JPWO2008078561A1

JPWO2008078561A1 - 導波路接続構造

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Publication number: JPWO2008078561A1
Application number: JP2008551028A
Authority: JP
Inventors: 淳牛田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2006-12-27
Filing date: 2007-12-12
Publication date: 2010-04-22
Anticipated expiration: 2027-12-12
Also published as: US20100092132A1; WO2008078561A1; US8078021B2; JP5315999B2

Abstract

１本のコアを備える入力光導波路(201)からの光を等しい光パワーでかつ同じ位相の２つの分岐光に分岐する光分岐素子(111)と、光分岐素子で分岐された分岐光を狭い間隔で並列配置した２本のコアからなるスロット導波路(202)へ出力する１対のアーム導波路(113A,113B)からなる双アーム導波路(113)とを備え、１対のアーム導波路を、基板上のクラッド内に形成されて当該クラッドより高い屈折率を持つコアを有し、分岐光が入力されるコア入力端からスロット導波路へ光を出力するコア出力端にかけて、相互の間隔がスロット導波路のコア間隔と等しい間隔まで徐々に狭くなるよう形成する。

Description

本発明は、微小光回路中での異種導波路間の接続構造に関し、特に細線導波路からスロット導波路への接続構造に関する。

波長多重を利用した光通信システムにおいて，微小光回路の研究開発が盛んに行われている。屈折率差の大きな材料を用いた光導波路を利用した光デバイスを実現すれば，従来型より微小かつ低コストで低消費電力の光通信機器を実現できる。また、そこで培われる光デバイスの要素技術は、ＬＳＩチップ上やチップ間の光配線接続にも応用が可能であり、従来の電気配線の伝送容量の増加に伴う様々な技術的困難を回避する手段としても期待される。

高屈折率差の材料を用いた光導波路としては、特開平７−１６８１４６号公報に記載されているようなＳＯＩ(Silicon on Insulator)基板上のＳｉを導波路コアとして利用するリッジ導波路、リブ導波路、細線導波路やフォトニック結晶線欠陥導波路が代表的である。また、特開平１０−２２１５５４号公報に記載されているようなＧａＡｓなどの化合物半導体を用いた光導波路も盛んに研究開発が進められている。

こうした光導波路は、デバイスとして導波路そのものが機能を有する場合もあるし、微小光回路上に集積化された、例えば発光素子、受光素子、光分岐素子、光結合素子、光分波素子、光合波素子、光変調素子、光スイッチング素子、光メモリ素子、光バッファ素子などの機能素子の間をつなぐ光配線素子として使われることも多い。そのような観点から考えると、導波路と各種の機能素子を接続する部分や、材料やサイズの異なる導波路をお互いに接続する部分において、導波路を伝搬する電磁場モードがスムーズに変換されて低損失に接続されることは、光導波路を有するあらゆる光デバイスにおいて極めて重要である。

このような観点から、従来より、２種類の細線導波路同士の接続（光ファイバー接続用スポットサイズ変換器を含む）（例えば、T. Shoji et al., Electronics Letters, vol. 38 (2002). pp. 1669-1670、M. Yanagisawa et al., IEEE Photonics Technology Letters, vol.4 (1993) pp.433-435、特開平７−１６８１４６号公報、特開平１０−２２１５５４号公報、特開２００６−１４６１２７号公報、特開２００５−３２６８７６号公報、特開２００５−２７５０６４号公報や、細線導波路とフォトニック結晶線欠陥導波路の接続など（例えば、A. Gomyo et al., IEICE Trans. Electron., Vol. E87 (2004) pp. 328-335、J. Ushida et al. Phys. Rev. B68, (2003) pp. 155115-1 to 7、国際出願ＷＯ２００４／０８１６２７号公報など参照）が研究開発対象とされて、様々な接続構造が検討や提案がなされてきた。

しかしながら、このような従来技術では、研究開発の対象となる接続構造が、リブ導波路、リッジ導波路、細線導波路、フォトニック結晶線欠陥導波路の接続構造であるため、スロット導波路との接続については適用することができないという問題点があった。
スロット導波路とは、V. R. Almeida et al., Opt. Lett., 29 (2004) pp. 1209-1211.で提案された新しいタイプの導波路構造であり、狭い間隔を置いて並べた２本の導波路の間の電場強度が大きく低屈折率領域に電場が閉じこめられている構造である。したがって、従来の導波路とは、電場成分の分布と電磁波エネルギー分布が大きく異なるため、従来の接続構造をそのままスロット導波路に適用することはできない。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、狭い間隔で並列配置された２本の導波路からなるスロット導波路に対して従来型の光導波路を接続可能できる導波路接続構造を提供することを目的としている。

このような目的を達成するために、本発明にかかる導波路接続構造は、１本のコアを備える入力光導波路からの光を等しい光パワーでかつ同じ位相の２つの分岐光に分岐する光分岐素子と、光分岐素子で分岐された分岐光を狭い間隔で並列配置した２本のコアからなるスロット導波路へ出力する１対のアーム導波路からなる双アーム導波路とを備え、１対のアーム導波路は、基板上のクラッド内に形成されて当該クラッドより高い屈折率を持つコアを有し、分岐光が入力されるコア入力端からスロット導波路へ光を出力するコア出力端にかけて、相互の間隔がスロット導波路のコア間隔と等しい間隔まで徐々に狭くなるよう形成されている。

本発明によれば、双アーム導波路を構成する１対のアーム導波路が、基板上のクラッド内に形成されて当該クラッドより高い屈折率を持つコアを有し、分岐光が入力されるコア入力端からスロット導波路へ光を出力するコア出力端にかけて、相互の間隔がスロット導波路のコア間隔と等しい間隔まで徐々に狭くなるよう形成されている。
このため、各アーム導波路へ導波してくる電磁場は屈折率の高い領域に閉じこめられているが、双アーム導波路によってスロット導波路の屈折率の低い領域へ電磁場モードを徐々に移行させることができ、低損失でスムーズな電磁場モード変換が可能となる。
格別な効果を奏するものである。

図１Ａは、従来の導波路を示す断面図である。図１Ｂは、従来のスロット導波路を示す断面図である。図２は、細線導波路とスロット導波路の分散関係を示す特性図である。図３Ａは、細線導波路の０次モードに関する電場分布を示す説明図である。図３Ｂは、細線導波路の０次モードに関する電磁場エネルギー分布を示す説明図である。図４Ａは、スロット導波路の０次モードの電場成分の分布を示す説明図である。図４Ｂは、スロット導波路の１次モードの電場成分の分布を示す説明図である。図５Ａは、スロット導波路の０次モードの電磁場エネルギー密度分布を示す説明図である。図５Ｂは、スロット導波路の１次モードの電磁場エネルギー密度分布を示す説明図である。図６Ａは、本発明の第１の実施形態にかかる導波路接続構造を示す平面図である。図６Ｂは、本発明の第１の実施形態にかかる導波路接続構造を示す正面図である。図７は、本発明の第１の実施形態にかかる接続構造に関する電場の横方向成分の分布を示す説明図である。図８は、本発明の第１の実施形態にかかる接続構造に関する磁場の紙面垂直方向成分の空間分布を示す説明図である。図９は、本発明の第１の実施形態にかかる接続構造の透過率を示す計算結果である。図１０Ａは、本発明の第２の実施形態にかかる導波路接続構造を示す平面図である。図１０Ｂは、本発明の第２の実施形態にかかる導波路接続構造を示す正面図である。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
［スロット導波路］
まず、図１を参照して、スロット導波路の構造について詳しく説明する。図１は、従来の導波路とスロット導波路を示す断面図である。
図１Ａは細線導波路、ワイヤ導波路などと呼ばれる従来の導波路を示す断面図である。この導波路は、基板１３上に形成されたクラッド１２と、このクラッド１２内に埋め込まれた、断面矩形あるいは略矩形の１本のコア１１とから構成されている。このような構成において、コア１１の領域の屈折率をクラッド１２の領域の屈折率よりも大きくすることにより、屈折率差による閉じこめによってコア領域に光を閉じこめて紙面に対して垂直方向に実数の波数を持つ伝搬モードで電磁場を伝搬させる。

一方、図１Ｂはスロット導波路を示す断面図である。スロット導波路は、全体として図１Ａの導波路を狭い間隔で２本並列配置した構造をなしており、基板１６上に形成されたクラッド１５と、このクラッド１５内に埋め込まれた、断面矩形あるいは略矩形の２本のコア１４とから構成されている。クラッド１５としては、比較的屈折率の小さいＳｉＯ₂（屈折率＝１．５程度）の材料を用い、コア１４としては、比較的屈折率の大きいＳｉ（屈折率＝３．５程度）の材料を用いる。また、基板１６としては、ガラスやプラスチックなどの絶縁体材料、あるいはＳｉやＧａＡｓなどの半導体材料など、光導波路を形成しうる一般的な基板材料を用いればよい。

次に、図２を参照して、スロット導波路の分散関係について説明する。図２は、細線導波路とスロット導波路の分散関係を示す特性図である。図２において、横軸は導波路を伝搬する光の波長[μｍ]であり、縦軸は導波路を伝搬する光の分散関係を示す理論値である。
断面が図１Ａのような構造を持つ細線導波路（ＳｉＯ２中Ｓｉ，断面正方形，一辺３００ｎｍ）の分散関係は、図２中の波線に示す特性２１となり、通信波長帯１５５０ｎｍでシングルモード条件を満たしている。一方、断面が図１Ｂのような構造を持つスロット導波路の分散関係は、細線導波路を２本並べて結合させているため、その分散関係は図２中の実線で示す特性２２となる。

次に、図３〜図５を参照して、スロット導波路に関する電場成分の分布と電磁波エネルギー分布について説明する。図３は、細線導波路の０次モードに関する電場分布と電磁場エネルギー分布を示す説明図である。図４Ａ，図４Ｂは、スロット導波路の０次および１次モードの電場成分の分布を示す説明図である。図５Ａ，図５Ｂは、スロット導波路の０次および１次モードの電磁場エネルギー密度分布を示す説明図である。

細線導波路については、先にも述べたように、図３Ａの図中矢印方向における電場成分の分布、および図３Ｂの電磁波エネルギー分布から、電磁場強度の大部分がコア３１内にあり電磁場エネルギーもコア３１の領域に閉じこめられていることがわかる。
一方、スロット導波路については、図４Ａの図中矢印方向における０次モードの電場成分の分布が、図４Ｂの図中矢印方向における１次モードの電場成分の分布と比較して、２つのコア４１の間のスロット部４２（低屈折率部分）に強く分布している様子が分かる。また、図５Ａの０次モードの電磁波エネルギー分布が、図５Ｂの１次モードの電磁波エネルギー分布と比較して、２つのコア５１の間のスロット部５２（低屈折率部分）に強く分布している様子が分かる。

以上のことからわかるように、図１Ａに示した従来型の細線導波路中の導波モードの電磁場を、図１Ｂに示した新型導波路であるスロット導波路へ接続するには、図３のように導波路の高屈折率部分に分布している電磁場を、図４Ａ，４Ｂや図５Ａ，５Ｂのような低屈折率部分に分布している電磁場へ変換することがこの発明の鍵となる。

［第１の実施形態］
次に、図６を参照して、本発明の第１の実施形態にかかる導波路接続構造について説明する。図６は、本発明の第１の実施形態にかかる導波路接続構造を示す説明図であり、図６Ａは平面図、図６Ｂは正面図である。
導波路接続構造１００は、１本のコアを備える入力光導波路（細線導波路）２０１と狭い間隔Ｄ２で並列配置した２本のコアからなるスロット導波路２０２とを接続する導波路接続構造である。この導波路接続構造１００は、ＭＭＩ（Multi-mode Interference）素子１１１、細線導波路１１２Ａ，１１２Ｂ、および双アーム導波路１１３から構成されている。

ＭＭＩ素子１１１は、入力導波路２０１を通る電磁場モードを２本の細線導波路１１２Ａ，１１２Ｂへ、５０：５０の光パワー分岐比率、かつ同じ位相で分岐する機能を有する光素子である。ＭＭＩ素子１１１は、基板１２０上のクラッド１２１内に形成された、当該クラッド１２１より高い屈折率を有するコアから形成されている。この際、ＭＭＩ素子１１１のコアは断面視矩形をなし、ＭＭＩ素子１１１のコア入力端および２つのコア出力端の幅は、それぞれ入力導波路２０１のコア出力端のコア幅Ｗ₁に等しい。なお、ＭＭＩ素子１１１については、公知の技術を用いて構成すればよい。

細線導波路１１２Ａ，１１２Ｂは、ＭＭＩ素子１１１で等しく分岐された２つの分岐光を双アーム導波路１１３へ導く機能を有する光導波路である。細線導波路１１２Ａ，１１２Ｂは、入力導波路２０１と等しい屈折率分布ｎ₁と導波路インピーダンスＺ₁をそれぞれ持ち、基板１２０上のクラッド１２１内に形成された、当該クラッド１２１より高い屈折率のコアから形成されている。この際、細線導波路１１２Ａ，１１２Ｂのコアは、断面視矩形をなし、コア入力端からコア出力端まで、一定の高さを有するとともに入力導波路２０１やＭＭＩ素子１１１のコア出力端と等しい一定のコア幅Ｗ₁を有している。

双アーム導波路１１３は、１対のアーム導波路１１３Ａ，１１３Ｂからなり、細線導波路１１２Ａ，１１２Ｂからの光をスロット導波路２０２へ導く機能を有する光導波路である。アーム導波路１１３Ａ，１１３Ｂは、基板１２０上のクラッド１２１内に形成された、当該クラッド１２１より高い屈折率のコアから形成されている。
アーム導波路１１３Ａ，１１３Ｂは、分岐光が入力されるコア入力端からスロット導波路２０２へ光を出力するコア出力端にかけて、相互の間隔がスロット導波路２０２のコア間隔Ｄ₂と等しい間隔まで徐々に狭くなるよう形成されており、スロット導波路の中心Ｐに対して平面視対称をなす形状で、それぞれＳ字状および逆Ｓ字状に湾曲して形成されている。

また、アーム導波路１１３Ａ，１１３Ｂのコアは、コア入力端からコア出力端まで一定の高さを有している。また、アーム導波路１１３Ａ，１１３Ｂのコアは、コア入力端で入力導波路２０１やＭＭＩ素子１１１のコア出力端と等しいコア幅Ｗ₁を有し、コア出力端でスロット導波路２０２のコアと等しいコア幅Ｗ₂を有している。したがって、アーム導波路１１３Ａ，１１３Ｂのコア幅は、コア入力端からコア出力端にかけて、コア幅がコア幅Ｗ₁からＷ₂まで徐々に変化している。この際、Ｗ₂はＷ₁の８０％以下であることが好適である。なお、コア幅の変化は、アーム導波路１１３Ａ，１１３Ｂのコア入力端からアーム導波路１１３Ａ，１１３Ｂの間隔がスロット導波路２０２のコア間隔Ｄ₂と等しくなる部分までの範囲で、コア幅Ｗ₁からＷ₂まで徐々に変化させてもよい。

したがって、導波路接続構造１００では、入力導波路２０１を通る電磁場モードはＭＭＩ素子１１１を通して、２本の細線導波路１１２Ａ，１１２Ｂへ５０：５０のパワー分岐比率、同じ位相で分岐される。その後、これら２本の細線導波路１１２Ａ，１１２Ｂの光が双アーム導波路１１３によってスロット導波路２０２へと接続される。

前述したように、スロット導波路２０２は、入力導波路２０１とは屈折率分布が異なっており、導波路インピーダンスＺ２もＺ１とは異なる。この際、２本の細線導波路２から導波してくる電磁場は屈折率の高い領域に閉じこめられているが、双アーム導波路１１３によってスロット導波路２０２の屈折率の低い領域へ電磁場モードを移行させている。このため、低損失でスムーズな電磁場モード変換が可能となる。

アーム導波路１１３Ａ，１１３Ｂのような細い幅の導波路は、電磁場の低屈折率領域への染みだしが大き過ぎるため伝搬損失が大きく１本の導波路として使われることは実用上ない。しかしながら１本の導波路ではなく、双アーム導波路構造とすることで、低損失化が図れるため新しい機能を有している。したがって、双アーム導波路１１３は、スポットサイズ変換に用いられるような単一の導波路のテーパー構造とは、本質的にその動作原理および機能が全く異なる。

また、２本の導波路を並べた従来素子としては方向性結合器があるが、方向性結合器の２本の導波路は、個々の導波路単体で動作可能なサイズ領域の導波路を２本組み合わせたり、その２本を等間隔に配置して、摂動論で扱える程度に弱く結合させて使うのが一般的であり、単体では使えない導波路を徐々に間隔や幅を変化させながら機能を発現させる本発明の双アーム導波路１１３の構造とは、本質的に動作原理と機能が異なる。

次に、図７および図８を参照して、本実施形態にかかる接続構造について、数値計算により電磁場の伝搬をシミュレートした結果について説明する。図７は、本発明の第１の実施形態にかかる接続構造に関する電場の横方向成分の分布を示す説明図である。図８は、本発明の第１の実施形態にかかる接続構造に関する磁場の紙面垂直方向成分の空間分布を示す説明図である。

ＭＭＩ素子１１２を通じて２つに分岐された２本の細線導波路１１２Ａ，１１２Ｂを通る伝搬光が座標Ｚ＝０（図７中７１）からＺ＞０方向へ伝搬していくとき、電場の横方向成分と磁場の紙面垂直方向成分の空間分布は、図７および図８のような分布になる。
図７から明らかなように、２本の細線導波路１１２Ａ，１１２Ｂからの電磁場モードはＺ＝１〜４．５（μｍ）に設置した双アーム導波路１１３によって徐々に電場分布が屈折率の高いコア領域から、低屈折率の領域（図７中７３）に移行していることがわかる。また図８には、その際に磁場分布は全体に広がって分布している様子が示されており、２本の細線導波路１１２Ａ，１１２Ｂからスロット導波路２０２へスムーズに電磁場モードが移行していることがわかる。

図９は、本発明の第１の実施形態にかかる接続構造の透過率を示す計算結果である。
図７，図８に示すような電磁場分布で伝搬しているとき、図７中７１のＺ＝０を横切る２本の細線導波路１１２Ａ，１１２Ｂを通過する電磁場のエネルギーの総和を１とし、接続した双アーム導波路１１３に入った電磁場の図７中７２の位置での透過率をプロットしてある。これから明らかなように、入射波の入射エネルギー１に対して透過波の透過エネルギーも１であり、入力導波路２０１からスロット導波路２０２へ、非常に高効率に接続可能であることがわかる。

［第２の実施形態］
次に、図１０を参照して、本発明の第２の実施形態にかかる導波路接続構造について説明する。図１０は、本発明の第２の実施形態にかかる導波路接続構造を示す平面図であり、図６と同じまたは同等部分には同一符号を付してある。
第１の実施形態では、入力導波路２０１からの光をＭＭＩ素子１１２により分岐する場合を例として説明した。本実施形態では、入力導波路２０１からの光をＹ光分岐素子１１５により分岐する場合を例として説明する。

この導波路接続構造１０１において、Ｙ光分岐素子１１５は、入力導波路２０１を通る電磁場モードを、２本の細線導波路１１２Ａ，１１２Ｂへ５０：５０のパワー分岐比率で、かつ同じ位相で分岐する機能を有する光素子である。Ｙ光分岐素子１１５は、基板１２０上のクラッド１２１内に形成された、当該クラッド１２１より高い屈折率を有するコアから形成されている。この際、Ｙ光分岐素子１１５のコアは断面視矩形をなし、Ｙ光分岐素子１１５のコア入力端および２つのコア出力端の幅は、それぞれ入力導波路２０１のコア出力端のコア幅Ｗ₁に等しい。なお、Ｙ光分岐素子１１５については、公知の技術を用いて構成すればよい。また、細線導波路１１２Ａ，１１２Ｂおよび双アーム導波路１１３については、第１の実施形態と同様であり、ここでの詳細な説明は省略する。

したがって、導波路接続構造１０１では、入力導波路２０１を通る電磁場モードはＹ光分岐素子１１５を通して、２本の細線導波路１１２Ａ，１１２Ｂへ５０：５０のパワー分岐比率、同じ位相で分岐される。その後、これら２本の細線導波路１１２Ａ，１１２Ｂの光が双アーム導波路１１３によってスロット導波路２０２へと接続される。
この場合、Ｙ分岐の分岐効率はＭＭＩ素子に比べて不利になることが多いが、ある程度の損失を許容した上で簡便に本発明を実施することができる。

Claims

１本のコアを備える入力光導波路からの光を等しい光パワーでかつ同じ位相の２つの分岐光に分岐する光分岐素子と、
前記光分岐素子で分岐された分岐光を狭い間隔で並列配置した２本のコアからなるスロット導波路へ出力する１対のアーム導波路からなる双アーム導波路と
を備え、
前記１対のアーム導波路は、基板上のクラッド内に形成されて当該クラッドより高い屈折率を持つコアを有し、前記分岐光が入力されるコア入力端から前記スロット導波路へ光を出力するコア出力端にかけて、相互の間隔が前記スロット導波路のコア間隔と等しい間隔まで徐々に狭くなるよう形成されている
ことを特徴とする導波路接続構造。
請求項１に記載の導波路接続構造において、
前記１対のアーム導波路は、前記スロット導波路の中心に対して平面視対称をなす形状で形成されていることを特徴とする導波路接続構造。
請求項１に記載の導波路接続構造において、
前記１対のアーム導波路のコアは、高さが一定で、前記コア入力端から前記コア出力端にかけてコア幅が前記入力導波路のコア幅から前記スロット導波路のコア幅まで徐々に変化していることを特徴とする導波路接続構造。
請求項１に記載の導波路接続構造において、
前記光分岐素子は、ＭＭＩ素子およびＹ分岐素子のいずれか一方からなることを特徴とする導波路接続構造。