JP2003279768A - 多項式曲線光導波路を備えた平面光波回路 - Google Patents

多項式曲線光導波路を備えた平面光波回路

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JP2003279768A
JP2003279768A JP2002324064A JP2002324064A JP2003279768A JP 2003279768 A JP2003279768 A JP 2003279768A JP 2002324064 A JP2002324064 A JP 2002324064A JP 2002324064 A JP2002324064 A JP 2002324064A JP 2003279768 A JP2003279768 A JP 2003279768A
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polynomial
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planar lightwave
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Heu-Gon Kim
喜坤 金
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  • Optics & Photonics (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 光信号の遷移損失及び導波路の体積を最小化
できる平面光波回路を提供する。 【解決手段】 多項式曲線光導波路を備える平面光波回
路は、半導体基板と、半導体基板上に積層され、光信号
の伝送媒体になる複数のコアと、複数のコアを囲むクラ
ッドと、から構成され、複数のコアは、少なくとも１以
上の直線形光導波路と、直線形光導波路に連結され、曲
線を表す多項式によって表現される少なくとも１以上の
多項式曲線光導波路と、を含むことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光素子に関し、特
に、光通信システムにおいて使用され、複数の光導波路
を備える平面光波回路（ＰＬＣ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】個別光部品の組み立てに比べて、小型、
低価格、低電力消費及び高速を具現する集積光学(integ
rated optics)技術は、継続して研究開発が行われてい
る。しかし、ＬｉＮｂＯ３などの誘伝体導波路及びＧａ
Ａｓ、ＩｎＰなどの化合物半導体導波路の構成による工
程及び価格の制約により、活発な研究活動にもかかわら
ず、実際、通信分野に与える波及効果はわずかであっ
た。最近、シリコン(silicon)基板上に光ファイバのよ
うなシリカ(silica)材質のコア(core)を形成する平面光
波回路(planar lightwave circuit)技術及び発光／受光
素子に対する新たな接合技術が提案され、通信分野にお
いて光集積技術の実用化が急進展している。実際、カプ
ラ(coupler)、ビームスプリッタ(beam splitter)、波長
分割多重化(wavelength division multiplexing)素子な
どを組み込んだ集積光学技術は、光ファイバを利用して
具現され常用化されている。ＦＴＴＨ(fiber to the ho
me)で要求される高機能性素子の場合、半導体集積回路
の加工工程を利用する平面光波回路が、機能の側面だけ
でなく価格的な側面でも優れていることから、評価され
ている。例えば、ビームスプリッタの場合、１ｘ４の分
岐までは、従来の光ファイバ型が有利であるが、分岐数
がそれ以上に増加すると、平面光波回路の方が有利であ
る。平面光波回路は、体積が小さく、量産性があり、低
価格化の可能性の面で優れている。前述した平面光波回
路のために、様々な材料を使用することができる。その
うち、伝送損失、接着損失、温度安定性などの側面から
見ると、最高の材料はシリカ(silica)である。
【０００３】図１は従来技術による平面光波回路を示す
図である。図２は図１のコアを示す図である。平面光波
回路１００は、半導体基板(図示せず)上に積層され、光
信号の伝送媒体になる複数のコア１１０及び複数のコア
１１０を囲むクラッド(clad)１２０から構成される。
【０００４】各コア１１０は、外部からの光信号がその
一端に入力される第１直線形光導波路１１２と、この第
１直線形光導波路１１２に連結され、数式３により定義
される円弧光導波路(arc waveguide)１１４とから構成
される。
【数３】
【０００５】数式３は、円の方程式であり、ここで、ａ
及びｂは任意の実数を示し、Ｒは円の半径を示す。
【０００６】図２に示す円弧光導波路１１４は、数式３
によって定義される円の一部、つまり、円弧を示す。半
径Ｒ１及び円弧の中心角は、第１直線形光導波路１１２
と円弧光導波路１１４との連結部及び第２直線形光導波
路１１６と円弧光導波路１１４との連結部で発生する光
信号の損失及び平面導波路素子の体積が最適化するよう
に設定される。
【０００７】図３は、図２に示す円弧光導波路１１４と
第１直線形光導波路１１２との連結部で発生するモード
不一致を説明するための図である。図示したように、第
１直線形光導波路１１２の第１伝搬モード(propagating
mode)１５０と円弧光導波路１１４の第２伝搬モード１
６０は互いに一致しない。つまり、第１伝搬モード中心
線１５５と第２伝搬モード中心線１６５が一致せず、第
１伝搬モード１５０の形態と第２伝搬モード１６０の形
態も一致しない。従って、第１直線形光導波路１１２を
通過して円弧光導波路１１４に進行する光信号は、前述
したモード不一致によって、その一部を損失(遷移損失
(transition loss)と称する)する。また、円弧光導波路
１１４の半径を増加させることによって遷移損失を低減
することができるが、平面光波回路１００の体積が増加
するという問題点がある。
【０００８】図４は従来の他の例による平面光波回路を
示す図でる。図５は図４のコアを示す図である。平面光
波回路２００は、半導体基板(図示せず)上に積層され、
光信号の伝送媒体になる複数のコア２１０及び複数のコ
ア２１０を囲むクラッド２２０から構成される。
【０００９】各コア２１０は、外部からの光信号がその
一端に入力される第１直線形光導波路２１２と、第１直
線形光導波路２１２と連結されたＳ字光導波路２１４及
び２１６とから構成される。
【００１０】Ｓ字光導波路２１４及び２１６は、半径Ｒ
２を有する第１円弧光導波路２１４及び半径Ｒ３を有す
る第２円弧光導波路２１６から構成される。第１円弧光
導波路２１４は、さらに第１直線形光導波路２１２と連
結され、第２円弧光導波路２１６は、さらに第２直線形
光導波路２１８と連結される。Ｓ字光導波路２１４及び
２１６は、３個の連結部、つまり、第１直線形光導波路
２１２と第１円弧光導波路２１４との連結部、第１円弧
光導波路２１４と第２円弧光導波路２１６との連結部
(Ｃ１)、及び第２円弧光導波路２１６と第２直線形光導
波路２１８との連結部を有し、前述した連結部で遷移損
失が発生する。一方、Ｓ字光導波路２１４及び２１６
は、円弧光導波路に比べて体積の低減効果が優れている
という利点がある。
【００１１】図６は図５に示したＳ字光導波路２１４及
び２１６の遷移損失を説明するための図である。図示し
たように、Ｓ字光導波路２１４及び２１６において、第
１円弧光導波路２１４の第１伝搬モード２５０と第２円
弧光導波路２１６の第２伝搬モード２６０は互いに一致
しない。つまり、第１伝搬モード中心線２５５と第２伝
搬モード中心線２６５が一致せず、第１伝搬モード２５
０の形態と第２伝搬モード２６０の形態も一致しない。
【００１２】図７は、Ｓ字光導波路３２０の体積低減効
果を説明するための図である。図示したように、Ｓ字光
導波路３２０を利用した場合は円弧光導波路３１０を利
用した場合に比べて、同一の高さＨ１に至るために相対
的に狭い幅Ｗ２(Ｗ２＜Ｗ１)を必要とすることが分か
る。これによって、Ｓ字光導波路３２０を利用した平面
光波回路は、円弧光導波路３１０を利用した平面光波回
路に比べて、その体積が低減するという利点がある。
【００１３】しかしながら、前述したように、円弧光導
波路及びＳ字光導波路の場合は、光信号の遷移損失が発
生するという問題点がある。この遷移損失を減少させる
ために該当する円弧の半径を増加すると、平面光波回路
の体積が増加するという問題点がある。
【００１４】前述した問題点を解決するために、円弧光
導波路またはＳ字光導波路にオフセットを適用する方法
が開示されている。
【００１５】図８Ａは、オフセット(offset)が適用され
た円弧光導波路を示す図であり、図８Ｂは、図８Ａに示
す円弧光導波路の遷移損失を説明するための図である。
図８Ａにおいて、第１直線形光導波路４１０、円弧光導
波路４２０、及び第２直線形光導波路４３０が示されて
いる。
【００１６】第１直線形光導波路４１０と円弧光導波路
４２０の連結部には所定の値のオフセットＦ１が与えら
れる。オフセットＦ１は、第１直線形光導波路４１０の
伝搬モード及び円弧光導波路４２０の伝搬モードが一致
するように所定の範囲内で設定される。
【００１７】さらに、円弧光導波路４２０と第２直線形
光導波路４３０との連結部には所定の値のオフセットＦ
２が与えられる。オフセットＦ２は、第２直線形光導波
路４３０の伝搬モード及び円弧光導波路４２０の伝搬モ
ードが一致するように所定の範囲内で設定される。
【００１８】図８Ｂを参照すると、第１直線形光導波路
４１０の第１伝搬モード４５０と円弧光導波路４２０の
第２伝搬モード４６０は、互いに一致しない。つまり、
第１伝搬モード及び第２伝搬モードの中心線４７０は一
致しているが、第１伝搬モード４５０の形態と第２伝搬
モード４６０の形態は一致しない。
【００１９】図９Ａは、オフセットが適用されたＳ字光
導波路を示す図であり、図９Ｂは、図９Ａに示す円弧光
導波路の遷移損失を説明するための図である。Ｓ字光導
波路５１０及び５２０は、半径Ｒ１の第１円弧光導波路
５１０及び半径Ｒ２の第２円弧光導波路５２０から構成
される。第１円弧光導波路５１０と第２円弧光導波路５
２０の連結部には所定の値のオフセットＦ３が与えら
れ、オフセットＦ３は、第１円弧光導波路５１０の伝搬
モード及び第２円弧光導波路５２０の伝搬モードが一致
するように所定の範囲内で設定される。
【００２０】図９Ｂを参照すると、Ｓ字光導波路５１０
及び５２０において第１円弧光導波路５１０の第１伝搬
モード５５０と第２円弧光導波路５２０の第２伝搬モー
ド５６０は互いに一致しない。つまり、第１伝搬モード
及び第２伝搬モードの中心線５７０は一致しているが、
第１伝搬モード５５０の形態と第２伝搬モード５６０の
形態は一致しない。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】前述したように、従来
の円弧光導波路またはＳ字光導波路を利用した平面光波
回路は下記の問題点を有する。
【００２２】第１に、円弧光導波路は光信号の遷移損失
を生じ、この遷移損失を低減するために半径を増加させ
ると、全体の体積が増加するという問題点がある。ま
た、オフセットを適用すると、遷移損失を低減すること
ができるが、依然として、伝搬モードの形態は一致せ
ず、精密にオフセットを適用しなければならないので、
工程の変化に敏感であって、工程時間が遅延するという
問題点がある。
【００２３】第２に、Ｓ字光導波路は、円弧光導波路に
比べて体積低減効果に関しては優れているが、同様に、
光信号の遷移損失を生じるという問題点がある。また、
オフセットを適用すると、遷移損失を低減することはで
きるが、依然として、伝搬モードの形態は一致せず、精
密にオフセットを適用しなければならないので、工程の
変化に敏感であって、工程時間が遅延するという問題点
がある。
【００２４】本発明は、前述した従来の問題点を解決す
るために案出されたもので、本発明の目的は、光信号の
遷移損失及び導波路の体積を最小化できる平面光波回路
を提供することにある。
【００２５】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明による平面光波回路は、半導体基板
と、半導体基板上に積層され、光信号の伝送媒体になる
複数のコアと、複数のコアを囲むクラッドと、から構成
され、複数のコアは、少なくとも１以上の直線形光導波
路と、直線形光導波路に連結され、下記数式４によって
表現される少なくとも１以上の多項式曲線光導波路と、
を含むことを特徴とする。
【数４】 ここで、Ａ(ｘ)は多項式であり、Ｋは３以上の整数を、
ａｎはｎ次の係数を示す。
【００２６】この多項式曲線光導波路は、直列に連結さ
れた複数のサブ多項式曲線光導波路から構成されるよう
にするとよい。
【００２７】また、本発明の平面光波回路は、複数の光
導波路を含み、この複数の光導波路は、コア及びクラッ
ドから構成されると共に、多項式曲線の形態で形成され
ることを特徴とする。
【００２８】この多項式曲線は、下記の数式５によって
表現されると好ましい。
【数５】 ここで、Ａ(ｘ)は多項式であり、Ｋは３以上の整数を、
ａｎはｎ次の係数を示す。また、複数の光導波路は、直
列に連結された複数のサブ多項式曲線光導波路をさらに
含むとよく、連続的な多項式曲線の形態で形成するよう
にしてもよい。
【００２９】
【発明の実施の形態】以下、本発明に従う好適な実施形
態について添付図を参照しつつ詳細に説明する。下記の
説明において、本発明の要旨のみを明確にする目的で、
関連した公知機能または構成に関する具体的な説明は省
略する。
【００３０】図１０は、本発明の好適な実施形態による
平面光波回路を示す。図１１は、図１０に示した平面光
波回路のコアを示す。平面光波回路６００は、半導体基
板(図示せず)上に積層され、光信号の伝送媒体になる複
数のコア６１０及び複数のコア６１０を囲むクラッド６
２０から構成される。
【００３１】各コア６１０の端部は、外部からの光信号
がその一端に入力される第１直線形光導波路６１２、及
び第１直線形光導波路６１２に連結され数式６によって
定義される多項式曲線光導波路６１４から構成される。
【数６】
【００３２】数式６において、Ａ(ｘ)は多項式であり、
Ｋは３以上の整数を、ａｎはｎ次の係数を示す。
【００３３】多項式Ａ(ｘ)は、多項式曲線光導波路６１
４内で発生する光信号の遷移損失を最小化するように設
定される。しかしながら、３つの連結部(Ｃ２、Ｃ３、
Ｃ４)、つまり、第１直線形光導波路６１２と多項式曲
線光導波路６１４との連結部(Ｃ２)、多項式曲線光導波
路６１４と第２直線形光導波路６１６との連結部(Ｃ４)
及び多項式曲線光導波路６１４の変曲部(Ｃ３)において
は、多項式曲線の特性上、遷移損失が発生しない。多項
式曲線光導波路６１４は、連続的な多項式曲線を形成す
るので、連結部における遷移損失が発生しない。
【００３４】図１２は、図１１に示した第１直線形光導
波路６１２と多項式曲線光導波路６１４との連結部(Ｃ
２)、多項式曲線光導波路６１４と第２直線形光導波路
６１６との連結部(Ｃ４)及び多項式曲線光導波路６１４
の変曲部(Ｃ３)におけるモードの一致を説明するための
図である。
【００３５】図１２を参照すると、第１直線形光導波路
６１２と多項式曲線光導波路６１４の連結部(Ｃ２)、多
項式曲線光導波路６１４と第２直線形光導波路６１６の
連結部(Ｃ４)及び多項式曲線光導波路６１４の変曲部
(Ｃ３)においては、連続的な多項式曲線を形成するの
で、伝搬モード６８０が一致し、これは、変曲部(Ｃ３)
において光信号の遷移損失が発生しないことを意味す
る。
【００３６】図１３は、多項式曲線光導波路の体積低減
効果を説明するための図である。図示したように、多項
式曲線光導波路７３０を利用した場合、Ｓ字光導波路７
２０または円弧光導波路７１０を利用した場合に比べ
て、同一の高さ(Ｈ２)に至るためには相対的に狭い幅Ｗ
３(Ｗ３＜Ｗ４＜Ｗ５)を必要とすることが分かる。それ
によって、多項式曲線光導波路７３０を利用した平面導
波路素子は、Ｓ字光導波路７２０または円弧光導波路７
１０を利用した平面導波路素子に比べてその体積が低減
するという利点がある。
【００３７】図１４は、本発明の好適な他の実施形態に
よる平面光波回路を示す図である。図１５は、図１４に
示した平面光波回路のコアを示した図である。平面光波
回路８００は、半導体基板(図示せず)上に積層され、光
信号の伝送媒体になる複数のコア８１０及び複数のコア
８１０を囲むクラッド８２０から構成される。また、各
コア８１０は、外部からの光信号がその一端に入力され
る第１直線形光導波路８１２と、第１直線形光導波路８
１２に連結された多項式曲線光導波路８１４及び８１６
とから構成されるている。多項式曲線光導波路８１４及
び８１６は、数式７によって定義される第１サブ多項式
曲線光導波路(first sub-polynomial curve waveguide)
８１４と、数式８によって定義される第２サブ多項式曲
線光導波路８１６とから構成される。
【数７】
【００３８】数式７において、Ｂ(ｘ)は多項式であり、
Ｌは３以上の整数を、ｂｎはｎ次の係数を示す。
【数８】
【００３９】数式８において、Ｃ(ｘ)は多項式であり、
Ｍは３以上の整数を、ｃｎはｎ次の係数を示す。
【００４０】多項式Ｂ(ｘ)及びＣ(ｘ)は、多項式曲線光
導波路８１４及び８１６内で発生する光信号の遷移損失
を最小化するように設定される。しかしながら、５つの
連結部(Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ８、Ｃ９)、つまり、第１
直線形光導波路８１２と第１サブ多項式曲線光導波路８
１４との連結部(Ｃ５)、第１サブ多項式曲線光導波路８
１４の変曲部(Ｃ６)、第１サブ多項式曲線光導波路８１
４と第２サブ多項式曲線光導波路８１６との連結部(Ｃ
７)、第２サブ多項式曲線光導波路８１６の変曲部
(Ｃ８)、及び第２サブ多項式曲線光導波路８１６と第２
直線形光導波路８１８との連結部(Ｃ９)においては、多
項式曲線の特性上、遷移損失が発生しない。多項式曲線
光導波路８１４及び８１６は、連続的な多項式曲線を形
成するので、連結部における遷移損失が発生しない。
【００４１】前述したように、本発明による平面光波回
路は、多項式曲線光導波路を利用して多様に構成するこ
とができる。
【００４２】表１は、本発明による多項式曲線光導波路
の損失特性を示す図である。
【表１】
【００４３】表１において、円弧光導波路は、半径が５
０００μｍ、円弧の中心角が１０°であり、円弧光導波
路とクラッドとの屈折率差Δnは、０．７５％である。
また、多項式曲線光導波路は、円弧光導波路と同一の高
さを有し、多項式曲線光導波路とクラッドとの屈折率差
Δnは、０．７５％である。
【００４４】前述の如く、本発明の詳細な説明では具体
的な実施形態を参照して詳細に説明してきたが、本発明
の範囲は実施形態によって限られるべきではなく、本発
明の範囲内で様々な変形が可能であることは、当該技術
分野における通常の知識を持つ者には明らかである。
【００４５】
【発明の効果】前述したように、本発明による多項式曲
線光導波路を備えた平面光波回路は、連続的な多項式曲
線を有する多項式曲線光導波路を平面光波回路の端部に
適用することによって、光信号の遷移損失及び体積を最
小化することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来技術の一例による平面光波回路を示す
図。
【図２】 図１のコアを示す図。
【図３】 図２に示した円弧光導波路と直線形光導波路
との連結部で発生するモードの不一致を説明するための
図。
【図４】 従来技術の他の例による平面光波回路を示す
図。
【図５】 図４のコアを示す図。
【図６】 図５に示したＳ字光導波路の遷移損失を説明
するための図。
【図７】 Ｓ字光導波路の体積低減効果を説明するため
の図。
【図８】 Ａはオフセットが適用された円弧光導波路を
示す図であり、ＢはＡに示した円弧光導波路の遷移損失
を説明するための図。
【図９】 Ａはオフセットが適用されたＳ字光導波路を
示す図であり、ＢはＡに示す円弧光導波路の遷移損失を
説明するための図。
【図１０】 本発明の好適な実施形態による平面光波回
路を示す図。
【図１１】 図１０のコアを示す図。
【図１２】 図１１に示した多項式曲線光導波路と第１
直線形光導波路との連結部で発生するモードの一致及び
多項式曲線光導波路の変曲部で発生するモードの一致を
説明するための図。
【図１３】 多項式曲線光導波路の体積低減効果を説明
するための図。
【図１４】 本発明の好適な他の実施形態による平面光
波回路を示す図。
【図１５】 図１４のコアを示す図。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 平面光波回路において、 半導体基板と、 前記半導体基板上に積層され、光信号の伝送媒体になる
    複数のコアと、 前記複数のコアを囲むクラッドと、から構成され、 前記複数のコアは、少なくとも１以上の直線形光導波路
    と、前記直線形光導波路に連結され、下記数式１によっ
    て表現される少なくとも１以上の多項式曲線光導波路
    と、を含むことを特徴とする多項式曲線光導波路を備え
    た平面光波回路。 【数１】 ここで、Ａ(ｘ)は多項式であり、Ｋは３以上の整数を、
    ａｎはｎ次の係数を示す。
  2. 【請求項２】 前記多項式曲線光導波路は、直列に連結
    された複数のサブ多項式曲線光導波路から構成される請
    求項１記載の多項式曲線光導波路を備えた平面光波回
    路。
  3. 【請求項３】 平面光波回路において、 複数の光導波路を含み、前記複数の光導波路は、コア及
    びクラッドから構成されると共に、多項式曲線の形態で
    形成されることを特徴とする多項式曲線光導波路を備え
    た平面光波回路。
  4. 【請求項４】 前記多項式曲線は、下記の数式２によっ
    て表現される請求項３記載の多項式曲線光導波路を備え
    た平面光波回路。 【数２】 ここで、Ａ(ｘ)は多項式であり、Ｋは３以上の整数を、
    ａｎはｎ次の係数を示す。
  5. 【請求項５】 前記複数の光導波路は、直列に連結され
    た複数のサブ多項式曲線光導波路をさらに含む請求項３
    記載の多項式曲線光導波路を備えた平面光波回路。
  6. 【請求項６】 前記複数の光導波路は、連続的な多項式
    曲線の形態で形成される請求項３記載の多項式曲線光導
    波路を備えた平面光波回路。
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