JP4127975B2 - 光導波装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、放射光を所定領域に閉じ込め、そのエネルギーを所定方向に伝達して出力する光導波装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
光導波路を備えた光導波装置において、光パワー(エネルギー)の分割及び結合は重要な基本的機能である。この場合、出力時までのエネルギー損失の抑制化及び各出力ポート間における転送損失の均一化を図ることが重要な課題である。その一方で、光導波装置の更なる小型化を図ることが、製造コストを低減し、且つ当該装置の広範囲の応用を容易化するために必須のもう一つの要請である。
【0003】
従来の光導波装置のいくつかの具体例を以下に示す。
【0004】
初めに、図7に示すように、複モード干渉デバイス(MMI:Multi-Mode Interference device)がある。
この装置は、入射光を単一の光モードとする入力導波路101と、パワー分割して出力する複数の出力導波路102と、光の伝播方向に沿って同幅に形成され、入力導波路101と出力導波路102とを接続し、光の伝播方向に沿って複数の光モードを惹起する導波路103とを備えて構成されている。
【0005】
入力導波路101で単一の光モードとされた入射光は、導波路103にて複数の光モードとされ、各出力導波路102でパワー分割されて出力される。導波路103の各出力導波路102側の端部(図7中、楕円Eで示す)における電磁場強度は、図示のように各出力導波路102に対応した部位でそれぞれピークを有する形状に分布する。
【0006】
次に、図8に示すように、スターカップラー(Star Coupler)デバイスがある。
この装置は、MMIデバイスと同様の入力導波路101と、各々出力部へ向かって幅狭となるテーパ形状で放射状に設けられ、パワー分割して出力する複数の出力導波路104と、入力導波路101と出力導波路104とを接続し、各出力導波路104へ向かって光を自由伝播させる通路105とを備えて構成されている。
【0007】
入力導波路101で単一の光モードとされた入射光は、通路105を自由伝播し、各出力導波路104でパワー分割されて出力される。通路105の各出力導波路104側の端部(図8中、楕円Eで示す)における電磁場強度は、図示のように中央部位をピークとするなだらかな略釣鐘形状に分布する。
【0008】
次に、図9に示すように、Y分岐(Y-branch)デバイスがある。
この装置は、MMIデバイスと同様の入力導波路101と、各々放射状に設けられ、パワー分割して出力する2つの出力導波路106と、入力導波路101と出力導波路106とを接続し、断熱、即ち光の伝播方向に沿って光モードを不変とする微小テーパ角を有するテーパ状導波路107とを備えて構成されている。
【0009】
入力導波路101で単一の光モードとされた入射光は、導波路107を光モードを変えずに伝播し、各出力導波路106でパワー分割されて出力される。導波路107の各出力導波路107側の端部(図9中、楕円Eで示す)における電磁場強度は、図示のように中央部位をピークとするなだらかな略釣鐘形状に分布する。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の各光導波装置には、以下に示すような問題がある。
【0011】
MMIデバイスは、出力ポートを構成する各出力導波路102間における均一な光結合を得るには優れている反面、導波路103の長さが出力ポート数の2乗に比例して増大するため、十分な数の出力ポートを設ければ、必然的に実際の製造が困難な程に過大なものとなってしまう。
【0012】
スターカップラーデバイスは、多数の出力ポートを設けた場合でも小型サイズに抑えることが可能であるが、各出力ポート間における均一な光結合を得るために通路105の幅を調整することが必要である。この場合、極めて大きな幅が要求されるために通路105を長くせざるを得ず、しかも各出力導波路104にテーパを設ける必要があるため、装置全体のサイズは更に大きくなる。
【0013】
Y分岐デバイスは、光モード変換を避けて断熱状態を実現するために、テーパ角を小さくする要請から、その長さを極めて大きくすることが必要となる。
【0014】
このように、従来の光導波装置では、各出力ポート間における光結合の均一化の要請を満たすことは可能であるが、これを満足させつつも装置全体の小型化の要請に応えることは極めて困難であるという現況にある。
【0015】
そこで本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、各出力ポート間における光結合の均一化の要請と、装置全体の小型化の要請の双方を共に十分満たし、各種の有用な応用を自在とする信頼性の高い高精度の光導波装置及び光導波方法を提供することを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、鋭意検討の結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。
【0017】
本発明の光導波装置は、単一の光モードとする入力導波路と、複数の出力導波路と、前記入力導波路と前記各出力導波路とを接続し、前記入力導波路から前記各出力導波路へ向かうにつれて徐々に幅広となるテーパ状導波路とを備え、前記テーパ状導波路は、当該テーパ状導波路を光が伝播する間に、より低次数の光モードがより高次数の光モードと結合するに十分な程度の大きさのテーパ角度とされており、前記テーパ状導波路は、その幅狭端における幅が前記入力導波路の幅より広く、単一の低次数モードの光が前記入力導波路から前記テーパ状導波路の前記幅狭端に入射するときに高次数モードに変換されるものであり、前記テーパ状導波路の出力側における電磁場強度分布は、ほぼ平坦形状でその縁部で急激に減少する形状となることを特徴とするものである。
【0018】
ここで、前記複数の出力導波路のうち、最も外側の前記出力導波路は、その他の前記出力導波路よりも幅広に形成されることが好ましい。
【0019】
また、前記テーパ状導波路は、そのテーパ角が、当該テーパ状導波路の幅広端における前記電磁場強度分布が最大限に平坦となるように数値解析的手法により最適化されてなる断面直線状テーパ面を有することが好ましい。
【0020】
また、前記各出力導波路は、その中心軸が前記テーパ状導波路の前記幅狭端へ向かうような方向に設けられていることが好ましい。
【0021】
また、前記各出力導波路は、前記テーパ状導波路の前記幅広端において電磁波の同位相波面上に位置していることが好ましい。
【0022】
また、前記各出力導波路は、それぞれ略等しいパワー効率が得られるように数値解析的手法により最適化されてなる幅を有することが好ましい。
【0023】
また、前記各出力導波路は、前記テーパ状導波路の前記幅広端へ向かうにつれて徐々に幅広となるテーパ状とされていることが好ましい。
【0024】
この場合、前記各出力導波路は、当該各出力導波路を光が伝播する間に、より高次数の光モードがより低次数の光モードと結合するに十分な程度の大きさのテーパ角度とされていることが好適である。
【0025】
また、前記各出力導波路は、屈曲形状とされていることが好ましい。
【0026】
更に本発明は、光導波方法を対象とし、入射光を単一の光モードとし、より低次数の光モードがより高次数の光モードと結合するに十分な程度の大きさのテーパ角を有する導波路に光を導波させた後に、複数のパワーに分割して出力することを特徴とする。
【0027】
本発明の光導波装置においては、先ずその導波路が、伝達する光のモード変換を惹起する非断熱構造とされているため、各出力ポート間において均一な光結合を得ることができる。更にはこれに加え、当該導波路が、前記非断熱構造を可能とするように、より低次数の光モードがより高次数の光モードと結合するに十分な程度の大きさのテーパ角を有するため、断熱構造の場合の如く導波路を長くする必要がなく、出力ポートを多く設けて光結合の更なる均一化を図る場合でも、装置全体を小型に抑えることができる。即ち、出力ポートを多く設けて光結合の均一化を向上させるとともに、これに伴う装置サイズの増加を最小限に抑え、装置の小型化の要請にも十分に応えることが可能となる。
【0028】
具体的に、前記テーパ状導波路を断面直線状テーパ面を有するように構成する場合では、導波路の長さは出力ポート数に比例して増大するに過ぎない。従って、出力ポート数を増加させるほど、装置サイズの相対的な小型化が顕著となることから、本発明は光結合がより均一化された小型の光導波装置を実現する際に有用となる。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した好適な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【0030】
図1は、本実施形態の光導波装置の主要構成を示す概略断面図である。
この光導波装置は、入射光を単一の光モードとする入力導波路1と、入射光をパワー分割して出力する複数の出力導波路2と、入力導波路1と出力導波路2とを接続し、入力導波路1から各出力導波路2へ向かうにつれて徐々に幅広となるテーパ状導波路3とを備えて構成されている。
【0031】
テーパ状導波路3は、当該テーパ状導波路3を光が伝播する間に、非断熱状態、即ちより低次数の光モードがより高次数の光モードと結合するに十分な程度の大きさのテーパ角度とされている。具体的に、このテーパは、テーパ状導波路3の幅広端における電磁場強度分布が最大限に平坦となるように数値解析的手法により最適化されてなる断面直線状(以下、直線状テーパと称する。)とされている。
【0032】
更に、テーパ状導波路3は、図1中の円C内に示すように、その入力導波路1側の端部(幅狭端)における幅が、入力導波路1の幅より広く、所定数の光モードの離散スペクトルを維持するに十分なほど小さい値とされている。
【0033】
各出力導波路2は、それぞれ略等しいパワー効率が得られるように数値解析的手法により最適化されてなる幅を有しており、本実施形態においては、縁部位における電磁場強度の急激な減少を補償するために、最も外側の出力導波路2はその他の出力導波路2に比して幅広に形成されている。
【0034】
また、各出力導波路2間の間隔は、余分な光パワーの損失を最小に抑えるべく、可及的に小さくすることが好ましい。
【0035】
この光導波装置において、入力導波路1で単一の光モードとされた入射光は、テーパ状導波路3にて前記非断熱構造により光モード変換が惹起され、各出力導波路2でパワー分割されて出力される。テーパ状導波路3の各出力導波路2側の端部(図1中、楕円Eで示す)における電磁場強度は、図示のように縁部位で急激に減少し、その他の部位では略平坦な最良形状に分布する。
【0036】
本実施形態による光導波装置(特に、直線状テーパを有する装置)により、上記のような電磁場強度分布を実現させるメカニズムには、以下の2つものが考えられる。
【0037】
第1のメカニズムとしては、テーパ状導波路3における光の伝播に沿ったモード変換に基づく、パワーの再配分である。
全体の電磁場強度分布の形状は、テーパ状導波路3の入力導波路1側の端部で最も急速に変化する。そこでは、テーパ状導波路3の幅及び光モード数はいずれもまだ小さい。前記端部から離れるほど、全体の電磁場強度分布の形状は、より緩やかに変化するようになる。
【0038】
図2は、テーパ状導波路3のテーパ角を明示する概略上面図である。
テーパ角を大きくすると、光モード変換が起こり始める。断熱状態から非断熱状態への遷移は徐々に実現する。光線理論を用いて、光モード変換を惹起するためのテーパ角の大よその最小限界を求めることができる。対称的な励起作用を呈するために、テーパ角は、基本次数モードと2次モードの伝播角における差の1/4倍よりも小さくすることが好ましい。
【0039】
テーパ状導波路3の幅広端において、2次モードが存在しない場合には、2次モードの伝播角の代わりに臨界角を用いる。好ましくは、テーパ角はおよそ1°〜10°程度である。
【0040】
第2のメカニズムとしては、入力導波路1とテーパ状導波路3との間の遷移における、より高次の光モード励起であり、これは第1のメカニズムとの組み合わせで明確な意味を持つ。
これは、図1のように、テーパ状導波路3の入力導波路1側の端部の幅が入力導波路1の幅よりも大きくされていれば起こる。この複モード励起の結果として、テーパ壁の出力導波路2側の端部に起因して、縁部位で急激に減少する電磁場強度分布形状が得られる。テーパ状導波路3の入力導波路1側の端部を幅広とすることにより、入力導波路1とテーパ状導波路3との間における結合効率が向上し、更には電磁場強度分布形状の縁部位における急激な減少をも助長する。
【0041】
以上説明したように、本実施形態の光導波装置によれば、先ずそのテーパ状導波路3が、伝達する光のモード変換を惹起する非断熱構造とされているため、各出力導波路2間において均一な光結合を得ることができる。更にはこれに加え、テーパ状導波路3が、前記非断熱構造を可能とするように、より低次数の光モードがより高次数の光モードと結合するに十分な程度の大きさのテーパ角を有するため、断熱構造の場合の如く導波路を長くする必要がなく、出力ポートを多く設けて光結合の更なる均一化を図る場合でも、装置全体を小型に抑えることができる。即ち、出力ポートを多く設けて光結合の均一化を向上させるとともに、これに伴う装置サイズの増加を最小限に抑え、装置の小型化の要請にも十分に応えることが可能となる。
【0042】
−変形例−
ここで、本実施形態による光導波装置の諸変形例について説明する。なお、図1で示した構成要素と同様のものについては、同符号を付して説明を省略する。
【0043】
(変形例1)
図3は、変形例1の光導波装置の主要構成を示す概略断面図である。
ここで、各テーパ状出力導波路11は、光の出射部へ向かうにつれて徐々に幅広となるテーパ状とされており、非断熱状態、即ち当該各テーパ状出力導波路11を光が伝播する間に、より低次数の光モードがより高次数の光モードと結合するに十分な程度の大きさのテーパ角度とされている。更に各出力導波路2は、その中心軸がテーパ状導波路3の幅狭端へ向かうような方向、即ち入力導波路1の端部へ向かうような方向に設けられている。
これにより、光の同位相波面が湾曲し、最も高い結合効率を得ることが可能となる。
【0044】
更に、各テーパ状出力導波路11を、テーパ状導波路3の幅広端において電磁波の波面上に位置するように配置することが好ましい。
これにより、各テーパ状出力導波路11内で同じ位相を得ることが可能となる。
【0045】
(変形例2)
図4は、変形例2の光導波装置の主要構成を示す概略断面図である。
ここで、各屈曲テーパ状出力導波路12は、変形例1のテーパ状出力導波路11と同様なテーパ状とされたことに加え、光の出射部へ向かうにつれて外側へ向かって徐々に屈曲した形状とされている。
これにより、高い結合効率を保ちつつも、各出力導波路12を含む光導波装置全体のサイズを更に縮小することが可能となる。
【0046】
【実施例】
実際に、本発明に基づき、図1に対応して図5に示すような光導波装置を作製した。この光導波装置は、厚みが200nm程度、バンドギャップ波長が1.3μm程度のInGaAsPコアを有するInP埋め込み型の装置である。
【0047】
ここでは、テーパ状導波路の狭幅端の幅と、テーパ状導波路のテーパ角を、テーパの幅広端において平坦な電磁場強度分布形状を得るため、広角ビーム伝播法シミュレーションを用いて最適化した。これにより、前記狭幅端の幅及び前記テーパ角の組み合わせ、出力導波路の最小幅、各出力導波路の最小間隔、並びに出力ポート数に依存したテーパの最小長さを算出した。
【0048】
この例では、出力導波路の最小幅は1.6μm程度、各出力導波路の最小間隔は2.5μm程度となった。余分なエネルギー損失を抑える要請から、最も外側の出力導波路の幅を適切な最大値に設定し、これにより、全ての出力導波路について均一な結合が得られる。
【0049】
図6は、複数の出力導波路を設けた場合における各出力導波路の損失(dB)を調べた特性図である。
このように、縁部位で急激に減少し、その他の部位では略平坦な最良形状の電磁場強度分布に対応するような極めて良好な結果が得られた。
【0050】
以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。
【0051】
(付記1) 単一の光モードとする入力導波路と、
複数の出力導波路と、
前記入力導波路と前記各出力導波路とを接続し、前記入力導波路から前記各出力導波路へ向かうにつれて徐々に幅広となるテーパ状導波路とを備え、
前記テーパ状導波路は、当該テーパ状導波路を光が伝播する間に、より低次数の光モードがより高次数の光モードと結合するに十分な程度の大きさのテーパ角度とされていることを特徴とする光導波装置。
【0052】
(付記2) 前記テーパ状導波路は、その幅狭端における幅が、前記入力導波路の幅より広く、所定数の光モードの離散スペクトルを維持するに十分なほど小さい値とされていることを特徴とする付記1に記載の光導波装置。
【0053】
(付記3) 前記テーパ状導波路は、前記テーパ角が当該テーパ状導波路の幅広端における電磁場強度分布が最大限に平坦となるように数値解析的手法により最適化されてなる断面直線状テーパ面を有することを特徴とする付記1又は2に記載の光導波装置。
【0054】
(付記4) 前記各出力導波路は、その中心軸が前記テーパ状導波路の前記幅狭端へ向かうような方向に設けられていることを特徴とする付記3に記載の光導波装置。
【0055】
(付記5) 前記各出力導波路は、前記テーパ状導波路の前記幅広端において電磁波の波面上に位置していることを特徴とする付記3又は4に記載の光導波装置。
【0056】
(付記6) 前記各出力導波路は、それぞれ略等しいパワー効率が得られるように数値解析的手法により最適化されてなる幅を有することを特徴とする付記1〜5のいずれか1項に記載の光導波装置。
【0057】
(付記7) 前記各出力導波路は、前記テーパ状導波路の前記幅広端へ向かうにつれて徐々に幅広となるテーパ状とされていることを特徴とする付記1〜6のいずれか1項に記載の光導波装置。
【0058】
(付記8) 前記各出力導波路は、当該各出力導波路を光が伝播する間に、より高次数の光モードがより低次数の光モードと結合するに十分な程度の大きさのテーパ角度とされていることを特徴とする付記7に記載の光導波装置。
【0059】
(付記9) 前記各出力導波路は、屈曲形状とされていることを特徴とする付記7又は8に記載の光導波装置。
【0060】
(付記10) 入射光を単一の光モードとし、より低次数の光モードがより高次数の光モードと結合するに十分な程度の大きさのテーパ角を有する導波路に光を導波させた後に、複数のパワーに分割して出力することを特徴とする光導波方法。
【0061】
(付記11) 前記導波路の幅広端における電磁場強度分布が最大限に平坦とされることを特徴とする付記10に記載の光導波方法。
【0062】
(付記12) それぞれ略等しいパワー効率とされるように複数のパワーに分割して出力が行われることを特徴とする付記10又は11に記載の光導波方法。
【0063】
【発明の効果】
本発明によれば、ポート間における光結合の均一化の要請と、装置全体の小型化の要請の双方を共に十分満たし、各種の有用な応用を自在とする信頼性の高い高精度の光導波装置及び光導波方法が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施形態の光導波装置の主要構成を示す概略断面図である。
【図2】本実施形態の光導波装置におけるテーパ状導波路のテーパ角を明示する概略上面図である。
【図3】本実施形態の変形例1の光導波装置の主要構成を示す概略断面図である。
【図4】本実施形態の変形例2の光導波装置の主要構成を示す概略断面図である。
【図5】本実施例で作製したInGaAsPコアを有するInP埋め込み型の光導波装置を示す概略断面図である。
【図6】複数の出力導波路を設けた場合における各出力導波路の損失(dB)を調べた特性図である。
【図7】従来の光導波装置として複モード干渉デバイスを示す概略断面図である。
【図8】従来の光導波装置としてスターカップラーデバイスを示す概略断面図である。
【図9】従来の光導波装置としてY分岐デバイスを示す概略断面図である。
【符号の説明】
1 入力導波路
2 出力導波路
3 テーパ状導波路
11 テーパ状出力導波路
12 屈曲テーパ状出力導波路
Claims (9)
- 単一の光モードとする入力導波路と、
複数の出力導波路と、
前記入力導波路と前記各出力導波路とを接続し、前記入力導波路から前記各出力導波路へ向かうにつれて徐々に幅広となるテーパ状導波路とを備え、
前記テーパ状導波路は、当該テーパ状導波路を光が伝播する間に、より低次数の光モードがより高次数の光モードと結合するに十分な程度の大きさのテーパ角度とされており、
前記テーパ状導波路は、その幅狭端における幅が前記入力導波路の幅より広く、単一の低次数モードの光が前記入力導波路から前記テーパ状導波路の前記幅狭端に入射するときに高次数モードに変換されるものであり、
前記テーパ状導波路の出力側における電磁場強度分布は、ほぼ平坦形状でその縁部で急激に減少する形状となることを特徴とする光導波装置。 - 前記テーパ状導波路は、そのテーパ角が、当該テーパ状導波路の幅広端における前記電磁場強度分布が最大限に平坦となるように数値解析的手法により最適化されてなる断面直線状テーパ面を有することを特徴とする請求項1に記載の光導波装置。
- 前記各出力導波路は、その中心軸が前記テーパ状導波路の前記幅狭端へ向かうような方向に設けられていることを特徴とする請求項2に記載の光導波装置。
- 前記各出力導波路は、前記テーパ状導波路の前記幅広端において電磁波の同位相波面上に位置していることを特徴とする請求項2又は3に記載の光導波装置。
- 前記各出力導波路は、それぞれ略等しいパワー効率が得られるように数値解析的手法により最適化されてなる幅を有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の光導波装置。
- 前記各出力導波路は、前記テーパ状導波路の前記幅広端へ向かうにつれて徐々に幅広となるテーパ状とされていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の光導波装置。
- 前記各出力導波路は、当該各出力導波路を光が伝播する間に、より高次数の光モードがより低次数の光モードと結合するに十分な程度の大きさのテーパ角度とされていることを特徴とする請求項6に記載の光導波装置。
- 前記各出力導波路は、屈曲形状とされていることを特徴とする請求項6又は7に記載の光導波装置。
- 前記複数の出力導波路のうち、最も外側の前記出力導波路は、その他の前記出力導波路よりも幅広に形成されていることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の光導波装置。
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