(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に２本の光導波路が所定の間隔で隣接する結合領域をもって配設された方向性結合器において、
前記２本の光導波路の結合領域にこれら２本の光導波路を連結して実質的に前記２本の光導波路が前記結合領域で一体のものとする、前記光導波路と同じ屈折率の光結合層が設けられており、
前記光結合層は前記結合領域の中央部で最も厚く中央部から離れるにつれて薄くなるように層厚が調製されている
ことを特徴とする方向性結合器。
【請求項２】
基板表面に基板より高屈折率の層を形成し、前記高屈折率の層上に耐エッチングマスクを形成して前記高屈折率の層を選択エッチングして所定間隔で隣接する結合領域を持つ２本の光導波路を形成する方向性結合器の製造方法において、
前記耐エッチングマスクを、形成されるべき２本の光導波路の結合領域の中央部で間隔が最小になり中央部から離れるにつれて間隔が大きくなるような２本のマスクパターンとして形成し、
前記選択エッチング特性を利用して、形成される２本の光導波路の結合領域に、その底部を連結し、中央部で最も厚く中央部から離れるにつれて薄くなるように層厚が調製された前記高屈折率の層からなる光結合層を形成する
ことを特徴とする方向性結合器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光通信システムにおける光集積回路に有用な方向性結合器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、光集積回路等に用いられる方向性結合器として、図５に示すものが知られている。これは、基板５１の表面に、２本の光導波路５２、５３を微小間隔ｄを持つ距離Ｌの結合領域を持たせてパターン形成して得られる。この方向性結合器は、二つの入力ポートＩＮ１，ＩＮ２のうち例えば入力ポートＩＮ１からの入力光を二つの出力ポートＯＵＴ１，ＯＵＴ２に振り分ける働きをする。
【０００３】
この方向性結合器は、隣接する導波路５２，５３間の漏れ電界（エバネセント電界）の干渉による結合を利用したもので、隣接導波路への結合の割合は、結合領域の長さＬを変えることにより、０〜１００％の範囲で変えることができる。一方の導波路の光を完全に他方の導波路に移行させるに必要な結合領域の長さを完全結合長という。完全結合長は、結合領域の導波路間隔ｄ、導波路の寸法および入射光の波長等によって決まる。従って結合領域の長さを適切に設定することにより、例えば一方の入射端から入射された光を波長に応じて二つの出力端に振り分けることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一方、方向性結合器の他の用途として、例えば、図６に示すような、複数波長の信号光を８チャネルに分配するといった光分配システムがある。ここで方向性結合器６１は、一方の入力ポートＩＮ１に入る波長λ１／λ２（例えばλ１＝１．３μｍ  、λ２＝１．５μｍ  ）の信号光を導波路６２，６３に１：１で分岐するもので、更にそれらの分岐光は２分岐，２分岐を繰り返して８分岐されて出力ポートＯＵＴ１〜ＯＵＴ８に取り出される。また、もう一つの入力ポートＩＮ２には例えば入力ポートＩＮ１への信号供給が故障で断たれたときに予備の信号光源の信号光が用意される。この予備の信号光が入力されたときも同様に、方向性結合器６１でこれが導波路６２，６３に２分岐され、更にそれらの分岐光が２分岐を繰り返して、８分岐されて出力ポートＯＵＴ１〜ＯＵＴ８に取り出される。
【０００５】
この様な光分配システムに用いられる方向性結合器６１は波長依存性がないことが必要である。しかし図５に示した従来の方向性結合器は波長依存性を有し、例えば波長λ１で入力光を１：１に分岐するように結合領域が設計された場合、異なる波長λ２では、１：１の光分岐ができない。従って図６のような光分配システムにはそのまま適用することが難しいという問題がある。
また方向性結合器を各種光集積回路の回路要素とするには、できるだけ小さい面積に形成できることが望まれる。しかし従来の方向性結合器は、結合領域の二つの導波路の間隔が一定であり、この間隔が大きいといわゆる完全結合長が長くなり、小さい面積に形成することが難しい。占有面積の小型化のためには、二つの導波路の結合領域の間隔を小さくすることが必要であるが、これは加工技術の限界により制限される。
【０００６】
この発明は上記事情を考慮してなされたもので、小さい面積で波長依存性や損失の少ない優れた性能を得ることができる方向性結合器を提供することを目的としている。
この発明はまた、上述の優れた性能の方向性結合器を簡単な工程で得ることができる方向性結合器の製造方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、基板に２本の光導波路が所定の間隔で隣接する結合領域をもって配設された方向性結合器において、前記２本の光導波路の結合領域にこれら２本の光導波路を連結して実質的に前記２本の光導波路が前記結合領域で一体のものとする、前記光導波路と同じ屈折率の光結合層が設けられており、前記光結合層は前記結合領域の中央部で最も厚く中央部から離れるにつれて薄くなるように層厚が調製されていることを特徴とする。
【０００８】
この発明はまた、基板表面に基板より高屈折率の層を形成し、前記高屈折率の層上に耐エッチングマスクを形成して前記高屈折率の層を選択エッチングして所定間隔で隣接する結合領域を持つ２本の光導波路を形成する方向性結合器の製造方法において、前記耐エッチングマスクを、形成されるべき２本の光導波路の結合領域の中央部で間隔が最小になり中央部から離れるにつれて間隔が大きくなるような２本のマスクパターンとして形成し、前記選択エッチングの工程で、前記耐エッチングマスクの間隔が小さくなるにつれてエッチング速度が低下するエッチング特性を利用して、形成される２本の光導波路の結合領域に、その底部を連結し、中央部で最も厚く中央部から離れるにつれて薄くなるように層厚が調製された前記高屈折率の層からなる光結合層を形成することを特徴とする。
【０００９】
この発明によると、２本の光導波路の結合領域にこれらの光導波路を連結する光導波路と同じ屈折率の光結合層を設けることによって、実質的に２本の光導波路が結合領域で一体のものとなり、一方の光導波路に入力された光信号を１：１の割合で２分岐することができる。この結合は、通常の方向性結合器における漏れ電界の重なりを利用するものと異なり、波長依存性が少なく、従って波長に拘らず信号光を２分岐するという用途に適用して有効である。
また、結合領域では光導波路が光結合層を介して直接連結されるため、短い結合領域で光結合が可能である。
【００１０】
特に、２本の光導波路が、結合領域の中央部で間隔が最小になり中央部から離れるにつれて間隔が大きくなるようにパターン形成され、かつ光結合層が結合領域の中央部で最も厚く中央部から離れるにつれて薄くなるように層厚が調製されたものとすると、入力ポートから入力された光が結合領域に入る点で光結合層を設けたことに起因する無用な反射や散乱を起こすことがなく、損失の少ない方向性結合器が得られる。
【００１１】
またこの発明の方法によると、光導波路となる高屈折率の層をパターニングする際に、耐エッチングマスクの間隔の小さい領域でエッチング速度が遅くなるというエッチング特性を利用することにより、一回のエッチング工程で、不均一間隔を持つ結合領域の間に光導波路と同じ層からなる光結合層を、結合領域の中央部で最も厚く、ここから離れるにつれて薄くなるように自動的に層厚調製された状態で形成することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施例を説明する。
図１はこの発明の一実施例に係る方向性結合器を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ′断面図、（ｃ）は同じくＢ−Ｂ′断面図であり、（ｄ）は同じくＣ−Ｃ′断面図である。
【００１３】
図に示すようにこの方向性結合器は、基板１１上に、基板より高屈折率材料からなる２本の光導波路１２，１３が配設されて構成される。２本の光導波路１２，１３は、図１（ａ）のａ点とｃ点の間の距離Ｌで示す結合領域において、その中央部（ｂ点）、即ちＢ−Ｂ′断面位置で間隔が最小となり、ここから離れるにつれて間隔が広がるように、滑らかな円弧状パターンを描いて形成されている。
【００１４】
２本の光導波路１２，１３の結合領域には、これら２本の光導波路１２，１３の底部を連結するように光結合層１４が形成されている。光結合層１４は、光導波路層１２，１３と同じ屈折率の層、この実施例の場合光導波路１２，１３と同じ材料層により形成されている。またこの光結合層１４は、図１（ａ）に示すように、２本の光導波路１２，１３の結合領域の中央部ｂ点で最も厚く、ここから離れるにつれて薄くなるように層厚が調製されている。
【００１５】
具体的にこの実施例の方向性結合器は、例えば基板１１として石英基板を用い、光導波路１２，１３としてガラス層を用いて作ることができる。
この材料系の他、基板１１としてＧａＡｓ基板（屈折率ｎ１＝３．５５）を用い、光導波路１２，１３および光結合層１４としてＡｌＧａＡｓ層（屈折率ｎ２＝３．６）を用いて作ることができる。あるいはまたガラス基板（屈折率１．５）を用い、光導波路１２，１３および光結合層１４をＺｎＳ層（屈折率２．２９）を用いて作ることもできる。
【００１６】
石英基板を用いた場合のこの実施例の方向性結合器の製造工程を、図２を用いて説明する。図２は、図１（ｃ）の断面での製造工程を示している。図２（ａ）に示すように石英からなる基板１１上全面に、光導波路層となるガラス層２０を形成し、次いで図２（ｂ）に示すように、ガラス層２０上に、例えばアモルファスＳｉからなるマスク材を堆積し、通常のリソグラフィ工程を経て、マスク材をパターンニングして、図１で説明した２本の光導波路１２，１３と同じパターンで耐エッチングマスク２１，２２を形成する。
そして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法によりガラス層２０を選択エッチングして、図２（ｃ）に示すように、２本の光導波路１２，１３をパターン形成する。最後に図２（ｄ）に示すように、耐エッチングマスク２１，２２を除去する。
【００１７】
上述の反応性イオンエッチングは、耐エッチングマスクに挟まれた狭い領域ではエッチング速度が低く、２μｍ  以下の幅の領域はきれいにエッチングすることができなくなるというエッチング特性を示す。この実施例ではこのエッチング特性を利用することにより、図２（ｃ）に示すように、２本の光導波路１２，１３の間は、間隔が大きい領域ではガラス層２０がきれいに除去され、結合領域においては、間隔に応じて層厚が変化するガラス層２０が残った状態、即ち前述した層厚分布を持つガラス層による光結合層１４を得ることができる。
【００１８】
図３（ａ），（ｂ）は、それぞれ従来の方向性結合器とこの実施例の方向性結合器について、結合領域の断面とこの断面での電界分布を示している。従来の方向性結合器では、光導波路断面が正方形であれば、図３（ａ）に示すように横方向電界はほぼ円形になり、漏れ電界の重なりによって結合が生じることになる。これに対してこの実施例の場合、光導波路１２，１３の底部を連結するように光結合層１４が設けられている結果、図３（ｂ）に示すように導波光の電界は横方向に広がって楕円形状になり、結合領域の中央部ｂ点では二つの光導波路１２，１３がほぼ一体になって大きく結合される。従って、一方の入力ポートＩＮ１から入力された光信号は、１：１で分岐されて二つの出力ポートＯＵＴ１，ＯＵＴ２に取り出される。他方の入力ポートＩＮ２に光信号が入力された場合も同様である。
【００１９】
また、従来の構造では、光導波路から結合領域に滲み出す電界とその干渉は、光導波路とその周囲の屈折率の相違、および光導波路境界での入射角等に依存するため、波長依存性を有し、ある波長成分について１：１の分配が行われるように結合領域を設計したとき、他の波長では分配比が１：１にならない。
これに対してこの実施例の場合、二つの光導波路１２，１３の間は光結合層１４を通して、波長に関係なく直接の結合が生じるため、波長依存性が少ない。従って図６に示したような光分配システムに適用して、異なる波長の信号光をいずれも均等に分配することが可能になる。
【００２０】
更に、光結合層１４がもし、結合領域の端部、即ち図１（ａ）のａ点，ｃ点においてステップ状に立上がる一定層厚で形成されたとすると、これらａ，ｃ点での構造の急激な変化による光の反射，散乱があるため、光の損失が生じる。これに対してこの実施例においては、二つの光導波路１２，１３を結合領域において滑らかな曲線で漸近させるパターンとすることにより、図１（ａ）に示すように、光結合層１４はａ点およびｃ点からｂ点に向かって連続的に層厚が増加するように層厚が調製される結果、結合に伴う光損失が小さいものとなる。
しかもこの実施例の方法によれば、光導波路をパターニングする一回のエッチング工程で、自然にその様な光結合層の層厚分布を得ることができる。
【００２１】
この発明は上記実施例に限られない。例えば実施例では、光導波路１２，１３および光結合層１４の上部および側部は空気に接するようにしたが、図４に示すように光導波路１２，１３および光結合層１４を覆うようにこれらより低屈折率のクラッド層４１を設けた構造としても良い。なお図４は、図１（ｂ）の断面に対応する断面を示している。
また、２本の光導波路は結合領域に設けられる光結合層の層厚を一定として、これら２本の光導波路を中央部で間隔が最小になり中央部から離れるにつれて間隔が大きくなるようなパターンとすること、あるいは、２本の光導波路の結合領域の間隔は一定として、これらの間に結合領域の中央部で最も厚く中央部から離れるにつれて薄くなるように層厚調製された光結合層を設けることによっても、一定の効果が得られる。
また上に説明した材料系の他、ＬｉＮｂＯ３  基板にＴｉ拡散層により光導波路を形成する場合等にも同様にこの発明を適用することが可能である。
【００２２】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、２本の光導波路の結合領域にこれら２本の光導波路の底部を連結する光導波路と同じ屈折率の光結合層を設けることにより、波長依存性の少ない光分岐が可能で、かつ小型化を図った光集積回路に適した方向性結合器が得られる。また２本の光導波路を結合領域の中央部で間隔が最小になるようにパターン形成すると共に、光結合層を結合領域の中央部で最も厚くなるように層厚調製されたものとすることで、損失の小さい方向性結合器を得ることができる。
【００２３】
またこの発明の方法によれば、光導波路のパターニング工程で、耐エッチングマスク間隔の小さい領域でエッチング速度が遅くなるというエッチング特性を利用することにより、一回のエッチング工程で不均一間隔を持つ結合領域の中央部で最も厚くなるような層厚分布をもつ光結合層を形成することができ、これにより小型化と同時に損失低減を図った方向性結合器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例に係る方向性結合器の構造を示す。
【図２】同実施例の方向性結合器の製造工程を示す。
【図３】従来の方向性結合器と実施例の方向性結合器の光結合の様子を示す。
【図４】この発明の他の実施例による方向性結合器の構造を示す。
【図５】従来の方向性結合器を示す。
【図６】光分配システムの例を示す。
【符号の説明】１１…基板、１２，１３…光導波路、１４…光結合層。
【図１】
0003562670.tif 000002
【図２】
0003562670.tif 000003
【図３】
0003562670.tif 000004
【図４】
0003562670.tif 000005
【図５】
0003562670.tif 000006
【図６】
0003562670.tif 000007