JP2005182038A - 全方向反射性の反射鏡を用いた光モード変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 全方向反射性の反射鏡を用いた光モード変換器を提供する。
【解決手段】 第１導波路と光学的に結合される第２導波路と、第１導波路の両側に設けられ、第１導波路を進行するモードに対する全方向の反射性を有する全方向反射性の反射鏡と、を備えるモード変換器。全方向反射性の反射鏡を用いて光ファイバーまたは低屈折率差の導波路と高屈折率差の導波路間の最小損失の光結合が可能である。また、簡単な製作工程により広波長帯に対して両方向に全て高い光結合を有するモード変換器が得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、全方向反射性の反射鏡を用いた光モード変換器に係り、詳細には光を素子内で伝達する導波路と光ファイバーあるいはレーザーダイオードとのモード変換を通じて光結合損失が最小化された光モード変換器に関する。

近年に至って、通信網、例えばＡＤＳＬ(Ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｕｂｓｃｒｉｂｅｒ Ｌｉｎｅ)またはＶＤＳＬ(Ｖｅｒｙ-Ｈｉｇｈ-Ｄａｔａ-Ｒａｔｅ ＤＳＬ)などのインターネット網の高速化のためにＩＳＰの伝送端から加入者の端末機まで光ファイバーを連結するサービスが拡大しつつある。

このような光通信網の構築において、デジタル化された電気的信号を任意の波長帯の光信号に変換して光ファイバーに伝送し、光ファイバーを通じて受信される任意の波長帯の光信号を検出してデジタル化された電気的信号に逆変換する光送受信機が必須である。

光送受信機において、外部の送受信信号を伝送する光ファイバーと素子内で信号を伝達する光導波路との間の光結合損失を減らすことが、非常に重要である。導波路は、屈折率が相対的に大きい中央のコアとその周囲を取り囲む相対的に低屈折率のクラッド層とで構成される。このような導波路の内部屈折率の差による全反射現象によって、光がコアを通じて伝播される。

この時、いろいろな波長の光のうち特定条件を充足させる光のみが、導波路及びファイバーを通じて伝播される。このように伝播条件が充足された光をモードと言い、モードのサイズ(ビームの直径）はコアとクラッドの屈折率の差に反比例する。外部で信号伝達用として信号伝達損失が少ない単一モード光ファイバーを主に使うが、このような単一光ファイバーの場合にコアとクラッド層間の屈折率の差が少ないので、通常１０μｍ内外の比較的に大きいサイズのモードを有する。

コアとクラッド間の屈折率の差が大きいほどモードのサイズが小さくなるので小さい断面積を有するコア設計が可能であり、また屈曲領域での損失も小さいので、曲率半径を小さくできて結果的に素子のサイズを縮小させることができ、低コスト化に望ましい。例えば、コアとして屈折率が３.５内外のシリコン(Ｓｉ)を使用し、クラッドとして屈折率が１.５内外の二酸化シリコン(ＳｉＯ２)を使う場合、屈折率の差が１３０％以上となり、ミクロン単位以下のコアサイズを具現可能である。

特許文献１には屈折率の差の小さい光ファイバーと屈折率の差の大きい導波路との間のモードサイズ変換器を具現する方法が提示されている。開示された変換器は、テーパー状の２つの導波路を備える。１つの導波路は、屈折率の差が小さく、光ファイバーとの光結合のために幅が次第に狭くなるテーパー状を有している。もう１つの導波路は、屈折率の差が大きい導波路のモードサイズを次第に変換させて前記屈折率の差が小さい導波路に小さい損失で結合するために、屈折率の差が小さい導波路の方向とは反対方向に幅が次第に増加するテーパー状を有している。前記屈折率の差の大きい導波路のテーパー部は、屈折率の差の小さい導波路のテーパー部に内在された形態の積み重ね構造に配置される。
米国公開特許第２００２−０１１８９１６号公報

一般的に、モード変換器は、モードサイズを変化させるために導波路の幅及び／または厚さが次第に減少するか増加するテーパー状の導波路を適用する。しかし、安価の超小型の光素子を具現するために屈折率の差を大きくした導波路の間でモードサイズを変換する場合、モードサイズが非常に小さいために一般的なテーパー方法では変換が難しい。

また、前記特許文献１に記載されている二つのテーパー部を積み重ねた形態の光変換器は、製作工程が非常に複雑なので実際に具現するのが容易ではない。その上、記載されている光結合効率(１.５５μｍ波長帯で７５％の結合効率）よりも高い光結合効率が求められている。

本発明は光結合効率が高い光モード変換器を提供することである。

本発明１に係るモード変換器は、基板と、前記基板に形成される第１導波路と、前記基板に形成され、前記第１導波路と光学的に結合される第２導波路と、前記第１導波路の両側に設けられ、第１導波路を進行するモードに対する全方向反射性の反射性を有する全方向反射性の反射鏡と、を備える。

第１導波路の両側に配置された全方向反射性の反射鏡は、モードのあらゆる入射角に対して高い反射性を有する。したがって、第１導波路内に進行するモードは第１導波路内に光学的に閉じ込められる。そのため、内部損失分を除外した残りの大部分のモードは、第２導波路に収束する。ゆえに、全方向反射性の反射鏡を用いて光の進行を誘導することにより、屈折率の差に起因する損失を減少させることができる。

本発明２は、発明１において、前記第１導波路は、第２導波路に比べて低い屈折率を有するモード変換器を提供する。

本発明３は、発明１において、前記第１導波路はＳｉＯ２、第２導波路はＳｉ，ＳｉＮまたはＳｉＯＮのいずれかを含んで形成されているモード変換器を提供する。用いられる光ファイバーのコアが主にＳｉＯ２であるので、第１導波路もＳｉＯ２で形成するとよい。一方、Ｓｉ，ＳｉＮまたはＳｉＯＮを用いて高屈折率の第２導波路を形成することができる。

本発明４は、発明１〜３において、前記全方向反射性の反射鏡はＳｉ／ＳｉＯ２による反復的な多重層構造を有するモード変換器を提供する。多重層構造は、屈折率差がある２つの物質を最適化された間隔で多重に積層して形成されている。これにより、特定波長領域、例えば光通信帯域で用いる１３００〜１５００ｎｍ帯域の光のあらゆる入射角に対して反射が起こるようにできる。また、層間隔及び順序を調整することによって、特定波長だけを選択的に透過させることができる。

本発明５は、発明１〜４において、前記全方向反射性の反射鏡の間隔は、前記第２導波路に近くなるほど暫時狭くなるモード変換器を提供する。このような構造により、第１導波路内のモードを、第２導波路に収束させることができる。

本発明６は、発明５において、前記全方向反射性の反射鏡の間隔は、前記第２導波路に近くなるほど直線的に狭くなるモード変換器を提供する。

本発明７は、発明５において、前記全方向反射性の反射鏡の間隔は、前記第２導波路に近くなるほど非直線的に狭くなるモード変換器を提供する。

本発明８は、発明１〜７において、前記第１導波路に連結される第２導波路の一端部の断面積が、前記第２導波路の主体部分の断面積よりも小さく形成されているモード変換器を提供する。導波路の一部分について断面積、例えば導波路の幅を減らすことにより、局所的にモードサイズが大きくなる現象が現れる。このような現象を用いてモードサイズの差による損失を減らすことができる。例えば、第２導波路の一端部を針状に形成することがあげられる。

本発明９は、発明８において、前記第１導波路に連結される第２導波路の一端部は針状であるモード変換器を提供する。

本発明１０は、発明１〜９において、前記第１導波路と反射鏡との間にエアギャップが形成されているモード変換器を提供する。エアギャップは、所定の屈折率を有する物質層であって、エアギャップを形成することで全方向反射性の反射鏡の角度特性が広い波長帯域でさらに良くなると期待できる。すなわち、反射鏡に入射角８０−９０°を持って入射する光も、実質的に全反射されるようになる。

このような本発明は、光ファイバーまたは屈折率の差の小さい導波路と、屈折率の差の大きい導波路と、の間の光結合における損失を抑制するモードサイズ変換器を提供する。本発明によれば、簡単な製作工程により広波長帯に対して両方向に何れも高い光結合を有するモードサイズ変換器を具現可能である。

本発明によれば、広波長帯域で均一な結合効率を達成しうる。このような本発明のモード変換器は、導波路と同じ物質で全方向反射性の反射鏡が形成できるので、追加工程なしに製作工程が簡単である。このような本発明のあらゆる変換器は、送受信方向に関係なく高い結合効率を有する。結果的に、高屈折率差の導波路が用いられるように光結合損失を最小化し、工程が簡単なので素子の小型化及び低コスト化に有利である。

本発明の目的及び利点は、当業者によって添付された図面を参照して後述される本発明の望ましい実施例からより明確になりうる。

図１は、本発明の望ましい第１実施例によるモード変換器の概略的な構造を示す平面図である。図２は、図１に示されたモード変換器の低屈折率の第１導波路１０の断面を示す。図３は、高屈折率の第２導波路３０の断面を示す。

低屈折率の第１導波路１０と高屈折率の第２導波路３０とが、基板５０の間に配置されている。第１導波路１０は、第１導波領域Ａに設けられ、例えば、１０μｍのモードサイズを有する光ファイバーに対応する。そして、第１導波路１０に光学的に結合されている第２導波路３０は、第２導波領域Ｃに設けられ、例えば１μｍ以下のモードサイズを有する。これら第１、第２導波路は、前記２領域Ａ、Ｂ間のカップリング領域Ｂで重複している。

前記第１導波路１０が設けられる第１導波領域Ａには、全方向反射性の反射鏡２０が形成されている。前記全方向反射性の反射鏡２０は、前記第１導波路１０の両側に配置され、第１導波路１０を進行するモードを前記カップリング領域に収束させて第２導波路３０に結合させる。この時に第１導波路１０はモード進行方向に、つまり第２導波路に近づくにつれ、その断面積（モード進行方向に垂直な断面積）、本実施形態では幅（図１中横方向の長さ）が減少する。幅は、図１では直線的に減少しているが、その他に、関数または楕円関数のように非直線的な曲線状に減少してもよい。このような第１導波路１０の減少形態については以下に詳細に説明される。

前記第１導波路１０の両側に配置された全方向反射性の反射鏡２０は、モードのあらゆる入射角に対して高い反射性を有する。したがって、第１導波路１０内に進行するモードは第１導波路１０内に光学的に閉じ込められており、これにより、内部損失分を除外した残りの大部分は第２導波路３０に収束される。全方向反射性の反射鏡２０は、屈折率差の異なる少なくとも二つの物質層２１、２２が規則的に積層された多層構造物である。前記第１、２導波路１０、３０及び全方向反射性の反射鏡２０の上下にはクラッド層５１、５２が設けられており、このようなの積層構造物は基板５０上に形成される。

前記第１導波路１０は、使われる光ファイバーと同じ屈折率を有する物質で形成されることが望ましい。例えば、光ファイバーのコアが主にＳｉＯ２であるので第１導波路１０もＳｉＯ２より形成する。このように光ファイバーと同じ物質より第１導波路１０が形成されれば、これらの間には屈折率差による反射が発生せず、光ファイバーから第１導波路１０に入射するモードが反射による損失なしに高効率に入射できる。光ファイバーから入射する大きいサイズのモードは、全方向反射性の反射鏡２０の間に閉じ込められている第１導波路１０を通過しながら次第に減少してＳｉやＳｉＮ、ＳｉＯＮを用いて形成される高屈折率の第２導波路３０に結合される。この時、カップリング領域で高屈折率の第２導波路３０の先端部を例えば針状にすれば、その部分でモードサイズが一時的に大きくなる現象により効率が向上する。

前記全方向反射性の反射鏡は、一般的に屈折率差がある２つの物質を最適化された間隔で多重に積層することによって、特定波長領域におけるあらゆる入射角に対して反射が起こるようにする光学素子である。また、層間隔及び順序を調整することによって特定波長だけ選択的に透過させることができて波長フィルタとして応用されている。例えば、実験を通じてＳｉ(屈折率:３.７、Ｓｉ厚さ:１１２.１ｎｍ)／ ＳｉＯ２(屈折率:１.５、厚さ:２７６.４ｎｍ）の二層を６対積層した場合、１３００〜１７００ｎｍの波長領域で全反射が起こることが確認できる。このような波長領域は、光通信帯域で使う１３００〜１５００ｎｍ帯域を含むので十分に光通信素子に適用可能である。

図４及び図５は、前記のように全方向反射性の反射鏡を適用した本発明のモード変換器と全方向反射性の反射鏡が適用されていない従来のモード変換器のシミュレーション結果を示す。

まず、図５Ａは、全方向反射性の反射鏡が適用されていないモード変換器におけるエネルギー分布を示すエネルギー等高線図であり、図５Ｂは、その結合効率シミュレーション結果を示すグラフである。図５Ａに示されたように、導波路のみならず導波路の外側にエネルギーが分布し、特に高屈折率の導波路とのカップリング領域周辺にエネルギーが非常に高く分布されている。これは、導波路間のモード伝達が非効率的に行われることを意味し、このようなエネルギー漏れの程度を図５Ｂを通じて数値的に確認することができる。図５Ｂの結果によれば、約２０％の光が光ファイバーに再反射され、３５％(４.５ｄＢ)程度の結合効率を示している。結合効率を阻害する原因は主に２つがある。第一に、光ファイバーと導波路間の屈折率差で、屈折率の差が大きいほどその損失が大きい。第二に、光ファイバーのモードと導波路のモードとの不整合による損失である。このような従来モード変換器は、光ファイバー(屈折率:１.５)とシリコン導波路(屈折率:３.５)との差が大きいので屈折率差による損失が大きく、モードサイズが顕著に異なるのでモード不整合による損失も非常に大きい。

しかし、図４Ａ及び４Ｂに示す本発明に係るモード変換器のシミュレーション結果からわかるように、導波路内でだけエネルギーが分布し、その外側にはエネルギーの分布が見られない。これは、全方向反射性の反射鏡により導波路内を進行させるモードの漏れが発生しないことを意味する。したがって、本発明は、全方向反射性の反射鏡を用いて光の進行を誘導し、屈折率差による損失を大きく減少させうる。

すなわち、光ファイバーから入射した光は、全方向反射性の反射鏡を通じて、ほとんど損失なしに屈折率の差の大きい導波路に結合される。この時、モード不整合による損失を減らすために針状のテーパーが高屈折率の導波路の先端部に形成される。高屈折率の導波路のモードサイズは非常に小さいが、導波路の一部分について断面積、本実施形態では幅を減らすことにより、局所的にモードサイズが大きくなる現象が現れる。このような現象を用いてモードサイズの差による損失を減らすことができる。本発明に係るモード変換器を用いてレンズドファイバ(ｌｅｎｓｅｄ ｆｉｂｅｒ)の場合である５μｍモードを０.２５μｍの屈折率の差の大きい導波路に結合させた。その結果、図４Ｂのようにほぼ９０％(０.０５ｄＢ)の高い結合効率が得られ、光ファイバーに反射される量は１０％未満であった。

図６Ａは、本発明に係るモード変換器における高屈折率の導波路から光ファイバーへの光の進行をシミュレーションした結果である。これは、光信号を送受信するために本発明に係るモード変換器の両方向モード結合を把握するためである。このようなシミュレーションによれば、図６Ａに示されたように、全方向反射性の反射鏡により閉じ込められた導波路内にエネルギーが非常に整然と分布しており、その外側では分布がほとんど観測されない。このような結果を数値的に示す図６Ｂを参照すれば、高屈折率の導波路から低屈折率の導波路方向にモードが伝送される場合においても９０％前後の非常に高い結合率を示す。

図７は、本発明に係るモード変換器の使用可能な波長帯域を確認するために光通信波長帯域である１３００ｎｍ〜１５５０ｎｍまで結合効率を示すグラフである。図７に示されたように、本発明に係るモード変換器は、前記の範囲(図面における１.３〜１.５５の範囲)で９０％前後の高い効率と１０％未満の低い反射率を示すことによって、実際の光素子に十分に適用可能である。

図８及び図９は、本発明に係るモード変換器の具体的な実施例を示す断面図である。

図８を参照すれば、第１導波路１０の両側にＳｉ高屈折層２１及びＳｉＯ２低屈折層２２による全方向反射性の反射鏡２０が設けられている。前記第１導波路１０と全方向反射性の反射鏡２０とが同じ平面上に形成され、その上下にＳｉＯＮからなるＧＲＩＮ(ｇｒａｄｅｄ ｉｎｄｅｘ)層５１ａ、５２ａとＳｉＯ２クラッド層５１ｂ、５２ｂが設けられ、このような積層構造物はＳｉ基板５０上に形成される。

図９を参照すれば、基板５０上にＳｉＯ２クラッド層５１ｂ及びＧＲＩＮ層５１ａが形成されており、その上の中央にＳｉＯ２第１導波路１０が形成されている。そして、第１導波路１０の両側にはエアギャップを介在してＳｉ高屈折層２１及びＳｉＯ２低屈折層２２による全方向反射性の反射鏡２０が設けられている。図９に示された実施例においては、ＳｉＯ２導波路の周囲が非常に低い屈折率の空気媒質に取り囲まれており、基板方向の両側には前記エアギャップと共に反射層を構成する全方向反射性の反射鏡２０が設けられる。エアギャップは、所定の屈折率を有する物質層であって、エアギャップを形成することで全方向反射性の反射鏡の角度特性が広い波長帯域でさらに良くなると期待できる。すなわち、反射鏡２０に入射角８０−９０°を持って入射する光も、実質的に全反射されるようになる。

前述した実施例は、Ｓｉ／ＳｉＯ２で全方向反射性の反射鏡が形成されたモード変換器を中心に説明したが、屈折率差によって全方向反射性の反射鏡を最適化設計すれば、他の物質に代替してもよい。また、全方向反射性の反射鏡が斜線に設計されたが、円、楕円、三角関数、指数関数などの他の関数を用いて最大限光ファイバーへの反射率を減らす設計が可能である。

すなわち、本発明のモード変換器は、導波路の形態の設計によりその技術的範囲が制限されず、但し、導波路、特にモードの大きい導波路が全方向反射性の反射鏡により光学的に閉じ込められているということをその技術的特徴とする。

図１０は、第１導波路１０の両側に配置される全方向反射性の反射鏡の多様な変形例を示す。

図１０(ａ）は、図１に示された全方向反射性の反射鏡２０を示す。すなわち、図１０Ａは、導波路１０の両側で直線的に相互間隔が狭くなる全方向反射性の反射鏡２０を示す。

図１０(ｂ)は、導波路１０の両側で指数関数の形態に相互間隔が狭くなる全方向反射性の反射鏡２０ａを示す。

図１０(ｃ)は、導波路１０の両側で楕円または曲線の形態に相互間隔が狭くなる全方向反射性の反射鏡２０ｂを示す。

前記のように低屈折率の導波路１０の両側に高屈折率の導波路３０にモードを収束させて結合する全方向反射性の反射鏡が設けられることに特徴があり、実施例の説明で言及されていない部分は公知のモード変換器の設計基準による。

本発明の理解のためにいくつかの望ましい実施例が説明され、添付された図面に示されたが、このような実施例は単に広い発明を例示するものに過ぎず、これを制限するものではないという点を理解せねばならない。また、本発明は、図示され、説明された構造と配列に限定されるものではなく、多様な他の修正が当業者によって可能である。

本発明は、モードの変換器が要求される装置、例えば光通信伝送網のカプラーに適用されうる。

本発明の望ましい第１実施例によるモード変換器の概略的な構造を示す平面図 図１に示されたモード変換器の低屈折率の第１導波路の断面を示す図 図１に示されたモード変換器の屈折率の第２導波路の断面を示す図 全方向反射性の反射鏡を適用した本発明のモード変換器のシミュレーション結果（Ａ）導波路でのエネルギー分布を示すグラフ（Ｂ）結合率と反射率を示すグラフ 全方向反射性の反射鏡が適用されていない従来のモード変換器のシミュレーション結果（Ａ）導波路でのエネルギー分布を示すグラフ（Ｂ）結合率と反射率を示すグラフ （Ａ）本発明に係るモード変換器の他の実施例において、高屈折率の導波路から光ファイバーへの光の進行をシミュレーションした結果。（Ｂ）モードの結合率と反射率を示すグラフである。 本発明に係るモード変換器の使用可能な波長帯域を確認するために光通信波長帯域である１３００ｎｍ〜１５５０ｎｍまでの結合効率を示すグラフ 本発明に係るモード変換器の具体的な実施例を示す断面図 本発明に係るモード変換器の具体的な実施例を示す断面図 本発明に係るモード変換器における全方向反射性の反射鏡の多様な変形例を示す図

符号の説明

１０ 第１導波路
２０ 反射鏡
３０ 第２導波路
５０ 基板

Claims (10)

1. 基板と、
   前記基板に形成される第１導波路と、
   前記基板に形成され、前記第１導波路と光学的に結合される第２導波路と、
   前記第１導波路の両側に設けられ、第１導波路を進行するモードに対する全方向反射性の反射性を有する全方向反射性の反射鏡と、を備えることを特徴とするモード変換器。
2. 前記第１導波路は、第２導波路に比べて低い屈折率を有することを特徴とする請求項１に記載のモード変換器。
3. 前記第１導波路はＳｉＯ２、第２導波路はＳｉ，ＳｉＮまたはＳｉＯＮの何れかを含んで形成されることを特徴とする請求項１に記載のモード変換器
4. 前記全方向反射性の反射鏡は、Ｓｉ／ＳｉＯ２による反復的な多重層構造を有することを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載のモード変換器。
5. 前記全方向反射性の反射鏡の間隔は、前記第２導波路に近くなるほど漸次狭くなることを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載のモード変換器。
6. 前記全方向反射性の反射鏡の間隔は、前記第２導波路に近くなるほど直線的に狭くなることを特徴とする請求項５に記載のモード変換器。
7. 前記全方向反射性の反射鏡の間隔は、前記第２導波路に近くなるほど非直線的に狭くなることを特徴とする請求項５に記載のモード変換器。
8. 前記第１導波路に連結される第２導波路の一端部の断面積は、前記第２導波路の主体部分の断面積よりも小さく形成されていることを特徴とする、請求項１ないし７の何れか一項に記載のモード変換器。
9. 前記第１導波路に連結される第２導波路の一端部は針状であることを特徴とする、請求項８に記載のモード変換器。
10. 前記第１導波路と反射鏡との間にエアギャップが形成されていることを特徴とする。請求項１ないし９のうち何れかに記載のモード変換器。
    

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