JPS6012518A - 光導波回路 - Google Patents

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】 本発明は透明基板内にこの基板よりも屈折率の大な領域
からなる断面がほぼ円形の導波路を形成した光導波波回
路の改良に関する。

上記のような平板型の光導波回路は分岐・合流回路、ア
クセスカプラ等に使用され光通信システムにおいて極め
て重要なデバイスであるが、導波路の断面形状が全長に
わたり同一である従来の光導波回路では次のような問題
がある。

すなわち、導波路の断面形状は真円で且つこの導波路両
端に接続される光伝送ファイバのコア部分（信号光が伝
送される部分）と同一径でしかも両者の光軸が完全一致
していることが理想的であるが、断面形を真円にするこ
とは製造上極めて困難であり、また導波路の径は一般に
数十ミクロンないし数百ミクロンメーターといった非常
に微小なものであるため光軸合せ接合が困難で両者間の
軸ずれは避け難い。

このため光伝送ファイバから導波路内への入射時あるい
は導波路から光伝送ファイバへの出射時に比較的大きな
伝送光の洩れ損失を生じるという問題があった。

本発明の第１の目的は上記従来の問題を解決し、導波方
向が単一方向である光導波回路において入射側および出
射側における光伝送ファイバとの接続損失を改善した光
導波回路を提供することである。

また本発明の他の目的は、上記の光導波回路を製造する
に適した方法を提供することである。

前述の目的を達成する本発明の光導波回路は、透明基板
内にこの基板よりも屈折率の大な領域から成る導波路を
形成した光導波回路において、前記導波路の入射端の径
をこの部分に接続される光伝送ファイバのコア径よりも
大とするとともに、導波路出射端の径を接続される光伝
送ファイバのコア径よりも小さくしたことを要旨として
いる。

上記構造によれば、導波路の断面形状と導波路端に接続
される光伝送ファイバとの間に多少の形状差があっても
、また両者の接合の際に多少の軸ずれを生じたとしても
光伝送ファイバのコア部端面は全面積にわたり導波路端
の形状内に納まり、したがってコア部を伝送される光は
外部に洩れることなく確実に導波路内に伝達される。

また導波路の出射端においても前述のような光伝送ファ
イバとの間の形状差，軸ずれが多少あっても導波路の端
面全面積が光伝送ファイバコア部分の形状内に納まって
導波路からの出射光は確実に光伝送ファイバのコア部に
伝送されるので結合損失は極めて小さくなる。

また導波路の許容形状誤差および光伝送ファイバとの光
軸合せ許容誤差に余裕ができるため、その分だけ製造工
程および組立て工程を簡略化することができる。

本発明において導波路の入射端の径が光伝送フアイバの
コア径に比べてあまり大きい場合には外乱光の侵入等の
問題を生じ、またコア径にあまり近いと本発明の所期の
効果が薄れるため、本発明において導波路入射端の径は
接続ファイバのコア径の１．０１倍ないし２．０倍、よ
り好ましく１．０８倍ないし１．５倍の範囲内とするの
が望ましい。

同様の理由で導波路の出射端においても、導波路端面径
を接続ファイバのコア径の０．９９倍ないし０．５倍、
より好ましくは０．９５倍ないし０．８０倍の範囲内と
するのが望ましい。

以下本発明を図面に示した好適例に基づいて説明する。

第１図は本発明に係る光導波回路の平面図，第２図は同
回路の入射端側面図、第３図は同回路の出射端側面図で
ある。

導波回路１はガラス，石英，合成樹脂等からなる透明基
板２内に、屈折率が基板２よりも大きく断面がほぼ円形
の領域からなる導波路３が、例えば後述するイオン交換
法等によって基板２と一体的に埋め込み形成されている
。

波路３の回路パターンは図示例のものはアクセカプラで
あって例えば光データリンク中に組み込むことにより、
幹線路４で幹線光を図の左側から右側へ向けて伝送し、
この幹線路４から分岐して基板２の出射側側面２Ｂに至
る支持路５で上記幹線光の一部（例えば１０％）を分岐
させて端末機へ伝送し、端末機で処理された信号光を基
板の入射側側面２Ａに端を発して幹線路４の途中に合流
する支線路６で幹線伝送光に合流させる機能をもつ。

上記の光導波回路において、幹線導波路４の入射端面４
Ａおよび支線路６の入射端面６Ａの直径はいずれもこれ
ら入射端面に接合される光伝送ファイバ７のコア部７Ａ
の径ｄ２よりも若干大きい径ｄ１にしてある。

一例として、ファイバ７がマルチモードファイバである
場合ファイバのコア径ｄ２を５０μｍφとして導波路入
射端の径ｄ１を５５μｍφ前後にしてある。

また幹線導波路４の出射端４Ｂの径および支線導波路５
の出射端５Ｂにおける径は、これら端面に接続される光
伝送ファイバ７のコア径ｄ２よりも若干小さい径ｄ３、
一例として４５μｍφにしてある。

そして波動路３は全体として入射側から出射側に向けて
その断面径が滑らかに漸減させてある。

上記の光導波回路においてファイバ７を通して伝送され
る幹線光は導波路４に入り、このとき導波路４の入射端
４Ａの径がファイバコア径よりも大となっているため両
者間に形状差，軸ずれ誤差が多少あっても両者の径差の
範囲内であれば外部に洩れることなく伝送光は効率良く
導波路４内に入光する。

また他のファイバ７を伝送される処理済み信号光が支線
導波路名に入光する際も同様である。

また、幹線導波路グおよび支線導波路５から出射した伝
送光が両者の端面に接合されたファイバ７に入射する際
も、これらファイバ７のコア径に比べて上記導波路４，
５の出口径を小さくしているため両者間に形状差，軸ず
れ誤差が多少あっても両者の径差の範囲内であれば外部
に洩れることなく伝送光は効率良く光伝送ファイバ７に
入射する。

次に本発明に係る光導波回路を製造する方法の具体例に
ついて説明する。

ガラス基板を用いてこの基板内に断面円形の高屈折率領
域からなる導波路を一体に埋め込み形成する好適な方法
としては、第１図に示すように組成成分としてＮａ，Ｋ
などのような被イオン交換イオンを含む透明ガラス基板
１０を準備し、この基１０の片面を第１図に例示した如
き所望の導波パターンの開口１１を残してイオン透過防
止効果のある物質例えばチタン膜からなるマスク１２で
マスキングする。

ｋのマスク開口１１の幅は一例として径が５０〜８０μ
ｍφの導波路を形成しようとする５〜８μｍ程度に形成
するのが良い。

次にマスク開口１１を通して基板ガラスの屈折率増大に
寄与するイオンを含む物質例えばタリウムイオン、銀イ
オン，セシウムイオン，リチウムイオンなどのイオンを
含む溶融塩を接触させ、上記外部からのイオンとガラス
中のイオンとを交換させることにより上記外部からのイ
オン１３をガラ中に拡散させる。

例えば第６図のように上記基板１０をマスク面を下にし
て硫酸タリウム５０モル％，硫酸カリウム１０モル％，
硫酸亜鉛４０モル％の混合物からなる溶融塩１７に浸漬
し、基板１０のマスク面とは反対側の面に粘土とＫＮＯ
３のペースト状混合物を塗布して導電層１８とし、この
導電層１８に電極板１９Ａを密着させてこの電極板１９
Ａを直流電源２０の陰極側に接続し、溶融塩１７中に基
板マスク面に対向させて浸漬設置した電極板１９Ｂを電
源２０の陽極に接続して直流電圧を印加する。

この第１段のイオン交換処理によって、外部から拡散侵
入したイオンは基板ガラス中においてマスク開口１１部
分で最も高く基板内部および両側に向けて減少する濃度
分布となり、この濃度分布に基づいて基板ガラス内には
マスク開口１１の軸線に垂直な断面内で屈折率が開口部
分で最大で周辺に向けて次第に減少するような屈折率分
布をもったほぼ半円形の高屈折率領域１４が形成される
。

次いでマスクｌ２を取り除き、この基板面にナトリウム
イオン，カリウムイオンなど基板ガラスの屈折率を相対
的に低下するイオンを含む溶融塩に接触させ、高屈折率
領域１４側の基板面を陽極，裏面側を陰極として電界を
印加する。

この第２段イオン交換処理により半円形の高屈折率領域
１４を形成しているイオン１３は全体的に基板の深部方
向へ移動し、一方基板面からは溶融塩中のイオン１５が
一様に拡散侵入してくる。

この過程で半円形の高屈折率領域１４の上面両端近傍は
もともと低屈折率であったところにさらに屈折率低下イ
オンが拡散してくることにより大きく低下し、中央近傍
では相対的にあまり屈折率が低下しないので結果として
等屈折率線は高屈折率領域の上部で上向き凸形の半円形
輪郭になり、結果として基板表面から一定の深さの点に
おいて屈折率が最大であり、周辺に向けて二乗近似で屈
折率が連続的に減少する分布をもつほぼ円形の高屈折率
領域からなる導波路ｌ６が得られる。

上記の方法を用いて導波路の入射端径が出射端径よりも
相対的に大きい本発明の光導波回路を製造するに当って
は、１つの方法としては上記のように入射端側から出射
端側に向けてマスク開口幅が次第に狭まるようにマスク
を形成すればよい。

しかしながらマスク開口１１はわずか数μｍという極め
て狭いスリットであり、この極小部分に長さ方向に幅の
わずかな変化を精度良くもたせることは製造上非常に難
しい。

そこで本発明者らは上記製法上の問題を回避すべく実験
検討を重ねた結果、イオン透過防止マスクの開口幅を導
波路全体にわたり一定に保ったまま、入射端側と出射端
側とでマスク開口間の配列ピッチを相異させると基板内
へのイオン拡散深さが入射端側と出射端側とで異なり、
これにより両端において径の異なる導波路を精度良く形
成できることを見い出した。

次に上記改良方法について説明する。

第５図は、共通の基板ガラス上に開口幅が５μｍ一定で
多数のスリット状開口を平行に間隔をおいて設けてイオ
ン透過防止マスクを施し、隣接する開口間の配列ピッチ
を５０μｍ〜５００μｍの範囲内で種々変えた基板を用
意し、これら基板に対して同一の処理条件で前述したイ
オン交換処理を行ない、それぞれの基板内に形成された
導波路（高屈折率部分）の幅を干渉顕微鏡を用いて測定
した結果である。

第５図において横軸はマスク開口の配列ピンチでたて軸
は導波路の幅を示す。

同図から明らかなようにマスク開口幅を一定とした場合
配列ピッチがおよそ３５０μｍ以下ではピッチを小さく
するほど得られる導波路幅は顕著に小さくなる。開口幅
を変えた場合でも相似の関係を保って同様の傾向を示す
。

この理由としては、基板のマスク面に接触するイオンの
分布密度はマスク面全体にわたり一様であるのに対し、
マスクの単位面積当りの開口面積比が相違するため開口
から侵入するイオンの拡散量に差を生じることによると
考えられる。

上記の現像を利用して入射端での径が出射端での径より
も大きい導波路を基板ガラス中に形成するには第７図に
示すように、基板面に設けるマスク開口の配列ピッチを
入射端側での隣接導波路間ピッチｌａが出射端側での導
波路間ピッチｌｂが大となるように設定すればよい。

また隣接する各分岐導波路マスク開口間でイオンの拡散
条件を均一化するためには、第７図に示すように主導波
路３のマスク開口とは独立させてこの主導波路３の両外
側に間隔をおいてそれぞれダミ−開口２１Ａ，２１Ｂを
開口幅を主導波路のそれと同一にして設け、入射端およ
び出射端におけるこれら両ダミー開口と主導波路開口と
の間隔を主導波路の隣接路間ピッチｌａ，ｌｂにそれぞ
れ等しくしておく。

このようにすることにより、入射端近傍および出射端近
傍において幹線路用マスク開口および支線路用マスク開
口から侵入するイオンは、各開口の両側に等しい間隔で
位置するマスク開口からのイオン拡散で右左対称の均等
な影響を受けることによる。したがって導波路の分岐数
が３本以上である場合でも最外側に位置する分岐路での
イオンの拡散条件はマスクのダミー開口の存在により中
央に位置する岐路でのイオン拡散条件と等しくなり、し
たがって全分岐路入出射端において断面形状および屈折
率分布の軸対称性が良好な導波路を得ることができる。

また導波路の入射端あるいは出射端が単一である場合で
も上記のように適宜数のダミー開口を瞬接開口間間隔を
入出射端で相違させてマスクに付設することによって導
波路の入出射端に所期の径差を与えることができる。

具体的な数値例を示すと、マルチモードファイバ用導波
回路の場合マスク開口幅Ｗを５μｍで一定とし、前記ｌ
ａを２５０μｍ、ｌｂを１２５μｍとする。

そして第１段イオン交換処理を温度５５０℃のも電圧５
Ｖを印加しつつ５分間行ない、第２段イオン交換処埋を
５５０℃、印加電圧５Ｖの条件で約１００分間行なうと
入射端側で径が約５５μｍφ、 出射端側で約４５μｍφの断面円形の屈折率が中心で最
大で周辺に向けてパラボリックに減少する分布をもつ導
波路が得られる。

このようにして得られたアクセスカプラの伝送特性を測
定したところ、ファイバとの接続損失は入出射両端にお
いていずれも０．１ｄＢ以下と低損失であった。

なおマスクに設けたダミー開口によって基板内に形成さ
れる高屈折率領域は回路の本来の機能に関与するもので
はないので図示例のように基板全長にわたり連続してい
ることは必らずしも必要ではなく、両端近傍が主導波路
と並行していれば途中は途切れていてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光導波回路の一例を示す平面図，第２
図は同回路の入射側の側面図，第３図は同回路の出射側
の側面図，第４図（イ）ないし（ニ）は本発明の導波回
路の製造工程の一例を段階的に示す側断面図，第５図は
イオン交換によって基板形成される導波路の幅と基板面
のマスク開口配列ピッチとの関係を示すグラフ，第６図
はイオン交換方法の具体例を示す断面図，第７図は本発
明の導波路を製造する改良方法において基板のマスキン
グの例を示す平面図である。 １・・・・・・・・光導波回路　２・・・・・・・・基
板３・・・・・・・・主導波路　２Ａ・・・・・・・・
入射面２Ｂ・・・・・・・・出射面　７・・・・・・・
・光伝送ファイバ１１・・・・・・・・開口　１２・・
・・・・・・マスク１３，１５・・・・・・・・イオン
　１７・・・・・・・・溶融塩２１Ａ，２１Ｂ・・・・
・・・・ダミー開口特許出願人工業技術院長川田裕郎 第３図 一ボｎ （イ） （口） （ハ） （二） 第４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 透明基板内にこの基板よりも屈折率の大な領域からなる
   導波路を形成した光道波回路において、前記導波路の入
   射端の径をこの部分に接続される透明基板内にこの基板
   よりも屈折率の大な領域からなる導波路を形成した光導
   波回路において、前記導波路の入射端の径をこの部分に
   接続される光伝送ファイバのコア径よりも大とするとと
   もに、導波路出射端の径を接続される光伝送ファイバの
   コア径よりも小さくしたことを特徴とする光導波回路。 ２）特許請求の範囲第１項において、導波路入射端の径
   が光ファイバコア径を１．０として１．０１ないし２．
   ０の範囲内である光導波回路。 ３）特許精求の範囲第１項において、導波路出射端の径
   が光ファイバコア径を１．０として０．９９ないし０．
   ５の範囲内である光導波回路。 ４）透明誘電体基板の面に所定部分の開口を残してマス
   キングを施し、前記開口を通して屈折率増加に寄与する
   物質を基板内に拡散させる工程を含む導波路を基板内に
   形成する方法において、隣接する前記マスキング開口間
   の間隔を入射端側よりも出射端側の方をより狭くするこ
   とを特徴とする導波路の出射端が入射端よりも小径であ
   る光導波回路を製造する方法。 ５）特許請求の範囲第１項において、前記マスク開口の
   少なくとも１つは導波路とは独立して導波路用開口との
   間に前記間隔をおいて設けられたダミ−開口であるる光
   導波回路を製造する方法。