JP3952696B2

JP3952696B2 - 光結合構造

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Publication number: JP3952696B2
Application number: JP2001029521A
Authority: JP
Inventors: 公佐西村; 正士宇佐見; 英憲高橋
Original assignee: KDDI Corp
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 2001-02-06
Filing date: 2001-02-06
Publication date: 2007-08-01
Anticipated expiration: 2021-02-06
Also published as: EP1229363A2; JP2002228863A; US6801692B2; US20020106159A1; CA2369191A1; EP1229363A3

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光回路と光ファイバを相互に光学結合する光結合構造に関し、より具体的には、単一モードの平面光導波路と単一モードの光ファイバを光学的に結合する光結合構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
単一の光ファイバ中に波長の異なる複数の光信号を同時に伝送することで、伝送容量を波長の数だけ増やすことができる波長分割多重（ＷａｖｅｌｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：ＷＤＭ）光通信システムは、近年急速に進展しつつある。
【０００３】
それに伴い、異なる波長の光信号を合分波する光デバイス、例えば、２つの異なる波長の信号を合波又は分波するＷＤＭ合分波器、数１０波長の信号光を一括で合波又は分波するアレイ導波路格子（ＡｒｒａｙｅｄＷａｖｅｇｕｉｄｅＧｒａｔｉｎｇ：ＡＷＧ）の重要度が高まっている。
【０００４】
これらの光デバイスは、主に石英光導波路を用いて実現されている。中距離以上の光通信システムでは、低損失伝送が可能なシングルモード伝搬石英光ファイバが伝送路として用いられており、同じ石英系の材料からなる石英光導波路と石英光ファイバは、直接、接合するだけで低損失の光結合が可能であるからである。
【０００５】
一般的に、光通信システムに用いられている所謂シングルモードファイバ（ＳｉｎｇｌｅＭｏｄｅＦｉｂｅｒ：ＳＭＦ）及びそれと同様に広く用いられている分散シフトファイバ（ＤｉｓｐｅｒｓｉｏｎＳｈｉｆｔｅｄＦｉｂｅｒ：ＤＳＦ）のモードフィールド直径（ＭｏｄｅＦｉｅｌｄＤｅａｍｅｔｅｒ：ＭＦＤ）は、共に、９．５±１μｍ程度である。
【０００６】
このような光ファイバとの結合損失を小さくするには、石英光導波路の導波路パラメータを光ファイバの導波路パラメータと同程度にするのがよいと考えられている。即ち、石英光導波路のコアとクラッドの比屈折率差△を０．３％程度、コア形状を一辺が８μｍ程度の正方形として、ＭＦＤを光ファイバのそれと同程度、即ち、９．５μｍ程度とすることが好ましいと考えられている。
【０００７】
これに対して、小型化の要請から、比屈折率差Δが大きくなる傾向にある。ＷＤＭ合分波器及びＡＷＧなどの石英光導波路デバイスは、曲線導波路を組み合わせた光デバイスである。その曲線導波路の曲げ損失は、曲率半径が小さくなるほど、大きくなる。比屈折率差△を大きくすることにより、光の閉じ込めが強くなり、その結果、曲率半径を小さくしても曲げ損失が増加しにくくなる。すなわち、比屈折率差△を大きくすることにより、デバイス面積を小さくすることができる。
【０００８】
大面積を要するＡＷＧで波長多重数が３２波を超えるようになると、比屈折率差△を０．６％程度とやや大きめにしても、従来の４インチ径の基板内で所望のＡＷＧデバイスを実現することが難しい。比屈折率差△を１．５％程度と更に大きくした、所謂、高△石英光導波路を採用すると、６４波のＡＷＧを４インチ程度の基板内に納めることが可能となる。
【０００９】
このように比屈折率差Δが大きい石英光導波路のＭＦＤは５μｍ程度と小さいので、石英光ファイバとの結合損失が大きくなってしまう。このような、曲げ損失と結合損失の相反する関係を解決するために、石英導波路の、光ファイバとの光結合部分のコアの屈折率を下げると共にコア径を大きくする方法が提案されている。それは、熱拡散コア（ＴｈｅｒｍａｌｌｙＥｘｐａｎｄｅｄＣｏｒｅ；ＴＥＣ）法と呼ばれている。具体的には、石英光導波路と石英光ファイバを接合した後、接合部付近の石英光導波路のコアを紫外線レーザなどで局所的に加熱し、石英光導波路のコアにドーピングされた元素を拡散させる。これにより、石英光導波路の接合部付近では、コアの屈折率が下がると共にコア径が拡大し、その結果、ＭＦＤが大きくなり、結合損失が低下する。
【００１０】
別の手段として、ホトリソグラフィ法による石英光導波路のコアのパターニングの際に、石英光導波路のコア幅を接合部付近のみで拡大し、基本モードのＭＦＤが石英光ファイバのＭＦＤに近くなるようにする。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ＴＥＣ法では、石英光導波路と石英光ファイバの接合部毎に最低１回の局所加熱プロセスが必要である。ＡＷＧなどのように接合箇所が多数の光デバイスでは、局所加熱プロセス数が増加し、極めて面倒である。また、この方法では、一旦、過剰に加熱してしまうと、その後に修整することが不可能である。
【００１２】
コア幅を拡大する従来例では、複数の接合箇所があっても、コアのパターニングにより一括形成が可能である。しかし、接合部では、石英光導波路は、接合部分、すなわちコア径を拡張した部分でマルチモード導波路となっており、高次の横モードが発生することが避けられない。この高次モードに移行した光は、シングルモードの石英光ファイバに結合することができないか、ほとんど結合しないので、結合効率が低くなる。
【００１３】
本発明は、複数の接合箇所を一括形成でき、且つ、高い結合効率を達成する光結合構造を提示することを目的とする。
【００１４】
本発明はまた、高Δの石英光導波路を単一モード光ファイバに高効率に光結合する光結合構造を提示することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光結合構造は、平面光導波路と光ファイバとを結合する構造であって、当該平面光導波路の、当該光ファイバと対面する所定長さ部分において、当該平面光導波路の横方向の幅を当該光ファイバに近付くに従い小さくすると共に、先端の幅を当該光ファイバのコア径よりも小さくし、且つ、当該平面光導波路の深さ方向の幅が一定のままで、当該光ファイバのコア径よりも小さいことを特徴とする。
【００１６】
このような構成により、平面光導波路と光ファイバとを高い効率で光結合できる。当該平面光導波路の横方向の幅を当該光ファイバに近付くに従い細くすればよいので、比較的簡単に形成できる。特に、当該平面光導波路の横方向の幅を当該光ファイバに近付くに従い細くするのは、極めて容易であり、多数の光結合部が必要な場合でも一括形成が可能であり、安価に形成可能である。
【００１７】
当該平面光導波路が単一モードの光導波路からなり、当該光ファイバが単一モード光ファイバからなる場合に、より有益である。
【００１８】
当該平面光導波路の比屈折率差が当該光ファイバの比屈折率差より大きい場合でも、テーパ構造が両者の伝搬定数を接近させる作用を果たし、光結合を容易にする。その結果、高Δの平面光導波路を利用できるようになるので、それを使用する光デバイスを小型化できる。
【００１９】
【実施例】
以下、図面を参照して、本発明の実施例を説明する。
【００２０】
図１は、本発明の一実施例の斜視図を示し、図２（Ａ）は、図１のＡ−Ａ線の断面図（中央断面図）を示し、図２（Ｂ）は図１のＢ−Ｂ線から見た断面図（横断面図）を示す。理解を容易にするために、図１では、導波路のコア部分を実線で示し、それ以外を破線で示してある。
【００２１】
石英光導波路１０のコア１２は、本来、深さ及び幅が４．５μｍの矩形であり、石英ファイバ２０のコア２２は直径が９μｍである。本実施例では、石英光導波路１０及び光ファイバ２０は共に、単一モードの光導波路である。石英光導波路１０のコア１２の屈折率は１．４６５７で、クラッド１４の屈折率は１．４４４０である。従って、比屈折率差△は約１．５％である。石英光ファイバ２０のコア２２の屈折率は１．４４８８で、クラッド２４の屈折率は１．４４４０である。従って、その比屈折率差Δは約０．３３％である。
【００２２】
石英光導波路１０の側面で、石英導波路１０のコア１２と石英光ファイバ２０のコア２２は対面している。本実施例では、石英光導波路１０の、光ファイバ２０に接する約１０００μの長さ部分１６で、コア１２は、図２（Ｂ）に示すように、横幅方向でテーパ状に細くなる。そのテーパ部１６も、図２（Ａ）に示すように、厚み方向では一定のコア幅になっている。コア１２の先端の横幅は、例えば０．５μｍである。コア１２の、このような横方向面内でのテーパ形状は、石英基板上にコア１２を形成する際に、ホトリソグラフ法で容易に形成できる。
【００２３】
石英光導波路１０を伝搬する信号光のフィールド径は、テーパ部１６を進行するに従い、小さくなる。図３は、各部での幅方向及び厚み方向のフィールド分布を示す。これから、幅方向でフィールド径が非常に小さくなっていることが分かる。図３（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は厚み方向内でのフィールド分布を示し、同（Ｄ）、（Ｅ）、（Ｆ）は、横幅方向のフィールド分布を示す。縦軸は、相対的な光強度を示し、横幅は距離の相対値を示す。
【００２４】
図４は、コア１２の先端の横幅を変化させた場合の、ＴＥモードの光ファイバ２０への結合損失を示す。横軸は、コア１２の先端部の横幅を示し、縦軸は結合損失を示す。いうまでもないが、結合損失が小さいほど好ましい。図４から容易に理解できるように、コア１２の先端の横幅を小さくする程、結合損失が少なくなり、０．５ｄＢ以下の結合損失も容易に実現できている。
【００２５】
図４では、コア１２の先端の横幅が１２μｍ付近である場合に、結合損失の極小値が存在する。その結合損失は１．０２ｄＢ、即ち、２０．９％の損失である。これは、コア径を大きくする従来例における高次モード変換による結合損失の最小値に相当する。これに対し、コア１２の先端の横幅を２μｍ以下に少なくしても結合損失は減少し、特に、０。５μｍ以下で結合損失は０．４０ｄＢ、損失にして８．８％となり、非常に小さくなる。これ以上、コア１２の先端横幅を小さくすると、エッチング時の先端の変形や欠損が発生し易くなり、パターニングによる形成が困難になるので、実質的には、この０．４０ｄＢが最小の結合損失である。勿論、製造技術の向上により、コア１２の先端横幅を小さく出来れば、結合損失がより小さくなる可能性がある。
【００２６】
横幅及び深さ方向共に同じ値のコア１２では、光はシングルモードで伝搬し、その時のモードフィールド径は約５μｍである。テーパ部１６では、コア１２の横幅が徐々に減少しているので、光は徐々に放射モードに移行する。テーパ部１６の長さが１０００μｍと十分に長いので、基本導波モードから放射モードへの移行は断熱的（ａｄｉａｂａｔｉｃ）に起こり、そのモード変換による損失は極めて小さい。放射モードは、コア１２内に閉じ込められないので、徐々にそのＭＦＤが大きくなる。図３に示すように、伝搬光のフィールドパターンは幅方向と厚み方向で僅かに違いが発生するが、共に、略ガウス分布で近似できる形を保つ。テーパ部１６の先端では、ＭＦＤは幅及び厚み方向の平均値で約９．０μｍとなり、光ファイバ２０のＭＦＤである約９．５μｍに近い値となっている。テーパ部１６の形状は、左右及び上下とも対称形であるので、放射モードの進行方向自体は、導波モードのそれと一致しており、ほとんど全ての光が放射モードに移行した後も、光の進行方向は変化しない。これらが、図４に示すように、コア１２の先端幅を極度に小さくする程、結合損失が少なくなる理由であると考えられる。
【００２７】
即ち、コア１２の先端を更に細く加工した場合、コア１２を伝搬する光は、最終的に放射モードとして外部に放射される。通常、石英光導波路１０の側面を光ファイバ２０の端面に密着させるので、図４からも、光ファイバ２０への結合損失を大きくすることはないと推測される。
【００２８】
図５は、光路長の異なる非対称マッハツェンダ干渉計からなる平面光回路と光ファイバとの光結合に本実施例を適用した場合の平面図を示す。３０は石英基板上に主として石英で形成される平面光回路であり、その両端面に光ファイバ３２，３４，３６，３８が当接する。平面光回路３０の端面近辺で、平面光回路３０のコアを、図１及び図２に図示したようなテーパ形状に加工しておく。
【００２９】
図５に示すような干渉型平面光回路３０以外にも、アレイ導波路格子の入力部及び出力部にも本実施例を適用できることは明らかである。特に、ＡＷＧのように大面積が必要な石英光導波路と多数の石英光ファイバを接合する必要がある光回路モジュールでは、より大きな効果を得ることができる。平面光回路を積層した多層の平面光回路に本実施例を適用できることもまた、明らかである。
【００３０】
本実施例では、高Δの平面光導波路からシングルモード光ファイバに高い結合効率で光を入射できる。
【００３１】
【発明の効果】
以上の説明から容易に理解できるように、本発明によれば、非常に簡単な構造でありながら、高い結合効率で平面光導波路からシングルモード光ファイバに光を入射できるようになる。
【００３２】
平面光導波路のコアを横方向、即ち平面光回路の平面内で細くすることにより、非常に簡単に平面光導波路のコア先端部分をテーパ状に細くすることができる。簡単な方法で光導波路の先端部分をテーパ状に加工できる。
【００３３】
平面光導波路の比屈折率差が光ファイバの比屈折率差より大きい場合でも、テーパ構造が両者のモードフィールド径を接近させる作用を果たし、光結合を容易にする。その結果、高Δの平面光導波路を利用できるようになるので、それを使用する光デバイスを小型化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の主要要素の斜視図である。
【図２】（Ａ）は図１のＡ−Ａ先から見た縦断面図、（Ｂ）は図１のＢ−Ｂ線から見た横断面図である。
【図３】光導波路１０の横方向及び厚み方向のフィールド分布の変化を示す模式図である。
【図４】本実施例の結合損失の測定例である。
【図５】非対称マッハツェンダ干渉計からなる平面光回路と光ファイバとの光結合に本実施例を適用した場合の平面図である。
【符号の説明】
１０：石英光導波路
１２：コア
１４：クラッド
１６：テーパ部
２０：シングルモード光ファイバ
２２：コア
２４：クラッド
３０：平面光回路
３２，３４，３６，３８：光ファイバ

Claims

平面光導波路と光ファイバとを結合する構造であって、
当該平面光導波路の、当該光ファイバと対面する所定長さ部分において、当該平面光導波路の横方向の幅を当該光ファイバに近付くに従い小さくすると共に、先端の幅を当該光ファイバのコア径よりも小さくし、且つ、当該平面光導波路の深さ方向の幅が一定のままで、当該光ファイバのコア径よりも小さい
ことを特徴とする光結合構造。
当該平面光導波路が単一モードの光導波路からなり、当該光ファイバが単一モード光ファイバからなる請求項１に記載の光結合構造。
当該平面光導波路の比屈折率差が当該光ファイバの比屈折率差より大きい請求項１に記載の光結合構造。
当該平面光導波路が石英導波路からなり、当該光ファイバが石英光ファイバからなる請求項１に記載の光結合構造。