JP5288028B2

JP5288028B2 - 光導波路素子

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Publication number: JP5288028B2
Application number: JP2012148177A
Authority: JP
Inventors: 徳一宮崎; 圭加藤
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2012-07-02
Filing date: 2012-07-02
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2030-09-30
Also published as: JP2012215901A

Description

本発明は、光導波路素子に関し、基板に形成された光導波路が、信号光を伝播する主導波路と、該主導波路から不要光を除去する不要光用導波路とからなる光導波路素子に関する。

光通信分野や光計測分野、さらには光情報処理分野において、ニオブ酸リチウムなどの誘電体基板に光導波路を形成した光導波路素子が利用されている。光導波路素子に使用される光導波路は、光変調器や光スイッチなどに多く用いられるマッハツェンダー型光導波路に代表されるように、光導波路を分岐したり合波する部分が形成されている。

光導波路を合波する部分においては、特許文献１に示すように、逆相光が合波すると放射モード光が基板内部に放射される。そこで、放射モード光が信号光と再結合しないようにすることを課題とし、遮蔽手段を設けたり、放射モード光を外部に導出する光導波路を設けることが行われている。

また、特許文献２に示すように、光導波路の分岐部では、分岐時に高次モード光が信号光に含まれている場合には、適正な分岐比で信号光を分岐することが難しくなることが問題であり、このため、分岐前に光導波路を伝播する信号光から不要な高次モード光を除去することが行われている。この除去方法として、高次モード光を外部に導出する光導波路が設けられている。

他方、非特許文献１に示すように、多数の光導波路を集積した集積型変調器構造も提案されており、このような光導波路素子では、多数の分岐部や合波部が形成されている。このため、光導波路全体の外側に沿って配置される光導波路からの不要光は、容易に除去できるが、光導波路全体の内側にある分岐部や合波部からの不要光を除去することは、極めて難しい。

しかも、光変調器など変調信号の広帯域化や駆動電圧の低減を図るため、光導波路素子を構成する基板を３０μｍ以下の薄板とすることが行われており、このような薄板においては、放射モード光など基板内に放出された不要光が、基板自体をスラブ導波路として伝播するため、信号光と再結合する確率が極めて高くなっている。

特開２００６−３０１６１２号公報特開２００８−０８９８７５号公報

Izutsu et al. "integrated optical SSB modulator/frequencyshifter",IEEE Journal of quantum electronics,vol.QE-17,No.11,1981,pp.2225-2227

本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、光導波路が集積された場合でも不要光を効率良く基板外又は光導波路全体の外側に導出することが可能な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、請求項１に係る発明は、基板に光導波路が、高屈折率物質を熱拡散することにより形成され、該光導波路は、信号光を伝播する主導波路と、該主導波路から不要光を除去する不要光用導波路とから構成される光導波路素子において、該主導波路がメインマッハツェンダー型光導波路にサブマッハツェンダー型光導波路が組み込まれた構成であって、該不要光用導波路は、該メインマッハツェンダー型光導波路を伝播する高次モード光を、該不要光として、該主導波路から除去し、該基板外又は該光導波路全体の外側に導出するように配置されると共に、該不要光用導波路と該メインマッハツェンダー型光導波路の一部とが交差する交差部では、該不要光用導波路は、該メインマッハツェンダー型光導波路を挟んで分断されており、該交差部で分断された該不要光導波路を結ぶ直線と該メインマッハツェンダー型光導波路とが交差する交差角は、３度以上、１７７度以下であることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光導波路素子において、該交差部で分断された該不要光用導波路の端部と該メインマッハツェンダー型光導波路との距離は、１０μｍ以上であることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の光導波路素子において、該不要光用導波路の幅は、該交差部で交差する直前より、交差した直後の方が広くなっていることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の光導波路素子において、該基板の厚みは、３０μｍ以下であることを特徴とする。

請求項１に係る発明により、不要光用導波路とメインマッハツェンダー型光導波路の一部とが交差する交差部では、該不要光用導波路は、該メインマッハツェンダー型光導波路を挟んで分断されているため、不要光用導波路がメインマッハツェンダー型光導波路と接触することによる不要光と信号光との再結合を防止することが可能となると共に、不要光がメインマッハツェンダー型光導波路を横断して基板外又は光導波路全体の外側に導出することが可能となる。特に、不要光と信号光とが再結合することにより、光導波路素子の消光比や信号クロストークなどの光学特性が劣化するのも抑制することができる。

さらに請求項１に係る発明により、不要光は、メインマッハツェンダー型光導波路を伝播する高次モード光であるため、光導波路の分岐部や合波部を多数有する光導波路素子においては、本発明の構成を採用することで、消光比や信号クロストークなどの光学特性の劣化を抑制した光導波路素子を提供することが可能となる。

さらに請求項１に係る発明により、交差部で分断された不要光用導波路を結ぶ直線とメインマッハツェンダー型光導波路とが交差する交差角は、３度以上、１７７度以下であるため、不要光がメインマッハツェンダー型光導波路と再結合することが抑制できる。

請求項２に係る発明により、交差部で分断された不要光用導波路の端部とメインマッハツェンダー型光導波路との距離は、１０μｍ以上であるため、主導波路を伝播する信号光のモード径より離れて不要光用導波路が配置されているため、信号光が該不要光用導波路によって結合・散乱されることがなく、信号光の劣化が抑制される。

請求項３に係る発明により、不要光用導波路の幅は、交差部で交差する直前より、交差した直後の方が広くなっているため、交差する直前の不要光用導波路から放出された不要光が、交差した直後の不要光用導波路によって効率良く回収され、基板外等に導出することが可能となる。

請求項４に係る発明により、基板の厚みは、３０μｍ以下であるため、基板がスラブ導波路として機能し、不要光が基板外に放出され難い状況であっても、本発明の構成を採用することで、効率良く基板外等に導出することが可能となる。

本発明の光導波路素子の概要を説明する図である。（ａ）は全体図、（ｂ）は（ａ）の点線で囲んだ枠内の拡大図である。光導波路の分岐部の前段に高次モード光を除去するための不要光用導波路を配置した場合の実施例を示す図である。光導波路の合波部に非対称Ｘカプラを用いた場合の実施例を示す図である。モニタ光を検出する光学系と組み合わせた場合の実施例を示す図である。偏波合成変調手段を組み合わせた場合の実施例を示す図である。不要光用導波路と主導波路との交差部における他の実施例を示す図である。

以下、本発明の光導波路素子について、好適例を用いて詳細に説明する。図１は本発明が適用される光導波路素子の概略図であり、図１（ａ）は光導波路部分の全体図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の点線で囲んだ部分の拡大図である。
本発明の光導波路素子は、図１に示すように、基板１に光導波路２が形成され、該光導波路は、信号光を伝播する主導波路（２１〜２３）と、該主導波路から不要光を除去する不要光用導波路（３１〜３３）とから構成される光導波路素子において、該不要光用導波路と該主導波路の一部とが交差する交差部では、該不要光用導波路（３２，３３）は、該主導波路を挟んで分断されていることを特徴とする。

本発明の光導波路素子で使用される基板は、基板に光導波路が形成可能なものであれば、特に限定されないが、光変調器や光スイッチのように、制御電極が光導波路に印加する電界により信号光を制御する場合には、電気光学効果を有する材料、例えば、ＬｉＮｂＯ_３，ＬｉＴａＯ_５又はＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）のいずれかの単結晶が好適に利用可能である。特に、光変調器などの光制御素子で多用されているＬｉＮｂＯ_３，ＬｉＴａＯ_５が、好ましい。

特に、本発明で使用する基板は、基板の厚みが３０μｍ以下である場合には、本発明の技術的な優位性を発揮することができる。このような薄い基板は、光変調器などの光導波路素子に対して高速変調化や低駆動電圧化を図る上で有用な構成であるが、基板内に放出された不要光が基板外部に放射され難く、信号光と再結合するなどの不具合を生じ易い。したがって、本発明の構成を採用することで、不要光を基板外等に効果的に導出することが可能となる。

基板に形成する光導波路は、例えば、ＬｉＮｂＯ_３基板（ＬＮ基板）上にチタン（Ｔｉ）などの高屈折率物質を熱拡散することにより形成される。光導波路の形状は、図１に示したものに限定されるものではなく、光導波路が分岐部や合波部を有し、分岐部の前段で高次モード光を除去するための不要光用導波路を形成した場合や合波部からの放射モード光を導出するための不要光用導波路を形成した場合に、当該不要光用導波路の一部が信号光を伝播する主導波路によって、外部に導出できないような光導波路の形状を有するものには、本発明が好適に適用することが可能である。

図１では、光導波路２は、メインのマッハツェンダー型光導波路に２つのサブのマッハツェンダー型光導波路を組み込んだ、所謂、ネスト型光導波路を図示している。このように光変調器は、ＳＳＢ変調器やＤＱＰＳＫ変調器などに利用されている。光導波路の合波部２１からは逆相光が合波した際に放射モード光が放射される。特許文献１のように、放射モード光を不要光として基板外又は光導波路全体の外側に導出するため、不要光用導波路３１，３２を設けている。不要光の導出先には、放射モード光をモニタする光検出器４や不要光を吸収する金属などの吸収部材５などが配置されている。

不要光用導波路３１については、基板外に導出する際に主導波路を跨ぐ必要が無いため、特に問題は生じないが、不要光用導波路３２は、例えば、主導波路２３が存在するため、基板外又は光導波路全体の外側に導出することができない。

本発明は、このような場合において、不要光用導波路３２及び３３を主導波路との交差部で２つに分断している。交差部における詳細な状況は、図１（ｂ）に拡大図で示している。

交差部の特徴の一つは、交差部で分断された不要光用導波路（３２，３３）を結ぶ直線と主導波路２３とが交差する交差角θは、３度以上、１７７度以下に設定されることである。この構成で、不要光が主導波路に再結合することが抑制できる。

交差部の次の特徴は、交差部で分断された不要光用導波路（３２，３３）の端部と主導波路２３との距離は、１０μｍ以上であることである。これは、図１（ｂ）の間隔ｄが２０μｍ以上であることを意味している。主導波路２３を伝播する信号光のモード径は、光導波路の幅や基板の厚み、さらには、光導波路と基板の屈折率差などによって変化する。ＬＮ基板にＴｉを拡散させるような、通常の光導波路は１０μｍ程度である。このため、主導波路２３を伝播する信号光のモード径の２倍以上の間隔ｄを確保することで、信号光が不要光用導波路（３２，３３）によって結合・散乱されることを抑制することが可能となる。

交差部のさらなる特徴は、不要光用導波路の幅は、交差部で交差する直前（ｗ１）より、交差した直後（ｗ２）の方が広くなっていることである。これにより、交差する直前の不要光用導波路３２から放出された不要光が、交差した直後の不要光用導波路に３３よって効率良く回収され、基板外等に導出することが可能となる。特に、後段の幅ｗ２は、前段の幅ｗ１の３倍以上を確保することで、不要光の回収効率をより高めることが可能となる。また、不要光用導波路の幅の調整については、図１（ｂ）のように交差した直後の不要光用導波路の幅を広くするだけでなく、図６に示すように、交差する直前の不要光用導波路の幅を狭く（テーパ状に）することも可能である。これにより、交差直前の導波路のモード径が広がることにより、導波路分断部分でのビーム広がりを抑制できる。

また、主導波路の幅については、基本的には、基本モード光を主に伝播させる幅に設定することで、高次モード光などが主導波路に再結合することを効果的に抑制することが可能となる。特に、交差部において、主導波路にこのような構成を採用することにより、不要光用導波路の端部から主導波路に向けて放出される不要光が主導波路に再結合することを抑制し、主導波路を横断して後段の不要光用導波路に再入射することが可能となる。

図２は、光導波路の分岐部２４の前段に高次モード光を除去するための不要光用導波路（６１，６２）を配置した場合の実施例である。このように、不要光用導波路は、上述した放射モード光だけでなく、特許文献２にも開示されているような高次モード光の除去手段としても活用である。

図２では、不要光用導波路６２に対して、主導波路２６を横断するため、図１（ｂ）に示したような交差部の構成を採用している。符号６３は、分断された後段側の不要光用導波路である。合波部２５については、図１と同様に、放射モード光を導出する不要光用導波路（３４，３５）が形成され、不要光用導波路３５は、途中で主導波路２６で分断され、不要光用導波路３６に続いている。

図３は、光導波路の合波部に非対称Ｘ型カプラ２７を用いた場合の実施例である。図１に示すように、合波部としてＸ−Ｙカプラ（２つの入力と、中心と外側の導波路幅が異なる３つの出力との構造）を例示したが、本発明が適用される合波部は、これに限らず、方向性結合器、非対称方向性結合器、非対称Ｘ型カプラなどでも良い。非対称Ｘ型カプラでは、同相光が合波した場合には主導波路２８を光波が進み、逆相光が合波した場合には不要光用導波路７１を光波が進むよう構成されている。そして、不要光用導波路は、主導波路２９を横断するため、図１（ｂ）のように、導波路７１と７２に分断されている。

図４は、モニタ光を検出する光学系と組み合わせた場合の実施例である。基板１に形成された光導波路は、基本的に図１と同様な構成を有している。基板１を有する光導波路素子に対して、入射側光ファイバ８１と出射側光ファイバ８２が接続されている。光導波路８２を光導波路素子に結合させる際に、キャピラリ１０を用いている。このキャピラリ１０の端面の一部は、放射モード光（太字矢印）の一部をモニタ光として受光素子１１に導入するよう構成されている。

図４のモニタ光に不要光が混在しないようにするためには、領域Ａの範囲に不要光が入り込まないよう構成する必要があり、分断された不要光用導波路３３の終端は、この領域Ａの外側に位置している。

図５は、偏波合成変調手段１２を組み合わせた場合の実施例である。偏波合成変調手段１２は、光導波路素子から出力される２つの信号光を偏波面を回転させ、例えば、２つの信号光の偏波面が互いに直交する関係で合波するものである。このような偏波合成変調手段１２の部分には、不要光が入り込まないよう構成するため、領域Ａの範囲外に不要光を導出するよう、不要光用導波路が配置されている。

以上説明したように、本発明によれば、光導波路が集積された場合でも不要光を効率良く基板外又は光導波路全体の外側に導出することが可能な光導波路素子を提供することができる。

１基板
２光導波路
２１〜２９主導波路
３１〜３６，６１〜６３，７１，７２不要光用導波路
４，１１受光素子
５光吸収手段
８１，８２光ファイバ
１０キャピラリ
１２偏波合成変調手段

Claims

基板に光導波路が、高屈折率物質を熱拡散することにより形成され、該光導波路は、信号光を伝播する主導波路と、該主導波路から不要光を除去する不要光用導波路とから構成される光導波路素子において、
該主導波路がメインマッハツェンダー型光導波路にサブマッハツェンダー型光導波路が組み込まれた構成であって、
該不要光用導波路は、該メインマッハツェンダー型光導波路を伝播する高次モード光を、該不要光として、該主導波路から除去し、該基板外又は該光導波路全体の外側に導出するように配置されると共に、
該不要光用導波路と該メインマッハツェンダー型光導波路の一部とが交差する交差部では、該不要光用導波路は、該メインマッハツェンダー型光導波路を挟んで分断されており、該交差部で分断された該不要光導波路を結ぶ直線と該メインマッハツェンダー型光導波路とが交差する交差角は、３度以上、１７７度以下であることを特徴とする光導波路素子。
請求項１に記載の光導波路素子において、該交差部で分断された該不要光用導波路の端部と該メインマッハツェンダー型光導波路との距離は、１０μｍ以上であることを特徴とする光導波路素子。
請求項１又は２に記載の光導波路素子において、該不要光用導波路の幅は、該交差部で交差する直前より、交差した直後の方が広くなっていることを特徴とする光導波路素子。
請求項１乃至３のいずれかに記載の光導波路素子において、該基板の厚みは、３０μｍ以下であることを特徴とする光導波路素子。