(57)【要約】光分岐比の安定性が低いという問題を解決することが可能な光分岐回路を提供する。光分岐部２０１は、入力された光を分岐する。アーム導波路２０２および２０３は、光分岐部２０１にて分岐された光のそれぞれを伝搬し、その光の伝搬方向に幅が狭くなるテーパ構造を有し、そのテーパ構造のテーパ角度が互いに異なる。光合波部２０４は、アーム導波路２０２および２０３からの光を合波して出力する。
2017159044.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の伝搬方向に幅が狭くなるテーパ構造を備えるテーパ導波路と、前記テーパ導波路からの光を伝搬し、当該光の伝搬方向に幅が広くなる逆テーパ構造を有する逆テーパ導波路とを含み、前記テーパ構造のテーパ角度が互いに異なる２つの導波路であって、前記テーパ角度が大きい方の前記テーパ導波路を有する前記導波路は、前記テーパ導波路と前記逆テーパ導波路とを光学的に接続する直線導波路を有し、一方の前記導波路における前記テーパ導波路の入力端および出力端の幅は、他方の前記導波路における前記テーパ導波路の入力端および出力端の幅と等しく、一方の前記導波路における前記逆テーパ導波路の入力端および出力端の幅は、他方の前記導波路における前記逆テーパ導波路の入力端および出力端の幅と等しい２つの導波路と、
入力された光を分岐して各導波路に入力する光分岐部と、
各導波路からの光を合流させてから分岐する光合流部と、を有する光分岐回路。
【請求項２】
各導波路において、前記テーパ導波路および前記逆テーパ導波路は、互いに同じ大きさのテーパ角度を有する、請求項１に記載の光分岐回路。
【請求項３】
前記テーパ角度が小さい方の前記テーパ導波路を有する前記導波路では、前記テーパ導波路と前記逆テーパ導波路とが光学的に直接接続されている、請求項１または２に記載の光分岐回路。
【請求項４】
各導波路における前記テーパ導波路の入力端の幅は、シングルモード条件を満たす上限値よりも広く、各導波路における前記テーパ導波路の出力端の幅は、前記上限値の半分以下である、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光分岐回路。
【請求項５】
前記光分岐部および前記光合流部は、２入力２出力の光合分岐導波路を含む、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光分岐回路。
【請求項６】
前記光分岐部に光を入力し、前記伝搬方向に幅が変化する入力導波路をさらに有する請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光分岐回路。
【請求項７】
前記光合流部にて分岐された光が入力され、前記伝搬方向に幅が変化する出力導波路をさらに有する請求項１ないし６のいずれか１項に記載の光分岐回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光分岐回路に関し、特には、非対称マッハツェンダ干渉計型の光分岐回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
非対称マッハツェンダ干渉計型の光分岐回路は、光を分岐して２つアーム導波路のそれぞれに入力し、各アーム導波路からの光を合流させてから分岐して２つの出力導波路に出力する。各出力導波路に出力される光の強度の比である光分岐比は各アーム導波路からの光の位相差に応じて変化するため、所望の光分岐比を得るためには、これらの光の位相差を適切に設定する必要がある。【０００３】
光の位相差を設定する方法としては、少なくとも一方のアーム導波路に曲がり導波路を用いて、光が伝搬する幾何学的な長さを変えることで、各アーム導波路からの光の光路差を調整して、光の位相差を設定するものが一般的である。しかしながら、曲がり導波路を伝搬する光の光路長は、その曲がり導波路の幾何学的な長さだけでなく、伝搬する光の閉じ込め状態や、曲がり導波路間を接続する接続部のオフセットの影響を受けるため、この方法では、光分岐比に波長依存性や偏光依存性が生じるなど、光分岐比が安定しないという問題があった。【０００４】
これに対して特許文献１には、アーム導波路として、曲がり導波路の代わりに、テーパ構造を有するテーパ導波路を用いた光分岐回路が開示されている。この光分岐回路では、２つのアーム導波路の一方に、幅が徐々に狭くなる幅縮小型のテーパ導波路が使用され、他方に、幅が徐々に広くなる幅拡張型のテーパ導波路が使用されている。テーパ導波路を伝搬する光の光路長は、テーパ導波路のテーパ角度や幅から決定される実効屈折率に応じて変化するため、この光分岐回路では、曲がり導波路を用いて光が伝搬する幾何学的な長さを変えなくても、アーム導波路の実効屈折率を変えることで、２つのアーム導波路を伝搬する光の光路差を調整することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１―１１８０５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
例えば、アーム導波路に入力する光を２×２（２入力２出力）のＭＭＩ（Multi Mode Interference：多モード干渉導波路）で作成する場合、アーム導波路を伝搬する光には、基本モードの光だけでなく、高次モードの光がわずかに含まれる。このため、アーム導波路を伝搬する光が高次モードの光の影響で蛇行し、その結果、アーム導波路を伝搬する光の光路長が不安定になり、光分岐比が所望の値からずれたり、光分岐比に波長依存性が生じたりする恐れがある。【０００７】
したがって、アーム導波路には高次モードの光を除去するモードフィルタの機能が必要となる。幅縮小型のテーパ導波路では、ある程度の長さがあれば、モードフィルタとしても機能するが、幅拡張型のテーパ導波路ではモードフィルタとして機能が望めない。【０００８】
特許文献１に記載の光分岐回路では、アーム導波路の一方に幅拡張型のテーパ導波路を用いているため、高次モードの光が残ってしまう。したがって、光分岐比の安定性が低いという問題がある。【０００９】
本発明の目的は、上記の課題である光分岐比の安定性が低いという問題を解決することが可能な光分岐回路を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明による光分岐回路は、光の伝搬方向に幅が狭くなるテーパ構造を備えるテーパ導波路と、前記テーパ導波路からの光を伝搬し、当該光の伝搬方向に幅が広くなる逆テーパ構造を有する逆テーパ導波路とを含み、前記テーパ構造のテーパ角度が互いに異なる２つの導波路であって、前記テーパ角度が大きい方の前記テーパ導波路を有する前記導波路は、前記テーパ導波路と前記逆テーパ導波路とを光学的に接続する直線導波路を有し、一方の前記導波路における前記テーパ導波路の入力端および出力端の幅は、他方の前記導波路における前記テーパ導波路の入力端および出力端の幅と等しく、一方の前記導波路における前記逆テーパ導波路の入力端および出力端の幅は、他方の前記導波路における前記逆テーパ導波路の入力端および出力端の幅と等しい２つの導波路と、入力された光を分岐して各導波路に入力する光分岐部と、各導波路からの光を合流させてから分岐する光合流部と、を有する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、光分岐比の安定性を高くすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態の光分岐回路の構成を模式的に示す構成図である。
【図２】本発明の第２の実施形態の光分岐回路の構成を模式的に示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、各図面において同じ機能を有するものには同じ符号を付け、その説明を省略する場合がある。
【００１４】
図１は、本発明の第１の実施形態の光分岐回路の構成を模式的に示す構成図である。図１に示す光分岐回路１００は、入力導波路１および２と、光分岐部３と、アーム導波路４および５と、光合波部６と、出力導波路７および８とを有する。
【００１５】
入力導波路１および２は、光分岐部３に入力する光を伝搬する。入力導波路１および２は、光の伝搬方向に幅が変化する。具体的には、入力導波路１および２は、光の伝搬方向に幅が広くなる幅拡張型のテーパ構造を有する逆テーパ導波路である。なお、幅拡張型のテーパ構造は逆テーパ構造と呼ばれることもある。
【００１６】
光分岐部３は、入力された光を２つに分岐してアーム導波路４および５のそれぞれに入力する。図１の例では、光分岐部３は、２×２（２入力２出力）の光合分岐導波路（具体的には、２×２のＭＭＩ）であり、入力導波路１および２から入力された光を合流させてから分岐してアーム導波路４および５のそれぞれに入力する。この場合、アーム導波路４および５に入力する光に対して光分岐部３が付与する光位相差は９０度となる。
【００１７】
なお、光分岐部３は２×２のＭＭＩとは異なる構成でもよい。例えば、光分岐部３として１×２のＭＭＩやＹ分岐型の導波路などが使用されてもよい。この場合、アーム導波路４および５に入力する光に対して光分岐部３が付与する光位相差は０度となる。
【００１８】
アーム導波路４および５は、光分岐部３にて分岐された２つの光のそれぞれを伝搬させる導波路である。アーム導波路４および５の幾何学的な長さである導波路長は、互いに等しい。アーム導波路４および５を伝搬した光は光合波部６に入力される。
【００１９】
光合波部６は、アーム導波路４および５のそれぞれからの光を合流してから分岐する光合流部である。図１の例では、光合波部６は、２×２の光合分岐導波路（具体的には、２×２のＭＭＩ）であり、２つの出力導波路７および８と接続され、分岐した光を出力導波路７および８のそれぞれに入力する。なお、光合波部６は、２×２のＭＭＩとは異なる構成でもよい。
【００２０】
出力導波路７および８は、光合波部６からの光を伝搬する。出力導波路７および８は、光の伝搬方向に幅が変化する。具体的には、出力導波路７および８は、光の伝搬方向に幅が狭くなる幅縮小型のテーパ構造を有するテーパ導波路である。なお、幅縮小型のテーパ構造は単にテーパ構造と呼ばれることもある。
【００２１】
以下、アーム導波路４および５の形状についてより詳細に説明する。
図１に示したように光分岐部３として２×２のＭＭＩを使用した場合、アーム導波路４および５のそれぞれに入力される光は、基本モードの光だけでなく、高次モードの光をわずかながら含む。このため、高次モードの光が除去されなければ、アーム導波路４および５を伝搬する光が蛇行して、それらの光の光路長が不安定になる。この場合、出力導波路７および８に出力される光の強度の比である光分岐比が所望の値からずれたり、その光分岐比に波長依存性が生じたりする恐れがある。このため、本実施形態では、高次モードの光を除去するために、アーム導波路４および５のそれぞれにおいて、少なくとも一部に、光の伝搬方向に幅が狭くなる幅縮小型のテーパ構造が備わっている。また、アーム導波路４および５に伝搬する光に光路長差を付与するために、そのテーパ構造のテーパ角度はアーム導波路４および５の間で異なっている。本実施形態では、テーパ構造は、側面の角度が一定である線形テーパ構造である。
【００２２】
具体的には、アーム導波路４は、幅縮小型のテーパ構造を有するテーパ導波路４１と、幅拡張型のテーパ構造を有する逆テーパ導波路４２とを有する。逆テーパ導波路４２は、テーパ導波路４１の後段に、テーパ導波路４１と光学的に直接接続されるように配置される。これにより、逆テーパ導波路４２は、テーパ導波路４１からの光を伝搬することになる。
【００２３】
テーパ導波路４１において、光が入力される入力端の幅がＷ１、光が出力される出力端の幅がＷ２、幾何学的な長さである導波路長がＬ１である。ここで、Ｗ１＞Ｗ２を満たす。入力端の幅Ｗ１は、シングルモード条件を満たす上限値よりも広く、出力端の幅Ｗ２は、シングルモード条件を満たす上限値の半分以下であることが望ましい。なお、シングルモード条件とは、導波路に基本モードの光だけが伝搬する条件である。
【００２４】
逆テーパ導波路４２では、入力端の幅がＷ２、出力端の幅がＷ１、導波路長がＬ１である。したがって、テーパ導波路４１および逆テーパ導波路４２は互いに逆向きに配置されているが、形状としては同じである。このため、逆テーパ導波路４２のテーパ角度の大きさ（絶対値）は、テーパ導波路４１のテーパ角度の大きさと同じである。
【００２５】
また、アーム導波路５は、幅縮小型のテーパ構造を有するテーパ導波路５１と、幅拡張型のテーパ構造を有する逆テーパ導波路５２と、テーパ導波路５１と逆テーパ導波路５２とを光学的に接続する直線導波路５３とを有する。ここで、逆テーパ導波路５２は、テーパ導波路５１の後段に、テーパ導波路５１と直線導波路５３を介して接続されるように配置されている。このため、逆テーパ導波路５２は、テーパ導波路５１からの光を伝搬することになる。
【００２６】
テーパ導波路５１において、入力端の幅がＷ１、出力端の幅がＷ２、導波路長がＬ２である。ここで、Ｌ１＞Ｌ２を満たす。このため、テーパ導波路４１およびテーパ導波路５１のテーパ角度は互いに異なる。具体的には、テーパ導波路５１のテーパ角度は、テーパ導波路４１のテーパ角度よりも大きい。
【００２７】
逆テーパ導波路５２では、入力端の幅がＷ２、出力端の幅がＷ１、導波路長がＬ２である。したがって、テーパ導波路５１および逆テーパ導波路５２は互いに逆向きに配置されているが、形状としては同じである。このため、逆テーパ導波路５２のテーパ角度の大きさは、テーパ導波路５１のテーパ角度の大きさと同じである。
【００２８】
直線導波路５３は、入力端および出力端の幅がＷ２の直線形状の導波路である。直線導波路５３の導波路長はＬ３である。本実施形態では、アーム導波路４および５の導波路長は互いに等しいので、直線導波路５３の導波路長Ｌ３は、Ｌ３＝２（Ｌ１−Ｌ２）を満たす。
【００２９】
以上の構成においてアーム導波路４および５を伝搬する光の光路長差を評価する。
一般に導波路の実効屈折率は導波路の幅に依存するが、テーパ導波路４１は線形テーパ構造を有しているため、光の伝搬方向に対するテーパ導波路４１の中心における実効屈折率をテーパ導波路４１の平均実効屈折率ｎ＿ｅｆｆ＿ａｖｇとすることができる。このため、テーパ導波路４１を伝搬する光の光路長はｎ＿ｅｆｆ＿ａｖｇ×Ｌ１となる。逆テーパ導波路４２は、テーパ導波路４１と同じ形状を有しているため、アーム導波路４全体における光の光路長は、２×ｎ＿ｅｆｆ＿ａｖｇ×Ｌ１となる。
【００３０】
また、テーパ導波路５１の入力端および出力端の幅はテーパ導波路４１の入力端および出力端の幅と等しく、テーパ導波路５１はテーパ導波路４１と同様に線形テーパ構造を有しているため、テーパ導波路５１の平均実効屈折率は、テーパ導波路４１の平均実効屈折率ｎ＿ｅｆｆ＿ａｖｇと等しくなる。また、逆テーパ導波路５２はテーパ導波路５１と同じ形状を有しているため、テーパ導波路５１および逆テーパ導波路５２における光の光路長は、２×ｎ＿ｅｆｆ＿ａｖｇ×Ｌ２となる。また、直線導波路５３の実効屈折率をｎ＿ｅｆｆとすると、直線導波路５３における光の光路長は、ｎ＿ｅｆｆ×Ｌ３＝ｎ＿ｅｆｆ×２（Ｌ１−Ｌ２）となる。このため、アーム導波路５全体における光の光路長は、２×ｎ＿ｅｆｆ＿ａｖｇ×Ｌ２＋ｎ＿ｅｆｆ×２（Ｌ１−Ｌ２）となる。
【００３１】
したがって、アーム導波路４および５における光路長の差である光路長差ΔＬは、ΔＬ＝２×ｎ＿ｅｆｆ＿ａｖｇ×Ｌ１−（２×ｎ＿ｅｆｆ＿ａｖｇ×Ｌ２＋ｎ＿ｅｆｆ×２（Ｌ１−Ｌ２））＝２（Ｌ１−Ｌ２）（ｎ＿ｅｆｆ＿ａｖｇ−ｎ＿ｅｆｆ）となる。
【００３２】
以上説明した光分岐回路１００では、光分岐部３は、入力導波路１および２からの光を合流させてから分岐してアーム導波路４および５に入力する。このとき、光分岐部３は、それらの光に９０度の光位相差は付与する。
【００３３】
アーム導波路４に入力された光は、テーパ導波路４１、逆テーパ導波路４２の順に伝搬して光合波部６に入力される。アーム導波路５に入力された光は、テーパ導波路５１、直線導波路５３、逆テーパ導波路５２の順に伝搬して光合波部６に入力される。このとき、光はテーパ導波路４１またはテーパ導波路５１を伝搬することにより、高次モードの光が除去される。また、アーム導波路４および５を伝搬した光には、光路長差ΔＬに応じた光位相差Δφ（ｒａｄ）＝２πΔＬ／λが付与される。
【００３４】
光合波部６は、アーム導波路４および５から入力された光を合流させてから分岐して出力導波路７および８に入力する。このとき、光合波部６において、光分岐部３による光位相差とアーム導波路４および５による光位相差とに応じて光分岐比が決まる。したがって、アーム導波路４および５におけるテーパ角度（具体的には、導波路長Ｌ１およびＬ２やテーパ導波路４１および５１の幅）を調整して、アーム導波路４および５の実効屈折率の差分を適宜設計することで、所望の分岐比を得ることが可能になる。このとき、導波路長Ｌ１およびＬ２はテーパ導波路４１および５１がモードフィルタとして機能する最小の長さ以上になるように調整される。また、所望の設計条件（例えば、光分岐比やテーパ導波路４１および５１の幅や材質、光分岐部３と光合波部６との間の幾何学的な距離など）を満たす中で、直線導波路５３の導波路長Ｌ３＝２（Ｌ１−Ｌ２）が最大となるように、導波路長Ｌ１およびＬ２が調整されることが望ましい。
【００３５】
以上説明したように本実施形態では、アーム導波路４は、光の伝搬方向に幅が狭くなるテーパ構造を有するテーパ導波路４１と、光の伝搬方向に幅が広くなる逆テーパ構造を有する逆テーパ導波路４２とを有し、アーム導波路５は、テーパ構造を有するテーパ導波路５１と、逆テーパ構造を有する逆テーパ導波路５２とを有する。テーパ導波路４１および５１のテーパ構造のテーパ角度が互いに異なる。テーパ角度が大きい方のテーパ導波路５１を有するアーム導波路５は、テーパ導波路５１と逆テーパ導波路５２とを光学的に接続する直線導波路５３を有する。アーム導波路４におけるテーパ導波路４１の入力端および出力端の幅は、導波路５におけるテーパ導波路５１の入力端および出力端の幅と等しく、アーム導波路４における逆テーパ導波路４２の入力端および出力端の幅は、アーム導波路５における逆テーパ導波路５２の入力端および出力端の幅と等しい。この場合、アーム導波路４および５におけるテーパ構造のテーパ角度が互いに異なるため、アーム導波路４および５の幾何学的な長さを調整しなくても、テーパ角度を調整してアーム導波路４および５の実効屈折率の差を調整することで、所望の光分岐比を得ることができる。また、アーム導波路４および５は光の伝搬方向に幅が狭くなるテーパ構造を有しているので、アーム導波路４および５を高次モードの光を除去するモードフィルタとして機能させることが可能になる。したがって、光分岐比の安定性を高くすることが可能になる。なお、曲がり導波路を用いなくてもよいため、光分岐回路１００の小型化を図ることも可能になる。
【００３６】
また、本実施形態では、アーム導波路４では、テーパ導波路４１および逆テーパ導波路４２が直接接続されているため、光分岐回路１００の小型化を図ることが可能になる。
【００３７】
次に第２の実施形態について説明する。
図２は、本発明の第２の実施形態の光分岐回路の構成を模式的に示す構成図である。図２に示す光分岐回路２００は、光分岐部２０１と、導波路２０２および２０３と、光合流部２０４とを有する。
【００３８】
光分岐部２０１は、入力された光を分岐して導波路２０２および２０３のそれぞれに入力する。導波路２０２は、光の伝搬方向に幅が狭くなるテーパ構造を有するテーパ導波路２０２Ａと、光の伝搬方向に幅が広くなる逆テーパ構造を有する逆テーパ導波路２０２Ｂとを有し、導波路２０３は、テーパ構造を有するテーパ導波路２０３Ａと、逆テーパ構造を有する逆テーパ導波路２０３Ｂとを有する。テーパ導波路２０２Ａおよび２０２Ｂのテーパ構造のテーパ角度が互いに異なる。テーパ角度が大きい方のテーパ導波路２０３Ａを有するアーム導波路２０３は、テーパ導波路２０３Ａと逆テーパ導波路２０３Ｂとを光学的に接続する直線導波路２０３Ｃを有する。導波路２０２におけるテーパ導波路２０２Ａの入力端および出力端の幅は、導波路２０３におけるテーパ導波路２０３Ａの入力端および出力端の幅と等しく、導波路２０２における逆テーパ導波路２０２Ｂの入力端および出力端の幅は、導波路３における逆テーパ導波路２０３Ｂ入力端および出力端の幅と等しい。光合流部２０４は、導波路２０２および２０３からの光を合流してから分岐する出力する。
【００３９】
本実施形態でも、第１の実施形態と同様に、導波路２０２および２０３において、光の伝搬方向に幅が狭くなるテーパ構造が備わり、そのテーパ構造のテーパ角度が互いに異なるため、光分岐比の安定性を高くすることが可能になる。
【００４０】
以上説明した各実施形態において、図示した構成は単なる一例であって、本発明はその構成に限定されるものではない。
【００４１】
例えば、アーム導波路４および５や導波路２０２および２０３のテーパ構造は、線形テーパ構造ではなく、放物線テーパ構造や指数関数テーパ構造などでもよい。
【００４２】
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
【００４３】
この出願は、２０１６年３月１４日に出願された日本出願特願２０１６−０４９４０９を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【符号の説明】
【００４４】
１００、２００  光分岐回路
１、２  入力導波路
３、２０１  光分岐部
４、５  アーム導波路
６  合波部
７、８  出力導波路
４１、５１  テーパ導波路
４２、５２  逆テーパ導波路
５３  直線導波路
２０２、２０３  導波路
２０４  光合流部
【図１】
2017159044.tif 000003
【図２】
2017159044.tif 000004
【国際調査報告】
2017159044.tif 000005
2017159044.tif 000006
2017159044.tif 000007
2017159044.tif 000008