JP2019039959A - Planar optical waveguide device - Google Patents
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Abstract
【課題】非線形光学応用に向けた波長が倍半分異なる2波長帯の光を低損失かつ広帯域に合分波し、かつ両波長の光の一部を取り出すことのできる平面光導波路デバイスを提供すること。【解決手段】2本の光導波路211、212を含む平面光導波路デバイスは、光導波路構造としてコア部分には添加物が含まれ周囲よりも屈折率が高い構造を有している。光導波路211は、長波入力ポート201およびモニター出力ポート203を備え、光導波路212は、短波入力ポート202および非線形光学導波路接続ポート204を備える。光導波路211、212は、隣接導波路間隔dとする結合領域を形成するよう配置され、結合領域の長さLは、長波長帯の中心波長の光が完全に光導波路211から光導波路212に乗り移ることが可能な長波完全結合長である。隣接導波路間隔dは、短波長帯の光の一部が隣接する光導波路に結合するような距離に設定されている。【選択図】図2PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a planar optical waveguide device capable of combining and demultiplexing light in two wavelength bands having twice and a half different wavelengths for nonlinear optical application with low loss and wideband, and extracting a part of light of both wavelengths. thing. A plane optical waveguide device including two optical waveguides 211 and 212 has an optical waveguide structure in which an additive is contained in a core portion and the refractive index is higher than that of the surroundings. The optical waveguide 211 includes a long wave input port 201 and a monitor output port 203, and the optical waveguide 212 includes a short wave input port 202 and a nonlinear optical waveguide connection port 204. The optical waveguides 211 and 212 are arranged so as to form a coupling region having an adjacent waveguide spacing d, and the length L of the coupling region is such that light having a central wavelength in a long wavelength band is completely transferred from the optical waveguide 211 to the optical waveguide 212. It is a long-wave perfect bond length that can be transferred. The adjacent waveguide interval d is set to a distance such that a part of the light in the short wavelength band is coupled to the adjacent optical waveguide. [Selection diagram] Fig. 2
Description
本発明は、平面光導波路デバイスに関し、より詳細には、異なる波長帯の光を最適に結合しつつ、モニター光を取り出すための平面光導波路デバイスに関する。 The present invention relates to a planar optical waveguide device, and more particularly to a planar optical waveguide device for extracting monitor light while optimally combining light of different wavelength bands.
非線形光学効果を用いた光応用技術は、新しい光通信分野や光を用いた量子情報通信分野において期待されている。その非線形光学効果の中でも基本的な効果として波長変換が知られている。非線形光学効果を利用した波長変換では、非線形光学媒質へ入射する光を別の周波数を有する光に変換することができる。この特性を利用し、レーザー単体では発振が困難な波長帯の光を生み出す技術として広く知られている。特に2次非線形材料で大きな非線形定数を持つニオブ酸リチウム(LiNbO3)を用いた周期分極反転導波路は、その非線形光学効果の効率の高さから既に市販されている光源内に組み込まれている。 Optical application technology using the nonlinear optical effect is expected in the new optical communication field and the quantum information communication field using light. Among the nonlinear optical effects, wavelength conversion is known as a basic effect. In wavelength conversion using the nonlinear optical effect, light incident on the nonlinear optical medium can be converted into light having a different frequency. Using this characteristic, it is widely known as a technology that generates light in a wavelength band that is difficult to oscillate with a single laser. In particular, a periodically poled waveguide using lithium niobate (LiNbO 3 ), which is a second-order nonlinear material and has a large nonlinear constant, is incorporated in a commercially available light source because of its high efficiency of the nonlinear optical effect. .
二次非線形光学効果では、波長λ1、λ2の光を入力して新たな波長λ3を発生させる。
1/λ3=1/λ1+1/λ2 (1)
を満たす波長変換を和周波発生(SFG)とよび、λ1=λ2の場合、すなわち式(1)を変形して、
λ3=λ1/2 (2)
を満たす波長変換を第二高調波発生(SHG)と呼ぶ。さらに、
1/λ3=1/λ1―1/λ2 (3)
を満たす波長変換を差周波発生(DFG)と呼ぶ。さらには波長λ1のみ入力し式(3)を満たす波長λ2、λ3を発生する光パラメトリック効果も存在する。特にSHG、SFGは入力光に対して短波長の光、すなわちエネルギーの高い光を新たに発生し、可視光域の発生などに良く利用される。
In the second-order nonlinear optical effect, light having wavelengths λ 1 and λ 2 is input to generate a new wavelength λ 3 .
1 / λ 3 = 1 / λ 1 + 1 / λ 2 (1)
The wavelength conversion satisfying the above is called sum frequency generation (SFG), and in the case of λ 1 = λ 2 , that is, by transforming equation (1),
λ 3 = λ 1/2 ( 2)
The wavelength conversion that satisfies this condition is called second harmonic generation (SHG). further,
1 / λ 3 = 1 / λ 1 -1 / λ 2 (3)
Wavelength conversion that satisfies this condition is called difference frequency generation (DFG). Furthermore, there is an optical parametric effect in which only the wavelength λ 1 is input and the wavelengths λ 2 and λ 3 satisfying the expression (3) are generated. In particular, SHG and SFG newly generate light having a short wavelength with respect to input light, that is, light having high energy, and are often used for generation of a visible light region.
これらの二次非線形光学効果を効率良く起こすためには、相互作用する3波長の位相不整合量が0であることが求められる。そこで二次非線形光学材料の分極を周期的に反転させることにより疑似的に位相不整合量を0にすることができる。その時の反転周期をΛとすると、式(1)で示される和周波発生において波長λ1、λ2、λ3に対して以下の式(
4)を満たすΛを設定すれば良い。
n3/λ3−n2/λ2−n1/λ1−1/Λ=0 (4)
ここでn1は波長λ1での屈折率、n2は波長λ2での屈折率、n3は波長λ3での屈折率である。
In order to efficiently cause these second-order nonlinear optical effects, the amount of phase mismatch of the interacting three wavelengths is required to be zero. Therefore, the amount of phase mismatch can be reduced to zero by periodically inverting the polarization of the second-order nonlinear optical material. Assuming that the inversion period at that time is Λ, in the sum frequency generation shown in the equation (1), the following equations (for the wavelengths λ 1 , λ 2 , λ 3 )
It is sufficient to set Λ satisfying 4).
n 3 / λ 3 −n 2 / λ 2 −n 1 / λ 1 −1 / Λ = 0 (4)
Here, n 1 is the refractive index at wavelength λ 1 , n 2 is the refractive index at wavelength λ 2 , and n 3 is the refractive index at wavelength λ 3 .
このような周期分極反転構造に加え、導波路化することにより高効率な波長変換が可能となる。非線形光学効果は非線形相互作用を引き起こす光の重なり密度が高いほどその効果も大きくなる。従って、光をその伝搬方向に垂直な断面積が小さい導波路に閉じ込め、かつ長い距離にわたって光を導波させることが可能な導波路構造の採用により高効率な波長変換が可能になる。 In addition to such a periodically poled structure, a highly efficient wavelength conversion is possible by forming a waveguide. The nonlinear optical effect increases as the overlapping density of light causing nonlinear interaction increases. Therefore, highly efficient wavelength conversion becomes possible by adopting a waveguide structure in which light is confined in a waveguide having a small cross-sectional area perpendicular to the propagation direction and light is guided over a long distance.
(直接接合型リッジ導波路)
非線形光学結晶を用いた導波路構造の実現にはTi拡散やプロトン交換による手法が一般的であった。しかし、近年では波長変換素子として、結晶のバルクの特性をそのまま利用でき、高光損傷耐性、長期信頼性、デバイス設計の容易性等の特徴を持つリッジ型の光導波路が研究開発されている(非特許文献1参照)。
(Direct junction ridge waveguide)
In order to realize a waveguide structure using a non-linear optical crystal, techniques using Ti diffusion and proton exchange are generally used. However, in recent years, ridge-type optical waveguides have been researched and developed as wavelength conversion elements, which can utilize the bulk characteristics of crystals as they are and have features such as high optical damage resistance, long-term reliability, and ease of device design (non- Patent Document 1).
このリッジ型光導波路は、2枚の基板を接合した後、一方の基板を薄膜化し、さらにリッジ加工を施すことによりコアが形成される。この基板を接合する際に接着剤等を用いず基板同士を強固に接合する技術として、直接接合技術が知られている。この技術を用いた直接接合型リッジ型導波路は、強い光を入射することができ、導波路化技術の進展と共に小コア化(コアの細線化)に成功しており、その非線形光学効率は向上の一途をたどっている(非特許文献2参照)。 In this ridge type optical waveguide, a core is formed by joining two substrates, then thinning one of the substrates, and further performing ridge processing. A direct bonding technique is known as a technique for firmly bonding substrates without using an adhesive or the like when bonding the substrates. The direct junction ridge-type waveguide using this technology can inject strong light, and has succeeded in reducing the core (thinning of the core) with the progress of waveguide technology, and its nonlinear optical efficiency is It is constantly improving (see Non-Patent Document 2).
(応用技術と要求)
強い光を入射することができるこの周期分極反転直接接合型非線形光学結晶導波路は、単なる波長変換素子としてだけでなく、低雑音な光増幅器や量子もつれ光子対の発生器として近年期待されている。これらの応用技術では複数の非線形光学導波路の特性を揃え、かつ入射する光の位相を厳密に制御することが重要となる。例えば、片偏波でのみ動作する位相感応増幅器を現在の長距離通信に応用する場合、偏波多重された光を一旦2つの偏波光に分離してそれぞれ別々の非線形光学導波路で増幅した後、再度それら2つの偏波光の位相を揃えて合波することが必要となる(非特許文献3参照)。
(Applied technology and requirements)
This periodically poled direct-junction nonlinear optical crystal waveguide capable of receiving strong light is expected not only as a simple wavelength conversion element but also as a low-noise optical amplifier and generator of entangled photon pairs in recent years. . In these applied technologies, it is important to align the characteristics of a plurality of nonlinear optical waveguides and strictly control the phase of incident light. For example, when applying a phase-sensitive amplifier that operates only at one polarization to the current long-distance communication, the polarization multiplexed light is once separated into two polarized lights and amplified by separate nonlinear optical waveguides. Then, it is necessary to combine the phases of the two polarized lights again (see Non-Patent Document 3).
(集積化への期待)
このような応用技術においては、システム内の光の位相を厳密に制御することが可能な石英系平面光回路と非線形光学素子の集積化が期待される。近年、半導体微細加工を利用した石英を用いた平面光回路は、その加工精度の高さから厳密な光路長制御が可能であり、現在の光通信システムにおいて実用化されている。したがって、石英系平面光回路と周期分極反転ニオブ酸リチウム(PPLN)アレイ導波路の集積化は、前述の位相感応増幅器の様な非線形光学応用技術に対して有効な手法となる。
(Expectations for integration)
In such applied technology, integration of a quartz-based planar optical circuit and a nonlinear optical element capable of strictly controlling the phase of light in the system is expected. 2. Description of the Related Art In recent years, planar optical circuits using quartz using semiconductor microfabrication are capable of strict optical path length control due to their high processing accuracy, and have been put into practical use in current optical communication systems. Therefore, integration of a quartz-based planar optical circuit and a periodically poled lithium niobate (PPLN) array waveguide is an effective technique for nonlinear optical application techniques such as the phase sensitive amplifier described above.
(光入射)
前述の導波路デバイスを動作させるうえで重要となるのが、効率よく複数波長の光を非線形光導波路へ結合させることである。さらに非線形光学ではまったく異なる波長帯の光を同時に結合する必要がある。非特許文献3に挙げられるような光通信ネットワークの中継系に位相感応増幅器を適用する場合、1.5μm帯の通信波長帯だけでなく、その2倍波となる780nm帯の光も同時に非線形光学導波路に結合させる必要がある。
(Light incident)
What is important in operating the above-described waveguide device is to efficiently couple light of a plurality of wavelengths to the nonlinear optical waveguide. Furthermore, in non-linear optics, it is necessary to combine light of completely different wavelength bands at the same time. When a phase sensitive amplifier is applied to a relay system of an optical communication network as described in
光結合の手法としては、ダイクロイックミラーやレンズを用いる手法や、合波回路を形成した平面光回路を用いて2波長帯を合波させ、その平面光回路を非線形光学導波路に突き合わせて接合する手法が考えられる。前者では多数の光学部品間のアライメント調整を行ってそれらを正確に組み立てる必要があり、実装コストが大きくなる。一方、後者では合波といった機能を平面光回路内で実現してしまえば、アライメント調整が必要なのは平面光回路と非線形光学導波路との接合についてのみであり、実装が簡易で低コストに実現可能である。 As an optical coupling technique, a technique using a dichroic mirror or a lens, or a two-wavelength band is synthesized using a planar optical circuit in which a multiplexing circuit is formed, and the planar optical circuit is abutted and joined to a nonlinear optical waveguide. A method can be considered. In the former, it is necessary to adjust the alignment between a large number of optical components and assemble them accurately, which increases the mounting cost. On the other hand, in the latter case, if a function such as multiplexing is realized in the planar optical circuit, alignment adjustment is necessary only for the junction between the planar optical circuit and the nonlinear optical waveguide, which can be implemented easily and at low cost. It is.
さらに、近年では石英系平面光回路の加工精度が上昇し、その平面光回路上で実現できる機能が多様化しているため、平面光回路を用いた光結合は、非線形光学デバイスの応用技術をさらに発展させる可能性を秘めている。 Furthermore, in recent years, the processing accuracy of quartz-based planar optical circuits has increased, and the functions that can be realized on the planar optical circuits have diversified. Therefore, optical coupling using planar optical circuits has further improved the application technology of nonlinear optical devices. It has the potential to develop.
上述したように非線形光学効果を効果的に活用するためには、全く異なる複数波長帯の光を非線形光学媒体に入射する必要がある。この大きく異なる2波長帯の光の合分波に関して、これまでマルチモード光干渉(MMI)を用いた光カプラの報告がなされている(非特許文献4参照)。しかしながら、MMIカプラは小型化には有効であるが、小型であることに起因して作製誤差による損失が生じ易く、また伝送帯域を広くすることが困難であるという課題がある。このように従来技術においては、二次非線形光学操作に必須となる基本波と倍波を低損失かつ広帯域に合分波できる光素子の明確な設計指針は示されていない。 As described above, in order to effectively use the nonlinear optical effect, it is necessary to make light of a plurality of different wavelength bands incident on the nonlinear optical medium. With respect to the multiplexing / demultiplexing of light in two greatly different wavelength bands, there have been reports on optical couplers using multimode optical interference (MMI) (see Non-Patent Document 4). However, although the MMI coupler is effective for miniaturization, there is a problem that loss due to a manufacturing error easily occurs due to the small size and it is difficult to widen the transmission band. Thus, in the prior art, there is no clear design guideline for an optical element that can multiplex / demultiplex a fundamental wave and a harmonic wave, which are essential for second-order nonlinear optical operation, into a low loss and a wide band.
また、位相感応増幅器や位相共役変換器では、非線形光学過程が光位相や光強度に敏感な過程であるため、非線形導波路への入射光や出力光の一部をモニターしながら様々なフィードバック制御を行う必要がある。そのため、大きく異なる2波長帯に対して任意の割合で合分波可能な光カプラの実現が望まれる。これらの光信号処理技術ではワット級の高出力光を扱うが、モニター光としてはマイクロワット級の一部の出力光を取り出せれば良い。しかしながら、このような高出力光の一部を取り出すことができる光カプラの明確な設計指針もまた現状示されていない。 In phase sensitive amplifiers and phase conjugate converters, the nonlinear optical process is sensitive to the optical phase and light intensity, so various feedback controls can be performed while monitoring part of the incident light and output light to the nonlinear waveguide. Need to do. Therefore, it is desired to realize an optical coupler capable of multiplexing / demultiplexing at an arbitrary ratio for two different wavelength bands. Although these optical signal processing technologies handle high-power light of the watt class, it is only necessary to extract a part of the output light of the micro watt class as the monitor light. However, a clear design guideline for an optical coupler capable of extracting a part of such high output light is not currently shown.
本発明は上記の2つの課題を同時に解決するものであり、本発明の目的は、非線形光学応用に向けた波長が倍半分異なる2波長帯の光を低損失かつ広帯域に合分波し、かつ両波長の光の一部を取り出すことのできる平面光導波路デバイスを提供することにある。 The present invention solves the above two problems at the same time, and an object of the present invention is to multiplex / demultiplex light of two wavelength bands whose wavelengths for nonlinear optical application are two and half times different into a low loss and wideband, and An object of the present invention is to provide a planar optical waveguide device capable of extracting part of light of both wavelengths.
上記の課題を解決するために、本発明は、方向性結合器を構成する結合領域を有する2本の光導波路を含む平面光導波路デバイスであって、2本の前記光導波路の一方は、第1の波長帯の第1の波長の光が入力される光導波路であり、2本の前記光導波路の他方は、第2の波長帯の第2の波長の光が入力される光導波路であり、前記第2の波長帯は、前記第1の波長帯より短波長の帯域であり、前記結合領域の結合長は、2本の前記光導波路の一方に入力された前記第1の波長帯の中心波長の光が2本の前記光導波路の他方に完全結合する長さであり、前記結合領域の2本の前記光導波路間の距離は、2本の前記光導波路の他方に入力された前記第2の波長帯の第2の波長の光が2本の前記光導波路の一方に一部結合する距離であり、かつ前記第2の波長の光のスルーポートへの透過率が前記第1の波長の光のクロスポートへの透過率と同程度となる距離であることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention provides a planar optical waveguide device including two optical waveguides having a coupling region constituting a directional coupler, wherein one of the two optical waveguides is a first optical waveguide device. An optical waveguide to which light having a first wavelength in one wavelength band is input, and the other of the two optical waveguides is an optical waveguide to which light having a second wavelength in the second wavelength band is input. The second wavelength band is a band having a shorter wavelength than the first wavelength band, and the coupling length of the coupling region is that of the first wavelength band input to one of the two optical waveguides. The length of the light having the center wavelength is completely coupled to the other of the two optical waveguides, and the distance between the two optical waveguides in the coupling region is the other of the two optical waveguides. A distance at which the second wavelength light in the second wavelength band is partially coupled to one of the two optical waveguides; Characterized in that it is a distance that the transmittance of the thru port of the second wavelength light is transmittance comparable to the cross port of the first wavelength light.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の平面光導波路デバイスにおいて、2本の前記光導波路は、前記第1の波長の光と前記第2の波長の光とに対してシングルモード導波路であることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the planar optical waveguide device according to the first aspect, the two optical waveguides are a single mode for the light of the first wavelength and the light of the second wavelength. It is a waveguide.
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の平面光導波路デバイスにおいて、2本の前記光導波路の内前記第2の波長の光が入力される光導波路が直線光導波路であることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the planar optical waveguide device according to the first or second aspect, the optical waveguide into which the light of the second wavelength is input is a straight optical waveguide. It is characterized by that.
請求項4に記載の発明は、請求項1乃至3のいずれかに記載の平面光導波路デバイスにおいて、前記第2の波長は前記第1の波長の半分であることを特徴とする。 A fourth aspect of the present invention is the planar optical waveguide device according to any one of the first to third aspects, wherein the second wavelength is half of the first wavelength.
請求項5に記載の発明は、請求項1乃至4のいずれかに記載の平面光導波路デバイスにおいて、2本の前記光導波路の内前記第1の波長の光が入力される光導波路の出力ポートに前記第1の波長の光と前記第2の波長の光とが分波される光カプラをさらに備えたことを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the planar optical waveguide device according to any one of the first to fourth aspects, an output port of an optical waveguide to which light of the first wavelength is input from two optical waveguides And an optical coupler for demultiplexing the light of the first wavelength and the light of the second wavelength.
請求項6に記載の発明は、請求項5に記載の平面光導波路デバイスにおいて、前記光カプラは、請求項1に記載の別の平面光導波路デバイスであることを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, in the planar optical waveguide device according to the fifth aspect, the optical coupler is another planar optical waveguide device according to the first aspect.
請求項7に記載の発明は、請求項1乃至6のいずれかに記載の平面光導波路デバイスにおいて、前記光導波路が誘電体または半導体からなることを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, in the planar optical waveguide device according to any one of the first to sixth aspects, the optical waveguide is made of a dielectric or a semiconductor.
本発明は、非線形光学応用に向けた波長が倍半分異なる2波長帯の光を低損失かつ広帯域に合分波し、かつ両波長の光の一部を取り出すことができる。 The present invention can multiplex / demultiplex light in two wavelength bands whose wavelengths for nonlinear optical applications are different by a factor of half into a low loss and wide band, and extract a part of light of both wavelengths.
図1に、本発明の一実施形態に係る平面光導波路デバイスの概要図を示す。 FIG. 1 shows a schematic diagram of a planar optical waveguide device according to an embodiment of the present invention.
平面光導波路デバイス100は2本の光導波路111、112からなり、それら光導波路111、112は隣接導波路間隔がdである結合領域を有するように配置されている。この結合領域の長さ(結合長)をLとする。長波長帯の光Aが長波入力ポート101から入力されると、光Aは結合領域内において近接する光導波路112に徐々に移っていく。
The planar
ここで、結合長Lを、長波入力ポート101から入力された長波長帯の中心波長の光が理論的に100%光導波路111から光導波路112に乗り移ることが可能な長さとし、これを長波完全結合長L0とする。この場合、長波長帯の光Aのほとんどが非線形光学素子接続ポート104から出射される。しかし取り扱う長波長帯の光は一般的に信号光と呼ばれ、ある程度の波長幅を有する。そのため、平面光導波路デバイス100において信号光のすべてが完全に光導波路111から隣接する光導波路112に乗り移ることは理論上起こりえず、ある一定の割合でモニターポート103からも長波長帯の光は出力される。
Here, the coupling length L is set to a length at which the light of the center wavelength in the long wavelength band input from the long
尚、この長波完全結合長L0は隣接導波路間隔dに対して依存性を有しており、一般に隣接導波路間隔dを大きくとると隣接導波路への結合係数が小さくなるため、長波完全結合長L0は長くなる。 The long-wave complete coupling length L 0 has a dependency on the adjacent waveguide interval d. Generally, when the adjacent waveguide interval d is increased, the coupling coefficient to the adjacent waveguide is decreased, so that the long-wave complete coupling length L 0 is reduced. The coupling length L 0 becomes longer.
一方、短波入力ポート102から入力された短波長帯の光Bは結合領域において隣接する光導波路111に結合しないことが望まれる。ここで短波長の光のモニターポート103への結合量は、前述の長波完全結合長L0と短波長光自身の結合係数の2つのパラメータによって決定される。結合係数は隣接導波路のそれぞれの固有モードの重ね合わせ等によって決定されるため、隣接導波路間隔依存性を有する。
On the other hand, it is desired that the light B in the short wavelength band input from the
従って、前述の長波完全結合長L0と短波長光自身の結合係数の2つのパラメータはそれぞれが方向性結合器の隣接導波路間隔dに対して依存性を有する。このことから、平面光導波路デバイス100における短波長帯の光Bのモニターポート103への結合量も隣接導波路間隔dによって決定される。この隣接導波路間隔依存性を調べたところ、隣接導波路間隔dを大きくとることにより、平面光導波路デバイス100の長波完全結合長L0が長くなるにもかかわらず、短波長帯の光Bのモニターポート103からの出力が小さくなることが分かった。これは両波長帯の導波路内電磁界分布が大きく異なる事で、それぞれの結合係数の隣接導波路間隔依存性も大きく異なるからであると考えられる。
Accordingly, the above two parameters, the long wave perfect coupling length L 0 and the coupling coefficient of the short wavelength light itself, are dependent on the adjacent waveguide interval d of the directional coupler. From this, the coupling amount of the short wavelength band light B to the
また、隣接導波路間隔dを大きくし、長波完全結合長L0を長くすることで隣接する光導波路へ光結合する長波長帯の光の帯域幅を広くとることが可能となる。デバイスサイズを小さくするには光導波路サイズ、すなわち光導波路の光の伝搬方向に垂直な断面積を調整することも有効な手法となる。 Further, by increasing the interval d between adjacent waveguides and increasing the long-wave complete coupling length L 0 , it becomes possible to increase the bandwidth of light in a long wavelength band that is optically coupled to an adjacent optical waveguide. In order to reduce the device size, it is also effective to adjust the optical waveguide size, that is, the cross-sectional area perpendicular to the light propagation direction of the optical waveguide.
このように、本発明の平面光導波路デバイスでは、隣接導波路間隔dと結合長Lを調整することにより、全く異なる2波長帯の光のそれぞれに対して、低損失かつ広帯域な合分波を実現でき、かつワット級の高パワー光の光を扱う際にモニター光の取り出しを同時に行うことが可能である。 As described above, in the planar optical waveguide device of the present invention, by adjusting the adjacent waveguide interval d and the coupling length L, low loss and wideband multiplexing / demultiplexing can be performed for light of two different wavelength bands. It can be realized and monitor light can be taken out simultaneously when handling watt-class high power light.
本発明の平面光導波路デバイスを構成する物質は、ケイ素、二酸化ケイ素、ニオブ酸リチウム、インジウムリン、ポリマー等の誘電体や半導体、もしくはそれらに添加物を加えた化合物など、使用する2波長帯の光に対して透明であればよい。 The materials constituting the planar optical waveguide device of the present invention include silicon, silicon dioxide, lithium niobate, indium phosphide, polymers such as dielectrics and semiconductors, or compounds obtained by adding additives to these two wavelength bands. What is necessary is just to be transparent with respect to light.
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
(実施例1)
図2に、本発明の実施例1に係る平面光導波路デバイス200の上面図を示す。2本の光導波路211、212を含む平面光導波路は、SiO2を主成分とする誘電体からなり、光導波路構造としてコア部分には添加物が含まれ周囲よりも屈折率が高い構造を有している。光導波路211は、長波入力ポート201およびモニター出力ポート203を備え、光導波路212は、短波入力ポート202および非線形光学導波路接続ポート204を備える。また、光導波路211、212は、隣接導波路間隔dとする結合領域を形成するよう配置され、結合領域の長さは、長波長帯の中心波長の光が完全に光導波路211から光導波路212に乗り移ることが可能な長波完全結合長L0である。隣接導波路間隔dは、短波長帯の光の一部が隣接する光導波路に結合するような距離に設定されている。
Example 1
FIG. 2 shows a top view of the planar
尚、本平面光導波路デバイス200を構成する物質は、ケイ素、二酸化ケイ素、ニオブ酸リチウム、インジウムリン、ポリマー等の誘電体や半導体、もしくはそれらに添加物を加えた化合物など、使用する2波長帯の光に対して透明であればよい。
In addition, the substance which comprises this planar
本平面光導波路デバイス200では、位相感応増幅器や位相共役変換器といった光通信応用を想定し、長波長帯の中心波長として波長1.56μmの光A、短波長帯の中心波長として波長0.78μmの光Bを選択した。尚、本平面光導波路デバイス200に使用できる波長帯は光導波路部材に対して透明波長であればよく、通信波長帯およびその2倍波に限らない。
In this planar
また波長0.78μmの光Bを入力する光導波路212は直線光導波路としている。これは選択した光導波路が波長1.56μmの光Aに対してシングルモード導波路であっても波長0.78μmの光Bに対してマルチモード導波路となる可能性があり、曲げ導波路の導入による高次モード結合を防ぐためである。そのため、光導波路212も曲げ導波路としてもよいが、両波長に対してシングルモード条件を満たすように2波長に対する曲げ導波路の設計最適化を行うことが望ましい。また、光導波路211、212の導波路幅を調整することにより、両波長に対してシングルモード条件を満たすようにしてもよい。
The
図3に、本発明の実施例1に係る平面光導波路デバイスにおける光伝搬シミュレーションにより求めた隣接導波路間隔と波長1.56μmの光Aの完全結合長(長波完全結合長)との関係を破線で示す。また図3に、この長波完全結合長を採用した際の波長0.78μmの光Bの非線形光学導波路接続ポート204への透過損失、すなわち波長0.78μmの光Bの光導波路212から隣接する光導波路211への結合量を実線で示す。
FIG. 3 shows the relationship between the distance between adjacent waveguides obtained by light propagation simulation in the planar optical waveguide device according to the first embodiment of the present invention and the complete coupling length (long wave complete coupling length) of the light A having a wavelength of 1.56 μm. It shows with. FIG. 3 shows the transmission loss of light B having a wavelength of 0.78 μm to the nonlinear optical
図3は、隣接導波路間隔dを大きくとることにより、平面光導波路デバイス200の長波完全結合長L0が長くなるにもかかわらず、波長0.78μmの光Bの非線形光学導波路接続ポート204への透過損失が小さくなる、すなわちモニターポート203から出力される波長0.78μmの光Bの強度が小さくなることを示している。
FIG. 3 shows that the long-wave perfect coupling length L 0 of the planar
ここで図4(a)、(b)に、隣接導波路間隔dを2.7μm、長波完全結合長L0を600μmとした際の光伝搬シミュレーション結果を示す。図4(a)に示すように光導波路211の長波入力ポート201から入力された波長1.56μmの光Aの多くは、隣接する光導波路212に移行するのに対し、図4(b)に示すように光導波路212の短波入力ポート202から入力された波長0.78μmの光Bの殆どは隣接する光導波路211に結合しないことを示している。
Here, FIGS. 4A and 4B show light propagation simulation results when the adjacent waveguide interval d is 2.7 μm and the long-wave complete coupling length L 0 is 600 μm. As shown in FIG. 4A, most of the light A having a wavelength of 1.56 μm input from the long
図5(a)、(b)に、実際に作製した実施例1に係る平面光導波路デバイスの各波長帯に対する透過スペクトルを示す。1.56μm波長帯と0.78μm波長帯のそれぞれの光に対する非線形光学素子接続ポート204への透過率、すなわち1.56μm波長帯の光Aのクロスポートへの透過率と0.78μm波長帯の光Bのスルーポートへの透過率(図5(a)、(b)の実線)は、それぞれ−0.33dB、−0.12dBであり同程度であった。これは、空間光学部品である一般的なダイクロイックミラーを用いたときに匹敵する低損失な合分波が実現できている。また、本平面光導波路デバイスは、通信波長帯1540−1580nmの波長域に対して大きな損失の変動がなく、通信応用に向けて十分な広帯域動作をしている。
FIGS. 5A and 5B show transmission spectra for the respective wavelength bands of the planar optical waveguide device according to Example 1 actually manufactured. Transmittance to the nonlinear optical
一方、モニターポート203への透過率(図5(a)、(b)の破線)は、波長1.56μmの光Aに対し−23dB、波長0.78μmの光Bに対し−33dBであった。これはそれぞれ1.0Wの光を入力ポートから入射した際に、波長1.56μmでは5mW、波長0.78μmでは0.5mWの光がモニターポート203から出力されることを示している。この光強度は一般的な光受光器に対して十分な強度を有しており、位相感応増幅器や位相共役変換器内のフィードバック制御に十分活用できる強度である。
On the other hand, the transmittance to the monitor port 203 (broken lines in FIGS. 5A and 5B) was −23 dB for the light A having a wavelength of 1.56 μm and −33 dB for the light B having a wavelength of 0.78 μm. . This indicates that when 1.0 W light is incident from the input port, 5 mW light is output from the
(実施例2)
図6に、本発明の実施例2に係る平面光導波路デバイスの上面図を示す。実施例2に係る平面光導波路デバイス300は、3本の光導波路311〜313からなり、実施例1に係る平面光導波路デバイス200のモニター出力ポート203を別の平面光導波路デバイス200の短波入力ポート202に接続した構成をとる。
(Example 2)
FIG. 6 shows a top view of a planar optical waveguide device according to Example 2 of the present invention. The planar
1つ目の平面光導波路デバイス200に相当する1段目の平面光導波路デバイス構造321は、長波入力ポート301を含む光導波路311と短波入力ポート302および非線形光学導波路接続ポート305を含む光導波路312からなり、長波長帯の中心波長の光が完全に光導波路311から光導波路312に乗り移ることが可能な結合領域を含む。
A first-stage planar optical
2つ目の平面光導波路デバイス200に相当する2段目の平面光導波路デバイス構造322は、長波モニター出力ポート303と短波モニター出力ポート304とを含み、長波長帯の中心波長の光が完全に光導波路311から光導波路313に乗り移ることが可能な結合領域を含む。
The second-stage planar optical
1段目の平面光導波路デバイス構造321により取り出されたモニター光は、2段目の平面光導波路デバイス構造322によって波長毎に異なる長波モニター出力ポート303、短波モニター出力ポート304とに分けることが可能である。これにより両波長に対してそれぞれフィードバックをかけることが可能となる。
The monitor light extracted by the first-stage planar optical
図6に示す平面光導波路デバイス300は、平面光導波路デバイス構造321、322が光導波路311を共有して一体として形成されているが、平面光導波路デバイス構造321、322は別々に形成されたものを接続してもよく、2段目の平面光導波路デバイス構造322は一般的なMMIカプラでもよい。しかし、作製誤差を考慮した場合、1段目と2段目を同じ構造にした方が作製フィードバックをかけ易い。
In the planar
本実施例2に係る平面光導波路デバイス300では、位相感応増幅器や位相共役変換器といった光通信応用を想定し、長波長帯の光の中心波長として波長1.56μm、短波長帯の光の中心波長として0.78μmを選択した。尚、本実施例2に係る平面光導波路デバイス300に使用できる波長帯は光導波路部材に対して透明波長であればよく、通信波長帯およびその2倍波に限らない。実際に作製した合分波器に対し1.0Wの光を入射したところ、長波モニター出力ポートからは4.0mW、短波モニター出力ポートからは0.33mWの出力が得られた。
In the planar
100、200、300 平面光導波路デバイス
101、201、301 長波入力ポート
102、202、302 短波入力ポート
103、203 モニター出力ポート
104、204、305 非線形光学導波路接続ポート
111、112、211、212、311、312、313 光導波路
303 長波モニター出力ポート
304 短波モニター出力ポート
321、322 平面光導波路デバイス構造
100, 200, 300 Planar
Claims (7)
2本の前記光導波路の一方は、第1の波長帯の第1の波長の光が入力される光導波路であり、
2本の前記光導波路の他方は、第2の波長帯の第2の波長の光が入力される光導波路であり、
前記第2の波長帯は、前記第1の波長帯より短波長の帯域であり、
前記結合領域の結合長は、2本の前記光導波路の一方に入力された前記第1の波長帯の中心波長の光が2本の前記光導波路の他方に完全結合する長さであり、
前記結合領域の2本の前記光導波路間の距離は、2本の前記光導波路の他方に入力された前記第2の波長帯の第2の波長の光が2本の前記光導波路の一方に一部結合する距離であり、かつ前記第2の波長の光のスルーポートへの透過率が前記第1の波長の光のクロスポートへの透過率と同程度となる距離であることを特徴とする平面光導波路デバイス。 A planar optical waveguide device including two optical waveguides having a coupling region constituting a directional coupler,
One of the two optical waveguides is an optical waveguide to which light having a first wavelength in the first wavelength band is input,
The other of the two optical waveguides is an optical waveguide to which light having a second wavelength in the second wavelength band is input.
The second wavelength band is a shorter wavelength band than the first wavelength band,
The coupling length of the coupling region is a length at which the light having the center wavelength of the first wavelength band input to one of the two optical waveguides is completely coupled to the other of the two optical waveguides.
The distance between the two optical waveguides in the coupling region is such that the light of the second wavelength in the second wavelength band input to the other of the two optical waveguides enters one of the two optical waveguides. It is a partly coupled distance, and is a distance at which the transmittance of the light of the second wavelength to the through port is approximately the same as the transmittance of the light of the first wavelength to the cross port. Planar optical waveguide device.
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| CN111913253A (en) * | 2020-08-21 | 2020-11-10 | 上海鸿辉光通科技股份有限公司 | Two-channel wavelength division multiplexing or demultiplexing optical device based on planar optical waveguide |
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| JP2007155777A (en) * | 2005-11-30 | 2007-06-21 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Monitor circuit |
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