JP2010032921A - 平面光導波回路 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ＭＺＩから漏れた漏洩光のタップ用カプラへの進入を防ぎ、タップ率の変動を低減することを目的とする。
【解決手段】本発明に係る平面光導波回路は、クラッド層と、クラッド層に埋め込まれたコアを有する光導波路と、クラッド層に形成され、光導波路からクラッド層へ漏れた漏洩光を全反射する反射界面３１を有する溝１５と、を備えることを特徴とする。漏洩光を全反射する反射界面３１をクラッド層に形成することで、漏洩光のタップ用カプラ１４への進入を防ぎ、タップ率の変動を低減することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信システムに用いられる光デバイスに関し、特に、基板上にクラッド層と、クラッド層に埋め込まれたコアによって形成された光導波路で構成される平面光導波回路に関するものである。

光通信システムに用いられる光デバイスとして、光スイッチなどの光回路を搭載した平面光導波回路が用いられている（例えば、特許文献１及び非特許文献１参照。）。平面光導波回路を用いて構成される光通信システムノードの１つに波長多重信号を用いた光分岐挿入多重（ＲＯＡＤＭ：Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｄｄ Ｄｒｏｐ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）方式がある。この方式は、ノード内において任意のＷＤＭチャネル信号のみについて下層ネットワークとの間で受け渡しを行った後に、全ての信号を隣接するノードへ伝送する機能を有し、主にリングネットワークを構成する方式として用いられる。この機能を実現するために、１つのモジュール内に平面光導波回路を集積した高機能光デバイスが提案されている。

図１０は、従来の平面光導波回路の一例を示す。光回路を構成するＭＺＩ（Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）５１から出力された光は２つに分岐され、一方はタップ用カプラ５２に入力される。タップ用カプラ５２に入力された光は２つに分岐され、一方は光出力として出力端５３ａから出力され、他方はモニタ用として出力端５３ｂから出力される。出力端５３ｂからの光はモニタ用ＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）で光強度が検出される。従来の平面光導波回路では、平面光導波回路の集積度を上げるために、ＭＺＩ５１とタップ用カプラ５２は、略同一直線上に並べられていた。
特許３７５５７６２号公報 Ｙ．Ｈａｓｈｉｚｕｍｅ，ｅｔ．ａｌ．，"Ｃｏｍｐａｃｔ ３２−ｃｈａｎｎｅｌ ２×２ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｗｉｔｃｈ ａｒｒａｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＬＣ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ＯＡＤＭ ｓｙｓｔｅｍｓ"，ＥＣＯＣ２００３，Ｍ０３−５−４

従来は、タップ用カプラがＭＺＩと略同一直線上に並べられるので、ＭＺＩのコアからクラッド層へ漏れた漏洩光がタップ用カプラに入り込み、タップ率を変動させていた。

そこで、本発明は、ＭＺＩから漏れた漏洩光のタップ用カプラへの進入を防ぎ、タップ率の変動を低減することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る平面光導波回路は、クラッド層と、前記クラッド層に埋め込まれたコアを有する光導波路と、前記クラッド層に形成され、前記光導波路から前記クラッド層へ漏れた漏洩光を全反射する反射界面を有する溝と、を備えることを特徴とする。
漏洩光を全反射する反射界面をクラッド層に形成することで、漏洩光のタップ用カプラへの進入を防ぎ、タップ率の変動を低減することができる。

本発明に係る平面光導波回路では、タップ用カプラを備え、前記反射界面が、前記タップ用カプラへ伝搬する前記漏洩光を全反射することが好ましい。
反射界面がタップ用カプラに伝搬する漏洩光を全反射するので、漏洩光のタップ用カプラへの進入を防ぎ、タップ率の変動を低減することができる。

本発明に係る平面光導波回路では、前記溝を複数備え、各々の前記溝は、他の前記溝における前記反射界面から反射された漏洩光が入射される入射界面と、前記入射界面から前記溝に入射した前記漏洩光を前記クラッド層に出射させる出射界面と、を備え、前記出射界面は、前記タップ用カプラの軸方向に対して４５°以上の角度で前記漏洩光を出射させることが好ましい。
反射界面で反射させた漏洩光が隣接するチャンネルのタップ用カプラへ進入する場合がある。そこで、隣接する溝で反射された漏洩光を一旦溝に取り込む入射界面を設ける。そして、他のタップ用カプラへ進入しない角度で出射界面から出射する。これにより、漏洩光が他のチャンネルのタップ用カプラに進入しにくい構造とすることができる。

本発明に係る平面光導波回路では、前記溝を複数備え、各々の前記溝は、他の前記溝における前記反射界面から反射された漏洩光が入射される入射界面と、前記入射界面から前記溝に入射した前記漏洩光を前記クラッド層に出射させる出射界面と、を備え、前記入射界面が前記軸方向と略平行であり、前記入射界面と前記反射界面の角度が３０°であり、前記反射界面と前記出射界面の角度が１２０°であることが好ましい。
反射界面で反射させた漏洩光が隣接するチャンネルのタップ用カプラへ進入する場合がある。そこで、隣接する溝で反射された漏洩光を一旦溝に取り込む入射界面を設ける。そして、入射界面に対する反射界面及び出射界面の角度を３０°とする。これにより、漏洩光が他のチャンネルのタップ用カプラに進入しにくい構造とすることができる。

本発明に係る平面光導波回路では、前記反射界面の法線に対する前記タップ用カプラの軸方向の角度は、前記反射界面の臨界角以上９０°以下であることが好ましい。
タップ用カプラの軸方向からタップ用カプラに入射する漏洩光を反射界面で全反射させることができる。

本発明に係る平面光導波回路は、クラッド層と、前記クラッド層に埋め込まれたコアを有する光導波路と、前記クラッド層に形成された溝と、タップ用カプラと、を備え、前記溝の第１の界面の法線に対する前記タップ用カプラの軸方向の角度θが臨界角以上であることを特徴とする。
本発明により、タップ用カプラへ浅い角度で入射する漏洩光のタップ用カプラへの進入を防ぎ、タップ率の変動を低減することができる。

本発明に係る平面光導波回路では、前記溝が複数配置され、前記溝が第２の界面及び第３の界面を有し、前記第２の界面が前記軸方向と略平行であり、前記第３の界面と前記第１の界面のなす角度（θ＋θ_ｒ）が数１を満たすことが好ましい。
反射界面で反射させた漏洩光が隣接するチャンネルのタップ用カプラへ進入する場合がある。そこで、隣接する溝で反射された漏洩光を一旦溝に取り込む第２の界面を設ける。そして、他のタップ用カプラへ進入しない角度で第３の界面から出射する。これにより、漏洩光が他のチャンネルのタップ用カプラに進入しにくい構造とすることができる。

本発明に係る平面光導波回路では、前記溝は、前記溝内に入射した漏洩光の光強度を減衰させる遮光材を備えることが好ましい。
反射界面や入射界面から入射した漏洩光の光強度を減衰させることができる。

本発明によれば、光回路から漏れた漏洩光のタップ用カプラへの進入を防ぎ、タップ率の変動を低減することができる。

添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に説明する実施の形態は本発明の構成の例であり、本発明は、以下の実施の形態に制限されるものではない。

図１は、本実施形態に係る平面光導波回路の構成概略図である。本実施形態に係る平面光導波回路は、基板１１と、光回路としてのＭＺＩ１２と、出力端１３ａ及び１３ｂと、タップ用カプラ１４と、反射溝１５と、を備え、ＭＺＩ１２及びタップ用カプラ１４は、光導波路で接続されている。

平面光導波回路は、例えば以下の工程で作製される。厚さ１ｍｍ、直径６ｉｎのシリコン基板上に石英系ガラスによって形成されるクラッド層及び埋め込み型コアを有する単一モード光導波路を、ＳｉＣＬ_４やＧｅＣｌ_４などの原料ガスの火炎加水分解反応を利用した石英系ガラス膜の堆積技術と反応性イオンエッチング技術の組み合わせにより作製し、薄膜ヒータ及び給電のための電極をクラッド層の表面上に真空蒸着及びパターン化によって作製した。作製した光導波路の通常のコア寸法は７μｍ×７μｍであり、クラッド層との比屈折率差Δは０．７５とした。

出力端１３ａ及び１３ｂは、ＭＺＩ１２のコアを伝搬した光を出力する。タップ用カプラ１４は、ＭＺＩ１２のコアを伝搬した光の分岐比を調整して、出力端１３ａ及び１３ｂから出力する信号レベルを調整する。タップ用カプラ１４は、例えば、波長無依存カプラ（ＷＩＮＣ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ＩＮｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｃｏｕｐｌｅｒ）である。出力端１３ａ及び１３ｂはそれぞれＡＷＧ及びＰＤに接続される。

反射溝１５は、ＭＺＩ１２とタップ用カプラ１４の間を充填するクラッド層に、ＭＺＩ１２のコアからクラッド層へ漏れた漏洩光を反射する反射界面３１を形成する。反射溝１５とクラッド層の境界のうち、ＭＺＩ１２側に面する境界面が第１の界面である反射界面３１となる。

図２は、Ａ−Ａ’断面の一例である。基板２３上にクラッド層２２及びコア２１が積層されている。反射溝１５は、コア２１よりも深い位置までクラッド層２２が除去されることで形成されている。例えば、クラッド層２２の高さＨＡが約６０μｍ、基板２３からコア２１の中心までの高さＨＢが４６μｍであれば、反射溝１５の深さＨＣは、５２μｍである。反射界面３１は表面が滑らかであることが好ましい。そのため、クラッド層２２の除去はドライエッチングで行うことが好ましい。

図３は、反射溝の一例を示す模式図である。反射溝１５が反射界面３１を有し、反射界面３１への漏洩光の入射角θは、反射界面３１の臨界角以上となっている。例えば、反射界面３１の法線に対するタップ用カプラ１４の軸方向Ｄの角度θが反射界面３１の臨界角以上となっている。反射溝１５とクラッド層の媒質が空気とガラスであれば屈折率はそれぞれ１．００と１．４６であるので、スネルの法則より反射界面３１の臨界角は４３°となる。そのため、反射界面３１への入射角θが４３°以上９０°以下であれば、漏洩光は全反射し、タップ用カプラ１４でのタップ率を変動させる漏洩光がタップ用カプラ１４に入射することを防ぐことができる。

図４は、平面光導波回路が複数チャンネルのＭＺＩとタップ用カプラを備え、各チャンネルに反射溝を備えるときの光路の説明図である。この場合、反射した漏洩光が他の反射溝に入射し、光路が変わる場合がある。各々の反射溝１５ａ及び１５ｂは、反射界面３１と、第２の界面である方向Ｄに平行な入射界面３２と、第３の界面である出射界面３３と、を備える。方向Ｄに対する反射界面３１と出射界面３３の傾斜角は、それぞれ（９０°−θ）と（９０°−θ_ｒ）とする。このとき、漏洩光が反射溝１５ａの反射界面３１に入射角θで入射される。他の反射溝１５ｂにおける反射界面３１から反射された漏洩光は、反射溝１５ｂに備わる入射界面３２に入射角θ−（９０°−θ）で入射される。入射界面３２から反射溝１５ｂに入射した漏洩光は、反射溝１５ｂに備わる出射界面３３からクラッド層に出射される。

タップ用カプラに浅い角度で入射する漏洩光が問題になることから、方向Ｄに対する漏洩光の出射角φは、４５°以上であることが好ましい。そのため、入射界面３２が軸方向と略平行であり、出射界面３３と反射界面３１のなす角（θ＋θ_ｒ）が出射角φが４５°以上である条件下における数１を満たすことが好ましい。漏洩光の方向Ｄに対する出射角φは、クラッド層の屈折率をｎ_１、反射溝１５の屈折率をｎ_２とすると、次式で表される。

この式を用いて、入射角θ、角度θ_ｒ及び出射角φの好ましい範囲を評価した。図５に、評価の一例を示す。入射角θは、反射界面で漏洩光が全反射する４３°以上９０°以下とした。例えば、入射角θ及び角度θ_ｒが６０°とすれば、出射角φは４８．５°となるので、タップ用カプラへの影響を防ぐことができる。

図６は、平面光導波回路が複数チャンネルのＭＺＩとタップ用カプラを備え、各チャンネルに反射溝を備えるときの光路の具体例である。各反射溝１５は、入射界面３２がタップ用カプラの軸方向Ｄと略平行であり、入射界面３２と反射界面３１の角度が３０°であり、反射界面３１と出射界面３３の角度が１２０°である。入射界面３２を底辺、反射界面と出射界面を斜辺とする頂角が１２０°の二等辺三角形とすることで、各反射溝１５の反射界面３１で反射される漏洩光が次のチャンネル以降のタップ用カプラに進入しない構成とすることができる。

反射溝１５は、漏洩光の光強度を減衰させる遮光材を備えることが好ましい。例えば、反射溝１５に、シリコン樹脂を母材とし、遮光材として一般的に用いられているカーボンブラックを混合した材料で形成された部材を充填する。反射溝１５が遮光材を備えることで、入射界面３２から入射した漏洩光の光強度を減衰させることができる。また、反射界面３１の臨界角以下で反射界面３１に入射する漏洩光や、反射界面３１の表面の粗さによって反射界面３１で全反射されない漏洩光の光強度を減衰させることができる。

本実施形態においては、ＭＺＩから漏れた漏洩光のタップ用カプラへの進入を防ぐ実施形態について説明したが、漏洩光が発生する光回路としては、ＭＺＩに制限されるものではなく、例えば、分岐結合器、波長合分波器、曲率の大きい光導波路等に対しても適用できる。漏洩光の進入が問題となる光回路も、タップ用カプラに制限されるものではない。

図７は、本実施例に係る平面光導波回路の構成概略図である。実施例に係る平面光導波回路は、Ｎチャンネルの２×１ＴＯＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｗｉｔｃｈ）を備える。各チャンネルのＴＯＳは、ＭＺＩにより構成される可変光減衰器（ＶＯＡ：Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｔｔｅｎｕａｔｏｒ）４１とＶＯＡ４２を備える。ＶＯＡ４２の後段に備わるタップ用カプラ４３で信号レベルを調整し、光出力１及び光出力２を出力端１３ａ及び１３ｂから出力する。このときの光出力１と光出力２の比をタップ率として求めた。一方、比較例として図７に示す反射溝１５がない場合におけるタップ率も求めた。

図８は、反射溝１５がない比較例のタップ率である。横軸はＶＯＡ４２の減衰量、縦軸は０ｄＢのタップ率からの変化量で表している。ここで、０ｄＢのタップ率は、ＶＯＡ４２で減衰をかけなかったときの光出力１と光出力２の比である。チャンネル数Ｎは３８で行い、異常データは省いている。
ＶＯＡ４２の減衰量が増加するにつれ、タップ用カプラ４３への漏洩光の影響によってタップ率の変化量が増加又は減少する。ＶＯＡ４２の減衰が２０ｄＢでプラス側に偏り、０ｄＢのタップ率からの変化量が±０．５％を超えるチャンネルがあった。

図９は、反射溝１５がある実施例のタップ率である。チャンネル数Ｎは１４３で行い、異常データは省いている。ＶＯＡ４２の減衰量が増加するにつれ、タップ用カプラ４３への漏洩光の影響によってタップ率の変化量が増加又は減少するが、反射溝１５を備えることにより、ＶＯＡ４２の減衰が２０ｄＢであっても、０ｄＢのタップ率からの変化量を±０．５％以内に低減することができた。

本発明は、ＲＯＡＤＭなどの光通信デバイスに用いることができる。

本実施形態に係る平面光導波回路の構成概略図である。 Ａ−Ａ’断面の一例である。 反射溝の一例を示す模式図である。 平面光導波回路が複数チャンネルのＭＺＩ及びタップ用カプラを備え、各チャンネルに反射溝を備えるときの光路の説明図である。 入射角θ、角度θ_ｒ及び出射角φの評価の一例である。 平面光導波回路が複数チャンネルのＭＺＩ及びタップ用カプラを備え、各チャンネルに反射溝を備えるときの光路の具体例である。 本実施例に係る平面光導波回路の構成概略図である。 反射溝１５がない比較例のタップ率である。 反射溝１５がある実施例のタップ率である。 従来の平面光導波回路を搭載した光モジュールの一例を示すブロック図である。

符号の説明

１１ 基板
１２ ＭＺＩ
１３ａ、１３ｂ 出力端
１４ タップ用カプラ
１５、１５ａ、１５ｂ 反射溝
２１ コア
２２クラッド層
２３ 基板
３１ 反射界面
３２ 入射界面
３３ 出射界面
４１ ＶＯＡ１
４２ ＶＯＡ２
４３ タップ用カプラ
５１ ＭＺＩ
５２ タップ用カプラ
５３ａ、５３ｂ 出力端

Claims (8)

1. クラッド層と、
   前記クラッド層に埋め込まれたコアを有する光導波路と、
   前記クラッド層に形成され、前記光導波路から前記クラッド層へ漏れた漏洩光を全反射する反射界面を有する溝と、
   を備えることを特徴とする平面光導波回路。
2. タップ用カプラを備え、
   前記反射界面が、前記タップ用カプラへ伝搬する前記漏洩光を全反射することを特徴とする請求項１に記載の平面光導波回路。
3. 前記溝を複数備え、
   各々の前記溝は、
   他の前記溝における前記反射界面から反射された漏洩光が入射される入射界面と、
   前記入射界面から前記溝に入射した前記漏洩光を前記クラッド層に出射させる出射界面と、を備え、
   前記出射界面は、前記タップ用カプラの軸方向に対して４５°以上の角度で前記漏洩光を出射させることを特徴とする請求項１又は２に記載の平面光導波回路。
4. 前記溝を複数備え、
   各々の前記溝は、
   他の前記溝における前記反射界面から反射された漏洩光が入射される入射界面と、
   前記入射界面から前記溝に入射した前記漏洩光を前記クラッド層に出射させる出射界面と、を備え、
   前記入射界面が前記軸方向と略平行であり、
   前記入射界面と前記反射界面の角度が３０°であり、
   前記反射界面と前記出射界面の角度が１２０°であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の平面光導波回路。
5. 前記反射界面の法線に対する前記タップ用カプラの軸方向の角度は、前記反射界面の臨界角以上９０°以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の平面光導波回路。
6. クラッド層と、
   前記クラッド層に埋め込まれたコアを有する光導波路と、
   前記クラッド層に形成された溝と、
   タップ用カプラと、を備え、
   前記溝の第１の界面の法線に対する前記タップ用カプラの軸方向の角度θが臨界角以上であることを特徴とする平面光導波回路。
7. 前記溝が複数配置され、
   前記溝が第２の界面及び第３の界面を有し、
   前記第２の界面が前記軸方向と略平行であり、
   前記第３の界面と前記第１の界面のなす角度（θ＋θ_ｒ）が次式を満たすことを特徴とする請求項６に記載の平面光導波回路。
   

   

   なお、ｎ_１はクラッド層の屈折率、ｎ_２は前記溝の屈折率である。
8. 前記溝は、前記溝内に入射した漏洩光の光強度を減衰させる遮光材を備えることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の平面光導波回路。

Images