JP6218335B2 - 横断する減衰域を含む光集積回路 - Google Patents

Description

本発明は、概ね平面の基板と、少なくとも１つの光導波路とを備えた光集積回路に関する。より正確に言えば、本発明は、基板内におけるスプリアス光波の伝播を減衰する手段を備えた光集積回路に関する。

光集積回路の作製は、連続生産を可能にするマイクロリソグラフィ技術を使用することに基づく。細長い材料片のマスキング及び堆積ステップを行い、場合によってはその後に熱拡散ステップを行うことにより、平面基板上にシングルモード光導波路を作製することができる。光集積回路における導光効果は、光ファイバと同様に、光導波路の屈折率と、それよりも低い基板の屈折率との差分に関連性がある。光集積回路の作製には、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、シリカオンシリコン、ガラス、さらにはニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）又はタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）などの様々な材料を用いることができる。タンタル酸リチウム及びニオブ酸リチウムは、ポッケルス電気光学効果を有するという理由で特に興味深い材料である。集積導波路の両側に電極を配置することにより、導波路屈折率を変調させた上で、導波路内を伝播する光信号の位相を変調させることができる。電極同士が約１０マイクロメートル離れた光集積回路では、電場を発生させて所望の位相変調を引き起こすためにほんの数ボルトの電圧を印加すれば十分である。比較として、従来の光位相変調器では、電極同士が少なくとも１ミリメートル離れ、電極間に同じ電場を発生させるのに必要な電圧は数百ボルトになる。

ニオブ酸リチウム上における様々な光集積回路作製技術が発達しており、まずチタン（Ｔｉ）拡散技術、次にプロトン交換技術が挙げられる。チタン拡散技術は、ニオブ酸リチウム基板の表面上にチタン片を堆積させた後でこの基板を加熱し、基板内にチタンを拡散させて局所的に屈折率を高めるようにするものである。チタン拡散技術は高温（９００〜１１００℃）を必要とする。プロトン交換技術は、複屈折ＬｉＮｂＯ_３結晶を酸浴に入れて、Ｌｉ＋イオンをＨ＋イオン（すなわち陽子）に置換させるものである。プロトン交換技術はチタン拡散よりも低い温度で行われる。さらに、複屈折ＬｉＮｂＯ_３結晶上におけるプロトン交換技術では、効果を高めるために、結晶の異常屈折率を高めて異常軸に従う偏光が誘導されるようにし、結晶の正常屈折率を低下させて正常軸に従う偏光が誘導されないようにする必要がある。プロトン交換ＬｉＮｂＯ_３回路では、Ｘ断面が共通構成であり、単軸複屈折ＬｉＮｂＯ_３結晶のＸ軸が基板の表面に垂直であるのに対し、結晶のＹ軸及びＺ軸は表面に平行である。導波路の伝播軸はＹ方向に平行であり、ＴＥモード（ＴＥは「横電場（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ）」、すなわち基板の表面に平行な電場を意味する）はＺ方向に平行である。この場合、プロトン交換光導波路はＴＥ偏光状態のみを誘導し、ＴＭ直交偏光状態（ＴＭは「横磁場（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ）」、すなわち基板の表面に平行な磁場、従って基板の表面に垂直な電場を意味する）は基板内で自由に伝播する。従って、ニオブ酸リチウムにおけるプロトン交換技術では、光集積回路上に偏光子を作製することができる。

従って、ニオブ酸リチウムからは、偏光子、位相変調器、マッハツェンダー干渉計、Ｙ接合、２×２カプラ又は３×３カプラなどの多くの光集積回路が作製される。有利なことに、同じ光回路では同じ基板上に複数の機能が集積され、これによりコンパクト性を高めて光学的結合を低減することができる。ニオブ酸リチウムプロトン交換によって得られる光集積回路は、特に光ファイバジャイロスコープに応用される。

光集積回路では、一般に入力ビームが光ファイバを通じて光導波路の端部に結合される。しかしながら、導波路によって誘導されるのは一定のモード（例えば偏光モード）のみであり、その他のモードは基板内で自由に伝播する。さらに、ファイバのコアが光集積回路の導波路と完全に整列していない場合、入射光ビームの一部が基板内に結合し、導波路の外部に伝播する可能性がある。導波路により誘導されない光の一部は、基板の１つ又は複数の面上において全内部反射により反射されることがある。結局、この非誘導光の一部は、導波路の他方の端部に面した出力光ファイバに結合する可能性がある。従って、この非誘導光は光集積回路の動作を妨げる恐れがある。例えば、ニオブ酸リチウムプロトン交換偏光子の場合、基板によって非誘導的に透過された光の結合により、偏光阻止率が影響を受けることがある。同様に、２×２カプラ又は３×３カプラの場合にも、この非誘導光が基板を介して光集積回路の入力から出力に結合する可能性がある。

図１に、先行技術による光集積回路の斜視図を概略的に示す。この光集積回路は、平面基板１０を含む。本開示では、慣例により、基板１０が、入力面１、出力面２、下面４、上面３及び２つの側面５を含む。下面４及び上面３は、入力面１と出力面２の間に延びる。下面４と上面３は互いに向かい合う。下面４及び上面３は、平坦かつ互いに平行であることが好ましい。同様に、側面５も平坦かつ互いに平行であり、入力面１と出力面２の間に延びる。基板の入力面１及び出力面２も平坦であり、研磨することができるが、導波路の端部間のスプリアス反射を避けるように傾斜した角度で切断されることが好ましい。基板１０は、入力面１上の第１の端部７と出力面２上の第２の端部８との間に延びる直線的な光導波路６を含む。慣例により、導波路６は、下面４からよりも上面３からの方が近い。好ましい実施形態によれば、光導波路６は、基板の上面３の下方に位置し、上面３と平行な平面内に延びる。光導波路６は、上面によって範囲を定められ、又はこの上面の直下に埋め込むことができる。他の実施形態では、導波路６を上面３上に堆積させることができ、或いは基板内部の、例えば下面４と上面３の中間における上面３と平行な平面内に延びることもできる。導波路６の第１の端部７及び第２の端部８には、入力光ファイバ２０及び出力光ファイバ３０がそれぞれ光学的に結合される。入力光ファイバ２０は、光集積回路内に光ビームを透過させる。この光ビームの一部は導波路により誘導される。この誘導ビーム１２は、出力ファイバ３０に面する導波路６の端部８まで伝播する。ビームの別の部分は、光ファイバ２０のコアと集積された導波路６との間のモード不一致に起因して導波路内に結合されず、基板１０内を自由に伝播する。この時、この非誘導ビーム１４は、基板内を基板の下面４まで伝播する。非誘導ビーム１４の一部は、下面４上で全内部反射によって反射されることがある。この時、この反射ビーム１６の一部が、出力ファイバ３０に面する基板の端部まで透過されることがある。従って、出力ファイバ３０は、誘導光ビーム１２のみならず非誘導的な反射光ビーム１６の一部までも集光してしまうことがある。図１には、基板の下面４上の入力面１と出力面２の中間、すなわち下面４の中心における単一の反射しか示していない。他の複数の内部反射の可能性もある。

図２に、図１の光集積回路の断面図を示しており、この図には、基板内における非誘導光ビームの光パワーの角度分散を概略的に示す。光ビームの比較的多くの部分が基板内に光学的に結合していることが分かる。非誘導光波は、上面３上で全内部反射される。従って、非誘導光波は、基板の上面３上でロイドミラー型の干渉効果を受ける。この結果、入力ファイバ２０とその虚像との間に干渉が生み出されるロイドミラー干渉計がもたらされる。この時、全内部反射によって位相シフトπが生じる。この結果、上面３上に位置する干渉図形の中心干渉縞はブラック干渉縞になる。これにより、出力光ファイバが配置された上面３の直下で直接伝播する非誘導光の出力密度が大幅に低下することの説明がつく（Ｈ．Ｌｅｆｅｖｒｅ著、「光ファイバジャイロスコープ（Ｔｈｅ ｆｉｂｅｒ ｏｐｔｉｃ ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ）」、Ａｒｔｅｃｈ Ｈｏｕｓｅ、１９９２年、添付３、集積光学系の基礎（Ａｎｎｅｘ ３ Ｂａｓｉｃｓ ｏｆ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ）、２７３〜２８４ページを参照）。この結果、プロトン交換偏光子は、理論的に−８０ｄＢ〜−９０ｄＢという非常に高い偏光率を有するようになる。

しかしながら、非誘導光ビームの結合の種類は直接透過以外にも存在する。実際に、基板は、特に下面４上における、並びに上面３又は側面５上における内部反射によって伝播する様々な非誘導ビームを透過させることがある。基板面上における内部反射により伝播する非誘導スプリアスビームは、基板の出力面２上の導波路端部８の近位に到達することもある。

一般に、基板の内部で反射された非誘導ビームは、光集積回路の導波路内を伝わる信号の品質に影響を与えることがある。Ｙ伝播軸に沿って集積された導波路を含むニオブ酸リチウムプロトン交換偏光子をＸ面に沿って切断した場合、誘導ビーム１２は概ねＴＥ偏光ビームであり、非誘導ビーム１４はＴＭ偏光ビームである。実際のところ、図１に示すプロトン交換偏光子の偏光阻止率は、基板内における非誘導光の内部反射に起因して約−５０ｄＢに制限される。この時、集積された偏光子の品質は、特に光ファイバジャイロスコープにおける特定用途の性能に影響を及ぼす。従って、集積導光偏光子の阻止率を向上させる必要がある。より一般的には、光集積回路の光学的品質を高め、基板によって光導波路の外部を透過される非誘導スプリアス光の量を減少させることが望ましい。

光集積回路の導波路入力と導波路出力の間における非誘導光ビームのスプリアス結合の課題を解決するために、様々な解決策が提案されている。

一般的には、入力面１上の第１の導波路端部７と出力面２上の第２の導波路端部８との間の下面４の中心における非誘導ビームの１次反射が主にスプリアス光に寄与することが認められている。基板４の下面上における１次反射を排除するために、下面４の中央に中心溝２５ａを配置した光集積回路（図３を参照）が開発された。中心溝２５ａは、導波路６の方向と垂直な方向に沿って基板の全幅にわたって延びる。しかしながら、中心溝２５ａは、基板の下面４の中心で反射される非誘導ビーム１４ａを防いでも、下面４と上面３の間で生じる複数の内部反射は防がない。図４に、下面上における二重反射と上面の単純反射によって第１の導波路端部７と第２の導波路端部８の間を伝播して複数反射スプリアスビーム１６ｂを形成する非誘導光ビーム１４ｂの一部の例を示す。このように、基板の下面上の中心溝は、プロトン交換偏光子の阻止率を桁違いに向上させるものの、実際には、この阻止率は約−６５ｄＢに制限されたままとなる。

欧州特許第１１１１４１３号には、基板の厚みの７０％よりも多くにわたって延びる少なくとも１つの中心溝と、この中心溝においてＩＯＣが破損するのを避けるように構造を強化するための蓋部とを備えたＩＯＣが記載されている。

Ｙ接合の場合、米国特許第７，３６６，３７２号に、光集積回路の入力面１と出力面２の中間の下面上に第１の中心溝２５ａを配置して１次反射光を排除し、Ｙ接合の分枝間であり入力面と出力面の中間の上面上に第２の中心溝２５ｂを配置して、基板内における複数反射により伝播して上面の中央で反射する非誘導ビーム１４ｂの部分（図５の断面図を参照）を排除することが提案されている。しかしながら、上面３上の中心溝２５ｂは導波路６を横切ってはならず、従ってＹ接合の分枝を横切らないように横方向に制限される。この解決策は、他のタイプの光集積回路に一般化することができない。

欧州特許第１３９６７４１号には、２つの閉じ込め層間に挟まれた薄層の形で形成された導波路を備え、この三層構造が基板上に集積されたＩＯＣが記載されている。欧州特許第１３９６７４１号には、スプリアス光を吸収するようにこれらの３つの層の厚み内で延びて導波路に可能な限り近づく溝も記載されている。

欧州特許第１１１１４１３号明細書 米国特許第７，３６６，３７２号明細書 欧州特許第１３９６７４１号明細書

Ｈ．Ｌｅｆｅｖｒｅ著、「光ファイバジャイロスコープ（Ｔｈｅ ｆｉｂｅｒ ｏｐｔｉｃ ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ）」、Ａｒｔｅｃｈ Ｈｏｕｓｅ、１９９２年、添付３、集積光学系の基礎（Ａｎｎｅｘ ３ Ｂａｓｉｃｓ ｏｆ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ）、２７３〜２８４ページ

本発明の目的は、光集積回路の下面上に中心吸収溝を形成することに対する別の又は補完的な解決策を提案することである。より正確に言えば、本発明の目的の１つは、強固であると同時に、基板内における非誘導スプリアス光の透過率を低下させる光集積回路を提案することである。本発明の別の目的は、複数の入力ポート及び／又は複数の出力ポートを有する光集積回路内で、入力ポートと出力ポートの間におけるスプリアス結合（相互結合）率を低下させることである。

本発明は、先行デバイスの欠点を改善することを目的とし、具体的には、入力面、出力面、２つの側面、入力面と出力面の間に延びる下面、及びこの下面と向かい合う平坦な上面と、上面と平行な平面内に位置する少なくとも１つの光導波路と、基板の入力面上に位置する少なくとも１つの第１の導波路端部、及び基板の出力面上に位置する少なくとも１つの第２の導波路端部と、この光導波路により基板を介して非誘導的に透過された光ビームを減衰できる少なくとも１つの光減衰域とを含む光透過性基板を備えた光集積回路に関する。

本発明によれば、上記少なくとも１つの導波路は、上記少なくとも１つの第１の導波路端部と上記少なくとも１つの第２の導波路端部との間に非直線的な光経路を有する。上記少なくとも１つの第１の導波路端部と上記少なくとも１つの第２の導波路端部との間に直線分が定められ、上記少なくとも１つの減衰域は、基板の内部を基板の下面から上面に延び、上記少なくとも１つの減衰域は、基板を介してこの第１の導波路端部と第２の導波路端部との間に透過された非誘導光ビームを減衰させるように上記直線分上に位置し、上記少なくとも１つの導波路及び上記少なくとも１つの減衰域は、少なくとも１つの減衰域がこの導波路を横切らないようなそれぞれの寸法を有する。

本発明の好ましい実施形態によれば、
− 上記少なくとも１つの光減衰域は、基板の下面から上面に延びる少なくとも１つの貫通孔を含み、
− 上記少なくとも１つの貫通孔は、光吸収性又は光不透過性材料、或いは反射材料で満たされる。

本発明の特定の実施形態によれば、上記少なくとも１つの光減衰域は、光集積回路の入力面上における第１の導波路端部と、光集積回路の出力面上における第２の導波路端部とを結ぶ上記直線分の中央に位置する。

本発明の実施形態の好ましい態様によれば、導波路は、誘導と呼ばれる第１の定められた偏光状態を有する光ビームを誘導し、第２の偏光状態を有する非誘導光ビームを基板内に透過させることができる。

本発明の実施形態の好ましい態様によれば、基板は、ＬｉＮｂＯ_３及びＬｉＴａＯ_３から選択された材料で構成される。

本発明の特定の実施形態によれば、上記少なくとも１つの減衰域は、上記第１の導波路端部を通って上記少なくとも１つの減衰域に接する直線と出力面との交点が、上記第２の導波路端部から最小距離ｘに位置し、上記減衰域と上記交点の間の距離をＤとし、上記非誘導光ビームの材料内波長をλとした時に、距離ｘが、
以上になるような寸法を有する。

本発明の特定の実施形態によれば、ＩＯＣは、光集積回路の下面上における少なくとも１つの溝、光集積回路の上面上における１つの溝、及び／又は光集積回路の側面上における１つの溝をさらに含む。

本発明の特定の実施形態によれば、上記少なくとも１つの光導波路は、共通分枝と、第１の２次分枝と、第２の２次分枝とを有し、共通分枝は、第１の２次分枝及び第２の２次分枝にＹ接合によって接続され、上記少なくとも１つの減衰域は、入力面上における共通分枝の第１の端部と、出力面上における第１の２次分枝の第２の端部とを結ぶ第１の直線分上、及び／又は入力面上における共通分枝の第１の端部と、出力面上における第２の２次分枝の第２の端部とを結ぶ第２の直線分上に配置される。

この特定の実施形態の１つの態様によれば、上記少なくとも１つの減衰域は、少なくとも１つの第１の減衰域と、少なくとも１つの第２の減衰域とを含み、この第１の減衰域は、入力面上における共通分枝の第１の端部と、出力面上における第１の２次分枝の第２の端部とを結ぶ第１の直線分上に配置され、上記第２の減衰域は、入力面上における共通分枝の第１の端部と、出力面上における第２の２次分枝の第２の端部とを結ぶ第２の直線分上に配置される。

この特定の実施形態の別の態様によれば、第１の減衰域及び第２の減衰域は、Ｙ接合の共通分枝の両側にそれぞれ配置される。

本発明の特定の実施形態によれば、上記基板は、２以上の整数をＮとする少なくともＮ個の導波路端部を入力面上及び／又は出力面上に有するＮ個の光導波路を含み、上記少なくとも１つの減衰域は、入力面上の導波路端部と出力面上の導波路端部とを結ぶ直線分上に各々が配置された少なくともＮ個の異なる減衰域を含む。

本発明の特定の実施形態によれば、上記基板は、基板の内部を基板の下面から上面に延びる少なくとも１つの追加の減衰域を含み、この少なくとも１つの追加の減衰域は、側面上における反射と、第１の導波路端部と第２の導波路端部の間の下面上における反射とを含む光経路をたどる非誘導光ビームを減衰させるように位置付けられる。

本発明は、ニオブ酸リチウム基板上のプロトン交換偏光子に特に有利に応用される。

本発明は、以下の説明により明らかになる、単独で又は技術的に可能なこれらの全ての組み合わせに基づいて検討する必要がある特徴にも関連する。

ほんの例示的かつ非限定的な例として示す本発明の１つの（複数の）特定の実施形態の説明を添付図面と共に読めば、本発明がより良く理解され、本発明のその他の目的、詳細、特徴及び利点がより明らかになるであろう。

先行技術による光集積回路を概略的に示す斜視図である。 図１のような光集積回路内の非誘導光ビームにおける光パワーの角度分散を概略的に示す断面図である。 先行技術による、中心溝を有する光集積回路を概略的に示す斜視図である。 先行技術による、下面上に中心溝を有する光集積回路内における非誘導光ビームの一部の伝播を概略的に示す図である。 先行技術による、下面上及び上面上に溝を有するＹ接合を概略的に示す断面図である。 下面上に中心溝を有する光集積回路、及びこの中心溝上で鏡面反射するスプリアスビームを概略的に示す断面図である。 下面上及び上面上に中心溝を有する光集積回路、及びこれらの２つの中心溝上で鏡面反射するスプリアスビームを概略的に示す断面図である。 本発明の第１の実施形態による光集積回路を概略的に示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態による光集積回路を概略的に示す上面図である。 本発明の第１の実施形態による光集積回路を概略的に示す断面図である。 本発明の第１の実施形態の変化例による光集積回路の上面図である。 スクリーン縁部により回折される強度を正規化したものを正規化した横座標の関数として示す図である。 本発明の第１の実施形態の変化例によるＹ接合光集積回路を概略的に示す上面図である。 本発明の第２の実施形態によるＹ接合光集積回路を概略的に示す上面図である。 本発明の第１の実施形態の変化例による光集積回路を概略的に示す上面図である。 図１４Ａの光集積回路の出力面の側面図である。 本発明の別の実施形態による光集積回路を概略的に示す上面図である。 第１の実施形態の第１の変化例による光集積回路を概略的に示す斜視図である。

本発明の観察では、図３及び図４に示すような中心溝２５ａを有する集積回路においても、残留するスプリアス光の一部が、入力面１上の第１の導波路端部７と出力面２上の第２の導波路端部８との間で光学的に結合される場合がある。実際には、下面上の中心溝２５ａの底面上における鏡面反射１６ｓにより、非誘導光ビーム１４ｓの一部がスプリアスビームを形成する場合がある（図６を参照）。溝２５ａを研磨したり、又は吸収材料で満たしたりした場合でも、非誘導ビーム１４ｓの一部は溝の底面上で反射されることがある。同様に、下面４上に中心溝２５ａを、上面３上に中心溝２５ｂを有するＹ接合の場合にも、基板の上面上の中心溝２５ｂの底面上における鏡面反射１６ｒにより、非誘導光ビーム１４ｒの別の部分が、光集積回路の出力面に向かうスプリアスビームを形成することもある（図７を参照）。中心溝に関するデバイスの対称性に起因して、中心溝の底面上における鏡面反射角により、導波路６の第２の端部８に向かって導かれる反射ビーム１６ｓ及び／又は１６ｒが生成される。従って、ビーム１６ｓ及び１６ｒは、対称性により出力光ファイバ３０のコア内に結合される。この分析の結果、溝の底面上における鏡面反射によるスプリアス光の寄与は決して無視することができない。

この分析に基づき、図８〜図１１Ａに、本発明の第１の実施形態による光集積回路の様々な図を概略的に示す。この光集積回路は、入力面１、出力面２、下面４、上面３、２つの側面５及び光導波路６を含む基板１０を備える。基板の入力面１上には、光導波路６の第１の端部７が位置し、基板１０の出力面２上には、光導波路６の第２の端部８が位置する。図８〜図１１Ａに示すデバイスの導波路６は、非直線的な独特の特徴を有する。換言すれば、導波路６の光経路は、入力面１上の第１の端部７と出力面２の第２の端部８との間で直線をたどらない。図８〜図１１Ａに示す実施形態によれば、導波路６の光経路は、上面３に平行な平面内に位置する連続曲線で構成される。導波路６の曲率半径は、誘導光ビーム１２を良好に誘導して光損失を最小限に抑えるように可能な限り大きいことが好ましい。別の実施形態によれば、導波路６の光経路を、互いに直列に接続された曲線分及び／又は直線分で構成することができる。

図８〜図１１Ａの光集積回路は、減衰域１８も含む。図９に示すように、減衰域１８は、入力面１上における導波路の第１の端部７と、出力面２上における導波路の第２の端部８とを結ぶ直線分９上に位置する。図１０の断面図では、減衰域１８が、基板の内部を基板の下面４から基板の上面３に延びていることが分かる。この検討例では、導波路６が上面の直下に位置する。しかしながら、減衰域１８の横方向範囲は、導波路６の光経路を横切らないように定められる。減衰域１８は、基板の側面５のいずれにも達していない。換言すれば、導波路６の光経路は減衰域１８を迂回する。導波路６の光経路が直線的でないため、減衰域１８が誘導光経路の光経路を横切ることはない。従って、誘導光ビーム１２は、入力面１から出力面２まで導波路の光経路をたどる。一方で、導波路の第１の端部７と導波路の第２の端部８とを含む基板の下面４に垂直な平面内の直線的な光経路に沿って進む非誘導光ビーム１４は、減衰域１８によって遮断される。図１０に示すように、減衰域１８は、第１の端部７と第２の端部８の間の１次反射光１４ａのみならず、２つの端部７及び８を通る平面内の上面３と下面４の間における基板内部の複数の内部反射によって透過１４ｃ又は反射１６ｂされる全ての非誘導ビームの部分も遮断する。より一般的に言えば、この減衰域は、入力面１上の導波路の第１の端部７を頂点とし、第１の端部７を通って減衰域１８に接する直線１５ａ、１５ｂを母線とする扇形の影１９内で基板を介して透過されるスプリアスビームも遮断する。

単一の減衰域１８により、基板の下面の中心において主反射１４ａ、１６ａを遮断できるだけでなく、導波路の２つの端部間における複数の内部反射も全て遮断できるという利点が得られる。異なる内部反射を排除するために複数の減衰域を形成することは必須でない。

基板の内部を光集積回路の下面４から上面３に延びる減衰域１８の構成により、基板内を上面３に対して非常に小さな傾斜角で伝播するスプリアス光ビームを減衰することも可能になる。従って、この減衰域１８は、先行技術の溝の底部上で反射されるスプリアス光の部分を阻止することができる。従って、本発明の減衰域１８は、光集積回路内における非誘導スプリアス光の阻止率を高めることができる。ニオブ酸リチウムプロトン交換偏光子の場合、本発明による減衰域１８は、偏光子の偏光阻止率を高めて消滅率の理論値に近づけることができる。

好ましい実施形態によれば、減衰域１８は、基板１０の上面３と下面４の間の貫通孔により実現される。図８〜図１１Ａに示す実施形態によれば、この減衰域は円筒形であり、導波路６の第１の入力端部７と第２の出力端部８とを結ぶ直線分９を横切る軸を有する。この円筒形の減衰域１８は、円形又は楕円形の断面を有することが有利である。この減衰域は、第１の端部７と第２の端部８とを結ぶ直線分９の中点付近に位置することが有利である。別の例として、減衰域１８は、切頭形状、又は平行六面体形状、或いは別のいずれかの幾何学的又は非幾何学的形状を有することもできる。

貫通孔１８は、光吸収性又は光不透過性又は反射材料で満たすことができれば有利である。様々な代替形態によれば、減衰域１８の壁を、非誘導スプリアス光１４の拡散、回折及び／又は吸収を修正するように処理することもできる。

基板の下面上における入出力ファイバの所与の結合のための主反射域はほとんど点であり、この領域は、入力と出力の間の直接経路上における入力ファイバ２０と出力ファイバ３０の中間に位置することが分かる。従って、減衰域１８の横方向の空間範囲をこの中心域の周囲に制限することができる。しかしながら、基板内を伝播するスプリアス光ビームは、減衰域１８の縁部においていわゆる「スクリーン縁部」のフレネル回折を受け、これらの回折ビームの一部は出力ファイバ３０に結合される傾向にある。

一般に、溝の縁部における回折現象は最新技術の文献でも考慮されていない。円錐形の影１９は、その各縁部に回折光の強度を無視できない半影領域を含む。この半影領域は、回折縁部からわずかな距離の近視野条件で検討したとしても、比較的広がっていることが分かる。図１１Ｂに、スクリーン縁部により回折される強度を正規化したものを、正規化した横座標の関数として示す。縁部が横座標ｘ＝０に位置する半平面内で延びるスクリーンについて検討する。図１１Ｂには、スクリーンの平面から距離Ｄにあるスクリーン縁部により回折される光の強度を正規化したものを、正規化した横座標の関数として表している。正規化した横座標１は、
の距離に対応する。より正確には、近視野における半影領域（ｘ＜０）内の回折光の強度に注目する。図１１Ｂでは、半影領域内では正規化した強度がゆっくりと低下していることが分かる。正規化した横座標ｘが−２に等しい場合、正規化した強度は１０^−２よりも高い状態を保つ。減衰域１８又は溝の（単複の）縁部で回折される光は、近視野スクリーン縁部回折に類似する。この回折光の強度により、光が回折される縁部からわずかな距離Ｄにスプリアス光が発生する。

このスプリアス回折効果を制限するために、減衰域の寸法、及び第１の導波路端部７と第２の導波路端部８とを結ぶ直線分９上における位置を以下のように選択することが好ましい。それぞれが減衰域の縁部に接し、入力面１上の第１の導波路端部７を通る直線１５ａ及び１５ｂを定める（図１１Ａを参照）。第２の導波路端部８と、接線１５ａ又は接線１５ｂとの間の最小距離をｘとする。端部８から最も近い接線１５ａ又は１５ｂに沿った減衰域１８に接する点と出力面２との間の距離をＤとする。換言すれば、Ｄは、この減衰域と、接線１５ａ又は１５ｂの出力面２上における交点との間の距離を表す。基板内における上記非誘導光ビームの材料内波長をλとした場合、直線分９を横切る方向における減衰域の空間的範囲は、距離ｘが
以上になるように決定される。このようにして、減衰域１８の縁部により回折される波動を、第２の端部８に集光されるビームを妨害しないように十分に減衰させる。図１１Ａに示すように、穴１８は、卵形又は楕円形を有することができる。５０ｍｍの長さＬを有し、減衰域１８が中心に配置され、Ｄが２５ｍｍに等しいニオブ酸リチウム基板の例を取り上げてみる。真空内波長が１．５５μｍのビームでは、基板内の非誘導ビームの屈折率は２．２に等しく、材料内波長λは０．７μｍに等しい。従って、最小距離ｘは９３μｍに等しい。この場合、減衰域の縁部は、この縁部における回折効果を制限するように、導波路の第１の端部７と第２の端部８とを結ぶ直線９から少なくとも約５０マイクロメートルに位置することが好ましい。

図１２及び図１３に、Ｙ接合型の光集積回路の様々な実施形態を上面図で概略的に示す。これらの様々な実施形態では、光導波路が、共通分枝６ａ、第１の２次分枝６ｂ及び第２の２次分枝６ｃを含む。共通分枝６ａは、接合部により２次分枝６ｂ、６ｃに接続される。共通分枝６ａの第１の端部７は、基板の入力面１上に位置する。２次分枝６ｂ及び６ｃの各々の第２の端部８ｂ、８ｃは、それぞれ出力面２上に位置する。入力面１上における共通分枝６ａの第１の端部７の反対側には入力ファイバ２０が配置される。出力面２上における第１の２次分枝６ｂの第２の端部８ｂの反対側には第１の出力ファイバ３０ｂが配置され、出力面２上における第２の２次分枝６ｃの第２の端部８ｃの反対側には第２の出力ファイバ３０ｃが配置される。図１２及び図１３では、入力面１上における導波路の共通分枝６ａの第１の端部７と、出力面２上における２次分枝６ｂ、６ｃのそれぞれの第２の端部８ｂ、８ｃとを結ぶそれぞれの直線分９ｂ及び９ｃを点線９ｂ及び９ｃでそれぞれ表している。図１２で分かるように、２次分枝６ｂ、６ｃは直線分９ｂ及び９ｃから外れている。

図１２に示す実施形態によれば、Ｙ接合光集積回路は単一の減衰域１８を含む。第１の実施形態と同様に、減衰域１８は、基板の下面４から基板の上面３に延び、この上面３の下方に導波路６ａ、６ｂ、６ｃが位置する。図１２で分かるように、減衰域１８は、入力面１上における共通分枝６ａの端部７と出力面２上における第１の２次分枝６ｂの端部８ｂとを結ぶ直線分９ｂ上、及び入力面１上における共通分枝６ａの端部７と出力面２上における第２の２次分枝６ｃの端部８ｃとを結ぶ直線分９ｃ上に横方向に延びる。しかしながら、減衰域１８は、共通分枝６ａ、第１の２次分枝６ｂ又は第２の２次分枝６ｃのいずれも横切っていない。換言すれば、導波路の２つの２次分枝６ｂ、６ｃは、減衰域１８を迂回する。図１２の減衰域１８は、Ｙ接合の２次分枝６ａと６ｂの間に設けられた円形又は楕円形の貫通孔により形成できれば有利である。第１の実施形態と同様に、この減衰域も、光吸収、反射、回折及び／又は拡散材料で満たすことができる。５０ｍｍの長さＬを有し、減衰域１８が中心に配置され、Ｄが２５ｍｍに等しいニオブ酸リチウム基板の前回の数値的応用を再び取り上げる。この場合、１．５５μｍの真空内波長を有するビームでは、上述したように、最小距離ｘは９３μｍに等しい。端部８ｂと８ｃの間の距離が８００μｍであり、穴１８の横寸法が７００μｍに等しい場合、半影領域は、３００／９３、すなわち正規化した距離
にわたって延びる。図１１Ｂを参照すると、約５．１０^−３又は−２３ｄＢの減衰を推定することができる。

図１３に示す別の実施形態によれば、Ｙ接合光集積回路は、２つの別個の減衰域１８ｂ及び１８ｃを含む。上述した実施形態と同様に、減衰域１８ｂ及び１８ｃは、基板１０の上面３から下面４に延びる。第１の減衰域１８ｂは、入力面１上における共通分枝６ａの端部７と出力面２上における第１の２次分枝６ｂの端部８ｂとを結ぶ直線分９ｂ上に配置される。第２の減衰域１８ｃは、入力面１上における共通分枝６ａの第１の端部７と出力面２上における第２の２次分枝６ｃの第２の端部８ｃとを結ぶ直線分９ｃ上に配置される。減衰域１８ｂ及び１８ｃは、光吸収材料で満たすことができる貫通孔により形成することができる。図１２に関連して説明した実施形態とは異なり、図１３の実施形態によれば、減衰域１８ｂ及び１８ｃは、２次分枝６ｂ及び６ｃの外側に配置される。図１３では、減衰域１８ｂ及び１８ｃがＹ接合の共通分枝６ａの両側に配置されていることが分かる。

Ｙ接合などの複数の分枝を有する光集積回路の場合、（単複の）減衰域にとって最も有利な場所は、入力面と出力面の分離距離に対する共通分枝の長さ、及び２次分枝間の分離距離に依存する。当然ながら、減衰域の最適な場所は、導波路の２つの端部間における非直線的な光経路の形状にも依存する。

図１６に、ＩＯＣが減衰域１８を含み、補完的に基板の下面上に中心溝２５ａを含む、図９の実施形態の変化例を示す。減衰域１８は、上述した半影領域の条件を満たす。従って、減衰域１８は、第１の導波路端部７と第２の導波路端部８の間を直接伝播するスプリアス内部反射光を減衰させるとともに、この減衰域１８の縁部で回折された光に対応する半影領域が第２の導波路端部３０に達するのを避けるという効果を有する。中心溝２５ａは、減衰域１８の補助として、基板内を伝播する残りの半影のスプリアスビームをさらに減衰させることができる。中心溝２５ａがもたらすスプリアスビームの補助的な減衰により、導波路偏光子内の消滅率をさらに高めることができる。これらの要素の組み合わせにより、約−８０ｄＢの阻止率を達成することができる。例えば上面３上などの他の溝、又は下面上の偏心溝により、スプリアス光の排除を高めるようにＩＯＣを補助することもできる。当業者であれば、本発明のデバイスを、１×Ｎカプラ、２×２カプラ又は３×３カプラなどの１つよりも多くの入力分枝及び／又は２つよりも多くの出力分枝を有する光集積回路に容易に適合させるであろう。例えば、１つの共通入力分枝とＮ個の２次出力分枝を有するカプラの場合、Ｎ個以下の別個の減衰域を設けることができる。

第１の実施形態の変化例による光集積回路を図１４Ａに上面図で示し、図１４Ｂに（出力面２から見た）側面図で示す。この光集積回路は、入力光ファイバ２０に結合された第１の端部７と出力光ファイバ３０に結合された第２の端部８との間に延びる非直線的な導波路６を含む。この光集積回路は、第１の減衰域１８ａ及び第２の減衰域１８ｄを含む。上述した実施形態と同様に、減衰域１８ａ及び１８ｄは、基板１０の上面３から下面４に延びる。第１の減衰域１８ａは、入力面１上における導波路の第１の端部７と出力面２上における導波路の第２の端部８とを結ぶ直線分上に配置される。導波路６の光経路は、第１の減衰域１８ａを迂回する。導波路の第１の端部７と導波路の第２の端部８とを含む平面内の直線的光経路に沿って非誘導光ビーム１４ａが導かれる。この非誘導光ビーム１４ａは、入力面１と出力面２の中間における中央平面１７内に位置する１つの点１４４ａにおいて、光集積回路の下面４上の全内部反射により反射される。この反射ビーム１６ａは、下面４に垂直な、導波路６の端部７及び８を通る平面内を伝播する。従って、反射ビーム１６ａは、減衰域１８ａにより遮断される。減衰域１８ａの効果は、図８の減衰域１８の効果と同様である。図１４−Ａ及び図１４−Ｂには、導波路の端部７からの別の非誘導光ビーム１４ｄも示している。非誘導ビーム１４ｄは、基板の側面５上及び基板の下面４上で二重反射された後に導波路の第２の端部に達する傾向にある。実際には、非誘導ビーム１４ｄは、側面５上の１点１５５ｄに入射して第１の反射ビーム１５ｄを形成する。減衰域１８ｄが存在しない場合、反射ビーム１５ｄは、中央平面１７上に位置する点１５４ｄにおいて下面上でも反射される。このようにして形成された二重反射ビーム１６ｄは、導波路６の第２の端部８に達する傾向にある。第２の減衰域１８ｄの効果は、基板面上における二重反射によってスプリアスビーム１６ｄを形成する傾向にあるビーム１４ｄを遮断することである。図１４−Ａ及び図１４−Ｂの光集積回路は、基板の下面上における単純反射により伝播するスプリアスビーム１４ａ、１６ａを減衰させるだけでなく、基板の側面上及び下面上における二重内部反射によって生じるスプリアス光１６ｄを減衰させることもできる。

本発明は、複数の独立した導波路を含む光集積回路にも適用される。図１５に、２つの独立した導波路６ａ及び６ｂを含む光集積回路を示す。各導波路６ａ、６ｂは、入力面１上に第１の端部７ａ、７ｂをそれぞれ有し、出力面２上に第２の端部８ａ、８ｂをそれぞれ有する。上述した実施形態に関連して説明したように、第１の導波路６ａの第１の端部７ａと第１の導波路６ａの第２の端部８ａとを結ぶ直線分９ａ上に第１の減衰域１８ａが配置される。同様に、第２の導波路６ｂの第１の端部７ｂと第２の導波路６ｂの第２の端部８ｂとを結ぶ直線分９ｂ上に第２の減衰域１８ｂが配置される。第１の導波路と第２の導波路の間のスプリアス結合を避けるために、第１の導波路６ａの第１の端部７ａと第２の導波路６ｂの第２の端部８ｂとを結ぶ直線分９ｃ上に別の減衰域１８ｃがさらに設けられる。図１５に示すように、減衰域１８ｃは、第２の導波路６ｂの第１の端部７ｂと第１の導波路６ａの第２の端部８ａとを結ぶ直線分９ｄ上にも位置することが有利である。この実施形態では、同じ基板上に配置された異なる導波路の端部間におけるスプリアス結合（相互結合）を低減することができる。このスキームは、２つよりも多くの導波路を含む光集積回路、或いは偏光子、位相変調器、マッハツェンダー干渉計、Ｙ接合、２×２カプラ又は３×３カプラなどの異なる機能を同じ基板上に集積した光集積回路に容易に一般化される。

特定の態様によれば、この基板は、基板の側面、下面又は上面の１つに配置された少なくとも１つの溝をさらに含む。

本発明は、ＬｉＮｂＯ_３基板上のプロトン交換偏光子に有利に適用される。

本発明は、光集積回路の作製の最初から実装することができる。減衰域は、集積導波路の作製前又は作製後に、マイクロリソグラフィ法（マスキング及びエッチング）又はその他の物理化学的方法（レーザー加工又は超音波ドリル法）によって基板上に形成することができる。

本発明は、既存の光集積回路にも適用される。実際、本発明によって定めるような１又は複数の減衰域を内部に形成するように既存の光集積回路を修正することは非常に容易である。例えば、既存の光導波路内に摂動を誘発することなく、光集積回路内に１又は複数の貫通孔を形成することができる。従って、光集積回路を介して非誘導的に透過されるスプリアス光の割合を大幅に低下させることができる。従って、特に既存のプロトン交換偏光子の阻止率を高めることができる。

本発明は、基板を介した非誘導スプリアス光波の伝播を減衰させることができる。減衰域は、入力ファイバと出力ファイバの間の直接反射を不可能にする。さらに、この減衰域は、基板の下面４から上面３に連続して延びているので、溝とは違って新たなスプリアスビームを発生させるリスクがない。

単一分枝の導波路を有する集積回路の場合、本発明は、中心溝を含む従来の光集積回路に比べ、単一の減衰域によって非誘導スプリアス光をより良く減衰させることができる。

本発明の実装により、同じ平面基板上に集積された１又は複数の光導波路の入力と出力の間におけるスプリアス結合を低減しながら、光集積回路上における集積を高めることができる。

６ 光導波路
１０ 基板
１４ 非誘導ビーム
１８ 減衰域
２０ 入力ファイバ
３０ 出力ファイバ

Claims (11)

1. 光透過性基板（１０）を備えた光集積回路であって、前記基板（１０）は、
   入力面（１）、出力面（２）、２つの側面（５）、前記入力面（１）と前記出力面（２）の間に延びる下面（４）、及び該下面（４）と向かい合う平坦な上面（３）と、
   前記上面（３）と平行な平面内に位置する少なくとも１つの光導波路（６）と、
   前記基板（１０）の前記入力面（１）上に位置する少なくとも１つの第１の導波路端部（７）、及び前記基板（１０）の前記出力面（２）上に位置する少なくとも１つの第２の導波路端部（８）と、
   前記光導波路（６）により前記基板（１０）を介して非誘導的に透過された光ビームを減衰できる少なくとも１つの光減衰域（１８、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ）と、
   を含み、前記光集積回路は、
   前記少なくとも１つの導波路（６）が、前記少なくとも１つの第１の導波路端部と前記少なくとも１つの第２の導波路端部との間に非直線的な光経路を有し、
   前記少なくとも１つの第１の導波路端部（７）と前記少なくとも１つの第２の導波路端部（８）との間に直線分（９、９ｂ、９ｃ）が定められ、前記少なくとも１つの減衰域（１８、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ）が、前記基板の内部を該基板（１０）の前記下面（４）から前記上面（３）に延び、前記少なくとも１つの減衰域は、前記基板（１０）を介して前記第１の導波路端部と前記第２の導波路端部の間に透過された非誘導光ビームを減衰させるように前記直線分（９、９ｂ、９ｃ）上に位置し、
   前記少なくとも１つの導波路（６）及び前記少なくとも１つの減衰域（１８、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ）が、該少なくとも１つの減衰域（１８、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ）が前記導波路（６）を横切らないようなそれぞれの寸法を有し、
   前記少なくとも１つの減衰域は、前記第１の導波路端部（７、７ａ、７ｂ）を通過して前記少なくとも１つの減衰域（１８、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ）に接する直線（１５ａ、１５ｂ）と前記出力面（２）との交点が、前記第２の導波路端部（８、８ａ、８ｂ）から最小距離ｘに位置し、前記減衰域と前記交点の間の距離をＤとし、前記非誘導光ビームの材料内波長をλとした時に、前記距離ｘが、
   以上になるような寸法を有する、
   ことを特徴とする光集積回路。
2. 前記少なくとも１つの光減衰域（１８、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ）は、前記基板（１０）の前記下面（４）から前記上面（３）に延びる少なくとも１つの貫通孔を含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光集積回路。
3. 前記少なくとも１つの貫通孔（１８、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ）は、光吸収性又は光不透過性材料、或いは反射材料で満たされる、
   ことを特徴とする請求項２に記載の光集積回路。
4. 前記少なくとも１つの光減衰域（１８、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ）は、前記光集積回路の前記入力面（１）上の第１の導波路端部と、前記光集積回路の前記出力面（２）上の第２の導波路端部とを結ぶ前記直線分（９、９ａ、９ｂ、９ｃ）の中央に位置する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光集積回路。
5. 前記少なくとも１つの導波路（６）は、第１の誘導される定められた偏光状態を有する光ビームを誘導し、第２の偏光状態を有する非誘導光ビームを前記基板内に透過させることができる、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光集積回路。
6. 前記光集積回路の前記下面上における少なくとも１つの溝（２５ａ）、前記光集積回路の前記上面上における１つの溝（２５ｂ）、及び／又は前記光集積回路の前記側面上における１つの溝をさらに含む、
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の光集積回路。
7. 前記少なくとも１つの光導波路（６）は、共通分枝（６ａ）と、第１の２次分枝（６ｂ）と、第２の２次分枝（６ｃ）とを有し、前記共通分枝（６ａ）は、第１の２次分枝（６ｂ）及び前記第２の２次分枝（６ｃ）にＹ接合によって接続され、前記少なくとも１つの減衰域（１８、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ）は、前記入力面（１）上における前記共通分枝（６ａ）の第１の端部と、前記出力面（２）上における前記第１の２次分枝（６ｂ）の第２の端部とを結ぶ第１の直線分（９ｂ）上、及び／又は前記入力面（１）上における前記共通分枝（６ａ）の前記第１の端部と、前記出力面（２）上における前記第２の２次分枝（６ｃ）の第２の端部とを結ぶ第２の直線分（９ｃ）上に配置される、
   ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の光集積回路。
8. 前記少なくとも１つの減衰域（１８、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ）は、少なくとも１つの第１の減衰域（１８ａ、１８ｂ）と、少なくとも１つの第２の減衰域（１８ｃ、１８ｄ）とを含み、前記第１の減衰域（１８ａ、１８ｂ）は、前記入力面（１）上における前記共通分枝（６ａ）の前記第１の端部（７）と、前記出力面（２）上における前記第１の２次分枝（６ｂ）の前記第２の端部（８ｂ）とを結ぶ第１の直線分（９ｂ）上に配置され、前記第２の減衰域（１８ｃ、１８ｄ）は、前記入力面（１）上における前記共通分枝（６ａ）の前記第１の端部（７）と、前記出力面（２）上における前記第２の２次分枝（６ｃ）の前記第２の端部（８ｂ）とを結ぶ第２の直線分（９ｃ）上に配置される、
   ことを特徴とする請求項７に記載の光集積回路。
9. 前記第１の減衰域（１８ｂ）及び前記第２の減衰域（１８ｃ）は、前記Ｙ接合の前記共通分枝の両側にそれぞれ配置される、
   ことを特徴とする請求項８に記載の光集積回路。
10. 前記基板（１０）は、２以上の整数をＮとする少なくともＮ個の導波路端部を前記入力面（１）上及び／又は前記出力面（２）上に有するＮ個の光導波路（６）を含み、前記少なくとも１つの減衰域は、前記入力面上の導波路端部と前記出力面上の導波路端部とを結ぶ直線分上に各々が配置された少なくともＮ個の異なる減衰域を含む、
    ことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の光集積回路。
11. 前記基板は、該基板の内部を該基板（１０）の前記下面（４）から前記上面（３）に延びる少なくとも１つの追加の減衰域（１８ｄ）を含み、該少なくとも１つの追加の減衰域（１８ｄ）は、側面（５）上における反射と、前記第１の導波路端部と前記第２の導波路端部の間の前記下面（４）上における反射とを含む光経路をたどる非誘導光ビームを減衰させるように位置付けられる、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の光集積回路。