JP2012226108A - 光部品 - Google Patents

Abstract

【課題】屈折率が異なる第１の平面光波回路と第２の平面光波回路とが、それぞれの平面光波回路に形成された複数の光導波路同士を光結合するように端面で突き合わせ接続された光部品において、使用環境の温度変化に対して安定な光部品を提供すること。
【解決手段】光部品５００は、第１の屈折率ｎ₁を有する第１の平面光波回路５０１と、第１の屈折率ｎ₁と異なる第２の屈折率ｎ₂を有する第２の平面光波回路５０２とが光軸方向に対して直角な端面で突き合わせ接続されている。第１及び第２の平面光波回路５０１、５０２には、それぞれ第１〜第ｎ（ｎは２以上の整数）の光導波路が形成されている。第１の平面光波回路５０１の第ｉ（ｉは１以上ｎ以下の整数）の光導波路と第２の平面光波回路５０２の第ｉの光導波路の位置が接続界面において一致するように調心して接続する。この際、第１の平面光波回路５０１の第ｉの光導波路が界面の法線となす角度φ_iがスネルの法則を満足する範囲でｉ毎に異なるようにする。
【選択図】図５

Description

本発明は、光部品に関し、より詳細には、屈折率が異なる第１の平面光波回路と第２の平面光波回路とが、それぞれの平面光波回路に形成された複数の光導波路同士を光結合するように端面で突き合わせ接続された光部品に関する。

光通信システムの高度化に伴い、高機能な光モジュール（光部品）の需要が高まっている。平面光波回路は、基板上に光導波路を形成することによって様々な光波回路を実現することができ、光モジュールの構成部品として用いられている。光モジュールの更なる高機能化のために、異なる機能を有する平面光波回路を集積化したり、レンズ・空間位相変調器等の空間光学系部品と平面光波回路とを集積化したハイブリッド光モジュールが実現されている。具体的な光モジュールの例としては、石英系ガラスとニオブ酸リチウム（ＬＮ）のように異なる材料で構成された平面光波回路を光結合したＲＺ−ＤＱＰＳＫ（Ｒｅｔｕｒｎ ｔｏ Ｚｅｒｏ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）モジュール等が挙げられる。

石英系ガラスで構成された第１の平面光波回路と、ＬＮで構成された第２の平面光波回路が突き合わせ接続された光モジュールを例に考える。図１に、特許文献１の従来例を示す。第１の平面光波回路１と第２の平面光波回路２との界面３において反射が生じる可能性があるが、これを防ぐためには、（１）まず、フレネルの反射Ｒが、戻り光として第１の平面光波回路１の光導波路４に結合しないように角度θを決める。一般には、角度θは４度から１２度である。ここで、フレネルの公式は次式の通りである。ｎ₁及びｎ_aは、それぞれ石英系ガラス及びＬＮの屈折率である。ただし、第１の平面光波回路と第２の平面光波回路との間に接着剤がある場合は、ｎ_aは接着剤の屈折率となる。

（２）次に、次式のスネルの法則を満足するように第２の平面光波回路２の光導波路５の角度φを決める。ｎ₂は、ＬＮの屈折率である。

図１では、接続界面３を平面光波回路の側壁６に対して角度α₁だけ傾斜させているが、界面近傍において光導波路を傾斜させれば、反射を防止しつつ接続界面３と平面光波回路の側壁６のなす角を直角にすることができる。平面光波回路の側面に対して直角な端面で突き合わせ接続を行うと、平面光波回路を四隅を直角とした方形の形状にすることができ、平面光波回路の加工が容易となる。図２にそのような例を示す。整列部材４に並べられた光ファイバ３と第１の平面光波回路１と第２の平面光波回路２は、突き合わせ接続されている。この例では、第１の平面光波回路１と第２の平面光波回路２は、長方形の形状となっている。図１と標記が異なるが、第１の平面光波回路１の光導波路が界面の法線となす角をφ₁、第２の平面光波回路２の光導波路が界面の法線となす角をθ₁とする。この場合、スネルの法則は次式のようになる。

上述の条件から、石英系ガラスで構成された第１の平面光波回路とＬＮで構成された第２の平面光波回路の突き合わせ接続では、φ₁及びθ₁として、それぞれ６度及び４度を用いるのが一般的である。

特開２００３−２０７６６４号公報

しかしながら、図２の構成では、複数の光導波路同士を接続する場合に界面と光導波路のなす角がずれた際、導波路間隔が設計値から大きくずれてしまい、接続損失となる。更に、熱膨張係数の異なる平面光波回路同士の接続においては、使用環境の温度変化によって光学特性、特に接続損失が大きく変動するという問題がある。図３を参照して、端面に対して斜めに形成された斜め導波路の問題点を説明する。端面に対して角度ψで斜め導波路が形成されているときに、端面が研磨等の加工時に角度ずれθを生じた場合、導波路間隔ずれΔＬを計算すると次式のようになる。

ここで、Ｌは角度ずれθが生じたときの導波路間隔、Ｌ₀は角度ずれが無いとき導波路間隔、すなわち設計値である。

たとえば、導波路間隔Ｌ₀が２５００μｍの場合、６度の斜め導波路の端面角度が０．２度ずれると導波路間隔は０．９μｍ以上ずれる（図４参照）。導波路間隔が０．９μｍ以上ずれていると、接続損失は０．２ｄＢ以上増加し、更に環境温度が５０度変化したときには０．５ｄＢ以上増加する。この接続損失の増加は導波路間隔が大きくなればなるほど顕著になる。即ち、複数の光導波路が並んでいる端面の角度がずれた場合、中心付近の光導波路の間隔ずれに比べて、端の光導波路の間隔ずれが大きくなるという単一の光導波路同士の接続にはない問題がある。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、屈折率が異なる第１の平面光波回路と第２の平面光波回路とが、それぞれの平面光波回路に形成された複数の光導波路同士を光結合するように端面で突き合わせ接続された光部品において、使用環境の温度変化に対して安定な光部品を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、第１の屈折率を有する第１の平面光波回路と、前記第１の屈折率と異なる第２の屈折率を有する第２の平面光波回路とが突き合わせ接続された光部品であって、前記第１及び第２の平面光波回路は、それぞれ第１〜第ｎ（ｎは２以上の整数）の光導波路を有し、前記第１の平面光波回路の第ｉ（ｉは１以上ｎ以下の整数）の光導波路と前記第２の平面光波回路の第ｉの光導波路の位置が、前記第１の平面光波回路と前記第２の平面光波回路との接続界面において一致し、前記第１又は第２の平面光波回路の第ｉの光導波路が前記接続界面の法線となす角度が、スネルの法則を満足する範囲でｉ毎に異なり、かつ前記接続界面において第１の光導波路と第ｎの光導波路の中間付近に位置する光導波路ほど大きく、前記中間付近から離れるにつれて小さくなっていることを特徴とする。

また、第２の態様は、第１の態様において、前記接続界面において、前記第ｉの光導波路の前記角度の方向を第１の光導波路と第ｎの光導波路の中間を中心として、前記第ｉの光導波路と前記中心との距離が小さくなる向きに設定されていることを特徴とする。

また、第３の態様は、第１又は第２の態様において、前記第１の平面光波回路と、前記第１の屈折率と異なる第２の屈折率を有する第２の平面光波回路とは、前記第１の平面光波回路の側面に対して直角な端面と前記第２の平面光波回路の側面に対して直角な端面とが突き合わせ接続されていることを特徴とする。

また、本発明の第４の態様は、第１乃至第３のいずれかの態様において、前記第１の平面光波回路が石英系ガラスで構成されており、前記第２の平面光波回路がＬＮで構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、第１の平面光波回路と第２の平面光波回路にそれぞれ複数の光導波路を形成し、スネルの法則を満足する範囲で、第１又は第２の平面光波回路の各光導波路が接続界面の法線となす角度がおのおの異なり、かつ接続界面において第１の光導波路と第ｎの光導波路の中間付近に位置する光導波路ほど大きく、前記中間付近から離れるにつれて小さくなるようにすることにより、屈折率が異なる第１の平面光波回路と第２の平面光波回路とが、それぞれの平面光波回路に形成された複数の光導波路同士を光結合するように端面で突き合わせ接続された光部品において、使用環境の温度変化に対して安定な光部品を提供することができる。

石英系ガラスで構成された第１の平面光波回路と、ＬＮで構成された第２の平面光波回路が突き合わせ接続された従来例を示す図である。 直角な界面において反射を防止するための構成を示す図である。 端面に対して斜めに形成された斜め導波路の問題点を説明するための図である。 斜め導波路における導波路間隔と導波路間隔ずれの関係を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る光部品を示す図である。 本発明に係る光部品において、第１の平面光波回路を石英系ガラスで構成されたＰＬＣとし、第２の平面光波回路をＬＮで構成した場合の反射減衰量を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る光部品を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

図５に、本発明の第１の実施形態に係る光部品を示す。光部品５００は、第１の屈折率ｎ₁を有する第１の平面光波回路５０１と、第１の屈折率ｎ₁と異なる第２の屈折率ｎ₂を有する第２の平面光波回路５０２とが突き合わせ接続されている。第１の平面光波回路５０１及び第２の平面光波回路５０２の接続端面５０３は、第１の平面光波回路の側面５０６および第２の平面光波回路の側面５０７に対して直角である。第１の平面光波回路５０１には、第１〜第ｎ（ｎは２以上の整数）の光導波路が形成されており、第２の平面光波回路５０２にも、同様に第１〜第ｎの光導波路が形成されている。

本発明に係る光部品５００においては、第１の平面光波回路５０１の第ｉ（ｉは１以上ｎ以下の整数）の光導波路５０４と第２の平面光波回路５０２の第ｉの光導波路５０５の位置が接続界面において一致するように調心して接続する。この際、界面における反射を防止するために、各平面光波回路の複数の光導波路をそれぞれ界面近傍で傾斜させて形成し、第１の平面光波回路５０１の第ｉの光導波路が界面の法線となす角度φ_iが、接続界面において第１の光導波路と第ｎの光導波路の中間付近に位置する光導波路ほど大きく、前記中間付近から離れるにつれて小さくなるようにする。また、第１の平面光波回路５０１の光導波路および第２の平面光波回路５０２の光導波路のそれぞれが接続界面の法線となす角は、スネルの法則を満足する範囲で設定する。即ち、光導波路と接続界面の法線となす角が接続界面において中間付近の光導波路ほど大きく、端になるほど小さくする。このような構成を採ることで、第１の光導波路と第ｎの光導波路の中間付近から離れた位置にある光導波路の間隔ずれを小さくすることができる。また、両端の光導波路の角度は反射減衰量の目標値を満足する程度に設定しておけば、その内側に配置されている光導波路での反射減衰量は目標値よりも十分大きく、良好な値となる。なお、第２の平面光波回路５０２の第ｉの光導波路が界面となす角度θ_iは、スネルの法則を満足するように選択されるので、自ずとｉ毎に異なる値となる。

図６に、本発明に係る光部品５００において、第１の平面光波回路を石英系ガラスで構成されたＰＬＣとし、第２の平面光波回路をＬＮで構成した場合の反射減衰量の例を示す。一般的に、ＬＮ端面はフレネル反射損失を低減させるため無反射コート膜が形成され、反射を低減されている。そこで，第１の平面光波回路であるＰＬＣの反射減衰量について述べる。この例では、ＰＬＣの光導波路と端面の角度が３度のとき、反射減衰量は４５ｄＢとなる。従って、両端の光導波路の角度を３度とし、その内側に配置されている光導波路の角度を３度よりも大きくしていけば、自ずと各光導波路の反射減衰量を４５ｄＢ以上に設定することが可能となる。

図７に、本発明の第２の実施形態に係る光部品を示す。光部品７００は、第１の屈折率ｎ₁を有する第１の平面光波回路７０１と、第１の屈折率ｎ₁と異なる第２の屈折率ｎ₂を有する第２の平面光波回路７０２と、第１の屈折率ｎ₁を有する第３の平面光波回路７０３とが突き合わせ接続されている。第１の平面光波回路７０１及び第３の平面光波回路７０３は、シリコン基板上の石英系光導波路で形成されており、第２の平面光波回路７０２と接続される界面にそれぞれ６本の斜め光導波路７１１〜７１６及び７３１〜７３６と、Ｙ分岐導波路を備える構成となっている。第２の平面光波回路７０２は、ＬＮ基板上の光導波路で形成されており、６本の斜め光導波路７２１〜７２６が形成されており、各光導波路には５００μｍ間隔で電極７５１が形成されており、位相変調器として機能する。電極の間隔は電極間の電気的クロストークによって制限されるため、極端に狭くすることが困難である。この構成において、電極ペア７４１、７４２をＰＳＫ変調用とし、電極ペア７４３をＲＺ変調用として駆動することによって、ＲＺ−ＤＱＰＳＫモジュールとして機能する。

光導波路７１１、７１２、７１５、７１６、７３１、７３２、７３５、７３６は端面との角度を３度とし，光導波路７１３、７１４、７３３、７３４は６度とし、それぞれと接続される第２の平面光波回路の光導波路７２１〜７２６は、スネルの法則を満足する角度に設定されている。また、第１の平面光波回路７０１または第３の平面光波回路７０３と第２の平面光波回路７０２との接続界面において光導波路７１１〜７１６、７２１〜７２６、７３１〜７３６の導波路間隔が狭くなる方向に各光導波路が曲げられている。即ち、接続界面において、光導波路の角度の方向を光導波路７２１と光導波路７２６の中間を中心として、各光導波路と前記中心との距離が狭くなる向きに設定されていることによって、接続界面での導波路間隔を狭くしている。

このような構成にすることによって、反射減衰量を４０ｄＢ以上にしつつ、端面の角度ずれが０．２度になっても、導波路間隔のずれは０．４μｍ以下になり、環境温度が５０度変化しても損失変動を０．２ｄＢ以下に抑制することが可能となる。

５００ 光部品
５０１ 第１の平面光波回路
５０２ 第２の平面光波回路

Claims (4)

1. 第１の屈折率を有する第１の平面光波回路と、前記第１の屈折率と異なる第２の屈折率を有する第２の平面光波回路とが突き合わせ接続された光部品であって、
   前記第１及び第２の平面光波回路は、それぞれ第１〜第ｎ（ｎは２以上の整数）の光導波路を有し、
   前記第１の平面光波回路の第ｉ（ｉは１以上ｎ以下の整数）の光導波路と前記第２の平面光波回路の第ｉの光導波路の位置が、前記第１の平面光波回路と前記第２の平面光波回路との接続界面において一致し、
   前記第１又は第２の平面光波回路の第ｉの光導波路が前記接続界面の法線となす角度が、スネルの法則を満足する範囲でｉ毎に異なり、かつ前記接続界面において第１の光導波路と第ｎの光導波路の中間付近に位置する光導波路ほど大きく、前記中間付近から離れるにつれて小さくなっていることを特徴とする光部品。
2. 前記接続界面において、前記第ｉの光導波路の前記角度の方向を第１の光導波路と第ｎの光導波路の中間を中心として、前記第ｉの光導波路と前記中心との距離が狭くなる向きに設定されていることを特徴とする請求項１に記載の光部品。
3. 前記第１の平面光波回路と、前記第１の屈折率と異なる第２の屈折率を有する第２の平面光波回路とは、前記第１の平面光波回路の側面に対して直角な端面と前記第２の平面光波回路の側面に対して直角な端面とが突き合わせ接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光部品。
4. 前記第１の平面光波回路は、石英系ガラスで構成されており、前記第２の平面光波回路は、ＬＮで構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光部品。

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