(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学効果を有する材料からなる基板と、該基板上に形成された複数の光導波路とを具え、該基板の少なくとも一端面にいずれかの光導波路の出射口と他の光導波路の入射口とが形成されており、該出射口から出射した光が反射及び収束されて該入射口に入射するように構成された光学素子を前記一端面に近接して設けた集積型光導波路素子において、
基板上の光導波路の大半を取り囲む上下の誘電体の屈折率が異なり、かつ前記出射口が形成された光導波路の出射口側端部近傍の該光導波路を取り囲む上下の誘電体の屈折率を略同等となるように設定することを特徴とする集積型光導波路素子。
【請求項２】
電気光学効果を有する材料からなる基板と、該基板上に形成された複数の光導波路とを具え、該基板の少なくとも一端面にいずれかの光導波路の出射口と他の光導波路の入射口とが形成されており、該出射口から出射した光が反射及び収束されて該入射口に入射するように構成された光学素子を前記一端面に近接して設けた集積型光導波路素子において、
前記出射口が形成された光導波路の出射口側端部近傍の該光導波路を取り囲む上下の誘電体の屈折率が異なり、かつ該屈折率の大小関係が、基板上の光導波路の大半を取り囲む上下の誘電体の屈折率の大小関係と逆になるように設定されていることを特徴とする集積型光導波路素子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の集積型光導波路素子において、該光学素子にはＧＲＩＮレンズを用いることを特徴とする集積型光導波路素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、同一基板上に複数の光導波路を形成した、集積型光導波路素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信などの分野において、高速なスイッチングを可能にすることなどの目的から、光導波路デバイスなどの外部変調器が広く用いられるようになった。そして、このような外部変調器としては、高周波特性や低挿入損失、高消光比などの特徴を有するニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３；以下、ＬＮという）を基板に用い、この基板にＴｉなどを熱拡散させることにより形成した光導波路を具える導波路型の光変調器が実用化されている。
【０００３】
光変調器には、光強度変調器、位相変調器、偏波変調器などがあり、これらを複数組み合わせることにより、多種多様な光回路を形成することが行われているが、最近では、これら回路素子全体を高密度に集積化及びコンパクト化することが求められており、同一基板上に複数の光変調器を形成することが行われている。
具体的には、同一基板上に目的とする機能を有する複数の光導波路を基板の幅方向に平行に並べて構成し、それぞれを（１）ファイバーで結合する、（２）同一基板上の半円状の導波路で結合する、（３）基板端面で反射を利用する接続用導波路で結合するなどの方法により、複数の光導波路を光学的に結合させることが行われている。
【０００４】
しかしながら、（１）の方法では、光ファイバを設置する空間が必要となるため、並列接続による光通信網の高密度化を十分に達成することができないという問題があった。また、（２）の方法においても、半円型の光導波路を別個に設けること、及びこの半円のＲが非常に大きいため基板面積が増大し、結果的に、光通信網の高密度化を達成することができないという問題があった。さらに、（３）の方法は、基板端面の切断位置を高精度に制御する必要があることから、生産性が低下して歩留まりが悪化するという問題があった。
【０００５】
これらの問題を解決するため、本出願人は、特許出願第２０００−１６７６３２号（平成１２年６月５日出願）において、同一基板上に複数の光導波路を並列した場合に、各々の光導波路を図６に示すようにＧＲＩＮレンズを用いて接続し、集積型光導波路素子を形成することを提案した。
なお、ＧＲＩＮレンズとは、グレーテッドインデックスレンズの略称であり、本分野において一般的に用いられている名称である。
図６に示す集積型光導波路素子は、電気光学効果を有する材料からなる基板５１上にマッハツェンダ型の光導波路５２及び５３を具える。光ビームは、矢印に従って光導波路５２に入射し、信号電極５４−１及び接地電極５５間で外部電源６０−１から電気信号を印加されることによって強度変調された後、基板５１の端面５２Ａに至り、ＧＲＩＮレンズ５６を曲線５８に沿って反射膜５７に至る。次いで、反射膜５７で反射された後、曲線５９に沿って再び端面５２Ａに戻り、光導波路５３の入射口に入射される。
その後、該入射光は、信号電極５４−２及び接地電極５５間で外部電源６０−２によって、さらに強度変調を受けた後、基板５１の端面５１Ｂから矢印に沿って出射する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
これら集積型光導波路素子は、ＬＮなどの基板上に光導波路が形成されており、一般的に、ＳｉＯ２などの誘電体によるバッファ層が光導波路を含む基板全体を被覆するように構成されている。
通常、均質な光導波路を進行している光ビームは、進行方向に対して対称なガウス分布（対称型ガウシアンビーム）形状を有しているが、集積型光導波路素子のような光導波路は、下側（基板側）の基板（ＬＮ）と上側のバッファ層（ＳｉＯ２）に挟まれた状態であるため、光導波路を挟む上下の屈折率が異なり、このような光導波路を伝搬する光は、屈折率の低い層のほうにガウス分布が偏る非対称ガウス分布（非対称型ガウシアンビーム）形状となる。例えば、図１のように、ＬＮ基板１及びＳｉＯ２層３の場合は、基板の屈折率よりＳｉＯ２層の屈折率が低いため、このような光導波路２を通過する光ビームは、ＳｉＯ２層３に偏った非対称型ガウシアンビームとなる。
【０００７】
このような非対称型ガウシアンビームが、光導波路２を出射する際には、図１のように、全体的にＳｉＯ２層３側（上側）に偏った方向に出射する光ビームとなる。このような光ビームに先に提示したＧＲＩＮレンズを用いて、別の光変調器を構成する光導波路の入射口に光ビームを導入しようとする場合、該入射口より上側にズレた位置に光ビームの大部分が到達することとなり、光ビームの伝搬損失が過大なものとなる。
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、上述したような非対称型ガウシアンビームが発生する集積型光導波路素子であっても、集積化及びコンパクト化を維持しつつ、伝搬損失のより低い集積型光導波路素子を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る集積型光導波路素子は、電気光学効果を有する材料からなる基板と、該基板上に形成された複数の光導波路とを具え、該基板の少なくとも一端面にいずれかの光導波路の出射口と他の光導波路の入射口とが形成されており、該出射口から出射した光が反射及び収束されて該入射口に入射するように構成された光学素子を前記一端面に近接して設けた集積型光導波路素子において、基板上の光導波路の大半を取り囲む上下の誘電体の屈折率が異なり、かつ前記出射口が形成された光導波路の出射口側端部近傍の該光導波路を取り囲む上下の誘電体の屈折率を略同等となるように設定することを特徴とする。
【００１０】
請求項２に係る集積型光導波路素子は、電気光学効果を有する材料からなる基板と、該基板上に形成された複数の光導波路とを具え、該基板の少なくとも一端面にいずれかの光導波路の出射口と他の光導波路の入射口とが形成されており、該出射口から出射した光が反射及び収束されて該入射口に入射するように構成された光学素子を前記一端面に近接して設けた集積型光導波路素子において、前記出射口が形成された光導波路の出射口側端部近傍の該光導波路を取り囲む上下の誘電体の屈折率が異なり、かつ該屈折率の大小関係が、基板上の光導波路の大半を取り囲む上下の誘電体の屈折率の大小関係と逆になるように設定されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に係る集積型光導波路素子は、請求項１又は２に記載の集積型光導波路素子において、該光学素子にはＧＲＩＮレンズを用いることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
上述したように、図２は、本発明の集積型光導波路素子の一例における構成を示す平面図（光導波路が形成された基板側の断面図は図３に示す。なお、構成を分り易くするため、バッファ層３を省略した構成を図示する。）である。
基板１０は、電気光学効果を有する材料、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）、及び石英系の材料から構成され、具体的には、これら単結晶材料の、Ｘカット板、Ｙカット板、及びＺカット板から構成され、特に、光導波路デバイスとして構成されやすく、かつ異方性が大きいという理由から、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）を用いることが好ましい。
出力光導波路１１及び入力光導波路１２は、熱拡散法及びプロトン交換法などで形成することができる。
以下の説明では、ＬＮを基板とし、これにＴｉを熱拡散させて光導波路を形成したものを中心に説明する。
【００１４】
ＧＲＩＮレンズ３０にはＳｅｌｆｏｃ（登録商標） Ｌｅｎｓなど公知のものを用いることができる。また、ＧＲＩＮレンズ３０の長さを、ＧＲＩＮレンズ３０の端面において出力光導波路１１から出射された光束が平行光束となる長さに設定する必要がある。実際には、ＧＲＩＮレンズ３０を基板（図２の場合は、後述する「ビーム成形用導波路」を有する基板２０）に固定するための接着剤などの厚さをも考慮する必要がある。
【００１５】
図２において、ＧＲＩＮレンズ３０は接着剤３１によって基板２０に接着固定されている。これによって両者の位置関係を固定することができ、出力光導波路１１及び入力光導波路１２間の中心とＧＲＩＮレンズ３０の中心軸とのずれを防止することができる。その結果、出力光導波路１１から出射された光波のＧＲＩＮレンズの端面上での焦点位置のずれを防止することができ、入力光導波路１２に光波が入力されなくなるという現象を防止することができる。
接着剤３１としては、紫外線硬化型接着剤（ＵＶ接着剤）など、光の透過性、接着性、取扱いの容易性などを考慮して、公知の接着剤を選択することができる。
【００１６】
反射膜３２は、出力光導波路１１から出射された光波に対して高い反射率を有するものであれば、その材料及び構成については限定されない。Ｃｒ、Ａｕ、Ａｌなどの金属からなる金属膜、又はＳｉＯ２及びＴｉＯ２などの誘電体を交互に積層した誘電体多層膜などを好ましくは用いることができる。
【００１７】
次に、図１のように、光導波路の出射口から非対称な光ビームが有する問題への対応策について説明する。
対応策は、大きく分けて２つあり、第１は、光導波路の出射口から出る光ビームを限りなく対称な形状に整えることである。また、第２は、光導波路の出射口から出る光ビームが非対称なものであっても、ＧＲＩＮレンズなどの光学素子の位置調整により、別の光導波路の入射口に集光させることである。
【００１８】
第１の対応策について説明する。光導波路の出射口から出る光ビームを対称なガウス分布に成形する方法の一つは、図３、図４のように、光導波路の出射口の端部近傍の光導波路（以下、ビーム成形用導波路という）を、ほぼ同じ屈折率を有する上下の誘電体で挟むように構成することである。
これにより、ＬＮ基板１とＳｉＯ２層３に挟まれた光導波路２では非対称となった光ビームが、ビーム成形用導波路を通過する際に、徐々に対称型ガウス分布に成形され、ビーム成形用導波路を出射する際には、対称な光ビームとなる。
【００１９】
ビーム成形用導波路として上下に同等の屈折率を有する誘電体を設けるには、図３のように、ＳｉＯ２バッファ層と同じＳｉＯ２を材料とする基板をＬＮ基板に換えて光導波路の下側に設ける方法や、図４のように、Ｎｂ２Ｏ５のようなＬＮ基板とほぼ同等の屈折率を有する材料を光導波路のバッファ層として用いる方法がある。
基本的には、ビーム成形用導波路において、光導波路を取り囲む上下の誘電体層の屈折率を略同等となるように構成することが必要であり、したがって、光導波路を取り囲むことが可能でかつ屈折率がほぼ同じ誘電体である場合には、図３のＳｉＯ２やＮｂ２Ｏ５に限るものではない。ビーム成形用導波路の長さは、長いほど対称な光ビームを形成できるが、光量の減衰や素子構造が大きくなる等の問題も生じるため、用途に応じて設定することが必要である。本例では、約２ｍｍ程度であれば、十分に利用可能な対称型光ビームが得られる。
【００２０】
また、図３において、ビーム成形用導波路部分では、ＬＮ基板部分を全てＳｉＯ２基板に置換しているが、ビーム成形用導波路に接するＬＮ基板の接触部のみをＳｉＯ２層に置換することも可能である。このように複数の材料からなる複合的な基板の製造においては、例えば、ＬＮ基板とＳｉＯ２基板との接合にはＵＶ接着剤などが利用可能であり、ＬＮ基板の一部にＳｉＯ２層を構成するには、エッチングなどの化学的除去方法や切削などの機械的除去方法を利用してＬＮの一部を除去し、その上にＳｉＯ２層を真空成膜法により形成するなど、本技術分野で公知の製造技術が利用可能である。
なお、図２は、出力光導波路１１の出射口側と入力光導波路１２の入射口側の両方に関して、ビーム成形用導波路を形成しているが、入射口へ光ビームを適正に集光させることのみが目的であるなら、少なくとも出射口側にビーム成形用導波路を設けるだけでも良い。ただし、入力光導波路１２において、より対称なガウス分布を有する光ビームが必要な場合は、図２のように入射口側にもビーム成形用導波路を設けることが必要である。
【００２１】
第１の対応策において、光導波路の出射口から出る光ビームを、対称なガウス分布に成形する別の方法について説明する。
ビーム成形用導波路を用いる点は同じであるが、ビーム成形用導波路を上下から挟む誘電体の屈折率を異なるものとし、しかも、上下の誘電体の屈折率の関係を、集積型光導波路素子を形成する基板内の光導波路の状態とは逆の関係に設定する方法である。具体的には、光導波路がＬＮ基板とＳｉＯ２層に挟まれている場合は、ＳｉＯ２層の方が屈折率が低いため、ビーム成形用導波路では、下側に屈折率の低い誘電体、上側に屈折率の高い誘電体を用いるように構成する方法である（例えば、下側にＳｉＯ２、上側にＮｂ２Ｏ５などの材料を用いる）。
【００２２】
これにより、集積型光導波路素子内で非対称なガウス分布となった光ビームに、ビーム成形用導波路において、積極的に逆向きに非対称となるような作用を加えることで、先に説明したビーム成形用導波路を取り囲む誘電体の屈折率を同じにした場合と比較して、光ビームの成形に必要な光導波路の進行方向の距離を、より短くすることが可能となる。
なお、第１の対応策は、本発明のような集積型光導波路素子内の光学的結合に利用する場合に限らず、光導波路から出射する光ビームとして、対称なガウス分布を有する光ビームを必要とする他の場合に対しても、適用することが可能である。
【００２３】
次に、第２の対応策である、ＧＲＩＮレンズなどの光学素子の位置調整を行なう方法について説明する。
図５のように、ＬＮ基板１とＳｉＯ２のバッファ層３の間に挟まれた光導波路の出射口２−１と入射口２−２に対し、これらに覆い被さるようにＧＲＩＮレンズ３０を配置する。出射口２−１から出る非対称な光ビーム（ＳｉＯ２層側に偏った方向に出射する光ビーム）を、入射口２−２に適正に集光させるため、出射口２−１が形成された光導波路における出射口側端部の光導波路が延在する方向であってかつ出射口２−１近傍を通過する線Ａまたは出射口２−１と入射口２−２との間の中央近傍を通過する線Ｂに対して、ＧＲＩＮレンズ３０を回転調整して、光導波路が設けられた基板側に固定するものである。
【００２４】
基本的には、ＧＲＩＮレンズ３０を光導波路が形成された基板に対して回転させることが特徴であり、図５のように線Ａ又は線Ｂを中心に回転させるように構成する場合には、ＧＲＩＮレンズ３０の位置決めを比較的精度良く、また簡単に行うことが可能となる。例えば、ＧＲＩＮレンズと基板とを接合する際には、これらの軸周りに回動可能な治具によりＧＲＩＮレンズ３０を保持させるように構成することができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の集積型光導波路素子によれば、集積型光導波路素子を形成する基板内の光導波路が、上下側から異なる屈折率の誘電体により挟まれている場合は、光ビームは進行方向に非対称なガウシアンビームとなるが、光導波路の出射口の近傍では、光導波路を取り囲む誘電体相互間の屈折率を略同等となるように設定しているため、光ビームは対称なガウシアンビームに矯正される。これにより、光導波路の出射口からは対称な光ビームが出射するため、従来と同様な光学素子を基板に近接して設けても、別の光導波路の入射口に適正に該光ビームを入射させることが可能となる。これにより、伝搬損失のより低い集積型光導波路素子を提供することできる。
【００２６】
請求項２の集積型光導波路素子によれば、集積型光導波路素子を形成する基板内の光導波路が、上下側から異なる屈折率の誘電体により挟まれている場合は、光導波路を通過する光ビームは低い屈折率の方向に偏った非対称ガウス分布となるが、光導波路の出射口近傍において、光導波路を取り囲む誘電体の屈折率を、基板上の光導波路の大半を取り囲む上下の誘電体の屈折率の関係と逆になるように設定している。
これにより、非対称なガウス分布を有する光ビームに対し、該光ビームの非対称性とは逆方向に非対称なガウス分布となるような作用を、出射口付近で付与することが可能となり、出射口を出る光ビームは、対称なガウス分布を有するものへと矯正される。
このため、請求項１の集積型光導波路素子と同様に、従来と同様な光学素子を基板に近接して設けても、別の光導波路の入射口に適正に該光ビームを入射させることが可能となる。これにより、伝搬損失のより低い集積型光導波路素子を提供することできる。しかも、請求項２の集積型光導波路素子は、光ビームが非対称になる環境（光導波路を取り巻く誘電体の屈折率の違い）を積極的に利用して、光導波路の出射口付近で光ビームを矯正するため、請求項１の集積型光導波路素子のように光導波路を取り囲む誘電体の屈折率を同じにした場合と比較して、光ビームの矯正に必要な光導波路の進行方向の距離を、請求項１の集積型光導波路素子のものより短くすることが可能となる。
【００２７】
請求項３の集積型光導波路素子によれば、請求項１又は２に係る発明の効果に加え、ＧＲＩＮレンズを用いることにより、高密度に集積化及びコンパクト化した集積型光導波路素子を構成することができる。
【００２８】
また、前述した第２の対応策によれば、集積型光導波路素子を形成する基板内の光導波路が、上下側から異なる屈折率の誘電体により挟まれている場合は、光導波路の出射口では、低屈折率側に偏った非対称な光ビームが出射するが、出射口に近接して設けられたＧＲＩＮレンズを、該出射口が形成された光導波路における出射口側端部の光導波路が延在する方向であってかつ該出射口近傍を通過する線または該出射口と該入射口との間の中央近傍を通過する線に対して、回転調整可能とすることにより、ＧＲＩＮレンズによって集光される入射口側の光ビームの位置を調整することができる。このため、出射口から光ビームが、本来期待される出射方向である、出射口側端部の光導波路が延在する方向に出射しない場合でも、ＧＲＩＮレンズを上述のように回転調整し、別の光導波路の入射口に合致するように光ビームを集光することが可能となり、伝搬損失のより低い集積型光導波路素子を提供することできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  通常の光導波路からの非対称な光ビームの出射を示す図。
【図２】  本発明の集積型光導波路素子におけるビーム成形用導波路を含む部分の平面図。
【図３】  本発明の集積型光導波路素子におけるビーム成形用導波路を含む部分の断面図（バッファ層を共通化した場合）。
【図４】  本発明の集積型光導波路素子におけるビーム成形用導波路を含む部分の断面図（基板側を共通化した場合）。
【図５】  ＧＲＩＮレンズの回転調整を示す図。
【図６】  集積型光導波路素子の一例を示す図。
【符号の説明】
１    ＬＮ基板
２    光導波路
２−１  出射口
２−２  入射口
３    ＳｉＯ２層
４    ＳｉＯ２基板
５    接着剤
６    Ｎｂ２Ｏ５層
１０  ＬＮ基板
１１  出力光導波路
１２  入力光導波路
２０  ビーム成形用導波路を有する基板
３０  ＧＲＩＮレンズ
３１  接着剤
３２  反射膜
５１  電気光学効果を有する材料からなる基板
５２，５３  マッハツェンダ型の光導波路
５６  ＧＲＩＮレンズ
５７  反射膜
【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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