JP4183583B2

JP4183583B2 - 集積型光導波路素子

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Publication number: JP4183583B2
Application number: JP2003312602A
Authority: JP
Inventors: 徳隆原; 潤一郎市川
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2003-09-04
Filing date: 2003-09-04
Publication date: 2008-11-19
Anticipated expiration: 2023-09-04
Also published as: JP2005084090A

Description

本発明は、集積型光導波路素子に関し、特に、基板の異なる面または複数の基板上に形成された光導波路を、光学的に結合することを特徴とする集積型光導波路素子に関する。

近年、光通信などの分野において、高速なスイッチングを可能にすることなどの目的から、光導波路デバイスなどの外部変調器が広く用いられるようになった。そして、このような外部変調器としては、高周波特性や低挿入損失、高消光比などの特徴を有するニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３；以下、ＬＮという）を基板に用い、この基板にＴｉなどを熱拡散させることにより形成した光導波路を具える導波路型の光変調器が実用化されている。

光変調器には、光強度変調器、位相変調器、偏波変調器などがあり、これらを複数組み合わせることにより、多種多様な光回路を形成することが行われているが、最近では、これら回路素子全体を高密度に集積化及びコンパクト化することが求められており、同一基板上に複数の光変調器を形成することが行われている。
具体的には、同一基板上に目的とする機能を有する複数の光導波路を基板の幅方向に平行に並べて構成し、それぞれを（１）ファイバーで結合する、（２）同一基板上の半円状の導波路で結合する、（３）基板端面で反射を利用する接続用導波路で結合するなどの方法により、複数の光導波路を光学的に結合させることが行われている。

しかしながら、（１）の方法では、光ファイバを設置する空間が必要となるため、並列接続による光通信網の高密度化を十分に達成することができないという問題があった。また、（２）の方法においても、半円型の光導波路を別個に設けること、及びこの半円の曲率半径Ｒが非常に大きいため基板面積が増大し、結果的に、光通信網の高密度化を達成することができないという問題があった。さらに、（３）の方法は、基板端面の切断位置を高精度に制御する必要があることから、生産性が低下して歩留まりが悪化するという問題があった。

これらの問題を解決するため、本出願人は、以下の特許文献１において、同一基板上に複数の光導波路を並列した場合に、各々の光導波路を図７に示すようにＧＲＩＮレンズを用いて接続し、集積型光導波路素子を形成することを提案した。
なお、ＧＲＩＮレンズとは、グレーテッドインデックスレンズの略称であり、本技術分野において一般的に用いられている名称である。
図７に示す集積型光導波路素子は、電気光学効果を有する材料からなる基板５１上にマッハツェンダ型の光導波路５２及び５３を具える。光ビームは、矢印に従って光導波路５２に入射し、信号電極５４−１及び接地電極５５間で外部電源６０−１から電気信号を印加されることによって強度変調された後、基板５１の端面５２Ａに至り、ＧＲＩＮレンズ５６を曲線５８に沿って反射膜５７に至る。
次いで、反射膜５７で反射された後、曲線５９に沿って再び端面５２Ａに戻り、光導波路５３の入射口に入射される。
その後、該入射光は、信号電極５４−２及び接地電極５５間で外部電源６０−２によって、さらに強度変調を受けた後、基板５１の端面５１Ｂから矢印に沿って出射する。
特開２００１−３５００４６号

これら集積型光導波路素子は、ＬＮなどの基板上に光導波路が形成されており、一般的に、ＳｉＯ_２などの誘電体によるバッファ層が光導波路を含む基板全体を被覆するように構成されている。
例えば、ＬＮ基板にＴｉを拡散して形成した光導波路の屈折率分布は、図１に示すように、光導波路の延伸方向に垂直な断面（ｃ）で見ると、基板表面上（ｙ方向）ではガウス型分布（ａ）を形成し、基板の深さ方向（ｘ方向、図１（ｂ））では、基板表面以下はガウス型分布であるが、基板表面より上方は、バッファ層による一定の屈折率となる。ここでは、便宜上、光導波路の幅は２ｄ_ｙとし、最大屈折率ｎ_ＷＧと基板の屈折率ｎ_ＬＮとの差が１／ｅとなる領域幅とする。基板の深さ方向は、同様の考え方でｄ_ｘで表す。

図１（ａ）（ｂ）のような屈折率分布を有する光導波路中を、図１（ｃ）の紙面に垂直な方向に、進行する光のモードパターン（強度分布）は、図１（ｄ）に示すように、基板表面に平行なｙ方向では、ガウス型分布（ｆ）であるが、基板の深さ方向（ｘ方向）では、非対称な強度分布（ｅ）となっている。
このため、図２に示すように、ＧＲＩＮレンズ１０を利用して、特定の光導波路から出射した光１を折り返し、２に示すようように他の光導波路の入射口に入射させた場合、光１の非対称な強度分布が、光２にように上下左右が反転した強度分布となる。なお、図２中の光１から光２に繋がる各線は、光の進行経路を示す。
図３は、ＧＲＩＮレンズ１０を横方向から眺めた図であり、上向き矢印１’で示す光像から出た光が、ＧＲＩＮレンズ１０中を進行し、反射膜１１で反射した後、逆方向に戻って、下向き矢印２’の光像を形成する。このように、ＧＲＩＮレンズでは、光像の上下方向が反転する。

図２又は図３のように、ＧＲＩＮレンズ１０を利用して光ビームを折り返した場合、基板から出射する光が非対称な強度分布を有すると、光の強度分布の上下左右の反転した光が該基板の入射口に入射される。このため、出射口から出射した光が別の光導波路の入射口へ折り返して結合される結合効率は、対称な強度分布を有する光ビームであれば、０．９０以上（結合損０．５ｄＢ以下）であるのに対し、非対称の強度分布を有する光ビームでは、ＬＮ基板の場合、０．５程度（結合損３ｄＢ程度）に低下する。

本出願人は、上述した問題を解決するため、以下の特許文献２において、電気光学効果を有する材料からなる基板と、該基板上に形成された複数の光導波路とを備え、該基板の少なくとも一端面に前記複数の光導波路のいずれかの光導波路の出射口と入射口とが形成されており、該出射口から出射した光が該入射口に入射するように構成されたＧＲＩＮレンズを前記一端面に近接して設けた集積型光導波路素子において、該ＧＲＩＮレンズは、ＧＲＩＮレンズの光軸方向に略半分に分割され、該分割面に反射面が形成されていることを特徴とする集積型光導波路素子を提案した。
特願２００２−７７４１０号（出願日：平成１４年３月２０日）

具体的には、図４に示すように、ＧＲＩＮレンズ２０の光軸方向であると共に、放物線状の屈折率分布を有するＧＲＩＮレンズの中心を包含し、出射口と入射口を結ぶ直線を含む平面（略基板表面）に平行な平面により、ＧＲＩＮレンズを分割する。さらに、該分割面と、通常のＧＲＩＮレンズの端面（基板と反対側の側面）とに反射膜２２，２１を施すことにより、該分割面を対称に上下方向の光像の反転を防止することが可能となる。
しかも望ましくは、図４に示すように、光ビームの出射位置（光ビームの中心軸に相当し、矢印１”又は矢印２”の中心）を該ＧＲＩＮレンズの光軸（図中の一点鎖線）より、若干上方にずらすことにより、例えば、上方矢印１”で出射した光ビームを、上方矢印２”で示すような、ＧＲＩＮレンズの反転を補正した光ビームとして、入射口に入射することが可能となる。

本発明が解決しようとする課題は、上述したような非対称な強度分布を有する光ビームが発生する集積型光導波路素子であっても、集積化及びコンパクト化を維持・向上しつつ、伝搬損失のより低い集積型光導波路素子を提供することである。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、電気光学効果を有する材料からなる基板と、該基板の表面に形成され、基板の深さ方向に非対称な屈折率分布を有する光導波路と、該基板の裏面に形成され、前記光導波路とは上下が反転した屈折率分布を有する光導波路とを備え、該基板の少なくとも一端面において、前記異なる面に形成された光導波路が出射口と入射口とを有し、該出射口から出射した光が該入射口に入射するように、ＧＲＩＮレンズを前記一端面に近接して配置すると共に、該ＧＲＩＮレンズの光軸中心が、該光導波路の出射口と入射口との中間点を通るように配置したことを特徴とする集積型光導波路素子である。

また、請求項２に係る発明は、電気光学効果を有する材料からなる複数の基板と、特定の基板の表面に形成され、基板の深さ方向に非対称な屈折率分布を有する光導波路と、他の基板の裏面に形成され、前記光導波路とは上下が反転した屈折率分布を有する光導波路とを備え、該複数の基板を積層し、該積層した基板の少なくとも一端面において、前記異なる面に形成された光導波路が出射口と入射口とを有し、該出射口から出射した光が該入射口に入射するように、ＧＲＩＮレンズを前記一端面に近接して配置すると共に、該ＧＲＩＮレンズの光軸中心が、該光導波路の出射口と入射口との中間点を通るように配置したことを特徴とする集積型光導波路素子である。

また、請求項３に係る発明では、請求項１又は２に記載された集積型光導波路素子において、該基板の一端面と該ＧＲＩＮレンズの基板に対向する面の少なくとも一方の面が、該光導波路から出射する光又は該光導波路へ入射する光の進行方向に対してスネルの法則を満たす傾斜面を有していることを特徴とする。

また、請求項４に係る発明では、請求項１乃至３のいずれかに記載された集積型光導波路素子において、該基板に接合した補強部材を設け、該ＧＲＩＮレンズは、該基板の一端面と該補強部材とに接着固定されていることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、基板の表面に形成された光導波路と、該基板の裏面に形成された光導波路とでは、基板の表面に垂直な方向の非対称な屈折率分布が、逆の関係となっており、ＧＲＩＮレンズによる光ビームの強度分布の上下左右を反転させる性質を利用することにより、例えば、基板の表面の光導波路から出射した光ビームを、基板の裏面に形成された光導波路に入射させることにより、光損失を抑制した光学的結合を実現することが可能となる。

請求項２に係る発明によれば、特定の基板の表面に形成された光導波路と、他の基板の裏面に形成された光導波路とでは、基板の表面に垂直な方向の非対称な屈折率分布が、逆の関係となっており、ＧＲＩＮレンズによる光ビームの強度分布の上下左右を反転させる性質を利用することにより、例えば、特定の基板の表面の光導波路から出射した光ビームを、他の基板の裏面に形成された光導波路に入射させることにより、光損失を抑制した光学的結合を実現することが可能となる。
ここで、「他の基板の裏面に形成された光導波路」とは、単に、他の基板の裏面に光導波路を形成するものに限らず、他の基板の表面に光導波路を形成し、該光導波路を形成した面を、該特定の基板の表面に対して反対の面となるように配置するものも、含むものである。

しかも、請求項１又は２に係る発明によれば、ＧＲＩＮレンズの光軸中心が、該光導波路の出射口と入射口との中間点を通るように配置されているため、光導波路の出射口から出射した、非対称な強度分布を有する光ビームを、光ビームの上下左右方向を反転させ、正確に他の光導波路の入射口に入射させることが可能となるため、光導波路の結合効率の低下をより一層防止することが可能となる。

請求項３に係る発明よれば、光の進行方向に対して、基板端面やＧＲＩＮレンズの端面を傾斜させているため、進行方向に逆行する反射光の発生を防止でき、しかも、スネルの法則を満たす角度で基板とＧＲＩＮレンズが接合されているため、光の進行方向に対して常に適正な方向に光導波路やＧＲＩＮレンズを配置でき、光導波路などからの漏光を抑制できる。また、仮に、ＧＲＩＮレンズを複数設けた場合でも、光波の伝播強度の減衰を防止でき、より高密度に集積した光導波路素子を得ることが可能となる。

請求項４に係る発明によれば、補強部材によりＧＲＩＮレンズの接着固定する面積を十分に確保でき、ＧＲＩＮレンズを基板側により強固に固定することが可能となる。また、補強部材において、少なくとも基板上の光導波路と接する領域を特定の屈折率を有する誘電体（例えば、基板と補強部材とが同じ屈折率となる誘電体や、基板と補強部材の屈折率の大小関係が、基板とバッファ層との屈折率の大小関係に対して逆となるように設定された誘電体で構成する。）で形成することにより、光導波路の出射口から放出する光ビームの強度分布を略対称となるように、調整することも可能である。

以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
集積型光導波路素子を構成する基板としては、電気光学効果を有する材料、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）、及び石英系の材料から構成され、具体的には、これら単結晶材料の、Ｘカット板、Ｙカット板、及びＺカット板から構成され、特に、光導波路デバイスとして構成されやすく、かつ異方性が大きいという理由から、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）を用いることが好ましい。
基板上の光導波路は、熱拡散法及びプロトン交換法などで形成することができ、以下の説明では、ＬＮを基板とし、これにＴｉを熱拡散させて光導波路を形成したものを中心に説明する。

ＧＲＩＮレンズにはＳｅｌｆｏｃ（登録商標）Ｌｅｎｓなど公知のものを用いることができる。また、ＧＲＩＮレンズの光軸方向の長さは、ＧＲＩＮレンズの端面で折り返した光ビームが、基板側の出射口及び入射口において、平行光束となる長さに設定する必要がある。実際には、ＧＲＩＮレンズを基板に固定するための接着剤などの厚さをも考慮する必要がある。

ＧＲＩＮレンズは接着剤によって基板に接着固定されている。これによって両者の位置関係を強く固定することができ、基板とＧＲＩＮレンズとの位置ズレや脱落を防止し、長期に渡り安定した積型光導波路素子を提供することが可能となる。
接着剤としては、紫外線硬化型接着剤（ＵＶ接着剤）など、光の透過性、接着性、取扱いの容易性などを考慮して、公知の接着剤を選択することができる。
特に、基板とＧＲＩＮレンズとの接合を強固なものとするため、基板に補助部材を接着し、さらに、基板と補助部材とに対し、ＧＲＩＮレンズを接合するよう構成することが望ましい。

ＧＲＩＮレンズに設けられる反射膜は、レンズ内を通過する光ビームに対して高い反射率を有するものであれば、その材料及び構成については限定されない。Ｃｒ、Ａｕ、Ａｌなどの金属からなる金属膜、又はＳｉＯ_２及びＴｉＯ_２などの誘電体を交互に積層した誘電体多層膜などを好ましくは用いることができる。

次に、本発明の特徴である、上下方向に非対称な強度分布を有する光ビームが、光導波路の出射口から出射する場合の問題への対応策について説明する。
図５（ａ）は、本発明に係る集積型光導波路素子の斜視図であり、図５（ｂ）は、側面図であり、図５（ｃ）は、基板とＧＲＩＮレンズとの接合部の状態を示す図である。
基板３０には、光導波路３１，３２が形成されており、特に、光導波路３１は基板の表面に、光導波路３２は、基板の裏面に各々形成されている。
基板の一端面には、光導波路３１による出射口３３と、光導波路３２による入射口３４が形成され、出射口３３から出射した光ビーム３５は、ＧＲＩＮレンズ１０により、反射面１１で折り返され、光ビームの強度分布の上下左右方向が反転させられ、入射口３４に入射する。

基板上に形成される光導波路は、図１が示すように、基板の表面に垂直な方向に向かって非対称な屈折率分布をしており、基板の表面に形成した光導波路と、基板の裏面に形成した光導波路とでは、互いに上下方向が逆向きの屈折率分布を構成する。
このため、ＧＲＩＮレンズ１０により、光ビーム３５の上下方向が反転することにより、光導波路３２の入射口３４における屈折率分布と、光ビーム３５の強度分布が、適合することとなり、光損失を抑えた光学的結合を可能とすることができる。
特に、ＧＲＩＮレンズの光軸中心を、光導波路の出射口と入射口との中間点を通るように配置されている場合には、光導波路間の結合効率を最も高めることが可能となる。

また、基板３０には、補助部材４０が接合されており、基板３０と補助部材４０とに対してＧＲＩＮレンズ１０を接合することで、ＧＲＩＮレンズと基板とのより強固な接合を可能としている。
補助部材４０には、ＧＲＩＮレンズとの接合強度を高く保つ目的以外に、例えば、基板と補強部材とが同じ屈折率となる誘電体や、基板と補強部材の屈折率の大小関係が、基板とバッファ層との屈折率の大小関係に対して逆となるように設定された誘電体で構成する補助部材を用いることにより、出射口３３から出射する光ビームの強度分布を調整する働きもある。

さらに、図５（ｂ）に示すように、基板の一端面とＧＲＩＮレンズの基板に対向する面の少なくとも一方の面が傾斜面を有するように、基板とＧＲＩＮレンズが接合されている。この傾斜面の角度は、光ビームの出射口３３及び入射口３４において、光導波路の屈折率とＧＲＩＮレンズの屈折率との差により、光ビームの屈折角がスネルの法則を満たすよう設定されている。これにより、出射口３３や入射口３４における光損失を低減させることが可能となる。

本発明に係る集積型光導波路素子の他の実施例を図６に示す。
図６（ａ）は、基板３０の表面に光導波路（出射口３３，３６）を形成し、該基板の裏面に他の光導波路（入射口３４，３７）を形成したものである。
光導波路の出射口３３から出射した光ビームは、ＧＲＩＮレンズ４０により入射口３４に導かれ、また、出射口２６から出射した光ビームは同様に、入射口３７に入射する。
この際に、出射口３３と入射口３４、及び出射口３６と入射口３７の中間点にＧＲＩＮレンズの光軸中心（図６（ａ）のＧＲＩＮレンズ４０を示す点線の円の中心）が通るように配置することが好ましい。

図６（ｂ）は、異なる基板上に形成される光導波路を、光学的に結合する例を示すものである。
基板３０の表面に出射口３３を有する光導波路を形成し、基板３０’の裏面（基板の表面に形成する場合には、該表面を裏返した面）に入射口３４’を有する光導波路を形成し、２つの基板３０，３０’を互いに接合したものである。２つの基板は、図６（ｂ）のように直接接合しても良いが、必要に応じて、２つの基板間に光導波路を有する他の基板や、スペーサーなどを挟む状態で、両者を接合することも可能である。
出射口３３から出射した光ビーム３５’は、ＧＲＩＮレンズ４０により、入射口３４’に導かれる。

図６（ｃ）は、光導波路が形成された異なる基板を、光導波路が形成された面を互いに対向するように配置した場合を示す。
基板３０の表面に出射口３３を有する光導波路を形成し、基板３０’’の裏面に入射口３４’’を有する光導波路を形成し、２つの基板３０，３０’’を互いに接合したものである。２つの基板は、図６（Ｃ）のように直接接合しても良いが、必要に応じて、２つの基板間に光導波路を有する他の基板や、スペーサーなどを挟む状態で、両者を接合することも可能である。
出射口３３から出射した光ビーム３５’’は、ＧＲＩＮレンズ４０により、入射口３４’’に導かれる。

以上説明したように、本発明によれば、基板上の光導波路の屈折率分布の非対称性などに起因する、非対称な強度分布を有する光ビームが発生する場合であっても、ＧＲＩＮレンズを用いて集積型光導波路素子を構成でき、しかも、集積化及びコンパクト化を維持・向上しつつ、光ビームの伝搬損失の低減を達成することが可能となる。

基板上の光導波路に係る屈折率分布と該光導波路を通過する光の強度分布を示す図である。非対称な強度分布を有する光ビームに係るＧＲＩＮレンズ内の進行状態を説明する図である。ＧＲＩＮレンズによる光像の反転現象を説明する図である。分割したＧＲＩＮレンズによる光像の状態を示す図である。本発明に係る集積型光導波路素子を示し、特に、（ａ）は該素子の斜視図であり、（ｂ）は側面図であり、（ｃ）は基板とＧＲＩＮレンズとの接合部の状態を示す図である。本発明に係る集積型光導波路素子の他の実施例を示す図である。集積型光導波路素子の概略図である。

符号の説明

１基板からの出射光
２基板への入射光
１０ＧＲＩＮレンズ
１１反射膜
２０分割したＧＲＩＮレンズ
２１，２２反射膜
３０基板
３１，３２光導波路
３３出射口
３４入射口
４０補強部材

Claims

電気光学効果を有する材料からなる基板と、該基板の表面に形成され、基板の深さ方向に非対称な屈折率分布を有する光導波路と、該基板の裏面に形成され、前記光導波路とは上下が反転した屈折率分布を有する光導波路とを備え、該基板の少なくとも一端面において、前記異なる面に形成された光導波路が出射口と入射口とを有し、該出射口から出射した光が該入射口に入射するように、ＧＲＩＮレンズを前記一端面に近接して配置すると共に、該ＧＲＩＮレンズの光軸中心が、該光導波路の出射口と入射口との中間点を通るように配置したことを特徴とする集積型光導波路素子。
電気光学効果を有する材料からなる複数の基板と、特定の基板の表面に形成され、基板の深さ方向に非対称な屈折率分布を有する光導波路と、他の基板の裏面に形成され、前記光導波路とは上下が反転した屈折率分布を有する光導波路とを備え、該複数の基板を積層し、該積層した基板の少なくとも一端面において、前記異なる面に形成された光導波路が出射口と入射口とを有し、該出射口から出射した光が該入射口に入射するように、ＧＲＩＮレンズを前記一端面に近接して配置すると共に、該ＧＲＩＮレンズの光軸中心が、該光導波路の出射口と入射口との中間点を通るように配置したことを特徴とする集積型光導波路素子。
請求項１又は２に記載された集積型光導波路素子において、該基板の一端面と該ＧＲＩＮレンズの基板に対向する面の少なくとも一方の面が、該光導波路から出射する光又は該光導波路へ入射する光の進行方向に対してスネルの法則を満たす傾斜面を有していることを特徴とする集積型光導波路素子。
請求項１乃至３のいずれかに記載された集積型光導波路素子において、該基板に接合した補強部材を設け、該ＧＲＩＮレンズは、該基板の一端面と該補強部材とに接着固定されていることを特徴とする集積型光導波路素子。