JP5440660B2 - Optical waveguide device - Google Patents
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Description
この発明は、基準光導波路と、この基準光導波路に複数の交差点で交差する交差光導波路とを備える光導波路素子に関する。 The present invention relates to an optical waveguide device including a reference optical waveguide and crossed optical waveguides that intersect the reference optical waveguide at a plurality of intersections.
光通信分野において、電子回路の基盤材料であるシリコンで光回路を形成し、電子回路及び光回路を一体化するシリコンフォトニクス技術が注目されている。この技術は、LSI(Large−Scale Integrated circuit)等の電子回路間を高速かつ相互作用の少ない光通信で接続する光インターコネクションへの応用が期待されている。 In the optical communication field, silicon photonics technology that forms an optical circuit with silicon, which is a base material of an electronic circuit, and integrates the electronic circuit and the optical circuit has attracted attention. This technology is expected to be applied to an optical interconnection in which electronic circuits such as LSI (Large-Scale Integrated Circuit) are connected by optical communication with high speed and less interaction.
光インターコネクションに用いられる光モジュールは、電子回路に接続される光送信部及び光受信部と、光送信部及び光受信部を接続する光接続部とを備える。光接続部を構成する光導波路は、基本的には光送信部の発光素子と光受信部の受光素子とを1対1で接続する。しかし、光モジュールの集積度を高めるためには、光送信部と光受信部とを「多対多」で接続する技術が必要となる。 An optical module used for optical interconnection includes an optical transmission unit and an optical reception unit that are connected to an electronic circuit, and an optical connection unit that connects the optical transmission unit and the optical reception unit. The optical waveguide constituting the optical connecting unit basically connects the light emitting element of the optical transmitting unit and the light receiving element of the optical receiving unit in a one-to-one relationship. However, in order to increase the degree of integration of the optical module, a technique for connecting the optical transmitter and the optical receiver in a “many-to-many” manner is required.
このように光送信部と光受信部とを多対多で接続する場合、光接続部での光導波路同士の交差が避けられない。2本の光導波路の交差点では、光が伝搬する一方の光導波路から、この光導波路に交わる他方の光導波路へと光が回折する結果、強度ロスが発生する。以下、1個の交差点で発生するこの光強度のロスを「一段交差損失」とも称する。 As described above, when the optical transmission unit and the optical reception unit are connected in a many-to-many manner, it is inevitable that the optical waveguides intersect at the optical connection unit. At the intersection of the two optical waveguides, light is diffracted from one optical waveguide through which the light propagates to the other optical waveguide that intersects the optical waveguide, resulting in an intensity loss. Hereinafter, this loss of light intensity that occurs at one intersection is also referred to as a “single-stage intersection loss”.
この一段交差損失を低減するために、2本の光導波路の交差点の構造を工夫する技術が報告されている(例えば、特許文献1及び2参照)。
In order to reduce this one-stage crossing loss, a technique for devising the structure of the intersection of two optical waveguides has been reported (for example, see
確かに、特許文献1及び2によれば、一段交差損失を低減することができる。しかし、発明者は、光導波路が複数の交差点を有する場合、一段交差損失とは異なるメカニズムの光損失が生じることを見出した。詳細には、複数の交差点が、言わばグレーティングの格子点として機能し、出力光に、波長に関して周期的な光損失(以下、「多段交差損失」とも称する。)が生じることを見出した。さらに、発明者は、この多段交差損失は、上述の文献等による一段交差損失の低減だけでは、十分に抑制できないとの知見を得た。
Certainly, according to
この発明は、このような技術的背景でなされた。従って、この発明の課題は、多段交差損失を実用上十分に抑制可能な光導波路素子を得ることにある。 The present invention has been made with such a technical background. Accordingly, an object of the present invention is to obtain an optical waveguide device that can sufficiently suppress the multistage crossing loss practically.
発明者は、鋭意検討の結果、光導波路に形成される交差点の間隔を異ならせることで、上述の課題が解決されることに想到した。従って、この発明の光導波路素子は、コアと、コアを囲むクラッドとを含む光導波路を備える。そして、この光導波路が、基準光導波路と、この基準光導波路に、光伝搬方向に沿ってこの順に直列する第1〜第N交差点(Nは3以上の整数)で交差する交差光導波路とを備える。 As a result of intensive studies, the inventor has come up with the idea that the above-described problems can be solved by changing the interval between the intersections formed in the optical waveguide. Accordingly, the optical waveguide device of the present invention includes an optical waveguide including a core and a clad surrounding the core. The optical waveguide includes a reference optical waveguide and a crossed optical waveguide that intersects the reference optical waveguide at first to Nth intersections (N is an integer of 3 or more) serially arranged in this order along the light propagation direction. Prepare.
ここで、第i及び第j交差点間の間隔の長さをD(i,j)とするとき(ただし、iは1≦i≦N−1を満たす整数、及びjはi<j≦Nを満たす整数)、少なくとも一つのg(gは1≦g≦N−2を満たす整数)について、D(g,g+1)≠D(g+1,g+2)である。 Here, when the length of the interval between the i-th and j-th intersections is D (i, j) (where i is an integer satisfying 1 ≦ i ≦ N−1, and j is i <j ≦ N) D (g, g + 1) ≠ D (g + 1, g + 2) for at least one g (g is an integer satisfying 1 ≦ g ≦ N−2).
この発明は、上述のように構成されている。従って、この発明の光導波路素子によれば、多段交差損失を実用上十分に抑制することができる。 The present invention is configured as described above. Therefore, according to the optical waveguide device of the present invention, the multistage crossing loss can be sufficiently suppressed in practice.
以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。なお、各図において各構成要素の形状、大きさ及び配置関係について、この発明が理解できる程度に概略的に示してある。また、以下、この発明の好適な構成例について説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は、以下の実施形態には、何ら限定されない。また、各図において、共通する構成要素には同符号を付し、その説明を省略することもある。また、他の図面との対応関係が明らかな構成要素の符号を省略することもある。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In each figure, the shape, size, and arrangement relationship of each component are schematically shown to the extent that the present invention can be understood. Moreover, although the preferable structural example of this invention is demonstrated hereafter, the material of each component, a numerical condition, etc. are only a suitable example. Accordingly, the present invention is not limited to the following embodiments. Moreover, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected to a common component and the description may be abbreviate | omitted. In addition, reference numerals of components that have a clear correspondence with other drawings may be omitted.
(発明の概要)
まず、図1を参照して、この発明の概要を説明する。図1(A)は、交差点間隔が等しい従来型の光導波路素子(以下、従来型素子とも称する。)の構造を概略的に示す模式図である。図1(B)は、従来型素子の出力特性を示す特性図である。図1(C)は、交差点間隔が等しくない本発明の光導波路素子の一例の構造を概略的に示す模式図である。図1(D)は、図1(C)の光導波路素子の出力特性を示す特性図である。なお、図1(A)及び(C)では、発明の理解に資するために、光導波路素子を簡略的に描いている。つまり、基板及びクラッドの図示を省略するとともに、有限の幅をもつコアを単なる直線で描いている。
(Summary of Invention)
First, the outline of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1A is a schematic diagram schematically showing the structure of a conventional optical waveguide element (hereinafter also referred to as a conventional element) having the same intersection spacing. FIG. 1B is a characteristic diagram showing output characteristics of a conventional element. FIG. 1C is a schematic view schematically showing a structure of an example of the optical waveguide device of the present invention in which the intersection intervals are not equal. FIG. 1D is a characteristic diagram showing output characteristics of the optical waveguide device of FIG. In FIGS. 1A and 1C, an optical waveguide element is simply drawn in order to contribute to an understanding of the invention. That is, the illustration of the substrate and the clad is omitted, and the core having a finite width is drawn by a simple straight line.
従来型素子100も光導波路素子10も、基本構造は共通なので、図1(A)の従来型素子100を例にとり、光導波路素子の構造を簡単に説明する。従来型素子100は、基準光導波路14と、交差光導波路26とで構成される光導波路を備える。なお、この光導波路については後述する。
Since the basic structure of both the
基準光導波路14には、第1〜第N交差点C1〜CN(Nは3以上の整数)で、交差光導波路261〜26Nが交差する。ここで、互いに隣り合った交差点の間の長さ(距離)を隣接交差点間隔と称する。交差点の総数がNであるので、隣接交差点間隔の総数はN−1個である。また、基準光導波路14の一端部からは通信信号光等の入力光が入力される。この入力光は、光導波路14を光伝搬方向(図中矢印P参照)に沿って伝搬し、他端部から波長λ1の出力光として出力される。
Crossed
従来型素子100と光導波路素子10との違いは、隣接交差点間隔にある。詳細には、従来型素子100では、全ての隣接交差点間隔がx1(x1は正の実数)で同一なのに対し、光導波路素子10では、全ての隣接交差点間隔が異なる値x1,x2,・・・,x(N−1)を取る(x1〜x(N−1)は、x1≠x2≠・・≠x(N−1)を満足する正の実数)。
The difference between the
図1(B)は、従来型素子100における基準光導波路14からの出力光の出力特性を示し、横軸が出力光の波長(任意単位)であり、縦軸が出力光の光強度(任意単位)である。図1(B)に示すように、従来型素子100では、隣接交差点間隔が等しいことに起因して、基準光導波路14からの出力光に、上述した多段交差損失、すなわち、波長に関して周期的な強度変化が生じる。
FIG. 1B shows the output characteristics of the output light from the reference
従来型素子100のこの周期的な強度変化は、規則的に配置された交差点C1〜CNにより直線状回折格子が形成されたことで生じる。発明者は、隣接交差点間隔が10μm程度の場合、20〜30nmの波長周期Wの多段交差損失が生じるとの知見を得ている。この波長周期Wは、通常の使用環境で生じる発光素子(LD:Laser Diode)の波長揺らぎ(〜40nm)と同等であるため、光モジュールでの光通信に悪影響を与える可能性がある。
This periodic intensity change of the
それに対し、図1(C)に示すように、本発明の光導波路素子10では、交差点間隔が等しくない交差点を基準光導波路14に配置することで、この多段交差損失を抑制する。
On the other hand, as shown in FIG. 1C, in the
このように隣接交差点間隔を互いに異ならせることで、図1(D)に示すように、周期的な強度変化が抑制された出力光を基準光導波路14から出力させることができる。なお、図1(D)の横軸及び縦軸は、図1(B)と同様である。また、図1(C)の交差光導波路16及び161〜16Nが、それぞれ、図1(A)の交差光導波路26及び261〜26Nに対応する。
Thus, by making the adjacent intersection intervals different from each other, as shown in FIG. 1D, output light in which a periodic intensity change is suppressed can be output from the reference
なお、図1(C)では、「隣接交差点間隔が異なる」という本発明の特徴の一つを強調するために、あえて全ての隣接交差点間隔x1〜x(N−1)が異なる特別な態様を示している。つまり、本発明の外延は、後述する「1個以上の隣接交差点間隔が異なる」一般的な態様(図3(A))であり、図1(C)はその特別な態様に相当する。 In FIG. 1C, in order to emphasize one of the features of the present invention that “adjacent intersection intervals are different”, a special mode in which all adjacent intersection intervals x 1 to x (N−1) are different. Is shown. That is, the outer extension of the present invention is a general mode (FIG. 3A), which will be described later, “one or more adjacent intersection intervals are different”, and FIG. 1C corresponds to the special mode.
(実施形態)
続いて、図2〜図6を用いて、光導波路素子の実施形態を説明する。図2は、光導波路素子の構造を概略的に示す模式図である。図3(A)は、最も一般的な態様の光導波路素子の構造を概略的に示す模式図であり、図3(B)は、図3(A)の特別な態様の光導波路素子の構造を概略的に示す模式図である。図4(A)は、図3(B)の光導波路素子の隣接交差点間隔のパターンを説明するための図であり、図4(B)は、交差点間隔の基準長さを説明するための図である。図5は、図3(B)のさらに特別な態様の光導波路素子の構造を概略的に示す模式図である。図6(A)は、図5の光導波路素子の一例を示す模式図であり、図6(B)は、図6(A)の光導波路素子の交差点間隔の決定法を説明するための図である。
(Embodiment)
Subsequently, an embodiment of the optical waveguide device will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a schematic diagram schematically showing the structure of the optical waveguide device. FIG. 3A is a schematic diagram schematically showing the structure of the optical waveguide element of the most general aspect, and FIG. 3B is the structure of the optical waveguide element of the special aspect of FIG. It is a schematic diagram which shows schematically. 4A is a diagram for explaining a pattern of adjacent intersection intervals of the optical waveguide element of FIG. 3B, and FIG. 4B is a diagram for explaining a reference length of the intersection intervals. It is. FIG. 5 is a schematic diagram schematically showing the structure of the optical waveguide device of the more specific aspect of FIG. 6A is a schematic diagram illustrating an example of the optical waveguide element of FIG. 5, and FIG. 6B is a diagram for explaining a method of determining the intersection distance of the optical waveguide element of FIG. 6A. It is.
なお、図2,3,4(B),5及び6(A)は、図1(A)及び(C)と同様に簡略化している。また、これらの図において、図1(C)と同様の構成には同符号を付して、説明を省略することもある。 2, 3, 4 (B), 5 and 6 (A) are simplified similarly to FIGS. 1 (A) and (C). In these drawings, the same components as those in FIG. 1C are denoted by the same reference numerals and description thereof may be omitted.
図2に示すように、図1(C)と同様の光導波路素子10において、第i交差点Ciと第j交差点Cj間の間隔の長さ(距離)をD(i,j)とする。ここで、iは1≦i≦N−1を満たす整数であり、jはi<j≦Nを満たす整数である。また、D(i,j)は正の実数である。以降、D(i,j)を、「間隔D(i,j)」又は「距離D(i,j)」とも称する。
As shown in FIG. 2, in the
D(i,j)との表記を用いれば、例えば、第2及び第4交差点C2及びC4の間隔は、D(2,4)と表される。また、上述の隣接交差点間隔は、D(i,i+1)と表される。また、光導波路素子10の全長、すなわち第1及び第N交差点C1及びCNの間隔は、D(1,N)と表される。
If the notation D (i, j) is used, for example, the interval between the second and fourth intersections C 2 and C 4 is represented as D (2,4). Further, the above-described adjacent intersection interval is represented as D (i, i + 1). Also, the total length of the
連続した3個の交差点、つまり2個の隣接交差点間隔D(i,i+1)及びD(i+1,i+2)で、最小構成の直線状回折格子が形成されることを考慮して、Nは3以上とする。 N is 3 or more considering that a linear diffraction grating having a minimum configuration is formed at three consecutive intersections, that is, two adjacent intersection intervals D (i, i + 1) and D (i + 1, i + 2). And
次に、図3(A)及び(B)を参照して、多段交差損失を抑制するために光導波路素子10を構成するD(i,j)が満たすべき条件について説明する。
Next, with reference to FIGS. 3A and 3B, the conditions that D (i, j) constituting the
図3(A)には、実用上十分に多段交差損失を抑制可能な光導波路素子10−Aを示す。つまり、図3(A)の光導波路素子10−Aは、多段交差損失抑制のための必要最低条件を満たす、最も一般的な態様である。一方、図3(B)には、図3(A)の特別な場合、つまり10−Aよりも多段交差損失の抑制効果が高い態様の光導波路素子10−Bを示す。 FIG. 3A shows an optical waveguide element 10-A that can suppress the multistage crossing loss sufficiently practically. That is, the optical waveguide device 10-A in FIG. 3A is the most general mode that satisfies the minimum requirements for suppressing multi-stage crossing loss. On the other hand, FIG. 3B shows an optical waveguide element 10-B in a special case of FIG. 3A, that is, an aspect in which the effect of suppressing the multistage crossing loss is higher than that of 10-A.
光導波路素子10−Aは、1個以上のiにおいて、隣接交差点間隔D(i,i+1)が異なっている。図3(A)に示す例では、1個のiで隣接交差点間隔D(i,i+1)が異なっている。詳細には、光導波路素子10−Aでは、1≦g≦N−2を満たす整数gを2とした場合に、D(g,g+1)≠D(g+1,g+2)(D(2,3)≠D(3,4))が成り立つ。さらに、g≠2では、D(g,g+1)=D(g+1,g+2)が成り立つ。 In the optical waveguide element 10-A, the adjacent intersection distance D (i, i + 1) is different in one or more i. In the example shown in FIG. 3A, the distance between adjacent intersections D (i, i + 1) is different for one i. Specifically, in the optical waveguide element 10-A, when the integer g satisfying 1 ≦ g ≦ N−2 is 2, D (g, g + 1) ≠ D (g + 1, g + 2) (D (2, 3) ≠ D (3,4)) holds. Further, when g ≠ 2, D (g, g + 1) = D (g + 1, g + 2) holds.
多段交差損失の大きさは、一般的な回折格子からの反射光強度と類似の挙動を取り、交差点数とともに損失が増す。つまり、多段交差損失は、基準光導波路14に3個の交差点が等間隔で配置されただけで顕在化し、大きさが等しい隣接交差点間隔D(i,i+1)の個数が多いほど大きくなる。よって、(N−1)個の隣接交差点間隔D(i,i+1)の内、1個以上を他と異ならせれば、異ならせた個数に応じて、光導波路素子10−Aの多段交差損失を減少させることができる。
The magnitude of the multistage crossing loss behaves similarly to the intensity of reflected light from a general diffraction grating, and the loss increases with the number of crossing points. That is, the multi-stage crossing loss becomes apparent only when three crossing points are arranged at equal intervals in the reference
図3(B)には、光導波路素子10−Aの特別な態様に相当し、全てのiにおいて隣接交差点間隔D(i,i+1)を異ならせた光導波路素子10−Bを示す。この例では、D(i,i+1)の値をx1,x2,・・,xi,・・,x(N−1)としている。詳細には、光導波路素子10−Bでは、p及びqのそれぞれを、1≦p≦N−1、1≦q≦N−1、及びp≠qを満たす整数としたとき、全ての(p,q)の組について、D(p,p+1)≠D(q,q+1)が成り立つ。 FIG. 3B shows an optical waveguide element 10-B corresponding to a special mode of the optical waveguide element 10-A, in which the distance between adjacent intersections D (i, i + 1) is different for all i. In this example, the value of D (i, i + 1) x 1, x 2, ··, x i, ··, and x (N-1). Specifically, in the optical waveguide element 10-B, when each of p and q is an integer satisfying 1 ≦ p ≦ N−1, 1 ≦ q ≦ N−1, and p ≠ q, all (p , Q), D (p, p + 1) ≠ D (q, q + 1) holds.
このように、光導波路素子10−Bでは、全てのiで隣接交差点間隔D(i,i+1)が異なっているので、光導波路素子10−Bは、光導波路素子10−A(図3(A))よりも、一層、多段交差損失を抑制できる。 Thus, in the optical waveguide element 10-B, since the adjacent intersection distance D (i, i + 1) is different for all i, the optical waveguide element 10-B includes the optical waveguide element 10-A (FIG. 3A). Multistage crossing loss can be further suppressed than in ()).
なお、光導波路素子10−Bにおいて、x1,x2,・・,xi,・・,x(N−1)は、互いに異なっていれば、iとともに狭義単調増加してもよいし、狭義単調減少してもよいし、又はランダムに変化してもよい。ここで、狭義単調増加とは、全てのiについて、xi<xi+1であることを意味する。同様に、狭義単調減少とは、全てのiについて、xi>xi+1であることを意味する。 In the optical waveguide element 10-B, x 1 , x 2 ,..., X i ,..., X (N−1) may increase monotonically with i as long as they are different from each other. It may decrease monotonously in a narrow sense or change randomly. Here, narrowly monotonically increasing means that x i <x i + 1 for all i. Similarly, narrow monotonic decrease means that x i > x i + 1 for all i.
続いて、図4を参照して、光導波路素子10−Bにおける、隣接交差点間隔D(i,i+1)の具体例を説明する。図4(A)は、隣接交差点間隔D(i,i+1)の設定法の幾つかを例示する図であり、図4(B)は、D(i,i+1)の基準長さを説明するための模式図である。 Next, a specific example of the adjacent intersection distance D (i, i + 1) in the optical waveguide element 10-B will be described with reference to FIG. FIG. 4A is a diagram illustrating some of the methods for setting the adjacent intersection distance D (i, i + 1), and FIG. 4B is a diagram for explaining the reference length of D (i, i + 1). FIG.
図4(A)に示すように、隣接交差点間隔D(i,i+1)を同図に例示する4パターンの何れかに従い設定してもよい。この4パターンとは(1)素数型、(2)定数和型、(3)等差型、及び(4)等比型である。 As shown in FIG. 4A, the adjacent intersection distance D (i, i + 1) may be set according to any of the four patterns illustrated in FIG. The four patterns are (1) prime type, (2) constant sum type, (3) equidistant type, and (4) geometric ratio type.
これらのパターンの説明に先立ち、図4(B)を参照して、交差点間隔D(i,j)の測定単位である基準長さUについて説明する。図4(B)に示すように、隣接交差点間隔D(i,i+1)を基準長さUの自然数倍、すなわち、D(i,i+1)=E×U(Eは自然数)とするのがよい。ここで、Uは正の実数とする。 Prior to the description of these patterns, the reference length U, which is a unit of measurement of the intersection distance D (i, j), will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 4B, the adjacent intersection distance D (i, i + 1) is a natural number times the reference length U, that is, D (i, i + 1) = E × U (E is a natural number). Good. Here, U is a positive real number.
ところで、直線状回折格子の格子周期Λと反射光の波長λとの間には、従来周知の下記式(1)の関係がある。ここで、格子周期Λとは、直線状回折格子の隣接する2個の格子点間の距離である。 By the way, there is a relationship of the following well-known formula (1) between the grating period Λ of the linear diffraction grating and the wavelength λ of the reflected light. Here, the grating period Λ is the distance between two adjacent grating points of the linear diffraction grating.
λ/ne=λ’=2Λ/M・・・(1)
ここで、neは、直線状回折格子の等価屈折率である。また、Mは回折次数であり、自然数である。また、λ’は、真空中での波長がλである光の、等価屈折率neの媒質中での波長である。
λ / n e = λ ′ = 2Λ / M (1)
Here, ne is an equivalent refractive index of the linear diffraction grating. M is a diffraction order, which is a natural number. Moreover, lambda 'is the light which is wavelength in vacuum lambda, the wavelength in the medium of the equivalent refractive index n e.
式(1)は、格子周期がΛで、等価屈折率がneである直線状回折格子が、2Λ,Λ,2Λ/3,・・・,2Λ/Mの波長λ’の光を反射可能であることを示す。 Equation (1) is a grating period lambda, linear diffraction grating equivalent refractive index of n e is, 2Λ, Λ, 2Λ / 3 , ···, can reflect the light of the wavelength lambda 'of 2 [lambda] / M Indicates that
この格子周期Λと波長λ’の関係を光導波路素子10−Bに当てはめると、この素子10−Bでは、各D(i,i+1)は互いに異なってはいるが、何れも基準長さUの自然数倍である。このことより、光導波路素子10−Bは、式(1)のΛにUを代入した、2U/Mの波長λ’の光を反射可能であることが分かる。 When the relationship between the grating period Λ and the wavelength λ ′ is applied to the optical waveguide element 10-B, in this element 10-B, each D (i, i + 1) is different from each other, but each has a reference length U. It is a natural number multiple. From this, it can be seen that the optical waveguide element 10-B can reflect light having a wavelength λ ′ of 2 U / M, in which U is substituted for Λ in the equation (1).
このように、光導波路素子10−BではD(i,i+1)の基準長さUに由来する反射が不可避的に生じる。よって、基準長さUと出力光の波長λ1が式(1)を満たさないように、Uを設定することが好ましい。 Thus, in the optical waveguide element 10-B, reflection derived from the reference length U of D (i, i + 1) inevitably occurs. Therefore, it is preferable to set U so that the reference length U and the wavelength λ1 of the output light do not satisfy Expression (1).
また、式(1)を満たさないようにするには、Uを1/10μm以上の値とすることが好ましい。これは、一般に回折格子では、1/100μm以下の精度で格子周期Λが等しくなった場合に、波長λの光の反射が生じるためである。つまり、D(i,i+1)を1/10μm以上の長さUを単位として変えれば、出力光の波長λ1での反射を抑制できる。 Moreover, in order not to satisfy Formula (1), it is preferable to set U to a value of 1/10 μm or more. This is because the diffraction grating generally reflects light of wavelength λ when the grating periods Λ are equal to each other with an accuracy of 1/100 μm or less. That is, if D (i, i + 1) is changed in units of length U of 1/10 μm or more, reflection of output light at wavelength λ1 can be suppressed.
また、コア12a(図7)を後述するSi製とし、さらに光導波路素子10−Bを、一般の光通信(波長:1.2〜1.6μm)に用いる場合、波長が約1.1μm以下の光はSiを伝搬できないので、M≧2の高次反射の考慮は不要である。
When the
このような基準長さUを用いると、各D(i,i+1)を、例えば上述の4パターンに従い設定できる。以下、それぞれを説明する。 When such a reference length U is used, each D (i, i + 1) can be set, for example, according to the four patterns described above. Each will be described below.
(1)素数型
素数型では、各D(i,i+1)を、基準長さUの素数倍とする。一例を挙げれば、素数型では、表1のように各D(i,i+1)を設定する。
(1) Prime type In the prime type, each D (i, i + 1) is a prime number multiple of the reference length U. For example, in the prime type, each D (i, i + 1) is set as shown in Table 1.
(2)定数和型
定数和型では、各D(i,j)を、基準長さUの自然数倍である定数C(Cは自然数)と、基準長さUの素数倍であるd(i)とを用いて、C+d(i)とする。一例を挙げれば、定数和型では、表2のように各D(i,i+1)を設定する。
(2) Constant sum type In the constant sum type, each D (i, j) is divided into a constant C (C is a natural number) that is a natural number multiple of the reference length U and a d ( i) and C + d (i). For example, in the constant sum type, each D (i, i + 1) is set as shown in Table 2.
なお、この例では、定数Cに加えるd(i)を、基準長さUの素数倍とした場合を示した。しかし、d(i)を、次に説明する等差型の(a+dn)及び等比型のbrmと基準長さUの積としてもよい。 In this example, d (i) added to the constant C is a prime number times the reference length U. However, d (i) may be the product of the difference type (a + dn) and the ratio ratio br m described below and the reference length U.
(3)等差型
等差型では、各D(i,i+1)を、等差数列の任意の項(a+dn)と、基準長さUとの積とする。なお、等差数列の項番号nは0以上の整数であり、a及びdは自然数である。一例を挙げれば、等差型では、表3のように各D(i,i+1)を設定する。
(3) Equal Difference Type In the equal difference type, each D (i, i + 1) is a product of an arbitrary term (a + dn) of the difference sequence and the reference length U. The item number n of the arithmetic progression is an integer greater than or equal to 0, and a and d are natural numbers. For example, in the differential type, each D (i, i + 1) is set as shown in Table 3.
(4)等比型
等比型では、各D(i,i+1)を、等比数列の任意の項brmと、基準長さUとの積とする。なお、等比数列の項番号mは0以上の整数であり、b及びrは自然数である。一例を挙げれば、等比型では、表4のように各D(i,i+1)を設定する。
(4) Geometric Type In the geometric type, each D (i, i + 1) is a product of an arbitrary term br m of the geometric sequence and the reference length U. The term number m in the geometric sequence is an integer of 0 or more, and b and r are natural numbers. For example, in the ratio ratio type, each D (i, i + 1) is set as shown in Table 4.
以上説明したように、全てのiで間隔D(i,i+1)が異なる光導波路素子10−Bでは、間隔D(i,i+1)毎に反射光の波長λ(式(1))が変化する。その結果、光導波路素子10−Bでは、特定波長の反射光が強め合うことが無く、この特定波長に由来する周期的な多段交差損失を抑制することができる。 As described above, in the optical waveguide device 10-B in which the interval D (i, i + 1) is different for all i, the wavelength λ (equation (1)) of the reflected light changes for each interval D (i, i + 1). . As a result, in the optical waveguide element 10-B, the reflected light of a specific wavelength does not intensify, and the periodic multistage crossing loss derived from this specific wavelength can be suppressed.
なお、この例では、D(i,i+1)を上述の4パターンに従って設定する場合について説明した。しかし、その設定法はこれらのパターンに限定されず、種々の数列や、乱数等を用いて、i毎に値の異なるD(i,i+1)を設定することができる。 In this example, the case where D (i, i + 1) is set according to the above four patterns has been described. However, the setting method is not limited to these patterns, and D (i, i + 1) having a different value for each i can be set using various numerical sequences, random numbers, and the like.
続いて、図5を参照して、図3(B)の光導波路素子10−Bのさらに特別な態様を説明する。すなわち、図5に示す光導波路素子10−Cでは、隣接交差点間隔D(i,i+1)に加えて、格子周期Λとして作用する可能性がある全てのi及びjで、D(i,j)を異ならせている。 Subsequently, with reference to FIG. 5, a further special aspect of the optical waveguide device 10 -B of FIG. That is, in the optical waveguide element 10-C shown in FIG. 5, in addition to the adjacent intersection distance D (i, i + 1), D (i, j) is used for all i and j that may act as the grating period Λ. Are different.
これは、2個のD(i,j)を第1及び第2区間D(i1,j1)及びD(i2,j2)(ただし、i1≠i2又はj1≠j2)として、全てのi1,i2,j1及びj2で、D(i1,j1)≠D(i2,j2)であることを意味する。つまり、区間中の交差点数が異なる場合を含めた2区間の全ての組み合わせで、D(i,j)を異ならせることを意味する。具体的には、例えば、隣接する2個の交差点を含む第1区間D(1,2)と、連続した5個の交差点を含む第2区間D(3,7)とが、D(1,2)≠D(3,7)であることを意味する。 This means that two D (i, j) are the first and second intervals D (i1, j1) and D (i2, j2) (where i1 ≠ i2 or j1 ≠ j2), and all i1, i2 , J1 and j2 means that D (i1, j1) ≠ D (i2, j2). That is, it means that D (i, j) is made different in all combinations of the two sections including the case where the number of intersections in the section is different. Specifically, for example, a first section D (1,2) including two adjacent intersections and a second section D (3,7) including five consecutive intersections are represented by D (1, 2) It means that D ≠ 3 (7).
なお、「i1≠i2又はj1≠j2」は、第1及び第2区間が同じ区間(i1=i2かつj1=j2)となることを排除する条件である。 Note that “i1 ≠ i2 or j1 ≠ j2” is a condition that excludes that the first and second sections are the same section (i1 = i2 and j1 = j2).
このような構成により、光導波路素子10−Cは、10−Bよりも、一層、多段交差損失を減少させることができる。 With such a configuration, the optical waveguide element 10-C can further reduce the multistage crossing loss as compared with 10-B.
続いて、図6(A)及び(B)を参照して、光導波路素子10−Cの設計法の一例を説明する。図6(A)は、光導波路素子10−Cの一例を示す模式図である。図6(B)は、図6(A)の光導波路素子10−Cの設計法を説明するための図である。 Next, an example of a method for designing the optical waveguide device 10-C will be described with reference to FIGS. 6 (A) and 6 (B). FIG. 6A is a schematic diagram illustrating an example of the optical waveguide element 10-C. FIG. 6B is a diagram for explaining a design method of the optical waveguide device 10-C in FIG.
図6(A)に示すように、第1〜第5交差点C1〜C5を備える光導波路素子10−Cに、第6交差点C6を追加する場合を考える。ここで、既存の交差点C1〜C5間の間隔D(i,j)は、D(1,2)=1μm,D(2,3)=3μm,D(3,4)=5μm及びD(4,5)=7μmとする。なお、図6(B)に関する以降の説明で、D(i,j)の単位「μm」の表記を省略し、単に数値だけを示すこともある。 As shown in FIG. 6 (A), the optical waveguide device 10-C with the first to fifth intersection C 1 -C 5, consider the case of adding a sixth intersection C 6. Here, the distance D (i, j) between the existing intersections C 1 to C 5 is D (1,2) = 1 μm, D (2,3) = 3 μm, D (3,4) = 5 μm and D (4, 5) = 7 μm. In the following description relating to FIG. 6B, the notation of the unit “μm” of D (i, j) is omitted, and only numerical values may be shown.
図6(B)は、光導波路素子10−Cに含まれる全ての間隔D(i,j)の一覧表である。行方向が間隔D(i,j)の指標iに対応し、列方向が指標jに対応し、行iと列jが交差するセルに、対応するD(i,j)を記してある。この表によれば、既存の交差点C1〜C5の全組み合わせD(1,2)〜D(4,5)では、D(i1,j1)≠D(i2,j2)が成り立つ。 FIG. 6B is a list of all intervals D (i, j) included in the optical waveguide device 10-C. The corresponding D (i, j) is written in the cell where the row direction corresponds to the index i of the interval D (i, j), the column direction corresponds to the index j, and the row i and the column j intersect. According to this table, the total combination D of the existing intersection C 1 ~C 5 (1,2) ~D (4,5), D (i1, j1) ≠ D (i2, j2) is satisfied.
この光導波路素子10−Cに、D(i1,j1)≠D(i2,j2)の条件を満足しつつ、新たな第6交差点C6を追加することを考える。第6交差点C6を追加すると、図6(B)の一覧表に、点線で囲んだ最下行の新区間D(1,6)〜D(5,6)が加わる。つまり、これら新区間D(1,6)〜D(5,6)と、既存の区間D(1,2)〜D(4,5)とが、D(i1,j1)≠D(i2,j2)を満足するように、第6交差点C6を追加すればよいことが分かる。なお、上述のように、新区間と既存区間の比較は、i1≠i2又はj1≠j2を満足する区間で行えばよい。 This optical waveguide device 10-C, while satisfying the condition of D (i1, j1) ≠ D (i2, j2), consider adding new sixth intersection C 6. Adding a sixth intersection C 6, the list of FIG. 6 (B), the new section D of the bottom line surrounded by a dotted line (1,6) ~D (5,6) is applied. That is, these new sections D (1,6) to D (5,6) and the existing sections D (1,2) to D (4,5) are D (i1, j1) ≠ D (i2, j2) so as to satisfy, may it can be seen that by adding a sixth intersection C 6. As described above, the comparison between the new section and the existing section may be performed in a section that satisfies i1 ≠ i2 or j1 ≠ j2.
例えば、隣接交差点間隔D(5,6)=8の第6交差点C6の追加の可否を考える。この場合、図6(B)の新区間は、それぞれD(1,6)=24,D(2,6)=23,D(3,6)=20,D(4,6)=15及びD(5,6)=8となる。これらの新区間と既存区間とを比較すると、D(5,6)=D(2,4)=8となり、上述の条件を満足しない。よって、隣接交差点間隔D(5,6)=8の第6交差点C6の追加は不可である。 For example, consider the additional possibility of sixth intersection C 6 of adjacent intersection distance D (5,6) = 8. In this case, the new sections in FIG. 6B are D (1,6) = 24, D (2,6) = 23, D (3,6) = 20, D (4,6) = 15 and D (5,6) = 8. When these new sections and existing sections are compared, D (5,6) = D (2,4) = 8, which does not satisfy the above condition. Therefore, additional sixth intersection C 6 of adjacent intersection distance D (5,6) = 8 is impossible.
しかし、隣接交差点間隔D(5,6)を10に変えると、新区間は、それぞれD(1,6)=26,D(2,6)=25,D(3,6)=22,D(4,6)=17及びD(5,6)=10となる。これらの新区間の全ては上述の条件を満足する。よって、隣接交差点間隔D(5,6)を10μmとすれば、第6交差点C6を追加することができる。 However, when the adjacent intersection interval D (5,6) is changed to 10, the new sections are D (1,6) = 26, D (2,6) = 25, D (3,6) = 22, D, respectively. (4,6) = 17 and D (5,6) = 10. All of these new sections satisfy the above conditions. Therefore, if adjacent intersection distance D the (5,6) and 10 [mu] m, it can be added a sixth intersection C 6.
このように、10−Cを形成するために新交差点C(N+1)を追加する場合、新たに生成される新区間と既存区間とが、i1≠i2又はj1≠j2を満たす区間で、D(i1,j1)≠D(i2,j2)を満足するようにすればよい。 Thus, when a new intersection C (N + 1) is added to form 10-C, a newly generated new section and an existing section are sections in which i1 ≠ i2 or j1 ≠ j2, and D ( i1, j1) ≠ D (i2, j2) may be satisfied.
(光導波路素子の具体例)
続いて、図7及び図8を参照して、光導波路素子の構造を説明する。図7(A)は、光導波路素子10の構造を模式的に示す平面図であり、図7(B)は、図7(A)のA−A線に沿った切断端面図である。図8(A)は、従来型素子100の出力特性を示す特性図であり、図8(B)は、光導波路素子10の出力特性を示す特性図である。なお、図7(A)において、コア12aは、クラッド12bに埋め込まれているために、直接目視できないが、強調のために実線で示している。
(Specific examples of optical waveguide elements)
Subsequently, the structure of the optical waveguide device will be described with reference to FIGS. FIG. 7A is a plan view schematically showing the structure of the
始めに、図7(A)及び(B)を参照して、以下の説明で用いる方向及び寸法を定義する。基準光導波路14の光伝搬方向Pに垂直かつ主面8aに平行な方向を幅方向と称し、幅方向に沿って測った幾何学的長さを「幅」と称する。また、主面8aに垂直な方向を高さ方向又は厚さ方向と称し、高さ方向に沿って測った幾何学的長さを「高さ」又は「厚さ」と称する。同様に、光伝搬方向に沿って測った幾何学的長さを「長さ」と称する。また、所定の構造体の光伝搬方向に垂直な断面のことを「横断面」と称する。
First, referring to FIGS. 7A and 7B, directions and dimensions used in the following description are defined. A direction perpendicular to the light propagation direction P of the reference
光導波路素子10は、光導波路12を備えている。光導波路12は、基板8の主面8a側に設けられたコア12aと、コア12aを囲むクラッド12bとで構成されている。
The
コア12aの幅S及び厚みHは、約200〜500nmの範囲の値から選択することが好ましい。コア12aの幅S及び厚みHをこの範囲とすることで、光導波路12を、幅及び厚みの両方向に関してシングルモードとすることができる。この例では、コア12aの幅Sを約480nmとし、厚みHを約220nmとすることで、光導波路12をシングルモードとしている。また、この例では、コア12aの構成材料は、屈折率naが約3.47のSiとする。
The width S and thickness H of the
クラッド12bは、平坦面である主面8a上に設けられた膜体である。クラッド12bの厚みは、この例では、約4μmとする。そして、クラッド12bに埋め込まれたコア12aの下面と主面8aとの距離は約2μmとする。基板8への不所望な光の結合を防ぐためには、コア12aと主面8aとの間には1μm以上の厚みのクラッド12bを介在させることが好ましい。
The clad 12b is a film body provided on the
クラッド12bの構成材料は、この例では、屈折率nbが約1.47のSiO2とする。クラッド12b及びコア12aの屈折率nb及びnaが、nb≦(1/1.4)na(≒0.714na)の関係を満たすことが好ましい。この屈折率範囲のクラッド12bを用いることで、光導波路12における光の閉じ込め性を向上できる。その結果、光を5μm程度の小さい曲率半径で曲げる曲線状光導波路を実現できる。さらに、コア12aをSi製とすれば、Si電子デバイスでの加工技術が利用できるため、サブミクロンオーダの断面構造の光導波路素子10を形成できる。
In this example, the constituent material of the clad 12b is SiO 2 having a refractive index nb of about 1.47. It is preferable that the refractive indexes nb and na of the clad 12b and the
また、基板8には、任意好適な材料を選択できるが、Siを用いることが好ましい。基板8をSiとすれば、下記製造工程のように、光導波路素子10の製造に当たり、SOI(Si On Insulator)基板を利用できるので、製造工程を単純化することができる。
Further, any suitable material can be selected for the
すなわち、光導波路素子10の製造に当たっては、Si基板上にSiO2層とSi層とがこの順序で積層された上述のSOI基板が利用できる。つまり、最上層のSi層を利用してコア12aを形成し、BOX(Buried−OXide)層であるSiO2層を下側のクラッド12bに利用する。より詳細には、最上層のSi層を従来公知のドライエッチング法等でパターニングしてコア12aを作成する。そして、このコア12aを埋め込むように、CVD(Chemical Vapor Deposition)法等で、上側のクラッド12bに対応するSiO2層を形成し、光導波路素子10を得る。
That is, in manufacturing the
光導波路12は、既に説明したように、基準光導波路14と交差光導波路16とを備える。交差光導波路16は、この順で直列する第1〜第N交差点C1〜CNで交差する交差光導波路161〜16Nを備える。基準光導波路14と、交差光導波路16とは、主面8aに平行な共通の平面上に設けられている。つまり、基準光導波路14と交差光導波路16iの第i交差点Ciでは、両光導波路14及び16iが厚みを変えずに一体化している。その結果、第i交差点Ciは、モードの異なる複数の光を伝搬可能な平面型光導波路で構成される。
The
また、この例では、全ての交差光導波路161〜16Nが、基準光導波路14に対して直交するが、交差光導波路161〜16Nは、基準光導波路に斜めに交差してもよい。
In this example, all the crossed
また、この例では、基準光導波路14及び交差光導波路16がシングルモード光導波路である場合について説明した。しかし両光導波路14及び16は、直線状に形成されていれば、マルチモード光導波路でもよい。
In this example, the case where the reference
また、この例では、基準光導波路14と1本の交差光導波路16iの交差で1個の交差点Ciが形成される場合について説明した。しかし、湾曲した交差光導波路を用いることで、1本の交差光導波路で2個以上の交差点が形成されてもよい。
In this example, the case where one intersection C i is formed at the intersection of the reference
また、光導波路素子10は、上述した光モジュールにおいて光受信部と光送信部とを光接続する光接続部の光導波路構造に応用できる他、3個以上の交差点が直列する光導波路構造を備える種々の光素子に応用することができる。
The
続いて、図8のシミュレーション結果を参照して、光導波路素子10の効果について説明する。図8(A)は、既に説明した従来型素子100(図1(A))の出力特性であり、図8(B)は、本発明の光導波路素子10の出力特性である。図8(A)及び(B)に共通して、横軸は、基準光導波路14及び交差光導波路16i(又は26i)から出力される出力光の波長(nm)を示し、縦軸は、出力光の強度をdB単位で示す。なお、出力光の強度は、入力光に対する強度比である。
Next, the effect of the
また、図8(A)の曲線IIIは、従来型素子100の基準光導波路14からの出力光強度であり、曲線IVは、従来型素子100の交差光導波路26iからの出力光強度である。同様に、図8(B)の曲線Iは、光導波路素子10の基準光導波路14からの出力光強度であり、曲線IIは、光導波路素子10の交差光導波路16iからの出力光強度である。
The curve III of FIG. 8 (A), the output light intensity from the reference
従来型素子100と光導波路素子10の両者で、交差点数Nを共通の10個とした。また、従来型素子100では隣接交差点間隔D(i,i+1)を10μmの一定値とした。それに対し、光導波路素子10では、隣接交差点間隔D(i,i+1)を、基準長さUの素数倍とした。詳細には、光導波路素子10では、基準長さUを1μmとし、11以上の素数をiに関して昇順に用いた。すなわち、D(1,2)=11μm,D(2,3)=13μm,D(3,4)=17μm,D(4,5)=19μm,D(5,6)=23μm,D(6,7)=29μm,D(7,8)=31μm,D(8,9)=37μm及びD(9,10)=41μmとした。なお、隣接交差点間隔D(i,i+1)をこのように設定した光導波路素子10は、上述の光導波路素子10−Bに対応する。これは、D(1,5)(=11+13+17+19)と、D(6,8)(=29+31)が60μmで等しいことから明らかである。
Both the
なお、シミュレーションは、有効屈折率法を用いた2次元FDTD(Finite Difference Time Domain)法で行った。なお、計算に当たっては、光導波路素子10のコア12a及びクラッド12bの材料及び寸法を上述と同様とし、従来型素子100でも同材料及び同寸法を用いた。
The simulation was performed by a two-dimensional FDTD (Finite Difference Time Domain) method using an effective refractive index method. In the calculation, the materials and dimensions of the
図8(A)の曲線IIIを参照すると、横軸の波長範囲(約1.45〜1.65μm)において、従来型素子100では多段交差損失が生じている。すなわち、曲線IIIには、約20〜30nm周期で、平均強度−12dBの周りに約±1.5dBの強度変動が見られる。なお、基準光導波路14(曲線III)だけでなく、交差光導波路26i(曲線IV)にも周期的な強度変動が生じるのは、交差点Ciで、基準光導波路14から交差光導波路26iへと光が回折するためである。
Referring to curve III in FIG. 8A, multistage crossing loss occurs in
また、基準光導波路14からの出力(曲線III)が−12dBとなるのは、各交差点C1〜C10での一段交差損失(約−0.15dB/交差点)の累積、及びクラッド12bへの光の放射による。
In addition, the output from the reference optical waveguide 14 (curve III) becomes −12 dB because the one-stage crossing loss (about −0.15 dB / intersection) at each of the intersections C 1 to C 10 and the output to the
一方、図8(B)の曲線Iを参照すると、光導波路素子10では、横軸の波長範囲で多段交差損失が消失しており、出力光の強度は約−12dBで一定である。基準光導波路14からの出力光で多段交差損失が消失した結果、交差光導波路16i(曲線II)からの出力光でも周期的な強度変動が消失している。
On the other hand, referring to the curve I in FIG. 8B, in the
図8(A)及び(B)から明らかなように、光導波路素子10は、一段交差損失の低減によらず、実用上十分に多段交差損失を抑制できる。
As is clear from FIGS. 8A and 8B, the
また、図8(B)の光導波路素子10は、多段交差損失の抑制効果が最大である光導波路素子10−Cではなく、10−B(図3(B))であるにも関わらず、実用上十分に多段交差損失を抑制することができる。
Moreover, although the
8 基板
8a 主面
10 光導波路素子
12 光導波路
12a コア
12b クラッド
14 基準光導波路
16,161,162,・・,16i,・・16j,・・,16N,16k,16(k+1),16(k+2),16(k+3),16(k+4),16(k+5),26,261,262,・・,26i・・,26N 交差光導波路
C1,C2,・,Ci,・・,Cj,・・,CN,Ck,C(k+1),C(k+2),C(k+3),C(k+4),C(k+5) 第1〜第N交差点
8
Claims (10)
第i及び第j交差点間の間隔の長さをD(i,j)とするとき(ただし、iは1≦i≦N−1を満たす整数、及びjはi<j≦Nを満たす整数)、
少なくとも一つのg(gは1≦g≦N−2を満たす整数)について、D(g,g+1)≠D(g+1,g+2)であることを特徴とする光導波路素子。 An optical waveguide including a core and a clad surrounding the core is connected to the reference optical waveguide and the reference optical waveguide in series in this order along the light propagation direction (N is an integer of 3 or more). And an intersecting optical waveguide intersecting at
When the distance between the i-th and j-th intersections is D (i, j) (where i is an integer satisfying 1 ≦ i ≦ N−1 and j is an integer satisfying i <j ≦ N) ,
An optical waveguide element characterized by D (g, g + 1) ≠ D (g + 1, g + 2) for at least one g (g is an integer satisfying 1 ≦ g ≦ N−2).
i1≠i2又はj1≠j2を満足する全てのi1,i2,j1及びj2について、D(i1,j1)≠D(i2,j2)であることを特徴とする請求項2〜7の何れか一項に記載の光導波路素子。 When the two D (i, j) are D (i1, j1) and D (i2, j2), respectively.
8. All of i1, i2, j1, and j2 that satisfy i1 ≠ i2 or j1 ≠ j2, and D (i1, j1) ≠ D (i2, j2). The optical waveguide device according to item.
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