JP4025538B2

JP4025538B2 - 光導波路基板

Info

Publication number: JP4025538B2
Application number: JP2001366372A
Authority: JP
Inventors: 和彦蔵田; 毅下田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2001-11-30
Filing date: 2001-11-30
Publication date: 2007-12-19
Anticipated expiration: 2021-11-30
Also published as: JP2003167140A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信に用いられる光導波路基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インターネットの急速な普及により、光通信システムの大容量化が非常な勢いで進んでおり、幹線系の光通信システムでは、波長多重方式によって多重数倍の大容量化を図る方式が既に実用化されるに至っている。現在では、１６０波レベルまでの高密度波長多重方式が商用化されるようになってきた。このような波長多重光通信方式では、異なる波長を有する複数の信号光を１本の光ファイバに導入するための合波器および波長多重された信号光から異なる波長の信号に切り分けるための分波器からなる合分波器が用いられている。
【０００３】
また、光ファイバを各家庭付近にまで導入する光加入者システムも導入が開始されつつあり、局側からの下り信号と局側への上り信号に異なる波長を用いて、１本の光ファイバで上り／下りの双方向通信を行うシステムも実用化されている。この２波長双方向通信でも、送信信号を１本の光ファイバへ導入し、送信されてきた信号を受信器側に切り分けるための合分波器が用いられる。
これらの合分波器は、所定の位置に性能向上のための波長板や波長選択フィルタ等を挿入した光導波路から構成されることが多い。
【０００４】
例えば、幹線系の合分波器やアレイ導波路格子（入出力２つのスターカップラの間に同じ光路長差を有するアレイ状の導波路が形成されたものであり、アレイ状の導波路が高次の回折格子の役割を担うことによって合分波の機能を示すもの）では、アレイ状の導波路部分にスリットを設け、このスリットに１／２波長板を挿入して偏光方向を９０度回転させて、光導波路に起因する偏光依存性を消している。また、加入者系に用いられる合分波器では、Ｙ字状の光導波路を形成し、３本の光導波路が交差する部分に波長選択フィルタを挿入し、１方向から来た信号光を波長に応じ折り返しまたは透過させて他の２本の光導波路に所定の波長の光のみを透過させている。
これらの光導波路の共通の課題は小型化であり、比屈折率差Δを大きくして光の閉じ込めを強くし、光導波路の曲率を小さくすることで小型化を図っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、光導波路においてΔを大きくとって光の閉じ込めを強くしかつシングルモード条件を満足させるには、コア径を小さくする必要があり、コア径を小さくすると伝搬光のスポットサイズも小さくなる。一般に、シングルモード光の接続では、スポットサイズが小さくなる程、接続部分の軸ずれ、間隔ずれに対し接続損失が増加し、Δが大きい光導波路にスリットを設けてフィルタを挿入する場合には、さらに損失が大きくなってしまう。
【０００６】
例えば、通常の石英系の光導波路で採用されるΔが０．４％程度の波長の光導波路の場合はスポットサイズが通常約４μｍであるが、Δが１．２％で曲率半径を３ｍｍ以下にした場合はスポットサイズが約２μｍ、Δが２．０％で曲率半径を１．５ｍｍ以下にした場合はスポットサイズは２μｍとなる。同一の接続損失を得るための許容軸ずれ値は、スポットサイズに反比例し、通常の石英導波路での許容軸ずれ量を１μｍとした場合、同一の接続損失を得るにはΔが１．２％の場合には０．５μｍ、Δが２％の場合には０．３８μｍと非常に許容誤差が小さくなり、高度の加工精度、実装精度が要求される。また、間隔ずれに対しては一般にフィルタ等の膜の厚さは３０μｍ程度であり、光導波路部分にフィルタを挿入するには最低５０μｍの間隔が必要であるが、同一の接続損失を得るための許容間隔ずれはスポットサイズの２乗に比例するために、Δが１．２％の場合には必要な間隔が約１２μｍ以下となり、フィルタ挿入が理論上不可能となる。このためフィルタを光導波路部分に挿入する場合には、従来より接続損失が大きくなってしまうという課題があった。また、フィルタ等の薄膜状部材以外の光学素子を光導波路部分に挿入するには、さらに間隔を空ける必要があり、従来では接続損失の増加が大き過ぎるために実現できていなかった。そこで、本発明は、接続損失の増加を抑制しかつ小型化を実現する光導波路基板を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するために本発明に係る光導波路基板は、基板上にコアおよびクラッドが形成された光導波路基板において、コアの一部が信号光の導波方向に向かって幅および高さが徐々に減少した第１のテーパ導波路と、この第１のテーパ導波路と信号光の導波方向に対向して配置され、コアの一部が信号光の導波方向に向かって幅および高さが徐々に増加した第２のテーパ導波路と第１のテーパ導波路と第２のテーパ導波路と接続する第３の導波路とを備え、この第３の導波路には光学素子を挿入するスリットが設けられたことを特徴とする。この光導波路基板によれば、この光導波路基板を導波する信号光のスポットサイズは、第１のテーパ導波路で拡大され、その大きさのまま第３の導波路およびスリットを透過し、第２のテーパ導波路で拡大される前の大きさに戻される。
【０００８】
上記光導波路基板において、第１のテーパ導波路、第２のテーパ導波路および第３の導波路の底面を除く周囲のクラッド層はポリマー材から構成されるようにしてもよい。この光導波路基板によれば、ポリマー材によりコアへの信号光の閉じ込めが強くなる。
【０００９】
本発明に係る光導波路基板の他の構成例は、基板上にコアおよびクラッドが形成された光導波路基板において、コアの一部が信号光の導波方向に向かって幅は徐々に増加し、高さは徐々に減少した第１のテーパ導波路と、この第１のテーパ導波路と信号光の導波方向に対向して配置され、コアの一部が信号光の導波方向に向かって幅は徐々に減少し、高さは徐々に増加した第２のテーパ導波路と第１のテーパ導波路と第２のテーパ導波路とを接続する第３の導波路とを備え、この第３の導波路には光学素子を挿入するスリットが設けられたことを特徴とする。この光導波路基板によれば、この光導波路基板を導波する信号光のスポットサイズは、第１のテーパ導波路で拡大され、その大きさのまま第３の導波路およびスリットを透過し、第２のテーパ導波路で拡大される前の大きさに戻される。
【００１０】
上記光導波路基板において、第１のテーパ導波路、第２のテーパ導波路および第３の導波路の底面を除く周囲のクラッド層はポリマー材から構成してもよい。この光導波路基板によれば、ポリマー材によりコアへの信号光の閉じ込めが強くなる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。
［実施の形態１］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光導波路基板１の構成を示す斜視図、図２は、第１の実施の形態に係る光導波路基板１に光学素子を挿入した図である。
図１に示すように、本実施の形態における光導波路基板１は、基板１１上に周囲をクラッド１２で覆われたクラッド１２よりも屈折率の高いコア１３が形成されている。
【００１２】
コア１３には、所定の箇所より幅および高さを徐々に減少させた形状のテーパ部１３ａ、所定の箇所より幅および高さを徐々に増加させた形状のテーパ部１３ｂおよびテーパ部１３ａとテーパ部１３ｂの間を接続する挿入部１３ｃが設けられている。この挿入部１３ｃには、図２に示すようなスリット１４が形成され、フィルタ等の光学素子１５が挿入される。
【００１３】
信号光がテーパ部１３ａからテーパ部１３ｂの方向に導波する場合、信号光のスポットサイズは、幅および高さを信号光の導波方向に減少させたテーパ部１３ａで拡大され、拡大された大きさで光学素子１５を透過し、幅および高さを信号光の導波方向に増加させたテーパ部１３ｂで縮小されて、再びテーパ部１３ａに進入する前の大きさに戻される。このように光導波路基板１は、信号光のスポットサイズを信号光が光学素子１５を通過する前に拡大させることにより、挿入部１３ｃと光学素子１５との接続部分での軸ずれおよび間隔ずれに対する許容誤差を緩和させることができるので、比屈折率差Δが大きくても接続損失の増加を防ぎことができる。この結果、光導波路基板の小型化も実現することが可能となる。実際、上述したスポットサイズの拡大および縮小を行うテーパ部１３ａ、１３ｂおよび挿入部１３ｃを含んだ全長は、２００μｍ〜２０００μｍで済み、これは光導波路全体のサイズを犠牲にしない長さである。
【００１４】
上述した光導波路基板１は、一般によく知られている製造方法、例えばフォトリソグラフィー法や火炎堆積法などにより簡便に作成することができる。このため、光学素子１５を挿入する場所のみ信号光のスポットサイズを変化させる光導波路基板１は、小型で接続損失が少ないのみならず、低コストかつ簡便に製造することができる。
【００１５】
なお、光学素子１５を挿入するスリット１４は、図２にはコア１３に直交するように形成されているが、コア１３に対して斜めに形成してもよい。このような構造にしても、上述したのと同様の効果を得ることができる。
また、スリット１４に挿入する光学素子１５は、フィルタ等の薄膜素子のみならず、用途によってはバルク状の素子でもよい。
【００１６】
［実施の形態２］
次に、図３を参照して、本発明の第２の実施の形態について説明する。図３は、第２の実施の形態に係る光導波路基板２の構成を示す斜視図である。なお、第２の実施の形態は、第１の実施の形態とクラッドの構成が異なるだけなので、同等の構成要素には同じ名称および符号を付して、説明を適宜省略する。
図３に示すように、本実施の形態における光導波路基板２は、基板１１上に下層クラッド１２ａが形成され、この下層クラッド１２ａ上に周囲を上層クラッド１２ｂで覆われたコア１３が形成されている。
【００１７】
本実施の形態の光導波路基板２は、上層クラッド１２ｂがポリマー部材、他の構成要素が通常の石英系部材から構成されている。ポリマー部材は、石英系部材と比較して屈折率の温度変化が大きく、一般に高温で低下し、低温で高くなる性質がある。よって、コア１３におけるスポットサイズの変換部の光の閉じ込めは、ポリマーの屈折率に依存し、高温で閉じ込めが強く、低温で弱くなる。このように、信号光の閉じ込めの弱い部分をポリマーで覆うことで、接続損失特性もしくは偏光特性に温度依存性を付与することができる。これにより、光導波路基板２は、第１の実施の形態で説明した効果に加えて、温度を変化させてポリマー部材から構成された上層クラッド１２ｂの屈折率を変化させることにより、さらに信号光の閉じ込めを強し、これによりさらなる小型化を実現することができる。
【００１８】
なお、本実施の形態においても、第１の実施の形態で説明したのと同等のスリットを設け、このスリットに光学素子を挿入することができる。また、光学素子を挿入するスリットは、第１の実施の形態と同様にコア１３に対して直交または斜めに形成することができる。
さらに、スリットに挿入する光学素子は、フィルタ等の薄膜素子のみならず、用途によってはバルク状の素子でもよい。
【００１９】
［実施の形態３］
次に、図４および図５を参照して、本発明の第３の実施の形態に係る光導波路基板３について説明する。図４は、第３の実施の形態に係る光導波路基板３の構成を示す斜視図、図５は、第３の実施の形態に係る光導波路基板３に光学素子を挿入した図である。なお、第３の実施の形態は、第１の実施の形態とコアの形状が異なるだけなので、同等の構成要素には同じ名称および符号を付して、説明を適宜省略する。
【００２０】
コア１６には、所定の箇所より幅を徐々に増加させかつ高さを徐々に減少させた形状のテーパ部７ａ、所定の箇所より幅を徐々に減少させかつ高さを徐々に増加させた形状のテーパ部１６ｂおよびテーパ部１６ａとテーパ部１６ｂの間を接続する挿入部１６ｃが設けられている。この挿入部１６ｃには、図５に示すようなスリット１４が形成され、フィルタ等の光学素子１５が挿入される。
【００２１】
コアを徐々に細くして信号光のしみ出しを大きくすることによりスポットサイズを大きくする場合、特に幅方向の光の閉じ込めは、製造過程におけるパターニングの要求精度が厳しいため、側面の形状の影響を受けやすく、光の閉じ込めを強くするのが困難である。しかし、図４に示すように、テーパ部１６ａで幅を徐々に増加させ、挿入部１６ｃを経て、テーパ部１６ｂで幅を徐々に減少させる構造をとることにより本実施の形態の光導波路基板３は、側面のパターン精度の影響を受けにくくなり、結果として信号光の閉じ込めを強くすることができる。
【００２２】
信号光がテーパ部１６ａからテーパ部１６ｂの方向に導波する場合、信号光のスポットサイズは、テーパ部１６ａで拡大され、拡大された大きさで光学素子１５を透過し、テーパ部１６ｂで縮小されて、再びテーパ部１６ａに進入する前の大きさに戻される。このように光導波路基板３は、信号光のスポットサイズを信号光が光学素子１５を通過する前に拡大させることにより、挿入部１６ｃと光学素子１５との接続部分での軸ずれおよび間隔ずれに対する許容誤差を緩和させることができるので、比屈折率差Δが大きくても接続損失の増加を防ぎことができる。この結果、光導波路基板の小型化も実現することが可能となる。実際、上述したスポットサイズの拡大および縮小を行うテーパ部１６ａ、１６ｂおよび挿入部１６ｃを含んだ全長は、２００μｍ〜２０００μｍで済み、これは光導波路全体のサイズを犠牲にしない長さである。
【００２３】
上述した光導波路基板３は、一般によく知られている製造方法、例えばフォトリソグラフィー法や火炎堆積法などにより簡便に作成することができる。このため、光学素子１５を挿入する場所のみ信号光のスポットサイズを変化させる光導波路基板３は、小型で接続損失が少ないのみならず、低コストかつ簡便に製造することができる。
【００２４】
なお、光学素子１５を挿入するスリット１４は、図５にはコア１６に直交するように形成されているが、コア１６に対して斜めに形成してもよい。このような構造にしても、上述したのと同様の効果を得ることができる。
また、スリット１４に挿入する光学素子１５は、フィルタ等の薄膜素子のみならず、用途によってはバルク状の素子でもよい。
【００２５】
［実施の形態４］
次に、図６を参照して、本発明の第４の実施の形態について説明する。図６は、第４の実施の形態に係る光導波路基板４の構成を示す斜視図である。なお、第４の実施の形態は、第３の実施の形態をクラッドの構成が異なるだけなので、同等の構成要素には同じ名称および符号を付して、説明を適宜省略する。
図６に示すように、本実施の形態における光導波路基板４は、基板１１上に下層クラッド１２ａが形成され、この下層クラッド１２ａ上に周囲を上層クラッド１２ｂで覆われたコア１６が形成されている。
【００２６】
本実施の形態の光導波路基板４は、上層クラッド１２ｂがポリマー部材、他の構成要素が通常の石英系部材から構成されている。ポリマー部材は、石英系部材と比較して屈折率の温度変化が大きく、一般に高温で低下し、低温で高くなる性質がある。よって、コア１６におけるスポットサイズの変換部の光の閉じ込めは、ポリマーの屈折率に依存し、高温で閉じ込めが強く、低温で弱くなる。このように、信号光の閉じ込めの弱い部分をポリマーで覆うことで、接続損失特性もしくは偏光特性に温度依存性を付与することができる。これにより、光導波路基板４は、第３の実施の形態で説明した効果に加えて、温度を変化させてポリマー部材から構成された上層クラッド１２ｂの屈折率を変化させることにより、さらに信号光の閉じ込めを強し、これによりさらなる小型化を実現することができる。
【００２７】
なお、本実施の形態においても、第３の実施の形態で説明したのと同等のスリットを設け、このスリットに光学素子を挿入することができる。また、光学素子を挿入するスリットは、第３の実施の形態と同様にコア１６に対して直交または斜めに形成することができる。
さらに、スリットに挿入する光学素子は、フィルタ等の薄膜素子のみならず、用途によってはバルク状の素子でもよい。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の光導波路基板は、コアの一部が信号光の導波方向に向かって幅および高さが徐々に減少した第１のテーパ導波路と、この第１のテーパ導波路と信号光の導波方向に対向して配置され、コアの一部が信号光の導波方向に向かって幅および高さが徐々に増加した第２のテーパ導波路と第１のテーパ導波路と第２のテーパ導波路とを接続しかつスリットが設けられた第３の導波路とを備えることにより、信号光のスポットサイズを、スリットに挿入された光学素子を通過する前に拡大してコアと光学素子の接続部分での軸ずれおよび間隔ずれに対する許容誤差を緩和するので、接続損失の増加を抑制することができ、結果として小型化を実現することができる。
また、コアの底面を除く周囲を被覆するクラッド層をポリマー材から構成することにより、コアへの信号光の閉じ込めを強くし、結果として小型化を図ることができる。
【００２９】
本発明の光導波路基板の他の構成例は、コアの一部が信号光の導波方向に向かって幅は徐々に増加し、高さは徐々に減少した第１のテーパ導波路と、この第１のテーパ導波路と信号光の導波方向に対向して配置され、コアの一部が信号光の導波方向に向かって幅は徐々に減少し、高さは徐々に増加した第２のテーパ導波路と第１のテーパ導波路と第２のテーパ導波路とを接続しかつスリットが設けられた第３の導波路とを備えることにより、信号光のスポットサイズを、スリットに挿入された光学素子を通過する前に拡大してコアと光学素子の接続部分での軸ずれおよび間隔ずれに対する許容誤差を緩和するので、接続損失の増加を抑制することができ、なおかつ第１のテーパ導波路で幅を徐々に増加させ、第３の導波路を経て、第２のテーパ導波路で幅を徐々に減少させる構造をとることにより本実施の形態の光導波路基板３は、側面のパターン精度の影響を受けにくくなり、結果として信号光の閉じ込めを強くすることができるので、結果として小型化を実現することができる。
また、コアの底面を除く周囲を被覆するクラッド層をポリマー材から構成することにより、コアへの信号光の閉じ込めを強くし、結果として小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る光導波路基板１の構成を示す斜視図である。
【図２】第１の実施の形態に係る光導波路基板１に光学素子を挿入した図である。
【図３】第２の実施の形態に係る光導波路基板２の構成を示す斜視図である。
【図４】第３の実施の形態に係る光導波路基板３の構成を示す斜視図である。
【図５】第３の実施の形態に係る光導波路基板３に光学素子を挿入した図である。
【図６】第４の実施の形態に係る光導波路基板４の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１，２，３，４…光導波路基板、１１…基板、１２…クラッド、１２ａ…下層クラッド、１２ｂ…上層クラッド、１３…コア、１３ａ，１３ｂ，１６ａ，１６ｂ…テーパ部、１３ｃ，１６ｃ…挿入部、１４…スリット、１５…光学素子。

Claims

基板上にコアおよびクラッドが形成された光導波路基板において、
前記コアが、
信号光の導波方向に向かって幅は徐々に増加し、高さは徐々に減少し、前記信号光のスポットサイズを拡大する第１のテーパ部と、
信号光の導波方向に前記第１のテーパ部と対向して配置され、信号光の導波方向に向かって幅は徐々に減少し、高さは徐々に増加し、前記信号光のスポットサイズを縮小する第２のテーパ部と、
前記第１のテーパ部と前記第２のテーパ部とを幅が広く高さが低い側で接続する挿入部とを備え、
前記第１のテーパ部の前記挿入部との接合面と、前記挿入部の前記導波方向に垂直な断面と、前記第２のテーパ部の前記挿入部との接合面とが合同であり、
この挿入部には光学素子を挿入するスリットが設けられたことを特徴とする光導波路基板。
請求項１記載の光導波路基板において、
前記第１のテーパ部、前記第２のテーパ部および前記挿入部の底面を除く周囲のクラッド層はポリマー材から構成されることを特徴とする光導波路基板。