JP4113162B2 - Optical waveguide and method for manufacturing the same - Google Patents

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Description

本発明は、光導波路およびその製造方法に関し、より詳細には、2次元的な屈折率分布によりホログラフィックに波動を伝達させるホログラフィック波動伝達媒体を応用した光導波路およびその製造方法に関する。   The present invention relates to an optical waveguide and a method for manufacturing the same, and more particularly to an optical waveguide using a holographic wave transmission medium that transmits waves holographically by a two-dimensional refractive index distribution and a method for manufacturing the same.

光通信分野においては、光の分岐、干渉を容易に実現できる光回路として、光導波路構造を利用した集積光部品が開発されてきた。光の波動としての性質を利用した集積光部品は、光導波路長の調整により光干渉計の作製を容易にしたり、半導体分野における回路加工技術を適用することにより、光部品の集積化が容易になる。   In the optical communication field, integrated optical components using an optical waveguide structure have been developed as an optical circuit that can easily realize branching and interference of light. Integrated optical components that utilize the properties of light waves make it easy to manufacture optical interferometers by adjusting the optical waveguide length, and to easily integrate optical components by applying circuit processing technology in the semiconductor field. Become.

このような光導波路構造は、光導波路中を伝搬する光を屈折率の空間的分布を利用して空間的な光閉じ込めを実現する「光閉じ込め構造」である。典型的な光導波路は、図1に示すように、基板101上に、屈折率Nクラッド層103と屈折率Nのコア部102とからなる2段階の屈折率分布を有する。また、屈折率Nの下部クラッド層、屈折率Nのコア部、および屈折率Nの上部クラッド層とからなる3段階の屈折率分布を有する光導波路が広く用いられている。従来の光導波路の利点は、2ないし3種類の材料から光導波路を作製することができるので、作製工程が簡便であることである。 Such an optical waveguide structure is an “optical confinement structure” that realizes spatial light confinement of light propagating through the optical waveguide by utilizing a spatial distribution of refractive index. As shown in FIG. 1, a typical optical waveguide has a two-stage refractive index distribution comprising a refractive index N 0 cladding layer 103 and a core portion 102 having a refractive index N 1 on a substrate 101. In addition, an optical waveguide having a three-stage refractive index distribution including a lower cladding layer having a refractive index N 0 , a core portion having a refractive index N 1 , and an upper cladding layer having a refractive index N 2 is widely used. The advantage of the conventional optical waveguide is that the optical waveguide can be manufactured from two to three kinds of materials, and the manufacturing process is simple.

集積光部品を製作するためには、基板上の各光部品を接続する光導波路だけでなく、交差導波路、テーパ型導波路、Y分岐導波路など、様々な形態の光導波路を用いる。また、光導波路の一部の屈折率分布を変えることにより、特定の波長だけを透過させるフィルタ回路などの光導波路回路を構成することができる。例えば、光ファイバ等の感光性光学媒体からなる光導波路に、干渉パターンを有する紫外線を照射して、ある長さにわたって屈折率を周期的・連続的に変調して、ブラッググレーティングを作成する方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。また、同様に紫外線を照射して、約50〜1500μmの長周期グレーティングを作製することが行われている(例えば、特許文献2参照)。   In order to manufacture the integrated optical component, not only the optical waveguide connecting each optical component on the substrate but also various types of optical waveguides such as a crossed waveguide, a tapered waveguide, and a Y-branch waveguide are used. Further, by changing the refractive index distribution of a part of the optical waveguide, it is possible to configure an optical waveguide circuit such as a filter circuit that transmits only a specific wavelength. For example, a method of creating a Bragg grating by irradiating an optical waveguide made of a photosensitive optical medium such as an optical fiber with ultraviolet rays having an interference pattern and periodically and continuously modulating the refractive index over a certain length. It is known (see, for example, Patent Document 1). Similarly, a long-period grating of about 50 to 1500 μm is produced by irradiating ultraviolet rays (see, for example, Patent Document 2).

特開平7−140497号公報Japanese Patent Laid-Open No. 7-140497 特開平10−123346号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-123346

図2に、従来の光導波路における交差導波路の一例を示す。交差角1.6度の交差導波路であり、図2(a)に屈折率分布を示し、図2(b)に光電界分布を示す。このような小さな角度で光導波路を交差させると、図に示した入力ポートから入力された光信号は、所望の出力ポートのみならず、他方の出力ポートにも光信号の一部が漏れこんでしまう。従って、従来の光導波路では、このようなクロストークを防ぐために、交差角を30度程度取らねばならず、光回路のレイアウト設計上の制約が大きいという問題があった。   FIG. 2 shows an example of a crossed waveguide in a conventional optical waveguide. FIG. 2A shows the refractive index distribution and FIG. 2B shows the optical electric field distribution. If the optical waveguides are crossed at such a small angle, the optical signal input from the input port shown in the figure will leak not only to the desired output port but also to the other output port. End up. Therefore, in the conventional optical waveguide, in order to prevent such crosstalk, the crossing angle has to be set to about 30 degrees, and there is a problem that there is a great restriction on the layout design of the optical circuit.

また、従来の光導波路では、光導波路の性能がコア部の加工形状により制限を受けるという問題があった。図3に、従来のY分岐導波路の一例を示す。Y分岐導波路は単一元モードであり、分岐角が小さい鋭角部104を有する。また、2番目の横モードの発生を防止するためにテーパ部105を設ける必要がある。このような微細な構造を忠実に作製することは難しく、作製誤差による分岐特性の劣化が生じるという問題があった。   Further, the conventional optical waveguide has a problem that the performance of the optical waveguide is limited by the processing shape of the core portion. FIG. 3 shows an example of a conventional Y-branch waveguide. The Y branch waveguide is a single element mode and has an acute angle portion 104 having a small branch angle. Further, it is necessary to provide the tapered portion 105 in order to prevent the occurrence of the second transverse mode. It is difficult to faithfully manufacture such a fine structure, and there is a problem that branching characteristics are deteriorated due to manufacturing errors.

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、ホログラフィック波動伝達媒体を適用し、所望の伝達特性が得られ、光回路の小型化を図ることができる光導波路およびその製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems. The object of the present invention is to apply a holographic wave transmission medium, obtain desired transmission characteristics, and reduce the size of an optical circuit. An object of the present invention is to provide an optical waveguide and a manufacturing method thereof.

本発明は、このような目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、クラッド層と、前記クラッド層に埋設された前記クラッド層より高い屈折率を有するコア部とからなる光の導波領域が設けられている光導波路において、前記光の伝搬方向に垂直な断面において、前記光のフィールドの断面が与えられるべき回路上の場所をポートとし、入力ポートから入射された入力光が、出力ポートから出力光として出射されるように、前記コア部の少なくとも一部に、空間的な屈折率分布が形成された波動伝達媒体を備え、前記空間的な屈折率分布は、前記入力光が、前記光の伝搬方向に沿って伝搬すると、前記入力光の入力フィールドが、前記出力光の出力フィールドに変換されて、前記出力ポートから出力される1つ以上の入出力フィールドの組の各々について、前記光の伝搬方向の座標z、前記光の導波領域において前記光の伝搬方向に垂直な方向の座標xとしたときの断面Xの場所(z,x)において、前記入力フィールドの順伝搬のフィールドの位相と、前記出力フィールドの位相共役に逆伝搬させたフィールドの位相との間の位相差が所定の誤差以下となるように、各々の前記場所(z,x)のコアの屈折率を変数として繰り返し計算を行うことにより決定され、この計算は、(q−1)番目の計算によって得られた屈折率分布{nq-1}をもとに、前記入出力フィールドの組のj番目の入力フィールドψj(x)および出力フィールドφj(x)について、前記順伝搬フィールドψj(z,x,{nq-1})と前記逆伝搬のフィールドφj(z,x,{nq-1})としたとき、各場所(z,x)における屈折率n(z,x)を、
n(z,x)=nq-1(z,x)−αΣjIm[φj(z,x,{nq-1})*・ψj(z,x,{nq-1})]
として計算し、ここで、記号「*」は複素共役であり、記号「・」は内積演算であり、Im[]は[]内のフィールド内積演算結果の虚数成分であり、αは計算の収束を考慮した定数であり、Σjはjについて和を示し、かつ、前記入力光のフィールドが、前記光の伝搬方向に沿って、前記断面Xの屈折率分布により位相の変化を多段に受けることにより、前記波動伝達媒体内で生じる伝搬波同士の多重散乱による干渉現象により光のフィールドの形状を変化させながら伝搬することを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention provides a light source comprising a cladding layer and a core portion having a refractive index higher than that of the cladding layer embedded in the cladding layer. In an optical waveguide provided with a waveguide region, in a cross section perpendicular to the light propagation direction, a place on the circuit where a cross section of the light field is to be provided is a port, and input light incident from the input port is A wave transmission medium in which a spatial refractive index distribution is formed in at least a part of the core portion so as to be emitted as output light from the output port, and the spatial refractive index distribution is the input light but when propagating along the propagation direction of the light, the input field of the input light is converted into an output field of the output light, one or more input fields that are output from the output port Set For each of the coordinate z in the propagation direction of the light, the location of the cross-section X when the coordinate x of the perpendicular direction in the waveguide region of the light propagation direction of the light (z, x), the input and fields field order propagation phase, as the phase difference between the previous SL field obtained by back propagation to the phase conjugate of the output field phase is equal to or less than a predetermined error, each of said locations (z, x) is determined by performing repeatedly the core refractive index as a variable calculated, this calculation is based on the (q-1) -th refractive index distribution obtained by the calculation {n q-1}, the input-output For the j-th input field ψ j (x) and output field φ j (x) of the field set, the forward propagation field ψ j (z, x, {n q-1 }) and the back propagation field φ j (z, x, {n q -1}) when the refractive index at each location (z, x) q the (z, x),
n q (z, x) = n q-1 (z, x) −αΣ j Im [φ j (z, x, {n q-1 }) * · ψ j (z, x, {n q-1 })]
Where the symbol “*” is a complex conjugate, the symbol “•” is an inner product operation, Im [] is the imaginary component of the field inner product operation result in [], and α is the convergence of the calculation Σ j represents the sum of j, and the field of the input light is subjected to a change in phase in multiple stages by the refractive index distribution of the cross section X along the propagation direction of the light. Thus, the propagation is performed while changing the shape of the light field due to the interference phenomenon caused by the multiple scattering of the propagation waves generated in the wave transmission medium.

請求項に記載の発明は、請求項1に記載の前記コア部は、GeOを添加された石英ガラスであることを特徴とする。 The invention described in claim 2 is characterized in that the core portion described in claim 1 is quartz glass to which GeO 2 is added.

請求項3に記載の発明は、光導波路の製造方法であって、基板上に下部クラッド層を形成する第1工程と、前記下部クラッド層上に前記クラッド層より高い屈折率を有するコア層を形成する第2工程と、前記コア層からパターン化されたコア部を形成する第3工程と、前記下部クラッド層および前記コア部の上に上部クラッド層を形成する第4工程と、前記コア部の少なくとも一部に、空間的な屈折率分布を有する波動伝達媒体を形成する第5工程とを備え、前記波動伝達媒体は、前記光の伝搬方向に垂直な断面において、光のフィールドの断面が与えられるべき回路上の場所をポートとし、入力ポートから入射された入力光が、出力ポートから出力光として出射されるように、前記空間的な屈折率分布が形成され、前記空間的な屈折率分布は、前記入力光が、前記光の伝搬方向に沿って伝搬すると、前記入力光の入力フィールドが、前記出力光の出力フィールドに変換されて、前記出力ポートから出力される1つ以上の入出力フィールドの組の各々について、前記光の伝搬方向の座標z、前記光の導波領域において前記光の伝搬方向に垂直な方向の座標xとしたときの断面Xの場所(z,x)において、前記入力フィールドの順伝搬のフィールドの位相と、前記出力フィールドの位相共役に逆伝搬させたフィールドの位相との間の位相差が所定の誤差以下となるように、各々の前記場所(z,x)のコアの屈折率を変数として繰り返し計算を行うことにより決定され、この計算は、(q−1)番目の計算によって得られた屈折率分布{nq-1}をもとに、前記入出力フィールドの組のj番目の入力フィールドψj(x)および出力フィールドφj(x)について、前記順伝搬フィールドψj(z,x,{nq-1})と前記逆伝搬のフィールドφj(z,x,{nq-1})としたとき、各場所(z,x)における屈折率n(z,x)を、
n(z,x)=nq-1(z,x)−αΣjIm[φj(z,x,{nq-1})*・ψj(z,x,{nq-1})]
として計算し、ここで、記号「*」は複素共役であり、記号「・」は内積演算であり、Im[]は[]内のフィールド内積演算結果の虚数成分であり、αは計算の収束を考慮した定数であり、Σjはjについて和を示し、かつ、前記入力光のフィールドが、前記光の伝搬方向に沿って、前記断面Xの屈折率分布により位相の変化を多段に受けることにより、前記波動伝達媒体内で生じる伝搬波同士の多重散乱による干渉現象により光のフィールドの形状を変化させながら伝搬することを特徴とする。
The invention according to claim 3 is a method for manufacturing an optical waveguide, comprising: a first step of forming a lower cladding layer on a substrate; and a core layer having a higher refractive index than the cladding layer on the lower cladding layer. A second step of forming, a third step of forming a patterned core portion from the core layer, a fourth step of forming an upper clad layer on the lower clad layer and the core portion, and the core portion And a fifth step of forming a wave transmission medium having a spatial refractive index distribution in at least a part of the wave transmission medium, wherein the wave transmission medium has a light field cross section in a cross section perpendicular to the light propagation direction. The spatial refractive index distribution is formed so that input light incident from the input port is emitted as output light from the output port, and the spatial refractive index is formed so that a place on the circuit to be given is a port. distribution The input light and propagates along the propagation direction of the light, the input field of the input light is converted into an output field of the output light, one or more input fields that are output from the output port For each of the groups, the coordinate z in the light propagation direction and the coordinate x in the direction perpendicular to the light propagation direction in the light waveguide region, at the location (z, x) of the cross section X, and the forward propagation of the field in the input field phase, so that the phase difference between the previous SL phase field obtained by back propagation to the phase conjugate of the output field is equal to or less than a predetermined error, each of said locations (z, x ) is determined by performing the repeated calculations of the refractive index of the core as a variable, the calculation is based on the (q-1) -th refractive index distribution obtained by the calculation {n q-1}, the entering Output field pair j th input field [psi j (x) and the output field phi j for (x), the forward propagating field ψ j (z, x, { n q-1}) and the field phi j of the back propagation (z, x , {n q-1 }), the refractive index n q (z, x) at each location (z, x) is
n q (z, x) = n q-1 (z, x) −αΣ j Im [φ j (z, x, {n q-1 }) * · ψ j (z, x, {n q-1 })]
Where the symbol “*” is a complex conjugate, the symbol “•” is an inner product operation, Im [] is the imaginary component of the field inner product operation result in [], and α is the convergence of the calculation Σ j represents the sum of j, and the field of the input light is subjected to a change in phase in multiple stages by the refractive index distribution of the cross section X along the propagation direction of the light. Thus, the propagation is performed while changing the shape of the light field due to the interference phenomenon caused by the multiple scattering of the propagation waves generated in the wave transmission medium.

請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の前記第5工程は、集光点におけるピークパワー強度が10W/cm以上のレーザ光を前記コア層に照射し、前記レーザ光の照射時間を調整して、前記各場所(z,x)における屈折率を与えることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the fifth step according to the third aspect, the core layer is irradiated with a laser beam having a peak power intensity at a condensing point of 10 5 W / cm 2 or more, and the laser beam The refractive index at each location (z, x) is given by adjusting the irradiation time.

請求項5に記載の発明は、請求項3に記載の前記第5工程は、集光点におけるピークパワー強度が10W/cm以上のレーザ光を前記コア層に照射し、前記レーザ光の強度を調整して、前記各場所(z,x)における屈折率を与えることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the fifth step according to the third aspect, the core layer is irradiated with a laser beam having a peak power intensity at a condensing point of 10 5 W / cm 2 or more, and the laser beam Is adjusted to give a refractive index at each of the locations (z, x).

請求項6に記載の発明は、請求項3に記載の前記第5工程は、グレースケールマスクを介して前記コア層に、紫外光を均一に照射し、前記グレースケールマスクの濃淡により、前記各場所(z,x)における屈折率を与えることを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, in the fifth step according to the third aspect, the core layer is uniformly irradiated with ultraviolet light through a gray scale mask, and each of the gray scale masks changes the density. It is characterized by giving a refractive index at a location (z, x).

請求項7に記載の発明は、請求項4または5に記載の前記コア層は、GeO2が添加された石英系ガラスであり、前記第5工程は、紫外線レーザからのレーザ照射することによりなされることを特徴とする。 The invention according to claim 7, the said core layer according to claim 4 or 5, GeO2 a silica-based glass is added, the fifth step, irradiating a laser beam from the ultraviolet ray laser It is made by this.

以上説明したように、本発明によれば、コア部の少なくとも一部、空間的な屈折率分布を有する波動伝達媒体を形成することにより、所望の伝達特性が得られ、光回路の小型化を図ることが可能となる。 As described above, according to the present invention, at least a portion of the core portion, by forming the wave propagation medium having a spatial refractive index distribution, a desired transmission characteristic is obtained, compact optical circuit Can be achieved.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本実施形態の光導波路は、コア部の少なくとも一部に、空間的な屈折率分布を有する波動伝達媒体を形成し、導波光の光路を制御する導波路回路である。導波路回路は、ホログラフィック波動伝達媒体の設計手法を適用することにより作製される。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The optical waveguide of this embodiment is a waveguide circuit that forms a wave transmission medium having a spatial refractive index distribution in at least a part of a core portion and controls the optical path of guided light. The waveguide circuit is manufactured by applying a design method for a holographic wave transmission medium.

最初に、本願発明に用いる波動伝達媒体の基本的概念について説明する。ここでは、光回路へ適用することから、波動伝達媒体中を伝搬する「波動」は「光」である。なお、波動伝達媒体にかかる理論は、一般の波動方程式に基づいて、媒質の特性を指定するものであり、一般の波動においても原理的に成り立ち得るものである。波動伝達媒体は、コヒーレントな光のパターンを入力して所望の光のパターンを出力させるために、波動伝達媒体中を伝搬する順伝搬光と逆伝搬光の位相差が、波動伝達媒体中の何れの場所においても小さくなるように屈折率分布が決定される。屈折率分布に応じた局所的なレベルのホログラフィック制御を多重に繰り返すことにより、所望の光のパターンが出力される。   First, the basic concept of the wave transmission medium used in the present invention will be described. Here, since it is applied to an optical circuit, the “wave” propagating in the wave transmission medium is “light”. The theory relating to the wave transmission medium specifies the characteristics of the medium based on a general wave equation, and can also hold in principle in general waves. In order to input a coherent light pattern and output a desired light pattern, the wave transmission medium has a phase difference between forward propagation light and back propagation light propagating in the wave transmission medium. The refractive index distribution is determined so as to be small even at the location. A desired light pattern is output by repeatedly repeating holographic control at a local level according to the refractive index distribution.

図4を参照して、本実施形態にかかる波動伝達媒体の基本構造を説明する。図4(a)に示したように、光回路基板1の中に、波動伝達媒体により構成される光回路の設計領域1−1が存在する。光回路の一方の端面は、入力光3−1が入射する入射面2−1である。入力光3−1は、波動伝達媒体で構成された空間的な屈折率分布を有する光回路中を伝搬し、他方の端面である出射面2−2から出力光3−2として出力される。図4(a)中の座標zは、光の伝搬方向の座標(z=0が入射面、z=zが出射面)であり、座標xは、光の伝搬方向に対する横方向の座標である。なお、本実施形態では、波動伝達媒体は、誘電体からなるものと仮定し、空間的な屈折率分布は、波動伝達媒体を構成している誘電体の局所的な屈折率を後述する理論に基づいて設定することにより実現される。 The basic structure of the wave transmission medium according to the present embodiment will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 4A, an optical circuit design area 1-1 configured by a wave transmission medium exists in the optical circuit board 1. One end surface of the optical circuit is an incident surface 2-1 on which the input light 3-1 is incident. The input light 3-1 propagates through an optical circuit having a spatial refractive index distribution formed of a wave transmission medium, and is output as output light 3-2 from the exit surface 2-2 which is the other end face. Coordinate z in FIG. 4 (a) in the coordinates (z = 0 is the incident surface, z = z e is output surface) of the propagation direction of the light is, the coordinate x is at a transverse coordinates for the light propagation direction is there. In this embodiment, it is assumed that the wave transmission medium is made of a dielectric, and the spatial refractive index distribution is based on the theory described below for the local refractive index of the dielectric constituting the wave transmission medium. This is realized by setting based on this.

入力光3−1が形成している「場」(入力フィールド)は、光回路を構成する波動伝達媒体の屈折率の空間的分布に応じて変調され、出力光3−2の形成する「場」(出力フィールド)に変換される。換言すれば、本発明の波動伝達媒体は、その空間的な屈折率分布に応じて入力フィールドと出力フィールドとを相関づけるための(電磁)フィールド変換手段である。なお、これら入力フィールドおよび出力フィールドに対して、光回路中での伝搬方向(図中z軸方向)に垂直な断面(図中x軸に沿う断面)における光のフィールドを、その場所(x,z)における(順)伝搬像(伝搬フィールドあるいは伝搬光)と呼ぶ(図4(b)参照)。   The “field” (input field) formed by the input light 3-1 is modulated according to the spatial distribution of the refractive index of the wave transmission medium constituting the optical circuit, and the “field” formed by the output light 3-2 "(Output field). In other words, the wave transmission medium of the present invention is (electromagnetic) field conversion means for correlating the input field and the output field according to the spatial refractive index distribution. For these input field and output field, the light field in the cross section (cross section along the x axis in the figure) perpendicular to the propagation direction (z axis direction in the figure) in the optical circuit is represented by its location (x, This is referred to as a (forward) propagation image (propagation field or propagation light) in z) (see FIG. 4B).

ここで、「フィールド」とは、一般に電磁場(電磁界)または電磁場のベクトルポテンシャル場を意味している。本実施形態における電磁場の制御は、光回路中に設けられた空間的な屈折率分布、すなわち誘電率の分布を変えることに相当する。誘電率はテンソルとして与えられるが、通常は偏光状態間の遷移はそれほど大きくないので、電磁場の1成分のみを対象としてスカラー波近似しても良い近似となる。そこで、本明細書では電磁場を複素スカラー波として扱う。なお、光の「状態」には、エネルギ状態(波長)と偏光状態とがあるため、「フィールド」を光の状態を表現するものとして用いる場合には、光の波長と偏光状態をも包含し得ることとなる。   Here, “field” generally means an electromagnetic field (electromagnetic field) or a vector potential field of an electromagnetic field. The control of the electromagnetic field in this embodiment corresponds to changing the spatial refractive index distribution provided in the optical circuit, that is, the dielectric constant distribution. Although the dielectric constant is given as a tensor, since the transition between the polarization states is usually not so large, it is an approximation that may be a scalar wave approximation for only one component of the electromagnetic field. Therefore, in this specification, the electromagnetic field is treated as a complex scalar wave. Since the “state” of light includes an energy state (wavelength) and a polarization state, when the “field” is used to express the state of light, the light wavelength and polarization state are also included. Will get.

また、通常、伝搬光の増幅や減衰を生じさせない光回路では、屈折率の空間的分布を決めると、焦点以外の入力光3−1の像(入力フィールド)は、出力光3−2の像(出力フィールド)に対して一意的に定まる。このような、出射面2−2側から入射面2−1側へと向かう光のフィールドを、逆伝搬像(逆伝搬フィールドあるいは逆伝搬光)と呼ぶ(図4(c)参照)。このような逆伝搬像は、光回路中の場所ごとに定義することができる。すなわち、光回路中での任意の場所における光のフィールドを考えたとき、その場所を仮想的な「入力光」の出射点として考えれば、上記と同様に出力光3−2の像に対して、その場所での逆伝搬像を考えることができる。このように、光回路中の各場所ごとに逆伝搬像が定義できる。   In general, in an optical circuit that does not cause amplification or attenuation of propagating light, when the spatial distribution of the refractive index is determined, an image (input field) of the input light 3-1 other than the focal point is an image of the output light 3-2. (Output field) is determined uniquely. Such a field of light traveling from the exit surface 2-2 side to the entrance surface 2-1 side is referred to as a back propagation image (a back propagation field or a back propagation light) (see FIG. 4C). Such a back propagation image can be defined for each place in the optical circuit. That is, when a light field at an arbitrary place in the optical circuit is considered, if the place is considered as an emission point of a virtual “input light”, the image of the output light 3-2 can be obtained in the same manner as described above. The back-propagation image at that location can be considered. In this way, a back propagation image can be defined for each location in the optical circuit.

特に、単一の光回路において、出射フィールドが入射フィールドの伝搬フィールドとなっている場合には、光回路の任意の点で、伝搬フィールドと逆伝搬フィールドとは一致する。なお、フィールドは、一般的に、対象とする空間全体の上の関数であるが、「入射フィールド」または「出射フィールド」という場合は、入射面あるいは出射面におけるフィールドの断面を意味している。また、「フィールド分布」という場合でも、ある特定の断面に関して議論を行う場合には、その断面についてのフィールドの断面を意味している。   In particular, in a single optical circuit, when the outgoing field is a propagation field of the incident field, the propagation field and the reverse propagation field coincide with each other at any point of the optical circuit. The field is generally a function over the entire target space, but the term “incident field” or “exit field” means a cross section of the field on the entrance surface or exit surface. In addition, even in the case of “field distribution”, when a discussion is made regarding a specific cross section, it means a cross section of the field with respect to that cross section.

屈折率分布の決定方法を説明するためには記号を用いるほうが見通しがよいので、各量を表すために以下のような記号を用いることとする。なお、対象とされる光(フィールド)は、単一状態の光には限定されないので、複数の状態の光が重畳された光を対象とされ得るべく、個々の状態の光にインデックスjを充てて一般的に表記する。   In order to explain the method of determining the refractive index distribution, it is better to use symbols, so the following symbols are used to represent each quantity. Note that the target light (field) is not limited to light in a single state. Therefore, an index j is assigned to light in each state so that light in which a plurality of states are superimposed can be targeted. In general.

・ψj(x):j番目の入射フィールド(複素ベクトル値関数であり、入射面において設定する強度分布および位相の分布、ならびに、波長および偏波により規定される。)
・φj(x):j番目の出射フィールド(複素ベクトル値関数であり、出射面において設定する強度分布および位相分布、ならびに、波長および偏波により規定される。)
なお、ψj(x)およびφj(x)は、回路中で強度増幅、波長変換、偏波変換が行われない限り、光強度の総和は同じ(あるいは無視できる程度の損失)であり、それらの波長も偏波も同じである。
・{ψj(x)、φj(x)}:入出力ペア(入出力のフィールドの組み。)
{ψj(x)、φj(x)}は、入射面および出射面における、強度分布および位相分布ならびに波長および偏波により規定される。
・{n}:屈折率分布(光回路設計領域全体の値の組。)
与えられた入射フィールドおよび出射フィールドに対して屈折率分布を1つ与えたときに光のフィールドが決まるので、q番目の繰り返し演算で与えられる屈折率分布全体に対するフィールドを考える必要がある。そこで、(x,z)を不定変数として、屈折率分布全体をn(x,z)と表しても良いが、場所(x,z)における屈折率の値n(x,z)と区別するために、屈折率分布全体に対しては{n}と表す。
・ncore:光導波路におけるコア部分のような、周囲の屈折率に対して高い屈折率の値を示す記号。
・nclad:光導波路におけるクラッド部分のような、ncoreに対して低い屈折率の値を示す記号。
・ψj(z,x,{n}):j番目の入射フィールドψj(x)を屈折率分布{n}中をzまで伝搬させたときの、場所(x,z)におけるフィールドの値。
・φj(z,x,{n}):j番目の出射フィールドφj(x)を屈折率分布{n}中をzまで逆伝搬させたときの、場所(x,z)におけるフィールドの値。
Ψ j (x): j-th incident field (complex vector value function, defined by intensity distribution and phase distribution set on the incident surface, and wavelength and polarization)
Φ j (x): j-th outgoing field (complex vector value function, defined by intensity distribution and phase distribution, wavelength and polarization set on the outgoing face)
Note that ψ j (x) and φ j (x) have the same total light intensity (or a negligible loss) unless intensity amplification, wavelength conversion, and polarization conversion are performed in the circuit. Their wavelength and polarization are the same.
j (x), φ j (x)}: Input / output pair (a set of input / output fields)
j (x), φ j (x)} is defined by the intensity distribution and the phase distribution, the wavelength and the polarization at the entrance surface and the exit surface.
{N q }: Refractive index distribution (a set of values for the entire optical circuit design area)
Since one field of light is determined when one refractive index distribution is given to a given incident field and outgoing field, it is necessary to consider a field for the entire refractive index distribution given by the qth iterative operation. Therefore, the entire refractive index distribution may be expressed as n q (x, z) with (x, z) as an indefinite variable, but the refractive index value n q (x, z) at the location (x, z) For distinction, {n q } is used for the entire refractive index distribution.
N core : A symbol indicating a high refractive index value with respect to the surrounding refractive index, such as a core portion in an optical waveguide.
N clad : a symbol indicating a low refractive index value with respect to n core , such as a clad portion in an optical waveguide.
Ψ j (z, x, {n q }): field at location (x, z) when the jth incident field ψ j (x) is propagated through the refractive index profile {n q } to z The value of the.
Φ j (z, x, {n q }): at the location (x, z) when the j-th outgoing field φ j (x) is propagated back to z in the refractive index profile {n q } The field value.

本実施形態において、屈折率分布は、すべてのjについてψj(ze,x,{n})=φj(x)、またはそれに近い状態となるように{n}が与えられる。 In the present embodiment, the refractive index distribution, all j for ψ j (z e, x, {n q}) is given = φ j (x), or the so close state {n q}.

「入力ポート」および「出力ポート」とは、入射端面および出射端面におけるフィールドの集中した「領域」であり、例えば、その部分に光ファイバを接続することにより、光強度をファイバに伝搬できるような領域である。ここで、フィールドの強度分布および位相分布は、j番目のものとk番目のものとで異なるように設計可能であるので、入射端面および出射端面に複数のポートを設けることができる。さらに、入射フィールドと出射フィールドの組を考えた場合、その間の伝搬により発生する位相が、光の周波数によって異なるので、周波数が異なる光(すなわち波長の異なる光)については、位相を含めたフィールド形状が同じであるか直交しているかの如何にかかわらず、異なるポートとして設定することができる。   “Input port” and “output port” are “areas” where the fields at the entrance end face and the exit end face are concentrated. For example, by connecting an optical fiber to the part, the optical intensity can be propagated to the fiber. It is an area. Here, since the field intensity distribution and phase distribution can be designed to be different for the j-th and k-th ones, a plurality of ports can be provided on the entrance end face and the exit end face. Furthermore, when considering a pair of an incident field and an outgoing field, the phase generated by the propagation between them differs depending on the frequency of light. Therefore, for light having different frequencies (that is, light having different wavelengths), the field shape including the phase Regardless of whether they are the same or orthogonal, they can be configured as different ports.

ここで、電磁界は、実数ベクトル値の場で、かつ波長と偏光状態をパラメータとして有するが、その成分の値を一般な数学的取扱いが容易な複素数で表示し、電磁波の解を表記する。また、以下の計算においては、フィールド全体の強度は1に規格化されているものとする。図4(b)および図4(c)に示したように、j番目の入射フィールドψj(x)および出力フィールドφj(x)に対し、伝搬フィールドと逆伝搬フィールドとをそれぞれの場所の複素ベクトル値関数として、ψj(z,x,{n})およびφj(z,x,{n})と表記する。これらの関数の値は、屈折率分布{n}により変化するため、屈折率分布{n}がパラメータとなる。記号の定義により、ψj(x)=ψj(0,x,{n})、および、φj(x)=φj(ze,x,{n})となる。これらの関数の値は、入射フィールドψj(x)、出射フィールドφj(x)、および屈折率分布{n}が与えられれば、ビーム伝搬法などの公知の手法により容易に計算することができる。 Here, the electromagnetic field is a field of a real vector value, and has a wavelength and a polarization state as parameters, but the value of the component is displayed as a complex number that can be easily handled in a general mathematical manner, and represents the solution of the electromagnetic wave. In the following calculation, it is assumed that the strength of the entire field is normalized to 1. As shown in FIG. 4B and FIG. 4C, the propagation field and the back propagation field are respectively set to the j-th incident field ψ j (x) and the output field φ j (x). As complex vector value functions, they are expressed as ψ j (z, x, {n}) and φ j (z, x, {n}). Since the values of these functions vary depending on the refractive index distribution {n}, the refractive index distribution {n} is a parameter. According to the definition of the symbols, ψ j (x) = ψ j (0, x, {n}) and φ j (x) = φ j (z e , x, {n}). The values of these functions can be easily calculated by a known method such as a beam propagation method, given an incident field ψ j (x), an outgoing field φ j (x), and a refractive index distribution {n}. it can.

以下に、空間的な屈折率分布を決定するための一般的なアルゴリズムを説明する。図5に、波動伝達媒体の空間的な屈折率分布を決定するための計算手順を示す。この計算は、繰り返し実行されるので、繰り返し回数をqで表し、(q−1)番目まで計算が実行されているときのq番目の計算の様子が図示されている。(q−1)番目の計算によって得られた屈折率分布{nq-1}をもとに、各j番目の入射フィールドψj(x)および出射フィールドφj(x)について、伝搬フィールドと逆伝搬フィールドとを数値計算により求め、その結果を各々、ψj(z,x,{nq-1})およびφj(z,x,{nq-1})と表記する(ステップS220)。 In the following, a general algorithm for determining the spatial refractive index distribution will be described. FIG. 5 shows a calculation procedure for determining the spatial refractive index distribution of the wave transmission medium. Since this calculation is repeatedly executed, the number of repetitions is represented by q, and the state of the qth calculation when the calculation is executed up to the (q−1) th is shown. Based on the refractive index distribution {n q-1 } obtained by the (q-1) th calculation, the propagation field and the jth incident field ψ j (x) and the outgoing field φ j (x) The back propagation field is obtained by numerical calculation, and the results are expressed as ψ j (z, x, {n q-1 }) and φ j (z, x, {n q-1 }), respectively (step S220). ).

これらの結果をもとに、各場所(z,x)における屈折率n(z,x)を、次式により求める(ステップS240)。
n(z,x)=nq-1(z,x)−αΣjIm[φj(z,x,{nq-1})*・ψj(z,x,{nq-1})] ・・・(1)
ここで、右辺第2項中の記号「・」は、内積演算を意味し、Im[]は、[]内のフィールド内積演算結果の虚数成分を意味する。なお、記号「*」は複素共役である。係数αは、n(z,x)の数分の1以下の値をさらにフィールドの組の数で割った値であり、正の小さな値である。Σjは、インデックスjについて和をとるという意味である。
Based on these results, the refractive index n q (z, x) at each location (z, x) is obtained by the following equation (step S240).
n q (z, x) = n q-1 (z, x) −αΣ j Im [φ j (z, x, {n q-1 }) * · ψ j (z, x, {n q-1 })] (1)
Here, the symbol “·” in the second term on the right side means an inner product operation, and Im [] means an imaginary number component of the field inner product operation result in []. The symbol “*” is a complex conjugate. The coefficient α is a value obtained by dividing a value equal to or less than a fraction of n q (z, x) by the number of field pairs, and is a small positive value. Σ j means that the sum is taken for the index j.

ステップS220とS240とを繰り返し、伝搬フィールドの出射面における値ψj(ze,x,{n})と出射フィールドφj(x)との差の絶対値が、所望の誤差dよりも小さくなると(ステップS230:YES)計算が終了する。 Step S220 and S240 and repeats the value in the exit plane of the propagation field ψ j (z e, x, {n}) the absolute value of the difference between the exit field φ j (x) is than desired error d j When it becomes smaller (step S230: YES), the calculation ends.

以上の計算では、屈折率分布の初期値{n}は適当に設定すればよいが、この初期値{n}が予想される屈折率分布に近ければ、それだけ計算の収束は早くなる(ステップS200)。また、各jについてφj(z,x,{nq-1})およびψj(z,x,{nq-1})を計算するにあたっては、パラレルに計算が可能な計算機の場合は、jごと(すなわち、φj(z,x,{nq-1})およびψj(z,x,{nq-1})ごと)に計算すればよいので、クラスタシステム等を利用して計算の効率化を図ることができる(ステップS220)。また、比較的少ないメモリで計算機が構成されている場合は、式(1)のインデックスjについての和の部分で、各qで適当なjを選び、その分のφj(z,x,{nq-1})およびψj(z,x,{nq-1})のみを計算して、以降の計算を繰り返すことも可能である(ステップS220)。 In the above calculation, the initial value {n 0 } of the refractive index distribution may be set appropriately. However, if this initial value {n 0 } is close to the expected refractive index distribution, the calculation converges faster accordingly ( Step S200). When calculating φ j (z, x, {n q-1 }) and ψ j (z, x, {n q-1 }) for each j, , J (that is, φ j (z, x, {n q-1 }) and ψ j (z, x, {n q-1 })). Thus, calculation efficiency can be improved (step S220). If the computer is configured with a relatively small memory, an appropriate j is selected for each q in the sum of the index j in equation (1), and φ j (z, x, { It is also possible to calculate only n q-1 }) and ψ j (z, x, {n q-1 }) and repeat the subsequent calculations (step S220).

以上の演算において、φj(z,x,{nq-1})の値とψj(z,x,{nq-1})の値とが近い場合には、式(1)中のIm[φj(z,x,{nq-1})*・ψj(z,x,{nq-1})]は位相差に対応する値となり、この値を減少させることで所望の出力を得ることが可能である。 In the above operation, φ j (z, x, {n q-1}) in the case of values and ψ j (z, x, { n q-1}) and the value of the near, the formula (1) Im [φ j (z, x, {n q-1 }) * · ψ j (z, x, {n q-1 })] is a value corresponding to the phase difference, and by reducing this value, It is possible to obtain a desired output.

上述した屈折率分布決定のための演算内容を要約すると次のようになる。波動をホログラフィックに伝達させ得る媒体(光の場合には誘電体)に、入力ポートと出力ポートとを設け、入力ポートから入射した伝搬光のフィールド分布1(順伝搬光)と、入力ポートから入射した光信号が出力ポートから出力される際に期待される出力フィールドを出力ポート側から逆伝搬させた位相共役光のフィールド分布2(逆伝搬光)と、を数値計算により求める。フィールド分布1およびフィールド分布2を、伝搬光と逆伝搬光の各点(x,z)における位相差をなくすように、媒体中での空間的な屈折率分布を求める。なお、このような屈折率分布を得るための方法として最急降下法を採用すれば、各点の屈折率を変数として最急降下法により得られる方向に屈折率を変化させることにより、屈折率を式(1)のように変化させることで、2つのフィールド間の差を減少させることができる。このような波動伝達媒体を、入力ポートから入射した光を所望の出力ポートに出射させる光部品に応用すれば、媒体内で生じる伝搬波同士の多重散乱による干渉現象により、実効的な光路長が長くなり、緩やかな屈折率変化(分布)でも充分に高い光信号制御性を有する光回路を構成することができる。   The calculation contents for determining the refractive index distribution described above are summarized as follows. An input port and an output port are provided in a medium capable of transmitting a wave in a holographic manner (dielectric in the case of light). Field distribution 1 (forward propagation light) of propagating light incident from the input port and from the input port A field distribution 2 (reverse propagation light) of phase conjugate light in which an output field expected when an incident optical signal is output from the output port is propagated backward from the output port side is obtained by numerical calculation. In the field distribution 1 and the field distribution 2, a spatial refractive index distribution in the medium is obtained so as to eliminate the phase difference at each point (x, z) of the propagating light and the counter propagating light. If the steepest descent method is adopted as a method for obtaining such a refractive index distribution, the refractive index is calculated by changing the refractive index in the direction obtained by the steepest descent method using the refractive index of each point as a variable. By changing as in (1), the difference between the two fields can be reduced. If such a wave transmission medium is applied to an optical component that emits light incident from an input port to a desired output port, an effective optical path length is reduced due to interference phenomenon caused by multiple scattering of propagation waves generated in the medium. An optical circuit having a sufficiently high optical signal controllability can be configured even with a long and gentle refractive index change (distribution).

図2に示した交差導波路と同じ構造の導波路に、上述したアルゴリズムを適用して、屈折率分布を計算する。約200回の繰り返しにより、連続階調の局所的な屈折率変調部が得られる。この屈折率変調部は、複数の非周期的なピークからなる屈折率変調量を有しており、交差導波路に適用すると、図6に示した屈折率分布が得られる。クラッドの屈折率は、石英ガラスの屈折率を想定し、コアの屈折率は、石英ガラスに対する比屈折率が0.75%だけ高い値を有する。交差角1.6度の交差導波路を構成する光回路のサイズは縦6.0μm、横7.0μmである。 The refractive index distribution is calculated by applying the above-described algorithm to a waveguide having the same structure as the crossed waveguide shown in FIG. By repeating about 200 times, a continuous- tone local refractive index modulation section is obtained. This refractive index modulation unit has a refractive index modulation amount composed of a plurality of non-periodic peaks, and when applied to a crossing waveguide, the refractive index distribution shown in FIG. 6 is obtained. The refractive index of the clad assumes the refractive index of quartz glass, and the refractive index of the core has a value that is higher by 0.75% than the relative refractive index of quartz glass. The size of the optical circuit constituting the crossing waveguide having a crossing angle of 1.6 degrees is 6.0 μm in length and 7.0 μm in width.

図7に、本発明の一実施形態にかかる交差導波路の光電界分布を示す図である。このような小さな角度で光導波路を交差させても、図に示した入力ポートから入力された光信号は、所望の出力ポートに出力されている。この構成によれば、従来30度程度の交差角を必要とした交差導波路を、1.6度という小さな交差角でも実現することができ、光回路のレイアウト設計上の自由度が大きくなる。図6に示した屈折率分布は、連続階調の局所的な屈折率変調部であるが、例えば、16階調の擬似連続階調としてもよい。 FIG. 7 is a diagram showing an optical electric field distribution of a crossing waveguide according to an embodiment of the present invention. Even if the optical waveguides are crossed at such a small angle, the optical signal input from the input port shown in the figure is output to the desired output port. According to this configuration, a cross waveguide that conventionally requires a crossing angle of about 30 degrees can be realized even with a small crossing angle of 1.6 degrees, and the degree of freedom in designing the layout of the optical circuit is increased. The refractive index distribution shown in FIG. 6 is a continuous gradation local refractive index modulation unit, but may be, for example, 16 pseudo continuous gradations .

次に、作製方法について説明する。図8に、連続階調の屈折率分布を有する交差導波路の作成方法を示す。シリコン基板301上に、火炎堆積法により、SiOを主体にした下部クラッドガラススート302を堆積する(図8(a))。次に、SiOにGeOを添加したコアガラススート303を堆積する(図8(b))。その後、1000℃以上の高温でガラス透明化を行う。このとき、下部クラッドガラス層302は30ミクロン厚、コアガラス303は7ミクロン厚となるように、ガラスの堆積を行っている。 Next, a manufacturing method will be described. FIG. 8 shows a method of creating a crossed waveguide having a continuous tone refractive index distribution. A lower clad glass soot 302 mainly composed of SiO 2 is deposited on the silicon substrate 301 by a flame deposition method (FIG. 8A). Next, a core glass soot 303 in which GeO 2 is added to SiO 2 is deposited (FIG. 8B). Then, glass transparency is performed at a high temperature of 1000 ° C. or higher. At this time, the glass is deposited so that the lower clad glass layer 302 is 30 microns thick and the core glass 303 is 7 microns thick.

引き続き、フォトリソグラフィ技術を用いてコアガラススート303上にエッチングマスク304を形成し(図8(c))、反応性イオンエッチングによってコアガラススート303のパターン化を行い、コア部305を形成する(図8(d))。エッチングマスク304を除去した後(図8(e))、上部クラッドガラス306を、再度火炎堆積法で形成する(図8(f))。上部クラッドガラス306は、BやPなどのドーパントを添加したSiOである。これによりガラス転移温度を下げ、コア部305の間の狭い隙間にも、上部クラッドガラス306が入り込むようにする。 Subsequently, an etching mask 304 is formed on the core glass soot 303 using a photolithography technique (FIG. 8C), and the core glass soot 303 is patterned by reactive ion etching to form a core portion 305 ( FIG. 8D). After removing the etching mask 304 (FIG. 8E), the upper cladding glass 306 is formed again by the flame deposition method (FIG. 8F). The upper cladding glass 306 is SiO 2 to which a dopant such as B 2 O 3 or P 2 O 5 is added. As a result, the glass transition temperature is lowered so that the upper clad glass 306 also enters the narrow gap between the core portions 305.

図9に、連続階調の屈折率分布を作製する方法の第1例を示す。図8に示した方法により作製された交差導波路に、図6に示した連続階調の屈折率分布を作り込む。第1例では、紫外線レーザからの光をレンズ311により集光して、コア部305に照射し、屈折率変調のピークに合わせて分布を与えている。集光点におけるピークパワー強度が10W/cm以上の光を光導波路に照射し、交差導波路の所定の位置における屈折率変化量に応じて照射時間を調整している。 FIG. 9 shows a first example of a method for producing a continuous tone refractive index distribution. The continuous- tone refractive index distribution shown in FIG. 6 is created in the crossed waveguide manufactured by the method shown in FIG. In the first example, the light from the ultraviolet laser is condensed by the lens 311 and irradiated to the core unit 305, and distribution is given according to the peak of the refractive index modulation. Light having a peak power intensity at the condensing point of 10 5 W / cm 2 or more is irradiated onto the optical waveguide, and the irradiation time is adjusted according to the amount of change in the refractive index at a predetermined position of the intersecting waveguide.

また、紫外線の照射量1440J/cm、20Hz、100mJ/cm/pulseのレーザ光を2時間照射して屈折率を変化させてもよい。ここでは、レーザ光の照射時間ではなく、光強度を調整している。 Alternatively, the refractive index may be changed by irradiating with a laser beam having an ultraviolet irradiation amount of 1440 J / cm 2 , 20 Hz, 100 mJ / cm 2 / pulse for 2 hours. Here, not the laser beam irradiation time but the light intensity is adjusted.

図10に、連続階調の屈折率分布を作製する方法の第2例を示す。第2例では、紫外線レーザの代わりにフェムト秒レーザを用いている。フェムト秒レーザからの光をレンズ311により集光して、コア部305に照射し、屈折率変調のピークに合わせて分布を与えている。 FIG. 10 shows a second example of a method for producing a continuous tone refractive index profile. In the second example, a femtosecond laser is used instead of the ultraviolet laser. The light from the femtosecond laser is condensed by the lens 311 and irradiated to the core unit 305, and distribution is given according to the peak of the refractive index modulation.

図11に、本発明の一実施形態にかかるテーパ型導波路の屈折率分布を示す。上述したアルゴリズムを適用して、ホログラフィック波動伝達媒体の屈折率分布を計算し、Y分岐導波路を作り込んだテーパ型導波路である。図12に、本発明の一実施形態にかかるテーパ型導波路の光電界分布を示す。図に示した入力ポートから入力された光信号は、所望の2つの出力ポートに出力されている。このようにして、微細な加工技術を必要としないテーパ型導波路を用いて、Y分岐導波路を実現することができる。また、図3に示した従来のY分岐導波路と比較して、小型のY分岐回路を実現することができる。   FIG. 11 shows a refractive index distribution of a tapered waveguide according to an embodiment of the present invention. By applying the above-described algorithm, the refractive index distribution of the holographic wave transmission medium is calculated, and this is a tapered waveguide in which a Y-branch waveguide is formed. FIG. 12 shows an optical electric field distribution of the tapered waveguide according to one embodiment of the present invention. Optical signals input from the input ports shown in the figure are output to two desired output ports. In this way, a Y-branch waveguide can be realized using a tapered waveguide that does not require a fine processing technique. Further, a smaller Y branch circuit can be realized as compared with the conventional Y branch waveguide shown in FIG.

図13に、連続階調の屈折率分布を有するテーパ型導波路の作成方法を示す。図8に示した方法により作製されたテーパ型導波路に、図11に示した連続階調の屈折率分布を作り込む。紫外線レーザからの光を、グレーマスク312を介してコア部305に照射し、屈折率分布を与えている。このとき、与えたい屈折率変化量に応じた透過率を有するグレーマスク312を用いる。 FIG. 13 shows a method for producing a tapered waveguide having a continuous- tone refractive index distribution. The continuous- tone refractive index distribution shown in FIG. 11 is formed in the tapered waveguide manufactured by the method shown in FIG. The core 305 is irradiated with light from an ultraviolet laser through the gray mask 312 to give a refractive index distribution. At this time, a gray mask 312 having a transmittance corresponding to the amount of change in refractive index to be given is used.

このようにして、所望の屈折率分布を有する屈折率変調部を、ホログラフィック波動伝達媒体の設計手法を適用することにより、導波路に容易に作り込むことができる。作製された光導波路は、所望の伝達特性を得ることができ、光回路の小型化を実現することができる。   In this way, a refractive index modulation section having a desired refractive index distribution can be easily built into a waveguide by applying a design method for a holographic wave transmission medium. The manufactured optical waveguide can obtain a desired transmission characteristic, and can realize downsizing of the optical circuit.

従来の光導波路構造の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the conventional optical waveguide structure. 従来の交差導波路の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the conventional crossing waveguide. 従来のY分岐導波路の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the conventional Y branch waveguide. 波動伝達媒体の基本構造を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the basic structure of a wave transmission medium. 波動伝達媒体の空間的な屈折率分布を決定するための計算手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the calculation procedure for determining the spatial refractive index distribution of a wave transmission medium. 本発明の一実施形態にかかる交差導波路の屈折率分布を示す図である。It is a figure which shows the refractive index distribution of the crossing waveguide concerning one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態にかかる交差導波路の光電界分布を示す図である。It is a figure which shows the optical electric field distribution of the crossing waveguide concerning one Embodiment of this invention. 連続階調の屈折率分布を有する交差導波路の作成方法を示す図である。It is a figure which shows the production method of the crossing waveguide which has a refractive index profile of a continuous tone . 連続階調の屈折率分布を作製する方法の第1例を示す図である。It is a figure which shows the 1st example of the method of producing the refractive index distribution of a continuous tone . 連続階調の屈折率分布を作製する方法の第2例を示す図である。It is a figure which shows the 2nd example of the method of producing refractive index distribution of a continuous tone . 本発明の一実施形態にかかるテーパ型導波路の屈折率分布を示す図である。It is a figure which shows the refractive index distribution of the taper-type waveguide concerning one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態にかかるテーパ型導波路の光電界分布を示す図である。It is a figure which shows the optical electric field distribution of the taper-type waveguide concerning one Embodiment of this invention. 連続階調の屈折率分布を有するテーパ型導波路の作成方法を示す図である。It is a figure which shows the production method of the taper-type waveguide which has a refractive index distribution of a continuous tone .

符号の説明Explanation of symbols

1−1 光回路設計領域
1−2 基板
1−11 高屈折率部
1−12 低屈折率部
2−1 入射面
2−2,2−3 出射面
1-1 Optical Circuit Design Area 1-2 Substrate 1-11 High Refractive Index Section 1-12 Low Refractive Index Section 2-1 Entrance Surface 2-2, 2-3 Exit Surface

Claims (7)

クラッド層と、前記クラッド層に埋設された前記クラッド層より高い屈折率を有するコア部とからなる光の導波領域が設けられている光導波路において、
前記光の伝搬方向に垂直な断面において、前記光のフィールドの断面が与えられるべき回路上の場所をポートとし、入力ポートから入射された入力光が、出力ポートから出力光として出射されるように、前記コア部の少なくとも一部に、空間的な屈折率分布が形成された波動伝達媒体を備え、
前記空間的な屈折率分布は、前記入力光が、前記光の伝搬方向に沿って伝搬すると、前記入力光の入力フィールドが、前記出力光の出力フィールドに変換されて、前記出力ポートから出力される1つ以上の入出力フィールドの組の各々について、前記光の伝搬方向の座標z、前記光の導波領域において前記光の伝搬方向に垂直な方向の座標xとしたときの断面Xの場所(z,x)において、前記入力フィールドの順伝搬のフィールドの位相と、前記出力フィールドの位相共役に逆伝搬させたフィールドの位相との間の位相差が所定の誤差以下となるように、各々の前記場所(z,x)のコアの屈折率を変数として繰り返し計算を行うことにより決定され、この計算は、(q−1)番目の計算によって得られた屈折率分布{nq-1}をもとに、前記入出力フィールドの組のj番目の入力フィールドψj(x)および出力フィールドφj(x)について、前記順伝搬フィールドψj(z,x,{nq-1})と前記逆伝搬のフィールドφj(z,x,{nq-1})としたとき、各場所(z,x)における屈折率n(z,x)を、
n(z,x)=nq-1(z,x)−αΣjIm[φj(z,x,{nq-1})*・ψj(z,x,{nq-1})]
として計算し、ここで、記号「*」は複素共役であり、記号「・」は内積演算であり、Im[]は[]内のフィールド内積演算結果の虚数成分であり、αは計算の収束を考慮した定数であり、Σjはjについて和を示し、かつ、
前記入力光のフィールドが、前記光の伝搬方向に沿って、前記断面Xの屈折率分布により位相の変化を多段に受けることにより、前記波動伝達媒体内で生じる伝搬波同士の多重散乱による干渉現象により光のフィールドの形状を変化させながら伝搬することを特徴とする光導波路。
In an optical waveguide provided with a light guiding region composed of a cladding layer and a core portion having a higher refractive index than the cladding layer embedded in the cladding layer,
In the cross section perpendicular to the light propagation direction, a place on the circuit where the cross section of the light field is to be given is a port, and input light incident from the input port is emitted as output light from the output port. A wave transmission medium in which a spatial refractive index distribution is formed on at least a part of the core part,
The spatial refractive index distribution indicates that when the input light propagates along the propagation direction of the light, the input field of the input light is converted into an output field of the output light and output from the output port. For each of the one or more input / output field pairs, the location of the cross section X when the coordinate z of the light propagation direction and the coordinate x of the light guide region perpendicular to the light propagation direction are set. In (z, x), the phase difference between the phase of the forward propagation field of the input field and the phase of the field back-propagated to the phase conjugate of the output field is less than a predetermined error, respectively. The refractive index distribution {n q−1 } obtained by the (q−1) -th calculation is determined by repeatedly calculating the refractive index of the core at the location (z, x) of Based on For the set of the j-th input field of the input and output field [psi j (x) and the output field φ j (x), the forward propagating field ψ j (z, x, { n q-1}) field between the counter-propagating When φ j (z, x, {n q-1 }), the refractive index n q (z, x) at each location (z, x) is
n q (z, x) = n q-1 (z, x) −αΣ j Im [φ j (z, x, {n q-1 }) * · ψ j (z, x, {n q-1 })]
Where the symbol “*” is a complex conjugate, the symbol “•” is an inner product operation, Im [] is the imaginary component of the field inner product operation result in [], and α is the convergence of the calculation Where Σ j is the sum for j, and
Interference phenomenon due to multiple scattering of propagating waves generated in the wave transmission medium when the input light field is subjected to phase changes in multiple stages by the refractive index distribution of the cross section X along the propagation direction of the light. An optical waveguide characterized by propagating while changing the shape of the field of light.
前記コア部は、GeOを添加された石英ガラスであることを特徴とする請求項1に記載の光導波路。 The optical waveguide according to claim 1, wherein the core portion is made of quartz glass to which GeO 2 is added. 基板上に下部クラッド層を形成する第1工程と、
前記下部クラッド層上に前記クラッド層より高い屈折率を有するコア層を形成する第2工程と、
前記コア層からパターン化されたコア部を形成する第3工程と、
前記下部クラッド層および前記コア部の上に上部クラッド層を形成する第4工程と、
前記コア部の少なくとも一部に、空間的な屈折率分布を有する波動伝達媒体を形成する第5工程とを備え、
前記波動伝達媒体は、前記光の伝搬方向に垂直な断面において、光のフィールドの断面が与えられるべき回路上の場所をポートとし、入力ポートから入射された入力光が、出力ポートから出力光として出射されるように、前記空間的な屈折率分布が形成され、
前記空間的な屈折率分布は、前記入力光が、前記光の伝搬方向に沿って伝搬すると、前記入力光の入力フィールドが、前記出力光の出力フィールドに変換されて、前記出力ポートから出力される1つ以上の入出力フィールドの組の各々について、前記光の伝搬方向の座標z、前記光の導波領域において前記光の伝搬方向に垂直な方向の座標xとしたときの断面Xの場所(z,x)において、前記入力フィールドの順伝搬のフィールドの位相と、前記出力フィールドの位相共役に逆伝搬させたフィールドの位相との間の位相差が所定の誤差以下となるように、各々の前記場所(z,x)のコアの屈折率を変数として繰り返し計算を行うことにより決定され、この計算は、(q−1)番目の計算によって得られた屈折率分布{nq-1}をもとに、前記入出力フィールドの組のj番目の入力フィールドψj(x)および出力フィールドφj(x)について、前記順伝搬フィールドψj(z,x,{nq-1})と前記逆伝搬のフィールドφj(z,x,{nq-1})としたとき、各場所(z,x)における屈折率n(z,x)を、
n(z,x)=nq-1(z,x)−αΣjIm[φj(z,x,{nq-1})*・ψj(z,x,{nq-1})]
として計算し、ここで、記号「*」は複素共役であり、記号「・」は内積演算であり、Im[]は[]内のフィールド内積演算結果の虚数成分であり、αは計算の収束を考慮した定数であり、Σjはjについて和を示し、かつ、
前記入力光のフィールドが、前記光の伝搬方向に沿って、前記断面Xの屈折率分布により位相の変化を多段に受けることにより、前記波動伝達媒体内で生じる伝搬波同士の多重散乱による干渉現象により光のフィールドの形状を変化させながら伝搬することを特徴とする光導波路の製造方法。
A first step of forming a lower cladding layer on the substrate;
A second step of forming a core layer having a higher refractive index than the cladding layer on the lower cladding layer;
A third step of forming a patterned core portion from the core layer;
A fourth step of forming an upper cladding layer on the lower cladding layer and the core portion;
And a fifth step of forming a wave transmission medium having a spatial refractive index distribution on at least a part of the core part,
In the wave transmission medium, in the cross section perpendicular to the light propagation direction, a place on the circuit where a cross section of the light field is to be given is used as a port, and input light incident from the input port is used as output light from the output port. The spatial refractive index distribution is formed so as to be emitted,
The spatial refractive index distribution indicates that when the input light propagates along the propagation direction of the light, the input field of the input light is converted into an output field of the output light and output from the output port. For each of the one or more input / output field pairs, the location of the cross section X when the coordinate z of the light propagation direction and the coordinate x of the light guide region perpendicular to the light propagation direction are set. In (z, x), the phase difference between the phase of the forward propagation field of the input field and the phase of the field back-propagated to the phase conjugate of the output field is less than a predetermined error, respectively. The refractive index distribution {n q−1 } obtained by the (q−1) -th calculation is determined by repeatedly calculating the refractive index of the core at the location (z, x) of Based on For the set of the j-th input field of the input and output field [psi j (x) and the output field φ j (x), the forward propagating field ψ j (z, x, { n q-1}) field between the counter-propagating When φ j (z, x, {n q-1 }), the refractive index n q (z, x) at each location (z, x) is
n q (z, x) = n q-1 (z, x) −αΣ j Im [φ j (z, x, {n q-1 }) * · ψ j (z, x, {n q-1 })]
Where the symbol “*” is a complex conjugate, the symbol “•” is an inner product operation, Im [] is the imaginary component of the field inner product operation result in [], and α is the convergence of the calculation Where Σ j is the sum for j, and
Interference phenomenon due to multiple scattering of propagating waves generated in the wave transmission medium by the phase of the input light being subjected to phase changes in multiple stages by the refractive index distribution of the cross section X along the propagation direction of the light. A method of manufacturing an optical waveguide, characterized by propagating while changing the shape of the field of light.
前記第5工程は、集光点におけるピークパワー強度が10W/cm以上のレーザ光を前記コア層に照射し、前記レーザ光の照射時間を調整して、前記各場所(z,x)における屈折率を与えることを特徴とする請求項3に記載の光導波路の製造方法。 In the fifth step, the core layer is irradiated with a laser beam having a peak power intensity of 10 5 W / cm 2 or more at the condensing point, and the irradiation time of the laser beam is adjusted, so that each location (z, x The method of manufacturing an optical waveguide according to claim 3, wherein a refractive index is given. 前記第5工程は、集光点におけるピークパワー強度が10W/cm以上のレーザ光を前記コア層に照射し、前記レーザ光の強度を調整して、前記各場所(z,x)における屈折率を与えることを特徴とする請求項3に記載の光導波路の製造方法。 The fifth step irradiates the core layer with a laser beam having a peak power intensity of 10 5 W / cm 2 or more at a condensing point, adjusts the intensity of the laser beam, and adjusts each location (z, x) The method of manufacturing an optical waveguide according to claim 3, wherein the refractive index is given. 前記第5工程は、グレースケールマスクを介して前記コア層に、紫外光を均一に照射し、前記グレースケールマスクの濃淡により、前記各場所(z,x)における屈折率を与えることを特徴とする請求項3に記載の光導波路の製造方法。 In the fifth step, the core layer is uniformly irradiated with ultraviolet light through a gray scale mask, and the refractive index at each location (z, x) is given by the shade of the gray scale mask. The method for manufacturing an optical waveguide according to claim 3. 前記コア層は、GeO2が添加された石英系ガラスであり、前記第5工程は、紫外線レーザからのレーザ照射することによりなされることを特徴とする請求項4または5に記載の光導波路の製造方法。 The core layer, GeO2 a silica-based glass is added, the fifth step, the optical of claim 4 or 5, characterized in that is made by irradiating a laser beam from the ultraviolet ray laser A method for manufacturing a waveguide.
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