JP2020148897A

JP2020148897A - 光導波路素子

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Publication number: JP2020148897A
Application number: JP2019046148A
Authority: JP
Inventors: 優片岡; Yu Kataoka; 徳一宮崎; Tokuichi Miyazaki
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2019-03-13
Filing date: 2019-03-13
Publication date: 2020-09-17
Anticipated expiration: 2039-03-13
Also published as: CN111694095B; US11099324B2; CN211180283U; CN111694095A; JP7183878B2; US20200292757A1

Abstract

【課題】不要光用導波路が導波する不要光を効率よく基板外に放出可能であり、光導波路素子自体を小型化することが可能な光導波路素子を提供すること。【解決手段】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、不要光用導波路Ｅ１に接続され、不要光用導波路を伝搬した不要光を基板外に放出するための放出用導波路Ｅ２が形成され、放出用導波路の実効屈折率は、不要光用導波路の実効屈折率より高く設定され、不要光用導波路と放出用導波路の接続部Ｓでは、不要光用導波路Ｅ１の中心線（ＥＣ１）に対して、放出用導波路Ｅ２の中心線（ＥＣ２）が、主導波路から離れる方向に傾斜しており、さらに、接続部において、不要光用導波路の中心線の位置ｃ１に対して、放出用導波路の中心線の位置ｃ２が、主導波路からより離れる位置にずれて配置されていることを特徴とする。【選択図】図５

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、信号光を導波する主導波路と、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、光変調器などのように基板に光導波路を形成した光導波路素子が多用されている。光導波路の形成方法としては、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て形成する方法や、リッジ型の凸状部を形成して光導波路を形成する方法などが知られている。

光導波路は、マッハツェンダー型光導波路のように、分岐部や合波部を備えている。また、近年では、多値変調や偏波合成などに対応して、例えば、複数の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導波路のように、一つの基板上に複数のマッハツェンダー型光導波路を配置した光導波路素子も実用化されている。

光導波路を分岐する際には、適正な分岐比を得るため、また、分岐部からの漏洩光を抑制するため、図１の分岐部の前段の光導波路に、光導波路を伝搬している高次モード光を除去するための不要光用導波路ａを配置することが提案されている。

また、光導波路を合波する際には、合波部から放出される放射モード光を効果的に除去するため、図１に示すように、合波部に不要光用導波路ｂを配置することも提案されている。

上述したように複数のマッハツェンダー型光導波路を一つの基板内に組み込んだ場合、光導波路の一部から放出される不要光が、図１の点線領域Ａ又はＢのように、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が劣化する原因ともなる。さらに、特許文献１では、不要光用導波路が主導波路を跨いで分断された構成例が示されているが、高度に集積された光導波路素子において、不要光用導波路の延長線上に沿うような形で主導波路を配置する場合があり、そのようなケースでは不要光混入のリスクがより高くなる。

しかも、基板の厚みが薄い場合、例えば、２０μｍ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。

不要光用導波路上に金属膜などの光吸収部材を配置し、不要光を吸収することも行われている。しかしながら、金属膜などの光吸収部材を配置する場所が限定されること、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ることなどから、十分な光吸収作用を発揮することが困難となっている。

このため、特許文献１においては、図１に示すように、基板の長手方向の側端部に沿って不要光を集光する不要光集光導波路ｃを設け、不要光用導波路による不要光の除去を効率的に行うこと提案した。

また、不要光用導波路（ａ，ｂ）を不要光集光導波路に接続する際には、不要光用導波路（ａ，ｂ）の曲がりを大きくすることで、基板の長手方向の長さを短くでき、光導波路素子のサイズを小型化することが可能となる。しかしながら、図２及び３に示すように、光導波路を急激に曲げると漏洩光も増え、不要光を効率的に不要光集光導波路に集めることが困難となる。なお、図２はシミュレーションに用いた光導波路の形状を示す図であり、図３は、シミュレーション結果を示す図である。

特開２０１５−０９６８８６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、不要光用導波路が導波する不要光を効率よく基板外に放出可能であり、光導波路素子自体を小型化することが可能な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、信号光を導波する主導波路と、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、該不要光用導波路に接続され、該不要光用導波路を伝搬した不要光を基板外に放出するための放出用導波路が形成され、該放出用導波路の実効屈折率は、該不要光用導波路の実効屈折率より高く設定され、該不要光用導波路と該放出用導波路の接続部では、該不要光用導波路の中心線に対して、該放出用導波路の中心線が、該主導波路からより離れる方向に傾斜しており、さらに、該接続部において、該不要光用導波路の中心線の位置に対して、該放出用導波路の中心線の位置が、該主導波路からより離れる位置にずれて配置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、該放出用導波路の幅は、該不要光用導波路の幅よりも広く設定することで、実効屈折率をより高く設定されていることを特徴とする。

（３）上記（２）に記載の光導波路素子において、該放出用導波路の該不要光用導波路が接続する側の端部には、導波路幅が変化する遷移領域を有す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、該主導波路の光波の伝搬方向に対し、該放出用導波路の配置された位置よりも後方に、該主導波路の分岐部または合波部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素子において、該基板の厚さが２０μｍ以下であ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、信号光を導波する主導波路と、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、該不要光用導波路に接続され、該不要光用導波路を伝搬した不要光を基板外に放出するための放出用導波路が形成され、該放出用導波路の実効屈折率は、該不要光用導波路の実効屈折率より高く設定され、該不要光用導波路と該放出用導波路の接続部では、該不要光用導波路の中心線に対して、該放出用導波路の中心線が、該主導波路からより離れる方向に傾斜しており、さらに、該接続部において、該不要光用導波路の中心線の位置に対して、該放出用導波路の中心線の位置が、該主導波路からより離れる位置にずれて配置されているため、不要光用導波路のみで光路を曲げた場合と比較し、光導波路からの漏洩光を抑制しながら、より大きく光路を曲げることができる。これにより、不要光用導波路が導波する不要光を効率よく基板外に放出可能であり、光導波路素子自体を小型化することが可能な光導波路素子を実現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。従来の光導波路における曲げによる漏洩光を調べるためのシミュレーションモデルを示す図である。図２のモデルによるシミュレーション結果を示す図である。本発明の光導波路素子の一例を示す図である。図４の点線枠Ｄにおける光導波路の形状を説明する図である。本発明の光導波路における曲げによる漏洩光を調べるためのシミュレーションモデルを示す図である。図６のモデルによるシミュレーション結果を示す図である。本発明の光導波路素子に係る光導波路の他の形状（その１）を説明する図である。本発明の光導波路素子に係る光導波路の他の形状（その２）を説明する図である。本発明の光導波路素子に係る光導波路の他の形状（その３）を説明する図である。本発明の光導波路素子に係る光導波路の他の形状（その４）を説明する図である。

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４及び５に示すように、基板（１）に光導波路（２）が形成され、該光導波路は、信号光を導波する主導波路と、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（図４のｂ１、ｂ２，図５のＥ１）とを備えた光導波路素子において、該不要光用導波路（Ｅ１）に接続され、該不要光用導波路を伝搬した不要光を基板外に放出するための放出用導波路（Ｅ２）が形成され、該放出用導波路の実効屈折率は、該不要光用導波路の実効屈折率より高く設定され、該不要光用導波路と該放出用導波路の接続部（Ｓ）では、該不要光用導波路（Ｅ１）の中心線（ＥＣ１）に対して、該放出用導波路（Ｅ２）の中心線（ＥＣ２１）が、該主導波路からより離れる方向（図５の上方向）に傾斜しており、さらに、該接続部において、該不要光用導波路の中心線の位置（ｃ１）に対して、該放出用導波路の中心線の位置（ｃ２）が、該主導波路からより離れる位置（図５の上側）にずれて配置されていることを特徴とする。なお、図５は、図４の点線枠Ｄにおける光導波路の一例を説明する図である。

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、２０μｍ以下の薄い基板を用いる場合には、通常は不要光が基板内を導波し易くなる。これに対し、本発明を適用することにより、不要光用導波路と放出用導波路で光導波路の曲げを大きくできるだけでなく、光導波路からの漏洩光も抑制でき、基板内を伝搬する不要光の量を効果的に抑制することができる。

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。

本発明の光導波路素子に係る不要光用導波路は、図４に示すような、光導波路の合波部で発生する放射モード光を導波する光導波路（ｂ１，ｂ２）だけでなく、図１に示すような、光導波路から高次モード光を除去するために設けた不要光用導波路（ａ）を用いることも可能である。

本発明の光導波路素子は、図５に示すように、放出用導波路（Ｅ２）の幅（Ｗ２）は、不要光用導波路（Ｅ１）の幅（Ｗ１）よりも広く設定することで、容易に、実効屈折率をより高く設定することが可能となる。

また、本発明の光導波路素子において、図５に示すように、放出用導波路（Ｅ２）の不要光用導波路が接続する側の端部（接続部Ｓから符号Ｆ１の位置の範囲）には、導波路幅が変化する遷移領域を有していることが好ましい。このような遷移領域が存在することで、光波が円滑に光導波路を伝搬することが可能となり、光導波路外に漏洩する光波も抑制することが可能となる。

また、図５に示すように、不要光用導波路（Ｅ１）の下辺（主光導波路の曲げ部分の外側に位置する側辺）と放出用導波路（Ｅ２）の下辺とを接続部Ｓを介して一直線状に形成している。このような連続部分を設けることは、光導波路の曲げ部分の外側方向に漏洩する漏洩光を抑制する効果を奏する。

図６は、図５の光導波路の形状における漏洩光の発生状況をシミュレーションするため、モデルとなる光導波路の形状を示す図である。そして、図７は、図６の光導波路のモデルにおける漏洩光の発生状況を示す結果である。図３と図６とを比較することで、本発明に適用される光導波路の形状は、漏洩光の発生がより抑制されていることが、容易に理解される。

本発明の光導波路素子では、不要光に係る光導波路の曲げ部分を大きくすることができるため、図４に示すように、主導波路の光波の伝搬方向に対し、放出用導波路の配置された位置よりも後方に、該主導波路の分岐部(不図示）または合波部を配置することが可能となる。このような場合では、図１に示すような、不要光に係る光導波路が他の分岐部や合波部と重なることや、近接することなどが防止できる。

図８〜図１１は、本発明の光導波路素子に適用可能な種々の光導波路の形状を説明する図である。
図８では、図５の不要光用導波路Ｅ１と放出用導波路Ｅ２とを、光軸と交差する方向に相対的にずらしたものである。このように放出用導波路Ｅ２を基板の長手方向の側部に近づけることができ、光導波路の長さもより短く構成することが可能となる。

図９は、放出用導波路Ｅ２の形状を、図５の直線的な曲げ（Ｆ１）から、曲線的な曲げ（Ｆ２）に変更したものである。放出用導波路Ｅ２は、不要光用導波路Ｅ１よりも幅が広く、実効屈折率もより高くなるため、曲げの曲率半径をより小さくすることが可能となる。

図１０は、放出用導波路Ｅ２に接続する不要光用導波路（Ｅ１）にテーパ形状（Ｔ）を設け、遷移領域を付加したものである。このような、遷移領域を不要光用導波路にも設けることで、より円滑に光波を伝搬させることが可能となる。

図１１は、不要光用導波路（Ｅ１）にも曲げ部分（Ｇ１）を設けたものである。不要光用導波路は放出用導波路よりも幅が狭いため、放出用導波路ほどの曲げは不可能であるが、曲げ部分をより多くすることで、不要光に係る光導波路全体の長さを短く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、不要光用導波路が導波する不要光を効率よく基板外に放出可能であり、光導波路素子自体を小型化することが可能な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
Ｅ１不要光用導波路
Ｅ２放出用導波路

Claims

基板に光導波路が形成され、該光導波路は、信号光を導波する主導波路と、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、
該不要光用導波路に接続され、該不要光用導波路を伝搬した不要光を基板外に放出するための放出用導波路が形成され、
該放出用導波路の実効屈折率は、該不要光用導波路の実効屈折率より高く設定され、
該不要光用導波路と該放出用導波路の接続部では、該不要光用導波路の中心線に対して、該放出用導波路の中心線が、該主導波路からより離れる方向に傾斜しており、
さらに、該接続部において、該不要光用導波路の中心線の位置に対して、該放出用導波路の中心線の位置が、該主導波路からより離れる位置にずれて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に記載の光導波路素子において、該放出用導波路の幅は、該不要光用導波路の幅よりも広く設定することで、実効屈折率をより高く設定されていることを特徴とする光導波路素子。
請求項２に記載の光導波路素子において、該放出用導波路の該不要光用導波路が接続する側の端部には、導波路幅が変化する遷移領域を有す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、該主導波路の光波の伝搬方向に対し、該放出用導波路の配置された位置よりも後方に、該主導波路の分岐部または合波部が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乃至４のいずれかに記載の光導波路素子において、該基板の厚さが２０μｍ以下であることを特徴とする光導波路素子。