JP4518987B2 - 光導波路素子 - Google Patents

Description

本発明は、素子の表面にクラッド層を形成し、その一部に導波路を形成させた光導波路素子に関する。

石英、シリコン、LiNbO₃化合物半導体などの基板上に光を伝搬させる導波路として、コアとその周りにコアよりも屈折率の低いクラッドを形成させた光導波路素子がある。コアの大きさとクラッドとの屈折率差は、当該光導波路素子に光を入射または出射させる光学部品（たとえば、レーザダイオード、光ファイバなど）との整合性を考慮して定められ、たとえばシングルモードの光ファイバによって入射、出射を行う場合は、導波路中の光のモード径がおよそ１０μｍとなるように設計する。
このような光導波路素子では、ほとんどの光は導波路に沿って伝搬するが、一部は漏れ出し、放射損失光となる。特に、導波路の湾曲部分や分岐部分では、放射損失光が多くなる。

図１は、導波路の湾曲部での放射損失の概要を示す鳥瞰図であって、光導波路素子９００の表面にはクラッド層９０２が形成されており、その一部はクラッド層よりも少し屈折率の高いコア９０５により導波路９０１が形成されている。導波路９０１の湾曲部では、湾曲部外側のクラッド層９０２への伝搬光の染み出しが大きくなり、放射損失光が増加する。図２は、Ｙ分岐での放射損失の様子を示す鳥瞰図である。光導波路素子９１０の表面にクラッド層９１２が形成されており、その一部にＹ字型の導波路９１１が形成されている。分岐部では高次モードが励起され、分岐部以降の光伝搬での高次モードの放射により放射損失光が発生する。

図３に、導波路を１つの基板上に集積化した光導波路素子の平面図を示す。光導波路素子９２０の表面にはクラッド層９２２が形成されており、２つの導波路９２１−１と９２１−２が形成されている。導波路９２１−１に入射された光は、導波路９２１−１を伝搬するが、Ｙ分岐で生じた放射損失光の一部がクラッド層内を伝搬し、導波路９２１−２に入射する。この光は導波路９２１−２の出射光となる。また、導波路９２１−１の出射光の中にもクラッド層内を伝搬した放射損失光の一部が含まれてしまう。このように放射損失光が再度導波路と結合してしまうクロストークが生じると、ノイズとなってしまう。

さらに、光導波路素子の集積度を高めていくと、曲がり部の曲率半径が小さくなるとともに、隣接する導波路間の距離が短くなるため、クロストークの問題はさらに重要となってくる。
このような問題を解決する方法として、特許文献１の方法などが提案されている。特許文献1の発明では、導波路からの放射損失光によるクロストーク悪化を防止するために、信号光の伝搬経路にあたらないクラッド部が所望の厚みに除去されており、当該部位に放射損失光に対する光吸収層が付着せしめられている。また、石英系光導波路に対する吸収材料の一例として、カーボン粉末を含むシリコン樹脂を挙げている。しかし、この技術の場合、光吸収による光吸収層の発熱により、導波路のコアとクラッドの屈折率が変化し、光を閉じ込める状態が変化するため、導波路の損失増加などが懸念される。また、吸収層の材料によっては光吸収により電流や電位差が生じ、導波路や導波路型デバイスの性能を劣化させる恐れがある。
特許第３１８４４２６号明細書

光導波路素子の高機能化・多機能化の要請から、複数個の導波路型デバイスを同一基板上へ集積した場合に、光導波路素子内の放射損失光が別の導波路へ入射することを防ぐことである。

本発明では、放射損失光によるクロストークを防ぐため、光導波路素子の導波路部以外の部分、特に分岐・交差導波路の分岐・交差後の複数の導波路の間または導波路の湾曲部外側のクラッド層に、導波路の中心よりも深い窪みを有するクラッド層除去部を形成する。また、当該クラッド層除去部は、放射損失光が確実に光導波路素子から放射されるために以下の条件を満足するように形成する。
導波路内を伝搬する光の強度が最大となる光導波路の中心の光導波路素子の表面からの距離をｂ、前記導波路の中心の深度で光導波路素子表面と平行に伝搬し、放射側面から放射する光が放射側面と対向するクラッド層除去部の側面である再入射側面に入射する点との光導波路素子表面に平行方向の距離をａ、光導波路素子の表面の法線とクラッド層除去部の放射損失光が放射する放射側面の法線とのなす角をθ_１、光導波路素子表面の法線と再入射側面の法線とがなす角をθ_２、放射損失光の放射側面１０６での入射角をθ_out、放射側面１０６から放射する際の角度をθ_out’、再入射側面１０７への入射角をθ_in、クラッド層の屈折率をｎとすると、ａ、θ_１、θ_２の条件は、
θ_１＞９０°−ｓｉｎ^−１（１／ｎ）
かつ、
ｂ・ｃｏｓθ_out’／ｃｏｓθ_out＜（ｂ・ｓｉｎθ_out’／ｃｏｓθ_out
＋ａ／ｃｏｓ（θ_out’−θ_out））ｔａｎ２θ_in
ただし、
ｓｉｎθ_out’＝ｎ・ｓｉｎθ_out
θ_out＝９０°−θ_１
θ_in＋θ_out’−θ_out＝９０°−θ_２
である。

また、放射側面に反射防止膜を形成させるため、クラッド層除去部の深さをｄとすると、
ｄ・ｔａｎ（θ_１−４５°）
＜ａ−（ｄ−ｂ）／ｔａｎθ_１＋（ｂ＋ｅ）／ｔａｎθ_２
ただし、
ｅ＝ａ・ｔａｎ（θ_out’−θ_out）
を満たすように構成する。

本発明によれば、複数個の導波路型デバイスを同一基板上へ集積した光導波路素子で、光導波路素子内の放射損失光が別の導波路へ入射することを防ぐことができる。

［第１実施形態］
図４に本発明のクラッド層除去部を形成した光導波路素子の鳥瞰図を示す。クラッド層除去部１０５は、光導波路素子１００の表面である光導波路素子表面１０８と平行に伝搬する放射損失光が放射する放射側面１０６と、放射側面に対向する再入射側面１０７と、クラッド層除去部の底である底面１０９とを有する。放射側面１０６と光導波路素子表面１０８との交線をＡ、放射側面１０６と底面１０９との交線をＢ、再入射側面１０７と底面１０９との交線をＣ、再入射側面１０７と光導波路素子表面１０８との交線をＤとする。図１を用いて説明したように、導波路１０１の湾曲部では放射損失光が発生する。この放射損失光のうち、光導波路素子１００の表面と平行に伝搬する光が、他の導波路に入射し、クロストークの問題が生じる。一方、光導波路素子１００の表面と平行ではない光は、他の導波路に入射され難いため、クロストークの問題は生じない。そこで、以下では、光導波路素子１００の表面と平行に伝搬する放射損失光の除去方法について検討する。クラッド層除去部１０５は、少なくとも導波路の中心（光強度が最大となる位置）以上の深さを有する窪みである。クラッド層除去部１０５は、放射損失光を光導波路素子１００の外部に放出させる構造を有している。具体的な構造上の条件は、以下で検討する。このようなクラッド層除去部を光導波路素子の放射損失光が生じやすい場所に形成することで、放射損失光によるクロストークの問題を解決することができる。図５は、２つの導波路が集積化された光導波路素子の平面図である。クラッド層除去部１１５−１、１１５−２が、クロストークを防止するために必要な位置に形成されている。

図６は、クラッド層除去部１０５の構造を示す断面図である。導波路の中心と光導波路素子表面１０８との距離（導波路の中心の深さ）をｂ、クラッド層除去部１０５の深さをｄ、深さがｂの位置で光導波路素子表面１０８と平行に伝搬する放射損失光が放射側面１０６から出射する点をＰとし、この光が再入射側面１０７に入射する点をＱとし、点ＰＱの光導波路素子表面１０８に平行方向の距離をａ、光導波路素子表面１０８の法線と放射側面１０６の法線とのなす角をθ_１、光導波路素子表面１０８の法線と再入射側面１０７の法線とがなす角をθ_２、クラッド層の屈折率をｎとする。放射損失光の放射側面１０６での入射角をθ_out、放射側面１０６から放射する際の角度をθ_out’、再入射側面１０７への入射角をθ_inとする。

放射損失光が確実に光導波路素子１００の外部に放出される条件について、図７を用いて説明する。第１の条件は放射側面１０６で全反射とならないことであり、
θ_out＜ｓｉｎ^−１（１／ｎ）
を満足する必要がある。石英系の光導波路素子の場合であれば、臨界角は４０°程度である。しかし、ＩｎＰ系ハイデルタ導波路のクラッド層としてＩｎＰを用いた場合、１５５０ｎｍの光に対する屈折率が３．１６７であり、臨界角が１８．４°となるため、θ_outは０に近い値が望ましい。また、θ_out＝９０°−θ_１であるから、θ_１が満足しなければならない条件は
θ_１＞９０°−ｓｉｎ^−１（１／ｎ） （１）
となる。

第２の条件は、再反射側面１０７で反射した放射損失光が再び放射側面１０６に入射しないことである。具体的には、再入射側面で反射した放射損失光が、放射側面１０６と光導波路素子表面１０８との交線Ａよりも外側を通ることが条件である。交線Ａと点Ｐとの直線ＰＱに平行方向の距離はｂ・ｓｉｎθ_out’／ｃｏｓθ_out、直線ＰＱに垂直方向の距離はｂ・ｃｏｓθ_out’／ｃｏｓθ_out、線分ＰＱの長さはａ／ｃｏｓ（θ_out’−θ_out）であり、点Ｑでの入射光と反射光のなす角は２θ_inであるから、ａとθ_２とは、
ｂ・ｃｏｓθ_out’／ｃｏｓθ_out＜（ｂ・ｓｉｎθ_out’／ｃｏｓθ_out
＋ａ／ｃｏｓ（θ_out’−θ_out））ｔａｎ２θ_in （２）
ただし、
ｓｉｎθ_out’＝ｎ・ｓｉｎθ_out
θ_out＝９０°−θ_１
θ_in＋θ_out’−θ_out＝９０°−θ_２
の関係を満足しなければならない。

式（１）、（２）の条件を満足する構造のクラッド層除去部１０５によって、放射損失光は光導波路素子１００の外部に放出される。
なお、クラッド層除去部１０５の深さｄは、放射損失光の導波路への再結合効率を小さくするために、導波路の中心よりもモードフィールド径を足した値以上とすることが望ましい。
さらに、再入射側面１０７に反射膜を形成し、放射損失光の光導波路素子１００への再入射を防いでも良い。また、反射膜を形成しなくても、θ_２を９０°よりも十分小さくしておけば、再入射側面１０７から再入射した放射損失光は、光導波路素子表面１０８と平行方向には伝搬せず、光導波路素子１００の内部に伝搬するので、クロストークの問題は解決できる。

［変形例］
第１実施形態の放射側面１０６に反射防止膜を形成することで、放射側面１０６での反射光によるクロストークを軽減できる。しかし、放射側面１０６に反射防止膜を形成するためには、製造上の制限を考慮する必要がある。たとえば、反射防止膜としてイオンビームスパッタ法により誘電体多層膜を形成する場合、安定的な成膜のためには、成膜面への原材料イオン入射角度は４５°以下であることが必要である。この条件を、図８を用いて説明する。
原材料イオン入射角度４５°を確保するためには、交線Ｂから放射側面１０６と４５°をなす平面が、再入射側面１０７と交差しないことが必要であり、
導波路の中心の深さｂと点Ｑとの深さの差をｅとして、ａ、θ_１、θ_２とが満足しなければならない条件を式であらわすと、
ｄ・ｔａｎ（θ_１−４５°）
＜ａ−（ｄ−ｂ）／ｔａｎθ_１＋（ｂ＋ｅ）／ｔａｎθ_２ （３）
ただし、
ｅ＝ａ・ｔａｎ（θ_out’−θ_out）
となる。
式（３）の条件を満足するクラッド層除去部１０５であれば、放射側面１０６に反射防止膜を形成することができる。

［第２実施形態］
第１実施形態では、光導波路素子表面１０８の法線と放射側面１０６の法線とのなす角をθ_１としたが、θ_１＝９０°とした場合について、本実施形態では説明する。第１実施形態で示した式（１）と（２）の条件にθ_１＝９０°をあてはめる。式（１）は常に成立する。また、θ_out＝ θ_out’＝０°、ｅ＝０であり０である。まず式（２）は、以下のように変形できる。
ｂ＜ａ・ｔａｎ２θ_in
ただし、θ_in＝９０°−θ_２
この式をθ_２について解くと、
θ_２＜９０°−（ｔａｎ^−１（ｂ／ａ））／２ （４）
となる。また、本実施形態の場合には、放射側面１０６での反射光は、光導波路素子表面１０８と平行方向に伝搬するため、クロストークを生じやすい。したがって、本実施形態の場合には、放射側面１０６には反射防止膜を形成すべきである。そこで、式（３）についてもθ_１＝９０°をあてはめると、
ｄ＜ａ＋ｂ／ｔａｎθ_２
となり、この式をθ_２について解くと、
θ_２＜ｔａｎ^−１（ｂ／（ｄ−ａ）） （５）
となる。

導波路の湾曲部での放射損失の概要を示す鳥瞰図。 Ｙ分岐での放射損失の様子を示す鳥瞰図。 導波路を１つの基板上に集積化した光導波路素子の平面図。 クラッド層除去部を形成した光導波路素子の鳥瞰図。 ２つの導波路が集積化された光導波路素子の平面図。 クラッド層除去部１０５の構造を示す断面図。 放射損失光が確実に外部に放出される条件を示すための光導波路素子１００の断面図。 反射防止膜形成のための条件を示すための光導波路素子１００の断面図。

Claims (4)

1. 表面にクラッド層を備え、前記クラッド層の一部に形成された導波路から漏れた放射損失光を除去するために前記クラッド層の一部を除去したクラッド層除去部を有する光導波路素子において、
   前記導波路内を伝搬する光の強度が最大となる前記導波路の中心の光導波路素子の表面との距離をｂ、前記導波路の中心の深度で光導波路素子表面と平行に伝搬した光が、放射側面から放射する点と、当該放射側面と対向するクラッド層除去部の側面である再入射側面に当該光が入射する点との光導波路素子表面に平行方向の距離をａ、前記クラッド層除去部の深さをｄ、前記光導波路素子の表面の法線と前記放射側面の法線とのなす角をθ_１、前記光導波路素子表面の法線と前記再入射側面の法線とがなす角をθ_２、放射損失光の前記放射側面での入射角をθ_out、前記放射側面から放射する際の角度をθ_out’、前記再入射側面への入射角をθ_in、前記クラッド層の屈折率をｎとし、ａ、θ_１、θ_２が、
   θ_１＞９０°−ｓｉｎ^−１（１／ｎ）
   かつ、
   ｂ・ｃｏｓθ_out’／ｃｏｓθ_out＜（ｂ・ｓｉｎθ_out’／ｃｏｓθ_out
   ＋ａ／ｃｏｓ（θ_out’−θ_out））ｔａｎ２θ_in
   ｄ＞ｂ
   ただし、
   ｓｉｎθ_out’＝ｎ・ｓｉｎθ_out
   θ_out＝９０°−θ_１
   θ_in＋θ_out’−θ_out＝９０°−θ_２
   を満たす構造を有する前記クラッド層除去部
   を備えた光導波路素子。
2. 請求項１記載の光導波路素子において、
   クラッド層除去部の深さをｄとすると、
   ｄ・ｔａｎ（θ_１−４５°）
   ＜ａ−（ｄ−ｂ）／ｔａｎθ_１＋（ｂ＋ｅ）／ｔａｎθ_２
   ただし、
   ｅ＝ａ・ｔａｎ（θ_out’−θ_out）
   を満たし、
   クラッド層除去部の放射損失光が放射する側面に、反射防止膜が形成されたこと
   を特徴とする光導波路素子。
3. 表面にクラッド層を備え、前記クラッド層の一部に形成された導波路から漏れた放射損失光を除去するために前記クラッド層の一部を除去したクラッド層除去部を有する光導波路素子において、
   前記導波路内を伝搬する光の強度が最大となる前記導波路の中心の光導波路素子の表面との距離をｂ、前記導波路の中心の深度での、放射損失光が放射する放射側面と、当該放射側面と対向するクラッド層除去部の側面である再入射側面との距離をａ、前記光導波路素子の表面の法線と前記放射側面の法線とのなす角を９０°、前記光導波路素子表面の法線と前記再入射側面の法線とがなす角をθ_２、前記再入射側面への入射角をθ_in、前記
   クラッド層除去部の深さをｄ、前記クラッド層の屈折率をｎとし、ａとθ_２が、
   θ_２＜９０°−（ｔａｎ^−１（ｂ／ａ））／２
   かつ
   θ_２＜ｔａｎ^−１（ｂ／（ｄ−ａ））
   ｄ＞ｂ
   を満たし、
   クラッド層除去部の放射損失光が放射する側面に、反射防止膜が形成されたこと
   を特徴とする光導波路素子。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の光導波路素子において、
   前記再入射側面に反射膜が形成されたこと
   を特徴とする光導波路素子。

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