(57)【要約】      （修正有）【課題】ＭＺ型導波路の合波部における不要な高次モードの励起を抑制し、出力光の安定化を図ると共に、放射モード光を効率良く導出することが可能な光導波路素子を提供する。【解決手段】基板にマッハツェンダー型導波路を形成した光導波路素子において、該マッハツェンダー型導波路の出射側の合波部１３に入力される２つの導波路１１，１２の傾きが０度であり、該合波部の合波後の導波路がマルチモード導波路であり、さらに、該合波部から出力される導波路が、出力主導波路１４とそれを挟む２本の出力副導波路１５，１６からなる３分岐導波路で構成される。【選択図】図３
2011186258.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板にマッハツェンダー型導波路を形成した光導波路素子において、
該マッハツェンダー型導波路の出射側の合波部に入力される２つの導波路の傾きが０度であり、
該合波部の合波後の導波路がマルチモード導波路であり、
さらに、該合波部から出力される導波路が、出力主導波路とそれを挟む２本の出力副導波路からなる３分岐導波路で構成されることを特徴とする光導波路素子。
【請求項２】
請求項１に記載の光導波路素子において、該基板の厚さが、導波路を伝搬する光波の波長の１５倍以下であることを特徴とする光導波路素子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の光導波路素子において、出力される該３分岐導波路は、該出力副導波路の幅が、該出力主導波路の幅より小さいことを特徴とする光導波路素子。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の光導波路素子において、該マッハツェンダー型導波路が同一の基板に複数形成され、該マッハツェンダー型導波路から出力される少なくとも一つの該出力副導波路は、他の導波路と交差する際には、他の導波路に対して３度以上の角度で傾斜していることを特徴とする光導波路素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光導波路素子に関し、特に、基板にマッハツェンダー型導波路を形成した光変調器あるいは光スイッチなどの光導波路素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信分野や光計測分野において、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）や半導体材料などの基板上にマッハツェンダー型（ＭＺ型）の構造を構成した光導波路を有する強度変調器や光スイッチは広く使われている。
【０００３】
ＭＺ型構造の光変調器は、ＭＺ型導波路に沿って配置された変調電極を有し、この変調電極に印加される印加電圧によってＭＺ型導波路の分岐導波路（アーム）間の光位相を変化させ、出射側の合波部での干渉現象により光のＯＮ／ＯＦＦを制御している。
【０００４】
合波部の最も構成が簡単で製造も容易なＭＺ型構造としては、合波部にＹ分岐構造をもったものがあげられる。Ｙ分岐構造の導波路では、合波部に入力される光の位相が各アーム間で等しいときには出力導波路に光が導波され、位相が逆相となった場合にはＹ構造から光が放射することによりＯＮ／ＯＦＦ動作が行われる。
【０００５】
この際に、ＬＮや半導体材料などで構成される基板の厚みが、光導波路を伝搬する光波の波長の１５倍以下、例えば、２０μｍ以下の場合には、基板の厚みのサイズが光導波路のサイズと同程度になり、Ｙ分岐構造から放射された光が、基板自体をスラブ導波路とみなして、出力導波路近傍を伝搬する。このため、出力導波路にＯＦＦ光である放射モード光が混入し、クロストーク現象を発生させ、光導波路素子のＯＮ／ＯＦＦ消光比特性が劣化するという問題が生じる。
【０００６】
このような問題を解消するため、特許文献１では、図１に示すように、ＭＺ型導波路の合波部にＸＹカプラーを用いることにより、基板がスラブ導波路化するのを防ぎ、光導波路素子の特性を向上させる技術が開示されている。図１において、ＭＺ型構造は、入力導波路１、分岐導波路２（６），３（７）、及び出力導波路８で構成されている。分岐導波路の一部には変調部４，５が設けられる。特許文献１では、放射モード光を導出するための導波路９及び１０が合波部に設けられている。なお、点線の矢印は、光波の伝搬方向を示す。
【０００７】
特許文献１で示された先行技術は、図２に示すように、合波部のウエスト（Ａ）がシングルモードになるように導波路が交差した構成となっている。このような構造では交差部での不連続性が大きいことにより、合波部で入力光が不要な高次モードを励起することとなり、合波後に光が遥動を起こす。その結果、出力の消光比の劣化や、ＯＮ光出力とＯＦＦ光出力との相補性が崩れることとなる。これにより、例えばＯＦＦ光成分をＭＺ型変調器の直流バイアスモニタ制御に使用する場合には、仮に、ＯＦＦ光（放射モード光）を用いて適切なバイアス点を設定したとしても、ＯＮ光出力側では、不適切なバイアス状態となり、変調器としての最適な出力特性を得ることができないといった問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許明細書第５，６２７，９２９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上述した問題を解消し、ＭＺ型導波路の合波部における不要な高次モードの励起を抑制し、出力光の安定化を図ると共に、放射モード光を効率良く導出することが可能な光導波路素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、基板にマッハツェンダー型導波路を形成した光導波路素子において、該マッハツェンダー型導波路の出射側の合波部に入力される２つの導波路の傾きが０度であり、該合波部の合波後の導波路がマルチモード導波路であり、さらに、該合波部から出力される導波路が、出力主導波路とそれを挟む２本の出力副導波路からなる３分岐導波路で構成されることを特徴とする。
【００１１】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光導波路素子において、該基板の厚さが、導波路を伝搬する光波の波長の１５倍以下であることを特徴とする。
【００１２】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の光導波路素子において、出力される該３分岐導波路は、該出力副導波路の幅が、該出力主導波路の幅より小さいことを特徴とする。
【００１３】
請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の光導波路素子において、該マッハツェンダー型導波路が同一の基板に複数形成され、該マッハツェンダー型導波路から出力される少なくとも一つの該出力副導波路は、他の導波路と交差する際には、他の導波路に対して３度以上の角度で傾斜していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に係る発明により、基板にマッハツェンダー型導波路を形成した光導波路素子において、該マッハツェンダー型導波路の出射側の合波部に入力される２つの導波路の傾きが０度であり、該合波部の合波後の導波路がマルチモード導波路であり、さらに、該合波部から出力される導波路が、出力主導波路とそれを挟む２本の出力副導波路からなる３分岐導波路で構成されるため、合波部における不要な高次モード光が発生することを抑制し、出力主導波路に当該高次モード光が入り込み、出力光が揺動するなど不具合を抑制することが可能となる。また、出力副導波路により、放射モード光のみを安定して導出することも可能となる。
【００１５】
請求項２に係る発明により、基板の厚さが、導波路を伝搬する光波の波長の１５倍以下であるため、基板がスラブ導波路として機能するため、基板内に放出された光波が基板内を伝搬し、光導波路と再結合し易くなる。請求項１に記載の発明を当該基板に適用することで、光導波路から基板内への光波、特に、高次モード光の放出を抑制し、出力特性が安定した光導波路素子を提供することが可能となる。
【００１６】
請求項３に係る発明により、出力される３分岐導波路は、出力副導波路の幅が、出力主導波路の幅より小さいため、シングルモード光を出力主導波路に導き、高次モード光を出力副導波路に導き、両者を効率良く分離することが可能となる。
【００１７】
請求項４に係る発明により、マッハツェンダー型導波路が同一の基板に複数形成され、該マッハツェンダー型導波路から出力される少なくとも一つの出力副導波路は、他の導波路と交差する際には、他の導波路に対して３度以上の角度で傾斜しているため、当該出力副導波路を伝搬する高次モード光が、他の導波路に結合することが抑制され、高次モード光を安定的に導出することが可能となると共に、他の導波路を伝搬する光波を不安定化させることもない。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】光導波路素子に係る従来例を示す図である。
【図２】図１の合波部についての拡大図である。
【図３】本発明の光導波路素子における合波部の概略を示す図である。
【図４】本発明の光導波路素子の第１の実施例を示す図である。
【図５】本発明の光導波路素子の第２の実施例を示す図である。
【図６】本発明の光導波路素子における複数のマッハツェンダー型導波路を有する例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の光導波路素子について、以下に詳細に説明する。
図３に示すように、本発明の光導波路素子は、基板にマッハツェンダー型導波路を形成した光導波路素子において、該マッハツェンダー型導波路の出射側の合波部（１３）に入力される２つの導波路（１１，１２）の傾きが０度であり、該合波部の合波後の導波路がマルチモード導波路であり、さらに、該合波部から出力される導波路が、出力主導波路（１４）とそれを挟む２本の出力副導波路からなる３分岐導波路で構成されることを特徴とする。
【００２０】
図３に示すように、分岐導波路１１及び１２を平行に配置するなどの構成により、合波１３に入力される２つの導波路の傾きを０度とすると共に、合波部をマルチモード導波路で構成することにより、合波部における不要な高次モード光が発生することを抑制することが可能となる。その結果、出力主導波路１４に不要な高次モード光が入り込み、出力光が揺動するなど不具合が発生することが無い。また、出力副導波路１５及び１６により、放射モード光のみを安定して導出することも可能となる。
【００２１】
なお、本発明における「２つの導波路の傾きが０度」とは、完全に０度となるもののみを意味するのではなく、設計の都合上、若干の傾きが発生する場合などにおいても、本発明の効果を奏する範囲内において、本発明の範囲に含まれるものである。
【００２２】
本発明に利用される基板としては、誘電体基板や電気光学効果を有する材料を用いた基板が利用でき、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）、及び石英系の材料、並びにこれらの材料を組み合わせた基板が利用可能である。特に、電気光学効果の高いニオブ酸リチウム（ＬＮ）結晶が好適に利用される。
【００２３】
基板に光導波路を形成する方法としては、Ｔｉなどを熱拡散法やプロトン交換法などで基板表面に拡散させることにより形成することができる。また、光導波路以外の基板をエッチングしたり、光導波路の両側に溝を形成するなど、基板に光導波路に対応する部分を凸状としたリッジ形状の導波路を利用することも可能である。
【００２４】
光変調器などの光導波路素子では、基板上に信号電極や接地電極などの変調電極が形成される。このような電極は、Ｔｉ・Ａｕの電極パターンの形成及び金メッキ方法などにより形成することが可能である。さらに、必要に応じて光導波路形成後の基板表面に誘電体ＳｉＯ２等のバッファ層を設け、バッファ層の上に変調電極を形成することも可能である。
【００２５】
基板を薄板化した場合には素子全体の機械的強度が低下するため、基板に補強板が接合される。補強板に使用される材料としては、種々のものが利用可能であり、例えば、薄板と同様の材料を使用する他に、石英、ガラス、アルミナなどのように薄板より低誘電率の材料を使用したり、薄板と異なる結晶方位を有する材料を使用することも可能である。ただし、線膨張係数が薄板と同等である材料を選定することが、温度変化に対する光変調器の変調特性を安定させる上で好ましい。仮に、同等の材料の選定が困難である場合には、薄板と補強板とを接合する接着剤に、薄板と同等な線膨張係数を有する材料を選定する。
【００２６】
薄板と補強板との接合には、接着剤として、エポキシ系接着剤、熱硬化型接着剤、紫外線硬化性接着剤、半田ガラス、熱硬化性、光硬化性あるいは光増粘性の樹脂接着剤シートなど、種々の接着材料を使用することが可能である。また、直接接合法により、接着剤を使用せず、薄板と補強板とを直接貼り合わせることも可能である。
【００２７】
本発明に利用される基板の厚さは、導波路を伝搬する光波の波長の１５倍以下（例えば、１．５５μｍの波長を有する光波を利用する場合には、基板の厚みは約２０μｍ以下となる。）に設定することで、基板がスラブ導波路として機能し易くなる。このような条件では、基板内に放出された光波が基板内を伝搬し、光導波路と再結合し易くなる。このような基板を利用した光導波路素子でも、本発明の構成を採用することで、光導波路から基板内への光波、特に、高次モード光の放出を抑制すると共に、出力特性が安定した光導波路素子を提供することが可能となる。
【００２８】
本発明の光導波路素子に係る実施例について、図４乃至図６を用いて説明する。
図４（ａ）は光導波路素子のＭＺ型導波路の合波部を含む部分の形状を示しており、図４（ｂ）は、図４（ａ）の点線Ｂ部分の導波路の概略を示したものである。
【００２９】
図４（ａ）に示すような合波部２２に入力される２つの導波路は、ＭＺ型導波路の分岐導波路２０及び２１で構成されている。区間αの導波路は、図４（ａ）に示すような曲線部分（左側部分）と、該曲線部分と滑らかに接続される直線部分（図４（ｂ）に示す長さＬ１部分）から構成されている。分岐導波路２０及び２１の先端部分は、合波部２２に接続されており、接続する直前部分には、図４（ｂ）に示すように、２つの導波路の傾きが０度となるように、長さＬ１の平行な直線部分を有している。なお、平行な直線部分は、傾きが完全に０度であることが好ましいが、０．１度以下の誤差であれば、本発明と同様な効果が期待できる範囲として許容可能である。
【００３０】
平行な直線部分の長さＬ１は、分岐導波路を伝搬する光波の進行方向が互いに平行となるに必要な長さを確保する。例えば、１００μｍ以上とすることが好ましい。なお、Ｌ１の長さがより長くなると、光導波路を伝搬する光波のクロストーク現象が平行導波路部分で発生し、合波部に達する前に相互に干渉する不具合も生じるため、長さＬ１は、５００μｍ以下とすることが好ましい。
【００３１】
基板の厚みを１０μｍ程度とした場合には、図４（ｂ）に示す、入力側の導波路幅Ｗ１は、シングルモードとなる３〜８μｍとなる。出力側の導波路（出力主導波路）２３の幅Ｗ６も同様に、シングルモードとなるよう３〜８μｍに設定される。
【００３２】
入力側の導波路２０，２１の間隔Ｗ２は、２つの導波路を伝搬する光波が適切に合波するよう、可能な範囲で狭くすることが好ましく、少なくとも１μｍ以下に設定することが必要である。他方、間隔Ｗ２が狭くなると合波部に係る導波路の製造再現性が著しく低下するため、間隔Ｗ２は、０．５μｍ以上に設定することが好ましい。これらを考慮して、間隔Ｗ２は、例えば、０．８μｍ程度に設定される。
【００３３】
合波部（区間β）２２の幅Ｗ３は、マルチモードとなるように、入力側導波路の幅Ｗ１の２倍以上に設定される。合波部の導波路の長さＬ２は、１０〜５００μｍとすることで特性の良い導波路構造を実現できる。
【００３４】
合波部の形状は、図４（ａ）に示すような台形状や図４（ｂ）に示すような長方形状など種々の形状が採用可能であるが、合波部の入力側の接続部で分岐導波路と滑らかに接続し、合波部の出力側で出力副導波路と滑らかに接続するよう設定している。
【００３５】
３分岐導波路は、出力主導波路２３と出力副導波路２４，２５から構成される。出力副導波路の幅Ｗ４は、出力主導波路の幅Ｗ６よりも小さい導波路幅とし、例えば１〜６μｍ程度としている。そして、出力副導波路には、高次モード光のみが伝搬されるよう設定されている。また、出力副導波路が出力主導波路となす角度θ１は、３分岐導波路側の不連続度を低減するため、２度以下の角度とすることが好ましい。また、入力側導波路の接続と同様に、入力部の傾きを０度とし、出力主導波路と平行に設定することも可能である。また、正弦波関数や３次関数など、合波部から出る部分のみを０度に設定可能な関数形状とすることも可能である。
【００３６】
出力主導波路２３と出力副導波路２４（２５）との間の間隔Ｗ５については、シングルモードとマルチモードとを適切に分離可能にするため、可能な範囲で狭くすることが好ましく、少なくとも１μｍ以下に設定することが必要である。他方、間隔Ｗ５が狭くなると合波部に係る導波路の製造再現性が著しく低下するため、間隔Ｗ２は、０．５μｍ以上に設定することが好ましい。これらを考慮して、間隔Ｗ５は、例えば、０．８μｍ程度に設定される。
【００３７】
図５は、合波部３２に入力される入力側の導波路３０，３１の端部を、合波部３２に接続される際の傾きが０度に設定可能な正弦波関数や３次関数などによる関数形状としたものである。それ以外については、図４と同様に設定することが可能である。なお、図５（ｂ）は、図５（ａ）の点線Ｃの部分の拡大図を示す。
【００３８】
合波部３２に接続される直前の分岐導波路３０及び３１においては、光波の伝搬方向（図５（ｂ）の右方向）と分岐導波路とがなす角度が連続的に変化している。基本的には、分岐導波路と合波部との接続部分で当該角度が０度となれば良いが、急激に変化する場合、合波部３２で２つの導波路を伝搬する光波が適切に合波できない場合があるため、合波部の直前の部分（長さＬ１’の部分）では、当該角度が０．１度以下となる区間を設け、当該区間の長さＬ１’を１００μｍ以上、５００μｍ以下に設定することが好ましい。
【００３９】
入力側の導波路と合波部との接続状態を、図４や図５のような形状とすることで、不要な高次モードの励起が抑制され、出力の消光比や、ＯＮ光とＯＦＦ光との光出力間の相補性を向上させることが可能となる。
【００４０】
次に、図６に示すように、複数のＭＺ型導波路（４０，４１）を同一の基板に形成した場合について説明する。このような場合には、出力副導波路が他の導波路を横切る場合があり、例えば、図６（ａ）の出力副導波路４２は、図６（ｂ）に示すように、他の出力副導波路４３や、出力主導波路４４と交差する。
【００４１】
このように、複数の光導波路が交差する場合には、一方の導波路を伝搬する光波が他方の導波路に移動するクロストーク現象が発生し易い。本発明では、このようなクロストークを防止するため、光導波路の交差する角度θ２を３度以上の傾きとなるように設定している。特に、高次モード光は他の光導波路と結合し易い傾向があるため、高次モード光を伝搬している出力副導波路については、交差角を必ず３度以上に設定することが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
以上説明したように、本発明によれば、ＭＺ型導波路の合波部における不要な高次モードの励起を抑制し、出力光の安定化を図ると共に、放射モード光を効率良く導出することが可能な光導波路素子を提供することが可能となる。
【符号の説明】
【００４３】
１１，１２，２０，２１，３０，３１  分岐導波路
１３，２２，３２  合波部
１４，２３，３３  出力主導波路
１５，１６，２４，２５，３４，３５  出力副導波路
【図１】
2011186258.tif 000003
【図２】
2011186258.tif 000004
【図３】
2011186258.tif 000005
【図４】
2011186258.tif 000006
【図５】
2011186258.tif 000007
【図６】
2011186258.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成23年6月20日(2011.6.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板にマッハツェンダー型導波路を形成した光導波路素子において、
該基板の厚さが、導波路を伝搬する光波の波長の１５倍以下であり、
該マッハツェンダー型導波路の出射側の合波部に入力される２つの導波路が該合波部に接続される部分において、接続される２つの導波路の傾きが０度であると共に、該２つの導波路の間隔が０．５μｍ以上、１μｍ以下であり、
該合波部の合波後の導波路がマルチモード導波路であり、
さらに、該合波部から出力される導波路が、出力主導波路とそれを挟む２本の出力副導波路からなる３分岐導波路で構成され、該合波部に接続される部分における該出力主導波路と該出力副導波路との間の間隔が０．５μｍ以上、１μｍ以下であることを特徴とする光導波路素子。
【請求項２】
請求項１に記載の光導波路素子において、出力される該３分岐導波路は、該出力副導波路の幅が、該出力主導波路の幅より小さいことを特徴とする光導波路素子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の光導波路素子において、該マッハツェンダー型導波路が同一の基板に複数形成され、該マッハツェンダー型導波路から出力される少なくとも一つの該出力副導波路は、他の導波路と交差する際には、他の導波路に対して３度以上の角度で傾斜していることを特徴とする光導波路素子。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光導波路素子に関し、特に、基板にマッハツェンダー型導波路を形成した光変調器あるいは光スイッチなどの光導波路素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信分野や光計測分野において、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）や半導体材料などの基板上にマッハツェンダー型（ＭＺ型）の構造を構成した光導波路を有する強度変調器や光スイッチは広く使われている。
【０００３】
ＭＺ型構造の光変調器は、ＭＺ型導波路に沿って配置された変調電極を有し、この変調電極に印加される印加電圧によってＭＺ型導波路の分岐導波路（アーム）間の光位相を変化させ、出射側の合波部での干渉現象により光のＯＮ／ＯＦＦを制御している。
【０００４】
合波部の最も構成が簡単で製造も容易なＭＺ型構造としては、合波部にＹ分岐構造をもったものがあげられる。Ｙ分岐構造の導波路では、合波部に入力される光の位相が各アーム間で等しいときには出力導波路に光が導波され、位相が逆相となった場合にはＹ構造から光が放射することによりＯＮ／ＯＦＦ動作が行われる。
【０００５】
この際に、ＬＮや半導体材料などで構成される基板の厚みが、光導波路を伝搬する光波の波長の１５倍以下、例えば、２０μｍ以下の場合には、基板の厚みのサイズが光導波路のサイズと同程度になり、Ｙ分岐構造から放射された光が、基板自体をスラブ導波路とみなして、出力導波路近傍を伝搬する。このため、出力導波路にＯＦＦ光である放射モード光が混入し、クロストーク現象を発生させ、光導波路素子のＯＮ／ＯＦＦ消光比特性が劣化するという問題が生じる。
【０００６】
このような問題を解消するため、特許文献１では、図１に示すように、ＭＺ型導波路の合波部にＸＹカプラーを用いることにより、基板がスラブ導波路化するのを防ぎ、光導波路素子の特性を向上させる技術が開示されている。図１において、ＭＺ型構造は、入力導波路１、分岐導波路２（６），３（７）、及び出力導波路８で構成されている。分岐導波路の一部には変調部４，５が設けられる。特許文献１では、放射モード光を導出するための導波路９及び１０が合波部に設けられている。なお、点線の矢印は、光波の伝搬方向を示す。
【０００７】
特許文献１で示された先行技術は、図２に示すように、合波部のウエスト（Ａ）がシングルモードになるように導波路が交差した構成となっている。このような構造では交差部での不連続性が大きいことにより、合波部で入力光が不要な高次モードを励起することとなり、合波後に光が遥動を起こす。その結果、出力の消光比の劣化や、ＯＮ光出力とＯＦＦ光出力との相補性が崩れることとなる。これにより、例えばＯＦＦ光成分をＭＺ型変調器の直流バイアスモニタ制御に使用する場合には、仮に、ＯＦＦ光（放射モード光）を用いて適切なバイアス点を設定したとしても、ＯＮ光出力側では、不適切なバイアス状態となり、変調器としての最適な出力特性を得ることができないといった問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許明細書第５，６２７，９２９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上述した問題を解消し、ＭＺ型導波路の合波部における不要な高次モードの励起を抑制し、出力光の安定化を図ると共に、放射モード光を効率良く導出することが可能な光導波路素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、基板にマッハツェンダー型導波路を形成した光導波路素子において、該基板の厚さが、導波路を伝搬する光波の波長の１５倍以下であり、該マッハツェンダー型導波路の出射側の合波部に入力される２つの導波路が該合波部に接続される部分において、接続される２つの導波路の傾きが０度であると共に、該２つの導波路の間隔が０．５μｍ以上、１μｍ以下であり、該合波部の合波後の導波路がマルチモード導波路であり、さらに、該合波部から出力される導波路が、出力主導波路とそれを挟む２本の出力副導波路からなる３分岐導波路で構成され、該合波部に接続される部分における該出力主導波路と該出力副導波路との間の間隔が０．５μｍ以上、１μｍ以下であることを特徴とする。
【００１１】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の光導波路素子において、出力される該３分岐導波路は、該出力副導波路の幅が、該出力主導波路の幅より小さいことを特徴とする。
【００１２】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の光導波路素子において、該マッハツェンダー型導波路が同一の基板に複数形成され、該マッハツェンダー型導波路から出力される少なくとも一つの該出力副導波路は、他の導波路と交差する際には、他の導波路に対して３度以上の角度で傾斜していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に係る発明により、基板にマッハツェンダー型導波路を形成した光導波路素子において、該基板の厚さが、導波路を伝搬する光波の波長の１５倍以下であり、該マッハツェンダー型導波路の出射側の合波部に入力される２つの導波路が該合波部に接続される部分において、接続される２つの導波路の傾きが０度であると共に、該２つの導波路の間隔が０．５μｍ以上、１μｍ以下であり、該合波部の合波後の導波路がマルチモード導波路であり、さらに、該合波部から出力される導波路が、出力主導波路とそれを挟む２本の出力副導波路からなる３分岐導波路で構成され、該合波部に接続される部分における該出力主導波路と該出力副導波路との間の間隔が０．５μｍ以上、１μｍ以下であるため、合波部における不要な高次モード光が発生することを抑制し、出力主導波路に当該高次モード光が入り込み、出力光が揺動するなど不具合を抑制することが可能となる。また、出力副導波路により、放射モード光のみを安定して導出することも可能となる。また、導波路部を伝搬する光波が合波部の入力側で適切に合波でき、合波部の出力側ではシングルモードとマルチモードとを適切に分離することができ、かつ合波部に係る導波路を、製造再現性を低下させることなく製造できる。
【００１４】
また、基板の厚さが、導波路を伝搬する光波の波長の１５倍以下であるため、基板がスラブ導波路として機能するため、基板内に放出された光波が基板内を伝搬し、光導波路と再結合し易くなる。請求項１に記載の発明を当該基板に適用することで、光導波路から基板内への光波、特に、高次モード光の放出を抑制し、出力特性が安定した光導波路素子を提供することが可能となる。
【００１５】
請求項２に係る発明により、出力される３分岐導波路は、出力副導波路の幅が、出力主導波路の幅より小さいため、シングルモード光を出力主導波路に導き、高次モード光を出力副導波路に導き、両者を効率良く分離することが可能となる。
【００１６】
請求項３に係る発明により、マッハツェンダー型導波路が同一の基板に複数形成され、該マッハツェンダー型導波路から出力される少なくとも一つの出力副導波路は、他の導波路と交差する際には、他の導波路に対して３度以上の角度で傾斜しているため、当該出力副導波路を伝搬する高次モード光が、他の導波路に結合することが抑制され、高次モード光を安定的に導出することが可能となると共に、他の導波路を伝搬する光波を不安定化させることもない。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】光導波路素子に係る従来例を示す図である。
【図２】図１の合波部についての拡大図である。
【図３】本発明の光導波路素子における合波部の概略を示す図である。
【図４】本発明の光導波路素子の第１の実施例を示す図である。
【図５】本発明の光導波路素子の第２の実施例を示す図である。
【図６】本発明の光導波路素子における複数のマッハツェンダー型導波路を有する例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の光導波路素子について、以下に詳細に説明する。
図３に示すように、本発明の光導波路素子は、基板にマッハツェンダー型導波路を形成した光導波路素子において、該マッハツェンダー型導波路の出射側の合波部（１３）に入力される２つの導波路（１１，１２）の傾きが０度であり、該合波部の合波後の導波路がマルチモード導波路であり、さらに、該合波部から出力される導波路が、出力主導波路（１４）とそれを挟む２本の出力副導波路からなる３分岐導波路で構成されることを特徴とする。
【００１９】
図３に示すように、分岐導波路１１及び１２を平行に配置するなどの構成により、合波１３に入力される２つの導波路の傾きを０度とすると共に、合波部をマルチモード導波路で構成することにより、合波部における不要な高次モード光が発生することを抑制することが可能となる。その結果、出力主導波路１４に不要な高次モード光が入り込み、出力光が揺動するなど不具合が発生することが無い。また、出力副導波路１５及び１６により、放射モード光のみを安定して導出することも可能となる。
【００２０】
なお、本発明における「２つの導波路の傾きが０度」とは、完全に０度となるもののみを意味するのではなく、設計の都合上、若干の傾きが発生する場合などにおいても、本発明の効果を奏する範囲内において、本発明の範囲に含まれるものである。
【００２１】
本発明に利用される基板としては、誘電体基板や電気光学効果を有する材料を用いた基板が利用でき、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）、及び石英系の材料、並びにこれらの材料を組み合わせた基板が利用可能である。特に、電気光学効果の高いニオブ酸リチウム（ＬＮ）結晶が好適に利用される。
【００２２】
基板に光導波路を形成する方法としては、Ｔｉなどを熱拡散法やプロトン交換法などで基板表面に拡散させることにより形成することができる。また、光導波路以外の基板をエッチングしたり、光導波路の両側に溝を形成するなど、基板に光導波路に対応する部分を凸状としたリッジ形状の導波路を利用することも可能である。
【００２３】
光変調器などの光導波路素子では、基板上に信号電極や接地電極などの変調電極が形成される。このような電極は、Ｔｉ・Ａｕの電極パターンの形成及び金メッキ方法などにより形成することが可能である。さらに、必要に応じて光導波路形成後の基板表面に誘電体ＳｉＯ２等のバッファ層を設け、バッファ層の上に変調電極を形成することも可能である。
【００２４】
基板を薄板化した場合には素子全体の機械的強度が低下するため、基板に補強板が接合される。補強板に使用される材料としては、種々のものが利用可能であり、例えば、薄板と同様の材料を使用する他に、石英、ガラス、アルミナなどのように薄板より低誘電率の材料を使用したり、薄板と異なる結晶方位を有する材料を使用することも可能である。ただし、線膨張係数が薄板と同等である材料を選定することが、温度変化に対する光変調器の変調特性を安定させる上で好ましい。仮に、同等の材料の選定が困難である場合には、薄板と補強板とを接合する接着剤に、薄板と同等な線膨張係数を有する材料を選定する。
【００２５】
薄板と補強板との接合には、接着剤として、エポキシ系接着剤、熱硬化型接着剤、紫外線硬化性接着剤、半田ガラス、熱硬化性、光硬化性あるいは光増粘性の樹脂接着剤シートなど、種々の接着材料を使用することが可能である。また、直接接合法により、接着剤を使用せず、薄板と補強板とを直接貼り合わせることも可能である。
【００２６】
本発明に利用される基板の厚さは、導波路を伝搬する光波の波長の１５倍以下（例えば、１．５５μｍの波長を有する光波を利用する場合には、基板の厚みは約２０μｍ以下となる。）に設定することで、基板がスラブ導波路として機能し易くなる。このような条件では、基板内に放出された光波が基板内を伝搬し、光導波路と再結合し易くなる。このような基板を利用した光導波路素子でも、本発明の構成を採用することで、光導波路から基板内への光波、特に、高次モード光の放出を抑制すると共に、出力特性が安定した光導波路素子を提供することが可能となる。
【００２７】
本発明の光導波路素子に係る実施例について、図４乃至図６を用いて説明する。
図４（ａ）は光導波路素子のＭＺ型導波路の合波部を含む部分の形状を示しており、図４（ｂ）は、図４（ａ）の点線Ｂ部分の導波路の概略を示したものである。
【００２８】
図４（ａ）に示すような合波部２２に入力される２つの導波路は、ＭＺ型導波路の分岐導波路２０及び２１で構成されている。区間αの導波路は、図４（ａ）に示すような曲線部分（左側部分）と、該曲線部分と滑らかに接続される直線部分（図４（ｂ）に示す長さＬ１部分）から構成されている。分岐導波路２０及び２１の先端部分は、合波部２２に接続されており、接続する直前部分には、図４（ｂ）に示すように、２つの導波路の傾きが０度となるように、長さＬ１の平行な直線部分を有している。なお、平行な直線部分は、傾きが完全に０度であることが好ましいが、０．１度以下の誤差であれば、本発明と同様な効果が期待できる範囲として許容可能である。
【００２９】
平行な直線部分の長さＬ１は、分岐導波路を伝搬する光波の進行方向が互いに平行となるに必要な長さを確保する。例えば、１００μｍ以上とすることが好ましい。なお、Ｌ１の長さがより長くなると、光導波路を伝搬する光波のクロストーク現象が平行導波路部分で発生し、合波部に達する前に相互に干渉する不具合も生じるため、長さＬ１は、５００μｍ以下とすることが好ましい。
【００３０】
基板の厚みを１０μｍ程度とした場合には、図４（ｂ）に示す、入力側の導波路幅Ｗ１は、シングルモードとなる３〜８μｍとなる。出力側の導波路（出力主導波路）２３の幅Ｗ６も同様に、シングルモードとなるよう３〜８μｍに設定される。
【００３１】
入力側の導波路２０，２１の間隔Ｗ２は、２つの導波路を伝搬する光波が適切に合波するよう、可能な範囲で狭くすることが好ましく、少なくとも１μｍ以下に設定することが必要である。他方、間隔Ｗ２が狭くなると合波部に係る導波路の製造再現性が著しく低下するため、間隔Ｗ２は、０．５μｍ以上に設定することが好ましい。これらを考慮して、間隔Ｗ２は、例えば、０．８μｍ程度に設定される。
【００３２】
合波部（区間β）２２の幅Ｗ３は、マルチモードとなるように、入力側導波路の幅Ｗ１の２倍以上に設定される。合波部の導波路の長さＬ２は、１０〜５００μｍとすることで特性の良い導波路構造を実現できる。
【００３３】
合波部の形状は、図４（ａ）に示すような台形状や図４（ｂ）に示すような長方形状など種々の形状が採用可能であるが、合波部の入力側の接続部で分岐導波路と滑らかに接続し、合波部の出力側で出力副導波路と滑らかに接続するよう設定している。
【００３４】
３分岐導波路は、出力主導波路２３と出力副導波路２４，２５から構成される。出力副導波路の幅Ｗ４は、出力主導波路の幅Ｗ６よりも小さい導波路幅とし、例えば１〜６μｍ程度としている。そして、出力副導波路には、高次モード光のみが伝搬されるよう設定されている。また、出力副導波路が出力主導波路となす角度θ１は、３分岐導波路側の不連続度を低減するため、２度以下の角度とすることが好ましい。また、入力側導波路の接続と同様に、入力部の傾きを０度とし、出力主導波路と平行に設定することも可能である。また、正弦波関数や３次関数など、合波部から出る部分のみを０度に設定可能な関数形状とすることも可能である。
【００３５】
出力主導波路２３と出力副導波路２４（２５）との間の間隔Ｗ５については、シングルモードとマルチモードとを適切に分離可能にするため、可能な範囲で狭くすることが好ましく、少なくとも１μｍ以下に設定することが必要である。他方、間隔Ｗ５が狭くなると合波部に係る導波路の製造再現性が著しく低下するため、間隔Ｗ２は、０．５μｍ以上に設定することが好ましい。これらを考慮して、間隔Ｗ５は、例えば、０．８μｍ程度に設定される。
【００３６】
図５は、合波部３２に入力される入力側の導波路３０，３１の端部を、合波部３２に接続される際の傾きが０度に設定可能な正弦波関数や３次関数などによる関数形状としたものである。それ以外については、図４と同様に設定することが可能である。なお、図５（ｂ）は、図５（ａ）の点線Ｃの部分の拡大図を示す。
【００３７】
合波部３２に接続される直前の分岐導波路３０及び３１においては、光波の伝搬方向（図５（ｂ）の右方向）と分岐導波路とがなす角度が連続的に変化している。基本的には、分岐導波路と合波部との接続部分で当該角度が０度となれば良いが、急激に変化する場合、合波部３２で２つの導波路を伝搬する光波が適切に合波できない場合があるため、合波部の直前の部分（長さＬ１’の部分）では、当該角度が０．１度以下となる区間を設け、当該区間の長さＬ１’を１００μｍ以上、５００μｍ以下に設定することが好ましい。
【００３８】
入力側の導波路と合波部との接続状態を、図４や図５のような形状とすることで、不要な高次モードの励起が抑制され、出力の消光比や、ＯＮ光とＯＦＦ光との光出力間の相補性を向上させることが可能となる。
【００３９】
次に、図６に示すように、複数のＭＺ型導波路（４０，４１）を同一の基板に形成した場合について説明する。このような場合には、出力副導波路が他の導波路を横切る場合があり、例えば、図６（ａ）の出力副導波路４２は、図６（ｂ）に示すように、他の出力副導波路４３や、出力主導波路４４と交差する。
【００４０】
このように、複数の光導波路が交差する場合には、一方の導波路を伝搬する光波が他方の導波路に移動するクロストーク現象が発生し易い。本発明では、このようなクロストークを防止するため、光導波路の交差する角度θ２を３度以上の傾きとなるように設定している。特に、高次モード光は他の光導波路と結合し易い傾向があるため、高次モード光を伝搬している出力副導波路については、交差角を必ず３度以上に設定することが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
以上説明したように、本発明によれば、ＭＺ型導波路の合波部における不要な高次モードの励起を抑制し、出力光の安定化を図ると共に、放射モード光を効率良く導出することが可能な光導波路素子を提供することが可能となる。
【符号の説明】
【００４２】
１１，１２，２０，２１，３０，３１  分岐導波路
１３，２２，３２  合波部
１４，２３，３３  出力主導波路
１５，１６，２４，２５，３４，３５  出力副導波路