JP3661036B2

JP3661036B2 - Waveguide type optical functional element

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Publication number: JP3661036B2
Application number: JP2003110862A
Authority: JP
Inventors: 裕之津田; 崇功鈴木; 泰柴田
Original assignee: Keio University
Current assignee: Keio University
Priority date: 2002-05-27
Filing date: 2003-04-15
Publication date: 2005-06-15
Anticipated expiration: 2023-04-15
Also published as: JP2004054224A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、導波路型光機能素子に関わり、特に、光通信用の波長合分波器、光アイソレータ、干渉計測装置、及び、光通信用の光スイッチに適用して好適な導波路型光機能素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３３は、従来の導波路型光機能素子の構成を示す断面図である。この例は導波路中に溝を形成し、溝に各種光学素子を挿入し、導波路型光機能素子を構成するものである。導波路基板２０１上に、下部クラッド層２０４、コア層２０３、及び、上部クラッド層２０２を順に形成した導波路の溝に光学素子２０５を挿入して屈折率整合透明接着剤２０６で接着固定するものである。
【０００３】
図３４は、別の従来の導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。この例は導波路中に溝を形成し、金属を蒸着してその端面を反射面とするものである。単一モード導波路２０７内に溝構造２０８を形成し、その溝構造２０８の内側に金属コーティング２０９を施す。溝構造２０８は光入射角度が大きい場合は金属コーティング２０９がなくとも全反射ミラーとして機能する。
【０００４】
図３５は、従来の干渉計測光学系の構成を示す上面図である。この干渉計測光学系は、個別の光学部品であるハーフミラー３０２、可動ミラー３０３及び干渉パタン観測面３０４を空間的に配置し、レーザなどの光源からのコヒーレント照明光３０１をハーフミラー３０２で分光して、一方を可動ミラー３０３で反射させ、他方を観測物体で反射させて、ハーフミラー３０２で合波して干渉パタン観測面の干渉を観測することで観測物体までの距離を測定したり、観測物体の表面の形状を計測したりする。実際の計測に際しては、一方の光路長の可変制御のために可動ミラー３０３を電動ステージ等で微動させることで、距離計測などに利用されてきた。
【０００５】
図３６は、従来の光導波路で構成されるマッハツェンダー干渉型光スイッチの構成を示す上面図である。マッハツェンダー干渉型光スイッチは、入力導波路３０５に入力する入力光を１：２光分岐回路３０６で２つに分岐し、一方は屈折率制御部３０７によって屈折率を制御することで光路長を可変制御し、他方はそのまま導波路３０８を介して、それぞれ２：１光結合回路３０９に入力して結合して出力導波路３１０から出力する。このマッハツェンダー干渉系を成す２つのアームを伝搬する光の位相差を制御することによって出力導波路３１０に結合される光強度を制御する。すなわち、石英系導波路においては、導波路基板上の薄膜ヒータから発生する熱量を制御することによって導波路の屈折率を制御し、スイッチ動作を実現する。あるいは、半導体導波路においては、導波路への注入電流量や電界強度を制御することによって導波路の屈折率を制御し、スイッチ動作を実現する。あるいは、ＬｉＮｂＯ₃導波路では、進行波型の電極を設けて、電気信号による印加電界と伝搬光の位相整合を行いつつ電界強度を制御することによって導波路の屈折率を制御し、超高速のスイッチ動作を実現する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図３３に示す例では、溝幅ｓが大きくなると急激に接続損失が増大するという問題点がある。また、図３４に示す例では、反射端面を平滑かつ垂直にしないと散乱損失ないし接続損失が非常に大きくなるという問題点がある。また、図３５に示す例では、機械的駆動部分の信頼性が低いために光路長の可変制御の信頼性が低いこと、さらに、コンパクトに装置に組み上げることが困難であることが課題であった。図３６に示す例では、熱効果、電流注入（プラズマ効果）、電界効果の何れの効果を利用しても、屈折率制御量は０.００１程度である。このため、スイッチ動作に必要なπの位相差を実現するためには、１０００λ程度（λは波長）の長さの屈折率制御導波路が必要である。さらに、高速スイッチでは、高電界が利用できないため、屈折率制御量が減り、５０００λ程度の長さの屈折率制御導波路が必要になり、かつ、進行波電界と伝搬光の位相整合が不可欠となる。これらの屈折率制御導波路は、導波路の最小曲げ半径が一般的に数ミリメートルであるため、直線導波路で構成するので寸法が大きくなる。すなわち、従来のマッハツェンダー干渉型光スイッチは小型化が困難であり、高速変調には位相整合が不可欠であった。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑み、光学素子を挿入することによる接続損失を低減し、短い長さの領域に損失が少なく大きな伝搬光路長の遅延導波路を形成することができる導波路型光機能素子を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明の導波路型光機能素子は、光導波路が保持される基板と、該基板上に形成されるスラブ導波路と、前記基板上に形成され第１結合端で該スラブ導波路と結合する第１光導波路と、前記基板上に形成され第２結合端で前記スラブ導波路と結合する第２光導波路と、前記基板上に形成され前記第１結合端と第２結合端とを互いに結像関係にある位置に配置して結合する反射構造とを備え、
【００２０】
【数２】

ただし、
ｗ1：第１結合端Ａにおけるモードフィールド半径
ｗ2：スラブ導波路内１次元ガウシアンビームの反射構造による反射後のビームウエスト位置におけるモードフィールド半径
Ｌ1：反射構造と光軸の交わる点Ｂと第１結合端Ａとの間の距離
Ｌ2：スラブ導波路内１次元ガウシアンビームの反射構造による反射後のビームウエスト位置と点Ｂとの間の距離
Ｒ：点Ｂ近傍における反射構造の曲率
ｎeff：光が伝搬する部分の有効屈折率
ＬW：光の波長
とするとき、Ｌ1≠Ｒ、Ｌ2≠Ｒとし、第２結合端Ｃが点Ｂから距離Ｌ2の位置にあり、かつ、第２導波路のモードフィールド半径がｗ2に等しい。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００３２】
図１は、本発明の第１実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。本導波路型光機能素子は波長フィルタ機能を有し、導波路基板１０１上に、入力導波路１０２、出力導波路１０３、スラブ導波路１０４、法線が導波路面内にある曲面を側面とする溝構造１０５ａ、ポリマーフィルム上に形成された誘電体多層膜からなる高反射ミラー１０５ｂ、法線が導波路面内にある平面を側面とする溝構造１０７、及び、波長フィルタ板１０８を備える。また、ミラー面の形状を溝に合わせるために、押しつけ用微小物１１８を挿入しても良い。
【００３３】
図２は、第１実施の形態の高反射ミラー周辺の詳細を示す断面図である。高反射ミラー１０５ｂは、誘電体多層膜で構成される高反射ミラー膜１０９、及び、高反射ミラー膜１０９を保持する柔軟なポリマーフィルム基板１１０から成り、導波路とほぼ等しい屈折率を有する接着剤１１１によって上部クラッド層１１２、コア層１１３、及び、下部クラッド層１１４に形成されている溝構造１０５ａに挿入され接着固定されている。溝構造１０５ａの溝は、溝幅２０−３０μｍ、溝深さ２０−５０μｍ程度である。ポリマーフィルム基板１１０としては、膜厚２−２００μｍ程度、好ましくは１０μｍ程度のポリイミド基板、セルローストリアセテート基板、ポリエステル基板、アクリル基板、ポリオレフィン基板、シリコーン基板、ポリスチレン基板、ラテックス基板、アラミド基板、及び、ポリエチレン基板等のポリマー基板の他に、アルミニウム、金、ニッケル等の金属基板も利用することが可能である。
【００３４】
図３は、第１実施の形態の波長フィルタ板周辺の詳細を示す断面図である。波長フィルタ板１０８は、ガラス基板１１５、誘電体多層膜で構成される波長フィルタ膜１１６、及び、低反射コーティング１１７（ガラス基板１１５とコア層１１３の屈折率差が０.１以上有る場合必要）から成る。この実施の形態を実現するためには、非常に選択比の大きい溝形成が必要であるが、石英系、ポリマー（ポリイミド、ポリメチルメタクリレート、エポキシ、シリコーン等）系、ＬｉＮｂＯ₃等の誘電体系の導波路では、反応性イオンエッチング技術、イオンビーム加工技術、又は、レーザ加工技術などを用いることにより実現できる。
【００３５】
第１実施の形態の動作を説明する。入力導波路１０２に入射した光は、入力導波路１０２を伝搬して、スラブ導波路１０４に結合される。スラブ導波路１０４は、基板面に平行な方向の光閉じ込めが行われないため、光はスラブ導波路１０４内で広がりながら伝搬する。溝構造１０５ａ及び高反射ミラー１０５ｂの曲面と基板面との交線で規定される曲線の形状は、高反射ミラー１０５ｂからの反射光をコリメートするための条件から決められる。幾何光学的近軸のもとで、曲率Ｒの曲線の焦点距離はＲ／２であり、入力導波路１０２とスラブ導波路１０４の結合点Ａと曲線上の点Ｂの距離は曲線の曲率をＲとすればＲ／２となる。この配置で、高反射ミラー１０５ｂからの反射光はコリメートされて平行光になる。波長フィルタ板１０８（波長フィルタ膜１１６）は特定の波長のみを透過する機能を持ち、透過光は高反射ミラー１０６ｂで再び集光されて、出力導波路１０３に結合する。波長フィルタ板１０８（波長フィルタ膜１１６）を反射した光は、別の溝構造１０７で遮断される。必要に応じてこの溝構造１０７には光吸収体が挿入される。また、溝構造１０７の端面で不要な迷光が入力導波路１０２や出力導波路１０３に結合しないように、光軸に対して溝構造１０７の側面の法線方向を傾けると良い。傾き角は、入力導波路１０２からスラブ導波路１０４に入射された光の広がり角（半角）以上の大きさにすると良い。本構成では、スラブ導波路１０４内で平行光として、あるいは、スポット径の大きいガウシアンビームとして伝搬するため、溝構造１０７や波長フィルタ板１０８を挿入しても不要な過剰損失を低減することができる。光は伝搬方向に対して水平・垂直の２つの自由度を持ち、片方の自由度の損失に対する寄与が０になるため、本構成を利用することで損失を約半分（デシベル単位）に低減することが可能である。また、高反射ミラー１０５ｂがポリマーフィルム基板１１０をベースにして形成され、屈折率整合した接着剤１１１が充填されているため、溝構造１０５ａの側面が十分に平滑でなくとも、高反射ミラー１０５ｂでの散乱損失がほとんど生じない。
【００３６】
図４は、本発明の第２実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図であり、図５は、その強磁性体周辺の詳細を示す断面図である。本導波路型光機能素子は偏波依存型の導波路光アイソレータであり、ＹＩＧ（イットリウム鉄ガーネット）及びその他のＲＩＧ（希土類鉄ガーネット）等のファラデー効果を有する強磁性体１１９及び偏光フィルタ１２０ａ，１２０ｂを有し、偏光フィルタ１２０ａ，１２０ｂは光の伝搬に垂直な平面での偏光軸が４５度互いに傾いている。なお、強磁性体１１９を磁化するための外部磁界を加える磁石が必要であるが、図面からは省いてある。
【００３７】
入力導波路１０２への入射光が高反射ミラー１０５ｂによってスラブ導波路１０４において平行光になるまでの動作は第１実施の形態と同様である。偏光フィルタ１２０ａに入射する前にスラブ導波路１０４から、屈折率整合した接着剤１１１中へ光が入射される。この光の伝搬方向に対して直交する２つの偏光成分は、極めて良い近似で各々導波路を伝搬する光のＴＥモードとＴＭモードに結合する。例えば、入力導波路１０２へ入射した光がＴＥモードで伝搬して、偏光フィルタ１２０ａの偏光透過軸を導波路基板１０１と平行方向に固定しておけば、偏光フィルタ１２０ａに入射する光の偏光軸は導波路基板１０１と平行になり、ほとんど偏光フィルタ１２０ａを透過して伝搬する。強磁性体１１９に外部磁界を光の伝搬方向と平行に加えておけば、強磁性体１１９を透過した光の偏光面は４５度回転し、再び導波路に結合する際にＴＥモードとＴＭモードをほぼ等しい割合で誘起する。偏光フィルタ１２０ｂに入射する際には強磁性体１１９を透過した偏光状態が再現されるが、偏光フィルタ１２０ｂの偏光透過軸は偏光フィルタ１２０ａに対して４５度傾けてあるので、光は偏光フィルタ１２０ｂでの損失を極小として透過し、再び導波路に結合される。その後、光は高反射ミラー１０６ｂで集光されて出力導波路１０３に結合される。出力導波路１０３側からの反射戻り光は、偏光フィルタ１２０ｂを透過するが、強磁性体１１９によって偏光面がさらに同方向に４５度回転するため、偏光フィルタ１２０ａへ入射する際の偏光軸が導波路基板１０１に垂直になり偏光フィルタ１２０ａでの損失が極大になる。このようにして、本構成は偏波依存性のある導波路型光アイソレータとして機能する。
【００３８】
導波路型アイソレータの利点は、３次元空間にレンズや偏光板、磁性体を配置した構成よりも小型化が容易であること及び他の光回路に集積することが可能になることである。本実施の形態では、導波路中に形成された反射構造を利用し、幅の広い（スポット径の大きい）ビームを形成して、スラブ導波路中を伝搬させて、その間に各光学素子を配置するため、従来よりも損失をほぼ半減させた導波路型アイソレータを構成できる。
【００３９】
図６は、本発明の第３実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。本実施の形態と第２実施の形態の相違点は、ＹＩＧ及びその他のＲＩＧ等のファラデー効果を有する強磁性体１１９を複数の薄い強磁性体１１９に分割している点である。ファラデー素子による偏光面の回転角はその厚みに比例するので、厚みが１／ｋ（ｋは自然数）の強磁性体１１９をｋ枚利用しても同様の動作をすることは明らかである。しかしながら、溝構造が有る場合の溝による損失は溝の厚さに比例するのではなく、指数関数的に増加する。
【００４０】
図７は、強磁性体の分割による損失の低減効果を示すグラフである。ここでは、溝幅の余裕と強磁性体１１９表面でのフレネル反射損を無視している。この計算では、強磁性体１１９のトータルの厚さＬ＝２００μｍと仮定している。分割数ｋが多くなると損失が小さくなることが確認できる。この手法は、本実施の形態以降に説明する実施の形態においても適用可能である。
【００４１】
図８は、本発明の第４実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図であり、図９は、その強磁性体周辺の詳細を示す断面図である。本実施の形態と第２実施の形態の相違点は、ＹＩＧ及びその他のＲＩＧ等のファラデー効果を有する強磁性体１２１を円柱形状としたことである。一般に強磁性体１２１は、石英やポリマー導波路材料とそれに整合する接着剤よりも高屈折率であるため、円柱形状とすることによりシリンドリカルレンズとして機能する。円柱形状でなく、平凸、両凸形状のシリンドリカルレンズに加工しても良いが、ここでは、容易に加工・固定できる円柱形状とする。光ファイバに整合する単一モード導波路では、コアとクラッドの屈折率差比が小さいので、レンズの収差はそれ程接続損失には影響しない。強磁性体１２１を定位置に固定しやすいように、溝の底には別の凹状の溝あるいはＶ字形状の溝を形成しても良い。本構成では、拡散した光を強磁性体１２１によって収束させるので、強磁性体１２１を挿入することによる損失をほぼ零とすることが可能である。
【００４２】
図１０は、本発明の第５実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。本実施の形態と第２実施の形態の相違点は、入力導波路１２２及び出力導波路１２３を複数の導波路とした点である。他の実施の形態にも適用可能であることは言うまでもない。本構成では、複数の入出力が行われることで多数の光アイソレータを小型に集積することが可能になる。導波路型ではない光アイソレータをアレイ化することは、入出力の光ファイバアレイ間隔が最小１２５μｍ、通常２５０μｍであり、多数の入出力を具備すると大型の光学部品が必要になるため事実上不可能である。すなわち、ファイバアレイ間を一組のレンズで高効率に結合するためには、アレイの端から端までの長さをレンズ直径の１／２０程度にする必要があるため大型のレンズが必要になる。また、各々のファイバにレンズを付ける場合は、各レンズの直径を２−３ｍｍ程度にする必要があり、ファイバ間隔を広げるため大型のファイバアレイが必要となる。
【００４３】
図１１は、本発明の第６実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。本導波路型光機能素子は、偏光無依存型の導波路光アイソレータであり、ＹＩＧ及びその他のＲＩＧ等のファラデー効果を有する強磁性体１１９ａ，１１９ｂ、１／２波長板１２４ａ，１２４ｂ、偏光分離ミラー板１２５ａ，１２５ｂ、及び、高反射ミラー１２６ａ，１２６ｂを備える。本構成では、偏光分離ミラー板１２５ａにおいて、入射光の直交する偏光成分、すなわち導波路中のＴＥ及びＴＭ波が分離される。ＴＥ波は透過し、偏光面が１／２波長板１２４ａによって進行方向に対して右に４５度回転される。次に強磁性体１１９ａによってさらに偏光面が右に４５度回転され、ＴＭ波に変換されて伝搬する。高反射ミラー１２６ａで反射され、偏光分離ミラー板１２５ｂではＴＭ波なので反射される。同様に入力導波路１０２を伝搬するＴＭ波は偏光分離ミラー板１２５ａで反射され高反射ミラー１２６ｂで反射され１／２波長板１２４ｂで偏光面が右に４５度回転され、さらに強磁性体１１９ｂで偏光面が右に４５度回転されてＴＥ波に変換されて偏光分離ミラー板１２５ｂを透過し、別の経路を辿った光と合波される。出力導波路１０３側からの反射戻り光は、偏光分離ミラー板１２５ｂで分離されて強磁性体１１９ａ，１１９ｂ、及び、１／２波長板１２４ａ，１２４ｂを透過するが、偏光面の回転がキャンセルされるため、偏光分離ミラー板１２５ａにおいて、それぞれ反射、透過して入力導波路１０２には結合しない。すなわち、偏光無依存型の導波路光アイソレータとして機能する。
【００４４】
図１２は、本発明の第７実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図であり、図１３は、その断面図である。本実施の形態と第４の実施の形態の相違点は、ＹＩＧ及びその他のＲＩＧ等のファラデー効果を有する強磁性体１２７を２つの球状としたことである。球状以外にも、半球状などの光軸に対して回転対称性を持つ曲面を表面とする形状でも良いことは言うまでもない。球状に研磨することは、ベアリング等の高精度加工技術が適用できるため構成が容易になる。また、固定するためにＶ型や凹型の溝を設けると良い。
【００４５】
図１４は、本発明の第８実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図であり、図１５は、その断面図である。本実施の形態では、球状等の回転対称性を持つ曲面を表面とする形状に加工した強磁性体１２７が導波路基板１０１に平行及び垂直の２つの軸に対してレンズ機能を持つので、２つの単一モード光導波路１２８間に挿入することも可能である。この構成では、位置合わせ精度を高くすれば、容易に光回路中に強磁性体１２７を挿入することが可能になる。
【００４６】
図１６は、本発明の第９実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。本実施の形態に示す構成は、反射構造を利用した光結合回路の結合効率を高める構成である。従来の幾何光学的近似によれば、入射結合点及び出射結合点を楕円の焦点とする、楕円ミラーを利用する構成が最も良いと考えられる。しかしながら、より精度の高い結像条件は、第１の導波路から出射した光が、スラブ導波路面内では、出射端にビームウエストがあり、ビームスポット半径が結合端におけるモードフィールド半径に等しい１次元のガウシアンビームであると仮定して求めることができる。スラブ導波路面に垂直な方向成分は、常に単一モード条件が満たされ、モードフィールド径が変化しないので結合効率は１００％であり、考慮する必要はない。曲率半径Ｒのミラーが近軸近似で、焦点距離ｆ＝Ｒ／２の結像素子であることを利用すれば、楕円ミラーの場合も含み、一般的に
【００４７】
【数３】

ただし、
ｗ1：第１結合端Ａにおけるモードフィールド半径
ｗ2：スラブ導波路内１次元ガウシアンビームのミラー反射後のビームウエスト位置におけるモードフィールド半径
Ｌ1：反射構造と光軸の交わる点Ｂと第１結合端Ａとの間の距離
Ｌ2：スラブ導波路内１次元ガウシアンビームのミラー反射後のビームウエスト位置と点Ｂとの間の距離
Ｒ：点Ｂ近傍における曲率
ｎeff：光が伝搬する部分の有効屈折率
ＬW：光の波長
となる。入力側と出力側の２つのガウシアンビームの結合効率は、両者のビームウエスト位置が一致し、かつ、両者のビームスポット半径が一致するときに最大となる。すなわち、第２結合端Ｃを、点Ｂから距離Ｌ2の位置に配置し（ビームウエスト位置が一致）、かつ、第２の導波路のモードフィールド半径をｗ2に等しくするとき（ビームスポット半径が一致）、最大の結合効率が得られることを見いだした。
【００４８】
図１７は、反射構造の曲率半径と結合効率との関係を示すグラフである。従来の幾何光学的近似に基づく設計による構成と、本実施の形態による構成の場合の結合効率を計算した結果を示している。計算の前提は、ｗ1＝５μｍ、入出力導波路間距離５００μｍ、ｎeff＝１.５３４、ＬW＝１.５５μｍ、入力側と出力側が対称な構成であるとした。図から明らかなように、反射構造の曲率半径を小さくしていくと、幾何光学近似ではＲ／２＝２００μｍ近傍から結合効率が低下してくるのに対し、本実施の形態ではＲ／２＝８０μｍ近傍まで結合効率が低下しないことが分かる。そして、本実施の形態ではＲ／２＝６０〜２００μｍで従来よりも優れた結合効率を実現することができる。
【００４９】
図１８は、本発明の第１０実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。本実施の形態は全体として干渉測定器１３９を構成しており、導波路基板１０１、入力導波路１０２、出力導波路１０３、方向性結合器又はマルチモード干渉結合器１３１、導波路１３２，１３３、遅延制御導波路１３４、反射構造１３５、レンズ１３６、半導体レーザ１３７、及び、受光器１３８を備える。干渉測定の原理は以下の通りである。半導体レーザ１３７から出射されたコヒーレント光は入力導波路１０２を介して方向性結合器１３１の入力端Ｐに入力され、出力端Ｒと出力端Ｓに分岐して出力される。出力端Ｒから出力される分岐光は導波路１３２を経て反射構造１３５で反射され再び導波路１３２を経て方向性結合器１３１に出力端Ｒから入力される。別の出力端Ｓから出力される分岐光は導波路外部に接続され、レンズ１３６を介して観測物体に照射され、反射光の一部は再びレンズ１３６を介して導波路１３３に接続され出力端Ｓに戻る。
【００５０】
２つの戻り光は、光路差が半導体レーザ１３７のコヒーレント長よりも短ければ干渉し、入力端Ｑからの出力は光路差を制御すると、波長の単位で変動する。これを利用して物体までの距離を、波長を単位として計測することが可能になる。光路差の制御のために遅延制御導波路１３４が利用される。干渉測定器１３９を移動させれば物体上の一点を基準として相対的な距離を計測することによって物体形状を計測できる。勿論、レンズ１３６を介さずに、光ファイバ等で観測用の光を導波すれば、干渉測定器１３９全体を動かすことなく、光ファイバの先端を駆動して計測することが可能であることは言うまでもない。あるいは物体を微動ステージ上で駆動しても良い。
【００５１】
さらに、半導体レーザ１３７の発振波長を制御すれば、複数の異なる波長に対して計測することによって正確に測定することができる。また、複数の目盛りがあるので波長の最小公倍数程度の大型の物体形状の計測にも有効である。
【００５２】
さらに、コヒーレント光でなく、インコヒーレント光（コヒーレント長が数ミクロンから数十ミクロン程度）を利用する干渉計測にも適用可能である。この場合は可干渉長が非常に短いことを利用して、物質界面からの反射光を検出し層構造等を測定するので、出力端Ｒから反射構造１３５までの光路長と出力端Ｓから物体までの光路長をほぼ一致させておく必要がある。インコヒーレント光源にはスーパールミネッセントダイオードなどを利用する。
【００５３】
図１９は、遅延制御導波路の第１の例の構成を示す上面図である。本実施の形態の最大の特徴は、遅延制御導波路１３４の構成にある。本第１の例の遅延制御導波路１３４は、導波路１３２、スラブ導波路１４１、ミラー１０５、及び、遅延制御用領域１４３を備える。遅延制御用領域１４３は、例えば、石英導波路であれば、薄膜ヒータである。半導体導波路であれば、電流注入ないし電界印加用電極であり、裏面にはもう一方の電極が設けられる。また、ＬｉＮｂＯ₃等の誘電体導波路であれば、コプレーナ線路あるいはストリップ線路型の電極が設けられる場合もある。通常の導波路では、最小曲げ半径は５ｍｍ程度であるため、そのまま本例に示すようなつづら折りの導波路を作成すると数ｃｍ角の大きさになり実用的ではない。ところが、本例に示すように導波路中にミラーを構成して光路変更すれば、０.０５〜０.５ｍｍ間隔で並列する単一モード導波路間を接続することができるので、つづら折りの光回路を短い長さの領域に構成することができる。ミラー１０５は、端面が垂直になるようにドライエッチングを行い、エッチング端面にアルミニウムや金、銀等の金属膜を蒸着やスパッタリングによって堆積して形成しても良い。例えば、つづら折り導波路間隔を０.１ｍｍ、導波路直線部長を１ｍｍとすれば、約１ｍｍ×１ｍｍの領域に全長１０ｍｍの導波路を配置することができる。
【００５４】
図２０は、遅延制御導波路の第２の例の構成を示す上面図である。本第２の例の遅延制御導波路１３４は、渦巻き状に導波路１３２を形成し、中心部の曲率の小さくなる部分にスラブ導波路１４１とミラー１４２によりつづら折り導波路を配置するものであり、いたずらにミラー１４２の数を増やすことなく、面積の無駄なく遅延制御導波路１３４を形成することができる。例えば、コア径を０.０１ｍｍ、導波路間隔を０.０５ｍｍとすれば、半径１ｃｍの領域に５ｍ程度の遅延導波路を形成できる。導波路の有効屈折率を１.５、その温度依存性を５×１０^-5［１／℃］、温度制御を２０℃とすれば、最大遅延制御量は片道で５ｍｍにも及ぶ。すなわち、図１８に示すような干渉測定器１３９に利用すれば、１０ｍｍ程度の段差までの表面凹凸形状を計測できる。勿論、導波路１３３の途中にも遅延導波路を形成すれば、近い位置の観測物体も計測できる。
【００５５】
図２１は、遅延制御導波路の第３の例の構成を示す上面図である。本第３の例の遅延制御導波路１３４は、全体を大型のスラブ導波路１４１とし、そのスラブ導波路１４１の中に複数のミラー１３４を設けて、これらミラー１３４間を往復する光路の領域を遅延制御用領域１４３として、ここには単一モードの導波路１３２を配置しないものである。単一モード導波路への接続における損失が無くなるので低損失化が可能である。
【００５６】
図２２及び図２３は、遅延制御導波路の第４の例の構成を示す上面図及びその一部断面図である。本第４の例の遅延制御導波路１３４は、ミラーを利用しない低損失な曲率の小さい曲げ構造とそれを利用したつづら折り導波路によって構成されている。導波路１３２は曲率の小さい曲げ構造部分において互いに凹凸関係にある溝構造１４５によって挟まれることで低損失になるようにしている。図２３は、図２２のＡ−Ａ’の断面図である。このように、導波路基板１０１上において導波路コア１４６及び導波路クラッド１４７を溝構造１４５で両側から挟む構造になっている。溝構造１４５の側面には、金属膜を堆積してミラーとしても良い。本構成は、曲げ部分周辺にのみ溝構造を設けて導波路への光閉じ込めを強くし、曲げ損失を減らすものである。
【００５７】
図２４及び図２５は遅延制御導波路の第５の例の構成を示す上面図及びその一部拡大図である。本第５の例の遅延制御導波路１３４は、別のミラーを利用しない低損失な曲率の小さい曲げ構造とそれを利用したつづら折り導波路によって構成されている。導波路１３２は曲率の小さい曲げ構造部分において互いに凹凸関係にある微小な穴１４８の領域によって挟まれることで低損失になるようにしている。図２５は、図２４の領域Ｂの部分の拡大図である。このように、導波路コア１４６周辺に波長よりも寸法の小さい微小な穴１４８（円筒形）を沢山設けることによって導波路１３２への光閉じ込めを強くし、曲げ損失を減らすものである。
【００５８】
図２６は、本発明の第１１実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。本実施の形態の干渉測定器１３９は、半導体レーザ１５０ａ，１５０ｂ、受光器１５１ａ，１５１ｂ、及び、異なる波長の光を合波し、また、異なる波長の光に分波する波長合分波器１５２をさらに備える。半導体レーザ１５０ａと半導体レーザ１５０ｂの発振波長は僅かに異なるので、複数の異なる波長に対して計測することによって正確に測定することができる。また、複数の目盛りがあることになるので波長の最小公倍数程度の大型の物体形状の計測にも有効である。
【００５９】
図２７は、本発明の第１２実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。本実施の形態の干渉測定器１３９は、方向性結合器又はマルチモード干渉結合器１３１の出力端Ｒからの光を波長合分波器１５２によって異なる波長に分波してそれぞれの遅延を遅延制御導波路１３４で制御するものである。
【００６０】
図２８は、本発明の第１３実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。本実施の形態の干渉測定器１３９は、方向性結合器１３１を２つ備え、異なる波長に対してそれぞれの遅延を遅延制御導波路１３４で制御するものである。
【００６１】
これら第１２及び第１３実施の形態は、異なる光源からの光の遅延時間を別々に制御することが可能である。装置構成は複雑になるが、測定の精度の向上が図れる。
【００６２】
図２９は、本発明の第１４実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。本実施の形態はマッハツェンダー干渉型光スイッチを構成するものであり、入力導波路１５３、１：２光分岐回路１５４、導波路１５５，１５６、遅延制御導波路１５７ａ，１５７ｂ、２：１光結合回路１５８、及び、出力導波路１５９を備える。本実施の形態のマッハツェンダー干渉型光スイッチは非常に長い遅延制御導波路１５７ａ，１５７ｂをコンパクトに導波路上に搭載することができるため、通常のマッハツェンダー干渉型光スイッチと比較して次のような利点がある。（１）低速信号用（ビットレート＜１Ｇｂｉｔ／ｓ程度）のスイッチを熱効果による屈折率制御方法で構成する場合、遅延制御導波路１５７ａと遅延制御導波路１５７ｂの遅延時間差を信号ビット幅の５％程度を上限に非常に長くすることによって、スイッチ全体の温度を制御してスイッチングを行うことができる。例えば、遅延制御導波路１５７ａと遅延制御導波路１５７ｂの遅延時間差を０.５ｎｓ（石英系導波路の場合、距離に換算して１ｃｍ程度）とすると、等化屈折率温度依存性を５×１０^-5［１／℃］とすれば、温度を１度制御してスイッチングが可能である。チップにヒータ電極を設けずに全体の温度制御でスイッチ動作が可能であるため低コストなスイッチングが可能となる。（２）高速信号用のスイッチ、あるいは高速スイッチングを行うスイッチにおいては、遅延制御導波路１５７ａと遅延制御導波路１５７ｂの光路長差は０か多くても数波長程度に設定される。遅延制御導波路１５７ａと遅延制御導波路１５７ｂの光路長を従来の５０００λ程度とすれば、従来直線で５ｍｍ程度の長さが必要であったが、０.５ｍｍ角程度の領域につづら折りに形成することが可能になり、スイッチを小型化することができる。また、制御電極長が短くなるため、電極に印加される高周波電界と伝搬光の位相の整合が不要になり、スイッチ構成が簡易になる。あるいは、遅延制御導波路１５７ａと遅延制御導波路１５７ｂの光路長を５００００λ程度（１０倍）とすれば、印加電圧を１／１０に低減することが可能である。
【００６３】
図３０は、本発明の第１５実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。本実施の形態のマッハツェンダー干渉型光スイッチは、入力導波路１５３、２：２光結合回路１６０、遅延制御導波路１５７ａ，１５７ｂ、及び、出力導波路１５９ａ，１５９ｂを備える。本実施の形態は、信号をオンオフするのではなく、出力導波路１５９ａ又は出力導波路１５９ｂのどちらに出力するかを切り替えるスイッチである。
【００６４】
図３１は、本発明の第１６実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。本実施の形態のマッハツェンダー干渉型光スイッチは、入力導波路１５３、２：２光結合回路１６０、導波路１５５，１５６、遅延制御導波路１５７ａ，１５７ｂ、反射構造１６１、及び、出力導波路１５９ｃを備える。本実施の形態は、入力導波路１５３又は出力導波路１５９ｃのどちらに出力するかを切り替えるスイッチである。この構成では、切り替えた出力の一方は入力導波路１５３から出力されるため、入力導波路１５３の手前に光サーキュレータを接続する必要がある。本実施の形態は第１５実施の形態（図３０参照）の構成を反射構造１６１によって折り返した構成である。光が二度、遅延制御導波路１５７ａ，１５７ｂを伝搬するため、半分の光路長で同様の効果が得られ、素子の小型化に有効である。
【００６５】
図３２は、本発明の第１７実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。本実施の形態の干渉測定器１３９は、干渉測定系を１次元に拡張した構成である。半導体レーザ１５０から入射した光は１：２光分岐回路１６５で分岐され、一方は可変遅延機能を持つ遅延制御導波路１６２ａに、もう一方は、遅延導波路１６２ｂに導かれる。用途に応じて遅延導波路１６２ｂにも可変機能を付加しても良い。遅延制御導波路１６２ａ及び遅延導波路１６２ｂを出射した光はそれぞれスラブ導波路１０４内で広がり、反射構造１０５，１０６によって平行光にされる。遅延制御導波路１６２ａ−反射構造１０５−半透鏡１６３−観測物体−半透鏡１６３−受光器アレイ１６４と伝搬する光と、遅延導波路１６２ｂ−反射構造１０６−半透鏡１６３−受光器アレイ１６４と伝搬する光の干渉光強度を受光器アレイ１６４で観測する。この際、例えば反射構造１０５−半透鏡１６３−反射構造１０６と伝搬する光が遅延導波路１６２ｂに入射することがないように、遅延制御導波路１６２ａ及び遅延導波路１６２ｂを配置する。本実施の形態の場合は、可変遅延機能を持つ遅延制御導波路１６２ａの遅延量を変える１回の走査で、受光器アレイ１６４により１次元上の区間の各点における測定ができるため、計測の高速化が可能になる。
【００６６】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。
【００６７】
【発明の効果】
本願において開示される発明の基本的な効果は、曲率半径の小さい反射構造での結合効率の低下を抑えることができるという点にある。また、これに伴い下記の効果を奏する。
【００６８】
第１の効果は、柔軟なフィルム上に堆積された高反射ミラーを溝構造に挿入することによって、低損失な反射構造をスラブ導波路内に設けることができることである。
【００６９】
第２の効果は、基板厚に比例した効果を持つ光学部品（例えば、ファラデー素子、波長板等）を基板厚の総計を一定にしたまま分割して導波路内に挿入することによって、集積に伴う損失を低減することが可能なことである。
【００７０】
第３の効果は、第１の効果から生じるものであるが、スラブ導波路内で幅の広い（スポット径の大きい）平行ビームを低損失に形成し、この平行ビームが伝搬するスラブ導波路内に設けた溝構造に光学部品を挿入することで、導波路が存在しない溝部分と光学部品部分を透過して再び導波路に結合する際の損失を半減することができることである。
【００７１】
第４の効果は、ファラデー効果を有するＹＩＧ等の材料自体を、円柱状や球状に加工してレンズ機能を持たせることによって、これらの材料を低損失に導波路内にハイブリッド集積できることである。
【００７２】
これらの第１から第４に至るミクロな効果を各種光導波回路に利用することによって次のようなマクロな効果を生み出す。
【００７３】
第５の効果は、低損失な導波路型光アイソレータや光波長フィルタを構成できるようになることである。導波路型アイソレータは従来の微小光学を利用したアイソレータよりも小型であり、特にアレイにする場合にはその効果は顕著である。また、導波路内にアイソレータを組み込むことが出来れば、導波回路内に集積されたレーザや増幅器を安定に動作させることが可能になる。さらに、小規模な波長合分波回路に適用すれば、従来のアレイ導波路回折格子よりも小型で低損失な波長合分波回路を実現することができる。
【００７４】
第６の効果は、非常に長い遅延線を導波路基板上に搭載できるので、従来、個別の部品を配置して構成していた干渉光学系を導波路基板上に構成することができる。また、遅延制御量が大きいため機械的にミラーを駆動することなく、段差のある凹凸形状の計測が容易になる。
【００７５】
第７の効果は、非常に長い遅延線を導波路基板上に搭載できるので、チップ全体の温度制御を行って駆動する光スイッチを構成することが可能になる。
【００７６】
第８の効果は、遅延線を導波路基板上に折り曲げてコンパクトに搭載できるので、光スイッチを小型化することが可能になる。
【００７７】
第９の効果は、遅延線を導波路基板上に折り曲げてコンパクトに搭載できるので、光スイッチの駆動電圧を低減することが可能になる。
【００７８】
第１０の効果は、遅延線を導波路基板上に折り曲げてコンパクトに搭載できるので、光スイッチを駆動するための高周波電界と伝搬光の位相整合が不要になり、スイッチ構成が簡易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図２】第１実施の形態の高反射ミラー周辺の詳細を示す断面図である。
【図３】第１実施の形態の波長フィルタ板周辺の詳細を示す断面図である。
【図４】本発明の第２実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図５】本発明の第２実施の形態による導波路型光機能素子の強磁性体周辺の詳細を示す断面図である。
【図６】本発明の第３実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図７】強磁性体の分割による損失の低減効果を示すグラフである。
【図８】本発明の第４実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図９】本発明の第４実施の形態による導波路型光機能素子の強磁性体周辺の詳細を示す断面図である。
【図１０】本発明の第５実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図１１】本発明の第６実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図１２】本発明の第７実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図１３】本発明の第７実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す断面図である。
【図１４】本発明の第８実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図１５】本発明の第８実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す断面図である。
【図１６】本発明の第９実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図１７】反射構造の曲率半径と結合効率との関係を示すグラフである。
【図１８】本発明の第１０実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図１９】遅延制御導波路の第１の例の構成を示す上面図である。
【図２０】遅延制御導波路の第２の例の構成を示す上面図である。
【図２１】遅延制御導波路の第３の例の構成を示す上面図である。
【図２２】遅延制御導波路の第４の例の構成を示す上面図である
【図２３】遅延制御導波路の第４の例の構成を示す一部断面図である。
【図２４】遅延制御導波路の第５の例の構成を示す上面図である
【図２５】遅延制御導波路の第５の例の構成を示す一部拡大図である。
【図２６】本発明の第１１実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図２７】本発明の第１２実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図２８】本発明の第１３実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図２９】本発明の第１４実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図３０】本発明の第１５実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図３１】本発明の第１６実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図３２】本発明の第１７実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図３３】従来の導波路型光機能素子の構成を示す断面図である。
【図３４】別の従来の導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図３５】従来の干渉計測光学系の構成を示す上面図である。
【図３６】従来の光導波路で構成されるマッハツェンダー干渉型光スイッチの構成を示す上面図である。
【符号の説明】
１０１導波路基板
１０２入力導波路
１０３出力導波路
１０４スラブ導波路
１０５，１３４ミラー
１０５ａ，１０７溝構造
１０５ｂ，１０６ｂ，１２６高反射ミラー
１０８波長フィルタ板
１０９高反射ミラー膜
１１０ポリマーフィルム基板
１１１接着剤
１１２，２０２上部クラッド層
１１３，２０３コア層
１１４，２０４下部クラッド層
１１５ガラス基板
１１６波長フィルタ膜
１１７低反射コーティング
１１８押しつけ用微小物
１１９，１２１強磁性体
１２０偏光フィルタ
１２２入力導波路
１２３出力導波路
１２４１／２波長板
１２５偏光分離ミラー板
１２７強磁性体
１２８単一モード光導波路
１３１方向性結合器又はマルチモード干渉結合器
１３２，１３３導波路
１３４遅延制御導波路
１３５反射構造
１３６レンズ
１３７半導体レーザ
１３８受光器
１３９干渉測定器
１４１スラブ導波路
１４２ミラー
１４３遅延制御用領域
１４５溝構造
１４６導波路コア
１４７導波路クラッド
１４８穴
１５０ａ，１５０ｂ半導体レーザ
１５１ａ受光器
１５２波長合分波器
１５３入力導波路
１５４１：２光分岐回路
１５５，１５６導波路
１５７ａ，１５７ｂ遅延制御導波路
１５８２：１光結合回路
１５９，１５９ａ，１５９ｂ，１５９ｃ出力導波路
１６０２：２光結合回路
１６１反射構造
１６２ａ遅延制御導波路
１６２ｂ遅延導波路
１６３半透鏡
１６４受光器アレイ
１６５１：２光分岐回路
２０１導波路基板
２０５光学素子
２０６屈折率整合透明接着剤
２０７単一モード導波路
２０８溝構造
２０９金属コーティング
３０１コヒーレント照明光
３０２ハーフミラー
３０３可動ミラー
３０４干渉パタン観測面
３０５入力導波路
３０６１：２光分岐回路
３０７屈折率制御部
３０８導波路
３０９２：１光結合回路
３１０出力導波路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a waveguide-type optical functional element, and in particular, a waveguide-type light suitable for application to a wavelength multiplexer / demultiplexer, an optical isolator, an interference measuring device, and an optical switch for optical communication. It relates to a functional element.
[0002]
[Prior art]
FIG. 33 is a cross-sectional view showing a configuration of a conventional waveguide type optical functional element. In this example, a groove is formed in a waveguide, and various optical elements are inserted into the groove to constitute a waveguide type optical functional element. An optical element 205 is inserted into a groove of a waveguide in which a lower clad layer 204, a core layer 203, and an upper clad layer 202 are formed in order on a waveguide substrate 201, and bonded and fixed with a refractive index matching transparent adhesive 206 It is.
[0003]
FIG. 34 is a top view showing the configuration of another conventional waveguide-type optical functional element. In this example, a groove is formed in a waveguide, a metal is vapor-deposited, and an end surface thereof is used as a reflection surface. A groove structure 208 is formed in the single mode waveguide 207, and a metal coating 209 is applied to the inside of the groove structure 208. When the light incident angle is large, the groove structure 208 functions as a total reflection mirror without the metal coating 209.
[0004]
FIG. 35 is a top view showing a configuration of a conventional interference measurement optical system. In this interference measurement optical system, a half mirror 302, a movable mirror 303, and an interference pattern observation surface 304, which are individual optical components, are spatially arranged, and the coherent illumination light 301 from a light source such as a laser is dispersed by the half mirror 302. Then, one is reflected by the movable mirror 303, the other is reflected by the observation object, and is combined by the half mirror 302 to observe the interference on the interference pattern observation surface, thereby measuring the distance to the observation object, Measure the shape of the surface of the object. In actual measurement, the movable mirror 303 is finely moved by an electric stage or the like for variable control of one optical path length, and has been used for distance measurement and the like.
[0005]
FIG. 36 is a top view showing a configuration of a Mach-Zehnder interference type optical switch composed of a conventional optical waveguide. In the Mach-Zehnder interference type optical switch, the input light input to the input waveguide 305 is branched into two by a 1: 2 optical branching circuit 306, and one of the optical paths is controlled by the refractive index control unit 307 to control the refractive index. The other is variably controlled, and the other is directly input to the 2: 1 optical coupling circuit 309 via the waveguide 308 to be coupled and output from the output waveguide 310. The light intensity coupled to the output waveguide 310 is controlled by controlling the phase difference of light propagating through the two arms constituting the Mach-Zehnder interference system. That is, in the quartz-based waveguide, the refractive index of the waveguide is controlled by controlling the amount of heat generated from the thin film heater on the waveguide substrate, thereby realizing the switch operation. Alternatively, in the semiconductor waveguide, the refractive index of the waveguide is controlled by controlling the amount of current injected into the waveguide and the electric field strength, thereby realizing the switch operation. Alternatively, LiNbO_ThreeIn the waveguide, a traveling wave type electrode is provided, and the refractive index of the waveguide is controlled by controlling the electric field strength while phase matching between the applied electric field and the propagating light by the electric signal, realizing ultra high-speed switching operation. To do.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the example shown in FIG. 33 has a problem that the connection loss increases rapidly as the groove width s increases. Further, in the example shown in FIG. 34, there is a problem that scattering loss or connection loss becomes very large unless the reflection end face is smooth and vertical. In the example shown in FIG. 35, the reliability of the variable control of the optical path length is low because the reliability of the mechanical drive portion is low, and further, it is difficult to assemble the apparatus compactly. . In the example shown in FIG. 36, the refractive index control amount is about 0.001 regardless of any of the thermal effect, current injection (plasma effect), and field effect. Therefore, in order to realize the phase difference of π necessary for the switch operation, a refractive index control waveguide having a length of about 1000λ (λ is a wavelength) is required. Furthermore, since a high electric field cannot be used in a high-speed switch, the refractive index control amount is reduced, a refractive index control waveguide having a length of about 5000λ is required, and phase matching between the traveling wave electric field and the propagating light is indispensable. Become. Since these refractive index control waveguides generally have a minimum bending radius of a few millimeters, they are constituted by straight waveguides, so that their dimensions become large. That is, the conventional Mach-Zehnder interference type optical switch is difficult to downsize, and phase matching is indispensable for high-speed modulation.
[0007]
In view of the above problems, the present invention reduces the connection loss due to the insertion of an optical element, and can form a delay waveguide having a large propagation optical path length with a small loss in a short length region. An object is to provide a functional element.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
The waveguide type optical functional device of the present invention includes a substrate on which an optical waveguide is held,A slab waveguide formed on the substrate; andFormed on the substrateCoupling with the slab waveguide at the first coupling endFirst optical waveguideAnd coupled to the slab waveguide at the second coupling end formed on the substrate.A second optical waveguide and formed on the substrate;Said1st coupling endWhenA reflective structure that couples and couples the second coupling end to each other at a position in an imaging relationship with each other,
[0020]
[Expression 2]

However,
  w1: Mode field radius at the first coupling end A
  w2: Reflection structure of one-dimensional Gaussian beam in slab waveguidebyBeam waist after reflectionpositionMode field radius at
  L1: distance between the point B where the reflecting structure and the optical axis intersect and the first coupling end A
  L2: Reflection structure of one-dimensional Gaussian beam in slab waveguidebyDistance between beam waist position after reflection and point B
  R: Curvature of reflecting structure near point B
  neff: effective refractive index of the portion where light propagates
  LW: Wavelength of light
, L1 ≠ R, L2 ≠ R, the second coupling end C is at a distance L2 from the point B, and the mode field radius of the second waveguide is equal to w2.
[0031]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiments, and the repetitive description thereof will be omitted.
[0032]
FIG. 1 is a top view showing a configuration of a waveguide type optical functional element according to a first embodiment of the present invention. This waveguide type optical functional element has a wavelength filter function. On the waveguide substrate 101, an input waveguide 102, an output waveguide 103, a slab waveguide 104, and a curved surface whose normal is in the waveguide plane are defined as side surfaces. A groove structure 105a, a highly reflective mirror 105b made of a dielectric multilayer film formed on a polymer film, a groove structure 107 having a plane whose normal is in the waveguide plane, and a wavelength filter plate 108. Further, in order to match the shape of the mirror surface with the groove, a pressing object 118 may be inserted.
[0033]
FIG. 2 is a cross-sectional view showing details of the periphery of the high reflection mirror of the first embodiment. The high reflection mirror 105b is composed of a high reflection mirror film 109 made of a dielectric multilayer film, and a flexible polymer film substrate 110 that holds the high reflection mirror film 109, and has an index of refraction substantially equal to that of the waveguide. 111 is inserted into the groove structure 105 a formed in the upper clad layer 112, the core layer 113, and the lower clad layer 114, and is bonded and fixed. The groove of the groove structure 105a has a groove width of about 20-30 μm and a groove depth of about 20-50 μm. As the polymer film substrate 110, a polyimide substrate having a film thickness of about 2-200 μm, preferably about 10 μm, a cellulose triacetate substrate, a polyester substrate, an acrylic substrate, a polyolefin substrate, a silicone substrate, a polystyrene substrate, a latex substrate, an aramid substrate, and polyethylene In addition to a polymer substrate such as a substrate, a metal substrate such as aluminum, gold, or nickel can also be used.
[0034]
FIG. 3 is a cross-sectional view showing details of the periphery of the wavelength filter plate of the first embodiment. The wavelength filter plate 108 includes a glass substrate 115, a wavelength filter film 116 formed of a dielectric multilayer film, and a low reflection coating 117 (necessary when the difference in refractive index between the glass substrate 115 and the core layer 113 is 0.1 or more) Consists of. In order to realize this embodiment, it is necessary to form a groove with a very large selection ratio. However, quartz, polymer (polyimide, polymethyl methacrylate, epoxy, silicone, etc.), LiNbO_ThreeSuch a dielectric waveguide can be realized by using a reactive ion etching technique, an ion beam processing technique, a laser processing technique, or the like.
[0035]
The operation of the first embodiment will be described. Light incident on the input waveguide 102 propagates through the input waveguide 102 and is coupled to the slab waveguide 104. Since the slab waveguide 104 is not confined in the direction parallel to the substrate surface, the light propagates while spreading in the slab waveguide 104. The shape of the curve defined by the intersection of the curved surface of the groove structure 105a and the high reflection mirror 105b and the substrate surface is determined from the conditions for collimating the reflected light from the high reflection mirror 105b. Under the geometrical optical paraxial, the focal length of the curve of curvature R is R / 2, and the distance between the coupling point A of the input waveguide 102 and the slab waveguide 104 and the point B on the curve is the curvature of the curve. If R, then R / 2. With this arrangement, the reflected light from the high reflection mirror 105b is collimated into parallel light. The wavelength filter plate 108 (wavelength filter film 116) has a function of transmitting only a specific wavelength, and the transmitted light is condensed again by the high reflection mirror 106b and coupled to the output waveguide 103. The light reflected from the wavelength filter plate 108 (wavelength filter film 116) is blocked by another groove structure 107. A light absorber is inserted into the groove structure 107 as necessary. In addition, the normal direction of the side surface of the groove structure 107 may be inclined with respect to the optical axis so that unnecessary stray light is not coupled to the input waveguide 102 or the output waveguide 103 at the end face of the groove structure 107. The inclination angle is preferably set to be larger than the spread angle (half angle) of light incident on the slab waveguide 104 from the input waveguide 102. In this configuration, since it propagates as parallel light or a Gaussian beam having a large spot diameter in the slab waveguide 104, unnecessary excess loss can be reduced even if the groove structure 107 or the wavelength filter plate 108 is inserted. . Light has two degrees of freedom, horizontal and vertical, with respect to the propagation direction, and the contribution to loss of one degree of freedom is 0. By using this configuration, the loss is reduced to about half (in decibels). It is possible. In addition, since the high reflection mirror 105b is formed on the basis of the polymer film substrate 110 and is filled with the refractive index matched adhesive 111, the high reflection mirror 105b is used even if the side surface of the groove structure 105a is not sufficiently smooth. Almost no scattering loss occurs.
[0036]
FIG. 4 is a top view showing the configuration of the waveguide type optical functional device according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a cross-sectional view showing details of the periphery of the ferromagnetic material. The waveguide-type optical functional element is a polarization-dependent waveguide optical isolator, and includes a ferromagnetic material 119 having a Faraday effect such as YIG (yttrium iron garnet) and other RIG (rare earth iron garnet), and a polarizing filter 120a, The polarizing filters 120a and 120b have a polarization axis inclined at 45 degrees in a plane perpendicular to the propagation of light. A magnet for applying an external magnetic field for magnetizing the ferromagnetic material 119 is required, but is omitted from the drawing.
[0037]
The operation until the incident light to the input waveguide 102 becomes parallel light in the slab waveguide 104 by the high reflection mirror 105b is the same as that of the first embodiment. Light is incident on the refractive index matched adhesive 111 from the slab waveguide 104 before entering the polarizing filter 120a. The two polarization components orthogonal to the light propagation direction couple to the TE mode and the TM mode of the light propagating through the waveguide with a very good approximation. For example, if the light incident on the input waveguide 102 propagates in the TE mode and the polarization transmission axis of the polarization filter 120a is fixed in a direction parallel to the waveguide substrate 101, the polarization axis of the light incident on the polarization filter 120a. Is parallel to the waveguide substrate 101 and almost propagates through the polarizing filter 120a. If an external magnetic field is applied to the ferromagnet 119 parallel to the light propagation direction, the plane of polarization of the light transmitted through the ferromagnet 119 rotates 45 degrees, and when coupled to the waveguide again, the TE mode and the TM mode. Are induced at approximately equal rates. When the light enters the polarizing filter 120b, the polarization state transmitted through the ferromagnetic material 119 is reproduced. However, since the polarization transmission axis of the polarizing filter 120b is inclined 45 degrees with respect to the polarizing filter 120a, the light is transmitted through the polarizing filter 120b. The loss at is transmitted as a minimum, and is coupled to the waveguide again. Thereafter, the light is collected by the high reflection mirror 106 b and coupled to the output waveguide 103. The reflected return light from the output waveguide 103 side is transmitted through the polarization filter 120b, but the polarization plane is further rotated 45 degrees in the same direction by the ferromagnetic material 119, so that the polarization axis when entering the polarization filter 120a is guided. It becomes perpendicular to the waveguide substrate 101, and the loss at the polarizing filter 120a is maximized. In this manner, this configuration functions as a waveguide type optical isolator having polarization dependency.
[0038]
The advantage of the waveguide type isolator is that it is easier to downsize than a configuration in which a lens, a polarizing plate, and a magnetic material are arranged in a three-dimensional space, and can be integrated in another optical circuit. In the present embodiment, a wide beam (with a large spot diameter) is formed using a reflection structure formed in the waveguide, and propagated through the slab waveguide, and each optical element is arranged therebetween. Therefore, it is possible to configure a waveguide type isolator in which the loss is almost halved as compared with the prior art.
[0039]
FIG. 6 is a top view showing the configuration of the waveguide type optical functional device according to the third embodiment of the present invention. The difference between the present embodiment and the second embodiment is that a ferromagnetic body 119 having a Faraday effect such as YIG and other RIGs is divided into a plurality of thin ferromagnetic bodies 119. Since the rotation angle of the polarization plane by the Faraday element is proportional to the thickness, it is clear that the same operation is performed even when k ferromagnetic materials 119 having a thickness of 1 / k (k is a natural number) are used. However, when there is a groove structure, the loss due to the groove increases not exponentially with the groove thickness but exponentially.
[0040]
FIG. 7 is a graph showing the effect of reducing the loss by dividing the ferromagnetic material. Here, the margin of the groove width and the Fresnel reflection loss on the surface of the ferromagnetic material 119 are ignored. In this calculation, it is assumed that the total thickness L of the ferromagnetic material 119 is 200 μm. It can be confirmed that the loss decreases as the division number k increases. This technique can also be applied to the embodiments described after this embodiment.
[0041]
FIG. 8 is a top view showing a configuration of a waveguide type optical functional device according to a fourth embodiment of the present invention, and FIG. 9 is a cross-sectional view showing details of the periphery of the ferromagnetic material. The difference between the present embodiment and the second embodiment is that the ferromagnetic body 121 having a Faraday effect such as YIG and other RIGs has a cylindrical shape. In general, the ferromagnetic body 121 has a higher refractive index than quartz or a polymer waveguide material and an adhesive matched therewith, and thus functions as a cylindrical lens by forming a cylindrical shape. Although it may be processed into a plano-convex or biconvex cylindrical lens instead of a cylindrical shape, it is a cylindrical shape that can be easily processed and fixed here. In a single mode waveguide matched to an optical fiber, the refractive index difference ratio between the core and the clad is small, so the lens aberration does not affect the connection loss as much. Another concave groove or V-shaped groove may be formed at the bottom of the groove so that the ferromagnetic body 121 can be easily fixed in place. In this configuration, the diffused light is converged by the ferromagnetic material 121, so that the loss caused by inserting the ferromagnetic material 121 can be made substantially zero.
[0042]
FIG. 10 is a top view showing the configuration of the waveguide type optical functional device according to the fifth embodiment of the present invention. The difference between the present embodiment and the second embodiment is that the input waveguide 122 and the output waveguide 123 are a plurality of waveguides. Needless to say, the present invention can be applied to other embodiments. In this configuration, a large number of optical isolators can be integrated in a small size by performing a plurality of inputs and outputs. It is practically impossible to array an optical isolator that is not of the waveguide type because the input / output optical fiber array interval is a minimum of 125 μm, usually 250 μm. It is. That is, in order to couple the fiber arrays with high efficiency with a pair of lenses, the length from end to end of the array needs to be about 1/20 of the lens diameter, so a large lens is required. . In addition, when a lens is attached to each fiber, the diameter of each lens needs to be about 2-3 mm, and a large fiber array is required to widen the fiber interval.
[0043]
FIG. 11 is a top view showing the configuration of the waveguide type optical functional device according to the sixth embodiment of the present invention. This waveguide type optical functional element is a polarization-independent type waveguide optical isolator, which includes YIG and other

ferromagnetic materials

119a and 119b having a Faraday effect such as RIG, half-

wave plates

124a and 124b, and polarization separation. Mirror plates 125a and 125b and high reflection mirrors 126a and 126b are provided. In this configuration, the polarization separation mirror plate 125a separates orthogonal polarization components of incident light, that is, TE and TM waves in the waveguide. The TE wave is transmitted and the plane of polarization is rotated 45 degrees to the right with respect to the traveling direction by the half-wave plate 124a. Next, the plane of polarization is further rotated 45 degrees to the right by the ferromagnetic material 119a, converted into a TM wave, and propagated. Reflected by the high reflection mirror 126a and reflected by the polarization separation mirror plate 125b because it is a TM wave. Similarly, the TM wave propagating through the input waveguide 102 is reflected by the polarization separation mirror plate 125a, reflected by the high reflection mirror 126b, the plane of polarization is rotated 45 degrees to the right by the half-wave plate 124b, and further the ferromagnetic material 119b. The polarization plane is rotated 45 degrees to the right, converted into a TE wave, transmitted through the polarization separation mirror plate 125b, and combined with the light that has taken another path. The reflected return light from the output waveguide 103 side is separated by the polarization separation mirror plate 125b and transmitted through the ferromagnets 119a and 119b and the half-

wave plates

124a and 124b, but the rotation of the polarization plane is canceled. Therefore, the polarized light separation mirror plate 125a is reflected and transmitted, and is not coupled to the input waveguide 102. That is, it functions as a polarization-independent waveguide optical isolator.
[0044]
FIG. 12 is a top view showing a configuration of a waveguide type optical functional device according to a seventh embodiment of the present invention, and FIG. 13 is a sectional view thereof. The difference between the present embodiment and the fourth embodiment is that the ferromagnetic body 127 having a Faraday effect such as YIG and other RIGs has two spherical shapes. Needless to say, in addition to the spherical shape, a surface having a curved surface having rotational symmetry with respect to the optical axis, such as a hemispherical shape, may be used. Polishing in a spherical shape facilitates the configuration because a high-precision processing technique such as a bearing can be applied. In addition, a V-shaped or concave groove may be provided for fixing.
[0045]
FIG. 14 is a top view showing a configuration of a waveguide type optical functional device according to an eighth embodiment of the present invention, and FIG. 15 is a sectional view thereof. In the present embodiment, the ferromagnetic material 127 processed into a shape having a curved surface having rotational symmetry such as a spherical surface as a surface has a lens function with respect to two axes parallel and perpendicular to the waveguide substrate 101. It is also possible to insert between two single mode optical waveguides 128. In this configuration, if the alignment accuracy is increased, the ferromagnetic material 127 can be easily inserted into the optical circuit.
[0046]
FIG. 16 is a top view showing the configuration of the waveguide-type optical functional device according to the ninth embodiment of the present invention. The configuration described in this embodiment is a configuration that increases the coupling efficiency of an optical coupling circuit using a reflective structure. According to the conventional geometric optical approximation, it is considered that the configuration using an elliptical mirror with the incident coupling point and the outgoing coupling point being the focal point of the ellipse is the best. However, a more accurate imaging condition is that light emitted from the first waveguide has a beam waist at the exit end in the slab waveguide plane, and the beam spot radius is equal to the mode field radius at the coupling end. It can be determined assuming a Gaussian beam of dimensions. The direction component perpendicular to the slab waveguide plane always satisfies the single mode condition, and the mode field diameter does not change, so the coupling efficiency is 100% and need not be considered. If a mirror having a radius of curvature R is a paraxial approximation and is an imaging element having a focal length f = R / 2, an elliptical mirror is generally used.
[0047]
[Equation 3]

However,
  w1: Mode field radius at the first coupling end A
  w2: Beam waist after mirror reflection of one-dimensional Gaussian beam in slab waveguidepositionMode field radius at
  L1: distance between the point B where the reflecting structure and the optical axis intersect and the first coupling end A
  L2: Distance between the beam waist position after mirror reflection of the one-dimensional Gaussian beam in the slab waveguide and the point B
  R: curvature near point B
  neff: effective refractive index of the portion where light propagates
  LW: Wavelength of light
It becomes.Input side and output sideThe coupling efficiency of the two Gaussian beams isBothBeam waist positionMatch, and bothMaximum when beam spot radii match. That is, the second coupling end C is arranged at a distance L2 from the point B.(Beam waist position matches)And when the mode field radius of the second waveguide is equal to w2.(Beam spot radii match)The maximum coupling efficiency was found.
[0048]
FIG. 17 is a graph showing the relationship between the radius of curvature of the reflecting structure and the coupling efficiency. The result of having calculated the coupling efficiency in the case of the structure by the design based on the conventional geometric optical approximation and the structure by this Embodiment is shown. The premise of the calculation is that w1 = 5 μm, the distance between the input and output waveguides is 500 μm, neff = 1.534, LW = 1.55 μm, and the input side and the output side are symmetrical. As is apparent from the figure, when the radius of curvature of the reflecting structure is reduced, the coupling efficiency decreases from around R / 2 = 200 μm in the geometric optical approximation, whereas in the present embodiment, R / 2 = It can be seen that the coupling efficiency does not decrease up to around 80 μm. In this embodiment, R / 2 = 60 to 200 μm, and it is possible to realize a coupling efficiency superior to that of the prior art.
[0049]
FIG. 18 is a top view showing the configuration of the waveguide type optical functional device according to the tenth embodiment of the present invention. This embodiment constitutes an interference measuring device 139 as a whole, and includes a waveguide substrate 101, an input waveguide 102, an output waveguide 103, a directional coupler or multimode interference coupler 131,

waveguides

132 and 133, A delay control waveguide 134, a reflecting structure 135, a lens 136, a semiconductor laser 137, and a light receiver 138 are provided. The principle of interference measurement is as follows. The coherent light emitted from the semiconductor laser 137 is input to the input terminal P of the directional coupler 131 via the input waveguide 102, and is branched to the output terminal R and the output terminal S to be output. The branched light output from the output end R is reflected by the reflection structure 135 through the waveguide 132, and is input to the directional coupler 131 through the waveguide 132 again from the output end R. The branched light output from the other output terminal S is connected to the outside of the waveguide, irradiated to the observation object through the lens 136, and a part of the reflected light is again connected to the waveguide 133 through the lens 136 and output terminal. Return to S.
[0050]
The two return lights interfere when the optical path difference is shorter than the coherent length of the semiconductor laser 137, and the output from the input terminal Q varies in units of wavelength when the optical path difference is controlled. Using this, the distance to the object can be measured in units of wavelengths. A delay control waveguide 134 is used to control the optical path difference. If the interference measuring device 139 is moved, the object shape can be measured by measuring a relative distance with respect to one point on the object. Of course, if the observation light is guided by an optical fiber or the like without passing through the lens 136, it is possible to drive and measure the tip of the optical fiber without moving the entire interferometer 139. Needless to say. Alternatively, the object may be driven on the fine movement stage.
[0051]
Furthermore, if the oscillation wavelength of the semiconductor laser 137 is controlled, it can be measured accurately by measuring at a plurality of different wavelengths. In addition, since there are a plurality of scales, it is also effective for measuring a large object shape of the least common multiple of wavelengths.
[0052]
Furthermore, the present invention can be applied to interference measurement using incoherent light (coherent length is about several microns to several tens of microns) instead of coherent light. In this case, since the coherence length is very short, the reflected light from the material interface is detected and the layer structure is measured, so the optical path length from the output end R to the reflective structure 135 and the object from the output end S to the object It is necessary to make the optical path lengths up to approximately the same. A superluminescent diode or the like is used as the incoherent light source.
[0053]
FIG. 19 is a top view showing the configuration of the first example of the delay control waveguide. The greatest feature of this embodiment is the configuration of the delay control waveguide 134. The delay control waveguide 134 of the first example includes a waveguide 132, a slab waveguide 141, a mirror 105, and a delay control region 143. If the delay control region 143 is a quartz waveguide, for example, it is a thin film heater. In the case of a semiconductor waveguide, it is an electrode for current injection or electric field application, and the other electrode is provided on the back surface. LiNbO_ThreeIn the case of a dielectric waveguide such as a coplanar line or a strip line type electrode may be provided. In a normal waveguide, the minimum bending radius is about 5 mm. Therefore, if a spirally folded waveguide as shown in this example is produced as it is, the size becomes several cm square, which is not practical. However, if the optical path is changed by configuring a mirror in the waveguide as shown in this example, it is possible to connect the single-mode waveguides paralleled at intervals of 0.05 to 0.5 mm. The circuit can be configured in a short length region. The mirror 105 may be formed by performing dry etching so that the end face is vertical, and depositing a metal film such as aluminum, gold, or silver on the etching end face by vapor deposition or sputtering. For example, if the interval between the zigzag folded waveguides is 0.1 mm and the length of the straight waveguide portion is 1 mm, a waveguide having a total length of 10 mm can be disposed in a region of about 1 mm × 1 mm.
[0054]
FIG. 20 is a top view showing the configuration of the second example of the delay control waveguide. The delay control waveguide 134 of the second example is a waveguide 132 formed in a spiral shape, and a slab waveguide 141 and a mirror 142 are disposed in a portion where the curvature of the center portion is small, and a folded waveguide is disposed. The delay control waveguide 134 can be formed without waste of area without unnecessarily increasing the number of mirrors 142. For example, if the core diameter is 0.01 mm and the waveguide interval is 0.05 mm, a delay waveguide of about 5 m can be formed in a region having a radius of 1 cm. The effective refractive index of the waveguide is 1.5, and its temperature dependence is 5 × 10.^-Five[1 / ° C.] If the temperature control is 20 ° C., the maximum delay control amount reaches 5 mm in one way. That is, if it is used for an interference measuring device 139 as shown in FIG. 18, it is possible to measure the surface unevenness shape up to a step of about 10 mm. Of course, if a delay waveguide is formed in the middle of the waveguide 133, an observation object at a close position can be measured.
[0055]
FIG. 21 is a top view showing the configuration of the third example of the delay control waveguide. The delay control waveguide 134 of the third example is a large slab waveguide 141 as a whole, a plurality of mirrors 134 are provided in the slab waveguide 141, and an optical path area that reciprocates between these mirrors 134 is defined. As the delay control region 143, the single mode waveguide 132 is not disposed here. Since there is no loss in the connection to the single mode waveguide, the loss can be reduced.
[0056]
22 and 23 are a top view and a partial cross-sectional view showing the configuration of the fourth example of the delay control waveguide. The delay control waveguide 134 of the fourth example is configured by a bending structure having a low loss and a low curvature without using a mirror and a zigzag waveguide using the bending structure. The waveguide 132 is designed to have a low loss by being sandwiched by groove structures 145 having a concave and convex relationship with each other in a bending structure portion having a small curvature. 23 is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ of FIG. As described above, the waveguide core 146 and the waveguide cladding 147 are sandwiched by the groove structure 145 from both sides on the waveguide substrate 101. A metal film may be deposited on the side surface of the groove structure 145 to form a mirror. In this configuration, a groove structure is provided only around the bent portion to strengthen the optical confinement in the waveguide and reduce the bending loss.
[0057]
24 and 25 are a top view and a partially enlarged view showing the configuration of the fifth example of the delay control waveguide. The delay control waveguide 134 of the fifth example is configured by a bending structure having a low loss and a small curvature without using another mirror and a zigzag waveguide using the bending structure. The waveguide 132 is configured to have a low loss by being sandwiched between regions of minute holes 148 having a concave and convex relationship with each other in a bent structure portion having a small curvature. FIG. 25 is an enlarged view of a region B in FIG. As described above, by providing a lot of minute holes 148 (cylindrical shape) having a size smaller than the wavelength around the waveguide core 146, light confinement in the waveguide 132 is strengthened, and bending loss is reduced.
[0058]
FIG. 26 is a top view showing the configuration of the waveguide type optical functional device according to the eleventh embodiment of the present invention. The interferometer 139 according to the present embodiment includes

semiconductor lasers

150a and 150b,

light receivers

151a and 151b, and a wavelength multiplexer / demultiplexer 152 that multiplexes light of different wavelengths and demultiplexes light of different wavelengths. Is further provided. Since the oscillation wavelengths of the semiconductor laser 150a and the semiconductor laser 150b are slightly different, it can be accurately measured by measuring at a plurality of different wavelengths. In addition, since there are a plurality of scales, it is also effective for measuring a large object shape having a least common multiple of wavelengths.
[0059]
FIG. 27 is a top view showing the configuration of the waveguide type optical functional device according to the twelfth embodiment of the present invention. The interferometer 139 of this embodiment demultiplexes the light from the output terminal R of the directional coupler or multimode interference coupler 131 into different wavelengths by the wavelength multiplexer / demultiplexer 152 and delay-controls each delay. It is controlled by the waveguide 134.
[0060]
FIG. 28 is a top view showing the configuration of the waveguide type optical functional device according to the thirteenth embodiment of the present invention. The interference measuring device 139 according to the present embodiment includes two directional couplers 131 and controls the delays of different wavelengths with the delay control waveguide 134.
[0061]
In these twelfth and thirteenth embodiments, the delay time of light from different light sources can be controlled separately. Although the apparatus configuration is complicated, the accuracy of measurement can be improved.
[0062]
FIG. 29 is a top view showing the configuration of the waveguide type optical functional device according to the fourteenth embodiment of the present invention. This embodiment constitutes a Mach-Zehnder interference type optical switch, and includes an input waveguide 153, 1: 2 optical branch circuit 154,

waveguides

155, 156,

delay control waveguides

157a, 157b, and 2: 1 optical coupling. A circuit 158 and an output waveguide 159 are provided. Since the Mach-Zehnder interference type optical switch according to the present embodiment can mount the very long

delay control waveguides

157a and 157b on the waveguide in a compact manner, the following is compared with a normal Mach-Zehnder interference type optical switch. There are such advantages. (1) When a switch for a low-speed signal (bit rate <about 1 Gbit / s) is configured by a refractive index control method using a thermal effect, the delay time difference between the delay control waveguide 157a and the delay control waveguide 157b is set to 5 of the signal bit width. By making the upper limit of about% very long, switching can be performed by controlling the temperature of the entire switch. For example, if the delay time difference between the delay control waveguide 157a and the delay control waveguide 157b is 0.5 ns (in the case of a quartz-based waveguide, the distance is about 1 cm in terms of distance), the temperature dependence of the equalized refractive index is 5 × 10.^-FiveIf it is [1 / ° C.], switching is possible by controlling the temperature once. Since the switching operation can be performed by controlling the entire temperature without providing the heater electrode on the chip, switching at a low cost is possible. (2) In a high-speed signal switch or a switch that performs high-speed switching, the optical path length difference between the delay control waveguide 157a and the delay control waveguide 157b is set to about 0 or several wavelengths at most. If the optical path lengths of the delay control waveguide 157a and the delay control waveguide 157b are about 5000 λ in the conventional art, a length of about 5 mm is necessary in the conventional straight line, but it is formed to be folded in a region of about 0.5 mm square. This makes it possible to reduce the size of the switch. Further, since the control electrode length is shortened, it is not necessary to match the phase of the high-frequency electric field applied to the electrode and the propagation light, and the switch configuration is simplified. Alternatively, if the optical path length of the delay control waveguide 157a and the delay control waveguide 157b is about 50000λ (10 times), the applied voltage can be reduced to 1/10.
[0063]
FIG. 30 is a top view showing the configuration of the waveguide type optical functional device according to the fifteenth embodiment of the present invention. The Mach-Zehnder interference optical switch according to the present embodiment includes an input waveguide 153, 2: 2 optical coupling circuit 160,

delay control waveguides

157a and 157b, and

output waveguides

159a and 159b. This embodiment is a switch for switching to output waveguide 159a or output waveguide 159b instead of turning on / off a signal.
[0064]
FIG. 31 is a top view showing the configuration of the waveguide type optical functional device according to the sixteenth embodiment of the present invention. The Mach-Zehnder interference optical switch according to the present embodiment includes an input waveguide 153, 2: 2 optical coupling circuit 160,

waveguides

155, 156,

delay control waveguides

157a, 157b, a reflection structure 161, and an output waveguide 159c. Is provided. This embodiment is a switch for switching to which of the output waveguide 153 and the output waveguide 159c the output is performed. In this configuration, since one of the switched outputs is output from the input waveguide 153, it is necessary to connect an optical circulator before the input waveguide 153. In the present embodiment, the structure of the fifteenth embodiment (see FIG. 30) is folded back by a reflecting structure 161. Since light propagates twice through the

delay control waveguides

157a and 157b, the same effect can be obtained with a half optical path length, which is effective for miniaturization of the element.
[0065]
FIG. 32 is a top view showing the configuration of the waveguide type optical functional device according to the seventeenth embodiment of the present invention. Interferometer 139 of the present embodiment has a configuration in which the interference measurement system is extended to one dimension. The light incident from the semiconductor laser 150 is branched by the 1: 2 optical branch circuit 165, one of which is guided to the delay control waveguide 162a having a variable delay function, and the other is guided to the delay waveguide 162b. A variable function may be added to the delay waveguide 162b according to the application. The light emitted from the delay control waveguide 162a and the delay waveguide 162b spreads in the slab waveguide 104, and is collimated by the reflecting

structures

105 and 106. Delay Control Waveguide 162a-Reflection Structure 105-Semi-Mirror 163-Observing Object-Semi-Transmitter 163-Light Propagating with Light Receiver Array 164, Delay Waveguide 162b-Reflection Structure 106-Semi-Mirror 163-Receiver Array 164 The light intensity of the interference light is observed by the light receiver array 164. At this time, for example, the delay control waveguide 162a and the delay waveguide 162b are arranged so that light propagating with the reflection structure 105-the semi-transparent mirror 163-the reflection structure 106 does not enter the delay waveguide 162b. In the case of the present embodiment, the measurement at each point in the one-dimensional section can be performed by the light receiver array 164 in one scan that changes the delay amount of the delay control waveguide 162a having the variable delay function. High speed is possible.
[0066]
The present invention is not limited to the above embodiment.
[0067]
【The invention's effect】
Of the invention disclosed in this applicationThe basic effect is that it is possible to suppress a decrease in coupling efficiency in a reflective structure with a small curvature radius. In addition, the following effects are produced.
[0068]
The first effect is that a low-loss reflection structure can be provided in the slab waveguide by inserting a high-reflection mirror deposited on a flexible film into the groove structure.
[0069]
The second effect is that integration is achieved by dividing an optical component having an effect proportional to the substrate thickness (for example, a Faraday element, a wave plate, etc.) while keeping the total thickness of the substrate constant and inserting it into the waveguide. It is possible to reduce the accompanying loss.
[0070]
The third effect is caused by the first effect. In the slab waveguide, a wide parallel beam (large spot diameter) is formed in the slab waveguide with low loss, and the parallel beam propagates. By inserting the optical component into the groove structure provided in the optical fiber, the loss when passing through the groove portion where the waveguide does not exist and the optical component portion and coupling to the waveguide again can be halved.
[0071]
The fourth effect is that these materials can be hybrid-integrated in the waveguide with low loss by processing the material itself such as YIG having the Faraday effect into a cylindrical shape or a spherical shape to have a lens function.
[0072]
By utilizing these first to fourth micro effects in various optical waveguide circuits, the following macro effects are produced.
[0073]
The fifth effect is that a low-loss waveguide type optical isolator and an optical wavelength filter can be configured. Waveguide type isolators are smaller than conventional isolators using micro optics, and the effect is particularly remarkable in the case of an array. If an isolator can be incorporated in the waveguide, it becomes possible to stably operate the laser and the amplifier integrated in the waveguide circuit. Furthermore, when applied to a small-scale wavelength multiplexing / demultiplexing circuit, it is possible to realize a wavelength multiplexing / demultiplexing circuit that is smaller and has a lower loss than the conventional arrayed waveguide diffraction grating.
[0074]
The sixth effect is that an extremely long delay line can be mounted on the waveguide substrate, so that an interference optical system that has conventionally been configured by arranging individual components can be configured on the waveguide substrate. Further, since the delay control amount is large, it is easy to measure the uneven shape with a step without mechanically driving the mirror.
[0075]
The seventh effect is that an extremely long delay line can be mounted on the waveguide substrate, so that it is possible to configure an optical switch that is driven by controlling the temperature of the entire chip.
[0076]
The eighth effect is that the delay line can be bent and mounted compactly on the waveguide substrate, so that the optical switch can be miniaturized.
[0077]
The ninth effect is that the delay line can be bent and mounted compactly on the waveguide substrate, so that the drive voltage of the optical switch can be reduced.
[0078]
The tenth effect is that the delay line can be bent and mounted compactly on the waveguide substrate, which eliminates the need for phase matching between the high-frequency electric field and the propagating light for driving the optical switch, and simplifies the switch configuration.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a top view showing a configuration of a waveguide type optical functional device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing details of the periphery of the high reflection mirror of the first embodiment.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing details of the periphery of the wavelength filter plate of the first embodiment.
FIG. 4 is a top view showing a configuration of a waveguide type optical functional device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing details of the periphery of a ferromagnetic material of a waveguide type optical functional device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a top view showing a configuration of a waveguide type optical functional device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing an effect of reducing loss by dividing a ferromagnetic material.
FIG. 8 is a top view showing a configuration of a waveguide type optical functional device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing details of the periphery of a ferromagnetic body of a waveguide type optical functional device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a top view showing a configuration of a waveguide type optical functional device according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a top view showing a configuration of a waveguide type optical functional device according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a top view showing a configuration of a waveguide type optical functional device according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a cross-sectional view showing a configuration of a waveguide type optical functional device according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a top view showing a configuration of a waveguide type optical functional device according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a cross-sectional view showing a configuration of a waveguide type optical functional device according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a top view showing a configuration of a waveguide type optical functional device according to a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a graph showing the relationship between the radius of curvature of the reflecting structure and the coupling efficiency.
FIG. 18 is a top view showing a configuration of a waveguide type optical functional device according to a tenth embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a top view showing a configuration of a first example of a delay control waveguide;
FIG. 20 is a top view showing a configuration of a second example of the delay control waveguide.
FIG. 21 is a top view showing a configuration of a third example of the delay control waveguide;
FIG. 22 is a top view showing the configuration of the fourth example of the delay control waveguide;
FIG. 23 is a partial cross-sectional view showing a configuration of a fourth example of the delay control waveguide.
FIG. 24 is a top view showing the configuration of the fifth example of the delay control waveguide;
FIG. 25 is a partially enlarged view showing the configuration of the fifth example of the delay control waveguide.
FIG. 26 is a top view showing a configuration of a waveguide type optical functional device according to an eleventh embodiment of the present invention.
FIG. 27 is a top view showing a configuration of a waveguide type optical functional device according to a twelfth embodiment of the present invention.
FIG. 28 is a top view showing a configuration of a waveguide type optical functional device according to a thirteenth embodiment of the present invention.
FIG. 29 is a top view showing a configuration of a waveguide type optical functional device according to a fourteenth embodiment of the present invention.
FIG. 30 is a top view showing a configuration of a waveguide type optical functional device according to a fifteenth embodiment of the present invention.
FIG. 31 is a top view showing a configuration of a waveguide type optical functional device according to a sixteenth embodiment of the present invention.
FIG. 32 is a top view showing a configuration of a waveguide type optical functional device according to a seventeenth embodiment of the present invention.
FIG. 33 is a cross-sectional view showing a configuration of a conventional waveguide-type optical functional element.
FIG. 34 is a top view showing the configuration of another conventional waveguide-type optical functional element.
FIG. 35 is a top view showing a configuration of a conventional interference measurement optical system.
FIG. 36 is a top view showing a configuration of a Mach-Zehnder interference type optical switch composed of a conventional optical waveguide.
[Explanation of symbols]
101 Waveguide substrate
102 Input waveguide
103 Output waveguide
104 Slab waveguide
105,134 mirror
105a, 107 groove structure
105b, 106b, 126 High reflection mirror
108 Wavelength filter plate
109 High reflection mirror film
110 Polymer film substrate
111 Adhesive
112, 202 Upper cladding layer
113,203 Core layer
114,204 Lower cladding layer
115 glass substrate
116 Wavelength filter film
117 Low reflection coating
118 Minute object for pressing
119,121 Ferromagnetic material
120 Polarizing filter
122 Input waveguide
123 Output waveguide
124 half-wave plate
125 Polarization separation mirror plate
127 Ferromagnetic material
128 single-mode optical waveguide
131 Directional coupler or multimode interference coupler
132, 133 Waveguide
134 Delay Control Waveguide
135 Reflective structure
136 lens
137 Semiconductor laser
138 Receiver
139 Interferometer
141 Slab waveguide
142 Mirror
143 Delay control area
145 Groove structure
146 Waveguide core
147 Waveguide cladding
148 holes
150a, 150b semiconductor laser
151a Receiver
152 wavelength multiplexer / demultiplexer
153 Input waveguide
154 1: 2 optical branch circuit
155, 156 waveguide
157a, 157b Delay control waveguide
158 2: 1 optical coupling circuit
159, 159a, 159b, 159c Output waveguide
160 2: 2 optical coupling circuit
161 Reflective structure
162a Delay control waveguide
162b Delayed waveguide
163 Semi-transparent mirror
164 Receiver array
165 1: 2 optical branch circuit
201 Waveguide substrate
205 Optical elements
206 refractive index matching transparent adhesive
207 Single mode waveguide
208 Groove structure
209 Metal coating
301 Coherent illumination light
302 half mirror
303 Movable mirror
304 Interference pattern observation surface
305 Input waveguide
306 1: 2 optical branch circuit
307 Refractive index controller
308 Waveguide
309 2: 1 optical coupling circuit
310 Output Waveguide

Claims

A substrate on which the optical waveguide is held;
A slab waveguide formed on the substrate;
A first optical waveguide formed on the substrate and coupled to the slab waveguide at a first coupling end;
A second optical waveguide formed on the substrate and coupled to the slab waveguide at a second coupling end;
A reflection structure formed on the substrate and arranged to couple the first coupling end and the second coupling end at a position where they are in an imaging relationship with each other;

However,
w1: Mode field radius at the first coupling end A w2: Mode field radius at the beam waist position after reflection by the reflection structure of the one-dimensional Gaussian beam in the slab waveguide L1: First point coupling with the point B where the reflection structure intersects the optical axis Distance between end A: L2: Distance between beam waist position after reflection by reflection structure of one-dimensional Gaussian beam in slab waveguide and point B R: Curvature of reflection structure near point B neff: Light propagates Effective refractive index LW: where L 1 ≠ R, L 2 ≠ R, and the second coupling end C is at a distance L 2 from the point B, and the mode field radius of the second waveguide. Is a waveguide-type optical functional element characterized in that is equal to w2.