JP3198649B2 - 光導波路装置 - Google Patents

光導波路装置

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JP3198649B2 JP22754292A JP22754292A JP3198649B2 JP 3198649 B2 JP3198649 B2 JP 3198649B2 JP 22754292 A JP22754292 A JP 22754292A JP 22754292 A JP22754292 A JP 22754292A JP 3198649 B2 JP3198649 B2 JP 3198649B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光導波路、特に断面積
の異なる2つ以上の光導波路部分を有する光導波路が形
成されて成る光導波路装置に係わる。
【0002】
【従来の技術】光導波路に半導体レーザ光等のレーザ光
を光導波路の端面より入射し、光導波路内を導波させる
場合において、それらの結合効率は、光導波路入射端面
における入射光の強度分布と光導波路内を伝搬する導波
モードの電界分布との重畳積分により表される。
【0003】そのため光導波路端面に光を入光する場合
においてその入光方法は、レンズを用いる方法(Lens C
oupling )、或いはレンズを用いずに半導体レーザ等の
光源を光導波路端面近傍に直接配置する方法(Butt Cou
pling )等の方法があるが、いずれの方法を用いても位
置合わせの精度は、光導波路の断面積が小さくなるほど
厳しくなる。
【0004】また光導波路装置が、例えばSHG(第2
高調波発生)装置のように光導波路内の光パワー密度を
高めることが望ましい素子においては、光源と光導波路
との結合効率を高めることが重要であるとともに、光導
波路においてその断面積を小さくすることが重要とな
る。しかし光導波路の断面積を小さくしていくと、光源
との結合効率を高い値に保つことが容易でなくなる。
【0005】そこで、光導波路の入射側の端面近傍に、
他の光導波路部分よりも幅の広い部分を設け、例えばこ
れに或る程度の角度を持つテーパを与え、結合効率を高
める手法が用いられているが、光導波路にテーパを設け
た場合には、それぞれの光導波路部分において導波モー
ド有効屈折率を一致させなければ、テーパ部分において
光の散乱や反射現象が生じやすくなってしまう。
【0006】これに対してLiNbO3 ,LiTaO3
などの強誘電体材料からなる基板上にプロトン交換法に
より作製した光導波路において、プロトン交換後にアニ
ールを行っていない光導波路部分とプロトン交換後にア
ニールを行ったテーパ部分を有する光導波路部分とを設
けるという構成が提案されている(T.TANIUCHI etal.EL
ECTRONICS LETTERS 22nd November 1990 , Vol.26
, No24 , 1992参照)。
【0007】ところが、このように、断面積を異にする
光導波路において、プロトン交換後にアニールを行う
か、行わないかによって導波モード有効屈折率を一致さ
せるには、その断面積、具体的には厚さが一義的に決ま
ってしまい、設計の自由度が小さく、実用上の難点があ
る。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、断面積の異
なる2つ以上の光導波路部分を有する光導波路が形成さ
れて成る光導波路装置において、導波モード有効屈折率
の一致の問題の解決をはかり、更にこれら光導波路部分
相互の電界分布の重なりを大にすることができるように
して光の伝播効率、結合効率を高めることができるよう
にする。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は、図1にその一
例の断面図を示し、図2にその斜視図を示すように、少
なくとも第1の光導波路部分1Aと第2の光導波路部分
1Bとを有し、第1の光導波路部分1Aの断面積が、第
2の光導波路部分1Bに比し大とされた光導波路1が形
成されて成る光導波路装置にあって、第1の光導波路部
分1Aの表面に、第2の光導波路部分のクラッド層に比
し屈折率が大なるクラッド層が形成された構成とする。
【0010】また、本発明は、上述の構成において、そ
の光導波路1が、 LiNbx Ta1-x 3 (0≦x≦0) による強誘電体基板、例えばLiNbO3 、或いはLi
TaO3 による強誘電体基板3上に形成された構成とす
る。
【0011】また、本発明は、上述の各構成において、
光導波路部1A及び1Bの1つ以上が、幅方向, 深さ方
向のいずれかの1方向あるいは2方向にテーパ形状ある
いは曲線形状を有する構成とする。
【0012】更に、本発明は、1以上の光導波路部1
A、1Bが、プロトン交換後にアニールを行った光導波
路による構成とする。
【0013】
【作用】上述の本発明によれば、断面積の異なる2つ以
上の光導波路部分間の導波モード有効屈折率の一致と、
電界分布の重なりを広くすることができる。
【0014】
【実施例】図1、及び図2を参照して本発明の一例を説
明する。
【0015】この光導波路装置は、例えばLiNbx
1-x 3 (0≦x≦0)の例えばLiNbO3 、或い
はLiTaO3 より成る強誘電体基板3の1主面側に光
導波路1を形成する。
【0016】この光導波路1は、例えば半導体レーザ等
の光源からの発光光を入射させる光入射端側を第1の光
導波路部分1Aによって構成し、これより後端側を第2
の光導波路部分1Bによって構成する。
【0017】第1の光導波路部分1Aは、第2の光導波
路部分1Bに比してその断面積が広くなるように、第1
の光導波路部分1Aの厚さta を、第2の光導波路部分
1Bの厚さtb に比し大とする。
【0018】また、この第1の光導波路部分1Aの形状
は、光導波路1に光が効率良く結合するために、緩やか
なテーパあるいは曲線とされて第2の光導波路1Bと段
差なく連続するような形状とされている。
【0019】そして、光導波路1の表面上にはクラッド
層が被着形成される。このクラッド層は、第1の光導波
路部分1Aに対する第1のクラッド層2Aと、第2の光
導波路部分1Bに対する第2のクラッド層2Bとで異な
る屈折率を有する材料によって構成する。
【0020】この場合、両クラッド層2A及び2Bの各
屈折率nca 及びncb は、nca >ncbとする。
【0021】これら第1及び第2のクラッド層2A及び
2Bとしては、それぞれ例えば1500Å以上の厚さと
し、例えばクラッド層2Aを、Ta2 5, クラッド層
2BをSiO2 によって構成する。
【0022】また、これら第1及び第2のクラッド層2
A及び2Bは、各光導波路部分1A及び1Bの直上にス
パッタリング法, 蒸着法等のプロセスにより被着し得
る。
【0023】このような構成とすることによって、互い
に異なる断面積の光導波路部分間1A及び1Bといえど
も導波モード有効屈折率の一致と、図3においてその各
光導波路部分1A及び1Bの電界分布を図3中それぞれ
曲線a及びbで示すように、電界分布の互いの重なりを
広くすることができる。
【0024】これについて説明する。ここで、光導波路
1の各光導波路部分1A及び1Bの屈折率を、それぞれ
nfa,nfb とし、クラッド層2A及び2Bの屈折率を、そ
れぞれnca,ncb とし、また基板の屈折率をnsとする。
【0025】光導波路1、すなわち、いわゆるコアとな
る部分は、これを取り囲む部分よりも屈折率が高いこと
が条件とされるので、第1及び第2のクラッド層2A及
び2Bの屈折率もそれぞれ光導波路1の部分よりも小さ
いことが条件となっている。
【0026】そのため光導波路1となるための条件式
は、以下の4式となる。 ns<nfa ns<nfb nca <nfa ncb <nfb
【0027】ところで、導波モードmが、m=0,m=
1についての導波モード有効屈折率すなわち有効屈折率
eff と、屈折率nfの光導波路の厚さtの関係は、図4
に示すようになるが、この有効屈折率neff は、その光
導波路を取り囲む基板3の屈折率ns、クラッド層の屈折
率によって決まることから、両光導波路部分1A及び1
Bに対して同一材料のクラッド層を被着するときは、両
光導波路部分1A及び1Bの断面積を変えるべくその各
厚さを異ならしめるときには、両者の導波モード屈折率
を一致させることに問題が生じることになる。
【0028】ところが、本発明によれば、第1及び第2
の光導波路1A及び1Bに対して、異なる屈折率を有す
る第1及び第2のクラッド層2A及び2Bを被着したの
で、これらクラッド層2A及び2Bの材料の選定、すな
わちこれらの屈折率の選定によって、有効屈折率neff
を選定でき、両者の導波モード有効屈折率の一致をはか
ることができる。
【0029】因みに、プロトン交換によって形成した光
導波路において、そのプロトン交換後にアニールを行う
かことによって、アニールを行わない場合に比してその
有効屈折率neff の低下が生ずる。この特性を利用し
て、前述したように、このアニールを行った光導波路部
分と行わない光導波路部分とにより断面積の異なる光導
波路部分間で導波モード屈折率の一致をはかることは可
能であるが、この場合両者の厚さは一義的に決まってし
まう。
【0030】一方、両光導波路部分1A及び1Bに関し
て両者間の結合効率を高める上で、両者の、電界分布の
重なりをできるだけ広くすることが必要である。
【0031】次に、これについて説明する。このため
に、基板3の屈折率と、クラッド層の屈折率及び光導波
路の屈折率と、光導波路内を伝搬する光の電界分布との
関係について述べる。
【0032】まず、光導波路1の屈折率が、基板3の屈
折率に比較的近い場合を考えると、光導波路1内を伝播
する光は、基板3側でその光の閉じ込めが弱くなるので
その電界分布は、基板3側にも多く滲み出す。
【0033】つまりその電界分布の形状は、基板3側に
引っ張られるようになり、その電界分布のピーク位置も
基板側に移動することとなる。
【0034】またこの効果は、光導波路の屈折率とクラ
ッド層の屈折率との関係においても同様に成立する。
【0035】従って、いま、仮にクラッド層2A及び2
Bの各屈折率nca ,ncb が等しい場合をみると、この場
合の電界分布は図5中曲線a及びbで示すように、光導
波路部分1A及び1Bに関し、共に基板3側とクラッド
層側とに引かれる度合が同程度の電界分布状態となる。
【0036】従って、この場合は、図5で示されるよう
に、両光導波路部分1A及び1Bの厚さta 及びt
b が、ta >tb のとき、各電界分布a及びbのピーク
位置の光導波路表面からの距離 da 及び db は、 da
db となって両者が一致せず、両電界分布a及びbの重
なり合いが小さくなる。
【0037】これに対し本発明構成によれば、厚さを異
にする光導波路部分1A及び1Bに対してこれの上のク
ラッド層2A及び2Bに関してその屈折率が異なるクラ
ッド層を形成したことによって、これらクラッド層2A
及び2Bの屈折率nca ,ncbを、その厚さが大の方の光
導波路部分1A上のクラッド層2Aの屈折率nca を、他
方のクラッド層2Bの屈折率ncb よりも大としたので、
つまりnc a >nc b としたので、光導波路部分2Aにおい
ては、光導波路部分1Bに比較して、クラッド層2Aの
屈折率が光導波路部分2Aの屈折率に近づくことから、
その電界分布のピークは図3で示されるように、クラッ
ド層2A側に引かれることとなり、光導波路部分1Aに
おける電界分布のピーク位置の深さda が小となる方向
に移行する。
【0038】つまり、第1及び第2のクラッド層2A及
び2Bの屈折率を調整することによって、 da = db
満足させることができるようになる。
【0039】そして、このように、 da = db が満足さ
れ、両光導波路部分1A及び1Bの各電界分布のピーク
位置が一致することによって両者の電界分布の重なりを
大きくすることでき、結合効率が高めるられることにな
る。
【0040】次に本発明の光導波路装置の製法の一例を
図6〜図12の各工程における斜視図を参照して説明す
る。
【0041】先ず、図6に示すように、例えばLiNb
3 、或いはLiTaO3 からなる基板3上に、最終的
に得る上述の第1の光導波路部分1Aの形成部に開口1
1wが形成されたプロトン交換処理のマスク11を形成
する。このマスク11の形成は、例えばフォトレジスト
の全面的塗布、露光、現像を行って、開口11wの形成
部にフォトレジストを形成した後に、スパッタリング、
蒸着法等により、Ta膜、Au膜を連続成膜し、その後
レジストを剥離(リフトオフ)することによ形成し得
る。
【0042】ここで開口11wの形状は、その外端から
内端に向かって先細の例えば3角形状にテーパ形状ある
いは緩やかな曲線とすることが望ましい。
【0043】次に、図7に示すように、例えば150℃
程度から250℃程度に加熱された安息香酸,ピロ燐
酸,燐酸,ステアリン酸等の溶液中に数秒から数分間或
いは数時間浸してマスク11の開口11wを通じてプロ
トン交換を行ない、この部分の屈折率を高め、第1の光
導波路部分1Aを作製する。
【0044】次に、このようにして形成された第1の光
導波路部分1A上に、図8に示すように、例えばTa2
5等の第2のクラッド層2となる物質を、マスク11
の開口11wを通じて第1の光導波路部分1A上に接し
て例えば全面的にスパッタリング、蒸着法等により成膜
する。なおこの際成膜する膜厚は、後のプロトン交換処
理時において多少エッチングされた場合においても0.15
μm程度あるいは0.2μm程度以上の厚さが残る膜厚に
成膜する。
【0045】次に、図9に示すように、マスク11を除
去する。すなわち先ず王水によってAu膜をエッチング
除去し、次に水酸化カリウム, 水酸化ナトリウム等によ
ってTa膜をエッチング除去する。
【0046】このとき、クラッド層1Aはこれが剥離せ
ず、そのまま存在する。
【0047】次に、必要に応じて250℃程度から50
0℃程度の加熱、すなわち光導波路のアニールを行う。
【0048】更に、第2の光導波路部分1Bを前述した
と同様にプロトン交換法によって形成する。このため前
述したと同様に、例えばリフトオフ法によって図10に
示すように、最終的に第2の光導波路部分1Bの形成部
に開口12wが形成されたプロトン交換処理のマスク1
2を作製する。
【0049】次に、マスク12の開口12wを通じて前
述したと同様のプロトン交換処理を行って第2の光導波
路部分1Bを形成する。
【0050】その後、上述したと同様の手順で図11に
示すように、マスク12を除去する。
【0051】その後、図12に示すように、全面的に、
例えばSiO2 をスパッタリング、蒸着法等により成膜
して第1のクラッド層2Aが形成されていない第2の光
導波路部分2B上に直接接触する第2のクラッド層2B
を形成する。
【0052】つまり、この場合、第1の光導波路部分1
A上では、第1のクラッド層2Aが0.15.μm程度
〜0.2μmないしはそれ以上存在し、その上に第2の
クラッド層2Bが存在していることとなる。
【0053】またさらに光導波路1の伝搬光の入射端及
び出射端の研磨を行う。
【0054】このようにして、本発明による光導波路装
置を得る。
【0055】しかしながら、本発明製法、本発明装置は
上述の例に限られるものではなく使用目的、使用態様に
応じて種々の変更を行うことができる。例えば、光導波
路1及びクラッド層は、上述の例におけるような、2部
分とするに限らず、3部分以上の構成とすることもでき
る。また、断面積を異ならしめる態様は、厚さ、幅の双
方もしくは一方とすることができる。
【0056】
【発明の効果】上述したように、本発明構成によれば、
断面積の異なる2つ以上の光導波路部に屈折率の異なる
クラッド層を形成することにより、導波モード有効屈折
率の一致と、光導波路部分相互の電界分布の重なりを大
とすることができるので、光導波路部分間の結合効率を
大とすることができる。
【0057】また、各光導波路部分の断面積、例えばそ
の幅、厚さの選定の自由度が高くなることから、例えば
光導波路1の光入射端面、或いは光出射端面の形状の選
定の自由度が高められることから、使用態様に応じて、
これらの形状、寸法を最適状態に選定出来るので、光源
との位置合わせの簡易化、結合効率の向上等をはかるこ
とができ、更に、出射光のスポット形状の選定ができる
など多くの効果をもたらすことができる。
【0058】また、冒頭に述べたように、波長変換素
子、例えばSHGにおいては、光導波路における光パワ
ー密度を大とすることが望ましく、このため波長変換機
能等を有する光導波路はその断面積を小とすることが望
ましく、かつその基本波光を効率良く入力させる必要が
あるが、その波長変換機能を奏する光導波路はその断面
積を充分小とし、基本波光源と結合させる入力端におい
ては、その断面積を大とすることができて結合効率の向
上をはかることができるので、光パワー密度を充分高め
ることができ、波長変換効率の高いSHG等の波長変換
装置を構成することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明装置の一例の断面図である。
【図2】本発明装置の一例の斜視図である。
【図3】本発明装置の一例の電界分布の説明図てある。
【図4】導波モード特性曲線図である。
【図5】比較例の電界分布の説明図である。
【図6】工程図である。
【図7】工程図である。
【図8】工程図である。
【図9】工程図である。
【図10】工程図である。
【図11】工程図である。
【図12】工程図である。
【符号の説明】
1 光導波路 1A 光導波路部分 1B 光導波路部分 2A クラッド層 2B クラッド層 3 基板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02B 6/12 - 6/14 G02B 6/30

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少なくとも第1の光導波路部分と第2の
    光導波路部分とを有し、上記第1の光導波路部分の断面
    積が上記第2の光導波路部分に比し大とされた光導波路
    が形成されて成る光導波路装置にあって、 上記第1の光導波路部分の表面に、上記第2の光導波路
    部分のクラッド層に比し屈折率が大なるクラッド層が形
    成されて成ることを特徴とする光導波路装置。
  2. 【請求項2】 光導波路が、 LiNbX Ta1-X 3 (0≦x≦0) による強誘電体基板上に形成されたことを特徴とする請
    求項1に記載の光導波路装置。
  3. 【請求項3】 上記第1の光導波路部分及び第2の光導
    波路部分のうちの1つ以上が互いの結合側に向かって幅
    方向、深さ方向のいずれか1方向あるいは2方向にテー
    パ形状あるいは曲線形状とされて上記第1の光導波路部
    分と上記第2の光導波路部分の結合部を互いに連続する
    形状としたことを特徴とする請求項1または2に記載の
    光導波路装置。
  4. 【請求項4】 上記第1の光導波路部分及び第2の光導
    波路部分の1つ以上が、プロトン交換後にアニールを行
    った光導波路であることを特徴とする請求項1、2また
    は3に記載の光導波路装置。
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