JP3543137B2 - 光分岐回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路回路又は光分岐回路の光出力端面に接続されて入力光を分岐する光分岐回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な光分岐回路は、入力光導波路と、光の分布を断熱的に変化させるテーパ状に形成された遷移領域と、各分岐光導波路とから構成されている。
光分岐回路は、各分岐光導波路へ伝搬する光パワーが所望の値となるように設計されるが、作製された光分岐回路の分岐特性の測定値は計算された分岐特性としばしば異なる値となる。実際の光分岐回路では、入力光導波路の光入力端面に光ファイバの光出力端面が接続されるが、光ファイバの軸に直交する断面は円形であるのに対し、光導波路の軸に直交する断面は矩形であるため、両者は異なる固有モードを持つ。したがって、入力光導波路と光ファイバの接続構造では、それらのモード界分布の不整合によって生じる漏れモードの発生が避けられない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
発生する漏れモードの大きさには予め見込む結合損失やファイバ接続などで生じ得る結合損失も含まれるので、現実の漏れモードを考慮した最適設計は極めて困難である。したがって、光ファイバと入力光導波路との接続状態の微妙な相違で生じる光分岐回路の分岐比のばらつきを抑えるには、光ファイバと入力光導波路との接続時に極めて正確な光軸合わせが必要となる。このため、光ファイバと入力光導波路との接続作業が煩雑になってしまうとともに歩留まりが低くなってしまうという問題が生じている。
【０００４】
本発明の目的は、光軸合わせが容易で歩留まりの低下を抑えた光分岐回路を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、光入力端面から入力された光を光出力端面に出力する入力光導波路と、一端面が前記光出力端面に接続され、テーパ部を有するテーパ光導波路と、所定の分岐角度で前記テーパ光導波路の他端面に接続される分岐光導波路とを有する光分岐回路において、漏れモードの発生原因となる位置から前記光出力端面までの光導波路長は、漏れモードの伝搬定数をβ_L、基本モードの伝搬定数をβ₀、蛇行周期をΛとして、Λ＝２π／（β₀−β_L）であるとすると、Λ／２のほぼ整数倍であることを特徴とする光分岐回路によって達成される。
【０００６】
上記本発明の光分岐回路において、前記光導波路長は、前記Λ／２の整数倍±１０％であることを特徴とする。
【０００７】
上記本発明の光分岐回路において、前記漏れモードの発生原因となる位置は、前記光入力端面近傍であることを特徴とする。この光分岐回路において、前記光入力端面には、光ファイバの光出力端面が接続されることを特徴とする。
【０００８】
上記本発明の光分岐回路において、前記漏れモードの発生原因となる位置は、前記入力光導波路の前段に設けられた、導波路回路又は他の光分岐回路であることを特徴とする。
【０００９】
上記本発明の光分岐回路において、前記入力光導波路は、直線状に形成されていることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態による光分岐回路について図１乃至図４を用いて説明する。まず、本実施の形態による光分岐回路の概略の構成を図１を用いて説明する。図１は、光分岐回路が形成された石英ガラス基板１を基板面法線方向に見た状態を示している。図１に示す光分岐回路は、石英ガラス基板１上に形成された屈折率ｎ₀のクラッド層２を有している。クラッド層２内にはクラッド層２の屈折率ｎ₀より大きい屈折率ｎ₁のコア３が埋め込まれている。
【００１１】
コア３は、直線状の入力光導波路４、光の分布を断熱的に変化させる遷移領域であるテーパ光導波路５、及び各分岐光導波路６、７から構成される。コア３は確実にクラッド層２で埋め込まれている。
【００１２】
光導波路長Ｌ、幅ａ₁で直線状に延びる入力光導波路４は、光入力端面Ｓ₁が不図示の光ファイバの光射出端面に接続され、光出力端面Ｓ₂がテーパ光導波路５の一端面に接続されている。テーパ光導波路５は他端面に向かって例えば所定角度で直線状に側壁が拡がるテーパ部を有している。テーパ光導波路５の他端面の幅Ｗｅは幅ａ₁より広く、また、テーパ光導波路５の長さＬｅは、幅ａ₁、幅Ｗｅ、及び分岐角度αに基づいて規定される。
【００１３】
分岐光導波路６、７は、テーパ光導波路５の他端面中央の両側に分岐角度αで対称的に配置されている。分岐光導波路６、７は同じ幅ａ₂を有している。
【００１４】
次に、本実施の形態による光分岐回路の製造方法について簡単に説明する。例えば石英系ガラス導波路の場合、石英ガラス基板１上に下部クラッド層を成膜する。次いで、コア形成材料を成膜してパターニングし、コア３を形成する。次いで、上部クラッド層を成膜してコア３をクラッド形成材料で完全に埋め込んでからアニール処理を経て光分岐回路が完成する。クラッド層２やコア形成材料の成膜方法は、火炎堆積法、スパッタリング、蒸着、各種ＣＶＤ法、あるいはゾルゲル法等を用いることができる。また、屈折率と膜応力の調整のために、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｐ（リン）、Ｂ（硼素）、Ｔｉ（チタン）、Ｆ（フッ素）などを適時添加してももちろんよい。また、石英ガラス基板に代えてＳｉ（シリコン）基板を用いることもできる。なお、本実施の形態による光分岐回路の構造は、ニオブ酸リチウムなどの光学結晶やガラス基板へのイオン拡散導波路、リブ導波路、半導体基板上に形成された導波路等に適用することも可能である。
【００１５】
次に、入力光導波路４の長さＬを最適化して分岐比ばらつきの少ない光分岐回路を得る方法について説明する。
一般に光導波路特性の計算はＢＰＭ（ビーム伝搬法）と呼ばれる手法によってなされる。ＢＰＭでは、伝搬に伴って変化していく光電界の複素振幅（振幅と位相）は、光の伝搬方向に沿って離散化された座標において、複素振幅を求める位置の一つ手前の位置での複素振幅及び屈折率の分布を、近似されたヘルムホルツ方程式に代入することで求められる。
【００１６】
入力光導波路４の光入力端面Ｓ₁での初期励振条件は、入力光導波路４の断面構造から別途計算される固有モード界によって与えることで、純粋に光導波路構造のみによる伝搬特性への影響を計算できる。しかしながら実際のデバイスでは、入力光導波路４の光入力端面Ｓ₁には光ファイバの光射出端面（不図示）が接続される。上述のとおり光ファイバは、軸に直交する断面が円形であるため、軸に直交する断面形状が矩形形状である入力光導波路４とは異なる固有モードを持つ。したがって入力光導波路４と光ファイバの接続構造では、それらのモード界分布の不整合によって生じる結合損失が避けられない。この不整合損失は、矩形光導波路の形状を最適化することで容易に低減できるが、最適化された光導波路構造は、最小曲げ半径が大きくなってしまうことから、回路そのものの規模が増大してしまうという問題が生じる。
【００１７】
このように不整合損失の低減と回路規模の減少とはトレードオフの関係にあるが、実際のデバイスではこの点を考慮したバランスの取れた最適化を行うことが求められ、そのためには若干の、問題にならない程度の結合損失の増加を許容しなければならない場合がある。
【００１８】
ここで、固有モード界分布の不整合によって生じる「損失される光」は漏れモードとなってクラッド層２中を伝搬していくことになるが、これらは導波路モードではないため、入力光導波路４近傍のクラッド層２内を伝搬しつつ、回折、減衰していく。結合損失の増加を許容するということは、この漏れモードの存在を許容することになり、光分岐回路の最適化には漏れモードの存在を含めた解析が必要になる。
【００１９】
漏れモードの「漏れ光」は導波モードに比べて減衰し易いものの、十分減衰していない領域で屈折率分布が変化し伝搬モードの状態が変わる場合等では、漏れ光の一部が伝搬モードに再結合したり、漏れモードと伝搬モードの間で干渉が生じたりする場合がある。特に、光分岐回路のように直線状に延びる入力光導波路４の光出力端面に分岐構造が配置されている構造では、光の再結合や干渉によって分岐特性が著しく影響を受ける場合がある。ＢＰＭによる分岐特性の計算結果と実際の測定値とが食い違うのはこのためであり、分岐特性を設計値と一致させ十分な作製再現性を得るためには、適切な手法でこの漏れ光の影響を除去する必要がある。
【００２０】
漏れ光の影響による一例を図２に示す。図２において、横軸は入力光導波路４の光入力端面Ｓ₁からの距離（ｍｍ）を表し、縦軸は、導波光の蛇行幅（μｍ）を表している。図２は、単純な直線状の入力光導波路４に対し、図左端の光入力端面Ｓ₁での入力励振条件として故意に大きな漏れモード（すなわち結合損失）を発生させるようにし、伝搬方向に沿った光電界強度分布をＢＰＭによって計算した結果を示している。光強度の光導波路方向に沿った蛇行は、漏れモードと伝搬モードの干渉によるものであり、これが光分岐回路での分岐特性を悪化させる本質的な原因となっている。
【００２１】
一般にモード間の干渉は、文献１：「Ｌ Ｂ Ｓｏｌｄａｎｏ，“Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｕｌｔｉ−ｍｏｄｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｄｅｖｉｃｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｅｌｆ−ｉｍａｇｉｎｇ，”Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈ．， Ｖｏｌ．１３，Ｎｏ．４，１９９５」に記載されているように、個々のモードが共存伝搬していく状態であり、このモード干渉が存在すると、各々の伝搬定数が微妙に異なることにより、伝搬する光の電界振幅に“うなり”が生じる。この“うなり”が図２に示すような蛇行現象として現れる。したがって、入力光導波路４の光出力端面Ｓ₂にテーパ光導波路５の一端面が接続される光分岐回路では、直線状の入力光導波路４の光導波路長Ｌに依存して、本来光導波路の中心軸に対して対称であるべき電界分布がテーパ光導波路５の光入力端面で非対称になる場合が生じ、これにより分岐比が悪化する。
【００２２】
上記分岐比の悪化に関する文献として、肥田らによる「“石英系Ｙ分岐導波路の縦列配置特性”，応用物理学会学術講演会予稿集，１０ｐ−ＺＮ−１６，１９９１」（文献２）がある。当該文献では、分岐部によって生じた漏れ光が導波路に沿って蛇行しつつ伝搬し分岐特性を悪化させることが開示されている。
【００２３】
本実施の形態による分岐比ばらつきの少ない光分岐回路を得る方法は、前段の光分岐回路による縦列段の分岐特性の劣化のみを回避するのではなく、光分岐回路初段の分岐特性の劣化をも抑制するものである点で文献２の開示とは異なっている。また縦列段の光分岐回路では、前段の光分岐回路との距離関係は、フォトリソグラフィ工程での露光用マスクに描画したパターンによって一義的に決まるので、あらかじめ最適化された配置パターンにすれば、製造ばらつきなどの問題も生じない。
【００２４】
これに対し本実施の形態では、光分岐回路だけでなく入出力光ファイバまで含めた系で生じ得る問題について検討する。漏れモードの大きさは、上記の予め見込む結合損失や光ファイバ接続等で生じ得る結合損失も含まれるので、現実の漏れモードを考慮した最適設計は極めて困難である。最適設計がなされないと光分岐回路の分岐比は光ファイバ接続状態の微妙な相違でばらついてしまい、歩留まりの低下を招くとともに、光軸合わせの煩雑さも生じさせる原因となっている。
【００２５】
上述のように、漏れモードと伝搬モードの干渉が“うなり”を生じさせ、この“うなり”が分岐比を変化させる原因となっている。同一の直線光導波路に対し、漏れモードの大きさを故意に変えた場合の蛇行曲線の計算結果を図３に示す。図３（ａ）は、漏れモードが相対的に大きい場合の蛇行曲線を示している。図３（ｂ）は、漏れモードが相対的に小さい場合の蛇行曲線を示している。両図とも、横軸は入力光導波路４の光入力端面Ｓ₁からの距離（ｍｍ）を表し、縦軸は、導波光の蛇行幅（μｍ）を表している。
漏れモードの大きさは、漏れモードの中心を入力光導波路４の中心軸に対してオフセットさせたガウス関数を入力励振関数として制御した。図３より、蛇行の周期は変わらず“節”の位置も入力励振関数によらないことが分かる。
【００２６】
蛇行周期Λは、漏れモードの伝搬定数β_Lと基本モードの伝搬定数β₀を用いて、
Λ＝２π／（β₀−β_L） ・・・ （式１）
と表せる。
【００２７】
漏れモードの伝搬定数は、光の波長をλとし、クラッド層２の屈折率をｎ_cladとすると、
β_L＝（２π／λ）・ｎ_clad ・・・ （式２）
である。
【００２８】
規定モードの実効屈折率ｎ_eff0は光導波路の固有値方程式から求められる。
【００２９】
テーパ光導波路５の光入力端面と接続される入力光導波路４の光出力端面Ｓ₂に上記“節”の位置が配置されるようにすれば、光の電界振幅分布は光導波路の中心軸に対して対称となり、漏れ光の大小によらず一定となる。“節”の周期はΛ／２で表されるので、入力光導波路４の長さ（光導波路長Ｌ）をΛ／２の整数倍にすることによって分岐比ばらつきを低減することができるようになる。
【００３０】
このようにして本実施の形態によれば、分岐比ばらつきの少ない良好な光分岐回路を得ることができる。
【００３１】
（実施例）
次に、具体的実施例により説明する。比屈折率差ΔｎをΔｎ＝０．４％とすると、シングルモードとなるコア寸法は７．５（μｍ）×７．５（μｍ）となる。光分岐回路の構成としては、入射光導波路４の幅ａ₁＝７．５μｍであり、テーパ光導波路５の長さＬｅ＝１８０μｍ、端面の幅Ｗｅ＝１５μｍである。分岐光導波路６、７の幅ａ₂＝７．５μｍであり、分岐角度α＝０．４°とした。
【００３２】
入出力ポート間の損失（光出力パワー／入力光パワー）の計算をＢＰＭ（ビーム伝搬法）で行った。漏れ光の影響を計算するために初期励振光分布はガウス形状とし、光導波路中心軸に対してオフセット（◆０．２μｍ、■０．４μｍ）を与えて、意図的にモード不整合損を発生させた。分岐特性は両分岐導波路からの出力光パワーの差をユニフォーミティとして、直線状の入射光導波路４の光導波路長Ｌを変えてユニフォーミティの変動を求めた。図４は、入射光導波路４の光導波路長Ｌと分岐比特性の関係を示している。図４において、横軸は入射光導波路４の光導波路長Ｌ（μｍ）を表し、縦軸は、ユニフォーミティ（ｄＢ）を表している。
【００３３】
上記光導波路パラメータより見積もられる蛇行周期はｎ_clad＝１．４４７３、ｎ_eff0＝１．４５０１、λ＝１．５５μｍよりΛ＝５４９μｍであり、図４に示すように、入力光導波路４の光入力端面Ｓ₁からテーパ光導波路５の光入力端面が接続される入力光導波路４の光出力端面Ｓ₂までの入射光導波路４の光導波路長Ｌが５５０／２＝２７５μｍの整数倍のとき良好な分岐特性が得られる。
【００３４】
ところで、オフセットの大きさが０．４μｍ程度までは正味の結合損失（複数の分岐出力からの光パワーの総和と入力パワーの比）は０．０１ｄＢ程度である。この値は、例えば光ファイバと入力光導波路４とを接続する場合、光軸合わせの過程で結合最適（最も損失が少なくなる）点として認識される範囲に相当する。従って本実施の形態による光分岐回路を実際のデバイスへ適用することを考えた場合、０．４μｍ程度のオフセットが生じ得るような結合状態のもとで、ユニフォーミティの劣化が実用上問題ない範囲に収まるように本分岐回路を作製する必要がある。ユニフォーミティ劣化の許容量を±０．３ｄＢとすると±２０〜３０μｍ、すなわち前記２７５μｍの１０％程度となるように作製すればよい。
【００３５】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、光軸合わせが容易で歩留まりの低下を抑えた光分岐回路を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による光分岐回路が形成された石英ガラス基板１を基板面法線方向に見た状態を示す図である。
【図２】漏れ光の影響を示す図である。
【図３】漏れモードの大小による蛇行曲線の変化を示す図である。
【図４】直線光導波路長Ｌと分岐比特性の関係を示す図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ クラッド層
３ コア
４ 入力光導波路
５ テーパ光導波路
６、７分岐光導波路
Ｓ₁ 入力光導波路４の光入力端面
Ｓ₂ 入力光導波路４の光出力端面

Claims (6)

1. 光入力端面から入力された光を光出力端面に出力する入力光導波路と、
   一端面が前記光出力端面に接続され、テーパ部を有するテーパ光導波路と、
   所定の分岐角度で前記テーパ光導波路の他端面に接続される分岐光導波路と
   を有する光分岐回路において、
   漏れモードの発生原因となる位置から前記光出力端面までの光導波路長は、
   前記漏れモードの伝搬定数をβ_L、基本モードの伝搬定数をβ₀、前記漏れモードと前記基本モードとの干渉によって生じる前記入力光導波路を導波する光の蛇行周期をΛとして、Λ＝２π／（β₀−β_L）であるとすると、
   Λ／２のほぼ整数倍であること
   を特徴とする光分岐回路。
2. 請求項１記載の光分岐回路において、
   前記光導波路長は、前記Λ／２の整数倍±１０％であること
   を特徴とする光分岐回路。
3. 請求項１又は２に記載の光分岐回路において、
   前記漏れモードの発生原因となる位置は、前記光入力端面近傍であること
   を特徴とする光分岐回路。
4. 請求項３記載の光分岐回路において、 前記光入力端面には、光ファイバの光出力端面が接続されること
   を特徴とする光分岐回路。
5. 請求項１又は２に記載の光分岐回路において、
   前記漏れモードの発生原因となる位置は、前記入力光導波路の前段に設けられた、導波路回路又は他の光分岐回路であること
   を特徴とする光分岐回路。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光分岐回路において、
   前記入力光導波路は、直線状に形成されていること
   を特徴とする光分岐回路。

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