JP2006276390A

JP2006276390A - 光結合器

Info

Publication number: JP2006276390A
Application number: JP2005094473A
Authority: JP
Inventors: Fumio Takahashi; 文雄高橋
Original assignee: NHK Spring Co Ltd
Current assignee: NHK Spring Co Ltd
Priority date: 2005-03-29
Filing date: 2005-03-29
Publication date: 2006-10-12

Abstract

【課題】複数の入力信号を結合する際の結合損失の少ない光結合器を提供する。
【解決手段】この発明の光結合器１は、複数の入射導波路２１−１〜２１−ｎと、入射導波路を光学的に結合する結合部２３と、結合部に接続された出射導波路２２と、を有し、出射導波路のクラッド３２および基材１０の少なくとも一部の屈折率が入射導波路のクラッド３１（基材１０）の屈折率より小さく規定されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば、光のパワーを結合して増強する光結合器に関する。

光通信、医療産業機器、民生機器の分野においては、光のパワーを結合して増強する光結合器が広く利用されている。

光結合器としては、例えば、特許文献１に、基板の表面に任意数のチャネル型光導波路とスラブ導波路を設けたものが開示されている。
特開平１１−２３１１５７号公報

特許文献１には、光結合器において、複数のチャネル型光導波路とマルチモード光ファイバとをスラブ型導波路により結合し、マルチモード光ファイバの導波路幅を、結合されるチャネル型導波路の数に合わせて増大する、ことが記載されている。

しかしながら、特許文献１の光結合器では、結合するチャネル数が多くなるにつれて、マルチモード光ファイバの幅が極度に大きくなる問題がある。さらに、入力側と同程度のコア径のファイバを出力側に用いると、導波路とファイバとの間の結合効率が悪化して、損失が大きくなる問題がある。

本発明の目的は、光のパワーを結合して増強する光結合器において結合損失を低減することである。

この発明は、上記問題点に基づきなされたもので、基材と、この基材上に形成されたコア領域と、このコア領域に対して所定の屈折率差を与えるクラッド領域と、
を有し、前記コア領域は複数の入射導波路と、この複数の入射導波路とを結合する結合部と、この結合部に接続された前記入射導波路よりも少ない数の出射導波路からなり、前記入射導波路の幅の総和が前記出射導波路の幅の総和よりも大きい光結合器において、前記出射導波路側のクラッドの一部または全部の屈折率が前記入射側導波路のクラッドの屈折率より小さいことを特徴とする光結合器、を提供するものである。

この発明によれば、光結合側すなわち出射側導波路での「光の閉じ込め作用」が強められることから、結合損失が低減される。また、出射側導波路コアの幅を必要以上に確保する必要もなくなり、光結合器の大きさも低減される。

また、この発明は、上記問題点に基づきなされたもので、基材と、この基材上に形成されたコア領域と、このコア領域に対して所定の屈折率差を与えるクラッド領域と、を有し、前記コア領域は複数の入射導波路と、この複数の入射導波路とを結合する結合部と、この結合部に接続された前記入射導波路よりも少ない数の出射導波路からなり、前記入射導波路の幅の総和が前記出射導波路の幅の総和よりも大きい光結合器において、前記出射導波路側のコアの一部または全部の屈折率が前記入射側導波路のコアの屈折率より大きいことを特徴とする光結合器、を提供するものである。

さらに、この発明は、上記問題点に基づきなされたもので、基材と、この基材上に形成されたコア領域と、このコア領域に対して所定の屈折率差を与えるクラッド領域と、を有し、前記コア領域は複数の入射導波路と、この複数の入射導波路とを結合する結合部と、この結合部に接続された前記入射導波路よりも少ない数の出射導波路からなり、前記入射導波路の幅の総和が前記出射導波路の幅の総和よりも大きい光結合器において、前記出射導波路側のクラッドの一部または全部の屈折率が前記入射側導波路のクラッドの屈折率より小さく、前記出射導波路側のコアの一部または全部の屈折率が前記入射側導波路のコアの屈折率より大きいことを特徴とする光結合器、を提供するものである。

本発明の光結合器によれば、結合損失が低減される。

しかも出力側に接続される光ファイバの幅が極度に大きくなることが防止される。

従って、光結合器の大きさが低減される。

以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は、この発明の実施の形態が適用される光結合器の一例を示す。

図１に示すように、光結合器１は、例えばＳｉ（シリコン）もしくはＳｉ０_２（酸化シリコン）等を主成分とする基板１０と、基板１０上に、所定形状にパターニングされて形成された光導波路構造２０と、を有する。なお、図１に示した例では、基板１０上に光導波路構造２０が直接設けられるが、基板１０の上面に、アンダークラッドと呼ばれる均一な屈折率の層が形成されてもよい。

光導波路構造２０の周囲は、光導波路構造２０をコアとして利用可能とするためのクラッド層３０として機能する部材により覆われている。なお、アンダークラッド層が設けられる場合には、識別のため、クラッド層３０は、上部クラッドと呼称される。

光導波路構造２０のうちの入射側には、複数の入射側導波路コア２１−１〜２１−ｎが設けられている。また、光導波路構造２０のうちの出射側には、単一の出射側導波路コア２２が形成されている。なお、入射側導波路コア２１−１〜２１−ｎと出射側導波路コア２２は、基板１０上（またはアンダークラッド上）の所定位置に規定される光結合部２３により相互に、光学的に、結合されている。

クラッド層３０は、光導波路構造２０の光結合部２３の近傍の点線で示す領域Ｃを境界として、境界Ｃよりも入射側導波路コア２１−１〜２１−ｎ側を覆う入射側クラッド３１と、光結合部２３を境界として、境界Ｃよりも出射側導波路コア２２側を覆う出射側クラッド３２からなる。なお、クラッド層３０を入射側クラッド３１と出射側クラッド３２とに区分する境界Ｃの位置は、光結合部２３に対して必ずしも高い精度で一致される必要はなく、特に入射側導波路コア２１（１〜ｎ）の側へずれることは、十分に許容される。

クラッド層３０のうち、出射側導波路クラッド３２は、入射側導波路クラッド３１に比較して、屈折率ｎが低く規定されている。すなわち、入射側導波路クラッド３１の屈折率をｎ_３１、出射側導波路クラッド３２の屈折率をｎ_３２とすれば、
ｎ_３１＞ｎ_３２
である。

なお、入射側導波路コア２１−１〜２１−ｎおよび出射側導波路コア２２の屈折率ｎが等しいとすれば、出射側導波路コア２２の屈折率をｎ_２２と示すとき、
ｎ_２２＞ｎ_３２
である。

すなわち、出射側導波路クラッド３２の屈折率ｎ_３２は、出射側導波路コア２２の屈折率ｎ_２２および入射側導波路クラッド３１の屈折率をｎ_３１のそれぞれよりも低ければよい。

従って、出射側導波路クラッド３２の材質を、例えば空気（屈折率ｎ_ＡＩＲ≒１）とすることも可能である。この場合、出射側導波路クラッド３２が不要となる。なお、クラッドとしては、下部クラッド（図１の例では、基材１０）も存在するが、図７により後段に説明する通り、上述したコアとクラッドの屈折率の関係は、出射側のクラッドの全部、または一部の屈折率が、入射側のクラッドの屈折率よりも低ければよい。

より詳細には、
入射側コア２１−１〜２１−ｎのそれぞれの屈折率をｎ_Ａ１，
入射側下部クラッド（基材１０）の屈折率をｎ_Ａ２，
入射側上部クラッド３１の屈折率をｎ_Ａ３，
出射側コア２２の屈折率をｎ_Ｂ１，
出射側下部クラッド（基材１０）の屈折率をｎ_Ｂ２，
出射側上部クラッド３２の屈折率をｎ_Ｂ３，
とするとき、
［実施例１］
ｎ_Ａ２，ｎ_Ａ３≧ｎ_Ｂ２≧ｎ_Ｂ３，但し、ｎ_Ａ２，ｎ_Ａ３＞ｎ_Ｂ３
である。

すなわち、
ｎ_Ｂ１＝ｎ_Ａ１＝１．４６１，ｎ_Ａ２＝ｎ_Ａ３＝ｎ_Ｂ２＝１．４５，ｎ_Ｂ３＝１
とすることで、出射側導波路の屈折率をｎ≒１（空気）とすることができる。

このように、コアとクラッドの屈折率の関係は、例えば出射側のクラッドの一部または全部の屈折率が入射側のクラッドの屈折率よりも低ければよい。

この構造によれば、光結合側すなわち出射側導波路での「光の閉じ込め作用」が強められることから、出射側導波路コアの幅を必要以上に確保することなく、結合損失が低減される。また、出射側導波路クラッドを空気とすることができ、製造も容易である。

このことは、同時に／または、出射側のコアの屈折率を、入射側のコアの屈折率よりも大きくすることによっても達成される。すなわち、光結合側すなわち出射側導波路での「光の閉じ込め作用」が強められることから、出射側導波路コアの幅を必要以上に確保することなく、結合損失が低減される。

例えば、
［実施例２］
ｎ_Ｂ１＞ｎ_Ａ１
である。

すなわち、
ｎ_Ｂ１＝２，ｎ_Ａ１＝１．４６１，ｎ_Ａ２＝ｎ_Ａ３＝ｎ_Ｂ２＝ｎ_Ｂ３＝１．４５
とすることで、結合損失は、図７に示す通り、［実施例１］の１／２程度に低減される。

また、［実施例１］と［実施例２］を組み合わせることで、
［実施例３］
ｎ_Ａ２，ｎ_Ａ３≧ｎ_Ｂ２≧ｎ_Ｂ３，但し、ｎ_Ａ２，ｎ_Ａ３＞ｎ_Ｂ３，かつｎ_Ｂ１＞ｎ_Ａ１
において、例えば
ｎ_Ｂ１＝２，ｎ_Ａ１＝１．４６１，ｎ_Ａ２＝ｎ_Ａ３＝ｎ_Ｂ２＝１．４５，ｎ_Ｂ３＝１
とすることで、結合損失は、図７に示すように、［実施例２］に比較して、さらに１０％程度、低減される。

このように、［実施例１］〜［実施例３］を適用することで、図１〜図３に示す光結合器１において、入射側導波路コア２１−１〜２１−ｎのそれぞれの高さをｈ、それぞれの幅をＷ_２１−１〜Ｗ_２１−ｎ、出射側導波路コア２２の幅をＷ_２２とすると、例えばｈが６μｍ、Ｗ_２１−１〜Ｗ_２１−ｎが５本で１００μｍであっても、Ｗ_２２は１００μｍで済む。

なお、出射側導波路２２の幅Ｗ_２２は、入射側導波路コア２１−１〜２１−ｎの幅の平均をＷ_Ａとすると、これまでは、チャネル数×Ｗ_Ａ程度必要であったが、概ねＷ_Ａ〜（ｎ×Ｗ_Ａ）／２程度で十分である。

また、この構成は、入射導波路に入力される光のモード（強度分布）や重ね合わせられている状態にかかわらず、入力可能な総ての光に適用可能である。なお、入力される光は、例えば光ファイバにより案内されてもよいし、例えばレーザ装置から直接入射されることも可能である。

図４は、図１に示した光結合器１を平面方向から見た状態を示す。また、図５および図６は、それぞれ、図４の光結合器１をＤ−Ｄに沿って切断した状態を示す。

図５および図６から明らかなように、光導波路構造２０のうちの入射側導波路コア２１−１〜２１−ｎと出射側導波路２２とが接続される光結合部２３においては、両コアの切断面２１ａ，２２ａが、コアが延びる方向（基材１０の平面方向）と直交する線分に対して所定の角度、例えば８度傾けられている（テーパが形成されている）。なお、切断面が傾けられる方向は、出射側導波路側（図５）であっても入射側導波路側（図６）であってもかまわない。

図５および図６に示すように、光結合部２３において、入射側導波路コアおよび出射側導波路コアのそれぞれの切断面にテーパが形成されることにより、光導波路構造２０内の反射減衰量が低減されることが知られている。なお、図５および図６に示す入射側導波路コアおよび出射側導波路コアのそれぞれの切断面のテーパは、図１〜図３に示した屈折率の組み合わせと同時に実施されることで、［実施例２］および［実施例３］に示した結合損失の低減に、さらに効果が期待できる。

以下、図１ないし図６に示した光結合器１を製造する方法を、簡単に説明する。

図１（または図４）において、例えばＳｉ（シリコン）またはＳｉＯ_２（酸化シリコン）からなる基材１０に、図示しないが所定厚さのバッファ層を形成し、バッファ層に、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）により、入射側導波路コア２１−１〜２１−ｎ、出射側導波路コア２２および光結合部２３相当部に用いられる第１の屈折率を有する部材を、所定厚さに堆積する（気相成長させる）。

続いて、それぞれの導波路のコア領域に対応される領域以外の領域に堆積された第１の屈折材を、例えばエッチングにより除去する。

次に、境界Ｃ（光結合部２３の所定位置）から出射側導波路コア２２側を、図示しないが所定形状のマスクにより遮蔽し、残りの領域に、前に形成されたコア領域（入射側導波路）と密着されることで、コア領域との間に所定の屈折率差を提供可能な第１のクラッド（入射側導波路クラッド）領域に対応される第２の屈折率を有する部材を、例えばＣＶＤにより、所定厚さに堆積する。

この状態で、［実施例１］の光結合器１が得られる。

一方、境界Ｃ（光結合部２３の所定位置）から入射側導波路コア２１−１〜２１−ｎに相当する部分もしくは出射側導波路コア２２に相当する部分のいずれか一方の側を、図示しないが所定形状のマスクにより遮蔽し、残りの領域に、前に形成されたコア領域の屈折率を（残りの領域に比較して）変化させるために、例えばＧｅ（ゲルマニウム）を、所定濃度にドープする。なお、屈折率を高めるために、例えばＰ（リン）、Ｔｉ（チタン）、あるいはＡｌ（アルミニウム）もしくはＴｉ０_２（酸化チタン）等が利用可能である。

Ｇｅのドープ量を制御することにより、例えば入射側導波路コアの屈折率ｎ_２１を、ｎ_２１＝１．４６６に、容易に設定できる。なお、基材１０の屈折率ｎ_１０は、例えばｎ_１０＝１．４５０程度であり、出射側導波路側コアをｎ＝２．０とすれば、［実施例２］に示したような入射側導波路コア２１−１〜２１−ｎの屈折率ｎ_２１が出射側導波路コア２２の屈折率ｎ_２２よりも小さい光導波路構造２０（光結合器１）が得られる。

これらの工程を組み合わせることで、［実施例３］の光結合器１が得られることは言うまでもない。

また、出射側導波路クラッド３２の屈折率を、例えばＢ（ホウ素）や、Ｆ（フッ素）をドープすることで、入射側導波路クラッド３１の屈折率よりも低下させることもできる。

なお、この発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、その実施の段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々な変形もしくは変更が可能である。また、個々の実施の形態は、可能な限り適宜組み合わせて実施されてもよく、その場合、組み合わせによる効果が得られる。

本発明が適用される光結合器の一例を示す概略斜視図。図１に示した光結合器を、図１のＡ−Ａで切断した概略断面図。図１に示した光結合器を、図１のＢ−Ｂで切断した概略断面図。図１に示した光結合器の平面図。図１に示した光結合器を、図１および図４のＣ−Ｃで切断した概略断面図。図１に示した光結合器を、図１および図４のＣ−Ｃで切断した概略断面図。図１ないし図６に示した光結合器の損失の程度を示すグラフ。

符号の説明

１…光結合器、１０…基板、２０…光導波路構造、２１−１〜２１−ｎ…入射側導波路コア、２１ａ…テーパ、２２…出射側導波路コア、２２ａ…テーパ、２３…光結合部、３０…クラッド層、３１…入射側導波路クラッド、３２…出射側導波路クラッド、Ｃ…（光結合部の屈折率の）境界。

Claims

基材と、
この基材上に形成されたコア領域と、
このコア領域に対して所定の屈折率差を与えるクラッド領域と、
を有し、前記コア領域は複数の入射導波路と、この複数の入射導波路とを結合する結合部と、この結合部に接続された前記入射導波路よりも少ない数の出射導波路からなり、前記入射導波路の幅の総和が前記出射導波路の幅の総和よりも大きい光結合器において、
前記出射導波路側のクラッドの一部または全部の屈折率が前記入射側導波路のクラッドの屈折率より小さいことを特徴とする光結合器。
前記出射導波路側のクラッド領域は空気であることを特徴とする請求項１記載の光結合器。
前記出射側導波路のクラッドの屈折率が前記入射側導波路のクラッドの屈折率よりも低くなる位置は、前記出射導波路と前記結合部との接合部から前記入射側導波路側に前記結合部の長さの２倍以内の範囲で移動可能であることを特徴とする請求項１または２記載の光結合器。
基材と、
この基材上に形成されたコア領域と、
このコア領域に対して所定の屈折率差を与えるクラッド領域と、
を有し、前記コア領域は複数の入射導波路と、この複数の入射導波路とを結合する結合部と、この結合部に接続された前記入射導波路よりも少ない数の出射導波路からなり、前記入射導波路の幅の総和が前記出射導波路の幅の総和よりも大きい光結合器において、
前記出射導波路側のコアの一部または全部の屈折率が前記入射側導波路のコアの屈折率より大きいことを特徴とする光結合器。
前記入射導波路側のコアの一部または全部の屈折率が前記出射側導波路のコアの屈折率より大きくなる位置は、前記出射導波路と前記結合部との接合部から前記入射側導波路側に前記結合部の長さの２倍以内の範囲で移動可能であることを特徴とする請求項４記載の光結合器。
前記入射導波路側のコアと前記出射導波路側のコアとの境界部を、境界部における反射成分がいずれかのコア内に入射することを低減可能な形状（テーパ）とすることを特徴とする請求項４あるいは５に記載の光結合器。
基材と、
この基材上に形成されたコア領域と、
このコア領域に対して所定の屈折率差を与えるクラッド領域と、
を有し、前記コア領域は複数の入射導波路と、この複数の入射導波路とを結合する結合部と、この結合部に接続された前記入射導波路よりも少ない数の出射導波路からなり、前記入射導波路の幅の総和が前記出射導波路の幅の総和よりも大きい光結合器において、
前記出射導波路側のクラッドの一部または全部の屈折率が前記入射側導波路のクラッドの屈折率より小さく、前記出射導波路側のコアの一部または全部の屈折率が前記入射側導波路のコアの屈折率より大きいことを特徴とする光結合器。
前記出射導波路側のクラッド領域は空気であることを特徴とする請求項７記載の光結合器。
前記出射導波路側のクラッドの一部または全部の屈折率が前記入射側導波路のクラッドの屈折率より小さく、前記出射導波路側のコアの一部または全部の屈折率が前記入射側導波路のコアの屈折率より大きくなる位置は、前記出射導波路と前記結合部との接合部から前記入射側導波路側に前記結合部の長さの２倍以内の範囲で移動可能であることを特徴とする請求項７または８記載の光結合器。
前記入射導波路側のコアと前記出射導波路側のコアとの境界部を、境界部における反射成分がいずれかのコア内に入射することを低減可能な形状（テーパ）とすることを特徴とする請求項７ないし９のいずれかに記載の光結合器。