[go: up one dir, main page]

JP2008281639A - Optical deflection element, optical deflection module, optical switch module, and optical deflection method - Google Patents

Optical deflection element, optical deflection module, optical switch module, and optical deflection method Download PDF

Info

Publication number
JP2008281639A
JP2008281639A JP2007123631A JP2007123631A JP2008281639A JP 2008281639 A JP2008281639 A JP 2008281639A JP 2007123631 A JP2007123631 A JP 2007123631A JP 2007123631 A JP2007123631 A JP 2007123631A JP 2008281639 A JP2008281639 A JP 2008281639A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
waveguide
optical
channel
array
refractive index
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2007123631A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Shuichi Suzuki
修一 鈴木
Atsushi Sakai
篤 坂井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ricoh Co Ltd filed Critical Ricoh Co Ltd
Priority to JP2007123631A priority Critical patent/JP2008281639A/en
Publication of JP2008281639A publication Critical patent/JP2008281639A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

【課題】高速動作および大規模なマルチチャネルスイッチングが可能であり、かつ製作が容易な微小な光偏向素子の提供。
【解決手段】入力チャネル導波路0001と、入力スラブ導波路0002と、第1導波路アレイ0005及び光路長が等しい第2導波路アレイ0006と、出力スラブ導波路0004とが順次接続された光偏向素子であって、第2導波路アレイ0006は、異なった長さの屈折率変調領域0007を備え、第2導波路アレイ0006のチャネル導波路のコア幅が,第1導波路アレイ0005のチャネル導波路のコア幅よりも広い光偏向素子。
【選択図】図1
Provided is a small optical deflection element that can be operated at high speed and can perform large-scale multi-channel switching and can be easily manufactured.
An optical deflection in which an input channel waveguide 0001, an input slab waveguide 0002, a first waveguide array 0005, a second waveguide array 0006 having the same optical path length, and an output slab waveguide 0004 are sequentially connected. The second waveguide array 0006 includes refractive index modulation regions 0007 having different lengths, and the core width of the channel waveguide of the second waveguide array 0006 is equal to the channel guide of the first waveguide array 0005. An optical deflection element wider than the core width of the waveguide.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、光偏向素子、光偏向モジュール及び光スイッチモジュール、並びに光偏向方法に関する。   The present invention relates to an optical deflection element, an optical deflection module, an optical switch module, and an optical deflection method.

光通信システムの大容量化、高速化ならびに高機能化に対する要求が急激に高まっており、このような、光通信システムに用いられる光信号処理デバイスとして、光信号の伝送経路を切り替える光スイッチが不可欠である。1つのポートから入力された光を複数(N個)の出力ポートの中から所望のポートへ出力させる1×N型のマルチチャネルスイッチング素子において、光通信システムの大容量化から、スイッチング可能なチャネル数増大への要求が増加している。   The demand for higher capacity, higher speed, and higher functionality of optical communication systems is increasing rapidly, and as such an optical signal processing device used in an optical communication system, an optical switch that switches an optical signal transmission path is indispensable. It is. In a 1 × N type multi-channel switching element that outputs light input from one port to a desired port from among a plurality (N) of output ports, a channel that can be switched from an increase in capacity of an optical communication system The demand for increasing numbers is increasing.

1×N型光スイッチ素子として、MEMS(Micro Electro Mechanical System)と呼ばれるマイクロマシン技術を用いた光スイッチや、導波路交差部分に導波路と等しい屈折率を有するオイルを充填しておき、加熱により気泡を発生させ、交差部分での光の反射を発生させることにより光路を切り替える光スイッチ等も開発されているが、これらのデバイスにおけるスイッチング時間はミリ秒程度と遅く、すなわち経路切り替えの速度が遅いという問題がある。ネットワークにおける高速化は更に進んでおり、高速な光スイッチが切望されている。   As a 1 × N type optical switch element, an optical switch using a micromachine technology called MEMS (Micro Electro Mechanical System), or an oil having a refractive index equal to that of the waveguide is filled at the intersection of the waveguide, and bubbles are formed by heating. Optical switches that switch the optical paths by generating light and reflecting light at intersections have been developed, but the switching time in these devices is as slow as about milliseconds, that is, the path switching speed is slow There's a problem. The speeding up of the network is further advanced, and a high-speed optical switch is desired.

高速に屈折率を変化させる方法として、電気光学効果を利用した方式(電気光学効果方式)がある。LiNbO(LNと略称される。)やLiTaO(LTと略称される。)に代表されるような電気光学結晶材料は電圧の印加に対する応答速度が極めて速く、フェムト秒(fs)程度の電界変化にも瞬時に応答する。この電気光学効果による屈折率変調を利用することによりナノ秒(ns)オーダーの極短時間で光の経路切り替えが可能である。すなわち、極めて高速に駆動する光スイッチが実現される。 As a method of changing the refractive index at high speed, there is a method using an electro-optic effect (electro-optic effect method). Electro-optical crystal materials such as LiNbO 3 (abbreviated as LN) and LiTaO 3 (abbreviated as LT) have an extremely fast response speed to voltage application, and an electric field of about femtosecond (fs). Responds instantly to changes. By utilizing the refractive index modulation by the electro-optic effect, it is possible to switch the light path in an extremely short time on the order of nanoseconds (ns). That is, an optical switch that is driven at a very high speed is realized.

しかし、バルク結晶を用いる電気光学光スイッチング素子はサイズが大きくなり、またスイッチングに要求される電圧も高く、大容量の超高速スイッチには適さない。超高速スイッチング素子として一般的なのは導波路型光スイッチ素子である。例えば、特許文献1においては、PLZT((Pb,La)(Zr,Ti)O)薄膜をパターニングしたY分岐導波路の片側のアームにのみ、薄膜の上下から電圧を印加することで屈折率変調を与え、所望のアームにのみ光を出力させることによる1×2型スイッチが報告されている。また、特許文献2おいては、KTN(KTa1−xNb)が有する巨大な2次の電気光学効果(カー効果)を利用して、マッハ・ツェンダ干渉型デバイスによる2×2型スイッチが報告されている。 However, an electro-optic optical switching element using a bulk crystal is large in size and has a high voltage required for switching, and is not suitable for a large-capacity ultrahigh-speed switch. A waveguide type optical switch element is generally used as an ultrafast switching element. For example, in Patent Document 1, a refractive index is applied by applying a voltage from above and below the thin film only to one arm of a Y-branch waveguide in which a PLZT ((Pb, La) (Zr, Ti) O 3 ) thin film is patterned. A 1 × 2 type switch has been reported that provides modulation and outputs light only to the desired arm. Further, in Patent Document 2, a 2 × 2 type using a Mach-Zehnder interference type device is utilized by utilizing a huge second-order electro-optic effect (Kerr effect) possessed by KTN (KTa 1-x Nb x O 3 ). A switch has been reported.

しかしながら、大規模なマトリクススイッチ等、スイッチングの大容量化のためには、上記の1×2型あるいは2×2型スイッチング素子を多段に接続して分岐を増やす必要がある。例えば、8チャネル程度のスイッチング素子(1×8スイッチ素子)については基本要素である1×2スイッチ素子を用いた場合、3段接続すれば可能であり、基本要素の数は7個であるが、チャネル数が増加し、256チャネルのスイッチング素子を実現するためには基本要素の1×2スイッチ素子を8段接続する必要があり、必要な基本要素の数も255個と非常に多くなる。現状では、一つの基本要素の素子長は数mm程度であり、大規模なマルチチャネルスイッチを構成する際には素子面積が非常に大きくなる。また、出力ポートの切り替えのためには、各基本要素についてそれぞれ独立に電圧を印加する必要があり、導波路型スイッチ素子によって大規模な1×Nスイッチング素子を実現するのが困難である。   However, in order to increase the switching capacity of a large-scale matrix switch or the like, it is necessary to increase the number of branches by connecting the above 1 × 2 type or 2 × 2 type switching elements in multiple stages. For example, when a switching element (1 × 8 switch element) of about 8 channels is used, if a basic element 1 × 2 switch element is used, it can be connected in three stages, and the number of basic elements is seven. In order to increase the number of channels and realize a 256-channel switching element, it is necessary to connect the basic element 1 × 2 switch elements in eight stages, and the number of necessary basic elements is as large as 255. At present, the element length of one basic element is about several millimeters, and the element area becomes very large when configuring a large-scale multi-channel switch. Further, in order to switch the output port, it is necessary to independently apply a voltage to each basic element, and it is difficult to realize a large-scale 1 × N switching element by the waveguide type switching element.

電気光学効果による高速な屈折率変調を利用したスイッチング素子の他の例として、特許文献3においては、電気光学効果でスラブ光導波路内にプリズムを生じさせ、印加電圧制御により任意の方向にビームを偏向させることによって経路切り替えを行う光スイッチ素子が報告されている。この方式はスイッチ素子の集積化が容易であり、原理的には大規模なマルチチャネルスイッチを構成することが可能である。   As another example of the switching element using high-speed refractive index modulation by the electro-optic effect, in Patent Document 3, a prism is generated in the slab optical waveguide by the electro-optic effect, and the beam is directed in an arbitrary direction by controlling the applied voltage. An optical switch element that switches paths by deflecting has been reported. This method allows easy integration of switch elements, and in principle it is possible to configure a large-scale multi-channel switch.

しかし、電気光学効果による小さな屈折率変化量を利用するため、光ビームの偏向角が小さい。したがって大規模なマルチチャネルスイッチにおいてポートを切り替えるためには、導波路内の伝搬長を100mm程度まで長くする必要があり素子面積が大きくなる。さらに偏向された光ビームは横方向の閉じ込めがないままスラブ導波路内を長距離伝搬するため、導波路材料内の不純物や屈折率の不均一性によるビーム広がりや散乱等の影響を受け易い。以上の問題より、屈折率変調によるプリズム効果を利用した方式でも大規模な1×Nスイッチング素子を実現するのが困難である。   However, since a small change in refractive index due to the electro-optic effect is used, the deflection angle of the light beam is small. Therefore, in order to switch ports in a large-scale multichannel switch, it is necessary to increase the propagation length in the waveguide to about 100 mm, which increases the element area. Further, since the deflected light beam propagates in the slab waveguide for a long distance without being confined in the lateral direction, the deflected light beam is easily affected by the beam spread and scattering due to the impurities in the waveguide material and the nonuniformity of the refractive index. Due to the above problems, it is difficult to realize a large-scale 1 × N switching element even in a system using the prism effect by refractive index modulation.

上述のように、1×2型あるいは2×2型スイッチング素子を利用した光偏向素子において、100ポートを越えるような大規模なマルチチャネルスイッチング(1×Nスイッチング)動作と超高速な経路切り替えとを同時に実現することは困難である。   As described above, in an optical deflection element using a 1 × 2 type or 2 × 2 type switching element, a large-scale multi-channel switching (1 × N switching) operation exceeding 100 ports and ultra-high-speed path switching It is difficult to realize these simultaneously.

これに対し、特許文献4においては、アレイ導波路回折格子(AWG:Arrayed Waveguide Grating)型波長分波器を応用した、波長チャネルを切り替えるスイッチング素子が提案されている。AWG型分波器は、少なくとも1つの入力ポートに対して分波する波長チャネルに応じた複数の出力ポートをもつ。波長多重された光は、それぞれの波長に応じて対応する出力ポートに分波される。ここで、ある波長信号がどの出力ポートから出力されるかは、AWG素子内のアレイ導波路における隣接導波路間の光路長差に依存する。したがって、熱光学効果や電気光学効果等によって導波路に屈折率変調を施すことにより、上記の光路長差を変化させ、出力ポートを変化させることが可能になる。AWGは複数の出力ポートを有することから、1×Nの大規模なマルチチャネルスイッチング素子の候補として魅力的である。   On the other hand, Patent Document 4 proposes a switching element that switches a wavelength channel using an arrayed waveguide grating (AWG) type wavelength demultiplexer. The AWG duplexer has a plurality of output ports corresponding to wavelength channels to be demultiplexed with respect to at least one input port. The wavelength-multiplexed light is demultiplexed to the corresponding output port according to each wavelength. Here, the output port from which a certain wavelength signal is output depends on the optical path length difference between adjacent waveguides in the arrayed waveguide in the AWG element. Therefore, by applying refractive index modulation to the waveguide by the thermo-optic effect, the electro-optic effect, etc., it becomes possible to change the optical path length difference and change the output port. Since AWG has a plurality of output ports, it is attractive as a candidate for a 1 × N large-scale multi-channel switching element.

AWGを利用したマルチチャネルスイッチングデバイスにおいては、必然的に多くの光導波路を集積化することが要求される。ここで光通信用デバイスに用いられている光回路として、石英系の素材からなる平面光波回路(Planar Lightwave Circuit:PLC)が広く使用されており、これまでに提案されている光スイッチングデバイスにおける光導波路の比屈折率差は、PLCを構成する石英系光導波路の比屈折率差と同程度であることが多い。比屈折率差はコアの屈折率をncore,クラッドの屈折率をncladとしたときに、比屈折率差Δ=(ncore −nclad )/(2ncore )で定義されるパラメータである。石英系導波路は、光ファイバからの光を高効率で導波路に結合させるため、通常はコアとクラッドの比屈折率差が1%程度と小さい。したがって単一モード条件を満たすための導波路の断面寸法を5〜10μm角程度と大きくしなければならない。さらに、導波路を曲げて伝搬方向を変化させる際の曲率半径が1〜25mmと大きくせざるを得ず、このためデバイスサイズを小さくできず、高密度な光回路の集積化に適さない。同様に、PLCと同程度の比屈折率差をもつ導波路型スイッチング素子を集積化して大規模なマルチチャネルスイッチングを実現する際においても、デバイスサイズが非常に大きくなってしまう。 In a multi-channel switching device using AWG, it is inevitably required to integrate many optical waveguides. Here, as an optical circuit used in an optical communication device, a planar lightwave circuit (PLC) made of a quartz-based material is widely used, and the optical waveguide in the optical switching device proposed so far is used. The relative refractive index difference of the waveguide is often about the same as the relative refractive index difference of the silica-based optical waveguide constituting the PLC. The relative refractive index difference is defined by the relative refractive index difference Δ = (n core 2 −n clad 2 ) / (2n core 2 ) where n core is the core refractive index and n clad is the cladding refractive index. It is a parameter. Since the silica-based waveguide couples light from the optical fiber to the waveguide with high efficiency, the relative refractive index difference between the core and the clad is usually as small as about 1%. Therefore, the cross-sectional dimension of the waveguide for satisfying the single mode condition must be increased to about 5 to 10 μm square. Furthermore, the radius of curvature when the waveguide is bent to change the propagation direction must be increased to 1 to 25 mm. Therefore, the device size cannot be reduced and is not suitable for integration of high-density optical circuits. Similarly, when a large-scale multi-channel switching is realized by integrating waveguide switching elements having a relative refractive index difference comparable to that of a PLC, the device size becomes very large.

特許文献4ではLNをアレイ導波路の構成材料としたスイッチング素子も提案されているが、スイッチングに十分な光路長の変化を与えるために、直線導波路を構成要素とする導波路アレイを挿入している。これはLNが有する電気光学効果による屈折率変化が小さく、有意の光路長変化を得るためには10mm以上の比較的長い伝搬距離が必要であることに起因する。また特許文献4で使用されているLN導波路は、TiをLN内部に熱拡散することによりチャネル型の光閉じ込めを実現しているが、その光閉じ込めの強さはPLCと比較しても非常に弱く、したがって導波路の曲がりに弱い。そこで曲がりを含むアレイ部分にはPLC導波路素子を用い、LNによる直線導波路アレイとのハイブリッド接続によって素子を構成している。   Patent Document 4 proposes a switching element using LN as a constituent material of an arrayed waveguide. However, in order to change the optical path length sufficient for switching, a waveguide array having a linear waveguide as a constituent element is inserted. ing. This is because the change in refractive index due to the electro-optic effect of LN is small, and a relatively long propagation distance of 10 mm or more is necessary to obtain a significant change in optical path length. The LN waveguide used in Patent Document 4 realizes channel-type optical confinement by thermally diffusing Ti inside the LN, but its optical confinement strength is very high compared to the PLC. Therefore, it is weak to the bending of the waveguide. Therefore, a PLC waveguide element is used for the array portion including the bend, and the element is configured by hybrid connection with a linear waveguide array using LN.

一方、PLC導波路に対して、従来の石英系材料と比べて非常に高い屈折率をもつ材料を光導波路のコアとして用いた、微小な光制御デバイスが研究されている。例えば屈折率3以上を有する半導体材料や屈折率2程度の誘電体材料をコアとし、さらにクラッドを空気とすることで、40%程度以上の比屈折率差を実現できる。これにより一般的な石英系PLCデバイスと比較してデバイスサイズを飛躍的に微小化できる。具体的には、無損失で伝搬可能な導波路の曲げ半径は数μmとなり,これは従来の石英系導波路の約1000分の1以下の大きさである。このように、従来の全反射型光導波路と比較して比屈折率差を極めて高く、具体的には10%程度以上としたような光導波路を超高屈折率差(HIC:High Index Contrast)導波路と呼ばれている。   On the other hand, a minute light control device using a material having a very high refractive index as a core of an optical waveguide for a PLC waveguide has been studied. For example, a relative refractive index difference of about 40% or more can be realized by using a semiconductor material having a refractive index of 3 or more or a dielectric material having a refractive index of about 2 as a core and a cladding as air. Thereby, the device size can be drastically reduced as compared with a general quartz-based PLC device. Specifically, the bending radius of a waveguide that can propagate without loss is several μm, which is about 1/1000 or less that of a conventional silica-based waveguide. In this way, an optical waveguide having an extremely high relative refractive index difference as compared with a conventional total reflection type optical waveguide, specifically, an optical waveguide having a high index difference (HIC) of about 10% or more is used. It is called a waveguide.

HIC導波路を構成するコア材料として代表的なものはシリコンである。シリコンは光通信に用いられる波長1550nm帯の光に対して透明であり、その屈折率は3.5程度と極めて高い。シリコンは元々大きい熱光学効果を有するが、さらにコアが微小化されることから微小領域を加熱するのみで屈折率変調が可能となるため、素子のスイッチングに必要な消費電力が従来のPLC導波路と比較して極めて小さくて済む。   A typical core material constituting the HIC waveguide is silicon. Silicon is transparent to light in the wavelength 1550 nm band used for optical communication, and its refractive index is as high as about 3.5. Silicon originally has a large thermo-optic effect, but since the core is further miniaturized, refractive index modulation is possible only by heating a small region, so that the power consumption required for switching the element is reduced by the conventional PLC waveguide. Compared to, it is extremely small.

その他にも、フリーキャリアのプラズマ分散効果を利用した高速な光変調も可能になりつつある。また、LNやLT、KTNのような電気光学結晶材料やPLZTのようなセラミックス材料はその屈折率が2.0以上と大きく、HIC導波路のコア材料として好適である。電気光学材料をチャネル形状に加工し、その周囲を低屈折率のクラッドで囲むことによりHIC光導波路が構成できることが知られている。
特開2006−58837号公報 WO2004−083953号公報 特開2006−194993号公報 特許第3053294号公報
In addition, high-speed light modulation using the plasma dispersion effect of free carriers is becoming possible. In addition, an electro-optic crystal material such as LN, LT, or KTN, or a ceramic material such as PLZT has a large refractive index of 2.0 or more, and is suitable as a core material for an HIC waveguide. It is known that an HIC optical waveguide can be formed by processing an electro-optical material into a channel shape and surrounding the periphery with a low refractive index clad.
JP 2006-58837 A WO 2004-083953 JP 2006-194993 A Japanese Patent No. 3053294

特許文献4におけるスイッチング素子の構成では、PLCによる素子の長大化に加えて、異種導波路を接続する際の光軸のトレランスが少なく、接続の微調整等が難しく、更に接続部において過剰損失が生じ易いという問題点がある。すなわち、スイッチング素子の製作コストの増大や、スイッチングに伴う過剰損失の増大といった問題点がある。   In the configuration of the switching element in Patent Document 4, in addition to the lengthening of the element due to the PLC, the tolerance of the optical axis when connecting different types of waveguides is small, and it is difficult to finely adjust the connection, and there is an excess loss at the connection part. There is a problem that it is likely to occur. That is, there are problems such as an increase in manufacturing cost of the switching element and an increase in excess loss due to switching.

HIC導波路は伝搬モード径が小さく、光ファイバからの伝搬光や空間伝搬光等を高効率で導波路内に導くことが1つの課題となっている。この課題を解決するいくつかの方法があるが、本発明者らは、例えば、空間伝搬してきた光を高効率でHIC導波路に導く方法を見いだしている。すなわち、高NAを有するレンズを、光の伝搬方向とは平行ではない光軸方向に適切に配置することによって、HIC導波路の出力端面に光を集光することを可能としている。   The HIC waveguide has a small propagation mode diameter, and one of the problems is to guide the propagation light from the optical fiber and the spatial propagation light into the waveguide with high efficiency. There are several methods for solving this problem. For example, the present inventors have found a method for guiding light that has been spatially propagated to the HIC waveguide with high efficiency. That is, by appropriately disposing a lens having a high NA in the optical axis direction that is not parallel to the light propagation direction, light can be collected on the output end face of the HIC waveguide.

さらに、チャネル形状の電気光学材料への電界形成方法を見いだしている。電気光学材料によるHIC導波路がそのコアへの強い光閉じ込めを可能にすることを利用して、電界を形成するための電極をコアに接近して配置することを可能としている。したがって、材料の屈折率を変調する際の駆動電圧を低くすることができる。このように電気光学材料によるHIC光導波路をスイッチング素子の基本配線とすることによって、素子の高密度集積化および低電圧スイッチング動作が可能となる。   Further, a method for forming an electric field on a channel-shaped electro-optic material has been found. Utilizing the fact that the HIC waveguide by the electro-optic material enables strong optical confinement to the core, it is possible to place an electrode for forming an electric field close to the core. Therefore, it is possible to reduce the driving voltage when modulating the refractive index of the material. Thus, by using the HIC optical waveguide made of an electro-optic material as the basic wiring of the switching element, it is possible to integrate the elements at a high density and perform a low voltage switching operation.

以上の技術により、半導体材料や電気光学材料によるHIC導波路に高効率で光を導き、また低消費電力若しくは低駆動電圧にて光スイッチング、すなわち光の経路切り替えが可能となる。HIC導波路を前述のAWG型のスイッチング素子に適用することでコンパクトなスイッチング素子が可能になる。さらに、HIC導波路は急激な曲げが可能であるため、AWGを構成するチャネル導波路およびスラブ導波路を一括集積して形成することが可能である。すなわち特許文献4のように異種のコア材料からなる導波路同士をハイブリッド接続する必要がない。したがって、スイッチング素子がより安価に製作でき、接続部での過剰損失もない。   With the above technology, light can be guided with high efficiency to the HIC waveguide made of a semiconductor material or an electro-optic material, and light switching, that is, light path switching can be performed with low power consumption or low driving voltage. By applying the HIC waveguide to the above-described AWG type switching element, a compact switching element can be realized. Furthermore, since the HIC waveguide can be bent rapidly, the channel waveguide and the slab waveguide constituting the AWG can be integrated and formed. That is, unlike Patent Document 4, it is not necessary to hybrid-connect waveguides made of different core materials. Therefore, the switching element can be manufactured at a lower cost, and there is no excessive loss at the connection portion.

以上のように、HIC導波路を用いたAWG型スイッチング素子によって、コンパクトかつ低コストで高速なマルチチャネルスイッチ素子が可能になる。しかしながらPLC導波路と比較すると、HIC導波路は導波路が単一モードにて動作するためのコアサイズが非常に小さくなり、さらにコアサイズがわずかに変化しただけでも導波路の等価屈折率が大きく変化する。AWGを利用したスイッチング素子は、ミリメーター程度の伝搬長を有する導波路アレイの等価屈折率を変化させることで隣接チャネル導波路間に位相差を与える。したがって、屈折率変調を行わない場合の各チャネル導波路の等価屈折率が均一であることが重要である。しかしながら、HIC導波路では10nm程度のコア幅の変動であっても、等価屈折率へ与える変化量は10−3程度となる。これはLN等の電気光学効果による屈折率変調量より大きい。すなわちHIC導波路によってスイッチング素子を実現するためには、1nm程度のコア幅の変動しか許されず、コア幅の寸法精度に対するトレランスが非常に小さい。 As described above, the AWG type switching element using the HIC waveguide enables a compact, low-cost and high-speed multi-channel switching element. However, compared to the PLC waveguide, the HIC waveguide has a very small core size for the waveguide to operate in a single mode, and the waveguide has a large equivalent refractive index even if the core size is slightly changed. Change. A switching element using AWG gives a phase difference between adjacent channel waveguides by changing the equivalent refractive index of a waveguide array having a propagation length of the order of millimeters. Therefore, it is important that the equivalent refractive index of each channel waveguide when the refractive index modulation is not performed is uniform. However, in the HIC waveguide, even if the core width varies by about 10 nm, the amount of change given to the equivalent refractive index is about 10 −3 . This is larger than the refractive index modulation amount due to the electro-optic effect such as LN. That is, in order to realize a switching element with an HIC waveguide, only a core width variation of about 1 nm is allowed, and the tolerance for the dimensional accuracy of the core width is very small.

本発明においては、これらの問題点を解決するため、高速動作および大規模なマルチチャネルスイッチングが可能であり、かつ製作が容易な微小な光偏向素子、及びこの光偏向素子を利用した光偏向モジュール、光スイッチモジュールの提供、並びに高速動作および大規模なマルチチャネルスイッチングが可能であり、かつ微小な素子によっても偏向できる光偏向方法を提供することを目的とする。   In order to solve these problems, the present invention is capable of high-speed operation and large-scale multi-channel switching, and is easy to manufacture, and an optical deflection module using the optical deflection element. It is an object of the present invention to provide an optical switch module and to provide an optical deflection method capable of high-speed operation and large-scale multi-channel switching and capable of deflecting even with a minute element.

上記課題を解決するため本発明者等は、以下の発明を完成した。
本発明は、基板上に形成された、少なくともひとつの入力ポートを有する入力スラブ導波路と、複数のチャネル導波路からなる導波路アレイと、出力スラブ導波路とが順次接続された光偏向素子であって、前記導波路アレイは、第1の導波路アレイと、チャネル導波路の光路長が互いに等しい第2の導波路アレイとからなり、前記第2の導波路アレイは、それぞれのチャネル導波路中に異なった長さの屈折率変調領域を備え、前記第2の導波路アレイを構成するチャネル導波路のコア幅が,前記第1の導波路アレイを構成するチャネル導波路のコア幅よりも広いことを特徴とする光偏向素子である。
In order to solve the above problems, the present inventors have completed the following invention.
The present invention is an optical deflection element in which an input slab waveguide having at least one input port formed on a substrate, a waveguide array composed of a plurality of channel waveguides, and an output slab waveguide are sequentially connected. The waveguide array includes a first waveguide array and a second waveguide array in which the optical path lengths of the channel waveguides are equal to each other, and the second waveguide array includes each channel waveguide. The refractive index modulation regions having different lengths are included therein, and the core width of the channel waveguide constituting the second waveguide array is larger than the core width of the channel waveguide constituting the first waveguide array. It is an optical deflection element characterized by being wide.

好ましい本発明は、前記第1の導波路アレイと前記第2の導波路アレイとの接続部において、前記第2の導波路アレイを構成するチャネル導波路のコア幅が傾斜状に変化して広くなっていることを特徴とする前記光偏向素子である。   In a preferred aspect of the present invention, the core width of the channel waveguide constituting the second waveguide array is changed in an inclined manner at the connection portion between the first waveguide array and the second waveguide array. The optical deflection element is characterized in that

本発明は、基板上に形成された、少なくともひとつの入力ポートを有する入力スラブ導波路と、複数のチャネル導波路からなる導波路アレイと、出力スラブ導波路とが順次接続された光偏向素子であって、前記導波路アレイは、第1の導波路アレイと、チャネル導波路の光路長が互いに等しい第2の導波路アレイとからなり、前記第2の導波路アレイは、それぞれのチャネル導波路中に異なった長さの屈折率変調領域を備え、前記第2の導波路アレイを構成するチャネル導波路のコアとクラッドの比屈折率差が,前記第1の導波路アレイを構成するチャネル導波路のコアとクラッドの比屈折率差よりも小さいことを特徴とする光偏向素子である。   The present invention is an optical deflection element in which an input slab waveguide having at least one input port formed on a substrate, a waveguide array composed of a plurality of channel waveguides, and an output slab waveguide are sequentially connected. The waveguide array includes a first waveguide array and a second waveguide array in which the optical path lengths of the channel waveguides are equal to each other, and the second waveguide array includes each channel waveguide. The refractive index modulation regions having different lengths are provided therein, and the relative refractive index difference between the core and the clad of the channel waveguide constituting the second waveguide array is the channel guide constituting the first waveguide array. An optical deflecting element characterized by being smaller than a relative refractive index difference between a core and a clad of the waveguide.

好ましい本発明は、前記第1の導波路アレイと前記第2の導波路アレイとの接続部付近において、前記第2の導波路アレイを構成するクラッドが傾斜状に形成されていることを特徴とする前記光偏向素子である。   In a preferred aspect of the present invention, a clad constituting the second waveguide array is formed in an inclined shape in the vicinity of a connection portion between the first waveguide array and the second waveguide array. The light deflection element.

これらの光偏向素子は、微小な素子サイズで、光ビームを高速でマルチチャンネルに偏向ができ、かつ製作においても導波路のトレランスが大きく容易である。   These optical deflecting elements have a small element size, can deflect a light beam into multichannels at high speed, and have a large and easy tolerance for the waveguide.

本発明は、基板上に形成された、少なくともひとつの入力ポートを有する入力スラブ導波路と、複数のチャネル導波路からなる導波路アレイと、出力スラブ導波路とが順次接続された光偏向素子であって、前記導波路アレイは、第1の導波路アレイと、チャネル導波路の光路長が互いに等しい第2の導波路アレイとからなり、前記第2の導波路アレイがフォトニック結晶配列を有することを特徴とする光偏向素子である。この光偏向素子は、光スイッチングあるいは光偏向に要求される光伝搬長を短くすることが出来る。   The present invention is an optical deflection element in which an input slab waveguide having at least one input port formed on a substrate, a waveguide array composed of a plurality of channel waveguides, and an output slab waveguide are sequentially connected. The waveguide array includes a first waveguide array and a second waveguide array having the same optical path length of the channel waveguide, and the second waveguide array has a photonic crystal array. This is an optical deflecting element. This optical deflection element can shorten the optical propagation length required for optical switching or optical deflection.

好ましい本発明は、前記導波路アレイにおいて、チャネル導波路の間に電界吸収層を有することを特徴とする前記光偏向素子である。この光偏向素子は、経路切り替えにおいて、隣接経路への迷光が少ない。   In a preferred embodiment of the present invention, the waveguide array includes an electroabsorption layer between channel waveguides. This light deflection element has little stray light to an adjacent route in route switching.

好ましい本発明は、複数の出力チャネル導波路が前記出力スラブ導波路の光路出口に接続されていることを特徴とする前記光偏向素子である。この光偏向素子は、大規模なマルチチャネルスイッチングが可能である。   In a preferred aspect of the present invention, the optical deflection element is characterized in that a plurality of output channel waveguides are connected to an optical path exit of the output slab waveguide. This optical deflection element is capable of large-scale multi-channel switching.

好ましい本発明は、チャネル導波路に光路中の光を反射させるミラーを備え、前記入力スラブ導波路は前記出力スラブ導波路を兼ねることを特徴とする前記光偏向素子である。この光偏向素子は、素子サイズをさらに小型化できる。   In a preferred aspect of the present invention, the optical deflection element is characterized in that a mirror for reflecting light in the optical path is provided in the channel waveguide, and the input slab waveguide also serves as the output slab waveguide. This optical deflection element can further reduce the element size.

好ましい本発明は、前記入力スラブ導波路と前記導波路アレイとの接続部、及び/又は前記入力スラブ導波路の入力ポートに接続する入力チャネル導波路を備え入力スラブ導波路と入力チャネル導波路との接続部において、チャネル導波路及び/又は入力チャネル導波路のコア幅を広げて接続されていることを特徴とする前記光偏向素子である。この光偏向素子は、経路切り替えによる過剰損失が少ない。   Preferably, the present invention includes an input channel waveguide connected to a connection portion between the input slab waveguide and the waveguide array and / or an input port of the input slab waveguide, and the input slab waveguide and the input channel waveguide. The optical deflection element is characterized in that, in the connecting portion, the core width of the channel waveguide and / or the input channel waveguide is widened. This optical deflection element has less excess loss due to path switching.

好ましい本発明は、前記出力スラブ導波路と前記出力チャネル導波路及び/又は前記導波路アレイとの接続部において、出力チャネル導波路及び/又はチャネル導波路のコア幅を広げて接続されていることを特徴とする前記光偏向素子である。この光偏向素子は、経路切り替えによる過剰損失が少ない。   In a preferred aspect of the present invention, the output channel waveguide and / or channel waveguide core width is widened and connected at the connection between the output slab waveguide and the output channel waveguide and / or the waveguide array. The light deflecting element is characterized in that: This optical deflection element has less excess loss due to path switching.

好ましい本発明は、前記入力スラブ導波路と前記出力スラブ導波路とが互いに異なる光路長を有することを特徴とする前記光偏向素子である。この光偏向素子は、経路切り替えによる過剰損失が少ない。   In a preferred aspect of the present invention, the input slab waveguide and the output slab waveguide have different optical path lengths. This optical deflection element has less excess loss due to path switching.

好ましい本発明は、前記第2の導波路アレイを構成するチャネル導波路において、前記屈折率変調領域のコアは電気光学効果を有する光学結晶材料で形成され、電極が前記コアを挟んで対向するよう少なくとも一対配置され、クラッドは前記コアと前記電極との間に形成されることを特徴とする前記光偏向素子である。この光偏向素子は、低電圧で光の出力位置を変化させることが可能である。   According to a preferred aspect of the present invention, in the channel waveguide constituting the second waveguide array, the core of the refractive index modulation region is formed of an optical crystal material having an electrooptic effect, and the electrodes are opposed to each other with the core interposed therebetween. At least one pair is arranged, and the clad is formed between the core and the electrode. This light deflection element can change the light output position at a low voltage.

本発明は、光源と、光結合部と、光偏向素子を順次結合して構成された光偏向モジュールであって、光偏向素子は、上述のいずれかに記載の光偏向素子であることを特徴とする光偏向モジュールである。この光偏向モジュールは、微小サイズで大きな光偏向あるいは大規模なマルチチャネルスイッチングが可能である。   The present invention is an optical deflection module configured by sequentially coupling a light source, an optical coupling unit, and an optical deflection element, wherein the optical deflection element is any one of the optical deflection elements described above. Is an optical deflection module. This optical deflection module is capable of large optical deflection or large-scale multi-channel switching with a small size.

好ましい本発明は、前記光偏向素子の温度を調節する温度制御装置を備えることを特徴とする前記光偏向モジュールである。この光偏向モジュールは、微小サイズで大きな光偏向あるいは大規模なマルチチャネルスイッチングが可能である。   A preferred aspect of the present invention is the optical deflection module comprising a temperature control device for adjusting the temperature of the optical deflection element. This optical deflection module is capable of large optical deflection or large-scale multi-channel switching with a small size.

本発明は、光偏向素子の前後いずれか若しくは両方に光増幅器を備える光スイッチモジュールであって、光偏向素子は、上述のいずれかに記載の光偏向素子であることを特徴とする光スイッチモジュールである。これらの光スイッチモジュールは、微小サイズで大きな光偏向あるいは大規模なマルチチャネルスイッチングが可能である。   The present invention is an optical switch module including an optical amplifier before or after the optical deflection element, wherein the optical deflection element is any one of the optical deflection elements described above. It is. These optical switch modules have a small size and can perform large optical deflection or large-scale multi-channel switching.

本発明は、基板上に形成された、少なくともひとつの入力ポートを有する入力スラブ導波路と、複数のチャネル導波路からなる導波路アレイと、出力スラブ導波路とを順次通過させて光を偏向する光偏向方法であって、前記導波路アレイには、第1の導波路アレイと、チャネル導波路の光路長が互いに等しい第2の導波路アレイとを設け、前記第2の導波路アレイは、それぞれのチャネル導波路中の異なった長さで屈折率変調を行い、前記第2の導波路アレイを構成するチャネル導波路のコア幅を,前記第1の導波路アレイを構成するチャネル導波路のコア幅よりも広くすることを特徴とする光偏向方法である。   The present invention deflects light by sequentially passing an input slab waveguide having at least one input port formed on a substrate, a waveguide array composed of a plurality of channel waveguides, and an output slab waveguide. In the optical deflection method, the waveguide array is provided with a first waveguide array and a second waveguide array in which the optical path lengths of the channel waveguides are equal to each other, and the second waveguide array includes: Refractive index modulation is performed with different lengths in the respective channel waveguides, and the core width of the channel waveguides constituting the second waveguide array is determined by the channel waveguides constituting the first waveguide array. The light deflection method is characterized in that it is wider than the core width.

本発明は、基板上に形成された、少なくともひとつの入力ポートを有する入力スラブ導波路と、複数のチャネル導波路からなる導波路アレイと、出力スラブ導波路とを順次通過させて光を偏向する光偏向方法であって、前記導波路アレイには、第1の導波路アレイと、チャネル導波路の光路長が互いに等しい第2の導波路アレイとを設け、前記第2の導波路アレイは、それぞれのチャネル導波路中の異なった長さで屈折率変調を行い、前記第2の導波路アレイを構成するチャネル導波路のコアとクラッドの比屈折率差を,前記第1の導波路アレイを構成するチャネル導波路のコアとクラッドの比屈折率差よりも小さくすることを特徴とする光偏向方法である。   The present invention deflects light by sequentially passing an input slab waveguide having at least one input port formed on a substrate, a waveguide array composed of a plurality of channel waveguides, and an output slab waveguide. In the optical deflection method, the waveguide array is provided with a first waveguide array and a second waveguide array in which the optical path lengths of the channel waveguides are equal to each other, and the second waveguide array includes: Refractive index modulation is performed with different lengths in the respective channel waveguides, and the relative refractive index difference between the core and the clad of the channel waveguides constituting the second waveguide array is determined by the first waveguide array. The optical deflection method is characterized in that it is smaller than the relative refractive index difference between the core and the clad of the channel waveguide to be formed.

本発明によれば、高速動作および大規模なマルチチャネルスイッチングが可能であり、かつ製作が容易な微小な光偏向素子、及びこの光偏向素子を利用した光偏向モジュール、光スイッチモジュールを提供することができ、又高速動作および大規模なマルチチャネルスイッチングが可能であり、かつ微小な素子によっても偏向できる光偏向方法を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a minute optical deflection element capable of high-speed operation and large-scale multi-channel switching and easy to manufacture, and an optical deflection module and an optical switch module using the optical deflection element. In addition, it is possible to provide an optical deflection method that can perform high-speed operation and large-scale multi-channel switching and can be deflected even by a minute element.

本発明を実施するための最良の形態を必要に応じて図面を参照にして説明する。なお、いわゆる当業者は特許請求の範囲内における本発明を変更・修正をして他の実施形態をなすことは容易であり、これらの変更・修正はこの特許請求の範囲に含まれるものであり、以下の説明はこの発明の好ましい形態における例であって、この特許請求の範囲を限定するものではない。   The best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings as necessary. Note that it is easy for a person skilled in the art to make other embodiments by changing or correcting the present invention within the scope of the claims, and these changes and modifications are included in the scope of the claims. The following description is an example of a preferred embodiment of the present invention, and does not limit the scope of the claims.

(本発明におけるAWG型光偏向素子の動作原理)
はじめに、本発明の光偏向素子におけるAWG型光偏向素子の動作原理とその性能について述べる。図1はAWG型の光偏向素子の構成について模式的に示したものである。光偏向素子は、入力チャネル導波路0001、入力スラブ導波路0002、導波路アレイ0003、出力スラブ導波路0004を光路が連結されるように順次接続して構成される。導波路アレイ0003は、第1の導波路アレイ0005及び第2の導波路アレイ0006からなる。導波路アレイ0003は複数のチャネル導波路によって構成されている。第1の導波路アレイ0005においては、隣接するチャネル導波路間で一定の光路長差を設けることが好ましいが、第2の導波路アレイ0006においては隣接するチャネル導波路が同じ光路長を有する。さらに第2の導波路アレイ0006は屈折率変調領域0007を備える。屈折率変調領域0007における屈折率は可変であり、領域内のチャネル導波路の等価屈折率をある範囲内で任意に変化させ得る。また屈折率変調領域0007は、隣接するチャネル導波路間において一定の光路長差を付加するように配置される。
(Operation Principle of AWG Type Optical Deflection Element in the Present Invention)
First, the operation principle and performance of the AWG type optical deflection element in the optical deflection element of the present invention will be described. FIG. 1 schematically shows the configuration of an AWG type optical deflection element. The optical deflection element is configured by sequentially connecting an input channel waveguide 0001, an input slab waveguide 0002, a waveguide array 0003, and an output slab waveguide 0004 so that the optical paths are connected. The waveguide array 0003 includes a first waveguide array 0005 and a second waveguide array 0006. The waveguide array 0003 is composed of a plurality of channel waveguides. In the first waveguide array 0005, it is preferable to provide a certain optical path length difference between adjacent channel waveguides. However, in the second waveguide array 0006, adjacent channel waveguides have the same optical path length. Furthermore, the second waveguide array 0006 includes a refractive index modulation region 0007. The refractive index in the refractive index modulation region 0007 is variable, and the equivalent refractive index of the channel waveguide in the region can be arbitrarily changed within a certain range. The refractive index modulation region 0007 is arranged so as to add a certain optical path length difference between adjacent channel waveguides.

この光偏向素子においては、入力チャネル導波路0001から入力スラブ導波路0002の入力ポートに入射された光は、入力スラブ導波路0002において回折し広がって伝搬する。その後、導波路アレイ0003を構成する複数のチャネル導波路に同位相で結合し、導波路アレイを伝搬する。各チャネル導波路の伝搬光は出力スラブ導波路0004において干渉し合い、出力スラブ導波路の終端面(出口ポートでもある。)において微小な光スポットに集光する。ここで出力スラブ導波路での集光位置は、導波路アレイ0003を伝搬することによって与えられる各チャネル導波路間の位相差によって決定する。したがって、屈折率変調量を制御することにより、導波路アレイを構成するチャネル導波路間の位相差を変化させ、最終的な光の集光位置を特定することができる。すなわち、屈折率変調領域0007におけるチャネル導波路の素子材料の屈折率変調により光偏向が可能となる。   In this optical deflecting element, light incident on the input port of the input slab waveguide 0002 from the input channel waveguide 0001 is diffracted and spreads in the input slab waveguide 0002 and propagates. Then, it couple | bonds with the several channel waveguide which comprises the waveguide array 0003 in the same phase, and propagates a waveguide array. The propagation light of each channel waveguide interferes with each other in the output slab waveguide 0004, and is condensed into a minute light spot on the termination surface (also an exit port) of the output slab waveguide. Here, the condensing position in the output slab waveguide is determined by the phase difference between the channel waveguides given by propagating through the waveguide array 0003. Therefore, by controlling the refractive index modulation amount, the phase difference between the channel waveguides constituting the waveguide array can be changed, and the final light condensing position can be specified. That is, light deflection can be achieved by refractive index modulation of the element material of the channel waveguide in the refractive index modulation region 0007.

出力スラブ導波路0004の終端面において集光される光スポットの大きさは、入力チャネル導波路0001を伝搬する伝搬モードの電磁界分布程度に小さくすることが可能である。したがって、例えば、比屈折率差が1%程度の典型的な石英系光導波路によって素子を構成した場合、出力スポット径は数μm程度になる。さらに、コアとクラッドの屈折率差を極めて大きくしたHIC光導波路によって素子を構成すれば、導波路の伝搬モード径を1μm以下にできる。そして、出口ポートにおけるビームスポット径も1μm以下に超微小化することが可能である。   The size of the light spot condensed on the terminal surface of the output slab waveguide 0004 can be reduced to the electromagnetic field distribution of the propagation mode propagating through the input channel waveguide 0001. Therefore, for example, when the element is constituted by a typical quartz optical waveguide having a relative refractive index difference of about 1%, the output spot diameter is about several μm. Furthermore, if the element is constituted by an HIC optical waveguide in which the difference in refractive index between the core and the cladding is extremely large, the propagation mode diameter of the waveguide can be reduced to 1 μm or less. The beam spot diameter at the exit port can also be made very small to 1 μm or less.

図1に示したように、第2の導波路アレイ0007を隣接する導波路構造が等しい直線導波路で構成するのが最も簡便であるが、必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば、曲がり導波路を導波路アレイ0007内に含んでいても構わない。また隣接するチャネル導波路間の光路長差が光の波長の整数倍であるように第2の導波路アレイを構成してもよい。   As shown in FIG. 1, it is simplest to configure the second waveguide array 0007 with straight waveguides having the same adjacent waveguide structure, but the present invention is not necessarily limited to this. A waveguide may be included in the waveguide array 0007. Further, the second waveguide array may be configured such that the optical path length difference between adjacent channel waveguides is an integral multiple of the wavelength of light.

出力スラブ導波路0004の終端面において集光した光ビームは、その端面から出射後に再び拡散して広がるため、図1(b)に模式的に示すように出力スラブ直後に、コリメート素子0008を配置し、収束光である出射ビームを平行光に変換することが有効である。これにより、平行ビーム光を走査することが可能になる。コリメート素子0008としては光学レンズを出力スラブの後段に配置する方法が簡便である。   Since the light beam collected at the end face of the output slab waveguide 0004 is diffused and spreads again after exiting from the end face, a collimating element 0008 is disposed immediately after the output slab as schematically shown in FIG. It is effective to convert the outgoing beam, which is convergent light, into parallel light. This makes it possible to scan with parallel beam light. As the collimating element 0008, a method of arranging an optical lens in the subsequent stage of the output slab is simple.

図2はAWG型光偏向素子の別の形態を模式的に示したものである。光偏向素子が入力チャネル導波路0001、入力スラブ導波路0002、導波路アレイ0003、出力スラブ導波路0004を順次接続して構成されることに関しては図1に示した実施形態と同様であるが、本形態ではさらに図2(b)に拡大して示すように、出力スラブ導波路0004の終端に複数の出力チャネル導波路0009を接続した構成を有する。屈折率変調により、出力スラブ終端面において集光ビームを偏向する原理については上述と同様である。本形態では、光が集光される出口ポートの位置に出力チャネル導波路0009を配置し、その導波路に集光ビームを導く。複数の出力チャネル導波路0009を配置した場合、屈折率変調により光の集光位置が変化するため、屈折率変調領域の屈折率変調により出力ポートすなわち出力される導波路の集光位置を移動させることができる。したがって本形態により、1×Nポートのマルチチャネルスイッチが可能となる。   FIG. 2 schematically shows another form of the AWG type optical deflection element. Although the optical deflection element is configured by sequentially connecting the input channel waveguide 0001, the input slab waveguide 0002, the waveguide array 0003, and the output slab waveguide 0004, it is the same as the embodiment shown in FIG. In this embodiment, as further enlarged and shown in FIG. 2B, a plurality of output channel waveguides 0009 are connected to the end of the output slab waveguide 0004. The principle of deflecting the focused beam at the output slab end surface by refractive index modulation is the same as described above. In this embodiment, the output channel waveguide 0009 is disposed at the position of the exit port where the light is collected, and the condensed beam is guided to the waveguide. When a plurality of output channel waveguides 0009 are arranged, the light condensing position is changed by the refractive index modulation. Therefore, the condensing position of the output port, that is, the output waveguide is moved by the refractive index modulation in the refractive index modulation region. be able to. Therefore, according to this embodiment, a 1 × N port multi-channel switch can be realized.

図2に示した形態において、もし第2の屈折率変調領域を含む導波路アレイ0006が存在しない場合は、光ファイバ通信用に広く使用されているAWG型波長分波器と同様の構成となる。その際、第1の導波路アレイ0005全体、あるいはその一部分を屈折率変調することによっても出力ポートを切り替えることが原理的には可能である。しかしながら、その場合には屈折率変調される導波路の長さが短く、導波路材料の屈折率変化量が小さい場合、ポート切り替えが可能なほどの大きな位相差を隣接するチャネル導波路間に与えることは困難である。   In the configuration shown in FIG. 2, if the waveguide array 0006 including the second refractive index modulation region does not exist, the configuration is the same as that of the AWG type wavelength demultiplexer widely used for optical fiber communication. . At that time, in principle, it is possible to switch the output port by refractive index modulation of the entire first waveguide array 0005 or a part thereof. However, in this case, if the length of the waveguide to be modulated by the refractive index is short and the amount of change in the refractive index of the waveguide material is small, a phase difference large enough to enable port switching is given between adjacent channel waveguides. It is difficult.

これに対して本発明の光偏向素子においては、第2の導波路アレイの伝搬距離を長くすることによって、ポート切り替えに十分な位相差を隣接チャネル導波路間に与えることが可能である。したがって、後述するように高速であるが屈折率変調量の小さい電気光学効果等による屈折率変調を施した場合においても、十分な偏向角が得られ1×N型スイッチにおいては切り替え可能なポート数を増やすことができる。また、屈折率変調を行わない場合、第2の導波路アレイにおいてはアレイ内の全てのチャネル導波路において互いに等しい光路長を伝搬するから、原理的に従来のAWG素子と比較して集光性能等の劣化はない。   On the other hand, in the optical deflection element of the present invention, it is possible to give a phase difference sufficient for port switching between adjacent channel waveguides by increasing the propagation distance of the second waveguide array. Accordingly, as will be described later, a sufficient deflection angle can be obtained even when refractive index modulation is performed by an electro-optic effect or the like that is high speed but has a small refractive index modulation amount, and the number of ports that can be switched in a 1 × N type switch. Can be increased. In addition, when the refractive index modulation is not performed, in the second waveguide array, the same optical path length is propagated in all the channel waveguides in the array. Therefore, in principle, the light collecting performance compared with the conventional AWG element. There is no deterioration.

さらに、導波路アレイの伝搬距離を長くすると、一般的には素子サイズが大きくなってしまうが、コアサイズが微小でありかつ急激に曲げることが可能なHIC光導波路によって、その素子サイズを劇的に縮小させることが可能である。   Furthermore, if the propagation distance of the waveguide array is increased, the element size generally increases, but the element size is dramatically reduced by the HIC optical waveguide that has a small core size and can be bent rapidly. Can be reduced.

(その他の導波路型偏向素子と比較した際のメリット)
波長分波器としてのAWGの特徴は、波長多重した光を一括して複数の出力ポートに分波することにある。したがってAWGは波長チャネル数に応じた複数の出力ポートをもつ。この構造をスイッチング素子に利用することによって1×Nのスイッチングが1つの素子で可能となることが本素子の特徴である。例えばスイッチング素子に適用できる光導波路素子としてマッハ・ツェンダ干渉計、Y分岐,リング共振器、方向性結合器等があるが、いずれも1×2または2×2のスイッチング素子である。したがって1×Nのスイッチングのためには基本素子となる1×2あるいは2×2スイッチを多段に縦続接続する必要があり、デバイスサイズが大きくなる。例えば、256の出力ポートをもつ1×256スイッチを上記の1×2スイッチを基本要素として構成した場合、8段、255個の基本要素を結合する必要がある。
(Advantages over other waveguide type deflection elements)
A feature of the AWG as a wavelength demultiplexer is that wavelength multiplexed light is demultiplexed into a plurality of output ports at once. Therefore, the AWG has a plurality of output ports corresponding to the number of wavelength channels. By using this structure as a switching element, it is a feature of this element that 1 × N switching can be performed with one element. For example, there are Mach-Zehnder interferometers, Y-branches, ring resonators, directional couplers, and the like as optical waveguide elements applicable to the switching elements, all of which are 1 × 2 or 2 × 2 switching elements. Therefore, for 1 × N switching, 1 × 2 or 2 × 2 switches, which are basic elements, need to be cascaded in multiple stages, which increases the device size. For example, when a 1 × 256 switch having 256 output ports is configured with the above 1 × 2 switch as a basic element, it is necessary to combine eight stages and 255 basic elements.

これに対して本発明の光偏向素子は、出力ポート数を増やす際には出力スラブに結合する出力チャネル導波路の本数を増加するだけでよく、1×Nスイッチを構成する場合において複数の光偏向素子を多段に結合する必要がない。チャネル数の大きな1×Nスイッチを構成するためには、集光ビームが出力スラブ導波路の出射端面を走査する距離を長くすることが要求されるが、これはスラブ半径すなわちスラブ導波路の伝搬長を長くすることで容易に実現される。なお、スラブ半径を大きくすることが集光ビーム径に影響を与えることは無い。以上のように本発明における光偏向素子はマルチチャネルスイッチの大規模化が容易である。具体的なデバイスサイズについての検討結果は後述するが、1×256スイッチが10mm角以下のデバイスサイズで実現できる。これは通常のPLC素子と比較して1/100以下の面積で実現することを意味する。さらに本発明の光偏向素子は1箇所の屈折率変調領域の屈折率変化量のみを調節するだけで経路切り替えが可能である。したがって、多くの基本要素デバイスを個別に変調することが必要とされる従来の光スイッチと比べて、経路切り替え時の屈折率変調制御が簡易化できる。   On the other hand, in the case of increasing the number of output ports, the optical deflection element of the present invention only needs to increase the number of output channel waveguides coupled to the output slab. There is no need to couple deflection elements in multiple stages. In order to construct a 1 × N switch having a large number of channels, it is required to increase the distance that the focused beam scans the output end face of the output slab waveguide. This is the propagation of the slab radius, that is, the propagation of the slab waveguide. This is easily realized by increasing the length. Note that increasing the slab radius does not affect the focused beam diameter. As described above, the optical deflection element according to the present invention can easily increase the scale of the multichannel switch. Although the result of study on a specific device size will be described later, a 1 × 256 switch can be realized with a device size of 10 mm square or less. This means that it is realized with an area of 1/100 or less as compared with a normal PLC element. Furthermore, the optical deflection element of the present invention can switch the path only by adjusting the refractive index change amount of one refractive index modulation region. Therefore, the refractive index modulation control at the time of path switching can be simplified as compared with a conventional optical switch that requires individual modulation of many basic element devices.

(HIC導波路で光偏向素子を構成した際のメリット)
ここで、本発明の光偏向素子をHIC導波路で構成することによるメリットについて、特許文献4で報告されているような従来のPLC導波路による光偏向素子と比較して説明する。典型的なPLC導波路によって形成されたAWGデ光偏向素子は、素子面積が数cm角程度と大きい。これはチャネル導波路におけるPLCの比屈折率差が1%程度以下と小さく、第1の導波路アレイのような曲がりを含んだ光伝搬において、曲げの曲率半径を数ミリメートル程度までしか微小化できないことに起因する。ここで、比屈折率差ΔはΔ=(ncore −nclad )/2ncore で定義されるパラメータである。さらにPLC素子ではコアへの光閉じ込めが弱く、出力スラブ導波路において集光される光ビームスポット径は数μmから10μm程度と大きい。したがってチャネル導波路を隣接して配置するアレイ導波路や出力チャネル導波路において、チャネル導波路同士の間隔をも10μm程度に広くする必要がある。以上のことが素子サイズの微小化を極めて困難にしている。
(Advantages of configuring an optical deflection element with an HIC waveguide)
Here, the merit of configuring the optical deflecting element of the present invention with an HIC waveguide will be described in comparison with a conventional optical deflecting element with a PLC waveguide as reported in Patent Document 4. An AWG de-light deflection element formed by a typical PLC waveguide has a large element area of about several cm square. This is because the relative refractive index difference of the PLC in the channel waveguide is as small as about 1% or less, and in the light propagation including the bending as in the first waveguide array, the bending radius of curvature can only be reduced to about several millimeters. Due to that. Here, the relative refractive index difference Δ is a parameter defined by Δ = (n core 2 −n clad 2 ) / 2n core 2 . Furthermore, in the PLC element, the light confinement in the core is weak, and the diameter of the light beam spot condensed in the output slab waveguide is as large as several μm to 10 μm. Therefore, in the arrayed waveguide and the output channel waveguide in which the channel waveguides are arranged adjacent to each other, it is necessary to widen the distance between the channel waveguides to about 10 μm. The above makes it extremely difficult to reduce the element size.

このようなPLC光回路に対して、コアとクラッドとの屈折率差を極めて大きくしたHIC導波路によって光偏向素子を構成すれば素子面積の劇的な微小化が可能となる。例えばHIC導波路では数μm程度の微小曲げが可能であり、この性質は直接素子の微小化につながる。さらに1μm以下の微小なコアの内部に光が強く閉じ込められるから、導波路アレイにおいて隣接するチャネル導波路の間隔を1μm程度に近づけることが可能である。出力スラブにおいて集光される光のビームスポット径はほぼ入力チャネル導波路の伝搬モード径に等しいから、HIC導波路を光偏向素子に適用することにより出力スラブ導波路において微小スポットに出力光を集光することができる。したがって、隣接する出口ポートの間隔を狭められ、出力チャネル導波路同士の間隔を近づけることが可能である。逆に、光偏向素子による光ビームの走査長が一定とすれば、出力導波路を密に詰めることでスイッチング可能なチャネル数を増やすことができる。以上のようにHIC導波路は素子面積の微小化とマルチチャネルスイッチにおけるチャネル数の増加に極めて有効である。 For such a PLC optical circuit, if the optical deflection element is configured by an HIC waveguide in which the refractive index difference between the core and the clad is extremely large, the element area can be dramatically reduced. For example, the HIC waveguide can be bent slightly by several μm, and this property directly leads to miniaturization of the element. Furthermore, since the light is strongly confined in a minute core of 1 μm 2 or less, the interval between adjacent channel waveguides in the waveguide array can be reduced to about 1 μm. Since the beam spot diameter of the light collected in the output slab is substantially equal to the propagation mode diameter of the input channel waveguide, the output light is collected in a minute spot in the output slab waveguide by applying the HIC waveguide to the optical deflection element. Can be light. Therefore, the interval between the adjacent exit ports can be reduced, and the interval between the output channel waveguides can be reduced. On the other hand, if the scanning length of the light beam by the optical deflection element is constant, the number of channels that can be switched can be increased by closely packing the output waveguide. As described above, the HIC waveguide is extremely effective for reducing the element area and increasing the number of channels in the multichannel switch.

(偏向素子の動作確認例:FDTDシミュレーション)
図2に示すような光偏向素子に対して具体的なパラメータを設計し、屈折率変調による偏向特性を確認した。性能の評価には2次元FDTD法(Finite Difference Time Domain method)による数値シミュレーションを用いた。本発明の光偏向素子はAWG波長分波器を基本構成としているため、パラメータの設計はAWGの設計指針に則って決定される。また、ここでは素子を構成する導波路として、シリコンをコアに、空気をクラッドにしたシリコン細線導波路を適用した場合を仮定して性能を評価する。
(Operation example of deflection element: FDTD simulation)
Specific parameters were designed for the optical deflection element as shown in FIG. 2, and the deflection characteristics by refractive index modulation were confirmed. For the performance evaluation, numerical simulation based on a two-dimensional FDTD method (Finite Difference Time Domain method) was used. Since the optical deflecting element of the present invention has an AWG wavelength demultiplexer as a basic configuration, parameter design is determined in accordance with AWG design guidelines. Further, here, the performance is evaluated assuming that a silicon thin wire waveguide having silicon as a core and air as a cladding is applied as a waveguide constituting the element.

シリコンをコアに、空気をクラッドにしたチャネル導波路を等価屈折率近似により2次元化し、シミュレーションにおける導波路のコアの屈折率ncoreを3.06、クラッドの屈折率ncladを1.0と決定した。またチャネル導波路のコア幅wを480nmとした。このとき、波長1550nmに対する導波路の等価屈折率neqは2.644となる。また導波路アレイを構成するチャネル導波路について、スラブ導波路との接続部における導波路ピッチdを1.0μmとした。アレイを構成するチャネル導波路の本数を24とした。また同様に複数の出力導波路について、スラブ導波路との接続部における導波路間隔Dを1.0μmとした。スラブ導波路の焦点距離(スラブ半径と同じ)を25μmとした。第1の導波路アレイにおける隣接チャネル導波路間の経路差ΔLを5.8μmとした。出力スラブ導波路端面の中央に集光する波長を中心波長λとすると、neqおよびΔLとλとはneqΔL=mλの関係を満たす。ここでmは回折次数である。上記のneqおよびΔLの値に対して、回折次数mを10とすることにより、中心波長がほぼ1550nmになる。 A channel waveguide with silicon as the core and air as the cladding is two-dimensionalized by approximation of the equivalent refractive index, and the refractive index n core of the waveguide core in the simulation is 3.06, and the refractive index n clad of the cladding is 1.0. Were determined. The core width w of the channel waveguide was 480 nm. At this time, the equivalent refractive index n eq of the waveguide with respect to the wavelength of 1550 nm is 2.644. Further, for the channel waveguides constituting the waveguide array, the waveguide pitch d at the connection portion with the slab waveguide was set to 1.0 μm. The number of channel waveguides constituting the array was 24. Similarly, for a plurality of output waveguides, the waveguide interval D at the connection with the slab waveguide is set to 1.0 μm. The focal length of the slab waveguide (same as the slab radius) was 25 μm. The path difference ΔL between adjacent channel waveguides in the first waveguide array was 5.8 μm. Assuming that the wavelength focused at the center of the end face of the output slab waveguide is the center wavelength λ 0 , n eq, ΔL, and λ 0 satisfy the relationship of n eq ΔL = mλ 0 . Here, m is the diffraction order. By setting the diffraction order m to 10 with respect to the above values of n eq and ΔL, the center wavelength becomes approximately 1550 nm.

以上のように設計したAWG波長合分波器に対して、第2の導波路アレイ部を設けた。第2の導波路アレイは図2に示すような直線のチャネル導波路によって構成し、直線アレイの長さを100μmとした。また屈折率変調する長さを、最も外側の導波路では100μm、最も内側の導波路で0μmとして、その間は線形に屈折率変調する導波路長を変化させた。屈折率変調領域におけるコアの屈折率変調量dncoreは−0.025〜+0.010の範囲で0.005ずつ変化させた。入射光の波長は1540nmとした。 A second waveguide array section was provided for the AWG wavelength multiplexer / demultiplexer designed as described above. The second waveguide array was constituted by a linear channel waveguide as shown in FIG. 2, and the length of the linear array was 100 μm. The length of refractive index modulation was set to 100 μm for the outermost waveguide and 0 μm for the innermost waveguide, and the length of the waveguide for refractive index modulation was changed during this period. The refractive index modulation amount dn core of the core in the refractive index modulation region was changed by 0.005 in the range of −0.025 to +0.010. The wavelength of the incident light was 1540 nm.

図4は出力ポートNo.0〜No.+4における出力電界強度が屈折率変調量に応じてどのように変化するかをプロットした結果である。ここでは、図3に示すように中央の出力チャネル導波路をポートNo.0と定義し、そこから右のチャネル導波路を順にポートNo.+1、No.+2、・・・、中央から左の出力チャネル導波路をポートNo.−1、No.−2、・・・と呼ぶことにする。図4より,屈折率変調領域におけるコアの屈折率を0.018だけ変化させると1ポート分だけ出力位置が変化することが読み取れる。この例で設計したAWGでは1ポート分の出射位置の変化は偏向角度にして2.04度に相当する。したがって屈折率変調領域の長さを100μmとした場合、屈折率変調量0.01に対して1.13度の偏向角が得られる。図5(a),(b)は、dncoreを−0.015および+0.005としたときの出力フィールド分布であり、それぞれポートNo.+1およびNo.+2に出力光が出射されることが確認できる。このように屈折率変調量の違いによって出力スラブ導波路端面への光の集光位置が変化し、出力ポートを切り替えることができる。 4 shows the output port No. 0-No. It is the result of plotting how the output electric field intensity at +4 changes according to the refractive index modulation amount. Here, as shown in FIG. 0 and the right channel waveguide from there in order of port No. +1, No. +2,..., The output channel waveguide from the center to the left is connected to the port No. -1, No. 1 -2,... From FIG. 4, it can be seen that when the refractive index of the core in the refractive index modulation region is changed by 0.018, the output position changes by one port. In the AWG designed in this example, the change in the emission position for one port corresponds to a deflection angle of 2.04 degrees. Accordingly, when the length of the refractive index modulation region is 100 μm, a deflection angle of 1.13 degrees is obtained with respect to a refractive index modulation amount of 0.01. 5A and 5B show output field distributions when dn core is set to -0.015 and +0.005, respectively. +1 and No. It can be confirmed that output light is emitted at +2. As described above, the light condensing position on the end face of the output slab waveguide is changed by the difference in the refractive index modulation amount, and the output port can be switched.

次に、AWG素子の設計において回折次数を変化させ、m=20としたときの屈折率変調による偏向角の変化量について確認した。AWG素子の設計値はほぼ上記の値と同じである。波長1540nmの入力光に対して、dncoreを−0.04〜+0.04の範囲で変化させ、各ポートからの出射強度をプロットした結果を図6に示す。直線導波路アレイの長さはm=10の場合と同じく100μmである。図6より、0.02のdncoreの変化量が1ポート分の出射位置の変化に相当することが確認できる。m=10の場合と同じく1ポート分の出射位置の変化は偏向角度にして2.04度に相当する。したがって屈折率変調量0.01に対して1.02度の偏向角が得られることになり、m=10の偏向特性の結果と比較するとほぼ等しい結果が得られた。以上の結果よりAWG素子の回折次数が異なっても屈折率変調に伴う偏向角変化量は変わらないことが確認できる。 Next, in the design of the AWG element, the amount of change in deflection angle due to refractive index modulation when the diffraction order was changed and m = 20 was confirmed. The design value of the AWG element is almost the same as the above value. FIG. 6 shows the result of plotting the emission intensity from each port while changing dn core in the range of −0.04 to +0.04 with respect to input light having a wavelength of 1540 nm. The length of the linear waveguide array is 100 μm as in the case of m = 10. From FIG. 6, it can be confirmed that the change amount of dn core of 0.02 corresponds to the change of the emission position for one port. As in the case of m = 10, the change in emission position for one port corresponds to a deflection angle of 2.04 degrees. Therefore, a deflection angle of 1.02 degrees is obtained with respect to the refractive index modulation amount of 0.01, and almost the same result is obtained as compared with the result of the deflection characteristic of m = 10. From the above results, it can be confirmed that even if the diffraction order of the AWG element is different, the deflection angle change amount accompanying the refractive index modulation does not change.

(LN細線導波路による光偏向素子の設計例)
高速な光変調を可能にする方法として、電気光学効果を有する材料を導波路材料に用い、その屈折率を電圧の印加によって変化させることが有効である。そこで、AWG型光偏向素子における各導波路のコア材料として電気光学結晶材料を適用した場合の偏向特性を、同様に2次元FDTDシミュレーションによって確認した。シミュレーションに用いたパラメータを以下に記す。ここで導波路のパラメータについて、屈折率は電気光学結晶として典型的なニオブ酸リチウム(LN:LiNbO)をHIC導波路のコアに用い、その周囲のクラッドがSiOである場合を想定し、さらにそのHIC導波路を2次元近似して決定した。また波長は本発明素子をレーザプリンタ等の光走査装置に適用した場合を想定して、感光体ドラムの感度特性に適する650nmとした。
(Design example of optical deflection element using LN thin wire waveguide)
As a method for enabling high-speed light modulation, it is effective to use a material having an electro-optic effect as a waveguide material and change its refractive index by applying a voltage. Therefore, the deflection characteristics when an electro-optic crystal material is applied as the core material of each waveguide in the AWG type optical deflection element were confirmed by two-dimensional FDTD simulation. The parameters used for the simulation are described below. Here, with respect to the parameters of the waveguide, the refractive index is assumed that lithium niobate (LN: LiNbO 3 ), which is a typical electro-optic crystal, is used for the core of the HIC waveguide, and the surrounding cladding is SiO 2 . Furthermore, the HIC waveguide was determined by two-dimensional approximation. The wavelength was set to 650 nm suitable for the sensitivity characteristic of the photosensitive drum, assuming that the element of the present invention was applied to an optical scanning device such as a laser printer.

LN(屈折率=2.17)をコアにして、SiO2をクラッドとしたチャネル導波路を等価屈折率近似によって2次元化し、シミュレーションにおける導波路のコアの屈折率ncoreを1.93、クラッドの屈折率ncladを1.46と決定した。チャネル導波路のコア幅wを300nmとした。また導波路アレイを構成するチャネル導波路について、スラブ導波路との接続部における導波路ピッチdを1.2μmとした。アレイを構成するチャネル導波路の本数を24とした。また、同様に複数の出力導波路について、スラブ導波路との接続部における導波路間隔Dを1.2μmとした。スラブ導波路の焦点距離(スラブ半径)fを30μmとした。第1の導波路アレイにおける隣接チャネル導波路間の経路差ΔLを5.4μmとした。このΔLの値に対して、AWG型波長分波器における回折次数mを15とすることにより、中心波長がほぼ650nmになる。 A channel waveguide with LN (refractive index = 2.17) as the core and SiO 2 as the cladding is two-dimensionalized by approximation of the equivalent refractive index, and the refractive index n core of the waveguide core in the simulation is 1.93. The refractive index n clad of 1.46 was determined to be 1.46. The core width w of the channel waveguide was 300 nm. For the channel waveguides constituting the waveguide array, the waveguide pitch d at the connection portion with the slab waveguide was set to 1.2 μm. The number of channel waveguides constituting the array was 24. Similarly, for a plurality of output waveguides, the waveguide interval D at the connection portion with the slab waveguide is set to 1.2 μm. The focal length (slab radius) f of the slab waveguide was 30 μm. The path difference ΔL between adjacent channel waveguides in the first waveguide array was 5.4 μm. By setting the diffraction order m in the AWG type wavelength demultiplexer to 15 for the value of ΔL, the center wavelength becomes approximately 650 nm.

上記のような設計値を有する光偏向素子について、屈折率変化による集光位置の変化を確認した。ここでは図2に示すように光偏向素子の中央に屈折率変調を与えるような直線部を設け、直線アレイの長さを100μmとした。また屈折率変調する長さを最も外側の導波路では100μm、最も内側の導波路で0μmとして、その間は線形に変調する導波路長を変化させた。屈折率変調領域におけるコアの屈折率変調量dncoreは−0.060〜+0.050の範囲で0.005ずつ変化させた。また入射光の波長を650nmとした。 With respect to the optical deflection element having the design value as described above, a change in the condensing position due to a change in refractive index was confirmed. Here, as shown in FIG. 2, a linear portion that gives refractive index modulation is provided at the center of the optical deflection element, and the length of the linear array is 100 μm. The length of refractive index modulation was 100 μm for the outermost waveguide and 0 μm for the innermost waveguide, and the length of the linearly modulated waveguide was changed during this period. The refractive index modulation amount dn core of the core in the refractive index modulation region was changed by 0.005 in the range of −0.060 to +0.050. The wavelength of incident light was 650 nm.

図7は出力ポートNo.−3〜No.+3における出力電界強度が屈折率変調量に応じてどのように変化するかをプロットした結果である。また図8はそれぞれのポートに最も光が集光したときの出力電界分布を示した。図7より、コアの屈折率変調量を0.019としたとき、1ポート分だけ出力チャネル導波路が変化することを読み取ることができる。ここで設計した偏向素子では1ポート分の出射位置の変化は偏向角度にして2.08度に相当する。したがって屈折率変調領域の長さを100μmとした場合、屈折率変調量0.01に対して1.1度の偏向角が得られることになる。   FIG. -3 to No. It is the result of plotting how the output electric field intensity at +3 changes according to the refractive index modulation amount. FIG. 8 shows the output electric field distribution when the light is most concentrated at each port. From FIG. 7, it can be read that the output channel waveguide changes by one port when the refractive index modulation amount of the core is 0.019. In the deflection element designed here, the change in the emission position for one port corresponds to a deflection angle of 2.08 degrees. Accordingly, when the length of the refractive index modulation region is 100 μm, a deflection angle of 1.1 degrees is obtained with respect to the refractive index modulation amount 0.01.

次に,偏向角度と屈折率変調領域における直線アレイ長の関係について同様に2次元FDTDシミュレーションにより確認した。具体的には直線導波路の長さを200μmに長くしたとき、屈折率変調量に対して出力チャネル導波路の出力ポートがどのように変化するかを確認した。屈折率変調する長さを、最も外側の導波路では200μm、最も内側の導波路で0μmとしてその間は線形に変調長さを変化させた点を除いて、設計パラメータおよびシミュレーション条件は上述の直線導波路長が100μmの場合と全く同じである。屈折率変化量に対する出力チャネル導波路ポートNo.−3からNo.+3までの出力強度の変化を計算した結果を図9に示す。屈折率変調領域におけるコアの屈折率変調量dncoreは−0.03〜+0.025の範囲で0.0025ずつ変化させた。 Next, the relationship between the deflection angle and the linear array length in the refractive index modulation region was similarly confirmed by a two-dimensional FDTD simulation. Specifically, it was confirmed how the output port of the output channel waveguide changes with respect to the refractive index modulation amount when the length of the linear waveguide is increased to 200 μm. The design parameters and simulation conditions are the same as those described above except that the refractive index modulation length is 200 μm for the outermost waveguide and 0 μm for the innermost waveguide, and the modulation length is changed linearly during that time. This is exactly the same as when the waveguide length is 100 μm. Output channel waveguide port No. for the refractive index change amount. -3 to No. FIG. 9 shows the result of calculating the change in output intensity up to +3. The refractive index modulation amount dn core of the core in the refractive index modulation region was changed by 0.0025 in the range of −0.03 to +0.025.

図9に示す結果を、直線アレイ長が100μmの場合の図7に示す結果と比較すると、ちょうど半分の屈折率変調量で同等の出力ポート変化が得られることが分かる。このことは、屈折率変調量が小さい場合であっても直線アレイを長くすることによって大きな回折角を得ることが可能であることを示唆している。したがって特に屈折率変調量の小さい電気光学結晶をコアに用いたスイッチング素子であっても、直線アレイを長くすることによってスイッチング量を大きくすることができる。例えば、屈折率変調量が0.001であっても屈折率変調領域の長さを1mmにすれば1度程度の偏向角が得られる。さらにスラブ導波路の半径を大きくすれば、偏向角が小さくてもその偏向角度によって変化できる円弧の大きさを大きくでき、かつ原理的には出力スラブ導波路の出射端における集光スポット径はスラブ半径に依存しないため、マルチチャネル型のスイッチング素子においてチャネル数を増やすことができる。   Comparing the result shown in FIG. 9 with the result shown in FIG. 7 when the linear array length is 100 μm, it can be seen that an equivalent output port change can be obtained with exactly half the refractive index modulation amount. This suggests that a large diffraction angle can be obtained by lengthening the linear array even when the refractive index modulation amount is small. Therefore, even if the switching element uses an electro-optic crystal having a small refractive index modulation amount as a core, the switching amount can be increased by lengthening the linear array. For example, even if the refractive index modulation amount is 0.001, if the length of the refractive index modulation region is 1 mm, a deflection angle of about 1 degree can be obtained. Furthermore, if the radius of the slab waveguide is increased, the size of the arc that can be changed according to the deflection angle can be increased even if the deflection angle is small, and in principle, the condensing spot diameter at the output end of the output slab waveguide is slab. Since it does not depend on the radius, the number of channels can be increased in a multi-channel switching element.

本発明の光偏向素子の基本的な偏向特性のシミュレーション結果をもとに、例えばLNのような電気光学結晶材料をコア材料に想定した場合、その屈折率変化量でどれだけのポートにわたってスイッチングが可能となるかを検証する。基本となる前提条件として、100μm長の直線アレイにおいて、屈折率変化量0.01に対して集光位置が1度偏向すること、直線アレイの長さに対して偏向量が線形に変化する(アレイ長が2倍になれば偏向角も2倍になる)こと、出力位置に集光されるビームのスポットサイズがスラブ半径に依存しない(スラブ半径が大きくなった場合でも小さなスポットに光を集光できる)ことを仮定する。   Based on the simulation results of the basic deflection characteristics of the optical deflection element of the present invention, when an electro-optic crystal material such as LN is assumed as a core material, switching is performed over how many ports with the amount of change in refractive index. Verify that it is possible. As a basic precondition, in a 100 μm long linear array, the condensing position is deflected once with respect to the refractive index change amount 0.01, and the deflection amount linearly changes with respect to the length of the linear array ( If the array length is doubled, the deflection angle is also doubled), and the spot size of the beam focused at the output position does not depend on the slab radius (even if the slab radius increases, light is collected in a small spot). Assuming that

集光位置の変化に寄与する位相差を与える原因を、直線アレイにおける光路長変化としてまとめて表す。すなわち、前提条件では位相差を与えるパラメータとして直線アレイ長Lと屈折率変化量dncoreを考えているが、これらを光路長の変化としてdS=L×dncoreとしてまとめる。例えば100μm長の直線アレイにおける屈折率変化量0.01は,dS=1[μm]となる。光路長変化dSの単位は長さの単位であるが、無次元の屈折率変化量の値を含んでいることに注意を要する。例えばdS=1[μm]を得るために、1000μmのアレイ長に対して0.001の屈折率変化量を与えることも可能である。したがってLNのように屈折率変化量が小さい材料でも、直線アレイ長を長くすることによって光路長変化量を大きくすることが可能である。 The causes of the phase difference that contributes to the change in the condensing position are collectively expressed as a change in the optical path length in the linear array. That is, in the precondition, the linear array length L and the refractive index change amount dn core are considered as parameters that give the phase difference. These are summarized as dS = L × dn core as the change in optical path length. For example, a refractive index change amount 0.01 in a 100 μm long linear array is dS = 1 [μm]. The unit of the optical path length change dS is a unit of length, but it should be noted that it includes a dimensionless value of the refractive index change. For example, in order to obtain dS = 1 [μm], it is also possible to give a refractive index change amount of 0.001 to an array length of 1000 μm. Therefore, even for a material with a small amount of change in refractive index such as LN, it is possible to increase the amount of change in optical path length by increasing the linear array length.

次に前提条件から、光路長変化量dS=1[μm]のとき偏向角は1度である。さらにdSと偏向角dθは比例関係にあり、dθ=1×dS[deg]である。光路長変化量を大きくすれば大きな偏向角が得られるが、偏向角を大きくするほど高次の回折光へ集光する光強度が大きくなる。したがって,極端に大きな偏向角は避けるのが好ましい。具体的には通常は偏向角が5度以下程度の範囲で使用することが好ましい。   Next, from the precondition, when the optical path length variation dS = 1 [μm], the deflection angle is 1 degree. Further, dS and the deflection angle dθ are in a proportional relationship, and dθ = 1 × dS [deg]. Increasing the amount of change in the optical path length provides a large deflection angle, but the greater the deflection angle, the greater the intensity of light that is condensed into higher-order diffracted light. It is therefore preferable to avoid extremely large deflection angles. Specifically, it is usually preferable that the deflection angle is in the range of about 5 degrees or less.

偏向素子の性能を決定するのは偏向角そのものより、光偏向によって走査される光ビームの移動距離である。偏向角が同じ場合でもスラブ半径fが異なると偏向による走査長Lも異なり,その値はL=f×dθで与えられる。ここでfはスラブ半径であり、dθはradの単位に変換する必要がある。走査長はスラブ半径に比例して長くできる。本発明の光偏向素子によって1×N型のマルチチャネルスイッチ素子を構成した場合、スイッチング可能なチャネル数Nは上述の走査長を出力導波路間隔Dで割ったもので与えられる。すなわち、N=L/D=(f/D)×(dS・π/180)である。走査長Lが長い場合であっても、導波路間隔Dが広ければチャネル数Nは小さくなる。したがって出力導波路ではできる限り光を強く閉じ込めて導波路間隔を狭めることがチャネル数の増加に有効である。 The performance of the deflecting element determines the moving distance of the light beam scanned by light deflection rather than the deflection angle itself. Even when the deflection angle is the same, if the slab radius f is different, the scanning length L c due to deflection is also different, and the value is given by L c = f × dθ. Here, f is a slab radius, and dθ needs to be converted into a unit of rad. The scan length can be increased in proportion to the slab radius. When a 1 × N type multi-channel switch element is constituted by the optical deflection element of the present invention, the number N of channels that can be switched is given by the above-mentioned scanning length divided by the output waveguide interval D. That is, N = L c / D = (f / D) × (dS · π / 180). Even when the scanning length Lc is long, the number of channels N is small if the waveguide interval D is wide. Therefore, in the output waveguide, it is effective to increase the number of channels to confine light as much as possible and narrow the waveguide interval.

具体的な値を仮定してスイッチング可能なチャネル数を見積もる。例えばdn=0.001、L=1000μmとするとdS=1.0となる。またD=1.2μmと仮定すると、f=600μm、1200μm、1800μmのとき、それぞれチャネル数Nは8、17、26となる。したがって例えばf=600μmのとき8チャネルのスイッチングが可能になる。これは1mm角程度の微小な素子サイズによって8チャネルのスイッチング素子が実現できることを意味する。また所望のチャネル数から設計値を逆算することも可能である。例えばN=256をはじめに決定し、dSの値を5.0、導波路間隔Dを1.2μmと仮定すれば、スラブ半径fが3.52mmと求まる。dS=5.0は例えば直線アレイ長を5mm、屈折率変化量を0.001とすれば達成できる値である。以上のように1×256のマルチチャネルスイッチ素子が10mm角程度以下の微小面積で実現できることが見積もられる。   Assuming a specific value, the number of channels that can be switched is estimated. For example, when dn = 0.001 and L = 1000 μm, dS = 1.0. Assuming that D = 1.2 μm, when f = 600 μm, 1200 μm, and 1800 μm, the number of channels N is 8, 17, and 26, respectively. Therefore, for example, when f = 600 μm, switching of 8 channels becomes possible. This means that an 8-channel switching element can be realized with a minute element size of about 1 mm square. It is also possible to reversely calculate the design value from the desired number of channels. For example, if N = 256 is first determined and the value of dS is 5.0 and the waveguide interval D is 1.2 μm, the slab radius f is found to be 3.52 mm. For example, dS = 5.0 is a value that can be achieved by setting the linear array length to 5 mm and the refractive index change amount to 0.001. As described above, it is estimated that a 1 × 256 multi-channel switch element can be realized with a small area of about 10 mm square or less.

これまでの説明では、左右対称な導波路アレイ3を有する光偏向素子を前提に説明したが、導波路アレイ3は左右対称である必要はない。例えば、導波路アレイ006の上下流の導波路アレイ005がそれぞれ直線状のチャンネル導波路であったり、異なった曲率で湾曲していてもよい。さらに、導波路アレイ006の下流側の導波路アレイ005がなくて、導波路アレイ006が直接出力スラブ導波路004と接続していてもよい。この場合、長さ0の導波路アレイ005がここに存在すると見なせばよい。また、導波路アレイ006以降の下流側の導波路中に鏡を備え、入り口側から進入してきた光を反射して、元来た方向に光路を変更することにより光偏向素子の大きさをおよそ半分にすることが出来る。この鏡の位置は、導波路アレイ006中又は導波路アレイ006より下流の導波路アレイ003中であれば何処でもよいが、導波路アレイ006の光路の中央であることが設計製作上は好ましい。   In the description so far, the description has been made on the assumption that the optical deflection element has the waveguide array 3 that is symmetrical to the left and right. However, the waveguide array 3 does not have to be symmetrical. For example, the waveguide arrays 005 upstream and downstream of the waveguide array 006 may be linear channel waveguides or may be curved with different curvatures. Further, there may be no waveguide array 005 on the downstream side of the waveguide array 006, and the waveguide array 006 may be directly connected to the output slab waveguide 004. In this case, it can be considered that a waveguide array 005 having a length of 0 exists here. In addition, a mirror is provided in the waveguide on the downstream side after the waveguide array 006, the light entering from the entrance side is reflected, and the optical path is changed in the original direction so that the size of the light deflection element is approximately Can be halved. The position of this mirror may be anywhere in the waveguide array 006 or in the waveguide array 003 downstream of the waveguide array 006, but it is preferable in terms of design and manufacture to be at the center of the optical path of the waveguide array 006.

(実施形態1)
上述のように本発明による光偏向素子は、ミリメーター程度の直線導波路アレイの等価屈折率を変化させることで隣接チャネル導波路間に位相差を与える。したがって、屈折率変調を行わない場合の各チャネル導波路の等価屈折率が均一であることが重要である。チャネル光導波路の等価屈折率の不均一さが材料の屈折率変調量より大きい場合、出力スラブ導波路において回折光を集光する際に位相が揃わず、集光スポットを小さくできない。
(Embodiment 1)
As described above, the optical deflection element according to the present invention gives a phase difference between adjacent channel waveguides by changing the equivalent refractive index of a linear waveguide array of the order of millimeters. Therefore, it is important that the equivalent refractive index of each channel waveguide when the refractive index modulation is not performed is uniform. When the non-uniformity of the equivalent refractive index of the channel optical waveguide is larger than the refractive index modulation amount of the material, the phase is not aligned when the diffracted light is collected in the output slab waveguide, and the focused spot cannot be reduced.

光導波路の等価屈折率の値は材料の屈折率とコアの寸法に依存するが、LNのような電気光学結晶やシリコンをコアに適用した場合、コアはバルク結晶から加工して形成されるため、屈折率の均一性は極めて高い。したがって等価屈折率の不均一に影響するのはコアの寸法のばらつきである。LNをコア材料にした場合を仮定したチャネル導波路構造について、3次元ビーム伝搬法(Beam Propagation Method:BPM)によるモードシミュレーションによって光導波路の等価屈折率を計算した結果を図10に示す。ここでは、コア厚を200μmに固定したときのコア幅と等価屈折率の関係を計算した。コアおよびクラッドの屈折率はそれぞれ2.2818、1.4567と仮定し、光源は波長650nmのTM偏光とした。また図11にはコア幅1nm変化した場合の等価屈折率の変化量をコア幅に対してプロットした。   The value of the equivalent refractive index of the optical waveguide depends on the refractive index of the material and the size of the core, but when an electro-optic crystal such as LN or silicon is applied to the core, the core is formed by processing from a bulk crystal. The uniformity of the refractive index is extremely high. Therefore, it is the dimensional variation of the core that affects the non-uniformity of the equivalent refractive index. FIG. 10 shows the result of calculating the equivalent refractive index of the optical waveguide by the mode simulation by the three-dimensional beam propagation method (BPM) for the channel waveguide structure assuming that the core material is LN. Here, the relationship between the core width and the equivalent refractive index when the core thickness is fixed at 200 μm was calculated. The refractive indexes of the core and the clad were assumed to be 2.2818 and 1.4567, respectively, and the light source was TM polarized light with a wavelength of 650 nm. Further, in FIG. 11, the amount of change in equivalent refractive index when the core width is changed by 1 nm is plotted against the core width.

通常の導波路型素子はチャネル導波路がシングルモード条件を満たすようにコアサイズを設計する。上記のパラメータを仮定した場合、シングルモード条件を満たすコア幅として、300nm程度が適当である。このようなコアサイズにおいては、図11よりコア幅が1nm変化すると等価屈折率が6×10−4程度変化することが読み取れる。LNのような電気光学結晶材料については、電圧印加によって変化させることが可能な屈折率は最大で10−3程度のオーダーであると予想される。したがって通常のHIC光導波路で直線導波路アレイを構成した場合、コア幅を1nm程度以下の精度で製作することが要求される。ただし、これは必ずしも直線導波路全体に渡って1nm以下の精度を保つ必要があるわけではなく、直線部分のコア幅の精度の平均値を1nm以下にすることが要求されることを意味する。 In a normal waveguide type device, the core size is designed so that the channel waveguide satisfies the single mode condition. Assuming the above parameters, about 300 nm is appropriate as the core width that satisfies the single mode condition. In such a core size, it can be seen from FIG. 11 that when the core width changes by 1 nm, the equivalent refractive index changes by about 6 × 10 −4 . For an electro-optic crystal material such as LN, the refractive index that can be changed by applying a voltage is expected to be on the order of about 10 −3 at maximum. Therefore, when a linear waveguide array is constituted by a normal HIC optical waveguide, it is required to manufacture the core with an accuracy of about 1 nm or less. However, this does not necessarily require that the accuracy of 1 nm or less be maintained over the entire linear waveguide, and it means that the average value of the accuracy of the core width of the linear portion must be 1 nm or less.

直線導波路アレイにおけるコア幅のトレランスを拡大するためには、コア幅の変化によるチャネル導波路の等価屈折率の変化を小さくすることが有効である。簡便な方法として、直線アレイ部のみ、チャネル導波路のコア幅を広げることが挙げられる。図Hより、例えばコア幅を800nmまで広げれば、シングルモードで動作するコア幅が300nmの場合と比較して、1nmのコア幅変化に対する等価屈折率の変化量を1/10程度に低減できる。これはコア幅に対するトレランスが10倍に拡大されたことに相当する。   In order to increase the tolerance of the core width in the linear waveguide array, it is effective to reduce the change in the equivalent refractive index of the channel waveguide due to the change in the core width. A simple method is to increase the core width of the channel waveguide only in the linear array portion. From FIG. H, for example, if the core width is increased to 800 nm, the amount of change in the equivalent refractive index with respect to the core width change of 1 nm can be reduced to about 1/10 compared with the case where the core width operating in the single mode is 300 nm. This corresponds to an increase in the tolerance for the core width by 10 times.

直線アレイ部のコア幅を広げた偏向素子について、導波路アレイ部分のみを拡大して図12に模式的に表した。本発明の光偏向素子の第1の形態において、図2及び図12に示すように、第1の導波路アレイ0102と第2の導波路アレイ0103について、それぞれの導波路アレイを構成するチャネル導波路同士が互いに結合されている。第1の形態における特徴として、第1の導波路アレイ0102を構成するチャネル導波路はいずれもシングルモード条件を満たすようなコア幅を有し、第2の導波路アレイ0103を構成するチャネル導波路はコア幅が広がっている。また、コア幅の異なるそれぞれのチャネル導波路はコア幅変換部0104を介して結合されている。   With respect to the deflection element in which the core width of the linear array portion is increased, only the waveguide array portion is enlarged and schematically shown in FIG. In the first embodiment of the optical deflecting element of the present invention, as shown in FIGS. 2 and 12, the first waveguide array 0102 and the second waveguide array 0103 are channel guides constituting the respective waveguide arrays. The waveguides are coupled to each other. As a feature of the first embodiment, the channel waveguides constituting the first waveguide array 0102 have a core width that satisfies the single mode condition, and the channel waveguides constituting the second waveguide array 0103 Has a wider core width. Further, the respective channel waveguides having different core widths are coupled via the core width conversion unit 0104.

コア幅を広げた第2の導波路アレイ0103においては、チャネル導波路がマルチモード導波路になっているため、高次の伝搬モードが励振される可能性がある。しかしながら、導波路の伝搬モードに整合する基本モードのみをマルチモード導波路の中心に入力した場合、直線導波路であれば原理的に高次モードは励振されない。したがってシングルモード条件を満たす第1の導波路アレイ0102におけるチャネル導波路のコア幅を徐々に広げて第2の導波路アレイ0103に結合すれば、高次モードの励振を最小限に抑制することができる。図12では、直線テーパー形状にしてコア幅を広げているが、コア幅を拡大する形状はこれに限定されず、例えばパラボリック形状等が高次モードの発生を抑制するのに有効である。   In the second waveguide array 0103 with the expanded core width, the channel waveguide is a multi-mode waveguide, so that higher-order propagation modes may be excited. However, when only the fundamental mode matching the propagation mode of the waveguide is input to the center of the multi-mode waveguide, the higher-order mode is not excited in principle if it is a straight waveguide. Therefore, if the core width of the channel waveguide in the first waveguide array 0102 satisfying the single mode condition is gradually increased and coupled to the second waveguide array 0103, the excitation of the higher-order mode can be suppressed to the minimum. it can. In FIG. 12, the core width is increased by using a linear taper shape, but the shape for increasing the core width is not limited to this, and for example, a parabolic shape is effective in suppressing the occurrence of higher-order modes.

上記のトレランスを拡大するための構造による出力ポートへの集光性能の変化を2次元FDTD法によって確認した。具体的には、光偏向素子における各出力ポートからの出力光強度がトレランス拡大構造の有無によってどの程度異なるかを比較した。   The change of the light collection performance to the output port due to the structure for expanding the tolerance was confirmed by the two-dimensional FDTD method. Specifically, a comparison was made as to how much the output light intensity from each output port in the optical deflection element differs depending on the presence or absence of the tolerance expansion structure.

シミュレーションに用いたパラメータは上述のLNを導波路コアに用いた場合と同じ値である。ここで第2の導波路アレイにおけるコア幅を800nmに広げ、300nmのコア幅をもつ第1の導波路アレイ内のチャネル導波路と、10μmのテーパー長を有する直線テーパーによって結合した。また直線アレイ長を100μmとした。シミュレーションにおけるその他のパラメータはLN細線導波路によって光偏向素子を構成した場合を仮定して設定した。図14は、各出力チャネル導波路からの出力強度がトレランス緩和構造の有無によって変化するかどうかを確認した結果である。従来の偏向素子、すなわち第2の導波路アレイがシングルモード導波路で構成された偏向素子における集光性能を破線で示しており、マルチモード導波路アレイを導入することでトレランスを拡大した偏向素子における集光性能を実線で示している。いずれもポートNo.+1に光が集光しており、その出力光強度の差は殆どない。また隣接出力ポートにおける出力との差も20dB以上あり、トレランス拡大構成による集光性能の劣化はない。これは直線アレイ部において高次の導波モードがほとんど励振されていないことに起因する。   The parameters used for the simulation are the same values as when the above-mentioned LN is used for the waveguide core. Here, the core width in the second waveguide array was expanded to 800 nm, and the channel waveguide in the first waveguide array having a core width of 300 nm was coupled by a linear taper having a taper length of 10 μm. The linear array length was 100 μm. The other parameters in the simulation were set on the assumption that the optical deflection element was constituted by an LN thin wire waveguide. FIG. 14 shows the result of confirming whether the output intensity from each output channel waveguide changes depending on the presence or absence of the tolerance relaxation structure. The condensing performance of a conventional deflecting element, that is, a deflecting element in which the second waveguide array is composed of a single mode waveguide, is indicated by a broken line, and the deflecting element having an increased tolerance by introducing a multimode waveguide array The light condensing performance is shown by a solid line. In both cases, port no. Light is condensed at +1, and there is almost no difference in output light intensity. Also, the difference from the output at the adjacent output port is 20 dB or more, and there is no deterioration of the light collecting performance due to the tolerance expansion configuration. This is due to the fact that high-order guided modes are hardly excited in the linear array portion.

さらに、上記のトレランスを拡大した形態において、直線アレイ導波路のコアを屈折率変調することによる出力ポートの移動の様子を2次元FDTD法によって確認した。計算結果を図15に示す。例えば出力ポートNo.−1からNo.+1に2ポート分だけ出力位置を変化させるためにはコアの屈折率を0.035だけ変化させればよい。1ポート出力位置が異なった場合の偏向角は2.08度程度であり、したがって屈折率変調量0.01当たりの偏向角は1.19度であることが見積もられる。この値は直線アレイをシングルモード導波路で構成した場合の偏向角(1.1度)と同程度である。ただし屈折率変調を施すチャネル導波路のコア幅を広げることによって、基本モードに対するコアへの光閉じ込めがより強くなるから、シングルモード導波路による直線アレイの場合と比較してコアの屈折率変調量による偏向角が若干大きくなっている。   Furthermore, in the above-described expanded form of tolerance, the movement of the output port due to the refractive index modulation of the core of the linear arrayed waveguide was confirmed by a two-dimensional FDTD method. The calculation results are shown in FIG. For example, output port No. -1 to No. In order to change the output position to +1 by two ports, the refractive index of the core should be changed by 0.035. When the 1-port output position is different, the deflection angle is about 2.08 degrees, and therefore the deflection angle per refractive index modulation amount 0.01 is estimated to be 1.19 degrees. This value is about the same as the deflection angle (1.1 degrees) when the linear array is formed of a single mode waveguide. However, by increasing the core width of the channel waveguide for refractive index modulation, the optical confinement to the core with respect to the fundamental mode becomes stronger, so the amount of refractive index modulation of the core compared to the case of a linear array with a single mode waveguide The deflection angle due to is slightly larger.

(実施形態2)
チャネル導波路のコア幅変化に対するトレランス拡大の別の方法として、直線アレイを構成するチャネル導波路の比屈折率差を小さくすることが有効である。コアとクラッドの屈折率差を小さくすれば、等価屈折率が取り得る最大値と最小値の範囲が狭くなるので、コア幅が変化した際の等価屈折率変化量も小さくなる。ただし、比屈折率差を小さくすると、曲がり導波路における曲率半径を大きくする必要があるため、通常のAWGデバイスにおいては素子サイズが大きくなってしまう。しかしながら、実施形態2における光偏向素子は、直線チャネル導波路で構成された第2の導波路アレイ部のみを比屈折率差の低い導波路で構成しており、チャネル導波路におけるトレランスの拡大によるデバイスサイズの長大化を避けることが可能である。
(Embodiment 2)
As another method for increasing the tolerance against the change in the core width of the channel waveguide, it is effective to reduce the relative refractive index difference of the channel waveguides constituting the linear array. If the refractive index difference between the core and the clad is reduced, the range of the maximum value and the minimum value that can be taken by the equivalent refractive index is narrowed, so that the amount of change in the equivalent refractive index when the core width changes is also reduced. However, if the relative refractive index difference is reduced, it is necessary to increase the radius of curvature in the bent waveguide, so that the element size increases in a normal AWG device. However, in the optical deflecting element according to the second embodiment, only the second waveguide array portion configured by the linear channel waveguide is configured by the waveguide having a low relative refractive index difference, and the tolerance in the channel waveguide is increased. It is possible to avoid an increase in device size.

図13(a),(b)は屈折率変調を施す波路アレイを構成するチャネル導波路を低比屈折率差導波路によって構成した場合の光偏向素子について、導波路アレイ部分のみを拡大して示したものである。光偏向素子全体は、図2を参照できる。この実施形態の光偏向素子における第1の導波路アレイ0202と第2の導波路アレイ0203は、それぞれの導波路アレイを構成するチャネル導波路同士が互いに結合されている。ここで第2の導波路アレイのクラッドの屈折率を第1の導波路アレイのクラッドの屈折率より高くすることにより、容易に等価屈折率の異なるチャネル導波路を集積化することが可能である。また第1の導波路アレイと第2の導波路アレイはコア幅変化部0204を介して結合している。比屈折率差が異なるチャネル導波路はシングルモード条件を満たすコア幅が異なるため、第1の導波路アレイにおけるチャネル導波路と第2の導波路アレイにおけるチャネル導波路ではコア幅が異なるのが普通である。したがって、それらの間をコア幅を徐々に変化させることによって結合することが好適である。また同様に第1および第2の導波路アレイにおいてはクラッドの屈折率が異なっているから、それらのクラッドが徐々に置き換わるように形成することが好ましい。クラッドの変化のさせ方としては、例えば図13(a)および図13(b)直線的変化の形態を示したが、パラボリック形状などその他の形態でもよい。また図13(a)および図13(b)には、いずれも直線テーパーによってコア幅およびクラッドを変化させているが、例えばパラボリック形状や楕円形状によってコア幅およびクラッド領域の変化を施すことも有効である。   FIGS. 13A and 13B are enlarged views of only the waveguide array portion of the optical deflecting element in the case where the channel waveguide constituting the waveguide array that performs the refractive index modulation is constituted by a low relative refractive index difference waveguide. It is shown. Refer to FIG. 2 for the entire optical deflection element. The first waveguide array 0202 and the second waveguide array 0203 in the optical deflecting element of this embodiment are such that channel waveguides constituting each waveguide array are coupled to each other. Here, by making the refractive index of the clad of the second waveguide array higher than the refractive index of the clad of the first waveguide array, it is possible to easily integrate channel waveguides having different equivalent refractive indexes. . The first waveguide array and the second waveguide array are coupled via a core width changing unit 0204. Since channel waveguides having different relative refractive index differences have different core widths that satisfy the single mode condition, it is normal that the channel waveguides in the first waveguide array and the channel waveguides in the second waveguide array have different core widths. It is. Therefore, it is preferable to combine them by gradually changing the core width. Similarly, in the first and second waveguide arrays, since the refractive indexes of the clads are different, it is preferable to form the clads so that they are gradually replaced. As a method of changing the clad, for example, the form of linear change is shown in FIGS. 13A and 13B, but other forms such as a parabolic shape may be used. Further, in both FIGS. 13A and 13B, the core width and the cladding are changed by a linear taper, but it is also effective to change the core width and the cladding region by, for example, a parabolic shape or an elliptical shape. It is.

図16(a),(b)には、第2の導波路アレイにおけるチャネル導波路断面を模式的に示した。チャネル導波路のコア0211が第1のクラッド0212の上に形成される。第1のクラッドは、この形態の光偏向素子における全ての導波路において共通のクラッドである。したがってコアの屈折率と第1のクラッドの屈折率との差は大きい。図12(a)に示したチャネル導波路においては、コア0211の上部及び側部を第2のクラッド0213で囲む構造を有する。第2のクラッドの屈折率をコアの屈折率に近づけることによって、光導波路の比屈折率差を小さくしている。また図12(b)に示したチャネル導波路については、コアの側部を第2のクラッド0213によって埋め込み、かつコア上部を第3のクラッド0214で覆う。図12(b)に示した構造において第1のクラッド0212と第3のクラッド0214の屈折率を同じにすることによって、チャネル導波路における伝搬モードの電磁界分布を上下対称にできる。コアを上下から挟み込むクラッドの屈折率が低く、チャネル導波路の膜厚方向への閉じ込めは強くなる。これに対し、コアの左右のクラッドは屈折率がコアの屈折率に近いため、横方向の閉じ込めは弱くなる。第1および第2の導波路アレイにおける伝搬モードの電磁界分布がともに上下対称となるから、それらを結合したときの伝搬モードの遷移が容易になり、両アレイを構成するチャネル導波路におけるコア幅を変化させる際のテーパー長を短くできる。   FIGS. 16A and 16B schematically show channel waveguide cross sections in the second waveguide array. A channel waveguide core 0211 is formed on the first cladding 0212. The first clad is a clad common to all the waveguides in the optical deflection element of this embodiment. Therefore, the difference between the refractive index of the core and the refractive index of the first cladding is large. The channel waveguide shown in FIG. 12A has a structure in which the upper portion and the side portion of the core 0211 are surrounded by the second cladding 0213. By making the refractive index of the second cladding close to the refractive index of the core, the relative refractive index difference of the optical waveguide is reduced. In the channel waveguide shown in FIG. 12B, the side of the core is buried with the second clad 0213, and the upper part of the core is covered with the third clad 0214. In the structure shown in FIG. 12B, by making the refractive indexes of the first clad 0212 and the third clad 0214 the same, the electromagnetic field distribution of the propagation mode in the channel waveguide can be made vertically symmetrical. The clad that sandwiches the core from above and below has a low refractive index, and the confinement of the channel waveguide in the film thickness direction becomes strong. On the other hand, since the left and right claddings of the core have a refractive index close to that of the core, the lateral confinement becomes weak. Since both the electromagnetic field distributions of the propagation modes in the first and second waveguide arrays are vertically symmetrical, the transition of the propagation modes when they are coupled is facilitated, and the core width in the channel waveguides constituting both arrays The taper length when changing the length can be shortened.

第2のアレイ導波路を構成するチャネル導波路の比屈折率差を小さくすることによるトレランス拡大の効果を見積もる。図17は図12(b)に示した断面構造を有するチャネル導波路に対して、コア幅1nmの変化による導波路の等価屈折率の変化を計算した結果である。横軸には導波路のコア幅を取っており、第2のクラッド0213の屈折率を1.6〜2.2まで変化させてトレランスを拡大する効果について比較した。コアの屈折率および厚さはそれぞれ2.2818および200nmであり、第1および第3のクラッドの屈折率は1.4567である。波長は650nmとした。例えば第2のクラッドの屈折率が2.2の場合、コア幅を600nm程度以上に広げればコア幅の変化1nmあたりの等価屈折率変化は5×10−4以下になり、典型的なLN細線導波路と比較して、トレランスを10倍程度に拡大できる。さらにこのときのチャネル導波路はシングルモード条件を満たすため、高次モードが励振されることがなく、トレランス拡大に伴う素子集光性能の劣化はない。 The effect of increasing the tolerance by reducing the relative refractive index difference of the channel waveguides constituting the second arrayed waveguide is estimated. FIG. 17 shows the result of calculating the change in the equivalent refractive index of the waveguide due to the change in the core width of 1 nm for the channel waveguide having the cross-sectional structure shown in FIG. The horizontal axis represents the core width of the waveguide, and the effect of expanding the tolerance by changing the refractive index of the second cladding 0213 from 1.6 to 2.2 was compared. The refractive index and thickness of the core are 2.2818 and 200 nm, respectively, and the refractive index of the first and third claddings is 1.4567. The wavelength was 650 nm. For example, when the refractive index of the second cladding is 2.2, if the core width is increased to about 600 nm or more, the equivalent refractive index change per 1 nm of the core width change becomes 5 × 10 −4 or less, and a typical LN thin wire Compared with the waveguide, the tolerance can be increased to about 10 times. Furthermore, since the channel waveguide at this time satisfies the single mode condition, the higher order mode is not excited, and there is no deterioration in the element light condensing performance due to the increased tolerance.

(実施形態3)
図18は、本発明における第2の導波路アレイを模式的に表したものである。導波路アレイ0401は第1の導波路アレイ0402と第2の導波路アレイ0403からなる。さらに第2の導波路アレイはフォトニック結晶配列を有する。フォトニック結晶配列は光の波長程度の周期的な屈折率分布を有し、周期構造を調整することで光子の禁制体であるフォトニックバンドギャップを形成することができる。このとき第2の導波路アレイにおいてフォトニック結晶配列が存在する領域には光が存在し得ない。具体的なフォトニック結晶配列として、図18に示すように導波路材料中に周期的な円孔を設けることが好適である。フォトニック結晶配列中に、円孔のない直線部分である線欠陥導波路を導入すると、光はこの線欠陥導波路に強く閉じ込められて伝搬する。したがってこのフォトニック結晶線欠陥導波路0405によって光導波路を形成することができる。
(Embodiment 3)
FIG. 18 schematically shows the second waveguide array in the present invention. The waveguide array 0401 includes a first waveguide array 0402 and a second waveguide array 0403. Furthermore, the second waveguide array has a photonic crystal arrangement. The photonic crystal array has a periodic refractive index distribution that is about the wavelength of light, and a photonic band gap that is a forbidden body of photons can be formed by adjusting the periodic structure. At this time, no light can exist in the region where the photonic crystal array exists in the second waveguide array. As a specific photonic crystal arrangement, it is preferable to provide periodic circular holes in the waveguide material as shown in FIG. When a line defect waveguide which is a straight line portion without a circular hole is introduced into the photonic crystal arrangement, light is strongly confined in the line defect waveguide and propagates. Therefore, an optical waveguide can be formed by this photonic crystal line defect waveguide 0405.

フォトニック結晶線欠陥導波路により、線欠陥中に光を強く閉じ込めることができ、微小な光回路を形成することが可能となる。さらにフォトニック結晶配列を適切に設計することにより、フォトニック結晶線欠陥導波路を伝搬する光の群速度を、真空を伝搬する光の1/10から1/100程度に減速することが可能である。これはフォトニック結晶線欠陥導波路の等価屈折率が、通常の導波路と比べて極めて大きいことに相当する。したがって、コア材料の屈折率変化に起因して導波路間に付与される位相差量も、全反射による光閉じ込めを利用したチャネル導波路と比較して大きくなると考えられる。この効果を利用すれば、本発明の光偏向素子における第2の導波路アレイの導波路長および屈折率変調領域を小さくでき、偏向素子のデバイスサイズを極めて小さくすることが可能となる。   With the photonic crystal line defect waveguide, light can be strongly confined in the line defect, and a minute optical circuit can be formed. Furthermore, by appropriately designing the photonic crystal array, the group velocity of light propagating through the photonic crystal line defect waveguide can be reduced to about 1/10 to 1/100 of the light propagating in the vacuum. is there. This corresponds to the fact that the equivalent refractive index of the photonic crystal line defect waveguide is extremely larger than that of a normal waveguide. Therefore, it is considered that the amount of phase difference imparted between the waveguides due to the change in the refractive index of the core material is also larger than that of the channel waveguide using the optical confinement by total reflection. By utilizing this effect, the waveguide length and refractive index modulation region of the second waveguide array in the optical deflection element of the present invention can be reduced, and the device size of the deflection element can be extremely reduced.

(実施形態4)
図19は、本発明の光偏向素子の実施形態4における第2の導波路アレイを模式的に示したものである。第2の導波路アレイ0503は第1の導波路アレイ0502とコア幅変化部0504を介して結合されている。導波路アレイを構成するチャネル導波路のコア0505は第2の導波路アレイにおいてコア幅を広げている。さらに複数のチャネル導波路のコアの間に電界吸収層である光吸収層0506を備えている。
(Embodiment 4)
FIG. 19 schematically shows a second waveguide array according to the fourth embodiment of the optical deflection element of the present invention. The second waveguide array 0503 is coupled to the first waveguide array 0502 via the core width changing unit 0504. The core 0505 of the channel waveguide constituting the waveguide array has a larger core width in the second waveguide array. Further, a light absorption layer 0506 that is an electroabsorption layer is provided between the cores of the plurality of channel waveguides.

上述のように、第2の直線アレイにおいて、チャネル導波路のコア幅を広げることによりコア幅に対するトレランスを拡大することができるが、同時にチャネル導波路において高次伝搬モードが励振される恐れがある。アレイを構成するそれぞれのチャネル導波路において励振された高次モードが出力スラブ導波路において干渉し合うことにより、予期しない迷光が発生する恐れがある。したがって、基本モードの干渉による集光ビームに対する迷光の発生を抑制するために、導波路アレイにおいて高次モードが発生した場合には、速やかにそれを除去することが好ましい。光吸収層0506は高次伝搬モードを吸収・除去するために付加したものである。   As described above, in the second linear array, the tolerance for the core width can be increased by increasing the core width of the channel waveguide, but at the same time, a higher-order propagation mode may be excited in the channel waveguide. . Unexpected stray light may be generated when higher-order modes excited in the respective channel waveguides constituting the array interfere with each other in the output slab waveguide. Therefore, in order to suppress the generation of stray light with respect to the condensed beam due to the interference of the fundamental mode, it is preferable to quickly remove the higher order mode when it occurs in the waveguide array. The light absorption layer 0506 is added to absorb and remove the higher-order propagation mode.

基本モードと比較した場合、高次モードはコアへの光閉じ込めが弱く、伝搬フィールドがクラッド中まで広く分布している。したがって基本伝搬モードの電磁界が十分減衰し、かつ高次伝搬モードの電磁界分布が減衰し切らない程度にコアから離れた領域に光吸収層を配置することにより、高次モードのみを光吸収層によって減衰させることができる。よって、仮に第2の導波路アレイにおいて高次モードが発生した場合であっても、これによる出力スラブにおける集光の劣化を低減することが可能である。具体的な光吸収層の材料としては、クラッドよりも高屈折率を有する誘電体や電磁界を吸収する金属等が好適である。   Compared with the fundamental mode, the higher-order mode has weak optical confinement in the core, and the propagation field is widely distributed throughout the cladding. Therefore, by disposing the light absorption layer in a region away from the core to such an extent that the electromagnetic field in the fundamental propagation mode is sufficiently attenuated and the electromagnetic field distribution in the higher order propagation mode is not attenuated completely, only the higher order mode is absorbed. Can be attenuated by layers. Therefore, even if a higher-order mode is generated in the second waveguide array, it is possible to reduce the deterioration of light collection in the output slab due to this. As a specific material for the light absorption layer, a dielectric having a higher refractive index than the cladding, a metal that absorbs an electromagnetic field, or the like is preferable.

(実施形態5)
図1,2からも判るように本発明の光偏向素子は、入り口ポートと出口ポートの形態を除いて左右対称にすることが出来る。実施形態5においては、この特性を利用して、例えば、図2(a)において、第2の導波路アレイ0006の中央部分から左側を除去し、除去した部分に光を反射させるミラーを接続する。そして、入力スラブ導波路0002に出力スラブ導波路0004の機能を兼ねさせるために、出力チャネル導波路0009を設ける。この形態の光偏向素子においては、入力チャネル導波路0001から入射した光は、入力スラブ導波路0002、第1の導波路アレイ0005、第2の導波路アレイ0006を経由してミラーに到達する。ミラーに到達した光は、ミラーで反射して、第2の導波路アレイ0006から入射したときと逆の経路を通って入力スラブ導波路0002の入射面に達する。このとき、出射光は、導波路アレイの屈折率変調作用によって、入力チャネル導波路0001の位置からずらすことが出来る。そして、その位置に出力チャネル導波路0009を設けておけば、入力スラブ導波路0002に出力スラブ導波路0004として利用でき、屈折率変調作用によって光偏向することが出来る。この形態の光偏向素子は、上述の光偏向素子のおよそ半分の大きさ、材料で製作することが可能である。
(Embodiment 5)
As can be seen from FIGS. 1 and 2, the optical deflecting element of the present invention can be symmetric except for the form of the entrance port and the exit port. In the fifth embodiment, using this characteristic, for example, in FIG. 2A, the left side is removed from the central portion of the second waveguide array 0006, and a mirror that reflects light is connected to the removed portion. . In order to make the input slab waveguide 0002 function as the output slab waveguide 0004, an output channel waveguide 0009 is provided. In the optical deflection element of this form, the light incident from the input channel waveguide 0001 reaches the mirror via the input slab waveguide 0002, the first waveguide array 0005, and the second waveguide array 0006. The light reaching the mirror is reflected by the mirror and reaches the incident surface of the input slab waveguide 0002 through a path opposite to that incident from the second waveguide array 0006. At this time, the emitted light can be shifted from the position of the input channel waveguide 0001 by the refractive index modulation action of the waveguide array. If the output channel waveguide 0009 is provided at that position, the input slab waveguide 0002 can be used as the output slab waveguide 0004, and light can be deflected by the refractive index modulation action. This form of light deflection element can be made of approximately half the size and material of the light deflection element described above.

(実施形態6)
図20(a),(b)は、本発明の光偏向素子の入力スラブ導波路又は出力スラブと導波路アレイとの接続部を模式的に示したものである。ここで入力又は出力スラブ導波路0701の端面はある曲率を設けた円弧で表される曲面となっている。入力又は出力スラブ導波路0701の曲面に対して導波路アレイ0702を構成する複数のチャネル導波路はそれぞれ垂直に接続されている。
(Embodiment 6)
FIGS. 20A and 20B schematically show the connection portion between the input slab waveguide or output slab of the optical deflection element of the present invention and the waveguide array. Here, the end surface of the input or output slab waveguide 0701 is a curved surface represented by an arc having a certain curvature. A plurality of channel waveguides constituting the waveguide array 0702 are connected perpendicularly to the curved surface of the input or output slab waveguide 0701, respectively.

入力又は出力スラブ導波路0701が入力スラブ導波路である場合、入力チャネル導波路から入射された光はスラブ導波路内を回折によって広がり、ほぼ同位相で導波路アレイを構成するチャネル導波路に入力される。ここでスラブ導波路において回折された光がアレイ導波路に結合されずに散乱されてしまうと、素子の損失の増加につながり、また散乱による余計な回折波が発生するとクロストークレベルの悪化の原因にもなる。したがってスラブ導波路とアレイ導波路の接続部においては、できる限り低損失で伝搬光を結合させることが好ましい。   When the input or output slab waveguide 0701 is an input slab waveguide, light incident from the input channel waveguide spreads by diffraction in the slab waveguide, and is input to the channel waveguides that constitute the waveguide array in substantially the same phase. Is done. Here, if the light diffracted in the slab waveguide is scattered without being coupled to the arrayed waveguide, it leads to an increase in the loss of the element, and if an extra diffracted wave due to the scattering is generated, the cause of the deterioration of the crosstalk level It also becomes. Therefore, it is preferable to couple the propagation light with as low a loss as possible at the connection portion between the slab waveguide and the arrayed waveguide.

そこで図20(a),(b)に示すように、スラブ導波路とチャネル導波路との接続部において、チャネル導波路のコア幅を広げることが有効である。チャネル導波路の端部以外のコア幅をw、スラブ導波路に入射する端面のコア幅をw2とし、コア幅が変化する際の伝搬長をl2とすると、端面のコア幅w2を大きくするほど、スラブ導波路を伝搬した光を、各チャネル導波路に入力できるため、光偏向素子の光の過剰損失を低減できる。またコア幅が変化する際の伝搬長l2の長さを数ミクロン程度以上にすれば、コア幅を変化させることによる過剰損失をほぼゼロにできる。またコア幅を広げる際の形状は図20(a)に示すような直線テーパー形状や図20(b)のようなパラボリック形状、その他楕円形状等も有効である。 Therefore, as shown in FIGS. 20A and 20B, it is effective to increase the core width of the channel waveguide at the connection portion between the slab waveguide and the channel waveguide. If the core width other than the end of the channel waveguide is w, the core width of the end face incident on the slab waveguide is w 2, and the propagation length when the core width changes is l 2 , the core width w 2 of the end face is As the size is increased, the light propagated through the slab waveguide can be input to each channel waveguide, so that the excessive loss of light of the optical deflection element can be reduced. Further, if the length of the propagation length l 2 when the core width changes is set to about several microns or more, excess loss due to changing the core width can be made substantially zero. In addition, the linear taper shape as shown in FIG. 20 (a), the parabolic shape as shown in FIG. 20 (b), and other elliptical shapes are also effective as the core width.

(実施形態7)
図21(a),(b)は、入力チャネル導波路と入力スラブ導波路との接続部を模式的に示したものである。入力スラブ導波路0712の曲面に対して入力チャネル導波路0711はそれぞれ垂直に接続されている。また、入力チャネル導波路の入力スラブ導波路との接続部においてコア幅を広げている。
(Embodiment 7)
FIGS. 21A and 21B schematically show a connection portion between an input channel waveguide and an input slab waveguide. The input channel waveguides 0711 are connected perpendicularly to the curved surface of the input slab waveguide 0712. Further, the core width is widened at the connection portion between the input channel waveguide and the input slab waveguide.

入力チャネル導波路0711の端部以外のコア幅をw、入力スラブ導波路0712に入射するときの入力チャネル導波路の端面のコア幅をw1とし、コア幅が変化する際の伝搬長をl1とする。入力チャネル導波路のコア幅がwのままスラブ導波路に結合した場合、入力導波路に強く閉じ込められた光がスラブ導波路において回折するので、球面波に近い波面をもってスラブ内を広範囲に回折する。したがってスラブ導波路を伝搬してアレイ導波路に回折光が達したとき、各アレイ導波路に入射した光の位相は揃っている。ただし回折が広範囲に及ぶため、アレイ導波路本数が少ない場合はスラブ導波路での回折光を拾いきれず、入射光の過剰損失につながる。これに対して入力チャネル導波路の端面のコア幅w1を広げて入力スラブ導波路0712に結合する際のフィールド幅をあらかじめ広げておくことで、入力スラブ導波路0712における回折角を狭くする効果がある。これにより、導波路アレイを構成するチャネル導波路本数を少なくすることができ、光偏向素子の小型化に有効である。ただし、光偏向素子の出力ポートで集光される光のスポット幅は入力ポートでのフィールド幅と同程度であるので、入力チャネル導波路幅を広げすぎると出力ポートでの解像点数がとれない。実際にはw1の値はwの数倍程度にするとよい。 The core width of a portion other than the end portion of the input channel waveguides 0711 w, the core width of the end face of the input channel waveguides when entering the input slab waveguide 0712 and w 1, the propagation length when the core width changes l Set to 1 . If the core of the input channel waveguide is coupled to the slab waveguide while w remains, the light that is strongly confined in the input waveguide is diffracted in the slab waveguide. . Therefore, when the diffracted light propagates through the slab waveguide and reaches the arrayed waveguide, the phase of the light incident on each arrayed waveguide is aligned. However, since diffraction extends over a wide range, if the number of arrayed waveguides is small, diffracted light in the slab waveguide cannot be picked up, leading to excess loss of incident light. On the other hand, the effect of narrowing the diffraction angle in the input slab waveguide 0712 by widening the core width w 1 of the end face of the input channel waveguide and widening the field width when coupled to the input slab waveguide 0712 in advance. There is. As a result, the number of channel waveguides constituting the waveguide array can be reduced, which is effective for reducing the size of the optical deflection element. However, since the spot width of the light collected at the output port of the optical deflection element is about the same as the field width at the input port, if the input channel waveguide width is too wide, the number of resolution points at the output port cannot be obtained. . Actually, the value of w 1 should be several times larger than w.

入力チャネル導波路0711におけるコア幅の広げ方については、図21(a)に示すような直線テーパー形状や図21(b)に示すようなパラボリック形状等が有効である。コアをパラボリック状に広げることによって、コア幅の変化による高次モードの発生を抑制でき、スラブ導波路において高次モードが励振されないようにすることが可能となる。   For increasing the core width in the input channel waveguide 0711, a linear taper shape as shown in FIG. 21A, a parabolic shape as shown in FIG. By expanding the core in a parabolic manner, it is possible to suppress the generation of higher-order modes due to changes in the core width, and to prevent higher-order modes from being excited in the slab waveguide.

(実施形態8)
図22(a),(b)は、図2に示した形態おける出力スラブ導波路と出力チャネル導波路との接続部を模式的に示したものである。出力スラブ導波路0721はある曲率を持った円弧で表される端面を有し、その端面に対して、複数の出力チャネル導波路0722が垂直に接続される。また、出力チャネル導波路の出力スラブ導波路との接続部においてコア幅は広がっている。
(Embodiment 8)
FIGS. 22A and 22B schematically show a connection portion between the output slab waveguide and the output channel waveguide in the embodiment shown in FIG. The output slab waveguide 0721 has an end face represented by an arc having a certain curvature, and a plurality of output channel waveguides 0722 are vertically connected to the end face. Further, the core width is widened at the connection portion between the output channel waveguide and the output slab waveguide.

出力スラブ導波路0721の終端(出口ポート)において光ビームが集光されるが、そのスポット径は入力チャネル導波路から入力スラブ導波路に入射された光ビームとほぼ等しい。したがって、出力スラブ導波路0722に集光された光を効率よく出力チャネル導波路0722に結合するためには、出力チャネル導波路の端面のコア幅を、入力スラブとの接続部における入力チャネル導波路の端面のコア幅と同程度にすることが望ましい。さらに出力スラブ導波路0721から結合された出力光を出力チャネル導波路0722に導く際に、光の放射や高次モードの励振を抑制するために、テーパー状に導波路幅を狭める。導波路幅を変化させる形状として、図22(a)に示した直線テーパー形状の他、高次モードが励振されるのを抑制するために図22(b)に示すパラボリック形状などが好適である。   The light beam is collected at the end (exit port) of the output slab waveguide 0721, but the spot diameter is substantially equal to the light beam incident on the input slab waveguide from the input channel waveguide. Therefore, in order to efficiently couple the light focused on the output slab waveguide 0722 to the output channel waveguide 0722, the core width of the end face of the output channel waveguide is set to the input channel waveguide at the connection portion with the input slab. It is desirable to have the same width as the core width of the end face. Further, when the output light coupled from the output slab waveguide 0721 is guided to the output channel waveguide 0722, the waveguide width is narrowed in a tapered shape in order to suppress light emission and high-order mode excitation. As a shape for changing the waveguide width, in addition to the linear taper shape shown in FIG. 22A, a parabolic shape shown in FIG. 22B is preferable in order to suppress excitation of higher-order modes. .

前に示した2次元FDTDシミュレーションにおいては、上記の事項を鑑み、いずれも各チャネル導波路とスラブ導波路の接続部においてチャネル導波路のコア幅を広げている。具体的には接続部において、入力チャネル導波路の端面のコア幅wを1.5μm、導波路アレイの端面のコア幅wを1.0μm、出力チャネル導波路の端面のコア幅を1.0μmとした。またコア幅変化に伴うテーパー長l〜lはいずれも3.0μmとした。 In the two-dimensional FDTD simulation shown above, in consideration of the above matters, the core width of the channel waveguide is increased at the connection portion between each channel waveguide and the slab waveguide. Specifically, in the connection portion, the core width w 1 of the end face of the input channel waveguide is 1.5 μm, the core width w 2 of the end face of the waveguide array is 1.0 μm, and the core width of the end face of the output channel waveguide is 1 It was set to 0.0 μm. Further, the taper lengths l 1 to l 3 accompanying the change in the core width were all set to 3.0 μm.

(実施形態9)
図23は、図2に示すような、偏向光ビームを出力チャネル導波路によって導くような偏向素子における出力スラブ導波路と出力チャネル導波路の結合部を模式的に示したものである。出力スラブ導波路0801の出射曲面に対して、複数のチャネル導波路0802がそれぞれ垂直に結合される。また図23では出力スラブ導波路0801との結合部においてチャネル導波路のコア幅をパラボリック状に広げている様子を図示しているが、この接続部はこの形状に限定されるものではなくテーパー状などの傾斜構造でもよい。
(Embodiment 9)
FIG. 23 schematically shows a coupling portion between the output slab waveguide and the output channel waveguide in the deflection element that guides the deflected light beam by the output channel waveguide as shown in FIG. A plurality of channel waveguides 0802 are coupled vertically to the output curved surface of the output slab waveguide 0801, respectively. FIG. 23 shows a state in which the core width of the channel waveguide is expanded in a parabolic manner at the coupling portion with the output slab waveguide 0801, but this connection portion is not limited to this shape but is tapered. An inclined structure such as

入力および出力スラブ導波路は、扇形の形状を持ち、その曲率中心は入力チャネル導波路端、あるいは複数の出力チャネル導波路における中央の導波路端にあり、アレイ導波路群はその光軸がこの曲率中心を通るように放射状に配置される。曲率中心からスラブ導波路における出射端面までの距離をスラブ半径といい、ここではfで表す。通常は複数の出力チャネル導波路はスラブ半径fの曲率半径を有する曲面上に配置され、その曲率中心は出力スラブ導波路に結合されている導波路アレイにおける中央のチャネル導波路端である。この曲率中心を上述のように配置したとき、原理的には出力光が最も集光する場所に出力チャネル導波路端が位置することになる。しかしながら、実際には入力スラブ導波路において回折した光が完全に同位相で導波路アレイに入力しない場合や、導波路アレイの各チャネル導波路に与えられる光路長差が完全に一定でない場合等の理由から、上記の出力チャネル導波路位置に最も出力光が集光するとは限らない。すなわち理想的な集光位置より内側あるいは外側の曲面に出力光が集光されることがあり得る。このような場合、出力スラブ導波路端面において、出力光のビームスポット径が大きくなり、隣接して設置された出力チャネル導波路において、チャネル間クロストーク、すなわち本来の出力ポート以外のポートへの光漏れ込みが増大する原因となる。   The input and output slab waveguides have a fan-shaped shape, and the center of curvature is at the input channel waveguide end or the center waveguide end of the plurality of output channel waveguides. They are arranged radially to pass through the center of curvature. The distance from the center of curvature to the exit end face of the slab waveguide is referred to as the slab radius, and is represented by f here. Usually, the plurality of output channel waveguides are arranged on a curved surface having a radius of curvature of the slab radius f, and the center of curvature is the center channel waveguide end in the waveguide array coupled to the output slab waveguide. When the center of curvature is arranged as described above, in principle, the end of the output channel waveguide is positioned where the output light is most concentrated. However, in reality, the light diffracted in the input slab waveguide does not completely enter the waveguide array in the same phase, or the optical path length difference given to each channel waveguide of the waveguide array is not completely constant, etc. For the reason, the output light is not always collected most at the output channel waveguide position. That is, the output light may be collected on a curved surface inside or outside the ideal light collection position. In such a case, the beam spot diameter of the output light becomes large at the end face of the output slab waveguide, and in the adjacent output channel waveguide, crosstalk between channels, that is, light to a port other than the original output port Leakage increases.

この問題を解消するために、出力チャネル導波路の位置を上記の位置から移動させることが有効である。具体的には、出力スラブ導波路におけるスラブ半径f'を入力スラブ半径fと異ならせる方法がある。f'<fのとき、出力チャネル導波路は通常より内側に位置する。逆にf'>fの場合は出力位置を通常より外側にできる。また、f'=fすなわち出力スラブ導波路のスラブ半径が入力スラブ半径と等しい場合であっても、出力チャネル導波路が配置される曲面の曲率中心を通常の導波路アレイ端のから移動させることによって出力位置を変化させることができる。図23における0803は曲率中心の変化量であり、ここではδで表す。δの値によって出射曲面を全体的に内側あるいは外側に移動できる。   In order to solve this problem, it is effective to move the position of the output channel waveguide from the above position. Specifically, there is a method of making the slab radius f ′ in the output slab waveguide different from the input slab radius f. When f ′ <f, the output channel waveguide is located inside than usual. Conversely, when f ′> f, the output position can be set outside the normal position. Further, even when f ′ = f, that is, when the slab radius of the output slab waveguide is equal to the input slab radius, the curvature center of the curved surface on which the output channel waveguide is arranged is moved from the end of the normal waveguide array. Can change the output position. In FIG. 23, 0803 is the amount of change in the center of curvature, and is represented here by δ. The exit curved surface can be moved inward or outward as a whole depending on the value of δ.

出力スラブ導波路において、干渉光が出力チャネル導波路に集光する様子を図24に示す。ここでは出射ビームが出力ポートNo.1から出力されるように、屈折率変調領域における隣接チャネル導波路間の光路長差を調節した。図24(a)は出力スラブの出力端面位置に関して一切調整を行わない場合、すなわち出力スラブ導波路が入力スラブ導波路と等しい構造を有する場合に回折光が集光する様子である。出力光が最も集光される点は出力導波路の位置より若干内側(図のz座標でプラス側)であることが分かる。したがって出力導波路のz座標を移動することにより、出力光の隣接ポート間でのクロストークを低減できる可能性がある。図L(b)および(c)は出力スラブ導波路終端面の曲率中心をそれぞれ1μmおよび2μmだけ内側(z座標でプラス側)に移動したときの出力光の集光の様子である。ここで、曲率中心の変位量をそれぞれδ=−1μm,δ=−2μmと表すことにする。出力スラブ導波路の位置を移動することによって、隣接ポートへの光の漏れこみが低減できている。   FIG. 24 shows how the interference light is condensed on the output channel waveguide in the output slab waveguide. In this case, the output beam is output port no. The optical path length difference between adjacent channel waveguides in the refractive index modulation region was adjusted so as to be output from 1. FIG. 24A shows a state in which diffracted light is collected when no adjustment is made with respect to the output end face position of the output slab, that is, when the output slab waveguide has the same structure as the input slab waveguide. It can be seen that the point where the output light is most focused is slightly inside the position of the output waveguide (plus side in the z coordinate in the figure). Therefore, there is a possibility that crosstalk between adjacent ports of output light can be reduced by moving the z coordinate of the output waveguide. FIGS. L (b) and (c) show how the output light is collected when the centers of curvature of the output slab waveguide end face are moved inward by 1 μm and 2 μm, respectively (plus side in the z coordinate). Here, the displacement amount of the center of curvature is expressed as δ = −1 μm and δ = −2 μm, respectively. By moving the position of the output slab waveguide, the leakage of light to the adjacent port can be reduced.

図25にこれらの結果を数値化して示す。横軸は出力ポート番号を示し、縦軸はそれぞれのポートからの出力強度を入力光強度で規格化した値を示す。出力スラブ導波路位置を移動しない場合、ポートNo.1からの出力強度は−5.0dBと小さく、隣接ポートへの光の漏れこみも−16dB程度と大きい。これに対して、出力スラブ導波路の位置を2μm移動することにより、ポートNo.1からの出力強度を−3.2dBに大きくでき、また隣接ポートへの光漏れこみを−30dB以下に低減できた。ここで図25においてポートNo.−7からの出力強度が他のポートからの出力強度に比べて大きいのは、ポートNo.−7に1次の回折光が集光していることに起因する。スラブ導波路半径fを大きくして、1次の回折光の集光位置を出力ポートの外側にすることで、このような高次の回折光の影響を受けないようにすることが可能である。   FIG. 25 shows these results in numerical form. The horizontal axis represents the output port number, and the vertical axis represents the value obtained by normalizing the output intensity from each port with the input light intensity. When the output slab waveguide position is not moved, the port No. The output intensity from 1 is as small as −5.0 dB, and the light leakage to the adjacent port is as large as about −16 dB. On the other hand, by moving the position of the output slab waveguide by 2 μm, the port no. The output intensity from 1 could be increased to -3.2 dB, and light leakage to the adjacent port could be reduced to -30 dB or less. Here, in FIG. The output intensity from -7 is larger than the output intensity from other ports. This is because the first-order diffracted light is condensed at -7. By increasing the radius f of the slab waveguide and bringing the condensing position of the first-order diffracted light outside the output port, it is possible not to be affected by such higher-order diffracted light. .

(実施形態10)
図26(a)〜(c)は、屈折率変調領域における導波路アレイの断面構造の例を示したものである。チャネル導波路のコア0902を電気光学効果によって屈折率変化を生じさせる。チャネル導波路のコア0902を上下から電極0904によって挟み込み、電圧を印加させることによって、チャネル導波路のコア0902に対して垂直方向に電界を形成できる。電極材料としては一般的な金属材料であればよく、Cr、Au、Cu、Al等の金属が適当である。ただし、コアと電極を接触させると、チャネル導波路の伝搬光が電極材料に吸収されるため、電極とコアとの間にバッファとなるチャネル導波路のクラッド0903を形成する。クラッド材料としては、屈折率の低い誘電体材料が好ましく、具体的にはSiOや、TaやTiOとSiOとの混合ガラス材料、窒化酸化シリコン(SiON)、ポリマー等が好適である。電極とコアとの間を近づけるほど、屈折率変調に要する電圧を低くすることができるが、導波路の伝搬光が電極によって影響を受けないために、両者を1μm程度離すことが好ましい。また上部電極は図26(a)に示すように導波路アレイ全体を挟み込むように配置してもよいし、図26(b)あるいは図26(c)のように導波路アレイを構成するチャネル導波路のコアの上部にのみ配置してよい。さらに図26(c)に示すようにコアを上下から挟み込むクラッド材料と、コアの側面部のクラッド材料が異なっていても構わない。また図26(a)から図26(c)においては全ての電極間に互いに等しい電圧が印加されるように電圧源を配置しているが、図26(b)および図26(c)において、各チャネル導波路に対して独立に異なる電圧を印加してもよい。
(Embodiment 10)
FIGS. 26A to 26C show examples of the cross-sectional structure of the waveguide array in the refractive index modulation region. The core 0902 of the channel waveguide causes a refractive index change by the electro-optic effect. By sandwiching the channel waveguide core 0902 from above and below by the electrode 0904 and applying a voltage, an electric field can be formed in a direction perpendicular to the channel waveguide core 0902. The electrode material may be a general metal material, and metals such as Cr, Au, Cu, and Al are suitable. However, since the propagation light of the channel waveguide is absorbed by the electrode material when the core and the electrode are brought into contact with each other, the channel waveguide cladding 0903 serving as a buffer is formed between the electrode and the core. The cladding material, low dielectric material preferably having a refractive index, specifically and SiO 2, mixed glass material and Ta 2 O 5 and TiO 2 and SiO 2, silicon oxynitride (SiON), preferably polymers, and It is. The closer the distance between the electrode and the core, the lower the voltage required for refractive index modulation. However, since the propagation light in the waveguide is not affected by the electrode, it is preferable to separate the two by about 1 μm. The upper electrode may be disposed so as to sandwich the entire waveguide array as shown in FIG. 26 (a), or the channel leads constituting the waveguide array as shown in FIG. 26 (b) or 26 (c). You may arrange | position only on the upper part of the core of a waveguide. Furthermore, as shown in FIG. 26 (c), the clad material sandwiching the core from above and below may be different from the clad material of the side surface of the core. In FIGS. 26 (a) to 26 (c), voltage sources are arranged so that equal voltages are applied between all the electrodes. In FIGS. 26 (b) and 26 (c), Different voltages may be applied independently to each channel waveguide.

(本発明の光偏向素子の製造方法)
以下に本発明の光偏向素子の製造プロセスについて説明する。コア材料としてLNやLTのような光学結晶材料の他、PLZTのようなセラミックス材料や電気光学効果を有するポリマー材料が適用できる。ここでは電気光学結晶をコアとした場合を想定し、バルク状の結晶材料から薄膜を形成し、得られた光学結晶薄膜をパターニングすることでチャネル化する。製造プロセスは光学結晶の薄膜化プロセスと、導波路パターニングおよび電極形成の2工程に大きく分けられる。
(Method for Manufacturing Optical Deflection Element of the Present Invention)
The manufacturing process of the optical deflection element of the present invention will be described below. In addition to an optical crystal material such as LN or LT, a ceramic material such as PLZT or a polymer material having an electro-optic effect can be applied as the core material. Here, assuming a case where an electro-optic crystal is used as a core, a thin film is formed from a bulk crystal material, and the obtained optical crystal thin film is patterned to form a channel. The manufacturing process can be broadly divided into two steps: optical crystal thinning process, waveguide patterning and electrode formation.

はじめに光学結晶薄膜を形成するプロセスについて述べる。ここでは、薄膜と薄膜を保持する支持基板との間に電極層とクラッド層が挟まれている。これらを以下では下部電極および下部クラッドと呼ぶ。バルク状の光学結晶から薄膜を形成する最も簡便なプロセスは精密研磨による方法である。高精度な研磨加工により、例えば0.5mm〜1.0mm程度の厚さを有する光学結晶基板から、1μm以下の膜厚にまでに薄膜化加工が可能である。図27に研磨加工を利用した薄膜化プロセスを示す。はじめに光学結晶基板に下部クラッド材料および下部電極材料を順次成膜する。電極材料は金属材料が好ましく、その成膜方法として真空蒸着法やスパッタ法が好適である。また下部クラッドの成膜方法として、スパッタ法、化学気相体積(Chemical Vapor Deposition:CVD)法、真空蒸着法等が好適である。次にこの下部クラッドおよび下部電極を成膜した光学結晶基板の下部電極側に支持基板を直接接合あるいは貼り合せる。支持基板材料としてはコア材料と同じ光学結晶が好適であるが、例えばシリコンや合成石英等であってもよい。この際の接合方法として、加圧下における加熱接合や常温接合等が適用できる。このとき、下部電極層または支持基板表面に互いの接合を容易にするための低融点をもつ誘電体層や金属層を追加して成膜することも有効である。またより簡便に、光学結晶基板と支持基板とを接着剤によって貼り合せてもよい。このようにして得られた貼り合せ基板に対して、光学結晶部分を研磨によって薄膜化加工することによって、最終的に支持基板上に下部電極層および下部クラッド層を挟むように光学結晶薄膜を形成する。   First, a process for forming an optical crystal thin film will be described. Here, the electrode layer and the cladding layer are sandwiched between the thin film and the supporting substrate holding the thin film. These are hereinafter referred to as the lower electrode and the lower cladding. The simplest process for forming a thin film from a bulk optical crystal is a precision polishing method. By high-precision polishing, for example, thinning can be performed from an optical crystal substrate having a thickness of about 0.5 mm to 1.0 mm to a thickness of 1 μm or less. FIG. 27 shows a thinning process using polishing. First, a lower clad material and a lower electrode material are sequentially formed on an optical crystal substrate. The electrode material is preferably a metal material, and a vacuum deposition method or a sputtering method is suitable as the film formation method. Further, as a method for forming the lower clad, a sputtering method, a chemical vapor deposition (CVD) method, a vacuum deposition method, or the like is preferable. Next, a support substrate is directly bonded or bonded to the lower electrode side of the optical crystal substrate on which the lower cladding and the lower electrode are formed. The support substrate material is preferably the same optical crystal as the core material, but may be, for example, silicon or synthetic quartz. As a bonding method at this time, heat bonding under pressure or room temperature bonding can be applied. At this time, it is also effective to add a dielectric layer or a metal layer having a low melting point for facilitating mutual bonding to the lower electrode layer or the support substrate surface. In addition, the optical crystal substrate and the support substrate may be bonded together with an adhesive more simply. For the bonded substrate thus obtained, the optical crystal portion is thinned by polishing, so that the optical crystal thin film is finally formed on the support substrate so that the lower electrode layer and the lower cladding layer are sandwiched between them. To do.

バルク状の光学結晶から薄膜を得るためのもうひとつの方法として、図28に示すイオンスライス(Crystal Ion Slicing:CIS)法がある。イオンスライス法は、以下の工程により、バルク結晶から薄膜を形成する方法である。まず、光学結晶中に質量数の小さい水素イオンもしくはヘリウムイオンを高エネルギーで注入する。イオンは基板表面を貫通し、表面から注入エネルギーに応じた深さに注入層を形成する。注入層においては、基板表面に対して平行な方向に無数の微小なクラック(マイクロキャビティ)が発生する。イオン注入基板を適切な温度および時間で加熱すると、イオン注入によって形成されたマイクロキャビティがオストワルド熟成と呼ばれる効果で互いに溶解して大きなキャビティに成長する。このような基板表面付近の注入層にクラックが成長することを利用すると、イオン注入を施した基板を支持基板に接合した状態で加熱することによって、バルク状の基板から薄膜を支持基板に転写することが可能である。   As another method for obtaining a thin film from a bulk optical crystal, there is an ion slicing (Crystal Ion Slicing: CIS) method shown in FIG. The ion slicing method is a method of forming a thin film from a bulk crystal by the following steps. First, hydrogen ions or helium ions having a small mass number are implanted into the optical crystal with high energy. Ions penetrate the substrate surface and form an implantation layer at a depth corresponding to the implantation energy from the surface. In the injection layer, innumerable minute cracks (microcavities) are generated in a direction parallel to the substrate surface. When the ion-implanted substrate is heated at an appropriate temperature and time, the microcavities formed by ion implantation are dissolved into each other by an effect called Ostwald ripening to grow into large cavities. By utilizing the growth of cracks in the implantation layer near the substrate surface, the thin film is transferred from the bulk substrate to the support substrate by heating the ion-implanted substrate bonded to the support substrate. It is possible.

イオンスライス法によって得られる薄膜の膜厚は、バルク基板表面からのイオン注入深さで決定され、この深さは、イオン注入エネルギーによって制御可能である。具体的には、200keVのエネルギーを有するヘリウムイオンをニオブ酸リチウム基板に注入することによって、750nm程度の膜厚を有するニオブ酸リチウムの薄膜が得られる。またその注入深さは基板面内で均一であるから、最終的に得られる薄膜は面内の膜厚ばらつきがほとんどない均一な薄膜となる。図29にイオンスライス法によって形成したLN薄膜のSEM像を示す。厚さ750nmの薄膜が形成できている。このように、注入エネルギーを制御することで、1μm以下の膜厚を有するLNの薄膜を、極めて膜厚の精度よく形成することが可能である。   The film thickness of the thin film obtained by the ion slicing method is determined by the ion implantation depth from the surface of the bulk substrate, and this depth can be controlled by the ion implantation energy. Specifically, a lithium niobate thin film having a thickness of about 750 nm is obtained by injecting helium ions having an energy of 200 keV into a lithium niobate substrate. Further, since the implantation depth is uniform within the substrate surface, the finally obtained thin film is a uniform thin film with almost no variation in the film thickness within the surface. FIG. 29 shows an SEM image of the LN thin film formed by the ion slice method. A thin film having a thickness of 750 nm is formed. Thus, by controlling the implantation energy, it is possible to form an LN thin film having a film thickness of 1 μm or less with extremely high film thickness accuracy.

図28はイオンスライス法を利用して光学結晶薄膜を形成するプロセスを示したものである。はじめに光学結晶基板にイオンを注入し、イオン注入層を形成する。次に下部クラッド層および下部電極層を順次成膜する。ただし下部クラッド層はイオン注入前に成膜しても構わない。イオン注入基板と支持基板とを接合する。上記の成膜および接合は薄膜が剥離しない程度の比較的低温にて実施する。接合した基板を加熱することにより、イオン注入層を境界として薄膜が剥離される。剥離した直後の薄膜の表面は通常100nm程度の荒れが残っているため、最後に薄膜表面を平滑化研磨することが好ましい。研磨加工としては、通常の光学研磨以外にも、CMP(Chemical Mechanical Polishing:化学機械的研磨)やレーザ加工等の方法を用いても良い。   FIG. 28 shows a process for forming an optical crystal thin film using the ion slice method. First, ions are implanted into the optical crystal substrate to form an ion implantation layer. Next, a lower cladding layer and a lower electrode layer are sequentially formed. However, the lower cladding layer may be formed before ion implantation. The ion implantation substrate and the support substrate are bonded. The above film formation and bonding are performed at a relatively low temperature such that the thin film does not peel off. By heating the bonded substrates, the thin film is peeled off with the ion implantation layer as a boundary. Since the surface of the thin film immediately after peeling usually has a roughness of about 100 nm, it is preferable to smooth and polish the thin film surface last. As the polishing process, a method such as CMP (Chemical Mechanical Polishing) or laser processing may be used other than normal optical polishing.

上記の手順により形成された、下部電極および下部クラッド付きの光学結晶薄膜に微細パターニングを施すことにより、偏向素子を完成する。その製作プロセスを図30および図31に示す。図30および図31はそれぞれ図27および図28に示した電極構成を形成するための製作プロセス例である。図30では、光学結晶薄膜をエッチングによりチャネル化する際のマスクとなる材料を最初に成膜する。マスク材料として、Cr等の金属材料やフォトレジスト等のポリマー材料が好適である。次に成膜したマスクを半導体プロセス用いられるリソグラフィー技術によりパターニングする。例えば電子ビームリソグラフィー、フォトリソグラフィー等のパターニングプロセスを適用できる。またマスクパターニングにはリフトオフプロセスも適用可能である。パターニングしたマスクをエッチングプロセスにより光学結晶薄膜に転写し、光学結晶のチャネル化が完了する。エッチングプロセスとして、RIE(Reactive Ion Etching:反応性イオンエッチング)、ICP(Inductively Coupled Plasma:誘導結合プラズマ)エッチング,FIB(Forcused Ion Beam:収束イオンビーム)エッチング、NLD(Magnetic Neutral Loop Discharge)エッチング等のドライエッチングプロセスが好適である。図32にニオブ酸リチウム表面に微細パターンを形成した例を示す。光の波長以下の線幅をもつラインパターンや光の波長以下の周期を有するフォトニック結晶配列パターンが形成できる。   The deflection element is completed by performing fine patterning on the optical crystal thin film with the lower electrode and the lower clad formed by the above procedure. The manufacturing process is shown in FIGS. 30 and 31 show an example of a manufacturing process for forming the electrode configuration shown in FIGS. 27 and 28, respectively. In FIG. 30, a material to be used as a mask when an optical crystal thin film is channelized by etching is first formed. As the mask material, a metal material such as Cr or a polymer material such as a photoresist is suitable. Next, the deposited mask is patterned by a lithography technique that uses a semiconductor process. For example, a patterning process such as electron beam lithography or photolithography can be applied. A lift-off process can also be applied to mask patterning. The patterned mask is transferred to the optical crystal thin film by an etching process, and the channelization of the optical crystal is completed. Etching processes include RIE (Reactive Ion Etching), ICP (Inductively Coupled Plasma) etching, FIB (Focused Ion Beam) etching, NLD (Magnetic NeutralL Etching, etc.). A dry etching process is preferred. FIG. 32 shows an example in which a fine pattern is formed on the surface of lithium niobate. A line pattern having a line width less than the wavelength of light or a photonic crystal array pattern having a period less than the wavelength of light can be formed.

光学結晶のチャネル化後、マスク材料を剥離し、上部クラッドを成膜する。上部クラッド材料がSiOのようなガラス材料の場合は高周波スパッタ法やCVD法等により成膜が可能である。また上部クラッドをポリマー材料で形成してもよく、その場合はスピンコート法により上部クラッドを形成することができる。最後に上部電極を形成し、隣接するチャネル導波路間で屈折率変調する領域が一定に変化するように上部電極をパターニングする。上部電極の成膜は下部電極の成膜と同様の方法で形成でき、そのパターニングには半導体プロセスで用いられるリソグラフィー技術を適用することができる。 After channeling the optical crystal, the mask material is peeled off and an upper clad is formed. When the upper clad material is a glass material such as SiO 2, the film can be formed by a high frequency sputtering method, a CVD method or the like. Further, the upper clad may be formed of a polymer material. In that case, the upper clad can be formed by a spin coating method. Finally, an upper electrode is formed, and the upper electrode is patterned so that the region where the refractive index modulation is performed between adjacent channel waveguides changes constantly. The upper electrode can be formed by the same method as the lower electrode, and a lithography technique used in a semiconductor process can be applied to the patterning.

図31に示したプロセス例では、はじめに光学結晶薄膜上に上部クラッドおよびマスク材料を成膜する。ここでマスク材料としてCr等の金属薄膜を用いる。金属マスクが最終的に上部電極としても機能する。成膜したマスク材料をパターニングし、形成したパターンをドライエッチングにより上部クラッドおよび光学結晶薄膜に転写する。次にチャネル化した光学結晶を埋め込むクラッド層を成膜し、最後に上部の電極を屈折率変調に適した形状にパターニングされる。これらのプロセスで用いる個々の工程は全て図30の製作プロセスで用いたものと同じ手法を適用することができる。   In the process example shown in FIG. 31, first, an upper clad and a mask material are formed on an optical crystal thin film. Here, a metal thin film such as Cr is used as a mask material. The metal mask finally functions as the upper electrode. The formed mask material is patterned, and the formed pattern is transferred to the upper cladding and the optical crystal thin film by dry etching. Next, a cladding layer for embedding the channeled optical crystal is formed, and finally the upper electrode is patterned into a shape suitable for refractive index modulation. All of the individual steps used in these processes can apply the same technique as that used in the manufacturing process of FIG.

(実施形態11)
図33は本発明による光偏向素子を利用した光偏向モジュールの第1の構成例である。レーザ光源からの光を、光結合器を介して光偏向素子に入射し、光ビームを偏向させる。光源と光結合器との間は例えば光ファイバを用いて結合することによって光を導いてもよいし、また適当なミラーやレンズ等の光学素子を経由して光ビーム形状を保ちながら空気中を伝搬させてもよい。
(Embodiment 11)
FIG. 33 shows a first configuration example of an optical deflection module using an optical deflection element according to the present invention. Light from the laser light source enters the light deflection element via the optical coupler, and deflects the light beam. Light may be guided between the light source and the optical coupler by, for example, coupling using an optical fiber, or in the air while maintaining the shape of the light beam via an optical element such as an appropriate mirror or lens. It may be propagated.

光源からの光ビームを光ファイバによって導いた場合、光結合器は光ファイバ端面と光偏向素子とを高効率で結合する機能を果たす。本発明による光偏向素子内における入力チャネル導波路は、コアとクラッドとの屈折率差を大きくした導波路(以下高Δ導波路と呼ぶ)であることが好ましく、したがって比屈折率差の小さい光ファイバを光偏向素子に直接接続すると、結合損失が大きくなる。したがって光結合素子は、比屈折率差の小さい導波路(以下低Δ導波路と呼ぶ)と高Δ導波路とを高効率で結合する素子となる。高Δ導波路の端面付近を低Δ導波路によって囲み、さらに低Δ導波路に囲まれた領域において、高Δ導波路のコアをテーパー状に徐々に狭めて消失させることにより、低Δ導波路に入力された光を高効率で高Δ導波路に導くことができる。この場合、光結合素子と光偏向素子とは1つの基板上に集積して形成される。光ファイバ端面を光結合素子の結合することにより、光を高効率で比屈折率差の大きな入力チャネル導波路に導くことができる。   When the light beam from the light source is guided by an optical fiber, the optical coupler performs a function of coupling the end face of the optical fiber and the optical deflection element with high efficiency. The input channel waveguide in the optical deflecting element according to the present invention is preferably a waveguide having a large refractive index difference between the core and the clad (hereinafter referred to as a high Δ waveguide). When the fiber is directly connected to the optical deflection element, the coupling loss increases. Therefore, the optical coupling element is an element that couples a waveguide having a small relative refractive index difference (hereinafter referred to as a low Δ waveguide) and a high Δ waveguide with high efficiency. The low Δ waveguide is formed by surrounding the end face of the high Δ waveguide with the low Δ waveguide, and gradually narrowing the core of the high Δ waveguide in a tapered shape to disappear in the region surrounded by the low Δ waveguide. Can be guided to the high Δ waveguide with high efficiency. In this case, the optical coupling element and the optical deflection element are formed integrally on a single substrate. By coupling the end face of the optical fiber with an optical coupling element, light can be guided to an input channel waveguide with high efficiency and a large relative refractive index difference.

また、空間伝搬してきた光を高効率で高Δ導波路に導く方法がある。高NAを有するレンズを、光の伝搬方向とは平行ではない光軸方向に配置することによって、高Δ導波路の出力端面に光を集光することが可能である。高Δ導波路は高いNAを有するから、導波路のNAとレンズのNAとを互いに最適に設定することによって、空間伝搬光を高Δ導波路に導くことが可能である。この原理を本発明素子に適用することにより、光源からの出射光を空気中を伝搬させ、入力チャネル導波路に導くことができる。   There is also a method for guiding light that has propagated in space to a high Δ waveguide with high efficiency. By disposing the lens having a high NA in the optical axis direction that is not parallel to the light propagation direction, it is possible to collect light on the output end face of the high Δ waveguide. Since the high Δ waveguide has a high NA, it is possible to guide spatially propagated light to the high Δ waveguide by optimally setting the NA of the waveguide and the NA of the lens. By applying this principle to the element of the present invention, the light emitted from the light source can be propagated in the air and guided to the input channel waveguide.

光偏向素子に導かれた光は、屈折率変調領域における屈折率変化量に応じた偏向角を付与されて、光偏向素子から出射される。与える屈折率変化量は屈折率変調領域に与える電圧印加量によって制御可能である。導波路のコア材料に電気光学材料を用いることにより、高速な屈折率変調が可能であり、すなわち高速な可変光偏向が可能となる。このような光偏向モジュールはレーザプリンタ等の光書き込み用の光源として適用可能である。また、光源は必ずしも連続波である必要は無く、強度変調や位相変調等を施された光パルス列であってもよい。すなわち本発明による光モジュールは光ファイバ通信におけるスイッチング素子として適用することが可能である。   The light guided to the light deflection element is given a deflection angle corresponding to the refractive index change amount in the refractive index modulation region, and is emitted from the light deflection element. The amount of change in refractive index to be applied can be controlled by the amount of voltage applied to the refractive index modulation region. By using an electro-optic material for the core material of the waveguide, high-speed refractive index modulation is possible, that is, high-speed variable light deflection is possible. Such an optical deflection module can be applied as a light source for optical writing such as a laser printer. The light source is not necessarily a continuous wave, and may be an optical pulse train subjected to intensity modulation, phase modulation, or the like. That is, the optical module according to the present invention can be applied as a switching element in optical fiber communication.

(実施形態12)
図34は本発明の光偏向素子を利用した光偏向モジュールの第2の構成例である。光源からの光を光偏向素子に導く箇所については上記第1のモジュールの構成と同様である。光偏向素子は、光源の波長によって集光位置が異なる。すなわち屈折率変調を行わない場合の出力スラブ導波路における集光位置は入力される光の波長によって異なる。屈折率変調を行わない場合の出射位置は出力スラブ導波路の中央であることが望ましい。屈折率変調を行わないときに中央から出射すれば、屈折率変調時には電圧の印加方向を変えるだけで、左右に同じ角度の光偏向が可能になる。したがって初期状態すなわち屈折率変調を行わない状態において出力スラブ導波路の中央から出射するように偏向素子全体の温度を制御する。偏向素子の温度が変化するとき、素子を構成する材料の屈折率も変化するから、導波路アレイにおいて与えられる光路長差が変化する。したがって出射光の集光位置が変化する。この効果を利用して初期状態での出射位置がスラブ導波路の中央になるように調整することができる。素子に温度変化を与える方法として、例えばペルチェ素子を光偏向素子に近接させることが簡便である。さらに本発明の光偏向素子はHIC導波路を構成要素としているため微小面積であり、温度制御に必要な電力が小さくて済む。また微小領域の温度制御で済むことはモジュールの安定性が増すことにつながり、全体のサイズも小さくなる。
Embodiment 12
FIG. 34 shows a second configuration example of an optical deflection module using the optical deflection element of the present invention. The portion for guiding the light from the light source to the light deflecting element is the same as that of the first module. The light deflection element has a condensing position depending on the wavelength of the light source. That is, the condensing position in the output slab waveguide when the refractive index modulation is not performed differs depending on the wavelength of the input light. When the refractive index modulation is not performed, the emission position is preferably at the center of the output slab waveguide. If light is emitted from the center when refractive index modulation is not performed, light deflection at the same angle to the left and right is possible by simply changing the voltage application direction during refractive index modulation. Therefore, the temperature of the entire deflection element is controlled so that the light is emitted from the center of the output slab waveguide in the initial state, that is, in the state where refractive index modulation is not performed. When the temperature of the deflection element changes, the refractive index of the material constituting the element also changes, so that the optical path length difference given in the waveguide array changes. Therefore, the condensing position of the emitted light changes. By using this effect, the emission position in the initial state can be adjusted to be the center of the slab waveguide. As a method for giving a temperature change to the element, for example, it is convenient to place a Peltier element close to the optical deflection element. Furthermore, since the optical deflecting element of the present invention has a HIC waveguide as a constituent element, the optical deflecting element has a very small area and requires less power for temperature control. In addition, the fact that the temperature control in a minute region is sufficient leads to an increase in the stability of the module, and the overall size is also reduced.

(実施形態13)
図35および図36は本発明による光偏向素子を利用した光スイッチモジュールの実施形態である。本実施形態では光偏向素子の前段および後段のいずれか若しくはその両方に光増幅器を含む。また光源からの光は強度変調や位相変調等の光変調を施され、さらに光ファイバ等の媒質中を伝搬してきた光である場合を含んでいる。このような伝搬光に関しては、光偏向素子に入力する以前の光パワーが異常に小さい場合がある。また光偏向素子による経路切り替えの際にも光損失を被る。そこで光偏向素子に光を入力させる前、あるいは光偏向素子によって光の経路を切り替えた後に光増幅器によって光を増幅させることによって、小さい入力光パワーを増大させ、光偏向による過剰損失を補償することが有効である。具体的な光増幅器として、エルビウム等をドープした光ファイバを利用した光ファイバ増幅器や導波路型増幅器が好適である。
(Embodiment 13)
FIG. 35 and FIG. 36 show an embodiment of an optical switch module using an optical deflection element according to the present invention. In the present embodiment, an optical amplifier is included in either or both of the front stage and the rear stage of the optical deflection element. In addition, the light from the light source is subjected to light modulation such as intensity modulation and phase modulation, and further includes the case where the light has propagated through a medium such as an optical fiber. Regarding such propagating light, the optical power before being input to the optical deflection element may be abnormally small. Also, optical loss is incurred when the path is switched by the optical deflection element. Therefore, before the light is input to the optical deflecting element, or after the light path is switched by the optical deflecting element, the light is amplified by the optical amplifier, thereby increasing the small input optical power and compensating for the excess loss due to the optical deflection. Is effective. As a specific optical amplifier, an optical fiber amplifier or a waveguide amplifier using an optical fiber doped with erbium or the like is suitable.

(実施形態14、15)
本発明の光偏向方法は、少なくともひとつの入力ポートを有する入力スラブ導波路と、複数のチャネル導波路からなる導波路アレイと、出力スラブ導波路とが順次接続された構造での光偏向を基本とする。導波路アレイは隣接するチャネル導波路に一定の光路長差を設けた部分と、隣接するチャネル導波路の光路長を等しくした部分より構成され、さらに光路長の等しい導波路アレイに屈折率変調領域を設けている。この屈折率変調領域を設けている導波路アレイのチャネル導波路のコア幅を広くしたり(実施形態14)、コアとクラッドとの比屈折率差を小さくしたり(実施形態15)している。屈折率変調の効果を増大させ、素子サイズを小さくしたり、チャネル導波路の幅に対するトレランスを大きくしたりすることが出来る。
(Embodiments 14 and 15)
The optical deflection method of the present invention is based on optical deflection in a structure in which an input slab waveguide having at least one input port, a waveguide array composed of a plurality of channel waveguides, and an output slab waveguide are sequentially connected. And The waveguide array is composed of a part in which a certain optical path length difference is provided between adjacent channel waveguides and a part in which the optical path lengths of adjacent channel waveguides are made equal, and the refractive index modulation region is added to the waveguide array having the same optical path length. Is provided. The core width of the channel waveguide of the waveguide array provided with the refractive index modulation region is widened (Embodiment 14), or the relative refractive index difference between the core and the clad is reduced (Embodiment 15). . The effect of refractive index modulation can be increased, the element size can be reduced, and the tolerance for the width of the channel waveguide can be increased.

屈折率変調領域で屈折率変調を施さない場合、入力チャネル導波路より入力された光は出力スラブ出射端の所定の位置に集光する。ここで導波路アレイを屈折率変調することにより隣接するチャネル導波路間に一定の位相差が付加され、出力スラブ導波路における集光位置を変化させることが出来る。集光位置の変化は屈折率変調量によって制御可能であり、光走査が可能となる。さらに出力スラブ導波路に複数の出力チャネル導波路を結合することにより、偏向された光を所望の出力チャネル導波路に導くことができ、偏向素子は1×Nスイッチとして機能する。屈折率変調領域を有するアレイ導波路の長さを長くすることにより、屈折率変調量が小さい場合であっても大きな偏向角が得ることが可能である。チャネル導波路を高屈折率差導波路によって構成することで素子の微小化が可能であり、また直線アレイ部のコア幅トレランスを拡大する構造を付与することで、製作も容になる。電気光学材料等の高速屈折率変調が可能な導波路材料によって本発明の偏向素子を構成することにより、高速な経路切り替えが可能な1×Nスイッチや、高速な走査が可能な光偏向器を提供できる。   When the refractive index modulation is not performed in the refractive index modulation region, the light input from the input channel waveguide is collected at a predetermined position at the output slab exit end. Here, by modulating the refractive index of the waveguide array, a constant phase difference is added between the adjacent channel waveguides, and the condensing position in the output slab waveguide can be changed. The change in the condensing position can be controlled by the refractive index modulation amount, and optical scanning is possible. Further, by coupling a plurality of output channel waveguides to the output slab waveguide, the deflected light can be guided to a desired output channel waveguide, and the deflection element functions as a 1 × N switch. By increasing the length of the arrayed waveguide having the refractive index modulation region, a large deflection angle can be obtained even when the refractive index modulation amount is small. By configuring the channel waveguide with a high refractive index difference waveguide, it is possible to reduce the size of the element, and by providing a structure that increases the core width tolerance of the linear array portion, manufacturing is also easy. By configuring the deflection element of the present invention with a waveguide material capable of high-speed refractive index modulation such as an electro-optic material, a 1 × N switch capable of high-speed path switching and an optical deflector capable of high-speed scanning are provided. Can be provided.

本発明は、光ファイバ通信に用いられる光スイッチング素子、レーザプリンタ、レーザ走査顕微鏡、バーコードリーダー等のスキャナー部に用いられる光学偏向器に係り、特に平面光導波路回路を用いた光偏向素子、マルチチャネル光スイッチング素子等に利用できる。   The present invention relates to an optical deflector used in a scanner unit such as an optical switching element, a laser printer, a laser scanning microscope, and a barcode reader used for optical fiber communication, and more particularly to an optical deflector using a planar optical waveguide circuit, It can be used for a channel optical switching element.

光偏向素子(1)の概念図Conceptual diagram of optical deflection element (1) 光偏向素子(2)の概念図Conceptual diagram of optical deflection element (2) 光偏向素子の出力ポート部の説明図Explanatory drawing of output port part of optical deflection element 各ポートにおける屈折率変調量と出力強度の関係グラフ(m=10)Relationship graph between refractive index modulation amount and output intensity at each port (m = 10) 屈折率変調による出力フィールドの変化図Change of output field by refractive index modulation 各ポートにおける屈折率変調量と出力強度の関係グラフ(m=20)Relationship graph between refractive index modulation amount and output intensity at each port (m = 20) 各ポートにおける屈折率変調量と出力強度の関係グラフ(第2の導波路アレイ長=100μm)Graph of relationship between refractive index modulation amount and output intensity at each port (second waveguide array length = 100 μm) 屈折率変調による出力フィールドの変化図Change of output field by refractive index modulation 各ポートにおける屈折率変調量と出力強度の関係グラフ(第2の導波路アレイ長=200μm)Relationship graph between refractive index modulation amount and output intensity at each port (second waveguide array length = 200 μm) コア幅の変化に対する導波路の等価屈折率の変化Changes in the equivalent refractive index of a waveguide with changes in core width コア幅の変化1mm当たりの導波路の等価屈折率の変化Change in equivalent refractive index of waveguide per 1 mm change in core width 導波路アレイのコア幅傾斜状拡大部の概念図Conceptual diagram of the core width inclined enlarged portion of the waveguide array 導波路アレイのコア幅拡大部の傾斜状クラッドの概念図の例Example of a conceptual diagram of an inclined clad in the core width expansion part of a waveguide array トレランス拡大構造による集光性能の変化を示すグラフGraph showing the change in light collection performance due to the tolerance expansion structure トレランス拡大構造に屈折率変調による光出力強度変化を示すグラフGraph showing the change in light output intensity due to refractive index modulation in the tolerance expansion structure チャンネル導波路の断面図Cross section of channel waveguide 低屈折率導波路におけるコア幅変化に対する等価屈折率変化を示すグラフGraph showing equivalent refractive index change for core width change in low refractive index waveguide フォトニック結晶導波路アレイの概念図Conceptual diagram of photonic crystal waveguide array 電界吸収層を有する導波路アレイの概念図Conceptual diagram of waveguide array with electroabsorption layer 入力スラブ導波路と導波路アレイとの接続部又は出力スラブ導波路と導波路アレイとの接続部Connection between input slab waveguide and waveguide array or connection between output slab waveguide and waveguide array 入力チャネル導波路と入力スラブ導波路との接続部Connection between input channel waveguide and input slab waveguide 出力チャネル導波路と出力スラブ導波路との接続部Connection between output channel waveguide and output slab waveguide 出力スラブ導波路の光路長変化の概念図Conceptual diagram of change in optical path length of output slab waveguide 出力ポートへの集光の様子Condensing light to the output port 出力スラブ導波路の移動による光出力強度の変化を示すグラフGraph showing change in optical output intensity due to movement of output slab waveguide 導波路アレイの構造図Structure diagram of waveguide array 光学結晶薄膜作製プロセス(1)Optical crystal thin film fabrication process (1) 光学結晶薄膜作製プロセス(2)Optical crystal thin film fabrication process (2) イオンスライス方によって形成したLN薄膜のSEM写真SEM photograph of LN thin film formed by ion slicing method 光学結晶薄膜へのパターニング(1)Patterning to optical crystal thin film (1) 光学結晶薄膜へのパターニング(2)Patterning to optical crystal thin film (2) LN薄膜への微細パターンを形成したSEM写真SEM photo with fine pattern formed on LN thin film 光偏向モジュール(1)Optical deflection module (1) 光偏向モジュール(2)Optical deflection module (2) 光スイッチモジュール(1)Optical switch module (1) 光スイッチモジュール(2)Optical switch module (2)

符号の説明Explanation of symbols

0001:入力チャネル導波路 0002:入力スラブ導波路
0003:導波路アレイ 0004:出力スラブ導波路
0005:第1の導波路アレイ 0006:第2の導波路アレイ
0007:屈折率変調領域 0008:コリメート素子
0009:出力チャネル導波路 0101:導波路アレイ
0102:第1の導波路アレイ 0103:第2の導波路アレイ
0104:コア幅変化部 0105:チャネル導波路のコア
0106:導波路アレイのクラッド 0201:導波路アレイ
0202:第1の導波路アレイ 0203:第2の導波路アレイ
0204:コア幅変化部 0205:チャネル導波路のコア
0206:第1の導波路アレイのクラッド 0207:第2の導波路アレイのクラッド
0211:チャネル導波路のコア 0212:チャネル導波路の第1のクラッド
0213:チャネル導波路の第2のクラッド0214:チャネル導波路の第3のクラッド
0401:導波路アレイ 0402:第1の導波路アレイ
0403:第2の導波路アレイ 0404:フォトニック結晶配列
0405:フォトニック結晶線欠陥導波路 0501:導波路アレイ
0502:第1の導波路アレイ 0503:第2の導波路アレイ
0504:コア幅変化部 0505:チャネル導波路のコア
0506:光吸収層 0701:入力スラブ導波路又は出力スラブ導波路
0702:導波路アレイ 0703:コア幅変化領域
0711:入力チャネル導波路 0712:入力スラブ導波路
0713:コア幅変化領域 0721:出力スラブ導波路
0722:出力チャネル導波路 0723:コア幅変化領域
0801:出力スラブ導波路 0802:出力チャネル導波路
0803:出力スラブ端面の光路の変化量 0901:基板
0902:チャネル導波路のコア 0903:チャネル導波路のクラッド
0904:電極
0001: input channel waveguide 0002: input slab waveguide 0003: waveguide array 0004: output slab waveguide 0005: first waveguide array 0006: second waveguide array 0007: refractive index modulation region 0008: collimating element 0009 : Output channel waveguide 0101: waveguide array 0102: first waveguide array 0103: second waveguide array 0104: core width changing portion 0105: core of channel waveguide 0106: clad of waveguide array 0201: waveguide Array 0202: First waveguide array 0203: Second waveguide array 0204: Core width changing part 0205: Channel waveguide core 0206: Cladding of the first waveguide array 0207: Cladding of the second waveguide array 0211: Channel waveguide core 0212: Channel waveguide core 1 clad 0213: channel waveguide second clad 0214: channel waveguide third clad 0401: waveguide array 0402: first waveguide array 0403: second waveguide array 0404: photonic crystal array 0405: Photonic crystal line defect waveguide 0501: Waveguide array 0502: First waveguide array 0503: Second waveguide array 0504: Core width changing portion 0505: Core 0506 of channel waveguide: Light absorption layer 0701 Input slab waveguide or output slab waveguide 0702: Waveguide array 0703: Core width change region 0711: Input channel waveguide 0712: Input slab waveguide 0713: Core width change region 0721: Output slab waveguide 0722: Output channel waveguide 0723: Core width change region 0801: Output slab waveguide 0802: Output channel waveguide 0803: the amount of change in the optical path of the output slab end faces 0901: substrate 0902: core channel waveguides 0903: the cladding of the channel waveguide 0904: electrode

Claims (17)

基板上に形成された、少なくともひとつの入力ポートを有する入力スラブ導波路と、複数のチャネル導波路からなる導波路アレイと、出力スラブ導波路とが順次接続された光偏向素子であって、
前記導波路アレイは、第1の導波路アレイと、チャネル導波路の光路長が互いに等しい第2の導波路アレイとからなり、
前記第2の導波路アレイは、それぞれのチャネル導波路中に異なった長さの屈折率変調領域を備え、
前記第2の導波路アレイを構成するチャネル導波路のコア幅が,前記第1の導波路アレイを構成するチャネル導波路のコア幅よりも広いことを特徴とする光偏向素子。
An optical deflecting element in which an input slab waveguide having at least one input port formed on a substrate, a waveguide array composed of a plurality of channel waveguides, and an output slab waveguide are sequentially connected,
The waveguide array comprises a first waveguide array and a second waveguide array in which the optical lengths of the channel waveguides are equal to each other,
The second waveguide array comprises refractive index modulation regions of different lengths in each channel waveguide;
An optical deflecting element, wherein a core width of a channel waveguide constituting the second waveguide array is wider than a core width of a channel waveguide constituting the first waveguide array.
基板上に形成された、少なくともひとつの入力ポートを有する入力スラブ導波路と、複数のチャネル導波路からなる導波路アレイと、出力スラブ導波路とが順次接続された光偏向素子であって、
前記導波路アレイは、第1の導波路アレイと、チャネル導波路の光路長が互いに等しい第2の導波路アレイとからなり、
前記第2の導波路アレイは、それぞれのチャネル導波路中に異なった長さの屈折率変調領域を備え、
前記第2の導波路アレイを構成するチャネル導波路のコアとクラッドの比屈折率差が,前記第1の導波路アレイを構成するチャネル導波路のコアとクラッドの比屈折率差よりも小さいことを特徴とする光偏向素子。
An optical deflecting element in which an input slab waveguide having at least one input port formed on a substrate, a waveguide array composed of a plurality of channel waveguides, and an output slab waveguide are sequentially connected,
The waveguide array comprises a first waveguide array and a second waveguide array in which the optical lengths of the channel waveguides are equal to each other,
The second waveguide array comprises refractive index modulation regions of different lengths in each channel waveguide;
The relative refractive index difference between the core and the clad of the channel waveguide constituting the second waveguide array is smaller than the relative refractive index difference between the core and the clad of the channel waveguide constituting the first waveguide array. An optical deflection element characterized by the above.
前記第1の導波路アレイと前記第2の導波路アレイとの接続部において、
前記第2の導波路アレイを構成するチャネル導波路のコア幅が傾斜状に変化して広くなっていることを特徴とする請求項1に記載の光偏向素子。
In the connection between the first waveguide array and the second waveguide array,
2. The optical deflection element according to claim 1, wherein the core width of the channel waveguide constituting the second waveguide array is increased in a tilted manner.
前記第1の導波路アレイと前記第2の導波路アレイとの接続部付近において、
前記第2の導波路アレイを構成するクラッドが傾斜状に形成されていることを特徴とする請求項2に記載の光偏向素子。
In the vicinity of the connection portion between the first waveguide array and the second waveguide array,
The optical deflection element according to claim 2, wherein a clad constituting the second waveguide array is formed in an inclined shape.
基板上に形成された、少なくともひとつの入力ポートを有する入力スラブ導波路と、複数のチャネル導波路からなる導波路アレイと、出力スラブ導波路とが順次接続された光偏向素子であって、
前記導波路アレイは、第1の導波路アレイと、チャネル導波路の光路長が互いに等しい第2の導波路アレイとからなり、
前記第2の導波路アレイがフォトニック結晶配列を有することを特徴とする光偏向素子。
An optical deflecting element in which an input slab waveguide having at least one input port formed on a substrate, a waveguide array composed of a plurality of channel waveguides, and an output slab waveguide are sequentially connected,
The waveguide array comprises a first waveguide array and a second waveguide array in which the optical lengths of the channel waveguides are equal to each other,
The optical deflection element, wherein the second waveguide array has a photonic crystal arrangement.
前記導波路アレイにおいて、チャネル導波路の間に電界吸収層を有することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の光偏向素子。   6. The optical deflection element according to claim 1, wherein the waveguide array has an electroabsorption layer between channel waveguides. 複数の出力チャネル導波路が前記出力スラブ導波路の光路出口に接続されていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載の光偏向素子。   The optical deflection element according to any one of claims 1 to 6, wherein a plurality of output channel waveguides are connected to an optical path exit of the output slab waveguide. チャネル導波路に光路中の光を反射させるミラーを備え、前記入力スラブ導波路は前記出力スラブ導波路を兼ねることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載の光偏向素子。   The optical deflection element according to any one of claims 1 to 7, wherein a mirror that reflects light in the optical path is provided in the channel waveguide, and the input slab waveguide also serves as the output slab waveguide. 前記入力スラブ導波路と前記導波路アレイとの接続部、及び/又は前記入力スラブ導波路の入力ポートに接続する入力チャネル導波路を備え入力スラブ導波路と入力チャネル導波路との接続部において、チャネル導波路及び/又は入力チャネル導波路のコア幅を広げて接続されていることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか一項に記載の光偏向素子。   In the connection portion between the input slab waveguide and the input channel waveguide, the connection portion between the input slab waveguide and the waveguide array, and / or the input channel waveguide connected to the input port of the input slab waveguide. 9. The optical deflecting element according to claim 1, wherein the core width of the channel waveguide and / or the input channel waveguide is widened and connected. 前記出力スラブ導波路と前記出力チャネル導波路及び/又は前記導波路アレイとの接続部において、出力チャネル導波路及び/又はチャネル導波路のコア幅を広げて接続されていることを特徴とする請求項7又は9に記載の光偏向素子。   The connection section between the output slab waveguide and the output channel waveguide and / or the waveguide array is connected with the core width of the output channel waveguide and / or channel waveguide being widened. Item 10. The light deflection element according to Item 7 or 9. 前記入力スラブ導波路と前記出力スラブ導波路とが互いに異なる光路長を有することを特徴とする請求項1乃至10のいずれか一項に記載の光偏向素子。   The optical deflection element according to claim 1, wherein the input slab waveguide and the output slab waveguide have different optical path lengths. 前記第2の導波路アレイを構成するチャネル導波路において、前記屈折率変調領域のコアは電気光学効果を有する光学結晶材料で形成され、電極が前記コアを挟んで対向するよう少なくとも一対配置され、クラッドは前記コアと前記電極との間に形成されることを特徴とする請求項1乃至11のいずれか一項に記載の光偏向素子。   In the channel waveguide constituting the second waveguide array, the core of the refractive index modulation region is formed of an optical crystal material having an electrooptic effect, and at least a pair of electrodes are arranged so as to face each other with the core interposed therebetween, The optical deflection element according to claim 1, wherein the clad is formed between the core and the electrode. 光源と、光結合部と、光偏向素子を順次結合して構成された光偏向モジュールであって、
光偏向素子は、請求項1乃至11のいずれか一項に記載の光偏向素子であることを特徴とする光偏向モジュール。
An optical deflection module configured by sequentially coupling a light source, an optical coupling unit, and an optical deflection element,
The optical deflection module according to claim 1, wherein the optical deflection element is an optical deflection element according to claim 1.
前記光偏向素子の温度を調節する温度制御装置を備えることを特徴とする請求項13に記載の光偏向モジュール。   The optical deflection module according to claim 13, further comprising a temperature control device that adjusts a temperature of the optical deflection element. 光偏向素子の前後いずれか若しくは両方に光増幅器を備える光スイッチモジュールであって、
光偏向素子は、請求項1乃至11のいずれか一項に記載の光偏向素子であることを特徴とする光スイッチモジュール。
An optical switch module including an optical amplifier before or after the optical deflection element,
The optical deflection module according to claim 1, wherein the optical deflection element is the optical deflection element according to claim 1.
基板上に形成された、少なくともひとつの入力ポートを有する入力スラブ導波路と、複数のチャネル導波路からなる導波路アレイと、出力スラブ導波路とを順次通過させて光を偏向する光偏向方法であって、
前記導波路アレイには、第1の導波路アレイと、チャネル導波路の光路長が互いに等しい第2の導波路アレイとを設け、
前記第2の導波路アレイは、それぞれのチャネル導波路中の異なった長さで屈折率変調を行い、
前記第2の導波路アレイを構成するチャネル導波路のコア幅を,前記第1の導波路アレイを構成するチャネル導波路のコア幅よりも広くすることを特徴とする光偏向方法。
An optical deflection method for deflecting light by sequentially passing an input slab waveguide having at least one input port formed on a substrate, a waveguide array composed of a plurality of channel waveguides, and an output slab waveguide. There,
The waveguide array is provided with a first waveguide array and a second waveguide array in which the optical path lengths of the channel waveguides are equal to each other,
The second waveguide array performs refractive index modulation with different lengths in each channel waveguide;
An optical deflection method characterized in that a core width of a channel waveguide constituting the second waveguide array is made wider than a core width of a channel waveguide constituting the first waveguide array.
基板上に形成された、少なくともひとつの入力ポートを有する入力スラブ導波路と、複数のチャネル導波路からなる導波路アレイと、出力スラブ導波路とを順次通過させて光を偏向する光偏向方法であって、
前記導波路アレイには、第1の導波路アレイと、チャネル導波路の光路長が互いに等しい第2の導波路アレイとを設け、
前記第2の導波路アレイは、それぞれのチャネル導波路中の異なった長さで屈折率変調を行い、
前記第2の導波路アレイを構成するチャネル導波路のコアとクラッドの比屈折率差を,前記第1の導波路アレイを構成するチャネル導波路のコアとクラッドの比屈折率差よりも小さくすることを特徴とする光偏向方法。
An optical deflection method for deflecting light by sequentially passing an input slab waveguide having at least one input port formed on a substrate, a waveguide array composed of a plurality of channel waveguides, and an output slab waveguide. There,
The waveguide array is provided with a first waveguide array and a second waveguide array in which the optical path lengths of the channel waveguides are equal to each other,
The second waveguide array performs refractive index modulation with different lengths in each channel waveguide;
The relative refractive index difference between the core and the clad of the channel waveguide constituting the second waveguide array is made smaller than the relative refractive index difference between the core and the clad of the channel waveguide constituting the first waveguide array. An optical deflection method.
JP2007123631A 2007-05-08 2007-05-08 Optical deflection element, optical deflection module, optical switch module, and optical deflection method Pending JP2008281639A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007123631A JP2008281639A (en) 2007-05-08 2007-05-08 Optical deflection element, optical deflection module, optical switch module, and optical deflection method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007123631A JP2008281639A (en) 2007-05-08 2007-05-08 Optical deflection element, optical deflection module, optical switch module, and optical deflection method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2008281639A true JP2008281639A (en) 2008-11-20

Family

ID=40142529

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2007123631A Pending JP2008281639A (en) 2007-05-08 2007-05-08 Optical deflection element, optical deflection module, optical switch module, and optical deflection method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2008281639A (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014228640A (en) * 2013-05-21 2014-12-08 日本電信電話株式会社 Optical filter
JP2020166050A (en) * 2019-03-28 2020-10-08 住友大阪セメント株式会社 Light control element
JP2022103259A (en) * 2017-01-05 2022-07-07 マジック リープ, インコーポレイテッド Patterning of high refractive index glass by plasma etching
GB2627958A (en) * 2023-03-08 2024-09-11 Optalysys Ltd Optical Fourier transform device

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05323246A (en) * 1992-05-18 1993-12-07 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Optical multiplexer / demultiplexer
JP2000098147A (en) * 1998-09-25 2000-04-07 Furukawa Electric Co Ltd:The Optical wavelength multiplexer / demultiplexer
JP2000338343A (en) * 1999-05-26 2000-12-08 Hitachi Cable Ltd Low crosstalk optical multiplexer / demultiplexer and method of manufacturing the same
JP2002072157A (en) * 2000-08-24 2002-03-12 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Tunable filter and spatial light switch
JP2006126357A (en) * 2004-10-27 2006-05-18 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Arrayed waveguide grating wavelength multiplexer / demultiplexer
JP2007072433A (en) * 2005-08-11 2007-03-22 Ricoh Co Ltd Optical integrated device and optical control device

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05323246A (en) * 1992-05-18 1993-12-07 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Optical multiplexer / demultiplexer
JP2000098147A (en) * 1998-09-25 2000-04-07 Furukawa Electric Co Ltd:The Optical wavelength multiplexer / demultiplexer
JP2000338343A (en) * 1999-05-26 2000-12-08 Hitachi Cable Ltd Low crosstalk optical multiplexer / demultiplexer and method of manufacturing the same
JP2002072157A (en) * 2000-08-24 2002-03-12 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Tunable filter and spatial light switch
JP2006126357A (en) * 2004-10-27 2006-05-18 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Arrayed waveguide grating wavelength multiplexer / demultiplexer
JP2007072433A (en) * 2005-08-11 2007-03-22 Ricoh Co Ltd Optical integrated device and optical control device

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014228640A (en) * 2013-05-21 2014-12-08 日本電信電話株式会社 Optical filter
JP2022103259A (en) * 2017-01-05 2022-07-07 マジック リープ, インコーポレイテッド Patterning of high refractive index glass by plasma etching
KR20230117764A (en) * 2017-01-05 2023-08-09 매직 립, 인코포레이티드 Patterning of high refractive index glasses by plasma etching
JP2023160831A (en) * 2017-01-05 2023-11-02 マジック リープ, インコーポレイテッド Patterning of high refractive index glasses by plasma etching
JP7490705B2 (en) 2017-01-05 2024-05-27 マジック リープ, インコーポレイテッド Patterning of high refractive index glass by plasma etching.
KR102779144B1 (en) * 2017-01-05 2025-03-10 매직 립, 인코포레이티드 Patterning of high refractive index glasses by plasma etching
US12371368B2 (en) 2017-01-05 2025-07-29 Magic Leap, Inc. Patterning of high refractive index glasses by plasma etching
JP7720886B2 (en) 2017-01-05 2025-08-08 マジック リープ, インコーポレイテッド Patterning of high refractive index glass by plasma etching.
JP2020166050A (en) * 2019-03-28 2020-10-08 住友大阪セメント株式会社 Light control element
JP7218652B2 (en) 2019-03-28 2023-02-07 住友大阪セメント株式会社 light control element
GB2627958A (en) * 2023-03-08 2024-09-11 Optalysys Ltd Optical Fourier transform device
GB2627958B (en) * 2023-03-08 2025-08-13 Optalysys Ltd Optical Fourier transform device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Okamoto Recent progress of integrated optics planar lightwave circuits
Li et al. Silica-based optical integrated circuits
US7529455B2 (en) Optical integrated device and optical control device
Yamada et al. Si photonic wire waveguide devices
US6311004B1 (en) Photonic devices comprising thermo-optic polymer
JP5560602B2 (en) Optical waveguide
KR101228225B1 (en) Optical device, optical device manufacturing method, and optical integrated device
JP3563376B2 (en) Manufacturing method of optical multiplexer / demultiplexer
JP2009048021A (en) Optical deflection element and optical deflection module
US20040202429A1 (en) Planar optical component for coupling light to a high index waveguide, and method of its manufacture
KR20050074290A (en) Method and apparatus for compactly coupling an optical fiber and a planar optical wave guide
US6915029B2 (en) High density integrated optical chip with low index difference and high index difference waveguide functions
CN107407776A (en) High Refractive Index Contrast Photonic Devices and Their Applications
JP2002228863A (en) Optical coupling structure
US6813409B2 (en) Free-space non-blocking switch
JP2008281639A (en) Optical deflection element, optical deflection module, optical switch module, and optical deflection method
US6787868B1 (en) Microlenses for integrated optical devices
WO2001009652A1 (en) Array waveguide diffraction grating
WO2020105473A1 (en) Optical interconnect structure
WO2001023955A2 (en) A nanophotonic mach-zehnder interferometer switch and filter
JP2004126131A (en) Optical multiplexer / demultiplexer
JPWO2010073704A1 (en) Light switch
JP2020085983A (en) Optical connection structure and manufacturing method thereof
Yamada et al. Silicon wire waveguiding system: fundamental characteristics and applications
US20030198438A1 (en) Tunable add/drop multiplexer

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20100112

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20110112

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20110125

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20111018