JP2007264522A - 光導波路デバイス、光導波路モジュール、および光導波路デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光を導波するコアの周囲のクラッド部分に不要な光が導入されることを防止する。
【解決手段】光ファイバ１０の端面１３に所定波長の光を吸収若しくは反射する遮光層１４を設け、この遮光層１４を、コア１１およびその近傍のクラッド１２部分を除いた領域に形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、光導波路デバイス、光導波路モジュール、および光導波路デバイスの製造方法にかかり、特に、導波路へ不要な光が入力されることを防止する技術に関する。

光ファイバを伝送路として光信号を伝送する光通信システムでは、光源から出射された光（レーザ光）を変調して光信号を生成する外部変調器が利用されている。この外部変調器として、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３；以下ＬＮと略す）あるいはタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３；以下ＬＴと略す）などの電気光学結晶の基板に、マッハツェンダー型の光導波路を形成した光強度変調器が用いられる。

マッハツェンダー型の光導波路は、入力光を分岐した後再び結合させて出力光として取り出す構成を有しているが、その結合部分において、２つの分岐光の位相が同相であれば伝搬モードの出力光として出力導波路へ導かれ、また逆相であれば放射モードとして基板内へ放射されていく。従来、このマッハツェンダー型の光導波路において、出力光（信号光）を取り出す際に光ファイバのコアやクラッドにこの放射光が混入してしまい、信号光に悪影響を及ぼすことがあった。

また、マッハツェンダー型の光導波路には、分岐部、結合部、曲がり導波路、Ｓ字導波路など直線以外の導波路が含まれている。このような導波路部分からは、伝搬する光の一部が迷光として基板内に漏れ出すこともあり、信号光に悪影響を及ぼすことがあった。更に、特定の用途（例えば、高速変調時に高い光パワーが必要になる場合等）においては迷光を効果的に除去することが必須となるが、その対策として特許文献１にあるような技術が提案されている。
特開２００４−９３９０５号公報 特開平５−１９６８２３号公報 特開平１０−２０１３５号公報

しかしながら、近年実用化が始まっている薄型ＬＮ基板のように、基板の厚さが光ファイバや光導波路のコア径と同等の２０μｍ程度以下になってくると、この薄型基板がスラブ導波路としての機能を発揮するようになって上記の問題は更に深刻となる。すなわち、上述した放射モード光や迷光が、このスラブ導波路の伝搬モードと結合し、出力側の端面に高効率で出射される。そして、薄型基板上にはマッハツェンダー光導波路が形成され、その出力導波路に光信号を取り出すための光ファイバが接続されている。その結果、出力導波路からの光信号と、スラブ導波路からの放射モード光および迷光が、極めて接近した位置から出射されることになって、上記光ファイバのコアに所望の光信号が導入されるように配置した際、クラッド部分には放射モード光等が大きなノイズ信号として入力されてしまう。

また、特許文献２や特許文献３のように光導波路素子（基板に導波路を形成しチップ化した素子）の端面に所定の膜を形成し、導波路以外の部分から漏れ光が出射されることを防止したものが知られているが、導波路以外の部分にのみ当該膜を形成するにはリソグラフィー技術を利用していたため、その製造工程が煩雑であり、製造コストも高くならざるを得なかった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、光を導波するコアの周囲のクラッド部分に不要な光が導入されることを防止し、その製造が容易な光導波路デバイス、光導波路モジュール、およびそのような光導波路デバイスの製造方法を提供することにある。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、請求項１に記載の発明は、光を導波させるためのコアの周囲に該コアより低屈折率のクラッドを備えてなる光導波路デバイスにおいて、前記コアと前記クラッドを含む断面を端面として、該端面の全体に所定の波長の光を吸収若しくは反射する層を形成し、前記コアにパルス幅が１００ｆｓ以上１ｎｓ以下のパルス光を反対側の端面から導入することにより、前記コアを伝搬する光波の所定のモードの形状に対応する部分の前記層を除去したことを特徴とする光導波路デバイスである。

この発明において、光導波路デバイスの外部からその光導波路デバイスの端面のクラッド部分に進んできた光は、当該クラッド部分の端面に設けられた光の通過を妨げる層によって、クラッドの内部への進入を阻止される。一方、外部から上記端面のコア部分に進んできた光は、通過を妨げられることなくコアの内部へ導入される。こうして、所望の光のみをコアへ入力し、不要な光をクラッド部で遮断することができる。

また、この発明において、上記の層はコアの伝搬モードの形状に応じた開口を有している。よって、伝搬モードの信号光に対する光学的な結合効率（透過率）が最適化されている。

また、この発明において、外部からクラッド部分に進んできた光は、上記の層によって吸収若しくは反射されるため、クラッドの内部への進入が妨げられる。また、当該光が吸収により消失することにより、上記の層が反射層の場合のように、反射後の光が再びコアへ入力されてしまうことがない。

また、この発明において、所定のパルス光がコアを伝搬し端面全体に形成された上記の層に導かれるため、この層の当該コアの部分だけに当該光のエネルギーが投入されて、その部分の層が除去される。すなわち、本発明の光導波路デバイスは、光の通過を妨げる層とクラッド部分の位置関係が高い精度で一致しており、クラッドが当該層で確実に遮蔽されて不要光の進入が防止される。また、パルス光を入力するだけでコア部の層が除去されるので、製造工程が簡略化できる。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光導波路デバイスにおいて、前記光導波路デバイスは、光ファイバであり、その入力側端面に前記層が設けられていることを特徴とする。

この発明において、光ファイバのクラッドへは入力側端面から光が進入してくることがない。よってこの光ファイバは、光変調器など他の光導波路デバイスとの接続用光ファイバとして用いるのに適している。

また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の光導波路デバイスと他の光導波路デバイスとからなり、請求項２に記載の光導波路デバイスは、その入力側端面が前記他の光導波路デバイスの導波路端面に互いのコアが対向するように接合されていることを特徴とする光導波路モジュールである。

この発明において、上記の光ファイバ（光導波路デバイス）へは、光変調器など他の光導波路デバイスのコアを伝搬してきた信号光のみがコアから導入され、当該光導波路デバイスのクラッドを進んできた迷光などの不要光がクラッドから進入してくることがない。したがって、光変調器等からの信号光だけをこの光ファイバによって送出することができる。

また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の光導波路モジュールにおいて、前記他の光導波路デバイスは、所定の基板上に、少なくとも光が入力される入力導波路と、その光を分岐させて導波させる分岐導波路と、分岐した光を結合させて外部へ出力する出力導波路とを備えており、請求項２に記載の光導波路デバイスは、その入力側端面が前記出力導波路側の端面に接合されていることを特徴とする。

この発明において、マッハツェンダー型の光導波路を有し光変調器等として使用される上記の他の光導波路デバイスで、分岐後に結合される２つの光波が同位相となっていない時に放射モード光が基板側へ放射されるが、この放射された光が基板内を進んで端面に到達した場合に、光ファイバ（光導波路デバイス）のクラッドへ進入することがない。

また、請求項５に記載の発明は、光を導波させるためのコアの周囲に該コアより低屈折率のクラッドを備え、前記コアと前記クラッドを含んだ第１および第２の端面を有した光導波路デバイスに対して、前記第１の端面の全体に所定の波長の光の通過を妨げる層を形成し、前記コアにパルス幅が１００ｆｓ以上１ｎｓ以下のパルス光を前記第２の端面から導入することにより、該コアの部分のみ前記層を除去することを特徴とする光導波路デバイスの製造方法である。

この発明において、所定のパルス光がコアを伝搬し第１の端面全体に形成された上記の層に導かれるため、この層の当該コアの部分だけに当該光のエネルギーが投入されて、その部分の層が除去される。したがって、第２の端面のコアに当該光を入射させることで、精度良く、また容易に、クラッドへの光の進入を防止した光導波路デバイスを製造することができる。

本発明によれば、クラッド部への不要な光の導入が効果的に防止されるので、ノイズを遮断して、コアへ入力された信号光のみを伝送させることが可能である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
ここで、本明細書において光導波路デバイスとは、屈折率の高い領域であるコアの周囲に屈折率の低い領域であるクラッドを設け、光をコアに閉じ込めて伝搬させる光素子一般を指す用語として定義する。したがって、光導波路デバイスには、光ファイバや、誘電体または半導体の基板上に光導波路を形成した光導波路素子が含まれるものとする。

図１は、本発明の一実施形態による光導波路デバイスの構成を示す概略図である。この実施形態では、光導波路デバイスとして光ファイバを取り上げて説明する。同図において光ファイバ１０は、中心部にコア１１、その周囲にクラッド１２を有している。コア１１とクラッド１２は同心円状に配置され、それぞれの径（直径）は１０μｍ、１２５μｍである。クラッド１２の材質はＳｉＯ_２（石英ガラス）であり、コア１１の材質はＧｅ（ゲルマニウム）等がドーピングされたＳｉＯ_２である。このドーピングによって、コア１１の屈折率はクラッド１２の屈折率より所定量Δだけ高く設定されている。

光ファイバ１０を伝搬し得る光波のモードは、当該光波の波長λと上記の屈折率差Δによって規定される。例えば、λが１．５μｍ帯の光通信においては、伝搬モードが唯一つだけ存在する、すなわちシングルモードで動作するようにΔの値が選択される。このモード（基底モード）の光強度分布は、コア１１の中心をピーク強度として周囲に行くに従って同心円状に強度が減衰する、ガウシアン分布を呈する。ここで、光強度が所定値にまで減衰するコア１１の中心からの距離をｒ_ｅ、コア１１の半径をｒ_ｃｏｒｅ（＝５μｍ）とすると、ｒ_ｅ＞ｒ_ｃｏｒｅであり、基底モードの光波はクラッド１２に滲み出しながら光ファイバ１０を伝搬していく。

光ファイバ１０の端面１３（この端面を、外部から信号光を入射させる入力側端面とする）は、光波の伝搬方向に対して垂直に切断された端面であり、この表面に光の通過を妨げる遮光層１４が設けられている。図１に示すように、この遮光層１４は、中央部が円形状に取り除かれたドーナツ形状をしている。当該円形部分の半径はｒ_ｅであり、コア１１の中心と同心となっている。

ここで、遮光層１４の光学的な特性は、光ファイバ１０を伝搬させる光の波長（例えば１．５μｍ帯）に対して、吸収的または反射的であるものとする。吸収的な特性を持たせる場合、遮光層１４の材料としては、例えば所定の吸収スペクトルを有する有機材料を用いる。そしてこの有機材料を、層の形成（成膜）のし易さ、取り扱いのし易さ等の面を考慮して、所定の樹脂材料中に添加して使用する。また、遮光層１４に反射的な特性を持たせる場合は、その材料として、例えばＡｕ（金）などの金属を使用する。この金属は、例えば蒸着などの方法によって入力側端面１３に形成する。また、誘電体多層膜によって反射特性を実現することもできる。

なお、本発明においては、遮光層１４は光ファイバ１０を伝搬させる光を有効に遮断する機能を有していれば十分であり、その材料、膜厚、形成方法などは周知の技術常識を用いて適宜選択することができる。また、本発明の効果は、それらの選択によって影響を受けることはないものとする。

以上のような構成を備えた光ファイバ１０では、遮光層１４を設けたことによって、所定波長の光がこの遮光層１４を通過することが防止される。したがって、光ファイバ１０の外部（図１左側）からクラッド１２部分に進んできた当該波長の光は、吸収若しくは反射によって遮光層１４で遮断され、光ファイバ１０内（クラッド１２）に進入することができない。一方、コア１１部分に進んできた光、特にこの光ファイバ１０の伝搬モード（ここでは基底モード）の光は、遮光層１４で吸収や反射を受けることなく、光ファイバ１０内（コア１１）に導入される。

次に、光ファイバ１０の入力側端面１３に図１に示すようなドーナツ形状の遮光層１４を形成する方法について説明する。
初めに、入力側端面１３の全面に、所定の膜厚になるよう遮光層１４を形成する。膜厚は、遮光層１４として選択した材料の吸収特性、反射特性と使用する光の波長に応じて、十分な遮光性能が得られるような膜厚に設定する。この具体的な材料選定と膜厚設計、およびその成膜方法、成膜条件などは、周知の技術であるのでここでは説明を省略する。

遮光層１４を全面に形成後、入力側端面１３の反対側の端面（図１には示さず）から所定の光強度を持つ加工用のレーザ光をコア１１に入力する。このレーザ光は、所定の光強度分布を有する伝搬モードとしてコア１１を伝搬し、入力側端面１３に到達して遮光層１４に照射される。すると、レーザ光が照射されたコア１１およびその周辺部分において、局所的な光強度と照射時間の積（積算エネルギー）が遮光層１４材料に応じて決まるある一定の閾値を超えた領域の遮光層１４が、アブレーションによって飛散し除去される。

ここで、上記の加工用レーザ光の波長を、伝搬モードがシングルモードとなるように選択すれば、光強度分布は円形のガウシアン分布となり、上記の積算エネルギーが閾値を超えた領域の形状は円形となる。さらに、波長、光強度、照射時間の各パラメータについて最適化を図ることにより、除去される遮光層１４部分の半径を上述したｒ_ｅ（＞ｒ_ｃｏｒｅ）に設定することができる。

また、上記の加工用レーザ光としてｎｓ（ナノ秒）パルスレーザを使用する場合、遮光層１４によって吸収される波長のレーザを使用する。また、数百ｆｓ（フェムト秒）のパルスレーザを使用する場合は、種々の波長のレーザを使用することが可能である。

なお、加工用レーザ光を上記光ファイバ１０のコア１１に入力するため、入力側端面１３の反対側の端面に光コネクタを設け、この光コネクタをレーザ光源の出射端に接続するようにしてもよい。また、自由空間に出射させたレーザ光をレンズ等で集光してコア１１に導くようにしてもよい。

図２は、図１の光ファイバ１０を光変調器２０（光導波路デバイス）と接合させ、光導波路モジュール３０とした形態の断面構成図である。また、図３は、この光変調器２０の平面構成図を示したものである。
図２において、光変調器２０の基板には、ＬＮ基板２１が用いられている。ＬＮ基板２１の表面にはコア２３（マッハツェンダー型の光導波路２４）が形成される。なお、ＬＮ基板２１の表面には、コア２３に電界を印加するための電極と、この電極によるコア伝搬光の吸収損失を防ぐためのＳｉＯ_２バッファ層が形成されることもあるが、簡略化のためこれらは図２および図３では省略している。また、ＬＮ基板２１と光ファイバ１０は、その端面を伝搬光に対して透明な接着剤で固定されている。ここで、接着強度を上げるためにＬＮ基板２１上にコベット２２を用いてもよい。

光変調器２０の光導波路２４は、図３に示すように、マッハツェンダー型の構成を有している。すなわち、光導波路２４は、入力導波路２４１と、一組（２本）の分岐導波路２４２ａ、２４２ｂと、出力導波路２４３から構成される。入力導波路２４１に入力された光波は、分岐導波路２４２ａ、２４２ｂに分配して導入され、これら各分岐導波路において上記電極からそれぞれ所定の位相変調を受けた後、合流して出力導波路２４３から出力される。

なお、上記の光導波路２４は、導波路形状にパターンニングされた所定膜厚のＴｉ（チタン）を、１０００℃１０時間の条件でＬＮ基板２１内に熱拡散させることによって作成したものである。

図２の断面図では、光ファイバ１０のコア１１と、光変調器２０のコア２３（出力導波路２４３）が、互いに対向するようにして接合されている。光ファイバ１０側の接合面は上述した入力側端面１３であり、コア１１およびその近傍のクラッド１２部（半径ｒ_ｅ以内）を除いて遮光層１４が形成されている。

上記構成の光導波路モジュール３０において、光変調器２０により変調された信号光はコア２３を伝搬して上記の接合面に到達する。コア２３と対向する光ファイバ１０の入力側端面１３には遮光層１４が設けられていないため、当該信号光は高効率で光ファイバ１０のコア１１へ入力されていく。
一方、分岐導波路２４２ａ、２４２ｂの合流部で発生した放射モード光、および光変調器２０内の各場所で発生した迷光は、基板厚が薄いためＬＮ基板２１をスラブ導波路として伝搬する。しかし、これらの不要光は、上記の接合面において光ファイバ１０側の遮光層１４によって遮断されて、クラッド１２内への進入が阻止される。

このように、本実施形態によれば、光ファイバ１０の端面１３に所定波長の光を吸収若しくは反射する遮光層１４が設けられ、この遮光層１４は、コア１１およびその近傍のクラッド１２部分を除いた領域に形成されている。これにより、この光ファイバ１０のクラッド１２へは、外部からの光の進入が妨げられる。
また、光変調器２０の出力導波路２４３に上記の光ファイバ１０が結合される。これにより、所望の変調信号光のみが光ファイバ１０のコア１１へ導入され、放射モード光等の不要光がクラッド１２へ進入してしまう不都合が効果的に防止される。

以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
例えば、入力側端面１３において、クラッド１２部には全て遮光層１４を設け、コア１１部だけを光の通過領域とするようにしてもよい。

また、光ファイバにはその用途に応じて様々な光学特性を持ったものが存在し、それらは各々コアとクラッドの設計が異なっているが、本発明はこうした各種光ファイバのいずれに対しても適用可能である。さらに、光ファイバやＬＮ光変調器だけでなく、コアとクラッドを有した全ての光導波路デバイスに適用することも可能である。また、光ファイバと結合される光導波路デバイスについて、その基板厚は何ら限定されることはない。

本発明の一実施形態による光導波路デバイスの構成を示す概略図である。 光導波路モジュールの断面構成図である。 図２の光導波路モジュールに用いられる光変調器の平面構成図である。

符号の説明

１０…光ファイバ １１…コア １２…クラッド １３…入力側端面 １４…遮光層 ２０…光変調器 ２１…ＬＮ基板 ２２…コベット ２３…コア ２４…光導波路 ２４１…入力導波路 ２４２…分岐導波路 ２４３…出力導波路 ３０…光導波路モジュール

Claims (5)

1. 光を導波させるためのコアの周囲に該コアより低屈折率のクラッドを備えてなる光導波路デバイスにおいて、
   前記コアと前記クラッドを含む断面を端面として、該端面の全体に所定の波長の光を吸収若しくは反射する層を形成し、前記コアにパルス幅が１００ｆｓ以上１ｎｓ以下のパルス光を反対側の端面から導入することにより、前記コアを伝搬する光波の所定のモードの形状に対応する部分の前記層を除去した
   ことを特徴とする光導波路デバイス。
2. 前記光導波路デバイスは、光ファイバであり、その入力側端面に前記層が設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の光導波路デバイス。
3. 請求項２に記載の光導波路デバイスと他の光導波路デバイスとからなり、
   請求項２に記載の光導波路デバイスは、その入力側端面が前記他の光導波路デバイスの導波路端面に互いのコアが対向するように接合されている
   ことを特徴とする光導波路モジュール。
4. 前記他の光導波路デバイスは、所定の基板上に、少なくとも光が入力される入力導波路と、その光を分岐させて導波させる分岐導波路と、分岐した光を結合させて外部へ出力する出力導波路とを備えており、
   請求項２に記載の光導波路デバイスは、その入力側端面が前記出力導波路側の端面に接合されている
   ことを特徴とする請求項３に記載の光導波路モジュール。
5. 光を導波させるためのコアの周囲に該コアより低屈折率のクラッドを備え、前記コアと前記クラッドを含んだ第１および第２の端面を有した光導波路デバイスに対して、
   前記第１の端面の全体に所定の波長の光の通過を妨げる層を形成し、前記コアにパルス幅が１００ｆｓ以上１ｎｓ以下のパルス光を前記第２の端面から導入することにより、該コアの部分のみ前記層を除去する
   ことを特徴とする光導波路デバイスの製造方法。
   
   

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