(57)【要約】凹面、平面或いは凸面の反射構造の導入によって初めて可能となる新規の二次元光信号処理回路及びその製造方法を提供する。出力導波路１３及び入力導波路１４が形成された光導波回路基板５０上に、結合回路１５の入力結合端Ｉ及び出力結合端Ｕの光軸が、反射構造１６上の同一点Ｑを通るように配置するとともに、この反射構造１６を、レーザアブレーション装置３０を使って作製する。
2002054120.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光導波路が保持される基板と、
該基板上に形成される第１光導波路及び第２光導波路と、
前記基板上に形成され前記第１光導波路の第１結合端と第２光導波路の第２結合端とを互いに結像関係にある位置に配置して結合する反射構造と
を備えることを特徴とする光信号処理回路。
【請求項２】
光導波路が保持される基板と、
該基板上に形成される第１光導波路及び第２光導波路と、
前記基板上に形成され前記第１光導波路の第１結合端と第２光導波路の第２結合端とを互いに像のフーリエ変換関係にある位置に配置して結合する反射構造とを備えることを特徴とする光信号処理回路。
【請求項３】
前記反射構造は、半径ｒの円弧の形状をしており、
前記第１結合端及び第２結合端は、その光軸が該反射構造上の同一の点Ｑを通り、かつ、該反射構造の円弧の中心Ｐと前記点Ｑを含む直線に対して対称の位置であって線分ＰＱを前記点Ｑの方向にｒ／２延長した端点Ｔを中心とする半径ｒの円弧上に配置されることを特徴とする請求項２記載の光信号処理回路。
【請求項４】
前記反射構造は、半径ｒの円弧の形状をしており、
前記第１結合端及び第２結合端は、その光軸が該反射構造上の同一の点Ｑを通り、かつ、第１結合端と点Ｑとの間の距離ＩＱの逆数と、第２結合端と点Ｑとの間の距離ＱＵの逆数との和が、半径ｒの逆数の２倍になっていることを特徴とする請求項１記載の光信号処理回路。
【請求項５】
光導波路が保持される基板と、
該基板上に形成される３つ以上の光導波路と、
前記基板上に形成され前記光導波路間を結合する複数の反射構造と
を備えることを特徴とする光信号処理回路。
【請求項６】
前記反射構造と前記光導波路の光軸を含む面との交線が、放物線形状、楕円形状、又は双曲線形状であることを特徴とする請求項１、２又は５記載の光信号処理回路。
【請求項７】
前記基板上の光の伝播路に形成され、位置によって幅が異なる複数の溝内に該伝播路の有効屈折率と異なる屈折率の材料が充填されてなり、波面を補償する波面補償部をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の光信号処理回路。
【請求項８】
前記反射構造は、半径ｒの円弧の形状をしており、
前記光導波路の第１結合端及び第２結合端は、その光軸が該反射構造上の同一の点Ｑを通り、かつ、該反射構造の円弧の中心Ｐと前記点Ｑを含む直線に対して対称の位置に配置されることを特徴とする請求項１又は２記載の光信号処理回路。
【請求項９】
前記反射構造は、半径ｒの円弧の形状をしており、
前記光導波路の第１結合端及び第２結合端は、その光軸が該反射構造上の同一の点Ｑを通り、かつ、該点Ｑを中心とする半径ｒの円弧上にあって該反射構造の円弧の中心Ｐと前記点Ｑを含む直線に対して対称の位置に配置されることを特徴とする請求項１記載の光信号処理回路。
【請求項１０】
前記基板上の光の伝播路に形成される周期的溝構造をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至９いずれかに記載の光信号処理回路。
【請求項１１】
前記周期的溝構造は、各溝が直線状であり、ある方向に平行に配置されていることを特徴とする請求項１０記載の光信号処理回路。
【請求項１２】
前記周期的溝構造は、各溝が直線状であり、複数の異なる方向に平行に配置されていることを特徴とする請求項１０記載の光信号処理回路。
【請求項１３】
前記周期的溝構造は、各溝が円弧状又は二次曲線状であることを特徴とする請求項１０記載の光信号処理回路。
【請求項１４】
前記光導波路の結合端は、前記溝の円弧又は二次曲線の中心に配置されることを特徴とする請求項１３記載の光信号処理回路。
【請求項１５】
前記光導波路の結合端は、前記円弧状又は二次曲線状の溝の光軸に対して対称な位置に配置されていることを特徴とする請求項１３記載の光信号処理回路。
【請求項１６】
前記周期的溝構造は、各溝の周期が順次一定の間隔ずつ変化することを特徴とする請求項１０乃至１５いずれかに記載の光信号処理回路。
【請求項１７】
前記周期的溝構造は、各溝の深さが順次一定の深さずつ変化することを特徴とする請求項１０乃至１６いずれかに記載の光信号処理回路。
【請求項１８】
前記周期的溝構造は、各溝の周期が、周期的に変化することを特徴とする請求項１０乃至１７いずれかに記載の光信号処理回路。
【請求項１９】
前記周期的溝構造は、各溝の凹部と凸部の幅の比が、１：１／ｎｃ（ｎｃは光導波路の有効屈折率）であることを特徴とする請求項１０乃至１８いずれかに記載の光信号処理回路。
【請求項２０】
前記周期的溝構造は、各溝の凹部を光導波路材料と異なる屈折率の材料で充填したことを特徴とする請求項１０乃至１９いずれかに記載の光信号処理回路。
【請求項２１】
前記周期的溝構造は、各溝の凹部を光導波路材料と異なる屈折率（ｎｘ）の材料で充填し、溝の凹部と凸部との幅の比が、１／ｎｘ：１／ｎｃであることを特徴とする請求項１０乃至２０いずれかに記載の光信号処理回路。
【請求項２２】
前記基板上の光の伝播路に形成される溝と、該溝内に挿入されているレンズとをさらに備えることを特徴とする請求項１、２、５又は６記載の光信号処理回路。
【請求項２３】
前記基板上の光の伝播路に形成される溝と、該溝内に互に離間させて挿入されている一対のレンズと、該レンズ間に配置されている光学素子とをさらに備えることを特徴とする請求項１、２、５又は６記載の光信号処理回路。
【請求項２４】
前記レンズは、分布屈折率型レンズであることを特徴とする請求項２２又は２３記載の光信号処理回路。
【請求項２５】
以下の手順を備えることを特徴とする請求項１乃至２４いずれかに記載の光信号処理回路の製造方法。
（ｉ）光導波路が形成される基板をステージ上に固定する。
（ｉｉ）基板上に設けられた複数のマーカをモニタ装置で観察し、基板がレーザビーム光軸に対して垂直になるようにあおり角調節を行う。
（ｉｉｉ）基板上に設けられた複数のマーカをモニタ装置で観察し、光導波路の位置をステージコントローラが認識する。
（ｉｖ）反射構造を設ける部位に沿ってレーザ光を集光し、ステージを移動して凹部を製造する。
（ｖ）凹部周囲に沿ってレーザ光を集光し、ステージを移動して凹部端面の平滑化を行う。
【請求項２６】
以下の手順を備えることを特徴とする請求項１乃至２４いずれかに記載の光信号処理回路の製造方法。
（ｉ）光導波路が形成される基板上にレジストを塗布する。
（ｉｉ）レジストに電子ビーム描画装置でパターンを描画する。
（ｉｉｉ）レジストの現像処理を行う。
（ｉｖ）前記パターンが形成された基板をステージ上に固定する。
（ｖ）基板上に設けられた複数のマーカをモニタ装置で観察し、基板がレーザビーム光軸に対して垂直になるようにあおり角調節を行う。
（ｖｉ）基板上に設けられた複数のマーカをモニタ装置で観察し、前記パターンの位置をステージコントローラが認識する。
（ｖｉｉ）レーザ光を集光し、ステージを移動してレーザ光のスポットで表面を掃引してエッチングする。
（ｖｉｉｉ）エッチング深さは、パルス照射回数によって制御する。
（ｉｘ）レジストを剥離する。
【請求項２７】
以下の手順を備えることを特徴とする請求項１乃至２４いずれかに記載の光信号処理回路の製造方法。
（ｉ）光導波路上に金属あるいは誘電体の薄膜Ａを形成する。
（ｉｉ）基板の薄膜Ａ上にレジストを塗布する。
（ｉｉｉ）レジストに電子ビーム描画装置でパターンを描画する。
（ｉｖ）レジストの現像処理を行う。
（ｖ）レジストをマスクとしてリアクティブイオンエッチング装置で薄膜Ａをエッチングし電子ビーム描画パターンを転写する。
（ｖｉ）レジストを剥離する。
（ｖｉｉ）基板をステージ上に固定する。
（ｖｉｉｉ）基板上に設けられた複数のマーカをモニタ装置で観察し、基板がレーザビーム光軸に対して垂直になるようにあおり角調節を行う。
（ｉｘ）基板上に設けられた複数のマーカをモニタ装置で観察し、前記パターンの位置をステージコントローラが認識する。
（ｘ）レーザ光を集光し、ステージを移動してレーザ光のスポットで表面を掃引してエッチングする。
（ｘｉ）エッチング深さは、パルス照射回数によって制御する。
【請求項２８】
前記集光装置内に空間フィルタを配置し、
集光ビームのビーム強度プロファイルを矩形としたことを特徴とする請求項２５乃至２７いずれかに記載の光信号処理回路の製造方法。
【請求項２９】
前記手順終了後に、金属ないし誘電体膜をエッチング凹部端面に蒸着し、凹部端面の反射率を高めて反射構造を形成することを特徴とする請求項２５乃至２７いずれかに記載の光信号処理回路の製造方法。
【請求項３０】
前記薄膜Ａの材質が、タンタル、モリブデン、タングステン、クロム、金、プラチナ、バナジウム、ニッケル、銀、銅、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化チタン、窒化ホウ素、窒化アルミニウムの何れかであることを特徴とする請求項２７記載の光信号処理回路の製造方法。
【請求項３１】
光導波路が保持される基板と、
前記基板上に形成される第１〜第Ｎ光導波路（Ｎは２以上の整数）と、
前記基板上に形成され前記第ｋ光導波路（ｋはＮ−１≧ｋ≧１の整数）の第１結合端と第ｋ＋１光導波路の第２結合端とを互いに結像関係にある位置に配置して結合するＮ−１個の反射構造と
を備えることを特徴とする光信号処理回路。
【請求項３２】
光導波路が保持される基板と、
前記基板上に形成される第１〜第Ｎ光導波路（Ｎは２以上の整数）と、
前記基板上に形成され前記第ｋ光導波路（ｋはＮ−１≧ｋ≧１の整数）と第ｋ＋１光導波路とを結合するＮ−１個の全反射構造と
を備えることを特徴とする光信号処理回路。
【請求項３３】
前記光導波路の一部又は全部が光非線形光学材料で構成されていることを特徴とする請求項３１又は３２記載の光信号処理回路。
【請求項３４】
前記光非線形光学材料は周期分極反転構造を持つことを特徴とする請求項３３記載の光信号処理回路。
【請求項３５】
光導波路が保持される基板と、
該基板上に形成され入射導波路からの光をスラブ導波路内においてコリメートする反射構造と、
該反射構造によりコリメートされた光の伝搬路に形成され、一方向の偏光を透過しそれと直行する方向の偏光を反射する周期的構造と
を備えることを特徴とする光信号処理回路。
【請求項３６】
コア層、下部クラッド層及び上部クラッド層を有する光導波路と、
該コア層、下部クラッド層又は上部クラッド層に埋め込まれ電子ビームで描画されたパターンを有するレジストと
を備えることを特徴とする光信号処理回路。
【請求項３７】
以下の手順を備えることを特徴とする請求項１乃至２４及び３１乃至３５いずれかに記載の光信号処理回路の製造方法。
（ｉ）光導波回路が形成される基板上にレジストを塗布する。
（ｉｉ）レジストに電子ビーム描画装置で、ある方向の長さがレーザ光の波長よりも長く、前記方向に直交する向きの長さがレーザ光の波長よりも短いパターンを描画する。
（ｉｉｉ）レジストの現像処理を行う。
（ｉｖ）前記パターンが形成された基板をステージ上に固定する。
（ｖ）基板上に設けられた複数のマーカをモニタ装置で観察し、基板がレーザビーム光軸に対して垂直になるようにあおり角調節を行う。
（ｖｉ）基板上に設けられた複数のマーカをモニタ装置で観察し、前記パターンの位置をステージコントローラが認識する。
（ｖｉｉ）レーザ光を集光し、ステージを移動してレーザ光のスポットで表面を掃引してエッチングする。
（ｖｉｉｉ）エッチング深さは、パルス照射回数によって制御する。
（ｉｘ）レジストを剥離する。
【請求項３８】
以下の手順を備えることを特徴とする請求項１乃至２４及び３１乃至３５いずれかに記載の光信号処理回路の製造方法。
（ｉ）光導波回路が形成される基板上に金属又は誘電体の薄膜を形成し、該薄膜の上にレジストを塗布する。
（ｉｉ）レジストに電子ビーム描画装置でパターンを描画する。
（ｉｉｉ）レジストの現像処理を行う。
（ｉｖ）レジストをマスクとしてエッチングし電子ビーム描画パターンを転写する。
（ｖ）レジストを剥離する。
（ｖｉ）イオンを加速して注入する。
（ｖｉｉ）薄膜を取り除く。
【請求項３９】
以下の手順を備えることを特徴とする請求項１乃至２４及び３１乃至３５いずれかに記載の光信号処理回路の製造方法。
（ｉ）金型上に凹凸を有する微細構造を作製する。
（ｉｉ）前記微細構造を有する金型上及び光導波路基板上にそれぞれ位置合わせ用マーカを形成する。
（ｉｉｉ）前記金型と光導波路基板の位置を合わせて圧力を加え、光導波路基板上に微細構造のレプリカを形成する。
（ｉｖ）該レプリカが下部クラッド層に形成された場合には、該下部クラッド層の上にコア層及び上部クラッド層を形成し、該レプリカがコア層に形成された場合には、該コア層の上に上部クラッド層を形成する。
【請求項４０】
前記光導波路の一部又は全部が光増幅材料で構成されていることを特徴とする請求項３１又は３２記載の光信号処理回路。
【請求項４１】
前記光増幅材料は、ランタノイド系希土類元素又はＣｒが添加されたＹＩＧ、ＧＧＧ、ＹＡＧ、サファイア、ＬｉＮｂＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＬｉＴａＯ３、石英、若しくは、ガラスであることを特徴とする請求項４０記載の光信号処理回路。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、光信号処理回路及びその製造方法に関わり、特に、光通信用の合分波器及び超高速光信号波形を制御する光信号処理装置に適用して有効な光信号処理回路及びその製造方法に関する。
背景技術
凹面，平面，又は凸面の反射構造を形成した光信号処理回路に関する従来技術の一つとして、特開２０００−０９８１５０号公報に記載されている光信号処理回路がある。
この従来技術では、アレイ導波路と入出力導波路との間を反射構造により結合することが提案されている。
しかしながら、この従来技術には、この反射構造の具体的な作製方法については開示がなく、また、反射構造と入出力導波路の配置等にもまだ問題が残っている。
図４２は、従来のスラブ導波路型レンズ機能回路の構成を示したものである。
このスラブ導波路型レンズ機能回路２００は、一本或いは多数本の導波路から成る導波路アレイ２０１ａ，２０１ｂ間をスラブ導波路２０２を介して接続する構成となっている。各々の導波路端２０１ａｅ，２０１ｂｅがスラブ導波路２０２の光軸ＰＱの両端Ｐ，Ｑを中心とする円弧上に配置されている。この構成では、スラブ導波路２０２の両端Ｐ，Ｑが互いに空間フーリエ変換の関係になり、導波路端２０１ａｅ，２０１ｂｅをレンズにおいて前焦点面と後焦点面の位置に配置したことと近似的に等価である。
しかしながら、この構成では、レンズやミラーを用いる光学系のように二つの導波路２０１ａ，２０１ｂ間を結像関係とすることが不可能であるし、導波路端２０１ａｅ，２０１ｂｅは円弧上に配置する必要があり、回路構成の自由度が低い。
また、光導波回路中に凹面、平面或いは凸面の反射構造又は周期的溝構造を形成し、反射光学系を構成した光信号処理回路の一般的構成法に関する公知の技術はない。
その特別な場合と見なせる技術としては、一次元光導波路があり、分布帰還型の半導体レーザや分布反射型の半導体レーザの反射構造、光ファイバ回折格子が知られている。
しかしながら、これらの公知の技術は一本の光導波路中に構成された反射、回折構造に関する技術であり、凹面、平面或いは凸面の反射構造又は周期的溝構造を持つ二次元平面導波路の回路設計に必要十分な技術ではない。
また、上記の構造の作製技術として従来から一般に利用されている反応性イオンエッチング（リアクティブイオンエッチング）法では、垂直にかつ十分深くかつ滑らかに溝を形成することが出来ないので、上記光信号処理回路の作製に適用できない。
別の溝形成技術として、特開平７−７２２９号公報に記載されているような収束イオンビームエッチング法の利用が考えられる。
しかしながら、この方法で形成された溝構造の垂直度や平滑度は比較的良好であるものの、収束イオンビームエッチング法はエッチング速度が遅く、数十ミクロンの溝構造の形成のために２〜３時間が必要である。また、収束イオンビームエッチング法ではイオンビームの直径は通常５−１０ミクロン程度であり、それ以上に微細な加工が困難である。そこで、何らかのマスクの併用も考えられるが、イオンビームに対するエッチング選択性が物質間で小さいため、深い溝形成には厚いレジスト膜が必要であり、結果として３ミクロン以下の微細パターンの加工は困難である。
図４３は、従来の周期分極反転構造５０２による疑似位相整合部を持つ光非線形素子の構成を示す。この従来素子では、波長変換や２次高調波発生等の効率が実用に供するには低く、高強度のレーザ光でなければ動作しない。効率は、一般に素子長の二乗に比例するので大型の基板を利用すれば良いが、大型基板の作製は甚だ困難であるし高コストである。また、大型の素子は実装上の困難から適用領域が狭められる。
従来のレーザによる加工は、高々波長程度の微細加工が限界であり、サブミクロン加工には適用できなかった。これは、光の回折限界から生じる物理的な限界である。電子ビーム描画によるマスクを利用することも提案されているが、波長以下の寸法の窓を透過すると光は指数関数的に減衰するため、深い加工を行うことは出来ない。
従来、導波路に集積化可能なＴＥ／ＴＭモード合分波回路の構成法は知られていない。
従来、電子ビーム露光／描画法によって何らかのパターンを形成し、ドライエッチング等で構造を作製し導波路内に回折格子を作製することが行われている。（例えば、化合物半導体を利用するＤＦＢレーザがある。）しかしながら、高精度なエッチングのために高価で大型の装置の利用が不可欠である。
従来、イオン注入技術を利用した屈折率制御を目的とした、イオン注入種と基板の組み合わせの検討は行われていないし、それを利用する光信号処理素子の報告もない。イオン注入は主として半導体の電気伝導度を制御するために利用され、光素子作製においては唯一Ｈ＋イオン注入による電流狭窄構造の研究報告があるだけである。
従来、微細加工のパターニングには長い時間が必要である。例えば、電子ビーム描画装置で１ｃｍ角の領域に０．０１ミクロンの精度で描画するには約１０時間必要である。このため、電子ビーム露光／描画を利用した素子は一般に高価で特殊なものとなる。
発明の開示
本発明は、上記問題点に鑑み、凹面、平面或いは凸面の反射構造の導入によって初めて可能となる新規の二次元光信号処理回路及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の光信号処理回路は、光導波路が保持される基板と、該基板上に形成される第１光導波路及び第２光導波路と、前記基板上に形成され前記第１光導波路の第１結合端と第２光導波路の第２結合端とを互いに結像関係にある位置に配置して結合する反射構造とを備えることを特徴とする。
また、本発明の光信号処理回路は、光導波路が保持される基板と、該基板上に形成される第１光導波路及び第２光導波路と、前記基板上に形成され前記第１光導波路の第１結合端と第２光導波路の第２結合端とを互いに像のフーリエ変換関係にある位置に配置して結合する反射構造とを備えることを特徴とする。
加えて、本発明の光信号処理回路にあっては、前記反射構造は、半径ｒの円弧の形状をしており、前記第１結合端及び第２結合端は、その光軸が該反射構造上の同一の点Ｑを通り、かつ、該反射構造の円弧の中心Ｐと前記点Ｑを含む直線に対して対称の位置であって線分ＰＱを前記点Ｑの方向にｒ／２延長した端点Ｔを中心とする半径ｒの円弧上に配置されることを特徴とする。
また、本発明の光信号処理回路は、光導波路が保持される基板と、該基板上に形成される３つ以上の光導波路と、前記基板上に形成され前記光導波路間を結合する複数の反射構造とを備えることを特徴とする。
加えて、本発明の光信号処理回路にあっては、前記反射構造は、半径ｒの円弧の形状をしており、前記光導波路の第１結合端及び第２結合端は、その光軸が該反射構造上の同一の点Ｑを通り、かつ、該反射構造の円弧の中心Ｐと前記点Ｑを含む直線に対して対称の位置に配置されることを特徴とする。
また、本発明の光信号処理回路にあっては、前記反射構造は、半径ｒの円弧の形状をしており、前記光導波路の第１結合端及び第２結合端は、その光軸が該反射構造上の同一の点Ｑを通り、かつ、該点Ｑを中心とする半径ｒの円弧上にあって該反射構造の円弧の中心Ｐと前記点Ｑを含む直線に対して対称の位置に配置されることを特徴とする。
また、本発明の光信号処理回路にあっては、前記反射構造と前記光導波路の光軸を含む面との交線が、放物線形状、楕円形状、又は双曲線形状であることを特徴とする。
また、本発明の光信号処理回路は、光導波路が保持される基板上に形成される周期的溝構造をさらに備えることを特徴とする。
加えて、本発明の光信号処理回路にあっては、前記周期的溝構造は、各溝が直線状であり、ある方向に平行に配置されていることを特徴とする。
また、本発明の光信号処理回路にあっては、前記周期的溝構造は、各溝が直線状であり、複数の異なる方向に平行に配置されていることを特徴とする。
また、本発明の光信号処理回路にあっては、前記周期的溝構造は、各溝が円弧状又は二次曲線状であることを特徴とする。
また、本発明の光信号処理回路にあっては、前記周期的溝構造は、各溝の周期が順次一定の間隔ずつ変化することを特徴とする。
また、本発明の光信号処理回路にあっては、前記周期的溝構造は、各溝の深さが順次一定の深さずつ変化することを特徴とする。
また、本発明の光信号処理回路にあっては、前記周期的溝構造は、各溝の周期が、周期的に変化することを特徴とする。
また、本発明の光信号処理回路にあっては、前記周期的溝構造は、各溝の凹部と凸部の幅の比が、１：１／ｎｃ（ｎｃは光導波路の有効屈折率）であることを特徴とする。
また、本発明の光信号処理回路にあっては、前記周期的溝構造は、各溝の凹部を光導波路材料と異なる屈折率の材料で充填したことを特徴とする。
また、本発明の光信号処理回路にあっては、前記周期的溝構造は、各溝の凹部を光導波路材料と異なる屈折率（ｎｘ）の材料で充填し、溝の凹部と凸部との幅の比が、１／ｎｘ：１／ｎｃであることを特徴とする。
一方、本発明の光信号処理回路の製造方法は、以下の手順（ｉ）〜（ｖ）を備えることを特徴とする。
（ｉ）光導波路が形成される基板をステージ上に固定する。
（ｉｉ）基板上に設けられた複数のマーカをモニタ装置で観察し、基板がレーザビーム光軸に対して垂直になるようにあおり角調節を行う。
（ｉｉｉ）基板上に設けられた複数のマーカをモニタ装置で観察し、光導波路の位置をステージコントローラが認識する。
（ｉｖ）反射構造を設ける部位に沿ってレーザ光を集光し、ステージを移動して凹部を製造する。
（ｖ）凹部周囲に沿ってレーザ光を集光し、ステージを移動して凹部端面の平滑化を行う。
また、本発明の光信号処理回路の製造方法は、以下の手順（ｉ）〜（ｉｘ）を備えることを特徴とする。
（ｉ）光導波路が形成される基板上にレジストを塗布する。
（ｉｉ）レジストに電子ビーム描画装置でパターンを描画する。
（ｉｉｉ）レジストの現像処理を行う。
（ｉｖ）前記パターンが形成された基板をステージ上に固定する。
（ｖ）基板上に設けられた複数のマーカをモニタ装置で観察し、基板がレーザビーム光軸に対して垂直になるようにあおり角調節を行う。
（ｖｉ）基板上に設けられた複数のマーカをモニタ装置で観察し、前記パターンの位置をステージコントローラが認識する。
（ｖｉｉ）レーザ光を集光し、ステージを移動してレーザ光のスポットで表面を掃引してエッチングする。
（ｖｉｉｉ）エッチング深さは、パルス照射回数によって制御する。
（ｉｘ）レジストを剥離する。
また、本発明の光信号処理回路の製造方法は、以下の手順（ｉ）〜（ｘｉ）を備えることを特徴とする。
（ｉ）光導波路上に金属あるいは誘電体の薄膜Ａを形成する。
（ｉｉ）基板の薄膜Ａ上にレジストを塗布する。
（ｉｉｉ）レジストに電子ビーム描画装置でパターンを描画する。
（ｉｖ）レジストの現像処理を行う。
（ｖ）レジストをマスクとしてリアクティブイオンエッチング装置で薄膜Ａをエッチングし電子ビーム描画パターンを転写する。
（ｖｉ）レジストを剥離する。
（ｖｉｉ）基板をステージ上に固定する。
（ｖｉｉｉ）基板上に設けられた複数のマーカをモニタ装置で観察し、基板がレーザビーム光軸に対して垂直になるようにあおり角調節を行う。
（ｉｘ）基板上に設けられた複数のマーカをモニタ装置で観察し、前記パターンの位置をステージコントローラが認識する。
（ｘ）レーザ光を集光し、ステージを移動してレーザ光のスポットで表面を掃引してエッチングする。
（ｘｉ）エッチング深さは、パルス照射回数によって制御する。
本発明の光信号処理回路は、光導波路が保持される基板と、前記基板上に形成される第１〜第Ｎ光導波路（Ｎは２以上の整数）と、前記基板上に形成され前記第ｋ光導波路（ｋはＮ−１≧ｋ≧１の整数）の第１結合端と第ｋ＋１光導波路の第２結合端とを互いに結像関係にある位置に配置して結合するＮ−１個の反射構造とを備えることを特徴とする。
また、本発明の光信号処理回路は、光導波路が保持される基板と、前記基板上に形成される第１〜第Ｎ光導波路（Ｎは２以上の整数）と、前記基板上に形成され前記第ｋ光導波路（ｋはＮ−１≧ｋ≧１の整数）と第ｋ＋１光導波路とを結合するＮ−１個の全反射構造とを備えることを特徴とする。
また、本発明の光信号処理回路にあっては、前記光導波路の一部又は全部が光非線形光学材料で構成されていることを特徴とする。
また、本発明の光信号処理回路にあっては、前記光非線形光学材料は周期分極反転構造を持つことを特徴とする。
また、本発明の光信号処理回路は、光導波路が保持される基板と、該基板上に形成され入射導波路からの光をスラブ導波路内においてコリメートする反射構造と、該反射構造によりコリメートされた光の伝搬路に形成され、一方向の偏光を透過しそれと直行する方向の偏光を反射する周期的構造とを備えることを特徴とする。
また、本発明の光信号処理回路は、コア層、下部クラッド層及び上部クラッド層を有する光導波路と、該コア層、下部クラッド層又は上部クラッド層に埋め込まれ電子ビームで描画されたパターンを有するレジストとを備えることを特徴とする。
また、本発明の光信号処理回路の製造方法は、以下の手順を備えることを特徴とする。
（ｉ）光導波回路が形成される基板上にレジストを塗布する。
（ｉｉ）レジストに電子ビーム描画装置で、ある方向の長さがレーザ光の波長よりも長く、前記方向に直交する向きの長さがレーザ光の波長よりも短いパターンを描画する。
（ｉｉｉ）レジストの現像処理を行う。
（ｉｖ）前記パターンが形成された基板をステージ上に固定する。
（ｖ）基板上に設けられた複数のマーカをモニタ装置で観察し、基板がレーザビーム光軸に対して垂直になるようにあおり角調節を行う。
（ｖｉ）基板上に設けられた複数のマーカをモニタ装置で観察し、前記パターンの位置をステージコントローラが認識する。
（ｖｉｉ）レーザ光を集光し、ステージを移動してレーザ光のスポットで表面を掃引してエッチングする。
（ｖｉｉｉ）エッチング深さは、パルス照射回数によって制御する。
（ｉｘ）レジストを剥離する。
また、本発明の光信号処理回路の製造方法は、以下の手順を備えることを特徴とする。
（ｉ）光導波回路が形成される基板上に金属又は誘電体の薄膜を形成し、該薄膜の上にレジストを塗布する。
（ｉｉ）レジストに電子ビーム描画装置でパターンを描画する。
（ｉｉｉ）レジストの現像処理を行う。
（ｉｖ）レジストをマスクとしてエッチングし電子ビーム描画パターンを転写する。
（ｖ）レジストを剥離する。
（ｖｉ）イオンを加速して注入する。
（ｖｉｉ）薄膜を取り除く。
また、本発明の光信号処理回路の製造方法は、以下の手順を備えることを特徴とする。
（ｉ）金型上に凹凸を有する微細構造を作製する。
（ｉｉ）前記微細構造を有する金型上及び光導波路基板上にそれぞれ位置合わせ用マーカを形成する。
（ｉｉｉ）前記金型と光導波路基板の位置を合わせて圧力を加え、光導波路基板上に微細構造のレプリカを形成する。
（ｉｖ）該レプリカが下部クラッド層に形成された場合には、該下部クラッド層の上にコア層及び上部クラッド層を形成し、該レプリカがコア層に形成された場合には、該コア層の上に上部クラッド層を形成する。
また、本発明の光信号処理回路にあっては、前記光導波路の一部又は全部が光増幅材料で構成されていることを特徴とする。
また、本発明の光信号処理回路にあっては、前記光増幅材料は、ランタノイド系希土類元素又はＣｒが添加されたＹＩＧ、ＧＧＧ、ＹＡＧ、サファイア、ＬｉＮｂＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＬｉＴａＯ３、石英、若しくは、ガラスであることを特徴とする。これにより、光増幅の効率を高めることができる。
本明細書は本願の優先権の基礎である特願２０００−４０３１６７の明細書及び／又は図面に記載される内容を包含する。
発明を実施するための最良の形態
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。
なお、その説明に当たっては、同一の構成部分又は構成要素については同一符号を付け、その説明を省略するものとする。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る、反射構造を利用した二つの光導波回路１２ａ，１２ｂの結合により構成される光信号処理回路の構成を示す。
ここで、光導波回路基板５０には、光導波回路１２ａ，１２ｂが設けられ、光導波回路１２ａ，１２ｂには、出力導波路１３，入力導波路１４の一端側がそれぞれ接続され、出力導波路１３，入力導波路１４の他端側は、結合回路１５に接続されている。
Ｉは結合回路１５と出力導波路１３との入力結合端（すなわち、出力導波路１３の出力結合端）、Ｕは結合回路１５と入力導波路１４との出力結合端（すなわち、入力導波路１４の入力結合端）を示す。
結合回路１５は、その軸ＰＱに対し、軸端Ｐ，Ｑを含むそれぞれ端面Ｅｐ，Ｅｑが，所定の曲面形状となったスラブ導波路１５によって構成されている。
本実施の形態の場合、この結合回路１５は、一方の軸端Ｐを含む端面Ｅｐが、他方の軸端Ｑを曲率中心とする曲率ｒの曲面となっており、他方の軸端Ｑを含む端面Ｅｑが、一方の軸端Ｐを曲率中心とする曲率ｒの曲面となっている。
そして、他方の端面Ｅｑは、軸端Ｐを曲率中心とする曲率ｒの反射構造１６を構成する。
その上で、軸ＰＱを中心線にして線対称の位置になるようにして、結合回路１５の入力結合端（すなわち、出力導波路１３の出力結合端）Ｉと、結合回路１５の出力結合端（すなわち、入力導波路１４の入力結合端）Ｕとが配置されている。
これより、結合回路１５の入力結合端Ｉ及び出力結合端Ｕは、入力結合端Ｉ及び出力結合端Ｕの光軸が、曲率ｒの反射構造１６上の軸端Ｑをいずれも通ることになる。
これにより、結合回路１５の入力結合端（すなわち、出力導波路１３の出力結合端）Ｉ及び出力結合端（すなわち、入力導波路１４の入力結合端）Ｕの光軸が、反射構造１６上の同一点Ｑを通り、かつ、それぞれの光軸の長さＩＱ及び長さＱＵは、同じ長さに保たれる。
そして、これらの円弧ＩＰＵを含む曲面及び反射構造１６の円弧を含む曲面で囲まれる部分が、スラブ導波路１５となっている。
この配置では、入力結合端Ｉと出力結合端Ｕとが互いに等倍の結像関係になり、出力導波路１３と入力導波路１４とは高い結合効率で結合される。
図２は、反射構造１６を形成するためのレーザアブレーション装置３０の構成を示す。
ここで、チタンサファイアレーザ等から構成されたフェムト秒光源３１は、本実施の形態の場合、例えば、通常５０ｆｓ（フェムト秒）程度のパルス幅で、繰り返し周波数１ｋＨｚのパルス光ビームを生成出力する構成となっており、２ｍＪのパルスエネルギーが得られるようになっている。
フェムト秒光源３１により生成されたパルス光ビームは、レーザ光伝送装置３２に供給され、パルス光ビームを空間的に伝送し小さいスポットに集光可能なように、レーザ光伝送装置３２によってそのビーム径が広げられるようになっている。
レーザ光伝送装置３２によってビーム径が広げられたパルスは、アブレーション装置本体３３に設けられている空間フィルタ３４を介して、ダイクロイックミラー３５に対して出力されるようになっている。この空間フィルタ３４は、後述する集光レンズの後ろ側の焦点位置に配置される。このとき、集光されたパルス光ビームの断面振幅プロファイルは空間フィルタ３４上における断面振幅プロファイルのフーリエ変換で近似されるため、空間フィルタ３４でパルス光ビームに適当な断面振幅プロファイルを与えることにより、集光されたパルス光ビームの断面振幅プロファイルを制御することが出来る。例えば、ミラーを形成する場合には光軸に直交する直線上でｓｉｎｃ関数で表される振幅プロファイルが得られるように空間フィルタ３４を設計すると良い。
ダイクロイックミラー３５は、パルス光ビームの波長の光に対してはミラーとして働き、照明光源の波長では透過する特性を持つように構成されており、空間フィルタ３４を介して断面振幅プロファイルを制御されたパルス光ビームを集光レンズ３６に案内する。
また、ダイクロイックミラー３５には、落射照明光源３７からの照明光がハーフミラー３８を介して供給され、ダイクロイックミラー３５は、パルス光ビームとともに照明光も集光レンズ３６に案内するようになっている。
そして、集光レンズ３６は、その前側の焦点位置にアブレーション装置本体３３に対して微小移動可能に配置され微動ステージ３９に載置固定された光導波回路基板５０上に、パルス光ビーム及び照明光を集光照射するようになっている。
この光導波回路基板５０へのパルス光ビームの照射位置は、ハーフミラー３８の落射照明光源３７が設けられた側と反対側の鏡面側に対向配置された撮像カメラ４０からの、光導波回路基板５０上の位置合わせパターンやエッチングする領域等の画像出力に基づき、コントローラ４１が光導波回路基板５０が載置固定された微動ステージ３９を微小移動制御して、調整可能になっている。
そのために、コントローラ４１には、撮像カメラ４０及び微動ステージ３９のアクチュエータが接続されているとともに、さらにフェムト秒光源３１が接続されている。そして、コントローラ４１は、微動ステージ３９の微小移動制御とともに、フェムト秒光源３１が生成するパルス光ビームの周期、エネルギー、パルス数も併せて制御し、光導波回路基板５０上への光信号処理回路１０の作製を総合的に制御する。
このように構成されたレーザアブレーション装置３０によって、光信号処理回路１０の反射構造１６の形成は、以下の手順で行われる。なお、その説明にあたっては、導波回路１３（又は１４）は既に前工程で光導波回路基板５０上に作製が済んでいるものとして説明する。
図３は、光導波回路基板５０上への反射構造１６の形成手順を説明するための光導波回路基板５０の断面図を示す．
図３（イ）は、導波回路１３（又は１４）が形成された光導波回路基板５０の断面図を示す。
導波回路１３（又は１４）は、基板５０上に、下部クラッド層５１、コア層５２、及び上部クラッド層５３を、順次積層して形成されている。
まず、反射構造１６の形成に際して、この導波回路１３（又は１４）上に、金属又は誘電体の薄膜５４を形成する。
この後、光導波回路基板５０の上にレジスト５５を塗布し、金属又は誘電体の薄膜５４をレジスト５５でプロセス用に被覆する（図３−（ロ））。
そして、レジスト５５に、図示せぬ電子ビーム描画装置で、パターンを描画する。
レジスト５５の現像処理を、ＥＢ露光によって行い、エッチング面のレジスト５５を除去し、パターンニングを行う（図３−（ハ））。
レジスト５５をマスクとして、図示せぬリアクティブイオンエッチング装置でレジスト５５を除去し露出した部分をエッチングし、電子ビーム描画装置による電子ビーム描画パターンを、薄膜５４上に転写する（図３−（ニ））。
その後、レジスト５５を光導波回路基板５０から剥離する（図３−（ホ））。
その上で、この電子ビーム描画パターンが薄膜５４上に転写され、レジスト５５が剥離された光導波回路基板５０を、レーザアブレーション装置３０の微動ステージ３９上に固定する。
光導波回路基板５０上に設けられた複数のマーカの画像を撮像カメラ４０による図示せぬモニタ装置で観察し、光導波回路基板５０がパルス光ビーム光軸に対して垂直になるように、あおり角調節を行う。
光導波回路基板５０上に設けられた複数のマーカをモニタ装置で同様に観察し、前記パターンの位置をステージコントローラ（コントローラ）４１が認識する。
そして、コントローラ４１による制御に基づき、レーザアブレーション装置３０はフェムト秒光源３１で生成されたパルス光ビームを集光レンズ３６によって集光し、微動ステージ３９を移動してパルス光ビームのスポットで光導波回路基板５０の表面を掃引して、前述の工程でレジスト５５が剥離された部分の上部クラッド層５３、コア層５２、及び下部クラッド層５１をエッチングする。なお、このエッチング深さは、パルス光ビームの照射回数によって制御する。（図３−（ヘ））。
パターンニングに基づく、下部クラッド層５１、コア層５２、及び上部クラッド層５３のエッチングが完了した後は、光導波回路基板５０を微動ステージ３９から取り外し、残っている薄膜５４部分を取り除く（図３−（ト））。
そして、金属又は誘電体膜５６を、エッチング凹部５７の端面５７ｅ、すなわちエッチングによって形成された下部クラッド層５１、コア層５２、及び上部クラッド層５３の端面５７ｅに蒸着する。この光導波回路基板５０上で部分的に金属又は誘電体膜５６を形成するためにはリフトオフ法を利用すればよい（図３−（チ））。
上記の手順において、特に重要であるのは薄膜５４の材料の選定である。薄膜５４は、エッチング深さに対して十分に薄い膜で、パルス光ビームの照射に耐えなければならない。そのため、薄膜５４の材料としては、石英系導波路に対しては、特にタンタル、モリブデン、タングステン、クロム、金、プラチナ、バナジウム、ニッケル、銀、銅といった金属材料が適し、また、ポリマー系導波路に対しては、これらの金属以外に、酸化シリコンＳｉＯ２、窒化シリコンＳｉＮ、酸化チタンＴｉＯ２、窒化ホウ素ＢＮ、窒化アルミニウムＡｌＮといったといった誘電体材料でも良い。
なお、ポリマー系導波路の場合は薄膜５４を利用せず、レジスト５５をマスクとしてエッチングしても良い。
さらに、レーザアブレーション装置３０のビームプロファイルが矩形に近い場合、上述したようにマスクを利用せずに、直接溝構造を形成することが可能である。その場合の手順を以下に示す。
まず、導波回路１３（又は１４）が形成された光導波回路基板５０を微動ステージ３９上に固定する。
そして、光導波回路基板５０上に設けられた複数のマーカをモニタ装置で観察し、光導波回路基板５０がパルス光ビーム光軸に対して垂直になるように、あおり角調節を行う。
併せて、光導波回路基板５０上に設けられた複数のマーカをモニタ装置で同様に観察し、導波回路１３（又は１４）の位置をステージコントローラ（コントローラ）４１に認識させる。
そして、コントローラ４１による制御に基づき、レーザアブレーション装置３０はフェムト秒光源３１で生成されたパルス光ビームを、反射構造１６を設ける部位に沿って集光レンズ３６を介して集光し、微動ステージ３９を移動して凹部５７を作製する。
その後、今度は凹部５７の周囲に沿ってパルス光ビームを集光し、微動ステージ３９を移動して凹部５７の端面５７ｅの平滑化を行う。
図４は、第１の実施の形態に係る光信号処理回路の具体的応用例の一つである１：２光カップラ６０の構成を示す。
ここで、反射構造１６は境界点Ｑ０を境に、それぞれ中心点Ｐが異なる二つ反射構造１６−１，１６−２に分割されている。第１の反射構造１６−１は、点Ｐ１を中心とする曲率半径ｒの円弧Ｑ０Ｑ１を含む球面で構成され、第２の反射構造１６−２は、点Ｐ２を中心とする同一大きさの曲率半径ｒの円弧Ｑ０Ｑ２を含む球面で構成されている。
そして、それぞれ中心点Ｐ１，Ｐ２は、第１，２の反射構造１６−１，２の境界点Ｑ０を中心とする同一大きさの半径ｒの円周上にあり、結合回路１５の入力結合端（すなわち、出力導波路１３の出力結合端）Ｉ及び出力結合端（すなわち、入力導波路１４の入力結合端）Ｕは、それぞれ図１に示した反射構造１６の場合と同様な位置関係を満たしている。
すなわち、結合回路１５の入力結合端（すなわち、出力導波路１３の出力結合端）Ｉの光軸が、反射構造１６の境界点Ｑ０を通るように、境界点Ｑ０を中心とし点Ｐ１，Ｐ２を通る半径ｒの円周上に配置される。
その上で、結合回路１５の第１の出力結合端（すなわち、入力導波路１４の第１の入力結合端）Ｕ１は、反射構造１６の境界点Ｑ０と第１の反射構造１６−１の円弧の中心Ｐ１とを含む直線、すなわち軸Ｐ１Ｑ０を中心にして、結合回路１５の入力結合端（すなわち、出力導波路１３の出力結合端）Ｉと線対称な、境界点Ｑ０を中心とし点Ｐ１，Ｐ２を通る半径ｒの円周上に配置される。
これに対し、結合回路１５の第２の出力結合端（すなわち、入力導波路１４の第２の入力結合端）Ｕ２は、反射構造１６の境界点Ｑ０と第２の反射構造１６−２の円弧の中心Ｐ２とを含む直線、すなわち軸Ｐ２Ｑ０を中心にして、結合回路１５の入力結合端（すなわち、出力導波路１３の出力結合端）Ｉと線対称な、境界点Ｑ０を中心とし点Ｐ１，Ｐ２を通る半径ｒの円周上に配置される。
そして、これらの円弧からなる曲面で囲まれる部分はスラブ導波路１５になっている。
この結果、結合回路１５の入力結合端Ｉと第１の出力結合端Ｕ１、及び結合回路１５の入力結合端Ｉと第２の出力結合端Ｕ２とは、円弧Ｑ０Ｑ１からなる第１の反射構造１６−１、及び円弧Ｑ０Ｑ２からなる第２の反射構造１６−２を介して結像関係にあるので、入力結合端Ｉからの出射光の１／２が第１の出力結合端Ｕ１と第２の出力結合端Ｕ２とに分配され、本実施の形態に係る光信号処理回路は、入力光を１：１の比率で二分岐する１：２光カップラ６０として機能する。
なお、本実施の形態に係る１：２光カップラ６０では、円弧Ｑ０Ｑ１からなる第１の反射構造１６−１の中心点をＰ１とし、円弧Ｑ０Ｑ２からなる第２の反射構造１６−２の中心点をＰ２として形成したが、中心点をＰ２として円弧Ｑ０Ｑ１からなる第１の反射構造１６−１を形成し、中心点をＰ１として円弧Ｑ０Ｑ２からなる第２の反射構造１６−２を形成するようにしても、１：２光カップラ６０と同様機能の１：２光カップラが構成できる。
また、本実施の形態に係る１：２光カップラ６０において、反射構造１６の分割位置を調整すれば任意の比率で光を分配する１：２光カップラ６０が作製できることは言うまでもない。
図５は、図１に示した反射構造を利用した二つの光導波回路１２ａ，１２ｂの結合により構成される光信号処理回路の構成の変形例を示す。
図１に示した光信号処理回路においては、反射構造１６と導波路１３，１４を含む面との交線が円弧である場合を説明したが、図５に示した光信号処理回路においては、反射構造１６と導波路１３，１４含む面との交線が、結合回路１５の入力結合端Ｉ及び出力結合端Ｕを焦点とする楕円の弧形状となっている。
この場合、結合回路１５の入力結合端Ｉ及び出力結合端Ｕの光軸が交わる点をＱとし、楕円の中心をＳとし、その短径ｂを直線ＱＳで表すと、入力結合端Ｉと中心点Ｓとの距離ＩＳと、出力結合端Ｕと中心点Ｓとの距離ＵＳとは同じ長さｃであって、さらに楕円の長径をａとすると、長さｃはさらに次式で示す関係を満足するようになっている。
2002054120.tif 000003
そして、反射構造１６は、このような関係を有する楕円の弧形状の曲面となっている。
なお、反射構造１６の曲面は、このような楕円の弧形状や、前述した円弧に限ることなく、例えば放物線や双曲線により表される曲面のような、他の二次曲線で表される二次曲面光学反射系であってもよい。
さらに、図１及び図５により示した反射構造１６が円弧又楕円の弧形状を含む二次曲線で表される二次曲面光学反射系では、等倍の結像光学系の構成を例に説明したが、任意の倍率の結像光学系も構成することができる。
この場合、図１及び図５において、結合回路１５の入力結合端Ｉ及び出力結合端Ｕの光軸が反射構造１６上の同一点Ｑを通り、かつ、入力結合端Ｉと点Ｑとの間との距離ＩＱと、点Ｑと出力結合端Ｕとの間との距離ＱＵとの関係において、次式が成り立てばよい。
2002054120.tif 000004
図６は、反射構造１６を利用した二つの光導波回路１２ａ，１２ｂの結合により構成される光信号処理回路の第２の実施の形態を示す。
反射構造１６は、点Ｐを中心とする曲率半径ｒの円弧からなる球面で構成されている。点Ｑは、反射構造１６の円弧上の点を示す。
ここで、点Ｔは、線分ＰＱを点Ｑの方向にｒ／２の距離だけ延長した端点であり、結合回路１５の入力結合端Ｉ及び出力結合端Ｕのそれぞれ中心は、この端点Ｔを中心とする半径ｒの円周上に配置されるとともに、加えて、結合回路１５の入力結合端Ｉ（すなわち、出力導波路１３の出力結合端）及び結合回路１５の出力結合端Ｕ（すなわち、入力導波路１４の入力結合端）の光軸は、いずれも点Ｑを通るように配置されている。
これらの点Ｑ及び端点Ｔをそれぞれ中心とする半径ｒの円弧からなる曲面で囲まれる部分は、スラブ導波路１５になっており、光の伝搬する部分となっている。
このとき、スラブ導波路（結合回路）１５の入力結合端Ｉと出力結合端Ｕとの位置関係は、互いに空間フーリエ変換の関係になる。
図７は、図６に示した反射構造を利用した二つの光導波回路１２ａ，１２ｂの結合により構成される光信号処理回路の構成の変形例を示す。
図６に示した光信号処理回路においては、反射構造１６と導波路１３，１４を含む面（すなわち、結合回路１５の入力結合端Ｉ及び出力結合端Ｕの光軸を含む面）との交線が円弧である場合を説明したが、図７に示した光信号処理回路においては、反射構造１６と導波路１３，１４を含む面との交線が、他の二次曲線、例えば放物線によって表されるようになっている。
すなわち、図７においては、反射構造１６は、結合回路１５の入力結合端Ｉを焦点とする放物線形状になっており、さらに入力結合端Ｉの光軸が反射構造１６と交わる放物線の頂点Ｑは、反射構造１６が除去されて反射戻り光を低減させた切欠部６５となっている。
図８は、図６で説明した第２の実施の形態の光信号処理回路の具体的応用例としてのＮ：Ｎスター型光カップラ７０の構成を示す。
この構成では、出力導波路１３，入力導波路１４は、各々Ｎ本の導波路アレイである。
出力導波路１３の一つの導波路から出射された光は、反射構造１６によって平行光に変換され、入力導波路１４の各々の導波路に分配される。
この場合、全ての導波路に光が分配されなければならないので、反射構造１６の曲率ｒと出力導波路１３及び入力導波路１４の幅Ｄとは、次式で示す一定の関係となっている。
2002054120.tif 000005
ここで、ωｃは出力導波路１３及び入力導波路１４の導波路中を伝搬する光のモード半径、λは波長、ｎｃはスラブ導波路１５の有効屈折率、ｒは曲率半径である。
スラブ導波路１５の入力結合端Ｉと出力結合端Ｕとは互いにフーリエ変換の関係にあるため、導波路間の結合効率の較差を減らすかあるいは結合効率を高めるため、出力導波路１３及び入力導波路１４の出射端近傍でのモードプロファイルが制御される。例えば、結合効率を高める場合には導波路端をテーパ状に広げるのがよい。
図４２に示した従来の構成では、スラブ導波路２０２に対して入出力導波路２０１ａ，２０１ｂが放射状に接続されるため、光軸に垂直な，ある直線上の点において等時性は満たされない。
これに対して，図８の直線Ｘ上をある時刻に導波した光は、別のある時刻に直線Ｙ上を同時に横切り等時性が成立する。等時性は幾つかの光信号処理においては、光パルス位置、すなわちパルスの立上り及び立下りのタイミングを揃えておくために重要な特性である。
また、本具体的応用例では、曲率半径ｒを比較的大きく取ることができ、出力導波路１３及び入力導波路１４それぞれの結合導波路が直線状に平行に配置されるため、光信号処理回路の設計や製作が容易となる。
図９は、反射構造１６を利用した二つの光導波回路１２ａ，１２ｂの結合により構成される光信号処理回路の第３の実施の形態を示す。
本構成では、図６に示した光信号処理回路の構成と同様に、第１の結合回路１５ａの入力結合端（すなわち、出力導波路１３の出力結合端）Ｉ１と光導波回路１２ｃの入力結合端（すなわち、第１の結合回路１５ａの出力結合端）Ｕ１、光導波回路１２ｃの出力結合端（すなわち、第２の結合回路１５ａの入力結合端）Ｉ２と第２の結合回路１５ａの出力結合端（すなわち、入力導波路１４の入力結合端）Ｕ２とが、それぞれ空間フーリエ変換の位置関係にある。
これにより、出力導波路１３からの出射光は、第１の結合回路１５ａの第１の反射構造１６ａによって光ビーム径が広げられた平行光となって、光導波回路１２ｃへ入射される。その際、スラブ導波路１５（すなわち、第１，２の結合回路１５ａ，ｂ及び光導波回路１２ｃを含む導波路）中では幅広い光ビームとなっているので、光導波回路１２ｃでなく、光導波回路１２ｃの位置に波長板、位相子、ファラデー素子、偏光板等の数十ミクロン以上の大きさの光学部品を配置しても大きな損失は生じないので、それらを配置することも可能である。
そして、光導波回路１２ｃからの出射光、すなわちスラブ導波路１５（すなわち、第１，２の結合回路１５ａ，ｂ及び光導波回路１２ｃを含む導波路）中での幅広い光ビームは、第２の結合回路１５ｂの第２の反射構造１６ｂによって集光され、入力導波路１４に入力されるようになっている。
図１０，図１１は、図９で説明した第３の実施の形態の光信号処理回路の具体的応用例の一つである光波長合分波器８０の構成を示す。
ここで、図１０及び図１１の光波長合分波器８０では、光導波回路１２ｃとして周期的溝構造８１が配置されている。周期的溝構造８１が平行光の光軸に平行な場合を示したものが図１０であり、平行光の光軸に対して傾けてある場合を示したものが図１１である。
図１２乃至図１４は、この周期的溝構造８１の具体的な構成例を示したものである。
図１２に示した周期的溝構造８１ａでは、光導波回路基板５０上に、溝幅（凹部幅）がｄ、溝間隔（凸部幅）がｄ／ｎｃで、溝８２が並設されて構成されている。なお、ｎｃは導波路の有効屈折率である。
これに対し、図１３に示した周期的溝構造８１ｂでは、平行な２種類の溝８３，８４が所定角度をもってそれぞれ複数ずつ交差した格子８５となっている。
本具体例では、溝８３は、光導波回路基板５０上に、溝幅（凹部幅）がｄ、溝間隔（凸部幅）がｄ／ｎｃで形成され、溝８４は、光導波回路基板５０上に、溝幅（凹部幅）がｄ´、溝間隔（凸部幅）がｄ´／ｎｃで形成されており、両溝８３，８４間で、溝幅（凹部幅）及び溝間隔（凸部幅）を異ならせて形成されている。
また、図１４に示した周期的溝構造８１ｃでは、溝８２又は格子８５の溝幅（凹部幅）ｄや溝間隔（凸部幅）がｄ／ｎｃが一定でなく、順に溝幅（凹部幅）ｄや溝間隔（凸部幅）ｄ／ｎｃが変化するように構成されている。
これら光導波回路基板５０上への周期的溝構造８１の作製手順は、前述した反射構造１６のための光導波回路基板５０上における溝作製方法と同様である。
これら周期的溝構造８１の格子で回折特性は一般に強い波長−角度依存性を示し、特定の波長の光をある角度に回折する。
特に、周期的溝構造８１ｂでは基本となる格子が二種類あるので、それぞれの格子に対応する回折が重なって現れるため、複雑な波長−角度依存性を実現できる。
また、周期的溝構造８１ｃでは緩慢な波長−角度依存性を実現できる。
そして、図１０及び図１１で説明した光波長合分波器８０では、反射構造１６が角度の変化を集光位置の変化に変換するため波長に依存して入力導波路１４の異なる導波路に光が結合する。すなわち、図１０及び図１１の構成の光信号処理回路は、光波長合分波回路として機能する。
また、周期的溝構造８１部分の保護あるいは特性を制御するために、溝８２部分（凹部）にポリマー材料や誘電体材料を充填する場合もある。
図１５は、溝部８２部分にポリマー材料や誘電体材料からなる充填材８６を充填した周期的溝構造８１ｄを示す。
この周期的溝構造８１ｄでは、屈折率変化が少ないため非常に鋭い波長−角度依存性を実現できる。この様な周期的溝構造８１の作製手順は反射構造１６の作製手順とほぼ同様であるが、以下にその手順を設明する。
図１６は、光導波回路基板５０上への周期的溝構造８１ｄの形成手順を説明するための光導波回路基板５０の断面図を示す。
基板５０上には導波回路１３（又は１４）が形成され、導波回路１３（又は１４）は、下部クラッド層５１、コア層５２、及び上部クラッド層５３を、順次積層して形成されている（図１６−（イ））。
まず、反射構造１６の形成に際して、この導波回路１３（又は１４）上に、金属又は誘電体の薄膜５４を形成する。
この後、光導波回路基板５０の上にレジスト５５を塗布し、金属又は誘電体の薄膜５４をレジスト５５でプロセス用に被覆する（図１６−（ロ））。
そして、レジスト５５に電子ビーム描画装置でパターンを描画し、レジスト５５の現像処理を行う（図１６−（ハ））。
レジスト５５をマスクとして、リアクティブイオンエッチング装置で薄膜５４をエッチングし、電子ビーム描画パターンを転写する（図１６−（ニ））。
その後、残りのレジスト５５を剥離する（図１６−（ホ））。
その上で、光導波回路基板５０をレーザアブレーション装置３０の微動ステージ３９上に固定する。
光導波回路基板５０上に設けられた複数のマーカをモニタ装置で観察し、光導波回路基板５０がパルス光ビーム光軸に対して垂直になるように、微動ステージ３９のあおり角調節を行う。
同じく光導波回路基板５０上に設けられた複数のマーカをモニタ装置で観察し、前記パターンの位置をステージコントローラ（コントローラ）４１が認識する。
この後、パルス光ビームを集光レンズ３６で集光し、微動ステージ３９を移動してパルス光ビームのスポットで表面を掃引してエッチングする（図１６−（ヘ））。
この際、エッチング深さは、パルス照射回数によって制御する。
エッチングが終了したら、光導波回路基板５０を微動ステージ３９から取り外し、薄膜５４を取り除く（図１６−（ト））。
この後、周期的溝構造８１を構成する溝部８２部分に、ポリマー材料や誘電体材料からなる充填材８６を充填する。これは、蒸着やスピンコーティングによって行われる（図１６−（チ））。
図１７は、反射構造１６を利用した二つの光導波回路１２ａ，１２ｂの結合により構成される光信号処理回路の第４の実施の形態を示す。
本実施の形態の光信号処理回路は、図４における反射構造１６−１，２を、円弧状又は二次曲線状の周期的溝構造９１に置き換えて、光波長合分波器９０を構成したものである。
ここで、周期的屈折率変化はその周期に対応するＢｒａｇｇ波長近傍の波長の光を選択的に反射することが知られている。すなわち、円弧状又は二次曲線状の周期的溝構造を波長選択反射構造と見なすことが可能であり、図４において示された位置関係を利用して光波長合分波器９０を構成することが可能である。
図１７において、光導波回路基板５０上には、円弧状周期的溝構造９１ａ，９１ｂ及び９１ｃと、さらにその外周部分には反射構造１６とが、それぞれ間隔を有して同心に形成されている。
出力導波路１３からの出射光の波長λ１成分は、円弧状周期的溝構造９１ａによって反射され、入力導波路１４ａに結合される。同様にして波長λ２成分は円弧状周期的溝構造９１ｂによって反射され、入力導波路１４ｂに結合され、波長λ３成分は円弧状周期的溝構造９１ｃによって反射され、入力導波路１４ｃに結合される。
そして、残りの波長成分は反射構造１６によって反射され、入力導波路１４ｄに結合される。
図１８は、光導波回路基板５０上に形成された円弧状周期的溝構造９１の詳細を示したものである。
図１８は、図１５に示した周期的溝構造８１ｄのように準じた構成となっているが、図１２に示した周期的溝構造８１ａの形状でも良いことは言うまでもない。
本実施の形態においては、狭帯域にするために、光導波回路基板５０に形成したコア層５２の途中までエッチングした溝構造を利用している。反射構造１６と異なり円弧状周期的溝構造９１の反射点は波長と、円弧状周期的溝構造９１の溝部（凹部）９２の端面９４と溝間部（凸部）９５との屈折率差に応じて変化する。そのため、合分波する中心波長に合わせて周期を決定する必要がある。一般には、反射すべき波長に対して周期ｐは導波路内における光の波長の１／２の長さに設定される。
2002054120.tif 000006
（５）’式におけるｎｙはコア層５２の途中までエッチングされている部分の実効屈折率である。反射点は、位相も含めて全周期的構造界面からの多重反射を求めて計算される。また、周期的溝構造８１ｃの構造も適用可能であるが、その場合の周期は一定ではなく、簡単に定式化できない。また、周期的溝構造８１ａや周期的溝構造８１ｃの構造が重なり合ったものが周期的溝構造８１ｂであるので、周期的溝構造８１ｂの構造を利用することも可能である。この場合は図１８において、円弧状周期的溝構造９１が部分的に重なった構造となる。
また、本実施の形態では、この円弧状の周期的溝構造９１は、狭帯域にするために、光導波回路基板５０に形成したコア層５２の途中までエッチングした溝構造を利用しているが、より狭帯域にする場合には上部クラッド層５３の途中までのエッチングに留め、ポリマー材料や誘電体材料からなる充填材８６を溝部（凹部）９２に充填すればよい。これに対し、より広帯域にする場合には、下部クラッド層５１の途中までエッチングした後に、ポリマー材料や誘電体材料からなる充填材８６を溝部（凹部）９２に充填すればよい。
さらに、本実施の形態については、周期的溝構造９１は図示したように円弧状の構成を例に説明したが、周期的溝構造９１は、放物線形状、楕円形状、又は双曲線形状といった二次曲線状であってもよい。
図１９は、反射構造１６を利用した二つの光導波回路１２ａ，１２ｂの結合により構成される光信号処理回路の第５の実施の形態を示す。
本実施の形態の構成は、トポロジカルには、図９に示した実施の形態に等しいが、特に有用な構成であるので別の構成として示す。
本構成は反射構造１６を利用し、アレイ導波路１０１を備えたアレイ導波路回折格子１００である。
図２０は、このアレイ導波路１０１の詳細な構成を示す。
アレイ導波路１０１は、平行導波路部分１０２，１０４と円弧状又は二次曲線状の導波路部分１０３とから構成される。アレイ導波路１０１の各導波路の中心間の距離をｈ、円弧状導波路部分１０３の円弧の広がり角をθとする。このとき、各導波路間の光路長差Ｌは次式で示される。
2002054120.tif 000007
出力導波路１３から出射された光は、アレイ導波路１０１の各導波路に分配され等位相で入射するが、（４）式の光路差Ｌがあるために、波長に依存してアレイ導波路１０１の出射部分、Ｉ２面では等位相面が傾く。第２の反射構造１６ｂでは入射角度の変化は、入力導波路１４との出力結合端Ｕ２上での集光位置の変化に変換される。即ち、本構成の回路は光合分波回路として機能する。
図２１は、図１６で説明した光導波回路基板５０上への周期的溝構造８１ｄの形成手順を利用した、二つの光導波回路１２ａ，１２ｂの結合により構成される光信号処理回路の第６の実施の形態を示す。
本実施の形態の光信号処理回路は、図１及び図５により示した反射構造１６が円弧又楕円の弧形状を含む二次曲線で表される二次曲面光学反射系のスラブ導波路１５部分に、一般の光学系が持っている収差を低減するための波面補償部１１１を形成したことを特徴とする。この波面補償部１１１は、光信号処理回路を形成する光導波回路基板５０上に一体的に形成されている。
図２２は、光導波回路基板５０上のスラブ導波路１５部分に、結合回路１５の入力結合端Ｉの光軸と交差するように形成した、この波面補償部１１１の断面図を示す。
波面補償部１１１は、図１６で説明した周期的溝構造８１の作製方法と同様にして、スラブ導波路１５部分の上部クラッド層５３、コア層５２、及び下部クラッド層５１の一部平面を所定のパターン形状に除去して、波面補償部形成溝１１２を形成し、この波面補償部形成溝１１２を、上記した上部クラッド層５３、コア層５２、及び下部クラッド層５１からなる導波路の有効屈折率とは異なる屈折率の材料１１３で充填して作製される。この波面補償部形成溝１１２は、その溝幅が溝の長さ方向位置によって異なるようになっている。
なお、この波面補償部１１１を設ける場所は、上記位置に限らず、結合回路１５の出力結合端Ｕの光軸と交差するよう光導波回路基板５０上のスラブ導波路１５部分に形成してもよい。
図２３は、反射構造１６を利用した二つの光導波回路１２ａ，１２ｂの結合により構成される光信号処理回路の第７の実施の形態を示す。
図２４は、図２３に示した光信号処理回路の断面図を示す。
本構成では、図６及び図９に示した光信号処理回路の構成と同様に、第１の結合回路１５ａの入力結合端（すなわち、出力導波路１３の出力結合端）Ｉ１と光導波回路１２ｃの入力結合端（すなわち、第１の結合回路１５ａの出力結合端）Ｕ１、光導波回路１２ｃの出力結合端（すなわち、第２の結合回路１５ａの入力結合端）Ｉ２と第２の結合回路１５ａの出力結合端（すなわち、入力導波路１４の入力結合端）Ｕ２とが、それぞれ空間フーリエ変換の位置関係にある。
これにより、出力導波路１３からの出射光は第１の反射構造１６ａによって光導波回路１２ｃへ入射される。その際、第１の反射構造１６ａによって、スラブ導波路１５（すなわち、第１，２の結合回路１５ａ，ｂ及び光導波回路１２ｃを含む導波路）中で幅広い光ビームとなって、スラブ導波路１５部分の上部クラッド層５３、コア層５２、下部クラッド層５１、及び光導波回路基板５０の一部平面を所定のパターン形状に除去した光導波回路１２ｃ内の光ビーム径を広げるとともに、光導波回路１２ｃの溝構造１２１内において離間して固定された一対のシリンドリカルレンズ１２２，１２３によって、光導波回路１２ｃ内のシリンドリカルレンズ１２２，１２３間では光導波回路１２ｃの導波路面に垂直な方向にも光ビームを広げて、比較的大きい光学部品１２４をこの間に組み込むことができるようにしている。
この際、光学部品１２４は、その端面での反射を押さえるために、光ビームの方向に対した斜めに傾けて部品を取り付けることも可能になる。
図２５は、図２３及び図２４に示した構成の変形例を示す。
本構成においては、シリンドリカルレンズ１２２，１２３の代わりに円筒状の分布屈折率レンズ１２５，１２６を溝構造１２１内に光ビーム方向に離間させて埋め込んである。
この場合、分布屈折率レンズ１２５，１２６及びスラブ導波路１５の屈折率に近い屈折率を有する透明接着剤１２７を、溝構造１２１内に分布屈折率レンズ１２５，１２６を固定する際に利用し、分布屈折率レンズ１２５，１２６の固定後、さらにこの透明接着剤１２７を溝構造１２１内の隙間を充填すれば、分布屈折率レンズ１２５，１２６表面の反射防止膜等が不要となり、強固に固定することができる。
図２６は、反射構造１６を利用した二つの光導波回路１２ａ，１２ｂの結合により構成される光信号処理回路の第８の実施の形態を示す。
図２７は、図２６に示した光信号処理回路の断面図を示す。
本構成では、出力導波路１３からの出射光を反射構造１６ａによって光ビームを集光するとともに、スラブ導波路１５部分の上部クラッド層５３、コア層５２、下部クラッド層５１、及び光導波回路基板５０の一部平面を所定のパターン形状に除去した光導波回路１２ｃの溝構造１２１内において離間して固定された一対のシリンドリカルレンズ１２８，１２９によって、光導波回路１２ｃの導波路面に垂直な方向にも光ビームを集光して、このシリンドリカルレンズ１２８，１２９間に半導体レーザ等の光学部品１３０を組み込むことを可能にしている。
この際、光学部品１３０は、その端面での反射を押さえるために、光ビームの方向に対した斜めに傾けて部品を取り付けることも可能になる。
図２８は、反射構造１６を利用した二つの光導波回路１２ａ，１２ｂの結合により構成される光信号処理回路の第９の実施の形態を示す。
図２９は、図２８に示した光信号処理回路の断面図を示す。
本構成では、出力導波路１３からの出射光を反射構造１６ａによって光ビーム径を広げた平行光にするとともに、スラブ導波路１５部分の上部クラッド層５３、コア層５２、下部クラッド層５１、及び光導波回路基板５０の一部平面を所定のパターン形状に除去した光導波回路１２ｃの溝構造１２１内において離間して固定された一対のシリンドリカルレンズ１３１，１３２によって、光導波回路１２ｃの導波路面に垂直な方向には光ビームを集光して、このシリンドリカルレンズ１３１，１３２間にフォトダイオードアレイ等の光学部品１３３を組み込むことを可能にしている。
この際、光学部品１３３は、その端面での反射を押さえるために、光ビームの方向に対した斜めに傾けて部品を取り付けることも可能になる。
図３０は、反射構造を利用して光導波路を多段に接続した疑似位相整合構造を有する光信号処理回路の第１０の実施の形態を示す。ここで、光導波路基板５０は、本実施の形態ではＬｉＮｂＯ３で出来ている。また、単一モード光導波路３０２ａ〜３０２ｅはチタンを拡散してコアを形成する。スラブ導波路３０３ａ、３０３ｂは、同様にチタンが拡散されて構成されている。また、周期的分極反転構造３０４は、周期的に分極を反転させる疑似位相整合部分である。その周期に対応する波数が、例えば、２次高調波発生においては、基本波の伝搬定数の２倍と二次高調波の伝搬定数の差を補償するので、長い領域に渡って位相整合を実現することが可能である。反射構造３０５ａ〜３０５ｄは、各々の単一モード導波路間を結合する。一般に２次の光非線形効果（２次高調波発生、和周波発生、差周波発生、パラメトリック増幅等）の効率は導波路長の二乗に比例する。従来、基板の大きさによって制限されてきたこれらの効率を、反射構造３０５ａ〜３０５ｄを用いて多段に接続し長尺化することで飛躍的に増大できることが期待される。すなわち、本実施の形態に従えば、非線形効果が飽和しない前提で、効率は２５（＝５×５）倍に増大することになる。これらの効果を利用して、光通信における波長変換や光メモリに必要な短波長レーザ光を２次高調波発生によって得る光信号処理回路が構成可能である。
反射構造３０５ａ〜３０５ｄの作製法と構造は、第１及び第２実施の形態の同じであるので、その説明は省略する。
本実施の形態では、光導波路基板５０上に多数の反射構造３０５ａ〜３０５ｄを設けて相互作用長を増大させた、高効率な周期的分極反転構造による疑似位相整合部を持つ光非線形回路を実現した。小型な光導波路基板であっても折り返し構造で多段化することによって相互作用長の増大を実現した。非線形素子の効率が長さの二乗に比例することから、効率を１０−１００倍に引き上げ、飽和領域まで高めることが可能になる。即ち、低励起パワーでの波長変換や２次高調波発生が可能になり、回路の小型化、低消費電力化、低雑音化が実現される。
図３１は、反射構造を利用して光導波路を多段に接続した疑似位相整合構造を有する光信号処理回路の第１１の実施の形態を示す。ここでは、図３２に示すように、単一モード光導波路３０２ａ〜３０２ｉのコア部を切断する溝構造３０６を形成し、その側壁３０７を全反射ミラーとして機能させることによって、単一モード導波路３０２ａ〜３０２ｉが多段に接続された疑似位相整合を有する光信号処理回路を構成する。一般に、導波路材料の屈折率は空気の屈折率よりも十分に大きいので、側壁に金属層を設けなくとも高い反射率が得られるが、側面を保護するために金属層等の保護膜を設けても良い。
本実施の形態では、チタン拡散コアのＬｉＮｂＯ３導波路を利用して説明したが、基板としてＭｇドープＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＫＴｉＯＰＯ４、ＲｂＴｉＯＰＯ４を利用しても良いことは言うまでもない。また、コア層作製にＬｉ−プロトン交換を利用しても良いことは言うまでもない。
本実施の形態に示す方法では、レーザによるサブミクロンスケール以下の加工を実現するために、ある方向に対して加工用レーザ波長以上の長さで、別の方向に対して波長以下の長さのパターンを利用する微細構造作製方法を明らかにした。殆どの光信号処理回路では、信号光の伝搬する向きは一方向であるので、パターンの微細方向と信号光の伝搬方向を一致させれば、信号光に対しては十分に微細な構造を実現することが可能となる。例えば、微細構造を設けることで材料を変えずに有効屈折率を変化／制御することが可能となる。これによって、光信号処理回路設計の自由度が飛躍的に増大する。
図３３は、レーザアブレーション加工により、加工用のレーザ光の波長λｍよりも微細な構造を作製する手順を説明するための光導波回路基板５０の断面図を示す。
（１）光導波回路上に金属あるいは誘電体の薄膜５４を形成する（図３３−（イ））。ここで、５０は光導波回路基板、５１は下部クラッド層、５２はコア層、５３は上部クラッド層である。
（２）薄膜５４上にレジスト５５を塗布する（図３３−（ロ））。
（３）レジスト５５に電子ビーム描画装置でパターンを描画する。
（４）レジスト５５の現像処理を行う（図３３−（ハ））。
（５）レジスト５５をマスクとしてリアクティブイオンエッチング装置で薄膜５４をエッチングし電子ビーム描画パターンを転写する（図３３−（ニ））。
（６）レジスト５５を剥離する（図３３−（ホ））。
（７）光導波回路基板５０をステージ上に固定する。
（８）光導波回路基板５０上に設けられた複数のマーカをモニタ装置で観察し、光導波回路基板５０がレーザビーム光軸に対して垂直になるようにあおり角調節を行う。
（９）光導波回路基板５０上に設けられた複数のマーカをモニタ装置で観察し、前記パターンの位置をステージコントローラが認識する。
（１０）レーザ光を集光し、ステージを移動してレーザ光のスポットで表面を掃引してエッチングする（図３３−（ヘ））。
（１１）エッチング深さは、パルス照射回数によって制御する。
（１２）ステージから取り外し、薄膜５４を取り除く（図３３−（ト））。
（１３）必要に応じて溝部分にポリマー材料や誘電体材料８６を充填する。これは、蒸着やスピンコーティングによって行われる（図３３−（チ））。
本方法で従来の方法と異なるのは、電子ビーム描画装置で描くパターンの形状である。図３４に示すように、薄膜５４が剥離されているパターン寸法が、即ち窓寸法が、二つの直交する方向で大きく異なる。本方法では、窓短手方向長さＬｘ１がλｍよりも短く、窓長手方向長さＬｙがλｍよりも長い。例えば、薄膜５４が金属膜である場合、電界の振動面をＬｙ方向にすると、レーザ光は窓を波長長さ程度しか透過することが出来ないが、電界の振動面をＬｘ方向にすると窓を透過する。即ち、加工用のレーザの偏光面を調整して、電界の振動面をＬｘ方向にすることによって、ある方向に対して波長よりも微細な構造をアブレーションによって作製することが出来る。一般に光導波路を伝搬する光は、例えば図中のＡ→Ｂのようにある光軸に沿って伝搬する。そこで、Ｌｘ１＋Ｌｘ２（Ｌｘ２：窓間間隔）を光導波路伝搬光の導波路内波長に比較して十分短く、例えば２５％以下にすれば、伝搬する光は微細構造の平均的屈折率を感受するのみで、周期に対応した回折光は生じない。また、図中のＣ→Ｄの方向に伝搬する光に対しては、Ｌｘ１＋Ｌｘ２を光導波路伝搬光の導波路内波長に比較して８０％以下にすれば、回折光は生じない。即ち、本方法によって材料の等価屈折率を制御することが可能である。
図３５は、本発明の第１２の実施の形態に係る、電子ビーム露光法により、サブミクロンスケールの微細な構造を作製する方法を示す。図３５（イ）において、５０は光導波路基板、５１は下部クラッド層、５２はコア層、５３は上部クラッド層である。
（１）光導波回路基板５０の上部クラッド層５３上にレジスト５５を塗布する（図３５−（ロ））。
（２）レジスト５５に電子ビーム描画装置でパターンを描画する。
（３）レジスト５５の現像処理を行う（図３５−（ハ））。
（４）レジスト５５の上から更に上部クラッド層５３を作製する。例えば、ポリマー導波路材料を利用すれば、スピンコーターで材料を塗布してレジスト５５を埋め込み、重合、硬化させればよい（図３５−（ニ））。
また、レジスト５５をコア層５２内に設けて、同様にコア層５２の残りと上部クラッド層５３を構成しても良い（図３５−（ホ））。
また、レジスト５５を下部クラッド層５１に設けて、同様に下部クラッド層５１の残り、コア層５２及び上部クラッド層５３を構成しても良い（図３５−（ヘ））。
ここで、上部クラッド層５３又は下部クラッド層５１にレジスト５５を埋め込む場合には、導波する光の電界強度がコア層５２の１／１０以上である領域に埋め込むことで、導波する光の強度に実質的な影響を与え回折格子などを構成することができる。
本実施の形態では、ポリマー導波路において、微細にパターニングされたレジストを導波路構成材料として利用し、導波路内に埋め込むことによって、高価なエッチング装置を利用せずに回折格子などを含む光信号処理回路を構成することが可能になる。
図３６は、本発明の第１３の実施の形態に係る、イオン注入法により、サブミクロンスケールの微細な構造を作製する方法を示す。図３６（イ）において、５０は光導波路基板、５１は下部クラッド層、５２はコア層、５３は上部クラッド層である。
（１）光導波回路基板５０の上部クラッド層５３上に金属あるいは誘電体の薄膜５４を形成し、薄膜５４上にレジスト５５を塗布する（図３６−（ロ））。
（２）レジスト５５に電子ビーム描画装置でパターンを描画する。
（３）レジスト５５の現像処理を行う（図３６−（ハ））。
（４）レジスト５５をマスクとしてリアクティブイオンエッチング装置で５４をエッチングし電子ビーム描画パターンを転写する（図３６−（ニ））。
（５）レジスト５５を剥離する（図３６−（ホ））。
（６）イオンを加速して注入する。例えば、ポリマー導波路には、Ｈ＋、Ｆ＋、ないし希ガスイオンを注入して低屈折率部を作製することが出来る。高屈折率部の作製には、Ｃ＋、Ｓｉ＋、Ｏ＋、Ｎ＋、Ｓ＋、を注入すればよい。また、石英導波路には、Ｈ＋、Ｆ＋、Ｂ＋、Ｏ＋、Ｃ＋、Ｎ＋ないし希ガスイオンを注入して低屈折率部を作製することが出来る。高屈折率部の作製には、Ｓｉ＋、Ｇｅ＋、Ｔｉ＋、Ｔａ＋、Ｐ＋、Ａｌ＋、Ｚｒ＋、希土類元素イオンを注入すればよい。また、誘電体導波路には、Ｈ＋、Ｆ＋、Ｂ＋、Ｏ＋、Ｃ＋、Ｎ＋ないし希ガスイオンを注入して低屈折率部を作製することが出来る。高屈折率部の作製には、Ｓｉ＋、Ｇｅ＋、Ｔｉ＋、Ｔａ＋、Ｐ＋、Ａｌ＋、Ｚｒ＋、Ｍｇ＋、希土類元素イオンを注入すればよい。イオン注入に多価のイオンを用いても良いことは言うまでもない（図３６−（ヘ））。
（７）薄膜５４を取り除く（図３６−（ト））。
（８）必要に応じて上部クラッド層５３の厚みを増やす（図３６−（チ））。
本実施の形態では、適切なイオンと導波路材料の組み合わせを明らかにしたイオン注入による屈折率制御法を考案した。イオン注入はシリコンＬＳＩ製造では、標準的なプロセスであり、適当なイオンを大型基板に一様に注入することが可能である。即ち、電子ビーム描画と組み合わせることで微小な屈折率制御を容易に行うことが可能になり、光信号処理回路の設計の自由度が高まる。
図３７は、本発明の第１４の実施の形態に係る、微細パターン転写法によって、サブミクロンスケールの微細屈折率制御構造をポリマー導波路に作製する方法を示す。
（１）微細構造の凹凸パターンを電子ビーム露光法等で予め、石英基板４０１上に作製する。また、石英基板上には位置合わせ用パターン４０２があり、微細パターン上には、ＮｉやＴａ等の金属４０３が蒸着されている（図３７−（ア））。
（２）マスクアライナー等を利用して、位置合わせパターンを合わせて、石英基板４０１を金型としてポリマー導波路基板４０４に押しつけてポリマー導波路基板４０４に微細構造凹凸パターンのレプリカを形成する（図３７−（イ）、（ウ）、（エ））。
（３）必要に応じて上部クラッド層の厚みを増やす（図３７−（オ））。
本説明図では、上部クラッド層まで出来ている基板に微細屈折率制御構造を構成するように記載したが、下部クラッド層に凹凸を形成してコア層と上部クラッド層を作製しても良いし、コア層に凹凸を形成して上部クラッド層を作製しても良い。
本実施の形態では、微細構造を持つ金型を作製し、金型をポリマー導波路基板に押しつけることによって微細構造を転写する光信号光信号処理回路構成法を実現した。本方法では、一つの金型を正確に作れば、多数の光信号処理回路の微細構造を次々に転写して構成できるので、高速に微細構造を有する光信号処理回路を作製することが可能である。また、転写には、市販のマスクアライナー装置を転用することが出来るので容易かつ低コストな作製が可能である。
図３８は、第１１乃至１４の実施の形態に示した何れかの方法を利用して構成するＴＥ／ＴＭモード分波回路を示す。ここで、入力導波路７０１に対して、反射構造７０２ａは入力導波路７０１からの出射光を平行光に変換する、すなわち、コリメートする。反射構造７０２ｂ、７０２ｃはモード分離構造７０３によって分離された各モードの光を出力導波路７０４ａ、７０４ｂに結合する。図３９は、モード分離構造７０３の詳細を示す。モード分離構造７０３は高屈折率部７０５と低屈折率部７０６から構成され周期的構造を有する。図には示されていないが、入出力導波路７０１、７０４ａ、７０４ｂ以外で、光が伝搬する部分はスラブ導波路である。各々の法線方向の長さと屈折率を、それぞれ、ｎｈ、ｄｈ、ｎ１、ｄ１とする。また、光の伝搬方向と法線方向のなす角をθｇ、高屈折率部７０５における光の伝搬方向と法線方向のなす角をθｈ、低屈折率部７０６における光の伝搬方向と法線方向のなす角をθ１、真空中における伝搬光の波長と屈折率をλｏ、ｎｇとする。このとき、以下の関係が成立するように屈折率と長さが決められる。
2002054120.tif 000008
2002054120.tif 000009
これらの関係が満たされるとき、ＴＥモード（導波路面内の伝搬方向と直交する向きにのみ電界成分を持つモード）は透過し、ＴＭモード（導波路面内の伝搬方向と直交する向きにのみ磁界成分を持つモード）の一部は反射する。十分にモード分離構造７０３が大きければ、ほとんどのＴＭモード光は反射され、本回路はＴＥ／ＴＭモード分波回路として機能する。第１１乃至１４の実施の形態の方法でモード分離構造７０３を構成するためのパターンの例を図４０及び図４１に示す。有効屈折率の変化は微細構造パターンの密度に比例する。パターンの密度の高い領域Ｃ１と密度の低い領域Ｃ２を図に示したようなパターンを利用して作製することが可能である。Ｃ１及びＣ２を低（高）屈折率部、高（低）屈折率部とすれば、第１１乃至１４の実施の形態が実現される。
本実施の形態では、ＴＥ／ＴＭモード合分波回路の構成法を明らかにした。本回路は、全導波路型の偏光合分波回路として機能する。これによって、従来偏光ビームスプリッターやファイバコリメータ等を利用して偏光合分波回路を構成していたのに対し、本実施の形態に示す導波路に集積化した回路は、小型であり、かつ、信頼性が高い。
以上、本発明に係る光信号処理回路について、前記実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施の形態に限定されるべきものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。例えば、本発明の光信号処理回路は、石英系導波路、ポリマー系導波路、ＬｉＮｂＯ３導波路、化合物半導体導波路等、何れの材料系の光導波路にも適用可能である。
第１０の実施の形態（図３０）及び第１１の実施の形態（図３１）に示す光非線形光学材料である周期的分極反転構造に代えて、ランタノイド系希土類元素又はＣｒが添加されたＹＩＧ、ＧＧＧ、ＹＡＧ、サファイア、ＬｉＮｂＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＬｉＴａＯ３、石英、若しくは、ガラスなどの光増幅材料を用いても良い。
産業上の利用の可能性
以上のように、本発明に係る光信号処理回路及びその製造方法によれば、次のような効果を奏する。
本発明の光信号処理回路によれば、従来の反射構造を含まない光導波回路では実現できなかった機能である、第１，２結合端Ｉ，Ｕとが互いに等倍又は任意の倍率の結像関係になる。
これにより、例えば、従来最も多用されている光ファイバを平行に融着させた方向性結合器型光カップラに対して、本発明の光信号処理回路を適用した場合、次のような利点を奏することができるようになる。
（ａ）方向性結合型カップラは原理的に結合効率が波長に依存するのに対して、本発明の光カップラは波長依存性がない。
（ｂ）方向性結合型カップラの分岐比率は融着する光ファイバ間の距離と融着長さで制御するが微調することが困難であるため比率の精度を高めることが出来ないが、本発明の光信号処理回路を適用した光カップラは、反射構造の分割位置によって幾何学的に比率を定めることが出来るので、高精度な比率の制御が可能になる。
（ｃ）光ファイバカップラでは、その寸法は終端処理部も含めて数ｃｍであるが、本発明の光信号処理回路を適用すれば、光カップラの寸法は数ｍｍとなり、大幅な小型化が可能になる。
また、本発明の光信号処理回路によれば、第１光導波路と第２光導波路との光軸に垂直な直線を横切る導波路中の各点において等時性が得られるようになり、結合回路も直線状に平行に配置されているため、光回路の設計や製作が容易となる。
また、本発明の光信号処理回路によれば、従来の反射構造を含まない光導波回路では実現できなかった、単一モードの第１光導波路の第１結合端から出射される光を、第１の反射構造で結合回路内の幅の広い平行光に変換し、第２の反射構造で再び単一モードの第２光導波路の第２結合端に接続することが出来る。
これによって、幅の広い平行光になっている結合回路内の位置に過剰損失を低く押さえて各種光学部品を挿入することが可能となる。
また、本発明の光信号処理回路によれば、複数の反射構造を備えることもできるので、これによって、円弧状反射構造の数が十数箇所以内、即ち十数波の波長多重光信号を分波する構成に適用した場合は、従来のアレイ導波路回折格子よりも損失が少なくかつ損失ばらつきも少ない波長合分波器を構成することができる。また、ファイバ回折格子の場合に必要となるサーキュレータが不要になるため、低損失かつ低コストに波長合分波回路を構成することが出来る。
また、従来のアレイ導波路回折格子と異なり、アレイ導波路が平行に配置されているため、光回路の設計や製作が容易となる。
さらに、本発明の光信号処理回路の製造方法によれば、凹面、平面或いは凸面の反射構造ないしは周期的溝構造を形成するのに超短光パルスによるレーザアブレーションを利用する。このレーザアブレーションは熱的緩和時間よりも短い時間でエッチングするので、加工端面の垂直度、平滑度は大変良好となる。
また、数ミリ角の開口で数十ミクロンの溝構造の形成に要する時間は数分で済む。さらに、マスクを利用しなくとも、波長程度のスポット系まで絞り込んで微細加工することが可能になる。
また、電子ビーム露光によるマスクとの併用により、レーザビーム収束直径以下のサブミクロン幅の溝形成も可能になる。
さらに、そのマスク材料としてタンタル、モリブデン、タングステン、クロム、金、プラチナ、バナジウム、ニッケル、銀、銅、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化チタン、窒化ホウ素、窒化アルミニウムを利用するので、非常にアスペクト比の高いエッチングが可能になった。
これによって、凹面、平面或いは凸面の反射構造の導入した新規の光信号処理回路も構成できるようになった。
本明細書で引用した全ての刊行物、特許及び特許出願をそのまま参考として本明細書にとり入れるものとする。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る、反射構造を利用した二つの光導波回路１２ａ，１２ｂの結合により構成される光信号処理回路の構成を示す。
図２は、反射構造１６を形成するためのレーザアブレーション装置３０の構成を示す。
図３は、光導波回路基板５０上への反射構造１６の形成手順を説明するための光導波回路基板５０の断面図を示す．
図４は、第１の実施の形態に係る光信号処理回路の具体的応用例の一つである１：２光カップラ６０の構成を示す。
図５は、図１に示した反射構造を利用した二つの光導波回路１２ａ，１２ｂの結合により構成される光信号処理回路の構成の変形例を示す。
図６は、反射構造１６を利用した二つの光導波回路１２ａ，１２ｂの結合により構成される光信号処理回路の第２の実施の形態を示す。
図７は、図６に示した反射構造を利用した二つの光導波回路１２ａ，１２ｂの結合により構成される光信号処理回路の構成の変形例を示す。
図８は、図６で説明した第２の実施の形態の光信号処理回路の具体的応用例としてのＮ：Ｎスター型光カップラ７０の構成を示す。
図９は、反射構造１６を利用した二つの光導波回路１２ａ，１２ｂの結合により構成される光信号処理回路の第３の実施の形態を示す。
図１０は、図９で説明した第３の実施の形態の光信号処理回路の具体的応用例の一つである光波長合分波器８０の構成を示す。
図１１は、図９で説明した第３の実施の形態の光信号処理回路の具体的応用例の一つである別の光波長合分波器８０の構成を示す。
図１２は、周期的溝構造８１の具体的な構成例を示したものである。
図１３は、周期的溝構造８１の別の具体的な構成例を示したものである。
図１４は、周期的溝構造８１のさらに別の具体的な構成例を示したものである。
図１５は、溝部８２部分にポリマー材料や誘電体材料からなる充填材８６を充填した周期的溝構造８１ｄを示す。
図１６は、光導波回路基板５０上への周期的溝構造８１ｄの形成手順を説明するための光導波回路基板５０の断面図を示す。
図１７は、本反射構造１６を利用した二つの光導波回路１２ａ，１２ｂの結合により構成される光信号処理回路の第４の実施の形態を示す。
図１８は、光導波回路基板５０上に形成された円弧状周期的溝構造９１の詳細を示したものである。
図１９は、反射構造１６を利用した二つの光導波回路１２ａ，１２ｂの結合により構成される光信号処理回路の第５の実施の形態を示す。
図２０は、アレイ導波路１０１の詳細な構成を示す。
図２１は、反射構造１６を利用した二つの光導波回路１２ａ，１２ｂの結合により構成される光信号処理回路の第６の実施の形態を示す。
図２２は、波面補償部１１１の断面図を示す。
図２３は、反射構造１６を利用した二つの光導波回路１２ａ，１２ｂの結合により構成される光信号処理回路の第７の実施の形態を示す。
図２４は、図２３に示した光信号処理回路の断面図を示す。
図２５は、図２３及び図２４に示した構成の変形例を示す。
図２６は、反射構造１６を利用した二つの光導波回路１２ａ，１２ｂの結合により構成される光信号処理回路の第８の実施の形態を示す。
図２７は、図２６に示した光信号処理回路の断面図を示す。
図２８は、反射構造１６を利用した二つの光導波回路１２ａ，１２ｂの結合により構成される光信号処理回路の第９の実施の形態を示す。
図２９は、図２８に示した光信号処理回路の断面図を示す。
図３０は、反射構造を利用して光導波路を多段に接続した疑似位相整合構造を有する光信号処理回路の第１０の実施の形態を示す。
図３１は、反射構造を利用して光導波路を多段に接続した疑似位相整合構造を有する光信号処理回路の第１１の実施の形態を示す。
図３２は、溝構造３０６の詳細を示す。
図３３は、レーザアブレーション加工により、加工用のレーザ光の波長λｍよりも微細な構造を作製する手順を説明するための光導波回路基板５０の断面図を示す。
図３４は、薄膜５４のパターンの詳細を示す。
図３５は、本発明の第１２の実施の形態に係る、電子ビーム露光法により、サブミクロンスケールの微細な構造を作製する方法を示す。
図３６は、本発明の第１３の実施の形態に係る、イオン注入法により、サブミクロンスケールの微細な構造を作製する方法を示す。
図３７は、本発明の第１４の実施の形態に係る、微細パターン転写法によって、サブミクロンスケールの微細屈折率制御構造をポリマー導波路に作製する方法を示す。
図３８は、第１１乃至１４の実施の形態に示した何れかの方法を利用して構成するＴＥ／ＴＭモード分波回路を示す。
図３９は、モード分離構造７０３の詳細を示す。
図４０は、モード分離構造７０３を構成するためのパターンの例その１を示す。
図４１は、モード分離構造７０３を構成するためのパターンの例その２を示す。
図４２は、従来のスラブ導波路型レンズ機能回路の構成を示したものである。
図４３は、従来の周期分極反転構造５０２による疑似位相整合部を持つ光非線形素子の構成を示す。
符号の説明
１２　光導波回路
１３　出力導波路
１４　入力導波路
１５　結合回路（スラブ導波路）
１６　反射構造
３０　レーザアブレーション装置
５０　光導波回路基板
５１　下部クラッド層
５２　コア層
５３　上部クラッド層
５４　薄膜
５５　レジスト
５６　金属又は誘電体膜
５７　凹部
６０　１：２光カップラ
７０　Ｎ：Ｎスター型光カップラ
８０　光波長合分波器
８１　周期的溝構造
８２，８３，８４　溝
８６　充填材
９０　光波長合分波器
９１　円弧状周期的溝構造
１０１　アレイ導波路
３０２　単一モード光導波路
３０３　スラブ導波路
３０４　周期的分極反転構造
３０５　反射構造
３０６　溝構造
３０７　側壁
４０１　石英基板
４０２　位置合わせ用パターン
４０３　金属
４０４　ポリマー導波路基板
７０１　入力導波路
７０２　反射構造
７０３　モード分離構造
７０４　出力導波路
７０５　高屈折率部
７０６　低屈折率部
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【国際調査報告】
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