JPS6256904A - 反射形分岐光導波路 - 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】 発明の要約 第１の光導波路と、この第１の光導波路の終端部から分
岐した少なくとも２つの第２および第３の光導波路が基
板に形成されており、第１の光導波路の終端部付近に少
なくとも２つの高屈折率部分が設けられ、さらに第２お
よび第３の光導波路の分岐部の位置において基板に凹部
が形成され。

分にそって伝播してきた光をそれぞれ第２．第３の光導
波路に反射させるための少なくとも２つの反射面が形成
されていることを特徴とする反射形分岐光導波路。

［技術分野］ この発明は、光導波路技術、光集積回路技術において有
用な反射形分岐光導波路に関する。

［従来技術］ 基板上に形成される分岐光導波路としては。

−Ｌ　ｉＮ　ｂ　Ｏａ基板上にＴｉの熱拡散により作製
さ゛れたシングル・モードＹ分岐光導波１路が知られて
いる。このＹ分岐光導波路は１文字通り、平面からみて
７字形であり、光導波路の幅、深さは共に数μｍ程度で
ある。この光導波路と基板との間の屈折率差は１０−３
程度で１分岐角度は１６〜２゜である。

このような分岐光導波路においては、上記のように光導
波路部分と基板との間の屈折率差が小さいので分岐角度
を大きくとることはできない。光は直進する性質をもつ
ために１分岐角度を大きくすると分岐部における損失が
増大する。西原、春名、栖原共著「光集積回路」、昭和
６０年２月２５日−オーム社発行の第４３頁には、Ｔｉ
拡散Ｌ　ｉＮ　ｂ　Ｏａ分岐光導波路における分岐角と
分岐光出力との関係の計算結果の一例がグラフで示され
ている。これによると分岐角度が２．５”で放射損失は
３ｄＢにもなる。

７字形分岐光導波路ではこのように大きな分岐角度が得
られないから、その２つの分岐光導波路間の間隔を大き
くするためには、距離を長くとることが必要となる。７
字形分岐光導波路を多段に接続して数多くの分岐光を得
ようとする場合には、極めて長い距離が必要となり、デ
ィバイス長が長くなるという問題がある。

［発明の目的］ この発明は、低損失でかつ大きな分岐角度を得ることの
できる反射形分岐光導波路を提供する。

［発明の構成と効果］ この発明による反射形分岐光導波路は、第１の光導波路
と、この第１の光導波路の終端部−から分岐した少なく
とも２つの第２および第３の光導波路が基板に形成され
ており、第１の光導波路の終端部付近に少なくとも２つ
の高屈折率部分が設けられ、さらに第２および第３の光
導波路の分岐部の位置において基板に凹部が形成され、
この凹部には、第１の光導波路を上記高屈折率部分にそ
って伝播してきた光をそれぞれ第２．第３の光導波路に
反射させるための少なくとも２つの反射面が、形成され
ていることを特徴とする。

好ましくは、上記第１の光導波路の終端部の幅は分岐部
に向って漸次広くなるように形成され。

上記高屈折率部分は、第１の光導波路の幅の広がりに応
じてしだいに外方に向い、かつ高屈折率部分の幅も漸次
広がるように形成される。

第１の光導波路を伝播してきた光パワーの分布は２つの
高屈折率部分にそれぞれ集中し、光パワー分布に２つの
ピークが生じ、光パワーが２等分されたようになる。こ
のような２つの光パワー・ピークをもつ光のそれぞれの
光パワー・ピークの部分が凹部の反射面で反射して第２
および第３の光導波路に向う。導波光をあらかじめ２つ
の分布に分離しそれぞれの光の反射を利用して光を分岐
させているので、任意の分岐角度を得ることが可能であ
り、きわめて大きな分岐角度とすることもできる。光は
光導波路内に閉じこめられた状態で伝播方向を変えられ
るので、そして反射面の反射率を高くしておけば（たと
えば平坦にしたり鏡面を形成したりしておけば）２反射
損失は少なく、全体としても低損失となる。第２および
第３の光導波路へ分岐される光パワーの比率は、高屈折
率部分の配置および反射面の角度位置によって任意に設
定することができる。

このようにして、低損失でかつ大きな分岐角度をもつ分
岐光導波路が得られるので、この分岐光導波路を用いて
光ディバイスを作製した場合にはその先デ′イバイスの
寸法を小さくすることができる。とくに、この反射形分
岐光導波路を多段に接続して数多くの分岐光を得るよう
な場合に有効である。

光の反射は双方向性をもつから、第２．第３の光導波路
を分岐部に向って伝播してきた光は、凹部の反射面によ
って反射し、高屈折率部分を通って第１の光導波路を伝
播していく。したがって。

この発明による反射形分岐光導波路は、２つ以上の光を
合波するためにも使用可能である。

［実施例の説明］ 第１図において、基板９上に第１の光導波路１と二の光
導波路１の終端から分岐した第２．−第３の光導波路２
，３とが形成されている。第１の光゛導波路１はその終
端にいくにつれてしだいにその幅が広がっており、終端
では約２倍の幅になっている。光導波路１のこの幅の広
がった部分において、２つの高屈折率部分５ａ、　５ｂ
が形成されている。これらの高屈折率部分５ａ、５ｂは
、光導波路１の幅の広がりに対応してその幅がしだいに
広がりかつ光導波路１の側縁にそってゆるく曲っている
。高屈折率部分５ａ、５ｂの中心線は、光導波路１の中
心線とその側縁との中点をほぼ通るようにすることが好
ましい。光導波路２と３の分岐部において、基板９に凹
部（または穴、溝）４が形成され、凹部４は２つの反射
面４ａ、４ｂをもっている。

反射面４ａは、後述するように、光導波路１を伝播して
きた光の半分が一方の高屈折率部５ａに集中し、この高
屈折率部５ａにそって伝播する光が反射して光導波路２
に向うような角度に、同じように反射面４ｂは、光導波
路１を伝播してきた光の他の半分が他方の高屈折率部５
ｂに集中し、この高屈折率部５ｂにそって伝播する光が
反射面４ｂで反射して光導波路３に向うような角度にそ
れぞれ形成されている。この反射面４ａ、４ｂは基板９
の表面に対して垂直である。

この実施例では、光導波路２，３は光導波路１に対して
直角に配置されているが、もちろん、光導波路２，３の
分岐角度を任意に定めることができ、この分岐角度に応
じて光導波路１の側縁の広がり、高屈折率部５ａ、５ｂ
の形状、配置９反射面４ａ、４ｂの配置が定められる。

具体的には、光導波路１，２，３．高屈折率部５ａ、５
ｂ　、凹部４およびその反射面４ａ、４ｂは、−例とし
て次のようにして作製される。

基板９としてＬ　Ｌ　Ｎ　ｂ　Ｏ３を用い、この基板９
表面上にＴＬを３００４の厚さにスパッタし、リフトオ
フ法によって光導波路１，２．３と同パターンのＴｉパ
ターンを形成する。温度９７０℃、ウェット０２雰囲気
中で５時間、ＴＩを基板９中に熱拡散することにより光
導波路１，２．３がつくられる。これらの３次元光導波
路１．２．３の幅は約４μｍ、深さも約４μｍで、シン
グル・モード光導波路となる。光導波路１の終端部の幅
は４μｍから約８μｍに増加している。

高屈折率部分５ａ、５ｂはプロトン交換により形成する
。高屈折率部分５ａ、５ｂのみを窓開けしたＡ矛を基板
９表面上にリフトオフ法で厚さ約２０００２に形成する
。ＬｉＮｂＯ３基板９を安息香酸中に浸。

し、Ｈ＋を高屈折率部分５ａ、５ｂに拡散する。拡散温
度２３０℃、１時間で他の光導波路部分より屈折率が０
．１３高い部分５ａ、　５ｂがつくられる。

次に、凹部４を形成すべき部分以外の基板９全表面に、
厚さ２０００　　のＴｉマスクをスパッタ法により形成
する。そして、アルゴン・イオンのスパッタにより凹部
４およびこれとともに反射面４ａ、　４ｂを作製する。

凹部４の深さは光導波路１〜３の深さ以上とし、光導波
路の端面が反射面４ａ。

４ｂにおいて凹部４にのぞむようにする。このスパッタ
リングにおいて、ガス圧１０　’−’Ｔｏｒｒ、加速電
圧１　ｋＶとすると、１時間に深さ約２．５μｍのスパ
ッタ・レートで凹部を掘ることができる。掘る速度、す
なわちスパッタ・レートを上げるために酸素を導入して
もよい。

屈折率が異なる媒質の境界面におけるフレネル反射およ
び鏡面における鏡面反射はよく知られている。光導波路
１の屈折率は約２．２１凹部４における空気の屈折率は
１であるから１反射面４ａ、４ｂではフレネル反射が生
じる。反射面４ａ、４ｂにＡ、Ｑ等の金属膜を形成する
ことにより鏡面反射が生じる。

第１の光導波路１を伝播する光は、第２図にＡで示すよ
うに中央にピークを持つ光パワー分布をもっている。こ
の光が光導波路１の終端に向って伝播していくと、光パ
ワーは高屈折率部分５ａ、５ｂに集中していくので、Ｂ
で示すように光パワー分布に２つのピークが現われる。

そして、光導波路１の終端ではＣで示すようにそれぞれ
１つずつのピークをもつ２つの光波にほぼ分離し、この
ように分離された一方の半分の光が反射面４ａで反射し
て光導波路２に向い、他方の半分が反射面４ｂで反射し
て光導波路３に向って伝播していく。

このようにして、光導波路１の光は２つの＝光に分岐さ
れる。光導波路１の終端での光パワー分布−Ｃのそれぞ
れ半分の分布は光導波路２，３での固′有モードの光パ
ワー分布と似ているために、プロファイル（分布）の違
いによる損失が少ない。また光導波路１はゆっくりとそ
の幅が広がっているのでモード変換による損失も少ない
。

凹部４の反射面には金属膜を形成してもしなくてもよい
。金属膜としてはＡ１以外にＡｕなどを用いることもで
きる。基板材料、光導波路の作製方法および凹部や反射
面の作製方法は任意に選択できるのはいうまでもない。

第３図は、この発明による反射形分岐光導波路を光Ａ／
Ｄ変換装置に適用したものである。

光を利用した光Ａ／Ｄ変換装置は、比較的簡単な構成で
かつ高速のサンプリング（１〜２Ｇサンプル／秒）が期
待できることから、多くの人の注目を集めている。光Ａ
／Ｄ変換装置の代表例が。

上述の文献第３５８〜３６１頁に示されている。第３図
の装置はこれを改良したものである。

電気光学効果を有する基板１０．たとえばＹカッＦ　Ｌ
　ｉＮ　ｂ　Ｏａ結晶の表面に、この発明による３つの
反射形分岐光導波路１１〜１３と４つの分岐干渉型光変
調器（マツハツエンダ型光導波路−２１〜２４を含むも
の）とが設けられている。また、基板ｌＯの入力側端面
には光源としての半導体レーザ５０が設けられてる。

第１の反射形分岐光導波路１１の各構成要素、すなわち
第１〜３の光導波路および凹部には便宜的に第１図に示
すものと同一符号が付けられている。半導体レーザ５０
から出射した光は、第１の光導波路１に入射し、第２．
ｍ３の光導波路２，３にほぼ等しい強度で分岐される。

第２の光導波路２と第２の反射形分岐光導波路１２の第
１の光導波路とは直角に結合しており、この結合部に凹
部６が形成されている。この凹部６にも反射面が形成さ
れており、第２の光導波路２を伝播する光はこの反射面
で反射して第２の反射形分岐光導波路１２に向う。そし
て、第２の反射形分岐光導波路１２において、再び強度
のほぼ等しい２つの光に分岐されて、その分岐光導波路
（第２、第３の光導波路）に接続された２つの分岐干渉
型光変調器（マツハツエンダ型光導波路２１．２２をそ
れぞれ含む変調器）に入射する。

同じように、第３の光導波路３に進んだ光も凹部６の反
射面で反射して第３の反射形分岐光導波路１３に向い、
ここで強度のほぼ等しい２つの光に分岐し、２つの分岐
干渉型光変調器（マツハツエンダ型光導波路２３　、２
４）に伝播していく。

このようにして、３つの反射形分岐光導波路１１〜１３
を組合せることにより、１つの入射光が強度のほぼ等し
い４つの光に分岐される。反射形分岐光導波路では分岐
角が大きくとれるので、Ｙ分岐光導波路を用いた場合に
比べて、基板１０上の光を分岐させる部分の長さをきわ
めて短くすることができる。

分岐干渉型光変調器の１つはマツハツエンダ型光導波路
２１を含んでいる。このマツハツエンダ型光導波路２１
め入力側は分岐先導・波路１２の１つの出力側に連続的
に接続されている。またマツハツエンダ型光導波路２１
の出力側は基板ｌＯの端面にまでのびている。このマツ
ハツエンダ型光導波路２１の１つの光導波路を挟むよう
に１対の電極３１が設けられ、さらに別の場所に同じよ
うに位相調整用電極４１が設けられている。

他の分岐干渉型光変調器もまた全く同じ構成であり、マ
ツハツエンダ型光導波路２２〜２４．これらのマツハツ
エンダ型光導波路の１つの光導波路を挟むように設けら
れた電極３２〜３４および位相調整用電極４２〜４４か
らそれぞれ構成されている。

マツハツエンダ型光導波路２１〜２４のＹ分岐部分およ
びＹ合波部分にもこの発明による反射形分岐光導波路を
適用することができる。

基板ｌＯ上にはさらに光起電力素子３Ｂが設けられ、上
述の各１対の電極３１〜３４がこの光起電力素子３６の
両出力端に配線パターン３５により接続されている。光
起電力素子３６にはＡ／Ｄ変換されるべ　　　゛き光信
号が照射される。したがって、電極３１〜３４には光起
電力素子３６の出力すなわちこの光信号の強度に対応す
る電圧が印加される。１対の電極３１の光導波路２１を
挟んで重なり合っている部分−の長さをＬとすると、他
の電極３２，３３．３４の同部分の長さはそれぞれＬ／
２．Ｌ／４．Ｌ／８に設定されている。

基板ＩＯの出力側の端面には、マツハツエンダ型光導波
路２１〜２４の出力端から出射する光の強度をこれに対
応する値を表わす電気信号にそれぞれ変換するための光
電変換素子５１〜５４．たとえばフォトディテクタ・ア
レイが設けられている。これらの素子５１〜５４の出力
信号は増幅器６１〜６４にそれぞれ送られ、さらにコン
パレータ７１〜７４に導かれる。

マツハツエンダ型光導波路２１に人力した光はその２つ
の光導波路に分れて進み、その出力側で再び合波する。

一方の光導波路を伝播する光は２つの電極３１．４１に
印加された電圧に応じて位相が変化する。したがって、
マツハツエンダ型光導波路２１の出力側で合波された光
の強度は、一方の光の位相変化量δに応じて変化する。

一般に、印加電圧をＶ、電極間隔をｄとすると、光導波
路を幅方向に横切る方向に発生する電界の強さはＶ／ｄ
で与えられる。電極の長さがβ、電界方向がＺ方向であ
るならば、ＬｉＮｂ０　　結晶−の場合には。

光の位相変化量δはδ−ｎ　　争γ３３・−■−β／２
ｄで与えられる。ここでｎ　は基板の異常屈折率、γ３
３は電気光学定数である。

マツハツエンダ型光導波路２１において、電極３１間に
電圧Ｖが印加されると、電圧が印加された光導波路を伝
播する光に位相変化が現われ、それはｎｅ　・γ３３・
■・Ｌ／２　ｄで与えられる。位相調整用電極４１には
適当なバイアス電圧が加えられ、ｖ−０での光の位相が
適切になるように構成されている。光導波路２１の出力
光は光電変−換素子５１で電気信号に変換され、増幅器
８１で増幅されたのち、コンパレータ７１で適当なスレ
シホールドΦレベルで弁別することにより２値化される
。

マツハツエンダ型光導波路２２の一方の光導波路両側に
設けられた電極３２の長さはＬ／２であり。

電極３１の長さの１／２であるから、この光導波路の光
の位相変化量はｎｅ３・γ３３・Ｖ−Ｌ／４ｄとなる。

したがって、マツハツエンダ型光導波路２２の出力光か
ら得られる２値化信号の周期はマツハツエンダ型光導波
路２１の出力光のそれの２倍となる。この場合にももち
ろん１位相調整用電極４２間に適当なバイアスが加えら
れている。

同様にしてマツハツエンダ型光導波路２３の一方の光導
波路を挟む電極３３の長さはＬ／２２であり、もう１つ
のマツハツエンダ型光導波路２４の電極３４の長さはＬ
／２３であるから、これらの光導波路２３．２４の出力
光から生成される２値化信号の周期は、光導波路２１の
出力光から生成される２値化信号の周期の２．２３倍と
なる。

これらの２値化信号（１または０）を光導波路２１の出
力光の半周期ごとに印加電圧の大きさに対して示すと次
表のようになる。

（以下余白） 光起電力素子３Ｂに入射する光の強度の表わすアナログ
信号がこの表のようなグレーコードのディジタル値に変
換され、かつこのディジタル値はアナログ光信号を一義
的に表わしていることが理解されよう。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示す斜視図、第２図は光分
岐の動作を示す図、第３図はこの発明による反射形分岐
光導波路を光Ａ／Ｄ変換装置に適用した例を示す斜視図
である。 １・・・第１の光導波路。 ２・・・第２の光導波路。 ３・・・第３の光導波路。 ４・・・凹部、　　　　　　　　　４ａ、４ｂ・・・反
射面。 ５ａ、５ｂ・・・高屈折率部分、　　９・・・基板。 １１．１２．１３・・・反射形分岐光導波路。 以　　　−ト 第１図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１の光導波路と、この第１の光導波路の終端部
   から分岐した少なくとも２つの第２および第３の光導波
   路が基板に形成されており、第１の光導波路の終端部付
   近に少なくとも２つの高屈折率部分が設けられ、さらに
   第２および第３の光導波路の分岐部の位置において基板
   に凹部が形成され、この凹部には、第１の光導波路を上
   記高屈折率部分にそって伝播してきた光をそれぞれ第２
   、第３の光導波路に反射させるための少なくとも２つの
   反射面が形成されていることを特徴とする反射形分岐光
   導波路。
2. （２）上記第１の光導波路の終端部の幅が分岐部に向っ
   て漸次広くなるように形成されている、特許請求の範囲
   第（１）項に記載の反射形分岐光導波路。
3. （３）上記高屈折率部分が、第１の光導波路の幅の広が
   りに応じてしだいに外方に向っており、かつ高屈折率部
   分の幅も漸次広がっている特許請求の範囲第（２）項に
   記載の反射形分岐光導波路。