專利名稱：光耦合器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光耦合器及其制作方法，尤其涉及一種在輸入和輸出光波導(dǎo)之間具有Y型接頭光波導(dǎo)并且具有連接到Y(jié)型接頭光波導(dǎo)的彎曲光波導(dǎo)的光耦合器及其制作方法。
背景技術(shù)：
作為用于將一光信號(hào)分成多個(gè)光信號(hào)的光學(xué)裝置的光耦合器是光用戶網(wǎng)絡(luò)的核心。先前的光耦合器是通過以加熱方式連接兩個(gè)光纖來制作的，而這需要大量的手工作業(yè)。因此，制作成本較高，并且因光纖的直接利用導(dǎo)致了所制作出的光耦合器的尺寸增大。
為了解決上述問題，已提出了一種采用集成光學(xué)技術(shù)的光耦合器。采用集成光學(xué)技術(shù)的光耦合器是通過采用與半導(dǎo)體集成電路制作方法相類似的方法通過在平基底上形成細(xì)小的圖案而制作的。制作光耦合器的方法適用于批量生產(chǎn)，因此降低了制作成本并且減小了所制作出的光耦合器的尺寸。另外，該方法能夠無太大困難地制作多輸出端光耦合器(具有16個(gè)或更多的輸出端)。
對(duì)于一個(gè)輸入具有N個(gè)輸出的光耦合器被稱為1×N光耦合器?？赏ㄟ^將1×2個(gè)光耦合器彼此串聯(lián)而形成1×N光耦合器。在這種情況下，光耦合器的出口數(shù)(N)為2m(這里，m表示彼此串聯(lián)的1×2個(gè)光耦合器的級(jí)數(shù)，其表示為自然數(shù))。例如，1×4光耦合器是通過將1×2光耦合器串聯(lián)連接到另一1×2光耦合器的兩個(gè)輸出端中的每個(gè)而形成的。這里，1×2光耦合器包括其形狀象英文字母“Y”的Y型接頭光波導(dǎo)和用于將該Y型接頭光波導(dǎo)連接到兩個(gè)輸出波導(dǎo)的兩個(gè)彎曲波導(dǎo)。目前，已提出了基于Y型接頭光波導(dǎo)排列方式的兩種類型的光耦合器。
一種類型是軸向光耦合器，其平行于縱軸、即在光行進(jìn)的方向上排列Y型接頭光波導(dǎo)。另一種類型是離軸光耦合器，其排列Y型接頭光波導(dǎo)的方式為Y型接頭光波導(dǎo)不平行于縱軸。


圖1A表示的是公開于美國(guó)專利第4165225號(hào)中的軸向光耦合器的結(jié)構(gòu)。圖1A中所示的光耦合器是通過根據(jù)級(jí)的數(shù)目在平行于縱軸Z的方向上布置Y型接頭光波導(dǎo)并且將Y型接頭光波導(dǎo)的輸入端和輸出端經(jīng)連接光波導(dǎo)彼此連接而形成的，其中，連接光波導(dǎo)為彎曲波導(dǎo)。圖1A中，Ixy表示Y型接頭光波導(dǎo)，Axy表示連接光波導(dǎo)，而Xx表示輸出光波導(dǎo)。
但是，圖1A中所示的光耦合器的問題在于它較長(zhǎng)。一般來講，必須使得軌跡橫向偏移的變化量小，以便降低彎曲光波導(dǎo)的彎曲損耗。軸向光耦合器必須使連接波導(dǎo)的端子平行于縱軸Z，以便將兩個(gè)橫向分離的Y型接頭光波導(dǎo)平行于縱軸彼此連接。這里，如果將橫向偏移的變化量保持為小，則連接光波導(dǎo)的縱向長(zhǎng)度增大。因此，裝置的總長(zhǎng)度增大了使Y型接頭光波導(dǎo)彼此平行所需的長(zhǎng)度。這種裝置的長(zhǎng)度增大降低了產(chǎn)量，從而提高了制作成本。裝置內(nèi)部所需的圖案不均勻性增大，因此使裝置性能惡化。
圖1B所示為公開于美國(guó)專利第5222167號(hào)中的離軸光耦合器的結(jié)構(gòu)。圖1B中所示的光耦合器是通過確定光耦合器最外光波導(dǎo)的路徑、確定Y型接頭光波導(dǎo)所處的路徑位置、并且通過在所確定的位置處繪出與光波導(dǎo)路徑(如R2)相接觸的虛擬對(duì)稱軸(如W)而且相對(duì)于光波導(dǎo)路徑繪出關(guān)于虛擬對(duì)稱軸對(duì)稱的曲線(如R3)而制作的。在圖1B中，Kxy表示Y型接頭光波導(dǎo)，Rx表示彎曲光波導(dǎo)的半徑，而Xx表示輸出光波導(dǎo)。
最外的光波導(dǎo)一般采用圓弧形光波導(dǎo)，從而在兩個(gè)相接觸的圓環(huán)的圓弧R2和R3之間形成要沿曲線形成的Y型接頭光波導(dǎo)，如圖1B所示。這里，Y型接頭光波導(dǎo)的中心軸不再平行于縱軸Z。
但是，圖1B中所示的光耦合器采用了Y型接頭光波導(dǎo)和彎曲的光波導(dǎo)，使得Y型接頭光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)采用彎曲的光波導(dǎo)單向地形成。另外，必須確定最外彎曲光波導(dǎo)上Y型接頭光波導(dǎo)的位置，以使在Y型接頭光波導(dǎo)上分支的每個(gè)路徑的尾部正好接上每個(gè)輸出光波導(dǎo)。但是，后續(xù)級(jí)的每個(gè)Y型接頭光波導(dǎo)也需要這種位置確定，從而極大地限制了每個(gè)路徑上每個(gè)Y型接頭光波導(dǎo)的位置。因此，Y型接頭光波導(dǎo)必須位于預(yù)定位置，以便即使是極小量的位置調(diào)整仍很困難，并因此降低設(shè)計(jì)時(shí)的自由度。這種難度隨著輸出光波導(dǎo)數(shù)目的增大而變得嚴(yán)重。換言之，必須從最外光波導(dǎo)內(nèi)部分支出更多的路徑，以便增大輸出光波導(dǎo)的數(shù)目。這里，必須確定每個(gè)分支光波導(dǎo)上Y型接頭光波導(dǎo)的位置，以使每個(gè)路徑的尾部接上彼此隔開預(yù)定間隔的每個(gè)輸出光波導(dǎo)的輸入端。然而，在離軸光耦合器的情況下，Y型接頭光波導(dǎo)的位置確定是通過嘗試并采用因直觀判斷引起的誤差進(jìn)行的。因此，在它們的位置中Y型接頭光波導(dǎo)的數(shù)目隨輸出光波導(dǎo)數(shù)目的增大而增大。從而，采用該方法進(jìn)行Y型接頭光波導(dǎo)的位置確定是困難的。
本發(fā)明公開本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種光耦合器及其制作方法，其中，可通過采用Y型接頭光波導(dǎo)及用于連接Y型接頭光波導(dǎo)的彎曲光波導(dǎo)對(duì)離軸光耦合器進(jìn)行模塊化，容易地增大輸出光波導(dǎo)的數(shù)目。
因此，為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種光耦合器，包括一輸入光波導(dǎo)和N個(gè)輸出光波導(dǎo)，用于將從輸入光波導(dǎo)接收到的光信號(hào)分割成N個(gè)光信號(hào)，所述光耦合器包括多個(gè)Y型接頭光波導(dǎo)，其以m個(gè)級(jí)配置，用于在每一級(jí)中將接收到的光信號(hào)分支為兩個(gè)光信號(hào)；和多個(gè)彎曲的光波導(dǎo)，其交替地連接到Y(jié)型接頭光波導(dǎo)、至少一個(gè)連接在第m級(jí)中Y型接頭光波導(dǎo)之間的彎曲光波導(dǎo)、和輸出光波導(dǎo)，其中，當(dāng)光信號(hào)的引導(dǎo)方向被設(shè)置為縱軸，并且輸入光波導(dǎo)與第一級(jí)Y型接頭光波導(dǎo)之間的接頭被設(shè)置為開始點(diǎn)時(shí)，確定Y型接頭光波導(dǎo)和彎曲光波導(dǎo)的位置和尺寸，以便使范圍從開始點(diǎn)至每個(gè)輸出光波導(dǎo)的N個(gè)路徑中的最長(zhǎng)路徑最小。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種用于設(shè)計(jì)光耦合器的圖案掩膜、并且根據(jù)該圖案掩膜制造光耦合器的方法，所述光耦合器包括N個(gè)輸出光波導(dǎo)；多個(gè)Y型接頭光波導(dǎo)，其以m個(gè)級(jí)配置，用于在每一級(jí)中將用輸入光波導(dǎo)接收到的光信號(hào)分支為兩個(gè)光信號(hào)；和多個(gè)彎曲的光波導(dǎo)，其交替地連接到Y(jié)型接頭光波導(dǎo)，至少一個(gè)彎曲光波導(dǎo)連接在第m級(jí)中Y型接頭光波導(dǎo)和輸出光波導(dǎo)之間，所述方法包括下列步驟(a)確定Y型接頭光波導(dǎo)的長(zhǎng)度、寬度和分支角度，并且形成大小取決于所確定的Y型接頭光波導(dǎo)的長(zhǎng)度、寬度和分支角度的Y型接頭光波導(dǎo)模塊；(b)形成其尺寸取決于每個(gè)彎曲光波導(dǎo)的曲率半徑和內(nèi)角的連接光波導(dǎo)，用于將Y型接頭光波導(dǎo)彼此連接，并且將第m級(jí)Y型接頭光波導(dǎo)模塊連接到輸出光波導(dǎo)；(c)當(dāng)輸入光波導(dǎo)和第一級(jí)Y型接頭光波導(dǎo)之間的接頭被設(shè)置為開始點(diǎn)，并且光信號(hào)的引導(dǎo)方向被設(shè)置為沿縱軸時(shí)，在確定連接光波導(dǎo)模塊的長(zhǎng)度以及Y型接頭光波導(dǎo)模塊和連接光波導(dǎo)模塊的位置以使得開始點(diǎn)與每個(gè)輸出光波導(dǎo)之間的縱向距離最小之后，在輸入光波導(dǎo)和每個(gè)輸出光波導(dǎo)之間排列Y型接頭光波導(dǎo)模塊和彎曲光波導(dǎo)模塊；和(d)根據(jù)所排列的結(jié)構(gòu)制造圖案掩膜。
附圖簡(jiǎn)述圖1A和1B是表示傳統(tǒng)光耦合器結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2是表示本發(fā)明實(shí)施例的光耦合器結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3是表示圖2的Y型接頭光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的示意圖；圖4是表示采用圓弧光波導(dǎo)的連接光波導(dǎo)模塊的示意圖；圖5A至5D的示意圖分別表示的是從圖2的光耦合器的開始點(diǎn)I至其每個(gè)結(jié)束點(diǎn)E1至E4的第一至第四路徑；圖6的示意圖表示的是本發(fā)明的1×8光耦合器；圖7的示意圖表示的是本發(fā)明1×32光耦合器與現(xiàn)有技術(shù)的1×32光耦合器之間的長(zhǎng)度比較；圖8的示意圖表示的是P-彎曲(P-curved)光波導(dǎo)的一部分；和圖9的示意圖表示的是其曲率半徑為5000μm、內(nèi)角為90°的圓弧光波導(dǎo)和多項(xiàng)式圓弧(polynomial arc，PA)光波導(dǎo)。
實(shí)施發(fā)明的最好形式參照?qǐng)D2，該圖表示的是本發(fā)明1×N光耦合器，該光耦合器具有設(shè)置有8個(gè)輸出波導(dǎo)的1×8結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的光耦合器具有縱向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)，圖2僅示出了上面的4個(gè)光波導(dǎo)。圖2所示的的光耦合器包括輸入光波導(dǎo)(I)、N個(gè)輸出光波導(dǎo)Ox、多個(gè)Y型接頭光波導(dǎo)模塊Jxy、和多個(gè)連接光波導(dǎo)模塊Bxy。所示的圓圈(o)表示接頭。Y型接頭光波導(dǎo)模塊Jxy被彼此連接在m個(gè)級(jí)中。例如，在1×8光耦合器情況下，Y型接頭光波導(dǎo)模塊Jxy被彼此連接在3個(gè)級(jí)中。
輸入光波導(dǎo)(I)是放置在縱軸Z上的直線光波導(dǎo)。輸出光波導(dǎo)(Ox)是以相同間隔(Δx)隔開的直線光波導(dǎo)，其向輸出光纖發(fā)送光信號(hào)。輸出光波導(dǎo)(Ox)的橫向位置分別為x1、x2、x3和x4。
每個(gè)Y型接頭光波導(dǎo)模塊Jxy均具有一個(gè)輸入口和兩個(gè)輸出口，其由長(zhǎng)度、寬度和分支角度限定。每個(gè)Y型接頭光波導(dǎo)模塊Jxy均位于輸入光波導(dǎo)(I)和每個(gè)輸出光波導(dǎo)(Ox)之間的路徑上，并且將輸入的光信號(hào)分支為兩個(gè)光信號(hào)。這里，Y型接頭光波導(dǎo)模塊Jxy不可平行于Z軸。
連接光波導(dǎo)模塊Bxy與Y型接頭光波導(dǎo)模塊Jxy彼此連接，并且至少有一個(gè)連接光波導(dǎo)模塊連接在第m級(jí)和每個(gè)輸出光波導(dǎo)(Ox)之間。在本實(shí)施例中，兩個(gè)連接光波導(dǎo)模塊連接在第m級(jí)和每個(gè)輸出光波導(dǎo)(Ox)之間。每個(gè)連接光波導(dǎo)模塊Bxy將由Y型接頭光波導(dǎo)模塊Jxy分支出的光信號(hào)輸出到下一級(jí)的Y型接頭光波導(dǎo)模塊Jxy或輸出光波導(dǎo)(Ox)。
Ex表示的是連接到輸出光波導(dǎo)的連接光波導(dǎo)模塊中的每個(gè)的結(jié)束點(diǎn)。接頭(o)包括輸入光波導(dǎo)與每個(gè)Y型接頭光波導(dǎo)模塊Jxy之間的接頭、Y型接頭光波導(dǎo)模塊Jxy與連接光波導(dǎo)模塊Bxy之間的接頭以及連接光波導(dǎo)模塊Bxy之間的接頭。接頭(o)應(yīng)滿足下述限制條件，以便防止受導(dǎo)光的散射和受導(dǎo)光波面失真1)下一級(jí)的模塊輸出口與模塊輸入口之間坐標(biāo)匹配；2)下一級(jí)的模塊輸出口與模塊輸入口之間的切向傾斜；和3)下一級(jí)的模塊輸出口與模塊輸入口之間的曲率匹配。
為了制作具有上述結(jié)構(gòu)的光耦合器，首先，應(yīng)確定光耦合器的輸出光波導(dǎo)數(shù)目(N)和相鄰輸出光波導(dǎo)之間間隔(Δx)。
如圖3所示，確定Y型接頭光波導(dǎo)模塊Jxy的長(zhǎng)度LJ、半寬度PJ和分支角度θJ，以設(shè)計(jì)Y型接頭光波導(dǎo)模塊Jxy。圖3表示Y型接頭光波導(dǎo)模塊Jxy的結(jié)構(gòu)。這里，a表示入口，b和c表示出口。分支角度θJ表示對(duì)稱W的軸與Y接頭模塊的上出口點(diǎn)b處切線之間的夾角。
采用下述方程式(1)來確定從縱軸旋轉(zhuǎn)θR的Y接頭模塊的出口坐標(biāo)(b，c)b-=a-+cosθR-sinθRsinθRcosθRLJPJ=a-+LJcosθR-PJsinθRLJsinθR+PJcosθRJ----(1)]]>c-=a-+cosθR-sinθRsinθRcosθRLJ-PJ=a-+LJcosθR+PJsinθRLJsinθR-PJcosθRJ]]>其中，旋轉(zhuǎn)θR的Y接頭模塊的出口b處的出口角度為θR＋θJ，而出口c處的出口角度為θR-θJ。
接下來，確定圓弧光波導(dǎo)的半徑(R)，以設(shè)計(jì)連接光波導(dǎo)模塊。圓弧光波導(dǎo)的半徑可被設(shè)置成彼此不同，或者它們的半徑可被設(shè)置成未知的變量。但是，本實(shí)施例假設(shè)所有的圓弧光波導(dǎo)具有相同的半徑。
根據(jù)本發(fā)明，圓弧光波導(dǎo)可被用作連接光波導(dǎo)。最好，使用多項(xiàng)式圓弧(PA)光波導(dǎo)。PA光波導(dǎo)是彎曲的波導(dǎo)，其具有圓弧光波導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)，并且還克服了其缺陷。圓弧光波導(dǎo)是通過采用曲率半徑為R的圓的一部分作為光波導(dǎo)而形成的，并且可以容易地采用路徑方程式進(jìn)行表示。但是，在連接具有不同曲率的圓弧光波導(dǎo)時(shí)，在接頭處出現(xiàn)因曲率失配引起的過渡損耗和波面失真。
PA光波導(dǎo)的路徑可采用縱軸多項(xiàng)式z(t)和橫軸多項(xiàng)式x(t)來定義，這些多項(xiàng)式均被表示為相對(duì)于參數(shù)(t)的5階多項(xiàng)式。每個(gè)方程式每項(xiàng)的系數(shù)是由彎曲光波導(dǎo)的入口/出口的邊界條件，即，通過坐標(biāo)匹配、切向傾角匹配、和曲率匹配來確定的。但是，待求出的多個(gè)參數(shù)使得難以將PA光波導(dǎo)用作光耦合器的連接光波導(dǎo)模塊。因此，在本實(shí)施例中，在參數(shù)提取步驟中，選用圓弧光波導(dǎo)作為連接光波導(dǎo)，并求出參數(shù)，以設(shè)計(jì)光耦合器，然后采用曲率匹配的PA光波導(dǎo)來替代圓弧光波導(dǎo)。
圖4表示的是采用圓弧光波導(dǎo)的連接光波導(dǎo)模塊。這里，a表示入口，b表示出口。連接光波導(dǎo)模塊采用其部分弧為連接光波導(dǎo)的圓的內(nèi)角(θB)和曲率半徑(R)定義。這里，內(nèi)角(θB)是通過從光波導(dǎo)出口的正切角(θO)中減去光波導(dǎo)入口的正切角(θJ)而得到的。旋轉(zhuǎn)了θI的連接光波導(dǎo)的出口位置是相對(duì)于入口位置采用R和θR確定的，如下面的方程式2所示b-=a-+cosθI-sinθIsinθIcosθIrsinθBr-rcosθB=a-+2rcos(θB2+θI)sinθB22rsin(θB2+θI)sinθB2---(2)]]>其中，r表示具有符號(hào)的曲率半徑，其被定義為R·sin(θB)。當(dāng)連接光波導(dǎo)的切角沿路徑增大時(shí)，r的符號(hào)，即曲率符號(hào)為正，而當(dāng)切角減小時(shí)，為負(fù)，這是由下面的方程式3確定的 通過順序連接Y型接頭光波導(dǎo)模塊模塊和連接光波導(dǎo)而形成的光耦合器的路徑可采用從方程式2和3導(dǎo)出的方程式表示。根據(jù)方程式2和3，這些方程式與每個(gè)圓弧光波導(dǎo)的內(nèi)角有關(guān)。因此，連接光波導(dǎo)的尺寸可以通過計(jì)算這些方程式的解而得到，并且，可以確定基于路徑的Y型接頭光波導(dǎo)模塊的位置和連接光波導(dǎo)模塊的位置。
圖5A表示的是從開始點(diǎn)(I)至結(jié)束點(diǎn)E1的第一路徑。參照?qǐng)D5A，第一路徑為J11至B11至J21至B21至J31至B31至B41至E1。第一路徑的結(jié)束點(diǎn)坐標(biāo)(z1，x1)可相對(duì)于連接光波導(dǎo)模塊B11、B21、B31至B41由圓弧的曲率半徑RB11、RB21、RB31和RB41及其內(nèi)角θB11、θB21、θB31和θB41采用下面的方程式4定義z1＝f1(rB11，rB21，rB31，rB41，θB11，θB21，θB31，θB41)LJ+2rB11cos(θB112+θJ)sin(θB112)]]>＋LJcos(θB11＋θJ)－PJsin(θB11＋θJ)+2rB21cos(θB212+θB11+2θJ)sin(θB212)]]>＋LJcos(θB21＋θB11＋2θJ)－PJsin(θB11＋θB11＋2θJ)+2rB31cos(θB312+θB21+θB11+3θJ)sin(θB312)]]>+2rB41cos(θB412+θB31+θB21+θB11+3θJ)sin(θB412)]]>x1＝g1(rB11，rB21，rB31，rB41，θB11，θB21，θB31，θB41)=PJ+2rB11(θB112+θJ)sin(θB112)]]>＋LJsin(θB11＋θJ)＋PJcos(θB11＋θJ)+2rB21sin(θB212+θB11+2θJ)sin(θB212)---···(4)]]>＋LJsin(θB21＋θB11＋2θJ)＋PJcos(θB21＋θB11＋2θJ)+2rB31sin(θB312+θB21+θB11+3θJ)sin(θB312)]]>+2rB41sin(θB412+θB31+θB21+θB11+3θJ)sin(θB412)]]>由于輸入光波導(dǎo)和輸出光波導(dǎo)平行于縱軸Z，因此沿第一路徑累加的角θ1必須為零，如下面的方程式5所示θ1＝Ψ1(θB11，θB21，θB31，θB41)＝θB11＋θB21＋θB31＋θB41＋3θJ…(5)＝0圖5B表示的是從開始點(diǎn)(I)至結(jié)束點(diǎn)E2的第二路徑。參照?qǐng)D5B，第二路徑為J11至B11至J21至B21至J31至J32至B42至E2。第二路徑的結(jié)束點(diǎn)坐標(biāo)(z2，x2)可相對(duì)于連接光波導(dǎo)模塊B11、B21、B32至B42由每個(gè)圓弧的曲率半徑RB11、RB21、RB32和RB42及其內(nèi)角θB11、θB21、θB32和θB42采用下面的方程式6確定z2＝f2(rB11，rB21，rB32，rB42，θB11，θB21，θB32，θB42)+LJ+2rB11(θB112+θJ)sin(θB112)]]>＋LJcos(θB11＋θJ)-PJsin(θB11＋θJ)+2rB21cos(θB212+θB11+2θJ)sin(θB212)]]>＋LJcos(θB21＋θB11＋2θJ)＋PJsin(θB21＋θB11＋2θJ)+2rB32cos(θB322+θB21+θB11+3θJ)sin(θB322)]]>+2rB42cos(θB422+θB32+θB21+θ11+3θJ)sin(θB422)]]>x2＝g2(rB11，rB21，rB32，rB42，θB11，θB21，θB32，θB42)=PJ+2rB11cos(θB112+θJ)sin(θB112)]]>＋LJsin(θB11＋θJ)＋PJcos(θB11＋θJ)+2rB21sin(θB212+θB11+2θJ)sin(θB212)---···(6)]]>＋LJsin(θB21＋θB11＋2θJ)-PJcos(θB21＋θB11＋2θJ)+2rB32sin(θB322+θB21+θB11+3θJ)sin(θB322)]]>+2rB42sin(θB422+θB32+θB21+θB11+3θJ)sin(θB422)]]>由于輸入光波導(dǎo)和輸出光波導(dǎo)平行于縱軸Z，因此沿第二路徑累加的角θ2必須為零，如下面的方程式7所示θ2＝Ψ2(θB11，θB21，θB32，θB42)＝θB11＋θB21＋θB32＋θB42＋θJ…(7)＝0圖5C表示的是從開始點(diǎn)(I)至結(jié)束點(diǎn)E3的第三路徑。參照?qǐng)D5C，第三路徑為J11至B11至J21至B22至J32至B33至B43至E3。第三路徑的結(jié)束點(diǎn)坐標(biāo)(z3，x3)可相對(duì)于連接光波導(dǎo)模塊B11、B22、B33至B43由每個(gè)圓弧的曲率半徑RB11、RB22、RB33和RB43及其內(nèi)角θB11、θB22、θB33和θB43采用下面的方程式8定義z3＝f3(rB11，rB22，rB33，rB43，θB11，θB22，θB33，θB43)=LJ+2rB11cos(θB112+θJ)sin(θB112)]]>＋LJcos(θB11＋θJ)＋PJsin(θB11＋θJ)+2rB22cos(θB222+θB11)sin(θB222)]]>＋LJcos(θB22＋θB11)-PJsin(θB22＋θB11)+2rB33cos(θB332+θB22+θB11+θJ)sin(θB332)]]>+2rB43cos(θB432+θB33+θB22+θB11+θJ)sin(θB432)]]>x3＝g3(rB11，rB22，rB33，rB43，θB11，θB22，θB33，θB43)=PJ+2rB11cos(θB112+θJ)sin(θB112)]]>＋LJsin(θB11＋θJ)-PJcos(θB11＋θJ)+2rB22sin(θB222+θB11)sin(θB222)---···(8)]]>＋LJsin(θB22＋θB11)＋PJcos(θB22＋θB11)+2rB33sin(θB33OVER2+θB22+θB11+θJ)sin(θB332)]]>+2rB43sin(θB432+θB33+θB22+θB11+θJ)sin(θB432)]]>由于輸入光波導(dǎo)和輸出光波導(dǎo)平行于縱軸Z，因此沿第三路徑累加的角θ3必須為零，如下面的方程式9所示θ3＝Ψ3(θB11，θB22，θB33，θB43)＝θB11＋θB22＋θB33＋θB43＋θJ…(9)＝0圖5D表示的是從開始點(diǎn)(I)至結(jié)束點(diǎn)E4的第四路徑。參照?qǐng)D5D，第四路徑為J11至B11至J21至B22至J32至B34至B44至E4。第四路徑的結(jié)束點(diǎn)坐標(biāo)(z4，x4)可相對(duì)于連接光波導(dǎo)模塊B11、B22、B34至B44由每個(gè)圓弧的曲率半徑RB11、RB22、RB34和RB44及其內(nèi)角θB11、θB22、θB34和θB44采用下面的方程式10定義z4＝f4(rB11，rB22，rB34，rB44，θB11，θB22，θB34，θB44)=LJ+2rB11cos(θB112+θJ)sin(θB11OVER2)]]>＋LJcos(θB11＋θJ)＋PJsin(θB11＋θJ)+2rB22cos(θB222+θB11)sin(θB222)]]>＋LJcos(θB22＋θB11)＋PJsin(θB22＋θB11)+2rB34cos(θB342+θB22+θB11-θJ)sin(θB342)]]>+2rB44cos(θB442+θB34+θB22+θB11-θJ)sin(θB442)]]>x4＝g4(rB11，rB22，rB34，rB44，θB11，θB22，θB33，θB43)=PJ+2rB11cos(θB112+θJ)sin(θB112)]]>＋LJsin(θB11＋θJ)-PJcos(θB11＋θJ)+2rB22sin(θB222+θB11)sin(θB222)---···(10)]]>＋LJsin(θB22＋θB11)-PJcos(θB22＋θB11)+2rB34sin(θB342++θB22+θB11-θJ)sin(θB342)]]>+2rB44sin(θB442+θB34+θB22+θB11-θJ)sin(θB442)]]>由于輸入光波導(dǎo)和輸出光波導(dǎo)平行于縱軸Z，因此沿第四路徑累加的角θ4必須為零，如下面的方程式11所示θ4＝Ψ4(θB11，θB22，θB34，θB44)＝θB11＋θB22＋θB34＋θB44-θJ…(11)＝0從方程式4至11獲得具有11個(gè)未知量的8個(gè)非線性聯(lián)合方程式。這11個(gè)未知量是每個(gè)連接光波導(dǎo)模塊的內(nèi)角，并且這11個(gè)未知量的集合(U)被確定為以{θB11、θB21、θB22、θB31、θB32、θB33、θB34、θB41、θB42、θB43、θB44}。8個(gè)非線性聯(lián)合方程式中的四個(gè)是橫向移動(dòng)距離方程式，即結(jié)束點(diǎn)的橫向坐標(biāo)值xi＝gi(…)＝((N＋1)/2-I)·Δx，它們是相對(duì)于輸出光波導(dǎo)的橫向位移根據(jù)邊界條件獲得的。余下的4個(gè)非線性聯(lián)合方程式是累加的角度方程式，θi＝ψi(…)＝0，它們是根據(jù)其中從輸入光波導(dǎo)至輸出光波導(dǎo)的每個(gè)累加角度值為零的條件獲得的。在這種情況下，未知量的數(shù)目大于方程式數(shù)目，從而獲得幾個(gè)解集合。
幾個(gè)解集合中使方程式4至11的縱向移動(dòng)距離方程式zi＝fi(…)＝0最小化的解集合(Ui)可以通過幾種方法得到。在本實(shí)施例中，解集合(Ui)是通過數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)得到的。
在獲得使每個(gè)路徑(i=1、2、3和4)最小的解集合U1、U2、U3和U4之后，將通過把解集合U1、U2、U3和U4代入每個(gè)方程式而獲得到4個(gè)所得路徑中具有最大縱向移動(dòng)距離的各路徑相比較，以選擇具有最小長(zhǎng)度的解集合。亦即，選擇滿足下面的條件的解集合minimum{maximum[f1(U1)，f2(U2)，f3(U1)，f4(U1)]，maximum[f1(U2)，f2(U2)，f3(U2)，f4(U2)]，maximum[f1(U3)，f2(U3)，f3(U3)，f4(U3)]，maximum[f1(U4)，f2(U4)，f3(U4)，f4(U4)])。
連接光波導(dǎo)模塊的尺寸是根據(jù)所選擇的解集合確定的，從而對(duì)Y型接頭光波導(dǎo)模塊和連接光波導(dǎo)模塊進(jìn)行連接和布局。
光耦合器的低部分是通過對(duì)Y型接頭模塊及連接光波導(dǎo)模塊進(jìn)行布局以使得它們相對(duì)于縱軸對(duì)稱而得到的。
圖6表示的是本發(fā)明1×8光耦合器。輸入光波導(dǎo)和輸出光波導(dǎo)平行于縱軸，相鄰輸出光波導(dǎo)之間的間隔為250μm。每個(gè)Y型接頭光波導(dǎo)模塊具有1700μm的長(zhǎng)度(LJ)、14.8μm的半寬度(PJ)、和1.028°的分支角度(θJ)。連接光波導(dǎo)的曲率半徑為R=50mm。光耦合器的長(zhǎng)度(從I至E1)是由最外路徑確定的，為15mm。這比現(xiàn)有技術(shù)的光耦合器的長(zhǎng)度(22mm)短。
圖7表示的是本發(fā)明1×32光耦合器的長(zhǎng)度與傳統(tǒng)的1×32光耦合器長(zhǎng)度的比較。這里，(a)為長(zhǎng)度為67mm的傳統(tǒng)光耦合器的情況，(b)為長(zhǎng)度為31mm的本發(fā)明光耦合器的情況。
在本發(fā)明中，將PA光波導(dǎo)用作連接光波導(dǎo)模塊，它是通過采用多項(xiàng)式曲線光波導(dǎo)(后稱P曲線波導(dǎo))替代圓弧光波導(dǎo)的開始和結(jié)束點(diǎn)而形成的。
已由F.Ladoucer提出的P-彎曲光波導(dǎo)能夠改變沿光波導(dǎo)路徑的曲率。圖8表示的是P-彎曲光波導(dǎo)的一部分。如圖8所示，為了防止連接兩個(gè)直線光波導(dǎo)800和804的彎曲光波導(dǎo)802具有過渡損耗，第一光波導(dǎo)800的坐標(biāo)、傾角和曲率應(yīng)在第一直線光波導(dǎo)800的結(jié)束點(diǎn)與彎曲光波導(dǎo)802的開始點(diǎn)之間的接頭(A)處與彎曲光波導(dǎo)802的相一致。另外，彎曲光波導(dǎo)802的坐標(biāo)、傾角和曲率應(yīng)在彎曲光波導(dǎo)802的結(jié)束點(diǎn)與第二直線光波導(dǎo)804的開始點(diǎn)之間的接頭(B)處與第二直線光波導(dǎo)804的相一致。為了采用上述邊界條件，采用如下的多項(xiàng)式12以參數(shù)(t)表示路徑向量R(t)R→(t)=z(t)uz→+x(t)ux→---····(12)]]>其中， 和 分別表示Z軸和X軸的單位向量。
由于上述邊界條件對(duì)每個(gè)坐標(biāo)提供了6個(gè)邊界條件，最好，多項(xiàng)式12為第5階多項(xiàng)式。因此，由下面的方程式13得到z(t)和x(t)。z(t)=Σn=05antn]]>x(t)=Σn=05bntn---···(13)]]>當(dāng)在接頭A處t為零，并且在接頭B處t為L(zhǎng)時(shí)，根據(jù)上述邊界條件得到下述代數(shù)方程式14 這里，右邊矩陣中每一項(xiàng)上的點(diǎn)表示的是相對(duì)于(t)的微分，并且每一項(xiàng)由下述方程式15表示zi=zi,zi·=cosθi,zi··=-xisinθi]]>xi=xi,xi·=sinθi,xi··=xicosθi---···(15)]]>zf=zf,zf·=cosθf,zf··=-xfsinθf]]>xf=xf,xf·=sinθf,xf··=xfcosθf]]>其中，Xi和Xf分別是圓弧光波導(dǎo)開始和結(jié)束點(diǎn)的曲率。
ao至a5可從方程式14和15得到。 同樣，采用相同的方法，得到b0至b5，如下述方程式17所示 PA光波導(dǎo)是提供以P曲線形式連接圓弧波導(dǎo)的開始和結(jié)束點(diǎn)而形成的彎曲光波導(dǎo)。圖9表示的是曲率半徑為50000μm、內(nèi)角為90°的圓弧光波導(dǎo)和PA光波導(dǎo)。這里，點(diǎn)劃線表示的是圓弧光波導(dǎo)，實(shí)線表示的是PA光波導(dǎo)。采用方程式15來確定接頭A和B處的邊界條件，如下述方程式18所示zi=0,zi·=cosθi=1,zi··=-xisinθi=0]]>xi=0,xi·=sinθi=0,xi··=xicosθi=0---···(18)]]>zf=50000,zf·=cosθf=0,zf··=-xfsinθf=0]]>xf=50000,xf·=sinθf=1,xf··=xfcosθf=0]]>由于L等于R×θ，因此，根據(jù)方程式13、16和17確定z(t)和x(t)，如下述方程式19所示z(t)＝t＋5.936×10-11t3－3.198×10-15t4＋2.154×10-20t5，0≤t≤7.854×t4…(19)x(t)＝3.836×10-10t3－5.262×10-15t4＋2.154×10-20t5，0≤t≤7.854×t4圖9的PA光波導(dǎo)是通過在增大方程式19的參數(shù)t的同時(shí)，從連接光波導(dǎo)的開始點(diǎn)，即0，至L(7.854×104)，繪出方程式12的路徑向量R(t)的軌跡而得到的。
光波導(dǎo)是通過制作包括輸入光波導(dǎo)、多個(gè)輸出光波導(dǎo)和Y型接頭光波導(dǎo)模塊的帶圖案掩膜及具有上述位置和長(zhǎng)度的連接光波導(dǎo)模塊，并且在基底上形成掩膜圖案而制造出的。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性在本發(fā)明中，光耦合器是采用Y型接頭光波導(dǎo)模塊和連接光波導(dǎo)模塊而制造的，從而可以設(shè)計(jì)各種Y型接頭光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。另外，提高了模塊布局的自由度，從而光耦合器的設(shè)計(jì)容易。因此，能夠制造提高了產(chǎn)量的、比傳統(tǒng)光耦合器短的光耦合器。
權(quán)利要求
1.一種光耦合器，包括一輸入光波導(dǎo)和N個(gè)輸出光波導(dǎo)，用于將從輸入光波導(dǎo)接收到的光信號(hào)分割成N個(gè)光信號(hào)，并且將該N個(gè)光信號(hào)輸出到輸出光波導(dǎo)，所述光耦合器包括多個(gè)Y型接頭光波導(dǎo)，其以m個(gè)級(jí)配置，用于在每一級(jí)中將接收到的光信號(hào)分支為兩個(gè)光信號(hào)；和多個(gè)彎曲的光波導(dǎo)，其交替地連接到Y(jié)型接頭光波導(dǎo)、至少一個(gè)連接在第m級(jí)中Y型接頭光波導(dǎo)之間的彎曲光波導(dǎo)、和輸出光波導(dǎo)，其中，當(dāng)光信號(hào)的引導(dǎo)方向被設(shè)置為縱軸，并且輸入光波導(dǎo)與第一級(jí)Y型接頭光波導(dǎo)之間的接頭被設(shè)置為開始點(diǎn)時(shí)，確定Y型接頭光波導(dǎo)和彎曲光波導(dǎo)的位置和尺寸，以便使范圍從開始點(diǎn)至每個(gè)輸出光波導(dǎo)的N個(gè)路徑中的最長(zhǎng)路徑最小。
2.如權(quán)利要求1所述的光耦合器，其中，每個(gè)Y型接頭光波導(dǎo)具有一個(gè)入口和兩個(gè)出口，并且通過每個(gè)Y型接頭光波導(dǎo)的長(zhǎng)度和寬度及兩個(gè)出口之間的分支角度來確定Y型接頭光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1所述的光耦合器，其中，每個(gè)彎曲光波導(dǎo)的軌跡是通過每個(gè)彎曲光波導(dǎo)的曲率半徑和內(nèi)角來確定的。
4.如權(quán)利要求3所述的光耦合器，其中，每個(gè)彎曲光波導(dǎo)的軌跡是在將多項(xiàng)式的參數(shù)值從0改變到每個(gè)連接光波導(dǎo)的長(zhǎng)度值的同時(shí)，根據(jù)從縱軸和橫軸多項(xiàng)式獲得的值形成的，所述多項(xiàng)式的系數(shù)滿足預(yù)定邊界條件以避免在彎曲光波導(dǎo)的接頭處出現(xiàn)光信號(hào)的過渡損耗。
5.一種用于設(shè)計(jì)光耦合器的圖案掩膜，并且根據(jù)該圖案掩膜制造光耦合器的方法，所述光耦合器包括一輸入光波導(dǎo)；N個(gè)輸出光波導(dǎo)；多個(gè)Y型接頭光波導(dǎo)，其以m個(gè)級(jí)配置，用于在每一級(jí)中將接收到的光信號(hào)分支為兩個(gè)光信號(hào)；和多個(gè)彎曲的光波導(dǎo)，其交替地連接到Y(jié)型接頭光波導(dǎo)，至少一個(gè)彎曲光波導(dǎo)連接在第m級(jí)中Y型接頭光波導(dǎo)和輸出光波導(dǎo)之間，所述方法包括下列步驟(a)確定Y型接頭光波導(dǎo)的長(zhǎng)度、寬度和分支角度，并且根據(jù)所確定的Y型接頭光波導(dǎo)的長(zhǎng)度、寬度和分支角度來形成Y型接頭光波導(dǎo)模塊；(b)形成其尺寸取決于每個(gè)彎曲光波導(dǎo)的曲率半徑和內(nèi)角的連接光波導(dǎo)，用于將Y型接頭光波導(dǎo)彼此連接，并且將第m級(jí)Y型接頭光波導(dǎo)模塊連接到輸出光波導(dǎo)(c)當(dāng)輸入光波導(dǎo)和第一級(jí)Y型接頭光波導(dǎo)之間的接頭被設(shè)置為開始點(diǎn)，并且光信號(hào)的引導(dǎo)方向被設(shè)置為沿縱軸時(shí)，在確定連接光波導(dǎo)模塊的長(zhǎng)度以及Y型接頭光波導(dǎo)模塊和連接光波導(dǎo)模塊的位置以使得開始點(diǎn)與每個(gè)輸出光波導(dǎo)之間的縱向距離最小之后，在輸入光波導(dǎo)和每個(gè)輸出光波導(dǎo)之間排列Y型接頭光波導(dǎo)模塊和彎曲光波導(dǎo)模塊；和(d)根據(jù)所排列的結(jié)構(gòu)制造圖案掩膜。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中步驟(c)包括下列子步驟確定每個(gè)連接光波導(dǎo)模塊的曲率半徑，并且根據(jù)所確定的曲率半徑和每個(gè)連接光波導(dǎo)模塊的未知內(nèi)角獲得連接光波導(dǎo)模塊的長(zhǎng)度；根據(jù)每個(gè)Y型接頭光波導(dǎo)模塊的長(zhǎng)度和每個(gè)連接光波導(dǎo)的長(zhǎng)度，確定從開始點(diǎn)至每個(gè)輸出光波導(dǎo)的縱向和橫向距離；當(dāng)根據(jù)相鄰輸出光波導(dǎo)之間的間隔確定至每個(gè)輸出光波導(dǎo)的橫向距離時(shí)，得到在滿足預(yù)定限制條件的同時(shí)使縱向距離最小的內(nèi)角；和根據(jù)所得到的內(nèi)角，獲得每個(gè)Y型接頭光波導(dǎo)模塊的位置以及每個(gè)連接光波導(dǎo)模塊的位置和長(zhǎng)度。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述限制條件是對(duì)于每個(gè)路徑，Y型接頭模塊的分支角度與包含在范圍從開始點(diǎn)到每個(gè)輸出光波導(dǎo)的每個(gè)路徑中的連接光波導(dǎo)的內(nèi)角之和為0。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中計(jì)算內(nèi)角的步驟包括獲得滿足最小化步驟的多個(gè)內(nèi)角集合，并且確定使從內(nèi)角集合得到的路徑中的最長(zhǎng)路徑最小的內(nèi)角集合。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，對(duì)連接光波導(dǎo)模塊進(jìn)行布局的步驟包括如下步驟對(duì)連接光波導(dǎo)進(jìn)行布局，以使得連接光波導(dǎo)滿足第二限制條件，該第二限制條件使得通過每個(gè)連接光波導(dǎo)模塊的接頭的光線過渡損耗最小。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，第二限制條件包括在每個(gè)接頭處連接的每個(gè)模塊的入口和出口之間的坐標(biāo)匹配、切向傾角匹配和曲率匹配。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中每個(gè)連接光波導(dǎo)的軌跡是在將多項(xiàng)式的參數(shù)值從0改變到每個(gè)連接光波導(dǎo)的長(zhǎng)度值的同時(shí)，根據(jù)從縱向和橫向多項(xiàng)式得到的值來確定的，這些多項(xiàng)式具有在每個(gè)連接光波導(dǎo)的接頭處采用第二限制條件確定的系數(shù)。
全文摘要
提供了一種光耦合器及其制造方法。該光耦合器具有一輸入光波導(dǎo)(Ⅰ)和N個(gè)輸出光波導(dǎo)(O
文檔編號(hào)G02B6/122GK1332855SQ99815419
公開日2002年1月23日 申請(qǐng)日期1999年10月27日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月17日
發(fā)明者金德奉, 曹政煥, 李相潤(rùn), 李泰衡 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社