JP2019174684A - 光合分波器 - Google Patents

Abstract

【課題】周回性ＡＷの回路サイズを小さくし、１枚のシリコンウエハに形成できるチップ数を増加させることを目的とする。【解決手段】光合分波器３０１は、周回性ＡＷＧを構成する各パーツの配置を適正化することとした。具体的には、従来の光合分波器でＡＷＧの無駄になっていた三角の空きスペース（入力側スラブ導波路１３、アレイ導波路格子１４及び出力側スラブ導波路１５で囲まれる領域２１）に編み込み交差領域１７を配置する。この配置により、ウエハ当たりのチップ数が従来の配置に対して約２．５倍に増えた。【選択図】図３

Description

本開示は、平面光回路（ＰＬＣ：Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ）で構成される光合分波器に関する。

光ネットワークの普及に伴い、光ネットワークに使用する光部品に小型化、低コスト低消費電力が求められている。この要求に対し、石英等の基板にクラッドとコアで導波路を構成したＰＬＣが開発されている（例えば、特許文献１を参照。）。

特開２００３−００４９５９号公報

損失均一化波長周回性（ＵＬＣＦ：Ｕｎｉｆｏｒｍ−Ｌｏｓｓ ａｎｄ Ｃｙｃｌｉｃ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を使った周回性アレイ導波路グレーティング（ＡＷＧ：Ａｒｒａｙｅｄ−Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ）は、ＡＷＧ部、編み込み交差部、カプラ部の構成からなるため、複雑でＰＬＣの回路サイズが大きい。ＰＬＣはシリコンウエハから製造されるが、回路サイズが大きいと１枚のシリコンウエハに形成できるチップ数が減少し、量産の際に多くのウエハを投入しなければならず、製造コストや生産性に課題があった。例えば、３２×３２周回性ＡＷＧの場合、１枚の６インチウエハに１０チップ程度しか形成できない。

そこで、本発明は、上記課題を解決するために、周回性ＡＷＧの回路サイズを小さくし、１枚のシリコンウエハに形成できるチップ数を増加させることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る光合分波器は、周回性ＡＷＧを構成する各パーツの配置を適正化することとした。

具体的には、本発明に係る光合分波器は、基板上にクラッドとコアで形成される光合分波器であって、
前記基板の縁に配置される複数の入力ポートと出力ポートとの間が、順に、入力側導波路、入力側スラブ導波路、アレイ導波路格子、出力側スラブ導波路、接続導波路、編み込み交差導波路、及び出力側導波路で接続され、
前記編み込み交差導波路が、前記入力側スラブ導波路、前記アレイ導波路格子及び前記出力側スラブ導波路で囲まれる領域に配置されている
ことを特徴とする。

従来の光合分波器の場合、特許文献１に記載されるように同一基板上にありながらＡＷＧと編み込み領域（交差導波路領域）とを離れた場所に配置していた。そこで、本光合分波器は、従来の光合分波器でＡＷＧの無駄になっていた三角の空きスペース（入力側スラブ導波路、アレイ導波路格子及び出力側スラブ導波路で囲まれる領域）に編み込み交差領域を配置する。この配置により回路サイズを小さくすることができ、ウエハ当たりのチップ数が従来の配置に対して増大することができる。従って、本発明は、周回性ＡＷＧの回路サイズを小さくし、１枚のシリコンウエハに形成できるチップ数を増加させることできる。

本発明に係る光合分波器は、前記クラッドと前記コアとの比屈折率差が１．５％以上であることを特徴とする。クラッドとコアとの比屈折率差を大きくすると導波路の曲率半径を小さくすることができる。このため、本光合分波器は、構成される各パーツのレイアウトの自由度が増し、回路サイズを小さくすることが容易になる。

本発明に係る光合分波器は、前記アレイ導波路格子のそれぞれの導波路に交差する溝を有さないことを特徴とする。クラッドとコアとの比屈折率差が大きい場合、アレイ導波路格子に波長板や温度補償材料を挿入する溝を形成すると、隣接する導波路からの漏れ光によりクロストークが発生しやすくなる。このため、本光合分波器はアレイ導波路格子に溝は形成しない。

本発明に係る光合分波器の前記編み込み交差導波路のコアは、波面整合法に従い光の伝搬方向に沿って断面面積が変動していることを特徴とする。編み込み交差導波路において、導波路の交差間隔を短くすると交差損失が増加する。本光合分波器では、交差する導波路の形状を波面整合法で設計することで交差時の損失を低減したため、導波路の交差ピッチを狭くすることができる。このため、導波路数が同じであっても編み込み交差導波路の面積を小さくすることができ、周回性ＡＷＧの回路サイズを小さくすることができる。

２つのスラブ導波路の成す角度が小さいと三角の空きスペースに編み込み交差導波路を収めるため、編み込み交差導波路の交差角を小さくする必要があり交差損失が大きくなる。一方、前記成す角度が大きいと周回性ＡＷＧの回路サイズが大きくなる。そこで、本発明に係る光合分波器は、前記入力側スラブ導波路の中心軸と前記出力側スラブ導波路の中心軸とが成す角度θｔと前記編み込み交差導波路の編み込み部が有する複数の導波路の交差角θとの関係が
３０°≦θ≦θｔ （ただし、３０°≦θｔ≦１２０°）
であることを特徴とする。

また、本発明に係る光合分波器の前記編み込み交差導波路は、複数の導波路が一定の角度で交差する編み込み部、ペアとなる該導波路を伝搬する光を合波する複数のカプラ、及び前記編み込み部と前記カプラとの間にあって複数の導波路が交差しており前記導波路の交差角が前記編み込み部の交差角より小さい交差角緩和部を有していてもよい。カプラ同士を近接させることができ、編み込み交差導波路のサイズを大きくすることなく、一定の角度で交差する導波路の交差角を大きくすることができる。

本発明に係る光合分波器の前記入力ポートと前記出力ポートは、前記基板の同一の縁に形成されることを特徴とする。入力側ファイバとＰＬＣの入力ポートと接続点で結合損失が生じ、その損失分の漏れ光は直線的に伝搬する。特許文献１のように入力ポートの反対側の縁に出力ポートがあると、漏れ光が出力ポートに接続したファイバに入射してクロストークを発生させることになる。本光合分波器は、入力ポートの反対側の縁に出力ポートがなく、漏れ光が出力ポートに接続したファイバに入射せず、クロストークを防止することができる。

なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。

本発明は、周回性ＡＷＧの回路サイズを小さくし、１枚のシリコンウエハに形成できるチップ数を増加させることができる。

従来の光合分波器を説明する図である。 光合分波器の編み込み交差導波路を説明する図である。 本発明に係る光合分波器を説明する図である。 スラブ角度を説明する図である。 本発明に係る光合分波器を説明する図である。 関連する光合分波器と本発明に係る光合分波器３０１の設計の違いをまとめた表である。 編み込み交差導波路の編み込み部面積を説明する図である。 本発明に係る光合分波器の編み込み交差導波路を説明する図である。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

図１は、従来の光合分波器３００である。光合分波器３００は、基板１０上にクラッドとコアで形成される光合分波器であって、基板１０の縁に配置される複数の入力ポート１１と出力ポート１９との間が、順に、入力側導波路１２、入力側スラブ導波路１３、アレイ導波路格子１４、出力側スラブ導波路１５、接続導波路１６、編み込み交差導波路１７、及び出力側導波路１８で接続されている。図１のように、光合分波器３００は、入力側スラブ導波路１３、アレイ導波路格子１４、及び出力側スラブ導波路１５で囲まれる三角の領域２１が空きスペースとなっていた。

なお、編み込み交差導波路１７は、次のような機能を持つように各導波路を交差させて形成した光部品である。３２×３２の損失均一化波長周回性（ＵＬＣＦ：Ｕｎｉｆｏｒｍ−Ｌｏｓｓ ａｎｄ Ｃｙｃｌｉｃ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）型ＡＷＧの場合、入力側導波路１２の光信号から接続導波路１６のｃｈｎまたはｃｈ（ｎ＋３２）の光信号を取り出す（ｎ＝１〜３２）ため、接続導波路１６の導波路数は入力側導波路１２の導波路数の２倍となる。また、接続導波路１６のｃｈ１とｃｈ３３のポートをカプラで合波させるために、ｃｈ３３の導波路をｃｈ２〜ｃｈ３２の導波路と交差させて合波する必要がある。ｃｈ２以降とｃｈ３４以降のポート合波させるために同様に導波路を交差させる。その結果、複数の導波路が網目のように交差するようになり編み込み交差導波路１７が構成される。

図２は、編み込み交差導波路１７のカプラ部分を拡大した図である。各値の定義は次の通りである。
交差部横方向間隔ｘ≧２Ｒ×（１−ｃｏｓ（θ／２））＋ｄｃｐ
交差間隔ｄｃｒ＝０．５×ｘ／ｓｉｎ（θ／２）
編み込み部面積Ｓ≧０．５×（Ｎ−２）^２×ｘ^２／ｔａｎ（θ／２）
ここで、Ｒは最小曲率半径、θは交差角、ｄｃｐはカプラ間隔である。Ｎは出力チャネル数であり、本実施形態ではＮ＝３２である。また、ｘ、θ、ｄｃｒ、ｄｃｐの定義値は交差導波路１７において、全て同一の値である。
なお、編み込み部面積とは、編み込み交差導波路１７のうち、交差している導波路が配置されている範囲である（図７参照）。また、編み込み交差導波路１７は二等辺三角形の編み込み部２６とカプラ２７で構成されており、編み込み部２６の底辺の長さをｌとすると、ｌ＝（Ｎ−２）×ｘである。

一方、図３は、本実施形態の光合分波器３０１である。光合分波器３０１は、光合分波器３００と同じ光部品を搭載しているが、編み込み交差導波路１７を、入力側スラブ導波路１３、アレイ導波路格子１４及び出力側スラブ導波路１５で囲まれる領域２１に配置する。光合分波器３０１は、光合分波器３００で空きスペースとなっていた領域２１に編み込み交差導波路１７を配置するため、１チップ当たりの面積を小さくすることができる。このため、コアとクラッドの比屈折率差が光合分波器３０１と光合分波器３００とも同じである場合、製造時にウエハ当たりのチップ数を光合分波器３００に対して約２．５倍に増やすことができる。

領域２１に編み込み交差導波路１７を配置するために接続導波路１６を次のように構成する。出力側スラブ導波路１５に接続する導波路群を許容される最小曲率で１８０°曲げてスラブ導波路１５と並行に沿わせて領域２１へ引き込み、さらに編み込み交差導波路１７の各入力ポートに接続するために各導波路を許容される最小曲率で曲げる。許容できる最小曲率を小さくすることは、光合分波器３０１の設計の自由度を大きくし、光合分波器３０１を小型化することができる。従って、基板１０に作成する導波路のクラッドとコアとの比屈折率差は１．５％以上であることが好ましい。

なお、図１の光合分波器３００には、偏波依存性を解消する波長板を挿入する溝２２がアレイ導波路格子１４の各光導波路に略垂直で形成されている。しかし、比屈折率差を上記の通り１．５％以上にした場合、アレイ導波路格子１４の各光導波路に溝が存在すると隣接する光導波路からの漏れ光が入り込む恐れがある。そこで、光合分波器３０１のアレイ導波路格子１４には、それぞれの導波路に交差する溝を形成しないこととした。本実施形態では、アレイ導波路格子１４のリッジ（クラッドとコア）の形状を所定の形状とすることにより、光合分波器３０１の偏波依存性を解消している。

ここで、光合分波器３００や光合分波器３０１のスラブ角度θsについて説明する。スラブ角度θｓとは、図４のように入力スラブ導波路１３の下端と出力スラブ導波路１５の下端とを結ぶ線と入力スラブ導波路１３の中心軸あるいは出力スラブ導波路１５の中心軸と成す角度である（θｔ＝１８０°−２θｓ）。図３の光合分波器３０１の場合、スラブ角度θｓは５４°である。そして、編み込み交差導波路１７の交差角θは４５°である。編み込み交差導波路１７の交差角θが小さいと交差損失が大きくなり、交差角θが大きいと交差損失が小さくなるので適当な角度でスラブ角度θｓを設定する必要がある。例えば、スラブ角度θｓが５４°の場合、編み込み交差導波路１７の交差角θの最大値は６０°程度である。図５は交差角θが６０°の場合である。
ここで、入力スラブ導波路１３の下端と出力スラブ導波路１５の下端との距離をＬとする。

交差損失を低減するために、編み込み交差導波路１７の交差角θを大きく設計すると、スラブ角度θｓを小さくする必要があるが、その分スラブ導波路間が広がって周回性ＡＷＧの回路サイズが大きくなる。このため、周回性ＡＷＧの回路サイズと交差損失の双方を考慮してスラブ角度θｓを設計する必要がある。そこで、入力側スラブ導波路１３の中心軸と出力側スラブ導波路１５の中心軸とが成す角度θｔと編み込み交差導波路１７の編み込み部２６が有する複数の導波路の交差角θとの関係が３０°≦θ≦θｔ（ただし、３０°≦θｔ≦１２０°）であることが望ましい。例えば、角度θｔが７２°（θｓ＝５４°）の場合、交差導波路１７の編み込み部２６の交差角θは３０°以上７２°以下である。編み込み交差導波路１７が領域２１に収まり、交差損失が一番低減できるのは、交差角θが最大の場合であるが、実際にはスペースに余裕を持たせ、最大角より１０度前後小さい交差角とする。そのため、チャネル数３２の場合では、望ましい交差角θは６０°程度となる。チャネル数が３２チャネルより多くなると、その分θｔも大きくなるため、望ましい交差角θは６０°よりも大きくなる。例えば、４８×４８の損失均一化波長周回性型ＡＷＧ（Ｎ＝４８）の場合、角度θｔが約１００°（θｓ＝４０°）であり、交差導波路１７の編み込み部２６の交差角θは３０°以上１００°以下である。
なお、３２×３２の損失均一化波長周回性型ＡＷＧ（Ｎ＝３２）の場合、交差角θ＝３０°のとき編み込み部２６の底辺の長さｌは約０．１１Ｌ（≒Ｌ／８）、交差角θ＝７５°のとき編み込み部２６の底辺の長さｌは約０．６３Ｌ（≒２Ｌ／３）となる。つまり、距離Ｌと編み込み部２６の底辺の長さｌとの関係はＬ／８≦ｌ≦２Ｌ／３である。

次に、編み込み交差導波路１７の交差間隔ｄｃｒについて説明する。交差間隔ｄｃｒを狭くすれば編み込み交差導波路１７の大きさを小さくすることができ、スラブ角度θｓを大きくできるため周回性ＡＷＧの回路サイズを小さくできる。しかし、交差間隔ｄｃｒを狭くすれば交差損失が大きくなる。そこで、編み込み交差導波路１７の交差箇所におけるコアの形状は、波面整合法に従い光の伝搬方向に沿って断面面積を変動させるＷＦＭ法（Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ Ｍａｔｃｈｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ）で設計した交差を用いて交差損失を低減することが好ましい。編み込み交差導波路１７の交差箇所をＷＦＭ交差にすることで、交差間隔ｄｃｒを狭くすることができ、周回性ＡＷＧの回路サイズを小さくできる。

また、編み込み交差導波路１７の構造を図８のように設計しても編み込み交差導波路１７の大きさを小さくすることができる。図８の編み込み交差導波路１７は、複数の導波路が一定の角度で交差する編み込み部２６、ペアとなる該導波路を伝搬する光を合波する複数のカプラ２７、及び編み込み部２６とカプラ２７との間にあって複数の導波路が交差しており導波路の交差角が編み込み部２６の導波路の交差角より小さい交差角緩和部２８を有することを特徴とする。図８では、編み込み部２６の交差角よりカプラ２７側から３つまでの交差角が小さくなっている。本実施例の場合、トータルの交差損失が大きくならないように、交差角緩和部２８が交差角を小さくする数はカプラ２７側から３か所までが望ましい。
例えば、図８において交差角緩和部２８の交差角をカプラ２７側から順にθ１、θ２、θ３とすると、
０°＜θ１≦θ２≦θ３＜θ
の関係がある。
図８のような構造の編み込み交差導波路１７は、編み込み部２６の交差角を大きく保つことができ、交差損失の低減を図ることができる。さらに、図８のような構造の編み込み交差導波路１７は、カプラ２７の間隔を狭くすることができるので、編み込み部２６の交差角を大きくしてもその大きさに比例して編み込み交差導波路１７のサイズを大きくする必要はない。

さらに、光合分波器３０１は、入力ポート１１と出力ポート１９を基板１０の同一の縁に形成している。入力ポート１１とこれに接続する光ファイバとの接続点で結合損失が発生し、その損失分の漏れ光が基板１０内を直線的に伝搬する。図１の光合分波器３００のように入力ポート１１の反対側の縁に出力ポート１９があると、当該漏れ光が出力ポート１９に接続した光ファイバに入り込み、クロストークを発生させることになる。光合分波器３０１は、基板１０の一つの縁に入力ポート１１と出力ポート１９があるため、入力ポート１１での漏れ光は出力ポート１９に接続した光ファイバに入らず、クロストークを防止できる。

図６は、光合分波器３００と光合分波器３０１の設計の違いをまとめた表である。
クラッドとコアの比屈折率差は光合分波器３００が１．１％であり、光合分波器３０１が１．８％である。このため、導波路の最小曲げ半径は、光合分波器３００が２０００μｍであることに対し、光合分波器３０１が１０００μｍと小さくできた。
光合分波器３００は、図１に示すようにアレイ導波路格子１４に波長板溝２１が存在し、領域２１を小さくしてしまい、領域２１に編み込み交差導波路１７を配置できなくなっている。一方、光合分波器３０１は、図３に示すように波長板溝２１は存在しない。このため、領域２１を大きくとることができ、編み込み交差導波路１７を配置可能としている。
また、光合分波器３０１は、編み込み交差導波路１７をＷＦＭ交差としたため、交差間隔ｄｃｒを光合分波器３００より狭くでき、編み込み部面積Ｓを小さくできた。
偏波の温度依存性を補償する温度補償材料２３を配置する溝（アサーマル溝）を、光合分波器３００ではアレイ導波路格子１４に形成しているが、比屈折率差が大きい光合分波器３０１では入力スラブ導波路１３に形成する。
さらに、外部の光ファイバと接続する入力ポート１１及び出力ポート１９について、光合分波器３００ではそれぞれを基板１０の対向する縁に配置するが、光合分波器３０１では基板１０の同一の縁に配置する。
この結果、６インチウエハ１枚当たり、光合分波器３００であれば４個しか形成できないが、光合分波器３０１であれば２６個も形成できる。なお、光合分波器３００を比屈折率差１．５％で形成すれば、曲げ半径を小さくでき、６インチウエハ１枚当たり１０個形成できる。同一の比屈折率差としても編み込み交差導波路１７を領域２１に配置することで６インチウエハ１枚当たり約２．５倍の光合分波器を形成することができる。

１０：基板
１１：入力ポート
１２：入力側導波路
１３：入力側スラブ導波路
１４：アレイ導波路格子
１５：出力側スラブ導波路
１６：接続導波路
１７：編み込み交差導波路
１８：出力側導波路
１９：出力ポート
２１：領域
２２：溝
２３：アサーマル樹脂（温度補償材料）
２６：編み込み部
２７：カプラ
２８：交差角緩和部
３００、３０１、３０２：光合分波器

Claims (8)

1. 基板上にクラッドとコアで形成される光合分波器であって、
   前記基板の縁に配置される複数の入力ポートと出力ポートとの間が、順に、入力側導波路、入力側スラブ導波路、アレイ導波路格子、出力側スラブ導波路、接続導波路、編み込み交差導波路、及び出力側導波路で接続され、
   前記編み込み交差導波路が、前記入力側スラブ導波路、前記アレイ導波路格子及び前記出力側スラブ導波路で囲まれる領域に配置されている
   ことを特徴とする光合分波器。
2. 前記クラッドと前記コアとの比屈折率差が１．５％以上であることを特徴とする請求項１に記載の光合分波器。
3. 前記アレイ導波路格子は、それぞれの導波路に交差する溝を有さないことを特徴とする請求項1に記載の光合分波器。
4. 前記編み込み交差導波路のコアは、波面整合法に従い光の伝搬方向に沿って断面面積が変動してい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光合分波器。
5. 前記入力側スラブ導波路の中心軸と前記出力側スラブ導波路の中心軸とが成す角度θｔと前記編み込み交差導波路の編み込み部が有する複数の導波路の交差角θとの関係が
   ３０°≦θ≦θｔ （ただし、３０°≦θｔ≦１２０°）
   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光合分波器。
6. 前記編み込み交差導波路の編み込み部の形状が、前記アレイ導波路格子側を頂角とする二等辺三角形であり、
   前記二等辺三角形の底辺の長さｌが、前記入力スラブ導波路の下端と前記出力スラブ導波路の下端との距離Ｌに対して、
   Ｌ／８≦ｌ≦２Ｌ／３
   であることを特徴とする請求項５に記載の光合分波器。
7. 前記編み込み交差導波路は、複数の導波路が一定の角度で交差する編み込み部、ペアとなる該導波路を伝搬する光を合波する複数のカプラ、及び前記編み込み部と前記カプラとの間にあって複数の導波路が交差しており前記導波路の交差角が前記編み込み部の導波路の交差角より小さい交差角緩和部を有することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の光合分波器。
8. 前記入力ポートと前記出力ポートは、前記基板の同一の縁に形成され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光合分波器。