JP4518987B2 - 光導波路素子 - Google Patents
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Description
このような光導波路素子では、ほとんどの光は導波路に沿って伝搬するが、一部は漏れ出し、放射損失光となる。特に、導波路の湾曲部分や分岐部分では、放射損失光が多くなる。
このような問題を解決する方法として、特許文献1の方法などが提案されている。特許文献1の発明では、導波路からの放射損失光によるクロストーク悪化を防止するために、信号光の伝搬経路にあたらないクラッド部が所望の厚みに除去されており、当該部位に放射損失光に対する光吸収層が付着せしめられている。また、石英系光導波路に対する吸収材料の一例として、カーボン粉末を含むシリコン樹脂を挙げている。しかし、この技術の場合、光吸収による光吸収層の発熱により、導波路のコアとクラッドの屈折率が変化し、光を閉じ込める状態が変化するため、導波路の損失増加などが懸念される。また、吸収層の材料によっては光吸収により電流や電位差が生じ、導波路や導波路型デバイスの性能を劣化させる恐れがある。
導波路内を伝搬する光の強度が最大となる光導波路の中心の光導波路素子の表面からの距離をb、前記導波路の中心の深度で光導波路素子表面と平行に伝搬し、放射側面から放射する光が放射側面と対向するクラッド層除去部の側面である再入射側面に入射する点との光導波路素子表面に平行方向の距離をa、光導波路素子の表面の法線とクラッド層除去部の放射損失光が放射する放射側面の法線とのなす角をθ1、光導波路素子表面の法線と再入射側面の法線とがなす角をθ2、放射損失光の放射側面106での入射角をθ_out、放射側面106から放射する際の角度をθ_out’、再入射側面107への入射角をθ_in、クラッド層の屈折率をnとすると、a、θ1、θ2の条件は、
θ1>90°−sin−1(1/n)
かつ、
b・cosθ_out’/cosθ_out<(b・sinθ_out’/cosθ_out
+a/cos(θ_out’−θ_out))tan2θ_in
ただし、
sinθ_out’=n・sinθ_out
θ_out=90°−θ1
θ_in+θ_out’−θ_out=90°−θ2
である。
d・tan(θ1−45°)
<a−(d−b)/tanθ1+(b+e)/tanθ2
ただし、
e=a・tan(θ_out’−θ_out)
を満たすように構成する。
図4に本発明のクラッド層除去部を形成した光導波路素子の鳥瞰図を示す。クラッド層除去部105は、光導波路素子100の表面である光導波路素子表面108と平行に伝搬する放射損失光が放射する放射側面106と、放射側面に対向する再入射側面107と、クラッド層除去部の底である底面109とを有する。放射側面106と光導波路素子表面108との交線をA、放射側面106と底面109との交線をB、再入射側面107と底面109との交線をC、再入射側面107と光導波路素子表面108との交線をDとする。図1を用いて説明したように、導波路101の湾曲部では放射損失光が発生する。この放射損失光のうち、光導波路素子100の表面と平行に伝搬する光が、他の導波路に入射し、クロストークの問題が生じる。一方、光導波路素子100の表面と平行ではない光は、他の導波路に入射され難いため、クロストークの問題は生じない。そこで、以下では、光導波路素子100の表面と平行に伝搬する放射損失光の除去方法について検討する。クラッド層除去部105は、少なくとも導波路の中心(光強度が最大となる位置)以上の深さを有する窪みである。クラッド層除去部105は、放射損失光を光導波路素子100の外部に放出させる構造を有している。具体的な構造上の条件は、以下で検討する。このようなクラッド層除去部を光導波路素子の放射損失光が生じやすい場所に形成することで、放射損失光によるクロストークの問題を解決することができる。図5は、2つの導波路が集積化された光導波路素子の平面図である。クラッド層除去部115−1、115−2が、クロストークを防止するために必要な位置に形成されている。
θ_out<sin−1(1/n)
を満足する必要がある。石英系の光導波路素子の場合であれば、臨界角は40°程度である。しかし、InP系ハイデルタ導波路のクラッド層としてInPを用いた場合、1550nmの光に対する屈折率が3.167であり、臨界角が18.4°となるため、θ_outは0に近い値が望ましい。また、θ_out=90°−θ1であるから、θ1が満足しなければならない条件は
θ1>90°−sin−1(1/n) (1)
となる。
b・cosθ_out’/cosθ_out<(b・sinθ_out’/cosθ_out
+a/cos(θ_out’−θ_out))tan2θ_in (2)
ただし、
sinθ_out’=n・sinθ_out
θ_out=90°−θ1
θ_in+θ_out’−θ_out=90°−θ2
の関係を満足しなければならない。
なお、クラッド層除去部105の深さdは、放射損失光の導波路への再結合効率を小さくするために、導波路の中心よりもモードフィールド径を足した値以上とすることが望ましい。
さらに、再入射側面107に反射膜を形成し、放射損失光の光導波路素子100への再入射を防いでも良い。また、反射膜を形成しなくても、θ2を90°よりも十分小さくしておけば、再入射側面107から再入射した放射損失光は、光導波路素子表面108と平行方向には伝搬せず、光導波路素子100の内部に伝搬するので、クロストークの問題は解決できる。
第1実施形態の放射側面106に反射防止膜を形成することで、放射側面106での反射光によるクロストークを軽減できる。しかし、放射側面106に反射防止膜を形成するためには、製造上の制限を考慮する必要がある。たとえば、反射防止膜としてイオンビームスパッタ法により誘電体多層膜を形成する場合、安定的な成膜のためには、成膜面への原材料イオン入射角度は45°以下であることが必要である。この条件を、図8を用いて説明する。
原材料イオン入射角度45°を確保するためには、交線Bから放射側面106と45°をなす平面が、再入射側面107と交差しないことが必要であり、
導波路の中心の深さbと点Qとの深さの差をeとして、a、θ1、θ2とが満足しなければならない条件を式であらわすと、
d・tan(θ1−45°)
<a−(d−b)/tanθ1+(b+e)/tanθ2 (3)
ただし、
e=a・tan(θ_out’−θ_out)
となる。
式(3)の条件を満足するクラッド層除去部105であれば、放射側面106に反射防止膜を形成することができる。
第1実施形態では、光導波路素子表面108の法線と放射側面106の法線とのなす角をθ1としたが、θ1=90°とした場合について、本実施形態では説明する。第1実施形態で示した式(1)と(2)の条件にθ1=90°をあてはめる。式(1)は常に成立する。また、θ_out= θ_out’=0°、e=0であり0である。まず式(2)は、以下のように変形できる。
b<a・tan2θ_in
ただし、θ_in=90°−θ2
この式をθ2について解くと、
θ2<90°−(tan−1(b/a))/2 (4)
となる。また、本実施形態の場合には、放射側面106での反射光は、光導波路素子表面108と平行方向に伝搬するため、クロストークを生じやすい。したがって、本実施形態の場合には、放射側面106には反射防止膜を形成すべきである。そこで、式(3)についてもθ1=90°をあてはめると、
d<a+b/tanθ2
となり、この式をθ2について解くと、
θ2<tan−1(b/(d−a)) (5)
となる。
Claims (4)
- 表面にクラッド層を備え、前記クラッド層の一部に形成された導波路から漏れた放射損失光を除去するために前記クラッド層の一部を除去したクラッド層除去部を有する光導波路素子において、
前記導波路内を伝搬する光の強度が最大となる前記導波路の中心の光導波路素子の表面との距離をb、前記導波路の中心の深度で光導波路素子表面と平行に伝搬した光が、放射側面から放射する点と、当該放射側面と対向するクラッド層除去部の側面である再入射側面に当該光が入射する点との光導波路素子表面に平行方向の距離をa、前記クラッド層除去部の深さをd、前記光導波路素子の表面の法線と前記放射側面の法線とのなす角をθ1、前記光導波路素子表面の法線と前記再入射側面の法線とがなす角をθ2、放射損失光の前記放射側面での入射角をθ_out、前記放射側面から放射する際の角度をθ_out’、前記再入射側面への入射角をθ_in、前記クラッド層の屈折率をnとし、a、θ1、θ2が、
θ1>90°−sin−1(1/n)
かつ、
b・cosθ_out’/cosθ_out<(b・sinθ_out’/cosθ_out
+a/cos(θ_out’−θ_out))tan2θ_in
d>b
ただし、
sinθ_out’=n・sinθ_out
θ_out=90°−θ1
θ_in+θ_out’−θ_out=90°−θ2
を満たす構造を有する前記クラッド層除去部
を備えた光導波路素子。 - 請求項1記載の光導波路素子において、
クラッド層除去部の深さをdとすると、
d・tan(θ1−45°)
<a−(d−b)/tanθ1+(b+e)/tanθ2
ただし、
e=a・tan(θ_out’−θ_out)
を満たし、
クラッド層除去部の放射損失光が放射する側面に、反射防止膜が形成されたこと
を特徴とする光導波路素子。 - 表面にクラッド層を備え、前記クラッド層の一部に形成された導波路から漏れた放射損失光を除去するために前記クラッド層の一部を除去したクラッド層除去部を有する光導波路素子において、
前記導波路内を伝搬する光の強度が最大となる前記導波路の中心の光導波路素子の表面との距離をb、前記導波路の中心の深度での、放射損失光が放射する放射側面と、当該放射側面と対向するクラッド層除去部の側面である再入射側面との距離をa、前記光導波路素子の表面の法線と前記放射側面の法線とのなす角を90°、前記光導波路素子表面の法線と前記再入射側面の法線とがなす角をθ2、前記再入射側面への入射角をθ_in、前記
クラッド層除去部の深さをd、前記クラッド層の屈折率をnとし、aとθ2が、
θ2<90°−(tan−1(b/a))/2
かつ
θ2<tan−1(b/(d−a))
d>b
を満たし、
クラッド層除去部の放射損失光が放射する側面に、反射防止膜が形成されたこと
を特徴とする光導波路素子。 - 請求項1から3のいずれかに記載の光導波路素子において、
前記再入射側面に反射膜が形成されたこと
を特徴とする光導波路素子。
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