JP2006106372A - Optical branching apparatus - Google Patents

Optical branching apparatus Download PDF

Info

Publication number
JP2006106372A
JP2006106372A JP2004293168A JP2004293168A JP2006106372A JP 2006106372 A JP2006106372 A JP 2006106372A JP 2004293168 A JP2004293168 A JP 2004293168A JP 2004293168 A JP2004293168 A JP 2004293168A JP 2006106372 A JP2006106372 A JP 2006106372A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
waveguide
mode
optical branching
mode conversion
branching device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2004293168A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masaya Suzuki
賢哉 鈴木
Yasuhiro Hida
安弘 肥田
Tsutomu Kito
勤 鬼頭
Yasuyuki Inoue
靖之 井上
Hiroshi Takahashi
浩 高橋
Masayuki Okuno
将之 奥野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NTT Electronics Corp
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
NTT Electronics Corp
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NTT Electronics Corp, Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical NTT Electronics Corp
Priority to JP2004293168A priority Critical patent/JP2006106372A/en
Publication of JP2006106372A publication Critical patent/JP2006106372A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical branching apparatus that lowers optical loss. <P>SOLUTION: The optical branching apparatus is composed of an input waveguide 1, a mode conversion tapered waveguide 2 connected to the input waveguide 1, and two output waveguides 3, 4 connected to the mode conversion tapered waveguide 2. In the propagation of a light wave from the input waveguide 1 to the mode conversion tapered waveguide 2, the ground mode and the high-order mode of the mode conversion tapered waveguide 2 are excited, with no ground mode dissipated in the structure. In addition, interference fringes by the ground mode and the high-order mode localize its strength in the connecting position with the output waveguides 3, 4 in the mode conversion tapered waveguide 2 in the structure. Thus, the input waveguide 1 and the output waveguides 3, 4 are efficiently coupled with each other, thereby lowering the light wave loss. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、光ファイバ通信における光分岐装置に関する。   The present invention relates to an optical branching device in optical fiber communication.

光通信技術の急速な発達により、各種光部品が研究開発されており、中でも平面基板上の光導波路を基本とした導波路型光部品が最も重要な位置を占めている。これは、導波路型光部品がフォトリソグラフィ技術および微細加工技術により光波長以下の精度で再現性良く量産可能という特徴を有するからである。とくに、石英系光導波路により構成される光分岐装置は、容易にアレイ化を実現でき、経時変化に対する安定性、制御性の点において優れており、FTTHへの応用を念頭に精力的に研究が進められている。   Due to the rapid development of optical communication technology, various types of optical components have been researched and developed, and among these, waveguide type optical components based on optical waveguides on a flat substrate occupy the most important position. This is because the waveguide-type optical component has a feature that it can be mass-produced with high reproducibility with accuracy below the optical wavelength by photolithography technology and microfabrication technology. In particular, an optical branching device composed of a silica-based optical waveguide can be easily arrayed, and is excellent in terms of stability and controllability over time, and researched vigorously with application to FTTH in mind. It is being advanced.

下記非特許文献1には、図3に示すような光分岐装置が開示されている。この光分岐装置10では、幅W1の入力導波路11より入射した光波は、幅W2(W1>W2)のモードフィルタ導波路12を経由して、長さL、始端幅W2、終端幅Weで線形にその幅を広げるテーパ導波路13へと入射する。テーパ導波路13への光信号の入力に際しては、光波はテーパ導波路13の基底モードを励振するが、その伝搬に従ってその電界分布の幅を徐々に広げている。テーパ導波路13の出力端面である終端面13aには幅W1の2つの出力導波路14,15が接続されており、テーパ導波路13の出力端面における光電界は出力導波路14,15へとそれぞれ結合する。しかしながら、このような光分岐装置10においては、製造上の制限、すなわちフォトリソグラフィの解像度やエッチング分解能の制限により、テーパ導波路13と2つの出力導波路14,15とがそれぞれ接続する接続位置の間に、製造上不可避のギャップGが形成される。このギャップGから、テーパ導波路13を伝搬した光波の一部分は漏れ出すため、光分岐装置10の全体における損失は増加する。   Non-Patent Document 1 below discloses an optical branching device as shown in FIG. In this optical branching device 10, a light wave incident from an input waveguide 11 having a width W1 passes through a mode filter waveguide 12 having a width W2 (W1> W2) and has a length L, a start width W2, and a termination width We. The light enters the tapered waveguide 13 that linearly widens its width. When an optical signal is input to the tapered waveguide 13, the light wave excites the fundamental mode of the tapered waveguide 13, and the width of the electric field distribution is gradually increased according to the propagation. Two output waveguides 14 and 15 having a width W1 are connected to the end face 13a which is the output end face of the tapered waveguide 13, and the optical electric field at the output end face of the tapered waveguide 13 is directed to the output waveguides 14 and 15. Join each one. However, in such an optical branching device 10, the connection position where the tapered waveguide 13 and the two output waveguides 14 and 15 are connected to each other is limited due to manufacturing limitations, that is, photolithography resolution and etching resolution limitations. In the meantime, a gap G inevitable in manufacturing is formed. Since a part of the light wave propagating through the tapered waveguide 13 leaks from the gap G, the loss in the entire optical branching device 10 increases.

また、非特許文献2には、1x2多モード干渉カプラに関する技術が記載されている。この多モード干渉カプラは、上記光分岐装置10と同様の光分岐機能を有する。図4に示すように、1x2多モード干渉カプラ20では、幅Wの単一モード導波路である入力導波路21より入射した光波は幅Ws(W<Ws)、長さLの多モード導波路22へ入射する。多モード導波路22では、その基底モードに加え高次モードが励振され、各モードの干渉により光パワーは特定の位置に山を形成する。さらに、前記山は光波の伝搬に従ってその位置を変化させる。多モード導波路22の終端面22aにおいて、その干渉縞は光パワーを距離S0だけ離れた2つの山に局在させる。したがって、光パワーは、多モード導波路22の終端面22aにおける光パワーの局在位置に距離S0だけ離れて接続された幅Wの出力導波路23,24に効率的にそれぞれ結合し、光分岐装置として動作する。出力導波路23,24は、単一モード導波路である。 Non-Patent Document 2 describes a technique related to a 1 × 2 multimode interference coupler. This multimode interference coupler has an optical branching function similar to that of the optical branching device 10. As shown in FIG. 4, in the 1 × 2 multimode interference coupler 20, a light wave incident from an input waveguide 21 that is a single-mode waveguide having a width W is a multimode waveguide having a width Ws (W <Ws) and a length L. 22 is incident. In the multimode waveguide 22, higher order modes are excited in addition to the fundamental mode, and the optical power forms a mountain at a specific position due to interference of each mode. Furthermore, the mountain changes its position according to the propagation of the light wave. At the end face 22a of the multimode waveguide 22, the interference fringes is localized in two peaks leaving the optical power by a distance S 0. Therefore, the optical power is efficiently coupled to the output waveguides 23 and 24 having a width W connected to the localized position of the optical power on the end face 22a of the multimode waveguide 22 by a distance S 0 , respectively. Operates as a branching device. The output waveguides 23 and 24 are single mode waveguides.

このように、多モード干渉カプラ20では2次以上の高次のモードの干渉を利用して出力導波路23,24の接続位置に干渉縞の山を設定する必要があるため、多モード導波路22の幅Wsを広く設定する必要がある。しかしながら、多モード導波路22では各モードの波長分散は異なるため、その干渉縞の状態にも波長依存性が生じる。さらに、多モード導波路22の幅Wsを十分広くした結果として、多モード導波路22の基底モードは多モード導波路22の側面22bから散逸し、損失を増大させるという欠点を有する。その上、多モード導波路22では、一般的に、光の偏波面によって感じる等価屈折率が大きく異なるため、損失の偏波依存性も存在する。   As described above, since the multi-mode interference coupler 20 needs to set a peak of interference fringes at the connection position of the output waveguides 23 and 24 using the interference of the second and higher order modes, the multi-mode waveguide It is necessary to set the width Ws of 22 wide. However, since the chromatic dispersion of each mode is different in the multimode waveguide 22, wavelength dependence also occurs in the state of the interference fringes. Furthermore, as a result of sufficiently widening the width Ws of the multimode waveguide 22, the fundamental mode of the multimode waveguide 22 is dissipated from the side surface 22 b of the multimode waveguide 22, thereby increasing the loss. In addition, in the multimode waveguide 22, since the equivalent refractive index that is generally felt depends on the polarization plane of light, there is also polarization dependency of loss.

A.Klekamp,P.Kersten, and W. Rehm, “An Improved Single-Mode Y-Branch Design for Cascaded 1:2 Splitters”, IEEE J.Lightwave Technol.,Vol.14,No.12,2684-2686,1996A. Klekamp, P. Kersten, and W. Rehm, “An Improved Single-Mode Y-Branch Design for Cascaded 1: 2 Splitters”, IEEE J. Lightwave Technol., Vol. 14, No. 12, 2684-2686, 1996 M.Bouda,J.W.M. van Uffelen,C. van Dam, and B.H. Verbeek,“Compact 1x16 power splitter based on symmetric 1x2 MMI splitters,”Electron. Lett., Vol.30,No.21,pp.1756-1757,1994.M. Bouda, JWM van Uffelen, C. van Dam, and BH Verbeek, “Compact 1x16 power splitter based on symmetric 1x2 MMI splitters,” Electron. Lett., Vol. 30, No. 21, pp. 1756-1757, 1994 . W.K. Burns, A.F. Milton, A.B Lee, “Optical waveguide parabolic coupling hours,”Appl.Phys.Lett., Vol.30,pp.28-30,1997W.K.Burns, A.F.Milton, A.B Lee, “Optical waveguide parabolic coupling hours,” Appl.Phys.Lett., Vol.30, pp.28-30,1997

このように、従来の光分岐装置においては、製造上の制限により、その損失を増加させてしまうという問題が生じていた。発明者は、上記光分岐装置10の各パラメータを、W1=7μm、W2=5μm、L=400μm、We=16μmとし、比屈折率差0.5%の石英系光導波路により検証した。この検証によれば、上記光分岐装置10は、原理的に生じる3dBの損失に加えて、およそ0.6dBから0.7dBの過剰損失を有していた。このような過剰損失は、光分岐装置をツリー状に多段に縦列接続して構成する1xNスプリッタにおいては、全体で(1段あたりの過剰損失)×Log2Nの損失増加を与えることになり、たとえば4段の光分岐装置を縦列接続する1x16光スプリッタにおいては、およそ1.8dBから2.1dBの過剰損失を生じさせてしまうことが分かった。 As described above, the conventional optical branching device has a problem of increasing the loss due to the limitation in manufacturing. The inventor verified each parameter of the optical branching device 10 with a quartz optical waveguide having W1 = 7 μm, W2 = 5 μm, L = 400 μm, We = 16 μm and a relative refractive index difference of 0.5%. According to this verification, the optical branching device 10 has an excess loss of about 0.6 dB to 0.7 dB in addition to the loss of 3 dB that occurs in principle. Such excess loss gives a total increase of (loss excess per stage) × Log 2 N in a 1 × N splitter configured by cascading optical branching devices in multiple stages in a tree shape. For example, it has been found that an excess loss of about 1.8 dB to 2.1 dB is caused in a 1 × 16 optical splitter in which four stages of optical branching devices are connected in cascade.

また、発明者は、上記多モード干渉カプラ20の各パラメータを、W=6μm、Ws=28μm、L=200μmとし、比屈折率差0.5%の石英系光導波路により検証した。このとき干渉縞が山を形成する位置は、So=20μmであった。このようなパラメータを有する多モード干渉カプラ20では、過剰損失は1.2μmの無偏光に対して0.9dB、1.6μmの無偏光に対して0.2dBとなり大きな波長依存性を示すと共に、1.55μmにおいてTE偏光に対して0.3dB、TM偏光に対して0.6dBとなり大きな偏波依存性を示した。   In addition, the inventor verified each parameter of the multimode interference coupler 20 with a silica-based optical waveguide with W = 6 μm, Ws = 28 μm, L = 200 μm and a relative refractive index difference of 0.5%. At this time, the position where the interference fringes form a mountain was So = 20 μm. In the multimode interference coupler 20 having such parameters, the excess loss is 0.9 dB for 1.2 μm non-polarized light and 0.2 dB for 1.6 μm non-polarized light, and exhibits a large wavelength dependence. At 1.55 μm, it was 0.3 dB for TE polarized light and 0.6 dB for TM polarized light, indicating a large polarization dependence.

そこで、本発明は、前述した問題に鑑み提案されたもので、波長依存性および偏波依存性を低くすると共に、損失を低くする光分岐装置を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been proposed in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an optical branching device that reduces wavelength dependency and polarization dependency and reduces loss.

上述した課題を解決する第1の発明に係る光分岐装置は、基板上に構成された光導波路による光分岐装置であって、入力導波路と、前記入力導波路に接続されたモード変換テーパ導波路と、前記モード変換テーパ導波路に接続された2つの出力導波路とからなり、前記入力導波路から前記モード変換テーパ導波路への光波の伝搬においては、前記モード変換テーパ導波路の基底モードおよび高次モードが励振され、かつ前記基底モードが散逸しない構造を有すると共に、前記基底モードおよび前記高次モードによる干渉縞が、前記モード変換テーパ導波路における前記出力導波路との接続位置にその強度を局在させる構造を有することを特徴とする。   An optical branching device according to a first aspect of the present invention that solves the above-described problem is an optical branching device using an optical waveguide formed on a substrate, and includes an input waveguide and a mode conversion taper guide connected to the input waveguide. A waveguide and two output waveguides connected to the mode conversion taper waveguide, and in the propagation of light waves from the input waveguide to the mode conversion taper waveguide, the fundamental mode of the mode conversion taper waveguide And a high-order mode is excited and the base mode is not dissipated, and interference fringes due to the base mode and the high-order mode are connected to the output waveguide in the mode conversion tapered waveguide. It has a structure that localizes strength.

上述した課題を解決する第2の発明に係る光分岐装置は、第1の発明に記載の光分岐装置であって、前記モード変換テーパ導波路の入射端から出射端までの伝搬における前記基底モードの位相変化と前記高次モードの位相変化の差が、入力光信号波長においてπとなるように、前記モード変換テーパ導波路の長さを設定したことを特徴とする。   An optical branching device according to a second invention that solves the above-described problem is the optical branching device according to the first invention, wherein the fundamental mode in the propagation from the incident end to the output end of the mode conversion tapered waveguide The length of the mode conversion taper waveguide is set so that the difference between the phase change of π and the phase change of the higher-order mode becomes π at the input optical signal wavelength.

上述した課題を解決する第3の発明に係る光分岐装置は、第1の発明または第2の発明に記載の光分岐装置であって、前記モード変換テーパ導波路の幅の平方が前記入力導波路と前記モード変換テーパ導波路との接続位置からの光波の伝搬方向の距離zを変数とする1次関数にて変化することを特徴とする。   An optical branching device according to a third invention for solving the above-described problem is the optical branching device according to the first invention or the second invention, wherein the square of the width of the mode conversion tapered waveguide is the input waveguide. It is characterized by a linear function having a variable z as the distance z in the propagation direction of the light wave from the connection position between the waveguide and the mode conversion tapered waveguide.

上述した課題を解決する第4の発明に係る光分岐装置は、第1の発明乃至第3の発明の何れかに記載の光分岐装置であって、前記モード変換テーパ導波路が、入射光波長において基底モードおよび2次までの高次モードの存在を許す幅、高さ、比屈折率差の構造を有することを特徴とする。   An optical branching device according to a fourth invention that solves the above-described problem is the optical branching device according to any one of the first to third inventions, wherein the mode conversion tapered waveguide has an incident light wavelength. In the present invention is characterized by having a structure of width, height, and relative refractive index difference that allows existence of a fundamental mode and higher-order modes up to the second order.

第1の発明に係る光分岐装置によれば、基板上に構成された光導波路による光分岐装置であって、入力導波路と、前記入力導波路に接続されたモード変換テーパ導波路と、前記モード変換テーパ導波路に接続された2つの出力導波路とからなり、前記入力導波路から前記モード変換テーパ導波路への光波の伝搬においては、前記モード変換テーパ導波路の基底モードおよび高次モードが励振され、かつ前記基底モードが散逸しない構造を有すると共に、前記基底モードおよび前記高次モードによる干渉縞が、前記モード変換テーパ導波路における前記出力導波路との接続位置にその強度を局在させる構造を有することにより、前記モード変換テーパ導波路の終端面における前記2つの出力導波路の間に形成されるギャップによらず、モード間の干渉縞を利用して、前記モード変換テーパ導波路の光波と前記2つの出力導波路とを効率的にそれぞれ結合することができる。また、基底モードの散逸を避ける構成をとるので、従来の多モード干渉カプラにおいて生じていた損失増加が存在しないようになる。その結果、損失を低くすることができる。   According to the optical branching device according to the first aspect of the present invention, there is provided an optical branching device using an optical waveguide configured on a substrate, the input waveguide, a mode conversion tapered waveguide connected to the input waveguide, A two-wavelength output waveguide connected to the mode conversion taper waveguide, and in the propagation of the light wave from the input waveguide to the mode conversion taper waveguide, the fundamental mode and the higher order mode of the mode conversion taper waveguide Is excited and the fundamental mode does not dissipate, and the interference fringes due to the fundamental mode and the higher-order mode localize the intensity at the connection position of the mode conversion tapered waveguide with the output waveguide. By having a structure that allows the mode conversion taper waveguide to be connected between modes regardless of the gap formed between the two output waveguides at the end face of the mode conversion taper waveguide. By using interference fringes, the light wave and the two output waveguides of the mode conversion tapered waveguide can be efficiently coupled respectively. In addition, since the configuration avoids the dissipation of the fundamental mode, there is no increase in loss that has occurred in the conventional multimode interference coupler. As a result, loss can be reduced.

第2の発明に係る光分岐装置によれば、第1の発明に記載の光分岐装置であって、前記モード変換テーパ導波路の入射端から出射端までの伝搬における前記基底モードの位相変化と前記高次モードの位相変化の差が、入力光信号波長においてπとなるように、前記モード変換テーパ導波路の長さを設定したことにより、前記モード変換テーパ導波路に前記2つの出力導波路が接続する接続位置に干渉縞の山が存在するようになり、前記モード変換テーパ導波路の終端面における光パワーは、前記2つの出力導波路に効率的にそれぞれ結合することができる。   According to a second aspect of the present invention, there is provided the optical branching device according to the first aspect, wherein the phase change of the fundamental mode in the propagation from the incident end to the output end of the mode conversion tapered waveguide is By setting the length of the mode conversion taper waveguide so that the difference in phase change of the higher-order mode is π at the input optical signal wavelength, the two output waveguides are connected to the mode conversion taper waveguide. A crest of interference fringes is present at the connection position where the two are connected, and the optical power at the end face of the mode conversion taper waveguide can be efficiently coupled to the two output waveguides.

第3の発明に係る光分岐装置によれば、第1の発明または第2の発明に記載の光分岐装置であって、前記モード変換テーパ導波路の幅の平方が前記入力導波路と前記モード変換テーパ導波路との接続位置からの光波の伝搬方向の距離zを変数とする1次関数にて変化することにより、前記モード変換テーパ導波路の幅の変化角度より前記基底モードの伝搬角が小さくなるので、前記基底モードが散逸しないようになる。   According to the optical branching device of the third invention, the optical branching device according to the first invention or the second invention, wherein the square of the width of the mode conversion tapered waveguide is the input waveguide and the mode The propagation angle of the fundamental mode is changed from the change angle of the width of the mode conversion taper waveguide by changing the linear function with the distance z in the propagation direction of the light wave from the connection position with the conversion taper waveguide as a variable. Since it becomes smaller, the fundamental mode is not dissipated.

第4の発明に係る光分岐装置によれば、第1の発明乃至第3の発明の何れかに記載の光分岐装置であって、前記モード変換テーパ導波路が、入射光波長において基底モードおよび2次までの高次モードの存在を許す幅、高さ、比屈折率差の構造を有することにより、前記基底モードと前記2次モードまでの波長分散および偏波モード分散の影響を最小限に抑えることができる。   According to an optical branching device according to a fourth aspect of the present invention, there is provided the optical branching device according to any one of the first to third aspects, wherein the mode conversion tapered waveguide has a fundamental mode and an incident light wavelength. By having a width, height, and relative refractive index difference structure that allows the presence of higher-order modes up to the second order, the influence of chromatic dispersion and polarization mode dispersion up to the fundamental mode and the second-order mode is minimized. Can be suppressed.

以下に、本発明に係る光分岐装置を実施するための最良の形態を実施例に基づき具体的に説明する。   Hereinafter, the best mode for carrying out the optical branching apparatus according to the present invention will be specifically described based on examples.

図1は、本発明の第1の実施例に係る光分岐装置の概略図であり、図2は、本発明の第1の実施例に係る光分岐装置における2つの出力導波路から出力される光パワーの和の減衰量を示したグラフである。   FIG. 1 is a schematic diagram of an optical branching device according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is output from two output waveguides in the optical branching device according to the first embodiment of the present invention. It is the graph which showed the amount of attenuation of the sum of optical power.

本発明の第1の実施例に係る光分岐装置は、図1に示すように、幅Wsの入力導波路1と、この入力導波路1に接続されたモード変換テーパ導波路2と、モード変換テーパ導波路2に接続された2つの出力導波路3,4とからなる。入力導波路1に入射した光波は、モード変換テーパ導波路2を通って、2つの出力導波路3,4にそれぞれ伝搬する。モード変換テーパ導入路2の幅W(z)は、下記(1)式で示すように、モード変換テーパ導波路2の幅W(z)の平方が入力導波路1とモード変換テーパ導波路2との接続位置からの光波の伝搬方向の距離zを変数とする1次関数にて変化し、前記光波の伝搬方向に向かって徐々に太くなる形状となっている。

Figure 2006106372
As shown in FIG. 1, the optical branching device according to the first embodiment of the present invention includes an input waveguide 1 having a width Ws, a mode conversion tapered waveguide 2 connected to the input waveguide 1, and a mode conversion. It consists of two output waveguides 3 and 4 connected to the tapered waveguide 2. The light wave incident on the input waveguide 1 propagates to the two output waveguides 3 and 4 through the mode conversion taper waveguide 2. The width W (z) of the mode conversion taper introduction path 2 is such that the square of the width W (z) of the mode conversion taper waveguide 2 is equal to the input waveguide 1 and the mode conversion taper waveguide 2 as shown in the following equation (1). Is changed by a linear function with the distance z in the propagation direction of the light wave from the connection position as a variable, and gradually becomes thicker in the propagation direction of the light wave.
Figure 2006106372

ただし、λは光信号の波長、nはモード変換テーパ導波路2の実行屈折率、αは定数であり、x軸をモード変換テーパ導波路2の幅方向とし、x-z座標系を図1に示すように定義する。すなわち、モード変換テーパ導波路2は所定の長さLを有しており、その終端面2aにおいてその幅はWeとなる。

Figure 2006106372
Where λ is the wavelength of the optical signal, n is the effective refractive index of the mode conversion taper waveguide 2, α is a constant, the x axis is the width direction of the mode conversion taper waveguide 2, and the xz coordinate system is shown in FIG. Define as follows. That is, the mode conversion taper waveguide 2 has a predetermined length L, and its width is We at the end face 2a.
Figure 2006106372

また、モード変換テーパ導波路2との接続位置における出力導波路3,4の始端面3a,4aでは、幅W0を有する。モード変換テーパ導波路2の終端面2aにおける2つの出力導波路3,4の接続位置の間に、フォトリソグラフィの解像度等で決まる製造上不可避のギャップGが形成される。これら出力導波路3,4の始端面3a,4aにおける幅W0と、ギャップGと、モード変換テーパ導波路2の終端面2aの幅Weとの間に、下記(2)式で示す関係を有する。
2×W0+G=We (2)
Further, the start end faces 3 a and 4 a of the output waveguides 3 and 4 at the connection position with the mode conversion taper waveguide 2 have a width W 0 . A gap G that is unavoidable in manufacturing is determined between the connection positions of the two output waveguides 3 and 4 on the end face 2a of the mode conversion taper waveguide 2 and determined by the resolution of photolithography. Starting surface 3a of the output waveguides 3 and 4, the width W 0 at 4a, a gap G, between the width We of the end face 2a of the mode conversion tapered waveguide 2, a relationship shown by the following equation (2) Have.
2 × W 0 + G = We (2)

出力導波路3,4は、それらの始端面3a,4a側から終端面3b,4b側に向かって平行に延び、続いてそれらの導波路3,4の比屈折率差Δによって決まる曲率半径Rでそれぞれ対向する側に向かって凸となるように曲がって延び、続いて曲率半径Rで外側に向かって凸となるように曲がって延びている。さらに、出力導波路3,4は、それらの終端面3b,4bでは間隔Sまで離れ、平行に延在する配置となり、それらの終端面3b,4bの幅は、入力導波路1と同じ幅Wsとなるように曲がりながらテーパを有する構造をとなっている。   The output waveguides 3 and 4 extend in parallel from the start end faces 3a and 4a toward the end faces 3b and 4b, and subsequently have a radius of curvature R determined by the relative refractive index difference Δ of the waveguides 3 and 4. Are bent so as to be convex toward the opposite sides, and then bent so as to be convex toward the outside with a radius of curvature R. Further, the output waveguides 3 and 4 are arranged so as to extend in parallel to each other at the termination surfaces 3b and 4b up to the interval S, and the widths of the termination surfaces 3b and 4b are the same as the width Ws of the input waveguide 1. It has a structure having a taper while being bent.

ここで、上記光分岐装置6にて、基底モードが散逸しないことを以下に示す。
上記(1)式のとき、モード変換テーパ導波路2の幅W(z)の変化率は、上記(1)式を変数zで微分して、下記(3)式となる。

Figure 2006106372
よって、モード変換テーパ導波路2の幅の変化角度θhは、以下の(4)式となる。
Figure 2006106372
上記(4)式を式変形して、下記(5)式となる。
Figure 2006106372
一方、基底モードの伝搬角θpは、下記(6)式で表される。
Figure 2006106372
よって、θhとθpとの間には、下記(7)式の関係が成り立つ。
θh=αθp (7)
ここで、αは1より小さい(α<1)ので、下記(8)式が成り立つ。
θh<θp (8)
したがって、モード変換テーパ導波路2の幅の変化角度θhは基底モードの伝搬角θpより小さくなるので、基底モードは散逸しないようになる。 Here, it is shown below that the fundamental mode is not dissipated in the optical branching device 6.
In the case of the above equation (1), the rate of change of the width W (z) of the mode conversion taper waveguide 2 is obtained by differentiating the above equation (1) by the variable z and the following equation (3).
Figure 2006106372
Therefore, the change angle θ h of the width of the mode conversion tapered waveguide 2 is expressed by the following equation (4).
Figure 2006106372
The above equation (4) is transformed into the following equation (5).
Figure 2006106372
On the other hand, the propagation angle θ p of the fundamental mode is expressed by the following equation (6).
Figure 2006106372
Thus, between the theta h and theta p, it holds the relationship of the following equation (7).
θ h = αθ p (7)
Here, since α is smaller than 1 (α <1), the following equation (8) is established.
θ hp (8)
Therefore, since the change angle θ h of the width of the mode conversion taper waveguide 2 is smaller than the propagation angle θ p of the base mode, the base mode is not dissipated.

上述した基底モードの伝搬角θpは光線理論で説明される基底モードに対する反射角であり、これ以上の角度ではコアクラッド境界にて光がクラッドへ漏れ出す限界角である。すなわち、モード変換テーパ導波路2の幅の変化角度θhはθpよりも大きくなると、基底モードはクラッドへと漏れ出す。すなわち、式(8)の条件の下では、変化角度θhは基底モードの伝搬角θpがより小さくなるので、全反射を繰り返させつつモード変換テーパ導波路2の幅を広げることが可能となる。ここで、θh、θpは上記非特許文献3に示されるθh、θpと同様の定義である。 The above-described propagation angle θ p of the fundamental mode is a reflection angle with respect to the fundamental mode described in the light ray theory, and the angle beyond this is the limit angle at which light leaks to the cladding at the core-cladding boundary. That is, when the change angle θ h of the width of the mode conversion taper waveguide 2 becomes larger than θ p , the fundamental mode leaks into the clad. That is, under the condition of equation (8), since the change angle θ h is smaller than the propagation angle θ p of the fundamental mode, it is possible to increase the width of the mode conversion tapered waveguide 2 while repeating total reflection. Become. Here, θ h and θ p are the same definitions as θ h and θ p shown in Non-Patent Document 3 above.

本実施例1では、上述の各パラメータとして、Ws=7.5μm、L=290μm、α=0.25、R=15mm、Δ=0.45%、S=250μm用いて光分岐装置を作製した。また、モード変換テーパ導波路2導波路の高さ、即ちモード変換テーパ導波路2の長さLとその幅W(z)とで形成される面に垂直な方向の大きさを7μmとした。とくに製造上不可避なギャップGを典型的な値である約3μmとした。したがって、出力導波路3,4の始端面3a,4aにおける幅Woはそれぞれ13.5μmとなる。上述したパラメータを用いた計算によれば、モード変換テーパ導波路2の終端面2aにおいては基底モードと2次モードまでの高次モード(1次モードおよび2次モード)の存在が許容され、それぞれの等価屈折率はn0=1.4540、n1=1.4566、n2=1.4571となる。このように、2次までの高次モードのみの存在を許す構造となっているため、基底モードと2次モードまでの波長分散および偏波モード分散の影響を最小限に抑えることができる。   In Example 1, an optical branching device was manufactured using Ws = 7.5 μm, L = 290 μm, α = 0.25, R = 15 mm, Δ = 0.45%, and S = 250 μm as the parameters described above. . The height in the direction perpendicular to the surface formed by the height of the mode conversion taper waveguide 2 waveguide, that is, the length L of the mode conversion taper waveguide 2 and its width W (z) was set to 7 μm. In particular, the gap G, which is unavoidable in production, is set to a typical value of about 3 μm. Therefore, the width Wo at the start end faces 3a and 4a of the output waveguides 3 and 4 is 13.5 μm, respectively. According to the calculation using the above-described parameters, the termination surface 2a of the mode conversion tapered waveguide 2 is allowed to have higher-order modes (primary mode and secondary mode) up to the fundamental mode and the secondary mode, respectively. Are equivalent to n0 = 1.4540, n1 = 1.4566, and n2 = 1.4571. As described above, since the structure allows only the higher order modes up to the second order, the influence of the chromatic dispersion and the polarization mode dispersion up to the fundamental mode and the second order mode can be minimized.

さらに上記光分岐装置6によれば、入力導波路1からモード変換テーパ導波路2へと入射する光波は、モード変換テーパ導波路2の偶数時のモードのみ励振する。これは、モード変換テーパ導波路2への入射位置が光の伝搬時に対して線対称であることによる。加えて、基底モードと2次モードの励振比率はおよそ3:1になることが計算よりわかった。したがって、基底モードと2次モードの干渉縞は鮮明度0.75となる。   Further, according to the optical branching device 6, the light wave incident from the input waveguide 1 to the mode conversion taper waveguide 2 excites only the even mode of the mode conversion taper waveguide 2. This is because the incident position on the mode conversion taper waveguide 2 is line symmetric with respect to the propagation of light. In addition, the calculation shows that the excitation ratio between the fundamental mode and the secondary mode is about 3: 1. Therefore, the interference fringes in the fundamental mode and the secondary mode have a definition of 0.75.

また、モード変換テーパ導波路2の長さLが290μmのとき、干渉縞は出力導波路3,4の存在位置に山を形成する。すなわち、上述した各パラメータを有する光分岐装置6では、入力導波路1が接続するモード変換テーパ導波路2の入力端面からその出力端面である終端面2aまでの光波の伝搬における基底モードの位相変化と2次モードの位相変化の差が、入力光信号波長においてπとなる条件を有している。言い換えれば、基底モードと2次モードの位相変化量の差を当該波長においてπとする長さLおよびαを与えることで、本発明の光分岐装置を実現することができる。   Further, when the length L of the mode conversion taper waveguide 2 is 290 μm, the interference fringes form peaks at the positions where the output waveguides 3 and 4 exist. That is, in the optical branching device 6 having the above-described parameters, the phase change of the fundamental mode in the propagation of the light wave from the input end face of the mode conversion tapered waveguide 2 to which the input waveguide 1 is connected to the termination face 2a that is the output end face. And the difference in phase change between the second-order modes has a condition that becomes π at the input optical signal wavelength. In other words, the optical branching device of the present invention can be realized by giving the lengths L and α where π is the difference in phase change between the fundamental mode and the secondary mode at the wavelength.

作製にあたっては、シリコン基板上に火災堆積法(FHD:Flame Hydrolysis Deposition)を用いて石英系ガラスを堆積し、フォトリソグラフィと反応性イオンエッチングにより光導波路構造を形成する通常の石英系光導波路の製造方法を適用して実現した。このとき、フォトリソグラフィと反応性イオンエッチングにより決まるギャップGはおよそ2μmであった。図2から明らかなように、TE,TMの両偏波において波長域1.2μmから1.6μmまで減衰量は0.15dB以下に抑えられており、波長依存性がないことが分かると共に、TE偏波の損失とTM偏波の損失との差が最も大きくなる波長1.3μmにて0.02dBとなるので、偏波依存性も無いことが分かる。   In production, a quartz glass is deposited on a silicon substrate using a flame deposition method (FHD), and an optical waveguide structure is formed by photolithography and reactive ion etching. Realized by applying the method. At this time, the gap G determined by photolithography and reactive ion etching was about 2 μm. As is apparent from FIG. 2, the attenuation is suppressed to 0.15 dB or less from the wavelength range of 1.2 μm to 1.6 μm in both TE and TM polarizations, and it is understood that there is no wavelength dependence. Since the difference between the polarization loss and the TM polarization loss is 0.02 dB at the wavelength of 1.3 μm at which the difference is greatest, it can be seen that there is no polarization dependency.

したがって、本発明の第1の実施例に係る光分岐装置6によれば、モード変換テーパ導波路2の終端面2aにおける出力導波路3,4の間に形成されるギャップGによらず、モード間の干渉縞を利用して、モード変換テーパ導波路2の光波と出力導波路3,4とを効率的にそれぞれ結合することができる。また、基底モードの散逸を避ける構成をとるので、従来の多モード干渉カプラにおいて生じていた損失増加が存在しないようになる。   Therefore, according to the optical branching device 6 according to the first embodiment of the present invention, the mode is independent of the gap G formed between the output waveguides 3 and 4 in the termination surface 2a of the mode conversion tapered waveguide 2. By utilizing the interference fringes between them, the light wave of the mode conversion taper waveguide 2 and the output waveguides 3 and 4 can be efficiently coupled. In addition, since the configuration avoids the dissipation of the fundamental mode, there is no increase in loss that has occurred in the conventional multimode interference coupler.

また、従来の多モード干渉カプラでは、上記光分岐装置6と同様の干渉効果を利用するものの、多モード導波路での基底モードの散逸により、損失の増大を招いていた。これに対し、上記光分岐装置6では、基底モードの散逸を避ける構成となっているので、多モード干渉カプラにおいて生じていた損失増加が存在しないようになっている。その結果、上記光分岐装置では、損失を低くすることができる。   In addition, although the conventional multimode interference coupler uses the same interference effect as that of the optical branching device 6, the loss is increased due to the dissipation of the fundamental mode in the multimode waveguide. On the other hand, since the optical branching device 6 is configured to avoid the dissipation of the base mode, there is no increase in loss that has occurred in the multimode interference coupler. As a result, the optical branching device can reduce loss.

本発明の第1の実施例に係る光分岐装置の概略図である。1 is a schematic diagram of an optical branching apparatus according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施例に係る光分岐装置における2つの出力導波路から出力される光パワーの和の減衰量を示したグラフである。It is the graph which showed the attenuation amount of the sum of the optical power output from two output waveguides in the optical branching apparatus which concerns on 1st Example of this invention. 従来の光分岐装置の概略図である。It is the schematic of the conventional optical branching device. 従来の多モード干渉カプラの概略図である。It is the schematic of the conventional multimode interference coupler.

符号の説明Explanation of symbols

1 入力導波路
2 モード変換テーパ導波路
3,4 出力導波路
6 光分岐装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Input waveguide 2 Mode conversion taper waveguide 3, 4 Output waveguide 6 Optical branching device

Claims (4)

基板上に構成された光導波路による光分岐装置であって、
入力導波路と、前記入力導波路に接続されたモード変換テーパ導波路と、前記モード変換テーパ導波路に接続された2つの出力導波路とからなり、
前記入力導波路から前記モード変換テーパ導波路への光波の伝搬においては、前記モード変換テーパ導波路の基底モードおよび高次モードが励振され、かつ前記基底モードが散逸しない構造を有すると共に、
前記基底モードおよび前記高次モードによる干渉縞が、前記モード変換テーパ導波路における前記出力導波路との接続位置にその強度を局在させる構造を有することを特徴とする光分岐装置。
An optical branching device using an optical waveguide configured on a substrate,
An input waveguide, a mode conversion taper waveguide connected to the input waveguide, and two output waveguides connected to the mode conversion taper waveguide,
In the propagation of the light wave from the input waveguide to the mode conversion taper waveguide, the fundamental mode and the higher order mode of the mode conversion taper waveguide are excited and the base mode is not dissipated.
An optical branching device having a structure in which interference fringes due to the fundamental mode and the higher-order mode localize the intensity at a connection position of the mode conversion tapered waveguide with the output waveguide.
請求項1に記載の光分岐装置であって、
前記モード変換テーパ導波路の入射端から出射端までの伝搬における前記基底モードの位相変化と前記高次モードの位相変化の差が、入力光信号波長においてπとなるように、前記モード変換テーパ導波路の長さを設定したことを特徴とする光分岐装置。
The optical branching device according to claim 1,
The mode conversion taper guide is such that the difference between the phase change of the fundamental mode and the phase change of the higher order mode in the propagation from the entrance end to the exit end of the mode conversion taper waveguide is π at the input optical signal wavelength. An optical branching device characterized by setting a length of a waveguide.
請求項1または請求項2に記載の光分岐装置であって、
前記モード変換テーパ導波路の幅の平方が前記入力導波路と前記モード変換テーパ導波路との接続位置からの光波の伝搬方向の距離zを変数とする1次関数にて変化することを特徴とする光分岐装置。
The optical branching device according to claim 1 or 2,
The square of the width of the mode conversion taper waveguide is changed by a linear function using a distance z in the propagation direction of a light wave from a connection position between the input waveguide and the mode conversion taper waveguide as a variable. Optical branching device.
請求項1乃至請求項3の何れかに記載の光分岐装置であって、
前記モード変換テーパ導波路が、入射光波長において基底モードおよび2次までの高次モードの存在を許す幅、高さ、比屈折率差の構造を有することを特徴とする光分岐装置。
An optical branching device according to any one of claims 1 to 3,
The optical branching device, wherein the mode conversion tapered waveguide has a structure of width, height, and relative refractive index difference that allows existence of a fundamental mode and higher-order modes up to the second order at an incident light wavelength.
JP2004293168A 2004-10-06 2004-10-06 Optical branching apparatus Pending JP2006106372A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004293168A JP2006106372A (en) 2004-10-06 2004-10-06 Optical branching apparatus

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004293168A JP2006106372A (en) 2004-10-06 2004-10-06 Optical branching apparatus

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2006106372A true JP2006106372A (en) 2006-04-20

Family

ID=36376189

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004293168A Pending JP2006106372A (en) 2004-10-06 2004-10-06 Optical branching apparatus

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2006106372A (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100449342C (en) * 2007-02-08 2009-01-07 东南大学 Compact 1XN light power shunt
JP2012014028A (en) * 2010-07-02 2012-01-19 Oki Electric Ind Co Ltd Optical coupling/branching element
JP2013152272A (en) * 2012-01-24 2013-08-08 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Higher order mode planar light wave circuit
CN106290257A (en) * 2016-08-03 2017-01-04 大连理工大学 A kind of integrated waveguide optical biochemical sensor based on spectrum division and method
JP2020016717A (en) * 2018-07-24 2020-01-30 住友大阪セメント株式会社 Optical waveguide element

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100449342C (en) * 2007-02-08 2009-01-07 东南大学 Compact 1XN light power shunt
JP2012014028A (en) * 2010-07-02 2012-01-19 Oki Electric Ind Co Ltd Optical coupling/branching element
JP2013152272A (en) * 2012-01-24 2013-08-08 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Higher order mode planar light wave circuit
CN106290257A (en) * 2016-08-03 2017-01-04 大连理工大学 A kind of integrated waveguide optical biochemical sensor based on spectrum division and method
JP2020016717A (en) * 2018-07-24 2020-01-30 住友大阪セメント株式会社 Optical waveguide element
JP7073963B2 (en) 2018-07-24 2022-05-24 住友大阪セメント株式会社 Optical waveguide element

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10663663B2 (en) Spot-size converter for optical mode conversion and coupling between two waveguides
US10371895B2 (en) Spot-size converter for optical mode conversion and coupling between two waveguides
KR101121459B1 (en) Method and apparatus for compactly coupling an optical fiber and a planar optical wave guide
US7272279B2 (en) Waveguide type optical branching device
He et al. A high-efficiency nonuniform grating coupler realized with 248-nm optical lithography
EP3314320B1 (en) Mode converter with a s-bent taper and related polarization rotator
US9151901B2 (en) Wavelength-selective path-switching element
CN111273398B (en) Design method of M-type waveguide grating coupler with high coupling efficiency
Qiu et al. Narrow-band add-drop filter based on cladding-modulated apodized multimode Bragg grating
Song et al. Low-back-reflection grating couplers using asymmetric grating trenches
US20120002922A1 (en) Optical multiplexer/demultiplexer
US8295661B2 (en) Flat-top response arrayed waveguide grating
JP2006106372A (en) Optical branching apparatus
Wang et al. A compact 1× 64 optical power splitter using silica-based PLC on quartz substrate
JP2007232944A (en) Optical signal processor
Song et al. Broad-band LP 02 mode excitation using a fused-type mode-selective coupler
Zou et al. Grating coupler with reduced Back reflection using λ/4 offset at its grating sub-teeth
Luo et al. Polarization-insensitive 3-dB coupler for polarization and wavelength division multiplexed systems
Cheben et al. Subwavelength index engineered waveguides and devices
Atsumi et al. Large mode-field-diameter surface optical coupler based on SiO2-capsuled vertically curved Si waveguide
JP6697365B2 (en) Mode multiplexing / demultiplexing optical circuit
Li et al. Spiral optical delay lines in silicon-on-insulator
Wang et al. Broadband sub-wavelength grating coupler for O-band application
Hoppe et al. Bandwidth-enhancement of silicon grating couplers using dispersive coatings
Molina-Fernandez et al. New concepts in silicon component design using subwavelength structures

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20070306

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20081222

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20090303

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20090630