JPH11258437A - 平板導波路型ブラッググレーティング素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 クロストークの小さい平板導波路型ブラッグ
グレーティング素子を提供する。 【解決手段】 平板導波路型ブラッググレーティング素
子のブラッググレーティング形成部１６とブラッググレ
ーティング非形成部との間に、モードカットフィルタと
して曲線導波路１４、１８或いはテーパ導波路１３、１
９を挿入することにより、進行基本伝搬モードから後退
基本伝搬モード以外の後退モード（後退リーキーモード
等）へのモード結合による反射光のブラッグ波長の短波
長側でのクロストーク劣化が防止される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、平板導波路型ブラ
ッググレーティング素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＧｅＯ₂ を添加した石英系ガラスに紫外
光を照射すると屈折率が増加する性質を利用して屈折率
変調型のブラッググレーティングを光ファイバ中に形成
するいわゆる「光ファイバグレーティング」は、製造が
比較的容易で、かつ高性能なため、光波長多重通信のＡ
ｄｄ／Ｄｒｏｐフィルタ、分散補償用として或いは光応
用センサ用として有用な部品と考えられ、研究開発が活
発に行われている。

【０００３】図３（ａ）は従来の平板導波路型ブラッグ
グレーティング素子の平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）
の領域Ａ内の部分拡大図である。

【０００４】石英基板１上に入力導波路２、ブラッググ
レーティング形成部３、出力導波路４が形成されてい
る。各導波路２、３、４は、コア高さ及びコア幅とも一
定（６μｍ）の矩形断面形状を有している。コアとクラ
ッドとの比屈折率差Δは０．８％である。ブラッググレ
ーティング形成部３のグレーティングは、Ｇｅがドープ
されたガラスに紫外線を照射すると屈折率が増加する性
質を利用した光照射グレーティングである。ブラッググ
レーティング形成部３のグレーティング周期はブラッグ
（Ｂｒａｇｇ）波長λが１５５８ｎｍとなるように一定
（５３６ｎｍ）となっている。

【０００５】図４は図３（ａ）に示した平板導波路型ブ
ラッググレーティング素子の反射スペクトル特性図であ
る。図４において横軸が波長を示し、縦軸が損失を示し
ている。

【０００６】平板導波路型ブラッググレーティング素子
の入力導波路２の入力ポートに入射された後、ブラッグ
グレーティング形成部３で反射され、再び入力ポートに
戻ってくるスペクトルが示されている。図４よりブラッ
グ波長λ＝１５５８ｎｍの光がグレーティングで反射さ
れて戻ってきていることと、波長λ＝１５５４ｎｍ付近
に２０ｄＢ程のピーク５があることが分かる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ここで、図４における
ピーク５について説明する。

【０００８】平板型導波路は、通常コアのみが紫外光照
射により屈折率が増加する性質のあるＧｅＯ₂ −ＳｉＯ
₂ でできているが、クラッドにはＧｅＯ₂ は添加されて
いない。そのため、コア内だけで屈折率変調が生じる。

【０００９】しかし、通常の平板型導波路では光はコア
からクラッドに漏洩して（コア内に閉じ込められない
で）伝搬するため、光にとっては不完全なグレーティン
グとなり、進行基本伝搬モードは後退基本伝搬モードだ
けでなく、例えば後退放射モード等と結合するようにな
る。

【００１０】これは、矩形断面形状の導波路の場合に
は、高次伝搬モードはカットオフされると、通常の放射
モードではなく、少しずつ放射されながらコアに沿って
伝搬するリーキーモードとして存在すると考えられる。
この場合、前述した不完全なグレーティングでは進行基
本伝搬モードの一部が後退リーキーモードに結合する。
また、ブラッググレーティング形成部の導波路をマルチ
モードにした場合には進行基本伝搬から後退高次モード
への結合が考えられ、入出力導波路がシングルモードで
カットオフされたとしても、リーキーモードとして伝搬
する。このような現象の現れが図４に示されるピーク５
である。そしてこのピーク５はクロストークとなるとい
う問題があった。

【００１１】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、クロストークの小さい平板導波路型ブラッググレー
ティング素子を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、シリコン基板上に下部クラッドを形成した
もの或いは石英系ガラス基板と、石英系ガラス基板或い
は下部クラッドの上に形成され下部クラッド或いは石英
系ガラス基板よりも屈折率が高く紫外光照射により屈折
率が変化する性質を有する石英系ガラスからなるコア
と、コアを覆うと共にコアよりも屈折率が低い石英系ガ
ラスからなるクラッドとを有する平板導波路のコアの一
部に、紫外光照射による屈折率変調型のブラッググレー
ティングを形成した平板導波路型ブラッググレーティン
グ素子において、ブラッググレーティング形成部とブラ
ッググレーティング非形成部との間に、モードカットフ
ィルタを挿入したものである。

【００１３】上記構成に加え本発明の平板導波路型ブラ
ッググレーティング素子のモードカットフィルタとし
て、曲線導波路を、ブラッググレーティング形成部とブ
ラッググレーティング非形成部との間に挿入してもよ
い。

【００１４】上記構成に加え本発明の平板導波路型ブラ
ッググレーティング素子のモードカットフィルタとし
て、ブラッググレーティング形成部或いは入出力導波路
よりもコア幅を細くした部分及びコア幅をテーパ状にし
た部分からなるテーパ導波路を、ブラッググレーティン
グ形成部とブラッググレーティング非形成部との間に挿
入してもよい。

【００１５】ここで、リーキーモードについて述べる。

【００１６】少しずつ放射されながらコアに沿って伝搬
するリーキーモードは基本モードに比べて導波路の曲げ
により放射されやすい性質がある。例えば比屈折率差Δ
＝０．８％、コア高さ６μｍ、コア幅６μｍの導波路を
半径５ｍｍで曲げた場合、長さ５ｍｍの導波路を光が伝
搬するうちに基本モードは０．０１ｄＢも減衰しない
が、リーキーモードは３０ｄＢ減衰する。

【００１７】またテーパ導波路においては、基本モード
よりもリーキーモードは放射モードと結合されやすい。
すなわち、テーパ導波路は放射損失が大きいのである。
例えば、比屈折率差Δ＝０．８％、コア高さ６μｍの導
波路において、コア幅６μｍをコア幅４μｍまで細くす
る長さ２００μｍのテーパ導波路においては、基本モー
ドが０．１ｄＢの減衰であるのに対してリーキーモード
は１５ｄＢの減衰である。

【００１８】従ってブラッググレーティング形成部とブ
ラッググレーティング非形成部との間に、モードカット
フィルタとして曲線導波路或いはテーパ導波路を挿入す
ることにより、進行基本伝搬モードから後退基本伝搬モ
ード以外の後退モード（後退リーキーモード等）へのモ
ード結合による反射光のブラッグ波長の短波長側でのク
ロストーク劣化が防止される。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて詳述する。

【００２０】図１（ａ）は本発明の平板導波路型ブラッ
ググレーティング素子の一実施の形態を示す平面図、図
１（ｂ）は図１（ａ）の領域Ｂ内の部分拡大図、図１
（ｃ）は図１（ａ）の領域Ｃ内の部分拡大図である。

【００２１】図１（ａ）に示す平板導波路型ブラッググ
レーティング素子は、石英基板１１の上に、入力導波路
（入力ポート）１２と、入力導波路１２の出力側に接続
されたモードカットフィルタとしてのテーパ導波路１３
と、テーパ導波路１３の出力側に接続されたモードカッ
トフィルタとしての曲線導波路１４と、曲線導波路１４
の出力側に接続され、入力側から出力側（図では左側か
ら右側）に向かってコア幅が拡大するコア幅拡大部１５
と、コア幅拡大部１５の出力側に接続されたブラッググ
レーティング形成部１６と、ブラッググレーティング形
成部１６の出力側に接続され入力側から出力側に向かっ
てコア幅が縮小するコア幅縮小部１７と、コア幅縮小部
１７の出力側に接続されたモードカットフィルタとして
の曲線導波路１８と、曲線導波路１８の出力側に接続さ
れたモードカットフィルタとしてのテーパ導波路１９
と、テーパ導波路１９の出力側に接続された出力導波路
（出力ポート）２０とが形成されたものである。なお、
ブラッググレーティング非形成部は、ブラッググレーテ
ィング形成部１６以外の導波路、すなわち入力導波路１
２、コア幅拡大部１５、コア幅縮小部１７、出力導波路
２０である。

【００２２】テーパ導波路１３は、図１（ｂ）に示すよ
うにブラッググレーティング形成部１６或いは入出力導
波路１２、２０よりもコア幅を細くした直線部１３ａ及
びコア幅をテーパ状にしたテーパ部１３ｂ、１３ｃから
なっている。

【００２３】テーパ導波路１９もテーパ導波路１３と同
様に、図１（ｃ）に示すようにブラッググレーティング
形成部１６或いは入出力導波路１２、２０よりもコア幅
を細くした直線部１９ａ及びコア幅をテーパ状にしたテ
ーパ部１９ｂ、１９ｃからなっている。

【００２４】この平板導波路型ブラッググレーティング
素子のコアとクラッドとの比屈折率差Δは０．８％であ
り、コア高さは一定（６μｍ）である。入出力導波路１
２、２０のコア幅は６μｍである。テーパ導波路１３
（１９）は長さ１ｍｍ、コア幅４μｍの直線部１３ａ
（１９ａ）を挟んで長さ２００μｍでコア幅を４μｍに
変換するテーパ部１３ｂ、１３ｃ（１９ｂ、１９ｃ）が
対称に形成された導波路である。曲線導波路１４、１８
はコア幅６μｍ、曲率半径５ｍｍ、Ｓ字形状に形成され
た導波路であり、全長が５ｍｍとなっている。コア幅拡
大部１５及びコア幅縮小部１７は、コア幅を６μｍから
１７μｍ（１７μｍから６μｍ）に変換するテーパ構造
を有している。ブラッググレーティング形成部１６は、
コア幅が１７μｍから６μｍの間で変化するくびれ形状
を有しており、屈折率変調グレーティングが形成されて
いる。

【００２５】この平板導波路型ブラッググレーティング
素子は、火炎堆積法、フォトリソグラフィ、ドライエッ
チング等の一般的な石英ガラスの製造方法により形成さ
れる。その素子を一週間、常温１５０気圧の水素雰囲気
中に放置した後、ファイバグレーティングの形成方法と
して知られている位相マスク法（エキシマレーザを位相
マスク下の平板導波路素子に照射）によりグレーティン
グを形成する。グレーティングのピッチは反射波長が１
５５８ｎｍとなるように形成した。コア材料はＧｅＯ₂
−ＳｉＯ₂ で屈折率は１．４６９２、クラッド材料はＢ
₂ Ｏ₃ −Ｐ₂ Ｏ₅ で屈折率は１．４５８、基板材料はＳ
ｉＯ₂ 、屈折率は１．４５８である。

【００２６】図２は図１（ａ）に示した平板導波路型ブ
ラッググレーティング素子のスペクトル特性図であり、
横軸が波長を示し、縦軸が損失を示している。

【００２７】この特性曲線は、図１に示した平板導波路
型ブラッググレーティング素子の入力導波路１２の入力
ポートに入力された光がブラッググレーティング形成部
１６で反射され、入力ポートから出力されるスペクトル
を示すものであり、反射波長である波長λ_R ＝１５５８
ｎｍの光がブラッググレーティング形成部１６で反射さ
れて戻ってきており、その損失は１ｄＢ以下である。そ
の他の波長の光は３５ｄＢ以上の損失であり、従来例で
みられたリーキーモード結合による波長λ＝１５５４ｎ
ｍ付近のピークが除去されているのが分かる。

【００２８】ここで最適条件の根拠について述べる。

【００２９】通信に使用される光ファイバとの整合性及
び素子の寸法等を考えると、コアとクラッドとの比屈折
率差Δは０．７〜０．９％、コア幅は６μｍが望まし
い。リーキーモードの損失をできるだけ大きくするには
曲線導波路の曲率半径を小さくするのが有効であるが、
基本モードの損失を無視できる範囲で抑える必要があ
る。曲率半径が５ｍｍの場合、基本モードの曲げ損失は
０．０１ｄＢ／ｃｍであれば無視でき、これ以上曲率半
径が小さいと無視できなくなる。また、テーパ導波路は
急激にコア幅を変換する程リーキーモードの損失の減衰
には効果的であるが、基本モードの減衰を０．１ｄＢ以
下に抑える限界テーパ角が０．０１°であり、コア幅が
６μｍから４μｍへ減少する場合は長さ２００μｍとな
る。

【００３０】上述した実施の形態では基板材料に石英ガ
ラスを用いたが、Ｓｉを用いても良い。常温高圧水素雰
囲気中に放置する処理を、酸水素バーナであぶって酸素
欠乏欠陥を増加させるフレームブラッシング法に置き換
えてもよい。また、位相マスク法の代わりに２光束干渉
法でグレーティングを形成してもよい。

【００３１】本平板導波路型ブラッググレーティング素
子は主に光多重通信で用いられるＡｄｄ／Ｄｒｏｐフィ
ルタ、分散補償器、ＥＤＦＡの利得平坦器、光素子フィ
ルタとして使用される。

【００３２】以上において、本平板導波路型ブラッググ
レーティング素子は、 (1) 本平板導波路型グレーティングで生じる進行基本伝
搬モードから後退高次モード及びリーキーモードへの結
合による反射戻り光のクロストーク低減を、入出力導波
路にモードカットフィルタを挿入することにより実現で
きる。

【００３３】(2) 上記(1) のモードカットフィルタを曲
線導波路で構成することにより、クロストークを３０ｄ
Ｂ以上低減することができる。

【００３４】(3) 上記(1) のモードカットフィルタをテ
ーパ導波路で構成することにより、クロストークを１５
ｄＢ以上低減することができる。

【００３５】

【発明の効果】以上要するに本発明によれば、次のよう
な優れた効果を発揮する。

【００３６】ブラッググレーティング形成部とブラッグ
グレーティング非形成部との間に、モードカットフィル
タを挿入することにより、クロストークの小さい平板導
波路型ブラッググレーティング素子の提供を実現するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の平板導波路型ブラッググレー
ティング素子の一実施の形態を示す平面図、（ｂ）は
（ａ）の領域Ｂ内の部分拡大図、（ｃ）は（ａ）の領域
Ｃ内の部分拡大図である。

【図２】図１（ａ）に示した平板導波路型ブラッググレ
ーティング素子のスペクトル特性図である。

【図３】（ａ）は従来の平板導波路型ブラッググレーテ
ィング素子の平面図、（ｂ）は（ａ）の領域Ａ内の部分
拡大図である。

【図４】図３（ａ）に示した平板導波路型ブラッググレ
ーティング素子の反射スペクトル特性図である。

【符号の説明】

１１ 石英基板 １２ 入力導波路（入力ポート） １３、１９ テーパ導波路 １４、１８ 曲線導波路 １５ コア幅拡大部 １６ ブラッググレーティング形成部 １７ コア幅縮小部 ２０ 出力導波路（出力ポート）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 良治 茨城県日立市日高町５丁目１番１号 日立 電線株式会社オプトロシステム研究所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリコン基板上に下部クラッドを形成し
   たもの或いは石英系ガラス基板と、該石英系ガラス基板
   或いは上記下部クラッドの上に形成され上記下部クラッ
   ド或いは上記石英系ガラス基板よりも屈折率が高く紫外
   光照射により屈折率が変化する性質を有する石英系ガラ
   スからなるコアと、該コアを覆うと共に該コアよりも屈
   折率が低い石英系ガラスからなるクラッドとを有する平
   板導波路のコアの一部に、紫外光照射による屈折率変調
   型のブラッググレーティングを形成した平板導波路型ブ
   ラッググレーティング素子において、ブラッググレーテ
   ィング形成部とブラッググレーティング非形成部との間
   に、モードカットフィルタを挿入したことを特徴とする
   平板導波路型ブラッググレーティング素子。
2. 【請求項２】 上記モードカットフィルタとして、曲線
   導波路を、上記ブラッググレーティング形成部と上記ブ
   ラッググレーティング非形成部との間に挿入した請求項
   １に記載の平板導波路型ブラッググレーティング素子。
3. 【請求項３】 上記モードカットフィルタとして、上記
   ブラッググレーティング形成部或いは入出力導波路より
   もコア幅を細くした部分及びコア幅をテーパ状にした部
   分からなるテーパ導波路を、上記ブラッググレーティン
   グ形成部と上記ブラッググレーティング非形成部との間
   に挿入した請求項１または２に記載の平板導波路型ブラ
   ッググレーティング素子。