(57)【要約】【課題】光導波路の接続時の位置ずれに伴う問題を改善した光導波路を提供する。【解決手段】本発明によるマルチモード光導波路（３−１）は、テーパー部（３−４）にグレーティング（３−５）を備える。グレーティングの波数ベクトルを光の導波方向と交差する方向に形成すると、接続時の位置ずれが生じた場合、高次モードから低次モードの光が励起され、モード間のエネルギーが安定する。これにより、マルチモード光導波路の接続損を低く抑え、接続時の位置ずれに伴う励起モードの変動を抑えることができる。結果として、挿入損を一定に保ちつつ、分岐回路の分岐比やＷＤＭ回路の消光比の安定性を確保することができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
テーパー部を有するマルチモードの光導波路であって、
前記テーパー部にグレーティングを備えたことを特徴とする光導波路。
【請求項２】
請求項１に記載の光導波路であって、
前記グレーティングは、その波数ベクトルが光の導波方向と交差する方向に形成されたことを特徴とする光導波路。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光導波路であって、
前記グレーティングは、テーパー部の拡幅されたコア−クラッド界面の少なくとも一部に形成されたことを特徴とする光導波路。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の光導波路を備えた光分岐回路。
【請求項５】
請求項１から３のいずれかに記載の光導波路を備えたＷＤＭ回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信分野で主に用いられる光導波路に関する。
【背景技術】
【０００２】
マルチモードのファイバや光回路は、シングルモードのファイバや光回路に比べて、コアサイズが大きく、それゆえ、接続時の位置ずれの許容値が大きいという特徴がある。他方、マルチモード光回路では、屈折率分布がステップインデックス型のものしか実用化されておらず、コアサイズが大きいため、伝搬光のモード間の群速度の差が大きくなり、通信速度が制限される。すなわち、接続の容易さと通信速度は、トレードオフの関係にある。
【０００３】
【非特許文献１】「ブロードバンド時代の光ファイバ  Ｔｈｅ  ＰＯＦ」  ＰＯＦコンソーシアム偏  ＩＳＢＮ４−８６０４３−０６６−２  ｐ．９３−１２９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この問題を回避する最も簡単な方法は、図１に示すように、光回路への入射部近傍において、導波路の断面が徐々に大きくなるテーパー構造を採用することである。図１（ａ）に示す光回路は、基板上にクラッド（１−２）とコア（１−１）が形成され、コアは、光入射部でテーパー状に広がっている。このテーパー形状により、入射光（１−３）の位置が左右にずれてもコアでの光の伝搬が許容される。しかし、光入射部をテーパー状にすると、導波光の広がり（１−４）が大きくなるという問題がある。
【０００５】
図１（ｂ）を参照して、この問題を説明する。導波路の中心部に入射した光（１−５）は、導波路に沿って直進する。一方、導波路の端の方に入射した光（１−６）は、テーパー部のコア−クラッド界面（１−７）での全反射によって放射角が大きくなる（１−８）。すなわち、光の入射点が中心から大きくずれると、テーパー部での反射により、放射角が大きくなる。実際には、入射光は、平行ビームではなく、広がりを持った光であり、出射光の広がりはさらに大きくなる。
【０００６】
図２に、導波路からの出射光ＦＦＰ（Ｆａｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｐａｔｔｅｒｎ）の測定結果を示す。図２（ａ）は、光が導波路の中心部に入射した場合のＦＦＰであり、図２（ｂ）は、光が導波路の端の方に入射した場合のＦＦＰである。図２（ａ）では、放射角の小さい部分、すなわち低次モードにエネルギーが集中しているが、図２（ｂ）では、高次モードが多く励起されている。
【０００７】
図２（ｂ）のように、高次モードが多く励起された状態では、先に述べたモード間の群速度分散によって通信速度が遅くなるという欠点がある。また、高次モードの方が、コア−クラッド界面の微細な凹凸（荒れ）によって伝搬損が大きくなる。すなわち、テーパー状の入射部によって位置ずれが起きたときの結合損は小さくできても、高次モードの励起によって伝搬損が大きくなる。導波路長と界面の荒れによっては、光回路全体の挿入損に対して、入射光の位置ずれの許容比はあまり大きくできないことも起こり得る。また、入射位置の違いによって発生する励起モードの違いは、挿入損の変動だけでなく、光回路本来の機能によって、例えば分岐回路であれば分岐比の変動、ＷＤＭ回路であれば消光比の変動などの悪影響をもたらす。
【０００８】
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、光導波路の接続時の位置ずれに伴う問題を改善した光導波路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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、テーパー部を有するマルチモードの光導波路であって、前記テーパー部にグレーティングを備えたことを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光導波路であって、前記グレーティングは、その波数ベクトルが光の導波方向と交差する方向に形成されたことを特徴とする。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の光導波路であって、前記グレーティングは、テーパー部の拡幅されたコア−クラッド界面の少なくとも一部に形成されたことを特徴とする。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明は、光分岐回路であって、請求項１から３のいずれかに記載の光導波路を備えたことを特徴とする。
【００１３】
また、請求項５に記載の発明は、ＷＤＭ回路であって、請求項１から３のいずれかに記載の光導波路を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、マルチモード光導波路の接続損を低く抑え、接続時の位置ずれに伴う励起モードの変動を抑えることができる。結果として、挿入損を一定に保ちつつ、分岐回路の分岐比やＷＤＭ回路の消光比の安定性を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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。
【００１６】
図３（ａ）に、本発明による光導波路の一例を示す。この光導波路は、コア（３−１）と下部クラッド（３−２）からなり、入射光（３−３）が入射するテーパー状の光入射部（３−４）にグレーティング（３−５）が形成されている。図３（ａ）では、光導波路がリッジ型の導波路の如く描かれているが、コア（３−１）を取り囲むようにクラッド剤が覆っている埋め込み型の導波路であってもよい。また、このグレーティングは、図に示されているようなコア−クラッド界面の凹凸であってもよいし、光硬化型樹脂のコア剤を硬化する際に、２光束同時入射による干渉縞形成を利用してもよい。ここで、グレーティング（３−５）は、その波数ベクトルが導波路の進行方向に垂直で、下部クラッド平面に対して平行にする必要がある。
【００１７】
このグレーティングは、導波光に対して体積ホログラムとして作用する。グレーティングと導波光の相互作用について、図３（ｂ）から（ｄ）を参照して説明する。これらの図は、図３（ａ）の光入射部のグレーティングを上から見たものであり、導波方向は図の下から上に向かうものとする。
【００１８】
図３（ｂ）は、導波光（３−７）が左下から右上に進行し、グレーティング（３−５）によって回折され、回折光（３−９）と透過光（３−８）に分かれる様子を示している。図３（ｃ）は、導波光（３−１０）が右下から左上に進行し、グレーティング（３−５）によって回折され、回折光（３−１２）と透過光（３−１１）に分かれる様子を示している。図３（ｄ）は、導波光（３−１３）が下から真上に進行し、グレーティング（３−５）によって回折され、左右に分かれる回折光（３−１５）と透過光（３−１４）に分かれる様子を示している。
【００１９】
導波路では、左右の区別はなく、導波路の長手方向の軸（導波方向と一致する）とのなす角度のみが意味をもち、この角度が大きいと高次モードとなる。つまり、図３（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）は、グレーティングによって高次のモードから低次のモードが励起され、低次のモードから高次のモードが励起されることを説明している。
【００２０】
図４に、本発明による光導波路からの出射光のＦＦＰを示す。図２（ａ）および（ｂ）は、光の入射位置によってＦＦＰが変化することを示しているが、図４は、光の入射位置によってＦＦＰが変化しないことを示している。すなわち、本発明による光導波路では、光の入射位置によってＦＦＰが変動せず、モード間のエネルギーが安定する。
【００２１】
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【００２２】
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【００２３】
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【００２４】
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【００２５】
図５（ｂ）は、導波光（５−５）の波数ベクトルについて、次式が成立する場合を示している。ただし、ｔａｎθ＝λ／ｎΛとする。
【００２６】
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【００２７】
この場合、ブラッグ条件は満足されておらず、２つの回折光（５−６）および（５−７）が生じ、これらは、それぞれ次式で表される。
【００２８】
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【００２９】
ただし、ブラッグ条件が満足されていないから、導波光が横切るグレーティングの本数が多くなると回折がおきなくなる。回折光（５−６）および（５−７）について、ブラッグミスマッチ量は、θが小さいとき、それぞれ次式で表される。
【００３０】
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【００３１】
ブラッグミスマッチによる回折効率減衰は、相互作用長をＬとして（ｓｉｎΔｋＬ／ΔｋＬ）２に比例するから、回折光（５−７）の方がエネルギー量としては４倍大きくなることが分かる。
【００３２】
図５（ｃ）は、導波路の軸に沿った導波光（５−８）が左右に回折される様子を示している（５−９，５−１０）。この場合もブラッグ条件は満足されておらず、ブラッグミスマッチは、次式で表され、図５（ｂ）において導波光（５−５）が回折光（５−７）に回折される場合と同程度の回折が生じる。
【００３３】
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【００３４】
図５（ｄ）は、より高次の導波モード（５−１１）の回折を示している（５−１２，５−１３）。導波光の波数ベクトルを次式で表す。
【００３５】
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【００３６】
Θ＞θのとき、回折光（５−１２）および（５−１３）のブラッグミスマッチ量は、それぞれ次式のようになる。
【００３７】
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【００３８】
である。ここで、Ｋ，ｋＲ，ｓｉｎΘは、すべて正の値をもつから、常に、｜Δｋ１｜＞｜Δｋ２｜となる。つまり、回折光（５−１２）よりも回折光（５−１３）の方が大きい。これらを総合すると、グレーティングを通過しつつ、壁面での反射を繰り返すと、図５（ｃ）の回折光（５−９）および（５−１０）の角度範囲内にエネルギーが集中することが分かる。その結果として、図４に示すようなＦＦＰを生じる。
【００３９】
図６に、本発明によるＹ分岐導波路の一例を示す。このＹ分岐導波路（６−３）は、図６（ａ）に示すように、分岐角が５°であり、テーパー部を有する導波路（６−２）を備えている。導波路（６−２）の断面は、テーパー部以外では５０×５０μｍの正方形であるが、光入射部（６−１）において、両サイドが１００ｍｍＲの曲率を有する円筒面であり、光入射部から２．２４ｍｍの部分で直線導波路になる。光入射端での導波路断面（６−５）は１００×５０μｍの矩形である。
【００４０】
図６（ｂ）は、テーパー部（６−６）を拡大し、グレーティング（６−７）を表したものである。導波路の上部に深さ０．１μｍで幅２μｍの溝が５μｍピッチで刻まれている。溝の長さは長さ２．２４ｍｍのテーパー全体を覆うように設定される。
【００４１】
グレーティングによる屈折率変調は、コアの屈折率が１．５として、リッジ型導波路において、
δｎ＝（１．５−１．０）＊０．１／５０＝０．００１
であるから、ブラッグマッチ条件では両端面で１回ずつ反射される間の回折効率は概ね
η＝｛δｎｋｌ｝２
となる。ここで、ｋは波数ベクトル（２π／λ）、ｌはグレーティングと導波光の相互作用長である。１回の反射あたりの相互作用長ｌは、５０〜１００μｍの幅を持つテーパー部の平均をとって７５μｍとし、波長λを０．８５μｍとすると、ηは概ね０．３となる。４回反射すれば、（１−０．３）４＝０．２４より、７５％以上が回折されることになる。このような構成によって、テーパー部に入射した光も、反射を繰り返すうちにグレーティングによって回折され、入射位置によらないモード励振状態が実現される。
【００４２】
以上、本発明について、具体的に説明したが、本発明の原理を適用できる多くの実施可能な形態に鑑みて、ここに記載した実施形態は、単に例示に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。ここに例示した実施形態は、本発明の趣旨から逸脱することなくその構成と詳細を変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】従来のテーパー構造を有する導波路について説明するための図であり、図１（ａ）は導波路の斜視図であり、図１（ｂ）はテーパー部の平面図である。
【図２】導波路からの出射光ＦＦＰについて説明するための図であり、図２（ａ）は光が導波路の中心部に入射した場合のＦＦＰであり、図２（ｂ）は光が導波路の端の方に入射した場合のＦＦＰである。
【図３】本発明による光導波路について説明するための図であり、図３（ａ）は導波路の斜視図であり、図３（ｂ）は導波光が左下から右上に進行し、グレーティングによって回折光と透過光に分かれる様子を示し、図３（ｃ）は導波光が右下から左上に進行し、グレーティングによって回折光と透過光に分かれる様子を示し、図３（ｄ）は導波光が下から真上に進行し、グレーティングによって左右の回折光と透過光に分かれる様子を示している。
【図４】本発明による導波路からの出射光ＦＦＰについて説明するための図である。
【図５】逆空間における導波光と回折光の波数ベクトルについて説明するための図である。
【図６】本発明によるＹ分岐導波路の一例について説明するための図であり、図６（ａ）はテーパー構造を有する導波路を備えたＹ分岐導波路の平面図であり、図６（ｂ）はテーパー部を拡大し、グレーティングを表した図である。
【符号の説明】
【００４４】
１−１，３−１  コア
１−２，３−２  クラッド
１−３，３−３  入射光
１−４  導波光の広がり
１−５  導波路の中心部に入射した光
１−６  導波路の端の方に入射した光
１−７  コア−クラッド界面
１−８  放射角の大きい光
３−４  テーパー部
３−５  グレーティング
３−７，３−１０，３−１３  導波光
３−８，３−１１，３−１４  透過光
３−９，３−１２，３−１５  回折光
５−１  エルバルト球の表面
５−２，５−５，５−８，５−１１  導波光
５−３  グレーティングの波数ベクトル
５−４，５−６，５−７，５−９，５−１０，５−１２，５−１３  回折光
６−１  光入射部
６−２  導波路
６−３  Ｙ分岐導波路
６−５  光入射端での導波路断面
６−６  テーパー部
６−７  グレーティング
【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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【図６】
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