JP6464886B2

JP6464886B2 - 光導波路素子

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Publication number: JP6464886B2
Application number: JP2015071771A
Authority: JP
Inventors: 徳一宮崎; 洋一細川
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2015-03-31
Filing date: 2015-03-31
Publication date: 2019-02-06
Anticipated expiration: 2035-03-31
Also published as: JP2016191820A

Description

本発明は、光導波路素子に関し、特に、効果的に高次モード光を除去することが可能な光導波路素子に関する。

近年、光通信や光計測の分野において、電気光学効果を有する基板上に光導波路を形成すると共に、光導波路内を伝搬する光波を制御するための信号電極及び接地電極を形成した導波路型光変調器などの光導波路素子が多用されている。
このような光導波路素子では、光導波路に光波を入射する光ファイバの配置のズレや、光導波路の作製誤差、光ファイバと光導波路素子内の光導波路のモードフィールド形状の不一致、光ファイバと光導波路素子との接続部における軸ズレなどにより、光導波路を伝搬する光に高次モード光が発生し、この高次モード光が光導波路を伝搬することがある。
この高次モード光と最低次（１次）モード光（基本モード光とも言う）との各成分が干渉することによって、光の伝搬と共に光分布が揺動する揺動光となる。

マッハツェンダー型の光導波路などでは、特定の導波路を２つの分岐導波路に分岐するＹ分岐構造が設けられ、最低次モード光がＹ分岐構造に入射すると、Ｙ分岐構造の形状の対称性から分岐比が１：１になる。しかしながら、揺動光がＹ分岐導波路に入射すると、分岐比が１：１から大きくずれる。更に、最低次モードと高次モードとの干渉により、入射側の光導波路の長さによって分岐比が変化したり、波長によって分岐比が変化する。そのため、Ｙ分岐構造に至るまでに高次モード光を光導波路から除去することが必要となる。

光ファイバと光導波路の入力部では、光ファイバの軸ズレや光入射角度ズレにより、導波路に結合されなかった光は、基板中に放射される。そして従来の基板の厚みが数１００μｍある場合には、入射側の光導波路の直線長が２ｍｍ程度とれれば、放射光は基板中に広がるため、光導波路近傍の光分布は十分小さくなり、光導波路や分岐導波路の高次モードに再結合することが無く、結果として揺動光が発生しないため、Ｙ分岐構造での分岐比の悪化には繋がらない。

しかしながら、２０μｍ以下の厚みの基板（薄板）を使用した光導波路素子の場合においては、光導波路の境界面及び基板の下面（通常、基板の下面には、基板と補強板とを接合する接着層が形成されている。）における屈折率変化により、基板厚み方向の光閉じ込めが発生し、基板がスラブ導波路として振る舞う。そして、基板中の放射光が基板の厚み方向に閉じ込められるため、導波路近傍の放射光の光分布が厚板より強くなり、光導波路の揺動が発生し分岐比の悪化に繋がる。
このため、入射側導波路の直線長も従来の２ｍｍでは不十分であり、該直線長をより長くすることが求められるが、入射側の光導波路が長くなると、光導波路素子全体のサイズを短縮することが困難となる。

例えば、コヒーレント用のネスト型変調器では、素子サイズの制限からＹ分岐構造の前の直線長などが十分な距離を取ることができず、揺動光による分岐比ズレによる特性劣化が問題となる。特に導波路基板の厚みを２０μｍ以下の薄板とした場合には顕著であった。
更に、コヒーレント用のネスト型変調器では、偏波直交のそれぞれの出力に対して複数のバイアス制御などが必要なため、光入力と光導波路とのアライメント作業が難しくなり、また、入力光の調芯ズレが発生し易くなるため、揺動光による分岐比劣化がより問題となる。

このような揺動を抑制する発明として、特許文献１，２に示すように、３分岐構造やスラブ構造を適用する構成が提案されている。
従来の３分岐構造は、３分岐の中心の主導波路の幅に比べて両側の副導波路の幅を狭く設定することで、最低次（１次）モードを主導波路に、２次モードを副導波路に選択的に出力することができる。しかしながら、薄板構造のようなスラブモードを含めた更なる高次モード状の不要光が存在している場合には、主導波路近傍の電界分布に対して十分な除去効果を得ることができない。

一方、スラブ構造は、高次のモードほど電界分布の広がりが大きいことを利用して、不要な高次モード光を光導波路から除去する原理である。このため、２次モードのような、より光導波路近傍に光が分布する不要モードを除去する場合には、主導波路に近接してスラブ導波路を配置する必要が生じる。この場合には同時に、主導波路を伝搬する最低次モードへの影響も無視できなくなり、損失増加に繋がってしまう。このように、スラブ導波路と光導波路の近接間隔や配置距離が、最低次モード光の光損失と不要光の除去に対してトレードオフの関係となるため、最低次モード光の光損失が許容できる条件では、不要光の除去が不十分で分岐比のズレが問題となる。

特開２００５−１８１７４８号公報特開２００８−０８９８７５号公報

本発明が解決しようとする課題は、上述した問題を解決し、Ｙ分岐構造の前段で発生する光の揺動を抑制し、Ｙ分岐構造の分岐比のアンバランスを抑えることが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、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）光導波路が形成された基板を有する光導波路素子において、該光導波路は、該光導波路の主導波路を伝搬する光を２つに分岐するＹ分岐構造を有し、該Ｙ分岐構造の前段に、該主導波路と該主導波路の両側の２つの副導波路を含む３つの導波路に分岐する３分岐構造と、該３分岐構造より前段の該主導波路の両側に近接して配置された２つのスラブ導波路とを備え、該２つのスラブ導波路は、さらに、該３分岐構造の２つの副導波路の外側に沿って延びる構成を有す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、該主導波路の両側に配置した該２つのスラブ導波路の間隔は、該主導波路のモード径の３〜６倍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２つの副導波路の幅は、該主導波路の幅よりも狭いことを特徴とする。

本発明により、光導波路の主導波路を伝搬する光を２つに分岐するＹ分岐構造の前段に、該主導波路と該主導波路の両側の２つの副導波路を含む３つの導波路に分岐する３分岐構造と、該光導波路の両側に近接して配置された２つのスラブ導波路と、を設けることで、Ｙ分岐構造の前段で発生する光の揺動を抑制でき、Ｙ分岐構造の分岐比のアンバランスを抑えることができる光導波路素子を提供することができる。

本発明に係る光導波路素子の例を示す図である。本発明に係る光導波路素子をマッハツェンダー構造に適用した例を示す図である。本発明に係る光導波路素子をコヒーレント用変調器に適用した例を示す図である。本発明に係る光導波路素子について分岐のロス差をシミュレーションした結果の例を示す図である。

以下、本発明に係る光導波路素子について、詳細に説明する。
本発明に係る光導波路素子は、図１に示すように、光導波路１が形成された基板を有する光導波路素子において、該光導波路１は、該光導波路１の主導波路１１を伝搬する光を２つの分岐導波路１３に分岐するＹ分岐構造を有し、該Ｙ分岐構造の前段に、該主導波路１１と該主導波路１１の両側の２つの副導波路１２を含む３つの導波路に分岐する３分岐構造と、該主導波路１１の両側に近接して配置された２つのスラブ導波路２と、を有することを特徴とする。

基板は、電気光学効果を有する基板であり、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）、及び石英系の材料から構成され、具体的には、これら単結晶材料のＸカット版、Ｙカット版、及びＺカット版から構成される。特に、光導波路デバイスとして構成されやすく、かつ異方性が大きいという理由から、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）を用いることが好ましい。本発明では、基板の厚みは２０μｍ以下の薄板が使用される。

図１は、本発明に係る光導波路素子の例について、Ｙ分岐構造及びその前段部分を拡大して示している。
基板には、例えばチタン（Ｔｉ）などを基板上に堆積させた後で熱拡散させて形成した光導波路１が設けられている。また、基板には、光吸収領域として、例えばＴｉやＮｉなどの不純物材料を基板内に熱拡散させて形成したスラブ導波路２が設けられている。光導波路と同じ材料を熱拡散させる場合には、スラブ導波路は、光導波路と同時に作成することが可能となる。不純物材料の熱拡散は、基板の表面側からに限らず、裏面側あるいは両方から行うことも可能である。
なお、基板には、光導波路１中を伝搬する光の電極層への吸収を少なくするための酸化シリコン（ＳｉＯ2）などからなるバッファ層や、光導波路１を伝搬するための変調電極（例えば、信号電極や接地電極）なども設けられるが、説明を簡略化するために図示を省略する。

本発明の特徴は、光導波路１を伝搬する光の高次モードを除去するために、Ｙ分岐構造の前段に、光導波路１を主導波路１１とその両側の２つの副導波路１２を含む３つの導波路に分岐する３分岐構造と、光導波路１の両側に近接して２つのスラブ導波路２を配置したスラブ構造とを設けたことである。

すなわち、光導波路１の主導波路１１を伝搬する光から、主導波路１１の両側に設けたスラブ導波路２によって高次の不要モードを除去し、３分岐構造で分岐される両側の副導波路１２によって２次モードを主とする低次の不要モードを除去する。これにより、スラブ構造及び３分岐構造による不要モード除去後の光がその後の主導波路１１を伝搬してＹ分岐構造に到達するため、Ｙ分岐構造の前でおこる光の揺動を抑制でき、Ｙ分岐構造による分岐比のアンバランスを抑えることができる。

ここで、スラブ導波路２は、３分岐構造より後段（３分岐構造とＹ分岐構造の間）に配置してもよいが、３分岐構造より前段の主導波路１１の両側に配置することが好ましく、更には、３分岐構造の２つの副導波路１２の外側に沿って延びることが好ましい。すなわち、３分岐構造では、主導波路１１の幅を徐々に拡げることでシングルモード光からマルチモード光へ変換して主導波路１１の両側から副導波路１２を分岐するが、３分岐構造全体を覆うようにスラブ導波路２を配置することで、モードが不安定となるモード変換の過程でスラブ導波路２による不要モードの除去を行えるため、スラブ構造と３分岐構造を独立して用いる場合よりも効率的に不要モードの除去を行える。またスラブによって除去された不要モードが３分岐構造の外側に導かれるため、スラブを３分岐構造の前までの最小限の範囲に配置した場合よりも、不要モードの主導波路への再結合を防止することができる。

また、３分岐構造は、最低次モードをその後の主導波路１１に導き、高次モードを副導波路１２に導くために、副導波路１２の幅が主導波路１１の幅よりも狭い構造とされる。
また、光導波路１から除去した不要モード光が再び主導波路１１に結合することを防ぐために、スラブ導波路２及び副導波路１２は、主導波路１１から離れるように不要モード光をガイドするパターンで形成することが好ましい。

また、２つのスラブ導波路２の間隔は、主導波路１１の最低次モードの光損失を抑制しながら高次モードを除去するために、主導波路１１のモード径の３〜６倍程度に設定することが好ましい。ＬＮを用いたＴｉ拡散導波路の場合、モード径は８〜１２μｍ程度となる。

図２は、本発明に係る光導波路素子をマッハツェンダー構造に適用した例を示す図である。このように、マッハツェンダー構造において、Ｙ分岐構造の前段にスラブ構造及び３分岐構造を設けることで、効果的に不要モードの除去を行えるため、オン／オフの消光比などの特性を改善することができる。

図３は、本発明に係る光導波路素子をコヒーレント用変調器に適用した例を示す図である。同図では、光導波路１を複数段のＹ分岐構造で段階的に分岐して形成した複数のサブマッハツェンダー部を有している。また、各サブマッハツェンダー部の出力を段階的に合成する。また、最終段の合成前の一方の経路に波長板３を設けてあり、これにより出力の偏波方向が直交関係にされ合波される。このように、複数段のＹ分岐構造を備える場合にも、分岐部の直前の曲げ導波路によって、導波路を伝搬する光が導波路の中心からずれが発生するために分岐部では揺動光が発生する。そこで、各々の分岐構造の前段にスラブ構造及び３分岐構造を設けることで、効果的に不要モードの除去を行えるため、偏波間のロス差やオン／オフ消光比などの特性を改善することができる。

以上のように、本発明に係る光導波路素子は、Ｙ分岐構造の入力側に、まずスラブ構造を設けて高次の不要モードを除去し、２次モードを主とする低次の不要モードを３分岐構造で除去する構成となっている。これにより、不要モードの大部分を主導波路１１の近傍から除去できるため、例えば入力光の調芯ズレなどの高次モードを発生しやすい状況が生じた場合でも、揺動を防止してＹ分岐構造による１：１に近い分岐比を得ることができる。
同時に、位置ズレで結合された不要モード光は損失となるため、本発明を適用する前よりも調芯の精度をより高めることができる。この場合には、揺動の抑圧とあわせて、揺動の発生も低減することができる。
また、分岐比が１：１に近付くことで、偏波間のロス差の小さい偏波合成コヒーレント変調器や、オン／オフ消光比の高いマッハツェンダー型変調器を提供できる。
特に、本発明は、揺動光による分岐比ズレによる特性劣化の問題が顕著となる２０μｍ以下の厚みの薄板を用いる場合に効果的である。

次に、本発明に係る光導波路素子について分岐のロス差をシミュレーションした結果について説明する。ここでは、Ｙ分岐構造の前段に、スラブ構造と３分岐構造の両方を設けた場合、スラブ構造のみを設けた場合、３分岐構造のみを設けた場合の各々について、揺動と分岐比の影響をシミュレーションで計算した。また、スラブ構造における２つのスラブ導波路２の間隔は、主導波路１１のモード径の約４倍とした。また、揺動を発生しやすくするために、入力側の導波路１の中心から基板の横方向に位置をずらしてガウシアン分布の光を入力した。そして、ずらし量を２μｍとした場合の波長に対する分岐のロス差を測定してグラフ化した。

図４は、上記のシミュレーション結果のグラフを示しており、横軸は波長（ｎｍ）を表し、縦軸はロス差（ｄＢ）を表す。なお、「スラブ＋３分岐」はスラブ構造と３分岐構造の両方を設けた場合の結果であり、「スラブのみ」はスラブ構造のみを設けた場合の結果であり、「３分岐」は３分岐構造のみを設けた場合の結果である。また、「スラブ＋３分岐」、「スラブのみ」、「３分岐」の各々について、ロス差の最悪レベルを示してある。
図４から、スラブ構造と３分岐構造の両方を設けた場合には、測定した波長範囲（１５００〜１６２０ｎｍ）の全般にわたってロス差を低く抑えることができており、特に、ロス差の最悪レベルがスラブ構造又は３分岐構造の一方を設けた場合よりも大幅に改善されることが把握できる。

以上、説明したように、本発明によれば、Ｙ分岐構造の前段で発生する光の揺動を抑制し、Ｙ分岐構造の分岐比のアンバランスを抑えることができる光導波路素子を提供することができる。

１光導波路
２スラブ導波路
３波長板
１１主導波路
１２副導波路
１３分岐導波路

Claims

光導波路が形成された基板を有する光導波路素子において、
該光導波路は、該光導波路の主導波路を伝搬する光を２つに分岐するＹ分岐構造を有し、
該Ｙ分岐構造の前段に、該主導波路と該主導波路の両側の２つの副導波路を含む３つの導波路に分岐する３分岐構造と、該３分岐構造より前段の該主導波路の両側に近接して配置された２つのスラブ導波路とを備え、
該２つのスラブ導波路は、さらに、該３分岐構造の２つの副導波路の外側に沿って延びる構成を有す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、
該主導波路の両側に配置した該２つのスラブ導波路の間隔は、該主導波路のモード径の３〜６倍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２つの副導波路の幅は、該主導波路の幅よりも狭いことを特徴とする光導波路素子。