光波导体及其制造方法以及具有该光波导体的光器件的制作方法

专利名称：光波导体及其制造方法以及具有该光波导体的光器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及反射型光波导体及其制造方法以及具有该光波导体的光器件。该光器 件能够使用于光纤通信网等中本申请主张基于2007年12月21日在日本提出的专利申请2007-331004号的优 先权，并将其内容引入本申请。
背景技术：
在光通信中，高密度波长复用(DWDM:DenseWavelength-DivisionMultiplexing) 传送的宽波段化、高速化不断发展。为了进行高速传送，作为该传送线路，希望使传送波段中的波长色散尽可能地小， 另一方面，为了抑制非线形效应，希望使用波长色散不为零的光纤。但是，对于已经在广范 围中铺设的光纤来说，在色散较大的波长区域中使用的情况较多。例如，在波长1. 3 μ m附近具有零色散的标准单模光纤(S-SMF =Standard Single-Mode Fiber)，由于添加铒的光纤放大器被实用化，能够在波长1. 53 1. 63 μ m波 段中使用。此外，使零色散在波长1.55μπι附近偏移的色散移位光纤(DSF dispersion Shifted Fiber)，不仅能够在C波段中使用，也能够在S波段或L波段中使用。此外，还 具有在波长1. 55 μ m不是零色散的各种非零色散移位光纤(NZ-DSF =Non-ZeroDispersion Shifted Fiber)。在DWDM中使用这些光纤时，在广泛的波长范围内的残留色散的补偿技术 非常重要。使用各种技术进行色散补偿。其中，使用色散补偿光纤(DCF dispersion Compensation Fiber)的色散补偿是最为实用化的技术(例如，参照专利文献1、2)。为了 得到期望的色散补偿量，DCF控制光纤的折射率分布。但是，DCF通常需要成为与作为补偿 的对象的光纤相同程度的长度。因此，在模块化该DCF时，不仅需要大的设置空间，传送损 失也不能够忽略。此外，需要对DCF进行准确的折射率分布的控制，不仅难以制作，也难以 实现在广波段中要求的色散补偿量。光纤布拉格光栅(FBG :Fiber Bragg Grating)也是常用于色散补偿的一种技术 (例如，参照专利文献3)。FBG是，通过对光纤照射UV光，使光纤芯的折射率变化，形成由于 折射率的不同而产生的光栅，由此进行色散补偿。由此，能够实现色散补偿用的小型器件， 但难以进行折射率变化的控制。进一步，光纤的折射率的变化存在极限，因此，能够实现的 色散补偿特性存在极限。此外，使用FBG的器件的小型化和大量生产也存在极限。平面光波导(PLC =Planar Lightwave Circuit)使用在平面中构造的光回路，进行 色散补偿。晶格型PLC是其一个例子(例如参照非专利文献1)。但是，晶格型PLC是，使 耦合共振器级联连接而控制色散，基于数字IIRdnfinite Impulse Response，无限脉冲响 应)滤波器的原理。因此，实现的色散量有限。也可以考虑由阵列波导光栅(AWG:Arrayed Waveguide Grating)进行分波，对每 个波道施加波程差，调整延迟时间后，由准直透镜再次进行合波的方法(例如，参照专利文
4献4)。但是，在该方法中结构复杂制作困难，而且需要的空间变大。VIPA(VirtualIy Imaged Phased Array，成虚像的相控阵列)型色散补偿器，是由 在薄板两面涂层有反射膜的波长色散元件(VIPA板)和反射镜构成的色散补偿器件(例如 参照专利文献5)。该器件以三维结构调整色散。因此，结构复杂，在制造上要求极高的精度。此外，在DWDM中，在广波段中使用各种光纤放大器。例如，以添加铒的光纤放大器 为代表的光纤放大器中，放大特性具有波长依存性。因此，在不同的波长下具有不同的增益 (例如参照非专利文献2)。这是传送的信号的S/N比劣化的原因。为了改善该S/N比的劣 化，在使用的各波道中，需要具有相同的增益。特别是，在DWDM中，因为使用广波长范围，所 以使该波长范围的增益平坦化的增益均衡器的技术非常重要。作为增益均衡器，能够使用上述的FBG、AWG、液晶等各种技术。在使用FBG的技术 中，如上所述折射率变化的控制困难，折射率的变化存在极限。因此，在广波长范围中进行 增益的平坦化存在极限。在使用AWG的技术中，在由该AWG进行分波，对每个波道控制增益 之后，再次进行合波，由此能够使增益平坦化。但是，AWG不仅构造复杂且制造困难，而且需 要的空间变大。此外，也存在将AWG和以LiNbO3这样的结晶制作的移相器组合而得的增益 均衡器，但是也同样结构复杂。使用液晶的技术中，对液晶施加电压，改变液晶内的分子的分极方向，由此控制光 的衰减量。但是，在该方法中，需要使光在空间上分波，装置的结构复杂。而且，在DWDM中，在广波段中以多个波道进行通信，波道的add/drop、分波/合波 广泛进行。因此，需要滤波器或进行多个波道的滤波的滤波器组。作为滤波器，使用各种技术。其中，使用光纤耦合器的技术最为实用化(例如，参 照非专利文献3)。但是，该技术在广波长波段下的适应困难，不能够有选择地进行滤波。此外，与上述的色散补偿同样，存在使用FBG的技术，但是折射率变化的控制困 难，光纤的折射率的变化存在极限，因此能够实现的滤波特性存在极限。也存在使用AWG的 技术，但是不仅构造复杂且制作困难，需要的空间也会变大。而且，滤波器的损失变大。专利文献1 日本专利第3857211号公报专利文献2 日本专利第3819264号公报专利文献3 日本特开2004-325549号公报专利文献4 日本专利第3852409号公报专利文献5 日本特开2005-275101号公报非专 利文献 1 :K. Takiguchi, et. al, "Dispersion slope equalizer fordispersion shifted fiber using a lattice-form programmable opticalfilter on a planar lightwave circuit,"J. Lightwave Technol.,pp.1647-1656,vol.16,no. 9,1998非专利文献 2 :H. Masuda, et. al, "Design and spectral characteristics of gain-flattened tellurite-based fiber Raman amplifies, "J. Lightwave Technol., pp. 504-515，vol. 24，no.1,2006非专利文献 3 :K. Morishita, et. al, "Fused fiber couplers madeinsensitive by the glass structure change,"J. Lightwave Technol. ,pp.1915-1920,vol. 26,no. 13, 2008
在进行DWDM时，上述现有技术的问题如下所述。1 使用DCF的色散补偿，由于使用较长的光纤而需要的空间变大，难以小型化。此 外，能够实现的色散补偿特性存在极限。2 使用FBG时，光纤的折射率的变化存在极限。因此，能够实现的色散补偿特性、 增益的平坦化、滤波器特性存在极限。在使FBG重合的情况下，也是同样。3 使用晶格型PLC的色散补偿能够实现的色散补偿量较小。4:使用AWG时，结构复杂，制造困难，成本变高。此外，要求空间变大，器件的小型 化困难。5 =VIPA型色散补偿器的结构复杂，制造困难，成本变高。6 使用了液晶的增益均衡器中，装置的结构复杂。因此，制造困难，成本变高。S卩，关于搭载有色散补偿器、增益均衡器、滤波器等的光波导体，在进行DWDM时， 希望开发能够得到期望的色散特性、波长特性等的光波导体，使得能够应对广波长范围。

发明内容
本发明鉴于上述问题而提出，目的在于提供一种能够容易地控制折射率的变化、 小型且制造容易、能够进行低成本化的光波导体。本发明为了解决上述问题而采用以下手段。(1)本发明的光波导体，具有包层和埋入在该包层中的芯，通过改变上述芯的物理 尺寸，使该芯的等效折射率在光传送方向上不均勻地变化。(2)优选上述芯的宽度在上述光传送方向上不均勻地分布。(3)优选上述芯的宽度以从上述芯的中心起的上述芯宽度方向的两侧对称的方式 在上述光传送方向上不均勻地分布。(4)优选上述芯的宽度以从上述芯的中心起的上述芯宽度方向的两侧非对称的方 式在上述光传送方向上不均勻地分布。(5)优选对上述芯的宽度而言，从上述芯的中心起的上述芯宽度方向的两侧中仅 一侧在上述光传送方向上不均勻地分布。(6)优选上述芯直线状地设置。(7)优选上述芯弯曲状地设置。(8)优选上述光传送方向上的上述芯的等效折射率分布由下述设计法设计使用 Zakharov-Shabat方程式，根据反射系数的光谱数据，作为数值导出的逆散射问题，对位势 函数进行求解；根据由该逆散射问题得到的值，推测用于实现期望的反射光谱的位势。(9)优选上述光传送方向上的上述芯的等效折射率分布由下述方法设计使用导 入了作为向光波导体的前方和后方传送的电力波的振幅的变量的波动方程式，回归至具有 从上述光波导体的等效折射率的对数的微分导出的位势的Zakharov-Shabat方程式，根据 反射系数的光谱数据，作为数值导出的逆散射问题，对位势函数进行求解；根据由该逆散射 问题得到的值，推测用于实现期望的反射光谱的位势；基于该位势求取等效折射率；根据 预先求得的规定的上述芯的厚度、上述等效折射率、上述芯的尺寸的关系，计算上述光波导 体在光传送方向上的上述芯的宽度分布。(10)本发明的光器件，在具有上述(1)所记载的光波导体的光器件中，优选上述光波导体的一端为透射端，另一端为反射端；上述透射端由无反射终端终结；在上述反射 端经由循环器或方向性耦合器取出光输出。(11)上述光器件优选是光波导型波长色散补偿器件。(12)上述光波导体优选在中心波长λ。为1280nm彡λ。彡1320nm和 1490nm彡λ。彡1613nm的范围、动作波段ABW为0. Inm ^ ABff ^ 40nm的范围 中，具有色散D为-1500pS/nm彡D彡2000ps/nm的范围、色散斜率与色散的比RDS 为-0. InnT1 ( RDS ( 0. InnT1的范围的特性。(13)优选上述光器件为增益均衡器。(14)优选上述光器件是滤波器。(15)优选上述光波导体分为多个波道，在上述各波道反射期望的波长区域的光。(16)优选在上述各波道之间群延迟不同。(17)本发明的光波导体的制造方法是，设置光波导体的下包层；接着，在上述下 包层上，设置比该下包层折射率大的芯层；接着，对上述芯层实施，留下以芯的等效折射率 在光传送方向上不均勻变化的方式设计的规定的芯形状，而除去这之外的部分的加工，来 形成芯；接着，设置覆盖上述芯的上包层。上述(1)所述的光波导体，埋入在包层中的芯的等效折射率在光传送方向上不均 勻地变化。因此，与使用FBG等的情况相比较，等效折射率的变化率变大，而且能够精细且 准确地进行控制。此外，因为结构不复杂，所以能够以公知的制造工艺大量制造，能够实现 低成体化。根据上述(11)所述的光器件(光波导型波长色散补偿器件)，通过具有本发明的 光波导体，与使用色散补偿光纤等的现有技术相比较，能够小型化，设置空间变小。此外，与 现有的使用FBG的色散补偿相比较，能够得到能够实现的色散补偿特性变广等优异的色散 补偿特性。而且，与使用PLC、VIPA、AWG等的现有的色散补偿器件相比，构造简单，能够以低 成本进行制造。根据上述(14)所述的光器件(增益均衡器)，通过具有上述(1)所述的光波导体， 与现有的使用FBG的增益的平坦化相比较，能够在广波长范围中进行增益的平坦化。因此， 能够达到传送的信号的S/N比的劣化的减少。此外，与AWG等相比构造简单，能够以低成本 进行制造。根据上述(15)所述的光器件(滤波器)，通过具有上述(1)所述的光波导体，即使 是广波长波段也能够有选择地进行滤波。此外，与AWG等相比构造简单，能够以低成本进行 制造。根据上述(19)所述的光波导体的制造方法，如上所述，能够以低成本且高效地制 造能够得到期望的色散特性、波长特性等的光波导体。


图1是表示作为本发明的光波导体的一个实施方式的NPWG结构的概略立体图；图2A是表示芯的宽度的分布形状的一个例子的概略平面图；图2B是表示芯的宽度的分布形状的另一个例子的概略平面图；图3是举例表示将芯设置为弯曲状的情况的概略平面7
图4是表示本发明的光波导型波长色散补偿器件的一实施方式的结构图；图5是表示实施例1的NPWG的位势分布的图表；图6是表示实施例1的NPWG的群延迟特性的图表；图7是表示实施例1的NPWG的反射率特性的图表；图8是表示使用h3 = 6μπι、相对折射率差Δ = 0.6%的芯时，波长1550nm下的 等效折射率与芯宽度的关系的图表；图9是表示实施例1的NPWG的芯宽度分布的图表；图10是表示实施例1的NPWG的等效折射率的分布的图表；图11是表示在实施例1的NPWG中使用高初始折射率时的NPWG的芯宽度的分布 的图表；图12是表示在实施例1的NPWG中使用高初始折射率时的NPWG的等效折射率分 布的图表；图13是表示实施 歹2的NPWG的位势分布的图表；
图14是表示实施 歹2的NPWG的群延迟特性的图表；
图15是表示实施 歹2的NPWG的反射率特性的图表；
图16是表示实施 歹2的NPWG的芯宽度分布的图表；
图17是表示实施 歹2的NPWG的等效折射率的分布的图表
图18是表示实施 歹3的NPWG的位势分布的图表；
图19是表示实施 歹3的NPWG的群延迟特性的图表；
图20是表示实施 歹3的NPWG的反射率特性的图表；
图21是表示实施 歹3的NPWG的芯宽度分布的图表；
图22是表示实施 歹3的NPWG的等效折射率的分布的图表
图23是表示实施 歹4的NPWG的位势分布的图表；
图24是表示实施 歹4的NPWG的群延迟特性的图表；
图25是表示实施 歹4的NPWG的反射率特性的图表；
图26是表示实施 歹4的NPWG的芯宽度分布的图表；
图27是表示实施 歹4的NPWG的等效折射率的分布的图表
图28是表示实施 歹5的NPWG的位势分布的图表；
图29是表示实施 歹5的NPWG的群延迟特性的图表；
图30是表示实施 歹5的NPWG的反射率特性的图表；
图31是表示实施 歹5的NPWG的芯宽度分布的图表；
图32是表示实施 歹5的NPWG的等效折射率的分布的图表
图33是表示实施 歹6的NPWG的位势分布的图表；
图34是表示实施 歹6的NPWG的群延迟特性的图表；
图35是表示实施 歹6的NPWG的反射率特性的图表；
图36是表示实施 歹6的NPWG的芯宽度分布的图表；
图37是表示实施 歹6的NPWG的等效折射率的分布的图表
图38是表示实施 歹7的NPWG的群延迟特性的图表；
图39是表示实施 歹8的NPWG的位势分布的图表；
图40是表示实施例8的NPWG的群延迟特性的图表；图41是表示实施例8的NPWG的反射率特性的图表；图42是表示实施例8的NPWG的芯宽度分布的图表；图43是表示实施例8的NPWG的等效折射率的分布的图表；图44是表示实施例9的NPWG的位势分布的图表；图45是表示实施例9的NPWG的群延迟特性的图表；图46是表示实施例9的NPWG的反射率特性的图表；图47是表示实施例9的NPWG的芯宽度分布的图表；图48是表示实施例9的NPWG的等效折射率的分布的图表；图49是表示实施例10的NPWG的位势分布的图表；图50是表示实施例10的NPWG的群延迟特性的图表；图51是表示实施例10的NPWG的反射率特性的图表；图52是表示实施例10的NPWG的芯宽度分布的图表；图53是表示实施例10的NPWG的等效折射率的分布的图表；图54是表示本发明的增益均衡器的一实施方式的结构图；图55是表示本发明的滤波器的一实施方式的结构图；图56是表示实施例11的NPEG的反射率特性的图表；图57是表示实施例11的NPWG的芯宽度分布的图表；图58是表示实施例12的NPEG的反射率特性的图表；图59是表示实施例12的NPWG的芯宽度分布的图表；图60是表示实施例13的NPEG的反射率特性的图表；图61是表示实施例13的NPWG的群延迟特性的图表；图62是表示实施例13的NPWG的芯宽度分布的图表；图63是表示实施例14的NPEG的反射率特性的图表；图64是表示实施例14的NPWG的群延迟特性的图表；图65是表示实施例14的NPWG的芯宽度分布的图表；图66是表示实施例15的NPEG的反射率特性的图表；图67是表示实施例15的NPWG的群延迟特性的图表；以及图68是表示实施例15的NPWG的芯宽度分布的图表。附图符号说明10NPWG ； 11芯；12包层；13反射端；14透射端；15循环器；16无反射终端；20光波 导型波长色散补偿器件；30增益均衡器；40滤波器
具体实施例方式本发明的光波导体中，埋入在包层中的芯的等效折射率在光传送方向不均勻地变 化。以下，参照

本发明的光波导体的实施方式。图1是表示本发明的光波导体的一个实施方式的概要立体图。本实施方式的光波 导体，作为使芯的等效折射率在光的传送方向上不均勻变化的单元，优选使用使芯的宽度w在长度方向(ζ)变化的具有非均勻的宽度的平面波导(Non-uniform Planar WaveGuide,以 下记为NPWG)。此处，非均勻是指，物理尺寸与波导的前进方向的位置一同变化。图1中，符 号10是NPWG，符号11是芯，符号12是包层。本实施方式的NPWGlO在包层12中具有芯11。如图1所示，芯11具有一定的高 度h3。此外，芯11的宽度w在长度方向(ζ)方向上不均勻地变化，使波导的传送模式的局 部等效折射率变化。NPffGlO的动作原理与FBG的光栅看起来类似。但是，关于等效折射率的变化，在 FBG中使介质的折射率变化，与此相对，本实施方式的NPWG10，通过使芯11的宽度沿着长度 方向变化，使等效折射率变化。像这样，关于等效折射率的变化，两者的动作原理是完全不 同的。NPffGlO中，通过使芯11的宽度沿长度方向变化而得到的等效折射率的变化率，与 FBG的情况相比较大，而且能够容易地进行精细且准确的控制。NPffGlO的结构是平面性的，因此，能够以公知的制造工艺大量地进行制造，能够实 现低成本化。该NPWG10，能够使用石英玻璃类材料。在该情况下，例如，以纯石英玻璃制作包层， 芯使用添加有锗的石英玻璃即可。此外，也能够使用树脂类材料。此外，在使用硅类材料作为NPWGlO的情况下，如果在该硅类材料上添加电极并进 行控制，则能够实现可变器件。此外，在对该器件施加热的情况下，由于材料的热膨胀而波 导变长。因此，使特性向长波长侧偏移。利用该特性，则能够实现利用热控制的可变器件。NPWGlO的芯宽度的分布，使用根据期望的反射光谱得到需要的宽度分布的逆散射 问题的方法进行设计。首先，如下所述地将传送至NPWGlO的电磁场定式化(参考文献J. E. Sipe， L.Poladian, and C. Martijn de Sterke, "Propagation throughnonuniform grating structures, " J. Opt. Soc. Am. A, vol. 11,no. 4. pp. 1307_1320，1994)。假设电磁场的时间变 化为exp (_i ω t)，根据Maxwell方程式，传送至NPWG10的电磁场以下式(1)、(2)表示。
其中，上述式(1)、(2)中，Ε、H分别表示电场和磁场的复振幅，η表示波导的折射率。此处，将由下式(3)、(4) 定义的，向z的前方传送的电力波的振幅Α+(ζ)和向ζ的后方传送的电力波的振幅 Α-(z)分别导入上述式(1)和式(2)。其中，Ztl=√u0/so表示真空中的阻抗，Iitl表示参照折
射率。由这些变量分别导出下式(5)、(6) 其中，c表示真空中的光速。这些式(5)、(6)由下式(7)
量变换，分别回归到下式(8)、(9)所示的Zakharov-Shabat方程式 dv\{x^ k) 其中，ω。表示参照角频率。这些Zakharov-Shabat方程式能够作为逆散射问题进行求解。即，根据由下式 (10)
(10)定义的反射系数的光谱数据，能够数值求解位势函数U(X)(参考文献: P. V. Frangos and D· L Jaggard，"A numerical solution to theZakharov-Shabat inverse scattering problem,"IEEE Trans. Antennasand Propag·，vol· 39，ηο· l，pp· 74-79，1991)。将其应用于上述问题，则能够求得用于实现期望的反射光谱的位势。此处，反射光 谱是指，由相对波长的群延迟量和反射率得到的复反射数据。如果得到了位势u(x)，则局部等效折射率n(x)如下式(11)那样被求得。
(^)进一步，根据要实际制作的波导的芯的厚度与、由芯的折射率和包层的折射率求 得的相对芯的宽度的等效折射率的关系，求取光的传送方向上规定位置的芯宽度W(X)。在将本发明的NPWGlO用于后述的色散补偿器件20时，考虑被补偿光纤的使用波 长、使用波段和使用长度，以与被补偿光纤的色散相反的方式(能够进行色散补偿)制作光 谱数据，使用上述设计方法求解逆问题，设计NPWG10。由此，能够实现小型且高性能的色散 补偿器件20。在将本发明的NPWGlO用于后述的增益均衡器30时，相对增益均衡器30的光
进行变
(7)纤系统，以与该增益光谱相反的方式制作光谱数据，使用上述设计方法求解逆问题，制作 NPWG10,由此，能够实现增益均衡器30。作为增益光谱的形状，根据应用的增益均衡器30而 适当设定即可。考虑近似曲线时，能够举出sin波形状、高斯分布形状等。在将本发明的NPWGlO用于后述的滤波器40时，相对进行滤波的波长区域，以与该 增益光谱相反的方式制作光谱数据，使用上述设计方法求解逆问题，制作NPWG10，由此实现 滤波器40。本发明的NPWGlO例如能够以下述方式制造。首先，设置NPWGlO的下包层。接着，在上述下包层上，设置比该下包层折射率大的 芯层。接着，对上述芯层实施，留下以芯的等效折射率在光传送方向上不均勻变化的方式设 计的(以上述(a) (c)设计的)规定的芯形状，而除去这之外的部分的加工，形成芯11。 接着，设置覆盖上述芯11的上包层12，制造出NPWG10。这样，在形成NPWGlO的芯11时，优选使用具有上述芯宽度w (χ)的形状(以芯10 的等效折射率在光传送方向上不均勻变化的方式设计的)掩模，通过光刻法形成芯11。在 该光刻法中使用的材料、顺序，能够使用在半导体制造领域等中公知的光刻法所使用的材 料、顺序而实施。此外，包层和芯层的成膜方法，能够使用在一般的光波导的制造中使用的 公知的成膜技术而实施。在上述实施方式中，如图1所示，举例表示了在包层12中埋设有高度(厚度)一 定且宽度在长度方向上不均勻变化的芯11的结构的NPWG10。本发明所使用的光波导，并不 限定于本例，能够有各种变更。例如，如图2Α所示，芯11的宽度分布也可以采用以从芯11的中心起的宽度方向 的两侧对称的方式在光传送方向上不均勻分布的结构。此外，如图2Β所示，也可以采用以 从芯11的中心起的宽度方向的两侧非对称的方式在光传送方向上不均勻分布的结构。此外，在图1所示的芯11沿着NPWGlO的长度方向(ζ)直线状设置的结构之外，也 可以如图3所示，采用弯曲状设置芯11的结构。通过这样采用弯曲状地设置芯11的结构， 能够使NPWGlO更小型化。(光波导型波长色散补偿器件)说明光波导型波长色散补偿器件(以下简称为色散补偿器件)的实施方式。本发 明的色散补偿器件，具有上述的本发明的NPWG10，作为反射型的波长色散补偿单元。本发明 的NPWGlO中，其芯11的宽度w在长度方向(ζ)方向上不均勻地变化，使波导的传送模式的 局部等效折射率变化。由此具有反射型的波长色散补偿功能。图4是表示本发明的色散补偿器件的一实施方式的结构图。本实施方式的色散补 偿器件20，大致由上述的NPWG10、与其反射端13侧连接的循环器15构成。NPWGlO的透射 端14为无反射终端16。在循环器15中，在其输入侧(input)连接有未图示的被补偿光纤。 在循环器15的输出侧(output)连接有下游侧的光纤。该下游侧的光纤在光传送通路内使用。本发明的色散补偿器件20是反射型器件，从被补偿光纤输入循环器15的输入侧 的光信号，进入NPWGlO被反射，其反射波经由循环器15被输出。该色散补偿器件20的NPWG10，如前所述，具有能够补偿被补偿光纤的波长色散的 反射率特性。因此，在从被补偿光纤输出的光信号被NPWGlO反射时，该光信号的波长色散被修正后输出。然后，从色散补偿器件20输出的光信号，输入与循环器15的输出侧连接的 下游侧的光纤，传送至该光纤内。本发明的色散补偿器件20，在如上所述制造NPWGlO之后，以无反射终端16终结该 NPWGlO的透射端14。而且，在NPWGlO的反射端13连接循环器15或方向性耦合器。通过 以上过程，得到图4所示的色散补偿器件20。(增益均衡器)说明增益均衡器的实施方式。本发明的增益均衡器，具有上述本发明的NPWGlOJt 为反射型的增益等效单元。本发明的NPWGlO中，其芯11的宽度w在长度方向(ζ)方向上 不均勻地变化，使波导的传送模式的局部等效折射率变化。通过该局部等效折射率的变化， 在波导中传送的光信号被反射，该反射光具有补偿光纤放大器的增益波长依存性的波长依 存性。图4是表示本发明的增益均衡器的一实施方式的结构图。本实施方式的增益均衡 器30，大致由上述的NPWG10、与其反射端13侧连接的循环器15构成。NPWGlO的透射端14 为无反射终端16。在循环器15，在其输入侧(input)连接有未图示的光纤放大器。在循环 器15的输出侧(output)连接有下游侧的光纤。该下游侧的光纤在光传送通路内使用。本发明的增益均衡器30是反射型器件，从光纤放大器输入循环器15的输入侧的 光信号，进入NPWGlO被反射，其反射波经由循环器15被输出。此时，被反射输出的各波长 的光信号的光强度的波长依存性被补偿。该增益均衡器30的NPWG10，如前所述，具有能够补偿光纤放大器的光强度的波长 依存性的反射率特性。因此，从光纤放大器输出的光信号被NPWGlO反射时，该光信号的光 强度的波长依存性被补偿后输出。然后，从增益均衡器30输出的光信号，输入与循环器15 的输出侧连接的下游侧的光纤，传送至该光纤内。(滤波器)说明滤波器的实施方式。本发明的滤波器，具有上述的本发明的NPWG10，作为反射 型的滤波单元。本发明的NPWGlO中，其芯11的宽度w在长度方向(ζ)方向上不均勻地变 化，使波导的传送模式的局部等效折射率变化。通过该局部等效折射率的变化，在波导中传 送的光信号中，期望的波长波段的光信号被滤波。图4是表示本发明的滤波器的一实施方式的结构图。本实施方式的滤波器40，大 致由上述的NPWG10、与其反射端13侧连接的循环器15构成。NPWGlO的透射端14为无反 射终端16。在循环器15，在其输入侧(input)连接有未图示的光纤。在循环器15的输出 侧(output)连接有下游侧的光纤。该下游侧的光纤在光传送通路内使用。本发明的滤波器40是反射型器件，从光纤输入循环器15的输入侧的光信号，进入 NPffGlO被反射，其反射波经由循环器15被输出。此时，仅期望的波长波段的光信号被反射。该滤波器40的NPWG10，如前所述，具有能够仅对在光纤中传送的光信号中期望的 波长波段的光信号进行反射的反射率特性。因此，在从光纤输出的光信号被NPWGlO反射 时，仅该期望的波长波段的光信号被反射后输出。然后，从滤波器40输出的光信号，输入与 循环器15的输出侧连接的下游侧的光纤，传送至该光纤内。本实施方式的滤波器40可以是采用下述结构的滤波器组=NPWGlO被分为多个波 道，在各个波道反射期望的波长波段的光。此时，优选使各波道中的群延迟特性预先错开例
13如Ips IOps左右。由此，因为NPWGlO的反射中心位于不同的位置，所以芯11的宽度大 幅变化的区域相互错开而存在。结果是，能够避免反射中心集中在NPWGlO的一个位置，能 够使芯11的宽度的变化率较小，制造变得容易。以下，利用具体的实施例，进一步详细说明本发明。但是，本发明并不限定于以下 所示的实施例。实施例1 10涉及本发明的色散补偿器件。实施例11 12涉及本发明 的增益均衡器。实施例13 15涉及本发明的滤波器。实施例(实施例1)设计在波长区域[1545nm 1555nm]中，实现色散量D = -10ps/nm、色散斜率与色 散的比RDS = 0. OOS^m-1的波长色散的补偿的色散补偿器件。该色散补偿器件，因为进行 补偿的色散量较少，所以主要用于补偿由DCF没有完全补偿的色散。图5是表示在本实施例中制作的色散补偿器件的NPWG的位势分布的图表。图中 的横轴表示以中心波长1550nm进行了规格化的位置。使用该位势，得到图6所示的群延迟 特性和图7所示的反射率特性。在两图中表示在设计中使用的光谱数据(designed)和得 到的光谱数据(realized)。本实施例的NPWG采用h3 = 6 μ m、相对折射率差Δ = 0. 6%的芯埋入在由石英玻 璃构成的包层中的波导结构。该波导结构中，波长1550nm下的等效折射率与芯宽度的关系 如图8所示。此时的包层的厚度与芯相比足够大。在使用该波导结构的情况下，实现图6和图7的NPWG的芯宽度分布如图9所示。 此时的NPWG的等效折射率的分布如图10所示。即使使用相同材料的波导结构，只要根据波导的厚度和材料设定表示波导整体的 平均等效折射率的参照折射率n(o)，就能够在具有不同宽度的NPWG中实现相同特性。图 11表示使用比上述例子高的参照折射率n(o)时的芯宽度方向的芯宽度分布。此时的NPWG 的等效折射率的分布如图12所示。芯和包层的材料不限于石英玻璃类，能够使用硅化合物、聚合物等在光学领域中 一直以来公知的其它透明材料。特别是，如果使用折射率高的材料，则能够使器件进一步变 小，能够使传送损失下降。(实施例2)设计在波长区域[1545nm 1555nm]中，实现色散量D = _50ps/nm、色散斜率与色 散的比RDS = 0. OOS^m-1的波长色散的补偿的色散补偿器件。该色散补偿器件也与实施例 1同样，主要用于补偿由DCF没有完全补偿的色散。图13是表示在本实施例中制作的色散补偿器件的NPWG的位势分布的图表。图中 的横轴表示以中心波长1550nm进行了规格化的位置。使用该位势，得到图14所示的群延 迟特性和图15所示的反射率特性。在两图中表示在设计中使用的光谱数据(designed)和 得到的光谱数据(realized)。本实施例的NPWG采用h3 = 6 μ m、相对折射率差Δ = 0. 6%的芯埋入在由石英玻 璃构成的包层中的波导结构。该波导结构中，实现图14和图15所示的各特性的NPWG的芯 宽度分布如图16所示。此时的NPWG的等效折射率的分布如图17所示。(实施例3)
设计在波长区域[1545nm 1555nm]中，实现色散量D = -100ps/nm、色散斜率与 色散的比RDS = 0. OOS^m-1的波长色散的补偿的色散补偿器件。该色散补偿器件也与上述 各实施例同样，主要用于补偿由DCF没有完全补偿的色散。在本实施例中，能够补偿长度约 为6km的标准型单模光纤(S-SMF standard Single-Fiber)的波长色散。图18是表示在本实施例中制作的色散补偿器件的NPWG的位势分布的图表。图中 的横轴表示以中心波长1550nm进行了规格化的位置。使用该位势，得到图19所示的群延 迟特性和图20所示的反射率特性。在两图中表示在设计中使用的光谱数据(designed)和 得到的光谱数据(realized)。本实施例的NPWG采用h3 = 6 μ m、相对折射率差Δ = 0. 6%的芯埋入在由石英玻 璃构成的包层中的波导结构。该波导结构中，实现图19和图20的各特性的NPWG的芯宽度 分布如图21所示。此时的NPWG的等效折射率的分布如图22所示。(实施例4)设计在波长区域[1549. 6nm 1555. 4nm]中，实现色散量D = -100ps/nm、色散斜 率与色散的比RDS =CXOOS^nr1的波长色散的补偿的色散补偿器件。该色散补偿器件补 偿长度约为100km的S-SMF的波长色散。图23是表示在本实施例中制作的色散补偿器件的NPWG的位势分布的图表。图中 的横轴表示以中心波长1550nm进行了规格化的位置。使用该位势，得到图24所示的群延 迟特性和图25所示的反射率特性。在两图中表示在设计中使用的光谱数据(designed)和 得到的光谱数据(realized)。本实施例的NPWG采用h3 = 6 μ m、相对折射率差Δ = 0. 6%的芯埋入在由石英玻 璃构成的包层中的波导结构。该波导结构中，实现图24和图25的各特性的NPWG的芯宽度 分布如图26所示。此时的NPWG的等效折射率的分布如图27所示。(实施例5)设计在波长区域[1548nm 1552nm]中，实现色散量D = -340ps/nm、色散斜率与 色散的比RDS = 0. OOS^m-1的波长色散的补偿的色散补偿器件。本实施例中，最大色散量 为约340pS/nmX4nm = 1360ps,与实施例4大致相同。在本实施例中，能够补偿色散的波长 的波段为实施例4的4倍。但是，在本实施方式中，虽然进行补偿的波段变大，但是能够补 偿的光纤的长度变短。本实施例能够补偿长度约为20km的S-SMF的波长色散。图28是表示在本实施例中制作的色散补偿器件的NPWG的位势分布的图表。图中 的横轴表示以中心波长1550nm进行了规格化的位置。使用该位势，得到图29所示的群延 迟特性和图30所示的反射率特性。在两图中表示在设计中使用的光谱数据(designed)和 得到的光谱数据(realized)。本实施例的NPWG采用h3 = 6 μ m、相对折射率差Δ = 0. 6%的芯埋入在由石英玻 璃构成的包层中的波导结构。该波导结构中，实现图29和图30的各特性的NPWG的芯宽度 分布如图31所示。此时的NPWG的等效折射率的分布如图32所示。(实施例6)设计在波长区域[1546nm 1554nm]中，实现色散量D = -170ps/nm、色散斜率与 色散的比RDS = 0. OOS^m-1的波长色散的补偿的色散补偿器件。本实施例中，最大色散量 为约170pS/nmX8nm = 1360ps,与实施例5大致相同。在本实施例中，能够补偿色散的波长
15的波段为实施例5的2倍。但是，在本实施方式中，虽然进行补偿的波段变大，但是能够补 偿的光纤的长度变短。本实施例能够补偿长度约为IOkm的S-SMF的波长色散。图33是表示在本实施例中制作的色散补偿器件的NPWG的位势分布的图表。图中 的横轴表示以中心波长1550nm进行了规格化的位置。使用该位势，得到图34所示的群延 迟特性和图35所示的反射率特性。在两图中表示在设计中使用的光谱数据(designed)和 得到的光谱数据(realized)。本实施例的NPWG采用h3 = 6 μ m、相对折射率差Δ = 0. 6%的芯埋入在由石英玻 璃构成的包层中的波导结构。该波导结构中，实现图34和图35的各特性的NPWG的芯宽度 分布如图36所示。此时的NPWG的等效折射率的分布如图37所示。(实施例7)设计在波长区域[1546nm 1554nm]中，与固定色散量D = -170ps/nm、而色散斜 率与色散的比RDS改变的情况相对应，实现波长色散的补偿的色散补偿器件。图38表示 RDS为0. 0034nm"\0. 01nm"\0. 02nm_1时的群延迟特性。如图38所示，即使在RDS改变时， 也能够观察到同样的群延迟特性。(实施例8)设计在波长区域[1299. 6nm 1300. 4nm]中，实现色散量D = 200ps/nm、色散斜率 与色散的比RDS = -0. OSnm-1的波长色散的补偿的色散补偿器件。本实施例能够补偿长度 约为IOOkm的S-SMF的波长色散。图39是表示在本实施例中制作的色散补偿器件的NPWG的位势分布的图表。图中 的横轴表示以中心波长1550nm进行了规格化的位置。使用该位势，得到图40所示的群延 迟特性和图41所示的反射率特性。在两图中表示在设计中使用的光谱数据(designed)和 得到的光谱数据(realized)。本实施例的NPWG采用h3 = 6 μ m、相对折射率差Δ = 0. 6%的芯埋入在由石英玻 璃构成的包层中的波导结构。该波导结构中，实现图40和图41的各特性的NPWG的芯宽度 分布如图42所示。此时的NPWG的等效折射率的分布如图43所示。(实施例9)设计在波长区域[1499. 6nm 1500. 4nm]中，实现色散量D = _1400ps/nm、色散斜 率与色散的比RDS = 0. ΟΟδηπΓ1的波长色散的补偿的色散补偿器件。本实施例能够补偿长 度约为IOOkm的S-SMF的波长色散。图44是表示在本实施例中制作的色散补偿器件的NPWG的位势分布的图表。图中 的横轴表示以中心波长1550nm进行了规格化的位置。使用该位势，得到图45所示的群延 迟特性和图46所示的反射率特性。在两图中表示在设计中使用的光谱数据(designed)和 得到的光谱数据(realized)。本实施例的NPWG采用h3 = 6 μ m、相对折射率差Δ = 0. 6%的芯埋入在由石英玻 璃构成的包层中的波导结构。该波导结构中，实现图45和图46的各特性的波导的芯宽度 分布如图47所示。此时的NPWG的等效折射率的分布如图48所示。(实施例10)设计在波长区域[1599. 6nm 1600. 4nm]中，实现色散量D = _2000ps/nm、色散斜 率与色散的比RDS = 0. 0025nm-1的波长色散的补偿的色散补偿器件。本实施例能够补偿长
16度约为IOOkm的S-SMF的波长色散。图49是表示在本实施例中制作的色散补偿器件的NPWG的位势分布的图表。图中 的横轴表示以中心波长1550nm进行了规格化的位置。使用该位势，得到图50所示的群延 迟特性和图51所示的反射率特性。在两图中表示在设计中使用的光谱数据(designed)和 得到的光谱数据(realized)。本实施例的NPWG采用h3 = 6 μ m、相对折射率差Δ = 0. 6%的芯埋入在由石英玻 璃构成的包层中的波导结构。该波导结构中，实现图50和图51的各特性的NPWG的芯宽度 分布如图52所示。此时的NPWG的等效折射率的分布如图53所示。(实施例11)设计在波长区域[1530nm、1565nm]中，进行补偿的增益的波长依存性为20dB的增 益均衡器。增益的形状为sin波形状。图56表示在设计中使用的光谱数据(designed)。本实施例的NPWG采用h3 = 6 μ m、相对折射率差Δ = 0. 6%的芯埋入在由石英玻 璃构成的包层中的波导结构。该波导结构中，NPWG的芯宽度分布如图57所示，在光传送方 向的中央部具有宽度变化大的分布区域。具有该宽度分布的NPWG得到图56所示的光谱数 据(real)。(实施例12)设计在波长区域[1530nm、1565nm]中，进行补偿的增益的波长依存性为20dB的增 益均衡器。此时，增益的形状假设为与实施例11相反的形状。图58表示在设计中使用的 光谱数据(designed)。本实施例的NPWG采用h3 = 6 μ m、相对折射率差Δ = 0. 6%的芯埋入在由石英玻 璃构成的包层中的波导结构。该波导结构中，NPWG的芯宽度分布如图59所示，在比光传 送方向的中央部稍靠光的导入侧的位置，具有宽度变化大的分布区域。具有该宽度分布的 NPffG得到图58所示的光谱数据(real)。如图56、图58所示，依据使用本发明的NPWG的实施例11 12的增益均衡器，能 够确认，无论增益的形状如何，均能够达到波长1530nm 1565nm的增益的平坦化。(实施例13)设计仅反射波长区域[1545. 5nmU550. 5nm]的信号的滤波器。图60表示在设计 中使用的光谱数据(designed)。图61表示此时的群延迟特性(designed)。如图61所示， 群延迟平坦(具有线形相位)。本实施例的NPWG采用h3 = 6 μ m、相对折射率差Δ = 0. 6%的芯埋入在由石英玻 璃构成的包层中的波导结构。该波导结构中，实现图60和图61的各特性的NPWG的芯宽度 分布如图62所示。具有该宽度分布的NPWG得到图60所示的光谱数据(real)和图61所 示的群延迟特性(real)。(实施例14)设计仅反射波长区域[1547nm、1549nm]和波长区域[1551nm、1553nm]这两个波道 的信号的滤波器组。图63表示在设计中使用的光谱数据(designed)。图64表示此时的 群延迟特性(designed)。群延迟特性以2个波道的群延迟错开IOps的方式设计。如图64 所示，群延迟在波道内平坦(具有线形相位)。本实施例的NPWG采用h3 = 6 μ m、相对折射率差Δ = 0. 6%的芯埋入在由石英玻璃构成的包层中的波导结构。该波导结构中，实现图63和图64的各特性的NPWG的芯宽度 分布如图65所示。本实施例中，在设计时使波道间的群延迟错开，由此，波导的反射中心位 于不同的位置。因此，如图65所示，芯的宽度大幅变化的区域相互错开。这能够避免反射 中心集中于一个位置，能够防止芯的宽度的变化率变大。具有该宽度分布的NPWG得到图63 所示的光谱数据(real)和图64所示的群延迟特性(real)。(实施例I5)设计在波长区域[1540. 5nm、1559. 5nm]间，仅反射通过波段为Inm的10波道 的信号的滤波器组。此时，波道间的间隔为lnm。图66表示在设计中使用的光谱数据 (designed)。图67表示此时的群延迟特性(designed)。群延迟特性以10个波道的群延迟 错开5ps的方式设计。如图67所示，群延迟在波道内平坦(具有线形相位)。本实施例的NPWG采用h3 = 6 μ m、相对折射率差Δ = 0. 6%的芯埋入在由石英玻 璃构成的包层中的波导结构。该波导结构中，实现图66和图67的各特性的NPWG的芯宽度 分布如图68所示。本实施例中，在设计时使波道间的群延迟错开，由此，波导的反射中心位 于不同的位置。因此，如图68所示，芯的宽度大幅变化的区域相互错开。这能够避免反射 中心集中于一个位置，能够防止芯的宽度的变化率变大。具有该宽度分布的NPWG得到图66 所示的光谱数据(real)和图67所示的群延迟特性(real)。如图60 61、图63 64、图66 67分别所示，依据使用本发明的NPWG的实施 例13 15的滤波器，可确认能够容易地进行在广波段中的多个波道的滤波。产业上的可利用性本发明的光波导体，具有包层和埋入在包层中的芯，通过改变上述芯的物理尺寸， 该芯的等效折射率在光传送方向上不均勻地变化。
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权利要求
一种光波导体，其特征在于具有包层和埋入在该包层中的芯，通过改变所述芯的物理尺寸，使该芯的等效折射率在光传送方向上不均匀地变化。
2.如权利要求1所述的光波导体，其特征在于 所述芯的宽度在所述光传送方向上不均勻地分布。
3.如权利要求2所述的光波导体，其特征在于所述芯的宽度以从所述芯的中心起的所述芯宽度方向的两侧对称的方式在所述光传 送方向上不均勻地分布。
4.如权利要求2所述的光波导体，其特征在于所述芯的宽度以从所述芯的中心起的所述芯宽度方向的两侧非对称的方式在所述光 传送方向上不均勻地分布。
5.如权利要求2所述的光波导体，其特征在于对于所述芯的宽度而言，从所述芯的中心起的所述芯宽度方向的两侧中仅一侧在所述 光传送方向上不均勻地分布。
6.如权利要求1所述的光波导体，其特征在于 所述芯直线状地设置。
7.如权利要求1所述的光波导体，其特征在于 所述芯弯曲状地设置。
8.如权利要求1所述的光波导体，其特征在于所述光传送方向上的所述芯的等效折射率分布由下述设计法设计 使用Zakharov-Shabat方程式，根据反射系数的光谱数据，作为数值导出的逆散射问 题，对位势函数进行求解；根据由该逆散射问题得到的值，推测用于实现期望的反射光谱的位势。
9.如权利要求8所述的光波导体，其特征在于所述光传送方向上的所述芯的等效折射率分布由下述方法设计 使用导入了作为向所述光波导体的前方和后方传送的电力波的振幅的变量的 波动方程式，回归至具有从所述光波导体的等效折射率的对数的微分导出的位势的 Zakharov-Shabat方程式，根据反射系数的光谱数据，作为数值导出的逆散射问题，对位势 函数进行求解；根据由该逆散射问题得到的值，推测用于实现期望的反射光谱的位势； 基于该位势求取等效折射率；根据预先求得的规定的所述芯的厚度、所述等效折射率、所述芯的尺寸的关系，计算所 述光波导体在光传送方向上的所述芯的宽度分布。
10.一种光器件，其具有权利要求1所述的光波导体，该光器件的特征在于 所述光波导体的一端为透射端，所述光波导体的另一端为反射端；所述透射端由无反射终端终结；在所述反射端经由循环器或方向性耦合器取出光输出。
11.如权利要求10所述的光器件，其特征在于 所述光器件是光波导型波长色散补偿器件。
12.如权利要求11所述的光器件，其特征在于所述光波导体在中心波长λ。为1280nm≤λ。≤1320nm和1490nm≤λ。≤1613nm 的范围、动作波段ABW为0. Inm ( ABff ( 40nm的范围中，具有色散D为_1500ps/ nm≤D≤2000ps/nm的范围、色散斜率与色散的比RDS为-0. InnT1 ( RDS ( 0. InnT1的范 围的特性。
13.如权利要求10所述的光器件，其特征在于所述光器件为增益均衡器。
14.如权利要求10所述的光器件，其特征在于所述光器件是滤波器。
15.如权利要求14所述的光器件，其特征在于所述光波导体分为多个波道，在所述各波道反射期望的波长波段的光。
16.如权利要求15所述的光器件，其特征在于在所述各波道之间群延迟不同。
17.—种光波导体的制造方法，用于制造出权利要求1所述的光波导体，其特征在于， 具有以下工序设置光波导体的下包层的工序；接着，在所述下包层上，设置比该下包层折射率大的芯层的工序；接着，对所述芯层实施以下加工来形成芯的工序，所述加工是留下以芯的等效折射率 在光传送方向上不均勻变化的方式设计的规定的芯形状，而除去这之外的部分的加工；以 及接着，设置覆盖所述芯的上包层的工序。
全文摘要
本发明提供光波导体及其制造方法以及具有该光波导体的光器件。本发明的光波导体具有包层和埋入在包层中的芯，通过改变上述芯的物理尺寸，使该芯的等效折射率在光传送方向上不均匀地变化。
文档编号G02B6/122GK101903815SQ200880122111
公开日2010年12月1日 申请日期2008年12月22日 优先权日2007年12月21日
发明者官宁, 小川宪介 申请人:株式会社藤仓