JP2006317545A - 光導波路構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 長尺化を防止しながら高次モードを放射することができる、分岐合波部を有する光導波路構造を提供する。また、単一ポートに対する光の入射位置のずれの方向が異なっていても、高次モードの再入力に起因する複数ポートからの出力光強度の変動を抑制することができる光導波路構造を提供する。
【解決手段】 本発明は、分岐合波部を有する光導波路構造に関する。本発明による光スプリッタ(1)は、一方の出入射側に設けられた単一のポート(2)と、他方の出入射側に設けられた複数のポート(4)と、単一のポート(2)から複数のポート(4)に分岐するように延びるコア構造(6)を有している。コア構造(6)は、単一ポート(2)から延びる単一の第１のコア(10)と、第１のコア(10)に接続され且つそれを分岐する第１の分岐合波部(12)を有し低る。第１のコア(10)は、一方の方向に湾曲する曲線だけからなる中心線に沿って構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光導波路構造に関し、更に詳細には、分岐合波部を有する光導波路構造に関する。

近年のパソコンやインターネットの普及に伴い、情報伝送需要が急激に増大しており、伝送速度が速く光伝送損失の小さい光導波路構造が要望されている。光導波路構造は、光伝送における光インターコネクションとして使用されており、例えば、入力された光を複数の光に分岐する光スプリッタ（分岐結合器）は、光導波路構造の基本的なものとして重要なものである。光スプリッタ（分岐結合器）は、その光の伝送方向を逆にすると、合波器として作用する。
光スプリッタは、入射光が所定の分岐比で分岐されるように設計された分岐合波部を有し、他の光導波路や光ファイバーに接続されて使用される。光スプリッタの入力ポートと予め軸合わせされた所定の位置に光ファイバー等を配置することが一般的であるが、光スプリッタに製造上のばらつきがあると、光ファイバーからの入射光と入力ポートとの間の軸ずれが生じることがある。この軸ずれは、光スプリッタの光導波路内に基本モード以外の高次モードを励振させ、基本モード及び高次モードがモード干渉を引き起こし、それにより、光スプリッタの光導波路内の光強度ピーク位置を変動させる。その結果、分岐合波部における実際の光の分岐比が、設計上の分岐比に対してばらつくことがある。逆にいえば、高次モードを励振させなければ、軸ずれが生じても光強度ピーク位置の変動を抑えることができる。

従来技術では、高次モードが光導波路内に閉じ込められにくく放射されやすいという特性を利用して、光強度ピーク位置の変動を抑える光導波路構造が知られている。
第１の従来技術の光導波路構造は、光を分岐する手前に、長い直線入力光導波路を有しており、それにより、光強度ピーク位置の変動を減衰させる。(例えば、特許文献１の図１３参照)。
第２の従来技術の光導波路構造は、直線入力光導波路の途中に曲線光導波路を設けていおり、それにより、光強度ピーク位置の変動を減衰させる(例えば、特許文献１の図１２参照)。
第３の従来技術の光導波路構造は、直線入力光導波路にくびれ部分を設けており、それにより、光強度ピーク位置の変動を減衰させる（例えば、特許文献１の図１４参照）。

特許第２８０９５１７号公報（図１２、図１３、図１４及びその説明参照）

上述した従来技術の第１、第２、第３の光導波路構造は、光強度ピーク位置の変動を減衰させるために、高次モードの放射を利用しているので、光の放射損失が大きくなってしまう。
一方、第１の光導波路構造は、高次モードを放射させるために長い直線入力光導波路を用いているので、光導波路構造が長尺化する。また、第２、第３の光導波路構造は、高次モードを放射させるために、光導波路の形状を変化させているので、基本モードを放射するおそれがある。基本モードを放射しないようにするには、光導波路形状変化の程度を光の伝搬方向に対して鈍くする必要があるので、光導波路構造が長尺化する。
結局、従来技術の第１、第２、第３のいずれの光導波路構造においても、放射損失が大きくなると共に長尺化してしまう。

また、光スプリッタのように光の伝搬方向に向かって光導波路領域が広がる場合、すなわち、単一の入射ポートの反対側に複数の出射ポートを有する場合、入射光と入力ポートとの間の軸ずれに起因して前段の光導波路のコアから放射された高次モードの一部が、後段の光導波路のコアに再入力する。この再入力する光成分のために、複数の入出射ポート間の出力光強度が設計値からずれるおそれがある。例えば、従来技術の第２の光導波路構造では、曲線光導波路が直線入力光導波路の途中に設けられているので、直線入力光導波路から遠ざかる曲線光導波路の部分から放射された高次モードの一部は、直線入力光導波路に戻る曲線光導波路の部分に再入光する。それにより、入出射ポート間の出力光強度が設計値からずれ、後段に接続された分岐コア構造における分岐比を安定化することが困難になる。また、従来技術の第１、第３の光導波路構造では、単一ポートに対する入力光導波路が位置ずれの方向に応じて、高次モードの放射方向が異なるため、高次モードの放射方向を予測することが全くできない。その結果、高次モードの再入力によって、入出射ポート間の出力光強度が設計値からずれるだけでなく、ずれの傾向が製品ごとにばらばらになることがある。

そこで、本発明の第１の目的は、長尺化を防止しながら高次モードを放射することができる、分岐合波部を有する光導波路構造を提供することにある。
また、本発明の第２の目的は、長尺化を防止しながら高次モードを放射することができ、しかも、放射損失を抑制することができる、分岐合波部を有する光導波路構造を提供することにある。
また、本発明の第３の目的は、単一ポートに対する光の入射位置のずれの方向が異なっていても、高次モードの再入力に起因する複数ポートからの出力光強度の変動を抑制することができる、分岐合波部を有する光導波路構造を提供することにある。

上記第１の目的及び第３の目的を達成するために、本発明による光導波路構造は、分岐合波部を有する光導波路構造であって、一方の出入射側に設けられた単一のポートと、他方の出入射側に設けられた複数のポートと、単一のポートから複数のポートに分岐するように延びるコア構造と、を有し、コア構造は、単一ポートから延びる単一の第１のコアと、第１のコアに接続され且つそれを分岐する第１の分岐合波部を有し、第１のコアは、一方の方向に湾曲する曲線だけからなる中心線に沿って構成されることを特徴としている。

このように構成された光導波路構造では、単一のポートに入射された光は、第１のコア内を伝搬し、第１の分岐合波部によって分岐され、最終的には、複数のポートから出射される。単一のポートにおける軸ずれが生じて、第１のコア内に高次モードが生じたとき、第１のコアが一方の方向に湾曲しているので、高次モードが放射され、それにより、光強度ピーク位置の変動を減衰させる。その結果、軸ずれが生じた場合であっても、実際の光の分岐比の設計上の分岐比からの変動を減衰させることができる。また、従来技術の光導波路構造と異なり、直線光導波路が省略されているので、長尺化を防止することができる。特に、３つの湾曲部分を有する第２の従来技術の光導波路構造と比較すると、本発明の光導波路構造の第１コアは、一方の方向にのみ湾曲し且つ１つの湾曲部分しか有していないので、長尺化を防止することができる。なお、本発明の第１のコアの両端部における中心線の接線が、互いに同一直線上に位置せず、交差することに注意すべきである。

また、第１コアが一方の方向にのみ湾曲しているので、単一ポートに対する光の入射位置のずれの方向が異なっていても、高次モードの放射方向が第１コアの外周側に限定される。それにより、高次モードが再入光する位置の予測が可能になり、それに応じた光導波路の設計が可能になる。例えば、高次モードが再入光する後段のコアの位置を比較的後方に設計することにより、高次モードの放射光強度を十分に減衰させる。その結果、高次モードの再入力に起因する複数ポートからの出力光強度の変動を抑制することができる。

本発明において、好ましくは、コア構造が、第１のコアの中心線の単一ポートにおける接線に対して非対称に構成される。
また、本発明において、好ましくは、第１のコアの中心線の単一ポートにおける接線と第１の分岐合波部との接続箇所における接線とが交差する。

また、本発明の実施形態において、複数のポートは、１本の直線上に等間隔に配置され、単一のポートは、複数のポートの中心を通り且つ上記１本の直線と垂直な垂直線と間隔をおいて配置されてもよいし、上記垂直線の上に配置されてもよい。
即ち、従来技術の光導波路構造と異なり、本発明によるコア構造は、上記垂直線に対して非対称になっている。

また、上記第２の目的を達成するために、本発明の実施形態において、好ましくは、第１のコアの中心線の曲率は、第１のコアの両端における曲率がゼロになるように漸近する。
このように構成された光導波路構造では、第１のコアの両端における曲率の変化を最小にすることができ、放射損失を抑制することができる。

また、本発明の実施形態において、好ましくは、更に、光ファイバーが単一のポートと整列するように光ファイバーを位置決めするための溝を有する。
このように構成された光導波路構造では、光導波路構造の製造上のばらつきにより、溝に位置決めされた光ファイバーと単一のポートとの間に軸ずれが生じても、光強度ピーク位置の変動を減衰させることができる。

本発明により、長尺化を防止しながら高次モードを放射することができる、分岐合波部を有する光導波路構造を提供することができる。
また、本発明により、長尺化を防止しながら高次モードを放射することができ、しかも、放射損失を抑制することができる、分岐合波部を有する光導波路構造を提供することができる。
また、本発明により、単一ポートに対する光の入射位置のずれの方向が異なっていても、高次モードの再入力に起因する複数ポートからの出力光強度の変動を抑制することができる、分岐合波部を有する光導波路構造を提供することができる。

以下、図面を参照して、本発明による光導波路構造の実施形態を説明する。
図１は、本発明による光導波路構造の第１の実施形態である光スプリッタを概略的に示す平面図である。図１に示すように、光スプリッタ１は、一方の出入射側に設けられた単一のポート２と、他方の出入射側に設けられた複数のポート４と、単一のポート２から複数のポート４に分岐するように延びるコア構造６と、コア構造６の両側に配置された延長部８を有している。

複数のポート４は、１本の直線Ｌ１上に等間隔に配置されている。本実施形態では、複数のポート４の数は８である。また、単一のポート２は、複数のポート４の中心を通り且つ１本の直線Ｌ１と垂直な垂直線Ｌ２と間隔をおいて配置されている。

コア構造６は、単一ポートから延びる単一の第１のコア１０と、第１のコア１０に接続され且つそれを分岐する第１の分岐合波部１２を有している。コア構造６は、更に、第１の分岐合波部１２から延びる２本の第２のコア１４と、第２のコア１４の各々に接続された第２の分岐合波部１６と、各第２の分岐合波部１６から２本ずつ延びる第３のコア１８と、第３のコア１８の各々に接続された第３の分岐合波部２０と、各第３の分岐合波部２０から２本ずつ複数のポート４の各々に延びる第４のコア２２を有している。コア構造６の周りには、クラッド部２４が配置され、コア構造６及びクラッド部２４は光導波路部を構成する。第１〜第４のコア１０、１４、１８、２２及び第１〜第３の分岐合波部１２、１６、２０の接続は、光学的に接続されていれば良い。従って、必要に応じて、大きな損失が生じない程度の間隙が設けられてもよいし、その代わりに、接着層が設けられてもよい。各分岐合波部１２、１８、２０、２２の所定の分岐比は、１：１である。コア構造６及びクラッド部２４は、フッ素を含むポリイミド系樹脂で形成されることが好ましい。

第１のコア１０は、一方の方向に湾曲する曲線だけからなる中心線に沿って構成されている。また、第１〜第４のコア１０、１４、１８、２２のうち、図１において実線で示した部分の曲率は、その両端における中心線の曲率がゼロになるように漸近している。具体的には、かかる部分のコアの中心線は、以下の（式１）、（式２）、（式３）の何れかで表されるのがよい。
ｙ＝ｓｉｎπｚ・・・・・・・・・・・・・・（式１）
ｙ＝ｚ−〔(１／π)ｓｉｎπｚ〕・・・・・・（式２）
ｙ＝ｚ−〔(ａ／π)ｓｉｎπｚ〕・・・・・・（式３）
なお、上記（式１）〜（式３）において、ｙ及びｚはコアが存在する平面上の直交する座標軸であり、（式３）において、ａはゼロでない実数である。ａ＝１の時の（式３）は、（式２）と一致する。（式１）〜（式３）は、座標系の始点がｚ＝０、ｙ＝０、その終点がｚ＝１、ｙ＝０となる形で規格化されている。従って、実際のコアの中心線は、（式１）〜（式３）において、ｙ方向及び／又はｚ方向に拡大縮小してもよいし、向きを変えてもよいし、反転させてもよい。
第２〜第４のコア１４、１８、２２のうち、図１において破線で示した部分の中心線は、適当に定められている。

延長部８は、光ファイバーＦが単一のポート２と整列するように光ファイバーを位置決めするための溝２６と、光ファイバーが複数のポート４の各々と整列するように光ファイバーを位置決めするための溝２８とを有している。溝２６、２８の断面形状は、Ｖ字形であることが好ましい。

次に、本発明の第１の実施形態による光スプリッタの動作を説明する。溝２６に位置決めされた光ファイバーＦを伝搬してきた光は、単一のポート２に入射される。光スプリッタ１の製造上のばらつきにより、光ファイバーＦの光軸と単一のポート２の光軸がずれることがある。その場合、単一のポートから第１のコア１０に入射された光は、高次モードを励振させる。基本モードと高次モードは、モード干渉を引き起こし、それにより、光スプリッタの光導波路内の光強度ピーク位置を変動させる。しかしながら、第１のコア１０が一方の方向に湾曲しているので、高次モードが主に外周側のクラッド部２４に放射され、光強度ピーク位置の変動を減衰させることができる。その結果、第１の分岐合波部１２において、第１のコア１０内を伝搬してきた光は、所定の分岐比である１：１に分岐され、第２のコア１４に伝搬される。次いで、光は、第２の分岐合波部１６で１：１に分岐されて第３のコア１８に伝搬され、更に、第３の分岐合波部２０で１：１に分岐された第４のコア２２に伝搬され、複数のポート４から出射される。一番上流側である第１の分岐合波部１２において、所定の分岐比で光が分岐されるので、下流側の分岐合波部１６、２０においても、実際の分岐比が設計上の分岐比に近づくことになる。

上記光スプリッタ１は、例えば、以下のように作製される。
まず、Ｓｉ基板に、光ファイバーを実装するためのＶ字形断面の溝２６、２８を、マスク等を用いて異方性エッチングによって加工した後、基板上面にＳｉＯ₂の膜を形成する。次に、カプラを塗布して硬化させた後、クラッド材料としてフッ素化ポリイミドをスピンコーティングして硬化させることによって、下部クラッド層を形成する。引き続いて、下部クラッド層の上にコア材料として、クラッド材料に使用したフッ素の重合具合が異なるフッ素化ポリイミドをスピンコーティングして硬化させることによって、コア層を形成する。次いで、別のマスクを、光ファイバーＦを実装するためのＶ字形断面の溝と位置あわせをして、フォトリソグラフィ、反応性イオンエッチング等によりコア構造６をパターンニングする。次いで、クラッド用のフッ素化ポリイミドをスピンコーティングして硬化させることによって、コア層を覆うように上部クラッド層を形成する。下部クラッド層及び上部クラッド層によりクラッド部２４が形成される。以上の加工を、１つのＳｉ基板上で複数個の光スプリッタ１について同時に行う。次いで、光ファイバーＦを実装するためのＶ字形断面の溝２６、２８と単一ポート２及び複数ポート４との間をダイシング加工により分離した後、Ｖ字形断面の溝２６、２８上の不要なフッ素化ポリイミド層を除去する。引き続いて、光スプリッタ１を個片形状に切り出す。光ファイバーＦを搭載する場合には、光ファイバーＦをＶ字形断面の溝２６、２８にパッシブ実装し、それをガラスリッドで上方から抑えるようにして、それらを接着剤で固定する。

次に、図２を参照して、本発明による光導波路構造の第２の実施形態を説明する。図２に示すように、本発明の第２の実施形態である光スプリッタ３０は、単一のポート２が垂直線Ｌ２上に位置し、第１〜第４のコア１０、１４、１８、２２の経路が異なること以外、第１の実施形態である光スプリッタ１と同様の構造を有し、同様に動作する。従って、それらの詳細な説明は省略する。

以下、本発明による光導波路構造の実施例１、実施例２及び比較例１、比較例２について説明する。実施例１、２及び比較例１、２は、いずれも、複数ポートが８個の場合、すなわち、１ｘ２の分岐合波部を３段ツリー状に接続することによって１ｘ８タイプの光スプリッタを構成した例である。実施例１、２及び比較例１、２のいずれの場合にも、コア構造６とクラッド部２４からなる光導波路部の単一ポート２側の端面から複数ポート４側の端面までの長さは、９．３５ｍｍであり、複数ポート４側のポート間距離は、０．２５ｍｍとした。
実施例１及び実施例２の第１のコア１０の中心線には、式（１）で表される１方向のみに湾曲する曲線を用い、比較例１及び比較例２の第１のコアの中心線には、直線光導波路を配置した。それ以外の構造については、実施例１及び比較例１を同様の構造とし、実施例２及び比較例２を同様の構造とした。
具体的には、実施例１及び比較例１では、第２〜第４のコア１４、１８、２２の中心線として円弧を用いた。また、実施例２及び比較例２では、第２〜第４のコア１４、１８、２２の中心線として、（式４）を用いた。
ｙ＝１−ｃｏｓ［（π／２）ｚ］・・・・・・（式４）
なお、上記（式４）において、ｙ及びｚはコアが存在する平面上の直交する座標軸であり、（式４）は、座標系の始点がｚ＝０、ｙ＝０、その終点がｚ＝１、ｙ＝１となる形で規格化されている。実際にコアの中心線を決定するにあたっては、（式４）を数値的にそのまま適用するわけではなく、接続すべき分岐合波部間の位置関係を考慮して、（式４）において、適宜ｙ方向及び／又はｚ方向に拡大縮小し、方向を変え、また、反転させて使用した。この際、分岐合波部の２ポート側がｚ＝０に相当する端部、分岐合波部の単一ポート側がｚ＝１に相当する端部で接続するように用いた。

上述のように決定した光導波路パターンをフォトリソグラフィ用のマスク上に複数個並べて作成すると共に、この光導波路パターンのマスクに合うＶ字形断面の溝を形成するためのフォトリソグラフィ用のマスクを作製し、それを用いて、光導波路構造を作成した。光導波路は、フッ素化ポリイミド（日立化成工業（株）製ＯＰＩシリーズ）を用いた。コア用とクラッド用のフッ素化ポリイミドの比屈折率差Δは、約０．４％とした。
また、光導波路構造に接続された光ファイバーと光コネクタが接続された別の光ファイバーとを融着接続し、単一ポートから入射し、複数ポートの各ポートへ出射した場合の挿入損失を、挿入損失測定装置によってポート毎に測定した。

実施例１、実施例２及び比較例１、比較例２の挿入損失の測定結果を表１に示す。挿入損失の値は、ｄＢ単位の負の値で示し、その絶対値が小さいほど挿入損失が小さくなる。 また、挿入損失の測定値に基づいて求めた平均値、最小値、最大値、標準偏差及び均一性を表２に示す。標準偏差以外の値の単位は、ｄＢである。均一性は、最大値と最小値との差である。これらの値は、小数点第２位を四捨五入して示した。

表２から分かるように、実施例１、２はそれぞれ、比較例１、２と比べて、各ポートの挿入損失の値の標準偏差が小さく、均一性に優れていた。
実施例１及び実施例２において、光導波路部の全長が９．３５ｍｍという短尺でかつ、均一性の高い光導波路構造を得ることができた。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
上記実施形態では、光スプリッタ１は、延長部８を有していたけれども、それを省略し、光ファイバーアレイ等をコア構造６に接続してもよい。
上記実施形態では、第１〜第４のコア１０、１４、１８、２２の経路に、上記（式１）、（式２）、（式３）の何れかで表される曲線を採用したが、円弧、楕円弧、正弦関数、指数関数など各種曲線を採用しても良いし、それらと直線を組合せてもよい。
また、上記実施形態では、複数ポート６の数を８として説明したけれども、それに限定することなく、任意の数を採用してもよい。
また、上記実施形態では、分岐のトポロジーとして分岐比が１：１のツリー状を採用したけれども、その代わりに、他の形態を採用してもよく、例えば、１段の分岐合波部で１ｘｎの分岐を構成してもよい。
また、放射された高次モードの再入光及び光ファイバ位置決め用溝と入出射光導波路との軸ずれの製造上のばらつきを予め考慮して、分岐比を１：１からわずかにずらした所定の比率に設定してもよい。この場合、試作した光導波路構造における再入光量の平均値に基づいて、複数ポートへの出力光強度が均一となるように分岐比を設定するのがよい。

本発明の第１の実施形態による光スプリッタの概略的な平面図である。 本発明の第２の実施形態による光スプリッタの概略的な平面図である。

符号の説明

１ 光スプリッタ
２ 単一のポート
４ 複数のポート
６ コア構造
１０ 第１のコア
１２ 第１の分岐合波部
２４ クラッド部
２６ 溝
２８ 溝
Ｌ１ 直線
Ｌ２ 垂直線

Claims (7)

1. 分岐合波部を有する光導波路構造であって、
   一方の出入射側に設けられた単一のポートと、
   他方の出入射側に設けられた複数のポートと、
   前記単一のポートから前記複数のポートに分岐するように延びるコア構造と、を有し、
   前記コア構造は、前記単一ポートから延びる単一の第１のコアと、前記第１のコアに接続され且つそれを分岐する第１の分岐合波部を有し、
   前記第１のコアは、一方の方向に湾曲する曲線だけからなる中心線に沿って構成されることを特徴とする光導波路構造。
2. 前記コア構造が、前記第１のコアの中心線の前記単一ポートにおける接線に対して非対称に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光導波路構造。
3. 前記第１のコアの中心線の前記単一ポートにおける接線と前記第１の分岐合波部との接続箇所における接線とが交差することを特徴とする請求項１又は２に記載の光導波路構造。
4. 前記複数のポートは、１本の直線上に等間隔に配置され、
   前記単一のポートは、前記複数のポートの中心を通り且つ前記１本の直線と垂直な垂直線と間隔をおいて配置されることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の光導波路構造。
5. 前記複数のポートは、１本の直線上に等間隔に配置され、
   前記単一のポートは、前記複数のポートの中心を通り且つ前記１本の直線と垂直な垂直線上に配置されることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の光導波路構造。
6. 前記第１のコアの中心線の曲率は、前記第１のコアの両端における曲率がゼロになるように漸近することを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の光導波路構造。
7. 更に、光ファイバーが前記単一のポートと整列するように光ファイバーを位置決めするための溝を有することを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の光導波路構造。

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