JP2004101995A

JP2004101995A - 光合分岐素子

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Publication number: JP2004101995A
Application number: JP2002265148A
Authority: JP
Inventors: Masaki Kamitoku; 神徳　正樹; Hiroshi Takahashi; 高橋　浩; Takashi Saida; 才田　隆志
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2002-09-11
Filing date: 2002-09-11
Publication date: 2004-04-02

Abstract

【課題】小さな素子サイズで低損失、特に小さな分岐比が容易に得られる光合分岐素子を提供するにある。
【解決手段】基板１０上に、入力用光導波路１１と、前記入力用光導波路１１に接続されたマルチモード干渉光導波路１２と、前記マルチモード干渉光導波路１２に接続された複数の出力用導波路１３が配置された光合分岐素子において、前記入力用導波路１１の少なくとも１本が、前記マルチモード干渉導波路１２の中心からオフセット量１４を有した位置に配置され、かつそのオフセット量１４が前記入力用光導波路幅１１の半分以下であることを特徴とする。
【選択図】　　　　図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光合分岐素子に関する、例えば、光通信若しくは光信号処理に用いられる光回路の基本回路要素として使用されるものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムや光信号処理技術の高度化に伴い、複雑な機能を果たす光回路が必要とされている。
石英系光導波路を用いた平面光回路は、設計上多くの自由度を有していること、並びに電子部品と類似した方法で基板上に光回路を製造することができるため、製造が簡易であると伴に、安定した同路が実現できるという特徴を有している。
このため、波長合分波器であるアレイ導波路回折格子などを代表として、現在の波長多重光通信システムにおいてなくてはならない光部品の製造法となっている。
【０００３】
そして、今後の光通信のさらなる大容量化・高速化並びに、光信号処理システムにおいて、これらの光回路の重要性はますます大きくなると考えられている。これらの光回路を構成する回路要素として、光の合分岐機能は、最も重要なものの一つである。
本発明はその新たな構成方法を提供するものである。
尚、光分岐素子は光の伝搬方向を逆にすることで、光合波回路として機能するため、合わせて光合分岐素子と呼ぶ場合もある。
【０００４】
まず、従来の光分岐素子の例を図９に示す。
光分岐素子を構成法としては様々なものが用いられている。
まず第一に図９（ａ）に示すＹ分岐回路が１つの例である。
この方法は、Ｙ分岐部分により、導波路を伝搬する光の分布が急激に変化するために過剰損失が生じやすいことと、Ｙ分岐の分岐角が小さいために、素子サイズが大きくなることが問題となっている。
また、本発明と比較を後で行うが、低損失で微小量の分岐を得ることが困難であるという問題点を有している。
【０００５】
図９（ｂ）は方向性結合器を用いた光分岐素子である。
この方法は近接した光導波路間の結合により光を分岐するため、安定な結合率を得ることが難しく、わずかな製造誤差により特性が大きく変化するという問題点を有している。
図９（ｃ）はスラブ導波路を用いたスプリッタ回路である。
多数の光導波路に光を分配する方法として非常に優れた方法であるが、少ない本数の光導波路に光を分配する場合には、光損失が大きくなるという問題を有している。
【０００６】
図９（ｄ）は導波路中に部分反射ミラーを用いることで一部の光を分岐する方法である。
この方法は比較的安定な分岐を実現することができるが、部分反射ミラーと光回路を別々に製造する必要があるため、複雑な光回路を実現するためには、製造歩留まりやコスト面で問題を有していた。
図９（ｅ）はマルチモード干渉導波路（ＭＭＩ）を用いた光分岐素子である（本技術については非特許文献１に詳しい）。
この構成は他の手法に比べると、比較的小型の光同路を簡易に実現できるという特徴を有している。
また、特定の比率の光分岐比が安定して得られる有用な素子であることが知られている。
【０００７】
しかしながら、安定な分岐比が得られるという特徴の反面、自由な分岐比を得ることは困難であった。
特に小さな分岐比を実現することが、困難な課題となっていた。
ここで、マルチモード干渉導波路は、マルチモード干渉導波路内における光の複雑な干渉現象を利用するために、パラメータの選択により、全く異なった素子特性を示す為、適切なパラメータを選択することは、非常に重要である。
尚、ここで言うパラメータとは、導波路の屈折率、導波路の屈折率差、入射導波路幅、入射導波路の接続位置、マルチモード導波路の幅及び長さ、出力用導波路幅、出力用導波路の接続位置、導波路の接続角度などがあり、非常に多くのパラメータの組み合わせが考えられる。
【０００８】
以上に述べたように、従来の光分岐素子においては、小さな素子サイズ、低損失の素子構成、自由な分岐比（特に小さな分岐比）の実現などの、すべての要件を満たした光分岐素子の実現は困難であり、光回路の基本要素として改善が必要となっていた。
また、従来の素子においては、製造上特殊なプロセスが必要なものもあり、多くの機能を搭載した光回路の実現をはかる上で問題となっていた。
【０００９】
【非特許文献１】
Ｌ．　Ｂ．　Ｓｏｌｄａｎｏ，　ａｎｄ　Ｅ．　Ｃ．　Ｍ．　Ｐｅｎｎｉｎｇｓ，　”　Ｏｐｔｉｃａｌ　ｍｕｌｔｉ−ｍｏｄｅ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｄｅｖｉｃｅｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｓｅｌｆ−ｉｍａｇｉｎｇ：　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”　Ｊ．　ｏｆ　Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌ．，　ｖｏｌ．１３　ｐｐ．６１５−６２７，　１９９５，
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
以上に述べたように、従来の光分岐素子においては、小さな素子サイズ、低損失の構成、自由な分岐比（特に小さな分岐比）、製造上特殊なプロセスを要求しないことなどのすべての要件を満たした光分岐素子の実現は困難であり、光回路の基本要素として改善が必要となっていた。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、上記問題が、マルチモード干渉導波路を用いた光回路において、適切な条件を設定することにより、解決できることを見いだした。
具体的には、請求項１に掲げるように基板上に、入力用光導波路と、前記入力用光導波路に接続されたマルチモード干渉光導波路と、前記マルチモード干渉光導波路に接続された、複数の出力用導波路から構成された光合分岐素子において、前記入力用導波路が、前記マルチモード干渉導波路の中心からオフセット量を有した位置に配置され、かつそのオフセット量が前記入力用光導波路幅の半分以下であることを特徴とする光合分岐素子とすることにより、光の分岐比を変化させることができる。
【００１２】
また、請求項２に掲げるように、基板上に、入力用光導波路と、前記入力用光導波路に接続されたマルチモード干渉光導波路と、前記マルチモード干渉光導波路に接続された、複数の出力用導波路から構成された光合分岐素子において、該入力用導波路がマルチモード干渉導波路に対して斜めに配置されていることを特徴とする光合分岐素子とすることにより、光の分岐比を変化させることができる。
【００１３】
また、請求項３に掲げるように、３本の出力用導波路を有する光合分岐素子においては、請求項１と同様に前記入力用光導波路を前記マルチモード干渉導波路の中心から微小量のオフセット量を有した位置に配置すると共に、出力用導波路の位置を特定の位置に配置することにより、従来の構成方法では困難であった微小量の分岐比を簡易に実現できる。
【００１４】
また、請求項４並びに請求項５では、３本の光導波路に導波路オフセット量若しくは導波路幅を不連続に変化させることにより、光分岐比を微調整し、所望の光分岐比を実現することができる。
【００１５】
また、請求項６では、前記光導波路をシリコン基板乃至は石英基板上に形成された石英系光導波路としたものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
ただし、説明の反復を避けるために、図中では同じ機能を有する光学回路には同じ番号を付与している。
また、以下の説明では、光導波路はシリコン基板上に形成された石英系光導波路である。
これは、安定で信頼性に優れた導波路型光フィルタを実現できるからである。
しかしながら、本発明はこの構成に限定されるものではなく、半導体導波路、ポリマ導波路、ＬｉＮｂＯ_３導波路などの他の光導波路を用いても勿論構わない。
【００１７】
〔実施形態１〕
本発明の第１の実施形態に係る光分岐素子の構成例を図１に示す。
図１に示すように、基板１０上には、入力用光導波路１１、マルチモード干渉導波路１２、２本の出力用導波路１３が配置され、マルチモード干渉導波路１２は入力用導波路１１に接続し、また、２本の出力用導波路１３はマルチモード干渉導波路１２に接続している。
また、本発明の主要な要件として、入力用光導波路１１の中心とマルチモード干渉導波路１２の中心がオフセット量１４を有しており、そのオフセット量１４が入力用光導波路１１の幅の半分以下であることを特徴とする。
【００１８】
尚、図１においては、構成をわかりやすくするため、入力用導波路１１が１本、出力用導波路１３が２本の例を示しているが、請求項１の条件を満たす入力用導波路１１を少なくとも１本有していれば、入力用導波路１１並びに出力用導波路１３の本数に制限はない。
本実施形態の効果について、図２を参照して説明する。
図１に示すような光分岐回路において、従来の構成、即ち、オフセット量＝０の場合には、５０％：５０％の分岐比を得ることは簡単であるが、分岐比を変化させることは困難であった。
【００１９】
一方、本実施形態においては、オフセット量１４を変化させることで、光の分岐比を変化させることができる。
図１に示すような光分岐回路において、入力導波路１１のオフセット量１４を変化させた時の各ポートからの出力特性、並びに全挿入損失を図２に示す。
図２から明らかなように、従来法では困難であった、光強度の調整が低損失で実現が可能となる。
【００２０】
このように、従来構成では困難であった光の分岐比の調整が、本実施形態の構成を用いることで実現できた。
尚、オフセット量１４が大きくなりすぎると、図２（ｂ）に示すように過剰損失が大きくなる為、低損失の光分岐回路を実現するためには、オフセット量１４が入力用導波路幅１１の半分以下であることが望ましい。
【００２１】
〔実施形態２〕
本発明の第２の実施形態に係わる光分岐素子の構成例を図３に示す。
図３に示すように、基板１０上には、入力用光導波路１１、マルチモード干渉導波路１２、出力用導波路１３が配置されている。
また、本発明の主要な要件として、入力用光導波路１１はマルチモード干渉導波路１２に対して斜めに接続されている。
尚、本実施形態においては入力用光導波路１１の位置はマルチモード干渉導波路１２の中心若しくは中心近傍が望ましいが、その場所のみに限定されるものではない。
【００２２】
例えば、請求項１に掲げるようにオフセット量を設けることで更に高い効果を得る事が可能である。
尚、図３においては、構成をわかりやすくするため、入力用導波路１１が１本、出力用導波路１３が２本の例を示しているが、請求項２の条件を満たす入力用導波路１１を少なくとも１本有していれば、入力用導波路１１並びに出力用導波路１３の本数に制限はない。
【００２３】
本実施形態の効果は、ほぼ実施例１と同様である。
簡単のために、導波路がマルチモード導波路の中心に配置されている場合をもとに説明するが、入力用導波路１１とマルチモード干渉導波路１２の角度の差が０である場合には、従来の構成と同等となる。即ち、５０％：５０％の分岐比となる。
これに対して、入力用導波路１１を斜めにすることで、光の分岐比を変化させる事ができる。
このように、従来構成では困難であった光の分岐比の調整が、本実施形態の構成を用いる事で実現できた。
【００２４】
〔実施形態３〕
本発明の第３の実施形態に係わる光分岐素子の構成例を図４に示す。本実施形態は、請求項３に掲げるものである。
図４に示すように、基板１０上には、入力用光導波路１１、マルチモード干渉導波路１２、第１、第２、第３の出力用導波路１３が配置され、マルチモード干渉導波路１２は入力用導波路１１に接続し、また、３本の出力用導波路１３はマルチモード干渉導波路１２に接続している。
【００２５】
また、実施形態１と同様に、入力用光導波路１１の中心とマルチモード干渉導波路１２の中心がオフセット量１４を有しており、そのオフセット量１４が入力用光導波路１１の幅の半分以下である光分岐素子において、マルチモード干渉導波路１２の幅をＷ_Ｓ、３本の出力用導波路１３の導波路幅をＷ_１，Ｗ_２，Ｗ_３、出力用導波路１３の接続位置のマルチモード干渉導波路１２の中心からのオフセット量をΔ_１，Δ_２，Δ_３として、Δ_１＝（Ｗ_Ｓ−Ｗ_１）／２，Δ_２＝０，Δ_３＝−（Ｗ_Ｓ−Ｗ_３）／２と設定したことを特徴とする。
【００２６】
前述したようにマルチモード干渉導波路１２を用いた光回路においては、これらのパラメータの選択により、大きく特性が変化することが知られており、このような構成とすることで、従来の方法では実現困難であった、微小量の分岐を低損失で実現する事が可能となる。
【００２７】
本実施形態の効果について図５を参照して説明する。
図４に示す光分岐回路において、入力用導波路１１のオフセット量１４を変化させたときの各ポートからの出力特性、並びに全挿入損失を図５に示す。
図５に示すように、従来法では困難であった、微小量の光分岐を低損失で実現することが可能になった。
尚、図４においても、請求項１又は２の条件を満たす入力用導波路１１を少なくとも１本有していれば、入力用導波路１１の本数に制限はない。
【００２８】
〔実施形態４〕
本発明の第４の実施形態に係わる光分岐素子の構成例を図６に示す。本実施形態は、請求項４に掲げるものである。
請求項３の光合分岐素子であって、出力用導波路１３の接続位置を出力用導波路幅の半分以下の微小量変化させることにより、第１の出力用導波路１３と第３の出力用導波路１３の光出力強度を一致させたことを特徴とする。
【００２９】
通常の光回路においては、光の分岐比が対称になることが求められることが多い、即ち、第１の出力用導波路１３と第３の出力用導波路１３の強度が一致していることが望ましい。
本実施形態では、出力用導波路１３の接続位置を微小量変化させることにより調整を可能とした。
【００３０】
〔実施形態５〕
本発明の第５の実施形態に係わる光分岐素子の構成例を図７に示す。本実施形態は、請求項５に掲げるものである。
【００３１】
請求項１−３の光合分岐素子であって、出力用導波路１３に、これと同じ幅の他の出力用導波路１５とを接続し、これら導波路１３，１５の接続位置にオフセットを設けるか、若しくは、出力用導波路１３に、これよりも幅の狭い他の出力用導波路１６を接続したものである。つまり、導波路幅を不連続に変化させたことにより、光強度の調整を可能としたものである。
【００３２】
以上述べてきたように、本発明の光合分岐素子は低損失で小さなサイズで、分岐比の設計自由度の高い分岐回路が実現できる。特に、比較的小さな分岐比が実現できる点で効果が高い。
更に、従来型の分岐回路の形状と、その分岐部の幅と分岐比、分岐部の幅と長さの関係について図８に示す。
図８（ａ）はＹ分岐素子を二つ組み合わせた、従来型のＷ型の分岐回路を示している。
この素子においては、テーパ状に広げた導波路の終端幅とテーパの広がり角度（テーパの長さ）が、良好な特性を得る為に重要なパラメータである。
テーパの広がり角度は、急すぎると安定に光を拡大することができないため、損失の原因となる。
また、角度が小さすぎると無用に素子長が長くなるため、好ましくない。
【００３３】
図８（ｂ）（ｃ）では、ほぼ最適化された条件において、分岐比と素子長の関係を示す。
図８（ｂ）はテーパ状に広げた導波路の終端幅に対して、両端にある導波路への光の分岐比を示したものである。
図に示したように、終端導波路幅が広がるほど分岐比を小さくすることができる。
１％の分岐比を実現するためには導波路幅として９０μｍ程度に設定すればよい事が分かる。
一方、図８（ｃ）から、１００００μｍ以上と非常に大きくなってしまい、集積回路に用いるには適していない。
【００３４】
これに対し、本発明においては、１０００μｍ若しくはそれ以下のサイズで、微小な分岐比を実現する事ができ、従来型の１／１０以下のサイズで素子の実現が可能となる。
以上より、明らかなように、本発明は低損失かつ小型の素子の実現に適しており、光集積回路に適した回路である。
【００３５】
このように説明したように、本発明は、マルチモード干渉導波路を用いた光合分岐素子に関するもので、マルチモード干渉導波路に対する入出力導波路の配置関係（オフセット、傾き、幅等）に特徴があり、低損失、高い分岐比自由度を実現できる。
【００３６】
【発明の効果】
以上、図面を参照して詳細に説明したように、本発明の光合分波器を用いれば、従来の方法では困難であった、小さな素子サイズで低損失、特に小さな分岐比を自由に設計できるようになる、また、製造も簡易になる。
本素子は光回路を実現するための基本要素であるため、光回路の製造が簡易になり、安価な素子の実現に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の請求項に関する光分岐素子の構成図である。
【図２】本発明の第１の請求項に係るオフセット量に対する分岐比（過剰損失）の関係を示すグラフである。
【図３】本発明の第２の請求項に関する光分岐素子の構成図である。
【図４】本発明の第３の請求項に関する光分岐素子の構成図である。
【図５】本発明の第３の請求項に係るオフセット量に対する出力強度とＬｏｓｓの関係を示すグラフである。
【図６】本発明の第４の請求項に関する光分岐素子の構成図である。
【図７】本発明の第５の請求項に関する光分岐素子の構成図である。
【図８】図８（ａ）は従来の分岐回路の形状を示す平面図、図８（ｂ）は従来の分岐回路の分岐部の幅と分岐比との関係を示すグラフ、図８（ｃ）は従来の分岐回路の分岐部の幅はと長さの関係を示すグラフである。
【図９】従来の光分岐素子の構成図である。
【符号の説明】
１０　基板
１１　入力用導波路
１２　マルチモード干渉導波路
１３　出力用導波路
１４　入力用導波路とマルチモード干渉導波路のオフセット量
１５　他の出力用導波路
１６　他の出力用導波路

Claims

基板上に、入力用光導波路と、前記入力用光導波路に接続されたマルチモード干渉光導波路と、前記マルチモード干渉光導波路に接続された複数の出力用導波路が配置された光合分岐素子において、前記入力用導波路の少なくとも１本が前記マルチモード干渉導波路の中心からオフセット量を有した位置に配置され、かつそのオフセット量が前記入力用光導波路幅の半分以下であることを特徴とする光合分岐素子。
基板上に、入力用光導波路と、前記入力用光導波路に接続されたマルチモード干渉光導波路と、前記マルチモード干渉光導波路に接続された複数の出力用導波路が配置された光合分岐素子において、前記入力用導波路の少なくとも１本が前記マルチモード干渉導波路に対して斜めに配置されていることを特徴とする光合分岐素子。
請求項１又は２記載の光合分岐素子であって、前記出力用導波路が少なくとも３本で構成されており、各出力用導波路幅をＷ_１，Ｗ_２，Ｗ_３とし、前記マルチモード干渉導波路幅をＷ_Ｓとし、前記出力用導波路の接続位置は、前記マルチモード干渉導波路の中心からのオフセット量をΔ_１，Δ_２，Δ_３として、Δ_１＝（Ｗ_Ｓ−Ｗ_１）／２，Δ_２＝０，Δ_３＝−（Ｗ_Ｓ−Ｗ_３）／２と設定したことを特徴とする光合分岐素子。
請求項３記載の光合分岐素子であって、前記出力用導波路の接続位置を出力光導波路幅の半分以下の微小量変化させることにより、対称に位置する前記出力用導波路の光出力強度を一致させたことを特徴とする光合分岐素子。
請求項１，２，３又は４記載の光合分岐素子であって、前記出力用導波路にオフセット量を設けるか、若しくは前記出力用導波路幅を不連続に変化させることにより光強度を調整したことを特徴とする光合分岐素子。
請求項１，２，３，４又は５の光合分岐素子であって、前記光導波路がシリコン基板乃至は石英基板上に形成された石英系光導波路であることを特徴とする光合分岐素子。