(57)【要約】【課題】光導波路の挿入損失を低く保ちながら，光導波路の不連続面での反射率を高めることができる光導波路素子を提供する。【解決手段】平面光導波路内に，平面光導波路によって離間された光導波路を用いて形成された光導波路素子において，基板１０上に不連続に形成された光路となるコア３０と，少なくともコア３０の光伝搬方向に略垂直なコア側壁に形成された中間層３２と，コア３０を覆うように基板１０全体に形成されたクラッド３４とを含んでおり，中間層３２とコア３０との間の比屈折率差は，コア３０とクラッド３４との間の比屈折率差よりも大きくすることにより，光導波路の損失を低く保ちながら，不連続面での反射率を高めることができ，光合分波器として用いた場合の挿入損失を低減することができる。【選択図】  図４
2004264689.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面光導波路内に，前記平面光導波路によって離間された光導波路を有する光導波路素子において；
基板上に不連続に形成された，光路となる複数のコアと，
少なくとも光伝搬方向に略垂直な前記コア側壁に形成された，光学的に透明な薄膜と，
前記薄膜が形成された前記コアを覆うように，前記基板全体に形成されたクラッドと，
を含んでおり，
前記薄膜と前記コアとの間の比屈折率差は，前記コアと前記クラッドとの間の比屈折率差よりも大きいことを特徴とする光導波路素子。
【請求項２】
前記薄膜は，前記コアを覆うように前記基板全体に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
【請求項３】
前記薄膜は，屈折率が前記基板と等しいことを特徴とする請求項１または２に記載の光導波路素子。
【請求項４】
前記薄膜は，ノンドープの石英ガラス膜を熱処理したものであることを特徴とする，請求項１または２に記載の光導波路素子。
【請求項５】
前記薄膜は，（屈折率が前記コアよりも高いこと）Ｓｉ３Ｎ４系材料であることを特徴とする，請求項１または２に記載の光導波路素子。
【請求項６】
前記薄膜は，（屈折率が前記コアよりも低いこと）フッ素をドープした石英系ガラスであることを特徴とする，請求項１または２に記載の光導波路素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光導波路素子にかかり，特に，光信号を波長分割多重するための平面光導波路内に形成された光合分波器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信の分野において，複数の信号を別々の光として信号化し光ファイバで伝送する波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）方式が開発されている。この方式においては，異なる波長の光を入出力のために合波あるいは分波する必要がある。従来この種の光合分波器としては，グレーティングを利用した素子や，平面光導波路内に形成される製造プロセスが容易な特許文献１に開示されているものがある。
【０００３】
この特許文献１に開示された光合分波器は，平面光導波路内に曲線導波路と直線導波路が設けられ，曲線導波路は平面光導波路によって不連続な構造となっているものである。曲線導波路に入力された光信号はその曲線導波路の不連続面により反射され，各波長ごとに直線導波路に分波され集光するようになっている。逆に，直線導波路に入力した各波長の光信号は，曲線導波路の不連続部分により合波され集光するようになっている。
【０００４】
なお，この光合分波器の光導波路としての構造は，基板上に平面光導波路を設け，平面光導波路中に平面光導波路よりも等価屈折率の高い導波路部を設けたものである。等価屈折率の高い導波路部を作製する方法としては，屈折率の高い材料を埋め込む方法，ＵＶ（紫外線）を照射して屈折率差を生じさせる方法などがある。
【０００５】
ところで，光合分波器としての主要な性能には，波長精度，波長分解能などがあるが，挿入損失が低いことも当然のこととして重要である。分波あるいは合波された光信号は直接，あるいは光ファイバなどを介して間接的にフォトダイオード（ＰＤ）素子により受光され光強度を計測される。
【０００６】
このことによって，どの波長の光信号がどの程度の強さで光ファイバ線路中を伝送しているのかを知ることができる。このとき，ＰＤ素子に入射される光強度は当然ながらＰＤ素子の受光能力範囲内である必要がある。光強度がＰＤ素子の受光感度より強すぎる場合は，何らかの手段により減衰させればよいが，弱すぎる場合にはノイズレベルに埋もれて（ＳＮ比が小さい）光信号として認識することができないので，光合分波器の挿入損失の低減は重要な項目である。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１４−０４０２７２号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで従来の光を合分波する光導波素子においては，分波あるいは合波され光合分波器から出力される光信号の強度は，平面光導波路の挿入損失と，曲線導波路と直線導波路の挿入損失，また曲線導波路の平面光導波路によって不連続となった構造における反射強度に依存する。すなわちこれらによって構成される光合分波器としての挿入損失に依存する。
【０００９】
しかしながら，曲線導波路と直線導波路を構成するコアとクラッドの屈折率をぞれぞれｎ０およびｎ１とすると，自ずと曲線導波路の平面光導波路によって不連続となった構造における反射強度を決める主要素であるコアとクラッドの屈折率もｎ０およびｎ１となってしまう。この結果，例えば曲線導波路と直線導波路の挿入損失を小さくし，かつ良好な合分波特性を得るために望ましいシングルモード伝搬するための要件を満たす適当なｎ０およびｎ１を選択すると，反射強度を決めるｎ０およびｎ１としてはそれらの比屈折率差（Δｎ＝（ｎ０−ｎ１）／ｎ０）が小さすぎて十分な反射強度が得られなくなってしまう場合がある。
【００１０】
逆に反射強度を高めるため，比屈折率差を大きく設定してしまうと，光ファイバとの接続損失が増大して曲線導波路と直線導波路の挿入損失が増大したり，マルチモード伝搬して不要な分光ピークが生じたりするという不具合が生じてしまう。これは曲線導波略に内蔵して合分波のための不連続構造を設けるようにしたことから生じた制約であるが，このため従来の光合分波器では挿入損失を通信システムで必要とされるレベルまで小さくすることは困難であった。
【００１１】
本発明は，従来の光導波路素子が有する上記問題点に鑑みてなされたものであり，本発明の目的は，平面光導波路内に不連続に形成された光導波路において，光導波路の挿入損失を低く保ちながら，光導波路の不連続面での反射率を高めることの可能な，新規かつ改良された光導波路素子を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため，本発明によれば，平面光導波路内に平面光導波路により離間された光導波路を用いて形成された光導波路素子において，従来コアとクラッドとにより形成されていた不連続部の反射面に，コアとクラッドとの間に光学的に透明な薄膜（中間層）を介在させることにより，反射面を形成するコアと中間層との間の比屈折率差をコアとクラッドとの間の比屈折率差よりも大きくしたことを特徴とする光導波路素子が提供される。
【００１３】
上記構成による光導波素子では，コアと中間層との比屈折率差が，コアとクラッドの比屈折率差よりも大きくなるようにすることによって，光導波路の挿入損失を数ｄＢと必要十分に小さく，かつ望ましいシングルモード伝搬であることを保ったまま，不連続部の境界における反射率を高めることができる。
【００１４】
また，中間層は，少なくとも光伝搬方向に略垂直なコア側壁に形成されるが，コアを覆うように，基板全体に形成されてもよい。基板全体に形成されることにより，コアを形成後，中間層とクラッドとを順次形成するだけの工程になり，製造が容易になるのでコストも削減できる。
【００１５】
ここで中間層は，屈折率が基板と等しいことが好ましく，これにより，基板上に中間層があっても何らの影響をもたらすことがなく，従来の平面光導波路構造と同様に扱うことができる。
【００１６】
この中間層は，プラズマＣＶＤにより形成されたノンドープの石英ガラス膜（ＮＳＧ）を約１０００℃で熱処理（アニール）したものであることが好ましく，このアニールにより，屈折率が０．０１低下することを利用して，基板と等しい屈折率の中間層を容易に形成することができる。
【００１７】
また，中間層は，屈折率がコアよりも高いＳｉ３Ｎ４系材料や屈折率がコアよりも低いフッ素（Ｆ）をドープした石英系ガラス（ＦＳＧ）であってもよく，コアと中間層との比屈折率差を大きくすることによって反射率を高めることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照しながら，本発明にかかる光導波路素子の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１９】
図１は，本実施の形態にかかる光導波路素子である光合分波器を示す平面図である。図２は図１のＰ部の拡大図である。図３は図２のＡ−Ａ断面図である。図４は図２のＢ−Ｂ断面図である。
【００２０】
光合分波器１は，図１に示したように，基板１０の上に平面光導波路１２が設けられ，さらに平面光導波路１２には等価屈折率の高い光導波路の入力ポート１４及び光導波路１６が形成されている。そして入力ポート１４及び光導波路１６は，平面光導波路１２の一部分である光導波路の不連続部１８により離間され，光導波路１６と２０は不連続となっている。
【００２１】
光導波路１６及び２０は，平面光導波路１２よりも等価屈折率が高いため，光を閉じ込め伝搬する構造となっており，また，不連続部１８は平面光導波路１２と同一の等価屈折率となっているため，光導波路１６及び２０を伝搬する光は不連続部１８の境界２２，２４（図２）において反射される。また，平面光導波路１２には光導波路の出力ポート２６が形成されており，不連続部１８において反射された所望の波長の光は，焦点位置２８に集光し，光導波路の出力ポート２６に導かれる構造となっている。なお，図１中の点線は焦点位置２８への集光の様子を模式的に示したものである。
【００２２】
次いで，図３および図４を用いて説明する。光合分波器１は，基板１０上に，コア３０，中間層３２，上部クラッドとなるクラッド３４が順次積層され構成されている。
【００２３】
ここで基板１０には，下部クラッドを兼ねる目的で石英基板を用いた。コア３０には基板１０およびクラッド３４より屈折率を大きくしたＧｅ（ゲルマニウム）をドーパントとして含む石英ガラス（ＧＳＧ：Ｇｅｒｍａｎｉｕｍ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ），中間層３２には何らのドーパントも含まない石英ガラス（ＮＳＧ：Ｎｏｎｄｏｐｅｄ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ），クラッド３４には，基板１０よりも屈折率が大きくかつコア３０よりも屈折率を小さく調整したＧＳＧを用いた。
【００２４】
本実施の形態においては，これら石英系ガラス膜は，いずれも液体ソースを原料に用いたプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により成膜した。コア３０は，基板１０上に約４μｍ成膜されたのち，ホトリソ工程および反応性ドライエッチングにより線幅が約４μｍの矩形状にパターニングされる。
【００２５】
続いて中間層３２が同じくプラズマＣＶＤ法により約０．１μｍ成膜されたのち，クラッド３４が同じくプラズマＣＶＤ法により約６μｍ成膜される。この時，コア３０，クラッド３４及び中間層３２は，コア３０側壁部に積極的に成膜する意図から，カバレッジの良いプラズマＣＶＤ法を用いることが望ましいが，他の成膜手段であっても構わない。
【００２６】
ここで，中間層３２の膜厚は，中間層３２の膜厚と屈折率に依存する反射率等を考慮し適宜設定すればよい。また，コア３０及び中間層３２は，成膜後，最高温度約１０００℃で熱処理（アニール）を施した。
【００２７】
上記製造工程を経て，図５に示すように，基板１０の屈折率が１．４４５，コア３０の屈折率が１．４６０，中間層３２の屈折率が１．４４５，クラッド３４の屈折率が１．４５５となるように光合分波器が作製された。
【００２８】
これら基板１０とコア３０とクラッド３４の屈折率の組み合わせにおいて，通信波長帯が１．５５μｍである場合，光導波路１６及び２０は挿入損失が数ｄＢと必要十分に小さく，かつ良好な合分波特性を得るために望ましいシングルモード伝搬をする。同様に，中間層３２はシングルモード伝搬に影響を及ぼさない程度に十分に薄いので，基板１０とクラッド３４の屈折率の組み合わせにおける，実質的にクラッド３４をコアとし空気層をクラッドとした平面光導波路１２において，通信波長帯が１．５５μｍである場合，挿入損失が数ｄＢと必要十分に小さく，かつ良好な合分波特性を得るために望ましいシングルモード伝搬をする。
【００２９】
一方で，不連続部１８の境界２２，２４における反射率は，従来の光合分波器におけるコア３０とクラッド３４の比屈折率差ではなく，コア３０と中間層３２の比屈折率差によって実質的に作用する。
【００３０】
上述の構成で中間層３２が無い場合の，従来の光合分波器におけるコア３０とクラッド３４の比屈折率差は約０．３％である。一方，本実施の形態の光合分波器におけるコア３０と中間層３２の比屈折率差は１．０％である。それ故に，中間層３２を設けた場合の不連続部１８の境界２２，２４における反射率は向上する。
【００３１】
以上説明したように，本実施の形態によれば，基板１０上に形成されたコア３０とクラッド３４の間に，中間層３２を介在させ，コア３０と中間層３２の比屈折率差が，コア３０とクラッド３４の比屈折率差よりも大きくなるようにすることによって，光導波路１６，２０の挿入損失が数ｄＢと必要十分に小さく，かつ良好な合分波特性を得るために望ましいシングルモード伝搬であることを保ったまま，不連続部１８の境界２２，２４における反射率を高めることができる。このようにして，光合分波器としての挿入損失を低減することが可能である。
【００３２】
なお，本実施の形態では中間層３２には，何らのドーパントも含まない石英ガラス（ＮＳＧ）を用い，成膜後，最高温度約１０００℃で熱処理を施したが，これはプラズマＣＶＤ法により成膜した何らのドーパントも含まない石英ガラス（ＮＳＧ）が，アニールにより屈折率が約０．０１低下することを利用したものである。これにより，中間層３２は不連続部１８において境界２２，２４における反射率を高めるよう作用し，基板１０上では石英基板である基板１０上と実質的に同じ屈折率となるので，何らの作用をもたらすことはない。
【００３３】
また，本実施の形態では中間層３２は，コア３０を覆い基板１０全体に形成したが，不連続部１８の境界２２，２４における反射率を高めることが目的であるため，少なくとも光伝搬方向に略垂直なコア３０側壁に形成されていればよい。コア３０側壁のみに中間層３２が形成され，基板１０やコア上面等に中間層３２が形成されていなければ，中間層が素子特性に与える影響を考慮する必要もない。ただしこの場合は，側壁のみに中間層を形成するため，ホトリソやエッチング工程を用いて製造することになる。
【００３４】
以上，添付図面を参照しながら本発明にかかる光導波路素子の好適な実施形態について説明したが，本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００３５】
本実施の形態では，中間層３２として何らのドーパントも含まない石英ガラス（ＮＳＧ）を用いたが，その他に好適な材料として，屈折率が最高約２とコアよりも高いＳｉ３Ｎ４系材料であってもよい。これには，広義にＳｉＯＮ，ＳｉＯＮＨ等が含まれる。また，逆に屈折率がコアよりも低いフッ素（Ｆ）をドープした石英系ガラス（ＦＳＧ）であってもよい。
【００３６】
また，導波路部の材料として石英系ガラス膜を用いて説明したが，他の有機あるいは無機ポリマ材料等を用いても可能である。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように，本発明による光導波路素子によれば，基板上に形成されたコアとクラッドとの間に薄い中間層を介在させ，コアと中間層との比屈折率差が，コアとクラッドの比屈折率差よりも大きくなるようにすることによって，光導波路の挿入損失を数ｄＢと必要十分に小さく保ちながら，不連続部の境界における反射率を高めることができ，光合分波器として用いた場合の挿入損失を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態の光導波路素子を上面から見た説明図である。
【図２】図１のＰ部の拡大図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】図２のＢ−Ｂ断面である。
【図５】本実施の形態の光導波路素子における，各層の屈折率を示す説明図である。
【符号の説明】
１  光合分波器
１０  基板
１２  平面光導波路
１４  入力ポート
１６  光導波路
１８  不連続部
２０  光導波路
２２，２４  境界
２６  出力ポート
２８  焦点位置
３０  コア
３２  中間層
３４  クラッド
【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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