JP2006201298A - Optical waveguide and optical communication component using the same - Google Patents
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Abstract
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と、それを用いた光通信部品に関する。 The present invention relates to an optical waveguide having a curved waveguide used in the field of optical communication or optical signal processing, and an optical communication component using the optical waveguide.
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。 As a waveguide device for branching or multiplexing light propagating in an optical waveguide, a Y-branch waveguide, an optical directional coupler, and the like are known. In this type of optical waveguide, a bent waveguide having a curved portion is required in a part of the light propagation direction. Also, a waveguide waveguide other than the Y-branch waveguide and the optical directional coupler may be required.
例えば図10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、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10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。
For example, in the conventional
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、あるいは光のパワーのピーク位置を調節するために、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する。このため、光学特性に波長依存性が発生するなどの問題があった。
As in
しかも従来の導波路では、曲率が不連続な変化点において光のピーク位置のずれが多重に発生し、光軸ずれが収束しないまま、曲り導波路内を伝播していた。また、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。 In addition, in the conventional waveguide, the shift of the light peak position occurs at multiple points where the curvature is discontinuous, and the optical axis shift does not converge and propagates through the bent waveguide. Further, in the conventional bent waveguide, a loss due to mode mismatch occurs at a portion where the curvature is discontinuous, such as a connection portion between the arc and the straight line, or a connection portion between the arc and the arc.
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と、それを用いた光通信部品を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an optical waveguide that can suppress the occurrence of a curvature change point in a bending waveguide and reduce bending loss, and an optical communication component using the optical waveguide.
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、前記湾曲部が、曲率半径が最大の曲率最小部と、曲率半径が最小の曲率最大部とを含み、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小さくなる形状であり、かつ、前記湾曲部が、次式
で表される曲線に沿う形状である。 It is a shape along the curve represented by.
本発明に係る光通信部品は、前記光導波路が形成された曲り導波路パーツと、前記光導波路の一端に光学的に接続される第1の接続相手パーツと、前記光導波路の他端に光学的に接続される第2の接続相手パーツとを具備し、前記曲り導波路パーツの光導波路の前記一端の曲率半径および角度が前記第1の接続相手パーツの曲率半径および角度と等しく、前記曲り導波路パーツの光導波路の前記他端の曲率半径および角度が前記第2の接続相手パーツの曲率半径および角度と等しい。 An optical communication component according to the present invention includes a bent waveguide part in which the optical waveguide is formed, a first connection partner part optically connected to one end of the optical waveguide, and an optical at the other end of the optical waveguide. A second connecting mating part connected to each other, the radius of curvature and the angle of the one end of the optical waveguide of the bent waveguide part being equal to the radius of curvature and the angle of the first connecting mating part, The radius of curvature and the angle of the other end of the optical waveguide of the waveguide part are equal to the radius of curvature and the angle of the second connection counterpart part.
本発明の光通信部品では、好ましくは、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形状にするとよい。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。 In the optical communication component of the present invention, preferably, the curved portion is composed of a large number of linear microscopic portions having a length of 100 μm or less continuous in the light propagation direction, and the curvature radius of the curved portion is stepwise for each of the microscopic portions. A shape that changes to Alternatively, the curved portion may be composed of a large number of arc-shaped minute portions that are continuous in the light propagation direction, and the curvature radius of the curved portion may change continuously.
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。また、曲り導波路内に入力した光のピークの光軸ずれ量を、曲り導波路の終点に近付くにしたがい小さくすることが可能となる。 According to the present invention, it is possible to avoid the occurrence of a curvature change point in a curved waveguide and to reduce the bending loss. According to the present invention, it is possible to obtain a curved waveguide in which a leaky mode is radiated at a part of the curvature maximum portion of the curved portion and a leaky mode is hardly generated at other portions. Further, it is possible to reduce the optical axis deviation amount of the peak of the light input into the bent waveguide as it approaches the end point of the bent waveguide.
以下に本発明の一実施形態について、図1〜図9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半径が最大となる部位(曲率最小部)である。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 shows an
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。
As shown in FIG. 2, the
第1の湾曲部12は、第1の直線部(曲率最小部)11から曲率最大部12aに向かって曲率半径が次第に小さくなり、かつ、曲率最大部12aから接続部(曲率最小部)13に向かって曲率半径が次第に大きくなる曲線に沿う曲り導波路である。この曲線は、次式(1)(例えば6次関数)によって近似的に表される。第1の湾曲部12は、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。
式(1)における定数kは、例えば下記の表1に基いて決まる。始点の一例は、第1の直線部11と第1の湾曲部12との境界である。終点の一例は、第2の湾曲部14と第2の直線部15との境界である。表1の例では、自由度の合計が3であるから、kは3である。
式(1)のf(z)を求める方法の一例を以下に示す。この例の境界条件は表2のとおりである。また、n=0とする。
上記の境界条件から、下記の連立方程式が与えられる。
以上の式(2.1)〜(2.6)をCjについて解けば、f(z)を決定することができる。 By solving the above equations (2.1) to (2.6) for C j , f (z) can be determined.
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。なお、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。
As schematically shown in FIG. 1, the curvature radius of the minute portion of the
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。
The minute portion mentioned in this specification does not mean a physically minutely divided portion, but is a minute portion on the design philosophy that is used for convenience in order to explain the curvature change of the
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(曲率最小部)13から曲率最大部14aに向かって曲率半径が次第に小さくなり、かつ、曲率最大部14aから第2の直線部(曲率最小部)15に向かって曲率半径が次第に大きくなる曲線に沿う曲り導波路である。この曲線も、第1の湾曲部12と同様に、式(1)(例えば6次関数)によって近似的に表される。
The
この第2の湾曲部14は、第1の湾曲部12と同様に、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。なお、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。
Similar to the
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。
FIG. 3 shows how the curvatures of the
このように本実施形態の第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。
Thus, the
本実施形態の第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。
In the
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。
In the
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。 On the other hand, the conventional curved waveguide is composed of a single circular arc indicated by two-dot chain lines L1 and L2 in FIG. 1, so that the curvature becomes discontinuous at the connecting portion as indicated by the two-dot chain line in FIG. Is present. Such a curvature change point causes a mode mismatch at the connection portion.
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。
FIG. 4 shows the wavelength dependence of the respective bending losses of the conventional curved waveguide formed of a single arc and the
図5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5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。
FIG. 5 compares the bending loss when the lengths of the microscopic portions of the bending
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。
In the above-described embodiment, the case where the minute portions constituting the bending
図6は、本発明の一つの実施形態に係る光通信部品30を模式的に示している。この光通信部品30は、曲り導波路16の一端16aに光学的に接続される第1の接続相手パーツ31と、曲り導波路16の他端16bに光学的に接続される第2の接続相手パーツ32と、曲り導波路16を有する曲り導波路パーツ33とからなっている。
FIG. 6 schematically shows an
曲り導波路16は、第1の湾曲部12と第2の湾曲部14を備えている。第1の接続相手パーツ31に第1の直線部11が形成されている。第2の接続相手パーツ32に第2の直線部15が形成されている。湾曲部12,14は、それぞれ、前記の式(1)によって求めた曲線に沿う形状である。直線部11,15と曲り導波路16のコアサイズは、いずれも6×6μm、比屈折率差Δ0.45%である。
The
図6に示すような曲り導波路16における境界条件は、曲り導波路16と第1および第2の直線部11,15とのそれぞれの境界に曲率変化点を生じさせることなく滑らかに接続させる条件とする。一例として、式(1)における定数kを、下記の表3に基いて求める。この場合、自由度の合計は6であるから、kは6である。
図7は前記光通信部品30(図6に示す)において、表3に示す境界条件を用いた場合の、曲り導波路の曲率と角度の変化を示している。式(1)中の任意のパラメータ“n”は0とした。境界(Z=500μmと1500μm)において、曲り導波路の角度と曲率がそれぞれ0になっていることが判る。 FIG. 7 shows changes in the curvature and angle of the curved waveguide when the boundary conditions shown in Table 3 are used in the optical communication component 30 (shown in FIG. 6). An arbitrary parameter “n” in the formula (1) is set to 0. It can be seen that at the boundary (Z = 500 μm and 1500 μm), the angle and curvature of the curved waveguide are 0 respectively.
すなわち、光通信部品30を構成する曲り導波路パーツ33の光導波路(曲り導波路16)の一端16aの曲率半径および角度が、第1の接続相手パーツ31の曲率半径および角度と等しい。また、曲り導波路16の他端16bの曲率半径および角度が、第2の接続相手パーツ32の曲率半径および角度と等しい。
That is, the radius of curvature and the angle of the one
前記の式(1)によって表される曲線に基いて、曲り導波路16のコア21(図2に示す)を形成するための成膜用マスクパターンを作る。このマスクパターンに基いて、CVD等の成膜方法によって、下部クラッド層20(図2に示す)の上にコア21および上部クラッド層22を形成することにより、所望の曲り導波路16を有する光通信部品30が製造される。
A film forming mask pattern for forming the core 21 (shown in FIG. 2) of the
図8は、曲り導波路内を進む光の光軸のピーク位置ずれを模式的に示している。光は曲り導波路内を蛇行しながら進む。
図9は、本発明に係る曲り導波路と、従来の曲り導波路の光軸ずれ量を解析した結果である。解析は光導波路解析で主に用いられるビーム伝播法に基くソフトウェアによって行った。初期光軸ずれは1μmである。
FIG. 8 schematically shows the peak position deviation of the optical axis of the light traveling in the curved waveguide. Light travels in a meandering manner in a curved waveguide.
FIG. 9 shows the result of analyzing the amount of optical axis misalignment between the bent waveguide according to the present invention and the conventional bent waveguide. The analysis was performed by software based on the beam propagation method mainly used in optical waveguide analysis. The initial optical axis deviation is 1 μm.
図9に示されように本発明に係る曲り導波路では、1200μm付近から光軸ずれ量がゼロに収束している。これに対し従来の曲り導波路では、曲率が不連続となる変化点において光のピーク位置のずれが多重に発生し、光軸ずれが収束しないまま、曲り導波路内を伝播している。 As shown in FIG. 9, in the bent waveguide according to the present invention, the optical axis deviation amount converges to zero from around 1200 μm. On the other hand, in the conventional bent waveguide, the shift of the light peak position occurs multiple times at the changing point where the curvature becomes discontinuous, and the optical axis shift propagates through the bent waveguide without converging.
なお、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。 In addition, the optical waveguide of the present invention does not necessarily have a straight portion. In short, a minimum curvature portion (an example is a straight portion) in which the curvature radius is maximum and a maximum curvature portion in which the curvature radius is minimum. The waveguide core may be patterned so that the curvature between the minimum curvature portion and the maximum curvature portion changes stepwise or continuously.
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。
In the above-described embodiment, the S-shaped
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
30…光通信部品
31…第1の接続相手パーツ
32…第2の接続相手パーツ
33…曲り導波路パーツ
DESCRIPTION OF
Claims (3)
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、
前記湾曲部が、
曲率半径が最大の曲率最小部と、
曲率半径が最小の曲率最大部とを含み、
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小さくなる形状であり、かつ、
前記湾曲部が次式
The curved portion is composed of a plurality of minute portions continuous in the light propagation direction,
The curved portion is
The smallest curvature part with the largest curvature radius,
Including a maximum curvature portion with a minimum curvature radius,
The radius of curvature of each of the minute portions is a shape that sequentially decreases from the minimum curvature portion to the maximum curvature portion, and
The bending portion is
前記光導波路の一端に光学的に接続される第1の接続相手パーツと、
前記光導波路の他端に光学的に接続される第2の接続相手パーツと、
を具備し、
前記曲り導波路パーツの光導波路の前記一端の曲率半径および角度が前記第1の接続相手パーツの曲率半径および角度と等しく、
前記曲り導波路パーツの光導波路の前記他端の曲率半径および角度が前記第2の接続相手パーツの曲率半径および角度と等しいことを特徴とする光通信部品。 A bent waveguide part in which the optical waveguide according to claim 1 is formed;
A first connection partner part optically connected to one end of the optical waveguide;
A second connection partner part optically connected to the other end of the optical waveguide;
Comprising
A radius of curvature and an angle of the one end of the optical waveguide of the curved waveguide part are equal to a radius of curvature and an angle of the first connection counterpart part;
An optical communication component, wherein a radius of curvature and an angle of the other end of the optical waveguide of the curved waveguide part are equal to a radius of curvature and an angle of the second connection counterpart part.
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