JPH10325911A - 光導波素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 非可逆導波が可能であり、小型化、低コスト
化が図れる光導波素子を実現する。 【解決手段】 使用波長において透明な材料により導波
路１０と導波路３０を形成し、屈折率の低い導波材によ
り導波路２０を形成し、これらの導波路の交差部に屈折
率不連続面４０を形成し、導波路１０と導波路３０の軸
がなす角度２θは、不連続面４０において全反射が発生
する臨界角に応じて設定する。導波路１０から入射され
た光Ｐ₁ は不連続面４０で全反射され、導波路３０に導
波され、導波路２０から入射された光Ｐ₂ は、不連続面
４０を透過し、導波路１０に導波されるので、屈折率の
不連続面により非可逆な光導波素子を実現でき、受信光
と送信光を一本のファイバーに合波する際に、偏波の制
御、アイソレーター素子などの付加が不必要となり、光
導波回路の小型化、低コスト化を実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバー通
信、光ファイバー計測などに用いられた非可逆な導波素
子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】双方向光通信においては、一つの光ファ
イバーに、受信光と送信光の逆方向の光を伝送させ、そ
の端末では、受信導波路と送信導波路を結合する、いわ
ゆる光分岐合波器を接続して、受信導波路には光検知素
子を、送信光導波路には、レーザ素子を接続する。この
光分岐合波器は、一般に二本のファイバーを溶融結合し
た素子や、光導波路基板にＹ分岐形状の光導波路を設け
た素子が用いられている。このような光分岐合波器は、
光を検知素子に導入するとともに、送信発光素子の信号
を光ファイバーに結合することが可能である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来の導波素子おいては、その素子の可逆導波性により、
受信光を送信用発光素子にも導波し、発光素子出力が不
安定になる不利益が生じる。このため、このような分岐
を用いる場合には、発光素子と光分岐器との間に、バル
クの磁気光学効果によるファラデー回転素子と二枚の偏
光素子を組み合わせた光アイソレーターや、ＹＩＧなど
のファラデー回転素子を光導波路として、入力光の位相
に制限を設けた光アイソレーター素子を挿入して、発光
素子の不安定化を防止している。これらの非可逆化のた
めの素子の付加は、回路の複雑化、大型化および回路コ
ストの増大を招き、通常の光導波路に非可逆機能が付与
できることが望まれている。

【０００４】本発明は、かかる事情に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、導波素子に非可逆性を付与で
き、小型化、低コスト化を実現できる光導波素子を提供
することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の光導波素子は、第１の材料からなる第１の
導波路と、上記第１の材料からなり、上記第１の導波路
と所定の角度で交差して形成されている第２の導波路
と、上記第１と第２の導波路の交差部に、上記第１の材
料より屈折率が低い第２の材料からなる低屈折率部とを
有する。

【０００６】また、本発明では、上記第１と第２の導波
路の交差部と上記低屈折率部との間に屈折率不連続面が
形成され、上記第１の導波路から入射した光は、当該不
連続面で全反射され、上記第２の導波路に導波されるよ
うに、当該不連続面と上記第１の導波路とがなす角度が
規定される。

【０００７】また、本発明では、上記第１および第２の
材料は、使用する波長において透過性材料により構成さ
れている。

【０００８】さらに、本発明では、上記第１および第２
の導波路は、ニオブ酸リチウム基板上にチタン熱拡散し
て形成され、または、ニオブ酸リチウム基板上に、これ
らの導波路の形状に応じて開口部が設けられているレジ
スト膜をマスクとして、プロトン交換法により形成され
ている。

【０００９】本発明によれば、第１の材料からなる第１
と第２の導波路の交差部に屈折率が第１の材料より低い
第２の材料からなる低屈折率部が設けられ、交差部と低
屈折率部との間に、屈折率不連続面が形成され、上記第
１の導波路から入射した光は、当該不連続面において全
反射するようにその角度が設定される。この結果、第１
の導波路から入射した光は、屈折率不連続面において全
反射が発生し、導波損失を除き、入射光の殆どが第３の
導波路に導波されるので、低屈折率部に伝送されること
が防止される。一方、低屈折率部から屈折率不連続面に
伝送されてきた光は、当該不連続面において低屈折率媒
質から高屈折率媒質に入射されるので、全反射が発生せ
ず、わずかな反射を除き殆どが不連続面を通過して、第
１の導波路に入射される。

【００１０】これにより、導波路の交差部に屈折率の不
連続面を形成して、当該不連続面における光の全反射ま
たは通過を利用することにより、非可逆光導波素子を構
成することができ、例えば、異なる光ファイバーで伝送
されている受信光と送信光を一本のファイバーに合波す
る際、偏波の制御や、アイソレーター素子の付加が不必
要となり、光導波回路の小型化、低コスト化を実現でき
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】第１実施形態 図１は本発明に係る光導波素子の第１の実施形態を示す
構成図である。図示のように、本実施形態の光導波素子
は、導波路１０、導波路２０および導波路３０により構
成されている。導波路１０および３０は、同じ導波材に
より構成され、導波路２０は異なる導波材により構成さ
れている。しかも導波路２０を形成する導波材は導波路
１０および３０を形成する導波材より屈折率が低く設定
されている。このため、導波路１０、３０と導波路２０
との交差部において、屈折率不連続面４０が形成されて
いる。

【００１２】不連続面４０の法線を５０とすると、導波
路１０の軸と法線５０がなす角度θは、屈折率の不連続
により生じた全反射臨界角以上に設定されている。ま
た、導波路３０の軸と法線５０とがなす角度も同じくθ
に設定されているので、導波路１０と導波路３０の軸が
なす角度は２θとなる。

【００１３】以下、図１を参照しつつ、本実施形態の光
導波素子の動作について説明する。導波路１０から入射
された光Ｐ₁ は不連続面４０に到達した場合、不連続面
４０において、屈折率は高から低に変わるので、不連続
面４０において全反射が発生し、導波損失を除き、入射
した光Ｐ₁ のエネルギーの殆どが反射される。反射され
た光が導波路３０に入射され、図示のように、反射光Ｐ
₃ として導波路３０により伝送される。このため、導波
路１０に入射された光Ｐ₁ が導波路３０に導波され、導
波路２０に出力されることがない。

【００１４】一方、導波路２０から入射された光Ｐ
₂ は、不連続面４０に到達した場合に、不連続面４０に
おいて、屈折率は低から高に変わるので、スネルの法則
に従い、この場合入射した光のエネルギーの殆ど、例え
ば、約９７％が不連続面４０を透過して、透過光Ｐ₂₀と
して、導波路１０に到達する。また、不連続面４０で生
じた微小な反射光Ｐ₂₁は、図示のように導波路の外部に
放出される。なお、屈折率の不連続面を透過する際に、
導波路光軸は屈折により若干変化し、不連続面を透過し
た後、導波損失が生じるが、光導波路の閉じ込めによ
り、実用可能な強度の光を導波路１０側から得ることが
できる。

【００１５】以下、図１を参照し、本実施形態における
光導波素子の製造方法について説明する。本実施形態の
光導波素子は、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）基板上にチタ
ン（Ｔｉ）を熱拡散することにより形成することができ
る。この場合、導波路１０、および導波路３０のチタン
導波路パターンの厚さを、不連続面４０と導波路２０か
らなる部分のチタン導波路パターンの厚さより厚くし、
熱拡散した後のチタン濃度を制御することにより、導波
路の屈折率不連続面４０を形成することができる。例え
ば、チタン膜の膜厚は、５００〜１０００Åで形成さ
れ、このようにチタン膜の膜厚を制御することにより、
例えば、屈折率２．２２２のニオブ酸リチウム基板上に
それぞれ屈折率２．２３０の導波路１０、導波路３０と
屈折率２．２２５の導波路２０を形成することができ
る。

【００１６】このように形成した不連続面４０において
は、導波路１０と導波路２０の屈折率差に応じて導波路
１０と導波路３０の軸がなす角度２θを算出できる。こ
こで、導波路１０および３０の屈折率をｎ₁ 、導波路２
０の屈折率をｎ₂ とすると、屈折率不連続面４０におけ
る全反射が発生する臨界角θ₀ は、次式により与えられ
る。

【００１７】

【数１】 θ₀ ＝ｓｉｎ（ｎ₂ ／ｎ₁ ） …（１）

【００１８】例えば、上述した例において、屈折率ｎ₁
＝２．２３０、屈折率ｎ₂ ＝２．２２５、不連続面４０
に全反射を発生する臨界角θ₀ は、式（１）により、８
６．２°と算出される。従って、図１において導波路１
０と導波路３０の軸がなす角度は（２θ＝１７２．４
°）となる。導波路１０と導波路３０の軸がなす角度が
１７２．４°以上に設定することにより、導波路１０か
ら入射された光は、不連続面４０において全反射され、
導波路３０に導波される。

【００１９】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、使用波長において透明な材料により導波路１０と導
波路３０を形成し、屈折率の低い導波材により導波路２
０を形成し、これらの導波路の交差部に屈折率不連続面
４０を形成する。導波路１０と導波路３０の軸がなす角
度２θは、不連続面４０において全反射が発生する臨界
角に応じて設定する。導波路１０から入射された光Ｐ₁
は不連続面４０で全反射され、導波路３０に導波され、
導波路２０から入射された光Ｐ₂ は、不連続面４０を透
過し、導波路１０に導波されるので、屈折率の不連続面
により非可逆な光導波素子を実現でき、受信光と送信光
を一本のファイバーに合波する際に、従来必要であった
偏波の制御や、アイソレーター素子の付加などが不必要
となり、光導波回路の小型化、低コスト化を可能とな
る。

【００２０】第２実施形態 図２は本発明に係る光導波素子の第２の実施形態を示す
構成図である。図２に示すように、本実施形態の光導波
素子は図１に示す第１の実施形態における光導波素子と
ほぼ同じ構成を有しており、導波路１０、導波路２０ａ
および導波路３０により構成されている。さらに第１の
実施形態と同様に、導波路２０ａを構成する導波材は、
導波路１０および導波路３０を構成する導波材より屈折
率が低く設定されている。

【００２１】ただし、本実施形態の光導波素子において
は、図示のように、導波路２０ａは、図１の光導波素子
に較べて、形状が屈曲に形成されている。以下、このよ
うな構成を有する光導波素子の動作およびその特徴につ
いて、図２を参照しながら説明する。

【００２２】本実施形態の光導波素子においては、導波
路１０、導波路３０は図１に示す光導波素子と同様に形
成されている。また、導波路１０、３０および導波路２
０ａを構成する導波材は、図１に示す光導波素子とそれ
ぞれ同様に選択すれば、屈折率不連続面４０における全
反射臨界角θ₀ は第１の実施形態と同様になる。

【００２３】この結果、導波路１０から入射された光に
ついては、第１の実施形態と同じように導波される。即
ち、入射光Ｐ₁ は不連続面４０で全反射が発生し、反射
された光Ｐ₃ は導波路３０に導波される。

【００２４】一方、導波路２０から入射された光Ｐ
₂ は、不連続面４０において、低屈折率媒質から高屈折
率媒質に入射するので、導波損失および微小な反射を除
き、殆どが不連続面４０を透過し、導波路１０に到達す
る。なお、光が屈折率不連続面４０を透過する際、導波
光軸は屈折により若干変化し、不連続面４０を透過した
光は導波損失によりわずかながら強度が減衰した。この
損失を低減するために、上述したように、本実施形態に
おいては、導波路２０ａを図示のように屈曲させられ、
屈折による影響を緩和することができる。

【００２５】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、使用波長において透明な材料により導波路１０と導
波路３０を形成し、それより屈折率の低い導波材により
導波路２０ａを形成し、これらの導波路の交差部に屈折
率不連続面４０を形成する。導波路１０と導波路３０の
軸がなす角度２θは、不連続面４０において全反射が発
生する臨界角に応じて設定する。導波路１０から入射さ
れた光Ｐ₁ を不連続面４０で全反射させ、導波路３０に
導波し、導波路２０ａから入射された光Ｐ₂ を、不連続
面４０を透過し、導波路１０に導波し、さらに導波路２
０ａを屈曲に形成することにより、導波路２０ａから導
波路１０に光が透過した際屈折による影響を緩和させる
ので、屈折率の不連続面により非可逆な光導波素子を実
現でき、光導波回路の小型化、低コスト化を可能とな
る。

【００２６】第３実施形態 図３は本発明に係る光導波素子の第３の実施形態を示す
構成図である。図３に示すように、本実施形態の光導波
素子は図１に示す第１の実施形態における光導波素子と
ほぼ同じ構成を有しており、導波路１０ａ、導波路２０
および導波路３０により構成されている。導波路２０を
構成する導波材は、導波路１０ａおよび導波路３０を構
成する導波材より屈折率が低く設定され、導波路１０
ａ、３０と導波路２０との交差部に屈折率不連続面４０
が形成されている。

【００２７】図３に示すように、本実施形態の光導波素
子では、導波路１０ａにおいて、テーパー導波路１０＿
１と１０＿２がそれぞれ設けられている。なお、本実施
形態の光導波素子は、導波路１０ａにテーパー導波路１
０＿１と１０＿２を設けた以外に、導波路２０、導波路
３０および屈折率不連続面４０の各部分の構成および動
作は、図１に示す第１の実施形態の光導波素子とほぼ同
様であるため、ここで、導波路１０ａにおける透過光の
伝送を中心に、本実施形態の光導波素子の動作について
説明する。

【００２８】導波路１０ａから入射した光の伝送動作
は、第１の実施形態と同様である。即ち、入射光は屈折
率不連続面４０において全反射が発生し、導波損失を除
き殆どの部分が反射され、導波路３０に導波される。

【００２９】一方、導波路２０から入射された光は、不
連続面４０に到達した場合に、不連続面４０において、
屈折率は低から高に変わるので、スネルの法則に従い、
この場合入射した光のエネルギーの殆どが不連続面４０
を透過して、導波路１０ａに到達する。なお、屈折率の
不連続面を透過する際に、導波路光軸は屈折により若干
変化し、不連続面を透過した後、導波損失が生じる。こ
れに対して本実施形態の光導波素子においては、図３に
示すように導波路１０ａにテーパー導波路１０＿１と１
０＿２をそれぞれ設け、導波路２０からの透過光におけ
る屈折の影響を緩和する。

【００３０】このように、本実施形態によれば、使用波
長において透明な材料により導波路１０ａと導波路３０
を形成し、それより屈折率の低い導波材により導波路２
０を形成し、これらの導波路の交差部に屈折率不連続面
４０を形成する。導波路１０ａから入射された光を不連
続面４０で全反射させ、導波路３０に導波し、導波路２
０から入射された光を、不連続面４０を透過し、導波路
１０ａに導波し、さらに導波路１０ａにテーパー導波路
１０＿１と１０＿２をそれぞれ形成することにより、導
波路２０から導波路１０ａに光が透過した際屈折による
影響を緩和させるので、屈折率の不連続面により非可逆
な光導波素子を実現でき、光導波回路の小型化、低コス
ト化を可能となる。

【００３１】第４実施形態 図４は本発明に係る光導波素子の第４の実施形態を示す
構成図である。図４に示すように、本実施形態の光導波
素子は図１に示す第１の実施形態における光導波素子と
ほぼ同じ構成を有しており、導波路１０、導波路２０お
よび導波路３０により構成されている。導波路２０を構
成する導波材は、導波路１０および導波路３０を構成す
る導波材より屈折率が低く設定され、導波路１０、３０
と導波路２０との交差部に屈折率不連続面４０が形成さ
れている。

【００３２】上述した本発明の第２および第３の実施形
態は、何れも導波路２０からの入射光が屈折率不連続面
４０を透過する際に、光の屈折により生じた影響を緩和
するために考案したものである。これに対して、本実施
形態は導波路１０から入射した光が屈折率不連続面４０
における全反射で導波路３０に導波される際の導波特性
を向上するために考案したものである。

【００３３】図４に示すように、本実施形態の光導波素
子では、導波路１０と導波路３０との交差部に、導波路
の拡張部６０が設けられている。以下、図４を参照しな
がら、本実施形態の光導波素子の動作について説明す
る。

【００３４】導波路１０から入射された光Ｐ₁ は不連続
面４０に到達した場合、不連続面４０において、屈折率
は高から低に変わるので、不連続面４０において全反射
が発生し、導波損失を除き、入射した光Ｐ₁ のエネルギ
ーの殆どが反射される。反射された光が導波路３０に入
射され、図示のように、反射光Ｐ₃ として導波路３０に
より伝送される。このため、導波路１０に入射された光
Ｐ₁ が導波路３０に導波され、導波路２０に出力される
ことがない。

【００３５】図４に示すように、本実施形態の光導波素
子においては、導波路１０と導波路３０との交差部に、
導波路拡張部６０が設けられており、これによって導波
路１０から導波路３０への光の導波特性が改善され、屈
折率不連続面４０により全反射され、導波路３０に入射
した光Ｐ₃ における伝送損失を低減することができ、光
導波素子における伝送効率の向上が図れる。

【００３６】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、使用波長において透明な材料により導波路１０と導
波路３０を形成し、それより屈折率の低い導波材により
導波路２０を形成し、これらの導波路の交差部に屈折率
不連続面４０を形成する。導波路１０から入射された光
を不連続面４０で全反射させ、導波路３０に導波し、導
波路２０から入射された光を、不連続面４０を透過し、
導波路１０に導波する。さらに導波路１０と導波路３０
との交差部に導波路拡張部６０を設けることにより、導
波路１０から導波路３０に光が反射して伝送される場合
の導波特性を改善でき、伝送損失を低減でき、屈折率の
不連続面により非可逆な光導波素子を実現でき、光導波
回路の小型化、低コスト化を可能となる。

【００３７】第５実施形態 図５は本発明に係る光導波素子の第５の実施形態を示す
構成図である。図５に示すように、本実施形態の光導波
素子において、導波路の交差部では図１に示す第１の実
施形態の光導波素子とほぼ同じ構成を有しており、導波
路１０、導波路２０および導波路３０により構成されて
いる。導波路２０を構成する導波材は、導波路１０およ
び導波路３０を構成する導波材より屈折率が低く設定さ
れ、導波路１０、３０と導波路２０との交差部に屈折率
不連続面４０が形成されている。

【００３８】なお、本実施形態の光導波素子では、屈折
率の高い部分は導波路の交差部近傍に限定し、所望の全
反射不連続面４０以外の不連続面は導波路とほぼ直交す
る形状に形成する。例えば、導波路１０の端部に屈折率
の低い導波材により導波路７０が形成され、同様に導波
路３０の端部に屈折率の低い導波材により導波路８０が
形成されている。導波路７０および８０を構成する導波
材は、例えば、導波路２０を構成する導波材と同じもの
を用いることができる。導波路７０と導波路１０の間の
不連続面９０は、例えば、導波路７０または導波路１０
の軸にほぼ垂直するように形成され、同様に、導波路３
０と導波路８０との間の不連続面１００は、例えば、導
波路３０または導波路８０の軸にほぼ垂直するように形
成されている。

【００３９】このように、屈折率の不連続面９０および
１００を導波路とほぼ直交する形状に形成することによ
り、これらの不連続面における反射屈折を低減する。ま
た、これらの不連続面における微小な反射を防ぐため、
不連続面と導波路とがなす角度を直交角から３〜５°ず
らすことも可能である。これにより、本発明の機能を阻
害することなく、不連続面における微小な反射光による
影響を低減することができる。

【００４０】以下、図５を参照しつつ、本実施形態にお
ける光導波素子の動作について説明する。導波路７０か
ら入射された光Ｐ₁ は導波路７０と導波路１０の間にあ
る不連続面９０において、わずかな反射を除き殆どが不
連続面を透過し、導波路１０に導波される。導波路１０
により伝送されてきた光が不連続面４０に到達した場
合、不連続面４０において、屈折率は高から低に変わる
ので、不連続面４０において全反射が発生し、導波損失
を除き、入射した光Ｐ₁ のエネルギーの殆どが反射され
る。反射された光が導波路３０に入射され、図示のよう
に、導波路３０と導波路８０の間にある不連続面１００
に伝送される。不連続面１００においては、屈折率は高
から低に変わるが、不連続面１００は、導波路３０また
は導波路８０に対してほぼ直交するように形成されてい
るので、不連続面４０の状況と異なって、全反射が発生
せず、わずかな反射を除き、入射光の殆どは不連続面１
００を透過し、光Ｐ₃ として導波路３０により伝送され
る。

【００４１】一方、導波路２０から入射された光Ｐ
₂ は、不連続面４０に到達した場合に、不連続面４０に
おいて、屈折率は低から高に変わるので、スネルの法則
に従い、この場合入射した光のエネルギーの殆ど、例え
ば、約９７％が不連続面４０を透過して、透過光Ｐ₂₀と
して、導波路１０に到達する。さらに、導波路１０によ
り不連続面９０に伝送される。不連続面９０において
は、屈折率は高から低に変わるが、上述したように不連
続面９０は、導波路１０または導波路７０に対してほぼ
直交するように形成されているので、導波路１０により
伝送されてきた光Ｐ₂₀は、不連続面９０において全反射
が発生せず、わずかな反射を除き、入射光の殆どは不連
続面９０を透過し、導波路７０により伝送される。

【００４２】以下、図５を参照し、本実施形態における
光導波素子の製造方法について説明する。本実施形態の
光導波素子は、ニオブ酸リチウム基板上にチタンを熱拡
散することにより形成することができる。例えば、導波
路１０と導波路３０を構成する部分の屈折率を他の導波
路を構成する部分より高く設定するために、導波路１０
および導波路３０に応じて、他の部分より厚いチタン膜
を形成する。そしてチタン膜を熱拡散することにより、
導波路を形成する。この結果、例えば、屈折率２．２２
２のニオブ酸リチウム基板上に、屈折率２．２３０の導
波路１０および導波路３０が形成され、これに対して、
屈折率２．２２５の導波路２０、導波路７０および導波
路８０がそれぞれ形成される。さらに、導波路７０と導
波路１０の間に不連続面９０が形成され、導波路３０と
導波路８０の間に不連続面１００が形成される。さら
に、導波路１０と導波路３０の交差部に、導波路２０と
の間にの不連続面４０が形成される。

【００４３】また、導波路１０と導波路３０の軸がなす
角度２θは、これらの導波路のと導波路２０の屈折率差
に応じて、式（１）により求めることができる。ここ
で、これらの導波路の屈折率差は、図１に示す第１の実
施形態と同様であるため、不連続面４０における全反射
が発生する臨界角θ₀ は、第１の実施形態と同様に、例
えば、８６．２°と算出される。従って、図１において
導波路１０と導波路３０の軸がなす角度は（２θ＝１７
２．４°）となる。導波路１０と導波路３０の軸がなす
角度が１７２．４°以上に設定することにより、導波路
１０から入射された光は、不連続面４０において全反射
され、導波路３０に導波される。

【００４４】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、使用波長において透明な材料により導波路１０と導
波路３０を形成し、それより屈折率の低い導波材により
導波路２０を形成し、これらの導波路の交差部に屈折率
不連続面４０を形成する。さらに導波路１０および導波
路３０の端部に、屈折率の低い導波材により、それぞれ
導波路７０と８０を形成し、不連続面を導波路軸にほぼ
直交するように形成させる。導波路１０と導波路３０の
軸がなす角度２θは、不連続面４０において全反射が発
生する臨界角に応じて設定する。導波路７０から入射さ
れた光Ｐ₁ は不連続面９０を透過し、導波路１０に伝送
される。導波路１０で伝送されてきた光は、不連続面４
０で全反射され、導波路３０に導波され、不連続面１０
０を透過し、導波路８０に伝送される。導波路２０から
入射された光Ｐ₂ は、不連続面４０を透過し、導波路１
０に導波され、殆ど不連続面９０を透過し、導波路７０
に伝送されるので、屈折率の不連続面により非可逆な光
導波素子を実現でき、光導波回路の小型化、低コスト化
を実現できる。

【００４５】第６実施形態 図６は本発明に係る光導波素子の第６の実施形態を示す
構成図である。図６（ａ）に示すように、本実施形態の
光導波素子において、導波路の交差部では図５に示す第
５の実施形態の光導波素子とほぼ同じ構成を有してお
り、導波路１０および導波路３０により構成されてい
る。さらに、導波路１０の延長線上に導波路１１０が形
成されている。図６（ａ）に示すように、導波路１０、
導波路３０の交差部と導波路１１０との間の部分に、基
板と同じ屈折率の媒質または基板を構成する導波材で充
填されており、低屈折率部が形成される。ここで、この
部分を導波路と見なして、記号２０ｂを付して表記する
と、図示のように、導波路１０、導波路３０の交差部と
導波路２０ｂとの間に屈折率不連続面４０ａが形成さ
れ、さらに導波路２０ｂと導波路１１０との間に、不連
続面１２０が形成されている。

【００４６】即ち、本実施形態の光導波素子において
は、基板より屈折率の高い導波材により、導波路１０、
導波路３０および導波路１１０が形成され、基板と同じ
屈折率の導波材により、または基板自身により、導波路
２０ｂが形成されている。このため、導波路２０ｂの屈
折率は、導波路１０、導波路３０または導波路１１０よ
り低くなる。導波路１０と導波路３０の軸がなす角度
を、不連続面４０ａにおける全反射が発生する臨界角θ
₀ に応じて設定することにより、導波路１０から入射し
た光Ｐ₁ を不連続面４０ａにおける全反射によって導波
路３０に導波することが可能である。

【００４７】以下、図６を参照しつつ、本実施形態の光
導波素子の動作について説明する。導波路１０から入射
された光Ｐ₁ は不連続面４０ａに到達した場合、不連続
面４０ａにおいて、屈折率は高から低に変わるので、全
反射が発生し、導波損失を除き、入射した光Ｐ₁ の殆ど
が反射される。反射された光が導波路３０に入射され、
図示のように、反射光Ｐ₃ として導波路３０により伝送
される。このため、導波路１０に入射された光Ｐ₁ が導
波路３０に導波され、導波路２０ｂに出力されることが
ない。

【００４８】一方、導波路１１０から入射された光Ｐ₂
は、導波路１１０と導波路２０ｂ間の不連続面１２０に
入射される。なお、不連続面１２０は、図示のように導
波路１１０に対してほぼ直交するように形成されてい
る。このため、不連続面１２０において、導波路１１０
側から導波路２０ｂ側へ、屈折率が高から低に変わる
が、入射光Ｐ₂ はわずかな反射を除き、殆どが不連続面
１２０を透過する。即ち、導波路１１０から伝送されて
きた光Ｐ₂ は、不連続面１２０を介して導波路１１０か
ら開放され、基板媒質からなる導波路２０ｂに伝送さ
れ、空間光となる。さらに、基板媒質（導波路２０ｂ）
により伝送され、不連続面４０ａに入射される。不連続
面１２０から、不連続面４０ａまでの距離は、数〜数十
μｍと短く設定することができ、光の直進性により導波
損失は殆ど無視できる程度になる。

【００４９】導波路２０ｂから入射された光Ｐ₂ は、不
連続面４０ａにおいて、低屈折率媒質から高屈折率媒質
に入射するので、導波損失および微小な反射を除き、殆
どが不連続面４０を透過し、導波路１０に到達し、光Ｐ
₂₀として導波路１０により伝送される。また、不連続面
４０ａで生じた微小な反射光Ｐ₂₁は、図示のように導波
路の外部に放出される。

【００５０】なお、本実施形態の場合に、基板と空間の
界面での反射を防止するため、基板表面に、基板と同程
度の屈折率をもつクラッド層を成層することが好まし
い。図６（ｂ）はクラッド層が設けられた場合の光導波
素子の断面を示している。図６（ｂ）において、１は、
例えば、ニオブ酸リチウム単結晶基板、１０または１１
０は導波路、２は基板１および導波路表面に形成された
クラッド層をそれぞれ示している。

【００５１】図６（ｂ）に示すように、基板１に、チタ
ンの熱拡散法により導波路１０、１１０または図示しな
い導波路３０をそれぞれ形成する。次いで、基板１およ
び基板１に形成した導波路の表面に他のニオブ酸リチウ
ム薄板を密着して貼り付けする。または、ニオブ酸リチ
ウム膜をスパッタやレーザアブレーションなどで堆積し
て、成膜する。これによって、ニオブ酸リチウムからな
るクラッド層２が形成される。

【００５２】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、基板上に基板を構成する材料より屈折率の高い導波
材により導波路１０、導波路３０および導波路１１０を
形成し、直線上に形成されている導波路１０と導波路１
１０間に基板と同じ屈折率の媒質または基板自身からな
る低屈折率部２０ｂ（導波路と見なせる）が介在する。
導波路１０、導波路３０の交差部と低屈折率部２０ｂと
の間に屈折率不連続面４０ａを形成する。導波路１０と
導波路３０の軸がなす角度２θは、不連続面４０ａにお
いて全反射が発生する臨界角に応じて設定する。導波路
１０から入射された光Ｐ₁ を不連続面４０ａで全反射さ
せ、導波路３０に導波し、導波路１１０から入射された
光Ｐ₂ を、不連続面１２０を透過し、低屈折率部２０ｂ
を介して不連続面４０に到達する。不連続面４０ａにお
いて全反射を発生せず、入射光の殆どを導波路１０に導
波し、光Ｐ₂₀として導波路１０により伝送されるので、
屈折率の不連続面により非可逆な光導波素子を実現で
き、光導波回路の小型化、低コスト化が可能となる。

【００５３】なお、以上説明した各実施形態において
は、導波路の形成方法としてニオブ酸リチウム基板上に
チタンの熱拡散法による形成方法を説明したが、本発明
はこれに限定されるものではなく、他の導波路の生成方
法、例えば、ニオブ酸リチウム基板上に、レジスト膜を
成膜し、導波路の形状に応じてレジスト膜に開口部を形
成し、これをマスクとして用いてプロトン交換法によっ
て導波路を形成する方法、または、有機材料を用いたド
ライプロセス法などでも、同様に基板上に導波路を形成
し、さらに屈折率不連続面を形成することができる。こ
のように、本発明は導波路の材料、加工方法に限定せ
ず、他の方法にも適用できることはいうまでもない。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光導波素
子によれば、屈折率の異なる導波材の間に形成されてい
る屈折率不連続面により、非可逆型光導波素子を実現で
きる利点がある。さらに、本発明の光導波素子によれ
ば、例えば、受信光と送信光を一本の光ファイバーに合
波する際、従来必要とされた偏波の制御や、アイソレー
ター素子の付加が不必要となり、光導波回路の小型化、
低コスト化が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光導波素子の第１の実施形態を示
す構成図である。

【図２】本発明に係る光導波素子の第２の実施形態を示
す構成図である。

【図３】本発明に係る光導波素子の第３の実施形態を示
す構成図である。

【図４】本発明に係る光導波素子の第４の実施形態を示
す構成図である。

【図５】本発明に係る光導波素子の第５の実施形態を示
す構成図である。

【図６】本発明に係る光導波素子の第６の実施形態を示
す構成図である。

【符号の説明】

１…基板、２…クラッド層、１０，２０，３０，１０
ａ，２０ａ，２０ｂ，７０，８０，１１０…導波路、４
０，９０，１００，１２０，４０ａ…屈折率不連続面、
６０…導波路拡張部、Ｐ₁ ，Ｐ₂ ，Ｐ₂₀，Ｐ₂₁，Ｐ₃ …
光

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 久保田 靖博 茨城県つくば市和台25番地 エヌオーケー 株式会社内 (72)発明者 牛島 慎二 茨城県つくば市和台25番地 エヌオーケー 株式会社内

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１の材料からなる第１の導波路と、 上記第１の材料からなり、上記第１の導波路と所定の角
   度で交差して形成されている第２の導波路と、 上記第１と第２の導波路の交差部に、上記第１の材料よ
   り屈折率が低い第２の材料からなる低屈折率部とを有す
   る光導波素子。
2. 【請求項２】上記第１と第２の導波路の交差部と上記低
   屈折率部との間に屈折率不連続面が形成され、上記第１
   の導波路から入射した光は、当該不連続面で全反射さ
   れ、上記第２の導波路に導波されるように、当該不連続
   面と上記第１の導波路とのなす角度が規定される請求項
   １記載の光導波素子。
3. 【請求項３】上記第１および第２の材料は、使用する波
   長に対して透過性材料により構成されている請求項１ま
   たは２記載の光導波素子。
4. 【請求項４】上記第１と第２の導波路の交差部に、上記
   第２の材料により形成されている第３の導波路を有する
   請求項１記載の光導波素子。
5. 【請求項５】上記第３の導波路は、上記第１の導波路の
   延長線上に形成されている請求項４記載の光導波素子。
6. 【請求項６】上記第１の導波路は、テーパー状に形成さ
   れているテーパー導波路を有する請求項１〜５いずれか
   記載の光導波素子。
7. 【請求項７】上記第１と第２の導波路の交差部は、上記
   第１または第２の導波路の幅より広く形成されている請
   求項１〜６いずれか記載の光導波素子。
8. 【請求項８】上記第１または第２の導波路の端部に、当
   該第１または第２の導波路を構成する第１の材料により
   屈折率の低い第３の材料からなる第４または第５の導波
   路が形成されている請求項１〜７いずれか記載の光導波
   素子。
9. 【請求項９】上記第３の材料は、上記第２の材料と同じ
   材料である請求項８記載の光導波素子。
10. 【請求項１０】上記第４または第５の導波路と上記第１
    または第２の導波路間の屈折率不連続面が、接続するそ
    れぞれの導波路にほぼ直交するように形成されている請
    求項８記載の光導波素子。
11. 【請求項１１】上記第１および第２の導波路は、ニオブ
    酸リチウム基板上にチタンを熱拡散して形成されている
    請求項１〜１０いずれか記載の光導波素子。
12. 【請求項１２】上記第１および第２の導波路は、ニオブ
    酸リチウム基板上に、これらの導波路の形状に応じて開
    口部が設けられているレジスト膜をマスクとして、プロ
    トン交換法により形成されている請求項１〜１０いずれ
    か記載の光導波素子。
13. 【請求項１３】上記第１の導波路と同じ直線上に、上記
    低屈折率部を介在して、上記第１の材料により形成され
    ている第６の導波路を有する請求項１記載の光導波素
    子。
14. 【請求項１４】上記第６の導波路と上記第１、第３導波
    路の交差部との距離は、数μｍ〜数十μｍに設定されて
    いる請求項１３記載の光導波素子。
15. 【請求項１５】上記第１、第２および第６の導波路を形
    成されている基板の表面に、当該基板を構成する材料と
    同程度の屈折率をもつ材料により形成されているクラッ
    ド層を有する請求項１３または１４記載の光導波素子。