JP5935639B2 - 光導波路素子 - Google Patents

Description

本発明は、光導波路素子に関し、特に、分岐部を有する光導波路から構成される光導波路素子に関する。

光通信や光計測に用いられている光導波路素子に含まれる光導波路は、近年の小型化の要請によりその構造を小さくするために曲率半径の小さな曲げ部分を含んだり、角度が急な構造変化を含むことが多くなっている。

これらの曲率半径が小さい曲げ部分や、角度が急な構造変化を含む部分では、光導波路内に十分に光を閉じ込めきれず、光導波路から基板内に漏れ出してしまう。例えば図１のような構造を持つ光導波路１では、光導波路の曲げ部のうち、曲率半径が最も小さい部分から放射光２（破線矢印）が漏れる可能性が最も高い。また、光導波路１の分岐部からも放射光２０が放出され易い。

この、光導波路から漏れ出した放射光２（２０）は、光通信や光計測には関係のない不要光であり、放射光２が他の光導波路と再結合すると、消光比劣化等の特性劣化が起こり、問題となる。特に、光導波路の分岐部等、光閉じ込め作用の強い部分に再結合すると、特性が大きく劣化する。

この特性劣化の問題は、図２に示すように、ネスト型導波路構造を有する光導波路のような、１つの分岐部３の後段に複数の分岐部（５，６）が配置される構造においてより一層顕著となる。ここで、ネスト型導波路とは、１つの主マッハツェンダー型導波路の２つの分岐導波路に、２つの副マッハツェンダー型導波路を１つずつ組み込んだ、入れ子型の光導波路を意味するだけでなく、本発明では、ネスト型導波路には、図２に示すように、更に、副マッハツェンダー型導波路に副々マッハツェンダー型導波路を組み込むような、マッハツェンダー型導波路を多段階に組み込んで構成するものを総称している。

図２に示すように、マッハツェンダー型導波路を多段階に組み込んだ光導波路では、光導波路から放出される放射光２ａ〜２ｃが後段の光導波路（符号ａ〜ｂで示した部分）に入射し再結合する可能性がある。特に、分岐部５や６に再結合すると、以下で説明するように、消光比が劣化するなど変調特性に重大な影響を及ぼす。

マッハツェンダー型光導波路の場合、Ｙ分岐後の２本の分岐導波路間で、伝搬する光の強度が１％異なるだけで消光比が想定値よりも５ｄｂ程度悪化することが計算からわかっている。下記式（１）は、マッハツェンダー型光導波路の２本の分岐導波路間で伝搬する光の強度比が［１：α］であるときの消光比［Ｅ．Ｒ．］の計算式である。

消光比［Ｅ．Ｒ．］は、式（１）からわかるように、αが１から離れるに従って０に近づくが、これは即ち、分岐導波路間の伝搬光の強度が異なるほど消光比が悪化することを意味している。

上記の、光導波路の曲げ部分等で発生する漏れ光を防止する技術としては、例えば、光導波路の近傍の基板上に溝を形成する等、光導波路の曲げ部分と、曲げ部分以外の部分とで屈折率に差を設け、光導波路の曲げ部分における光の閉じ込め作用を強くして漏れ出す光を最小限に抑える方法がある。

また、上記以外にも、特許文献１に示されるように、光導波路が形成された薄板基板の表面に貫通孔や凹部等の遮蔽手段を設けて放射光を遮断する方法や、その他にも基板上に金属膜を形成して漏れ出した光を金属膜により吸収・分散させる方法等がある。

しかしながら、上記のように溝や貫通孔等のパターンを基板上に形成するには、そのための高精度パターンの作成が必要となり、光導波路の作製工数も増加するという問題がある。

さらに、光導波路を小型化したり、光導波路を伝搬する光波を変調する変調信号と光波との速度整合を図るためなどにより、近年では光導波路を形成する基板を１０μｍ程度まで薄板化させることがある。このような薄板基板の場合において、上記のような溝・凹部を形成することは、基板に溝・凹部を形成する際や、その後の取り扱いの過程で割れやすくなる危険性があり、また金属膜等を形成する際には、当該金属膜による膜応力や、金属膜形成時の熱応力によって基板が変形する可能性があり、これらの力を考慮しなければならず製造コストが増加する。

また、特に光導波路を形成する基板を薄型化させると、基板による光閉じ込め効果が強くなるため、光導波路の曲げ部等から漏れ出した漏れ光が、基板外に放出されずに基板内に留まり、その漏れ光が他の光導波路と再結合してしまい、光導波路の特性が劣化する問題も生じていた。

特開２００６−３０１６１２号公報

本発明が解決しようとする課題は、上記の問題を解決し、光導波路の曲げ部等から放射される放射光が、もとの光導波路又は他の光導波路に再結合することを防止し、光導波路素子の特性劣化を最小限に抑えることのできる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、本発明の光導波路素子は、以下のような技術的特徴を有する。
（１） 基板上に光導波路が形成された光導波路素子において、該光導波路には伝搬する光波を分岐させる第１の分岐部と、その後段に位置すると共に伝搬する光波を更に分岐させる第２の分岐部とを備え、該光導波路の形状は、該第１の分岐部で分岐された分岐導波路が曲がり導波路になっており、該曲がり導波路の曲線の三次微分値が０になる、該曲がり導波路の特定箇所における接線方向に放射される広がり角を有する放射光の伝搬方向に、第２の分岐部が配置されないように構成されていることを特徴とする。

（２） 上記（１）に記載の光導波路素子において、該特定箇所は、該第１の分岐部の後で該三次微分値が最初に０になる箇所であることを特徴とする。

（３） 上記（１）又は（２）に記載の光導波路素子において、該曲がり導波路の該特定箇所における接線方向と該後段にある光導波路との交差角度が３°以上になるように構成されていることを特徴とする。

（４） 上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の光導波路素子において、該基板の厚さは１０μｍ以下であることを特徴とする。

本発明の光導波路素子は、基板上に光導波路が形成された光導波路素子において、該光導波路には伝搬する光波を分岐させる第１の分岐部と、その後段に位置すると共に伝搬する光波を更に分岐させる第２の分岐部とを備え、該光導波路の形状は、該第１の分岐部で分岐された分岐導波路が曲がり導波路になっており、該曲がり導波路の曲線の三次微分値が０になる特定箇所から放出される可能性のある放射光に対し、該光波の進行方向で後段に位置する光導波路については、該放射光が該光導波路に再結合するのを抑制する形状となっているため、放射光が、もとの光導波路または他の光導波路と再結合することがなく、光導波路素子の特性劣化を防止できる。

従来技術において問題であった、光導波路から漏れる放射光について説明する図である。 ネスト型光導波路構造における放射光の影響を説明する図である。 本発明の光導波路素子の第１の実施例について説明する図である。 本発明の光導波路素子の第２の実施例について説明する図である。 本発明の光導波路素子の第３の実施例について説明する図である。 放射光が、光閉じ込めの強い部分を通過する構造の光導波路素子に対して、放射光の伝搬部分を取り除いた場合の消光比の変化を示すグラフを表した図である。

以下、本発明について好適例を用いて詳細に説明する。
本発明者らは、光導波路の中でも、分岐部の後の光導波路で、曲率半径が最も小さくなる部分（曲線の三次微分値が０となる点）では、放射光の放出が最も発生し易くなっていることに着目して、本発明を完成させた。このような点では、分岐部により高次モードの光波が発生し、光波全体が不安定な状態となっている。このため、分岐部の後で急激に曲がる光導波路が形成されると、放射光が容易に放出される。しかも、後段に他の分岐部が構成されている場合には、放射光が当該他の分岐部に入り再結合し易くなり、光導波路素子の消光比等の光学特性を劣化させる原因となる。

この問題を解消するため、本発明の光導波路素子は、基板上に光導波路が形成された光導波路素子において、該光導波路には伝搬する光波を分岐させる第１の分岐部と、その後段に位置すると共に伝搬する光波を更に分岐させる第２の分岐部とを備え、該光導波路の形状は、該第１の分岐部で分岐された分岐導波路が曲がり導波路になっており、該曲がり導波路の曲線の三次微分値が０になる特定箇所から放出される可能性のある放射光に対し、該光波の進行方向で後段に位置する光導波路については、該放射光が該光導波路に再結合するのを抑制する形状となっていることを特徴とする。特に、光導波路の形状を調整することにより、放射光が分岐部を含む光導波路と再結合することを抑制している。

また、光導波路の分岐部は、放射光が発生し易い場所である。一方、通常、光導波路の形状は対称性を持って形成されるため、分岐部や合波部が同じ直線状に配置されることが多い。このため、分岐部で発生した放射光が他の分岐部（合波部を含む）で再結合し易い。

この問題を解消するため、本発明の光導波路素子は、基板上に光導波路が形成された光導波路素子において、該光導波路には伝搬する光波を分岐させる第１の分岐部と、その後段に位置すると共に伝搬する光波を更に分岐させる第二の分岐部とを備え、該光導波路の形状は、該第１の分岐部から放出される可能性のある放射光の進行方向に該第二の分岐部が配置されないように構成されていることを特徴とする。

本発明の光導波路素子の第１の実施例を、図３を用いて説明する。以下では、同一の要素については同じ符号を付して説明する。図３では、光導波路素子において、上述した特定箇所である、分岐部の後の光導波路で曲線の三次微分値が０となる点Ｒ１で、放射光が発生する。特に、第１の分岐部３の後では、分岐部によって高次モード光が発生しており、放射光が放出され易くなっている。

放射光は、曲がり導波路の特定箇所Ｒ１における接線方向２０に放射される。放射光は、基板内を伝搬しながら拡散しており、放射光２１〜２２で示した範囲（広がり角θ）に伝搬している。

特定箇所から放出される可能性のある放射光は、通常、円錐状の広がりを持って伝搬するが、その広がり角度は予め計算可能である。例えば、ＬｉＮｂＯ_３を基板とした場合に、１．５μｍの伝搬光が１０μｍのモードフィールド径で放射されると、その広がり角度は２．６ｒａｄとなる。本発明における放射光の伝搬方向はこの広がりを含む方向を意味している。

光導波路に放射光が再結合するのを抑制する形状としては、符号Ａで示すように、後段にある光導波路（分岐導波路４）と放射光とが交差する場合は、交差角度が３°以上になるように構成されている。

また、符号Ｂ及びＣで示すように、放射光（２０〜２２）が伝搬する範囲には、後段の分岐部（５，６）を配置しないよう構成することで、放射光が分岐部に再結合することを抑制している。

符号１は光導波路素子を構成する光導波路であり、符号３は光導波路が分岐する分岐部であり、符号４は分岐部から分岐した分岐導波路を示している。

本発明における「第２の分岐部」には、第１の分岐部３の後段にある分岐部５に限らず、更に分岐した分岐部（６）なども含んでいる。

本発明の光導波路素子においては、光導波路１を伝搬する光波を変調するための変調電極を複数備えているが、図面においては、説明を簡略化するため、これらの電極の記載を省略している。なお、変調電極は、信号電極と接地電極から構成され、バイアス電圧印加用に独立した電極を別途設ける場合もある。

本発明の光導波路素子に使用される基板としては、種々の公知の材料を用いることが可能であり、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）等のように、電気光学効果を有する材料を利用することが可能である。また、放射光が放出され易い、光導波路の分岐部や光導波路を大きく曲げる部分については、石英系の材料の基板に形成し、変調動作が印加される光導波路については、電気光学効果を有する基板に形成するなど、異なる材料の基板を複合的に組み合わせて構成することも可能である。

また、本発明は、厚さが１０μｍ以下の薄板基板を用いた光導波路素子に対して適用することが好適である。それは、従来技術における放射光の除去手段である溝や金属膜の形成は、薄板に対しては物理的応力や熱応力等による破損の危険性があった。これに対し、本発明の光導波路素子では、図２に示すように、光導波路の配置・形状を工夫することで、放射光の光導波路への再結合を除去できるため、基板に無用な応力が印加されることもない。

また本発明で利用する光導波路は、Ｔｉなどを熱拡散法やプロトン交換法などで基板表面に拡散させたり、リブ型の凸部を形成することにより、基板上に形成できる。また、スパッタ法・蒸着法・ＣＶＤ法等の真空成膜法による膜形成や、フォトリソグラフィ・ドライエッチング・ケミカルエッチング等によるパターニングを組み合わせることによっても作成できる。特に、リブ型（リッジ型）の光導波路に形成した場合には、光の閉じ込め効果が強くなる。また、光導波路から漏れ出す放射光が３次元的に伝搬するが、本発明を適用することで効果的に放射光の再結合を防止することができる。

さらに、図示していないが変調電極は、変調信号を印加する信号電極や接地電極から構成され、基板上に、Ｔｉ・Ａｕの電極パターンの形成及び金メッキ方法などにより形成することが可能である。さらに、必要に応じて光導波路形成後の基板表面に誘電体ＳｉＯ_２等のバッファ層を設け、光導波路の上側に形成した電極による光波の吸収や散乱を抑制することも可能である。

図４は、本発明の光導波路素子の第２の実施例を示す図である。図４では、光導波路素子において、上述した特定箇所である、分岐部の後の光導波路で曲線の三次微分値が０となる点Ｒ２で、放射光が発生する。通常、分岐部の後には、曲線の三次微分値が０となる箇所は、図２に示すように、Ｒ１とＲ２の二箇所が存在する。

図４における、光導波路に放射光が再結合するのを抑制する形状としては、曲がり導波路の特定箇所Ｒ２における接線方向２３に、第二の分岐部５が配置されないように構成されている。放射光は、図２と同様に、放射光２４〜２５で示した範囲（広がり角θ）に伝搬している。

特に、第二の分岐部５で放射光が再結合した場合には、分岐部における光波の分岐比率が乱れる原因となる。また、分岐後の光導波路に放射光が再結合すると、光導波路を伝搬する光波にノイズ光が入り込み、消光比などの変調特性などが大幅に劣化する原因となる。

図５は、本発明の光導波路素子の第３の実施例を示す図である。図５では、放射光を放出する特定箇所が、光導波路１の第１の分岐部３である。第１の分岐部３からは、進行方向２６に放射光が放射されているが、この場合も前述した実施例１及び２と同様に、放射光２７〜２８で示した範囲（広がり角θ）で、放射光が伝搬している。

光導波路に放射光が再結合するのを抑制する形状としては、第１の分岐部３から放出される可能性のある放射光の進行方向（２７〜２８の範囲）に第二の分岐部（５，６）が配置されないように構成している。

図６は、図２に示す特定箇所Ｒ１から放出される放射光（２ａ）が、第２の分岐部５を通過するように設定し（変更前）、その後、放射光の伝搬部分をレーザーで除去した場合（変更後）の消光比の変化を示すグラフである。グラフからは、波長に依存して若干の変動はあるが、除去前後で消光比が平均５ｄＢ程度改善していることがわかる。このことから、放射光が、分岐部等光閉じ込めの強い部分と再結合しないように構成する本発明は、消光比劣化の防止に対して非常に有効であることがわかる。

本発明によれば、光導波路の曲げ部等から放射される放射光が、もとの光導波路又は他の光導波路に再結合することを防止し、光導波路の特性劣化を最小限に抑えることのできる光導波路素子を提供することが可能になる。

１ 光導波路
２，２０〜２８ 放射光
３ 第１の分岐部
４ 分岐導波路
５，６ 第２の分岐部

Claims (4)

1. 基板上に光導波路が形成された光導波路素子において、
   該光導波路には伝搬する光波を分岐させる第１の分岐部と、その後段に位置すると共に伝搬する光波を更に分岐させる第２の分岐部とを備え、
   該光導波路の形状は、該第１の分岐部で分岐された分岐導波路が曲がり導波路になっており、該曲がり導波路の曲線の三次微分値が０になる、該曲がり導波路の特定箇所における接線方向に放射される広がり角を有する放射光の伝搬方向に、第２の分岐部が配置されないように構成されていることを特徴とする光導波路素子。
2. 請求項１に記載の光導波路素子において、該特定箇所は、該第１の分岐部の後で該三次微分値が最初に０になる箇所であることを特徴とする光導波路素子。
3. 請求項１又は２に記載の光導波路素子において、該曲がり導波路の該特定箇所における接線方向と該後段にある光導波路との交差角度が３°以上になるように構成されていることを特徴とする光導波路素子。
4. 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、該基板の厚さは１０μｍ以下であることを特徴とする光導波路素子。

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