JP7120053B2 - 光回路 - Google Patents

Description

本発明は、光デバイスに関し、より詳しくは光回路における、波長合波回路に関する。

従来技術

光による情報処理分野（例えば非特許文献）や光通信分野では導波路を用いたフィルタやスイッチが研究開発されている。例えば、石英系平面光波回路（Ｐｌａｎａｒ ｌｉｇｈｔｗａｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔ：ＰＬＣ）は、Ｓｉ基板上にアンダークラッドとなるガラス膜を堆積し、その上に所望の屈折率差（Δ）となるように屈折率を調整したガラス膜を堆積する。このガラス膜をフォトリソグラフィ、反応性イオンエッチングにより、パターニングを行い、コアを作製する。最後に、コアよりも屈折率の低いガラス膜（オーバークラッド）で周りを埋め込み、導波路を形成する。ＰＬＣは可視から赤外まで高い透過率が特徴で、複数の基本的な光回路（例：方向性結合器、マッハ・ツェンダ干渉計など）を組み合わせることで低損失に各種の機能を実現する。近年では、ＰＬＣが可視光でも透明である（伝搬損失が小さい）特徴を活かして、光通信だけでなく、可視光分野でも活用する研究開発が注目されている。例えば、光の三原色である、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）を合波するＲＧＢカプラが複数報告されており、映像分野への展開が検討されている。

石英系導波路ではなく、ポリマー導波路を用いることで、導波路型ＲＧＢカプラの低コスト化が期待できる。ポリマー導波路は、屈折率差を調整したクラッド用ポリマーとコア用ポリマーを用いて、スピンコート、パターニングにより作製される。低コスト化に有望なパターニング技術として、直接露光法や光ナノインプリント法があげられる。これらは、スピンコートしたコア用ポリマーを直接パターニングするため、ドライエッチングなどの工程がなく、作製プロセスを簡易化できる。一方で、ＵＶ光の吸収による反応を利用してパターニングを行うため、青色などの短波長側の光に対して損失が大きく、ＲＧＢカプラとして広帯域な波長を扱うと、波長（色）によって透過率の偏りが生じるという課題がある。実際に、我々が試作した、ＳＵ－８の材料をコアとし、屈折率差（Δ）が０．８%となるように調整した埋め込み型のポリマー導波路では、波長４６５～６３８ｎｍの光に対して、伝搬損失が０．８～４．４ｄＢ／ｃｍとなった。

A. Nakao， et al.， "Integrated waveguide-type red-green-blue beam combiners for compact projection-type displays"， Optics Communications 330 (2014) 45-48

ポリマー導波路を用いてＲＧＢカプラを作製した場合、波長（色）によって伝搬損失が異なるため、合波部分の透過率がほぼ等価でも、出力に偏りがでるといった課題を有する。

伝搬損失の最も大きい、例えば、青用導波路を基準に、緑用導波路、赤用導波路に、透過率調整用の回路を形成する。

上記の課題を解決するための本発明の光回路は、半導体基板と、前記半導体基板上の合波回路と、前記半導体基板上で前記合波回路と接続し、赤色光（Ｒ）が伝播し、ポリマーを含む第一の導波路と、前記半導体基板上で前記合波回路と接続し、緑色光（Ｇ）が伝播し、前記ポリマーを含む第二の導波路と、前記半導体基板上で前記合波回路と接続し、青色光（Ｂ）が伝播し、前記ポリマーを含む第三の導波路と、前記半導体基板上で前記合波回路と接続し、前記第一の導波路、前記第二の導波路及び前記第三の導波路と反対側にある出力導波路とを備え、前記第一の導波路、前記第二の導波路、前記第三の導波路における、それぞれ赤色光（Ｒ），緑色光（Ｇ），及び青色光（Ｂ）の波長における伝搬損失をＲ _ｌｏｓｓ 、Ｇ _ｌｏｓｓ 、及びＢ _ｌｏｓｓ とするとき、Ｒ _ｌｏｓｓ ＜Ｇ _ｌｏｓｓ ＜Ｂ _ｌｏｓｓ である光回路であって、前記第一の導波路及び前記第二の導波路に過剰損失を与える損失部（透過光の調整回路）をそれぞれ備えたことを特徴とする。

本発明によれば、波長（色）によって伝搬損失の異なるポリマー導波路型ＲＧＢカプラで、出力のバランスを合わせることができるといった効果を有する。

実施の形態１に記載された導波路の断面構造を示す図である。 本発明の実施の形態１に記載された光回路を示す図である。 本発明の実施の形態２に記載された光回路の構成を示す図である。 本発明の実施の形態２に記載された光回路の構成を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお、図面においては同一の機能を有する部分は同一の番号を付することで、説明の明瞭化を図っている。但し、本発明は以下に示す実施形態の記載内容に限定されず、本明細書等において開示する発明の趣旨から逸脱することなく形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者にとって自明である。また、異なる実施形態に係る構成は、適宜組み合わせて実施することが可能である。

実施の形態１

本実施の形態の導波路の作製方法について簡単に説明する。図１に導波路の断面構造を示す。Ｓｉを含む半導体基板１０１上にＳｉＯ₂膜１０２をＦＨＤ（Ｆｌａｍｅ Ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などで形成する。次に、コアの材料となるポリマーをスピンコートする。この時、コアの材料はＳｉＯ₂より屈折率が高い材料を選定する。具体的には、光硬化性樹脂として、例えば、ＳＵ－８（ＭｉｃｒｏＣｈｅｍ社製）、ＣＥＬＶＥＮＵＳ（株式会社ダイセル製）、熱硬化性樹脂として、ＰＭＭＡ（Ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）などが存在する。今回は、製造が容易な光硬化性樹脂を用いた場合の作製方法について説明する。スピンコートしたコアの材料は、フォトリソグラフィ、ＵＶ－ＮＩＬ（Ｎａｎｏ ｉｍｐｒｉｎｔ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）などを用いてパターニングし、最後にクラッド用ポリマー１０６でコアを埋め込む。クラッド材料はコアの材料より屈折率が低くなるように選定する。こうして作製したポリマー導波路を可視光領域で使用する場合、コア形状のラフネスによる散乱や材料の吸収が原因で、短波長ほど伝搬損失が大きくなる。コアの部分が、後述の、第一の導波路１０３、第二の導波路１０４に、及び第三の導波路１０５に対応する。

図２は、半導体基板１０１と、半導体基板上の合波回路１１０と、半導体基板上で合波回路１１０と接続し、赤色光が伝播し、ポリマーを含む第一の導波路１０３と、半導体基板上で合波回路と接続し、緑色光が伝播し、ポリマーを含む第二の導波路１０４と、半導体基板上で合波回路と接続し、青色光が伝播し、ポリマーを含む第三の導波路１０５と、半導体基板上で合波回路と接続し、第一の導波路、第二の導波路及び第三の導波路と反対側にある出力導波路１１１とを備え、第一の導波路１０３及び第二の導波路１０４に過剰損失を与える損失部をそれぞれ備えた光回路を示している。損失部である透過率の調整回路の行路長を長くしている。

第一の光源１０７、第二の光源１０８に、及び第三の光源１０９から発光される赤色光（Ｒ），緑色光（Ｇ），及び青色光（Ｂ）のそれぞれの波長における伝搬損失をＲ_loss、Ｇ_loss、及びＢ_loss（ｄＢ／ｃｍ）、合波回路１１０の透過率をＲ_couple，Ｇ_couple，Ｂ_couple（ｄＢ）、各波長用の行路長をＬ_R，Ｌ_G，及びＬ_B（ｃｍ）とすると、ＲＧＢカプラの各波長のトータル透過率Ｒｔｒａｎｓ、Ｇｔｒａｎｓ、及びＢｔｒａｎｓは以下のようになる。

Ｒ_trans：Ｒ_couple‐Ｒ_loss×Ｌ_R
Ｇ_trans：Ｇ_couple‐Ｇ_loss×Ｌ_G
Ｂ_trans：Ｂ_couple‐Ｂ_loss×Ｌ_B

合波回路の各波長ＲＧＢの透過率を同等（Ｒ_couple＝Ｇ_couple＝Ｂ_couple）となるようにした場合、Ｒ_loss＜Ｇ_loss＜Ｂ_lossのため、出力が色によってばらついてしまう。本実施の形態では、図２に示す様に、合波の前段に各波長のトータル透過率が等しくなるように、第一の導波路１０３、第二の導波路１０４に、それぞれ、透過率の調整回路１０３ａ、１０４ａを設ける。具体的には、Ｒ_loss×Ｌ_R＝Ｇ_loss×Ｌ_G＝Ｂ_loss×Ｌ_Bとなるように、ＲとＧの行路長Ｌ_R、Ｌ_Gを長くする。

これにより、出力導波路１１１からの出力ばらつきのないＲＧＢ光が得られる。本実施の形態では、ＲとＧ用の行路を長くすることで、第一の導波路１０３、第二の導波路１０４、及び第三の導波路１０５から入力された各色の光が、出力導波路１１１から同じの出力パワーとなるように調整することができた。

実施の形態２

本実施の形態では、合波回路の合波効率を調整することで、ＲＧＢ出力ばらつきをなくす。例として、モードカプラを用いた合波回路での調整方法を説明する。モードカプラは図３に示すような構成をしており、モード変換機３０１で緑、モード変換機３０２で赤を加算的に合波する回路である。図４に示ように、各モード変換機を短くして、Ｒ_couple －Ｒ_loss×Ｌ_R＝Ｇ_couple －Ｇ_loss×Ｌ_G＝Ｂ_couple －Ｂ_loss×Ｌ_Bとなるように、赤色光（Ｒ）の透過率Ｒ_coupleと緑色光（Ｇ）の透過率Ｇ_coupleを調整する。

この構成により、出力ばらつきのないＲＧＢ光が得られるだけでなく、余分な回路が必要なく、かつ、素子の小型化も可能となる。

本発明は、光デバイスに関し、より詳しくは光回路における、波長合波回路に適用することができる。

１０１ 半導体基板
１０２ ＳｉＯ₂膜
１０３ 第一の導波路
１０３ａ 調整回路
１０４ 第二の導波路
１０４ａ 調整回路
１０５ 第三の導波路
１０６ クラッド用ポリマー
１０７ 第一の光源
１０８ 第二の光源
１０９ 第三の光源
１１０ 合波回路
１１１ 出力導波路

Claims (4)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板上の合波回路と、
   前記半導体基板上で前記合波回路と接続し、赤色光（Ｒ）が伝播し、ポリマーを含む第一の導波路と、
   前記半導体基板上で前記合波回路と接続し、緑色光（Ｇ）が伝播し、前記ポリマーを含む第二の導波路と、
   前記半導体基板上で前記合波回路と接続し、青色光（Ｂ）が伝播し、前記ポリマーを含む第三の導波路と、
   前記半導体基板上で前記合波回路と接続し、前記第一の導波路、前記第二の導波路及び前記第三の導波路と反対側にある出力導波路とを備え、
   前記第一の導波路、前記第二の導波路、前記第三の導波路における、それぞれ赤色光（Ｒ），緑色光（Ｇ），及び青色光（Ｂ）の波長における伝搬損失をＲ _ｌｏｓｓ 、Ｇ _ｌｏｓｓ 、及びＢ _ｌｏｓｓ とするとき、Ｒ _ｌｏｓｓ ＜Ｇ _ｌｏｓｓ ＜Ｂ _ｌｏｓｓ である光回路であって、
   前記第一の導波路及び前記第二の導波路に過剰損失を与える損失部をそれぞれ備えたことを特徴とする光回路。
2. 半導体基板と、
   前記半導体基板上の合波回路と、
   前記半導体基板上で前記合波回路と接続し、赤色光（Ｒ）が伝播し、ポリマーを含む第一の導波路と、
   前記半導体基板上で前記合波回路と接続し、緑色光（Ｇ）が伝播し、前記ポリマーを含む第二の導波路と、
   前記半導体基板上で前記合波回路と接続し、青色光（Ｂ）が伝播し、前記ポリマーを含む第三の導波路と、
   前記半導体基板上で前記合波回路と接続し、前記第一の導波路、前記第二の導波路及び前記第三の導波路と反対側にある出力導波路とを備え、
   前記合波回路の前記赤色光（Ｒ），前記緑色光（Ｇ）及び前記青色光（Ｂ）の透過率を同等となるようにした場合、前記赤色光（Ｒ），前記緑色光（Ｇ），及び前記青色光（Ｂ）それぞれの波長における伝搬損失をＲ_loss、Ｇ_loss、及びＢ_lossとし、
   前記赤色光（Ｒ），前記緑色光（Ｇ），及び前記青色光（Ｂ）の波長用の行路長をそれぞれＬ_R，Ｌ_G，及びＬ_B（ｃｍ）とすると、
   Ｒ _ｌｏｓｓ ＜Ｇ _ｌｏｓｓ ＜Ｂ _ｌｏｓｓ 及び
   Ｒ_loss×Ｌ_R＝Ｇ_loss×Ｌ_G＝Ｂ_loss×Ｌ_Bの関係式を満たすように、
   前記第三の導波路の行路長Ｌ_Bよりも前記第一の導波路の行路長Ｌ_Rと前記第二の導波路の行路長Ｌ_Gとが長くなるように設定されることを特徴とする光回路。
3. 半導体基板と、
   前記半導体基板上の合波回路と、
   前記半導体基板上で合波回路と接続し、赤色光（Ｒ）が伝播し、ポリマーを含む第一の導波路と、
   前記半導体基板上で合波回路と接続し、緑色光（Ｇ）が伝播し、前記ポリマーを含む第二の導波路と、
   前記半導体基板上で合波回路と接続し、青色光（Ｂ）が伝播し、前記ポリマーを含む第三の導波路と、
   前記半導体基板上で合波回路と接続し、前記第一の導波路、前記第二の導波路及び前記第三の導波路と反対側にある出力導波路と、
   前記第二の導波路と前記第三の導波路との間の前記緑色光（Ｇ）の合波するための第一のモード変換機と、
   前記第一の導波路と前記第三の導波路との間の前記青色光（Ｂ）の合波するための第二のモード変換機と、
   を備え、
   前記赤色光（Ｒ），前記緑色光（Ｇ），及び前記青色光（Ｂ）それぞれの波長における伝搬損失をＲ_loss、Ｇ_loss、及びＢ_lossとし、
   前記赤色光（Ｒ），前記緑色光（Ｇ），及び前記青色光（Ｂ）の波長用の行路長をそれぞれＬ_R，Ｌ_G，及びＬ_B（ｃｍ）とすると、
   Ｒ _ｌｏｓｓ ＜Ｇ _ｌｏｓｓ ＜Ｂ _ｌｏｓｓ 及び
   Ｒ_couple －Ｒ_loss×Ｌ_R＝Ｇ_couple －Ｇ_loss×Ｌ_G＝Ｂ_couple －Ｂ_loss×Ｌ_Bとなるように、前記赤色光（Ｒ）の透過率Ｒ_coupleと前記緑色光（Ｇ）の透過率Ｇ_coupleが設定されることを特徴とする光回路。
4. 前記第一の導波路と光接続する第一の光源と、
   前記第二の導波路と光接続する第二の光源と、
   前記第三の導波路と光接続する第三の光源と、
   をさらに備えた請求項１乃至請求項３いずれか一項に記載の光回路。

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