JP2001324630A - Ｙ分岐光導波路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な構造で所望の不等分岐比で入射
光を低損失で分岐可能なＹ分岐光導波路を提供する。 【解決手段】 基板上に形成された入射光導波路と、
該入射導波路からの光を２つに分岐するための分岐部
と、分岐された光を導く一対の分岐導波路とを有し、分
岐部の平面形状が、外側輪郭は、入射光導波路の中心軸
について対称をなし、等比分岐するＹ分岐光導波路の外
側輪郭と同じ形状をなし、かつ内側輪郭は入射光導波路
の中心軸について非対称をなす構造とすることで、分岐
部の内側輪郭を変えるのみで、テーパ導波路を設けるこ
となく、また導波路形状が急激に変化することなく所望
の不等分岐比で入射光を分岐できるため、高次導波モー
ドの発生、または導波路形状の急変化による信号光の損
失が少なくなり、接続する光学素子との間の光軸のずれ
に対する分岐比の変化も小さくできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信、光信号処
理等の分野で用いられる光学部品に適用される光導波路
に関し、特に基板上に形成された入射光導波路からの光
を２つに分岐するＹ分岐光導波路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、光通信等に用いられる光集積
回路（光ＩＣ）に、例えば分岐器としてＹ分岐光導波路
が用いられている。このような光導波路は、石英あるい
はシリコンウェーハ等からなる基板上に必要に応じてバ
ッファ層を介してコアと上部クラッド層とを備えたもの
である。

【０００３】Ｙ分岐導波路は、単に光を分岐させる用途
のみでなく、例えば分岐した一方の分岐導波路の終点に
フォトダイオードなどの受光素子を配置し、他方の分岐
導波路の終点にレーザダイオードなどの発光素子を配置
して送受信を行うのに利用される。その場合、例えば分
岐前の光のパワーを１０として５：５の分岐とすると、
受光側のパワーが半分になるため、感度の良い受光素子
を用いる、発光素子にパワーの高いものを用いる等の対
応が必要となる。

【０００４】そこで、例えば特開平８−１２２５４７号
公報や特開平９−３３７４０公報に開示されているよう
に、入射導波路からの光をできるだけ多く受光側フォト
ダイオードへ導くため分岐の比率（分岐比）を５：５か
ら６：４などへずらして、パワーの損失を小さくする方
法が提案されている。

【０００５】特開平８−１２２５４７号公報に開示され
た構造は、分岐部に広がりをもつテーパ導波路を設け、
その広がり角に沿う分岐導波路（コア）と、曲線的な分
岐導波路とに分岐するようにし、即ち分岐部に於ける各
分岐導波路の平面形状全体を互いに異なるものとして分
岐比を変更するものである。

【０００６】また、特開平９−３３７４０公報に開示さ
れた構造は、入射導波路に対して分岐導波路の中心をオ
フセットさせたものでＹ分岐導波路型光タップと呼ばれ
るものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記特開平８−１２２
５４７号公報に開示された構造では、分岐導波路の前に
テーパ導波路が必要であるが、このテーパ導波路で光が
マルチモードとなり、その部分が長いほど、好ましくな
い高次導波モードを発生し易くなるという問題がある。
また、特にファイバ接続や実装の際に生じる光軸のずれ
の影響から入射位置が入射導波路の中心からずれている
場合には、その影響を更に増幅して目標の分岐比から大
きく変動するという問題もある。

【０００８】一方、特開平９−３３７４０公報に開示さ
れた構造では、分岐比は大きくとれるものの、段差があ
ると、導波路形状が急激に変化するため損失が大きくな
るという問題がある。また、導波路形状が急激に変化を
防止するべく上記したようなテーパ導波路を介在させる
と、高次導波モードの発生及び入射導波路への入射光軸
のずれによる目標の分岐比からの変動の問題が生じる。

【０００９】入力導波路と出力側の２本の導波路との相
対的な中心軸を一定長さシフトさせたもの（ＮＴＴ Ｒ
＆Ｄ ｖｏｌ．４６ Ｎｏ．５ Ｐ．４７３ １９９７
年）もあるが、この構造もテーパ導波路を介在させてい
るため、高次導波モードの発生及び入射導波路への入射
光軸のずれによる目標の分岐比からの変動の問題がある
ものである。

【００１０】これらの構造は後記するように、変化の少
ないものでも±２μｍの軸ずれで分岐比±１０％程度変
化してしまう。

【００１１】尚、導波路を用いず、光ファイバで分岐路
を構成することも考えられる。この場合も等分岐させる
には入射側ファイバに２本の分岐ファイバを同じ条件で
融着させれば良いが、６：４のように分岐比を一方に偏
ったものとする場合には、安定した融着が困難であり、
融着不良により損失が大きくなったり、所望の分岐比が
得られない等の問題がある。

【００１２】本発明は上記したような従来技術の問題点
に鑑みなされたものであり、簡単な構造で所望の不等分
岐比で入射光を低損失で分岐可能なＹ分岐光導波路を提
供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記した目的は、本発明
によれば、基板上に形成された入射光導波路と、該入射
導波路からの光を２つに分岐するための分岐部と、分岐
された光を導く一対の分岐導波路とを有するＹ分岐光導
波路であって、前記分岐部の平面形状が、外側輪郭は前
記入射光導波路の中心軸について対称をなし、かつ内側
輪郭は前記中心軸について非対称をなすことにより、前
記各分岐導波路に偏った分岐比で前記入射光導波路から
の光を分岐させるようになっていることを特徴とするＹ
分岐光導波路を提供することにより達成される。特に、
前記内側輪郭が、一方の辺がテーパ状をなし、かつ他方
の辺が前記中心軸と平行な楔を、前記中心軸を挟むよう
に、前記分岐部に前記分岐導波路側から打ち込んだ形状
をなすと良い。

【００１４】このようにすれば、分岐部の内側輪郭を変
えるのみで、テーパ導波路を設けることなく、また導波
路形状が急激に変化することなく所望の不等分岐比で入
射光を分岐できる。そして、その内側輪郭を楔形とする
ことで設計及び製造も容易になる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の好適な実施形態
について、添付の図面を参照して詳細に説明する。

【００１６】図１は本発明が適用されたＹ分岐光導波路
１の斜視図である。このＹ分岐光導波路１は、埋込み導
波路構造を有し、光信号を分岐するようなパターンにコ
アが形成され、例えば光通信に送受信のための分岐器と
して用いられるものである。図中左側に位置する入射導
波路としてのコア３の端面３ａに図示されない光ファイ
バ等から信号光が入力されると、分岐部４を介して図中
右側に位置する一方の分岐導波路としてのコア５に至
り、端面５ａ（出力端）から出力されるようになってい
る。また、他方の分岐導波路としてのコア６の端面６ａ
から図示されないレーザダイオード等の発光素子から信
号光が入力されると、分岐部４を介してコア３に至り、
端面３ａから光ファイバ等に出力されるようになってい
る。

【００１７】図２は光導波路１のＩＩ−ＩＩ線について
見た断面図である。石英等のガラスまたはセラミックか
らなる基板２上に、バッファ層（下部クラッド層）８を
介してコア３、５、６が形成され、このコア３、５、６
及びコアのないバッファ層８を覆うように上部クラッド
層９が形成されている。尚、本構成では基板２上にバッ
ファ層８を介してコア３、５、６及び上部クラッド層９
を形成したが、基板を石英等の底屈折率のガラス基板と
し、バッファ層としても機能させれば別途バッファ層を
設ける必要がなく、基板上に直接コア及び上部クラッド
層を形成することができる。

【００１８】バッファ層８は、基板２上に例えば厚さが
２５μｍ程度の膜状に形成されている。また、コア３、
５、６は、断面が例えば一辺が８μｍ程度の正方形をな
している。このコア３、５、６はバッファ層８及び上部
クラッド層９よりもその屈折率が若干高く形成されてお
り、その内部を光通信などに用いられる信号光が通るよ
うになっている。上部クラッド層９は、バッファ層８と
共にコア３、５、６を覆うように、バッファ層８及びコ
ア３、５、６上に、例えば厚さが２５μｍ程度の膜状に
形成されている。

【００１９】図３はＹ分岐光導波路１の要部拡大平面図
であり、コア３、５、６の輪郭形状を強調して示す。こ
のＹ分岐光導波路１は、直線状をなす入射光導波路とし
てのコア３と、このコア３からの信号光を２つに分岐す
るための分岐部４と、分岐された光を受光素子に導くべ
く一定の曲率の曲線状をなす一対の分岐導波路としての
コア５、６とを有し、その全体の輪郭は、コア３の中心
軸Ｏについて対称な等比分岐するＹ分岐光導波路と概ね
同様な輪郭（想像線）になっている。コア５は図示され
ない発光素子からの光信号を分岐部４、コア３を介して
光ファイバに出射するための導波路を構成し、コア６は
図示されない受光素子に信号光を導くための導波路を構
成するものである。

【００２０】分岐部４は、具体的には、外側（図に於け
る上下）の輪郭は等比分岐するＹ分岐光導波路と同じで
あり、内側（コア５とコア６とに挟まれた部分）の輪郭
は、分岐部４に、一方の辺がテーパ状をなし、かつ他方
の辺が前記中心軸と平行な楔Ａを、上記中心軸Ｏを挟む
ように、各コア５、６間から打ち込み、等比分岐するＹ
分岐光導波路の内側輪郭にこの楔Ａが干渉する部分をこ
の等比分岐するＹ分岐光導波路から抉った形状をなして
いる。ここで、楔Ａの先端は分岐部４の分岐開始点（コ
ア３からコア５、６に向けてその幅が広くなり始める
点）よりも分岐導波路（コア５、６）寄りとなってい
る。云うまでもなくコア３、５、６及び分岐部４以外の
部分は上部クラッド層９である。従って、コア５側が楔
Ａにより多く除かれ、コア５とコア６との分岐比は例え
ば４：６などの不等分岐比となっている。

【００２１】更に具体的には、例えばコア３の幅を８μ
ｍとして、楔Ａは、その先端部の幅ａが０μｍ〜５μｍ
であり、楔Ａのコア５に干渉する後端部の幅をｂ、楔Ａ
のコア５に干渉する後端部に於ける中心線Ｏから上記他
方の辺までの長さをｃとして、後端部幅ｂが、（ａ／２
＋ｃ＋２）μｍ以上で、後記する分岐比に応じて定めら
れていると良い。後端部幅ｂが、（ａ／２＋ｃ＋２）μ
ｍ未満であると安定した加工ができない。尚、楔Ａの先
端部からコア５に干渉する後端部までの長さＬは、先端
部幅ａ、後端部幅ｂ及びコア５の曲率から求められる。

【００２２】このように、分岐部４が台形状楔Ａを打ち
込んだ形状とし、抉れを形成することで導波路製造上無
理のない形状にすることができる。そして、例えば後端
部幅ｂを変化させるなど、この楔Ａの形状を最適化する
ことにより分岐部４で発生するモードを調整し、分岐比
をコントロールすることが可能となっている。図４に後
端部幅ｂから、上記後端部に於ける中心線Ｏから他方の
辺までの長さｃを減じた楔寸法（ｂ−ｃ）と分岐比との
関係を示す。例えばコア５の分岐比を４０％（０．４）
とする（コア６の分岐比を６０％）ためには楔寸法（ｂ
−ｃ）を約１７μｍとすれば良く、この楔寸法（ｂ−
ｃ）を変化させれば分岐比が自由に設定できることがわ
かる。

【００２３】ここで、このような構成では、光ファイバ
からコア３、分岐部４及びコア５を介して受光素子に至
る例えば１．３１μｍ波長光は、この楔Ａの作用のため
受信効率が６０％となるが、この損失を見込んで伝送速
度を初期から制限することで、このパワーの低下はシス
テム上問題にならない。一方、図示されない発光素子か
らの光信号を分岐部４、コア３を介して光ファイバに出
射する上り信号光となる例えば１．３１μｍ波長光は、
分岐部４で４０％のみの通過となるが、これもこの損失
を見込んで伝送速度を初期から制限することで問題にな
ることはない。またこれらの上り、下りの信号は同じ波
長でやりとりがされても発振タイミングを予め決めるこ
とで信号が衝突してノイズなどが発生する問題もない。

【００２４】一方、分岐部４が、その外側輪郭が等比分
岐するＹ分岐光導波路と同様であり、内側輪郭が、等比
分岐するＹ分岐光導波路に各分岐光導波路間から台形状
楔Ａを打ち込んだ形状とすることで、導波路構造上無理
のない形状となっているため、このＹ分岐光導波路１の
入射導波路に接続する光学素子との間で光軸がずれて
も、その分岐比に対する影響が少なくなっている。図５
に、接続する光学素子との間の光軸のずれ（入射位置ず
れ）に対する分岐比の変化を示す。また、従来の入射導
波路に対して分岐導波路の中心をオフセットさせ、テー
パ導波路を分岐部に設けたＹ分岐光導波路（Ｙ分岐導波
路型光タップ）についての入射位置ずれに対する分岐比
の変化も示す。

【００２５】このグラフにより明らかなように、従来の
Ｙ分岐光導波路が入射位置ずれ±２μｍで分岐比が±１
０％以上と大きく変化するのに比較して本発明によるＹ
分岐光導波路は±５％程度と著しく小さくなっているこ
とがわかる。

【００２６】以下に、上記Ｙ分岐光導波路１を製造する
手順を説明する。まず、基板２の表面に、火炎堆積法、
ＣＶＤ法などにより例えばＳｉＯ₂を主成分とするバッ
ファ層８を成膜する。

【００２７】次に、バッファ層８の表面に、上記同様に
例えばＳｉＯ₂を主成分とするコア層３′を成膜する。
このコア層３′の成膜時、バッファ層８よりも０．２％
〜０．３２％程度屈折率が高くなるように、リン
（Ｐ）、チタン（Ｔｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、アル
ミニウム（Ａｌ）、ホウ素（Ｂ）及びフッ素（Ｆ）など
から選択される１種または２種以上の屈折率調整用のド
ープ剤を一般に添加する。

【００２８】次に、コア層３′の表面に所定のパターン
のフォトマスクを用いてフォトリソグラフィを行い、所
定の導波路パターンを形成し、ＲＩＥ等のエッチングを
行うことにより、所定パターンの導波路コア４を形成す
る。尚、マスク膜はレジストのほか金属膜などＳｉＯ₂
との選択比の大きな材料を用いる場合がある。

【００２９】その後、上記同様の成膜法により例えばＳ
ｉＯ₂を主成分とする低屈折率の上部クラッド層９を成
膜し、埋め込み導波路を形成する。

【００３０】そして、ダイシング装置によって、基板２
を所定形状に切断し、端面３ａ側の端面全面及び端面５
ａ、６ａ側の端面全面を研磨することにより、光学的に
平坦に仕上げて、図１に示すようなＹ分岐光導波路１を
得る。このＹ分岐光導波路１に受光素子、発光素子等を
取り付け、光ファイバに接続することにより光りデバイ
スとして機能する。

【００３１】尚、特に明記していないが、上記切断工程
の前に必要に応じて加熱処理及び／または熱間静水圧加
圧法（ＨＩＰ法：Ｈｏｔ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅ
ｓｓｉｎｇ）等による加熱・加圧処理を施すことで、狭
い隙間等に発生し易いボイドを閉塞し、かつ残留応力を
除去して完成したＹ分岐光導波路の信号光の損失を低減
すると良い。

【００３２】

【発明の効果】以上の説明により明らかなように、本発
明によるＹ分岐光導波路によれば、基板上に形成された
入射光導波路と、該入射導波路からの光を２つに分岐す
るための分岐部と、分岐された光を導く一対の分岐導波
路とを有し、分岐部の平面形状が、外側輪郭は、入射光
導波路の中心軸について対称をなし、等比分岐するＹ分
岐光導波路の外側輪郭と同じ形状をなし、かつ内側輪郭
は入射光導波路の中心軸について非対称をなす構造とす
ることで、分岐部の内側輪郭を変えるのみで、テーパ導
波路を設けることなく、また導波路形状が急激に変化す
ることなく所望の不等分岐比で入射光を分岐できるた
め、高次導波モードの発生、または導波路形状の急変化
による信号光の損失が少なくなり、接続する光学素子と
の間の光軸のずれに対する分岐比の変化も小さくでき
る。そして、その内側輪郭を、一方の辺がテーパ状をな
し、かつ他方の辺が入射光導波路の中心軸と平行な楔
を、この中心軸を挟むように、分岐部に分岐導波路側か
ら打ち込んだ形状とすることで、設計及び製造が容易に
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用されたＹ分岐光導波路１の斜視
図。

【図２】図１のＹ分岐光導波路１のＩＩ−ＩＩ線につい
て見た断面図。

【図３】図１のＹ分岐光導波路１の要部拡大平面図。

【図４】図１のＹ分岐光導波路１に於ける分岐部４の楔
Ａの後端部幅ｂから、上記後端部に於ける中心線Ｏから
他方の辺までの長さｃを減じた楔寸法（ｂ−ｃ）と分岐
比との関係を示すグラフ。

【図５】Ｙ分岐光導波路とこれに接続する光学素子との
間の光軸のずれ（入射位置ずれ）に対する分岐比の変化
を示すグラフ。

【符号の説明】

１ Ｙ分岐光導波路 ２ 基板 ３ コア ３ａ 端面 ４ 分岐部 ５、６ コア（分岐導波路） ５ａ、６ａ 端面 ８ バッファ層 ９ 上部クラッド層

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に形成された入射光導波路と、
   該入射導波路からの光を２つに分岐するための分岐部
   と、分岐された光を導く一対の分岐導波路とを有するＹ
   分岐光導波路であって、 前記分岐部の平面形状が、外側輪郭は前記入射光導波路
   の中心軸について対称をなし、等比分岐するＹ分岐光導
   波路の外側輪郭と同じ形状をなし、かつ内側輪郭は前記
   中心軸について非対称をなすことにより、前記各分岐導
   波路に等しくない分岐比で前記入射光導波路からの光を
   分岐させるようになっていることを特徴とするＹ分岐光
   導波路。
2. 【請求項２】 前記内側輪郭が、一方の辺がテーパ状
   をなし、かつ他方の辺が前記中心軸と平行な楔を、前記
   中心軸を挟むように、前記分岐部に前記分岐導波路側か
   ら打ち込まれた形状をなすことを特徴とする請求項１に
   記載のＹ分岐光導波路。
3. 【請求項３】 前記楔の先端部の幅ａが０μｍ乃至５
   μｍであり、 前記楔の前記分岐導波路に干渉する後端部の幅をｂ、前
   記楔の前記分岐導波路に干渉する後端部に於ける前記中
   心線から前記他方の辺までの長さをｃとして、 ｂが、（ａ／２＋ｃ＋２）μｍ以上であり、かつ前記各
   分岐導波路への分岐比に応じて設定されていることを特
   徴とする請求項１または請求項２に記載のＹ分岐光導波
   路。