(57)【要約】【課題】平面光導波路回路と面型受光素子を高効率に結合することができる光結合回路の設計方法及び光結合回路を提供すること【解決手段】本発明にかかる光結合回路の設計方法は、平面光導波路回路３からスポットサイズコンバータ７を介して生成された楕円光を受光素子４に放射する光結合回路の設計方法である。はじめに、平面光導波路回路３から受光素子４に放射される光の受光面積を決定する。次に、決定された光の受光面積以下の面積になるように、前記受光素子に放射された楕円光の形状を決定する。次に、決定された楕円光の形状を、前記受光素子の受光面の形状として決定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面光導波路回路からスポットサイズコンバータを介して生成された楕円光を受光素子に放射する光結合回路の設計方法であって、
前記平面光導波路回路から前記受光素子に放射される光の受光面積を決定するステップと、
決定された光の受光面積以下の面積になるように、前記受光素子に放射された楕円光の形状を決定するステップと、
決定された楕円光の形状を、前記受光素子の受光面の形状として決定するステップとを備えた光結合回路の設計方法。
【請求項２】
前記受光素子に放射される光の受光面積は、通信速度及び当該受光素子の処理能力に基づいて決定されることを特徴とする請求項１記載の光結合回路の設計方法。
【請求項３】
前記楕円光の長径の長さを、前記受光素子に放射される光の受光面積を円とした場合の直径とし、当該楕円光の短径の長さを当該円の直径よりも短くすることを特徴とする請求項１又は２記載の光結合回路の設計方法。
【請求項４】
前記楕円光の長径の長さを、前記受光素子に放射される光の受光面積を円とした場合の直径よりも長くし、当該楕円光の短径の長さを当該円の受光面積よりも当該楕円光の受光面積を小さくするように設定することを特徴とする請求項１又は２記載の光結合回路の設計方法。
【請求項５】
スポットサイズコンバータを有し、楕円光を生成して放射する平面光導波路回路と、
前記楕円光が放射された楕円領域を受光面とする受光素子とを備えた光結合回路。
【請求項６】
前記楕円領域の受光面の面積は、前記平面光導波路回路から前記受光素子に放射され、通信速度及び前記受光素子の処理能力に基づいて決定される光の受光面積よりも小さいことを特徴とする請求項５記載の光結合回路。
【請求項７】
前記楕円領域の長径の長さを、前記平面光導波路回路から前記受光素子に放射され、前記通信速度及び前記受光素子の処理能力に基づいて決定される光の受光面積を円形状とした場合の直径とし、当該楕円領域の短径の長さを当該円形状の直径よりも短くすることを特徴とする請求項５又は６記載の光結合回路。
【請求項８】
前記楕円領域の長径の長さを、前記平面光導波路回路から前記受光素子に放射され、前記通信速度及び前記受光素子の処理能力に基づいて決定される光の受光面積を円形状とした場合の直径よりも長くし、当該楕円領域の短径の長さを当該円の受光面積よりも当該楕円光の受光面積を小さくするように設定することを特徴とする請求項５又は６記載の光結合回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光結合回路の設計方法及び光結合回路に関し、特に平面光導波路回路を備えた光結合回路の設計方法及び光結合回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
情報量の増大に伴い、従来の基幹系ネットワークから現在の光ファイバを伝送路として一般個人宅へ直接引き込むＦＴＴＨ（Fiber To The Home）と呼ばれるアクセス系ネットワークまで、光通信に対する需要が急速に高まっている。このようなＦＴＴＨにおいては、特に光情報を高速、低コストに伝送する要求が高い。大容量の光情報を高速、低コストに伝送、処理するためには、光デバイスの集積化が必要不可欠である。平面光導波路回路（ＰＬＣ：Planer Lightwave Circuit）は、基板表面に屈折率の高い部分（コア）を作り光導波路としたものであり光集積回路の基本技術として光フィルタをはじめ、様々なデバイスを構成することが出来る。最近では、コアとクラッドの屈折率差を高くする開発が加速している。ＰＬＣの屈折率差による分類として、Ｓｉ基板上にＳｉＯ２のガラス基板を成膜し、ドーピングによってコアを形成する低屈折率差導波路のものから、Ｓｉフォトニクスと呼ばれるＳｉをコアとしたものでＳｉリブ導波路やＳｉ細線導波路といった高屈折率差導波路まで研究開発が盛んに行われている。高屈折率差化することで、光導波路の曲げ半径を小さくでき、チップサイズの小型化、集積するアクティブ機能の低消費電力化を実現できる。
【０００３】
ここで、ハイブリッド集積モジュールのＰＬＣ上に搭載される受光素子（ＰＤ：Photo Detector/Photo Diode）として、面型ＰＤと導波路型ＰＤの２種類が存在する。ＦＴＴＨなどで適用予定の１０Ｇｂｐｓのビットレートまでは、帯域、受信感度では両者ともほぼ差はない。しかし、導波路型ＰＤは、面型ＰＤに比べ、プロセスが複雑なことよりコスト上昇を生じる。また導波路型ＰＤは、ＰＬＣに搭載した際、スポットサイズが小さいため光結合系に工夫が必要となる。よって、ハイブリッド集積モジュールとしてＰＬＣ上に集積されるＰＤとしては、１０Ｇｂｐｓのビットレートまでは、コスト優位性と光結合の容易性より面型ＰＤが多用されている。通常、面型ＰＤの受光面積形状は光ファイバに適合し円形となり、受光面積は高ビットレートに伴い小さくなる。
【０００４】
特許文献１は、ＰＬＣとＰＤのハイブリッド集積モジュールの技術について開示している。光導波路基板と面型ＰＤのハイブリッド集積モジュールに関する構成方法の提案であり、光導波路端に、フレキシブル基板に搭載した面型ＰＤを縦置きすることで、光導波路と面型ＰＤの光結合を実現している。面型ＰＤと光導波路との間に接着剤等の樹脂を介在させない構成であることにより、光透過ロスを抑制できる特徴を持つ。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１７０８６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、この特許文献１に記載されたＰＬＣと面型ＰＤのハイブリッド集積モジュールにおいて、次の課題がある。ＰＬＣは高屈折率差化することで、光導波路の曲げ半径を小さくでき、チップサイズの小型化、集積するアクティブ機能の低消費電力化を実現できる。ＰＬＣの高屈折率差化は、コアの屈折率を上昇させ、且つ、シングルモード伝播条件を満たす必要があるため、ＰＬＣのコア径が必然的に小さくなる。そのため、ＰＬＣ端からの光の放射角の増大を引き起こし、光結合の設計自由度を制限する。ＰＬＣからの光の出射角θは以下の式により示すことができる。
【０００７】
ｔａｎθ＝λ／ω０・π
λ：波長、ω０：ＭＦＤ（モードフィールド径）・・・（式１）
【０００８】
つまり、高屈折率差化することで、ω０が小さくなり放射角θが大きくなる。現在、このような高屈折率差化光導波路と半導体デバイスとの光結合においては、ＳＳＣ（スポットサイズコンバータ）をＰＬＣ端に形成することで対応している。ＰＬＣにおいて、基板に対して水平な方向をＸ軸、垂直な方向をＹ軸とする。Ｘ軸に対しては、ＳＳＣで対応可能であり、導波路端をテ―パ構造とし拡大することでω０を大きくし、放射角を抑制する手法がとられている。一方、Ｙ軸方向は平面光導波路回路ではプロセスが３次元となるため複雑でロスが大きくなり難易度が高く実現性はない。つまり、ＰＬＣは平面光導波路回路ゆえ２次元のＸ軸方向でＳＳＣの実現は可能であるが、３次元のＹ軸方向では実用的なＳＳＣは実現できない。
【０００９】
これより、特許文献１に記載された平面光導波路回路と面型ＰＤのハイブリッド集積モジュールにおいて、光ファイバを前提として形成される面型ＰＤの受光面積形状を円形のままにしていた場合、今後の高いビットレート化に伴う受光面積の縮小化、平面光導波路回路の高屈折率差化に伴う放射角の増大に対して良好な光結合効率を得るのに対応できなくなる可能性がある。
【００１０】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、ＰＬＣと面型ＰＤを高効率に結合することができる光結合回路の設計方法及び光結合回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の実施の態様にかかる光結合回路の設計方法は、平面光導波路回路からスポットサイズコンバータを介して生成された楕円光を受光素子に放射する光結合回路の設計方法であって、前記平面光導波路回路から前記受光素子に放射される光の受光面積を決定するステップと、決定された光の受光面積以下の面積になるように、前記受光素子に放射された楕円光の形状を決定するステップと、決定された楕円光の形状を、前記受光素子の受光面の形状として決定するステップとを備えることである。
【００１２】
また、本発明の第２の実施の態様にかかる光結合回路は、スポットサイズコンバータを有し、楕円光を生成して放射する平面光導波路回路と、前記楕円光が放射された楕円領域を受光面とする受光素子とを備えるものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明により、ＰＬＣと面型ＰＤを高効率に結合することができる光結合回路の設計方法及び光結合回路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態１にかかる光結合回路の構成図である。
【図２】実施の形態１にかかる平面光導波路の断面と受光素子の受光形状を示した図である。
【図３】実施の形態１にかかる光導波路を示した図である。
【図４】実施の形態１にかかる受光素子の受光形状を決定に関するフローチャートである。
【図５】実施の形態２にかかる平面光導波路の断面と受光素子の受光形状を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（実施の形態１）
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１はＰＬＣと面型ＰＤを備える光結合装置の構成について示したものである。光結合装置は、光ファイバ１と、発光素子２と、ＰＬＣ３と、ＰＤ４と、フィルタ５と、光導波路６を備えている。
【００１６】
光ファイバ１は、光通信に用いるケーブルであり、データを光信号に変換して伝送するケーブルである。光ファイバ１を用いて伝送された光信号は、ＰＬＣ３の光導波路６を介して伝送され、フィルタ５を透過して受光素子４に放射される。
【００１７】
発光素子２は、データ伝送に用いられる光信号を生成する。例えば発光素子２は、ＬＤ（Laser Diode）により構成される。発光素子２より放射された光は、ＰＬＣ３の光導波路６を介して伝送され、フィルタ５で反射して光ファイバ１を通じて外部モジュールに伝送される。フィルタ５はＰＬＣ３に接合されており、具体的には樹脂等を用いて接合される。
【００１８】
ＰＬＣ３は、平面光導波路回路であり、光導波路６を備えている。光導波路６は、コアと呼ばれ、屈折率の高い素材で満たされている光路である。ＰＬＣ３の端面は、光導波路６のコアが露出されており、光導波路６のコアを介して伝送されてきた光が受光素子４に放射される。
【００１９】
受光素子４は、ＰＬＣ３から放射された光を受光し、電気信号に変換する。つまり、光ファイバ１から光導波路６を介して伝送され、フィルム５を透過した光を受光する。さらに、受光した光信号を受光素子４に接続されている配線基板（図示せず）に出力することにより、光信号を電気信号に変換し、情報データを取得する。
【００２０】
次に図２を用いて本発明の実施の形態１にかかるＰＬＣ３の断面構造と、ＰＤ４の受光形状について説明する。ＰＬＣ３は、基板３１上に光導波路６を備え、さらに光導波路６はコア６１を備えている。ここで、光導波路６の構成について図３を用いて説明する。光導波路６は屈折率の高いコア６１を備えている。さらに、コア６１の端部には、スポットサイズコンバータ（ＳＳＣ）７が備えられている。ＳＳＣ７はＰＬＣ３の端部に備えられており、基板３１と水平方向のＸ軸方向にコア径をテーパ構造として拡大することにより、光の放射角を抑制している。
【００２１】
図２に戻り、ＰＬＣ３は、コア６１から受光素子４に対して楕円形状（短径：２ａ、長径：２ｂ）の光を放射する。ここで、ＰＬＣ３から放射され、ＰＤ４にて受光する楕円形状の決定方法について図４を用いて説明する。
【００２２】
はじめに、適用するシステムにより実行する動作帯域（動作速度）から、ＰＤに必要な受光面積を決定する（Ｓ１）。動作帯域を広くとるためには、ＰＤにおける受光径を小さくする必要がある。これは、ＰＤの受光面積が小さいほど受光する光量が少なくなる。そのためＰＤに備えられているコンデンサーの端子間容量を小さく設計することにより、高速応答が可能となり高速通信を実現することができるからである。端子間容量を小さく設計されたコンデンサーに対して、受光面積を大きくし光量を多くすることにより、コンデンサーから出力される出力信号が飽和し、良好な出力信号を得ることができなくなる。一般的に、１０Ｇｂｐｓ（Giga bit per second）の動作帯域を実行するためには、ＰＤに２５ミクロンの半径を有する円の面積以下であることが必要とされている。
【００２３】
通常、ＰＤ４における受光形状は円で示されるため、動作帯域から決定されるＰＤ４に必要な受光面積は以下の式で示される。
【００２４】
ＰＤの必要受光面積＝πｒ２  （ｒ＝ＰＤの必要受光面積の半径）・・・（式２）
【００２５】
次に、ＰＬＣ３の放射面のＹ軸方向からの放射により、一定距離離れたＰＤ４の受光面でのＭＦＤｙ（基板に対して垂直方向であるＹ軸方向のモードフィル径）を決定する（Ｓ２）。ＭＦＤｙは、ＰＬＣ３の屈折率差から定まる。これは、屈折率差が定まることにより、ＰＬＣ３からＰＤ４に放射される光の放射角が定まり、ＰＬＣ３とＰＤ４の距離を決定することにより、ＭＦＤｙが定まる。動作帯域から決定される受光面積を有するＰＤ４の受光形状において、長径を２ｂとすると、ｂの値はＭＦＤｙを用いて、以下の式で示されるように設定する。
【００２６】
ｂ＝（ＭＦＤｙ＋（位置ずれのトレランス））／２・・・（式３）
【００２７】
ｂは、ＰＤ４に必要な受光面積の半径ｒの値と一致する。なぜなら、Ｙ軸方向は、ＳＳＣを用いた制御を行わず、通常ＰＤに放射される光と同じ放射角を有するからである。ここでは、ｂを決定する際に、ＰＬＣ３の屈折率差から定まるＭＦＤｙに、位置ずれのトレランスを考慮して決定しているが、位置ずれのトレランスを考慮しなくても決定することは可能である。
【００２８】
次に、ＰＤ４がＰＬＣ３から放射される実際に受光する光の楕円形状の面積が以下の式を満たすように、ａの値を決定する（楕円形状の短径を２ａとする）（Ｓ３）。
【００２９】
πｒ２＞πａｂ・・・（式４）
【００３０】
次に、ＰＤ４の受光面でのＭＦＤｘ（ＰＤ４のＸ方向のモードフィル径）が（式４）のａの値になるように以下の式により設定する（Ｓ４）。
【００３１】
ＭＦＤｘ＋（位置ずれのトレランス）＝ａ・・・（式５）
【００３２】
ＭＦＤｘの設定は、ＰＬＣ３の端面に設けられたＳＳＣ７のテーパ形状の拡大幅を調節することにより、行われる。上記の方法により、ＰＤ４の受光面の形状を、πａｂの面積を有する楕円形状として決定する。
【００３３】
以上説明したように本発明の実施の形態１によるＰＤ４の受光形状の設計方法を用いることにより、ＰＤ４の受光面積を、動作帯域により定まる受光面積よりも小さくすることができる。つまり、ＰＬＣ３の端面から受光素子４の受光面までの距離を一定と仮定すると、Ｙ軸方向の値ｂは、受光面を円形状とした場合の半径ｒの値と同じになるが、ａの値は半径ｒの値と比べて小さくすることが可能となる。ＰＤ４の受光面積を、動作帯域により定まる受光面積よりも小さく設計することで、動作速度をさらに向上させることが可能となる。
【００３４】
（実施の形態２）
図５を用いて本発明の実施の形態２にかかるＰＤ４の受光形状の決定方法について説明する。図５は、適用するシステムにより実行する動作帯域（動作速度）から決定されるＰＤ４の受光面積を、ＰＬＣ３から距離Ｚ２にあると仮定した場合について示している。さらに、距離Ｚ２よりも長い距離である距離Ｚ１の位置にＰＤ４を配置した場合の、ＰＤ４の受光面の形状を楕円で示している。ここで、楕円の面積πａｂは、適用するシステムにより実行する動作帯域から決定されるＰＤ４の受光面積πｒ２と同一になるように設定する。
【００３５】
ここで、本発明の実施の形態２にかかるＰＤ４の受光形状の決定に関する処理の流れにつき説明する。処理の流れについては、図４と同様であるため、図面の説明を省略する。
【００３６】
はじめに、適用するシステムにより実行する動作帯域から決定されるＰＤ４の受光面積を決定する。この時、ＰＤ４の受光面積は、ＰＬＣ３の端面から距離Ｚ２にＰＤ４がある場合の受光面積とする。受光面積は以下の式により定まる。
【００３７】
ＰＤの必要受光面積＝πｒ２  （ｒ＝ＰＤの必要受光面積の半径）・・・（式６）
【００３８】
次に、ＰＬＣ３からの放射面のＹ軸方向からの放射により、距離Ｚ１離れたＰＤ４の受光面でのＭＦＤｙ（Ｙ方向のモードフィル径）をＰＬＣ３の屈折率差から決定する。ＰＬＣ３の屈折率差から、Ｙ軸方向の放射角が定まることにより、ＭＦＤｙの値が決定する。そこで、距離Ｚ１におけるＰＤ４の受光形状である楕円の値ｂを以下の式により設定する（楕円形状の長径を２ｂとする）。
【００３９】
ｂ＝（ＭＦＤｙ＋（位置ずれのトレランス））／２・・・（式７）
【００４０】
ｂは、距離Ｚ２におけるＰＤ４に必要な受光面積の半径ｒの値よりも大きくなる。ここでは、ｂを決定する際に、ＰＬＣ３の屈折率差から定まるＭＦＤｙに、位置ずれのトレランスを考慮して決定しているが、位置ずれのトレランスを考慮しなくても決定することは可能である。
【００４１】
次に、ＰＤ４がＰＬＣ３から放射され、実際に受光する光の楕円形状の面積が以下の式を満たすようにＸ軸方向の値ａを決定する。
【００４２】
πｒ２＝πａｂ・・・（式８）
【００４３】
次に、ＰＤ４の受光面でのＭＦＤｘ（ＰＤ４のＸ方向のモードフィル径）が（式８）のａの値になるように以下の式により設定する。
【００４４】
ＭＦＤｘ＋（位置ずれのトレランス）＝ａ・・・（式９）
【００４５】
ＭＦＤｘの設定は、ＰＬＣ３の端面に設けられたＳＳＣ７のテーパ形状の拡大幅を調節することにより、行われる。上記の方法により、ＰＤ４の受光面の形状を、πａｂの面積を有する楕円形状として決定する。
【００４６】
以上説明したように、本発明の実施の形態２にかかるＰＤ４の受光形状の設計方法を用いることにより、ＰＤ４において半径ｒの受光面積を確保するために必要なＰＬＣ３の端面からＰＤ４の受光面までの距離Ｚ２よりも、ＰＤ４が楕円形状の光を受光する受光面とＰＬＣ３の端面までの距離Ｚ１のほうが長くなる。つまり、ＰＤ４の受光面積を一定として、ＰＤ４の受光形状を変化させることにより、ＰＬＣ３からＰＤ４までの距離を延ばすことが可能となる。これにより、光結合設計におけるＰＬＣ及びＰＤの配置に関する自由度が向上することとなる。
【００４７】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、実施の形態２において、実施の形態１と同様、以下の式を満たすようにａの値を設定してもよい。
【００４８】
πｒ２＞πａｂ・・・（式１０）
【００４９】
これにより、ＰＬＣ３からＰＤ４までの距離を延ばすことを可能とするとともに、受光面積がさらに縮小されることにより、高速な動作速度を実現することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１  光ファイバ
２  発光素子
３  平面光導波路回路
４  受光素子
５  フィルタ
６  光導波路
７  スポットサイズコンバータ
３１  基板
６１  コア
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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