JPH10325911A - Optical waveguide element - Google Patents

Optical waveguide element

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Publication number
JPH10325911A
JPH10325911A JP13551097A JP13551097A JPH10325911A JP H10325911 A JPH10325911 A JP H10325911A JP 13551097 A JP13551097 A JP 13551097A JP 13551097 A JP13551097 A JP 13551097A JP H10325911 A JPH10325911 A JP H10325911A
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JP
Japan
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waveguide
refractive index
waveguides
optical waveguide
light
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Pending
Application number
JP13551097A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Jiro Toyama
二郎 外山
Ichiro Takatsu
一郎 高津
Takeshi Yamada
武司 山田
Yasuhiro Kubota
靖博 久保田
Shinji Ushijima
慎二 牛島
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nok Corp
Original Assignee
Nok Corp
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Publication date
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Publication of JPH10325911A publication Critical patent/JPH10325911A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To realize an optical waveguide element capable of nonreversible wave guide a miniaturization and cost reduction. SOLUTION: A waveguide 10 and the waveguide 30 are formed by transparent material in a used wavelength, and the waveguide 20 is formed by waveguide material with a low diffractive index, and a diffractive index discontinuous surface 40 is formed on a crossing part among these waveguides, and an angle 2θ between the axes of the waveguides 10 and 30 is set according to a critical angle that total reflection generates in the discontinuous surface 40. The light P1 made incident from the waveguide 10 is total reflected on the discontinuous surface 40 to be wave guided to the waveguide 30, and the light P2 made incident from the waveguide 20 transmits through the discontinuous surface 40 to be wave guided to the waveguide 10, and the nonreversible optical waveguide element is realized by the diffractive index discontinuous surface, and when reception light and transmission light are multiplexed to a piece of fiber, the control of polarization, the addition of an isolator element, etc., becomes unnecessary, and the miniaturization and cost reduction of an optical waveguide circuit is realized.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバー通
信、光ファイバー計測などに用いられた非可逆な導波素
子に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an irreversible waveguide element used for optical fiber communication, optical fiber measurement, and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】双方向光通信においては、一つの光ファ
イバーに、受信光と送信光の逆方向の光を伝送させ、そ
の端末では、受信導波路と送信導波路を結合する、いわ
ゆる光分岐合波器を接続して、受信導波路には光検知素
子を、送信光導波路には、レーザ素子を接続する。この
光分岐合波器は、一般に二本のファイバーを溶融結合し
た素子や、光導波路基板にY分岐形状の光導波路を設け
た素子が用いられている。このような光分岐合波器は、
光を検知素子に導入するとともに、送信発光素子の信号
を光ファイバーに結合することが可能である。
2. Description of the Related Art In two-way optical communication, a single optical fiber transmits light in the opposite directions of received light and transmitted light. The optical waveguide is connected, and a light detecting element is connected to the receiving waveguide, and a laser element is connected to the transmitting optical waveguide. This optical branching / multiplexing device generally uses an element in which two fibers are fusion-coupled or an element in which a Y-branch-shaped optical waveguide is provided on an optical waveguide substrate. Such an optical branching multiplexer is
It is possible to couple light from the transmitting light emitting element to the optical fiber while introducing light to the sensing element.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来の導波素子おいては、その素子の可逆導波性により、
受信光を送信用発光素子にも導波し、発光素子出力が不
安定になる不利益が生じる。このため、このような分岐
を用いる場合には、発光素子と光分岐器との間に、バル
クの磁気光学効果によるファラデー回転素子と二枚の偏
光素子を組み合わせた光アイソレーターや、YIGなど
のファラデー回転素子を光導波路として、入力光の位相
に制限を設けた光アイソレーター素子を挿入して、発光
素子の不安定化を防止している。これらの非可逆化のた
めの素子の付加は、回路の複雑化、大型化および回路コ
ストの増大を招き、通常の光導波路に非可逆機能が付与
できることが望まれている。
By the way, in the conventional waveguide element described above, the reversible waveguide property of the element causes
The receiving light is also guided to the transmitting light emitting element, and there is a disadvantage that the light emitting element output becomes unstable. Therefore, when such a branch is used, an optical isolator combining a Faraday rotation element and two polarizing elements by a bulk magneto-optical effect between a light emitting element and an optical splitter, or a Faraday Using a rotating element as an optical waveguide, an optical isolator element having a limit on the phase of input light is inserted to prevent instability of the light emitting element. The addition of these elements for irreversibility leads to an increase in circuit complexity and size and an increase in circuit cost, and it is desired that an irreversible function can be imparted to an ordinary optical waveguide.

【0004】本発明は、かかる事情に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、導波素子に非可逆性を付与で
き、小型化、低コスト化を実現できる光導波素子を提供
することにある。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an optical waveguide device which can impart irreversibility to a waveguide device and can realize a reduction in size and cost. is there.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の光導波素子は、第1の材料からなる第1の
導波路と、上記第1の材料からなり、上記第1の導波路
と所定の角度で交差して形成されている第2の導波路
と、上記第1と第2の導波路の交差部に、上記第1の材
料より屈折率が低い第2の材料からなる低屈折率部とを
有する。
In order to achieve the above object, an optical waveguide device according to the present invention comprises a first waveguide made of a first material, and a first waveguide made of the first material. The second waveguide formed so as to intersect the waveguide at a predetermined angle and the intersection of the first and second waveguides are made of a second material having a lower refractive index than the first material. A low refractive index portion.

【0006】また、本発明では、上記第1と第2の導波
路の交差部と上記低屈折率部との間に屈折率不連続面が
形成され、上記第1の導波路から入射した光は、当該不
連続面で全反射され、上記第2の導波路に導波されるよ
うに、当該不連続面と上記第1の導波路とがなす角度が
規定される。
Further, in the present invention, a discontinuous refractive index surface is formed between the intersection of the first and second waveguides and the low refractive index portion, and light incident from the first waveguide is formed. The angle between the discontinuous surface and the first waveguide is defined such that the light is totally reflected by the discontinuous surface and guided by the second waveguide.

【0007】また、本発明では、上記第1および第2の
材料は、使用する波長において透過性材料により構成さ
れている。
In the present invention, the first and second materials are made of a material that is transparent at the wavelength used.

【0008】さらに、本発明では、上記第1および第2
の導波路は、ニオブ酸リチウム基板上にチタン熱拡散し
て形成され、または、ニオブ酸リチウム基板上に、これ
らの導波路の形状に応じて開口部が設けられているレジ
スト膜をマスクとして、プロトン交換法により形成され
ている。
Further, according to the present invention, the first and the second
Is formed by thermally diffusing titanium on a lithium niobate substrate, or on a lithium niobate substrate, using as a mask a resist film provided with openings in accordance with the shapes of these waveguides. It is formed by a proton exchange method.

【0009】本発明によれば、第1の材料からなる第1
と第2の導波路の交差部に屈折率が第1の材料より低い
第2の材料からなる低屈折率部が設けられ、交差部と低
屈折率部との間に、屈折率不連続面が形成され、上記第
1の導波路から入射した光は、当該不連続面において全
反射するようにその角度が設定される。この結果、第1
の導波路から入射した光は、屈折率不連続面において全
反射が発生し、導波損失を除き、入射光の殆どが第3の
導波路に導波されるので、低屈折率部に伝送されること
が防止される。一方、低屈折率部から屈折率不連続面に
伝送されてきた光は、当該不連続面において低屈折率媒
質から高屈折率媒質に入射されるので、全反射が発生せ
ず、わずかな反射を除き殆どが不連続面を通過して、第
1の導波路に入射される。
According to the present invention, a first material made of a first material is provided.
A low-refractive-index portion made of a second material having a lower refractive index than the first material is provided at an intersection of the first waveguide and the second waveguide, and a discontinuous refractive index surface is provided between the intersection and the low-refractive index. Is formed, and the angle of the light incident from the first waveguide is set so as to be totally reflected at the discontinuous surface. As a result, the first
Of the light incident from the waveguide of No. 1 is totally reflected at the discontinuous surface of the refractive index, and most of the incident light is guided to the third waveguide except for the waveguide loss. Is prevented. On the other hand, light transmitted from the low refractive index portion to the refractive index discontinuity surface is incident on the high refractive index medium from the low refractive index medium at the discontinuous surface, so that total reflection does not occur and slight reflection occurs. Most pass through the discontinuous surface except for and enter the first waveguide.

【0010】これにより、導波路の交差部に屈折率の不
連続面を形成して、当該不連続面における光の全反射ま
たは通過を利用することにより、非可逆光導波素子を構
成することができ、例えば、異なる光ファイバーで伝送
されている受信光と送信光を一本のファイバーに合波す
る際、偏波の制御や、アイソレーター素子の付加が不必
要となり、光導波回路の小型化、低コスト化を実現でき
る。
Thus, it is possible to form a nonreciprocal optical waveguide element by forming a discontinuous surface of the refractive index at the intersection of the waveguides and utilizing the total reflection or passage of light on the discontinuous surface. For example, when combining received light and transmitted light transmitted by different optical fibers into one fiber, polarization control and the addition of an isolator element are not required, and the optical waveguide circuit can be reduced in size and reduced in size. Cost reduction can be realized.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】第1実施形態 図1は本発明に係る光導波素子の第1の実施形態を示す
構成図である。図示のように、本実施形態の光導波素子
は、導波路10、導波路20および導波路30により構
成されている。導波路10および30は、同じ導波材に
より構成され、導波路20は異なる導波材により構成さ
れている。しかも導波路20を形成する導波材は導波路
10および30を形成する導波材より屈折率が低く設定
されている。このため、導波路10、30と導波路20
との交差部において、屈折率不連続面40が形成されて
いる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS First Embodiment FIG. 1 is a structural view showing a first embodiment of an optical waveguide device according to the present invention. As shown in the figure, the optical waveguide element of the present embodiment includes a waveguide 10, a waveguide 20, and a waveguide 30. The waveguides 10 and 30 are made of the same waveguide material, and the waveguide 20 is made of a different waveguide material. Moreover, the refractive index of the waveguide material forming the waveguide 20 is set lower than that of the waveguide material forming the waveguides 10 and 30. For this reason, the waveguides 10 and 30 and the waveguide 20
A discontinuous refractive index surface 40 is formed at the intersection with.

【0012】不連続面40の法線を50とすると、導波
路10の軸と法線50がなす角度θは、屈折率の不連続
により生じた全反射臨界角以上に設定されている。ま
た、導波路30の軸と法線50とがなす角度も同じくθ
に設定されているので、導波路10と導波路30の軸が
なす角度は2θとなる。
Assuming that the normal to the discontinuous surface 40 is 50, the angle θ between the axis of the waveguide 10 and the normal 50 is set to be equal to or greater than the critical angle for total reflection caused by the discontinuity of the refractive index. The angle between the axis of the waveguide 30 and the normal 50 is also θ
Therefore, the angle between the waveguide 10 and the axis of the waveguide 30 is 2θ.

【0013】以下、図1を参照しつつ、本実施形態の光
導波素子の動作について説明する。導波路10から入射
された光P1 は不連続面40に到達した場合、不連続面
40において、屈折率は高から低に変わるので、不連続
面40において全反射が発生し、導波損失を除き、入射
した光P1 のエネルギーの殆どが反射される。反射され
た光が導波路30に入射され、図示のように、反射光P
3 として導波路30により伝送される。このため、導波
路10に入射された光P1 が導波路30に導波され、導
波路20に出力されることがない。
Hereinafter, the operation of the optical waveguide device of the present embodiment will be described with reference to FIG. Light P 1 incident from the waveguide 10 when it reaches the discontinuity 40, the discontinuity 40, the refractive index changes from high to low, the total reflection occurs at the discontinuity 40, the waveguide loss except, most of the energy of light P 1 incident is reflected. The reflected light is incident on the waveguide 30, and as shown in FIG.
3 is transmitted by the waveguide 30. Therefore, the light P 1 incident on the waveguide 10 is guided to the waveguide 30 and is not output to the waveguide 20.

【0014】一方、導波路20から入射された光P
2 は、不連続面40に到達した場合に、不連続面40に
おいて、屈折率は低から高に変わるので、スネルの法則
に従い、この場合入射した光のエネルギーの殆ど、例え
ば、約97%が不連続面40を透過して、透過光P20
して、導波路10に到達する。また、不連続面40で生
じた微小な反射光P21は、図示のように導波路の外部に
放出される。なお、屈折率の不連続面を透過する際に、
導波路光軸は屈折により若干変化し、不連続面を透過し
た後、導波損失が生じるが、光導波路の閉じ込めによ
り、実用可能な強度の光を導波路10側から得ることが
できる。
On the other hand, the light P incident from the waveguide 20
According to Snell's law, most of the energy of the incident light, for example, about 97%, is changed because the refractive index at the discontinuous surface 40 changes from low to high when it reaches the discontinuous surface 40. passes through the discontinuities 40, as transmitted light P 20, and reaches the waveguide 10. Also, small reflected light P 21 generated by the discontinuity 40 is discharged to the outside of the waveguide as shown. When transmitting through the discontinuous surface of the refractive index,
The optical axis of the waveguide slightly changes due to refraction, and a waveguide loss occurs after passing through the discontinuous surface. However, by confining the optical waveguide, light having a practical intensity can be obtained from the waveguide 10 side.

【0015】以下、図1を参照し、本実施形態における
光導波素子の製造方法について説明する。本実施形態の
光導波素子は、ニオブ酸リチウム(LN)基板上にチタ
ン(Ti)を熱拡散することにより形成することができ
る。この場合、導波路10、および導波路30のチタン
導波路パターンの厚さを、不連続面40と導波路20か
らなる部分のチタン導波路パターンの厚さより厚くし、
熱拡散した後のチタン濃度を制御することにより、導波
路の屈折率不連続面40を形成することができる。例え
ば、チタン膜の膜厚は、500〜1000Åで形成さ
れ、このようにチタン膜の膜厚を制御することにより、
例えば、屈折率2.222のニオブ酸リチウム基板上に
それぞれ屈折率2.230の導波路10、導波路30と
屈折率2.225の導波路20を形成することができ
る。
Hereinafter, a method for manufacturing an optical waveguide device according to the present embodiment will be described with reference to FIG. The optical waveguide element of this embodiment can be formed by thermally diffusing titanium (Ti) on a lithium niobate (LN) substrate. In this case, the thickness of the titanium waveguide pattern of the waveguide 10 and the waveguide 30 is made thicker than the thickness of the titanium waveguide pattern in the portion including the discontinuous surface 40 and the waveguide 20;
By controlling the concentration of titanium after thermal diffusion, the discontinuous refractive index surface 40 of the waveguide can be formed. For example, the thickness of the titanium film is formed at 500 to 1000 °, and by controlling the thickness of the titanium film in this manner,
For example, the waveguide 10 having a refractive index of 2.230, the waveguide 30 and the waveguide 20 having a refractive index of 2.225 can be formed on a lithium niobate substrate having a refractive index of 2.222.

【0016】このように形成した不連続面40において
は、導波路10と導波路20の屈折率差に応じて導波路
10と導波路30の軸がなす角度2θを算出できる。こ
こで、導波路10および30の屈折率をn1 、導波路2
0の屈折率をn2 とすると、屈折率不連続面40におけ
る全反射が発生する臨界角θ0 は、次式により与えられ
る。
In the discontinuous surface 40 thus formed, the angle 2θ formed by the axes of the waveguide 10 and the waveguide 30 can be calculated according to the difference in the refractive index between the waveguide 10 and the waveguide 20. Here, the refractive indices of the waveguides 10 and 30 are n 1 ,
Assuming that the refractive index of 0 is n 2 , the critical angle θ 0 at which total reflection occurs at the discontinuous refractive index surface 40 is given by the following equation.

【0017】[0017]

【数1】 θ0 =sin(n2 /n1 ) …(1)Equation 1 θ 0 = sin (n 2 / n 1 ) (1)

【0018】例えば、上述した例において、屈折率n1
=2.230、屈折率n2 =2.225、不連続面40
に全反射を発生する臨界角θ0 は、式(1)により、8
6.2°と算出される。従って、図1において導波路1
0と導波路30の軸がなす角度は(2θ=172.4
°)となる。導波路10と導波路30の軸がなす角度が
172.4°以上に設定することにより、導波路10か
ら入射された光は、不連続面40において全反射され、
導波路30に導波される。
For example, in the above example, the refractive index n 1
= 2.230, refractive index n 2 = 2.225, discontinuous surface 40
The critical angle θ 0 at which total reflection occurs at
It is calculated as 6.2 °. Therefore, in FIG.
The angle between 0 and the axis of the waveguide 30 is (2θ = 172.4)
°). By setting the angle between the waveguide 10 and the axis of the waveguide 30 to 172.4 ° or more, the light incident from the waveguide 10 is totally reflected at the discontinuous surface 40,
The light is guided to the waveguide 30.

【0019】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、使用波長において透明な材料により導波路10と導
波路30を形成し、屈折率の低い導波材により導波路2
0を形成し、これらの導波路の交差部に屈折率不連続面
40を形成する。導波路10と導波路30の軸がなす角
度2θは、不連続面40において全反射が発生する臨界
角に応じて設定する。導波路10から入射された光P1
は不連続面40で全反射され、導波路30に導波され、
導波路20から入射された光P2 は、不連続面40を透
過し、導波路10に導波されるので、屈折率の不連続面
により非可逆な光導波素子を実現でき、受信光と送信光
を一本のファイバーに合波する際に、従来必要であった
偏波の制御や、アイソレーター素子の付加などが不必要
となり、光導波回路の小型化、低コスト化を可能とな
る。
As described above, according to this embodiment, the waveguides 10 and 30 are formed of a transparent material at the wavelength used, and the waveguide 2 is formed of a waveguide material having a low refractive index.
0, and a discontinuous refractive index surface 40 is formed at the intersection of these waveguides. The angle 2θ between the waveguide 10 and the axis of the waveguide 30 is set according to the critical angle at which total reflection occurs at the discontinuous surface 40. Light P 1 incident from the waveguide 10
Is totally reflected by the discontinuous surface 40 and guided by the waveguide 30,
The light P 2 incident from the waveguide 20 passes through the discontinuous surface 40 and is guided to the waveguide 10, so that an irreversible optical waveguide element can be realized by the discontinuous surface of the refractive index, and the received light and the When multiplexing the transmission light into one fiber, the control of polarization and the addition of an isolator element, which are conventionally required, become unnecessary, and the size and cost of the optical waveguide circuit can be reduced.

【0020】第2実施形態 図2は本発明に係る光導波素子の第2の実施形態を示す
構成図である。図2に示すように、本実施形態の光導波
素子は図1に示す第1の実施形態における光導波素子と
ほぼ同じ構成を有しており、導波路10、導波路20a
および導波路30により構成されている。さらに第1の
実施形態と同様に、導波路20aを構成する導波材は、
導波路10および導波路30を構成する導波材より屈折
率が低く設定されている。
Second Embodiment FIG. 2 is a configuration diagram showing a second embodiment of the optical waveguide device according to the present invention. As shown in FIG. 2, the optical waveguide device of the present embodiment has substantially the same configuration as the optical waveguide device of the first embodiment shown in FIG.
And the waveguide 30. Further, similarly to the first embodiment, the waveguide material forming the waveguide 20a is:
The refractive index is set lower than those of the waveguide members forming the waveguide 10 and the waveguide 30.

【0021】ただし、本実施形態の光導波素子において
は、図示のように、導波路20aは、図1の光導波素子
に較べて、形状が屈曲に形成されている。以下、このよ
うな構成を有する光導波素子の動作およびその特徴につ
いて、図2を参照しながら説明する。
However, in the optical waveguide device of the present embodiment, as shown, the waveguide 20a is formed to have a bent shape as compared with the optical waveguide device of FIG. Hereinafter, the operation and characteristics of the optical waveguide element having such a configuration will be described with reference to FIG.

【0022】本実施形態の光導波素子においては、導波
路10、導波路30は図1に示す光導波素子と同様に形
成されている。また、導波路10、30および導波路2
0aを構成する導波材は、図1に示す光導波素子とそれ
ぞれ同様に選択すれば、屈折率不連続面40における全
反射臨界角θ0 は第1の実施形態と同様になる。
In the optical waveguide device of the present embodiment, the waveguide 10 and the waveguide 30 are formed similarly to the optical waveguide device shown in FIG. Further, waveguides 10 and 30 and waveguide 2
Waveguide material constituting the 0a, if each similarly selected and the optical waveguide device shown in FIG. 1, the total reflection critical angle theta 0 in the refractive index discontinuity 40 is as in the first embodiment.

【0023】この結果、導波路10から入射された光に
ついては、第1の実施形態と同じように導波される。即
ち、入射光P1 は不連続面40で全反射が発生し、反射
された光P3 は導波路30に導波される。
As a result, the light incident from the waveguide 10 is guided as in the first embodiment. That is, the incident light P 1 undergoes total reflection at the discontinuous surface 40, and the reflected light P 3 is guided to the waveguide 30.

【0024】一方、導波路20から入射された光P
2 は、不連続面40において、低屈折率媒質から高屈折
率媒質に入射するので、導波損失および微小な反射を除
き、殆どが不連続面40を透過し、導波路10に到達す
る。なお、光が屈折率不連続面40を透過する際、導波
光軸は屈折により若干変化し、不連続面40を透過した
光は導波損失によりわずかながら強度が減衰した。この
損失を低減するために、上述したように、本実施形態に
おいては、導波路20aを図示のように屈曲させられ、
屈折による影響を緩和することができる。
On the other hand, the light P incident from the waveguide 20
2 is incident on the discontinuous surface 40 from the low-refractive index medium to the high-refractive index medium, so that most of the light passes through the discontinuous surface 40 and reaches the waveguide 10 except for the waveguide loss and minute reflection. When the light passes through the refractive index discontinuity surface 40, the optical axis of the guided light changes slightly due to refraction, and the intensity of the light transmitted through the discontinuity surface 40 is slightly attenuated by the waveguide loss. In order to reduce this loss, as described above, in the present embodiment, the waveguide 20a is bent as shown in FIG.
The influence of refraction can be reduced.

【0025】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、使用波長において透明な材料により導波路10と導
波路30を形成し、それより屈折率の低い導波材により
導波路20aを形成し、これらの導波路の交差部に屈折
率不連続面40を形成する。導波路10と導波路30の
軸がなす角度2θは、不連続面40において全反射が発
生する臨界角に応じて設定する。導波路10から入射さ
れた光P1 を不連続面40で全反射させ、導波路30に
導波し、導波路20aから入射された光P2 を、不連続
面40を透過し、導波路10に導波し、さらに導波路2
0aを屈曲に形成することにより、導波路20aから導
波路10に光が透過した際屈折による影響を緩和させる
ので、屈折率の不連続面により非可逆な光導波素子を実
現でき、光導波回路の小型化、低コスト化を可能とな
る。
As described above, according to the present embodiment, the waveguides 10 and 30 are formed of a transparent material at the used wavelength, and the waveguide 20a is formed of a waveguide material having a lower refractive index. A discontinuous refractive index surface 40 is formed at the intersection of these waveguides. The angle 2θ between the waveguide 10 and the axis of the waveguide 30 is set according to the critical angle at which total reflection occurs at the discontinuous surface 40. The light P 1 incident from the waveguide 10 is totally reflected by the discontinuous surface 40, guided to the waveguide 30, and the light P 2 incident from the waveguide 20 a is transmitted through the discontinuous surface 40, 10 and further waveguide 2
By bending the optical waveguide 0a, the influence of refraction when light is transmitted from the waveguide 20a to the waveguide 10 is reduced, so that an irreversible optical waveguide element can be realized by a discontinuous surface of the refractive index. It is possible to reduce the size and cost of the device.

【0026】第3実施形態 図3は本発明に係る光導波素子の第3の実施形態を示す
構成図である。図3に示すように、本実施形態の光導波
素子は図1に示す第1の実施形態における光導波素子と
ほぼ同じ構成を有しており、導波路10a、導波路20
および導波路30により構成されている。導波路20を
構成する導波材は、導波路10aおよび導波路30を構
成する導波材より屈折率が低く設定され、導波路10
a、30と導波路20との交差部に屈折率不連続面40
が形成されている。
Third Embodiment FIG. 3 is a structural view showing a third embodiment of the optical waveguide device according to the present invention. As shown in FIG. 3, the optical waveguide device of the present embodiment has substantially the same configuration as the optical waveguide device of the first embodiment shown in FIG.
And the waveguide 30. The refractive index of the waveguide material forming the waveguide 20 is set lower than that of the waveguide material forming the waveguide 10a and the waveguide 30.
a, 30 at the intersection of the waveguide 20 and the refractive index discontinuity surface 40
Are formed.

【0027】図3に示すように、本実施形態の光導波素
子では、導波路10aにおいて、テーパー導波路10_
1と10_2がそれぞれ設けられている。なお、本実施
形態の光導波素子は、導波路10aにテーパー導波路1
0_1と10_2を設けた以外に、導波路20、導波路
30および屈折率不連続面40の各部分の構成および動
作は、図1に示す第1の実施形態の光導波素子とほぼ同
様であるため、ここで、導波路10aにおける透過光の
伝送を中心に、本実施形態の光導波素子の動作について
説明する。
As shown in FIG. 3, in the optical waveguide element of the present embodiment, the tapered waveguide 10_
1 and 10_2 are provided respectively. The optical waveguide element according to the present embodiment includes a tapered waveguide 1 in the waveguide 10a.
Except for providing 0_1 and 10_2, the configuration and operation of each part of the waveguide 20, the waveguide 30, and the discontinuous refractive index surface 40 are almost the same as those of the optical waveguide element of the first embodiment shown in FIG. Therefore, here, the operation of the optical waveguide element of the present embodiment will be described focusing on transmission of transmitted light in the waveguide 10a.

【0028】導波路10aから入射した光の伝送動作
は、第1の実施形態と同様である。即ち、入射光は屈折
率不連続面40において全反射が発生し、導波損失を除
き殆どの部分が反射され、導波路30に導波される。
The operation of transmitting the light incident from the waveguide 10a is the same as in the first embodiment. That is, the incident light undergoes total reflection on the discontinuous refractive index surface 40, and most of the incident light is reflected except for the waveguide loss, and is guided to the waveguide 30.

【0029】一方、導波路20から入射された光は、不
連続面40に到達した場合に、不連続面40において、
屈折率は低から高に変わるので、スネルの法則に従い、
この場合入射した光のエネルギーの殆どが不連続面40
を透過して、導波路10aに到達する。なお、屈折率の
不連続面を透過する際に、導波路光軸は屈折により若干
変化し、不連続面を透過した後、導波損失が生じる。こ
れに対して本実施形態の光導波素子においては、図3に
示すように導波路10aにテーパー導波路10_1と1
0_2をそれぞれ設け、導波路20からの透過光におけ
る屈折の影響を緩和する。
On the other hand, when the light incident from the waveguide 20 reaches the discontinuous surface 40,
Since the refractive index changes from low to high, according to Snell's law,
In this case, most of the energy of the incident light is
And reaches the waveguide 10a. When the light passes through the discontinuous surface of the refractive index, the optical axis of the waveguide slightly changes due to refraction, and a waveguide loss occurs after passing through the discontinuous surface. On the other hand, in the optical waveguide device of the present embodiment, as shown in FIG. 3, the waveguide 10a has tapered waveguides 10_1 and 1_1.
0_2 are provided to alleviate the influence of refraction on the transmitted light from the waveguide 20.

【0030】このように、本実施形態によれば、使用波
長において透明な材料により導波路10aと導波路30
を形成し、それより屈折率の低い導波材により導波路2
0を形成し、これらの導波路の交差部に屈折率不連続面
40を形成する。導波路10aから入射された光を不連
続面40で全反射させ、導波路30に導波し、導波路2
0から入射された光を、不連続面40を透過し、導波路
10aに導波し、さらに導波路10aにテーパー導波路
10_1と10_2をそれぞれ形成することにより、導
波路20から導波路10aに光が透過した際屈折による
影響を緩和させるので、屈折率の不連続面により非可逆
な光導波素子を実現でき、光導波回路の小型化、低コス
ト化を可能となる。
As described above, according to the present embodiment, the waveguide 10a and the waveguide 30 are made of a transparent material at the used wavelength.
Is formed, and a waveguide 2 having a lower refractive index than the waveguide 2 is formed.
0, and a discontinuous refractive index surface 40 is formed at the intersection of these waveguides. The light incident from the waveguide 10a is totally reflected by the discontinuous surface 40, guided to the waveguide 30, and
The light incident from 0 passes through the discontinuous surface 40, is guided to the waveguide 10a, and is further formed with tapered waveguides 10_1 and 10_2 in the waveguide 10a, so that the waveguide 20 is changed to the waveguide 10a. Since the influence of refraction when light is transmitted is reduced, an irreversible optical waveguide element can be realized by a discontinuous surface of the refractive index, and the size and cost of the optical waveguide circuit can be reduced.

【0031】第4実施形態 図4は本発明に係る光導波素子の第4の実施形態を示す
構成図である。図4に示すように、本実施形態の光導波
素子は図1に示す第1の実施形態における光導波素子と
ほぼ同じ構成を有しており、導波路10、導波路20お
よび導波路30により構成されている。導波路20を構
成する導波材は、導波路10および導波路30を構成す
る導波材より屈折率が低く設定され、導波路10、30
と導波路20との交差部に屈折率不連続面40が形成さ
れている。
Fourth Embodiment FIG. 4 is a structural diagram showing a fourth embodiment of the optical waveguide device according to the present invention. As shown in FIG. 4, the optical waveguide element according to the present embodiment has substantially the same configuration as the optical waveguide element according to the first embodiment shown in FIG. 1, and includes a waveguide 10, a waveguide 20, and a waveguide 30. It is configured. The waveguide material constituting the waveguide 20 is set to have a lower refractive index than the waveguide materials constituting the waveguides 10 and 30, and the waveguides 10, 30
A discontinuous refractive index surface 40 is formed at the intersection between the waveguide and the waveguide 20.

【0032】上述した本発明の第2および第3の実施形
態は、何れも導波路20からの入射光が屈折率不連続面
40を透過する際に、光の屈折により生じた影響を緩和
するために考案したものである。これに対して、本実施
形態は導波路10から入射した光が屈折率不連続面40
における全反射で導波路30に導波される際の導波特性
を向上するために考案したものである。
In the above-described second and third embodiments of the present invention, when the incident light from the waveguide 20 passes through the discontinuous refractive index surface 40, the influence caused by the refraction of the light is alleviated. It was devised for this purpose. On the other hand, in the present embodiment, the light incident from the waveguide 10 is
Are devised in order to improve the waveguiding characteristics when the wave is guided to the waveguide 30 by total reflection in the above.

【0033】図4に示すように、本実施形態の光導波素
子では、導波路10と導波路30との交差部に、導波路
の拡張部60が設けられている。以下、図4を参照しな
がら、本実施形態の光導波素子の動作について説明す
る。
As shown in FIG. 4, in the optical waveguide device of the present embodiment, a waveguide extension 60 is provided at the intersection of the waveguide 10 and the waveguide 30. Hereinafter, the operation of the optical waveguide device of the present embodiment will be described with reference to FIG.

【0034】導波路10から入射された光P1 は不連続
面40に到達した場合、不連続面40において、屈折率
は高から低に変わるので、不連続面40において全反射
が発生し、導波損失を除き、入射した光P1 のエネルギ
ーの殆どが反射される。反射された光が導波路30に入
射され、図示のように、反射光P3 として導波路30に
より伝送される。このため、導波路10に入射された光
1 が導波路30に導波され、導波路20に出力される
ことがない。
When the light P 1 incident from the waveguide 10 reaches the discontinuous surface 40, the refractive index at the discontinuous surface 40 changes from high to low. except waveguide loss, most of the energy of light P 1 incident is reflected. Reflected light is incident on the waveguide 30, as shown, is transmitted by the waveguide 30 as reflected light P 3. Therefore, the light P 1 incident on the waveguide 10 is guided to the waveguide 30 and is not output to the waveguide 20.

【0035】図4に示すように、本実施形態の光導波素
子においては、導波路10と導波路30との交差部に、
導波路拡張部60が設けられており、これによって導波
路10から導波路30への光の導波特性が改善され、屈
折率不連続面40により全反射され、導波路30に入射
した光P3 における伝送損失を低減することができ、光
導波素子における伝送効率の向上が図れる。
As shown in FIG. 4, in the optical waveguide device of the present embodiment, at the intersection of the waveguide 10 and the waveguide 30,
The waveguide expansion part 60 is provided, whereby the waveguide characteristic of light from the waveguide 10 to the waveguide 30 is improved, and the light that is totally reflected by the refractive index discontinuity surface 40 and enters the waveguide 30 is provided. it is possible to reduce transmission loss in P 3, can be improved transmission efficiency in the optical waveguide element.

【0036】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、使用波長において透明な材料により導波路10と導
波路30を形成し、それより屈折率の低い導波材により
導波路20を形成し、これらの導波路の交差部に屈折率
不連続面40を形成する。導波路10から入射された光
を不連続面40で全反射させ、導波路30に導波し、導
波路20から入射された光を、不連続面40を透過し、
導波路10に導波する。さらに導波路10と導波路30
との交差部に導波路拡張部60を設けることにより、導
波路10から導波路30に光が反射して伝送される場合
の導波特性を改善でき、伝送損失を低減でき、屈折率の
不連続面により非可逆な光導波素子を実現でき、光導波
回路の小型化、低コスト化を可能となる。
As described above, according to the present embodiment, the waveguides 10 and 30 are formed of a transparent material at the wavelength used, and the waveguide 20 is formed of a waveguide material having a lower refractive index. A discontinuous refractive index surface 40 is formed at the intersection of these waveguides. The light incident from the waveguide 10 is totally reflected by the discontinuous surface 40, is guided to the waveguide 30, and the light incident from the waveguide 20 is transmitted through the discontinuous surface 40,
The light is guided to the waveguide 10. Further, the waveguide 10 and the waveguide 30
By providing the waveguide extension 60 at the intersection with the waveguide, the waveguide characteristics when light is reflected and transmitted from the waveguide 10 to the waveguide 30 can be improved, the transmission loss can be reduced, and the refractive index can be reduced. An irreversible optical waveguide element can be realized by the discontinuous surface, and the optical waveguide circuit can be reduced in size and cost.

【0037】第5実施形態 図5は本発明に係る光導波素子の第5の実施形態を示す
構成図である。図5に示すように、本実施形態の光導波
素子において、導波路の交差部では図1に示す第1の実
施形態の光導波素子とほぼ同じ構成を有しており、導波
路10、導波路20および導波路30により構成されて
いる。導波路20を構成する導波材は、導波路10およ
び導波路30を構成する導波材より屈折率が低く設定さ
れ、導波路10、30と導波路20との交差部に屈折率
不連続面40が形成されている。
Fifth Embodiment FIG. 5 is a structural view showing a fifth embodiment of the optical waveguide device according to the present invention. As shown in FIG. 5, the optical waveguide device of the present embodiment has substantially the same configuration as the optical waveguide device of the first embodiment shown in FIG. It is constituted by a wave path 20 and a waveguide 30. The waveguide material forming the waveguide 20 has a lower refractive index than the waveguide materials forming the waveguide 10 and the waveguide 30, and has a refractive index discontinuity at the intersection of the waveguide 10, 30 and the waveguide 20. A surface 40 is formed.

【0038】なお、本実施形態の光導波素子では、屈折
率の高い部分は導波路の交差部近傍に限定し、所望の全
反射不連続面40以外の不連続面は導波路とほぼ直交す
る形状に形成する。例えば、導波路10の端部に屈折率
の低い導波材により導波路70が形成され、同様に導波
路30の端部に屈折率の低い導波材により導波路80が
形成されている。導波路70および80を構成する導波
材は、例えば、導波路20を構成する導波材と同じもの
を用いることができる。導波路70と導波路10の間の
不連続面90は、例えば、導波路70または導波路10
の軸にほぼ垂直するように形成され、同様に、導波路3
0と導波路80との間の不連続面100は、例えば、導
波路30または導波路80の軸にほぼ垂直するように形
成されている。
In the optical waveguide device of this embodiment, the portion having a high refractive index is limited to the vicinity of the intersection of the waveguides, and the discontinuous surfaces other than the desired total reflection discontinuous surface 40 are substantially orthogonal to the waveguide. Form into shape. For example, a waveguide 70 is formed at the end of the waveguide 10 by a waveguide material having a low refractive index, and similarly, a waveguide 80 is formed at an end of the waveguide 30 by a waveguide material having a low refractive index. As the waveguide material constituting the waveguides 70 and 80, for example, the same waveguide material as that constituting the waveguide 20 can be used. The discontinuous surface 90 between the waveguide 70 and the waveguide 10 may be, for example, the waveguide 70 or the waveguide 10.
Are formed substantially perpendicular to the axis of
The discontinuous surface 100 between 0 and the waveguide 80 is formed, for example, so as to be substantially perpendicular to the axis of the waveguide 30 or the waveguide 80.

【0039】このように、屈折率の不連続面90および
100を導波路とほぼ直交する形状に形成することによ
り、これらの不連続面における反射屈折を低減する。ま
た、これらの不連続面における微小な反射を防ぐため、
不連続面と導波路とがなす角度を直交角から3〜5°ず
らすことも可能である。これにより、本発明の機能を阻
害することなく、不連続面における微小な反射光による
影響を低減することができる。
As described above, by forming the discontinuous surfaces 90 and 100 having a refractive index substantially perpendicular to the waveguide, the reflection and refraction at these discontinuous surfaces are reduced. Also, to prevent minute reflections on these discontinuous surfaces,
The angle between the discontinuous surface and the waveguide can be shifted from the orthogonal angle by 3 to 5 °. Thereby, the influence of minute reflected light on the discontinuous surface can be reduced without impairing the function of the present invention.

【0040】以下、図5を参照しつつ、本実施形態にお
ける光導波素子の動作について説明する。導波路70か
ら入射された光P1 は導波路70と導波路10の間にあ
る不連続面90において、わずかな反射を除き殆どが不
連続面を透過し、導波路10に導波される。導波路10
により伝送されてきた光が不連続面40に到達した場
合、不連続面40において、屈折率は高から低に変わる
ので、不連続面40において全反射が発生し、導波損失
を除き、入射した光P1 のエネルギーの殆どが反射され
る。反射された光が導波路30に入射され、図示のよう
に、導波路30と導波路80の間にある不連続面100
に伝送される。不連続面100においては、屈折率は高
から低に変わるが、不連続面100は、導波路30また
は導波路80に対してほぼ直交するように形成されてい
るので、不連続面40の状況と異なって、全反射が発生
せず、わずかな反射を除き、入射光の殆どは不連続面1
00を透過し、光P3 として導波路30により伝送され
る。
The operation of the optical waveguide device according to this embodiment will be described below with reference to FIG. Most of the light P 1 incident from the waveguide 70 is transmitted through the discontinuous surface 90 at the discontinuous surface 90 between the waveguide 70 and the waveguide 10 except for slight reflection, and is guided to the waveguide 10. . Waveguide 10
When the light transmitted by the light reaches the discontinuous surface 40, the refractive index changes from high to low at the discontinuous surface 40, so that total reflection occurs at the discontinuous surface 40, and the incident light is removed except for the waveguide loss. most were light P 1 energy is reflected. The reflected light is incident on the waveguide 30 and, as shown, a discontinuous surface 100 between the waveguide 30 and the waveguide 80.
Is transmitted to In the discontinuous surface 100, the refractive index changes from high to low. However, since the discontinuous surface 100 is formed so as to be substantially orthogonal to the waveguide 30 or the waveguide 80, the state of the discontinuous surface 40 Unlike the first embodiment, the total reflection does not occur, and most of the incident light, except for a slight reflection, is discontinuous.
00 passes, is transmitted by the waveguide 30 as light P 3.

【0041】一方、導波路20から入射された光P
2 は、不連続面40に到達した場合に、不連続面40に
おいて、屈折率は低から高に変わるので、スネルの法則
に従い、この場合入射した光のエネルギーの殆ど、例え
ば、約97%が不連続面40を透過して、透過光P20
して、導波路10に到達する。さらに、導波路10によ
り不連続面90に伝送される。不連続面90において
は、屈折率は高から低に変わるが、上述したように不連
続面90は、導波路10または導波路70に対してほぼ
直交するように形成されているので、導波路10により
伝送されてきた光P20は、不連続面90において全反射
が発生せず、わずかな反射を除き、入射光の殆どは不連
続面90を透過し、導波路70により伝送される。
On the other hand, the light P incident from the waveguide 20
According to Snell's law, most of the energy of the incident light, for example, about 97%, is changed because the refractive index at the discontinuous surface 40 changes from low to high when it reaches the discontinuous surface 40. passes through the discontinuities 40, as transmitted light P 20, and reaches the waveguide 10. Further, the light is transmitted to the discontinuous surface 90 by the waveguide 10. In the discontinuous surface 90, the refractive index changes from high to low. However, as described above, since the discontinuous surface 90 is formed so as to be substantially orthogonal to the waveguide 10 or the waveguide 70, The light P 20 transmitted by 10 does not undergo total reflection at the discontinuous surface 90, and most of the incident light passes through the discontinuous surface 90 except for slight reflection, and is transmitted by the waveguide 70.

【0042】以下、図5を参照し、本実施形態における
光導波素子の製造方法について説明する。本実施形態の
光導波素子は、ニオブ酸リチウム基板上にチタンを熱拡
散することにより形成することができる。例えば、導波
路10と導波路30を構成する部分の屈折率を他の導波
路を構成する部分より高く設定するために、導波路10
および導波路30に応じて、他の部分より厚いチタン膜
を形成する。そしてチタン膜を熱拡散することにより、
導波路を形成する。この結果、例えば、屈折率2.22
2のニオブ酸リチウム基板上に、屈折率2.230の導
波路10および導波路30が形成され、これに対して、
屈折率2.225の導波路20、導波路70および導波
路80がそれぞれ形成される。さらに、導波路70と導
波路10の間に不連続面90が形成され、導波路30と
導波路80の間に不連続面100が形成される。さら
に、導波路10と導波路30の交差部に、導波路20と
の間にの不連続面40が形成される。
Hereinafter, a method for manufacturing the optical waveguide device according to the present embodiment will be described with reference to FIG. The optical waveguide element of this embodiment can be formed by thermally diffusing titanium on a lithium niobate substrate. For example, in order to set the refractive index of the portions forming the waveguide 10 and the waveguide 30 higher than the portions forming the other waveguides,
In addition, a titanium film thicker than other portions is formed according to the waveguide 30. And by thermally diffusing the titanium film,
Form a waveguide. As a result, for example, a refractive index of 2.22
The waveguide 10 and the waveguide 30 having a refractive index of 2.230 are formed on the lithium niobate substrate of No. 2;
A waveguide 20, a waveguide 70, and a waveguide 80 having a refractive index of 2.225 are respectively formed. Further, a discontinuous surface 90 is formed between the waveguide 70 and the waveguide 10, and a discontinuous surface 100 is formed between the waveguide 30 and the waveguide 80. Furthermore, a discontinuous surface 40 between the waveguide 20 and the waveguide 20 is formed at the intersection of the waveguide 10 and the waveguide 30.

【0043】また、導波路10と導波路30の軸がなす
角度2θは、これらの導波路のと導波路20の屈折率差
に応じて、式(1)により求めることができる。ここ
で、これらの導波路の屈折率差は、図1に示す第1の実
施形態と同様であるため、不連続面40における全反射
が発生する臨界角θ0 は、第1の実施形態と同様に、例
えば、86.2°と算出される。従って、図1において
導波路10と導波路30の軸がなす角度は(2θ=17
2.4°)となる。導波路10と導波路30の軸がなす
角度が172.4°以上に設定することにより、導波路
10から入射された光は、不連続面40において全反射
され、導波路30に導波される。
The angle 2θ formed by the axis of the waveguide 10 and the axis of the waveguide 30 can be obtained by the equation (1) according to the difference in the refractive index between these waveguides and the waveguide 20. Here, since the refractive index difference between these waveguides is the same as that of the first embodiment shown in FIG. 1, the critical angle θ 0 at which total reflection occurs at the discontinuous surface 40 is different from that of the first embodiment. Similarly, for example, it is calculated as 86.2 °. Therefore, in FIG. 1, the angle between the waveguide 10 and the axis of the waveguide 30 is (2θ = 17).
2.4 °). By setting the angle between the waveguide 10 and the axis of the waveguide 30 to 172.4 ° or more, the light incident from the waveguide 10 is totally reflected at the discontinuous surface 40 and guided to the waveguide 30. You.

【0044】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、使用波長において透明な材料により導波路10と導
波路30を形成し、それより屈折率の低い導波材により
導波路20を形成し、これらの導波路の交差部に屈折率
不連続面40を形成する。さらに導波路10および導波
路30の端部に、屈折率の低い導波材により、それぞれ
導波路70と80を形成し、不連続面を導波路軸にほぼ
直交するように形成させる。導波路10と導波路30の
軸がなす角度2θは、不連続面40において全反射が発
生する臨界角に応じて設定する。導波路70から入射さ
れた光P1 は不連続面90を透過し、導波路10に伝送
される。導波路10で伝送されてきた光は、不連続面4
0で全反射され、導波路30に導波され、不連続面10
0を透過し、導波路80に伝送される。導波路20から
入射された光P2 は、不連続面40を透過し、導波路1
0に導波され、殆ど不連続面90を透過し、導波路70
に伝送されるので、屈折率の不連続面により非可逆な光
導波素子を実現でき、光導波回路の小型化、低コスト化
を実現できる。
As described above, according to the present embodiment, the waveguides 10 and 30 are formed of a transparent material at the wavelength used, and the waveguide 20 is formed of a waveguide material having a lower refractive index. A discontinuous refractive index surface 40 is formed at the intersection of these waveguides. Further, waveguides 70 and 80 are formed at the ends of the waveguide 10 and the waveguide 30 by using a waveguide material having a low refractive index, and the discontinuous surface is formed so as to be substantially orthogonal to the waveguide axis. The angle 2θ between the waveguide 10 and the axis of the waveguide 30 is set according to the critical angle at which total reflection occurs at the discontinuous surface 40. The light P 1 incident from the waveguide 70 passes through the discontinuous surface 90 and is transmitted to the waveguide 10. The light transmitted through the waveguide 10 is transmitted through the discontinuous surface 4.
0, is totally reflected at 0, is guided to the waveguide 30, and has
0 is transmitted to the waveguide 80. The light P 2 incident from the waveguide 20 passes through the discontinuous surface 40 and
0, almost through the discontinuous surface 90, and
Therefore, an irreversible optical waveguide element can be realized due to the discontinuous surface of the refractive index, and the size and cost of the optical waveguide circuit can be reduced.

【0045】第6実施形態 図6は本発明に係る光導波素子の第6の実施形態を示す
構成図である。図6(a)に示すように、本実施形態の
光導波素子において、導波路の交差部では図5に示す第
5の実施形態の光導波素子とほぼ同じ構成を有してお
り、導波路10および導波路30により構成されてい
る。さらに、導波路10の延長線上に導波路110が形
成されている。図6(a)に示すように、導波路10、
導波路30の交差部と導波路110との間の部分に、基
板と同じ屈折率の媒質または基板を構成する導波材で充
填されており、低屈折率部が形成される。ここで、この
部分を導波路と見なして、記号20bを付して表記する
と、図示のように、導波路10、導波路30の交差部と
導波路20bとの間に屈折率不連続面40aが形成さ
れ、さらに導波路20bと導波路110との間に、不連
続面120が形成されている。
Sixth Embodiment FIG. 6 is a structural view showing a sixth embodiment of the optical waveguide device according to the present invention. As shown in FIG. 6A, the optical waveguide element of the present embodiment has substantially the same configuration at the intersection of the waveguides as the optical waveguide element of the fifth embodiment shown in FIG. 10 and a waveguide 30. Further, a waveguide 110 is formed on an extension of the waveguide 10. As shown in FIG.
A portion between the intersection of the waveguide 30 and the waveguide 110 is filled with a medium having the same refractive index as the substrate or a waveguide material forming the substrate, thereby forming a low refractive index portion. Here, this portion is regarded as a waveguide and is denoted by reference numeral 20b. As shown in the figure, the discontinuous refractive index surface 40a between the waveguide 10 and the intersection of the waveguide 30 and the waveguide 20b Are formed, and a discontinuous surface 120 is formed between the waveguide 20b and the waveguide 110.

【0046】即ち、本実施形態の光導波素子において
は、基板より屈折率の高い導波材により、導波路10、
導波路30および導波路110が形成され、基板と同じ
屈折率の導波材により、または基板自身により、導波路
20bが形成されている。このため、導波路20bの屈
折率は、導波路10、導波路30または導波路110よ
り低くなる。導波路10と導波路30の軸がなす角度
を、不連続面40aにおける全反射が発生する臨界角θ
0 に応じて設定することにより、導波路10から入射し
た光P1 を不連続面40aにおける全反射によって導波
路30に導波することが可能である。
That is, in the optical waveguide element of the present embodiment, the waveguides 10 and 10 are made of a waveguide material having a higher refractive index than the substrate.
The waveguide 30 and the waveguide 110 are formed, and the waveguide 20b is formed by a waveguide material having the same refractive index as the substrate or by the substrate itself. Therefore, the refractive index of the waveguide 20b is lower than that of the waveguide 10, 30 or 110. The angle between the waveguide 10 and the axis of the waveguide 30 is defined as the critical angle θ at which total reflection occurs at the discontinuous surface 40a.
By setting in response to 0, it is possible that is guided to the waveguide 30 of light P 1 incident from the waveguide 10 by total internal reflection at the discontinuity 40a.

【0047】以下、図6を参照しつつ、本実施形態の光
導波素子の動作について説明する。導波路10から入射
された光P1 は不連続面40aに到達した場合、不連続
面40aにおいて、屈折率は高から低に変わるので、全
反射が発生し、導波損失を除き、入射した光P1 の殆ど
が反射される。反射された光が導波路30に入射され、
図示のように、反射光P3 として導波路30により伝送
される。このため、導波路10に入射された光P1 が導
波路30に導波され、導波路20bに出力されることが
ない。
Hereinafter, the operation of the optical waveguide device according to the present embodiment will be described with reference to FIG. When the light P 1 incident from the waveguide 10 reaches the discontinuous surface 40a, the refractive index changes from high to low at the discontinuous surface 40a, so that total reflection occurs and incident light is removed except for waveguide loss. most of the light P 1 is reflected. The reflected light is incident on the waveguide 30,
As shown, it is transmitted by the waveguide 30 as reflected light P 3. Therefore, the light P 1 that enters the waveguide 10 is guided to the waveguide 30, it is not to be output to the waveguide 20b.

【0048】一方、導波路110から入射された光P2
は、導波路110と導波路20b間の不連続面120に
入射される。なお、不連続面120は、図示のように導
波路110に対してほぼ直交するように形成されてい
る。このため、不連続面120において、導波路110
側から導波路20b側へ、屈折率が高から低に変わる
が、入射光P2 はわずかな反射を除き、殆どが不連続面
120を透過する。即ち、導波路110から伝送されて
きた光P2 は、不連続面120を介して導波路110か
ら開放され、基板媒質からなる導波路20bに伝送さ
れ、空間光となる。さらに、基板媒質(導波路20b)
により伝送され、不連続面40aに入射される。不連続
面120から、不連続面40aまでの距離は、数〜数十
μmと短く設定することができ、光の直進性により導波
損失は殆ど無視できる程度になる。
On the other hand, the light P 2 incident from the waveguide 110
Is incident on the discontinuous surface 120 between the waveguide 110 and the waveguide 20b. Note that the discontinuous surface 120 is formed so as to be substantially orthogonal to the waveguide 110 as shown. Therefore, at the discontinuous surface 120, the waveguide 110
From the side to the waveguide 20b side, the refractive index changes from high to low, but most of the incident light P 2 passes through the discontinuous surface 120 except for slight reflection. That is, the light P 2 which is transmitted from the waveguide 110 is opened from the waveguide 110 through the discontinuous surface 120 is transmitted to the waveguide 20b consisting of substrate medium, the spatial light. Further, the substrate medium (waveguide 20b)
And is incident on the discontinuous surface 40a. The distance from the discontinuous surface 120 to the discontinuous surface 40a can be set as short as several to several tens of μm, and the waveguide loss becomes almost negligible due to the straightness of light.

【0049】導波路20bから入射された光P2 は、不
連続面40aにおいて、低屈折率媒質から高屈折率媒質
に入射するので、導波損失および微小な反射を除き、殆
どが不連続面40を透過し、導波路10に到達し、光P
20として導波路10により伝送される。また、不連続面
40aで生じた微小な反射光P21は、図示のように導波
路の外部に放出される。
The light P 2 incident from the waveguide 20b is incident on the discontinuous surface 40a from the low-refractive index medium to the high-refractive index medium. 40, reaches the waveguide 10, and the light P
20 is transmitted by the waveguide 10. Also, small reflected light P 21 generated by the discontinuity 40a is discharged to the outside of the waveguide as shown.

【0050】なお、本実施形態の場合に、基板と空間の
界面での反射を防止するため、基板表面に、基板と同程
度の屈折率をもつクラッド層を成層することが好まし
い。図6(b)はクラッド層が設けられた場合の光導波
素子の断面を示している。図6(b)において、1は、
例えば、ニオブ酸リチウム単結晶基板、10または11
0は導波路、2は基板1および導波路表面に形成された
クラッド層をそれぞれ示している。
In the case of the present embodiment, it is preferable to form a cladding layer having the same refractive index as the substrate on the substrate surface in order to prevent reflection at the interface between the substrate and the space. FIG. 6B shows a cross section of the optical waveguide element in the case where the cladding layer is provided. In FIG. 6B, 1 is
For example, a lithium niobate single crystal substrate, 10 or 11
Numeral 0 indicates a waveguide, and numeral 2 indicates a substrate 1 and a cladding layer formed on the surface of the waveguide.

【0051】図6(b)に示すように、基板1に、チタ
ンの熱拡散法により導波路10、110または図示しな
い導波路30をそれぞれ形成する。次いで、基板1およ
び基板1に形成した導波路の表面に他のニオブ酸リチウ
ム薄板を密着して貼り付けする。または、ニオブ酸リチ
ウム膜をスパッタやレーザアブレーションなどで堆積し
て、成膜する。これによって、ニオブ酸リチウムからな
るクラッド層2が形成される。
As shown in FIG. 6B, waveguides 10 and 110 or a waveguide 30 (not shown) are formed on the substrate 1 by a thermal diffusion method of titanium. Next, another lithium niobate thin plate is closely adhered to the surface of the substrate 1 and the waveguide formed on the substrate 1. Alternatively, a lithium niobate film is deposited by sputtering or laser ablation to form a film. Thus, the cladding layer 2 made of lithium niobate is formed.

【0052】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、基板上に基板を構成する材料より屈折率の高い導波
材により導波路10、導波路30および導波路110を
形成し、直線上に形成されている導波路10と導波路1
10間に基板と同じ屈折率の媒質または基板自身からな
る低屈折率部20b(導波路と見なせる)が介在する。
導波路10、導波路30の交差部と低屈折率部20bと
の間に屈折率不連続面40aを形成する。導波路10と
導波路30の軸がなす角度2θは、不連続面40aにお
いて全反射が発生する臨界角に応じて設定する。導波路
10から入射された光P1 を不連続面40aで全反射さ
せ、導波路30に導波し、導波路110から入射された
光P2 を、不連続面120を透過し、低屈折率部20b
を介して不連続面40に到達する。不連続面40aにお
いて全反射を発生せず、入射光の殆どを導波路10に導
波し、光P20として導波路10により伝送されるので、
屈折率の不連続面により非可逆な光導波素子を実現で
き、光導波回路の小型化、低コスト化が可能となる。
As described above, according to the present embodiment, the waveguide 10, the waveguide 30, and the waveguide 110 are formed on the substrate from the waveguide material having a higher refractive index than the material constituting the substrate, and Waveguide 10 and waveguide 1 formed in
A low-refractive-index portion 20b (which can be regarded as a waveguide) made of a medium having the same refractive index as the substrate or the substrate itself is interposed between the two.
A discontinuous refractive index surface 40a is formed between the intersection of the waveguide 10 and the waveguide 30 and the low refractive index portion 20b. The angle 2θ between the waveguide 10 and the axis of the waveguide 30 is set according to the critical angle at which total reflection occurs at the discontinuous surface 40a. The light P 1 incident from the waveguide 10 is totally reflected by the discontinuous surface 40 a, is guided to the waveguide 30, and the light P 2 incident from the waveguide 110 is transmitted through the discontinuous surface 120 and has low refraction. Rate part 20b
And reaches the discontinuous surface 40. Without generating a total reflection at the discontinuity 40a, guided most of incident light to the waveguide 10, since it is transmitted by the waveguide 10 as light P 20,
An irreversible optical waveguide element can be realized by the discontinuous surface of the refractive index, and the size and cost of the optical waveguide circuit can be reduced.

【0053】なお、以上説明した各実施形態において
は、導波路の形成方法としてニオブ酸リチウム基板上に
チタンの熱拡散法による形成方法を説明したが、本発明
はこれに限定されるものではなく、他の導波路の生成方
法、例えば、ニオブ酸リチウム基板上に、レジスト膜を
成膜し、導波路の形状に応じてレジスト膜に開口部を形
成し、これをマスクとして用いてプロトン交換法によっ
て導波路を形成する方法、または、有機材料を用いたド
ライプロセス法などでも、同様に基板上に導波路を形成
し、さらに屈折率不連続面を形成することができる。こ
のように、本発明は導波路の材料、加工方法に限定せ
ず、他の方法にも適用できることはいうまでもない。
In each of the embodiments described above, a method for forming a waveguide on a lithium niobate substrate by a thermal diffusion method has been described as a method for forming a waveguide, but the present invention is not limited to this. A method of forming another waveguide, for example, a resist film is formed on a lithium niobate substrate, an opening is formed in the resist film according to the shape of the waveguide, and a proton exchange method is performed using the opening as a mask. In the same manner, a waveguide can be formed on a substrate and a refractive index discontinuity surface can also be formed by a method of forming a waveguide, a dry process method using an organic material, or the like. Thus, it goes without saying that the present invention is not limited to the material and processing method of the waveguide, but can be applied to other methods.

【0054】[0054]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光導波素
子によれば、屈折率の異なる導波材の間に形成されてい
る屈折率不連続面により、非可逆型光導波素子を実現で
きる利点がある。さらに、本発明の光導波素子によれ
ば、例えば、受信光と送信光を一本の光ファイバーに合
波する際、従来必要とされた偏波の制御や、アイソレー
ター素子の付加が不必要となり、光導波回路の小型化、
低コスト化が図れる。
As described above, according to the optical waveguide device of the present invention, a non-reciprocal type optical waveguide device is realized by a refractive index discontinuous surface formed between waveguide materials having different refractive indexes. There are advantages that can be done. Furthermore, according to the optical waveguide element of the present invention, for example, when multiplexing the reception light and the transmission light into one optical fiber, the control of the conventionally required polarization and the addition of an isolator element become unnecessary, Miniaturization of optical waveguide circuits,
Cost reduction can be achieved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に係る光導波素子の第1の実施形態を示
す構成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a first embodiment of an optical waveguide element according to the present invention.

【図2】本発明に係る光導波素子の第2の実施形態を示
す構成図である。
FIG. 2 is a configuration diagram showing a second embodiment of the optical waveguide element according to the present invention.

【図3】本発明に係る光導波素子の第3の実施形態を示
す構成図である。
FIG. 3 is a configuration diagram showing a third embodiment of the optical waveguide element according to the present invention.

【図4】本発明に係る光導波素子の第4の実施形態を示
す構成図である。
FIG. 4 is a configuration diagram showing a fourth embodiment of the optical waveguide element according to the present invention.

【図5】本発明に係る光導波素子の第5の実施形態を示
す構成図である。
FIG. 5 is a configuration diagram showing a fifth embodiment of the optical waveguide element according to the present invention.

【図6】本発明に係る光導波素子の第6の実施形態を示
す構成図である。
FIG. 6 is a configuration diagram showing a sixth embodiment of the optical waveguide element according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…基板、2…クラッド層、10,20,30,10
a,20a,20b,70,80,110…導波路、4
0,90,100,120,40a…屈折率不連続面、
60…導波路拡張部、P1 ,P2 ,P20,P21,P3
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate, 2 ... Cladding layer, 10, 20, 30, 10
a, 20a, 20b, 70, 80, 110 ... waveguide, 4
0, 90, 100, 120, 40a ... refractive index discontinuous surface,
60 ... waveguide extensions, P 1, P 2, P 20, P 21, P 3 ...
light

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 久保田 靖博 茨城県つくば市和台25番地 エヌオーケー 株式会社内 (72)発明者 牛島 慎二 茨城県つくば市和台25番地 エヌオーケー 株式会社内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Yasuhiro Kubota 25th Wadai, Tsukuba, Ibaraki Prefecture NOK Co., Ltd. (72) Inventor Shinji Ushijima 25th Wadai, Tsukuba City, Ibaraki NOK Co., Ltd.

Claims (15)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】第1の材料からなる第1の導波路と、 上記第1の材料からなり、上記第1の導波路と所定の角
度で交差して形成されている第2の導波路と、 上記第1と第2の導波路の交差部に、上記第1の材料よ
り屈折率が低い第2の材料からなる低屈折率部とを有す
る光導波素子。
1. A first waveguide made of a first material, and a second waveguide made of the first material and intersecting the first waveguide at a predetermined angle. An optical waveguide element having a low-refractive-index portion made of a second material having a lower refractive index than the first material at an intersection of the first and second waveguides.
【請求項2】上記第1と第2の導波路の交差部と上記低
屈折率部との間に屈折率不連続面が形成され、上記第1
の導波路から入射した光は、当該不連続面で全反射さ
れ、上記第2の導波路に導波されるように、当該不連続
面と上記第1の導波路とのなす角度が規定される請求項
1記載の光導波素子。
2. A discontinuous refractive index surface is formed between an intersection of the first and second waveguides and the low refractive index portion, and
The angle between the discontinuous surface and the first waveguide is defined so that the light incident from the waveguide is totally reflected by the discontinuous surface and guided by the second waveguide. The optical waveguide device according to claim 1.
【請求項3】上記第1および第2の材料は、使用する波
長に対して透過性材料により構成されている請求項1ま
たは2記載の光導波素子。
3. The optical waveguide device according to claim 1, wherein the first and second materials are made of a material that is transparent to a wavelength to be used.
【請求項4】上記第1と第2の導波路の交差部に、上記
第2の材料により形成されている第3の導波路を有する
請求項1記載の光導波素子。
4. The optical waveguide device according to claim 1, further comprising a third waveguide formed of said second material at an intersection of said first and second waveguides.
【請求項5】上記第3の導波路は、上記第1の導波路の
延長線上に形成されている請求項4記載の光導波素子。
5. The optical waveguide device according to claim 4, wherein said third waveguide is formed on an extension of said first waveguide.
【請求項6】上記第1の導波路は、テーパー状に形成さ
れているテーパー導波路を有する請求項1〜5いずれか
記載の光導波素子。
6. The optical waveguide device according to claim 1, wherein said first waveguide has a tapered waveguide formed in a tapered shape.
【請求項7】上記第1と第2の導波路の交差部は、上記
第1または第2の導波路の幅より広く形成されている請
求項1〜6いずれか記載の光導波素子。
7. The optical waveguide device according to claim 1, wherein an intersection of said first and second waveguides is formed wider than a width of said first or second waveguide.
【請求項8】上記第1または第2の導波路の端部に、当
該第1または第2の導波路を構成する第1の材料により
屈折率の低い第3の材料からなる第4または第5の導波
路が形成されている請求項1〜7いずれか記載の光導波
素子。
8. A fourth or fourth waveguide made of a third material having a low refractive index due to a first material constituting the first or second waveguide, at an end of the first or second waveguide. The optical waveguide device according to claim 1, wherein five waveguides are formed.
【請求項9】上記第3の材料は、上記第2の材料と同じ
材料である請求項8記載の光導波素子。
9. The optical waveguide device according to claim 8, wherein said third material is the same material as said second material.
【請求項10】上記第4または第5の導波路と上記第1
または第2の導波路間の屈折率不連続面が、接続するそ
れぞれの導波路にほぼ直交するように形成されている請
求項8記載の光導波素子。
10. The fourth or fifth waveguide and the first or fifth waveguide.
9. The optical waveguide device according to claim 8, wherein the refractive index discontinuity surface between the second waveguides is formed so as to be substantially orthogonal to each of the connected waveguides.
【請求項11】上記第1および第2の導波路は、ニオブ
酸リチウム基板上にチタンを熱拡散して形成されている
請求項1〜10いずれか記載の光導波素子。
11. The optical waveguide device according to claim 1, wherein said first and second waveguides are formed by thermally diffusing titanium on a lithium niobate substrate.
【請求項12】上記第1および第2の導波路は、ニオブ
酸リチウム基板上に、これらの導波路の形状に応じて開
口部が設けられているレジスト膜をマスクとして、プロ
トン交換法により形成されている請求項1〜10いずれ
か記載の光導波素子。
12. The first and second waveguides are formed on a lithium niobate substrate by a proton exchange method using a resist film provided with openings according to the shapes of these waveguides as a mask. The optical waveguide device according to any one of claims 1 to 10, wherein
【請求項13】上記第1の導波路と同じ直線上に、上記
低屈折率部を介在して、上記第1の材料により形成され
ている第6の導波路を有する請求項1記載の光導波素
子。
13. The light guide according to claim 1, further comprising a sixth waveguide formed of the first material on the same straight line as the first waveguide with the low refractive index portion interposed therebetween. Wave element.
【請求項14】上記第6の導波路と上記第1、第3導波
路の交差部との距離は、数μm〜数十μmに設定されて
いる請求項13記載の光導波素子。
14. The optical waveguide device according to claim 13, wherein the distance between the sixth waveguide and the intersection of the first and third waveguides is set to several μm to several tens μm.
【請求項15】上記第1、第2および第6の導波路を形
成されている基板の表面に、当該基板を構成する材料と
同程度の屈折率をもつ材料により形成されているクラッ
ド層を有する請求項13または14記載の光導波素子。
15. A cladding layer formed of a material having a refractive index substantially equal to a material constituting the substrate, on a surface of the substrate on which the first, second and sixth waveguides are formed. The optical waveguide device according to claim 13, further comprising:
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