JPH08160233A - 集積光学素子 - Google Patents
集積光学素子Info
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- JPH08160233A JPH08160233A JP7142369A JP14236995A JPH08160233A JP H08160233 A JPH08160233 A JP H08160233A JP 7142369 A JP7142369 A JP 7142369A JP 14236995 A JP14236995 A JP 14236995A JP H08160233 A JPH08160233 A JP H08160233A
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-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
- G02B6/125—Bends, branchings or intersections
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 パワー分布比を系統的に一様に設定できるよ
うな光学素子を提供する。 【構成】 単一モード導波路(1)と、Y分岐部(2)
とを有し、導波路(1)に側方オフセット(d)が与え
られている集積光学構造。湾曲した導波管(1)を使用
した場合、特に有益である。パワー分布比を設定するの
に適する。ガラス中のイオン交換素子と共に、また、波
長多重化でも使用。
うな光学素子を提供する。 【構成】 単一モード導波路(1)と、Y分岐部(2)
とを有し、導波路(1)に側方オフセット(d)が与え
られている集積光学構造。湾曲した導波管(1)を使用
した場合、特に有益である。パワー分布比を設定するの
に適する。ガラス中のイオン交換素子と共に、また、波
長多重化でも使用。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、単一モード導波路と、
Y分岐部とから構成されている集積光学構成に関する。
それらは10°の奥行と幅を有し、主としてガラス中の
イオン交換によって製造される。
Y分岐部とから構成されている集積光学構成に関する。
それらは10°の奥行と幅を有し、主としてガラス中の
イオン交換によって製造される。
【0002】
【従来の技術】遠隔通信技術においては、そのような構
成を1×Nの、たとえば、1×16の分岐構造を個別の
チップに集積している。これは約30mmの長さを有して
いる。一方では、最小限のパワー損失と、様々な射出口
に至るパワー分布の高度の一様性とが要求されるが、他
方では、狭い領域の中での高レベルの集積も要求され
る。この高レベルの集積を得るには、導波路の曲率半径
をできる限り小さくし且つ湾曲接合部を多数設けること
が必要であり、それらは共にパワーの損失を増加させる
要因である。パワー分布の一様性を実現するためには、
先行する導体部分をも含めて、基本Y分岐部をできる限
り対称の構造にしなければならず、これにより、湾曲の
条件はより一層難しくなる。
成を1×Nの、たとえば、1×16の分岐構造を個別の
チップに集積している。これは約30mmの長さを有して
いる。一方では、最小限のパワー損失と、様々な射出口
に至るパワー分布の高度の一様性とが要求されるが、他
方では、狭い領域の中での高レベルの集積も要求され
る。この高レベルの集積を得るには、導波路の曲率半径
をできる限り小さくし且つ湾曲接合部を多数設けること
が必要であり、それらは共にパワーの損失を増加させる
要因である。パワー分布の一様性を実現するためには、
先行する導体部分をも含めて、基本Y分岐部をできる限
り対称の構造にしなければならず、これにより、湾曲の
条件はより一層難しくなる。
【0003】ドイツ特許第2916961号は、典型的
な直径が80μmである多重モード光誘導ファイバのブ
ランチを説明しており、この場合、光誘導ファイバはジ
ャンプ接合される。入射ファイバから連続するファイバ
及び分岐ファイバへの幾何学的伝送の係数は、ファイバ
のコアの重複面積と入射ファイバの全コア表面との比と
して求められる(図4)。太い多重モードファイバでは
波の光学的効果は重要ではなく、また、入射ファイバの
可能湾曲も重大なものではない。オフセットは分岐位置
で実現されるが、特に湾曲している、入力導波路と分岐
素子との間の先行する接合部ではオフセットは実現され
ない。
な直径が80μmである多重モード光誘導ファイバのブ
ランチを説明しており、この場合、光誘導ファイバはジ
ャンプ接合される。入射ファイバから連続するファイバ
及び分岐ファイバへの幾何学的伝送の係数は、ファイバ
のコアの重複面積と入射ファイバの全コア表面との比と
して求められる(図4)。太い多重モードファイバでは
波の光学的効果は重要ではなく、また、入射ファイバの
可能湾曲も重大なものではない。オフセットは分岐位置
で実現されるが、特に湾曲している、入力導波路と分岐
素子との間の先行する接合部ではオフセットは実現され
ない。
【0004】ドイツ特許第3107112号及びE.
G.New−mannのIEE Proc.Vol12
9,pt.H.,No.5(1982年10月)の27
8〜280ページからは、湾曲の異なる導波路の間の接
合部における損失を側方オフセットで減少できることが
わかっている。これは、1つの導波路の中を進んで行く
波の基本モードの最大値は導波路の半径が減少したとき
に周囲へ移動することによって説明される。導波路のオ
フセットにより、湾曲の異なる導波路の接合部に結果と
して現れるモードの不一致を補正できる。例として、ス
ラブ導波路、条片導波路及びファイバが挙げられてい
る。
G.New−mannのIEE Proc.Vol12
9,pt.H.,No.5(1982年10月)の27
8〜280ページからは、湾曲の異なる導波路の間の接
合部における損失を側方オフセットで減少できることが
わかっている。これは、1つの導波路の中を進んで行く
波の基本モードの最大値は導波路の半径が減少したとき
に周囲へ移動することによって説明される。導波路のオ
フセットにより、湾曲の異なる導波路の接合部に結果と
して現れるモードの不一致を補正できる。例として、ス
ラブ導波路、条片導波路及びファイバが挙げられてい
る。
【0005】同じことは、エッチングによって形成され
た、角の尖った条片導波路との非接触2×2カプラの例
を使用している日本特許第4−131806A号や、米
国特許第5247594号の図20の中に記載されてい
る。米国特許第5247594号はイオン拡散ガラス導
波路にも言及している。
た、角の尖った条片導波路との非接触2×2カプラの例
を使用している日本特許第4−131806A号や、米
国特許第5247594号の図20の中に記載されてい
る。米国特許第5247594号はイオン拡散ガラス導
波路にも言及している。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、パワ
ー分布比を系統的に、特に一様に(1:1)設定できる
ような集積光学素子を提供することである。
ー分布比を系統的に、特に一様に(1:1)設定できる
ような集積光学素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】この目的は、Y分岐部に
導波路に対して側方オフセットが与えられている特許請
求の範囲に指定の構成により達成される。驚くべきこと
には、Y分岐部の接合部で側方オフセットを実現する場
合、側方オフセットによる損失の減少がわかっていると
きには、その減少の割合を使用して分布比も先希望の通
りに設定できることがわかっていた。
導波路に対して側方オフセットが与えられている特許請
求の範囲に指定の構成により達成される。驚くべきこと
には、Y分岐部の接合部で側方オフセットを実現する場
合、側方オフセットによる損失の減少がわかっていると
きには、その減少の割合を使用して分布比も先希望の通
りに設定できることがわかっていた。
【0007】イオン交換によって導波路を製造する場合
には、製造に際して使用するリソグラフィ用マスクが急
なオフセットを示すとしても、導波路の角は鋭く尖ら
ず、側方オフセットは急な変化を表わさないので、これ
は特に驚くべき効果をもたらす。Y分岐素子自体は。本
発明によれば、変更のないままである。
には、製造に際して使用するリソグラフィ用マスクが急
なオフセットを示すとしても、導波路の角は鋭く尖ら
ず、側方オフセットは急な変化を表わさないので、これ
は特に驚くべき効果をもたらす。Y分岐素子自体は。本
発明によれば、変更のないままである。
【0008】特に、光導体がほとんど湾曲を示していな
いときであっても、先に挙げた論文の中でNew−ma
nnが説明している損失は無視しうるほど小さい場合で
も、モードフィールド不一致の補正は後続するY分岐部
の一様性に対して有益な効果を及ぼすことが認められ
た。縦続形分岐素子の構造では非一様性が増加してしま
うので、そのような構造においては補正は特に重要であ
る。たとえば、1×32ブランチの比が49:51であ
ると、その結果、伝送差は22%となる。縦続形ブラン
チの場合、後続するブランチの一様性に影響を及ぼす遷
移を数ミリメートルの距離にわたって集積光学構造で検
出できるので、個々のYブランチの後でモードフィール
ド不一致を補正することも重要である。
いときであっても、先に挙げた論文の中でNew−ma
nnが説明している損失は無視しうるほど小さい場合で
も、モードフィールド不一致の補正は後続するY分岐部
の一様性に対して有益な効果を及ぼすことが認められ
た。縦続形分岐素子の構造では非一様性が増加してしま
うので、そのような構造においては補正は特に重要であ
る。たとえば、1×32ブランチの比が49:51であ
ると、その結果、伝送差は22%となる。縦続形ブラン
チの場合、後続するブランチの一様性に影響を及ぼす遷
移を数ミリメートルの距離にわたって集積光学構造で検
出できるので、個々のYブランチの後でモードフィール
ド不一致を補正することも重要である。
【0009】先行する導波路が湾曲している場合には、
2つの射出口に至るまでの一様なパワー分布を実現する
ことも可能であるので、側方オフセットは特に有益であ
る。
2つの射出口に至るまでの一様なパワー分布を実現する
ことも可能であるので、側方オフセットは特に有益であ
る。
【0010】湾曲の異なる箇所の接合部の全てに対する
側方オフセットの使用と組合わせて、いくつかのY分岐
部から構成される1×N分岐部を特にコンパクト、低損
失且つ一様であるように構成することができる。通常、
まっすぐな入力導波路から第1のY分岐部までの接合部
のみが側方オフセットを伴わないままである。
側方オフセットの使用と組合わせて、いくつかのY分岐
部から構成される1×N分岐部を特にコンパクト、低損
失且つ一様であるように構成することができる。通常、
まっすぐな入力導波路から第1のY分岐部までの接合部
のみが側方オフセットを伴わないままである。
【0011】製造時に急なオフセットを示すリソグラフ
ィ用マスクを使用するイオン交換を利用する場合、さら
なる利点が得られるのであるが、この場合には、マスク
の幅を2μm未満とするのが好ましく、ただし、導波路
の半幅値はこの量の2倍から4倍である。これにより、
導波路は、急な変化のない連続する接合部を形成するこ
とになる。導波路は単一モード導波路であり、モードフ
ィールドの延長と導波路の延長とはほぼ同一であり、接
合部におけるモードフィールドの結合はきわめて重要で
ある。
ィ用マスクを使用するイオン交換を利用する場合、さら
なる利点が得られるのであるが、この場合には、マスク
の幅を2μm未満とするのが好ましく、ただし、導波路
の半幅値はこの量の2倍から4倍である。これにより、
導波路は、急な変化のない連続する接合部を形成するこ
とになる。導波路は単一モード導波路であり、モードフ
ィールドの延長と導波路の延長とはほぼ同一であり、接
合部におけるモードフィールドの結合はきわめて重要で
ある。
【0012】この結果、請求項8に記載するようなパワ
ー分布比の設定のための特に有益な手順が得られるので
ある。図面は本発明を詳細に例示している。
ー分布比の設定のための特に有益な手順が得られるので
ある。図面は本発明を詳細に例示している。
【0013】
【実施例】図1の中で、連続する線はリソグラフィ用マ
スク(幅=s)の形状を表わし、破線は屈折率プロファ
イルの半幅値を表わしている。この概略図は単に定性的
なものであって、一定の縮尺に忠実に従ってはいない。
図1において、集積光チップCには湾曲した導波路1の
後にY分岐部2が設けられている。本発明によれば、導
波路構造の側方オフセット(d)はそれら2つの接合部
3に取り入れられている。Y分岐部2の2つの射出口4
及び5に対するパワーの分布を一様にするために、その
オフセットは円弧の外側に向かって設定されている。
1′から5′までの部分は同じチップ上に部分1から5
と対称に配列されている。
スク(幅=s)の形状を表わし、破線は屈折率プロファ
イルの半幅値を表わしている。この概略図は単に定性的
なものであって、一定の縮尺に忠実に従ってはいない。
図1において、集積光チップCには湾曲した導波路1の
後にY分岐部2が設けられている。本発明によれば、導
波路構造の側方オフセット(d)はそれら2つの接合部
3に取り入れられている。Y分岐部2の2つの射出口4
及び5に対するパワーの分布を一様にするために、その
オフセットは円弧の外側に向かって設定されている。
1′から5′までの部分は同じチップ上に部分1から5
と対称に配列されている。
【0014】導波路1,1′は第1のY分岐部12のポ
ート14,15に対称に接続している。まっすぐな導波
路10はチップCの入力側縁部からY分岐部12まで続
いている。まっすぐな導波路10ではモード分布は中心
から起こるので、この場合、接合部13に側方オフセッ
トは設けられていない。ところが、ポート14,15へ
の不均一なパワー分布が求められる場合には、この場所
(13)に側方オフセットを与えることも可能である。
ート14,15に対称に接続している。まっすぐな導波
路10はチップCの入力側縁部からY分岐部12まで続
いている。まっすぐな導波路10ではモード分布は中心
から起こるので、この場合、接合部13に側方オフセッ
トは設けられていない。ところが、ポート14,15へ
の不均一なパワー分布が求められる場合には、この場所
(13)に側方オフセットを与えることも可能である。
【0015】Y分岐部2,2′,12は同一のものであ
り、特にY分岐部2,2′は対称形の構成である。分岐
部2,2′,12の曲率半径は100mmであり、従っ
て、オフセットを含む接合部3,3′から製造用マスク
の切頭部分までの距離は400μmを越える。
り、特にY分岐部2,2′は対称形の構成である。分岐
部2,2′,12の曲率半径は100mmであり、従っ
て、オフセットを含む接合部3,3′から製造用マスク
の切頭部分までの距離は400μmを越える。
【0016】射出口が平行である1×4分岐チップを得
るために、円弧を描く導波路6,7,6′,7′とまっ
すぐな導波路8,9,8′,9′を射出口4,5,
4′,5′に装着してある。
るために、円弧を描く導波路6,7,6′,7′とまっ
すぐな導波路8,9,8′,9′を射出口4,5,
4′,5′に装着してある。
【0017】損失をできる限り少なくするために、円弧
部分6,7,6′,7′とまっすぐな導波路8,9,
8′,9′との接合部を含めて、湾曲した導波路の間の
全ての接合部14,15,4,5,4′,5′にドイツ
特許第3107112号に従った側方オフセットが設け
られている。湾曲した導波路とY分岐部の間の最適オフ
セットdは、所定の分岐部形状とシミュレーション計算
により規定された曲率半径に対して計算される。
部分6,7,6′,7′とまっすぐな導波路8,9,
8′,9′との接合部を含めて、湾曲した導波路の間の
全ての接合部14,15,4,5,4′,5′にドイツ
特許第3107112号に従った側方オフセットが設け
られている。湾曲した導波路とY分岐部の間の最適オフ
セットdは、所定の分岐部形状とシミュレーション計算
により規定された曲率半径に対して計算される。
【0018】表は、Y分岐部の計算上の標準化出力パワ
ー11及び12と、u=−10(log(11)−log
(12))として定義される、結果としての一様性uと
を含む。
ー11及び12と、u=−10(log(11)−log
(12))として定義される、結果としての一様性uと
を含む。
【0019】導波路1は、遠隔通信を用途として使用さ
れる導波路のような、ガラス中のイオン交換によって製
造される導波路の規格に準拠している。製造用のマスク
の幅は約1.5μmであり、屈折率プロファイルの半幅
は約5μmである。単一モードフィールドの半幅値も約
5μmである。導波管、言うまでもなくY分岐部も、ガ
ラス基板の表面上に位置していても良く、あるいは、こ
れを埋め込み導波路として設計することができる。表1
は、導波路1の曲率半径が40mmである場合の1例を示
す。
れる導波路のような、ガラス中のイオン交換によって製
造される導波路の規格に準拠している。製造用のマスク
の幅は約1.5μmであり、屈折率プロファイルの半幅
は約5μmである。単一モードフィールドの半幅値も約
5μmである。導波管、言うまでもなくY分岐部も、ガ
ラス基板の表面上に位置していても良く、あるいは、こ
れを埋め込み導波路として設計することができる。表1
は、導波路1の曲率半径が40mmである場合の1例を示
す。
【0020】 表1: 波長が1.31μmのとき 波長が1.55μmのとき d(μm) 11 12 u[dB] 11 12 u[dB] 0.0 .506 .486 0.18 .465 .533 0.59 0.1 .501 .491 0.09 .474 .524 0.44 0.2 .496 .496 0.00 .483 .515 0.28 0.3 .491 .501 0.09 .492 .506 0.12 0.4 .486 .506 0.18 .501 .496 0.04 0.5 .481 .510 0.25 .509 .487 0.19
【0021】この表は、使用する波長に応じて、最適オ
フセットdは0.2μmから0.4μmの範囲にあるこ
とを意味している。そのようなオフセットの利用によっ
て実現される一様性の劇的な向上を明確に認めることが
できる。たとえば、平均オフセットが0.3μmのと
き、1.31μmの波長については均一性を0.18d
Bから0.09dBに改善でき、同時に、1.55μm
の波長については一様性を0.59dBから0.12d
Bに改善できる。これは、以上説明した構成が2波長多
重通信動作に適することを意味している。
フセットdは0.2μmから0.4μmの範囲にあるこ
とを意味している。そのようなオフセットの利用によっ
て実現される一様性の劇的な向上を明確に認めることが
できる。たとえば、平均オフセットが0.3μmのと
き、1.31μmの波長については均一性を0.18d
Bから0.09dBに改善でき、同時に、1.55μm
の波長については一様性を0.59dBから0.12d
Bに改善できる。これは、以上説明した構成が2波長多
重通信動作に適することを意味している。
【0022】図1に従った構成であり、先に挙げた寸法
を有してはいるが、導波路1の曲率半径が30mmである
場合について、図2は、分岐部2で入力導波路1により
出力導波路8及び9に結合されるパワーの割合Tと、オ
フセットdとの関係を示す。入力導波路1の円弧の内側
に向かうオフセットは負の値として表わされている。こ
の数値は1.31μmの波長に適用される。
を有してはいるが、導波路1の曲率半径が30mmである
場合について、図2は、分岐部2で入力導波路1により
出力導波路8及び9に結合されるパワーの割合Tと、オ
フセットdとの関係を示す。入力導波路1の円弧の内側
に向かうオフセットは負の値として表わされている。こ
の数値は1.31μmの波長に適用される。
【0023】曲線が交差する箇所、すなわち、パワーの
分布が均一であり且つオフセットは+0.35μmであ
る箇所でも、損失は無視しても良いほど少ない。図示し
た領域全体において、損失L−端に向かって増加して行
く−は少ないままである。これとは対照的に、冒頭で述
べたドイツ特許第2916961号は同等の分布をもつ
ときに損失が最も大きくなり、20%に達することを示
している。また、図2は、Y分岐部2のパワー分布比を
限界内に設定するのにも側方オフセットdは適している
ことも示している。従って、Y分岐部の幾何学的形状の
変更は大規模には不要である。
分布が均一であり且つオフセットは+0.35μmであ
る箇所でも、損失は無視しても良いほど少ない。図示し
た領域全体において、損失L−端に向かって増加して行
く−は少ないままである。これとは対照的に、冒頭で述
べたドイツ特許第2916961号は同等の分布をもつ
ときに損失が最も大きくなり、20%に達することを示
している。また、図2は、Y分岐部2のパワー分布比を
限界内に設定するのにも側方オフセットdは適している
ことも示している。従って、Y分岐部の幾何学的形状の
変更は大規模には不要である。
【図1】 1×4分岐部の概略的設計を示す図。
【図2】 円弧の後に続くY分岐部の2つの射出口の伝
送率と、オフセットとの関係を示す図。結果として発生
するパワー損失も指示されている。
送率と、オフセットとの関係を示す図。結果として発生
するパワー損失も指示されている。
1,1′…導波路、2,2′…Y分岐部、3,3′…接
合部、4,4′,5,5′…射出口、6,6′,7,
7′…円弧を描く導波路、8,8′,9,9′…まっす
ぐな導波路、10…まっすぐな導波路、12…Y分岐
部、14,15…ポート、d…側方オフセット、s…リ
ソグラフィ用マスクの幅。
合部、4,4′,5,5′…射出口、6,6′,7,
7′…円弧を描く導波路、8,8′,9,9′…まっす
ぐな導波路、10…まっすぐな導波路、12…Y分岐
部、14,15…ポート、d…側方オフセット、s…リ
ソグラフィ用マスクの幅。
Claims (8)
- 【請求項1】 単一モード導波路(1,6,7,8,
9,10)と、Y分岐部(2)とを有する集積光学素子
において、Y分岐部(2)に導波路(1)に対する側方
オフセット(d)が与えられていることを特徴とする集
積光学素子。 - 【請求項2】 導波路(1,6,7,8,9,10)及
びY分岐部(2)は特にガラス基板の中のイオン交換に
よって製造されることを特徴とする請求項1記載の集積
光学素子。 - 【請求項3】 Y分岐部(2)が相対的に側方オフセッ
ト(d)を与えられている導波路(1)は湾曲している
ことを特徴とする請求項1又は2記載の集積光学素子。 - 【請求項4】 導波路(1,6,7,1′,6′,
7′,10)の側方オフセット(d)は2つの異なる湾
曲の間の全ての接合部(3,4,5,14,15,
4′,5′)について与えられていることを特徴とする
請求項1から3の少なくとも1項に記載の集積光学素
子。 - 【請求項5】 接合部(3,3′,4,5,14,1
5,4′,5′)における急峻な側方オフセット(d)
を有し、リソグラフィ用マスクを使用するイオン交換で
製造されたことを特徴とする請求項2から4の少なくと
も1項に記載の集積光学素子。 - 【請求項6】 リソグラフィ用マスクの2μm未満の幅
(s)と、幅(s)の2倍から4倍の大きさである導波
路(1,6,7,8,9,10)の半幅値(w)とを特
徴とする請求項5記載の集積光学素子。 - 【請求項7】 導波路(1,6,7,8,9,10)と
Y分岐部(2,2′,12)は接合部(3,4,5,
3,4′,5′,14,15)で連続する移行を形成す
ることを特徴とする請求項1から6の少なくとも1項に
記載の集積光学素子。 - 【請求項8】 単一モード導波路(1,6,7,8,
9,10)と、Y分岐部(2,2′,12)とを有する
集積光学素子のパワー分布比を設定する手順において、
導波路(1,1′)とY分岐部(2,2′)の入力側と
の接合部(3,3′)で側方オフセット(d)が実現さ
れることを特徴とする手順。
Applications Claiming Priority (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4417698 | 1994-05-20 | ||
DE4417698.8 | 1994-05-20 | ||
DE95102653.3 | 1995-02-24 | ||
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