JPWO2014017154A1 - 多モード干渉光カプラ - Google Patents

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Abstract

多モード干渉光カプラにおいて、接続部のテーパー形状を光軸方向に対して非対称とする。非対称なテーパー形状による接続部は、二つの光導波路のテーパー状部分の外側の壁部の側面を光結合部の矩形導波路の矩形形状の側面と平行とし、テーパー状部分の内側の壁部の側面を外側に傾斜させることで、光結合部の矩形の多モード干渉光導波路中の伝搬光の波面と、接続部のテーパー形状の単一モード光導波路中の波面との整合を保持し、波面の不整合による損失を低減すると共に分岐比を保持する。多モード干渉光カプラの設計パラメータを最適化して、接続部の隣接する光導波路間の光結合による分岐比の不安定さを解消し、損失の低減と安定した分岐比との両要求を満たす。

Description

本発明は、光導波路に関し、特に、光通信等の光信号処理の分野において光信号を出力用光導波路に分配して出力する多モード干渉光カプラに関する。
シリコンフォトニクスは、シリコン薄膜を成膜するシリコンテクノロジーを用いた光デバイスや光回路等を形成する技術であり、ＬＳＩ中に光配線や光回路を導入してＬＳＩを高速化する光インターコネクションを形成したり、ＬＳＩのシリコンプロセスを転用することによって光通信デバイスやセンサーデバイスの安価な製造への適用が期待されている。
シリコンフォトニクスに用いる光配線や光回路を構成する基本的な要素として分岐あるいは結合を行う光カプラがあり、多モード干渉光導波路（ＭＭＩ（Multimode Interference）導波路）を用いた光カプラが知られている。
ＭＭＩ導波路を用いた多モード干渉光カプラは、構造が単純で、小型であり、屈折率や波長による特性変化が小さいという特徴を有し、光の分岐、合流、異なる波長の分波・合波、異なる光路の光の干渉を組み合わせた変調器やスイッチング、フィルタリング等に用いられる。ＭＭＩ導波路を用いた多モード干渉光カプラとして、様々な入出力数のものがあるが、最も多いのが２入力２出力型である。
ＭＭＩ導波路を用いた多モード干渉光カプラは、同様の機能を有する方向性結合器よりも製作許容誤差が大きいという利点があるため、シリコンＣＭＯＳ技術を利用した高密度に集積された微小な光導波路において、重要な基本コンポーネントとなることが期待されている。
従来、方向性結合器と比較して過剰損失が大きいという多モード干渉光カプラの課題を解決するために、入力光導波路及び出力光導波路において導波路幅を変化させたテーパー状の形状とすることで、入力光導波路及び出力光導波路における電界分布を空間的に緩やかな成分に変換し、多モード光導波路の放射モードとの結合による損失を減少させる多モード干渉光カプラが提案されている。（特許文献１参照）
図１６は、従来の多モード干渉光カプラの一構成例を説明するための図である。図１６において、多モード干渉光カプラ１１０は、多モード干渉光導波路からなる光結合部１１１と入力側の接続部１１２ａ，１１２ｂ、および出力側の接続部１１３ａ，１１３ｂを備える。
光結合部１１１は、入力した光を分岐あるいは結合する部位であり、例えば、幅広の矩形形状からなる多モード干渉光導波路で形成される。また、接続部１１２ａ，１１２ｂ，１１３ａ，１１３ｂは光結合部１１１と光導波路とを接続する部位であり、接続部１１２ａ、１１２ｂにはそれぞれ入力光導波路１２２ａ，１２２ｂが接続され、接続部１１３ａ、１１３ｂにはそれぞれ出力光導波路１２３ａ，１２３ｂが接続される。
入力側の接続部１１２ａと接続部１１２ｂは、光結合部１１１の入力端１１４において間隔を開けて配置され、それぞれ光軸１１６ａ，１１６ｂに対して対称な外側と内側の傾斜面を有したテーパー形状であり、入力光導波路１２２ａ，１２２ｂに接続される。
一方、出力側の接続部１１３ａと接続部１１３ｂは、光結合部１１１の出力端１１５において間隔を開けて配置され、それぞれ光軸１１７ａ，１１７ｂに対して対称な外側と内側の傾斜面を有したテーパー形状であり、出力光導波路１２３ａ，１２３ｂに接続される。
多モード干渉光カプラ１１０において、入力光導波路１２２ａから接続部１１２ａを介して光結合部１１１に導入された入力光、あるいは入力光導波路１２２ｂから接続部１１２ｂを介して光結合部１１１に導入された入力光は分岐され、接続部１１３ａおよび接続部１１３ｂを介して出力光導波路１２３ａ，１２３ｂからそれぞれ出力光として導出される。
本願の発明者は、導波路幅をテーパー状に変化させた入力光導波路及び出力光導波路の構成例を示している。（非特許文献１参照）
また、テーパー状の入力光導波路及び出力光導波路において、入力光導波路及び出力光導波路を挟んでダミー導波路を設け、光導波路とダミー導波路との間に凹溝を設けることによって、光導波路の周囲の等価屈折率をＭＭＩ導波路の幅方向に関して対称に分布させることが提案されている。（特許文献２参照）
特開２０００−８１５３４号公報（段落［0018］，段落［0025］〜［0027］） 特開２００７−２３３２９４号公報（段落［0016］〜［0018］） 特開２００８−２４１９３７号公報（図１） 特許第４０３３２３１号公報（図５）
"Slow-light-based variable symbol-rate silicon photonics DQPSK receiver " Keijiro Suzuki, Hong C. Mguyen, Takemasa Tamanuki, Fumihiro Shinobu, Yuji Saito, Yuya Sakai, and Toshihiko Baba OPTICS EXPRESS 4796 Vol.20, No.4 13 February 2012
多モード干渉光カプラの基本的な性能として過剰損失および分岐比がある。ここで、過剰損失は主に多モード干渉光カプラの光結合部で発生する損失である。また、分岐比は、光結合器で分岐された２つの出力光の光強度の比率であり、例えば、二入力／二出力の多モード干渉光カプラでは、入力光導波路の光軸の延長上にある出力光導波路から導出される光強度（Through）と入力光導波路の光軸の延長から外れた光軸上にある他方の出力光導波路から導出される光強度（Cross）との比率（Through/Cross）で表される。
多モード干渉光カプラを多段に接続する構成では、接続された系全体の損失は各段の多モード干渉光カプラの損失を加算したものであるため、系全体の損失を低減するには各段の多モード干渉光カプラの過剰損失が小さいことが求められる。
例えば、各段の多モード干渉光カプラの過剰損失が0.3dB以下であれば、１０段の多モード干渉光カプラを直列接続した場合の損失は3dB以下に抑えることができる。
また、所望とされる分岐比は目的によって異なるものの、基本的には二つの出力光導波路に対して分岐の比率が１：１であることが求められる。
多モード干渉光カプラに求められる過剰損失の低減と１：１の分岐比の要求を満たすために、多モード干渉光カプラの設計パラメータの最適化が行われる。設計パラメータの最適化は、はじめに光結合部を構成する幅広の矩形形状の導波路部分の幅と長さを最適化し、次に接続部を構成する二入力／二出力光導波路を最適化する。
接続部の最適化では、一般に接続部の外形形状を緩やかな傾斜を有したテーパー形状とすることによって、光結合部の矩形導波路の光を二出力光導波路に導くことで損失を低減させている。
また、接続部と光結合部の矩形導波路との接続個所において、隣接する接続部の光導波路を接近させると、矩形導波路から光導波路間の隙間を抜けて放出される成分が減少するため、放出による損失を低減させることができる。
しかしながら、接続部の最適化において、接続部を緩やかな傾斜を有するテーパー形状とし、共に接近させて配置すると、隣接する２つの接続部の光導波路間において光の結合が発生して光導波路間でパワーのやり取りが起こり、分岐比が１：１に定まらないという問題がある。
したがって、
・光結合部の矩形形状の光導波路部分の幅と長さの最適化
・接続部を構成する二入力／二出力光導波路のテーパー形状の長さの最適化
・接続部の隣接する光導波路間の間隔の最適化
の多モード干渉光カプラの設計パラメータの最適化において、接続部の隣接する光導波路間の光結合によって分岐比が不安定となるという問題がある。
そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、多モード干渉光カプラの設計パラメータの最適化において、接続部の隣接する光導波路間の光結合による分岐比の不安定さを解消することを目的とする。
また、多モード干渉光カプラにおいて、損失の低減と安定した分岐比との両要求を満たすことを目的とする。
本願発明は、多モード干渉光カプラにおいて、接続部のテーパー形状を光軸方向に対して非対称とする。この接続部の非対称構造によって、
１．接続部の隣接する光導波路が結合面から所定の距離の間において、光導波路間の間隔を離して光導波路間の結合を抑制し、分岐比を安定化させる。
２．光結合部の矩形の多モード光導波路中の伝搬光の波面と、接続部のテーパー形状の単一モード光導波路中の波面との整合を保って、波面の不整合による損失を低減する。
ものであり、これによって上記課題を解決するものである。
本願発明の多モード干渉光カプラは、基板上に、多モード干渉光導波路からなる光結合部と、単一モード光導波路からなる接続部とを光学的に接続して備える。
本願発明の光結合部は矩形形状であり、本願発明の接続部は、少なくとも一つの第１の接続部及び少なくとも二つの第２の接続部、あるいは少なくとも二つの第１の接続部及び少なくとも一つの第２の接続部を備える。
第１の接続部は、単一モード光導波路からなる光導波路と光結合部の一端との間を光学的に接続する。第２の接続部は、単一モード光導波路からなる光導波路と光結合部の他端との間を光学的に接続する。
第１の接続部と第２の接続部の少なくとも何れか一方の接続部は、光結合部側の幅が光導波路側の幅よりも広いテーパー形状である。テーパー形状は、接続部の光軸方向に対して非対称な台形形状である。
テーパー形状は、接続される光結合部の両端間を結ぶ方向に対して外側の壁部と内側の壁部の内、外側の壁部は光結合部の結合面に対して直交する垂直辺を形成し、内側の壁部は光結合部の結合面に対して外側に傾斜する傾斜辺を形成し、接続部の光軸方向に対して非対称な片側垂直辺の台形形状である。
従来知られている多モード干渉光カプラが備えるテーパー形状はテーパー部分の中心軸に対して対称形状である。このような対称なテーパー形状において、光導波路を外側に向かう構成（例えば、特許文献３，４参照）とした場合には、矩形導波路の中の伝搬光の波面とテーパー形状部分内の波面とが不整合を起こし損失が発生する。
本願発明の非対称なテーパー形状による接続部は、二つの光導波路のテーパー状部分の外側の壁部の側面を光結合部の矩形導波路の矩形形状の側面と平行とし、テーパー状部分の内側の壁部の側面を外側に傾斜させることで、光結合部の矩形の多モード干渉光導波路中の伝搬光の波面と、接続部のテーパー形状の単一モード光導波路中の波面との整合を保持し、波面の不整合による損失を低減すると共に分岐比を保持する。
以上説明したように、本願発明の多モード干渉光カプラによれば、光結合部の矩形の多モード干渉光導波路中の伝搬光の波面と、接続部のテーパー形状の単一モード光導波路中の波面との整合を保持し、波面の不整合による損失を低減することができる。
本願発明の多モード干渉光カプラの一構成例を説明するための図である。 解析モデル例を説明するための図である。 光結合部の長さＬに対する分岐比の変化を示すシミュレーション結果である。 光結合部の長さＬに対する過剰損失の変化を示すシミュレーション結果である。 接続部間の配置間隔gapに対する過剰損失の変化を示すシミュレーション結果である。 設計パラメータとして光結合部の長さＬ、幅Ｗ、接続部の配置間隔gapを用いて得られた最適値における伝搬モードのｙ方向（面垂直方向）の磁界分布Ｈｙを示す図である。 設計パラメータとして接続部の配置間隔gapを変化させたときの伝搬モードのｙ方向（面垂直方向）の磁界分布Ｈｙを示す図である。 最適化したモデルの磁界分布を示す図である。 テーパー長taperＬに対する分岐比および過剰損失の変化を示す図である。 設計パラメータとして接続部のテーパー長taperＬを加えた最適化例を示す図である。 テーパー形状が対称形状である場合と非対称形状である場合の磁界分布を示す図である。 光結合部の長さＬに対する分岐比および過剰損失の変化のシミュレーション結果を示す図である。 光結合部の幅Ｗに対する分岐比および過剰損失の変化のシミュレーション結果を示す図である。 接続部の配置間隔gapに対する分岐比および過剰損失の変化のシミュレーション結果を示す図である。 テーパー長taperＬに対する分岐比および過剰損失の変化のシミュレーション結果を示す図である。 従来の多モード干渉光カプラの一構成例を説明するための図である。
以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。以下、図１を用いて本発明の多モード干渉光カプラの構成例を説明し、図２〜図１０を用いてシミュレーションによる設計パラメータの最適化について説明し、図１１〜図１５を用いて本願発明による非対称なテーパー形状による多モード干渉光カプラと従来の対称なテーパー形状による多モード干渉光カプラとを比較して説明する。
［多モード干渉光カプラの構成例］
図１は、本願発明の多モード干渉光カプラの一構成例を説明するための図である。
図１において、多モード干渉光カプラ１０は、多モード干渉光導波路からなる光結合部１１と入力側の接続部１２ａ，１２ｂ、および出力側の接続部１３ａ，１３ｂを備える。
光結合部１１は、入力した光を分岐あるいは結合する部位であり、幅広の矩形形状からなる多モード干渉光導波路で形成される。また、接続部１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂは光結合部１１と光導波路とを接続する部位であり、接続部１２ａ、１２ｂにはそれぞれ入力光導波路２２ａ，２２ｂが接続され、接続部１３ａ、１３ｂにはそれぞれ出力光導波路２３ａ，２３ｂが接続される。
入力側の接続部１２ａと接続部１２ｂは、光結合部１１の入力端１４において間隔gapを開けて配置され、それぞれ光軸１６ａ，１６ｂに対して非対称な外側と内側の傾斜面を有したテーパー形状であり、入力光導波路２２ａ，２２ｂに接続される。
一方、出力側の接続部１３ａと接続部１３ｂは、光結合部１１の出力端１５において間隔gapを開けて配置され、それぞれ光軸１７ａ，１７ｂに対して非対称な外側と内側の傾斜面を有したテーパー形状であり、出力光導波路２３ａ，２３ｂに接続される。
多モード干渉光カプラ１０において、入力光導波路２２ａから接続部１２ａを介して光結合部１１に導入された入力光、あるいは入力光導波路２２ｂから接続部１２ｂを介して光結合部１１に導入された入力光は分岐され、接続部１３ａおよび接続部１３ｂを介して出力光導波路２３ａ，２３ｂからそれぞれ出力光として導出される。
また、多モード干渉光カプラ１０において、入力光導波路２２ａから接続部１２ａを介して光結合部１１に導入された入力光、および、入力光導波路２２ｂから接続部１２ｂを介して光結合部１１に導入された入力光は、光結合器１１において結合され、接続部１３ａを介して出力光導波路２３ａから出力光として導出されると共に、接続部１３ｂを介して出力光導波路２３ｂから出力光として導出される。
２×２（二入力／二出力）カプラの場合には、接続部１２，１３はそれぞれ一対の接続部１２ａ，１２ｂおよび１３ａ，１３ｂを備える構成であるが、少なくとも一つの接続部１２及び少なくとも二つの接続部１３による構成、あるいは少なくとも二つの接続部１２及び少なくとも一つの接続部１３による構成としてもよい。接続部１２は、単一モード光導波路からなる入力光導波路２２ａ，２２ｂと光結合部１１の一端との間を光学的に接続し、接続部１３は、単一モード光導波路からなる出力光導波路２３ａ，２３ｂと光結合部１１の他端との間を光学的に接続する。
接続部１２と接続部１３の少なくとも何れか一方の接続部は、光結合部１１側の幅が光導波路側の幅よりも広いテーパー形状であり、このテーパー形状は、接続部１２、１３の光軸方向に対して非対称な台形形状である。
接続部１２，１３の非対称なテーパー形状は、光結合部１１の両端間を結ぶ方向に対して外側に面する壁部１８と内側に面する壁部１９の内、外側の壁部１８は光結合部１１の結合面２０に対して直交する垂直辺を形成する。一方、内側の壁部１９は光結合部１１の結合面２０に対して外側に向かって傾斜する傾斜辺を形成する。
この構成によって、接続部１２，１３は、接続部の光軸方向に対して非対称な片側垂直辺を有する台形形状の形状となる。例えば、接続部１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂはそれぞれ光軸１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂに対して非対称な、片側垂直辺を有する台形形状である。
接続部１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂの台形形状において、光結合部１１の結合面２０側のテーパー幅taperＷ１は、光導波路側のテーパー幅taperＷ２よりも幅広に形成される。
設計パラメータとして、光結合部１１の長さＬ、光結合部１１の幅Ｗ、隣接する接続部間の配置間隔であるテーパー間隔gapが設定され、入力光導波路２２ａ，２２ｂおよび出力光導波路２３ａ，２３ｂの幅が定められることで光導波路側のテーパー幅taperＷ２が設定され、さらに、結合面２０側のテーパー幅taperＷ１がシミュレーション等によって設定されている場合には、接続部１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂの傾斜辺である内側壁部１９の傾きは、接続部１２，１３のテーパー長taperＬを設計パラメータとして設定される。
［シミュレーション］
以下、分岐比１：１の多モード干渉光導波路（ＭＭＩ）型の２×２（二入力／二出力）カプラについて、時間領域差分法（FDTD）を用いた光伝搬シミュレーションによって低損失となるパラメータの最適設計について説明する。なお、シミュレーションの演算は、R-SOFT社の商用ソフトウェアFULLWAVE（登録商標）を用いた例を示している。
以下、分岐比１：１の多モード干渉光導波路（ＭＭＩ）型の２×２（二入力／二出力）カプラについて、時間領域差分法（FDTD）を用いた光伝搬シミュレーションによって低損失となる最適設計について説明する。
（ＦＤＴＤの原理）
時間領域差分法 (Finite Difference Time Domain: FDTD) は、電磁場のふるまいを記述したMaxwellの方程式をYeeセルで分割した領域に対して時間領域と空間領域で差分化し、直接、逐次計算する手法である。
信頼出来る計算結果を得るために、計算精度が保証されるためのYeeセルサイズを媒質内波長の1/10以下とし、計算安定のため計算ステップ数Δｔを式（１）のCourantの安定条件を満たすように設定する。
ｃ・Δｔ≦｛（1/Δｘ２）＋（1/Δｙ２）＋（1/Δｚ２）｝−１／２ …（１）
また、計算空間の周囲を終端するＰＭＬ層を光導波路の端から500nm程度とすることで、十分な厚みが確保されているものとする。
（計算条件）
計算モデルは３次元であり、基本的にＳｉ薄膜に形成された導波路構造の周囲が全てＳｉＯ２で埋め込まれた形状を想定している。図２は解析モデル例を示している。
図２は、多モード干渉光カプラが２×２（二入力／二出力）カプラである例を示している。このカプラの例では、長さＬ、幅Ｗの多モード干渉光導波路（ＭＭＩ）から成る光結合部と、この光結合部の両端に設けられた二対のテーパー形状の接続部とを有している。光結合部の一端に設けられた接続部には入力光導波路が接続され、光源（source）から入力光が導入される。また、光結合部の他端に設けられた一対の接続部には出力光導波路が接続され、一方の出力光導波路には光結合部をそのまま通過した光がthrough光として導出され、他方の出力光導波路には光結合部を交差した光がcross光として導出される。
ここで、多モード干渉光導波路（ＭＭＩ）の光結合部の長さＬ、幅Ｗ、および光結合部に結合面に配置される一対のテーパー形状の接続部の配置間隔gapを多モード干渉光カプラの設計パラメータとして解析している。
励振点や光導波路などの解析条件を以下の表１に示す。
（解析結果）
以下に、前記シミュレーションにより、光結合部の長さＬ、幅Ｗ、および光結合部に結合面に配置される一対のテーパー形状の接続部の配置間隔gapを設計パラメータとし、これら設計パラメータを変化させた場合の分岐比と過剰損失の変化の解析結果例を示す。
図３〜図５は、光結合部の長さＬを5.3μm，幅Ｗを2.2μm、テーパー状の接続部の配置間隔gapを0.2μmとする設計パラメータの付近において、これら設計パラメータを変更した際の分岐比および過剰損失の変化をシミュレーションで求めた例を示している。なお、分岐比はThroughの光導波路の光強度とCrossの光導波路の光強度との比（Through/Cross）で表し、分岐比が１：１のときはThrough/Crossは1.0となる。
図３は光結合部の長さＬに対する分岐比の変化を示し、図４は光結合部の幅Ｗに対する過剰損失の変化を示している。
図３に示すシミュレーション結果から、分岐比は光結合部の長さＬに対して周期性を有することが確認される。また、図３に示すシミュレーション結果から、光結合部の長さＬが５μmの近傍においては、分岐比が１：１に近くなると共に、過剰損失が小さく成ることが確認される。
図４に示すシミュレーション結果から、光結合部の幅Ｗを大きくした場合には、分岐比は１：１に近づくが、過剰損失は大きく変動することが確認される。光結合部の幅Ｗに対する過剰損失の変動は変動幅が大きいことから、光結合部の幅Ｗの設計パラメータによって過剰損失を微調整することは困難である。
図５に示すシミュレーション結果から、接続部の配置間隔gapが大きくなると過剰損失が増えることが確認される。
図３〜図５に示す設計パラメータに対する分岐比および過剰損失の変動特性に基づいて、分岐比が１：１に近く、かつ過剰損失が小さくなる光結合部の長さＬ、幅Ｗ、接続部の配置間隔gapの最適値を設定する。
図６は、設計パラメータとして光結合部の長さＬ、幅Ｗ、接続部の配置間隔gapを用いて得られた最適値における伝搬モードのｙ方向（面垂直方向）の磁界分布Ｈｙを示している。このときの分岐比はThrough/Cross＝0.97であり、過剰損失は0.59dBであった。
図７は、設計パラメータとして接続部の配置間隔gapを変化させたときの伝搬モードのｙ方向（面垂直方向）の磁界分布Ｈｙを示している。図７（ａ）〜（ｄ）は接続部の配置間隔gapが0.2μmの場合を示し、図７（ｅ）〜（ｈ）は接続部の配置間隔gapが0.3μmの場合を示している。
設計パラメータの内の接続部の配置間隔gapを0.3μmから0.2μmに狭くすると、光結合部の出力側の接合面において光導波路に結合することなく直進して放出される光が減少する。図７（ａ）の符号Ａおよび図７（ｅ）の符号Ｂは、放出される光の状態を示し、符号Ａに示す接続部の配置間隔gapが0.2μmの場合の光の放出状態は、符号Ｂに示す接続部の配置間隔gapが0.3μmの場合の光の放出状態よりも低減していることが確認される。
接続部の配置間隔gapを狭めることで放出される光は減少するものの、このときの分岐比は１：１から大きくずれる。このとき、分岐比を１：１に調整するために光結合部の長さＬを変化させると、光結合部の長さＬが4.6μmのときに分岐比が所望のものとなることが確認される。しかし、過剰損失は1.43 dBとなり、前記した最適設計で得られる0.59dBと比較して大きくなる。
これらのシミュレーション結果から、過剰損失は、接続部の配置間隔gapを狭くすることで減らすことができるが、光結合部の長さＬを調整して分岐比を１：１に近づけるとすると再び増加する。
設計パラメータの光結合部の長さＬ、幅Ｗ、接続部の配置間隔gap の調整によって得られる最低損失モデルはＬ＝5.2μm、Ｗ＝2.2μm，gap＝0.2μmであり、図８はこのときの磁界分布を示している。
[テーパー形状]
本願発明は、隣接する接続部間における光の結合に注目し、この接続部のテーパー形状をテーパー部分の外側の側壁が光結合部の結合面に対して直角となる非対称な台形形状とし、接続部の光結合部側のテーパー幅Ｗ１および光導波路側のテーパー幅Ｗ２は、光結合部側の幅が光導波路側の幅よりも広いテーパー形状であり、このテーパー幅Ｗを固定したとき、接続部の光軸方向の長さであるテーパー長taperＬを設計パラメータとして調整することによって、過剰損失を増やすことなく分岐比のみを調整する。
したがって、本願発明の多モード干渉光カプラは、光結合部の長さＬ、幅Ｗ、接続部の配置間隔gapに加えて接続部のテーパー長taperＬを分岐比および過剰損失を調整する設計パラメータとする。
テーパー形状は、接続される光結合部の両端間を結ぶ方向に対して外側の壁部と内側の壁部の内、外側の壁部は光結合部の結合面に対して直交する垂直辺を形成し、内側の壁部は光結合部の結合面に対して外側に傾斜して傾斜辺を形成し、接続部の光軸方向に対して非対称な片側垂直辺の台形形状である。非対称なテーパー形状による接続部は、二つの光導波路のテーパー状部分の外側の壁部の側面を光結合部の矩形導波路の矩形形状の側面と平行とし、テーパー状部分の内側の壁部の側面を外側に傾斜させることで、光結合部の矩形の多モード干渉光導波路中の伝搬光の波面と、接続部のテーパー形状の単一モード光導波路中の波面との整合を保持し、波面の不整合による損失を低減すると共に分岐比を保持する。
図９は、テーパー長taperＬに対する分岐比および過剰損失の変化を示している。図９のシミュレーション結果によれば、テーパー長taperＬが3.3μmのときに分岐比を１：１に保持したまま過剰損失を0.3 dB以下の低損失となることが確認される。
（最適化例）
図１０は、設計パラメータとして、光結合部の長さＬ、幅Ｗ、接続部の配置間隔gapに加えて接続部のテーパー長taperＬを用いて多モード干渉光カプラを最適化したときの一例であり、このときに最適パラメータ値は、表２に示すように、Ｌ＝5.2μm、Ｗ＝2.2μm、gap＝0.2μm、taperＬ＝3.3μmである。
図１０（ａ）は、設計パラメータの最適値例を示し、図１０（ｂ）はこのときに得られる伝搬モードの磁界分布を示している。
（テーパー形状による比較）
テーパー形状が従来の対称形状の場合と本発明の非対称形状の場合とを、設計パラメータをＬ＝5.2μm、Ｗ＝2.2μm、gap＝0.2μmとした場合について比較する。図１１はテーパー形状が対称形状である場合と非対称形状である場合の磁界分布を示している。また、表３にテーパー形状が対称形状である場合と非対称形状である場合について、分岐比、過剰損失、および反射特性を示している。
シミュレーションによる計算結果を比較すると、過剰損失0.19dBと反射34dBはほぼ等しく、分岐比には大きな違いが見られる。損失および反射に変化していないことから、接続部のテーパー部分で光が行き来して分岐比が１：１から変化したと考えられる。テーパー間隔gapを広げると、光結合部の多モード干渉光導波路（ＭＭＩ）で調整された１：１の分岐比を保ったまま出力することができる。このことは図 １１の磁界分布からも確認することができ、図１１（ａ）に示す対称なテーパー形状と図１１（ｂ）に示す非対称なテーパー形状とでは、接続部のテーパー部分間での磁界の局在が減していることが確認される。さらに、入射側において、光を入射していない側の接続部のテーパー部分の光導波路での光の結合が抑制されていることが確認される。
実際にデバイスを製作した際には完全に設計値通りに製作することは困難である。
以下、本発明の非対称なテーパー形状によれば、設計パラメータの最適設計の製作誤差に対して耐性を有し、製作誤差に対して分岐比および過剰損失の変動が対称なテーパー形状と比較して小さいことを示す。
図１２〜図１５は、対称なテーパー形状と非対称なテーパ形状とを比較するものであり、光結合部の長さＬ、光結合部の幅Ｗ、接続部間の配置間隔gap、およびテーパー長taperＬによる分岐比および過剰損失の変化を示している。
図１２〜図１５に示すシミュレーション結果は、非対称なテーパー形状とすることによって低損失と分岐比Through/Cross＝１とを両立できることが確認される。
対称なテーパー形状では0.3 dB以下の低損失になるパラメータ付近では、分岐比がThrough/Cross＝0.6前後の値である。この状態から、分岐比Through/Cross＝１となるように、光結合部の長さＬ、光結合部の幅Ｗ、接続部間の配置間隔gapの設計パラメータを変えることは可能であるが、損失は１dB以上と高くなる。
図１２に示す光結合部の長さＬに対する過剰損失の変化、および図１３に示す光結合部の幅Ｗに対する分岐比および過剰損失の変化は比較的大きな変動を示すが、実際の製作では0.01μmオーダーの製作精度が得られるため、許容範囲とすることができる。
図１４に示す接続部間の配置間隔gapに対する分岐比および過剰損失の変化によれば、精密な製作が要求される接続部間の配置間隔gapに対しても、十分大きな製作許容を得ることができる。
また、図１５に示す接続部のテーパー長taperＬに対する分岐比および過剰損失の変動は小さく、十分大きな製作許容を得ることができる。
なお、本発明は前記各実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨に基づいて種々変形することが可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
本発明の多モード干渉光カプラは、ＬＳＩチップ、光トランシーバーや高速インターネット等の光通信部品等に適用することができる。
１０ 多モード干渉光カプラ
１１ 光結合部
１２，１３，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ 接続部
１４ 入力端
１５ 出力端
１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂ 光軸
１８ 壁部
１９ 壁部
２０ 結合面
２２ａ，２２ｂ 入力光導波路
２３ａ，２３ｂ 出力光導波路
１１０ 多モード干渉光カプラ
１１１ 光結合部
１１２ａ，１１２ｂ，１１３ａ，１１３ｂ 接続部
１１４ 入力端
１１５ 出力端
１１６ａ，１１６ｂ 光軸
１１７ａ，１１７ｂ 光軸
１２２ａ，１２２ｂ 入力光導波路
１２３ａ，１２３ｂ 出力光導波路
Ｈｙ 磁界分布
taperＬ テーパー長
taperＷ１ テーパー幅
taperＷ２ テーパー幅
Through/Cross 分岐比

Claims (3)

  1. 基板上に、多モード干渉光導波路からなる光結合部と、単一モード光導波路からなる接続部とを光学的に接続して備える二入力／二出力の多モード干渉光カプラであって、
    前記光結合部は矩形形状であり、
    前記接続部は、
    二つの第１の接続部及び二つの第２の接続部を備え、
    前記第１の接続部は、単一モード光導波路からなる入力光導波路と前記光結合部の一端との間を光学的に接続し、
    前記第２の接続部は、単一モード光導波路からなる出力光導波路と前記光結合部の他端との間を光学的に接続し、
    第１の接続部と第２の接続部の少なくとも何れか一方の接続部は、前記光結合部側の幅が光導波路側の幅よりも広いテーパー形状であり、
    当該テーパー形状は、当該接続部の光軸方向に対して非対称な台形形状であることを特徴とする、多モード干渉光カプラ。
  2. 前記テーパー形状は、
    接続される光結合部の両端間を結ぶ方向に対して外側の壁部と内側の壁部の内、
    外側の壁部は前記光結合部の結合面に対して直交する垂直辺を形成し、
    内側の壁部は前記光結合部の結合面に対して外側に傾斜する傾斜辺を形成し、
    当該接続部の光軸方向に対して片側垂直辺の台形形状であることを特徴とする、請求項１に記載の多モード干渉光カプラ。
  3. 前記基板はシリコン基板であり、
    前記光結合部および前記接続部はシリコン基板上のシリコン薄膜で形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の多モード干渉光カプラ。
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