JPS62183405A - テ−パ付光導波回路及びその製造方法 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は特に光分割回路に好適な先導波回路の改良技術
に関する。

［従来の技術］ 平面先導波路を用いた分波−合波回路としては例えば第
８図に示す構造のものが知られている。

図において１は透光性基板、２は先導波路であり、導波
路２は４２面視で略Ｙ７型を成していてその分岐部に、
特定波長の光を透過（または反射）し、他の波長光は反
射（または透過）させる機能を持つフィルタ３か設けら
れている。このフィルタ３は分岐部で導波路２を分断す
るように基板に設けた溝中に嵌装してあり、その法線が
二分岐路２Ａ・２Ｂの成す角を三等分するように傾けで
ある。

上記の分波−合波回路で、分岐路２Ａに波長λ１とλ２
の混合光を入射させるとフィルタ３でλＩの波長光か反
射されて分岐路２Ｂから出射し、λ２の波長光はフィル
タ３を透過して分岐路２Ｃから出射する。平面導波路を
用いた分岐・合に回路の例を第９図に示す。同図のもの
は基板１中にモチ型の先導波路２を設け、その中央交差
部にノ＼−フミラー４が設けてあり、１つの分岐路２Ａ
または２Ｂを通して入射させたパワーＰｏの伝送光がハ
ーフミラ−４において、ミラー４の透過反射特性に応じ
た比率でパワーＰＩの透過光とパワーＰ２の反射光に分
割されてそれぞれ分岐路２Ｃ１２Ｄから出射する。また
第８図の回路は合波回路として、第９図の回路は合流回
路としても機能する。

以下特に区分する必要のないときは、分岐会合流回路及
び分波φ合波回路を含めて光分割回路とよぶ。

［発明か解決しようとする問題点］ 従来の光分割回路はいずれの方式でも全長にわたり一様
な断面形をもつ先導岐路を１設け、この導波路途中に光
分割素子を配置して伝搬光を七記索ｒに入射させるよう
にしており、かかる構造では以下に述べるような本質的
な問題か発生する。

すなわち、第１０図に拡大して示すように、入力導波路
２Ａから直交分岐する分岐出力路２Ｂを設け、分岐部に
４５度の傾斜でハーフミラ−４を配置してミラー４によ
る反射光を分岐出力路２Ｂに入射させ、ミラー４を透過
する光を入力路２Ａと同軸上の出力路２Ｃに入れる場合
を考えると、入力路２Ａに接続された光ファイバから人
力路２Ａに入射する光束は、導波路２の境界面に対して
種々の角度で入射する光線６Ａ、８Ｂ・・・・・・を含
み、これら光線はそれぞれの角度で界面全反射を繰り返
しつつミラー４に至る。このように導波路内を繰り返し
反射で進行する光線の反射角は大きなハラツキをもって
いるため、ミラー４を分岐部で導波路光軸に対し正確に
４５度の角度をもって配置したとしても、一部の光線６
Ｂはミラー４で反射されずに入力路２Ａから直接直交分
岐路２Ｂに入光し、導波路自身の開口数（ＮＡ）を超え
てしまうため導波路該−＼洩れ出て損失となる。このた
め従来の分岐回路では伝搬損失が大きいという問題があ
った。また第１１図のようにＹ型分岐導波路の分岐部に
干渉膜フィルタ３を配置し、人出路２Ａを伝搬される混
合波長光のうちフィルタ３を透過する特定波長光を入力
路と同軸上の出力路２Ｃに入射させ、フィルタ３で反射
される他の波長光を出力路２Ｂに入射させる分波回路で
は、上記と同様にして導波光に種々の反射角の光線成分
６Ａ。

６Ｂ・・・・・・が含まれ、これらはフィルタ３に対し
種々の入射角αで入射することになる。

−・方、バンドパスフィルタ３は一般に法線入射光線に
対し所期の分光特性を持つよう設計されており、光線入
射角αが一定範囲を超えると分光特性が急激に悪化する
。例えば入力路２Ａと反射出力路２Ｂとの成す角を２β
としβ＝１５°とした場合、導波路内の光線角度が２〜
３度を超えるとバンドパスフィルタ３の分光特性は悪く
なるが、導波路のＮＡを例えば市販のグレーデッド光フ
ァイバのＮＡに合せて０．２としたとき、導波路内を伝
搬する光線の角度は最大８度まで分布している。

このため従来の分岐回路では高精度の波長分割特性が得
られないという問題があった。上記問題を解決するため
に例えばフレネルレンズ、グレーティングレンズ等を組
み合せて光分割フィルタへの入射角バラツキを低減させ
る方法も提案されてはいるが、構造が複雑、大型化して
経済的にも不利である。

以上光分割回路を例にとり説明したが、一般に先導波路
の伝搬光を特定機能をもつ機能素子に入射させて該素子
で伝搬光に所望の処理を行なう回路において上記と同様
の問題がある。

［問題点を解決するための手段］ 透光性の基板内に、端部か該基板の側縁に臨む入力導波
路と、前記入力路よりも断面の人な拡大導波路を設ける
とともに、前記両導波路を、幅方向および深さ方向に漸
進的に拡大するテーパ導波路で接続し、ＩＩＩ記各導波
路には断面内で中心から周辺に向けて次第に減少する屈
折率勾配を形成し、前記拡大導波路部分で伝搬光を所定
の機能素子に入射させるようにした。

［作　用コ 導波路が断面内で屈折率勾配をもっているため、導波路
内を進行する光線は略サインカーブ状の蛇行を繰り返し
て進行し、人力路内では、従来の素子で界面反射角が種
々穴なる光線を含むのと同様に種々穴なる周期長の光線
成分を含むが、テーパ導波路において伝搬方向に断面積
が次第に拡大するにつれて各光線成分間での周期長差が
減少し、つまり界面に対する入射角のバラツキが減少し
、拡大導波路に入射した時点では角光線成分は互いにほ
ぼ平行に揃って伝搬する。

したがって拡大導波路に設けられた所定の機能素子に対
して各光線かほぼ同一の入射角で入射し、したかってこ
の機能素ｒをｐめ、拡大導波路の光軸に対して所定角度
で設けておけば、素子の設計性能に近い高い効率で反射
・透過等の所定の光処理を行なうことかできる。

［実　施　例コ 以下本発明を図面に示した実施例に基づき詳細に説明す
る。

第１図ないし第３図において、１０は使用波長光に対し
て透明なガラス、半導体等から成る平板状の）λ数であ
り、この基板１０に他部分よりも屈折率が大な導波路２
０が設けである。導波路２０はＹ形の分岐回路を成して
おり、各分岐路は基板２０の側縁に端部が臨む入出力路
２１と、この人出路に続いており断面が次第に拡大する
テーパ路２２と、このテーパ路２２に続く拡大路２３と
で構成され、上記拡大路２３の部分て分岐している。

Ｊ−、記の導波路２０は、各入出力路２１Ａ、２１Ｂ。

２ＩＣの部分で断面形かほぼ円形であり、その径は人出
絡端に接続される光ファイバのコア径とほぼ同一（例え
ば５０μｍ）になっている。また、入出力路２１、テー
パ路、拡大路２３の各部において断面内の屈折率が中心
で最大で周辺に向は次第に減少した後基板と同一になる
ような屈折率勾配をもっている。

上記分岐回路の分岐部にはバンドパスフィルター１２が
拡大路２３を横切るように、且つ面法線が分岐路２３Ａ
、２３Ｂの両軸線を２等分する如く傾斜させて、基板に
形成した溝中に嵌装固定して設けである。上記の分岐回
路で、光ファイバ１１Ｂで伝送される混光波長光はテー
パ路２２Ｂ１拡人路２３Ｂを伝搬した後フィルタ１２に
入射し、特定波長の光がフィルタ１２を透過し、拡大路
２３Ｃ，テーパ路２２Ｃ１出力路２１Ｃの各導波路を伝
搬した後光ファイバ１１Ｃに入射する。またフィルタ１
２で反射された残りの波長光は拡大路２３Ａ１テーパ路
２２Ａ１出力路２ＬＡを経て光ファイバ１１Ａに入射す
る。そして入力路２１Ｂから拡大路２３Ｂに至る過程で
第４図に示すように、当初入力路２１Ｂ内を進行する各
光線１３は種々の周期長をもっており、界面に対し種々
の反射角を成している。

なお、屈折率勾配をもつ導波路内を進行する光返して進
行するが、説明の便宜上図では直線で示している。

上記のようにして入力路２１Ｂ内を伝搬した各光線はテ
ーパ路２２Ｂに入ると、このテーパ路の界面が進行方向
に向けて導波路光軸がら次第に遠ざかるように傾斜して
いるので、テーパ路２２Ｂ中を進行するにつれて各光線
の導波路光軸に対して成す角度か次第に小さくなり拡大
路２３Ｂに入射した時点では各光線が導波路光軸に対し
ほぼ平行に揃った状態になる。そして上記のように伝搬
光の各成分光線がほぼ平行に揃った状態でフィルタ１２
に入射するので、このフィルタ１２の有スる分光特性か
伝搬光全体に対して正確に実現され、分岐回路全体とし
て高精度の波長分割性能を得ることができる。上記のよ
うにして、従来の光分割回路ではＮＡ＝０．２の場合最
大約８度の伝搬光線角度をもっていたものが本発明によ
り最大２〜３度の小さい角度まで抑えることができる。

ただしテーパ路２２の小径Ｗ３と大径Ｗ４との比及びテ
ーパ角０をあまり人きくすると、傾斜界面による進行光
線の角度平準化効果が減殺されるので、Ｗ４／Ｗ：］の
値を１．５ないし８の範囲内とし、テーパ角０を０．５
〜４度より好ましくは１〜２度の範囲内とするのが望ま
しい。

次に本発明の光回路を製作する好適な方法を第７図に基
づいて説明する。

まずガラス基板３０を準備し、この基板３−０の面にマ
スク膜３１を、例えば金属チタニウムを高周波スパッタ
リングで厚さ１μｍで付着させて形成する。次に通常の
フォトリソグラフィー技術を用いてマスク膜３１に所定
の導波回路パターンで開口部３２を設ける。この開口部
３２には、入出力路用開口３２Ａと、テーパ路用開口３
２Ｂおよび拡大路用開口３２Ｃが含まれる。ここで、テ
ーパ部間［：１３２　Ｂの最小幅Ｗｌ　と最大幅Ｗ２と
の比は、最終的に得られるテーパ導波路の最大径／最小
径比を＋］ｉｆ述の望ましい範囲内に納めろためにＷ２
／Ｗｌ　＝　ｌ　Ｏ〜４０の範囲内に設定することが望
ましい。

一例としてＷｌ　＝５μｍ　、Ｗ２　＝　１５０μｍで
テーパ角θ＝１°とする。次に上記の括板を約５５０°
Ｃに加熱し、マスク膜３１側を、基板ガラスの屈折率を
増加させるタリウム（Ｔ１）等の゛イオン３３を含む溶
融塩に接触させ、マスク側を陽極として基板両面間に数
ボルトの直流電圧を印加する。

上記の処理によりイオン３３がマスク開口３２を通して
基板内に拡散し、断面が略半円形の高屈折率領域３４が
形成される。

次に同一面側から、カリウム（Ｋ）イオン、ナトリウム
（Ｎａ）イオン等の屈折率減少に寄与するイオン３５を
含む溶融塩を接触させて前述と同様の方法で上記イオン
３５を拡散させると、幅方向（Ｘ方向）および深さ方向
（Ｘ方向）に第２図、第３図に示すような屈折率分布を
もった入出力路２１、テーパ路２２、拡大路２３を含む
導波路２０を形成することができる。

例えば上述数値例の場合、得られるテーパ路の最小幅ｗ
３＝ｅｏμｍ、最大幅Ｗ４＝３００μｍで両者比Ｗ４／
Ｗ３＝５であり、深さ方向でも入口、出１：１寸法比が
約３倍のテーパ構造になっている。

次に分岐部において拡大路２３を分断する溝をダイシン
グソー等で形成し、この溝中にフィルタ１２を挿入し接
着等で固定する。上記数値例の分岐回路の場合、入出力
路２１を伝搬する光線のＮＡは０．２で拡大路２３での
ＮＡは約０．０８であり、フィルタに入射する光線の最
大入射角は約３度である。

」−記分岐回路にλＩ＝１．２μｍ、λ２＝１．３μｍ
の混合光を入射させて特性を測定したところ挿入損失１
ｄＢ、クロストーク３５ｄＢと良好な結果が得られた。

第５図に本発明を光分岐・合流回路に適用した例を示す
。

本例では拡大導波路２３耶分を丁字形の直交分岐路とし
、各分岐路端にそれぞれテーパ導波路２２をを介して入
出力導波路２１を接続し、分岐部にハーフミラ−１４を
４５度の傾斜で配置した構造であり、ハーフミラ−１４
に入射する各光線は導波路光軸に対しほぼ平行に揃った
状態でミラー１４に入射するので、従来のようにミラー
反射することなく直接分岐路に入射してそのまま外部洩
出する光線成分は全（あるいはほとんど存在しな（なり
、分岐に伴なう伝搬光損失を非常に小さく抑えることか
で゛きる。

第６図に本発明を４波の分岐・合波器に適用した例を示
す。

上記以外に例えばフィルタ、ミラーの代りに透過率可変
フィルタを挿入することにより光滅哀器を＋１４成する
こともできる。

［発明の効果］ 本発明によれば、導波路の伝搬光を光分割フィルタ等の
機能素子に入射させる場合に、該素子に入射する伝搬光
の各光線成分の角度のバラツキが小さく、導波路光軸に
対し小さい角度範囲内に収まっているため、素子の光学
特性が光線入射角に大きく依存するものであっても上記
素子の設計性能に近い高精度の回路特性を得ることがで
きる。

また、機能素子が設けられる導波路部分の断面形状を導
波路に接続する光ファイバの断面形に合せる必要がなく
充分大きくすることができるので、機能素ｒを挿入する
ための加１ユも精度的に余裕ができるという利点もある
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す〜１７．面図、第２図
は同凹部平面図、第３図は第２図の横断面図、第４図は
本発明の導波路内での光線の伝搬状態を示す模式図、第
５図は本発明の他の実施例を°示す平面図、第６図は本
発明のさらに別の実施例を示す平面図、第７図（イ）〜
（ニ）は本発明回路の好適な製造方法を段階的に示す断
面図（イ、ハ。 二）及び平面図（ロ）、第８図及び第９図はそれぞれ従
来の分波合波回路及び分岐合流回路を示す平面図、第１
０図は従来の分岐回路での伝搬光の分岐状態を示す要部
平面図、第１１図は従来の分岐回路でのフィルタへの入
射状態を示す要部平面図である。 １０．３０・・・・・・基板　１１Ａ、ＩＩＢ、ＩＩＣ
・・・・・・光ファイバ　１２・・・・・・フィルタ１
３・・・・・・光線　１４・・・・・・ハーフミラ−２
０・・・・・・導波路　２１．２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ
・・・・・・入出力路　２２．２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ
・・・・・・テーパ路　２３．２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ
・・・・・・拡大路　３１・・・・・・マスク膜３２・
・・・・・開口　３３・・・・・・高屈折率イオン３４
・・・・・・高屈折率部　３５・・・・・・低屈折率イ
オン特許出願人　工業技術院長　等々力　達第１図 第３図 第４図 第６図 第７図 第８図 第９図 畢 （−〇）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）透光性基板内に、端部が該基板の側縁に臨む入力導
   波路と、前記入力路よりも断面の大な拡大導波路を設け
   るとともに、前記両導波路を、幅方向および深さ方向に
   漸進的に拡大するテーパ導波路で接続し、前記各導波路
   には断面内で中心から周辺に向けて次第に減少する屈折
   率勾配を形成し、前記拡大導波路部分で伝搬光を所定の
   機能素子に入射させるようにしたことを特徴とするテー
   パ付光導波回路。 ２）前記テーパ導波路の最小幅と最大幅の比が１．５な
   いし８倍である特許請求の範囲第１項記載のテーパ付光
   導波回路。 ３）前記拡大導波路が複数本に分岐している特許請求の
   範囲第１項記載のテーパ付光導波回路。 ４）前記機能素子が、拡大導波路の分岐部に介装した光
   分割素子である特許請求の範囲第３項記載のテーパ付光
   導波回路。 ５）透光性基板の表面をマスク材で被覆するとともに該
   マスク材に、基板側縁に至る幅狭の入出力路用開口と、
   前記開口よりも幅の大な拡大導波路用開口及び両開口間
   を接続する幅が次第に拡大するテーパ開口とを含む所定
   の回路パターンの開口部を設け、前記テーパ開口の最小
   幅と最大幅との比を１０ないし４０倍とし、次いでマス
   ク材の開口部を通して基板内に該基板材の屈折率を増大
   させる物質を拡散侵入させることを特徴とするテーパ付
   光導波回路の製造方法。