JPS63191106A - 光分岐回路 - 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〕 本発明は光素子に係り、特に小型で低損失かつ集積化に
適した充分岐回路に関する。

〔従来の技術〕

従来、導波路型の充分岐回路としては、西原。

春名、楢原、″光集積回路”、ｐｐ２６４〜ｐｐ２６９
：オーム社（１９８５）に述べられている様に分岐導波
路型及び結合導波路型がある。しかし、最近になって、
これらとは全く異なる動作原理による分岐回路としてス
ロット型が、末田他、゛′スロットを用いたＬ　ｉ　Ｎ
　ｂ　Ｏｓ単一モード導波路ビームスプリッタ″、昭和
５９年度信学会総合全国大会、　１０６３において紹介
された。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術の中で、分岐導波路型及び結合導波路型は
比較的低損失であるが、素子長が大きく（〜数ｍ）、単
一モード系の導波路にしか適用出来ないという問題点を
もっている。

これに対し、スロット型は基本的に小型であり。

また多モード系の導波路に対しても適用可能であるが、
溝部分が外気にさらされる構造となっているため環境変
化の影響を受けやすく、また溝部での外気との境界面に
おける光の散乱、放射が大きいので低損失化することが
難しい。また、分岐比が溝の深さ、幅等をパラメータと
する複雑な関数となっているために、その値を正確に制
御することが因業である点も問題の一つである。さらに
、温度変化によって溝部の溝幅がサブミクロンオーダで
変化するので、分岐比が変動するという問題点もある１
本発明の目的は、小型であり、任意の導波路に対して適
用可能であると共に、低損失かつ分岐比の制御が容易な
充分岐回路を構成することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、光導波路部の交鎖部分に光導波路とは異な
る屈折率から成る埋め込み型光反射層を設けることによ
り達成される。特に、低損失化を達成するためには、埋
め込み型反射層の底部を上部よりも微かに屈折率の低い
材料で構成した構造が有効である。

〔作用〕

入力導波路から入射した光は、埋め込み層での多重反射
により、その一部が進行方向を変えられ分岐する。この
機構は、基本的にはスロット型と同様であり、従ってス
ロット型と同程度の小型化を達成する事が出来る。また
、埋め込み層での多重反射量は、導波路内のモード分布
にほとんど依存しないため、本発明の構造は単一モード
から多モードまで任意の導波路に対して適用することが
可能である。

先に述べた様に、スロット型での損失は溝部での散乱及
び放射によるものであるが、本発明の構造では、溝部分
に材料を埋め込むことによって導波構造を形成すること
が出来るので、これらの損失の大幅な低減が可能となる
。特に、埋め込み層の底部に、上部よりは屈折率が小さ
い材料を埋め込んだ場合には、光導波路部と溝部の導波
構造との間で、はぼ完全な整合をとることが可能となり
、損失はより一層低減される。

本発明の構造の場合、分岐比は埋め込み層の屈折率とい
う比較的製造技術に依存しない量によって基本的に決定
される。加工精度依存性が大きい溝の幅及び深さが分岐
比に与える影響度はスロット型に比べて小さく、従って
分岐比の制御もスロット型に比べて容易である。

〔実施例〕

第１図に本発明の充分岐回路の一つの実施例を示す。（
ａ）は上面図、（ｂ）はＡ−Ａ’間の断面図である。図
中の８は基板であり、その材質は任意である。導波路１
〜４は基板８上に、導波路１〜４よりも微かに低い屈接
率を有するバッファ層７を介して積層されている。６で
示したのが埋め込み部であり、厚みｄの平板上の構造を
持ち、その屈折率はｎ２である。導波路１を伝搬してき
た入力光９は、埋め込み部６で一部が反射され、導波路
２の出力光１０となり、反射を受けなかった光は導波路
３の出力光１１となる。この場合、導波路４に漏れ込む
光は無視出来る程小さい。また、逆に導波路４を入力端
とした場合には、反射光が導波路３へ、透過光が導波路
２にそれぞれ分離され、導波路１には光は出射しない６
従って、第１図の充分岐回路の動作を散乱行列を用いて
示せば以下の様になる。

但し、上式でＰｉ（ｉ＝１〜４）は導波路ｉでの光の振
幅を表し、Ｒ及びＴは埋め込み層での振幅反射係数及び
振幅透過係数を表している。埋め込み部での反射係数Ｒ
及び透過係数Ｔは、境界面の荒れ等による散乱損失が小
さな場合には近似的に以下の式で表される。

（１ｒ）　２＋４　ｒｓｉｎ”　（δ／２）４　π λＯ 上式から解るように、反射係数は埋め込み部の屈返率ｎ
２．厚みｄ及び埋め込み部への入射角度α１の関数にな
っている。第２図は、これらのパラメータのうち、埋め
込み部の屈折率及び厚みが反射係数に与える影響をグラ
フ化して示したものである。これを見ると、例えば埋め
込み部をＴｉ０ｚ　（ｎ＝２．６）、導波路を５ｉＯｚ
（ｎ＝１．４６）に固定した場合でも、厚みｄを変えれ
ば、その反射係数は０〜４７％まで任意に変えることが
可能であることが解る。これは分岐比で考えると１：ψ
〜１：１．１までの任意の値が設定可能であることを示
している。また、埋め込む材質と導波路の材質との間に
屈折率差を大きくとることが鑑しい場合でも、第３図の
実施例の様に埋め込み層を多層構成することで、反射係
数を任意に高めることが可能である。また、本発明の充
分岐回路の動作は基本的に導波路のモード状態の影響を
受けないので、入出力導波路には単一モード導波路から
多モード導波路まで任意の導波路を使用することが可能
である。

第４図は、本発明の充分岐回路の別の実施例を示したも
のである。この実施例の特徴は、導波路の交鎖角θは直
角ではなく、埋め込み層への光の入射角がｔａｎ−’　
　（ｎ　ｘ／　ｎ　１）となるようにθ＝２ｔａｎ−’
　　（ｎ　ｘ／　ｎ　ｚ）と選ばれている点である。従
来から知られている様にｔａｎ−’　　（ｎ　ｘ／　ｎ
　ｔ）はブリュースタ角と呼ばれる角度であり、この角
度で入射−したＴＭ偏光は境界面で全く反射を受けない
。

従って第４図の実施例の分岐は偏光分離機能を持つこと
になる。第４図の実施例で、埋め込み部が多層構造にな
っているのはＴＥ波に対する反射率を上げて偏光分離能
を大きくするためである。第３図の実施例の場合と同じ
く反射係数は層数を大きくすることで任意に１に近付け
ることが出来るので、ＴＥ波とＴＭ波の分離能は任意に
高くすることが可能である。

第５図は、本発明の充分岐回路の一製造法を示したもの
である。先ず、（ａ）に示すように基板８の上にスパッ
タもしくはＣＶＤ等の手法によりバッファ層７を積層す
る。次に導波路層１２を積層し、これにフォトエツチン
グ等の方法で溝を形成する（ｂ）。この溝をスパッタも
しくはＣＶＤ等の手法で埋め込んだ後、不用な部分に積
層した埋め込み材をエツチングで除去し、埋め込み層６
を形成する（Ｃ）、ついで、フォトエツチング等の手法
で導波路パターンを切り出しくｄ）、これをクラッド層
５で埋め込む（ｅ）。このように、本発明の充分岐回路
の製造は、スパッタ、ＣＶＤ等による層形成（埋め込み
）と、フォトエツチング等によるパターン切り出しとい
う、通常の半導体プロセスの繰り返しで製造することが
出来るので生産性等の点で非常に有利である。

第６図は、本発明の充分岐回路の別の実施例及びその製
造法を示したものである。この実施例の特徴は、埋め込
み層６に相当する部分を先に形成してしまい、導波路の
部分を後から形成することにある。これによって、幅の
狭い部分を埋め込むという難しいプロセスが無くなるた
め、製造が容易になるという利点がある。

第７図は１本発明の充分岐回路の別の実施例を示したも
のである。この実施例の特徴はカバ一層１５により光の
伝搬路が直接に外気と接触しない様にした点と、埋め込
み部の底に低屈折率埋め込み部１４を埋けたことにある
。ここで、カバ一層１５の屈折率ｎ４は光導波路部１の
屈折率ｎｌ及び埋め込み層６の屈折率ｎ２のいずれより
も小さい事が望ましく、また低屈折率埋め込み部１４の
屈折率ｎ８は、埋め込み部の屈折率ｎ２よりも微かに小
さい事が望ましい。これらの条件を満たした場合、埋め
込み部及び低屈折率埋め込み部からなる光反射部は光の
導波構造を形成することになるので、基板側又は外気側
に漏れ出す光の量を非常に小さくすることが可能となる
。

第８図は１本発明の充分岐回路をマトリックス状に並べ
た集積型の分岐回路の一つの実施例である。１−１〜１
−４の４本の入力導波路から入った光９−１〜９−４は
、埋め込み部６−１〜６−４によって、１０−１〜１０
−４及び１１−１〜１１−４の光にそれぞれ分岐されて
出力される。

実施例には１６で示した導波路の交さ部分が多数存在し
ているが、そこ゛を通る光（例えば交さ導波路１６にお
ける入力光９−４と出力光１Ｏ−１）は、光が高い直進
性を有するため、通常は全く独立と考えて良い。従って
、交さ部分が特性に与える影響はほとんど無視出来る。

図８には入力導波路１−１〜１−４のみを使った場合だ
けを示したが、４−１〜４−４の導波路を入力導波路と
して使用する事も当然可能である。また、１−１〜１−
４及び４−１〜４−４の両方の入力導波路を同時に使用
すれば、出力導波路３−１〜３−４及び４−１〜４−４
には、両入力光を混合した光が出力される。なお、本発
明の充分岐回路は寸法が非常に小さいので、数十個程度
の分岐回路を集積化した場合でも、その素子寸法は通常
の半導体素子と同程度（数ｍ角）に十分に収まる。この
ため、製造法には第５図及び第６図で述べた様なプロセ
スを、そのまま使用する事が出来る。

第９図は、分岐回路を多段接続した集積回路の実施例で
ある。この実施例は７個の分岐回路を接続することによ
り、８分岐を実現した例である。

各出力導波路への分岐比は、それぞれの分岐部での分岐
比の調整により任意に設定することが可能であり、設計
の自由度は非常に高い。分岐数の上限は素子の集積度で
決まるが、先に述べた様に一個の素子上に数十個の分岐
回路を集積することは容易であるので、分岐数も数十ま
では容易に上げることが可能である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、小型かつ低損失系充分岐回路を構成す
ることが可能である。分岐比の制御も従来型の分岐回路
に比べて容易かつ安定に行える様になった。また、製造
方法に通常の半導体技術をそのまま適用することが出来
るので容易に集積化を行えるという効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の上面図及び断面図、第２図
は第１図の実施例の基本特性を示す図、第３図及び第４
図は本発明の他の実施例を示す図、第５及び第６図は本
発明の充分岐回路の製造法を示す図、第７図は本発明の
他の実施例の図、第８及び第９図は本発明の充分岐回路
を集積化することにより構成したマトリックス型分岐回
路及び１：８分岐回路をそれぞれ示す図である。 １〜４・・・入出力導波路、５・・・クラッド部、６・
・・埋め込み部、７・・・バッファ層、８・・・基板、
９〜１１・・・入出力布を示す矢印、１２・・・導波路
層、１３・・・埋め込み層、１４・・・低屈折率埋め込
み部、１５・・・カバ一層、１６・・・交さ導波路。 ′ｆＪ１　　　図 ＣＬ） （ｂ） ｇ　基板 不　２　　図 ｉ　　　犬Ｕ　　イ乙　溝１７晶 ｆ滲、＾（４）θ） て　３　図 （とスーフ （ｂ） ７　　　ハパゾファＡ４ 第　４　　図 １〜４　入出力４５反隊　ｑ　入力光。 ５　７ラツド　　　　　ｔθ、ｎ　　出オプｈｌｒ〜５
ｆめΔＪ層 ｌ〜４　人出方導、及ｙδ、 （ｅ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　５
　　フラーｙｋ罫　６　図 は） （ｂン （む ３７　　図 １〜４人出力４；１ｇ＆　９　人力尤 ５　　クラ外　　　　馴１　ぬ力光 ６　　夕里め込Ｊ否Ｐｔ４４氏、！竹！埋り込η軒７　
バリアｒ眉　　　１５　　力へ−屑ｇ　　基才反 第　ｇ　　図 ５　フラ、斥 第　９　　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体、誘電体もしくは磁性体の基板上に設けた光
   導波路から成る回路において、２本の該光導波路の交鎖
   部に付角線状に溝を形成し、その溝に光導波路とは屈折
   率の異なる材料を埋め込むことにより光反射層を構成し
   たことを特徴とする光分岐回路。 ２、特許請求の範囲第１項において、上記光反射層を複
   数の互いに屈折率の異なる材料による多層膜で構成した
   ことを特徴とする充分岐回路。 ３、特許請求の範囲第１項又は第２項において、上記光
   導波路の交鎖部に形成する溝を複数個としたことを特徴
   とする光分岐回路。 ４、特許請求の範囲第１項乃至第３項のいずれかにおい
   て、上記光導波路の交鎖角度を、上記光導波路部分の屈
   折率ｎ＿１、埋め込み層の屈折率ｎ＿２より決るｔａｎ
   ＾−＾１（ｎ＿２／ｎ＿１）なる角度またはその近傍と
   したことを特徴とする光分岐回路。 ５、特許請求の範囲第１項乃至第４項のいずれかにおい
   て、上記光導波路の交鎖部に設けた溝に、その底部をそ
   の上部よりも屈折率の低い材料を埋め込むことにより光
   反射層を構成したことを特徴とする光分岐回路。