JP2007322886A - 光導波路デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】ミラーからの反射光をアレイ導波路に入力する場合に、ミラーの角度や位置ずれに対するアテネーション（透過率）の精度の厳しさを緩和する光導波路デバイスを提供する。
【解決手段】アレイ導波路２から空間に出射した光をＭＥＭＳの可動するミラー３で反射させてアレイ導波路２に再び入射させる光導波路デバイス１において、上記アレイ導波路２の入射端部の各導波路にモードフィールドを拡大させるモードフィールド拡大部４を形成することによって、アレイ導波路２の入射端部の各導波路への入射光のトレランスを大きくする。
【選択図】図１

Description

本発明は、アテネーションの精度の厳しさを緩和する光導波路デバイスに関する。

波長多重通信の用途拡大に伴い、伝送容量拡大のため、種々の光部品が検討・実用化されている。通信ルートごとの情報量変化に対して柔軟に対応するため、伝送路の中で所望の信号を分岐・挿入するためのデバイスは、最も重要な光部品のひとつとなっている。なかでも、波長選択スイッチは、多重化された信号光のうちの任意の信号（光波長により選択）を任意のポートへ分岐（Ｄｒｏｐ）・挿入（Ａｄｄ）できるデバイスであり、ＲＯＡＤＭ（Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｄｄ Ｄｒｏｐ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）システム構築のために欠かせないデバイスである。

波長選択スイッチには、従来、空間結合型、導波路型が知られている。空間結合型は、空間回折格子、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）ミラー、レンズなどを用いて空間に光を通すものであり、光学特性に優れる反面、アセンブリが複雑である。一方、導波路型は、ウエハ（又は基板）上に光回路を形成するのでアセンブリは簡単であるが、光学特性で劣る。また、光回路が複雑になるため、ウエハの製造歩留まりにも問題がある。

これらの矛盾する問題を解決する方法として、回折格子に導波路型の部材（以下、導波路素子という）を用い、スイッチングをＭＥＭＳミラーにより行うデバイスが検討されている。回折格子に導波路素子を用いることで、波長合分波を空間結合調心なしに実現できるため、組み立ての手間が省略でき、さらに、導波路素子内に波長合分波回路を複数個集積することにより、さらなる組み立て工数の低減と小型化が可能となる。

図８に、従来の導波路素子とＭＥＭＳミラーとを組み合わせた波長選択スイッチ８１を示す。この波長選択スイッチ８１は、外部から入力された波長多重信号を導く入力導波路６、その波長多重信号を回折させるスラブ導波路７、波長の異なる信号ごとに位相差を与えるアレイ導波路２からなる導波路素子５と、コリメータ８と、レンズ９と、ＭＥＭＳミラー３とを備える。入力導波路６、スラブ導波路７、アレイ導波路２はそれぞれ複数個あって、入力導波路６、スラブ導波路７、アレイ導波路２がそれぞれ１個ずつで組をなしている。

コリメータはシリンドリカルに形成され、導波路素子の厚み方向のコリメーションを行うものである。レンズは、集光レンズであり、１つのアレイ導波路中の複数本の導波路から出射される光からなる１つの光束を集光すると共に、複数個のアレイ導波路から出射される複数の光束を集光するものである。

ＭＥＭＳミラー３は複数個を導波路素子の端面の横幅方向に並べてアレイ化されており、１つのアレイ導波路から出射される１つの光束はＭＥＭＳミラーアレイ中の１つのＭＥＭＳミラー３に入射してまとめて同じ方向に反射されるようになっている。

動作を説明すると、導波路素子５の外部から入力導波路６に入射した波長多重信号は、スラブ導波路７で回折し、アレイ導波路２に導かれる。このとき、アレイ導波路２では、個々の導波路ごとに、あらかじめ定めた導波路長差ΔＬが形成されているため、アレイ導波路２の出射端にて波長ごとに位相差がつく。

この位相差のため、コリメータ８、レンズ９を透過して集光される光は波長により集光位置が異なる。この集光する位置にＭＥＭＳミラー３が配置されているので、ミラー角度により反射方向を制御することにより、導波路素子５内の所望のアレイ導波路２から出射した光をそれと同じか別の所望のアレイ導波路２に導くスイッチングが可能となる。

さらに、この波長選択スイッチ８１は、アレイ導波路２と空間との光結合部分で損失が増加するように、ＭＥＭＳミラー２の角度（あるいは位置）を意図的にずらして、ダイナミックに透過率（以下、アテネーションという）を調整することも可能である。

特開２００４−２３９９９１号公報 米国特許出願公開２００４／０２５８３５１ Ａ１号明細書

前述の導波路素子５とＭＥＭＳミラー３とを組み合わせた波長選択スイッチ８１においては、導波路素子５を出射してＭＥＭＳミラー３で反射した光が再び導波路素子５に入射する。このとき、導波路端におけるスポットサイズ（導波路の断面の大きさ）が小さいと、意図しない位置ずれが影響しやすくなるため、意図的にＭＥＭＳミラー３の位置ずれを生じさせることで実現しているアテネーションの精度が厳しくなってしまうという問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、アテネーションの精度の厳しさを緩和する光導波路デバイスを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、アレイ導波路から空間に出射した光をミラーで反射させてアレイ導波路に入射させる光導波路デバイスにおいて、上記アレイ導波路に各導波路のモードフィールドを拡大させるモードフィールド拡大部を形成したものである。

上記モードフィールド拡大部は、屈折率が各導波路のクラッドよりも大きく、コアと同じかそれよりも小さい部材をコアに隣接配置して形成してもよい。

上記モードフィールド拡大部は、上記アレイ導波路端に近いほど寸法を拡大させて形成してもよい。

上記モードフィールド拡大部は、各導波路のコアに対し、そのコアの高さ方向に配置してもよい。

上記モードフィールド拡大部は、各導波路のコアに対し、上記アレイ導波路における導波路の並び方向に配置してもよい。

上記モードフィールド拡大部は、各導波路のコアを一括に覆う層として形成してもよい。

また、本発明は、基板上に、外部から入力された波長多重信号を導く入力導波路と、その波長多重信号を回折させるスラブ導波路と、波長の異なる信号ごとに位相差を与えるアレイ導波路とを連結してなる波長合分波回路を複数個集積化し、そのアレイ導波路の端面に臨ませて上記基板の厚み方向のコリメーションを行うコリメータを配置し、そのコリメータの外側に臨ませて該コリメータを透過した光を集光するレンズを配置し、そのレンズの集光位置に該レンズ及び上記コリメータを介していずれかのアレイ導波路に向けて光を反射させるミラーを配置し、各アレイ導波路に各導波路のモードフィールドを拡大させるモードフィールド拡大部を形成したものである。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）アテネーションの精度の厳しさを緩和することができる。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１（ａ）〜図１（ｃ）に示されるように、本発明に係る光導波路デバイス１は、アレイ導波路２から空間に出射した光をミラー３で反射させてアレイ導波路２に入射させる光導波路デバイス１において、上記アレイ導波路２に各導波路のモードフィールドを拡大させるモードフィールド拡大部４を形成したものである。モードフィールド拡大部４は、アレイ導波路２の端面に露出していることが望ましい。

この実施形態では、光導波路デバイス１は波長選択スイッチを構成する。すなわち、アレイ導波路２が形成されている導波路素子５に、外部から入力された波長多重信号を導く入力導波路６、その波長多重信号を回折させるスラブ導波路７、波長の異なる信号ごとに位相差を与えるアレイ導波路２を形成し、そのアレイ導波路２の端面に臨ませて導波路素子５の厚み方向のコリメーションを行うコリメータ８を配置し、コリメータ８の外側に臨ませてコリメータ８を透過した光を集光するレンズ９を配置し、その集光位置にダイナミックにアテネーションを調整するためのミラー３を配置してある。ミラー３は、ＭＥＭＳミラーであり、互いに独立して可動な複数のミラー３をコリメータ８の長手方向と平行に並べてある。

導波路素子５は、１つの基板１０上に、入力導波路６、スラブ導波路７、アレイ導波路２を１個ずつ連結してなる波長合分波回路を５個、集積化して形成したものである。この個数は何個でも本発明を適用できる。

導波路素子５は、入力導波路６の断面（図１（ｂ））で見ると、基板１０上に、その基板１０を一面的に覆うバッファ層１１を形成し、そのバッファ層１１の上に屈折率が大きいコア１２を形成し、そのコア１２を屈折率が小さいクラッド１３で覆ったものである。この屈折率の違いにより、コア１２は導波路の機能を持つ。クラッド１３は、コア１２が複数本並んでいる場合はコア１２間も埋めることにより、複数のコア１２を一括して覆うクラッド層として形成される。

しかし、本発明では、アレイ導波路２の断面（図１（ｃ））に見られるように、モードフィールド拡大部４が形成されている。モードフィールド拡大部４は、屈折率が各導波路のクラッド１３よりも大きく、コア１２と同じかそれよりも小さい部材からなり、コア１２の周囲に配置されることにより、コア１２単体によるモードフィールドがモードフィールド拡大部４のほうへ拡大されるようにするものである。

この実施形態では、モードフィールド拡大部４は、各導波路のコア１２に対し、アレイ導波路２におけるコア１２の高さ方向、つまり基板１０の厚み方向に配置されている。また、モードフィールド拡大部４は、各導波路のコア１２に対し、アレイ導波路２における導波路の並び方向、つまり基板１０の面と並行方向にも配置されている。この結果、モードフィールド拡大部４は、コア１２の上面と両側面を覆う。隣接するコア１２の側面を覆う部分同士が繋がって一体となることにより、モードフィールド拡大部４は、各導波路のコア１２を一括に覆うモードフィールド拡大層１４として形成されている。さらに、このモードフィールド拡大層１４は、各導波路のコア１２を一括して平坦に覆うことにより、上面が一平面の層としてもよいが、ここでは、モードフィールド拡大層１４にコア１２間を分けるＶ溝１５を設けてある。

図２に、図１の光導波路デバイス１をアレイ導波路２の端面近傍においてコア１２の長手方向に沿って切った断面と、各長手方向位置でのモードフィールドとを示す。また、図２にアレイ導波路２の端面を見た斜視図（透視イメージ）を示す。

図示のように、モードフィールド拡大部４は、アレイ導波路２端面に近いほど寸法を拡大させて形成されている。アレイ導波路２の端面から最も遠いＣ１点ではコア１２の上面及び両側面にモードフィールド拡大部４が存在せず、アレイ導波路２の端面に少し近づいたＣ２点ではコア１２の上面及び両側面にモードフィールド拡大部４が薄く形成され、アレイ導波路２の端面に最も近いＣ３点では、コア１２の上面及び両側面にモードフィールド拡大部４が厚く形成されるために、コア１２間のモードフィールド拡大部４同士が繋がって前述のＶ溝１５を有するモードフィールド拡大層１４となっている。Ｃ２点の近傍では、モードフィールド拡大部４は、アレイ導波路２の端面に近づくにつれてテーパ状に寸法が拡大されている。

図１の光導波路デバイス１における波長選択スイッチとしての基本的動作は、従来技術で説明した通りである。

しかし、本発明の光導波路デバイス１では、アレイ導波路２の端面近傍において、モードフィールド拡大部４の存在により、モードフィールドが拡大する。コア１２の上面及び両側面にモードフィールド拡大部４が形成されているため、モードフィールドの拡大は基板１０の上下方向と左右方向の両方向に生じる。これにより、導波路素子５のアレイ導波路２の端面から出射してミラー３で反射した光が再び導波路素子５のアレイ導波路２の端面に入射するとき、スポットサイズ（導波路の断面の大きさ）が実質的に大きくなり、意図しない位置ずれが影響しにくくなる。よって、意図的にミラー３の位置ずれを生じさせることで実現しているアテネーションの精度は守りやすくなる。なお、アテネーションの目的でミラー３に生じさせる位置ずれは、主に上下方向である。

従来、アテネーションを行う場合には、アテネーションの精度が重要であったが、本発明ではモードフィールドを拡大させたことにより、位置ずれ（ミラー３の角度または位置のずれ）に対するトレランスが大きくなり、アテネーションの精度の厳しさを緩和することができる。

図４に、モードフィールドをパラメータとしたときの位置ずれ損失（位置ずれトレランス）を示す。

一般的に、本構造の導波路素子には比屈折率Δ０．８％、コア高さ６μｍ程度の構造パラメータが用いられるが、このときのモードフィールド半径は３〜４μｍである。そこで、図４のモードフィールド半径３μｍのケースを参照すると、±１μｍの位置ずれは±３ｄＢのアテネーション誤差を招くことが分かる。本発明によって、モードフィールド半径を４μｍを超えて拡大させるものとし、図４のモードフィールド半径６μｍのケースを参照すると、±１μｍの位置ずれがあっても±１ｄＢのアテネーション誤差しか生じないことが分かる。

次に、本発明の他の実施形態を説明する。

図５に示したモードフィールド拡大部５１は、各導波路のコア１２を一括に覆うモードフィールド拡大層５２として形成される。このモードフィールド拡大層５２は、各導波路のコア１２を一括して平坦に覆うことにより、上面が一平面の層となっている。

図６（ａ）に示されるように、この光導波路デバイス６１は、直線アレイ導波路の代わりにスラブ導波路６２が設けられている。

また、図６（ｂ）に示されるように、この光導波路デバイス６１のコア６３は、図１のコア２ようなリッジ導波路ではなく、断面形状が基板１０に沿って扁平なスラブ導波路である。この場合も、コア６３の高さ方向にモードフィールド拡大部６４を設け、あるいは複数のコア６４を一括に覆うモードフィールド拡大層６５を形成することで、本発明の効果を得られる。

次に、本発明の光導波路デバイス１，６１の製造方法を説明する。

図７（ａ）に示されるように、基板１０の上にバッファ層１１を形成する。次いで、図７（ｂ）に示されるように、コア１２を形成する。次に、図７（ｃ）に示されるように、コア１２の一部の上部に被さるように堆積防御板（またはマスク）７１を配置し、モードフィールド拡大部４（またはモードフィールド拡大層１４）を堆積させる。堆積防御板７１を配置したことにより、所望の箇所のみへの堆積が可能となる。また、このときの堆積物の回り込みにより、上下（基板の厚み）方向に光学分野におけるいわゆる断熱（ａｄｉａｂａｔｉｃ）構造を持つ構成が可能となる。すなわち、伝搬光の基本モードがモードフィールド径の拡大に伴い、他のモードに結合しない構造となる。その後、図７（ｄ）に示されるように、最上部をクラッド１３で覆う。

なお、一般に、モードフィールド径は、比屈折率Δを大きくしていくに従い、小さくなる。本発明は、比屈折率Δを大きくし、小型化・高集積化を図る場合に特に有効である。

本発明の一実施形態を示す光導波路デバイスの図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ線に沿った断面図、（ｃ）はＢ線に沿った断面図である。 図１の光導波路デバイスのアレイ導波路の端面近傍におけるコアの長手方向に沿った断面図である。 図１の光導波路デバイスのアレイ導波路の端面近傍における斜視図である。 位置ずれに対する位置ずれ損失の特性図である。 本発明の他の実施形態を示す光導波路デバイスを導波路の並び方向で切った断面図である。 本発明の他の実施形態を示す光導波路デバイスの図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＤ線に沿った断面図である。 本発明の光導波路デバイスの製造工程を示す断面図である。 従来の光導波路デバイスの図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＥ線に沿った断面図、（ｃ）はＦ線に沿った断面図である。

符号の説明

１，６１ 光導波路デバイス
２ アレイ導波路
３ ミラー
４，５１，６４ モードフィールド拡大部
５ 導波路素子
６ 入力導波路
７ スラブ導波路
８ コリメータ
９ レンズ
１０ 基板
１２ コア
１３ クラッド
１４，５２，６５ モードフィールド拡大層
１５ Ｖ溝

Claims (7)

1. アレイ導波路から空間に出射した光をミラーで反射させてアレイ導波路に入射させる光導波路デバイスにおいて、上記アレイ導波路に各導波路のモードフィールドを拡大させるモードフィールド拡大部を形成したことを特徴とする光導波路デバイス。
2. 上記モードフィールド拡大部は、屈折率が各導波路のクラッドよりも大きく、コアと同じかそれよりも小さい部材をコアに隣接配置して形成したことを特徴とする請求項１記載の光導波路デバイス。
3. 上記モードフィールド拡大部は、上記アレイ導波路端に近いほど寸法を拡大させて形成したことを特徴とする請求項１又は２記載の光導波路デバイス。
4. 上記モードフィールド拡大部は、各導波路のコアに対し、そのコアの高さ方向に配置したことを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の光導波路デバイス。
5. 上記モードフィールド拡大部は、各導波路のコアに対し、上記アレイ導波路における導波路の並び方向に配置したことを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の光導波路デバイス。
6. 上記モードフィールド拡大部は、各導波路のコアを一括に覆う層として形成したことを特徴とする請求項１〜５いずれか記載の光導波路デバイス。
7. 基板上に、外部から入力された波長多重信号を導く入力導波路と、その波長多重信号を回折させるスラブ導波路と、波長の異なる信号ごとに位相差を与えるアレイ導波路とを連結してなる波長合分波回路を複数個集積化し、そのアレイ導波路の端面に臨ませて上記基板の厚み方向のコリメーションを行うコリメータを配置し、そのコリメータの外側に臨ませて該コリメータを透過した光を集光するレンズを配置し、そのレンズの集光位置に該レンズ及び上記コリメータを介していずれかのアレイ導波路に向けて光を反射させるミラーを配置し、各アレイ導波路に各導波路のモードフィールドを拡大させるモードフィールド拡大部を形成したことを特徴とする光導波路デバイス。
   

Images