JP2016105199A - 光導波路デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】小型化を実現しながら光挿入損失の少ない光導波路デバイスを提供する。【解決手段】基板４に形成された光導波路５と、光導波路５の少なくとも一部に光導波路５が分岐又は合流する合分岐部を有する光導波路デバイスにおいて、合分岐部が、１本の光導波路５１が、１本より多いＭ本の光導波路５３，５４に分岐するよう構成されており、１本の光導波路５１は、Ｍ本の光導波路５３，５４と直接接続する前にテーパ状に広がる部分５２を備え、１本の光導波路５１とＭ本の光導波路５３，５４とを直接接続した位置において、１本の光導波路５１の全体の幅Ｗ１は、Ｍ本の光導波路５３，５４の全体の幅Ｗ２より小さく、接続位置において光導波路の外側の輪郭には不連続な段差が形成されている。【選択図】図４

Description

本発明は、光導波路デバイスに関し、特に、合分岐部を有する光導波路を備えた光導波路デバイスに関する。

光通信や光計測などの技術分野では、光変調器や光スイッチなどの光導波路デバイスが多く用いられている。光導波路デバイスでは、ニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する基板や半導体基板などの基板に光導波路が形成されている。

光導波路のパターン形状としては、たとえば、マッハツェンダー型光導波路などのように、光導波路が複数に分岐する分岐部や、複数の光導波路が合流する合波部が使用される。特に、大容量・高速伝送を実現するために、デジタルコヒーレント技術と共に、多値変調フォーマットや偏波多重方式に対応した光変調器などが広く使われるようになっている。このため、光導波路のパターン形状は、複数のマッハツェンダー型光導波路を集積した構成などのように、複雑化、大型化している。

近年では、光通信装置の小型化・高密度実装化の要求に伴い、光導波路デバイスの小型化に対する市場ニーズが高まっている。光導波路デバイスを小型化するには、素子サイズに占める割合が高い、光導波路の分岐部や合流部、所謂、合分岐部を小型化することが重要となる。

合分岐部を小型化するには、光導波路を急激に曲げ（曲率半径を小さくし）たり、分岐する光導波路間の角度や合流する光導波路間の角度を大きくするなどが考えられる。しかしながら、このような方法は、光導波路の曲げ部分や結合部分で、光導波路から基板内に光導波路を伝搬する光波が漏出し、光導波路デバイスの光挿入損失が増加する。

合分岐部の小型化のために、特許文献１又は２のような光導波路の構造が提案されている。特許文献１では、図１に示すように、光導波路（合分岐部）１、シングルモード伝搬する入出力導波路１１と、この入出力導波路から分岐する一対の分岐導波路とを備えている。分岐導波路の形状は、入出力導波路１１よりも光導波路の幅が広いマルチモード伝搬部１３と、分岐端からマルチモード伝搬部に向かって光導波路の幅が大きくなる接続部１２を備えている。

図１のような構造の場合、分岐開始部分（分岐端）に近い曲げ部分で，光導波路の光閉じ込め不足による光の漏洩が発生する。しかも、接続部において、光導波路の延在方向と光導波路の幅が同時に変化するため、光の伝搬に対して大きな構造変化となり、光のモード変換による損失も発生し易くなる。

仮に、分岐開始部分まで入出力導波路１１の幅を大きくし、曲げによる放射を抑制する場合には、太くなった光導波路部分が、２次よりも大きい高次モードが存在する光導波路となる。このような場合には、分岐開始部前後の光導波路構造が異なる、例えば、合分岐部の前後で光導波路の数に差異があると、分岐開始前後の電界分布が不整合となり、高次モードへの変換が発生し易く、過剰損失の増加や光分岐比の波長依存性が発生する。

また、光導波路デバイスの駆動電圧の低下や広帯域化のために、光導波路を形成する基板を、例えば、２０μｍ以下の厚さにまで薄板化することも行われている。このような薄板を用いた光導波路構造の場合には、光の伝搬方向に垂直な断面において、断面横方向（厚さ方向に垂直な方向）の光電界分布の閉じ込めが弱い。薄板を用いた光導波路の曲げ部分による損失を低減するためには、さらに光導波路の閉じ込めを強くする必要がある。しかし、そのために光導波路の幅を広くすると、高次モードがより発生する光導波路条件になりやすく、また、合分岐部での光分岐比の波長依存性が大きな問題となる場合もある。しかも、薄板構造では、合分岐部で発生した漏洩光、特に分岐光導波路の間に発生した漏洩光が基板中を不要光として伝搬し、不要光が光導波路に再結合するなどの現象も発生し、光導波路デバイスの特性に大きな影響を与えることなる。

特許文献２では、図２に示すように、光導波路（合分岐部）２を、シングルモード導波路２１をテーパ部２２によりマルチモード導波路２３とし、マルチモード導波路（直線部）２３から離間(ギャップＧ１）して配置される２つのシングルモード導波路（分岐導波路）２４，２５を備えた構造が提案されている。また、直線部２３の幅Ｗ１を、２つの分岐導波路の端部の外側の側壁面間の間隔の幅Ｗ２より小さく設定することも開示されている。

しかしながら、図２のように、光導波路が分断された部分では、光導波路のモード変換が発生する。特に、薄板を用いた場合には、導波路２４、２５への導波モードだけでなく基板をコア層としたスラブモードへの変換が発生し、過剰損失の増加やモード間の干渉により合分岐部の動作が不安定になるという問題がある。

また、特許文献３では、図３に示すように、光導波路（合分岐部）３を、主導波路３１と２つの分岐導波路３２とを所定の間隙（ギャップＧ）を隔てて配置し、光学的結合部３３を形成する構成が開示されている。この構成により、分岐部における過剰損失の低減を図っている。

しかしながら、狭い間隙（ギャップＧ）を形成する部分や、光導波路の幅が狭い部分の長さが長く、光導波路（合分岐部）３において、必要となる光導波路パターン精度を安定的に再現することが難しい。また、薄板に適用した場合には、特許文献２と同様に、光導波路端で基板をコア層としたスラブモードへの変換が発生し、合分岐部の動作が不安定になるという問題がある。

国際公開ＷＯ２０１０／０８２６７３号 特許第３９７０３５０号公報 特開平９−２６５０１８号公報

本発明が解決しようとする課題は、上記の問題を解決し、小型化を実現しながら光挿入損失の少ない光導波路デバイスを提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の光導波路デバイスは、以下のような技術的特徴を有する。
（１） 基板に形成された光導波路と、該光導波路の少なくとも一部に光導波路が分岐又は合流する合分岐部を有する光導波路デバイスにおいて、該合分岐部が、１本の光導波路が、１本より多いＭ本の光導波路に分岐するよう構成されており、前記１本の光導波路は、前記Ｍ本の光導波路と直接接続する前にテーパ状に広がる部分を備え、前記１本の光導波路と前記Ｍ本の光導波路とを直接接続した位置において、前記１本の光導波路の全体の幅Ｗ１は、前記Ｍ本の光導波路の全体の幅Ｗ２より小さく、当該接続位置において、該幅Ｗ１の中心と該幅Ｗ２の中心は一致しており、かつ、光導波路の外側の輪郭には不連続な段差が形成されていることを特徴とする。

（２） 上記（１）に記載の光導波路デバイスにおいて、該幅Ｗ１と該幅Ｗ２との関係が、Ｗ１／Ｗ２が０．５〜０．９の範囲にあるように設定されていることを特徴とする。

（３） 上記（１）又は（２）に記載の光導波路デバイスにおいて、前記１本の光導波路は、該テーパ状の部分の前はシングルモード光導波路であ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デバイスにおいて、該光導波路の該合分岐部の光伝播方向の上流側には、高次モード光を除去するための分岐光導波路が配置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デバイスにおいて、該基板は、厚みが２０μｍ以下であることを特徴とする。

本発明により、基板に形成された光導波路と、該光導波路の少なくとも一部に光導波路が分岐又は合流する合分岐部を有する光導波路デバイスにおいて、該合分岐部が、１本の光導波路が、１本より多いＭ本の光導波路に分岐するよう構成されており、前記１本の光導波路は、前記Ｍ本の光導波路と直接接続する前にテーパ状に広がる部分を備え、前記１本の光導波路と前記Ｍ本の光導波路とを直接接続した位置において、前記１本の光導波路の全体の幅Ｗ１は、前記Ｍ本の光導波路の全体の幅Ｗ２より小さく、当該接続位置において、該幅Ｗ１の中心と該幅Ｗ２の中心は一致しており、かつ、光導波路の外側の輪郭には不連続な段差が形成されているため、Ｍ本の光導波路の分岐部から漏出する漏れ光を抑制し、合分岐部における過剰損失の少ない光導波路デバイスが得られる。

しかも、Ｍ本の光導波路（分岐光導波路）は分岐端からシングルモード導波路の幅を確保することも可能となるため、光閉じ込めが強く、光導波路（分岐光導波路）間の分岐角度を大きくとること、又は分岐光導波路の曲率半径を小さくすること等が可能となり、分岐光導波路間の広角化が実現でき、光導波路デバイスの小型化も実現することができる。

特許文献１に開示された合分岐部を説明する図である。 特許文献２に開示された合分岐部を説明する図である。 特許文献３に開示された合分岐部を説明する図である。 本発明の光導波路デバイスの構成を説明する図である。（ａ）は光導波路デバイス全体の平面図、（ｂ）は（ａ）の符号Ａの領域の拡大図、（ｃ）は（ｂ）の符号Ｂの領域の拡大図である。 本発明の光導波路デバイスにおける合分岐部の接続部分を拡大する図である。 本発明の光導波路デバイスにおける光波の電界分布を説明する図である。 本発明の光導波路デバイスの応用例を説明する図であり、合分岐部の前段に高次モード光除去手段を設けた例である。 ２本の光導波路を合流し、３本の光導波路に分岐する例を説明する図である。（ａ）はマッハツェンダー型光導波路の全体を示す図であり、（ｂ）は（ａ）における合流部Ｃの拡大図である。 ２本の光導波路と３本の光導波路との間に１本の光導波路（接続部）を設けた例を説明する図である。 図７の応用例を用いて、従来例（ａ）と本発明（ｂ）において、光伝搬法（ＢＰＭ）による解析を行った結果を説明する図である。

以下、本発明について好適例を用いて詳細に説明する。
本発明の光導波路デバイスは、図４乃至６に示すように、基板４に形成された光導波路５と、該光導波路の少なくとも一部に光導波路が分岐又は合流する合分岐部を有する光導波路デバイスにおいて、該合分岐部が、Ｎ本の光導波路５１が合流し、Ｎ本より多いＭ本の光導波路（５３，５４）に分岐するよう構成されており、前記Ｎ本の光導波路と前記Ｍ本の光導波路とを直接接続した位置において、前記Ｎ本の光導波路の全体の幅Ｗ１は、前記Ｍ本の光導波路の全体の幅Ｗ２より小さく、当該接続位置において光導波路の外側の輪郭には不連続な段差が形成されていることを特徴とする。
以下では、Ｎ本が１本以上である例を説明するが、本発明は、特に、Ｎ本が１本の場合に、より好適に適用が可能である。

本発明の光導波路デバイスに使用される基板としては、例えばニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）等のように、電気光学効果を有する材料を利用することが可能である。また、プレーナ光波回路（ＰＬＣ）に用いられる石英系基板や、ポリマー、半導体などの材料も利用することが可能である。

また、本発明は、基板の厚さが２０μｍ以下の薄板を用いた光導波路デバイスに対しては、特に好適に適用することが可能である。これは、薄板自体がスラブ型の光導波路として機能し、光導波路による閉じ込めが弱くなるためである。

本発明で利用する光導波路の形成は、Ｔｉなどを用いた熱拡散法や、プロトン交換法などで、基板表面に基板の屈折率より高い部分を形成する方法や、基板にリッジ又はリブを形成し、凸部状の光導波路を形成する方法等を採用することができる。

図４の中では、図示していないが、光導波路５に沿って、制御電極を形成することが可能である。制御電極は、例えば、変調信号を印加するための信号電極と接地電極や、ＤＣ電圧を印加するためのバイアス用電極、光路切替を行うためのスイッチング電極など、機能や目的に応じた各種のものが知られている。制御電極は、基板上に、Ｔｉ・Ａｕなどの金属膜を蒸着法やスパッタリング法により成膜し、フォトリソフラフィー技術を用いてパターニングしたり、金メッキ法などにより形成することが可能である。さらに、必要に応じて光導波路形成後の基板表面に誘電体ＳｉＯ_２等のバッファ層を設け、光導波路の上側に形成した電極による光波の吸収や散乱を抑制することも可能である。

本発明の光導波路デバイスの特徴は、図４（ａ）〜（ｃ）に示す、光導波路の合分岐部の形状にある。図４（ａ）は、主マッハツェンダー型導波路の分岐導波路に副マッハツェンダー型導波路を組み込んだ、所謂、ネスト型の光導波路の例を示している。点線で囲んでいる部分は、光導波路の分岐部や合流部を示している。図４（ｂ）は、図４（ａ）の点線領域Ａの拡大図であり、図４（ｃ）は、図４（ｂ）の点線領域Ｂの拡大図である。

本発明の光導波路デバイスでは、合分岐部前後の光導波路が線対称で、合分岐部の光導波路の本数は、図４（ｂ）に示すように、分岐前が１本、分岐後が２本のＹ分岐（１×２分岐）を例示している。後述するように、本発明の光導波路デバイスに係る合分岐部の構成は、Ｎ本の光導波路が合流し、Ｎ本より多いＭ本の光導波路に分岐するような合分岐部に対して、適用することができる。また、本発明は接続部の光導波路本数の大小と光導波路幅との関係が重要であり、合分岐部の入出力方向が入れ替わった場合においても本発明の効果を得ることができる。

図４（ｂ）に示すように、入力側の単独の光導波路５１は、通常、シングルモード光導波路となるように光導波路の幅が設定される。その幅から接続部（図４（ｃ）の接続位置）での電界の不連続を減少させるために、符号５２に示すように、光導波路をテーパ状に太くする。分岐光導波路（５３，５４）側の接続部では、パターン精度の影響を少なくするために、分岐光導波路（５３，５４）間に間隙をもって接続される。

また、その際に、２分岐側の曲げ部での損失を低減させるため、個々の分岐光導波路に対しても、図４（ｂ）のように、曲げ部分の最小曲率半径部の光導波路幅と同一の光導波路幅を用意するのが好ましい。これにより分岐光導波路間の広角化を行うことができ、より小型で、曲げによる光の放射が抑制された光導波路デバイスを提供できる。

テーパ形状の光導波路５２は、幅を広くし過ぎると、光の伝搬に対して大きな構造変化となり、光のモード変換による損失も発生する。本発明では、図４（ｃ）及び図５に示すように、接続位置における光導波路の幅の関係に関しては、分岐開始前後の本数の少ない側の光導波路幅Ｗ１を光導波路本数が多い側の光導波路の全幅をＷ２とすると、Ｗ１＜Ｗ２となるように設定している。これにより合分岐部の接続前後の光電界分布の整合が高くなり、損失や分岐比の波長依存性を低減することができる。図５及び図６に伝搬する光波の電界分布を符号Ｌ１〜Ｌ５で模式的に図示している。

本発明に係る合分岐部では、合流する光導波路の全体の幅Ｗ１と、分岐する光導波路の全体の幅Ｗ２が、Ｗ１＜Ｗ２として、当該接続位置において光導波路の外側の輪郭には不連続な段差を形成している。従来は、このような段差は光波の散乱を誘発し、過剰損失の発生原因と考えられていたが、本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、このような段差があっても、分岐導波路の幅をより広く確保する広くする方が、結果として、過剰損失を低減することを見出し、本発明を完成させたものである。

合分岐部における光閉じ込めを改善することで、図６に示すような漏洩光Ｌ０の発生を抑制できる。その結果、マッハツェンダー型光導波路において、合分岐部や曲げに要する素子サイズが小さくなり、小型でありながら、挿入損失やＯｎ／Ｏｆｆ消光比などの特性が優れた光導波路デバイスを得ることができる。

図７は、本発明に係る光導波路デバイスの別の実施例で、合分岐部（５１〜５４）の光伝搬方向の上流側（光導波路５０）には、分岐光導波路（５５，５６）が配置されている例である。この分岐光導波路（５５，５６）を設けることで、高次モード光が、合分岐部に入ることを防止することが可能となる。このような構造を採用することで、例えばファイバ接続のずれや、曲げなどにより、光の電界分布が光導波路の中心からずれた場合においても、分岐比の波長依存性のばらつきを抑制することができる。特に、導波路基板が２０μｍ以下の薄板である場合にはより効果がある。当然、合分岐部の形状は、図５等に示した形状を採用している。

図８（ｂ）は、合流する光導波路が２本で、分岐する光導波路が３本の合分岐部（２×３分岐）を示す。例えば、図８（ａ）に示すように、合流する２つの光導波路（６１，６２）が、マッハツェンダー型光導波路の２つの分岐光導波路であり、分岐する３つの光導波路の内、中央が出力用光導波路６３、それを挟む２つの光導波路（６４，６５）は、合流部の漏洩光を導波する漏洩光用光導波路とすることもできる。

図８のような場合にも、合流側の光導波路の全体の幅Ｗ１を、分岐側の光導波路の全体の幅Ｗ２よりも小さくすることで、１×２分岐のＹ分岐の場合と同様に、過剰損失を抑制することが可能となる。

さらに、図９に示すように、合分岐部が、２本（Ｎ本）の光導波路（７１，７２）が合流し、１本の光導波路７３となり、その後、前記１本の光導波路７３がＮ本より多い３本（Ｍ本）の光導波路に分岐するよう構成している。過剰損失を抑制するには、前記１本の光導波路７３と前記２本（Ｍ本）の光導波路とを直接接続した位置において、前記１本の光導波路の幅Ｗ３は、前記Ｍ本の光導波路の全体の幅Ｗ２より小さく設定し、当該接続位置において光導波路の外側の輪郭には不連続な段差が形成することが好ましい。

さらに、図９の合分岐部では、前記２本（Ｎ本）の光導波路（７１，７２）と前記１本の光導波路７３とを直接接続した位置においても、前記Ｎ本の光導波路の全体の幅Ｗ１は、前記１本の光導波路の幅Ｗ３より大きく、当該接続位置において光導波路の外側の輪郭には不連続な段差を形成することで、過剰損失を抑制することができる。

本発明に係る合分岐部の効果を確認するため、図７のような分岐光導波路（５５，５６）を前段に備えた合分岐部について、光伝搬法（ＢＰＭ）による解析を行った。そのシミュレーション結果を図１０に示す。図１０（ａ）は、従来例であり、合分岐部の接続位置における光導波路の幅をＷ１＝Ｗ２とし、光導波路の外側の輪郭は連続的に接続されている。

これに対し、図１０（ｂ）は、本発明に係る合分岐部であり、図５のような形状となっている。図１０（ａ）と（ｂ）とを対比すると、従来例の方が、分岐光導波路間の分岐端から漏洩光が発生していることが容易に理解される。

さらに、光伝搬法による解析結果から、光導波路の幅の比Ｗ１／Ｗ２を変化させた場合の光閉じ込め効果を調べた。Ｗ１／Ｗ２が０．５〜０．９の範囲である程度の漏洩光の抑制効果が確認できた。より好ましくは、０．６〜０．８の範囲であった。

光導波路の幅の比Ｗ１／Ｗ２をこの範囲に設定することで、接続部での不要光への結合やモード変換を減少させ、損失や分岐比がより安定した光導波路デバイスを得ることができる。また、曲げ導波路部についても、接続部から最小曲げ半径部にかけて、光導波路の光閉じ込めが高い光導波路幅を用いることが可能となり、より伝搬損失が小さく、放射損失も抑制されるため、後段の光導波路との再結合を防ぐことができる。

本発明によれば、小型化を実現しながら光挿入損失の少ない光導波路デバイスを提供することが可能になる。

４ 基板
５，５０〜７４ 光導波路
６，７ 合分岐部

Claims (5)

1. 基板に形成された光導波路と、該光導波路の少なくとも一部に光導波路が分岐又は合流する合分岐部を有する光導波路デバイスにおいて、
   該合分岐部が、１本の光導波路が、１本より多いＭ本の光導波路に分岐するよう構成されており、
   前記１本の光導波路は、前記Ｍ本の光導波路と直接接続する前にテーパ状に広がる部分を備え、
   前記１本の光導波路と前記Ｍ本の光導波路とを直接接続した位置において、前記１本の光導波路の全体の幅Ｗ１は、前記Ｍ本の光導波路の全体の幅Ｗ２より小さく、当該接続位置において、該幅Ｗ１の中心と該幅Ｗ２の中心は一致しており、かつ、光導波路の外側の輪郭には不連続な段差が形成されていることを特徴とする光導波路デバイス。
2. 請求項１に記載の光導波路デバイスにおいて、該幅Ｗ１と該幅Ｗ２との関係が、Ｗ１／Ｗ２が０．５〜０．９の範囲にあるように設定されていることを特徴とする光導波路デバイス。
3. 請求項１又は２に記載の光導波路デバイスにおいて、該１本の光導波路は、該テーパ状の部分の前はシングルモード光導波路であることを特徴とする光導波路デバイス。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の光導波路デバイスにおいて、該光導波路の該合分岐部の光伝播方向の上流側には、高次モード光を除去するための分岐光導波路が配置されていることを特徴とする光導波路デバイス。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の光導波路デバイスにおいて、該基板は、厚みが２０μｍ以下であることを特徴とする光導波路デバイス。

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