JPH01214803A

JPH01214803A - 光方向性結合器

Info

Publication number: JPH01214803A
Application number: JP4046088A
Authority: JP
Inventors: Itaru Yokohama; 横浜　至; Masao Kawachi; 河内　正夫; Kaname Jinguji; 神宮寺　要; Shoichi Sudo; 昭一須藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1988-02-23
Filing date: 1988-02-23
Publication date: 1989-08-29

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、偏波ダイパーシティ、偏波多重光伝送、光サ
ーキュレータ等による光伝送システムにおいて、互いに
直交する偏波成分の光を分離・合波するために用いる光
方向性結合器の構造に関するものである。

（従来の技術）第２図は、従来の石英系ガラス薄膜導波路形光方向性結
合器の構造を示す図であり、第２図（ａ）はその上面図
、第２図（ｂ）は第２図（ａ）のＡ−Ａ線矢視方向の断
面図である。第２図において、１は石英ガラスとは異な
る熱膨張係数を有するシリコンまたはサファイアからな
る基板、２はバッファ層、３はクラッド層、４−１．４
−２はバッファ層２、クラッド層３よりも屈折率の大き
いコアで、所定長だけ所定間隔をおいて互いに近接して
光結合部５を形成しており、これらコア４−１゜４−２
間の間隔及び光結合部５の長さに応じて当該光方向性結
合器の結合比が定まる。

第３図は、このような従来の石英系ガラス薄膜導波路形
光方向性結合器の作製工程を説明するための図である（
参考文献：河内正夫［石英系先導波路の微細加工」応用
物理学会光学懇話会、微小光学研究グループ機関誌、第
１４巻、第２号、第３３〜３８頁）。第３図において、
１は基板、２はバッファ層、２ａはバッファ用ガラス微
粒子層、３はクラッド層、４−１．４−２はコア、４ａ
はコア用ガラス微粒子層、４ｂはコア層であり、以下、
図面に従い順を追って説明する。

まず、第１の工程として第３図（ａ）に示すように、５
ｉＣＩＩ４を主成分とするガラス形成原料ガスの火炎加
水分解反応により、バッファ用ガラス微粒子層２　ａ　
ｓコア用ガラス微粒子層４ａを基板１上に順次堆積する
。次に、第２の工程として第３図（ｂ）に示すように、
バッファ用ガラス微粒子層２ａ及びコア用ガラス微粒子
層４ａを基板１とともに電気炉中で加熱透明化し、バッ
ファ層２、コア層４ｂからなる導波膜を形成する。次い
で、第３の工程として第３図（Ｃ）に示すように、コア
層４ｂの不要部分を反応性イオンエツチング法により除
去して凸状のコア４−１．４−２を形成する。続いて、
第４の工程として第３図（ｄ）に示すように、コア４−
１．４−２を覆うようにバッファ層２とほぼ同等の屈折
率を有するクラッド層用ガラス微粒子を、再度火炎加水
分解反応により堆積し、加熱透明化を行なってクラッド
層３を形成することにより、光方向性結合器の作製が完
了する。

以上のように、石英系ガラス薄膜導波路形光方向性結合
器は、加熱透明化工程を経て作製されるので、基板１が
シリコン或いはサファイア板というような、石英系ガラ
スよりも大きな熱膨張係数を有する物質であれば、加熱
透明化後、バッファ層２、クラッド層３、コア４−１．
４−２からなる石英系ガラス薄膜には、基板１面と平行
な方向に圧縮−力が加わることになり、この圧縮応力に
よる光弾性効果により、石英系ガラス薄膜の屈折率が変
化することになる。

ここで、第２図中に示すように、Ｘ軸、ｙ軸。

２軸の座標軸を定義すると、Ｘ軸方向に偏光して２軸方
向に伝搬する光（以下、Ｘ偏波光と称す）に対する圧縮
応力による屈折率変位Δｎｘと、ｙ軸方向に偏光して２
軸方向に伝搬する光（以下、ｙ偏波光と称す）に対する
圧縮応力による屈折率変位Δｎｙとには差が生じΔｎＸ
＜Δｎｙの関係となる。

第４図は、コア４−１．４−２の中心を結ぶ直線（Ｘ軸
方向）上の屈折率分布を示す図であって、横軸がＸ座標
、縦軸が屈折率を表している。第４図によれば、図中破
線で示したｙ偏波光に対する屈折率分布ｎｙは、図中実
線で示したＸ偏波光に対する屈折率分布ｎｘよりも大き
く、その屈折率差Δｎ（−ｎｙ−ｎｘ）は−様な値とな
っていることがわかる。

また、光方向性結合器に偏光分離・合波の機能を備えさ
せるためには、結合比の偏光方向依存性が利用され、こ
の場合、２軸方向の単位長さ当たりの結合比の偏光方向
依存性が大きい程、結合距離の短い偏光分離・合波機能
を有する光方向性結合器を実現できる。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、上記従来の光方向性結合器によれば、第
５図に示すように、結合比の偏光方向依存性が極めて小
さく、このため、偏光分離・合波機能を有する光方向性
結合器を実現するためには結合距離５０ｃｍ以上が必要
となり、光方向性結合器の大型化を招き、実用的な大き
さの光方向性結合器を得ることができないという問題点
があった。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、単位長さ当たりの
結合比の偏光方向依存性を大きくでき、実用的な大きさ
を有する光方向性結合器を提供することにある。

（課題を解決するための手段）本発明は上記目的を達成するため、所定長、所定間隔で
近接して光結合部を形成した２つのコアを含有する如く
加熱透明化された光導波路膜と、該光導波路膜と異なる
熱膨張係数を有し、前記光導波路膜が積層される基板と
を備えた光方向性結合器において、前記光結合部の２つ
のコアのうち少なくとも１つのコア近傍の前記基板と相
対向する側に、前記光導波路膜と弾性率の異なる物質か
らなる領域を設けた。

（作　用）本発明によれば、光導波路膜°中の光結合部の２つのコ
アのうち少なくとも１つのコア近傍の前記基板と相対向
する側に、前記光導波路膜と弾性率の異なる物質からな
る領域を設けることにより、加熱透明化工程を経て作製
した後の基板から光導波路膜に加わる圧縮応力を不均一
化でき、互いに直交し光結合部の長さ方向に伝搬する偏
波光間の屈折率分布の差を前記領域近傍で大きくできる
。

（実施例）第１図は、本発明による光方向性結合器の第１の実施例
を示す図であり、第１図（ａ）はその上面図、第１図（
ｂ）は第１図（ａ）のＡ−Ａ線矢視方向の断面図であっ
て、従来例を示す第２図と同一構成のものは同一符号を
もって表す。即ち、１はサファイアからなる基板、２は
バッファ層、３はクラッド層、４−１．４−２はコア、
５は光結合部である。

１０−１．１０−２は溝で、光結合部５のほぼ全体に亙
るコア４−１．４−２の各々の近傍の基板１と相対向す
る側、即ちコア４−１．４−２上部のクラッド層３にほ
ぼコア４−１．４−２と同一幅を有するように反応性イ
オンエツチング法により形成されており、当該溝１０−
１．１０−２には気体、即ち空気が充填される。

また、上記構成による光方向性結合器の構造パラメータ
は、例えば、バッファ層２の厚さ２０μｍ１コア４−１
．４−２の幅８μｍ１コア４−１゜４−２の間隔４μｍ
１溝１０−１．１０−２の幅８μｍ１溝１０−１．１０
−２の間隔４μｍ１溝１０−１．１０−２の間隔４μｍ
１溝１０−１゜１０−２の深さ２７μｍ１溝１０−１．
１０−２の下底部とコア４−１．４−２間の距離３μｍ
１コアとクラッチ層及びバッファ層との比屈折率差０．
３％、光結合部５の光伝搬の方向の長さ２５止、溝１０
−１．１０−２の光伝搬方向の長さ２５關となっている
。

第６図は、第１図の光方向性結合器の作製工程を説明す
るための図であって、従来の作製工程を示す第３図と同
一符号をもって表しである。即ち、１は基板、２はバッ
ファ層、２ａはバッファ用ガラス微粒子層、３はクラッ
ド層、４−１．４−２はコア、４ａはコア用ガラス微粒
子層、４ｂはコア層であり、以下、図面に従い順を追っ
て説明する。

まず、第１の工程として第６図（ａ）に示すように、Ｓ
　ｉＣ１４を主成分とするガラス形成原料の火炎加水分
解反応により、バッファ用ガラス微粒子層２　ａ　ｓコ
ア用ガラス微粒子層４ａを基板１上に順次堆積する。次
に、第２の工程として、第６図（ｂ）に示すように、バ
ッファ用ガラス微粒子層２ａ及びコア用ガラス微粒子層
４ａを基板１とともに電気炉中で加熱透明化し、バッフ
ァ層２、コア層４ｂからなる導波膜を形成する。次いで
、第３の工程として第６図（Ｃ）に示すように、コア層
４ｂの不要部分を反応性イオンエツチング法により除去
して凸状のコア４−１．４−２を形成する。

続いて、第４の工程として第６図（ｄ）に示すように、
コア４−１．４−２を覆うように、バッファ層２とほぼ
同等の屈折率を有するクラッド層用ガラス微粒子を、再
度火炎加水分解反応により堆積し、加熱透明化を行ない
クラッド層３を形成する。

さらに、第５の工程として第６図（ｅ）に示すように、
クラッド層３のコア４−１．４−２上部の部分を、はぼ
コア４−１．４−２と同じ幅で反応性イオンエツチング
法により下底部がコア４−１゜４−２近傍に達する溝１
０−１．１０−２を形成することにより光方向性結合器
の作製が完了する。

第７図は、以上のように加熱透明化工程を経て作製され
、第１図に示す構成を有する光方向性結合器のコア４−
１とコア４−２の中心を結ぶ直線（Ｘ軸方向）上の屈折
率分布を示す図であって、横軸がＸ座標、縦軸が屈折率
を表している。第７図によれば、図中、破線で示したｙ
偏波光に対する屈折率分布ｎｙは、図中実線で示したＸ
偏波光に対する屈折率分布ｎ！よりも大きく、その屈折
率差Δｎ（−ｎｙ−ｎｘ）はコア領域の方がクラッド領
域よりも大きくなることを示している。即ち、第１図に
示す光方向性結合器は直交する２つの偏波光に対して、
屈折率分布の偏波光間の差がコア近傍領域で大きくなる
ような屈折率分布を有していることがわかる。

このことは、コア４−１．４−２の上部クラブド層３に
溝１０−１．１０−２を形成し、これら溝１０−１．１
０−２に気体、即ち空気がコア４−１．４−２に近傍ま
で充填されるようにしたことにより、バッファ層２、ク
ラッド層３、コア４−１．４−２よりなる石英系ガラス
薄膜に対してサファイア基板１から加わる圧縮応力は不
均一となっていることを示している。

また、矩形導波路形の光方向性結合器の結合比は、コア
の大きさ、コア間の距離、コアとクラッドの比屈折率差
（−ｎｌ”　　　２２／２ｎｌ　、−ｎ　　　　　　　
　２ここでｎ　：コア屈折率、ｎ２クラツド屈折率）により
定まる（参考文献：　Ｅ、Ａ、Ｊ、　Ｍａｒｃａｔｌｌ
ｌ。

Ｔｈｅ　Ｂｅ１ｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｔｅｃｈｎｌｃａｌ
　Ｊｏｕｒａｎａｌ、　１９８９．　ｐｐ２０７１−　
ｐｐ２１０２）。従って、第７図に示すように、Ｘ偏波
光とＸ偏波光に対するコアとクラッドの比屈折率差が異
なる場合、Ｘ偏波光とＸ偏波光に対する結合比も異なる
ことになるので、結合比の偏光方向依存性も前述した第
４図の場合よりも大きくなる。

第８図は第１図の光方向性結合器の波長１．３μｍにお
ける結合比偏光方向依存性を示す図で、横軸が偏光角度
θ、縦軸が結合比を表しており、図中、破線は第６図に
おいて第１〜第４の工程で作製した従来と同一構造の光
方向性結合器による結合比偏光方向依存性を、実線が第
６図において第１〜第５の工程で作製した、本発明によ
る光方向性結合器による結合比偏光方向依存性を示して
いる。第８図によれば、本発明による光方向性結合器は
従来のものと比較して結合比偏光方向依存性は大きく、
第１図による構造が結合比偏光方向依存性増大に効果が
あることは明白である。また、第８図において、実線で
示す本発明による光方向性結合器の特性はＸ偏波光、即
ちθ−０°で結合比９９．５％、ｙ偏波先部ちθ−９０
＠で結合比０．２％であって、Ｘ及びＸ偏波光の結合比
がほぼ逆転しており、このような特性を有することは偏
光分離・合波機能を有していることを示している。

尚、本実施例では基板としてサファイア基板を用いたが
、シリコン基板等、石英系ガラスと異なる熱膨張係数を
有する基板であれば、同様に結合比偏光方向依存性を大
きくすることができ、コア間隔、光結合部長を調整する
ことにより偏光分離・合波を行なうことができる。また
、基板と石英系ガラスからなる光導波路膜との熱膨張係
数差を大きくする程、圧縮応力が大きくなり、短い光結
合部長で偏光分離・合波を行なうことができる。

第９図は本発明による光方向性結合器の第２の実施例を
示す図である。本節２の実施例と第１図に示した第１の
実施例との相違は、基板１とバッファ層２との間にシリ
コンよりなる中間層１１を設けたものであり、これによ
り、基板１とバッファ層との接着性が向上し、その他の
効果は第１の実施例と同様の効果が得られる。

また、第１０図は本発明による第３の実施例を示す図で
あり、第１１図は本発明による第４の実施例を示す図で
ある。第１０図に示す第３の実施例と第１図に示した第
１の実施例との相違は溝１０−１．１０−２に気体即ち
空気を充填する代わりに、例えばマツチングオイル等の
液体２０または石英系ガラスと弾性率の異なる固体２１
、例えばホウ素系ガラスを充填したものであり、第１１
図に示す第４の実施例では、第１図に示す第１の実施例
との相違は溝１０−１．１０−２に石英系ガラスと弾性
率の異なる気体または液体または固体を充填した後、上
部クラッド層３０を堆積したものであり、第３及び第４
の実施例でも第１の実施例と同様の効果を得ることがで
きる。

また、以上の各実施例では、２つのコア近傍それぞれに
石英系ガラスと弾性率の異なる気体状または液体状また
は固体状の物質からなる領域を設けたが、２つのコアの
うち少なくとも１つの近傍に同様の物質からなる領域を
設けた構造でも、前記実施例と同様の効果により、光方
向性結合器の結合比偏光方向依存性を大きくすることが
できることは勿論である。但し、この場合、所望の結合
比偏光方向依存特性を得るに必要な結合距離は、２つの
コア近傍各々に同様の物質からなる領域を設けた場合に
比べ、長い結合距離が必要である。

（発明の効果）以上説明したように、本発明によれば、加熱透明化工程
を経て作製した後の基板から光導波路膜に加わる圧縮応
力を不均一化でき、互いに直交し、光結合部の長さ方向
に伝搬する偏波光間の屈折率分布の差をコア近傍で大き
くでき、これにより、結合比偏光方向依存性を大きくす
ることができるので、短い結合距離で直交偏光成分の分
離・分波機能を有する実用的大きさの小型化した光方向
性結合器を実現できる利点がある。また、結合比偏光方
向依存性を所望の値に調整できるので、直交偏光成分の
分離・分波機能を要する偏波ダイバシティ、光サーキュ
レータ等に使用でき、さらに光導波路膜を石英系ガラス
で形成すれば光ファイバとの接続性にも優れ、かつ発光
・受光素子との集積を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の示す図、第２図は従来
の光方向性結合器の構造を示す図、第３図は従来の光方
向性結合器の作製工程を説明するための図、第４図は従
来の光方向性結合器の屈折率分布を示す図、第５図は従
来の光方向性結合器の結合比偏光方向依存性を示す図、
第６図は第１図の光方向性結合器の作製工程を説明する
ための図、第７図は本発明による光方向性結合器の屈折
率分布を示す図、第８図は本発明による光方向性結合器
の結合比偏光方向依存性を示す図、第９図は本発明の第
２の実施例を示す図、第１０図は本発明の第３の実施例
を示す図、第１１図は本発明の第４の実施例を示す図で
ある。図中、１・・・基板、２・・・バッファ層、３・・・ク
ラッド層、４−１．４−２・・・コア、５・・・光結合
部、１０−１．１０−２・・・溝。特許出願人　　日本電信電話株式会社代理人　弁理士　　吉　１）精　孝（ａ）ミｉ（ａ）（ｂ）イ芝米のイ乍蜆ニオ呈に説明するための間第３図第５図第６ｖＡ不発明の第２の賞）５傅Ｕ示１図第９図第１０図第］］図

Claims

【特許請求の範囲】所定長に亙り所定間隔で近接して光結合部を形成した２
つのコアを含有する如く加熱透明化された光導波路膜と
、該光導波路膜と異なる熱膨張係数を有し、前記光導波
路膜が積層される基板とを備えた光方向性結合器におい
て、前記光結合部の２つのコアのうち少なくとも１つのコア
近傍の前記基板と相対向する側に、前記光導波路膜と弾
性率の異なる物質からなる領域を設けたことを特徴とする光方向性結合器。