(57)【要約】【課題】  ホログラフィック波動伝達媒体を適用した光導波路デバイスの接続を容易にする。【解決手段】  基板（１０）上に形成されたクラッド層と、クラッド層に埋設されたコア部とからなる導波路により構成され、コア部は、導波路より屈折率の低い複数の散乱点により画定されるピクセル形状部（１１，１３）を含む光導波路デバイスにおいて、ピクセル形状部（１３）に画定されたポートが形成された基板（１０）の端面に、シリンドリカルレンズ（１４）を備えた。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成されたクラッド層と、該クラッド層に埋設されたコア部とからなる導波路により構成され、前記コア部は、前記導波路より屈折率の低い複数の散乱点により画定されるピクセル形状部を含む光導波路デバイスにおいて、
前記ピクセル形状部に画定されたポートが形成された前記基板の端面に、シリンドリカルレンズを備えたことを特徴とする光導波路デバイス。
【請求項２】
前記ピクセル形状部に画定されたポートが形成された前記基板の端面に接する前記基板の上面にやといが形成され、前記ピクセル形状部の上部にざぐりが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光導波路デバイス。
【請求項３】
基板上に形成されたクラッド層と、該クラッド層に埋設されたコア部とからなる導波路により構成され、前記コア部は、前記導波路より屈折率の低い複数の散乱点により画定されるピクセル形状部を含む光導波路デバイスにおいて、
前記ピクセル形状部に画定されたポートの端面と、前記基板の端面との間にセグメント状の波動伝達媒体を備えたことを特徴とする光導波路デバイス。
【請求項４】
前記セグメント状の波動伝達媒体が形成された前記基板の端面に接する前記基板の上面にやといが形成され、前記セグメント状の波動伝達媒体の上部にざぐりが設けられていることを特徴とする請求項３に記載の光導波路デバイス。
【請求項５】
前記ピクセル形状部は、モードフィールド変換用の波動伝達媒体であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の光導波路デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路デバイスに関し、より詳細には、２次元的な屈折率分布に応じた多重散乱によりホログラフィックに波動を伝達させるホログラフィック波動伝達媒体を適用した光導波路デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信分野においては、光の分岐、干渉を容易に実現できる光回路として、光導波路構造を利用した集積光部品が開発されてきた。光の波動としての性質を利用した集積光部品は、光導波路長の調整により光干渉計の作製を容易にしたり、半導体分野における回路加工技術を適用することにより、光部品の集積化が容易になる。
【０００３】
このような光導波路構造は、光導波路中を伝搬する光を屈折率の空間的分布を利用して空間的な光閉じ込めを実現する「光閉じ込め構造」である。光回路を構成するためには、光配線などを用いて、各構成要素を縦列的に接続することとなる。このため、光導波路回路の光路長は、光回路内で干渉現象などを生じさせるために求められる光路長よりも長くならざるを得ず、その結果、光回路そのものが極めて大型になってしまうという問題があった。
【０００４】
光回路の小型化のためには、光を導波路中に強く閉じ込める必要がある。従って、光導波路は、極めて大きな屈折率差を有する必要がある。例えば、従来のステップインデクッス型の光導波路では、比屈折率差が０．１％よりも大きな値となるように、屈折率の空間的分布を有するように光導波路を設計する。このような大きな屈折率差を利用して光閉じ込めを行うと、回路構成の自由度が制限されてしまう。
【０００５】
そこで、従来の光導波路回路、ホログラフィック回路を用いた光回路よりも小型で、緩やかな屈折率分布、すなわち小さな屈折率差でも充分に高効率の光信号制御を可能とする波動伝達媒体を用いることにより、高効率で小型の光回路を実現する（例えば、特許文献１〜３参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２１９９８６号公報
【特許文献２】特開２００４−２１９９９４号公報
【特許文献３】特開２００４−２１９９９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、波動伝達媒体は、仮想的なメッシュにより画定される仮想的なピクセルの各々が有する屈折率により、光信号を多重散乱させながら、入力ポートから出力ポートに伝播させる。波動伝達媒体における入力ポート付近と出力ポート付近のメッシュ状のピクセルは、一種のレンズとして機能し、集光することができる。しかし、基板に対して水平方向の集光しかできず、また、メッシュ状のピクセルのため、集光位置の判別が困難であり、他の光素子との光学的な接続が難しいという問題があった。
【０００８】
また、干渉の効果を用いて伝播させるので、波動伝達媒体は、光路に大きな角度を持たせることができず、クロストークも大きい。入出力ポート近傍の光のビーム径が小さい領域では、光の進行方向に対して斜めに入射する成分の割合が大きい。干渉の効果は、入射する光の角度により異なるため、斜めに入射する成分の割合が高いことは、クロストークを劣化させる一因となる。
【０００９】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ホログラフィック波動伝達媒体を適用した光導波路デバイスの接続を容易にした光機能回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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、基板上に形成されたクラッド層と、該クラッド層に埋設されたコア部とからなる導波路により構成され、前記コア部は、前記導波路より屈折率の低い複数の散乱点により画定されるピクセル形状部を含む光導波路デバイスにおいて、前記ピクセル形状部に画定されたポートが形成された前記基板の端面に、シリンドリカルレンズを備えたことを特徴とする。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光導波路デバイスにおいて、前記ピクセル形状部に画定されたポートが形成された前記基板の端面に接する前記基板の上面にやといが形成され、前記ピクセル形状部の上部にざぐりが設けられていることを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、基板上に形成されたクラッド層と、該クラッド層に埋設されたコア部とからなる導波路により構成され、前記コア部は、前記導波路より屈折率の低い複数の散乱点により画定されるピクセル形状部を含む光導波路デバイスにおいて、前記ピクセル形状部に画定されたポートの端面と、前記基板の端面との間にセグメント状の波動伝達媒体を備えたことを特徴とする。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の光導波路デバイスにおいて、前記セグメント状の波動伝達媒体が形成された前記基板の端面に接する前記基板の上面にやといが形成され、前記セグメント状の波動伝達媒体の上部にざぐりが設けられていることを特徴とする。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の前記ピクセル形状部は、モードフィールド変換用の波動伝達媒体であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように、本発明によれば、ピクセル形状部に画定されたポートにシリンドリカルレンズまたはセグメント状の波動伝達媒体を接続することにより、ホログラフィック波動伝達媒体を適用した光導波路デバイスと他の光素子との接続を容易に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】
【００１６】
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。本実施形態の光導波路デバイスは、ホログラフィック波動伝達媒体により導波光の光路を制御する。ホログラフィック波動伝達媒体は、導波路より屈折率の低い複数の散乱点により画定され、２次元的な屈折率分布に応じた多重散乱によりホログラフィックに波動を伝達させる。
【００１７】
最初に、本願発明に用いる波動伝達媒体の基本的概念について説明する。ここでは、光回路へ適用することから、波動伝達媒体中を伝搬する「波動」は「光」である。なお、波動伝達媒体にかかる理論は、一般の波動方程式に基づいて、媒質の特性を指定するものであり、一般の波動においても原理的に成り立ち得るものである。波動伝達媒体は、コヒーレントな光のパターンを入力して所望の光のパターンを出力させるために、波動伝達媒体中を伝搬する順伝搬光と逆伝搬光の位相差が、波動伝達媒体中の何れの場所においても小さくなるように屈折率分布が決定される。屈折率分布に応じた局所的なレベルのホログラフィック制御を多重に繰り返すことにより、所望の光のパターンが出力される。
【００１８】
図１を参照して、本実施形態にかかる波動伝達媒体の基本構造を説明する。図１（ａ）に示したように、光回路基板１の中に、波動伝達媒体により構成される光回路の設計領域１−１が存在する。光回路の一方の端面は、入力光３−１が入射する入射面２−１である。入力光３−１は、波動伝達媒体で構成された空間的な屈折率分布を有する光回路中を多重散乱しながら伝搬し、他方の端面である出射面２−２から出力光３−２として出力される。図１（ａ）中の座標ｚは、光の伝搬方向の座標（ｚ＝０が入射面、ｚ＝ｚｅが出射面）であり、座標ｘは、光の伝搬方向に対する横方向の座標である。なお、本実施形態では、波動伝達媒体は、誘電体からなるものと仮定し、空間的な屈折率分布は、波動伝達媒体を構成している誘電体の局所的な屈折率を後述する理論に基づいて設定することにより実現される。
【００１９】
入力光３−１が形成している「場」（入力フィールド）は、光回路を構成する波動伝達媒体の屈折率の空間的分布に応じて変調され、出力光３−２の形成する「場」（出力フィールド）に変換される。換言すれば、本発明の波動伝達媒体は、その空間的な屈折率分布に応じて入力フィールドと出力フィールドとを相関づけるための（電磁）フィールド変換手段である。なお、これら入力フィールドおよび出力フィールドに対して、光回路中での伝搬方向（図中ｚ軸方向）に垂直な断面（図中ｘ軸に沿う断面）における光のフィールドを、その場所（ｘ，ｚ）における（順）伝搬像（伝搬フィールドあるいは伝搬光）と呼ぶ（図１（ｂ）参照）。
【００２０】
ここで、「フィールド」とは、一般に電磁場（電磁界）または電磁場のベクトルポテンシャル場を意味している。本実施形態における電磁場の制御は、光回路中に設けられた空間的な屈折率分布、すなわち誘電率の分布を変えることに相当する。誘電率はテンソルとして与えられるが、通常は偏光状態間の遷移はそれほど大きくないので、電磁場の１成分のみを対象としてスカラー波近似しても良い近似となる。そこで、本明細書では電磁場を複素スカラー波として扱う。なお、光の「状態」には、エネルギ状態（波長）と偏光状態とがあるため、「フィールド」を光の状態を表現するものとして用いる場合には、光の波長と偏光状態をも包含し得ることとなる。
【００２１】
また、通常、伝搬光の増幅や減衰を生じさせない光回路では、屈折率の空間的分布を決めると、焦点以外の入力光３−１の像（入力フィールド）は、出力光３−２の像（出力フィールド）に対して一意的に定まる。このような、出射面２−２側から入射面２−１側へと向かう光のフィールドを、逆伝搬像（逆伝搬フィールドあるいは逆伝搬光）と呼ぶ（図１（ｃ）参照）。このような逆伝搬像は、光回路中の場所ごとに定義することができる。すなわち、光回路中での任意の場所における光のフィールドを考えたとき、その場所を仮想的な「入力光」の出射点として考えれば、上記と同様に出力光３−２の像に対して、その場所での逆伝搬像を考えることができる。このように、光回路中の各場所ごとに逆伝搬像が定義できる。
【００２２】
特に、単一の光回路において、出射フィールドが入射フィールドの伝搬フィールドとなっている場合には、光回路の任意の点で、伝搬フィールドと逆伝搬フィールドとは一致する。なお、フィールドは、一般的に、対象とする空間全体の上の関数であるが、「入射フィールド」または「出射フィールド」という場合は、入射面あるいは出射面におけるフィールドの断面を意味している。また、「フィールド分布」という場合でも、ある特定の断面に関して議論を行う場合には、その断面についてのフィールドの断面を意味している。なお、対象とされる光（フィールド）は、単一状態の光には限定されず、複数の状態の光を重畳することができる。
【００２３】
「入力ポート」および「出力ポート」とは、入射端面および出射端面におけるフィールドの集中した「領域」であり、例えば、その部分に光ファイバを接続することにより、光強度をファイバに伝搬できるような領域である。ここで、フィールドの強度分布および位相分布は、複数の状態の光がそれぞれ異なるように設計可能であるので、入射端面および出射端面に複数のポートを設けることができる。さらに、入射フィールドと出射フィールドの組を考えた場合、その間の伝搬により発生する位相が、光の周波数によって異なるので、周波数が異なる光（すなわち波長の異なる光）については、位相を含めたフィールド形状が同じであるか直交しているかの如何にかかわらず、異なるポートとして設定することができる。
【００２４】
屈折率分布の決定は、波動伝達媒体に仮想的メッシュを定め、このメッシュによって画定される微小領域（ピクセル）の屈折率を、各ピクセルごとに決定することと言い換えることもできる。このような局所的な屈折率は、原理的には、その場所ごとに任意の（所望の）値とすることができる。最も単純な系は、低屈折率（ｎＬ）を有するピクセルと高屈折率（ｎＨ）を有するピクセルのみからなる系であり、これら２種のピクセルの空間的分布により全体的な屈折率分布が決定される。この場合、媒体中の低屈折率ピクセルが存在する場所を高屈折率ピクセルの空隙として観念したり、逆に、高屈折率ピクセルが存在する場所を低屈折率ピクセルの空隙として観念したりすることができる。すなわち、本発明の波動伝達媒体は、均一な屈折率を有する媒体中の所望の場所（ピクセル）を、これとは異なる屈折率のピクセルで置換したものと表現することができる。
【００２５】
屈折率分布決定のための演算方法を要約すると次のようになる。波動をホログラフィックに伝達させ得る媒体（光の場合には誘電体）に、入力ポートと出力ポートとを設け、入力ポートから入射した伝搬光のフィールド分布１（順伝搬光）と、入力ポートから入射した光信号が出力ポートから出力される際に期待される出力フィールドを出力ポート側から逆伝搬させた位相共役光のフィールド分布２（逆伝搬光）と、を数値計算により求める。フィールド分布１およびフィールド分布２を、伝搬光と逆伝搬光の各点（x,z）における位相差をなくすように、媒体中での空間的な屈折率分布を求める。このような波動伝達媒体を、入力ポートから入射した光を所望の出力ポートに出射させる光部品に応用すれば、媒体内で生じる伝搬波同士の多重散乱による干渉現象により、実効的な光路長が長くなり、緩やかな屈折率変化（分布）でも充分に高い光信号制御性を有する光回路を構成することができる。
【００２６】
図２に、本発明の一実施形態にかかる光合分波回路を示す。上述した演算方法にしたがって、図２（ａ）に示した屈折率分布を有する１×２光合分波回路が得られる。ここで、図中の光回路設計領域１−１内の黒色部分は、コアに相当する高屈折率部（誘電体多重散乱部）１−１１であり、黒色部以外の部分はクラッドに相当する低屈折率部１−１２であり、導波路より屈折率の低い散乱点である。クラッドの屈折率は、石英ガラスの屈折率を想定し、コアの屈折率は、石英ガラスに対する比屈折率が１．５％だけ高い値を有する。光回路のサイズは縦３００μｍ、横１４０μｍである。図２（ｂ）に、光合分波回路の透過スペクトルを示す。透過スペクトルから、波長による光合分波器が形成されていることがわかる。
【００２７】
図３に、本発明の第１の実施形態にかかる光合分波回路を含む光導波路デバイスの構成を示す。図２に示した光合分波回路に他の光素子を光学的に結合するための構成について説明する。基板１０には、図２に示した波動伝達媒体１１が形成され、入射端面における入力ポートには導波路１２ａが接続され、出射端面における出力ポートには、光導波路１２ｂ，１２ｃが接続されている。入出力ポート近傍の光のビーム径が小さい領域において、光の進行方向に対して斜めに入射する成分の割合を小さくして、クロストークを抑えるためである。
【００２８】
基板１０には、基板１０に対して水平方向の集光を行うモードフィールド変換用の波動伝達媒体１３ａ〜１３ｃを形成する。さらに、波動伝達媒体１３ａが形成された基板１０の端面に、シリンドリカルレンズ１４を接合する。シリンドリカルレンズ１４は、基板１０に対して垂直方向の集光を行う。例えば、ＬＤなどの発光素子を波動伝達媒体１１の入力ポートとを結合する場合、ＵＶ硬化接着剤を使用して、光軸合わせを行いながらシリンドリカルレンズ１４を基板１０に接合する。
【００２９】
このようにして、光導波路１２ａ〜１２ｃと他の光素子との結合効率を向上させることができる。また、シリンドリカルレンズ１４との接続面における反射の影響を抑えるために、シリンドリカルレンズ１４の凸面上に加えて、基板１０との接合面および基板１０の波動伝達媒体１３ａが形成された端面において、接着剤に対する無反射コートを設ける。さらに、シリンドリカルレンズ１４と基板１０との接合面を、斜めに研磨することにより、反射を抑えるようにしてもよい。
【００３０】
図４に、本発明の第２の実施形態にかかる光合分波回路を含む光導波路デバイスの構成を示す。基板１０には、図２に示した波動伝達媒体１１が形成され、入射端面における入力ポートには導波路１２ａが接続され、出射端面における出力ポートには、光導波路１２ｂ，１２ｃが接続されている点は、第１の実施形態と同じである。さらに、基板１０には、基板１０に対して水平方向の集光を行うモードフィールド変換用の波動伝達媒体１３ａ〜１３ｃを形成する。
【００３１】
また、波動伝達媒体１３ａと基板１０の端面との間に、セグメント状の波動伝達媒体１５を形成する。セグメント状の波動伝達媒体１５は、基板１０に対して垂直方向の集光を行う。このようにして、光導波路１２ａ〜１２ｃと他の光素子との結合効率を向上させることができる。
【００３２】
一般的に、コアをセグメント状に配置することにより、レンズ効果を奏することができる。各々のセグメントは、同一のコア材料で形成され、導波路幅と導波路間隔とにより、垂直方向の集光作用を実現する。各々のセグメントを波動伝達媒体にすることにより、個々の波動伝達媒体で位相を調整することができ、広い波長範囲で高い集光効率を得ることができる。
【００３３】
図５に、本発明の一実施形態にかかるやといの構造を示す。第１の実施形態に示したように、基板端面にレンズ、無反射コート膜、誘電体多層膜フィルタなどを接合する場合がある。このとき、図５（ａ）に示したように、従来、光導波路のコア５１の端面に接する基板５０の上面に、やとい５２を形成する。やとい５２は、基板５０の端面において、レンズなどの素子との結合面積を確保し、素子と基板５０との接合強度を確保する。
【００３４】
しかしながら、基板５０とやとい５２とを接合する際に、接着剤の不均一に起因して、基板５０にかかる応力分布が不均一となる。一本実施形態に示した波動伝達媒体は、仮想的メッシュによって画定される微小領域（ピクセル）の屈折率分布を有しているので、やといから不均一な応力を受けると、所与の設計通りに光が伝搬しない恐れがある。そこで、図５（ｂ）に示したように、基板１０上に形成されたやとい１６には、波動伝達媒体１３ａの上部にざぐり１７を入れておく。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】波動伝達媒体の基本構造を説明するための図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる光合分波回路を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態にかかる光合分波回路を含む光導波路デバイスの構成を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態にかかる光合分波回路を含む光導波路デバイスの構成を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態にかかるやといの構造を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０  基板
１１  波動伝達媒体
１２  光導波路
１３  モードフィールド変換用の波動伝達媒体
１４  シリンドリカルレンズ
１５  セグメント状の波動伝達媒体
【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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