JP2006091679A - 光導波路デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 製造を容易にするとともに光の界面反射による損失を低減する。
【解決手段】 直線状に形成された第１の光導波路２と第２の光導波路４との間に曲がり導波路３が設けられている。曲がり導波路３は、互いに隣接する各底辺間が接続されて一連に形成され底辺側に湾曲させた多数の台形状のコア部９によって構成されている。第１および第２の光導波路２，４と曲がり導波路３とは、クラッド層５によって埋設され、基板１１上に積層形成されている。コア部９は、斜面の傾きが２で、かつ底辺に対する上辺の長さの比を０．６以下に形成され、クラッド層５のコア部９に対する比屈折率差を５％以下としている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光通信および光コンピュータにおいて使用される光導波路デバイスに関し、特に曲がり光導波路を備えた光導波路デバイスに関するものである。

通信用あるいは光コンピュータ用の光モジュールには、曲がり光導波路を使用した光導波路デバイスが用いられている。この光導波路デバイスのうちの１つのアレイ導波路格子型光合成分波器（Arrayed Waveguide Grating: AWG）や光分岐パターンなどの光導波路デバイスでは、それらの曲がり光導波路の曲率半径を小さくすることにより小型化することで、光導波路デバイスの集積度を上げるとともにコスト低減を行う必要性が高まっている。

しかしながら、曲がり光導波路の曲率半径を小さくすることは、曲げによる導波光の放射損失、すなわち光損失が大きくなり、この光損失を少なく（０．２ｄＢ以下に）するためには、曲率半径を曲がり光導波路のコア径より相当大きい寸法に設定しなければならないという制約があるという問題があった。

第１の従来技術としては、リッジ形光導波路において、曲がり光導波路のコア部８から外側のクラッド層５の厚みを徐々に薄くし内側クラッド層６の厚みを徐々に厚くすることでクラッド層の厚み方向における等価屈折率を曲がり光導波路の外側では徐々に低くし、内側では徐々に高くしたものがある。したがって、曲がり光導波路のコア部８の内側と外側とで屈折率分布が生じるため光損失を低減することができる（例えば、特許文献１）。

また、第２の従来技術としては、曲がり光導波路のコア部内に、境界を円弧状に形成したレンズ機能をもつ高屈折率領域１０５を定ピッチで形成し、この高屈折率領域１０５のレンズ効果により曲がり光導波路内の導波光を曲がり光導波路の内周側に屈折させ、光損失を低減したものがある（例えば、特許文献２）。

また、第３の従来技術としては、曲がり光導波路のコア層３に多数の三角形状に形成した高屈折率領域１９を設け、その高屈折率領域１９の底辺を曲がり導波路の内側で連鎖させることにより、曲がり光導波路のコア層３のテープ状パターンの曲がりの内側と外側とで屈折率分布を生じさせ、光損失を低減させるものがある（例えば、特許文献３）。

また、第４の従来技術としては、チャンネル型光導波路において、第１の導波路１１と第２の導波路１３との間に、これら導波路１１，１３の導波層１４と異なる屈折率を有するくさび状溝１２を設けたものがある（例えば、特許文献４）。なお、本出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に密接に関連する先行技術文献を出願時までに見付け出すことはできなかった。
特開平０５−２８８９４３号公報（段落「００１８」、図３） 特開平１１−１６７０３３号公報（段落「００１３」〜「００１７」、図１ないし図３） 特開２０００−１７１６５０号公報（段落「００４４」〜「００４６」、図１５） 特開昭６２−１７７５０５号公報（５頁左上欄９行〜右上欄１行、図１）

上述した従来の光導波路デバイスのうち、第１の従来技術においては、曲がり光導波路のクラッド層の厚さを徐々に変化させる構造であるため、構造が複雑になるという問題があった。また、第２および第３の従来技術においては、曲がり光導波路のクラッド層とコア部以外に新たな高屈折率領域をくわえるため、構造が複雑になるというばかりではなく製造も煩雑になるという問題があった。

また、第４の従来技術においては、導波層１４とくさび状溝１２との屈折率が大きく異なるため、第１の導波路１１からくさび状溝１２を介して第２の導波路１３に導入される光が、くさび状溝１２と第２の導波路１４との間の界面における光の反射による損失が大きいという問題があった。

本発明は上記した従来の問題に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、製造を容易にするとともに光の界面反射による損失を低減することにある。

この目的を達成するために、請求項１に係る発明は、隣接する各底辺間を接続し一連に形成した多数のコア部と、これらコア部間に充填されたクラッド層とからなり、前記一連に形成したコア部群を底辺側に湾曲させ、前記コア部を、斜面の傾きを０．９〜４の範囲で、かつ底辺に対する上辺の長さの比を０．６以下とする台形状に形成し、前記クラッド層の前記コア部に対する比屈折率差を５％以下としたものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記コア部の斜辺の傾きをβとし、コア部の底辺の長さをＬとし、コア部の前記クラッド層に対する比屈折率差をΔとしたとき、前記コア部群の曲率半径Ｒを
Ｒ≒０．５５＊Ｌ＊β／Δ
としたものである。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に係る発明において、平行光束を前記コア部群の始端に入射させ、コア部群の終端からの出射光を集光光学系で集光しシングルモード光導波路に入射させたものである。

請求項４に係る発明は、請求項１または２に係る発明において、前記多数のコア部の始端または終端の少なくともいずれか一方が、このコア部のクラッド層に対する比屈折率差と異なる比屈折率差を有する光導波路と接続されているものである。

請求項５に係る発明は、直線状に形成された第１の光導波路と、この第１の光導波路から入射された光の方向を変える曲がり光導波路と、この曲がり光導波路から出射された光が導入される直線状に形成された第２の光導波路と、これら第１の光導波路および曲がり光導波路ならびに第２の光導波路を埋設するクラッド層とからなり、前記曲がり光導波路は、互いに隣接する各底辺間が接続されて一連に形成され底辺側に湾曲させた多数の台形状のコア部によって構成したものである。

本発明によれば、少ない光損失で光伝送できる曲がり光導波路を形成することができる。高い比屈折率差Δを有する曲がり光導波路のコア径を大きく設定するため、曲がり光導波路と周囲の光学系統の位置合わせが容易になる。また、従来の曲がり光導波路より小さい曲率半径（Ｒ）の曲がり光導波路を得ることができるため、光デバイスの集積度を向上させることができる。

請求項５に係る発明によれば、曲がり光導波路と直線状の第１の光導波路および第２の光導波路とを同時に一括して形成することができ、かつ曲がり光導波路のコア部を簡単な台形状に形成するため製造が容易になる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１（Ａ）は本発明に係る光導波路デバイスの概要を示す上クラッド層を除いた正面図、同図（Ｂ）は同図（Ａ）におけるI（Ｂ）-I（Ｂ） 線断面図、図２は同じく曲がり導波路の曲率半径に対する界面反射による光損失を除去した光損失を表す図、図３は同じく曲がり導波路の最適なコア幅を表す図、図４は同じく曲がり導波路におけるコア部の最適な底辺と上辺との比を表す図である。

図５は本発明に係る光導波路デバイスにおける曲がり導波路のコア径と光損失との関係を表す図、図６は従来の曲がり光導波路におけるコア径と光損失との関係を表す図、図７は本発明に係る曲がり導波路におけるコア部の斜辺の傾きと光損失との関係を表す図、図８は同じく曲がり導波路におけるコア部の斜辺の傾きに対する最適な底辺と上辺との比を表す図、図９は同じく曲がり導波路におけるコア部の斜辺の傾きと光損失との関係を表す図、図１０は同じく曲がり導波路におけるコア部の斜辺の傾きに対する最適な底辺と上辺との比を表す図である。

図１（Ａ）において、全体を符号１で示す光導波路デバイスは、図中左右方向に直線状に形成された第１の光導波路２と、この第１の光導波路２から入射された光の方向を変える曲がり光導波路３と、この曲がり光導波路３から出射された光が導入される図中上下方向に直線状に形成された第２の光導波路４と、これら第１の光導波路２および曲がり光導波路３ならびに第２の光導波路４を埋設するクラッド層５とによって概ね構成されている。

第１の光導波路２は、高さがｈ（１１μｍ）で、厚さがｔ（１０μｍ）によって扁平で細長く形成されたコア部８によって構成されている。曲がり光導波路３は、互いに隣接する各底辺間が接続されて一連に形成され底辺側に湾曲させた多数の台形状のコア部９によって構成されている。第２の光導波路４は、高さがｈ（１１μｍ）で、厚さがｔ（１０μｍ）によって扁平で細長く形成されたコア部１０によって構成されている。

このように構成された光導波路デバイス１においては、発光部品１２から出射されたレーザ光が第１の光導波路２のコア部８を通過し、曲がり光導波路３の最初のコア部９の斜辺から入射され、曲がり光導波路３内を通過することにより９０°方向を変えられて、曲がり光導波路３の最後のコア部９の斜辺から出射される。出射された光は第２の光導波路４に導入され、第２の光導波路４を通過した後、受光部品１０に入射される。

同図（Ｂ）において、１１は樹脂、セラミックス、シリコン、あるいはガラス材等からなる基板であって、この基板１１上に、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、シロキサンポリマー、あるいはガラス材からなる屈折率が１．５０の下クラッド層６を積層形成する。この下クラッド層６上に、樹脂あるいはガラスからなるコア部８，９，１０を形成する。

これらコア部８，９，１０は、下クラッド層６の屈折率１．５０よりも高い屈折率１．５４を有し、下クラッド層６との比屈折率差Δは２．７％になっている。上クラッド層７は屈折率１．５０の樹脂あるいはガラス材等からなり、上記した下クラッド層６とともにコア部８，９，１０を埋設するように、コア部８とコア部９との間および多数のコア部９，９間ならびにコア部９とコア部１０との間に充填されている。

この光導波路デバイス１は、下クラッド層６とコア部８，９，１０と上クラッド層７とを、順次エッチングによって形成してもよいし、型転写することによって順次積層してよい。また、高エネルギー線の照射により屈折率が変わる材質の所定箇所に電子線あるいは紫外線露光などを照射し、コア部８，９，１０と上クラッド層７との間に屈折率差を生じさせることによって形成することもできる。

また、ガラス材または透明樹脂の所定箇所に屈折率変化をもたらす成分を拡散させ屈折率差を生じさせることによって形成してもよい。このように、多数のコア部９からなる曲がり光導波路３と直線状に形成した第１および第２の光導波路２，４とを同時に一括して形成することができるため製造が容易になるというばかりではなく、曲がり光導波路３と直線状に形成した第１および第２の光導波路２，４とを一つのモジュールとして取り扱うことができるため使い勝手が向上する。

なお、基板１１上にクラッド層５や第１および第２の光導波路２，４および曲がり光導波路３を形成したが、基板１１は必ずしも必要とするものではなく、クラッド層５と第１および第２の光導波路２，４および曲がり光導波路３とによってモジュールを構成してもよい。

ここで、曲がり光導波路 ３の曲率半径Ｒは、斜辺の傾き（β）と比屈折率差（Δ）と等脚台形の底辺の長さ（Ｌ）により、近似的に以下の式１で表される。
Ｒ＝０．５５＊Ｌ＊β／Δ （式１）

また、コア部９の上辺／底辺の比αを用いてＲを計算すると、コア部９の上辺の長さはα＊Ｌであり、高さｈ＝（１−α）Ｌ＊β／２となる。この関係式を式１に代入すると以下の式２が 得られる。
Ｒ＝１．１＊ｈ／｛Δ（１−α）｝ （式２）

上述した曲がり光導波路３のコア部９は等脚台形に形成されており、斜辺の水平方向の長さをｌとすると、斜辺の傾き（β）がβ＝ｈ／ｌ＝２に、高さ（ｈ）が１１μｍに、上辺の長さ（Ｓ）が３．５μｍに、底辺の長さ（Ｌ）が１４μｍにそれぞれ形成されており、このコア部９の上辺／底辺の比を（α）とした場合、α＝３．５／１４＝０．２５となる。

したがって、ｈ＝１１μｍ、Δ＝０．０２７（２．７％）、α＝０．２５を式２に代入することにより、曲がり光導波路３の曲率半径（Ｒ）がＲ＝０．６ｍｍとなり、コア部９を円周に添って６３個並べることで、光路の向きを９０度回転させる曲がり光導波路３が形成される。

ここで、式２から、αを計算する式として、α＝ １−１．１＊ｈ／（Δ＊Ｒ）が得られ、この式から、Δ＊Ｒが一定の場合にはｈが大きいほどαは小さくなる。

図２に、曲がり光導波路３のコア部９の斜辺の傾き（β）が２の場合のシミュレーション結果の光損失量を示す。ただし、この光損失量は、コア部９の斜辺をコア部９から上クラッド層７までおよび上クラッド層７からコア部９に、台形の斜辺を光線が通過する際の界面反射による光損失の効果を除いた残りの光損失量を示している。コア部９の斜辺の界面反射による光損失については後述する。

図２は、曲がり光導波路３の曲率半径を横軸に、縦軸に界面反射による光損失以外の光損失をｄＢ単位でプロットした。図２で、曲率半径Ｒが０．６ｍｍのときは、光損失は０．２ｄＢ程度で小さい。図２の各データでは、αは各曲率半径毎に光損失が最小になる最適な値とし、また、高さｈは曲がり光導波路３の曲率半径Ｒとともに変えた。また、図２には比較のために、従来の曲がり光導波路の光損失を示している。

図３は曲がり導波路３のコア部９の最適な高さｈ、すなわちコア幅を表す図である。同図には、比較のために従来の曲がり光導波路において各曲率半径毎に光損失を最小にするコア幅ｈを示している。同図から、Ｒ＝０．６ｍｍに形成した場合の従来の曲がり光導波路では、ｈ／λ＝６〜７となり、λを０．８５μｍとしたとき、ｈ＝５μｍ程度の小さなコア径の光導波路を形成する必要がある。

一方、本発明の曲がり光導波路３においては、ｈ／λ＝１３となり、ｈ＝１１μｍ程度でよく、コア径ｈが従来の曲がり光導波路の２倍以上に大きく形成することができるから、コア部９および第２のコア部４ならびに第３のコア部５の製造が容易になる。

図４は本発明の曲がり導波路３のコア部９のコア幅ｈを説明するための図である。コア部９の上辺／底辺の比（α）は、曲率半径Ｒが０．４ｍｍの場合は０．２５であり、曲率半径Ｒが１．２ｍｍの場合は、０．１５程度となり一定の範囲内にあるため、式２で計算されるＲは概ねｈに比例することが分かる。

図５は、曲率半径Ｒを０．８ｍｍとした場合におけるコア部９の高さｈと光損失の関係を説明するための図である。同図において、ｈ／λ＝２３．５の場合にα＝０となり、台形は二等辺三角形になるが、その場合よりもαが０．２程度の場合の方が光損失は小さい。そのため、コア部９が三角形に形成した場合よりも台形に形成した場合の方が光損失が少ないことが分かる。

また、同図においてｈ／λ＝１４の場合は、ｈは約１２μｍであり、αは０．６である。図５をαが０〜０．６の範囲で変わる場合の光損失を表す図として読み変えると、α＝０．２が光損失を最小にする最適値であるが、αが０．１〜０．６の範囲内でも、まだ光損失はαが最適な値の場合の２倍程度以内に納まっている。したがって、αが０〜０．６の範囲内であれば本発明の曲がり光導波路２を実用的に利用できる。

図６は、従来の曲がり光導波路において、曲率半径Ｒが０．８ｍｍの場合におけるコア径（ｈ）と光損失の関係を示しているが、ｈ／λ＝７の場合に光損失が最小になった。これに対して図５に示す本発明の曲がり光導波路３においては、ｈ／λ＝１９の場合に光損失が最小になる。この場合のコア径ｈは従来の曲がり光導波路のコア径よりも約３倍大きいため、本発明の光導波路３においては、従来の曲がり光導波路よりも光導波路の位置合わせが容易になる。

図７は曲率半径Ｒが０．８ｍｍの場合に曲がり光導波路３において光路が９０度変換するときの光損失を、コア部９の斜辺の傾き（β）の逆数の関数で表している。ここで、上辺／底辺の比（α）を各β毎に光損失を最小にする最適値に設定している。同図では、コア部９の斜辺の傾き（β）の逆数が０．５以上の場合、すなわちβが２以下の場合に光損失が少なくなった。

図８は曲率半径Ｒが０．８ｍｍの場合における本発明の曲がり導波路３におけるコア部９の斜辺の傾き（β）に対する最適な底辺と上辺との比（α）を表す図である。同図では、１／β＝０．２５の場合は、α＝０．２５が光損失を最小にする最適値であり、１／β＞０．４の場合は、α＝０．２が最適値である。

図９は本発明の曲がり導波路３におけるコア部９の斜辺の傾きと光損失との関係を表す図である。すなわち、曲率半径Ｒが０．６ｍｍの場合に光路を９０度変換するときの光損失量をコア部９の斜辺の傾き（β）の逆数の関数で表している。

ここで、αは各β毎に最適値に設定している。図７に比べて、曲率半径Ｒが小さくなった場合の図９では、１／β＞０．５の場合の光損失量が増し、光損失量のβによる違いが図７より少なかった。図７と図９から、光損失を少なくするため、コア部９の斜辺の傾き（β）は２以下であることが望ましい。

図１０は曲率半径Ｒが０．４ｍｍの場合における本発明の曲がり導波路におけるコア部の斜辺の傾き（β）に対する最適な底辺と上辺との比（α）を表す図である。すなわち、１／β＝０．２５の場合は、α＝０．２６が光損失を最小にする最適値であり、１／β＝０．６の場合は、α＝０．２が光損失を最小にし、１／β＝１の場合は、α＝０．２５が光損失を最小にすることが分かる。

ここで、曲がり光導波路３の光路を９０度曲げるためのコア部９の数（Ｎ）は、斜辺の傾き（β）をβ＝２とし、Δ＝２．７％とした場合は、Ｎ＝６３個必要であったが、このコア部９の数（Ｎ）は、近似的に次の式３ によるΔの関数で与えられる。
Ｎ＝０．８６＊β／Δ （式３）

コア部９の斜面を光線がコア部９から上クラッド層７に通過する際、または上クラッド層７からコア部９に光線が通過する際のコア部９の斜面の界面反射による光損失の効果を以下で計算する。界面反射による光損失は、１面当たりの光反射の割合は、概ね（Δ（１＋（１／β）²）／２）²であり、９０度の光路変換に必要なコア部９の面の数は２Ｎ個であるため、式３を用いると、９０度の光路の変換に要する２Ｎ面の反射による光の反射損失の割合は以下の式４で概算できる。
全界面の反射損失の割合＝０．４３＊Δ＊β＊（１＋（１／β）²）² （式４）

この式４に、Δ＝０．０２７およびβ＝２を代入すると、全部の界面反射による光損失は３．６％、すなわち約０．１６ｄＢの損失となる。図２から、曲率半径Ｒが０．６ｍｍのときは、光路を９０度変換するために要する光損失は界面反射損失以外では０．２ｄＢの光損失であるので、式４で計算した界面反射による光損失を合わせた光の損失は約０．３２ｄＢ程度になった。

一方、図２から、同じ曲率半径Ｒ＝０．６ｍｍの従来の曲がり光導波路の光損失は０．７ｄＢ程度であるので、本発明の曲がり光導波路３は従来の曲がり光導波路よりも光損失を低減できる。従来の曲がり光導波路では、光損失を０．３ｄＢ以下にするには、曲率半径（Ｒ）を０．８ｍｍ以上に大きくしなければならないが、本発明の曲がり光導波路３では、同じ光損失でより小さい０．６ｍｍの曲率半径（Ｒ）の曲がり光導波路３を得ることができる。

したがって、本発明の曲がり光導波路３は、従来の曲がり光導波路より小さい曲率半径（Ｒ）の曲がり光導波路３を得ることができるため、光デバイスの集積度を向上させることができる。

式４から、コア部９の斜辺の傾き（β）が１．７３の場合に界面反射が最小になり、この場合の界面反射による光損失も約０．１６ｄＢである。（β）が１．５から２までの範囲での界面反射による光損失波約０．１６ｄＢである。また、（β）が０．９から４までの範囲では、界面反射による光損失はこの１．５倍以下に抑えられる。

ここで、式４では、光路を９０°変換する場合の全部の界面での光の反射による光の総損失を表している。光路の方向変換が９０°より小さいが実用上は充分に方向変換する３０°位の方向変換の場合に、この光の界面反射による総損失を０．１ｄＢ以下にする条件は以下のようになる。

すなわち、光路の方向変換が３０°（９０°の場合の３分の１）の場合、コア部９の斜辺の傾き（β）が１．５から２までの範囲では、曲がり光導波路３のコア部９とそれに接する上クラッド層７の比屈折率差（Δ）を０．０５（５％）以下にすれば、光の界面反射による総損失を０．１ｄＢ以下にでき、光の反射損失を充分小さくすることができる。

図１１は本発明の第２の実施の形態における曲がり導波路の曲率半径に対する光損失を表す図、図１２は同じく曲がり導波路の最適なコア幅を表す図、図１３は同じくコア部の最適な底辺と上辺との比を表す図である。

この第２の実施の形態では、上述した第１の実施の形態と同様にレーザ光の波長（λ）を０．８５μｍとし、下クラッド層６上に、この下クラッド層６との比屈折率差（Δ）がΔ＝１．３％の屈折率１．５２を有する多数のコア部９を、厚さｔ＝１０μｍで積層形成し、このコア部９の上と側面に屈折率１．５０の上クラッド層７を積層形成する。

コア部９は斜辺の傾き（β）が２である等脚台形に形成し、コア部９の高さｈを１０μｍとし、底辺の長さ（Ｌ）を１４μｍとし、上辺の長さ（Ｓ）を、α＝上辺／底辺＝０．３となる４．２μｍとした。

この第２の実施の形態では比屈折率差（Δ）を第１の実施の形態の２分の１としたため、曲率半径Ｒを式２により計算すると、曲率半径Ｒは第１の実施の形態の２倍の、Ｒ＝１．１４ｍｍになる。また、コア部９の底辺がこの曲率半径の円周上に並び光路の向きを９０度回転させるのに要するコア部９の数は、式３に従い１２８個になる。

図１１はこの第２の実施の形態における曲がり導波路の曲率半径に対する光損失を表す図である。すなわち、光損失のシミュレーション結果として、曲がり光導波路３の曲率半径を横軸に、縦軸に界面反射の損失以外の光損失をｄＢ単位でプロットした。また、図１１には比較のために、従来の曲がり光導波路の光損失を示している。ここでのコア部９の高さｈは、各曲率半径毎に損失が最小になる値ｈを選んでいる。

図１２は第２の実施の形態における曲がり導波路の最適なコア幅を表す図であって、ｈ／λをＲの関数で示す。同図から曲率半径Ｒが０．８ｍｍ以上の場合のコア部９のコア径ｈは従来の曲がり光導波路のコア径ｈより大きくなることが分かる。

図１３は本発明の第２の実施の形態において光損失を最小にする曲がり導波路のコア部の最適な底辺と上辺との比を表す図であって、上辺／底辺の比αを曲率半径Ｒの関数で表している。最適な（α）は、曲率半径Ｒが０．８ｍｍの場合はα＝０．３であり、曲率半径が２．５ｍｍの場合 はα＝０．２である。

図１１から、曲率半径Ｒが１．２ｍｍのとき、界面反射の光損失以外の曲がり光導波路３の光損失は約０．４ｄＢとなる。一方、この第２の実施の形態において、９０度の光路変換するのに要する全界面反射による光損失は、式４にΔ＝０．０１３とβ＝２を代入することにより得られ、その値は、０．０１７となり、この光損失はｄＢで表すと、０．０７７ｄＢとなる。このように、界面反射損失は０．０７７ｄＢで小さいため、それを加えた総光損失は約０．５ｄＢ程度になる。

一方、同じ曲率半径Ｒ＝１．２ｍｍの従来の曲がり光導波路の光損失は１．２ｄＢ程度であることを考慮すると、この第２の実施の形態の曲がり光導波路３によって光損失が低減されていることが分かる。

また、従来の曲がり光導波路では、光損失を０．５ｄＢ以下にするためには、曲率半径を１．５ｍｍ以上に大きくしなければならないが、本発明の曲がり光導波路３では、同じ光損失でより小さい曲率半径Ｒ＝１．２ｍｍの曲がり光導波路３を得ることができる。このように、この第２の実施の形態においても、従来の曲がり光導波路より小さい曲率半径Ｒの曲がり光導波路３を得ることができるため、光デバイスの集積度を向上できる。

図１４は本発明の第３の実施の形態の概要を示す上クラッド層を除いた正面図である。すなわち、曲がり光導波路３を小さな曲率半径で光損失を少なく光路を曲げる光導波路デバイスである。同図において、ＶＣＳＥＬなどの発光部品１４から出射した波長（λ）＝１．５５μｍのシングルモードのレーザ光、または発光部品１４の換わりにコアの直径が１０μｍ程度のシングルモード光導波路の出射するレーザ光を、テーパ光導波路、レンズ系あるいは反射鏡などからなるコリメート光学系１５により５０μｍの平行光束に変換し、その平行光束をコア径ｈが５０μｍの平面光導波路あるいは光ファイバーなどからなる直線状に形成した第１の光導波路２に入射させる。

ここで、この第１の光導波路２は５０μｍの直径のシングルモードのレーザ光を伝送するためには、そのコアとクラッドの比屈折率差を極めて小さくしたシングルモード光度波路にしなければならないが、コアとクラッドの屈折率差が大きいマルチモード光導波路であっても、それが直線状の光導波路で数ｍｍ以内の短距離であれば、それに入射したシングルモードのレーザ光がこの光導波路の中でマルチモードのレーザ光へ劣化する割合は充分小さくできるので、問題は生じない。

この第１の光導波路２のコア８と上クラッド層７の比屈折率差Δは２．７％でも１．３％でもよい。曲がり光導波路３のコア部９の傾き（β）が２の場合を見積もる。また、第１の従来の曲がり光導波路は、その直線距離がπ＊ｈ² ／（４λ）より短かければ、すなわち、π＊５０² ／（４*１．５５)＝１３００μｍより短かければ、スラブ光導波路としてもよく、あるいは、平行光束をコア部がない上クラッド層７のみに通してもよい。

次に、この第１の光導波路２から出射した直径５０μｍの平行光束を、上クラッド層７とコア部９の比屈折率差Δが２．７％で厚さｔが５０μｍのコア部９を有する曲がり光導波路３に入射させる。この曲がり光導波路３のコア部９の高さｈを入射するレーザ光を充分受光できる高さである５０μｍにする。この曲がり光導波路３は、台形のコア部９の斜面が上クラッド層７と成す角度により平行光束の全光線成分を一斉に同じ方向に屈折させる。

このため、この屈折されたレーザ光もシングルモードの特性が維持されている。また、この曲がり光度波路３は、直径が５０μｍであり、発光部品１またはそれに換わる直径が１０μｍ程度のシングルモード光導波路に比べて５倍も大きい直径であるため、この曲がり光導波路３に小さな塵埃が混入しても、１０μｍのシングルモード光導波路では光の大きな伝送損失が生じたが、この５０μｍの直径の光導波路では問題は生じることがない。

第１の実施の形態で説明した図２およびら図３のグラフは波長（λ）が異なる場合にも、比屈折率差Δが２．７％で、コア部９の斜辺の傾き（β）が２である曲がり光導波路３に対して、図３の横軸を光の波長（λ）に比例する値に読み替えて用いることができる。すなわち、この第３の実施の形態においては、曲がり光導波路３のコア径（ｈ）が５０μｍあるので、ｈ／λ＝５０μｍ／１．５５μｍ＝３２になるが、これは図３のグラフの縦軸の値が３２となる横軸の値に対応する。

この横軸の値（Ｒ）が１．３ｍｍ程度であるが、波長λが１．５５μｍの場合は、この縦軸は、波長の比、すなわち、（１．５５／０．８５）倍の値に読み替えることができ、曲率半径Ｒは２．４ｍｍとなる。この曲がり光導波路３の曲率半径Ｒ＝２．４ｍｍは、図２から図４でも横軸の座標値の１３００に対応し、図４から、その横軸の座標値１３００からαは約０．１５となる。

因みに、式２に、α＝０．１５を代入すると、Ｒ＝２．４ｍｍが得られる。また、コア部９の台形の底辺の長さＬは、式１を変形した式の、Ｌ＝Ｒ＊Δ／（０．５５＊β）を用いて計算し、この場合、Ｌ＝２．４＊０．０２７／（０．５５＊２）＝０．０６ｍｍである。コア部９の上辺の長さ（Ｓ）は、Ｓ＝α＊Ｌ＝０．１５＊０．０６＝０．００９ｍｍである。式３を計算することで得られるコア部９の数（Ｎ）＝６３個により９０度の光路変換が行われる。

このように、波長（λ）＝１．５５μｍで５０μｍのコア径ｈの場合、２．４ｍｍという小さな曲率半径（Ｒ）で光路を曲げて９０度の光路変換をすることができる。その光損失は図２のコア部９の底辺の連鎖のグラフから横軸の値が１３００の点を読み取ることで得られ、光損失は約０．１ｄＢ程度である。

式４で界面反射による光損失を計算し、値０．１６ｄＢを得る。先に得た光損失値に、この値を加え合わせ、結局、光導波路の走行方向を９０度回転するための総合的な光損失は０．２６ｄＢ程度の小さな値である。

この曲がり光導波路３の光出射口、すなわちｈが５０μｍの台形のコア部９の終端部から、曲がり光導波路３に入射した平行光束の全光線成分の方向が一斉に９０度変換された直径５０μｍの平行光束となり出射する。その平行光束をコア径が５０μｍの平面光導波路あるいは光ファイバーなどからなる直線状に形成した第２の光導波路４に受光させる。

第２の光導波路４のコアとクラッドの比屈折率差Δは２．７％でも１．３％でもよい。また、第２の光導波路４は、その直線距離が、π＊ｈ² ／（４λ）、すなわち、π＊５０² ／（４＊１．５５）＝１３００μｍより短かければ、スラブ光導波路としてもよく、あるいは、平行光束をコア部８のない上クラッド層７のみに通してもよい。

次に、第２の通常の光導波路４が出射する平行光束をスポットサイズ変換光学系統、レンズ系あるいは反射鏡等からなる集光光学系統１６により集光し、ＡＷＧなどのシングルモードの光導波路デバイス１７の数μｍ程度の微小な径のコア部１８に入射させ、その光デバイスで光処理を行わせる。

この第３の実施の形態における曲がり光導波路３は、レーザ光束の平行性を失わずにレーザ光束の方向を変換するため、その出射光は集光光学系統で容易に微小なコア径に集光させシングルモードの光導波路デバイス１７に入射させて光処理させることができる。

このように、この第３の実施例で用いた第１の光導波路２および曲がり光導波路３ならびに第２の光導波路４のそれぞれのコア径を５０μｍと比較的大きく形成したため、容易に第１および第２の光導波路２，４と曲がり光導波路３の位置を合わせて接続することができる。

しかも、短い範囲で光路を９０度変換できるため、光路変換のための空間が小さい寸法で済ませられる。また、光路の９０度方向変換が０．２ｄＢ程度の少ない光損失で行える。さらに、本実施例の曲がり光導波路３によれば、レーザ光束の平行性が失われずにレーザ光束の方向が変換され、その方向変換されたレーザ光は容易に微小な領域に集光されシングルモードの光導波路デバイス１７で扱うことができる。

図１５は本発明の第４の実施の形態の概要を示す上クラッド層を除いた正面図である。この第４の実施の形態は、コア部９の上クラッド層７に対する比屈折率差と異なる比屈折率差を有する光導波路と曲がり光導波路３を同じコア径で接続して光路方向を変換する光導波路デバイスである。コア部９の上クラッド層７に対する比屈折率差の大きい光導波路が小さな曲率半径の曲がり光導波路を形成できることを利用するには、通常の光導波路のコア部９の上クラッド層７に対する比屈折率差を有する光導波路に、コア部９の上クラッド層７に対する比屈折率差の大きい光導波路３を接続する。しかし、この場合に、比屈折率差が大きい光導波路では、光の伝送損失を少なく伝送するためにはコア径を小さくする必要があった。この小さなコア径の光導波路を通常の光導波路にそのまま接続すると、その光導波路の接合部分で大きな光損失を生じた。そのため、通常の光導波路のコア径を、比屈折率差が大きい光導波路のコア径まで縮小する光学系統部分を形成し、その光学系統を介することで、比屈折率差が異なる光導波路を接続していた。第４の実施の形態では、比屈折率差が異なる光導波路の接続を、この光学系統を形成せずに少ない光損失で行うものである。

すなわち、波長（λ）＝１．５５μｍの光を、コア部２０もコア径が１２μｍで比屈折率差Δが１．３％の光ファイバーあるいは平面光導波路などの第１の光導波路２１から曲がり光導波路３に入射する。曲がり光導波路３のコア部９は上クラッド層７との比屈折率差Δを２．７％とし、α＝０．６で、コア部９の厚さが１２μｍで、高さｈを１２μｍに形成する。したがって、ｈ／λ＝１２／１．５５＝８である。

ここで、α＝０．６でｈ＝１２μｍの高さのコア部９から成る曲がり光導波路３を構成する。また、コア部９の斜辺の傾き（β）を２とする。式２にα＝０．６を代入することにより、曲率半径Ｒ＝１．２ｍｍが得られる。波長（λ）＝１．５５ｍｍで、αが最適値の曲率半径Ｒ＝１．２ｍｍの光損失は、第１の実施の形態での波長（λ）が０．８５ｍｍであるから、図２に置き換えるための曲率半径（Ｒ）は、Ｒ＝１．２＊０．８５／１．５５＝０．６６（ｍｍ）となり、図２でＲ＝０．６６ｍｍに対応する光損失は０．１５ｄＢ程度となる。

また、図４の横軸がＲ＝０．６６ｍｍでの最適なαは０．２５であるが、図５から明らかなように、曲がり光導波路３で曲率半径Ｒを固定した場合、αを０．６程度に大きくしてもその場合の光損失は、αが最適な場合での光損失の２倍以内に留まることが分かる。

このため、この第４の実施の形態のように、αが０．６程度の場合の光損失は、最適なαの場合の２倍以内で０．３ｄＢ以内となる。これに式４で計算した界面反射による光損失０．１６ｄＢを加えた総光損失は０．４６ｄＢ以内となる。

また、この曲がり光導波路３の光出射口の高さｈが１２μｍの台形状のコア部９に、コア部２２のコア径ｈが１２μｍで、比屈折率差Δが１．３％の光ファイバーあるいは平面光導波路などの第２の光導波路２３を、同図において上下方向に延在するように設置することで接続する。

また、第２の変形例として、コアとクラッドの比屈折率差Δが１．３％でコア径が１２μｍの光導波路にスポットサイズ変換光学系を接続し、それにより第１の光導波路２のコア径ｈを２４μｍに拡大し、厚さｔは１２μｍに維持し、コアとクラッドの比屈折率差Δが２．７％のコア部９を有する曲がり光導波路３に接続する。曲がり光導波路３のコア部９が、厚さが１２μｍで高さが２４μｍの台形状に形成されている。

この曲がり光導波路３は、曲率半径Ｒ＝１．２ｍｍで、αも最適値の０．２であり、コア部９の斜面の界面反射の光損失を除く残りの光損失が０．１５ｄＢになる。また、コア部９の斜辺の界面反射による光損失は、（β）が１．５から２までの値の場合は０．１６ｄＢである。

これらを合わせた総光損失は０．３１ｄＢ程度に少ない。この曲がり光導波路３の後に、厚さが１２μｍでコア径が２４μｍで、コアとクラッドの比屈折率差Δが１．３％の第２の光導波路４を接続する。

このように、この第４の実施の形態では、同じ径のコア部９を有し、コア部９と上クラッド層７の比屈折率差Δが２倍ほど大きく異なる第１光導波路１７と、曲がり光導波路３とを接続し、曲がり光導波路３で光路方向を９０ 度方向変換し、再び、同じコア径の第２の光導波路１９に接続することができ、しかも少ない光損失で光導波路どうしを接続できる。

なお、本実施の形態においては、クラッド層５およびコア部８，９，１０の屈折率は約１．５であったが、必ずしもこの屈折率に限定されることなく、波長（λ）＝１．３μｍの光を屈折率３〜４のシリコン材を光導波路として透過させる場合等、樹脂やガラスの屈折率の２〜３倍の高屈折率の光導波路を有する光導波路デバイスにも適用可能である。また、固体のコア部８，９，１０と液体のクラッド層５または液体のコア部８，９，１０と固体のクラッド層５によって形成した光導波路デバイスにも適用が可能である。

同図（Ａ）は本発明に係る光導波路デバイスの概要を示す上クラッド層を除いた正面図、同図（Ｂ）は同図（Ａ）におけるI（Ｂ）-I（Ｂ） 線断面図である。 本発明に係る光導波路デバイスにおける曲がり導波路の曲率半径に対する界面反射による光損失を除去した光損失を表す図である。 本発明に係る光導波路デバイスにおける曲がり導波路の最適なコア幅を表す図である。 本発明に係る光導波路デバイスにおける曲がり導波路のコア部の最適な底辺と上辺との比を表す図である。 本発明に係る光導波路デバイスにおける曲がり導波路のコア径と光損失との関係を表す図である。 従来の曲がり光導波路におけるコア径と光損失との関係を表す図である。 本発明に係る光導波路デバイスの曲がり導波路におけるコア部の斜辺の傾きと光損失との関係を表す図である。 本発明に係る光導波路デバイスの曲がり導波路におけるコア部の斜辺の傾きに対する最適な底辺と上辺との比を表す図である。 本発明に係る光導波路デバイスの曲がり導波路におけるコア部の斜辺の傾きと光損失との関係を表す図である。 本発明に係る光導波路デバイスの曲がり導波路におけるコア部の斜辺の傾きに対する最適な底辺と上辺との比を表す図である。 本発明の第２の実施の形態における曲がり導波路の曲率半径に対する光損失を表す図である。 本発明の第２の実施の形態における曲がり導波路の最適なコア幅を表す図である。 本発明の第２の実施の形態における曲がり導波路のコア部の最適な底辺と上辺との比を表す図である。 本発明の第３の実施の形態の概要を示す上クラッド層を除いた正面図である。 本発明の第４の実施の形態の概要を示す上クラッド層を除いた正面図である。

符号の説明

１…光導波路デバイス、２，２１…第１の光導波路、３…曲がり光導波路、４，２３…第２の光導波路、５…クラッド層、６…下クラッド層、７…上クラッド層、８，９，１０…コア部、１１…基板、１２，１４…発光部品、１３…受光部品、１５…コリメート光学系、１６…集光光学系、１７…シングルモードの光導波路デバイス。

Claims (5)

1. 隣接する各底辺間を接続し一連に形成した多数のコア部と、これらコア部間に充填されたクラッド層とからなり、前記一連に形成したコア部群を底辺側に湾曲させ、前記コア部を、斜面の傾きを０．９〜４の範囲で、かつ底辺に対する上辺の長さの比を０．６以下とする台形状に形成し、前記クラッド層の前記コア部に対する比屈折率差を５％以下としたことを特徴とする光導波路デバイス。
2. 請求項１記載の光導波路デバイスにおいて、
   前記コア部の斜辺の傾きをβとし、コア部の底辺の長さをＬとし、コア部の前記クラッド層に対する比屈折率差をΔとしたとき、前記コア部群の曲率半径Ｒを
   Ｒ≒０．５５＊Ｌ＊β／Δ
   としたことを特徴とする光導波路デバイス。
3. 請求項１または２記載の光導波路デバイスにおいて、
   平行光束を前記コア部群の始端に入射させ、コア部群の終端からの出射光を集光光学系で集光しシングルモード光導波路に入射させたことを特徴とする光導波路デバイス。
4. 請求項１または２記載の光導波路デバイスにおいて、
   前記多数のコア部の始端または終端の少なくともいずれか一方が、このコア部のクラッド層に対する比屈折率差と異なる比屈折率差を有する光導波路と接続されていることを特徴とする光導波路デバイス。
5. 直線状に形成された第１の光導波路と、この第１の光導波路から入射された光の方向を変える曲がり光導波路と、この曲がり光導波路から出射された光が導入される直線状に形成された第２の光導波路と、これら第１の光導波路および曲がり光導波路ならびに第２の光導波路を埋設するクラッド層とからなり、前記曲がり光導波路は、互いに隣接する各底辺間が接続されて一連に形成され底辺側に湾曲させた多数の台形状のコア部によって構成したことを特徴とする光導波路デバイス。
   

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