JP5435654B2

JP5435654B2 - 3D optical circuit

Info

Publication number: JP5435654B2
Application number: JP2010195096A
Authority: JP
Inventors: 博正田野辺; 真司美野; 二三夫小山; 健桐田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2030-08-31
Also published as: JP2012053233A

Description

本発明は三次元光回路に関し、さらに詳細には、２層以上の光導波路をそれぞれの導波路端部において垂直方向に光接続して構成される三次元光回路に関する。 The present invention relates to a three-dimensional optical circuit, and more particularly to a three-dimensional optical circuit configured by optically connecting two or more optical waveguides in the vertical direction at each waveguide end.

従来の三次元光回路としては、例えば特許文献１に記載のものが知られている。この三次元光回路は、図４に示すように、光導波路１１、１２が設けられた互いに異なる材質の基板２１、２２を積層して構成されている。また、２つの光導波路１１、１２には、それぞれを伝搬する光を結合するために、光導波路１１、１２が垂直方向において互いに重なる部位に４５度ミラー２３、２４が設けられている。この４５度ミラーによって光線光学の手法によりそれぞれの光導波路１１、１２を光接続している。 As a conventional three-dimensional optical circuit, for example, the one described in Patent Document 1 is known. As shown in FIG. 4, the three-dimensional optical circuit is configured by stacking substrates 21 and 22 made of different materials provided with optical waveguides 11 and 12. Further, in order to couple the light propagating through the two optical waveguides 11 and 12, 45-degree mirrors 23 and 24 are provided at portions where the optical waveguides 11 and 12 overlap each other in the vertical direction. The optical waveguides 11 and 12 are optically connected by the 45-degree mirror by a light beam optical technique.

特開昭５９−１２１００８号公報JP 59-121008 A

特許文献１に記載された三次元光回路による光接続方式では、光接続手段である４５度ミラー２３、２４を、基板２１、２２に設けられた光導波路１１、１２上に設けなければならない。すなわち、従来の三次元光回路では、基板端面で光接続を行うことができず、基板２１、２２内での光導波路の接合技術に限定されている。 In the optical connection method using a three-dimensional optical circuit described in Patent Document 1, 45-degree mirrors 23 and 24 as optical connection means must be provided on the optical waveguides 11 and 12 provided on the substrates 21 and 22. That is, in the conventional three-dimensional optical circuit, optical connection cannot be performed at the end face of the substrate, and the technique is limited to the joining technique of the optical waveguide in the substrates 21 and 22.

一方、基板の面積全てを光導波路として使用して光回路を形成したい場合、複数の基板上に備えられた光導波路同士の光接続は、基板端部において行われることが望ましいが、従来の三次元光回路では、実現不可能な構成であった。 On the other hand, when it is desired to form an optical circuit using the entire area of the substrate as an optical waveguide, it is desirable that the optical connection between the optical waveguides provided on the plurality of substrates is performed at the end of the substrate, but the conventional tertiary In the original optical circuit, the configuration was not feasible.

本発明は、かかる従来の問題に鑑みてなされたものであって、本発明の課題は、光導波路の端部で光接続することができる三次元光回路を提供することにある。 The present invention has been made in view of such conventional problems, and an object of the present invention is to provide a three-dimensional optical circuit that can be optically connected at the end of an optical waveguide.

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、シングルモード光導波路を有する光回路を垂直方向に２層以上積層した積層光回路と、該積層光回路の前記光導波路と光接続するマルチモードコア光導波路と全反射鏡とを有する光反転回路とを備えた三次元光回路であって、前記光反転回路のマルチモードコア光導波路を、一端が、前記積層された光回路のシングルモード光導波路の光入出力端に光接続され、他端が、前記全反射鏡で覆われるように構成して、当該マルチモードコア光導波路の高さと導波路長を、光信号を入力したシングルモード光導波路の光入出力端とは異なるシングルモード光導波路の光入出力端へと光が出力されるように設定することにより、前記２層以上のシングルモード光導波路をそれぞれの光入出力端において垂直方向に光接続することを特徴とする三次元光回路である。 In order to solve the above-described problems, the invention described in claim 1 includes a laminated optical circuit in which two or more optical circuits each having a single mode optical waveguide are laminated in the vertical direction, the optical waveguide of the laminated optical circuit, and an optical circuit. A three-dimensional optical circuit comprising a multimode core optical waveguide to be connected and an optical inversion circuit having a total reflection mirror, wherein the multimode core optical waveguide of the optical inversion circuit has one end laminated on the optical circuit The optical input / output end of the single mode optical waveguide is optically connected and the other end is covered with the total reflection mirror, and the optical signal is input with the height and waveguide length of the multimode core optical waveguide. By setting so that light is output to the light input / output end of the single mode optical waveguide, which is different from the light input / output end of the single mode optical waveguide, Output terminal It is a three-dimensional optical circuit, characterized in that the optical connection to Oite vertically.

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の三次元光回路において、前記２層以上の光回路におけるシングルモード光導波路の入出力端は、垂直方向に一定の間隔Ｄ＿ｃｏｒｅで配列され、前記光接続される２つのシングルモード光導波路が属する２つの光回路の層の間に存在する他の光回路の層の数をｎとし、前記マルチモードコアは中空コアであり、該中空コアの屈折率ｎ１、クラッドの屈折率ｎ０であり、マルチモードコアが比屈折率ｎｒ＝ｓｑｒｔ（ｎ１＾２―ｎ０＾２）であり、光接続される光信号波長がλであるとき、
前記マルチモードコアの高さＷｅ＿ｎは、Ｗｅ＿ｎ＝（ｎ＋１）×Ｄ＿Ｃｏｒｅ＋２×Δ・・・式（１）（式（１）においてΔはシングルモード光導波路端面でのシングルモード電磁界分布に依存する誤差）に基づいて設定され、導波路長Ｌは、Ｌ＝３×（２ｓ＋１）×Ｌ１・・・式（２）（式（２）においてｓ≧０）、Ｌ１＝（２×ｎｒ×Ｗｅ＿ｎ＾２）／（３×λ）・・・式（３）に基づいて設定されることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the three-dimensional optical circuit according to the first aspect, the input / output ends of the single mode optical waveguide in the optical circuit having two or more layers are arranged at a constant interval D_core in the vertical direction. The number of other optical circuit layers existing between two optical circuit layers to which the two optically connected single-mode optical waveguides belong is n, and the multimode core is a hollow core, When the refractive index n1, the refractive index n0 of the clad, the multi-mode core is the relative refractive index nr = sqrt (n1 ^ 2-n0 ^ 2), and the optical signal wavelength to be optically connected is λ,
The height We_n of the multi-mode core is We_n = (n + 1) × D_Core + 2 × Δ (1) (where Δ is an error depending on the single-mode electromagnetic field distribution at the end face of the single-mode optical waveguide) ), And the waveguide length L is L = 3 × (2s + 1) × L1 (2) (s ≧ 0 in equation (2)), L1 = (2 × nr × We_n ^ 2) ) / (3 × λ)... Is set based on Expression (3).

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の三次元光回路において、積層光回路は、前記前記光接続される２つのシングルモード光導波路の導波路ペアを複数有し、前記マルチモードコア光導波路は、複数の導波路ペアのうち、光接続しようとする導波路ペアのシングルモード光導波路について前記式（１）基づいて決定される前記マルチモードコアの高さＷｅ＿ｎに変更できるよう構成され、前記マルチモードコア光導波路の導波路長は、前記積層光回路に含まれるシングルモード光導波路の導波路ペアに対応して式（２）、（３）に基づいて決定される導波路長の最小公倍数に設定されていることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the three-dimensional optical circuit according to the second aspect, the laminated optical circuit has a plurality of waveguide pairs of the two single-mode optical waveguides to be optically connected, and the multimode The core optical waveguide is configured to be able to be changed to the height We_n of the multimode core determined based on the formula (1) for the single mode optical waveguide of the waveguide pair to be optically connected among the plurality of waveguide pairs. The waveguide length of the multimode core optical waveguide is determined based on the equations (2) and (3) corresponding to the waveguide pair of the single mode optical waveguide included in the laminated optical circuit. The least common multiple of is set.

本発明によれば、光導波路の端部で光接続することができる三次元光回路を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the three-dimensional optical circuit which can be optically connected by the edge part of an optical waveguide can be provided.

本発明の第１の実施形態の三次元光回路の全体構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the whole structure of the three-dimensional optical circuit of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施形態の三次元光回路中の光導波路を選択的に光接続可能とした三次元光回路の側面図である。It is a side view of the three-dimensional optical circuit which enabled optical connection of the optical waveguide in the three-dimensional optical circuit of the 2nd Embodiment of this invention selectively. 本発明の第３の実施形態の三次元光回路中の光導波路を選択的に光接続可能とした三次元光回路の側面図である。It is a side view of the three-dimensional optical circuit which enabled optical connection of the optical waveguide in the three-dimensional optical circuit of the 3rd Embodiment of this invention selectively. 従来の三次元光回路を示す図である。It is a figure which shows the conventional three-dimensional optical circuit.

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態にかかる三次元光回路の全体構成を説明する図である。本発明の三次元光回路は、積層光回路６と光反転回路８、９とを対向密着接合して構成される。図１に示す例では、説明を簡易にするために、積層光回路６と光反転回路８または光反転回路９との密着面を分離して示している。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram illustrating the overall configuration of a three-dimensional optical circuit according to the first embodiment. The three-dimensional optical circuit of the present invention is configured by facing and bonding a laminated optical circuit 6 and optical inversion circuits 8 and 9. In the example shown in FIG. 1, the contact surface between the laminated optical circuit 6 and the optical inverting circuit 8 or the optical inverting circuit 9 is shown separately for the sake of simplicity.

積層光回路６は、シングルモード光導波路を有する光回路の層を垂直方向に２層以上積層して構成されている。図示の例では、基板６０上に、第１の層１、第２の層２、第３の層３、第４の層４が積層されて積層光回路６が構成されている。各第１の層１、第２の層２、第３の層３、第４の層４には、垂直方向に並列して、シングルモードの光導波路１−１、２−１、３−１、４−１が設けられている。第１の層１と第４の層４には、垂直方向に並列して、それぞれもう１本のシングルモードの光導波路１−２、４−２が設けられている。各層１、２、３、４のシングルモード導波路は、クラッド材料１０、２０、３０、４０で保持されている。シングルモード導波路の光入出力端の間隔Ｄ＿Ｃｏｒｅは、一定値となるよう構成されている。シングルモード導波路の光入出力端の数は光導波路の数と同じである。 The laminated optical circuit 6 is configured by laminating two or more layers of an optical circuit having a single mode optical waveguide in the vertical direction. In the illustrated example, a laminated optical circuit 6 is configured by laminating a first layer 1, a second layer 2, a third layer 3, and a fourth layer 4 on a substrate 60. Each of the first layer 1, the second layer 2, the third layer 3, and the fourth layer 4 is arranged in parallel in the vertical direction with single mode optical waveguides 1-1, 2-1, 3-1. 4-1. In the first layer 1 and the fourth layer 4, another single mode optical waveguides 1-2 and 4-2 are respectively provided in parallel in the vertical direction. Single-mode waveguides for each layer 1, 2, 3, 4 are held by cladding materials 10, 20, 30, 40. The interval D_Core between the optical input / output ends of the single mode waveguide is configured to be a constant value. The number of optical input / output ends of the single mode waveguide is the same as the number of optical waveguides.

光反転回路８、９は、積層光回路６の端部において光導波路１−１、２−１、３−１、４−１、１−２、４−２と光接続するマルチモードコア光導波路を備えて構成されている。具体的には、光反転回路８、９は、積層光回路６の光導波路の光入出力端１−１Ｒ、２−１Ｒ、３−１Ｒ、４−１Ｒ、１−２Ｒ、４−２Ｒとの接合面（紙面左側）のみが開放された中空のマルチモードコア構造を有する筐体８４、９３によって構成されている。光反転回路８、９の筐体８４、９２内部には、側面（紙面手前と紙面奥）と端面（紙面右側）に金などの金属が設けられており、全反射構造となっている。また、筐体８４、９３内部の上下にはクラッドとして機能する反射鏡としての反射材料８３、９２が設けられて構成されている。反射材料８３、９２は、例えば光信号波長の１／４の厚みを備えた薄膜を異なる屈折率材料で多層積層した構成とすることができる。この光反転回路８、９の比屈折率ｎｒは、空気の屈折率ｎ０＝１、反射材料の屈折率がｎ０であるとき、ｎｒ＝ｓｑｒｔｎｒ＝ｓｑｒｔ（ｎ１＾２―ｎ０＾２）と表せる。 The optical inversion circuits 8 and 9 are multimode core optical waveguides that are optically connected to the optical waveguides 1-1, 2-1, 3-1, 4-1, 1-2, 4-2 at the end of the laminated optical circuit 6. It is configured with. Specifically, the optical inversion circuits 8 and 9 are connected to the optical input / output ends 1-1R, 2-1R, 3-1R, 4-1R, 1-2R, and 4-2R of the optical waveguide of the laminated optical circuit 6. It is comprised by the housing | casing 84,93 which has the hollow multimode core structure by which only the joint surface (left side of the paper surface) was open | released. Inside the casings 84 and 92 of the optical inversion circuits 8 and 9, metal such as gold is provided on the side surfaces (front and back of the paper surface) and the end surface (right side of the paper surface) to form a total reflection structure. Reflecting materials 83 and 92 as reflecting mirrors functioning as cladding are provided on the upper and lower sides of the casings 84 and 93, respectively. The reflective materials 83 and 92 can be configured, for example, by laminating thin films having a thickness of ¼ of the optical signal wavelength with different refractive index materials. The relative refractive index nr of the optical inverting circuits 8 and 9 can be expressed as nr = sqrtnr = sqrt (n1 ^ 2-n0 ^ 2) when the refractive index of air is n0 = 1 and the refractive index of the reflective material is n0.

また、本発明のマルチモードコア光導波路の高さと導波路長は、光信号を入力したシングルモード光導波路の光入出力端とは異なるシングルモード光導波路の光入出力端へと光が出力されるように設定されている。すなわち、例えば図１に示す三次元光回路においては、光反転回路８のマルチモードコア８１は、所定の高さと導波路長に設定することで、光導波路１−１と光導波路２−１との光接続を行い、マルチモードコア８２は光導波路３−１と光導波路４−１との光接続を行うよう構成されている。また、光反転回路９のマルチモードコア９１は、所定の高さと導波路長に設定することで、光導波路１−２と光導波路４−２との光接続を行うよう構成されている。 In addition, the height and waveguide length of the multimode core optical waveguide of the present invention is such that light is output to the optical input / output end of the single mode optical waveguide different from the optical input / output end of the single mode optical waveguide to which the optical signal is input. Is set to That is, for example, in the three-dimensional optical circuit shown in FIG. 1, the multimode core 81 of the optical inverting circuit 8 is set to a predetermined height and a waveguide length, so that the optical waveguide 1-1 and the optical waveguide 2-1 The multimode core 82 is configured to perform optical connection between the optical waveguide 3-1 and the optical waveguide 4-1. Further, the multimode core 91 of the optical inverting circuit 9 is configured to optically connect the optical waveguide 1-2 and the optical waveguide 4-2 by setting a predetermined height and a waveguide length.

光反転回路８、９のマルチモードコア８１、８２、９１の高さ８１Ｈ、８２Ｈ、９１Ｈは、マルチモードコア光導波路の屈折率ｎｒと光接続される２つのシングルモード光導波路（導波路ペアともいう）が属する２つの光回路の層の間に存在する他の光回路の層の数ｎ（ただし、ｎは０以上の整数）とビーム径に基づいて設定される。具体的には、式（１）に基づいて設定される。ただし式（１）において、Δはシングルモード光導波路でのコア１−１、２−１、３−１、４−１とクラッド１、２、３、４の比屈折率差によって決定される光閉じ込めと、端面におけるそれぞれのコア間の距離から決定される値であり、すなわちシングルモード光導波路端面でのシングルモード電磁界分布に依存する誤差を示している。
Ｗｅ＿ｎ＝（ｎ＋１）×Ｄ＿Ｃｏｒｅ＋２×Δ・・・式（１） The heights 81H, 82H, and 91H of the multimode cores 81, 82, and 91 of the optical inversion circuits 8 and 9 are two single mode optical waveguides (both waveguide pairs) that are optically connected to the refractive index nr of the multimode core optical waveguide. It is set based on the number n (where n is an integer equal to or greater than 0) of the other optical circuit layers existing between the two optical circuit layers to which it belongs and the beam diameter. Specifically, it is set based on the formula (1). However, in the formula (1), Δ is light determined by the relative refractive index difference between the cores 1-1, 2-1, 3-1, 4-1 and the clads 1, 2, 3, 4 in the single mode optical waveguide. It is a value determined from the confinement and the distance between each core at the end face, that is, an error depending on the single mode electromagnetic field distribution at the end face of the single mode optical waveguide.
We_n = (n + 1) × D_Core + 2 × Δ (1)

また、マルチモードコア８１、８２、９１の導波路長８Ｌ、９Ｌは、光反転回路基本長さＬと他の光回路の層の数ｎに基づいて設定されている。光反転回路基本長さＬとは、光接続される光信号波長と、マルチモードコア光導波路の比屈折率ｎｒと、上記式（１）で設定されるマルチモードコアの高さＷｅ＿ｎとに基づいて決定される値である。光接続される光信号波長をλとすると、具体的には、マルチモードコアの導波路長は式（２）、式（３）に示す値Ｌに決定される。
Ｌ＝３×（２ｓ＋１）×Ｌ１・・・・式（２）
Ｌ１＝（２×ｎｒ×Ｗｅ＿ｎ＾２）／（３×λ）・・・式（３） The waveguide lengths 8L and 9L of the multimode cores 81, 82, and 91 are set based on the basic length L of the optical inverting circuit and the number n of layers of other optical circuits. The optical inversion circuit basic length L is based on the optical signal wavelength to be optically connected, the relative refractive index nr of the multimode core optical waveguide, and the height We_n of the multimode core set by the above equation (1). It is a value determined by When the wavelength of the optical signal to be optically connected is λ, specifically, the waveguide length of the multimode core is determined to a value L shown in Equation (2) and Equation (3).
L = 3 × (2s + 1) × L1 (2)
L1 = (2 × nr × We_n ^ 2) / (3 × λ) (3)

なお、光反転回路８、９におけるマルチモードコアの導波路長の２倍の長さが、２本以上のシングルモード光導波路を対向接続可能な多モード干渉光結合器の長さと等価になる。一般に、多モード干渉光結合器（ＭＭＩ）では、ある特定のシングルモード光導波路から出力されたシングルモード光が、多モード干渉光結合器を構成するマルチモード導波路のコア内で伝搬する際、伝搬定数の異なる高次モードが多数励振される。このとき、マルチモード導波路のコア内の長手方向における周期的な所定の位置で、光結合箇所が周期的に現れる。多モード干渉光結合器においては、周期的に出現する光結合箇所ＬＭＭＩ（ｓ）は以下の式（４）、式（５）で表現される。
ＬＭＭＩ（ｓ）＝３×（２ｓ＋１）×Ｌπ ｓ≧０・・・・式（４）
Ｌπ＝（４×ｎｒ×Ｗｅ＿ｎ＾２）／（３×λ）・・・・式（５） Note that a length twice as long as the waveguide length of the multimode core in the optical inverting circuits 8 and 9 is equivalent to the length of a multimode interference optical coupler capable of connecting two or more single mode optical waveguides to face each other. In general, in a multimode interference optical coupler (MMI), when single mode light output from a specific single mode optical waveguide propagates in the core of a multimode waveguide constituting the multimode interference optical coupler, A number of higher-order modes having different propagation constants are excited. At this time, optical coupling points periodically appear at predetermined periodic positions in the longitudinal direction in the core of the multimode waveguide. In the multimode interference optical coupler, the optical coupling point LMMI (s) that appears periodically is expressed by the following equations (4) and (5).
LMMI (s) = 3 × (2s + 1) × Lπ s ≧ 0 Formula (4)
Lπ = (4 × nr × We_n ^ 2) / (3 × λ) (5)

本発明の光反転回路８、９のマルチモードコアの導波路長は、上記ＭＭＩの半分の長さに相当するため、式（２）が成り立つ。 Since the waveguide length of the multimode core of the optical inverting circuits 8 and 9 of the present invention corresponds to half the length of the MMI, equation (2) is established.

ここで本実施形態の三次元光回路の具体的構成の一例について説明する。図１の三次元光回路において、積層光回路６の光導波路１−１、２−１、３−１、４−１、１−２、４−２を、２〜１０μｍ角の断面形状を有し、屈折率１．４６を備えるＧｅが添加されたＳｉＯ₂をコア材料で構成し、各層１、２、３、４のクラッド材料は、屈折率１．４４を備えるＳｉＯ₂を用いて構成する。また、光反転回路８、９は、中空構造を備えるコア形状を備えた筐体内部の上下に、光信号波長の１／４の厚みを備えた薄膜を異なる屈折率材料で多層積層して得られる反射鏡からなるクラッド８２、９３を設けて構成する。筐体内部の側面、端面には、金などの金属が設けられており、全反射構造となっている。この光反転回路８、９の比屈折率はｎｒ＝１．０であると考えられる。また、光信号波長λは、λ＝１．５５μｍのものを用いることとする。 Here, an example of a specific configuration of the three-dimensional optical circuit of the present embodiment will be described. In the three-dimensional optical circuit of FIG. 1, the optical waveguides 1-1, 2-1, 3-1, 4-1, 1-2, and 4-2 of the laminated optical circuit 6 have a cross-sectional shape of 2 to 10 μm square. and the SiO ₂ which Ge is added with a refractive index of 1.46 and composed of a core material, a cladding material of each layer 1, 2, 3 and 4, constructed using SiO ₂ with a refractive index of 1.44 . Further, the optical inversion circuits 8 and 9 are obtained by laminating thin films having a thickness of ¼ of the optical signal wavelength in multiple layers with different refractive index materials on the upper and lower sides of a housing having a core shape with a hollow structure. A clad 82, 93 made of a reflecting mirror is provided. A metal such as gold is provided on the side surface and the end surface inside the housing to form a total reflection structure. The relative refractive index of the optical inversion circuits 8 and 9 is considered to be nr = 1.0. The optical signal wavelength λ is λ = 1.55 μm.

この三次元光回路の光導波路の光入出力端１−１Ｒ、２−１Ｒ、３−１Ｒ、４−１Ｒそれぞれの間隔Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３は４．５μｍ〜１０μｍであり、Δは１．７５〜１０μｍであるので、マルチモードコアの高さ８１Ｈ、８２Ｈは８μｍ〜３０μｍとし、マルチモードコアの導波路長８Ｌは、約８０μｍ〜５００μｍとすることができる。具体的には、各パラメータλ＝１．５５μｍ、ｎｒ＝１．０、ｓ＝０、Ｗｅ＿ｎ＝８μｍ、３０μｍを式（２）、（３）に代入して得られる値、Ｌ＝８２μｍ、４９９μｍに基づいて導波路長８Ｌが決定される。 The distances D1, D2, and D3 of the optical input / output ends 1-1R, 2-1R, 3-1R, and 4-1R of the optical waveguide of this three-dimensional optical circuit are 4.5 μm to 10 μm, and Δ is 1.75. Since the height of the multimode core 81H and 82H is 8 μm to 30 μm, the waveguide length 8L of the multimode core can be about 80 μm to 500 μm. Specifically, the values obtained by substituting each parameter λ = 1.55 μm, nr = 1.0, s = 0, We_n = 8 μm, 30 μm into Equations (2) and (3), L = 82 μm, 499 μm The waveguide length 8L is determined based on the above.

また、光導波路の光入出力端１−２Ｒ、４−２Ｒの間隔Ｄ４が１３．５μｍ〜３０μｍであるので、マルチモードコアの高さ９１Ｈは１７μｍ〜５０μｍであり、マルチモードコアの導波路長９Ｌは約３２０μｍ〜３５００μｍとすることができる。具体的には、各パラメータλ＝１．５５μｍ、ｎｒ＝１．０、ｓ＝０、Ｗｅ＿ｎ＝１７μｍ、５０μｍを式（２）、（３）に代入して得られる値、Ｌ＝３７２．９μｍ、３２２５．８μｍに基づいて導波路長９Ｌが決定される。 Further, since the distance D4 between the optical input / output ends 1-2R and 4-2R of the optical waveguide is 13.5 μm to 30 μm, the height 91H of the multimode core is 17 μm to 50 μm, and the waveguide length of the multimode core 9L can be about 320 μm to 3500 μm. Specifically, each parameter λ = 1.55 μm, nr = 1.0, s = 0, We_n = 17 μm, a value obtained by substituting 50 μm into the equations (2) and (3), L = 372.9 μm , 3225.8 μm, the waveguide length 9L is determined.

以上の構造を備えることにより、光導波路の光入出力端１−１Ｒからの光信号はマルチモードコア８１を長さ８Ｌ伝搬し、マルチモードコア８１の図示右側に設けられる反射面で全反射されて折り返し、再びマルチモードコア８１を長さ８Ｌ伝搬し、光導波路の光入出力端２−１Ｒへと導波される。同様に、光導波路の光入出力端３−１Ｒからの光信号はマルチモードコア８２を長さ８Ｌだけ伝搬し、全反射面で全反射されて折り返し、再びマルチモードコア８２を長さ８Ｌ伝搬し、光導波路の光入出力端４−１Ｒへと導波される。さらに、光導波路１−２からの光信号はマルチモードコア９１を長さ９Ｌ伝搬し、反射面で全反射されて折り返し、再びマルチモードコア９１を長さ９Ｌ伝搬し、光導波路４−２へと導波される。このように、本実施形態によれば、三次元光回路のシングルモード導波路が設けられた積層光回路の基板の面積全てを光導波路として使用して光回路を形成することができる。 With the above structure, the optical signal from the optical input / output end 1-1R of the optical waveguide propagates through the multimode core 81 for a length of 8L and is totally reflected by the reflecting surface provided on the right side of the multimode core 81 in the figure. Then, the signal propagates again through the multimode core 81 for a length of 8 L and is guided to the optical input / output end 2-1R of the optical waveguide. Similarly, an optical signal from the optical input / output end 3-1R of the optical waveguide propagates through the multimode core 82 for a length of 8L, is totally reflected by the total reflection surface, turns back, and propagates again through the multimode core 82 for a length of 8L. Then, it is guided to the optical input / output end 4-1R of the optical waveguide. Furthermore, the optical signal from the optical waveguide 1-2 propagates through the multimode core 91 for a length of 9L, is totally reflected by the reflecting surface and turns back, propagates again through the multimode core 91 for a length of 9L, and travels to the optical waveguide 4-2. Is guided. Thus, according to the present embodiment, an optical circuit can be formed by using the entire area of the substrate of the laminated optical circuit provided with the single mode waveguide of the three-dimensional optical circuit as the optical waveguide.

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。本実施形態は、第１の実施形態においてある１つの決まった導波路ペアを光接続していた光反転回路に変えて、複数の導波路ペアを選択的に光接続可能とした光反転回路を用いた態様である。図２（ａ）、（ｂ）は第２の実施形態にかかる三次元光回路の積層光回路６と光反転回路９０の対応関係を示す図であり、図２（ａ）は第１の層１と第４の層４とを光接続するときの構成を示し、図２（ｂ）は第１の層１と第２の層２とを光接続するときの構成を示している。なお、図２に示す例では説明を簡易にするために、三次元光回路は、積層光回路６と光反転回路９０との密着面を分離して示している。 (Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described. In this embodiment, instead of the optical inverting circuit that optically connects one predetermined waveguide pair in the first embodiment, an optical inverting circuit that can selectively optically connect a plurality of waveguide pairs is provided. This is the embodiment used. FIGS. 2A and 2B are diagrams showing a correspondence relationship between the laminated optical circuit 6 and the optical inversion circuit 90 of the three-dimensional optical circuit according to the second embodiment, and FIG. 2A is the first layer. 1 shows a configuration when optically connecting the first layer 4 and the fourth layer 4, and FIG. 2B shows a configuration when optically connecting the first layer 1 and the second layer 2. In the example shown in FIG. 2, in order to simplify the description, in the three-dimensional optical circuit, the contact surface between the laminated optical circuit 6 and the optical inversion circuit 90 is shown separately.

本実施形態の三次元光回路にかかる光反転回路９０は、第１の実施形態の光反転回路９０と異なり、マルチモードコア９１のクラッドとして機能する反射材料９４が、複数の位置に移動可能に構成されている。反射材料９４が移動可能な位置は、導波路ペアに対応して設定される。具体的には、複数の導波路ペアについて実施形態１と同様に式（１）に基づいて算出される複数の位置に設定される。 Unlike the optical inverting circuit 90 of the first embodiment, the optical inverting circuit 90 according to the three-dimensional optical circuit of the present embodiment allows the reflective material 94 functioning as the cladding of the multimode core 91 to move to a plurality of positions. It is configured. The position where the reflective material 94 can move is set corresponding to the waveguide pair. Specifically, a plurality of waveguide pairs are set at a plurality of positions calculated based on the formula (1) as in the first embodiment.

また、マルチモードコア９１の導波路長９Ｌは、光接続の対象となるシングルモード光導波路のペアに対応して設定される。具体的には、光接続の対象となるシングルモード光導波路のペアそれぞれについて、式（２）、（３）に基づいて必要な導波路長を求め、複数求められた導波路長の最小公倍数である長さに設定される。 The waveguide length 9L of the multimode core 91 is set corresponding to a pair of single mode optical waveguides to be optically connected. Specifically, for each pair of single-mode optical waveguides to be optically connected, the required waveguide length is obtained based on equations (2) and (3), and the least common multiple of the obtained waveguide lengths is obtained. Set to a certain length.

ここで本実施形態の三次元光回路の構成の一例について説明する。光導波路１−１、２−１、３−１、４−１が１μｍ角の断面形状を持ち、屈折率１．６を備えるＧｅが添加されたＳｉＯ₂をコア材料とし、屈折率１．４４を備えるＳｉＯ₂をクラッド材料として備えた積層光回路６を用いて構成され、中空構造を備えるマルチモードコア９１を備える光反転回路９０で光接続を行う。光反転回路９０は、中空構造を備えるコア形状を備えた筐体内部の上下に、光信号波長の１／４の厚みを備えた薄膜を異なる屈折率材料で多層積層して得られる反射鏡からなるクラッド９２、９４を設けて構成する。筐体内部の側面、端面には、金などの金属が設けられており、全反射構造となっている。この光反転回路８、９の比屈折率はｎｒ＝１．０であると考えられる。また、光信号波長λは、λ＝１．５５μｍのものを用いることとする。 Here, an example of the configuration of the three-dimensional optical circuit of the present embodiment will be described. Optical waveguides 1-1, 2-1, 3-1, 4-1 have a 1 μm square cross-sectional shape, and SiO ₂ doped with Ge having a refractive index of 1.6 is used as a core material, with a refractive index of 1.44. It is constructed using the laminated optical circuit 6 having a SiO ₂ as the cladding material with, for optical connection with the optical inverting circuit 90 comprises a multi-mode core 91 having a hollow structure. The optical inversion circuit 90 is a reflector obtained by laminating thin films having a thickness of ¼ of the optical signal wavelength on the upper and lower sides of a housing having a core shape having a hollow structure with different refractive index materials. The claddings 92 and 94 are provided. A metal such as gold is provided on the side surface and the end surface inside the housing to form a total reflection structure. The relative refractive index of the optical inversion circuits 8 and 9 is considered to be nr = 1.0. The optical signal wavelength λ is λ = 1.55 μm.

また、光導波路１−１、２−１、３−１、４−１それぞれの間隔Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３が４．５μｍ〜１０μｍであり、Δは１．７５〜１０μｍであるので、マルチモードコア９１の高さを１７μｍ〜５０μｍのうちで（９１ｈよりも低い）所定の高さ９１Ｈ、８μｍ〜３０μｍのうちで（９１Ｈよりも高い）所定の高さ９１ｈとの２つの可変的な位置に設定する。 Further, since the intervals D1, D2, and D3 of the optical waveguides 1-1, 2-1, 3-1, and 4-1 are 4.5 μm to 10 μm and Δ is 1.75 to 10 μm, the multimode core The height of 91 is set to two variable positions of a predetermined height 91H of 17 μm to 50 μm (lower than 91h) and a predetermined height 91h of 8 μm to 30 μm (higher than 91H). To do.

またこの光反転回路９０は、マルチモードコアの導波路長９Ｌが３２０μｍ〜３５００μｍに設定される。これは、光導波路１−１と光導波路４−１とを光接続する場合に設定されるべきマルチモードコアの導波路長と、光導波路１−１と光導波路２−１とを光接続する場合に設定されるべきマルチモードコアの導波路長との最小公倍数である。 In the optical inverting circuit 90, the waveguide length 9L of the multimode core is set to 320 μm to 3500 μm. This is to optically connect the waveguide length of the multimode core to be set when optically connecting the optical waveguide 1-1 and the optical waveguide 4-1, and the optical waveguide 1-1 and the optical waveguide 2-1. It is the least common multiple with the waveguide length of the multimode core to be set.

図２（ａ）の状態においては、コアの高さ９１Ｈは、例えば４０μｍに設定される。光導波路１−１からの光信号は中空マルチモードコア９１を長さ９Ｌ伝搬し、全反射機能を備える反射面９５で折り返し、再び中空マルチモードコア９１を長さ９Ｌ伝搬し、光導波路４−１へと導波される。 In the state of FIG. 2A, the core height 91H is set to 40 μm, for example. The optical signal from the optical waveguide 1-1 propagates through the hollow multi-mode core 91 by a length of 9L, turns back at the reflecting surface 95 having a total reflection function, propagates again through the hollow multi-mode core 91 by a length of 9L, and the optical waveguide 4- 1 is guided.

一方、高さ位置可変となるクラッド９４を低い位置となる高さ９１ｈ（例えば２０μｍ）に移動させて図２（ｂ）の状態にする。この光反転回路９０においては、光導波路１−１からの光信号は中空マルチモードコア９１を長さ９Ｌ伝搬し、全反射機能を備える反射面９５で折り返し、再び中空マルチモードコア９１を長さ９Ｌ伝搬し、光導波路２−１へと導波される。 On the other hand, the clad 94 whose height position is variable is moved to a height 91 h (for example, 20 μm) which is a low position, so that the state shown in FIG. In this optical inverting circuit 90, the optical signal from the optical waveguide 1-1 propagates through the hollow multimode core 91 for a length of 9L, is turned back at the reflecting surface 95 having a total reflection function, and the hollow multimode core 91 is lengthened again. 9L propagates and is guided to the optical waveguide 2-1.

この実施形態によれば、２層以上に積層された基板に設けられた光導波路を任意の層間で光接続を可能とした三次元光回路を提供することができる。 According to this embodiment, it is possible to provide a three-dimensional optical circuit in which an optical waveguide provided on a substrate laminated in two or more layers can be optically connected between arbitrary layers.

以上の実施形態において積層光回路のクラッド材をシリコン基板、導波路をガラス光導波路として図示しているが、これに限ることなくガラス基板とガラス導波路、アクリル基板とポリイミド光導波路などの組み合わせで適用可能であることは言うまでもない。 In the above embodiments, the clad material of the laminated optical circuit is illustrated as a silicon substrate, and the waveguide is illustrated as a glass optical waveguide. However, the present invention is not limited to this, and a combination of a glass substrate and a glass waveguide, an acrylic substrate and a polyimide optical waveguide, or the like Needless to say, it is applicable.

（第３の実施形態）
本実施形態は、積層光回路のシングルモード光導波路が、可塑性の材料で構成されている場合の三次元光回路を示している。本実施形態の三次元光回路では図３に示すように、積層光回路のシングルモード光導波路は、その長さ方向において平行に揃って設けられていない。すなわち、第１の層７１と、第４の層７４とが可塑性の材料で構成されており、それぞれ上下に撓んでいる。一方で、各層の光導波路の光入出力端７１−１Ｒ、７２−１Ｒ、７３−１Ｒ、７４−１Ｒは垂直方向に並列して一定の間隔Ｄ５で設けられている。 (Third embodiment)
This embodiment shows a three-dimensional optical circuit when the single mode optical waveguide of the laminated optical circuit is made of a plastic material. In the three-dimensional optical circuit of this embodiment, as shown in FIG. 3, the single mode optical waveguides of the laminated optical circuit are not provided in parallel in the length direction. That is, the first layer 71 and the fourth layer 74 are made of a plastic material and are bent up and down. On the other hand, the optical input / output ends 71-1R, 72-1R, 73-1R, 74-1R of the optical waveguides of the respective layers are provided in parallel in the vertical direction with a constant interval D5.

本実施形態の三次元光回路でも、光反転回路の構成は、積層光回路のシングルモード光導波路形状によらず、第１の実施形態と同様に、光反転回路のマルチモードコアの高さと導波路長を決定することができる。また、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、第２の実施形態と同様に、任意の光導波路を選択的に光接続する構成を採用することもできる。 Even in the three-dimensional optical circuit of the present embodiment, the configuration of the optical inverting circuit is not dependent on the shape of the single mode optical waveguide of the laminated optical circuit, and is similar to the height of the multimode core of the optical inverting circuit as in the first embodiment. The waveguide length can be determined. Further, as shown in FIGS. 3A and 3B, a configuration in which an arbitrary optical waveguide is selectively optically connected can be employed as in the second embodiment.

１、７１：第１の層
２、７２：第２の層
３、７３：第３の層
４、７４：第４の層
６、７：積層光回路
８、９、９０：光反転回路
１０、２０、３０、４０：クラッド材料
６０：基板
１１、１２：光導波路
１−１、１−２、２−１、２−２、３−１、４−１：光導波路
８１、８２、９１：マルチモードコア
８３、９２、９４：マルチモードクラッド DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 71: 1st layer 2, 72: 2nd layer 3, 73: 3rd layer 4, 74: 4th layer 6, 7: Stacked optical circuit 8, 9, 90: Optical inversion circuit 10, 20, 30, 40: Clad material 60: Substrate 11, 12: Optical waveguide 1-1, 1-2, 2-1, 2-2, 3-1, 4-1: Optical waveguide 81, 82, 91: Multi Mode core 83, 92, 94: Multimode clad

Claims

A laminated optical circuit in which two or more optical circuits having a single-mode optical waveguide are stacked in the vertical direction; a multi-mode core optical waveguide that is optically connected to the optical waveguide of the laminated optical circuit; and an optical inverting circuit having a total reflection mirror; A three-dimensional optical circuit comprising:
The multimode core optical waveguide of the optical inverting circuit is configured such that one end is optically connected to the light input / output end of the single mode optical waveguide of the stacked optical circuit and the other end is covered with the total reflection mirror Then, light is output to the optical input / output end of the single mode optical waveguide, which is different from the optical input / output end of the single mode optical waveguide to which the optical signal is input, with respect to the height and waveguide length of the multimode core optical waveguide. By setting as described above, the single-mode optical waveguide of two or more layers is optically connected in the vertical direction at each light input / output end ,
The input / output ends of the single mode optical waveguides in the two or more layers of optical circuits are arranged at a constant interval D_core in the vertical direction, and between the layers of the two optical circuits to which the two single mode optical waveguides to be optically connected belong. Where n is the number of layers of other optical circuits present in the optical circuit, the multimode core is a hollow core, the refractive index n1 of the hollow core, the refractive index n0 of the cladding, and the multimode core has a relative refractive index nr = sqrt (n1 ^ 2-n0 ^ 2), and the optical signal wavelength to be optically connected is λ,
The height We_n of the multimode core is
We_n = (n + 1) × D_Core + 2 × Δ (1)
(Δ in Equation (1) is an error depending on the single-mode electromagnetic field distribution at the end face of the single-mode optical waveguide)
The waveguide length L is set based on
L = 3 × (2s + 1) × L1 (2)
(S ≧ 0 in formula (2)),
L1 = (2 × nr × We_n ^ 2) / (3 × λ) (3)
Three-dimensional optical circuit which is set to half the value of the optical coupling portion which periodically appearing characterized Rukoto based on.

Laminated optical circuit has a plurality of waveguides pairs two single-mode optical waveguide which is connected before Symbol light,
The multimode core optical waveguide has a height We_n of the multimode core determined based on the formula (1) for a single mode optical waveguide of a waveguide pair to be optically connected among a plurality of waveguide pairs. Is configured to change,
The waveguide length of the multimode core optical waveguide is the minimum waveguide length determined based on the equations (2) and (3) corresponding to the waveguide pair of the single mode optical waveguide included in the laminated optical circuit. The three-dimensional optical circuit according to claim 1 , wherein the three-dimensional optical circuit is set to a common multiple.