JPH1090535A - 平面導波路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 長周期グレーティングを備える光ファイバと
同様の機能を発揮し、かつ、再現性良く製造することが
可能な光部品を提供する。 【解決手段】 本発明の平面導波路は、形状が周期的に
変化する部分を含むコア４を備えている。コアの形状が
周期的に変化していると、これに応じてこの平面導波路
を伝搬する光のモードフィールドの形状も周期的に変化
するようになり、その周期に応じた波長の光がコアから
選択的に放射されるようになるので、本発明の平面導波
路は、長周期グレーティングを備える従来の光ファイバ
と同様の機能を発揮する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、所定波長の光を選
択的にコアから放射する機能を持った平面導波路に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】所定波長のコアモードを選択的にクラッ
ドモードに変換させて外部に放射する機能を持った光導
波路としては、ファイバグレーティングの一種である長
周期グレーティングを備えた光ファイバが従来から知ら
れており、光ファイバ増幅器で生じるノイズ光を除去す
る用途に使用することなどが検討されている。ファイバ
グレーティングは、光ファイバの軸に沿ってコア内に形
成された周期的な屈折率変調領域であり、これには比較
的短周期のブラッググレーティングと、これよりも長周
期（通常は、約５０〜１５００μｍ）のグレーティング
とが含まれる。このうち、長周期グレーティングは、光
ファイバを伝送するコアモードとクラッドモードとの間
の結合を誘起するグレーティングであり、グレーティン
グの周期（ピッチ）がコアモードとクラッドモードとの
光路差が２πとなるように設定されていて、コアモード
からクラッドモードへの強いパワー変換をもたらすよう
になっている。この結果、長周期グレーティングは、コ
アモードをクラッドに放射させる作用を有することにな
り、コアモードの強度を所定波長（以下、「放射波長」
と呼ぶ。）を中心とした狭い帯域にわたって減衰させ
る。従って、長周期グレーティングを備えた光ファイバ
は、所定波長の光を選択的にコアから放射する機能を発
揮することになる。

【０００３】長周期グレーティングは、通常、感光性の
コアを有する光ファイバに軸方向に沿って光を照射する
ことにより周期的な光誘起屈折率変化を生じさせること
で形成することができる。よく行われているのは、感光
性ファイバとしてコアに感光材であるゲルマニウムが添
加された石英ガラス系の光ファイバを用意し、２４８ｎ
ｍ又は１９３ｎｍ付近の波長の紫外光を用いて、形成す
べきグレーティングの周期に対応した周期を有する干渉
縞を形成し、この干渉縞を光ファイバに照射する方法で
ある。コアのうち紫外光が照射された部位の屈折率は紫
外光の強度に応じた量だけ上昇するので、干渉縞の光強
度分布に応じた屈折率変調領域、すなわちグレーティン
グがコアに形成されることになる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような光照射によって所望の長周期グレーティングを形
成するのは、干渉縞形成用の光学系を精密に調整する必
要があるため、長周期グレーティングを備える光ファイ
バを再現性良く製造することは必ずしも容易ではない。

【０００５】本発明は、上記に鑑みなされたもので、長
周期グレーティングを備える光ファイバと同様の機能を
発揮し、かつ、再現性良く製造することが可能な光導波
路を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載されるよ
うに、本発明の第１の態様は、一又は二以上のコアを備
え、このコアの少なくとも一つが、形状が周期的に変化
する部分を含んでいることを特徴とする平面導波路であ
る。本発明のようにコアの形状が周期的に変化している
と、これに応じてこの平面導波路を伝搬する光のモード
フィールドの形状も周期的に変化するようになる。モー
ドフィールドの形状が周期的に変化していると、その周
期に応じた波長の光がコアから選択的に放射されるよう
になるので、上記態様の平面導波路は、長周期グレーテ
ィングを備える従来の光ファイバと同様の機能を発揮す
る。また、平面導波路のコアは、フォトリソグラフィ技
術等の周知の製造技術を用いて精度良く所望の形状に成
形することができるので、上記態様の平面導波路は再現
性良く製造することが可能である。

【０００７】請求項２に記載されるように、第１の態様
の平面導波路は、コアの前記部分が、コアの光軸に沿っ
て複数の分断部が周期的に設けられた形状を有するもの
であっても良い。この平面導波路では、周期的に設けら
れた分断部によりコアの形状が周期的に変化するように
なっており、この結果、このコアから所定波長の光が選
択的に放射されるようになっている。

【０００８】また、請求項３に記載されるように、第１
の態様の平面導波路は、前記部分を含むコアが柱状であ
り、前記部分が、コアの光軸に沿って幅又は厚さが周期
的に変化している部分であっても良い。この平面導波路
では、幅又は厚さが周期的に変化することによりコアの
形状が周期的に変化しており、これによって、このコア
から所定波長の光が選択的に放射されるようになってい
る。

【０００９】請求項４に記載されるように、第１の態様
の平面導波路は、前記部分を含む第１のコアと、この第
１コアに近接する第２のコアとを備え、第１コアから所
定波長の光が放射され、この光が第２のコアに入射して
第２コアを伝搬するようになっていても良い。この平面
導波路では、第１コアから放射された光を第２コアから
取り出して利用することができるという利点を有してい
る。

【００１０】次に、請求項５に記載されるように、本発
明の第２の態様は、第１及び第２のコアを備え、第１及
び第２コア間の間隔が周期的に変化していることを特徴
とする平面導波路である。コア間の間隔が周期的に変化
していると、この平面導波路を伝搬する光のモードフィ
ールドの形状も周期的に変化するようになるので、その
周期に応じた波長の光がコアから選択的に放射されるよ
うになる。従って、本態様の平面導波路も、長周期グレ
ーティングを備える従来の光ファイバと同様の機能を発
揮する。また、第１及び第２コア間の間隔は、フォトリ
ソグラフィ技術等の周知の製造技術を用いて精度良く制
御することができるので、本態様の平面導波路も再現性
良く製造することが可能である。

【００１１】次に、請求項６に記載されるように、本発
明に係る平面導波路のコアには、希土類元素が添加され
ていても良い。この場合、本発明に係る平面導波路は、
ノイズ光を除去しながら光増幅を行うことが可能にな
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しながら本
発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明に
おいて同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明
を省略する。また、図面の寸法比率は説明のものと必ず
しも一致していない。

【００１３】（実施形態１）図１は、本実施形態の平面
導波路の構造を示す図であり、このうち図１（ａ）は、
本実施形態の平面導波路の斜視図であり、図１（ｂ）
は、図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。本実
施形態の平面導波路は、シリコン基板１上に設けられた
下部クラッド層２、上部クラッド層３及びコア４から構
成されている。下部クラッド層２、上部クラッド層３及
びコア４はいずれも石英を主成分とするガラスから構成
されているが、コア４にのみ屈折率上昇材であるゲルマ
ニウムが添加されており、これによって、コア４の屈折
率は下部及び上部クラッド層２、３の屈折率よりも高く
なっている。これらの下部及び上部クラッド層２、３
は、一体となってコア４を密着包囲している。

【００１４】本実施形態の平面導波路の特徴は、コア４
の形状である。図１（ａ）及び（ｂ）に示されるよう
に、本実施形態のコア４は、基板１の一端から他端に延
びる正方形断面の柱状体に、この柱状体の軸線に沿って
複数の切り溝５が周期的に設けられた形状を有してい
る。これらの切り溝５は、いずれもコア４の軸線（光
軸）にほぼ直交するように延びており、コア４を複数の
部分コア４ａに分断している。以下では、この切り溝５
を分断部と呼ぶことにする。分断部５には、上部クラッ
ド層３を構成する石英系ガラスが充填されている。光軸
に沿った方向の分断部５の縦幅、すなわち隣接する部分
コア４ａの対向する端面間の間隔は均一であり、分断部
５同士の間隔、すなわち分断部５の配列ピッチ（周期）
Λも一定となっている。なお、分断部５の周期Λは、５
０〜１５００μｍとするのが良い。

【００１５】次に、本実施形態の平面導波路の製造方法
を説明する。まず、火炎バーナにＳｉＣｌ₄等の原料ガ
スを供給しながらバーナの火炎をシリコン基板１の上面
に吹き付けて下部クラッド層２となるべき多孔質のガラ
ス微粒子層をシリコン基板１上に一面に形成する。続い
て、火炎バーナにＳｉＣｌ₄及びＧｅＣｌ₄を含む原料ガ
スを供給しながらバーナの火炎を上記のガラス微粒子層
の上面に吹き付け、コア４となるべき多孔質のガラス微
粒子層を上記ガラス微粒子層の上に一面に形成する。次
いで、これら二つのガラス微粒子層を焼結してから徐冷
して透明ガラス化する。これにより、透明な下部クラッ
ド層２と、この下部クラッド層２の上に積層されたコア
４となるべき透明な石英ガラス層が形成される。次に、
周知のフォトリソグラフィ技術を用いて、この石英ガラ
ス層のうち部分コア４ａの上面に対応する位置にのみレ
ジストマスク層を設け、分断部５が形成されるべき部位
の表面を露出させてから、反応性イオンエッチング加工
を施すことによりコア４を形成する。この後、火炎バー
ナにＳｉＣｌ₄等の原料ガスを供給しながらバーナの火
炎を下部クラッド層２及びコア４の上面に吹き付けて上
部クラッド層３となるべき多孔質のガラス微粒子層を堆
積させ、続いて、このガラス微粒子層を焼結、徐冷して
透明ガラス化する。これにより、上部クラッド層３が設
けられ、本実施形態の平面導波路が完成する。

【００１６】上述のように、本実施形態の平面導波路の
コア４には光軸に沿って周期的に分断部５が設けられて
いるので、本実施形態の平面導波路を伝搬する光は、そ
のモードフィールドの形状が周期的に変化するようにな
る。これにより、コア４内を伝搬する所定波長のコアモ
ードが、コアモードと同方向に進行するクラッドモード
に結合されるようになり、結果としてコア４内を伝搬す
る所定波長の光がコア４から下部及び上部クラッド層
２、３に放射されるようになる。コア４から放射される
光の波長は、次の式に基づいて定まる。

【００１７】 β_コア ^(lm)−β_{クラット゛} ⁽ⁿ⁾＝２π／Λ …（１） ここで、ｌ，ｍはコアモードの次数（基本モードＬＰ₀₁
ならｌ＝０、ｍ＝１）であり、β_コア ^(lm)は次数（ｌｍ）
で規定されるコアモードの伝搬定数であり、β_{クラ ット゛} ⁽ⁿ⁾
はｎ次のクラッドモードの伝搬定数であり、Λは分断部
５の周期である。なお、伝搬定数β_コアは、コアモードの
波長に依存している。本実施形態の平面導波路では、上
記の（１）式を満足するような波長のコアモードが、コ
ア４から放射されることになる。

【００１８】このように、本実施形態の平面導波路は、
上述のような形状のコア４を備えることにより、長周期
グレーティングを備える従来の光ファイバと同様に、所
定波長の光を選択的にコアから放射するという機能を発
揮する。そして、かかる形状のコア４は周知の製造技術
を用いて精密に形成することができるので、本実施形態
の平面導波路は、再現性良く製造することが可能であ
る。

【００１９】なお、本実施形態の平面導波路は、コア４
にＥｒ等の希土類元素が添加されていると好適である。
この場合、本実施形態の平面導波路は、周知の光ファイ
バ増幅器（Ｅｒ添加光ファイバ等）と同様に、励起光を
入射させて反転分布を形成してから、添加された希土類
元素に応じた所定波長の光を入射させると、誘導放出を
引き起こして光を増幅するという光増幅器としての機能
をも発揮する。このとき、励起光パワーと希土類イオン
との相互作用によってノイズである増幅自然放射（Ampl
ified Spontaneous Emission：ＡＳＥ）が発生するが、
コア４の放射波長がこのＡＳＥの波長に一致するように
分断部５の周期を設定しておけば、ＡＳＥをコア４から
放射して除去することができる。このように、本実施形
態の平面導波路のうちコア４に希土類元素が添加された
ものは、ノイズ光を除去しながら光増幅を行うことがで
きるという利点がある。

【００２０】（実施形態２）図２は、本実施形態の平面
導波路の構造を示す図であり、このうち図２（ａ）は、
本実施形態の平面導波路の斜視図であり、図２（ｂ）
は、図２（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。本実
施形態の平面導波路は、コアの形状が実施形態１と異な
っている。すなわち、図２（ｂ）に最も良く示されるよ
うに、本実施形態の平面導波路が有するコア６は、その
平面形状が光軸に沿って周期的に変化している領域を含
んでおり、この領域では、コア６の両側面は下部クラッ
ド層２の上面と略直交する波形の曲面であり、コア６の
幅は光軸に沿って周期的に変動している。なお、コア６
の幅の変動周期Λは、５０〜１５００μｍとするのが良
い。また、コア６の平面形状は、コア６の軸線（光軸）
に対して線対称となっている。また、コア６の両端部は
正方形断面の柱状体であり、他の導波路（光ファイバ
等）との接続を容易に行えるようになっている。

【００２１】本実施形態の平面導波路は、実施形態１の
平面導波路とほぼ同様に製造することができる。製造工
程の中で実施形態１と異なるのは、コアとなるべき透明
ガラス層の上に設けるレジストマスク層の平面形状であ
り、具体的には、コア６の上面に相当する領域にコア６
と同一の平面形状を有するレジストマスク層を積層して
からエッチング加工を施すことでコア６を形成すること
ができる。

【００２２】本実施形態の平面導波路は、上記のような
周期的に幅が変動する平面形状のコア６を有しているた
め、実施形態１の場合と同様にコアモードのモードフィ
ールドの形状が周期的に変化するようになっている。こ
れにより、コア６を伝搬する所定波長のコアモードが、
コアモードと同方向に進行するクラッドモードに結合さ
れ、コア６から放射されるようになる。なお、コア６か
ら放射される光の波長は、実施形態１で述べた（１）式
に基づき、コア６の横幅の変動周期Λに応じて定まる。

【００２３】このように、本実施形態の平面導波路も、
所定波長の光を選択的にコアから放射するという機能を
発揮する。そして、実施形態１と同様に、かかる形状の
コアは周知の製造技術を用いて精密に形成することがで
きるので、本実施形態の平面導波路も再現性良く製造す
ることが可能である。

【００２４】なお、実施形態１と同様に、本実施形態の
平面導波路も、コア６にＥｒ等の希土類元素が添加され
ているとノイズ光を除去しながら光増幅を行うことがで
きるようになり、好適である。

【００２５】（実施形態３）図３は、本実施形態の平面
導波路の構造を示す図である。これは、図１（ｂ）や図
２（ｂ）と同様に、基板表面と平行な平面に沿った断面
図である。図３に示されるように、本実施形態の平面導
波路は、実施形態２の平面導波路においてコア６と並列
して直線的に延びる正方形断面のコア７を更に設けたも
のである。これらのコアは、上記実施形態と同様に、基
板１上に設けられた下部及び上部クラッド層２、３中に
埋設されている。

【００２６】これらのコア６及び７は、コアとなるべき
透明ガラス層の上面にコア６及び７の平面形状に対応し
たレジストマスク層を設けてからエッチング加工を施す
ことにより製造することができる。このように、これら
のコアは周知の製造技術を用いて精密に形成することが
できるので、本実施形態の平面導波路も上記の実施形態
の場合と同様に再現性良く製造することが可能である。

【００２７】本実施形態の平面導波路によれば、コア６
を伝搬するコアモードはクラッドモードに結合されてコ
ア６から放射された後、コア７に入射してコア７を伝搬
する。従って、本実施形態の平面導波路は、コア６から
所定波長の光を放射するだけでなく、この放射光をコア
７から取り出して利用することが可能であるという利点
を有している。

【００２８】（実施形態４）図４は、図３と同様に、本
実施形態の平面導波路の構造を示す断面図である。本実
施形態の平面導波路は、正方形断面の直線状コア８と、
このコア８に並列して延びるコア９とを備えている。コ
ア９の両端部を除く大部分は、形状が周期的に変動して
いる。即ち、コア９の中間部分では、コア９の両側面
は、実施形態３のコア６（図３）と同様に周期Λで振動
する波形の曲面となっている。実施形態３のコア６と異
なり、本実施形態のコア９は、コア幅が一定となってい
る。また、コア９の両端部は、正方形断面の直線柱状体
となっている。これらのコア８、９は、上記実施形態と
同様に、基板１上に設けられた下部及び上部クラッド層
２、３中に埋設されている。

【００２９】本実施形態の平面導波路は、コア９の平面
形状が周期的に変化しており、この結果、コア８及び９
間の間隔がコア８の光軸に沿って周期的に変化してい
る。コア８及び９間の間隔の変化の周期は、コア９の形
状変化の周期Λと同じである。このように隣接する二つ
のコア間の間隔が周期的に変化する場合でも、一方のコ
アを伝搬するコアモードのモードフィールドの形状が周
期変化する。従って、本実施形態の場合も、コア８を伝
搬する所定波長のコアモードがクラッドモードに結合さ
れ、コア８から選択的に放射されるようになる。なお、
放射波長は、上記（１）式に基づいて定まる。

【００３０】以上のように、本実施形態の平面導波路
も、長周期グレーティングを備える従来の光ファイバと
同様の機能を発揮することが可能である。さらに、コア
８から放射された光は隣接するコア９を伝搬できるの
で、本実施形態の平面導波路も、実施形態３と同様に、
コア８から放射させた光をコア９から取り出して利用す
ることが可能であるという利点を有している。

【００３１】また、コア８及び９は、上記実施形態と同
様に、コアとなるべき透明ガラス層の上面にこれらのコ
アの平面形状に対応したレジストマスク層を設けてから
エッチング加工を施すことにより製造でき、周知のフォ
トリソグラフィ技術等を用いて精密に形成することがで
きる。従って、コア８及び９間の間隔も精密に制御する
ことができ、本実施形態の平面導波路も上記の実施形態
との場合と同様に再現性良く製造することが可能であ
る。

【００３２】

【発明の効果】以上、詳細に説明した通り、本発明に係
る平面導波路は、コアの形状や二つのコア間の間隔が周
期的に変化しているので、所定波長の光をコアから選択
的に放射するという、長周期グレーティングを備える光
ファイバと同様の機能を発揮することができる。周知の
製造技術を用いればコアの形状やコア間の間隔を精度良
く制御することができるので、本発明に係る平面導波路
は、再現性良く製造することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ）は、実施形態１の平面導波路の構造
を示す斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−
Ａ線に沿った断面図である。

【図２】図２（ａ）は、実施形態１の平面導波路の構造
を示す斜視図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＢ−
Ｂ線に沿った断面図である。

【図３】実施形態３の平面導波路の構造を示す断面図で
ある。

【図４】実施形態４の平面導波路の構造を示す断面図で
ある。

【符号の説明】

１…基板、２…下部クラッド層、３…上部クラッド層、
４…コア、５…分断部、６…幅が周期変化するコア、７
及び８…直線状のコア、９…周期的に蛇行する形状のコ
ア。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一又は二以上のコアを備え、前記コアの
   少なくとも一つは、形状が周期的に変化する部分を含ん
   でいることを特徴とする平面導波路。
2. 【請求項２】 前記コアの前記部分は、前記コアの光軸
   に沿って複数の分断部が周期的に設けられた形状を有し
   ていることを特徴とする請求項１記載の平面導波路。
3. 【請求項３】 前記部分を含む前記コアは柱状であり、
   前記部分は、前記コアの光軸に沿って幅又は厚さが周期
   的に変化している部分であることを特徴とする請求項１
   記載の平面導波路。
4. 【請求項４】 前記部分を含む第１のコアと、この第１
   コアに近接する第２のコアとを備え、前記第１コアから
   所定波長の光が放射され、この光が前記第２のコアに入
   射して前記第２コアを伝搬するようになっていることを
   特徴とする請求項１記載の平面導波路。
5. 【請求項５】 第１及び第２のコアを備え、前記第１及
   び第２コア間の間隔が周期的に変化していることを特徴
   とする平面導波路。
6. 【請求項６】 前記コアに希土類元素が添加されている
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか記載の平面導
   波路。