JP2001350046A

JP2001350046A - 集積型光導波路素子

Info

Publication number: JP2001350046A
Application number: JP2000167632A
Authority: JP
Inventors: Toshio Sakane; 敏夫坂根; Tokuichi Miyazaki; 徳一宮崎
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2000-06-05
Filing date: 2000-06-05
Publication date: 2001-12-21

Abstract

(57)【要約】【課題】複数の光導波路に対する新たな並列型の接続
方法を採用した集積型の光導波路素子を提供し、これに
よって光通信網における高密度化を達成する。【解決手段】出力光導波路２２及び入力光導波路２３
の出力口２２Ａ及び入力口２３Ａを覆うように、ＧＲＩ
Ｎレンズ２６を設ける。そして、ＧＲＩＮレンズ２６の
端面２６Ａに反射膜２７を設ける。ＧＲＩＮレンズの中
心軸と光導波路２２及び２３間の中心とは中心線Ｉで一
致している。また、ＧＲＩＮレンズ２６の長さは、出力
光導波路２２から出射された光束が端面２６Ａで平行光
束となるように設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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は、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（ＬｉＮｂＯ_３）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】図１は、従来の導波路型光変調器の一例を
示す平面図である。図１に示す導波路型光変調器は、電
気光学効果を有する材料からなる基板１と、マッハツエ
ンダー型光導波路２とを具える。そして、マッハツエン
ダー型光導波路２は、第１の分岐光導波路２−１と第２
の分岐光導波路２−２とを具える。また、第１の分岐光
導波路２−１及び第２の分岐光導波路２−２上には、１
対の変調用電極３−１及び３−２が設けられている。

【０００４】矢印の方向から、図示しない光ファイバに
よってマッハツエンダー型の光導波路２に入射してきた
光波は、Ｙ分岐点４で第１の分岐光導波路２−１及び第
２の分岐光導波路２−２に分岐される。そして、これら
の分岐光導波路中を導波する光波に対して、変調用電極
３−１及び３−２間において外部電源１０から所定の電
気信号が印加されることにより、これら光波は位相の変
化を受ける。そして、位相変化を受けた光波がＹ合波点
５で合算されることにより、両者の位相差に応じて互い
の光強度がキャンセルされ、これによって光信号のスイ
ッチングが行われるものである。

【０００５】実際の光通信網を構成するに際して、近年
は図１に示す光強度変調器の他に、別の光強度変調器、
位相変調器、減衰器などの機能を付加する場合が多くな
っている。そして、光強度変調器を上記のように導波路
型に構成する場合、位相変調器及び減衰器なども別の導
波路型モジュールに構成し、これら別々のモジュールを
直列に接続させることにより構成していた。

【０００６】一方、インターネット需要の拡大から光通
信網全体の高密度が要求されている。このため、上記光
変調器のいろいろな機能を１つのパッケージに詰め込む
ことがが試みられている。具体的には、同一基板上に目
的とする機能を持つ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）ファイバーで結ぶ、
（２）同一基板上の半円状の導波路で結ぶ、（３）基板
端面で反射を利用する接続用導波路で結ぶなどの方法が
採られている。

【０００７】図２は、（３）の接続方法を説明するため
の図である。図においては、特徴を簡潔に示すべく、光
波が反射される基板端部の構成のみを示している。基板
１１上に形成された出力光導波路１２を導波してきた光
波は、曲がり光導波路１４を経て基板端面１６に至る。
そして、基板端面１６において反射された後、曲がり光
導波路１５を経由して入力光導波路１３に至るものであ
る。したがって、図２に示すような光導波路構造を同一
基板上に複数形成することにより、基板端面の反射を利
用して複数の光導波路を複数接続するものである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】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１６の切断位置を高精度に制御する必要が
あることから、生産性が劣化して歩留まりが低下すると
いう問題があった。

【０００９】（３）の接続方法と類似の方法として、特
開平１１−２３７５１７号公報には、ゼロギャップ方向
性結合器の結合部中間に基板端面を形成する方法が開示
されている。しかしながら、方向性結合器の結合長が波
長に依存するため、ＤＷＤＭ方式のような高密度、高変
調帯域の用途に対しては、各光導波路の接続の程度が波
長に依存して変化するため、使用することができない場
合があった。

【００１０】本発明は、複数の光導波路に対する新たな
並列型の接続方法を採用した集積型の光導波路素子を提
供し、これによって光通信網における高密度化を達成す
ることを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく、
本発明の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、この基板の幅方向において平行と
なるように形成された入力光導波路及び出力光導波路と
を具える集積型の光導波路素子であって、前記入力光導
波路及び前記出力光導波路それぞれの両端は前記基板の
両端面に開放され、前記基板の少なくとも一端面に、前
記入力光導波路及び前記出力光導波路の開放端を覆うと
ともに、前記入力光導波路及び前記出力光導波路間の中
心と中心軸が一致し、前記基板と反対側において前記中
心軸と直交する端面を有するとともに、前記出力光導波
路から出射された光が前記中心軸と前記直交する端面で
平行光束となるような焦点距離を有するＧＲＩＮレンズ
を設け、このＧＲＩＮレンズの前記中心軸と前記直交す
る端面に反射膜を設けたことを特徴とする。

【００１２】図３は、本発明の集積型光導波路素子にお
ける一例の構成を示す平面図である。なお、図において
は、本発明の特徴を簡潔に示すべく、基板端部の構成の
みを示している。図３に示す集積型光導波路素子は、電
気光学効果を有する基板２１の上に出力光導波路２２及
び入力光導波路２３を具えている。そして、基板２１の
端面２１Ａにおいて、ＧＲＩＮレンズ２６が接着剤３０
を介して、出力光導波路２２の出力口２２Ａ及び入力光
導波路２３の入力口２３Ａを覆うようにして設けられて
いる。

【００１３】ＧＲＩＮレンズ２６は出力光導波路２２及
び入力光導波路２３間の中心とＧＲＩＮレンズ２６の中
心軸とが中心線Ｉに一致するようにして接続されてい
る。また、その長さは出力光導波路２２の出力口２２Ａ
から出射された光波が、ＧＲＩＮレンズ２６の端面２６
Ａにおいて平行となるように設定されている。また、端
面２６ＡはＧＲＩＮレンズ２６の中心軸に垂直である。
ＧＲＩＮレンズ２６の基板２１と反対側の端面２６Ａに
は反射膜２７が設けられている。なお、本発明でいう
「導波路間の中心」とは、導波路を伝搬するぞれぞれの
光モードのセンターを結ぶ中心であり、一般に基板表面
にはない。

【００１４】出力光導波路２２を導波してきた光波は、
基板端面２１Ａに至ると、出力口２２Ａからこの出力口
２２ＡをウエイストとするガウスビームとしてＧＲＩＮ
レンズ２６中に放射される。ＧＲＩＮレンズ２６中に放
出された光波は、斜線で示されるような広がりを有する
光速として曲線２８に沿って伝搬し、ＧＲＩＮレンズ２
６の端面２６Ａに至る。そして、反射膜２７によって反
射された後、斜線で示されるように、ＧＲＩＮレンズ２
６によって収束作用を受け、その広がりを徐々に減少さ
せながら、曲線２９に沿ってＧＲＩＮレンズ２６中を伝
搬し、ＧＲＩＮレンズ２６の端面２６Ａと反対側の端面
２６Ｂに至る。

【００１５】ＧＲＩＮレンズ２６の中心軸と入力光導波
路及び出力光導波路間の中心とは中心線Ｉで一致してい
るため、端面２６Ｂに至った光波は、出力光導波路２２
と中心線Ｉに対して対称な位置に存在する入力光導波路
２３の入力口２３Ａの中心にウエイストを有するガウス
ビームとなる。その後、端面２６Ｂに至った光波は、入
力光導波路２３中を導波して、所定の変調を受ける。

【００１６】同一の基板上に図３に示すような素子構成
を用いることによって、同一基板上に並列に形成された
複数の光導波路を、直列に接続することができる。ＧＲ
ＩＮレンズの大きさは、直径２ｍｍ、長さ５ｍｍ程度で
あるため、このようなＧＲＩＮレンズを同一基板に多数
用いたとしても、余分な空間をあまり必要としない。し
たがって、光通信網などで要求される高密度化の要求を
満足した機能をtandemに接続した光導波路素子を提供す
ることができる。

【００１７】また、本発明の集積型光導波路素子によれ
ば、基板端面の切断位置などを高精度に制御する必要が
ないため、生産性が劣化することもない。さらには、方
向性結合器を用いていないため、光波の波長に依存して
接続が不十分となることもない。

【００１８】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、本分野の当業者にお
いて一般的に用いられている名称である。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明を発明の実施の形態
に即して詳細に説明する。上述したように、図３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
面図である。基板２１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、ＰＬ
ＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）、及び石英系の
材料から構成する。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カット板から構成す
る。特に、光導波路デバイスとして構成しやすく、かつ
異方性が大きいという理由から、ニオブ酸リチウムを用
いることが好ましい。出力光導波路２２及び入力光導波
路２３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。

【００２０】ＧＲＩＮレンズにはSelfoe Lensなど公知
のものを用いることができる。また、ＧＲＩＮレンズ２
６の長さは、本発明にしたがって端面２６Ａにおいて出
力光導波路２２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２
６を基板１に固定するための接着剤などの厚さをも考慮
する必要があるが、一般的には約４．８ｍｍの長さに設
定する。

【００２１】図３において、ＧＲＩＮレンズ２６は接着
剤３０によって基板２１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２２及び入力光導波路２３間の中心とＧＲＩＮレン
ズ２６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２２から出射された光波の端面２６
Ｂ上での焦点位置のずれを防止することができ、入力光
導波路に光波が入力されなくなるということを防止する
ことができる。

【００２２】反射膜２７は、出力光導波路から出射され
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、Ａ
ｌなどの金属からなる金属膜、又はＳｉＯ_２及びＴｉＯ
_２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。

【００２３】図４は、本発明の集積型光導波路素子にお
ける他の例の構成を示す平面図である。なお、図３同様
に、本発明の特徴を明確にすべく、基板端部の構成のみ
を示している。図４に示す本発明の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３１と、出
力光導波路３２及び入力光導波路３３とを具える。ま
た、基板３１は、端面３１Ａが基板の長さ方向と垂直な
方向Ｘ１から幅方向に所定の角度αだけ傾斜している。
そして、基板３１の傾斜した端面３１Ａの側に、ＧＲＩ
Ｎレンズ３６を、出力光導波路３２の出力口３２Ａ及び
入力光導波路３３の入力口３３Ａを覆うとともに、中心
線IIで示すように、これら光導波路間の中心とＧＲＩＮ
レンズの中心軸とが連続するようにして固定する。

【００２４】ＧＲＩＮレンズ３６の長さは、出力光導波
路３２から出射された光波が、基板３１と反対側の端面
３６Ａで平行になるように設定する。また、ＧＲＩＮレ
ンズ３６の基板側の端面３６Ｂは、中心軸に対して垂直
な方向Ｘ２から幅方向に所定の角度βだけ傾斜してい
る。また、ＧＲＩＮレンズ３６の端面３６Ｂには反射膜
３７が設けられている。

【００２５】図から明らかなように、図４に示す集積型
光導波路素子は、基板３１及びＧＲＩＮレンズ３６がそ
れぞれ傾斜した端面３１Ａ及び３６Ｂを有し、これら端
面間を透過する光波がスネルの法則に従うように、基板
３１とＧＲＩＮレンズ３６とが接続固定されている点
で、図３に示す集積型光導波路素子と異なる。図４に示
す構成によれば、出力光導波路３２から出射された光波
の、端面３１Ａ及び端面３６Ｂで反射される割合が減少
する。したがって、ＧＲＩＮレンズを複数設けた場合に
おいても、光波の伝搬強度が劣化せず、高密度の集積型
光導波路素子を簡易に提供することができる。

【００２６】端面３１Ａの傾斜角度α及び端面３６Ｂの
傾斜角度βについては、これら端面間を透過する光波が
スネルの法則にしたがって導波するものであれば、具体
的な値については限定されない。

【００２７】しかしながら、傾斜角度αは約５度である
ことが好ましい。また、傾斜角度βは７〜７．５度であ
ることが好ましい。これによって、基板３１を構成する
材料の種類及びＧＲＩＮレンズの種類などによらず、導
波させるべき光波をスネルの法則により正確に従わせる
ことができる。

【００２８】基板３１及びＧＲＩＮレンズ３６などは、
図３に示す集積型光導波路素子と同様のものを用い、同
様にして形成することができる。また、出力光導波路３
２から出射された光波は、図３に示す集積型光導波路素
子の場合と同様に、曲線３８に沿って端面３６Ａに至
り、反射膜３７で反射されることにより、曲線３９に沿
って端面３６Ｂに至り、入力光導波路３３に入力され
る。出力光導波路３２から出射された光波が、入力光導
波路３３に再び入力されるのは、図３に示す集積型光導
波路素子の場合と同様に、光導波路間の中心とＧＲＩＮ
レンズの中心軸とが中心線IIで示されるように連続して
いるためである。

【００２９】図５は、図４に示す本発明の集積型光導波
路素子の変形例を示す側面図である。図５に示す集積型
光導波路素子は、基板４１の端面４１Ａが、長さ方向と
垂直な方向Ｚ１から角度αだけ厚さ方向に傾斜してい
る。同様に、ＧＲＩＮレンズ４６の基板４１側の端面４
６Ｂも長さ方向と垂直な方向Ｚ２から角度βだけ厚さ方
向に傾斜している。そして、基板４１の上面４１Ｃの端
部とＧＲＩＮレンズ４６の端面４６Ｂの上端部とが補強
部材５０によって接続固定されている。これによって、
基板とＧＲＩＮレンズとの固定がより強固となり、互い
の中心軸のずれに起因した、ＧＲＩＮレンズの焦点ずれ
に基づく光波の伝搬損失を防止することができる。

【００３０】図５に示す集積型光導波路素子は、図３及
び４に示す光導波路素子と同じ材料及び同じ方法によっ
て形成することができる。また、光波の伝搬及び反射に
ついても反射膜４７を用い、図４に示す集積型光導波路
素子と同様に行われる。

【００３１】図６は、本発明の集積型光導波路素子を集
積型の光強度変調器に応用した場合の例を示す平面図で
ある。図６に示す集積型光強度変調器は、電気光学効果
を有する材料からなる基板５１上にマッハツエンダー型
の光導波路５２及び５３を具える。図６においては、前
者が出力光導波路として作用し、後者が入力光導波路と
して作用する。

【００３２】矢印にしたがって出力光導波路５２に入射
した光波は、図１において説明したように信号電極５４
−１及び接地電極５５間で外部電源６０−１からの電気
信号を印加されることによって強度変調された後、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。そして、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、入力光導
波路５３に入力される。そして、信号電極５４−２及び
接地電極５５間で外部電源６０−２によって前記同様の
強度変調を受けた後、基板５１の端面５１Ｂから矢印に
したがって出射される。

【００３３】図７は、３組のマッハツエンダー型の光導
波路を同一基板上に形成して集積させた光導波路素子の
概略を示す図である。図７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６１上にマ
ッハツエンダー型光導波路６２〜６４が形成されてい
る。そして、基板６１の両端において、光導波路６２及
び６３に対するＧＲＩＮレンズ６６、並びに光導波路６
３及び６４に対するＧＲＩＮレンズ６８が設けられてい
る。

【００３４】そして、光導波路６２に入射した光波は、
ＧＲＩＮレンズ６６及び６８によって矢印の方向に反射
及び導波され、光導波路６４中を導波して外部に取り出
される。したがって、この場合においては、光導波路６
２は出力光導波路として作用し、光導波路６４は入力光
導波路として作用する。そして、光導波路６３はＧＲＩ
Ｎレンズ６６に対しては入力光導波路として作用し、Ｇ
ＲＩＮレンズ６８に対しては出力光導波路として作用す
る。

【００３５】図７に示す集積型光導波路素子の構成に従
えば、光導波路素子に対応するＧＲＩＮレンズを順次に
用いることによって、光導波路を３組以上集積させて高
密度化した光導波路素子を形成することができる。

【００３６】なお、本発明者らは、ニオブ酸リチウムか
らなる基板上にＴｉ熱拡散法によって光導波路を形成
し、図６に示すような集積型光強度変調器を作製した。
また、ＧＲＩＮレンズにはSelfoe Lensを用い、反射膜
には誘電体多層膜を用いた。その結果、良好な光強度変
調特性が得られることを確認した。

【００３７】以上、本発明について具体例を挙げながら
発明の実施の形態に基づいて詳細に説明したが、本発明
は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を
逸脱しない範囲においてあらゆる変形や変更が可能であ
る。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の集積型光
導波路素子によれば、同一基板上に形成された複数の光
導波路素子を、極めて高い信頼性の下に高密度に直列接
続することが可能である。したがって、現在要求されて
いる光通信網の高密度化という要求を満足することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の導波路型光変調器の一例を示す平面図
である。

【図２】従来の光導波路に対する直列接続方法の一例
を示す図である。

【図３】本発明の集積型光導波路素子における一例の
構成を示す平面図である。

【図４】本発明の集積型光導波路素子における他の例
の構成を示す平面図である。

【図５】図４に示す集積型光導波路素子の変形例を示
す側面図である。

【図６】本発明の集積型光導波路素子を集積型の光強
度変調器に応用した場合の例を示す平面図である。

【図７】３組のマッハツエンダー型の光導波路を同一
基板上に形成して集積させた光導波路素子の概略を示す
図である。

【符号の説明】

１、１１、２１、３１、４１、５１、６１基板２、１２、１３光導波路２−１第１の分岐光導波路２−２第２の分岐光導波路３−１、３−２変調用電極４Ｙ分岐点５Ｙ合波点１０、６０−１、６０−２外部電源１４、１５曲がり光導波路１６基板端面２２、３２、５２、６２、６３出力光導波路２３、３３、５３、６３、６４入力光導波路２６、３６、４６、５６、６６、６８ＧＲＩＮレンズ２７、３７、４７、５７反射膜３０接着剤５０補強部材５４−１、５４−２信号電極５５接地電極 α、β 傾斜角度

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Claims

【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、この基板の幅方向において平行となるように形成さ
れた入力光導波路及び出力光導波路とを具える集積型の
光導波路素子であって、前記入力光導波路及び前記出力
光導波路それぞれの両端は前記基板の両端面に開放さ
れ、前記基板の少なくとも一端面に、前記入力光導波路
及び前記出力光導波路の開放端を覆うとともに、前記入
力光導波路及び前記出力光導波路間の中心と中心軸が一
致し、前記基板と反対側において前記中心軸と直交する
端面を有するとともに、前記出力光導波路から出射され
た光が前記中心軸と前記直交する端面で平行光束となる
ような焦点距離を有するＧＲＩＮレンズを設け、このＧ
ＲＩＮレンズの前記中心軸と前記直交する端面に反射膜
を設けたことを特徴とする、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、この基板の幅方向において平行となるように形成さ
れた入力光導波路及び出力光導波路とを具える集積型の
光導波路素子であって、前記入力光導波路及び前記出力
光導波路それぞれの両端は前記基板の両端面に開放さ
れ、前記基板の少なくとも一方の端面に、前記入力光導
波路及び前記出力光導波路の開放端を覆うとともに、前
記入力光導波路及び前記出力光導波路間の中心と中心軸
とがスネルの法則を満たす角度をなして連続し、前記基
板と反対側において前記中心軸と直交する端面を有する
とともに、前記出力光導波路から出射された光が前記中
心軸と前記直交する端面で平行光束となるような焦点距
離を有するＧＲＩＮレンズを設け、このＧＲＩＮレンズ
の前記中心軸と前記直交する端面に反射膜を設けたこと
を特徴とする、集積型光導波路素子。
【請求項３】前記基板の、前記ＧＲＩＮレンズを設け
た側の端面が傾斜していることを特徴とする、請求項２
に記載の集積型光導波路素子。
【請求項４】前記ＧＲＩＮレンズの、前記基板側の端
面が傾斜していることを特徴とする、請求項２又は３に
記載の集積型光導波路素子。
【請求項５】前記入力光導波路及び前記出力光導波路
間の中心は、これらの光導波路中を伝搬するそれぞれの
光モードのセンタ間の中心であることを特徴とする、請
求項１〜４のいずれか一に記載の集積型光導波路素子。
【請求項６】前記ＧＲＩＮレンズは、前記基板の少な
くとも一端面に接着固定されていることを特徴とする、
請求項１〜５のいずれか一に記載の集積型光導波路素
子。
【請求項７】前記反射膜は金属膜又は誘電体多層膜か
らなることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に
記載の集積型光導波路素子。