JP3967356B2

JP3967356B2 - 光導波路デバイス

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Publication number: JP3967356B2
Application number: JP2004570888A
Authority: JP
Inventors: 康弘大森; 眞示丸山; 哲男石坂; 正治土居
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2003-04-16
Filing date: 2003-04-16
Publication date: 2007-08-29
Anticipated expiration: 2023-04-16
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Description

本発明は、光通信システムに用いられる光導波路デバイスに関し、特に、光出力をモニタするための光回路の小型化などに有効な光導波路の構造に関する。

光導波路デバイスは、誘電体媒質中に形成された屈折率の高い部分に光を閉じ込めて伝搬させる光導波路を使用して様々な機能を実現したデバイスである。例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３：以下ＬＮと表記する）等の誘電体を使用してマッハツェンダ干渉計を構成した光導波路デバイスは、電気光学定数が非常に高く、熱光学（Thermal Optic：ＴＯ）効果をもつデバイスと比較して応答速度が速いため、光変調器や光スイッチ、可変光アッテネータなどとして広く用いられている。

しかし、上記のようなＬＮ等の誘電体基板を用いた光導波路デバイスは、温度変化により動作点がシフトする温度ドリフトと呼ばれる現象や、直流信号を流すことにより動作点がシフトするＤＣドリフトと呼ばれる現象が潜在的に発生することが知られている。温度ドリフトやＤＣドリフトの発生により動作点がシフトすると、光導波路デバイスの光出力特性が変動してしまうため、例えば光変調器においては常に一定な状態で変調を行うことができなくなる。

具体的に、マッハツェンダ型の光変調器の光出力はｃｏｓ２（Δφ／２）に従って変化する。上記のパラメータΔφは、マッハツェンダ干渉計の相互作用部で与えられる位相変化量であり、Ｚ−カットのＬＮ基板を用いた場合にはΔφ＝｛π・ｎｅ３・γ３３・ｌ／（λ・ｄ）｝・Ｖの関係で表される。ただし、ｎｅは光導波路の屈折率、γ３３は電気光学定数、ｌは２本の平行な光導波路上に設けられた電極の長さ、λは光波長、ｄは電極間の距離、Ｖは印加電圧である。この光変調器の光出力特性は、横軸を印加電圧Ｖとすると図１９に示すような曲線となる。

上記のような光変調器については、通常、電極への印加電圧が０Ｖの時にオンとオフの中間の状態となるように動作点を設定することが望まれる。しかし、実際の動作点は、製造誤差や様々な応力などが原因で所望の動作点からずれてしまうことが多い。この動作点のずれに対しては、直流バイアスを印加することによって所望の動作点への調整が行われることが一般的であるが、直流バイアスにより調整された動作点は前述したようなＤＣドリフトによりシフトしてしまう。このため、所望の動作点を安定して実現するには、光出力を常にモニタしてその結果を基に直流バイアスを制御することが必要となる。このような光出力のモニタは、光変調器の用途だけに限られるものではなく、例えばマッハツェンダ型の可変光アッテネータなどでも、温度変化等に対応して光減衰量を調整するために必要となる。

上記のような光出力モニタの必要性に対応して、従来、光導波路デバイスの内部に光出力モニタ用の受光素子を設ける技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−１８２０５０号公報

ところで、従来の光導波路デバイスは、光導波路の端面から出射される主信号光をレンズ結合系を介して出力光ファイバに導く構成のものや、光導波路の端面と出力光ファイバとを直接突き合わせるバットジョイント（butt joint）型のものが知られている。レンズ結合系を用いた構成では、光導波路デバイスの主信号光が出力される基板側面とレンズ結合系との間には所要のスペースが存在するため、そのスペースを利用して光出力モニタ用の受光素子を配置することができ、十分なモニタ光を受光することが可能である。

一方、バットジョイント型の場合では、出力光ファイバが非常に細いので光導波路の端面にファイバを単純に接着しただけでは強度が不足するため、例えば図２０（Ａ）に示すように、Ｖ溝ファイバブロックやガラスフェルール等のファイバ固定部材１２０を使用して、出力光ファイバ１１０を主信号光出力側の光導波路１０１Ａの端面に固定させる必要がある。このようなファイバ固定部材１２０を使用した構成において、光出力モニタ用の受光素子１３０をファイバ固定部材１２０の裏側（光導波路デバイスとは反対側）に配置すると、ファイバ固定部材１２０が邪魔になってモニタ側の光導波路１０１Ｂから出射されるモニタ光を十分に受光することが難しくなってしまう。これを回避するためには、例えば図２０（Ｂ）に示すように、ファイバ固定部材１２０の形状等を複雑なものにしなければならない。前述した特許文献１に示されている補強用キャピラリは、より複雑な形状のファイバ固定部材の一例と考えられる。このようなファイバ固定部材の複雑化は、光導波路デバイスのコスト上昇を招いてしまうなどの問題点がある。

上記のようなバットジョイント型の構成における問題点を解消して光出力モニタを確実に行うための１つの方策として、光導波路デバイスの主信号光が出力される基板側面とは異なる基板側面（具体的に図２０に示した構成では手前または奥に位置する側面）からモニタ光を導き出すようにするのが有効である。しかし、このような構成を実現するためには、次のような課題を解決する必要がある。

第１の課題は、例えば図２１に示したように、曲がり導波路を使用してモニタ光を導き出した場合に、基板側面での反射および放射損失が問題となることである。すなわち、具体例としてＬＮ変調器を考えると、通常使用されるＬＮ変調器の基板１００の幅ｗは１ｍｍ〜２ｍｍ程度である。このため、モニタ側の曲がり導波路１０１Ｂを伝搬した光が基板側面で全反射しない角度で導き出されるようにするためには、曲がり導波路１０１Ｂの曲率半径Ｒｃを１ｍｍ〜２ｍｍ前後とする必要がある。一方、曲がり導波路１０１Ｂにおいて放射損失の発生しない曲率半径Ｒｃは３０ｍｍ以上が必要である。このため、図２１（Ａ）に示したように、曲がり導波路１０１Ｂでの放射損失を防ぐために３０ｍｍ以上の曲率半径Ｒｃを確保すると、モニタ光が基板側面で全反射してしまうと共に、基板サイズの大型化を招くことにもなる。また、図２１（Ｂ）に示したように、基板側面での全反射を防ぐために曲がり導波路１０１Ｂの曲率半径Ｒｃを２ｍｍ以下に設定すると、モニタ光が曲がり導波路１０１Ｂの途中で導波路外に放射されてしまう。従って、単純に曲がり導波路を形成したのでは十分なモニタ光を受光することが困難となる。

第２の課題は、例えば図２２に示すように、基板の表面に発生したチッピングが原因となってモニタ光の受光が難しくなることである。すなわち、ＬＮ変調器等を形成するチップは、ダイシング装置などを利用して基板材料をカットして得られるが、そのカットの際にチップの上面や下面に数十μｍの凹凸が発生する。この凹凸はチッピングとも言われる。ＬＮ変調器チップは、Ｔｉ等の拡散処理によりチップの上面に光導波路が形成されており、モニタ光が導き出される基板側面にチッピングが発生していると、十分なモニタ光を得ることが難しくなる。従って、モニタ光を取り出す基板側面についてチッピング対策等を行う必要がある。

第３の課題は、モニタ光を受光するための受光素子を確実に搭載することが困難な場合が生じることである。すなわち、モニタ光用の受光素子の搭載方法の１つとして、モニタ光を導き出す基板側面に受光素子を張り付ける方法が考えられるが、受光素子の大きさが３００μｍ以上あるため、前述したように光導波路が基板上部に形成されている場合に受光素子を基板側面に張り付けると、図２３に示すように受光素子がチップの上面からはみ出してしまう。このため、受光素子の張り付けが非常に難しくなり信頼度を含めた問題が発生する。

本発明は上記の各課題に着目してなされたもので、光導波路を伝搬した光を限られた基板サイズの範囲内で十分なパワーを保って所望の基板側面から導き出すことのできる光導波路デバイスを提供することを第１の目的とする。また、基板表面に発生するチッピングの影響を抑えた光導波路デバイスを提供することを第２の目的とする。さらに、基板から導き出される光を受ける受光素子を基板に確実に搭載することのできる光導波路デバイスを提供することを第３の目的とする。

このため、本発明に係る光導波路デバイスの１つの態様は、基板と、該基板に形成した光導波路と、該光導波路の光出力側の端部近傍に形成され、前記基板の表面に垂直な方向に対して斜めに形成された側壁を有する溝と、を備え、前記側壁を反射面として前記光導波路から下方に逸れて出力された反射光が前記基板の側面から出射されるものである。

上記のような構成の光導波路デバイスでは、基板に形成された光導波路の端部から出力される光が溝の反射面で反射されて伝搬方向が切り替えられ、その反射光が基板内を伝搬して基板側面から出射されるようになる。これにより、前述した曲がり導波路を用いる場合のような基板側面での反射や放射損失の問題を回避して、基板サイズの大型化を招くことなく所望の基板側面に十分なパワーの光を導き出すことが可能になる。
また、溝の反射面は、基板の表面に垂直な方向に対して斜めに形成され、光導波路から出力された後に基板表面に沿って伝搬する光を、基板表面の下方に逸れた方向に反射するようにしてあるので、光導波路を伝搬した光が出射される基板側面近くの表面に凹凸（チッピング）が発生していても、そのチッピングよりも下方の基板側面から光が出射されるようになるため、チッピングの影響による光パワーの低下を回避することが可能になる。

なお、本発明の他の目的、特徴および利点は、添付図面に関連する実施態様についての以下の説明で明らかになるであろう。

以下、本発明に係る光導波路デバイスの実施形態について添付図面に基づいて説明する。なお、全図を通して同一の符号は同一または相当部分を示すものとする。

図１は、本発明の第１実施形態による光導波路デバイスの構成を示す斜視図である。
図１において、本実施形態の光導波路デバイスは、例えば、基板１０の表面に形成したマッハツェンダ型の光導波路１１と、その光導波路１１に沿って基板１０の表面に形成した電極１２と、光導波路１１のモニタ光出力側の端部近傍に形成した反射溝１３と、その反射溝１３で反射され基板１０の側面から出射されるモニタ光を受光する受光素子１４と、光入出力端でのチッピングの影響を防ぐブロック材１５と、を備えて構成される。

基板１０は、例えばＺ−カットのＬＮ基板等が使用される。光導波路１１は、入力導波路１１Ａ、入力側カプラ１１Ｂ、平行導波路１１Ｃ，１１Ｄ、出力側カプラ１１Ｅ、主信号光出力導波路１１Ｆおよびモニタ光出力導波路１１Ｇからなり、マッハツェンダ干渉計を構成している。入力導波路１１Ａは、基板１０の一側面（図１中の左側側面）に臨む一端から光Ｌが入力され、他端が入力側カプラ１１Ｂの２つの入力ポートうちの一方に接続されている。入力側カプラ１１Ｂは、入力導波路１１Ａからの光Ｌを２つに分岐して各平行導波路１１Ｃ，１１Ｄに与える。出力側カプラ１１Ｅは、各々の平行導波路１１Ｃ，１１Ｄを合波した後に主信号光Ｌｓおよびモニタ光Ｌｍに分岐して主信号光出力導波路１１Ｆおよびモニタ光出力導波路１１Ｇにそれぞれ与える。ここでは、入力側および出力側のカプラ１１Ｂ，１１Ｅとして、例えば方向性結合器またはマルチモード干渉（ＭＭＩ）カプラが使用される。

電極１２は、例えば、電極パターン１２Ａ，１２Ｂおよび電極パッド１２Ｃから構成される。電極パターン１２Ａは、平行導波路１１Ｄ上を通る所要の形状にパターニングされている。一方、電極パターン１２Ｂは、電極パターン１２Ａとは一定の距離を隔てて、平行導波路１１Ｃ上を通る所要の形状にパターニングされている。電極パッド１２Ｃは、各電極パターン１２Ａ，１２Ｂに高周波電気信号を印加するための端子に相当するものであり、ここではモニタ光が導き出される基板側面（図１中の奥側に位置する側面）の近くに配置されている。なお、一方の電極パターンを接地電極として使用する場合には、その電極パッドを接地端子に接続する。

反射溝１３は、例えばフォトリソグラフィー法などを利用して、基板１０表面の所定の位置に所望の形状の溝を設けることによって、モニタ光出力導波路１１Ｇの終端から基板１０内に放射されるモニタ光Ｌｍを反射する反射面１３Ａを形成し、その反射光Ｌｍ’が基板側面（図１中の奥側に位置する側面）に向けて伝搬するようにしたものである。この反射溝１３は、例えば図２のＡ−Ａ’断面図に示すように、反射面１３Ａが基板１０の垂直方向に対して斜めに傾いており、基板１０の表面に沿って伝搬するモニタ光Ｌｍの反射光Ｌｍ’が基板１０の下方に若干逸れて伝搬するようになっている。

なお、図２中の符号１６は、基板１０の表面全体に形成したバッファ層を示しており、符号１７は、バッファ層１６上に形成したＳｉ膜を示している。バッファ層１６は、電極１２による光の吸収損失防止とインピーダンス整合とを実現するためのものであり、具体的にはＳｉＯ２等からなる。また、Ｓｉ膜１７は、温度ドリフトを抑圧するためのものである。

受光素子１４は、反射溝１３で反射されて基板側面から出射されるモニタ光Ｌｍ’を受光し、モニタ光Ｌｍ’のパワーに応じて変化する電気信号を発生する。この受光素子１４は、基板側面から出射されるモニタ光Ｌｍ’を受光可能な任意の位置に配置することができ、例えば、基板側面に張り付けてもよく、また、基板側面から所要の距離隔てた位置に取り付けてもよい。

ブロック材１５は、上述したような基板１０の表面に発生するチッピングが入出力光に影響を与えないようにするために、基板１０の対向する両側面（図１中の左側および右側の各側面）の上部にガラスやＬＮブロック等を張り付けたものである。ただし、このブロック材１５は、入出力光に対するチッピングの影響が小さい場合には省略することも可能である。

なお、主信号光Ｌｓが出力される基板１０の側面には、図示を省略したが、主信号光出力導波路１１Ｆの一端にバットジョイントされる出力光ファイバを固定するためのファイバ固定部材（例えば、Ｖ溝ファイバブロックやガラスフェルール等）が設けられている（図２０参照）。

ここで、上記のような光導波路デバイスの製造方法について具体的に説明する。
まず、例えば図３に示す各工程に従って、ＬＮ基板１０に対する光導波路１１の形成を行う。具体的には、ＬＮ基板１０に対して光導波路１１となるべきチタン（Ｔｉ）等の蒸着を行い、１０００Å程度のＴｉ膜を形成する（図３（Ａ）および（Ｂ））。そして、そのＴｉ層上にフォトレジストを１μｍ前後塗布した後、一般的なフォトリソグラフィー法によりマッハツェンダ干渉計に対応させてレジストをパターニングし、さらに、そのレジストをマスクとしてＴｉ膜のパターン化を行う（図３（Ｃ））。なお、上記のパターン化に際しては、ドライエッチングを適用してもウェットエッチングを適用してもよい。Ｔｉ膜のパターン化が終わると、Ｔｉを１０００℃〜１１００℃にてＬＮ基板１０内に拡散して表面近傍にマッハツェンダ型の光導波路１１を形成する（図３（Ｄ））。

なお、上記の工程では、Ｔｉを熱拡散させてＬＮ基板１０に光導波路１１を形成する一例を示したが、例えば、Ｔｉに代えてＭｇを用いてもよい。また、Ｔｉ膜をパターン化した後にプロトン交換法を用いて光導波路１１を形成することも可能である。

次に、例えば図４に示す各工程に従って反射溝１３の形成を行う。まず、上記光導波路１１の形成の場合と同様にして、フォトリソグラフィー法により基板１０上の所定の位置に反射溝形成用のパターンを作成する。その際、反射溝１３の反射面１３Ａを基板１０の垂直方向に対して斜めに形成するべく、例えば、レジストを段階状にずらしてパターニングして斜めのレジストを実現する（図４（Ａ））。そして、このレジストをマスクとして、ドライエッチングにより基板１０に対して反射溝１３を形成する（図４（Ｂ））。このとき、レジストが斜めに形成されているので反射溝１３の側壁は斜めに形成されるようになる（図４（Ｃ））。

光導波路１１および反射溝１３の形成が終わると、次に、例えば図５に示す各工程に従って電極１２の形成を行う。まず、電極による光の吸収損失を防止すると共にインピーダンスの整合をとるためのバッファ層１６を、スパッタや電子ビーム（ＥＢ）蒸着器等を使用して、基板１０の表面に形成する（図５（Ａ）および（Ｂ））。このバッファ層の厚さは、必要帯域や電気反射量に応じて最適化されるが、０．５μｍ〜１．０μｍが一般的である。バッファ層１６が形成されると、温度ドリフトを抑圧するためのＳｉ膜１７を、スパッタ等にてバッファ層１６上に蒸着する（図５（Ｃ））。Ｓｉ膜１７の厚さは、０．１μｍ前後とするのがよい。次に、電極形成用の下地として金（Ａｕ）の蒸着を行う。この金の蒸着はＥＢ蒸着器等を用いて０．１μｍ程度の厚さで行う。そして、前述の光導波路１１の形成の場合と同様にしてレジストのパターン化後にエッチングを行い、さらに、電極用の金メッキを行う（図５（Ｄ））。この金メッキの厚さも、バッファ層の厚さと同様に、必要帯域や電気反射量に応じて最適化されるが、５〜２０μｍ程度が一般的である。

上記のようにして基板１０に対する光導波路１１、反射溝１３、バッファ層１６、Ｓｉ膜１７および電極１２の形成が終わると、次に、基板１０の光入出力端の上部にチッピング防止用のブロック材１５を張り付ける。図６は、ブロック材１５が張り付けられた基板材料の上面図である。この基板材料のブロック材上の点線部分と各ＬＮチップの境界部とをダイシング装置などを利用してカットした後、モニタ光が導き出される基板側面の所定の位置に受光素子１４を取り付ける。

上述したような一連の工程により製造された光導波路デバイスでは、基板１０の光入力側面に与えられた光Ｌが、入力導波路１１Ａを伝搬して入力側カプラ１１Ｂで２分岐され、各平行導波路１１Ｃ，１１Ｄをそれぞれ伝搬する。このとき、電極パターン１２Ａ，１２Ｂに印加される電気信号に応じて、各平行導波路１１Ｃ，１１Ｄを伝搬する光に位相差が与えられ、出力側カプラ１１Ｅで各々の光が合波された後に主信号光Ｌｓおよびモニタ光Ｌｍにそれぞれ分岐される。主信号光Ｌｓは、主信号光導波路１１Ｆを伝搬して基板１０の側面から出射され、主信号光導波路１１Ｆの端面にバットジョイントされた出力光ファイバに導かれる。

一方、出力側カプラ１１Ｅで分岐されたモニタ光Ｌｍは、モニタ光出力導波路１１Ｇを伝搬して、その端面から基板１０内に放射され、反射溝１３の反射面１３Ａに到達して反射される。反射面１３Ａで反射されたモニタ光Ｌｍ’は、前述の図２に示したように反射面１３Ａが基板１０の垂直方向に対して斜めになっているので、基板１０の表面に対して下方に逸れた方向に向けて基板１０内を伝搬し、主信号光Ｌｓの出射側面とは異なる基板側面に導き出される。このため、基板側面に到達したモニタ光Ｌｍ’は、基板表面に発生するチッピングよりも下方の位置から出射されるようになり、チッピングの影響を受けることなく受光素子１４で受光されるようになる。なお、チッピングは基板の表面だけでなく裏面にも発生するため、基板側面に到達するモニタ光Ｌｍ’が表裏面のチッピングの中間の位置から導き出されるように、反射面１３Ａの傾斜角度を設定するのが望ましい。

そして、受光素子１４では、受光したモニタ光Ｌｍ’が電気信号に変換され、その電気信号が図示しない制御部等に送られて光導波路デバイスの動作点などのフィードバック制御に利用される。

このように第１実施形態の光導波路デバイスによれば、モニタ光出力導波路の先に反射溝１３を設けてモニタ光Ｌｍを反射させるようにしたことで、基板サイズの大型化を招くことなく主信号光Ｌｓの出射側面とは異なる基板側面にモニタ光Ｌｍ’を導き出すことができるようになる。これにより、バットジョイント型の場合においても受光素子１４で十分なモニタ光を受光することができ、光導波路デバイスの動作点などのフィードバック制御を確実に行うことが可能になる。また、基板１０の表面に垂直な方向に対して斜めの反射面１３Ａを形成したことで、モニタ光が導き出される基板側面にチッピングが発生していても、そのチッピングよりも下方からモニタ光が出射されるようになるため、チッピングの影響によるモニタ光の低下を回避することができる。さらに、電極１２の電極パッド１２Ｃが配置される側と同じ側に位置する基板側面にモニタ光を導き出すようにしたことで、電気信号配線の外部とのインターフェースを基板１０の１つの側面に集めることができるため、光導波路デバイスを外部回路等に効率的に搭載することが可能になる。このような光導波路デバイスは、例えば光変調器や光スイッチ、可変光アッテネータなどの用途に有用である。

なお、上記の第１実施形態では、モニタ光を導き出す基板側面でのチッピングの影響を考慮して斜めの反射面１３Ａを設けるようにしたが、チッピングの影響が小さい場合には、例えば図７のＡ―Ａ’断面図に示すように基板１０の表面に垂直となるような反射面１３Ａを形成して、反射面１３Ａで反射されたモニタ光Ｌｍ’が基板表面に沿って伝搬されるようにしても構わない。また、図７のような垂直な反射面１３Ａを設けた場合の応用例として、例えば図８に示すように、モニタ光が導き出される基板側面の上部にブロック材１６を張り付けるようにすれば、主信号光Ｌｓの出力側面と同様にして、モニタ光に対するチッピングの影響を抑えることが可能である。この場合、ブロック材１６を利用して受光素子１４を基板側面に張り付けることが可能になるため、受光素子１４の搭載を容易に行うことができ信頼度の向上を図ることも可能になる。さらに、例えば図９に示すように、主信号光Ｌｓの出力側面の上部に設けたブロック材１５の下方に位置する基板側面からモニタ光が導き出されるように、ブロック材１５の形状や反射溝１３の配置などを設計することにより、ブロック材の部品点数を減らしてコストの削減を図ることが可能になる。加えて、上記図８や図９の構成において、厚さが３００μｍ以上のブロック材を使用するようにすれば、基板側面およびブロック材に対して受光素子１４の全面を張り付けることができるため、一層安定した受光素子１４の取り付けが可能になる。

また、上記の第１実施形態では、マッハツェンダ型の光導波路１１を構成する入力側および出力側の各カプラ１１Ｂ，１１Ｅとして方向性結合器またはＭＭＩカプラを使用する場合を説明したが、例えば図１０に示すように、Ｙ分岐型カプラ１１Ｂ’，１１Ｅ’を用いてマッハツェンダ型の光導波路１１を構成したときにも本発明は有効である。この場合、各平行導波路１１Ｃ，１１Ｄを伝搬する光にπの奇数倍の位相差が与えられると、各々の光は出力側カプラ１１Ｅ’で合波されることで互いに打ち消し合って主信号光Ｌｓがオフ状態となる。このとき、打ち消し合った光は出力導波路１１Ｆの外に漏れ出して基板１０内に放射されることになる。この出力導波路１１Ｆ外の基板１０内を伝搬する放射モード光の一部（図１０では出力導波路１１Ｆよりも奥側の基板内に放射された光）をモニタ光Ｌｍとして反射溝１３で反射させ、その反射光Ｌｍ’を主信号光Ｌｓの出力側面とは異なる基板側面に導き出すことで、前述の第１実施形態の場合と同様の作用効果を得ることが可能になる。

次に、光導波路デバイスのその他の例について説明する。
図１１は、その他の例の光導波路デバイスの構成を示す斜視図である。
図１１において、本形態の光導波路デバイスの構成が上述の図１に示した第１実施形態の場合と異なる部分は、モニタ光出力導波路１１Ｇに曲率半径の小さな曲がり導波路を適用すると共に、その曲がり導波路の半径方向外側に溝部２０を形成した部分である。上記以外の他の部分の構成は第１実施形態の場合と同様である。このため、ここではモニタ光出力導波路１１Ｇおよび溝部２０の構成について詳しく説明する。

図１２は、図１１における出力側カプラ１１Ｅおよびモニタ光出力導波路１１Ｇ付近を拡大して示した上面図である。また、図１３は、図１２のＢ―Ｂ’断面を示す図である。

モニタ光出力導波路１１Ｇは、図１２に示すように、出力側カプラ１１Ｅの一方の出力ポートに繋がる直線部分と、その直線部分の先に繋がる曲がり部分とから構成される。モニタ光出力導波路１１Ｇの曲がり部分は、ここでは一定の曲率半径Ｒｃを有し、その先端が主信号光の出力側面とは異なる基板側面まで伸びている。上記の曲率半径Ｒｃは、例えば０．５〜５ｍｍ程度の小さな値に設定され、幅の狭い基板１０でも基板サイズの大型化を招くことなく基板側面でモニタ光が全反射しないようになっている。

溝部２０は、上記曲がり導波路の半径方向外側に位置する周囲の基板１０を曲がり導波路の長手方向に沿って除去したものである。この溝部２０は、例えば図１３のＢ−Ｂ’断面図に示すように、基板１０を取り除いて形成した一方の側壁の上端がモニタ光出力導波路１１Ｇに接するようになっている。このような溝部２０は、曲率半径Ｒｃの小さな曲がり導波路を伝搬するモニタ光の閉じ込め効果を増大させる。

ここで、上記の溝部２０によるモニタ光の閉じ込め効果について具体的に説明する。
上述の図２１（Ｂ）に示したような曲率半径Ｒｃの小さな曲がり導波路については、放射損失の発生を限りなく小さくすることが重要となる。放射損失の低減を図るための１つの手段として、曲がり導波路の周囲の屈折率を小さくして曲がり導波路における光の閉じ込め効果を大きくすることが有効である。具体的に、ＬＮ基板上に形成された曲がり導波路の場合、曲がり導波路の周りを囲むＬＮ基板の屈折率は一般的に２．１〜２．２であり、この屈折率をできるだけ小さくすることで放射損失を低減させることが可能となる。このため、本例では、曲がり導波路の周囲のＬＮ基板、特に、曲がり導波路の半径方向外側に位置するＬＮ基板を除去して溝部２０を形成することで、その溝部２０の屈折率が理想的には空気の屈折率１．０にまで小さくなるようにして、曲がり導波路を伝搬するモニタ光Ｌｍの閉じ込め効果を増大させている。実際には、図１３の断面図に示したように、溝部２０の上部にはバッファ層１６や接着剤が存在することになるが、これらの屈折率は１．４〜１．５程度でありＬＮ基板の屈折率に比べて十分に小さいため、光の閉じ込め効果は大きい。上記の内容をシミュレーションにより確認した一例を図１４に示す。

上記のシミュレーションでは、図１４の上段に示すように、曲がり導波路を、それと等価な屈折率分布（ａ−ａ’断面における屈折率の変化を参照）を有する直線導波路に見立てて、導波路を伝搬する光の強度を計算している。図１４の中段に示すシミュレーション結果は、上述した図２１（Ｂ）に示したような従来の曲がり導波路について、曲率半径を１ｍｍ、導波路の幅ｗを７μｍ、導波路周囲の屈折率を２．２に設定して計算を行った一例である。このシミュレーション結果に示すように、従来の曲がり導波路では、光の伝搬後１０μｍ程度で殆ど全ての光が導波路外に漏れ出していることが分かる。一方、図１４の下段に示すシミュレーション結果は、曲がり導波路の周囲の屈折率を小さくした場合の一例として、曲率半径を０．５ｍｍ、導波路の幅ｗを５μｍ、導波路周囲の屈折率を１．０に設定して計算を行った一例である。このシミュレーション結果に示すように、曲率半径を０．５ｍｍまで小さくした場合でも、曲がり導波路に沿って光が伝搬しており、十分な光の閉じ込め効果が得られることが分かる。

また、図１５に示す実験結果は、曲がり導波路の半径方向外側における溝部２０の形成位置を変化させた場合に放射損失がどのように変化するかを測定した一例である。ここでの実験は、図１５の上段に示すように、曲がり導波路の中心と溝部２０の側壁の上端との間の距離をＲｗｓとし、そのＲｗｓの値および曲がり導波路の曲率半径Ｒｃを変化させて、曲がり導波路の損失の測定を行っている。具体的に、図１５の中段に示した測定データは、曲がり導波路の幅Ｄを６μｍに固定し、曲がり導波路と溝部２０の間の距離Ｒｗｓを０μｍ〜３μｍの範囲で段階的に設定したときに得られる、曲率半径Ｒｃに対する損失をまとめたものである。この測定データより、Ｒｗｓを３μｍに設定したとき、すなわち、溝部２０の側壁の上端が曲がり導波路に接するような位置関係の場合に損失が最も減少することが分かる。また、Ｒｗｓを３μｍよりも短くしたとき、すなわち、曲がり導波路の一部を除去した状態においても、曲率半径Ｒｃの設定によっては損失を比較的小さな値に抑えることができることも分かる。さらに、図１５の下段に示した測定データは、曲率半径Ｒｃを１ｍｍに固定し、曲がり導波路の幅Ｄを６μｍ〜１０μｍの範囲で段階的に設定したときに得られる、Ｒｗｓに対する損失をまとめたものである。この測定データからは、例えば曲がり導波路の幅を６μｍとした場合に顕著なように、Ｒｓｗが３μｍを超える、すなわち、曲がり導波路と溝部２０が接した状態（Ｒｓｗ＝３μｍ）から離れて行くと、損失が増大する傾向にあることが分かる。

上記のようなシミュレーションおよび実験の結果より、本例の光導波路デバイスによれば、モニタ光出力導波路１１Ｇの後半に配置された曲率半径の小さな曲がり導波路に対して溝部２０を形成することによって、曲がり導波路を伝搬するモニタ光Ｌｍを導波路内に効果的に閉じ込めておくことができ、特に、曲がり導波路に接するような位置に溝部２０を設けるようにすれば、モニタ光出力導波路１１Ｇの曲がり部分での放射損失をより効果的に低減することが可能になる。従って、第１実施形態の場合に得られる効果と同様に、基板サイズの大型化を招くことなく主信号光Ｌｓの出射側面とは異なる基板側面にモニタ光を導き出すことができ、バットジョイント型の場合においても受光素子１４で十分なモニタ光を受光することが可能になる。また、電極１２の電極パッド１２Ｃが配置される側と同じ側に位置する基板側面にモニタ光を導き出すようにしたことで、電気信号配線の外部とのインターフェースを基板１０の１つの側面に集めることができるため、光導波路デバイスを外部回路等に効率的に搭載することが可能になる。このような光導波路デバイスは、例えば光変調器や光スイッチ、可変光アッテネータなどの用途に有用である。

なお、上記の形態では、モニタ光に対するチッピングの影響について特に考慮していないが、上述の図８に示した場合と同様にして、モニタ光が導き出される基板側面の上部にブロック材１６を張り付けて、モニタ光に対するチッピングの影響を抑えるようにすることも勿論可能である。また、上述の図９に示した場合と同様にして、主信号光Ｌｓの出力側面の上部に設けたブロック材１５の下方に位置する基板側面からモニタ光が導き出されるように、ブロック材１５およびモニタ光出力導波路１１Ｇの形状を設計することにより、ブロック材の部品点数を減らしてコストの削減を図ることが可能になる。上記の図８および図９に対応した形態の応用例の構成を図１６および図１７にそれぞれ示しておく。

また、上記の形態では、曲がり導波路の半径方向外側にだけ溝部２０を形成するようにしたが、曲がり導波路の半径方向内側についても、外側と同様の溝部を形成するようにして、いわゆるリッジ導波路と同様な断面形状を有する曲がり導波路とすることも可能である。

加えて、上記のような曲がり導波路の両側に溝部を形成する構成を応用することにより、マッハツェンダ型の光導波路１１を構成する入力側および出力側の各カプラとしてＹ分岐型カプラを用いた光導波路デバイスについても対応することが可能である。具体的には、例えば図１８に示すように、Ｙ分岐型カプラ１１Ｂ’，１１Ｅ’を用いてマッハツェンダ型の光導波路１１を構成した光導波路デバイスについて、主信号光Ｌｓがオフ状態となるときに出力導波路１１Ｆの外に漏れ出す放射モード光の一部をモニタ光として基板側面に導き出すための１組の曲がり溝部２０Ａ，２０ＢをＬＮ基板１０に形成する。曲がり溝部２０Ａ，２０Ｂによって挟まれたＬＮ基板部分は、曲がり溝部２０Ａ，２０Ｂに比べて高い屈折率（２．１〜２．２）を有するため、モニタ光用の曲がり導波路として機能するようになり、前述した形態の場合と同様の作用効果を得ることが可能になる。

また、上述した第１実施形態および他の例では、十分なモニタ光を所望の基板側面に導き出すために、基板１０に対して反射溝１３を形成したり、曲がり導波路の外側に溝部２０を設けたりしたが、このような反射溝１３や溝部２０を利用した構成は、モニタ光以外の光を限られた基板サイズの範囲内で所望の基板側面に導き出す場合にも応用可能である。例えば、上述した各実施形態の主信号光Ｌｓ側の出力導波路についてモニタ光側と同様の構成を適用することにより、幅の狭いＬＮ基板内の長手方向の側面から主信号光Ｌｓを取り出すことが可能になる。

加えて、上述した第１実施形態および他の例では、Ｚ−カットのＬＮ基板を使用した一例について説明したが、本発明はこれに限らず、Ｘ−カットのＬＮ基板を使用した光導波路デバイスに対しても有効であり、さらには、ＬＮ基板以外の各種の基板を用いた光導波路デバイスについても適用することが可能である。

本発明は、基板に対して溝を設けて反射面を形成したことで、基板サイズの大型化を招くことなく所望の基板側面に十分なパワーの光を導き出すことの可能な光導波路デバイスを提供することができ、また、基板側面付近に発生するチッピングの影響も簡略な構成によって回避することが可能な光導波路デバイスが実現され、このような光導波路デバイスは、例えば、光通信システムに用いられる光変調器や光スイッチ、可変光アッテネータなどとして有用であり、産業上の利用可能性が大である。

本発明の第１実施形態による光導波路デバイスの構成を示す斜視図である。図１のＡ−Ａ’断面を拡大して示した図である。第１実施形態における光導波路の形成工程を示す図である。第１実施形態における反射溝の形成工程を示す図である。第１実施形態における電極の形成工程を示す図である。第１実施形態においてＬＮチップをカットする前の基板材料を示す図である。第１実施形態に関連した反射溝の他の構成例を示す断面図である。図７の反射溝に関連した光導波路デバイスの応用例を示す斜視図である。図８の応用例に関連した改良例を示す斜視図である。第１実施形態に関連してＹ分岐カプラを使用した場合の構成例を示す斜視図である。光導波路デバイスのその他の例の構成を示す斜視図である。図１１の出力側カプラおよびモニタ光出力導波路付近を拡大して示した上面図である。図１２のＢ−Ｂ’断面を拡大して示した図である。図１１の例におけるモニタ光の閉じ込め効果を確認するためのシミュレーション結果を示す図である。図１１の例におけるモニタ光の閉じ込め効果を確認するための実験結果を示す図である。図１１の例に関連した光導波路デバイスの応用例を示す斜視図である。図１６の応用例に関連した改良例を示す斜視図である。図１１の例に関連してＹ分岐カプラを使用した場合の構成例を示す斜視図である。一般的なマッハツェンダ型光変調器の光出力特性を示す図である。従来のバットジョイント型についての問題点を説明する図である。曲がり導波路を適用した場合の課題を説明する図である。モニタ光に対するチッピングの影響を説明する図である。従来のモニタ光用受光素子の搭載方法の問題点を説明する図である。

Claims

基板と、
該基板に形成した光導波路と、
該光導波路の光出力側の端部近傍に形成され、前記基板の表面に垂直な方向に対して斜めに形成された側壁を有する溝と、を備え、
前記側壁を反射面として前記光導波路から下方に逸れて出力された反射光が前記基板の側面から出射されることを特徴とする光導波路デバイス。
請求項１に記載の光導波路デバイスであって、
前記溝の反射面は、基板表面および基板裏面から予め設定した距離だけそれぞれ離れた領域内に位置する前記基板側面から反射光が出射されるように、前記基板の表面に垂直な方向に対して斜めに形成されることを特徴とする光導波路デバイス。
請求項１に記載の光導波路デバイスであって、
前記光導波路は、入力導波路と、該入力導波路を伝搬した光を２つに分岐する入力側カプラと、該入力側カプラで分岐された各光が与えられる一対の導波路と、該各導波路を伝搬した光を合波する出力側カプラと、該出力側カプラを伝搬した光が与えられる出力導波路とを備え、マッハツェンダ干渉計を構成し、
前記溝は、前記出力導波路のモニタ光が出力される端部近傍に形成され、前記反射面で反射したモニタ光を基板側面に導き出すことを特徴とする光導波路デバイス。
請求項１に記載の光導波路デバイスであって、
前記光導波路から出力され前記溝で反射された光が出射される基板側面の上部に、基板表面でのチッピングの発生を防ぐブロック材を備えたことを特徴とする光導波路デバイス。
請求項３に記載の光導波路デバイスであって、
前記出力導波路から出力され前記溝で反射されたモニタ光が出射される基板側面の上部と、前記出力導波路を伝搬した主信号光が出射される基板側面の上部とに、基板表面でのチッピングの発生を防ぐブロック材をそれぞれ備えたことを特徴とする光導波路デバイス。
請求項５に記載の光導波路デバイスであって、
前記溝で反射されたモニタ光が、主信号光側に対応する前記ブロック材の下方に位置する基板側面から出射されるようにして、モニタ光側に対応する前記ブロック材を主信号光側と共通化したことを特徴とする光導波路デバイス。
請求項６に記載の光導波路デバイスであって、
モニタ光を受光するための受光素子を備え、該受光素子が、前記ブロック材を利用してモニタ光が出射される基板側面に張り付けられたことを特徴とする光導波路デバイス。
請求項３に記載の光導波路デバイスであって、
前記出力側カプラが、方向性結合器およびマルチモード干渉カプラのいずれかであり、
前記出力導波路は、前記出力側カプラの主信号光が出力されるポートに接続する主信号光出力導波路と、前記出力側カプラのモニタ光が出力されるポートに接続するモニタ光出力導波路と、を有することを特徴とする光導波路デバイス。
請求項３に記載の光導波路デバイスであって、
前記出力側カプラが、Ｙ分岐カプラであり、該Ｙ分岐カプラの合波ポートに前記出力導波路が接続し、主信号光がオフ状態になるときに前記出力導波路外に漏れ出す光をモニタ光として使用することを特徴とする光導波路デバイス。
請求項３に記載の光導波路デバイスであって、
前記一対の導波路に対応させて設けられた電極を有し、該電極に外部より電気信号を印加するための電極パッドが配置される側の基板側面に、前記溝で反射された光が出射されることを特徴とする光導波路デバイス。