(57)【要約】【課題】  本発明はＹ分岐光導波路装置において、過渡導波路と分岐始端区間部との間における導波モード分布の不整合を低減して、分岐特性の改善を図ることを目的とする。【解決手段】  分岐始端区間部１２４，１２５の断面形状は、水平（Ｘ−Ｚ面）の底辺１４０，１５０及び上辺１４１，１５１と、対向する内側（中心側）の側辺１４２、１５２が垂直面（Ｙ−Ｚ面）であり、外側の側辺１４３、１５３が、底辺１４０，１５０の端の位置の垂直面に対して内側（中心側）の方向に角度θ（約４度）傾斜している台形である。分岐した光の界分布１３２，１３３の中心がギャップ１２６の中心Ｃ側に寄せられ、擬似的にギャップ幅ｇを減じたことになり、ギャップ１２６からの光の無駄な放射が抑制される。また、分岐前の光と分岐した光とのカップリングが改善される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、Ｙ字形状のコアと前記コアを覆うクラッドとを有し、一本の合流側導波路と、二本の分岐側導波路と、分岐側の幅が合流側の幅よりも広いテーパ形状を成し且つ前記合流側導波路と前記分岐側導波路との間に設けられた過渡導波路とを備えるＹ分岐光導波路装置において、
前記分岐側導波路の始端であってその間にギャップを有する第１及び第２の分岐始端区間部を、分岐された光の界分布の中心を前記ギャップの中心側に寄せるように作用する構成としたことを特徴とするＹ分岐光導波路装置。
【請求項２】
請求項１に記載のＹ分岐光導波路装置において、
前記第１及び第２の分岐始端区間部は、その断面形状が、内側の辺が垂直であり、外側の辺が斜めである形状であることを特徴とするＹ分岐光導波路装置。
【請求項３】
請求項１に記載のＹ分岐光導波路装置において、
前記第１及び第２の分岐始端区間部は、屈折率に分布を有し、内側部分の屈折率が、外側部分の屈折率よりも高い構造であることを特徴とするＹ分岐光導波路装置。
【請求項４】
請求項１に記載のＹ分岐光導波路装置において、
前記第１及び第２の分岐始端区間部は、互いに離れる方向に湾曲している形状であることを特徴とするＹ分岐光導波路装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＹ分岐光導波路装置に関する。
【０００２】
Ｙ分岐光導波路装置は、生産性が格段に良く、製造コストも格段に安価であるという利点を有しており、また、波長依存性が小さいという特長があり、光モジュールを構成する部品として多く利用されている。
【０００３】
光ファイバを利用したPON(Passive Optical Network)の光通信システムは、局から光ファイバケーブルが延びており、この光ファイバケーブルの端に分岐機器が接続され、この分岐機器から複数の細い光ファイバケーブルが延びて、各光ファイバケーブルが各家庭に導かれている構成である。光信号の通信は双方向であり、局から各家庭へ送るだけでなく、光信号が各家庭から局へ送られる。
【０００４】
Ｙ分岐光導波路装置は、上記の分岐機器の内部に組み込まれて使用され、特性としては、各ポートの損失ができるだけ均一であって且つ低いことが求められる。各ポートの損失をできるだけ低くするには、分岐前の元の光と分岐された二つの分岐光とのカップリングを向上させて、分岐に伴って生ずる損失をできるだけ抑えるようにすることが必要である。
【背景技術】
【０００５】
図１０（Ａ）乃至（Ｄ）は従来のＹ分岐光導波路装置１０を示す。１１はシリコン基板、１２は下部クラッド層、１３は上部クラッド層、１４はコアである。光導波路は、合流側導波路２０と、分岐側の幅が合流側の幅よりも広いテーパ形状を成す過渡導波路２１と、Ｙ字形状に分岐してある２つの分岐側導波路２２，２３とを有する。２４，２５は分岐始端区間部であり、分岐側導波路２２，２３のうちの根元の部分であり、過渡導波路２１と接続されている部分であり、分岐した光の間で相互作用が起きている区間部分をいう。２６はギャップであり、分岐始端区間部２４，２５の間の間隔であり、ギャップ幅ｇを有する。Ｃはギャップ２６の中心である。Ｙ分岐光導波路装置１０の製造プロセス上、ギャップ幅ｇを零とすることは出来ない。ＣＬはＹ分岐光導波路装置１０の中心線、ＧＬはギャップ２６を通って中心線ＣＬに直交する線である。分岐始端区間部２４，２５は、線ＧＬの位置から始まってＺ１方向に延在する僅かな部分である。
【０００６】
また、図１０（Ｂ）に示すように、合流側導波路２０の断面形状は長方形である。図１０（Ｃ）は、過渡導波路２１のうち線ＧＬより僅かにＺ２側の位置の断面形状であり、長方形である。図１０（Ｄ）は、分岐始端区間部２４，２５の断面形状であり、同じく長方形である。図１０（Ｅ）は、分岐側導波路２２，２３の断面形状であり、長方形である。
【０００７】
ここで、光信号が局から家庭へ送られる場合について説明する。図１１に模式的に示すように、合流側導波路２０をＺ１方向に伝播する光は界分布３０を有する。この光は過渡導波路２１に入りここを伝播し、続いて分岐されて、夫々分岐始端区間部２４、２５を経て、分岐側導波路２２，２３内をＺ１方向に伝播する。
【０００８】
過渡導波路２１の終端では、光は模式的に示す界分布３１を有する。分岐コア始端区間部２４では、光は模式的に示す界分布３２を有する。分岐始端区間部２５では、光は模式的に示す界分布３３を有する。界分布３１の中心は過渡導波路２１の中心と一致している。界分布３２の中心は分岐始端区間部２４の中心と一致している。界分布３３の中心は分岐始端区間部２５の中心と一致している。
【０００９】
図１１中、Ｂは界分布３２の中心と界分布３３の中心との間の距離である。Ｅは界分布３１の中心と界分布３２の中心との間の距離であり、Ｆは界分布３１の中心と界分布３３の中心との間の距離である。
【特許文献１】特開平２００１−１２４９４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明者は入射された光が分岐されるときの状況をシミュレーションしてみた。また、本発明者はシミュレーションの結果が実測の結果に近いことを確認した。
【００１１】
図１２は図１０（Ｄ）及び図１１中、線４０で断面した界分布、即ち、分岐始端区間部２４内に入った光と分岐始端区間部２５内に入った光との界分布を示す。
【００１２】
ギャップ２６が存在することに起因して、ギャップ２６からの光の無用な漏れ出しがあり、従来のＹ分岐光導波路装置１０は分岐に伴って生ずる損失が０．１３ｄＢ程度あった。分岐に伴って生ずる損失を更に抑えることが望まれている。
【００１３】
そこで、本発明は、上記課題を解決して分岐に伴って生ずる損失（過剰損失）の改善を図ったＹ分岐光導波路装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
そこで、上記課題を解決するため、本発明は、基板（１１１）上に、Ｙ字形状のコア（１１４）と前記コアを覆うクラッド（１１２，１１３）とを有し、一本の合流側導波路（１２０）と、二本の分岐側導波路（１２２，１２３）と、分岐側の幅が合流側の幅よりも広いテーパ形状を成し且つ前記合流側導波路と前記分岐側導波路との間に設けられた過渡導波路（１２１）とを備えるＹ分岐光導波路装置において、
前記分岐側導波路の始端であってその間にギャップを有する第１及び第２の分岐始端区間部（１２４，１２５）を、分岐された光の界分布の中心を前記ギャップの中心側に寄せるように作用する構成としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、第１及び第２の分岐始端区間部を、分岐された光の界分布の中心をギャップの中心側に寄せるように作用する構成としたことによって、擬似的にギャップ幅を減じることが出来、これによって、光が合流側導波路を経て二本の分岐側導波路に伝播する場合に、ギャップからの光の無駄な放射が抑制され、過渡導波路内を伝播してきた光と分岐した光とのカップリングが改善され、よって、過渡導波路と分岐始端区間部との間における導波モード分布の不整合が低減される。これによって、過剰損失の改善が図られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に本発明の実施の形態について説明する。
【実施例１】
【００１７】
［Ｙ分岐光導波路装置１００の構成］
図１（Ａ）乃至（Ｅ）は本発明の実施例１になるＹ分岐光導波路装置１００を示す。Ｚ１−Ｚ２は長手方向、Ｘ１−Ｘ２は幅方向、Ｙ１−Ｙ２は厚さ方向である。
【００１８】
Ｙ分岐光導波路装置１００は、シリコン基板１１１上に、下部クラッド層１１２と、Ｙ字形状のコア１１４と、このコア１１４を覆う上部クラッド層１１３とを有する構成である。光導波路は、合流側導波路１２０と、分岐側の幅が合流側の幅よりも広いテーパ形状を成す過渡導波路１２１と、Ｙ字形状に分岐してある２つの分岐側導波路１２２，１２３とを有する。１２４，１２５は分岐始端区間部であり、分岐側導波路１２２，１２３のうちの根元の部分であり、過渡導波路１２１と接続されている部分であり、分岐した光の間で相互作用が起きている区間部分をいう。１２６はギャップであり、分岐始端区間部１２４，１２５の間の間隔であり、ギャップ幅ｇを有する。Ｃはギャップ２６の中心である。Ｙ分岐光導波路装置１００の製造プロセス上、ギャップ幅ｇを零とすることは出来ない。ＣＬはＹ分岐光導波路装置１００の中心線、ＧＬはギャップ１２６を通って中心線ＣＬに直交する線である。分岐始端区間部１２４，１２５は、線ＧＬの位置から始まってＺ１方向に延在する僅かな部分である。
【００１９】
コア１１４の屈折率ｎ１は１．５３６、クラッド層１１２、１１３の屈折率ｎ２は１．５２７、ギャップ幅ｇは１．０μｍである。
【００２０】
また、図１（Ｂ）に示すように、合流側導波路１２０の断面形状は矩形である。図１（Ｃ）は、過渡導波路１２１のうち線ＧＬより僅かにＺ２側の位置の断面形状であり、矩形である。図１（Ｄ）は、分岐始端区間部１２４，１２５の断面形状であり、台形である。図１（Ｅ）は、分岐側導波路１２２，１２３の断面形状であり、矩形である。
【００２１】
分岐始端区間部１２４，１２５の断面形状は、図１（Ｄ）に示すように、水平（Ｘ方向）の底辺１４０，１５０及び上辺１４１，１５１と、対向する内側（中心Ｃ側）の側辺１４２、１５２が垂直（Ｙ方向）であり、外側の側辺１４３、１５３が、底辺１４０，１５０の端の位置に立てた垂直線に対して内側（中心Ｃ側）の方向に角度θ（約４度）傾斜している斜辺である台形である。
【００２２】
なお、分岐始端区間部１２４，１２５の終端付近から第１、第２の分岐導波路１２２、１２３にかけての部分では、外側の側面は、傾斜角度が徐々に小さくなって、遂には垂直面となるように円滑に変化されている。
【００２３】
なお、上記断面形状の分岐始端区間部１２４，１２５は、例えばこの部分のレジスト膜を通常よりも厚くして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置によってドライエッチングを行なうことによって形成することが可能である。
【００２４】
また、Ｙ字形状のコア１１４はスタンパを利用した方法によっても形成することが可能である。
【００２５】
なお、分岐始端区間部１２４，１２５の外側の側辺１４３、１５３は、直線に限らず、裾広がりの曲線でもよい。
［Ｙ分岐光導波路装置１００の動作及び特性］
ここでは、光信号が局から家庭へ送られる場合について説明する。図２に模式的に示すように、合流側導波路１２０をＺ１方向に伝播する光は界分布１３０を有する。この光は過渡導波路１２１に入りここを伝播し、続いて分岐されて、夫々分岐始端区間部１２４、１２５を経て、分岐側導波路１２２，１２３内をＺ１方向に伝播する。
【００２６】
過渡導波路１２１の終端では、光は模式的に示す界分布１３１を有する。界分布１３１の中心は過渡導波路１２１の中心と一致している。
【００２７】
分岐始端区間部１２４では、光は模式的に示す界分布１３２を有する。分岐始端区間部１２５では、光は模式的に示す界分布１３３を有する。
【００２８】
分岐始端区間部１２４，１２５は外側の側面１４３、１５３がこれを延長した面の交線がＹ１側である斜面となっていることによって、外側の側面が垂直面である従来に比較して、界分布１３２，１３３の中心がギャップ１２６の中心Ｃ側に寄せられる。即ち、界分布１３２の中心は、分岐始端区間部１２４の底辺１４０の中点を通るＹ軸線１４０ＹよりもＸ２側に偏倚している。界分布１３３の中心は、分岐始端区間部１２５の底辺１５０の中点を通るＹ軸線１５０ＹよりもＸ１側に偏倚している。即ち、界分布１３１の中心と界分布１３２の中心との間の距離はＥ１であり、従来の対応する距離Ｅよりも短い。界分布１３１の中心と界分布１３３の中心との間の距離はＦ１であり、従来の対応する距離Ｆよりも短い。
【００２９】
これによって、界分布１３２の中心と界分布１３３の中心との間の距離はＢ１であり、従来の対応する距離Ｂよりも短くなる。
【００３０】
距離Ｂ１が短くなっていることによって、擬似的にギャップ幅ｇを減じたことになる。擬似的にギャップ幅ｇが減じられた分、ギャップ１２６からの光の無駄な放射が抑制される。また、距離Ｂ１が従来の対応する距離Ｂよりも短くなっている分、過渡導波路１２１と分岐始端区間部１２４，１２５との間における導波モード分布の不整合が低減される。
【００３１】
本発明者は上記角度θをパラメータとして適宜変更して、入射された光が分岐されるときの状況をシミュレーションしてみた。また、本発明者はシミュレーションの結果が実測の結果に近いことを確認した。
【００３２】
図３の線IIIは、上記の角度θを適宜変更した場合の、分岐に伴う損失の変化を示す。同図より、角度θを増やしていくと、分岐に伴う損失が減少し、約４度で、分岐に伴う損失が最大に減少して、角度θが０度である場合に比較して０．０３ｄＢ程度改善され、その後は、分岐に伴う損失が増加し、角度θが約８度で、角度θが０度である場合と同じとなり、角度θが約８度を越えると、分岐に伴う損失が角度θが０度である場合の損失よりも増えていることが分かる。
【００３３】
よって、角度θは０度より大きくて約８度以下であり、望ましくは、約４度であればよいことがわかる。
【００３４】
なお、角度θが約４度を越えると分岐に伴う損失が増えてくる理由は、第１の分岐光１３２Ａの一部が傾斜している側面１４３から外に漏れ出し、第２の分岐光１３３Ａの一部が傾斜している側面１５３から外に漏れ出して、損失となるからであると考えられる。
【００３５】
図４は、角度θが約４度である場合の、図２中、線４０で断面した分岐された二つの光の界分布を示す。図４は、シミュレーションでもって得た結果である。図４中の破線は、従来のＹ分岐光導波路装置１０における分岐された光の界分布を示す。
【００３６】
本実施例のＹ分岐光導波路装置１００は、従来に比較して、過渡導波路１２１と分岐始端区間部１２４，１２５との間における導波モード分布の不整合が低減され、過剰損失が改善されて分岐特性が改善される。
【００３７】
なお、分岐始端区間部１２４，１２５の断面形状は、台形に限定されるものではなく、例えば底辺の長さが上辺の長さよりも短い逆向きの台形でもよく、要は、分岐光のモード界分布の中心をギャップ１２６の中心Ｃ側に寄せることが可能である形状であればよい。
【実施例２】
【００３８】
図５（Ａ）乃至（Ｅ）は本発明の実施例２になるＹ分岐光導波路装置１００Ａを示す。前記のＹ分岐光導波路装置１００と相違するのは、分岐始端区間部１２４Ａ，１２５Ａである。図５中、図１（Ａ）乃至（Ｅ）に示す構成部分と同じ部分には同じ符号を付す。
【００３９】
図５（Ａ）及び（Ｄ）に示すように、分岐始端区間部１２４Ａ，１２５Ａは、断面形状が矩形であり、図６に示すように、屈折率が、中央側がｎ１１で、その他の部分がｎ１であり、ｎ１１＞ｎ１であるように、分布を有する構造である。なお、屈折率ｎ１１、ｎ１は共にクラッドの屈折率ｎ２よりも大きい。
【００４０】
コア１１４Ａは拡散型のものであり、分岐始端区間部１２４Ａ，１２５Ａは、拡散時に熱処理温度に分布を持たせることによって、或いは、拡散を抑制する材料をドープすることによって上記のように形成される。
【００４１】
ここでは、光信号が局から家庭へ送られる場合について説明する。図７に模式的に示すように、合流側導波路１２０をＺ１方向に伝播する光は界分布１３０を有する。この光は過渡導波路１２１に入りここを伝播し、続いて分岐されて、夫々分岐始端区間部１２４Ａ、１２５Ａを経て、分岐側導波路１２２，１２３内をＺ１方向に伝播する。
【００４２】
分岐始端区間部１２４Ａ，１２５Ａは中央側の屈折率がその他の部分の屈折率よりも高くなっていることによって、分岐された光の界分布１６１，１６２の中心がギャップ１２６の中心Ｃ側に寄せられる。即ち、界分布１６１の中心は、分岐始端区間部１２４Ａの中心よりもＸ２側に偏倚している。界分布１６２の中心は、分岐始端区間部１２５Ａの中心よりもＸ１側に偏倚している。即ち、界分布１３１の中心と界分布１６１の中心との間の距離はＥ２であり、従来の対応する距離Ｅよりも短い。界分布１３１の中心と界分布１６２の中心との間の距離はＦ２であり、従来の対応する距離Ｆよりも短い。
【００４３】
これによって、界分布１６１の中心と界分布１６２の中心との間の距離はＢ２であり、従来の対応する距離Ｂよりも短くなる。
【００４４】
距離Ｂ２が短くなっていることによって、擬似的にギャップ幅ｇを減じたことになる。擬似的にギャップ幅ｇが減じられた分、ギャップ１２６からの光の無駄な放射が抑制される。
【００４５】
本実施例のＹ分岐光導波路装置１００Ａは、従来に比較して、過渡導波路１２１と分岐始端区間部１２４Ａ，１２５Ａとの間における導波モード分布の不整合が低減され、過剰損失が改善されて分岐特性が改善される。
【００４６】
なお、分岐始端区間部１２４Ａ，１２５Ａの屈折率は、できれば、中央側の屈折率が徐々に大きくなるようにグラデーションを有する構成がよい。
【実施例３】
【００４７】
図８は本発明の実施例３になるＹ分岐光導波路装置１００Ｂを示す。前記のＹ分岐光導波路装置１００と相違するのは、分岐始端区間部１２４Ｂ，１２５Ｂである。図８中、図１（Ａ）乃至（Ｅ）に示す構成部分と同じ部分には同じ符号を付す。
【００４８】
分岐始端区間部１２４Ｂ，１２５Ｂは互いに逆方向に、半径Ｒの曲率の湾曲形状を有している。
【００４９】
ここでは、光信号が局から家庭へ送られる場合について説明する。光信号は合流側導波路１２０を伝播し、過渡導波路１２１を経て、一方では分岐始端区間部１２４Ｂ内に入り分岐されて第１の分岐光１７１となって伝播され、他方では、分岐始端区間部１２５Ｂ内に入り分岐されて第２の分岐光１７２となって伝播される。
【００５０】
ここで、分岐始端区間部１２４Ｂ，１２５Ｂは互いに逆方向に半径Ｒの曲率の湾曲形状を有しているため、第１の分岐光１７１はＸ２方向に寄せられ、第２の分岐光１７２はＸ１方向に寄せられ、ギャップ部１２６の中心Ｃ側に寄せられる。
【００５１】
本実施例のＹ分岐光導波路装置１００Ｂは、従来に比較して、過渡導波路１２１と分岐始端区間部１２４Ｂ，１２５Ｂとの間における導波モード分布の不整合が低減され、過剰損失が改善されて分岐特性が改善される。
【００５２】
なお、本発明はＹ分岐を複数段に有する構成の分岐光導波路装置も包含することは勿論である。
【００５３】
なお、第１実施例の分岐始端区間部１２４，１２５の台形の断面形状は、図９（Ａ），（Ｂ）に示す光回路の方向性結合器５００の分岐、結合部分５０１に適用が可能であり、低い損失で分岐、結合が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の実施例１になるＹ分岐光導波路装置を示す図である。
【図２】図１のＹ分岐光導波路装置における分岐直前、分岐直後の光の界分布を模式的に示す図である。
【図３】分岐始端区間部の外側の面の角度と分岐に伴なう損失との関係を示す図である。
【図４】図１のＹ分岐光導波路装置における分岐直後の光の界分布を示す図である。
【図５】本発明の実施例２になるＹ分岐光導波路装置を示す図である。
【図６】分岐始端区間部の屈折率の分布を示す図である。
【図７】図５のＹ分岐光導波路装置における分岐直前、分岐直後の光の界分布を模式的に示す図である。
【図８】本発明の実施例３になるＹ分岐光導波路装置を示す図である。
【図９】本発明を利用した光回路の方向性結合器を示す図である。
【図１０】従来のＹ分岐光導波路装置を示す図である。
【図１１】図１０のＹ分岐光導波路装置における光の分岐を模式的に示す図である。
【図１２】図１０のＹ分岐光導波路装置における分岐直前、分岐直後の光の界分布を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００５５】
１００、１００Ａ，１００Ｂ  Ｙ分岐光導波路装置
１１１  シリコン基板
１１２  下部クラッド層
１１３  上部クラッド層
１１４、１１４Ａ，１１４Ｂ  Ｙ字形状のコア
１２０  合流側導波路
１２１  過渡導波路
１２２，１２３  分岐側導波路
１２４、１２４Ａ，１２４Ｂ  第１の分岐始端区間部
１２５、１２５Ａ，１２５Ｂ  第２の分岐始端区間部
１２６  ギャップ
１４０，１５０  底辺
１４１，１５１  上辺
１４２、１５２  垂直の内側の側辺
１４３、１５３  傾斜した外側の側辺
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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