JP2020112702A - 平面光導波回路 - Google Patents

Abstract

【課題】導波路に結合しなかった入力光信号の一部が漏洩光となって伝搬し、出力信号に混ざること妨げる平面光導波回路を提供する。【解決手段】クラッド層に埋め込まれた光導波路を有する平面光導波回路（１０９）と、同一の端面から光を出射する、複数の平行な出力用光導波路（１０５）と、クラッド層内を伝搬する漏洩光を反射する、出力用光導波路に対して＋４５度の角度で形成された反射境界面反射界面を有する溝（１０６）および−４５度の角度で形成された反射境界面を有する溝（１０７）とを備えた平面光導波回路において、＋４５度の角度の角度で形成された反射境界面、出力用光導波路、および−４５度の角度で形成された反射界面の順に繰り返し配置した。【選択図】図１

Description

本発明は、光通信ネットワークに用いられる光デバイスに関し、特に基板上に形成された光導波路によって構成される平面光導波回路に関する。

インターネットの普及に伴い、データ通信ネットワークに対する需要が爆発的に伸びており、これを支える光通信ネットワークを大容量化すると共に小型化するため、波長分割多重(WDM: Wavelength Division Multiplexing)通信等の技術が用いられている。特に、送受信モジュール内で波長分割多重技術を利用するために、波長フィルタ等の機能を備えた小型で量産性に優れた平面光導波回路（特許文献１参照）の導入が進んでいる。

平面光導波回路においては、モジュールを小型化するため、入力光をレンズで集光して入力用光導波路に結合し、出力光を出力用光導波路から自由空間に放出してフォトダイオード等の受光素子に直接入力するような構成をとる場合が多い。

このように、平面光導波回路への光信号の入出力に光ファイバを適用せず、自由空間を介する場合には、導波路に全ての入力光信号を結合させることは困難であり、結合しなかった入力光信号の一部が漏洩光となって平面光導波回路内を伝搬し、出力信号に混ざることで信号品質を落としてしまうという課題があった。

このように漏洩光が出力信号と混ざる課題を解決するための手段として、反射界面を有する溝構造を形成し、漏洩光の伝搬経路を出力光と分離する構造（特許文献２参照）も既に開示されている。

特許５１８０１１８号公報 特許５２７０９９８号公報

しかしながら、既に開示されている技術は、漏洩光が発生して伝搬する経路が確定的である場合に対しては有効であるが、入力光信号をレンズで集光して入力用光導波路に結合させる場合のように漏洩光の伝搬経路が確定的ではない、すなわち入射する角度等の変化によって漏洩光の伝搬経路が変化し得る場合には、必ずしも有効とは言えないという課題もあった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、様々な経路を非確定的に伝搬する漏洩光が出力信号に混信する割合を下げることできる平面光導波回路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、本願発明の第１の態様は、クラッド層に埋め込まれた光導波路を有する平面光導波回路である。一実施形態に係る平面光導波回路は、同一の端面から光を出射する、複数の平行な出力用光導波路と、クラッド層内に形成された、クラッド層内を伝搬する漏洩光を反射する反射界面を有する溝とを備え、反射界面は、出力用光導波路に対して＋４５度の角度で形成された反射境界面および−４５度の角度で形成された反射境界面を含み、＋４５度の角度で形成された反射境界面、出力用光導波路、および−４５度の角度で形成された反射界面の順に繰り返し配置した平面光導波回路である。

以上説明したように、本発明によれば、平面光導波回路内に反射界面を有する溝構造を備えたことにより、様々な経路を非確定的に伝搬する漏洩光が出力信号に混信する割合を下げることが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係る平面光導波回路の構成概略図である。 本発明の第１の実施形態に係る平面光導波回路の断面構成概略図である。 本発明の第１の実施形態に係る反射界面と漏洩光の光路を説明する概略図である。 本発明の第２の実施形態に係る平面光導波回路の構成概略図である。 本発明の第３の実施形態に係る平面光導波回路の構成概略図である。

本発明は上記の課題を解決するものであり、本発明の一態様である平面光導波回路は、様々な経路を非確定的に伝搬する漏洩光が出力信号に混ざらないよう、反射界面を有する溝構造を備えていることをその特徴の一部に含む。

一実施形態に係る平面光導波回路は、クラッド層と、クラッド層に埋め込まれた光導波路と、クラッド層内に形成されるクラッド層内を伝搬する漏洩光を反射する反射界面を有する溝とを備える。平面光導波回路は、同一の端面から光を出射する、複数本の平行な出力用光導波路を備えている。

一実施形態に係る平面光導波回路の反射界面（第１の反射界面）は、出力用光導波路の光軸方向を０度とすると、出力用光導波路に対して＋４５度あるいは−４５度の角度で形成されている。出力用光導波路と第１の反射界面の配置は、＋４５度の反射界面、出力用導波路、−４５度の反射界面の順に繰り返される配置となっている。

一実施形態に係る平面光導波回路の反射界面（第２の反射界面）は、出力用光導波路の各々に対して設けられ、形状が楕円の一部である構造であり、各楕円は形状が同一で、長軸あるいは短軸が出力用光導波路と重なる。

一実施形態に係る平面光導波回路は、出力用光導波路の出射端面と同一の端面から光を入射する、複数本の平行な出力用光導波路と平行な入力用光導波路をさらに備え、反射界面（第３の反射界面）が、入力用光導波路と平行で、入力用光導波路と複数本の平行な出力用光導波路との間に形成される。

一実施形態に係る平面光導波回路の反射界面（第３の反射界面）を備える溝の長さは、入力用光導波路に入力された信号光の偏波状態と、第３の反射界面を備える溝を入力用光導波路に正射影したときの終点での信号光の偏波状態とが、同一となるように調整されており、平面光導波回路においてより良い光学特性を得ることができる。

一実施形態の平面光導波回路の反射界面は、漏洩光を反射するための金属薄膜を備える。一実施形態の平面光導波回路の溝は、漏洩光の光強度を減衰させる遮光材が充填されている。

上述した１つまたは複数の特徴を１つの平面光導波回路含めて本願発明を実施することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の種々の実施形態について詳細に説明する。同一または類似の符号は、同一または類似の要素を示し、重複する説明は省略する。

（実施の形態１）
図１を参照して、本発明の第１の実施形態に係る平面光導波回路を説明する。図１に示す平面光導波回路１０９は、一例であって、本発明はこれに限定されるものではない。上述したような種々の特徴の１つまたは複数を含む平面光導波回路とすることができる。

本実施の形態では、平面光導波回路の入力ポート数を１とし、出力ポート数を３とする場合を例に説明するが、入出力ポートの数はこの例に限らないことは明らかである。

図１に示すように、本実施の形態の平面光導波回路１０９は、光回路１０４を含む。光回路１０４は、入力用光導波路１０３を介して入力ポートに接続されている。また、光回路１０４は、３本の平行な出力用光導波路１０５ａ〜１０５ｃを介して同一の端面上の３つの出力ポートに接続されている。図１には、平面光導波回路１０９の入力ポート側に光源１０１およびレンズ１０２、並びに平面光導波回路１０９の出力ポート側に光電変換素子１０８ａ〜１０８ｃが示されている。

図１において、光源１０１から出力された光信号は、レンズ１０２によって集光され、平面光導波回路１０９の入力用光導波路１０３に入力される。（但し、光源やレンズの種類・構成等は問わない。）入力された光信号は、平面光導波回路１０９の機能を具備する光回路１０４を経由して、平行な出力用光導波路１０５ａ〜１０５ｃを伝搬し、平面光導波回路１０９の外部に出力される。出力された光信号は、例えば光電変換素子１０８ａ〜１０８ｃで受光される。

また、入力用光導波路１０３に入力され、当該入力用光導波路に結合しない光信号は、漏洩光として平面光導波回路１０９内を伝搬する。当該漏洩光の一部は、出力用光導波路１０５ａ〜１０５ｃから出力される光信号と混信し、光電変換素子１０８ａ〜１０８ｃで受光されることとなる。

本実施の形態においては、出力用光導波路１０５ａ〜１０５ｃから出力された光信号と混信した漏洩光が、光電変換素子１０８ａ〜１０８ｃにより受光されることを妨げるために、平面光導波回路１０９内に出力用光導波路１０５に対して＋４５度の角度で形成された反射界面を有する溝１０６ａ〜１０６ｃ、および出力用光導波路１０６に対して−４５度の角度で形成された反射界面を有する溝１０７ａ〜１０７ｃを形成している。（本実施の形態では、出力用光導波路１０５の光軸方向を０度としている。）

図２は、本実施の形態の平面光導波回路の断面構成の一例を示す図である。

基板２０３上に、クラッド層２０２および光導波路２０１が積層されている。溝２０４は、光導波路２０１よりも深い位置までクラッド層が除去されて形成されている。また、溝２０４の壁面に反射界面２０５が形成されている。反射界面２０５は表面が滑らかであることが望ましい。光導波路２０１は、上述した出力用光導波路または後述する入力用導波路に相当し、反射界面２０５が形成された溝２０４は、上述した＋４５度の角度で形成された反射界面を有する溝１０６または−４５度の角度で形成された反射界面を有する溝１０７に相当する。

なお、反射界面２０５に金属薄膜を形成して反射率を向上させることで、本発明の効果を向上させることができ、また、溝２０４に光強度を減衰させる遮光材を充填することによっても本発明の効果を向上させることができる。

図３は、本実施の形態に係る平面光導波回路における、反射界面と漏洩光の光路について説明する概略図である。

出力用光導波路３０１と出力光信号を受光する光電変換素子３０４、出力用光導波路３０１に隣接し＋４５度の角度で形成されている反射界面３０２ａ、出力用光導波路３０１に隣接し−４５度の角度で形成されている反射界面３０３ａ、反射界面３０３ａに隣接し＋４５度の角度で形成されている反射界面３０２ｂに注目して記載している。

平面光回路内を伝搬し、光電変換素子３０４に向かう漏洩光は、その伝搬方向が不定である。図３において、漏洩光が出力用光導波路３０１と平行に伝搬する場合の光線を点線で、漏洩光が出力用光導波路に対して＋の角度で伝搬する場合の光線を破線で、漏洩光が出力用光導波路に対して−の角度で伝搬する場合の光線を一点鎖線で、模式的に記載している。

漏洩光は、反射界面３０２ａによって１回反射されると、光電変換素子３０４の存在しない方向に向かう。また、漏洩光が反射界面３０３ａおよび反射界面３０２ｂによって２回反射されると、反射界面３０２と３０３が直交していることから、１８０度反転した方向に向かう。

このように、出力用光導波路に対して、＋４５度および−４５度の角度で形成された反射界面を設けることで、漏洩光の出力信号への混信を効率的に低減することができる。

（実施の形態２）
図４を参照して、本発明の第２の実施形態に係る平面光導波回路を説明する。図４に示す平面光導波回路４０９は、一例であって、本発明はこれに限定されるものではない。上述したような種々の特徴の１つまたは複数を含む平面光導波回路とすることができる。

本実施の形態では、平面光導波回路の入力ポート数を１、出力ポート数を３とし、これら全てが同一の端面上にある場合を例に説明するが、入出力ポートの数はこの例に限らないことは明らかである。

図４に示すように、本実施の形態の平面光導波回路４０９は、光回路４０４を含む。光回路４０４は、入力用光導波路４０３を介して入力ポートに接続されている。また、光回路４０４は、３本の平行な出力用光導波路４０５ａ〜４０５ｃを介して同一の端面上の３つの出力ポートに接続されている。図４には、平面光導波回路４０９の入力ポート側に光源４０１およびレンズ４０２、並びに平面光導波回路１０９の出力ポート側に光電変換素子４０８ａ〜４０８ｃが示されている。

図４において、光源４０１から出力された光信号は、レンズ４０２によって集光され、平面光導波回路４０９の入力用光導波路４０３に入力される。（但し、光源やレンズの種類・構成等は問わない。）入力された光信号は、平面光導波回路４０９の機能を具備する光回路４０４を経由して、平行な出力用光導波路４０５ａ〜４０５ｃを伝搬し、平面光導波回路４０９の外部に出力される。出力された光信号は、例えば光電変換素子４０８ａ〜４０８ｃで受光される。また、入力用光導波路４０３に入力され、当該入力用光導波路に結合しない光信号は、漏洩光として平面光導波回路４０９内を伝搬する。当該漏洩光の一部が出力用光導波路４０５ａ〜４０５ｃから出力される光信号と混信し、光電変換素子４０８ａ〜４０８ｃで受光されることを妨げるため、平面光導波回路４０９内に出力用光導波路に対して＋４５度の角度で形成された反射界面を有する溝４０６ａ〜４０６ｃ、出力用光導波路に対して−４５度の角度で形成された反射界面を有する溝４０７ａ〜４０７ｃを形成している。（本実施の形態では、出力用光導波路４０５の光軸方向を０度としている。）

更に、本実施の形態においては、信号光の入射端面と出射端面が同一で、入力用光導波路４０３と出力用光導波路４０５が平行な場合であり、入力用光導波路４０３と出力用光導波路４０５との間に、入力用光導波路４０３と平行に形成された反射界面を有する溝４１０を形成している。

反射界面を有する溝４０６ａ〜４０６ｃおよび４０７ａ〜４０７ｃによる、漏洩光の出力信号への混信を低減する原理は、第１の実施の形態と同様である。

反射界面を有する溝４１０は、入力用光導波路４０３と出力用光導波路４０５との間に形成されるため、入力用光導波路に結合しない漏洩光のうち、出力用光導波路側に伝搬するものを反射する機能を有するため、漏洩光が出力光信号に混信する割合を効率的に低減することができる。

なお、反射界面を有する溝４１０は入力用光導波路に近接させて形成することで、漏洩光が出力光信号に混信する割合を下げることができ、反射界面を有する溝４１０を入射端面に近接させて形成することで、更に漏洩光が出力信号に混信する割合を下げることができる。

なお、反射界面を有する溝４１０は、入力用光導波路４０３の片側（出力用光導波路が形成された側）にのみ形成する。このとき、入力用光導波路は進行方向に向かって左右非対称な構造となる。このように非対称な構造の光導波路を信号光が伝搬すると、伝搬距離に応じて信号光の偏波状態が変化し、特定の伝搬距離で偏波状態が復元される。従って、入力用光導波路４０３に入力された信号光の偏波状態と、反射界面を有する溝４１０を入力用光導波路４０３に正射影したときの終点、すなわち入力用光導波路４０３が非対称である区間の終点での信号光の偏波状態が、同一となるように反射界面を有する溝４１０の長さが調整されていると、偏波状態の変化の影響を受けることなく、より良い光学特性を得ることができる。

なお、平面光導波回路の断面構成は第１の実施の形態と同様であり、反射界面は表面が滑らかであることが望ましいこと、反射界面に金属薄膜を形成して反射率を向上させることで、本発明の効果を向上させることができること、また、溝に光強度を減衰させる遮光材を充填することによっても本発明の効果を向上させることができることも同様である。

（実施の形態３）
図５を参照して、本発明の第３の実施形態に係る平面光導波回路を説明する。図５に示す平面光導波回路５０９は、一例であって、本発明はこれに限定されるものではない。上述したような種々の特徴の１つまたは複数を含む平面光導波回路とすることができる。

本実施の形態では、平面光導波回路の入力ポート数を１とし、出力ポート数を３とする場合を例に説明するが、入出力ポートの数はこの例に限らないことは明らかである。

図５に示すように、本実施の形態の平面光導波回路５０９は、光回路５０４を含む。光回路５０４は、入力用光導波路５０３を介して入力ポートに接続されている。また、光回路５０４は、３本の平行な出力用光導波路５０５ａ〜５０５ｃを介して同一の端面上の３つの出力ポートに接続されている。図５には、平面光導波回路５０９の入力ポート側に光源５０１およびレンズ５０２、並びに平面光導波回路５０９の出力ポート側に光電変換素子５０８ａ〜５０８ｃが示されている。

図５において、光源５０１から出力された光信号は、レンズ５０２によって集光され、平面光導波回路５０９の入力用光導波路５０３に入力される。（但し、光源やレンズの種類・構成等は問わない。）入力された光信号は、平面光導波回路５０９の機能を具備する光回路５０４を経由して、平行な出力用光導波路５０５ａ〜５０５ｃを伝搬し、平面光導波回路５０９の外部に出力される。出力された光信号は、例えば光電変換素子５０８ａ〜５０８ｃで受光される。

また、入力用光導波路５０３に入力され、当該入力用光導波路に結合しない光信号は、漏洩光として平面光導波回路５０９内を伝搬する。当該漏洩光の一部は、出力用光導波路５０５ａ〜５０５ｃから出力される光信号と混信し、光電変換素子５０８ａ〜５０８ｃで受光されることとなる。

本実施の形態においては、出力用光導波路５０５ａ〜５０５ｃから出力された光信号と混信した漏洩光が、光電変換素子５０８ａ〜５０８ｃにより受光されることを妨げるため、平面光導波回路５０９内に出力用光導波路の各々に対して、形状が楕円の一部であって、当該楕円の長軸あるいは短軸が出力用光導波路と重なり、各楕円のサイズが同一であるような反射界面を有する溝５０６ａ〜５０６ｃ、５０７ａ〜５０７ｃを形成する。

なお、平面光導波回路の断面構成は第１の実施の形態と同様であり、反射界面は表面が滑らかであることが望ましいこと、反射界面に金属薄膜を形成して反射率を向上させることで、本発明の効果を向上させることができること、また、溝に光強度を減衰させる遮光材を充填することによっても本発明の効果を向上させることができることも同様である。

本実施の形態における反射界面は、形状が楕円の一部であるため、反射界面の異なる位置に平行に入射した漏洩光は異なる角度に散乱される。漏洩光の伝搬方向は不定であるが、様々な角度から伝搬した漏洩光が、楕円形状の反射界面で反射されることによって、出力用光導波路の延長線上に設けられる光電変換素子上に集中して出力信号と混信する可能性は極めて低く、一般には幅広い方向に拡散されることで、光電変換素子上に到達する確率が下がり、出力信号への混信を効率的に低減することができる。

（実施の形態４）
本実施の形態は、図４を参照して説明した実施の形態２に係る平面光導波回路４０９にした、出力用光導波路４０５の各々に対して＋４５度の角度で形成された反射界面を有する溝４０６および−４５度の角度で形成された反射界面を有する溝４０７を配置するとともに、入力用光導波路４０３と出力用光導波路４０５との間に入力用光導波路と平行に形成された反射界面を有する溝４１０を配置した構造の変形例である。

本発明は、図４に示す平面光導波回路４０９における反射界面を有する溝４０６および４０７を、図５に示すような、形状が楕円の一部であって、当該楕円の長軸あるいは短軸が出力用光導波路と重なるような反射界面を有する溝５０６および５０７に置き換えた構成の平面光導波回路としても実施することができる。

楕円形状の反射界面を有する溝と、入力用光導波路と出力用光導波路との間に、入力用光導波路と平行に形成された反射界面を有する溝との組合せによっても、漏洩光の出力信号への混信を効率的に低減することができることは明らかである。

なお、入力用光導波路と平行に形成された反射界面を有する溝は、入力用光導波路に入力された信号光の偏波状態と、反射界面を有する溝を入力用光導波路に正射影したときの終点での信号光の偏波状態が、同一となるように反射界面を有する溝の長さが調整されていると、偏波状態の変化の影響を受けることなく、より良い光学特性を得ることができることも同様である。

また、平面光導波回路の断面構成は第１の実施の形態と同様であり、反射界面は表面が滑らかであることが望ましいこと、反射界面に金属薄膜を形成して反射率を向上させることで、本発明の効果を向上させることができること、また、溝に光強度を減衰させる遮光材を充填することによっても本発明の効果を向上させることができることも同様である。

１０１、４０１、５０１ 光源
１０２、４０２、５０２ レンズ
１０３、４０３、５０３ 入力用光導波路
１０４、４０４、５０４ 光回路
１０５ａ〜１０５ｃ、３０１、４０５ａ〜４０５ｃ、５０５ａ〜５０５ｃ 出力用光導波路
１０６ａ〜１０６ｃ、３０２ａ、３０２ｂ、４０６ａ〜４０６ｃ 出力用光導波路に対して＋４５度の角度で形成された反射界面を有する溝
１０７ａ〜１０７ｃ、３０３ａ、４０７ａ〜４０７ｃ 出力用光導波路に対して−４５度の角度で形成された反射界面を有する溝
１０８ａ〜１０８ｃ、３０４、４０８ａ〜４０８ｃ、５０８ａ〜５０８−ｃ 光電変換素子
１０９、４０９、５０９ 平面光導波回路
２０１ 光導波路
２０２ クラッド層
２０３ 基板
２０４ 溝
２０５ 反射界面
４１０ 反射界面を有する溝
５０６ａ〜５０６ｃ、５０７ａ〜５０７ｃ 形状が楕円の一部であって当該楕円の長軸あるいは短軸が出力用光導波路と重なるような反射界面を有する溝

Claims (6)

1. クラッド層に埋め込まれた光導波路を有する平面光導波回路であって、
   同一の端面から光を出射する、複数の平行な出力用光導波路と、
   前記クラッド層内に形成された、前記クラッド層内を伝搬する漏洩光を反射する反射界面を有する溝と
   を備え、
   前記反射界面は、前記出力用光導波路に対して＋４５度の角度で形成された反射境界面および−４５度の角度で形成された反射境界面を含み、
   前記＋４５度の角度で形成された反射境界面、前記出力用光導波路、および前記−４５度の角度で形成された反射界面の順に繰り返し配置した、平面光導波回路。
2. クラッド層に埋め込まれた光導波路を有する平面光導波回路であって、
   同一の端面から光を出射する、複数の平行な出力用光導波路と、
   前記クラッド層内に形成された、前記クラッド層内を伝搬する漏洩光を反射する反射界面を有する溝と
   を備え、
   前記反射界面は、前記出力用光導波路の各々に対して設けられた、形状が楕円の一部である構造であり、
   各楕円は形状が同一で、前記楕円の長軸または短軸が前記出力用光導波路と重なる、平面光導波回路。
3. 前記出力用光導波路の出射端面と同一の端面から光を入射する、前記複数の平行な出力用光導波路と平行な入力用光導波路と、
   前記入力用光導波路と平行で、前記入力用光導波路と前記複数の平行な出力用光導波路の間に形成された第３の反射界面を有する溝と
   をさらに備えた、請求項１または２に記載の平面光導波回路。
4. 前記第３の反射界面を備える溝の長さは、前記入力用光導波路に入力された信号光の偏波状態と、前記第３の反射界面を有する溝を前記入力用光導波路に正射影したときの終点での信号光の偏波状態とが同一となる長さである、請求項３に記載の平面光導波回路。
5. 前記反射界面に、前記漏洩光を反射するための金属薄膜を備えた、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の平面光導波回路。
6. 前記反射界面を有する溝に、前記漏洩光の光強度を減衰させる遮光材が充填されていた、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の平面光導波回路。

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