(57)【要約】【課題】  歩留まり低下の主要因である光導波路幅の変動および光導波路比屈折率の変動を含む製造誤差に対する許容範囲の大きな光方向性結合器および波長無依存カプラを提供すること。【解決手段】  波長無依存カプラは、２本の光導波路をそれぞれが有する２つの光方向性結合器と、前記２つの光方向性結合器を接続する長さの異なる２本の光導波路とを備えるマッハツェンダ干渉計により構成される。前記２つの光方向性結合器の各々は、光結合を生じる光結合領域における直線部分の長さがゼロである光方向性結合器であり、射出される光の強度が入射される光の波長に依存しないように前記光結合領域の光導波路幅および光導波路間ギャップが設定されている。また、前記２本の光導波路は、入力端から光結合を生じる光結合領域へ向かってテーパ状に細くなり、前記光結合領域から出力端へ向かってテーパ状に広くなるように形成されている。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板上に構成された２本の光導波路とを備えた光方向性結合器において、
前記２本の光導波路は、光結合を生じる光結合領域における直線部分の長さがゼロであることを特徴とする光方向性結合器。
【請求項２】
前記２本の光導波路は、入力端から光結合を生じる光結合領域へ向かってテーパ状に細くなり、前記光結合領域から出力端へ向かってテーパ状に広くなるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光方向性結合器。
【請求項３】
基板と、該基板上に構成された２本の光導波路をそれぞれが有する２つの光方向性結合器と、前記２つの光方向性結合器を接続する長さの異なる２本の光導波路とを備えるマッハツェンダ干渉計により構成された波長無依存カプラにおいて、
前記２つの光方向性結合器の各々は、請求項１または２に記載の光方向性結合器であり、射出される光の強度が入射される光の波長に依存しないように前記光結合領域の光導波路幅および光導波路間ギャップが設定されていることを特徴とする波長無依存カプラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光方向性結合器および波長無依存カプラに関し、より詳細には、光ファイバ通信において用いられる光方向性結合器および波長無依存カプラに関する。
【背景技術】
【０００２】
通信の高速化、大容量化において光通信は最も期待される技術であることから、光通信技術は急速な発達を続けている。このような文脈の中で、今日の光通信技術の発達を支える各種光部品の研究開発は行われているが、中でも平面基板上の光導波路を基本とした光導波路型光部品が最も重要な位置を占めている。これは、光導波路型光部品がフォトリソグラフィ技術および微細加工技術により光波長以下の精度で再現性良く量産可能という特徴を有するからである。特に、石英系光導波路により構成される波長無依存カプラは、容易にアレイ化が実現でき、経時変化に対する安定性、制御性の点において優れており、ＦＴＴＨ応用を念頭に精力的に研究開発が進められている。
【０００３】
波長無依存カプラとは、前段光方向性結合器、後段光方向性結合器およびそれらを接続する２本の光路長差を与える光導波路からなるマッハツェンダ干渉計により構成さる光カプラである。この波長無依存カプラは、波長無依存性を有し、後述のように前段および後段の光方向性結合器の結合角が適切に設定されることにより、射出される光の強度が入射された光の波長に依存しない。
【０００４】
光方向性結合器とは、入力端に入射した光を分岐し、または結合して出力端に射出する機能を有する光カプラであって、特に第１および第２の光導波路からなる２入力２出力の光カプラである。また、マッハツェンダ干渉計とは、入射光を２つの光路に分岐して再び結合することにより、その光路長差による干渉縞を定量的に測定することができる干渉計である。
【０００５】
図１に、従来の光導波路による波長無依存カプラの一実施形態の構成図を示す。従来の波長無依存カプラでは、入力導波路１より入射した光信号は、波長依存性を有する前段光方向性結合器２を介して、波長ごとに異なる分岐比にて分岐された後、適切な光路長差Ｌを有するアーム導波路３および４を経由して、後段光方向性結合器５にて再び結合される。後段光方向性結合器５では干渉光は出力導波路６および７へと出力されるが、光強度は前段光方向性結合器２、後段光方向性結合器５の波長特性および光路長差Ｌを有するアーム導波路３，４間の位相差の波長特性を考慮した比率で出力される。出力導波路６からの光強度すなわちメインポートの光量Ｉ１、出力導波路７からの光強度すなわちタップポートの光量Ｉ２の比率は
【０００６】
【数１】
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【０００７】
で表される。ここで、β（λ）は光導波路の伝搬定数、Φ１（λ）、Φ２（λ）はそれぞれ、前段光方向性結合器２および後段光方向性結合器５での結合角である。このことから、伝搬定数および方向性結合器の結合角に波長依存性が存在し、これらを適切に設定することで波長無依存カプラが実現されることが知られている（非特許文献１参照）。
【０００８】
適切な結合角を実現するため、従来の波長無依存カプラでは図２に示す方式で、前段光方向性結合器２および後段光方向性結合器５の波長特性を調整していた。すなわち、前段光方向性結合器２および後段光方向性結合器５は、それぞれ同じ幅の光導波路１０，１１を平行に延在させ、一定のギャップＧを設定するとともに、平行に延在させる長さＬを調節することで波長無依存カプラの波長無依存性を実現していた。特に、光導波路幅ＷおよびギャップＧ（図２）を前段および後段光方向性結合器で同じ値に設定し、前段光方向性結合器の直線部長Ｌ１と後段光方向性結合器の直線部長Ｌ２を異なる値に設定することで、光方向性結合器の直線部中心間距離の変化をもたらす製造誤差のひとつであるコア中心間距離の変動に対するトレランスを向上させることができることが知られている（非特許文献２参照）。
【０００９】
【非特許文献１】K.Jinguji, N.Takato, A.Sugita, M.Kawachi, “Mech-Zehnder interferometer type optical waveguide coupler with wavelength-flattened ratio," Electron.Lett,Vol.26, No.17, pp.1326-1327, 1990.
【非特許文献２】Q.Chen, T.Tsuda, T.Ono, H.Urabe, H.Kawashima, K.Nare, “Stable high yield manufacturing of WINC with same core gap in directional couplers," 信学全国大会C-3-148, p.322, 2004年３月，東京
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記の方法では、コア中心間距離の変動が歩留まり低下の主要因ではない場合、たとえば光導波路幅の変動や光導波路比屈折率差の製造誤差に対しては、プロセス変動に対する耐性が必ずしも十分ではなかった。特に平均的な石英系光導波路の製造過程では、コア中心間距離の変動はほとんど無視できる程度であり、むしろ光導波路比屈折率の変動やフォトリソグラフィや反応性イオンエッチングの工程における光導波路幅の変動が大きな誤差要因である。たとえば、典型的な石英系光導波路の作製においては、コア中心間距離は０．０１μｍ以下の精度で安定であるが、光導波路比屈折率差に関しては０．００５％程度、光導波路幅の変動に関しては０．０７μｍ程度の変動がある。
【００１１】
図３に、非特許文献２のレイアウトに対してビーム伝搬法により計算した波長無依存カプラのプロセス誤差に対するメインポートの光量変化率を示す。特に、図３では製造誤差要因として、非特許文献２で改善されることが示されている光方向性結合器のコア中心間距離（Ｃ２Ｃ）、および光導波路比屈折率差（Ｄｅｌｔａ）ならびに光導波路幅の変化量（Ｓｈｉｆｔ）に関して、その製造誤差トレランスを計算した。図３のグラフにおいて、横軸は波長であり、縦軸は各誤差要因が単位量変化した場合の波長無依存カプラのメインポートの光量の変化率（Ｉ１）である。各誤差要因の単位量は、Ｃ２ＣおよびＳｈｉｆｔに関してはμｍ、Ｄｅｌｔａに関しては０．１％である。言い換えると、コア中心間距離、光導波路幅の変化量に関しては１μｍ変化したときのメインポートの光量の変化、光導波路比屈折率差に関しては、その値が０．１％変化した場合のメインポートの光量の変化である。上述の製造誤差の典型値を当てはめると、１．２−１．７μｍの光波長範囲で、コア中心間距離の変動による影響は最大で０．０４ｄＢ程度、光導波路幅の変化に対しては０．１ｄＢ程度、光導波路比屈折率差の変動に対しても０．１ｄＢ程度のメインポートの光量変化を与える。このように、従来の波長無依存カプラにおいては、光導波路幅および光導波路比屈折率の製造誤差によりその光量特性が大きく変動するという問題を生じていた。
【００１２】
本発明の目的は、歩留まり低下の主要因である光導波路幅の変動および光導波路比屈折率の変動を含む製造誤差に対する許容範囲の大きな光方向性結合器および波長無依存カプラを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、基板と、該基板上に構成された２本の光導波路とを備えた光方向性結合器において、前記２本の光導波路は、光結合を生じる光結合領域における直線部分の長さがゼロであることを特徴とする。
【００１４】
この構成によれば、コア中心間距離の変動に加え、光導波路幅の変動および光導波路比屈折率の変動を含むプロセス変動に対し、結合率の変動量を低減することが可能となる。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、基板と、該基板上に構成された２本の光導波路をそれぞれが有する２つの光方向性結合器と、前記２つの光方向性結合器を接続する長さの異なる２本の光導波路とを備えるマッハツェンダ干渉計により構成された波長無依存カプラにおいて、前記２つの光方向性結合器の各々は、請求項１または２に記載の光方向性結合器であり、射出される光の強度が入射される光の波長に依存しないように前記光結合領域の光導波路幅および光導波路間ギャップが設定されていることを特徴とする。
【００１６】
この構成によれば、コア中心間距離の変動に加え、歩留まりの主要因である光導波路幅の変動および光導波路比屈折率の変動を含む光導波路の製造誤差に対し安定した光量特性を有することが可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、光導波路を利用した光方向性結合器に対して、コア中心間距離の変動に加え、歩留まりの主要因である光導波路幅の変動および光導波路比屈折率の変動を含む製造誤差に対する耐性の強い光方向性結合器を与えることが可能である。また、本発明によれば、この光方向性結合器を波長無依存カプラに適用することにより、同様にコア中心間距離の変動に加え、光導波路幅の変動および光導波路比屈折率の変動を含む製造誤差に対する耐性の強い波長無依存カプラを実現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】
【００１８】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１９】
〔実施形態１〕
図４に、本発明の一実施形態にかかる光方向性結合器の構成図を示す。図４において、光方向性結合器は、シリコン基板、該シリコン基板上に形成された２本の光導波路からなり、該光導波路は、２本の入力曲げテーパ導波路３１および入力曲げテーパ導波路３２、ならびに２本の出力曲げテーパ導波路３３および出力曲げテーパ導波路３４から構成される。入力曲げテーパ導波路は、その入力端すなわち入力曲げテーパ導波路の光結合が生じない部分において幅Ｗｗを有し、光方向性結合器の中心部すなわち入力曲げテーパ導波路と出力曲げテーパ導波路とが接する光結合を生じる領域（以下「光結合領域」という）において幅Ｗｎを有する。同様に、出力曲げテーパ導波路は、光方向性結合器の中心部すなわち出力曲げテーパ導波路と入力曲げテーパ導波路との接する光結合領域において幅Ｗｎを有し、その出力端すなわち出力曲げテーパ導波路の光結合を生じない部分において幅Ｗｗを有する。ここで、各入力曲げテーパ導波路３１，３２の光導波路幅のＷｗからＷｎまでの変化、各出力曲げテーパ導波路３３，３４の光導波路幅のＷｎからＷｗまでの幅の変化、および各入出力曲げテーパ導波路の湾曲は、回路全体の損失や偏波依存性を低く抑えるために断熱的になされる。従って、各入出力曲げテーパ導波路は、急激な曲げ半径を与えず、ある一定値以上の曲げ半径において湾曲する。このため、光結合領域においても光導波路が湾曲しており、直線部分の長さが略ゼロになっている。加えて、入力曲げテーパ導波路３１，３２および出力曲げテーパ導波路３３，３４は、その幅がＷｎとなるときに、その間隔がギャップＧｉとなる位置まで最近接する。
【００２０】
図５に、比屈折率差０．４％の石英系光導波路において、従来の構成の光方向性結合器と本実施形態１における光方向性結合器の製造誤差耐性をビーム伝搬法により計算した結果を示す。従来の光方向性結合器は、その光結合領域での光導波路ギャップが３μｍ、光導波路幅は全領域で８μｍとし、光結合領域における直線長を５００μｍとした。また、本実施形態１の光方向性結合器としてＷｗ＝８μｍ、Ｗｎ＝５μｍ、Ｇｉ＝１．２μｍ、入力端側から光導波路ギャップがＧｉに達する点までの長さを７５０μｍ、最小曲げ半径を１５ｍｍとした。従来の構成、本実施形態１の構成ともに、光方向性結合器の結合率は光波長が１．５５μｍのときおよそ５０％となる。また、ここでは製造誤差要因として光導波路比屈折率差のみを考慮した。すなわち、図５は、光導波路比屈折率差が０．１％変化したときの結合率の変化量を示している。図５によれば、従来の光方向性結合器に比べて、その光導波路比屈折率差依存性は半分以下に低減されていることがわかる。
【００２１】
このように、本発明の光方向性結合器は、コア中心間距離の変動に加え、光導波路幅の変動および光導波路比屈折率の変動を含む製造誤差に対して許容範囲の大きな光方向性結合器を与えるものである。
【００２２】
〔実施形態２〕
図６に、本発明の一実施形態にかかる波長無依存カプラの構成図を示す。図６において、波長無依存カプラは、シリコン基板、該シリコン基板上に形成された２本の光導波路からなり、該光導波路は、入力導波路１１および１８、波長依存性を有する前段光方向性結合器１２、波長依存性を有する後段光方向性結合器１５、前記前段光方向性結合器１２と前記後段光方向性結合器１５を接続し、適切な光路長差Ｌを有するアーム導波路１３および１４、ならびに出力導波路１６および１７からなる。図６において、入力導波路１１から入射した光信号は、波長依存性を有する前段光方向性結合器１２を経由して、波長ごとに異なる分岐比にて分岐された後、適切な光路長差Ｌを有するアーム導波路１３および１４を介して、おなじく波長依存性を有する後段光方向性結合器１５へと伝搬する。後段光方向性結合器１５にて結合された干渉光は出力導波路１６および１７へと出力されるが、光強度は前段光方向性結合器１２、後段光方向性結合器１５の波長特性および光路長差Ｌを有するアーム導波路１３，１４間の位相差の波長特性を考慮した比率で出力される。
【００２３】
本実施形態の波長無依存カプラでは、前段光方向性結合器１２および後段光方向性結合器１５として、以下に説明する構造をとることで、その製造誤差による影響を低減する。図７に、本発明の一実施形態にかかる波長無依存カプラにおける前段光方向性結合器１２および後段光方向性結合器１５の構成図を示す。前段光方向性結合器１２および後段光方向性結合器１５は、２本の入力曲げテーパ導波路２１および２２と２本の出力曲げテーパ導波路２３および２４からなる。入力曲げテーパ導波路は、その入力端すなわち入力曲げテーパ導波路の光結合が生じない部分において幅Ｗｗを有し、その光方向性結合器の中心部すなわち入力曲げテーパ導波路と出力曲げテーパ導波路とが接する光結合領域において幅Ｗｎを有する。同様に、出力曲げテーパ導波路は、光方向性結合器の中心部すなわち出力曲げテーパ導波路と入力曲げテーパ導波路が接する光結合領域において幅Ｗｎを有し、その出力端すなわち出力曲げテーパ導波路の光結合を生じない部分において幅Ｗｗを有する。ここで、各入力曲げテーパ導波路２１，２２の光導波路幅のＷｗからＷｎまでの変化、各出力曲げテーパ導波路２３，２４の光導波路幅のＷｎからＷｗまでの幅の変化、ならびに各入出力曲げテーパ導波路の湾曲は、回路全体の損失や偏波依存性を低く抑えるために断熱的になされる。従って、各入出力曲げテーパ導波路は、急激な曲げ半径を与えず、ある一定値以上の曲げ半径において湾曲する。加えて、入力曲げテーパ導波路２１，２２および出力曲げテーパ導波路２３，２４は、その幅がＷｎとなるときに、その間隔がギャップＧｉとなる位置まで最近接する。ここで、Ｇｉは前段光方向性結合器１２および後段光方向性結合器１５で異なる値に設定する。
【００２４】
本実施形態２では、比屈折率差が０．４％の石英系光導波路にて製造した波長無依存カプラを仮定し、ビーム伝搬法による計算を用いて本発明の効果を検証した。波長無依存カプラの上述の値として、Ｗｗ＝８μｍ、Ｗｎ＝５μｍ、Ｌ＝０．６μｍとし、ギャップＧｉは前段光方向性結合器に対して２．１μｍ、後段光方向性結合器に対して３．５μｍ、入力端側から最初に光導波路ギャップがＧｉに達する点までの長さを７５０μｍ、最小曲げ半径を１５ｍｍとした。図８に、本実施形態２の波長無依存カプラのタップポート光出力の各種プロセス誤差に対する変化率を示す。上述のように、製造誤差要因として、光方向性結合器のコア中心間距離（Ｃ２Ｃ）、および光導波路比屈折率差（Ｄｅｌｔａ）ならびに光導波路幅の変化量（Ｓｈｉｆｔ）に関して、その製造誤差トレランスを計算した。図８のグラフにおいて、横軸は波長であり、縦軸は各誤差要因が単位量変化した場合の波長無依存カプラのタップポートの光量の変化率（Ｉ２）である。各誤差要因の単位量は、Ｃ２ＣおよびＳｈｉｆｔに関してμｍ、Ｄｅｌｔａに関しては０．１％である。言い換えると、コア中心間距離、光導波路の幅の変化量に対しては１μｍ変化したときのタップポートの光量の変化、光導波路比屈折率差に関しては、その値が０．１％変化したときのタップポートの光量の変化である。
【００２５】
製造誤差の典型値として、コア中心間距離の誤差０．０１μｍ、光導波路幅の誤差０．０７μｍ、光導波路比屈折率差の誤差０．００５％を当てはめると、１．２−１．７μｍの波長域の最悪値で、コア中心間距離の変動に対して０．０５ｄＢ程度、光導波路幅の変動に対して０．０５ｄＢ、光導波路比屈折率差の変動に対して０．０５ｄＢが得られた。すなわち、コア中心間距離に関しては、従来の波長無依存カプラと同程度の誤差誘起にとどめることができる上、光導波路幅の変動および光導波路比屈折率差の変動に対しては、劇的にその影響を低減することができる。
【００２６】
すなわち、本発明では、波長無依存カプラを構成する前段・後段光方向性結合器として、光結合を誘起する部分の直線長をゼロとし、前段・後段光方向性結合器の光結合を誘起する部分の光導波路幅および光導波路間ギャップを適切に設定することで波長無依存特性を実現する。本発明の結合長ゼロの光方向性結合器においては、これまでの結合領域の直線長が有限の値を有する光方向性結合器に比べて、光導波路幅および光導波路比屈折率差の製造誤差依存性を低減する。平均的な石英系光導波路の製造プロセスにおいては、上述の光導波路幅および光導波路比屈折率差の変動が大きく、本発明の光方向性結合器を適用することで、光方向性結合器の製造誤差による結合率特性の変動は最小限に抑えられるため、結果として波長無依存カプラの製造誤差による光量特性劣化も低減される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】従来の波長無依存カプラの構成図である。
【図２】従来の波長無依存カプラを構成する光方向性結合器の構成図である。
【図３】従来の波長無依存カプラの製造誤差依存性を示すグラフである。
【図４】本発明の実施形態１における光方向性結合器の構成図である。
【図５】本発明の実施形態１における従来の光方向性結合器特性の光導波路比屈折率差依存性を示すグラフである。
【図６】本発明の実施形態２における波長無依存カプラの構成図である。
【図７】本発明の実施形態２における波長無依存カプラを構成する光方向性結合器の構成図である。
【図８】本発明の実施形態２における波長無依存カプラの製造誤差依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２８】
１  入力曲げ導波路
２  前段光方向性結合器
３  アーム導波路
４  アーム導波路
５  後段光方向性結合器
６  出力曲げ導波路
７  出力曲げ導波路
８  入力曲げ導波路
１１  入力曲げ導波路
１２  前段光方向性結合器
１３  アーム導波路
１４  アーム導波路
１５  後段光方向性結合器
１６  出力曲げ導波路
１７  出力曲げ導波路
１８  入力曲げ導波路
２１  入力曲げ導波路
２２  入力曲げ導波路
２３  出力曲げ導波路
２４  出力曲げ導波路
３１  入力曲げ導波路
３２  入力曲げ導波路
３３  出力曲げ導波路
３４  出力曲げ導波路
Ｗ  光導波路幅
Ｇ  ギャップ
【図１】
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【図２】
2006065089.tif 000005
【図３】
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【図４】
2006065089.tif 000007
【図５】
2006065089.tif 000008
【図６】
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【図７】
2006065089.tif 000010
【図８】
2006065089.tif 000011