WO2011065014A1 - 光導波路デバイスおよびモジュール - Google Patents

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智世 柴崎
充 永野
柳澤　雅弘
博 照井
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Definitions

  • the present invention relates to an optical device using a waveguide on a substrate. More specifically, the present invention relates to a technique for terminating a waveguide not connected to an input or output fiber at an arbitrary position in a substrate and attenuating the intensity of an optical signal propagating through the waveguide.
  • a waveguide type device As a component that has played an important role in this optical communication system, there is a waveguide type device.
  • various functions such as an optical signal branching coupler, a wavelength multiplexer / demultiplexer, an interleave filter, an optical switch, and a variable optical attenuator (VOA) have been realized. Since these devices are of the waveguide type, the circuit design is flexible, and large scale and high integration are easy.
  • a semiconductor component manufacturing process such as LSI can be used, it is highly expected as a device with excellent mass productivity.
  • Various types of semiconductors, waveguides using polymer materials, etc. have been put into practical use. Especially, silica-based optical waveguides fabricated on silicon substrates have low loss, stability and bondability to optical fibers. It is one of the waveguide-type devices that have the characteristics of being excellent and are most practically used.
  • optical add / drop multiplexing using wavelength division multiplexing (WDM) signals
  • ROADM Reconfigurable Add / Drop Multiplexing
  • This system has a function to transmit all signals to adjacent nodes after passing only an arbitrary WDM channel signal within a node to a lower layer network, and mainly forms a ring network. Used.
  • Optical devices required to realize this function include wavelength multiplexing / demultiplexing filters that combine and branch WDM signals for each wavelength, optical switches that switch signal paths, and signal light intensity adjustments.
  • VOAs, optical transceivers, light intensity monitors, etc., in particular, wavelength multiplexing / demultiplexing filters, optical switches, VOAs and the like can be realized by waveguide devices.
  • FIG. 18 shows an example of this, including wavelength multiplexing / demultiplexing filters (1404, 1406, 1416), optical switches (1408-1 to N), VOAs (1410-1 to N), and optical couplers (1402, 1412-1 to N) is a block diagram of a circuit in which monitoring PDs (Photo Detectors) (1414-1 to N) are integrated as one module 1400.
  • monitoring PDs Photo Detectors
  • a drop path wavelength demultiplexing (DEMUX) filter 1404 After that, one of them is separated into individual wavelength signals by a drop path wavelength demultiplexing (DEMUX) filter 1404, and only the signals of the wavelengths used in the lower layer network are detected. The other is separated into signals of individual wavelengths by another DEMUX filter 1406, and then selects either an add (Add) path signal or a main path signal that is a transmission signal from the lower layer network. Passes through the optical switches 1408-1 to 1408-1. In the 2 ⁇ 1 optical switch, a signal from the add path is selected only for the wavelength corresponding to the wavelength signal detected in the drop path.
  • DEMUX drop path wavelength demultiplexing
  • the signal level of each wavelength signal is adjusted by the VOAs 1410-1 to N, but the output of the signals is output by the tapping optical couplers 1412-1 to N and the monitor PDs 1414-1 to N connected thereto. A part is monitored and fed back to control the amount of attenuation of the VOA.
  • the level-adjusted signal of each wavelength is converted to a WDM signal by a wavelength multiplexing (MUX) filter 1416 and then output from the output (out) of the main path.
  • MUX wavelength multiplexing
  • these individual optical devices have been mounted on the module by being connected to each other via an optical fiber in the module.
  • further improvement in the degree of integration is a major issue.
  • multi-chip integration technology This is a technique for realizing miniaturization of the waveguide device itself and reduction of the mounting area in the module by directly connecting the individual waveguide device substrates without using an optical fiber.
  • the wavelength multiplexing / demultiplexing filters 1406 and 1416 are fabricated as one waveguide type device substrate 1420.
  • the optical switches 1408-1 to N, the VOAs 1410-1 to N, and the optical couplers 1412-1 to N are manufactured as one waveguide type device substrate 1430. Then, when connecting each, a board
  • the monitoring PDs 1414-1 to N are not waveguide devices, any one of the monitor port of the optical couplers 1412-1 to N and the end surface of the wavelength multiplexing / demultiplexing filter substrate 1420 or the end surface of the substrate 1430 such as an optical switch. In this case, it is possible to connect without using an optical fiber. According to the present technology, the length of the optical fiber used in the module 1400 and the number of members for connecting the optical fiber and the substrates 1420 and 1430 can be reduced. As a result, the mounting area in the module is reduced, Device integration is improved. At this time, the VOA has a function of adjusting the optical level of the signal light passing therethrough by an attenuation operation and suppressing the level deviation between the channels.
  • the VOA 1500 includes two directional couplers 1504 and 1508 for branching and joining optical signals, and arm waveguides 1506a and 1506b, and a Mach-Zehnder in which thin film heaters 1512a and 1512b are formed on the arm waveguides 1506a and 1506b. It is an optical device of the interferometer (MZI: Mach Zehnder Interferometer) type.
  • MZI Mach Zehnder Interferometer
  • FIG. 19B is a cross-sectional view taken along line XIXB-XIXB in FIG. 19A.
  • the optical waveguide is manufactured on a silicon substrate 1520, and includes a clad 1522 made of quartz glass and a rectangular core 1524 covered therewith.
  • On both sides of the arm waveguide there is a heat insulating groove 1514 in which the clad is removed along the waveguide using an etching technique, and the power required for switching or attenuation can be reduced.
  • the path from the port 1502a to the port 1510b is used to obtain a sufficient extinction ratio or optical attenuation even when the optical branching coupler has an error in the coupling rate due to the manufacturing error due to the interference principle of MZI.
  • a route (cross route) from the port 1502b to the port 1510a is generally used as the main signal route.
  • the optical attenuating operation in the VOA using MZI composed of two optical waveguides as a basic element attenuates the optical level of the main port (output waveguide connected to an optical fiber or other waveguide type device)
  • the surplus (attenuated) optical power is output to the other port (dummy port).
  • the port 1510b is a main port
  • the port 1510a is a dummy port.
  • the surplus optical power guided to the dummy port propagates to the output end face of the waveguide type device substrate and is radiated as it is to the air.
  • a waveguide type device substrate 1608 such as an arrayed waveguide grating (AWG) or a monitor PD is directly attached to a waveguide type device substrate 1606 including a VOA 1602 and a tapping optical coupler 1604.
  • AWG arrayed waveguide grating
  • monitor PD monitor PD
  • the present invention is directed to the suppression of crosstalk with respect to an optical fiber and other waveguide devices by terminating the waveguide device without radiating excess optical power at an arbitrary position on the substrate.
  • a waveguide type device includes a termination structure filled with a light shielding material to terminate light from an end portion of the waveguide, and the termination structure includes: The angle of incidence with respect to the light from the waveguide end portion is inclined, the waveguide end portion has a taper portion whose waveguide width becomes narrower toward the termination, and the termination structure is formed of the waveguide. An interval between the termination structures on a surface that surrounds the end and is adjacent to or in contact with the tapered portion and faces the end of the waveguide end is greater than the interval between the termination structures at the end of the waveguide end. It is characterized by being enlarged.
  • the waveguide type device is characterized in that the taper portion has an adiabatic transition structure.
  • a waveguide type device includes a termination structure filled with a light shielding material to terminate light from the waveguide end, and the termination structure is connected to the waveguide end.
  • the angle of incidence with respect to light is inclined, and the waveguide end has a tapered portion whose waveguide width becomes narrower toward the termination, and the termination structure surrounds the waveguide end, and the tapered portion
  • the taper portion is an adiabatic transition structure.
  • the waveguide type device is characterized in that the incident angle is equal to or greater than the Brewster angle.
  • the waveguide type device is characterized in that the light shielding material is made of a material that absorbs or scatters light from the end of the waveguide.
  • a waveguide device includes at least one of a Mach-Zehnder type optical switch, a variable attenuator, an optical splitter, and an arrayed waveguide diffraction grating.
  • the module according to the embodiment of the present invention is characterized in that multi-chip integration is performed using these waveguide devices.
  • a material that forms a groove on the optical waveguide by removing the clad and the core at an arbitrary position on the substrate and attenuates the light intensity in the groove.
  • a material that forms a groove on the optical waveguide by removing the clad and the core at an arbitrary position on the substrate and attenuates the light intensity in the groove.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a waveguide type device according to a first embodiment of the present invention.
  • 2A is a diagram showing a circuit layout of a substrate including a variable optical attenuator in the waveguide type device of FIG.
  • 2B is a diagram showing a circuit layout of a substrate including a variable optical attenuator in the waveguide type device of FIG.
  • FIG. 2C is a diagram showing a circuit layout of a substrate including a variable optical attenuator in the waveguide type device of FIG.
  • FIG. 3 is a view showing the shape of the groove for terminating the optical waveguide according to the first embodiment of the present invention in the horizontal plane of the substrate.
  • FIG. 4 is a diagram showing the shape of the groove that terminates the optical waveguide according to the fourth embodiment of the present invention in the horizontal plane of the substrate.
  • FIG. 5A is a diagram illustrating a tapered shape of a terminated optical waveguide according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 5B is a diagram illustrating a tapered shape of a terminated optical waveguide according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an MMI shape of a terminated optical waveguide according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 7A is a diagram illustrating a termination structure surrounding an optical waveguide according to a sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 7B is a diagram illustrating a termination structure surrounding an optical waveguide according to a sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 8A is a diagram illustrating a termination structure surrounding an optical waveguide according to a seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 8B is a diagram illustrating a termination structure surrounding an optical waveguide according to a seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 9A is a view for explaining an optical waveguide termination structure according to an eighth embodiment of the present invention.
  • FIG. 9B is a view for explaining a termination structure of an optical waveguide according to an eighth embodiment of the present invention.
  • FIG. 10A is a diagram illustrating a termination structure of an optical waveguide according to an eighth embodiment of the present invention.
  • FIG. 10B is a diagram illustrating a termination structure of an optical waveguide according to an eighth embodiment of the present invention.
  • FIG. 11A is a diagram illustrating a tapered structure of an optical waveguide according to a ninth embodiment of the present invention.
  • FIG. 11B is a diagram illustrating a tapered structure of an optical waveguide according to a ninth embodiment of the present invention.
  • FIG. 12A is a diagram showing an example of a termination structure surrounding an optical waveguide according to the eighth and ninth embodiments of the present invention.
  • FIG. 12B is a diagram showing an example of a termination structure surrounding the optical waveguide according to the eighth and ninth embodiments of the present invention.
  • FIG. 13A is a diagram showing an outline of a waveguide type device according to a tenth embodiment of the present invention.
  • FIG. 13B is a diagram showing an outline of a waveguide type device according to the tenth embodiment of the present invention.
  • FIG. 14A is a diagram illustrating a specific configuration example when a 2 ⁇ 1 optical switch is realized by a waveguide device.
  • FIG. 14B is a diagram illustrating a specific configuration example when a 2 ⁇ 1 optical switch is realized by a waveguide device.
  • FIG. 14C is a diagram illustrating a specific configuration example in the case where the 2 ⁇ 1 optical switch is realized by a waveguide device.
  • FIG. 15 is a diagram showing an outline of a waveguide type device according to the eleventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a diagram illustrating a configuration example of a 1 ⁇ 6 splitter according to a twelfth embodiment of the present invention.
  • FIG. 17A is a diagram illustrating a configuration example of a 1 ⁇ 40 wavelength group demultiplexing filter according to a twelfth embodiment of the present invention.
  • FIG. 17B is a diagram showing an example of a transmission spectrum of the 1 ⁇ 40 wavelength group demultiplexing filter according to the twelfth embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a circuit block diagram showing a module configuration example of a waveguide device that realizes the main functions of the ROADM system.
  • FIG. 19A is a diagram showing a basic configuration of a variable optical attenuator in a waveguide type device.
  • FIG. 19A is a diagram showing a basic configuration of a variable optical attenuator in a waveguide type device.
  • FIG. 19B is a cross-sectional view taken along line XIXB-XIXB in FIG. 19A.
  • FIG. 20 is a diagram for explaining a problem of surplus optical power in a waveguide type device using a multi-chip integration technique according to a conventional technique.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a waveguide type device according to an embodiment of the present invention.
  • the device 100 includes a substrate 120 including VOAs 104-1 to N and a substrate 130 including an arrayed waveguide grating (AWG) 110, and has an optical level adjustment function. It is comprised as a wavelength multiplexing device (VMUX: VOAequipped MUX).
  • VMUX wavelength multiplexing device
  • This device is installed in a WDM system, for example.
  • the VOAs 104-1 to N and the tap optical couplers 106-1 to N are integrated in one substrate 120, and the optical power monitoring PD 108 and the AWG 110 are integrated in another substrate 130. .
  • FIG. 2A is a detailed circuit layout of the substrate 120 including the VOAs 104-1 to N in this embodiment.
  • the VOAs 104-1 to N arranged in parallel are configured by MZIs 202-1 to N and 204-1 to N connected in series in two stages so that the optical levels of a plurality of channels can be adjusted simultaneously, and power is supplied to both MZIs. Attenuation operation is performed by applying.
  • a wavelength-independent coupler (WINC: Wavelength Independent Coupler) is connected to the subsequent stage of the VOAs 104-1 to N as tap optical couplers 106-1 to 106-N.
  • the main port 206a and the tap port 206b are connected to the AWG 110 integrated on the separate substrate 130 and the PD 108 that monitors the optical power level of each channel.
  • the excess light guided from the MZIs 202-1 to N and 204-1 to N to the dummy ports 208-1 to N by the attenuation operation of the VOAs 104-1 to N is arbitrary on the extension line of the dummy port.
  • the groove is formed by removing the clad layer and the core portion at the position of, and the termination structure 210-1 to 210-N composed of a material (light-shielding material) that attenuates the light intensity filled therein, and the like.
  • the circuit and channel are attenuated to a level that does not cause crosstalk or stray light and terminated.
  • the light shielding material in this example was a mixture of silicone resin as a base material and carbon black generally used as a light shielding material.
  • the light power incident on the light shielding material is attenuated mainly by absorption in carbon black.
  • the substrate 120 including these VOAs 104-1 to N is manufactured by a process as described below.
  • a single-mode optical waveguide having a cladding layer and a buried core formed of quartz glass on a 6-inch diameter silicon substrate is converted into a quartz system using a flame hydrolysis reaction of a source gas such as SiCl 4 or GeCl 4. It is fabricated by a combination of glass film deposition technology and reactive ion etching technology. Then, a thin film heater and a power feeding electrode were produced on the surface of the clad layer by vacuum deposition and patterning.
  • the normal core size of the manufactured optical waveguide was 7 ⁇ m ⁇ 7 ⁇ m, and the relative refractive index difference ⁇ with the cladding layer was 0.75%.
  • VOA and WINC in Example 1 are formed by using such an optical waveguide and combining a straight waveguide and a curved waveguide.
  • the thin film heater formed on the surface of the clad layer as a phase shifter by the thermo-optic effect had a thickness of 0.1 ⁇ m, a width of 20 ⁇ m, and a length of 2 mm.
  • a heat insulating groove is formed along the thin film heater, and the heat generated from the thin film heater is efficiently transmitted to the core of the optical waveguide.
  • the grooves of the termination structures 210-1 to 210-N connected to the dummy ports of the VOAs 104-1 to N were formed simultaneously with the processing of the heat insulating grooves.
  • the size of the groove is 100 ⁇ m wide and 1 mm long.
  • the depth of the groove is up to the bottom of the core portion, but may be up to the substrate.
  • the total length of the optical circuit composed of the VOAs 104-1 to N and the WINCs 106-1 to N in Example 1 configured using MZI as a basic element was 50 mm.
  • the optical path length difference between the two arms in the MZIs 202-1 to N and 204-1 to N constituting the VOAs 104-1 to N is set to a half wavelength of the signal light passing through, and no power is supplied to the VOAs 104-1 to N In the state, the signal light in the main path is cut off (maximum attenuation).
  • VOAs are parallelized in order to process WDM signals for each wavelength channel, but for the sake of simplicity of design, the optical path length difference of all VOAs is the center of the signal light wavelength band to be handled. Standardized at 0.75 ⁇ m, which is half of 55 ⁇ m. However, more strictly, it is added here that an optical path length difference corresponding to a wavelength passing for each VOA may be set.
  • VOAs 104-1 to N can be set to any desired attenuation by continuously changing the power applied to the thin film heater.
  • the extinction ratio which is the difference between the state where the power of the optical signal at the main port is zero attenuation (maximum optical output) and the maximum attenuation (optical output cutoff) is usually required to be 50 dB or more, and MZI1 In the case of only the stage, a sufficient extinction ratio cannot be obtained. For this reason, in this embodiment, a configuration in which two stages of MZI are connected in series is used, and an extinction ratio of 55 dB or more is obtained.
  • the amount of crosstalk in the channel adjacent to the channel through which the signal light propagates was measured in the state of maximum attenuation of VOA (light output cutoff).
  • crosstalk of about ⁇ 30 dB occurs in the main port 206a of the adjacent channel and its tap port 206b. This means that all of the excess optical power guided to the dummy ports 208-1 to 208-N propagates as a clad mode at the end point of the dummy port, and eventually couples to the waveguide of the adjacent channel, resulting in crosstalk. It shows that.
  • the crosstalk to the adjacent channel is large, and the main port 206a and the tap port 206b respectively , A crosstalk of about ⁇ 40 dB occurred.
  • the light radiated from the waveguide end faces of the grooves 212-1 to 212 -N is a result of being coupled to the adjacent waveguide after propagating again as a cladding mode, although a part of the optical power is attenuated by reflection and scattering in the groove. It turns out that it is cross talk.
  • the groove shape of the termination structures 210-1 to 210-N in this embodiment is such that the angle ( ⁇ ) of the incident surface to the groove is 8 degrees with respect to the propagation direction of the waveguide to be terminated, as shown in FIG. It has become.
  • the refractive index of the light shielding material which is a mixture of silicone resin and carbon black, is almost the same as that of quartz glass, but taking into account a slight refractive index difference, the angle ( ⁇ ) is given to reflect the VOA. It is devised so as not to affect the attenuation.
  • the optimum angle ( ⁇ ) is determined in consideration of the refractive index of the light shielding material, the arrangement space of the termination structure, the processing accuracy of the groove, and the like.
  • Example 2 of the present invention the configuration is the same as in FIGS. 1 and 2A, and the end portions of the dummy ports 208-1 to 208-N of the VOAs 104-1 to N are used as a light shielding material. What mixed the metal fine particle powder used was used. The light incident on the light shielding material is attenuated in light power mainly due to light scattering by the metal fine particles.
  • the produced sample is made of a quartz-based optical waveguide produced on a silicon substrate in the same manner as in Example 1, and is terminated with a groove and a light-shielding material introduced to prevent crosstalk due to coupling to an adjacent optical waveguide. 210-1 to N. Also in this example, the crosstalk to the adjacent channel was ⁇ 60 dB or less.
  • the angle of the incident surface to the groove of the waveguide to be terminated ( ⁇ in FIG. 3) was set to 15 degrees in consideration of the refractive indexes of the optical waveguide and the light shielding material.
  • the return loss on the input side of the VOAs 104-1 to N was 50 dB or more, which was a favorable characteristic.
  • Example 3 of the present invention the same configuration as in Example 2 was adopted, and the angle of the incident surface ( ⁇ in FIG. 3) to the groove of the waveguide to be terminated was defined as the Brewster angle.
  • Other configurations and light shielding materials are the same as those in the second embodiment.
  • the Brewster angle in this example was calculated to be about 50 degrees.
  • the influence of crosstalk due to radiated light is further reduced in the entire area of the waveguide substrate.
  • the crosstalk to the adjacent channel is ⁇ 65 dB or less, and the return loss on the input side of the VOAs 104-1 to N is also 55 dB or more.
  • the present embodiment can be applied to configurations other than the second embodiment such as the first embodiment. Therefore, depending on the space in which the termination structure is arranged in the circuit, it is possible to terminate the excess optical power more effectively by setting the incident angle to the Brewster angle as necessary.
  • the configuration is the same as that of the first embodiment.
  • the shape of the groove that terminates the dummy port 208 in the horizontal plane of the substrate is smoothly connected without having a vertex.
  • a light shielding material was introduced.
  • the groove wall surface was formed smoothly, making it difficult for the light shielding material to peel off and improving long-term reliability.
  • the effect of reducing crosstalk was the same as in Example 1, and the crosstalk to adjacent channels was ⁇ 60 dB or less. Also in this embodiment, since the incident surface angle to the groove at the terminal portion is 8 degrees, the return loss on the VOA 104-1 to N input side is 50 dB or more.
  • the configuration is the same as that of the first embodiment, and as shown in FIGS. 5A and 5B, the shape of the optical waveguide at the end portion of the dummy port 208 is a tapered shape. This is because the mode field diameter of the propagating light is enlarged as compared with the case of the optical waveguide having a normal width at other positions, so that the power density of the light incident on the light shielding material is reduced. It is intended. For example, when the light shielding material attenuates the surplus light power of the VOAs 104-1 to N by absorption of light, the light power is converted into heat, thereby increasing the temperature of the light shielding material.
  • the rated input optical power may be 200 mW (+23 dBm) or more, and the maximum surplus optical power guided to the VOA dummy port 208 in one channel (during shutdown) Is expected to be about 10 mW (+10 dBm).
  • the rising temperature of the light shielding material at that time may exceed 300 degrees depending on the incident mode field diameter, which exceeds the allowable temperature range of the silicone resin.
  • the taper length is 100 ⁇ m and the taper width (terminal structure incident side) is 30 ⁇ m.
  • the light shielding material by mixing black was used and the resistance to the input power was observed, it was confirmed that the light shielding material was not damaged with respect to the input power of 10 mW (+10 dBm) in any shape.
  • the light shielding material was cut in a cross section perpendicular to the light incident direction in the vicinity of the light incident portion and visually confirmed.
  • the taper length and width in this embodiment are merely examples, and the respective numerical values are determined by the positional relationship with adjacent waveguides and other circuits and space, and the numerical values described in this embodiment. It is not limited to. That is, the taper length can be arbitrarily determined from about several tens of ⁇ m to about several mm. Further, the mode field diameter can be increased by narrowing the taper width from the normal optical waveguide width. Accordingly, the taper width is set to 0 ⁇ m to 30 ⁇ m, and can be arbitrarily determined from the viewpoint of expanding the mode field diameter as much as possible.
  • the interferometer length is 100 ⁇ m and the interferometer width is 30 ⁇ m. It was confirmed that the light shielding material was not damaged even at an input power of 10 mW (+10 dBm).
  • Example 6 of the present invention as shown in FIG. 7A, the terminated optical waveguide is disposed so as to be surrounded by the groove and the light shielding material in the horizontal plane of the substrate. Thereby, the reflected light generated at the end portion of the optical waveguide is prevented from affecting other circuits.
  • the incident light 702 is terminated at the end point 704 of the optical waveguide and a part thereof becomes reflected light 706 and has a certain width (indicated by a dotted line) in the substrate. Is disposed so as to block the reflected light 706.
  • Example 2 since a mixture of silicone resin and metal particle powder was used as a light shielding material, a constant reflected light was generated due to a difference in refractive index from quartz glass.
  • the angle of the incident surface with respect to the groove of the terminated optical waveguide is set to 15 degrees, most of the reflected light is radiated into the optical waveguide substrate without being coupled to the terminated optical waveguide.
  • FIG. 3 or FIG. 4 FIG. 5A, FIG. 5B, FIG. Since it reached the end face of the substrate and radiated into the air without being coupled to the input / output optical fiber, there was no problem in terms of circuit characteristics.
  • a light receiving component such as a monitor PD is integrated on a substrate end face or substrate surface in a waveguide type device having an optical waveguide termination structure at an arbitrary position
  • the reflected light is received and crosstalk is caused. It may be detected, which causes a problem in circuit characteristics.
  • a waveguide type device having a termination structure as shown in FIG. 7A is manufactured, a mixture of silicone resin and metal particle powder is used as a light shielding material, and PD crosstalk is performed at any position (end face, upper and lower surfaces) of the substrate.
  • PD crosstalk is performed at any position (end face, upper and lower surfaces) of the substrate.
  • the crosstalk may be improved by 10 dB or more depending on the circuit configuration and its position.
  • the purpose is to block the reflected light, and therefore the size, position, and shape are arbitrarily determined within a range that does not affect the arrangement of other circuits.
  • the portion that terminates the optical waveguide and the portion that shields the reflected light do not necessarily have a continuous shape.
  • the structure 714 that blocks the reflected light in the shape shown in FIG. 7B is the termination structure 712 of the optical waveguide. Even if it is discontinuous in figure, the effect by this invention is the same.
  • the shape of each of the structures 712 and 714 is formed by a closed curve that has only a smooth curve and a straight line without having a vertex, or the material absorbs or scatters the material. It can be done.
  • the waveguide has a tapered shape, but may have a shape other than these.
  • FIGS. 8A and 8B are diagrams showing the configuration according to the seventh embodiment of the present invention.
  • the configuration for improving the high power resistance of the optical power incident on the termination structure of the waveguide has been described.
  • it is necessary to terminate the optical power where the input power reaches several tens of mW. Its resistance was insufficient.
  • the optical waveguide 802 to be terminated has a linear taper structure in which the waveguide width becomes narrower toward the end, and the groove shape 810 introduced with the light shielding material as shown in the embodiment 6 is guided.
  • the configuration surrounds the periphery of the waveguide.
  • the end point of the optical waveguide 802 and the terminal structure 802 are connected with a distance L1 through a gap formed by the cladding layer.
  • the distance L1 is set so that the light emitted from the end of the waveguide is sufficiently absorbed by the termination structure, for example, a value of 1 mm or less.
  • the length L2 of the taper is set to 500 ⁇ m, and the change rate of the waveguide width is increased, so that the spot size of the light propagating through the waveguide is rapidly changed.
  • the distance L1 between the waveguide end point and the termination structure was 750 ⁇ m, and the incident angle ⁇ of light with respect to the termination structure was 15 degrees.
  • the groove surrounding the periphery of the optical waveguide to be terminated has a shape gradually approaching the optical waveguide in the L3 portion of FIG. 8A, and in the linear taper portion, from the center of the optical waveguide width depending on the manufacturing error and the required attenuation.
  • the distance to the groove is arranged close to the waveguide width from a half of the waveguide width (the groove is in contact with the side wall of the waveguide core).
  • the distance L3 is 250 ⁇ m
  • the distance from the optical waveguide center to the groove at the linear taper start position is 7 ⁇ m, which is the same as the waveguide width.
  • a sample having the configuration shown in FIG. 8A was prepared, and when the resistance against input power was observed using a light shielding material made of a mixture of silicone resin and carbon black, the light shielding material was damaged with respect to the input power of 50 mW (+17 dBm). Confirmed that there is no.
  • the spot size conversion at the linear taper is rapidly performed, the emitted light is generated, so that a part of the optical power is attenuated by the light shielding material surrounding the periphery of the optical waveguide. It is possible.
  • most of the optical power whose mode field is expanded by the taper propagates on the optical waveguide, but is incident on the termination structure through the gap by the cladding layer at the termination position, so that the optical power is further dispersed and the inside of the light shielding material It is possible to alleviate a rapid temperature rise due to local light absorption at.
  • Measured return loss on the VOA input side in the configuration of this example was 55 dB or more. Further, when crosstalk measurement using PD was performed at any position on the substrate, it was ⁇ 60 dB or less at any position with respect to the light intensity input to the terminated optical waveguide.
  • the taper of the optical waveguide has a shape in which the waveguide width becomes narrower toward the end, but the width at the end point can be arbitrarily set within a range narrower than the normal waveguide width (other than the taper portion). is there.
  • the taper of the optical waveguide has a shape in which the waveguide width becomes narrower toward the end, but the width at the end point can be arbitrarily set within a range narrower than the normal waveguide width (other than the taper portion). is there.
  • two types of change rates of different widths in a linear taper shape that narrows the width there are cases where a shape in which two stages of linear tapers are connected is used, but an optical waveguide taper having such a shape is used. This is also included in the scope of the present invention.
  • the gap due to the cladding layer between the end point of the optical waveguide and the termination structure is adjusted by the space arranged in the circuit and the incident optical power, and the range is suitably 1 mm or less. That is, it is set so that light emitted from the end of the waveguide is sufficiently absorbed by the termination structure.
  • the distance L1 in FIG. 8A may be 0 mm.
  • the optical power may be locally incident on the termination structure, so that there is a possibility that sufficient high power resistance cannot be obtained. There is. However, for the purpose of terminating the optical waveguide and suppressing the crosstalk, this can be achieved as long as the light shielding material is not damaged.
  • the groove 812 surrounding the optical waveguide 804 to be terminated is in contact with the optical waveguide core side wall by an arbitrary distance L ′ 4, and this distance L ′ 4 continues to the linear taper start point of the optical waveguide 804.
  • the linear taper of the optical waveguide 804 has a shape that narrows toward the end point.
  • the end point and the termination structure 812 of the optical waveguide 804 are arranged with a gap formed by the cladding layer.
  • the taper length L′ 2 is 500 ⁇ m
  • the gap distance L′ 1 is also 500 ⁇ m
  • the width W ′ between the grooves in contact with the optical waveguide core side wall is constant until the termination structure 812 is reached. It was.
  • a part of the optical power propagating from the time when the groove is in contact with the optical waveguide 804 is radiated and attenuated in the groove, and after further expanding the field toward the termination structure, Attenuates and terminates optical power.
  • the optical power can be attenuated more slowly than in the case of the configuration described in the previous embodiments.
  • a sample having the configuration shown in FIG. 8B was prepared, and the resistance to the input power was observed using a light shielding material mixed with silicone resin carbon black.
  • the light shielding material was not damaged with respect to the input power of 100 mW (+20 dBm). It was confirmed. Further, when the return loss on the input side was measured, it was 55 dB or more. In crosstalk measurement using a PD at any position on the substrate, it was ⁇ 60 dB or less at any location relative to the light intensity input to the terminated optical waveguide.
  • the width W ′ of the portion sandwiched between the grooves is constant, but it is possible to further improve the input power resistance by forming the linear taper portion in contact with the optical waveguide core side wall. It is.
  • a distance of about 1 to 5 ⁇ m may be provided between the groove and the core side wall via a cladding layer. This is possible as long as the propagation loss of the optical waveguide increases in the vicinity of the groove.
  • the waveguide type device it is desirable to absorb the light around the core propagating to the terminal portion by arranging the light shielding groove close to or in contact with the core. If such an arrangement is adopted, the light shielding groove is arranged along the taper, and therefore, as shown in FIG. 9, a manufacturing error of the groove 820 filled with the light shielding material may be a problem.
  • the end face of the termination structure is cut obliquely (angle ⁇ ) so that light emitted from the waveguide 822 does not return to the waveguide even if it is reflected by the end face.
  • the groove corner is actually rounded as shown in FIG. 9B.
  • the clad portion 834 in the vicinity of the end face of the termination structure 830 is expanded so that the light from the waveguide 832 does not enter the rounded end face even when the mask is misaligned. Can be.
  • the amount of reflection returning to the waveguide 832 can be reduced, and deterioration of the return loss can be suppressed.
  • the mask alignment tolerance can be improved, and the productivity is improved.
  • the mask alignment accuracy a severe ⁇ m
  • the width b about 5 to 10 ⁇ m
  • the light emitted from the waveguide Should be taken into account in the width c (10 to 20 ⁇ m, depending on the distance from the end of the waveguide to the end face of the termination structure).
  • the width w to be expanded at the end face of the termination structure is w ⁇ a + b + c / 2.
  • the taper structure is extended by extending the distances L2 and L′ 2 of the tapered portion in FIG. 8 to L2 ′ and L′ 2 ′ (that is, the taper angle ⁇ is set to a critical angle or less).
  • the light shielding material can be prevented from being damaged by the radiation of the tapered portion.
  • the termination structure groove 840 is disposed close to the core of the waveguide 842, or the termination structure groove 850 is disposed in contact with the core of the waveguide 852 as shown in FIG. 11B.
  • the critical angle of the taper that forms the adiabatic transition structure is about 0.3 degrees when the relative refractive index difference ⁇ is 0.75%.
  • the adiabatic transition structure As described above, by adopting the adiabatic transition structure, it is possible to prevent the emitted light from the tapered portion from being generated, but even if the taper angle ⁇ is equal to or greater than the critical angle, the light shielding material by the emitted light from the tapered portion. If the damage is at a level where there is no problem, there is no practical problem.
  • FIG. 13A is a diagram showing a configuration of a waveguide type device according to Example 10 of the present invention.
  • a waveguide type device substrate 920a in which a waveguide type optical switch (not shown), VOA 902, and WinC 904 are integrated, and a waveguide type device substrate 930 in which an AWG and a monitor PD are integrated are directly connected. And constitutes the main function of the ROADM system.
  • the dummy port 906 of the VOA 902 is terminated with a termination structure 908a made of a groove and a light shielding material.
  • a termination structure 908a made of a groove and a light shielding material.
  • both the optical switch and the AWG are configured by the same optical waveguide as the VOA, and the monitor PD is connected to the end face of the substrate. .
  • the optical switch has the functions of the 2 ⁇ 1 switches 1408-1 to 1408-1 in FIG. 18, and is inserted (added) from the DEMUX (wavelength demultiplexed) optical signal path (main path) or the lower layer network. One of the optical signal paths (add paths) is selected. The optical level of the selected optical signal is adjusted by the VOA 902, and the optical signal is connected to the MUX (wavelength multiplexing) AWG via the WinC 904.
  • epoxy resin and carbon black were used for the light shielding material of the termination structure 908a for terminating the dummy port 906 of the VOA.
  • both were -60 dB or less.
  • the incident surface angle of the optical waveguide is 0 degree with respect to the termination structure 908a.
  • the return loss measured on the optical switch input side is 45 dB or more.
  • the incident surface angle with respect to the termination structure 908b was set to 8 degrees, the return loss was 50 dB or more.
  • the angle of the incident surface is set to 0 degree in consideration of the size of the groove in the substrate horizontal plane. Even in such a case, sufficient return loss characteristics can be obtained.
  • a higher specification is required, it is necessary to adopt a configuration in which reflected light is not coupled to the terminated optical waveguide, and the Brewster angle or the like is optimal.
  • the optical switch and the VOA 902 are described as separate circuits.
  • the functions of the optical switch and the VOA may be simultaneously realized using the same MZI, and the configuration shown in FIG. 13A is limited by the present invention. It does not indicate a typical configuration.
  • Patent Document 1 or Non-Patent Document 1 can be referred to as a configuration example of the ROADM optical switch and the VOA.
  • the through-path side optical switch and the add-path side optical switch are each composed of MZIs that are directly connected in two stages.
  • the dummy ports derived from the respective MZIs are terminated individually or collectively by the termination structure composed of the groove and the light shielding material according to the present invention so that the surplus optical power does not affect other circuits. Is possible.
  • FIG. 15 is a diagram showing a configuration of a waveguide type device according to Example 11 of the present invention. Similar to Example 10, in this device, a waveguide type device substrate 1120 in which a waveguide type optical switch, VOA 1102 and WINC 1104 are integrated, and a waveguide type device substrate 1130 in which an AWG and a monitor PD are integrated are directly connected. It constitutes the main function of the ROADM system.
  • the dummy port 1106 of the VOA 1102 is terminated with a termination structure 1108 made of a groove and a light shielding material
  • the input side dummy port 1110 of the WINC 1104 is also terminated by a termination structure 1112 made of a groove and a light shielding material.
  • the light shielding material was a mixture of a silicone resin as a base material and metal particle powder.
  • the crosstalk component caused by the connection loss that occurs when connected to another waveguide device or optical fiber at the input portion of the waveguide type device substrate 1120, or excess generated on the optical waveguide of the optical switch and VOA 1102 It is possible to suppress the crosstalk component caused by the loss from being coupled to the input side dummy port 1110 of the WINC and affecting the coupling rate as a coupler.
  • the effect of suppressing the crosstalk by the termination structure 1108 of the dummy port 1106 of the VOA 1102 was confirmed, and the crosstalk was ⁇ 60 dB or less at any location. Further, the return loss on the input side of the optical switch was also 50 dB or more.
  • the termination of the input-side dummy port in this embodiment is not limited to WINC.
  • the optical-side switch having MZI as a basic element, or an optical circuit having a dummy port on the input side, such as a VOA By terminating, it is possible to obtain effects such as suppression of the influence of crosstalk.
  • FIG. 16 shows an example of an optical splitter.
  • the configuration of FIG. In this case, the 1 ⁇ 8 splitter 1200 is a basic configuration, and the termination structure 1204 according to the present invention is applied to the two optical waveguides 1202 that are not used as output ports, thereby suppressing crosstalk in other output ports.
  • a 1 ⁇ 6 splitter based on the configuration of FIG. 16 was manufactured using an optical waveguide made of silica glass manufactured on a silicon substrate.
  • the deviation between the ports of the output power in the entire wavelength range was about 0.5 dB, which was a favorable characteristic. It was.
  • FIG. 17A is an example of AWG.
  • the output side optical waveguide is terminated by the termination structure 1304 of the present invention at regular intervals of the output port, thereby separating the optical signal for each group of wavelengths.
  • N is a natural number
  • the termination structure 1304 of the present invention at regular intervals of the output port, thereby separating the optical signal for each group of wavelengths.
  • signal processing such that the wavelength groups are separated from each other by sandwiching one ITU grid G1 to G4 (see FIG. 17B).
  • an AWG substrate based on the configuration of FIG. 17A was fabricated using a polymer waveguide fabricated on a silicon substrate.
  • the AWG 1302 of this embodiment is configured to separate the wavelength group for eight wavelengths into five groups, and 44 optical waveguides are arranged on the output side with respect to one input waveguide, of which eight Each wavelength group is separated by terminating one optical waveguide.
  • the total number of wavelengths (terminated wavelengths) sandwiched between the two wavelength groups is four, but in any case, the crosstalk at all ports other than the terminated ports is -40 dB or less.
  • the waveguide type device made of the silica glass and the polymer material on the silicon substrate has been described.
  • other materials constituting the waveguide type device for example, ion diffusion type niobium are described.
  • the present invention can be applied to all waveguide type thermo-optic circuits using a lithium acid waveguide or the like.
  • the depth of the groove is not particularly mentioned.
  • the depth reaching the silicon substrate is used. Is desirable.
  • the effect of the present invention is clear, and the depth is expressed by the core on the groove wall surface of the end portion of the optical waveguide. As a matter of course, it is of course necessary to be at a minimum, but the configuration of the present invention is not limited to a specific depth.

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Abstract

　導波路型デバイスにおいて余剰光パワーを適切に終端する。本発明の一実施例によれば、導波路型デバイスは、導波路端部からの光を終端するために遮光材が充填された終端構造を備える。この終端構造は、クラッドおよびコアを除去することによって光導波路上に溝を形成し、その溝内を光の強度を減衰させる材料（遮光材）で満たすことで形成することができる。これにより、終端構造に入射する光が遮光材によって減衰され、クロストーク成分となって他の光デバイスに与える影響を抑制することができる。このような終端構造により、同一基板内に集積される光デバイス同士での影響だけではなく、その基板に直接接続される他の光デバイスなどに対する影響も抑制することができる。

Description

光導波路デバイスおよびモジュール
　本発明は、基板上の導波路を用いた光デバイスに関するものである。更に詳細には、入力または出力ファイバに接続されない導波路を基板内の任意の場所で終端し、当該導波路を伝搬する光信号の強度を減衰させる技術に関する。
　各家庭におけるブロードバンド通信の爆発的普及によってネットワークコンテンツは多様性を増している。それに伴って発生する通信トラフィックの増大や通信サービスの拡充は、それらを支える通信ネットワークに対する大容量化、高速化、高機能化の要求を日増しに高めている。近年、光通信技術はこれらの要求に応える重要な役割を果たしてきた。そして、これまでの光ネットワークでは、光－電気、電気－光変換の信号処理によって２地点間を結ぶ、対地型の通信システムが主流であった。しかし、今後はさらにアクセス網を含む全てのネットワーク上で電気信号に変換する事なく光信号のまま複数の地点間を接続するメッシュ型の通信システムに発展させ、各ユーザにおけるより多彩な通信利用形態を実現していくことが重要となる。
　この光通信システムにおいて重要な役割を果たしてきた部品として、導波路型デバイスが挙げられる。光の干渉原理を応用することにより光信号の分岐結合器、波長合分波器、インターリーブフィルタ、光スイッチ、可変光減衰器（ＶＯＡ：Ｖａｒｉａｂｌｅ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ａｔｔｅｎｕａｔｏｒ）などさまざまな機能が実現されてきた。これらデバイスは導波路型であることから回路設計に柔軟性があり、大規模化、高集積化が容易である。そればかりでなく、ＬＳＩなどの半導体部品製造プロセスを流用できるため、量産性に優れたデバイスとして大きく期待されている。半導体、高分子材料を用いた導波路などさまざまなものが実用化されている中、特にシリコン基板上に作製される石英系光導波路は、低損失であり安定性及び光ファイバとの接合性に優れるといった特徴を有し、実用化が最も進んだ導波路型デバイスの一つである。
　これら導波路型デバイスを用いて構成される光通信システムノードの方式の一つに波長多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）信号を用いた光分岐挿入多重（ＲＯＡＤＭ：Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ　Ａｄｄ／Ｄｒｏｐ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）が挙げられる。この方式は、ノード内において任意のＷＤＭチャネル信号のみについて下層ネットワークとの間で受け渡しを行った後に、全ての信号を隣接するノードへ伝送する機能を有し、主にリングネットワークを構成する方式として用いられる。この機能を実現するために必要とされる光デバイスは、ＷＤＭ信号を波長ごとに合流し、分岐する波長合分波フィルタ、信号経路の切り替えを行うための光スイッチ、信号光強度を調整するためのＶＯＡ、光送受信器、光強度モニタなどがあり、特に波長合分波フィルタ、光スイッチ、ＶＯＡ等は導波路型デバイスによって実現することができる。
　近年では、これら導波路型デバイスを一つのモジュール内に集積し、ＲＯＡＤＭシステムの主要な機能を実現する高機能光デバイスを構成することが可能となっており、実際のネットワークシステムへの導入が盛んに進められている。図１８は、その一例であり、波長合分波フィルタ（１４０４，１４０６，１４１６）、光スイッチ（１４０８－１～Ｎ）、ＶＯＡ（１４１０－１～Ｎ）、光カプラ（１４０２，１４１２－１～Ｎ）、モニタ用ＰＤ（Ｐｈｏｔｏ　Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）（１４１４－１～Ｎ）が一つのモジュール１４００として集積されている回路のブロック図である。図１８の例に拠れば、主（Ｍａｉｎ）経路へ入力（Ｉｎ）から入ってくるＷＤＭ信号は、まずタップ用光カプラ１４０２によって分岐される。その後、一方はドロップ（Ｄｒｏｐ）経路用波長分波（ＤＥＭＵＸ）フィルタ１４０４によって、個々の波長の信号に分離されて下層ネットワークで使用する波長の信号のみが検出される。もう一方は別のＤＥＭＵＸフィルタ１４０６によってやはり個々の波長の信号に分離された後、下層ネットワークからの送信信号であるアド（Ａｄｄ）経路の信号と主経路の信号のいずれかを選択する２×１光スイッチ１４０８－１～Ｎを通過する。２×１光スイッチでは、先ほどドロップ経路で検出された波長信号に対応する波長についてのみアド経路からの信号が選択される。さらに各波長の信号はＶＯＡ１４１０－１～Ｎによって信号レベルを調整されるが、その出力はタップ用光カプラ１４１２－１～Ｎおよびその先に接続されているモニタ用ＰＤ１４１４－１～Ｎによって信号の一部がモニタされてフィードバックされており、ＶＯＡの減衰量を制御している。レベル調整された各波長の信号は波長合波（ＭＵＸ）フィルタ１４１６によってＷＤＭ信号となった後、主経路の出力（ｏｕｔ）より出て行く構成となっている。
　従来の技術によれば、これら個々の光デバイスは、モジュール内で光ファイバを介して相互に接続することにより、モジュールへの実装が実現されてきたが、今後さらなる小型化、大規模化、低消費電力化を実現する上では、一層の集積度向上が大きな課題となっている。
　こうした集積度向上の要求に応える技術として提案されているものの一つに、マルチチップ集積技術がある。これは個々の導波路型デバイス基板同士を、光ファイバを用いることなく直接接続することによって、導波路型デバイスそのものの小型化およびモジュール内での実装面積低減を実現する技術である。例えば、図１８の構成においては、波長合分波フィルタ１４０６，１４１６を一つの導波路型デバイス基板１４２０として作製する。同様に光スイッチ１４０８－１～Ｎ、ＶＯＡ１４１０－１～Ｎ、および光カプラ１４１２－１～Ｎを一つの導波路型デバイス基板１４３０として作製する。その後に、それぞれを接続する際、光ファイバを介さず、直接基板同士を接続する。また、モニタ用ＰＤ１４１４－１～Ｎは導波路型デバイスではないが、光カプラ１４１２－１～Ｎのモニタポートと波長合分波フィルタ基板１４２０の端面もしくは光スイッチ等の基板１４３０の端面のいずれかにおいて、やはり光ファイバを介することなく接続することが可能である。本技術によりモジュール１４００内で使用する光ファイバの長さや光ファイバと基板１４２０、１４３０を接続するための部材の数を減少させることが可能となり、結果的にモジュール内での実装面積が減少し、デバイスの集積度が向上する。この際、ＶＯＡは通過する信号光の光レベルを減衰動作によって調整し、各チャネル間のレベル偏差を抑制する機能を担う。
　導波路型デバイスによるＶＯＡのもっとも基本的な構成を図１９Ａに示す。このＶＯＡ１５００は、光信号を分岐・合流する２つの方向性結合器１５０４および１５０８と、アーム導波路１５０６ａ、１５０６ｂとによって構成され、アーム導波路１５０６ａ、１５０６ｂ上に薄膜ヒータ１５１２ａ、１５１２ｂを形成したマッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ：Ｍａｃｈ　Ｚｅｈｎｄｅｒ　Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）型の光デバイスである。ポート１５０２ａから入射した光信号は、方向性結合器１５０４によって分岐され、アーム導波路１５０６ａおよびｂをそれぞれ伝搬し、方向性結合器１５０８によって再び合流する。その際、薄膜ヒータ１５１２ａおよびｂのいずれかに電極パッド１５１６、１５１８より給電すると、アーム導波路１５０６ａ、１５０６ｂの間に位相差が生じ、方向性結合器１５０８における位相関係によってポート１５１０ａあるいは１５１０ｂから出射する光信号の強度が変化する。位相差が０のとき、光信号はポート１５１０ｂから１００％出射し、位相差がπのとき、ポート１５１０ａから１００％出射する。この現象を利用し、薄膜ヒータへの給電をアナログ的に制御することによってこの位相差を調整すれば、ＶＯＡとして使用することが可能である。図１９Ｂは、図１９ＡのＸＩＸＢ－ＸＩＸＢ線に沿った断面図である。光導波路は、シリコン基板１５２０上に作製され、石英系ガラスからなるクラッド１５２２およびそれに覆われた矩形状のコア１５２４によって構成される。アーム導波路の両側には、エッチング技術を用いてクラッドを導波路に沿って除去した断熱溝１５１４を有しており、スイッチングあるいは減衰に必要な電力を低減できる。ここで、ＭＺＩの干渉原理により、光分岐結合器が作製誤差によって結合率に誤差が生じた場合においても十分な消光比、あるいは光減衰量を得るためには、ポート１５０２ａからポート１５１０ｂにいたる経路、あるいはポート１５０２ｂからポート１５１０ａにいたる経路（クロス経路）を主信号の経路として用いることが一般的である。さらに消費電力あるいは熱光学効果の偏光依存性を考慮した場合、薄膜ヒータ１５１２ａ、１５１２ｂに無通電時において光信号を遮断するか、あるいは最大減衰量となるように駆動することが最も一般的である。そのためにはアーム導波路１５０６ａ、１５０６ｂにおいて光信号が導波路内を伝搬する光学的実効距離、すなわち光路長にあらかじめ適切な差（光路長差）を付与しておく必要がある。
　２本の光導波路によって構成されるＭＺＩを基本素子としたＶＯＡにおける光減衰動作は、メインポート（光ファイバや他の導波路型デバイスに接続される出力導波路）の光レベルを減衰させると共に、その余剰分（減衰させた分）の光パワーを他方のポート（ダミーポート）に出力する。例えば、主信号の経路としてクロス経路を使用するＭＺＩ型のＶＯＡでは図１９Ａのポート１５０２ａを入力とした場合、ポート１５１０ｂがメインポート、ポート１５１０ａがダミーポートとなる。これまでの技術によれば、ダミーポートへ導かれた余剰光パワーは導波路型デバイス基板の出力端面まで伝搬し、そのまま空気中へ放射させることが一般的であった。
特許第３７５５７６２号公報
　しかしながら、例えば図２０に示すように、ＶＯＡ１６０２やタップ用光カプラ１６０４を含む導波路型デバイス基板１６０６にアレイ導波路格子（ＡＷＧ：Ａｒｒａｙｅｄ　Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ　Ｇｒａｔｉｎｇ）やモニタＰＤなどの導波路型デバイス基板１６０８を直接接続するようなマルチチップ集積技術による実装の場合には問題があることが明らかになった。すなわち、導波路型デバイス基板１６０６の端面で放射されたＶＯＡ１６０２からの余剰光パワーの一部が、ＶＯＡ１６０２の後段に配置されるタップ用光カプラ１６０４から導かれる光導波路１６１０に結合し、結果的に分岐比ずれやクロストークの要因となって回路特性が劣化する。また、後続のＡＷＧやモニタＰＤ（図示せず）などに対しても同様にさまざまなクロストークを発生させる要因となり、やはり回路特性を劣化させる原因となっていた。
　さらに、マルチチップ集積技術を用いない、通常の光ファイバ接続による導波路型デバイスの実装においても、集積度の向上に伴って導波路デバイス基板端面における光導波路の密度が飛躍的に高くなり、伝搬する余剰光パワーがメインパスに結合したり、端面で放射した余剰光パワーが光ファイバに結合したりすることによって、クロストークの要因となる問題も明らかとなっている。
　したがって、導波路型デバイスにおいて、余剰光パワーの適切な終端処理が重要な課題となってきた。
　本発明は、導波路型デバイスにおいて、基板上の任意の位置において余剰光パワーを放射させることなく終端し、光ファイバおよび他の導波路型デバイスに対するクロストークの抑制を対象としている。
　このような目的を達成するために、本発明の一実施形態による導波路型デバイスは、導波路端部からの光を終端するために遮光材が充填された終端構造を備え、前記終端構造は、前記導波路端部からの光に対する入射角が傾くように構成され、前記導波路端部は、終端に向かって導波路幅が狭くなるテーパ部を有し、前記終端構造は、前記導波路端部を囲い、前記テーパ部に近接または接して配置され、前記導波路端部の終端に対向する面における前記終端構造の間隔を、前記導波路端部の終端における前記終端構造の間隔よりも大きくすることを特徴とする。
　また、本発明の一実施形態による導波路型デバイスは、テーパ部が断熱遷移構造であることを特徴とする。
　また、本発明の一実施形態による導波路型デバイスは、導波路端部からの光を終端するために遮光材が充填された終端構造を備え、前記終端構造は、前記導波路端部からの光に対する入射角が傾くように構成され、前記導波路端部は、終端に向かって導波路幅が狭くなるテーパ部を有し、前記終端構造は、前記導波路端部を囲い、前記テーパ部に近接または接して配置され、前記テーパ部は、断熱遷移構造であることを特徴とする。
　また、本発明の一実施形態による導波路型デバイスは、入射角がブリュースタ角以上であることを特徴とする。
　また、本発明の一実施形態による導波路型デバイスは、遮光材が導波路端部からの光を吸収または散乱する材料からなることを特徴とする。
　また、本発明の一実施形態による導波路型デバイスは、マッハツェンダ型の光スイッチ、可変減衰器、光スプリッタ、およびアレイ導波路回折格子の少なくともいずれか１つを含むことを特徴とする。
　また、本発明の一実施形態によるモジュールは、これらの導波路型デバイスを用いてマルチチップ集積化したことを特徴とする。
　本発明によれば、導波路型デバイスにおいて、基板上の任意の位置でクラッドおよびコアを除去することによって光導波路上に溝を形成し、その溝内を光の強度を減衰させる材料（遮光材）で満たすことで光導波路を終端する。これにより、それら終端構造に入射する光が遮光材により減衰され、他の光デバイスにクロストーク成分となって与える影響を抑制することが可能である。したがって、同一基板内に集積される光デバイス同士での影響だけではなく、その基板に直接接続される他の光デバイス、例えば他の導波路型デバイスもしくは受発光素子に対する影響も抑制することが可能である。そのため、より集積度の高い光デバイスを実現する上で非常に有効であり、さまざまな光信号の制御を必要とする大容量光通信網の発展に大きく寄与するものであると期待される。
図１は、本発明の第１実施例による導波路型デバイスの構成を示す図である。 図２Ａは、図１の導波路型デバイスにおいて、可変光減衰器を含む基板の回路レイアウトを示す図である。 図２Ｂは、図１の導波路型デバイスにおいて、可変光減衰器を含む基板の回路レイアウトを示す図である。 図２Ｃは、図１の導波路型デバイスにおいて、可変光減衰器を含む基板の回路レイアウトを示す図である。 図３は、本発明の第１実施例による光導波路を終端する溝の基板水平面内での形状を示す図である。 図４は、本発明の第４実施例による光導波路を終端する溝の基板水平面内での形状を示す図である。 図５Ａは、本発明の第５実施例による終端される光導波路のテーパ形状を示す図である。 図５Ｂは、本発明の第５実施例による終端される光導波路のテーパ形状を示す図である。 図６は、本発明の第５実施例による終端される光導波路のＭＭＩ形状を示す図である。 図７Ａは、本発明の第６実施例による光導波路を囲む終端構造を示す図である。 図７Ｂは、本発明の第６実施例による光導波路を囲む終端構造を示す図である。 図８Ａは、本発明の第７実施例による光導波路を囲む終端構造を示す図である。 図８Ｂは、本発明の第７実施例による光導波路を囲む終端構造を示す図である。 図９Ａは、本発明の第８実施例による光導波路の終端構造を説明するための図である。 図９Ｂは、本発明の第８実施例による光導波路の終端構造を説明するための図である。 図１０Ａは、本発明の第８実施例による光導波路の終端構造を示す図である。 図１０Ｂは、本発明の第８実施例による光導波路の終端構造を示す図である。 図１１Ａは、本発明の第９実施例による光導波路のテーパ構造を示す図である。 図１１Ｂは、本発明の第９実施例による光導波路のテーパ構造を示す図である。 図１２Ａは、本発明の第８実施例および第９実施例による光導波路を囲む終端構造の一例を示す図である。 図１２Ｂは、本発明の第８実施例および第９実施例による光導波路を囲む終端構造の一例を示す図である。 図１３Ａは、本発明の第１０実施例による導波路型デバイスの概要を示す図である。 図１３Ｂは、本発明の第１０実施例による導波路型デバイスの概要を示す図である。 図１４Ａは、２×１光スイッチを導波路型デバイスで実現する場合の具体的な構成例を示す図である。 図１４Ｂは、２×１光スイッチを導波路型デバイスで実現する場合の具体的な構成例を示す図である。 図１４Ｃは、２×１光スイッチを導波路型デバイスで実現する場合の具体的な構成例を示す図である。 図１５は、本発明の第１１実施例による導波路型デバイスの概要を示す図である。 図１６は、本発明の第１２実施例による１×６スプリッタの構成例を示す図である。 図１７Ａは、本発明の第１２実施例による１×４０波長群分波フィルタの構成例を示す図である。 図１７Ｂは、本発明の第１２実施例による１×４０波長群分波フィルタの透過スペクトル例を示す図である。 図１８は、ＲＯＡＤＭシステムの主要な機能を実現する導波路型デバイスのモジュール構成例を示す回路ブロック図である。 図１９Ａは、導波路型デバイスにおける可変光減衰器の基本的な構成を示す図である。 図１９Ｂは、図１９ＡのＸＩＸＢ－ＸＩＸＢ線に沿った断面図である。 図２０は、従来の技術によるマルチチップ集積技術を用いた導波路型デバイスにおいて、余剰光パワーの問題を説明するための図である。
　以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。以下の実施例では、シリコン基板上に形成した石英系単一モード光導波路を使用した光デバイスについて説明する。これは、この構成が安定かつ集積化が容易であるためであり、しかも石英系光ファイバとの整合性に優れ、低損失な光デバイスを提供できるためである。しかしながら、本発明はこれらの構成に限定されるものではない。
　図１は、本発明の一実施例による導波路型デバイスの構成を示す図である。図に示すように、このデバイス１００は、ＶＯＡ１０４－１～Ｎを含む基板１２０と、アレイ導波路格子（ＡＷＧ：Ａｒｒａｙｅｄ　Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ　Ｇｒａｔｉｎｇ）１１０を含む基板１３０とが接続されており、光レベル調整機能付き波長合波デバイス（ＶＭＵＸ：ＶＯＡ　ｅｑｕｉｐｐｅｄ　ＭＵＸ）として構成されている。このデバイスは、例えばＷＤＭシステムに導入される。本構成例では、ＶＯＡ１０４－１～Ｎおよびタップ用光カプラ１０６－１～Ｎが一つの基板１２０内に集積され、光パワーモニタ用ＰＤ１０８およびＡＷＧ１１０が別の一つの基板１３０内に集積されている。
　図２Ａは、本実施例におけるＶＯＡ１０４－１～Ｎを含む基板１２０の詳細な回路レイアウトである。なお、図１および図２Ａから図２Ｃにおいては図を単純化するため、ＶＯＡ１０４－１～Ｎを駆動する薄膜ヒータのみを記載し、ヒータに給電するための電気配線および後述する断熱溝の記載は省略した。複数チャネルの光レベルを同時に調整できるよう、並列に配置されたＶＯＡ１０４－１～Ｎは２段に直列接続されたＭＺＩ２０２－１～Ｎ、２０４－１～Ｎによって構成され、両方のＭＺＩに電力を印加することで減衰動作を行う。ＶＯＡ１０４－１～Ｎの後段にはタップ用光カプラ１０６－１～Ｎとして波長無依存カプラ（ＷＩＮＣ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　Ｃｏｕｐｌｅｒ）が接続されている。そして、メインポート２０６ａおよびタップポート２０６ｂはそれぞれ別基板１３０に集積されているＡＷＧ１１０および各チャネルの光パワーレベルをモニタするＰＤ１０８へ接続されるため、基板端まで引き出されている。ＶＯＡ１０４－１～Ｎの減衰動作によりそれぞれのＭＺＩ２０２－１～Ｎ、２０４－１～Ｎからダミーポート２０８－１～Ｎに導かれた余剰分の光は、ダミーポートの延長線上で基板上の任意の位置におけるクラッド層およびコア部が除去されて形成された溝、およびその中に充填された光強度を減衰させる材料（遮光材）から構成される終端構造２１０－１～Ｎに導かれ、他の回路、チャネルに対するクロストークや迷光とならないレベルまで減衰して終端される。
　本実施例における遮光材は、シリコーン樹脂を母材とし、遮光材として一般的に用いられるカーボンブラックを混合したものを使用した。遮光材に入射される光は、主にカーボンブラックにおける吸収によって光パワーが減衰する。
　これらＶＯＡ１０４－１～Ｎを含む基板１２０は、以下に説明するような工程で作製される。直径６インチのシリコン基板上に石英系ガラスによって形成されるクラッド層および埋め込み型コア部を有する単一モード光導波路を、ＳｉＣｌ4やＧｅＣｌ4などの原料ガスの火炎加水分解反応を利用した石英系ガラス膜の堆積技術と反応性イオンエッチング技術の組み合わせにより作製する。そして、薄膜ヒータおよび給電のための電極をクラッド層の表面上に真空蒸着およびパターン化によって作製した。作製した光導波路の通常のコア寸法は７μｍ×７μｍであり、クラッド層との比屈折率差Δは０．７５％とした。
　実施例１におけるＶＯＡおよびＷＩＮＣは、このような光導波路を用い、直線導波路および曲線導波路を組み合わせることによって形成される。熱光学効果による位相シフタとしてクラッド層の表面上に形成した薄膜ヒータは厚さ０．１μｍ、幅２０μｍ、長さ２ｍｍとした。さらに、薄膜ヒータに沿って断熱溝を形成し、薄膜ヒータから発生する熱を効率よく光導波路のコアへ伝える構造とした。また、ＶＯＡ１０４－１～Ｎのダミーポートに接続される終端構造２１０－１～Ｎの溝も断熱溝の加工と同時に形成した。本実施例では、溝のサイズを幅１００μｍ、長さ１ｍｍとした。溝の深さは、コア部の下までとしたが、基板に達するまでとしてもかまわない。ＭＺＩを基本素子として構成される実施例１のＶＯＡ１０４－１～ＮおよびＷＩＮＣ１０６－１～Ｎからなる光回路の全長は５０ｍｍであった。
　ＶＯＡ１０４－１～Ｎを構成するＭＺＩ２０２－１～Ｎ、２０４－１～Ｎにおける２本のアームの光路長差は通過する信号光の半波長に設定し、ＶＯＡ１０４－１～Ｎに対して無給電状態ではメインパスにおける信号光は遮断（減衰量最大）状態となるようにした。本実施例においては、ＷＤＭ信号を波長チャネルごとに処理するためにＶＯＡを並列化しているが、設計の簡単のため全てのＶＯＡの光路長差を、扱う信号光波長帯の中心である１．５５μｍの半分となる０．７５μｍで統一した。ただし、より厳密にはＶＯＡごとに通過する波長に対応する光路長差を設定する場合もあることをここに付記しておく。
　ＶＯＡ１０４－１～Ｎは、薄膜ヒータへ印加する電力を連続的に変化させることにより、任意の減衰量を設定することが可能である。また、メインポートにおける光信号のパワーが減衰量ゼロ（光出力最大）の状態および減衰量最大（光出力遮断）の状態の差である消光比は、通常５０ｄＢ以上を求められることが多く、ＭＺＩ１段だけで構成する場合には十分な消光比が得られない。そのため、本実施例においては、ＭＺＩ２段の直列接続による構成とし、消光比５５ｄＢ以上が得られた。
　本実施例においては、ＶＯＡの減衰量最大時にダミーポートに導かれる光パワーの余剰分が最大になり、適切な終端処理を行わない場合には後段のＷＩＮＣや、ＶＯＡ基板１２０に直接接続されるＡＷＧ基板１３０に対するクロストークとなり、悪影響を及ぼすことになる。図２Ａに示した本実施例の回路（サンプル１とする）との比較のため、ダミーポート２０８－１～Ｎに終端構造を全く設けずに図２Ｂの線分ＩＩ－ＩＩの位置で導波路を終点とした回路（サンプル２とする）、および図２Ｃに示すように溝２１２－１～Ｎのみで遮光材を導入していない回路（サンプル３とする）も同時に作製した。本実施例において作製されたサンプルにおいて、ダミーポート２０８－１～Ｎの終端構造２１０－１～Ｎによるクロストーク抑制の効果を観察するため、信号光が伝搬するチャネルに隣接するチャネルにおけるクロストーク量をＶＯＡの減衰量最大（光出力遮断）状態で測定した。
　ダミーポート２０８－１～Ｎに終端のための溝および遮光材を全く設けないサンプル２においては、隣接するチャネルのメインポート２０６ａおよびそのタップポート２０６ｂそれぞれに－３０ｄＢ程度のクロストークが発生した。これはダミーポート２０８－１～Ｎに導かれた光パワーの余剰分がダミーポートの終点において全てクラッドモードとして伝搬することとなり、やがてそれが隣接するチャネルの導波路へ結合してクロストークとなったことを示している。
　またダミーポート２０８－１～Ｎの終端を溝２１２－１～Ｎのみで、遮光材を導入しないサンプル３においても、隣接するチャネルへのクロストークが大きく、メインポート２０６ａおよびタップポート２０６ｂのそれぞれにおいて、－４０ｄＢ程度のクロストークが発生した。溝２１２－１～Ｎの導波路端面から放射した光は溝内での反射や散乱によって一部の光パワーは減衰されるものの、再びクラッドモードとして伝搬した後に、隣接する導波路へ結合した結果クロストークとなっていることが分かる。
　一方、溝およびその溝内へ充填された遮光材によりダミーポート２０８－１～Ｎが終端されているサンプル１においては、隣接するチャネルへのクロストークが－６０ｄＢを下回る値を示した。本発明による遮光効果によって余剰分の光パワーは他の回路に影響を与えないレベルにまで減衰され、適切な終端処理が成されたことが確認できた。
　なお、本実施例における終端構造２１０－１～Ｎの溝の形状は、図３に示すとおり、終端される導波路の伝搬方向に対して、溝への入射面の角度（θ）が８度となっている。本実施例では、シリコーン樹脂およびカーボンブラックの混合物である遮光材の屈折率は石英ガラスとほぼ同等であるが、若干の屈折率差を考慮し、角度（θ）を付与することでＶＯＡの反射減衰量に影響を与えないように工夫したものである。実際には、遮光材の屈折率、終端構造の配置スペース、溝の加工精度などを考慮して、最適な角度（θ）を決定することになる。本実施例で作製したサンプル１でＶＯＡ１０４－１～Ｎの入力側における反射減衰量を測定したところ、５０ｄＢ以上と良好な特性であった。
　本発明の実施例２では、図１および図２Ａと同様の構成とし、ＶＯＡ１０４－１～Ｎのダミーポート２０８－１～Ｎの終端部に遮光材として、シリコーン樹脂を母材とし、顔料としても用いられる金属微粒子粉末を混合したものを使用した。遮光材に入射される光は、主に金属微粒子による光散乱によって光パワーが減衰する。作製したサンプルは実施例１と同様にシリコン基板上に作製される石英系の光導波路からなり、隣接する光導波路へ結合してクロストークとなることを防ぐために溝および遮光材を導入した終端構造２１０－１～Ｎとなっている。本実施例においても、隣接するチャネルへのクロストークは－６０ｄＢ以下であった。
　また、終端される導波路の溝への入射面の角度（図３のθ）を、光導波路と遮光材の屈折率を考慮して１５度とした。このとき、ＶＯＡ１０４－１～Ｎの入力側における反射減衰量は５０ｄＢ以上であり、良好な特性であった。
　本発明の実施例３では、実施例２と同様の構成とし、終端される導波路の溝への入射面の角度（図３のθ）をブリュースタ角とした。その他の構成および遮光材等は、実施例２と同様である。本実施例におけるブリュースタ角を計算すると約５０度であった。入射面の角度をブリュースタ角にすることによって、基板水平方向の偏光成分はすべて遮光材へ入射されることとなり、基板垂直方向の偏光成分の一部のみが反射によって導波路基板内へ放射されることとなる。また、ブリュースタ角近傍、ブリュースタ角以上でも同等の効果が得られる。これによって、導波路基板内全域において、放射光によるクロストークの影響が更に低減されることとなる。本実施例によれば、隣接するチャネルへのクロストークは－６５ｄＢ以下であり、ＶＯＡ１０４－１～Ｎの入力側における反射減衰量も５５ｄＢ以上となった。また、本実施例は、実施例１など、実施例２以外の構成においても適用可能であることは明らかである。したがって、回路内で終端構造を配置するスペースによっては、必要に応じて入射角をブリュースタ角にすることで、より効果的に余剰光パワーを終端することが可能である。
　本発明の実施例４では、実施例１と同様の構成とし、図４に示すとおり、ダミーポート２０８を終端する溝の基板水平面内での形状を、頂点を持たせず、滑らかに接続される曲線と直線のみで構成された閉曲線によって形成したのち、遮光材を導入した。遮光材はシリコーン樹脂とカーボンブラックの混合物を使用し、サンプルの作製を行ったところ、溝壁面が滑らかに形成されているため、遮光材のはがれが起きにくくなり、長期的な信頼性も向上した。また、クロストークの低減効果は実施例１と同様で、隣接するチャネルへのクロストークは－６０ｄＢ以下であった。本実施例でも終端部における溝への入射面角度を８度にしたため、ＶＯＡ１０４－１～Ｎ入力側での反射減衰量は５０ｄＢ以上であった。
　本発明の実施例５では、実施例１と同様の構成とし、図５Ａおよび図５Ｂに示すとおり、ダミーポート２０８の終端部分における光導波路形状が、テーパ形状となっている。これは、伝搬する光のモードフィールド径が、他の位置にある通常の幅の光導波路における場合よりも拡大されていることにより、遮光材へ入射される光のパワー密度が低減されることを企図したものである。例えば、遮光材が光の吸収によってＶＯＡ１０４－１～Ｎの余剰光パワーを減衰させる場合においては、光パワーが熱へ変換されることにより、遮光材の温度が上昇してしまう。この際、パワー密度が高くなるほど、局所的に急激な温度上昇が発生してしまうため、遮光材の母材であるシリコーン樹脂が損傷してしまう可能性がある。特に、ＲＯＡＤＭなどのノードシステムにおける光デバイスでは、定格の入力光パワーが２００ｍＷ（＋２３ｄＢｍ）以上である場合もあり、一つのチャネルにおいて、ＶＯＡダミーポート２０８へ導かれる最大の余剰光パワー（シャットダウン時）は１０ｍＷ（＋１０ｄＢｍ）程度になることが予想される。そのときの遮光材の上昇温度は、入射するモードフィールド径によっては、３００度を超える場合があり、シリコーン樹脂の許容温度範囲を超えてしまう。
　本実施例においては、図５Ａに示すパラボラ形状、図５Ｂに示す直線形状の２種類のテーパ形状について、それぞれテーパ長さを１００μｍ、テーパ幅（終端構造入射側）を３０μｍとして、シリコーン樹脂とカーボンブラックの混合による遮光材を使用し、入力パワーに対する耐性を観測したところ、いずれの形状においても１０ｍＷ（＋１０ｄＢｍ）の入力パワーに対して遮光材が損傷を受けていないことを確認した。具体的には、光の入射部付近で、遮光材を光の入射方向に垂直な断面で切断して、目視で確認した。
　本実施例に拠れば、十分なハイパワー耐性を持ち、ノードシステムにおいても適用可能であることが明らかである。
　なお、本実施例におけるテーパ長さ、幅はあくまで一例であり、それぞれの数値は隣接する導波路や他の回路との位置関係、スペースによって決定されるものであり、本実施例に記載の数値に限られるものではない。すなわち、テーパ長さは数十μｍ程度から数ｍｍ程度まで任意に決めることができる。またテーパ幅については、通常の光導波路幅より狭めることによっても、モードフィールド径を拡大することが可能である。したがって、テーパ幅は０μｍから３０μｍまでとし、極力モードフィールド径を拡大するという観点において、任意に決定可能である。
　また、図６に示すように、終端部分における導波路の形状をマルチモード干渉計とした場合についても、同様に入力パワーに対する耐性を観測したところ、干渉計長１００μｍ、干渉計幅３０μｍの形状において、１０ｍＷ（＋１０ｄＢｍ）の入力パワーでも遮光材が損傷を受けていないことを確認した。
　いずれの形状の場合において、モードフィールド径を拡大するという観点においては、同様の作用を期待したものであり、それぞれにおいて十分な効果を得ることができた。
　本発明の実施例６においては、図７Ａに示すとおり、終端される光導波路を基板水平面内で溝と遮光材によって囲むように配置している。これにより、光導波路終端部分で発生する反射光が他の回路等へ影響を与えないようにしている。図７Ａにおいて終端される光導波路を囲むような構造７１０は、入射光７０２が光導波路の終点７０４において終端されると共に一部が反射光７０６となり一定の幅（点線で示す）を持って基板内を伝搬するが、その反射光７０６を遮る形で配置される。
　先述した実施例２では遮光材としてシリコーン樹脂および金属粒子粉末の混合物を用いたため、石英ガラスとの屈折率差により、一定の反射光が発生した。しかしながら、終端される光導波路の溝に対する入射面の角度を１５度としたことにより、反射光のほとんどは終端される光導波路に結合することなく、光導波路基板内に放射された。その際、例えば終端される光導波路に対する終端構造の構成が図３あるいは図４、図５Ａ、図５Ｂ、図６のような場合でも、それら放射された反射光はやがて一定の減衰を受けながら、基板端面に達し、入出力の光ファイバには結合することなく空気中に放射されため、回路特性上問題とはならなかった。
　ところが、任意の位置に光導波路の終端構造を設けた導波路型デバイスにおいてモニタ用ＰＤなどの受光部品を基板端面あるいは基板表面に集積する場合には、それらの反射光が受光され、クロストークとして検出されてしまう可能性があり、回路特性上の問題となる。
　そこで、図７Ａに示す構成の終端構造を持つ導波路型デバイスを作製し、遮光材としてシリコーン樹脂と金属粒子粉末の混合物を用い、基板のあらゆる位置（端面、上下表面）において、ＰＤによるクロストーク測定を行ったところ、終端される光導波路へ入力した光強度に対していずれの箇所においても、－６０ｄＢ以下であった。これは例えば、図５Ａのような構成と比較したとき、回路構成やその位置によるものの、１０ｄＢ以上のクロストーク改善となる場合があった。
　なお本実施例の構成においては、反射光の遮光が目的であるため、他の回路の配置等に影響を与えない範囲で、その大きさ、位置、形状は任意に決定されるものである。また、光導波路を終端する部分と反射光を遮光する部分は必ずしも連続した形状である必要もなく、例えば図７Ｂに示すような形状で反射光を遮る構造７１４が光導波路の終端構造７１２とは図形的に不連続であっても、本発明による効果は同じである。その場合において、それぞれの構造７１２、７１４について、その形状を、頂点を持たず、滑らかな曲線と直線のみで構成された閉曲線によって形成したり、その材料を、光を吸収するものや散乱するものとしたりすることができる。なお、図７Ａおよび図７Ｂでは、導波路をテーパ形状としているが、これら以外の形状としてもよい。
　図８Ａおよび図８Ｂは、本発明の実施例７による構成を示す図である。実施例５においては導波路の終端構造へ入射される光パワーのハイパワー耐性を向上する構成について説明したが、入力されるパワーが数十ｍＷに達する光パワーを終端する必要がある場合においては、その耐性が不十分であった。
　そこで、更なるハイパワー耐性の向上を可能とする構成が図８Ａに示す構成である。本実施例においては、終端される光導波路８０２が終端に向かって導波路幅が狭くなるような直線テーパ構造を有し、実施例６で示したような遮光材を導入した溝形状８１０が導波路の周囲を囲むような構成としている。そして、導波路の終端位置において、光導波路８０２の終点と終端構造８０２が距離Ｌ１をもってクラッド層によるギャップを介して接続されている。距離Ｌ１は、導波路の終端から放射された光が終端構造で十分に吸収されるように設定し、例えば１ｍｍ以下の値に設定する。このとき、テーパの長さＬ２を５００μｍとし、導波路幅の変化率を大きくすることにより導波路を伝搬する光のスポットサイズの変換を急激に行う形状とした。また導波路終点と終端構造の距離Ｌ１を７５０μｍとし、終端構造に対する光の入射角θは１５度となるようにした。終端される光導波路の周囲を囲む溝は、図８ＡのＬ３部分において徐々に光導波路へ近接する形状とし、直線テーパ部分では製造誤差や必要とされる減衰量に応じて、光導波路幅中心から溝までの距離を導波路幅の半分（溝が導波路コアの側壁に接する）から導波路幅程度の範囲で近接して配置される。本実施例ではＬ３の距離を２５０μｍ、直線テーパ開始位置での光導波路中心から溝までの距離を導波路幅と同じ７μｍとした。
　図８Ａの構成によるサンプルを作製し、シリコーン樹脂とカーボンブラックの混合による遮光材を使用して入力パワーに対する耐性を観測したところ、５０ｍＷ（＋１７ｄＢｍ）の入力パワーに対して遮光材が損傷を受けていないことを確認した。
　本実施例の構成によれば、直線テーパにおけるスポットサイズ変換を急激に行う構成としたことで、放射光が発生するため、一部の光パワーを光導波路の周囲を囲んだ遮光材によって減衰させることが可能である。またテーパによってモードフィールドが拡大された光パワーの大部分は光導波路上を伝搬するが、終端位置においてクラッド層によるギャップを介して終端構造に入射するため、更に光パワーは分散され、遮光材内部における局所的な光吸収による急激な温度上昇を緩和することが可能となる。
　本実施例の構成においてＶＯＡの入力側での反射減衰量を測定したところ、５５ｄＢ以上であった。また基板のあらゆる位置においてＰＤを用いたクロストーク測定を行ったところ、終端される光導波路へ入力した光強度に対していずれの箇所においても、－６０ｄＢ以下であった。
　本実施例では光導波路のテーパは終端に向かって導波路幅が狭くなる形状であることが望ましいが、終点における幅は通常（テーパ部分以外）の導波路幅より狭い範囲で任意に設定可能である。また、幅を狭める直線テーパ形状で異なる２種類の幅の変化率を採用することで２段の直線テーパを接続したような形状とする場合があるが、そのような形状の光導波路テーパを用いることも本発明の範囲に含まれるものである。
　また、光導波路の終点と終端構造の間のクラッド層によるギャップは、その距離が回路に配置されるスペースおよび入射される光パワーによって調整され、その範囲は１ｍｍ以下とするのが適当である。すなわち、導波路の終端から放射された光が終端構造で十分に吸収されるように設定する。反対に、図８Ａにおける距離Ｌ１が０ｍｍである場合もあり得るが、その場合は光パワーが局所的に終端構造内へ入射される場合があるので、十分なハイパワー耐性を得られない可能性がある。しかし光導波路を終端し、クロストークを抑制する目的においては、遮光材が損傷されない範囲でこれを達成することが可能である。
　図８Ａの構成においては、数十ｍＷ程度のハイパワー耐性を確認することができたが、更にパワーが高い場合、例えば１００ｍＷ（＋２０ｄＢｍ）の入射に対してはその耐性が遮光材の種類によっては十分ではない場合があった。そこで、図８Ｂに示す構成とすることで、さらなるハイパワー耐性の向上を図った。すなわち、終端される光導波路８０４を囲む溝８１２が任意の距離Ｌ’４だけ光導波路コア側壁に接しており、この距離Ｌ’４は、光導波路８０４の直線テーパ開始点まで続いている。そして、この光導波路８０４の直線テーパは、終点に向かって幅が狭まる形状となっている。また、図８Ａ同様、光導波路８０４の終点と終端構造８１２は、クラッド層によるギャップを介して配置されている。本実施例においてはテーパ長Ｌ’２を５００μｍ、ギャップの距離Ｌ’１を同じく５００μｍとし、光導波路コア側壁に接した溝同士に挟まれた部分の幅Ｗ’は終端構造８１２に至るまで一定とした。本構成によれば、溝が光導波路８０４に接した時点から伝搬する光パワーの一部が溝内に放射されて減衰し、更に終端構造へ向かってフィールドを拡大した後、終端構造において残りの光パワーを減衰し終端する。これにより、これまでの実施例に記載された構成の場合に比べて、より緩やかに光パワーを減衰させることが出来る。図８Ｂの構成によるサンプルを作製し、シリコーン樹脂カーボンブラックの混合による遮光材を使用して入力パワーに対する耐性を観測したところ、１００ｍＷ（＋２０ｄＢｍ）の入力パワーに対して遮光材が損傷を受けていないことを確認した。また、入力側での反射減衰量を測定したところ、５５ｄＢ以上であった。基板のあらゆる位置においてＰＤを用いたクロストーク測定においては終端される光導波路へ入力した光強度に対していずれの箇所においても、－６０ｄＢ以下であった。図８Ｂの構成では、溝によって挟まれた部分の幅Ｗ’を一定としたが、直線テーパ部分においても光導波路コア側壁に接するような形状とすることによってより入力パワー耐性を向上することが可能である。またコア側壁に接している溝の製造誤差（位置ズレ、パターンシフト）によるコアパターン欠損を防ぐ為に、溝とコア側壁の間にクラッド層を介して１～５μｍ程度の距離を設けることも、溝の近接領域で光導波路の伝搬損失が増大する範囲において、可能である。
　本発明の実施例７による導波路型デバイスでは、遮光溝をコアに近接または接して配置することにより、終端部へ伝播するコア周辺の光を吸収させることが望ましい。このような配置をとると、テーパに沿って遮光溝が配置されるため、図９に示すように、遮光材を充填する溝８２０の製造誤差が問題になる場合がある。図９Ａに示すように、終端構造の端面は、導波路８２２から放射した光が端面で反射しても導波路に戻らないように、斜めに（角度θ）カットされている。しかし、斜めにカットされた溝を作製する場合、実際には図９Ｂに示すように、溝の角が丸みを帯びた形状になる。そして、溝を作製する際のマスクの位置ズレなどにより、導波路からの光が丸みを帯びた端面に入射すると、図９Ｂに示すように、一部の反射光が導波路に戻り、反射減衰量が劣化することになる。
　そこで、図１０Ａに示すように、終端構造８３０の端面付近のクラッド部分８３４を拡げることにより、マスクの位置ズレが生じた場合でも、導波路８３２からの光が丸みを帯びた端面に入射しないようにすることができる。これにより、図１０Ｂに示すように、導波路８３２へ戻る反射量を低減し、反射減衰量の劣化を抑えることができる。結果として、マスクの位置合わせのトレランスを向上させることができ、生産性が改善される。
　終端構造の端部付近のクラッド部分を拡げる場合、マスクの位置合わせの精度ａ（数μｍ）、溝の角が丸くなってしまう幅ｂ（５～１０μｍ程度）ｂ、導波路から放射された光が回折して拡がる幅ｃ（１０～２０μｍ、但し、導波路端から終端構造の端面までの距離による）を考慮すべきである。この場合、終端構造の端面で拡げるべき幅ｗは、ｗ≧ａ＋ｂ＋ｃ／２となる。
　図８に関連して説明したように、テーパ部（Ｌ２）の導波路幅の変化率を大きくすることにより、テーパ部において放射光を発生させ（非断熱遷移構造）、終端構造８１０、８１２の端面における光の入射パワーを緩和することができる。この場合、テーパ部における放射光のパワーにより、周囲の遮光材が損傷を受ける場合がある。そこで、図１１に示すように、テーパ構造を、図８のテーパ部の距離Ｌ２、Ｌ’２をＬ２’、Ｌ’２’に延長して（すなわち、テーパ角αを臨界角以下にして）断熱遷移構造とすることにより、遮光材がテーパ部の放射光による損傷を受けないようにすることができる。そして、図１１Ａに示すように、終端構造の溝８４０を導波路８４２のコアに近接して配置するか、図１１Ｂに示すように、終端構造の溝８５０を導波路８５２のコアに接して配置することにより、コア周辺の光を吸収させ、終端構造の端面への入射光のパワーを緩和することができる。断熱遷移構造となるテーパの臨界角は、比屈折率差Δが０．７５％の場合、約０．３度である。
　上記のように、断熱遷移構造をとることにより、テーパ部からの放射光を発生しないようにすることができるが、テーパ角αが臨界角以上であってもテーパ部からの放射光による遮光材の損傷が問題ないレベルであれば、実用上は問題ない。
　図１２は、断熱遷移となるテーパ形状に（α＝０．３度）、終端構造の端部付近のクラッドを拡げた構成を採用した実施例の一例である。
　図１３Ａは、本発明の実施例１０による導波路型デバイスの構成を示す図である。このデバイス９００ａは、導波路型光スイッチ（図示せず）、ＶＯＡ９０２、ＷＩＮＣ９０４が集積された導波路型デバイス基板９２０ａと、ＡＷＧおよびモニタＰＤが集積された導波路型デバイス基板９３０とが直接接続されており、ＲＯＡＤＭシステムの主要な機能を構成している。
　本実施例において、ＶＯＡ９０２のダミーポート９０６は溝および遮光材による終端構造９０８ａで終端されている。なお、図１３では、光スイッチ、ＡＷＧ、モニタＰＤの詳細な記述を省略したが、光スイッチとＡＷＧはいずれもＶＯＡと同じ光導波路によって構成されており、モニタＰＤは基板端面に接続されている。光スイッチは、図１８における２×１スイッチ１４０８－１～Ｎの機能を有しており、ＤＥＭＵＸ（波長分波）された光信号経路（主経路）か、下層ネットワークから挿入（Ａｄｄ）された光信号経路（アド経路）かのいずれかを選択する。選択された光信号はＶＯＡ９０２によって光レベルを調整され、ＷＩＮＣ９０４を経てＭＵＸ（波長合波）用ＡＷＧへ接続される。
　この際、ＶＯＡのダミーポート９０６を終端する終端構造９０８ａの遮光材にはエポキシ樹脂およびカーボンブラックを用いた。ＷＩＮＣ９０４後段に接続されているＡＷＧおよびモニタＰＤにおけるクロストークをそれぞれ測定したところ、いずれも－６０ｄＢ以下であった。ここで、図１３Ａでは終端構造９０８ａに対して光導波路の入射面角度が０度となっているが、このとき、光スイッチ入力側で測定した反射減衰量は４５ｄＢ以上であった。比較のため、図１３Ｂに示すように、終端構造９０８ｂに対する入射面角度を８度にしたところ、反射減衰量は５０ｄＢ以上となった。実施例１あるいは本実施例のように遮光材の（混合物としての）屈折率が石英ガラスに近い場合においては、溝の基板水平面内でのサイズを考慮して入射面の角度を０度にした場合でも十分な反射減衰量特性が得られるが、より高い仕様を求められる場合には終端される光導波路に反射光が結合しない構成をとる必要があり、ブリュースタ角などが最適である。
　図１３Ａおよび図１３Ｂいずれの場合にも、基板水平面内における溝の形状を、頂点を持たない滑らかに接続される曲線と直線のみで構成された閉曲線によって形成したところ、遮光材の溝壁面からのはがれなどが発生せず、長期的な信頼性も確認された。
　なお、図１３Ａでは光スイッチとＶＯＡ９０２が別々の回路として記載されているが、同じＭＺＩを使って光スイッチとＶＯＡの機能を同時に実現する場合もあり、図１３Ａに示す構成が、本発明による限定的な構成を示すものではない。ＲＯＡＤＭ用光スイッチおよびＶＯＡの構成例としては、例えば特許文献１あるいは非特許文献１を参照することが出来る。非特許文献１によれば、図１４Ａから図１４Ｃの概念図に示すようにスルーパス側光スイッチおよびアドパス側光スイッチはそれぞれ２段に直接接続されるＭＺＩからなる。このとき、いずれかの経路を選択すると同時に、２段のＭＺＩを連続的な印加電力で駆動することによって、光レベル調整も同時に行うことが可能である。その際、それぞれのＭＺＩから導かれるダミーポートは本発明による溝および遮光材からなる終端構造によって個別にもしくは一括して終端され、余剰光パワーが他の回路に影響を与えないようにすることが可能である。
　図１５は、本発明の実施例１１による導波路型デバイスの構成を示す図である。実施例１０と同様に、このデバイスは、導波路型光スイッチ、ＶＯＡ１１０２、ＷＩＮＣ１１０４が集積された導波路型デバイス基板１１２０と、ＡＷＧおよびモニタＰＤが集積された導波路型デバイス基板１１３０とが直接接続されており、ＲＯＡＤＭシステムの主要な機能を構成している。
　本実施例においては、ＶＯＡ１１０２のダミーポート１１０６が溝および遮光材による終端構造１１０８で終端されていると共に、ＷＩＮＣ１１０４の入力側ダミーポート１１１０も溝および遮光材による終端構造１１１２によって終端されている。本実施例において、遮光材はシリコーン樹脂を母材とし、金属粒子粉末を混合したものを用いた。また、溝に対する入射角はいずれも（θ＝）２２．５度とした。本実施例に拠れば、ＶＯＡのダミーポートへ導かれる減衰動作による余剰光パワーが他の光回路に対するクロストークを抑制することが可能である。さらに、導波路型デバイス基板１１２０の入力部において他の導波路デバイスや光ファイバと接続した場合に発生する接続損失を原因とするクロストーク成分や、光スイッチおよびＶＯＡ１１０２の光導波路上で発生する過剰損失を原因とするクロストーク成分がＷＩＮＣの入力側ダミーポート１１１０に結合し、カップラとしての結合率に影響を及ぼすことも抑制することが可能である。ＷＩＮＣの入力側ダミーポート１１１０に終端構造１１１２がない従来の構成では、光ファイバ接続部あるいは光スイッチ、ＶＯＡ１１０２において発生したクロストークの影響により、ＷＩＮＣの設定結合率に対して数％の結合率誤差が発生する場合があり、モニタ用ＰＤによるフィードバック制御に問題があった。
　そこで、本実施例の構成によるＷＩＮＣ設定結合率誤差を測定したところ、結合率にして±０．５％以内の誤差であり、本発明による効果によってクロストークがＷＩＮＣに与える影響が十分に抑制されたことが確認された。
　また、ＶＯＡ１１０２のダミーポート１１０６の終端構造１１０８によるクロストーク抑制の効果も確認され、いずれの箇所においてもクロストークは－６０ｄＢ以下であった。さらに光スイッチ入力側における反射減衰量も同様に５０ｄＢ以上であった。
　本実施例における入力側ダミーポートの終端はＷＩＮＣに限らず、ＭＺＩを基本素子とする光スイッチ、ＶＯＡなど入力側にダミーポートがある構成の光回路ではいずれの場合においても、入力側ダミーポートを終端することによって同様にクロストークの影響抑制などの効果を得ることが出来る。
　本実施例では、これまでに述べてきた光スイッチやＶＯＡではなく、他の導波路型デバイスにおいて、基板上の任意の位置で光導波路の終端構造を適用した場合について述べる。
　図１６は、光スプリッタの例である。例えば１×６スプリッタを実現する手段として、図１６の構成が挙げられる。この場合、１×８スプリッタ１２００を基本構成とし、出力ポートとして使用されない２本の光導波路１２０２に対して本発明による終端構造１２０４を適用することによって、他の出力ポートにおけるクロストークを抑制することが可能となる。本実施例において、シリコン基板上に作製される石英系ガラスによる光導波路を用いて、図１６の構成に基づく１×６スプリッタを作製した。各出力ポート（図１６の１～６）のそれぞれについて、波長範囲１３００ｎｍ～１６５０ｎｍにおける光スペクトル測定を行ったところ、全波長域において出力パワーのポート間偏差が０．５ｄＢ程度と良好な特性であった。
　図１７Ａは、ＡＷＧの例である。例えば、１入力Ｎ（Ｎは自然数）出力のＡＷＧ１３０２において、出力ポートの一定間隔ごとに出力側光導波路を本発明の終端構造１３０４によって終端することにより、まとまった波長群ごとに光信号を分離し、波長群同士は一つのＩＴＵグリッドＧ１からＧ４を挟んで離れている（図１７Ｂを参照）ような信号処理が可能となる。本実施例において、シリコン基板上に作製される高分子導波路を用いて、図１７Ａの構成に基づくＡＷＧ基板を作製した。本実施例のＡＷＧ１３０２は８波長分の波長群を５群に分離する構成となっており、１本の入力導波路に対して、出力側には４４本の光導波路が配置され、内８本ごとに１本の光導波路を終端することで波長群を分離する。二つの波長群に挟まれる波長（終端される波長）は全部で四つとなるが、いずれの場合でも、終端されたポート以外のすべてのポートでのクロストークは－４０ｄＢ以下を示した。
　以上、本発明の実施例１～１２では、シリコン基板上の石英系ガラスおよび高分子材料による導波路型デバイスについて述べたが、導波路型デバイスを構成する他の材料、例えばイオン拡散型のニオブ酸リチウム導波路などを用いた導波路型熱光学回路すべてにおいて、本発明が適用可能である。
　また、光導波路を終端する溝において、溝の深さについては特に言及していないが、例えばシリコン基板上に作製される石英ガラスを用いた導波路型デバイスでは、シリコン基板に達する深さとすることが望ましい。しかしながら、作製条件、他の回路への影響等を考慮して深さを任意に決定しても本発明による効果は明らかであり、その深さは光導波路終端部分の溝壁面においてコアが表出する程度であることが最低限必要とされることは当然ではあるが、本発明の構成においてそれ以外に特定の深さに限定されるものではない。
　１００　導波路型デバイス
　１０２　光ファイバアレイ
　１０４－１～Ｎ　ＶＯＡ
　１０６－１～Ｎ　光カプラ
　１０８　ＰＤ
　１１０　ＡＷＧ
　１１２　光ファイバ
　１２０　基板
　１３０　基板
　２０２－１～Ｎ　ＭＺＩ
　２０４－１～Ｎ　ＭＺＩ
　２０６ａ　メインポート
　２０６ｂ　タップポート
　２０８－１～Ｎ　ダミーポート
　２１０－１～Ｎ　終端構造
　７０２　入射光
　７０４　終点
　７０６　反射光
　７１０　終端構造
　７１２　終端構造
　７１４　構造
　８０２　光導波路
　８０４　光導波路
　８１０　終端構造
　８１２　終端構造
　８２０　終端構造
　８２２　光導波路
　８３０　終端構造
　８３２　光導波路
　８３４　拡げたクラッド部分
　８４０　終端構造
　８４２　光導波路
　８５０　終端構造
　８５２　光導波路
　９００ａ，９００ｂ　導波路型デバイス
　９０２　ＶＯＡ
　９０４　ＷＩＮＣ
　９０６　ダミーポート
　９０８ａ，９０８ｂ　終端構造
　９２０ａ，９２０ｂ　基板
　９３０　基板
　１１０２　ＶＯＡ
　１１０４　ＷＩＮＣ
　１１０６　ダミーポート
　１１０８　終端構造
　１１１０　ダミーポート
　１１１２　終端構造
　１１２０　基板
　１１３０　基板
　１２００　１×８スプリッタ
　１２０２　光導波路
　１２０４　終端構造
　１３０２　ＡＷＧ
　１３０４　終端構造
　１４００　モジュール
　１４０２　光カプラ
　１４０４　波長合分波フィルタ
　１４０６　波長合分波フィルタ
　１４０８－１～Ｎ　光スイッチ
　１４１０－１～Ｎ　ＶＯＡ
　１４１２－１～Ｎ　光カプラ
　１４１４－１～Ｎ　ＰＤ
　１４１６　波長合分波フィルタ
　１４２０　基板
　１４３０　基板
　１５００　ＶＯＡ
　１５０２ａ，１５０２ｂ　ポート
　１５０４　方向性結合器
　１５０６ａ，１５０６ｂ　アーム導波路
　１５０８　方向性結合器
　１５１０ａ，１５１０ｂ　ポート
　１５１２ａ，１５１２ｂ　薄膜ヒータ
　１５１４　断熱溝
　１５１６　電極パッド
　１５１８　電極パッド
　１５２０　シリコン基板
　１５２２　クラッド
　１５２４　コア
　１６０２　ＶＯＡ
　１６０４　光カプラ
　１６０６　基板
　１６０８　基板
　１６１０　光導波路

Claims (7)

  1. 　導波路型デバイスであって、
    　導波路端部からの光を終端するために遮光材が充填された終端構造を備え、
    　前記終端構造は、前記導波路端部からの光に対する入射角が傾くように構成され、
    　前記導波路端部は、終端に向かって導波路幅が狭くなるテーパ部を有し、
    　前記終端構造は、前記導波路端部を囲い、前記テーパ部に近接または接して配置され、前記終端構造によって挟まれた部分の幅を前記導波路端部の終端に対向する面において拡げることを特徴とする導波路型デバイス。
  2. 　請求項１に記載の導波路型デバイスであって、
    　前記テーパ部のテーパ角は、略、断熱遷移となる臨界角以下であることを特徴とする導波路型デバイス。
  3. 　導波路型デバイスであって、
    　導波路端部からの光を終端するために遮光材が充填された終端構造を備え、
    　前記終端構造は、前記導波路端部からの光に対する入射角が傾くように構成され、
    　前記導波路端部は、終端に向かって導波路幅が狭くなるテーパ部を有し、
    　前記終端構造は、前記導波路端部を囲い、前記テーパ部に近接または接して配置され、
    　前記テーパ部のテーパ角は、略、断熱遷移となる臨界角以下であることを特徴とする導波路型デバイス。
  4. 　請求項１から３のいずれかに記載の導波路型デバイスであって、前記入射角は、略、ブリュースタ角以上であることを特徴とする導波路型デバイス。
  5. 　請求項１から４のいずれかに記載の導波路型デバイスであって、前記遮光材は、前記導波路端部からの光を吸収または散乱する材料からなることを特徴とする導波路型デバイス。
  6. 　請求項１から５のいずれかに記載の導波路型デバイスであって、マッハツェンダ型の光スイッチ、可変減衰器、光スプリッタ、およびアレイ導波路回折格子の少なくともいずれか１つを含むことを特徴とする導波路型デバイス。
  7. 　請求項１から６のいずれかに記載の導波路型デバイスを用いてマルチチップ集積化したモジュール。
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