JP7172271B2 - 光合波器およびｒｇｂカプラ - Google Patents

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Description

本発明は、光の透過帯域を拡大した光合波器とこれを用いた３原色光を合波するＲＧＢカプラに関する。
従来、眼鏡型端末やプロジェクタ用の可視光の３原色光を合波する回路素子として、石英系平面光波回路（Planar lightwave circuit：ＰＬＣ）を用いたＲＧＢカプラモジュールが注目されている（例えば、非特許文献１参照）。また、光通信分野では、１本の光ファイバで波長多重伝送を行うためのフィルタやスイッチが、ＰＬＣを用いて実現されている（例えば、非特許文献２，３参照）。
ＰＬＣは、Ｓｉなどの平面状の基板に、フォトリソグラフィなどによるパターニング、反応性イオンエッチング加工により、コアを作製し、コアよりも屈折率の低いクラッドで周りを埋め込み、光導波路を形成する。ＰＬＣは高い透過率が特徴であり、方向性結合器、マッハ・ツェンダ干渉計など複数の基本的な光回路を組み合わせることにより、低損失な光機能回路を実現することができる。ＰＬＣは、可視光に対しても透明である（伝搬損失が小さい）ことから、光の三原色である、赤（Ｒ）光、緑（Ｇ）光、青（Ｂ）光を合波するＲＧＢカプラモジュールに用いられ（例えば、非特許文献１，４参照）、映像分野への展開が検討されている。
映像分野におけるＲ，Ｇ，Ｂの定義は、国際電気通信連合（ＩＴＵ）によって標準化されており、ハイビジョン映像の規格であるＩＴＵ－Ｒ勧告ＢＴ．７０９と、超高精細テレビジョン映像のＩＴＵ－Ｒ勧告ＢＴ．２０２０（以下ＢＴ．２０２０と称す）とが規定されている。色域を表す測色データであるポインターカラーの包含率を９９．９％とするために、ＢＴ．２０２０では、ＲＧＢの波長をそれぞれＲ＝６３０ｎｍ、Ｇ＝５３２ｎｍ、Ｂ＝４６７ｎｍと定めている。
赤（Ｒ）色、青（Ｂ）色の光源は、前述の波長に対応した半導体レーザが市販されている。一方で、緑（Ｇ）色の光源は、波長５１５ｎｍの半導体レーザが一般的である。少数ではあるが、５２０ｎｍ付近の波長の緑レーザも販売されている。すべての緑色レーザに対応するため、ＲＧＢカプラのフィルタ特性としては、現在市販されている緑色レーザの最短波長５１５ｎｍからＢＴ．２０２０に定められる波長５３２ｎｍに対応していることが望ましい。ＲＧＢカプラの中心波長は製造誤差によって変動し、レーザの発振波長は製造条件や温度などによって変動することを考慮すると、ＲＧＢカプラは、前述の波長域に加えて、±５ｎｍ程度の波長式の余裕を有することが望ましい。
以上をまとめると、ＲＧＢカプラのフィルタ特性として、Ｒ＝６３０±１０ｎｍ、Ｇ＝５２３．５±１８．５ｎｍ、Ｂ＝４６７±１０ｎｍにおいて、伝搬損失１ｄＢ以内であることが望ましい。
図１に、従来のモードカプラを用いたＲＧＢカプラの構成を示す（非特許文献４参照）。IN Port 2からOUT Port 1に青（Ｂ）光が伝搬する導波路に、IN Port 1からOUT Port 1に緑（Ｇ）光がモードカプラＡを介して合波し、IN Port 3からOUT Port 1に赤（Ｒ）光がモードカプラＢを介して合波する。ＲＧＢカプラを構成するＰＬＣは、コア膜厚２．０μｍ、比屈折率差Δ＝０．７７％、３本の導波路のコア幅Ｗ＝１．５μｍである。導波路とモードカプラとの間隔Ｇ＝１．５μｍであり、モードカプラＡの幅Ｗａ＝６．５５μｍ、長さＬａ＝１７００μｍ、モードカプラＢの幅Ｗｂ＝７．２５μｍ、長さＬｂ＝８５０μｍである。
A．Nakao，et al．，"Integrated waveguide-type red-green-blue beam combiners for compact projection-type displays"，Optics Communications 330 (2014) 45-48 Y．Hibino，"Arrayed-Waveguide-Grating Multi/Demultiplexers for Photonic Networks，"IEEE CIRCUITS & DEVICES，Nov．，2000， pp．21-27 A．Himeno，et al．，"Silica-Based Planar Lightwave Circuits，"J．Sel．Top．Q．E．，vol．4，1998，IEEE，pp．913-924 J．sakamoto，et al．，"Compact and low-loss RGB coupler using mode-conversion waveguides"，Optics Communications 420（2018）46-51 L．B．Soldano and E．C．M．Pennings，"Optical multi-mode interference devices based on self-imaging: Principles and applications，"J．Lightwave Technol．，vol．13，1995，IEEE，pp．615-627 Y．Sakamaki，T．Saida，T．Hashimoto，and H．Takahashi，"New Optical Waveguide Design Based on Wavefront Matching Method"，J．Lightwave Technology，vol．25，No．11，Nov．2007，IEEE，pp．3511-3518
図２に、従来のモードカプラを用いたＲＧＢカプラの透過スペクトルの一例を示す。Ｒ光（点線）の透過帯域は前述の条件を十分に満たすが、Ｂ光（破線）、Ｇ光（実線）の透過帯域は狭く、特に、伝搬損失１ｄＢ以内となるＧ光の透過帯域は約２５ｎｍ幅しかない。そこで、Ｂ光に必要な帯域を確保しつつ、Ｇ光を広帯域に合波するＲＧＢカプラが必要となる。
本発明の目的は、光の透過帯域を拡大した光合波器と、これを用いて青（Ｂ）光と緑（Ｇ）光の透過帯域を拡大したＲＧＢカプラを提供することにある。
本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、シングルモードの２本の入力導波路が間隔をおいて接続されたマルチモード導波路と、前記マルチモード導波路の前記入力導波路が接続された面と対向する面に間隔をおいて接続されたシングルモードの２本の出力導波路とから構成される光合波器であって、前記マルチモード導波路の幅は、２本の前記入力導波路の幅とその間隔を足した幅より細く、前記入力導波路の一方に入力された第１の波長の光と、前記入力導波路の他方に入力された第２の波長の光とが、前記マルチモード導波路において０次と１次のモードのみを発生するように、かつ、前記マルチモード導波路の実効幅の波長に対する変化量が、前記第１の波長と前記第２の波長の間の波長において一定となるように設定され、前記入力導波路と前記マルチモード導波路との間および前記マルチモード導波路と前記出力導波路との間は、テーパー導波路により接続されていることを特徴とする。
本発明によれば、マルチモード導波路の幅を細くすることにより、光の透過帯域を拡大することが可能となる。
従来のモードカプラを用いたＲＧＢカプラの構成を示す図である。 従来のモードカプラを用いたＲＧＢカプラの透過スペクトルの一例を示す図である。 ＭＭＩの基本原理を説明するための図である。 ＭＭＩのマルチモード（ＭＭ）導波路における光強度パターンを示す図である。 ＭＭＩを用いた波長合波器の原理を説明するための図である。 波長とセルフイメージング長との関係を示す図である。 本発明の第１の実施形態にかかるＭＭＩの構造を示す図である。 第１の実施形態のＭＭＩにおける光強度パターンを示す図である。 第１の実施形態のＭＭＩの透過スペクトルの一例を示す図である。 波面整合法（ＷＦＭ）を適用するＭＭＩの領域を示す図である。 ＷＦＭを適用したＭＭＩの透過スペクトルの一例を示す図である。 ＭＭ導波路の長さと透過率との関係を示す図である。 本発明の第２の実施形態にかかるＲＧＢカプラの構造を示す図である。 第２の実施形態のＲＧＢカプラの透過スペクトルの一例を示す図である。 本発明の第３の実施形態にかかるＲＧＢカプラの構造を示す図である。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。最初に、マルチモード干渉計（Multimode Interference：ＭＭＩ）をベースとした光カプラについて説明する（非特許文献５参照）。
図３を参照して、ＭＭＩの基本原理を説明する。ＭＭＩは、シングルモード（ＳＭ）の２本の入力導波路（ＩＮ）が接続されたマルチモード（ＭＭ）導波路と、入力導波路が接続された面と対向する面に接続されたシングルモード（ＳＭ）の２本の出力導波路（ＯＵＴ）とから構成される。
図４に、ＭＭＩのマルチモード（ＭＭ）導波路における光強度パターンを示す。グレースケールで表された光強度は、黒い部分が高く、薄い灰色の部分が低く表されている。例えば、ＳＭ入力導波路のPort 1から入力された光は、ＭＭ導波路内で各モードに展開され、モード間の伝搬定数差によって、セルフイメージングを繰り返す。光の伝搬方向において、周期的な光強度の変化の一周期に相当するセルフイメージング長Ｌπは、以下の式で表される。
Figure 0007172271000001
Figure 0007172271000002
ここで、βn：ｎ次モードの伝搬定数、ｎr：コアの屈折率、ｎc：クラッドの屈折率、Ｗe：ＭＭ導波路の実効幅、ＷM：ＭＭ導波路の導波路幅、λ0：波長、σ：０（ＴＥ），１（ＴＭ）である。ＭＭ導波路内において、所望の波面となるところにＳＭ出力導波路を接続する。例えば、図４の（３Ｌπ）／２のところに、ＳＭ出力導波路（ＯＵＴ）のPort 1およびPort 2を接続することにより、２分岐のスプリッタとして使用することができる。
図５を参照して、ＭＭＩを用いた波長合波器の原理を説明する。セルフイメージング長Ｌπが波長依存性を有することから、ＭＭ導波路の長さを適切な長さに設定することにより、波長合波器を実現する。例えば、ＳＭ入力導波路（ＩＮ）のPort 1にＧ光（実線）を入力し、ＳＭ入力導波路（ＩＮ）のPort 2からＢ光（破線）を入力したとき、ＭＭ導波路の長さを、Ｇ光のセルフイメージング長の半周期の整数倍（４倍）かつＢ光のセルフイメージング長の半周期の整数倍（３倍）となるように設定する。その結果、ＳＭ出力導波路（ＯＵＴ）のPort 1からＧ光とＢ光とが合波されて出力される。
（第１の実施形態）
式（１），（２）から、ＭＭ導波路の実効幅Ｗeの変化と、波長λ0を釣り合わせることにより、すなわち、
Figure 0007172271000003
とすることにより、波長が変化した時のセルフイメージング長Ｌπの変動が抑えられるため、広帯域化を実現することができる。しかしながら、通常のＭＭＩでは、Ｗeの増加は、波長の増加に対して緩やかであり、波長が長くなるほどＬπは、単調に短くなる。従って、従来の設計法では、式（３）を満たすことができない。
発明者らは、ＭＭ導波路を細めて光のしみ出しによるＷeの増加を利用することにより、所望の波長において式（３）を満たすことを見出した。すなわち、波長の変化に対して、Ｗeの変化が単調ではなくなり、セルフイメージング長の変動が少ない領域を得られることができ、広帯域化を実現することができる。
図６に、波長とセルフイメージング長との関係を示す。ＭＭＩではモード間の伝搬定数差を利用して光を合波するため、ＭＭ導波路の幅を細めたとしても、少なくとも２つのモードが励振できる導波路幅が必要である。そこで、ＭＭ導波路の実効幅Ｗeを変えた時の、０次と１次の伝搬定数を数値計算により求め、そこから波長λ0とセルフイメージング長Ｌπとの関係を算出した。計算においては、ＭＭＩを構成するＰＬＣのコア膜厚２．０μｍ、比屈折率差Δ＝０．７７％とし、ＭＭ導波路の幅を変えて計算した。図６に示した結果から、各導波路幅の曲線の変曲点付近における波長において、式（３）を満たすことになる。
図７に、本発明の第１の実施形態にかかるＭＭＩの構造を示す。図５に示したＭＭＩと同様に、Ｇ光とＢ光とを合波する。ＭＭＩは、シングルモード（ＳＭ）の２本の入力導波路（ＩＮ）が間隔をおいて接続されたマルチモード（ＭＭ）導波路と、マルチモード導波路の入力導波路が接続された面と対向する面に間隔をおいて接続されたシングルモード（ＳＭ）の２本の出力導波路（ＯＵＴ）とから構成される。図６において、Ｇ光の波長（５２３．５ｎｍ）とＲ光の波長（６３０ｎｍ）の間、波長６００ｎｍ付近に変曲点がある導波路幅とし、ＭＭ導波路の幅は、３μｍとした。Ｇ光の波長付近に変曲点があると、Ｂ光（波長４６７ｎｍ）とＧ光との間のセルフイメージング長の差が小さいので、前述したように、セルフイメージング長の周期を合わせるのに必要なＭＭ導波路の長さが非常に長くなるからである。
ＭＭ導波路の長さは、１８３０μｍとした。ＳＭ導波路の幅は３．５μｍであり、ＳＭ入力導波路の間隔およびＳＭ出力導波路の間隔は０．７μｍとした。ＭＭ導波路の幅は、ＳＭ導波路の幅とその間隔を足した幅より細いため、ＳＭ入力導波路とＭＭ導波路との間およびＭＭ導波路とＳＭ出力導波路との間を、長さ１００μｍのテーパー導波路によって接続する。
ＳＭ入力導波路（ＩＮ）のPort 1にＧ光を入力し、ＳＭ入力導波路（ＩＮ）のPort 2からＢ光を入力したとき、ＭＭ導波路では、Ｇ光とＢ光の０次と１次のモードのみが発生し、セルフイメージングを繰り返した後、ＳＭ出力導波路（ＯＵＴ）のPort 1からＧ光とＢ光とが合波されて出力される。
図８に、第１の実施形態のＭＭＩにおける光強度パターンを示す。図８（ａ）は波長５２０ｎｍ、図８（ｂ）は波長５７０ｎｍ、図８（ｃ）は波長６２０ｎｍの場合を示す。ＳＭ入力導波路（ＩＮ）のPort 1から入射した光は、セルフイメージングを繰り返し、ＳＭ出力導波路（ＯＵＴ）のPort 1から出力される。このとき、どの波長においても、セルフイメージングの回数は同じである。
図９に、第１の実施形態のＭＭＩの透過スペクトルの一例を示す。波長４５５～４７５ｎｍおよび波長５２０～６３５ｎｍにおいて、伝搬損失が約１ｄＢ以下となっている。Ｇ光（実線）の透過帯域は、Ｒ光の波長にかけてほぼ同じ透過特性を示していることが分かる。このように、ＭＭ導波路の幅を細めて、所望の波長において式（３）を満たすことにより、透過帯域が拡大された光合波器を実現することができる。
図７で示したＭＭＩは、Ｇ光の波長（５２３．５ｎｍ）から長波長側に対しては広帯域化されているが、短波長側に対して帯域が狭い。また、Ｂ光（破線）の透過帯域の幅も不足している。そこで、光の進行方向に沿ってＭＭ導波路の屈折率分布を変化させることにより、全体的な透過率向上を実現する。この手法は、例えば、非特許文献６に記載されているように、波面整合法（Wavefront matching method：ＷＦＭ）を用いて、導波路幅を変調することにより、屈折率分布の具体的な形状を算出することができる。
ＷＦＭは、ある入出力条件（境界条件）をもつ光回路に対して、入力側から伝搬していく光（順方向伝搬）と、出力側から伝搬していく光（逆方向伝搬）の波面とを整合させるように屈折率分布（導波路構造）を決定する手法である。所望の境界条件に対して、回路の透過率を最大化させる屈折率分布を算出するシミュレーション技法であり、ＰＬＣ設計において大きな実績をもつ手法である。
具体的にＷＦＭを用いて、透過率向上を目的とする屈折率分布を算出するには、例えば、ビーム伝搬法（ＢＰＭ）を用いて、ＳＭ入力導波路からテーパー導波路への入力端から所望の入力モードフィールドをもつ光を順方向に伝搬させ、テーパー導波路からＳＭ出力導波路への出力端から所望の出力モードフィールドをもつ光を逆方向に伝搬させ、ＭＭ導波路内の任意の点において、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により、伝搬損失を低減する屈折率分布を決定することができる。
図１０（ａ）に、波面整合法を適用するＭＭＩの領域を示す。ＭＭ導波路とテーパー導波路の初期屈折率分布、すなわち一様な屈折率分布に対して、例えば、次の境界条件を設定する。ＳＭ入力導波路（ＩＮ）のPort 1において波長５００、５２０、５４０ｎｍの０次モードを、ＳＭ入力導波路（ＩＮ）のPort 2において波長４３０，４５０，４７０，４９０ｎｍの０次モードを、およびＳＭ出力導波路（ＯＵＴ）のPort 1において前述の７つの波長の０次モードを境界条件として設定する。ＷＦＭによる最適化は、順方向伝搬おび逆方向伝搬を、それぞれ１０回繰り返した。
図１０（ｂ）に、ＷＦＭを実行して得られた結果を示す。前述の境界条件でＷＦＭを実行することにより、光の進行方向に沿ってＷＦＭ適用領域の導波路幅が変調され、所望の屈折率分布が得られる。
図１１に、ＷＦＭを適用したＭＭＩの透過スペクトルの一例を示す。図１１（ａ）は、図２に示した従来のモードカプラを用いたときの透過スペクトルであり、図１１（ｂ）は、図９に示した第１の実施形態のＭＭＩの透過スペクトルである。図１１（ｃ）は、第１の実施形態のＭＭＩに、さらにＷＦＭを適用したＭＭＩの透過スペクトルである。ＷＦＭにより、Ｇ光（実線）およびＢ光（破線）の透過帯域が拡大するとともに、透過帯域の透過率も向上していることがわかる。
ＷＦＭを適用したＭＭＩは、前述したＧ：５２３．５±１８．５ｎｍ、Ｂ：４６７ｎｍ±１０ｎｍにおいて、伝搬損失１．０ｄＢ以下のＧＢカプラを実現することができる。さらに、ＷＦＭによる屈折率分布の変調により、波長によるセルフイメージング長の差が大きくなるように最適化されていると考えられ、ＭＭ導波路の長さも短縮できるという効果が得られる。
図１２に、ＭＭ導波路の長さと透過率との関係を示す。ＭＭ導波路の長さと透過率とはトレードオフの関係にあるため、ＭＭ導波路の長さを変えてＷＦＭを実行した場合の、波長４６５ｎｍと５１５ｎｍの透過率をそれぞれ示す。本実施形態で示した波長の設定、ＭＭＩの構成は一例であり、数値限定されるものでないことは言うまでもない。
（第２の実施形態）
図１３に、本発明の第２の実施形態にかかるＲＧＢカプラの構造を示す。第１の実施形態で示したＭＭＩをＧＢカプラ１とし、その後段にＲ光を合波するための導波路２とモードカプラ３とを配置する。モードカプラ３の構成は、図１に示したモードカプラＢ（非特許文献４参照）と同じである。
図１４に、第２の実施形態のＲＧＢカプラの透過スペクトルの一例を示す。Ｒ光（点線）、Ｂ光（破線）およびＧ光（実線）のそれぞれは、前述したＲ＝６３０±１０ｎｍ、Ｇ＝５２３．５±１８．５ｎｍ、Ｂ＝４６７±１０ｎｍにおいて伝搬損失１ｄＢ以内であり、所望の透過帯域を有するＲＧＢカプラを実現することができる。
（第３の実施形態）
図１５に、本発明の第３の実施形態にかかるＲＧＢカプラの構造を示す。第１の実施形態で示したＭＭＩをＧＢカプラ１とし、その後段にＲ光を合波するための導波路２と方向性結合器４とを配置することにより、ＲＧＢカプラを実現することもできる。
１ ＧＢカプラ
２ 導波路
３ モードカプラ
４ 方向性結合器

Claims (5)

  1. シングルモードの２本の入力導波路が間隔をおいて接続されたマルチモード導波路と、前記マルチモード導波路の前記入力導波路が接続された面と対向する面に間隔をおいて接続されたシングルモードの２本の出力導波路とから構成される光合波器であって、
    前記マルチモード導波路の幅は、２本の前記入力導波路の幅とその間隔を足した幅より細く、前記入力導波路の一方に入力された第１の波長の光と、前記入力導波路の他方に入力された第２の波長の光とが、前記マルチモード導波路において０次と１次のモードのみを発生するように、かつ、前記マルチモード導波路の実効幅の波長に対する変化量が、前記第１の波長と前記第２の波長の間の波長において一定となるように設定され、
    前記入力導波路と前記マルチモード導波路との間および前記マルチモード導波路と前記出力導波路との間は、テーパー導波路により接続されていることを特徴とする光合波器。
  2. 前記マルチモード導波路と前記テーパー導波路の幅は、光の伝搬方向に沿って変化し、
    前記入力導波路から前記テーパー導波路への入力端から所望の入力モードフィールドをもつ光を順方向に伝搬させ、前記テーパー導波路から前記出力導波路への出力端から所望の出力モードフィールドをもつ光を逆方向に伝搬させ、前記マルチモード導波路内の任意の点において、２つの光の波面が整合するように導波路の幅が変化していることを特徴とする請求項１に記載の光合波器。
  3. 前記入力導波路の一方に入力される第１の波長の光は、波長４６７±１０ｎｍの青光であり、前記入力導波路の他方に入力された第２の波長の光は、波長５２３．５±１８．５ｎｍの緑光であることを特徴とする請求項１または２に記載の光合波器。
  4. 請求項３に記載の光合波器と、
    前記出力導波路の一方に接続されたモードカプラとを備え、
    前記モードカプラに結合される入力導波路に第３の波長の光である６３０±１０ｎｍの赤光が入力されることを特徴とするＲＧＢカプラ。
  5. 請求項３に記載の光合波器と、
    前記出力導波路の一方に接続された方向性結合器とを備え、
    前記方向性結合器の入力導波路に第３の波長の光である６３０±１０ｎｍの赤光が入力されることを特徴とするＲＧＢカプラ。
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