JPH1048444A

JPH1048444A - 光導波路デバイス

Info

Publication number: JPH1048444A
Application number: JP8202370A
Authority: JP
Inventors: Ryuji Yoneda; 竜司米田; Yuji Kishida; 裕司岸田; Koji Takemura; 浩二竹村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1996-07-31
Filing date: 1996-07-31
Publication date: 1998-02-20

Abstract

(57)【要約】【課題】導波光のパワー損失を極力低減できる優れた
光導波路デバイスを提供すること。【解決手段】電気光学効果を有する基体１に金属元素
を拡散させることにより、一方側が単一、他方側が複数
に分岐された導波路を形成して成る光導波路デバイスで
あって、導波路の幅が、導波路を伝搬する導波光の分岐
点の前後に位置する領域（変移領域６）において漸増、
もしくは合波点の前後に位置する領域（変移領域６）に
おいて漸減していることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信及び光情報
処理分野等において使用される光導波路型の光導波路デ
バイスに関し、特に単一の導波路が複数の導波路に分岐
する分岐導波路を備えた光導波路デバイスに関するもの
である。

【０００２】

【従来技術とその課題】近年、光通信システムや、光情
報処理システムの実用化が進むにつれ、さらに大容量の
光信号を処理することができ、且つ高機能を有するシス
テムが要求されるようになってきている。これらシステ
ムの実現には、光機能素子を集積した光集積回路が不可
欠であり、例えばプレーナー技術を用いて、ニオブ酸リ
チウム（ＬｉＮｂＯ3 ：以下ＬＮとも言う）等の単結
晶材料の基板上に、直線導波路、曲がり導波路、分岐導
波路、制御電極、その他を集積（光集積回路）化するこ
とが盛んに研究されている。

【０００３】ところで、この種の光導波路型の光導波路
デバイスにおいて、導波光のパワー損失をいかに低減で
きるかが実用化を図る上で大きな課題の一つとなってい
る。また、特に導波路どうしが挟角を成す分岐部を有し
た、いわゆる分岐導波路を設けた光導波路デバイスの損
失（導波光の分岐もしくは合波による損失）は、デバイ
ス全体の損失に対し非常に大きな割合を占めるので、こ
のような損失を極力少なくした光導波路デバイスが切望
されている。

【０００４】例えば、図４に示すように、電気光学効果
を有するＬＮの基体５１の表層部に、チタン（Ｔｉ）を
拡散させて得られた分岐導波路５２を有する光導波路デ
バイスＪ１が知られている。これは、分岐導波路５２上
に変調用電極を配設し、この変調用電極に所定の電圧を
印加することによって駆動させる、いわゆるマッハツェ
ンダー干渉計等によく用いられる構成であり、直線導波
路５３と、これに連なる２本の直線導波路５４、５５等
から構成され、これら３本の直線導波路を互いに交差さ
せてＹ字形状とした最も基本的なものである。

【０００５】ここで、理想的なＹ分岐導波路（Ｙ分岐角
θが無限小）を考えると、直線導波路５４，５５から、
同じ強度の単一モードの導波光が同相で入射した場合
（導波光の合波の場合）、直線導波路５４，５５の入射
導波光により、直線導波路５３と直線導波路５４，５５
との間に位置するテーパ部５６（導波路の幅が変化する
部分）及びその近傍で偶モードは同相となり強め合う
が、逆に奇モードは打ち消し合う。偶モードはそのまま
直線導波路５３を導波できるのでＹ分岐による損失は生
じない。

【０００６】しかしながら、実用的なＹ分岐角θは一般
には約１°程度であるため、直線導波路５４，５５より
入射した光は、テーパー部５６やその近傍で導波光進路
及びモード形状が急激に変化し、１次モードが励振され
てしまう。

【０００７】一般的に、直線導波路５３は単一モード導
波路として設計されているため、励振された１次モード
光は、放射モードに変換され、導波路外に漏洩しＹ分岐
損失となる。発明者等はビーム伝搬法を用い、伝搬光の
様子をシュミレーションにより検討したところ、変移領
域近傍でモード形状の急激な変化が生じ、１次モードが
励振され、単一モード導波路に移っていく際、放射モー
ドに変換されていることが判明した。

【０００８】なお、上記問題は導波光が分岐する場合、
すなわち、直線導波路５３から単一モード導波光が入射
して、直線導波路５４，５５に分岐する場合において
も、上記の場合と同様なことがいえる。

【０００９】上記問題点に対し、テーパー部５６を形成
する箇所において、矩形状の切り欠き領域を有する金属
薄膜の被着形成を行い、この金属薄膜を熱拡散させて導
波路を形成するようにする技術が提案されている。これ
により、導波光の分岐点もしくは合波点５７の近傍から
テーパー部５６の終端５８までの間、モード形状を徐々
に変換させる導波路を形成することができ、モード形状
の急激な変化によるパワー損失を低減しようとしたもの
である（例えば、特公平６−２１８８９号公報等を参
照）。

【００１０】しかしながら、十分なＹ分岐損失の低減を
図ることは困難であり、テーパー部５６の近傍で生じる
急激なモード形状変化を抑制するためには、十分な幅の
切り欠き部を設けなければならない。

【００１１】一方、十分な幅を有する切り欠き部を設け
ることは、切り欠き部の終端での不連続な屈折率変化を
引き起こし、逆に急激なモード形状変化を引き起こすこ
とになったり、また、反射・散乱等の要因ともなり、十
分な損失低減の効果は期待できない。

【００１２】また、本発明者等はＹ分岐導波路の交差部
近傍に櫛状の構造を持つ金属薄膜を熱拡散させたＹ分岐
導波路構造（以下、櫛状Ｙ分岐構造を呼ぶ）を提案し、
緩やかなモード形状の変化を実現し、１次モードの励振
をほぼ完全に抑制できる光導波路デバイスを提供できる
ようにした（特願平７−１４８０９号）。

【００１３】しかしながら、緩やかなモード形状変化を
実現するためには、一方で、テーパー部終端５８（分波
時は始端）近傍まで可能な程度低くしなければならな
い。このため、熱拡散を行わせる金属を基体５１の表層
に高濃度に拡散する等により、本来、導波光の閉じこめ
が強い場合は問題にならないが、閉じこめが弱い場合、
テーパー部５６の終端５８近傍では導波光エネルギーの
一部が放射モードに変換され漏洩することが現実的には
避けられなかった。

【００１４】そこで本発明では、このような問題を解消
し、導波光のパワー損失を極力低減できる優れた光導波
路デバイスを提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の光導波路デバイスは、電気光学効果を有す
る基体に金属元素を拡散させることにより、一方側が単
一、他方側が複数に分岐された導波路を形成して成る光
導波路デバイスであって、導波路の幅が、導波路を伝搬
する導波光の分岐点の前後に位置する領域（変移領域）
において漸増、もしくは合波点の前後に位置する領域
（変移領域）において漸減していることを特徴とする。

【００１６】また、導波路を伝搬する導波光の分岐点の
後に位置する領域、もしくは合波点の前に位置する領域
は、金属元素を部分的に拡散させていることを特徴とす
る。

【００１７】例えば、上記変移領域の挟角を成す導波路
において、単一の導波路における導波光の伝搬方向に沿
った一部領域に、若しくは分岐する導波路における導波
光の伝搬方向に沿った一部領域に拡散源を被着させない
ようにし、且つ導波路中心線の交点近傍の導波路幅の導
波光伝搬方向に対する変化量を変移領域の変化量より小
さくすることにより、熱拡散を行わせた場合に拡散濃度
分布を滑らかにさせ、且つ分岐導波路中心線交点近傍の
屈折率を若干大きくすることができる。

【００１８】これにより、熱拡散前の被着金属薄膜は周
辺切れ込み部と中央切れ込み部の幅、切れ込み長さをそ
れぞれ独立に変化させることができ、あらゆる条件で作
製された導波路に対しても、最適な条件で導波路を形成
させることができ、良好で緩やかなモード形状変化を実
現でき、１次モードの発生を抑制することのできる光導
波路デバイスを提供することが可能となる。

【００１９】さらに、単一の光導波路を伝搬する導波光
が複数に分岐する導波路に移る際、または、複数に分岐
する導波路を伝搬する導波光が単一の光導波路に移る際
に、導波路同士で形成される挟角部においても、導波光
のエネルギーが分岐する導波路に効率よく分波、または
合波し、導波光のパワー損失を極力低減できる。

【００２０】

【発明の実施の形態】次に、本発明の具体的な実施の形
態について、図面に基づき説明する。図１は光導波路デ
バイスＡの一部を示す平面図であり、電気光学効果を有
する基体１に金属元素を拡散させることにより、一方側
が単一、他方側が複数に分岐された導波路部分を示した
ものである。実際には、単一の直線導波路３，導波光の
分岐点７，複数に分岐された直線導波路４，５，平行な
直線導波路（不図示），複数に分岐された直線導波路
（不図示），導波光の合波点（不図示），及び単一の直
線導波路（不図示）から構成されており、また、電極等
は簡単のため図示を省略している。なお、図１において
導波路は金属元素濃度が高い領域を直線で示しており、
実際には他の部分にも金属元素は拡散されている。

【００２１】まず、図１に示す光導波路デバイスＡの製
造方法について説明する。ここで、基体１は両面が光学
研磨された厚さ約１．０ｍｍ程度のオプティカルグレー
ドのＬＮ単結晶であって、その主面がＺカット（カット
面が（０，０，１）面）を成すものである。

【００２２】図２に示すように、基体１の主面上に、リ
フトオフ法，若しくはエッチング法でもって拡散源とな
るＴｉ薄膜１３を被着形成し、しかる後に熱拡散を行
い、図１に示すごとくのＴｉ濃度の高い分岐導波路２を
形成する。その後、分岐導波路２上に変調用電極（不図
示）を蒸着等により形成し光導波路デバイスＡを完成さ
せる。

【００２３】ここで、導波路の拡散源となる金属の薄膜
パターンの具体的な被着形成方法は以下の通りに行う。
基体１上に、幅が６〜１４μｍ，膜厚約１０００Å程度
のＴｉ薄膜１３を分岐導波路とする部位に形成する。さ
らに、図１に示す単一の直線導波路３と、挟角を成す２
本の直線導波路４、５との間の導波路幅が、導波光の分
岐点７（もしくは合波点）から導波光の進行方向の前後
に、導波路の幅が漸増（もしくは漸減する）変移領域６
を形成しており、この変移領域６の少なくとも一部分
（導波路を伝搬する導波光の分岐点の後に位置する領
域、もしくは合波点の前に位置する領域）に、導波光の
伝搬方向にほぼ沿うような態様で、約１μｍのピッチで
複数の微細な矩形状を成す切り欠きパターン１３ａを形
成する。また、導波路の外側は、本来の分岐導波路の分
岐角θより小さな角度θ' （ほぼθ／３程度）で広がる
末広がり領域１４を設ける。この微細なパターンは、例
えば、ＵＶ若しくはＤｅｅｐ−ＵＶの密着露光により作
製する。このような薄膜パターンを形成させた状態で、
約１０００℃に加熱した炉内で約数時間程度、熱拡散を
行い、Ｔｉが拡散した部分に分岐導波路２を形成させる
のである。

【００２４】分岐導波路は、変移領域６及びその近傍
で、導波光の伝搬方向に滑らかに屈折率が変化してい
く。このことは、分岐導波路を伝搬する導波光のモード
形状が十分緩慢に変化していくことにより、導波光のパ
ワーの一部が放射モードに変換されることを防止してい
る。ただし、変移領域６及びその近傍に櫛状パターンを
設ける際、この櫛状切り抜きの程度（分岐点７から切り
抜き終端までの距離）と、末広がり領域の角度θ' の大
きさ、及び末広がり領域の導波光伝搬方向における開始
点の位置が、分岐導波路２を導波光が伝搬する際の分岐
部による損失（以下、分岐損失という）の大きさに関係
する。

【００２５】このような櫛状Ｙ分岐構造の効果は、本来
導波光が強く閉じこめられた状態、例えば、熱拡散前の
被着金属薄膜の膜厚を厚く設定する、若しくは、熱拡散
時間を短くする、熱拡散温度を下げる等により、拡散金
属元素を基体表面近傍に高濃度に拡散したような状態で
ある場合は特に顕著である。

【００２６】しかしながら、基体１の表面近傍に無制限
に高濃度の金属拡散を行なうことは、導波路表面の荒れ
を引き起こす。従って、良好な導波特性を有し、且つ分
岐損失を抑制するためには、櫛状Ｙ分岐構造によりモー
ド形状変化を十分に緩慢に行ない、且つ末広がり領域１
４を設けることで変移領域６の開始部（合波時は終端
部）近傍での放射モードの発生を極力抑えることが重要
になる。

【００２７】次に、末広がり領域１４を設けない場合
に、櫛状Ｙ分岐構造のＹ分岐損失の櫛状形状の依存性を
調べる。この場合、簡単のため３本の切れ込みを有する
櫛状パターンを変移領域６及びその近傍に配設し、切り
込み程度（図２におけるＬ１；直線導波路３の中心線の
延長上に形成した第１の切れ込み１０の分岐点７からの
距離、Ｌ２；第一の切れ込み１０の両脇に形成した第
２、第３の切れ込み１１、１２の分岐点７からの距離）
と分岐損失の関係を調査した結果について説明する。

【００２８】以下に示す結果は、単一の導波路が分岐部
を経て、この分岐部から平行な２本の導波路（不図示）
になったときの２本の導波路間の距離を３０μｍ、単一
の導波路が分岐する点と分岐した２本の導波路が平行に
なるまでの長さを１５００μｍとしたときの値である。
この時の分岐損失は、Ｌ１，Ｌ２を最適化した場合にお
いてもＹ分岐１段当たり０．６１ｄＢの結果しか得られ
なかった（図３の末広がり領域無しのデータ）。

【００２９】上記変移領域６及びその近傍の拡散源とな
る薄膜パターンにおいて、微細な切り込みパターンを設
けることは、拡散元素の熱拡散により導波路が形成され
る導波路作製に主眼がおかれていて、上記構造を採用す
ることにより、変移領域６及びその近傍で非常に緩慢な
モード形状変化が実現できることは、ビーム伝搬法を用
いた計算結果とも良く一致している。しかしながら、分
岐点７（もしくは合波点）近傍で、若干の損失が生じる
ことも判明した。

【００３０】一方、分岐点７（もしくは合波点）近傍に
末広がり領域１４が有る場合は、Ｙ分岐損失が大きく低
減していることがわかり、櫛状Ｙ分岐形状と末広がり領
域とを設けることにより、あらゆる導波路作製条件で作
製された光導波路デバイスに対しても、Ｙ分岐損失を極
力低減できることが判明した（最小値０．１２ｄＢ／
段）。

【００３１】以上の結果より、末広がり領域を設けるこ
とが分岐損失低減に大きく寄与していることが理解でき
る。しかしながら、この末広がり領域は、櫛状Ｙ分岐と
切り離し、単独で採用しても意味をなさない点は注意す
べきである。櫛状Ｙ分岐形状無しに単に末広がり領域だ
けを設けた場合、逆にＹ分岐導波路の分岐点（もしくは
合波点）近傍の金属拡散量は急激に変化し、即ち急激な
屈折率分布の変化が生じ、ひいては急激な伝搬光モード
形状変化を引き起こす。即ち、逆に励振された１次モー
ドに大きなエネルギーが乗り移り、その結果、Ｙ分岐損
失が増大するのである。従って、櫛状Ｙ分岐導波路が存
在し、且つ末広がり領域が同時に存在することが、Ｙ分
岐損失低減のためには必要である。

【００３２】なお、本実施例では、光導波路をＬＮ単結
晶の基体表層に形成させたものを一実施例として説明し
たが、これに限定されるものではなく、基体として、例
えばタンタル酸リチウム等の電気光学効果を有するもの
であればよく、また、光導波路を基体上にリブ上に形成
したもの等各種周知の形態の光導波路に適用できること
は言うまでもない。また、電極を設けない、また、電気
光学効果を本来有しない光分岐路にも適用が可能であ
り、さらには、導波光のモード形状変化を緩慢に行なう
為の以上のような方法は上記実施例に限定されるもので
はなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更し実
施し得る。

【００３３】

【発明の効果】以上のように、本発明の光導波路デバイ
スによれば、単一の導波路が複数の導波路に分岐する、
または複数の導波路が単一の導波路に合流する間の変移
領域において、導波光伝搬の際のモード形状変化を極力
緩慢にすることにより、導波光のエネルギーが効率よく
分岐され、導波光のパワー損失を極力低減できるデバイ
ス特性の優れた光導波路デバイスを提供できる。

【００３４】また、上記変移領域において、分岐する導
波路の広がり角度より小さく広がる末広がり領域と、金
属元素を部分的に拡散させた領域とを有することによ
り、導波光のパワー損失をいっそう低減できる優れた光
導波路デバイスを提供することができる。特に、この変
移領域は、導波光伝搬方向に対しほぼ平行な複数条の切
れ込み形状を成す金属薄膜パターンを熱拡散により形成
させることにより、非常に簡便に優れた光導波路デバイ
スを製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光導波路デバイスの一例を説明す
る平面図である。

【図２】電気光学効果を有する基体に被着形成させた金
属薄膜パターンの形状を説明する平面図である。

【図３】本発明により改善されたＹ分岐構造の損失測定
結果を説明する図である。

【図４】従来の光導波路デバイスを説明する平面図であ
る。

【符号の説明】１・・・基体２・・・分岐導波路３，４，５・・・直線導波路６・・・変移領域７・・・分岐点Ａ・・・光導波路デバイス

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気光学効果を有する基体に金属元素を
拡散させることにより、一方側が単一、他方側が複数に
分岐された導波路を形成して成る光導波路デバイスであ
って、前記導波路の幅が、導波路を伝搬する導波光の分
岐点の前後に位置する領域において漸増、もしくは合波
点の前後に位置する領域において漸減していることを特
徴とする光導波路デバイス。
【請求項２】前記導波路を伝搬する導波光の分岐点の
後に位置する領域、もしくは合波点の前に位置する領域
は、金属元素を部分的に拡散させていることを特徴とす
る請求項１に記載の光導波路デバイス。