JP2006276857A - 光カプラ装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】カプラが波長および偏光に対し実質的に感受性のない分割比を持つように曲率半径が選択されている湾曲結合部分を備える第１および第２の導波路を含むプレーナ光波回路カプラを提供すること。
【解決手段】導波路が湾曲形状で配列された本発明によるＰＬＣカプラでは、カプラは、波長、偏光、または加工が変化するときに、１００％未満となる最大可能分割比を持つ。この最大可能分割比を所望の分割比に等しくなるようにし、注目するパラメータ（例えば、カプラの中心波長）が所望のパラメータに等しいときに実際の分割比が所望の分割比に等しくなるようにカプラ長を設定することにより、注目するパラメータに対する分割比の一次の依存性が除去される。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般的に、光信号を結合するための方法および装置に関するものであり、より具体的には、波長および偏光感受性を改善したプレーナ光波回路（ＰＬＣ）カプラに関するものである。

光カプラは、例えば、マッハ・ツェンダ干渉計（ＭＺＩ）を使用したスイッチ、ＭＺＩを使用したフィルタ、タップなどを含む、さまざまなプレーナ光波回路（ＰＬＣ）で採用されている。最低損失２×２カプラは、指向性カプラ（図１（ａ）に示されており、エバネッセント波カプラとも呼ばれる）であり、導波路間で光を結合できるように近接配列されている２つの導波路を含む。しかし、従来の指向性カプラの分割比は、１）カプラ内を伝搬する光の波長、２）そのような光の偏光、および３）加工時に発生しうるＰＬＣカプラ構造の偏差（例えば、導波路の幅）に対し非常に感受性が高い（これ以降、波長、偏光、および加工（ＷＰＦ）分割感受性と総称する）。

２×２カプラのＷＰＦ分割感受性を下げるためには、１）エクストラ・モードに結合する（つまり、２つの入力モードをカプラ内の多数のモードに結合し、その後、２つの出力モードに結合して戻す）、２）カプラを非対称にする、または３）複数のセクションを使用する、という３つの主要なアプローチがある。

マルチモード干渉（ＭＭＩ）カプラ（図１（ｂ）に示されている）は、エクストラ・モードに結合するデバイスの一実施例である。このカプラは、結合領域内で２つよりも多いモードを励起する。モードの数を増やすと、ＷＰＦ変化に対する分割感受性を下げられるが、それは、不確定性が多数のモード間に散らされて平均されるからである。しかし、ＭＭＩカプラは、通常、望ましくない過剰損失を示し、ＰＬＣ加工時に発生する導波路幅の偏差に対し感受性がある。マルチモード・カプラの他の実施例は、スター・カプラである（図１（ｃ）に示されている）。しかし、ＭＭＩカプラと同様、２×２スター・カプラは、通常、高い過剰損失を示す。

非対称カプラ（図１（ｄ）に示されている）は、異なる幅の２つの結合された導波路を備える指向性カプラである。指向性カプラでは、分割比は、カプラ長が変化するときに０％からある値（Ｒ）までの範囲で正弦曲線に従って変化する（図４を参照）。対称カプラでは、Ｒは１００％である。非対称カプラでは、Ｒ＜１００％（非対称性だと、すでに結合されている光は、カプラ長が延びると１００％の光が上から結合される前に、新しく結合されて中に入る光に対し位相ずれを生じるからである）。非対称カプラは、通常、Ｒが所望の分割比となるように設計され、カプラ長は、達成される分割比が正弦曲線のピークに近くなるように選択される（図４を参照）。したがって、長さに対する結合比の一次の依存性は除去される。しかし、非対称カプラは、所望の幅からの導波路幅の偏差に非常に高い感受性を持ち、これはＰＬＣ加工時に発生しうる。

非対称カプラの他の実施例は、「断熱カプラ」である（図１（ｅ）に示されている）。断熱カプラの導波路は、結合領域の一端で非対称的であり、他端で対称的である。これらのカプラの動作原理は、対称端の局所的導波路構造の２つの固有モードのそれぞれが非対称端の局所的導波路構造の２つの固有モードのそれぞれに完全に変換されるようにカプラが対称から非対称に徐々に変化するというものである。しかし、断熱カプラは、比較的非常に長く、そのため、デバイスのサイズおよびコストが増大する。
最後に、マルチセクション・カプラ（例えば、図１（ｆ）に示されている２セクションカプラ）は、経路長差の小さい導波路で接続されている２つ以上の指向性カプラを含む。指向性カプラのＷＰＦ依存性（または感受性）が部分的に相殺し合うように小さな経路長差が選択される。２カプラ、３カプラ、および４カプラ・マルチセクション・カプラが提案され、実証されている。しかし、これらのマルチセクション・カプラは、非常に長く、そのため、デバイスのサイズおよびコストが増大する。

上述の問題を解決すべく、本発明は、波長、偏光、および加工感受性を改善した光信号を結合するためのＰＬＣカプラ装置を実現する。

導波路が湾曲形状で配列された本発明によるＰＬＣカプラでは、カプラは、波長、偏光、または加工が変化するときに、１００％未満となる最大可能分割比を持つ。この最大可能分割比を所望の分割比に等しくなるようにし、注目するパラメータ（例えば、カプラの中心波長）が所望のパラメータに等しいときに実際の分割比が所望の分割比に等しくなるようにカプラ長を設定することにより、注目するパラメータに対する分割比の一次の依存性が除去される。

さらに、カプラの両方の導波路を狭くすることができ、これにより、導波路の幅を最低モード幅にすることができ、このカプラの導波路幅偏差に対する感受性は従来の非対称カプラと比べてかなり下げられる。さらに、両方の導波路を狭くすることにより、結合強度が高まり、カプラは従来の非対称カプラよりも短くすることができ、それにより、ＰＬＣ加工コストが低減される。

好ましい一実施形態では、波長および偏光に対し実質的に感受性のないＰＬＣカプラが実現される。ＰＬＣカプラは、曲率半径Ｒ_ｃ１を持つ湾曲結合部分を含む第１の導波路および曲率半径Ｒ_ｃ２を持つ湾曲結合部分を含む第２の導波路を備える。第２の導波路の結合部分は、光が第１の導波路と第２の導波路との間で結合できるように第１の導波路の結合部分に動作可能なように結合される。
前述の概要は、本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明とともに、付属の図面を参照しつつ読むとよく理解できる。本発明を説明するため、現在好ましいいくつかの実施形態が図面に示されている。しかし、本発明は、図に示されている正確な配置および手段に限定されないことは理解されるであろう。

図２は、本発明によるＰＬＣカプラ１００の一実施形態の図である。ＰＬＣカプラ１００は、第１の導波路１１０および第２の導波路１２０を備えるのが好ましい。第１および第２の導波路１１０、１２０はそれぞれ、入力部分１１１、１２１、結合領域１３０内の結合部分１１２、１２２の湾曲結合部分１１２、１２２、および出力部分１１３、１２３をそれぞれ含む。

第１および第２の導波路の入力および出力部分１１１、１２１、１１３、１２３は、入力／出力導波路１１１、１２１、１１３、１２３からの結合への寄与を最小にするため、曲げ放射損失を引き起こすことなく、可能な実質的に最も小さい値である曲率半径Ｒ_ｉｏ１，Ｒ_ｉｏ２，Ｒ_ｉｏ３，Ｒ_ｉｏ４（つまり、「曲げ半径」）を持つのが好ましい。
第１および第２の導波路１１０、１２０の湾曲結合部分１１２、１２２は、第１または第２の導波路１１０、１２０内の光が導波路１１０、１２０の間で結合するように結合領域１３０内で動作可能なように結合される（例えば、近接位置に置かれる）。湾曲結合部分１１２、１２２は、それぞれ曲率半径Ｒ_ｃ１およびＲ_ｃ２を持つ。Ｒ_ｃ１およびＲ_ｃ２は、ＰＬＣカプラ１００の最大可能分割比が所望の分割比に等しくなるように選択されるのが好ましい。第１および第２の導波路１１０、１２０の結合部分１１２、１２２の長さは、Ｌ_ｃ１、Ｌ_ｃ２である。Ｌ_ｃ１およびＬ_ｃ２は、ＰＬＣカプラ１００が所望の波長範囲内で最大分割比を示すように選択されるのが好ましい。

Ｒ_ｃ１およびＲ_ｃ２が有限である場合、例えば第１の導波路１１０から第２の導波路１２０に結合された光は第１の導波路１１０内のみを進行する光（つまり、結合されていない光）と異なる距離を進行する。この結果、結合領域内の後のほうで第２の導波路１２０内に結合される光は、１００％の光が結合する前にすでに結合されている光と位相ずれを起こす。位相はずれの光の結合により、破壊的干渉が発生し、それ以上結合が生じるのが妨げられる。したがって、Ｒ_ｃ１およびＲ_ｃ２が有限である場合の最大可能分割比は、カプラ長または波長に関係なく、１００％未満である。

所望の幅を持つギャップ１３５が、第１および第２の導波路１１０、１２０の結合部分１１２、１２２の間に形成される（Ｒ_ｃは、結合領域内のギャップ１３５内に延びる中心線の曲率半径である）。ギャップ１３５の幅は、著しい加工困難を引き起こさずにＰＬＣ上に形成できる最小のギャップとなるように選択される（例えば、第１および第２の導波路１１０、１２０のエッチングでは非対称）。当業者であれば、ギャップ１３５が小さいほど、強い結合が生じ、これにより、波長依存性を弱めつつカプラの長さを縮めることができることは理解するであろう。

第１および第２の導波路１１０、１２０の伝搬定数は、実質的に同じであることが好ましい。ＰＬＣカプラ１００の分割比は、波長および偏光に対し実質的に感受性がない。ＰＬＣカプラ１００の分割比の変動は、所望の中心波長を中心とする約２００ｎｍの周波数範囲にわたって約１０％未満であることが好ましい。

第１の導波路１１０の幅（ｗ_１）と第２の導波路１２０の幅（ｗ_２）は、最小モード幅を中心とするように選択されるのが好ましい（つまり、導波路内の基本モードが最小幅を持つ点）。このような最小モード幅であれば、導波路幅の変化に対する感受性のなさが改善される。ストレート型カプラの結合領域の長さＬ_ｓが知られているとして、Ｒ_ｃ（したがってＲ_ｃ１およびＲ_ｃ２）およびＬ_ｃを計算する公式を導くことができる（Ｒ_ｃおよびＬ_ｃは、それぞれ、図２に示されているように、結合領域１３０内のカプラ導波路間のギャップの中心線の曲率半径および長さである）。モード結合の式から始めると、以下のとおりである。

ただし、α_ｉはフィールドであり、β_ｉは導波路ｉ内の実効伝搬定数であり、ｋ_１２およびｋ_２１は結合係数であり、ｊは、−１の平方根である。実効伝搬定数により、基準系として導波路間のギャップの中心線にそった距離ｚを使用する伝搬定数を意味する。これらの式は、｜ｋ｜＜＜｜β｜の場合に有効であり、これは典型的な指向性カプラのケースである。
第１の導波路（導波路１）内の０フィールドおよび第２の導波路（導波路２）内で振幅α_２（０）を持つフィールドから始めると、α_１に対する解は以下のようになる。

Ｌ_{ｓ，ｆｕｌｌ}がストレート型の完全なカプラ（１００／０カプラ）に対するＬ_ｓであれば、湾曲カプラと比較してｋは変更されないと仮定すると、式（２）から以下の式が得られる。

ただし、Ｃは、所望の分割比であり、ｓは結合領域内の導波路間の中心−中心間隔であり、ｎは屈折率であり、λは真空波長である。例えば、５０／５０カプラでは、Ｃ＝０．５である。したがって、ストレート型の１００／０カプラの長さに対する十分適切な推定値が得られれば、式（３）を使用して、本発明の実施形態による湾曲ＰＬＣカプラの構造を近似的に決定し、分割比Ｃを持つＷＰＦ減感カプラ（ｄｅｓｅｎｓｉｔｉｚｅｄ ｃｏｕｐｌｅｒ）を実現できる。当業者であれば、ＬｃおよびＲｃに対する少し修正（直截的なシミュレーションまたは実験を通じて得られる）を使用して、所望の波長λの所望の分割比Ｃをより正確に得ることができることを理解するであろう。

カプラの入力および出力部分（例えば、１１１、１２１、１１３、１２３）からの寄与は上記計算に含まれなかったことに注意されたい。当業者であれば、これらの寄与は、きわめて有意でありうるが（例えば、典型的なストレート型５０／５０カプラの全結合の約３７％の寄与と合わせて）、式（３）を導くときに本発明に従ってこれらの寄与はストレート型のカプラと湾曲カプラの両方について無視されたため、式（３）は、十分に正確であり、最初の設計ガイドラインとして使用できることを理解するであろう。例えば、ストレート型５０／５０指向性カプラがＬ_ｓ＝５００μｍで設定された場合、５０／５０湾曲カプラの設計を決定することができる。まず最初に、１００／０ストレート型カプラの直線長さが推定され、これは、約（２−０．３７）／（１−０．３７）×５００μｍ＝１３００μｍとなる。その後、式（３）を使用して、Ｌ_ｃ＝９１９μｍとなる。Ｒ_ｃも、ストレート型カプラのｓを使用して、（３）から計算することができる。

屈折率差０．８０％およびコア高さ６．０μｍのシリカ・オン・シリコン導波路内の実験用５０／５０カプラを、本発明の態様をテストするために作成した。従来のストレート型指向性カプラは、導波路幅＝４．３μｍ、ギャップ＝３．９５μｍ、Ｒ_ｉｏ＝１０ｍｍ、およびＬ_ｓ＝６２０μｍとして作成された。本発明の実施形態による湾曲ＰＬＣカプラは、導波路幅＝４．３μｍ、ギャップ＝３．９μｍ、Ｒ_ｉｏ＝１０ｍｍ、Ｒ_ｃ＝２７ｍｍ、およびＬｃ＝１１７８μｍとして従来のストレート型カプラの隣に作成した。入力および出力導波路部分の一部が導波路が完全に分離されている場所までの全カプラ長の計算に含まれている場合（例えば、長さ３２０μｍの入力／出力導波路の両側の全長が与えられたとして約１９μｍ離れている）、湾曲ＰＬＣカプラの全長は、ストレート型カプラの全長の１．４倍にすぎない。

図３（ａ）〜（ｂ）は、それぞれ、本発明によるストレート型カプラおよび湾曲ＰＬＣカプラの横電気（ＴＥ）分極および横磁気（ＴＭ）分極の両方に対する測定された透過率対ＣおよびＬ帯域上の波長のグラフを示している。測定された損失は、ファイバ間損失である。当業者であれば、湾曲ＰＬＣカプラは、ストレート型カプラに比べて、波長と偏光の両方に対する感受性がかなり小さく、そのうえ追加損失のないことを理解するであろう。図３（ｃ）は、本発明によるストレート型カプラおよび湾曲ＰＬＣカプラの測定された分割比対ＣおよびＬ帯域上の波長のグラフを示している。ＣおよびＬ帯域間で、ストレート型カプラの分割比は、約２０％変動するが、湾曲ＰＬＣカプラの分割比は、約５％未満の変動である。

本発明の実施形態による湾曲ＰＬＣカプラの加工感受性を決定するためにシミュレーションも実施した。２−Ｄビーム伝搬を使用することで、湾曲ＰＬＣカプラを、一方の導波路の幅が４．３μｍ、他方の導波路の幅が５．１μｍ、Ｌ_ｓ＝１０００μｍのストレート型非対称カプラと比較した（上記のものと似たパラメータを使用して）。カプラは両方とも、□λ＝１５５０ｎｍで波長感受性のないように設計され、検証された。すべての導波路の幅をそれぞれの側で０．３μｍだけ小さくして、湾曲ＰＬＣカプラの結合比を５０／５０から４８／５２に変更したが、ストレート型非対称カプラの結合比は、５０／５０から２８／７２に変更した。他のシミュレーションでは、湾曲ＰＬＣカプラの波長感受性は、結合領域１３０内の導波路間の中心間間隔が減少したときになおいっそう平たくなることを確認した。

減感カプラの１つの潜在的欠点は、分割比のＷＰＦ感受性が下げられると、カプラが単一入力で励起されたときに出力信号間の位相差のＷＰＦ感受性が増大する可能性があるという点であることは理解される。分割感受性と位相差感受性との関係を調べるために計算を実施した。

単一セクション・カプラの動作は、行列Ｒ^−１（θ_１）Ｐ（φ）Ｒ（θ_２）により記述でき、ただし、ＲおよびＰは以下のとおりである。

θは、カプラの２つの固有モードの分割比であり、φは、カプラの２つの固有モードの間の位相シフトである。そこで、ＷＰＦ変化により、φに誤差が生じ、φがφ（１＋ε）になり、θには誤差はなく、ε＜＜１と仮定することにする。これは、従来のストレート型カプラおよび本発明による湾曲カプラに対しては妥当であるが、それは、ＷＰＦ変化は主に、カプラの固有モード伝搬定数に影響を及ぼすが、固有モードの形を変えないからである。

以下の表は、５０／５０分割比を与えるθ_１、φ、およびθ_２に対する４つの異なる選択およびポート間の結果として得られる分割比の誤差および位相差をまとめたものである。

当業者であれば、この表から、パワー分割誤差が低いほど、最悪の場合の位相誤差が高くなることを理解するであろう。例えば、従来のストレート型カプラは、最悪の分割感受性を持つが、位相誤差は０であり、曲率の変動が大きい湾曲カプラ（つまり、断熱カプラ）は、理論上、０のパワー分割誤差を持つが、カプラの一端の位相誤差は非常に大きくなる。

位相感受性が高まると、デバイスによっては問題を生じるものもある。例えば、本発明の実施形態による湾曲ＰＬＣカプラを使用するＭＺＩスイッチは、ＷＰＦ感受性が高い位相を駆動するスイッチ状態を持つことがある。この問題に対する１つの解決策として、ＭＺＩ内の反対向きの本発明の実施形態による２つの湾曲ＰＬＣカプラを使用する方法がある。環境および設計が両方の湾曲ＰＬＣカプラについて同じであるとすると、一方のカプラ内の位相変化は、他のカプラの位相変化により相殺される。

当業者であれば、Ｒ_ｃ１およびＲ_ｃ２は、第１および第２の導波路１１０、１２０の結合部分の長さ（Ｌ_ｃ１、Ｌ_ｃ２）にわたって変化しうることを理解するであろう。Ｒ_ｃ１およびＲ_ｃ２を変化させることにより、カプラに対する所望のパワー分割感受性および所望の位相感受性が得られる。例えば、Ｒ_ｃ１およびＲ_ｃ２に小さな変動があるカプラについては（上の表の３行目）、Ｒ_ｃ１およびＲ_ｃ２は、徐々に変化するのが好ましい（例えば、単調減少または単調増加）。Ｒ_ｃ１およびＲ_ｃ２に大きな変動があるカプラでは（上記の表の４行目）、Ｒ_ｃ１およびＲ_ｃ２は、結合領域１３０の一端から他端へ無限大から有限値（またはその逆）に変化するのが好ましい。

当業者であれば、本発明の広い概念から逸脱することなく、上述の実施形態に対し変更を加えられることは理解されるであろう。したがって、本発明は、開示されている特定の実施形態に限定されず、付属の請求項の定義に従って本発明の精神および範囲内にある修正形態を対象とすることを意図されていることは理解されるであろう。

従来技術のカプラの図である。 本発明の一実施形態によるＰＬＣカプラの図である。 本発明の一実施形態によるストレート型カプラおよびＰＬＣカプラの測定された透過率対波長のグラフである。 本発明の一実施形態によるストレート型カプラおよびＰＬＣカプラの測定された透過率対波長のグラフである。 本発明の一実施形態によるストレート型カプラおよびＰＬＣカプラの分割比対波長のグラフである。 対称カプラと非対称カプラに対する分割比対カプラ長のグラフである。

Claims (9)

1. プレーナ光波回路（ＰＬＣ）カプラであって、
   有限な曲率半径Ｒ_ｃ１を持つ湾曲結合部分を備える第１の導波路と、
   有限な曲率半径Ｒ_ｃ２を持つ湾曲結合部分を備える第２の導波路であって、前記第２の導波路の前記結合部分は前記第１の導波路と前記第２の導波路との間で光を結合できるように前記第１の導波路の前記結合部分に動作可能なように結合される、第２の導波路とを備え、
   前記第１および第２の導波路の伝搬定数は、実質的に同じであり、
   前記カプラの分割比は、波長および偏光に対し実質的に感受性がないプレーナ光波回路（ＰＬＣ）カプラ。
2. 前記カプラの前記分割比の変動は、所望の中心波長を中心として約１００ｎｍの周波数範囲にわたって約１０％未満である請求項１に記載のカプラ。
3. 前記第１の導波路の幅（ｗ_１）と前記第２の導波路の幅（ｗ_２）は、それぞれの導波路の基本モードが最小幅を持つように選択される請求項１に記載のカプラ。
4. Ｒ_ｃ１およびＲ_ｃ２は、それぞれの湾曲結合部分上で一定である請求項１に記載のカプラ。
5. 前記第１および第２の導波路の前記入力および出力部分は、有意な曲げ放射損失を引き起こすことなく、実質的に最も小さい曲率半径を持つ請求項１に記載のカプラ。
6. Ｒ_ｃ１およびＲ_ｃ２は、前記ＰＬＣカプラの最大可能分割比が所望の分割比に等しくなるように選択される請求項１に記載のカプラ。
7. 前記第１および第２の導波路の前記結合部分の前記長さ（Ｌ_ｃ１、Ｌ_ｃ２）は、前記カプラが所望の波長範囲内で最大分割比を示すように選択される請求項６に記載のカプラ。
8. Ｒ_ｃ１およびＲ_ｃ２は、前記カプラに対する所望のパワー分割感受性および所望の位相感受性が得られるように前記第１および第２の導波路の前記結合部分の前記長さ（Ｌ_ｃ１、Ｌ_ｃ２）にわたって変動する請求項１に記載のカプラ。
9. 光結合のためのプレーナ光波回路（ＰＬＣ）を加工する方法であって、
   ＰＬＣ上に第１の導波路および第２の導波路を形成し、前記第１の導波路および前記第２の導波路はそれぞれ有限の曲率半径Ｒ_ｃ１およびＲ_ｃ２を持つ湾曲結合領域を備える工程を含み、
   前記第１および第２の導波路の前記伝搬定数は、実質的に同じであり、Ｒ_ｃ１およびＲ_ｃ２は、前記カプラが所望の分割比を示すように選択され、
   前記カプラの分割比は、波長および偏光に対し実質的に感受性がない、光結合のためのプレーナ光波回路（ＰＬＣ）を加工する方法。
   

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