JP2006171734A - 導波回路のための導波路曲部 - Google Patents

Abstract

【課題】光導波路デバイスにおいて、導波路曲部によって占められる回路領域を小さくする。
【解決手段】２つの導波路であって他方に対して互いに所定の角度を向き、反射面によって互いに他方に結合された導波路を持つ導波路曲部が提供される。一実施例では、反射面が導波路のコア及びクラッディング領域に形成された溝の側面にあり、全内部反射（ＴＩＲ）に基づいて光を反射するように設計される。反射面を適切な曲線形状を持つように設計して、導波路間の結合損失を低減することもできる。本発明の導波路曲部によって占められる回路領域は、反射面を用いて可能となる比較的鋭い曲り（反射）角によって、標準的な従来技術の導波路曲部に対するものよりも著しく小さくなる。
【選択図】図２

Description

本発明は光通信装置に関し、より具体的には光導波路デバイスに関する。

標準的な埋め込みチャネルシリカ導波路は比較的大きい曲率半径を持つ。例えば、そのコアとクラッディング領域間に０．５％の屈折率差を持つ光導波路は少なくとも約５ｍｍの曲率半径を持つ。この比較的大きな曲率半径は導波路回路のサイズにとっては不利なものとなる。

従来技術の課題は、本発明の原理によって、２つの導波路であって互いに他方に対してある角で方向付けられ、反射面によって互いに他方に光学的に結合された２つの導波路によって解決される。他の実施例では、反射面が導波路のコア及びクラッディング領域に形成された溝の側面にあり、全内部反射（ＴＩＲ）に基づいて光を反射するように設計されている。反射面が適切な曲線形状を有するように設計して、導波路間の結合損失を低減することもできる。本発明の導波路曲部によって占められる回路領域は、反射面を用いて可能となる比較的鋭い曲り（反射）角によって、標準的な従来技術の導波路曲部に対するものよりも著しく小さいものとなる。

ここで、「一実施例」又は「実施例」という記述をしているが、実施例に関連して記載される特定の特徴、構造又は特性は、本発明の少なくとも１つの実施例に含まれ得ることを意味している。明細書において随所に見られる「一実施例において」という文言は必ずしも全て同一の実施例に言及するものではなく、独立又は代替の実施例は他の実施例を相互に除外するものでもない。

図１に従来技術の導波路曲部を有する光学デバイス１００の上面図を示す。より具体的には、デバイス１００は、他方に対して互いに９０度に向けられるとともに曲線結合部１０４によって結合された２つのプレーナ導波路１０２ａ及び１０２ｂを有する。図１はコア領域の輪郭を示すものであるが、導波路１０２ａ及びｂ各々並びに結合部１０４は、基板上に形成されたコア及びクラッディング領域を有する。コア領域の屈折係数はクラッディング領域のものよりも高く、コア領域における側面方向及び断面方向双方の光の閉じ込め性を与える。

大きな信号損失を回避するために結合部１０４が所定の最小値よりも大きい曲率半径を適切に確保しなければならないことは当該技術分野ではよく知られている。例えば、約４％の屈折率差（Δ）で実装されたデバイス１００においては、結合部１０４は少なくとも約３５０μｍの半径Ｒ_ｌを持つ。ここでΔは以下の式（１）で規定される。

ここで、ｎ_ｃｌ及びｎ_ｃｏｒｅはそれぞれクラッディング及びコア領域の屈折率である。結果として、デバイス１００の導波路曲部は約３５０×３５０μｍ^２の回路面積を占有することになる。

図２に本発明の一実施例による導波路曲部を有する光学デバイス２００の上面図を示す。より具体的には、デバイス２００は２つの導波路２０２ａ及び２０２ｂを有し、これらはデバイス１００の導波路１０２ａ及び１０２ｂと同様のものである。導波路２０２ａ及び２０２ｂは他方に対して角度Ωで向けられるとともに結合構造２０４によって光学的に結合されている。結合構造２０４は（ｉ）導波路２０２ａとｂとの交差終端部分、及び（ii）それらの終端部分のコア及びクラッディング領域に形成され、比較的低い屈折率の材料で充填された溝２０６を含む。例えば、一実施例において、溝２０６は空気のような大気で満たされる。溝２０６と導波路２０２ａ及びｂのコア領域との間の比較的大きい屈折率差によって、溝の側面２０８は全内部反射（ＴＩＲ）ミラーとして機能することができる。当業者であれば分かるように、ＴＩＲを可能とするために、角度Ωは臨界ＴＩＲ角（θｃ）の値よりも２倍大きくなくてはならない。例えば、ｎ_ｃｏｒｅ＝１．５であり、溝２０６がθｃ：４２度の空気で満たされると、Ωを約８４度にまで鋭くすることができる。しかし、側面２０８が反射コーティングを有する場合、角度Ωに対するこれらの制約はなくなる。

他の実施例において、側面２０８は平らな（平面）形状又は適度に曲がった形状を持つように設計してもよい。例えば、図２に示す実施例では、溝２０６の側面２０８は放物形状、即ち、破点線で示された放物曲線部分の形状を有する。図２における側面２０８の形状及び向きは以下に説明するように、（１）側面２０８の放物形状によって画定される焦点Ｆが導波路２０２ｂ内に位置し、（２）導波路２０２ａの中心軸に沿って伝搬する光線が側面２０８によって導波路２０２ｂの中心軸に沿って伝搬するような向きになるように、選択することができる。側面２０８のこの形状及び向きは好適にも導波路２０２ａｂ間の結合損失を最小化することができる。

図３は本発明の一実施例による溝２０６の側面２０８の光学特性を示すグラフである。より具体的には、図３は式（２）によって表される放物線３０８を示す。

放物線３０８は座標（ｘ＝Ｐ、ｙ＝０）の焦点を持つ。換言すると、図３に示すように、Ｘ軸に平行に放物線３０８に当たった平行化された光束３１０が焦点に集光されるということである。側面２０８の実装に際して、角度Ωと次の式（３ａ）によって与えられる放物線の導関数との関係を用いて放物線３０８の適当な部分３１２が選択される。

ｘ_０は部分３１２のほぼ中間点となるＸ座標である。側面２０８が反射コーティングを有しない場合は、式（３ｂ）によって与えられる制約も考慮しなくてはならない。

例えば、光束３１０が導波路２０２ａに対応する場合、側面２０８は部分３１２の形状及び向きに相当する形状及び向きを持つように設計することができる。

式（３）から分かるように、所与のΩの値に対して、異なる放物形状が式（３）を満たし得る。より具体的には、比Ｐ／ｘ_０が（式（３ａ）で規定される）正しい値である限り、異なる（即ち、異なるＰ値の）放物線からの適切な部分を用いることができる。しかし、部分３１２から焦点までの距離が（例えば特定の長さに）制限されると、式（３ａ）とともにこの追加的な制限によって、側面２０８の実装のためのＰ及びｘ_０の値の一意的な選択が規定されることになる。

図４は本発明の一実施例による９０度導波路曲部を有する光学デバイス４００の上面図である。より具体的には、デバイス４００は３つの導波路４０２ａ−ｃを有し、それらは結合構造４０４−１及び４０４−２を用いて光学的に結合される。デバイス４００の導波路４０２又は結合構造４０４の各々はデバイス２００の導波路２０２又は結合構造２０４とそれぞれ類似のものである。結合構造４０４−１及び４０４−２が比較的小さいので、好適にもデバイス４００における９０度導波路曲部のサイズは、従来技術のデバイス１００（図１）のもののサイズよりも１０分の１程度に小さくできる。

結合構造４０４−１は（ｉ）導波路４０２ａ−ｂの交差終端部分、及び（ii）溝４０６−１を含む。図４において、溝４０６−１の側面４０８−１は破点線で示した放物線によって表される放物形状を持つ。図４に示すように、側面４０８−１の放物形状が焦点Ｆを画定し、その焦点は導波路４０２ｂ内に位置する。結合構造４０４−１は約１３５度の角度Ωを持つ。結果として、導波路４０２ａの中心軸に沿って伝搬する光線は、側面４０８−１から反射して導波路４０２ｂの中心軸に沿って伝搬し、それによって約４５度の方向転換がなされる。

焦点Ｆを通り導波路４０２ｂに直角な平面からみて、導波路４０２ａ−ｃの交差終端部分及び溝４０６−２を含む部分である結合構造４０４−２は実質的に結合構造４０４−１の対称形状となっている。さらに、導波路４０２ｂの長さは、側面４０８−１及び４０８−２の放物形状によって画定される焦点が実質的に一致するような長さとなっている。結果として、図４に示すように、結合構造４０４−１によって焦点Ｆで集光された光は結合構造４０４−２によって効果的に再平行化される。従って、平行化された光束が導波路４０２ａに結合されると、同様に平行化される光束が結合構造４０４−１及び４０４−２によって導波路４０２ｃに向けられる。

当業者であれば分かるように、導波路間で結合する平行化された光束を必要としない場合は、導波路４０２ｂは異なる長さ、即ち側面４０８−１及び４０８−２の放物形状によって画定される焦点の一致をもたらさないような長さであってもよい。さらに、又は代替的に、デバイス４００は結合構造４０４−１及び４０４−２が互いに対称形状でないものとして実装してもよい。

図５は本発明の一実施例による１８０度導波路曲部を有する光学デバイス５００の上面図である。より具体的にはデバイス５００は４つの導波路５０２ａ−ｄを有し、それらは３つの結合構造５０４−１、５０４−２及び５０４−３を用いて光学的に結合されている。結合構造５０４−１は角度Ω_１を持ち、（ｉ）導波路５０２ａ及びｂの交差終端部分、並びに（ii）溝５０６−１を含む。図５において、溝５０６−１の側面５０８−１は破点線で示す放物線によって表される放物形状を持つ。結合構造５０４−２は導波路５０２ｃ−ｄの交差終端部分を含み、結合構造５０４−１のほぼ対称形状である。結合構造５０４−３は（３６０°−２Ω_１）の角度を持ち、（i）導波路５０２ｂ及びｃの交差終端部分、並びに（ii）溝５０６−３を含む。溝５０６−３は溝５０６−１に対して、前者の反射側面５０８−３が後者の反射側面５０８−１のような放物形状よりも平坦なことを除いて、概略同様のものである。

導波路５０２ａの中心軸に沿って伝搬する光線は側面５０８−１から反射されて導波路５０２ｂの中心軸に沿って伝搬し、それによって約（１８０°−Ω_１）の方向転換がなされる。その反射された（導波路５０２ｂの中心軸に沿って伝搬する）光線は側面５０８−３から反射されて導波路５０２ｃの中心軸に沿って伝搬し、それによって約（２Ω_１−１８０°）の方向転換がなされる。この反射された（導波路５０２ｃの中心軸に沿って伝搬する）光線は更に側面５０８−２から反射されて導波路５０２ｄの中心軸に沿って伝搬し、それによって約（１８０°−Ω_１）の方向転換がなされる。その結果、結合構造５０４−１、５０４−２及び５０４−３によってなされる総方向転換は約１８０度となる。

一実施例において、側面５０８−１及び５０８−２の放物形状及び向き並びに導波路５０２ｂ及びｃの長さが、それらの放物形状によって画定される焦点がほぼ一致し、側面５０８−３に位置するように選択される。この構成は導波路５０２ａ及び５０２ｄ間の結合損失を好適に最小化することができる。さらに、平行化された光束が導波路５０２ａに結合されると、結合構造５０４−１、５０４−２及び５０４−３によって、同様に平行化された光束が導波路５０２ｄに向けられる。一実施例において、角度Ω_１は約１２０度である。

本発明が例示的な実施例を参照して記載されてきたが、その記載は限定的なものとして解釈されることを意図するものではない。発明の導波路曲部は非ＴＩＲミラーを用いて実装され、及び／又は任意の角度を持っていてもよい。本発明の１、２又はそれ以上の結合構造を用いて所望の曲部角を形成してもよい。例えば、コア領域と溝との屈折率差に依存させて、９０度導波路曲部を１、２又はそれ以上の結合構造を用いて実装してもよい。本発明の導波路曲部は、対称及び／又は非対称の反射部形状を用いて実装することもできる。本発明のデバイスを異なる導波路及び異なる導波路モードに対して設計し、データの光信号変調の伝送に用いてもよい。本発明の原理を非平面導波路に適用してもよい。本発明のデバイスは従来の製造技術を用いて製造することができる。材質は当該技術で知られているように適切にドープされていればよい。例えば、反射性及び／又は導電性を高めるために金属メッキによって、又は機械的強度を増すためにイオン注入によって、様々な表面を加工することもできる。必要に応じて、及び／又は当業者には明らかなように、導波路については異なる配置を実現することもできる。本発明の他の実施例と同様に、記載された実施例の様々な変形例であって本発明に関係する当業者には明らかなものは、特許請求の範囲に記載される発明の原理と範囲に含まれるものとみなされる。

請求項に記載されるステップは（ステップがある場合は）、特定のステップ名の順序で記載されるが、請求項がそれらのステップの一部又は全部の実施に際してその特定の順序でなければならないと示唆していなければ、それらのステップは必ずしもその特定の順序で実施されることに制限されることを意図するものではない。

図１は従来技術の導波路曲部を有する光学デバイスの上面図である。 図２は本発明の一実施例による導波路曲部を有する光学デバイスの上面図である。 図３は本発明の一実施例による図２の導波路曲部の光学特性をグラフにより示す図である。 図４は本発明の一実施例による９０度導波路曲部を有する光学デバイスの上面図である。 図５は本発明の一実施例による１８０度導波路曲部を有する光学デバイスの上面図である。

符号の説明

２００．デバイス
２０２ａ、２０２ｂ．導波路
２０４．結合構造
２０６．溝
２０８．側面
４００．デバイス
４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃ．導波路
４０４−１、４０４−２．結合構造
４０６−１、４０６−２．溝
４０８−１、４０８−２．側面
５００．デバイス
５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｃ、５０２ｄ．導波路
５０４−１、５０４−２、５０４−３．結合構造
５０６−１、５０６−２、５０６−３．溝
５０８−１、５０８−２、５０８−３．側面

Claims (10)

1. 光学デバイスであって、第１の反射面によって第２の導波路に光学的に結合された第１の導波路からなり、
   各導波路が、基板上に形成されたコア領域及びクラッディング領域からなり、該第１の反射面が該第１及び第２の導波路の該コア領域に隣接する第１の溝の側面であり、
   該第１及び第２の導波路が互いに他方に対して１８０度ではない角度で向けられ、
   該第１の反射面が該第１の導波路からの光を該第２の導波路に向けるように適合された光学デバイス。
2. 請求項１記載の光学デバイスにおいて、該第１の反射面が全内部反射（ＴＩＲ）に基づいて光を反射するように適合された光学デバイス。
3. 請求項１記載の光学デバイスにおいて、
   該第１の反射面が略放物形状を有し、
   該放物形状によって画定される焦点が該第２の導波路内に位置する光学デバイス。
4. 請求項１記載の光学デバイスにおいて、該デバイスがさらに、第２の反射面によって該第２の導波路に光学的に結合された第３の導波路からなり、
   該第２の反射面が該第２及び第３の導波路のコア領域に隣接する第２の溝の側面であり、
   該第２及び第３の導波路が互いに他方に対して１８０度ではない角度で向けられ、
   該第２の反射面が該第２の導波路からの光を該第３の導波路に向けるように適合された光学デバイス。
5. 請求項４記載の光学デバイスにおいて、
   該第１及び第２の反射面が略放物形状を有し、
   該第１の反射面の放物形状が実質的に該第２の反射面の放物形状の対称形状であり、
   該第１の反射面の放物形状によって画定される焦点が該第２の反射面の放物形状によって画定される焦点に略一致している光学デバイス。
6. 請求項４記載の光学デバイスにおいて、該デバイスがさらに、第３の反射面によって該第３の導波路に光学的に結合された第４の導波路からなり、
   該第３の反射面が該第３及び第４の導波路のコア領域に隣接する第３の溝の側面であり、
   該第３及び第４の導波路が互いに他方に対して１８０度ではない角度で向けられ、
   該第３の反射面が該第３の導波路からの光を該第４の導波路に向けるように適合された光学デバイス。
7. 請求項６記載の光学デバイスにおいて、
   該第１及び第３の反射面が略放物形状を有し、
   該第２の反射面が平坦であり、
   該第１の反射面の放物形状によって画定される焦点が、該第３の反射面の放物形状によって画定される焦点に略一致するとともに該第２の反射面に位置し、
   該第１の反射面の放物形状が実質的に該第３の反射面の放物形状の対称形状である光学デバイス。
8. 請求項１記載の光学デバイスにおいて、該側面は反射コーティングで覆われている光学デバイス。
9. 請求項１記載の光学デバイスにおいて、
   該第１の溝が第１の材質からなり、
   該コア領域が該第１の材質とは異なる第２の材質からなり、
   該クラッディング領域が該第１及び第２の材質とは異なる第３の材質からなる光学デバイス。
10. 光学デバイスであって、
    光を導波するための第２の手段に光学的に結合された、光を導波するための第１の手段、及び
    前記導波するための第１の手段からの光を前記導波するための第２の手段に結合するための手段からなり、
    該結合するための手段が全内部反射に基づいて光を反射するように適合され、
    該導波するための第１の手段、該導波するための第２の手段、及び該結合するための手段が単一の集積回路に実装された光学デバイス。
    

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