JP5979653B2 - 多モード干渉光カプラ - Google Patents
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Description
・光結合部の矩形形状の光導波路部分の幅と長さの最適化
・接続部を構成する二入力/二出力光導波路のテーパー形状の長さの最適化
・接続部の隣接する光導波路間の間隔の最適化
の多モード干渉光カプラの設計パラメータの最適化において、接続部の隣接する光導波路間の光結合によって分岐比が不安定となるという問題がある。
1.接続部の隣接する光導波路が結合面から所定の距離の間において、光導波路間の間隔を離して光導波路間の結合を抑制し、分岐比を安定化させる。
2.光結合部の矩形の多モード光導波路中の伝搬光の波面と、接続部のテーパー形状の単一モード光導波路中の波面との整合を保って、波面の不整合による損失を低減する。
ものであり、これによって上記課題を解決するものである。
図1は、本願発明の多モード干渉光カプラの一構成例を説明するための図である。
図1において、多モード干渉光カプラ10は、多モード干渉光導波路からなる光結合部11と入力側の接続部12a,12b、および出力側の接続部13a,13bを備える。
以下、分岐比1:1の多モード干渉光導波路(MMI)型の2×2(二入力/二出力)カプラについて、時間領域差分法(FDTD)を用いた光伝搬シミュレーションによって低損失となるパラメータの最適設計について説明する。なお、シミュレーションの演算は、R-SOFT社の商用ソフトウェアFULLWAVE(登録商標)を用いた例を示している。
時間領域差分法 (Finite Difference Time Domain: FDTD) は、電磁場のふるまいを記述したMaxwellの方程式をYeeセルで分割した領域に対して時間領域と空間領域で差分化し、直接、逐次計算する手法である。
c・Δt≦{(1/Δx2)+(1/Δy2)+(1/Δz2)}−1/2 …(1)
計算モデルは3次元であり、基本的にSi薄膜に形成された導波路構造の周囲が全てSiO2で埋め込まれた形状を想定している。図2は解析モデル例を示している。
以下に、前記シミュレーションにより、光結合部の長さL、幅W、および光結合部に結合面に配置される一対のテーパー形状の接続部の配置間隔gapを設計パラメータとし、これら設計パラメータを変化させた場合の分岐比と過剰損失の変化の解析結果例を示す。
本願発明は、隣接する接続部間における光の結合に注目し、この接続部のテーパー形状をテーパー部分の外側の側壁が光結合部の結合面に対して直角となる非対称な台形形状とし、接続部の光結合部側のテーパー幅W1および光導波路側のテーパー幅W2は、光結合部側の幅が光導波路側の幅よりも広いテーパー形状であり、このテーパー幅Wを固定したとき、接続部の光軸方向の長さであるテーパー長taperLを設計パラメータとして調整することによって、過剰損失を増やすことなく分岐比のみを調整する。
図10は、設計パラメータとして、光結合部の長さL、幅W、接続部の配置間隔gapに加えて接続部のテーパー長taperLを用いて多モード干渉光カプラを最適化したときの一例であり、このときに最適パラメータ値は、表2に示すように、L=5.2μm、W=2.2μm、gap=0.2μm、taperL=3.3μmである。
テーパー形状が従来の対称形状の場合と本発明の非対称形状の場合とを、設計パラメータをL=5.2μm、W=2.2μm、gap=0.2μmとした場合について比較する。図11はテーパー形状が対称形状である場合と非対称形状である場合の磁界分布を示している。また、表3にテーパー形状が対称形状である場合と非対称形状である場合について、分岐比、過剰損失、および反射特性を示している。
11 光結合部
12,13,12a,12b,13a,13b 接続部
14 入力端
15 出力端
16a,16b,17a,17b 光軸
18 壁部
19 壁部
20 結合面
22a,22b 入力光導波路
23a,23b 出力光導波路
110 多モード干渉光カプラ
111 光結合部
112a,112b,113a,113b 接続部
114 入力端
115 出力端
116a,116b 光軸
117a,117b 光軸
122a,122b 入力光導波路
123a,123b 出力光導波路
Hy 磁界分布
taperL テーパー長
taperW1 テーパー幅
taperW2 テーパー幅
Through/Cross 分岐比
Claims (4)
- 基板上に、多モード干渉光導波路からなる光結合部と、単一モード光導波路からなる接続部とを光学的に接続して備える二入力/二出力の多モード干渉光カプラであって、
前記光結合部は矩形形状であり、
前記接続部は、
二つの第1の接続部及び二つの第2の接続部を備え、
前記第1の接続部は、単一モード光導波路からなる入力光導波路と前記光結合部の一端との間を光学的に接続し、
前記第2の接続部は、単一モード光導波路からなる出力光導波路と前記光結合部の他端との間を光学的に接続し、
第1の接続部と第2の接続部の少なくとも何れか一方の接続部は、前記光結合部側の幅が光導波路側の幅よりも広いテーパー形状であり、
当該テーパー形状は、当該接続部の光軸方向に対して非対称な台形形状であり、
前記光結合部の同一端側に設けられた二つの接続部において、外側の壁部の側面は前記 光結合部の側面と平行であることを特徴とする、多モード干渉光カプラ。 - 前記テーパー形状は、
接続される光結合部の両端間を結ぶ方向に対して外側の壁部と内側の壁部の内、
外側の壁部は前記光結合部の結合面に対して直交する垂直辺を形成し、
内側の壁部は前記光結合部の結合面に対して外側に傾斜する傾斜辺を形成し、
当該接続部の光軸方向に対して片側垂直辺の台形形状であることを特徴とする、請求項1に記載の多モード干渉光カプラ。 - 前記傾斜辺の傾きの設計パラメータは、前記接続部の光結合部側の幅と前記接続部の光 導波路側の幅と前記接続部のテーパー長であることを特徴とする、請求項1又は2に記載 の多モード干渉光カプラ。
- 前記基板はシリコン基板であり、
前記光結合部および前記接続部はシリコン基板上のシリコン薄膜で形成されることを特徴とする請求項1から3の何れか一つに記載の多モード干渉光カプラ。
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