(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光集積回路の基板中に基板よりも高い屈折率のほぼ円形断面の導波路を含むものであって、導波路の基板主面への投影パターンがつぎの要件（１）〜（６）を充足する導波路分岐構造。
（１）１つの直線導波路ａがテーパー導波路ｔを介して２つの直線導波路ｂとｃに対称にＹ分岐されている。
（２）直線導波路ａは、間隔Ｗをおいて平行に向かい合った２つの直線ａ１と直線ａ２とに挟まれた領域である。
（３）テーパー導波路ｔは、直線ａ１に連続してかつ直線ａ１に対する傾きがθαの直線ｔ１と、直線ａ２に連続してかつ直線ａ２に対する傾きが−θαの直線ｔ２とに挟まれた領域であり、後段に向けて２×θαの開き角で拡大されている。
（４）直線導波路ｂは、直線ｔ１に連続してかつ前記直線ａ１に対する傾きがθβ（＜θα）の直線ｂ１と、この直線ｂ１に対して平行かつ前記間隔Ｗで対向する直線ｂ２とに挟まれた領域である。
（５）直線導波路ｃは、直線ｔ２に連続してかつ前記直線ａ２に対する傾きが−θβ（＞−θα）の直線ｃ２と、この直線ｃ２に対して平行かつ前記間隔Ｗで対向する直線ｃ１とに挟まれた領域である。
（６）直線導波路ｂと直線導波路ｃの分岐角２×θβが、テーパー導波路ｔの開き角２×θαよりも小さく形成されることで、直線導波路ｂおよび直線導波路ｃの入り口の寸法はともに前記間隔Ｗよりも小さく形成されている。
【請求項２】
請求項１において、前記直線ｔ１と前記直線ｂ１とが滑らかな曲線を介して接続されているとともに、前記直線ｔ２と前記直線ｃ２とが滑らかな曲線を介して接続されていることを特徴とする分岐構造。
【請求項３】
請求項１または２において、前記基板中の前記導波路の屈折率分布は拡散型であることを特徴とする導波路分岐構造。
【請求項４】
請求項３において、前記基板はＮａ＋またはＫ＋のアルカリイオンのうち少なくとも１種以上を含む多成分系ガラスであって、この基板に前記導波路がイオン交換法を主体とするプロセスによって形成されていることを特徴とする導波路分岐構造。
【請求項５】
請求項３において、前記基板はニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムであって、この基板に前記導波路がチタン拡散法もしくはプロトン交換法を主体とするプロセスによって形成されていることを特徴とする導波路分岐構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は光集積回路における導波路分岐構造の改良に関し、とくに、シングルモード動作を実現しやすいＹ形分岐構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば第２６０３９２４号公報には、拡散型導波路について、シングルモード動作を実現しやすい構造のＹ形分岐構造の形成技術が開示されている。この分岐構造は、Ｙ形分岐の二股部分の内側に食い込む形態でくさび構造の中間屈折率領域が形成されている。ステップ型導波路についても、これとほぼ同様な形成技術が特開平６−１８７３０号公報に開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
シングルモード動作を実現しやすいＹ形分岐構造を形成するには、つぎのような技術的課題がある。拡散型導波路について図３を参照しながら説明する。ここでは直線導波路ａと直線導波路ｂおよび直線導波路ｃがテーパー導波路ｔを介してＹ形（分岐角θ）でつながっている。直線導波路ａ・ｂ・ｃの幅は一定Ｗであり、テーパー導波路ｔの幅はこのＷから徐々に広がりその後段では２Ｗになっている。この導波路パターンを周知の拡散型の作成プロセスにて作成する場合、基板上の金属膜に形成した開口部を介してその直下の基板に対してイオンの交換または拡散を行い、その部分の屈折率を上昇させる。このとき開口部の面積が大きいテーパー導波路ｔ（とくに後段）は、その他の導波路ａ・ｂ・ｃに比べて屈折率および拡散深さがともに大きくなる傾向にある。これはイオンの交換または拡散による重ね合わせの効果に起因している。例えば、孤立点とその集合としての円の両者について同じ条件下でイオン交換を行った場合、円内の任意の点はその周りの点に対するイオン交換の影響も受けるため、周囲の影響を全く受けない孤立点よりもイオン交換量が大きくなる。これが重ね合わせの効果である。
【０００４】
このようにテーパー導波路ｔの後段を含む分岐部ｙの屈折率および拡散深さがその他の導波路に比べて大きいと、分岐部ｙに光波の高次モードが励起され易くなる。分岐部ｙで高次モードが励起されると、入力光の状態によって分岐比が変化し、入力光が対称に分岐されない。したがって、入力光を強度比５０％：５０％（分岐比１：１）で対称に分岐してシングルモード動作を行うには、分岐部ｙの面積を小さくすることで、分岐部ｙにおける屈折率と拡散深さの大きさとその他の導波路のそれとの差を低減し、分岐部ｙにおける高次モードの励起を抑制する必要がある。なお、ステップ型の導波路についても、前述の重ね合わせと等価な現象が生じるため、拡散型ほどではないが、分岐部ｙの面積を小さくすることによる効果が期待できる。
【０００５】
前述した２つの従来例はともに高次モード励起の問題はクリアしているが、分岐角１°以下の微細な分岐部内側に形成されるくさび構造に寸法誤差が生じやすく、これが原因でシングルモード動作が不安定なものとなっていた。よって、これを考慮した上での設計およびその条件だし作業が必要であり、このことは作成条件を厳しいものとし、ひいては作成プロセス全体を煩雑にしていた。
【０００６】
この発明はこのような従来の問題点を解決すべくなされたもので、その目的は、安定したシングルモード動作が可能で、かつその作成が容易な導波路分岐構造を実現することにあり、この導波路分岐構造を含む光集積回路の高性能化および低コスト化を図ることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
＝＝＝第１の発明＝＝＝
基本となる第１の発明は、光集積回路の基板中に基板よりも高い屈折率のほぼ円形断面の導波路を含むものであって、導波路の基板主面への投影パターンがつぎの要件（１）〜（６）を充足する導波路分岐構造である。
（１）１つの直線導波路ａがテーパー導波路ｔを介して２つの直線導波路ｂとｃに対称にＹ分岐されている。
（２）直線導波路ａは、間隔Ｗをおいて平行に向かい合った２つの直線ａ１と直線ａ２とに挟まれた領域である。
（３）テーパー導波路ｔは、直線ａ１に連続してかつ直線ａ１に対する傾きがθαの直線ｔ１と、直線ａ２に連続してかつ直線ａ２に対する傾きが−θαの直線ｔ２とに挟まれた領域であり、後段に向けて２×θαの開き角で拡大されている。
（４）直線導波路ｂは、直線ｔ１に連続してかつ前記直線ａ１に対する傾きがθβ（＜θα）の直線ｂ１と、この直線ｂ１に対して平行かつ前記間隔Ｗで対向する直線ｂ２とに挟まれた領域である。
（５）直線導波路ｃは、直線ｔ２に連続してかつ前記直線ａ２に対する傾きが−θβ（＞−θα）の直線ｃ２と、この直線ｃ２に対して平行かつ前記間隔Ｗで対向する直線ｃ１とに挟まれた領域である。
（６）直線導波路ｂと直線導波路ｃの分岐角２×θβが、テーパー導波路ｔの開き角２×θαよりも小さく形成されることで、直線導波路ｂおよび直線導波路ｃの入り口の寸法はともに前記間隔Ｗよりも小さく形成されている。
【０００９】
＝＝＝第２の発明＝＝＝
第２の発明に係る分岐構造は、第１の発明において、前記直線ｔ１と前記直線ｂ１とを滑らかな曲線を介して接続するとともに、前記直線ｔ２と前記直線ｃ２とを滑らかな曲線を介して接続したことを特徴とする。
【００１０】
＝＝＝第３の発明＝＝＝
第３の発明に係る分岐構造は、第１または第２の発明のいずれかにおいて、前記基板中の前記導波路の屈折率分布を拡散型としたことを特徴とする。
【００１１】
＝＝＝第４の発明＝＝＝
第４の発明に係る分岐構造は、第３の発明において、前記基板をＮａ＋またはＫ＋のアルカリイオンのうち少なくとも１種以上を含む多成分系ガラスとし、この基板に前記導波路をイオン交換法を主体とするプロセスによって形成したことを特徴とする。
【００１２】
＝＝＝第５の発明＝＝＝
第５の発明に係る分岐構造は、第３の発明において、前記基板をニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムとし、この基板に前記導波路をチタン拡散法もしくはプロトン交換法を主体とするプロセスによって形成したことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
＝＝＝第１実施形態＝＝＝
この発明の第１実施形態について図１を参照しながら説明する。このＹ形分岐構造においては、直線導波路ｂと直線導波路ｃとの分岐角２×θβ（０．５°〜０．６°）が、テーパー導波路ｔの開き角２×θα（０．７°〜０．８°）よりも小さく形成されることで、直線導波路ｂおよび直線導波路ｃの入り口の寸法がともに直線導波路ａの幅Ｗよりも小さく形成されている（テーパー導波路ｔの後段の幅ＷｔはＷ＜Ｗｔ＜２×Ｗの範囲内である）。すなわち、従来の形状から分岐部ｙ（導波路ｔの後段および導波路ｂ、ｃの前段）の斜線で示した部分を外側から削ることで分岐部ｙの面積を小さくし、分岐部ｙにおける屈折率と拡散深さの大きさがその他の導波路のそれに比べてあまり大きくならないようにしている。これにより、分岐部ｙにおける高次モードの励起が抑制され、入力光の状態によって分岐比が変化することなく安定したシングルモード動作が実現される。
【００１４】
またこの実施形態においては、直線ｔ１と直線ｂ１、直線ｔ２と直線ｃ２（図１参照）がそれぞれ滑らかな曲線を介して接続されることでテーパー導波路ｔと直線導波路ｂ、ｃとが滑らかに接続されている。これにより、導波路の折り曲がりによって生じる光波面の傾きによる過剰損失を低減することができる。
【００１５】
このＹ形分岐構造は、周知の拡散型プロセスにて作成される。このプロセスは、熱イオン交換プロセスと電界イオン交換プロセスとに大別される。
熱イオン交換プロセスでは、Ｎａ＋、Ｋ＋などのアルカリイオンを少なくとも１種以上含む多成分系ガラス基板上に、Ｔｉなどの金属膜を形成し、リソグラフィの技術を用いて導波路の部分のみ開口部を作成する。このガラス基板を、Ａｇ＋、Ｔｌ＋、Ｋ＋などを含む溶融塩に加熱しながら浸すことで、開口部のみアルカリイオンと溶融塩中のイオンが交換されて、この部分のガラスの屈折率が増加する。この実施形態では、加熱温度・加熱時間・溶融塩濃度などの条件だしが簡単に行える。なぜなら、分岐部ｙの外側の形状変化に伴う作成条件の変化は分岐部ｙの内側のそれに比べて小さいため、分岐部ｙの形状を容易に変更することができるからである。
【００１６】
電界イオン交換プロセスでは、前述の熱イオン交換プロセスを経たガラス基板を溶融塩中に浸すとともに電界を印加することでイオンを基板内部に拡散させる。これは導波路の屈折率分布を光ファイバのような真円に近づけるために行う。さらにこの後、熱処理する場合もある。このプロセスにおいても、前述したのと同じ理由により条件だしが容易である。
【００１７】
＝＝＝第２実施形態＝＝＝
第２実施形態のＹ形分岐構造を図２に示す。第１実施形態と異なるのは、前述した分岐部ｙに「なまり」が存在している点である。この「なまり」の大きさＬを交点ｙ０と分岐始部位ｙ１との距離で定義すると、このＬは０＜Ｌ＜（１．５／tan(θβ)）[μｍ]の範囲にある。このようにすることで、イオンの浸みだしにより交点ｙ０近傍に「なまり」が生じたとしても、第１実施例と同様な効果が得られる。また、従来のように分岐部ｙ内側の微細な形状を変化させる必要がないため、その設計および条件だし作業が容易である。この実施形態はフォトマスクによる転写法を用いる場合にとくに有効である。
【００１８】
このＹ形分岐構造の効果を調べるため、イオン交換法にてこの分岐構造を作成し、試料Ａとした。また比較のため、図３の分岐構造を試料Ａと同じ条件で作成し、試料Ｂとした。試料Ａ、Ｂの作成条件は以下の通りである。基板として使用したのはＮａイオンを含む多成分ガラスである。交換イオンとしてはＡｇイオンを用いた。熱イオン交換を２６５℃、１時間の条件下にて行い、電界イオン交換を２５５℃、１．７５時間の条件下で行った。熱処理は、２５５℃、２時間の条件下で行った。なお、試料Ａの分岐角２×θβは０．５°で、試料Ｂの開き角２×θαは０．７°である。また「なまり」の大きさＬは約２μｍである。
【００１９】
この試料Ａ、Ｂの両方について屈折率および拡散深さの測定を行った。その測定点は直線導波路ａおよび分岐部ｙの任意の点である。なお、導波路ａ（ｂ、ｃ）における屈折率をｎａ、その拡散深さをｄａとし、分岐部ｙにおける屈折率をｎｙ、その拡散深さをｄｙとする。この測定により、試料Ａは試料Ｂに比べて（ｎｙ−ｎａ）／ｎａが０．４４から０．２４に減少し、（ｄｙ−ｄａ）／ｄａが０．３２から０．１６に減少したことが分かった。つまり試料Ａは導波路内の屈折率差および拡散深さ差が試料Ｂよりもほぼ２分の１程度に低減されてほぼ均一化されており、試料Ａは試料Ｂよりも高次モード励起が起こりにくい構造といえる。よってこの実施形態の分岐構造（試料Ａ）の有効性が確認できた。
【００２０】
＝＝＝その他＝＝＝
１．直線導波路ｂ、ｃを適当な曲率半径Ｒ（例えばＲ＝７０ｍｍ）の曲がり導波路に置き換えることで、過剰損失を増加させることなく素子長を小さくすることができる。
【００２１】
２．基板がガラス基板以外の場合、例えばニオブ酸リチウム（ＬＮ）、タンタル酸リチウム（ＬＴ）では、チタン拡散法やプロトン交換法などを用いて導波路が作成される。このとき導波路の屈折率分布は拡散型となり、前述したのと同様な効果が得られる。
【００２２】
３．シリコン基板上に周知の火炎堆積法およびドライエッチング法を用いて、Ｙ形分岐構造を作成することもできる。このとき導波路の屈折率分布はステップ型となるが、前述した拡散型のものと同様な効果が得られる。
【００２３】
【発明の効果】
この発明の導波路分岐構造は、分岐部の導波路を外側から狭めることで分岐導波路の入り口寸法を小さく形成されている。これにより分岐部における高次モードの励起を抑制することができ、安定したシングルモード動作が可能になる。また、分岐部の導波路を内側から狭めていた従来よりも導波路の寸法誤差が低減されるとともに、作成条件が緩和されて作成が容易になる。
よって、光集積回路に含まれる導波路の分岐構造にこの発明の分岐構造を適用することで、光集積回路の高性能化および低コスト化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施形態のＹ字形分岐構造の基板主面への投影パターンを示した概略図である。
【図２】この発明の第２実施形態のＹ字形分岐構造の基板主面への投影パターンを示した概略図である。
【図３】従来のＹ字形分岐構造の基板主面への投影パターンを示した概略図である。
【符号の説明】
ａ、ｂ、ｃ  直線導波路
ｔ    テーパー導波路
ｙ    分岐部
ｙ０  交点
ｙ１  分岐始部位
【図１】
0004171565.tif 000002
【図２】
0004171565.tif 000003
【図３】
0004171565.tif 000004