JPH09230151A - 光分岐デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 素子サイズを従来よりも小さくすることがで
き、これによる生産性及び歩留まりの向上を図る。 【解決手段】 第１の導波路２１は、光をシングルモー
ドで伝送するため断面が８×８μｍ程度に設定されてい
る。この第１の導波路２１に続くテーパ部２２は、第１
の導波路２１を伝搬した光をマルチモードに移行させ
る。このテーパ部２２の幅広の端部に続く直線部２３
は、マルチモードに移行された光の波面を球面状から平
面状に近づける。直線部１３の出射端側には、入射端面
が直線部２３の出射端面と僅かの間隙を介して対向する
ように、シングルモードの第２の導波路２４及び第３の
導波路２５が配置されている。これら導波路２４，２５
は、入射端から離れるに従って５０ｍｍ以下、例えば２
０ｍｍの曲率半径Ｒに沿ってで互いに離間するように形
成されている。直線部２３の幅及び長さは、直線部２３
と第２及び第３の導波路２４，２５との間の結合損失が
最小となる最適値、例えば１５μｍ及び１００μｍに設
定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、基板上にＹ型分
岐部を有する光導波路を形成してなる光分岐デバイスに
関する。

【０００２】

【従来の技術】Ｙ型分岐部を有する光分岐デバイスは、
１×Ｎスプリッタ等の分岐構造として広く使用されてい
る。図７は、この種の光分岐デバイスを使用した１×８
スプリッタの一般的な構成を示す図である。石英基板１
に形成された導波路２は、入射端側から出射端側にかけ
て順次３回の２分岐を繰り返し、トータル８つの出射部
を有している。導波路２が２分岐する部分では、Ｙ型分
岐部３が構成されている。

【０００３】図８は、従来のＹ型分岐部３の構造を示す
図である。入射側の第１の導波路１１は、光をシングル
モードで伝送するため断面が８×８μｍ程度に設定され
ている。この第１の導波路１１に続くテーパ部１２は、
第１の導波路１１を伝搬した光をマルチモードに移行さ
せる。このテーパ部１２の幅広の端部に続く直線部１３
は、マルチモードに移行された光の波面を球面状から平
面状に近づけるもので、１８μｍ程度の幅を有する。直
線部１３の出射端側には、入射端面が直線部１３の出射
端面と僅かの間隙を介して対向するように、シングルモ
ードの第２の導波路１４及び第３の導波路１５が配置さ
れている。これら導波路１４，１５は、入射端から離れ
るに従って所定の曲率半径Ｒに沿って互いに離間するよ
うに形成されている。

【０００４】この種のＹ型分岐部３は、直線部１３と第
２及び第３の導波路１４，１５との間の結合損失をいか
に低減させるかが設計上の重要な課題となる。Ｙ型分岐
部の結合損失の低減のための試みとしては、例えば「新
構造Ｙ分岐素子の低損失化」（松浦他：１９９４年電子
情報通信学会予稿集Ｃ−３３０；ｐ４−３２７）や特開
平７−１７４９２９号等が知られている。これらに開示
された技術では、分岐後の第２及び第３の導波路の端部
の間隔を通常よりも広めに設定することで、両導波路間
の間隙部分に相当する部分の加工を容易にしてこの部分
での分岐損を抑えると同時に、第２及び第３の導波路の
直線部に対向する端面の全体幅よりも、直線部の幅を大
きく設定することにより、分岐後の導波路１４，１５間
の間隙部分での放射損を抑制して電界分布の結合効率を
高めるようにしている。しかし、この場合、直線部の端
面の両端での放射損は生じる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の光分岐
デバイスでは、分岐前後の位相面が光の進行方向に対し
て直交する平面であること、即ち位相が揃っていること
を想定している。このため、分岐後の第２及び第３の導
波路の曲率半径Ｒは十分に大きく設定する必要があっ
た。しかしながら、このように、分岐後の導波路の曲率
半径Ｒを大きく設定すると、デバイス全体の長さが長く
なってしまうという問題がある。例えば１×８スプリッ
タの場合、図７に示すように、最終分岐導波路の間隔ｃ
が２５０μｍと規定されており、その前段の分岐導波路
の間隔ｂは５００μｍ、更にその前段の分岐導波路の間
隔ａは０．１ｍｍである。これを現状の曲率半径５０ｍ
ｍでつなげると、素子サイズは、３５×３ｍｍになって
しまう。このようなサイズでは、３インチウェアでは、
チップを一列分しか配列することができないため、一枚
のウェハからは１０乃至１５チップしか製造することが
できない。このため、生産性が悪くコストアップにつな
がるという問題がある。また、素子サイズが大きいと、
基板の歪みなどにより、接続加工が難しくなったり、素
子の強度が低下する等、歩留まり低下の原因にもなる。

【０００６】この発明は、上記事情を考慮してなされた
もので、素子サイズを従来よりも大幅に小さくすること
ができ、これによる生産性及び歩留まりの向上、ひいて
はコスト低減を図ることができる光分岐デバイスを提供
することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明に係る光分岐デ
バイスは、基板と、この基板上に形成されたＹ型分岐部
を有する導波路とを有し、前記Ｙ型分岐部が、シングル
モードで光を伝送する第１の導波路と、この第１の導波
路に同一幅で接続されてその幅が前記第１の導波路から
離れるに従って広がるように形成されて伝送された光を
シングルモードからマルチモードに移行させるテーパ部
と、一端が前記テーパ部の幅広の端部に接続され前記テ
ーパ部の幅広の端部と同一幅で所定の長さを有し前記マ
ルチモードに移行した光を伝送する直線部と、それぞれ
の端部が前記直線部の他端と対向するよう配置され前記
直線部から離れるに従って所定の曲率で互いに離間する
ように形成されて前記直線部の他端からの光をシングル
モードで伝送する第２及び第３の導波路とを備えた光分
岐デバイスにおいて、前記第２及び第３の導波路の端部
の曲率半径が５０ｍｍよりも小さく、且つ前記直線部の
幅及び長さが前記直線部と前記第２及び第３の導波路と
の間の結合損失が最小となる値に設定されていることを
特徴とする。

【０００８】即ち、一般に導波路の曲線部では、光の電
界分布のピーク値が曲線の外径側に移動することが知ら
れており、曲率半径が小さくなればなるほどピーク値は
曲線の外側に位置する。従って、分岐後の導波路（第２
及び第３の導波路）の分岐端面での理想的な電界パター
ンの２つのピーク値は、曲率半径が小さいほど両導波路
の間隙部側に寄る。この分岐端部での電界パターンと整
合する電界パターンの光を直線部の出射端面側から出射
すれば、分岐部での結合損失を最も小さくすることがで
きる。

【０００９】直線部を伝搬するマルチモードの光の電界
パターンは、モード間の位相速度の差によって脈動す
る。このため、理想的な２つのピークを持つ電界パター
ンが出射端面で得られるように直線部の長さを決定し、
且つ分岐後の導波路の曲率半径に応じた位置にピーク値
が位置するように直線部の幅を決定すればよい。また、
分岐部の曲率半径が小さい場合には、結合端での理想的
な同位相面は、平面よりもむしろ球面状となる。このた
め、理想的な同位相面も直線部の幅及び長さによって決
定することができる。

【００１０】なお、この他、テーパ部のテーパ角は、直
線部での高次モードの励振強度を決定するので、直線部
の幅及び長さと共に、設計上の主要なパラメータとなる
が、曲率半径との関係は無視できる程度に小さいため、
この発明では任意パラメータとしている。

【００１１】本発明では、分岐後の導波路の曲率半径を
５０ｍｍより小さい、例えば２０ｍｍ程度とした場合、
電界パターンの２つのピーク値を理想的な位置に寄せる
ため、例えば直線部の幅を第２及び第３の導波路の端部
の外側の側壁面間の幅よりも小さく設定している。

【００１２】このように本発明によれば、曲率半径を従
来よりも小さくできたことにより、チップサイズを従来
よりも小型化することができ、チップの生産性向上と歩
留まり向上を図ることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施例を説明する。図１はこの発明の一実施例による
光分岐デバイスのＹ分岐部の構成を示す図である。この
Ｙ型分岐部は、図７に示した１×８スプリッタ等に適用
されるもので、従来とほぼ同様に、入射側の第１の導波
路２１に続くテーパ部２２、これに続く直線部２３並び
に直線部２３と所定ギャップＧ１を介して対向する第２
及び第３の導波路２４，２５により構成されている。こ
れらは、図３（ａ）に図１のＡ−Ａ断面、図３（ｂ）に
同じくＢ−Ｂ断面を示すように、例えば石英系基板型光
回路からなるもので、石英基板３１上にホトリソグラフ
により形成された石英からなる導波路を上部石英クラッ
ド層３２で覆う構造となっている。

【００１４】この実施例の光分岐デバイスが従来のもの
と異なる点は、第１に分岐後の導波路２４，２５の曲率
半径が２０ｍｍに設定されている点と、直線部２３と導
波路２４，２５との間の結合損を最小値に抑えるよう
に、テーパ部２２のテーパ角θ、直線部２３の幅Ｗ及び
長さＬ並びにギャップＧ１，Ｇ２等が最適な値に設定さ
れている点である。具体的に説明すれば、第１〜第３の
導波路２１，２４，２５は、例えば波長１．３１μｍの
光をシングルモードで伝送可能にするため、クラッド層
３２との屈折率差を０．２７％程度とし、コアサイズを
８×８μｍとしている。テーパ部２２及び直線部２３の
厚さは８μｍに設定されている。直線部２３と第２及び
第３の導波路２４，２５との間隙Ｇ１は２μｍ、第２及
び第３の導波路２４，２５間の結合端面でのギャップＧ
２は２μｍ、結合端部の曲率半径Ｒは２０ｍｍとしてい
る。テーパ角θ、直線部２３の幅Ｗ、長さＬについては
後述する。

【００１５】図１には、このＹ型分岐部を進行する光の
電界パターンも示されている。シングルモードの導波路
２１を伝搬した光は、テーパ部２２でマルチモードに移
行して直線部２３を進行中に脈動する。このとき、テー
パ角θは高次モードの励起強度を決定する。直線部２３
によって、高次モードによる２つのピークが最も強く現
れる位置で導波路２４，２５に光を伝達するのが理想的
な結合である。図４に、導波路２４，２５の曲率半径Ｒ
が大のときと小のときの導波路２４，２５の結合端面で
の理想的な受光電界パターンを示す。曲率半径Ｒが小さ
い場合には、大きい場合よりも２つのピークの位置が中
央に位置する。これは、導波路２４，２５の曲率半径が
小さいほど、光のピーク値が曲線の外側に移動して光が
進行するからである。そこで、直線部２３の幅Ｗを小さ
くすることにより、前述した高次モードによる２つのピ
ーク位置を中央に寄せることができる。

【００１６】一方、図２は、このＹ型分岐部を進行する
光の同位相面を示す図である。直線部２３の長さが長く
なると、テーパ部２２で球面状となった同位相面が平面
に近づいてくる。直線部２３の出射端で同位相面が平面
であると、導波路２４，２５の曲率半径Ｒをあまり小さ
く設定することができない。位相面が不整合になって結
合損を増加させるからである。この実施例では、同位相
面が平面になる前に直線部２３を終了させることによ
り、導波路２４，２５の曲率半径Ｒが小さくても、結合
損が大きくならないようにしている。

【００１７】本発明者は、テーパ部２２のテーパ角を１
°とし、直線部２３の幅Ｗを１５μｍ、１６μｍ、１８
μｍと順次変え、それぞれについて直線部２３の長さＬ
を５０μｍから１５０μｍまで変化させて、それぞれの
分岐損失をビーム伝搬法によるシミュレーションによっ
て求めた。その結果を図５に示す。

【００１８】この図に示すように、Ｗ＝１５μｍのと
き、Ｌ＝１００μｍで分岐損失が０．１８７ｄＢと最小
となることが明らかになった。このときの直線部の幅Ｗ
＝１５μｍは、導波路２４，２５の直線部２３への対向
端面の全体幅２０μｍよりも小さくなっている。このた
め、先に示した従来例のように、直線部２３の出射端面
の両側面近傍からの放射損失も生じない。

【００１９】なお、このように曲率半径Ｒが小さくなる
と、分岐後の導波路の曲げ損が増大することが予想され
るが、本発明者の実験によれば、図６に示すように、各
導波路２５，２６，２７の変曲点で、結合部をシフト量
ｓだけシフトさせることにより、曲率半径Ｒが２０ｍｍ
でも曲げ損失を０．３５から０．１ｄＢまで低減するこ
とが確認された。

【００２０】このような構成により、図７に示したよう
な１×８スプリッタを構成すると、従来３５ｍｍであっ
た素子長を１７ｍｍと１／２以下にすることができ、１
ウェハからとれるチップの数は２倍以上とすることがで
きた。この結果、チップの生産性と歩留まりとを格段に
向上させることができた。また、Ｙ分岐部の曲げ損と結
合損とを合わせて０．３ｄＢ以下とすることができ、１
×８スプリッタ全体でも０．９ｄＢ以下に抑えることが
確認できた。

【００２１】なお、以上の実施例で示した数値は一例で
あって、曲率半径Ｒを例えば４０ｍｍにしたときの直線
部の最適幅は１５〜１６μｍ、最適長さは１５０μｍ
で、得られる１×８スプリッタのチップ長さは２５ｍｍ
であった。また、曲率半径Ｒを２０ｍｍとして１×１６
スプリッタを構成すると、チップサイズは２６．４ｍｍ
にすることができる。

【００２２】このように、曲率半径Ｒを従来の５０ｍｍ
よりも小さい値に設定し、その値から求められる理想的
な結合電界パターンにより、直線部の幅及び長さを最適
値に設定することにより、結合損を最小にした状態で小
さなチップを製造することができる。また、チップサイ
ズが半分となることで、強度は４倍となる。更に、基板
の内部応力に起因した歪み（反り）も１／４となるの
で、端面での接続の際の調芯時間も短縮することができ
る。

【００２３】なお、上記実施例では、石英基板を使用し
た例について説明したが、Ｓｉ基板、サファイヤ基板、
アルミナ基板等を使用し、その上にガラスの導波路を形
成した光分岐デバイスにも本発明を適用可能である。

【００２４】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、曲
率半径を従来よりも小さく設定し、これにより発生する
分岐損失は分岐手前の直線部の幅、長さを最適化するこ
とにより抑制しているので、チップサイズを従来よりも
小型化することができ、チップの生産性向上と歩留まり
向上とを図ることができ、チップのコスト低減を図るこ
とができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の一実施例に係る光分岐デバイスの
Ｙ分岐部の構成を示す平面図である。

【図２】 同分岐部における光の同位相面の進行状態を
模式的に示す図である。

【図３】 図１におけるＡ−Ａ断面及びＢ−Ｂ断面を示
す断面図である。

【図４】 同分岐部の分岐端部における電界パターンを
示す図である。

【図５】 同分岐部における直線部の幅及び長さと分岐
損失との関係を示すグラフである。

【図６】 同光分岐デバイスの曲線部の構造を示す図で
ある。

【図７】 Ｙ分岐部を使用した１×８スプリッタの構成
を示す平面図である。

【図８】 従来のＹ分岐部の構造を示す平面図である。

【符号の説明】

１，３１…基板、２，２６，２７…導波路、３…Ｙ分岐
部、１１，２１…第１の導波路、１２，２２…テーパ
部、１３，２３…直線部、１４，２４…第２の導波路、
１５，２５…第３の導波路、３２…クラッド層。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板と、この基板上に形成されたＹ型分
   岐部を有する導波路とを有し、 前記Ｙ型分岐部が、シングルモードで光を伝送する第１
   の導波路と、この第１の導波路に同一幅で接続されてそ
   の幅が前記第１の導波路から離れるに従って広がるよう
   に形成されて伝送された光をシングルモードからマルチ
   モードに移行させるテーパ部と、一端が前記テーパ部の
   幅広の端部に接続され前記テーパ部の幅広の端部と同一
   幅で所定の長さを有し前記マルチモードに移行した光を
   伝送する直線部と、それぞれの端部が前記直線部の他端
   と対向するよう配置され前記直線部から離れるに従って
   所定の曲率で互いに離間するように形成されて前記直線
   部の他端からの光をシングルモードで伝送する第２及び
   第３の導波路とを備えた光分岐デバイスにおいて、 前記第２及び第３の導波路の端部の曲率半径が５０ｍｍ
   よりも小さく、且つ前記直線部の幅及び長さが前記直線
   部と前記第２及び第３の導波路との間の結合損失が最小
   となる値に設定されていることを特徴とする光分岐デバ
   イス。
2. 【請求項２】 前記直線部は、その幅が前記第２及び第
   ３の導波路の前記直線部に対向する端面の全体幅よりも
   小さく設定されていることを特徴とする請求項１記載の
   光分岐デバイス。
3. 【請求項３】 前記第２及び第３の導波路の端部の曲率
   半径と端部間の間隙とによって決定される理想的な入射
   電界パターンと整合する電界パターンの光を出射するよ
   うに前記直線部の幅及び長さが決定されていることを特
   徴とする光分岐デバイス。