JP4361030B2 - Mode splitter and optical circuit - Google Patents

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Description

本発明は基板上に形成された埋め込み型光導波路による光回路に関し、より詳細には、光導波路を伝搬する高次の伝搬光を他導波路に断熱的に遷移させ、低損失かつ波長依存性なく光信号を分岐することが可能な光回路ならびにその応用回路を提供する。   The present invention relates to an optical circuit using an embedded optical waveguide formed on a substrate, and more specifically, a high-order propagation light propagating in an optical waveguide is adiabatically transitioned to another waveguide, and has low loss and wavelength dependence. An optical circuit capable of branching an optical signal and an application circuit thereof are provided.

光通信システムの整備が世界的に推進され、その重要性や利便性から一般消費者にまで普及が拡大されてきた。それに伴い更なる通信容量の拡大が求められている。このような状況の下で、波長多重通信技術の成熟とともに、光デバイスの低コスト化と高性能化が両立できるような技術開発が現在求められている。光デバイスの中でも、埋め込み型光導波路による光回路は、波長合分波器やスプリッタ、光スイッチ等様々なものが実用化され、現在光通信システムの中でも重要な役割を果たしている。本発明は埋め込み型光導波路による光回路の中でも、導波路を伝搬する信号をその伝搬モードの次数により出力先を変えることのできるモードスプリッタに関する。   The development of optical communication systems has been promoted globally, and its spread has expanded from the importance and convenience to general consumers. Accordingly, further expansion of communication capacity is required. Under such circumstances, with the maturation of the wavelength division multiplexing communication technology, there is a current demand for the development of technology that can achieve both cost reduction and high performance of the optical device. Among optical devices, various optical circuits using embedded optical waveguides such as wavelength multiplexers / demultiplexers, splitters, and optical switches have been put into practical use, and currently play an important role in optical communication systems. The present invention relates to a mode splitter capable of changing the output destination of a signal propagating through a waveguide, depending on the order of the propagation mode, among optical circuits using embedded optical waveguides.

図1は、従来技術のモードスプリッタの基本構造として採用されている非対称Y分岐構造を示す図である。(下記の非特許文献1を参照)。尚、導波路は基板上に構成されるコアとクラッドから構成されるが、以下説明する図面においては、導波路をコアの形状のみによって示している。入力導波路1は、2つのモードが伝搬できる2モード導波路からなり、入力導波路1に導波路幅の異なる2本の出力導波路2がY字状に結合されている。このような形状の光回路は、一般に非対称Y分岐回路と呼ばれている。   FIG. 1 is a diagram showing an asymmetric Y-branch structure adopted as a basic structure of a conventional mode splitter. (See Non-Patent Document 1 below). The waveguide is composed of a core and a clad formed on the substrate. In the drawings described below, the waveguide is shown only by the shape of the core. The input waveguide 1 is a two-mode waveguide capable of propagating two modes, and two output waveguides 2 having different waveguide widths are coupled to the input waveguide 1 in a Y shape. Such an optical circuit is generally called an asymmetric Y branch circuit.

入力導波路1を伝搬する2つのモードは伝搬定数が異なり、基底モード(0次モード)が1次モードに比べ大きな伝搬定数を持つ。一方、2本の出力導波路2a、2bは導波路幅が異なるため、それぞれが持つ基底モードの伝搬定数は異なる。入力導波路1に、このような出力導波路2a、2bがY分岐状に接続された場合には、入力導波路1に入力された2つの伝搬モードの光のうち、大きな伝搬定数を持つ光(基底モード)は基底モードの伝搬定数が大きな出力導波路2a側に出力される。逆に、小さな伝搬定数を持つ光は、もう一方の出力導波路2b側に結合される。このような原理により、入力導波路1に入力された2つのモードの光は、別々の出力導波路2a、2bにそれぞれ出力され、非対称Y分岐回路がモードスプリッタとして機能する。   The two modes propagating through the input waveguide 1 have different propagation constants, and the fundamental mode (0th order mode) has a larger propagation constant than the first order mode. On the other hand, since the two output waveguides 2a and 2b have different waveguide widths, the propagation constants of the fundamental modes thereof are different. When such output waveguides 2a and 2b are connected to the input waveguide 1 in a Y-branch shape, light having a large propagation constant among the light of two propagation modes input to the input waveguide 1 The (basic mode) is output to the output waveguide 2a side where the propagation constant of the basic mode is large. Conversely, light having a small propagation constant is coupled to the other output waveguide 2b side. Based on this principle, the two modes of light input to the input waveguide 1 are output to the separate output waveguides 2a and 2b, respectively, and the asymmetric Y branch circuit functions as a mode splitter.

W.K.Burns et.al., “An Analytic Solution, for Mode Coupling in Optical Waveguide Branches”, IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-16,No.4,1980W.K.Burns et.al., “An Analytic Solution, for Mode Coupling in Optical Waveguide Branches”, IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-16, No. 4, 1980

しかしながら、従来の非対称Y分岐回路では、入力導波路1と2本の出力導波路2a、2bが分岐する部分で多くの損失が生じるという問題を持っていた。図1からもわかるように、出力導波路2a、2bが分岐をする部分においては、2つの出力導波路が非常に近接している。このため、コア加工後クラッド材を堆積などさせる場合に、非常に狭いギャップ部分(図1においてaで示す)にクラッド材料が充たされなければならない。しかしながら、コア加工後の上部クラッド埋め込みの際に、このような狭ギャップ部分には、上部クラッド材料が入りづらくなる。その結果、この狭ギャップ部分には、空洞やボイドが発生し、この空洞やボイドのため大きな損失が生じてしまう。さらに、コア部分の形成時においても次に述べるような問題があった。   However, the conventional asymmetric Y-branch circuit has a problem that a lot of loss occurs at a portion where the input waveguide 1 and the two output waveguides 2a and 2b branch. As can be seen from FIG. 1, in the portion where the output waveguides 2a and 2b branch, the two output waveguides are very close to each other. For this reason, when the cladding material is deposited after the core processing, the cladding material must be filled in a very narrow gap portion (indicated by a in FIG. 1). However, when the upper clad is embedded after the core processing, it is difficult for the upper clad material to enter such a narrow gap portion. As a result, cavities and voids are generated in the narrow gap portion, and a large loss occurs due to the cavities and voids. In addition, the following problems were encountered when forming the core portion.

図2は、従来のモードスプリッタの分岐部分を説明する図である。コア部分を形成する場合においても、回路作製プロセス技術上の制限により、図2に示すように、実際はY分岐部分のコアが繋がってしまう問題があった。一般に、光導波路のコア部分は堆積したコア膜をフォトリソグラフィーおよびエッチング技術により加工形成するが、Y分岐部分では2本の出力導波路2a、2bが非常に接近しているため、加工技術上の制限により狭ギャップな溝が形成できない。入力導波路1から入射された光のうち、この「繋がった部分」を伝搬する光は出力導波路2a、2bに結合されることなく漏れ光となり、大きな損失を生じさせる。Y分岐部分の繋がりを回避するために出力導波路2a、2bのなす角度を大きくすると、モードスプリッタとして動作しない。このような、導波路の加工技術上の限界による損失増加が従来のスプリッタでは大きな問題となっていた。   FIG. 2 is a diagram for explaining a branch portion of a conventional mode splitter. Even when the core portion is formed, there is a problem that the core of the Y branch portion is actually connected as shown in FIG. In general, the core portion of the optical waveguide is formed by processing the deposited core film by photolithography and etching techniques, but the two output waveguides 2a and 2b are very close to each other at the Y branch portion. Narrow gaps cannot be formed due to limitations. Of the light incident from the input waveguide 1, the light propagating through this “connected portion” becomes leaked light without being coupled to the output waveguides 2 a and 2 b, causing a large loss. If the angle formed by the output waveguides 2a and 2b is increased in order to avoid the connection of the Y branch portions, the mode splitter does not operate. Such an increase in loss due to limitations on the processing technology of the waveguide has been a big problem in the conventional splitter.

本発明はこのような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは低損失なモードスプリッタおよびこのモードスプリッタを利用した低損失な光回路を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a low-loss mode splitter and a low-loss optical circuit using the mode splitter.

このような目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、基板上にコアおよびクラッドからなる導波路で構成された光回路において、少なくとも2種類以上の伝搬次数の異なる伝搬モードが導波可能な主導波路と、前記主導波路と一定のギャップを有して配置され導波路の幅が変化するテーパ部と、前記テーパ部に連続的に接続され前記主導波路の導波路幅と異なる導波路幅を有する出力部導波路とを含み、前記少なくとも2種類以上の伝搬次数の異なる伝搬モードのうち少なくとも1種類以上の伝搬モードが断熱遷移される副導波路とを有する、1つの入力光を2つの出力光に分離するモードスプリッタと、前記モードスプリッタの前記主導波路の出力に光学的に接続され、基本モードから高次モードに光信号の一部または全部を変換し、前記変換光を反射する反射型モード変換素子とを備え、前記反射された光信号が、前記モードスプリッタの副導波路より出力されることを特徴とする。
請求項2に記載の発明は、請求項1の光回路であって、前記反射型モード変換素子は、スラントグレーティングであることを特徴とする
In order to achieve such an object, according to the first aspect of the present invention , at least two types of propagation modes having different propagation orders are guided in an optical circuit composed of a waveguide composed of a core and a clad on a substrate. A main waveguide that can be waved, a tapered portion that is arranged with a certain gap from the main waveguide, and the width of the waveguide is changed, and a waveguide that is continuously connected to the tapered portion and has a waveguide width different from that of the main waveguide. One input light having an output waveguide having a waveguide width and a sub-waveguide in which at least one of the propagation modes having different propagation orders is adiabatically transitioned among the at least two types of propagation modes having different propagation orders. converting a mode splitter which separates into two output light is optically coupled to the output of the main waveguide of the mode splitter, a part or all of the optical signal to the high-order mode from the fundamental mode , And a reflective mode converter configured to reflect the converted light, the reflected light signal, characterized in that output from the secondary waveguide of the mode splitter.
The invention according to claim 2 is the optical circuit according to claim 1, wherein the reflective mode conversion element is a slant grating .

請求項に記載の発明は、前記出力部導波路は、前記テーパ部に連続的に接続される曲線導波路を含むことを特徴とする。 The invention according to claim 3 is characterized in that the output portion waveguide includes a curved waveguide continuously connected to the tapered portion.

請求項に記載の発明は、前記出力部導波路は、前記テーパ部に連続的に接続される直線導波路と、前記直線導波路に連続的に接続される曲線導波路とを備えることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, the output portion waveguide includes a straight waveguide continuously connected to the tapered portion and a curved waveguide continuously connected to the straight waveguide. Features.

請求項に記載の発明は、前記テーパ部の先端を前記主導波路に対して垂直な面で切断した台形状のテーパ部としたことを特徴とする。 The invention described in claim 5 is characterized in that a trapezoidal taper portion in which the tip of the taper portion is cut along a plane perpendicular to the main waveguide is characterized.

請求項に記載の発明は、前記副導波路の前記出力部導波路の終端部に、出力光を吸収もしくは発散させる光終端部を備えたことを特徴とする。 The invention described in claim 6 is characterized in that an optical termination section for absorbing or diverging output light is provided at the termination section of the output section waveguide of the sub-waveguide.

請求項に記載の発明は、前記のテーパ部分と前記主導波路の前記ギャップは0.2μm以上で5μm以下であることを特徴とする。 The invention according to claim 7 is characterized in that the gap between the tapered portion and the main waveguide is 0.2 μm or more and 5 μm or less.

請求項に記載の発明は、前記テーパ部分は、幅が直線的に増加する直線テーパであって、テーパ角が0.004度以上1度以下であることを特徴とする。 The invention according to claim 8 is characterized in that the tapered portion is a linear taper whose width increases linearly, and the taper angle is 0.004 degrees or more and 1 degree or less.

請求項に記載の発明は、前記主導波路を伝搬可能な伝搬モードは伝搬次数の異なる第1伝搬モードおよび第2伝搬モードのみであって、前記副導波路の前記出力部を伝播する基本モードの有効屈折率は前記第1伝搬モードの有効屈折率より小さく、前記第2伝搬モードの有効屈折率より大きいことを特徴とする。 The invention according to claim 9 is a fundamental mode in which propagation modes capable of propagating through the main waveguide are only a first propagation mode and a second propagation mode having different propagation orders, and propagate through the output section of the sub-waveguide. The effective refractive index of is smaller than the effective refractive index of the first propagation mode and larger than the effective refractive index of the second propagation mode.

以上説明したように本発明によれば、低損失で波長依存性の少ないモードスプリッタを実現することができる。また、アレイ導波路回折格子の入力導波路にこの構造のモードスプリッタを採用することで、中心波長誤差の低減や、透過特性の向上が実現できる。さらに、本モードスプリッタを波長依存モード変換素子に組み込むことで、簡単に波長 Add-Drop 機能が実現できる。   As described above, according to the present invention, a mode splitter with low loss and less wavelength dependency can be realized. Further, by adopting the mode splitter having this structure for the input waveguide of the arrayed waveguide diffraction grating, it is possible to reduce the center wavelength error and improve the transmission characteristics. Furthermore, the wavelength add-drop function can be easily realized by incorporating this mode splitter into the wavelength-dependent mode conversion element.

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。最初に、本発明のモードスプリッタの動作原理を説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. First, the operation principle of the mode splitter of the present invention will be described.

図3は、本発明にかかるモードスプリッタの構成を示す図である。本モードスプリッタは、直線導波路からなる主導波路3と、テーパ部5および出力部導波路6からなる副導波路4より構成される。テーパ部5は、主導波路3の入力端側(図3において左側)から徐々に出力端側に向かって、導波路幅が増加するテーパ状の形状をしている。そして、テーパ部5は出力部導波路6と滑らかに連続的に接続されている。さらに、テーパ部5は、主導波路3と一定間隔のギャップをもって配置されている。このギャップについては、図7において、後述する。   FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the mode splitter according to the present invention. This mode splitter includes a main waveguide 3 made of a straight waveguide, and a sub-waveguide 4 made of a taper portion 5 and an output portion waveguide 6. The tapered portion 5 has a tapered shape in which the waveguide width gradually increases from the input end side (left side in FIG. 3) of the main waveguide 3 toward the output end side. The taper portion 5 is smoothly and continuously connected to the output portion waveguide 6. Further, the tapered portion 5 is arranged with a gap at a constant interval from the main waveguide 3. This gap will be described later with reference to FIG.

主導波路3は次数の異なる少なくとも2つ以上の伝搬モードが伝搬できる導波路である。本モードスプリッタは、これらの少なくとも2以上の伝搬モードのうち少なくとも1つ以上の伝搬モードを副導波路4より出力し、残りの伝搬モードは主導波路3をそのまま伝搬するという機能を有する。また、主導波路3と副導波路4の導波路幅は、異なっている。導波路幅が異なることにより、後に詳しく説明するように、主導波路3と副導波路4の有効屈折率を異なるものとすることができる。これにより、伝播モードの変換が実現できるからである。通常は、主導波路3に、0次モードの信号光をそのまま伝播させるので、副導波路4の導波路幅は、主導波路3の導波路幅より狭くなる。ただし、副導波路4の導波路幅が広い場合でもかまわない。   The main waveguide 3 is a waveguide through which at least two propagation modes having different orders can propagate. The mode splitter has a function of outputting at least one of the at least two propagation modes from the sub waveguide 4 and propagating the remaining propagation modes through the main waveguide 3 as they are. The waveguide widths of the main waveguide 3 and the sub-waveguide 4 are different. As the waveguide widths are different, the effective refractive indexes of the main waveguide 3 and the sub-waveguide 4 can be made different as will be described in detail later. This is because the propagation mode conversion can be realized. Normally, the 0th-order mode signal light is propagated through the main waveguide 3 as it is, so that the waveguide width of the sub-waveguide 4 is narrower than the waveguide width of the main waveguide 3. However, the sub waveguide 4 may have a wide waveguide width.

出力部導波路6は、その形態を特に制限されないが、曲線導波路を含む導波路で構成するのが好ましい。すなわち、テーパ部5と接続される出力部導波路6を曲線導波路とすることにより、主導波路3から副導波路4を緩やかに離すことができ、全体の回路の大きさも小さくすることが可能となるので、最良の形態となる。しかし、直線導波路あるいは、これらの組み合わせであってもかまわない。   Although the form in particular is not restrict | limited, the output part waveguide 6 is preferably comprised with the waveguide containing a curved waveguide. That is, by making the output waveguide 6 connected to the tapered portion 5 a curved waveguide, the sub waveguide 4 can be gently separated from the main waveguide 3 and the overall circuit size can be reduced. Therefore, it becomes the best form. However, it may be a straight waveguide or a combination thereof.

図4は、正方形の断面形状を持つ矩形導波路で上下クラッドの屈折率が等しい導波路における規格化周波数(v)と有効屈折率(neff)の関係を示す。一般に、導波路を伝搬できる伝搬モードの数およびそれぞれの伝搬モードが持つ有効屈折率は、導波路のコア形状、サイズ、コアおよびクラッドの屈折率等で決定される。規格化周波数(v) は近似的に   FIG. 4 shows the relationship between the normalized frequency (v) and the effective refractive index (neff) in a rectangular waveguide having a square cross-sectional shape and having the same refractive index of the upper and lower claddings. In general, the number of propagation modes that can propagate through a waveguide and the effective refractive index of each propagation mode are determined by the core shape and size of the waveguide, the refractive indexes of the core and the cladding, and the like. The normalized frequency (v) is approximately

Figure 0004361030
Figure 0004361030

と表せる。(3次元光導波路の正確な規格化周波数ではないが、説明の簡略化のため光ファイバ等で用いられる解析的な式を用いた)ただし、λは波長、n1はコアの屈折率、n0はクラッドの屈折率、aは導波路の幅および導波路の高さである。 It can be expressed. (Although it is not an accurate normalized frequency of the three-dimensional optical waveguide, an analytical expression used in an optical fiber or the like is used for simplification of explanation.) However, λ is the wavelength, n1 is the refractive index of the core, and n0 The refractive index of the cladding, a, is the width of the waveguide and the height of the waveguide.

導波路のサイズ、屈折率および使用波長を決定すると規格化周波数が求まる。図4に示すように、主導波路3の規格化周波数を決定すると、主導波路3を伝搬可能なモード数とそれぞれのモードの有効屈折率が決定される。ただし、本発明のモードスプリッタの場合には、前述したように主導波路3は少なくとも2個以上の伝搬モードを有することが必要である。このような主導波路3に対して、副導波路4は異なる規格化周波数を持つ。図4に示した例について説明すると、副導波路4は2つの伝搬モード(B0、B1)を持つこととなる。このような主導波路3および副導波路4が隣接し、且つ、モード間のエネルギーの受け渡しが断熱的である場合には、主導波路3の一部の伝搬モードが副導波路4に損失無く遷移する。主導波路3を伝搬してきた伝搬モード(A0,A1,A2,A3)は、副導波路4との近接部分付近において、主導波路3と副導波路4を含めた伝搬モードへと変換される。ここで、主導波路3と副導波路4を含めたモード(local normal mode)は、次数の低いほうから、即ち有効屈折率の高いほうから、(A0,B0,A1,B1,A2,A3)となる。よって、主導波路3の伝搬モードは、local normal mode の低い次数から順番に変換される。すなわち、A0はlocal normal mode のうち最も低い次数のモードであるA0モードへ、A1モードはB0モードへ、A2モードはA1モードへ、A3はB1へとそれぞれモード変換される。   When the waveguide size, refractive index, and wavelength used are determined, the normalized frequency is obtained. As shown in FIG. 4, when the normalized frequency of the main waveguide 3 is determined, the number of modes that can propagate through the main waveguide 3 and the effective refractive index of each mode are determined. However, in the case of the mode splitter of the present invention, as described above, the main waveguide 3 needs to have at least two propagation modes. For such a main waveguide 3, the sub-waveguide 4 has a different normalized frequency. The example shown in FIG. 4 will be described. The sub-waveguide 4 has two propagation modes (B0, B1). When the main waveguide 3 and the sub-waveguide 4 are adjacent to each other and the energy transfer between modes is adiabatic, a part of the propagation mode of the main waveguide 3 transitions to the sub-waveguide 4 without loss. To do. The propagation modes (A 0, A 1, A 2, A 3) propagated through the main waveguide 3 are converted into a propagation mode including the main waveguide 3 and the sub waveguide 4 in the vicinity of the vicinity of the sub waveguide 4. Here, the mode (local normal mode) including the main waveguide 3 and the sub-waveguide 4 is (A0, B0, A1, B1, A2, A3) from the lower order, that is, from the higher effective refractive index. It becomes. Therefore, the propagation mode of the main waveguide 3 is converted in order from the lower order of the local normal mode. That is, A0 is converted to the A0 mode, which is the lowest order mode among the local normal modes, the A1 mode is changed to the B0 mode, the A2 mode is changed to the A1 mode, and A3 is changed to B1.

図5は、上述のモード変換の例を説明する図である。すなわち、図4のような規格化周波数v値を設定した場合、図5に示すように主導波路3を伝搬するモードのうち0次モード(A0)および2次モード(A2)はそのまま主導波路3に出力され、1次モード(A1)および3次モードは(A3)は副導波路4に出力される。このように、主導波路3および副導波路4の規格化周波数vを適切に設定することによって、主導波路3を伝搬するモードのうち所望の伝搬モードを副導波路4に分岐することができる。   FIG. 5 is a diagram for explaining an example of the mode conversion described above. That is, when the normalized frequency v value as shown in FIG. 4 is set, the 0th-order mode (A0) and the second-order mode (A2) among the modes propagating through the main waveguide 3 as shown in FIG. The first-order mode (A1) and the third-order mode (A3) are output to the sub-waveguide 4. As described above, by appropriately setting the normalized frequency v of the main waveguide 3 and the sub-waveguide 4, a desired propagation mode among the modes propagating through the main waveguide 3 can be branched to the sub-waveguide 4.

図6は、本モードスプリッタの電界強度分布の様子を模式的に示した図である。一例として、主導波路3に基底モードおよび1次モードが入射され、1次モードのみが副導波路4に分岐されるモードスプリッタの電界強度分布変化の様子が模式的に示されている。図6の(a)に示された回路レイアウトのモードスプリッタの破線部分における断面それぞれにおいて、(b)断面の屈折率分、(c)基本モード電界強度分布および(d)1次モード電界強度分布が示されている。   FIG. 6 is a diagram schematically showing the electric field intensity distribution of the mode splitter. As an example, the state of the electric field intensity distribution of the mode splitter in which the fundamental mode and the primary mode are incident on the main waveguide 3 and only the primary mode is branched to the sub waveguide 4 is schematically shown. In each of the cross sections at the broken line portion of the mode splitter of the circuit layout shown in FIG. 6A, (b) the refractive index of the cross section, (c) the fundamental mode electric field intensity distribution, and (d) the primary mode electric field intensity distribution. It is shown.

前述したように、図1に示したような従来のモードスプリッタにおいては、加工技術上の限界による損失増加が問題となる。そこで本発明では、図3に示したような構造のモードスプリッタを提案する。本発明にかかるモードスプリッタにおいては、テーパ部5と出力部6が備わった副導波路4が直線状の主導波路3に隣接して配置されている。このような形状にすることで、コア加工形成の困難な鋭角部分、狭小部分を持たない構造とすることができる。   As described above, in the conventional mode splitter as shown in FIG. 1, an increase in loss due to processing technology limitations becomes a problem. Therefore, the present invention proposes a mode splitter having a structure as shown in FIG. In the mode splitter according to the present invention, the sub waveguide 4 provided with the taper portion 5 and the output portion 6 is disposed adjacent to the linear main waveguide 3. By adopting such a shape, it is possible to obtain a structure that does not have an acute angle portion and a narrow portion that are difficult to form by core processing.

図7は、本発明にかかるモードスプリッタのテーパ部とギャップとをさらに説明する図である。主導波路3と副導波路4のテーパ部5は一定の距離のギャップ7を有し、この距離はコア加工形成が可能な距離とする。また、このギャップ距離はコア加工形成後に上部クラッド層を堆積させることができる距離でもある必要がある。更に、このギャップ距離を一定とすることによって、主導波路3を伝搬する高次モードの伝搬光を副導波路4に、損失無く断熱遷移することが可能となる。ただし、このギャップ7を広く取りすぎると、高次モードが副導波路4に遷移するために必要な副導波路4の長さが増大する。同時に、過剰損失も増加する。   FIG. 7 is a diagram for further explaining the tapered portion and the gap of the mode splitter according to the present invention. The tapered portion 5 of the main waveguide 3 and the sub-waveguide 4 has a gap 7 of a certain distance, and this distance is a distance that can be formed by core processing. Further, this gap distance needs to be a distance at which the upper cladding layer can be deposited after the core processing is formed. Furthermore, by making this gap distance constant, it is possible to adiabatic transition of the higher-order mode propagating light propagating through the main waveguide 3 to the sub-waveguide 4 without loss. However, if the gap 7 is made too wide, the length of the sub-waveguide 4 necessary for the higher-order mode to transition to the sub-waveguide 4 increases. At the same time, excess losses increase.

ここで、過剰損失とは光回路等を作製した際に、予期しない(望ましくない)損失のことをいう。ファイバとの結合部で起きる損失である「結合損失」や、導波路を伝搬する際に、導波路の揺らぎや加工誤差等で発生する損失である「伝搬損失」(導波路損失)と区別するために使用する。   Here, the excess loss means an unexpected (undesirable) loss when an optical circuit or the like is manufactured. Distinguish between “coupling loss”, which is a loss that occurs at the coupling with the fiber, and “propagation loss” (waveguide loss), which is a loss that occurs due to fluctuations in the waveguide, processing errors, etc. Use for.

上述のギャップ距離の最適値はコアの屈折率やサイズにより異なるが、石英系ガラス導波路の比屈折率差0.1%〜5%程度の導波路においては、ギャップ距離として0.1μm以上5μm以下が好適で、0.1μm以上3μm以下が最適である。なお、ギャップ距離が0.1μm以上10μm以下であっても、モードスプリッタとしての機能は実現可能である。   The optimum value of the gap distance described above varies depending on the refractive index and size of the core, but in a waveguide with a relative refractive index difference of about 0.1% to 5% of the silica-based glass waveguide, the gap distance is 0.1 μm or more and 5 μm. The following is preferable, and 0.1 μm or more and 3 μm or less is optimal. Even when the gap distance is 0.1 μm or more and 10 μm or less, the function as a mode splitter can be realized.

また、低損失なモードスプリッタを実現するために、図7に示すように副導波路4にはテーパ部5が備えられている。テーパ部5が無く、直線導波路や曲線導波路のみで副導波路4が構成される場合では、主導波路3を伝搬する光が副導波路4を突然感じる。このため、副導波路4の開始部分において、光が反射や擾乱を受けることにより過剰損失が発生する。また、副導波路4のテーパ部5が直線導波路となった場合には、一般に同方向性結合器に見られるように、伝搬モードの次数に関係なく主導波路3を伝搬する光の一部が副導波路4に同方向結合を起こしてしまう恐れがある。したがって、モードスプリッタとしての機能が劣化するのみならず、モードの分岐比にも大きな波長依存性が発生してしまう。   Further, in order to realize a low-loss mode splitter, the sub-waveguide 4 is provided with a tapered portion 5 as shown in FIG. In the case where the sub waveguide 4 is configured by only a straight waveguide or a curved waveguide without the taper portion 5, the light propagating through the main waveguide 3 suddenly feels the sub waveguide 4. For this reason, excess loss occurs due to light being reflected or disturbed at the start of the sub-waveguide 4. When the tapered portion 5 of the sub-waveguide 4 is a straight waveguide, a part of light propagating through the main waveguide 3 regardless of the order of the propagation mode, as is generally seen in a directional coupler. May cause the same direction coupling in the sub-waveguide 4. Therefore, not only the function as a mode splitter is deteriorated, but also a large wavelength dependency occurs in the branching ratio of the mode.

そこで、本発明にかかるモードスプリッタのように、副導波路4にテーパ部5を設けることで、空間的な屈折率変化を緩やかにできる。さらに、同方向結合を回避することができるため、低損失のモードスプリッタを実現でき、波長依存性の少ない分岐比を実現できる。先にも述べたように、テーパ部5を長くしすぎると回路サイズが大きくなるため、好ましくない。   Therefore, the spatial refractive index change can be moderated by providing the sub-waveguide 4 with the tapered portion 5 as in the mode splitter according to the present invention. Furthermore, since the same direction coupling can be avoided, a low-loss mode splitter can be realized, and a branching ratio with less wavelength dependency can be realized. As described above, if the taper portion 5 is too long, the circuit size increases, which is not preferable.

図7に示すテーパ部5のテーパ角8として最適な値は主導波路3の幅、副導波路4の幅およびギャップ距離等で大きく異なるが、主導波路3の高次モードが0.1dB以下の損失で副導波路4に断熱遷移する程度に、テーパ角8を決定する必要がある。更に、クロストーク量も、−30dB以上確保できるようなテーパ角8とするのが望ましい。ここで、クロストーク量とは、副導波路に遷移した高次モードの光と、高次モードが副導波路4に断熱遷移できず、主導波路3をそのまま伝搬してしまう光との比を表す。   The optimum value for the taper angle 8 of the taper portion 5 shown in FIG. 7 varies greatly depending on the width of the main waveguide 3, the width of the sub-waveguide 4, the gap distance, and the like, but the higher-order mode of the main waveguide 3 is 0.1 dB or less. It is necessary to determine the taper angle 8 to such an extent that adiabatic transition to the sub-waveguide 4 occurs due to loss. Further, it is desirable that the taper angle is 8 so that the crosstalk amount can be ensured to be -30 dB or more. Here, the amount of crosstalk is the ratio between the light of the higher-order mode that has transitioned to the sub-waveguide and the light that the higher-order mode cannot adiabatically transition to the sub-waveguide 4 and propagates through the main waveguide 3 as it is. To express.

図8および図9は、テーパ角と過剰損失の関係の計算結果例を示す図である。先にも述べたように、テーパ角8の最適な値は主導波路3の幅、副導波路4の幅、屈折率およびギャップ7等で変化する。図8および図9において、モードスプリッタのギャップは2μmとし、各導波路のコア高さはすべて6μm、導波路幅は副導波路4が3μmであり、主導波路3は6μm、7μm、8μmと変化させた場合を計算している。   8 and 9 are diagrams showing examples of calculation results of the relationship between the taper angle and excess loss. As described above, the optimum value of the taper angle 8 varies depending on the width of the main waveguide 3, the width of the sub waveguide 4, the refractive index, the gap 7, and the like. 8 and 9, the mode splitter gap is 2 μm, the core height of each waveguide is 6 μm, the waveguide width is 3 μm in the sub-waveguide 4, and the main waveguide 3 is changed to 6 μm, 7 μm, and 8 μm. The case is calculated.

テーパ角8は、導波路幅やギャップ等に応じて、過剰損失が少なくなるように決定される。例えば、主導波路3の幅が6μmの場合、過剰損失が理論上0.1dB以下でクロストークが30dB以上確保できるようなテーパ角8は、0.4度以下が最適である。しかしながら、主導波路3の幅が6μmの場合、テーパ角8を0.02度以下に設定すると、全体の回路長の増大が次第に問題となってくる。したがって、上述の関係を考慮しながら、適切なテーパ角8を設定することが好ましい。例えば、テーパ角の最小値は、0.004度とすることができる。   The taper angle 8 is determined so as to reduce excess loss according to the waveguide width, gap, and the like. For example, when the width of the main waveguide 3 is 6 μm, the optimum taper angle 8 that can secure an excess loss of 0.1 dB or less and a crosstalk of 30 dB or more is optimally 0.4 degrees or less. However, when the width of the main waveguide 3 is 6 μm, if the taper angle 8 is set to 0.02 degrees or less, an increase in the entire circuit length becomes a problem. Therefore, it is preferable to set an appropriate taper angle 8 in consideration of the above relationship. For example, the minimum value of the taper angle can be 0.004 degrees.

図8および図9の計算結果より、比屈折率差0.5%〜5%程度の光回路において、低損失なモードスプリッタを実現するための具体的なテーパ角8の大きさとしては、0.02度から2.0度が好ましく、0.05度から1.0度が最適である。ただし、テーパ角8の大きさとして、0.01度から2.0度の範囲であっても、モードスプリッタとしての機能は実現可能である。   From the calculation results of FIGS. 8 and 9, the specific taper angle 8 for realizing a low-loss mode splitter in an optical circuit having a relative refractive index difference of about 0.5% to 5% is as follows. 0.02 degree to 2.0 degree is preferable, and 0.05 degree to 1.0 degree is optimal. However, even if the taper angle 8 is in the range of 0.01 to 2.0 degrees, the function as a mode splitter can be realized.

図10は、テーパ部の導波路幅が非線形に変化する本発明にかかるモードスプリッタを示す図である。主導波路10と副導波路9から構成されている。テーパ部は必ずしも直線テーパの形態である必要はない。図9に示すように、非線形に導波路幅が変化するテーパの形態の副導波路9であっても構わない。   FIG. 10 is a diagram showing a mode splitter according to the present invention in which the waveguide width of the tapered portion changes nonlinearly. It is composed of a main waveguide 10 and a sub waveguide 9. The tapered portion is not necessarily in the form of a linear taper. As shown in FIG. 9, it may be a sub-waveguide 9 in the form of a taper in which the waveguide width changes nonlinearly.

図11は、本発明にかかるモードスプリッタの他の構成を示す図である。図11に示すようにモードスプリッタの副導波路12において、出力部導波路15とテーパ部13の間に直線導波路により構成される直線部14を備えることで、より低損失なモードスプリッタが可能となる。テーパ部13と曲線導波路からなる出力部導波路15が接続された場合、主導波路11から副導波路12側に分岐された光は、分岐した直後では蛇行等の影響が残る。このためテーパ部13と出力部導波路15との結合部分で、損失が生じる場合がある。このような場合、テーパ部13と出力部導波路15の導波路の中心軸をずらす等の方法により、光をスムーズに出力部分へ伝搬させることは可能である。しかし、分岐した直後の光の蛇行等は作製チップによりその動作がまちまちであり、基板上に多数のチップを作成した場合、チップ間で過剰損失がバラつく等の原因となる。   FIG. 11 is a diagram showing another configuration of the mode splitter according to the present invention. As shown in FIG. 11, in the sub-waveguide 12 of the mode splitter, a mode splitter with a lower loss is possible by including a straight portion 14 formed by a straight waveguide between the output portion waveguide 15 and the tapered portion 13. It becomes. When the taper part 13 and the output part waveguide 15 composed of a curved waveguide are connected, the light branched from the main waveguide 11 to the sub-waveguide 12 remains affected by meandering immediately after branching. For this reason, a loss may occur at the coupling portion between the tapered portion 13 and the output portion waveguide 15. In such a case, the light can be smoothly propagated to the output portion by a method such as shifting the central axes of the tapered portion 13 and the output portion waveguide 15. However, the operation of light meandering immediately after branching varies depending on the manufactured chip, and when a large number of chips are formed on a substrate, excessive loss varies between the chips.

そこで、図11に示すように、直線導波路により構成される直線部14をテーパ部13の後に挿入することで、この蛇行等の影響を防ぐことができる。結果的に過剰損失の低減が可能となる。直線部14の長さは、回路サイズの制限等の影響から、1cm以下が好ましく、1mm以下が最適である。直線部14に接続される出力部導波路15は、曲線導波路で開始することにより、主導波路11から副導波路12を緩やかに離すことができ、全体の回路の大きさも小さくすることが可能となるので、最良の形態となる。しかし、曲線導波路に限定されるものではない。詳細は、実施例1において後述する。   Therefore, as shown in FIG. 11, the effect of meandering or the like can be prevented by inserting a straight line portion 14 constituted by a straight waveguide after the taper portion 13. As a result, excessive loss can be reduced. The length of the straight line portion 14 is preferably 1 cm or less, and most preferably 1 mm or less, due to the influence of circuit size limitations and the like. The output waveguide 15 connected to the straight portion 14 can be gently separated from the main waveguide 11 by starting with a curved waveguide, and the overall circuit size can be reduced. Therefore, it becomes the best form. However, it is not limited to a curved waveguide. Details will be described later in the first embodiment.

以上、本発明にかかるモードスプリッタの基本的な構成とその動作について説明してきた。以下の部分では、本発明にかかるモードスプリッタの様々な光回路への応用例について、説明する。   The basic configuration and operation of the mode splitter according to the present invention have been described above. In the following part, application examples of the mode splitter according to the present invention to various optical circuits will be described.

様々な光回路において、導波路を伝搬する光の高次モードが回路性能を劣化させる場合がある。このような場合、本発明にかかるモードスプリッタを使うことによって、この高次モードの光を取り出して、回路性能を向上することが可能となる。この時、モードスプリッタによって取り出した高次モードの光は、適切に終端をしなければならない。そこで、副導波路の終端部に、伝搬光を発散するか吸収可能な物質あるいは導波路構造を備えることによって、光回路の性能劣化を防ぐことができる。   In various optical circuits, higher-order modes of light propagating through a waveguide may deteriorate circuit performance. In such a case, by using the mode splitter according to the present invention, it is possible to extract the light of the higher order mode and improve the circuit performance. At this time, the higher-order mode light extracted by the mode splitter must be appropriately terminated. Therefore, by providing a substance or waveguide structure that diverges or absorbs propagating light at the terminal end of the sub-waveguide, it is possible to prevent performance degradation of the optical circuit.

具体的には、光を発散させる場合には、副導波路の先端を球状にする方法や三角形状にする方法が好ましい。あるいは、単に導波路を切断もしくは途絶えさせた上で、他の光回路部分に影響を与えない方向に導波路を向ける方法でも十分な効果はある。また、光を吸収させる場合には、副導波路の終端部に、カーボン等の光の吸収剤を入れることも可能である。これらについては、実施例2において後述する。   Specifically, when diverging light, a method of making the tip of the sub-waveguide spherical or a method of making it triangular is preferable. Alternatively, a method of simply cutting or disconnecting the waveguide and then directing the waveguide in a direction that does not affect other optical circuit portions has a sufficient effect. In the case of absorbing light, it is also possible to put a light absorber such as carbon in the terminal portion of the sub-waveguide. These will be described later in the second embodiment.

ここまでに述べられたモードスプリッタにおいては、主導波路を伝搬するモードが2つ以上の場合の、一般的な設計手法を説明してきた。以下には、主導波路においては基本モードおよび1次モードのみが伝搬可能であり、且つ、副導波路においては基本モードのみが伝搬可能なモードスプリッタについて説明する。   In the mode splitter described so far, a general design method in the case where there are two or more modes propagating through the main waveguide has been described. Hereinafter, a mode splitter in which only the fundamental mode and the primary mode can propagate in the main waveguide and only the fundamental mode can propagate in the sub-waveguide will be described.

主導波路に2つのモードが、副導波路に1つのモードのみが伝搬できる形態のモードスプリッタは、設計条件が絞られているため、最も設計が容易であり、高性能に動作するモードスプリッタが得ることが可能となる。また、実際の回路に最も応用することが容易な形態ともなる。   A mode splitter that can propagate only two modes in the main waveguide and only one mode in the sub-waveguide has the narrowest design conditions. Therefore, a mode splitter that is most easily designed and operates at high performance is obtained. It becomes possible. Further, it is also a form that is most easily applied to an actual circuit.

一般に、高性能なモードスプリッタを実現するためには、主導波路および副導波路を伝搬可能なモードの有効屈折率を適切に設定することが重要である(図4の説明部分を参照)。この、主導波路に2つのモードが、副導波路に1つのモードのみが伝搬できる形態のモードスプリッタにおいて、主導波路の1次モードが副導波路に低損失かつ効率的に断熱遷移することが重要である。このためには、副導波路の有効屈折率を、主導波路の基本モードと1次モードの有効屈折率の和の30%〜70%とするのが好ましく、45%〜55%とするのが最適である。但し、20%〜80%の間とする場合でも、モードスプリッタとしての動作は可能である。   In general, in order to realize a high-performance mode splitter, it is important to appropriately set an effective refractive index of a mode capable of propagating through the main waveguide and the sub-waveguide (see the explanation part of FIG. 4). In this mode splitter in which only two modes can propagate to the main waveguide and only one mode can propagate to the sub-waveguide, it is important that the primary mode of the main waveguide efficiently makes adiabatic transition to the sub-waveguide with low loss. It is. For this purpose, the effective refractive index of the sub-waveguide is preferably 30% to 70% of the sum of the effective refractive index of the fundamental mode and the primary mode of the main waveguide, and is preferably 45% to 55%. Is optimal. However, even when it is between 20% and 80%, the operation as a mode splitter is possible.

様々な光回路においては、その回路上の導波路で基本モードのみが伝搬することを前提として回路設計が行われることが多くある。このような光回路において、その光回路中もしくはその光回路外で発生した高次モードの光がこの光回路を伝搬することによって、予期せぬ光回路の性能劣化が発生することがある。   In various optical circuits, circuit design is often performed on the assumption that only the fundamental mode propagates in a waveguide on the circuit. In such an optical circuit, undesired optical circuit performance degradation may occur when light of a higher-order mode generated in the optical circuit or outside the optical circuit propagates through the optical circuit.

図12は、本発明にかかるモードスプリッタをアレイ導波路回折格子37に応用した例を示す図である。アレイ導波路回折格子37等の波長合分波器などにおいては、高次モードの発生により透過特性の形状に歪が生じるほか、中心波長のばらつきが生じる。このような場合に、アレイ導波路31の両端にあるスラブ導波路30、32に接続された入力導波路33または出力導波路34に、本発明にかかるモードスプリッタ36を挿入することで、前述した高次モードに起因する問題が解消可能となる。例えば、図12に示すように、入力導波路33に本発明にかかるモードスプリッタ36を挿入することで高次モードに起因する問題が解消できる。   FIG. 12 is a diagram showing an example in which the mode splitter according to the present invention is applied to the arrayed waveguide diffraction grating 37. In a wavelength multiplexer / demultiplexer such as the arrayed waveguide diffraction grating 37, distortion in the shape of transmission characteristics occurs due to the generation of higher-order modes, and variations in the center wavelength occur. In such a case, the mode splitter 36 according to the present invention is inserted into the input waveguide 33 or the output waveguide 34 connected to the slab waveguides 30 and 32 at both ends of the arrayed waveguide 31, as described above. Problems caused by higher order modes can be solved. For example, as shown in FIG. 12, the problem caused by the higher-order mode can be solved by inserting the mode splitter 36 according to the present invention into the input waveguide 33.

図13は、本発明にかかるモードスプリッタをアレイ導波路回折格子37に応用した別の例を示す図である。図13に示すように、アレイ導波路回折格子31の出力側導波路34に本発明にかかるモードスプリッタ20を挿入することにより、アレイ導波路回折格子37の出力側に伝播する高次モードが基本モードに結合することにより発生するクロストーク劣化や、中心波長のズレ等が解消できる。詳細は、実施例3において後述する。   FIG. 13 is a diagram showing another example in which the mode splitter according to the present invention is applied to the arrayed waveguide diffraction grating 37. As shown in FIG. 13, by inserting the mode splitter 20 according to the present invention into the output-side waveguide 34 of the arrayed-waveguide diffraction grating 31, a higher-order mode that propagates to the output side of the arrayed-waveguide diffraction grating 37 is fundamental. It is possible to eliminate crosstalk degradation, center wavelength shift, and the like that occur when coupled to a mode. Details will be described later in the third embodiment.

上述した透過特性の形状の歪や、クロストーク劣化等のような、光回路等における高次モードの影響による問題は、高次モードを遮断することでも、回避することもできる。しかしながら、高次モードを遮断する場合には、高次モードの光が発散して回路中においてコントロールができない漏れ光となる。したがって、結果的には回路性能の劣化を引き起こしてしまう。一方、本発明にかかるモードスプリッタを使用する場合には、高次モードを副導波路へ伝搬光として取り出すことができる。したがって、高次モードは漏れ光とならず、適切に終端処理等の処理が可能となる。また、光回路の外へ取り出すことによって、高次モードが発生しかたどうかのモニターを行うことも可能となる。   Problems due to the influence of higher-order modes in optical circuits, such as the distortion of the shape of transmission characteristics and crosstalk degradation described above, can be avoided by blocking higher-order modes. However, when the higher-order mode is cut off, the higher-order mode light diverges and becomes leaked light that cannot be controlled in the circuit. As a result, the circuit performance is degraded. On the other hand, when the mode splitter according to the present invention is used, a higher-order mode can be extracted as propagating light to the sub-waveguide. Therefore, the higher-order mode does not become leaked light, and processing such as termination processing can be appropriately performed. Further, by taking out from the optical circuit, it is possible to monitor whether or not the higher order mode has occurred.

図14は、本発明にかかるモードスプリッタを波長Add/Drop回路に応用した例を模式的に示す図である。本発明にかかるモードスプリッタを用いて、特定の波長の信号光のみを導波路から取り出したり、加えたりすることが可能な波長Add/Drop回路を実現できる。図14に示す波長Add/Drop回路は、波長依存モード変換素子44とモードスプリッタ45とを連結した構成となっている。入力端41に入力される複数の波長の信号光(λ1〜λ5)のうち、特定の波長の信号光のみを高次モードに変換可能な波長依存モード変換素子44によって、その特定の波長の信号光のみをモード変換ができる。例えば、波長λ3の信号光のみ高次モードに変換し、モードスプリッタ45により分離することで、特定波長λ3の信号光のみを分離して出力端42から取り出すことが可能となる。逆に、全ての信号光の入出力方向を逆転させることで、特定波長の信号光のみを合波することが可能となる。   FIG. 14 is a diagram schematically showing an example in which the mode splitter according to the present invention is applied to a wavelength add / drop circuit. Using the mode splitter according to the present invention, it is possible to realize a wavelength Add / Drop circuit that can extract or add only signal light of a specific wavelength from the waveguide. The wavelength add / drop circuit shown in FIG. 14 has a configuration in which a wavelength dependent mode conversion element 44 and a mode splitter 45 are connected. Among the signal lights (λ1 to λ5) having a plurality of wavelengths input to the input terminal 41, the signal having the specific wavelength is converted by the wavelength-dependent mode conversion element 44 that can convert only the signal light having the specific wavelength into a higher-order mode. Only light can be converted. For example, only the signal light having the wavelength λ3 is converted into the higher order mode and separated by the mode splitter 45, so that only the signal light having the specific wavelength λ3 can be separated and taken out from the output terminal 42. Conversely, by reversing the input / output directions of all signal lights, only signal light of a specific wavelength can be multiplexed.

図15は、本発明にかかるモードスプリッタを波長Add/Drop回路に応用したもう一つの例を模式的に示す図である。前述した図14の構成とは異なり、モードスプリッタ45と反射型波長依存モード変換素子46が接続された構成となっている。反射型波長依存モード変換素子46を用いることにより、波長分離器が実現可能となる。すなわち、入力端47に入力される複数の波長の信号光(λ1〜λ5)のうち、特定の波長の信号光のみを高次モードに変換可能な反射型波長依存モード変換素子46によって、その特定の波長の信号光のみをモード変換ができる。例えば、波長λ3の信号のみ反射させ高次モードに変換して、その後モードスプリッタ45により分離することで、特定波長λ3の信号のみを分離して出力端48から取り出し可能となる。同様に、図15の構成において、入出力方向を逆転することにより、特性の波長の信号光のみ合波することが可能となる。図14および図15に示した回路を多階層的に連結することにより、多波長Add/Drop器の実現も可能となる。詳細は、実施例4において後述する。   FIG. 15 is a diagram schematically showing another example in which the mode splitter according to the present invention is applied to a wavelength add / drop circuit. Unlike the configuration of FIG. 14 described above, a mode splitter 45 and a reflective wavelength dependent mode conversion element 46 are connected. By using the reflective wavelength-dependent mode conversion element 46, a wavelength separator can be realized. That is, the reflection wavelength-dependent mode conversion element 46 that can convert only a specific wavelength of signal light (λ1 to λ5) input to the input terminal 47 into a higher-order mode is specified. Mode conversion is possible only for signal light of a wavelength of. For example, only the signal of wavelength λ3 is reflected and converted into a higher order mode, and then separated by the mode splitter 45, so that only the signal of specific wavelength λ3 can be separated and taken out from the output terminal 48. Similarly, in the configuration of FIG. 15, by reversing the input / output direction, it is possible to multiplex only the signal light having the characteristic wavelength. By connecting the circuits shown in FIG. 14 and FIG. 15 in multiple layers, a multi-wavelength add / drop device can be realized. Details will be described later in the fourth embodiment.

図14および図15において説明した2つの応用例におけるモード変換素子については、波長依存モード変換素子44として、長周期グレーティングを用いることができる。また、反射型波長依存モード変換素子46として、スラントグレーティングを用いることができる。   For the mode conversion elements in the two application examples described in FIGS. 14 and 15, a long period grating can be used as the wavelength dependent mode conversion element 44. Further, a slant grating can be used as the reflective wavelength-dependent mode conversion element 46.

さらに、本発明のモードスプリッタを用いることにより、波長依存性のない光タップ回路の作製が可能である。前述した特定の波長にのみに作用するモード変換素子とは異なり、波長依存性のないモード変換が可能であり、導波路のオフセット接続を用いて、容易に実現ができる。   Furthermore, by using the mode splitter of the present invention, it is possible to produce an optical tap circuit having no wavelength dependency. Unlike the above-described mode conversion element that acts only on a specific wavelength, mode conversion without wavelength dependency is possible, and can be easily realized by using an offset connection of the waveguide.

図16(a)は、本発明にかかるモードスプリッタを光タップ回路に応用した例を示す図である。図16(b)には、主導波路21における導波路オフセット50の拡大図が示されている。本モードスプリッタの主導波路21の入力側は、導波路の軸をずらした導波路オフセット50が備えられている。導波路の中心軸のずれ量は、図16(b)の拡大図に示したように、オフセット長51として定義される。主導波路21に導波路オフセット50を採用することによって、主導波路21を伝搬する光の一部が、基本モードから高次モードに変換される。但し、導波路オフセット50を用いることで、非常に波長依存性の少ないモード変換が可能となる。これにより、主導波路21を伝搬する光の一部を、副導波路22に取り出すことが可能となる。取り出す光の割合、すなわち光タップ回路のタップ量は、導波路の軸ずらし量(オフセット長51)により調整が可能である。したがって、オフセット長51を所望のタップ量となるようにオフセット50を構成することで、簡単にタップ量を調整ができるという利点がある。詳細は、実施例5において、後述する。   FIG. 16A is a diagram showing an example in which the mode splitter according to the present invention is applied to an optical tap circuit. FIG. 16B shows an enlarged view of the waveguide offset 50 in the main waveguide 21. The input side of the main waveguide 21 of the mode splitter is provided with a waveguide offset 50 in which the waveguide axis is shifted. The deviation amount of the central axis of the waveguide is defined as an offset length 51 as shown in the enlarged view of FIG. By adopting the waveguide offset 50 in the main waveguide 21, a part of the light propagating through the main waveguide 21 is converted from the fundamental mode to the higher order mode. However, the use of the waveguide offset 50 enables mode conversion with very little wavelength dependency. Thereby, a part of the light propagating through the main waveguide 21 can be extracted to the sub-waveguide 22. The ratio of the light to be extracted, that is, the tap amount of the optical tap circuit can be adjusted by the amount of offset of the waveguide (offset length 51). Therefore, there is an advantage that the tap amount can be easily adjusted by configuring the offset 50 so that the offset length 51 becomes the desired tap amount. Details will be described later in the fifth embodiment.

図17は、本発明にかかるモードスプリッタを光タップ回路に応用したもう一つの例を示す図である。図17に示すように、対称Y分岐回路の入力導波路部分に本発明のモードスプリッタを挿入することによって、分岐比のバラツキを抑制することができる。入力導波路において高次モードが発生した場合、たとえ基本モードが等しい強度で分岐されたとしても高次モードが非対称に分岐される。したがって、結果的には分岐比が非対称となってしまう。しかし、本発明にかかるモードスプリッタを使用することによって、高次モードが除去され、高次モードの影響が排除され、分岐比バラツキが抑制される。詳細は、実施例6において後述する。   FIG. 17 is a diagram showing another example in which the mode splitter according to the present invention is applied to an optical tap circuit. As shown in FIG. 17, variation in the branching ratio can be suppressed by inserting the mode splitter of the present invention into the input waveguide portion of the symmetric Y branch circuit. When a higher-order mode occurs in the input waveguide, the higher-order mode is branched asymmetrically even if the fundamental mode is branched with equal intensity. As a result, the branching ratio becomes asymmetric. However, by using the mode splitter according to the present invention, the higher-order mode is removed, the influence of the higher-order mode is eliminated, and the variation in the branching ratio is suppressed. Details will be described later in Example 6.

以上、本発明にかかるモードスプリッタの実施の形態について概観したが、次に、さらに詳細な実施例について説明する。以下に述べる各実施例においては、次の作製条件により回路作製が行われた。   As described above, the mode splitter according to the embodiment of the present invention has been overviewed. Next, a more detailed example will be described. In each example described below, circuit fabrication was performed under the following fabrication conditions.

回路作製は石英ガラス系平面型光波回路に代表される作成方法によって行われた。Si基板上に火炎堆積法によりホウ素およびリンを含んだ石英ガラスを下部クラッドとして堆積した後、ゲルマニウム添加ガラスをコア層として堆積した。次に、フォトリソグラフィー技術および反応性イオンエッチング技術により、導波路をパターニングした。その後、同様に火炎堆積法により上部クラッドとして、石英系ガラスを堆積した。以上の工程により、石英系ガラスによる埋め込み型導波路を作製した。   Circuit fabrication was performed by a fabrication method represented by a quartz glass-based planar lightwave circuit. A quartz glass containing boron and phosphorus was deposited as a lower cladding on a Si substrate by a flame deposition method, and then germanium-doped glass was deposited as a core layer. Next, the waveguide was patterned by a photolithography technique and a reactive ion etching technique. Thereafter, quartz glass was deposited as an upper clad by a flame deposition method. Through the above steps, a buried waveguide made of quartz glass was produced.

[実施例1]
以下、図面を参照しながら実施例について説明する。なお、以下の実施例における具体的な数値や作製方法は、実施の一例であり、特にこれらに限定するものではない。
[Example 1]
Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. In addition, the concrete numerical value and the preparation method in the following Examples are examples of implementation, and it does not specifically limit to these.

図18は、作製した本発明にかかるモードスプリッタの基本構成を示す図である。作製したモードスプリッタの構成は、主導波路21の幅が8.5μm、主導波路21と副導波路22の一定ギャップは1.5μm、導波路のコアとクラッドの比屈折率差は0.75%である。   FIG. 18 is a diagram showing a basic configuration of the manufactured mode splitter according to the present invention. In the configuration of the manufactured mode splitter, the width of the main waveguide 21 is 8.5 μm, the constant gap between the main waveguide 21 and the sub-waveguide 22 is 1.5 μm, and the relative refractive index difference between the core and the clad of the waveguide is 0.75%. It is.

また、副導波路22の出力部は半径Rが10mmの曲率の曲線導波路を用いた。同時に、図1に示した従来型のモードスプリッタも作製した。本発明のモードスプリッタは、ギャップやテーパ部等の効果により、従来型のものに比べて過剰損質を2dB程度少なくすることができた。この差異の原因は、前述したように、従来型のモードスプリッタでは分岐部分の作製が困難であり、良好な導波路分岐部分が作製できなかったことにある。従来型のモードスプリッタの導波路分岐部分においては、上部クラッドのクラッド材の埋め込みが良好になされていなかった。副導波路22の出力部の導波路幅、およびテーパ部のテーパ角(図18を参照)を変化させ、モードスプリッタの挿入損失およびクロストークを測定した。この結果を、図19および図20に示す。ここにおいて、クロストークとは主導波路21を伝搬する基本モードが副導波路22側に出力されてしまう比率をいう。   Further, a curved waveguide having a curvature with a radius R of 10 mm was used for the output portion of the sub waveguide 22. At the same time, the conventional mode splitter shown in FIG. 1 was also produced. The mode splitter of the present invention can reduce the excess loss quality by about 2 dB as compared with the conventional type due to the effects of the gap and the tapered portion. The reason for this difference is that, as described above, it is difficult to produce a branching portion with a conventional mode splitter, and a good waveguide branching portion cannot be produced. In the waveguide branching portion of the conventional mode splitter, the cladding material of the upper cladding has not been satisfactorily embedded. The insertion loss and crosstalk of the mode splitter were measured by changing the waveguide width of the output portion of the sub-waveguide 22 and the taper angle of the taper portion (see FIG. 18). The results are shown in FIG. 19 and FIG. Here, crosstalk refers to the ratio at which the fundamental mode propagating through the main waveguide 21 is output to the sub-waveguide 22 side.

図19は、副導波路幅を変化させた際の1550nmの波長における挿入損失およびクロストークの関係を示す図である。実際には、実験の簡便さを考慮して、テーパ長を2mmに固定して、副導波路幅とテーパ角を同時に変化させている。副導波路幅とテーパ角を変化させても、挿入損失は大きく変化せず、常に低損失なモードスプリッタが実現できている。しかしながら、クロストークを30dB以上得るためには、副導波路の幅として、4μm以下が最適であることが分かる。   FIG. 19 is a diagram showing the relationship between insertion loss and crosstalk at a wavelength of 1550 nm when the sub-waveguide width is changed. Actually, considering the simplicity of the experiment, the taper length is fixed to 2 mm, and the sub-waveguide width and the taper angle are changed simultaneously. Even if the width of the sub-waveguide and the taper angle are changed, the insertion loss does not change significantly, and a mode splitter with a low loss can always be realized. However, in order to obtain a crosstalk of 30 dB or more, it is understood that the width of the sub waveguide is optimally 4 μm or less.

図20は、テーパ部のテーパ角を変化させた場合の挿入損失とクロストークの関係を示す図である。実際には、実験の簡便さを考慮して、副導波路幅を3.5μmと固定して、テーパ長とテーパ角を同時に変化させている。クロストークを30dB以上得るためには、テーパ角を0.25度以下とするのが最適であることが分かる。   FIG. 20 is a diagram illustrating the relationship between insertion loss and crosstalk when the taper angle of the tapered portion is changed. Actually, considering the simplicity of the experiment, the taper length and the taper angle are simultaneously changed with the sub-waveguide width fixed at 3.5 μm. It can be seen that the taper angle is optimally 0.25 degrees or less in order to obtain a crosstalk of 30 dB or more.

図21は、挿入損失の波長依存性を示す図である。テーパ長を1mm、主導波路の幅を7μm、副導波路の幅3μmの構成で作製した。このときのテーパ角は、0.17度である。1400〜1700nmと非常に広帯域な波長範囲において、30dB以上の高いクロストークと低損失性を併せ持つモードスプリッタが実現できることが分かる。   FIG. 21 is a diagram showing the wavelength dependence of insertion loss. The taper length was 1 mm, the main waveguide width was 7 μm, and the sub-waveguide width was 3 μm. The taper angle at this time is 0.17 degrees. It can be seen that a mode splitter having both high crosstalk of 30 dB or more and low loss can be realized in a very wide wavelength range of 1400 to 1700 nm.

また、テーパ部の先端は導波路幅が非常に小さくなっているため、本モードスプリッタを基板上に多数作製すると、チップによって最先端部の形状がばらついてしまう場合がある。このような場合、図22に示すように、新たな過剰損失が発生しない程度に副導波路22の先端部28を主導波路に垂直な面で切断し、台形状にすることにより、導波路形状の安定化が図れる。   In addition, since the waveguide width is very small at the tip of the taper portion, when a large number of the mode splitters are manufactured on the substrate, the shape of the most advanced portion may vary depending on the chip. In such a case, as shown in FIG. 22, the tip portion 28 of the sub-waveguide 22 is cut along a plane perpendicular to the main waveguide so as not to generate a new excess loss, thereby forming a waveguide shape. Can be stabilized.

図23は、テーパ部と出力部導波路の間に500μmの直線導波路を備えた光回路のクロストークの波長依存性を示す図である。ギャップ幅を1.5μm、副導波幅を3μm、主導波路幅を7μm、テーパ長を1mm、テーパ角を0.17度の構成で作成した。図23からわかるように、1600nmの波長帯においてはクロストークの大幅な改善が見られる。図11において説明した、テーパ部13の後に直線部14を挿入した効果が確認できる。   FIG. 23 is a diagram illustrating the wavelength dependence of crosstalk of an optical circuit including a 500 μm linear waveguide between the taper portion and the output portion waveguide. The gap width was 1.5 μm, the sub-waveguide width was 3 μm, the main waveguide width was 7 μm, the taper length was 1 mm, and the taper angle was 0.17 degrees. As can be seen from FIG. 23, the crosstalk is greatly improved in the wavelength band of 1600 nm. The effect which inserted the linear part 14 after the taper part 13 demonstrated in FIG. 11 can be confirmed.

[実施例2]
実施例1と同様な作製方法によって、光終端部をさらに設けたモードスプリッタを作製した。モードスプリッタにより副導波路へ分岐された光は、不必要な光となる場合が多い。このような場合に、副導波路を伝搬する光を適切に終端処理をする必要がある。
[Example 2]
A mode splitter further provided with an optical terminal was manufactured by the same manufacturing method as in Example 1. In many cases, the light branched to the sub-waveguide by the mode splitter becomes unnecessary light. In such a case, it is necessary to appropriately terminate the light propagating through the sub-waveguide.

図24は、光終端部を設けたモードスプリッタの説明図である。図24(a)に示すように、モードスプリッタの副導波路22の終端部の先端には、終端処理部29が接続されている。図24(b)に示すように、終端処理部29は、副導波路22の終端部に溝加工を施し、この加工された溝の中にカーボンを溶かしたシリコーン接着剤を塗布し固化させたもので構成されている。終端処理部29の加工溝は、副導波路22に平行な辺の長さが300μm、副導波路22と垂直な辺の長さが200μmとして(深さ**μm)構成した。この終端処理部29によって、副導波路22からの漏れ光により発生する雑音が解消でき、主導波路21出力からのクロストークの減少が確認できた。光終端部29がない場合のクロストークは、−30〜−40dBであったのに対して、光終端部29を設けた場合には−60dB以下となった。遮光剤として、カーボン以外の材料を使用することも可能である。他に、波長カットフィルタの挿入や導波路先端を三角状に加工する等の方法によっても、同様のクロストーク減少が可能である。   FIG. 24 is an explanatory diagram of a mode splitter provided with an optical terminal. As shown in FIG. 24A, a termination processing unit 29 is connected to the end of the termination unit of the sub-waveguide 22 of the mode splitter. As shown in FIG. 24B, the termination processing unit 29 performs groove processing on the terminal portion of the sub-waveguide 22, and applies and solidifies a silicon adhesive in which carbon is dissolved in the processed groove. Consists of things. The processing groove of the termination processing unit 29 was configured such that the length of the side parallel to the sub waveguide 22 was 300 μm, and the length of the side perpendicular to the sub waveguide 22 was 200 μm (depth ** μm). The termination processing unit 29 can eliminate noise generated by the leaked light from the sub-waveguide 22 and confirm the reduction of crosstalk from the main waveguide 21 output. Crosstalk in the absence of the optical termination portion 29 was −30 to −40 dB, whereas in the case where the optical termination portion 29 was provided, it was −60 dB or less. It is also possible to use materials other than carbon as the light shielding agent. In addition, the same crosstalk can be reduced by inserting a wavelength cut filter or processing the tip of the waveguide into a triangular shape.

[実施例3]
図25は、本発明にかかるモードスプリッタをアレイ導波路回折格子(AWG)に適用した光回路の実施例を示す図である。アレイ導波路回折格子(AWG)は、基板上に形成されたアレイ導波路31の両端に、入力側スラブ導波路30および出力側スラブ導波路32がそれぞれ接続された構成となっている。入力側スラブ導波路30には、入力導波路33が接続され、出力側スラブ導波路32には、出力導波路34が接続されている。この光回路の入力導波路33に、本発明のモードスプリッタを配置した。
[Example 3]
FIG. 25 is a diagram showing an embodiment of an optical circuit in which the mode splitter according to the present invention is applied to an arrayed waveguide grating (AWG). The arrayed waveguide diffraction grating (AWG) has a configuration in which an input-side slab waveguide 30 and an output-side slab waveguide 32 are respectively connected to both ends of an arrayed waveguide 31 formed on a substrate. An input waveguide 33 is connected to the input side slab waveguide 30, and an output waveguide 34 is connected to the output side slab waveguide 32. The mode splitter of the present invention is disposed in the input waveguide 33 of this optical circuit.

作製した回路は、導波路のコアとクラッドの比屈折率差が1.5%、AWGの導波路幅が5μm、モードスプリッタの主導波路の幅は5μm、副導波路の幅は2μm、ギャップは1.5μm、テーパ長は1mm、出力部の半径Rは20mmである。AWGは中心波長が約1550nm付近、チャネル間隔100GHz、チャネル数16chの条件で作製した。   In the fabricated circuit, the relative refractive index difference between the core and the clad of the waveguide is 1.5%, the waveguide width of the AWG is 5 μm, the width of the main waveguide of the mode splitter is 5 μm, the width of the sub waveguide is 2 μm, and the gap is The taper length is 1.5 mm, the output portion radius R is 20 mm. The AWG was manufactured under the conditions that the center wavelength was about 1550 nm, the channel interval was 100 GHz, and the number of channels was 16 ch.

図25に示したように、本アレイ導波路回折格子においては、モードスプリッタの効果を確かめるために、AWGの入力導波路33として、モードスプリッタが有る入力導波路とモードスプリッタが無い入力導波路とを両方備える構成となっている。尚、図25においては、入力側に2つの入力導波路が、出力側に3つの出力導波路がある構成として記載されているが、本発明にかかるモードスプリッタは、他の入出力導波路数の構成においても適応可能なのはいうまでもない。   As shown in FIG. 25, in this arrayed waveguide diffraction grating, in order to confirm the effect of the mode splitter, the input waveguide 33 with the mode splitter and the input waveguide without the mode splitter are used as the AWG input waveguide 33. It is the composition which has both. In FIG. 25, the input side has two input waveguides and the output side has three output waveguides. However, the mode splitter according to the present invention has a different number of input / output waveguides. Needless to say, this configuration can also be applied.

図26は、本アレイ導波路回折格子の透過スペクトル特性をモードスプリッタの有無で比較した特性を示す。図26に示すように、モードスプリッタを有する入力導波路から入射された光は、AWGに要求される理想的な動作である平坦な透過特性が得られた。しかしながら、モードスプリッタの無い入力導波路から光が入射された場合には、入力導波路の高次モードの影響のために、通過帯域における透過率特性が平坦ではなく、図26に示すように透過率特性の形状の長波長側に右下がりの傾きが発生した。特に、光回路に光を入射するための光ファイバと入力導波路33の位置関係により、透過率特性の形状(透過スペクトル)が変化し、透過率の減少、透過スペクトルの設計特性からのズレ、中心波長のズレなどの透過特性の大きな劣化も観測された。しかし、モードスプリッタ付の入力導波路から信号を入射した場合には、このような透過特性の劣化は認められなかった。   FIG. 26 shows the characteristics obtained by comparing the transmission spectrum characteristics of the arrayed waveguide grating with and without the mode splitter. As shown in FIG. 26, the light incident from the input waveguide having the mode splitter has a flat transmission characteristic which is an ideal operation required for the AWG. However, when light is incident from an input waveguide without a mode splitter, the transmittance characteristic in the passband is not flat due to the influence of higher-order modes of the input waveguide, and transmission is performed as shown in FIG. The slope of the right-hand side occurred on the long wavelength side of the shape of the rate characteristic. In particular, the shape of the transmittance characteristic (transmission spectrum) changes depending on the positional relationship between the optical fiber for inputting light into the optical circuit and the input waveguide 33, the transmittance decreases, the deviation from the design characteristic of the transmission spectrum, Degradation of transmission characteristics such as center wavelength deviation was also observed. However, when a signal is incident from an input waveguide with a mode splitter, such deterioration of the transmission characteristics was not recognized.

更に、図13に示したように、出力側にモードスプリッタを備えた場合でも、AWG出力の高次モードによる性能劣化を抑制することができた。   Furthermore, as shown in FIG. 13, even when the mode splitter is provided on the output side, the performance degradation due to the higher order mode of the AWG output could be suppressed.

このように、本発明にかかるモードスプリッタをAWGの入力導波路あるいは出力導波路に挿入することにより、AWGの透過率特性の形状劣化を防ぐことが可能である。   As described above, by inserting the mode splitter according to the present invention into the input waveguide or the output waveguide of the AWG, it is possible to prevent the shape deterioration of the transmittance characteristics of the AWG.

[実施例4]
図27は、本発明にかかるモードスプリッタを光Drop回路に応用した例を示す図である。光 Drop 回路は、特定の波長の光のみを取り出すことのできる回路である。図27に示すように、本光Drop回路は、入力端Aと出力端Cを有する主導波路21と出力端Bを持つ副導波路22、および主導波路21の副導波路22との結合部分よりも出力端C側に設けられたスラントグレーティング55から構成されている。光信号は主導波路21の入力端Aより入力され、出力端Cより出力される。但し、取り出したい特定の波長の信号は出力端Bより出力される。
[Example 4]
FIG. 27 is a diagram showing an example in which the mode splitter according to the present invention is applied to an optical Drop circuit. The optical drop circuit is a circuit that can extract only light of a specific wavelength. As shown in FIG. 27, the present optical Drop circuit includes a main waveguide 21 having an input end A and an output end C, a sub-waveguide 22 having an output end B, and a coupling portion of the main waveguide 21 with the sub-waveguide 22. The slant grating 55 is also provided on the output end C side. The optical signal is input from the input end A of the main waveguide 21 and output from the output end C. However, a signal having a specific wavelength to be extracted is output from the output terminal B.

図27に示すように、主導波路21と副導波路22との結合部分、すなわち本発明にかかるモードスプリッタより出力端C側には、193nmの紫外レーザを用いて作製されたスラントグレーティング55を設けている。スラントグレーティング55は、特定の波長の光のみを後方(入力端A側)に反射する。同時に、反射された光は基底モードから高次モードに変換される。したがって、反射され高次モードに変換された特定の波長の光は、本発明のモードスプリッタの作用により副導波路22に分岐され、出力端Bからのみ出力される。   As shown in FIG. 27, a slant grating 55 manufactured using an ultraviolet laser of 193 nm is provided on the coupling portion between the main waveguide 21 and the sub-waveguide 22, that is, on the output end C side of the mode splitter according to the present invention. ing. The slant grating 55 reflects only light of a specific wavelength backward (input end A side). At the same time, the reflected light is converted from a fundamental mode to a higher order mode. Therefore, the light of a specific wavelength that is reflected and converted into a higher-order mode is branched to the sub-waveguide 22 by the action of the mode splitter of the present invention, and is output only from the output end B.

本光Drop回路は導波路のコアとクラッドの比屈折率差0.75%、導波路幅7μm、ギャップ2μm、テーパ長1mmの条件で作成された。スラントグレーティングの反射波長は1547.5nm付近に設定した。   This optical drop circuit was prepared under the conditions of a relative refractive index difference of 0.75% between the core and clad of the waveguide, a waveguide width of 7 μm, a gap of 2 μm, and a taper length of 1 mm. The reflection wavelength of the slant grating was set around 1547.5 nm.

図28および図29は、上述した光Drop回路の各入出力端間の透過特性を示す図である。図28は、入力端Aから出力端Bへの信号路の透過特性であり、所望の波長の光(波長が1547.5nm)のみが遮断されていることがわかる。また、図29は、入力端Aから出力端Bへの信号路の透過特性であり、主導波路の信号路を遮断された光は出力端Bに出力されていることが分かる。このように、本発明にかかるモードスプリッタを使用することにより、特定の波長の信号のみを取りだすことのできる光 Drop 回路が作製できる。   28 and 29 are diagrams showing the transmission characteristics between the input and output terminals of the optical drop circuit described above. FIG. 28 shows the transmission characteristic of the signal path from the input end A to the output end B, and it can be seen that only light of a desired wavelength (wavelength is 1547.5 nm) is blocked. FIG. 29 shows the transmission characteristics of the signal path from the input end A to the output end B, and it can be seen that the light that has been cut off the signal path of the main waveguide is output to the output end B. As described above, by using the mode splitter according to the present invention, an optical drop circuit capable of extracting only a signal having a specific wavelength can be manufactured.

図30は、本発明にかかるモードスプリッタを2つ使用したAdd/Drop 回路の実施例を示す図である。本Add/Drop 回路は、図30に示すように、入力端Inと出力端Outを有する主導波路21、主導波路21の中間点に設けられた1つのスラントグレーティング55、およびスラントグレーティング55からみて入力端In側、出力端Out側の双方に対称に配置された2つの副導波路22a、22bから構成される。一つのスラントグレーティング55に対して、向かい合わせに本発明にかかるモードスプリッタを配置することで、In−Out間の信号路から、特定の波長の信号を Drop 端子側に取り出し、Add 端子から加えることが可能であることを確認した。   FIG. 30 is a diagram showing an example of an Add / Drop circuit using two mode splitters according to the present invention. As shown in FIG. 30, the Add / Drop circuit includes a main waveguide 21 having an input end In and an output end Out, one slant grating 55 provided at an intermediate point of the main waveguide 21, and the input from the perspective of the slant grating 55. The sub-waveguides 22a and 22b are arranged symmetrically on both the end In side and the output end Out side. By placing the mode splitter according to the present invention opposite to one slant grating 55, a signal of a specific wavelength is taken out from the In-Out signal path to the Drop terminal side and added from the Add terminal. Confirmed that it was possible.

図31は、本発明にかかるモードスプリッタを用いて多波長の Add/Drop 回路を構成した例を示す図である。本Add/Drop 回路は、入力端Inと出力端Outを有する主導波路21と、多階層構造的につぎつぎと結合する6つの副導波路22a、22b、22c、22d、22e、22fから構成されている。主導波路21は、その入力端Inと出力端Outの中間点に3つのスラントグレーティング55a、55b、55cを配置している。第1の階層の副導波路22a、22bは、スラントグレーティング55a、55b、55cに対して向かい合わせに配置され、それぞれ主導波路21と結合してモードスプリッタを形成している。副導波路22aの出力端Drop(λ1)および副導波路22bの入力端Add(λ1)には、それぞれスラントグレーティング55d、55eおよびスラントグレーティング55f、55gが配置されている。さらに第2の階層の副導波路22c、22dは、第1の階層の副導波路22a、22bとそれぞれ結合してモードスプリッタを形成している。副導波路22cの出力端Drop(λ2)および副導波路22dの入力端Add(λ2)には、それぞれスラントグレーティング55hおよびスラントグレーティング55iが配置されている。さらに、第3の階層の副導波路22e、22fは、第2の階層の副導波路22c、22dとそれぞれ結合してモードスプリッタを形成しており、それぞれは出力端Drop(λ3)および入力端Add(λ3)を有する。   FIG. 31 is a diagram showing an example in which a multi-wavelength Add / Drop circuit is configured using the mode splitter according to the present invention. This Add / Drop circuit is composed of a main waveguide 21 having an input end In and an output end Out, and six sub-waveguides 22a, 22b, 22c, 22d, 22e, and 22f that are coupled one after another in a multi-layered structure. Yes. In the main waveguide 21, three slant gratings 55a, 55b, and 55c are arranged at an intermediate point between the input end In and the output end Out. The first-level sub-waveguides 22a and 22b are arranged facing the slant gratings 55a, 55b and 55c, and are coupled to the main waveguide 21 to form a mode splitter. Slant gratings 55d and 55e and slant gratings 55f and 55g are arranged at the output end Drop (λ1) of the sub waveguide 22a and the input end Add (λ1) of the sub waveguide 22b, respectively. Furthermore, the second-level sub-waveguides 22c and 22d are coupled to the first-level sub-waveguides 22a and 22b, respectively, to form a mode splitter. A slant grating 55h and a slant grating 55i are disposed at the output end Drop (λ2) of the sub waveguide 22c and the input end Add (λ2) of the sub waveguide 22d, respectively. Further, the sub-waveguides 22e and 22f in the third layer are coupled to the sub-waveguides 22c and 22d in the second layer to form a mode splitter, and each of them has an output terminal Drop (λ3) and an input terminal. Add (λ3).

スラントグレーティング55a、55b、55cは、それぞれλ1、λ2、λ3のいずれかの波長の信号のみを反射する。配置の順番は問わない。スラントグレーティング55d、55eは、それぞれλ2、λ3のいずれかの波長の信号を反射する。配置の順番は問わない。同様に、スラントグレーティング55f、55gは、それぞれλ2、λ3のいずれかの波長の信号を反射する。これも配置の順番は問わない。スラントグレーティング55h、55iは、λ3の波長の信号を反射する。   The slant gratings 55a, 55b, and 55c reflect only signals having a wavelength of λ1, λ2, or λ3, respectively. The order of arrangement does not matter. The slant gratings 55d and 55e reflect signals having a wavelength of λ2 or λ3, respectively. The order of arrangement does not matter. Similarly, the slant gratings 55f and 55g reflect signals having wavelengths of λ2 and λ3, respectively. This does not matter the order of arrangement. The slant gratings 55h and 55i reflect a signal having a wavelength of λ3.

ここで、本Add/Drop 回路の動作を説明する。主導波路21の入力端Inより、λ1、λ2、λ3の波長の信号を含む複数の信号が入力された状態を考える。波長λ1、λ2、λ3の信号は、それぞれ、スラントグレーティング55a、55b、55cのいずれかによって、反射され基本モードから高次モードへ変換されて、副導波路22aに結合する。波長λ1の信号は出力端Drop(λ1)より出力されるが、波長λ2、λ3の信号は、それぞれスラントグレーティング55d、55eによって、さらに反射されモード変換される。これらのλ2、λ3の信号は、副導波路22cに結合し、波長λ2の信号は出力端Drop(λ2)より出力されるが、波長λ3の信号は、スラントグレーティング55hによって反射されモード変換される。そして最後に、波長λ3の信号は、副導波路22eの出力端Drop(λ3)より出力される。このように、順次特定の波長の信号を各Drop端子より、取り出すことができる。Add端子の動作も同様である。以上説明したように、モードスプリッタを多階層構造的に多重化して構成することで、1波長だけではなく、多波長の Add/Drop 回路の実現も可能であることを確認した。   Here, the operation of the Add / Drop circuit will be described. Consider a state in which a plurality of signals including signals of wavelengths λ1, λ2, and λ3 are input from the input end In of the main waveguide 21. The signals of wavelengths λ1, λ2, and λ3 are reflected and converted from the fundamental mode to the higher-order mode by any of the slant gratings 55a, 55b, and 55c, and coupled to the sub waveguide 22a. The signal of wavelength λ1 is output from the output terminal Drop (λ1), but the signals of wavelengths λ2 and λ3 are further reflected and mode-converted by the slant gratings 55d and 55e, respectively. These signals of λ2 and λ3 are coupled to the sub-waveguide 22c, and the signal of wavelength λ2 is output from the output terminal Drop (λ2), but the signal of wavelength λ3 is reflected and mode-converted by the slant grating 55h. . Finally, the signal of wavelength λ3 is output from the output end Drop (λ3) of the sub waveguide 22e. In this way, a signal having a specific wavelength can be sequentially taken out from each Drop terminal. The operation of the Add terminal is the same. As described above, it was confirmed that it is possible to realize not only one wavelength but also a multi-wavelength Add / Drop circuit by configuring the mode splitters in a multi-layered structure.

[実施例5]
図32は、本発明にかかるモードスプリッタを使用した光タップ回路を示す図である。本光タップ回路の基本的な構成は、図18に示した実施例1のモードスプリッタと同じであり、入力端と出力端を有する主導波路21と副導波路22から構成されている。光回路の作製方法は実施例1と同様である。また、モードスプリッタの導波路幅等の各パラメータも実施例1と同一の設計である。
[Example 5]
FIG. 32 is a diagram showing an optical tap circuit using the mode splitter according to the present invention. The basic configuration of this optical tap circuit is the same as that of the mode splitter according to the first embodiment shown in FIG. 18, and includes a main waveguide 21 and an auxiliary waveguide 22 having an input end and an output end. The manufacturing method of the optical circuit is the same as that of the first embodiment. Each parameter such as the waveguide width of the mode splitter is also the same design as in the first embodiment.

本実施例に特徴的な構成は、図32(a)に示すように、主導波路21の入力端側に導波路のオフセット接続部分50を配置したことである。導波路オフセット接続部分50により、主導波路21に入力される一部の光を高次モードに変換し、副導波路22の出力端から取り出す。主導波路21の出力端と副導波路22の出力端への信号光の分岐比は、図32(b)に示すオフセット長51により決定できる。   A characteristic configuration of this embodiment is that an offset connection portion 50 of the waveguide is arranged on the input end side of the main waveguide 21 as shown in FIG. A portion of the light input to the main waveguide 21 is converted into a higher-order mode by the waveguide offset connection portion 50 and is extracted from the output end of the sub-waveguide 22. The branching ratio of the signal light to the output end of the main waveguide 21 and the output end of the sub waveguide 22 can be determined by the offset length 51 shown in FIG.

図33は、図32に示す光タップ回路のオフセット長に対する、主導波路の損失(loss)および分岐比(ratio)の特性を示す図である。オフセット長を増加するにしたがって、分岐比が大きくなることが分かる。すなわち、オフセット長を変化させることによって、簡単にタップ量を制御することが可能であり、光信号の一部を所望のレベルだけ取り出すことができる。   FIG. 33 is a diagram showing characteristics of loss (loss) and branching ratio (ratio) of the main waveguide with respect to the offset length of the optical tap circuit shown in FIG. It can be seen that the branching ratio increases as the offset length increases. That is, by changing the offset length, the tap amount can be easily controlled, and a part of the optical signal can be extracted at a desired level.

図34は、図32に示す光タップ回路の主導波路と副導波路の透過スペクトルを示す。オフセット長を4μmとした場合である。主導波路21の入出力間の透過特性、および主導波路21の入力端から副導波路22の出力端までの透過特性の波長依存性を示している。図34のように、主導波路、副導波路とも非常にフラットな透過特性が得られ、波長依存性の無いタップ回路が実現できることが分かる。   FIG. 34 shows transmission spectra of the main waveguide and the sub waveguide of the optical tap circuit shown in FIG. This is a case where the offset length is 4 μm. The wavelength dependence of the transmission characteristics between the input and output of the main waveguide 21 and the transmission characteristics from the input end of the main waveguide 21 to the output end of the sub waveguide 22 is shown. As shown in FIG. 34, it can be seen that very flat transmission characteristics are obtained for both the main waveguide and the sub-waveguide, and a tap circuit having no wavelength dependency can be realized.

[実施例6]
図35は、本発明にかかるモードスプリッタを使用した対称Y分岐回路実施例を示す図である。実施例1に示したモードスプリッタの主導波路の出力側から、テーパ導波路部29を経て連続的に対称Y分岐部分が形成される構成となっている。すなわち、入力導波路23を有する主導波路24は、副導波路25とモードスプリッタを構成している。一方、主導波路24は、連続的にテーパ導波路部29に接続され、さらに出力導波路A26と出力導波路B27に接続されて対称Y分岐部を形成している。本対称Y分岐部分が備えられた光回路は、実施例1と同様な方法により作製された。
[Example 6]
FIG. 35 is a diagram showing an embodiment of a symmetric Y branch circuit using the mode splitter according to the present invention. A symmetrical Y-branch portion is formed continuously from the output side of the main waveguide of the mode splitter shown in the first embodiment through the tapered waveguide portion 29. That is, the main waveguide 24 having the input waveguide 23 forms a sub-waveguide 25 and a mode splitter. On the other hand, the main waveguide 24 is continuously connected to the tapered waveguide portion 29 and further connected to the output waveguide A26 and the output waveguide B27 to form a symmetric Y branch portion. The optical circuit provided with the symmetric Y branch portion was produced by the same method as in Example 1.

図36は、図35に示す構成のモードスプリッタを備えた対称Y分岐回路、および通常の対称Y分岐回路のみからなる回路の分岐比特性の比較を示す図である。コアとクラッドの比屈折率差1%、主導波路幅および対称Y分岐部の導波路幅は6μm、副導波路幅3μm、モードスプリッタのギャップ2μmである。対称Y分岐部分は、主導波路と2本の対称Y分岐導波路をテーパ導波路で接続した。同一の回路パターンを30回路作製した。同様に、モードスプリッタを持たない通常の対称Y分岐導波路のみの回路も30回路作製して、両者で分岐比のバラつきを比較評価した。   FIG. 36 is a diagram showing a comparison of the branching ratio characteristics of a symmetric Y branch circuit including the mode splitter having the configuration shown in FIG. 35 and a circuit including only a normal symmetric Y branch circuit. The relative refractive index difference between the core and the cladding is 1%, the main waveguide width and the symmetric Y-branch waveguide width are 6 μm, the sub-waveguide width is 3 μm, and the mode splitter gap is 2 μm. In the symmetric Y branch portion, the main waveguide and two symmetric Y branch waveguides are connected by a tapered waveguide. Thirty circuits having the same circuit pattern were produced. Similarly, 30 circuits having only a normal symmetric Y-branch waveguide without a mode splitter were produced, and the variation in the branching ratio was compared and evaluated between them.

通常の対称Y分岐回路のみで構成された場合では、分岐回路の前段の回路において発生した高次モードによって、対称Y分岐回路の出力導波路A26と出力導波路B27への分岐比にバラつきが生じる。しかしながら、本発明にかかるモードスプリッタが備えられた場合では、対称Y分岐回路の前段の回路で発生した高次モードがモードスプリッタによって除去されるため、対称Y分岐回路における分岐比のバラつきが抑制されていることがわかる。   In the case of only a normal symmetric Y-branch circuit, the branching ratio of the symmetric Y-branch circuit to the output waveguide A26 and the output waveguide B27 varies due to higher-order modes generated in the preceding circuit of the branch circuit. . However, in the case where the mode splitter according to the present invention is provided, the higher-order mode generated in the preceding circuit of the symmetric Y branch circuit is removed by the mode splitter, so that variation in the branch ratio in the symmetric Y branch circuit is suppressed. You can see that

従来のモードスプリッタの構成図である。It is a block diagram of the conventional mode splitter. 従来のモードスプリッタの分岐部分の説明図である。It is explanatory drawing of the branch part of the conventional mode splitter. 本発明にかかるモードスプリッタの概念図である。It is a conceptual diagram of the mode splitter concerning this invention. 本発明にかかるモードスプリッタの動作原理の概念図である。It is a conceptual diagram of the principle of operation of the mode splitter concerning this invention. 本発明にかかるモードスプリッタの動作概念図である。It is an operation | movement conceptual diagram of the mode splitter concerning this invention. 本発明にかかるモードスプリッタにおける基底モードおよび1次モードの伝搬の様子を説明する図である。It is a figure explaining the mode of propagation of a fundamental mode and a primary mode in a mode splitter concerning the present invention. 本発明にかかるモードスプリッタのテーパ部、ギャップの説明図である。It is explanatory drawing of the taper part and gap of the mode splitter concerning this invention. テーパ角に対する透過損失の関係の計算値を示す図である。It is a figure which shows the calculated value of the relationship of the transmission loss with respect to a taper angle. テーパ角に対する透過損失の関係の計算値を示す図である。It is a figure which shows the calculated value of the relationship of the transmission loss with respect to a taper angle. 非線形なテーパ部の形状の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the shape of a non-linear taper part. 副導波路に直線導波路を備えたモードスプリッタを示す図である。It is a figure which shows the mode splitter provided with the linear waveguide in the subwaveguide. 入力導波路に本発明にかかるモードスプリッタが備えられたアレイ導波路回折格子を示す図である。It is a figure which shows the array waveguide diffraction grating provided with the mode splitter concerning this invention in the input waveguide. 出力導波路に本発明にかかるモードスプリッタが備えられたアレイ導波路回折格子を示す図である。It is a figure which shows the array waveguide diffraction grating provided with the mode splitter concerning this invention in the output waveguide. 波長依存モード変換素子を用いた光ドロップ回路の動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing of the optical drop circuit using a wavelength dependence mode conversion element. 反射型波長依存モード変換素子を用いた光ドロップ回路の動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing of the optical drop circuit using a reflection type wavelength dependence mode conversion element. 本発明にかかるモードスプリッタを用いた光タップ回路構成図である。It is an optical tap circuit block diagram using the mode splitter concerning this invention. 本発明にかかるモードスプリッタ付の対称Y分岐回路の構成図である。It is a block diagram of the symmetrical Y branch circuit with a mode splitter concerning this invention. 本発明にかかるモードスプリッタ出力部の曲線導波路を示す図である。It is a figure which shows the curve waveguide of the mode splitter output part concerning this invention. 本発明にかかるモードスプリッタの出力導波路幅に対する挿入損失およびクロストークの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship of the insertion loss with respect to the output waveguide width | variety of the mode splitter concerning this invention, and crosstalk. 本発明にかかるモードスプリッタのテーパ角に対する挿入損失およびクロストークの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the insertion loss with respect to the taper angle of the mode splitter concerning this invention, and crosstalk. 本発明にかかるモードスプリッタの挿入損失およびクロストークの波長依存性を示す図である。It is a figure which shows the wavelength dependence of the insertion loss and crosstalk of the mode splitter concerning this invention. テーパ部の先端拡大図である。It is a front-end | tip enlarged view of a taper part. 直線導波路の有無によるクロストークの波長依存性の比較図である。It is a comparison figure of the wavelength dependence of crosstalk by the presence or absence of a straight waveguide. 副導波路端に設けられた遮光剤の挿入例の説明図である。It is explanatory drawing of the example of insertion of the light shielding agent provided in the subwaveguide end. 作製した入力側にモードスプリッタを挿入したアレイ導波路回折格子の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the arrayed-waveguide diffraction grating which inserted the mode splitter in the produced input side. 入力側に挿入したモードスプリッタの有無による、アレイ導波路回折格子の透過スペクトル特性の比較を示す図である。It is a figure which shows the comparison of the transmission spectrum characteristic of an array waveguide diffraction grating by the presence or absence of the mode splitter inserted in the input side. スラントグレーティングを用いた光ドロップ回路の概念図である。It is a conceptual diagram of the optical drop circuit using a slant grating. 作製した光ドロップ回路の透過特性を示す図である。It is a figure which shows the permeation | transmission characteristic of the produced optical drop circuit. 作製した光ドロップ回路の透過特性を示す図である。It is a figure which shows the permeation | transmission characteristic of the produced optical drop circuit. スラントグレーティングによる多波長Add/Drop回路構成図である。It is a multiwavelength Add / Drop circuit block diagram by slant grating. スラントグレーティングによる多波長Add/Drop回路構成図である。It is a multiwavelength Add / Drop circuit block diagram by slant grating. モードスプリッタを用いた光タップ回路構成図である。It is an optical tap circuit block diagram using a mode splitter. 作製した光タップ回路における分岐比および挿入損失のオフセット依存性を示す図である。It is a figure which shows the offset dependence of the branching ratio and insertion loss in the produced optical tap circuit. 作製した光タップ回路の透過スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the transmission spectrum of the produced optical tap circuit. 本発明にかかるモードスプリッタ付の対称Y分岐回路の構成図である。It is a block diagram of the symmetrical Y branch circuit with a mode splitter concerning this invention. モードスプリッタの有無による対称Y分岐回路の分岐比のバラツキを比較する図である。It is a figure which compares the variation in the branching ratio of the symmetrical Y branch circuit by the presence or absence of a mode splitter.

符号の説明Explanation of symbols

1 入力導波路
2、2a、2b、26、27、34 出力導波路
3、10、11、21 主導波路
4、9、12、22、22a、22b、22c、22d、22e、22f、25 副導波路
5、13 テーパ部
6、15 出力部導波路
7 ギャップ
8 テーパ角
23、33 入力導波路
28 先端部
29 終端処理部
30 入力スラブ導波路
31 アレイ導波路
32 出力スラブ導波路
55、55a、55b、55c、55d、55e、55f、55g、55h、55i スラントグレーティング
1 Input waveguide 2, 2a, 2b, 26, 27, 34 Output waveguide 3, 10, 11, 21 Main waveguide 4, 9, 12, 22, 22a, 22b, 22c, 22d, 22e, 22f, 25 Waveguide 5, 13 Tapered portion 6, 15 Output portion waveguide 7 Gap 8 Taper angle 23, 33 Input waveguide 28 Tip portion 29 Termination processing portion 30 Input slab waveguide 31 Array waveguide 32 Output slab waveguide 55, 55a, 55b , 55c, 55d, 55e, 55f, 55g, 55h, 55i Slant grating

Claims (9)

基板上にコアおよびクラッドからなる導波路で構成された光回路において、
少なくとも2種類以上の伝搬次数の異なる伝搬モードが導波可能な主導波路と、
前記主導波路と一定のギャップを有して配置され導波路の幅が変化するテーパ部と、前記テーパ部に連続的に接続され前記主導波路の導波路幅と異なる導波路幅を有する出力部導波路とを含み、
前記少なくとも2種類以上の伝搬次数の異なる伝搬モードのうち少なくとも1種類以上の伝搬モードが断熱遷移される副導波路とを有する、1つの入力光を2つの出力光に分離するモードスプリッタと、
前記モードスプリッタの前記主導波路の出力に光学的に接続され、基本モードから高次モードに光信号の一部または全部を変換し、前記変換光を反射する反射型モード変換素子とを備え、
前記反射された光信号が、前記モードスプリッタの副導波路より出力されることを特徴とする光回路
In an optical circuit composed of a waveguide consisting of a core and a clad on a substrate ,
A main waveguide capable of guiding at least two types of propagation modes having different propagation orders;
A tapered portion that is arranged with a certain gap from the main waveguide and whose waveguide width changes, and an output portion guide that is continuously connected to the tapered portion and has a waveguide width different from the waveguide width of the main waveguide. Including a waveguide,
A mode splitter that separates one input light into two output lights, and has a sub-waveguide in which at least one of the propagation modes of the at least two kinds of propagation modes having different propagation orders is adiabatically transitioned;
A reflective mode conversion element that is optically connected to the output of the main waveguide of the mode splitter, converts part or all of an optical signal from a fundamental mode to a higher-order mode, and reflects the converted light;
The optical circuit, wherein the reflected optical signal is output from a sub-waveguide of the mode splitter .
前記反射型モード変換素子は、スラントグレーティングであることを特徴とする請求項2に記載の光回路 The optical circuit according to claim 2, wherein the reflective mode conversion element is a slant grating . 前記出力部導波路は、
前記テーパ部に連続的に接続される曲線導波路を含むことを特徴とする請求項1または2に記載の光回路
The output waveguide is
The optical circuit according to claim 1, further comprising a curved waveguide continuously connected to the tapered portion .
前記出力部導波路は、
前記テーパ部に連続的に接続される直線導波路と、
前記直線導波路に連続的に接続される曲線導波路と、
を備えたことを特徴とする請求項1乃至3いずれかに記載の光回路
The output waveguide is
A straight waveguide continuously connected to the tapered portion;
A curved waveguide continuously connected to the linear waveguide;
The optical circuit according to claim 1, further comprising:
前記テーパ部の先端を前記主導波路に対して垂直な面で切断した台形状のテーパ部としたことを特徴とする請求項1乃至4いずれかに記載の光回路 5. The optical circuit according to claim 1, wherein the tip of the tapered portion is a trapezoidal tapered portion cut by a plane perpendicular to the main waveguide . 6. 前記副導波路の前記出力部導波路の終端部に、出力光を吸収もしくは発散させる光終端部を備えたことを特徴とする請求項1乃至4いずれかに記載の光回路 5. The optical circuit according to claim 1, further comprising an optical terminal that absorbs or diverges output light at a terminal of the output waveguide of the sub-waveguide . 6. 前記テーパ部分と前記主導波路の前記ギャップは0.2μm以上で5μm以下であることを特徴とする請求項1乃至4いずれかに記載の光回路 5. The optical circuit according to claim 1, wherein the gap between the tapered portion and the main waveguide is 0.2 μm or more and 5 μm or less . 前記テーパ部分は、幅が直線的に増加する直線テーパであって、テーパ角が0.004度以上1度以下であることを特徴とする請求項1乃至4いずれかに記載の光回路 5. The optical circuit according to claim 1, wherein the tapered portion is a linear taper whose width increases linearly and has a taper angle of 0.004 degrees or more and 1 degree or less . 前記主導波路を伝搬可能な伝搬モードは伝搬次数の異なる第1伝搬モードおよび第2伝搬モードのみであって、前記副導波路の前記出力部導波路を伝播する基本モードの有効屈折率は前記第1伝搬モードの有効屈折率より小さく、前記第2伝搬モードの有効屈折率より大きいことを特徴とする請求項1乃至4いずれかに記載の光回路 The propagation modes capable of propagating through the main waveguide are only the first propagation mode and the second propagation mode having different propagation orders, and the effective refractive index of the fundamental mode propagating through the output waveguide of the sub-waveguide is the first propagation mode. The optical circuit according to claim 1, wherein the optical circuit is smaller than an effective refractive index of one propagation mode and larger than an effective refractive index of the second propagation mode .
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