JP2007293097A - Y-branched optical waveguide - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は光通信等に使用されるY分岐光導波路に関する。 The present invention relates to a Y-branch optical waveguide used for optical communication and the like.
従前より、図4Aに示すように、X方向に平行に設けられた1本の入力導波路91を伝搬する光を2本の分岐導波路92a,92bにより2方向に分岐するY分岐光導波路(スプリッタ)90として、2本の分岐導波路92a,92bによって挟まれた分岐先端部93の形状が楔形であるものが知られている。この分岐角θが小さいほど分岐効率はよいが、分岐角θが小さく、尖った形状の分岐先端部93を有するY分岐光導波路の製造には技術的困難が伴う。また、製造した場合の製品の特性ばらつきも大きい。
Conventionally, as shown in FIG. 4A, a Y-branching optical waveguide that branches light propagating through one
このような問題を解決するために、図4Bに示すように、入射方向と直交する平坦面を有する分岐先端部94を有するY分岐光導波路90Aや、図4Cに示すように、入力導波路91に向けて突出した平面略長方形の突起95aを備えた分岐先端部95を有するY分岐光導波路90Bが知られている(例えば、特許文献1,非特許文献1参照)。
In order to solve such a problem, as shown in FIG. 4B, a Y-branch
しかしながら、図4Bに示す構造のY分岐光導波路90Aでは、分岐効率が低くなるという問題がある。また、入射方向と直交する平坦面による反射光により放射モードになりやすい。
However, the Y-branch
一方、図4Cに示す構造のY分岐光導波路90Bでは、突起95aの幅を細くしなければならないが、これには、分岐角θの小さい尖った形状の分岐先端部93を有するY分岐光導波路と同様に、製造に技術的な困難が伴う。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、実用的な分岐効率を確保しながら、製造が容易であるY分岐光導波路を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a Y-branch optical waveguide that is easy to manufacture while ensuring practical branching efficiency.
本発明によれば、三次元の光導波路を2次元のスラブ導波路として見たときに、1本の入力導波路を伝搬する光を2本の分岐導波路により2方向に分岐するY分岐光導波路であって、前記2本の分岐導波路によって挟まれた分岐先端部は、前記入力導波路の長手方向に垂直な先端面と、該先端面と直交する側面と、該側面と直交する底面とを備えた階段状に形成され、前記先端面の幅が前記入力導波路の幅よりも広いことを特徴とするY分岐光導波路が提供される。 According to the present invention, when a three-dimensional optical waveguide is viewed as a two-dimensional slab waveguide, Y-branched light that branches light propagating through one input waveguide in two directions by two branch waveguides. A branch tip portion sandwiched between the two branch waveguides includes a tip surface perpendicular to the longitudinal direction of the input waveguide, a side surface orthogonal to the tip surface, and a bottom surface orthogonal to the side surface. And a Y-branch optical waveguide characterized in that the width of the tip end face is wider than the width of the input waveguide.
なお、実際には三次元構造を有する光導波路を二次元スラブ導波路として規定するのは、当業者が計算の都合上よく利用する手法であり、二次元として見た場合でも実際の三次元の光導波路の特性を十分に把握することができる(例えば、“藪哲郎、沢真之輔,「光導波路の解析法」,光学(1998),27巻11号,pp632−639”参照)。 In practice, the definition of an optical waveguide having a three-dimensional structure as a two-dimensional slab waveguide is a technique used by those skilled in the art for convenience of calculation, and even when viewed as two-dimensional, The characteristics of the optical waveguide can be sufficiently grasped (for example, see “Tetsuro Tsuji, Shinnosuke Sawa,“ Analysis Method of Optical Waveguide ”, Optics (1998), Vol. 27, No. 11, pp 632-639)).
このY分岐光導波路では、入力導波路の幅を4μm〜6μm、分岐先端部の幅を8μm〜12μm、分岐先端部の長さを10μm〜350μm、2本の分岐導波路の分岐角を1.8度〜5.0度とすることが好ましい。 In this Y branch optical waveguide, the width of the input waveguide is 4 μm to 6 μm, the width of the branch tip is 8 μm to 12 μm, the length of the branch tip is 10 μm to 350 μm, and the branch angle of the two branch waveguides is 1. It is preferable to set it at 8 degrees to 5.0 degrees.
また本発明によれば、三次元の光導波路を2次元のスラブ導波路として見たときに、1本の入力導波路を伝搬する光を2本の分岐導波路により2方向に分岐するY分岐光導波路であって、前記2本の分岐導波路によって挟まれた分岐先端部は、前記入力導波路の長手方向に垂直な先端面と、該先端面と直交する側面と、該側面と直交する底面とを備えた階段状に形成され、前記入力導波路の幅は4μm〜6μm、前記先端面の幅は2μm〜4μm、前記側面の長さが10μm〜200μm、前記2本の分岐導波路の分岐角は1.6度〜2.0度であることを特徴とするY分岐光導波路が提供される。 Further, according to the present invention, when a three-dimensional optical waveguide is viewed as a two-dimensional slab waveguide, the Y-branch branches light propagating through one input waveguide in two directions by two branch waveguides. An optical waveguide having a branching tip portion sandwiched between the two branching waveguides, a tip surface perpendicular to the longitudinal direction of the input waveguide, a side surface orthogonal to the tip surface, and a right angle to the side surface The input waveguide has a width of 4 μm to 6 μm, the tip surface has a width of 2 μm to 4 μm, the side surface has a length of 10 μm to 200 μm, and the two branch waveguides have a bottom surface. A Y-branch optical waveguide having a branching angle of 1.6 degrees to 2.0 degrees is provided.
これらY分岐光導波路は、波長が1.50μm〜1.60μmの光を分岐し、伝搬するために好適に用いられる。 These Y branch optical waveguides are preferably used for branching and propagating light having a wavelength of 1.50 μm to 1.60 μm.
本発明のY分岐光導波路は、実用的な分岐効率を確保しながら、製造が容易である。特に、従来の分岐先端が平坦である形状のものと比較すると、その分岐先端の位置が同じ場合に高い分岐効率を得ることができる。 The Y-branch optical waveguide of the present invention is easy to manufacture while ensuring practical branching efficiency. In particular, when compared with a conventional shape having a flat branch tip, a high branching efficiency can be obtained when the position of the branch tip is the same.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図1にY分岐光導波路の概略構造を示す。このY分岐光導波路10は、幅Dを有する1本のシングルモードの入力導波路11と、この入力導波路11を伝搬する光を分岐角θで2方向に分岐する2本の分岐導波路12a,12bを有している。これら入力導波路11および分岐導波路12a,12bはコア部となり、それ以外の部分はクラッド部となっている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows a schematic structure of a Y branch optical waveguide. This Y-branch
なお、図1は平面的に示されているが、実際のY分岐光導波路10は紙面に垂直な方向に厚みを有する。図1に示すように、入力導波路11の光伝搬方向をX方向とする。また、図1では、Y字に分岐した分岐導波路12a,12bはそれぞれ、その後にX方向に平行となっているが、これは後述するBPM計算に用いたY分岐光導波路の構造を反映させたものである。
1 is shown in a plan view, the actual Y-branch
2本の分岐導波路12a,12bによって挟まれた三角状部15の先端には、階段状の分岐先端部13が形成されている。
A step-
この分岐先端部13は、入力導波路11の光伝搬方向であるX方向と直交する辺P1−P2を含む面(以下「先端面」といい、図1において符号‘13a’で示す)と、この辺P1−P2と直交する面(以下「側面」といい、図1において符号‘13b’で示す)と、この側面と直交し、分岐導波路12a,12bのそれぞれの内側壁14a,14bと交差する面(以下「底面」といい、図1において符号‘13c’で示す)とを有している。点P1,P2はそれぞれ内側壁14a,14bの延長上にある。
The
この先端面13aの幅d1は辺P1−P2の長さで規定される。また、側面13bの長さL1はそのX方向長さで規定される。
Width d 1 of the
Y分岐光導波路10では、先端面13aの幅d1を入力導波路11の幅Dよりも広くする。つまり、D<d1とする。これにより製造を容易とし、かつ、実用上問題のない所望の分岐効率を得ることができる。特に、入力導波路11の終点位置(X方向の終点)を基準としたときの先端面13aのX方向位置が、図4Bに示したY分岐光導波路90Aにおける入力導波路91の終点位置を基準としたときの分岐先端部94の先端面のX方向位置と同じである場合に、分岐効率を高めることができる。
In the Y branch
Y分岐光導波路10では、具体的には、分岐角θを1.8度〜5.0度(°)、入力導波路11の幅Dを4μm〜6μmとしたときに、先端面13aの幅d1を8μm〜12μm、側面13bの長さL1を10μm〜350μmとすることが好ましい。このような形状を有する場合に、シングルモードの入力導波路11に入射させる光の波長としては、1.50μm〜1.60μmが好適であり、高い分岐効率を得ることができる。
Specifically, in the Y branch
図2に別のY分岐光導波路10Aの概略構造を示す。このY分岐光導波路10Aが図1に示されたY分岐光導波路10と相違する点は、その分岐先端部13における先端面13aの幅d2が入力導波路11の幅Dよりも狭い、つまり、D>d2となっている点であり、このような形状に起因して、所望の分岐効率を得るためにその形状に制限がある。
FIG. 2 shows a schematic structure of another Y-branch
Y分岐光導波路10Aでは、入力導波路11の終点位置を基準としたときの分岐先端部13の先端面13aのX方向位置が、図4Bに示したY分岐光導波路90Aにおける入力導波路91の終点位置を基準としたときの分岐先端部94の先端面のX方向位置と同じであり、かつ、分岐角θが1.6°〜2.0°と小さいときに、Y分岐光導波路90Aよりも分岐効率を高めることができる。しかし、例えば分岐角θが5°と大きい場合には、Y分岐光導波路90Aよりも分岐効率は低下する。この原因は定かではないが、Y分岐光導波路10Aの分岐先端部13における底面13cにより放射モードになりやすく、これにより分岐効率が低下しているものと推測される。
In the Y branch
Y分岐光導波路10Aでは、分岐角θが1.6°〜2.0°で、入力導波路の幅が4μm〜6μmのときに、先端面13aの幅d2を2μm〜4μm、側面13bの長さL2を10μm〜200μmとする。Y分岐光導波路10Aでも、入力導波路11に入射させる光の波長としては、1.50μm〜1.60μmが好適である。
In the Y branch
上述した構造を有するY分岐光導波路10,10Aについて、比屈折率差(Δ)が0.476%の場合の二次元ビーム伝播法(BPM;beam propagation method)による計算を行った。この計算は二次元スラブ導波路計算であるが、3次元の光導波路の光分岐特性を良好に再現する。
For the Y-branch
0.476%という比屈折率差(Δ)は通常の矩形導波路の比屈折率差のレベルの数値である。BPM計算には、BPM計算用ソフトであるOptiwave社のOptiBPMを用いた。計算パラメータの設定では、入力導波路11の幅D=5μm、コア部の屈折率n1=1.467、クラッド部の屈折率n2=1.460として、シングルモードの二次元スラブ導波路を設定した。また、分岐角θは、1.8°および5.0°とした。入射光はTE偏光(すなわち、電気ベクトルの方向は紙面に垂直)とし、その波長は1.55μmとした。
The relative refractive index difference (Δ) of 0.476% is a numerical value of the level of the relative refractive index difference of a normal rectangular waveguide. For the BPM calculation, OptiBPM manufactured by Optiwave, which is BPM calculation software, was used. In setting the calculation parameters, the width D of the
分岐導波路12a,12bの幅は、図1のように入力導波路11と分岐導波路12a,12bを設定すると、厳密には分岐前の入力導波路11の幅よりも狭くなるが、分岐角θが小さいことから、近似的に、入力導波路11の幅Dと同じとした。
If the
このような条件の下に、BPM計算では、分岐先端部13の先端面13aの幅d1,d2と、側面13bの長さL1,L2を種々に変えた計算モデルを設定した。また、比較のために、図4Aに示した構造のY分岐光導波路90(参考例1,2;幅d1=0μm、長さL1=0μm)、図4Bに示す構造のY分岐光導波路90A(比較例1〜3,5;長さL1=0μm)についても同様の計算を行った。なお、この計算結果は全ての計算モデルにおいて、図1,図2に示したようにY字に分岐した分岐導波路12a,12bそれぞれのX方向に平行となっている部分での値である。
Under such conditions, in the BPM calculation, calculation models were set in which the widths d 1 and d 2 of the
その結果を表1に示す。この表1中の「分岐効率」は、入力導波路11に入射するシングルモードの伝播光のパワーに対して分岐導波路12a,12bに分岐されてシングルモード伝播する光のパワーの比率を示す。分岐導波路12a,12bの構造が同じであれば、これら分岐導波路12a,12bの分岐効率も同じであり、理想的には損失無しの場合に0.5(50%)となる。今回の設定では、分岐導波路12a,12bは同じ構造としている。
The results are shown in Table 1. The “branching efficiency” in Table 1 indicates the ratio of the power of the light that is branched into the branching
また「効率向上割合」は、入力・分岐導波路幅,先端幅,分岐角が同じときの、比較例1〜3,5それぞれの分岐効率に対する各計算モデルの分岐効率の比で表される。
この表1に示されるように、図4Aに示す構造を有するY分岐光導波路90は、参考例1,2の結果に示されるように、分岐角θが1.8°,5.0°のいずれの場合でも、分岐角θが同じ他の計算モデルと比較して大きな分岐効率を示していることがわかる。しかしながら、先に説明した通り、Y分岐光導波路90の製造が容易ではない。
As shown in Table 1, the Y-branch
比較例1と実施例1との比較から明らかなように、分岐角θが1.8°で、分岐先端部13の幅が3μm(=d2)の場合、実施例1(Y分岐光導波路10A)の分岐効率は、比較例1(Y分岐光導波路90A)に対して、僅かではあるが向上する。
As is clear from the comparison between Comparative Example 1 and Example 1, when the branch angle θ is 1.8 ° and the width of the
比較例2と実施例2とを比較すると、分岐角θが1.8°で、分岐先端部13の幅が10μm(=d1)の場合には、実施例2(Y分岐光導波路10)の分岐効率は、比較例2(Y分岐光導波路90A)の1.54倍に向上する。
Comparing Comparative Example 2 and Example 2, when the branch angle θ is 1.8 ° and the width of the
比較例3(Y分岐光導波路90A)は比較例1に対して分岐角θを5°とした構造を有しており、一方、比較例4は、実施例1に対して分岐角θを5°とし、階段状の分岐先端部を有する構造を有するが、比較例3よりも分岐効率が低下している。これは、分岐角θが大きくなると、階段状の分岐先端部が有する底面の面積が大きくなるために、放射モードが増えることによるものと推測される。
Comparative Example 3 (Y-branch
比較例5(Y分岐光導波路90A)に対する実施例3〜5(Y分岐光導波路10)の効率向上割合から明らかなように、分岐先端部を階段状とすることにより、分岐効率は最大で約1.9倍も向上することが確認された。実施例3〜5は、分岐角θが5°でありながら、分岐角θが1.8°の比較例2よりも大きな分岐効率が得られるという優れた特性を示していることがわかる。また、特に実施例4は、参考例2に近い高い分岐効率を示している。
As is apparent from the efficiency improvement ratios of Examples 3 to 5 (Y branch optical waveguide 10) with respect to Comparative Example 5 (Y branch
上述の通り、分岐先端部の階段化は、先端が平坦な分岐構造を有する構造と比較すると、分岐角θが1.8°と小さい場合のみならず、分岐角θが5°と大きい場合にも効果的であることがわかる。 As described above, the step of the branch tip is not only when the branch angle θ is as small as 1.8 ° but also when the branch angle θ is as large as 5 ° as compared with the structure having a branch structure with a flat tip. Is also effective.
本発明は上述した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した発明の範囲内で種々の変形が可能である。 The present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications can be made within the scope of the invention described in the claims.
例えば、Y分岐光導波路を構成する入力導波路と分岐導波路は、図1,図2に示すような直線的なものに限定されるものではない。具体的には、図3Aの平面図に示すY分岐光導波路10Bのように、入力導波路11の終端部分の幅が拡がった構造を有する構造においても、分岐導波路12a,12bによって形成される分岐先端部13を階段状にすることができる。また、図3Bの平面図に示すY分岐光導波路10Cのように、分岐導波路12a,12bが曲線状であっても、その分岐先端部13を階段状にすることができる。
For example, the input waveguide and the branch waveguide constituting the Y branch optical waveguide are not limited to linear ones as shown in FIGS. Specifically, even in a structure having a structure in which the end portion of the
また、分岐先端部13は複数段の階段状であってもよい。例えば、図1に示したY分岐光導波路10の分岐先端部13を複数段の階段状に変形させる場合には、底面13cの内側壁14a,14b側端からそれぞれX方向と平行な別の側面を形成し、さらにその側面と直交する別の底面を形成すればよく、これと同様にしてさらに段数を増やしてもよい。
Further, the
10,10A,10B,10C…Y分岐光導波路、11…入力導波路、12a,12b…分岐導波路、13…分岐先端部、13a…先端面、13b…側面、13c…底面、14a,14b…内側壁、15…三角状部、90,90A,90B…Y分岐光導波路、91…入力導波路、92a,92b…分岐導波路、93,94,95…分岐先端部、95a…突起。 10, 10A, 10B, 10C ... Y branch optical waveguide, 11 ... input waveguide, 12a, 12b ... branch waveguide, 13 ... branch tip, 13a ... tip surface, 13b ... side surface, 13c ... bottom surface, 14a, 14b ... Inner side wall, 15 ... triangular part, 90, 90A, 90B ... Y branch optical waveguide, 91 ... input waveguide, 92a, 92b ... branch waveguide, 93,94,95 ... branch tip, 95a ... projection.
Claims (4)
前記2本の分岐導波路によって挟まれた分岐先端部は、前記入力導波路の長手方向に垂直な先端面と、該先端面と直交する側面と、該側面と直交する底面とを備えた階段状に形成され、
前記先端面の幅が前記入力導波路の幅よりも広いことを特徴とするY分岐光導波路。 A Y-branch optical waveguide that splits light propagating through one input waveguide in two directions by two branch waveguides when the three-dimensional optical waveguide is viewed as a two-dimensional slab waveguide,
A branch tip portion sandwiched between the two branch waveguides has a staircase having a tip surface perpendicular to the longitudinal direction of the input waveguide, a side surface orthogonal to the tip surface, and a bottom surface orthogonal to the side surface. Formed into a shape,
A Y-branch optical waveguide characterized in that a width of the front end face is wider than a width of the input waveguide.
前記2本の分岐導波路によって挟まれた分岐先端部は、前記入力導波路の長手方向に垂直な先端面と、該先端面と直交する側面と、該側面と直交する底面とを備えた階段状に形成され、
前記入力導波路の幅は4μm〜6μm、前記先端面の幅は2μm〜4μm、前記側面の長さが10μm〜200μm、前記2本の分岐導波路の分岐角は1.6度〜2.0度であることを特徴とするY分岐光導波路。 A Y-branch optical waveguide that splits light propagating through one input waveguide in two directions by two branch waveguides when the three-dimensional optical waveguide is viewed as a two-dimensional slab waveguide,
A branch tip portion sandwiched between the two branch waveguides has a staircase having a tip surface perpendicular to the longitudinal direction of the input waveguide, a side surface orthogonal to the tip surface, and a bottom surface orthogonal to the side surface. Formed into a shape,
The input waveguide has a width of 4 μm to 6 μm, the tip surface has a width of 2 μm to 4 μm, the side surface has a length of 10 μm to 200 μm, and the branch angle of the two branch waveguides is 1.6 ° to 2.0 °. A Y-branch optical waveguide characterized in that
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