JP2006047508A - Optical functional circuit - Google Patents

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正樹 神徳
Takashi Saida
隆志 才田
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俊和 橋本
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To fabricate an optical functional circuit which conducts a plurality of functions on a substrate. <P>SOLUTION: The optical functional circuit is provided with an undulation propagation medium in which a spatial distribution of refractive indexes, determined so as to make an optical signal incident from an input port be branched with multiple scattering corresponding to refractive indexes possessed by respective virtual pixels delimited with a virtual mesh and be emitted from an output port, is formed, wherein each pixel has a high refractive index part corresponding to a core and a low refractive index part composed of a void and realizes the function by making an arbitrary material be injected in the void. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、光機能回路に関し、より詳細には、2次元的な屈折率分布に応じた多重散乱によりホログラフィックに波動を伝達させるホログラフィック波動伝達媒体を用いた光機能回路に関する。   The present invention relates to an optical functional circuit, and more particularly to an optical functional circuit using a holographic wave transmission medium that transmits waves holographically by multiple scattering according to a two-dimensional refractive index distribution.

光通信分野においては、光の分岐、干渉を容易に実現できる光回路として、光導波路構造を利用した集積光部品が開発されてきた。光の波動としての性質を利用した集積光部品は、光導波路長の調整により光干渉計の作製を容易にしたり、半導体分野における回路加工技術を適用することにより、光部品の集積化が容易になる。   In the optical communication field, integrated optical components using an optical waveguide structure have been developed as an optical circuit that can easily realize branching and interference of light. Integrated optical components that utilize the properties of light waves make it easy to manufacture optical interferometers by adjusting the optical waveguide length, and to easily integrate optical components by applying circuit processing technology in the semiconductor field. Become.

このような光導波路構造は、光導波路中を伝搬する光を屈折率の空間的分布を利用して空間的な光閉じ込めを実現する「光閉じ込め構造」である。光回路を構成するためには、光配線などを用いて、各構成要素を縦列的に接続することとなる。このため、光導波路回路の光路長は、光回路内で干渉現象などを生じさせるために求められる光路長よりも長くならざるを得ず、その結果、光回路そのものが極めて大型になってしまうという問題があった。   Such an optical waveguide structure is an “optical confinement structure” that realizes spatial light confinement of light propagating through the optical waveguide by utilizing a spatial distribution of refractive index. In order to configure an optical circuit, each component is connected in a cascade using an optical wiring or the like. For this reason, the optical path length of the optical waveguide circuit must be longer than the optical path length required for causing an interference phenomenon in the optical circuit, and as a result, the optical circuit itself becomes extremely large. There was a problem.

たとえば、典型的なアレイ導波路格子を例にとると、入力ポートから入力された複数の波長(λj)の光は、スラブ導波路を有するスターカプラにより分波・合波を繰り返し、分波された光が出力ポートから出力されるが、波長の千分の1程度の分解能で光を分波するために要する光路長は、導波路を伝搬する光の波長の数万倍となる。また、光回路の導波路パターンニングをはじめとして、偏光状態に依存する回路特性を補正するための波長板などを設けるための加工も施す必要がある。(例えば、非特許文献1参照)。 For example, taking a typical arrayed waveguide grating as an example, light of multiple wavelengths (λ j ) input from the input port is repeatedly demultiplexed and combined by a star coupler having a slab waveguide. The output light is output from the output port, but the optical path length required for demultiplexing the light with a resolution of about one thousandth of the wavelength is several tens of thousands of the wavelength of the light propagating through the waveguide. Moreover, it is necessary to perform processing for providing a wave plate for correcting circuit characteristics depending on the polarization state, including waveguide patterning of an optical circuit. (For example, refer nonpatent literature 1).

また、光回路の小型化のためには、光を導波路中に強く閉じ込める必要がある。従って、光導波路は、極めて大きな屈折率差を有する必要がある。例えば、従来のステップインデクッス型の光導波路では、比屈折率差が0.1%よりも大きな値となるように、屈折率の空間的分布を有するように光導波路を設計する。このような大きな屈折率差を利用して光閉じ込めを行うと、回路構成の自由度が制限されてしまう。特に、光導波路中での屈折率差を、局所的な紫外線照射、熱光学効果または電気光学効果などにより実現しようとしても、得られる屈折率の変化量は高々0.1%程度である。光の伝搬方向を変化させる場合には、光導波路の光路にそって徐々に向きを変化させざるを得ず、光回路長は必然的に極めて長いものとなり、その結果として光回路の小型化が困難になる。   In order to reduce the size of the optical circuit, it is necessary to strongly confine light in the waveguide. Therefore, the optical waveguide needs to have a very large refractive index difference. For example, in a conventional step index type optical waveguide, the optical waveguide is designed so as to have a spatial distribution of the refractive index so that the relative refractive index difference becomes a value larger than 0.1%. When optical confinement is performed using such a large refractive index difference, the degree of freedom in circuit configuration is limited. In particular, even if the refractive index difference in the optical waveguide is to be realized by local ultraviolet irradiation, the thermo-optic effect, or the electro-optic effect, the obtained refractive index variation is at most about 0.1%. When changing the propagation direction of light, the direction must be gradually changed along the optical path of the optical waveguide, and the optical circuit length is inevitably extremely long. As a result, miniaturization of the optical circuit is reduced. It becomes difficult.

Y. Hibino, “Passive optical devices for photonic networks”, IEIC Trans. Commun., Vol.E83-B No.10, (2000).Y. Hibino, “Passive optical devices for photonic networks”, IEIC Trans. Commun., Vol.E83-B No. 10, (2000).

そこで、従来の光導波路回路、ホログラフィック回路を用いた光回路よりも小型で、緩やかな屈折率分布、すなわち小さな屈折率差でも充分に高効率の光信号制御を可能とする波動伝達媒体を用いることにより、高効率で小型の光回路を実現する。しかしながら、複数の機能を実行する光機能回路を実現しようとすると、1つの機能の光回路を複数接続する必要があり、光機能回路全体の小型化には限度があった。   Therefore, a wave transmission medium that is smaller than a conventional optical circuit using an optical waveguide circuit or a holographic circuit and has a gentle refractive index distribution, that is, sufficiently high-efficiency optical signal control even with a small refractive index difference is used. As a result, a highly efficient and compact optical circuit is realized. However, in order to realize an optical functional circuit that executes a plurality of functions, it is necessary to connect a plurality of optical circuits having one function, and there is a limit to downsizing the entire optical functional circuit.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、小型で作製が容易な、複数の機能を実行する光機能回路を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide an optical functional circuit that performs a plurality of functions that is small and easy to manufacture.

本発明は、このような目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、仮想的なメッシュにより画定される仮想的なピクセルの各々が有する屈折率により、入力ポートから入射された光信号が多重散乱しながら分岐し、出力ポートから出射されるように決定された空間的な屈折率分布が形成された波動伝達媒体を備え、前記ピクセルは、コアに相当する高屈折率部と、空隙からなる低屈折率部とを有し、前記空隙に任意の材料を注入して機能を実現することを特徴とする。   In order to achieve such an object, the present invention provides the invention according to claim 1, wherein light incident from an input port is generated by a refractive index of each virtual pixel defined by a virtual mesh. The signal includes a wave transmission medium in which a spatial refractive index distribution determined so as to be branched while being scattered and emitted from an output port, and the pixel includes a high refractive index portion corresponding to a core; And having a low refractive index portion composed of a gap, and a function is realized by injecting an arbitrary material into the gap.

請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の前記空隙には、屈折率の温度依存性を有する材料が注入され、前記波動伝達媒体の温度を変えて前記低屈折率部の屈折率を制御し、複数の機能を実現することを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, a material having a temperature dependency of refractive index is injected into the gap according to the first aspect, and the refractive index of the low refractive index portion is changed by changing the temperature of the wave transmission medium. And a plurality of functions are realized.

請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の前記空隙には、電気光学効果を有する材料が注入され、前記波動伝達媒体に電圧を印可または電流を注入することにより前記低屈折率部の屈折率を制御し、複数の機能を実現することを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, a material having an electro-optic effect is injected into the gap according to the first aspect, and a voltage or an electric current is applied to the wave transmission medium to inject the low refractive index portion. A plurality of functions are realized by controlling the refractive index.

請求項4に記載の発明は、請求項1に記載の前記空隙には、光誘起屈折率変化効果を有する材料が注入され、前記波動伝達媒体に光を照射することにより前記低屈折率部の屈折率を制御し、複数の機能を実現することを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, a material having a light-induced refractive index change effect is injected into the gap according to the first aspect, and the wave transmission medium is irradiated with light so that the low refractive index portion It is characterized by controlling the refractive index and realizing a plurality of functions.

請求項5に記載の発明は、請求項1に記載の光機能回路において、前記空隙が空気で満たされた状態と、前記空隙に任意の屈折率を有する液体を注入した状態とのいずれかにより、2つの機能を実現することを特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, in the optical functional circuit according to the first aspect of the present invention, the gap is filled with air or a state in which a liquid having an arbitrary refractive index is injected into the gap. It is characterized by realizing two functions.

以上説明したように、本発明によれば、複数の機能を実行することのできる光機能回路を、1つの基板上で作製することができ、製造工程の短縮とともに回路の小型化を図ることが可能となる。   As described above, according to the present invention, an optical functional circuit capable of executing a plurality of functions can be manufactured on one substrate, and the circuit can be shortened and the circuit can be miniaturized. It becomes possible.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本実施形態の光機能回路は、複数の散乱点により画定されるホログラフィック波動伝達媒体であり、2次元的な屈折率分布に応じた多重散乱によりホログラフィックに波動を伝達させる。ホログラフィック波動伝達媒体は、低屈折率を有するピクセルと高屈折率を有するピクセルからなる系であり、これら2種のピクセルの空間的分布により全体的な屈折率分布が決定される。このとき、媒体中の低屈折率ピクセルを可変にすることにより、複数の機能を実行する光機能回路を実現する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The optical functional circuit according to the present embodiment is a holographic wave transmission medium defined by a plurality of scattering points, and transmits waves holographically by multiple scattering according to a two-dimensional refractive index distribution. The holographic wave transmission medium is a system composed of pixels having a low refractive index and pixels having a high refractive index, and the overall refractive index distribution is determined by the spatial distribution of these two types of pixels. At this time, an optical functional circuit that performs a plurality of functions is realized by making the low refractive index pixels in the medium variable.

最初に、本願発明に用いる波動伝達媒体の基本的概念について説明する。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。なお、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。波動伝達媒体は、コヒーレントな光のパターンを入力して所望の光のパターンを出力させるために、波動伝達媒体中を伝搬する順伝搬光と逆伝搬光の位相差が、波動伝達媒体中の何れの場所においても小さくなるように屈折率分布が決定される。屈折率分布に応じた局所的なレベルのホログラフィック制御を多重に繰り返すことにより、所望の光のパターンが出力される。   First, the basic concept of the wave transmission medium used in the present invention will be described. Here, since it is applied to an optical circuit, the “wave” propagating in the wave transmission medium is “light”. The theory relating to the wave transmission medium specifies the characteristics of the medium based on a general wave equation, and can also hold in principle in general waves. In order to input a coherent light pattern and output a desired light pattern, the wave transmission medium has a phase difference between forward propagation light and back propagation light propagating in the wave transmission medium. The refractive index distribution is determined so as to be small even at the location. A desired light pattern is output by repeatedly repeating holographic control at a local level according to the refractive index distribution.

図1を参照して、本実施形態にかかる波動伝達媒体の基本構造を説明する。図1(a)に示したように、光回路基板1の中に、波動伝達媒体により構成される光回路の設計領域1−1が存在する。光回路の一方の端面は、入力光3−1が入射する入射面2−1である。入力光3−1は、波動伝達媒体で構成された空間的な屈折率分布を有する光回路中を多重散乱しながら伝搬し、他方の端面である出射面2−2から出力光3−2として出力される。図1(a)中の座標zは、光の伝搬方向の座標(z=0が入射面、z=zが出射面)であり、座標xは、光の伝搬方向に対する横方向の座標である。なお、本実施形態では、波動伝達媒体は、誘電体からなるものと仮定し、空間的な屈折率分布は、波動伝達媒体を構成している誘電体の局所的な屈折率を後述する理論に基づいて設定することにより実現される。 With reference to FIG. 1, the basic structure of the wave transmission medium according to the present embodiment will be described. As shown in FIG. 1A, an optical circuit design area 1-1 constituted by a wave transmission medium exists in the optical circuit board 1. One end surface of the optical circuit is an incident surface 2-1 on which the input light 3-1 is incident. The input light 3-1 propagates through the optical circuit having a spatial refractive index distribution constituted by the wave transmission medium while being subjected to multiple scattering, and is output as the output light 3-2 from the exit surface 2-2 which is the other end face. Is output. Coordinate z in FIG. 1 (a), the coordinates (z = 0 is the incident surface, z = z e is output surface) of the propagation direction of the light is, the coordinate x is at a transverse coordinates for the light propagation direction is there. In this embodiment, it is assumed that the wave transmission medium is made of a dielectric, and the spatial refractive index distribution is based on the theory described below for the local refractive index of the dielectric constituting the wave transmission medium. This is realized by setting based on this.

入力光3−1が形成している「場」(入力フィールド)は、光回路を構成する波動伝達媒体の屈折率の空間的分布に応じて変調され、出力光3−2の形成する「場」(出力フィールド)に変換される。換言すれば、本発明の波動伝達媒体は、その空間的な屈折率分布に応じて入力フィールドと出力フィールドとを相関づけるための(電磁)フィールド変換手段である。なお、これら入力フィールドおよび出力フィールドに対して、光回路中での伝搬方向(図中z軸方向)に垂直な断面(図中x軸に沿う断面)における光のフィールドを、その場所(x,z)における(順)伝搬像(伝搬フィールドあるいは伝搬光)と呼ぶ(図1(b)参照)。   The “field” (input field) formed by the input light 3-1 is modulated according to the spatial distribution of the refractive index of the wave transmission medium constituting the optical circuit, and the “field” formed by the output light 3-2. "(Output field). In other words, the wave transmission medium of the present invention is (electromagnetic) field conversion means for correlating the input field and the output field according to the spatial refractive index distribution. For these input field and output field, the light field in the cross section (cross section along the x axis in the figure) perpendicular to the propagation direction (z axis direction in the figure) in the optical circuit is represented by its location (x, This is called a (forward) propagation image (propagation field or propagation light) in z) (see FIG. 1B).

ここで、「フィールド」とは、一般に電磁場(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。本実施形態における電磁場の制御は、光回路中に設けられた空間的な屈折率分布、すなわち誘電率の分布を変えることに相当する。誘電率はテンソルとして与えられるが、通常は偏光状態間の遷移はそれほど大きくないので、電磁場の1成分のみを対象としてスカラー波近似しても良い近似となる。そこで、本明細書では電磁場を複素スカラー波として扱う。なお、光の「状態」には、エネルギ状態(波長)と偏光状態とがあるため、「フィールド」を光の状態を表現するものとして用いる場合には、光の波長と偏光状態をも包含し得ることとなる。   Here, “field” generally means an electromagnetic field (electromagnetic field) or a vector potential field of an electromagnetic field. The control of the electromagnetic field in this embodiment corresponds to changing the spatial refractive index distribution provided in the optical circuit, that is, the dielectric constant distribution. Although the dielectric constant is given as a tensor, since the transition between the polarization states is usually not so large, it is an approximation that may be a scalar wave approximation for only one component of the electromagnetic field. Therefore, in this specification, the electromagnetic field is treated as a complex scalar wave. Since the “state” of light includes an energy state (wavelength) and a polarization state, when the “field” is used to express the state of light, the light wavelength and polarization state are also included. Will get.

また、通常、伝搬光の増幅や減衰を生じさせない光回路では、屈折率の空間的分布を決めると、焦点以外の入力光3−1の像(入力フィールド)は、出力光3−2の像(出力フィールド)に対して一意的に定まる。このような、出射面2−2側から入射面2−1側へと向かう光のフィールドを、逆伝搬像(逆伝搬フィールドあるいは逆伝搬光)と呼ぶ(図1(c)参照)。このような逆伝搬像は、光回路中の場所ごとに定義することができる。すなわち、光回路中での任意の場所における光のフィールドを考えたとき、その場所を仮想的な「入力光」の出射点として考えれば、上記と同様に出力光3−2の像に対して、その場所での逆伝搬像を考えることができる。このように、光回路中の各場所ごとに逆伝搬像が定義できる。   In general, in an optical circuit that does not cause amplification or attenuation of propagating light, when the spatial distribution of the refractive index is determined, an image (input field) of the input light 3-1 other than the focal point is an image of the output light 3-2. Uniquely defined for (output field). Such a field of light traveling from the exit surface 2-2 side to the entrance surface 2-1 side is referred to as a back propagation image (a back propagation field or back propagation light) (see FIG. 1C). Such a back propagation image can be defined for each place in the optical circuit. That is, when a light field at an arbitrary place in the optical circuit is considered, if the place is considered as a virtual “input light” emission point, the image of the output light 3-2 is similar to the above. The back-propagation image at that location can be considered. In this way, a back propagation image can be defined for each location in the optical circuit.

特に、単一の光回路において、出射フィールドが入射フィールドの伝搬フィールドとなっている場合には、光回路の任意の点で、伝搬フィールドと逆伝搬フィールドとは一致する。なお、フィールドは、一般的に、対象とする空間全体の上の関数であるが、「入射フィールド」または「出射フィールド」という場合は、入射面あるいは出射面におけるフィールドの断面を意味している。また、「フィールド分布」という場合でも、ある特定の断面に関して議論を行う場合には、その断面についてのフィールドの断面を意味している。   In particular, in a single optical circuit, when the outgoing field is the propagation field of the incident field, the propagation field and the reverse propagation field coincide with each other at any point of the optical circuit. The field is generally a function over the entire target space, but the term “incident field” or “exit field” means a cross section of the field on the entrance surface or exit surface. In addition, even in the case of “field distribution”, when a discussion is made regarding a specific cross section, it means a cross section of the field with respect to that cross section.

屈折率分布の決定方法を説明するためには記号を用いるほうが見通しがよいので、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。なお、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。
・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、波長およ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分布、ならびに、波長および偏波により規定される。)
なお、ψj(x)およびφj(x)は、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。
In order to explain the method of determining the refractive index distribution, it is better to use symbols, so the following symbols are used to represent each quantity. Note that the target light (field) is not limited to light in a single state. Therefore, an index j is assigned to light in each state so that light in which a plurality of states are superimposed can be targeted. In general.
Ψ j (x): j-th incident field (complex vector value function, defined by intensity distribution and phase distribution set on the incident surface, and wavelength and polarization)
Φ j (x): j-th outgoing field (complex vector value function, defined by intensity distribution and phase distribution, wavelength and polarization set on the outgoing face)
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 circuit. Their wavelength and polarization are the same.

・{ψj(x)、φj(x)}:入出力ペア(入出力のフィールドの組み。)
{ψj(x)、φj(x)}は、入射面および出射面における、強度分布および位相分布ならびに波長および偏波により規定される。
j (x), φ j (x)}: Input / output pair (a set of input / output fields)
j (x), φ j (x)} is defined by the intensity distribution and the phase distribution, the wavelength and the polarization at the entrance surface and the exit surface.

・{n}:屈折率分布(光回路設計領域全体の値の組。)
与えられた入射フィールドおよ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分布全体に対するフィールドを考える必要がある。そこで、(x,z)を不定変数として、屈折率分布全体をn(x,z)と表しても良いが、場所(x,z)における屈折率の値n(x,z)と区別するために、屈折率分布全体に対しては{n}と表す。
{N q }: Refractive index distribution (a set of values for the entire optical circuit design area)
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 distribution given by the qth iterative operation. Therefore, the entire refractive index distribution may be expressed as n q (x, z) with (x, z) as an indefinite variable, but the refractive index value n q (x, z) at the location (x, z) For distinction, {n q } is used for the entire refractive index distribution.

・ncore:光導波路におけるコア部分のような、周囲の屈折率に対して高い屈折率の値を示す記号。
・nclad:光導波路におけるクラッド部分のような、ncoreに対して低い屈折率の値を示す記号。
・ψj(z,x,{n}):j番目の入射フィールドψj(x)を屈折率分布{n}中をzまで伝搬させたときの、場所(x,z)におけるフィールドの値。
・φj(z,x,{n}):j番目の出射フィールドφj(x)を屈折率分布{n}中をzまで逆伝搬させたときの、場所(x,z)におけるフィールドの値。
N core : A symbol indicating a high refractive index value with respect to the surrounding refractive index, such as a core portion in an optical waveguide.
N clad : a symbol indicating a low refractive index value with respect to n core , such as a clad portion in an optical waveguide.
Ψ j (z, x, {n q }): field at location (x, z) when the jth 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 (x, z) when the j-th outgoing field φ j (x) is propagated back to z in the refractive index profile {n q } The field value.

本実施形態において、屈折率分布は、すべてのjについてψj(ze,x,{n})=φj(x)、またはそれに近い状態となるように{n}が与えられる。 In the present embodiment, the refractive index distribution, all j for ψ j (z e, x, {n q}) is given = φ j (x), or the so close state {n q}.

「入力ポート」および「出力ポート」とは、入射端面およ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および位相分布は、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、入射端面およ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 “areas” 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 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. Regardless of whether they are the same or orthogonal, they can be configured as different ports.

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な数学的取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。図1(b)および図1(c)に示したように、j番目の入射フィールドψj(x)および出力フィールド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})および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})、および、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)、および屈折率分布{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, but the value of the component is displayed as a complex number that can be easily handled in a general mathematical manner, and represents the solution of the electromagnetic wave. In the following calculation, it is assumed that the strength of the entire field is normalized to 1. As shown in FIG. 1 (b) and FIG. 1 (c), the propagation field and the back propagation field for the jth incident field ψ j (x) and output field φ j (x) As complex vector value functions, they are expressed as ψ j (z, x, {n}) 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. According to the definition of the symbols, ψ j (x) = ψ j (0, x, {n}) and φ j (x) = φ j (z e , x, {n}). 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、波動伝達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)番目まで計算が実行されているときのq番目の計算の様子が図示されている。(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ψj(x)および出射フィールドφj(x)について、伝搬フィールドと逆伝搬フィールドとを数値計算により求め、その結果を各々、ψj(z,x,{nq-1})およびφj(z,x,{nq-1})と表記する(ステップS220)。 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 transmission medium. Since this calculation is repeatedly executed, the number of repetitions is represented by q, and the state of the qth calculation when the calculation is executed up to the (q−1) th is shown. Based on the refractive index distribution {n q-1 } obtained by the (q-1) th calculation, the propagation field and the jth incident field ψ j (x) and the outgoing field φ j (x) The back propagation field is obtained by numerical calculation, and the results are expressed as ψ j (z, x, {n q-1 }) and φ j (z, x, {n q-1 }), respectively (step S220). ).

これらの結果をもとに、各場所(z,x)における屈折率n(z,x)を、次式により求める(ステップS240)。
n(z,x)=nq-1(z,x)−αΣjIm[φj(z,x,{nq-1})*・ψj(z,x,{nq-1})]
・・・(1)
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成分を意味する。なお、記号「*」は複素共役である。係数αは、n(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り、正の小さな値である。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。
Based on these results, the refractive index n q (z, x) at each location (z, x) is obtained by the following equation (step S240).
n q (z, x) = n q-1 (z, x) −αΣ j Im [φ j (z, x, {n q-1 }) * · ψ j (z, x, {n q-1 })]
... (1)
Here, the symbol “·” in the second term on the right side means an inner product operation, and Im [] means an imaginary number component 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 equal to or less than a fraction of n q (z, x) by the number of field pairs, and is a small positive value. Σ j means that the sum is taken for the index j.

ステップS220とS240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φj(x)との差の絶対値が、所望の誤差dよりも小さくなると(ステップS230:YES)計算が終了する。 Step S220 and S240 and repeats the value in the exit plane of the propagation field ψ j (z e, x, {n}) the absolute value of the difference between the exit field φ j (x) is than desired error d j When it becomes smaller (step S230: YES), the calculation ends.

以上の計算では、屈折率分布の初期値{n}は適当に設定すればよいが、この初期値{n}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S200)。また、各jについてφj(z,x,{nq-1})および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})および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S220)。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、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})および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S220)。 In the above calculation, the initial value {n 0 } of the refractive index distribution may be set appropriately. However, if this initial value {n 0 } is close to the expected refractive index distribution, the calculation converges faster accordingly ( Step S200). When calculating φ j (z, x, {n q-1 }) and ψ j (z, x, {n q-1 }) for each j, , J (that is, φ j (z, x, {n q-1 }) and ψ j (z, x, {n q-1 })). Thus, calculation efficiency can be improved (step S220). If the computer is configured with a relatively small memory, an appropriate j is selected for each q in the sum of the index j in equation (1), and φ j (z, x, { It is also possible to calculate only n q-1 }) and ψ j (z, x, {n q-1 }) and repeat the subsequent calculations (step S220).

以上の演算において、φj(z,x,{nq-1})の値とψj(z,x,{nq-1})の値とが近い場合には、式(1)中のIm[φj(z,x,{nq-1})*・ψj(z,x,{nq-1})]は位相差に対応する値となり、こ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。 In the above operation, φ j (z, x, {n q-1}) in the case of values and ψ j (z, x, { n q-1}) and the value of the near, the 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, and by reducing this value, It is possible to obtain a desired output.

屈折率分布の決定は、波動伝達媒体に仮想的メッシュを定め、このメッシュによって画定される微小領域(ピクセル)の屈折率を、各ピクセルごとに決定することと言い換えることもできる。このような局所的な屈折率は、原理的には、その場所ごとに任意の(所望の)値とすることができる。最も単純な系は、低屈折率(n)を有するピクセルと高屈折率(n)を有するピクセルのみからなる系であり、これら2種のピクセルの空間的分布により全体的な屈折率分布が決定される。この場合、媒体中の低屈折率ピクセルが存在する場所を高屈折率ピクセルの空隙として観念したり、逆に、高屈折率ピクセルが存在する場所を低屈折率ピクセルの空隙として観念したりすることができる。すなわち、本発明の波動伝達媒体は、均一な屈折率を有する媒体中の所望の場所(ピクセル)を、これとは異なる屈折率のピクセルで置換したものと表現することができる。 The determination of the refractive index distribution can be rephrased as defining a virtual mesh in the wave transmission medium and determining the refractive index of a minute region (pixel) defined by the mesh for each pixel. In principle, such a local refractive index can be an arbitrary (desired) value for each location. The simplest system is a system consisting only of pixels having a low refractive index (n L ) and pixels having a high refractive index (n H ), and the overall refractive index distribution due to the spatial distribution of these two types of pixels. Is determined. In this case, the place where the low refractive index pixel exists in the medium is considered as a gap of the high refractive index pixel, and conversely, the place where the high refractive index pixel exists is considered as the gap of the low refractive index pixel. Can do. That is, the wave transmission medium of the present invention can be expressed as a desired place (pixel) in a medium having a uniform refractive index replaced with a pixel having a different refractive index.

上述した屈折率分布決定のための演算内容を要約すると次のようになる。波動をホログラフィックに伝達させ得る媒体(光の場合には誘電体)に、入力ポートと出力ポートとを設け、入力ポートから入射した伝搬光のフィールド分布1(順伝搬光)と、入力ポートから入射した光信号が出力ポートから出力される際に期待される出力フィールドを出力ポート側から逆伝搬させた位相共役光のフィールド分布2(逆伝搬光)と、を数値計算により求める。フィールド分布1およびフィールド分布2を、伝搬光と逆伝搬光の各点(x,z)における位相差をなくすように、媒体中での空間的な屈折率分布を求める。なお、このような屈折率分布を得るための方法として最急降下法を採用すれば、各点の屈折率を変数として最急降下法により得られる方向に屈折率を変化させることにより、屈折率を式(1)のように変化させることで、2つのフィールド間の差を減少させることができる。このような波動伝達媒体を、入力ポートから入射した光を所望の出力ポートに出射させる光部品に応用すれば、媒体内で生じる伝搬波同士の多重散乱による干渉現象により、実効的な光路長が長くなり、緩やかな屈折率変化(分布)でも充分に高い光信号制御性を有する光回路を構成することができる。   The calculation contents for determining the refractive index distribution described above are summarized as follows. An input port and an output port are provided in a medium capable of transmitting a wave in a holographic manner (dielectric in the case of light). Field distribution 1 (forward propagation light) of propagating light incident from the input port and from the input port A field distribution 2 (reverse propagation light) of phase conjugate light in which an output field expected when an incident optical signal is output from the output port is propagated backward from the output port side is obtained by numerical calculation. In the field distribution 1 and the field distribution 2, a spatial refractive index distribution in the medium is obtained so as to eliminate the phase difference at each point (x, z) of the propagating light and the counter propagating light. If the steepest descent method is adopted as a method for obtaining such a refractive index distribution, the refractive index is calculated by changing the refractive index in the direction obtained by the steepest descent method using the refractive index of each point as a variable. By changing as in (1), the difference between the two fields can be reduced. If such a wave transmission medium is applied to an optical component that emits light incident from an input port to a desired output port, an effective optical path length is reduced due to interference phenomenon caused by multiple scattering of propagation waves generated in the medium. An optical circuit having a sufficiently high optical signal controllability can be configured even with a long and gentle refractive index change (distribution).

図3に、本発明の一実施形態にかかる光合分波回路を示す。上述したアルゴリズムにしたがって、約200回の繰り返しにより、図3(a)に示した屈折率分布を有する1×2光合分波回路が得られる。ここで、図中の光回路設計領域1−1内の黒色部分は、コアに相当する高屈折率部(誘電体多重散乱部)1−11であり、黒色部以外の部分はクラッドに相当する低屈折率部1−12であり、導波路より屈折率の低い散乱点である。クラッドの屈折率は、石英ガラスの屈折率を想定し、コアの屈折率は、石英ガラスに対する比屈折率が1.5%だけ高い値を有する。光回路のサイズは縦300μm、横140μmである。屈折率分布を求める際の計算に用いられたメッシュは、300×140である。   FIG. 3 shows an optical multiplexing / demultiplexing circuit according to an embodiment of the present invention. According to the algorithm described above, a 1 × 2 optical multiplexing / demultiplexing circuit having the refractive index distribution shown in FIG. Here, the black part in the optical circuit design region 1-1 in the figure is a high refractive index part (dielectric multiple scattering part) 1-11 corresponding to the core, and the part other than the black part corresponds to the clad. The low refractive index portion 1-12 is a scattering point having a refractive index lower than that of the waveguide. The refractive index of the clad assumes the refractive index of quartz glass, and the refractive index of the core has a value that is higher by 1.5% than the quartz glass. The size of the optical circuit is 300 μm in length and 140 μm in width. The mesh used for the calculation when obtaining the refractive index distribution is 300 × 140.

図3(b)に、光合分波回路の透過スペクトルを示す。出力ポートaからは1.31μmの光信号が出力され、出力ポートbからは1.55μmの光信号が出力され、波長による光合分波器が形成されていることがわかる。   FIG. 3B shows a transmission spectrum of the optical multiplexing / demultiplexing circuit. It can be seen that an optical signal of 1.31 μm is output from the output port a, and an optical signal of 1.55 μm is output from the output port b, thereby forming an optical multiplexer / demultiplexer according to wavelength.

図4に、波動伝達媒体を含む導波路の作成方法を示す。Si基板401上に、火炎堆積法により、SiOを主体にした下部クラッドガラススート402を堆積する。次に、SiOにGeOを添加したコアガラススート403を堆積する(図4(a))。その後、1000℃以上の高温でガラス透明化を行う。このとき、下部クラッドガラス404は30ミクロン厚、コアガラス405は7ミクロン厚となるように、ガラスの堆積を行っている(図4(b))。 FIG. 4 shows a method for creating a waveguide including a wave transmission medium. A lower clad glass soot 402 mainly composed of SiO 2 is deposited on the Si substrate 401 by a flame deposition method. Next, a core glass soot 403 obtained by adding GeO 2 to SiO 2 is deposited (FIG. 4A). Then, glass transparency is performed at a high temperature of 1000 ° C. or higher. At this time, the glass is deposited so that the lower clad glass 404 is 30 microns thick and the core glass 405 is 7 microns thick (FIG. 4B).

引き続き、フォトリソグラフィ技術を用いてコアガラス405上にエッチングマスク406を形成し(図4(c))、反応性イオンエッチングによってコアガラス405のパターン化を行う(図4(d))。すなわち、仮想的なメッシュにより画定される仮想的なピクセルのうち、コアに相当する高屈折率部を形成する。エッチングマスク406を除去した後、上部クラッドガラス407を、張り合わせる(図4(e))。上部クラッドガラス407は、BやPなどのドーパントを添加したSiOである。 Subsequently, an etching mask 406 is formed on the core glass 405 using a photolithography technique (FIG. 4C), and the core glass 405 is patterned by reactive ion etching (FIG. 4D). That is, among the virtual pixels defined by the virtual mesh, a high refractive index portion corresponding to the core is formed. After removing the etching mask 406, the upper clad glass 407 is bonded (FIG. 4E). The upper cladding glass 407 is SiO 2 to which a dopant such as B 2 O 3 or P 2 O 5 is added.

図3に示した高屈折率部(誘電体多重散乱部)1−11は、コア405に相当し、導波路より屈折率の低い散乱点である低屈折率部1−12は、下部クラッドガラス404と上部クラッドガラス407とに挟まれた空隙に相当する。本実施形態では、後述するように、この部分に様々な材料を注入する。(図4(f))。   The high refractive index portion (dielectric multiple scattering portion) 1-11 shown in FIG. 3 corresponds to the core 405, and the low refractive index portion 1-12, which is a scattering point having a refractive index lower than that of the waveguide, is the lower clad glass. This corresponds to a gap sandwiched between 404 and the upper clad glass 407. In this embodiment, as will be described later, various materials are injected into this portion. (FIG. 4 (f)).

なお、波動伝達媒体の空隙に材料を注入するために、図5(a)に示すように、コアに相当する高屈折率部と上部クラッドガラス407との間に、材料の通過する隙間を設ける。図4(c),(d)のエッチングにおいて、2段階のエッチングを行って、波動伝達媒体の周辺部に、高い段差408を設けておく。また、図5(b)に示すように、段差の一部を取り除いて、材料の注入口411と、排出口412とを接続できるようにする。   In order to inject the material into the gap of the wave transmission medium, as shown in FIG. 5A, a gap through which the material passes is provided between the high refractive index portion corresponding to the core and the upper cladding glass 407. . In the etching of FIGS. 4C and 4D, two steps of etching are performed to provide a high step 408 in the periphery of the wave transmission medium. Further, as shown in FIG. 5B, a part of the step is removed so that the material inlet 411 and the outlet 412 can be connected.

波動伝達媒体の空隙に、空気またはポリマ、半導体、液体など適当な材料を注入することにより、低屈折率部1−12を任意の屈折率に設定して、1つの基板上で複数の機能を実行することのできる光機能回路を実現することができる。具体的には、
1)ポリマ、半導体、シリコンオイルなどの液体のいずれかの材料を空隙に注入し、屈折率の温度依存性により所定の機能を実現する。
2)液晶、強誘電体材料などの電気光学効果を有する材料を空隙に注入し、電圧を印加して屈折率を変え、複数の機能を実行する。
3)半導体、ポリマなどの電気光学効果を有する材料を空隙に注入し、電流を注入して屈折率を変え、複数の機能を実行する。
4)ポリマなどの光誘起屈折率変化効果を有する材料を空隙に注入し、光を照射して屈折率を変え、複数の機能を実行する。光誘起屈折率変化効果として、光カー効果、光吸収による熱レンズ効果、相転移による屈折率変化、光吸収キャリアによる屈折率変化などがある。
5)空隙が空気で満たされた状態と液体を空隙に注入した状態との2値状態として、2つの機能を実行する。
などの方法が考えられる。
By injecting an appropriate material such as air, polymer, semiconductor, or liquid into the gap of the wave transmission medium, the low refractive index portion 1-12 can be set to an arbitrary refractive index, and a plurality of functions can be performed on one substrate. An optical functional circuit that can be implemented can be realized. In particular,
1) A liquid, such as a polymer, a semiconductor, or silicon oil, is injected into the gap, and a predetermined function is realized by the temperature dependence of the refractive index.
2) A material having an electro-optic effect, such as a liquid crystal or a ferroelectric material, is injected into the gap, and a voltage is applied to change the refractive index to perform a plurality of functions.
3) A material having an electro-optic effect, such as a semiconductor or a polymer, is injected into the gap, a current is injected to change the refractive index, and a plurality of functions are executed.
4) A material having a light-induced refractive index change effect, such as a polymer, is injected into the gap, irradiated with light to change the refractive index, and perform a plurality of functions. Examples of the light-induced refractive index change effect include a light Kerr effect, a thermal lens effect due to light absorption, a refractive index change due to a phase transition, and a refractive index change due to a light-absorbing carrier.
5) Two functions are executed as a binary state of a state in which the gap is filled with air and a state in which liquid is injected into the gap.
Such a method is conceivable.

空隙に注入する液体の屈折率をnとすると、n=ncladとすれば、計算されたとおりの屈折率分布を有する波動伝達媒体となり、所与の機能を実現する。n=ncoreとすれば、波動伝達媒体は、スラブ導波路として機能する。また、nclad<n<ncoreとすれば、例えば、図3に示した光合分波回路において、各々のポートに出力される波長をシフトすることができる。さらに、n>ncoreとすれば、減衰回路として機能する。 When the refractive index of the liquid injected into the gap is n, if n = n clad , the wave transmission medium has a refractive index distribution as calculated, and a given function is realized. If n = n core , the wave transmission medium functions as a slab waveguide. If n clad <n <n core is satisfied, for example, in the optical multiplexing / demultiplexing circuit shown in FIG. 3, the wavelength output to each port can be shifted. Furthermore, if n> n core , it functions as an attenuation circuit.

図6に、本発明の実施例1にかかる光機能回路を示す。基板501上に、波動伝達媒体502,503が形成されている。波動伝達媒体502には、入力導波路504が接続され、低屈折率部である空隙に液体を注入するための注入口506と、排出口507とが接続されている。波動伝達媒体503には、出力導波路505が接続されている。   FIG. 6 shows an optical functional circuit according to Example 1 of the present invention. Wave transmission media 502 and 503 are formed on the substrate 501. An input waveguide 504 is connected to the wave transmission medium 502, and an injection port 506 for injecting a liquid into a gap that is a low refractive index portion and an exhaust port 507 are connected. An output waveguide 505 is connected to the wave transmission medium 503.

波動伝達媒体502の空隙にn=ncoreとなる液体を注入すると、スラブ導波路となって、波動伝達媒体502は、レンズとして機能する。すなわち、入力導波路504からの光信号を分岐して、波動伝達媒体503へ出力する。波動伝達媒体503は、分岐された光信号をそれぞれ出力導波路505に導く。 When a liquid having n = n core is injected into the gap of the wave transmission medium 502, a slab waveguide is formed, and the wave transmission medium 502 functions as a lens. That is, the optical signal from the input waveguide 504 is branched and output to the wave transmission medium 503. The wave transmission medium 503 guides the branched optical signals to the output waveguides 505, respectively.

波動伝達媒体502の空隙にn=ncladとなる液体を注入すると、波動伝達媒体として働き、波長分波素子として機能する。すなわち、入力導波路504からの光信号を波長に応じて光路を変え、波動伝達媒体503へ出力する。波動伝達媒体503は、分波された光信号をそれぞれ出力導波路505に導く。このようにして、分岐回路と分波回路という2つの機能を1つの基板上で実現することができる。 When a liquid satisfying n = n clad is injected into the gap of the wave transmission medium 502, it functions as a wave transmission medium and functions as a wavelength demultiplexing element. That is, the optical signal from the input waveguide 504 is output to the wave transmission medium 503 by changing the optical path according to the wavelength. The wave transmission medium 503 guides the demultiplexed optical signals to the output waveguides 505, respectively. In this way, the two functions of the branch circuit and the branch circuit can be realized on one substrate.

図7に、本発明の実施例2にかかる光機能回路を示す。基板601上に、波動伝達媒体602a,602bが導波路604を挟んで形成されている。波動伝達媒体602には、出力導波路605が接続され、低屈折率部である空隙に液体を注入するための注入口606と、排出口607とが接続されている。図8は、実施例2にかかる光機能回路の断面図である。結合部608は、ncore>n≧ncladからなるガラスである。結合部608の上部には、液体が流れるように連絡溝609が形成されている。 FIG. 7 shows an optical functional circuit according to Example 2 of the present invention. Wave transmission media 602 a and 602 b are formed on the substrate 601 with the waveguide 604 interposed therebetween. An output waveguide 605 is connected to the wave transmission medium 602, and an injection port 606 for injecting a liquid into a gap that is a low refractive index portion and an exhaust port 607 are connected. FIG. 8 is a cross-sectional view of the optical functional circuit according to the second embodiment. The coupling portion 608 is glass made of n core > n ≧ n clad . A communication groove 609 is formed on the upper portion of the coupling portion 608 so that the liquid flows.

波動伝達媒体602の空隙に空気が注入されている場合には、導波路604のコア部分に光は閉じ込められる。従って、導波路604に入力された光信号は、そのまま導波路604を伝搬して出力される。一方、波動伝達媒体602の空隙にn≧ncladとなる液体を注入すると、導波路604と波動伝達媒体602とは光学的に結合する。従って、導波路604に入力された光信号は、波動伝達媒体602を介して出力導波路605a,605bからそれぞれ出力される。すなわち分岐回路として機能する。 When air is injected into the gap of the wave transmission medium 602, the light is confined in the core portion of the waveguide 604. Accordingly, the optical signal input to the waveguide 604 is propagated through the waveguide 604 and output as it is. On the other hand, when a liquid satisfying n ≧ n clad is injected into the gap of the wave transmission medium 602, the waveguide 604 and the wave transmission medium 602 are optically coupled. Accordingly, the optical signals input to the waveguide 604 are output from the output waveguides 605a and 605b via the wave transmission medium 602, respectively. That is, it functions as a branch circuit.

なお、n=ncladの場合よりも、n>ncladの場合の方が、光の膜厚方向への散乱損失を低減することができる。本実施例では、液体としてシリコンオイルを用いたが、ポリマを含有する溶媒を用い、光照射や温度変化により屈折率変化を得ることもできる。また、液晶を充填した場合には、膜厚方向に電界を印加することにより、屈折率を変化させることもできる。 Note that the scattering loss of light in the film thickness direction can be reduced when n> n clad than when n = n clad . In this embodiment, silicon oil is used as the liquid, but a refractive index change can also be obtained by light irradiation or temperature change using a polymer-containing solvent. In addition, when the liquid crystal is filled, the refractive index can be changed by applying an electric field in the film thickness direction.

さらに、半導体などの流動性のない媒質で空隙を埋め、電圧印加またはキャリア注入により、波動伝達媒体の屈折率を変化させる事により特性を変化させることもできる。このようにして、直線導波路と分岐回路という2つの機能を1つの基板上で実現することができる。   Furthermore, it is possible to change the characteristics by filling the gap with a non-fluid medium such as a semiconductor and changing the refractive index of the wave transmission medium by applying voltage or carrier injection. In this way, two functions of a straight waveguide and a branch circuit can be realized on one substrate.

図9に、本発明の実施例3にかかる光機能回路を示す。Si上に石英を堆積した基板701上に、波動伝達媒体702が形成されている。波動伝達媒体502には、入力導波路704が接続され、波動伝達媒体703の出力ポートには、出力導波路705が光学的に結合されている。出力導波路705は、光ファイバを用いても構わない。波動伝達媒体702は、Geドープされた石英ガラスコアから形成されており、その空隙にはポリマが充填されている。ポリマの屈折率は、Geドープされた石英ガラスコアと常温で一致する。   FIG. 9 shows an optical functional circuit according to Example 3 of the present invention. A wave transmission medium 702 is formed on a substrate 701 in which quartz is deposited on Si. An input waveguide 704 is connected to the wave transmission medium 502, and an output waveguide 705 is optically coupled to an output port of the wave transmission medium 703. The output waveguide 705 may be an optical fiber. The wave transmission medium 702 is formed of a Ge-doped quartz glass core, and the gap is filled with a polymer. The refractive index of the polymer matches that of a Ge-doped quartz glass core at room temperature.

常温では、波動伝達媒体702は、単なるスラブ導波路として機能し、横方向に非常に広いスポットを有する出力が得られる。基板701をヒータにより加熱すると、スポットサイズが徐々に小さくなる。これは、ヒータの加熱による温度変化に伴って、充填されているポリマの屈折率が減少したことによる。出力導波路705として、光ファイバを用いたところ、可変のアッテネータとして機能する。   At normal temperature, the wave transmission medium 702 functions as a simple slab waveguide, and an output having a very wide spot in the lateral direction can be obtained. When the substrate 701 is heated by a heater, the spot size is gradually reduced. This is because the refractive index of the filled polymer has decreased with the temperature change due to the heating of the heater. When an optical fiber is used as the output waveguide 705, it functions as a variable attenuator.

本実施例では、ポリマの常温での屈折率をドープした石英ガラスコアと一致させたが、ポリマおよびその屈折率の選択には広い自由度がある。従って、低損失となる動作温度を、常温での屈折率を調整することにより可変することができる。例えば、屈折率をわずかに下げておくと、動作温度を下げることができる。また、動作原理として温度変化による屈折率変化を用いた場合には、動作速度が数m秒〜秒程度であるが、ポリマとして光照射により屈折率の変化する媒体を用いると、制御光により数μs以下の高速な動作を行うことができる。   In this embodiment, the refractive index of the polymer at room temperature is matched with the doped quartz glass core, but there is a wide degree of freedom in selecting the polymer and its refractive index. Therefore, the operating temperature at which the loss is low can be varied by adjusting the refractive index at room temperature. For example, if the refractive index is slightly lowered, the operating temperature can be lowered. In addition, when the refractive index change due to temperature change is used as the operating principle, the operating speed is about several milliseconds to seconds. However, if a medium whose refractive index is changed by light irradiation is used as the polymer, it is several times by the control light. High-speed operation of μs or less can be performed.

図10に、本発明の実施例4にかかる光機能回路を示す。実施例4は、実施例2の光機能回路に、さらに波動伝達媒体を接続して、より複雑な機能を実現する光機能回路である。基板801上に、波動伝達媒体802a,802bが導波路804を挟んで形成されている。波動伝達媒体802には、導波路を介してさらに波動伝達媒体803a,803bが接続されている。波動伝達媒体802には、低屈折率部である空隙に液体を注入するための注入口806と、排出口807とが接続されている。波動伝達媒体803の空隙には不図示の注入口と排出口とを介して液体を注入することにより、屈折率を変えることができる。   FIG. 10 shows an optical functional circuit according to Example 4 of the present invention. The fourth embodiment is an optical functional circuit that realizes a more complicated function by further connecting a wave transmission medium to the optical functional circuit of the second embodiment. Wave transmission media 802 a and 802 b are formed on the substrate 801 with the waveguide 804 interposed therebetween. To the wave transmission medium 802, wave transmission media 803a and 803b are further connected via a waveguide. The wave transmission medium 802 is connected to an inlet 806 for injecting a liquid into a gap that is a low refractive index portion and an outlet 807. The refractive index can be changed by injecting liquid into the gap of the wave transmission medium 803 through an inlet and an outlet (not shown).

波動伝達媒体802の空隙に空気が注入されている場合には、導波路804のコア部分に光は閉じ込められる。従って、導波路804に入力された光信号は、そのまま導波路804を伝搬して出力される。一方、波動伝達媒体802の空隙にn≧ncladとなる液体を注入すると、導波路804と波動伝達媒体802とは光学的に結合する。従って、導波路804に入力された光信号は、波動伝達媒体802を介して波動伝達媒体803a,803bに入力される。 When air is injected into the gap of the wave transmission medium 802, the light is confined in the core portion of the waveguide 804. Accordingly, the optical signal input to the waveguide 804 is propagated through the waveguide 804 and output as it is. On the other hand, when a liquid satisfying n ≧ n clad is injected into the gap of the wave transmission medium 802, the waveguide 804 and the wave transmission medium 802 are optically coupled. Accordingly, the optical signal input to the waveguide 804 is input to the wave transmission media 803a and 803b via the wave transmission medium 802.

波動伝達媒体803aは、空隙に液体が注入されているか否かにより、出力導波路805a,805bのいずれかに光路を切り替えることができ、波動伝達媒体803bは、出力導波路805c,805dのいずれかに光路を切り替えることができる。このようにして、直線導波路と分岐回路という2つの機能に、スイッチ回路を付加した光機能回路を1つの基板上で実現することができる。   The wave transmission medium 803a can switch the optical path to one of the output waveguides 805a and 805b depending on whether or not liquid is injected into the gap, and the wave transmission medium 803b is one of the output waveguides 805c and 805d. The optical path can be switched. In this way, an optical functional circuit in which a switch circuit is added to the two functions of a straight waveguide and a branch circuit can be realized on one substrate.

本実施形態では、石英ガラスを主体とした構成について説明したが、上述したように、半導体、ポリマ、液晶などを用いることができる。これら材料を用いた場合の光機能回路の製造方法について以下に説明する。   In this embodiment, the configuration mainly composed of quartz glass has been described. However, as described above, a semiconductor, a polymer, a liquid crystal, or the like can be used. A method for manufacturing an optical functional circuit using these materials will be described below.

半導体の場合には、レーザなどの通常の半導体光導波路型デバイスプロセスを用いる。最初に、導電性基板上に、結晶成長により、低屈折率の膜(例えばInP)と高い屈折率の膜(例えばInGaAsP)を形成する。フォト工程、ドライエッチング工程により、少なくとも高い屈折率の膜の部分のパターン加工を行う。結晶成長により、低屈折率膜(InPまたはコア膜よりも屈折率の低いInGaAsP)を形成する。同様にして、結晶成長により、クラッド層として導電性のクラッド層を形成する。次に、電流印加/電圧印加の為に、波動伝達媒体の上部および基板裏面に電極金属を形成する。劈開によりカットし、端面に反射防止膜を形成して、光機能回路が完成する。   In the case of a semiconductor, a normal semiconductor optical waveguide device process such as a laser is used. First, a low refractive index film (for example, InP) and a high refractive index film (for example, InGaAsP) are formed on a conductive substrate by crystal growth. Pattern processing of at least a portion of the film having a high refractive index is performed by a photo process and a dry etching process. A low refractive index film (InP or InGaAsP having a lower refractive index than the core film) is formed by crystal growth. Similarly, a conductive cladding layer is formed as a cladding layer by crystal growth. Next, an electrode metal is formed on the top of the wave transmission medium and the back surface of the substrate for current application / voltage application. The optical functional circuit is completed by cleaving and forming an antireflection film on the end face.

ポリマの場合には、図4に示した方法において、図4(d)のパターン化を行ったときに、ポリマを塗布し、溶媒を蒸発させて硬化させる。必要に応じて研磨工程などにより平坦化を行う。最後に、必要ならば、表面に加熱用の電極を形成する。   In the case of a polymer, in the method shown in FIG. 4, when the patterning of FIG. 4D is performed, the polymer is applied and the solvent is evaporated to be cured. If necessary, planarization is performed by a polishing process or the like. Finally, if necessary, a heating electrode is formed on the surface.

液晶の場合は、石英ガラスを主体とした製造方法に同じであり、電圧印加のために、波動伝達媒体の上下面に電圧印加用の電極を形成する。   In the case of liquid crystal, the manufacturing method is mainly the same as that of quartz glass, and electrodes for voltage application are formed on the upper and lower surfaces of the wave transmission medium for voltage application.

LiNbOを材料とする製造方法では、LiNbO基板上に、ドーパントの拡散により導波路および波動伝達媒体を形成する。さらに、保護膜を形成した後に、電圧印加のために、波動伝達媒体の上面に電極を形成する。 In the manufacturing method using LiNbO 3 as a material, a waveguide and a wave transmission medium are formed on a LiNbO 3 substrate by dopant diffusion. Furthermore, after forming the protective film, an electrode is formed on the upper surface of the wave transmission medium for voltage application.

このようにして、上述した実施例1〜4において、石英ガラスのみならず半導体、ポリマ、液晶などを用いることができる。   Thus, in Examples 1 to 4 described above, not only quartz glass but also semiconductors, polymers, liquid crystals, and the like can be used.

波動伝達媒体の基本構造を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the basic structure of a wave transmission medium. 波動伝達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フローチャートである。It is a flowchart which shows the calculation procedure for determining the spatial refractive index distribution of a wave transmission medium. 本発明の一実施形態にかかる光合分波回路を示す図である。It is a figure which shows the optical multiplexing / demultiplexing circuit concerning one Embodiment of this invention. 波動伝達媒体を含む導波路の作成方法を示す図である。It is a figure which shows the production method of the waveguide containing a wave transmission medium. 波動伝達媒体の空隙に材料を注入する方法を示す図である。It is a figure which shows the method of inject | pouring material into the space | gap of a wave transmission medium. 本発明の実施例1にかかる光機能回路を示す図である。It is a figure which shows the optical function circuit concerning Example 1 of this invention. 本発明の実施例2にかかる光機能回路を示す図である。It is a figure which shows the optical function circuit concerning Example 2 of this invention. 実施例2にかかる光機能回路の断面図である。6 is a cross-sectional view of an optical functional circuit according to Example 2. FIG. 本発明の実施例3にかかる光機能回路を示す図である。It is a figure which shows the optical function circuit concerning Example 3 of this invention. 本発明の実施例4にかかる光機能回路を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating an optical functional circuit according to a fourth embodiment of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1−1 光回路設計領域
1−2 基板
1−11 高屈折率部
1−12 低屈折率部
2−1 入射面
2−2,2−3 出射面
3−1 入力ポート
3−2 出力ポート
1-1 Optical Circuit Design Area 1-2 Substrate 1-11 High Refractive Index Section 1-12 Low Refractive Index Section 2-1 Incident Surface 2-2, 2-3 Emission Surface 3-1 Input Port 3-2 Output Port

Claims (5)

仮想的なメッシュにより画定される仮想的なピクセルの各々が有する屈折率により、入力ポートから入射された光信号が多重散乱しながら分岐し、出力ポートから出射されるように決定された空間的な屈折率分布が形成された波動伝達媒体を備え、
前記ピクセルは、コアに相当する高屈折率部と、空隙からなる低屈折率部とを有し、
前記空隙に任意の材料を注入して機能を実現することを特徴とする光機能回路。
Due to the refractive index of each of the virtual pixels defined by the virtual mesh, a spatial signal determined so that the optical signal incident from the input port branches while being scattered multiple times and is output from the output port. A wave transmission medium having a refractive index distribution formed;
The pixel has a high refractive index portion corresponding to a core and a low refractive index portion consisting of a gap,
An optical functional circuit that realizes a function by injecting an arbitrary material into the gap.
前記空隙には、屈折率の温度依存性を有する材料が注入され、前記波動伝達媒体の温度を変えて前記低屈折率部の屈折率を制御し、複数の機能を実現することを特徴とする請求項1に記載の光機能回路。   A material having a temperature dependency of a refractive index is injected into the gap, and the temperature of the wave transmission medium is changed to control the refractive index of the low refractive index portion, thereby realizing a plurality of functions. The optical functional circuit according to claim 1. 前記空隙には、電気光学効果を有する材料が注入され、前記波動伝達媒体に電圧を印可または電流を注入することにより前記低屈折率部の屈折率を制御し、複数の機能を実現することを特徴とする請求項1に記載の光機能回路。   A material having an electro-optic effect is injected into the gap, and a plurality of functions are realized by controlling a refractive index of the low refractive index portion by applying a voltage or injecting a current into the wave transmission medium. The optical functional circuit according to claim 1, wherein 前記空隙には、光誘起屈折率変化効果を有する材料が注入され、前記波動伝達媒体に光を照射することにより前記低屈折率部の屈折率を制御し、複数の機能を実現することを特徴とする請求項1に記載の光機能回路。   A material having a light-induced refractive index change effect is injected into the gap, and a plurality of functions are realized by controlling the refractive index of the low refractive index portion by irradiating the wave transmission medium with light. The optical functional circuit according to claim 1. 前記空隙が空気で満たされた状態と、前記空隙に任意の屈折率を有する液体を注入した状態とのいずれかにより、2つの機能を実現することを特徴とする請求項1に記載の光機能回路。
2. The optical function according to claim 1, wherein two functions are realized by one of a state where the gap is filled with air and a state where a liquid having an arbitrary refractive index is injected into the gap. circuit.
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