JPS62177505A - 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】 産業上の利用分野 本発明は光導波回路に関する。更に詳しくは、曲がり部
を有する低損失光導波回路に関する。

従来の技術 最近の光ファイバを利用した光通信システムの発展には
目ざましいものがある。この光通信システムを構成する
ためには、発光・受光素子の他、光変調器、光スィッチ
、光分岐結合器、光合成分波器や光フィルタなどの各種
光部品が必要となり、また、これら光部品と光ファイバ
との光学的な結合が必要となる。

初期の光通信システムでは、上記した光部品をレンズ、
ミラー、プリズムなどを組合せて構成していた。このよ
うな光部品と光ファイバとの光結合は比較的容易である
が、上記の如きレンズ、ミラー、プリズムなどの従来の
光部品によって構成される光デバイス−は、大型であり
、またコストが高く、しかも小型化することが困難であ
り、更に光通信用デバイスに対して要求される十分な機
械的安定性、高い信頼性を付与することも困難であった
。例えば、しばしば光軸合せが必要であったり、振動な
どの外力の影響により光軸のくるいが生じ易く、その都
度位置合わせをしなおす必要があった。

そこで、光導波路を基板上に形成した新しい光学系とし
て光導波回路が開発された。この光導波回路は、例えば
拡散法や堆積法によって光損失が小さく、屈折率の大き
い物質からなる光導波路を基板上に設け、その光導波路
内に光を伝搬させるものである。また、このものは光導
波路の一部の厚さを変化させることによってレンズやプ
リズムを構成したり、電極を設けて光導波路に電界を印
加することにより光変調器を構成する等、各種光素子を
基板上に形成することができるので、多機能化の可能性
を有するものである。

更に、光導波回路では、複数個の光素子をハイブリッド
もしくはモノリシックに集積化した、いわゆる光集積回
路の実現が可能となる。このため、光回路の小型化、低
価格化、高性能化並びに高信頼化等に対する期待が生ま
れ、各方面で光導波回路の研究・開発が活発に行われて
いる。

ところで、このような光導波回路を用いた光分岐器の構
成法として種々のものが提案されているが、いずれの方
法によっても、少なくとも１ケ所に曲がり部、即ち光導
波路のコア層（または導波層）とクラッド層との境界面
にみだれを生じる部分が形成されてしまい、この曲がり
部で、光導波路を伝搬する光のうちの伝嵜モードが放射
モードと結合し放射損失と呼ばれる大きな伝送損失を生
ずることが知られている。

例えば、従来の光導波回路を用いた光分岐器の代表的な
例を第５図に示した。これは基板１と、その上に形成し
たコア層２およびクラッド層３からなるＹ字型の導波路
４とで構成され、また導波路４は第１の導波路４ａと、
その途中で分岐した２つの第２の導波路４ｂおよび４ｃ
とで構成されるＹ字型の形状をとっている。この光分岐
器には第１の導波路４ａから第２の導波路４ｂ、４ｃに
分かれる部分に曲がり部ををし、大きな放射損失の原因
となっている。

発明が解決しようとする問題点 以上述べた如く、光通信システムを実現する上で重要な
光部品の一つである光導波回路においては、その構造上
の固有の欠点として、放射損失の大きな原因となるコア
ークラッド界面部のみだれを必然的に有している。従っ
て、これは光ファイバの有する各種利点を最大限発揮さ
せ、光通信システムを実用化するためには解決されねば
ならない重大な問題の一つである。

しかしながら、この問題に対する有効な解決策はこれま
でのところまったく提案されておらず、光導波損失は依
然として高いレベルのまま残されている。

そこで、本発明の目的は、曲がり部における放射損失を
大巾に低下し得る、新しい構成の光導波回路を提供する
ことにある。

問題点を解決するための手段 本発明者等は光導波回路の構成につき種々検討を加え、
上記従来製品の有する、特に放射損失の問題を解決すべ
く研究を重ね、上記目的とする光導波回路を実現するた
めには導波路をその光軸に対して鋭角状に屈曲させ、こ
の屈曲部にクサビ形の部材を設けることが有効であるこ
とを見出し、本発明を完成した。

即ち、本発明の光導波回路は基板と、その上に設けられ
た曲がり部を有する導波路とで構成されるチャンネル型
光導波回路であって、該導波路の曲がり部に、該導波路
の導波層の屈折率と異る屈折率のくさび状部分を設けた
ことを特徴とするものである。

本発明の光導波回路は例えば添付第１図および第２図に
示すような構成を有する。即ち、基板ＩＯと、その上に
設けられた第１の導波路１１と、導波路１１とある角度
曲げられてくさび状の溝１２を形成するように接続され
た第２の導波路１３とで構成される。導波路１１および
１３は夫々導波層１４およびクラッド層１５からなって
いる。

本発明の光導波回路を第１図および第２図に基き、曲が
り部を１つだけ有する例について説明したが、本発明は
このような例にのみ制限されるものではなく、曲がり部
を２以上有するものであっても各自がり部において上記
のようなあるいは以下に述べるような構成を与えること
によって様々な形状あるいは構成の光導波路を得ること
ができる。

本発明の光導波回路において、第１の導波路のくさび状
部分く屈折率ｎ）の端面を、その導波路の垂直横断面に
対しである角度α傾斜させておくことが好ましい。この
際の第１の導波路と第２の導波路との結合角はｎα°と
なる。

このくさび状部分は導波層（コア層）材料よりも低屈折
率の材料で得られたくさび状部材を挿入してもよい。こ
のような材料としては、例えばコア部が屈折率増加用ド
ーパン）ＧｅＳＴｉ、　Ｐなどを含むＳｉＯ□系ガラス
の場合には５１０２が、また導波層がＳｉＯ□である場
合には屈折率低下用ドーパントＦＳＢなどを含む５１０
２あるいはポリマーなど（例えばシリコン系プラスチッ
クなど）を使用することができる。ここで挙げたポリマ
ーは勿論前者の場合にも使用できる。

このような場合において、第１の導波路のくさび状部材
と接する端面には、光の伝搬方向に対して左側々端部か
ら該伝搬方向に徐々に張出すようにα度傾斜した面で構
成する。

また、この部分には導波層材料よりも高屈折率の材料で
満たしておくことも可能であり、このような材料の例と
しては屈折率増加用ドーパント（Ｇｅ、　Ｔｉ、Ｐ）等
を含むＳｉ　Ｏ７系ガラス、エポキシ系樹脂などを例示
でき、これらの中から導波層材料の屈折率に応じて適宜
選択し、使用することができる。

このような場合において、第１の導波路の出射端面の傾
斜方向は上記の場合と逆になる。

本発明の光導波回路において、基板および導波路材料と
しては従来公知の各種材料がいずれも使用でき、特に制
限はない。例えば、基板材料としてはいＮｂＯ３、石英
、シリコン、サファイヤ、あるいは高分子樹脂などを使
用することができ、また導波路材料としては基板をＳｉ
Ｏ□系の材料で形成した場合には屈折率増加用ドーパン
ト、例えばＰＸＧｅ、　Ｔｉ５ＴａＳＳｂなどを含むＳ
ｉＯ２系のガラスなどであり得、また基板がプラスチッ
クである場合にはガラスであり得る（即ち、プラスチッ
ククラッド型）。更に、これらのいずれをもプラスチッ
クで形成した導波回路であってもよく、このような組合
せとしてはポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）とテ
トラフルオロエチレンフッ化ビニリデン、ポリスチレン
系樹脂とＰＭＭＡおよび重水ｉ化ＰＭＭＡとフルオロア
ルキルメタクリレートなどの各種組合せ（前者−導波路
材料；後者＝基板材料）を挙げることができる。また、
クラッド層は基板と同様な材料で形成することができる
。

本発明の光導波回路は上記の如き材料から、各種公知の
技術、即ち各種蒸着法、エツチング法、熱拡散技術、フ
ォトリソグラフィー技術などを適当に組合せて利用する
ことにより得ることができる。例えば、基板としてＳｉ
Ｏ□系材料を使用した場合には、基板表面に屈折率増加
ドーパントを蒸着法で堆積させ、熱拡散により所定の厚
さに亘り拡散させて高屈折率層（コアまたは導波層）を
得、次いでフォトエツチング技術によって所定のパター
ン（くさび型溝形成領域をも連続した状態としておく）
とし、次いで低屈折率のＳ＋０２を蒸着法で堆積し、あ
るいはプラスチック層を塗布してクラッド層とし、更に
クラッドおよび高屈折率層に対して選択比の小さなエツ
チング液あるいはドライエツチング法でくさび型溝を形
成する。また、くさび型溝は研暦法で得ることもできる
。

更に、予め第１の導波路および第２の導波路を独立に作
製し、次いで所定の配置でこれらを基板上に適当な手段
で接合することによって得ることもできる。この方法は
プラスチック材料で光導波回路を実現する際には特に有
効である。

上記くさび状溝内に、導波層よりも低屈折率あるいは高
屈折率の材料を満たしたい場合には、上記のようにして
作製した溝を有する導波回路に別途切断・研暦加工等に
より作製した対応する形状のくさび状部材を挿入もしく
は適当な手段で接合することによって目的とする製品を
得ることができる。勿論、各種蒸着法による堆積、リフ
トオフ、あるいはフォトエツチングなどの技術を適当に
組合せることによって得ることもでき、またくさび状部
材をまず基板上に形成した後、上記のようにして第１お
よび第２の導波路を形成することもできる。

詐月 光導波路を用いた光導波回路において、従来特に問題と
なっていた点は、このような構成の光導波回路には少な
くとも１ケ所に曲がり部を設ける必要があり、そのため
必然的に曲がり部で放射損失が増大し、光通信システム
等において本質的な低伝送損失等の利点が損われてしま
う可能性がある。

この放射損失について以下に添付第５図および第６図を
参照しつつ詳しく説明する。ここで、第６図は第５図の
導波回路の光波の角度分布、放射損失を説明するための
図である。

まず、導波層とクラッド境界面における臨界角をθ。と
じ、一様モード励振されているとする。

第１の導波路４を伝搬している光のパワーの軸Ｌ１に対
する角度成分は（θ。−９０）度から（９０−θ。）度
まで一様に分布している（第６図の５参照）。

ところが、θ、の曲がりが生じると角度成分がθ。

はどシフトし、Ｌ　２ａ、もしくはＬ２ｂに対しく一０
５十〇。−９０）度から（−〇、＋９０−θ０）度まで
一様に分布するようになる（第６図の６参照）。ところ
で、曲がった後の導波路の構造は、第１の導波路と同じ
であり、従って（θ、　−９０）度から（９０−θ。）
度の成分までしか存在し碍ず、結果として（−θ、十〇
、−９０）度から（θ。−９０）度の成分（第６図の斜
線領域７参照）は放射損失となってしまう。

従って、この放射損失の問題を解決することが、この分
野で非常に重要な課題となっている。

しかしながら、本発明者等は、この光導波回路の曲がり
部において、導波層と屈折率の異るくさび形部分を設け
ることにより、上記従来製品にみられたような放射損失
が有利に改善されることを見出した。

即ち、既に述べたような構成とすることにより、光導波
回路の放射損失をほぼ完全になくすことができ、有利な
光部品となる。この様子を添付第１図、第２図および第
３図に基き詳しく説明する。

まず、第２図において、第１の導波回路の左側から光が
伝搬して来ているものとする。また、上記のように導波
層−クラッド層境界面における全反射の臨界角を００と
し、導波層の屈折率をｎとし、さらに伝搬光強度と角度
成分は、臨界角まで一様に分布しているものと仮定する
と、第１の導波回路１１の出射光ビームは、第１の導波
回路１１の軸Ｌ１に対し、下方にｎα度ずれることにな
る（第３図の伝搬光角度範囲１６）。そこで、第２の導
波路が第１の導波回路ｎの軸り、となす角θｂがｎα度
となるように第２の光導波回路を設けることによりすべ
ての伝搬光が第２の光導波回路に結合され、曲がり部に
おける放射損失が低減されることになる（第３図の伝搬
光角度範囲１７）。

一方、くさび状溝を設けないｎα角の曲がり角をもつ曲
がり光導波回路では、第２の導波回路に光が入射された
際、第１の導波路において（９〇−θ。−ｎα）度から
（９０−θ。）度の角度成分を持つ光がすべて放射モー
ドとなり（ｎα）／（１８（１−θ、、）の結合損失が
生じることとなる（第６図参照）。

実施例 以下、実施例および作製例に基き、本発明を更に具体的
に説明するが、本発明の範囲は以下の実施例により回答
制限されない。

実施例１ 本発明の第１の実施例を添付第１図および第２図に示し
た。この例は第１の導波路１１のくさび状溝１２におけ
る端面が、導波路１１と直角方向であって、光の伝搬方
向に角度α傾斜したものである。

一方、第２の導波路１３は第１の導波路１１に対してそ
の中心軸から基板面内で図の下方にθ、（＝ｎα）だけ
曲げられて配置されている。従って、第１の導波路を伝
１般してきた光は上記端面で屈折した後その全部が第２
の導波路に入射−する。

この第１図および第２図に示した構成の光導波回路では
、溝１２にくさび形の低屈折率部材を嵌合させることも
可能である。

実施例２ 本発明のもう一つの実施例を添付第４図に概略的に示し
た。この例は第１図または第２図の例とは逆に、第１の
導波路の端面の傾斜は導波路１１に直角であって、第２
図の例とは逆向きの傾きとなり、しかもこの場合くさび
型溝内には導波層１４よりも高屈折率の物質で満たされ
ている。この例においても第２図の導波路１３は第１の
導波路１１に対してｎα度曲げて接続されており、この
場合にも第１の導波路１１の出射端で屈折された光はす
べて第２の導波路１３に入射され、このくさび状溝部（
曲がり部）での放射損失は殆ど観測されない。

製造例 導波層として屈折率１．４７のＴｉ　−３ｉ　Ｏ２を用
い、クラッド層として、臨界角８０°を満足するような
屈折率をもつＴｉ−３ｉ○２を用い、第１の導波回路の
光出射端面の角度を５°として、光導波回路を設計し評
価した。曲がり角は７．３５°とした。光入射はＬＥＤ
直接結合による一様モード励振法を用いた。

従来の第５図に示すような構造のものと比べ３．３ｄＢ
の改善が見られ、はぼ損失なく、第２の導波回路に結合
された。

発明の効果 以上詳しく説明したように、本発明によれば、光導波路
を用いた光導波回路の曲がり部における放射損失の問題
をほぼ完全に解決することができる。これは導波回路の
曲がり部分にくさび型の溝を設けることによりあるいは
液溝を導波層よりも大きな屈折率のもしくは低い屈折率
の物質で満たし、更に第１導波路端面を所定の角度で傾
斜させ、それに応じて所定の結合角で第２の導波路を配
置することにより実現できる。

かくして、本発明によれば、曲がり部を有するにも拘ず
、その部分での伝送損失の著しく小さな光導波回路を提
供することが可能となり、ひいては光通信システムなど
で有用な伝送損失の光集積回路を得ることが可能となる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好ましい光導波回路の１実施例の斜視
図であり、 第２図は第１図の平面図であり、 第３図は第２図における光導波回路の伝搬光波の角度成
分を示す図であり、 第４図は本発明による光導波回路の第１図（または第２
図）とは別の実施例を示す図であり、第５図は従来の導
波形分岐器であり、 第６図は第５図の光導波回路を伝搬する光波の角度成分
を示す図である。 （主な参照番号） １．１０・・基板、　２．１４・・導波層、３．１５・
・クラッド層、　４・・導波路、４ａ、１１・・第１の
導波路、 ４ｂ、４ｃ、１３・・第２の導波路、 ５・・第１の導波層を伝搬する光波の角度成分の変化、 ６・・θ５の曲がり角により変換される角度成分、７・
・曲がりによる放射損失の部分、 １２・・溝部、 １Ｇ・・ｆｆ＋ａｔ面がα°傾斜していることによる角
度成分の変化、 １７・・第２の導波路がθ５度曲がっていることにより
変換された角度成分、 Ｌｌ　　・・第１の導波層の軸、 Ｌ２　・・第２の導波層の軸、 θ５　・・曲がり角、 α・・第１の導波層の端面の傾き角、 α”　・・端面の角度

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板と、その上に設けられた曲がり部を有する導
   波路とを有するチャンネル型光導波路において、該導波
   路の曲がり部に、該導波路の導波層の屈折率とは異る屈
   折率のくさび状部分を設けたことを特徴とする上記光導
   波回路。
2. （２）上記導波路の屈折率ｎを有するくさび状部分と接
   する端面が、該導波路の垂直横断面に対して角度αだけ
   傾斜しており、上記曲がり部の角度がｎα°であること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光導波回路。
3. （３）上記くさび状部分に、上記導波路の導波層材料よ
   りも低屈折率材料が満たされており、上記曲がり部から
   伝搬光入射側導波路の該曲がり部出射端面が、光の伝搬
   方向に対し左側側端部から該伝搬方向に斜めに張出すよ
   うに傾斜していることを特徴とする特許請求の範囲第２
   項記載の光導波回路。
4. （４）上記くさび状部分に、上記導波路の導波層材料よ
   りも高屈折率材料が満たされており、上記曲がり部から
   伝搬光入射側の導波路の該曲がり部と接する端面が光の
   伝搬方向に対して右側側端部から該伝搬方向に斜めに張
   出すように傾斜していることを特徴とする特許請求の範
   囲第２項記載の光導波回路。