JPH0274909A - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、誘電体平板基板上にクラッド層により囲撓し
たコア層よりなる誘電体導波膜を被着して形成し、光回
路を構成する光導波路に関し、特に、その光導波路がな
す全光路長の温度係数がほぼ零もしくは負となるように
構成し、周囲温度の変化に対して安定な特性を有する導
波路型光回路を実現し得るようにしたものである。

（従来の技術） 誘電体媒質中に光を閉じ込めて伝搬させるこの種光導波
路においては、従来とも、誘電体媒質の入力端と出力端
との間における屈折率と距離との積によって決まる光路
長が周囲温度の上昇に従って一般に増大する。その理由
は、光導波路を構成する誘電体材料の線膨張係数αが一
般にはほぼ全ての誘電体材料について正であり、しかも
、屈折率ｎの温度係数ｄｎ／ｄＴも正であるためである
。

（発明が解決しようとする課題） したがって、かかる光導波路を用いて構成した従来の導
波路型光回路においては、周囲温度の変化によって緒特
性が大幅に変化する、という問題があり、この問題の解
決が従来のこの種光導波路に対する課題であった。

（課題を解決するための手段） 本発明の目的は、上述した従来の課題を解決し光路長が
周囲温度によって変化せず、したがって周囲温度が変化
しても安定な特性の導波路型光回路を構成し得る先導波
路を提供することにある。

すなわち、本発明光導波路は、誘電体平板基板上にクラ
ッド層により凹環したコア層よりなる誘電体導波膜を被
着して形成した光導波路において前記誘電体導波膜の少
なくとも一部を屈折率ｎの温度係数ｄｎ／ｄＴが負の誘
電体材料によって構成するとともに、前記誘電体平板基
板を線膨張係数α。

が の条件を満たす誘電体材料により構成することにより、
当該光導波路がなす光路長の温度依存変化がほぼ零もし
くは負となるようにしたことを特徴とするものである。

（作　用） したがって、本発明光導波路においては、光路長が周囲
温度の変化によって余り変化せず、周囲、　　温度の変
化に対して安定な特性の導波路型光回路、　　を構成す
ることができる。

（実施例） 以下に図面を参照して実施例につき本発明の詳細な説明
する。

一般に、誘電体媒質中の光伝搬においては、第、　　１
図に示すように、誘電体媒質ｌの入射端と出射端との間
の光路長、すなわち、両端間の距離り、！：屈折率ｎと
の積が、通常の誘電体材料については、１　　温度上昇
に伴って増大する。かかる光路長の温度変化特性は、誘
電体材料の線膨張係数αが、一般にはほぼ全ての誘電体
材料について正であり、しかも、屈折率ｎの温度係数ｄ
ｎ／ｄＴも正の誘電体材料が多いことに基づいている。

すなわち、誘電体媒質中の光路長Ｓはつぎの（１）式 ％式％（１） で表わされ、したがって、光路長Ｓの温度変化率ｄＳ／
ｄＴはつぎの（２）式で゛表わされる。

Ｔ Ｓ なお、光路長Ｓの温度変化率−一としては、通Ｔ 例、上式（２）をさらに距離りについて正規化し、なる
形態で表わす場合が多い。

ところで、例えばレンズの焦点距離などの光学素子の特
性は、一般には、温度変化に対して安定であることが望
ましい。そこで、例えばレンズの焦点距離が温度変化に
対して安定であり、はとんど変化しないための条件とし
て、上述したのとは異なる光路長Ｓ′をつぎの（３）式
で表わし、Ｓ’　＝　（ｎ−１）Ｌ　　　　（３）この
光路長Ｓ′の温度変化率ｄＳ’　／ｄＴをっぎの（４）
式で表わし、 さらに、上式（４）を距離りについて正規化して、なる
形態で表わし、この温度変化率ｄＳ’　／ｄＴをほぼ零
にするようなガラス材料、すなわち、っぎの第１表に示
すようないわゆるアサーマルガラスが開発されている。

第　　１　　表 かかるアサーマルガラスが得られる原理は、ｄｎ／ｄＴ
　＜　Ｏなる特性をもたらすガラス組成成分を用いて（
ｎ−１）αの項を打消すことにあるが、厳密な意味での
光路長Ｓ、すなわち、（１）式で表わした光路長の（２
）式で表わした温度変化率ｃｐｓ／ｄＴ、もしくは、（
２′）式で表わした温度変化率ｄＳ’　／ｄＴを零にす
るガラス材料は、現在までのところ見つかっていない。

本発明は、誘電体平板基板上に形成した光導波路を基本
とする光回路、すなわち、導波路型光回路において上式
（２）もしくは（２′）で表わした光路長温度変化率ｄ
Ｓ／ｄＴもしくはｄＳ’　／ｄＴを零もしくは負にする
ことを目的としたものである。

しかして、導波路型光回路においても、光路長の温度依
存変化が零であることが望ましい。例えば、半導体レー
ザの発振波長が温度によって変化するのも、その原因は
、共振器を構成する半導体導波路の等価屈折率、すなわ
ち、伝搬定数βを真空の伝搬定数にで割った値が温度に
よって変化することにある。いま、簡単化したモデルと
して、第２図に示すように、屈折率ｎの誘電体媒質１の
両端面に反射鏡２ａ、　２ｂを形成し、距離りをもって
対向させたファブリ・ペロー共振器を考え、゛簡単のた
めに、光は、導波路内伝搬光ではなく、−様媒質中を伝
搬するビーム波であるとする。なお、導波路内伝搬波と
する場合には、屈折率ｎを等価屈折率ｎ。９（−β／ｋ
）に置き換えればよい。

しかし、て、かかる場合の共振条件は、Ｎを整数として
、つぎの（５）式によって与えられる。

２ｎｋＬ　＝２　πＮ　　　（Ｎ　：整数）（５）ここ
に、ｋ＝２π／λであり、λは光の波長である。

かかる構成のレーザ共振器における発振波長の温度依存
変化率はつぎの（６）式となる。

しかして、一般に、α＞　Ｏ、ｄｎ／ｄＴ　＞　Ｏであ
るからｄλ／ｄＴ＞Ｏとなる。したがって、温度が上昇
すると、発振波長も長波長側にシフトする。また、（２
）式で表わした光路長温度変化率ｄＳ／ｄＴを零にする
媒質材料は存在しないのであるから、（６）式で表わし
たレーザ発振波長温度変化率ｄλ／ｄＴを零にすること
も単独の光学材料では困難である。

そこで、２種類の光学材料の組合わせによりそれぞれの
光路長の温度依存変化を相殺して総合の光路長温度変化
率を零にする場合について考察する。

第３図に示すように、屈折率ｎ１両端間距離り。

の誘電体媒質１−１と屈折率ｎ２＋両端間距離Ｌ２の誘
電体媒質１−２のそれぞれの一端を接合してそれぞれの
他端間をビーム光が伝搬する場合の総合光路長れはつぎ
の（７）式で与えられる。

Ｓ、　−ｎ、Ｌ、モｎｚＬｚ　　　　　　　　　（７）
したがって、かかる接合誘電体媒質における総合光路長
Ｓ、の温度変化率ｄＳ、／ｄＴはつぎの（８）式で与え
られる。

いま、誘電体媒質１−１の屈折率ｎ１、距離Ｌ１の温度
依存変化を誘電体媒質１−２の屈折率ｎ２、距離し２の
温度依存変化で相殺して補償し、（８）式で表わした温
度変化率ｄＳｔ／ｄＴＯ値を零にするには、つぎの（９
）弐の条件が成立する必要がある。

しかしながら、一般にはつぎの（１０）式が成立する。

Ｔ したがって、（９）式の条件を満たず光学材料の組合わ
せは従来の技術では実現し得ないことになる。

そこで、本発明においては、誘電体平板基板上に形成し
た光導波路を用いた光回路、すなわち、導波路型光回路
において等価的な屈折率ｎ、Ｑを考え、その等偏屈折率
ｎ１ｌＱについてつぎの（１０）式の条件が満されるよ
うにし、 Ｔ さらには、（９）式の条件も満たす温度係数補償も可能
とする。

すなわち、いま、第４図に示すように、両端間距離し、
厚さｔｓの誘電体平板基板３上にクラツド層４ａｓコア
層５およびクラッド層４ｂを順次に被着して厚さしに積
層した光導波路について考察する。

なお、コア層５の上下に位置するクラッド層４ａと４ｂ
とは、簡単のため、同一光学材料からなるものとし、コ
ア層５の屈折率および線膨張係数をそれぞれｎｌおよび
αｓとし、クラッド層４ａ、　４ｂの屈折率および線膨
張係数をそれぞれｎ２およびα２とし、さらに、平板基
板３の線膨張係数をα８とする。

かかる光導波路の両端面間の光路長九はつぎの（１２）
式で与えられる。

れ＝βＬ　　　　　　　　　　　（１２）ここに、βは
導波モードの伝搬定数であるが、簡単のために、単一モ
ード導波路を考えて基本モードの伝搬定数であるとする
。かかる光路長Ｓ。の温度変化率ｄＳ、／ｄＴはつぎの
（１３）式となる。

ここで、等偏屈折率ｎ、ｑ（””β／ｋ）を用いると、
上式（１３）はつぎの（１４）式のように表わすことが
できる。

さて、第４図示の光導波路における両端間距離板４、ク
ラッド層４ａ、　４ｂおよびコーア層５をなすそれぞれ
の光学材料の線膨張係数、ヤング率などによって決まる
が、通常の平板基板上単一モード光導波路においては、
平板基板４の厚さｔｓは導波路の厚さｔ８に比して極め
て大きく、例えば、導波路の厚さｔｌが数μｍから精々
１０数μｍであるのに対して、平板基板４の厚さｔ８は
、通例、１００μｍを超える。したがって、図示の光導
波路における両端間距離りの温度依存変化は、近似的に
はほぼ平板基板４の線膨張係数αｓによって決まるもの
と見做すことができる。

材料の線膨張係数α３によって近似すると、（１４）式
はつぎの（１５）式となる。

さらに、等偏屈折率ｎ、Ｑはコア層５の屈折率ｎ１とク
ラッド層４ａ、　４ｂの屈折率ｎ２とによって決まるが
、主としてコア層５の屈折率ｎ１により決まるので、こ
れも近似して、 ｎ１１ｑゝｎ、　　　　　　　　　　　　　　（１６）
とすると、上式（１５）はつぎの（１７）式となる。

Ｓ この（１７）式と前述した光路長温度変化率−Ｔ ｌ の（６）式とを比較すると、（２）式もしくは（６）式
における線膨張係数αが光導波媒質の線膨張係数である
のに対し、（１７）式における線膨張係数α。

は光導波を行なわない基板材料の線膨張係数である。し
たがって、（１７）式においては、屈折率ｎ＋の温度係
数ｄｎ＋／ｄＴと基板材料の線膨張係数α３とをそれぞ
れ独立に選定することができ、つぎの（１８）式とする
ことが可能になる。

上述したところにつき具体的に例を示すために、線膨張
係数αを横軸にとり、屈折率温度変化率するそれらの値
を対応する縦・横線の交点によって示すと第５図のよう
になる。図中、○印は（４）式もしくは（４′）式によ
って表わす光路長ＳもしくはＳ′の温度変化率すなわち
温度係数をほぼ零とする誘電体材料、すなわち、いわゆ
るアサーマルガラスに属するものである。また、図中、
実線で示す斜線は、 ｎ ｎα＋−＝　Ｏ（１９） Ｔ の条件を満たす直線であるが、従来周知の誘電体光学材
料はすべてこの条件を示す斜線より上側に位置するので
、バルク型の光学媒質における光路長の温度係数はすべ
て正の値となる。

しかしながら、第４図に示したように平板基板上に形成
した光導波路においては、例えば、図中−点鎖線で示す
シリコンＳ、により平板基板を構成すると、図中○印で
示した各種のアサーマルガラスの位置は、導波路の線膨
張係数がすべてシリコン基板の線膨張係数で決まるので
、図中、−点鎖線上の☆印まで移動したのと等価になり
、その結果、上述の（１８）式の条件を実現し得ること
になる。

なお、コア層５中を伝搬する光の電磁界のクラッドｊｉ
ｉ４ａ、　４ｂへの滲み出しをも考慮する場合には、等
偏屈折率ｎ。、、をコア層５の屈折率ｎ、で近似した（
１６）式の代わりにつぎの（２０）式を適用する。

ｎａｑ＝ｎｌｂ　＋ｎｚ　（１−ｂ　）　　　　　　（
２０）ここに、ｂは正規化伝搬定数であり、つぎの（２
１）式で与えられる。

なお、導波モードに対しては０≦ｂ＜１が成立する。

したがって、温度変化に対する正規化伝搬係数すの変化
が十分に小さい、として係数すの温度依存変化を無視す
ると、第４図示の光導波路における光路長Ｓの温度変化
率を表わす（１７）式はつぎの（２２）式となる。

Ｔ したがって、この（２２）式を用いれば、光導波路にお
ける光路長の温度依存変化を零にするための厳密な設計
が可能となる。

上述のようにして前述した（１８）式の状態を実現し得
たとすると、第６図に示すように、同一誘電体平板基板
上に２種類の誘電体光導波路＃１゜＃２を互いに連接し
て形成し、一方の光導波路＃１の光路長の温度依存変化
を、他方の光導波路＃２の誘電体材料を適切に選定する
とともに、その両端間距離Ｌ２をり、に対して最適値に
設定して得られるその光路長の温度依存変化により相殺
し、総合光路長の温度変化率を零にすることができる。

すなわち、第６図示の複合光導波路において、光導波路
＃１の両端間距離Ｌｌ＋　コア層５−１の屈折率ｎｌ　
＋＋クラッド層４　ａ−Ｌ　４　ｂ−１の屈折率ｎ２７
、並びに、光導波路＃２の両端間距離Ｌ２＋　コア層５
−２の屈折率ｎ＋ｚ　％クラッド層４　ａ−２，４ｂ−
２の屈折率ｎ２□に対し、つぎの（２３）式の条件が成
立するように光導波路＃２の各誘電体材料によって定ま
る屈折率ｎ１□＋　ｎｉ□および両端間距離Ｌ２を適切
に設定すればよいことになる。

Ｔ ＝　　　Ｌｔ　　（ｎｔ＋ｂｚ＋ｎｚｚ（Ｌｂｚ）　　
）　　αｓ　　＋ｄ　’Ｉ’　　　　　　　　　　　　
　　ｄ　’１なお、上式（２３）におけるｂ＋、　ｂｚ
はそれぞれ（２１）式で定義される光導波路＃１．　＃
２の正規化伝搬定数である。

以上のようにして、温度変化に対し緒特性が変化せずに
安定した導波路型光回路が得られるが、かかる本発明光
導波路の具体的構成の諸例を第７図乃至第９図につき以
下に説明する。

まず、半導体レーザの発振波長を温度変化に対し安定化
した場合における本発明光導波路の構成例を第７図に示
す。図示の構成例においては、インジウム燐（ＩｎＰ）
平板基板３上に屈折率ｎ、のガリウム・インジウム砒素
燐（ＧａｌｎＡｓＰ）活性層６およびインジウム燐（Ｉ
ｎＰ）クラッド層７を順次に被着して構成した半導体レ
ーザ部り、のファブリ・ベロー共振器をなす一方の端面
に片側ミラー２ａを形成し、他半部をドライエッ°チン
グ等を施して除去した跡に第５図に例示した各種アサー
マルガラスのうちの例えばＰＨ１０を用いて屈折率ｎ８
のコア層５と他のアサーマルガラスよりなる上下のクラ
ッド層４ｂ、　４ａとからなる導波路部Ｗを形成し、全
体として外部共振器の形態のファプリ・ペロー共振器を
構成する。

なお、第７図示のうよな接合構造の導波路型光回路を実
際に製作するに当っては、半導体レーザ部り、にガラス
導波路部Ｗを無反射に近い状態で接合するためのガラス
導波路部形成技術を確立する必要があるが、かかる接合
技術の問題は、端面無反射コーティング技術や微細凹凸
面にスパッタを反復施して平滑化するバイアス・スパッ
タ法による導波路端面接合技術により近い将来完全に解
決し得るものとみられる。

しかして、簡単のために、半導体レーザ部り８、先導波
路部Ｗともに、コア層内への伝搬光の閉じ込め作用が強
く、総合の屈折率ｎの温度変化率ｄｎ／ｄＴはそれぞれ
のコア層６および５をなす誘電体材料によって決まるも
のと見做し、半導体レーザ部し、の屈折率温度変化率を
ｄｎ、／ｄＴとし、光導波路部Ｗの屈折率温度変化率を
ｄｎ、／ｄＴとする。また、半導体レーザ部り、のコア
層６をなす材料は■−■族半導体であるガリウム・イン
ジウム砒素燐（ＧａｌｎＡｓＰ）であるが、その屈折率
温度変化率ｄｎ／ｄＴおよび線膨張係数αはインジウム
燐（ＩｎＰ）の屈折率温度変化率および線膨張係数にそ
れぞれ近似しているので、インジウム燐（ＩｎＰ）の近
似値をそれぞれ用いることにする。さらに、半導体レー
ザ部り、の両端間距離り、を２００μｍとする。その結
果、ｉ αｓ　＝４．５　Ｘｌ０−’　（１／Ｋ）なる値が得ら
れ、したがって、第７図示の構成における総合光路長の
温度変化率ｄＳｔ／ｄＴを零にするための前述した条件
式（２３）においてす、＝１．ｂ２＝１と近似すること
により、光導波路部Ｗの両端間距離Ｌ２の所要値は２，
８２２μｍとなる。すなわち、かかる形状寸法の外部導
波路付き半導体レーザを構成すれば、温度が変化しても
発振波長がほとんど変化しない安定なレーザ光を取出す
ことができる。

つぎに、上述と同様の構成とすることにより分布ブラッ
グ反射型（ＤＢＲ）半導体レーザの発振波長を安定化す
るようにした場合における本発明光導波路の構成例を第
８図（ａ）　、　（ｂ）にそれぞれ示す。同図（ａ）に
示すＤＢＲ半導体レーザは、コア層５を上面にブラッ反
射用回折格子を形成したコア層８とする他は第７図示の
構成例と全く同様に構成したものであり、また、同図（
ｂ）に示すＤＢＲ半導体レーザも、第７図示の構成例と
ほぼ同様の構成ではあるが、上面にブラッグ反射用回折
格子を形成したコア層８−１および８−２をそれぞれ有
する導波路部匈、および−２を半導体レーザ部り、の両
端面にそれぞれ接合させて、第７図示の構成例で半導体
レーザ部り、における一方の端面に形成した片側ミラー
２ａを排したものである。かかる構成のＤＢＲ半導体レ
ーザにおいても、導波路部Ｗもしくはｗ、、　Ｌの光路
長が温度変化によって変化しないようにする必要がある
ので、第５図に例示したアサーマルガラスのうちの例え
ば＾ＴＦ４を用いてそれぞれコア層８もしくは８−１．
８−２を形成し、さらに、第７図示の構成例におけると
同様に、導波路部におけるコア層内への伝搬光の閉じ込
め作用が強く、総合の屈折率の温度変化率がコア層をな
す誘電体材料によって決まるものと見做すと、ＤＢＲ半
導体レーし部１７．における発振波長の温度変化による
変化率は同じ半導体材料で形成した従来のこの種ＤＢＲ
半導体レーザにおける発振波長温度変化率のほぼ１／７
６になる。

最後に、互いに平行に近接した２光導波路間における光
波の結合を利用した方向性光結合器におけるそれぞれの
光導波路における光路長の温度依存変化がほぼ零となる
ようにした場合の本発明先導波路の構成例を第９図に示
す。図示の構成は、誘電体平板基板３上に被着したクラ
・ンド層４中に形成したコア層５ａ、　５ｂよりなる２
本の光導波路の一部を互いに平行に近接させてコア層５
ａ、　５ｂ中を伝搬する光波の結合により、入力光Ｐｉ
ｌの波長に応していずれかのコア層から出力光Ｐｏｌも
しくはＰｏ２が得られるようにしたものである。かかる
構成の方向性結合部における平行光導波路の光路長が温
度変化によって変化すれば、平行光導波路間における光
結合の態様が変化するので、出力光の比Ｐ。Ｉ／Ｉ）ｏ
２が温度変化によって変動することになる。しかしなが
ら、第９図示の構成における誘電体平板基板３を例えば
シリコン（Ｓｉ）をもって構成するとともに、第５図に
例示したアサーマルガラスのうちの例えばＡＴＦ　５に
よりコア層５ａ、　５ｂを形成して光導波路を構成した
本発明による方向性光結合器においては、方向性結合部
における光路長の温度変化に伴う変動を従来に比して格
段に小さくすることができる。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明においては、誘
電体平板基板上に形成した光導波路およびその光導波路
を基本とする導波路型光回路において、光導波膜を構成
する誘電体材料の屈折率の温度係数が負であるようなも
のを用いて光導波路における光路長の温度依存変化率ｄ
Ｓ／ｄＴを負もしくはほぼ零にする。したがって、本発
明によれば、つぎのような顕著な作用効果が得られる。

（１）光路長の温度依存変化率ｄＳ／ｄＴが負になる場
合には、屈折率の温度依存変化率ｄｎ／ｄＴが正である
他の光導波路と組合わせて双方の温度依存変化を相殺し
て補償し、総合光路長の温度依存変化をほぼ零にするこ
とかできる。

（２）光路長の温度依存変化率ｄＳ／ｄＴがほぼ零にな
る場合には、その光導波路自体により構成した回折格子
付光導波路や方向性光結合器等の光回路における光学的
諸特性の温度依存変化をほぼ零にすることができる。

（３）本発明光導波路を適用すれば、光学的諸特性の温
度依存変化を極めて小さくした導波路型光回路装置を実
現することができるので、光の干渉を用いた光計測装置
や周波数を精密に制御したコヒーレント光通信などの光
通信に用いる光学装置の精密な温度制御を不要にするこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は光路長の定義を示す線図、 第２図はファブリ・ペロー共振器の概略構成を示す線図
、 第３図は２光路長の組合わせによる光路長温度依存変化
の補償の態様を示す線図、 第４図は光導波路の概略構成を示す断面図、第５図は各
種材料の線膨張係数と屈折率温度変化率との関係を示す
特性曲線図、 第６図は本発明による２光導波路の組合わせによる光路
長温度依存変化の補償の態様を示す断面図、 第７図は本発明による半導体レーザ発振波長の温度依存
変化の補償の態様を示す断面図、第８図（ａ）　、　Ｃ
ｂ）は本発明によるＤＢＲレーザ発振波長の温度依存変
化の補償の態様を示す断面図、第９図は本発明による方
向性光結合器の概略構成を示、す斜視図である。 １　、　Ｌｌ　、　ｌ−２・・・誘電体媒質２ａ、　２
ｂ・・・反射鏡　　　　３・・・平板基板４ａ　、　４
ａ−Ｌ　４ａ−２，４ｂ、　４ｂ−Ｌ　４ｂ−２，７−
・・クラッド層 ５、５−１．５−２．５ａ、　５ｂ・・・＋７層６・・
・活性層 ８、８−Ｌ　８−２・・・回折オδ子付きコア層り、・
・・半導体レーザ部 Ｗ、　Ｗ、、　Ｗｔ・・・導波踏部

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、誘電体平板基板上にクラッド層により囲撓したコア
   層よりなる誘電体導波膜を被着して形成した光導波路に
   おいて、前記誘電体導波膜の少なくとも一部を屈折率ｎ
   の温度係数ｄｎ／ｄＴが負の誘電体材料によって構成す
   るとともに、前記誘電体平板基板を線膨張係数 α＿ｓが α＿ｓ≦｜１／ｎ・ｄｎ／ｄＴ｜ の条件を満たす誘電体材料により構成することにより、
   当該光導波路がなす光路長の温度依存変化がほぼ零もし
   くは負となるようにしたことを特徴とする光導波路。