JPWO2012002222A1 - 光導波路の交差領域において低損失を実現する設計 - Google Patents

Abstract

複数の光導波路のコアの交差によって形成される、コアの交差領域空間（通常は、直方体）の６つの面において、光の損失を低減すること光導波路を構成するコアと、コアを取り囲むクラッドのうち、複数のコアが交差する交差領域空間の上下の２つの面に対して（クラッド材料を用いる代わりに）追加的にコアと同じ材料を配した、コアの交差領域構造が開示される。また、光導波路を構成するコアとクラッドのうち、複数のコアが交差する交差領域空間を分断する（孤立させる）４つの側面、すなわち、交差領域空間に接続するコアのその交差領域空間との４つの不連続空間に対して（連続してつながるようにコア材料を用いる代わりに）クラッドと同じ材料を充填するという、交差領域構造が開示される。

Description

本発明は、交差領域を有する光導波路及びその製造方法に関するものである。

近年、電子システムの高集積化や高性能化に伴う信号遅延や伝送レートの増加などの問題を解決する方法として、高密度で並列性などに優れる光配線が注目されている。

この光配線には光回路が不可欠となっているが、光回路はコストが高いので作製方法が単純で安価に作製が可能である、樹脂（プラスチック等）製の光導波路に期待がかかっている。

光導波路の主要な構成は、コアとクラッドであり、コアをクラッドが取り囲むというのが典型的な攻勢である。光の伝搬の原理である反射と屈折とが、コアの屈折率とクラッドの屈折率の大小関係と、それらが接する界面に達する光の入射角とに従って、繰り返されていく。

光導波路を安価で作製しようとすると一層のコアとして平面的に作り込むことが望ましいが、平面構造として光導波路による光配線を実現するとなると、複数の光導波路によって交差領域が生じてしまい、その交差領域では光の損失が生じてしまうので、この損失をいかに低減させるかが克服すべき課題となっている。

特許文献１は、交差領域を有する光導波路において交差領域での光の漏れを低減させるべく、３つの屈折率ｎの大小関係を、ｎ１（コアの交差領域）＞ｎ２（コア）＞ｎ３（クラッド）とする、２次元平面構造の設計とその光導波路の製造について記載している。

しかし、コアの交差領域を立体的に捉えて、そのコアの交差領域の上下に位置する界面の性質を含めて考慮する設計についての言及はない。

特許文献２は、光導波路が互いに交差して交差領域を形成しているところの、交差領域に接続する光導波路のその交差領域との接続箇所において、等価屈折率の不連続帯（不純物領域、または、溝部）を形成する、Ｘ交差型光導波路について記載している。

しかし、コアそのものが不連続帯によって分断されている構成にはなっておらず、コアの上に設けられた上部クラッド層の厚みを変化させるという構成に止まる。また、その目的についても、等価屈折率の不連続帯は光の遮蔽域として機能させて、光伝搬時における交差領域での光漏洩を少なくするということに止まる。

特許文献３は、格子状のコア層を形成して、光の進行方向に並行してコア層の交差領域をスリットで分断する光導波路およびその製造方法について記載している。スリットを設けることで光の損失を設けるものである。

しかし、分断されてしまった箇所がクラッド材料をもって充填されることについて記載されておらず、立体的に分断されてしまった箇所に充填される材料と、その上下に配される材料との共通性を考慮した設計とはなっていない。

特開２００４−２０５５３７号公報 特開平３−２８７２０６号公報 特開２００６−１３９１４９号公報

本発明の目的は、複数の光導波路の交差によって形成される、コアの交差領域空間（通常は、直方体）の６つの面において、光の損失を低減することにある。光の損失を低減することは、別の言い方をすると、この目標とするところは、光の漏れを低減すること、光を閉じ込めること、でもあり、先行技術に対する技術的貢献となる。

本発明の第１の実施例においては、光導波路を構成するコアとクラッドのうち、複数のコアが交差する交差領域空間の上下の２つの面に対して（クラッド材料を用いる代わりに）追加的にコアと同じ材料を配した、コアの交差領域構造が開示される。

本発明の第２の実施例においては、光導波路を構成するコアとクラッドのうち、複数のコアが交差する交差領域空間を分断する（孤立させる）４つの面、すなわち、交差領域空間に接続するコアのその交差領域空間との４つの不連続空間に対して（連続してつながるようにコア材料を用いる代わりに）クラッドと同じ材料を充填するという、交差領域構造が開示される。

複数の光導波路の交差によって形成される、コアの交差領域空間（通常は、直方体）において、光の伝搬損失（光の漏れ）が低減され、光を閉じ込めておくことが可能となる。

図１は、光導波路の主要な構成を示す模式図である。 図２は、図１の光導波路における光の入出力と光の漏れとの関係を示す模式図である。 図３は、コアの交差領域構造の斜視図である。 図４は、本発明の第１の実施例の光導波路の交差領域の構成を示す図である。 図５は、本発明の第２の実施例の光導波路の交差領域の構成を示す図である。 図６は、本発明の第２の実施例について、光導波路の交差領域での伝搬損失を計算するためのモデルと、このモデルを使ってＢｅａｍ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ法により算出した光の伝搬損失を示した図である。 図７は、図６におけるモデルに対応する屈折率分布である。 図８は、ＢＰＭ（Ｂｅａｍ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ）によって測定された光の電界強度の分布を示す図である。 図９は、本発明の第２の実施例の光導波路において、比屈折率差（relative difference in refractive index）Δに対し、光の伝搬損失が最小となるような溝幅δminを求める図を示す。

図１は、光導波路の主要な構成を示す模式図である。図１の（ａ）は平面図である。光導波路４は、コア２およびクラッド３から成る。

この図の例では、上下に平行に並んでいる直線状の３本のコア２と、左右に平行に並んでいる直線状の３本のコア２とが、平面において互いに平行ではなく、直角に交差しているので、コア２は格子状になっている。

複数のコア２が、一層のコアとして平面において互いに平行ではないコアの組合せを含む限りは、コア２の交差領域１が現れてしまうのは幾何学的に必然である。この図の例においては、コアの交差領域１は、９箇所にわたって現れている。
クラッド３は、複数のコア２を取り囲み、複数のコア２との関係で界面を形成するように配されている。

図１の（ｂ）は、図１の（ａ）のＡ−Ａ´の断面図、図１の（ｃ）は、図１の（ａ）のＢ−Ｂ´の断面図である。ここで、３つの屈折率ｎの大小関係について、ｎ１（コアの交差領域）＞ｎ２（コア）＞ｎ３（クラッド）とする。このように屈折率を設定する構成については、特許文献１においても説明されている。

図２は、図１の光導波路における光の入出力と光の漏れとの関係を示す模式図である。図２の（ａ）のように、入力光はコア２を通じて直線的に伝搬していき、可能であればその１００％が出力光として導かれることが理想的である。しかし、交差領域においては、（ｂ）のように、左右を横切って交差しているコアへとその一部の光が漏れてしまい、光の損失が生じてしまう。

図２の（ａ）の例においても、入力光が左から入力されて出力光が右へと出力されるものと、入力光が下から入力されて出力光が上へと出力されるものと、の２つの方向の光の流れがあり得る。従って、平面においても１方向の光の流れにおける光の損失だけでなく、平面において２次元的に異なる方向への流れにおける光の伝搬損失も考慮する必要があることが理解できる。

図３は、コアの交差領域構造の斜視図である。図１の（ａ）のＣ−Ｃ´の断面図である。コアの交差領域１は、（必ず）一定の高さ（厚み）Ｈをもった空間であるため、複数のコア２が直角（図１（ａ）において９０度）で交差する場合においては、直方体となる。コアの交差領域２の幅は、それぞれＷ１およびＷ２である。複数のコア２がＸ型交差のように斜め（図１（ａ）において直角ではない交差角度）で交わる場合には、高さ（厚み）Ｈをもったダイアモンド形の空間となる。以下では、コアの交差領域１は、コアの交差領域空間１と呼ぶ場合もある。

ここで、コアの交差領域空間１には、６つの面がある。６つの面とは、上面、下面、および、４つの側面である。コアの交差領域空間１を中心にして眺めてみると、コアの交差領域空間１の上面ではクラッド３が（取り囲まれて）配されているためクラッド材料の界面と接していることになり、コアの交差領域空間１の下面ではクラッド３が（取り囲まれて）配されているためクラッド材料の界面と接していることになる。一方で、コアの交差領域空間１の４つの側面には、コア２が連続してつながって（連続空間として）形成されていることになる。

以上、図１、図２、図３における説明は、特許文献１においても説明されている内容であって、従来技術である。以下、本発明においては、この従来技術の全部または一部を、前提となる構成として取り込みながら、その構成の改良として説明を展開していく。

図４は、本発明の第１の実施例の光導波路の交差領域の構成を示す図である。この構成では、図３において説明したコアの交差領域空間１の上下の２つの面において、コア２と同じ材料が界面として接するように、コア２と同じ材料を配することを特徴としている。別の言い方をすると、コアの交差領域空間１の上面、下面の両方に対して、クラッド材料を用いる代わりに、コア２と同じ材料で蓋をするような構造を特徴としている。

コア２の断面は、光を等方に伝搬させるという点では、ほぼ正方形であることが好ましい。コア２の断面が正方形である場合には、コアの交差領域空間１は、立方体ということになる。

このような特徴的な構成を採用している技術的な意義は、コアの交差領域空間１の上下の２つの面において、界面における屈折率比を調整していることにある。別の言い方をすると、交差領域空間１における界面と、交差領域空間１には属さないコア２における界面との間で屈折率比が変わることがないように（連続して一定となるように）、屈折率比を調整していることにある。

実際、コアの交差領域空間１の屈折率はｎ１であり、コア２と同じ材料である蓋の屈折率がｎ２であることから、上面または下面の界面における屈折率比はｎ２／ｎ１である。

一方で、交差領域空間１には属さない箇所におけるコア２とクラッド３とが接している界面における屈折率比はｎ３／ｎ２であるから、屈折率比の関係がそれらの複数の界面において変わることがないように（連続して一定となるようにしている）設計思想は、次の（式１）の関係として表現することができる。

ｎ２／ｎ１＝ｎ３／ｎ２ （式１）

また、蓋の高さ（厚さ）Ｌは、屈折率比の関係が界面において変わらない（連続するようにしている）ように、実際には光導波路からの入力光の漏れが低減されるようにようにできれば十分な高さであれば足りる。入力光の波長や入力光のモードにも依存するものであり、設計において適宜調整し得る。

以上、交差領域空間１、コア２、クラッド３、に異なる屈折率の材料を設定して配する設計をすることができる。また、光を照射するなど材料に後発的な作用を加えることによって、後発的に屈折率を異なるようにすることも知られているので、かかる作用を応用することもできる。

従って、光導波路は、樹脂を材料にした光硬化などのプロセスで作成することができる。このような蓋の構成は、リソグラフィーでパターン化して作成することができる。

例えば、光照射によって屈折率が上昇し、かつ、露光量が多いほど屈折率が大きくなる樹脂が知られている。一方で、光照射によって屈折率が減少し、かつ、露光量が多いほど屈折率が小さくなる樹脂も知られている。従って、リソグラフィーでパターン化して作成するプロセスの中において、無理なく導入することができる。

図５は、本発明の第２の実施例の光導波路の交差領域の構成を示す図である。この構成では、図３において説明したコアの交差領域空間１を分断する（孤立させる）４つの側面、すなわち、コア２が交差領域空間１に本来であれば接続されるべき箇所であって、コア２とコアの交差領域空間１と間の４つの不連続空間に対して、クラッド３と同じ材料を充填することを特徴としている。別の言い方をすると、コアの交差領域空間１の４つの側面に対して、コア２へ連続してつながるようにコア材料を用いる代わりに、クラッド３と同じ材料を充填するような構造を特徴としている。

この構造は、別の言い方をすると、立体的に分断されてしまった箇所である不連続空間に充填される材料と、その不連続空間の上下に配される材料との共通性を考慮した設計となっている。または、分断されてしまったコアの代わりに、充填されるクラッド材料がその分断を橋渡しするような体裁になっている。

不連続空間は、本来は連続してつながっている（であろう）ところのコアが、連続していない形態になっているという幾何学的な特徴を捉えて、（コアの）ギャップ、（コアの）溝、などと表現することもある。この不連続空間は、リソグラフィーでパターン化して作成してもよいし、一旦は連続してつながったコアを作成しておいた後で、レーザー加工や機械加工などによって不連続空間を削りだす等して、その後をクラッド材料で充填するように作成してもよい。また、上下のクラッド材料と共通したクラッド材料を用いることができるため、充填のプロセスを無理なく導入することができる。

図６は、本発明の第２の実施例について、光導波路の交差領域での損失を計算するためモデルと、このモデルを使ってＢｅａｍ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ法により計算された伝搬損失を示す図である。図６の（ａ）は、４つの側面の全てにギャップを設けた場合のモデルである。

ここでの条件は、コア２の屈折率ｎ２＝１．５９３（１．４〜１．６の範囲からの選択）であり、クラッド３の屈折率ｎ３＝１．５４２（１．４〜１．６の範囲からの選択）であり、比屈折率差（relative difference in refractive index）Δを
Δは、図９（ａ）の横軸に表現された式 （式２）
とすると、Δ＝５％という条件である。コアの交差領域空間１は立方体であり、コア２は正方形断面であって、Ｈ＝Ｗ１＝Ｗ２＝３５μｍ という条件である。入力した光の波長はλ＝８５０ｎｍである。
また、

図６の（ｂ）はモデルの伝播損失を示したものである。（ｂ）の横軸はギャップの幅であり、縦軸は損失である。このモデルでは、溝幅δが２μｍ（δmin）付近の場合に特に有意であって、数値範囲として示すならば１μｍ〜６μｍの場合に有利であり、１μｍ〜４μｍの範囲の場合に至るとさらに有意であることが認められる。この図から溝幅がδminのときに光の伝搬損失が最小となることがわかる。

図７は、図６におけるモデルに対応する屈折率分布である。横軸は光の伝搬方向に垂直な方向の位置を表し、縦軸は、光の伝搬方向の位置であり、縦軸の中心に交差領域が位置付けられている。数字の単位は入射光の波長（８５０nm）である。

図８は、ＢＰＭ（Ｂｅａｍ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ）によって算出された光の電界強度の分布を示す図である。図７に対応して測定された横軸と縦軸とに対応しており、横軸については２倍のスケールになっている。ここでは扇状に延びたゆらぎが現れているが、これは交差部における光が少量だが漏れている様子を示している

図９は、本発明の第２の実施例の光導波路において、任意のクラッド部の屈折率ｎ３と比屈折率差Δに対し、光の伝搬損失が最小となるようなギャップ幅δminを求めるための図を示す。（a）は図６で示した、本発明の第２の実施例の光導波路に波長８５０nmの光を入射したときの伝搬損失が最小となるギャップ幅δminとクラッドとコアの比屈折率差Δの関係を示した図である。 図にはクラッド部の屈折率ｎ３ が１．５、光の波長が８５０ｎｍの場合の例を示す。 図中の線はδminとΔの関係を線形近似したときのグラフである。 他のｎ３の値の場合もδminとΔの関係は同様に線形近似をすることができる。 図９(ｂ)には図９（a）のδminとΔを線形近似したときのグラフの切片Ａと傾きＢをそれぞれ、クラッド部の屈折率ｎ３に対しプロットした図を示す。図中の線はそれぞれの関係を線形近似したときのグラフである。図９(ｃ)にはＡとn3の関係を線形近似したときのグラフの切片Ａ_０と傾きＤを各波長に対して表に示す。 同様にＢとｎ３の関係を線形近似したときのグラフの切片Ｂ_０と傾きＥも各波長に対して表に示す。 これにより、任意の比屈折率差Δとクラッド部の屈折率ｎ３に対し、光の伝搬損失が最小となるギャップ幅δmin、の値を算出することができる。

この理論的な算出では、以下のような条件を用いた。

＜溝の幅の範囲＞
下記の範囲とする。
クラッドの屈折率 (refractiveindex) ｎ３ : １．４〜１．８
入射光の波長 (wavelength) λ： ８５０〜１３５０ｎｍ
コアのクラッドとの比屈折率差(relative difference in refractive index) Δ ： １〜５％
導波路コア幅および高さ (waveguidewidth and height) Ｗ１，Ｗ２，Ｈ : ３０〜５０ｎｍ（ここでは、Ｗ１＝Ｗ２＝Ｈ）

＜溝の幅の求め方＞
任意のクラッドの屈折率ｎ３、光の波長λと特定のクラッド部とコア部の比屈折率差を持つ光導波路に対しての、光の伝搬損失が最小となる溝の幅δminは下記の方法で求めることができる。 図９（a）に、クラッド部の屈折率ｎ３が１．５の場合の、光導波路の光の伝搬損失が最小となるδの値δminをＢｅａｍ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ法により算出し、比屈折率差Δの値に対してプロットした。データは下記のように線形に近似できる：
δmin＝ＢΔ＋Ａ （式３）
ここで、ＢとＡは、それぞれ傾きとＹ切片である。他のクラッド部の屈折率ｎ３の値の場合も同様に線形近似ができ、傾きとＹ切片を求めることができる。

傾きＡとＹ切片Ｂをそれぞれクラッドの屈折率ｎ３に対してプロットすると、図９の（ｂ）のようになる。 それぞれのグラフを線形近似すると次の式で表される：
Ａ＝Ｄｎ３＋Ａ０ （式４）
Ｂ＝Ｅｎ３＋Ｂ０ （式５）
ここでＤとＥはそれぞれのグラフの傾きのパラメータ、Ａ０とＢ０はＹ切片のパラメータである。

したがって光の伝播損失が最小となるような溝幅δminは次のようにして求められる。
１. （式４）と（式５）を使って、求めたいｎ３の値に対しての、ＡとＢの値をそれぞれ求める。
２. １．で得られたＡとＢの値を使って、δminの値を（式３）により求める。
交差領域空間の寸法が、Ｈ（高さ）＝Ｗ１（幅）＝Ｗ２（幅）＝３５μｍであって、相対屈折率差Δ＝５％という条件では、溝幅δ＝２μｍと求まる。
交差領域空間の寸法が、Ｈ（高さ）＝Ｗ１（幅）＝Ｗ２（幅）＝３０〜５０μｍであって、相対屈折率差Δ＝２〜５％という条件では、溝幅（δ）＝１〜６μｍと求まる。

ここまで、本発明は、コアとクラッドの「界面」に屈折率の段差（ステップ）があるステップ・インデックス・ファイバにおいて説明してきた。しかし、コアの屈折率が一様でなく、屈折率に傾斜がついているグレーデッド・インデックス・ファイバ（ＧＩファイバ）にも適用することができる。ＧＩファイバにおいては、屈折率はコアの中心が最も高く、コアの外側に向かって少しずつ低くなり、クラッドとの界面ではクラッドと同じになるというものであって、コアとクラッドの間には、屈折率の段差はない。

すなわち、「界面」は、コアとクラッドとの「関係で形成される」のであって、必ずしも固定的な空間、固定的な物理的位置として明瞭であるとは限らない。波長λにも依存しつつ、光の伝搬の原理である反射と屈折とが、その「界面」に達する光の入射角とに従って、繰り返されていくものである。本発明の技術的思想の範囲として「界面」という用語の意義は広く解釈されるべきものである。

このように、屈折率の設定も、コアの交差領域にｎ１、コアにｎ２、クラッドにｎ３、という厳密に均質な材料が用いられなくても、この発明の属する技術の分野における通常の知識を有するものであれば、本発明の技術的思想を再現できる場合があることに注意されたい。

１ コアの交差領域、コアの交差領域空間
２ コア
３ クラッド
４ 光導波路
５ 蓋
６ ギャップ、溝、不連続空間
Ｈ （コアの交差領域空間の）高さ
Ｌ 蓋の高さ（厚さ）
ｎ１ 屈折率（コアの交差領域）
ｎ２ 屈折率（コア）
ｎ３ 屈折率（クラッド）
Ｗ１ （コアの交差領域空間の）幅
Ｗ２ （コアの交差領域空間の）幅

Claims (6)

1. 一層のコアとして平面に配されている直線状の複数のコアであって、平面において互いに平行ではないコアの組合せを含んでおり、屈折率ｎ２の材料から成る、複数のコア（２）と、
   複数のコアを取り囲み、複数のコアとの関係で界面を形成するように配された、屈折率ｎ３の材料から成る、クラッド（３）と、
   複数のコアが互いに交差して形成された、屈折率ｎ１の材料から成る、コアの交差領域空間（１）と、
   を含み、
   ここで、屈折率の大小関係は、ｎ１（コアの交差領域）＞ｎ２（コア）＞ｎ３（クラッド）に設定されていて、
   コアの交差領域空間の上面および下面に対して、屈折率ｎ２の材料が蓋として配されていて、コアとクラッドとの関係で形成される界面における屈折率比ｎ２／ｎ３と、コアの交差領域空間と蓋との関係で形成される界面における屈折率比ｎ１／ｎ２とが、等しいことを特徴とする、
   光導波路。
2. 一層のコアとして平面に配されている直線状の複数のコアであって、平面において互いに平行ではないコアの組合せを含んでおり、屈折率ｎ２の材料から成る、複数のコア（２）と、
   複数のコアを取り囲み、複数のコアとの関係で界面を形成するように配された、屈折率ｎ３の材料から成る、クラッド（３）と、
   複数のコアが互いに交差して形成された、屈折率ｎ２の材料から成る、コアの交差領域空間（１）と、
   を含み、
   ここで、屈折率の大小関係は、ｎ２（コア）＞ｎ３（クラッド）に設定されていて、
   コアの交差領域空間の４つの側面において、交差している４つのコアとの間が分断されて４つの幅δのギャップが形成されていて、分断された４つの幅δのギャップが屈折率ｎ３の材料で充填されていることを特徴とする、
   、光導波路。
3. 交差領域空間の寸法が、Ｈ（高さ）＝Ｗ１（幅）＝Ｗ２（幅）＝３５μｍであって、相対屈折率差Δ＝５％という条件であって、かつ、溝幅δ＝２μｍである、
   請求項２に記載の光導波路。
4. 交差領域空間の寸法が、Ｈ（高さ）＝Ｗ１（幅）＝Ｗ２（幅）＝３０〜５０μｍであって、相対屈折率差Δ＝２〜５％という条件であって、かつ、溝幅（δ）＝１〜６μｍである、
   請求項２に記載の光導波路。
5. コア２の屈折率ｎ２＝１．５９３であり、クラッド３の屈折率ｎ３＝１．５４２である、
   請求項３に記載の光導波路。
6. コア２の屈折率ｎ２＝１．４〜１．６であり、クラッド３の屈折率ｎ３＝１．４〜１．６である、
   請求項３に記載の光導波路。

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