JP4313923B2

JP4313923B2 - 光ｉｃ

Info

Publication number: JP4313923B2
Application number: JP2000072734A
Authority: JP
Inventors: 健守益嶋; 茂行柳田
Original assignee: Tokyo Keiki Inc
Current assignee: Tokyo Keiki Inc
Priority date: 2000-03-15
Filing date: 2000-03-15
Publication date: 2009-08-12
Anticipated expiration: 2020-03-15
Also published as: JP2001264553A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信または光ファイバジャイロに用いることができ、偏光子機能を有する光ＩＣに関し、特にその消光比を改善することができる光ＩＣに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この偏光子機能を有する光ＩＣは、例えば、光通信または光ファイバジャイロ（ＦＯＧ）に用いられる。ＦＯＧとは角速度によって光ファイバループ（センシングコイルとも言う）を回る右回り光と左回り光との間に位相差が生じるというサニャック効果を利用した角速度センサである。このＦＯＧにおいて、光ＩＣの役割には、光の合分波器、即ち一つの光を右回り光と左回り光に分けたり、それらを再び合わせたりする役割、位相変調器、即ち右回り光と左回り光に意図的に位相差を加える役割、または偏光子、即ち余分な偏光成分を除去する役割等がある。
【０００３】
このうちの偏光子としての役割の必要性について説明する。ＦＯＧでは、本来センシングコイルを互いに逆回りに回る一対の光についてサニャック効果を利用して角速度を検出している。サニャック効果によって発生した位相差は右回り光と左回り光を合波・干渉させることで光強度の変化として検出することができる。しかし、この一対の光以外の光が発生すると本来の干渉光以外の干渉光成分が新たに発生してしまうことになり、これがＦＯＧのバイアス誤差の原因となる。
【０００４】
特に、本来の一対の光の偏光方向とは直交する偏光成分が発生すると、これらは重大な誤差を引き起こす。この本来の一対の光とは直交する偏光成分は、本来の偏光成分と一般的に位相が異なるものであるが、そればかりでなく、ＦＯＧ周辺の環境温度が変わるとそれらの屈折率温度係数が異なることによって、結果としてバイアスの周期的な変動を引き起こしてしまう。従って、この有害な偏光成分が発生しないようにすることが重要であるが、発生してしまった場合には、偏光子でこれを除去することが必要となる。
【０００５】
そこで、たとえば、プロトン交換法によってＬｉＮｂＯ₃やＬｉＴａＯ₃基板上に作製された光導波路に、基板結晶の異常光線に相当する偏光成分（ＴＥ波）のみ伝搬させ、常光線に相当する偏光成分（ＴＭ波）は基板結晶内に漏洩させることによって偏光子機能を得る原理となった光ＩＣが開発されている。しかしながら、この基板結晶内に漏れたＴＭ波のうちいくらかは基板の裏面で反射して再び基板の表面側に戻り、光ＩＣと接続されたファイバに再結合してしまう。この割合は非常に小さいものではあるが、光ＩＣの消光比の向上、即ち偏光子機能をさらに向上させるためには、この反射光がファイバに再結合するのを防ぐ必要がある。
【０００６】
従来、この光ＩＣの基板裏面からの反射波がファイバに再結合するのを防ぎ、消光比を改善するための方法としては、例えば、特許第２７９１４１４号公報、特許第２７３７０３０号公報、特開平１１−１３２７７２号公報に記載されたものが知られている。
【０００７】
特許第２７９１４１４号公報には、光ＩＣの光導波路と平行な２つの側面及び裏面を光を散乱する程度の粗面とするか、または光ＩＣの側面及び裏面を反射防止膜または吸収膜で覆うことが記載されている。
【０００８】
特開平１１−１３２７７２号公報には、光ＩＣの裏面に吸収膜を蒸着し、接着膜を介してマウントに付設することが記載されている。
【０００９】
また、特許第２７３７０３０号公報には、その一つの実施例として、光ＩＣの裏面に導波路と４５度の角度をなす微小溝アレイを多数設けることが記載されている。この微小溝アレイによって基板結晶裏面を荒らして、基板結晶内に漏れたＴＭモード光を約９０度の角度に偏向し、光ファイバと再結合するのを防いでいる。または、光ＩＣの裏面に等間隔な複数の変形部を作り、光ＩＣ裏面に到達した漏れ光を変形部のどれかにあてることによって減衰させることが記載されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かかる従来の光ＩＣにおける消光比改善では、以下のような問題点がある。
【００１１】
即ち、特許第２７９１４１４号公報記載のように光ＩＣの裏面に粗面を形成する場合、粗面ならなんでも良いわけではなく、反射光がなくなるような、即ち裏面に到達した光が全散乱されるような粗面の条件を満足する必要がある。この適切な条件はかなり限定された条件であり、これを満足するためには加工装置に対してかなり精密な条件が要求される。この条件管理は困難であり、よって最適な粗面を歩留まり良く製造することは困難であり、消光比のばらつきが大きくなる。また、基板を粗面にするということは、基板に無数の傷を付けるということであり、基板を破損するおそれがあるという課題もある。
【００１２】
また、特許第２７９１４１４号または特開平１１−１３２７７２号のように、光ＩＣの裏面を反射防止膜や吸収膜で覆う場合、裏面に付ける膜の屈折率や厚さに関して適切な条件で膜付けしないと反射光をなくすことはできない。例えば、膜の屈折率が基板の屈折率よりも小さい場合、入射角は全反射を起こす臨界角度以下になっていなければならないが、かかる条件を満足させるような入射角とすることは基板の形状（長さと厚さとの関係）から通常、困難である。膜の屈折率が基板の屈折率よりも大きい場合でも、膜の屈折率及び厚さが所望の値となるように、成膜装置の成膜条件を厳しく管理する必要がある。この装置を最適条件に管理することは困難であり、所望の膜を歩留まり良く付けることは困難であり、消光比のばらつきが大きくなる。また、付着強度の強い膜を付けることも困難であり、膜が剥がれやすいという問題もある。吸収膜を蒸着するのも困難である。
【００１３】
また、特許第２７３７０３０号に記載されたような光ＩＣの裏面に４５度の角度の微小溝アレイを設ける場合、広い範囲に渡って多数の微小溝を形成しなければならず、４５度の角度であれば何でも良いわけではなく、各溝の深さやピッチ、形状を最適にしなければならず、その加工が大変であり歩留まり良く加工するのは困難であるという課題がある。また、基板に多数の微小溝アレイを形成するために、基板の損傷度が高くなり、破損させる危険性もあるという問題がある。
【００１４】
光ＩＣに変形部を設ける場合も、変形部の形状、寸法およびその変形部を設ける位置の調整が大変であるという問題がある、また、多数の変形部を形成しなければならないため、多数の溝を形成する場合と同様に、損傷度が高くなり、破損させる危険性があるという問題がある。
【００１５】
本発明はかかる課題に鑑みなされたもので、歩留まり良く作製でき、また基板を破損する危険性も低減することができる光ＩＣを提供することをその目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１記載の発明は、ＬｉＮｂＯ ₃ またはＬｉＴａＯ ₃ 結晶基板と、該基板の表面にプロトン交換法により作製された光導波路とからなり、該光導波路は、基板結晶の異常光線に相当する一方の偏光成分を伝搬させ、基板結晶の常光線に相当する他方の偏光成分を基板に漏洩させる、光ＩＣにおいて、
基板裏面に前記光導波路の全長に略対向して光導波路と略平行に伸びる溝が形成され、該溝は、基板裏面に対して非垂直で且つ非平行で、且つ光導波路から漏洩された偏光成分が基板面での反射を経ずに到達可能な溝面を有しており、該溝面は、該漏洩された偏光成分を入射角＝反射角の法則に従って反射させ、該反射した偏光成分を光導波路からそれる方向へと反射させるようになっている、ことを特徴とする。光ＩＣの入力部から光導波路へと結合した光のうち、ＴＥ波は光導波路内をそのまま伝搬し、出力部へと向かう。一方、ＴＭ波は光ＩＣの光導波路内に拘束されることなく、基板内に円錐状に漏れ広がる。そのＴＭ波のうち、基板裏面の光導波路に対向する部分に達したものは、溝の基板表面側の面で入射角＝反射角の法則に従って反射する。光導波路と略平行に伸びる溝の基板表面側の面は、主として基板裏面に対して非垂直で且つ非平行となっているため、光導波路からそれる方向へと反射し、光導波路から離反する方向へと伝搬する。従って、光導波路の出力部で再結合することを阻止することができる。
【００１７】
請求項２記載の発明は、前記溝が、その横断面形状が三角形または多角形であることを特徴とする。溝の横断面形状を三角形または多角形とすることにより、溝の基板表面側の面を斜面とすることができる。斜面によって、反射される光を確実に光導波路からそれる方向へと反射させることができる。
【００１８】
また、請求項３記載の発明は、請求項２記載の前記溝の横断面形状の三角形または多角形の頂点が、光導波路の真下からずれていることを特徴とする。頂点を光導波路の真下における溝の面を斜面とすることができ、最も再結合の可能性の高い光導波路の真下で反射する光を光導波路からそれる方向へと確実に反射させることができる。
【００２０】
請求項４記載の発明は、請求項１ないし３記載の光ＩＣを光合分波器及び偏光器として使用した光ファイバジャイロを要旨とするものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。図１ないし図６は、本発明の実施形態による光ＩＣを表しており、光ＩＣ１０は、例えばＬｉＮｂＯ₃またはＬｉＴａＯ₃のような異方性光学結晶からなる基板１２上に光導波路１４が設けられて構成されている。光導波路１４は、プロトン交換法等により作製することができる。この実施形態の光ＩＣ１０は、光の合分波器及び偏光器を兼ねており、光導波路１４は、その入力側の光導波路１４ａが１つの入力側ファイバ１６と結合されており、その中間部で２つの光導波路１４ｂ、１４ｂに分岐されて、該２つの光導波路１４ｂ、１４ｂがそれぞれ２つの出力側ファイバ１８と結合されている。
【００２２】
基板１２の裏面には、図２に示すように、光導波路１４と略平行に且つ光導波路１４の略直下に、三角溝１２ａが１本形成されている。この三角溝１２ａは、その横断面形状が上に凸となった三角形状をしている。三角溝１２ａは、光導波路１４を作製した後に、基板１２を裏返して、ダイシングソーの切削ブレードを基板１２の中央部で且つ光導波路１４と平行になるようにして、１回通すことにより形成することができる。光ＩＣ１０は通常、１枚のウエハから複数本とれるようになっているが、本発明の場合には、複数のチップの切り離しと、三角溝１２ａの形成とをダイシングソーによる１つの工程で行うことができ、工程の増加を防ぐことができる。さらに、この三角溝１２ａを形成するに当たっては、従来公報の構成と異なり、後で説明するようにその精度を厳密に管理する必要がなく、簡単に形成することができる。
【００２３】
以上のように構成される光ＩＣ１０の作用を説明する。入力側ファイバ１６から光ＩＣ１０の光導波路１４に結合した光のうち、ＴＥ波は光ＩＣ１０の光導波路内１４（１４ａ、１４ｂ）をそのまま伝搬し、反対側の出力側ファイバ１８に再結合する。一方、ＴＭ波は光ＩＣ１０の光導波路１４内に拘束されること無く、基板１２結晶中に円錐状に漏れ広がる。そのうちの基板１２裏面に到達されたものは、図３に示すように、基板１２裏面に形成された溝１２ａの溝面において入射角＝反射角の法則に従って反射されるが、図４及び図５に示すように、この反射波は、光導波路１４から遠ざかる方向へと反射し、出力側ファイバ１８に到達しないため、再結合が起こらない。
【００２４】
図６は、この再結合が起こらないための条件を求めるための説明断面図である。基板の厚さをｈとし、三角溝１２ａの斜面の基板１２の裏面に対してなす角度（底角）をθとし、図示の如く、光導波路１４に対して直交し且つ基板１２表裏面に平行方向にＸ軸、上下方向にＹ軸をとるものとすると、三角溝１２ａの一辺の溝面は、
【００２５】
【数１】

と表せる。ここでｘｃは、三角溝１２ａの底辺の一端にある頂点のｘ座標である。三角溝１２ａの斜面で反射した反射光が、再び基板１２表面に到達したときの到達位置ｘ２は、次の式で表される。
【００２６】
【数２】

ここで、φはＸ−Ｙ平面において見て、基板１２中を漏れるＴＭ波とＸ軸とのなす角度である。どのようなφに対しても、または再結合が起こり得るようなφ（即ち、φ≦ｔａｎ^-1（２ｈ／ｘ₁））に対して、
【００２７】
【数３】

を満足させるような範囲のθ及びｘｃを選択すれば良い。なお、入力側ファイバ１６のｘ座標は０、一方の出力側ファイバ１８のｘ座標はｘ１、他方の出力側ファイバ１８のｘ座標は−ｘ１としている。θとｘｃとの組み合わせによって、上記式を満足させることは簡単にでき、その組み合わせ範囲は広い。例えば、基板１２の厚さが１．０ｍｍ、ｘ１＝１５０μｍである場合、一例として三角溝１２ａの形状及び寸法は、頂角ξ＝π−２θ＝１５０°、溝底辺＝７００μｍとすることができる。しかしながら、同じ溝底辺の長さの条件の下で、頂角は３０°〜１７０°の間の許容範囲を持っている。頂角を小さくすれば、溝底辺が小さくなり溝深さが大きくなり、頂角を大きくすれば、溝底辺が大きくなり溝深さが小さくなる。また、三角溝１２ａを形成する必要のある溝底辺の最小限範囲は、三角溝１２ａが無いとした場合に、入力側ファイバから出たＴＭ波が裏面で反射されて出力側ファイバに到達する可能性のある±ｘ１／２の範囲となる。この範囲をカバーしていれば、三角溝１２ａの頂点のｘ座標は必ずしも、ｘ＝０、即ち入力側ファイバと同じ位置にある必要はなく、二等辺三角形である必要もない。光導波路１４の構成によっては、むしろ、三角溝１２ａの頂点を光導波路１４の真下よりもずらすことにより、最も再結合の可能性の高い光導波路１４の真下で反射する光を光導波路１４からそれる方向へと確実に反射させることができる場合もある。
【００２８】
具体的には、例えば、頂角１５０°、溝底辺７００μｍで、基板厚さを１ｍｍとした場合に、三角溝のずれは１５０μｍまで許容される。実際にどの程度の頂角及び溝底辺とするかは、ダイシングソーによって切削することができる溝底辺の大きさ及び基板の厚さに対する溝深さの割合の設定値による。基板の厚さに対して溝深さがあまり大きくなりすぎないように決定すると良いが、三角溝加工における寸法精度は非常に緩やかなものとなる。
【００２９】
また、溝は、図示した三角溝のような溝の基板表面側の面が斜面となったものに限らず、曲面となった溝１２’ａでも良い（図７（ａ））。または多角形状の溝１２”ａでも良い（図７（ｂ））。少なくとも｜ｘ｜≦ｘ１／２の範囲で、基板１２の裏面に対して非垂直で且つ非平行な面を、主として基板表面側に持った溝であれば良い。
【００３０】
また、上記説明では、主に裏面で１回の反射を行う１次反射について主に考慮したが、１回目の反射でＴＭ波が光導波路１４からそれてしまうため、２次以上の反射の影響も小さいものと考えられる。
【００３１】
図８にこの光ＩＣをＦＯＧに用いた場合を例示する。図において、２０は光源、２２は光結合器、２４はセンシングコイル、２６は検出器である。本発明の光ＩＣ１０は、偏光器及び光合分波器として使用される。
【００３２】
但し、図１に示したような１つの入力側導波路と、２つの出力側導波路を備えた光合分波器に用いた例に限らず、１つの導波路のみを有する偏光子としてのみ機能する光ＩＣまたは光変調器として機能する光ＩＣにも同様に適用することができる。この場合には、１つの導波路に対向して、基板の裏面に導波路と平行に溝を形成すればよい。別の言い方をすると、入力側と出力側とを結ぶ線に平行に且つ対向するように裏面に溝を形成すればよい。この場合は、溝の頂角及び溝底辺の条件がより緩やかになる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明よれば、基板裏面に溝を形成し、溝の基板表面側の面で光を反射させて、光導波路からそらす方向へと伝搬させることにより、光導波路の出力側に再結合するのを防ぎ、光の消光比を改善することができる。溝は多数形成する必要がなく、また、溝の位置及び溝の形状の精度の許容範囲が大きいため、基板を破損させる危険性も低減でき、歩留まりよく作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光ＩＣの実施形態を表す斜視図である。
【図２】図１の光ＩＣの底面図である。
【図３】図１の３−３線に沿って見た断面図であり、一点鎖線は光導波路の入力側から基板裏面へ漏れ広がるＴＭ波を表す。
【図４】図１の３−３線に沿って見た断面図であり、一点鎖線は基板裏面で反射したＴＭ波を表す。
【図５】図１の光ＩＣの平面図であり、一点鎖線は、光導波路の入力側から基板裏面へ漏れ広がり、さらに裏面及び溝部で反射したＴＭ波を表す。
【図６】ＴＭ波の再結合が起こらないための条件を求めるための説明断面図である。
【図７】（ａ）及び（ｂ）は溝の他の例を表す図３相当図である。
【図８】本発明による光ＩＣを光ファイバジャイロに用いた構成ブロック図である。
【符号の説明】
１０光ＩＣ
１２基板
１２ａ、１２’ａ、１２”ａ溝
１４光導波路

Claims

ＬｉＮｂＯ ₃ またはＬｉＴａＯ ₃ 結晶基板と、該基板の表面にプロトン交換法により作製された光導波路とからなり、該光導波路は、基板結晶の異常光線に相当する一方の偏光成分を伝搬させ、基板結晶の常光線に相当する他方の偏光成分を基板に漏洩させる、光ＩＣにおいて、
基板裏面に前記光導波路の全長に略対向して光導波路と略平行に伸びる溝が形成され、該溝は、基板裏面に対して非垂直で且つ非平行で、且つ光導波路から漏洩された偏光成分が基板面での反射を経ずに到達可能な溝面を有しており、該溝面は、該漏洩された偏光成分を入射角＝反射角の法則に従って反射させ、該反射した偏光成分を光導波路からそれる方向へと反射させるようになっている、ことを特徴とする光ＩＣ。
前記溝は、その横断面形状が三角形または多角形であることを特徴とする請求項１記載の光ＩＣ。
前記溝の横断面形状の三角形または多角形の頂点は、光導波路の真下からずれていることを特徴とする請求項２記載の光ＩＣ。
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光ＩＣを光合分波器及び偏光器として使用した光ファイバジャイロ。