根據第一實施例至第三實施例的光波導裝置的那些相同的元件由相同的附圖標記表示，以免重復，或用來簡化對其的說明。圖21為示出根據本實施例的光波導裝置的結構的平面圖。首先，將參照圖21來描述根據本實施例的光波導裝置的結構。根據本實施例的光波導裝置是用于差分正交相移鍵控(DQPSK)信號光的90度光混合電路。如圖21所示，除光耦合器40的上游結構不同之外，根據本實施例的光波導裝置與根據圖12所示的第二實施例的光波導裝置基本相同。在光耦合器40的上游，經由光波導74,76設置一具有一個輸入和兩個輸出的MMI型光耦合器70。對光耦合器40與光耦合器70進行互連的光波導74、76具有彼此不同的光程長度。輸入信號光經由光波導72輸入到光率禹合器70的輸入端ロ。根據本實施例的光波導裝置不包括LO光產生單兀。接下來，將參照圖22來描述根據本實施例的光波導裝置的操作。經由光波導72入射到光耦合器70的DQPSK信號通過光耦合器70分支成光波導74和光波導76兩個路徑。在光波導74與光波導76之間給出對應于DQPSK信號脈沖的I比特延遲的光程長度差值。這樣，分支成兩個路徑的信號光具有ー個由-90度、+90度、O度以及180度4種度數(shù)構成的相位差。光耦合器70的以下操作與根據第二實施例的光波導裝置的操作相同。這樣，根據本實施例的光波導裝置用作90度光混合電路。能夠通過使用Y分支耦合器、2 2MMI耦合器或2 2定向耦合器代替光耦合器70實現(xiàn)同樣的90度光混合操作。如上所述，根據本實施例，通過使用根據第一實施例的光波導裝置形成90度光混合電路，從而90度光混合電路能夠具有大的制造公差。這樣，能夠抑制過多損耗和正交相位成分的串擾。LO光源不是必需的，這簡化了裝置的構成。[第五實施例]
將參照圖22來描述根據第五實施例的光混合電路。本實施例的與根據第一實施例、第二實施例以及第四實施例的光波導裝置的那些以及根據第三實施例的光混合電路的那些相同的元件由相同的附圖標記表示，以免重復，或用來簡化對其的說明。圖22為示出根據本實施例的光混合電路的結構的平面圖。首先，將參照圖22來描述根據本實施例的光混合電路的結構。根據本實施例的光混合電路是使用根據第四實施例的光波導裝置的相干光接收器。S卩，如圖22所示，跨阻放大器52經由BPD 50連接至根據 第四實施例的光波導裝置的輸出端。AD轉換單元54連接至跨阻放大器52?？缱璺糯笃?8經由BPD 56連接至光波導32、34的輸出端。AD轉換單元60連接至跨阻放大器58。數(shù)字計算電路62連接至AD轉換單元54和AD轉換單元60。接下來，將參照圖20來描述根據本實施例的光混合電路的操作。經由光波導72入射到光耦合器70的DQPSK信號通過光耦合器70分支成光波導74與光波導76兩個路徑。光波導74和光波導76具有對應于DQPSK信號的I比特延遲的光程長度差值。分支成兩個路徑的信號光具有這樣的輸出模通過如第四實施例所述的兩個路徑的信號光之間的相對相位差使得所述輸出模不同。來自光波導74、76的輸出光從光波導42、44(其作為90度光混合電路的輸入端ロ)入射。這樣，與DQPSK信號光的相位對應的信號光從光波導32、34、46、48(其作為90度光混合電路的輸出端ロ)輸出。同相通道與正交相位通道的從90度光混合電路輸出的信號光分別從BPD 50,56入射，并且通過BPD 50、56進行光電轉換。從BPD 50、56輸出的電流信號通過跨阻放大器52、58轉換為電壓信號。轉換為電壓信號的模擬電信號通過AD轉換單元54、60轉換為數(shù)字信號，以發(fā)送到數(shù)字計算電路62。此處，BPD 50、56的特性在于當輸入到上面光電ニ極管(upper photodiode)或下面光電ニ極管(lower photodiode)時流動的電流對應于I或-1,當同時輸入到兩個光電ニ極管時，則沒有電流流動。這樣，發(fā)送到數(shù)字計算電路62的數(shù)字信號進行信號處理，從而能夠辨別DQPSK信號的相位信息，并且光混合電路能夠用作相干光接收器。如上所述，根據本實施例，相干光接收器包括根據第四實施例的光波導裝置，從而相干光接收器能夠具有大的制造公差。LO光源不是必需的，這簡化了裝置的構成。[變型實施例]上述實施例可包括其它各種變型。例如，上述實施例中描述的光波導裝置的結構、構成材料、制造條件等只是ー個實例，并且可根據本領域技術人員的技術常識等進行適當改變或變型。例如，在上述實施例中，光波導裝置由InP基化合物半導體材料形成，但是，形成光波導裝置的材料不局限于它們。通過形成例如GaAs基化合物半導體材料、Si基半導體材料、介電材料、聚合物材料等構成的光波導裝置，能夠產生與根據上述實施例的光波導裝置產生的那些相同的效果。
在上述實施例中，光波導裝置具有高臺面波導結構，但是，波導的結構不限于高臺面波導結構。例如，光波導裝置能夠具有其它結構，諸如掩埋式異質(BH)結構、脊形波導結構等。本文列舉的全部實例和條件性語言是為了教示性的目的，以幫助讀者理解本發(fā)明以及發(fā)明人為了促進技術而貢獻的概念，并應解釋為不限制于這些具體列舉的實例和條件，說明書中這些實例的組織也不是為了顯示本發(fā)明的優(yōu)劣。盡管已經詳細描述了本發(fā)明 的實施例，但應理解在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可作出各種變化、替換以及更改。
權利要求
1.ー種光波導裝置，包括 第一光I禹合器，將輸入光進行分支以輸出第一信號光和第二信號光； 光移相器，用于給出所述第一信號光與所述第二信號光之間的相位差，所述光移相器包括 第一光波導，連接至所述第一光耦合器且傳播所述第一信號光；以及第二光波導，具有與所述第一光波導的光程長度不同的光程長度，連接至所述第一光耦合器且傳播所述第二信號光；以及 第二光耦合器，連接至所述光移相器的所述第一光波導和所述第二光波導，用于將從所述第一光波導輸出的所述第一信號光與從所述第二光波導輸出的所述第二信號光耦合，其中 所述第一光波導具有第一波導寬度，并且是以第一曲率半徑彎曲的彎曲光波導， 所述第二光波導具有第二波導寬度，并且是以第二曲率半徑彎曲的彎曲光波導， 所述第一波導寬度與所述第二波導寬度彼此相等，以及 所述第一曲率半徑與所述第二曲率半徑之間的差值處于±20%的范圍內。
2.根據權利要求I所述的光波導裝置，其中， 所述第一曲率半徑與所述第二曲率半徑相同。
3.根據權利要求I所述的光波導裝置，其中， 所述第一光波導的彎角與所述第二光波導的彎角彼此不同。
4.根據權利要求I所述的光波導裝置，其中， 所述第一光波導在其彎曲部與所述第一光耦合器之間具有第一線性波導以及在其彎曲部與所述第二光耦合器之間具有第二線性波導，以及 所述第二光波導在其彎曲部與所述第一光耦合器之間具有第三線性波導以及在其彎曲部與所述第二光耦合器之間具有第四線性波導。
5.根據權利要求4所述的光波導裝置，其中， 在下述部分提供偏移量在所述第一光波導的所述彎曲部與所述第一線性波導之間，在所述第一光波導的所述彎曲部與所述第二線性波導之間，在所述第二光波導的所述彎曲部與所述第三線性波導之間，以及在所述第二光波導的所述彎曲部與所述第四線性波導之間。
6.根據權利要求I所述的光波導裝置，其中， 所述第一光耦合器、所述第二光耦合器、所述第一光波導以及所述第二光波導具有高臺面波導結構。
7.根據權利要求I所述的光波導裝置，其中， 所述第一光耦合器具有兩個輸入端ロ以及形成兩對輸出通道的四個輸出端ロ，以及 所述第一光波導和所述第二光波導連接至所述兩對輸出通道中的一対。
8.根據權利要求7所述的光波導裝置，其中， 所述第二光耦合器是具有兩個輸入端口和兩個輸出端ロ的光耦合器。
9.根據權利要求7所述的光波導裝置，其中， 正交相移鍵控信號被輸入到所述第一光耦合器的所述兩個輸入端口中的ー個，以及 本振光被輸入到所述第一光稱合器的所述兩個輸入端ロ中的另ー個。
10.根據權利要求7所述的光波導裝置，還包括 第三光稱合器，具有一個輸入端口和兩個輸出端ロ ； 第三光波導，將所述第三光耦合器的所述兩個輸出端口中的ー個與所述第一光耦合器的所述兩個輸入端ロ中的一個互連；以及 第四光波導，其光程長度與所述第三光波導不同，且將所述第三光耦合器的所述兩個輸出端口中的另ー個與所述第一光耦合器的所述兩個輸入端口中的另ー個互連。
11.根據權利要求10所述的光波導裝置，其中， 差分正交相移鍵控信號光被輸入到所述第三光耦合器的所述ー個輸入端ロ中。
12.根據權利要求I所述的光波導裝置，其中， 所述第二光耦合器是具有兩個輸入端口和兩個輸出端ロ的光耦合器。
13.根據權利要求12所述的光波導裝置，其中， 正交相移鍵控信號被輸入到所述第一光耦合器的所述兩個輸入端ロ中的ー個中，以及 本振光被輸入到所述第一光稱合器的所述兩個輸入端ロ中的另ー個中。
14.根據權利要求12所述的光波導裝置，還包括 第三光稱合器，具有一個輸入端口和兩個輸出端ロ ； 第三光波導，將所述第三光耦合器的所述兩個輸出端口中的ー個與所述第一光耦合器的所述兩個輸入端ロ中的一個互連；以及 第四光波導，其光程長度與所述第三光波導不同，且將所述第三光耦合器的所述兩個輸出端口中的另ー個與所述第一光耦合器的所述兩個輸入端口中的另ー個互連。
15.根據權利要求14所述的光波導裝置，其中， 差分正交相移鍵控信號光被輸入到所述第三光耦合器的所述ー個輸入端ロ中。
16.—種光混合電路,包括 光波導裝置，所述光波導裝置包括 第一光I禹合器，將輸入光進行分支以輸出第一信號光和第二信號光； 光移相器，用于給出所述第一信號光與所述第二信號光之間的相位差，所述光移相器包括 第一光波導，連接至所述第一光耦合器且傳播所述第一信號光；以及第二光波導，具有與所述第一光波導的光程長度不同的光程長度，連接至所述第一光耦合器且傳播所述第二信號光；以及 第二光耦合器，連接至所述光移相器的所述第一光波導和所述第二光波導，用于將從所述第一光波導輸出的所述第一信號光與從所述第二光波導輸出的所述第二信號光進行耦合，其中 所述第一光波導具有第一波導寬度，并且是以第一曲率半徑彎曲的彎曲光波導， 所述第二光波導具有第二波導寬度，并且是以第二曲率半徑彎曲的彎曲光波導， 所述第一波導寬度與所述第二波導寬度彼此相等， 所述第一曲率半徑與所述第二曲率半徑之間的差值處于±20%的范圍內， 所述第一光耦合器具有兩個輸入端ロ以及形成兩對輸出通道的四個輸出端ロ，以及 所述第一光波導和所述第二光波導連接至所述兩對輸出通道中的一対； 光電轉換単元，將從所述第一光耦合器的另ー對輸出端ロ輸出的光信號以及從所述第ニ光耦合器的所述輸出端ロ輸出的光信號轉換為電信號；以及計算單元，基于所述電信號執(zhí)行辨別所述輸入光的處理。
17.根據權利要求16所述的光混合電路，其中， 所述第二光耦合器是具有兩個輸入端口和兩個輸出端ロ的光耦合器。
18.根據權利要求17所述的光混合電路，還包括 第三光稱合器，具有一個輸入端口和兩個輸出端ロ ； 第三光波導，將所述第三光耦合器的所述兩個輸出端口中的ー個與所述第一光耦合器的所述兩個輸入端ロ中的一個互連；以及 第四光波導，其光程長度與所述第三光波導不同，且將所述第三光耦合器的所述兩個輸出端口中的另ー個與所述第一光耦合器的所述兩個輸入端口中的另ー個互連。
19.一種光混合電路,包括 光波導裝置，所述光波導裝置包括 第一光I禹合器，將輸入光進行分支以輸出第一信號光和第二信號光； 光移相器，用于給出所述第一信號光與所述第二信號光之間的相位差，所述光移相器包括 第一光波導，連接至所述第一光耦合器且傳播所述第一信號光；以及第二光波導，具有與所述第一光波導的光程長度不同的光程長度，連接至所述第一光耦合器且傳播所述第二信號光；以及 第二光耦合器，連接至所述光移相器的所述第一光波導和所述第二光波導，用于將從所述第一光波導輸出的所述第一信號光與從所述第二光波導輸出的所述第二信號光耦合，其中 所述第一光波導具有第一波導寬度，并且是以第一曲率半徑彎曲的彎曲光波導， 所述第二光波導具有第二波導寬度，并且是以第二曲率半徑彎曲的彎曲光波導， 所述第一波導寬度與所述第二波導寬度彼此相等， 所述第一曲率半徑與所述第二曲率半徑之間的差值處于±20%的范圍內，以及 所述第二光耦合器是具有兩個輸入端口和兩個輸出端ロ的光耦合器； 光電轉換単元，將從所述第一光耦合器的另ー對輸出端ロ輸出的光信號以及從所述第ニ光耦合器的所述輸出端ロ輸出的光信號轉換為電信號；以及計算單元，基于所述電信號執(zhí)行辨別所述輸入光的處理。
20.根據權利要求19所述的光混合電路，還包括 第三光稱合器，具有一個輸入端口和兩個輸出端ロ ； 第三光波導，將所述第三光耦合器的所述兩個輸出端口中的ー個與所述第一光耦合器的所述兩個輸入端ロ中的一個互連；以及 第四光波導，其光程長度不同于所述第三光波導，且將所述第三光耦合器的所述兩個輸出端口中的另ー個與所述第一光耦合器的所述兩個輸入端口中的另ー個互連。
全文摘要
本發(fā)明提供一種光波導裝置和光混合電路，所述光波導裝置包括第一光耦合器，將輸入光進行分支以輸出第一信號光和第二信號光；光移相器，包括光程長度彼此不同的第一光波導和第二光波導，并用于給出第一信號光與第二信號光之間的相位差；以及第二光耦合器，將從第一光波導輸出的第一信號光與從第二光波導輸出的第二信號光耦合。第一光波導與第二光波導具有相同的波導寬度且具有曲率半徑大體相同的彎曲光波導。
文檔編號G02B6/42GK102692680SQ20121005690
公開日2012年9月26日 申請日期2012年3月6日 優(yōu)先權日2011年3月25日
發(fā)明者鄭錫煥 申請人:富士通株式會社