JP2002514783A - Multimode coupler based on miniaturized interference - Google Patents

Multimode coupler based on miniaturized interference

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JP2002514783A
JP2002514783A JP2000548759A JP2000548759A JP2002514783A JP 2002514783 A JP2002514783 A JP 2002514783A JP 2000548759 A JP2000548759 A JP 2000548759A JP 2000548759 A JP2000548759 A JP 2000548759A JP 2002514783 A JP2002514783 A JP 2002514783A
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coupler
interference
taper
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mmi
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JP2000548759A
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Japanese (ja)
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エス レヴィ デヴィッド
スカルモッツィーノ ロバート
エム オスグッド ジュニア リチャード
Original Assignee
ザ トラスティーズ オブ コロンビア ユニヴァーシティ イン ザ シティ オブ ニューヨーク
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Publication date
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    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24Coupling light guides
    • G02B6/26Optical coupling means
    • G02B6/28Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/2804Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers
    • G02B6/2808Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers using a mixing element which evenly distributes an input signal over a number of outputs
    • G02B6/2813Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers using a mixing element which evenly distributes an input signal over a number of outputs based on multimode interference effect, i.e. self-imaging

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Abstract

(57)【要約】 本発明によるマルチモード干渉カップラは、デバイスの伝搬軸に沿ってマルチモード領域の幅(W1 )を規定するなめらかに連続し内向きテーパ形成された側壁(301)を有する。内向きのテーパにより、直線状の側壁(202)を有する既知のカップラと比較してデバイスの平均幅が小さくなり、リソグラフィのギャップ埋まり並びにアクセス導波路間の不所望な光学カップリングが解消される。 (57) Abstract: MMI coupler according to the invention has a smooth continuous inwardly tapering sidewalls which define the width of the multimode region (W 1) along the propagation axis of the device (301) . The inward taper reduces the average width of the device as compared to known couplers having straight sidewalls (202), eliminating lithographic gap filling as well as unwanted optical coupling between access waveguides. .

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】 アメリカ合衆国政府は、当該発明について実施権を有すると共に、国防研究計
画/空軍省科学研究所により取り決められた契約書F49620−95−040
3の条件により与えられる合理的な条件で他人に実施契約することを当該特許の
所有者に要求する制限された範囲における権利を有している。
[0001] The United States Government has rights in the invention, and a contract F49620-95-040, negotiated by the Defense Research Program / Air Force Ministry of Science.
And has a limited right to require the proprietor of the patent to enter into a licensing agreement with another person on reasonable terms provided by Condition 3.

【0002】発明の背景 干渉に基づくマルチモード(MMI)デバイスは集積化された光回路の重要な
素子である。光MMIデバイスの動作はマルチモード導波路のセルフ−イメージ
ング(self−imaging)の原理に基づいており、入力フィールドプロファイルが導
波路の伝搬軸に沿って周期的な間隔で複数の「像」として再生され、このMMI
デバイスは例えばパワースプリッタマルチモード他のデバイスとして機能するこ
とができる。MMIカップラの基本的な周知の構造は多数のモード光を支持する
ように設計した比較的幅の広いマルチモード導波路領域を必要としている。比較
的幅の広いマルチモード導波路領域に光を入射させ及び出射させるため、多数の
比較的幅の狭いアクセス導波路がMMI領域の入射端に配置されている。このよ
うに構成されたデバイスは一般的にN×Mカップラと称されており、N及びMは
それぞれ入力側の導波路の数及び出力側の導波路の数である(共にアクセス導波
路として知られている)。MMIデバイスのレビューは、Soldano 及びPennings
, 「Optical Multi-Mode Interference Devices Based on Self-Imaging 」,Jo
urnal of Lightwave Technology, Vol.13, No.4, April 1995 に見出すことがで
きる。
[0002] Multimode (MMI) devices based on the background interference invention is an important element of the optical circuits integrated. The operation of the optical MMI device is based on the principle of self-imaging of a multimode waveguide, where the input field profile is reproduced as a plurality of "images" at periodic intervals along the waveguide propagation axis. This MMI
The device can function, for example, as a power splitter multimode other device. The basic known structure of an MMI coupler requires a relatively wide multimode waveguide region designed to support a large number of mode lights. A number of relatively narrow access waveguides are located at the entrance end of the MMI region to allow light to enter and exit the relatively wide multimode waveguide region. A device configured in this manner is generally called an N × M coupler, where N and M are the number of input-side waveguides and the number of output-side waveguides, respectively (both are known as access waveguides). Is). Review MMI devices from Soldano and Pennings
, “Optical Multi-Mode Interference Devices Based on Self-Imaging”, Jo
urnal of Lightwave Technology, Vol. 13, No. 4, April 1995.

【0003】 N×Mパワースプリッタを現在必要とする集積化された光回路は、リングレー
ザ、マッファツェンダ干渉計及び光スイッチが含まれる。P.A.Basse, M.Bachmma
n, L.B.Soldano, 及びM.K.Smit著「Optical Bandwidth and Fabrication Tolera
nces of Multimode Interference Couplers 」,Journal of Lightwave Technol
ogy, Vol.12,pp.1004-1009,1994 ,L.B.Soldano 及びE.C.M.Pennings著,「 Opt
ical Multi-Mode Interference Devices Based on Self-Imaging Principles an
d Applications」,Journal of Lightwave Technology, Vol.13, pp615-627, 19
95,並びにL.H.Spiekman, Y.S.Oei, E.G.metaal, F.H.Groen, I.Moerman, and M
.K.Smit 著「Extremely Small Multimode Interference Couplers and Ultrasho
rt Bends on InP By Deep Etching 」,IEEEPhoton. Technol. Lett., Vol6,pp.
1008-1010, 1994 を参照されたい。最も重要な現在のMMI構造体は、これら全
てのデバイスの用途から2×2カップラであり、最も一般的なものは入力信号を
約半分の2個の出力信号に分離する「3−dB」パワースプリッタである。他の
MMIに基づるデバイスはモード幅エキスパンダマルチモードスポットサイズコ
ンバータであり、これらのデバイスはマルチモード領域内において周期的な像の
強度分布を増大し又は消滅させるために用いられている。例えば、Simpson 等著
,「Mode-Width Expanders Based on the Self Effect in Tapered Multimode G
aAs/AlGaAs Waveguides 」,Proc. 7th Conf. on Int. Opt., 1995 at 29を参照
されたい。例えば、自在性、容量の増大、及び再構成性を必要とする遠隔通信網
における改善により用途が増大することが期待されており、これらの必要性の全
ては光通信用の光集積回路を用いることにより増強することができる。現在まで
、出力像全体にわたってほぼ均一なパワー分布が維持される既知のMMIに基づ
くデバイスは、MMI領域を規定する直線状の側壁を用いる構成とされている。
[0003] Integrated optical circuits that currently require an NxM power splitter include ring lasers, Maffer-Zehnder interferometers, and optical switches. PABasse, M. Bachmma
n, LBSoldano, and MKSmit, Optical Bandwidth and Fabrication Tolera
nces of Multimode Interference Couplers ”, Journal of Lightwave Technol
ogy, Vol. 12, pp. 1004-1009, 1994, by LBSoldano and ECMPennings, Opt.
ical Multi-Mode Interference Devices Based on Self-Imaging Principles an
d Applications ”, Journal of Lightwave Technology, Vol. 13, pp615-627, 19
95, and LHSpiekman, YSOei, EGmetaal, FHGroen, I. Moerman, and M
.K.Smit, Extremely Small Multimode Interference Couplers and Ultrasho
rt Bends on InP By Deep Etching ", IEEE Photon. Technol. Lett., Vol 6, pp.
1008-1010, 1994. The most important current MMI structure is a 2x2 coupler from all these device applications, the most common being the "3-dB" power that separates the input signal into two halves of the output signal Splitter. Other MMI-based devices are mode-width expander multi-mode spot size converters, which have been used to increase or eliminate the intensity distribution of periodic images within the multi-mode region. For example, Simpson et al., “Mode-Width Expanders Based on the Self Effect in Tapered Multimode G
aAs / AlGaAs Waveguides ", Proc. 7th Conf. on Int. Opt., 1995 at 29. For example, improvements in telecommunications networks that require flexibility, increased capacity, and reconfigurability are expected to increase applications, all of which use optical integrated circuits for optical communications. Can be enhanced. To date, known MMI-based devices that maintain a substantially uniform power distribution throughout the output image are configured with straight sidewalls that define the MMI area.

【0004】 これらMMIデバイスについて集積回路の大量生産を図り一層良好に利用する
ため、これらのデバイスの寸法を一層小さくし製造公差を改善することが望まれ
ている。現在、例えば直線状の「3−dB」MMIカップラは極めて小型な大き
さにまで小さくされており、その典型的な限界は数100μmの長さになってい
る。MMIデバイスの長さの短縮はMMI領域の幅WMMI を制御することにより
容易に達成される。直線状の3−dBカップラは、MMIデバイスの幅の2乗に
比例する、すなわちLMMI ∝WMMI 2 となるバイス長LMMI を有している。
In order to mass-produce integrated circuits for these MMI devices and make better use of them, it is desirable to reduce the dimensions of these devices and improve manufacturing tolerances. At present, for example, linear "3-dB" MMI couplers have been reduced to extremely small dimensions, with typical limits of several hundred microns. Reducing the length of the MMI device is easily achieved by controlling the width W MMI of the MMI area. The linear 3-dB coupler has a device length L MMI that is proportional to the square of the width of the MMI device, ie, L MMI ∝W MMI 2 .

【0005】 直線の2×2のカップラの場合、幅WMMI は、2個の入力導波路とアクセス導
波路間のMMI領域の幅との結合した幅以下又はそれほぼ等しくする必要がある
。このトータルの幅は、デバイスのサイズ/長さを一層減少する際の実際的な制
約である。少なくとも以下の制約が存在する。
For a straight 2 × 2 coupler, the width W MMI must be less than or approximately equal to the combined width of the MMI region between the two input and access waveguides. This total width is a practical constraint in further reducing device size / length. At least the following restrictions exist.

【0006】 第1に、幅WMMI の下側限界を規定するアクセス導波路の組間の領域の幅は許
容製造公差以下とすることはできない。デバイスを半導体ウェハ上にパターン化
する場合、リソグラフィギャップ埋まりのような製造欠陥が生ずるおそれがある
。これらの欠陥は、フォトリソグラフィ(又は、電子ビームリソグラフィ)のパ
ターン形成中に生ずる光学的(又は電子的)近接効果、光学系の低画像コントラ
スト(すなわち、低いフォーカシング又は空気中の画像コントラスト)、又は不
十分な化学的処理により生ずる可能性がある。これらの欠陥は、実際に適用する
に当たってアクセス導波路間の領域の幅を制限することになる。例えば、「Micr
olithgraphy process Technology for IC Fabrication 」,D.Elliott, New Yor
k:Magraw-Hill Book Co., 1986, 及び「VLSIFabrication Principles」, 2nd ed
., S. Ghandi, New York, John Wiley and Sons, Inc., 1994 を参照されたい。
First, the width of the area between the set of access waveguides that defines the lower limit of the width W MMI cannot be less than the allowable manufacturing tolerance. When devices are patterned on a semiconductor wafer, manufacturing defects such as lithographic gap filling can occur. These defects can be caused by optical (or electronic) proximity effects that occur during photolithography (or electron beam lithography) patterning, low image contrast of the optics (ie, low focusing or image contrast in air), or Can be caused by inadequate chemical treatment. These defects will limit the width of the area between the access waveguides in practical application. For example, "Micr
olithgraphy process Technology for IC Fabrication ", D. Elliott, New Yor
k: Magraw-Hill Book Co., 1986, and "VLSIFabrication Principles", 2nd ed
., S. Ghandi, New York, John Wiley and Sons, Inc., 1994.

【0007】 第2に、アクセス導波路が接近し過ぎると、導波路間に不所望なパターン伝達
が生じてしまう。この寄生的な光学現象は光学カップリングとして知られている
効果に起因し、導波路間の間隔つまり実際に適用する際の幅WMMI を制限するよ
うに作用する。光学的カップリング又は方向性カップリングは、A. Yariv, Opti
cal Electronics, 4th ed., New York:Holt, Reinhard, and Winston, 1991にお
いて検討されている。
Second, if the access waveguides are too close, undesirable pattern transmission between the waveguides will occur. This parasitic optical phenomenon results from an effect known as optical coupling and acts to limit the spacing between the waveguides, ie the width W MMI in practical application. Optical or directional couplings are available from A. Yariv, Opti
Cal Electronics, 4th ed., New York: Holt, Reinhard, and Winston, 1991.

【0008】 第3に、導波路間の距離を一定に維持しながらアクセス導波路の幅を短縮する
ことにより幅WMMI をを小さくすることが可能であるが、この場合許容できない
信号損失を生ずるおそれがある。例えば、導波路の壁部の粗さを導入するエッチ
ングに起因する損失は、幅の厚い導波路とは異なり、幅の薄い導波路において一
層大きな損失を生じてしまう。従って、厚さ導波路が薄過ぎると、許容できない
伝達損失が生ずるおそれがある。この点に関して、R.Deri及びL.Schiavone 著「
Scattering in Low-Loss GaAs/AlGaAs Rib Waveguide」,Appl.Phys.Lett., Vol
.51,pp.789-91, 1987 及びM.Steyn, P.Kendall, R.hewson-Browne, P.Robson 著
「Scattering Loss From Rough Sidewalls in Semiconductor Rib Waveguide 」
, Electronics Letters, Vol.25,pp.1231-2, 1989 を参照されたい。
Third, it is possible to reduce the width W MMI by reducing the width of the access waveguide while keeping the distance between the waveguides constant, but this causes unacceptable signal loss. There is a risk. For example, the loss due to etching that introduces the roughness of the waveguide wall results in a larger loss in a narrower waveguide, unlike a wider waveguide. Thus, if the thickness waveguide is too thin, unacceptable transmission losses may occur. In this regard, R. Deri and L. Schiavone,
Scattering in Low-Loss GaAs / AlGaAs Rib Waveguide ”, Appl. Phys. Lett., Vol.
.51, pp. 789-91, 1987 and M. Steyn, P. Kendall, R. hewson-Browne, P. Robson, `` Scattering Loss From Rough Sidewalls in Semiconductor Rib Waveguide ''
, Electronics Letters, Vol. 25, pp. 1231-2, 1989.

【0009】 第4に、MMI領域の製造上の幅公差ΔWは厚さ導波路の幅WWGの2乗に比例
するので、アクセス導波路が薄過ぎると、必要とされる製造上の「幅公差」に実
用的の問題が生じ或いは現在の製造プロセスでは達成できないものとなってしま
う。「幅公差」ΔWは、MMIデバイスのイメージング機能を維持し許容される
製造誤差により生ずるMMI領域の前景された幅の変化である。ΔW∝WWG 2
なるため、アクセス導波路の幅を一層大きくしてより大きな製造公差を確保する
ことが望ましい。P.Besse, M.Bachmann, L.Soldano, 及びM.Smit著「Optical Ba
ndwidth and Fabrication Tolerances of Multimode Interference Couplers 」
,Journal of Lightwave Technology,Vol.12,pp.1004-9, 1994 を参照されたい。
一方、通常の直線状のMMIカップラにおいて、アクセス導波路の幅を一層広く
すると、全デバイス幅が大きくなり、LMMI ∝WMMI 2 となるため、デバイスの
サイズ/長さが増大してしまう。
Fourth, because the manufacturing width tolerance ΔW of the MMI region is proportional to the square of the width W WG of the thickness waveguide, if the access waveguide is too thin, the required manufacturing “width” "Tolerances" can cause practical problems or become impossible to achieve with current manufacturing processes. The "width tolerance" [Delta] W is the change in foreground width of the MMI region caused by acceptable manufacturing errors while maintaining the imaging capability of the MMI device. Since the ΔWαW WG 2, it is desirable to ensure a greater manufacturing tolerances to further increase the width of the access waveguides. Optical Ba by P. Besse, M. Bachmann, L. Soldano, and M. Smit
ndwidth and Fabrication Tolerances of Multimode Interference Couplers ''
, Journal of Lightwave Technology, Vol. 12, pp. 1004-9, 1994.
On the other hand, in a normal linear MMI coupler, if the width of the access waveguide is further increased, the overall device width increases, and L MMI ∝W MMI 2 , thereby increasing the size / length of the device.

【0010】 従って、本発明の目的は、(1)平均幅WMMI を小さくすることにより一層小
型なMMIデバイスの製造を可能することにより、(2)MMIデバイスのアク
セス導波路を十分に離間させて平均幅WMMI 従ってカップラのサイズ/長さ全体
を小さく維持しながらリソグラフィのギャップ埋まり又は光学的カップリングを
回避できるようにすることにより、並びに(3)平均幅WMMI 及び対応する長さ
MMI を増大することなく幅の一層広いアクセス導波路を用いることができ、こ
れにより伝送損失が低減され幅公差ΔWを増大させることにより、直線状の側壁
を有するMMIデバイスの出力像をパターン分割する機能がほぼ維持され従来技
術の問題点が解消されたN×MのMMIカップラを実現することにある。
Accordingly, it is an object of the present invention to (1) reduce the average width W MMI to enable the manufacture of smaller MMI devices, and (2) to sufficiently separate the access waveguides of the MMI device. Lithography gap filling or optical coupling can be avoided while keeping the average width W MMI and thus the overall size / length of the coupler small, and (3) the average width W MMI and the corresponding length L Wider access waveguides can be used without increasing the MMI , thereby reducing transmission loss and increasing the width tolerance .DELTA.W to pattern split the output image of an MMI device having straight sidewalls. It is an object of the present invention to provide an N × M MMI coupler which has substantially the same functions and eliminates the problems of the prior art.

【0011】 本発明の別の利用及び利点は、開示した図面に基づいて詳細に説明する。Other uses and advantages of the present invention will be described in detail with reference to the disclosed drawings.

【0012】発明の概要 本発明は、直線状の側壁を有するMMIデバイスの均一なパワー分割比を維持
すると共に、MMI領域を規定するなめらかに連続し内向きに湾曲したテーパが
形成された側壁を有してMMIデバイスの平均幅が直線状の側壁を有する対応す
るデバイスよりも一層短いMMIカップラを実現することにより、上述した欠点
を解消する。内向きに湾曲したテーパにより、カップラの平均幅が短くなり、種
々の有益な特性を達成することができる。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention maintains a uniform power split ratio for an MMI device having straight sidewalls, while providing a smooth, continuous, inwardly curved tapered sidewall defining the MMI region. The above-mentioned disadvantages are eliminated by providing an MMI coupler having an even smaller average width of the MMI device than a corresponding device having straight side walls. The inwardly curved taper reduces the average width of the coupler and can achieve various beneficial properties.

【0013】 第1に、MMIカップラの全長はMMI領域の平均幅の2乗に比例し、LMMI
∝WMMI 2 となるため、平均幅を狭くする比較的穏やかなテーパが形成され、こ
の結果従来利用可能なものよりも大幅に小さなカップラが得られる。さらに、カ
ップラの端点における幅が小さくなることなく一層短い長さのデバイスを実現す
ることができるので、導波路を十分に離間させて上述した光学カップリングを回
避することができる。
First, the overall length of the MMI coupler is proportional to the square of the average width of the MMI region, and L MMI
The ∝W MMI 2 results in a relatively gentle taper that reduces the average width, resulting in a much smaller coupler than previously available. Further, since a shorter device can be realized without reducing the width at the end point of the coupler, the optical coupling can be avoided by sufficiently separating the waveguides.

【0014】 第2に、最短長のデバイスを実現することが設計の目的ではない場合、本発明
によるテーパ形成された側壁を用いることにより、デバイス長を長くすることな
くカップラの端部点におけるカップラの幅を増大させることができる。これによ
り、アクセス導波路を一層遠く離間させることができ、上述したリソグラフィの
ギャップ埋まりのような製造欠陥が解消される。或いは、一層幅のー路いアクセ
ス導波路を用いることにより、伝送損失を最小にし、上述したMMI領域の幅の
製造公差ΔWを一層大きくすることができる。
Second, if realization of the shortest device is not the purpose of the design, the use of the tapered sidewalls according to the present invention allows the coupler at the end point of the coupler without increasing the device length. Can be increased. This allows the access waveguides to be farther apart, eliminating manufacturing defects such as the lithographic gap filling described above. Alternatively, by using a narrower access waveguide, transmission loss can be minimized and the above-mentioned manufacturing tolerance ΔW of the width of the MMI region can be further increased.

【0015】 本発明によるデバイスを用いることにより、大きさを最小にでき、光学的カッ
プリングを低減でき、伝送損失を低減でき、リソグラフィのギャップ埋まりを解
消でき、さらに製造公差を一層大きくすることができる。所定の用途において、
どの利点を最大にするかは設計上の選択である。
By using the device according to the present invention, the size can be minimized, the optical coupling can be reduced, the transmission loss can be reduced, the lithographic gap can be closed, and the manufacturing tolerance can be further increased. it can. In certain applications,
Which benefits are maximized is a design choice.

【0016】詳細な説明 本発明による好適実施例を添付下図1〜8に基づいて説明する。[0016] be described with reference to preferred embodiments in the accompanying figure 1-8 by the detailed description the invention.

【0017】 前述したように、種々のMMIに基づくデバイスは集積化された光回路におい
て有用な素子である。1つのより一般的な用途、すなわちパワースプリッタを例
にして本発明の好適実施例を説明する。一方、本発明は、例えばエキスパンダ又
はスポットサイズコンバータのような他のMMIに基づくデバイスにも応用でき
ることは当業者にとって明らかである。これらのデバイスは出力段においてほぼ
等しいパワー分割を維持しており、直線の側壁を用いるように設計されていた。
As mentioned above, various MMI-based devices are useful elements in integrated optical circuits. The preferred embodiment of the present invention will be described with reference to one more general application, namely a power splitter. On the other hand, it will be apparent to those skilled in the art that the present invention can be applied to other MMI-based devices such as, for example, expanders or spot size converters. These devices maintained approximately equal power splits at the output stage and were designed to use straight sidewalls.

【0018】 図1は直線の3−dBMMIに基づくパワースプリッタの周知の構造を示す。
このデバイスは、比較的狭い入力アクセス導波路(101)と、入力光信号(1
05)が入射した際多数のモード光を伝送することができる比較的幅の広いマル
チモード導波路領域(103)と、入力光信号の2個の像を出力する2個の比較
的幅の狭い出力アクセス導波路(107)とを含んでいる。入力信号がマルチモ
ード導波路領域の伝搬軸Zに沿って単一の像として又は複数の像として周期的に
再生する周期的性セルフイメージングの原理に基づき、オリジナル入力信号(1
05)の2個の像が出力アクセス導波路(107)を経て出力されるようにマル
チモード領域(103)の 寸法を規定する。各出力信号(109)は入力信号
のほぼ半分のエネルギーを有する。このようなデバイスは、3−dBMMIパワ
ースプリッタと一般的に称されている。
FIG. 1 shows a known structure of a power splitter based on a straight 3-dB MMI.
The device comprises a relatively narrow input access waveguide (101) and an input optical signal (1).
05), a relatively wide multi-mode waveguide region (103) capable of transmitting a large number of mode lights when it enters, and two relatively narrow widths for outputting two images of an input optical signal. An output access waveguide (107). Based on the principle of periodicity self-imaging, where the input signal is periodically reconstructed as a single image or as multiple images along the propagation axis Z of the multimode waveguide region, the original input signal (1
The dimensions of the multimode region (103) are defined so that the two images of (05) are output via the output access waveguide (107). Each output signal (109) has approximately half the energy of the input signal. Such a device is commonly referred to as a 3-dB MMI power splitter.

【0019】 図1に示すように、このデバイスは、マルチモード領域がZ=0で開始する場
合に、出力像が伝搬軸Zに沿ってZ=LMMI の位置に現れるように寸法規定され
ている。マルチモード領域(103)の幅はW0 で示され、多数のガイドされる
モード光が干渉の原理について有効となるように十分に広くする必要がある。図
1に示す直線のMMIデバイスの場合、MMI領域の幅WMMI は伝搬軸に沿って
一定である。一般的なイメージングを用いて設計した直線の3−dBカップラは
以下の式で表されるデバイス長を有し、 LMMI =2neffMMI 2 /λ ここで、neff は実効屈折率とし、λは波長である。高コントラスト導波路を強
く制限場合上述した式に現れるMMI領域幅WMMI はMMI領域の物理的な幅と
なる。一方、低コントラスト構造体を弱く限定した場合WMMI が有効幅となるよ
うにGoos−Haenchen効果を考慮する必要がある。上述したSold
ano等を参照されたい。ここでの目的のため、WMMI はMMI領域の物理的幅
とみなす。
As shown in FIG. 1, the device is dimensioned such that when the multi-mode region starts at Z = 0, the output image appears along the propagation axis Z at Z = L MMI. I have. The width of the multi-mode region (103) is denoted by W 0 and needs to be wide enough so that a large number of guided mode lights are effective on the principle of interference. In the case of the linear MMI device shown in FIG. 1, the width W MMI of the MMI region is constant along the propagation axis. A linear 3-dB coupler designed using general imaging has a device length represented by the following formula: L MMI = 2n eff W MMI 2 / λ where n eff is an effective refractive index, λ is the wavelength. When the high-contrast waveguide is strongly restricted, the MMI region width W MMI appearing in the above equation is the physical width of the MMI region. On the other hand, it is necessary to consider the Goos-Haenchen effect as if you only weaken the low contrast structure W MMI becomes effective width. Sold mentioned above
See nano, et al. For the purposes here, W MMI is considered to be the physical width of the MMI area.

【0020】 従って、LMMI ∝WMMI 2 となるので、デバイスの全長を制御する最も有効な
手段はWMMI をスケーリングすることである。一方、背景技術の説明で検討した
ように、リソグラフィのギャップフィルイン、光カップリング、透過損失或いは
実行不能又は達成不能な製造幅公差により生ずる実際的な制限が存在する。現在
まで、最小の既知の直線3−dBMMIに基づカップラは、長さが107μmま
で減少することが達成されている。前で引用したSpiekman等を参照されたい。入
手可能な最小の3−dBカップラの典型的な長さは数100μmである。本発明
によれば、実際の長さを50μm又はそれ以下にすることができる。
Therefore, since L MMI ∝W MMI 2 , the most effective means of controlling the overall length of the device is to scale W MMI . On the other hand, as discussed in the background section, there are practical limitations imposed by lithographic gap fill-in, optical coupling, transmission losses or infeasible or unattainable manufacturing width tolerances. To date, couplers based on the smallest known straight line 3-dB MMI have been achieved with a length reduced to 107 μm. See Spiekman et al. Cited above. The typical length of the smallest available 3-dB coupler is a few hundred micrometers. According to the invention, the actual length can be reduced to 50 μm or less.

【0021】 本発明による3−dBMMIに基づくカップラを図3に示す。図1に示すデバ
イスと図3に示すデバイスとの間の主要な差異は、図3のMMI領域の各対向す
る側壁(301)は、直線にされる代りに、対向する側壁に向けて内向きに湾曲
している。対向する側壁(301)は伝搬軸Zに沿う各位置におけるMMI領域
の幅WMMI を規定するので、内向きに湾曲することにより、MMI領域の平均幅
が図1に示す対応する直線MMIデバイスの平均幅よりも小さくなる。この平均
幅が小さくなることにより、上述した関係LMMI ∝WMMI 2 に照らしてみると、
長さLMMI が短くなる。
A 3-dB MMI based coupler according to the present invention is shown in FIG. The main difference between the device shown in FIG. 1 and the device shown in FIG. 3 is that each opposing side wall (301) of the MMI region of FIG. 3 is inwardly directed toward the opposing side wall instead of being straightened. It is curved. The opposing side walls (301) define the width W MMI of the MMI region at each position along the propagation axis Z, so that by bending inward, the average width of the MMI region is reduced by the corresponding linear MMI device shown in FIG. It becomes smaller than the average width. By reducing the average width, in light of the relationship L MMI ∝W MMI 2 described above,
The length L MMI becomes shorter.

【0022】 図3において、本発明による3−dBMMIデバイスは、入力光信号(305
)を伝搬させることができる2個の比較的幅の狭い入力アクセス導波路(303
)と、十分に多数のモード光を維持でき入力光信号が入射した際MMI領域の干
渉に基づくイメージング性能を有効にする相対的に幅の広いマルチモード領域(
307)と、入力信号の像を出力する2個の比較的幅の狭い出力アクセス導波路
(309)とを有するように図示されている。出力像(311)は一般的にバー
状態(bar stste )及びクロス状態(cross stst )と称されている。3−dB
カップラ全体の寸法は、2個の出力信号がZ=LMMI の位置に現れるように設定
する。一方、平均の幅WMMI は対応する直線3−dBMMIデバイスの幅よりも
小さいので、全長LMMI は、LMMI ∝WMMI 2 の関係に基づき一層短くなる。
In FIG. 3, the 3-dB MMI device according to the present invention includes an input optical signal (305
) Can be propagated through two relatively narrow input access waveguides (303).
) And a relatively wide multi-mode region that can maintain a sufficiently large number of mode lights and enables imaging performance based on interference of the MMI region when an input optical signal is incident (
307) and two relatively narrow output access waveguides (309) for outputting an image of the input signal. The output image (311) is generally called a bar state (bar stste) and a cross state (cross stst). 3-dB
The overall dimensions of the coupler are set such that the two output signals appear at the position Z = LMMI . On the other hand, the width W MMI Mean is smaller than the width of the corresponding linear 3-dBMMI device, the total length L MMI consists more shortened based on the relationship of L MMI αW MMI 2.

【0023】 本発明に基づいて機能させるため、テーパ部分は伝搬軸に沿う連続する導関数
にしたがってなめらかに連続し、対向する側壁に向けて内向き湾曲してMMI領
域の平均幅を短くする必要がある。図2の三角計の直線テーパ部分(202)の
ようにテーパ部分の導関数が非連続の場合、後述するように、出力像間において
不所望なパワー伝達が生じてしまう。本発明に基づきテーパ部分の最大曲率を案
内されるモード光がほぼ維持されるように幅WMMI の伝搬軸に沿う2次導関数に
より特徴付けられるように規定することも有益であり、これによりデバイス性能
の劣化につながるMMI領域内でのモード変換が制限される。
In order to function in accordance with the present invention, the tapered portion must be smoothly continuous according to a continuous derivative along the propagation axis and bend inwardly toward opposing sidewalls to reduce the average width of the MMI region. There is. If the derivative of the tapered portion is discontinuous, such as the linear tapered portion (202) of the triangular meter of FIG. 2, undesired power transfer will occur between output images, as described below. It is also advantageous according to the invention to define the maximum curvature of the tapered portion as characterized by the second derivative along the propagation axis of the width W MMI such that the guided mode light is substantially maintained. Mode conversion in the MMI region that leads to degradation of device performance is limited.

【0024】 好適実施例を図示するため、対向する側壁(301)は、伝搬軸Zに沿って以
下の式で表される放物状のテーパW(Z)を有するように図示する。
To illustrate the preferred embodiment, the opposing sidewalls (301) are illustrated as having a parabolic taper W (Z) along the propagation axis Z,

【数1】 ここで、W0 はMMI領域のZ=0及びZ=LMMI における幅とし、W1 はLMM I /2における幅とし、Zは伝搬方向とする。この放物芸状は比較的簡単に製造
することができる。
(Equation 1) Here, W 0 is the width of the Z = 0 and Z = L MMI of the MMI region, W 1 is the width in the L MM I / 2, Z is the propagation direction. This parabolic art can be manufactured relatively easily.

【0025】 アクセス導波路(305,309)は、それらの外側端がMMI領域の端部と
一致するように配置する。アクセス導波路の角度は、MMI領域の端部における
局部的なテーパ角に整合するように設定する。アクセス導波路をこのように傾斜
させることにより、入力像(305)の傾きがテーパ形成されたMMI領域の端
部壁に対して整合する座標系にほぼ沿うことになる。これは、テーパ部分がLMM I /2の位置において非連続とならないことと組合されて、例えば図2に示すZ
=LMMI /2における三角形の直線テーパ似存在する非連続な変化に起因して生
ずる位相変化を最小にする。Besse,Gini,Bachmann 及びMelchiorの「New 2 x 2
and 1x3 Multimode そつてたInterference Couplers With Free Selection of P
ower Splitting Ratios 」Jounal of Lightwave. Vol.14 pp. 2286〜92, 1996を
参照されたい。図2に示すBesse 等の非連続部が無い場合、幅がテーパ状にされ
ているので、直線側壁デバイスのイメージング性能が本発明によりほぼ維持され
る。すなわち、当該構造体の側壁は湾曲しているが、強度分布は、デバイスの長
さ方向に沿って図1に示す形式の直線MMIデバイスのイメージング性能と同様
なイメージング性能を発揮する。
The access waveguides (305, 309) are arranged such that their outer ends coincide with the ends of the MMI region. The angle of the access waveguide is set to match the local taper angle at the end of the MMI region. By tilting the access waveguide in this manner, the tilt of the input image (305) will be approximately along a coordinate system that matches the end wall of the tapered MMI region. Z This, in combination with the tapered portion does not become discontinuous at the position of L MM I / 2 shown, for example, in FIG. 2
= L MMI / 2 Minimize the phase change caused by the existing discontinuous changes resembling a triangular linear taper. Besse, Gini, Bachmann and Melchior's "New 2 x 2
and 1x3 Multimode Interference Couplers With Free Selection of P
ower Splitting Ratios ", Journal of Lightwave. Vol. 14 pp. 2286-92, 1996. In the absence of the discontinuities such as Besse shown in FIG. 2, the imaging performance of the straight sidewall device is substantially maintained by the present invention because the width is tapered. That is, although the sidewalls of the structure are curved, the intensity distribution exhibits imaging performance similar to that of a linear MMI device of the type shown in FIG. 1 along the length of the device.

【0026】 図3に示す実施例において、両方の側壁のテーパ部分は、伝搬軸の中心線を中
心にして対称になるように図示されている。同様に、このテーパ部分は、Z=L MMI /2において伝搬軸と直角に引いた中心線を中心にして対称である。従って
、テーパ部分はマルチモード領域内に伝搬軸に沿ってテーパの微分が零となる、
すなわちdW(Z)/dZ=0となる単一の極を有する。この単一極に対して2
個の折り曲げ対称性は、双曲線状のテーパ、楕円形のテーパ、余弦状テーパ等の
ようなMMIに容易導入することができる種々の簡単な関数により形成すること
ができる。勿論、テーパ部分が連続する導関数を有し、MMI領域の平均幅が一
層短くなり本発明の利点を享受する場合、多数の極を有する非対称内向きのテー
パを用いることができる。このような非対称のテーパ又は多数極を有するテーパ
を用いることが最適なパワー分割機能を達成しなくても、当該デバイスはパワー
スプリッタとして機能し、MMI領域の平均幅を短くする利点が達成される別の
MMIに基づく機能を発揮するために用いることができる。同様に、一方の側壁
を直線とし、この側壁と対向する側壁だけが内向きのテーパを有してMMIの平
均幅を狭くして本発明の利点を享受することも可能である。
In the embodiment shown in FIG. 3, the tapered portions of both sidewalls are centered on the centerline of the propagation axis.
It is shown as symmetrical about the center. Similarly, this tapered portion is Z = L MMI / 2 is symmetrical about a center line drawn perpendicular to the propagation axis. Therefore
, The differential of the taper becomes zero along the propagation axis in the multimode region,
That is, it has a single pole where dW (Z) / dZ = 0. 2 for this single pole
The bending symmetry of the piece is such as hyperbolic taper, elliptical taper, cosine taper, etc.
Formed by various simple functions that can be easily introduced into such MMIs
Can be. Of course, the tapered portion has a continuous derivative, and the average width of the MMI region is one.
If the layers become shorter and enjoy the benefits of the present invention, an asymmetric inward facing
Can be used. Such an asymmetric taper or taper with multiple poles
Device does not achieve the optimal power splitting function,
Another function is to act as a splitter and achieve the advantage of reducing the average width of the MMI region.
It can be used to perform functions based on MMI. Similarly, one side wall
Is a straight line, and only the side wall facing this side wall has an inward taper to
It is also possible to narrow the width and enjoy the advantages of the present invention.

【0027】 付加的に、図3に示す形態に関して、Z=0及びZ=LMMI においてMMI領
域の幅は同一とする。この形態は3−dBパワースプリッタについて最適である
が、MMI領域の入力端及び出力端における幅を変えることは、モードエキスパ
ンダ又はスポットサイズコンバータのような他のMMIに基づくデバイスにおい
て有用である。これらのデバイスは、連続して湾曲するテーパを形成して平均幅
MMI を狭くすることにより本発明の利点を達成することができる。
Additionally, for the embodiment shown in FIG. 3, the width of the MMI region is the same at Z = 0 and Z = L MMI . While this configuration is optimal for a 3-dB power splitter, varying the width at the input and output ends of the MMI region is useful in other MMI-based devices such as mode expanders or spot size converters. These devices can achieve the benefits of the present invention by forming a continuously curved taper to reduce the average width W MMI .

【0028】 例えば、図3に示す本発明によるデバイスは、dQ=(Wo −Wl )/Wo
なる正規化された幅の変化の関数として、分割比、長さ及び全透過率により特徴
付けることができる。分割比は、一方の示すアクセス導波路からのパワー出力を
両方の出力導波路からの出力パワーの和により除算したものとして規定される。
従って、完全な3−dBパワースプリッタの場合、両方の出力状態の分割比は0
.5となる。透過率は、出力信号の全結合パワーの入力信号の全パワーの比とな
る。従って、透過損失の無いデバイスの場合、全透過率比は1となる。長さの縮
小は、本発明による湾曲形成したデバイスのMMI領域の全長を直線側壁を有す
る対応するデバイスのMMI領域の長さで除算したものである。本発明によるデ
バイスのこれら全ての特性はdQの関数として示すことができる。dQ=0の場
合、当該デバイスは通常の直線状の側部を有するデバイスである。テーパはdQ
が1に近づくにしたがって大きくなり、dQが1の点において対向する側壁は互
いに接触する。
[0028] For example, a device according to the invention shown in FIG. 3, as a function of changes in dQ = (W o -W l) / W o become normalized width, split ratio, the length and total transmittance Can be characterized. The split ratio is defined as the power output from one of the access waveguides divided by the sum of the output power from both output waveguides.
Thus, for a full 3-dB power splitter, the split ratio of both output states is 0
. It becomes 5. The transmittance is the ratio of the total power of the input signal to the total power of the input signal. Therefore, in the case of a device having no transmission loss, the total transmittance ratio is 1. The length reduction is the total length of the MMI region of the curved device according to the present invention divided by the length of the MMI region of the corresponding device having straight side walls. All these characteristics of the device according to the invention can be shown as a function of dQ. If dQ = 0, the device is a normal linear side device. Taper is dQ
Becomes closer to 1 and opposing side walls contact each other at a point where dQ is 1.

【0029】 図4は、図3に示す3−dBMMIデバイスの分割比(402)を示す。黒丸
(404)及び黒四角(406)はクロス及びバー出力アクセス導波路について
の比率をそれぞれ示す。明らかなように、3−dBスプリッタのパワー分割機能
、すなわち分割比=0.5はdQの広い範囲にわたって維持されている。勿論、
当業者にとって明らかなように、dQは、MMI領域をMMIデバイスの干渉に
基づくイメージング性能を維持するために必要な多数のモード光を支持するのに
十分に広くするという要件により本質的に制約を受ける。同様に、図4に示すよ
うに、黒三角(408)により示される全透過率比は、図3に示す3−dBデバ
イスの場合、dQ=0.5までにおいて0.8以上に維持されている。さらに、
MMI領域の正規化された長さをdQの関数として示す図5に示すように、円を
接続する線により示される当該長さは、dQ=0.4においてほぼ1/2に減少
している。
FIG. 4 shows a division ratio (402) of the 3-dB MMI device shown in FIG. Solid circles (404) and solid squares (406) indicate the ratios for the cross and bar output access waveguides, respectively. As can be seen, the power splitting function of the 3-dB splitter, ie, split ratio = 0.5, is maintained over a wide range of dQ. Of course,
As will be apparent to those skilled in the art, dQ is essentially constrained by the requirement that the MMI region be wide enough to support the large number of mode lights required to maintain the interference-based imaging performance of the MMI device. receive. Similarly, as shown in FIG. 4, the total transmittance ratio indicated by the black triangle (408) is maintained at 0.8 or more up to dQ = 0.5 in the case of the 3-dB device shown in FIG. I have. further,
As shown in FIG. 5, which shows the normalized length of the MMI region as a function of dQ, the length indicated by the line connecting the circles has been reduced by almost half at dQ = 0.4. .

【0030】 この点に関して、本発明による機能を出力導波路の状態間においてパワー伝達
に位相を導入するために直線の三角形テーパを用いる既知の従来技術と比較する
ことが有用である。この点に関して、例えば前に引用したBesse,Gini,Bachmann
及びMelchiorの文献を参照されたい。図2の三角の非連続テーパ(202)の目
的は、直線の側壁デバイスとは異なり、位相変化を導入してdQの関数としてパ
ワー分割比に変化を生じさせることである。図4から明らかなように、白抜けの
円(410)及び白抜けの四角(412)で示す三角形の非連続テーパデバイス
の出力状態の分割比はdQが増大するにしたがって発散している。これとは異な
り、本発明の目的は、背景技術の欄で説明したように、図2に示す従来技術であ
る非連続のテーパデバイスの目的である位相変化効果を利用するのではなく、直
線のMMIデバイスのイメージング特性を維持しながらその大きさを小さくし、
アクセス導波路間の光カップリングを防止し、製造公差を改善し、透過品質を改
善することにある。
In this regard, it is useful to compare the functionality according to the invention with known prior art techniques that use a straight triangular taper to introduce phase in power transfer between states of the output waveguide. In this regard, for example, Besse, Gini, Bachmann, cited earlier.
And Melchior. The purpose of the triangular discontinuous taper (202) in FIG. 2 is to introduce a phase change to cause a change in the power split ratio as a function of dQ, unlike a straight sidewall device. As is clear from FIG. 4, the division ratio of the output state of the triangular discontinuous taper device represented by the white circle (410) and the white square (412) diverges as dQ increases. In contrast to this, the object of the present invention is not to use the phase change effect, which is the object of the prior art discontinuous taper device shown in FIG. Reducing the size of the MMI device while maintaining the imaging characteristics,
An object is to prevent optical coupling between access waveguides, improve manufacturing tolerances, and improve transmission quality.

【0031】 前述したように、本発明の利点は、MMIに基づくデバイスの大きさを小さく
することに限定されるものではない。例えば、デバイスの主要な設計目的は可能
な最短の長さを達成することではなく、本発明を用いてアクセス導波路内におけ
る透過損失をなくすことであり、製造幅の公差ΔWを改善することである。本発
明により、テーパ形成効果に起因して全長を犠牲にすることなく、図3のZ=0
及びZ=LMMI のデバイスの端部において一層広い幅をデバイスに設けることが
できるので、これらの結果を達成することができる。MMI領域の一層広い端部
幅により、一層幅の広いアクセス導波路を用いることができ、透過損失が一層少
なくなると共にMMI領域の幅の製造公差を改善することができる。さらに、端
部幅を一層広くすることにより、アクセス導波路を一層離れるように離間させる
ことができ、これによりアクセス導波路間の光結合又はパワー伝達が低減される
共に、リソグラフィのギャップ埋め込みのような問題に起因する製造欠陥も付加
的に減少させることができる。どの程度の小型化を希望するかは、本発明による
傾斜した側壁及びMMI領域の平均幅の短縮を利用することにより達成される他
の改善の利点と対立するが、本発明を利用する上での設計上の選択である。
As noted above, the advantages of the present invention are not limited to reducing the size of MMI-based devices. For example, the primary design objective of the device is not to achieve the shortest possible length, but to eliminate transmission losses in the access waveguide using the present invention and to improve the manufacturing width tolerance ΔW. is there. According to the present invention, Z = 0 in FIG. 3 can be obtained without sacrificing the overall length due to the taper forming effect.
These results can be achieved because the device can be provided with a wider width at the end of the device and Z = L MMI . The wider end width of the MMI region allows a wider access waveguide to be used, further reducing transmission loss and improving the manufacturing tolerances of the width of the MMI region. In addition, the wider end width allows the access waveguides to be spaced further apart, which reduces optical coupling or power transfer between the access waveguides, as well as lithographic gap filling. Manufacturing defects due to various problems can be additionally reduced. The degree of miniaturization desired conflicts with the other improvement benefits achieved by utilizing the reduced average width of the sloping sidewalls and MMI regions according to the present invention. Is a design choice.

【0032】 勿論、本発明は上述した2×2のカップラに限定されるものではない。本発明
による滑らかに連続するテーパを利用してMMI領域の平均幅を短くすることに
より達成される利点は、N×MのMMIに基づくカップラにも一般的に適用する
ことができる。ここで、Nは入力側のアクセス導波路の数であり、Mは出力側の
アクセス導波路の数である。
Of course, the invention is not limited to the 2 × 2 coupler described above. The benefits achieved by reducing the average width of the MMI region by utilizing a smoothly continuous taper according to the present invention are generally applicable to couplers based on an N × M MMI. Here, N is the number of access waveguides on the input side, and M is the number of access waveguides on the output side.

【0033】 例えば、図6は本発明による4×4のMMIカップラを示す。図6は4×4の
パワースプリッタを示す。同一のセルフイメージング(self imaging)の原理が
MMI領域(601)に適用され、一般的に入力光信号のN個の像を最初に出現させ
るため、マルチモード領域の必要長LMMI は以下の式で与えられる。 LMMI =4neffMMI 2 /Nλ 従って、これらのデバイスの長さは出力部の数すなわち像の数Nに応じて減少す
る。図示の放物状のテーパを用いることにより得られる長さの短縮は1/χとな
り、ここで、
For example, FIG. 6 shows a 4 × 4 MMI coupler according to the present invention. FIG. 6 shows a 4 × 4 power splitter. The same self-imaging principle is applied to the MMI region (601), and in general, the N images of the input optical signal appear first, so the required length L MMI of the multi-mode region is given by the following equation: Given by L MMI = 4n eff W MMI 2 / Nλ Accordingly, the length of these devices decreases with the number of outputs or the number N of images. The reduction in length obtained by using the parabolic taper shown is 1 / χ, where:

【数2】 ここで、γ2 =Wo /Wl −1である。(Equation 2) Here, γ 2 = W o / W l −1.

【0034】 図6に示すように、このデバイス10は図3に示すデバイスのテーパと同様な
放物状のテーパ(603)を有し、このテーパは伝播軸すなわちZ軸を中心とし
て対称であると共にZ=LMMI /2においてZ軸と直交する中心線のまわりで対
称である。当該デバイスは4個の入力アクセス導波路(607)及び4個の出力
アクセス導波路(609)を有し、アクセス導波路の角度(611)は、テーパ
が形成されたMMI領域(601)のZ=0及びZ=LMMI における端部壁に対
して等角な座標系にほぼ沿うように傾いた像が形成されるように設定する。放物
線のテーパの場合、傾斜角θは以下の型により得られる。 θ=tan-1(4y・dΩ/LMMI ) ここで、yはアクセス導波路の中心からの位置であり、dΩは上述した正規化さ
れた幅の変化、すなわちdΩ=(Wo −Wo )/Wo である。MMI領域の両端
における幅Wo は互いに等しく、各テーパはデバイス幅がWl となるZ=LMMI
/2において単一の極を有する。
As shown in FIG. 6, the device 10 has a parabolic taper (603) similar to the taper of the device shown in FIG. 3, which is symmetric about the axis of propagation or the Z-axis. And symmetric about a center line orthogonal to the Z axis at Z = L MMI / 2. The device has four input access waveguides (607) and four output access waveguides (609), the angle of the access waveguides (611) being the Z of the tapered MMI region (601). = 0 and Z = L The image is set so that an image tilted substantially along a coordinate system that is conformal to the end wall at the MMI is formed. In the case of a parabolic taper, the tilt angle θ is obtained by the following form: θ = tan −1 (4y · dΩ / L MMI ) where y is the position from the center of the access waveguide, and dΩ is the change in the normalized width described above, that is, dΩ = (W o −W o). ) / W o . The widths W o at both ends of the MMI region are equal to each other, and each taper is Z = L MMI at which the device width is W 1.
/ 2 has a single pole.

【0035】 図7は種々のテーパ形状について直線状のデバイスと比較したデバイス表の短
縮(701)を一般的なN×NのデバイスのdΩの関数(705)として示す。
全透過率(703)も4×4のデバイスについてdΩ(705)の関数として示
す。長さの短縮(701)は直線状のデバイスの長さすなわちdΩ=0に対して
正規化されている。放射物のテーパ(707)楕円形のテーパ(708)及びコ
ンスソイダル (cosinsoidal)形状のテーパ(711)を用いる長さの短縮を示す
。テーパの長さ短縮の計算に関するLevy Scaromozzino 及びOsgoodの「Length R
eductiom of Tapered N×N MMI Device」, IEEE Photonics Techno
logies Letters, 予期された発行日1998年6月を参照されたい。各テーパの結果
として、dΩ=0.4においてほぼ50%の長さの短縮が得られる。同様に、全
透過曲線(713)は、テーパがdΩ≒0.5に到るまで80%以上で安定して
いることを示している。
FIG. 7 shows the device table shortening (701) compared to a linear device for various taper shapes as a function of dΩ (705) for a typical N × N device.
The total transmittance (703) is also shown as a function of dΩ (705) for 4 × 4 devices. The length reduction (701) is normalized to the length of the linear device, ie dΩ = 0. The radiator taper (707) shows a length reduction using an elliptical taper (708) and a consinsoidal shaped taper (711). Levy Scaromozzino and Osgood's "Length R" for calculating taper length reduction.
eductiom of Tapered N × N MMI Device ”, IEEE Photonics Techno
See logies Letters, Expected Publication Date June 1998. Each taper results in a length reduction of approximately 50% at dΩ = 0.4. Similarly, the total transmission curve (713) shows that the taper is stable at 80% or more until dΩ ≒ 0.5.

【0036】 図8は、図6に示すような4×4のMMIデバイスのdΩ=0.4のMMI領
域の端部における強度分布を示す。明らかなように、パワー分割機能はほぼ維持
され、4個の出力導波路(609)と関連する4個の強度ピーク(802)にほ
ぼ等しいパワーを有している。これは、図4に示す発散パワー曲線(410,4
12)において明らかなBesse 及びGigi等により非連続パーテが用いられた場合
の結果と比較することができる。
FIG. 8 shows the intensity distribution at the end of the MMI region of dΩ = 0.4 of the 4 × 4 MMI device as shown in FIG. As can be seen, the power splitting function is substantially maintained, having a power approximately equal to the four intensity peaks (802) associated with the four output waveguides (609). This corresponds to the divergence power curve (410, 4) shown in FIG.
It can be compared with the results when a discontinuous putty is used according to Besse and Gigi apparent in 12).

【0037】 従って、本発明に基づいて構成されたMMIカップラは、種々のN×Nデバイ
スにおいて広い種々の用途を有することが期待でき、パワー分割機能の維持、大
きさの小型化、透過率の改善、製造幅公差の改善、光カップリングの減少、及び
リソグラフィの埋め込み欠陥の低減が期待できる。
Therefore, the MMI coupler configured according to the present invention can be expected to have a wide variety of applications in various N × N devices, and can maintain the power division function, reduce the size, and improve the transmittance. Improvements, improved manufacturing width tolerances, reduced optical coupling, and reduced lithographic buried defects can be expected.

【0038】 本発明を上述した特有の実施例に基づいて説明したが、添付した特許請求の範
囲により規定される本発明の範囲から逸脱することなく上述した実施例の種々の
変形や変更を行なうことができ、特に内向きテーパの形状に関して種々の変形や
変更が可能である。
Although the present invention has been described with reference to the above specific embodiments, various modifications and alterations of the above described embodiments may be made without departing from the scope of the present invention as defined by the appended claims. In particular, various modifications and changes are possible with respect to the shape of the inward taper.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 直線形状の側壁を有する3−dBパワースプリッタの形式の従来の直
線2×2MMIカップラを示す。
FIG. 1 shows a conventional linear 2 × 2 MMI coupler in the form of a 3-dB power splitter with linear shaped sidewalls.

【図2】 可変像パワー分布に用いられ、不連続な導関数を有する直線三角形の
テーパを有する従来の2×2MMIカップラを示す。
FIG. 2 shows a conventional 2 × 2 MMI coupler with a linear triangular taper with discontinuous derivatives used for variable image power distribution.

【図3】 3−dBパワースプリッタとして用いる内向きに湾曲したテーパの側
壁を有する本発明の2×2MMIカップラを示す。
FIG. 3 shows a 2 × 2 MMI coupler of the present invention with inwardly curved tapered sidewalls used as a 3-dB power splitter.

【図4】 本発明による2×2MMIデバイスの全パワー透過率並びに従来の直
線三角形テーパデバイスの2×2MMIパワースプリッタと本発明によるデバイ
スとの比較を示すグラフである。
FIG. 4 is a graph showing the total power transmission of a 2 × 2 MMI device according to the invention and a comparison between a 2 × 2 MMI power splitter of a conventional straight triangular taper device and a device according to the invention.

【図5】 本発明により実現された2×2MMIカップラのデバイス長の短縮を
示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing a reduction in device length of a 2 × 2 MMI coupler implemented according to the present invention.

【図6】 内向きに湾曲したテーパを有する側壁を具える本発明による4×4M
MIカップラを示す。
FIG. 6: 4 × 4M according to the invention with inwardly curved tapered side walls
3 shows an MI coupler.

【図7】 N×NMMIカップラの種々のテーパについての長さの短縮並びに本
発明による4×4MMIカップラの全透過率を示す。
FIG. 7 shows the length reduction for various tapers of an N × NMMI coupler as well as the total transmission of a 4 × 4 MMI coupler according to the present invention.

【図8】 図6に示す4×4カップラからの4個の像出力のほぼ等しいパワー分
布を示す。
FIG. 8 shows approximately equal power distributions of four image outputs from the 4 × 4 coupler shown in FIG.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロバート スカルモッツィーノ アメリカ合衆国 ニューヨーク州 10548 モントローズ ランカスター アヴェニ ュー 13 (72)発明者 リチャード エム オスグッド ジュニア アメリカ合衆国 ニューヨーク州 10514 チャッパクア クウォーカー ストリー ト 345──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Robert Scarmozzino, Inventor, United States of America 10548 Montrose Lancaster Avenue 13 (72) Inventor Richard M. Osgood, Jr.

Claims (17)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 (a)入力光信号を当該干渉に基づくマルチモードカップラの第
1の端部に入射させる少なくとも1個の入力アクセス導波路と、 (b)前記干渉に基づくマルチモードカップラの第2の端部から前記入力光信号
の像を出力する少なくとも1個の出力アクセス導波路と、 (c)1個又はそれ以上の入力アクセス導波路を1個又はそれ以上の出力アクセ
ス導波路に結合し、前記入力光信号が伝搬軸に沿って前記第1の端部から前記第
2の端部に伝搬して1個又はそれ以上の出力アクセス導波路に再結像するマルチ
モード領域とを具え、 (i)前記マルチモード領域が、前記伝搬軸に沿う各点においてカップラの幅を
規定する2個の対向する側壁を有し、 (ii)前記マルチモード領域の少なくとも1個の側壁が対向する側壁に向けて
内向きの非直線状のテーパを有し、当該カップラが、両方の側壁が直線の場合の
平均幅よりも小さい平均幅を伝搬軸に沿って有し、 (iii)前記側壁が、伝搬軸に沿って連続する導関数で滑らかに連続する干渉
に基づくマルチモードカップラ。
(A) at least one input access waveguide for inputting an input optical signal to a first end of the interference-based multi-mode coupler; and (b) a second input access waveguide of the interference-based multi-mode coupler. (C) coupling one or more input access waveguides to one or more output access waveguides; and (c) coupling one or more input access waveguides to one or more output access waveguides. A multi-mode region wherein the input optical signal propagates along the propagation axis from the first end to the second end and re-images on one or more output access waveguides. (I) the multimode region has two opposing side walls that define the width of the coupler at each point along the propagation axis; and (ii) at least one side wall of the multimode region opposes. To the side wall And the coupler has an average width along the propagation axis that is less than the average width when both sidewalls are straight, and (iii) the sidewall has a propagation axis. Multimode coupler based on smoothly continuous interference with continuous derivatives along.
【請求項2】 請求項2に記載の干渉に基づくマルチモードカップラにおいて、
両方の側壁が、対向する側壁に向けて内向きの非直線状のテーパを有し、これら
両方の側壁のテーパが前記伝搬軸に沿う中心線に対して対称性を有する干渉に基
づくマルチモードカップラ。
2. The multimode coupler based on interference according to claim 2, wherein
An interference-based multimode coupler in which both sidewalls have a non-linear taper inward toward the opposing sidewall, and the taper of both sidewalls is symmetric about a centerline along the propagation axis. .
【請求項3】 請求項2に記載の干渉に基づくマルチモードカップラにおいて、
前記テーパが、伝搬軸に沿う導関数が零となる単一の極を前記マルチモード領域
内に有する干渉に基づくマルチモードカップラ。
3. The multi-mode coupler according to claim 2, wherein:
An interference-based multi-mode coupler wherein the taper has a single pole in the multi-mode region with a derivative zero along the propagation axis.
【請求項4】 請求項2に記載の干渉に基づくマルチモードカップラにおいて、
当該カップラが、前記第1の端部及び第2の端部において等しい幅を有する干渉
に基づくマルチモードカップラ。
4. The multimode coupler based on interference according to claim 2, wherein
An interference-based multi-mode coupler, wherein the coupler has equal widths at the first end and the second end.
【請求項5】 請求項3に記載の干渉に基づくマルチモードカップラにおいて、
当該カップラが、前記第1の端部及び第2の端部において互いに等しい幅を有す
る干渉に基づくマルチモードカップラ。
5. The multi-mode coupler according to claim 3, wherein:
An interference-based multimode coupler, wherein the coupler has equal widths at the first end and the second end.
【請求項6】 請求項4に記載の干渉に基づくマルチモードカップラにおいて、
前記2個の側壁のテーパが、前記第1の端部と第2の端部との間の中間点におい
て、伝搬軸と直交する中心線に対して対称である干渉に基づくマルチモードカッ
プラ。
6. The multi-mode coupler according to claim 4, wherein:
An interference-based multi-mode coupler in which the taper of the two side walls is symmetric about a center line orthogonal to a propagation axis at an intermediate point between the first end and the second end.
【請求項7】 請求項5に記載の干渉に基づくマルチモードカップラにおいて、
前記2個の側壁のテーパが、前記第1の端部と第2の端部との間の中間点におい
て、伝搬軸と直交する中心線に対して対称である干渉に基づくマルチモードカッ
プラ。
7. The interference-based multi-mode coupler according to claim 5,
An interference-based multi-mode coupler in which the taper of the two side walls is symmetric about a center line orthogonal to a propagation axis at an intermediate point between the first end and the second end.
【請求項8】 請求項4に記載の干渉に基づくマルチモードカップラにおいて、
前記入力アクセス導波路及び出力アクセス導波路が、前記マルチモード領域の端
部の局部テーパ角に整合する角度でマルチモード領域に結合されている干渉に基
づくマルチモードカップラ。
8. The multi-mode coupler based on interference according to claim 4, wherein
An interference-based multimode coupler, wherein the input access waveguide and the output access waveguide are coupled to a multimode region at an angle that matches a local taper angle at an end of the multimode region.
【請求項9】 請求項5に記載の干渉に基づくマルチモードカップラにおいて、
前記入力アクセス導波路及び出力アクセス導波路が、前記マルチモード領域の端
部の局部テーパ角に整合する角度でマルチモード領域に結合されている干渉に基
づくマルチモードカップラ。
9. The multi-mode coupler based on interference according to claim 5, wherein
An interference-based multimode coupler, wherein the input access waveguide and the output access waveguide are coupled to a multimode region at an angle that matches a local taper angle at an end of the multimode region.
【請求項10】 請求項3に記載の干渉に基づくマルチモードカップラにおいて
、前記テーパの形状を放物状、双曲線状、楕円状又はコシヌソイダル状とした干
渉に基づくマルチモードカップラ。
10. The multimode coupler based on interference according to claim 3, wherein said tapered shape is parabolic, hyperbolic, elliptical or cosinusoidal.
【請求項11】 請求項4に記載の干渉に基づくマルチモードカップラにおいて
、前記テーパの形状を放物状、双曲線状、楕円状又はコシヌソイダル状とした干
渉に基づくマルチモードカップラ。
11. The multimode coupler according to claim 4, wherein said tapered shape is parabolic, hyperbolic, elliptical, or cosinusoidal.
【請求項12】 請求項1に記載の干渉に基づくマルチモードカップラにおいて
、前記伝搬軸に沿うテーパの2次導関数により特徴付けられるテーパの最大曲率
を、案内されるモード光がほぼ維持されるように設定した干渉に基づくマルチモ
ードカップラ。
12. The multimode coupler according to claim 1, wherein the mode light guided to the maximum curvature of the taper characterized by the second derivative of the taper along the propagation axis is substantially maintained. -Mode coupler based on interference set as follows.
【請求項13】 (a)光信号を第1の端部に入射させる2個の入力アクセス導
波路と、 (b)前記入力光信号の2個の像を第2の端部から出射させる2個の出力アクセ
ス導波路と、 (c)前記2個の入力アクセス導波路を前記2個の出力アクセス導波路に結合し
、前記入力光信号が伝搬軸に沿って伝搬して前記入力光信号の2個の像として再
結像され、これら像が入力光信号の半分の強度を有するマルチモード領域とを具
え、 (i)前記マルチモード領域が、前記伝搬軸の各点に沿ってカップラの幅を規定
する2個の対向する側壁を有し、前記第1の端部の幅と第2の端部の幅とがほぼ
等しく、 (ii)前記側壁は、対向する側壁に向けて内向きで、前記伝搬軸に対して対称
的なテーパが形成され、このテーパを伝搬軸に沿って連続する導関数を有する連
続する曲線とし、伝搬軸に沿って前記導関数が零となる単一の極がマルチモード
領域内に存在する干渉に基づく2×2のマルチモードパワースプリッタ。
13. An input access waveguide for inputting an optical signal to a first end, and (b) an output of two images of the input optical signal from a second end. (C) coupling the two input access waveguides to the two output access waveguides, wherein the input optical signal propagates along a propagation axis and Re-imaging as two images, wherein the images comprise a multi-mode region having half the intensity of the input optical signal; and (i) the multi-mode region has a width of the coupler along each point of the propagation axis. And wherein the width of the first end and the width of the second end are substantially equal, and (ii) the side walls are inwardly directed toward the opposing side walls. A symmetrical taper is formed with respect to the propagation axis, and this taper is continued along the propagation axis. A continuous curve having a function, multi-mode power splitter 2 × 2 based on interference single pole the derivative becomes zero along the propagation axis is present in the multi-mode region.
【請求項14】 請求項13に記載のパワースプリッタにおいて、前記テーパが
、前記第1の端部と第2の端部との間の中間点において伝搬軸と直交する中心線
を中心にして対称であるパワースプリッタ。
14. The power splitter according to claim 13, wherein the taper is symmetric about a center line orthogonal to a propagation axis at an intermediate point between the first end and the second end. Power splitter.
【請求項15】 請求項14に記載のパワースプリッタにおいて、前記テーパの
形状を放物状、双曲線状、楕円状又はコシヌソイダル状としたパワースプリッタ
15. The power splitter according to claim 14, wherein the shape of the taper is parabolic, hyperbolic, elliptical, or cosinusoidal.
【請求項16】 請求項13に記載のパワースプリッタにおいて、前記入力アク
セス導波路及び出力アクセス導波路が、前記マルチモード領域の端部の局部テー
パ角に整合する角度でマルチモード領域に結合されているパワースプリッタ。
16. The power splitter of claim 13, wherein the input access waveguide and the output access waveguide are coupled to a multi-mode region at an angle that matches a local taper angle at an end of the multi-mode region. Power splitter.
【請求項17】 請求項13に記載のパワースプリッタにおいて、前記伝搬軸に
沿うテーパの2次導関数により特徴付けられるテーパの最大曲率を、案内される
モード光がほぼ維持されるように設定したパワースプリッタ。
17. The power splitter according to claim 13, wherein a maximum curvature of the taper, characterized by a second derivative of the taper along the propagation axis, is set such that guided mode light is substantially maintained. Power splitter.
JP2000548759A 1998-05-08 1998-05-08 Multimode coupler based on miniaturized interference Pending JP2002514783A (en)

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011232674A (en) * 2010-04-30 2011-11-17 Hitachi Chem Co Ltd Optical waveguide, wavelength-multiplex light multiplexing device, and medical endoscope using the same
JP2015025980A (en) * 2013-07-29 2015-02-05 三菱電機株式会社 Optical waveguide element
US10082623B2 (en) 2014-10-02 2018-09-25 Nec Corporation Rib type optical waveguide and optical multiplexer / demultiplexer using same
WO2020031865A1 (en) * 2018-08-10 2020-02-13 日本電信電話株式会社 Optical multiplexer and rgb coupler
WO2020162451A1 (en) * 2019-02-06 2020-08-13 古河電気工業株式会社 Optical functional element and laser element

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2368131A (en) * 2000-10-11 2002-04-24 Marconi Caswell Ltd Flared optical waveguide coupler
DE10121007B4 (en) * 2001-04-28 2007-04-12 Photeon Technologies Gmbh Multimode interference coupler

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2915114A1 (en) * 1979-04-12 1980-10-23 Siemens Ag OPTICAL STAR COUPLER FOR MULTIMODE LIGHT FIBERS
US5048909A (en) * 1990-07-27 1991-09-17 At&T Bell Laboratories Adiabatic reflection apparatus

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011232674A (en) * 2010-04-30 2011-11-17 Hitachi Chem Co Ltd Optical waveguide, wavelength-multiplex light multiplexing device, and medical endoscope using the same
JP2015025980A (en) * 2013-07-29 2015-02-05 三菱電機株式会社 Optical waveguide element
US10082623B2 (en) 2014-10-02 2018-09-25 Nec Corporation Rib type optical waveguide and optical multiplexer / demultiplexer using same
WO2020031865A1 (en) * 2018-08-10 2020-02-13 日本電信電話株式会社 Optical multiplexer and rgb coupler
JP2020027170A (en) * 2018-08-10 2020-02-20 日本電信電話株式会社 Optical multiplexer and RGB coupler
JP7172271B2 (en) 2018-08-10 2022-11-16 日本電信電話株式会社 Optical multiplexer and RGB coupler
US11543591B2 (en) 2018-08-10 2023-01-03 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Optical multiplexer and RGB coupler
WO2020162451A1 (en) * 2019-02-06 2020-08-13 古河電気工業株式会社 Optical functional element and laser element
JPWO2020162451A1 (en) * 2019-02-06 2021-12-02 古河電気工業株式会社 Optical functional elements and laser elements

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