JP4005520B2 - 光導波路素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は光導波路素子にかかり,特に,光信号を波長分割多重するための平面光導波路内に形成された光合分波器に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
光通信の分野において,複数の信号を別々の光として信号化し光ファイバで伝送する波長分割多重(WDM:Wavelength Division Multiplexing)方式が開発されている。この方式においては,異なる波長の光を入出力のために合波あるいは分波する必要がある。従来この種の光合分波器としては,グレーティングを利用した素子や,平面光導波路内に形成される製造プロセスが容易な特許文献1に開示されているものがある。
【0003】
この特許文献1に開示された光合分波器は,平面光導波路内に曲線導波路と直線導波路が設けられ,曲線導波路は平面光導波路によって不連続な構造となっているものである。曲線導波路に入力された光信号はその曲線導波路の不連続面により反射され,各波長ごとに直線導波路に分波され集光するようになっている。逆に,直線導波路に入力した各波長の光信号は,曲線導波路の不連続部分により合波され集光するようになっている。
【0004】
なお,この光合分波器の光導波路としての構造は,基板上に平面光導波路を設け,平面光導波路中に平面光導波路よりも等価屈折率の高い導波路部を設けたものである。等価屈折率の高い導波路部を作製する方法としては,屈折率の高い材料を埋め込む方法,UV(紫外線)を照射して屈折率差を生じさせる方法などがある。
【0005】
ところで,光合分波器としての主要な性能には,波長精度,波長分解能などがあるが,挿入損失が低いことも当然のこととして重要である。分波あるいは合波された光信号は直接,あるいは光ファイバなどを介して間接的にフォトダイオード(PD)素子により受光され光強度を計測される。
【0006】
このことによって,どの波長の光信号がどの程度の強さで光ファイバ線路中を伝送しているのかを知ることができる。このとき,PD素子に入射される光強度は当然ながらPD素子の受光能力範囲内である必要がある。光強度がPD素子の受光感度より強すぎる場合は,何らかの手段により減衰させればよいが,弱すぎる場合にはノイズレベルに埋もれて(SN比が小さい)光信号として認識することができないので,光合分波器の挿入損失の低減は重要な項目である。
【0007】
【特許文献1】
特開平14−040272号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところで従来の光を合分波する光導波素子においては,分波あるいは合波され光合分波器から出力される光信号の強度は,平面光導波路の挿入損失と,曲線導波路と直線導波路の挿入損失,また曲線導波路の平面光導波路によって不連続となった構造における反射強度に依存する。すなわちこれらによって構成される光合分波器としての挿入損失に依存する。
【0009】
しかしながら,曲線導波路と直線導波路を構成するコアとクラッドの屈折率をぞれぞれn0およびn1とすると,自ずと曲線導波路の平面光導波路によって不連続となった構造における反射強度を決める主要素であるコアとクラッドの屈折率もn0およびn1となってしまう。この結果,例えば曲線導波路と直線導波路の挿入損失を小さくし,かつ良好な合分波特性を得るために望ましいシングルモード伝搬するための要件を満たす適当なn0およびn1を選択すると,反射強度を決めるn0およびn1としてはそれらの比屈折率差(Δn=(n0−n1)/n0)が小さすぎて十分な反射強度が得られなくなってしまう場合がある。
【0010】
逆に反射強度を高めるため,比屈折率差を大きく設定してしまうと,光ファイバとの接続損失が増大して曲線導波路と直線導波路の挿入損失が増大したり,マルチモード伝搬して不要な分光ピークが生じたりするという不具合が生じてしまう。これは曲線導波略に内蔵して合分波のための不連続構造を設けるようにしたことから生じた制約であるが,このため従来の光合分波器では挿入損失を通信システムで必要とされるレベルまで小さくすることは困難であった。
【0011】
本発明は,従来の光導波路素子が有する上記問題点に鑑みてなされたものであり,本発明の目的は,平面光導波路内に不連続に形成された光導波路において,光導波路の挿入損失を低く保ちながら,光導波路の不連続面での反射率を高めることの可能な,新規かつ改良された光導波路素子を提供することである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため,本発明によれば,平面光導波路内に平面光導波路により離間された光導波路を用いて形成された光導波路素子において,従来コアとクラッドとにより形成されていた不連続部の反射面に,コアとクラッドとの間に光学的に透明な薄膜(中間層)を介在させることにより,反射面を形成するコアと中間層との間の比屈折率差をコアとクラッドとの間の比屈折率差よりも大きくしたことを特徴とする光導波路素子が提供される。
【0013】
上記構成による光導波素子では,コアと中間層との比屈折率差が,コアとクラッドの比屈折率差よりも大きくなるようにすることによって,光導波路の挿入損失を数dBと必要十分に小さく,かつ望ましいシングルモード伝搬であることを保ったまま,不連続部の境界における反射率を高めることができる。
【0014】
また,中間層は,少なくとも光伝搬方向に略垂直なコア側壁に形成されるが,コアを覆うように,基板全体に形成されてもよい。基板全体に形成されることにより,コアを形成後,中間層とクラッドとを順次形成するだけの工程になり,製造が容易になるのでコストも削減できる。
【0017】
また,中間層は,屈折率がコアよりも高いSi3N4系材料にすることができ,コアと中間層との比屈折率差を大きくすることによって反射率を高めることができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照しながら,本発明にかかる光導波路素子の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお,本明細書及び図面において,実質的に同一の機能構成を有する構成要素については,同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【0019】
図1は,本実施の形態にかかる光導波路素子である光合分波器を示す平面図である。図2は図1のP部の拡大図である。図3は図2のA−A断面図である。図4は図2のB−B断面図である。
【0020】
光合分波器1は,図1に示したように,基板10の上に平面光導波路12が設けられ,さらに平面光導波路12には等価屈折率の高い光導波路の入力ポート14及び光導波路16が形成されている。そして入力ポート14及び光導波路16は,平面光導波路12の一部分である光導波路の不連続部18により離間され,光導波路16と20は不連続となっている。
【0021】
光導波路16及び20は,平面光導波路12よりも等価屈折率が高いため,光を閉じ込め伝搬する構造となっており,また,不連続部18は平面光導波路12と同一の等価屈折率となっているため,光導波路16及び20を伝搬する光は不連続部18の境界22,24(図2)において反射される。また,平面光導波路12には光導波路の出力ポート26が形成されており,不連続部18において反射された所望の波長の光は,焦点位置28に集光し,光導波路の出力ポート26に導かれる構造となっている。なお,図1中の点線は焦点位置28への集光の様子を模式的に示したものである。
【0022】
次いで,図3および図4を用いて説明する。光合分波器1は,基板10上に,コア30,中間層32,上部クラッドとなるクラッド34が順次積層され構成されている。
【0023】
ここで基板10には,下部クラッドを兼ねる目的で石英基板を用いた。コア30には基板10およびクラッド34より屈折率を大きくしたGe(ゲルマニウム)をドーパントとして含む石英ガラス(GSG:Germanium Silicate Glass),中間層32には何らのドーパントも含まない石英ガラス(NSG:Nondoped Silicate Glass),クラッド34には,基板10よりも屈折率が大きくかつコア30よりも屈折率を小さく調整したGSGを用いた。
【0024】
本実施の形態においては,これら石英系ガラス膜は,いずれも液体ソースを原料に用いたプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法により成膜した。コア30は,基板10上に約4μm成膜されたのち,ホトリソ工程および反応性ドライエッチングにより線幅が約4μmの矩形状にパターニングされる。
【0025】
続いて中間層32が同じくプラズマCVD法により約0.1μm成膜されたのち,クラッド34が同じくプラズマCVD法により約6μm成膜される。この時,コア30,クラッド34及び中間層32は,コア30側壁部に積極的に成膜する意図から,カバレッジの良いプラズマCVD法を用いることが望ましいが,他の成膜手段であっても構わない。
【0026】
ここで,中間層32の膜厚は,中間層32の膜厚と屈折率に依存する反射率等を考慮し適宜設定すればよい。また,コア30及び中間層32は,成膜後,最高温度約1000℃で熱処理(アニール)を施した。
【0027】
上記製造工程を経て,図5に示すように,基板10の屈折率が1.445,コア30の屈折率が1.460,中間層32の屈折率が1.445,クラッド34の屈折率が1.455となるように光合分波器が作製された。
【0028】
これら基板10とコア30とクラッド34の屈折率の組み合わせにおいて,通信波長帯が1.55μmである場合,光導波路16及び20は挿入損失が数dBと必要十分に小さく,かつ良好な合分波特性を得るために望ましいシングルモード伝搬をする。同様に,中間層32はシングルモード伝搬に影響を及ぼさない程度に十分に薄いので,基板10とクラッド34の屈折率の組み合わせにおける,実質的にクラッド34をコアとし空気層をクラッドとした平面光導波路12において,通信波長帯が1.55μmである場合,挿入損失が数dBと必要十分に小さく,かつ良好な合分波特性を得るために望ましいシングルモード伝搬をする。
【0029】
一方で,不連続部18の境界22,24における反射率は,従来の光合分波器におけるコア30とクラッド34の比屈折率差ではなく,コア30と中間層32の比屈折率差によって実質的に作用する。
【0030】
上述の構成で中間層32が無い場合の,従来の光合分波器におけるコア30とクラッド34の比屈折率差は約0.3%である。一方,本実施の形態の光合分波器におけるコア30と中間層32の比屈折率差は1.0%である。それ故に,中間層32を設けた場合の不連続部18の境界22,24における反射率は向上する。
【0031】
以上説明したように,本実施の形態によれば,基板10上に形成されたコア30とクラッド34の間に,中間層32を介在させ,コア30と中間層32の比屈折率差が,コア30とクラッド34の比屈折率差よりも大きくなるようにすることによって,光導波路16,20の挿入損失が数dBと必要十分に小さく,かつ良好な合分波特性を得るために望ましいシングルモード伝搬であることを保ったまま,不連続部18の境界22,24における反射率を高めることができる。このようにして,光合分波器としての挿入損失を低減することが可能である。
【0032】
なお,本実施の形態では中間層32には,何らのドーパントも含まない石英ガラス(NSG)を用い,成膜後,最高温度約1000℃で熱処理を施したが,これはプラズマCVD法により成膜した何らのドーパントも含まない石英ガラス(NSG)が,アニールにより屈折率が約0.01低下することを利用したものである。これにより,中間層32は不連続部18において境界22,24における反射率を高めるよう作用し,基板10上では石英基板である基板10上と実質的に同じ屈折率となるので,何らの作用をもたらすことはない。
【0033】
また,本実施の形態では中間層32は,コア30を覆い基板10全体に形成したが,不連続部18の境界22,24における反射率を高めることが目的であるため,少なくとも光伝搬方向に略垂直なコア30側壁に形成されていればよい。コア30側壁のみに中間層32が形成され,基板10やコア上面等に中間層32が形成されていなければ,中間層が素子特性に与える影響を考慮する必要もない。ただしこの場合は,側壁のみに中間層を形成するため,ホトリソやエッチング工程を用いて製造することになる。
【0034】
以上,添付図面を参照しながら本発明にかかる光導波路素子の好適な実施形態について説明したが,本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば,特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり,それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【0035】
本実施の形態では,中間層32として何らのドーパントも含まない石英ガラス(NSG)を用いたが,その他に好適な材料として,屈折率が最高約2とコアよりも高いSi3N4系材料であってもよい。これには,広義にSiON,SiONH等が含まれる。また,逆に屈折率がコアよりも低いフッ素(F)をドープした石英系ガラス(FSG)であってもよい。
【0036】
また,導波路部の材料として石英系ガラス膜を用いて説明したが,他の有機あるいは無機ポリマ材料等を用いても可能である。
【0037】
【発明の効果】
以上説明したように,本発明による光導波路素子によれば,基板上に形成されたコアとクラッドとの間に薄い中間層を介在させ,コアと中間層との比屈折率差が,コアとクラッドの比屈折率差よりも大きくなるようにすることによって,光導波路の挿入損失を数dBと必要十分に小さく保ちながら,不連続部の境界における反射率を高めることができ,光合分波器として用いた場合の挿入損失を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施の形態の光導波路素子を上面から見た説明図である。
【図2】図1のP部の拡大図である。
【図3】図2のA−A断面図である。
【図4】図2のB−B断面である。
【図5】本実施の形態の光導波路素子における,各層の屈折率を示す説明図である。
【符号の説明】
1 光合分波器
10 基板
12 平面光導波路
14 入力ポート
16 光導波路
18 不連続部
20 光導波路
22,24 境界
26 出力ポート
28 焦点位置
30 コア
32 中間層
34 クラッド
Claims (3)
- 基板上に形成された光路となる複数のコアと,
前記コアは,入力ポートを持つ部分的に離間された不連続な光導波路と,出力ポートを持つ複数の光導波路とを形成し,
少なくとも光伝搬方向に略垂直な前記コア側壁に形成された,光学的に透明な薄膜と,
前記薄膜が形成された前記コアを覆うように,前記基板全体に形成されたクラッドと,
を含んでおり,
前記薄膜は,屈折率が前記コアよりも高いSi3N4系材料であることを特徴とする光導波路素子。 - 基板上に形成された光路となる複数のコアと,
前記コアは,入力ポートを持つ部分的に離間された不連続な光導波路と,出力ポートを持つ複数の光導波路とを形成し,
少なくとも前記入力ポートを持つ部分的に離間された不連続な光導波路の光伝搬方向に略垂直な前記コア側壁に形成された,光学的に透明な薄膜と,
前記薄膜が形成された前記コアを覆うように,前記基板全体に形成されたクラッドと,
を含んでおり,
前記薄膜は,屈折率が前記コアよりも高いSi3N4系材料であることを特徴とする光導波路素子。 - 基板上に形成された光路となる複数のコアと,
前記コアは,部分的に離間された不連続な第1の曲線光導波路と,複数の第2の光導波路とを形成し,
少なくとも前記第1の曲線光導波路の光伝搬方向に略垂直な前記コア側壁に形成された,光学的に透明な薄膜と,
前記薄膜が形成された前記コアを覆うように,前記基板全体に形成されたクラッドと,
を含んでおり,
前記薄膜は,屈折率が前記コアよりも高いSi3N4系材料であることを特徴とする光導波路素子。
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