JP2015096886A

JP2015096886A - 光導波路素子

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Publication number: JP2015096886A
Application number: JP2013236671A
Authority: JP
Inventors: 佑治速水; Yuji Hayami; 徳一宮崎; Tokuichi Miyazaki
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2013-11-15
Filing date: 2013-11-15
Publication date: 2015-05-21
Anticipated expiration: 2033-11-15
Also published as: JP6299170B2

Abstract

【課題】
基板側面での不要光の反射を抑制し、光学特性の劣化等を防止した光導波路素子を提供すること。
【解決手段】
基板１に光導波路が形成され、該光導波路は、信号光を伝播する主導波路２と、該主導波路から放出される不要光を導波する不要光用導波路（ａ，ｂ１〜ｂ３，ｃ１〜ｃ３，ｄ１〜ｄ２，ｅ，ｆ１〜ｆ３）とを備えた光導波路素子において、該主導波路２と該基板の側端部１１との間で、該主導波路を伝播する信号光が主に伝播している方向とほぼ同じ方向に沿って、不要光を集光する不要光集光用導波路６が形成され、該不要光集光用導波路には、該不要光用導波路から出射される不要光が導入されていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、光導波路素子に関し、特に、基板に光導波路が形成され、該光導波路は、信号光を伝播する主導波路と、該主導波路から放出される不要光を導波する不要光用導波路とを備えた光導波路素子に関する。

光通信分野や光計測分野において、光変調器などの光学機能を具備した光導波路素子が多用されている。光導波路素子の中には、石英、ニオブ酸リチウム、半導体材料などの基板に、Ｔｉなどの金属を熱拡散したり、リッジ型の凸状部を形成して光導波路を備えるものがある。

このような基板を用いた光導波路素子では、同一の基板内に、複数本の光導波路が形成されたり、光導波路に分岐部や合波部を多数形成する場合には、光導波路の一部から放出される不要光が、光導波路の他の部分に結合し、光学特性を悪化させる原因となる。また、マッハツェンダー型光変調器では、ＯＮ／ＯＦＦ消光比などの光学特性を劣化する原因となる。

特許文献１乃至３などには、図１に示すように、信号光を伝播する主導波路２（２１〜２３）とは別に、不要光を導波する不要光用導波路（３１〜３３）を基板１に設け、不要光が主導波路と再結合することを抑制する構成が開示されている。不要光用導波路には、特許文献１のように主導波路と直接続されるものだけでなく、特許文献２又は３のように主導波路から離間されて配置されるものもある。また、特許文献１のように主導波路（２２）を跨ぐ際には（点線Ａで示した部分参照）、不要光用導波路（３２，４１〜４２）の一部を分断して構成することも開示されている。

さらに、特許文献１では、不要光用導波路で導波する不要光を吸収し消失させるため、不要光用導波路の一部に光吸収手段５を配置することも開示されている。なお、図１の符号４は、合波部２１からの放射モード光を受光するための受光手段を示している。

マッハツェンダー型光導波路やマッハツェンダー型光導波路を入れ子状に組み合わせたネスト型光導波路などのように、光導波路が集積化する場合には、合波部からの放射モード光や分岐部を含む光導波路からの漏れ光などの発生箇所が多く存在し、不要光の除去は極めて重大な問題となる。

しかも、基板の厚みが薄い場合、例えば、３０μｍ以下の厚みを有する場合には、不要光が基板内に閉じ込められ易く、基板が５００μｍ以上のように十分な厚みを備える場合と比較し、主導波路と再結合する割合は極めて高くなる。しかも、基板上又は周辺に受光素子を配置する場合には、受光素子に不要光が入射し易くなり、精度の高いモニタ検出が困難となる。

さらに、光導波路が集積化するに従い、不要光を吸収するための吸収手段５を配置する場所が限定される上、光導波路素子の製造プロセス上、光吸収材として使用可能な材料も限られ、十分な光吸収作用を発揮することが困難な場合がある。また、放射モード光などの光波を受光する受光手段４を配置した場合でも、受光素子の後方に漏出した不要光を処理する必要がある。図１に示すように、受光素子の後方に漏出した不要光（Ｌ１）や吸収しきれない不要光（Ｌ２）は、基板の側端部１１へと進み、側端部（側面）１１で反射され、再び主導波路２側に戻って来る結果となる。

特許第５０７１５４２号公報特開２０１１−１６４３８８号公報特開２００４−４６０２１号公報

本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、基板側面での不要光の反射を抑制し、光学特性の劣化等を防止した光導波路素子を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明の光導波路素子は、以下のような技術的特徴を有する。
（１）基板に光導波路が形成され、該光導波路は、信号光を伝播する主導波路と、該主導波路から放出される不要光を導波する不要光用導波路とを備えた光導波路素子において、該主導波路と該基板の側端部との間で、該主導波路を伝播する信号光が主に伝播している方向とほぼ同じ方向に沿って、不要光を集光する不要光集光用導波路が形成され、該不要光集光用導波路には、該不要光用導波路から出射される不要光が導入されていることを特徴とする。

（２）上記（１）に記載の光導波路素子において、該不要光集光用導波路は、該主導波路を挟むように、該主導波路の両側に配置されていることを特徴とする。

（３）上記（１）又は（２）に記載の光導波路素子において、該不要光用導波路は、該不要光集光用導波路に直接接続されていることを特徴とする。

（４）上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の光導波路素子において、該基板を平面視した際の該不要光集光用導波路を画定する境界線であり、かつ該基板の側端部に近い境界線は、該不要光用導波路から出射される不要光が、該境界線を含む該不要光集光用導波路の境界面で全反射するよう、当該境界線の形状が設定されていることを特徴とする。

（５）上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の光導波路素子において、該不要光集光用導波路は、不要光が伝搬する方向の下流側に設けられた該不要光を吸収する吸収構造、または、基板端に設けられた該不要光の不要光集光導波路への反射防止構造の少なくとも一方を有することを特徴とする。

本発明により、基板に光導波路が形成され、該光導波路は、信号光を伝播する主導波路と、該主導波路から放出される不要光を導波する不要光用導波路とを備えた光導波路素子において、該主導波路と該基板の側端部との間で、該主導波路を伝播する信号光が主に伝播している方向とほぼ同じ方向に沿って、不要光を集光する不要光集光用導波路が形成され、該不要光集光用導波路には、該不要光用導波路から出射される不要光が導入されているため、不要光用導波路で導波している不要光が不要光集光用導波路に集められ、基板の側面で不要光が反射するのが抑制される。これにより、不要光が主導波路に再結合することが効果的に抑制され、光学特性の劣化等が防止された光導波路素子を提供することが可能となる。

従来の光導波路素子の一例を示す図である。本発明の光導波路素子を説明する概略図である。本発明の光導波路素子における不要光集光用導波路の第１の実施例を示す図である。本発明の光導波路素子における不要光集光用導波路の第２の実施例を示す図である。本発明の光導波路素子における不要光集光用導波路の第３の実施例を示す図である。本発明の光導波路素子における不要光集光用導波路の第４の実施例を示す図である。本発明の光導波路素子における不要光集光用導波路の第５の実施例を示す図である。

以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
本発明の光導波路素子は、図２に示すように、基板１に光導波路が形成され、該光導波路は、信号光を伝播する主導波路２と、該主導波路から放出される不要光を導波する不要光用導波路（ａ，ｂ１〜ｂ３，ｃ１〜ｃ３，ｄ１〜ｄ２，ｅ，ｆ１〜ｆ３）とを備えた光導波路素子において、該主導波路２と該基板の側端部１１との間で、該主導波路を伝播する信号光が主に伝播している方向とほぼ同じ方向に沿って、不要光を集光する不要光集光用導波路６が形成され、該不要光集光用導波路には、該不要光用導波路から出射される不要光が導入されていることを特徴とする。

本発明の光導波路素子を構成する基板としては、石英、ニオブ酸リチウム、半導体材料など光導波路を基板に形成できる材料であれば、特に限定されない。光変調器等の電極が形成する電界で光導波路を伝播する光波を変調する場合には、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムなどの電気光学効果を有する基板を用いることが好ましい。また、３０μｍ以下の薄い基板を用いる場合には、本発明を効果的に適用することができる。

光導波路の形成方法としては、Ｔｉ等の金属を基板中に熱拡散し、基板材料より高屈折率な部分を形成する方法や、基板表面に凹凸を形成しリッジ型導波路を構成する方法などが適用可能である。

不要光用導波路としては、特許文献１乃至３に開示された不要光の導波手段を採用することが可能である。例えば、合波部から放射される放射モード光を導波するため、合波部に接触又は離間して不要光用導波路を配置することができる。特許文献１のように、分岐部に導波する前に高次モード光を除去するため不要光用導波路を分岐部より前の主導波路に配置する使用することも可能である。さらに、主導波路から漏れ出し基板内を伝播している漏れ光を集光する不要光用導波路を設けることも可能である。

また、不要光用導波路は、図２の符号ａ及びｅのように、１本の連続した光導波路として形成するだけでなく、符号ｂ１〜ｂ３，ｃ１〜ｃ３、ｆ１〜ｆ３のように、主導波路等の他の光導波路を跨ぐ際に分断して構成することも可能である。

不要光用導波路は、点線Ｃで示した部分のように、複数本の導波路（ｃ２，ｄ２）を合流させて構成することも可能である。そして合波した不要光は、単一の不要光用導波路（ｃ３）で導出することができる。

本発明の光導波路素子の特徴は、主導波路２と基板の側端部１１との間に、不要光集光用導波路６を配置することである。そして、この不要光集光用導波路に、不要光用導波路で導波した不要光を集め、不要光が基板の側面で反射することを抑制すると共に、各不要光用導波路で行っていた不要光の処理も、不要光集光用導波路で一括して行うことができる。これにより、主導波路への不要光の再結合が抑制され、光導波路素子の光学特性の劣化等を防止することができる。しかも、各不要光用導波路毎に配置した光吸収手段を省略することができ、光導波路素子に係る構成を簡素化することができる。また、基板上に配置した受光素子（図１の符号４）の後方に漏出した不要光についても、不要光集光用導波路に集めて、確実に処理することができる。

不要光集光用導波路の配置は、主導波路２と基板の側端部（側面）１１との間で、さらに、該主導波路２を伝播する信号光が主に伝播している方向（図２の左から右に向かう方向）とほぼ同じ方向に沿って配置される。これは、不要光の多くが、信号光と同じ方向に向かうベクトル成分を有しており、これらの不要光を効率良く集光するためである。

また、不要光集光用導波路は、基板の側端部（側面）１１より１０μｍ以上離した位置に配置することが好ましい。これは、光導波路素子の製造時に、基板を切断する際のゆとりを確保するだけでなく、不要光集光用導波路を伝搬する不要光が側端部（側面）の表面粗さによる散乱等の影響を受けることを排除するためである。

不要光用導波路は、基本的にシングルモード導波路以上の幅を有している。不要光集光用導波路の導波路幅は、シングルモード導波路の導波路幅の３倍以上が好ましく、より好ましくは５倍以上に設定される。これにより、シングルモードや高次モード光を含む多様なモードの不要光を安定して導波できる。

不要光用導波路と不要光集光用導波路とは、図２の点線Ｂ１〜Ｂ５に示すように、直接接続するように配置するだけでなく、両者を離間して配置することも可能である。その場合は、不要光用導波路から放出される不要光が、不要光集光用導波路の境界面で反射されることがないよう、不要光用導波路の出射端面の形状や当該境界面の形状を調整する必要がある。

不要光集光用導波路６は、基板の側端部１１に近接して、少なくとも１本配置するだけでも、上述した各種効果をそうすることができるが、図２に示すように、主導波路２を挟んで２本配置する方がより効果的に不要光の反射等を抑制することが可能となる。

不要光集光用導波路６の終端は、基板の端部又はその近傍に配置し、集光した不要光を基板から放出するよう構成することが可能である。また、図２に示すように、不要集光用導波路６の途中（不要光が伝播する方向の下流側）に、不要光の吸収構造として、１つ以上の光吸収手段（５１，５２）を配置し、集光した不要光を吸収し消失させることが可能である。光吸収手段を構成する材料としては、特許文献１と同様に金属等の各種材料を使用することができる。また、反射防止構造として、反射防止膜などの反射防止手段５３を基板端に配置することで、基板端面で不要光が反射し逆進する不具合を抑制することが可能である。吸収構造と反射防止構造とを、同じ不要光集光用導波路に対して共に設けることが可能であることは言うまでも無い。

次に、不要光用導波路と不要光集光用導波路の接続部近傍における、不要光集光用導波路の形状について説明する。具体的には、不要光用導波路を不要光集光用導波路に接続するだけでは、不要光用導波路と不要光集光用導波路のなす角度関係より、不要光が不要光集光用導波路を突き抜けてしまう場合がある。本発明では、この不具合を解消するため、図３乃至図７に示すように、基板を平面視した際の該不要光集光用導波路を画定する境界線（外側境界線ＬＯと内側境界線ＬＩ）であり、かつ該基板の側端部に近い境界線（外側境界線ＬＯ）は、不要光用導波路から出射される不要光が、該境界線を含む該不要光集光用導波路の境界面で全反射するよう、少なくとも当該境界線（ＬＯ）の形状が設定されている。

図３は、第１の実施例を示す図であり、不要光用導波路と不要光集光用導波路の接続部分の拡大図を示す。不要光用導波路と不要光集光用導波路のなす角がθ、不要光用導波路から出射される光の広がり角がαである場合、不要光用導波路からの不要光を漏れなく不要光集光用導波路に結合させるためには、次の式（１）を満たす必要がある。
θ＋α ＜ p／２−Φ・・・・・式（１）
ここでΦは導波路界面での全反射角を示す。
例えば、光導波路内の屈折率をｎ_１、基板の屈折率ｎ_０とした時、Φ＝ｓｉｎ^−１（ｎ_０／ｎ_１）の関係で規定される。

図４は、第２の実施例を示す図である。角度θの関係にある幅ｗ１の不要光用導波路と幅ｗ２の不要光集光用導波路があり、不要光用導波路から不要光集光用導波路に入射される光はビーム広がり角αをもつ。このとき、不要光集光用導波路に対する不要光ガイド導波路からの入射光の最大角はθ＋αになる。ここで、図４の境界線ＬＯの一部を折り曲げ境界線ＬＯ１を形成する場合には、境界線ＬＯ１のなす角βとした時、θ＋α−βが全反射条件を満たしていれば、導波路を内に不要光を閉じ込めた状態で誘導することができる。これは、式（２）で表わされる。
θ＋α−β ＜ p／２−Φ・・・・・式（２）

図５は、第３の実施例を示す図である。不要光用導波路から不要光集光用導波路へ結合する直進光に対して、境界線ＬＯ１の途中から境界線の角度を小さくし、境界線ＬＯ２としている。これにより、図５の矢印Ｄが示すように、境界線ＬＯ１を延長した場合と比較し、直進光が結合した後の不要光集光用導波路の幅を小さくすることができ、基板に占める不要光集光用導波路の使用領域の削減が達成できる。

図６は、第４の実施例を示す図である。不要光用導波路は、不要光の発生源より、直接シングルモード導波路（幅Ｗ１）を用いて不要光を導波している。このようにシングルモード導波路を用いると、光の閉じ込めが強く、導波路の曲げ半径をスラブ導波路と比較し小さくできる。また、光導波路が細いため、基板上を占有する領域を節約できる点でも有利となる。

図７は、第５の実施例を示す図である。不要光集光用導波路内で不要光が図の左から右に伝搬する場合、不要光用導波路の付け根付近では、不要光は不要光集光用導波路の上側方向（主導波路側方向）へも広がる。その不要光の上側方向への広がりを抑制するため、境界線ＬＩについても、その一部を境界線ＬＩ１として主導波路側に張り出させることで、このような不要光も不要光集光用導波路から漏れ出すことを抑制することが可能となる。

以上のように、本発明に係る光導波路素子によれば、基板側面での不要光の反射を抑制し、光学特性の劣化等を防止した光導波路素子を提供することが可能となる。

１基板
２主導波路
４受光手段
５，５１，５２光吸収手段
５３反射防止手段
６不要光集光用導波路
ａ，ｂ１〜ｂ３，ｃ１〜ｃ３，ｄ１〜ｄ２，ｅ，ｆ１〜ｆ３不要光用導波路
ＬＯ，ＬＯ１，ＬＯ２外側境界線
ＬＩ，ＬＩ１内側境界線

Claims

基板に光導波路が形成され、該光導波路は、信号光を伝播する主導波路と、該主導波路から放出される不要光を導波する不要光用導波路とを備えた光導波路素子において、
該主導波路と該基板の側端部との間で、該主導波路を伝播する信号光が主に伝播している方向とほぼ同じ方向に沿って、不要光を集光する不要光集光用導波路が形成され、
該不要光集光用導波路には、該不要光用導波路から出射される不要光が導入されていることを特徴とする光導波路素子。
請求項１に記載の光導波路素子において、
該不要光集光用導波路は、該主導波路を挟むように、該主導波路の両側に配置されていることを特徴とする光導波路素子。
請求項１又は２に記載の光導波路素子において、
該不要光用導波路は、該不要光集光用導波路に直接接続されていることを特徴とする光導波路素子。
請求項１乃至３のいずれかに記載の光導波路素子において、
該基板を平面視した際の該不要光集光用導波路を画定する境界線であり、かつ該基板の側端部に近い境界線は、該不要光用導波路から出射される不要光が、該境界線を含む該不要光集光用導波路の境界面で全反射するよう、当該境界線の形状が設定されていることを特徴とする光導波路素子。
請求項１乃至４のいずれかに記載の光導波路素子において、
該不要光集光用導波路は、不要光が伝搬する方向の下流側に設けられた該不要光を吸収する吸収構造、または、基板端に設けられた該不要光の不要光集光導波路への反射防止構造の少なくとも一方を有することを特徴とする光導波路素子。