JP2012053233A - 三次元光回路 - Google Patents

Abstract

【課題】光導波路の端部で光接続することができる三次元光回路。
【解決手段】シングルモード光導波路を有する光回路を垂直方向に２層以上積層した積層光回路と、該積層光回路の前記光導波路と光接続するマルチモードコア光導波路と全反射鏡とを有する光反転回路とを備えた三次元光回路であって、前記光反転回路のマルチモードコア光導波路を、一端が、前記積層された光回路のシングルモード光導波路の光入出力端に光接続され、他端が、前記全反射鏡で覆われるように構成して、当該マルチモードコア光導波路の高さと導波路長を、光信号を入力したシングルモード光導波路の光入出力端とは異なるシングルモード光導波路の光入出力端へと光が出力されるように設定することにより、前記２層以上のシングルモード光導波路をそれぞれの光入出力端において垂直方向に光接続することを特徴とする三次元光回路。
【選択図】図１

Description

本発明は三次元光回路に関し、さらに詳細には、２層以上の光導波路をそれぞれの導波路端部において垂直方向に光接続して構成される三次元光回路に関する。

従来の三次元光回路としては、例えば特許文献１に記載のものが知られている。この三次元光回路は、図４に示すように、光導波路１１、１２が設けられた互いに異なる材質の基板２１、２２を積層して構成されている。また、２つの光導波路１１、１２には、それぞれを伝搬する光を結合するために、光導波路１１、１２が垂直方向において互いに重なる部位に４５度ミラー２３、２４が設けられている。この４５度ミラーによって光線光学の手法によりそれぞれの光導波路１１、１２を光接続している。

特開昭５９−１２１００８号公報

特許文献１に記載された三次元光回路による光接続方式では、光接続手段である４５度ミラー２３、２４を、基板２１、２２に設けられた光導波路１１、１２上に設けなければならない。すなわち、従来の三次元光回路では、基板端面で光接続を行うことができず、基板２１、２２内での光導波路の接合技術に限定されている。

一方、基板の面積全てを光導波路として使用して光回路を形成したい場合、複数の基板上に備えられた光導波路同士の光接続は、基板端部において行われることが望ましいが、従来の三次元光回路では、実現不可能な構成であった。

本発明は、かかる従来の問題に鑑みてなされたものであって、本発明の課題は、光導波路の端部で光接続することができる三次元光回路を提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、シングルモード光導波路を有する光回路を垂直方向に２層以上積層した積層光回路と、該積層光回路の前記光導波路と光接続するマルチモードコア光導波路と全反射鏡とを有する光反転回路とを備えた三次元光回路であって、前記光反転回路のマルチモードコア光導波路を、一端が、前記積層された光回路のシングルモード光導波路の光入出力端に光接続され、他端が、前記全反射鏡で覆われるように構成して、当該マルチモードコア光導波路の高さと導波路長を、光信号を入力したシングルモード光導波路の光入出力端とは異なるシングルモード光導波路の光入出力端へと光が出力されるように設定することにより、前記２層以上のシングルモード光導波路をそれぞれの光入出力端において垂直方向に光接続することを特徴とする三次元光回路である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の三次元光回路において、前記２層以上の光回路におけるシングルモード光導波路の入出力端は、垂直方向に一定の間隔Ｄ＿ｃｏｒｅで配列され、前記光接続される２つのシングルモード光導波路が属する２つの光回路の層の間に存在する他の光回路の層の数をｎとし、前記マルチモードコアは中空コアであり、該中空コアの屈折率ｎ１、クラッドの屈折率ｎ０であり、マルチモードコアが比屈折率ｎｒ＝ｓｑｒｔ（ｎ１＾２―ｎ０＾２）であり、光接続される光信号波長がλであるとき、
前記マルチモードコアの高さＷｅ＿ｎは、Ｗｅ＿ｎ＝（ｎ＋１）×Ｄ＿Ｃｏｒｅ＋２×Δ・・・式（１）（式（１）においてΔはシングルモード光導波路端面でのシングルモード電磁界分布に依存する誤差）に基づいて設定され、導波路長Ｌは、Ｌ＝３×（２ｓ＋１）×Ｌ１・・・式（２）（式（２）においてｓ≧０）、Ｌ１＝（２×ｎｒ×Ｗｅ＿ｎ＾２）／（３×λ）・・・式（３）に基づいて設定されることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の三次元光回路において、積層光回路は、前記前記光接続される２つのシングルモード光導波路の導波路ペアを複数有し、前記マルチモードコア光導波路は、複数の導波路ペアのうち、光接続しようとする導波路ペアのシングルモード光導波路について前記式（１）基づいて決定される前記マルチモードコアの高さＷｅ＿ｎに変更できるよう構成され、前記マルチモードコア光導波路の導波路長は、前記積層光回路に含まれるシングルモード光導波路の導波路ペアに対応して式（２）、（３）に基づいて決定される導波路長の最小公倍数に設定されていることを特徴とする。

本発明によれば、光導波路の端部で光接続することができる三次元光回路を提供することができる。

本発明の第１の実施形態の三次元光回路の全体構成を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態の三次元光回路中の光導波路を選択的に光接続可能とした三次元光回路の側面図である。 本発明の第３の実施形態の三次元光回路中の光導波路を選択的に光接続可能とした三次元光回路の側面図である。 従来の三次元光回路を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態にかかる三次元光回路の全体構成を説明する図である。本発明の三次元光回路は、積層光回路６と光反転回路８、９とを対向密着接合して構成される。図１に示す例では、説明を簡易にするために、積層光回路６と光反転回路８または光反転回路９との密着面を分離して示している。

積層光回路６は、シングルモード光導波路を有する光回路の層を垂直方向に２層以上積層して構成されている。図示の例では、基板６０上に、第１の層１、第２の層２、第３の層３、第４の層４が積層されて積層光回路６が構成されている。各第１の層１、第２の層２、第３の層３、第４の層４には、垂直方向に並列して、シングルモードの光導波路１−１、２−１、３−１、４−１が設けられている。第１の層１と第４の層４には、垂直方向に並列して、それぞれもう１本のシングルモードの光導波路１−２、４−２が設けられている。各層１、２、３、４のシングルモード導波路は、クラッド材料１０、２０、３０、４０で保持されている。シングルモード導波路の光入出力端の間隔Ｄ＿Ｃｏｒｅは、一定値となるよう構成されている。シングルモード導波路の光入出力端の数は光導波路の数と同じである。

光反転回路８、９は、積層光回路６の端部において光導波路１−１、２−１、３−１、４−１、１−２、４−２と光接続するマルチモードコア光導波路を備えて構成されている。具体的には、光反転回路８、９は、積層光回路６の光導波路の光入出力端１−１Ｒ、２−１Ｒ、３−１Ｒ、４−１Ｒ、１−２Ｒ、４−２Ｒとの接合面（紙面左側）のみが開放された中空のマルチモードコア構造を有する筐体８４、９３によって構成されている。光反転回路８、９の筐体８４、９２内部には、側面（紙面手前と紙面奥）と端面（紙面右側）に金などの金属が設けられており、全反射構造となっている。また、筐体８４、９３内部の上下にはクラッドとして機能する反射鏡としての反射材料８３、９２が設けられて構成されている。反射材料８３、９２は、例えば光信号波長の１／４の厚みを備えた薄膜を異なる屈折率材料で多層積層した構成とすることができる。この光反転回路８、９の比屈折率ｎｒは、空気の屈折率ｎ０＝１、反射材料の屈折率がｎ０であるとき、ｎｒ＝ｓｑｒｔｎｒ＝ｓｑｒｔ（ｎ１＾２―ｎ０＾２）と表せる。

また、本発明のマルチモードコア光導波路の高さと導波路長は、光信号を入力したシングルモード光導波路の光入出力端とは異なるシングルモード光導波路の光入出力端へと光が出力されるように設定されている。すなわち、例えば図１に示す三次元光回路においては、光反転回路８のマルチモードコア８１は、所定の高さと導波路長に設定することで、光導波路１−１と光導波路２−１との光接続を行い、マルチモードコア８２は光導波路３−１と光導波路４−１との光接続を行うよう構成されている。また、光反転回路９のマルチモードコア９１は、所定の高さと導波路長に設定することで、光導波路１−２と光導波路４−２との光接続を行うよう構成されている。

光反転回路８、９のマルチモードコア８１、８２、９１の高さ８１Ｈ、８２Ｈ、９１Ｈは、マルチモードコア光導波路の屈折率ｎｒと光接続される２つのシングルモード光導波路（導波路ペアともいう）が属する２つの光回路の層の間に存在する他の光回路の層の数ｎ（ただし、ｎは０以上の整数）とビーム径に基づいて設定される。具体的には、式（１）に基づいて設定される。ただし式（１）において、Δはシングルモード光導波路でのコア１−１、２−１、３−１、４−１とクラッド１、２、３、４の比屈折率差によって決定される光閉じ込めと、端面におけるそれぞれのコア間の距離から決定される値であり、すなわちシングルモード光導波路端面でのシングルモード電磁界分布に依存する誤差を示している。
Ｗｅ＿ｎ＝（ｎ＋１）×Ｄ＿Ｃｏｒｅ＋２×Δ・・・式（１）

また、マルチモードコア８１、８２、９１の導波路長８Ｌ、９Ｌは、光反転回路基本長さＬと他の光回路の層の数ｎに基づいて設定されている。光反転回路基本長さＬとは、光接続される光信号波長と、マルチモードコア光導波路の比屈折率ｎｒと、上記式（１）で設定されるマルチモードコアの高さＷｅ＿ｎとに基づいて決定される値である。光接続される光信号波長をλとすると、具体的には、マルチモードコアの導波路長は式（２）、式（３）に示す値Ｌに決定される。
Ｌ ＝３×（２ｓ＋１）×Ｌ１・・・・式（２）
Ｌ１＝（２×ｎｒ×Ｗｅ＿ｎ＾２）／（３×λ）・・・式（３）

なお、光反転回路８、９におけるマルチモードコアの導波路長の２倍の長さが、２本以上のシングルモード光導波路を対向接続可能な多モード干渉光結合器の長さと等価になる。一般に、多モード干渉光結合器（ＭＭＩ）では、ある特定のシングルモード光導波路から出力されたシングルモード光が、多モード干渉光結合器を構成するマルチモード導波路のコア内で伝搬する際、伝搬定数の異なる高次モードが多数励振される。このとき、マルチモード導波路のコア内の長手方向における周期的な所定の位置で、光結合箇所が周期的に現れる。多モード干渉光結合器においては、周期的に出現する光結合箇所ＬＭＭＩ（ｓ）は以下の式（４）、式（５）で表現される。
ＬＭＭＩ（ｓ）＝３×（２ｓ＋１）×Ｌπ ｓ≧０ ・・・・式（４）
Ｌπ＝（４×ｎｒ×Ｗｅ＿ｎ＾２）／（３×λ）・・・・式（５）

本発明の光反転回路８、９のマルチモードコアの導波路長は、上記ＭＭＩの半分の長さに相当するため、式（２）が成り立つ。

ここで本実施形態の三次元光回路の具体的構成の一例について説明する。図１の三次元光回路において、積層光回路６の光導波路１−１、２−１、３−１、４−１、１−２、４−２を、２〜１０μｍ角の断面形状を有し、屈折率１．４６を備えるＧｅが添加されたＳｉＯ₂をコア材料で構成し、各層１、２、３、４のクラッド材料は、屈折率１．４４を備えるＳｉＯ₂を用いて構成する。また、光反転回路８、９は、中空構造を備えるコア形状を備えた筐体内部の上下に、光信号波長の１／４の厚みを備えた薄膜を異なる屈折率材料で多層積層して得られる反射鏡からなるクラッド８２、９３を設けて構成する。筐体内部の側面、端面には、金などの金属が設けられており、全反射構造となっている。この光反転回路８、９の比屈折率はｎｒ＝１．０であると考えられる。また、光信号波長λは、λ＝１．５５μｍのものを用いることとする。

この三次元光回路の光導波路の光入出力端１−１Ｒ、２−１Ｒ、３−１Ｒ、４−１Ｒそれぞれの間隔Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３は４．５μｍ〜１０μｍであり、Δは１．７５〜１０μｍであるので、マルチモードコアの高さ８１Ｈ、８２Ｈは８μｍ〜３０μｍとし、マルチモードコアの導波路長８Ｌは、約８０μｍ〜５００μｍとすることができる。具体的には、各パラメータλ＝１．５５μｍ、ｎｒ＝１．０、ｓ＝０、Ｗｅ＿ｎ＝８μｍ、３０μｍを式（２）、（３）に代入して得られる値、Ｌ＝８２μｍ、４９９μｍに基づいて導波路長８Ｌが決定される。

また、光導波路の光入出力端１−２Ｒ、４−２Ｒの間隔Ｄ４が１３．５μｍ〜３０μｍであるので、マルチモードコアの高さ９１Ｈは１７μｍ〜５０μｍであり、マルチモードコアの導波路長９Ｌは約３２０μｍ〜３５００μｍとすることができる。具体的には、各パラメータλ＝１．５５μｍ、ｎｒ＝１．０、ｓ＝０、Ｗｅ＿ｎ＝１７μｍ、５０μｍを式（２）、（３）に代入して得られる値、Ｌ＝３７２．９μｍ、３２２５．８μｍに基づいて導波路長９Ｌが決定される。

以上の構造を備えることにより、光導波路の光入出力端１−１Ｒからの光信号はマルチモードコア８１を長さ８Ｌ伝搬し、マルチモードコア８１の図示右側に設けられる反射面で全反射されて折り返し、再びマルチモードコア８１を長さ８Ｌ伝搬し、光導波路の光入出力端２−１Ｒへと導波される。同様に、光導波路の光入出力端３−１Ｒからの光信号はマルチモードコア８２を長さ８Ｌだけ伝搬し、全反射面で全反射されて折り返し、再びマルチモードコア８２を長さ８Ｌ伝搬し、光導波路の光入出力端４−１Ｒへと導波される。さらに、光導波路１−２からの光信号はマルチモードコア９１を長さ９Ｌ伝搬し、反射面で全反射されて折り返し、再びマルチモードコア９１を長さ９Ｌ伝搬し、光導波路４−２へと導波される。このように、本実施形態によれば、三次元光回路のシングルモード導波路が設けられた積層光回路の基板の面積全てを光導波路として使用して光回路を形成することができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。本実施形態は、第１の実施形態においてある１つの決まった導波路ペアを光接続していた光反転回路に変えて、複数の導波路ペアを選択的に光接続可能とした光反転回路を用いた態様である。図２（ａ）、（ｂ）は第２の実施形態にかかる三次元光回路の積層光回路６と光反転回路９０の対応関係を示す図であり、図２（ａ）は第１の層１と第４の層４とを光接続するときの構成を示し、図２（ｂ）は第１の層１と第２の層２とを光接続するときの構成を示している。なお、図２に示す例では説明を簡易にするために、三次元光回路は、積層光回路６と光反転回路９０との密着面を分離して示している。

本実施形態の三次元光回路にかかる光反転回路９０は、第１の実施形態の光反転回路９０と異なり、マルチモードコア９１のクラッドとして機能する反射材料９４が、複数の位置に移動可能に構成されている。反射材料９４が移動可能な位置は、導波路ペアに対応して設定される。具体的には、複数の導波路ペアについて実施形態１と同様に式（１）に基づいて算出される複数の位置に設定される。

また、マルチモードコア９１の導波路長９Ｌは、光接続の対象となるシングルモード光導波路のペアに対応して設定される。具体的には、光接続の対象となるシングルモード光導波路のペアそれぞれについて、式（２）、（３）に基づいて必要な導波路長を求め、複数求められた導波路長の最小公倍数である長さに設定される。

ここで本実施形態の三次元光回路の構成の一例について説明する。光導波路１−１、２−１、３−１、４−１が１μｍ角の断面形状を持ち、屈折率１．６を備えるＧｅが添加されたＳｉＯ₂をコア材料とし、屈折率１．４４を備えるＳｉＯ₂をクラッド材料として備えた積層光回路６を用いて構成され、中空構造を備えるマルチモードコア９１を備える光反転回路９０で光接続を行う。光反転回路９０は、中空構造を備えるコア形状を備えた筐体内部の上下に、光信号波長の１／４の厚みを備えた薄膜を異なる屈折率材料で多層積層して得られる反射鏡からなるクラッド９２、９４を設けて構成する。筐体内部の側面、端面には、金などの金属が設けられており、全反射構造となっている。この光反転回路８、９の比屈折率はｎｒ＝１．０であると考えられる。また、光信号波長λは、λ＝１．５５μｍのものを用いることとする。

また、光導波路１−１、２−１、３−１、４−１それぞれの間隔Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３が４．５μｍ〜１０μｍであり、Δは１．７５〜１０μｍであるので、マルチモードコア９１の高さを１７μｍ〜５０μｍのうちで（９１ｈよりも低い）所定の高さ９１Ｈ、８μｍ〜３０μｍのうちで（９１Ｈよりも高い）所定の高さ９１ｈとの２つの可変的な位置に設定する。

またこの光反転回路９０は、マルチモードコアの導波路長９Ｌが３２０μｍ〜３５００μｍに設定される。これは、光導波路１−１と光導波路４−１とを光接続する場合に設定されるべきマルチモードコアの導波路長と、光導波路１−１と光導波路２−１とを光接続する場合に設定されるべきマルチモードコアの導波路長との最小公倍数である。

図２（ａ）の状態においては、コアの高さ９１Ｈは、例えば４０μｍに設定される。光導波路１−１からの光信号は中空マルチモードコア９１を長さ９Ｌ伝搬し、全反射機能を備える反射面９５で折り返し、再び中空マルチモードコア９１を長さ９Ｌ伝搬し、光導波路４−１へと導波される。

一方、高さ位置可変となるクラッド９４を低い位置となる高さ９１ｈ（例えば２０μｍ）に移動させて図２（ｂ）の状態にする。この光反転回路９０においては、光導波路１−１からの光信号は中空マルチモードコア９１を長さ９Ｌ伝搬し、全反射機能を備える反射面９５で折り返し、再び中空マルチモードコア９１を長さ９Ｌ伝搬し、光導波路２−１へと導波される。

この実施形態によれば、２層以上に積層された基板に設けられた光導波路を任意の層間で光接続を可能とした三次元光回路を提供することができる。

以上の実施形態において積層光回路のクラッド材をシリコン基板、導波路をガラス光導波路として図示しているが、これに限ることなくガラス基板とガラス導波路、アクリル基板とポリイミド光導波路などの組み合わせで適用可能であることは言うまでもない。

（第３の実施形態）
本実施形態は、積層光回路のシングルモード光導波路が、可塑性の材料で構成されている場合の三次元光回路を示している。本実施形態の三次元光回路では図３に示すように、積層光回路のシングルモード光導波路は、その長さ方向において平行に揃って設けられていない。すなわち、第１の層７１と、第４の層７４とが可塑性の材料で構成されており、それぞれ上下に撓んでいる。一方で、各層の光導波路の光入出力端７１−１Ｒ、７２−１Ｒ、７３−１Ｒ、７４−１Ｒは垂直方向に並列して一定の間隔Ｄ５で設けられている。

本実施形態の三次元光回路でも、光反転回路の構成は、積層光回路のシングルモード光導波路形状によらず、第１の実施形態と同様に、光反転回路のマルチモードコアの高さと導波路長を決定することができる。また、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、第２の実施形態と同様に、任意の光導波路を選択的に光接続する構成を採用することもできる。

１、７１：第１の層
２、７２：第２の層
３、７３：第３の層
４、７４：第４の層
６、７：積層光回路
８、９、９０：光反転回路
１０、２０、３０、４０：クラッド材料
６０：基板
１１、１２：光導波路
１−１、１−２、２−１、２−２、３−１、４−１：光導波路
８１、８２、９１：マルチモードコア
８３、９２、９４：マルチモードクラッド

Claims (3)

1. シングルモード光導波路を有する光回路を垂直方向に２層以上積層した積層光回路と、該積層光回路の前記光導波路と光接続するマルチモードコア光導波路と全反射鏡とを有する光反転回路とを備えた三次元光回路であって、
   前記光反転回路のマルチモードコア光導波路を、一端が、前記積層された光回路のシングルモード光導波路の光入出力端に光接続され、他端が、前記全反射鏡で覆われるように構成して、当該マルチモードコア光導波路の高さと導波路長を、光信号を入力したシングルモード光導波路の光入出力端とは異なるシングルモード光導波路の光入出力端へと光が出力されるように設定することにより、前記２層以上のシングルモード光導波路をそれぞれの光入出力端において垂直方向に光接続することを特徴とする三次元光回路。
2. 前記２層以上の光回路におけるシングルモード光導波路の入出力端は、垂直方向に一定の間隔Ｄ＿ｃｏｒｅで配列され、前記光接続される２つのシングルモード光導波路が属する２つの光回路の層の間に存在する他の光回路の層の数をｎとし、前記マルチモードコアは中空コアであり、該中空コアの屈折率ｎ１、クラッドの屈折率ｎ０であり、マルチモードコアが比屈折率ｎｒ＝ｓｑｒｔ（ｎ１＾２―ｎ０＾２）であり、光接続される光信号波長がλであるとき、
   前記マルチモードコアの高さＷｅ＿ｎは、
   Ｗｅ＿ｎ＝（ｎ＋１）×Ｄ＿Ｃｏｒｅ＋２×Δ・・・式（１）
   （式（１）においてΔはシングルモード光導波路端面でのシングルモード電磁界分布に依存する誤差）
   に基づいて設定され、導波路長Ｌは、
   Ｌ＝３×（２ｓ＋１）×Ｌ１・・・式（２）
   （式（２）においてｓ≧０）、
   Ｌ１＝（２×ｎｒ×Ｗｅ＿ｎ＾２）／（３×λ）・・・式（３）
   に基づいて設定されることを特徴とする請求項１に記載の三次元光回路。
3. 積層光回路は、前記前記光接続される２つのシングルモード光導波路の導波路ペアを複数有し、
   前記マルチモードコア光導波路は、複数の導波路ペアのうち、光接続しようとする導波路ペアのシングルモード光導波路について前記式（１）に基づいて決定される前記マルチモードコアの高さＷｅ＿ｎに変更できるよう構成され、
   前記マルチモードコア光導波路の導波路長は、前記積層光回路に含まれるシングルモード光導波路の導波路ペアに対応して式（２）、（３）に基づいて決定される導波路長の最小公倍数に設定されていることを特徴とする請求項２に記載の三次元光回路。

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