JP3827127B2

JP3827127B2 - 光方向性結合器

Info

Publication number: JP3827127B2
Application number: JP22069198A
Authority: JP
Inventors: 晃和成瀬; 晴彦田淵
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1998-08-04
Filing date: 1998-08-04
Publication date: 2006-09-27
Anticipated expiration: 2018-08-04
Also published as: JP2000056149A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路を用いる光方向性結合器に関し、特に、光ファイバと高い結合効率で接続可能な小型で低損失の光方向性結合器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、光導波路を用いて構成される光方向性結合器は、光の分岐や合波、伝搬経路の変更等を行うための光デバイスであり、例えば、光導波路型の波長フィルタや干渉計の要素部品などに用いられる。従来の光方向性結合器には、例えば図４に示すように、光導波路の２つのコアを狭い間隔で平行に配置した光結合部と、コアが比較的広い間隔で配置された入出射部と、光結合部と入出射部とをつなぐ連結部とを有するものがある。この従来の方向性結合器においては、入出射部、光結合部及び連結部のそれぞれについて、光の進行方向に垂直なコア断面の形状が同一であり、また、コアとクラッドの比屈折率差が同一である。
【０００３】
上記のような構造の光方向性結合器において、ガイドされる光のモードサイズが１０μｍ程度のシングルモードファイバとの結合効率を向上させようとすると、光方向性結合器を構成する光導波路のコアサイズと比屈折率差を、シングルモードファイバのコアサイズと比屈折率差に近づける必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の光方向性結合器では、光導波路のコアサイズと比屈折率差をシングルモードファイバに近づけた場合に光方向性結合器を低損失にしようとすると、光結合部を長くする必要が生じるため、光方向性結合器が大型化してしまうという問題があった。
【０００５】
ここで、光方向性結合器を構成する光導波路のコアサイズや比屈折率差と光結合部の長さとの関係について簡単に説明する。まず、コアとクラッドの比屈折率差Δを、コアの屈折率ｎ₁、クラッドの屈折率ｎ₂を用いて次のように定義する。
Δ＝（ｎ₁−ｎ₂）／ｎ₂…（１）
光導波路と光ファイバとの結合効率は、図５に示すように、光導波路の比屈折率差Δが光ファイバの比屈折率差と同程度の値となるときに最も高くなり、その値よりも比屈折率差Δが大きくなると結合効率は低下する。また、図示しないが、光導波路のコアサイズについては、光ファイバのコア径と同程度の値のときに結合効率が最も高くなり、光ファイバのコア径よりも光導波路のコアサイズが小さくなると、結合効率は低下する。
【０００６】
光方向性結合器の比屈折率差Δとコアの大きさに関しては、光導波路をシングルモード導波路とするための制約として、比屈折率差Δを大きくするほど、コアの大きさを小さくしなければならないということがある。図６及び図７は、光方向性結合器の光結合部のギャップ幅（２つのコアの間隔）に対する結合長の関係を示したものである。ただし、図６には、コアサイズ（コアを正方形としたときの一辺の大きさ）を一定として、比屈折率差Δを変化させたときの関係が示してあり、図７には、比屈折率差Δを一定として、コアサイズを変化させたときの関係が示してある。ここで結合長とは、一方のコアから他方のコアヘ移動する光パワーが１００％になる最短長さとする。
【０００７】
図に示すように、コアサイズと比屈折率差Δが一定であればギャップ幅が小さいほど結合長が短くなり、コアサイズとギャップ幅が一定であれば比屈折率差Δが小さいほど結合長が短くなる。また、比屈折率差Δとギャップ幅が一定であればコアサイズが小さくなるほど結合長は短くなる。図８は、光方向性結合器の光結合部のギャップ幅に対する光結合部の損失の関係を、比屈折率差Δに応じて示したものである。ただし、コアサイズは一定である。
【０００８】
図８に示すように、光結合部における損失に着目すると、比屈折率差Δが一定であればギャップ幅が大きいほど損失が小さくなり、ギャップ幅が一定であれば比屈折率差Δが大きいほど損失は小さくなる。この理由は、次のように説明される。図９に示すように、光方向性結合器の光結合部における光パワーの移動は、０次モードと１次モードとの結合によって生ずる。即ち、図９の上段に示した２つの光導波路のうちの上側の光導波路の左端から入力されたシングルモード光は、光結合部を伝搬する際に、図９（Ｉ）に示すような０次モードの電界分布と、図９（II）に示すような１次モードの電界分布とをもつようになり、図９（III）に示すような両モードの重ね合わせによる電界分布が生じることになる。
【０００９】
この際、光結合部の入射部（Ａ）及び出射部（Ｅ）における０次モードの電界分布の中央部分の窪みの極小値（これをＩｌとする）が小さいほど、２つのモードを加算したときのモード形状が、片方の光導波路に導波されるモード形状に近づくため、光結合部に損失が小さくなる。逆に、窪みの極小値Ｉｌが大きいと、０次モードの電界分布が綺麗な２つの山に別れないため、２つのモードを加算したときのモード形状が、片方の光導波路に導波されるモード形状とならない（他方の光導波路を導波される成分が増える）ため、その分だけ損失が大きくなる。
【００１０】
０次モードの中央部分の窪みの極小値Ｉ１は、コアサイズ及び比屈折率差Δが一定であればギャップ幅が大きいほど小さくなり、比屈折率差Δとギャップ幅が一定であればコアサイズが大きいほど小さくなり、また、ギャップ幅とコアサイズが一定であれば比屈折率差Δが大きいほど小さくなるという関係がある。図１０は、０次モードのピーク強度をＩ０として、Ｉｌ／Ｉ０が一定になる場合（即ち、損失が一定になる場合）の比屈折率差Δと結合長の関係を、コアサイズに応じて示したものである。図１０に示すように、コアサイズが大きくても小さくても、比屈折率差Δを大きくするほど結合長が短くなることがわかる。
【００１１】
従って、小型で低損失の光方向性結合器を実現する１つの手段としては、コアとクラッドの比屈折率差Δを大きくし、それに応じてコアサイズを調整することが有効であると考えられる。光導波路の屈折率分布に特徴を持たせた方向性結合型の光デバイスとしては、例えば、特開平４−１９７１３号公報等に記載された導波型光スイッチが公知である。この導波型光スイッチは、近接する２つの光導波路の屈折率差を大きくする、即ち、光結合部に位置する光導波路の各コアの屈折率に違いを持たせることで、０次モードと１次モードの伝搬定数（伝搬速度）の差を大きくしようとしたものである。
【００１２】
しかし、上記の導波型光スイッチでは、図１１に示すように、光結合部における０次モード及び１次モードの電界強度分布が、２つの光導波路において非対称となるため、干渉後の電界強度分布が単峰にはならない。このため、上記のような公知技術を屈折率固定の光方向性結合器に適用した場合には、損失の増加や消光比の低下といった問題が生じることになる。
【００１３】
本発明は上記の点に着目してなされたもので、光ファイバと高い結合効率で接続可能な小型で低損失の光方向性結合器を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
このため本発明の光方向性結合器は、光の伝搬方向に沿って連続する第１〜５領域に亘って設けられた２本の光導波路を有し、光が入出射される第１領域及び第５領域では、前記各光導波路内を光が独立して伝搬するように各光導波路間の間隔が相対的に広くされ、第３領域では、前記各光導波路内を伝搬する光が相互作用するように各光導波路間の間隔が相対的に狭くされ、第２領域及び第４領域では、隣接する領域の各光導波路がそれぞれ連結される構成の光方向性結合器において、前記各光導波路は、少なくとも第３領域におけるコアとクラッドとの比屈折率差が、第１領域及び第５領域におけるコアとクラッドとの比屈折率差よりも大きく、かつ、相対的に高い屈折率を有する内側コア及び相対的に低い屈折率を有する外側コアからなる２重構造のコアをそれぞれ備え、少なくとも第３領域に位置する前記各光導波路のコア幅が、それぞれ前記内側コアの幅とされたものである。
【００１５】
かかる構成によれば、例えば、第１領域の一方の光導波路に入射された光は、第２領域を介して第３領域に伝搬される。第３領域では、２つの光導波路が接近しているため一方の光導波路を伝搬してきた光が他方の光導波路から出力され、第４領域を介して第５領域に伝搬される。この際、光結合が行われる第３領域の比屈折率差が第１領域及び第５領域よりも大きくされ、かつ、各光導波路のコア幅が２重構造のコアの内側コアの幅とされていることで、第３領域の長さ、即ち、結合長が短くなる。また、第１領域及び第５領域の比屈折率差は小さいので、高い結合効率で光ファイバと接続可能となる。
【００１６】
また、前記各光導波路は、少なくとも第３領域におけるコアの屈折率が互いに略等しくなるようにするのが好ましい。２つの光導波路の各コアの屈折率を略等しくすることで、第３領域の各光導波路における０次モード及び１次モードの電界強度が対称的な分布となるため、干渉後の電界強度分布がほぼ単峰となり、光結合の際の損失が低くなる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る光方向性結合器の構成を示す上面図である。また、図２は、図１の一点鎖線で示す(a) 〜(e) における断面図である。
図において、本光方向性結合器は、例えば、シリコン基板１０と、該シリコン基板１０上にポリイミド等を用いて形成された光導波路層とから構成される。光導波路層は、クラッド１１に囲まれた２つのコア１２からなり、各コア１２は、図１で左右方向に平行に形成され、互いの間隔が中央部分において狭くなっている。ここでは、図１で左右端に位置する部分（入出射部）を第１領域及び第５領域とし、中央に位置する各コア１２の間隔が狭くなった部分（光結合部）を第３領域とし、第１領域及び第５領域と第３領域との間に位置する部分（連結部）を第２領域及び第４領域とする。
【００１８】
各コア１２は、外側に位置するコア（アウターコア）１２Ａ及び内側に位置するコア（インナーコア）１２Ｂとからなるダブルコア構造を有している。アウターコア１２Ａは、例えばシングルモードファイバ等との接続が行われる第１領域及び第５領域の端部付近に形成され（図２(a)(e)参照）、接続端面において広い断面積を有することにより高い結合効率でシングルモードファイバとの接続が可能となる。インナーコア１２Ｂは、断面積がアウターコア１２Ａよりも狭くしてあり、第２領域〜第４領域にかけて形成されている。また、２つのコア１２の対向する部分の屈折率は互いに略等しくなるようにしてあり、２つのコア１２が対称的な構造をもつように設定されている。
【００１９】
アウターコア１２Ａからインナーコア１２Ｂへの変換は、例えば、第１領域及び第５領域内において、テーパー状に形成した各コアを接合させることで行われる。この変換部分のコア断面が、図２(b)(d)に示すように２重構造となる。なお、アウターコア１２Ａからインナーコア１２Ｂへの変換を第１領域及び第５領域内で行うようにしたが、これに限らず、第２領域及び第４領域内で行うようにしてもよい。ただし、第１領域及び第５領域内で変換を行えば、第２領域及び第４領域のコアを細くでき曲率半径を小さくできるので、光方向性結合器がより小型のものとなる。
【００２０】
アウターコア１２Ａの屈折率（ｎ_1o）は、クラッド１１の屈折率（ｎ₂）よりも高く、インナーコア１２Ｂの屈折率（ｎ_1i）は、アウターコア１２Ａの屈折率（ｎ_1o）よりも高くしてある。即ち、光導波路の屈折率は次のような大小関係をもつように設定される。
ｎ_1i＞ｎ_1o＞ｎ₂
ここで、本実施形態における各設定値の具体例を示しておく。インナーコア１２Ｂについては、コアサイズを幅Ｗ１＝４μｍ×高さＨ１＝７μｍとし、屈折率ｎ_1iを1.532 とする。アウターコア１２Ａについては、コアサイズを幅Ｗ２＝７μｍ×高さＨ２＝７μｍとし、屈折率ｎ_1oを1.528 とする。クラッド１１については、屈折率ｎ₂を1.520 とし、アンダークラッドの厚さを１０μｍ、オーバークラッドの厚さを１５μｍとする。また、このような設定では、第３領域におけるコア間のギャップ幅Ｇ１を5.5 μｍとすると、結合長は5.4 ｍｍとなる。
【００２１】
また、上述したダブルコア構造の形成方法について簡単に説明する。図３は、例えば、フッ素化ポリイミドを用いたダブルコア構造の形成方法である。なお、ここではフッ素化ポリイミドを用いたが、本発明はこれに限られるものではない。ただし、フッ素化ポリイミドのような有機材料を用いると、ダブルコア構造を比較的容易に作製できる。
【００２２】
図３において、まず、クラッド層、アウターコア層及びインナーコア層がスピンコートによりシリコン基板１０上に順次形成される。次に、インナーコア幅に相当するマスクをインナーコア層上に形成した後、リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）によってインナーコア層及びアウターコア層の一部をエッチングし、さらに、インナーコアを囲むようにアウターコア層が塗布される。
【００２３】
次に、第１領域または第５領域に位置するダブルコア部分を形成する場合には、アウターコア幅に相当するマスクをアウターコア層上に形成した後、ＲＩＥによって不要なアウターコア層を除去してアウターコアを形成し、さらにアウターコアを囲むようにクラッド層が塗布されて、第１領域または第５領域のダブルコア構造が形成される。一方、第２〜第４領域に位置するコア部分を形成する場合には、インナーコア幅に相当するマスクをアウターコア層上に形成した後、ＲＩＥによって不要なアウターコア層を除去する。ただし、この場合にはインナーコアの上下にアウターコアが残存することになる。そして、コアを囲むようにクラッド層が塗布されて、第２〜第４領域のダブルコア構造が形成される。
【００２４】
上記のようにして形成されたダブルコア構造を有する光方向性結合器では、シングルモードファイバとの接続において、コアサイズの大きなアウターコア１２Ａと接続されるので、従来の光方向性結合器よりも高い結合効率が実現される。一方、第３領域の光結合部では、屈折率を高くしたインナーコア１２Ｂが形成され、クラッド１１とコア１２の比屈折率差Δが大きくなっているため、結合長（第３領域の長さ）を短くできる。具体的には、屈折率を高くしたインナーコアを持たない従来の光方向性結合器（例えば、コア幅が７μｍ、比屈折率差Δが0.5など）では、結合長が10ｍｍ程度となるが、本実施形態の構造を用いることにより、結合長は5.4 ｍｍ程度となる。従って、比較的低損失で小型の光方向性結合器を実現できる。また、光結合部では、コア１２の幅がインナーコア幅とされており、この幅の設定を適宜に調節することによって、比屈折率差Δが大きくなってもシングルモードを保つことが可能である。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光結合が行われる第３領域におけるコアとクラッドとの比屈折率差が第１、５領域における比屈折率差よりも大きくなるようにすると共に、２重構造のコアを適用したことにより、結合長を短くできるため、高い結合効率で光ファイバとの接続を可能にしながら光方向性結合器の小型化を図ることが可能となる。また、各コアの屈折率を互いに略等しくすることによって、光結合の際の損失を低く抑えることができる。従って、低損失で小型の光方向性結合器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の構成を示す上面図である。
【図２】同上実施形態の図１の(a) 〜(e) における各断面図である。
【図３】同上実施形態におけるダブルコア構造の形成方法の一例を説明する図である。
【図４】従来の光方向性結合器の構成を示す上面図である。
【図５】光ファイバとの結合効率と比屈折率差との関係を示す図である。
【図６】コアサイズを一定とした場合の光結合部のギャップ幅に対する結合長の関係を示した図である。
【図７】比屈折率差を一定とした場合の光結合部のギャップ幅に対する結合長の関係を示した図である。
【図８】光結合部のギャップ幅に対する損失の関係を示した図である。
【図９】光結合部における光パワーの移動の様子を説明する図である。
【図１０】損失を一定とした場合の比屈折率差に対する結合長の関係を示した図である。
【図１１】従来の導波型光スイッチの光結合部における電界強度分布を示す図である。
【符号の説明】
１０…シリコン基板
１１…クラッド
１２…コア
１２Ａ…アウターコア
１２Ｂ…インナーコア

Claims

光の伝搬方向に沿って連続する第１〜５領域に亘って設けられた２本の光導波路を有し、光が入出射される第１領域及び第５領域では、前記各光導波路内を光が独立して伝搬するように各光導波路間の間隔が相対的に広くされ、第３領域では、前記各光導波路内を伝搬する光が相互作用するように各光導波路間の間隔が相対的に狭くされ、第２領域及び第４領域では、隣接する領域の各光導波路がそれぞれ連結される構成の光方向性結合器において、前記各光導波路は、少なくとも第３領域におけるコアとクラッドとの比屈折率差が、第１領域及び第５領域におけるコアとクラッドとの比屈折率差よりも大きく、かつ、相対的に高い屈折率を有する内側コア及び相対的に低い屈折率を有する外側コアからなる２重構造のコアをそれぞれ備え、少なくとも第３領域に位置する前記各光導波路のコア幅が、それぞれ前記内側コアの幅とされたことを特徴とする光方向性結合器。
前記各光導波路は、少なくとも第３領域におけるコアの屈折率が互いに略等しいことを特徴とする請求項１記載の光方向性結合器。