(57)【要約】【課題】  曲り導波路に曲率の変化点が生じることを回避でき、曲り損失を低減できる光導波路を提供する。【解決手段】  直線部１１と湾曲部１２を有する光導波路１０であって、湾曲部１２は曲率最大部１２ａを有している。湾曲部１２は、直線部１１から曲率最大部１２ａに向かって曲率半径が次第に小さくなるように変化する。また、曲率最大部１２ａから接続部１３に向かって曲率半径が次第に大きくなるように変化する。この湾曲部１２は、次式【数１】2006201298.tif 000010  で表される曲線に沿う形状である。【選択図】    図１
2006201298.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアとクラッド層によって構成され光の伝播方向の少なくとも一部に湾曲部を有する光導波路であって、
前記湾曲部が光の伝播方向に連なる複数の微小部分からなり、
前記湾曲部が、
曲率半径が最大の曲率最小部と、
曲率半径が最小の曲率最大部とを含み、
前記各微小部分の曲率半径が、前記曲率最小部から曲率最大部に向かって順次小さくなる形状であり、かつ、
前記湾曲部が次式
【数１】
2006201298.tif 000009
で表される曲線に沿う形状であることを特徴とする光導波路。
【請求項２】
請求項１に記載の前記光導波路が形成された曲り導波路パーツと、
前記光導波路の一端に光学的に接続される第１の接続相手パーツと、
前記光導波路の他端に光学的に接続される第２の接続相手パーツと、
を具備し、
前記曲り導波路パーツの光導波路の前記一端の曲率半径および角度が前記第１の接続相手パーツの曲率半径および角度と等しく、
前記曲り導波路パーツの光導波路の前記他端の曲率半径および角度が前記第２の接続相手パーツの曲率半径および角度と等しいことを特徴とする光通信部品。
【請求項３】
前記湾曲部が光の伝播方向に連なる長さ１００μｍ以下の直線形状の多数の微小部分からなり、該湾曲部における曲率半径がこれら微小部分ごとに段階的に変化することを特徴とする光通信部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光通信あるいは光信号処理等の分野において使用される曲り導波路を有する光導波路と、それを用いた光通信部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
光導波路内を伝播する光を分岐あるいは合波させるための導波路デバイスとして、Ｙ分岐導波路や光方向性結合器等が知られている。この種の光導波路においては、光の伝播方向の一部に、湾曲部を備えた曲り導波路が必要となる。また、Ｙ分岐導波路や光方向性結合器以外の導波路デバイスにおいても、曲り導波路が必要になることがある。
【０００３】
例えば図１０に示す従来の光導波回路１では、互いに逆方向に曲がる２つの円弧状導波路２，３を連ねることにより、曲り導波路を構成している。従来の曲り導波路において、それぞれの円弧状導波路２，３は、曲率が一定の単一の円弧からなる。図１０中のＡ，Ｂは、各円弧状導波路２，３の円弧の曲率半径を示している。このような２つの円弧の接続部５が曲率の変化点となり、接続部５においてリーキー（leaky）なモードが発生する。
【０００４】
従来、上記のような単一の円弧を用いた曲り導波路において、リーキーなモードの発生や損失を低減させるために、あるいは光のパワーのピーク位置を調節するために、曲率変化点となる接続部に軸ずらし部を形成することが提案されている。（例えば下記特許文献１参照）
【特許文献１】特開平４−２１３４０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１のように、２つの円弧の接続部に軸ずらし部を設けた導波路は、狭帯域な波長領域においては、リーキーなモードの発生を押さえることができる。しかし広帯域な波長領域では、円弧と直線との接続部、または円弧と円弧との接続部などのように曲率が不連続となる箇所においてリーキーなモードが発生する。このため、光学特性に波長依存性が発生するなどの問題があった。
【０００６】
しかも従来の導波路では、曲率が不連続な変化点において光のピーク位置のずれが多重に発生し、光軸ずれが収束しないまま、曲り導波路内を伝播していた。また、従来の曲り導波路においては、円弧と直線との接続部、または円弧と円弧の接続部などの曲率が不連続となる箇所でモード不整合による損失が発生していた。
【０００７】
従って本発明の目的は、曲り導波路に曲率の変化点が生じることを抑制でき、曲り損失を低減できるような光導波路と、それを用いた光通信部品を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、コアとクラッド層によって構成され光の伝播方向の少なくとも一部に湾曲部を有する光導波路であって、前記湾曲部が光の伝播方向に連なる複数の微小部分からなり、前記湾曲部が、曲率半径が最大の曲率最小部と、曲率半径が最小の曲率最大部とを含み、前記各微小部分の曲率半径が、前記曲率最小部から曲率最大部に向かって順次小さくなる形状であり、かつ、前記湾曲部が、次式
【数２】
2006201298.tif 000003
【０００９】
で表される曲線に沿う形状である。
【００１０】
本発明に係る光通信部品は、前記光導波路が形成された曲り導波路パーツと、前記光導波路の一端に光学的に接続される第１の接続相手パーツと、前記光導波路の他端に光学的に接続される第２の接続相手パーツとを具備し、前記曲り導波路パーツの光導波路の前記一端の曲率半径および角度が前記第１の接続相手パーツの曲率半径および角度と等しく、前記曲り導波路パーツの光導波路の前記他端の曲率半径および角度が前記第２の接続相手パーツの曲率半径および角度と等しい。
【００１１】
本発明の光通信部品では、好ましくは、前記湾曲部が光の伝播方向に連なる長さ１００μｍ以下の直線形状の多数の微小部分からなり、該湾曲部における曲率半径がこれら微小部分ごとに段階的に変化する形状にするとよい。あるいは、前記湾曲部が光の伝播方向に連なる多数の円弧状の微小部分からなり、該湾曲部における曲率半径が連続的に変化するものでもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、曲り導波路に曲率の変化点が生じることを回避でき、曲り損失を低減することができる。本発明では、リーキーなモードを湾曲部の一部の曲率最大部で放射させ、それ以外の部位ではリーキーなモードを発生させにくい曲り導波路を得ることが可能である。また、曲り導波路内に入力した光のピークの光軸ずれ量を、曲り導波路の終点に近付くにしたがい小さくすることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に本発明の一実施形態について、図１〜図９を参照して説明する。  
図１は、本実施形態の光導波路１０を示している。この光導波路１０は、光の伝播方向に第１の直線部１１と、この直線部１１に連なる第１の湾曲部１２と、接続部１３を介して第１の湾曲部１２に連なる第２の湾曲部１４と、第２の湾曲部１４に連なる第２の直線部１５を備えている。第１の湾曲部１２と接続部１３および第２の湾曲部１４によって、Ｓ形の曲り導波路１６が構成されている。第１および第２の直線部１１，１５は曲率半径が無限大、すなわち実質的に曲率半径が最大となる部位（曲率最小部）である。
【００１４】
図２に示すように光導波路１０は、下部クラッド層２０と、コア２１と、上部クラッド層２２によって構成され、コア２１の内部を光が伝播するようになっている。クラッド層２０，２２はコア２１の全周を被っている。コア２１の屈折率はクラッド層２０，２２よりも高く、比屈折率差は例えば０．４５％である。コア２１の断面形状は例えば一辺が６μｍの正方形である。
【００１５】
第１の湾曲部１２は、第１の直線部（曲率最小部）１１から曲率最大部１２ａに向かって曲率半径が次第に小さくなり、かつ、曲率最大部１２ａから接続部（曲率最小部）１３に向かって曲率半径が次第に大きくなる曲線に沿う曲り導波路である。この曲線は、次式（１）（例えば６次関数）によって近似的に表される。第１の湾曲部１２は、光の伝播方向に連なる長さ１００μｍ以下に分割された複数の微小部分によって構成されている。
【数３】
2006201298.tif 000004
【００１６】
式（１）における定数ｋは、例えば下記の表１に基いて決まる。始点の一例は、第１の直線部１１と第１の湾曲部１２との境界である。終点の一例は、第２の湾曲部１４と第２の直線部１５との境界である。表１の例では、自由度の合計が３であるから、ｋは３である。
【表１】
2006201298.tif 000005
【００１７】
式（１）のｆ（ｚ）を求める方法の一例を以下に示す。この例の境界条件は表２のとおりである。また、ｎ＝０とする。
【表２】
2006201298.tif 000006
【００１８】
上記の境界条件から、下記の連立方程式が与えられる。
【数４】
2006201298.tif 000007
【００１９】
以上の式（２．１）〜（２．６）をＣｊについて解けば、ｆ（ｚ）を決定することができる。
【００２０】
図１に模式的に示すように、第１の湾曲部１２の微小部分の曲率半径は、Ｒ１，Ｒ２…Ｒｎと順次変化している。なお、図１に示す２点鎖線Ｌ１は、半径ｒ１の単一の円弧であり、従来はこの円弧に沿って曲り導波路が形成されていた。
【００２１】
この明細書で言う微小部分は、物理的に微小に区画された部分という意味ではなく、湾曲部１２，１４の曲率変化を説明するために便宜上用いる設計思想上の微小部分である。すなわち湾曲部１２，１４を構成するコア２１は、光学的かつ物理的に光軸方向に途切れることなく１本に連続しているものである。
【００２２】
第２の湾曲部１４は第１の湾曲部１２とは逆方向に曲がっている。この第２の湾曲部１４は、接続部（曲率最小部）１３から曲率最大部１４ａに向かって曲率半径が次第に小さくなり、かつ、曲率最大部１４ａから第２の直線部（曲率最小部）１５に向かって曲率半径が次第に大きくなる曲線に沿う曲り導波路である。この曲線も、第１の湾曲部１２と同様に、式（１）（例えば６次関数）によって近似的に表される。
【００２３】
この第２の湾曲部１４は、第１の湾曲部１２と同様に、光の伝播方向に連なる長さ１００μｍ以下に分割された複数の微小部分によって構成されている。なお、図１に示す２点鎖線Ｌ２は、半径ｒ２の単一の円弧であり、従来はこの円弧に沿って曲り導波路が形成されていた。
【００２４】
図３は、第１の湾曲部１２と第２の湾曲部１４の曲率が光の伝播方向（Ｚ軸方向）に変化する様子を示している。曲率は曲率半径Ｒの逆数（１／Ｒ）である。第１の湾曲部１２と第２の湾曲部１４のそれぞれの中間部に、曲率が最大（曲率半径Ｒが最小）となる部位すなわち曲率最大部１２ａ，１４ａが存在している。
【００２５】
このように本実施形態の第１の湾曲部１２は、前記微小部分の曲率半径Ｒが第１の直線部１１から曲率最大部１２ａに向かって、無限大から次第に小さくなるように変化し、かつ、曲率最大部１２ａから接続部１３に向かって曲率半径が次第に大きくなって無限大へと変化する形状となっている。
【００２６】
本実施形態の第２の湾曲部１４は、前記微小部分の曲率半径が、接続部１３から曲率最大部１４ａに向かって無限大から次第に小さくなるように変化し、かつ、曲率最大部１４ａから第２の直線部１５に向かって曲率半径が次第に大きくなって無限大へと変化する形状である。
【００２７】
このように構成された本実施形態の曲り導波路１６は、接続部１３が実質的に直線となる。この接続部１３に対して、第１の湾曲部１２と第２の湾曲部１４がそれぞれ曲率が変化しながら滑らかに連続し、曲率変化点が存在しない。
【００２８】
これに対し従来の曲り導波路は、図１に２点鎖線Ｌ１，Ｌ２で示す単一の円弧からなるため、図３に２点鎖線で示すように接続部において曲率が不連続となり曲率変化点が存在している。このような曲率変化点は接続部でのモード不整合の原因となる。
【００２９】
図４は従来の単一の円弧からなる曲り導波路と、本実施形態の湾曲部１２，１４を有する曲り導波路１６との、それぞれの曲り損失の波長依存性を示している。図４から、本実施形態の曲り導波路１６は、従来の曲り導波路と比較して曲り損失が大幅に減少していることが判る。
【００３０】
図５は、本実施形態の曲り導波路１６において、湾曲部１２，１４の微小部分の長さを４種類に変化させたときの曲り損失を比較したものである。図５から判るように、微小部分の分割長さが１μｍ〜１００μｍまでは互いに遜色がなく十分低損失であり、本発明の目的にかなうものとなっている。これに対し微小部分の分割長さが１５０μｍの場合は、広い波長域にわたって曲り損失が０．０１ｄＢよりも大きくなっている。
【００３１】
なお前記実施形態では、湾曲部１２，１４を構成する微小部分が１００μｍ以下に分割された直線形状である場合について述べた。その場合、湾曲部１２，１４の曲率半径は各微小部分ごとに段階的に変化することになる。しかし本発明を実施するに当たって、湾曲部が微小な円弧からなる多数の微小部分の連続によって構成されていてもよい。その場合には、曲率最小部から曲率最大部に向かって曲率半径が連続的に変化する。
【００３２】
図６は、本発明の一つの実施形態に係る光通信部品３０を模式的に示している。この光通信部品３０は、曲り導波路１６の一端１６ａに光学的に接続される第１の接続相手パーツ３１と、曲り導波路１６の他端１６ｂに光学的に接続される第２の接続相手パーツ３２と、曲り導波路１６を有する曲り導波路パーツ３３とからなっている。
【００３３】
曲り導波路１６は、第１の湾曲部１２と第２の湾曲部１４を備えている。第１の接続相手パーツ３１に第１の直線部１１が形成されている。第２の接続相手パーツ３２に第２の直線部１５が形成されている。湾曲部１２，１４は、それぞれ、前記の式（１）によって求めた曲線に沿う形状である。直線部１１，１５と曲り導波路１６のコアサイズは、いずれも６×６μｍ、比屈折率差Δ０．４５％である。
【００３４】
図６に示すような曲り導波路１６における境界条件は、曲り導波路１６と第１および第２の直線部１１，１５とのそれぞれの境界に曲率変化点を生じさせることなく滑らかに接続させる条件とする。一例として、式（１）における定数ｋを、下記の表３に基いて求める。この場合、自由度の合計は６であるから、ｋは６である。
【表３】
2006201298.tif 000008
【００３５】
図７は前記光通信部品３０（図６に示す）において、表３に示す境界条件を用いた場合の、曲り導波路の曲率と角度の変化を示している。式（１）中の任意のパラメータ“ｎ”は０とした。境界（Ｚ＝５００μｍと１５００μｍ）において、曲り導波路の角度と曲率がそれぞれ０になっていることが判る。
【００３６】
すなわち、光通信部品３０を構成する曲り導波路パーツ３３の光導波路（曲り導波路１６）の一端１６ａの曲率半径および角度が、第１の接続相手パーツ３１の曲率半径および角度と等しい。また、曲り導波路１６の他端１６ｂの曲率半径および角度が、第２の接続相手パーツ３２の曲率半径および角度と等しい。
【００３７】
前記の式（１）によって表される曲線に基いて、曲り導波路１６のコア２１（図２に示す）を形成するための成膜用マスクパターンを作る。このマスクパターンに基いて、ＣＶＤ等の成膜方法によって、下部クラッド層２０（図２に示す）の上にコア２１および上部クラッド層２２を形成することにより、所望の曲り導波路１６を有する光通信部品３０が製造される。
【００３８】
図８は、曲り導波路内を進む光の光軸のピーク位置ずれを模式的に示している。光は曲り導波路内を蛇行しながら進む。  
図９は、本発明に係る曲り導波路と、従来の曲り導波路の光軸ずれ量を解析した結果である。解析は光導波路解析で主に用いられるビーム伝播法に基くソフトウェアによって行った。初期光軸ずれは１μｍである。
【００３９】
図９に示されように本発明に係る曲り導波路では、１２００μｍ付近から光軸ずれ量がゼロに収束している。これに対し従来の曲り導波路では、曲率が不連続となる変化点において光のピーク位置のずれが多重に発生し、光軸ずれが収束しないまま、曲り導波路内を伝播している。
【００４０】
なお、本発明の光導波路は必ずしも直線部を有していなくてもよく、要するに曲率半径が最大となる曲率最小部（その一例が直線部）と、曲率半径が最小となる曲率最大部とを有し、これら曲率最小部と曲率最大部との間の曲率が段階的あるいは連続的に変化するように導波路コアがパターニングされていればよい。
【００４１】
また前記実施形態では２つの湾曲部１２，１４と１つの接続部１３とからなるＳ形曲り導波路１６について述べたが、本発明は１つの湾曲部と直線部とからなる曲り導波路に適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施形態の曲り導波路を有する光導波路の平面図。
【図２】図１中のＦ２−Ｆ２線に沿う光導波路の断面図。
【図３】本発明の曲り導波路と従来の曲り導波路のそれぞれのＺ軸方向の曲率の変化を示す図。
【図４】本発明の曲り導波路と従来の曲り導波路のそれぞれ波長と曲り損失との関係を示す図。
【図５】４種類の微小部分の長さに関して、波長と曲り損失との関係を示す図。
【図６】光通信部品の形状例を示す図。
【図７】図６に示された光通信部品の曲り導波路の曲率と角度の変化を示す図。
【図８】曲り導波路内を進む光の光軸ずれを模式的に示す図。
【図９】本発明に係る曲り導波路と従来の曲り導波路のそれぞれの光軸ずれ量を示す図。
【図１０】従来の曲り導波路を示す平面図。
【符号の説明】
【００４３】
１０…光導波路
１１…第１の直線部
１２…第１の湾曲部
１２ａ…曲率最大部
１３…接続部
１４…第２の湾曲部
１４ａ…曲率最大部
１５…第２の直線部
１６…曲り導波路
３０…光通信部品
３１…第１の接続相手パーツ
３２…第２の接続相手パーツ
３３…曲り導波路パーツ
【図１】
2006201298.tif 000011
【図２】
2006201298.tif 000012
【図３】
2006201298.tif 000013
【図４】
2006201298.tif 000014
【図５】
2006201298.tif 000015
【図６】
2006201298.tif 000016
【図７】
2006201298.tif 000017
【図８】
2006201298.tif 000018
【図９】
2006201298.tif 000019
【図１０】
2006201298.tif 000020