JPH0651143A - 曲り導波路 - Google Patents

曲り導波路

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JPH0651143A
JPH0651143A JP20540592A JP20540592A JPH0651143A JP H0651143 A JPH0651143 A JP H0651143A JP 20540592 A JP20540592 A JP 20540592A JP 20540592 A JP20540592 A JP 20540592A JP H0651143 A JPH0651143 A JP H0651143A
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JP
Japan
Prior art keywords
waveguide
substrate
optical waveguide
length
section
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP20540592A
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English (en)
Inventor
Toshio Yamamoto
敏雄 山本
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】製造誤差や温度変化による曲率半径の変化に対
して、導波特性の変化の少ない曲がり導波路を提供す
る。 【構成】曲がり導波路は、基板上に有限の曲率半径をも
って設けられた光導波路であって、光導波路の断面の基
板に平行な方向の長さの最大値が光導波路と基板とが接
している部分の長さより大きい。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は曲がり導波路に関する。
【0002】
【従来の技術】曲り導波路に限らず一般に導波路は、基
板の表面に垂直な境界面を有している。例えば図17に
示すように、リッジ形の導波路は基板の表面に垂直な側
壁を有している。また、導波路の幅は、曲がりによって
伝搬定数が変化する程度に狭い。
【0003】曲がり導波路の一種であるリング導波路に
限っては、図18に示すように、媒質の屈折率変化でな
く、側壁の曲がりによって光の閉じ込めを行なう円盤状
導波路も使用されている。このような導波モードはウィ
スパリング・ギャラリー・モードと呼ばれている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上述した曲がり導波路
では、曲率半径の異なる部分の接続点近傍で電磁場分布
が異なることに由来する損失が発生する。また、上述し
た曲がり導波路では、製造誤差による断面形状の変化
は、導波特性に影響を与える。
【0005】一方、円盤状導波路は、導波路幅に相当す
る製造変数がないため製造誤差により導波特性が影響を
受けることは少なく、リング導波路よりも安定している
が、円形導波路に比べて占有面積が大きいためデバイス
の微細化の面で不利である。
【0006】本発明の目的は、曲率半径の変化点近傍に
おける損失の少ない曲がり導波路を提供することにあ
る。
【0007】本発明の別の目的は、製造誤差による断面
形状の変化に対して、導波特性の変化の少ない曲がり導
波路を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の曲がり導波路
は、基板上に有限の曲率半径をもって設けられた光導波
路であって、前記光導波路の断面の基板に平行な方向の
長さの最大値が前記光導波路と前記基板とが接している
部分の長さより大きいことを特徴とする。
【0009】本発明の別の曲がり導波路は、基板上に有
限の曲率半径をもって設けられた光導波路であって、前
記光導波路の断面の基板に平行な方向の長さが前記光導
波路と前記基板とが接している部分の長さより小さい部
分を有することを特徴とする。
【0010】本発明の更に別の曲がり導波路は、基板上
に有限の曲率半径をもって設けられた光導波路であっ
て、前記光導波路の断面の基板に平行な方向の長さの最
大値が、前記光導波路の断面の基板に平行な方向の長さ
と伝搬係数の関係において、伝搬係数が略一定値を示す
区間内にある値を有することを特徴とする。
【0011】
【作用】本発明の曲がり導波路では、曲がり導波路の中
心線と光強度の最大となる点の間隔が比較的狭くなる。
【0012】本発明の別の曲がり導波路では、製造誤差
などにより断面形状が変化した際の伝搬定数の変化が少
ない。
【0013】本発明の更に別の曲がり導波路では、製造
誤差により幅が変化しても伝搬定数は変化しない。特に
円形導波路の場合、その伝搬モードは円盤状導波路と同
じウィスパリング・ギャラリー・モードとなる。
【0014】
【実施例】導波路内における光すなわち電磁波のマクス
ウェル(Maxwell)方程式は次式で表わされる。
【0015】
【数1】 図1に示す断面構造に対して(1)式を有限要素法によ
り解き、L=−0.5,0.0,0.5,1.0の各々
について、曲がり導波路の中心線の曲率半径Rに対する
光強度最大点の外側への移動量Dを求めた結果を図3に
示す。ここで、光強度最大点の移動量Dは、曲がり導波
路の中心線と光強度の最大となる点との間の距離であ
る。
【0016】図3において、移動量Dは全ての曲率半径
Rにおいて、L=−0.5のときのものがL=0のとき
のものよりも小さい。また、直線導波路すなわちR=∞
ではもちろんD=0であり、導波路の接続では電磁場の
分布が近いほど損失が少ないことを考慮すると、直線部
と曲がり部の接続部近傍における損失は、図6の通常の
導波路に比べて、図5に示す導波路の方が少ない。ここ
では、図1の構造に対する数値計算結果のみを示した
が、これは図1の構造に限らず、幅の最大値が底面での
幅よりも大きい構造全般についても言える。例えば、図
9の(A)〜(L)に示す構造が考えられる。
【0017】図1に示す断面構造に対して(1)式を有
限要素法により解き、L=−0.5,0.0,0.5,
1.0の各々について、曲がり導波路の中心線の曲率半
径Rに対する伝搬定数βを求めた結果を図4に示す。こ
こで、伝播定数βはν/Rで与えられる。
【0018】図4のグラフにおいて、一般にLが変化す
るとβは変化するが、L=0.5とL=1.0のときで
はグラフがほぼ重なっており、L=0とL=0.5のと
きに比べて変化が極めて小さい。従って、図1の構造に
おいて、0.5<L<1.0である曲り導波路では、製
造誤差等によりLが変化した場合でも重要な特性パラメ
ータである伝搬定数βは、通常の距形の構造(L=0)
に比べて変化が小さく安定である。ここでは、図1の構
造に対する数値計算結果のみを示したが、これは図1の
構造に限らず、光導波路の断面の基板に平行な方向の長
さが、光導波路と基板とが接している部分の長さより小
さい部分を有する構造全般についても言える。例えば、
図10の(A)〜(L)に示す構造が考えられる。
【0019】伝搬定数βの安定化が望まれる光学素子の
一つに、特願平3−211133において提案した円形
導波路を有する光結合器がある。そこで、この光結合器
の円形導波路に本発明の導波路の適用した実施例につい
て説明する。本実施例では、伝搬定数は安定する反面、
導波路が曲がっているために生じる円形導波路の外側へ
の輻射による損失は大きくなる。そこで、この輻射光を
円形導波路上のグレーティングから輻射された光に結合
するグレーティングを円形導波路の外側にも設けてあ
る。以下では、まず特願平3−211133の光結合器
について説明し、次に本実施例について説明する。
【0020】この光結合器は、図11に示すように、円
形導波路12と、その近傍に延びた直線導波路14とを
有している。この直線導波路14の内部に光を伝搬させ
ると、円形導波路12の内部に光が励起される。円形導
波路12の上面にはグレーティング12aが形成されて
いる。このグレーティング12aは、光が一周したと
き、光の位相とグレーティングの位相が2πずれるよう
な周期を有している。このような構成においては、ある
時刻で点Aからの出力が最大であるとすると、その中心
対称の位置である点Cからの出力も最大となる。また、
光とグレーティングの位相差Δφは、円形導波路上の各
点A〜Dにおいて図12に示すように変化する。従っ
て、最大出力の二点は、時間の経過と共に円形導波路上
を回転して行く。この結果、円形導波路12からは円偏
光が輻射される。
【0021】本実施例の光結合器は、図15に示すよう
に、円形導波路62と、これに光を導入するための直線
導波路64を基板66の上に有している。円形導波路6
2と直線導波路64は共にガラス製であり、(C)に示
すように台形形状の断面を有している。円形導波路62
の上面にはグレーティング68が形成されている。ま
た、基板66の上面には別のグレーティング70が設け
られている。このグレーティング70は、円形導波路1
2の上面に設けたグレーティング12aと同数の歯を有
しており、その半径方向の周期は、任意の半径の円から
の各出力が強め合うように、外側への輻射光の位相変化
の周期と一致している。その周期は一定でなく、数式を
用いて以下のように表現される。
【0022】図13に示す座標系において、電場の強さ
が次式で表わされるとする。
【0023】
【数2】 ここにf(r)は複素関数である。これに対してグレー
ティングの高さは、次の様に表わされる。
【0024】
【数3】 こに、μ−ν=1である。また、関数h(x)は、xの
位相をグレーティングの高さに変換する関数である。通
常、グレーティングはステップ状であり、h(x)は図
14に示すように二値関数となる。
【0025】ここで、任意の点Pを考え、その座標を
(rp ,θp )とする。ある時刻に点Pからの出力が最
大とすると、点Pの原点Oに対して対称な点である点Q
(rp,θp +π)からの出力も最大となり、原点Oを
通り紙面に垂直な軸上において点Pと点Qからの出力は
強め合う。
【0026】次に、(rs ,θp )なる座標の点Sを考
える。このときArg(f(rp ))=Arg(f(r
s ))であれば、点Sからの出力は点Pからの出力と同
位相である。ここでArg(z)は複素数の偏角を示
し、Z=|Z|・exp(iArg(Z))と表わされ
る。従って、紙面から充分離れた軸上の点では、点Pと
点Sからの出力は強め合う。
【0027】上述した点P,Q,Sに限らず、任意の点
からの全ての出力を足し合わせると、軸上の充分離れた
点では円偏光が得られる。
【0028】なお、一般的にf(r)に対して、ハンケ
ル(Hankel)関数での近似が妥当である。
【0029】本実施例の光結合器では、円形導波路62
の外側への輻射光はグレーティング70により、円形導
波路62の上面のグレーティング68から輻射された光
と同様に、図15(A)を含む面の外側への放射光に結
合されるため、導波路の曲がりによる輻射損失は問題に
ならない。また、断面が台形の導波路は伝搬定数が安定
しているので、導波路内部における伝搬モードが製造誤
差等の原因で設計からずれるようなことが少なくなる。
従って、グレーティングとの不整合により生じる結合効
率の大きな低下を招くことが少なくなる。
【0030】続いて、図7に示す断面構造の曲り導波路
に対して(1)式を有限要素法を用いて解き、角伝搬定
数νの変化を計算したものを図8に示す。図8のグラフ
において、横軸は図7に示すように導波路の幅Wであ
り、縦軸は(ν0 −ν)/ν0である。ここに、ν0
W=Rすなわち円盤構造のときのνである。このグラフ
は任意の曲り導波路に対して数値計算によって得ること
ができる。グラフから分かるように、Wが所定値(W0
とする)以上に大きくなると、(ν0 −ν)/ν0 すな
わちνは変化しなくなる。すなわち、所定値W0 よりも
広い幅を有している曲り導波路は、製造誤差等の影響に
よってWが変化しても伝搬定数が変化することなく安定
である。従って、所定値W0 に製造誤差を加えた値以上
の幅で導波路を設計した場合、その内部での伝搬モード
がWの製造誤差の影響を受けて変わるようなことはなく
なる。図16に示すような断面形状を持った曲がり導波
路においても、同様の数値計算により、それぞれW0
求めW>W0 なる幅を持たせることにより、製造誤差等
による幅の変化に対して安定な曲がり導波路を得ること
ができる。
【0031】
【発明の効果】本発明の曲り導波路によれば、光強度が
最大となる点の中心からのずれが少ないので、曲率が一
様でない導波路において、曲率半径変化点でのモード変
換損失も少なくなる。
【0032】本発明の別の曲がり導波路によれば、製造
誤差による断面形状の変化に対する伝搬定数すなわち導
波特性の変化が少なくなる。
【0033】本発明の更に別の曲がり導波路によれば、
製造誤差により幅が変化しても伝搬定数が変化しない。
特に円形導波路の場合、その伝搬モードは円盤状導波路
と同じウィスパリング・ギャラリー・モードとなるが、
円盤状導波路と異なり中心部分に他の構造物を設けるこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】曲がり導波路の断面構造を示す。
【図2】導波路内における光のマクスウェル方程式を考
える際の座標系を示す。
【図3】曲率半径に対する導波路内の光強度が最大とな
る点の中心からの距離の変化を示すグラフである。
【図4】曲率半径に対する伝搬定数の変化を示すグラフ
である。
【図5】本発明の曲がり導波路の上面図(A)と断面図
(B)である。
【図6】通常の曲がり導波路の上面図(A)と断面図
(B)である。
【図7】幅と角伝搬定数の関係を考察する際に設定した
曲がり導波路の断面構造と各パラメーターを示す。
【図8】図7の断面構造の曲がり導波路における幅と角
伝搬定数の関係を示すグラフである。
【図9】本発明の曲がり導波路の実施例の断面構造を示
す。
【図10】本発明の別の曲がり導波路の実施例の断面構
造を示す。
【図11】特願平3−211133で提案した円形導波
路を有する光結合器を示す。
【図12】図11の各点A〜Dにおける位相差の変化を
示す。
【図13】円形導波路の外側に設けるグレーティングを
考察するために設ける座標系を示す。
【図14】円形導波路の外側に設けるグレーティングの
高さを示すグラフである。
【図15】本発明の曲がり導波路を用いた円形導波路を
有する光結合器の上面図(A)と側面図(B)と導波路
の断面図(C)である。
【図16】本発明の更に別の曲がり導波路の実施例の断
面構造を示す。
【図17】通常の曲がり導波路の断面形状を示す。
【図18】円盤状導波路を示す図で、(A)は上面図、
(B)は側断面図である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上に有限の曲率半径をもって設けら
    れた光導波路であって、前記光導波路の断面の基板に平
    行な方向の長さの最大値が前記光導波路と前記基板とが
    接している部分の長さより大きいことを特徴とする曲が
    り導波路。
JP20540592A 1991-08-22 1992-07-31 曲り導波路 Withdrawn JPH0651143A (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP20540592A JPH0651143A (ja) 1992-07-31 1992-07-31 曲り導波路
US07/932,971 US5274720A (en) 1991-08-22 1992-08-20 Optical system having a ring-shaped waveguide

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP20540592A JPH0651143A (ja) 1992-07-31 1992-07-31 曲り導波路

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH0651143A true JPH0651143A (ja) 1994-02-25

Family

ID=16506297

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP20540592A Withdrawn JPH0651143A (ja) 1991-08-22 1992-07-31 曲り導波路

Country Status (1)

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JP (1) JPH0651143A (ja)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009137310A3 (en) * 2008-05-06 2010-03-18 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Optical waveguides and methods of making the same
JP2011112973A (ja) * 2009-11-28 2011-06-09 Kyocera Corp 光導波路部材
JP2011145494A (ja) * 2010-01-15 2011-07-28 Yazaki Corp 曲げ光導波路構造体、光送受信モジュール、及び光コネクタモジュール

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JP2011145494A (ja) * 2010-01-15 2011-07-28 Yazaki Corp 曲げ光導波路構造体、光送受信モジュール、及び光コネクタモジュール

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Legal Events

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A300 Withdrawal of application because of no request for examination

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Effective date: 19991005