JP2015141218A - 光結合構造、光結合器及び光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】コア数の異なる導波路間でモードフィールドを高効率で変換する、低コストで製造できる光結合構造を実現する。
【解決手段】
光結合構造３００は、第１の入出力ポート３０８並びに第２の入出力ポート３１０Ａ及び３１０Ｂを有する多モード干渉計導波路コア３０４と、第２の入出力ポートの各々に接続され、第２の入出力ポート３１０Ａ及び３１０Ｂから受けた光が１つのモードフィールドを有する光へと結合するまで外部に向かって漸減する幅を有する、２つのテーパ光導波路コア３１２Ａ及び３１２Ｂとを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、光結合構造並びにそれを用いた光結合器及び光モジュールに関し、より詳細には、異なるコア数を有する２つの光導波路の間で導波光を互いに変換する光結合構造、並びにそれを用いた光結合器及び光モジュールに関する。

光通信機器に用いられる光半導体装置などにおいては、光ビームのフィールドサイズの変換機能を備えた光結合構造が必要となることがある。例えば、光源から出力される光ビームのフィールドサイズが、光源に結合される光導波路の導波光のフィールドサイズよりも大きいことがある。（導波路が単一モードである場合は、導波光のフィールドサイズはモードフィールドサイズと同義である。）このような場合、光源からの出力光のフィールドサイズを、光導波路の導波光のフィールドサイズへと変換するために、光結合構造が用いられる。特に、光結合構造を導波路端に接続し、外部光学系（例えば、光源や光ファイバ）との光結合に用いる場合、その光結合構造はスポットサイズ変換器（ＳＳＣ，Ｓｐｏｔ−Ｓｉｚｅ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）と呼ばれる。

従来、光源との高効率な光結合を安定的に実現するために、モードフィールドサイズの小さな単一コア光導波路を、光源の出射ビームと同程度のモードフィールドサイズを有する複数コア導波路に変換することが提案されている。単一コア導波路のコアのサイズを小さくするだけでも、導波光のフィールドサイズを広げる効果があるが、コア数変換を行った上で複数コア導波路によって導波光のフィールドサイズを広げる構成にすると、単一の導波路でフィールドサイズを広げる場合に比べてフィールドサイズがコアサイズのばらつきに影響されにくくなり、高効率な光結合を安定的に得ることができる。

特許文献１は、テーパ構造を用いて単一コア光導波路と複数コア光導波路とを接続する光結合構造を開示している。図１はこのような従来の光結合構造１００を示す。図１において、光１０２Ａや光１０２Ｂ等のガウシアン形状の図形は、伝搬光のフィールド分布（強度分布）を表し、強度がｅの二乗分の１（約１３．５％）となる位置の間隔がフィールドサイズである。さて、光結合構造１００に入射された光１０２Ａは、先の広がったテーパ部１０４を介して、より大きなフィールドサイズを有する光１０２Ｂへと変換される。光１０２Ｂは、先細りの複数のテーパ部（図１では２つのテーパ部１０６Ａ及び１０６Ｂ）へと分離されて、光１０２Ｃ及び１０２Ｄに変換される。光１０２Ｃ及び１０２Ｄのそれぞれは、テーパ部１０６Ａ及び１０６Ｂを伝搬しながらそれぞれのコアの外部へと次第に浸み出し、フィールドの裾の重なりが増すことによって、全体として広がったモードフィールドを有する１つの光１０２Ｅへと結合される。光１０２Ｅはテーパ部１０６Ａ及び１０６Ｂを伝搬しながら更に広がり、より大きなガウシアン形状に近いフィールドを有する光１０２Ｆになる。光結合構造１００は、このようにして導波光のフィールドサイズを変換する。

また、特許文献２及び３は、速度型方向性結合器を用いて単一コア光導波路と複数コア光導波路とを接続する光結合構造を開示している。図２はこのような従来の光結合構造２００を示す。光結合構造２００に入力された光２０２Ａは、速度型方向性結合器２０４を介して２つのテーパ部２０６Ａ及び２０６Ｂのそれぞれに入力される光２０２Ｃ及び２０２Ｄへと分離される。光２０２Ｃ及び２０２Ｄはテーパ部２０６Ａ及び２０６Ｂをそれぞれ伝搬しながらコアの外部へと次第に浸み出し、フィールドの裾の重なりが増すことによって、全体として広がったモードフィールドを有する１つの光２０２Ｅへと結合される。光２０２Ｅはテーパ部２０６Ａ及び２０６Ｂを伝搬しながら更に広がり、より大きなガウシアン形状に近いフィールドを有する光２０２Ｆになる。光結合構造２００は、このようにして導波光のフィールドサイズを変換する。

国際公開第２００５／０１７５８８号 再公表特許国際公開第２０１１／０３６８１８号 特開２０１３−１４０２０５号公報

しかしながら、従来の光結合構造は、光損失が大きく、製造コストが高いという問題を有する。先ず、図１に示す光結合構造１００においては、先太のテーパ部１０４と分岐した先細りのテーパ部１０６Ａ及び１０６Ｂとの間の光結合の際に、光１０２Ｂから光１０２Ｃと光１０２Ｄへとフィールドの分布が急激に変化するため、大きな光損失が生じる。

また、図２に示す光結合構造２００は、速度型方向性結合器２０４に含まれるテーパの先端の幅が十分に小さくないと、やはり大きな光損失を生じる。具体的な例として、高さが２２０ｎｍのシリコンをコアとする光導波路の場合、光の真空中の波長が１．５μｍであれば、そのテーパの先端幅を１００ｎｍ以下にしないと、十分な低損失化を行えない。そのため、製造用に１００ｎｍ幅のパターニングが可能なリソグラフィ装置を使用しようとすると、一般にパターニング効率が悪いとされる電子線描画装置を用いるか、あるいは効率は良くてもより高価なＡｒＦ液浸スキャナなどの使用を強いられるのが現状である。その結果、従来技術を用いる限り、いずれのリソグラフィ装置を用いたとしても、製造コストの増大を避けられない。

尚、光結合のために光結合構造を使用する場合、光１０２Ｆのフィールドサイズは、光結合する先のフィールドサイズに合わせて決定される。例えば、モードフィールドサイズを３μｍにしたければ、２コア導波路の先端幅を１３０μｍとし、コアの間隔を１μｍにすればよい。
このように、従来技術によれば、十分に高い光結合効率を発揮する、コア数変換型の光結合構造を、低コストで実現することができないという問題がある。したがって、導波光のフィールドサイズを高効率で変換でき、かつ低コストで製造できるコア数変換型光結合構造を提供することが、課題である。

また、コア数変換型の光結合構造は、スポットサイズ変換器としての用途以外にも、コア数の異なる複数コア導波路間で高効率な光結合を行うために用いられることがある。複数コア導波路自体は、例えば、コア間のクラッドに分布する光を効率的にクラッドの材料に作用させるなどの目的で用いられる。従来は１つのコアの導波路と複数のコアの導波路の間の光結合のみが想定されていたため、複数コア導波路と異なるコア数の別の複数コア導波路との高効率光結合のための実用的な光結合構造が無かった。したがって、異なるコア数の複数コア導波路の間で導波光を高効率に変換できる光結合器構造を提供することも、もう一つの課題となっている。

本発明の実施例において、光結合構造やコア数の異なる導波路を光結合するためなどに用いるコア数変換型の光結合構造は、Ｍ個（Ｍは１以上の整数）のコアを備えるＭコア導波路とＮ個（ＮはＭより大きい整数）のコアを備えるＮコア導波路を備え、前記Ｎコア導波路のＮ個のコアのそれぞれの横幅の内の最大値は、前記Ｍコア導波路のＭ個のコアのそれぞれの横幅の内の最小値のＮ分のＭ倍以下であり、前記Ｍコア導波路とＮコア導波路との間には少なくともＭ個とＮ個の入出力ポートを有する多モード干渉計導波路コアを備え、前記Ｍコア導波路のそれぞれのコアは前記多モード干渉計導波路コアのＭ個の入出力ポートに接続され、前記Ｎコア導波路のそれぞれのコアは前記多モード干渉計導波路コアのＮ個の入出力ポートに接続され、前記Ｎコア導波路のコアと、それらのコアが接続される前記多モード干渉計導波路コアのそれぞれの入出力ポートとの間に前記Ｎコア導波路に向かって幅が漸減するテーパ導波路コアを有し、前記テーパ導波路コアのそれぞれの中心軸の間隔は、隣り合うもの同士の間で、一定であるか、または多モード干渉計導波路から離れるにつれて漸増あるいは漸減する。

実施例において、上記多モード干渉計導波路コアの導波方向の中心軸に対して線対称の構造を有する。
実施例において、Ｍは１であってもよく、その場合、Ｎは２であってもよい。

実施例において、Ｎコア導波路のＮ個のそれぞれのコアの横幅は全て、Ｎ個のコアの任意の２つの間隔よりも小さい。
本発明の実施例による光結合器は、上記のような光結合構造を含む。

実施例において、光結合器のＭコア導波路は端面を備えてもよい。その場合、Ｍコア導波路の長さがゼロでもよい。
実施例において、Ｎコア導波路が端面を備えてもよい。その場合、Ｎコア導波路の長さがゼロでもよい。

本発明の実施例による光モジュールは、上記のような光結合器と光源とを備え、光結合器の端面に光源が光結合されてもよい。

従来技術の光結合構造の概略図である。 従来技術の光結合構造の概略図である。 本発明の実施例による光結合構造の概略図である。 図３の光結合構造の動作を示す。 本発明の実施例による光結合構造の概略図である。 図５の光結合構造の動作を示す。 本発明の実施例による光結合構造の概略図である。 本発明の実施例による光結合構造の概略図である。 本発明の実施例による光結合構造の概略図である。 本発明の実施例による光モジュールの概略的な平面図である。 本発明の実施例による光モジュールの概略的な平面図である。

本発明の実施例を、図面を参照して以下に説明する。図３は、本発明の実施例による光結合構造３００を概略的に示す。光結合構造３００は、１つのコアを備える単一モード導波路（１コア導波路）から入力される光を２つのコアを備える単一モード導波路（２コア導波路）のモードフィールドを有する光へと変換して出力する。通常、１コア導波路のモードフィールドよりも２コア導波路のモードフィールドの方が大きいため、この効果を利用すれば、光結合構造３００に端面を備えることによって、外部光学系との光結合を行うためのスポットサイズ変換器として用いることもできる。

光結合構造３００は、Ｍ個（Ｍは１以上の整数、図３においてはＭ＝１）の第１の入出力ポート３０８とＮ個（ＮはＭより大きい整数、図３においてはＮ＝２）の第２の入出力ポート３１０Ａ及び３１０Ｂ、を有する多モード干渉計導波路コア３０４を備える。多モード干渉計導波路コア３０４において、第１の入出力ポート３０８が入力側である場合には第２の入出力ポート３１０Ａ及び３１０Ｂが出力側であり、第１の入出力ポート３０８が出力側である場合には第２の入出力ポート３１０Ａ及び３１０Ｂが入力側である。

光結合構造３００は、さらに、第２の入出力ポート３１０Ａ及び３１０Ｂに各々が接続されるテーパ光導波路３１２Ａ及び３１２Ｂを備える。図３に示すように、テーパ光導波路３１２Ａ及び３１２Ｂは、多モード干渉計導波路コア３０４の外部に向かって（すなわち、多モード干渉計導波路コア３０４から遠ざかる方向に沿って）幅が漸減するように構成される。

図３に示すように、多モード干渉計導波路コアの第１の入出力ポート３０８には、Ｍ個のコアを備えるＭコア導波路（Ｍ＝１より、１コア導波路）のコア３１４が接続されてもよい。また、テーパ導波路コアの３１２Ａ及び３１２Ｂの細い方の端部には、Ｎ個のコアを備えるＮコア導波路３１６（Ｎ＝２より、２コア導波路）のコア３１６Ａ及びコア３１６Ｂのそれぞれが接続されてもよい。

２コア導波路を含めて、ここで言う複数コア導波路は、近接した複数のコアを含む単一モード導波路のことであり、平行する全てのコアを導波光の電磁界が同じ位相で伝搬する導波モードのみを有する。ここで、単一モード導波路と言うとき、ＴＥ偏波又はＴＭ偏波の少なくともいずれか一方の偏波に関して単一モードである導波路のことを指す。このような複数コア導波路に似て非なる導波路構造として、単独の導波路のコアを単に並列に配置しただけの構造があるが、その構造の場合には、各コアを伝搬する光の位相は必ずしも揃っておらず、互いに独立して変化することもある。複数コア導波路と普通の単一コア導波路の単純な並列配置との構造状の違いは、定性的に言うと、前者の導波路に含まれる全てのコアの幅や高さが、後者の並列導波路のどのコアに比べても各段に小さいことである。この条件を十分に満たすことによって、単一の導波モードしか存在できないようにすることができる。

Ｍコア導波路とそれよりもコア数の多いＮコア導波路が共に単一モード導波路であるとき、Ｍコア導波路の個々のコアの幅と、Ｎコア導波路の個々のコアの幅は略反比例する。これは、単一モードが維持されるコアの総断面積の最大値が略一定のためである。最もコア幅の比が大きいのは１コア導波路と２コア導波路の場合で、２コア導波路の個々のコアの幅は、最大でも、１コア導波路のコアの幅の略半分である。従って、定量的には、Ｍコア導波路が単一モード導波路であることが分かっているとき、Ｎコア導波路のＮ個のコアのそれぞれの幅の内の最大値が、Ｍコア導波路のＭ個のコアのそれぞれの幅の内の最小値のＮ分のＭ倍以下となるようにＮコア導波路の幅を設計すると、Ｎコア導波路も単一モード導波路とすることができる。

光結合構造３００は、多モード干渉計導波路コア３０４の導波方向の中心軸に対して線対称の構造を有するように構成されてもよい。
テーパ光導波路３１２Ａ及び３１２Ｂの中心軸同士の間の間隔は、第２の入出力ポート３１０Ａ及び３１０Ｂとコア３１６Ａ及び３１６Ｂとの間において一定であってもよいし、又は、コア３１６Ａ及び３１６Ｂに近づくにつれて漸増または漸減してもよい。

第１の入出力ポート３０８に接続される光導波路コア３１４に沿って導波される光のフィールドサイズは、複数コア導波路３１６のコア３１６Ａ及び３１６Ｂに沿って導波される光のフィールドサイズとは異なる。したがって、光結合構造３００は、異なるコア数を含む複数コア導波路間の高効率な光結合を行うと同時に、導波光のフィールドサイズを変換する効果を有する。

図４は、図３の光結合構造３００の動作を示す。導波路コア３１４に沿って伝搬する光３０２Ａは第１の入出力ポート３０８において多モード干渉計導波路コア３０４に入力される。多モード干渉計導波路コア３０４は、入力された光３０２Ｂを光３０２Ｃ及び３０２Ｄへと分離する。光３０２Ｃ及び３０２Ｄは、それぞれ、第２の入出力ポート３１０Ａ及び３１０Ｂを介して、テーパ光導波路コア３１２Ａ及び３１２Ｂへ出力される。テーパ光導波路コア３１２Ａ及び３１２Ｂは、多モード干渉計導波路コア３０４の外側に向かって幅が漸減するように構成される。このため、光３０２Ｃ及び３０２Ｄは、テーパ光導波路コア３１２Ａ及び３１２Ｂに沿って伝搬するにつれて導波路コアから浸み出し、３０２Ｅに示すように、これらの光のモードフィールドは裾が重なり、光学的に結合する。光３０２Ｅはテーパ光導波路コア３１２Ａ及び３１２Ｂに沿ってさらに伝搬し、モードフィールドの重なりが増して（すなわち、結合が強まって）、大きく広がった１つのモードフィールドを有する光３０２Ｆへと完全に結合される（すなわち、単一モードとなる）。この光３０２Ｆは、テーパ光導波路コア３１２Ａ及び３１２Ｂにそれぞれ接続される複数コア導波路３１６のコア３１６Ａ及び３１６Ｂに沿って、この広がったモードフィールドを保ったまま伝搬する。このようにして、光結合構造３００は、コア数の異なる複数コア導波路間の光結合を行う過程で、モードフィールドの小さな光３０２Ａをモードフィールドの大きな光３０２Ｆへと変換することができる。

ここでは、コア３１４を備える単一コア導波路から入力された光がコア３１６Ａ及び３１６Ｂを備える複数光導波路３１６に出力される場合の動作を説明した。しかし、当業者であれば、光結合構造３００は、光導波路コア３１６Ａ及び３１６Ｂを備える複数コア導波路３１６から入力された光が光導波路コア３１４を備える単一コア導波路へと出力されるような、逆向きの動作をすることもできることを理解するであろう。この場合には、光導波路コア３１６Ａ及び３１６Ｂに沿って伝搬してくる大きなモードフィールドを有する光が、テーパ光導波路コア３１２Ａ及び３１２Ｂを介して独立した２つの光に分離され、それぞれ入出力ポート３１０Ａ及び３１０Ｂを介して、多モード干渉計導波路コア３０４に入力される。

導波路コア３１４の側から光を入力する場合に戻ると、光結合構造３００は、多モード干渉計導波路コア３０４の使用により、光３０２Ｂを、コア３１２Ａ及び３１２Ｂのテーパ導波路に入力される前に、それらのテーパ導波路のフィールド分布に合わせて分離する。そのため、多モード干渉計導波路コア３０４とテーパ導波路コア３１２Ａ及び３１２Ｂとの間でモードフィールドのミスマッチが生じず、図１に示すような従来の光結合構造と比較して、高い光結合効率を実現する。

また、光結合構造３００は、その構造に含まれる最小寸法が光導波路コア３１６Ａ及び３１６Ｂの幅（テーパ光導波路コア３１２Ａ及び３１２Ｂの先端の幅）であるので、例えば先に例示した光結合構造の用途であれば、１３０ｎｍが解像できればよい。図２に示すような従来の光結合構造の場合は、速度型方向性結合器のテーパ先端の１００ｎｍを解像するために、ＡｒＦ液浸スキャナが必要であったが、光結合構造３００の場合は、それよりも大幅に安価なＡｒＦドライスキャナでパターニングが可能なのである。このように、光結合構造３００は、従来技術のように、その構造を解像するためだけにより高価な露光装置の使用を強いられるといった無駄が無い。

さらに、多モード干渉計導波路コア３０４は速度型方向性結合器などと比較して、短くしても光ビームの分岐機能が低下しにくく、そのため、より短くできる。速度型方向性結合器の場合は、短くしようとすると、速度型方向性結合器の構成要素である各テーパの間のギャップを狭くして、テーパ間の光の移動を速めなければならない。しかし、上述したように、製造コストの観点から利用できるリソグラフィ装置の解像度には制限があるため、ギャップを狭めるにしても自ずと限界がある。一方、多モード干渉計導波路コア３０４の場合は、そのようなギャップを構造中に含まないため、リソグラフィの限界によって短くできないことは無い。従来の光結合構造において光を効率よく結合するためには、例えば、８０μｍ程度の長さの速度型方向性結合器を用いる必要があった。これに対して、本実施例の光結合構造３００において、多モード干渉計導波路コア３０４は、同じ光分岐特性を得るために、例えば、５μｍ程度の長さを有するように構成することができる。このため、本実施例の光結合構造３００は、従来の光結合構造と比較してサイズを小さくできる。したがって、本実施例の光結合構造３００は、従来の光結合構造よりも、より高い集積度の光モジュールに組み込むことができる。

さて、図４に示した光結合構造３００において、光導波路コア３１４に沿って伝搬してくる導波光のフィールド３０２Ａの殆どが光導波路コア３１４の中に閉じ込められていれば、光導波路コア３１４と多モード干渉計導波路コア３０４の接続箇所での反射損失や散乱損失は無視できる程度に小さい。このような状況は、光導波路コア３１４を構成する媒質中での光の波長に比べて、光導波路コア３１４の横幅が十分に大きいときに生じる。

しかし逆に、光導波路コア３１４の横幅が、導波路コア３１４を構成する媒質中での光の波長と同程度か、或いは小さければ、光導波路コア３１４からの導波光３０２Ａのフィールドの浸み出しが大きくなり、光導波路コア３１４と多モード干渉計導波路コア３０４の接続箇所での反射損失や散乱損失は、無視できないほど大きくなる。その場合は、光導波路コア３１４と多モード干渉計導波路コア３０４の間にテーパ導波路を備えればよい。そのような光結合構造について、次に説明する。

図５は、本発明の実施例による光結合構造５００を概略的に示す。光結合構造５００は、異なるコア数の複数コア導波路の間で、導波光を変換する。光結合構造５００は、Ｍ個（Ｍは１以上の整数、図５においてはＭ＝１）の第１の入出力ポート５０８並びにＮ個（ＮはＭより大きい整数、図５においてはＮ＝２）の第２の入出力ポート５１０Ａ及び５１０Ｂを有する多モード干渉計導波路コア５０４を備える。多モード干渉計導波路コア５０４において、第１の入出力ポート５０８が入力として機能する場合には第２の入出力ポート５１０Ａ及び５１０Ｂが出力として機能し、第１の入出力ポート５０８が出力として機能する場合には第２の入出力ポート５１０Ａ及び５１０Ｂが入力として機能する。

光結合構造５００は、さらに、第１の入出力ポート５０８に接続されるテーパ光導波路コア５１８並びに第２の入出力ポート５１０Ａ及び５１０Ｂに各々が接続されるテーパ光導波路コア５１２Ａ及び５１２Ｂを備える。図５に示すように、テーパ光導波路コア５１２Ａ、５１２Ｂ及び５１８は、多モード干渉計導波路コア５０４の外側に向かって幅が漸減するように構成される。図５において、光結合構造５００は、テーパ光導波路コア５１８に接続される一定の幅を有する光導波路コア５１４を有してもよい。また、光結合構造５００は、テーパ光導波路コア５１２Ａ及び５１２Ｂにそれぞれ接続される一定の幅を有する光導波路コア５１６Ａ及び５１６Ｂを含む複数コア導波路５１６を有してもよい。光導波路コア５１４に沿って導波される光のフィールドサイズは、光導波路コア５１６Ａ及び５１６Ｂの組み合わせによる２コア導波路５１６に沿って導波される光のフィールドサイズとは異なる。したがって、光結合構造５００は、導波光のフィールドサイズを変換することができる。

図６は、図５の光結合構造５００の動作を示す。光導波路コア５１４に沿って伝搬する光５０２Ａはテーパ光導波路コア５１８へ入力される。光導波路コア５１４の幅が小さいために、光５０２Ａのフィールドは光導波路コア５１４の外側への浸み出しが大きい。テーパ光導波路コア５１８は、多モード干渉計導波路コア５０４に向かって幅が漸増するように構成される。このため、光５０２Ａの浸み出していたフィールドは、テーパ光導波路コア５１８に沿って伝搬するにつれて、テーパ光導波路コア５１８の内部に吸収され、殆どのフィールドがコア内に存在する光５０２Ｂへと変換される。この光５０２Ｂは、第１の入出力ポート５０８において多モード干渉計導波路コア５０４に入力される。光５０２Ｂのコア５１８の外への浸み出しは無視できる程度に小さいため、テーパ導波路コア５１８と多モード干渉計導波路コア５０４の接続箇所５０８において生じる反射損失や散乱損失も無視できる程度に小さい。多モード干渉計導波路コア５０４は、入力された光５０２Ｂを、第２の入出力ポート５１０Ａ及び５１０Ｂにそれぞれ結合される光５０２Ｃ及び５０２Ｄへと分離する。光５０２Ｃ及び５０２Ｄは、それぞれ、第２の入出力ポート５１０Ａ及び５１０Ｂを介して、テーパ光導波路コア５１２Ａ及び５１２Ｂへ出力される。テーパ光導波路コア５１２Ａ及び５１２Ｂは、多モード干渉計導波路コア５０４の外側に向かって幅が漸減するように構成される。このため、光５０２Ｃ及び５０２Ｄは、テーパ光導波路５１２Ａ及び５１２Ｂを伝搬するにつれて光導波路から次第に浸み出し、５０２Ｅに示すように、これらの光のモードフィールドの裾は重なる。光５０２Ｅはテーパ光導波路コア５１２Ａ及び５１２Ｂに沿ってさらに伝搬し、大きく広がった１つのモードフィールドを有する光５０２Ｆへと結合される。この光５０２Ｆは、テーパ光導波路コア５１２Ａ及び５１２Ｂにそれぞれ接続される光導波路コア５１６Ａ及び５１６Ｂを含む複数コア導波路５１６を介して、この広がったフィールドを保ったまま伝搬する。このようにして、光結合構造５００は、コア数の異なる複数コア導波路間の光結合を行う過程で、モードフィールドの小さな光５０２Ａをモードフィールドの大きな光５０２Ｆへと変換することができる。

ここでは、光導波路コア５１４から入力された光が光導波路コア５１６Ａ及び５１６Ｂへと出力される場合の動作を説明した。しかし、当業者であれば、光結合構造５００が、光導波路コア５１６Ａ及び５１６Ｂから入力された光が光導波路コア５１４へと出力されるように動作することもできることを理解するであろう。この場合、大きなフィールドを有する入射光がより小さなフィールドを有する光へと変換される。

図７は、本発明の実施例による光結合構造７００を概略的に示す。光結合構造７００は、図５に示す光結合構造５００と同様の構成を有する。光結合構造７００は、Ｍ個（Ｍは１以上の整数、図７においてはＭ＝１）の第１の入出力ポート７０８及びＮ個（ＮはＭより大きい整数、図７においてはＮ＝２）の第２の入出力ポート７１０Ａ及び７１０Ｂを有する多モード干渉計導波路コア７０４を備える。光結合構造７００は、さらに、第１の入出力ポート７０８に接続されるテーパ光導波路コア７１８並びに第２の入出力ポート７１０Ａ及び７１０Ｂに各々が接続されるテーパ光導波路コア７１２Ａ及び７１２Ｂを備える。光結合構造７００は、光導波路コア７１４と、光導波路コア７１６Ａ及び７１６Ｂを含む複数コア導波路７１６とを有してもよい。テーパ光導波路コア７１２Ａ及び７１２Ｂのうちの少なくとも１つは、一定の幅を有する１つ以上の部分を含むように構成されてもよい。例えば、図７に示すように、テーパ光導波路コア７１２Ａ及び７１２Ｂは、それぞれ、一定の幅を有する（すなわち、幅が漸減／漸増しない）部分７２０Ａ及び７２０Ｂを備えるように構成されてもよい。図示しないが、同様に、テーパ光導波路コア７１８も、一定の幅を有する１つ以上の部分を有してもよい。

図８は、本発明の実施例による光結合構造８００を概略的に示す。既に述べたように、多モード干渉計導波路コア８０４は、Ｍ個（Ｍは１以上の整数）の第１の入出力ポート及びＮ個（ＮはＭより大きい整数）の第２の入出力ポートを有する。図３に示す光結合構造３００においてはＭ＝１、Ｎ＝２であったが、図８に示すように、例えば、Ｍ＝１、Ｎ＝３であってもよい。光結合構造８００において、光導波路コア８１４に沿って伝搬して多モード干渉計導波路コア８０４の第１の入出力ポート８０８に入力された光は、第２の３つの入出力ポート８１０Ａ、８１０Ｂ及び８１０Ｃへと分離して出力される。出力された光は、それぞれ、テーパ光導波路コア８１２Ａ、８１２Ｂ及び８１２Ｃに沿って伝搬し、１つのモードフィールドを有する光へと結合された後、光導波路コア８１６Ａ、８１６Ｂ及び８１６Ｃの組み合わせによる３コア導波路８１６に沿って、そのモードフィールドを保持しつつ導波される。

光導波路コア８１６Ａ、８１６Ｂ及び８１６Ｃは、Ｎ個（Ｎ＝３）のコアを有するＮコア導波路、即ち、３コア導波路８１６のコアである。この３コア導波路８１６が単一モード導波路であるとき、多くの場合、光導波路コア８１６Ａ、８１６Ｂ及び８１６Ｃのうちの任意の光導波路のコアの横幅は、光導波路コア８１６Ａ、８１６Ｂ及び８１６Ｃのうちの任意の２つの光導波路のコアの間隔よりも小さい。これは、個々の導波路コアからの光フィールドの浸み出しが十分に大きくないと、フィールド間の結合が十分に生じず、単一モードにならないためである。

図９は、本発明の実施例による光結合構造９００を概略的に示す。多モード干渉計導波路コア９０４は、Ｍ個（Ｍは１以上の整数）の第１の入出力ポート及びＮ個（ＮはＭより大きい整数）の第２の入出力ポートを有する。図５に示す光結合構造５００においてはＭ＝１、Ｎ＝２であったが、図９に示すように、例えば、Ｍ＝２、Ｎ＝４であってもよい。光結合構造９００において、２コア導波路９１４の光導波路コア９１４Ａ及び９１４Ｂに沿って導波された光は、テーパ光導波路コア９１８Ａ及び９１８Ｂを伝搬する過程で２つの光フィールドに分割された後、多モード干渉計導波路コア９０４の第１の入出力ポート９０８Ａ及び９０８Ｂに入力される。このように、２つ以上のコアを含む複数コア導波路のコアを多モード干渉計導波路コアに接続する場合は、テーパ導波路コアを介することによって、複数コア導波路と多モード干渉計導波路コアの入力側ポートの間で、光フィールドを連続的（すなわち断熱的）に変化させることができ、反射や散乱による光損失を低減することができる。入出力ポート９０８Ａ及び９０８Ｂから複数コア導波路内に入射された光は、４つの第２の入出力ポート９１０Ａ、９１０Ｂ、９１０Ｃ及び９１０Ｄへと分離して出力される。出力された光は、それぞれ、テーパ光導波路コア９１２Ａ、９１２Ｂ、９１２Ｃ及び９１２Ｄに沿って伝搬し、１つのモードフィールドを有する光へと結合された後、光導波路コア９１６Ａ、９１６Ｂ、９１６Ｃ及び９１６Ｄの組み合わせによる４コア導波路９１６によって、このモードフィールドを保持しつつ導波される。

２コア導波路９１４と４コア導波路９１６は共に単一モード導波路であるので、光導波路コア９１６Ａ、９１６Ｂ、９１６Ｃ及び９１６Ｄの内の幅の最大値は、光導波路コア９１４Ａ及び９１４Ｂの幅の内の最小値の２分の１以下であってもよい。

本発明の実施例の光結合構造を用いて光結合器（光結合構造）を構成することができる。図１０は、図５に示すような本発明の実施例による光結合構造を光結合器１０００として用いることによって構成される例示的な光モジュール１０３０の概略的な平面図を示す。光モジュール１０３０は、例えば、Ｓｉ基板の上に二酸化珪素（ＳｉＯ_２）層（埋め込み酸化膜と呼ばれる）と更にその上に表面Ｓｉ層が積層された構造を有するＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板上に形成されてもよい。この場合、多モード干渉計導波路コア１００４、テーパ光導波路コア１０１８、１０１２Ａ及び１０１２Ｂ、並びに光導波路コア１０１４は、表面Ｓｉ層を加工して構成することができる。埋め込み酸化膜は下部クラッドとして働く。上部クラッドとして更に二酸化珪素や他の誘電体膜を積層してもよい。本実施例では、多モード干渉計導波路コア１００４は、１つの第１の入出力ポートと第２の２つの入出力ポートを有している。第１の入出力ポートはテーパ光導波路コア１０１８に接続され、第２の入出力ポートはテーパ光導波路コア１０１２Ａ及び１０１２Ｂに接続される。

本実施例において、第１の入出力ポートは入力として機能し、第２の入出力ポートは出力として機能する。光結合器１０００は、光導波路コア１０１４に沿って導波された光を、異なるサイズのモードフィールドを有する光導波路１０２２へと結合する。光導波路１０２２はコア１０２４を有する。例えば、光導波路１０２２は断面が円形であるコア１０２４を有する光ファイバであってもよい。テーパ光導波路コア１０１２Ａ及び１０１２Ｂは、その横幅の最も狭い端部に一様な端面を有してもよい。または、テーパ光導波路コア１０１２Ａ及び１０１２Ｂに、モードフィールドを維持するための複数コア導波路（２コア導波路）のコアを更に接続し、そのコアに一様な端面を有してもよい。

光導波路コア１０１４に沿って導波された光は、テーパ光導波路コア１０１８を介して多モード干渉計導波路コア１００４へ入力される。光は多モード干渉計導波路コア１００４によって２つに分離され、テーパ光導波路コア１０１２Ａ及び１０１２Ｂへ出力される。テーパ光導波路コア１０１２Ａ及び１０１２Ｂは多モード干渉計導波路コア１００４から離れる方向に沿って漸減する幅を有する。テーパ光導波路コア１０１２Ａ及び１０１２Ｂに沿って伝搬する光は、光モジュール１０３０の端面に至る過程で１つのモードフィールドを有する光へと結合される。この結合された光のモードフィールドは、光導波路コア１０１４に沿って導波される光のモードフィールドよりも大きい。したがって、光結合器１０００は、小さなモードフィールドを有する光を、より大きなモードフィールドを有する光へと変換して、幅の広いコア１０２４を有する光導波路１０２２へと結合することができる。

テーパ光導波路コア１０１２Ａ及び１０１２Ｂから出力される光は、縦または横に広がった楕円形のモードフィールドを有することがある。この場合、図１０に示すように、レンズ１０２０を用いることによって、楕円形のモードフィールドの光を光導波路１０２２のコアに対応する円形のモードフィールドの光へと成形してもよい。勿論、テーパ光導波路コア１０１２Ａ及び１０１２Ｂから出力される光のフィールドが光導波路１０２２のモードフィールドと同程度であれば、このようなレンズは不要であり、突き合わせ接続によって、低損失の光結合が可能である。

図１１は、図５に示すような本発明の実施例による光結合構造を光結合器１１００として用いることによって構成される例示的な光モジュール１１３０の概略的な平面図を示す。光モジュール１１３０は、例えば、ＳＯＩ基板上に形成されてもよい。この場合、多モード干渉計導波路コア１１０４、テーパ光導波路コア１１１８、１１１２Ａ及び１１１２Ｂ並びに光導波路コア１１１４は、ＳＯＩ基板上の表面Ｓｉ層を加工することによって構成することができる。

本実施例において、光モジュール１１３０上に光源１１２６が実装される。図１１の例において光源１１２６は半導体レーザであり、活性領域１１２８を有する。また、テーパ光導波路コア１１１２Ａ及び１１１２Ｂは、その横幅の最も狭い端部に一様な端面を有する。この場合、光源１１２６はこれらの端面に突き当てられて配置されることによって、光源１１２６が当該端面に光結合されてもよい。あるいは、テーパ光導波路コア１１１２Ａ及び１１１２Ｂに、モードフィールドを維持するための複数コア導波路（２コア導波路）のコアを更に接続し、そのコアに一様な端面を有してもよい。光モジュール１１３０において、多モード干渉計導波路コア１１０４は１つの第１の入出力ポート及び２つの第２の入出力ポートを有し、第１の入出力ポートは出力として機能し、第２の入出力ポートは入力として機能する。光結合器１１００は、半導体レーザ１１２６の活性領域１１２８から出力される光のフィールドを光導波路コア１１１４に沿って導波されるのに適したフィールドに変換する。

半導体レーザ１１２６から出力された光は、テーパ光導波路コア１１１２Ａ及び１１１２Ｂの最も横幅の狭い端部に接続される複数コア導波路（２コア導波路）に入力される。図１１に示すように、この複数コア導波路の長さはゼロ、即ち、この複数コア導波路が無くてもよいが、有限の長さがあれば、加工精度の関係で端面位置が多少変動しても、安定した端面形状を得ることができる。テーパ光導波路コア１１１２Ａ及び１１１２Ｂの狭い方の端部に入力された光は、広い方の端部に向かって伝搬するにつれて、別個のモードフィールドを有する２つの光へと分離される。これらの光は多モード干渉計導波路コア１１０４の２つの第２の入出力ポートにそれぞれ入力され、多モード干渉計導波路コア１１０４によって１つの光に結合され、第１の入出力ポートからテーパ光導波路コア１１１８へと出力される。テーパ光導波路コア１１１８に入力された光のモードフィールドは、テーパ導波路コア１１１８を介して、光導波路コア１１１４に沿って導波されるのに適した大きさのモードフィールドを有する光へと変換される。

このように、光モジュール１１３０においては、本発明の実施例の光結合器１１００を用いることによって、大きなモードフィールドを有する半導体レーザから出力される光を、小さなモードフィールドを有する、光導波路コア１１１４に沿って導波される光へと変換することができる。

本発明は特定の実施例に関して記載されたが、本明細書に記載された実施例は、本発明を限定的に解釈することを意図したものではなく、本発明を例示的に説明することを意図したものである。本発明の範囲から逸脱することなく他の代替的な実施例を実施することが可能であることは当業者にとって明らかである。

１００、２００、３００、５００、７００、８００、９００ 光結合構造
１０２Ａ、１０２Ｂ、１０２Ｃ、１０２Ｄ、１０２Ｅ、１０２Ｆ、２０２Ａ、２０２Ｃ、２０２Ｄ、２０２Ｅ、２０２Ｆ、３０２Ａ、３０２Ｂ、３０２Ｃ、３０２Ｄ、３０２Ｅ、３０２Ｆ、５０２Ａ、５０２Ｂ、５０２Ｃ、５０２Ｄ、５０２Ｅ、５０２Ｆ 伝搬光のフィールド分布
１０４、１０６Ａ、１０６Ｂ、２０６Ａ、２０６Ｂ テーパ部
２０４ 速度型方向性結合器
３０４、５０４、７０４、８０４、９０４、１００４、１１０４ 多モード干渉計導波路コア
３０８、５０８、７０８、８０８、９０８Ａ、９０８Ｂ 第１の入出力ポート
３１０Ａ、３１０Ｂ、５１０Ａ、５１０Ｂ、７１０Ａ、７１０Ｂ、８１０Ａ、８１０Ｂ、８１０Ｃ、９１０Ａ、９１０Ｂ、９１０Ｃ、９１０Ｄ 第２の入出力ポート
３１２Ａ、３１２Ｂ、５１２Ａ、５１２Ｂ、５１８、７１２Ａ、７１２Ｂ、７１８、８１２Ａ、８１２Ｂ、８１２Ｃ、９１２Ａ、９１２Ｂ、９１２Ｃ、９１２Ｄ、９１８Ａ、９１８Ｂ、１０１２Ａ、１０１２Ｂ、１０１８、１１１２Ａ、１１１２Ｂ、１１１８ テーパ光導波路コア
３１４、３１６Ａ、３１６Ｂ、５１４、５１６Ａ、５１６Ｂ、７１４、７１６Ａ、７１６Ｂ、８１４、８１６Ａ、８１６Ｂ、８１６Ｃ、９１４Ａ、９１４Ｂ、９１６Ａ、９１６Ｂ、９１６Ｃ、９１６Ｄ、１０１４、１１１４ 光導波路コア
３１６、５１６、７１６、８１６、９１４、９１６ 複数コア導波路
７２０Ａ、７２０Ｂ 一定の幅を有する部分
１０００、１１００ 光結合器
１０２０ レンズ
１０２２ 光導波路
１０２４ コア
１０３０、１１３０ 光モジュール
１１２６ 光源
１１２８ 活性領域

Claims (11)

1. コア数の異なる導波路を光結合するコア数変換型の光結合構造であって、
   Ｍ個（Ｍは１以上の整数）のコアを備えるＭコア導波路及びＮ個（ＮはＭより大きい整数）のコアを備えるＮコア導波路であって、前記Ｎコア導波路のＮ個のコアのそれぞれの横幅の内の最大値は、前記Ｍコア導波路のＭ個のコアのそれぞれの横幅の内の最小値のＮ分のＭ倍以下である、Ｍコア導波路及びＮコア導波路と、
   前記Ｍコア導波路とＮコア導波路との間に配置される少なくともＭ個とＮ個の入出力ポートを有する多モード干渉計導波路コアであって、前記Ｍコア導波路のそれぞれのコアは前記多モード干渉計導波路コアのＭ個の入出力ポートに接続され、前記Ｎコア導波路のそれぞれのコアは前記多モード干渉計導波路コアのＮ個の入出力ポートに接続される、多モード干渉計導波路コアと、
   前記Ｎコア導波路のそれぞれのコアと、それらのコアが接続される前記多モード干渉計導波路コアのそれぞれの入出力ポートとの間に配置される、前記Ｎコア導波路に向かって幅が漸減するテーパ導波路コアであって、前記テーパ導波路コアのそれぞれの中心軸の間隔は、隣り合うもの同士の間で、一定であるか、または多モード干渉計導波路から離れるにつれて漸増あるいは漸減する、テーパ導波路コアと
   を備えることを特徴とする、光結合構造。
2. 前記テーパ光導波路のうちの少なくとも１つは一定の幅を有する１つ以上の部分を含むことを特徴とする請求項１に記載の光結合構造。
3. 前記多モード干渉計導波路コアの導波方向の中心軸に対して線対称の構造を有することを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の光結合構造。
4. 前記Ｍは１であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光結合構造。
5. 前記Ｎは２であることを特徴とする請求項４に記載の光結合構造。
6. 前記Ｎコア導波路のＮ個のそれぞれのコアの横幅は全て、前記Ｎ個のコアの任意の２つの間隔よりも小さいことを特徴とする、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光結合構造。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光結合構造を含む光結合器であって、前記Ｍコア導波路が端面を備えることを特徴とする、光結合器。
8. 前記Ｍコア導波路の長さがゼロであることを特徴とする、請求項７に記載の光結合器。
9. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光結合構造を含む光結合器であって、前記Ｎコア導波路が端面を備えることを特徴とする、光結合器。
10. 前記Ｎコア導波路の長さがゼロであることを特徴とする、請求項９に記載の光結合器。
11. 請求項７乃至１０に記載の光結合器と、
    光源と
    を備え、前記光結合器の前記端面に前記光源が光結合されることを特徴とする光モジュール。

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