JPH0346603A

JPH0346603A - 導波形光分波器およびその製造方法

Info

Publication number: JPH0346603A
Application number: JP1183047A
Authority: JP
Inventors: Mitsukazu Kondo; 充和近藤
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1989-07-14
Filing date: 1989-07-14
Publication date: 1991-02-27
Anticipated expiration: 2015-02-07
Also published as: JP3005996B2

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）本発明は光波の特定の波長を選択的に分離する光分波器
に関し、特に基板上に設置すた光導波路を用いた導波形
光分波器およびその製造方法に関する。

（従来の技術）光通信技術は、加入者系、コンピュータ間データ伝送、
インテリジェントビル内ＬＡＮ等様々な分野への導入が
進められており、益々大容量化多チャネル化に対する要
求が強まっている。波長多重伝送技術は複数の波長にそ
れぞれ異なる情報をのせて各々独立に、しかも、１本の
光ファイバを用いて伝送する光の特徴を充分に生かした
伝送方式であり、前述のような要求を満たずことのでき
る有力な方式である。波長多重に伝送では、受信部やＬ
ＡＮ等の分岐部では特定の波長を選択的に取り出す光分
波器が必要である。従来、光分波器は、誘電体多層膜干
渉フィルターや回折格子を利用したものが実用されてい
るが、さらに小型化、高分解能化、多チャネル化を可能
にするものとして光導波路を利用した導波形光分波器が
報告されている。第５図、第６図は従来の導波枝分波器
を示す斜視図である。

第５図は偏光変換形の光分波器の一例であり、詳細はオ
プティックス・レターズ第５巻１１号４７３〜４７５頁
（ＯＰＴＩＣ８ＬＥＴＴＥＲ８，Ｖｏｌ、５．　Ｎｏ、
１１　ｐｐ４７３−４７５）に述べられている。第５図
において、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂ０３）結晶基板
ｌの表面にチタン（Ｔｉ）を拡散して形成された光導波
路２が設置されその」二部に周期穴をもち長さＬの制御
電極３が設置されている。入射光４は基板に平行な方向
（Ｚ軸方向）の直線偏光すなわちＴＥモードであり、制
御電極３への印加電圧により下式（１）を満たず波長λ
ｉのみＴＭモード（Ｘ軸方向の偏光成分）に変換される
。

ここでｎＴＥｉ　、ｎＴＭｉはそれぞれ光導波路２を伝
搬する波長入ｉ成分のＴＥ、　ＴＭモードの等側屈折率
である。また、偏光変換される波長のスペクトル幅Δλ
は（２）式となる。

Δλ　＝　　　　　　　入ｉ　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　（２）第６図はブラップ反射
を利用した光分波器の一例であり、詳細はアプライド・
オプティックス第１９巻、１６号２８４８〜２８５５頁
（ＡＰＬＩＥＤ　０ＰＴＩＣ８，Ｖｏｌ、１９゜Ｎｏ、
１６．　ｐｐ２８４８−２８５５）に述べられている。

第６図において、基板１１０表面に互いに断面形状の異
なる２つの光導波路１２と１３が近接して形成され、光
方向性結合器１４を構成している。さらに光方向性結合
器１４の光導波路１２と１３の間には長さＬで周期穴を
もつ反則格子１５が形成されている。光導波路１２への
入射１６は下式（３）を満たす波長成分λｉのみが反射
格子１５によって反射され、かつ光導波路１５へ結合し
て出射光１７となる。

ここでｎ１ｉｑ　ｎ２ｉは光導波路１２及び１３を伝搬
する光波の波λｉ戊成分等側屈折率である。また、反射
格子１５によって回折される波長スペクトル幅Δλは大
まかな近似としては（２）式で決定される。

（発明が解決しようとする課題）従来の第５図に示した偏光変換形光分波器では、特定の
波長を分離して取出すためには本質的に偏光分離器が必
要であり、構成が非常に複雑となる。また、（１）式に
おいて、等側屈折率ｎＴＥｉ、ｎＴＭｉはそれぞれ以上
光屈折率ｎ８、常光屈折率ｎＱが関与しており、その差
１ｎｅ　−ｎｏｌは、温度に夕；］シて非常に敏感であ
るため常に温度コンＩ・ロールを必要とするという欠点
がある。

一方、第６図のブラッグ反射形光分波器を実現するため
には（３）式を満たす周期穴をもつ反則格子を形成する
必要があるが、光導波路基板としてよく用いられるＬｉ
ＮｂＯ３結晶やＧａＡｓ結晶に対しては、通常への値は
波長１．３〜１．５ｐｍ付近では１０００〜３０００Ａ
程度となってしまう製作が非常に困難である。

上述の第５図、第６図に示した光分波器以外にも、例え
ば非対称な光方向性結合器の伝搬定数の波長分数を利用
した光分波器が゛′アプライドフイジックスレターズ”
′、第３３巻、２号１６１〜１６３頁（Ａｐｐｌ。

Ｐｈｙ、　Ｌｅｔｔ、　、　Ｖｏｌ、　３３．　Ｎｏ、
２．　ｐｐ１６１−１６３）に報告されているが、この
場合は選択可能な波長スペクトル幅Δλが大きい（数百
穴）という欠点がある。

本発明の目的は、構成が簡単で、温度に対して安定で製
作が容易でかつ比較的波長スペクトル幅が狭い導波形光
分波器及びその製造方法を提供することにある。

（課題を解決するための手段）本発明の導波形光分波器は、基板上に、互いに近接して
並置された、互いに最低次数の導波モードに列する等側
屈折率の差１ｎ１−ｎ２１が、５．６Ｘ１０−３≦」ｎ
□−ｎ２｜≦　１．３である２本の光導波路によって構
成される光方向性結合器と、前記光導波路の少なくとも
一方の近傍に設置され、光透過方向に周期的な等側屈折
率変化を与える格子状パターンとを設置して構成さる。

さらに本発明によれば光学結晶基板上に、金属拡散によ
って形成する第１の光導波路とイオン交換によって形成
する第２の光導波路とを互いに近接させて光方向性結合
器を構成し、前記第１又は第２の光導波路内または該光
導波路に近接して光透過方向に周期的な格子状パターン
を設置することを特徴とする導波形光分波器の製造方法
が得られ、さらに上記の周期的な格子状パターンを周期
的な金属拡散領域または周期的なイオン交換領域のいず
れかによって構成することを特徴とする導波形光分波器
の製造方法が得られる。また、電気光学効果を有する基
板上に、互いに近接して並置された、互いに最低次数の
導波モードに対する等側屈折率の差Ｉｎｔ　−ｎ２１が
、５゜６×１０　　こ｜ｎ１−　ｎ２１　＜　１．３で
ある２本の光導波路によって構成される光方向性結合器
と、前記光導波路の少なくとも一方の近傍に設置され、
光透過方向に周期的な等側屈折率変化を与える格子状パ
ターンと、前記光方向性結合器に沿って少なくとも一列
の制御電極を設置したことを特長とする導波形光分波器
が得られる。

（作用）本発明の導波形光分波器では等側屈折率ｎ１．ｎ２をも
つ光導波路を近接させて光方向性結合器を構成する。さ
らに次式（４）を満たす同期Ａをもつ格子状パターンを
上記光導波路近傍に設置する。

本発明では伝搬定数の大きく異なる２つの光導波路間の
結合を上述の周期Ａの格子状パターンを設置することに
よって整合させ、光方向性結合器で上述（４）式を満た
すλｉの波長のみを他の光導波路へ結合させるものであ
る。こでは第５図の従来例のように偏光変換を用いるの
ではなく、同一の偏光間の空間的な結合を利用すること
、第６図の従来例のように格子によってブラッグ反射さ
せるのではなく分離された波長成分は入射光と同一の方
向へ（但し、空間的に分離された別の光導波路へ）出力
される点で従来例とは異なっている。

ここで、１００Ａ以下の狭い波長スペクトル幅を得たい
場合には、入射波長λｉを１．３ｐｍ、長さＬ＜３０ｍ
ｍとして（２）式よりＡ＜２０１ｐｍとなり、（４）よ
りＩｎ１−ｎ２１と５．６Ｘ１０−３であればよいことがわかる。一方、製作の容易性を考え
るとＡ＞ｌｐｍが必要であり、このためには（４）式よ
り１ｎｘ−ｎ２１と１．３となることが要求される。

このように異なる等側屈折率をもつ２本の導波路は、異
なった作成方法で作ることにより得られるし、また、別
々の材料で構成してもできる。但し、２つの光導波路を
同じ手段を用いて形成した場合、例えばＴｉ拡散法のみ
またはイオン交換法のみを用いて光導波路断面形状のみ
を異ならしめるように形成した場合には、通常上記（４
）式の１ｎ１−　ｎ２１の値は１０−３オ一ダ程度の小
さな値になってしまい、スペクトル幅Δλは、通常製作
の容易なＬの値（１〜３０ｍｍ程度）では１００Ａとな
ってしまい狭いΔλの値は得られない。

本発明の製造方法では、２つの光導波路を全く異なる方
法、例えばＴｉ拡散法とイオン交換法でそれぞれ作成す
ることによりｎｌとｎ２の値は一般に大きく異なりＡの
値は数〜数＋１１ｍ、Δλの値として数〜数十穴を得て
いる。

（実施例）第１図は本発明による導波形光分波器の一実施例を示す
斜視図である。

ＬｉＮｂＯ３結晶基板２１上にＴｉ拡散法によって形成
された第１の光導波路２２とプロトンイオン交換によっ
て形成された第２の光導波路２３が形成され、基板中央
部でそれらが互いに数ｐｍまで近接して光方向性結合器
２４を構成している。また光方向性結合器２４の上部に
は酸化ニオブ膜等の誘電体膜によって格子状パターン２
５が形成されている。ここで光導波路２２の屈折率はＴ
ｉ拡散により基板よす１０−２程度大きくなっており、
その等価屈折率はｎ１＝ｎｓ十Δｎ１（但し、ｎ８はＬ
ｉＮｂＯ３結晶基板２１の屈折率、Δｎ１＝５Ｘ１０　
”）となっている。また、光導波路２３の屈折率は、プ
ロトン交換により１０−１程度基板より大きく、その等
価屈折率はｎ２＝ｎ８＋Δｎ２（但し、Δｎ２＝５．５
Ｘ１０　”）となっている。格子状パターン２５の周期
Ａは（４）式を満たずように２６ｐｍとなっている。ま
た格子状パターン２５の長さＬは２０ｍｍとすると（２
）式より得られる波長スペクトル幅はλｉ＝１．３ｐｍ
に対し、Δλ＝１７Ａとなる。

（１１）本実施例において、屈折率の大きい光導波路２３は多モ
ード光導波路となる場合があるが、（４）式が０次モー
ドに対するｎ２に対して成立するように条件を選べぼ０
次光のみを励起するようにできる。また、光導波路２３
を作成する手段としては、やはり大きな屈折率変化が得
られるイオン注入法を用いることができる。さらには、
他の誘電体膜を用いて一方の光導波路のみをＬｉＮｂＯ
３結晶基板２１・上に形成することもでき、この場合に
は｜ｎ１　　ｎ２１の値はさらに大きくできる。

また、格子状パターン２５を形成する方法としては、Ｌ
ｉＮｂＯ３結晶基板２１を直接イオンビーム加工等によ
ってエツチングする方法も可能である。

ＬｉＮｂＯ３結晶基板２１の変わりにタンタル酸リチウ
ム、ＧａＡｓ等の半導体基板を使用することも可能であ
る。特にＩＩＩ　＋　Ｖ族化合物半導体基板を用いる場
合には、光導波路２２．２３は互いに異なる組成をもた
せるように独立にエビ成長させて形成する等の方法によ
り本発明の光分波器が得られる。

（１２）第２図は、本発明による導波形光分波器の他の実施例を
示す斜視図である。第１図の実施例と同様にＬｉＮｂＯ
３結晶基板２１上にＴｉ拡散法による光導波路２２とプ
ロトン交換法による光導波路２３が形成され光方向性結
合器２４を構成している。但し、本実施例においては格
子状パターン３０は光導波路２３の中にＴｉ拡散法によ
って形成されている。

本実施例の動作は第１図の例と同様であり、光導波路２
２への入射光２６の中の波長λｉの成分のみ、光導波路
２３へ結合して出射する。

第３図は本発明による導波形光分波器の製造方法の一実
施例を示す図である。

第３図は、説明のために導波形光分波器の中の光方向性
結合器部分の一部だけを切り出して示す図（斜視図）で
ある。

第３図において、先ずＬｉＮｂＯ３結晶基板上にスパッ
タ等によりコーティングした数百ＡのＴｉ膜をフォトリ
ソグラフィによりパターン化して第１の光導波路パター
ン３２と格子状パターン３３を形成する（第３図（ａ）
）。次にその基板を１０００〜１１０００Ｃの電気炉中
に数時間放置することにより基板中にＴｉが拡散してＴ
ｉ拡散光導波路３４及びＴｉ拡散格子パターン３５が形
成される（第３図（ｂ））。次に第１の光導波路に近接
した格子パターン３５を含む領域にプロトン交換法によ
り第２の光導波路３６が形成される（第３図（Ｃ））。

ここで、プロトン交換法の一例としては、第２の光導波
路３６の形状の開口を有するＴｉ膜マスクを基板上に設
置し、その基板を２００〜２５０°Ｃの安息香酸中に数
十分〜数時間浸すことにより光導波路が得られる。

本発明による光分波器の製造方法の他の一例としては、
先ずＴｉ拡散により第１の光導波路のみを形成し、その
後、第２の光導波路パターン及び格子パターンの開口を
もつマスクを用いてプロトン交換を行う方法がある。

第４図は本発明の一実施例を示し、電圧により制御可能
な導波形光分配器の斜視図である。

第４図において電気光学効果を有するＬｉＮｂＯ３結晶
基板２１上に第１図の実施例と同様にＴｉ拡散法による
光導波路２２とプロトン交換法による光導波路２３が形
成され、光方向性結合器２４を構成している。

本実施例では格子状パターン４０は光方向性結合器２４
の光導波路２２と２３の間にイオン交換法又はＴｉ拡散
法によって形成されている。さらに光方向性結合器２４
の光導波路２２と２３の上部に１対の制御電極４１が設
置されている本実施例において、制御電極への印加電圧
がＯ場合は第１図の実施例と同様に光導波路２２への入
射２６の（４）式を満たず波長λｉの成分が光導波路２
３へ結合するが、制御電極下の屈折率が変化し、その結
果（４）式の｜ｎｌ　　ｎ２１の値が変化するので光導
波路２３から取り出される波長λｉが電圧に応じて変化
する。すなわち、本実施例では制御電極への印加電圧の
大きさによって分離する波長を調整することができる。

（発明の効果）以上述べたように本発明により、溝底が簡単で、温度に
足して安定で、製作が容易でかつ比較的波長スペクトル
幅が狭い導波形光分波器及びその製造方法が得られる。

【図面の簡単な説明】

（１５）第１図、第２図、第４図は本発明による導波形光分派器
の実施例を示す図、第３図は本発明による導波形光分波
器の製造方法の実施例を示す図、第５図、第６図は従来
の導波形光分波器の例を示す図である。図において、１
．１１．２１．３１はニオブ酸リチウム結晶、２．２２
．３４はＴｉ拡散による光導波路、２３．３６はイオン
交換による光導波路、２５．３０．３５．４０は格子パ
ターン、４１は制御電極である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）基板上に、互いに近接して並置された、互いに最
低次数の導波モードに対する等価屈折率の差｜ｎ＿１−
ｎ＿２｜が、５．６×１０＾−＾３≦｜ｎ＿１−ｎ＿２
｜≦１．３である２本の光導波路によって構成される光
方向性結合器と、前記光導波路の少なくとも一方の近傍
に設置され、光透過方向に周期的な等価屈折率変化を与
える格子状パターンとを設置したことを特徴とする導波
形光分波器。
（２）光学結晶基板上に、金属拡散によって形成する第
１の光導波路とイオン交換によって形成する第２の光導
波路とを互いに近接させて光方向性結合器を構成し、前
記第１又は第２の光導波路内または該光導波路に近接し
て光透過方向に周期的な格子状パターンを設置すること
を特徴とする導波形光分波器の製造方法。
（３）周期的な格子状パターンを周期的な金属拡散領域
または周期的なイオン交換領域のいずれかによって構成
することを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の導波
形光分波器の製造方法。
（４）電気光学効果を有する基板上に、互いに近接して
並置された、互いに最低次数の導波モードに対する等価
屈折率の差｜ｎ＿１−ｎ＿２｜が、５．６×１０＾−＾
３≦｜ｎ＿１−ｎ＿２｜≦１．３である２本の光導波路
によって構成される光方向性結合器と、前記光導波路の
少なくとも一方の近傍に設置され、光透過方向に周期的
な等価屈折率変化を与える格子状パターンと、前記光方
向性結合器に沿って少なくとも一対の制御電極を設置し
たことを特徴とする導波形光分波器。