JP2006078570A

JP2006078570A - 光導波路

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Publication number: JP2006078570A
Application number: JP2004259859A
Authority: JP
Inventors: Norihiro Tajima; 典拓田嶋; Fumio Takahashi; 文雄高橋
Original assignee: NHK Spring Co Ltd
Current assignee: NHK Spring Co Ltd
Priority date: 2004-09-07
Filing date: 2004-09-07
Publication date: 2006-03-23

Abstract

【課題】曲り導波路に曲率の変化点が生じることを回避でき、曲り損失を低減できる光導波路を提供する。
【解決手段】光の伝播方向の少なくとも一部に湾曲部１２，１４を有する光導波路１０であって、それぞれの湾曲部１２，１４が曲率最大部１２ａ，１４ａを含んでいる。第１の湾曲部１２は光の伝播方向に連なる複数の微小部分によって構成されている。これら微小部分の曲率半径は、直線部１１から曲率最大部１２ａに向かって次第に小さくなるように変化し、かつ、曲率最大部１２ａから接続部１３に向かって曲率半径が次第に大きくなるように変化している。第２の湾曲部１４も光の伝播方向に連なる複数の微小部分によって構成されている。これら微小部分の曲率半径は、接続部１３から曲率最大部１４ａに向かって次第に小さくなるように変化し、かつ、曲率最大部１４ａから直線部１５に向かって曲率半径が次第に大きくなるように変化している。
【選択図】図１

Description

この発明は、光通信あるいは光信号処理等の分野において使用される曲り導波路を有する光導波路に関する。

光導波路内を伝播する光を分岐あるいは合波させるための導波路デバイスとして、Ｙ分岐導波路や光方向性結合器等が知られている。この種の光導波路においては、光の伝播方向の一部に、湾曲部を備えた曲り導波路が必要となる。また、Ｙ分岐導波路や光方向性結合器以外の導波路デバイスにおいても、曲り導波路が必要になることがある。

例えば図８に示す従来の光導波回路１では、互いに逆方向に曲がる２つの円弧状導波路２，３を連ねることにより、曲り導波路を構成している。従来の曲り導波路においては、それぞれの円弧状導波路２，３は、曲率が一定の単一の円弧からなる。図８中のＡ，Ｂは、各円弧状導波路２，３の円弧の曲率半径を示している。このような２つの円弧の接続部５が曲率の変化点となり、接続部５においてリーキー（leaky）なモードが発生する。

従来、上記のような単一の円弧を用いた曲り導波路において、リーキーなモードの発生や損失を低減させるために、曲率変化点となる接続部に、軸ずらし部を形成することが提案されている。（例えば下記特許文献１参照）
特開平４−２１３４０７号公報

特許文献１のように、２つの円弧の接続部に軸ずらし部を設けた導波路は、狭帯域な波長領域においては、リーキーなモードの発生を押さえることができる。しかし広帯域な波長領域では、円弧と直線との接続部、または円弧と円弧との接続部などのように曲率が不連続となる箇所においてリーキーなモードが発生し、光が蛇行する原因となり、また、光学特性に波長依存性が発生するなどの問題があった。

また従来の導波路では、屈折率の不連続な変化（例えば光分岐器における分岐部）などで発生したリーキーなモードが放射されず、場合によっては増幅され、曲り導波路を伝播していた。あるいは従来の曲り導波路においては、円弧と直線との接続部、または円弧と円弧の接続部などの曲率が不連続となる箇所でモード不整合による損失が発生していた。

従って本発明の目的は、曲り導波路に曲率の変化点が生じることを抑制でき、曲り損失を低減できるような光導波路を提供することにある。

本発明は、コアとクラッド層によって構成され光の伝播方向の少なくとも一部に湾曲部を有する光導波路であって、前記湾曲部が光の伝播方向に連なる複数の微小部分からなり、該湾曲部が、曲率が最小の曲率最小部と、曲率が最大の曲率最大部とを含み、かつ、前記各微小部分の曲率半径が、前記曲率最小部から曲率最大部に向かって順次変化する形状であることを特徴とするものである。

前記湾曲部の一例は、光の伝播方向に連なる長さ１００μｍ以下の直線形状の多数の微小部分からなり、該湾曲部における曲率半径がこれら微小部分ごとに段階的に変化する。あるいは前記湾曲部が光の伝播方向に連なる多数の円弧状の微小部分からなり、該湾曲部における曲率半径が連続的に変化するものでもよい。

望ましくは、前記曲率最大部の曲率半径の最小値は一様曲げ損失が０．１ｄＢ／ｃｍとなるときの半径、最大値はリーキーモードの出力パワーが入力パワーの５％以下となるときの半径である。例えば、前記湾曲部の曲率最大部の曲率半径が１３ｍｍ以上、２３ｍｍ以下、さらに好ましくは１５ｍｍ以上、２０ｍｍ以下である。

この発明の好ましい形態では、例えば、第１の湾曲部と、前記第１の湾曲部とは逆方向に曲がる第２の湾曲部と、これら第１および第２の湾曲部をつなぐ接続部とを有している。そして前記第１および第２の湾曲部がそれぞれ曲率最大部を含み、前記第１の湾曲部を構成する多数の微小部分の曲率半径が、直線状の曲率最小部から曲率最大部に向かって無限大から次第に小さくなるように変化し、かつ、この曲率最大部から前記接続部に向かって曲率半径が次第に大きくなって無限大へと変化する形状である。また、前記第２の湾曲部を構成する多数の微小部分の曲率半径が、前記接続部から曲率最大部に向かって無限大から次第に小さくなるように変化し、かつ、この曲率最大部から直線状の曲率最小部に向かって曲率半径が次第に大きくなって無限大へと変化する形状である。

本発明によれば、曲り導波路に曲率の変化点が生じることを回避でき、曲り損失を低減することができる。本発明では、リーキーなモードを湾曲部の一部の曲率最大部で放射させ、それ以外の部位ではリーキーなモードを発生させにくい曲り導波路を得ることが可能である。

以下に本発明の一実施形態について、図１〜図７を参照して説明する。
図１は、本実施形態の光導波路１０を示している。この光導波路１０は、光の伝播方向に第１の直線部１１と、この直線部１１に連なる第１の湾曲部１２と、接続部１３を介して第１の湾曲部１２に連なる第２の湾曲部１４と、第２の湾曲部１４に連なる第２の直線部１５を備えている。第１の湾曲部１２と接続部１３および第２の湾曲部１４によって、Ｓ形の曲り導波路１６が構成されている。第１および第２の直線部１１，１５は曲率半径が無限大、すなわち実質的に曲率が最小となる部位（曲率最小部）である。

図２に示すように光導波路１０は、下部クラッド層２０と、コア２１と、上部クラッド層２２によって構成され、コア２１の内部を光が伝播するようになっている。クラッド層２０，２２はコア２１の全周を被っている。コア２１の屈折率はクラッド層２０，２２よりも高く、比屈折率差は例えば０．４５％である。コア２１の断面形状は例えば一辺が６μｍの正方形である。

第１の湾曲部１２は、第１の直線部１１から接続部１３に向かって曲率が連続的に変化する曲線（例えば６次関数によって求めた曲線）を基本形とし、光の伝播方向に連なる長さ１００μｍ以下に分割された複数の微小部分によって構成されている。

図１に模式的に示すように、第１の湾曲部１２の微小部分の曲率半径は、Ｒ１，Ｒ２…Ｒｎと順次変化している。図１に示す２点鎖線Ｌ１は半径ｒ１の単一の円弧であり、従来はこの円弧に沿って曲り導波路が形成されていた。

この明細書で言う微小部分は、物理的に微小に区画された部分という意味ではなく、湾曲部１２，１４の曲率変化を説明するために便宜上用いる設計思想上の微小部分である。すなわち湾曲部１２，１４を構成するコア２１は、光学的かつ物理的に光軸方向に途切れることなく１本に連続しているものである。

第２の湾曲部１４は第１の湾曲部１２とは逆方向に曲がっている。この第２の湾曲部１４は、接続部１３から第２の直線部１５に向かって曲率が連続的に変化する曲線（第１の湾曲部１２と同様の曲線）を基本形とし、光の伝播方向に連なる長さ１００μｍ以下に分割された複数の微小部分によって構成されている。図１に示す２点鎖線Ｌ２は半径ｒ２の単一の円弧であり、従来はこの円弧に沿って曲り導波路が形成されていた。

図３は、第１の湾曲部１２と第２の湾曲部１４の曲率が光の伝播方向（Ｚ軸方向）に変化する様子を示している。曲率は曲率半径Ｒの逆数（１／Ｒ）である。第１の湾曲部１２と第２の湾曲部１４のそれぞれの中間部に、曲率が最大（曲率半径Ｒが最小）となる部位すなわち曲率最大部１２ａ，１４ａが存在している。

このように第１の湾曲部１２は、前記微小部分の曲率半径Ｒが第１の直線部１１から曲率最大部１２ａに向かって、無限大から次第に小さくなるように変化し、かつ、曲率最大部１２ａから接続部１３に向かって曲率半径が次第に大きくなって無限大へと変化する形状となっている。

第２の湾曲部１４は、前記微小部分の曲率半径が、接続部１３から曲率最大部１４ａに向かって無限大から次第に小さくなるように変化し、かつ、曲率最大部１４ａから第２の直線部１５に向かって曲率半径が次第に大きくなって無限大へと変化する形状である。

このように構成された本実施形態の曲り導波路１６は、接続部１３が実質的に直線となる。この接続部１３に対して、第１の湾曲部１２と第２の湾曲部１４がそれぞれ曲率が変化しながら滑らかに連続し、曲率変化点が存在しない。

これに対し従来の曲り導波路は、図１に２点鎖線Ｌ１，Ｌ２で示す単一の円弧からなるため、図３に２点鎖線で示すように接続部において曲率が不連続となり曲率変化点が存在している。このような曲率変化点は接続部でのモード不整合の原因となる。

図４は従来の単一の円弧からなる曲り導波路と、本実施形態の湾曲部１２，１４を有する曲り導波路１６との、それぞれの曲り損失の波長依存性を示している。図４から、本実施形態の曲り導波路１６は、従来の曲り導波路と比較して曲り損失が大幅に減少していることが判る。

図５は本実施形態の曲り導波路１６の曲率半径（曲り導波路半径）と、一様曲げ損失との関係を解析した結果である。図５によれば、曲率半径が１３ｍｍよりも小さくなると、基底モード損失が急増する。一様曲げ損失の目標値０．１ｄＢ／ｃｍを実現するために、曲率半径は１３ｍｍ以上であることが望まれる。

図６は単一の円弧からなる曲り導波路に、基底モード５０％、リーキーモード５０％を入力した場合の、曲り導波路半径に対する基底モードおよびリーキーモードのそれぞれの出力パワーを示している。図６から、曲率半径１０〜１５ｍｍの間にリーキーモードの極小点が存在することが判る。この曲率半径では、図５に示したように基底モード損失が約０．１ｄｂＢ程度であり、リーキーなモードだけが放射されていることが判る。

本実施形態の曲り導波路１６は、リーキーモードが極小値付近となる曲率最大部１２ａ，１４ａを有しているため、曲率最大部１２ａ，１４ａにおいてリーキーモードが放射され、曲率最大部１２ａ，１４ａ以外の部位ではリーキーモードが発生しないようにすることができるため、より効果的に低損失化を図ることができる。

リーキーモードを放射させる上では曲率最大部１２ａ，１４ａの曲率半径が１０〜１５ｍｍであることが望まれるが、図５に示したように曲率半径が１３ｍｍより小さいと基底モードの一様曲げ損失が急増する。一方、図６に示したように曲率半径が２０ｍｍ、特に２３ｍｍを越えるとリーキーモードの出力パワーも大きくなって好ましくない。

このような理由から、曲率最大部１２ａ，１４ａの曲率半径の最小値は、一様曲げ損失が０．１ｄＢ／ｃｍとなるときの半径、最大値は、リーキーモードの出力パワーが入力パワーの５％以下となるときの半径とする。例えば比屈折率差Δ０．４５％、コアサイズ６×６μｍの場合、曲率最大部１２ａ，１４ａの曲率半径は１３〜２３ｍｍが望ましく、より好ましくは１５〜２０ｍｍがよい。

図７は、本実施形態の曲り導波路１６において、湾曲部１２，１４の微小部分の長さを４種類に変化させたときの曲り損失を比較したものである。図７から判るように、微小部分の分割長さが１μｍ〜１００μｍまでは互いに遜色がなく十分低損失であり、本発明の目的にかなうものとなっている。これに対し微小部分の分割長さが１５０μｍの場合は、広い波長域にわたって曲り損失が０．０１ｄＢよりも大きくなっている。

なお前記実施形態では、湾曲部１２，１４を構成する微小部分が１００μｍ以下に分割された直線形状である場合について述べた。その場合、湾曲部１２，１４の曲率半径は各微小部分ごとに段階的に変化することになる。しかし本発明を実施するに当たって、湾曲部が微小な円弧からなる多数の微小部分の連続によって構成されていてもよい。その場合には、曲率最小部から曲率最大部に向かって曲率半径が連続的に変化する。

また本発明の光導波路は必ずしも直線部を有していなくてもよく、要するに曲率半径が最大となる曲率最小部（その一例が直線部）と、曲率半径が最小となる曲率最大部とを有し、これら曲率最小部と曲率最大部との間の曲率が段階的あるいは連続的に変化するように導波路コアがパターニングされていればよい。

また前記実施形態では２つの湾曲部１２，１４と１つの接続部１３とからなるＳ形曲り導波路１６について述べたが、本発明は１つの湾曲部と直線部とからなる曲り導波路に適用することもできる。

本発明の一実施形態の曲り導波路を有する光導波路の平面図。図１中のＦ２−Ｆ２線に沿う光導波路の断面図。本発明の曲り導波路と従来の曲り導波路のそれぞれのＺ軸方向の曲率の変化を示す図。本発明の曲り導波路と従来の曲り導波路のそれぞれ波長と曲り損失との関係を示す図。曲り導波路半径と一様曲げ損失との関係を示す図。曲り導波路半径と基底モードおよびリーキーモードの出力パワーとの関係を示す図。４種類の微小部分の長さに関して、波長と曲り損失との関係を示す図。従来の曲り導波路を示す平面図。

符号の説明

１０…光導波路
１１…第１の直線部
１２…第１の湾曲部
１２ａ…曲率最大部
１３…接続部
１４…第２の湾曲部
１４ａ…曲率最大部
１５…第２の直線部
１６…曲り導波路

Claims

コアとクラッド層によって構成され光の伝播方向の少なくとも一部に湾曲部を有する光導波路であって、
前記湾曲部が光の伝播方向に連なる複数の微小部分からなり、
該湾曲部が、
曲率が最小の曲率最小部と、
曲率が最大の曲率最大部とを含み、かつ、
前記各微小部分の曲率半径が、前記曲率最小部から曲率最大部に向かって順次変化する形状であることを特徴とする光導波路。
前記湾曲部が光の伝播方向に連なる長さ１００μｍ以下の直線形状の多数の微小部分からなり、該湾曲部における曲率半径がこれら微小部分ごとに段階的に変化することを特徴とする請求項１に記載の光導波路。
前記湾曲部が光の伝播方向に連なる多数の円弧状の微小部分からなり、該湾曲部における曲率半径が連続的に変化することを特徴とする請求項１に記載の光導波路。
前記曲率最大部の曲率半径の最小値は一様曲げ損失が０．１ｄＢ／ｃｍとなるときの半径、最大値はリーキーモードの出力パワーが入力パワーの５％以下となるときの半径であることを特徴とする請求項１に記載の光導波路。
第１の湾曲部と、
前記第１の湾曲部とは逆方向に曲がる第２の湾曲部と、
これら第１および第２の湾曲部をつなぐ接続部とを有し、
前記第１および第２の湾曲部がそれぞれ曲率最大部を含み、
前記第１の湾曲部を構成する多数の微小部分の曲率半径が、直線状の曲率最小部から曲率最大部に向かって無限大から次第に小さくなるように変化し、かつ、この曲率最大部から前記接続部に向かって曲率半径が次第に大きくなって無限大へと変化する形状であり、
前記第２の湾曲部を構成する多数の微小部分の曲率半径が、前記接続部から曲率最大部に向かって無限大から次第に小さくなるように変化し、かつ、この曲率最大部から直線状の曲率最小部に向かって曲率半径が次第に大きくなって無限大へと変化する形状であることを特徴とする請求項１に記載の光導波路。