JP2602207B2 - Y字型光合流・合波回路 - Google Patents

Y字型光合流・合波回路

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JP2602207B2
JP2602207B2 JP61049725A JP4972586A JP2602207B2 JP 2602207 B2 JP2602207 B2 JP 2602207B2 JP 61049725 A JP61049725 A JP 61049725A JP 4972586 A JP4972586 A JP 4972586A JP 2602207 B2 JP2602207 B2 JP 2602207B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、光波の合流・合波等を行う光合流・合波回
路に関する。
(従来の技術) 近年、光通信システムの実用化が進むにつれ、高機能
な光制御素子が必要となっている。導波型光制御素子は
高速性、高集積化可能、低エネルギー性、高信頼性等に
優れ、上述の高機能光制御素子となり得るが、その挿入
損失が光通信システムの伝送可能距離を制限するという
こともあり得るので、導波型光制御素子においては低損
失性もやはり重要である。Y字型合流・合波回路は上述
の集積化光制御回路の重要な構成要素の1つであり、光
制御回路の高集積化、光機能化が進むにつれ、Y字型合
流・合波回路の用いられる頻度も高くなると考えられ、
Y字型合流・合波回路の低損失化は重要な課題である。
第8図にY字型光合流・合波回路の従来例を示す。通
常のY字型光合流・合波回路においては、第8図に示す
ように屈折率がnの基板の中に屈折率n+Δnである入
射側光導波路801,出射側光導波路802およびその接続部
を設けて光を導いている。
(発明が解決しようとする問題点) 上述した従来の光合流・合波回路では、導波路801,80
2と基板の屈折率差は交差部も他の部分も一様にΔnで
あり、第8図に点線で示した光路を通る光は光導波路80
1,802外に放射して損失となる。したがってY字型光合
流・合波回路においては損失が大きいのが通常であり、
このようなY字型合流・合波回路と他の光回路を多数集
積化した集積化光機能素子においては大きな問題とな
る。
この問題を解決するためには、交差部分の屈折率を他
の入出射光導波路部分よりも高くすることが有効であ
る。第1図に示すようにY字型光合流・合波回路におい
て、屈折率がともにn+Δn0である入射側光導波路102
と出射側光導波路103との交差部に三角形形状の屈折率
がn+Δn1の交差部高屈折率領域101を形成し、交差部
高屈折率領域101と屈折率がnである基板との屈折率差
Δn1が他の導波路102,103と基板との屈折率差Δn0より
も2倍程度大きくなるようにする。すなわち光導波路10
2,103の屈折率n+Δn0よりも交差部の屈折率n+Δn1
が大きくなるようにする。
このようにすることによって第8図においては基板へ
放射して損失となっていた点線で示した光路の光が高屈
折率領域101と導波路102との境界で全反射され、出射側
の導波路103に結合する。このようすを第1図に点線で
示す。したがって、Y字型光合流・合波回路の損失を低
減することができる。
誘電体表面に屈折率を増加させる金属原子を拡散して
形成する光導波路においては、このように交差部の屈折
率のみを他の導波路部分に比べて高くすることは容易に
可能であることが知られている。
第2図はTi拡散LiNbO3光合流・合波回路の例を示す。
第2図においては、LiNbO3基板201上にY字型光導波
路パターンをTi膜で形成し、それを基板201中へ拡散す
ることによりTiの拡散された部分の屈折率が増加し、Y
字型光合流・合波回路(入射側Ti拡散導波路202,交差部
高屈折領域203,出射側Ti拡散導波路204)が形成され
る。この時光導波路とLiNbO3基板201との屈折率差はTi
膜の膜厚に比例する。したがって交差部高屈折領域203
に相当する三角形形状の部分のみTi膜の膜厚が厚いパタ
ーンを形成しておき、これをLiNbO3基板201中へ熱拡散
すれば、第1図に示したような、交差部に三角形形状の
厚屈折率領域203を有するY字型合流・合波解路が構成
できる。
第3図に熱拡散前のLiNbO3の基板201上に設けたTi薄
膜によるY字型光導波路パターン302を示す。第3図に
おいてTi薄膜の幅は数〜数十μm、厚さは交差部高屈折
領域303を除く部分が300〜700Å、交差部高屈折領域303
が500〜1500Å程度である。また交差部の開き角は数mra
dである。第3図に示したTi薄膜によるY字型光導波路
パターンを1000〜1100℃で5〜10時間程度拡散炉中で加
熱することにより、第2図に示したような交差部に高屈
折領域203を有するTi拡散LiNbO3光合流・合波回路が形
成される。
この例においては、Tiの膜厚を交差部のある領域のみ
を他の部分よりも厚くするという簡単な工程を追加する
だけで低損失のY字型光合流・合波回路が構成できる。
前述の例では拡散前のTi膜厚を交差部のみ厚くするこ
とによって第1図に示した屈折率分布を有するY字型光
合流・合波回路が得られる。しかしながらTi膜をあまり
厚くすると、Tiの拡散残りが生じてしまい伝搬損失が増
加してしまうおそれがある。また交差部のTi膜厚を拡散
残りが生じない程度に薄くすると交差部以外の光導波路
のTi膜厚がかなり薄くなってしまい。電気光学効果を利
用した光スイッチ等を同一基板上に集積化する場合に、
光の閉じ込めが弱くなるために動作電圧が増加したり、
端面で単一モードファイバと接続する際に導波路出射光
のモードサイズが大きくなりすぎて単一モードファイバ
との結合損失が増加する等の問題を生ずる。すなわちTi
拡散LiNbO3はY字型光合流・合波回路においては、損失
低減のために交差部の屈折率を上げようとすると同一基
板上に集積化した他の素子の特性を劣化させてしまうと
いう問題があった。
(問題点を解決するための手段) 本発明は、上述の問題点を解決するために、強誘電体
基板表面に屈折率を増加させる働きをする金属原子が拡
散されて設けられ2つの入射側光導波路が交差する交差
部が1つの出射側光導波路に接続されたY字型光合流・
合波回路において、前記交差部の周辺の入射側光導波路
および前記交差部の周辺の出射側光導波路には屈折率を
低下させる働きをする金属原子も部分的に拡散されてい
る構成を採用した。
(作用) 本発明においては、Y字型合流・合波回路の損失を低
減するために交差部の屈折率をその周辺の光導波路より
も高くし、このように交差部の屈折率をその周辺の光導
波路より高くすることを、誘電体光導波路の屈折率を下
げる金属原子を交差部周辺の光導波路に拡散することに
よって行なう。このため、第2図及び第3図に示した従
来のY字型光合流・合波回路で問題となったような拡散
前のTiの膜厚に関する制限はなく、同一基板上に光スイ
ッチ、光変調器等を集積化しても、それらの特性を損な
うことなくY字型光合流・合波回路の低損失が達成でき
る。
(実施例) 次に、本発明について図面を参照して説明する。
第4図に本発明によるY字型光合流・合波回路の実施
例を示す。第4図はTi拡散LiNbO3光合流・合波回路であ
り、LiNbO3基板401上に入射側Ti拡散導波路402,出射側T
i拡散導波路404が設けられ、本実施例においては、交差
部高屈折領域403の周辺に、Tiとは逆に基板の屈折率を
減少させる働きをするMgイオンを拡散して、MgO拡散領
域405を設け、Y字型合流・合波回路の屈折分布が第1
図に示した屈折率分布と同一となるようにしている。
前述の従来の技術では拡散前のTi膜厚を交差部のみ厚
くすることによって第1図に示した屈折率分布を有する
Y字型光合流・合波回路が得られることを示した。しか
しながらTi膜をあまり厚くすると、Tiの拡散残りが生じ
てしまい伝搬損失が増加してしまうおそれがある。また
交差部のTi膜厚を拡散残りが生じない程度に薄くすると
交差部以外の光導波路のTi膜厚がかなり薄くなってしま
い、電気光学効果を利用した光スイッチ等を同一基板上
に集積化する場合に、光の閉じ込めが弱くなるために動
作電圧が増加したり、端面で単一モードファイバと接続
する際に導波路出射光のモードサイズが大きくなりすぎ
て単一モードファイバとの結合損失が増加する等の問題
が生ずる。すなわちTi拡散LiNbO3Y字型光合流・合波回
路においては、損失低減のために交差部の屈折率を上げ
ようとすると同一基板上に集積化した他の素子の特性を
劣化させてしまうおそれがある。
そこで本実施例においては交差部の屈折率をその周辺
の光導波路よりも高くすることを、拡散前のTiの膜厚を
厚くするということは行なわずに、交差部周辺の光導波
路の屈折率を、基板の屈折率を減少させる働きをするMg
イオンを拡散することによって行なっている。Tiおよび
Mgの両イオンをLiNbO3基板中に拡散したときの光導波路
深さ方向の屈折率分布を計算した1例を第7図に示す。
第7図には幅8μm、厚さ1000ÅのTi薄膜を1050℃で8
時間LiNbO3基板中へ熱拡散したときの屈折率分布701、
厚さ200ÅのMgO薄膜を1000℃で4時間LiNbO3基板中へ拡
散したときの屈折率分布702およびTi、MgOの順序で両者
を別々に同一基板中へ拡散したときの屈折率分布703の
計算結果を示す。第7図から分るようにMgイオンの拡散
深さをTiイオンの拡散深さと同じとすることにより、Ti
拡散による屈折率を一様に減少させることができる。な
おMgイオンのLiNbO3基板への拡散速度はTiの拡散速度よ
りもはるかに速いため、Ti,Mgの順序で両者を別々に同
一基板中へ拡散すれば、先に拡散されたTiイオンの濃度
分布にほとんど影響を与えないでMgイオンの拡散を行な
った部分のみの屈折率を一様に減少させることが可能で
ある。屈折率を減少させる度合いをMgO膜の膜厚で制御
できることは言うまでもない。
第4図に示したMgイオン追拡散を用いたLiNbO3Y字型
光合流・合波回路の製造方法を簡単に説明する。まず第
5図に示すように、LiNbO3基板401上に厚さが一様なY
字型合流・合波回路Tiパターン502を形成する。Tiの膜
厚は400〜1000Aとする。上記の基板を1000〜1100℃で5
〜10時間程度加熱してY字型のTi拡散導波路402,404を
形成する。その後第6図に示すように交差部高屈折率領
域403の近傍にのみMgO膜605を形成し、再度基板を700〜
1000℃で1〜10時間程度加熱し、今度はMgイオンをLiNb
O3基板401中へ拡散する。
上述のような簡単な製造方法により、第4図に示した
交差部の屈折率がその周辺のMgOが拡散された光導波路
の屈折率よりも高いY字型光合流・合波回路が構成でき
る。第4図に示したY字型光合流・合波回路は損失を低
減させる原理を説明するために用いた第1図の全く同じ
屈折率分布となっているので低損失のY字型光合流・合
波回路であるばかりでなく、Mgイオンを交差部近傍にの
み拡散してその部分の屈折率を減少させるという手法を
用いているため拡散前のTiの膜厚に関する制限がなく、
同一基板上に光スイッチ、光変調器等を集積化してもそ
れらの特性とY字型光合流・合波回路の低損失化を同時
に最適化できるという特徴を有している。
(発明の効果) 以上述べたように本発明によれば簡単な工程の追加だ
けでY字型光合流・合波回路の損失を低減化することが
可能である。
なお、本発明は上記の実施例に限定されるものではな
い。実施例としてはTi拡散LiNbO3Y字型光合流・合波回
路を取り上げたが、これに限るものではない。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明におけるY字型光合流・合波回路の損失
を低減させる原理を説明するための図、第2図および第
3図は従来のY字型光合流・合波回路を説明するための
図、第4図は本発明の実施例を説明するための斜視図、
第5図および第6図は第4図に示す実施例の製造方法を
説明するための斜視図、第7図はMgO拡散による屈折率
分分布の計算結果を示す図、第8図は従来のY字型光合
流・合波回路を示す図である。 102,801……入射側光導波路、103,802……出射側光導波
路、101,203,403……交差部高屈折率領域、202,402……
入射側Ti拡散導波路、204,404……出射側Ti拡散導波
路、302,502……Y字型光合流・合波回路Tiパターン、3
03……交差部高屈折領域Tiパターン、405……MgO拡散領
域、605……MgO膜、201,401……LiNbO3基板。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】強誘電体基板表面に屈折率を増加させる働
    きをする金属原子が拡散されて設けられ2つの入射側光
    導波路が交差する交差部が1つの出射側光導波路に接続
    されたY字型光合流・合波回路において、前記交差部の
    周辺の入射側光導波路および前記交差部の周辺の出射側
    光導波路には屈折率を低下させる働きをする金属原子も
    部分的に拡散されていることを特徴とするY字型光合流
    ・合波回路。
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