JP5089812B2 - 複数の光導波路のレイアウトを設計する方法 - Google Patents

Description

本発明は、光導波路を設計する方法に関し、特に、平面的に光導波路を構成することで1つ以上の交差が生じてしまう場合において、複数の光導波路のレイアウトを最適に設計する方法に関する。

平面的な光導波回路を樹脂等で作製することは、単純なため安価で済む。しかし、複数の光導波路のレイアウトを設計しようとすると、複数の導波路同士によって１つ以上の交差が生じてしまう場合がある。交差や分岐などでは光強度損失が大きくなってしまい、交差の数が多い導波路においては損失が累積し、信号が識別できなくなるようなこともある。

特に、多チャンネルの分岐・合波光導波路ではチャンネルごとに交差の数が異なるため、チャンネル間で光強度に差が生じてしまう。

特許文献１には、多数の交差を含みながらも低損失である光導波回路について記載がある。しかし、光導波路が分岐された他の光導波路と積極的に交差することを想定して設計しているものではない。

特許文献２には、交差にテーパー領域を形成するという部分的な技術について、一般的技術水準が記載されている。

特許文献３には、テーパー導波路という部分的な技術について、一般的技術水準が記載されている。

特許文献４には、導波路交差型光分岐素子において交差角度を考慮するという部分的な技術について、一般的技術水準が記載されている。

特開２００３−１９５０７７号公報 特開平１１−２８７９６２号公報 特開２００５−２６６３８１号公報 特開平７−２６１０４１号公報

平面的に光導波路を構成することで1つ以上の交差が生じてしまう場合において、複数の光導波路のレイアウトを最適に設計することが求められる。

複数の光導波路が束ねられて入力端と出力端を形成して、１つの入力端から出力端における少なくとも２つ以上の場所へと光を導くことが可能な、複数の光導波路のレイアウトを、設計するにあたり、
入力端において束ねられている複数の導波路の各々が２つ以上に分岐され、ある分岐された導波路が他の分岐された導波路と共に1つ以上の交差を形成するように、かつ、分岐された複数の導波路が出力端の少なくとも２箇所以上の離れた場所において個別に束ねられるように、全ての複数の導波路についての複数のデフォルト・ルートを設定し、
入力端から出力端に至るある導波路のルートについて、そのルート中に存在する交差の数をカウントし、
カウントされた交差の数に基づいて、ある導波路と、その導波路から分岐後の複数の導波路の各々とについて、断面（太さ、形状）のデフォルト値（分岐比）を設定し、
入力端において束ねられている複数の導波路へ光を（シミュレーション入力として）入力し、
出力端における束ねられている少なくとも１箇所において、束ねられている複数の導波路の各々からの複数の光の出力を（シミュレーション出力として）測定し、
測定された複数の光の出力が均一であるかどうかを、（光損失または光強度の視点において予め定めた閾値を基準にして）判断し、
もし測定された複数の光の出力が均一でないと判断された場合には、分岐後の複数の導波路の各々の断面の値の設定を補正（調整）する（交差の数が多い場合には太く、少ない場合には細く）。

この設計は、シミュレーションとして、コンピュータに実行させる方法のステップとして実現することができる。

また、シミュレーションとして、方法の各ステップをコンピュータを用いて設計するコンピュータ・プログラムとして実現できる。

さらには、シミュレーションとして、方法の各ステップをコンピュータを用いて実行する手段に置き換えて、コンピュータを用いて設計するシステムとして実現することもできる。

本発明が適用される、多チャンネル分岐導波路を使ったＣＰＵとメモリとの光接続例を示す図である。 光導波路の基本構成を示す図である。 図１の複数の光導波路の詳細レイアウト（分岐比を最適化した多チャンネル合分岐導波路および、そこに含まれる分岐部、交差部）を示す図である。 本発明として、複数の光導波路が束ねられて入力端と出力端を形成して、１つの入力端から出力端における少なくとも２つ以上の場所へと光を導くことが可能な、複数の光導波路のレイアウトを、コンピュータを用いて設計する方法を示すフローチャートを示す図である。 交差部分を有する多チャンネル分岐導波路の強度を均一化するため、図４中のフィードバックループ演算図４０４および４０６による、断面デフォルト値設定例を示す図である。 BPM法を用いた、導波路交差部損失の計算結果。（上）導波路交差部の屈折率分布、（下）BPM法を用いた導波路伝搬計算結果を、X-Y平面上を光信号（図のZ軸は光信号強度）が伝搬する描像にて図示（図4フィードバックループ演算図の４０８および４１０の計算プロセスの結果）する図である。 強度を均一化する目的のため、導波路分岐比を変えて試作した12ch光合分岐導波路を用いた光信号強度の実測結果（図4フィードバックループ演算図の４０８および４１０プロセスに相当する、試作品の光強度実測結果）を示す図である。 交差部分を有する多チャンネル分岐導波路の強度を均一化するため、図４フィードバックループ演算図４０４および４０６による、断面デフォルト値設定例を示す図である。 強度を均一化する目的のため、導波路分岐比を変えて試作した1ch光合分岐導波路を用いた光信号強度の実測結果（本発明が実現可能なものかをあらかじめ確認するための予備実測結果）を示す図である。 BPM法を用いて、分岐光導波路のコア面積比を変えたときの光強度出力比の計算結果を示す図である。 導波路出力部における接続損失という問題をも低減して解決するための、実施例を示す図である。

図１は、本発明が適用される、多チャンネル分岐導波路を使ったＣＰＵとメモリとの光接続例を示す図である。

光接続メモリー（Opticallyattached memory ）では、CPUから複数のチャンネルの信号を分岐し、複数のメモリーに伝送する。この際、信号はメモリーへの接続のため、各チャンネルはそれぞれのメモリーにおいて、束ねられて順序良く並べられなければならない。典型的には、メモリはメモリボード（点線内）の接続対象として複数存在しており、束ねられて順序良く並べられた光導波路は、メモリボード（点線内）に設けられたコネクタを通じて接続され、ＯＥ（Optic-Electronic）変換された態様をもってＣＰＵとメモリとの間の回路を形成する。

各チャンネルを、光導波路の各々に割り当てた複数の接続によって実現しようとすると、複数の光導波路が束ねられて入力端１０と出力端２０を形成して、１つの入力端１０から、光導波路の分岐を伴うことによって、出力端における少なくとも２つ以上の場所（ここでは２つの場所である２１、２２）へと光を導くことになる。

この図の例では、各メモリーの中心メモリーの配列の中心に近い端は交差の数が多くなり、外側に行くに従って交差の数は減っている。導波路配列の端は交差が少なく中心になるに従って交差の数は多くなっている。

図２は、光導波路の基本構成を示す図である。光導波路は光が導波するコアと、コアの周りを囲む屈折率の低いクラッドから構成される。クラッドとコアは基板上に形成されていてもよい。樹脂等で構成されることが典型的であるが、材料はこれに限られるものではない。

図３は、図１の複数の光導波路のレイアウトをさらに詳細に示す図である。

図４は、本発明として、複数の光導波路が束ねられて入力端と出力端を形成して、１つの入力端から出力端における少なくとも２つ以上の場所へと光を導くことが可能で、出力端での光強度のばらつきが少ない複数の光導波路のレイアウトを、コンピュータを用いて設計する方法を示すフローチャートである。

４０２のように、入力端において束ねられている複数の導波路の各々が２つ以上に分岐され、ある分岐された導波路が他の分岐された導波路と共に1つ以上の交差を形成するように、かつ、分岐された複数の導波路が出力端の少なくとも２箇所以上の離れた場所において個別に束ねられるように、全ての複数の導波路についての複数のデフォルト・ルートを設定する。

次に、４０４のように、そのルート中に存在する交差の数をカウントする。

次に、４０６のように、カウントされた交差の数に基づいて、ある導波路と、その導波路から分岐後の複数の導波路の各々とについて、断面（太さ、形状）のデフォルト値（分岐比）を設定する。
図５は断面デフォルト値の設定例である。

次に、４０８のように、入力端において束ねられている複数の導波路へ光を（シミュレーション入力として）入力する。

次に、４１０のように、出力端における束ねられている少なくとも１箇所において、束ねられている複数の導波路の各々からの複数の光の出力を（シミュレーション出力として）測定する。

シミュレーション方法は以下の通りである。
入力端から出力端に至るある導波路のルートiについて、交差による光強度の損失、LciをBeam Propagation Method法 などの光導波路シミュレーション方法により算出する。
次に分岐比（分岐による損失）L_siと交差による光強度損失L_ciと、接続損失coupling lossL_couplの合計Liを式１から求める：

式（１）で求められた各導波路の総損失L_iから光強度損失の平均を式（２）により求める。

全導波路の光強度損失の平均、L_avgが得られたら、すべての導波路（チャンネル）で:

となるように設定する。

マルチモード導波路では、断面積の比で光強度が分岐されるので：

ここでA₁はある分岐後の導波路面積（高さ一定の場合、総導波路幅,w_tot =w_i+w_b、w_bはもう片方の分岐導波路の幅）の合計に対する導波路iの面積の割合(area fraction)、w_iは導波路iの幅である。

式（３）、（４）により：

となるので、導波路iの幅を図４の４０６にて定めたデフォルト値から、式（７）のように補正する。：

次に、４１２のように、測定された複数の光の出力が均一であるかどうかを、（光損失または光強度の視点において予め定めた閾値を基準にして）判断する。または交差角度を調整して交差自体の損失の値を調整する（交差の数が多い場合は交差角度を大きく、少ない場合は小さく）。もし測定された複数の光の出力が均一であると判断された場合には、終了する。
閾値を判断基準とする場合は、例えばCoefficiet of Variance、

を判断基準値とし、適度な閾値を定めておく。式（８）のδは標準偏差のことで：

CVが規定の値を下回るまで４０８、４１０の過程を繰り返す。式（８）の判定式を満たせばループを終了させ、満たさない場合は式（１）から式（７）までの計算による補正プロセス４１４を行い、４０８、４１０の過程を繰り返す。

４０８から４１４までの繰り返し計算を行う理由は、以下の通りである。導波路幅を変更すると、交差あたりの光強度損失の値が変わるため、デフォルト値を定める４０６の過程のように交差損失として固定値を与えることは厳密には不正確である。よって新しい導波路形状（断面積）での各交差あたりの損失をBeam Propagation Method法 などの厳密な光導波路シミュレーションにより新たに求め、判定式を満たすまで、補正を繰り返す必要があるためである。

図６はBeamPropagation 法による交差損失の算出例を示す。コアの屈折率n1が1.593でクラッドの屈折率n0が1.542、導波路の太さが8.5um、光の波長が850nm、交差角度が20度の場合交差によるの光強度の損失は1.2ｄBであった。

図７は強度を均一化する目的のため、導波路分岐比を変えて試作した12ch光合分岐導波路を用いた光信号強度の実測結果である。すなわち、図4フィードバックループ演算図の４０８および４１０シミュレーション・プロセスに相当する、試作品の光強度実測結果である。図７のグラフには幅が均一な場合と、導波路を図４の方法で導波路形状を補正した場合の出力端においての光強度損失実測値をプロットし比較した。それぞれ分岐の左側と右側での各チャンネルにおいての光強度の値を図に示す。幅が均一なときに比べ、分岐比による強度比の調整での調整での均一化の効果があることが実証された。

図８に12チャンネル光合波分岐導波路における実施例を示す。表に交差の数により、導波路幅を図４に示した方法で設定した導波路１と導波路２の幅の値を示す。導波路のコアの屈折率n1が1.593でクラッドの屈折率n0が1.542、分岐前の導波路幅は30umで、導波路厚みは30umであった。

図９に光分岐導波路のコア分岐比を変えたときの光強度出力比の実施例を示す。導波路のコアの屈折率n1が1.593でクラッドの屈折率n0が1.542、分岐前の導波路幅は30umである。導波路厚みは30umであった。分岐後の導波路の幅を30um(導波路１)と49.8um (導波路２)に設定した。 面積比で光強度の出力比が正比例していると仮定すると、光強度の損失の差の予測値は2.2dBとなる。 実施例では導波路１と導波路２の光強度の出力比の実測値は1.34ｄBであった。49.8umの挿入損失を１ｄB（導波路とファイバーの面積比から）程度と見積もると、面積比が光強度の出力比と正比例していると仮定した場合の光強度の損失の差とほぼ一致する。これにより、光導波路路の分岐比により、光強度の出力比を制御できることが実験により確認できた。

図１０には光分岐導波路のコア分岐比を変えたときの光強度出力比のBeamPropagation法によるシミュレーション結果を示す。図中のグラフには導波路１と導波路２の導波路幅の割合%w1と%w2を示す。 同じグラフにそれぞれの分岐比に対応する導波路１と導波路２の光強度出力の合計Tと各導波路の光強度出力T1とT2のシミュレーション結果を示す。光強度出力比は面積比とほぼ一致していることがシミュレーションによって確認できた。

図１１は図４のフローチャートのステップ４０６で導波路の分岐比の調整の結果生じる可能性のある接続損失（式（１）のLcoupl）の低減方法の例である。低減方法は2通りある。ひとつは導波路にテーパーをつけることにより出力端の断面積を小さくし、ファイバーあるいは受光器との接続損失を少なくする方法である。もうひとつは幅が一番太い導波路、つまり交差による損失が最大となる導波路の幅を、式１０ の基準を満たす値に設定し、その値から基準となる導波路幅を式（４）により決定する。これにより分岐後の最大導波路幅は全て式（１０） の条件を満たす。

Claims (4)

1. 複数の光導波路が束ねられて入力端と出力端を形成して、１つの入力端から出力端における少なくとも２つ以上の場所へと光を導くことが可能な、複数の光導波路のレイアウトを、コンピュータを用いて設計する方法であって、
   入力端において束ねられている複数の導波路の各々が２つ以上に分岐され、ある分岐された導波路が他の分岐された導波路と共に1つ以上の交差を形成するように、かつ、分岐された複数の導波路が出力端の少なくとも２箇所以上の離れた場所において個別に束ねられるように、全ての複数の導波路についての複数のデフォルト・ルートを設定するステップと、
   入力端から出力端に至るある導波路のルートについて、そのルート中に存在する交差の数をカウントするステップと、
   カウントされた交差の数に基づいて、ある導波路と、その導波路から分岐後の複数の導波路の各々とについて、断面の太さ、形状の分岐比のデフォルト値を設定するステップと、
   入力端において束ねられている複数の導波路へ光をシミュレーション入力として入力するステップと、
   出力端における束ねられている少なくとも１箇所において、束ねられている複数の導波路の各々からの複数の光の出力をシミュレーション出力として測定するステップと、
   測定された複数の光の出力が均一であるかどうかを、光損失または光強度の視点において予め定めた閾値を基準にして判断するステップと、
   もし測定された複数の光の出力が均一でないと判断された場合には、分岐後の複数の導波路の各々の断面の値の設定を補正して、交差の数が多い場合には太く、少ない場合には細く調整するステップと、
   をコンピュータに実行させる、
   方法。
2. 分岐後の複数の導波路の各々の断面の値の設定を補正して、交差の数が多い場合には太く、少ない場合には細く調整するステップを実行した後、
   さらに、繰返して
   入力端において束ねられている複数の導波路へ光をシミュレーション入力として入力するステップと、
   出力端における束ねられている少なくとも１箇所において、束ねられている複数の導波路の各々からの複数の光の出力をシミュレーション出力として測定するステップと、
   測定された複数の光の出力が均一であるかどうかを、光損失または光強度の視点において予め定めた閾値を基準にして判断するステップと、
   をコンピュータに実行させる、
   請求項１に記載の方法。
3. 複数の光導波路が束ねられて入力端と出力端を形成して、１つの入力端から出力端における少なくとも２つ以上の場所へと光を導くことが可能な、複数の光導波路のレイアウトの設計を、コンピュータに実行させるコンピュータ・プログラムであって、
   入力端において束ねられている複数の導波路の各々が２つ以上に分岐され、ある分岐された導波路が他の分岐された導波路と共に1つ以上の交差を形成するように、かつ、分岐された複数の導波路が出力端の少なくとも２箇所以上の離れた場所において個別に束ねられるように、全ての複数の導波路についての複数のデフォルト・ルートを設定し、
   入力端から出力端に至るある導波路のルートについて、そのルート中に存在する交差の数をカウントし、
   カウントされた交差の数に基づいて、ある導波路と、その導波路から分岐後の複数の導波路の各々とについて、断面の太さ、形状の分岐比のデフォルト値を設定し、
   入力端において束ねられている複数の導波路へ光をシミュレーション入力として入力し、
   出力端における束ねられている少なくとも１箇所において、束ねられている複数の導波路の各々からの複数の光の出力をシミュレーション出力として測定し、
   測定された複数の光の出力が均一であるかどうかを、光損失または光強度の視点において予め定めた閾値を基準にして判断し、
   もし測定された複数の光の出力が均一でないと判断された場合には、分岐後の複数の導波路の各々の断面の値の設定を補正して、交差の数が多い場合には太く、少ない場合には細く調整する、
   コンピュータ・プログラム。
4. 複数の光導波路が束ねられて入力端と出力端を形成して、１つの入力端から出力端における少なくとも２つ以上の場所へと光を導くことが可能な、複数の光導波路のレイアウトを、コンピュータを用いて設計するシステムであって、
   入力端において束ねられている複数の導波路の各々が２つ以上に分岐され、ある分岐された導波路が他の分岐された導波路と共に1つ以上の交差を形成するように、かつ、分岐された複数の導波路が出力端の少なくとも２箇所以上の離れた場所において個別に束ねられるように、全ての複数の導波路についての複数のデフォルト・ルートを設定する手段と、
   入力端から出力端に至るある導波路のルートについて、そのルート中に存在する交差の数をカウントする手段と、
   カウントされた交差の数に基づいて、ある導波路と、その導波路から分岐後の複数の導波路の各々とについて、断面の太さ、形状の分岐比のデフォルト値を設定する手段と、
   入力端において束ねられている複数の導波路へ光をシミュレーション入力として入力する手段と、
   出力端における束ねられている少なくとも１箇所において、束ねられている複数の導波路の各々からの複数の光の出力をシミュレーション出力として測定する手段と、
   測定された複数の光の出力が均一であるかどうかを、光損失または光強度の視点において予め定めた閾値を基準にして判断する手段と、
   もし測定された複数の光の出力が均一でないと判断された場合には、分岐後の複数の導波路の各々の断面の値の設定を補正して、交差の数が多い場合には太く、少ない場合には細く調整する手段と、
   を有する、
   システム。

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