JP2006350115A - Optical circuit and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、基板上に構成されたコアおよびクラッドからなる光導波路を含み、入力ポートからの入射光を所望の出力ポートに集光させて所望の出射光とする光回路、およびその光回路の製造方法に関する。 The present invention includes an optical waveguide including a core and a clad formed on a substrate, and condenses incident light from an input port to a desired output port to produce desired output light, and an optical circuit of the optical circuit It relates to a manufacturing method.
光通信システムの適用領域拡大、更なる大容量化、高速化に伴い、信号光の分岐やスイッチングを行う光回路、波長の異なる複数の信号光を合分波する光回路の重要性が増している。このような光回路は、小型かつ高性能であることが求められている。 With the expansion of the application area of optical communication systems, further increases in capacity and speed, the importance of optical circuits that branch and switch signal light and optical circuits that combine and demultiplex multiple signal lights with different wavelengths has increased. Yes. Such an optical circuit is required to be small and have high performance.
このような光回路の一例として従来のアレイ導波路格子フィルタの構成例を図8に示す。アレイ導波路格子フィルタは、複数の異なる波長の信号光を合分波するための光回路である(例えば、非特許文献1参照)。図8に示すアレイ導波路格子フィルタは、複数本の入力光導波路81に接続された1つのスラブ光導波路82と、複数本の出力光導波路85に接続された1つのスラブ光導波路84との間を複数本のアレイ導波路83で接続した構成となっている。アレイ導波路83の各々の導波路は、その隣接する導波路の光学的な長さが、内側から外側に向かって所定の等しい大きさだけ順次増加するように設定されている。
FIG. 8 shows a configuration example of a conventional arrayed waveguide grating filter as an example of such an optical circuit. The arrayed waveguide grating filter is an optical circuit for multiplexing and demultiplexing a plurality of signal lights having different wavelengths (see, for example, Non-Patent Document 1). The arrayed waveguide grating filter shown in FIG. 8 is provided between one slab
入力光導波路81に入力された信号光は、スラブ光導波路82により光路が広げられて、アレイ導波路83の各々の導波路へと導かれる。アレイ導波路83の光路長差により、スラブ光導波路84で合成される信号光の波面は、波長に応じて傾きを有する。その結果、信号光はその波長に応じて出力光導波路85の異なる導波路へと出力することになり、波長分波器が実現される。
The optical path of the signal light input to the input
しかしながら、従来の上述のような光回路は、スラブ光導波路、アレイ光導波路などの個別の光回路要素を組み合わせて構成していたので、小型化が難しいという問題があった。また、光回路要素を複合的に組み合わせて大規模な光回路システムを構成する場合には、光回路要素の特性に合わせて詳細なレイアウト設計を行う必要があるため、設計工程が増大して複雑になるという問題があった。 However, since the conventional optical circuit as described above is configured by combining individual optical circuit elements such as a slab optical waveguide and an array optical waveguide, there is a problem that miniaturization is difficult. In addition, when a large-scale optical circuit system is configured by combining optical circuit elements in a complex manner, it is necessary to perform a detailed layout design in accordance with the characteristics of the optical circuit elements. There was a problem of becoming.
本発明は、上述のような点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、複数の光回路要素を組み合わせることなく、単一の光回路要素で、所望の光学的機能を実現し、かつ小型で高性能な光回路を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above points, and an object thereof is to realize a desired optical function with a single optical circuit element without combining a plurality of optical circuit elements. Another object of the present invention is to provide a small and high-performance optical circuit.
上記目的を達成するための、本発明の請求項1に記載の光回路は、基板上に形成された少なくとも1本の入力光導波路と、少なくとも1本の出力光導波路とを有し、前記入力光導波路と前記出力光導波路の間に、光伝搬方向に配列した複数の光導波路からなる光導波路アレイと、該光導波路アレイに実質的に直交して配列された櫛状の複数のスラブ光導波路とを有し、前記光導波路アレイの各光導波路の幅および前記スラブ光導波路の幅が導波路長手方向に沿って変調されていることを特徴としている。このような構成とすることで、本発明は、単一の光回路要素で、所望の光学的機能を実現し、小型で高性能な光回路を提供することができる。
In order to achieve the above object, an optical circuit according to
本発明の請求項2の光回路は、請求項1の構成において、前記光導波路アレイの各光導波路の幅および前記スラブ光導波路の幅の変化量が、光伝搬方向の単位長さ(1μm)当たり±8.0μmの範囲内であることを特徴としている。 According to a second aspect of the present invention, in the configuration of the first aspect, the amount of change in the width of each optical waveguide of the optical waveguide array and the width of the slab optical waveguide is a unit length (1 μm) in the light propagation direction. It is characterized by being within a range of ± 8.0 μm per hit.
本発明の請求項3の光回路は、請求項1または2の構成の前記光導波路アレイに実質的に直交して配列された前記複数のスラブ光導波路において、隣接するスラブ光導波路の間隔が1.0μm以上であることを特徴としている。このような構成とすることで、本発明は、既存の光回路作製プロセスで作製することが可能で、単一の光回路要素で構成される小型で高性能な光回路を提供することができる。 According to a third aspect of the present invention, there is provided an optical circuit according to the first or second aspect, wherein the interval between adjacent slab optical waveguides is 1 in the plurality of slab optical waveguides arranged substantially orthogonal to the optical waveguide array of the first or second configuration. 0.0 μm or more. With such a configuration, the present invention can be manufactured by an existing optical circuit manufacturing process, and can provide a small and high-performance optical circuit configured by a single optical circuit element. .
本発明の請求項4の光回路は、請求項1乃至3の構成において、前記光導波路アレイの各光導波路は、光導波路が部分的に消失する箇所を含むことを特徴としている。このような構成とすることで、本発明は、単一の光回路要素で、所望の光学的機能を実現し、小型で高性能な光回路を提供することができる。 An optical circuit according to a fourth aspect of the present invention is characterized in that, in the configuration of the first to third aspects, each optical waveguide of the optical waveguide array includes a portion where the optical waveguide partially disappears. With such a configuration, the present invention can realize a desired optical function with a single optical circuit element, and can provide a small and high-performance optical circuit.
本発明の請求項5の光回路は、請求項1乃至4の構成において、前記基板はシリコン基板であり、前記光導波路は石英系ガラス光導波路であることを特徴としている。このような構成とすることで、本発明は、安定で加工性に優れた光回路を提供することができる。 An optical circuit according to a fifth aspect of the present invention is characterized in that, in the configuration of the first to fourth aspects, the substrate is a silicon substrate, and the optical waveguide is a silica glass optical waveguide. By setting it as such a structure, this invention can provide the optical circuit which was stable and excellent in workability.
本発明の請求項6の光回路は、請求項1乃至5の構成において、前記光回路は、入力ポートからの入射光を所望の出力ポートに集光させて所望の出射光とする、波長分波器、光タップ回路、または光スプリッタのいずれかであることを特徴としている。 According to a sixth aspect of the present invention, there is provided an optical circuit according to any one of the first to fifth aspects, wherein the optical circuit condenses incident light from an input port to a desired output port to obtain desired output light. It is one of a waver, an optical tap circuit, and an optical splitter.
本発明の請求項7に記載の光回路の製造方法は、基板上に構成されたコアおよびクラッドからなる光導波路を含み、入力ポートからの入射光を所望の出力ポートに集光させて所望の出射光とする光回路の製造方法であって、基板上に下部クラッド層を形成する第1工程と、前記下部クラッド層上に前記クラッド層より高い屈折率を有するコア層を形成する第2工程と、前記コア層からパターン化されたコア部を形成する第3工程と、前記下部クラッド層および前記コア部の上に上部クラッド層を形成する第4工程とを有し、前記第3工程において、前記パターン化されたコア部が、前記基板上に形成された少なくとも1本の入力光導波路と、少なくとも1本の出力光導波路を構成し、前記入力光導波路と前記出力光導波路の間に、光伝搬方向に配列した複数の光導波路からなる光導波路アレイと、該光導波路アレイに実質的に直交して配列された櫛状の複数のスラブ光導波路とを構成し、前記光導波路アレイの各光導波路の幅および前記スラブ光導波路の幅が導波路長手方向に沿って変調されていることを特徴としている。 According to a seventh aspect of the present invention, there is provided an optical circuit manufacturing method including an optical waveguide including a core and a clad formed on a substrate, and condensing incident light from an input port to a desired output port. An optical circuit manufacturing method for emitting light, wherein a first step of forming a lower clad layer on a substrate and a second step of forming a core layer having a higher refractive index than the clad layer on the lower clad layer And a third step of forming a patterned core portion from the core layer, and a fourth step of forming an upper clad layer on the lower clad layer and the core portion, in the third step The patterned core portion constitutes at least one input optical waveguide formed on the substrate and at least one output optical waveguide, and is between the input optical waveguide and the output optical waveguide. Light propagation direction An optical waveguide array comprising a plurality of optical waveguides arranged, and a plurality of comb-shaped slab optical waveguides arranged substantially orthogonal to the optical waveguide array, the width of each optical waveguide of the optical waveguide array The width of the slab optical waveguide is modulated along the longitudinal direction of the waveguide.
本発明の請求項8の光回路の製造方法は、請求項7の構成において、前記パターン化されたコア部を予め設計する工程をさらに含み、該設計工程は、前記光回路を構成する初期屈折率分布を仮定した光回路媒体中において、前記入射光のフィールド分布1と、前記出射光を前記出力ポートより仮想的に逆伝搬させた光のフィールド分布2を求める第1のステップと、前記光回路媒体中の各点において前記フィールド分布1と前記フィールド分布2との位相差が小さくなるように前記光導波路アレイの各光導波路の幅および前記スラブ光導波路の幅を変化させる第2のステップと、前記出力ポート位置において、前記フィールド分布1と前記フィールド分布2とが所望の誤差以下となるまで、前記第1のステップと前記第2のステップを繰り返して前記光導波路アレイの各光導波路の幅および前記スラブ光導波路の幅を逐次求める第3のステップとを含むことを特徴としている。
According to an eighth aspect of the present invention, there is provided an optical circuit manufacturing method further comprising the step of predesigning the patterned core portion in the configuration of the seventh aspect, wherein the design step comprises initial refraction constituting the optical circuit. A first step of obtaining a
以上の構成により、本発明によれば、単一の光回路要素で、所望の光学的機能を実現し、かつ小型で高性能な光回路を提供することができる。 With the above configuration, according to the present invention, a desired optical function can be realized with a single optical circuit element, and a small and high-performance optical circuit can be provided.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、本発明の各実施形態において、同一機能を有する部分には同一符号を付し、その重複説明は省略する。また、以下の本発明の各実施形態では光回路はシリコン基板上に形成された石英系ガラス光導波路であるとした。これは、このような組み合わせにすることにより、安定で加工性に優れた光回路を提供できるからである。しかしながら、本発明はこの組み合わせに限定されるものではなく、基板として石英基板、サファイア基板、ポリマー基板などを、また基板上に形成するコアおよびクラッドとして半導体、誘電体、ポリマーなどの材料を用いても勿論構わない。以下の本発明の実施形態では、コアはクラッドに埋設された例を示しているが、リッジ(ridge)形状のコアであっても本発明の効果を充分に得ることができる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In each embodiment of the present invention, parts having the same function are denoted by the same reference numerals, and redundant description thereof is omitted. In the following embodiments of the present invention, the optical circuit is a silica-based glass optical waveguide formed on a silicon substrate. This is because an optical circuit which is stable and excellent in processability can be provided by using such a combination. However, the present invention is not limited to this combination, and a quartz substrate, a sapphire substrate, a polymer substrate, or the like is used as a substrate, and a material such as a semiconductor, a dielectric, or a polymer is used as a core and a clad formed on the substrate. Of course. In the following embodiments of the present invention, an example in which the core is embedded in the clad is shown, but even the ridge-shaped core can sufficiently obtain the effects of the present invention.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態にかかる光回路を、基板に対して垂直上方向から見た平面図である。本図中のz軸は信号光の伝搬方向を示している。ここで、第1の実施形態は波長分波器としたが、これは本発明にかかる光回路が、波長分波器など従来では複数の光回路要素の組み合わせで構成する必要があった光回路を、単一の光回路要素で実現するのに優れているからである。しかしながら、本発明にかかる光回路は、本実施形態に限定されるものではなく、スポットサイズ変換器など他の機能を有する光回路としても構成することができる。
(First embodiment)
FIG. 1 is a plan view of an optical circuit according to a first embodiment of the present invention viewed from above in a direction perpendicular to a substrate. The z axis in this figure indicates the propagation direction of the signal light. Here, the first embodiment is a wavelength demultiplexer, but this is an optical circuit in which the optical circuit according to the present invention must be configured by a combination of a plurality of optical circuit elements such as a wavelength demultiplexer. This is because it is excellent to realize this with a single optical circuit element. However, the optical circuit according to the present invention is not limited to this embodiment, and can also be configured as an optical circuit having other functions such as a spot size converter.
図1に示すように、第1の実施形態にかかる光回路は、基板10上に、1本の入力光導波路11と、光伝搬方向に配列した複数の光導波路からなる光導波路アレイ12と、2本の出力光導波路14a,14bとが、この順に光学的に接続され、上記光導波路アレイ12に実質的に直交して配列された櫛状の複数のスラブ光導波路13が配置されている。
As shown in FIG. 1, the optical circuit according to the first embodiment includes, on a
以下、図1に示す光導波路アレイ12の各光導波路およびスラブ光導波路13の設計について説明する。光導波路アレイ12の各光導波路の幅および各スラブ光導波路13の幅は、波動伝達媒体の基本概念を適用して決定する。ここでは、光回路へ適用することから、波動伝達媒体中を伝搬する「波動」は「光」である。波動伝達媒体にかかる理論は、一般の波動方程式に基づいて媒質の特性を指定するものであり、一般の波動においても原理的に成り立ち得るものである。
Hereinafter, the design of each optical waveguide of the
光導波路アレイ12の各光導波路および各スラブ光導波路13の設計を説明するためには記号を用いるほうが見通しが良いので、各量を表すために以下のような記号を用いることとする。尚、対象とされる光(フィールド)は、単一状態の光には限定されないので、複数の状態の光が重畳された光を対象とされ得るべく、個々の状態の光にインデックスjを充てて一般的に表記する。以下の説明において、光の伝搬方向の座標軸をz軸(z=0が入射面、z=zeが出射面)、光の伝搬方向に対する横方向(直角方向)の座標軸をx軸とする。
・Ψj(x):j番目の入射フィールド(複素ベクトル値関数であり、入射面において設定する強度分布および位相の分布、ならびに、波長及び偏波により規定される。)
・Φj(x):j番目の出射フィールド(複素ベクトル値関数であり、出射面において設定する強度分布および位相の分布、ならびに、波長及び偏波により規定される。)
In order to describe the design of each optical waveguide and each slab
Ψ j (x): j-th incident field (a complex vector value function, which is defined by the intensity distribution and phase distribution set on the incident plane, and the wavelength and polarization)
Φ j (x): j-th outgoing field (a complex vector value function, which is defined by the intensity distribution and phase distribution set on the outgoing face, and the wavelength and polarization)
ここで、「フィールド」とは、一般に電位場(電磁界)または電磁場のベクトルポテンシャル場を意味している。尚、Ψj(x)及びΦj(x)は、光回路中で強度増幅、波長変換、偏波変換が行われない限り、光強度の総和は同じ(あるいは無視できる程度の損失)であり、それらの波長も偏波も同じである。
・{Ψj(x)、Φj(x)}:入出力ペア(入出力のフィールドの組み。)
Here, “field” generally means a potential field (electromagnetic field) or a vector potential field of an electromagnetic field. Note that Ψ j (x) and Φ j (x) have the same total light intensity (or a negligible loss) unless intensity amplification, wavelength conversion, and polarization conversion are performed in the optical circuit. The wavelength and polarization are the same.
{Ψ j (x), Φ j (x)}: input / output pair (a set of input / output fields)
{Ψj(x)、Φj(x)}は、入射面及び出射面における、強度分布及び位相分布ならびに波長及び偏波により規定される。
・{nq}:屈折率分布(光回路設計領域全体の値の組み。)
{Ψ j (x), Φ j (x)} is defined by the intensity distribution and phase distribution, wavelength, and polarization at the entrance and exit surfaces.
{N q }: Refractive index distribution (a set of values for the entire optical circuit design area)
与えられた入射フィールド及び出射フィールドに対して屈折率分布を1つ与えたときに光のフィールドが決まるので、q番目の繰り返し演算で与えられる屈折率全体に対するフィールドを考える必要がある。そこで、(z,x)を不定変数として、屈折率分布全体をnq(z,x)と表しても良いが、場所(z,x)における屈折率の値nq(z,x)と区別するために、屈折率分布全体に対しては{nq}と表す。
・Ψj(z,x,{nq}):j番目の入射フィールドΨj(x)を屈折率分布{nq}中をzまで伝搬させたときの、場所(z,x)におけるフィールドの値。
・Φj(z,x,{nq}):j番目の出射フィールドΦj(x)を屈折率分布{nq}中をzまで逆伝搬させたときの、場所(z,x)におけるフィールドの値。
Since one field of light is determined when one refractive index distribution is given to a given incident field and outgoing field, it is necessary to consider a field for the entire refractive index given by the qth iteration. Therefore, the entire refractive index distribution may be represented as n q (z, x) with (z, x) as an indefinite variable, but the refractive index value n q (z, x) at the location (z, x) In order to distinguish, {n q } is used for the entire refractive index distribution.
Ψ j (z, x, {n q }): field at location (z, x) when the j-th incident field Ψ j (x) is propagated through the refractive index profile {n q } to z The value of the.
Φ j (z, x, {n q }): at the location (z, x) when the j-th outgoing field Φ j (x) is propagated back to z in the refractive index distribution {n q }. The field value.
本実施形態において、光導波路アレイ12の各光導波路の幅およびスラブ光導波路13の幅は、すべてのjについてΨj(ze,x,{nq})=Φj(x)、またはそれに近い状態となるように{nq}が与えられる。
In this embodiment, the width and the width of the slab
「入力ポート」及び「出力ポート」とは、入射端面及び出射端面におけるフィールドの集中した「領域」であり、例えば、その部分に光ファイバを接続することにより、光強度をファイバに伝搬できるような領域である。ここで、フィールドの強度分布及び位相分布は、j番目のものとk番目のものとで異なるように設計可能であるので、入射端面及び出射端面に複数のポートを設けることができる。さらに、入射フィールドと出射フィールドの組を考えた場合、その間の伝搬により発生する位相が、光の周波数によって異なるので、周波数が異なる光(すなわち波長の異なる光)については、位相を含めたフィールド形状が同じであるか、直交しているかの如何にかかわらず、異なるポートとして設定することができる。 “Input port” and “output port” are “regions” where the fields at the entrance end face and the exit end face are concentrated. For example, by connecting an optical fiber to the part, the optical intensity can be propagated to the fiber. It is an area. Here, since the field intensity distribution and the phase distribution can be designed to be different for the j-th and k-th ones, a plurality of ports can be provided on the entrance end face and the exit end face. Furthermore, when considering a pair of an incident field and an outgoing field, the phase generated by the propagation between them differs depending on the frequency of light. Therefore, for light having different frequencies (that is, light having different wavelengths), the field shape including the phase is included. Can be configured as different ports regardless of whether they are the same or orthogonal.
ここで、電磁界は、実数ベクトル値の場で、かつ波長と偏光状態をパラメータとして有するが、その成分の値を一般的な数学的取り扱いが容易な複素数で表示し、電磁波の解を表記する。また、以下の計算においては、フィールド全体の強度は1に規格化されているものとする。j番目の入射フィールドΨj(x)及び出射フィールドΦj(x)に対し、伝搬フィールドと逆伝搬フィールドとをそれぞれの場所の複素ベクトル値関数として、Ψj(z,x,{n})及びΦj(z,x,{n})と表記する。これらの関数の値は、屈折率分布{n}により変化するため、屈折率分布{n}がパラメータとなる。記号の定義により、Ψj(x)=Ψj(0,x,{n})及びΦj(x)=Φj(ze,x,{n})となる。これらの関数の値は、入射フィールドΨj(x)、出射フィールドΦj(x)、及び屈折率分布{n}が与えられれば、ビーム伝搬法などの公知の手法により容易に計算することができる。 Here, the electromagnetic field is a field of a real vector value, and has a wavelength and a polarization state as parameters. The value of the component is displayed as a complex number that can be easily handled in general mathematical terms, and the electromagnetic wave solution is expressed. . In the following calculation, it is assumed that the strength of the entire field is normalized to 1. For the jth incident field Ψ j (x) and the outgoing field Φ j (x), Ψ j (z, x, {n}) with the propagation field and the back propagation field as complex vector value functions at the respective locations. And Φ j (z, x, {n}). Since the values of these functions vary depending on the refractive index distribution {n}, the refractive index distribution {n} is a parameter. The definitions of the symbols, Ψ j (x) = Ψ j (0, x, {n}) and Φ j (x) = Φ j (z e, x, {n}) becomes. The values of these functions can be easily calculated by a known method such as a beam propagation method, given an incident field Ψ j (x), an outgoing field Φ j (x), and a refractive index distribution {n}. it can.
以下に、空間的な屈折率分布を決定するための一般的なアルゴリズムを説明する。図2に波動伝搬媒体の空間的な屈折率分布を決定するための計算手順を示す。この計算は、繰り返し実行されるので、繰り返し回数をqで表し、(q−1)番目までの計算が実行されているときのq番目の計算の様子が図2に図示されている。(q−1)番目の計算によって得られた屈折率分布{nq-1}をもとに、各j番目の入射フィールドの初期値Ψj(x)についての伝搬フィールド(伝搬方向のフィールド)の値を、及び出射フィールドΦj(x)についての逆伝搬フィールド(逆伝搬方向のフィールド)の値を数値計算により求め、その結果を各々、Ψj(z,x,{nq-1})及びΦj(z,x,{nq-1})と表記する(ステップS2)。 In the following, a general algorithm for determining the spatial refractive index distribution will be described. FIG. 2 shows a calculation procedure for determining the spatial refractive index distribution of the wave propagation medium. Since this calculation is repeatedly executed, the number of repetitions is represented by q, and the state of the qth calculation when the calculations up to the (q-1) th are executed is shown in FIG. Based on the refractive index distribution {n q-1 } obtained by the (q-1) th calculation, a propagation field (field in the propagation direction) for the initial value Ψ j (x) of each jth incident field And the value of the back propagation field (field in the back propagation direction) for the outgoing field Φ j (x) are obtained by numerical calculation, and the results are respectively obtained as Ψ j (z, x, {n q−1 } ) And Φ j (z, x, {n q-1 }) (step S2).
これらの結果をもとに、各場所(z,x)における屈折率nq(z,x)を、次式(1)により求める。そして、屈折率分布{nq-1}におけるコアとクラッドの境界において、次式(1)のIm[φj(z,x,{nq-1})*・Ψj(z,x,{nq-1})]の絶対値が小さくなるように光導波路アレイの書く光導波路の幅および光導波路の幅を拡大または縮小させる。(ステップS4)。 Based on these results, the refractive index n q (z, x) at each location (z, x) is obtained by the following equation (1). Then, at the boundary between the core and the clad in the refractive index profile {n q−1 }, Im [φ j (z, x, {n q−1 }) * · Ψ j (z, x, The width of the optical waveguide written in the optical waveguide array and the width of the optical waveguide are enlarged or reduced so that the absolute value of {n q-1 })] is reduced. (Step S4).
ここで、右辺第2項中の記号「・」は、内積演算を意味し、Im[]は、[]内のフィールド内積演算結果の虚数部分を意味する。尚、記号「*」は複素共役である。係数αは、nq(z,x)の数分の1以下の値をさらにフィールドの組の数で割った値である。Σjは、インデックスjについて和をとるという意味である。 Here, the symbol “·” in the second term on the right side means an inner product operation, and Im [] means an imaginary part of the field inner product operation result in []. The symbol “*” is a complex conjugate. The coefficient α is a value obtained by dividing a value less than a fraction of n q (z, x) by the number of field pairs. Σ j means that the sum is taken for the index j.
ステップS2とS4とを繰り返し、伝搬フィールドの出射面における値Ψj(ze,x,{n})と出射フィールドの初期値Φj(x)との差の絶対値が、所望の誤差djよりも小さくなると(ステップS3:YES)計算が終了する。 Steps S2 and S4 are repeated, and the absolute value of the difference between the value Ψ j (z e , x, {n}) on the exit surface of the propagation field and the initial value Φ j (x) of the exit field is the desired error d. When it becomes smaller than j (step S3: YES), the calculation is completed.
以上の計算では、屈折率分布の初期値{n0}は適当に設定すればよいが、この初期値{n0}が予想される屈折率分布に近ければ、それだけ計算の収束は早くなる(ステップS0)。また、各jについてΦj(z,x,{nq-1})及びΨj(z,x,{nq-1})を計算するにあたっては、パラレルに計算が可能な計算機の場合は、jごと(すなわち、Φj(z,x,{nq-1})及びΨj(z,x,{nq-1})ごと)に計算すればよいので、クラスタシステム(cluster system)等を利用して計算の効率化を図ることができる(ステップS2)。 In the above calculation, the initial value {n 0 } of the refractive index distribution may be set appropriately, but if this initial value {n 0 } is close to the expected refractive index distribution, the convergence of the calculation is accelerated accordingly ( Step S0). In calculating Φ j (z, x, {n q-1 }) and Ψ j (z, x, {n q-1 }) for each j, in the case of a computer that can calculate in parallel, , J (that is, Φ j (z, x, {n q-1 }) and Ψ j (z, x, {n q-1 })), the cluster system. Etc. can be used to improve calculation efficiency (step S2).
また、比較的少ないメモリで計算機が構成されている場合は、上記の式(1)のインデックスjについての和の部分で、各qで適当なjを選び、その分のΦj(z,x,{nq-1})及びΨj(z,x,{nq-1})のみを計算して、以降の計算を繰り返すことも可能である(ステップS2)。 When a computer is configured with a relatively small memory, an appropriate j is selected for each q in the sum of the index j in the above equation (1), and Φ j (z, x , {N q-1 }) and Ψ j (z, x, {n q-1 }), and the subsequent calculation can be repeated (step S2).
以上の演算において、Φj(z,x,{nq-1})とΨj(z,x,{nq-1})の値とが近い場合には、上記の式(1)中のIm[φj(z,x,{nq-1})*・Ψj(z,x,{nq-1})]は伝搬フィールドと逆伝搬フィールドの位相差に対応する値となり、この位相差の値を減少させることで所望の出力を得ることが可能である。すなわち、光導波路アレイ12の各光導波路の幅およびスラブ光導波路13の幅の決定に際しては、(q−1)番目の計算結果の屈折率分布におけるコアとクラッドの境界面において、Im[φj(z,x,{nq-1})*・Ψj(z,x,{nq-1})]の値が小さくなるように、コア幅を拡大もしくは縮小すれば良い(ステップS4)。
In the above calculation, when Φ j (z, x, {n q-1 }) is close to the value of Ψ j (z, x, {n q-1 }), the above formula (1) Im [φ j (z, x, {n q-1 }) * · Ψ j (z, x, {n q-1 })] is a value corresponding to the phase difference between the propagation field and the back propagation field, It is possible to obtain a desired output by reducing the value of this phase difference. That is, when determining the width of each optical waveguide of the
上述した波動伝達媒体における波動方程式に基づいた演算内容を、本発明にかかる光回路において光導波路長手方向に変調される光導波路アレイ12の各光導波路の幅、およびスラブ光導波路13の幅を決定する観点から要約すると次のようになる。図1の入力光導波路11の入力ポートから入力された信号光のフィールドを、入力光導波路11側から出力光導波路14側へ伝搬させたフィールド(順伝搬光)をΨ、出力光導波路14の所望の出力ポートから出力される所望の信号光のフィールドの位相を反転させたフィールドを出力光導波路14側から入力光導波路11側へ伝搬させたフィールド(逆伝搬光)をΦ*とする。
The calculation contents based on the wave equation in the wave transmission medium described above are used to determine the width of each optical waveguide of the
ここで、設計する光回路の出力ポートの数がN本(Nは1以上の整数)である場合を考える。各出力ポートにおける所望の出射フィールドを、出力ポート位置を考慮してN回重ね合わせ、この重ね合わせたフィールドを出射端面における所望のフィールドとすることで、光回路の設計が可能となる。このとき、図1に示すz軸の各位置で順伝搬光Ψと逆伝搬光Φ*の位相差が最小となるような屈折率分布を与えれば、入力させた信号光を所望の出力信号光に変換するための最適な光回路を構成することができる。 Here, a case is considered where the number of output ports of the optical circuit to be designed is N (N is an integer of 1 or more). An optical circuit can be designed by superimposing a desired output field at each output port N times in consideration of the output port position, and setting the overlapped field as a desired field at the output end face. At this time, if a refractive index distribution that minimizes the phase difference between the forward propagating light Ψ and the counter propagating light Φ * is given at each position on the z-axis shown in FIG. 1, the input signal light is converted into a desired output signal light. An optimal optical circuit for converting to can be configured.
具体的には、図1に示すz軸の各位置で、コアとクラッドの境界面における順伝搬光と逆伝搬光の位相差(Ψ−Φ*)を計算する。コアとクラッドの境界面における順伝搬光と逆伝搬光の位相差が正である場合では(Ψ−Φ*>0)、光導波路アレイ12の各光導波路の幅およびスラブ光導波路13の幅を拡大することで、ΨとΦ*の位相差を最小化することが可能である。また、コアとクラッドの境界面における順伝搬光と逆伝搬光の位相差が負である場合では(Ψ−Φ*<0)、光導波路アレイ12の各光導波路の幅およびスラブ光導波路13の幅を縮小することで、ΨとΦ*の位相差を最小化することが可能である。
Specifically, the phase difference (Ψ−Φ * ) between the forward propagation light and the back propagation light at the interface between the core and the clad is calculated at each position on the z axis shown in FIG. When the phase difference between the forward propagation light and the back propagation light at the boundary surface between the core and the clad is positive (Ψ−Φ * > 0), the width of each optical waveguide of the
以上のように、光導波路アレイ12の各光導波路の幅およびスラブ光導波路13の幅のみを変化させることにより、波動の散乱を抑制し、信号光の伝搬損失の小さい光回路を設計することができる。
As described above, by changing only the width of each optical waveguide of the
ここで、光導波路アレイ12に直交して配列された櫛状の複数のスラブ光導波路13において、各隣接するスラブ光導波路13の間隔が非常に狭い場合には、光回路の作製が困難になるという問題が生じる。従って、各隣接するスラブ光導波路13の間隔の最小値をdminとした場合、既存の光回路作製プロセスを利用することを考慮し、dmin≧1.0μmを満たすことが望ましい。
Here, in the plurality of comb-shaped slab
また、光導波路長手方向に変調される光導波路アレイ12の各光導波路およびスラブ光導波路13において、信号光伝搬方向に対して光導波路アレイ12の各光導波路の幅およびスラブ光導波路13の幅の変化が急峻である場合には、光回路の作製が困難になるという問題が生じる。従って、光導波路アレイ12の各光導波路の幅およびスラブ光導波路13の幅の変化は、連続的でなめらかであることが望ましい。さらに、下記するように信号光の波長を考慮して、信号光伝搬方向の単位長さ(1μm)当たり±8.0μmの範囲内であることが望ましい。
Further, in each optical waveguide and slab
すなわち、一般に、光通信に用いられる信号光の波長は、1.2〜1.7μmの範囲である。ここで、光導波路アレイ12の各光導波路の幅およびスラブ光導波路13の幅の変化量が信号光の波長と比較して極端に大きい場合には、信号光が基板10に対して垂直の方向に散乱されてしまう。このため、信号光の伝搬損失が増加する。従って、信号光の散乱を抑制するためには、光導波路アレイ12の各光導波路の幅およびスラブ光導波路13の幅の変化量を、波長の数倍程度、具体的には±8.0μm以内にするのが効果的である。尚、後述するように、光導波路アレイ12の各光導波路の幅およびスラブ光導波路13の幅の変化量を、±4.0μm以内に制限した場合であっても充分な効果が得られる。
That is, generally, the wavelength of signal light used for optical communication is in the range of 1.2 to 1.7 μm. Here, when the amount of change in the width of each optical waveguide of the
図1に示す光回路は、次のような手順により作製した。まず、シリコン基板上に火炎堆積法などによってSiO2下部クラッド層を堆積し、次にその下部クラッド層上にGeO2をドーパントとして添加したSiO2ガラス層を下部クラッド層より高い屈折率を有するコア層として堆積した。次に、前述の設計に基づく図1に示すようなパターンを用いてコア層をエッチングして、コア部(光導波路)を形成した。最後に、下部クラッドおよびコア部上にSiO2上部クラッド層を堆積した。 The optical circuit shown in FIG. 1 was manufactured by the following procedure. First, a SiO 2 lower cladding layer is deposited on a silicon substrate by a flame deposition method or the like, and then a SiO 2 glass layer doped with GeO 2 as a dopant on the lower cladding layer has a higher refractive index than the lower cladding layer. Deposited as a layer. Next, the core layer was etched using a pattern as shown in FIG. 1 based on the above-described design to form a core portion (optical waveguide). Finally, a SiO 2 upper cladding layer was deposited on the lower cladding and the core.
図1に示す光回路は、従来の光回路作製プロセスを利用することを考慮して、光導波路長手方向に変調される光導波路アレイ12の各光導波路の幅およびスラブ光導波路13の幅の変化量の上限を、信号光伝搬方向の単位長さ(1μm)当たり±4.0μmとして設計し、かつ光導波路アレイ12に直交して配列された複数のスラブ光導波路13における各隣接するスラブ光導波路13の間隔の最小値をdmin=3.0μmとして設計したものである。光導波路アレイ12に直交して配列されたスラブ光導波路13の数は32個である。入力光導波路11のコアの幅および2本の出力光導波路14a,14bのコアの幅は7μm、2本の出力光導波路14aと14bの中心間距離は15μmである。光回路内の光導波路のコアの厚さは6μmである。コアの屈折率は1.45523、クラッドの屈折率は1.44428とした。光回路の長さは500μmである。
The optical circuit shown in FIG. 1 changes in the width of each optical waveguide of the
尚、光導波路アレイ12の各光導波路の幅を変化させた場合に、コアの幅の変化に伴い該光導波路が部分的に消滅する箇所を含むことがある。すなわち、本実施形態にかかる光回路は、光導波路アレイ12の各光導波路においてコアの幅が部分的に0となる光導波路で構成される場合があり、このような構成であっても以下に説明する効果を得ることができる。
In addition, when the width of each optical waveguide of the
図3に、本発明の第1の実施形態にかかる光回路の透過率を示す。波長1.31μmと波長1.55μmの光が合波された信号光を、入力光導波路11から光伝搬方向に配列した複数の光導波路からなる光導波路アレイ12に入力する。波長1.31μmの信号光が出力光導波路14bから出力され、波長1.55μmの信号光が出力光導波路14aから出力されており、波長分波器として機能していることがわかる。
FIG. 3 shows the transmittance of the optical circuit according to the first embodiment of the present invention. The signal light obtained by combining the light having the wavelength of 1.31 μm and the wavelength of 1.55 μm is input from the input
このように、光導波路長手方向に変調される光導波路アレイ12の各光導波路の幅およびスラブ光導波路13の幅の変化量の上限を、信号光伝搬方向の単位長さ(1μm)当たり±4.0μmに制限し、光導波路アレイ12に直交して配列された複数のスラブ光導波路13における隣接するスラブ光導波路13の間隔の最小値をdmin=3.0μmに制限しても、任意の波長を選択して、任意の出力光導波路から出力させる波長分波器として充分機能する光回路を実現できる。
Thus, the upper limit of the change amount of the width of each optical waveguide of the
(第2の実施形態)
図4は、本発明の第2の実施形態にかかる光回路を基板に対して垂直上方向から見た平面図である。z軸は信号光の伝搬方向を示している。ここで、図4の光回路は光タップ回路としたが、本発明にかかる光回路は本実施形態に限定されるものではない。図4に示す光回路は、第1の実施形態に示した光回路と同じ手順により、設計および作製した。図4に示す光回路は,従来の光回路作製プロセスを利用することを考慮して、光導波路長手方向に変調される光導波路アレイ12の各光導波路の幅および櫛形の複数のスラブ光導波路13の幅の変化量の上限を,信号光伝搬方向の単位長さ(1μm)当たり±4.0μmとして設計し、かつ光導波路アレイ12に直交して配列された複数のスラブ光導波路13における各隣接するスラブ光導波路13の間隔の最小値をdmin=3.0μmとして設計したものである。
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a plan view of an optical circuit according to the second embodiment of the present invention viewed from above in a direction perpendicular to the substrate. The z axis indicates the propagation direction of the signal light. Here, although the optical circuit of FIG. 4 is an optical tap circuit, the optical circuit according to the present invention is not limited to this embodiment. The optical circuit shown in FIG. 4 was designed and manufactured by the same procedure as the optical circuit shown in the first embodiment. In the optical circuit shown in FIG. 4, the width of each optical waveguide of the
光導波路アレイ12に直交して配列されたスラブ光導波路13の数は18個である。1本の入力光導波路11のコアの幅および2本の出力光導波路14a、14bのコアの幅は7μm、2本の出力光導波路14aと14bの中心間距離は10μmである。光回路内の光導波路のコアの厚さは6μmである。コアの屈折率は1.45523、クラッドの屈折率は1.44428とした。光回路の長さは250μmである。
The number of slab
尚,光導波路アレイ12の各光導波路の幅を変化させた場合に,コアの幅の変化に伴い光導波路が部分的に消滅する箇所を含むことがある。すなわち,本実施形態にかかる光回路は,光導波路アレイ12の各光導波路においてコアの幅が部分的に0となる光導波路で構成される場合があり,このような構成であっても以下に説明する効果を得ることができる。
In addition, when the width of each optical waveguide of the
図5に、本発明の第2の実施形態にかかる光タップ回路の透過率を示す。入力光導波路11に入力された信号光のうち、90%が出力光導波路14aから出力され、10%が出力光導波路14bから出力されており、信号光の一部を取り出す光タップ回路として機能していることがわかる。信号光を取り出す割合、すなわち光タップ回路のタップ量は、光タップ回路の設計において、所望の出力フィールドをタップ量に応じて設定することにより、調整することが可能である。
FIG. 5 shows the transmittance of the optical tap circuit according to the second embodiment of the present invention. Of the signal light input to the input
このように、光導波路長手方向に変調される光導波路アレイ12の各光導波路の幅およびスラブ光導波路13の幅の変化量の上限を,信号光伝搬方向の単位長さ(1μm)当たり±4.0μmに制限し、光導波路アレイ12に直交して配列された複数のスラブ光導波路13における各隣接するスラブ光導波路13の間隔の最小値をdmin=3.0μmに制限しても,任意の出力光導波路に任意の出力比で信号光を出力させる光タップ回路として充分機能する光回路を実現できる。
Thus, the upper limit of the change amount of the width of each optical waveguide of the
また、第2の実施形態の光回路を用いれば、透過率に波長依存性のある光回路だけではなく、波長依存性の小さな光回路を提供することができる。 Further, if the optical circuit of the second embodiment is used, not only an optical circuit having a wavelength dependency in transmittance but also an optical circuit having a small wavelength dependency can be provided.
(第3の実施形態)
図6は、本発明の第3の実施形態にかかる光回路を基板に対して垂直上方向から見た平面図である。z軸は信号光の伝搬方向を示している。ここで、図6の光回路は1×4光スプリッタとしたが、本発明にかかる光回路は本実施形態に限定されるものではない。図6に示す1×4光スプリッタは、第1の実施形態に示した光回路と同じ手順により、設計および作製した。
(Third embodiment)
FIG. 6 is a plan view of an optical circuit according to the third embodiment of the present invention viewed from above in a direction perpendicular to the substrate. The z axis indicates the propagation direction of the signal light. Here, the optical circuit of FIG. 6 is a 1 × 4 optical splitter, but the optical circuit according to the present invention is not limited to this embodiment. The 1 × 4 optical splitter shown in FIG. 6 was designed and manufactured by the same procedure as the optical circuit shown in the first embodiment.
図6に示す光回路は,従来の光回路作製プロセスを利用することを考慮して、光導波路長手方向に変調される光導波路アレイ12の各光導波路の幅およびスラブ光導波路13の幅の変化量の上限を,信号光伝搬方向の単位長さ(1μm)当たり±8.0μmとして、光導波路アレイ12に直交して配列された複数のスラブ光導波路13における隣接するスラブ光導波路13の間隔の最小値をdmin=5.0μmとして設計したものである。
The optical circuit shown in FIG. 6 changes the width of each optical waveguide of the
光導波路アレイ12に直交して配列された櫛形の複数のスラブ光導波路13の数は23個である。入力光導波路11の幅および出力光導波路14のコアの幅は7μm、4本の出力光導波路14a,14b,14c,14dの間隔はそれぞれ10μmである。光回路内の光導波路のコアの厚さは6μmである。コアの屈折率は1.45523、クラッドの屈折率は1.44428とした。光回路の長さは500μmである。
The number of comb-shaped slab
尚,光導波路アレイ12の各光導波路の幅を変化させた場合に,コアの幅の変化に伴い光導波路が部分的に消滅する箇所を含むことがある。すなわち,本実施形態にかかる光回路は,光導波路アレイ12の各光導波路においてコアの幅が部分的に0となる光導波路で構成される場合があり,このような構成であっても図7を参照して以下に説明する効果を得ることができる。
In addition, when the width of each optical waveguide of the
図7に、本発明の第3の実施形態にかかる1×4光スプリッタの4本の出力光導波路の透過率を示す。1本の入力光導波路11に入力された信号光のうち、図7に示すように、25%ずつ出力光として4本の出力光導波路14a、14b、14c、14dからそれぞれ出力されており、この回路は信号光を分岐する光スプリッタ回路として機能していることがわかる。各出力光導波路における信号光の出力比は、1×4光スプリッタの設計において、所望の出力フィールドを出力比に応じて設定することにより、調整することが可能である。
FIG. 7 shows the transmittance of the four output optical waveguides of the 1 × 4 optical splitter according to the third embodiment of the present invention. As shown in FIG. 7, the signal light input to one input
このように、光導波路長手方向に変調される光導波路アレイ12の各光導波路の幅およびスラブ光導波路13の幅の変化量の上限を,信号光伝搬方向の単位長さ(1μm)当たり±8.0μmに制限し、光導波路アレイ12に直交して配列された複数のスラブ光導波路13における隣接するスラブ光導波路13の間隔の最小値をdmin=5.0μmに制限しても,任意の出力光導波路に任意の出力比で信号光を出力させる1×4光スプリッタとして充分機能する光回路を実現できる。
Thus, the upper limit of the amount of change in the width of each optical waveguide of the
(他の実施形態)
上記では、本発明の好適な実施形態を例示して説明したが、本発明の実施形態は上記例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内であれば、その構成部材等の置換、変更、追加、個数の増減、形状の設計変更等の各種変形は、全て本発明の実施形態に含まれる。
(Other embodiments)
In the above, the preferred embodiment of the present invention has been described by way of example. However, the embodiment of the present invention is not limited to the above-described example, and the constituent members thereof are within the scope of the claims. Various modifications such as replacement, change, addition, increase / decrease in number, change in shape design, etc. are all included in the embodiments of the present invention.
10,80 基板
11,81 入力光導波路
12 光伝搬方向に配列した複数の光導波路からなる光導波路アレイ
13 光導波路アレイに直交して配列されたスラブ光導波路
14a,14b,14c,14d,85 出力光導波路
82,84 スラブ光導波路
83 アレイ導波路
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記入力光導波路と前記出力光導波路の間に、光伝搬方向に配列した複数の光導波路からなる光導波路アレイと、該光導波路アレイに実質的に直交して配列された櫛状の複数のスラブ光導波路とを有し、
前記光導波路アレイの各光導波路の幅および前記スラブ光導波路の幅が導波路長手方向に沿って変調されていることを特徴とする光回路。 Having at least one input optical waveguide formed on the substrate and at least one output optical waveguide;
An optical waveguide array comprising a plurality of optical waveguides arranged in the light propagation direction between the input optical waveguide and the output optical waveguide, and a plurality of comb-like slabs arranged substantially orthogonal to the optical waveguide array An optical waveguide,
An optical circuit, wherein the width of each optical waveguide of the optical waveguide array and the width of the slab optical waveguide are modulated along the longitudinal direction of the waveguide.
基板上に下部クラッド層を形成する第1工程と、
前記下部クラッド層上に前記クラッド層より高い屈折率を有するコア層を形成する第2工程と、
前記コア層からパターン化されたコア部を形成する第3工程と、
前記下部クラッド層および前記コア部の上に上部クラッド層を形成する第4工程とを有し、
前記第3工程において、前記パターン化されたコア部が、前記基板上に形成された少なくとも1本の入力光導波路と、少なくとも1本の出力光導波路を構成し、前記入力光導波路と前記出力光導波路の間に、光伝搬方向に配列した複数の光導波路からなる光導波路アレイと、該光導波路アレイに実質的に直交して配列された櫛状の複数のスラブ光導波路とを構成し、前記光導波路アレイの各光導波路の幅および前記スラブ光導波路の幅が導波路長手方向に沿って変調されていることを特徴とする光回路の製造方法。 An optical circuit manufacturing method including an optical waveguide composed of a core and a clad formed on a substrate, and condensing incident light from an input port to a desired output port to obtain desired output light,
A first step of forming a lower cladding layer on the substrate;
A second step of forming a core layer having a higher refractive index than the cladding layer on the lower cladding layer;
A third step of forming a patterned core portion from the core layer;
A fourth step of forming an upper cladding layer on the lower cladding layer and the core part,
In the third step, the patterned core portion constitutes at least one input optical waveguide formed on the substrate and at least one output optical waveguide, and the input optical waveguide and the output optical waveguide An optical waveguide array comprising a plurality of optical waveguides arranged in the light propagation direction between the waveguides, and a plurality of comb-shaped slab optical waveguides arranged substantially orthogonal to the optical waveguide array, A method of manufacturing an optical circuit, wherein the width of each optical waveguide of the optical waveguide array and the width of the slab optical waveguide are modulated along the longitudinal direction of the waveguide.
前記光回路を構成する初期屈折率分布を仮定した光回路媒体中において、前記入射光のフィールド分布1と、前記出射光を前記出力ポートより仮想的に逆伝搬させた光のフィールド分布2を求める第1のステップと、
前記光回路媒体中の各点において前記フィールド分布1と前記フィールド分布2との位相差が小さくなるように前記光導波路アレイの各光導波路の幅および前記スラブ光導波路の幅を変化させる第2のステップと、
前記出力ポート位置において、前記フィールド分布1と前記フィールド分布2とが所望の誤差以下となるまで、前記第1のステップと前記第2のステップを繰り返して前記光導波路アレイの各光導波路の幅および前記スラブ光導波路の幅を逐次求める第3のステップとを含むことを特徴とする請求項7に記載の光回路の製造方法。
The method further includes a step of pre-designing the patterned core portion,
In an optical circuit medium that assumes an initial refractive index distribution constituting the optical circuit, a field distribution 1 of the incident light and a field distribution 2 of light in which the emitted light is virtually propagated backward from the output port are obtained. A first step;
A second width of each optical waveguide of the optical waveguide array and a width of the slab optical waveguide are changed so that a phase difference between the field distribution 1 and the field distribution 2 becomes small at each point in the optical circuit medium. Steps,
At the output port position, the first step and the second step are repeated until the field distribution 1 and the field distribution 2 are equal to or less than a desired error, and the width of each optical waveguide of the optical waveguide array and The method for manufacturing an optical circuit according to claim 7, further comprising a third step of sequentially obtaining a width of the slab optical waveguide.
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