JP2010085564A - 光導波路回路及び光回路装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】サイズが小さく、製造が容易であり、WDM光通信に適しており、信号光の径を変換することができる光導波路回路及びこれを含む光回路装置を提供する。
【解決手段】光導波路回路1は、基板2上にコア層5及びクラッド層6を有し、コア層5は、直線状部10と、x軸上に中心線を持つ幹部分21及び枝部分22a,22bを含む分岐部20と、分岐点P0を通るy軸から離れるほど互いの間隔が徐々に広がる1対の曲線部30a,30bとを有し、x軸と枝部分22a,22bのなす角度を40°以上90°未満の範囲内とし、且つ、1対の曲線部30a,30bの分岐部20側の部分を、x軸に凸側を向ける1対の第1の円弧状部31a,31bとすることによって、1対の曲線部30a,30bの端部とクラッド層6のうちの1対の曲線部30a,30bに挟まれる部分61とを大径の信号光L2の入出力端として機能させる。
【選択図】図1
【解決手段】光導波路回路1は、基板2上にコア層5及びクラッド層6を有し、コア層5は、直線状部10と、x軸上に中心線を持つ幹部分21及び枝部分22a,22bを含む分岐部20と、分岐点P0を通るy軸から離れるほど互いの間隔が徐々に広がる1対の曲線部30a,30bとを有し、x軸と枝部分22a,22bのなす角度を40°以上90°未満の範囲内とし、且つ、1対の曲線部30a,30bの分岐部20側の部分を、x軸に凸側を向ける1対の第1の円弧状部31a,31bとすることによって、1対の曲線部30a,30bの端部とクラッド層6のうちの1対の曲線部30a,30bに挟まれる部分61とを大径の信号光L2の入出力端として機能させる。
【選択図】図1
Description
本発明は、小径の信号光を大径の信号光に又は大径の信号光を小径の信号光に変換する光導波路回路、及び、この光導波路回路を含む光回路装置に関するものである。
光導波路回路の光入出力端に光ファイバを結合するために、種々の方法が提案されている。例えば、光導波路回路に、光入出力端に近いほど断面積が大きくなるテーパ状の光導波路を備えることによって、入出力する信号光のサイズ(ビーム径)を大きくして、光ファイバとの結合を容易にする方法が提案されている(例えば、特許文献1及び2参照)。
また、光導波路回路に、光入出力端に近いほど幅が狭くなる逆テーパ状の光導波路を備えることによって、入出力する信号光のサイズ(ビーム径)を大きくして、光ファイバとの結合を容易にする方法も提案されている(例えば、特許文献1及び2参照)。
しかしながら、光入出力端側が大きいテーパ状の光導波路を用いる上記方法では、結合損失を減らすために、幅方向と厚さ方向の両方のサイズが徐々に大きくなるようにテーパ状の光導波路を形成する必要があるので、製造プロセスが非常に複雑になるという問題がある。
また、光入出力端側が大きいテーパ状の光導波路は、WDM(Wavelength Division Multiplexing)方式の信号光を入力したときに、光強度が強いスポット状の部分が多数観測される(各波長の信号光の干渉に起因すると考えられる)ので、使用する光の波長やシステムによっては対策が必要となる。
また、光入出力端側が狭い逆テーパ状の光導波路を用いる上記方法では、光導波路の先端を100nmまで細くする必要があり、製造が非常に難しいという問題がある。
さらに、特許文献1及び2に記載のテーパ構造及び逆テーパ構造のテーパ長は、1mm程度であり(特許文献1の段落0017,0019、及び、特許文献2の段落0010,0041)、光導波路のサイズが極めて大きくなるという問題がある。
そこで、本発明は、上記従来技術の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、サイズが小さく、製造が容易であり、特に、WDM光通信に適している、信号光の径を変換する光導波路回路及びこれを含む光回路装置を提供することである。
本発明に係る光導波路回路は、基板と、前記基板上に備えられたコア層と、前記基板上であって、前記コア層の外側に備えられたクラッド層とを有し、小径の信号光を大径の信号光に又は大径の信号光を小径の信号光に変換する光導波路回路であって、前記コア層は、前記小径の信号光の入出力端を含む幹部分、及び、xy直交座標系の原点を分岐点として前記幹部分から分岐する1対の枝部分を含み、前記基板に平行な前記xy直交座標系におけるx軸上に中心線を持つ分岐部と、前記1対の枝部分に接続され、前記分岐部から離れる方向に延び、前記分岐部から離れるほど互いの間隔が徐々に広がる1対の曲線部とを有し、前記x軸と前記分岐点における前記1対の曲線部のそれぞれとがなす角度を40°以上90°未満の範囲内とし、且つ、前記1対の曲線部の前記分岐部側の部分を、前記x軸に凸側を向ける1対の第1の円弧状部とすることによって、前記1対の曲線部の端部と前記クラッド層のうちの前記1対の曲線部に挟まれる部分とを前記大径の信号光の入出力端として機能させることを特徴としている。
また、前記x軸と前記分岐点における前記1対の曲線部のそれぞれとがなす角度を45°以上90°未満の範囲内とすることが望ましい。
また、本発明に係る光回路装置は、上記光導波路回路と、前記基板上に形成され、前記光導波路回路の前記小径の信号光の入出力端に光学的に接続された他の光導波路回路とを有することを特徴としている。
本発明によれば、簡単なプロセスで製造でき、構成が簡単で、サイズが小さく、特に、WDM光の径の変換にも適した光導波路回路及び光回路装置を提供できるという効果がある。
図1は、本発明の実施の形態に係る光導波路回路1の構成を概略的に示す平面図である。また、図2は、光導波路回路1のコア層5の形状を概略的に示す斜視図であり、図3は、光導波路回路1の形状を概略的に示す斜視図である。
図1乃至図3に示されるように、光導波路回路1は、基板2と、基板2上に備えられたコア層5と、基板2上であってコア層5の外側に備えられたクラッド層6とを有している。基板2及びコア層5は、例えば、シリコン基板層とシリコン酸化膜層と単結晶シリコン膜とから成るSOI基板から形成することができる。基板2は、例えば、SOI基板のシリコン基板層3とその上に備えられたシリコン酸化膜層4とから形成される。コア層5は、例えば、SOI基板の単結晶シリコン膜から形成される。クラッド層6は、例えば、屈折率がコア層5の屈折率の1.45〜1.5倍程度のガラス層である。図1又は図3に示されるように、光導波路回路1は、光ビーム径が小径の信号光L1を大径の信号光L2に又は光ビーム径が大径の信号光L2を小径の信号光L1に変換する。
また、図1乃至図3に示されるように、コア層5は、xy平面上に、直線状部10と、分岐部20と、1対の曲線部30a,30bとを有している。コア層5は、SOI基板の単結晶シリコンから形成され、その断面は、例えば、300nm角の矩形である。コア層5の外周を囲うクラッド層6は、2μm厚、屈折率1.45程度のガラス層である。コア層5は、シングルモードで信号光を伝播可能な高屈折率差型の光導波路であり、クラッド層6の屈折率がコア層の屈折率の1.5倍程度であればよい。
コア層5は、SOI基板の単結晶シリコン膜から、フォトリソグラフィーとエッチングにより、形成することができる。この形成方法は、通常のCMOSトランジスタの製造工程で用いられる、フォトリソグラフィー及びエッチング装置により実施可能である。フォトリソグラフィーにi線ステッパを用い、RIE(反応性イオンエッチング)装置によりドライエッチングを行い、本実施の形態のコア層5が製造可能であることを、実際に確認した。
直線状部10は、基板2の上面に平行なxy直交座標系において、x軸上に中心線を持つように形成され、小径の信号光L1の入出力端11を有している。分岐部20は、小径の信号光L1の入出力端11と反対側の直線状部10の端部12に接続され、x軸上に中心線を持つ幹部分21と、幹部分21に接続され、xy直交座標系の原点(0,0)を分岐点P0とする1対の枝部分22a,22bとを有している。なお、直線状部10は、xy平面の形状が曲線である曲線部に置き換えてもよい。また、直線状部10を備えなくてもよく、その場合には、小径の信号光L1の入出力端は、分岐部20の幹部分21側の端部となる。
1対の曲線部30a,30bは、1対の枝部分22a,22bに接続され、分岐部20から離れる方向(y軸から離れる方向)に延び、xy平面上において、分岐部20から離れるほど互いの間隔が徐々に広がる曲線形状に形成される。1対の曲線部30a,30bは、x軸を中心にして対称に形成される。直線状部10及び曲線部30a,30bの線幅は、通常、260nmから300nmまでの範囲内であり、本実施の形態においては、260nmである。コア層5の厚さは、通常、260nmから300nmまでの範囲内であり、本実施の形態においては、260nmである。1対の曲線部30a,30bのx軸方向の長さDxは、例えば、50μm以下である。大径の信号光L2の入出力端における1対の曲線部30a,30bの間隔は、例えば、10μm以下である。
x軸と分岐点P0における1対の曲線部30a,30bのそれぞれとがなす角度α(図1には、枝部分22aの角度αのみを示している)は、40°以上90°未満の範囲内である。また、角度αは、45°以上60°以下の範囲内とすることが望ましい。また、1対の曲線部30a,30bの分岐部20側の部分を、x軸に凸側を向ける1対の第1の円弧状部31a,31bとする。このように構成することによって、1対の曲線部30a,30bの端部と1対の曲線部30a,30bに挟まれるクラッド層6の部分61とを大径の信号光L2の入出力端として機能させる。1対の第1の円弧状部31a,31bの曲率半径R31a,R31bは、1μm以下であることが望ましい。
また、上記数値範囲は、以下の計算結果に基づいている。
(1)曲率半径R31a,R31bについて
(1−1)角度αを45°とし、曲率半径R31a,R31bを1μmとしたときに、入出力端11からの入力を0dBとすると、導波路の曲線部30a又は30bからの出力は、−15dBであった。
(1−2)角度αを45°とし、曲率半径R31a,R31bを1.5μmとしたときに、入出力端11からの入力を0dBとすると、導波路の曲線部30a又は30bからの出力は、−7dBとなり、8dB以上の損失がある(したがって、クラッド層6の部分61からの出力が減少している)。
(1−3)角度αを45°とし、曲率半径R31a,R31bを0.8μmとしたときに、入出力端11からの入力を0dBとすると、導波路の曲線部30a又は30bからの出力は、−20dBとなり、十分出力が減少している(したがって、クラッド層6の部分61からの出力が増加している)。
(2)角度αについて
(2−1)曲率半径R31a,R31bを1μmとし、角度αを45°としたときに、入出力端11からの入力を0dBとすると、導波路の曲線部30a又は30bからの出力は、−15dBであった。
(2−2)曲率半径R31a,R31bを1μmとし、角度αを60°としたときに、入出力端11からの入力を0dBとすると、導波路の曲線部30a又は30bからの出力は、−18dBであった。
(2−3)曲率半径R31a,R31bを1μmとし、角度αを90°としたときに、入出力端11からの入力を0dBとすると、導波路の曲線部30a又は30bからの出力は、−19dBであった。
(2−4)曲率半径R31a,R31bを1μmとし、角度αを40°としたときに、入出力端11からの入力を0dBとすると、導波路の曲線部30a又は30bからの出力は、−10dBであった。
(3)導波路の曲線部30a又は30bからの出力は、−10dB程度であれば使用可能である。このため、角度αを40°以上であれば、使用可能である。また、実用上は、導波路の曲線部30a又は30bからの出力は、−15dB程度の値であることが望ましい。このため、角度αを45°以上とすることが望ましい。
(1)曲率半径R31a,R31bについて
(1−1)角度αを45°とし、曲率半径R31a,R31bを1μmとしたときに、入出力端11からの入力を0dBとすると、導波路の曲線部30a又は30bからの出力は、−15dBであった。
(1−2)角度αを45°とし、曲率半径R31a,R31bを1.5μmとしたときに、入出力端11からの入力を0dBとすると、導波路の曲線部30a又は30bからの出力は、−7dBとなり、8dB以上の損失がある(したがって、クラッド層6の部分61からの出力が減少している)。
(1−3)角度αを45°とし、曲率半径R31a,R31bを0.8μmとしたときに、入出力端11からの入力を0dBとすると、導波路の曲線部30a又は30bからの出力は、−20dBとなり、十分出力が減少している(したがって、クラッド層6の部分61からの出力が増加している)。
(2)角度αについて
(2−1)曲率半径R31a,R31bを1μmとし、角度αを45°としたときに、入出力端11からの入力を0dBとすると、導波路の曲線部30a又は30bからの出力は、−15dBであった。
(2−2)曲率半径R31a,R31bを1μmとし、角度αを60°としたときに、入出力端11からの入力を0dBとすると、導波路の曲線部30a又は30bからの出力は、−18dBであった。
(2−3)曲率半径R31a,R31bを1μmとし、角度αを90°としたときに、入出力端11からの入力を0dBとすると、導波路の曲線部30a又は30bからの出力は、−19dBであった。
(2−4)曲率半径R31a,R31bを1μmとし、角度αを40°としたときに、入出力端11からの入力を0dBとすると、導波路の曲線部30a又は30bからの出力は、−10dBであった。
(3)導波路の曲線部30a又は30bからの出力は、−10dB程度であれば使用可能である。このため、角度αを40°以上であれば、使用可能である。また、実用上は、導波路の曲線部30a又は30bからの出力は、−15dB程度の値であることが望ましい。このため、角度αを45°以上とすることが望ましい。
x軸と分岐点P0における1対の曲線部30a,30bのそれぞれとがなす角度αを45°以上90°未満の範囲内とし、且つ、1対の曲線部30a,30bの分岐部20側の部分を、x軸に凸側を向ける1対の第1の円弧状部31a,31bとすることによって、1対の曲線部30a,30bの端部と1対の曲線部30a,30bに挟まれるクラッド層6の部分61とを大径の信号光L2の入出力端として機能させることができる。
また、1対の曲線部30a,30bは、1対の第1の円弧状部31a,31bよりもy軸から離れた位置に、1対の第1の円弧状部31a,31bに接続され、x軸に凹側を向ける1対の第2の円弧状部32a,32bを有することもできる。1対の第2の円弧状部32a,32bの曲率半径R32a,R32bは、1μm以下であることが望ましい。1対の第2の円弧状部32a,32bを備える場合には、1対の曲線部30a,30bの端部と1対の曲線部30a,30bに挟まれるクラッド層6の部分61とを大径の信号光L2の入出力端として機能させることができる。
以上の構成を有する光導波路回路1においては、入出力端11から入射した小径の信号光L1は、直線状部10内を進行し、分岐部20で分岐されて1対の曲線部30a,30b内を進行すると共に、コア層5(分岐部20及び1対の曲線部30a,30bの内向きの面33a,33b)からクラッド層6の部分61内に進み、1対の曲線部30a,30bの端部及びクラッド層6の部分61の端部から成るサイズの大きい入出力端から大径の信号光L2を出射する。
また、1対の曲線部30a,30bの端部及びクラッド層6の部分61の端部から成るサイズの大きい入出力端に入射した大径の信号光L2は、コア層5内及びクラッド層6の部分61内を進み、クラッド層6の部分61から1対の曲線部30a,30b内に面33a,33bから入り、分岐部20及び直線状部10内を進んで小径の入出力端11から小径の信号光L1として出射する。
図4は、光導波路回路1のコア層5の分岐部20に入射した信号光のx軸方向の各位置(距離)及びy軸方向の各位置(幅)における信号光の強度分布を示す図である。図4の信号強度分布は、BPM(Beam Propagation Method)法によって計算した結果である。図4には、小径の信号光L1が分岐部20から入射することによって、1対の曲線部30a,30b及びそれらの間のクラッド層6の部分61から大径の信号光L6が出射されることを示している。図4において距離(mm)は、分岐点からのx軸方向の位置を示し、0.000mm〜0.050mmの範囲(曲線部30a,30bのx軸方向の長さ)での信号強度分布EFieldを示している。図4に示されるように、信号強度分布は、大径の信号光L2の出射端側に近づくほど広がり、距離が0.050mmのときには、ほぼ−5.0〜+5.0(μm)までの幅に広がっている。
図5は、光導波路回路1の1対の曲線部30a,30bの端部を含む面における、信号光の強度分布を示す図である。図5の強度分布は、BPM法によって計算した結果である。図5に示されるように、信号強度分布EFieldは、大径の信号光L2の出射端で(距離が0.050mmのときに)、ほぼ−5.0〜+5.0(μm)までの幅に広がっている。
図4及び図5に示される結果から、入出力端11から入射した小径の信号光L1が大径の入出力端から大径の信号光L2として出射すること、及び、大径の入出力端に入射した大径の信号光L2が小径の入出力端11から小径の信号光L1として出射することが確認できた。
以上に説明したように、本発明の実施の形態に係る光導波路回路1によれば、簡単な構成で、WDM光を含む信号光の径を変換することができる。このため、光導波路回路1の大径の入出力端に、光ファイバのような大径の信号光の入出力端を有する光学手段を、容易に接続することができる。
また、図4及び図5に示される結果からわかるように、本発明の実施の形態に係る光導波路回路1によれば、サイズ、特に、1対の曲線部30a,30bのx軸方向の長さ(距離)が、0.050mm(=50μm)と短いにもかかわらず、WDM光を含む信号光の径をシングルモードファイバと適合した大きさに拡大して入出力することが可能となった。
また、光導波路回路1のコア層5及びクラッド層6は、フォトリソグラフィー及びエッチングによって形成できるので、製造プロセスの簡素化及び製造コストの削減を実現できる。
さらに、光導波路回路1のコア層5は、均一な厚さで形成できるので、SOI基板の単結晶シリコン膜から形成でき、従来のCMOSデバイスの製造プロセスを転用でき、製造プロセスの簡素化及び製造コストの削減を実現できる。
図6は、本発明の実施の形態に係る光導波路回路1aの他の形状を概略的に示す斜視図である。図6において、図3の構成と同一又は対応する構成には、同じ符号を付す。図2及び図3においては、コア層5が基板2上に接して形成された場合を説明したが、図6に示されるように、コア層5の下面をクラッド層6aで囲うように構成してもよい。この場合には、基板2上にクラッド層の下側層を形成し、その上にフォトリソグラフィー及びエッチングによってコア層5を形成し、その上にクラッド層の上側層を形成すればよい。
図6の光導波路回路1aでは、入出力端11から入射した小径の信号光L1は、直線状部10内を進行し、分岐部20で分岐されて1対の曲線部30a,30b内を進行すると共に、コア層5(分岐部20及び1対の曲線部30a,30bの内向きの面33a,33b)から1対の曲線部30a,30bの間の部分61a内に進み、1対の曲線部30a,30bの端部及びクラッド層6aの部分61aの端部から成るサイズの大きい入出力端から大径の信号光L2を出射する。また、1対の曲線部30a,30bの端部及びクラッド層6aの部分61aの端部から成るサイズの大きい入出力端に入射した大径の信号光L2は、コア層5内及びクラッド層6aの部分61a内を進み、クラッド層6aの部分61aから1対の曲線部30a,30b内に面33a,33bから入り、分岐部20及び直線状部10内を進んで小径の入出力端11から小径の信号光L1として出射する。
図6の光導波路回路1aによれば、図1乃至図5の場合と同様の効果を得ることができる。また、図6の光導波路回路1aによれば、コア層5の下側にもクラッド層が存在するので、図1乃至図5の光導波路回路1の場合よりも製造プロセスは複雑になるが、信号光の損失を低減することが可能である。
図7は、本発明の実施の形態に係る光回路装置7の構成を概略的に示す平面図である。図7の光回路装置8は、図1乃至図3に示される光導波路回路1又は1aと、光導波路回路1の小径の入出力端11に光学的に接続された他の光導波路回路8とを有している。小径の入出力端11に接続される他の光導波路回路8を同一基板上に形成することによって、小径の信号光の入出力端の接合が不要になるので、装置の構造の簡素化、及び、製造プロセスの簡素化を実現できる。図7の構成によれば、図1乃至図6の光導波路回路1又は1aの場合と同様の効果を得ることができる。
1,1a 光導波路回路、
2 基板、
3 シリコン基板層、
4 シリコン酸化膜層、
5 コア層、
6,6a クラッド層、
7 光回路装置、
8 他の光導波路回路、
10 直線状部、
11 小径の信号光の入出力端、
20 分岐部、
21 分岐部の幹部分、
22a,22b 分岐部の枝部分、
30a,30b 1対の曲線部、
31a,31b 1対の第1の円弧状部、
32a,32b 1対の第2の円弧状部、
61,61a 大径の入出力端を構成するクラッド層の部分、
L1 小径の信号光、
L2 大径の信号光、
P0 分岐点。
2 基板、
3 シリコン基板層、
4 シリコン酸化膜層、
5 コア層、
6,6a クラッド層、
7 光回路装置、
8 他の光導波路回路、
10 直線状部、
11 小径の信号光の入出力端、
20 分岐部、
21 分岐部の幹部分、
22a,22b 分岐部の枝部分、
30a,30b 1対の曲線部、
31a,31b 1対の第1の円弧状部、
32a,32b 1対の第2の円弧状部、
61,61a 大径の入出力端を構成するクラッド層の部分、
L1 小径の信号光、
L2 大径の信号光、
P0 分岐点。
Claims (10)
- 基板と、
前記基板上に備えられたコア層と、
前記基板上であって、前記コア層の外側に備えられたクラッド層と
を有し、小径の信号光を大径の信号光に又は大径の信号光を小径の信号光に変換する光導波路回路であって、
前記コア層は、
前記小径の信号光の入出力端を含む幹部分、及び、xy直交座標系の原点を分岐点として前記幹部分から分岐する1対の枝部分を含み、前記基板に平行な前記xy直交座標系におけるx軸上に中心線を持つ分岐部と、
前記1対の枝部分に接続され、前記分岐部から離れる方向に延び、前記分岐部から離れるほど互いの間隔が徐々に広がる1対の曲線部と
を有し、
前記x軸と前記分岐点における前記1対の曲線部のそれぞれとがなす角度を40°以上90°未満の範囲内とし、且つ、前記1対の曲線部の前記分岐部側の部分を、前記x軸に凸側を向ける1対の第1の円弧状部とすることによって、前記1対の曲線部の端部と前記クラッド層のうちの前記1対の曲線部に挟まれる部分とを前記大径の信号光の入出力端として機能させる
ことを特徴とする光導波路回路。 - 前記x軸と前記分岐点における前記1対の曲線部のそれぞれとがなす角度を45°以上90°未満の範囲内とすることを特徴とする請求項1に記載の光導波路回路。
- 前記基板は、SOI基板のシリコン基板層と該シリコン基板層上のシリコン酸化膜層とから構成され、
前記コア層は、前記SOI基板の単結晶シリコン膜から構成される
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の光導波路回路。 - 前記曲線部の線幅は、260nmから300nmまでの範囲内であり、
前記コア層の厚さは、260nmから300nmまでの範囲内である
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の光導波路回路。 - 前記1対の曲線部は、前記1対の第1の円弧状部よりも前記y軸から離れた位置に、前記1対の第1の円弧状部に接続され、前記x軸に凹側を向ける1対の第2の円弧状部をさらに有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の光導波路回路。
- 前記1対の第2の円弧状部の曲率半径は、1μm以下であることを特徴とする請求項5に記載の光導波路回路。
- 前記1対の第1の円弧状部の曲率半径は、1μm以下であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の光導波路回路。
- 前記1対の曲線部の前記x軸方向の長さが、50μm以下であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の光導波路回路。
- 前記大径の信号光の入出力端における前記1対の曲線部の間隔は、10μm以下であることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の光導波路回路。
- 請求項1乃至9のいずれか1項に記載の光導波路回路と、
前記基板上に形成され、前記光導波路回路の前記小径の信号光の入出力端に光学的に接続された他の光導波路回路と
を有することを特徴とする光回路装置。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2008
- 2008-09-30 JP JP2008252708A patent/JP2010085564A/ja not_active Withdrawn
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