JP2005181748A

JP2005181748A - Ｙ分岐光導波路デバイス

Info

Publication number: JP2005181748A
Application number: JP2003423427A
Authority: JP
Inventors: Tomoya Harada; 知也原田; Tomoyuki Hayashi; 智幸林; Yuichiro Sakamoto; 祐一郎阪本; Kazuyoshi Hakamata; 和喜袴田
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2003-12-19
Filing date: 2003-12-19
Publication date: 2005-07-07

Abstract

【課題】デバイス長を短縮し且つ分配比を安定化させる。入射ファイバの軸ずれ等の影響による分配比の悪化を抑制し、自動調芯の際に調芯エラーが生じないようにして作業能率を向上させる。
【解決手段】直線導波路１２と、２本の分岐導波路１４と、前記直線導波路を伝搬する光を両方の分岐導波路を伝搬する光に分岐するＹ分岐部１６を備えた光導波路デバイスにおいて、Ｙ分岐部前の直線導波路部分に、Ｙ分岐部の開き角度θ₁よりも大きな開き角度θ₂を有する高次モード放射用ダミー導波路１８を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｙ分岐部を備えた光導波路デバイスに関し、更に詳しく述べると、分岐部前に高次モード放射用のダミー導波路を設けて安定な分配比が得られるようにしたＹ分岐光導波路デバイスに関するものである。

導波路を伝搬する光のパワーを分配するデバイスとしては、波長依存性が少なく構造が簡単なＹ分岐光導波路が多用されている。Ｙ分岐光導波路は、直線導波路と、２本の分岐導波路と、直線導波路を伝搬する導波光を両方の分岐導波路を伝搬する導波光に分岐するＹ分岐部を備えている。対称２分岐のＹ分岐部は、通常、１本の導波路が徐々に幅を広げてやがて２本の別々の導波路に結合する構造であり、導波路を伝搬する光は、理想的にはそこで等分配される。

光の分岐を均等に再現性よく、低損失で行わせるＹ分岐部の構造に関しては、既に特許文献１などに様々な提案がなされている。しかし、実際の光導波路においては、その作製誤差、入射ファイバとのモードフィールド形状の不一致、軸ずれ、曲がり導波路などによるモードフィールドの偏りなどがＹ分岐前で発生することは避けがたく、Ｙ分岐部において非対称な奇モードが発生し、そのためパワー分配比が１対１からずれてくる。このようなパワー分配比に生じる揺らぎを抑制するためには、通常、分岐前のシングルモード導波路の距離を長くすることで対応している。シングルモードは導波モードが対称であり、非対称なモードは、本質的にある程度の距離を伝搬するうちに放射されるからである。一般に、光導波路基板の端部（入射ファイバとの接続端）からＹ分岐部までの長さは、５〜６ｍｍ程度以上必要とされ、そのため直線導波路が長くなり基板が大型化してしまう。

その他、直線導波路の一部の幅を狭くする構造も提案されている。しかし、狭い導波路部分の長さなどに高い精度が要求され、場合によっては、その狭幅導波路部分が高次モードの発生源となり、分配比をより一層悪化させる可能性もある。
特開平８−３２７８３６号公報

本発明が解決しようとする課題は、入射ファイバの軸ずれなどによる分配比の揺らぎを抑制するためにはＹ分岐部前の直線導波路を長くする必要があり、そのために基板（デバイス）が大型化する点である。

本発明は、直線導波路と、２本の分岐導波路と、前記直線導波路を伝搬する光を両方の分岐導波路を伝搬する光に分岐するＹ分岐部を備えた光導波路デバイスにおいて、Ｙ分岐部前の直線導波路部分に、前記Ｙ分岐部の開き角度よりも大きな開き角度を有する高次モード放射用ダミー導波路を設けたことを特徴とするＹ分岐光導波路デバイスである。

高次モード放射用ダミー導波路は、通常、主モードの直線導波路に対称に１本ずつ（１段）配置するが、同一もしくは異なる開き角度で複数段配置してもよい。高次モード放射用ダミー導波路の先端部分に、円形、扇形、曲率の大きな曲がり導波路などの戻り光防止構造を形成するのも有効である。

Ｙ分岐光導波路をアレー状もしくはツリー状に多数配列した場合も、その１箇所以上の光分岐導波路に高次モード放射用ダミー導波路を設けることができる。通常、最も入射側に位置するＹ分岐光導波路に高次モード放射用ダミー導波路を設置するが、その他のＹ分岐光導波路にも高次モード放射用ダミー導波路を適宜設置することができる。

本発明に係るＹ分岐光導波路デバイスは、高次モード放射用ダミー導波路を設けたことにより直線導波路部分が短くても高次モード光がＹ分岐部に到達するのを防止でき、そのためデバイス長を短縮でき且つ分配比が安定する。また本発明では、入射ファイバの軸ずれ等の影響による分配比の悪化を抑制できる。更に本発明では両方の出射光の損失最小条件が一致するため、調芯工程を自動化した時にエラーが生じず、作業能率が向上する。

直線導波路と、２本の分岐導波路と、前記直線導波路を伝搬する光を両方の分岐導波路を伝搬する光に分岐するＹ分岐部を備えたＹ分岐光導波路デバイスにおいて、Ｙ分岐部で光が等分配されるためには導波モードが対称である必要がある。理想的なシングルモードは左右対称であるが、例えば、ファイバとの結合個所で横方向（光路に垂直な方向）に軸ずれが発生すると、ある程度の距離は非対称なモード分布のままで光が伝搬してしまう。その非対称性の原因となっている部分は、本質的には導波路を伝搬しない高次モードであるため、ある程度の距離伝搬するうちに放射してしまう。しかし、その直線距離が短かったり、ベンド導波路を導波することでモードの片寄りが存在する場合などは、高次モードもＹ分岐部に到達してしまうため、非対称なまま分配されて分配比も悪化する。また、各モードの伝搬定数は波長によって異なるため、分配比に波長依存性も発生してしまう。

そこで本発明では、Ｙ分岐部前の直線導波路部分に、前記Ｙ分岐部の開き角度よりも大きな開き角度を有する高次モード放射用ダミー導波路を設けている。この点が本発明の特徴である。分配比の悪化や分配比の波長依存性を防止するために、高次モード放射用ダミー導波路によって高次モードをＹ分岐前で放射させて対称なモードで光をＹ分岐部に入射させているのである。この高次モード放射用ダミー導波路は、主モードのＹ分岐導波路よりも導波路幅を狭くする（例えば半分程度以下とする）のが好ましい。

よりモード次数が高いほど横方向の波数成分を有し、伝搬軸に対して大きな角度を有した導波路に結合しやすい。本発明は、この点に着目して、分岐前に高次モードのみが結合する大きな開き角度を有する高次モード放射用ダミー導波路を配置して、そこで高次モードのみを分離することによって、より短い距離で対称なモードをＹ分岐に入射させ、分配比の安定した光導波路を実現しているのである。

図１は、本発明に係るＹ分岐光導波路デバイスの典型的な一実施例の平面図である。このＹ分岐光導波路デバイスは、基板１０に、基板端部１０ａから延びる１本の直線導波路１２と、２本の分岐導波路１４と、前記直線導波路１２を伝搬する光を両方の分岐導波路１４を伝搬する光に分岐するＹ分岐部１６を備えている。そして、Ｙ分岐部１６前の直線導波路部分に、Ｙ分岐部１６の開き角度θ₁よりも大きな開き角度θ₂（θ₁＜θ₂）を有する高次モード放射用ダミー導波路１８を対称的に設けている。

このような導波路は、例えば周知の拡散型プロセスで作製できる。基板としては、例えばＮａ⁺又はＫ⁺のいずれかのアルカリイオンを含む多成分系ガラスを用いる。この基板上に、Ｔｉなどの金属膜を成膜し、フォトリソグラフィ技術で導波路の部分のみ開口させたマスクを形成する。このマスク付き基板を、Ａｇ⁺、Ｔｌ⁺、Ｋ⁺等を含む溶融塩中に浸漬することで、前記開口を通してアルカリイオンと溶融塩中のイオンが交換され、その部分のガラスの屈折率が増加する。次に、このような熱イオン交換プロセスを経た基板を溶融塩中に浸漬すると共に電界を印加することにより、熱交換プロセスで交換されたアルカリイオンを更に基板内部に拡散させる（埋め込む）。この電界イオン交換プロセスは、導波路の屈折率分布を光ファイバのように真円に近づけるために行われる。このような熱イオン交換プロセスと電界イオン交換プロセスによって、ガラス基板内に所望形状の光導波路を形成することができる。

本発明の光導波路デバイスは、上記のような拡散型導波路の他、ステップ型導波路にも適用できる。シングルモード用導波路の場合には、高次モード放射用ダミー導波路の開き角度、コア屈折率、及びコア幅は、そのデバイスで使用する光の波長でシングルモード光が結合しない条件で設計する。マルチモード用導波路の場合には、所望のモードより高次のモードが結合するような開き角度、コア屈折率、及びコア幅に設計する。主モード導波路と高次モード放射用ダミー導波路を同じ材料で形成する場合には、高次モード放射用ダミー導波路の幅を狭くする方法が有効である。

図１に示す導波路パターンを有するＹ分岐光導波路デバイスについて、高次モード放射用ダミー導波路の効果をビーム伝搬法によるシミュレーションにより確認した。ここでは導波路をステップ型とし、コアの幅８μｍ、高さ８μｍ、基板との比屈折率差△＝０．２％とした。Ｙ分岐部前の直線導波路１２の長さ（基板端部からＹ分岐部までの長さ）Ｌ₁は３ｍｍとし、Ｙ分岐部１６の開き角度θ₁は０．５°、２本の分岐導波路１４の中心間距離ｄは３０μｍとした。また高次モード放射用ダミー導波路１８は、基板端部からの距離Ｌ₂が１ｍｍの位置に、開き角度θ₂を３°として、コアの幅４μｍ、高さ８μｍで対称に形成した。

図２は、基板端部（入射部）で横方向（基板の幅方向）に１μｍ軸ずらせて光ファイバを接続した場合の分岐比（第１出射光のパワー／（第１出射光のパワー＋第２出射光のパワー））の波長依存性を表している。従来構造（高次モード放射用ダミー導波路の無い通常のＹ分岐）では波長に対して周期的な分岐比の大きな揺らぎが見られる。それに対して本発明構造（高次モード放射用ダミー導波路を設けたＹ分岐）では、波長依存性の揺らぎが低減されている。つまり、本発明によれば、Ｙ分岐前の直線導波路の長さが３ｍｍ程度の短い距離でも、揺らぎの少ない安定した分配比が得られることが分かる。

次に調芯時の効果を確認するため、入射部における軸ずれを変化させた場合の挿入損失の変動を求めた。その結果を図３に示す。ここでは、コアの幅９μｍ、高さ９μｍ、比屈折率差△＝０．２％とし、分岐前直線Ｌ₁＝３ｍｍ、開き角度θ₁＝０．５とした。本発明構造では、その主モード導波路に高次モード放射用ダミー導波路が付加されている。高次モード放射用ダミー導波路は、コア幅４μｍ、高さ９μｍ、比屈折率差△＝０．２％、開き角度θ₂＝３°であり、基板端部からの距離Ｌ₂＝１ｍｍの位置に対称に配設している。

図３のＡは従来構造（高次モード放射用ダミー導波路の無い通常のＹ分岐）の入射軸ずれ損失の結果を示しており、図３のＢは本発明構造（高次モード放射用ダミー導波路を設けたＹ分岐）の入射軸ずれ損失の結果を示している。なお、入射光の波長は１．３７μｍである。従来構造の場合には、図３のＡからも分かるように、出射ポートによって損失が最も低くなる位置（最適値）が異なる。第１出射光では入射軸ずれ量がほぼ１．２５μｍの位置で損失が最も小さくなり、第２出射光では入射軸ずれ量がほぼ−１．２５μｍの位置で損失が最も小さくなる。このことは、一方の出射ポートのパワーのみを観察して損失最小の位置を求めて調芯すると入、射軸ずれが生じ自動調芯がうまく働かないことを示している。それに対して本発明構造では、両ポートの最適値（損失が最小となる位置）はほとんど変わらない。これは一方の出射ポートのパワーのみを観察して調芯したとしても、両出射ポートとも最適値になることを意味しており、そのために自動調芯装置によって容易に高精度の調芯が可能となる。また本発明構造では、入射軸ずれに対して損失の変化が小さいことも分かる。

図４は本発明の他の実施例を示す説明図である。説明を簡略化するために図１と対応する部分には同一符号を付す。高次モード放射用ダミー導波路１８は、複数段配置してもよい。Ａは同一の開き角度で高次モード放射用ダミー導波路１８を２段配置した例を示している。Ｂは異なる開き角度で高次モード放射用ダミー導波路１８ａ，１８ｂを２段配置した例を示しており、前段の高次モード放射用ダミー導波路１８ａの開き角度の方が後段の高次モード放射用ダミー導波路１８ｂの開き角度よりも大きく設定している。いずれにしても複数段配置とすることで、高次モードをより確実に除去するように構成している。但し、段数が多すぎるとデバイスが複雑化・大型化する恐れがあるために、２段以下とすることが好ましい。

図５は本発明の他の実施例を示す説明図である。高次モード放射用ダミー導波路１８の先端から反射光が戻らないように各種の戻り光防止構造を形成することもできる。Ａは円形パターンの戻り光防止構造２０ａ、Ｂは扇形パターンの戻り光防止構造２０ｂ、Ｃは曲率の大きな曲がり導波路の戻り光防止構造２０ｃを設けた例を、それぞれ示している。

図６はＹ分岐光導波路をツリー状に配列したＹ分岐光導波路デバイスの例である。この例では２段に配列し、１入力４出力の構成を示しているが、更に段数を増やして多出力化できることはいうまでもない。ここではＹ分岐部１６の前の各直線導波路にそれぞれ高次モード放射用ダミー導波路１８を設けている。Ａに示す例では、高次モード放射用ダミー導波路同士、及び高次モード放射用ダミー導波路と主モードの導波路が交差しているが、交差角度が大きいため導波する光が影響を及ぼし合うことはない。Ｂに示す例では、高次モード放射用ダミー導波路同士は交差するが、高次モード放射用ダミー導波路と主モードの導波路は交差しないようにしている。勿論、最初の（基板端部に最も近い）直線導波路部のみに高次モード放射用ダミー導波路を形成する構成でもよい。

上記の例はＹ分岐光導波路をツリー状に配列したＹ分岐光導波路デバイスであるが、Ｙ分岐光導波路をアレー状に配列したＹ分岐光導波路デバイスにも本発明を適用できることはいうまでもない。

本発明に係るＹ分岐光導波路デバイスの一実施例を示す説明図。分岐比の波長依存性を示すグラフ。入射軸ずれに対する損失の関係を示すグラフ。本発明の他の実施例を示す説明図。本発明の更に他の実施例を示す説明図。本発明の他の実施例を示す説明図。

符号の説明

１０基板
１２直線導波路
１４分岐導波路
１６Ｙ分岐部
１８高次モード放射用ダミー導波路

Claims

直線導波路と、２本の分岐導波路と、前記直線導波路を伝搬する光を両方の分岐導波路を伝搬する光に分岐するＹ分岐部を備えた光導波路デバイスにおいて、Ｙ分岐部前の直線導波路部分に、前記Ｙ分岐部の開き角度よりも大きな開き角度を有する高次モード放射用ダミー導波路を設けたことを特徴とするＹ分岐光導波路デバイス。
高次モード放射用ダミー導波路を、同一もしくは異なる開き角度で複数段配置した請求項１記載のＹ分岐光導波路デバイス。
高次モード放射用ダミー導波路の先端部分に戻り光防止構造を形成した請求項１又は２記載のＹ分岐光導波路デバイス。
Ｙ分岐光導波路がアレー状もしくはツリー状に多数配列されており、その１箇所以上のＹ分岐光導波路が請求項１乃至３のいずれかに記載の構造をなしているＹ分岐光導波路デバイス。