JP6539195B2

JP6539195B2 - 光回路

Info

Publication number: JP6539195B2
Application number: JP2015243466A
Authority: JP
Inventors: 隼志阪本; 慶太山口; 光雅中島; 鈴木　賢哉; 賢哉鈴木; 橋本　俊和; 俊和橋本
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2015-12-14
Filing date: 2015-12-14
Publication date: 2019-07-03
Anticipated expiration: 2035-12-14
Also published as: JP2017111202A

Description

本発明は、光デバイスに関し、より詳しくは光源間のピッチを変換する光回路に関する。

近年、ＲＦ(Radio Frequency)帯におけるアレーアンテナを用いた電磁波のビームフォーミング技術を光の偏向技術として応用する研究が注目を集めている(例えば非特許文献１)。この技術は、複数の光源を周期的に配置し、各光源から出射される光の位相を制御し、干渉を変化させることで、光の偏向を制御する技術である。このとき、偏向角の特性を上げるためには、光源間の距離を波長レベルにまで近づける必要がある。光源を波長レベルの狭ピッチに配置することは困難なため、石英系平面光波回路（Planar lightwave circuit：PLC）によるピッチ変換回路を用いることが多い。

ＰＬＣは、平面状のＳｉ基板上に、コア及びクラッドとなる石英の層を積層し、フォトリソグラフィなどによるパターニングと、エッチング加工により、光導波路を作製し、複数の基本的な光回路（例：方向性結合器、マッハ・ツェンダー干渉計など）を組み合わせることで各種の機能を実現する。図１に従来のピッチ変換回路を示す。通常のピッチ変換回路１は図１に示すように、曲げ導波路と直線導波路を用いて、入射端と出射端の導波路間ピッチをＡからＢに変換する構成を有する。

Jie Sun, Erman Timurdogan, Ami Yaacobi, Ehsan Shah Hosseini, and Michael R. Watts, "Large-scale nanophotonic phased array" Nature, vol. 493, 195-199 Jan 2013 L. B. Soldano and E. C. M. Pennings, "Optical Multi-Mode Interference Devices Based on Self-Imaging : Principles and Applications", Journal of Lightwave Technology, vol. 13, No.4, pp.615-627, Apr.1995. Y. Sakamaki, T. Saida, T. Hashimoto, and H. Takahashi, "New Optical Waveguide Design Based on Wavefront Matching Method", Journal of Lightwave Technology, vol. 25, No.11, pp.3511-3518, Nov. 2007.

しかしながら、図１に示すピッチ変換回路は、方向性結合器のように隣接導波路間干渉が発生することや、導波路間の狭ギャップ加工が困難となるため、実現できるコアの中心間距離が制限されるといった問題がある。ここで、「ピッチ」とは、図１でＡ、Ｂとして示された隣接する導波路の中心間距離をいい、「ギャップ」とは、図１でＧとして示された隣接する導波路の境界同士がなす間隔をいう。例えば、通常の露光機、エッチング装置を用いて製造可能なPLCでの隣接する導波路間の最小ギャップは３μｍ程度であり、コアとクラッドの非屈折率差Δによっては隣接導波路間干渉を避けるため、さらに広いギャップが最小ギャップとなることもある。

図２に、従来のピッチ変換回路において、入力導波路幅４μｍ、入力導波路間ギャップ１、１．５、２、３μｍとした場合の透過率をビーム伝搬法（Beam propagation method：ＢＰＭ）によるシミュレーションによって算出したものを示す。波長は通信波長帯である１．５５μｍ、Δ２％とした。

図２に示す結果によれば、光の閉じ込めが強い比較的高いΔ２％を設定した場合でも、隣接導波路間干渉を避けるために、透過率を例えば０．９９以上にする必要があるので導波路間ギャップを３μｍ以上に設定しなければならないことが分かる。Δを高くすることで、隣接導波路間干渉を避け、さらに狭ピッチ化することは理論上可能であるが、３μｍ以下の狭ギャップ加工は製造困難となるため、従来のピッチ変換回路を用いてこれ以上の狭ピッチ化を実現することはできないといえる。

Ｓｉ系平面導波路は石英に比べて加工が容易で、Δが高く隣接導波路間干渉が起こりにくいため、波長以下にまで狭ギャップ化することも可能であるが、透過する光の波長に制限があり、偏波依存性も大きいため、応用先を制限する。このため、ＰＬＣを用いて、狭ピッチに光を出射できる光回路が必要となる。

本発明はかかる従来の問題に鑑みてなされたものであって、本発明の課題は、光の出射端における狭ピッチ化が実現できるＰＬＣを用いた光回路を提供することにある。

上記の課題を解決するために、一実施形態に記載された発明は、任意の数の入力導波路と、該入力導波路に接続された入力導波路部を一端に有し、他端に出力導波路部を有するマルチモード干渉型光導波路とを備え、前記マルチモード干渉型光導波路の前記出力導波路部の幅が前記入力導波路部の幅よりも小さく形成されていることを特徴とする光回路である。

従来のピッチ変換回路を示す図である。従来のピッチ変換回路における導波路間ギャップと透過率との関係を示す図である。第１の実施形態の光回路に用いられるＭＭＩを上面から見た概略構成を示す図である。光の進行方向に沿って導波路幅を変調させたＭＭＩを上面から見た概略構成を示す図である。第２の実施形態の光回路に用いられるＭＭＩを上面から見た概略構成を示す図である。第３の実施形態の光回路に用いられるＭＭＩを上面から見た概略構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

本発明の光回路は、任意の数の入力導波路と、この入力導波路に接続された入力導波路部を一端に有し、他端に出力導波路部を有するマルチモード干渉型光導波路（Multi-mode interference waveguide:ＭＭＩ）とを備え、ＭＭＩの出力導波路部の幅（Ｗ_MMIin）が入力導波路部の幅（Ｗ_MMIout）よりも小さく形成されている構成を備えている。通常、ＭＭＩを備えた光回路ではＭＭＩの入出射端導波路幅を同一にするが、本発明の光回路では、異なる幅にすることで、出射される光源の間隔を変化させている。具体的には、Ｗ_MMIin＞Ｗ_MMIoutとすることにより、所定の長さのＭＭＩにおける光源のピッチがＷ_MMIout／Ｗ_MMIin倍されるため、狭ピッチ化が可能となる。

本発明の光回路では、ＭＭＩの入力導波路部の幅をＷ_MMIin、出力導波路部の幅をＷ_MMIout、波長をλ、コアの屈折率をｎとすると、ＭＭＩの光導波方向の長さＬを、近似的に以下の（式１）で与えられる値に設定する。
Ｌ＝（４／３・ｎ・Ｗ_MMIin・Ｗ_MMIout）／λ （式１）

ＭＭＩを備えた光回路は一般に、任意の数の入出力導波路と、導波路幅の広いマルチモード干渉導波路（ＭＭＩ）を備え、入力導波路から入射された光は、ＭＭＩで複数の導波モードに展開され、そのモード間での干渉を利用して、光の合分波などの機能を実現することができる。すなわち、ＭＭＩ単体、もしくは複数のＭＭＩを用いることによって光合分波回路が実現されている（例えば、非特許文献２参照）。上記の（式１）を満たす長さＬに設定すると、ＭＭＩでモード間の位相差が２πの整数倍となり入射時と同じ基底モードに結像することができる。この現象は自己結像と呼ばれる。

本発明の光回路によれば、従来のピッチ変換回路における隣接導波路間干渉や狭ギャップ加工による光源の狭ピッチ化制限といった問題を解決し、出射端におけるさらなる狭ピッチ化を実現することができる。具体的には、通常のピッチ変換回路（図１）の先に、入射端から出射端に向けて導波路が細くなるテーパーをつけたＭＭＩを接続しＭＭＩの出射端における出射光を狭ピッチ化する。ＭＭＩは１本の幅広の導波路からなるため、狭ギャップ加工を必要とせず、自己結像時には他の光源との干渉が発生しないため、さらなる狭ピッチ化が実現できる。また、本導波路回路形状は、平面導波路の材料やコアとクラッドの非屈折率差Δに依存しないため平面導波路全般に適用可能である。

（第１の実施形態）
第１の実施形態の光回路について、図３および図４を用いて説明する。図３は本実施形態の光回路に用いられるＭＭＩを上面から見た概略構成を示す図である。本実施形態の光回路は、図１に示す入力導波路に、図３に示す、テーパー付きマルチモード干渉導波路（ＭＭＩ）３を設けて構成される。本実施形態では入力導波路２の本数が５本の場合を例に挙げて説明するが、入力導波路の本数は任意の本数のものを用いることができることは言うまでもない。

入力導波路１及びＭＭＩ３は、同一基板上に形成することができ、基板と、下部クラッド層と、コア層と、上部クラッド層とが積層されて形成される。下部クラッド層は基板上に設けられる。クラッド層よりも屈折率が高いコア層は下部クラッド層上に設けられ、上部クラッド層はコア層を囲むように設けられる。

本実施形態の光回路では、図３に示すテーパー付きＭＭＩ３を図１に示すピッチ変換回路の出力端に配置した構成を備えている。ＭＭＩ３は、導波路長Ｌであり、入力導波路部２の幅Ｗ_MMIin、出力導波路部４の幅Ｗ_MMIoutのものが用いられる。テーパーを付けることによりＷ_MMIin＞Ｗ_MMIoutとするので、狭ピッチ化が図れる。ＭＭＩ３の導波方向の長さＬは、（式１）に基づいて設定するので伝播する光は自己結像することができる。

例えば、通信波長帯である１．５５μｍの光を用い、コアの屈折率ｎ＝１．４７４である場合、ＭＭＩ３は、Ｗ_MMIin、Ｗ_MMIout、Ｌをそれぞれ３２μｍ、２４μｍ、３０４０μｍに設定することができる。この場合は、ＭＭＩ３の入力導波路部２において、各導波路の幅が４μｍ、導波路間のギャップが３μｍであったのを、ＭＭＩ３の出力導波路部４において、各導波路の幅３μｍ、導波路間のギャップ１μｍが形成されているのと同等の光源ピッチに狭ピッチ化できる。なお、さらに狭ピッチ化しようとした場合、Ｗ_MMIoutの幅をより小さくする必要があるが、小さくしすぎると、光をコア内に閉じ込めておけず、損失が大きくなる。

（第１の実施形態の変形例）
図４は、光の進行方向に沿って導波路幅を変調させたＭＭＩを示す図である。ＭＭＩ３にて展開される各モードの有効屈折率はそれぞれ微妙に異なるため、入力導波路によって自己結像に必要な導波路長はそれぞれ微妙に異なる。そのため、ＭＭＩ３の導波路幅を図３に示すような単純なテーパーにするのではなく、図４に示すように、光の進行方向に沿って導波路幅を変調することで透過率を向上させることができる。

導波路幅の具体的な形状を算出するために、ここでは波面整合法（Wavefront matching method：ＷＦＭ）を用いることができる。ＷＦＭは、ある入出力をもつ光回路に対して、入力側から伝搬していく光と、出力側から伝搬していく光の波面を整合させるように屈折率分布を決定することで、回路の透過率を最大化させる構造を算出するシミュレーション技法であり、ＳｉＯ₂を材料に用いたＰＬＣ設計において大きな実績をもつ手法である（例えば、非特許文献３参照）。ＭＭＩ中の任意の点において、ＭＭＩの入力導波路部からの入力フィールドの順伝搬の光フィールドの波面と、ＭＭＩの出力導波路部からの出力フィールドの逆伝搬させた光フィールドの波面とが一致するように、所望の光の波長範囲に対して、ＭＭＩの導波路幅を光の伝搬方向に沿って変化させる。ＭＭＩの出力導波路部において、出力を得たい光の出力フィールドを予め設定し、この設定した出力フィールドの逆伝搬させた光フィールドの波面と、実際に入力導波路部から入力される光の入力フィールドの順伝搬させた光フィールドの波面とが、所望の光の波長範囲に対して、ＭＭＩ中の任意の点において一致するように導波路幅を決定することができる。

具体的にＷＦＭを用いて損失の低減を目的とする導波路幅形状を算出するには、例えばＢＰＭ(beam propagation method:ビーム伝搬法)を用いて、入力導波路部側、出力導波路部側からそれぞれ、所望のモードフィールドをもつ光を伝搬させ、回路の中央で、２つの光の波面が整合するように導波路の幅を変化させる。この手順を複数回反復することで、損失を低減する導波路幅形状を決定できる。

以上に説明したように、テーパー付きＭＭＩを用いることで、従来のピッチ変換回路以上に光源を狭ピッチ化して出射することが可能となる。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態の光回路に用いられるＭＭＩを上面から見た概略構成を示す図である。第１の実施形態のＭＭＩは、光の進行方向に対して線対称な形状をしているが、本実施形態のＭＭＩは、入力導波路部の中心と出力導波路部の中心とがずれるように、光の進行方向とは垂直に互いに平行移動させた構成を備えている。その他の構成は第１の実施形態の光回路に用いられるＭＭＩと同様である。

ＭＭＩ３の光導波方向における長さは、入力導波路部の幅および出力導波路部の幅に依存するため、第１の実施形態と同じく（式１）に基づいて設定すればよい。ただし、入力導波路部の中心と出力導波路部の中心との平行移動距離は、テーパーの角度がきつくなって導波路側壁から光が放射しないように、光を閉じ込めておける範囲内に設定される。

この構成により、対称構造でない場合にも狭ピッチ化が図れる。

（第３の実施形態）
図６は、第３の実施形態の光回路に用いられるＭＭＩを上面から見た概略構成を示す図である。本実施形態では、入力導波路の出力に平行移動の距離が異なる第２の実施形態のＭＭＩ３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを複数個並列に配置した構成とすることができる。具体的には第２の実施形態のＭＭＩを一つのブロックとして入力導波路の出力に並列に複数ブロックを並べた互いに平行移動の距離が異なるＭＭＩ３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを用いることができる。出力導波路部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄにおいてブロック同士の間隔をできるだけ小さくすることが望ましい。

１つのＭＭＩ単独で入出力数を増やすと自己結像に必要な長さが大きくなるため、素子の大型化を招く。本実施形態によれば、素子長はそのままで入出力数を増やすことができる。ただし、ＭＭＩ間は、隣接導波路間干渉を避けるために３μｍ以上のギャップが必要となる。

１ピッチ変換回路
２入力導波路部
３マルチモード干渉導波路（ＭＭＩ）
４出力導波路部

Claims

任意の数の入力導波路と、
該入力導波路に接続された入力導波路部を一端に有し、他端に出力導波路部を有する、４つのマルチモード干渉型光導波路とを備え、
前記４つのマルチモード干渉型光導波路のぞれぞれは、前記出力導波路部の幅が前記入力導波路部の幅よりも小さく形成されており、前記入力導波路部の中心と前記出力導波路部の中心とがずれるように、光の進行方向とは垂直な方向において前記入力導波路部と前記出力導波路部とが互いに平行移動させて配置されており、
前記４つのマルチモード干渉型光導波路は、光導波方向における長さが互いに等しく、第１のマルチモード干渉型光導波路、第２のマルチモード干渉型光導波路、第３のマルチモード干渉型光導波路、第４のマルチモード干渉型光導波路の順でそれぞれの出力端面が一直線上に揃うように並列に配置され、前記入力導波路部の中心と前記出力導波路部の中心とがずれる方向が、前記第１のマルチモード干渉型光導波路と前記第２のマルチモード干渉型光導波路とでは同一であり、前記第３のマルチモード干渉型光導波路と前記第４のマルチモード干渉型光導波路とでは同一であり、前記第１のマルチモード干渉型光導波路と前記第４のマルチモード干渉型光導波路とでは逆であり、前記第２のマルチモード干渉型光導波路と前記第３のマルチモード干渉型光導波路とでは逆であり、そのずれ量は前記第１のマルチモード干渉型光導波路および前記第４のマルチモード干渉型光導波路のずれ量が、前記第２のマルチモード干渉型光導波路および前記第３のマルチモード干渉型光導波路のずれ量よりも大きいことを特徴とする光回路。
前記マルチモード干渉型光導波路の光導波方向の長さＬが、前記入力導波路部の幅をＷ_MMIin、前記出力導波路部の幅をＷ_MMIout、入力される光の波長をλ、前記マルチモード干渉型光導波路のコアの屈折率をｎとすると、下記（式１）に基づいて設定されていることを特徴とする請求項１に記載の光回路。
Ｌ＝（４／３・ｎ・Ｗ_MMIin・Ｗ_MMIout）／λ （式１）
前記マルチモード干渉型光導波路は、前記入力導波路部から入力される光の入力フィールドを順伝搬させた光フィールドの波面と前記出力導波路部に出力すべき光の出力フィールドを逆伝搬させた光フィールドの波面とが、所望の光の波長範囲に対して、前記マルチモード干渉型光導波路中の任意の点において一致するように導波路幅が決定されることを特徴とする請求項１または２に記載の光回路。