JPH02287408A - 導波型光分岐素子 - 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、光通信分野等で用いる導波型光分岐素子に関
するもので、さらに詳細には、パワー結合率の波長依存
性を緩和した導波型光分岐素子に関するものである。

［従来の技術］ 光フアイバ通信の普及のためには、光ファイバと受・発
光素子とに加えて各種の光部品が必要である。なかでも
、光分岐素子は、最も基本的な光部品であり、５０％分
岐、　２０％分岐、数％分岐等の分岐比（結合率）を持
つ分岐素子が要求されている。特に、広い波長域にわた
って波長依存性の少ない光分岐素子の需要は大きい。

光分岐素子は、光カッテとも呼ばれ、その形態により、
（１）バルク型、（２）ファイバ型、（３）導波型に大
別することができる。

バルク型は、マイクロレンズやプリズム、干渉膜フィル
タ等を組合せて構成するものであり、波長依存性の少な
い分岐素子を提供でき、一応実用のレベルにあるものの
、組立調整に長時間を要し、長期（Ｘ頼性や、価格、サ
イズの点で問題を残している。

ファイバ型は、光フアイバ自身を構成材料として研磨や
融着・延伸工程を経て構成されるものであり、波長依存
性の低減されたタイプも実現可能であるが、その作製工
程には、職人芸を有し、再現性が不良で量産に通さない
という欠点がある。

一方、導波型の中でも、イオン拡散法やイオン交換法等
による光分岐素子の作製は、構造等の導波路パラメータ
を正確にコントロールすることがむずかしく、再現性が
悪い。

これらに対して、ＬＳＩ（大規模集積回路）加工技術と
して実績のあるドライエツチング法を用いた導波型光分
岐素子は、フォトリソグラフィ工程により、平面基板上
に一括大量生産できる利点があり、再現性や小型集積可
能性等の点で将来型の光分岐素子として注目されている
。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の導波型光分岐素子として方向性結合器型光分岐素
子があり、その構成例を第９図に示す。

同図（＾）は平面図、同図ＣＢ）は切断線ｃ−ｃ’に沿
う断面図、同図（Ｃ）は切断線Ｄ−Ｄ’に沿う断面図で
ある。同図において、平面基板ｌ上に幅が相等しい２木
の光導波路１ａ、ｌｂが配置され、その一部は互いに近
接して方向性結合器２を構成している。方向性結合器２
は、入力ポート３ａから入射された信号光を出カポ−）
−３ｂ、４ｂに分岐出力するように設計されている。こ
の時、方向性結合器２のパワー結合率を希望するある特
定の波長で所望の値に設定することは可能であるが、広
い波長域で光分岐素子を使用する場合には、パワー結合
率の波長依存性が問題であった。

第１θ図は第９図に示した従来の方向性結合器型光分岐
素子の結合効率の波長依存性の一例を示す、この場合、
２木の光導波路１ａ−、ｌｂの伝搬定数が同一であるの
で、その出力パワー（結合率）は、波長に対してほぼ正
弦波状に変化し、最大結合率はある波長において１　（
１００Ｊ）となる。この例では、波長１．３μｍで５０
％の結合率を得た場合、波長１．５５μｍでは、１ｏ０
９６近い結合率となってしまい、波長１．３μ曙と波長
１．５５μｍで同時に光分岐素子として動作させること
ができなかった。

一方、上記のような方向性結合器型光分岐素子において
、結合領域における２本の光導波路の伝搬定数が異なる
場合、その伝搬定数のミスマツチ（不一致）により最大
結合率が１　（１００Ｈに達せず、ある波長域において
結合率が緩和される。このことを式で表わすと次の（１
）式のように示される（“光導波路“用上彰二部著Ｐ１
１５■朝倉書店１９８０年９月２０日発行初版第１刷）
。

Ｃ；結合率 に；結合係数 βａ、βｂ：導波路ａ、ｂの結合のない時の伝搬定数Ｌ
：結合部の長さ さらに、本発明の目的は、光ファイバとの接続このよう
に、従来、光フアイバ通信分野で大きな需要がある１２
μｍから１．８μｍ帯の広い波長域にわたって、所望の
波長依存性の少ない結合率を実現したものはなかった。

また、導波型光分岐素子の別の構成法としては、いわゆ
るＹ分岐型が知られているが、この場合には、結合率（
分岐比）の波長依存性は小さいものの、分岐部で１ｄＢ
程度以上の光損失の発生が避けられないという木質的な
欠点があった。

本発明の目的は、上述のような問題点に鑑み、導波Ｉ摸
堆積法（例えば、火炎堆積法、スパッタ法等）と、フォ
トリソグラフィや反応性イオンエツチング等の微細加工
ブレーナ技術とにより作製する方向性結合器型光分岐素
子について、実用的な構造を提供し、所望の波長域、例
えば１．３μｍ〜１．５５μｍを含む波長域において、
結合率の波長依存性が、例えば５０％±１０％に緩和さ
れた低損失な導波型光分岐素子を提供することにある。

を容易にする構造の導波型光分岐素子を提供することに
ある。

［課題を解決するための手段］ かかる目的を達成するため、本発明の第１形態は、基板
と、基板上に配置された２本の光導波路と、２本の光導
波路の一部で互いに近接させた１個の方向性結合器とか
らなり、光導波路の片端を入力ポートとし、光導波路の
他端を、それぞれ、主出力ポート、副出力ポートとする
導波型光分岐素子において、方向性結合器内の結合領域
における２本の光導波路の幅が互いに異なり、かつ、深
さは同しであることを特徴とする。

本発明の第２形態は、方向性結合器内の結合領域におけ
る一方の光導波路の幅を８μｍ程度、他方の光導波路の
幅を４μｍから８μｍ未満程度、画光導波路の深さを８
μｍ程度にすることによって、入力ポートから副出力ポ
ートへのパワーの結合率の波長依存性を１．２μｌから
１．８μｍ程度にわたって緩和するよう設定されている
ことを特徴とする。

本発明の第３形態は、入力ポートおよび出力ポートの近
傍の導波路の幅を、ポートに接続すべき光フアイバコア
寸法に匹敵する大きさである８μｍ程度とし、テーパ状
の過度領域を経て方向性結合器の結合領域部へと連結さ
れていることを特徴とする。

［作　用］ 本発明では、方向性結合器において、その結合領域にお
ける導波路幅が異なる構造を有する導波型光分岐素子を
特徴としている。原理的には、各導波路の高さ、屈折率
差Δ等の導波路パラメータを変化させることによっても
各導波路の伝搬定数を実効的に変えて、上記の導波路幅
を異ならせた場合と同様の機能を実現することができる
が、本発明ではフォトリソグラフィや反応性イオンエツ
チング等の微細加工ブレーナ技術を用いるという設計・
製造上の容易さを考慮して、導波路幅のみを非対称にし
ていることが大きな特（りである。また、そのため、本
発明では構造が極めて簡単であり、従来の方向性結合器
型光分岐素子とほぼ同し大きさとなるので、集積化・・
小型化の点からも大きな利点を有する。

従って、本発明では、導波膜堆積法（例、火炎堆積法、
スパッタ法等）と、フォトリソグラフィや反応性イオン
エツチング等の微細加工ブレーナ技術との公知技術の組
合せで作製する方向性結合器型光分岐素子について実用
的な構造を１に供して、所望の波長域、たとえば１．３
μｍ〜１．５５μｍを含む波長域において、結合率の波
長依存性が、たとえば５０％±ｌθ％に緩和された低損
失な導波型光分岐素子を提供することが゛できる。さら
に、本発明では入出力ポート近傍の導波路幅をテーバ状
にして光ファイバとの接続を容易にする構造を提供する
ことができる。

よって、このような本発明による導波型光分岐素子は、
広い波長域に広がる光信号の分配用やモニタ用、タップ
用として幅広い用途が期待される。

また、平面基板上に本発明の光分岐素子を多段に連結す
ることにより、４分岐素子や８分岐素子への拡張も容易
である。また、同一基板上に光分岐素子をアレイ上に形
成し、例えば、２５０μｍピッチの光フアイバアレイと
接続して使用することも可能である。

［実施例］ 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。

以下の実施例では、光導波路としてシリコン基板上に形
成した石英系単一モード導波路を使用しているが、これ
は、石英系単一モード導波路が単一モード光ファイバと
の接続性に優れ、実用的な導波型光分岐素子を提供でき
るためであり、本発明は、このような石英系光導波路に
限定されるものではない。

（第１実施例） まず、第１図を参照して、本発明の第１実施例の導波型
光分岐素子の構造について説明する。

第１図において、（＾）は平面図、（Ｂ）は切断線＾−
Ａ°に沿う断面図、（Ｃ）は切断線Ｂ−８’に沿う断面
図である。第１図において、■はシリコン基板、ｌａ、
ｌｂはシリコン基板１上に石英系ガラス材料により形成
された石英系光導波路である。光導波路ｌａ、１ｂは異
なる幅を有し、かつ１箇所で互いに近接して方向性結合
器２を構成している。光導波路ｌａ、ｌｂは、膜厚５０
μ馬程度の５ｉＣｈ系ガラス層５に埋設された縦横寸法
８μＩ程度の５ｉ０２−ＴｉＯｚ系ガラスコア部からな
り、直線パターンと曲率半径５０ｎ＋ｍの円弧パターン
とで構成されている。

このような石英系光導波路１ａ、ｌｂは四塩化シリコン
や四塩化チタンの火炎加水分解反応を利用したガラス膜
堆積技術、および反応性イオンエツチング等による微細
加工技術との公知技術の組合せで形成できる。方向性結
合器２の結合部は、両光導波路１ａ、ｌｂを間隔ｓ＝３
μｍ〜６μｍ程度に保ち、長さＬ　＝　１．５＋＋ａ　
〜２．５ｍｍ程度の距離にわたフて平行に配置すること
により構成されている。また、入力ポート３ａと副久カ
ポート４ａとの間隔、および出力ポート３ｂと副出力ポ
ート４ｂとの間隔は、本実施例ではいずれも０．２５ｈ
ｍに設計されている。

次に、第２図を参照して、本発明の導波型光分岐素子の
第１実施例として、波長域１．２５μＩ〜１．８μ■で
５０％±ｌＯ％の結合率を有する分岐素子の結合率・波
長依存性を説明する。

第２図において、直線■と曲線■は各々、従来の対称方
向性結合器（それぞれの導波路幅＾・Ｂ−８μｍ、導波
路高さＨ−８μｍ）の場合の包絡線と結合特性であり、
曲線■と曲線■は各々、本発明実施例の非対称方向性結
合器（Ａ−８μｍ、トロμｖｒ、　Ｉ（・８μｍ）の場
合の包絡線と結合特性である。ただし、屈折率差Δ−０
，２５にであり、曲線■では、導波路間隔ｓ−３，０μ
ｒｅ、結合部長さＬ−１，４ｍｍに調整しである。

曲線■では、波長域１．０μＩから１．６５μ馬におい
て、結合率が波長増加につれて単調増加しているが、曲
線■では、１．４μｍ近傍にピークを持つなだらかな変
化を示し％１，２５μｍから１，８０μｍの広い波長域
にわたって５０％±ｌθ％の結合率に保たれている。

これは、前述の（１）式に−おいて、非対称性による伝
搬定数の差（βａ−βｂ）の作用により、対称方向性結
合器の単調増加特性（曲線■）が抑制されているためで
ある。さらにいえば、非対称性により結合特性の最大振
幅を１．０から包！３線へと抑制し、かつ、５ＩＮ（正
弦）の位相項を調整することによって、抑制された最大
結合率が得られる波長帯を所望波長域のほぼ中間に位置
するように設定していることになる。

本発明実施例における構造パラメータは、導波路幅Ａ、
Ｂ、導波路導波日高導波路間隔Ｓ等であり、それらの設
定にはサブミクロン以下の精度が必要であるが、これは
、前述したように今日のフォトリソグラフィ技術では容
易なところである。

また、例えそれらのパラメータに微小な誤差があったと
しても、前述の（１１式における包絡線は、後述の第６
図〜第８図にも示すように極端に太きな変化はせず、位
相項の調整によって十分抑制可能である。さらに、位相
項自体も結合長しを０−ωと適切に設定することにより
自由に、かつ精密に制御可能である。

ここで、本実施例の光分岐素子の寸法について述べてお
くと、単体の対称方向性結合器の大きさとほとんど変わ
りがなく、長さ１２ｍｍ、幅０，２５ＩＩＩＩＩ＋と極
めて小型であり、例えば３インチＳｉ（シリコン）ウェ
ハ基板上に一括して８００個程度作製することが可能で
ある。

また、本光分岐素子の損失値は０．２ｄＢ程度と極めて
小さかった。人出力ポートに接続した単一モート光ファ
イバとの接続損を含めた光分岐素子の損失も、０．５ｄ
Ｂ程度以下と小さく、十分実用に耐えるレベルにあるこ
とを確認した。これは、従来のＹ分岐型光分岐素子では
ファイバ接続損を含めた過剰損が、１．５ｄＢ程度以上
であったのに比べて対照的であり、本発明の光分岐素子
の構成には、Ｙ分岐部のような特異点が含まれず、なめ
らかなパターンのみで光素子が構成されているためであ
る。

（第２実ｔＪζ例） 第３（駒図は、本発明の第２実ｈζ例として構成した波
長域１．２５μｍ〜１．７０μｍにおいて２０％±５％
の結合率を有する光分岐素子の構造を示す平面図である
。大略は、第１実施例と同じであるが、入力ポート３ａ
、４ａ　、出力ポート３ｂ、ｌｌｂを第１図の配置に対
して上下対称的に配置した点が異なる。

第３（Ｂ）図は、本発明の第２実ｈｆ例の光分岐素子の
結合率・波長依存性を説明する特性図である。直線のと
曲線■は各々対称方向性結合器（Ａ−Ｂ−８μｍ、　ｌ
ｌ−８μｍ）の場合の包絡線と結合特性であり、曲線■
と曲線■は各々、非対称方向性結合器（＾−８μｍ、　
Ｂ−６μｍ、　Ｈ−８μｍ）の場合の包絡線と結合特性
である。ただし、屈折率差Δ＝　０．２５！ｌ；であり
、波長域１．２５μｍ　〜１．７０．ｕｍにおいて、２
０％±５％の結合率となるように、導波路間隔ｓ＝　４
μｍ。

結合部長さＬ＝２．０ｍｍに調整しである。曲線■では
、結合率が波長増加につれて単調増加しているが、曲線
■では１．４５μｍ近傍にピークを持つなだらかな変化
を示し、１．２５μｌから１．７０μｍの広い波長域に
わたフて２０％±５％の結合率に保たれている。

（第３実施例） 第４（Ａ）図は、本発明の第３実施例として構成した波
長域ｌ、２５μＩ１１〜１．７５μｍにおいて５％±１
％の結合率を有する光分岐素子の構造を示す平面図であ
る。大略は、第１実施例と同じであるが、副入力ポート
４ａと副出力ポート４ｂの近傍における導波路幅を、も
う一方の導波路３ａ、３ｂの幅と同じとし、かつ方向性
結合器２の結合領域との間を、放射モードが生じないよ
う、十分になめらかなテーパ状導波路５で接続している
点が異なる。

第４（Ｂ）図は、本発明の第３実施例の光分岐素子の結
合率・波長依存性を説明する特性図である。直線■と曲
線■は各々対称方向性結合器（＾−Ｂ・８μｖａ、　Ｈ
−８μＩｎ）の場合の包絡線と結合特性であり、曲線■
と曲線■は各々、木実り包例の非対称方向性結合器（＾
−８μｍ、　Ｂ−５μｍ、　Ｉｆ−８μｍ）の場合の包
絡線と結合特性である。ただし、屈折率差Δ＝０．２５
Ｎであり、曲線■では波長域１．２５μｍ　−１，７５
μｍにおいて、５％±１％の結合率となるように、導波
路間隔ｓ＝　３．０μｍ；結合部長さＬ−１，４ｍｍに
調整しである。曲線■では、結合率が波長増加につれて
単調増加しているが、曲線■では１．４　μＩ近傍にピ
ークを持つなだらかな変化を示し、１．２５μ■から１
．６μＩの広い波長域にわたって５％±１％の結合率に
保たれている。

以上述べた各実施例の結合特性をまとめると、第５図に
示すようになり、所望の波長域で所望の結合率を設計す
ることができる。なお、本発明では、各導波路パラメー
タ、特に導波路幅Ｂの値の減少によってカットオフ波長
が短波長側にシフトするので、設計の際には、それをも
考慮しなければならない場合がある。

以上、各実施例において、方向性結合器の結合部の構造
パラメータについて記述したが、方向性結合器はきわめ
て構造敏感な光回路素子であるので、製造者はそれぞれ
の製造工程の癖などを考慮して、そのパラメータを変更
することができる。

未発明による導波型光分岐素子を設計する際、最も重要
となる包絡線の導波型パラメータに対する波長依存性を
第６図から第８図に示す。要は、所望の波長域の中心波
長とその結合率を実現できる導波路幅Ｂ、導波路間隔Ｓ
、屈折率差Δの値を包絡線特性の第６図〜第８図から見
当をつけて、その後、結合長しを０−ωへと変化させて
適切な値を見つければよい。

また、上記の各実施例では、１個の方向性結合器の結合
部における導波路幅を互いに異なるようにした場合を扱
ったが、これを拡張してＮ個の方向性結合器を連結して
全体でよりフラットな波長依存特性を達成することも可
能である。

また、以上の各実施例においては、シリコン基板１上の
石英系（ＳｉＯ，−ＴｉＯ，）光導波路１ａ、１ｂによ
り、光分岐素子を構成したが、基板は、シリコンに限定
されず、石英ガラス基板等に変更することも可能である
。また、コア部の主ドーパントとしてＧｅｍ２を用いた
５ｊ０２−Ｇｅ０２光導波路を用いることもできる。ま
た、前述したように、本発明はこれらの石英系光導波路
に限定されるものではなく、他の導波路材料系、例えば
多成分ガラス導波路系やニオブ酸リチウム導波路系にも
適用できる。

ポた、上記の各実施例では伝搬定数の差を導波路幅の差
によって設定したが、場合によっては光導波路幅を同一
にしておき、かつ２本の光導波路の屈折率値に僅かな差
を与える方法、あるいはコア領域を異種コア材料で複合
化することにより、実効的な伝搬定数差を設定してもよ
い。例えば、方向性結合器間の光導波路上部に薄膜ヒー
タを装着してお籾、片側の光導波路の屈折率値を熱光学
効果により調整して所望の光分岐素子を実現することも
できる。また、予め設定しておいた伝搬定数差に加えて
、片方の導波路上に予備的な薄膜ヒータを装荷しておき
、薄膜ヒータをオン・オフすることにより結合率特性を
スイッチング（波長依存性小−−波長依存性大）するこ
とも可能である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、導波膜堆積法（
例：火炎堆積法、スパッタ法等）と、フォトリソグラフ
ィや反応性イオンエツチング等の微細加工ブレーナ技術
との公知技術の組合せで作製する方向性結合器型光分岐
素子について実用的な構造を提供して、所望の波長域、
たとえば１．３μｍ〜１．５５μｍを含む波長域におい
て、結合率の波長依存性が、たとえば５０％±ｌＯ％に
緩和された低損失な導波型光分岐素子を提供することが
できる。さらに、本発明では入出力ポート近傍の導波路
幅をテーパ状にして光ファイバとの接続を容易にする構
造を提供することができる。

よって、このような本発明による導波型光分岐素子は、
広い波長域に広がる光信号の分配用やモニタ用、タップ
用として幅広い用途が期待される。

また、平面基板上に本発明の光分岐素子を多段に連結す
ることにより、４分岐素子や８分岐素子への拡張も容易
である。また、同一基板上に光分岐素子をアレイ上に形
成し、例えば、２５０μ■ピツチの光フアイバアレイと
接続して使用することも可能である。

さらに、平面基板上に容易に大量−括製作できることか
ら、低価格化も期待でき、本発明の光分岐素子およびそ
の応用素子は、光通信システムの普及に大きく貢献する
と期待される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の導波型光分岐素子の構造
を示す図であり、その中の同図（幻は平面図、同図（Ｂ
）は線へへ゛で切った断面図、同図（Ｃ）は線８Ｂ’で
切った断面図、 第２図は本発明の第１実施例（設計結合率５０％±ｌθ
％）の波長依存性を示す特性図、第３図は本発明の第２
実施例（設計結合率２０％±５％）を示す図で、同図（
八）は素子の構造を示す平面図、同図（Ｂ）は波長依存
性を示す特性図、第４図は本発明の第３実施例（設計結
合率５％±１％）を示す図で、同図（八）は素子の構造
を示す平面図、同図（Ｂ）は波長依存性を示す特性図、
第５図は波長域１．２μｍ〜１．８μｍにおいて、結合
率１００９６．５０％、２Ｈ，５ｔで設計した場合の波
長依存性をまとめて示す特性図、 第６図〜第８図は、それぞれ各導波路パラメータ（導波
路幅Ｂ、導波路間隔Ｓ、屈折率差Δ）に対する最大結合
率（包絡線）の波長依存性を示す特性図、 第９図は、従来の方向性結合器型光分岐素子の構造を示
す図であり、その中の同図（Ａ）は平面図、同図ＣＢ）
は線ｃｃ’で切った断面図、同図（Ｃ）は線ＤＤ’で切
った断面図、 第１θ図は第９図に示した従来の方向性結合器型光分岐
素子の結合率・波長依存性を示す一例の特性図である。 ｌ・・・基板（シリコン）、 Ｉａ、Ｈ＋・・・光導波路、 ２・・・方向性結合器、 ２ａ、２ｂ・・・方向性結合器２の結合部導波路、３ａ
・・・入力ポート、 ３ｂ・・・出力ポート、 ４ａ・・・副入力ポート、 ４ｂ・・・副出力ポート、 ５・・・５ｉ０２系ガラス膜。 特許出願人　　日本電信電話株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）基板と、前記基板上に配置された２本の光導波路と
   、２本の光導波路の一部で互いに近接させた１個の方向
   性結合器とからなり、前記光導波路の片端を入力ポート
   とし、前記光導波路の他端を、それぞれ、主出力ポート
   、副出力ポートとする導波型光分岐素子において、 前記方向性結合器内の結合領域における２本の光導波路
   の幅が互いに異なり、かつ、深さは同じであることを特
   徴とする導波型光分岐素子。 ２）前記方向性結合器内の結合領域における一方の光導
   波路の幅を８μｍ程度、他方の光導波路の幅を４μｍか
   ら８μｍ未満程度、両光導波路の深さを８μｍ程度にす
   ることによって、前記入力ポートから前記副出力ポート
   へのパワーの結合率の波長依存性を１．２μｍから１．
   ８μｍ程度にわたって緩和するよう設定されていること
   を特徴とする請求項１に記載の導波型光分岐素子。 ３）前記入力ポートおよび前記出力ポートの近傍の導波
   路の幅を、該ポートに接続すべき光ファイバコア寸法に
   匹敵する大きさである８μｍ程度とし、テーパ状の過度
   領域を経て前記方向性結合器の結合領域部へと連結され
   ていることを特徴とする請求項１または２に記載の導波
   型光分岐素子。