JPS62502782A - 低損失光導波路を有するデバイス - 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】 低損失光導波路を有するデバイス 技術分野 本発明は一般には光導波路分野π関連し、詳しくは屈折率が変化する低損失光導 波路を用いるデバイスに関連光導波路は典型的には低屈折率領域に囲まれた高屈 折率領域を有する。これら２つの領域の境界で光放射は高屈折率領域に反射され て戻るので高−低屈折率構成は必要な光導波効果をもたらす。

光導波路は現在のところ工学面でいろいろに応用されており、将来は疑いもなく より広く用いられるであろう。

例えば、光導波路は２つの光デバイス間で光を導くのに共通して用いられている 。光導波路は光源と光検出器の間で光を導く光ファイバであり得る。光ファイバ は典型的には低屈折率クラッドで囲まれた高屈折率円柱状コアを含む。導波路は 半導体レーザの他に、Ｌｉ　ＮｂＯ３を用いる電気−光学デバイスを含む種々の デバイスにも用いられる。

多くの応用例知おいて、導波路は曲げるがまたは進行方向π沿って寸法を変える 、即ち先細にする必要がある。

このような特性は例えば寸法が異なるデバイスを接続したり、あるいは１方の導 波路から他方の導波路へ光信号を切換えるためて必要となることが多い。しかし 、このような特性を持つ低損失導波路を実際に作るのは容易ではない。例えば曲 線状導波路はもし半径または曲率半径を非常に大きくする場合を除き放射損失が 極めて大きくなる。現在用いられている光導波路はＬｉＮｂＯ３にＴｉを拡散さ せて形成され、著しく大きい放射損失を避けるために、はんの少ししか曲げられ ない。波長約１．３　ｐｍ　において典型的な曲率半径は約２ｃｍである。その ように比較的大きい曲率半径はいくつかの理由により不適当である。

例えばそのような導波路を用いる光回路は長くかつ細くなる傾向にあり、比較的 薄い片のみが有効如何われるので結晶表面が充分には用いられなくなる。加えて 、例えば光帰還を必要とし、そのような大きな曲率半径を必要とするので現在で は実施できないリングフィルタ及びリングレーザなどのデバイスもある。

従来型の凹形誘電体導波路は放射のために損失が大きいということを示すには簡 単な物理的議論を用いることができる。導波路が曲板であって厚さと曲率は一定 、白板の内側の屈折率は均一であり、やはり均一な曲板外側の屈折率より大きい と仮定してみよう。導波路中の放射の位相面は同一速度で移動しなければならな い。即ち、位相面は回転面でなければならない。位相面の速度は半径０の点では ０であり半径が大きくなると無限の値に近づくことは容易に理解されるでろろう 。しかし、エネルギーの速度は光の速度を超えることはできないから導波路から の放射が必ず発生する。従って、この画形導波路は損失が大きい。

損失をもたらす他の種類の問題は導波路が物理的寸法の異なるデバイスを接続す るの罠用いられる場合に生じることが多い。この問題は例えば半導体レーザと光 ファイバとを接続するためまたは１つの光ファイバと物理的寸法が著しく異なる 別の光ファイバとを接続するために導波路が用いられる場合に生じる。導波路は 典型的には先細であり、即ち、横方向の寸法が変化し、デバイス−導波路境界知 おいて導波路の寸法とデバイスの寸法が一致するよってする。

このような導波路は損失が大きいという事実は下記の物理的議論から容易に理解 されるであろう。導波路が直線的に細くなって行く板であり、その外側の屈折率 は均一であり、内側の屈折率は均一かつ外側より高いと仮定してみよう。電磁放 射が広い側から狭い側へ伝播する場合、少くとも１つのモードがもはや導波され ず放射してしまうほどに細い点に最終的には到達する。

損失を最小限に抑えるように選択されたパラメータを有する導波路を設計するた めにいろいろな試みがなされて来た。例えば、「アプライド　オプティクス」第 １３１６巻７１１．−７１６ページ、１９７７年３月刊、同第１７巻７６３−７ ６８ページ、１９７８年３月刊、ｒ　ＩＥＥＥ　量子エレクトロニクス誌」第Ｑ Ｅ−１１巻７５−８３ページ、１９７５年２月刊（ＩＥＥＥ　Ｊｏｕｒｎａｌ　 ｏｆ］、９７５　）　及び同第ＱＥ−１８巻１８０２−１８０６ページ、１９８ ２年１０月刊を参照のこと。

発明の概要 本発明者らは、光導波路の曲部または先細部ておける損失は光路長を本質的に四 −にするために屈折率を変化させることにより減少させ最小化させることができ るというととを発見した。そのような本質的同一化は導波路屈折率沿う光路長に 関連するものと理解され、さら（Ｃ光軸に沿う光路長とその他の重要な光路１（ 沿う光路長との差を減少させ最小化させるための同一化量に関連するものと理解 される。（その他の重要な光路というのは伝送パワーの７５％を担送し、ならび に好ましくは導波路の極めて近傍に在る光路と定義すると便利である。）光路長 は屈折率を幾何的路長の関数とし７て積分したものとして定義することができる 。光路長の比較は位相面上の点で始まる経路の長さを含むものと理解される。

導波路は面形のまたは断面積が変化する部分を少くども１つ含み、屈折率は導波 路内部で変化し、さらに光伝播の方向に局所的に影響を与えるため導波路の近傍 で変化することが望ましい。】実施例において導波路は面形であり、曲率中心か らの距離が増加するにつれ屈折率は減少する。直線状導波路部における損失と比 較できる損失にする場合、曲率半径は約１＋＋ａ程度でらる。特定の実施例にお いては屈折率変化をもたらす複数の誘電体プリズムが用いられ、これらたより曲 線に沿ってビームが導かれる。別の実施例においては導波路は先細形であり、波 面を整形し所望の横方白場構成を維持するだめの誘電体収斂レンズまたは発散レ ンズを含む。発散レンズは頂点同士が接触した２つのプリズムで形成されるもの と解釈することができ、収斂レンズは底辺同士が接触した２つのプリズムで形成 されるものと解釈することができる。

図面の簡単な説明 第１図は本発明による自形導波路の概略図、第２図は本発明による先細形導波路 の概略図、第３図は本発明による自形導波路の詳細図、第４図は本発明による自 形導波路の別の例の概略図、第５図は本発明による先細形導波路の詳細図、第６ 図は本発明による折曲げ導波路の概略図である。

説明を簡単にするため各要素は非等尺で描いである。

詳細な記述 本発明による自形導波路及び先細形導波路をはじめ知一般的π記述し、次に特定 の設計検刺事項を記述する。

第１図は本発明による自形導波路である。図示されている要素は基板し、第１導 波路３、第２導波路５、第１導波路３の第１電極７、及び第２導波路５の第２電 極９である。図示していないが、導波路端部（（光デバイスを接続することがで きる。電極に適切な電圧を付加すると一方の導波路から他方へ光信号が転送され る。これらは当業者には周知であり、さらに詳しく述べる必要はない。

図から明らかなように、導波路３は導波路間でエネルギー転送が起きるように導 波路５に接近するように曲がっており、次に導波路５から遠ざかっている。導波 路３は１０１．１０３．１０５及び１０γで示される曲率半径Ｒの４個の曲部ま たは曲線部を有する。部分１０１と１０３、部分１０５と１０７の結合長はＬで ある。

導波路３の屈折率は各曲部において変動する。これらの変動は複数の曲部の曲率 半径が小さくなる一方、導波路がほとんど損失なしでモードを導波できるように 選択される。屈折率変動は曲率中心からの距離が増加するにつれて導波路屈折率 が減少するように設定する。

第２図は本発明による先細形導波路を示す。図示されているのは基板２１、第１ 光デバイス２３、先細形誘電体導波路２５及び第２光デバイス２７である。第１ 及び第２デバイスは横方向寸法が異なっている。即ち光エネルギーは横方向寸法 の異なる領域に閉じこめられる。このように先細形誘電体導波路は例えばレーザ のような光源と光ファイバであるような第１及び第２光デバイスを接続する。先 細形は収斂部を形成する第１多角形部分２０１及び２０３、発散部を形成する第 ２多角形部分２０５及び２０７により形成される。先細形導波路はレーザの活性 領域が光ファイバのコア領域よりも典型的には小さいこと、先細形によりこの２ つのデバイス間の光結合の効率がより高くなることを理由として好んで用いられ る。

先細形誘電体導波路の屈折率は変動しており、この変動が導波路の横方向寸法が 変化する時に導波路内のモード形状に影響を与える。こうして、はとんど放射損 失を生じないでモードを導くことができる。

第３図は本発明による面形導波路部（例えば第１図の１０１及び１０３）の一部 分を示す。この図は１つの実施例において所望の屈折率変動をいかにして得るか を説明するのに有用である。説明を簡潔にするために基板は示していない。図示 されているのは導波路３１と複数の誘電体プリズム３３である。導波路の幅はＷ ｌ、各プリズムの高さはＷ２である。導波路は曲率中心から距離ｒ。

の位置にある。半径方向は矢印ｒで示しである。プリズムは曲率中心からの距離 が増加するにつれて幅が減少するようにして配置しである。導波路の屈折率は凹 面境界からの距離が増加するにつれ平均して減少する。

ビームを完全に進めるには以下の式を満足しなければならない。

Ｒｄ　＝　Ｗ　２ｎ／Δｎ ここでＲｄ　は光ｄを有するプリズムの場合の最適半径、ｎは導波路の屈折率、 Δｎ　はプリズムによる屈折率の増加量である。

曲げによる放射損失はくさび形により減少するのでこの式を正確に満たす必要は ない。しかし、少くとも概略的Ｋｔ４たすべきである。Ｒｄ　よりもはるか（で 大きい曲率半径の場合はモード不整合によりプリズムは有害である。

Ｒ，ｌ：ｐもはるかて小さい曲率半径の場合はプリズムは効率が落ち、放射によ る損失がいくらか生じる。

導波路はＴｉ　を拡散したＬｉＮｂＯ３を用いて製造される。

原理的には、ＬｉＮｂＯ３基板上に堆積され次に拡散されるＴｉ　膜の厚さは正 確に制御でき所望の屈折率変動は単一の拡散工程により得られる。しかし、これ を実際に行なうのは容易ではない。現時点では実際ては、均一な厚さのＴｉ　層 を冠状のマスクを介して層積するのがより容易である。この層は次に下のＬ　ｉ 　Ｎ　ｂ　Ｏｓ　基板中に拡散される。

その後、第２のＴｉ　層が堆積、拡散されて導波路が形成される。チタニウムと リチウムニオブ酸塩に対しては拡散は特に都合が良いと考えられているが、他の 技術例えばイオン交換やイオン注入を用いることもできる。実際様々の環境で好 適に用いられている。

導波路内の光はｙ軸に平行な冠のノツチからノツチへと移動する。ノツチ間の分 離は導かれるビームの規準長に比べて短かい。電磁波は平均屈折路は検知し全て の現実的目的のために非連続性を無視する。

第３図の実施例はプリズムは第１の拡散により形成され、導波路は第２の拡散に より形成されるという二重拡散工程を用いて製造されるけれども、単一の拡散工 程しか用いない実施例も可能である。実施例の１つは第４図て示されるが、これ は複数のプリズム４１と複数の導波路片４３を含む。この実施例では曲部の回り のビームの導波はプリズム間の導波路部分によケもたらされる。

第５図は先細形誘電体導波路５を示す。導波路の幅は２ａから２ｂに増加する。

発散レンズ５３と収斂レンズ５５が距離りだけ離して配置されている。これらの レンズは崩壊消失場（ｄｅｃａｙｉｎｇ　ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ　ｆｔｅｌｄ　 ）の２丘とんどを含むように導波路と重ならなければならない。

Ｔ１は発散レンズ５３の中心の厚さであり、ＴＩ　＋ｔは導波路端部におけるこ のレンズの厚さである。Ｔｏは導波路端部における収斂レンズ５５の厚さ、Ｔｏ 　＋ｈは同レンズ中心の厚さである。（典型的には屈折率変更構成の組合せ幅は 導波路幅の１１ないし４倍の範囲であり、好ましくは１．５ないし３倍でちる。

）ｔとｈの値を適切に選択すると確実に光を最大限に閉じこめることができる。

当業者にあっては ｔ　＝　ｎ（ｂ−ａ）ａ／（２ΔｎＬ）でらり、かつｈ　＝　ｎ（ｂ−ａ）ｂ／ （２ΔｎＬ）である時に最適閉じこめが得られることを理解できるであろう。図 示した単一のレンズの代りに複数の収斂レンズと複数の発散レンズを用いること もできる。

前述の画形導波路は方向が徐々に変化するものとして記述したが、導波路曲部の 方向変化が急峻な場合も考えられる。そのよう々型の実施例の１つを第６図に示 す。

ここでは導波路７３中の放射を角度θだけ偏光させる導波が得られることを理解 されるであろう。

所望の屈折率変動、プリズム形状及びプリズム位置変動は以下の説明によりさら に容易に理解されると考えられる。所望の小曲率半径を得るためにはＷ２は小さ く、Δｎ　は大きくなければならない。多少の補償屈折率は製造技術で用いるこ とのできる材料により制限される。Ｗ２の選択は導波路中心に対する冠状ノツチ の位置と同様に設計上の変更事項である。表面上、プリズム底面と導波路端部と の距離は可能な限り小さくすべきであると忠われる。しかし、より注意深く検討 すると、それは特に良い選択ではないことがわかる。屈折率分布の対象性により 、導波されるモードの陽形状は直線状部分のそれとは異なる。その結果、図示し たＳ字型導波路のような異なる画形との接合部分における変換損失が過大になり 得る。

接合におけるモード変換損失と画形による放射損失とが同一になる時に生じる、 全分散の最小化が存在する。あるいは、異なる画形を有する導波路部分の接合点 において、一方の部分を他方に対して適切に側方配置することにより、その接合 で損失を最小化することができる。

冠の歯の先端を切ればさらに損失を抑えることができる。損失は小さいが、高次 のモードが発生するかも知れないので問題がある。

本発明の適用分野にはさらにリングレーザ、チャネノし降下フィルタ、周波数同 調、光帰還回路、ピノシボックス共鳴器及び通信における円状共鳴空洞、例えば 接線導波路を備えた空洞が含まれる。さらに本発明は半導体分野にも適用できる 。

国際３１１食報告 １ｍｓｍａｉ。−＾＃Ｉｌｋ□、。　ＰＣＴ／ＵＳ　８６１００８６２ＡＮＮＥ Ｘ　Ｔｏ　ＥＨＥ　ＩＮＴ乙廿ＩＡＴｒＯＮＡＬ　５ＥＡｌ’ｔＣＨＲＥＰＯＲ Ｔ　０ＮＦｏｒ　ｍｏｒｅ　ｄａｔａｉｌｓ　ａｂＯｕｔ　ｔｈｉｇ　ａｎｎｅ ｘ　！

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. １．光導波路を含むデバイスにおいて、該光導波路の屈折率の断面形状は第１の 屈折率形状と第２の屈折率形状の合計として表わすことがてき、該第１屈折率形 状は少くとも曲部または先細部が存在しない場合に、電磁波の導波をもたらすよ うなものであり、 該第２屈折率形状は曲部の周りの光路長または先細部を介しての光路長を本質的 に同一にするようなものてあり、 もって該曲部または該先細部における放射損失が最小化されることを特徴とする 光導波路を含むデバイス。
2. ２．請求の範囲第１項記載のデバイスにおいて、該第２面折率形状は該導波路に 沿う経路長の関数として変化することを特徴とする光導波路を含むデバイス。
3. ３．請求の範囲第１項記載のデバイスにおいて、該第２屈折率形状は屈折率の高 い少くとも１つのプリズム形状の形成物に起因して得られることを特徴とする光 導波路を含むデバイス。
4. ４．請求の範囲第３項記載のデバイスにおいて、該第２屈折率形状は屈折率の高 い複数のプリズム形状の形成物に起因して得られることを特徴とする光導波路を 含むデバイス。
5. ５．請求の範囲第４項記載のデバイスにおいて、該複数のプリズム形状形成物は 冠状であることを特徴とする光導波路を含むデバイス。
6. ６．請求の範囲第１項記載のデバイスにおいて、該第２佃折率形状は該経路を横 切る少くとも１つの方向において、該導波路をかなり超える領域において０でな いことを特徴とする光導波路を含むデバイス。
7. ７．請求の範囲第６項記載のデバイスにおいて、該領域の幅は該導波路の幅の１ ．１ないし４倍の範囲であることを特徴とする光導波路を含むデバイス。
8. ８．請求の範囲第７項記載のデバイスにおいて、該領域の幅は該導波路の幅の１ ．５ないし３倍の範囲であることを特徴とする光導波路を含むデバイス。
9. ９．請求の範囲第１項記載のデバイスにおいて、該第２屈折率形状は屈折率の高 い少くとも１つのレンズ形状の形成物に起因して得られることを特徴とする光導 波路を含むデバイス。
10. １０．請求の範囲第９項記載のデバイスにおいて、該レンズ形状形成物は発散効 果を有することを特徴とする光導波路を含むデバイス。
11. １１．請求の範囲第９項記載のデバイスにおいて、該レンズ形状生成物は収斂効 果を有することを特徴とする光導波路を含むデバイス。
12. １２．請求の範囲第１項ないし第１１項のいずれか１項記載のデバイスの製作方 法において、 光学的に透明な材料でできた体部の中に屈折率の高い領域を生成すること、 該高屈折率領域は第１の屈折率形状と第２の屈折率形状の合計として表わすこと のできる屈折率断面形状を有すること、 該第１屈折率形状は少くとも曲部または先細部が存在しない場合に、電磁波の導 波をもたらすようなものであること、 該第２屈折率形状は曲部の周りの光路長または先細部を介しての光路長を本質的 に同一にするように選択されていること、 もって該曲部または該先細部における放射損失が最小化されることを特徴とする 光デバイスの製造方法。
13. １３．請求の範囲第１２項記載の方法において、該領域は拡散によって生成され ることを特徴とする光デバイスの製造方法。
14. １４．請求の範囲第１２項記載の方法において、該領域はイオン注入によって生 成されることを特徴とする光デバイスの製造方法。
15. １５．請求の範囲第１２項記載の方法において、該領域はイオン交換によって生 成されるさとを特徴とする光デバイスの製造方法。