JP4113236B2 - 光機能回路 - Google Patents

Description

本発明は、光機能回路に関し、より詳細には、２次元的な屈折率分布に応じた多重散乱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用いた光機能回路に関する。

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。

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。光回路を構成するためには、光配線などを用いて、各構成要素を縦列的に接続することとなる。このため、光導波路回路の光路長は、光回路内で干渉現象などを生じさせるために求められる光路長よりも長くならざるを得ず、その結果、光回路そのものが極めて大型になってしまうという問題があった。

たとえば、典型的なアレイ導波路格子を例にとると、入力ポートから入力された複数の波長（λ_j）の光は、スラブ導波路を有するスターカプラにより分波・合波を繰り返し、分波された光が出力ポートから出力されるが、波長の千分の１程度の分解能で光を分波するために要する光路長は、導波路を伝搬する光の波長の数万倍となる。また、光回路の導波路パターンニングをはじめとして、偏光状態に依存する回路特性を補正するための波長板などを設けるための加工も施す必要がある。（例えば、非特許文献１参照）。

また、光回路の小型化のためには、光を導波路中に強く閉じ込める必要がある。従って、光導波路は、極めて大きな屈折率差を有する必要がある。例えば、従来のステップインデクッス型の光導波路では、比屈折率差が０．１％よりも大きな値となるように、屈折率の空間的分布を有するように光導波路を設計する。このような大きな屈折率差を利用して光閉じ込めを行うと、回路構成の自由度が制限されてしまう。特に、光導波路中での屈折率差を、局所的な紫外線照射、熱光学効果または電気光学効果などにより実現しようとしても、得られる屈折率の変化量は高々０．１％程度である。

さらに、光の伝搬方向を変化させる場合に、光導波路の光路を小さい曲率で曲げると、伝搬する光が、光導波路から漏れ出してしまい、透過損失が大きくなるなど、回路特性が劣化する。従って、光の伝搬方向を変化させるには、光導波路の光路にそって徐々に向きを変化させざるを得ず、光回路長は必然的に極めて長いものとなり、その結果として光回路の小型化が困難になる。

そこで、従来の光導波路回路、ホログラフィック回路を用いた光回路よりも小型で、緩やかな屈折率分布、すなわち小さな屈折率差でも充分に高効率の光信号制御を可能とする波動伝達媒体を用いることにより、高効率で小型の光回路を実現する。

しかしながら、波動伝達媒体は、仮想的なメッシュにより画定される仮想的なピクセルの各々が有する屈折率により、光信号を多重散乱させながら、入力ポートから出力ポートに伝播させる。従って、メッシュ状のピクセルを作製する際の作製誤差により、伝播光の漏洩が生じる。これにより、出力ポートに出力される伝搬光と、同一波長の漏洩した伝播光とが干渉を生じたり、波長が異なり干渉を生じない場合にもクロストークが発生する。

また、波動伝達媒体は、干渉の効果を用いて伝播させるので、光路に大きな角度を持たせることができず、クロストークも大きい。干渉の効果は、入射する光の角度により異なるため、斜めに入射する成分の割合が高いことは、クロストークを劣化させる一因となる。特に、入出力ポート近傍の光のビーム径が小さい領域では、光の進行方向に対して斜めに入射する成分の割合が大きいので、クロストークを劣化させる。このようなクロストークの劣化により光回路の透過損失が大きくなるなど、回路特性が劣化するという問題があった。

さらに、波動伝達媒体における入力ポート付近と出力ポート付近のメッシュ状のピクセルは、一種のレンズとして機能し、集光することができる。しかし、メッシュ状のピクセルのため、集光位置の判別が困難であり、他の光素子との接続が難しいという問題があった。

Y. Hibino, "Passive optical devices for photonic networks", IEIC Trans. Commun., Vol.E83-B No.10, (2000).

本発明の第１の目的は、ホログラフィック波動伝達媒体を適用し、透過損失、クロストークが小さいなど回路特性の良好な光機能回路を提供することにある。また、第２の目的は、ホログラフィック波動伝達媒体を適用した光導波路デバイスの接続を容易にして、透過損失、クロストークが小さい光機能回路を提供することにある。

このような目的を達成するために、基板上に、クラッド層と、該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層とからなる光の導波領域が設けられた光機能回路は、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、任意の１個のポートから入射された入力光が、所定のポートから出力光として出射されるように、前記コア層に空間的な屈折率分布が形成された第１の波動伝達媒体を備え、前記第１の波動伝達媒体の前記所定のポートから出射されない漏洩光が、他の回路要素と結合しないように、入力光として入力ポートから入射された前記漏洩光が、光路を変換されて、出力ポートから出力光として出射されるように、前記コア層に空間的な屈折率分布が形成された第２の波動伝達媒体をさらに備えた。

また、波動伝達媒体を含む光機能回路にあっては、第１の波動伝達媒体に画定された任意の１個のポートから入射された入力光のうち、第１の波動伝達媒体に画定された所定のポートから出射されない漏洩光が、第１の波動伝達媒体の所定のポートと異なるポートに結合されないように、任意の１個のポートの光軸と他のポートの光軸とは、互いに一致しないように配置されている。

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。本実施形態の光機能回路は、複数の散乱点により画定されるホログラフィック波動伝達媒体であり、２次元的な屈折率分布に応じた多重散乱によりホログラフィックに波動を伝達させる。

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。

図１Ａ〜Ｃ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１Ａ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ＩＮが入射する入射面２−１である。入力光ＩＮ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多重散乱しながら伝搬し、他方の端面である出射面２−２から出力光ＯＵＴとして出力される。図１Ａ中の座標ｚは、光の伝搬方向の座標（ｚ＝０が入射面、ｚ＝ｚ_ｅ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。

入力光ＩＮ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ＯＵＴ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１Ｂ参照）。

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。

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ＩＮの像（入力フィールド）は、出力光ＯＵＴ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１Ｃ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ＯＵＴ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。

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。

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。

・ψ^j(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。）
・φ^j(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、ψ^j(x)およびφ^j(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。

・｛ψ^j(x)、φ^j(x)｝：入出力ペア（入出力のフィールドの組み。）
｛ψ^j(x)、φ^j(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_ｑ}：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_ｑ(x,z)と表しても良いが、場所(x,z)における屈折率の値n_ｑ(x,z)と区別するために、屈折率分布全体に対しては{n_ｑ}と表す。

・ｎ_core：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。

・ｎ_clad：光導波路におけるクラッド部分のような、ｎ_coreに対して低い屈折率の値を示す記号。

・ψ^j(z,x,{n_ｑ})：ｊ番目の入射フィールドψ^j(x)を屈折率分布{n_ｑ}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。
・φ^j(z,x,{n_ｑ})：ｊ番目の出射フィールドφ^j(x)を屈折率分布{n_ｑ}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。

本実施形態において、屈折率分布は、すべてのｊについてψ^j(z_e,x,{n_ｑ})＝φ^j(x)、またはそれに近い状態となるように{n_ｑ}が与えられる。

「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。

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１Ｂおよび図１Ｃに示したように、ｊ番目の入射フィールドψ^j(x)および出力フィールドφ^j(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、ψ^j(z,x,{n})およびφ^j(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、ψ^j(x)＝ψ^j(0,x,{n})、および、φ^j(x)＝φ^j(z_e,x,{n})となる。これらの関数の値は、入射フィールドψ^j(x)、出射フィールドφ^j(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。

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２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{ｎ_ｑ-1}をもとに、各ｊ番目の入射フィールドψ^j(x)および出射フィールドφ^j(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、ψ^j(z,x,{n_ｑ-1})およびφ^j(z,x,{n_ｑ-1})と表記する（ステップＳ２２０）。

これらの結果をもとに、各場所（ｚ，ｘ）における屈折率ｎ_ｑ（ｚ，ｘ）を、次式により求める（ステップＳ２４０）。
n_ｑ(z,x)＝n_ｑ-1(z,x)−αΣ_jIm[φ^j(z,x,{n_ｑ-1})^*・ψ^j(z,x,{n_ｑ-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_ｑ(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。Σ_jは、インデックスｊについて和をとるという意味である。

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ψ^j(z_e,x,{n})と出射フィールドφ^j(x)との差の絶対値が、所望の誤差ｄ_ｊよりも小さくなると（ステップＳ２３０：ＹＥＳ）計算が終了する。

以上の計算では、屈折率分布の初期値{ｎ_０}は適当に設定すればよいが、この初期値{ｎ_０}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φ^j(z,x,{n_ｑ-1})およびψ^j(z,x,{n_ｑ-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、φ^j(z,x,{n_ｑ-1})およびψ^j(z,x,{n_ｑ-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φ^j(z,x,{n_ｑ-1})およびψ^j(z,x,{n_ｑ-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）。

以上の演算において、φ^j(z,x,{n_ｑ-1})の値とψ^j(z,x,{n_ｑ-1})の値とが近い場合には、式（１）中のIm[φ^j(z,x,{n_ｑ-1})^*・ψ^j(z,x,{n_ｑ-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。

屈折率分布の決定は、波動伝達媒体に仮想的メッシュを定め、このメッシュによって画定される微小領域（ピクセル）の屈折率を、各ピクセルごとに決定することと言い換えることもできる。このような局所的な屈折率は、原理的には、その場所ごとに任意の（所望の）値とすることができる。最も単純な系は、低屈折率（ｎ_Ｌ）を有するピクセルと高屈折率（ｎ_Ｈ）を有するピクセルのみからなる系であり、これら２種のピクセルの空間的分布により全体的な屈折率分布が決定される。この場合、媒体中の低屈折率ピクセルが存在する場所を高屈折率ピクセルの空隙として観念したり、逆に、高屈折率ピクセルが存在する場所を低屈折率ピクセルの空隙として観念したりすることができる。すなわち、本発明の波動伝達媒体は、均一な屈折率を有する媒体中の所望の場所（ピクセル）を、これとは異なる屈折率のピクセルで置換したものと表現することができる。

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。

図３に、本発明の一実施形態にかかる光合分波回路を示す。上述したアルゴリズムにしたがって、約２００回の繰り返しにより、図３に示した屈折率分布を有する１×２光合分波回路が得られる。ここで、図中の光回路設計領域１−１内の黒色部分は、コアに相当する高屈折率部（誘電体多重散乱部）１−１１であり、黒色部以外の部分はクラッドに相当する低屈折率部１−１２であり、導波路より屈折率の低い散乱点である。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１．５％だけ高い値を有する。光回路のサイズは縦３００μｍ、横１４０μｍである。屈折率分布を求める際の計算に用いられたメッシュは、３００×１４０である。図４に、光合分波回路の透過スペクトルを示す。透過スペクトルから、波長による光合分波器が形成されていることがわかる。

上述したように、ホログラフィック波動伝達媒体は、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ことができる。そこで、基板上に複数の回路要素が形成された光機能回路において、各々の回路要素から漏れ出した光（以下、漏洩光という）、すなわち回路要素の所定の出力ポートから出射されない光を除去する光部品として、ホログラフィック波動伝達媒体を用いる。

図５に、光分岐回路における漏洩光の除去方法を示す。１ｘ４光分岐回路は、基板１０１に形成された導波路型の分岐回路であり、入力導波路１０２から入射された光は、３つの分岐導波路１０４ａ〜１０４ｃを透過して、４つの出力導波路１０３ａ〜１０３ｄから出射される。このとき、入出力導波路と光学的に結合する光ファイバの軸ズレ、モード不整合によって、１ｘ４光分岐回路１０１内に漏洩光が生じる。また、分岐導波路１０４ａにおいて生じる放射光またはエバネッセント光が漏洩光となって、分岐導波路１０４ｂ，１０４ｃ及び出力導波路１０３ａ〜１０３ｄに再結合して、分岐光の出力パワーの一様性を劣化させる。同様に、分岐導波路１０４ｂ，１０４ｃにおいて生じた放射光またはエバネッセント光が漏洩光となって、出力導波路１０３ａ〜１０３ｄに再結合して分岐光の出力パワーの一様性を劣化させる。

そこで、分岐導波路１０４ａ〜１０４ｃにおいて生じる漏洩光が、導波路に再び結合することを防ぐために、迷光ガイド１０５ａ〜１０５ｃを設置する。迷光ガイド１０５ａ〜１０５ｃは、上述した波動伝達媒体であり、基板１０１内のクラッド部の有限の領域に配置されている。分岐導波路１０４ａ〜１０４ｃにおいて生じる漏洩光は、迷光ガイド１０５ａ〜１０５ｃにより、基板１０１の入出力導波路が形成されていない側面に出射される。

図６に、１ｘ４光分岐回路の挿入損失を示す。波長１．５５μｍの光を入射したときの、入力導波路と各出力導波路との間の挿入損失を示す。迷光ガイド１０５ａ〜１０５ｃが有る場合の挿入損失のバラツキは０．１ｄＢであり、迷光ガイドが無い場合の挿入損失バラツキは１ｄＢである。波導伝達媒体を用いた迷光ガイドにより、漏洩光が除去されていることがわかる。

図７に、ＭＺ型波長合分波回路における漏洩光の除去方法を示す。ＭＺ型波長合分波回路は、入力導波路１１２ａ，１１２ｂに結合された光カプラ１１４ａと、出力導波路１１３ａ，１１３ｂに結合された光カプラ１１４ｂと、光カプラ１１４ａと光カプラ１１４ｂとを結合するアーム導波路１１６ａ，１１６ｂとから構成されている。実施例１同様に、入出力導波路と光学的に結合する光ファイバの軸ズレ、モード不整合によって、ＭＺ型波長合分波回路内に漏洩光が生じる。また、光カプラ１１４ａ，１１４ｂにおいて生じる放射光またはエバネッセント光が漏洩光となって、アーム導波路１１６ａ，１１６ｂ、出力導波路１１３ａ，１１３ｂに再結合してクロストークを劣化させる。

そこで、光カプラ１１４ａ，１１４ｂにおいて生じる漏洩光が、光導波路に再び結合することを防ぐために、迷光ガイド１１５ａ，１１５ｂを設置する。迷光ガイド１１５ａ，１１５ｂは、上述した波動伝達媒体であり、基板１１１内のクラッド部の有限の領域に配置されている。光カプラ１１４ａ，１１４ｂにおいて生じる漏洩光は、迷光ガイド１１５ａ，１１５ｂにより、基板１１１の入出力導波路が形成されていない側面に出射される。

図８Ａ，Ｂに、ＭＺ型波長合分波回路の透過スペクトルを示す。図８Ａは、迷光ガイドが無いＭＺ型波長合分波回路の透過スペクトルであり、クロストークは２５ｄＢである。図８Ｂは、実施例２にかかる漏洩光の除去方法を適用したＭＺ型波長合分波回路の透過スペクトルであり、クロストークは４０ｄＢである。波導伝達媒体を用いた迷光ガイド１１５ａ，１１５ｂにより、漏洩光が除去されていることがわかる。

実施例１，２では、ホログラフィック波動伝達媒体を、漏洩光を除去する光部品として適用することにより、従来の光回路において、複数の出力ポート間で干渉を生じず、透過損失、クロストークが小さいなど回路特性の良好な光機能回路を実現することが可能となる。

図４に示した光合分波回路の透過スペクトルを参照すると、出力ポートｂに出射されるべき伝播光の一部が、出力ポートａに出射されていることがわかる。これは、メッシュ状の波動伝達媒体を作製する際の作製誤差により、波動伝達媒体を透過する光の一部が、所定の出力ポートには出力されず、他の出力ポートに出射されたり、出力ポート以外の部分から漏洩するからである。このように、入力ポートから入射された光信号のうち、所定の出力ポートから出射されない光、すなわち設計上想定された回路動作に寄与しない、または回路動作を阻害する伝播光を、以下「迷光」と呼ぶ。図４に示したように、出力ポートｂに出射されるべき伝播光が、出力ポートａに迷光となって出射されていることがわかる。

以下、この迷光の除去方法について、図３に示した光合分波回路を例として詳しく説明する。図９に、本発明の実施例３にかかる迷光の除去方法を示す。光合分波回路の入力ポート３−１の光軸３−１１に対して、出力ポート３−２の光軸３−１２ａ，ｂを座標ｘ上で横方向にずらしている。具体的に図９を参照して、入力ポート３−１から入射された光信号のビーム広がり角の半値θとする。入力ポート３−１の光軸３−１１に対して入力ポート３−１から角度θの２本の線と、出射面２−２との交点よりも外側に、出力ポート３−２を配置すればよい。

すなわち、設計上想定された回路動作に寄与しない伝播光成分は、屈折率の異なるピクセルによって散乱はされるものの、全体としてはほぼ直進するため、出力ポート３−２の光軸３−１２ａ，ｂを、入力ポート３−１の光軸３−１１に対して、ずらして設定するだけで、迷光を除去する一定の効果がある。

図１０に、実施例３にかかる光合分波回路の透過スペクトルを示す。図４に示したスペクトルと比較すると、出力ポートａに出射されていた迷光が抑制されていることがわかる。このようにして、ホログラフィック波動伝達媒体を適用することにより小型化を実現することができ、複数の出力ポート間で干渉を生じず、透過損失、クロストークが小さいなど回路特性の良好な光機能回路を実現することができる。

図１１に、本発明の実施例４にかかる迷光の除去方法を示す。実施例３と同様に、入力ポート３−１の光軸３−１１に対して、出力ポート３−２の光軸３−１２ａ，ｂをずらす。実施例４では、出力ポート３−２を、ｘ＝ｘ_ｅ上の出射面２−３に設定し、光軸３−１１と光軸３−１２ａ，ｂとが直角をなす。

このとき、屈折率分布を求める計算は、入力ポート３−１と出力ポート３−２とを結ぶ直線に沿って計算すればよく、この場合には、入力フィールドと出力フィールドを傾けて与えることになる。

図１２に、本発明の実施例５にかかる迷光の除去方法を示す。実施例４の構成に加えて、迷光ガイド４を配置する。実施例４では、入力ポートの光軸３−１１に沿って、出射面２−２の方向に迷光が出力されると考えられる。そこで、光軸３−１１周辺の迷光をまとめて、出射面２−２の左端部にまとめて出力できるように、迷光ガイド４を配置する。

迷光ガイド４の屈折率分布を求める計算は、迷光ガイドの入力端面を適当に決めて、入力端面での迷光フィールドを求める。次に、入力端面を基準とする軸に沿って、上述したアルゴリズムで計算を行う。

図１３に、本発明の実施例６にかかる迷光の除去方法を示す。実施例３の構成に加えて、入力導波路５−１と出力導波路５−２ａ，ｂとを配置する。図９に示した光回路は、光回路設計領域１−１内に形成された波動伝達媒体の入力ポート３−１および出力ポート３−２が構造的な境界を有していないので、光ファイバとの接続が難しい。

そこで、光回路設計領域１−１周辺の基板１−２に、入力ポートに接続された導波路５−１および出力ポートに接続された導波路５−２ａ，ｂを形成する。光導波路５−１，５−２は、コア部およびその周囲のクラッド部からなる直線導波路であり、構造的な境界を有しているので、光ファイバ６−１，６−２との接続が容易となる。

なお、実施例６では、直線導波路を示したが、光導波路は、レイアウトに自在性があり、曲線導波路も可能である。従って、光回路設計領域１−１の入力ポートおよび出力ポートと、光ファイバとの位置関係の自由度が増す。

図１４に、本発明の実施例７にかかる迷光の除去方法を示す。実施例７は、基板１−２の上に、図２に示した設計手順により設計された波動伝達媒体が形成された複数の光回路設計領域を有する複合光回路の一例である。光ファイバ６−１は、光回路設計領域１−１ａの入力ポートに接続されている入力導波路５−１と光学的に結合されている。光回路設計領域１−１ａは、例えば、光合分波器であり、２つの出力ポートを有する。出力ポートは、それぞれ接続導波路５−３ａ，ｂを介して、光回路設計領域１−１ｂの入力ポートに接続されている。光回路設計領域１−１ｂは、例えば、フィルタ回路であり、２つの出力ポートを有する。出力ポートは、それぞれ出力導波路５−２ａ，ｂを介して、光ファイバ６−２ａ，ｂに光学的に結合されている。

光回路設計領域１−１ａは、実施例３に示したように、入力ポートの光軸に対して、出力ポートの光軸が座標ｘ上で横方向にずれている。入力導波路５−１の周囲には、実施例５と同様に、光ファイバと入力導波路との接続部で発生する迷光が、光回路設計領域１−１ａに入力されないように、迷光ガイド４−２を配置する。

また、導波路５−３ａ，ｂの周囲には、出力ポートと導波路との接続部で発生する迷光が、光回路設計領域１−１ｂに入力されないように、迷光ガイド４−３を配置する。出力導波路５−２ａ，ｂの周囲にも、出力ポートと導波路との接続部で発生する迷光が、光ファイバに結合しないように、迷光ガイド４−４ａ，ｂを配置する。

このようにして、接続部で発生する迷光、波動伝達媒体で発生する迷光が、次段の光回路に入力されないようにして、各々回路特性のよい光回路を構成することができる。また、ホログラフィック波動伝達媒体を適用することにより光回路の小型化を実現することができる。

実施例３〜７では、ホログラフィック波動伝達媒体を適用することにより光回路の小型化を図り、さらに、入力ポートの光軸と出力ポートの光軸とが、互いに一致しないように配置することにより、複数の出力ポート間で干渉を生じず、透過損失、クロストークが小さいなど回路特性の良好な光機能回路を実現することが可能となる。

上述したように、入出力導波路と光学的に結合する光ファイバの軸ズレ、モード不整合によって、漏洩光が生じたり、迷光が発生する。そこで、ホログラフィック波動伝達媒体を適用した光導波路デバイスの接続を容易にして、透過損失、クロストークが小さい光機能回路を実現する。

図１５に、本発明の実施例８にかかる光合分波回路を含む光導波路デバイスの構成を示す。図３に示した光合分波回路に光ファイバを接続し、不図示のパッケージに封入することにより光導波路デバイスを構成する。基板１０に形成された波動伝達媒体１１の入射端面における入力ポートと、出射端面における出力ポートとに、光ファイバ１３ａ〜１３ｃの端面を結合する。光ファイバ１３ａ〜１３ｃは、固定するガラスブロック１２ａ〜１２ｃに固定され、基板１０とガラスブロック１２ａ〜１２ｃとの位置合わせを行いながら入出力ポートに結合する。

波動伝達媒体１１は、メッシュ状のピクセルのため、構造的な境界を有していないので、入出力ポートの集光位置を目視で判別することが困難である。そこで、基板１０には、演算の際に決定された入出力ポートの座標を基準に、調芯用のマーカ１５ａ〜１５ｃを形成する。調芯用マーカ１５ａ〜１５ｃは、基板１０に導波路コアを形成しても良いし、基板１０表面に金属を形成するなどしても良い。対向するガラスブロック１２ａ〜１２ｃにも、光ファイバ２３ａ〜２３ｃの集光位置に対応したマーカを形成しておくことにより、位置あわせを容易に行うことができる。

図１６に、本発明の実施例９にかかる光合分波回路を含む光導波路デバイスの構成を示す。入出力ポート近傍の光のビーム径が小さい領域において、光の進行方向に対して斜めに入射する成分の割合を小さくして、クロストークを抑える必要がある。そこで、図３に示した光合分波回路である波動伝達媒体２１の入力ポートに導波路２５ａを接続し、出力ポートに光導波路２５ｂ，２５ｃを接続する。さらに、基板２０には、モードフィールド変換用の波動伝達媒体２４ａ〜２４ｃを形成して、光導波路２５ａ〜２５ｃと光ファイバ２３ａ〜２３ｃとの結合効率を向上させる。

モードフィールド変換用の波動伝達媒体２４ａ〜２４ｃと光ファイバ２３ａ〜２３ｃとの接続においても、調芯用のマーカ２６ａ〜２６ｃを用いる。すなわち、基板２０には、演算の際に決定された入出力ポートの座標を基準に、調芯用マーカ２６ａ〜２６ｃを形成し、対向するガラスブロック２２ａ，２２ｂにも、光ファイバ２３ａ〜２３ｃの集光位置に対応したマーカを形成しておくことにより、位置あわせを容易に行うことができる。

図１７に、本発明の実施例１０にかかる光合分波回路を含む光導波路デバイスの構成を示す。実施例９との相違は、モードフィールド変換用の波動伝達媒体２４ａ〜２４ｃの構成が異なる。

実施例９の波動伝達媒体２４ａ〜２４ｃは、仮想的なメッシュにより画定される仮想的なピクセルの各々が有する屈折率（ここでは、２値の屈折率）により、波動伝達媒体の全体的な屈折率分布を決定していた。実施例１０では、上述した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使用して、図１７に示すように、光導波路のコア幅を光軸方向に変調することにより屈折率分布を決定する。

波動伝達媒体２４ａのコアの幅の構成方法について簡単に説明する。光ファイバ２３ａから入力された信号光のフィールドと、波動伝達媒体２１に出力される希望の信号光のフィールドの位相を反転させたフィールドを、光ファイバ２３ａへ伝搬させたフィールドとの位相差が、最小となるような屈折率分布を与えれば、入力させた信号光を希望の出力信号光に変換することができる。具体的には、光軸方向の各位置における位相差を計算し、位相差が正である場合には光導波路のコア幅を拡大し、位相差が負である場合には光導波路のコア幅を縮小することにより位相差を最小化する。このような構成方法に基づき、位相差が最小となるような光導波路のコアの幅をそれぞれ計算により求めることで、入力させた信号光を希望の出力信号光に変換することができる。

図１８に、本発明の実施例１１にかかる光合分波回路を含む光導波路デバイスの構成を示す。図３に示した光合分波回路である波動伝達媒体２１が形成された基板２０と、発光素子４１と受光素子４２とが載置された基板４０とを結合して、不図示のパッケージに封入することにより光導波路デバイスを構成する。波動伝達媒体２１の出力ポートに光導波路２５ｂ，２５ｃを接続し、集光レンズとなる波動伝達媒体２７ａ〜２７ｂを形成して、発光素子４１および受光素子４２との結合効率を向上させる。

集光レンズとなる波動伝達媒体２７ａ〜２７ｂと発光素子４１および受光素子４２との接続においても、調芯用のマーカ２６ｂ，２６ｃを用いる。このようにして、集光レンズを波動伝達媒体として基板上に形成することで、光導波路デバイスの小型化を図ることができる。従来、光導波路デバイスを作製する際に、発光素子および受光素子と、集光レンズと、光合分波器との間で光軸合わせが必要であったが、本実施形態によれば、調芯用のマーカによる位置合わせを行うだけなので、光導波路デバイスの作製工程を短縮することができる。

図１９に、本発明の実施例１２にかかる光合分波回路を含む光導波路デバイスの構成を示す。図３に示した光合分波回路である波動伝達媒体２１が形成された基板２０と、例えば、光スイッチ５１と光フィルタ５２とが形成された基板５０とを結合して、不図示のパッケージに封入することにより光導波路デバイスを構成する。基板２０の光導波路２５ｂ，２５ｃと基板５０の光導波路とを、モードフィールド変換用の波動伝達媒体２４ｂ，２４ｃにより接続する。

接続のための位置合わせには、図１６の光ファイバの場合と同様に、調芯用のマーカ２６ｂ，２６ｃを用いる。このようにして、従来のＰＬＣ回路と波動伝達媒体との接続も、調芯用のマーカにより容易に行うことができ、実施例８，９と本実施例によれば、様々な構成の光導波路デバイスを容易に組み合わせることができる。

図２０に、本発明の実施例１３にかかる光合分波回路を含む光導波路デバイスの構成を示す。基板３０上の波動伝達媒体３１の入力ポートには導波路３５ａを接続し、出力ポートには光導波路３５ｂ，３５ｃを接続する。実施例９と同様に、さらに、モードフィールド変換用の波動伝達媒体３４ａ〜３４ｃを形成して、光導波路３５ａ〜３５ｃと入出力用の光ファイバ３３ａ，３３ｂとの結合効率を向上させる。

モードフィールド変換用の波動伝達媒体３４ａ〜３４ｃと入出力用の光ファイバ３３ａ，３３ｂとの接続には、モニタ用導波路３６ａ，３６ｂを用いる。すなわち、基板３０には、演算の際に決定された入出力ポートの座標を基準に、モニタ用導波路３６ａ，３６ｂのポートを形成し、対向するガラスブロック３２ａ，３２ｂにも、光ファイバの集光位置に対応した調芯用の光ファイバ３３ａ，３３ｂを保持しておく。調芯用の光ファイバ３３ａ，３３ｂとモニタ用導波路３６ａ，３６ｂとを介して、光源と光パワーメータを接続し、光強度を測定しながら接続位置をきめることにより、モードフィールド変換用の波動伝達媒体３４ａ〜３４ｃと入出力用の光ファイバ３３ａ，３３ｂとの位置あわせを容易に行うことができる。

図２１に、本発明の実施例１４にかかる光合分波回路を含む光導波路デバイスの構成を示す。実施例１３との相違は、モードフィールド変換用の波動伝達媒体３４ａ〜３４ｃが、実施例１０と同様に、導波路幅を変調した波動伝達媒体となっている。

実施例８〜１４では、基板上に形成された調芯用のマーカまたはモニタ用導波路により、ホログラフィック波動伝達媒体を適用した光導波路デバイスの接続を容易にすることが可能となる。

図２２に、本発明の実施例１５にかかる光回線終端装置（ＯＮＵ）の構成を示す。ＯＮＵは、光ファイバ加入者網の加入者宅に設置される機器であり、局側の光回線終端装置（ＯＬＴ）との間で、光信号の送受信を行う。ＯＬＴ−ＯＮＵの下り信号には、波長１．５５μｍを使用し、ＯＮＵ−ＯＬＴの上り信号には、波長１．５５μｍを使用する。

ＯＮＵは、ＰＬＣ基板２０１上に下り信号を受信するＰＤ２０２と、上り信号を送信するＬＤ２０３と、ＬＤ２０３の出力光のパワーを監視するモニタＰＤ２０４と、上り信号および下り信号を合分波するＷＤＭフィルタ２０５とを備えている。また、ＷＤＭフィルタ２０５で波長多重された信号は、ガラスブロック２０６に固定された光ファイバ２０７を介して、ＯＬＴと接続される。ＯＮＵにおいては、ＰＤ２０２と光導波路、ＬＤ２０３と光導波路、ＷＤＭフィルタ２０５と光導波路、光ファイバ２０７と光導波路との接続箇所において、漏洩光が生じる。

そこで、上述した実施例に記載された漏洩光の除去方法などを適用する。波動伝達体２１１，２１２は、実施例１１に示したように、集光レンズの機能を有し、それぞれＰＤ２０２と光導波路、ＬＤ２０３と光導波路の結合効率を向上させる。ＷＤＭフィルタと光導波路の交差箇所においては、実施例１，２に示したように、波動伝達体からなる迷光ガイド２１３ａ，２１３ｂを設置して、漏洩光が再び光導波路に結合することを防ぐ。さらに、ＰＬＣ基板２０１とガラスブロック２０６との接続には、実施例８に示したように、マーカ２１５ａ，２１５ｂを用い、光ファイバ２０７と光導波路との結合には、実施例９に示したように、モードフィールド変換用の波動伝達媒体２１４を用いる。

このようにして、各々の接続箇所における光結合の結合効率を向上させるとともに、クロストークを抑制することにより、光受信器としてＳ／Ｎの劣化を回避することができる。また、実装工程における接続が容易になるので、実装のための工数削減し、生産性を向上することができる。

図１Ａは、波動伝達媒体の基本構造を説明するための図、 図１Ｂは、波動伝達媒体の基本構造を説明するための図、 図１Ｃは、波動伝達媒体の基本構造を説明するための図、 図２は、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、 図３は、本発明の一実施形態にかかる光合分波回路を示す図、 図４は、光合分波回路の透過スペクトルを示す図、 図５は、光分岐回路における漏洩光の除去方法を示す図、 図６は、実施例１にかかる漏洩光の除去方法を適用した光分岐回路の挿入損失を示す図、 図７は、ＭＺ型波長合分波回路における漏洩光の除去方法を示す図、 図８Ａは、迷光ガイドが無いＭＺ型波長合分波回路の透過スペクトルを示す図、 図８Ｂは、実施例２にかかる漏洩光の除去方法を適用したＭＺ型波長合分波回路の透過スペクトルを示す図、 図９は、本発明の実施例３にかかる迷光の除去方法を示す図、 図１０は、実施例３にかかる光合分波回路の透過スペクトルを示す図、 図１１は、本発明の実施例４にかかる迷光の除去方法を示す図、 図１２は、本発明の実施例５にかかる迷光の除去方法を示す図、 図１３は、本発明の実施例６にかかる迷光の除去方法を示す図、 図１４は、本発明の実施例７にかかる迷光の除去方法を示す図、 図１５は、本発明の実施例８にかかる光合分波回路を含む光導波路デバイスの構成を示す図、 図１６は、本発明の実施例９にかかる光合分波回路を含む光導波路デバイスの構成を示す図、 図１７は、本発明の実施例１０にかかる光合分波回路を含む光導波路デバイスの構成を示す図、 図１８は、本発明の実施例１１にかかる光合分波回路を含む光導波路デバイスの構成を示す図、 図１９は、本発明の実施例１２にかかる光合分波回路を含む光導波路デバイスの構成を示す図、 図２０は、本発明の実施例１３にかかる光合分波回路を含む光導波路デバイスの構成を示す図、 図２１は、本発明の実施例１４にかかる光合分波回路を含む光導波路デバイスの構成を示す図、 図２２は、本発明の実施例１５にかかる光回線終端装置の構成を示す図である。

Claims (3)

1. 基板上に、クラッド層と、該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層とからなる光の導波領域が設けられた光機能回路において、
   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、任意の１個のポートから入射された入力光が、所定のポートから出力光として出射されるように、前記コア層に空間的な屈折率分布が形成された第１の波動伝達媒体を備え、
   前記第１の波動伝達媒体の前記所定のポートから出射されない漏洩光が、他の回路要素と結合しないように、入力光として入力ポートから入射された前記漏洩光が、光路を変換されて、出力ポートから出力光として出射されるように、前記コア層に空間的な屈折率分布が形成された第２の波動伝達媒体を備え、
   前記空間的な屈折率分布は、前記第１の波動伝達媒体の前記入力光が、前記任意の１個のポートから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、前記所定の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を伝搬するように、および前記第２の波動伝達媒体の前記入力光が、前記入力ポートから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を伝搬するように、メッシュにより画定されるピクセルの各々のコアが有する屈折率によって決定され、
   各々の前記ピクセルのコアの屈折率は、前記任意の１個のポートまたは前記入力ポートから前記所定のポートまたは前記出力ポートまでの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、各々の前記ピクセル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{ｎ_{ｑ -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ψ^j(x)および出力フィールドφ^j(x)について、前記順伝搬フィールドψ^j(z,x,{n_{ｑ -1}})と前記逆伝搬のフィールドφ^j(z,x,{n_{ｑ -1}})としたとき、各場所（ｚ，ｘ）における屈折率ｎ_ｑ（ｚ，ｘ）を、
   n_ｑ(z,x)＝n_{ｑ -1}(z,x)−αΣ_jIm[φ^j(z,x,{n_{ｑ -1}})^*・ψ^j(z,x,{n_{ｑ -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、Σ_jはｊについて和を示し、かつ、
   前記入力光のフィールドが、前記任意の１個のポートまたは前記入力ポートから前記所定のポートまたは前記出力ポートまで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、前記第１および第２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して、前記所定のポートまたは前記出力ポートから前記出力光の出力フィールドとして出射されることを特徴とする光機能回路。
2. 前記第１の波動伝達媒体に画定された前記任意の１個のポートから入射された入力光のうち、前記第１の波動伝達媒体に画定された前記所定のポートから出射されない前記漏洩光が、前記第１の波動伝達媒体の前記所定のポートと異なる他のポートに結合されないように、前記任意の１個のポートの光軸と前記他のポートの光軸とは、互いに一致しないように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光機能回路。
3. 前記任意の１個のポートから入射された入力光のビーム広がり角の半値θとすると、前記任意の１個のポートの光軸に対して、前記任意の１個のポートから角度θの２本の線に挟まれた領域の外側に、前記他のポートが配置されていることを特徴とする請求項２に記載の光機能回路。

Images