JPH09311235A - 光導波路の分岐構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 この発明の主たる目的は、分岐部を構成する
各部に鋭角部や微細な部分がなくても分岐損失を少なく
することができ、各部を高精度に形成する必要性が緩和
されるような分岐構造を提供することにある。 【解決手段】 １本の入力側導波路１２と２本の出力側
導波路１３，１４との間に分離された状態で過渡部導波
路１５が設けられている。過渡部導波路１５は入力側導
波路１２の端部１２ａから導波路幅が段差状に急に少し
広がる拡張部１６と、拡張部１６から出力側導波路１
３，１４の方向に延びる延長部１７とを有している。拡
張部１６の導波路幅Ａは入力側導波路１２の幅Ｂよりも
やや広い。延長部１７は拡張部１６から出力側導波路１
３，１４に至る間で導波路幅が実質的に一定、またはテ
ーパ状に広がる形状となっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信などにおい
て信号光を分岐するディバイスなどに適用される光導波
路の分岐構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば光通信に使われる光集積回路（光
ＩＣ）用ディバイス等において、信号光を分岐させるた
めの一手段として、例えば特開平３−１７２８０４号公
報や特開平５−１１９２２０号公報に記載されているよ
うな光方向性結合器が知られている。また、特開平３−
２４５１０７号公報や特開平５−１１１３０号公報に記
載されているようなＹ分岐導波路も知られている。

【０００３】従来の光方向性結合器は、図７に例示する
ように、基板１に形成された複数の導波路２，３，４の
一部を互いに平行かつ直線的に近接させることにより、
入力側導波路２を伝搬する光を出力側導波路３，４に移
行させるようにしている。この光方向性結合器は導波路
幅が一定であるため、シングルモードの入射光をシング
ルモードのまま伝搬させることができ、損失が少ないと
いう利点がある。

【０００４】しかしながら上記の光方向性結合器は、伝
搬定数が光の波長の変化に対して敏感に変化するため波
長依存性が強いという特性がある。このため、波長帯域
幅が５０〜１００オングストロームと狭く、導波路どう
しの間隔や結合部の長さ等の設計が難しく、製造時の寸
法ばらつきによって特性が大きく変化するという欠点が
あった。また光通信では主に波長１．３μｍと１．５５
μｍの光が用いられるが、方向性結合器を用いた分岐で
は、使用する波長によって結合長などを変更する必要が
あり、その結果、波長の変化に応じて２種類の方向性結
合器を用いなければならず、通信システムを構成する上
で大きな問題となる。

【０００５】これに対してＹ分岐導波路は、図８に例示
するように、基板１に設けた１本の導波路５と２本の出
力側導波路６，７との間にＹ形の分岐部８を形成してい
る。このようなＹ分岐導波路は、光の波長に対する依存
性が少なく、波長帯域幅が約１０００オングストローム
と広いため、設計が比較的容易である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしＹ分岐導波路
は、分岐部８における導波路幅が各導波路５，６，７よ
りも広くなるために、入射光がシングルモードであって
も、分岐部８で高次モードの発生によるマルチモード化
の傾向がある。このためＹ分岐導波路は光パワーの一部
が導波路外に放射され、損失が大きくなるという欠点が
ある。また、分岐部先端８ａを微細な鋭角パターンにす
る必要があるが、加工上の限界などから完全な鋭角パタ
ーンを形成することに困難を伴い、分岐部先端８ａの形
状が不完全であると散乱損失を生じやすいという問題も
あった。

【０００７】上記Ｙ分岐導波路は、分岐部先端８ａの幅
が小さくなるほど分岐損失が減少することが知られてい
る。しかし現実には分岐部先端８ａが完全な鋭角となる
ように微細に形成することに困難を伴う。すなわち実際
にＹ分岐導波路を製作した際に、加工上の限界などから
分岐部先端８ａが設計通りの形状とならず、図８に２点
鎖線で示すようにある程度の「なまり」９が生じてしま
う。このため導波路幅の広がる領域がさらに長くなった
り、埋込み型導波路ではコアがクラッド層によって十分
に覆われずに部分的に空洞が生じるなどして、設計値通
りの特性が得られないことがある。

【０００８】上記の問題を解決するには、分岐部８を設
計する際に、予め分岐部先端８ａに２μｍ以上のなまり
幅Ｗを確保しておくとよい。また、分岐部先端８ａを正
確に加工し、埋込み型導波路の製作においてコアがクラ
ッド層に完全に埋込まれるようにする必要からも、２μ
ｍ以上のなまり幅Ｗを確保することが望まれる。しか
し、こうしたなまり幅Ｗの存在は、分岐部８におけるモ
ード変換損失をさらに増加させる要因となる。

【０００９】すなわち、図９に示すように、なまり９を
有するＹ分岐構造においては、入力側導波路５における
界分布が緩やかな摂動を受けるため光は基本モード成分
Ｍ1がほとんどであり、その界分布が光の進行につれて
対称的に左右に広がるようになる。一方、分岐部８にお
いては２本の対称な出力側導波路６，７が設けられてい
るため、偶対称モードしか励起されない。つまり、入力
側導波路５を伝搬してきた光の基本モードＭ1 と、分岐
部８における出力側導波路６，７の結合端の偶対称モー
ドＭ′との間では界分布に大きな差がある。そしてこれ
が原因となってモード変換損失が発生し、分岐損失の一
部になるという欠点がある。この場合の具体的な放射損
失は０．１ｄＢ（デシベル）程度以上の値となる。現状
の導波路製造プロセスでは、導波路形状に関してある程
度のばらつきは避けられず、またクラッド層によってコ
アを十分に埋込む必要があるなどの事情からも、なまり
幅Ｗが大きくなる傾向がある。

【００１０】従って本発明の目的は、波長の変化に影響
されにくいＹ分岐構造において、製造時のばらつき等が
特性に与える影響を低減でき、また、一対の出力側導波
路相互の間隔を２μｍ以上確保しても損失が少なく、し
かも鋭角部がないため、各部の加工が容易となり、かつ
コアをクラッドガラスによって確実に包み込むことがで
きるような光導波路の分岐構造を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を果たすため
に開発された本発明は、クラッド層によって覆われたコ
アを有する光導波路において、１本の入力側導波路と、
上記入力側導波路の端部と対向する方向に配置された２
本の出力側導波路と、上記入力側導波路の端部と上記２
本の出力側導波路との間に上記入力側導波路のコアおよ
び上記出力側導波路のコアから分離されて設けられかつ
導波路幅が上記入力側導波路の端部から広がる拡張部お
よびこの拡張部から上記出力側導波路の方向に延びる延
長部を有する過渡部導波路とを具備している。

【００１２】本発明において、上記過渡部導波路は従来
のＹ分岐導波路の分岐部のようなテーパ形状ではなく、
入力側導波路から分離する過渡部導波路との界面におい
て段差状に急に少し広がる拡張部と、この拡張部から出
力側導波路の方向に延びる延長部を有している。この場
合、入力側導波路と過渡部導波路との界面では伝搬する
光は基本モードが主となるが、僅かな輻射モード成分も
励起させることができる。さらにこの過渡部導波路の長
さを適正な値に調整し、基本モードと輻射モードの界分
布を適正に重ね合わせることにより、２本の出力側導波
路への結合に有利な界分布を過渡部導波路内でつくり出
すことができる。この入力側導波路から過渡部導波路に
移行する際に僅かなモード変換損失を生じるが、過渡部
導波路から２本の出力側導波路への結合時には損失がほ
とんど発生しないため、また、入力側導波路から過渡部
導波路及び過渡部導波路から出力側導波路に入射する際
に発生すると考えられるフレネル反射損失は無視できる
程小さな値であるため、分岐部全体として低損失に抑え
ることができる。なお、入力側導波路と過渡部導波路と
の間隔および過渡部導波路と出力側導波路との間隔は２
μｍ〜８μｍの範囲がよい。この間隔が２μｍ未満では
通常の成膜方法では所望精度を満たして製造することが
困難になる。上記間隔が８μｍを越えると光の出射ビー
ムの幅が広くなり過ぎ、モードフィールドのミスマッチ
ングの原因となり実用に適さない。

【００１３】本発明はＹ型に分岐する２分岐タイプの分
岐構造であるが、このＹ分岐構造を複数組合わせること
によって、８分岐あるいは１６分岐等の導波路も構成す
ることができ、その場合も分岐部１か所あたりの損失が
非常に小さいため挿入損失特性に優れたスターカプラが
得られる。さらに、上記分岐構造を応用して導波路型光
スイッチや変調器などを形成することもできる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に本発明の一実施形態につい
て、図１から図６を参照して説明する。図１に示したＹ
分岐型の光導波路１０を有する光分岐ディバイス１１
は、１本の入力側導波路１２と、２本の出力側導波路１
３，１４と、過渡部導波路１５などを備えている。過渡
部導波路１５は、入力側導波路１２のコアの端部１２ａ
と出力側導波路１３，１４のコアの端１３ａ，１４ａと
の間にそれぞれ間隔Ｙ1 ，Ｙ2 を有する分離部Ｇを介し
て互いに分離されて設けられている。上記分離部Ｇの間
隔Ｙ1 ，Ｙ2 はいずれも２μｍ〜８μｍ（例えば５μ
ｍ）にするとよい。この過渡部導波路１５は、入力側導
波路１２の端部１２ａから入射するところで導波路幅が
段差状に急に少し広がる拡張部１６を有し、かつ、拡張
部１６から出力側導波路１３，１４の方向に延びる延長
部１７を備えている。入力側導波路１２の端部１２ａと
拡張部１６とは互いに平行あるいはそれに近い状態であ
る。また、過渡部導波路１５の出力側の端面１８と出力
側導波路１３，１４の端部１３ａ，１４ａも平行あるい
はそれに近い状態となるように配置されている。

【００１５】図示例の拡張部１６の導波路幅Ａは、入力
側導波路１２の導波路幅Ｂの例えば２倍以下である。延
長部１７の導波路幅は拡張部側１６から出力側導波路１
３，１４に至る間で実質的に一定である。なお図１に２
点鎖線で示すように、延長部１７の導波路幅が拡張部１
６から出力側導波路１３，１４に至る間でテーパ状に広
がる形状としてもよい。

【００１６】過渡部導波路１５に対する出力側導波路１
３，１４の各々の過渡部近接端１３ａ，１４ａの導波路
幅Ｃは、それぞれ入力側導波路１２の幅Ｂの半分以下と
してあり、しかも過渡部近接端１３ａ，１４ａから延び
る部分１３ｂ，１４ｂは、円弧またはサインカーブ等の
三角関数に基く形状から選ばれた曲線で構成されてい
る。また、出力側導波路１３，１４の導波路幅は、過渡
部近接端１３ａ，１４ａから遠ざかるにつれて次第に幅
が広がりながら一定の導波路幅Ｄの部分１３ｃ，１４ｃ
に連なる形状となっている。過渡部近接端１３ａ，１４
ａ間の分岐導波路間隔Ｗは、２μｍあるいはそれ以上確
保されている。

【００１７】上記光導波路１０の製造方法の一例を以下
に述べる。Ｓｉウエハあるいは石英等からなる基板２０
（図３に示す）の表面に、ＣＶＤ法（Chemical Vapor D
eposition ：化学気相蒸着法）あるいはＦＨＤ法（Flam
eHydrolysis Deposition ：火炎堆積法）などの膜形成
方法によって、ＳｉＯ₂ を主成分とする低屈折率の下部
クラッド層２１を形成する。また、下部クラッド層２１
の上に、ＳｉＯ₂ にドープ剤を添加するなどの手段によ
って屈折率をクラッド層２１よりも０．２％〜０．３２
％程度高めたコア２２を形成する。なお、屈折率を下げ
るドープ剤をクラッド層２１に添加することにより、ク
ラッド層２１の屈折率を下げる方法をとってもよい。

【００１８】上記コア２２の表面にフォトレジストによ
って所定の導波路パターンを形成したのち、ＲＩＥ（Re
active Ion Etching）などの方法によってエッチングを
行うことにより、所定パターンの導波路コア２２を成形
する。その後、再びＣＶＤ法あるいはＦＨＤ法などによ
りコア２２を埋込むように上部クラッド層２５を形成す
る。これにより、ステップインデックス型屈折率分布を
もつ光導波路１０が形成される。図３は、ＦＨＤ法によ
って形成される埋込み型導波路構造であるが、図４に示
すようなリッジ型導波路構造をＣＶＤ法によって形成し
てもよい。

【００１９】なお、コア２２の屈折率をドープ剤の添加
によって予め高めに設定しておき、加熱によりドープ剤
を熱拡散させるなどの導波路製造方法を用いて、グレー
テッド型の屈折率分布をもつ導波路を形成してもよい。
また、上記の説明とは異なる公知の導波路製造プロセス
（例えばガラス基板中に不純物を拡散させるなど）によ
って、グレーテッドインデックス型の屈折率分布をもつ
導波路を形成してもよい。

【００２０】上記実施例の光導波路１０の分岐構造で
は、入力側導波路１２と過渡部導波路１５との界面にお
いて伝搬する光は主に基本モードとなるが、入力側導波
路１２に対して拡張部１６が段差状に急に少し広がった
形状となっているため、過渡部導波路１５において僅か
な輻射モード成分を励起させることができる。しかも過
渡部導波路１５の長さを適正な値に調整し、基本モード
と輻射モードの界分布を適正に重ね合わせるようにすれ
ば過渡部導波路１５と２本の出力側導波路１３，１４と
の界面でのモード変換損失がほとんど発生しない。しか
も、入力側導波路１２から過渡部導波路１５に入射する
際、及び過渡部導波路１５から出力側導波路１３，１４
に入射する際に発生すると考えられるフレネル反射損失
は、幾何光学計算によると入力光１に対して１０^-6オー
ダであり、実用上無視できるほど小さい値である。この
ため、上記界面で僅かなモード変換損失を生じても分岐
部全体として低損失に抑えることができる。

【００２１】図２に、上記実施形態における界分布の各
モード結合状態を示す。入力側導波路１２と過渡部導波
路１５との界面では、基本モードＭ1 からＭ2 に変換す
る。過渡部導波路１５において２本の出力側導波路１
３，１４に必要な界分布Ｍ3 が作られるため、出力側導
波路１３，１４の過渡部導波路１５との近接端１３ａ，
１４ａにおいて出力側の偶対称モードＭ4 に対しスムー
ズなモード結合が実現できる。その後、２本の出力側導
波路１３，１４の間隔を徐々に広げることにより光を二
分したモードＭ5 を作り出すことができる。さらにこの
２本の出力側導波路１３，１４の近接端１３ａ，１４ａ
では各導波路幅を入力側導波路１２のコア幅の半分以下
まで細くすることにより、光の閉じ込めを一時的に弱
め、モード変換に伴う損失も減少させることができる。

【００２２】上記分岐構造では入力側導波路１２と過渡
部導波路１５との間隔Ｙ1 および出力側導波路１３，１
４の近接端１３ａ，１４ａと過渡部導波路１５の間隔Ｙ
2 を２μｍ以上８μｍ以下に設定しているが、この部位
での反射損失は実質的に無視できる程度であり、ここで
の急激なモード変換はほとんど生じないため、このよう
な間隔Ｙ1 ，Ｙ2 を有する分離した形状であっても損失
は問題にならない。また、出力側導波路１３，１４の一
端側の近接端１３ａ，１４ａから他端側に連なる部分１
３ｂ，１４ｂを円弧や三角関数に基く曲線などから選ば
れた適正な形状を用いることにより、曲げ損失を０．０
０１ｄＢ以下に抑えることができる。

【００２３】上記実施形態の分岐構造によれば、各部を
構成するコア形状において２μｍ以下の細かいパターン
や鋭角パターンに形成しなくてもモード変換損失を少な
くでき、微細な鋭角部分を形成する必要がないため、加
工が容易であるとともに、コア２２の周囲を上部クラッ
ド層２５によって完全に包囲し埋込むことができる。つ
まり分岐部の成形不良の原因のひとつを排除でき、分岐
部を歩留まり良く成形可能な形状にすることができるこ
とにより、特性ばらつきの少ない光導波路１０が得られ
る。

【００２４】上記実施形態の光導波路１０の作用（挿入
損失等）を確かめるために、本発明者らはＢＰＭ（ビー
ム伝搬法）によるシミュレーションを行った。その結果
について以下に述べる。

【００２５】まず分岐損失については、図５に示すよう
に、上記実施形態の場合、分岐導波路間隔Ｗ＝２μｍ付
近で損失が０．０４ｄＢ程度ときわめて低くなってい
る。分岐損失は、分岐導波路間隔Ｗの増加に伴って増加
する傾向があるが、上記実施形態では従来のＹ分岐構造
よりも損失の増加の程度が緩やかである。分岐導波路間
隔Ｗが３．５μｍ程度まで増加しても分岐損失が０．１
ｄＢ以下に抑えられており、従来のＹ分岐構造に比較し
て著しく低い分岐損失となっている。

【００２６】これに対し従来のＹ分岐導波路（図８参
照）のようなテーパ状の過渡部分をもつ分岐構造では、
分岐導波路間隔Ｗが２μｍとなるように分岐部先端を微
細に成形したとしても、損失は０．１ｄＢ以上となる。
図５は波長１．３μｍにおける特性であるが、従来のＹ
分岐構造では、分岐導波路間隔が増加するにつれて分岐
損失が急激に増加する傾向がある。

【００２７】光通信では主に波長１．３μｍと１．５５
μｍの光が用いられるが、図６に示すように波長に対す
る分岐損失の依存性は小さく、上記実施形態の光導波路
１０であれば上記２種類の波長のいずれでも十分に低い
分岐損失が得られている。

【００２８】上述したように、導波路の分岐部を製造す
る際にばらつく要因となる分岐部の形状等に関し、特に
分岐部を構成する各部の形状等について精度を緩和でき
るため、分岐部における低損失化が図れるのは勿論のこ
と、分岐導波路間隔の許容範囲を広く設定できるので加
工が容易となり、導波路の分岐部を製造する上で歩留ま
りを飛躍的に高めることができる。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、入力側導波路と出力側
導波路の中間に位置する過渡部分ではテーパ状ではなく
急に導波路コア幅を僅かに広げることにより、入力側導
波路と過渡部導波路との界面では基本モードが主である
が、僅かな輻射モード成分を励起させることができ、さ
らにこの過渡部導波路の長さを適正な値に調整し、基本
モードと輻射モードの界分布を適正に重ね合わすことに
より、２本の出力側導波路への結合に有利な界分布を作
り出すことができる。ここで入力側導波路からこの過渡
部分へ結合の際、僅かなモード変換損失を生ずるが、過
渡部分から２本の出力側導波路に結合する際には損失が
ほとんど発生しないため、全体として低損失に抑えるこ
とができる。

【００３０】従って、分岐損失が低減し、光を効率良く
伝搬することができる。しかも分岐部のコアを形成する
際の加工上の限界によって製造時にばらつく可能性のあ
るコア形状の精度等を緩和でき、分岐導波路間隔の許容
範囲を広く設定できる。また過渡部導波路のコアが入力
側導波路のコアおよび出力側導波路のコアと分離されて
いて、コアの全周をクラッドガラスが十分に回り込むこ
とのできる形態となっているからコアの埋込み不良の問
題も回避できる。これらの理由から、製造時にばらつく
要因による導波路特性への影響を低減でき、製造が容易
になるとともに不良品の発生が減って歩留まりが大幅に
向上する。しかも波長が変化しても光伝搬特性への影響
が少ない。また、分岐部における出力側導波路の曲線を
少なくできるため曲り損失の低減化を図ることができ
る。

【００３１】請求項５のように２本の出力側導波路の結
合端の導波路幅をそれぞれ入力側導波路の半分以下まで
細くした場合には、過渡部導波路と各出力側導波路との
結合部に生じるモード変換に伴う損失を更に減少させる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態を示す光導波路の分岐部
の平面図。

【図２】 図１に示された分岐部における界分布の変化
を示す図。

【図３】 図１中のIII-III 線に沿う断面図。

【図４】 導波路コアの変形例を示す断面図。

【図５】 分岐導波路間隔と損失との関係を示す図。

【図６】 分岐導波路間隔と損失との関係を２種類の波
長に関して示す図。

【図７】 従来の光方向性結合器を示す平面図。

【図８】 従来のＹ分岐導波路を示す平面図。

【図９】 図８に示されたＹ分岐導波路における界分布
の変化を示す図。

【符号の説明】

１０…光導波路 １１…光分岐ディバイス １２…入力側導波路 １３，１４…出力側導波路 １５…過渡部導波路 １６…拡張部 １７…延長部 ２０…基板 ２１…クラッド層 ２２…コア ２５…クラッド層

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】クラッド層によって覆われたコアを有する
   光導波路において、 １本の入力側導波路と、 上記入力側導波路の端部と対向する方向に配された２本
   の出力側導波路と、 上記入力側導波路の端部と上記２本の出力側導波路との
   間に上記入力側導波路のコアおよび上記出力側導波路の
   コアから分離されて設けられかつ導波路幅が上記入力側
   導波路の端部から広がる拡張部およびこの拡張部から上
   記出力側導波路の方向に延びる延長部を有する過渡部導
   波路と、 を具備したことを特徴とする光導波路の分岐構造。
2. 【請求項２】上記入力側導波路と上記過渡部導波路との
   間隔および上記過渡部導波路と上記出力側導波路との間
   隔をそれぞれ２μｍ以上８μｍ以下としたことを特徴と
   する請求項１記載の光導波路の分岐構造。
3. 【請求項３】上記拡張部の導波路幅が上記入力側導波路
   よりもやや広くかつ上記延長部の導波路幅が上記延長部
   の上記出力側導波路に相対する出力端に至る間で実質的
   に一定としたことを特徴とする請求項１記載の光導波路
   の分岐構造。
4. 【請求項４】上記拡張部の導波路幅が上記入力側導波路
   よりもやや広くかつ上記延長部の導波路幅が上記延長部
   の上記出力側導波路に相対する出力端に至る間でテーパ
   状に広がる形状としたことを特徴とする請求項１記載の
   光導波路の分岐構造。
5. 【請求項５】上記過渡部導波路に対する上記一対の出力
   側導波路の入力端の導波路幅がそれぞれ上記入力側導波
   路の幅の半分以下であり、かつ、上記入力端から延びる
   部分が円弧または三角関数に基く形状から選ばれた曲線
   で構成されしかも上記入力端から離れるにつれて導波路
   幅が次第に広がる形状としたことを特徴とする請求項１
   記載の光導波路の分岐構造。