JP2000258648A

JP2000258648A - 光平面導波路

Info

Publication number: JP2000258648A
Application number: JP11059196A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Hatayama; 均畑山; Hideyori Sasaoka; 英資笹岡
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1999-03-05
Filing date: 1999-03-05
Publication date: 2000-09-22
Also published as: US6269211B1

Abstract

(57)【要約】【課題】光ファイバとの間の結合損失が小さく小型化
・集積化が可能な光平面導波路を提供する。【解決手段】光平面導波路１０は、石英基板１１の表
面上にコア領域１２ならびにサイドコア領域１３および
１４が形成されたものである。コア領域１２ならびにサ
イドコア領域１３および１４それぞれの屈折率は石英基
板１０の屈折率より高い。また、コア領域１２ならびに
サイドコア領域１３および１４それぞれの一端は、石英
基板１１の端部１１Ａにあり、光入出力部となってい
る。サイドコア領域１３，１４は、石英基板１１の端部
１１Ａを含む近傍でコア領域１２の両脇それぞれに間隔
をおいて形成されている。このような構成としたことに
より、石英基板１１の表面に平行な方向に導波光のモー
ドフィールド径が拡大され、光ファイバとの結合損失が
低減される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板上に高屈折率
のコア領域が形成され導波光を導波させる光平面導波路
に関し、特に、入力光ファイバから入射された光に対し
分岐等の処理をした後に出力光ファイバへ出射する光平
面導波路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】入力光ファイバから入射された光に対し
分岐等の処理をして出力光ファイバへ出射する光素子と
して光平面導波路が用いられる。この光平面導波路は、
石英基板の表面上に高屈折率のコア領域が形成され、そ
のコア領域が分岐等を行う構造となっている。また、光
平面導波路の光入出力部は、石英基板の端部に設けられ
ている。すなわち、入力光ファイバから光平面導波路の
コア領域に入射した光は、そのコア領域を導波して分岐
等され、その後もコア領域を導波して出力光ファイバへ
出射される。

【０００３】このような光平面導波路は小型化・集積化
が要求されている。例えば、１９９８年電子情報通信学
会総合大会Ｃ−３−１５５に開示された技術は、基板の
屈折率に対するコア領域の比屈折率差を０．４％まで高
めることでコア領域内への導波光の閉じ込めを強め、こ
れにより、コア領域の曲げ部の曲率半径を小さくするこ
とを可能として、光平面導波路の小型化・集積化を図る
ものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記文献に記載された
技術によれば、光平面導波路の小型化・集積化が可能で
あるものの、以下のような問題点がある。すなわち、コ
ア領域の比屈折率差が大きいほど、コア領域内への導波
光の閉じ込めが強くなり、コア領域の曲げ部の曲率半径
を小さくすることができる。しかし、高次モードの導波
光の発生を抑圧して光平面導波路の光学特性の安定性を
保持するためには、コア領域の比屈折率差を大きくする
ほど、コア領域の幅および厚みを狭くする必要がある。
そして、コア領域の幅および厚みを狭くすると、そのコ
ア領域を導波する基底モード光のモードフィールド径
は、光ファイバを導波する基底モード光のモードフィー
ルド径より小さくなり、光平面導波路と光ファイバとの
間の光結合の際の損失（結合損失）が大きくなる。

【０００５】例えば、偏波無依存化を考慮してコア領域
の光軸に垂直な断面の形状を正方形とし、コア領域の幅
（厚み）をａとし、コア領域の屈折率をｎ1 とし、カッ
トオフ波長をλc としたときに、ａ≦λc ／（２ｎ1・sqrt（Δｎ））なる関係式を満たせば、高次モードの導波光の発生が抑
圧され、基底モードの導波光のみが導波し得る。この式
から判るように、高次モードの導波光の発生を抑圧する
ためには、比屈折率差Δｎが大きいほど、コア領域の幅
（厚み）ａを小さくする必要がある。

【０００６】このような場合におけるコア領域の比屈折
率差Δｎと結合損失との関係を図７に示す。この図に
は、カットオフ波長λc の値１．３μｍおよび１．５５
μｍそれぞれの場合について、波長λの値１．３μｍお
よび１．５５μｍそれぞれの結合損失が示されている。
この図から判るように、比屈折率差Δｎが大きいほど、
コア領域の幅（厚み）ａを小さくする必要があり、その
コア領域を導波する基底モード光のモードフィールド径
が光ファイバの基底モード光のモードフィールド径より
小さくなり、結合損失が大きくなる。特に、比屈折率差
Δｎが０．４％以上になると、結合損失は急激に大きく
なる。

【０００７】本発明は、上記問題点を解消する為になさ
れたものであり、光ファイバとの間の結合損失が小さく
小型化・集積化が可能な光平面導波路を提供することを
目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係る光平面導波
路は、(1) 基板の表面上に形成され、基板の端部に光入
出力部を有し、基板の屈折率より大きい屈折率を有する
コア領域と、(2) 基板の端部を含む近傍でコア領域の両
脇それぞれに形成され、基板の屈折率より大きい屈折率
を有し、基板の表面に平行な方向に導波光のモードフィ
ールド径を拡大するサイドコア領域とを備えることを特
徴とする。この光平面導波路によれば、基板の端部の光
入出力部を含む近傍においてコア領域の両脇それぞれに
サイドコア領域が形成されたことにより、導波光のモー
ドフィールド径は、基板の表面に平行な方向に拡大され
る。したがって、コア領域の断面の寸法を小さくした場
合であっても、サイドコア領域を設けることで導波光の
モードフィールド径を拡大することができて、光平面導
波路の光入出力部と光ファイバとの間の結合損失を低減
することができる。

【０００９】また、本発明に係る光平面導波路では、コ
ア領域およびサイドコア領域それぞれの幅は、高次モー
ドの導波光の発生を抑圧しつつ、コア領域とサイドコア
領域との間の光結合を高め、基底モードの導波光の伝搬
定数が導波方向に連続的に変化するよう調整されている
ことを特徴とする。特に、高次モードの導波光の正規化
伝搬定数がゼロ以下となる範囲でコア領域の幅を狭く、
サイドコア領域の幅を広くしたことを特徴とするのが好
適である。この場合には、基底モードから高次モードへ
のモード変換が抑圧され、このことによっても、光平面
導波路の光入出力部と光ファイバとの間の結合損失が低
減される。

【００１０】また、本発明に係る光平面導波路では、サ
イドコア領域の幅は所定幅以上であって、コア領域とサ
イドコア領域との間の間隔は基底モードの導波光の伝搬
定数が導波方向に連続的に変化するよう調整されている
ことを特徴とする。この場合には、サイドコア領域の幅
を所定幅以上としたことにより、充分な加工精度を保つ
ことが可能となり、サイドコア領域を設けることに因る
効果を安定して得ることができる。

【００１１】また、本発明に係る光平面導波路では、コ
ア領域の幅は高次モードの導波光の正規化伝搬定数がゼ
ロ以下となる範囲であり、コア領域の厚みはコア領域の
幅より大きいことを特徴とする。この場合には、基底モ
ードの導波光のモードフィールド径は、横方向に拡大さ
れるだけでなく、縦（厚み）方向にも拡大されるので、
結合損失は更に低減される。また、コア領域の厚み方向
の高次モードが特性に影響を与えない回路（例えば分岐
回路等）が基板上に形成され、その回路が上記光入出力
部と接続されていることを特徴とする。この場合には、
回路の小型化が可能となる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明にお
いて同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を
省略する。

【００１３】（第１の実施形態）先ず、本発明に係る光
平面導波路の第１の実施形態について説明する。図１
は、第１の実施形態に係る光平面導波路の斜視図であ
る。なお、この図は本実施形態に係る光平面導波路１０
が形成される石英基板１１の一方の端部１１Ａの近傍を
示したものである。

【００１４】本実施形態に係る光平面導波路１０は、石
英基板１１の表面上にコア領域１２ならびにサイドコア
領域１３および１４が形成されたものである。コア領域
１２ならびにサイドコア領域１３および１４それぞれの
屈折率は石英基板１０の屈折率より高い。また、コア領
域１２ならびにサイドコア領域１３および１４それぞれ
の一端は、石英基板１１の端部１１Ａにあり、光入出力
部となっている。サイドコア領域１３，１４は、石英基
板１１の端部１１Ａを含む近傍でコア領域１２の両脇そ
れぞれに間隔をおいて形成されている。そして、本実施
形態に係る光平面導波路１０は、このような構成とした
ことにより、石英基板１１の表面に平行な方向に導波光
のモードフィールド径が拡大される。

【００１５】したがって、コア領域１２の比屈折率差Δ
ｎを大きくするとともに、高次モードの導波光の発生を
抑圧するためにコア領域１２の幅を狭くしても、光平面
導波路１０の基底モード光のモードフィールド径を、光
ファイバの基底モード光のモードフィールド径の程度ま
で拡げることができる。それ故、石英基板１１の端部１
１Ａの光入出力部に光ファイバの端部を接近させたとき
に、両者間の結合損失を小さくすることができる。

【００１６】なお、サイドコア領域１３，１４を設ける
ことなくコア領域１２の幅をテーパ状にして端部１１Ａ
に近いほどコア領域１２の幅を広くすることによって
も、導波光のモードフィールド径を拡大することが可能
である。しかし、この場合には、コア領域１２の幅が広
くなるにつれて導波光に対する実効屈折率が次第に大き
くなり、コア領域１２の比屈折率差の揺らぎや導波路の
欠陥等により基底モードから高次モードへのモード変換
が発生し易くなり、逆に結合損失が大きくなる可能性が
ある。しかし、本実施形態に係る光平面導波路１０は、
コア領域１２の幅を必要以上に拡げることなく、コア領
域１２の両脇それぞれに間隔をおいてサイドコア領域１
３および１４それぞれを形成したことにより、高次モー
ドの導波光の発生を抑圧する一方で、基底モード光のモ
ードフィールド径を拡げることができ、光ファイバとの
間の結合損失を小さくすることができる。

【００１７】次に、コア領域１２の幅Ｗ２と結合損失と
の関係をシミュレーション計算した結果について説明す
る。図２は、シミュレーション計算時の条件を説明する
図である。ここでは、コア領域１２の幅をＷ２とし、サ
イドコア領域１３，１４それぞれの幅をＷ３とし、コア
領域１２とサイドコア領域１３，１４との間の間隔をｄ
とした。また、コア領域１２およびサイドコア領域１
３，１４それぞれの比屈折率差Δｎを０．５％とし、Ｗ
１＝Ｗ２＋２×Ｗ３を一定値６．２μｍとし、間隔ｄを
一定値１．５μｍとした。

【００１８】図３は、コア領域１２の幅Ｗ２と結合損失
との関係についてシミュレーション計算した結果を示す
図である。この図から判るように、コア領域１２の幅Ｗ
２の値が３μｍ〜４μｍ付近において結合損失は極小に
なる。図４は、コア領域１２の幅Ｗ２と正規化伝搬定数
との関係についてシミュレーション計算した結果を示す
図である。この図から判るように、コア領域１２の幅Ｗ
２の値が３．５μｍ程度以上において、基底モードの導
波光の正規化伝搬定数が正値であって、高次モードの導
波光の正規化伝搬定数がゼロ以下となる。すなわち、コ
ア領域１２の幅Ｗ２の値が３．５μｍ程度以上の範囲に
おいて、高次モードの導波光の発生が抑制され、基底モ
ードの導波光のみが伝搬し得る。そして、この範囲にお
いては、コア領域１２の幅Ｗ２の値が小さいほど、すな
わち、サイドコア領域１３，１４の幅Ｗ３が大きいほ
ど、結合損失は小さい。例えば、波長１．５５μｍで
は、コア領域１２の幅Ｗ２の値が６μｍであるときには
結合損失が０．１７ｄＢであるのに対して、幅Ｗ２の値
が３．５μｍであるときには結合損失は０．０７ｄＢま
で低減される。

【００１９】なお、光平面導波路１０を導波する導波光
のモードフィールド径すなわち結合損失は、比屈折率差
Δｎ、コア領域１２の幅Ｗ２、サイドコア領域１３およ
び１４それぞれの幅Ｗ３、および、コア領域１２とサイ
ドコア領域１３，１４との間の間隔ｄに依存する。これ
らの各値は、高次モードの導波光の発生を抑圧しつつ、
コア領域１２とサイドコア領域１３，１４との間の光結
合を高め、基底モードの導波光の伝搬定数が導波方向に
連続的に変化するよう調整されているのが好適である。

【００２０】また、本実施形態に係る光平面導波路１０
では、コア領域１２の両脇にサイドコア領域１３，１４
を設けることにより、基底モードの導波光のモードフィ
ールド径は、横方向（石英基板１１の表面に平行な方
向）に拡大されるが、縦方向（石英基板１１の厚み方
向）には拡大されない。そこで、結合損失を更に低減す
る為に、コア領域１２の幅Ｗ２は高次モードの導波光の
正規化伝搬定数がゼロ以下となる範囲であって、コア領
域１２の厚みはコア領域の幅Ｗ２より大きいのが好適で
ある。このようにすることにより、基底モードの導波光
のモードフィールド径は、横方向に拡大されるだけでな
く、縦方向にも拡大されるので、結合損失は更に低減さ
れる。

【００２１】図５は、第１の実施形態に係る光平面導波
路１０に加えて入力光ファイバ３１および出力光ファイ
バ３２，３３をも示した図である。この図に示す光平面
導波路１０のコア領域１２はＹ分岐しており、コア領域
１２の３つの端部のうち１つの端部は石英基板１１の端
部１１Ａにあり、２つの端部は石英基板１１の端部１１
Ｂにある。また、コア領域１２の３つの端部それぞれを
含む近傍の両脇には、コア領域１２とは間隔をおいてサ
イドコア領域１３ａ，１４ａ，１３ｂ，１４ｂ，１３
ｃ，１４ｃが形成されている。

【００２２】この図で、サイドコア領域１３ａおよび１
４ａが設けられていることにより、入力光ファイバ３１
から光平面導波路１０のコア領域１２へ光が入射する際
の結合損失は小さい。その入射した光はコア領域１２を
導波しながら２分岐され、端部１１Ｂの側へ向かって導
波する。この２分岐に際して、コア領域１２の幅より厚
みの方が大きい場合であっても、厚さ方向の高次モード
が分岐特性に影響を与えないのが好適である。そして、
サイドコア領域１３ｂおよび１４ｂが設けられているこ
とにより、光平面導波路１０のコア領域１２から出力光
ファイバ３２へ光が入射する際の結合損失は小さい。同
様に、サイドコア領域１３ｃおよび１４ｃが設けられて
いることにより、光平面導波路１０のコア領域１２から
出力光ファイバ３３へ光が入射する際の結合損失は小さ
い。

【００２３】以上のように、本実施形態によれば、コア
領域の比屈折率差Δｎを大きくし、コア領域内への導波
光の閉じ込めを強くして、コア領域の曲げ部の曲率半径
を小さくすることができるので、更に小型化・集積化す
ることができる。その一方で、コア領域の比屈折率差Δ
ｎを小さくすることからコア領域の断面の寸法が小さく
なるものの、サイドコア領域を設けることで基底モード
の導波光のモードフィールド径を拡大することができ
て、光ファイバとの間の結合損失を低減することができ
る。

【００２４】（第２の実施形態）次に、本発明に係る光
平面導波路の第２の実施形態について説明する。図６
は、第２の実施形態に係る光平面導波路の斜視図であ
る。なお、この図は本実施形態に係る光平面導波路２０
が形成される石英基板２１の一方の端部２１Ａの近傍を
示したものである。

【００２５】第２の実施形態に係る光平面導波路２０で
は、石英基板２１の端部２１Ａを含む近傍でコア領域２
２の両脇にサイドコア領域２３，２４が形成され、コア
領域２２およびサイドコア領域２３，２４それぞれの屈
折率が石英基板２１の屈折率より大きく、石英基板２１
の表面に平行な方向に導波光のモードフィールド径が拡
大される点では、第１の実施形態のものと同様である。
しかし、第２の実施形態に係る光平面導波路２０は、以
下の点で第１の実施形態のものと異なる。

【００２６】すなわち、第１の実施形態に係る光平面導
波路１０では、石英基板１１の端部１１Ａから離れるほ
どサイドコア領域１３，１４の幅が狭くなり、その先端
は鋭い形状のものとなることから、その加工精度を保つ
ことが困難である。これに対して、第２の実施形態に係
る光平面導波路２０では、サイドコア領域２３，２４そ
れぞれの幅は所定幅以上であって、コア領域２２とサイ
ドコア領域２３，２４との間の間隔は、基底モードの導
波光の伝搬定数が導波方向に連続的に変化するよう調整
されている。ここで、所定幅とは、加工精度限界を考慮
して充分な加工精度を保つことが可能な幅であり、例え
ば、ＲＩＥ加工によりサイドコア領域２３，２４を形成
する場合には、所定幅とは２μｍ程度以上である。

【００２７】また、本実施形態では、サイドコア領域２
３，２４それぞれの幅は、上記所定幅以上を維持しつつ
導波方向に連続的に変化するようにしてもよいが、コア
領域２２とサイドコア領域２３，２４との間の間隔が導
波方向に連続的に変化するよう調整されているのが好適
である。この場合にも、石英基板２１の端部２１Ａに近
いほど、両者の間の間隔を狭めることにより、基底モー
ド光の導波光のモードフィールド径を大きくすることが
でき、光ファイバとの間の結合損失を低減することがで
きる。

【００２８】また、第１の実施形態の場合と同様に本実
施形態でも、高次モードの導波光の発生を抑圧しつつ、
コア領域２２とサイドコア領域２３，２４との間の光結
合を高め、基底モードの導波光の伝搬定数が導波方向に
連続的に変化するよう調整されていることが重要であ
る。また、コア領域２２の幅は高次モードの導波光の正
規化伝搬定数がゼロ以下となる範囲であって、コア領域
２２の厚みは幅より大きいのが、結合損失を更に低減す
る上で好適である。さらに、本実施形態に係る光平面導
波路２０および光ファイバを組み合わせて図５に示した
ような構成とすることも好適である。

【００２９】以上のように、本実施形態でも、コア領域
の比屈折率差Δｎを大きくし、コア領域内への導波光の
閉じ込めを強くして、コア領域の曲げ部の曲率半径を小
さくすることができるので、更に小型化・集積化するこ
とができる。その一方で、コア領域の比屈折率差Δｎを
小さくすることからコア領域の断面の寸法が小さくなる
ものの、サイドコア領域を設けることで基底モードの導
波光のモードフィールド径を拡大することができて、光
ファイバとの間の結合損失を低減することができる。さ
らに、本実施形態では、サイドコア領域の幅を所定幅以
上としたことにより、充分な加工精度を保つことが可能
となり、サイドコア領域を設けることに因る効果を安定
して得ることができる。

【００３０】

【発明の効果】以上、詳細に説明したとおり、本発明に
よれば、基板の端部の光入出力部を含む近傍においてコ
ア領域の両脇それぞれにサイドコア領域が形成されたこ
とにより、導波光のモードフィールド径は、基板の表面
に平行な方向に拡大される。したがって、コア領域の比
屈折率差を大きくし、コア領域内への導波光の閉じ込め
を強くして、コア領域の曲げ部の曲率半径を小さくする
ことができるので、更に小型化・集積化することができ
る。その一方で、コア領域の比屈折率差を小さくするこ
とからコア領域の断面の寸法が小さくなるものの、サイ
ドコア領域を設けることで基底モードの導波光のモード
フィールド径を拡大することができて、光ファイバとの
間の結合損失を低減することができる。

【００３１】また、コア領域およびサイドコア領域それ
ぞれの幅は、高次モードの導波光の発生を抑圧しつつ、
コア領域とサイドコア領域との間の光結合を高め、基底
モードの導波光の伝搬定数が導波方向に連続的に変化す
るよう調整されている場合や、特に、高次モードの導波
光の正規化伝搬定数がゼロ以下となる範囲でコア領域の
幅を狭く、サイドコア領域の幅を広くした場合には、基
底モードから高次モードへのモード変換が抑圧され、こ
のことによっても、光平面導波路の光入出力部と光ファ
イバとの間の結合損失が低減される。

【００３２】また、サイドコア領域の幅は所定幅以上で
あって、コア領域とサイドコア領域との間の間隔は基底
モードの導波光の伝搬定数が導波方向に連続的に変化す
るよう調整されている場合には、充分な加工精度を保つ
ことが可能となり、サイドコア領域を設けることに因る
効果を安定して得ることができる。

【００３３】また、コア領域の幅は高次モードの導波光
の正規化伝搬定数がゼロ以下となる範囲であり、コア領
域の厚みはコア領域の幅より大きい場合には、基底モー
ドの導波光のモードフィールド径は、横方向に拡大され
るだけでなく、縦（厚み）方向にも拡大されるので、結
合損失は更に低減される。また、コア領域の厚み方向の
高次モードが特性に影響を与えない回路が基板上に形成
され、その回路が光入出力部と接続されている場合に
は、その回路の小型化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態に係る光平面導波路の斜視図で
ある。

【図２】第１の実施形態におけるシミュレーション計算
時の条件を説明する図である。

【図３】コア領域の幅と結合損失との関係についてシミ
ュレーション計算した結果を示す図である。

【図４】コア領域の幅と正規化伝搬定数との関係につい
てシミュレーション計算した結果を示す図である。

【図５】第１の実施形態に係る光平面導波路に加えて入
力光ファイバおよび出力光ファイバをも示した図であ
る。

【図６】第２の実施形態に係る光平面導波路の斜視図で
ある。

【図７】コア領域の比屈折率差Δｎと結合損失との関係
を示すグラフである。

【符号の説明】１０…光平面導波路、１１…石英基板、１２…コア領
域、１３，１４…サイドコア領域、２０…光平面導波
路、２１…石英基板、２２…コア領域、２３，２４…サ
イドコア領域。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板の表面上に形成され、前記基板の端
部に光入出力部を有し、前記基板の屈折率より大きい屈
折率を有するコア領域と、前記基板の前記端部を含む近傍で前記コア領域の両脇そ
れぞれに形成され、前記基板の屈折率より大きい屈折率
を有し、前記基板の表面に平行な方向に導波光のモード
フィールド径を拡大するサイドコア領域とを備えること
を特徴とする光平面導波路。
【請求項２】前記コア領域および前記サイドコア領域
それぞれの幅は、高次モードの導波光の発生を抑圧しつ
つ、前記コア領域と前記サイドコア領域との間の光結合
を高め、基底モードの導波光の伝搬定数が導波方向に連
続的に変化するよう調整されていることを特徴とする請
求項１記載の光平面導波路。
【請求項３】高次モードの導波光の正規化伝搬定数が
ゼロ以下となる範囲で前記コア領域の幅を狭く、前記サ
イドコア領域の幅を広くしたことを特徴とする請求項２
記載の光平面導波路。
【請求項４】前記サイドコア領域の幅は所定幅以上で
あって、前記コア領域と前記サイドコア領域との間の間
隔は基底モードの導波光の伝搬定数が導波方向に連続的
に変化するよう調整されていることを特徴とする請求項
１記載の光平面導波路。
【請求項５】前記コア領域の幅は高次モードの導波光
の正規化伝搬定数がゼロ以下となる範囲であり、前記コ
ア領域の厚みは前記コア領域の幅より大きいことを特徴
とする請求項１記載の光平面導波路。
【請求項６】前記コア領域の厚み方向の高次モードが
特性に影響を与えない回路が前記基板上に形成され、そ
の回路が前記光入出力部と接続されていることを特徴と
する請求項５記載の光平面導波路。