(57)【要約】【課題】波長１．４８μｍから１．５８μｍの長波長側における波長特性を改善する。【解決手段】異なる伝搬定数を有する２本の光導波路からなる非対称導波路分岐１０と、互いに等しい伝搬定数を有する２本の光導波路からなる対称導波路分岐１２とを組み合わせて非対称Ｘ分岐構造とし、Δβ／（θ・γ）＞０．４３（但し、Δβは伝搬定数差、θは交差分岐角、γは分岐部分の放射光の減衰定数）の条件が満たされている光導波路デバイスである。前記の各光導波路はイオン交換によってガラス基板１４に形成されたイオン交換型光導波路であり、非対称導波路分岐の伝搬定数が小さい方の光導波路とガラス基板との屈折率差が０．００７４より大きく設定されている。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる伝搬定数を有する２本の光導波路からなる非対称導波路分岐と、互いに等しい伝搬定数を有する２本の光導波路からなる対称導波路分岐とを組み合わせて非対称Ｘ分岐構造とし、Δβ／（θ・γ）＞０．４３（但し、Δβは伝搬定数差、θは交差分岐角、γは分岐部分の放射光の減衰定数）の条件が満たされている光導波路デバイスにおいて、
前記の各光導波路はイオン交換によってガラス基板に形成されたイオン交換型光導波路であり、非対称導波路分岐の伝搬定数が小さい方の光導波路とガラス基板との屈折率差が０．００７４より大きく設定されていることを特徴とするイオン交換型Ｘ分岐光導波路デバイス。
【請求項２】
非対称導波路分岐の異なる伝搬定数を有する２本の光導波路のうちの少なくとも伝搬定数が小さい方の光導波路は、その途中に線幅変更点を備え、該線幅変更点から線幅が広げられている請求項１記載のイオン交換型Ｘ分岐光導波路デバイス。
【請求項３】
非対称導波路分岐及び対称導波路分岐の各光導波路のいずれか１本以上に、１つ以上のＹ分岐光導波路が連なっている請求項１又は２記載のイオン交換型Ｘ分岐光導波路デバイス。
【請求項４】
ガラス基板は、１価のアルカリイオンを含む多成分系ガラスからなり、このガラス母材に含まれる１価のアルカリイオンが、ガラス母材の光屈折率を増大させる別イオンに選択的に交換されることで、埋め込み型の光導波路が形成されている請求項１乃至３のいずれかに記載のイオン交換型Ｘ分岐光導波路デバイス。
【請求項５】
１価のアルカリイオンがＮａイオンであって、ガラス母材の光屈折率を増大させる別イオンがＡｇイオンである請求項４記載のイオン交換型Ｘ分岐光導波路デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異なる伝搬定数を有する２本の光導波路からなる非対称導波路分岐と、互いに等しい伝搬定数を有する２本の光導波路からなる対称導波路分岐とを組み合わせて非対称Ｘ分岐構造としたイオン交換型Ｘ分岐光導波路デバイスに関するものである。この光導波路デバイスは、例えば光通信システムなどで使用するＭ×Ｎカプラなどに有用である。
【背景技術】
【０００２】
光通信システムなどで使用するカプラとして、対称導波路分岐と非対称導波路分岐を組み合わせて非対称Ｘ分岐構造とした光導波路デバイスは公知である（例えば、特許文献１参照）。この非対称Ｘ分岐構造を有するカプラは、Δβ／（θ・γ）＞０．４３の条件が満たされているとき、良好な伝搬特性が得られると言われている。ここで、Δβは伝搬定数差、θは交差分岐角、γは分岐部分の放射光の減衰定数である。
【０００３】
このような非対称Ｘ分岐構造に、更に１つ以上のＹ分岐導波路を組み合わせることによって、多分岐のＸ分岐光導波路デバイス（Ｍ×Ｎカプラ）が構成される。
【０００４】
ところが、Δβ／（θ・γ）＞０．４３という条件を満たしていても、光導波路デバイスとして使用するとき、波長１．４８μｍから１．５８μｍの長波長側において波長特性の劣化（波長１．４８μｍでの挿入損失と波長１．５８μｍでの挿入損失の差の増大）が生じることが判明した。
【特許文献１】特開平５−２２４０５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、波長１．４８μｍから１．５８μｍの長波長側における波長特性を改善することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、異なる伝搬定数を有する２本の光導波路からなる非対称導波路分岐と、互いに等しい伝搬定数を有する２本の光導波路からなる対称導波路分岐とを組み合わせて非対称Ｘ分岐構造とし、Δβ／（θ・γ）＞０．４３（但し、Δβは伝搬定数差、θは交差分岐角、γは分岐部分の放射光の減衰定数）の条件が満たされている光導波路デバイスにおいて、前記の各光導波路はイオン交換によってガラス基板に形成されたイオン交換型光導波路であり、非対称導波路分岐の伝搬定数が小さい方の光導波路とガラス基板との屈折率差Δｎが０．００７４より大きく設定されていることを特徴とするイオン交換型Ｘ分岐光導波路デバイスである。ここで前提として、Δβ／（θ・γ）＞０．４３（但し、Δβは伝搬定数差、θは交差分岐角、γは分岐部分の放射光の減衰定数）という条件を満たすように設計されている。非対称導波路分岐の異なる伝搬定数を有する２本の光導波路のうちの少なくとも伝搬定数が小さい方の光導波路は、その途中に線幅変更点を備え、該線幅変更点から線幅が広げられていてもよい。
【０００７】
上記のようなイオン交換型Ｘ分岐光導波路デバイスにおいて、非対称導波路分岐及び対称導波路分岐の各光導波路のいずれか１本以上に、１つ以上のＹ分岐光導波路を連ねることで、多分岐光導波路デバイスが構成できる。
【０００８】
本発明に係るイオン交換型Ｘ分岐光導波路デバイスは、ガラス基板は、１価のアルカリイオンを含む多成分系ガラスからなり、このガラス母材に含まれる１価のアルカリイオンが、ガラス母材の光屈折率を増大させる別イオンに選択的に交換されることで、埋め込み型の光導波路が形成されている構造である。典型的には、１価のアルカリイオンがＮａイオンであって、ガラス母材の光屈折率を増大させる別イオンがＡｇイオンである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のイオン交換型Ｘ分岐光導波路デバイスは、非対称導波路分岐の伝搬定数が小さい方の光導波路とガラス基板との屈折率差Δｎが０．００７４より大きく設定されているので、波長１．４８μｍから１．５８μｍの長波長側における波長特性（波長１．４８μｍと１．５８μｍの挿入損失差）が改善される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明に係るイオン交換型Ｘ分岐光導波路デバイスの一例を図１に示す。Ａは平面的に透視した状態を表し、Ｂはｘ−ｘ断面を表している。このＸ分岐光導波路デバイスは、異なる伝搬定数を有する２本の単一モード光導波路Ｗ１，Ｗ２からなる非対称導波路分岐１０（図面左手側）と、互いに等しい伝搬定数を有する２本の単一モード光導波路Ｗ３，Ｗ４からなる対称導波路分岐１２（図面右手側）とを組み合わせて非対称Ｘ分岐構造にしたものである。ここで、Δβ／（θ・γ）＞０．４３（但し、Δβは伝搬定数差、θは交差分岐角、γは分岐部分の放射光の減衰定数）という前提条件が満たされている。本発明において、各光導波路Ｗ１，…，Ｗ４は、イオン交換によってガラス基板１４中に形成したイオン交換型光導波路である。非対称導波路分岐１０の２本の単一モード光導波路Ｗ１，Ｗ２の伝搬定数差を制御し、交差分岐角を適切に設定することによって、出射する光の分岐比を制御する。
【００１１】
非対称導波路分岐１０において、２本の単一モード光導波路Ｗ１，Ｗ２で伝搬定数差をもたせる。そのため、非対称導波路分岐１０を構成する２本の単一モード光導波路Ｗ１，Ｗ２で線幅を異ならせる。イオン交換法では、線幅を変えることによってイオン交換されるイオンの量が変化し、それによってイオン交換型光導波路の屈折率も変化する。屈折率ｎと伝搬定数βは、ｎ・ｋ＝β（但し、ｋは波数）の関係があるため、線幅を変えて屈折率を変化させることで伝搬定数βを変えることができる。図１では、上側の単一モード光導波路Ｗ１は線幅が狭く、下側の単一モード光導波路Ｗ２は線幅が広く設定している。そのため上側の単一モード光導波路Ｗ１の屈折率の方が下側の単一モード光導波路Ｗ２の屈折率よりも低い。伝搬定数も同様に、上側の単一モード光導波路Ｗ１の方が下側の単一モード光導波路Ｗ２よりも低い。
【００１２】
非対称導波路分岐１０では、その２本の単一モード光導波路Ｗ１，Ｗ２の伝搬定数差を変化させることによって適当な分岐比が得られる。伝搬定数差と分岐比の関係を図２に示す。これは交差分岐角θが０．２度の場合の例である。図２から分かるように、伝搬定数差Δβが大きくなるほど、分岐比は５０：５０に近づく。ところが、上記のパラメータを変化させ、Δβ／（θ・γ）＞０．４３という条件を十分に満たしていても、長波長側の波長特性（波長１．４８μｍでの挿入損失と波長１．５８μｍでの挿入損失の差）の劣化が問題になる。
【００１３】
Δβ／（θ・γ）＝２．６９に設定した２×２カプラの分岐比特性を図３に示す。波長１．４８μｍから波長１．５８μｍにおける分岐比は５０：５０に近く、よい特性であることが分かる。しかし、このときの波長１．４８μｍから波長１．５８μｍにおける挿入損失を測定すると（図４）、長波長側で挿入損失が増大するポートがあることが分かる。このポートは、非対称導波路分岐の伝搬定数が小さい方の光導波路Ｗ１を通過するポートである。非対称導波路分岐の伝搬定数が大きい方の光導波路Ｗ２については、挿入損失の増加は見られない。これは、伝搬定数差を大きくするために、非対称導波路分岐で一方の光導波路の線幅を狭く、他方の光導波路の線幅を広くしたことによる。
【００１４】
即ち、線幅を狭くした場合、イオン交換されるイオン量が減少することによって、ガラス基板（光導波路から外れた部分）と光導波路との屈折率差Δｎが小さくなったため、光の閉じ込めが不十分となり、長波長側での挿入損失が増加するのである。屈折率差Δｎと波長特性（波長１．４８μｍと１．５８μｍでの挿入損失差）の関係を図５に示す。図５に示すように、屈折率差（ここではガラス基板の光導波路から外れた部分と光導波路の中央部分との屈折率差）Δｎが小さくなるにつれて、波長特性が劣化する割合が増加し、Δｎが０．００７４以下になると挿入損失が急激に増加することが分かる。これが、Δβ／（θ・γ）＞０．４３という条件を満たし、分岐比としては良好であっても、実用的な光導波路デバイスとしては波長特性が十分でない場合が生じる理由である。
【００１５】
そこで本発明では、イオン交換型Ｘ分岐光導波路デバイスにおいて、Δβ／（θ・γ）＞０．４３という前提条件を満たした上で、波長特性をよくするために、屈折率差Δｎを０．００７４よりも大きくしており、その点に本発明の特徴がある。
【００１６】
更に、波長特性を改善するには、非対称導波路分岐の異なる伝搬定数を有する２本の光導波路のうちの少なくとも伝搬定数が小さい方の光導波路について、その途中に線幅変更点を設け、該線幅変更点から線幅を広げることも有効である。線幅の狭い光導波路の距離が長いほど、長波長側での挿入損失が大きくなるので、所定の分岐比が得られた後に、線幅を広げることによって、細い光導波路の距離を短縮し、長波長側での挿入損失を低減することが可能となる。
【００１７】
上記の光導波路デバイスは、イオン交換によってガラス基板中に光導波路を形成したものである。ガラス基板は、１価のアルカリイオンを含む多成分系ガラスからなり、このガラス母材に含まれる１価のアルカリイオンが、ガラス母材の光屈折率を増大させる別イオンに選択的に交換されることで、局所的にガラス母材の屈折率を増大させ光導波路が形成される。ガラス母材の１価のアルカリイオンとしてはＮａイオン、ガラス母材の光屈折率を増大させる別イオンとしてはＡｇイオンがある。
【００１８】
この光導波路は、ガラス基板中の１価のアルカリイオンをガラス基板中の屈折率を増大させる別イオンに交換させる１段階目のイオン交換工程と、このイオン交換によって形成された光導波路をガラス基板中に移動させる２段階目のイオン交換工程によって、ガラス基板中に埋め込まれている構造が好ましい。
【実施例】
【００１９】
（実施例）
２×３２カプラを設計製作した。Δβ／（θ・γ）＝２．１７に設定し、非対称導波路分岐における伝搬定数の小さい方の光導波路とガラス基板との屈折率差を０．００７６に設定した。このように設計した非対称Ｘ分岐２×３２カプラをイオン交換法によって作製した。
【００２０】
まず、１価のアルカリ成分としてＮａを含む多成分ガラス基板に、非対称Ｘ分岐２×３２カプラとなる所定の光導波路パターンを形成した。このパターニングは、スパッタリングによって成膜したＴｉ膜をリフトオフ加工することで行った。１段階目のイオン交換処理では、硝酸銀を含む溶融塩中に上記ガラス基板を浸漬させることによって、ガラス基板表面のＮａイオンをＡｇイオンに交換した。これによってガラス基板表面に所定の光導波路パターンを形成した。２段階目のイオン交換処理では、１段階目のイオン交換処理を施したガラス基板を第２の溶融塩中に浸漬し、ガラス基板の厚さ方向に電界を印加した。これにより、１段階目のイオン交換によって形成された光導波路がガラス基板中に移動し、埋込型の光導波路が形成された。
【００２１】
このような２段階イオン交換によって作製した非対称Ｘ分岐２×３２カプラについて、その波長に対する挿入損失を測定した。その結果を図６に示す。各線は、１〜３２チャンネルの挿入損失を示している。この非対称Ｘ分岐２×３２カプラの波長特性（波長１．４８μｍと１．５８μｍの挿入損失差）は０．７４ｄＢであった。
【００２２】
（比較例）
２×３２カプラを設計製作した。Δβ／（θ・γ）＝２．６７に設定し、非対称導波路分岐における伝搬定数の小さい方の光導波路とガラス基板との屈折率差を０．００７２に設定した。このように設計した非対称Ｘ分岐２×３２カプラを実施例と同様のイオン交換法によって作製した。
【００２３】
このような２段階イオン交換によって作製した非対称Ｘ分岐２×３２カプラについて、その波長に対する挿入損失を測定した。その結果を図７に示す。各線は、１〜３２チャンネルの挿入損失を示している。この非対称Ｘ分岐２×３２カプラの波長特性（波長１．４８μｍと１．５８μｍの挿入損失の差）は１．３７ｄＢであった。
【００２４】
図６（実施例）と図７（比較例）とを対比すると、屈折率差Δｎ＝０．００７２（比較例）では挿入損失の差が大きいが、屈折率差Δｎ＝０．００７６（実施例）では挿入損失の差が小さくなっている。即ち、屈折率差Δｎを大きくすることによって、波長特性を改善できることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係るイオン交換型Ｘ分岐光導波路デバイスの説明図。
【図２】伝搬定数差と分岐比の関係を示す図。
【図３】Δβ／（θ・γ）＝２．６９に設定したときの分岐比特性を示す図。
【図４】Δβ／（θ・γ）＝２．６９に設定したときの波長特性を示す図。
【図５】屈折率差Δｎと波長特性の関係を示す図。
【図６】屈折率差Δｎ＝０．００７６で光導波路Ｗ１入射時の挿入損失を示す図。
【図７】屈折率差Δｎ＝０．００７２で光導波路Ｗ１入射時の挿入損失を示す図。
【符号の説明】
【００２６】
１０  非対称導波路分岐
１２  対称導波路分岐
１４  ガラス基板
Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４  光導波路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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