JP2001311971A

JP2001311971A - 光導波路デバイス

Info

Publication number: JP2001311971A
Application number: JP2000132582A
Authority: JP
Inventors: Tapuriya Rooshan; タプリヤローシャン
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2000-05-01
Filing date: 2000-05-01
Publication date: 2001-11-09

Abstract

(57)【要約】【課題】デバイス設計の自由度が高く、安価に製造する
ことができ、且つ出力ビームの形状を最適化することに
より高い結合効率で出力結合を行うことかできる光導波
路デバイスを提供する。【解決手段】ＥＯ偏向器１０は、下部電極としての導電
性基板１２、薄膜光導波路１４、導波形レンズ１６、上
部電極１８Ａと１８Ｂ、及び出力用光学素子としての出
射用直角プリズム２０を備えている。出射用直角プリズ
ム２０は、支持体２２Ａ、２２Ｂによりその底面の入射
側端部が所定高さに持ち上げられて、プリズム底面と薄
膜光導波路１４の表面との間に、光伝搬方向に向かって
厚さがテーパ状に減少する空気層２４が形成されてい
る。このテーパ状の空気層により、伝達関数Ｐ（Ｓ_k）
の値が変化し、出射用直角プリズム２０からの出力ビー
ムが光ファイバとの結合に好適な形状に補正される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光導波路デバイス
に関し、特に、光導波路内の光ビームを所定方向に出力
する出力用光学素子を備え、光インタコネクションにお
いて、光スイッチとして使用することができる光導波路
デバイス（光スイッチング・システム）に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】次世代
のデータリンクを構築するために、より高速の交換器と
ネットワークの開発が重要な課題となっている。光通信
の分野では、波長分割多重（ＷＤＭ）と時分割多重（Ｔ
ＤＭ）とを適宜組合せることによりテラビットのビット
レートでの伝送が実用化されつつあるが、実際の伝送速
度は伝送路のスイッチング速度により決まってしまう。
このため全光学スイッチ及び電気光学スイッチを作製す
るための研究に力が注がれている。全光学スイッチは優
れたスイッチング速度を示すが、従来のネットワーク・
ルータの構成では全光学スイッチをそのまま適用するこ
とはできない。これに対し電気光学スイッチは適度な伝
送速度を有しており、そのまま適用することができる。

【０００３】電気光学スイッチは、電気光学材料に電圧
を印加すると屈折率変化が生じるという電気光学効果を
利用している。例えば、梨本等によりAppl.Phy.Lett,Vo
l.74,No.19,pp2761-2763(1999)に開示された電気光学ス
イッチは、平面状の光導波路構造の上に所定形状で形成
された電極に電圧を印加することにより、光導波路材料
内の光信号を所望の出射角度で偏向させることができ
る。これら電気光学効果を利用した光導波路デバイス
（以下「ＥＯデバイス」と称する）は、ファイバアレイ
を用いた光クロスコネクトと結び付くことにより、高速
の光インタコネクションとして有望である。

【０００４】また、上述のＥＯデバイスでは、シングル
モードでの動作を保証するために光導波路の層厚を非常
に薄くしなければならない（通常２〜４μｍのオー
ダ）。これに対し、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）
は、直径９μｍのコアを有しているので、ＳＭＦの入力
端からＥＯデバイスへの光信号の入力結合とＥＯデバイ
スからＳＭＦの出力端への光信号の出力結合とにおい
て、実用上の問題が発生する。

【０００５】ここで、ＥＯデバイスを用いた光スイッチ
ングシステムには、以下に示す（ａ）〜（ｃ）の３つの
条件が必要となる。（ａ）設計の自由度を高めるために、ＳＭＦの入力端か
らＥＯデバイスへの光信号の入力結合とＥＯデバイスか
らＳＭＦの出力端への光信号の出力結合とが独立に行わ
れるようにする。（ｂ）コストを低減するために、光導波路の出力結合側
において、光導波路形成工程の他に製造工程が増加する
のを避けるべきである。（ｃ）出力ビームを出力結合側のファイバチャンネルア
レイに最適に結合するために、出力結合器はビーム形状
補正手段を備えるべきである。

【０００６】ＳＭＦの入力端からＥＯデバイスへの光信
号の入力結合は、従来の端面結合の技術を用いて容易に
行なうことができる。しかしながら、薄膜光導波路の基
本的な性質により、光ビームの出力結合には特別な光学
的受動デバイスが必要とされる。一般的な出力結合の方
法は、グレーティング結合とプリズム結合の２つであ
る。

【０００７】グレーティング結合は、デバイス内に形成
されたグレーティングを用いて出力結合を行うものであ
り、回折次数が高くなるに従って回折効率が低下する。
これに対し砂川等の米国特許５，３１５，６７６号明細
書に記載された所定形状に設計されたグレーティングに
よれば、高い光学効率が得られると同時に出力される光
ビームのプロファイルを変えることが可能である。しか
しながら、この砂川等の方法では、光導波路内での光ビ
ームの伝搬方向に屈折率の変調が徐々に増加するグレー
ティング構造を作製しなければならず、条件（ｂ）を満
たさない。

【０００８】一方、プリズム結合器は１００％の光学効
率を有しており、ＥＯデバイスに対し他の製造工程を付
加するものではない。しかしながら、プリズム結合器に
は、出力ビームのビームプロファイルが指数関数的であ
るという根本的な不利益がある。このビームプロファイ
ルをＳＭＦの出力端へ出力結合すると、クロストークや
結合効率の低下を招くので好ましくない。このため何ら
かのビーム形状補正が必要となる。

【０００９】これに対し横森等は米国特許５，０９５，
３８９号明細書において、光学ピックアップ等への応用
のために、半導体レーザにより出射される楕円状のビー
ムを真円状にする機構を提案している。そのメカニズム
は、入力結合と出力結合の両方に同じプリズムを使用し
なければならず、プリズムギャップ界面での内部全反射
を利用すると同時に、光導波路内での光学的結合を利用
している。このためこの機構を適用するに当たっては、
内部全反射と光学的結合の両方を同時にサポートするギ
ャップ部材の選択と特別な製造工程が必要となる他、入
出力に同じプリズムを用いることによりＥＯデバイスの
システム設計の自由度が低下するという問題がある。以
上の観点から、米国特許５，０９５，３８９号明細書に
記載された横森等の提案は、前記の条件（ａ）及び
（ｂ）を満たしていない。

【００１０】また、米国特許５，０９５，３８９号明細
書には、ギャップ部材に傾斜を導入することにより、出
力ビームの電界分布が変更され得ることに言及してい
る。これは有用な特徴であるが、プリズム表面と光導波
路材料とに密着し且つ層厚が変化するギャップ部材の連
続層が必要になるので、製造工程が非常に複雑になる。
この方法では複雑な製造工程が必要であり、コストの増
加を避けることができない。

【００１１】他のビーム形状補正方法として、エッチン
グにより光導波路にホログラフィックパターンを直接形
成して真円のビームプロファイルを形成する方法が開示
されているが、この方法においても製造工程の増加と設
計上の制約という問題がある。

【００１２】本発明は上記従来技術の問題点に鑑み成さ
れたものであり、本発明の目的は、デバイス設計の自由
度が高く、安価に製造することができ、且つ出力ビーム
の形状を最適化することにより高い結合効率で出力結合
を行うことかできる光導波路デバイスを提供することに
ある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載の光導波路デバイスは、基板上に形
成された電気光学効果を有する光導波路と、前記光導波
路上に配置され、前記光導波路の光伝搬方向に向かって
厚さがテーパ状に減少するようにした前記光導波路より
屈折率が低い低屈折率領域と、前記低屈折率領域上に配
置され、前記光導波路から低屈折率領域を介して入射さ
れた光ビームを所定方向に出力する出力用光学素子と、
を含んで構成したことを特徴とする。

【００１４】請求項１に記載の光導波路デバイスは、基
板上に形成された電気光学効果を有する光導波路を備え
ており、この光導波路上に配置された低屈折率領域は、
光導波路より屈折率が低く、光導波路の光伝搬方向に向
かって厚さがテーパ状に減少するように構成されてい
る。この低屈折率領域上に配置された出力用光学素子
は、光導波路から低屈折率領域を介して入射された光ビ
ームを所定方向に出力する。

【００１５】本発明では、光導波路の光伝搬方向に向か
って厚さがテーパ状に減少するように構成した低屈折率
領域を設けたことにより、出力ビームの形状を最適化す
ることができ、高い結合効率で出力結合を行うことかで
きる。また、ビーム形状補正のために複雑な構造を形成
する必要がないので、デバイス設計の自由度が高く、光
導波路デバイスを安価に製造することができる。

【００１６】請求項２に記載の光導波路デバイスは、請
求項１に記載の発明において、前記出力用光学素子の屈
折率を、前記光導波路の屈折率より高くしたことを特徴
とする。

【００１７】請求項３に記載の光導波路デバイスは、請
求項１または２に記載の発明において、前記低屈折率領
域のテーパ長をｃ、前記低屈折率領域の最大厚さをｒと
したとき、ｒ／ｃの値が２×１０^-5〜２．５×１０^-4の
範囲にあることを特徴とする。

【００１８】請求項４に記載の光導波路デバイスは、請
求項１〜３のいずれか１項に記載の発明において、前記
出力用光学素子がプリズムであることを特徴とする。

【００１９】請求項５に記載の光導波路デバイスは、請
求項１〜４のいずれか１項に記載の発明において、前記
低屈折率領域が空気層により構成されることを特徴とす
る。

【００２０】請求項６に記載の光導波路デバイスは、請
求項５に記載の発明において、前記プリズムと前記光導
波路との間に支持体を介在させて前記空気層が形成され
ることを特徴とする。

【００２１】請求項７に記載の光導波路デバイスは、請
求項４〜６のいずれか１項に記載の発明において、前記
プリズムの光ビーム出力面に屈折レンズが取り付けられ
たことを特徴とする。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について詳細に説明する。

【００２３】図１に、本発明の光導波路デバイスを光ク
ロスコネクト装置としての電気光学偏向器（以下、「Ｅ
Ｏ偏向器」と称する）に適用した実施の形態を示す。な
お、本発明の光導波路デバイスは、どのような光導波路
デバイスでも良くＥＯ偏向器には限定されないが、後述
する計算プロセスを説明するために本実施の形態では特
定のＥＯ偏向器について説明する。

【００２４】図１に示すように、本実施の形態のＥＯ偏
向器１０は、下部電極としての導電性基板１２上に形成
された薄膜光導波路１４を備えており、薄膜光導波路１
４の光入射側内部には導波形レンズ１６が形成されてい
る。この導波形レンズ１６の光伝搬方向下流側の薄膜光
導波路１４の上面には、底辺が光伝搬方向と直交し且つ
光入射側に位置する直角三角形状の上部電極１８Ａと、
斜辺が上部電極１８Ａの斜辺と対向し底辺が光伝搬方向
と直交し且つ光出射側に位置する直角三角形状の上部電
極１８Ｂと、が形成されている。

【００２５】この上部電極１８Ａ、１８Ｂの光伝搬方向
下流側には、出力用光学素子としての底角α、屈折率ｎ
_pの出射用直角プリズム２０が配置されている。出射用
直角プリズム２０は、短ブロック状の支持体２２Ａ、２
２Ｂによりその底面の入射側（直角側）端部が所定高さ
に持ち上げられて、出射用直角プリズム２０の底面と薄
膜光導波路１４の表面との間に、光伝搬方向に向かって
厚さがテーパ状に減少する空気層２４が形成されてい
る。また、出射用直角プリズム２０の斜面には、図５に
示すように、屈折レンズ２８が接着層２６を介して接着
されている。このように屈折レンズ２８を出射用直角プ
リズム２０の斜面に取り付けることにより、屈折レンズ
２８は後述する通りフーリエ変換素子として作用する。
なお、底角αは図２に示すように出射用直角プリズム２
０の底面と斜面とが成す角度である。

【００２６】このＥＯ偏向器１０の入力端にシングルモ
ードファイバ３０から端面結合により光ビームを入射す
ると、入射された光ビームは導波形レンズ１６により平
行光化される。上部電極１８Ａ及び上部電極１８Ｂのい
ずれか一方と、導電性基板１２との間に電圧を印加する
ことにより、電圧を印加された電極の直下部分とそれ以
外の部分とで屈折率差が発生し、この領域に入射された
光ビームは、電気光学効果に基づいて左右いずれかの方
向へ偏向される。所定方向に偏向され、かつ薄膜光導波
路１４から出射された光ビームは、空気層２４を通過し
て出射用直角プリズム２０に入射される。出射用直角プ
リズム２０に入射された光ビームは、ビーム形状が補正
されて出射される。出射された光ビームは、出射用直角
プリズム２０の斜面に接着された屈折レンズ２８によ
り、出射側に配置された複数のファイバ３２₁〜３２₇か
らなる光ファイバアレイの１つのファイバのコアに収束
される。これにより光信号がファイバ３２₁〜３２₇の１
つに切り替えられる。

【００２７】図２に上記ＥＯ偏向器における種々のパラ
メータの定義を示す。これらのパラメータは、出射用直
角プリズム２０から出射される光ビームの電界分布を計
算するのに必要とされる。図２に示すように、薄膜光導
波路層１４の層厚がＴ_f、及び導電性基板１２の層厚が
Ｔ_sであり、出射用直角プリズム２０の屈折率がｎ_p、空
気層２４の屈折率がｎ_c、薄膜光導波路層１４の屈折率
がｎ_f、及び導電性基板１２の屈折率がｎ_sである。ここ
で、出射用直角プリズム２０の屈折率ｎ_pは薄膜光導波
路層１４の屈折率ｎ_fより高く、空気層２４の屈折率ｎ_c
は薄膜光導波路層１４の屈折率ｎ_fより低い。即ち、空
気層２４は最も低い屈折率を有する低屈折率領域を形成
しており、ｎ_p＞ｎ_f＞ｎ_cの関係が成立する。

【００２８】また、支持体２２Ａ、２２Ｂの高さ、即ち
空気層２４の最大厚さはｒであり、出射用直角プリズム
２０の長さ、即ち空気層２４のテーパ長はｃである。そ
して、エアギャップの厚さはＳ_kである。

【００２９】上述の通り空気層２４は、光伝搬方向に向
かってその厚さがテーパ状に減少する。このようにエア
ギャップの厚さＳ_kが徐々に減少すると、（１）結合効
率α_rの変化、及び（２）出射用プリズムとの電界分布
の空間的なオーバラップという２つのファクタにより、
出射される光ビームの電界分布が変化する。即ち、上記
（１）及び（２）はエアギャップの厚さＳ_kの関数であ
る。

【００３０】本実施の形態においては、光伝搬方向をｚ
軸方向（テーパ端部でｚ＝０）、光導波路の厚さ方向を
ｙ軸方向（光導波路表面でｙ＝０）とすると、空気中へ
放射される漏洩モード成分Ｅ_air（ｙ）はｙの関数とし
て下記（１）式で表される。

【００３１】

【数１】

【００３２】ｋ₀＝２π／λとして、γ_coは下記（２）
式で定義される。

【００３３】

【数２】

【００３４】上記（２）式において、ｎ_effは実効屈折
率である。

【００３５】結合効率α_rはＳ_kを用いて下記式（３）で
定義される。

【００３６】

【数３】

【００３７】上記（３）式において、Ｔ_effは実効導波
路幅であり、θ_fは出射用直角プリズム２０からの出射
角度であり、ρ‘_c及びρ_cは位相因子である。これらは
出射用直角プリズム２０を配置することにより確認され
た値である。従来例ではＴ_eff、θ_f、ρ‘_c、ρ_c、及び
γ_coは一定であるので、Ｓ_kが一定のとき出力結合効率
は変化せず、出力ビームの電界分布は指数関数的であ
る。

【００３８】本実施の形態では、空気層２４のテーパ長
ｃをＮ等分したｃ／ＮをサンプリングピッチΔｚとする
と、ｚ＝０の点からｋ番目のエアギャップの厚さＳ_kは
下記式（４）で定義される。

【００３９】

【数４】

【００４０】伝達関数Ｐ（Ｓ_k）は下記式（５）で与え
られる。この伝達関数Ｐ（Ｓ_k）は、サンプリングピッ
チΔｚでの結合効率をα_r（Ｓ_k）としたときの伝達関数
の重なりに相当する。なお、Ｓ_kが一定であれば伝達関
数Ｐ（Ｓ_k）は指数関数的になる。

【００４１】

【数５】

【００４２】一方、出射用直角プリズム２０と空間的に
オーバラップする電界分布の量Ｑ（Ｓ_k）は、Ｓ_kを変数
として下記式（６）で与えられる。

【００４３】

【数６】

【００４４】また、出力ビームの電界分布Ａ（Ｓ_k）
は、式（５）及び式（６）を用いて下記式（７）で与え
られる。

【００４５】

【数７】

【００４６】図３にｚ軸方向への変位に応じた伝達関数
Ｐ（Ｓ_k）の変化の計算例を示す。λ＝１．３１μｍ、
ｎ_c＝１．００、ｎ_f＝２．４７、ｎ_s＝２．４３、ｎ_p＝
２．７１、Ｔ_f＝２．２μｍ、Ｔ_s＝１．４μｍ、ｓ
₀（エアギャップの初期値）＝ｒ、Ｎ＝５０、ｃ＝５０
００μｍ、及びΔｚ＝１００μｍとして、シミュレーシ
ョンを行った。ｒの範囲は０．００１μｍ〜０．２５０
μｍであり、この範囲から選択された数種類のｒについ
て計算を行った。図３からｒが０．００１μｍの場合に
は伝達関数Ｐ（Ｓ_k）が指数関数的になることが分か
る。この場合には、傾斜角度が小さすぎてＳ_kが実質的
に変化しなかったと考えられる。しかしながら、Ｓ_kが
増加するに従い、伝達関数Ｐ（Ｓ_k）は種々の特徴を示
すようになる。

【００４７】図４にプリズムの出射面からの距離に応じ
た出力ビームの電界分布Ａ（Ｓ_k）の変化の計算例を示
す。図４に示すように、ｒが０．０１μｍ〜１．２５μ
ｍの範囲での出力ビームの電界分布Ａ（Ｓ_k）は、ｒの
値を種々変えることにより変化する。即ち、図４はｒの
値を種々変えることにより種々のビーム形状が得られる
ことを示している。例えばｒが０．０１μｍの場合に
は、予想通りプロファイルは指数関数的になるが、ｒが
０．２５μｍまたは１．２５μｍになるとビームプロフ
ァイルはドラスティックに変化する。即ち、図４は、支
持体の高さ（即ち、空気層２４の最大厚さ）ｒを変える
ことにより、ビームプロファイルを簡単に変えることが
できることを示している。図４から分かるように、光フ
ァイバとの結合に最適なビームプロファイルを得るため
には、テーパ長ｃとテーパ最大厚さｒとの比ｒ／ｃの値
が２×１０^-5〜２．５×１０^-4の範囲にあることが好ま
しい。図４に示すＥＯ偏向器では、テーパ長ｃは５００
０μｍであるから、テーパ最大厚さｒが０．１０〜１．
２５μｍの範囲が好ましい。

【００４８】出射用直角プリズム２０からの出力ビーム
は、斜面に取り付けられた屈折レンズ２８によりフーリ
エ変換される。このため出射用直角プリズム２０からの
出力ビームがブロードになるほど、ファイバアレイが配
置されるフーリエ面でのスポットサイズは小さくなる。
フーリエ面でのビームプロファイルを式（８）で表す。

【００４９】

【数８】

【００５０】上記式（８）において、Ａ‘（ｙ、Ｓ_k）
はプリズムの下方からプリズムの斜面まで伝達される電
界分布を表す。例えば、ｒ＝０．５μｍでｆ＝３０ｍｍ
のとき、スポットサイズは１０μｍ未満と計算される。

【００５１】以上の通り、本実施の形態では、空気層を
光導波路の光伝搬方向に向かって厚さがテーパ状に減少
する構造としたことにより、伝達関数Ｐ（Ｓ_k）の値が
変化し、出力ビームの電界分布Ａ（Ｓ_k）が変化して、
出射用直角プリズムから出力される光ビームが光ファイ
バとの結合に好適な形状に補正される。これにより高い
結合効率で出力結合を行うことかできる。また、複雑な
構造を形成することなくビーム形状を補正することがで
きるので、デバイス設計の自由度が高く、光導波路デバ
イスを安価に製造することができる。

【００５２】上記実施の形態では、短ブロック状の２つ
の支持体により出射用直角プリズムを持ち上げ空気層を
形成したが、長いブロック状の単一の支持体により出射
用直角プリズムを持ち上げて空気層を形成してもよい。
また、これら支持体は、例えばＬｉＮｂＯ₃等の導電性
基板上に形成した例えばＰＬＺＴ等のアモルファス層
を、ウエットエッチングまたはドライエッチングするこ
とにより形成することができる。また、例えばＬｉＮｂ
Ｏ₃等の導電性基板上にＰＬＺＴ等をエピタキシャル成
長させることによっても作製することができる。

【００５３】また、上記実施の形態では、出射用直角プ
リズムの底面と薄膜光導波路表面との間に、光伝搬方向
に向かって厚さがテーパ状に減少する空気層を形成した
が、空気層に代えて上述の屈折率条件を満たす材料から
なる固体材料層を形成することができる。

【００５４】また、上記実施の形態では、出射用光学素
子として直角プリズムを用いたが、薄膜光導波路表面と
の間でテーパ状の低屈折率領域を形成することができ、
且つ光導波路から低屈折率領域を介して入射された光ビ
ームを所定方向に出力することができれば、他の形状の
光学素子でもよい。例えばプリズムの底面を曲面とした
光学素子等も用いることができる。

【００５５】

【発明の効果】本発明の光導波路デバイスは、デバイス
設計の自由度が高く、安価に製造することができ、且つ
出力ビームの形状を最適化することにより高い結合効率
で出力結合を行うことかできる、という効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施の形態のＥＯ偏向器の構成を示す斜視図
である。

【図２】本実施の形態のＥＯ偏向器における種々のパラ
メータを定義するための説明図である。

【図３】伝達関数の数値解析結果を表す線図である。

【図４】出力ビームの電界分布の数値解析結果を表す線
図である。

【図５】本実施の形態のＥＯ偏向器の出射用直角プリズ
ムの構成を示す斜視図である。

【符号の説明】

１０ＥＯ偏向器１２導電性基板１４薄膜光導波路１６導波形レンズ１８Ａ、１８Ｂ上部電極２０出射用直角プリズム２２Ａ、２２Ｂ支持体２４空気層２６接着層２８屈折レンズ３０シングルモードファイバ３２₁〜３２₇ファイバ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に形成された電気光学効果を有する
光導波路と、前記光導波路上に配置され、前記光導波路の光伝搬方向
に向かって厚さがテーパ状に減少するようにした前記光
導波路より屈折率が低い低屈折率領域と、前記低屈折率領域上に配置され、前記光導波路から低屈
折率領域を介して入射された光ビームを所定方向に出力
する出力用光学素子と、を含む光導波路デバイス。
【請求項２】前記出力用光学素子の屈折率を、前記光導
波路の屈折率より高くした請求項１に記載の光導波路デ
バイス。
【請求項３】前記低屈折率領域のテーパ長をｃ、前記低
屈折率領域の最大厚さをｒとしたとき、ｒ／ｃの値が２
×１０^-5〜２．５×１０^-4の範囲にある請求項１または
２に記載の光導波路デバイス。
【請求項４】前記出力用光学素子がプリズムである請求
項１〜３のいずれか１項に記載の光導波路デバイス。
【請求項５】前記低屈折率領域が空気層により構成され
る請求項１〜４のいずれか１項に記載の光導波路デバイ
ス。
【請求項６】前記プリズムと前記光導波路との間に支持
体を介在させて前記空気層が形成される請求項５に記載
の光導波路デバイス。
【請求項７】前記プリズムの光ビーム出力面に屈折レン
ズが取り付けられた請求項４〜６のいずれか１項に記載
の光導波路デバイス。