JP6942992B2 - 光導波路素子 - Google Patents

Description

本発明は、光導波路素子に関し、特に、基板に形成された光導波路が、Ｙ分岐構造の前段に３分岐構造を有する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、光変調器のように、ニオブ酸リチウム基板や半導体基板等の基板に光導波路や制御電極を形成した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。このような揺動光は、光導波路が分岐するＹ分岐構造において、光の分岐比がアンバランスとなる原因になる。

しかも、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、基板自体がスラブ導波路として振る舞う。このため、基板中の放射光や漏洩光など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等の光分布が厚板（厚みが数１００μｍ程度）より強くなり、光導波路の揺動が発生し易い。
このような高次モード光を除去するため、特許文献１では、主導波路を挟むように副導波路を設けた３分岐構造が提案されている。

さらに、高次モード光をより効果的に除去するため、３分岐構造の前段において、主導波路の両側に近接して２つのスラブ導波路を配置することが、特許文献２で提案されている。

図１は、基板１に形成された光導波路２の従来の形状を示す概略図である。光導波路は、１つの光導波路を３つに分岐させる３分岐構造Ａと、その後段で主導波路２０をさらに２つの分岐導波路２２に分岐させるＹ分岐構造Ｂとが形成されている。符号２１は、３分岐構造を構成する副導波路を示す。

図１に示すように、従来の光導波路素子は、３分岐構造ＡからＹ分岐構造Ｂまでの主導波路は、テーパー形状となっている。その理由は、３分岐構造の直後の主導波路の幅は１次モード光に適合する幅であるが、Ｙ分岐構造の分岐部では、２つの分岐導波路の各々が１次モード光に適合する幅となるため、ほぼ倍の幅まで主導波路２０の幅を変化させる必要があるためである。なお、符号Ｃの位置から３分岐構造Ａまでの間も、テーパー形状に設定されている。

副導波路が主導波路２０に近接している領域では、主導波路２０の幅を緩やかに変化させることで、高次モード光の発生を抑える必要があり、また発生した高次モード光は、３分岐構造内で除去することも困難である。このため、テーパー形状をした主導波路２の長さは、例えば、２０００μｍ以上に設定する必要があり、光導波路素子の小型化を図る上で、重要な課題となっていた。

また、特許文献３では、図１に示すように、Ｙ分岐構造Ｂの分岐部で段差を形成することが開示されている。このような段差を利用することで、テーパー部分の長さを幾分短くすることができるが、主導波路２０の長さを根本的に短縮するのは困難であった。

特開２００５−１８１７４８号公報 特開２０１６−１９１８２０号公報 特開２０１５−１９１１４０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、かつ小型化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、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と、該光導波路は、主導波路を伝搬する光を２つに分岐するＹ分岐構造と、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分岐構造とを有する光導波路素子において、該副導波路は、光導波路を伝搬する高次モード光を除去するための導波路であり、該主導波路は、該３分岐構造と該Ｙ分岐構造との間で、導波路幅が一定の直線導波路部分と、導波路幅が徐々に広くなるテーパー導波路部分とを備え、該直線導波路部分の長さは、４００μｍから６００μｍの範囲であり、かつ該直線導波路部分と該テーパー導波路部分との長さの和が２０００μｍ以下であり、該直線導波路部分と該テーパー導波路部分とが接続される位置において、該主導波路と該副導波路との間隔が、該主導波路のモードフィールド径の０．７〜１．４倍に設定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、該光導波路の入射側端部から該Ｙ分岐構造のテーパー導波路部分と２つの分岐導波路との接続部までの長さが３０００μｍ未満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、該基板の厚みは、２０μｍ以下であることを特徴とする。

本発明により、光導波路が形成された基板と、該光導波路は、主導波路を伝搬する光を２つに分岐するＹ分岐構造と、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分岐構造とを有する光導波路素子において、該主導波路は、該３分岐構造と該Ｙ分岐構造との間で、導波路幅が一定の直線導波路部分と、導波路幅が徐々に広くなるテーパー導波路部分とを備えるため、Ｙ分岐構造の前段で発生する光の揺動を効果的に抑制でき、かつ小型化が可能な光導波路素子を提供することができる。

従来の光導波路素子に用いられる３分岐構造とＹ分岐構造を組み合わせた光導波路の平面図である。 本発明の光導波路素子に用いられる光導波路の構造の概略を示す平面図である。 ３分岐構造の直後の直線導波路部分の長さに対するＹ分岐構造の分岐比の変化を示すグラフである。 ３分岐構造の直後の直線導波路部分の長さに対するＹ分岐構造の一方の分岐導波路から出射する光の光損失の変化を示すグラフである。 光導波路の入射端部における光の入射角に対するＹ分岐構造の分岐比の変化を示すグラフである。 入射角を±０．５度に設定した際の、３分岐構造の直後の直線導波路部分の長さに対するＹ分岐構造の分岐比の変化を示すグラフである。 本発明の光導波路素子の応用例を示す図である。

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２に示すように、光導波路２が形成された基板１と、該光導波路は、主導波路を伝搬する光を２つに分岐するＹ分岐構造Ｂと、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２１を含む３つの導波路に分岐する３分岐構造Ａとを有する光導波路素子において、該主導波路は、該３分岐構造と該Ｙ分岐構造との間で、導波路幅が一定の直線導波路部分２０１と、導波路幅が徐々に広くなるテーパー導波路部分２０２とを備えることを特徴とする。

基板は、電気光学効果を有する基板や半導体基板、さらには、ＥＯポリマーを用いた基板などが利用可能である。電気光学効果を有する基板としては、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カット板、Ｙカット板、及びＺカット板から構成される。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。

また、基板本体がスラブ導波路として振舞うような、例えば、基板の厚みが２０μｍ以下の薄板が使用される場合は、本発明を適用することが好ましい。
なお、本発明は、基板の厚みが薄いほど、効果が期待できる。これは、基板が薄くなると、主導波路の近傍に高次モード光が留まり易いため、本発明の構成を用いて高次モード光をより効率的に除去することが可能となるためである。具体的には、基板の厚みが、１μｍ〜２０μｍの範囲で、本発明を適用できる。

基板に光導波路を形成する方法としては、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２が設けられている。また、基板上に光導波路に沿ったリッジを形成することで、凸状の光導波路を形成することも可能である。
なお、基板には、光導波路２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２（特に、図２に示すＹ分岐構造の分岐導波路）を伝搬する光波を変調するための制御電極（例えば、信号電極や接地電極、ＤＣバイアス電極）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、光導波路の３分岐構造とＹ分岐構造との間で、主導波路が、導波路幅が一定の直線導波路部分と、導波路幅が徐々に広くなるテーパー導波路部分とを備えることである。直線導波路部分の幅は、１次モード光（シングルモード光）を主に導波する幅に設定される。基板の厚みや、基板材料と光導波路形成材料の組み合わせ等によって変化するが、例えば、２０μｍのニオブ酸リチウム基板で、Ｔｉ拡散導波路を形成する場合は、約４μｍ程度に設定される。なお、図２には、図１と同様に、符号Ｃの位置から３分岐構造Ａまでの間も、テーパー形状に設定されている。

図２に示す直線導波路部分２０１の長さＬ２は、高次モード光を除去し、揺動光を抑制するためには、４００μｍ以上であることが好ましい。また、直線導波路部分が長くなると光損失が増加するため、Ｌ２は１０００μｍ以下に設定することが好ましい。また、主導波路を伝搬する１次モード光と副導波路を伝搬する高次モード光とが再結合することを抑制するには、該直線導波路部分と該テーパー導波路部分とが接続される位置Ｄにおいて、該主導波路と該副導波路との間隔Ｌ３が、該主導波路（２０１）のモードフィールド径の０．７〜１．４倍に設定されていることが好ましい。

さらに、図２に示す直線導波路部分２０１とテーパー導波路部分２０２との長さの和Ｌ１は、直線導波路部分の長さにも依存するが、１０００〜２０００μｍの範囲で設定することが好ましい。特に、２０００μｍ以下に設定することで、光導波路素子の小型化をはかることが可能となる。

本発明では、主導波路における直線導波路部分とテーパー導波路部分との組み合わせにより、効果的に高次モード光を除去することができる。このため、図２の光導波路２の左端に位置する、光導波路の入射側端部から２分岐構造Ｂまでの長さを短くすることも可能になる。

通常は、光導波路の入射側端部から入射する光が、光導波路２に適切に結合せず、高次モード光や漏洩光が発生し易い。このような高次モード光等を光導波路２から除去するため、入射側端部から２分岐構造までの長さを一定以上確保することが必要となる。図２に示す構成では、入射側端部から２分岐構造Ｂまでの長さを、３０００μｍ未満に設定することも可能になる。

本発明の構成に関する効果を検証するため、以下に示す試験を行なった。
１０μｍの厚みのニオブ酸リチウ基板に、Ｔｉ拡散で光導波路を形成し、図２に示す光導波路素子を作製した。
第１の試験では、図２に示す直線導波路部分２０１とテーパー導波路部分２０２との長さの和Ｌ１を１２００μｍに設定し、直線導波路部分２０１の長さＬ２を０〜１０００μｍの範囲で変化させた。
また、光導波路２の左端の入射側端部において、入射光を光導波路の光軸から０．５μｍオフセットさせて入射し、意図的に揺動光を発生させた。

図３のグラフは、Ｙ分岐構造で形成した２つの分岐導波路２２から出力される各光の強度をＰ_{ｏｕｔ＿Ｘ，}Ｐ_{ｏｕｔ＿Ｙ}とし、両者の差をＬｏｓｓ｜Ｘ−Ｙ｜（＝｜Ｐ_{ｏｕｔ＿Ｘ}−Ｐ_{ｏｕｔ＿Ｙ}｜）として表示している。Ｌｏｓｓ｜Ｘ−Ｙ｜＝０の場合、２つの分岐導波路から出射する光の強度が等しい状態であり、Ｙ分岐構造による分岐比が１：１の状態となる。

図３のグラフを見ると、直線導波路部分Ｌ２の長さが長くなるに従い、Ｌｏｓｓ｜Ｘ−Ｙ｜が低下し、分岐比のアンバランスが改善していることが容易に理解される。これは、直線導波路部分の存在により、高次モード光が効率的に除去されていることを意味している。Ｌ２が４００μｍ以上の場合には、Ｌｏｓｓ｜Ｘ−Ｙ｜もほぼ０．６ｄＢ以下に低下し、十分か改善効果が期待できることが理解される。

第２の試験では、２つの分岐導波路２２の一方から出力される光の強度の変化を測定し、光導波路２における光損失量（Ｌｏｓｓ）を調べた。図４は、直線導波路部分の長さＬ２の変化に対する光損失量（Ｌｏｏｓ）の変化を調べたグラフである。その他の試験条件は、第１の試験と同様である。図４では、直線導波路部分２０１の長さＬ２を０〜１１９０μｍの範囲で変化させた。

直線導波路部分の長さＬ２が長くなるに従い、光損失量（Ｌｏｓｓ）が増加していることが容易に理解される。Ｌ２が１０００μｍを超えると、光損失量が急激に悪化する。このことからも、直線導波路部分の長さＬ２は１０００μｍ以下に設定することが好ましい。

次に、第３の試験として、図２の光導波路２の入射側端部に入射する光の入射角度を変化させた場合のＬｏｓｓ｜Ｘ−Ｙ｜の変化を測定した。入射角度の変化量を、「入射角オフセット量（単位：°［度］）」で示す。
また、３分岐構造とＹ分岐構造との間の主導波路の形状は、Ｌ２が、０，４００，６００及び１１９０μｍの場合について、測定を行なった。また、Ｌ１は１２００μｍに設定した。図５の凡例は、「Ｌ２／（Ｌ１−Ｌ２）」の数値を示したものである。

図５に第３の試験結果を示す。図５を見ると、Ｌ２が０μｍである従来のような光導波路素子の場合には、入射角オフセット量が変化すると、Ｌｏｓｓ｜Ｘ−Ｙ｜の変化も激しくなり、高次モード光の除去効率が極めて低いことが容易に理解される。これに対し、Ｌ２が４００μｍや６００μｍの場合には、Ｌｏｓｓ｜Ｘ−Ｙ｜の変化量も０〜０．４ｄＢ程度の範囲に押さえられ、高次モード光の除去が効率的に行なわれていることが理解される。
また、Ｌ２が１１９０μｍの場合は、Ｌｏｓｓ｜Ｘ−Ｙ｜の変化量も増加する傾向に変化することが理解される。このことからも、Ｌ２は１０００μｍ以下に設定することが好ましい。

第４の試験としては、第３の試験で使用した入射角のオフセットを±０．５°に設定した場合、Ｌ２を０〜１１９０μｍの範囲で変化させた場合のＬｏｓｓ｜Ｘ−Ｙ｜の変化量を測定した。試験に際しては、２つの試験体（Ｓａｍｐｌｅ１とＳａｍｐｌｅ２は、同じ設計、同じプロセス条件で製作した、製造バッチの異なる試験体）を用意した。図６は、Ｌ２の変化に伴うＬｏｓｓ｜Ｘ−Ｙ｜の変化量を示したものであるが、Ｌ２が４００μｍ以上の場合には、Ｌｏｓｓ｜Ｘ−Ｙ｜の変化量の変化がほぼ定常状態となることが容易に理解される。

以上の試験結果から、図２の直線導波路部分の長さＬ２は、４００μｍ〜１０００μｍの範囲に設定することが好ましい。
さらに、図７に示すように、本発明の光導波路素子には、特許文献２に示されるような、スラブ導波路３を用いて、高次モード光を除去する技術をさらに付加することが可能である。また、特許文献３のように、Ｙ分岐構造でテーパー導波路と２つの分岐導波路との接続部Ｂを不連続に構成する技術を付加することも可能であることは、言うまでも無い。

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、かつ小型化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
３ スラブ導波路
２１ 副導波路
２２ 分岐導波路
２０１ 直線導波路部分
２０２ テーパー導波路部分

Claims (3)

1. 光導波路が形成された基板と、
   該光導波路は、主導波路を伝搬する光を２つに分岐するＹ分岐構造と、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分岐構造とを有する光導波路素子において、
   該副導波路は、光導波路を伝搬する高次モード光を除去するための導波路であり、
   該主導波路は、該３分岐構造と該Ｙ分岐構造との間で、導波路幅が一定の直線導波路部分と、導波路幅が徐々に広くなるテーパー導波路部分とを備え、
   該直線導波路部分の長さは、４００μｍから６００μｍの範囲であり、かつ該直線導波路部分と該テーパー導波路部分との長さの和が２０００μｍ以下であり、
   該直線導波路部分と該テーパー導波路部分とが接続される位置において、該主導波路と該副導波路との間隔が、該主導波路のモードフィールド径の０．７〜１．４倍に設定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、該光導波路の入射側端部から該Ｙ分岐構造のテーパー導波路部分と２つの分岐導波路との接続部までの長さが３０００μｍ未満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、該基板の厚みは、２０μｍ以下であることを特徴とする光導波路素子。

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