JP4213020B2 - Optical circuit - Google Patents

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本発明は、光回路に関し、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媒体(ホログラフィック波動伝達媒体)を用いた光回路に関する。   The present invention relates to an optical circuit, and more particularly, to an optical circuit using a medium (holographic wave transmission medium) that transmits waves holographically by multiple scattering according to a two-dimensional refractive index distribution.

光通信などの技術分野においては、光の分岐・干渉を容易に実現するための光回路を構成するために、光導波路構造を利用した集積光部品が開発されてきた。このような波動としての性質を利用した集積光部品は、光導波路長などを調整したり光干渉計等の作製を容易化したりすることを可能とし、さらに、半導体分野における回路加工技術を適用することで、光部品の集積化も可能となる。   In a technical field such as optical communication, integrated optical components using an optical waveguide structure have been developed in order to construct an optical circuit for easily realizing branching / interference of light. Integrated optical components using such properties as waves can adjust the length of the optical waveguide and facilitate the fabrication of optical interferometers, etc., and apply circuit processing technology in the semiconductor field. As a result, integration of optical components is also possible.

しかしながら、このような光導波路回路においては、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」により光回路の各構成要素を構成するために、光配線などを用いた縦列的な回路設計が必要となる。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。   However, in such an optical waveguide circuit, each component of the optical circuit is configured by an “optical confinement structure” that realizes spatial optical confinement of light propagating in the optical waveguide using the spatial distribution of the refractive index. In order to configure, a cascaded circuit design using optical wiring or the like is required. For this reason, the optical path length of the optical waveguide circuit must be longer than the optical path length required for causing an interference phenomenon in the optical circuit, and as a result, the optical circuit itself becomes extremely large. There was a problem.

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(λj)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)。 For example, taking a typical arrayed waveguide grating as an example, light of multiple wavelengths (λ j ) input from an input port is repeatedly demultiplexed and multiplexed by a star coupler having a slab waveguide. Although the output light is output from the output port, the optical path length required to demultiplex the light with a resolution of about one thousandth of the wavelength is tens of thousands of the wavelength of the light propagating through the waveguide. Further, it is necessary to perform processing for providing a wave plate for correcting circuit characteristics depending on the polarization state, including waveguide patterning of an optical circuit. (For example, refer nonpatent literature 1).

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ために、屈折率の空間的分布により光閉じ込め状態を制御するためには極めて大きな屈折率差を光導波路中にもたせることが必要とされ、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な屈折率の空間的分布を有するように光導波路が設計されていた。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こととすると、回路構成の自由度が制限されてしまうという問題が生じる。特に、光導波路中での屈折率差を、局所的な紫外線照射、熱光学効果や電気光学効果などにより実現しようとする場合には、得られる屈折率の変化量は高々0.1%程度である場合が多く、光の伝搬方向を変化させる場合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ってしまい、その結果として光回路の小型化が困難になってしまう。   In addition, in order to reduce the size of the optical circuit, it is necessary to confine the light strongly in the waveguide. Therefore, in order to control the optical confinement state by the spatial distribution of the refractive index, an extremely large refractive index difference is generated in the optical waveguide. For example, in a conventional step index type optical waveguide, the optical waveguide is designed to have a spatial distribution of the refractive index so that the relative refractive index difference is a value larger than 0.1%. It had been. If optical confinement is performed using such a large refractive index difference, there arises a problem that the degree of freedom of the circuit configuration is limited. In particular, when the refractive index difference in the optical waveguide is to be realized by local ultraviolet irradiation, thermo-optic effect, electro-optic effect, etc., the obtained refractive index variation is at most about 0.1%. In many cases, when changing the propagation direction of light, the direction must be gradually changed along the optical path of the optical waveguide, and the optical circuit length is inevitably extremely long. As a result, it is difficult to reduce the size of the optical circuit.

さらに、グレーティング様の回路を光導波路回路に付与した回路は光の伝搬方向に対して概ね平行な向きの周期構造もしくは誘電体屈折率の周期変化により光回路を構成し、かつ、実際の設計においては概ねフーリエ変換で評価可能な強い周期性を有する構造もしくは周期性を僅かに歪ませたチャープ構造により光回路の特性を得ているために、波面に対して概ね均一な構造となって伝搬方向に垂直な方向(波面に沿った方向)での光制御が困難となる。例えば、非特許文献2に開示されている光回路では、光回路中で反射することなく透過する光は回路中に広がってしまい信号光として利用することができない。また、分岐回路のように伝搬方向に垂直な方向へ大きくスポット位置を変化させる回路では、光が形成する「場」(フィールド)を伝搬方向と垂直方向に大きく広げる必要があり回路が大きくならざるを得ない。さらに、実際の回路の設計においても、ファイバグレーティングのような従来の1次元のグレーティング回路の設計方法とほぼ等価な設計方法しか実現できないために、周期性の強い構造(すなわち、伝搬方向の波数に依存した光回路)に限定され、回路規模が大きくなり、波長に敏感になり易く、入出力の位置が波長の順に連続的に分布してしまうなど、設計の自由度が低い回路に限定されるという問題があった。   Furthermore, a circuit in which a grating-like circuit is added to an optical waveguide circuit constitutes an optical circuit by a periodic structure or a periodic change of the dielectric refractive index in a direction substantially parallel to the light propagation direction, and in an actual design. Since the characteristics of the optical circuit are obtained by a structure with a strong periodicity that can be evaluated by a Fourier transform or a chirp structure with a slight distortion of the periodicity, the propagation direction becomes a substantially uniform structure with respect to the wavefront. It becomes difficult to control light in the direction perpendicular to the direction (the direction along the wavefront). For example, in the optical circuit disclosed in Non-Patent Document 2, light that is transmitted without being reflected in the optical circuit spreads in the circuit and cannot be used as signal light. Further, in a circuit that changes the spot position greatly in a direction perpendicular to the propagation direction, such as a branch circuit, it is necessary to greatly expand the “field” (field) formed by light in the direction perpendicular to the propagation direction, and the circuit does not become large. I do not get. Furthermore, in actual circuit design, since only a design method almost equivalent to a conventional one-dimensional grating circuit design method such as a fiber grating can be realized, a structure with a strong periodicity (that is, a wave number in the propagation direction) It is limited to circuits with a low degree of freedom in design, such as a large circuit scale, a tendency to be sensitive to wavelengths, and a continuous distribution of input / output positions in the order of wavelengths. There was a problem.

Y. Hibino, “Passive optical devices for photonic networks”, IEIC Trans. Commun., Vol.E83-B No.10, (2000).Y. Hibino, “Passive optical devices for photonic networks”, IEIC Trans. Commun., Vol.E83-B No. 10, (2000). T. W. Mossberg, “Planar holographic optical processing”, Optics Letters, Vol.26, No. 7, pp 414-416 (2001).T. W. Mossberg, “Planar holographic optical processing”, Optics Letters, Vol. 26, No. 7, pp 414-416 (2001). H. Rao, et. al, “A bidirectional beam propagation method for multiple dielectric interfaces”, IEEE PTL Vol.11, No.7, pp 830-832 (1999).H. Rao, et. Al, “A bidirectional beam propagation method for multiple dielectric interfaces”, IEEE PTL Vol.11, No.7, pp 830-832 (1999). T. Baba and Y. Kokubun, “Dispersion and radiation loss characteristics of antiresonant reflecting optical waveguides-numerical results and analytical expressions”, Quantum Electronics, IEEE Journal of , Vol.28 No.7 , pp 1689 -1700 July (1992).T. Baba and Y. Kokubun, “Dispersion and radiation loss characteristics of antiresonant reflecting optical waveguides-numerical results and analytical expressions”, Quantum Electronics, IEEE Journal of, Vol. 28 No. 7, pp 1689 -1700 July (1992). Charls Kittel ed.“Introduction to solid state physics 6th”John Wily & Sons, Inc., New York, U.S.A. (1986).Charls Kittel ed. “Introduction to solid state physics 6th” John Wily & Sons, Inc., New York, U.S.A. (1986).

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、従来の光導波路回路や平面ホログラフィック回路を用いた光回路よりも小型で、光の入出力を可能な限り自由に設定でき、さらに、緩やかな屈折率分布(小さな高低差)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ことにある。   The present invention has been made in view of such problems, and the object of the present invention is smaller than an optical circuit using a conventional optical waveguide circuit or planar holographic circuit and capable of inputting and outputting light. A highly efficient and compact optical circuit can be realized by using a wave transmission medium that can be set as freely as possible, and that enables sufficiently efficient optical signal control even with a gentle refractive index distribution (small height difference). It is in.

本発明は、このような課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、基板上に形成されたクラッド層と、該クラッド層に埋設されたコア層とからなる光の導波領域が設けられている光回路であって、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、他のポートから出力光として出射されるように、一様な屈折率の前記コア層に代えて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、前記他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、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{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、前記任意の1個のポートから前記他の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、前記他の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。
In order to solve such a problem, the present invention provides a light waveguide region comprising a clad layer formed on a substrate and a core layer embedded in the clad layer. In the cross section perpendicular to the light propagation direction, the cross section of the light field is a port on the circuit where the cross section of the light field is to be given, and the light is incident from any one port. In order to emit input light as output light from another port, a wave transmission medium in which a spatial refractive index distribution is formed instead of the core layer having a uniform refractive index is provided, and the spatial refraction is performed. The rate distribution indicates that when the input light propagates along the light propagation direction from the arbitrary one port, the input field of the input light is converted into the output field of the output light, and the other One or more inputs output from the port Determined by the refractive index of each core of the pixels defined by the mesh to propagate through each set of force fields, the refractive index of each pixel's core being a coordinate z of the light propagation direction, The phase of the forward propagation field of the input field and the phase of the output field at the location (z, x) of the cross section X when the coordinate x in the direction perpendicular to the light propagation direction is set in the light guiding region. It is determined by repeatedly calculating the refractive index of the core of each of the pixels as a variable so that the phase difference between the back-propagated field and the phase of the field is equal to or less than a predetermined error. , J-th input field ψ j (x) and output field φ of the set of input / output fields based on the refractive index profile {n q-1 } obtained by the (q−1) -th calculation. When j (x) is the forward propagation field ψ j (z, x, {n q-1 }) and the back propagation field φ j (z, x, {n q-1 }), The refractive index n q (z, x) at (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 refracted in the cross section X along the propagation direction from the one arbitrary port to the other port. By receiving the phase change in multiple stages due to the rate distribution, it propagates 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, and the output from the other port It is emitted as an output field of light.

請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の光回路において、前記メッシュにより画定されるピクセルは、周期的な繰り返しにより前記導波領域を形成する単位格子の構成要素であることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the optical circuit according to the first aspect, the pixels defined by the mesh are constituent elements of a unit cell that forms the waveguide region by periodic repetition. And

請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の光回路において、前記単位格子は、準周期構造を形成する形状を有するものであることを特徴とする。   According to a third aspect of the invention, in the optical circuit of the first or second aspect, the unit cell has a shape that forms a quasi-periodic structure.

請求項4に記載の発明は、基板上に形成されたクラッド層と、該クラッド層に埋設されたコア層とからなる光の導波領域が設けられている光回路であって、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、他のポートから出力光として出射されるように、一様な屈折率の前記コア層に代えて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、前記他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、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 q−1 (z,x)及び屈折率分布{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、下式で与えられる値
(z,x)=vq-1(z,x)−αΣjIm[φj(z,x,{nq-1})*・ψj(z,x,{nq-1})]
を計算し、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、前記クラッド層の屈折率に相当する低屈折率部分n clad と、前記クラッド層の屈折率より高い前記コア層の屈折率に相当する高屈折率部分n core の2種類の屈折率により、各場所(z,x)における前記ピクセルのコアの屈折率を
(z,x)>(ncore+nclad)/2のときn (z,x)=ncore
(z,x)<(ncore+nclad)/2のときn (z,x)=nclad
し、かつ、
前記入力光のフィールドが、前記任意の1個のポートから前記他の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、前記他の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。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an optical circuit comprising an optical waveguide region comprising a clad layer formed on a substrate and a core layer embedded in the clad layer, wherein the optical circuit In a cross section perpendicular to the propagation direction, a place on the circuit where a cross section of the light field is to be given is a port, and input light incident from any one port is emitted as output light from another port. As described above, a wave transmission medium in which a spatial refractive index distribution is formed in place of the core layer having a uniform refractive index is provided, and the spatial refractive index distribution is such that the input light is the arbitrary one A set of one or more input / output fields output from the other port by converting the input field of the input light into the output field of the output light. To propagate each of The refractive index of each of the pixel cores defined by the cache, and the refractive index of each of the pixel cores is determined by a coordinate z of the light propagation direction, the light propagation direction in the light guiding region. Between the phase of the forward propagation field of the input field and the phase of the field propagated back to the phase conjugate of the output field at the location (z, x) of the cross-section X when the coordinate x is in the direction perpendicular to The phase difference between the pixels is determined by repeatedly calculating the refractive index of the core of each pixel as a variable, and this calculation is obtained by the (q−1) th calculation. and V q-1 (z, x ) and on the basis of the refractive index distribution {n q-1}, the input-output field sets the j-th input field [psi j (x) and the output field phi j (x ) Propagation field ψ j (z, x, { n q-1}) and the field phi j of the back propagation (z, x, {n q -1}) when the value v q (z given by the following formula , x) = v 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 corresponds to the low refractive index portion n clad corresponding to the refractive index of the cladding layer and the refractive index of the core layer higher than the refractive index of the cladding layer. the two types of the refractive index of the high refractive index portion n core, the refractive index of the core of the pixels in each location (z, x),
When v q (z, x)> (n core + n clad ) / 2, n q (z, x) = n core
When v q (z, x) <(n core + n clad ) / 2, n q (z, x) = n clad
And then, 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 from the arbitrary one port to the other port. And propagating while changing the shape of the field of light due to the interference phenomenon caused by multiple scattering of the propagation waves generated in step 1, and emitted from the other port as an output field of the output light .

請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の光回路において、前記高屈折率を有するコアのサイズは、前記導波領域内を伝搬する光の波長以下に設定されていることを特徴とする。 The invention according to claim 5 is the optical circuit according to claim 4, wherein the size of the core having the high refractive index is set to be equal to or less than the wavelength of light propagating in the waveguide region. And

請求項6に記載の発明は、請求項4または5に記載の光回路において、(λq)/(πna)で与えられる値が0.1以下であることを特徴とする。ここで、λ:伝搬光波長、n:屈折率をn core に設定されたピクセルのコアの屈折率値、a:屈折率をn core に設定されたピクセルのコアの高さ、q:伝搬光がコア以外部分を伝搬する平均距離を としたときq=( /a)で与えられる係数である。 According to a sixth aspect of the present invention, in the optical circuit according to the fourth or fifth aspect, the value given by (λq) / (πna) is 0.1 or less. Here, lambda: propagation light wavelength, n: refractive index value of the core of set pixels refractive index n core, a: height of the core of set pixels refractive index n core, q: propagating light Is a coefficient given by q = ( z L / a) where z L is the average distance propagating through the part other than the core .

請求項7に記載の発明は、請求項4乃至6の何れかに記載の光回路において、前記屈折率をn core に設定されたピクセルのコアの前記基板と平行な断面形状は、n角形(nは3以上の整数)の多角形状を有し、当該の何れの辺も、前記導波領域を伝搬する光の伝搬方向と傾斜するように前記ピクセルが配置されていることを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, in the optical circuit according to any one of the fourth to sixth aspects, a cross-sectional shape parallel to the substrate of the pixel core in which the refractive index is set to n core is an n square ( n is an integer of 3 or more), and the pixels are arranged so that each side thereof is inclined with respect to the propagation direction of light propagating through the waveguide region.

請求項8に記載の発明は、請求項7に記載の光回路において、前記多角形状は正方形であり、前記傾斜の角度が45度であることを特徴とする。   The invention according to claim 8 is the optical circuit according to claim 7, wherein the polygonal shape is a square and the inclination angle is 45 degrees.

請求項9に記載の発明は、請求項4乃至6の何れかに記載の光回路において、前記ピクセルのコアを、前記一様な屈折率のコア層の少なくとも一方の表面上に凹部を設けたレリーフ状のパターンニングを施すことにより、前記凹部の屈折率を低屈折率部分n clad とし前記凹部以外の凸部の屈折率を高屈折率部分n core として、ピクセルを構成することを特徴とする。 The invention of claim 9 is the optical circuit according to any one of claims 4 to 6, the core before Kipi Kuseru, at least one recess on the surface of the core layer of the uniform refractive index the facilities Succoth a relief-like patterning provided, the refractive index of the concave portion and the low refractive index portion n clad, the refractive index of the convex portion other than the recess as the high refractive index portion n core, that make up a pixel It is characterized by that.

請求項10に記載の発明は、請求項9に記載の光回路において、前記レリーフ状のパターンニングが、前記コア層の両面に施されていることを特徴とする。 The invention of claim 10 is the optical circuit according to claim 9, wherein the relief-like patterning, characterized in that it applied to both sides of the front SL core layer.

請求項11に記載の発明は、請求項10に記載の光回路前記コア層の両面に施されたレリーフ状のパターンは、互いに異なるパターンであることを特徴とする。 The invention described in claim 11 is characterized in that the relief-like patterns applied to both surfaces of the optical circuit according to claim 10 are different from each other.

請求項12に記載の発明は、請求項10または11に記載の光回路において、前記コア層の両面に施されたレリーフ状のパターンの前記凹部の深さが、何れも等しいことを特徴とする。 According to a twelfth aspect of the present invention, in the optical circuit according to the tenth or eleventh aspect , the depths of the concave portions of the relief pattern provided on both surfaces of the core layer are equal. .

請求項13に記載の発明は、請求項1乃至3の何れかに記載の光回路において、前記ピクセルのコアは、高屈折率(n)または低屈折率(n)の何れかの2値化された屈折率を有する複数のサブピクセルに分割されており、当該2値化されたサブピクセルの配列により前記ピクセルの屈折率が決定されていることを特徴とする。 According to a thirteenth aspect of the present invention, in the optical circuit according to any one of the first to third aspects, the pixel core has a high refractive index (n H ) or a low refractive index (n L ) of 2 The pixel is divided into a plurality of subpixels having a binarized refractive index, and the refractive index of the pixel is determined by an array of the binarized subpixels.

請求項14に記載の発明は、請求項4乃至6の何れかに記載の光回路において、前記屈折率をn core に設定されたピクセルのコアの前記基板と平行な断面形状は、円形であることを特徴とする。 According to a fourteenth aspect of the present invention, in the optical circuit according to any one of the fourth to sixth aspects, a cross-sectional shape parallel to the substrate of the core of the pixel in which the refractive index is set to n core is a circle. It is characterized by that.

請求項15に記載の発明は、請求項14に記載の光回路において、前記屈折率をn core に設定されたピクセルのコアの前記基板に垂直な断面形状は、滑らかに変化する曲線を有する形状であることを特徴とする。 According to a fifteenth aspect of the present invention, in the optical circuit according to the fourteenth aspect , the cross-sectional shape perpendicular to the substrate of the pixel core in which the refractive index is set to n core has a smoothly changing curve. It is characterized by being.

請求項16に記載の発明は、請求項1乃至15の何れかに記載の光回路において、前記空間的屈折率分布は、出力光のスポットサイズ変換を可能とするフィールドの強度分布と位相分布を実現するように設定されていることを特徴とする。
According to a sixteenth aspect of the present invention, in the optical circuit according to any one of the first to fifteenth aspects, the spatial refractive index distribution includes a field intensity distribution and a phase distribution that enable spot size conversion of output light. It is set so that it may be realized.

本発明により、従来の光導波路回路や平面ホログラフィック回路を用いた光回路よりも小型で、光の入出力を可能な限り自由に設定でき、さらに、緩やかな屈折率分布(小さな屈折率高低差)でも充分に高効率な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ことが可能となる。   The present invention is smaller than an optical circuit using a conventional optical waveguide circuit or a planar holographic circuit, can freely set input / output of light as much as possible, and has a gentle refractive index distribution (small refractive index height difference). However, by using a wave transmission medium that enables sufficiently high-efficiency optical signal control, a highly efficient and compact optical circuit can be realized.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図面において同様の機能を有する箇所には同一の符号を付し、説明の重複は省略する。また、入力光と入力ポート、および、出力光と出力ポート、に同じ符号を用いる場合があり得る。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the location which has the same function in each drawing, and duplication of description is abbreviate | omitted. Further, the same code may be used for the input light and the input port, and for the output light and the output port.

(ホログラフィック波動伝達媒体の基本概念)
以下に、本発明の光回路を構成するホログラフィック波動伝達媒体に関する基本的概念について説明するが、この説明に際しては、ホログラフィック波動伝達媒体中を伝搬する「波動」はレーザ光のようなコヒーレントを有する「光」であり、ホログラフィック波動伝達媒体は光回路として用いられているものと仮定する。なお、以下に説明する基礎理論は、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。よって、本基本概念は、広義の「電磁波」をホログラフィックに波動伝達させ得る媒体一般に応用可能であるのみならず、多体効果を無視できる電子波または巨視的にコヒーレンスを有する電子波にも適用可能である。
(Basic concept of holographic wave transmission medium)
The basic concept of the holographic wave transmission medium constituting the optical circuit of the present invention will be described below. In this explanation, the “wave” propagating in the holographic wave transmission medium is coherent like laser light. It is assumed that the holographic wave transmission medium is used as an optical circuit. Note that the basic theory described below specifies the characteristics of a medium based on a general wave equation, and can also hold in principle for general waves. Therefore, this basic concept is applicable not only to general media that can transmit holographic waves of "electromagnetic waves" in a broad sense, but also to electron waves that can ignore many-body effects or those that have macroscopic coherence. Is possible.

また、以下の説明では「屈折率」によって波動伝達媒質の性質を規定しているが、「屈折率」とはその文言の定義の通り一般的な平面状の波動の伝搬において波動を屈折させる割合(平面波の方向を偏向させる割合)を意味するものであり、光信号に対する媒体の性質を規定するものである。光信号の場合は主として誘電率である。   In the following explanation, the property of wave transmission medium is defined by "refractive index", but "refractive index" is the rate at which a wave is refracted in the propagation of a general planar wave as defined by the wording. This means (ratio of deflecting the direction of the plane wave) and defines the property of the medium with respect to the optical signal. In the case of an optical signal, it is mainly a dielectric constant.

さらに、この波動伝達媒体が「ホログラフィック」波動伝達媒体であるとされている意味は、波動伝達媒体による回路全体での大域的なレベルでのホログラフィックな制御が、局所的なホログラフィック制御とその集合(制御された多重散乱)により実現されているという点にある。より具体的には、「ホログラフィック波動伝達媒体」とは、コヒーレンスな光のパターンを入力して所望の光のパターンとして出力させるために、この媒体中を伝搬する順伝搬光と逆伝搬光の位相差が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を配置し、局所的なレベルでのホログラフィックな制御を多重に繰り返すことにより、大域的なホログラフィック制御を実現するものである。   Furthermore, this wave transmission medium is said to be a “holographic” wave transmission medium because the holographic control at the global level of the entire circuit by the wave transmission medium is different from the local holographic control. This is achieved by the set (controlled multiple scattering). More specifically, the term “holographic wave transmission medium” refers to a combination of forward-propagating light and back-propagating light propagating in this medium in order to input a coherence light pattern and output it as a desired light pattern. A global holographic control is realized by arranging the refractive index so that the phase difference becomes small at any place in the medium and repeatedly repeating the holographic control at the local level. .

図1(a)〜(c)は、ホログラフィック波動伝達媒体の基本概念と基本構造とを説明するための図である。まず、図1を参照して用語の説明をする。図1(a)中の1は光回路基板であり、1−1はホログラフィック波動伝達媒体により構成される光回路の設計領域である。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であり、この入力光3−1はホログラフィック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3−2として出力される。なお、ここでは、ホログラフィック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この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ものとする。   1A to 1C are diagrams for explaining the basic concept and basic structure of a holographic wave transmission medium. First, terms will be described with reference to FIG. In FIG. 1A, reference numeral 1 denotes an optical circuit board, and reference numeral 1-1 denotes an optical circuit design area constituted by a holographic wave transmission medium. One end face of the optical circuit is an incident surface 2-1 on which the input light 3-1 is incident, and this input light 3-1 is in the optical circuit having a spatial refractive index distribution composed of a holographic wave transmission medium. Is output while being output from the exit surface 2-2 which is the other end face. Here, it is assumed that the holographic wave transmission medium is made of a dielectric, and the spatial refractive index distribution is set based on the theory described later for the local refractive index of the dielectric that constitutes the medium. To be realized.

入力光3−1が形成している「場」(入力フィールド)は、光回路を構成するホログラフィック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、ホログラフィック波動伝達媒体は、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、これらの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1(b)参照)。図1(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。 The “field” (input field) formed by the input light 3-1 is modulated in accordance with the spatial distribution of the refractive index of the holographic wave transmission medium constituting the optical circuit to form the output light 3-2. Converted to “field” (output field). In other words, the holographic wave transmission medium is an (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 called a (forward) propagation image (propagation field or propagation light) in z) (see FIG. 1B). Coordinate z in FIG. 1 (a) coordinate (z = 0 is the incident surface, z = z e is output surface) of the propagation direction of the light is, the coordinate x is the horizontal coordinate relative to the propagation direction of the light.

ここで、「フィールド」とは、一般に電磁場(電磁界)あるいは電磁場のベクトルポテンシャル場と呼ばれるものを意味しており、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)を考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、本説明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” means what is generally called an electromagnetic field (electromagnetic field) or a vector potential field of an electromagnetic field, and the control of the electromagnetic field is a spatial refractive index distribution (that is, an optical circuit). This corresponds to considering the distribution of dielectric constant). 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 description, 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1(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。ここで特に、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の伝搬フィールドと逆伝搬フィールドとは一致する。なお、フィールドは一般には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」あるいは「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 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 back propagation light) (see FIG. 1C). Such a backpropagation image can be defined for each location 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. Here, 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 at an arbitrary point of the optical circuit coincide. The field is generally a function on the entire target space, but the term “incident field” or “exit field” means a cross section of the field on the incident surface or the 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も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。
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)。
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 light in a plurality of states is superimposed can also be targeted. In general.
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).

なお、ψj(x)およびφj(x)は、回路中で強度増幅や波長変換や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。したがって、
{ψj(x)、φj(x)}:入出力ペア(入出力のフィールドの組み)
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。
Note that ψ j (x) and φ j (x) have the same total light intensity (or negligible loss) unless intensity amplification, wavelength conversion, or polarization conversion is performed in the circuit. Their wavelength and polarization are the same. Therefore,
j (x), φ j (x)}: Input / output pair (a set of input / output fields)
Is defined by the intensity distribution and phase distribution, wavelength and polarization at the entrance and exit surfaces.

{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ひと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。
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。
clad: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(z,x)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(z,x)におけるフィールドの値。
{n q }: Refractive index distribution (a set of values for the entire optical circuit design region).
When one refractive index distribution is given for a given incident field and outgoing field, the field of light is determined, so it is necessary to consider the field for the entire refractive index distribution given by the qth iteration. Therefore, the entire refractive index distribution may be expressed as n q (x, z) with (x, z) as an indefinite variable, but it is distinguished from the refractive index value n q (x, z) at location (x, z). Therefore, {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 }): The field at location (z, x) when the j-th incident field ψ j (x) is propagated to z in the refractive index profile {n q }. value.
φ j (z, x, {n q }): field at the location (z, x) when the j-th outgoing field φ j (x) is propagated back through the refractive index profile {n q } to z The value of the.

以下に説明する屈折率分布の決定方法は、すべてのjについてψj(ze,x,{n})=φj(x)あるいはそれに近い状態となるように{n}を求める方法を与えるものである。 Method of determining the refractive index profile described below, all j for ψ j (z e, x, {n q}) method of obtaining a = φ j (x) or, as a state close to it {n q} Is to give.

「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、たとえば、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可能である。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可能である。符号としては、入射ポート側にはアルファベットの大文字A、B、C、・・・を充て、出射ポート側にはアルファベットの小文字a、b、c、・・・を充てるものとする。   “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 area, an area where the light intensity can be propagated to the fiber. It is. Here, since the field intensity distribution and phase distribution can be designed to be different for the j-th and k-th ones, it is possible to provide a plurality of ports 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 Can be configured as different ports regardless of whether they are the same or orthogonal. As the reference numerals, alphabetic capital letters A, B, C,... Are assigned to the incident port side, and alphabetic small letters a, b, c,.

その他、α、γ、gやwは数値計算上の適当な係数であり、それらの程度については適宜文章中に示すこととするが、たとえば、通常の数値流体力学等で用いられる「スキームの安定性の議論」にしたがって、実際の数値計算では僅かに調整されるべきものである。   In addition, α, γ, g, and w are appropriate coefficients in numerical calculation, and the degree thereof will be appropriately indicated in the text. For example, “scheme stability used in ordinary computational fluid dynamics” The actual numerical calculation should be adjusted slightly according to the “sex argument”.

伝搬方向はz、伝搬方向に対して垂直な方向はxで表し、入射面2−1でのzの値を0、出射面2−2でのzの値をzとする。後述するように、対象とする区別可能な光の状態に順次番号をつける。このとき、j番目の入射フィールドと、それに対応し出射させたい所望の出射フィールドをそれぞれψj(x)およびφj(x)とする。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もつものとするが、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て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。なお、j番目の入射フィールドや出射フィールドとは、フィールドの強度分布と位相分布あるいは波長や偏光により互いに区別される属性を有する光の組の要素に対して適当に順番をつけたものである。 Propagation direction z, expressed in a direction perpendicular x to the propagation direction, 0 the value of z at the incident surface 2-1, the value of z at the exit surface 2-2 and z e. As will be described later, sequential numbers are assigned to the distinguishable light states. At this time, the j-th incident field and the corresponding desired emission field to be emitted are ψ j (x) and φ j (x), respectively. Here, the electromagnetic field is a field of a real vector value, and has the wavelength and polarization state as parameters, but the value of the component is displayed as a complex number that is easy to handle in general, and the electromagnetic wave solution is expressed. To do. In the following calculation, it is assumed that the strength of the entire field is normalized to 1. Note that the j-th incident field and output field are appropriately ordered with respect to elements of a set of light having attributes that are distinguished from each other by the intensity distribution and phase distribution of the field or wavelength and polarization.

図1(b)および図1(c)に示すように、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をそれぞれ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)と出射フィールド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。これらの各フィールドの様子をより具体的な例を用いて説明すると以下のようになる。 As shown in FIG. 1B and FIG. 1C, for the jth incident field ψ j (x) and the output field φ j (x), the propagation field and the back propagation field are respectively represented by complex vector values. As functions, ψ j (z, x, {n}) and φ j (z, x, {n}) are written. 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 if an incident field ψ j (x), an outgoing field φ j (x), and a refractive index distribution {n} are given. . The state of each of these fields will be described using a more specific example as follows.

図2は、従来のアレイ導波路格子回路の構成例を説明するための図で、光回路設計領域1−1には、2つのスターカプラ(光合分波器)4−1および4−2間に設けられたアレイ導波路5と、このアレイ導波路5の中央部に設けられた波長板6とが形成されている。この図に示したような波長多重通信における1×N波長分波器(Nは波長の数)を考えると、たとえば、1つの入力ポート3−1に対して、ほぼ同様なフィールド強度と位相分布をもつ入射フィールドで、波長λ,・・・,λの異なるN個の信号に番号をつけ、そのj番目の波長の光を所望の個別の出力ポート3−2から出力させる。このとき、光を分波するためには、導波路の出射面の断面におけるj番目の波長の光の強度および位相の分布は、独立な出射フィールドパターンとなっていることが求められ、これをj番目の出射フィールドと呼ぶ。分波された光を光ファイバへ出力させる場合を想定すれば、出力されるべきフィールドパターンは、独立した各々の出射フィールドが空間的に異なる場所となるフィールドの組となる。なお、与えられた入射フィールドの組を所望の出射フィールドで出力する光回路を構成するためには、入射フィールドあるいは出射フィールドのパターンは、その強度および位相の分布がj番目とk番目とで同一であってもよい。 FIG. 2 is a diagram for explaining a configuration example of a conventional arrayed waveguide grating circuit. An optical circuit design area 1-1 includes two star couplers (optical multiplexer / demultiplexers) 4-1 and 4-2. And the wave plate 6 provided at the center of the arrayed waveguide 5 is formed. Considering a 1 × N wavelength demultiplexer (N is the number of wavelengths) in wavelength division multiplexing communication as shown in this figure, for example, substantially the same field intensity and phase distribution for one input port 3-1. , Λ N are numbered, and the j-th wavelength light is transmitted to a desired individual output port 3-2 in an incident field having a wavelength of λ 1 , λ 2 , λ 3 ,. Output from. At this time, in order to demultiplex the light, it is required that the intensity and phase distribution of the j-th wavelength light in the cross section of the exit surface of the waveguide is an independent output field pattern. Called the j-th outgoing field. Assuming the case where the demultiplexed light is output to the optical fiber, the field pattern to be output is a set of fields in which each independent emission field is spatially different. In order to construct an optical circuit that outputs a given set of incident fields in a desired outgoing field, the pattern of the incoming field or outgoing field has the same intensity and phase distribution at the jth and kth. It may be.

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3はホログラフィック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説明するためのフローチャートである。この計算は繰り返し実行されるものであるので、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。
In the following, a general algorithm for determining the spatial refractive index distribution will be described.
FIG. 3 is a flowchart for explaining a calculation procedure for determining the spatial refractive index distribution of the holographic wave transmission medium. Since this calculation is repeatedly executed, the number of repetitions is represented by q, and the state of the q-th calculation when the calculation is executed up to the (q−1) -th is shown.

(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)。 Based on the refractive index distribution {n q-1 } obtained by the (q-1) th calculation, the jth incident field ψ j (x) and the outgoing field φ j (x) are opposite to the propagation field. The 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 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 repeat the S240, 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 becomes smaller than a desired error d j (Step S230: YES) The calculation ends.

上式(1)のように屈折率n(z,x)を求める根拠は下記のとおりであり、屈折率分布を最急降下法により求めることに対応している。 The basis for obtaining the refractive index n q (z, x) as in the above equation (1) is as follows, which corresponds to obtaining the refractive index distribution by the steepest descent method.

まず、屈折率分布{nq-1}により入射光が伝搬したフィールドψj(ze,x,{nq-1})と、最終的に得たい出力φj(x)との差が最小となるためには、残差R=Σj |φj(x)−ψj(ze,x,{nq-1})|が最小となればよい。なお、φj(x)などはxの関数であることを表しており、特定のxの座標を意味するわけではない。また、各ペアごとに重みをつけてもよいが簡単のため全て同じ重みで和をとることとする。 First, the difference between the field ψ j (z e , x, {n q-1 }) in which the incident light is propagated by the refractive index distribution {n q-1 } and the output φ j (x) to be finally obtained is to become minimum, the residual R = Σ j | φ j ( x) -ψ j (z e, x, {n q-1}) | 2 may if minimized. Note that φ j (x) or the like represents a function of x, and does not mean a specific coordinate of x. Also, a weight may be assigned to each pair, but for simplicity, all are summed with the same weight.

ここでは、光のフィールドの重ね合わせが可能な範囲で考えており、フィールドの重なり積分により内積が定義される。この光フィールドの重ね合わせは有限のエネルギをもち、かつ、取り扱われるフィールドは空間的に有限な範囲に限定される。したがって、ここでいうフィールドはヒルベルト空間を形成し、光の伝搬は以下の性質を有するユニタリ変換として定義される。   Here, it is considered that the light fields can be overlapped, and the inner product is defined by the field overlap integration. This superposition of light fields has a finite energy, and the field handled is limited to a spatially finite range. Therefore, the field here forms a Hilbert space, and the propagation of light is defined as a unitary transformation having the following properties.

具体的には、z0からzまでのユニタリ変換演算子Uとして、
ψj(z,x,{nq-1})=U(z,z0,{nq-1})ψj(z0,x,{nq-1})・・・(2)
が成り立ち、ここで、反射が無視できる程度であるとすると、伝搬過程の加法性から、
U(z,z0,{nq-1})=U(z,z1,{nq-1})U(z,z0,{nq-1})・・・(3)
となる。
Specifically, as a unitary transformation operator U from z 0 to z,
ψ j (z, x, {n q-1 }) = U (z, z 0 , {n q-1 }) ψ j (z 0 , x, {n q-1 }) (2)
Here, if the reflection is negligible, from the additivity of the propagation process,
U (z, z 0 , {n q-1 }) = U (z, z 1 , {n q-1 }) U (z, z 0 , {n q-1 }) (3)
It becomes.

さらに、重なり積分により定義される内積に対してユニタリ性を有するから、
U(z,z0,{nq-1})*U(z,z0,{nq-1})=U(z,z0,{nq-1})-1U(z,z0,{nq-1})
=|U(z,z0,{nq-1})|=1・・・(4)
となる。ここで、U(z,z0,{nq-1})*はU(z,z0,{nq-1})の自己随伴演算子である。また、U(z,z0,{nq-1})−1はU(z,z0,{nq-1})の逆演算子、つまり、逆方向の伝搬を与える演算子である。
Furthermore, since it has unitarity for the inner product defined by the overlap integral,
U (z, z 0 , {n q-1 }) * U (z, z 0 , {n q-1 }) = U (z, z 0 , {n q-1 }) -1 U (z, z 0 , {n q-1 })
= | U (z, z 0 , {n q-1 }) | 2 = 1 (4)
It becomes. Here, U (z, z 0 , {n q-1 }) * is a self-adjoint operator of U (z, z 0 , {n q-1 }). U (z, z 0 , {n q-1 }) −1 is an inverse operator of U (z, z 0 , {n q-1 }), that is, an operator that gives propagation in the reverse direction. .

z’とzの差(|z’−z|)が十分小さい範囲において、U(z',z,{nq-1})はビーム伝搬法などにおける丁度1ステップ分の変換をもたらす行列であると考えればよく、適当に伝搬方向を分割してこの演算を繰り返したものがU(z,z0,{nq-1})などであると考えればよい。 In a range where the difference between z ′ and z (| z′−z |) is sufficiently small, U (z ′, z, {n q−1 }) is a matrix that provides a conversion of just one step in the beam propagation method or the like. What is necessary is just to think that there is U (z, z 0 , {n q-1 }) or the like obtained by appropriately dividing the propagation direction and repeating this calculation.

これらの結果を用いて残差Rを書き換えると、
R=Σj|φj(x)−U(ze,z',{nq-1})U(z',0,{nq-1})ψj(x)|
=Σj|U(ze,z',{nq-1})||U(ze,z',{nq-1})-1φj(x)−U(z',0,{nq-1})ψj(x)|
=Σj|U(ze,z',{nq-1})−1φj(x)−U(z',z,{nq-1})U(z,0,{nq-1})ψj(x)|
=Σj|φj(z',x,{nq-1})−U(z',z,{nq-1})ψj(z,x,{nq-1})|・・・(5)
となる。
Rewriting the residual R using these results,
R = Σ j | φ j ( x) -U (z e, z ', {n q-1}) U (z', 0, {n q-1}) ψ j (x) | 2
= Σ j | U (z e , z ', {n q-1}) | 2 | U (z e, z', {n q-1}) -1 φ j (x) -U (z ', 0, {n q-1 }) ψ j (x) | 2
= Σ j | U (z e , z ', {n q-1}) -1 φ j (x) -U (z', z, {n q-1}) U (z, 0, {n q -1 }) ψ j (x) | 2
= Σ j | φ j (z ′, x, {n q−1 }) − U (z ′, z, {n q−1 }) φ j (z, x, {n q−1 }) | 2 ... (5)
It becomes.

|z’−z|→0の極限においては、特定のx座標の場所xにおけるU(z',z,{nq-1})の変化(δxU(z',z,{nq-1}))は、同じく特定のx座標の場所xにおけるnq-1(z,x)の変化(δxnq-1(z,x))と、
δxU(z',z,{nq-1})=−iκδnq-1(z,x)・・・(6)
の関係を有する。なお、κは概ね真空中の伝搬定数程度の値で正数の適当な係数であるが、計算上他の係数と組み合わせるためここでは詳しく議論しない。
In the limit of | z′−z | → 0, the change (δ x U (z ′, z, {n q )) of U (z ′, z, {n q−1 }) at a specific x coordinate location x. -1 })) is also the change of n q-1 (z, x) at the location x of the specific x coordinate (δ x n q-1 (z, x)),
δ x U (z ′, z, {n q−1 }) = − iκδ x n q−1 (z, x) (6)
Have the relationship. Note that κ is a value that is approximately a propagation constant in vacuum and an appropriate positive coefficient, but will not be discussed in detail here because it is combined with other coefficients for calculation.

以上の結果より、特定のx座標の場所xにおける残差Rの変化(δxR))として、
δxR=Σj{−iκδnq-1(z,x)φj(z',x,{nq-1})*ψj(z,x,{nq-1})+c.c.}
=2κδnq-1(z,x)ImΣjφj(z',x,{nq-1})*ψj(z,x,{nq-1})・・・(7)
が得られる。
From the above results, the change in the residual R (δ x R) at the location x of the specific x coordinate is
δ x R = Σ j {−iκδn q−1 (z, x) φ j (z ′, x, {n q−1 }) * ψ j (z, x, {n q−1 }) + c.c .}
= 2κδn q-1 (z, x) ImΣ j φ j (z ', x, {n q-1}) * ψ j (z, x, {n q-1}) ··· (7)
Is obtained.

ここで、
δnq-1(z,x)=−αImΣjφj(z',x,{nq-1})*ψj(z,x,{nq-1}) (α>0)・・(8)
とすればδxR<0となり、この方向に変化させていけば極小値に向かうことになる。これが上式(1)の方向に屈折率分布を変化させる理由である。
here,
δn q-1 (z, x) =-αImΣ j φ j (z ', x, {n q-1 }) * ψ j (z, x, {n q-1 }) (α> 0) (8)
Then, δ x R <0, and if it is changed in this direction, it will go to the minimum value. This is the reason for changing the refractive index distribution in the direction of the above formula (1).

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.

図4は上述した計算手順の理解を容易にするために、ホログラフィック波動伝達媒体中でのフィールドの様子の一例を示した図である。ホログラフィック波動伝達媒体からなる光回路設計領域1−1の任意の位置(x,z)において、伝搬する光の波面に対して概ね平行でかつ概ね無視できる幅(Δz)を持った微小領域を仮定し、この微小領域の断面をXとする。なお、ここで「概ね無視できる幅」とは、屈折率分布をもたない媒体中を光がその距離Δzだけ伝搬したときに、伝搬光の位相がもとの波面と概ね同一であるような距離を意味している。断面Xよりも入射面2−1側にある光回路をA回路、出射面2−2側にある光回路をB回路とすると、断面XはA回路とB回路の界面となる。   FIG. 4 is a diagram showing an example of the state of the field in the holographic wave transmission medium in order to facilitate understanding of the calculation procedure described above. At an arbitrary position (x, z) of the optical circuit design area 1-1 made of a holographic wave transmission medium, a minute area having a width (Δz) that is substantially parallel to the wavefront of the propagating light and that can be substantially ignored. Assume that X is a cross section of this minute region. Here, the “substantially negligible width” means that when the light propagates through the medium having no refractive index distribution by the distance Δz, the phase of the propagating light is substantially the same as the original wavefront. It means distance. If the optical circuit on the incident surface 2-1 side of the cross section X is an A circuit and the optical circuit on the output surface 2-2 side is a B circuit, the cross section X is an interface between the A circuit and the B circuit.

いま、所望の各入出力の組を考えて、各組にj=1からNと番号を付け、j番目の組の入射フィールドψj(x)と出射フィールドφj(x)を仮定する。A回路に入射フィールドψj(x)を入力して伝搬させた場合の、界面Xにおける、導波光、回折光および散乱光の各々のフィールドの和はフィールドψj(z,x,{n})である。また、A回路中を伝搬する光の位相共役光として、出射フィールドφj(x)をA回路とは逆方向にB回路中を伝搬させた導波光、回折光および散乱光の各々のフィールドの和はフィールドφj(z+Δz,x,{n})である。これらのフィールドψj(z,x,{n})およびφj(z+Δz,x,{n})の位相差を、各組毎に平均(または重み付け平均)した値Pを求め、この位相差Pを、所望の屈折率の範囲において可能な限り打ち消すように界面X上での屈折率分布を決定する。このような屈折率分布は界面X毎に定まるから、界面Xの位置をz軸上で0(入射面)からz(出射面)まで変化させて演算を実行することとすれば、ホログラフィック波動伝達媒体全体の屈折率分布が定まることとなる。 Now, considering each desired input / output set, j = 1 to N are assigned to each set, and the j-th set incident field ψ j (x) and output field φ j (x) are assumed. When the incident field ψ j (x) is input to the A circuit and propagated, the sum of each of the guided light, diffracted light and scattered light at the interface X is the field ψ j (z X , x, {n q }). In addition, as phase conjugate light of light propagating in the A circuit, each of the fields of the guided light, the diffracted light, and the scattered light in which the outgoing field φ j (x) is propagated in the B circuit in the opposite direction to the A circuit. The sum is the field φ j (z X + Δz, x, {n q }). A value P obtained by averaging (or weighted average) the phase differences of these fields ψ j (z X , x, {n q }) and φ j (z X + Δz, x, {n q }) for each group. The refractive index distribution on the interface X is determined so as to cancel out the phase difference P as much as possible within a desired refractive index range. Since such a refractive index distribution is determined for each interface X, if the calculation is executed by changing the position of the interface X from 0 (incident surface) to z e (exit surface) on the z-axis, holographic The refractive index distribution of the entire wave transmission medium is determined.

屈折率の空間的分布の決定は、ホログラフィック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」若しくは「ピクセル」と呼ぶ)の屈折率を各ピクセルごとに決定するものとも言い換えることが可能である。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)値とすることが可能であるが、基も単純な系は、低屈折率(n)を有するピクセルと高屈折率(n)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可能である。すなわち、ホログラフィック波動伝達媒体とは、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も可能である。 The spatial distribution of the refractive index is determined by defining a virtual mesh in the holographic wave transmission medium and determining the refractive index of a minute region (called “pixel” or “pixel”) defined by this mesh for each pixel. It can be paraphrased as something to do. In principle, such a local refractive index can be set to an arbitrary (desired) value for each location. However, a system having a simple base has a low refractive index (n L ). And a system consisting of only pixels having a high refractive index (n H ), and the overall refractive index distribution is determined by the spatial distribution of these two types of pixels. In this case, the place where the low refractive index pixel exists in the medium is considered as a gap of the high refractive index pixel, and conversely, the place where the high refractive index pixel exists is considered as the gap of the low refractive index pixel. Is possible. That is, the holographic wave transmission medium can also be expressed as a desired place (pixel) in a medium having a uniform refractive index replaced with a pixel having a different refractive index.

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。すなわち、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(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。そして、これらのフィールド分布1および2をもとに、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上記2つのフィールド間の差を減少させることが可能となる。そして、このようなホログラフィック波動伝達媒体を、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可能となる。   The calculation contents for determining the refractive index distribution described above are summarized as follows. That is, an input port and an output port are provided in a medium (dielectric in the case of light) capable of transmitting a wave in a holographic manner, and the field distribution 1 (propagating light) of propagating light incident from the input port and 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. Then, based on these field distributions 1 and 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 holographic wave transmission medium is applied to an optical component that emits light incident from an input port to a desired output port, it is effective due to an interference phenomenon caused by multiple scattering of propagation waves generated in the medium. Thus, an optical circuit having a sufficiently high optical signal controllability can be configured even with a gradual refractive index change (distribution).

以下に実施例により、上述のホログラフィック波動伝達媒体を用いて構成した光回路について説明する。なお、以下の実施形態においては、特に断らない場合は、基板上に形成した埋め込み型石英系光導波路と同様の屈折率分布を、基板からの高さ方向に有する光回路であり、その光回路の厚み(層厚)は単一モード光導波路とほぼ同等のものであるものとする。さらに、基板にはシリコン基板を用い、その上に石英に添加物を加えて屈折率を調整した膜を堆積し、半導体作製工程で用いられる微細加工技術により、光回路をパターン化するものである。したがって、光回路パターンは2次元的であり、基板に対して水平方向に光回路としての機能を発現するようにパターン形成される。   In the following, an optical circuit configured using the above-described holographic wave transmission medium will be described by way of an example. In the following embodiments, unless otherwise specified, an optical circuit having a refractive index distribution in the height direction from the substrate, similar to that of the embedded silica-based optical waveguide formed on the substrate. The thickness (layer thickness) of is assumed to be approximately the same as that of a single mode optical waveguide. Furthermore, a silicon substrate is used as a substrate, and a film whose refractive index is adjusted by adding an additive to quartz is deposited thereon, and an optical circuit is patterned by a fine processing technique used in a semiconductor manufacturing process. . Therefore, the optical circuit pattern is two-dimensional and is formed so as to exhibit the function as an optical circuit in the horizontal direction with respect to the substrate.

しかしながら、高屈折率部分と低屈折率部分とからなる回路を基板面内に2次元的に展開した場合に、単純に、低屈折率部分を光導波路のコアに相当する部分が全くないものとしてしまうと、光回路における損失が発生してしまうこととなる。したがって、光回路としては2次元的であっても基板高さ方向をも考慮して光回路が設計されるべきであることはいうまでもない。   However, when a circuit composed of a high refractive index portion and a low refractive index portion is two-dimensionally developed in the substrate surface, it is simply assumed that there is no portion corresponding to the core of the optical waveguide. As a result, a loss in the optical circuit occurs. Therefore, it goes without saying that the optical circuit should be designed in consideration of the substrate height direction even if it is two-dimensional.

上述したように、本発明の光回路の作製には半導体微細加工技術が適用されるので、特に断らない限りは、光回路の屈折率分布は2値化されたパターンとなる。また、基板面内におけるパターンにおいて、屈折率が高い部分を高屈折率部分、低い部分を低屈折率部分と呼ぶ。また、屈折率調整された膜の堆積により屈折率変化が与えられているので、基板高さ方向での屈折率の高い部分を高屈折率層、低い部分を低屈折率層と呼ぶ。なお、特に問題がない場合には、光導波路の構造の慣例に従って、高屈折率部分を「コア」、低屈折率部分を「クラッド」と呼ぶ。さらに、基板水平面内のパターンについて議論する場合には、パターンの基本単位を「ピクセル」とよび、この「ピクセル」がブロック状に組み合わされることでマクロなパターンが形成される。このようなピクセルは、最も単純な場合には、仮想的に設けられたメッシュにより規定されるピクセルサイズの周期の格子点上に配置され、高屈折率部分と低屈折率部分とによれパターンが形成される。ただし、これらのピクセルを格子点上に配置する必要は必ずしもなく、所望の屈折率分布を得るために意図的に格子点上からずらして配置するようにしてもよい。   As described above, since the semiconductor microfabrication technology is applied to the fabrication of the optical circuit of the present invention, the refractive index distribution of the optical circuit is a binarized pattern unless otherwise specified. In the pattern in the substrate surface, a portion having a high refractive index is called a high refractive index portion, and a portion having a low refractive index is called a low refractive index portion. In addition, since the refractive index change is given by the deposition of the film whose refractive index is adjusted, the high refractive index portion in the substrate height direction is called the high refractive index layer and the low portion is called the low refractive index layer. If there is no particular problem, the high refractive index portion is referred to as “core” and the low refractive index portion is referred to as “cladding” in accordance with the customary structure of the optical waveguide. Further, when discussing the pattern in the horizontal plane of the substrate, the basic unit of the pattern is called “pixel”, and a macro pattern is formed by combining these “pixels” in a block shape. In the simplest case, such a pixel is arranged on a lattice point having a period of a pixel size defined by a virtually provided mesh, and a pattern is formed by a high refractive index portion and a low refractive index portion. It is formed. However, these pixels are not necessarily arranged on the lattice points, and may be intentionally shifted from the lattice points in order to obtain a desired refractive index distribution.

いわゆるステップインデクス型の光回路の場合には、屈折率の取り得る値が限られているため、上述した式(1)に基づいて光回路が設計可能か否かは自明ではない。しかし、屈折率の取り得る値が限られている場合であっても、局所的な屈折率の調整を繰り返すことにより、光の位相を大域的に調整することが可能である。したがって、光回路を構成する誘電体の屈折率の上限値とこの上限値に至る有限個の屈折率値とを有するステップ状の屈折率分布を仮定し、これらの屈折率を制限値として光回路の屈折率分布を計算することで光回路を設計することは可能である。本実施例ではこのような考えに基づいて光回路を設計する。   In the case of a so-called step index type optical circuit, since the value that the refractive index can take is limited, it is not obvious whether or not the optical circuit can be designed based on the above formula (1). However, even if the values that the refractive index can take are limited, it is possible to globally adjust the phase of light by repeatedly adjusting the local refractive index. Therefore, assuming a step-like refractive index distribution having an upper limit value of the refractive index of the dielectric constituting the optical circuit and a finite number of refractive index values reaching the upper limit value, and using these refractive indexes as limit values, the optical circuit It is possible to design an optical circuit by calculating the refractive index distribution of the optical circuit. In this embodiment, an optical circuit is designed based on such an idea.

本実施例においてはこれを、ステップインデクス型平面光導波路と同様の構造の光導波路であって、かつ、その導波路のコアが光回路設計領域においてドット状にパターン化されている構造を有する光導波路に適応し、1.31μmと1.55μmの波長分割フィルタを設計した。   In the present embodiment, this is an optical waveguide having a structure similar to that of a step index type planar optical waveguide, and having a structure in which the core of the waveguide is patterned in a dot shape in the optical circuit design region. The wavelength division filter of 1.31μm and 1.55μm was designed to adapt to the waveguide.

本実施例では、石英の光導波路が想定されている。また、屈折率の空間的分布を計算するにあたっては、コア(高屈折率部分)の屈折率とクラッド(低屈折率部分)の屈折率の2種類のみを考えることとし、これらの2種類の屈折率を光回路設計領域内で分布させて得られる屈折率分布を計算することとした。   In this embodiment, a quartz optical waveguide is assumed. In calculating the spatial distribution of the refractive index, only two types of refractive index are considered: the refractive index of the core (high refractive index portion) and the refractive index of the cladding (low refractive index portion). The refractive index distribution obtained by distributing the refractive index within the optical circuit design region was calculated.

また、図3を用いて説明した屈折率分布算出のアルゴリズムでは、パラメータである屈折率値は自由な値を取り得るものとしているが、ここでは、次式(9)で与えられるvなる値を計算し、このv値から次式(10)および(11)により屈折率を求めることとした。
v(z,x)=vq-1(z,x)−αΣjIm[φj(z,x,{nq-1})*・ψj(z,x,{nq-1})]・・・(9)
v(z,x) > (ncore+nclad)/2のときはn(z,x)=ncore・・・(10)
v(z,x) < (ncore+nclad)/2のときはn(z,x)=ncladd・・・(11)
ここで、ncoreはコアに相当する屈折率、ncladはクラッドに相当する屈折率である。したがって、光回路設計領域内での屈折率分布は、これらの2種類の屈折率を空間的に分布させて得られることになる。なお、一般には、ncore > ncladの関係が成立する。このような計算によっても、以下に示すように、十分に所望の光出力を得ることが可能な光導波路を設計することができる。さらに、簡単化のために、上記2種類の屈折率のうち、コアのパターンに相当する屈折率(ncore)を有効屈折率とし、進行方向1次元、横方向1次元として計算した。
Further, in the algorithm for calculating the refractive index distribution described with reference to FIG. 3, the refractive index value as a parameter can take any value, but here, the value v q given by the following equation (9): From this v q value, the refractive index was determined by the following equations (10) and (11).
v q (z, x) = v q-1 (z, x) −αΣ j Im [φ j (z, x, {n q-1 }) * · ψ j (z, x, {n q-1 })] ... (9)
When v q (z, x)> (n core + n clad ) / 2, n q (z, x) = n core (10)
When v q (z, x) <(n core + n clad ) / 2, n q (z, x) = n cladd (11)
Here, n core is a refractive index corresponding to the core, and n clad is a refractive index corresponding to the clad . Therefore, the refractive index distribution in the optical circuit design region is obtained by spatially distributing these two types of refractive indexes. In general, the relationship n core > n clad is established. By such calculation, an optical waveguide capable of sufficiently obtaining a desired light output can be designed as will be described below. Further, for simplification, the refractive index (n core ) corresponding to the core pattern of the above two types of refractive indexes was used as the effective refractive index, and the calculation was performed as one dimension in the traveling direction and one dimension in the lateral direction.

図5(a)および図5(b)は、本実施例における光回路設計の設定を説明するための図である。まず、入力ポート3−1から入力させた偏波多重された光を出力ポート3−2から出力させることとして屈折率分布を調整することにより、図5(a)のように、波長1.31μmの入射フィールドψ1(x)と出射フィールドφ1(x)(すなわち、上記の記号でj=1)の組と、図5(b)のように、波長1.55μmの入射フィールドψ2(x)と出射フィールドφ2(x)(すなわち、上記の記号でj=2)の組を設定した。フィールドは入射面2−1と出射面2−2の全域について定義されるものであるが、この図では理解の容易化のために、フィールド強度が集中している部分のみを図示している。このような入射/出射フィールドの組{ψj(x),φj(x)}を、以降、入出力ペアと呼ぶ。 FIG. 5A and FIG. 5B are diagrams for explaining the setting of the optical circuit design in the present embodiment. First, by adjusting the refractive index distribution by outputting the polarization multiplexed light input from the input port 3-1 from the output port 3-2, as shown in FIG. A pair of an incident field ψ 1 (x) and an outgoing field φ 1 (x) (that is, j = 1 in the above symbol) and an incident field ψ 2 (x) having a wavelength of 1.55 μm as shown in FIG. And the output field φ 2 (x) (that is, j = 2 in the above symbol). The field is defined for the entire area of the incident surface 2-1 and the output surface 2-2, but in this drawing, only the portion where the field intensity is concentrated is illustrated for easy understanding. Such a pair of incident / exit fields {ψ j (x), φ j (x)} is hereinafter referred to as an input / output pair.

図6(a)および図6(b)は、本実施例による屈折率分布(図6(a))と透過スペクトル(図6(b))を説明するための図である。上記のアルゴリズムにしたがって屈折率を計算する約200回の繰り返しにより、図6(a)に示した屈折率分布を有する光回路が得られる。ここで、図中の光回路設計領域(1−1)内の黒色部分(1−11)はコアに相当する高屈折率部(誘電体多重散乱部)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である。クラッドの屈折率としては石英ガラスの屈折率を想定しており、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ものとしている。また、光回路のサイズは縦300μm、横140μmである。   FIGS. 6A and 6B are diagrams for explaining the refractive index distribution (FIG. 6A) and the transmission spectrum (FIG. 6B) according to this example. An optical circuit having the refractive index distribution shown in FIG. 6A is obtained by repeating the calculation of the refractive index according to the above algorithm about 200 times. Here, the black portion (1-11) in the optical circuit design region (1-1) in the figure is a high refractive index portion (dielectric multiple scattering portion) corresponding to the core, and the portions other than the black portion are cladding. This is a low refractive index portion corresponding to. As the refractive index of the clad, the refractive index of quartz glass is assumed, and the refractive index of the core is assumed to have a value higher by 1.5% than that of quartz glass. The size of the optical circuit is 300 μm in length and 140 μm in width.

屈折率分布を求める際の計算に用いられたメッシュは140×300(=42000)である。従って、屈折率分布のパラメータ数は42000となるから、これらのパラメータを最適化する必要がある。最急降下法を単純に適用して、これらの各々のパラメータについて1つずつ数値微分を求めることでパラメータを最適化する場合には、1ステップ分の計算を実行するのに42000の光の伝搬を計算する必要がある。これに対して、本実施例では2回の光の伝搬を計算するだけで足りるため、実用上妨げとならない短時間の計算で光回路の設計が可能となる。   The mesh used in the calculation for obtaining the refractive index distribution is 140 × 300 (= 42000). Accordingly, since the number of parameters of the refractive index distribution is 42000, it is necessary to optimize these parameters. If the parameters are optimized by simply applying the steepest descent method and obtaining a numerical derivative for each of these parameters, the propagation of 42000 light is needed to perform the calculation for one step. It is necessary to calculate. On the other hand, in this embodiment, it is only necessary to calculate the propagation of light twice, so that an optical circuit can be designed with a short time calculation that does not impede practical use.

このようにして設計された光回路の透過スペクトルは図6(b)のようになり、波長1.31μmの光が出力ポートaから出力される一方、波長1.55μmの光が出力ポートbから出力される特性を示す。すなわち、波長による分波器が形成されていることがわかる。なお、図5(a)および図5(b)に図示した光の入力方向と出力方向とを逆転させ、上記2つの波長の光の各々を出力ポートaおよびbから入力しこれらの光を合波して入射面2−1から出力させることも可能であるから、合波器としても動作させることができる。つまり、本実施例で説明した光回路は、光の波長による合分波器としての作用を奏することが分かる。   The transmission spectrum of the optical circuit designed in this way is as shown in FIG. 6B. Light having a wavelength of 1.31 μm is output from the output port a, while light having a wavelength of 1.55 μm is output from the output port b. Show the characteristics. That is, it can be seen that a wavelength demultiplexer is formed. The light input direction and output direction shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b) are reversed, and each of the two wavelengths of light is input from the output ports a and b, and these lights are combined. Since it can be output from the incident surface 2-1, it can be operated as a multiplexer. That is, it can be seen that the optical circuit described in the present embodiment has an effect as a multiplexer / demultiplexer depending on the wavelength of light.

ところで、光回路としての機能を担保するためには、光回路内を伝搬する光がその光回路内で十分に閉じ込められることが必要である。図6(a)に示した屈折率分布では、高屈折率部であるコアは光回路設計領域内でドット状に分布しており、基板の厚み方向での光の閉じ込めが不十分になることが懸念される。   By the way, in order to secure the function as an optical circuit, it is necessary that light propagating in the optical circuit is sufficiently confined in the optical circuit. In the refractive index distribution shown in FIG. 6A, the core that is the high refractive index portion is distributed in the form of dots in the optical circuit design region, and light confinement in the thickness direction of the substrate becomes insufficient. Is concerned.

そこで、高屈折率部を2つの高屈折率部(第1の高屈折率部と第2の高屈折率部)で構成することとし、この高屈折率部が低屈折率部で上下から挟まれている構造の光回路を想定し、その屈折率分布を求めた。   Therefore, the high refractive index portion is composed of two high refractive index portions (a first high refractive index portion and a second high refractive index portion), and the high refractive index portion is sandwiched from above and below by the low refractive index portion. Assuming an optical circuit with the above structure, the refractive index distribution was obtained.

図7(a)は、平面光波回路状の屈折率分布を有し、かつ、基板垂直方向での光閉じ込め可能な光回路の断面概念図であり、この光回路の高屈折率部1−11は、2つの高屈折率部(第1の高屈折率部1−11aと第2の高屈折率部1−11b)で構成され、第2の高屈折率部1−11bは第1の高屈折率部1−11aよりも高い屈折率を有している。そして、高屈折率部1−11が上下の低屈折率部1−12で挟まれて光回路が構成されている。なお、この光回路において所謂「コア」として作用するのは第2の高屈折率部1−11bであり、第1の高屈折率部1−11aは、このコア中を伝搬する光を基板の厚み方向(垂直方向)に閉じ込めるためのものである。なお、この図において、低屈折率部1−12と第1の高屈折率部1−11aの比屈折率差、および、第1の高屈折率部1−11aと第2の高屈折率部1−11bの比屈折率差は、各々1.5%として計算を行っている。図7(a)の右側には光回路の垂直方向での有効屈折率プロファイルが、下側には高屈折率部1−11における水平方向での有効屈折率プロファイルが示されている。   FIG. 7A is a conceptual cross-sectional view of an optical circuit having a planar lightwave circuit-like refractive index distribution and capable of optical confinement in the direction perpendicular to the substrate. The high refractive index portion 1-11 of this optical circuit is shown in FIG. Is composed of two high refractive index portions (a first high refractive index portion 1-11a and a second high refractive index portion 1-11b), and the second high refractive index portion 1-11b is a first high refractive index portion 1-11b. The refractive index is higher than that of the refractive index portion 1-11a. The high refractive index portion 1-11 is sandwiched between the upper and lower low refractive index portions 1-12 to form an optical circuit. In this optical circuit, the second high refractive index portion 1-11b functions as a so-called “core”. The first high refractive index portion 1-11a transmits light propagating in the core to the substrate. It is for confining in the thickness direction (vertical direction). In this figure, the relative refractive index difference between the low refractive index portion 1-12 and the first high refractive index portion 1-11a, and the first high refractive index portion 1-11a and the second high refractive index portion. The calculation is performed assuming that the relative refractive index difference of 1-11b is 1.5%. The effective refractive index profile in the vertical direction of the optical circuit is shown on the right side of FIG. 7A, and the effective refractive index profile in the horizontal direction in the high refractive index portion 1-11 is shown on the lower side.

このような構造の光回路によれば、コアである第2の高屈折率部1−11bの周りに設けられた第2の高屈折率部1−11aによって、基板厚み方向での光閉じ込めが容易に実現できる。   According to the optical circuit having such a structure, optical confinement in the substrate thickness direction is performed by the second high refractive index portion 1-11a provided around the second high refractive index portion 1-11b that is the core. It can be easily realized.

このような光回路に光入出力部を設けるに際しては、第1の高屈折率部1−11aで光をガイドする場合(図7(b))と第2の高屈折率部1−11bで光をガイドする場合(図7(c))とが考えられる。また、第1の高屈折率部1−11aおよび第2の高屈折率部1−11bの各々の形状を最適化したりこれらを組み合わせたりすることにより、フィールド径の調整を行って光ファイバとの光結合の最適化が可能となる。   In providing an optical input / output unit in such an optical circuit, light is guided by the first high refractive index portion 1-11a (FIG. 7B) and the second high refractive index portion 1-11b. It can be considered that light is guided (FIG. 7C). Further, by optimizing the shape of each of the first high refractive index portion 1-11a and the second high refractive index portion 1-11b, or by combining them, the field diameter is adjusted and the optical fiber can be adjusted. The optical coupling can be optimized.

なお、出力フィールドは複素数値で計算されるから、出力フィールドの位相を求めることも可能である。従って、例えば、上述の光回路と無反射コートを施した半導体光アンプとを組み合わせて外部共振器レーザを作製する場合などのように、光の位相の調整も必要とされる場合にも、上述の光フィールドの計算手順は適用可能である。   Since the output field is calculated as a complex value, the phase of the output field can be obtained. Therefore, for example, when the phase of the light is also required, such as when an external resonator laser is manufactured by combining the above-described optical circuit and a semiconductor optical amplifier with a non-reflective coating, The optical field calculation procedure is applicable.

これまで説明してきた光フィールドの計算にはビーム伝搬法を用いたが、演算に用いるコンピュータのメモリ容量が十分な場合には時間領域差分法を用いて計算してもよい。一般に、ビーム伝搬法は直線的な方向への光出力を計算するため、出力ポートの位置が限定される。例えば、本実施例の場合には、入射面の対向面を出射面とした。これに対して、時間領域差分法を用いて計算すれば、出力ポートの位置は自由に選択可能となるから、急激な屈曲を有する光路を備えた構成の光回路などを容易に設計することができる。このことは、以下の実施例においても同様である。また、このような回路を方向性結合器の組み合わせによって実現しようとすると、方向性結合器部分だけでも数百μmの光回路部分を要することとなるのに対して、上述の方法によれば数分の1程度の大きさの光回路構成とすることができて小型化を図ることが可能となる。   Although the beam propagation method has been used for the calculation of the optical field described so far, the time domain difference method may be used when the memory capacity of the computer used for the calculation is sufficient. In general, since the beam propagation method calculates the light output in a linear direction, the position of the output port is limited. For example, in the case of the present embodiment, the opposite surface of the incident surface is the exit surface. On the other hand, if the time-domain difference method is used for calculation, the position of the output port can be freely selected. Therefore, it is possible to easily design an optical circuit or the like having an optical path having a sharp bend. it can. The same applies to the following embodiments. Further, when such a circuit is realized by a combination of directional couplers, an optical circuit portion of several hundred μm is required only for the directional coupler portion. An optical circuit configuration having a size of about 1 / min can be achieved, and miniaturization can be achieved.

本実施例の光回路は、指向性が低くかつ波長依存性が高いレイリー散乱を利用した1.31μm/1.55μmの波長フィルタである。   The optical circuit of the present embodiment is a 1.31 μm / 1.55 μm wavelength filter using Rayleigh scattering having low directivity and high wavelength dependency.

光の波長の10分の1以下程度の大きさを有する物体による散乱は一般にレイリー散乱とよばれ、指向性が低くかつ波長依存性(波長の4乗分の1に比例)の高い散乱がえられる。本実施例では、光回路を構成するホログラフィック波動伝達媒質の高屈折率部分のピクセルサイズを、光回路中を伝搬する光の、伝搬方向に垂直な方向の波長成分の長さ程度以下のサイズとすることで、レイリー散乱の発生条件を満足する屈折率分布(誘電体分布)を実現して充分に大きな光制御性を得ている。   Scattering by an object having a size of about one-tenth or less of the wavelength of light is generally called Rayleigh scattering and has low directivity and high wavelength dependency (proportional to 1/4 of the wavelength). It is done. In this embodiment, the pixel size of the high refractive index portion of the holographic wave transmission medium constituting the optical circuit is set to a size not more than the length of the wavelength component of the light propagating in the optical circuit in the direction perpendicular to the propagation direction. As a result, a refractive index distribution (dielectric distribution) that satisfies the conditions for generating Rayleigh scattering is realized, and a sufficiently large light controllability is obtained.

図8は本実施例の1.31μm/1.55μmの波長フィルタの構成例を説明するための図で、図8(a)はこの光回路の平面図であり、図8(b)は高屈折率部のピクセルと低屈折率部のピクセルの配置の様子を説明するための図である。   FIG. 8 is a diagram for explaining a configuration example of the 1.31 μm / 1.55 μm wavelength filter of this embodiment. FIG. 8A is a plan view of this optical circuit, and FIG. 8B is a high refractive index. It is a figure for demonstrating the mode of arrangement | positioning of the pixel of a part, and the pixel of a low refractive index part.

図8(a)中の黒色部は高屈折率部を意味しており、入力ポート3−1から、1.31μmと1.55μmの波長の光を入力し、出力ポートaから1.31μmの光を、出力ポートbから1.55μmの光を、それぞれ出力させる。なお、この光回路の光伝搬方向の長さは1000μmであり幅は160μmである。この光回路の屈折率分布は、図8(b)に示すように、各々がピクセルサイズWを有する、高屈折率部のピクセル(網掛け部)と低屈折率部(白抜き部)のピクセルを配置させることにより決定される。   The black part in FIG. 8A means a high refractive index part. Lights having wavelengths of 1.31 μm and 1.55 μm are input from the input port 3-1, and light having a wavelength of 1.31 μm is output from the output port a. Light of 1.55 μm is output from the output port b. The optical circuit has a length in the light propagation direction of 1000 μm and a width of 160 μm. As shown in FIG. 8B, the refractive index distribution of this optical circuit is such that each pixel has a pixel size W and is a high refractive index portion pixel (shaded portion) and a low refractive index portion (white portion). Is determined.

このような、ピクセルサイズWを有する誘電体を多数配置して構成される導波路構造(すなわち、光閉じ込め構造)中において形成される光のフィールド半径wには、1次元のガウシアン近似による変分法により、概ね、   The field radius w of light formed in a waveguide structure (that is, an optical confinement structure) configured by arranging a large number of dielectrics having a pixel size W is a variation by one-dimensional Gaussian approximation. By law,

Figure 0004213020
Figure 0004213020

なる条件が要求される。ここで、kは真空中の波数、nは屈折率、Δはピクセル部分の比屈折率差である。 The following conditions are required. Here, k 0 is the wave number in vacuum, n is the refractive index, and Δ is the relative refractive index difference of the pixel portion.

一方、本光回路を構成する誘電体のピクセルを光の散乱点として考え、このピクセルによるフィールド半径wを開口半径wとする(図9)。このとき、この開口からの回折角(遠視野角)をθとすると、真空中での波数λを用いて、   On the other hand, a dielectric pixel constituting this optical circuit is considered as a light scattering point, and a field radius w by this pixel is defined as an opening radius w (FIG. 9). At this time, if the diffraction angle (far viewing angle) from this opening is θ, the wave number λ in vacuum is used,

Figure 0004213020
Figure 0004213020

となる(図9)。媒質中における、光の伝搬方向に垂直な向きの波数 (FIG. 9). Wave number in the direction perpendicular to the light propagation direction in the medium

Figure 0004213020
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と、伝搬方向の波数 And wave number in the propagation direction

Figure 0004213020
Figure 0004213020

との比をとると、 And the ratio

Figure 0004213020
Figure 0004213020

が得られる。ここで、 Is obtained. here,

Figure 0004213020
Figure 0004213020

は光の伝搬方向成分の波長であり、 Is the wavelength of the light propagation direction component,

Figure 0004213020
Figure 0004213020

は伝搬方向に垂直な方向成分の波長である。 Is the wavelength of the direction component perpendicular to the propagation direction.

ここで、光の波数(運動量と等価)の殆どは伝搬方向に集中しているとして仮定すると、   Here, assuming that most of the wave number of light (equivalent to momentum) is concentrated in the propagation direction,

Figure 0004213020
Figure 0004213020

となり、 And

Figure 0004213020
Figure 0004213020

が得られる。レイリー散乱の条件として、 Is obtained. As a condition of Rayleigh scattering,

Figure 0004213020
Figure 0004213020

となることから、 Because

Figure 0004213020
Figure 0004213020

となり、さらに、式(15)から、 Furthermore, from equation (15),

Figure 0004213020
Figure 0004213020

として式(12)に代入してwを消去すると、 Substituting into equation (12) as

Figure 0004213020
Figure 0004213020

なる条件を得る。 Get the condition.

式(16)の右辺のうちの括弧部分(λ以外の係数)は、例えば石英系光導波路(n=1.5、Δ=0.01)や半導体導波路(n=3.5、Δ=0.05)でも概ね1程度であるから、   The parenthesis part (coefficients other than λ) in the right side of Expression (16) is, for example, a silica-based optical waveguide (n = 1.5, Δ = 0.01) or a semiconductor waveguide (n = 3.5, Δ = 0.05) but about 1 so

Figure 0004213020
Figure 0004213020

であればレイリー散乱の条件が成り立つこととなる。 Then, the Rayleigh scattering condition is satisfied.

図10(a)および図10(b)は、ピクセルサイズWをパラメータとして変化させて1.31μm/1.55μmの波長フィルタの光回路を構成した場合の、透過損失特性および漏話特性のピクセルサイズ依存性(図10(b))を説明するための図で、この光回路の光伝搬方向の長さは600μmであり、出力ポートaと出力ポートbの間隔は30μmである(図10(a))。   FIGS. 10A and 10B show pixel size dependence of transmission loss characteristics and crosstalk characteristics when an optical circuit of a wavelength filter of 1.31 μm / 1.55 μm is configured by changing the pixel size W as a parameter. (FIG. 10B) is a diagram for explaining the optical circuit in which the length in the light propagation direction is 600 μm, and the distance between the output port a and the output port b is 30 μm (FIG. 10A). .

図10(b)に示した結果から、ピクセルサイズWが波長レベル程度(図10(b)中に示す)以下の場合には、漏話が非常に効率よく抑えられて優れた透過損失特性が得られており、本実施例のようにレイリー散乱条件を満足するようにピクセルサイズWを設定することが有効であることが分かる。   From the result shown in FIG. 10 (b), when the pixel size W is about the wavelength level (shown in FIG. 10 (b)) or less, crosstalk is suppressed very efficiently and excellent transmission loss characteristics are obtained. It can be seen that it is effective to set the pixel size W so as to satisfy the Rayleigh scattering condition as in this embodiment.

本実施例の光回路は、基板高さ方向(基板表面と垂直な方向)への光の放射を抑制することで光損失を抑制することを可能とした光回路である。   The optical circuit of the present embodiment is an optical circuit that can suppress light loss by suppressing light emission in the substrate height direction (direction perpendicular to the substrate surface).

光回路の屈折率分布を高屈折率部と低屈折率部とで2値化して得られるピクセルパターンにおいては、低屈折率部を高屈折率部の空孔(空隙)と考えると、高屈折率部に相当するピクセル相互間に存在することとなる低屈折率部は、光導波路でいうところのクラッド部分への放射部分(導波路間のギャップ)に相当する。光回路を設計するに際しては、基板横方向(基板表面と平行な方向)への光は多重散乱により制御可能である。しかしながら、平面光回路の場合には、基板高さ方向へ漏れた光は通常そのまま放射されて(光)損失の原因となる。   In a pixel pattern obtained by binarizing the refractive index distribution of an optical circuit with a high refractive index portion and a low refractive index portion, if the low refractive index portion is considered to be a hole (void) in the high refractive index portion, the high refractive index The low refractive index portion that exists between the pixels corresponding to the index portion corresponds to a radiation portion (gap between the waveguides) to the clad portion in the optical waveguide. When designing an optical circuit, light in the substrate lateral direction (direction parallel to the substrate surface) can be controlled by multiple scattering. However, in the case of a planar optical circuit, light leaking in the height direction of the substrate is usually emitted as it is and causes (light) loss.

図11は平面光回路における、基板垂直方向と基板水平方向での光の閉じ込めレベルを説明するための図で、実線は基板垂直方向の光、破線は基板水平方向の光を示している。この図に示すように、基板水平方向に広がってゆく光は、光回路内で反射・散乱を繰り返しながら光回路内に閉じ込められるが、基板垂直方向への光はそのまま光回路の外へと放射される。   FIG. 11 is a diagram for explaining light confinement levels in the substrate vertical direction and the substrate horizontal direction in a planar optical circuit. A solid line indicates light in the substrate vertical direction, and a broken line indicates light in the substrate horizontal direction. As shown in this figure, the light spreading in the horizontal direction of the substrate is confined in the optical circuit while repeating reflection and scattering in the optical circuit, but the light in the vertical direction of the substrate is directly emitted outside the optical circuit. Is done.

図12は、最小ピクセル単位を3μm角としたときの1点当たりの放射損失(結合損失)のフィールド半径依存性を説明するための図である。この図に示すように、光回路内で放射される光は光のフィールド径に大きく依存し、一般にフィールド径が小さい場合は回折の影響により大きな放射角をもつこととなる。逆にフィールド径を大きく取ることにより光の放射を抑制することが可能となり、光回路としての損失を抑制することができる。数千μm程度の回路サイズを仮定すると数百点の散乱点が発生する可能性があることとなるから、光回路全体としての損失を抑えるためには個々の散乱点における光損失を充分低く抑える必要がある。   FIG. 12 is a diagram for explaining the field radius dependence of the radiation loss (coupling loss) per point when the minimum pixel unit is 3 μm square. As shown in this figure, the light radiated in the optical circuit greatly depends on the field diameter of light, and generally has a large radiation angle due to the influence of diffraction when the field diameter is small. Conversely, by increasing the field diameter, light emission can be suppressed, and loss as an optical circuit can be suppressed. Assuming a circuit size of about several thousand μm, several hundred scattering points may be generated. Therefore, in order to suppress the loss of the entire optical circuit, the light loss at each scattering point is sufficiently low. There is a need.

石英系光導波路のような光閉じ込め効果の弱い単一モード光導波路中を伝搬する光のフィールドは、良い近似でガウス分布とすることができる。また、光のフィールドは、波面内の光の振幅の分布F(x,y)を変数分離してF(x,y)=f(x)g(y)としても良い近似となる。ここで、基板平面方向をx、基板垂直方向をyとして座標を(x,y)で表してある。すなわち、光のフィールドとしてガウス分布を仮定すると、x方向とy方向の各々の関数に変数分離される。   A field of light propagating in a single mode optical waveguide having a weak optical confinement effect such as a silica-based optical waveguide can have a Gaussian distribution with a good approximation. The light field can be approximated by F (x, y) = f (x) g (y) obtained by variable separation of the light amplitude distribution F (x, y) in the wavefront. Here, the substrate plane direction is x, the substrate vertical direction is y, and the coordinates are represented by (x, y). That is, assuming a Gaussian distribution as the light field, the variables are separated into functions in the x and y directions.

ここで、基板水平方向の関数であるf(x)については多重散乱により制御されて光回路内への閉じ込めが可能であるので問題ない。一方、基板垂直方向の関数であるg(y)については、放射された光は高屈折率領域から外れて放射損失となる。したがって、個々の散乱点における光損失を充分低く抑えるためには、g(y)成分に起因する放射回折損失を低減させる方法を考えればよいこととなる。   Here, there is no problem because f (x), which is a function in the horizontal direction of the substrate, is controlled by multiple scattering and can be confined in the optical circuit. On the other hand, for g (y), which is a function in the direction perpendicular to the substrate, the emitted light deviates from the high refractive index region and becomes a radiation loss. Therefore, in order to suppress the light loss at each scattering point sufficiently low, a method for reducing the radiation diffraction loss due to the g (y) component may be considered.

g(y)についてガウス分布を仮定すると、   Assuming a Gaussian distribution for g (y),

Figure 0004213020
Figure 0004213020

と表記できる。ここで、wはフィールド半径である。フィールド半径wは、主として、コアの大きさと屈折率とにより制御可能であることがよく知られている。そこで、パラメータwの制御性が高いことを前提として、個々の散乱点における光損失を充分低く抑えるために必要な条件を求める。 Can be written. Here, w is a field radius. It is well known that the field radius w can be controlled mainly by the size and refractive index of the core. Therefore, on the premise that the controllability of the parameter w is high, conditions necessary for sufficiently suppressing the light loss at each scattering point are obtained.

図11(b)に「ピクセル」として示した高屈折率部が分断されて配置された場合を想定すると、高屈折率部相互間に高屈折率部のギャップが生じる。このギャップの存在により、ガウス分布を有する光のフィールドが導波路外に放射されるものとする。この場合、光フィールドの形状のガウス分布は維持されるものの、フィールド半径が変化するとともにその波面に湾曲を生じる。この状態のフィールド分布を形式的にg(y,z)と表す。ここで、zは放射部分の距離z L の平均値として与えられるパラメータである。 Assuming the case where the high refractive index portions shown as “pixels” in FIG. 11B are divided and arranged, a gap of the high refractive index portions is generated between the high refractive index portions. It is assumed that a field of light having a Gaussian distribution is emitted outside the waveguide due to the existence of this gap. In this case, although the Gaussian distribution of the shape of the optical field is maintained, the field radius changes and the wavefront is curved. The field distribution in this state is formally expressed as g (y, z). Here, z is a parameter given as an average value of the distance z L of the radiation part.

上記ギャップ部により導波路外に放射された光フィールドのうち、再び高屈折率部へと結合する量は、次式の重なり積分で与えられる。   Of the optical field radiated to the outside of the waveguide by the gap portion, the amount of coupling to the high refractive index portion is given by the overlap integral of the following equation.

Figure 0004213020
Figure 0004213020

ここで、λは光の波長、nは高屈折率部の屈折率である。 Here, λ is the wavelength of light, and n is the refractive index of the high refractive index portion.

ここで、図11に示した光回路の高屈折率部の高さをaとし、フィールド直径も概ねこのaと同程度であると考えてw=a/2と仮定する。また、放射部分の距離の平均値を適当な係数qによりz L =qaとすると、ギャップひとつ当たりの、損失の期待値<η>は、 Here, it is assumed that the height of the high refractive index portion of the optical circuit shown in FIG. 11 is a, and that the field diameter is substantially the same as this a and w = a / 2. Also, assuming that the average value of the distance of the radiating part is z L = qa by an appropriate coefficient q, the expected value <η> of loss per gap is

Figure 0004213020
Figure 0004213020

で表される。この式(19)の値は(λq/na)で規格化できる。本発明の光回路中を伝搬する光は概ね100回程度の散乱を重ねることになるので、1/100dB程度の損失を期待すると、 It is represented by The value of this equation (19) can be normalized by (λq / na). Since the light propagating in the optical circuit of the present invention is generally scattered about 100 times, when a loss of about 1/100 dB is expected,

Figure 0004213020
Figure 0004213020

の条件を満足すれば個々の散乱点における光損失を充分低く抑えることが可能となる。 If the above condition is satisfied, the light loss at each scattering point can be suppressed sufficiently low.

図12は、ギャップ幅を3μmと設定し、q=1、λ=1.55μm、n=1.45とした場合の、高屈折率部の厚みaをパラメータとしてフィールド半径を変化させ、結合損失のフィールド半径依存性を求めた結果である。フィールド半径3μm(高屈折部分の膜厚aに換算して6μm程度)に相当するところで充分低い損失となる結果が得られた。   In FIG. 12, when the gap width is set to 3 μm, q = 1, λ = 1.55 μm, and n = 1.45, the field radius is changed using the thickness a of the high refractive index portion as a parameter, and the field radius of the coupling loss is changed. This is the result of the dependency. A sufficiently low loss was obtained at a position corresponding to a field radius of 3 μm (about 6 μm in terms of the film thickness a of the high refractive part).

実施例2でも説明したように、光回路面内方向のピクセルサイズが光回路中を伝搬する光に及ぼす影響が大きい。本実施例においては、ピクセルを光伝搬方向に対して傾斜させて配置することにより、効率的な光制御を可能とした。   As described in the second embodiment, the pixel size in the in-plane direction of the optical circuit has a great influence on the light propagating in the optical circuit. In this embodiment, efficient light control can be performed by arranging the pixels so as to be inclined with respect to the light propagation direction.

図13(a)はピクセルを光伝搬方向に配置した光回路を説明するための図、そして図13(b)はピクセルを光伝搬方向に対して傾斜させて配置した光回路を説明するための図である。図13(b)のように、ピクセルを光伝搬方向に対して傾斜させて配置することとすると、光伝搬方向と垂直方向にピクセルサイズよりも短い周期の格子面が形成され、これにより効率的な光の制御が可能となる。ここで、傾斜角を45度より浅く(または深く)すればより短い周期の格子面を形成することが可能であるが、格子面を構成する反射面の中心位置の間隔が大きくなって、反射面としての機能が低下する。とくに、本回路は数ピクセルサイズで屈折率が変化するので、その程度の距離でブラッグ反射面として機能させるためには、45度程度が適当である。   FIG. 13A is a diagram for explaining an optical circuit in which pixels are arranged in the light propagation direction, and FIG. 13B is a diagram for explaining an optical circuit in which pixels are inclined with respect to the light propagation direction. FIG. As shown in FIG. 13B, when the pixels are arranged so as to be inclined with respect to the light propagation direction, a lattice plane having a period shorter than the pixel size is formed in the direction perpendicular to the light propagation direction. Light control is possible. Here, if the inclination angle is shallower (or deeper) than 45 degrees, it is possible to form a grating surface with a shorter period, but the interval between the center positions of the reflecting surfaces constituting the grating surface is increased, and reflection is performed. The function as a surface is reduced. In particular, since the refractive index of this circuit changes with a size of several pixels, about 45 degrees is suitable for functioning as a Bragg reflecting surface at such a distance.

これまで説明してきた実施形態では、屈折率分布を定める高屈折率部(または低屈折率部)のピクセルを仮想的なメッシュで画定される格子点上に配置することとし、かつ、屈折率分布をパターン化し易い大きさとなるように各ピクセルのサイズを限定したため、格子点間隔は各ピクセルサイズ以下とすることはできないこととなる。このため、ピクセルに関するデジタイジング誤差とピクセルエッジにおける伝搬光の散乱により、光回路特性が劣化することが生じ得る。さらに、導波路面内(xy平面内)における光の伝搬方向(x方向)と垂直な方向(y方向:光の伝搬方向に対して横方向)での屈折率の規則的な周期性が、ピクセルサイズに応じて、空間的な遮断周波数を発生させるために光の制御性も制約を受けてしまう。本実施例の光回路においては、光の伝搬方向に対する横方向において、ピクセルサイズの最小単位およびピクセル間隔の最小単位のみを条件として設定することとして、任意の位置に高屈折率部(または低屈折率部)のピクセルを配置することで屈折率分布を形成するようにした。   In the embodiments described so far, the pixels of the high refractive index portion (or low refractive index portion) that define the refractive index distribution are arranged on the lattice points defined by the virtual mesh, and the refractive index distribution Since the size of each pixel is limited so as to be easily patterned, the lattice point interval cannot be made smaller than each pixel size. For this reason, optical circuit characteristics may be deteriorated due to digitizing errors relating to pixels and scattering of propagating light at pixel edges. Furthermore, the regular periodicity of the refractive index in the direction (y direction: transverse to the light propagation direction) perpendicular to the light propagation direction (x direction) in the waveguide plane (in the xy plane) Depending on the pixel size, the controllability of light is also limited in order to generate a spatial cutoff frequency. In the optical circuit according to the present embodiment, only the minimum unit of the pixel size and the minimum unit of the pixel interval are set as a condition in the lateral direction with respect to the light propagation direction, so that the high refractive index portion (or the low refractive index portion) is arbitrarily set. The refractive index distribution is formed by arranging the pixels of the index part.

図14(a)は仮想的なメッシュで画定された格子点にピクセルを配置して屈折率分布を形成した光回路を説明するための図であり、図14(b)はかかる格子点の位置とは無関係にy方向でのピクセル配置を行って屈折率分布を形成した光回路を説明するための図である。図14(a)に示した導波路においては、各ピクセルは、仮想的なメッシュで画定された格子点位置に配置されているのに対して、図14(b)に示した本実施例の導波路においては、光の伝搬方向(x方向)には各ピクセルが仮想的なメッシュで画定された格子点位置に配置されているものの、光の伝搬方向に対して横方向(y方向)には、(必ずしも)各ピクセルが仮想的なメッシュで画定された格子点位置に配置されておらず、任意の位置に高屈折率部または低屈折率部のピクセルが配置されている。   FIG. 14A is a diagram for explaining an optical circuit in which pixels are arranged at lattice points defined by a virtual mesh to form a refractive index distribution, and FIG. 14B is a diagram illustrating positions of such lattice points. It is a figure for demonstrating the optical circuit which performed the pixel arrangement | positioning in the y direction irrespective of 1 and formed the refractive index distribution. In the waveguide shown in FIG. 14A, each pixel is arranged at a lattice point position defined by a virtual mesh, whereas in the present embodiment shown in FIG. In the waveguide, each pixel is arranged at a lattice point position defined by a virtual mesh in the light propagation direction (x direction), but in the lateral direction (y direction) with respect to the light propagation direction. (Not necessarily) each pixel is not arranged at a lattice point position defined by a virtual mesh, and a pixel of a high refractive index portion or a low refractive index portion is arranged at an arbitrary position.

なお、本実施例の場合は、ピクセルの配置により定まる屈折率分布を、最小ピクセルサイズ(格子点間隔)よりも充分に小さい間隔を配置パラメータの最小単位として計算することとしている。そして、ピクセル同士の間隔がこの最小単位よりも大きな場合は適当な境界を定めてその境界において屈折率の値が変化するように各ピクセルに高屈折率部の値または低屈折率部の値を与える一方、ピクセル同士の間隔が最小単位よりも小さい場合にはその領域の範囲内で屈折率の平均を求めて高屈折率部の値もしくは低屈折率部の値のうちの何れか近いほうを採用することとしている。   In this embodiment, the refractive index distribution determined by the pixel arrangement is calculated with an interval sufficiently smaller than the minimum pixel size (grating point interval) as the minimum unit of the arrangement parameter. When the interval between pixels is larger than this minimum unit, an appropriate boundary is defined, and the value of the high refractive index portion or the low refractive index portion is set to each pixel so that the refractive index value changes at the boundary. On the other hand, if the interval between the pixels is smaller than the minimum unit, the average of the refractive index is calculated within the range of the region, and the value of the high refractive index portion or the low refractive index portion is the closest. We are going to adopt it.

図15(a)および図15(b)は、各々、図14(a)および図14(b)のピクセル配置に対応させて作製した実際の光回路(1.31μmと1.55μmの波長フィルタ)の屈折率分布を説明するための図で、これらの図の左側の図が回路全体像、右側の図が回路の一部の拡大像である。これらの図において、白い部分は高屈折率部、黒い部分は低屈折率部分であり、比屈折率差は1.5%である。また、この光回路の回路長は1200μmとし、最小パターンルール(配置パラメータの最小単位)を3μmとした。   FIGS. 15A and 15B show actual optical circuits (1.31 μm and 1.55 μm wavelength filters manufactured corresponding to the pixel arrangements of FIGS. 14A and 14B, respectively. ) Is a diagram for explaining the refractive index distribution, and the left side of these figures is an overall image of the circuit, and the right side is an enlarged image of a part of the circuit. In these figures, the white portion is the high refractive index portion, the black portion is the low refractive index portion, and the relative refractive index difference is 1.5%. The optical circuit has a circuit length of 1200 μm and a minimum pattern rule (minimum unit of arrangement parameter) of 3 μm.

図15(a)と図15(b)とを比較すると、本実施例の光回路においては屈折率パターンが平滑化されていることがわかる。また、図15(a)に示した屈折率分布の光回路では2dBの損失があったのに対して、図15(b)の屈折率分布の光回路では概ね0.5dB程度の損失改善が認められた。この事実は、本実施例の光回路のように屈折率分布を滑らかとすることにより、図15(a)のような屈折率分布を有する光回路では制御不可能であった強い散乱による損失が低減され、伝搬光の制御性が改善されたことによる効果である。具体的には、図15(a)に示したような光回路では、例えばピクセルの構造が波面の進行方向に対して概ね垂直な辺を有する四角形のピクセル構造であるために、ちょうどナイフエッジにより光が回折されるように、激しい干渉が生じて光回路の設計精度が低下することに加え、大きな波数を有する光が発生して、小さな屈折率差の屈折率分布では光制御しきれなくなる。これに対して、本実施例の光回路のように、滑らかな屈折率分布を有する光回路とすることにより、光回路内での激しい干渉や大きな波数の光の発生を抑制することが可能となることによる効果である。   Comparing FIG. 15A and FIG. 15B, it can be seen that the refractive index pattern is smoothed in the optical circuit of this example. The optical circuit with the refractive index profile shown in FIG. 15A has a loss of 2 dB, whereas the optical circuit with the refractive index profile in FIG. 15B has a loss improvement of about 0.5 dB. Admitted. This fact indicates that, by smoothing the refractive index distribution as in the optical circuit of the present embodiment, loss due to strong scattering, which cannot be controlled by the optical circuit having the refractive index distribution as shown in FIG. This is due to the fact that the controllability of propagating light is improved. Specifically, in the optical circuit as shown in FIG. 15A, for example, since the pixel structure is a rectangular pixel structure having sides substantially perpendicular to the wavefront traveling direction, As the light is diffracted, intense interference occurs and the design accuracy of the optical circuit is lowered. In addition, light having a large wave number is generated, and light control cannot be performed with a refractive index distribution having a small refractive index difference. On the other hand, by using an optical circuit having a smooth refractive index distribution like the optical circuit of this embodiment, it is possible to suppress intense interference and generation of light with a large wave number in the optical circuit. It is an effect by becoming.

実施例3の光回路においては、図11および図12を用いて説明したように、高屈折率部から低屈折率部へ向かう光放射を抑制するために高屈折率層の厚みaを厚くしたが、低屈折率部が長く連続する場合(すなわちギャップ間隔が長い場合)には原理的に大きな損失が発生してしまう。そこで、本実施例の光回路においては、基板に対して垂直方向での光閉じ込めを低屈折率部においても可能ならしめて、ギャップ間隔が長い場合でも低損失となる光回路の構造を提供する。   In the optical circuit of Example 3, as described with reference to FIGS. 11 and 12, the thickness a of the high refractive index layer is increased in order to suppress light emission from the high refractive index portion to the low refractive index portion. However, when the low refractive index portion is long and continuous (that is, when the gap interval is long), a large loss is generated in principle. Therefore, in the optical circuit of this embodiment, the optical confinement in the direction perpendicular to the substrate is made possible even in the low refractive index portion, and an optical circuit structure is provided which has a low loss even when the gap interval is long.

図16は本実施例の光回路の作製手順を説明するための図で、まず、通常の光導波路の作製と同様に、例えばSi基板上にコア下部となるクラッド部分(低屈折率部分)を堆積し、この低屈折率部分の上にコアに相当する第1の高屈折率層を堆積する(図16(a))。ここで、低屈折率部分の屈折率をnとしたとき、第1の高屈折率層の屈折率はn(1+Δ)である。 FIG. 16 is a diagram for explaining the manufacturing procedure of the optical circuit of the present embodiment. First, in the same manner as the manufacturing of a normal optical waveguide, for example, a clad portion (low refractive index portion) which is a lower portion of a core is formed on a Si substrate. The first high refractive index layer corresponding to the core is deposited on the low refractive index portion (FIG. 16A). Here, when the refractive index of the low refractive index portion is n, the refractive index of the first high refractive index layer is n (1 + Δ 2 ).

次に、第1の高屈折率層の一部をエッチングによりパターンニングする(図16(b))。このときのパターンは、光回路の高屈折率部分と低屈折率部分に対応するパターンであり、第1の高屈折率層がエッチングにより残される部分が光回路の高屈折率部分となる。なお、第1の高屈折率層が導波路パターンを有するように残存させれば、その残存部分に導波構造を形成することも可能である。このパターンニング工程においては、エッチングで除去される第1の高屈折率層直下にある低屈折率部分の表面部分にまで施し、当該箇所の低屈折率部分が所望の厚みとなるように後述する適当な高さでエッチングを停止する。   Next, a part of the first high refractive index layer is patterned by etching (FIG. 16B). The pattern at this time is a pattern corresponding to the high refractive index portion and the low refractive index portion of the optical circuit, and the portion where the first high refractive index layer is left by etching becomes the high refractive index portion of the optical circuit. If the first high refractive index layer is left so as to have a waveguide pattern, a waveguide structure can be formed in the remaining portion. In this patterning step, it is applied to the surface portion of the low refractive index portion directly under the first high refractive index layer to be removed by etching, and will be described later so that the low refractive index portion of the portion has a desired thickness. The etching is stopped at an appropriate height.

さらに、一定膜厚の第2の高屈折率層を堆積し、必要に応じてこの第2の高屈折率層にパターンニングを施し、第2の高屈折率層を用いて導波路形成などを実行してもよい。第2の高屈折率層の屈折率はn(1+Δ)であり、第1の高屈折率層の屈折率n(1+Δ)に比較して、n(1+Δ)>n(1+Δ)(すなわち、Δ>Δ)の関係がある。最後に、図示しない上部クラッドを堆積して、第1および第2の高屈折率層を埋め込む。 Further, a second high refractive index layer having a constant film thickness is deposited, and patterning is performed on the second high refractive index layer as necessary, and a waveguide is formed using the second high refractive index layer. May be executed. The refractive index of the second high refractive index layer is n (1 + Δ 1 ), and n (1 + Δ 2 )> n (1 + Δ 1 ) compared to the refractive index n (1 + Δ 2 ) of the first high refractive index layer. (That is, Δ 2 > Δ 1 ). Finally, an upper clad (not shown) is deposited to fill the first and second high refractive index layers.

このようにして得られる光回路は、後述するパラメータ調整により、損失が低く、かつ、低屈折率部分を多く含む光回路でも損失増大のない光回路構造とすることが可能である。以下では、これらの高屈折率層の比屈折率差を用いて、第1の高屈折率層を「高屈折率層Δ」、第2の高屈折率層を「高屈折率層Δ」と表記する。以下、パラメータの設定方法について説明する。 The optical circuit thus obtained can have an optical circuit structure with low loss and no increase in loss even by an optical circuit including many low refractive index portions by adjusting parameters described later. Hereinafter, using the relative refractive index difference of these high refractive index layers, the first high refractive index layer is referred to as “high refractive index layer Δ 2 ”, and the second high refractive index layer is referred to as “high refractive index layer Δ 1. ". Hereinafter, a parameter setting method will be described.

既に実施例3で説明したように、光回路においてはピクセルの各界面におけるフィールド形状が同じであれば損失なく光を伝搬させることができる。以下でも、基板に対して垂直方向の光のフィールド分布のみに着目して説明する。   As already described in the third embodiment, in the optical circuit, light can be propagated without loss if the field shape at each interface of the pixel is the same. In the following, description will be given focusing on only the field distribution of light in the direction perpendicular to the substrate.

図17に示すように、高屈折率層Δをエッチング除去した領域を「低屈折率領域」、高屈折率層Δをエッチング除去せずに残存させた領域を「高屈折率領域」と呼ぶとすると、高屈折率領域においては、高屈折率層Δと高屈折率層Δとの和に相当する「導波路コア」に相当する部分の厚みが、低屈折率領域に比較して厚くなっている。導波路中を伝搬する光フィールドは、導波路全体に分布して伝搬するほうが運動エネルギを低く抑えられる。従って、上述の高屈折率領域は、光フィールドの分布を導波路全体に広げて運動エネルギを低くする作用がある。一方、光フィールドの位置エネルギに着目すると、高屈折率層Δと高屈折率層Δとでは、高屈折率層Δの屈折率のほうが高いために、光フィールドは高屈折率層Δに集中するほうが位置エネルギは低くなるため、できるだけ高屈折率層Δに集中しようとする傾向がある。このように、光フィールドを導波路全体に広く分布させる作用と導波路の一部に集中させようとする作用とが競合することになる。さらに、高屈折率層Δに集中させようとする作用は、光フィールドの中心位置を基板側にシフトさせるように働く。このような光フィールドのエネルギ最小化に起因する性質を利用して、高屈折率領域中での光フィールドが、低屈折率領域中での光フィールドと同じフィールド半径でかつ中心位置が同じになるように、パラメータを調整すればよい。 As shown in FIG. 17, the region where the high refractive index layer Δ 2 is removed by etching is referred to as “low refractive index region”, and the region where the high refractive index layer Δ 2 is left without etching is referred to as “high refractive index region”. In other words, in the high refractive index region, the thickness of the portion corresponding to the “waveguide core” corresponding to the sum of the high refractive index layer Δ 1 and the high refractive index layer Δ 2 is smaller than that in the low refractive index region. It is thick. The optical field propagating in the waveguide can suppress the kinetic energy when it is distributed and propagated throughout the waveguide. Therefore, the above-described high refractive index region has the effect of reducing the kinetic energy by spreading the optical field distribution over the entire waveguide. On the other hand, paying attention to the potential energy of the optical field, the high refractive index layer Δ 2 and the high refractive index layer Δ 1 have a higher refractive index than the high refractive index layer Δ 2. Since the potential energy is lower when concentrated on 2 , there is a tendency to concentrate on the high refractive index layer Δ2 as much as possible. Thus, the action of widely distributing the optical field over the entire waveguide competes with the action of concentrating on a part of the waveguide. Moreover, the action to try to concentrate on the high refractive index layer delta 2 serves the central position of the light field to shift the substrate side. Utilizing the property resulting from the energy minimization of the light field, the light field in the high refractive index region has the same field radius and the same center position as the light field in the low refractive index region. Thus, the parameters may be adjusted.

図18は本実施例におけるパラメータ調整のための計算例を説明するための図で、この場合のパラメータは、図18に示したように、既に説明したn、ΔおよびΔの他に、高屈折率層Δの膜厚W、高屈折率層Δの膜厚W、高屈折率層Δの層上面から低屈折率領域のフィールド中心位置までの距離x、フィールド半径w、光の波長λ(すなわち、波数k=2π/λ)である。通常は、屈折率nと波長λは回路設計時には決まっているので、残りの6個のパラメータを決定することになる。ここでは、これらのパラメータを変分法を用いて求める。また、便宜のため、添字fillおよびgapを用い、高屈折率領域における波動関数をufill、低屈折率領域における波動関数をugap、などと表記する。 FIG. 18 is a diagram for explaining a calculation example for parameter adjustment in the present embodiment, and the parameters in this case include n, Δ 1 and Δ 2 described above, as shown in FIG. thickness W 1 of the high refractive index layer delta 1, the thickness W 2 of the high refractive index layer delta 2, the distance x c from the layer upper surface of the high refractive index layer delta 2 to the field center position of the low refractive index region, the field radius w, the wavelength λ of light (that is, wave number k 0 = 2π / λ). Usually, since the refractive index n and the wavelength λ are determined at the time of circuit design, the remaining six parameters are determined. Here, these parameters are obtained using a variational method. For convenience, the subscripts fill and gap are used to denote the wave function in the high refractive index region as u fill , the wave function in the low refractive index region as u gap , and the like.

高屈折率領域における波動関数ufillは、次式(21)で与えられ、 The wave function u fill in the high refractive index region is given by the following equation (21):

Figure 0004213020
Figure 0004213020

また、高屈折率領域における波動関数ufillは、次式(22)で与えられる。 The wave function u fill in the high refractive index region is given by the following equation (22).

Figure 0004213020
Figure 0004213020

波動方程式を近軸光線近似して得られるフレネル方程式   Fresnel equation obtained by paraxial wave approximation of wave equation

Figure 0004213020
Figure 0004213020

について、フィールド半径wおよび高屈折率層Δの層上面から低屈折率領域のフィールド中心位置(センター位置)までの距離xを決める変分方程式を以下のように立てて演算を進めると、最終的には、次式(27)のように3つの方程式が導出される。 For the field radius w and the high refractive index layer Δ 2 , the variation equation for determining the distance x c from the upper surface of the high refractive index layer Δ 2 to the field center position (center position) of the low refractive index region is set as follows and the calculation proceeds. Finally, three equations are derived as in the following equation (27).

Figure 0004213020
Figure 0004213020

Figure 0004213020
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Figure 0004213020
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Figure 0004213020
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この結果は丁度、フィールド半径wが同じで、適当なセンター位置xがあるという条件式に相当する。従って、結果的には、残り3つのパラメータを与えることにより光フィールドの系が決定されることとなる。 The result is just the field radius w are the same, corresponds to the condition that there is an appropriate center position x c. Therefore, as a result, the system of the optical field is determined by giving the remaining three parameters.

図19は、本実施例の光回路である1.31/1.55μmWDM回路の特性(透過損失の波長依存性)を説明するための図である。なお、ここでは、Δ=1.5%、Δ=2%、W=5.5μmと設定してある。また、低屈折率領域が全回路面積に占める割合を約50%とし、回路長は1200μmとした。比較的多くの高屈折率領域と低屈折率領域との界面、および、連続した低屈折率領域が含まれている光回路であるが、図19にあるように、約2dBという良好な透過損失が得られた。 FIG. 19 is a diagram for explaining the characteristics (wavelength dependence of transmission loss) of the 1.31 / 1.55 μm WDM circuit which is the optical circuit of the present embodiment. Here, Δ 1 = 1.5%, Δ 2 = 2%, and W 1 = 5.5 μm are set. The ratio of the low refractive index region to the total circuit area was about 50%, and the circuit length was 1200 μm. An optical circuit including a relatively large number of interfaces between a high refractive index region and a low refractive index region and a continuous low refractive index region. As shown in FIG. 19, a good transmission loss of about 2 dB is obtained. was gotten.

本発明の光回路を製造するに際しては、従来から一般的に用いられてきている通常のプロセスによることのほか、近年開発された手法であるところの、光照射によって屈折率や構造を変化させる手法を光回路製造プロセスの一部に採用することも可能である。本実施例では、このような光照射を用いた光回路作製の幾つかの実施例について説明する。本実施例によれば、通常用いられているプロセスと比較して、製造工程数を大幅に低減する事ができることのほか、所望の構造を容易に作製できるという効果が得られる。   In manufacturing the optical circuit of the present invention, in addition to the usual process that has been generally used in the past, the technique of changing the refractive index and structure by light irradiation is a recently developed technique. Can be employed as part of the optical circuit manufacturing process. In this embodiment, several embodiments of manufacturing an optical circuit using such light irradiation will be described. According to the present embodiment, the number of manufacturing steps can be greatly reduced as compared with a commonly used process, and the desired structure can be easily manufactured.

(実施例7−1)
図20は、本実施例の第1の形態の光回路の製造方法を説明するための図で、まず、シリコン基板21上に、火炎堆積法(FHD法)により、下部クラッド層22、コア層23、上部クラッド層24を順次形成した(図20(a))。下部クラッド層22および上部クラッド層24としては、石英ガラス(SiO)をベースとする母材料にBやPなどの酸化物をドーピングさせた材料を用いている。コア層23としては、BやPなどの酸化物の不純物に加え、Geの酸化物をドーピングした材料を用いている。このような材料選択により、下部クラッド層22および上部クラッド層24よりもコア層24の方が高い屈折率をもつように設定してある。また、下部クラッド層22の厚さを20μm、コア層23の厚さを7μm、上部クラッド層24の厚さを10μmとした。なお、上部クラッド層24はUV光を照射したときの回折広がりを抑えるために、通常の光回路の構造に比較して若干薄い厚みとなるように設計した。
(Example 7-1)
FIG. 20 is a diagram for explaining the manufacturing method of the optical circuit according to the first embodiment of the present embodiment. First, the lower clad layer 22 and the core layer are formed on the silicon substrate 21 by the flame deposition method (FHD method). 23 and the upper clad layer 24 were sequentially formed (FIG. 20A). As the lower clad layer 22 and the upper clad layer 24, a material obtained by doping a base material based on quartz glass (SiO 2 ) with an oxide such as B or P is used. As the core layer 23, a material doped with an oxide of Ge in addition to an impurity of an oxide such as B or P is used. By such material selection, the core layer 24 is set to have a higher refractive index than the lower cladding layer 22 and the upper cladding layer 24. The thickness of the lower cladding layer 22 was 20 μm, the thickness of the core layer 23 was 7 μm, and the thickness of the upper cladding layer 24 was 10 μm. The upper clad layer 24 is designed to have a slightly thinner thickness than the structure of a normal optical circuit in order to suppress diffraction spread when UV light is irradiated.

次に、上部クラッド層24の上に、図20(b)に示すような光照射用の遮光膜としてのシリコン薄膜25を形成した後、感光性レジストでパターンを形成し、ドライエッチングプロセスによりシリコン膜を部分的に除去することでパターン形成を実行した(図20(b))。なお、感光性レジストはシリコンパターン形成後に除去されている。また、この遮光マスクパターンの形成に際しては、所望の回路特性を得るために必要とされる屈折率パターンが最終的に得られるように、プロセス依存性や照射光の広がりを考慮して、かかるプロセス依存性等を考慮せずに得られるコア形状の設計値に若干の補正が加えられている。   Next, after forming a silicon thin film 25 as a light-shielding film for light irradiation as shown in FIG. 20B on the upper clad layer 24, a pattern is formed with a photosensitive resist, and silicon is formed by a dry etching process. Pattern formation was performed by partially removing the film (FIG. 20B). The photosensitive resist is removed after the silicon pattern is formed. In addition, when forming this light-shielding mask pattern, the process dependency and the spread of irradiation light are taken into consideration so that a refractive index pattern necessary for obtaining desired circuit characteristics is finally obtained. A slight correction is added to the design value of the core shape obtained without considering the dependency and the like.

次に、光感受性を向上させるため、高圧水素雰囲気中でサンプル中への水素拡散を実行した。具体的には、密閉容器中にサンプルを設置し、室温にて150気圧の水素雰囲気中に一週間放置した。   Next, in order to improve photosensitivity, hydrogen diffusion into the sample was performed in a high-pressure hydrogen atmosphere. Specifically, the sample was placed in a sealed container and left in a hydrogen atmosphere of 150 atm at room temperature for one week.

この水素拡散に続いて、ArFエキシマレーザを用いて波長193nmのUV光を照射することにより、照射前の屈折率よりも大きな屈折率を有するようにコア層23部分の屈折率を変化させた。図20(b)中に斜線で示した領域(23´)がレーザ照射により屈折率変化を生じた領域である。このときの照射パワーは120mJ、照射時間は10分である。光照射後に遮光膜をエッチングにより除去した後に、熱処理を施し、サンプル中に拡散させた水素を除去するとともに、光照射により生じたガラスの不安定状態を解消することにより屈折率の安定化を図った。   Following this hydrogen diffusion, the ArF excimer laser was used to irradiate UV light having a wavelength of 193 nm, thereby changing the refractive index of the core layer 23 so as to have a refractive index larger than that before irradiation. A region (23 ′) indicated by oblique lines in FIG. 20B is a region in which a refractive index change is caused by laser irradiation. The irradiation power at this time is 120 mJ, and the irradiation time is 10 minutes. After removing the light-shielding film by etching after light irradiation, heat treatment is performed to remove hydrogen diffused in the sample and to stabilize the refractive index by eliminating the unstable state of the glass caused by light irradiation. It was.

このようなプロセスにより、遮光マスク25が形成されなかった領域のコア層の屈折率を選択的に変化させ、遮光マスク25を形成した領域のコア層の屈折率とは異なる屈折率とすることができる。このような屈折率変化の程度は、リファレンスとして設定した広い照射領域の測定から、約0.3%程度と推定される。   By such a process, the refractive index of the core layer in the region where the light shielding mask 25 is not formed is selectively changed so that the refractive index is different from the refractive index of the core layer in the region where the light shielding mask 25 is formed. it can. The degree of such refractive index change is estimated to be about 0.3% from the measurement of a wide irradiation region set as a reference.

上述の製造工程により、(1×4)の分岐回路を作製した。回路設計から期待される特性に比較して2dB程度の大きな損失特性ではあったものの、基本的な分岐動作が確認された。損失特性が設計値からずれた原因は、屈折率変化量が設計値とは異なっていたことによるものと考えられる。   A (1 × 4) branch circuit was manufactured by the manufacturing process described above. Although the loss characteristic was about 2 dB larger than the characteristic expected from the circuit design, the basic branching operation was confirmed. The reason why the loss characteristic deviates from the design value is considered to be that the amount of change in the refractive index is different from the design value.

なお、上述した製造方法はあくまでも一例を示したものに過ぎない。製造工程として、下部クラッド層22、コア層23および上部クラッド層24の形成工程、遮光マスク層25の形成工程、および、光照射工程を含んでいることが必須の要素であるが、これらの必須工程を含めて各工程に関しては様々な変更を加えることが可能であることはいうまでもない。例えば、下部クラッド層22、コア層23、上部クラッド層24の形成には、CVD法やスパッタ法あるいはスピンコート法などの成膜方法を用いることも可能である。また、図20に示した例では、各層は単一組成の材料で構成されるものとしたが、組成の異なるガラスを複数枚重ね合わせて堆積を行って得られる多層構造の層を1つの層として取り扱うこととしても構わない。   The manufacturing method described above is merely an example. It is an essential element that the manufacturing process includes the formation process of the lower cladding layer 22, the core layer 23, and the upper cladding layer 24, the formation process of the light shielding mask layer 25, and the light irradiation process. It goes without saying that various changes can be made for each process including the process. For example, the lower clad layer 22, the core layer 23, and the upper clad layer 24 can be formed by a film forming method such as a CVD method, a sputtering method, or a spin coating method. In the example shown in FIG. 20, each layer is made of a material having a single composition. However, a single layer of a multilayer structure obtained by stacking and stacking a plurality of glasses having different compositions. It doesn't matter if you treat it as

遮光マスク層25としては、照射する光を遮蔽する効果のある材料であれば、シリコン以外の別の材料を用いても構わない。また、遮光用のマスクの形成方法の一例として、上部クラッド上24に形成する方法をあげたが、別のガラス基板上にマスク形成を行い、このガラス基板をサンプルに密着させて光照射することによっても同様の結果を得ることができる。さらに、光感受性を向上させるための手法については、高圧下での水素添加方法によることの他に、高温で短時間の水素処理や、重水素を添加するなどの手法によることも可能である。また、照射光として、193nmのUVエキシマレーザ光のほか、KrFエキシマレーザやXeFエキシマレーザ等の他のレーザからの光や、短パルスの可視光レーザ光などを用いても、上記と同様の光回路構造を作製することができる。   As the light-shielding mask layer 25, another material other than silicon may be used as long as the material has an effect of shielding the light to be irradiated. In addition, as an example of a method for forming a light-shielding mask, a method of forming the mask on the upper clad 24 has been described. However, a mask is formed on another glass substrate, and the glass substrate is adhered to the sample and irradiated with light. The same result can be obtained by. Furthermore, as a technique for improving the photosensitivity, in addition to a hydrogen addition method under a high pressure, a technique such as hydrogen treatment at a high temperature for a short time or addition of deuterium is also possible. In addition to 193 nm UV excimer laser light, light from other lasers such as KrF excimer laser and XeF excimer laser, short pulse visible light laser light, etc. can be used as the irradiation light. A circuit structure can be produced.

(実施例7−2)
図21は、本実施例の第2の形態の光回路の製造方法を説明するための図である。この実施形態は第1の実施形態(実施例7−1)とほぼ同じであるので、相違する部分についてのみ説明を行う。第1の実施形態においては、下部クラッド層22および上部クラッド層24にはGeの酸化物をドーピングしないこととしたので、光照射した際の上部クラッド層24および下部クラッド層22における屈折率変化はないか、若しくは、ほとんど無視できる程度となる。これに対して、本実施形態では、これらの層もコア層23と同様に感光層となるように、Geドープされたガラス組成で上部クラッド層24および下部クラッド層22を形成することとし、光照射による屈折率変化が誘起されることとしている。
(Example 7-2)
FIG. 21 is a diagram for explaining the method of manufacturing the optical circuit according to the second mode of this example. Since this embodiment is substantially the same as the first embodiment (Example 7-1), only the differences will be described. In the first embodiment, since the lower clad layer 22 and the upper clad layer 24 are not doped with Ge oxide, the refractive index change in the upper clad layer 24 and the lower clad layer 22 when irradiated with light is as follows. No or almost negligible. On the other hand, in the present embodiment, the upper cladding layer 24 and the lower cladding layer 22 are formed with a Ge-doped glass composition so that these layers also become photosensitive layers like the core layer 23, and light It is supposed that a refractive index change due to irradiation is induced.

第1の実施形態と同様に、下部クラッド層22、コア層23、上部クラッド層24を順次形成し(図21(a))、上部クラッド層24の上に光照射用の遮光膜としてのシリコン薄膜25を形成してパターン形成する(図21(b))。遮光マスク25でマスキングされていない領域が光照射されると、コア層23のみならず上部クラッド層24および下部クラッド層22も感光し、Geドープ量に応じた屈折率変化が生じる。図21(b)中に斜線で示した領域(23´)がレーザ照射により屈折率変化を生じた領域である。上述の製造工程により、(1×4)の分岐回路を作製した結果、第1の実施形態の分岐回路よりも優れた損失特性が得られることが確認された。   As in the first embodiment, a lower clad layer 22, a core layer 23, and an upper clad layer 24 are sequentially formed (FIG. 21A), and silicon as a light-shielding film for light irradiation is formed on the upper clad layer 24. A thin film 25 is formed and patterned (FIG. 21B). When a region not masked by the light shielding mask 25 is irradiated with light, not only the core layer 23 but also the upper cladding layer 24 and the lower cladding layer 22 are exposed, and a refractive index change corresponding to the Ge doping amount occurs. A region (23 ′) indicated by oblique lines in FIG. 21B is a region in which a refractive index change is caused by laser irradiation. As a result of producing a (1 × 4) branch circuit by the above-described manufacturing process, it was confirmed that a loss characteristic superior to that of the branch circuit of the first embodiment was obtained.

すなわち、コア層23およびクラッド層(22および24)の双方が感光層となるように組成選択することにより、光照射により形成された高屈折率領域と低屈折率領域とにおける光伝播方向でのフィールド分布の差分が少なくなり、素子の損失特性を改善することができる。   That is, by selecting the composition so that both the core layer 23 and the clad layer (22 and 24) are photosensitive layers, the light propagation direction in the high refractive index region and the low refractive index region formed by light irradiation. The difference in field distribution is reduced, and the loss characteristics of the element can be improved.

(実施例7−3)
図22は、本実施例の第3の形態の光回路の製造方法を説明するための図である。この実施形態は第1および第2の実施形態(実施例7−1および実施例7−2)を併用するものに相当している。従って、以下では、これらの実施形態に追加される工程部分についてのみ説明を行う。
(Example 7-3)
FIG. 22 is a diagram for explaining the manufacturing method of the optical circuit according to the third mode of the present embodiment. This embodiment corresponds to the combination of the first and second embodiments (Example 7-1 and Example 7-2). Therefore, only the process parts added to these embodiments will be described below.

本実施形態においては、位相マスクを用いたUV光照射により局所的な屈折率変化を生じさせ、図22(d)に示すような(1×2)分岐回路を作製した。位相マスクを用いたUV光照射方法は、ファイバーグレーティングなどの製造において用いられているものであり、グレーティング構造などのような、周期的かつ微細な構造を比較的容易かつ正確に作製することができるという利点がある。また、複数の位相マスクを用いることにより、ある程度の複雑な構造であっても比較的容易に製造が可能である。しかし、本発明の光回路のように構造が複雑であると、位相マスクを用いたUV光照射のみによって所望の屈折率分布を完全に実現することは困難となるため、第1および第2の実施形態で説明した製造方法などと併用して用いることが必要となるのである。   In this embodiment, a local refractive index change is caused by UV light irradiation using a phase mask, and a (1 × 2) branch circuit as shown in FIG. The UV light irradiation method using a phase mask is used in the manufacture of fiber gratings and the like, and a periodic and fine structure such as a grating structure can be produced relatively easily and accurately. There is an advantage. In addition, by using a plurality of phase masks, even a somewhat complicated structure can be manufactured relatively easily. However, if the structure is complicated as in the optical circuit of the present invention, it is difficult to achieve a desired refractive index distribution completely only by UV light irradiation using a phase mask. It is necessary to use it together with the manufacturing method described in the embodiment.

第1の実施形態と同様に、下部クラッド層22、コア層23、上部クラッド層24を順次形成し(図22(a))、上部クラッド層24の上に光照射用のパターン化された遮光マスク25を形成してUV光照射を実行した(図22(b))。図22(b)中に斜線で示した領域(23´)がUV光照射により屈折率変化を生じた領域である。遮光マスク25を除去した後に、図22(d)に示すように、出力ポート近傍の一部領域に、グレーティングフィルタの形成を行う。具体的には、グレーティングフィルタを形成したい領域(図22(d)中の27に相当)の出力ポート近傍に、図22(c)に示すようにパターン化された位相マスク26を形成し、この位相マスク26を介してUV照射を実行してコア層23内の所望領域23´´を感光させてグレーティングフィルタとする。この工程の後に、実施例7−1と同様の工程により熱処理を行い、サンプル中に拡散させた水素を除去するとともに、光照射により生じたガラスの不安定状態を解消して屈折率の安定化を図った。   As in the first embodiment, a lower cladding layer 22, a core layer 23, and an upper cladding layer 24 are sequentially formed (FIG. 22A), and a patterned light shielding pattern for light irradiation is formed on the upper cladding layer 24. A mask 25 was formed and UV light irradiation was performed (FIG. 22B). A region (23 ′) indicated by hatching in FIG. 22B is a region where a refractive index change is caused by UV light irradiation. After the light shielding mask 25 is removed, a grating filter is formed in a partial region near the output port as shown in FIG. Specifically, a patterned phase mask 26 as shown in FIG. 22 (c) is formed in the vicinity of the output port in the region where the grating filter is to be formed (corresponding to 27 in FIG. 22 (d)). UV irradiation is performed through the phase mask 26 to expose the desired region 23 ″ in the core layer 23 to form a grating filter. After this step, heat treatment is performed in the same manner as in Example 7-1 to remove hydrogen diffused in the sample and to stabilize the refractive index by eliminating the unstable state of the glass caused by light irradiation. I planned.

グレーティングを追加形成した出力ポート(図22(d)の27で示す領域の出力ポート)においては、そのフィルタ動作により、透過波長特性が変化することが確認された。なお、本実施例では、実施例7−1の製造工程途中に、図22(c)に相当するUV光照射工程を割り込ませて製造の簡略化を図っているが、実施例7−1の工程を全て完了した後に、上記図22(c)に相当するUV光照射工程を実施するようにしてもよい。   In the output port in which the grating is additionally formed (the output port in the region indicated by 27 in FIG. 22D), it has been confirmed that the transmission wavelength characteristic is changed by the filter operation. In this example, the UV light irradiation process corresponding to FIG. 22C is interrupted during the manufacturing process of Example 7-1 to simplify the manufacturing process. After completing all the steps, the UV light irradiation step corresponding to FIG. 22C may be performed.

(実施例7−4)
図23は、本実施例の第4の形態の光回路の製造方法を説明するための図で、この実施形態においても、実施例7−1と同様に、シリコン基板21上に、下部クラッド層22、コア層23、および、上部クラッド層24を、火炎堆積法(FHD法)により順次形成した(図23(a))。
(Example 7-4)
FIG. 23 is a diagram for explaining a method of manufacturing the optical circuit according to the fourth mode of this example. Also in this embodiment, the lower clad layer is formed on the silicon substrate 21 as in Example 7-1. 22, the core layer 23, and the upper cladding layer 24 were sequentially formed by a flame deposition method (FHD method) (FIG. 23A).

これに続いて、上記各層を形成したウエハを、図示しないXYZ方向3軸の可動ステージ上に固定し、レンズ29によりレーザ光28をコア近傍に集光させて光照射を行い、照射点付近の屈折率を変化させた(図23(b))。図23(b)中に斜線で示した領域(23´)がレーザ照射により屈折率変化を生じた領域である。この図に示したように、屈折率変化した領域の大きさは一定ではなく、所望の屈折率分布が実現されるように、個々の領域の大きさを決定することができる。   Subsequently, the wafer on which each of the above layers is formed is fixed on a XYZ direction triaxial movable stage (not shown), and the laser light 28 is condensed near the core by the lens 29 to perform light irradiation. The refractive index was changed (FIG. 23 (b)). A region (23 ′) indicated by hatching in FIG. 23B is a region where the refractive index change is caused by laser irradiation. As shown in this figure, the size of the region where the refractive index is changed is not constant, and the size of each region can be determined so that a desired refractive index distribution is realized.

これらの領域の横方向(XY方向)の広がりは、レーザ光照射中のステージのXY平面内での駆動量やレーザパワー量により決定される。一方、縦方向(Z方向)の広がり(厚み)は、レーザパワー量の制御とステージのZ方向での駆動量によってレーザ光28の集光状態を制御することにより決定され、コア層23と同じ厚みを有するようにしたり、コア層23よりも薄い或いは厚い厚みとすることが可能である。また、照射領域の屈折率変化量は、主としてレーザパワー量の制御により行われる。なお、この実施形態では、レーザ光として775nmの波長のフェムト秒パルスレーザを用い、パルス幅は150fsである。このようにして(1×4)の分岐回路を製造し、基本的な分岐動作を確認した。   The extent of these regions in the lateral direction (XY direction) is determined by the amount of drive and the amount of laser power in the XY plane of the stage during laser light irradiation. On the other hand, the spread (thickness) in the vertical direction (Z direction) is determined by controlling the condensing state of the laser light 28 by controlling the laser power amount and the driving amount of the stage in the Z direction, and is the same as the core layer 23. It is possible to have a thickness, or to make the thickness thinner or thicker than the core layer 23. Further, the amount of change in the refractive index of the irradiated region is mainly controlled by controlling the laser power amount. In this embodiment, a femtosecond pulse laser having a wavelength of 775 nm is used as the laser light, and the pulse width is 150 fs. In this way, a (1 × 4) branch circuit was manufactured and the basic branch operation was confirmed.

上述した手法によりレーザ光を集光描画して屈折率の空間的分布を実現する場合には、予めマスク形成などを行う必要性がないという特徴を有しているが、各ドット毎にレーザ光照射を行う必要があるため、光回路の作製に時間がかかる傾向がある。このため、本手法を、上述の実施例7−1または実施例7−2で説明した、一括描画による屈折率分布形成方法と併用することが有効である。   When the laser beam is focused and drawn by the above-described method to realize the spatial distribution of the refractive index, there is no need to perform mask formation or the like in advance. Since it is necessary to perform irradiation, it tends to take time to fabricate an optical circuit. For this reason, it is effective to use this method in combination with the refractive index distribution forming method by batch drawing described in Example 7-1 or Example 7-2.

また、レーザ光としては、フェムト秒レーザに限らず、UVエキシマレーザ光やCWのUVレーザ光などを用いることも可能である。この場合も、実施例7−1で説明したように、大きな屈折率変化を得るために、水素添加などを用いてUV光に対する増感を行うこととすることが効果的である。   Further, the laser light is not limited to the femtosecond laser, and UV excimer laser light, CW UV laser light, or the like can also be used. Also in this case, as described in Example 7-1, it is effective to perform sensitization to UV light using hydrogenation or the like in order to obtain a large refractive index change.

さらに、本実施例では、下部クラッド層22、コア層23、および、上部クラッド層24の3層構造とされているが、本手法はレーザ光の集光点付近の屈折率変化を利用しているので、バルクガラスのような単一組成の材料に適用することも可能である。   Furthermore, in this embodiment, the three-layer structure of the lower clad layer 22, the core layer 23, and the upper clad layer 24 is used, but this method uses a change in refractive index near the condensing point of the laser beam. Therefore, it can be applied to a single composition material such as bulk glass.

(実施例7−5)
上記実施例7−1および7−2で説明した手法により光回路を作製した例を説明する。
(Example 7-5)
An example in which an optical circuit is manufactured by the method described in Examples 7-1 and 7-2 will be described.

図24は、作製した光回路の屈折率分布の様子を説明するための導波路断面図で、図24(a)は光照射前の屈折率分布、図24(b)は実施例7−1の手法により形成した屈折率分布、そして、図24(c)は実施例7−2の手法により形成した屈折率分布の様子である。なお、これらの図において、屈折率分布ピクセルサイズは3×3μmであり、コア層の厚みは4.5μmである。   24A and 24B are waveguide cross-sectional views for explaining the state of the refractive index distribution of the manufactured optical circuit. FIG. 24A shows the refractive index distribution before light irradiation, and FIG. 24B shows the embodiment 7-1. FIG. 24C shows the refractive index distribution formed by the method of Example 7-2. In these drawings, the refractive index distribution pixel size is 3 × 3 μm, and the thickness of the core layer is 4.5 μm.

図24(a)〜(c)に示す何れの屈折率分布においても、高屈折率部分と低屈折率部分は同等の有効屈折率差(高屈折率部分:Δ=1.5%、低屈折率部分:Δ=1.3%)を有しており、直接比較することが可能である。   In any refractive index distribution shown in FIGS. 24A to 24C, the high refractive index portion and the low refractive index portion have the same effective refractive index difference (high refractive index portion: Δ = 1.5%, low refractive index). Rate part: Δ = 1.3%) and can be directly compared.

図25は、図24(a)〜(c)で示した構造を有する、1.31μm/1.55μmの(1×2)分岐回路の各々の損失特性(透過率)を説明するための図である。なお、回路サイズは1200μm×120μmである。図24(a)に対応する構造(従来構造)の光回路の特性を破線で示し、図24(b)および図24(c)に対応する構造の光回路特性を、それぞれ、(A)および(B)で示してある。   FIG. 25 is a diagram for explaining the loss characteristics (transmittance) of the 1.31 μm / 1.55 μm (1 × 2) branch circuit having the structure shown in FIGS. It is. The circuit size is 1200 μm × 120 μm. The characteristics of the optical circuit of the structure corresponding to FIG. 24A (conventional structure) are indicated by broken lines, and the optical circuit characteristics of the structure corresponding to FIG. 24B and FIG. 24C are respectively represented by (A) and It is indicated by (B).

この図からわかるように、本発明の光回路の損失特性は、従来構造の光回路の損失特性に比較して、約1dB程度の改善が認められ、特性良好な光回路が得られている。   As can be seen from this figure, the loss characteristic of the optical circuit of the present invention is improved by about 1 dB as compared with the loss characteristic of the optical circuit of the conventional structure, and an optical circuit with good characteristics is obtained.

本実施例では、屈折率を複素屈折率として取り扱う。複素屈折率の虚部は、媒質中における光の利得若しくは損失を意味する。従って、波動伝達媒質は、吸収または増幅効果を有するものであるものとする。本実施例の光回路においては、通常材料の複素屈折率が波長に依存して変化するという特徴を有効に利用したものである。なお、光回路構造としては、実施例2で説明した1.31μm/1.55μmの(1×2)分波回路の例を考える。   In this embodiment, the refractive index is handled as a complex refractive index. The imaginary part of the complex refractive index means the gain or loss of light in the medium. Therefore, it is assumed that the wave transmission medium has an absorption or amplification effect. In the optical circuit of the present embodiment, the characteristic that the complex refractive index of the normal material changes depending on the wavelength is effectively used. As an optical circuit structure, an example of the 1.31 μm / 1.55 μm (1 × 2) branching circuit described in the second embodiment is considered.

図26は、本実施例の光回路の構成を説明するための概略図で、図26(a)は回路全体の概念図であり、図26(b)および図26(c)は出力側における複素屈折率分布の概念図であり、これらの図はそれぞれ、1.31μm用ポート(図中a)および1.55μm用ポート(図中b)の近傍の複素屈折率分布の様子を示している。   FIG. 26 is a schematic diagram for explaining the configuration of the optical circuit of the present embodiment. FIG. 26 (a) is a conceptual diagram of the entire circuit, and FIGS. 26 (b) and 26 (c) are diagrams on the output side. It is a conceptual diagram of the complex refractive index distribution, and these figures respectively show the states of the complex refractive index distribution in the vicinity of the 1.31 μm port (a in the figure) and the 1.55 μm port (b in the figure). .

この光回路は、通常の回路設計に加えて、1.31μmの出力ポート近傍の複素屈折率分布を、1.31μm帯の光に対してはほぼ透明で、かつ、1.55μm帯の光に対しては大きな損失を有するように設計(図26(b))する一方、1.55μmの出力ポート近傍の複素屈折率分布を、1.55μm帯の光に対してはほぼ透明で、かつ、1.3μm帯の光に対しては大きな損失を有するように設計している(図26(c))。すなわち、この光回路においては、出力させたい波長の信号光については透明であり、かつ、不要な信号光は光回路内で吸収させて出力されないように複素屈折率分布が決定されている。   In addition to the usual circuit design, this optical circuit has a complex refractive index profile near the 1.31 μm output port that is almost transparent to the 1.31 μm band light and 1.55 μm band light. On the other hand, it is designed to have a large loss (FIG. 26B), while the complex refractive index distribution in the vicinity of the output port of 1.55 μm is substantially transparent to light in the 1.55 μm band, and It is designed to have a large loss for light in the 1.3 μm band (FIG. 26C). That is, in this optical circuit, the complex refractive index distribution is determined so that the signal light of the wavelength to be output is transparent and unnecessary signal light is absorbed and output in the optical circuit.

詳細な図示はしないが、1.31μmの出力ポート(a)と1.55μmの出力ポート(b)との間には、両方の波長の光に対して大きな損失を有するように複素屈折率分布が与えられており、不要な信号光が散乱することにより生じるクロストークを防ぐ設計となっている。本実施例の光回路の構成材料としては半導体ドープガラス系材料が選択されており、これにより、光に対して透明な材料のみで光回路を作製した場合に比較して、1.55μmの出力ポートに対する1.3μm帯の信号光のクロストークが大きく減少した。また、1.31μmの出力ポートに対する1.55μm帯の信号光のクロストークも若干減少した。なお、信号光の損失の増加は殆ど認められなかった。また、実数のみの屈折率分布を与えた光回路と、複素屈折率分布を与えた本実施例の光回路とを比較すると、同一の回路特性を得るための回路長を短くすることが可能となる。   Although not shown in detail, between the 1.31 μm output port (a) and the 1.55 μm output port (b), there is a complex refractive index distribution so as to have a large loss for light of both wavelengths. And is designed to prevent crosstalk caused by scattering of unnecessary signal light. As a constituent material of the optical circuit of this embodiment, a semiconductor-doped glass-based material is selected, and as a result, an output of 1.55 μm is obtained as compared with a case where an optical circuit is manufactured only with a material transparent to light. The crosstalk of 1.3 μm band signal light to the port was greatly reduced. In addition, the crosstalk of 1.55 μm band signal light to the 1.31 μm output port was slightly reduced. Note that almost no increase in the loss of signal light was observed. In addition, when comparing an optical circuit having a refractive index distribution of only a real number with the optical circuit of the present embodiment having a complex refractive index distribution, it is possible to shorten the circuit length for obtaining the same circuit characteristics. Become.

なお、本実施例では、回路を構成するに際して半導体材料を用いることとしたが、複素屈折率を与える材料であればよく、有機材料、金属、誘電体材料など様々な材料を用いることができる。   In the present embodiment, a semiconductor material is used for configuring the circuit. However, any material that provides a complex refractive index may be used, and various materials such as an organic material, a metal, and a dielectric material can be used.

本発明の回路においては、多重の回折・干渉現象を利用しているため、極めて多彩な機能を実現できるという特長を有しているが、実数のみの屈折率分布で充分な回路特性を実現することが困難な場合も生じ得る。そのような場合に、本実施例のように、回路の一部もしくは全ての領域において、複素屈折率分布を与えるように設計することとすれば、回路特性を改善したり、あるいは、素子長の短い回路を作製することが可能となる。   The circuit of the present invention has the feature that it can realize a wide variety of functions because it uses multiple diffraction and interference phenomena, but it realizes sufficient circuit characteristics with a refractive index distribution of only real numbers. It can also be difficult. In such a case, if it is designed to give a complex refractive index distribution in part or all of the circuit as in this embodiment, the circuit characteristics can be improved or the element length can be increased. A short circuit can be manufactured.

本実施例の光回路は、これまで説明してきた光回路の高屈折率部分と低屈折率部分として、レリーフ状に屈折率の高い層を加工することで屈折率分布を形成した回路である。   The optical circuit of the present embodiment is a circuit in which a refractive index distribution is formed by processing a layer having a high refractive index in a relief shape as a high refractive index portion and a low refractive index portion of the optical circuit described so far.

図27(a)〜(c)は、本実施例の光回路の構成を説明するための断面図で、図27(a)は本光回路を構成する基本的な構造であり、低屈折率層であるクラッド層(22、24)に挟まれた高屈折率層である厚み5μmのコア層23の上部の一部を2μmの深さ分だけ除去してレリーフ状のパターニングを施すことにより、実効的な「高屈折率部分」23aと「低屈折率部分」23bとを形成することで屈折率分布を形成している。   FIGS. 27A to 27C are cross-sectional views for explaining the configuration of the optical circuit of the present embodiment. FIG. 27A shows the basic structure of the optical circuit, and has a low refractive index. By removing a part of the upper part of the core layer 23 having a thickness of 5 μm, which is a high refractive index layer sandwiched between clad layers (22, 24) which are layers, by a depth of 2 μm, and performing relief patterning, A refractive index distribution is formed by forming effective "high refractive index portion" 23a and "low refractive index portion" 23b.

このようなパターン形成は、反応性イオンエッチングにより実行可能である。一般に、エッチングによるパターン形成では、その加工深さが深いほどパターン変形の度合いが大きくなってパターン形成の制御性が低下するため、深いエッチングを施すこととすると形成可能なパターンサイズは大きくならざるを得ないという問題がある。発明者らは、本発明の光回路においてはエッチングにより形成されるパターンサイズは極めて重要なパラメータであることを見出した。これは、パターンサイズにより決定される空間的屈折率分布が光の制御性に影響を与え、ひいては光回路の特性そのものに影響を与えることになるためである。   Such pattern formation can be performed by reactive ion etching. In general, in pattern formation by etching, as the processing depth increases, the degree of pattern deformation increases and the controllability of pattern formation decreases. Therefore, if deep etching is performed, the pattern size that can be formed must be large. There is a problem of not getting. The inventors have found that the pattern size formed by etching is an extremely important parameter in the optical circuit of the present invention. This is because the spatial refractive index distribution determined by the pattern size affects the controllability of light, and thus affects the characteristics of the optical circuit itself.

そこで、パターンサイズの制御性を高めてより小さいサイズのパターンの形成を可能とするために、以下に説明するような方法により、比較的浅いエッチング深さのレリーフ状のパターニングを施して所望の屈折率分布を実現することとした。図27(b)は、その一例を説明するための図で、図27(a)の構造では高屈折率層であるコア層23の一方の面からのみ凹凸を形成しているのに対して、この図に示した構造では、コア層23の両面から凹凸を形成し、これにより、個々の凹凸に施すエッチング深さを1/2の1μmとして同等の屈折率分布を実現したものである。   Therefore, in order to increase the controllability of the pattern size and enable the formation of a pattern with a smaller size, a relief pattern with a relatively shallow etching depth is applied by a method as described below to achieve a desired refraction. We decided to realize the rate distribution. FIG. 27B is a diagram for explaining an example. In the structure of FIG. 27A, the unevenness is formed only from one surface of the core layer 23 which is a high refractive index layer. In the structure shown in this figure, unevenness is formed from both surfaces of the core layer 23, and thereby an equivalent refractive index distribution is realized with an etching depth applied to each unevenness being 1/2 of 1 μm.

図27(b)に示した回路構造を作製するには、先ず、図示しないシリコン基板上に下部クラッド部分として低屈折率のガラスを堆積し、その一部に反応性イオンエッチングにより溝を形成して下部クラッド層22とする。後述するように、この溝の部分が本光回路のコア層23の高屈折率部分に相当することとなる。ここでは、高屈折率層であるコア層23のクラッド層(22、24)に対する比屈折率差Δを1.5%とし、最終的に得られるコア層23の高屈折率部分の厚みが5μmとなるように設計しているので、この層厚に対して十分なステップカバレッジが得られるように約1μmの溝を形成している。   In order to fabricate the circuit structure shown in FIG. 27B, first, a low refractive index glass is deposited as a lower clad portion on a silicon substrate (not shown), and a groove is formed in a part thereof by reactive ion etching. The lower cladding layer 22 is formed. As will be described later, this groove portion corresponds to a high refractive index portion of the core layer 23 of the present optical circuit. Here, the relative refractive index difference Δ with respect to the cladding layers (22, 24) of the core layer 23, which is a high refractive index layer, is 1.5%, and the thickness of the high refractive index portion of the finally obtained core layer 23 is 5 μm. Therefore, a groove of about 1 μm is formed so that sufficient step coverage can be obtained for this layer thickness.

下部クラッド層22に対する溝形成に続いて、下部クラッド層22上に高屈折率のガラスの層を堆積して高温で加熱する。この加熱により、下部クラッド層22の溝の両端近傍(段差部分)にも高屈折率ガラスが隙間なく充填され、かつ、高屈折率層の表面も平坦化される。なお、この高屈折率ガラスの堆積は、本光回路のコア層23の高屈折率部分に相当することとなる溝上の高屈折率ガラス層の厚みが6μmとなるように実行される。   Following the formation of the grooves in the lower cladding layer 22, a glass layer having a high refractive index is deposited on the lower cladding layer 22 and heated at a high temperature. By this heating, the high refractive index glass is filled in the vicinity of both ends (stepped portions) of the groove of the lower clad layer 22 without gaps, and the surface of the high refractive index layer is also flattened. The high refractive index glass is deposited so that the thickness of the high refractive index glass layer on the groove corresponding to the high refractive index portion of the core layer 23 of the optical circuit is 6 μm.

ここで、高屈折率ガラス層の厚みを6μmとするのは、この高屈折率ガラス層の上表面にエッチングにより溝を形成して、最終的な高屈折率部分の厚みが5μmのコア層23を得るために、エッチングによる「とりしろ」を1μmとしたことによる。   Here, the thickness of the high refractive index glass layer is set to 6 μm because a groove is formed by etching on the upper surface of the high refractive index glass layer, and the final high refractive index portion has a thickness of 5 μm. In order to obtain the above, it is because the “trim” by etching is set to 1 μm.

高屈折率ガラス層の表面に形成する溝は、図27(b)に示すように、下部クラッド層22に設けた凹部(凸部)が高屈折率ガラス層の凸部(凹部)となるように、すなわち、コア層23の表面と裏面に形成される低屈折率部分と高屈折率部分が互いに対応する位置に設けられるように形成される。これは、コア層23中を伝搬する光のフィールドの形状が光伝搬方向に伸びる直線に対して対称であるため、余分な損失を回避するためには、コア層23の表面と裏面に形成される低屈折率部分と高屈折率部分も光伝搬方向に伸びる直線に対して対称であるべきであるという発明者らの知見に基づくものである。   In the groove formed on the surface of the high refractive index glass layer, as shown in FIG. 27B, the concave portion (convex portion) provided in the lower cladding layer 22 becomes the convex portion (concave portion) of the high refractive index glass layer. In other words, the low refractive index portion and the high refractive index portion formed on the front surface and the back surface of the core layer 23 are provided at positions corresponding to each other. This is because the shape of the field of light propagating in the core layer 23 is symmetric with respect to a straight line extending in the light propagation direction, so that it is formed on the front and back surfaces of the core layer 23 in order to avoid extra losses. This is based on the inventors' knowledge that the low refractive index portion and the high refractive index portion should be symmetric with respect to a straight line extending in the light propagation direction.

このようなレリーフ状パターンのコア層23を形成した後に、導波部分であるコア層23の上部に上クラッド層24を設け、高屈折率部分23aと低屈折率部分23bとを有するコア層23が上下のクラッド層に埋め込まれた構造とし、上述の実施例2同様、1.31/1.55μmWDM光回路とした。   After the core layer 23 having such a relief pattern is formed, an upper cladding layer 24 is provided on the core layer 23 that is a waveguide portion, and the core layer 23 has a high refractive index portion 23a and a low refractive index portion 23b. Are embedded in the upper and lower cladding layers, and a 1.31 / 1.55 μm WDM optical circuit is formed as in the second embodiment.

従来、クラッド層とコア層の比屈折率差Δが1.5%程度の光導波路の場合には、基板厚み方向に単一モードにするために、コアの膜厚を約4.5μm程度の厚みとするため、同程度の通常の半導体プロセスにおけるエッチング深さ約1μmと比較して、かなり深いエッチングが必要で微細パターンを加工するのが困難であった。これに対して、本実施例の光回路のようにレリーフ状の構造とすることで、エッチングの深さを1μmと浅くして0.5μm程度の微細なパターン化が可能となった。   Conventionally, in the case of an optical waveguide having a relative refractive index difference Δ of about 1.5% between the cladding layer and the core layer, the thickness of the core is about 4.5 μm in order to achieve a single mode in the substrate thickness direction. Therefore, as compared with an etching depth of about 1 μm in a normal semiconductor process of the same level, a considerably deep etching is required and it is difficult to process a fine pattern. On the other hand, by using a relief structure like the optical circuit of this embodiment, the etching depth can be reduced to 1 .mu.m and a fine pattern of about 0.5 .mu.m can be formed.

図27(b)に示した構造を有する光回路では、コア層23の高屈折率部分と低屈折率部分の有効屈折率差Δ´は、計算上、クラッドを形成する低屈折率ガラスとコアを形成する高屈折率ガラスの比屈折率差Δ(約1.5%)の約20%程度と見積もられ、本実施例の光回路の空間屈折率分布を形成するための有効屈折率差Δ´は、僅かに約0.3%となる。   In the optical circuit having the structure shown in FIG. 27B, the effective refractive index difference Δ ′ between the high refractive index portion and the low refractive index portion of the core layer 23 is calculated by calculating the low refractive index glass and the core forming the cladding. Is estimated to be about 20% of the relative refractive index difference Δ (about 1.5%) of the high refractive index glass forming the effective refractive index difference Δ ′ for forming the spatial refractive index distribution of the optical circuit of this embodiment. Is only about 0.3%.

この有効屈折率差Δ´(約0.3%)をもとに光回路を設計した結果、ピクセルサイズを3μmと設定した場合であっても、比屈折率差Δ1.5%で設計した実施例1の光回路と比較して僅かに1.5倍程度の長さの回路長におさめることが可能であった。また、本実施例の光回路においては、ピクセルサイズを0.5μmにまで小さく設定することが可能であり、ピクセルサイズ0.5μmで光回路を設計すれば横方向への大きな波数の光フィールドを発生させることが可能となり、実施例1の光回路と比較して約半分の回路長とすることができる。   As a result of designing an optical circuit based on this effective refractive index difference Δ ′ (about 0.3%), even when the pixel size is set to 3 μm, the design is performed with a relative refractive index difference of Δ1.5%. Compared with the optical circuit of Example 1, it was possible to reduce the circuit length to about 1.5 times as long. In the optical circuit of this embodiment, the pixel size can be set as small as 0.5 μm. If the optical circuit is designed with a pixel size of 0.5 μm, an optical field with a large wave number in the horizontal direction can be obtained. Therefore, the circuit length can be approximately half that of the optical circuit of the first embodiment.

すなわち、本実施例の光回路では、例えば0.3%程度の低い屈折率差で光伝搬領域を形成したとしても、レリーフ状のパターンを有する導波路構造による多重散乱を利用して比較的大きな反射・散乱を発生させることが可能となり、高効率で光干渉を生じさせ得る。このため、光回路を大幅に小型化することが可能である。   That is, in the optical circuit of this embodiment, even if the light propagation region is formed with a refractive index difference as low as about 0.3%, for example, it is relatively large using multiple scattering by the waveguide structure having a relief pattern. Reflection and scattering can be generated, and light interference can be generated with high efficiency. For this reason, it is possible to greatly reduce the size of the optical circuit.

なお、コア層23に設けるレリーフの形状は、所望する屈折率分布に応じて自由に変更が可能であり、例えば、図27(c)に示すように、コア層23の上下面で異なるパターンを有するようにするにして、高屈折率部分23aと低屈折率部分23bに加え、中間屈折率部分23cを設けるようにしてもよい。   The shape of the relief provided on the core layer 23 can be freely changed according to the desired refractive index distribution. For example, as shown in FIG. In addition to the high refractive index portion 23a and the low refractive index portion 23b, an intermediate refractive index portion 23c may be provided.

既に実施例5において説明したように、図15(a)に示したような光回路では、ピクセルの構造が波面の進行方向に対して概ね垂直な辺を有する四角形のピクセル構造であるために、ちょうどナイフエッジにより光が回折されるように、激しい干渉が生じて光回路の設計精度が低下することに加え、大きな波数を有する光が発生して、小さな屈折率差の屈折率分布では光制御しきれなくなるという問題が生じ得るが、コア層23に上述のレリーフ状パターンを施すこととすれば、高屈折率を有するピクセル相互間に介在する低屈折率を有するピクセルの存在により、屈折率パターンが実効的に平滑化されて、伝搬光の激しい散乱を抑制することが可能となる。   As already described in the fifth embodiment, in the optical circuit as shown in FIG. 15A, the pixel structure is a rectangular pixel structure having sides substantially perpendicular to the traveling direction of the wavefront. Just as light is diffracted by a knife edge, severe interference occurs and the design accuracy of the optical circuit is reduced. In addition, light having a large wave number is generated, and light control is performed in a refractive index distribution with a small refractive index difference. However, if the above-described relief pattern is applied to the core layer 23, the refractive index pattern is caused by the presence of pixels having a low refractive index interposed between pixels having a high refractive index. Is effectively smoothed, and it is possible to suppress intense scattering of propagating light.

本実施例の光回路は、屈折率の異なる膜を多層に積層させた多層膜によりクラッドを構成することで光閉じ込めを実現したものである。   The optical circuit of the present embodiment realizes optical confinement by forming a clad with a multilayer film in which films having different refractive indexes are laminated in multiple layers.

図28は、本実施例の光回路の導波路部分の断面図で、コア層23を挟む下部クラッド層22および上部クラッド層24は、何れも、屈折率の異なる膜(22a〜dおよび24a〜d)を多層に積層させた多層膜で構成されている。   FIG. 28 is a cross-sectional view of the waveguide portion of the optical circuit of the present embodiment. The lower cladding layer 22 and the upper cladding layer 24 sandwiching the core layer 23 are films having different refractive indexes (22a to d and 24a to 24a). It is composed of a multilayer film in which d) is laminated in multiple layers.

これまで説明してきた光回路においては、低屈折率部分のフィールドパターンは、通常は、実施例2の光回路のように放射的となり、実施例6や実施例8のような回路構成としても、原理的に損失が発生してしまう。本実施例の光回路は、この問題を解消すべく、クラッドを屈折率の異なる膜を多層に積層した多層膜とすることで、基板の上下に漏れる光を完全に抑制するようにしたものである。なお、光回路の設計方法は非特許文献4と同様である。   In the optical circuit described so far, the field pattern of the low refractive index portion is usually radiating like the optical circuit of the second embodiment, and even in the circuit configuration of the sixth and eighth embodiments, In principle, loss occurs. In order to solve this problem, the optical circuit of this example is a multilayer film in which films having different refractive indexes are laminated in a multilayer so as to completely suppress light leaking up and down the substrate. is there. The optical circuit design method is the same as in Non-Patent Document 4.

屈折率が互いに異なる媒質を多層に組み込むこととすると、全反射や無反射条件が実現可能となる。特に、横方向の波数が小さい場合には、比較的容易に全反射条件を形成することが可能である(例えば、非特許文献4参照)。   If media having different refractive indexes are incorporated in multiple layers, total reflection and non-reflection conditions can be realized. In particular, when the wave number in the lateral direction is small, it is possible to form the total reflection condition relatively easily (see, for example, Non-Patent Document 4).

したがって、クラッド層を上記多層膜で構成し、低屈折率領域においてコア層23の上下側両面において全反射(もしくは充分に高い反射率)が得られるようにこれらの層を配置することにより、低屈折率領域と高屈折率領域の割合が同程度とされた光回路においても、充分に低損失の回路を実現することが可能となる。   Therefore, the clad layer is composed of the multilayer film, and by arranging these layers so that total reflection (or sufficiently high reflectance) is obtained on both the upper and lower sides of the core layer 23 in the low refractive index region, Even in an optical circuit in which the ratio between the refractive index region and the high refractive index region is approximately the same, a sufficiently low-loss circuit can be realized.

このような回路構成は、(図示しない)基板の上下方向にのみブラッグ条件を満足すれば効果が得られるため、図28に示した構成のように基板上下方向のみに周期構造をもたせた多層膜構造とすることのほか、フォトニック結晶を用いて上下のクラッド層を構成することによっても同様の効果を得ることができる。   Such a circuit configuration is effective if the Bragg condition is satisfied only in the vertical direction of the substrate (not shown). Therefore, a multilayer film having a periodic structure only in the vertical direction of the substrate as in the configuration shown in FIG. In addition to the structure, the same effect can be obtained by forming the upper and lower cladding layers using photonic crystals.

本実施例の光回路は、1つのピクセルを複数のサブピクセルに分割して屈折率分布を設計し、実施例3で説明した回路よりも低損失の光回路を実現するものである。   In the optical circuit of this embodiment, a refractive index distribution is designed by dividing one pixel into a plurality of sub-pixels, thereby realizing an optical circuit with a lower loss than the circuit described in the third embodiment.

一般に、大雑把な近似として、光がその波長よりも小さな構造を有する物体と相互作用する際には、回折現象のために、波長程度の大きさの領域において平均化された屈折率を、実効的な屈折率として感受する。したがって、単位ピクセルを構成する複数のサブピクセルにおいて、高屈折率を有するサブピクセル数と低屈折率を有するサブピクセル数との配分の仕方によって、実効的な屈折率が異なる単位ピクセルを任意に作り出すことができる。   In general, as a rough approximation, when light interacts with an object having a structure smaller than its wavelength, the refractive index averaged over a region of the order of wavelength is effectively used due to diffraction phenomena. Perceived as a good refractive index. Therefore, among the plurality of subpixels constituting the unit pixel, unit pixels having different effective refractive indexes are arbitrarily created depending on the distribution method of the number of subpixels having a high refractive index and the number of subpixels having a low refractive index. be able to.

図29(a)および(b)はそのようなサブピクセルの例を示す上面図であり、図29(c)はサブピクセルにより分割されたピクセルを用いて屈折率分布を設計した光回路の一部の上面概念図である。単位ピクセルは1μm角の大きさであり、このピクセルを2分割する場合(図29(a))と4分割する場合(図29(b))について例示している。このようなピクセル分割によって、ギャップの実効値は約0.5μm(図29(a)の場合)または0.25μm(図29(b)の場合)となり、このような媒体中を伝搬する光はギャップの存在を殆ど感受することがなくなる。また、屈折率分布を設計するに際しても、計算に必要なデータ量を例えば1/2や1/4とすることが可能となるため、1万ピクセル×1万ピクセル(この場合には、1cm角に相当する)程度の大規模な回路であっても容易に形成することができることとなる。   FIGS. 29A and 29B are top views showing examples of such sub-pixels, and FIG. 29C shows an optical circuit in which a refractive index distribution is designed using pixels divided by the sub-pixels. It is a top surface conceptual diagram of a part. The unit pixel has a size of 1 μm square, and the case where this pixel is divided into two (FIG. 29A) and the case where it is divided into four (FIG. 29B) is illustrated. By such pixel division, the effective value of the gap becomes about 0.5 μm (in the case of FIG. 29A) or 0.25 μm (in the case of FIG. 29B), and the light propagating in such a medium is Almost no sense of the existence of the gap. Also, when designing the refractive index distribution, the amount of data necessary for the calculation can be reduced to 1/2 or 1/4, for example, so that 10,000 pixels × 10,000 pixels (in this case, 1 cm square) Even a large-scale circuit corresponding to the above can be easily formed.

本実施例の光回路においては、ピクセルを複数のサブピクセルに分割するが、屈折率分布の設計に際してはピクセル単位で計算を実行することにより、屈折率分布の計算を容易化している。また、微細パターンを実現する場合に、サブピクセルによる分割状態が同じ単位ピクセルを多用して計算を行うこととすれば、フォトプロセスにおける位相シフトマスクなどによる回折補正工程やプロセスによるエッチング量の補正工程における補正条件設定などが容易化される。   In the optical circuit of the present embodiment, the pixel is divided into a plurality of subpixels. When designing the refractive index distribution, the calculation of the refractive index distribution is facilitated by executing the calculation for each pixel. In addition, when realizing a fine pattern, if calculation is performed using many unit pixels having the same division state by sub-pixels, a diffraction correction process using a phase shift mask in a photo process or an etching amount correction process using a process This makes it easier to set the correction conditions.

既に実施例5において説明したように、図15(a)に示したような光回路では、ピクセルの構造が波面の進行方向に対して概ね垂直な辺を有する四角形のピクセル構造であるために、ちょうどナイフエッジにより光が回折されるように、激しい干渉が生じて光回路の設計精度が低下することに加え、大きな波数を有する光が発生して、小さな屈折率差の屈折率分布では光制御しきれなくなるという問題がある。   As already described in the fifth embodiment, in the optical circuit as shown in FIG. 15A, the pixel structure is a rectangular pixel structure having sides substantially perpendicular to the traveling direction of the wavefront. Just as light is diffracted by a knife edge, severe interference occurs and the design accuracy of the optical circuit is reduced. In addition, light having a large wave number is generated, and light control is performed in a refractive index distribution with a small refractive index difference. There is a problem of being unable to fill.

この問題を解決するために、本実施例の光回路では、ピクセル形状をこれまでの矩形から変形させた形状としている。このようなピクセル形状の変形の態様としては、基板に水平な方向に変形させる場合と基板に垂直な方向に変形させる場合とがある。なお、屈折率分布を計算する際には、実施例11と同様に、実効的な屈折率の差を有する高低2つの屈折率を仮定すればよい。   In order to solve this problem, in the optical circuit of this embodiment, the pixel shape is changed from the conventional rectangle. Such pixel shape deformation modes include a case where the pixel shape is deformed in a direction horizontal to the substrate and a case where the pixel shape is deformed in a direction perpendicular to the substrate. When calculating the refractive index distribution, it is only necessary to assume two refractive indexes, high and low, having an effective refractive index difference as in the case of the eleventh embodiment.

図30(a)は、基板に対して水平な方向に屈折率が変化する構造を有する導波路の屈折率分布の概念図であり、図30(b)は、図30(a)に示す屈折率分布中に平面波を伝搬させた際の反射減衰の様子を説明するための図である。なお、図30(b)の横軸は屈折率の勾配(伝搬定数の空間的な変化の割合)であり、縦軸は伝搬定数不整合による反射減衰量である。空間的な長さは媒体中での光の波長で規格化することとし、かつ、各場所の屈折率を基準屈折率(n=1.45:波長1.55μmにおける石英系導波路の屈折率)で規格化して比屈折率差を求めている。   FIG. 30A is a conceptual diagram of the refractive index distribution of a waveguide having a structure in which the refractive index changes in a horizontal direction with respect to the substrate, and FIG. 30B shows the refraction shown in FIG. It is a figure for demonstrating the mode of reflection attenuation at the time of propagating a plane wave in rate distribution. In FIG. 30B, the horizontal axis represents the gradient of the refractive index (the rate of spatial change of the propagation constant), and the vertical axis represents the return loss due to the propagation constant mismatch. The spatial length is normalized by the wavelength of light in the medium, and the refractive index of each place is the reference refractive index (n = 1.45: refractive index of the silica-based waveguide at a wavelength of 1.55 μm). ) To obtain the relative refractive index difference.

これらの図からわかるように、屈折率の勾配を1よりも小さくすることで反射減衰量が改善される。すなわち、ピクセルの形状を徐々に変化させればよい。例えば、3μm角の屈折率分布のピクセルを仮定すると、このピクセルサイズは、真空中の波長が1.55μmの光に対して約2波長程度の大きさであるから、勾配が1/2程度となるように屈折率を変化させると、散乱を数dB程度減衰させることが可能であると予想される。   As can be seen from these figures, the return loss is improved by making the gradient of the refractive index smaller than 1. That is, the pixel shape may be gradually changed. For example, assuming a pixel with a refractive index distribution of 3 μm square, this pixel size is about 2 wavelengths for light with a wavelength in vacuum of 1.55 μm, so the gradient is about 1/2. When the refractive index is changed so that it becomes, it is expected that the scattering can be attenuated by several dB.

図31(a)は、ピクセル形状を円形とした場合の単位ピクセルにおける屈折率分布の様子を説明するための概念図、図31(b)は、図31(a)に示した円形ピクセルを用いて構成した回路の一部の上面概念図、そして、図31(c)は、図31(b)における高屈折率部と低屈折率部の配置を逆転させた場合の回路の一部の上面概念図である。   FIG. 31A is a conceptual diagram for explaining the state of the refractive index distribution in a unit pixel when the pixel shape is circular, and FIG. 31B uses the circular pixel shown in FIG. FIG. 31C is a schematic top view of a part of the circuit configured as described above, and FIG. 31C is a top view of a part of the circuit when the arrangement of the high refractive index portion and the low refractive index portion in FIG. It is a conceptual diagram.

フィールドの広がりの程度をピクセルサイズと同程度と仮定すると、局所的な実効屈折率は概ね円形ピクセルの断面積に比例して変化すると考えられる。ここでは、直径約3μmの円形領域を、クラッドと同じ屈折率とし、その円形領域の周囲を高屈折率の膜で形成している。つまり、図31(b)に示した回路は、高い屈折率を有する膜からなる高屈折率部が一様に形成され、この高屈折率部の一部領域を円形にくりぬいてその部分に低屈折率部を設けた構成となっている。これとは逆に、図31(c)に示した回路は、低い屈折率を有する膜からなる低屈折率部が一様に形成され、この低屈折率部の一部領域を円形にくりぬいてその部分に高屈折率部を設けた構成となっている。   Assuming that the extent of the field spread is the same as the pixel size, the local effective refractive index is considered to change approximately in proportion to the cross-sectional area of the circular pixel. Here, a circular region having a diameter of about 3 μm has the same refractive index as that of the cladding, and the periphery of the circular region is formed of a high refractive index film. That is, in the circuit shown in FIG. 31 (b), a high refractive index portion made of a film having a high refractive index is uniformly formed, and a partial region of the high refractive index portion is cut into a circular shape so that the portion has a low refractive index. The refractive index portion is provided. On the contrary, in the circuit shown in FIG. 31 (c), a low refractive index portion made of a film having a low refractive index is uniformly formed, and a partial region of the low refractive index portion is hollowed out in a circle. The portion is provided with a high refractive index portion.

基板に対して垂直方向に屈折率が変化する回路構成の場合には、先ず、基板にアンダークラッドを堆積した後、屈折率がクラッドよりも高い膜を堆積する。フォトレジストをマスクとして用いた反応性イオンエッチングによってコアのパターン形成を行う場合には、マスクであるフォトレジストの厚みを空間的に変化させることにより、厚みの異なる膜をコアとして残すことができる。例えば、フォトレジストを塗布後、約130℃に過熱してレジストを溶融させ、表面張力によりパターンのエッジを丸め、この状態のレジストをエッチングマスクとして用いることとすれば、レジストパターン周囲はエッチングによって削られて、最終的に高屈折率膜に転写されるパターンもパターン外周部分が丸められたパターンとなる。   In the case of a circuit configuration in which the refractive index changes in the direction perpendicular to the substrate, first, after depositing an underclad on the substrate, a film having a higher refractive index than the clad is deposited. When the core pattern is formed by reactive ion etching using a photoresist as a mask, a film having a different thickness can be left as a core by spatially changing the thickness of the photoresist as a mask. For example, if a photoresist is applied and then heated to about 130 ° C. to melt the resist, the edge of the pattern is rounded by surface tension, and the resist in this state is used as an etching mask, the periphery of the resist pattern is etched away. Thus, the pattern finally transferred to the high refractive index film is also a pattern in which the outer periphery of the pattern is rounded.

なお、例えば、AZ系のフォトレジストを用いることとすれば、露光量に概ね比例する深さのレジストを除去することが可能である。従って、異なるパターンを複数回に分けて露光することとすれば、最終的には所望のパターンを形成することが可能である。この場合にも、最終的に得られるパターンの外周部分を滑らかにすることができる。   For example, if an AZ-based photoresist is used, it is possible to remove the resist having a depth substantially proportional to the exposure amount. Therefore, if different patterns are exposed in a plurality of times, a desired pattern can be finally formed. Also in this case, the outer peripheral portion of the finally obtained pattern can be smoothed.

光回路を構成するピクセルの配置は、光回路の平面領域の分割方法により規定することができる。換言すれば、結晶学において行うのと同様に、単位格子を考えてその対称性によりピクセルの配置位置を規定することができる。ここで、単位格子は1つ以上のピクセルからなるものと仮定する。このような取扱いをすると、回路全体としては結晶と同様の周期性を有することとなる。このような周期性を有する回路に空間的に横方向に大きく広がった理想的な平面波を入射すると、特定の波数成分に対して強い散乱が生じる。ただし、ピクセルの配置位置には、低屈折率あるいは高屈折率の媒体が適宜配置されるので、完全な周期性があるというわけではない(これらについては、たとえば、非特許文献5を参照)。   The arrangement of the pixels constituting the optical circuit can be defined by a method of dividing the planar area of the optical circuit. In other words, in the same manner as in crystallography, the arrangement position of the pixels can be defined by the symmetry of the unit cell. Here, it is assumed that the unit cell is composed of one or more pixels. If handled in this way, the entire circuit will have the same periodicity as the crystal. When an ideal plane wave that is spatially widened in the lateral direction is incident on a circuit having such periodicity, strong scattering occurs for a specific wave number component. However, since a medium having a low refractive index or a high refractive index is appropriately arranged at the pixel arrangement position, there is no complete periodicity (for example, see Non-Patent Document 5).

この場合、ピクセルのサイズおよび配置ならびに光の入射方向(あるいは出射方向)に対して回路の結晶学的な配向をどのように設定するかで光回路特性が異なるため、所望の特性を得るためには、光の入射方向と波数とが重要となる。そして、上述の特定の波数成分に対する強い散乱を利用すれば、回路の小型化や特性改善が可能となる。   In this case, the optical circuit characteristics differ depending on how the crystallographic orientation of the circuit is set with respect to the size and arrangement of the pixels and the incident direction (or outgoing direction) of light. The light incident direction and wave number are important. If strong scattering with respect to the specific wave number component described above is used, the circuit can be downsized and the characteristics can be improved.

もっとも単純な単位格子は単一ピクセルからなるもので、このピクセルの形状を丸形やn角形(nは3以上の整数)とすることもできる。   The simplest unit cell is composed of a single pixel, and the shape of this pixel can be round or n-gonal (n is an integer of 3 or more).

図32は、このピクセル形状を蜂の巣状とした場合のピクセル配列の様子を説明するための図で、このピクセル配列とすると比較的等方的な回折面が得られる。したがって、図中の矢印のように複数の方向から光を入出力させる光回路において、さまざまな方向に大きな反射を発生させやすくなり回路特性が改善される。   FIG. 32 is a diagram for explaining the state of the pixel arrangement when this pixel shape is a honeycomb shape. When this pixel arrangement is used, a relatively isotropic diffractive surface is obtained. Therefore, in an optical circuit that inputs and outputs light from a plurality of directions as indicated by arrows in the figure, it is easy to generate large reflections in various directions, and circuit characteristics are improved.

また、図13で示したのと同様に、例え同じピクセル配列構造であってもそのピクセルの配向状態を変えることにより特性改善が可能である。   Further, as shown in FIG. 13, even if the pixel arrangement structure is the same, the characteristics can be improved by changing the orientation state of the pixels.

なお、図33に示したように、いわゆる「準周期構造」と呼ばれる不完全周期構造も知られている。この場合の回折スペクトルはフラクタル形状となり、かつ、比較的広い範囲にスペクトルが分布することとなるため、回路を構成するうえで好都合な散乱が得られるという利点がある。   As shown in FIG. 33, an incomplete periodic structure called a “quasi-periodic structure” is also known. In this case, the diffraction spectrum has a fractal shape, and the spectrum is distributed over a relatively wide range. Therefore, there is an advantage that favorable scattering can be obtained in constructing the circuit.

従来、複数の入出力ポートを備える光回路において、各ポートから他のポートに一斉に信号を配信し且つ同一のポートから信号を受信するように構成されている回路には、光のパワーを単純に合分波するだけの光合分波器が用いられてきた。このため、信号を受信する際に、1つのポートだけから信号が入力される場合には、Nポートからなる回路では光が1/Nに減衰してしまうというなどの問題があった。このような問題が生じる原因は、光の位相を考慮した回路設計がなされていない点にある。これに対して、本発明のホログラフィック波動伝達媒体を用いれば、位相をも含めて合分配機能を実現できるため、余分な損失を発生させずに光を合分配することが可能となる。   Conventionally, in an optical circuit having a plurality of input / output ports, a circuit configured to simultaneously distribute signals from each port to other ports and receive signals from the same port has a simple optical power. An optical multiplexer / demultiplexer that only multiplexes and demultiplexes has been used. For this reason, when a signal is received from only one port, there is a problem that light is attenuated to 1 / N in a circuit composed of N ports. The cause of such a problem is that the circuit design considering the phase of light is not made. On the other hand, if the holographic wave transmission medium of the present invention is used, the combining / distributing function including the phase can be realized, so that the light can be combined / distributed without generating extra loss.

図34は、相互一斉配信・一斉受信構成とした光回路の構成例を説明するための図であり、図35は、この光回路の各ポート間での信号の流れを模式化した図である。この光回路は4つのポートを有し、各ポートは他の3つのポートに向けて光を出射する一方、他の3つのポートから独立に出力される信号を受信する回路構成とされている。なお、このような光回路を基板上に作製した場合には、これらのポートに光ファイバを接続し、各ポートを終端装置または光増幅装置などに接続して使用する。   FIG. 34 is a diagram for explaining a configuration example of an optical circuit having a mutual broadcast / simultaneous reception configuration, and FIG. 35 is a diagram schematically illustrating a signal flow between each port of the optical circuit. . This optical circuit has four ports, and each port emits light toward the other three ports, while receiving a signal output independently from the other three ports. When such an optical circuit is manufactured on a substrate, an optical fiber is connected to these ports, and each port is connected to a termination device or an optical amplification device.

図35で模式化して示した各ポート間での信号の流れを、論理的な信号の流れを崩さずに変形すると図36のようになる。この図において、上下の互いに対向するポートは実際には同一ポートであるが、信号の流れを明確化するために、下側を送信ポート、上側を受信ポートとして、機能ごとに区別して示している。だだし、これらは同一の回路により構成されるから、あくまでも、論理上の構成を示しているに過ぎない。   If the signal flow between the ports schematically shown in FIG. 35 is modified without breaking the logical signal flow, it is as shown in FIG. In this figure, the upper and lower ports facing each other are actually the same port, but in order to clarify the signal flow, the lower side is shown as a transmission port and the upper side is shown as a reception port. . However, since these are configured by the same circuit, they merely show a logical configuration.

このとき、通常のパワー分岐回路では、送信側の3分岐によりパワーが1/3となり、受信側の合波器によりパワーが1/3となるため、結局1/9にまでパワーが低減する。すなわち、8/9もの損失が発生するのである。このうち、受信側の損失は他の2ポートから位相整合した光が入力されないために発生する損失である。そこで、他の2ポートからの光とは独立に受信できるように分岐方法を工夫すれば損失がなくなると考えられる。これは以下に示すように、各光の位相をも考慮して各ポートへの分配を行うことにより実現できる。   At this time, in the normal power branch circuit, the power is reduced to 1/3 by the three branches on the transmission side, and the power is reduced to 1/3 by the multiplexer on the reception side, so that the power is eventually reduced to 1/9. That is, as much as 8/9 loss occurs. Among these, the loss on the receiving side is a loss that occurs because light that is phase-matched from the other two ports is not input. Therefore, it is considered that if the branching method is devised so that it can be received independently of the light from the other two ports, the loss is eliminated. This can be realized by performing distribution to each port in consideration of the phase of each light as shown below.

まず、各ポートの位相を、4つの数の組(すなわちベクトル)として表す。ここで、振幅は1としている。ただし、特定のポートへの光の分配がない場合は、その成分を0とする。例えば位相が、ポート1が0、ポート2がπ、ポート3がπ、ポート4には光がないとすると、   First, the phase of each port is represented as a set of four numbers (ie, vectors). Here, the amplitude is 1. However, when there is no light distribution to a specific port, the component is set to zero. For example, if the phase is 0 for port 1, π for port 2, π for port 3, and no light for port 4,

Figure 0004213020
Figure 0004213020

というベクトルを考えることとする。このような表現方法で考えると、フィールドの重なり積分はちょうどベクトルの内積として計算できるから、これを用いて所望のベクトルの組を見出せばよい。 Let's consider the vector Considering this representation method, the field overlap integral can be calculated just as an inner product of vectors, and this can be used to find a desired set of vectors.

いま、1つのポートからそのポート以外の全てのポートに均等に信号を分配するものと仮定すると、分配する側のポートに対応する成分は0となり、他のポートについては絶対値が   Assuming that a signal is evenly distributed from one port to all other ports, the component corresponding to the distributing port is 0, and the absolute value of the other ports is

Figure 0004213020
Figure 0004213020

となるフィールドを考えればよい。そして、それらの位相を調整することにより全てのベクトルが互いに直交すれば、他のフィールドからの信号とは独立に各ポートが光を受けることが可能となり、損失が分岐損失のみで光信号を受けることができる。 Think of the field that becomes. If all vectors are orthogonal to each other by adjusting their phases, each port can receive light independently from signals from other fields, and the optical signal is received only with a branch loss. be able to.

実際、この場合は   In fact, in this case

Figure 0004213020
Figure 0004213020

がそのような組み合わせの一つである。これにより、従来の受信側での原理損失をなくすことができ、3倍の強度で光信号を受信することができた。 Is one such combination. As a result, the principle loss on the conventional receiving side can be eliminated, and an optical signal can be received with three times the intensity.

さらに、図37に示す不均等分配回路のように、不均等に光を分配(分岐)することによって、送信距離に伴う損失を補うことができるとともに、適当な位相を選ぶことにより損失を少なくすることが可能となり、光アンプなどを用いない低コストな光通信システムが実現できる。なお、図37では、基地局から一斉送受信をするとともに、各端末間の通信も行っている。   Further, as in the non-uniform distribution circuit shown in FIG. 37, by distributing (branching) light non-uniformly, it is possible to compensate for the loss associated with the transmission distance and reduce the loss by selecting an appropriate phase. Thus, a low-cost optical communication system that does not use an optical amplifier or the like can be realized. In FIG. 37, simultaneous transmission / reception from the base station and communication between the terminals are also performed.

本実施例は、実施例14と同様の構成の光回路であるが、直交状態が存在しない場合において出力信号の重なりを最小にするための光回路の構成例である。ここでは、3ポートの光回路の場合を考える。この場合、ポートは3つしかないので、直交状態を実現することはできない。しかし、下記に示すように、できるだけ直交状態に近い状態を選ぶことで損失の少ない構成を実現することができる。   The present embodiment is an optical circuit having the same configuration as that of the fourteenth embodiment, but is a configuration example of an optical circuit for minimizing the overlap of output signals when there is no orthogonal state. Here, consider the case of a three-port optical circuit. In this case, since there are only three ports, the orthogonal state cannot be realized. However, as shown below, a configuration with less loss can be realized by selecting a state as close to an orthogonal state as possible.

実施例14と同様に、ポートの出力を   As in Example 14, the output of the port

Figure 0004213020
Figure 0004213020

とする。ここで、自分自身にも出力があるが、これは反射戻り光として取り扱うことができる。 And Here, there is an output in itself, but this can be handled as reflected return light.

これにより、必要なポートでは4/9=3.5dBの光を得ることができる。これは従来の3dBカプラを2つ組み合わせる場合に比べて2.5dB低い損失である。   As a result, 4/9 = 3.5 dB of light can be obtained at a necessary port. This is a loss that is 2.5 dB lower than when two conventional 3 dB couplers are combined.

図38は、このような不均等分配回路の応用概念図である。この図に示すように、3ポート光回路を縦列配置することによりタップ回路が実現できる。ここでは、光回路を構成する無機ガラス材料にEr元素をドープして1.5μm波長帯での増幅機能をもたせてある。回路の損失は従来よりも十分低いから、僅かな消費電力かつ短距離で増幅可能であるため、小型で低消費電力のタップ回路が構成可能である。図中にはそれを損失補償型回路として示した。   FIG. 38 is an applied conceptual diagram of such an unequal distribution circuit. As shown in this figure, a tap circuit can be realized by cascading three-port optical circuits. Here, the inorganic glass material constituting the optical circuit is doped with an Er element to have an amplification function in the 1.5 μm wavelength band. Since the loss of the circuit is sufficiently lower than in the prior art, it can be amplified with a small amount of power consumption and in a short distance, so that a small and low power consumption tap circuit can be configured. This is shown as a loss compensation circuit in the figure.

導波路回折格子においては、図39(a)および図39(b)に示すように、入射側スラブにおける入射導波路位置を固定した場合、波長により出力位置が方向Aにずれる(図39(a))。また、入射導波路の位置Bをずらすと、出力位置が方向Cにずれる(図39(b))。このような性質を利用して、波長に応じて入射導波路側のフィールドの中心位置を方向Bにずらすと、方向Aへの動きと方向Cへの動きが打ち消しあって、フィールドが動かなくなる。   In the waveguide diffraction grating, as shown in FIGS. 39A and 39B, when the position of the incident waveguide in the incident side slab is fixed, the output position is shifted in the direction A depending on the wavelength (FIG. 39A )). Further, when the position B of the incident waveguide is shifted, the output position is shifted in the direction C (FIG. 39B). If the center position of the field on the incident waveguide side is shifted in the direction B according to the wavelength by utilizing such a property, the movement in the direction A and the movement in the direction C cancel each other, and the field does not move.

入射導波路側のフィールドの中心位置を入射導波路側のフィールドの中心位置が動かない場合の出力ポート間の波長間隔で周期的変化させると、図40に示すように、プラトーが形成される。このプラトー部分に出射ポートの光導波路が配置されれば、矩形上の波長フィルタ特性が得られる。   When the center position of the field on the incident waveguide side is periodically changed at the wavelength interval between the output ports when the center position of the field on the incident waveguide side does not move, a plateau is formed as shown in FIG. If the optical waveguide of the output port is arranged at this plateau portion, a rectangular wavelength filter characteristic can be obtained.

これを実現するために、入射導波路部分に方向性結合器を配置し、その前段に分岐遅延回路を配置したものが提案されている。このとき、フィールドの中心位置が振れる振れ幅はフィールド径程度必要とされるために、方向性結合器のコア幅を小さくすることはできない。このため、フィールドの形状が必要なスポット径よりも広い構造となってフィールド形状が歪むこととなる。これは、その共役像である出射側の光出力像を歪ませることになり、結果として光結合が劣化するという問題がある。   In order to realize this, a proposal has been proposed in which a directional coupler is arranged in the incident waveguide portion and a branch delay circuit is arranged in the preceding stage. At this time, since the swing width that the center position of the field swings is required to be about the field diameter, the core width of the directional coupler cannot be reduced. Therefore, the field shape becomes wider than the required spot diameter, and the field shape is distorted. This distorts the light output image on the output side, which is the conjugate image, and as a result, there is a problem that optical coupling deteriorates.

そこで、本実施例においては、本発明のホログラフィック波動伝達媒体を用いて、複数の入射ポートからの光を、それぞれ、整形して出力し且つそれらの波を重ねあわせることにより、良好な入射フィールド形状を得るとともに、その入射ポート間の位相を調整することで、フィールドの中心位置を調整することとした。なお、本実施例では、入射ポートを2本とした。   Therefore, in this embodiment, by using the holographic wave transmission medium of the present invention, the light from a plurality of incident ports is shaped and output, respectively, and the waves are superposed to obtain a good incident field. The center position of the field was adjusted by obtaining the shape and adjusting the phase between the incident ports. In this embodiment, there are two incident ports.

ここで、座標をxで表して、入射ポートの像を、それぞれf(x)、f(x)として、ポート間の位相差をφと表す。このとき、その重ね合わせ像f(x、φ)は、 Here, the coordinates are represented by x, the images of the incident ports are respectively represented by f 0 (x) and f 1 (x), and the phase difference between the ports is represented by φ. At this time, the superimposed image f (x, φ) is

Figure 0004213020
Figure 0004213020

となる。所望のフィールド形状が、位相差φの関数x(φ)を中心位置、θ(φ)を位相として、関数 It becomes. The desired field shape is a function where the function x c (φ) of the phase difference φ is the center position and θ (φ) is the phase.

Figure 0004213020
Figure 0004213020

で与えられているとする。ここで、簡単のためx(0)=0、θ(0)=0とした。このとき、φについて1次の係数を比較すると Suppose that Here, x c (0) = 0 and θ (0) = 0 are set for simplicity. At this time, when comparing the first order coefficient with respect to φ,

Figure 0004213020
Figure 0004213020

となる。これは関数g(x)、h(x)が満たさなくてはならない式である。φは後に示すように、波長差に対応する量であることから、 It becomes. This is an expression that the functions g (x) and h (x) must satisfy. Since φ is an amount corresponding to the wavelength difference, as shown later,

Figure 0004213020
Figure 0004213020

は中心位置の動くべき速さに対応するので設計条件で決まる量である。 Corresponds to the speed at which the center position should move, and is an amount determined by design conditions.

(x)、f(x)の直交条件と規格化条件から、 From the orthogonal condition and normalization condition of f 0 (x) and f 1 (x),

Figure 0004213020
Figure 0004213020

となる。ここで、Gは It becomes. Where G is

Figure 0004213020
Figure 0004213020

を規格化した関数であり、sは1を越えない量で、 Where s is an amount not exceeding 1,

Figure 0004213020
Figure 0004213020

で決められる量である。なお、 It is the amount decided by. In addition,

Figure 0004213020
Figure 0004213020

はノルムの平方根である。 Is the square root of the norm.

本発明で用いるホログラフィック波動伝達媒体は、直交するフィールドであれば、それぞれのフィールド形状を位相を含めて任意に設定できるので、ホログラフィック波動伝達媒体を用いてこれらの出力フィールドを各入力ポートに対して設定することができる。いま、前段の位相差を図41(アレイ導波路格子を除く入射部のみを図示してある)に示すように、導波路回路の遅延で与え、遅延回路の波長に対する出力の繰り返し周期と出力側導波路間の出力波長間隔を同一にすると、出力ポート間の導波路の間隔Dを用いて、   As long as the holographic wave transmission medium used in the present invention is an orthogonal field, the shape of each field including the phase can be arbitrarily set. Therefore, these output fields are assigned to each input port using the holographic wave transmission medium. Can be set. Now, as shown in FIG. 41 (only the incident part excluding the arrayed waveguide grating is shown), the phase difference in the previous stage is given by the delay of the waveguide circuit, and the output repetition period and the output side with respect to the wavelength of the delay circuit When the output wavelength interval between the waveguides is the same, the waveguide interval D between the output ports is used.

Figure 0004213020
Figure 0004213020

となる関係式が得られ、所望のフィールドFを決めさえすれば全てのパラメータが決まることになる。 As long as the desired field F is determined, all parameters are determined.

たとえば、Fとしてガウス関数を仮定し、フィールド半径をwとすると、   For example, assuming a Gaussian function as F and the field radius is w,

Figure 0004213020
Figure 0004213020

である。 It is.

図42は、フィールド形状としてガウス関数を仮定した場合の、中心位置の移動の様子を示す例である。フィールドの動きが分かるようにアレイ導波路格子に入る前の部分のフィールド形状を近視野像で観察したものである。図41に示した遅延回路を含んだ構成であり、約10nm間隔で周期的にフィールドの中心位置が周期的変化していることが分かる。ただし、遷移領域では近似からずれて、2ピークになっているが、この部分は1つの出力ポートから隣の出力ポートへの遷移領域にあたるため結合には関係ない。遅延回路部分は導波路の長さで自由に設定可能であり、かつ2分岐回路の分岐比率も自由に設定できることから、アレイ導波路格子にあわせて上記の方法で調整すれば、平坦な波長分波特性が得られる。   FIG. 42 is an example showing how the center position moves when a Gaussian function is assumed as the field shape. The field shape of the portion before entering the arrayed waveguide grating is observed with a near-field image so that the motion of the field can be seen. It is a configuration including the delay circuit shown in FIG. 41, and it can be seen that the center position of the field periodically changes at intervals of about 10 nm. However, although there are two peaks in the transition region, which are not approximated, this portion is a transition region from one output port to the next output port and is not related to coupling. The delay circuit portion can be set freely according to the length of the waveguide, and the branching ratio of the two-branch circuit can also be set freely. Wave characteristics are obtained.

以上の実施形態においては、入力側導波路を2本の入力導波路としたが、より精度を向上するためには、入力側導波路の本数を増やせばよい。そのための一般論を以下に示す。   In the above embodiment, the input side waveguide is two input waveguides. However, in order to improve the accuracy, the number of input side waveguides may be increased. The general theory for that is shown below.

ηをパラメータとする所望の関数F(x;η)について、1次までの近似は上記と同様の方法で得られ、2次まで展開すると、   For a desired function F (x; η) with η as a parameter, approximation up to the first order is obtained in the same manner as described above, and when expanded up to the second order,

Figure 0004213020
Figure 0004213020

となる。したがって、 It becomes. Therefore,

Figure 0004213020
Figure 0004213020

を変形して、 Transform

Figure 0004213020
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とおけば、 If you

Figure 0004213020
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を上記実施形態と同様にして適当な形で決めることができる。ここで、上記の実施形態の場合には簡単のためφをパラメータとしたが、ここでは明確な形とするため、所望のフィールドのパラメータηで条件式を記述している。また、 Can be determined in an appropriate manner in the same manner as in the above embodiment. Here, in the case of the above embodiment, φ is a parameter for the sake of simplicity. However, for the sake of clarity, a conditional expression is described with a parameter η of a desired field. Also,

Figure 0004213020
Figure 0004213020

Is

Figure 0004213020
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に直交したフィールドになるようにする。また、3つ目の導波路に付加すべき位相項は The field should be orthogonal to The phase term to be added to the third waveguide is

Figure 0004213020
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となる。 It becomes.

以上のように、所望の関数をテイラー展開して、前の次数の項にまとめて、見かけ上、1つ次数の低い項の係数にパラメータ依存性をもたせ、その項について、1次の近似を施すことで、順次近似を上げることが可能である。また、パラメータが複数ある場合も同様に一つのパラメータにあうように設定して、そのあとで、上記の方法で、もう1つのパラメータについて設定する手順で順次近似させればよい。   As described above, the desired function is Taylor-expanded and summarized into the previous order term, and apparently, the coefficient of the term of the first order is made parameter dependent, and the first order approximation is performed for that term. By applying, it is possible to increase the approximation sequentially. Similarly, when there are a plurality of parameters, the parameters may be similarly set so as to match one parameter, and thereafter, the above method may be used to perform approximation in the order of setting another parameter.

一般に石英系光導波路と半導体光導波路においては、フィールド径が異なることから、光ファイバと光半導体レーザなどではレンズを介して光結合損失を低減する。しかしながら、レンズを用いるためには、光導波路構造とレンズの間を十分にとる必要があるため、小型集積化には適さない。そこで、光導波路と光半導体素子とをレンズを介さずに光結合する方法が試みられているが、図43(a)にあるように、光導波路は回路内部において概ね平面波的な等位相面を有しているため、開口部からの放射では光が回折して光結合に損失が生じることになる。さらに、一般にはフィールド径の違いがあると光結合損失を生じるため、たとえば石英系光導波路と半導体光導波路の光結合系においては石英系光導波路のフィールド径を小さくする必要がある。   In general, a silica-based optical waveguide and a semiconductor optical waveguide have different field diameters. Therefore, in an optical fiber and an optical semiconductor laser, optical coupling loss is reduced through a lens. However, in order to use a lens, it is necessary to provide a sufficient space between the optical waveguide structure and the lens, so that it is not suitable for miniaturization. Therefore, a method for optically coupling the optical waveguide and the optical semiconductor element without using a lens has been tried. As shown in FIG. 43A, the optical waveguide has a substantially plane wave equiphase surface inside the circuit. Therefore, light is diffracted by radiation from the opening and loss in optical coupling occurs. Furthermore, since there is generally an optical coupling loss when there is a difference in field diameter, for example, in the optical coupling system of a quartz optical waveguide and a semiconductor optical waveguide, it is necessary to reduce the field diameter of the silica optical waveguide.

本実施例は、ホログラフィック波動伝達媒体を用いて上記の波面の制御とフィールド形状の制御を同時に行うことで光結合を改善するものである。ホログラフィック波動伝達媒体は光の多重散乱を用いるため、光導波路と異なり、通常放射光となる高い横方向の波数をもつ光を制御できるために、フィールド径を導波路構造により絞り込める値よりも小さくすることが可能である。さらに、ホログラフィック波動伝達媒体はフィールドの位相分布を制御できることから、図43(b)に示すように、等位相面を凹状すればよい。   In this embodiment, optical coupling is improved by simultaneously controlling the wavefront and the field shape using the holographic wave transmission medium. Since holographic wave transmission media use multiple scattering of light, unlike optical waveguides, it is possible to control light with a high transverse wave number, which is usually radiated light, so that the field diameter is smaller than the value that can be narrowed by the waveguide structure. It can be made smaller. Furthermore, since the holographic wave transmission medium can control the phase distribution of the field, the equiphase surface may be concave as shown in FIG.

図44は、比屈折率差1.5%の石英系の平面光波回路技術で作製したホログラフィック波動伝達媒体によりスポット径を基板水平方向のみ整形したものの近視野像の基板面に垂直な方向の断面である。ホログラフィック波動伝達媒体は出射端から約5μm先にビームウエストを形成するように設計したもので、近視野像においても出射端から約5μmに最小のフィールド径が実現された。参照は光導波路によるフィールドでホログラフィック波動伝達媒体の縦方向のフィールドの広がりと一致しているのが分かる。それに対して基板水平方向のフィールドは約3μmのフィールド直径であり、光導波路構造よりも小さなフィールド径が実現できた。これにより、従来、半導体レーザーとの結合損失が約8dBであったものが、4dBまで改善することができた。   FIG. 44 is a cross-section in the direction perpendicular to the substrate surface of the near-field image, although the spot diameter is shaped only in the horizontal direction of the substrate by a holographic wave transmission medium manufactured by a quartz-based planar lightwave circuit technology with a relative refractive index difference of 1.5%. is there. The holographic wave transmission medium is designed to form a beam waist about 5 μm away from the exit end, and a minimum field diameter of about 5 μm from the exit end is realized even in a near-field image. It can be seen that the reference is a field by an optical waveguide and coincides with the spread of the vertical field of the holographic wave transmission medium. On the other hand, the field in the horizontal direction of the substrate has a field diameter of about 3 μm, and a field diameter smaller than that of the optical waveguide structure can be realized. As a result, the conventional coupling loss with the semiconductor laser of about 8 dB can be improved to 4 dB.

本発明は、緩やかな屈折率分布(小さな屈折率高低差)でも充分に高効率で小型の光回路の提供を可能とする。   The present invention makes it possible to provide a small-sized optical circuit with sufficiently high efficiency even with a gentle refractive index distribution (small refractive index height difference).

ホログラフィック波動伝達媒体の基本概念と基本構造とを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the basic concept and basic structure of a holographic wave transmission medium. 従来のアレイ導波路格子回路の構成例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structural example of the conventional array waveguide grating circuit. ホログラフィック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説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the calculation procedure for determining the spatial refractive index distribution of a holographic wave transmission medium. 計算手順の理解を容易にするために、ホログラフィック波動伝達媒体中でのフィールドの様子の一例を示した図である。FIG. 5 is a diagram showing an example of a state of a field in a holographic wave transmission medium in order to facilitate understanding of a calculation procedure. 実施例1における光回路設計の設定を説明するための図である。FIG. 6 is a diagram for explaining setting of optical circuit design in the first embodiment. 実施例1による屈折率分布((a))と透過スペクトル((b))を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the refractive index distribution ((a)) and transmission spectrum ((b)) by Example 1. FIG. 実施例1の平面光波回路状の屈折率分布を説明するための図である。FIG. 3 is a diagram for explaining a refractive index profile of a planar lightwave circuit according to the first embodiment. 実施例2の1.31μm/1.55μmの波長フィルタの構成例を説明するための図である。6 is a diagram for explaining a configuration example of a wavelength filter of 1.31 μm / 1.55 μm of Example 2. FIG. 実施例2の光回路を構成する誘電体のピクセルを光の散乱点として考えた場合の光の広がりの様子を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the mode of the breadth of the light at the time of considering the pixel of the dielectric material which comprises the optical circuit of Example 2 as a light scattering point. ピクセルサイズWをパラメータとして変化させて1.31μm/1.55μmの波長フィルタの光回路を構成した場合の、透過損失特性および漏話特性のピクセルサイズ依存性を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the pixel size dependence of a transmission loss characteristic and a crosstalk characteristic at the time of comprising the optical circuit of a wavelength filter of 1.31 micrometer /1.55 micrometer by changing pixel size W as a parameter. 実施例3の平面光回路における、基板垂直方向と基板水平方向での光の閉じ込めレベルを説明するための図である。10 is a diagram for explaining light confinement levels in a substrate vertical direction and a substrate horizontal direction in the planar optical circuit of Example 3. FIG. 最小ピクセル単位を3μm角としたときの1点当たりの放射損失(結合損失)のフィールド半径依存性を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the field radius dependence of the radiation loss per point (coupling loss) when a minimum pixel unit is 3 micrometers square. 実施例4における、ピクセルを光伝搬方向に配置した光回路を説明するための図((a))、および、ピクセルを光伝搬方向に対して傾斜させて配置した光回路を説明するための図((b))である。The figure for demonstrating the optical circuit which has arrange | positioned the pixel in the light propagation direction in Example 4 (a), and the figure for demonstrating the optical circuit which inclined the pixel with respect to the light propagation direction ((B)). 実施例5における、仮想的なメッシュで画定された格子点にピクセルを配置して屈折率分布を形成した光回路を説明するための図((a))、および、格子点の位置とは無関係にy方向でのピクセル配置を行って屈折率分布を形成した光回路を説明するための図((b))である。FIG. 5A is a diagram for explaining an optical circuit in which pixels are arranged at lattice points defined by a virtual mesh to form a refractive index distribution in Example 5 (a), and is independent of the position of the lattice points. FIG. 6B is a diagram (b) for explaining an optical circuit in which a pixel distribution in the y direction is formed to form a refractive index distribution. 図14に示したピクセル配置に対応させて作製した実際の光回路(1.31μmと1.55μmの波長フィルタ)の屈折率分布を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the refractive index distribution of the actual optical circuit (1.31 micrometer and 1.55 micrometer wavelength filter) produced corresponding to the pixel arrangement | positioning shown in FIG. 実施例6における、光回路の作製手順を説明するための図である。FIG. 10 is a diagram for explaining a manufacturing procedure of an optical circuit in Example 6. 高屈折率層Δをエッチング除去した領域を「低屈折率領域」、高屈折率層Δをエッチング除去せずに残存させた領域を「高屈折率領域」とする光回路の構成を説明するための図である。An optical circuit configuration in which a region where the high refractive index layer Δ 2 is removed by etching is referred to as a “low refractive index region” and a region where the high refractive index layer Δ 2 is left without being etched away is referred to as a “high refractive index region”. It is a figure for doing. 実施例6におけるパラメータ調整のための計算例を説明するための図である。FIG. 20 is a diagram for explaining a calculation example for parameter adjustment in the sixth embodiment. 実施例6の光回路である1.31/1.55μmWDM回路の特性(透過損失の波長依存性)を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the characteristic (wavelength dependence of a transmission loss) of the 1.31 / 1.55 micrometer WDM circuit which is an optical circuit of Example 6. FIG. 実施例7−1の光回路の製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of the optical circuit of Example 7-1. 実施例7−2の光回路の製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of the optical circuit of Example 7-2. 実施例7−3の光回路の製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of the optical circuit of Example 7-3. 実施例7−4の光回路の製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of the optical circuit of Example 7-4. 実施例7−5の光回路の屈折率分布の様子を説明するための導波路断面図である。It is waveguide sectional drawing for demonstrating the mode of refractive index distribution of the optical circuit of Example 7-5. 図24で示した構造を有する、1.31μm/1.55μmの(1×2)分岐回路の各々の損失特性(透過率)を説明するための図である。It is a figure for demonstrating each loss characteristic (transmittance) of a 1.31 micrometer /1.55 micrometer (1x2) branch circuit which has the structure shown in FIG. 実施例8の光回路の構成を説明するための概略図である。FIG. 10 is a schematic diagram for explaining a configuration of an optical circuit according to an eighth embodiment. 実施例9の光回路の構成を説明するための断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view for explaining the configuration of an optical circuit in Example 9. 実施例10の光回路の導波路部分の断面図である。10 is a cross-sectional view of a waveguide portion of an optical circuit according to Example 10. FIG. 実施例11の光回路のサブピクセルの例を示す上面図である。22 is a top view illustrating an example of subpixels of an optical circuit according to Example 11. FIG. 実施例12における、基板に対して水平な方向に屈折率が変化する構造を有する導波路の屈折率分布の概念図((a))、および、この屈折率分布中に平面波を伝搬させた際の反射減衰の様子を説明するための図((b))である。Conceptual diagram ((a)) of a refractive index distribution of a waveguide having a structure in which the refractive index changes in a direction horizontal to the substrate in Example 12, and when a plane wave is propagated in this refractive index distribution It is a figure for demonstrating the mode of reflection attenuation of (b). ピクセル形状を円形とした場合の単位ピクセルにおける屈折率分布の様子を説明するための概念図((a))、および、円形ピクセルを用いて構成した回路の一部の上面概念図((b)、(c))である。Conceptual diagram ((a)) for explaining the state of the refractive index distribution in the unit pixel when the pixel shape is circular, and a top conceptual diagram of a part of the circuit configured using the circular pixel ((b)) (C)). ピクセル形状を蜂の巣状とした場合のピクセル配列の様子を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the mode of the pixel arrangement | sequence when a pixel shape is made into a honeycomb shape. 「準周期構造」と呼ばれる不完全周期構造を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the incomplete periodic structure called "quasiperiodic structure." 相互一斉配信・一斉受信構成とした光回路の構成例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structural example of the optical circuit made into mutual simultaneous delivery and simultaneous reception structure. 図34の光回路の各ポート間での信号の流れを模式化した図である。FIG. 35 is a diagram schematically illustrating a signal flow between each port of the optical circuit in FIG. 34. 図35で模式化して示した各ポート間での信号の流れを、論理的な信号の流れを崩さずに変形した様子を説明するための図である。It is a figure for demonstrating a mode that the flow of the signal between each port typically shown in FIG. 35 was deform | transformed without destroying the flow of a logical signal. 不均等分配回路を用いた通信網の概念図である。It is a conceptual diagram of the communication network using an uneven distribution circuit. 不均等分配回路の応用概念図である。It is an application conceptual diagram of a non-uniform distribution circuit. 導波路回折格子の性質を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the property of a waveguide diffraction grating. 出力スポット中心位置と波長との関係を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the relationship between an output spot center position and a wavelength. 実施例16における光回路の構成を説明するための図である。FIG. 20 is a diagram for explaining a configuration of an optical circuit in Example 16; フィールド形状としてガウス関数を仮定した場合の、中心位置の移動の様子を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the mode of a movement of a center position when a Gaussian function is assumed as a field shape. (a)は従来構成の導波路からの出射フィールドの等位相面の様子、(b)は本発明の回路構成の導波路からの出射フィールドの等位相面の様子を説明するための図である。(A) is a state of the equiphase surface of the emission field from the waveguide having the conventional configuration, and (b) is a diagram for explaining the state of the equiphase surface of the emission field from the waveguide having the circuit configuration of the present invention. . 比屈折率差1.5%の石英系の平面光波回路技術で作製したホログラフィック波動伝達媒体によりスポット径を基板水平方向のみ整形したものの近視野像の基板面に垂直な方向の断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view of a near-field image in a direction perpendicular to the substrate surface, although the spot diameter is shaped only in the horizontal direction of the substrate by a holographic wave transmission medium produced by a quartz-based planar lightwave circuit technology with a relative refractive index difference of 1.5%.

符号の説明Explanation of symbols

1 光回路基板
1−1 光回路の設計領域
1−11 高屈折率部
1−11a 第1の高屈折率部
1−11b 第2の高屈折率部
1−12 低屈折率部
2−1 入射面
2−2 出射面
3−1 入力光
3−2 出力光
4−1、4−2 スターカプラ(光合分波器)
5 アレイ導波路
6 波長板
21 シリコン基板
22 下部クラッド層
23 コア層
24 上部クラッド層
25 遮光マスク層
26 位相マスク
27 出力ポートの一部領域
28 レーザ光
29 レンズ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical circuit board 1-1 Optical circuit design area 1-11 High refractive index portion 1-11a First high refractive index portion 1-11b Second high refractive index portion 1-12 Low refractive index portion 2-1 Incident Surface 2-2 Output surface 3-1 Input light 3-2 Output light 4-1 and 4-2 Star coupler (optical multiplexer / demultiplexer)
5 Array Waveguide 6 Wavelength Plate 21 Silicon Substrate 22 Lower Cladding Layer 23 Core Layer 24 Upper Cladding Layer 25 Shading Mask Layer 26 Phase Mask 27 Partial Port Portion 28 Laser Light 29 Lens

Claims (16)

基板上に形成されたクラッド層と、該クラッド層に埋設されたコア層とからなる光の導波領域が設けられている光回路であって、
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、他のポートから出力光として出射されるように、一様な屈折率の前記コア層に代えて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、前記他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、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{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、前記任意の1個のポートから前記他の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、前記他の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回路。
An optical circuit provided with a light waveguide region comprising a clad layer formed on a substrate and a core layer embedded in the clad layer,
In a cross section perpendicular to the light propagation direction, a place on the circuit to which a cross section of the light field is to be given is a port, and input light incident from any one port is output light from another port. A wave transmission medium in which a spatial refractive index distribution is formed instead of the core layer having a uniform refractive index so as to be emitted,
The spatial refractive index distribution is such that when the input light propagates along the propagation direction of the light from the arbitrary one port, the input field of the input light is converted into an output field of the output light. Determined by the refractive index of each core of pixels defined by the mesh to propagate through each of the one or more sets of input / output fields output from the other port,
The refractive index of the core of each pixel is defined by the location (z, X) of the cross-section X when the coordinate z in the light propagation direction and the coordinate x in the direction perpendicular to the light propagation direction in the light guiding region are used. x) each pixel so that the phase difference between the phase of the forward-propagating field of the input field and the phase of the field back-propagated to the phase conjugate of the output field is less than or equal to a predetermined error. This is determined by repeatedly calculating the refractive index of the core of the core as a variable. This calculation is based on the refractive index distribution {n q−1 } obtained by the (q−1) -th calculation. 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 }), each location (z, x) The refractive index n q (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 Where Σ j is the sum for 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 from the arbitrary one port to the other port. An optical circuit which propagates while changing the shape of a light field due to an interference phenomenon caused by multiple scattering of propagation waves generated in, and is emitted from the other port as an output field of the output light.
前記メッシュにより画定されるピクセルは、周期的な繰り返しにより前記導波領域を形成する単位格子の構成要素であることを特徴とする請求項1に記載の光回路。   The optical circuit according to claim 1, wherein the pixel defined by the mesh is a component of a unit cell that forms the waveguide region by periodic repetition. 前記単位格子は、準周期構造を形成する形状を有するものであることを特徴とする請求項1または2に記載の光回路。   The optical circuit according to claim 1, wherein the unit cell has a shape forming a quasi-periodic structure. 基板上に形成されたクラッド層と、該クラッド層に埋設されたコア層とからなる光の導波領域が設けられている光回路であって、
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、他のポートから出力光として出射されるように、一様な屈折率の前記コア層に代えて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、前記他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、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 q−1 (z,x)及び屈折率分布{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、下式で与えられる値
(z,x)=vq-1(z,x)−αΣjIm[φj(z,x,{nq-1})*・ψj(z,x,{nq-1})]
を計算し、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、前記クラッド層の屈折率に相当する低屈折率部分n clad と、前記クラッド層の屈折率より高い前記コア層の屈折率に相当する高屈折率部分n core の2種類の屈折率により、各場所(z,x)における前記ピクセルのコアの屈折率を
(z,x)>(ncore+nclad)/2のときn (z,x)=ncore
(z,x)<(ncore+nclad)/2のときn (z,x)=nclad
し、かつ、
前記入力光のフィールドが、前記任意の1個のポートから前記他の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、前記他の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回路。
An optical circuit provided with a light waveguide region comprising a clad layer formed on a substrate and a core layer embedded in the clad layer,
In a cross section perpendicular to the light propagation direction, a place on the circuit to which a cross section of the light field is to be given is a port, and input light incident from any one port is output light from another port. A wave transmission medium in which a spatial refractive index distribution is formed instead of the core layer having a uniform refractive index so as to be emitted,
The spatial refractive index distribution is such that when the input light propagates along the propagation direction of the light from the arbitrary one port, the input field of the input light is converted into an output field of the output light. Determined by the refractive index of each core of pixels defined by the mesh to propagate through each of the one or more sets of input / output fields output from the other port,
The refractive index of the core of each pixel is defined by the location (z, X) of the cross-section X when the coordinate z in the light propagation direction and the coordinate x in the direction perpendicular to the light propagation direction in the light guiding region are used. x) each pixel so that the phase difference between the phase of the forward-propagating field of the input field and the phase of the field back-propagated to the phase conjugate of the output field is less than or equal to a predetermined error. is determined by performing repeatedly the core refractive index as a variable calculated, this calculation, (q-1) th V q-1 obtained by the calculation (z, x) and refractive index distribution {n q −1 }, the forward propagation field ψ j (z, x, {n q− ) for the jth input field ψ j (x) and output field φ j (x) of the set of input / output fields 1 }) and the reverse propagation field φ j (z, x, {n q-1 }) The value v q (z, x) = v 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 corresponds to the low refractive index portion n clad corresponding to the refractive index of the cladding layer and the refractive index of the core layer higher than the refractive index of the cladding layer. the two types of the refractive index of the high refractive index portion n core, the refractive index of the core of the pixels in each location (z, x),
When v q (z, x)> (n core + n clad ) / 2, n q (z, x) = n core
When v q (z, x) <(n core + n clad ) / 2, n q (z, x) = n clad
And then, 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 from the arbitrary one port to the other port. It propagates while changing the shape of the field of light by the interference phenomenon caused by multiple scattering of the propagating wave between occurring in the optical circuit you characterized in that it is emitted from the other port as output field of the output light.
前記高屈折率を有するコアのサイズは、前記導波領域内を伝搬する光の波長以下に設定されていることを特徴とする請求項4に記載の光回路。   The optical circuit according to claim 4, wherein a size of the core having the high refractive index is set to be equal to or less than a wavelength of light propagating in the waveguide region. 次式で与えられる値が0.1以下であることを特徴とする請求項4または5に記載の光回路。
Figure 0004213020
(λ:伝搬光波長、n:屈折率をncoreに設定されたピクセルのコアの屈折率値、a:屈折率をncoreに設定されたピクセルのコアの高さ、q:伝搬光がコア以外の部分を伝搬する平均距離をzとしたときq=(z/a)で与えられる係数)
6. The optical circuit according to claim 4, wherein a value given by the following equation is 0.1 or less.
Figure 0004213020
(Lambda: propagation light wavelength, n: refractive index value of the core of set pixels refractive index n core, a: height of the core of set pixels refractive index n core, q: propagating light core Q = coefficient given by (z L / a) where z L is the average distance propagating through the other part)
前記屈折率をncoreに設定されたピクセルのコアの前記基板と平行な断面形状は、n角形(nは3以上の整数)の多角形状を有し、当該の何れの辺も、前記導波領域を伝搬する光の伝搬方向と傾斜するように前記ピクセルが配置されていることを特徴とする請求項4乃至6の何れかに記載の光回路。 The cross-sectional shape of the pixel core whose refractive index is set to n core is parallel to the substrate, and has a polygonal shape of n-gon (n is an integer of 3 or more). The optical circuit according to claim 4, wherein the pixels are arranged so as to be inclined with respect to a propagation direction of light propagating through the region. 前記多角形状は正方形であり、前記傾斜の角度が45度であることを特徴とする請求項7に記載の光回路。   The optical circuit according to claim 7, wherein the polygonal shape is a square, and the inclination angle is 45 degrees. 記ピクセルのコアを、前記一様な屈折率のコア層の少なくとも一方の表面上に凹部を設けたレリーフ状のパターンニングを施すことにより、前記凹部の屈折率を低屈折率部分n clad とし前記凹部以外の凸部の屈折率を高屈折率部分n core として、ピクセルを構成することを特徴とする請求項4乃至6の何れかに記載の光回路。 Before the core Kipi Kuseru by a relief-like facilities patterning Succoth provided with recesses on at least one surface of the core layer of the uniform refractive index, a low refractive index portion n the refractive index of the recess and clad, the refractive index of the convex portion other than the recess as the high refractive index portion n core, optical circuit according to any one of claims 4 to 6, characterized that you configure the pixels. 前記レリーフ状のパターンニングが、前記コア層の両面に施されていることを特徴とする請求項9に記載の光回路。 Optical circuit of claim 9, wherein the relief-like patterning, characterized in that it applied to both sides of the front SL core layer. 前記コア層の両面に施されたレリーフ状のパターンは、互いに異なるパターンであることを特徴とする請求項10に記載の光回路。   The optical circuit according to claim 10, wherein the relief patterns provided on both surfaces of the core layer are different from each other. 前記コア層の両面に施されたレリーフ状のパターンの前記凹部の深さが、何れも等しいことを特徴とする請求項10または11に記載の光回路。   12. The optical circuit according to claim 10, wherein the depths of the concave portions of the relief pattern provided on both surfaces of the core layer are equal to each other. 前記ピクセルのコアは、高屈折率(n)または低屈折率(n)の何れかの2値化された屈折率を有する複数のサブピクセルに分割されており、当該2値化されたサブピクセルの配列により前記ピクセルの屈折率が決定されていることを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載の光回路。 The core of the pixel is divided into a plurality of sub-pixels having a binarized refractive index of either high refractive index (n H ) or low refractive index (n L ), and the binarized 4. The optical circuit according to claim 1, wherein a refractive index of the pixel is determined by an array of subpixels. 前記屈折率をncoreに設定されたピクセルのコアの前記基板と平行な断面形状は、円形であることを特徴とする請求項4乃至6の何れかに記載の光回路。 7. The optical circuit according to claim 4, wherein a cross-sectional shape of the pixel core whose refractive index is set to n core is parallel to the substrate. 前記屈折率をncoreに設定されたピクセルのコアの前記基板に垂直な断面形状は、滑らかに変化する曲線を有する形状であることを特徴とする請求項14に記載の光回路。 The optical circuit according to claim 14, wherein a cross-sectional shape perpendicular to the substrate of the pixel core having the refractive index set to n core is a shape having a smoothly changing curve. 前記空間的屈折率分布は、出力光のスポットサイズ変換を可能とするフィールドの強度分布と位相分布を実現するように設定されていることを特徴とする請求項1乃至15の何れかに記載の光回路。 The spatial refractive index distribution according to any of claims 1 to 15, characterized in that it is set so as to realize the intensity distribution and the phase distribution of the field which enables the spot size conversion of the output light Optical circuit.
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