專利名稱：實(shí)現(xiàn)在光波導(dǎo)的交叉區(qū)域中低損失的設(shè)計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有交叉區(qū)域的光波導(dǎo)及其制造方法。
背景技術(shù)：
近幾年，作為解決伴隨電子系統(tǒng)的高集成化和高性能化而出現(xiàn)的信號延遲和傳送率增加等問題的方法，關(guān)注于高密度與并行性等出色的光線路。對于這個光線路來說，光電路不可缺少，但是，光電路成本高，所以可期待可以單純廉價地制做、以及樹脂(塑料等)制的光波導(dǎo)。光波導(dǎo)主要的構(gòu)成是核心(core)和包層(clad)，典型地具有包層包圍核心的配置。依據(jù)核心的折射率和包層的折射率的大小關(guān)系、和那些達(dá)到接觸的界面的光的入射向 角，重復(fù)作為光的傳播的原理的反射和折射。若打算廉價制造光波導(dǎo)，則優(yōu)選地，一層的核心在平面制作，但是若作為平面結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光波導(dǎo)的光線路，有時由多個光波導(dǎo)產(chǎn)生交叉區(qū)域，有時在那個交叉區(qū)域產(chǎn)生光的損失，所以如何降低這個損失成為應(yīng)該克服的課題。專利文獻(xiàn)I記載了，在有交叉區(qū)域的光波導(dǎo)中要降低在交叉區(qū)域的光的漏出把3個折射率η的大小關(guān)系設(shè)為nl (核心的交叉區(qū)域)>n2 (核心)>n3 (包層)的2維平面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及其光波導(dǎo)的制造?？墒?，沒有提及考慮以下方面的設(shè)計(jì)立體地捕捉核心的交叉區(qū)域，包含位于那個核心的交叉區(qū)域的上下的界面的性質(zhì)。專利文獻(xiàn)2記載了，在光波導(dǎo)互相交叉并形成交叉區(qū)域的、連接到交叉區(qū)域的光波導(dǎo)的那個交叉區(qū)域的連接位置，形成等同折射率的不連續(xù)帶(雜質(zhì)區(qū)域，或，槽部)的X交叉型光波導(dǎo)。可是，核心本身不是通過不連續(xù)帶分割的構(gòu)成，而是使在核心上設(shè)置的上部包層的厚度變化這樣的構(gòu)成。還有，關(guān)于那個目的，等同折射率的不連續(xù)帶作為光的遮蔽域起作用，在光傳播時減少交叉區(qū)域的光泄漏。專利文獻(xiàn)3記載了，形成格子狀的核心層，在光的行進(jìn)方向并行，在縫隙處分割核心層的交叉區(qū)域的光波導(dǎo)及其制造方法。通過設(shè)置縫隙，控制光的損失?？墒牵瑳]有記載分割的位置填充包層材料，也沒有考慮在立體地分割的位置填充的材料和對其上下配置的材料的共同性的設(shè)計(jì)。先行技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)I :特開2004-205537號公報專利文獻(xiàn)2 :特平方根3-287206號公報專利文獻(xiàn)3 :特開2006-139149號公報
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，降低由多個光波導(dǎo)的交叉形成的、在核心的交叉區(qū)域空間(通常，為長方體)的6個面的光的損失。換而言之，降低光的損失這個目標(biāo)在于,在降低光的漏出、閉光方面，對現(xiàn)有技術(shù)做出技術(shù)上的貢獻(xiàn)。在本發(fā)明的第I實(shí)施例中，公開了如下的核心的交叉區(qū)域結(jié)構(gòu)在構(gòu)成光波導(dǎo)的核心和包層中，對多個核心交叉的交叉區(qū)域空間的上下的2個面(取代使用包層材料)追加地配置與核心相同的材料。在本發(fā)明的第2實(shí)施例中，公開了如下的核心的交叉區(qū)域結(jié)構(gòu)在構(gòu)成光波導(dǎo)的核心和包層中，將多個核心交叉的交叉區(qū)域空間分割(孤立)的4個面，S卩，對于連接交叉區(qū)域空間的核心的其交叉區(qū)域空間的4個不連續(xù)空間(取代使用核心材料而連續(xù)連接)填充與包層相同的材料。降低由多個光波導(dǎo)的交叉形成的、在核心的交叉區(qū)域空間(通常，為長方體)的光的傳播損失(光的漏出)，并閉光。


圖I是表示光波導(dǎo)的主要的構(gòu)成的示意圖.圖2是表示在圖I的光波導(dǎo)的光的輸入輸出和光的漏出的關(guān)系的示意圖。圖3是核心的交叉區(qū)域結(jié)構(gòu)的斜視圖。圖4是表示本發(fā)明的第I實(shí)施例的光波導(dǎo)的交叉區(qū)域的構(gòu)成的圖。圖5是表示本發(fā)明的第2實(shí)施例的光波導(dǎo)的交叉區(qū)域的構(gòu)成的圖。圖6是表示關(guān)于本發(fā)明的第2實(shí)施例用于計(jì)算在光波導(dǎo)的交叉區(qū)域的損失的模型和使用這個模型根據(jù)波束傳播法計(jì)算的傳播損失的圖。圖7是與圖6的模型相對應(yīng)的折射率分布。圖8是表示根據(jù)BPM(Beam Propagation Method :波束傳播方法)算出的光的場強(qiáng)的分布的圖。圖9表示在本發(fā)明的第2實(shí)施例的光波導(dǎo)中對任意的包層部的折射率n3和相對折射率差(relative difference in refractive index) Λ尋求光的傳播損失成為最小的間隙寬度δπ η的圖。
具體實(shí)施例方式圖I是表示光波導(dǎo)的主要的構(gòu)成的示意圖。圖1(a)是平面圖。光波導(dǎo)4由核心2及包層3組成。這個圖的例子中，上下平行地排列的直線狀的3個核心2和左右平行地排列的直線狀的3個核心2，在平面上互相不平行，直角地交叉，所以核心2成為格子狀。只要多個核心2包括作為一層的核心在平面互相不平行的核心的組合，就呈現(xiàn)核心2的交叉區(qū)域1，這在幾何學(xué)上是必然的。在這個圖的例子中，核心的交叉區(qū)域I呈現(xiàn)9處。包層3包圍多個核心2，配置成按與多個核心2的關(guān)系形成界面。圖I (b)是圖I (a)的A-A’的斷面圖，圖I (C)是圖I (a)的B_B’的斷面圖。在這里，關(guān)于3個折射率η的大小關(guān)系，設(shè)為nl (核心的交叉區(qū)域)>n2 (核心)>n3 (包層)。關(guān)于這樣設(shè)定折射率的構(gòu)成，在專利文獻(xiàn)I也被說明。圖2是表示在圖I的光波導(dǎo)的光的輸入輸出和光的漏出的關(guān)系的示意圖。如圖2(a)所示，輸入光通過核心2直線傳播，如果可能，理想地其100%作為輸出光來引導(dǎo)?？墒牵诮徊鎱^(qū)域，如(b)所不,其一部分的光向橫穿左右交叉的核心露出，產(chǎn)生光的損失。在圖2(a)的例子中，同樣,輸入光從左輸入而輸出光向右輸出，輸入光從下輸入而輸出光向上輸出，這2個方向的光的流動也可能存在。因此，能理解，不僅是在平面中I個方向的光的流動的光的損失，還需要考慮在平面中2維的不同方向的流動的光的傳播損失。圖3是核心的交叉區(qū)域結(jié)構(gòu)的斜視圖。是圖1(a)的C-C’的斷面圖。核心的交叉區(qū)域I (必定)是一定的高度(厚度)H的空間，所以在多個核心2以直角(圖1(a)中90度)交叉的場合，成為長方體。核心的交叉區(qū)域2的寬度分別是Wl和W2。在多個核心2如X型交叉那樣地傾斜(圖1(a)中非直角的交叉角度)相交的場合，成為高度(厚度)H的鉆 石形的空間。以下，核心的交叉區(qū)域I也稱為核心的交叉區(qū)域空間I。在這里,核心的交叉區(qū)域空間I有6個面。所謂6個面是上面、下面、和4個側(cè)面。若以核心的交叉區(qū)域空間I為中心觀看，在核心的交叉區(qū)域空間I的上面，配置包層3(被包圍)并與包層材料的界面接觸，在核心的交叉區(qū)域空間I的下面，配置包層3 (被包圍)并與包層材料的界面接觸。另一方面，在核心的交叉區(qū)域空間I的4個側(cè)面，連續(xù)連接并形成核心2 (作為連續(xù)空間)。以上，圖I、圖2、圖3的說明是在專利文獻(xiàn)I中也同樣說明了的內(nèi)容，是現(xiàn)有技術(shù)。以下，在本發(fā)明中，將這個現(xiàn)有技術(shù)的全部或一部分組合以作為前提的構(gòu)成，作為那個構(gòu)成的改良展開說明。實(shí)施例I圖4是表示本發(fā)明的第I實(shí)施例的光波導(dǎo)的交叉區(qū)域的構(gòu)成的圖。這個構(gòu)成中，其特征在于，在圖3說明的核心的交叉區(qū)域空間I的上下的2個表中，與核心2相同的材料作為界面接觸，由此配置與核心2相同的材料。換而言之，其特征在于，對核心的交叉區(qū)域空間I的上面、下面的雙方，取代使用包層材料，成為用與核心2相同的材料形成蓋。在核心2的斷面使光以等偏角傳播這一點(diǎn)，優(yōu)選地，大致是正方形。在核心2的斷面為正方形的場合，核心的交叉區(qū)域空間I為立方體。采用這樣特征的構(gòu)成的技術(shù)的意義在于，在核心的交叉區(qū)域空間I的上下的2個表面中，調(diào)整界面的折射率比。換而言之，在于調(diào)整折射率比，以在交叉區(qū)域空間I的界面和不屬于交叉區(qū)域空間I的核心2的界面之間折射率比不變(連續(xù)恒定)。實(shí)際上，核心的交叉區(qū)域空間I的折射率是nl，與核心2相同的材料的蓋的折射率是n2，所以上面或下面的界面的折射率比是n2/nl。另一方面，在不屬于交叉區(qū)域空間I的位置的核心2和包層3接觸的界面的折射率比是n3/n2，能作為下面的(式I)的關(guān)系表示折射率比的關(guān)系在那些的多個界面不變(連續(xù)恒定)的設(shè)計(jì)思想。n2/nl=n3/n2(式 I)還有，蓋的高度(厚度)L可足夠高，使得折射率比的關(guān)系在界面中不變(連續(xù))，實(shí)際上降低來自光波導(dǎo)的輸入光的漏出。也可依據(jù)輸入光的波長和輸入光的模式，在設(shè)計(jì)中適宜地調(diào)整。以上，在交叉區(qū)域空間I、核心2、包層3能采用設(shè)定并配置不同的折射率的材料的設(shè)計(jì)。還有，已知通過照射光等對材料施加后續(xù)的作用，隨后使折射率不同，所以也能應(yīng)用提及的作用。因此，光波導(dǎo)能在以樹脂為材料進(jìn)行的光硬化等的處理中制作。這樣的蓋的構(gòu)成，能在光刻中圖形化制作。例如，已知通過光照射折射率上升，并且，曝光量越多折射率越大的樹脂。另一方面，還已知通過光照射折射率減少，并且，曝光量越多折射率越小的樹脂。因此，在光刻中圖形化制作的經(jīng)過中，能容易地導(dǎo)入。實(shí)施例2圖5是表示本發(fā)明的第2實(shí)施例的光波導(dǎo)的交叉區(qū)域的構(gòu)成的圖。這個構(gòu)成中，·其特征在于，對于核心2和核心的交叉區(qū)域空間I之間的4個不連續(xù)空間(在圖3說明的核心的交叉區(qū)域空間I分割(孤立)的4個側(cè)面，S卩，核心2在交叉區(qū)域空間I本來要連接位置)，填充與包層3相同的材料。換而言之，其特征在于如下結(jié)構(gòu)對核心的交叉區(qū)域空間I的4個側(cè)面，取代使用向核心2連續(xù)連接地核心材料，而是填充與包層3相同的材料。換而言之，這個結(jié)構(gòu)成為考慮在立體地分割了的位置的不連續(xù)空間填充的材料、和與其不連續(xù)空間的上下配置的材料的共同性的設(shè)計(jì)?；颍〈指盍说暮诵?，填充的包層材料成為橋接其分割的方式。不連續(xù)空間捕捉本來連續(xù)連接(實(shí)際上不是)的位置的核心成為不連續(xù)的形態(tài)的幾何學(xué)，表現(xiàn)(核心的)間隙、(核心的)槽等。這個不連續(xù)空間也可以用光刻圖形化制作，一旦制作了連續(xù)連接的核心后，根據(jù)激光加工和機(jī)械加工等切削不連續(xù)空間等，此后用包層材料填充來制作。還有，由于能采用與上下的包層材料共同的包層材料，能容易地導(dǎo)入填充的處理。圖6是表示關(guān)于本發(fā)明的第2實(shí)施例用于計(jì)算在光波導(dǎo)的交叉區(qū)域的損失的模型和使用這個模型根據(jù)波束傳播法計(jì)算的傳播損失的圖。圖6(a)是對4個側(cè)面的全部設(shè)置間隙的場合的模型。在這里的條件如下核心2的折射率η2=1· 593 (從I. 4^1. 6的范圍的選擇)，包層3的折射率η3=1. 542 (從I. 4 I. 6的范圍的選擇)，相對折射率差(relative differencein refractive index)Λ，若為圖9(a)的橫軸所示的式(式2)，則Λ =5%。條件還有核心的交叉區(qū)域空間I是立方體，核心2是正方形斷面，H=ffl=W2=35 μ m0輸入的光的波長是λ =850nm。還有，圖6(b)表示模型的傳播損失。(b)的橫軸是間隙的寬度，縱軸是損失。這個模型中，槽寬度δ為2μηι(δη η)附近的場合特別有意義,在數(shù)值范圍表示在I μ m 6 μ m的場合有利，可認(rèn)識到，達(dá)到Iym 4μπι的范圍的場合則更加有意義。從這個圖，在槽寬度為δ min時,光的傳播損失最小。圖7是與圖6的模型相對應(yīng)的折射率分布。橫軸表不與光的傳播方向垂直的方向的位置，縱軸是光的傳播方向的位置，交叉區(qū)域的位置位于縱軸中心。數(shù)字的單位是入射光的波長(850nm)。
圖8是表示根據(jù)BPM(Beam Propagation Method :波束傳播方法)算出的光的場強(qiáng)的分布的圖。對應(yīng)圖7，測量的橫軸和縱軸相對應(yīng)，關(guān)于橫軸成為2倍的比例尺。在這里，以扇形延長的變化出現(xiàn)，但是，這表示在交叉部的光為少量漏出的情況。圖9表不在本發(fā)明的第2實(shí)施例的光波導(dǎo)中對任意的包層部的折射率n3和相對折射率差Λ尋求光的傳播損失成為最小的間隙寬度δπ η的圖。(a)是表示向如圖6所示的、本發(fā)明的第2實(shí)施例的光波導(dǎo)入射波長850nm的光時的傳播損失成為最小的間隙寬度5min以及包層和核心的相對折射率差Λ的關(guān)系的圖。在圖中，表示包層部的折射率η3是1.5，光的波長是85011111的場合的例子。圖中的線是線形近似δπ η和Λ的關(guān)系時的圖表。關(guān)于其他的η3的值δ min和Λ的關(guān)系也能同樣地線形近似。圖9 (b)中，分別表示線形近似圖9 (a)的δ min和Λ時的圖表的截距A和斜率B，即對于包層部的折射率n3的圖。圖中的線是線形近似各個關(guān)系時的圖表。圖9 (c)中表示對各波長，線形近似A和n3的關(guān)系時的圖表的截距Atl和斜率D。同樣,表不對各波長,線形近似的B和n3的關(guān)系時的圖表的截距Btl和斜率E。據(jù)此，對任意的相對折射率差Λ和包層部的折射率η3，能算出光的傳播損失變成最小的間隙寬度δ min的值。 在這個理論的算出中，使用了以下的條件?！床鄣膶挾鹊姆秶翟O(shè)為下列的范圍。包層的折射率(refractiveindex)n3 :1. 4 I. 8入射光的波長(wavelength)λ :850 1350nm核心和包層的相對折射率差(relativedifference in refractive index) Δ
Γ5%波導(dǎo)核心寬度及高度(waveguidewidthand height) Wl, W2, H :30 50nm(在這里，ffl=W2=H)〈槽的寬度的求法〉對具有任意的包層的折射率n3、光的波長λ、以及特定的包層部和核心部的相對折射率差的光波導(dǎo)，光的傳播損失成為最小的槽的寬度Smin能用下列的方法求出。在圖9 (a)，通過波束傳播方法算出包層部的折射率η3是I. 5的場合的、光波導(dǎo)的光的傳播損失成為最小的δ的值δπ η，對相對折射率差Λ的值進(jìn)行繪制。數(shù)據(jù)能如下地近似線形δ min=B Δ +A(式 3)這里，B和A分別是斜率和Y截距。在其他的包層部的折射率n3的值的場合，也能同樣地線形近似，求出斜率和Y截距。如圖9(b)為與包層的折射率n3相對，分別繪制斜率A和Y截距B。若線形近似各個的圖表，則用下面的式表示A=Dn3+A0(式 4)B=En3+B0(式 5)。在這里，D和E是各個圖表的斜率的參數(shù)，AO和BO是Y截距的參數(shù)。因此，光的傳播損失成為最小的槽寬δ min如下來求出。I.使用(式4)和(式5)，分別求出對想尋求的n3值的，A和B的值。2.使用I.中得到的A和B的值，根據(jù)(式3)求出δ min的值。
交叉區(qū)域空間的尺寸是H(高度)=Wl (寬度)=W2(寬度)=35 μ m，相對屈折率差Λ =5%條件下,求出槽寬δ=2μηι。交叉區(qū)域空間的尺寸是H (高度)=Wl (寬度)=W2 (寬度)=3(Γ50 μ m,相對屈折率差Λ =2 5%條件下，求出槽寬δ=1 6μπι。在這里，本發(fā)明說明了在核心和包層的“界面”存在折射率的階差(步階)的步階率光纖?？墒?，也可適用于 核心的折射率不同，對折射率傾斜的梯度率光纖(GI光纖)。GI光纖中，折射率是核心的中心最高，朝向核心的外側(cè)略微降低，在包層的界面與包層相同，在核心和包層之間，折射率的階差不存在。即，“界面”是根據(jù)核心和包層的“關(guān)系形成”，且不需要清楚定義成固定空間或固定物理位置。依據(jù)波長λ，以及根據(jù)光照到“界面”的入射角，重復(fù)作為光的傳播的原理的反射和折射。作為本發(fā)明的技術(shù)的思想的范圍，“界面”的用語的意義應(yīng)廣泛地解釋。應(yīng)注意折射率的設(shè)定不需要根據(jù)核心的交叉區(qū)域?yàn)閚l，核心為n2，包層為n3，這樣嚴(yán)密均勻的材料，只要本領(lǐng)域技術(shù)人員能再現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)的思想的情況。符號的說明I核心的交叉區(qū)域，核心的交叉區(qū)域空間2 核心3 包層4光波導(dǎo)5 蓋6間隙、槽、不連續(xù)空間H(核心的交叉區(qū)域空間的)高度L蓋的高度(厚度)nl折射率(核心的交叉區(qū)域)n2折射率(核心)n3折射率(包層)Wl (核心的交叉區(qū)域空間的)寬度W2 (核心的交叉區(qū)域空間)寬度
權(quán)利要求
1.一種光波導(dǎo)，其特征在于，包括 多個核心(2)，上述多個核心作為一層的核心是在平面配置的直線狀，包括在平面互相不平行的核心的組合，由折射率n2的材料組成； 包層(3)，包圍多個核心，配置成按與多個核心的關(guān)系形成界面，由折射率n3的材料組成； 核心的交叉區(qū)域空間(I)，多個核心互相交叉而形成，由折射率nl的材料組成； 其中，折射率的大小關(guān)系設(shè)定為nl (核心的交叉區(qū)域)>n2 (核心)>n3 (包層)； 對核心的交叉區(qū)域空間的上面及下面，以折射率n2的材料作為蓋來配置；按核心和包層的關(guān)系形成的界面的折射率比n2/n3等于按核心的交叉區(qū)域空間和蓋的關(guān)系形成的界面的折射率比nl/n2。
2.一種光波導(dǎo)，其特征在于，包括 多個核心(2)，上述多個核心作為一層的核心是在平面配置的直線狀，包括在平面互相不平行的核心的組合，由折射率n2的材料組成； 包層(3)，包圍多個核心，配置成按與多個核心的關(guān)系形成界面，由折射率n3的材料組成； 核心的交叉區(qū)域空間(I)，多個核心互相交叉而形成，由折射率n2的材料組成； 其中，折射率的大小關(guān)系設(shè)定為n2 (核心)>n3 (包層)； 在核心的交叉區(qū)域空間的4個側(cè)面，與交叉的4個核心之間分割，形成4個寬度δ的間隙，分割的4個寬度δ的間隙用折射率η3的材料來填充。
3.如權(quán)利要求2所述的光波導(dǎo)，其特征在于， 交叉區(qū)域空間的尺寸是H (高度)=Wl (寬度)=W2 (寬度)=35 μ m,相對折射率差Λ =5%的條件下，則槽寬度δ=2μπι。
4.如權(quán)利要求2所述的光波導(dǎo)，其特征在于， 交叉區(qū)域空間的尺寸是Η(高度)=W1 (寬度)=W2(寬度)=3(Γ50μπι，相對折射率差Δ =2 5%的條件下，則槽寬度δ =Γ6 μ m。
5.如權(quán)利要求3所述的光波導(dǎo),其特征在于， 核心2的折射率n2=l. 593，包層3的折射率n3=l. 542。
6.如權(quán)利要求3所述的光波導(dǎo),其特征在于， 核心2的折射率η2=1. ΓΙ. 6，包層3的折射率η3=1. Γ . 6。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于，降低由多個光波導(dǎo)的交叉形成的、在核心的交叉區(qū)域空間(通常，為長方體)的6個面的光的損失。公開了如下的核心的交叉區(qū)域結(jié)構(gòu)其配置為，在構(gòu)成光波導(dǎo)的核心和包圍核心的包層中，對多個核心交叉的交叉區(qū)域空間的上下的2個面(取代使用包層材料)追加地配置與核心相同的材料。此外，還公開了如下的核心的交叉區(qū)域結(jié)構(gòu)在構(gòu)成光波導(dǎo)的核心和包層中，將多個核心交叉的交叉區(qū)域空間分割(孤立)的4個側(cè)面，即，對于連接交叉區(qū)域空間的核心的其交叉區(qū)域空間的4個不連續(xù)空間(取代使用核心材料而連續(xù)連接)填充與包層相同的材料。
文檔編號G02B6/122GK102918437SQ20118002518
公開日2013年2月6日 申請日期2011年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月30日
發(fā)明者平洋一, 小原小百合, J·海魯克斯 申請人:國際商業(yè)機(jī)器公司