JP2018180375A

JP2018180375A - 広帯域分岐光回路

Info

Publication number: JP2018180375A
Application number: JP2017081466A
Authority: JP
Inventors: 隼志阪本; Hayashi Sakamoto; 橋本　俊和; Toshikazu Hashimoto; 俊和橋本
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 2017-04-17
Filing date: 2017-04-17
Publication date: 2018-11-15

Abstract

【課題】平面光波回路を用いた簡易な構造で、分岐率の波長依存性が小さい分岐光回路を提供する。
【解決手段】分岐光回路１０は、ＰＬＣ上に形成された光回路である。光導波路部１１、１２は、どちらも導波路幅２μｍ、比屈折率差０．４５％とし、コアの中心軸の交差角θが１０°程度、すなわち５°よりも大きく１５°よりも小さくなるように交差されている。コアの中心軸の交差角θを１０°程度に設定する。
【選択図】図４

Description

本発明は、広帯域分岐光回路に関し、より詳細には、赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、および青色光（Ｂ）の広波長域を扱う広帯域分岐光回路に関する。

近年、眼鏡型端末やピコプロジェクタ用にＲ、Ｇ、Ｂ３原色のレーザダイオード（ＬＤ）を用いた小型ＲＧＢ光源の開発が行われている。ＬＤはＬＥＤに比べて直進性が高いため、投影面との距離や角度に関わらず焦点が合うフォーカスフリーなプロジェクタが実現できる。また、発光効率が高く低消費電力であり、色再現性も高く、近年注目を集めている。

図１に、従来のＬＤを用いたプロジェクタ１００の代表的なシステム概略を示す。ＬＤ１０１は単一波長発振のため、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色のＬＤ光を個別にレンズ１０２を用いてコリメートし、ダイクロイックミラー１０５を用いて複数の光を１本のビームに束ねてのＲＧＢ光源として使用する。束ねられたＲＧＢ光をＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラー１０７などを用いてＬＤの変調と同期させて走査することで、所望の映像をスクリーン１１０に投影する。

このとき、ホワイトバランスを調整するため、各ＬＤ光の一部をハーフミラー１０３などで分岐し、フォトダイオード（ＰＤ）１０４で各ＬＤ光の強度をモニタリングする。ＬＤ１０１は前後方向に発光するが、後方側のモニタリングでは精度が悪いため、図１に示すような前方側（フロントモニタリング）が一般的である。このため、図１に示す様に、ＲＧＢ光源として使用するためには、ＬＤ１０１、レンズ１０２、ハーフミラー１０３、ＰＤ１０４、ダイクロイックミラー１０５などのバルク部品を空間光学的に組み合わせる必要がある。

さらに、ＬＤ１０１は、ＲとＧがＢに比べて出力が弱いため、ＲとＧのＬＤ１０１を２倍にして２つずつ合波したＲＲＧＧＢ光源などが使われることもある。こうした複雑な光学系は、小型化が困難な要因となっている。

一方、近年、こうしたバルク部品によるＲＧＢ合波ではなく、図２に示すような石英系平面光波回路（Ｐｌａｎａｒｌｉｇｈｔｗａｖｅｃｉｒｃｕｉｔ：ＰＬＣ）を用いたＲＧＢカプラモジュール２００が注目されている（例えば非特許文献１参照）。ＰＬＣは、Ｓｉなどの平面状の基板に、フォトリソグラフィなどによるパターニング、反応性イオンエッチング加工により、光導波路を作製し、複数の基本的な光回路（例：方向性結合器、マッハ・ツェンダ干渉計など）を組み合わせることで各種の機能を実現する。（例えば、非特許文献２、３参照）
ＰＬＣを用いたＲＧＢカプラモジュール２００の基本構造は、図２に示す様に、３本の入力光導波路と１本の出力光導波路で形成される。合波方法は対称型の方向性結合器を２つ用いる方法や、マッハ・ツェンダ干渉計（非特許文献１参照）を利用する方法、モードカプラを利用する方法（非特許文献２参照）などが存在し、レンズ、ダイクロイックミラーで実現していたＲＧＢ合波光学系を１チップ上に集積可能である。

ＰＬＣでは、方向性結合器やマッハ・ツェンダ干渉計（非特許文献４参照）等を用いて光の一部を分岐することが可能である。このため、分岐した光路の出力部にＰＤを光学的に接続することで、モニタリング機能を集積することが可能となる。通常、ＰＬＣは通信波長帯（１．５５μｍ帯や１．３１μｍ帯）で使用されるため、方向性結合器による分岐率の波長依存性は大きな問題とならない。

A. Nakao, R. Morimoto, Y. Kato, Y. Kakinoki, K. Ogawa and T. Katsuyama, "Integrated waveguide-type red-green-blue beam combiners for compact projection-type displays", Optics Communications 330 (2014) 45-48 Y. Hibino, "An Array of Photonic Filtering Advantages", IEEE CIRCUITS & DEVICES, Nov., 2000, pp.21-27 A. Himeno, et al., "Silica-Based Planar Lightwave Circuits", J. Sel. Top. Q.E., vol. 4, 1998, pp.913-924 松原礼高、外９名、「石英系ＰＬＣを用いた２０ｃｈモノリシック集積型光スイッチ／ＶＯＡ／タップカプラアレイモジュール」、電子情報通信学会技術研究報告、社団法人電子情報通信学会、Ｖｏｌ．１０６、Ｎｏ．５４５、ｐ．９―１２ K.Jinguji, et al., "MACH-ZEHNDER INTERFEROMETER TYPE OPTICAL WAVEGUIDE COUPLER WITH WAVELENGTH-FLATTENED COUPLING RATIO" Electron. Lett., vol.26, no.17, pp.1326-1327, 1990

しかしながら、可視光域、特に波長４５０ｎｍ〜６５０ｎｍ程度（ＲＧＢ）の広帯域な波長域すべてをＰＬＣで扱う場合、図３（ｂ）に示すような従来の単純な方向性結合器３００で光を分岐しようとすると、図３（ａ）に示す様に、青（４５０ｎｍ）と赤（６５０ｎｍ）で分岐率ｋが２５倍程度異なってしまうという分岐率の波長依存性の課題がある。ここで用いた方向性結合器３００は、導波路幅２μｍ、ギャップ２μｍ、比屈折率差０．４５％で、青（４５０ｎｍ）での分岐率ｋが１％になるように方向性結合器の長さを設定したものである。分岐率ｋは、光導波路３０１の入力端３０１ａから入射された光の強度を１としたときの、分岐光導波路３０２の出力端３０２ｂから出射される光の強度とする。

これに対し、マッハ・ツェンダ干渉計を利用した波長依存性の少ないカプラなども提案されているが（非特許文献５参照）、波長による分岐率の違いがなお大きいことや、構造が複雑なため光回路が大型化してしまうという課題がある。

方向性結合器を用いた光の分岐では、導波路からの光のしみ出しによって、結合長が決定するため、広い波長域では、分岐率の波長依存性が顕著に出てしまう。このため、平面光波回路を用いた簡易な回路で可視波長全域にわたって一定の分岐率で光を分岐することはできないという課題があった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、平面光波回路を用いた簡易な構造で、分岐率の波長依存性が小さい分岐光回路を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、広帯域分岐光回路であって、交差する２本の光導波路部からなる光導波路が形成された平面光波回路を備え、前記２本の光導波路部は、コアの中心軸の交差角が５°よりも大きく１５°よりも小さいことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、広帯域分岐光回路であって、第１の光導波路部と、前記第１の光導波路部から分岐された第２の光導波路部とからなる光導波路が形成された平面光波回路を備え、前記第１の光導波路部との分岐部における前記第１の光導波路部のコアの中心軸と前記第２の光導波路部のコアの中心軸とのなす角度は、５°よりも大きく１５°よりも小さいことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、広帯域分岐光回路であって、テーパ部を有する第１の入力光導波路部と、前記テーパ部に接続された第２の出力光導波路部および第３の出力光導波路部とからなる光導波路が形成された平面光波回路を備え、前記第２の出力光導波路部および前記第３の出力光導波路部の前記テーパ部との接続端面は平行であり、前記第２の出力光導波路部および前記第３の出力光導波路部の前記接続端面における導波路幅は異なることを特徴とする。

本発明は、分岐光回路の分岐率の波長依存性を小さくでき、平面光波回路を用いた簡易な構造で実現することができる。

従来のＬＤを用いたプロジェクタ１００の代表的なシステム概略を示す図である。従来のＰＬＣを用いたＲＧＢカプラモジュール２００の基本構造を示す図である。（ａ）は分岐光回路３００での、波長４５０ｎｍ〜６５０ｎｍにおける分岐率の計算結果を示す図であり、（ｂ）は従来の方向性結合器３００の構成を示す図である。本発明の実施形態１に係る分岐光回路１０の構成を示す図である。実施形態１の分岐光回路１０での、その交差角θを５°、１０°、１５°とした時の波長４５０ｎｍ〜６５０ｎｍにおける分岐率の計算結果を示す図である。実施形態１の分岐光回路１０での、その交差角θを５°、１０°、１５°とした時の波長４５０ｎｍ〜６５０ｎｍにおける損失の計算結果を示す図である。本発明の実施形態１に係る別の分岐光回路２０の構成を示す図である。本発明の実施形態２に係る分岐光回路３０の構成を示す図である。本発明の実施形態２に係る分岐光回路３０での、その分岐部の導波路幅の比（ｔ₁／（ｔ₁＋ｔ₂））を変化させた時の、Ｒ（６５０ｎｍ）、Ｇ（５２０ｎｍ）、Ｂ（４５０ｎｍ）の分岐率ｋのシミュレーション結果を示す図である。

本発明は、光導波路同士を浅い角度で交差、又は枝分かれさせることで、光の干渉を利用するのではなく、物理的に光を分岐する。

（実施形態１）
従来、平面光波回路において、導波路の交差部は、交差角θを大きくして光が漏れてしまわないように設計していた。これに対し、本発明の実施形態１では、導波路交部の交差角θを小さくして光の漏れを積極的に利用し、波長依存性の低い光の分岐を実現する。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

図４に、本発明の実施形態１に係る分岐光回路１０の構成を示す。分岐光回路１０は、ＰＬＣ上に形成された光回路でる。光導波路部１１、１２は、どちらも導波路幅２μｍ、比屈折率差０．４５％とし、コアの中心軸の交差角θが１０°程度、すなわち５°よりも大きく１５°よりも小さくなるように交差されている。分岐率ｋは、光導波路部１１の入力端１１ａに入射した光の強度を１としたときの、光導波路部１２の出力端１２ｂから出射される光の強度とする。

図５に、実施形態１の分岐光回路１０での、その交差角θを５°、１０°、１５°とした時の波長４５０ｎｍ〜６５０ｎｍにおける分岐率の計算結果を示す。また図６に、同様に実施形態１の分岐光回路１０での損失の計算結果を示す。

交差角θが５°程度の場合、図５に示すように、波長４５０ｎｍ〜６５０ｎｍにおいて最大の分岐率が波長６５０ｎｍで約２％、最少の分岐率が波長４５０〜５００ｎｍで約０．２％となり、分岐率ｋの波長依存性が大きい。加えて、図６に示すように、全波長において１０％以上の損失も発生する。また、交差角θが１５°程度の場合、図５に示すように、波長４５０ｎｍ〜６５０ｎｍにわたって波長に関係なくほとんど分岐されない。

これに対し本実施形態のようにコアの中心軸の交差角θを１０°程度に設定すると、波長４５０ｎｍ〜６５０ｎｍにおいて、最大の分岐率ｋが波長５５０ｎｍで約１．５％、最少の分岐率ｋが波長４５０ｎｍで約１．１％となり、波長に関係なく、約１％の分岐率を得ることが可能となる。さらに、このときの損失は、図６に示すように波長４５０ｎｍで最大で５％程度に抑えられる。

このように、モニタ用などに僅かな光を分岐するには、交差角θを１０°程度、すなわち５°よりも大きく１５°よりも小さく設定した交差導波路を用いることで、非常に簡易で、波長依存性の小さい分岐光回路が実現できる。

尚、図４では、導波路を交差させたが、本実施形態では図７に示すように、入出力端を有する２本の光導波路部を交差させる代わりに、入力端２１ａおよび出力端２１ｂを有する光導波路部２１と、光導波路部２１から分岐された（枝分かれされた）分岐光導波路部２２からなる分岐光回路２０においても、角度θを１０°程度、すなわち５°よりも大きく１５°よりも小さくすることにより同様の効果が得られることは言うまでもない。

（実施形態２）
図８に、本発明の実施形態２に係る分岐光回路３０の構成を示す。実施形態１では単に同じ幅の導波路を交差または枝分かれさせたが、本実施形態に係る分岐光回路３０は、１つの入力光導波路３１の導波路幅をテーパ状に広げ、拡径端部３４において主出力光導波路３２と分岐出力光導波路３３とに枝分かれさせた分岐光回路である。主出力光導波路３２および分岐出力光導波路３３の入力光導波路３１との接続端面は平行であり、主出力光導波路３２の導波路幅ｔ₁と分岐出力光導波路３３の導波路幅ｔ₂とは、接続端面においてそれぞれ異なる。主出力光導波路３２は、分岐出力光導波路３３よりも導波路幅が広く（ｔ₂＞ｔ₁）、分岐率ｋも高いため、より高強度の光が伝搬する。図８に示す分岐光回路は、主出力光導波路３２は直線導波路からなり、分岐出力光導波路３３は曲線導波路および直線導波路からなるが、曲げ損失が許容される範囲内であれば主出力光導波路３２も曲線導波路を含む構成とすることもできる。分岐率ｋは、入力光導波路３１の入力端３１ａに入射した光の強度を１としたときの、分岐出力光導波路３３の出力端３３ｂから出射される光の強度とする。

図９に、本発明の実施形態２に係る分岐光回路３０において、その分岐部の導波路幅の比（ｔ₁／（ｔ₁＋ｔ₂））を変化させた時の、Ｒ（６５０ｎｍ）、Ｇ（５２０ｎｍ）、Ｂ（４５０ｎｍ）の分岐率ｋのシミュレーション結果を示す。このシミュレーション結果は、入力光導波路３１および分岐出力光導波路３２の導波路幅ｔ₁は２μｍに固定し、主出力光導波路３３の導波路幅ｔ₂を変化させることにより行ったものである。また、入力光導波路３１、主出力光導波路３２および分岐出力光導波路３３は、全て非屈折率差を０．４５％とした。図９に示すように、Ｒ（６５０ｎｍ）、Ｇ（５２０ｎｍ）、Ｂ（４５０ｎｍ）のいずれの分岐率ｋも主出力光導波路３２の導波路幅ｔ₂の変化に対して同じように変化しており、分岐率ｋの変化の波長依存性は低い。

このように本実施形態に係る分岐光回路３０では、導波路幅比（ｔ₁／ｔ₂）を変えることで、波長依存性を低く維持したまま分岐率を変化させることができる。

１０、２０、３０分岐光回路
１１、１２、２１、２２光導波路
３１入力光導波路
３２主出力光導波路
３３分岐出力光導波路
１００プロジェクタ
１０１ＬＤ
１０２、１０６レンズ
１０３ハーフミラー
１０４ＰＤ
１０５ダイクロイックミラー
１０７ＭＥＭＳミラー
１１０スクリーン
２００ＲＧＢカプラモジュール

Claims

交差する２本の光導波路部からなる光導波路が形成された平面光波回路を備え、前記２本の光導波路部は、コアの中心軸の交差角が５°よりも大きく１５°よりも小さいことを特徴とする広帯域分岐光回路。
第１の光導波路部と、前記第１の光導波路部から分岐された第２の光導波路部とからなる光導波路が形成された平面光波回路を備え、前記第１の光導波路部との分岐部における前記第１の光導波路部のコアの中心軸と前記第２の光導波路部のコアの中心軸とのなす角度は、５°よりも大きく１５°よりも小さいことを特徴とする広帯域分岐光回路。
テーパ部を有する第１の入力光導波路部と、前記テーパ部に接続された第２の出力光導波路部および第３の出力光導波路部とからなる光導波路が形成された平面光波回路を備え、前記第２の出力光導波路部および前記第３の出力光導波路部の前記テーパ部との接続端面は平行であり、前記第２の出力光導波路部および前記第３の出力光導波路部の前記接続端面における導波路幅は異なることを特徴とする広帯域分岐光回路。