JP3841395B2

JP3841395B2 - Optical waveguide

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Publication number: JP3841395B2
Application number: JP2001311766A
Authority: JP
Inventors: 英伸浜田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-10-09
Filing date: 2001-10-09
Publication date: 2006-11-01
Anticipated expiration: 2021-10-09
Also published as: JP2003121670A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信に用いられる光導波路に関し、より特定的には、コアに接する接着層を有する光導波路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、コアに接してクラッド層と平行に広がった接着層を有する光導波路が広く用いられている。当該接着層は、コアとほぼ同じ屈折率を有する。このような光導波路は、例えば、特開平１１−５２１５９号公報および特開２０００−２１４３４０号公報などにおいて開示されている。図８は、この従来の光導波路の構成を示した模式図である。
【０００３】
図８に示されるように、従来の光導波路は、所定面の１つに溝を有する基板１３１と、クラッド層１３３と、基板１３１の溝を有する面とクラッド層１３３の所定の面とを接着する接着層１３２と、溝内に材料を充填して形成されたコア１３４とによって構成される。接着層１３２は、基板１３１およびクラッド層１３３よりも高屈折率を有する材料から成り、コア１３４は、接着層１３２とほぼ同じ屈折率を有する材料から成る。このように、コア１３４と接着層１３２とを同様の材料で構成することにより、コア１３４を形成してから、基板１３１とクラッド層１３３とを接着するまでの工程を簡易に行うことができる。
【０００４】
また、特に、特開２０００−２１４３４０号公報は、コアの中心軸方向に対する垂直断面において、コア幅１３７に対する垂直二等分線とコア高さ１３８に対する垂直二等分線との交点、すなわちコア中心１３５を原点として、コアの中心軸方向に光を伝播するように形成した光導波路を開示している。ただし、コアの中心軸方向をｚ軸とし、当該ｚ軸に垂直であって、接着層面に対して平行方向をｙ軸、垂直方向をｘ軸としたとき、コア中心１３５は、コア幅１３７に対応するｙ軸方向の線分に対する垂直二等分線と、コア高さ１３８に対応するｘ軸方向の線分に対する垂直二等分線との交点となる。このような構成によれば、例えば光ファイバと光結合させて、コアの中心軸方向に光を伝播する光導波路を低コストに作製することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来の光導波路は、基板およびクラッドよりもコアの屈折率を高くすることによってコア内に光を伝播するが、接着層とコアとが接していることによってコアから接着層へ光が漏れる。その結果として、モード中心がコア中心からずれ、同時に、モード分布が接着層側へ偏ることになる。にもかかわらず、特開２０００−２１４３４０号公報に開示されているように、コア中心から光を入射するように光ファイバを結合すると、入射光モードと導波路の伝播モードとの差が大きくなって、結合ロスが大きくなるという問題点がある。なお、このことは、接着層の接着機能とは無関係であり、接着層と同様の屈折率を有する接触材がコアと接している場合も同じ問題点がある。
【０００６】
このような問題点は、コア形状、接着層厚、およびコアと接着層と基板とクラッドとの屈折率の関係によって結合ロスが最少となる最適な光入射位置が変化することが、従来より意識されていなかったことによって生じている。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、上記問題点を解決して、接着層を有する光導波路の結合ロスを最少にすることができる構造を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
第１の発明は、外部の光伝部材と光結合して、当該光伝送部材からの入射光を伝播する光導波路であって、
所定の屈折率を有する第１および第２の基材と、
第１および第２の基材よりも高い屈折率を有し、第１および第２の基材の一方または双方に接して、内部に光を伝播するコアと、
コアの屈折率と略同一の屈折率を有し、第１および第２の基材とコアとにそれぞれ接する接触材と、
光伝送部材との光結合ロスが小さくなるように、入射光の入射位置をコアの中心からずらすオフセット調整部とを備える。
【０００９】
上記のように、第１の発明によれば、オフセット調整部によって、入射光位置を最適に調整することにより、コアに接する接着層などの接触材を有する光導波路と、光ファイバなどの光伝送部材との光結合ロスを小さく、最も好ましくは最少にすることができる構造を提供することができる。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明に従属する発明であって、
オフセット調整部は、コアの形状と、接触材の厚さと、コアと接触材と第１および第２の基材との屈折率の関係とに応じて、コアのコア中心から所定の距離だけ離れるように入射光位置を調整することを特徴とする。
【００１１】
上記のように、第２の発明によれば、コア形状、接触材厚、およびコアと接触材と第１および第２の基材との屈折率の関係によって一意に算出することができる結合ロスが最少となる最適な光入射位置になるように、オフセット調整部を調整することにより、光結合ロスを最小にすることができる。
【００１２】
第３の発明は、第１の発明に従属する発明であって、
接触材の厚さは、３μｍ以下であることを特徴とする。
【００１３】
上記のように、第３の発明によれば、最適な入射光位置に調整した場合でも接触材厚が３μｍを超える場合には結合ロスが急激に大きくなることを考慮して、厚さを３μｍ以下にしているので、光結合ロスをより小さくすることができる。
【００１４】
第４の発明は、第１の発明に従属する発明であって、
所定の使用環境温度の範囲内における第１および第２の基材の屈折率およびコアの屈折率は、光結合ロスを許容することができる最低屈折率差以上の屈折率差を生じるように選ばれることを特徴とする。
【００１５】
上記のように、第４の発明によれば、コアと第１および第２の基材との屈折率差は、光閉じ込め条件を満たし、かつ、結合ロスが急激に悪化する直前の許容し得る最低の屈折率差以上となるので、光結合ロスをより小さくすることができる。
【００１６】
第５の発明は、第４の発明に従属する発明であって、
屈折率差は、コアの中心軸に対する垂直断面におけるコアの高さおよび幅と屈折率差の関係から導かれる光結合ロスが大きくならない光閉じ込め条件を満足するように選ばれることを特徴とする。
【００１７】
上記のように、第５の発明によれば、結合ロスを許容し得る最低の屈折率差を算出する際に、コアの高さとコアの幅とを考慮するので、コア寸法を考慮した適切な屈折率差を生じさせることができ、光結合ロスをより小さくすることができる。
【００１８】
第６の発明は、第４の発明に従属する発明であって、
屈折率差は、コアの中心軸に対する垂直断面におけるコアの高さおよび幅の平均値と屈折率差の関係から導かれる光結合ロスが大きくならない光閉じ込め条件を満足するように選ばれることを特徴とする。
【００１９】
上記のように、第６の発明によれば、結合ロスを許容し得る最低の屈折率差を算出する際に、コアの高さとコアの幅の平均値とを考慮するので、コア寸法を考慮した適切な屈折率差を生じさせることができ、光結合ロスをより小さくすることができる。
【００２０】
第７の発明は、第１の発明に従属する発明であって、
第１の基材は、所定の第１の面に溝が形成された基板であり、
第２の基材は、第１の面に対向する第２の面を有するクラッドであり、
接触材は、第１および第２の面において、基板およびクラッドを接着する接着層であり、
コアは、基板の溝に材料を充填して形成されることを特徴とする。
【００２１】
上記のように、第７の発明によれば、コアと接着層とを同様の材料で構成することにより、基板の溝に材料を充填してコアを形成してから、基板とクラッドとを接着するまでの工程を簡易に行うことができる。
【００２２】
第８の発明は、第７の発明に従属する発明であって、
オフセット調整部は、コアの中心軸に対する垂直断面において、コアのコア中心を通る接着層の厚さ方向の直線を対称軸としてほぼ線対称な断面構造である場合に、対称軸に沿うように入射光位置を調整することを特徴とする。
【００２３】
上記のように、第８の発明によれば、入射光位置は、対称軸上にくることから、容易に最適位置になるように調節することができ、光結合ロスを最小にすることができる。
【００２４】
第９の発明は、第７の発明に従属する発明であって、
オフセット調整部は、接着層の厚さに応じて、コアのコア中心から所定の距離だけ離れるように入射光位置を調整することを特徴とする。
【００２５】
上記のように、第９の発明によれば、入射光位置が対称軸上にくることから、オフセット値を設定するだけで、容易に最適位置になるように調節することができ、光結合ロスを最少にすることができる。
【００２６】
第１０の発明は、第９の発明に従属する発明であって、
所定の距離は、接着層の厚さを超えないように選ばれることを特徴とする。
【００２７】
上記のように、第１０の発明によれば、オフセット値が接着層の厚さを超えることはないので、正確に最適位置になるように調節することができ、光結合ロスを最少にすることができる。
【００２８】
第１１の発明は、第７の発明に従属する発明であって、
溝の外側方向への溝の側面の傾斜角度は、溝の底面に対して垂直な面を基準として、５°以下であることを特徴とする。
【００２９】
上記のように、第１１の発明によれば、テーパ角度を０°にすると不都合が生じ、コストが高くなる反面、５°以上にすると、結合ロスの値はさらに大きくなり、また結合ロスの変化率も急激に大きくなることに鑑みて、必要以上に精度を上げず、低コストで作製することができ、かつ結合ロスが最適値に近い（または許容範囲内に止まる）光導波路を提供することができる。
【００３０】
第１２の発明は、第７の発明に従属する発明であって、
基板の溝の底面と側面との接続部は、コアの中心軸に対する垂直断面において、溝の幅の１／２以下の曲率半径を有することを特徴とする。
【００３１】
上記のように、第１２の発明によれば、コア底両端部が丸くなるに従って、光導波路の伝搬モード形状が、四角状の伝播モード形状から光ファイバと同様の円形の伝播モード形状に近づくので、結合ロスを低下させることができる。
【００３２】
第１３の発明は、第１の発明に従属する発明であって、
第１の基材は、所定の第１の面に第１の溝が形成された第１の基板であり、
第２の基材は、第１の面に対向する第２の面に第２の溝が形成された第２の基板であり、
接触材は、第１および第２の溝が互いに対向して合わさるように、第１および第２の面において、第１および第２の基板を接着する接着層であり、
コアは、第１および第２の溝に材料を充填して形成されることを特徴とする。
【００３３】
上記のように、第１３の発明によれば、コアと接着層とを同様の材料で構成することにより、第１および第２の基板の溝に材料を充填してコアを形成してから、第１および第２の基板を接着するまでの工程を簡易に行うことができる。
【００３４】
第１４の発明は、第１３の発明に従属する発明であって、
オフセット調整部は、コアの中心軸に対する垂直断面において、コアのコア中心を通る接着層の厚さ方向の直線を対称軸として垂直断面構造がほぼ線対称である場合に、対称軸に沿うように入射光位置を調整することを特徴とする。
【００３５】
上記のように、第１４の発明によれば、入射光位置が対称軸上にくることから、第９の発明と同様に、オフセット値を設定するだけで、容易に最適位置になるように調節することができ、光結合ロスを最少にすることができる。
【００３６】
第１５の発明は、第１４の発明に従属する発明であって、
オフセット調整部は、第１および第２の溝が接着層を基準としてほぼ面対称な形状である場合に、コアのコア中心に合うように入射光位置を調整することを特徴とする。
【００３７】
上記のように、第１５の発明によれば、その対称構造によってコア中心に最適結合位置がくることから、入射光位置が容易に最適位置となるように調節することができ、光結合ロスを最少にすることができる。
【００３８】
第１６の発明は、第１３の発明に従属する発明であって、
第１および第２の溝の外側方向への第１および第２の溝の側面の傾斜角度は、第１および第２の溝の底面に対して垂直な面を基準として、それぞれほぼ３０°であることを特徴とする。
【００３９】
上記のように、第１６の発明によれば、コア幅およびコア高さがほぼ等しい場合にテーパ角度を３０°に設定すればコア形状はほぼ正６角形となり、より円形の形状に近づくので、結合ロスを改善することができる。
【００４０】
第１７の発明は、第１３の発明に従属する発明であって、
第１および第２の溝の底面と側面との接続部は、コアの中心軸に対する垂直断面において、それぞれ第１および第２の溝の幅の１／２以下の曲率半径を有することを特徴とする。
【００４１】
上記のように、第１７の発明によれば、コア底両端部が丸くなるに従って、光導波路の伝搬モード形状が、四角状の伝播モード形状から光ファイバと同様の円形の伝播モード形状に近づくので、第１２の発明と同様に、結合ロスを低下させることができる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光導波路１７の構成を示した模式図である。図１において、本光導波路１７は、所定の１つの面に溝を有する基板１と、基板１に対向する面を有するクラッド層３と、基板１およびクラッド層３を接着する接着層２と、その内部に光を伝播するコア４と、本光導波路１７と光結合する光ファイバ１６からの入射光位置を調節するオフセット調整部１４とによって構成される。
【００４３】
まず、接着層２は、基板１およびクラッド層３よりも高い屈折率を有する材料から成り、基板１の溝を有する面とクラッド層３の対向する面とを接着する。なお、接着層２が有する接着機能は、本発明に関して全く無関係であるので、接着層２がコア４と同程度の屈折率を有する構成であれば、接着機能を有していない単なる接触層または接触部材であってもよい。
【００４４】
また、コア４は、基板１の溝内に接着層２とほぼ同じ屈折率を有する材料を充填して形成される。さらに、コア４は、基板１およびクラッド層３よりも或る程度高い屈折率を有する材料で構成されることによって、その内部に光を伝播する。
【００４５】
したがって、コア４は、基板１およびクラッド層３よりも低い屈折率であるか、または基板１およびクラッド層３よりも高い屈折率であってもその屈折率差が所定値を下回る場合には、光をコア４内に閉じ込めることができない。この光を閉じ込めるための条件を光閉じ込め条件と称する。
【００４６】
ここで、一般的にコア材料として樹脂を使用し、クラッド材料として無機材料（ガラスなど）を使用すると、それぞれの材料の温度特性が相違していることにより、光閉じ込め条件を満足させることができない温度範囲を生じることがある。図２は、例として、コア材料としての樹脂と、クラッド材料としてのガラスとの屈折率差および温度変化の関係を示したグラフである。なお、光閉じ込め条件を満たす限界の屈折率差は、点線で示されている。また、図２においては、異なるコアの屈折率を有する１１の例が示されている。
【００４７】
図２を参照すれば、温度を徐々に上げると上記屈折率差は小さくなり、やがて光閉じ込め条件の限界屈折率差を下回って、光閉じ込め条件を満たさなくなる。図２において、使用温度範囲内（−２０℃〜８０℃）で光閉じ込め条件を満たすのは、上から３例のみである。したがって、使用温度範囲内で光閉じ込め条件を満たすためには、屈折率差を十分大きくすれば良いことになるが、屈折率差を大きくしすぎると光導波路がマルチモード化するので、屈折率差の上限値は自ずと定まる。具体的には、コアの屈折率をクラッドの屈折率よりも０．２〜０．５％高めるの好適例である。
【００４８】
次に、図３は、断面が正方形状である四角コアの寸法と、コアおよびクラッドの屈折率差と、光ファイバおよび光導波路の結合ロス相対変化（ｄＢ）との関係を示したグラフである。ただし、結合ロス相対変化は、最適結合ロスから結合ロスがどれだけ変化したかを示すためのものであって、結合ロスの絶対値はそれぞれのコア寸法に応じて異なり、グラフ上では各寸法毎に見やすい位置に配置している。また、コア寸法は、小さいものから大きいものの例として、ａ１（＝２μｍ）からａ７（＝８μｍ）まで１μ毎に変化させた７つを示している。
【００４９】
図３を参照すれば、それぞれのコア寸法を有するコアとクラッドとの屈折率差が所定の差以下になると、結合ロスは急激に悪化する。図中の点線は、この急激に悪化する直前の屈折率差をコア寸法毎に結んだ直線であって、結合ロスを許容し得る最低の屈折率差を示している。したがって、コア寸法が大きいほど屈折率差が小さくても光を閉じ込めやすいと言える。ただ、コアの大きさにも上限はある。よって、具体的には、コアの高さと幅の平均を２〜５μｍにするのが好適例である。
【００５０】
以上より、使用温度範囲において常に光を閉じ込めるためには、コア断面の高さと幅または高さと幅の平均とを考慮し、さらに光閉じ込め条件を満たす屈折率差以上になるようにコア材とクラッド材の温度特性を考慮して選択する必要がある。
【００５１】
次に、図１において、オフセット調整部１４は、光ファイバ１６との光結合ロスが小さくなるように、コア形状、接着層厚８、およびコア４と接着層２と基板１とクラッド層３との屈折率の関係に応じて、コア中心５から所定の距離（オフセット値１０）だけ離れた入射光位置９を調整する。ただし、コアの中心軸方向をｚ軸とし、当該ｚ軸に垂直であって、接着層面に対して平行方向をｙ軸、垂直方向をｘ軸としたとき、コア中心５は、コア４の中心軸方向（ｚ軸方向）に対するコア４の垂直断面（以下、断面と略称する）において、コア幅６に対応するｙ軸方向の線分に対する垂直二等分線と、コア高さ７に対応するｘ軸方向の線分に対する垂直２等分線との交点である。なお、接着層厚８の方向とコア高さ７の方向とは同一であるものとする。
【００５２】
典型的には、オフセット調整部１４は、基板１と一体化したＶ溝１５を有する構造体であり、Ｖ溝１５の高さ等を予め調整することによって、光ファイバ１６の出射光中心が入射光位置９に来るように位置決めすることができる。もちろん、入射光位置９の位置関係を調整することができれば、オフセット調整部１４は、どのような構造および形状であってもよい。
【００５３】
図４は、光入射位置のオフセット値を変化させた場合の光ファイバと光導波路との結合ロスの関係を示したグラフである。ただし、対象となる光導波路は、８μｍ角のコア形状を有し、コアの屈折率がクラッドの屈折率より約０．２％高く、基板の屈折率がクラッド層の屈折率より約０．０６６５％低いものとする。また、当該光導波路の断面構造は、接着層に平行であってコア幅６に対応する線分の垂直二等分線（すなわち、コア中心５を通る接着層厚８方向の直線）を対称軸として、光の入射方向から見てほぼ線対称な構造を有するものとする。したがって、その対称構造から、入射光位置９は、上記垂直二等分線（すなわち対称軸）上にあって、コア中心５からオフセット値１０だけ接着層厚８方向へ離れた距離にあるものとする。このように、入射光位置９は、対称軸上にあることから、オフセット値１０を設定するだけで、容易に最適位置になるように調節することができる。
【００５４】
図４では、接着層厚（μｍ）を縦軸に、オフセット値（μｍ）を横軸にとり、結合ロスを０．１ｄＢ毎に変化させたエリアをそれぞれ図４の右側に記載したハッチングで示している。また、或る接着層厚に対する結合ロスが最も少ない最適結合状態のポイントを結んだ線分を太線の矢印で示している。図４における結合ロスの分布を見ると、最適結合状態を示す太線の矢印付近がもっとも低い結合ロスを示し、山のすそ野が広がるように外側へ向けて徐々に結合ロスが増加していることがわかる。
【００５５】
また、図４から明らかなように、接着層がほとんどない場合（接着層厚が０μｍ付近の場合）には、コア中心よりも接着層側へずれた位置（約０．５μｍ）に最適結合位置がある。そして、接着層厚を大きくするに従って、最適結合位置に対応するオフセット値は太線の矢印に沿って徐々に大きくなる。ただし、最適なオフセット値が接着層厚を超えることは、そもそも理論上考えられない。すなわち、光導波路の伝搬モード形状が四角形状や円形状の場合には、光パワー分布の中心点は光導波路の高さのほぼ半分の位置にある。したがって、光導波路の高さが接着層厚分だけ増加した場合には、光パワー分布の中心点は接着層厚の半分の高さだけ移動するにすぎず、接着層厚分以上に移動することはあり得ない。このように光パワー分布の中心点の移動量が接着層厚を超えないことは、伝搬モード形状がどのような形状であっても同様である。したがって、オフセット値は接着層厚を超えない値に設定することが好適である。
【００５６】
以上のように、コア形状、およびコアと接着層と基板とクラッドとのそれぞれの屈折率と、接着層厚とが決定していれば、当該条件に応じた最適結合状態のオフセット値を計算によって一意に求めることができる。したがって、オフセット調整部１４により、光ファイバ１６の出射光中心を最適なオフセット値の入射光位置９に来るように光ファイバ１６を固定すれば、光ファイバ１６と本光導波路１７との最適な光結合を機構的に実現することができる。
【００５７】
さらに、図４において、太線の矢印が示す最適結合状態時の結合ロスは、接着層厚が３μｍを超える付近から急激に大きくなっている。これは、最適なオフセット値を選択したとしても、接着層厚が３μｍを超える場合には、結合ロスが急激に大きくなることを示している。したがって、接着層の膜厚は３μｍ以下であることが好適である。
【００５８】
次に、コア形状と結合ロスとの関係について検討する。まず、図１に示されるように、コア４と接着層２と基板１とに接する境界線を含んで接着層面に対して垂直な面（断面においては、コア高さ７に対応する線分）からコア４の中心軸方向へ、コア４の側面がどのくらい傾斜しているかを示す角度、すなわちテーパ角度１１と結合ロスとの関係について検討する。
【００５９】
図５は、テーパ角度（°）と結合ロス（ｄＢ）との関係を示したグラフである。図５に示すように、テーパ角度が０°から大きくなるに従って、結合ロスも大きくなるので、テーパ角度は０°であるのが望ましい。しかし、基板１に対して、エッチングや金型成形などの手法を用いて溝を形成する場合には、テーパ角度１１を完全に０°にすることはほとんど不可能であるし、理想状態を求めるとすれば非常にコスト高となる。また、特に金型成形の手法を用いる場合には、テーパ角度を０°にすると金型が抜きにくくなる不都合が生じる。
【００６０】
そこで、不都合なく低コストで生産できるように、或る程の角度を持たせながら、結合ロスが最適値に近い状態（例えば、最適状態から０．０５（ｄＢ）程度の差しかない状態）になるような最大のテーパ角度を考慮する必要がある。図５を参照すると、テーパ角度が０°の時の結合ロスからの変化（ずれ量）が０．０５（ｄＢ）以下となるテーパ角度は５°である。５°以上のテーパ角度になると、結合ロスの値はさらに大きくなり、また結合ロスの変化率も急激に大きくなる。したがって、テーパ角度を５°以下として設定すれば、必要以上に精度を上げず、低コストで作成することができ、かつ結合ロスが最適値に近い（または許容範囲内に止まる）光導波路を提供することができる。
【００６１】
次に、コア４の底面と側面との接線付近の丸み形状、すなわち図１に示される断面におけるコア底１３とコア４の側面との接続部分（以下、コア底両端部と称する）の曲率半径１２と結合ロスとの関係について検討する。なお、この曲率半径１２とは、コア底両端部の丸み部分に対して接触円を仮定したときの当該円の半径である。
【００６２】
図６は、コア底両端部の曲率半径１２と結合ロスとの関係を示したグラフである。図６において、結合ロス（ｄＢ）が縦軸に、曲率半径／コア幅が横軸にとられている。このように、コア幅６に対する曲率半径１２の割合（以下曲率半径割合と称する）を横軸にとることにより、結合ロスと丸み形状との関係がより鮮明となる。例えば、曲率半径割合が１／２であれば、コア幅が接触円の直径と等しくなるので、コアの形状は円形となる。図６に示すように、曲率半径が大きくなるに従って、結合ロスは徐々に小さくなる。このように結合ロスが低下するのは、コア底両端部が丸くなるに従って、光導波路の伝搬モード形状が、四角状の伝播モード形状から光ファイバと同様の円形の伝播モード形状に近づくからである。従って、コア底両端部に光導波路のコア幅の１／２以下の曲率半径の角（丸み）をつけると、結合ロスを低下させることができる。
【００６３】
（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態に係る光導波路６１の構成を示した模式図である。図７において、本光導波路６１は、所定の１つの面に溝を有する第１の基板５１と、第１の基板５１に対向する所定の１つの面に第１の基板５１と同形状の溝を有する第２の基板５２と、第１および第２の基板５１および５２を接着する接着層５３と、その内部に光を伝播するコア５４と、図示されない光ファイバからの入射光位置を調節するオフセット調整部６０とによって構成される。
【００６４】
接着層５３は、第１および第２の基板５１および５２よりも或る程度高い屈折率を有する材料から成り、第１および第２の基板５１および５２の所定の面に形成されたそれぞれの溝を互いに合わせるように接着する。なお、接着層５３が接着機能を有していないものであってもよいことは、第１の実施形態の場合と同様である。
【００６５】
コア５４は、第１および第２の基板５１および５２の溝内に、接着層５３とほぼ同じ屈折率を有する材料を充填し、第１および第２の基板５１および５２の溝を互いに接着することによって形成される。また、コア５４は、第１および第２の基板５１および５２よりも或る程度高い屈折率を有する材料で構成されることにより、その内部に光を伝播する。
【００６６】
オフセット調整部６０は、コア形状、接着層厚５８、およびコア５４と接着層５３と第１および第２の基板５１および５２との屈折率の関係に応じて、コア中心５５から所定の距離だけ離れるように、またはコア中心５５に合うように入射光位置（図示されていない）を調整する。ただし、図１と同様の座標軸を設定したとき、コア中心５５は、図１のコア中心５と同様に、コア４の断面において、コア幅５６に対応するｙ軸方向の線分に対する垂直二等分線と、コア高さ５７に対応するｘ軸方向の線分に対する垂直二等分線との交点である。
【００６７】
典型的には、オフセット調整部６０は、図１のオフセット調整部１４と同様に、第１の基板５１と一体化したＶ溝を有する構造体であるが、入射光位置の位置関係を調整することができればどのような構造および形状であってもよいことは前述したとおりである。
【００６８】
ここで、本実施形態に係る光導波路６１は、第１の実施形態に係る光導波路１７と同様に、コア形状、接着層厚５８、およびコア５４と接着層５３と第１および第２の基板５１および５２との屈折率の関係によって光ファイバと光導波路６１との最適結合位置が変化する。したがって、同様に、光ファイバからの入射光位置を最適結合位置に調整する必要がある。
【００６９】
しかし、コア５４の断面において、接着層５３に対するｘ軸方向の垂直二等分線を対称軸として、コア形状と第１および第２の基板５１および５２の構造が左右にほぼ線対称である場合には、当該二等分線上に最適結合位置がある。さらに、接着層５３におけるｙ軸方向の中心線を基準に、コア形状と上記構造が上下にほぼ線対称でもある場合、すなわち、接着層５３を基準として、上下が面対称の構造でもある場合には、結局、コア中心５５が最適結合位置となる。
【００７０】
次に、コア形状と結合ロスとの関係について検討する。まず、コア底両端部の曲率半径と結合ロスとの関係については、コアの上下の両端部でそれぞれ問題になるものの、第１の実施形態の場合と全く同様である。すなわち、図６において前述したように、第１の基板５１の溝の両端部と、第２の基板５２の溝の両端部とに対して、光導波路６１のコア幅５６の１／２以下の曲率半径の角（丸み）をつけると、コア５４の形状は円形に近くなるので、結合ロスを低下させることができる。
【００７１】
次に、テーパ角度と結合ロスとの関係について検討する。図７において、テーパ角度５９は、第１および第２の基板５１および５２の溝の両側面に対して付されている。ここで、コア底両端部の曲率半径と結合ロスとの関係において説明したように、コア形状が円形に近くなれば、結合ロスを低下させることができる。したがって、コア幅５６およびコア高さ５７がほぼ等しい場合に、テーパ角度５９を３０°に設定すれば、コア形状はほぼ正６角形となり、より円形の形状に近づくので結合ロスを改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光導波路１７の構成を示した模式図である。
【図２】コア材とクラッド材との屈折率差および温度変化の関係を示したグラフである。
【図３】四角コアの寸法と、コアおよびクラッドの屈折率差と、光ファイバおよび光導波路の結合ロス相対変化との関係を示したグラフである。
【図４】光入射位置のオフセット値を変化させた場合の光ファイバと光導波路との結合ロスの関係を示したグラフである。
【図５】テーパ角度と結合ロスとの関係を示したグラフである。
【図６】コア底両端部の曲率半径と結合ロスとの関係を示したグラフである。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る光導波路６１の構成を示した模式図である。
【図８】従来の光導波路の構成を示した模式図である。
【符号の説明】
１基板
２接着層
３クラッド層
４コア
５コア中心
６コア幅
７コア高さ
８接着層厚
９入射光位置
１０オフセット値
１１テーパ角度
１２曲率半径
１３コア底
１４オフセット調整部
１５Ｖ溝
１６光ファイバ
１７光導波路
５１第１の基板
５２第２の基板
５３接着層
５４コア
５５コア中心
５６コア幅
５７コア高さ
５８接着層厚
５９テーパ角
６０オフセット調整部
６１光導波路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical waveguide used for optical communication, and more particularly to an optical waveguide having an adhesive layer in contact with a core.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, an optical waveguide having an adhesive layer that is in contact with a core and extends in parallel with a clad layer has been widely used. The adhesive layer has approximately the same refractive index as the core. Such an optical waveguide is disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open Nos. 11-52159 and 2000-214340. FIG. 8 is a schematic diagram showing the configuration of this conventional optical waveguide.
[0003]
As shown in FIG. 8, the conventional optical waveguide has a substrate 131 having a groove on one of predetermined surfaces, a cladding layer 133, and a surface having the groove of the substrate 131 and a predetermined surface of the cladding layer 133 bonded to each other. And a core 134 formed by filling the groove with a material. The adhesive layer 132 is made of a material having a higher refractive index than the substrate 131 and the cladding layer 133, and the core 134 is made of a material having substantially the same refractive index as that of the adhesive layer 132. Thus, by forming the core 134 and the adhesive layer 132 with the same material, the process from the formation of the core 134 to the bonding of the substrate 131 and the clad layer 133 can be easily performed.
[0004]
In particular, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-214340 discloses an intersection of a perpendicular bisector with respect to the core width 137 and a perpendicular bisector with respect to the core height 138 in a vertical section with respect to the central axis direction of the core, that is, the core center. An optical waveguide formed to propagate light in the direction of the central axis of the core with 135 as the origin is disclosed. However, when the central axis direction of the core is the z-axis, the z-axis is perpendicular to the z-axis, the parallel direction with respect to the adhesive layer surface is the y-axis, and the vertical direction is the x-axis, the core center 135 has the core width 137 This is the intersection of the perpendicular bisector for the corresponding y-axis direction line segment and the vertical bisector for the x-axis direction line segment corresponding to the core height 138. According to such a configuration, for example, an optical waveguide that is optically coupled to an optical fiber and propagates light in the direction of the central axis of the core can be manufactured at low cost.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, such a conventional optical waveguide propagates light into the core by making the refractive index of the core higher than that of the substrate and the cladding, but from the core to the adhesive layer due to the contact between the adhesive layer and the core. Light leaks. As a result, the mode center is shifted from the core center, and at the same time, the mode distribution is biased toward the adhesive layer. Nevertheless, as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-214340, when an optical fiber is coupled so that light enters from the center of the core, the difference between the incident light mode and the propagation mode of the waveguide increases. Therefore, there is a problem that the coupling loss becomes large. This is independent of the adhesive function of the adhesive layer, and the same problem occurs when a contact material having the same refractive index as the adhesive layer is in contact with the core.
[0006]
These problems have been recognized from the past that the optimal light incident position where the coupling loss is minimized changes depending on the core shape, adhesive layer thickness, and the refractive index relationship between the core, adhesive layer, substrate and cladding. It is caused by not being done.
[0007]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a structure that can solve the above problems and minimize the coupling loss of an optical waveguide having an adhesive layer.
[0008]
[Means for Solving the Problems and Effects of the Invention]
A first invention is an optical waveguide that optically couples with an external optical transmission member and propagates incident light from the optical transmission member,
First and second substrates having a predetermined refractive index;
A core having a higher refractive index than the first and second substrates, in contact with one or both of the first and second substrates, and propagating light therein;
A contact material having substantially the same refractive index as that of the core and in contact with the first and second substrates and the core;
To reduce the optical coupling loss with the optical transmission member, Shift the incident position of the incident light from the center of the core An offset adjustment unit.
[0009]
As described above, according to the first invention, the optical waveguide having the contact material such as the adhesive layer in contact with the core and the optical transmission such as the optical fiber can be obtained by optimally adjusting the incident light position by the offset adjusting unit. It is possible to provide a structure in which the optical coupling loss with the member can be reduced and most preferably minimized.
[0010]
The second invention is an invention subordinate to the first invention,
The offset adjusting unit is separated from the core center of the core by a predetermined distance according to the shape of the core, the thickness of the contact material, and the relationship between the refractive index of the core, the contact material, and the first and second base materials. Thus, the incident light position is adjusted.
[0011]
As described above, according to the second invention, the coupling loss that can be uniquely calculated by the relationship between the core shape, the contact material thickness, and the refractive index between the core, the contact material, and the first and second base materials. The optical coupling loss can be minimized by adjusting the offset adjustment unit so that the optimum light incident position where the light is minimized.
[0012]
The third invention is an invention subordinate to the first invention,
The thickness of the contact material is 3 μm or less.
[0013]
As described above, according to the third aspect of the present invention, the thickness is reduced to 3 μm in consideration of a sudden increase in coupling loss when the contact material thickness exceeds 3 μm even when adjusted to the optimum incident light position. Since the following is used, the optical coupling loss can be further reduced.
[0014]
The fourth invention is an invention subordinate to the first invention,
The refractive index of the first and second substrates and the refractive index of the core within a predetermined operating environment temperature range are selected so as to produce a refractive index difference that is greater than or equal to the lowest refractive index difference that can tolerate optical coupling loss. It is characterized by that.
[0015]
As described above, according to the fourth invention, the difference in refractive index between the core and the first and second substrates can satisfy the optical confinement condition and can be allowed immediately before the coupling loss rapidly deteriorates. Since it becomes more than the minimum refractive index difference, the optical coupling loss can be further reduced.
[0016]
The fifth invention is an invention subordinate to the fourth invention,
The refractive index difference is the height and width of the core in a cross section perpendicular to the central axis of the core. To satisfy the optical confinement condition in which the optical coupling loss derived from the relationship between the refractive index and the refractive index does not increase It is selected.
[0017]
As described above, according to the fifth invention, when calculating the minimum refractive index difference that can tolerate the coupling loss, the core height and the core width are taken into account. A difference in refractive index can be generated, and the optical coupling loss can be further reduced.
[0018]
The sixth invention is an invention subordinate to the fourth invention,
The refractive index difference is the average of the height and width of the core in a cross section perpendicular to the central axis To satisfy the optical confinement condition in which the optical coupling loss derived from the relationship between the refractive index and the refractive index does not increase It is selected.
[0019]
As described above, according to the sixth aspect of the invention, when calculating the minimum refractive index difference that can tolerate the coupling loss, the core height and the average value of the core width are taken into consideration. Thus, an appropriate refractive index difference can be generated, and the optical coupling loss can be further reduced.
[0020]
The seventh invention is an invention subordinate to the first invention,
The first base material is a substrate having a groove formed on a predetermined first surface,
The second substrate is a clad having a second surface opposite the first surface;
The contact material is an adhesive layer that bonds the substrate and the clad on the first and second surfaces,
The core is formed by filling a groove in a substrate with a material.
[0021]
As described above, according to the seventh invention, the core and the adhesive layer are made of the same material, so that the core is formed by filling the groove of the substrate with the material, and then the substrate and the clad are bonded. The process up to this can be performed easily.
[0022]
The eighth invention is an invention subordinate to the seventh invention,
The offset adjuster is incident along the axis of symmetry when the cross-section is perpendicular to the center axis of the core and has a substantially line-symmetric cross section with the straight line in the thickness direction of the adhesive layer passing through the core center of the core as the axis of symmetry. The light position is adjusted.
[0023]
As described above, according to the eighth invention, since the incident light position is on the axis of symmetry, it can be easily adjusted to the optimum position, and the optical coupling loss is minimized. small Can be.
[0024]
The ninth invention is an invention subordinate to the seventh invention,
The offset adjusting unit is characterized in that the incident light position is adjusted so as to be separated from the core center of the core by a predetermined distance according to the thickness of the adhesive layer.
[0025]
As described above, according to the ninth aspect, since the incident light position is on the axis of symmetry, it can be easily adjusted to the optimum position simply by setting the offset value, and the optical coupling loss can be achieved. Can be minimized.
[0026]
A tenth invention is an invention subordinate to the ninth invention,
The predetermined distance is selected so as not to exceed the thickness of the adhesive layer.
[0027]
As described above, according to the tenth invention, since the offset value does not exceed the thickness of the adhesive layer, the offset value can be accurately adjusted to the optimum position, and the optical coupling loss can be minimized. Can do.
[0028]
The eleventh invention is an invention subordinate to the seventh invention,
The inclination angle of the side surface of the groove in the outward direction of the groove is 5 ° or less with respect to a plane perpendicular to the bottom surface of the groove.
[0029]
As described above, according to the eleventh aspect of the invention, inconvenience occurs when the taper angle is set to 0 °, and the cost is increased. In view of the rapid increase in the rate, the accuracy is not increased more than necessary and the product is manufactured at low cost. Made It is possible to provide an optical waveguide that can be coupled and whose coupling loss is close to an optimum value (or remains within an acceptable range).
[0030]
The twelfth invention is an invention subordinate to the seventh invention,
The connecting portion between the bottom surface and the side surface of the groove of the substrate has a curvature radius equal to or less than ½ of the width of the groove in a cross section perpendicular to the central axis of the core.
[0031]
As described above, according to the twelfth aspect, as the both ends of the core bottom become round, the propagation mode shape of the optical waveguide approaches a circular propagation mode shape similar to that of an optical fiber from a square propagation mode shape. The coupling loss can be reduced.
[0032]
A thirteenth invention is an invention subordinate to the first invention,
The first base material is a first substrate in which a first groove is formed on a predetermined first surface,
The second base material is a second substrate in which a second groove is formed on a second surface facing the first surface,
The contact material is an adhesive layer that bonds the first and second substrates on the first and second surfaces so that the first and second grooves are opposed to each other.
The core is formed by filling the first and second grooves with a material.
[0033]
As described above, according to the thirteenth invention, the core and the adhesive layer are made of the same material, so that the groove is filled with the material in the first and second substrates to form the core. The steps up to bonding the first and second substrates can be easily performed.
[0034]
A fourteenth invention is an invention subordinate to the thirteenth invention,
The offset adjustment section is arranged so that the vertical cross-section in the vertical cross section with respect to the central axis of the core follows the symmetry axis when the vertical cross-sectional structure is substantially line symmetric with respect to the straight line in the thickness direction of the adhesive layer passing through the core center of the core. The incident light position is adjusted.
[0035]
As described above, according to the fourteenth aspect, since the incident light position is on the axis of symmetry, as in the ninth aspect, it is easily adjusted so that the optimum position can be obtained simply by setting an offset value. And optical coupling loss can be minimized.
[0036]
The fifteenth invention is an invention subordinate to the fourteenth invention,
The offset adjustment unit is characterized in that the incident light position is adjusted so as to be aligned with the core center of the core when the first and second grooves are substantially plane-symmetrical with respect to the adhesive layer.
[0037]
As described above, according to the fifteenth aspect, since the optimum coupling position comes to the core center due to the symmetric structure, the incident light position can be easily adjusted to the optimum position, and the optical coupling loss can be reduced. Can be minimized.
[0038]
The sixteenth invention is an invention subordinate to the thirteenth invention,
The inclination angles of the side surfaces of the first and second grooves in the outward direction of the first and second grooves are approximately 30 ° with respect to the plane perpendicular to the bottom surfaces of the first and second grooves, respectively. It is characterized by being.
[0039]
As described above, according to the sixteenth invention, when the taper angle is set to 30 ° when the core width and the core height are substantially equal, the core shape becomes a substantially regular hexagon, and thus approaches a more circular shape. Coupling loss can be improved.
[0040]
A seventeenth invention is an invention subordinate to the thirteenth invention,
The connecting portion between the bottom and side surfaces of the first and second grooves has a radius of curvature equal to or less than ½ of the width of the first and second grooves, respectively, in a cross section perpendicular to the central axis of the core. To do.
[0041]
As described above, according to the seventeenth aspect, as both ends of the core bottom become round, the propagation mode shape of the optical waveguide approaches a circular propagation mode shape similar to that of an optical fiber from a square propagation mode shape. As in the twelfth aspect, the coupling loss can be reduced.
[0042]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of an optical waveguide 17 according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, the optical waveguide 17 includes a substrate 1 having a groove on a predetermined surface, a clad layer 3 having a surface facing the substrate 1, an adhesive layer 2 for bonding the substrate 1 and the clad layer 3, The core 4 that propagates light therein and the offset adjustment unit 14 that adjusts the position of incident light from the optical fiber 16 that is optically coupled to the optical waveguide 17 are configured.
[0043]
First, the adhesive layer 2 is made of a material having a refractive index higher than those of the substrate 1 and the cladding layer 3, and bonds the surface of the substrate 1 having the groove and the opposing surface of the cladding layer 3. Since the adhesive function of the adhesive layer 2 is completely irrelevant with respect to the present invention, if the adhesive layer 2 has a refractive index comparable to that of the core 4, a simple contact layer that does not have an adhesive function or It may be a contact member.
[0044]
The core 4 is formed by filling the groove of the substrate 1 with a material having substantially the same refractive index as that of the adhesive layer 2. Further, the core 4 is made of a material having a refractive index somewhat higher than that of the substrate 1 and the clad layer 3, thereby propagating light therein.
[0045]
Therefore, the core 4 has a refractive index lower than that of the substrate 1 and the cladding layer 3 or a refractive index difference lower than a predetermined value even when the refractive index is higher than that of the substrate 1 and the cladding layer 3. The light cannot be confined in the core 4. This condition for confining light is referred to as an optical confinement condition.
[0046]
Here, when a resin is generally used as the core material and an inorganic material (glass or the like) is used as the clad material, the optical confinement conditions cannot be satisfied because the temperature characteristics of the respective materials are different. May cause temperature range. FIG. 2 is a graph showing a relationship between a refractive index difference and a temperature change between a resin as a core material and glass as a cladding material as an example. The critical refractive index difference that satisfies the optical confinement condition is indicated by a dotted line. Also shown in FIG. 2 are 11 examples with different core refractive indices.
[0047]
Referring to FIG. 2, when the temperature is gradually raised, the refractive index difference becomes smaller, and eventually falls below the critical refractive index difference of the optical confinement condition, so that the optical confinement condition is not satisfied. In FIG. 2, only the three examples from the top satisfy the optical confinement condition within the operating temperature range (−20 ° C. to 80 ° C.). Therefore, in order to satisfy the optical confinement condition within the operating temperature range, it is sufficient to sufficiently increase the refractive index difference. However, if the refractive index difference is increased too much, the optical waveguide becomes multimode. The upper limit value of is automatically determined. Specifically, this is a preferred example in which the refractive index of the core is increased by 0.2 to 0.5% over the refractive index of the cladding.
[0048]
Next, FIG. 3 is a graph showing the relationship between the dimensions of a square core having a square cross section, the refractive index difference between the core and the clad, and the relative change (dB) in coupling loss between the optical fiber and the optical waveguide. . However, the relative change in coupling loss is to show how much the coupling loss has changed from the optimum coupling loss, and the absolute value of the coupling loss varies depending on the core dimensions. It is placed in a position that is easy to see. In addition, as an example of the core size from small to large, seven core dimensions are changed from a1 (= 2 μm) to a7 (= 8 μm) every 1 μm.
[0049]
Referring to FIG. 3, when the refractive index difference between the core and the clad having the respective core dimensions is equal to or smaller than a predetermined difference, the coupling loss is rapidly deteriorated. The dotted line in the figure is a straight line connecting the refractive index difference just before the sudden deterioration for each core dimension, and indicates the lowest refractive index difference that can allow the coupling loss. Therefore, it can be said that the larger the core dimension, the easier it is to confine light even if the refractive index difference is small. However, there is an upper limit to the size of the core. Therefore, specifically, it is a preferable example that the average of the height and width of the core is 2 to 5 μm.
[0050]
From the above, in order to always confine light within the operating temperature range, the core material and cladding should be set so that the difference in refractive index is greater than or equal to the optical confinement condition, taking into account the height and width of the core cross section or the average of the height and width. It is necessary to select the material considering the temperature characteristics of the material.
[0051]
Next, in FIG. 1, the offset adjusting unit 14 has a core shape, an adhesive layer thickness 8, and a core 4, an adhesive layer 2, a substrate 1, and a cladding layer 3 so that the optical coupling loss with the optical fiber 16 is reduced. The incident light position 9 that is separated from the core center 5 by a predetermined distance (offset value 10) is adjusted in accordance with the refractive index relationship. However, the core center 5 is the center of the core 4 when the center axis direction of the core is the z-axis, the axis is perpendicular to the z-axis, the parallel direction to the adhesive layer surface is the y-axis, and the vertical direction is the x-axis. In a vertical cross section (hereinafter referred to as a cross section) of the core 4 with respect to the axial direction (z-axis direction), a vertical bisector with respect to a line segment in the y-axis direction corresponding to the core width 6 and a core height 7 This is the intersection of the perpendicular bisector with respect to the line segment in the x-axis direction. It is assumed that the direction of the adhesive layer thickness 8 and the direction of the core height 7 are the same.
[0052]
Typically, the offset adjusting unit 14 is a structure having a V-groove 15 integrated with the substrate 1, and by adjusting the height of the V-groove 15 in advance, the center of the emitted light from the optical fiber 16 is incident. It can be positioned to come to the light position 9. Of course, the offset adjusting unit 14 may have any structure and shape as long as the positional relationship of the incident light position 9 can be adjusted.
[0053]
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the coupling loss between the optical fiber and the optical waveguide when the offset value of the light incident position is changed. However, the target optical waveguide has a core shape of 8 μm square, the refractive index of the core is about 0.2% higher than the refractive index of the cladding, and the refractive index of the substrate is about 0.0665 than the refractive index of the cladding layer. % Lower. The optical waveguide has a cross-sectional structure in which a perpendicular bisector parallel to the adhesive layer and corresponding to the core width 6 (that is, a straight line in the direction of the adhesive layer thickness 8 passing through the core center 5) is an axis of symmetry. As shown in FIG. 2, the light source has a substantially line-symmetric structure as viewed from the light incident direction. Therefore, from the symmetrical structure, the incident light position 9 is on the vertical bisector (that is, the symmetry axis) and is at a distance from the core center 5 by the offset value 10 in the direction of the adhesive layer thickness 8. To do. Thus, since the incident light position 9 is on the axis of symmetry, it can be easily adjusted to the optimum position simply by setting the offset value 10.
[0054]
In FIG. 4, the adhesive layer thickness (μm) is plotted on the vertical axis, the offset value (μm) is plotted on the horizontal axis, and the area where the coupling loss is changed by 0.1 dB is indicated by hatching described on the right side of FIG. 4. Yes. In addition, a thick line arrow indicates a line segment connecting points of the optimum bonding state with the smallest bonding loss with respect to a certain adhesive layer thickness. Looking at the distribution of coupling loss in FIG. 4, the vicinity of the thick arrow indicating the optimum coupling state shows the lowest coupling loss, and the coupling loss gradually increases toward the outside so that the base of the mountain spreads. Recognize.
[0055]
As is clear from FIG. 4, when there is almost no adhesive layer (when the adhesive layer thickness is around 0 μm), the optimum coupling position is located at a position shifted from the core center to the adhesive layer side (about 0.5 μm). There is. As the adhesive layer thickness is increased, the offset value corresponding to the optimum coupling position gradually increases along the thick line arrow. However, it is theoretically impossible for the optimum offset value to exceed the adhesive layer thickness. That is, when the propagation mode shape of the optical waveguide is a square shape or a circular shape, the center point of the optical power distribution is at a position approximately half the height of the optical waveguide. Therefore, when the height of the optical waveguide increases by the adhesive layer thickness, the center point of the optical power distribution moves only half the adhesive layer thickness, and moves beyond the adhesive layer thickness. Is not possible. As described above, the movement amount of the center point of the optical power distribution does not exceed the adhesive layer thickness, regardless of the propagation mode shape. Therefore, the offset value is preferably set to a value that does not exceed the adhesive layer thickness.
[0056]
As described above, if the core shape, the respective refractive indexes of the core, the adhesive layer, the substrate, and the clad, and the adhesive layer thickness are determined, the offset value of the optimum coupling state according to the conditions is calculated. It can be determined uniquely. Therefore, if the optical fiber 16 is fixed by the offset adjusting unit 14 so that the center of the outgoing light of the optical fiber 16 is located at the incident light position 9 having the optimum offset value, the optimum light between the optical fiber 16 and the optical waveguide 17 is obtained. Coupling can be realized mechanically.
[0057]
Further, in FIG. 4, the coupling loss in the optimum coupling state indicated by the thick arrow increases rapidly from the vicinity where the adhesive layer thickness exceeds 3 μm. This indicates that even when the optimum offset value is selected, the coupling loss increases rapidly when the adhesive layer thickness exceeds 3 μm. Accordingly, the thickness of the adhesive layer is preferably 3 μm or less.
[0058]
Next, the relationship between the core shape and the coupling loss is examined. First, as shown in FIG. 1, a plane perpendicular to the adhesive layer surface including a boundary line in contact with the core 4, the adhesive layer 2, and the substrate 1 (in the cross section, a line segment corresponding to the core height 7). The angle indicating how much the side surface of the core 4 is inclined in the direction of the central axis of the core 4, that is, the relationship between the taper angle 11 and the coupling loss is examined.
[0059]
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the taper angle (°) and the coupling loss (dB). As shown in FIG. 5, as the taper angle increases from 0 °, the coupling loss increases. Therefore, the taper angle is preferably 0 °. However, when a groove is formed on the substrate 1 by using a technique such as etching or mold forming, it is almost impossible to make the taper angle 11 completely 0 °, and an ideal state is obtained. If so, the cost is very high. In particular, when using a mold forming method, if the taper angle is set to 0 °, there arises a disadvantage that it is difficult to remove the mold.
[0060]
Therefore, the coupling loss is close to the optimal value (for example, a state in which about 0.05 (dB) does not differ from the optimal state) while maintaining a certain angle so that it can be produced at low cost without inconvenience. It is necessary to consider such a maximum taper angle. Referring to FIG. 5, the taper angle at which the change (shift amount) from the coupling loss when the taper angle is 0 ° is 0.05 (dB) or less is 5 °. When the taper angle is 5 ° or more, the value of the coupling loss is further increased, and the rate of change of the coupling loss is rapidly increased. Therefore, if the taper angle is set to 5 ° or less, the optical waveguide can be produced at a low cost without increasing the accuracy more than necessary, and the coupling loss is close to the optimum value (or stays within the allowable range). can do.
[0061]
Next, the round shape near the tangent line between the bottom surface and the side surface of the core 4, that is, the radius of curvature of the connecting portion (hereinafter referred to as both ends of the core bottom) of the core bottom 13 and the side surface of the core 4 in the cross section shown in FIG. Consider the relationship between 12 and the coupling loss. In addition, this curvature radius 12 is a radius of the said circle when a contact circle is assumed with respect to the round part of both ends of a core bottom.
[0062]
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the radius of curvature 12 at both ends of the core bottom and the coupling loss. In FIG. 6, the coupling loss (dB) is plotted on the vertical axis and the radius of curvature / core width is plotted on the horizontal axis. Thus, by taking the ratio of the curvature radius 12 to the core width 6 (hereinafter referred to as the curvature radius ratio) on the horizontal axis, the relationship between the coupling loss and the round shape becomes clearer. For example, if the curvature radius ratio is ½, the core width becomes equal to the diameter of the contact circle, so the core shape is circular. As shown in FIG. 6, the coupling loss gradually decreases as the radius of curvature increases. The reason why the coupling loss is reduced in this manner is that the propagation mode shape of the optical waveguide approaches a circular propagation mode shape similar to that of an optical fiber from the square propagation mode shape as both ends of the core bottom become round. . Therefore, if the corners (roundness) of the radius of curvature less than 1/2 of the core width of the optical waveguide are provided at both ends of the core, the coupling loss can be reduced.
[0063]
(Second Embodiment)
FIG. 7 is a schematic diagram showing the configuration of an optical waveguide 61 according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 7, the present optical waveguide 61 includes a first substrate 51 having a groove on a predetermined one surface, and a groove having the same shape as the first substrate 51 on a predetermined one surface facing the first substrate 51. A second substrate 52 having an adhesive layer, an adhesive layer 53 for bonding the first and second substrates 51 and 52, a core 54 for propagating light therein, and an incident light position from an optical fiber (not shown). And an offset adjustment unit 60.
[0064]
The adhesive layer 53 is made of a material having a refractive index somewhat higher than that of the first and second substrates 51 and 52, and is formed in each groove formed on a predetermined surface of the first and second substrates 51 and 52. Adhere to fit each other. Note that the adhesive layer 53 may not have an adhesive function as in the case of the first embodiment.
[0065]
The core 54 fills the grooves of the first and second substrates 51 and 52 with a material having substantially the same refractive index as that of the adhesive layer 53, and bonds the grooves of the first and second substrates 51 and 52 to each other. Formed by. The core 54 is made of a material having a refractive index somewhat higher than that of the first and second substrates 51 and 52, thereby propagating light therein.
[0066]
The offset adjustment unit 60 is a predetermined distance from the core center 55 depending on the core shape, the adhesive layer thickness 58, and the relationship between the refractive index of the core 54, the adhesive layer 53, and the first and second substrates 51 and 52. The incident light position (not shown) is adjusted so as to be separated from each other or to be aligned with the core center 55. However, when the same coordinate axis as that in FIG. 1 is set, the core center 55 is perpendicular to the line segment in the y-axis direction corresponding to the core width 56 in the cross section of the core 4 in the same manner as the core center 5 in FIG. This is the intersection of the segment and the perpendicular bisector with respect to the segment in the x-axis direction corresponding to the core height 57.
[0067]
Typically, the offset adjustment unit 60 is a structure having a V-groove integrated with the first substrate 51, like the offset adjustment unit 14 of FIG. 1, but adjusts the positional relationship of the incident light position. As described above, any structure and shape may be used if possible.
[0068]
Here, the optical waveguide 61 according to the present embodiment is similar to the optical waveguide 17 according to the first embodiment in the core shape, the adhesive layer thickness 58, the core 54, the adhesive layer 53, and the first and second substrates. The optimum coupling position between the optical fiber and the optical waveguide 61 changes depending on the relationship between the refractive indexes 51 and 52. Therefore, similarly, it is necessary to adjust the position of incident light from the optical fiber to the optimum coupling position.
[0069]
However, in the cross section of the core 54, the core shape and the structures of the first and second substrates 51 and 52 are substantially line symmetric about the vertical bisector in the x-axis direction with respect to the adhesive layer 53. Has an optimal coupling position on the bisector. Furthermore, when the core shape and the above-described structure are substantially line-symmetric with respect to the center line in the y-axis direction of the adhesive layer 53, that is, when the top-and-bottom surface is also symmetrical with respect to the adhesive layer 53. After all, the core center 55 becomes the optimum coupling position.
[0070]
Next, the relationship between the core shape and the coupling loss is examined. First, the relationship between the radius of curvature at both ends of the core and the coupling loss is exactly the same as in the first embodiment, although it becomes a problem at both the upper and lower ends of the core. That is, as described above with reference to FIG. 6, with respect to both ends of the groove of the first substrate 51 and both ends of the groove of the second substrate 52, the core width 56 of the optical waveguide 61 is ½ or less. If the corner (roundness) of the radius of curvature is added, the shape of the core 54 becomes close to a circle, so that the coupling loss can be reduced.
[0071]
Next, the relationship between the taper angle and the coupling loss will be examined. In FIG. 7, the taper angle 59 is given to both side surfaces of the grooves of the first and second substrates 51 and 52. Here, as described in relation to the radius of curvature of both ends of the core bottom and the coupling loss, the coupling loss can be reduced if the core shape is close to a circle. Therefore, when the core width 56 and the core height 57 are substantially equal, if the taper angle 59 is set to 30 °, the core shape becomes a substantially hexagonal shape, which approaches a more circular shape, so that the coupling loss can be improved. it can.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of an optical waveguide 17 according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing a relationship between a refractive index difference and a temperature change between a core material and a clad material.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the dimensions of a square core, the refractive index difference between the core and the clad, and the relative change in coupling loss between the optical fiber and the optical waveguide.
FIG. 4 is a graph showing the coupling loss relationship between the optical fiber and the optical waveguide when the offset value of the light incident position is changed.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between taper angle and coupling loss.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the radius of curvature at both ends of the core bottom and the coupling loss.
FIG. 7 is a schematic diagram showing a configuration of an optical waveguide 61 according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a schematic diagram showing a configuration of a conventional optical waveguide.
[Explanation of symbols]
1 Substrate
2 Adhesive layer
3 Clad layer
4 cores
5 Core center
6 Core width
7 Core height
8 Adhesive layer thickness
9 Incident light position
10 Offset value
11 Taper angle
12 Curvature radius
13 Core bottom
14 Offset adjustment unit
15 V groove
16 optical fiber
17 Optical waveguide
51 First substrate
52 Second substrate
53 Adhesive layer
54 cores
55 core center
56 Core width
57 Core height
58 Adhesive layer thickness
59 Taper angle
60 Offset adjuster
61 Optical waveguide

Claims

An optical waveguide that optically couples with an external optical transmission member and propagates incident light from the optical transmission member,
First and second substrates having a predetermined refractive index;
A core having a refractive index higher than that of the first and second base materials, in contact with one or both of the first and second base materials, and propagating light therein;
A contact material having substantially the same refractive index as the refractive index of the core and in contact with the first and second base materials and the core;
An optical waveguide comprising: an offset adjusting unit that shifts an incident position of the incident light from a center of the core so that an optical coupling loss with the optical transmission member is reduced.

The offset adjusting unit is configured so that the core of the core depends on the shape of the core, the thickness of the contact material, and the refractive index relationship between the core, the contact material, and the first and second base materials. The optical waveguide according to claim 1, wherein the incident light position is adjusted so as to be separated from the center by a predetermined distance.

The optical waveguide according to claim 1, wherein a thickness of the contact material is 3 μm or less.

The refractive index of the first and second substrates and the refractive index of the core within a predetermined operating environment temperature range cause a refractive index difference that is equal to or greater than the lowest refractive index difference that can allow the optical coupling loss. The optical waveguide according to claim 1, wherein the optical waveguide is selected as follows.

The refractive index difference is selected so as to satisfy an optical confinement condition in which the optical coupling loss derived from the relationship between the refractive index difference and the height and width of the core in a cross section perpendicular to the central axis of the core does not increase. The optical waveguide according to claim 4, wherein the optical waveguide is characterized.

The refractive index difference is selected so as to satisfy an optical confinement condition in which the optical coupling loss derived from the relationship between the average value of the height and width of the core in the cross section perpendicular to the central axis of the core and the refractive index difference does not increase. The optical waveguide according to claim 4, wherein:

The first base material is a substrate having a groove formed on a predetermined first surface;
The second substrate is a clad having a second surface facing the first surface;
The contact material is an adhesive layer that bonds the substrate and the clad on the first and second surfaces,
The optical waveguide according to claim 1, wherein the core is formed by filling a groove in the substrate with a material.

The offset adjusting portion has a symmetry axis when the cross section is substantially line symmetric with respect to a straight line in the thickness direction of the adhesive layer passing through the core center of the core in a perpendicular section with respect to the center axis of the core. The optical waveguide according to claim 7, wherein the incident light position is adjusted so as to extend along the line.

The optical waveguide according to claim 7, wherein the offset adjustment unit adjusts the incident light position so as to be separated from a core center of the core by a predetermined distance according to a thickness of the adhesive layer. .

The optical waveguide according to claim 9, wherein the predetermined distance is selected so as not to exceed a thickness of the adhesive layer.

The optical waveguide according to claim 7, wherein an inclination angle of a side surface of the groove toward the outer side of the groove is 5 ° or less with respect to a plane perpendicular to a bottom surface of the groove.

The connection portion between the bottom surface and the side surface of the groove of the substrate has a radius of curvature equal to or less than ½ of the width of the groove in a cross section perpendicular to the central axis of the core. Optical waveguide.

The first base material is a first substrate in which a first groove is formed on a predetermined first surface;
The second base material is a second substrate in which a second groove is formed on a second surface facing the first surface,
The contact material is an adhesive layer that bonds the first and second substrates on the first and second surfaces so that the first and second grooves are opposed to each other.
The optical waveguide according to claim 1, wherein the core is formed by filling the first and second grooves with a material.

The offset adjusting unit is configured so that, in a vertical section with respect to the central axis of the core, the vertical sectional structure is substantially line symmetric with a straight line in the thickness direction of the adhesive layer passing through the core center of the core as an axis of symmetry. The optical waveguide according to claim 13, wherein the position of the incident light is adjusted along a symmetry axis.

The offset adjusting unit adjusts the incident light position so as to be aligned with the core center of the core when the first and second grooves are substantially plane-symmetrical with respect to the adhesive layer. The optical waveguide according to claim 14.

The inclination angles of the side surfaces of the first and second grooves in the outer direction of the first and second grooves are approximately on the basis of a plane perpendicular to the bottom surfaces of the first and second grooves, respectively. The optical waveguide according to claim 13, wherein the optical waveguide is 30 °.

The connecting portion between the bottom and side surfaces of the first and second grooves has a radius of curvature equal to or less than ½ of the width of the first and second grooves, respectively, in a cross section perpendicular to the central axis of the core. The optical waveguide according to claim 13, wherein: