光導波路、光変調器、および、光カプラ
【課題】 大型化を抑制しつつ、分岐比の劣化を抑制することができる、光導波路、光変調器、および、光カプラを提供する。
【解決手段】 光導波路は、基板に形成され、曲がり導波路と、前記曲がり導波路に接続されて分岐する分岐部と、を備え、前記曲がり導波路の前記分岐部と反対側の始点から前記分岐部に至るまでの導波路において、前記曲がり導波路の始点の実効屈折率よりも低い実効屈折率を有する低屈折率部が設けられていることを特徴とする。
【解決手段】 光導波路は、基板に形成され、曲がり導波路と、前記曲がり導波路に接続されて分岐する分岐部と、を備え、前記曲がり導波路の前記分岐部と反対側の始点から前記分岐部に至るまでの導波路において、前記曲がり導波路の始点の実効屈折率よりも低い実効屈折率を有する低屈折率部が設けられていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路、光変調器、および、光カプラに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬｉＮｂＯ３（ＬＮ）基板、ＬｉＴａＯ２基板等の電気光学結晶を用いた光導波路デバイスが開発されている。これらの光導波路デバイスは、結晶基板上の一部にチタンなどの金属膜を形成し熱拡散させる、あるいはパターニング後に安息香酸中でプロトン交換するなどして光導波路を形成した後、光導波路近傍に電極を設けることで形成される。このような光導波路デバイスとして、例えばマッハツェンダ型光変調器があげられる（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−５３０８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
マッハツェンダ型光変調器では、曲がり導波路の後段にＹ字状の分岐部が設けられることがある。この構成では、曲がり導波路中で偏ったモードが分岐部に入射され、分岐比が５０％からずれることがある。その結果、マッハツェンダの消光比が劣化するという問題が生じ得る。分岐比を５０％に近づけるために分岐部前段に直線部を設けることもできるが、この場合においては光変調器が大型化するなどの問題が生じる。
【０００５】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、大型化を抑制しつつ分岐比の劣化を抑制することができる光導波路、光変調器、および、光カプラを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、明細書開示の光導波路は、基板に形成され、曲がり導波路と、前記曲がり導波路に接続されて分岐する分岐部と、を備え、前記曲がり導波路の前記分岐部と反対側の始点から前記分岐部に至るまでの導波路において、前記曲がり導波路の始点の実効屈折率よりも低い実効屈折率を有する低屈折率部が設けられているものである。
【０００７】
上記課題を解決するために、明細書開示の光変調器は、上記光導波路を、光入力側および光出力側の少なくとも一方の分岐箇所に備えるものである。
【０００８】
上記課題を解決するために、明細書開示の光カプラは、上記光導波路を入力導波路および出力導波路の少なくとも一方に備えるものである。
【発明の効果】
【０００９】
明細書開示の光導波路、マッハツェンダ型光変調器、および光カプラによれば、大型化を抑制しつつ分岐比の劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】（ａ）は第１の実施形態に係るマッハツェンダ型の光変調器の模式的な平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図２】（ａ）は比較例を説明するための図であり、（ｂ）は第１の実施形態を説明するための図である。
【図３】（ａ）は図２（ｂ）の構成において狭幅部の始点における幅を変えた場合の分岐比のスペクトルを示し、（ｂ）は挿入損失（ｄＢ）を示し、（ｃ）は波長依存性を示し、（ｄ）は、曲がり導波路の曲率半径と過剰損失との関係を示す図である。
【図４】（ａ）は変形例１−１について説明するための図であり、（ｂ）は変形例１−１の他の例について説明するための図であり、（ｃ）は変形例１−２について説明するための図である。
【図５】（ａ）は変形例１−３について説明するための図であり、（ｂ）は変形例１−４について説明するための図である。
【図６】（ａ）は変形例１−５について説明するための図であり、（ｂ）は変形例１−６について説明するための図であり、（ｃ）は変形例１−７について説明するための図である。
【図７】（ａ）は第２の実施形態に係るＱＰＳＫ光変調器の模式的な平面図であり、（ｂ）は分岐部、曲がり導波路および分岐部の拡大図である。
【図８】分岐部、曲がり導波路および分岐部の他の例を説明するための図である。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は光カプラについて説明するための図である。
【図１０】（ａ）〜（ｃ）は実効屈折率の調整手法について説明するための図である。
【図１１】シリコン導波路を説明するための断面図である。
【図１２】第４の実施形態に係る光送信機の全体構成を説明するためのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しつつ、実施の形態について説明する。
【００１２】
（第１の実施形態）
図１（ａ）は、第１の実施形態に係るマッハツェンダ型の光変調器１００の模式的な平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図１（ａ）および図１（ｂ）を参照して、光変調器１００は、曲がり導波路１１、分岐部１２、中間導波路１３，１４、合流部１５、および曲がり導波路１６が形成された基板１０を備える。基板１０は、ＬｉＮｂ３（ＬＮ）基板、ＬｉＴａＯ２基板等の電気光学結晶を用いた電気光学基板である。
【００１３】
曲がり導波路１１、分岐部１２、中間導波路１３，１４、合流部１５および曲がり導波路１６は、基板１０にＴｉ（チタン）等の金属を熱拡散させることによって形成される。曲がり導波路１１の一端は、光変調器１００の光入力端として機能する。曲がり導波路１１の他端は、分岐部１２の一端に接続される。分岐部１２は、Ｙ字分岐部を介して、曲がり導波路１１と反対側に向かって分岐する。分岐部１２の各分岐導波路は、中間導波路１３，１４のそれぞれの一端に接続される。中間導波路１３，１４は、互いに平行に配置されている。中間導波路１３，１４の他端は、合流部１５のＹ字結合部を介して曲がり導波路１６の一端に接続される。曲がり導波路１６の他端は、光変調器１００の光出力端として機能する。以上の構成により、曲がり導波路１１、分岐部１２、中間導波路１３，１４、合流部１５および曲がり導波路１６は、光導波路を構成する。
【００１４】
図１（ｂ）を参照して、基板１０の光導波路側の面には、バッファ層３０が設けられている。それにより、光導波路は、バッファ層３０によって覆われている。バッファ層３０は、光導波路を伝播する光が後述する電極によって吸収されることを防ぐために設けられている。バッファ層３０は、例えば、厚さ０．２μｍ〜２μｍ程度のＳｉＯ２等である。
【００１５】
中間導波路１３上には、バッファ層３０を介して、信号電極２１が設けられている、中間導波路１４上には、バッファ層３０を介して、接地電極２２が設けられている。それにより、信号電極２１および接地電極２２は、コプレーナ電極を構成する。基板１０としてＺカット基板を用いる場合には、Ｚ方向の電解に起因する屈折率変化を利用するために、信号電極２１および接地電極２２は、中間導波路の真上に配置される。
【００１６】
光変調器１００を高速で駆動する場合、信号電極２１および接地電極２２の終端を抵抗で接続することによって進行波電極を構成し、進行波電極の入力側からマイクロ波信号を印加する。この場合、電界によって中間導波路１３，１４の屈折率が一例として＋Δｎ、−Δｎのように変化する。それにより、中間導波路１３，１４間の位相差が変化するため、マッハツェンダ干渉が生じる。その結果、曲がり導波路１６の他端から、強度変調された信号光が出力される。電極の断面形状を変化させることでマイクロ波の実効屈折率を制御し、光の速度とマイクロ波の速度とを整合させることによって高速の光応答特性を得ることができる。
【００１７】
図１（ａ）を参照して、ファイバとの結合を考慮し、導波路の入出力端（曲がり導波路１１の一端および曲がり導波路１６の他端）は、光変調器１００の幅方向のほぼ中央に配置される。なお、光変調器１００の幅方向は、図１（ａ）では紙面における上下方向と一致する。一方、中間導波路が形成される相互作用部では、電極の入出力部（ボンディングパッド等）が光変調器１００の幅方向のいずれか一方側に配置される。したがって、中間導波路は、光変調器１００の幅方向の他方側に偏って配置される。この構成によって、光変調器１００の幅を狭くすることができる。しかしながら、導波路の入出力部と相互作用部との間で、導波路の位置が異なってしまう。そこで、曲がり導波路１１，１６を用いて導波路をＳ字状に曲げることが有効である。
【００１８】
しかしながら、曲がり導波路１１，１６を設ける場合、曲がり導波路１１の後段に分岐部１２が配置されることになる。この場合、曲がり導波路１１中で偏ったモードが分岐部１２に入射され、分岐比が５０％からずれる。その結果、マッハツェンダの消光比が劣化するという問題が生じ得る。そこで、図２（ａ）で説明される比較例のように、分岐部１２の前段に所定の長さ以上の直線導波路１７を設けることが考えられる。しかしながら、このような構成では、光変調器全体が大型化する。また、分岐比に波長依存性が生じることがある。
【００１９】
マッハツェンダの消光比の劣化は、分岐部でパワーが等分されないこと、導波路伝播損失がパスにより異なること、等のいくつかの要因で生じる。消光比劣化を起こす可能性があることに気づいた本発明者は、原因を究明するために、実験および解析の両面から綿密な調査を行った。実験としては、変調器各部でどの程度の損失が発生しているのかを詳細に調査し、消光比劣化に起因する箇所の特定を行った。本発明者は、原因究明用サンプルの設計、試作、評価、分析等を繰り返し、その結果から、分岐部での分岐比のずれが主要因である可能性が高いと判断した。
【００２０】
本発明者は、この考察に基づき、解析による理論の裏づけを行った。導波路シミュレーションとしてビーム伝播法を用い、モデルの構築、解析パラメータの設定、および計算を繰り返し、実測値からのフィードバックを通して解析精度を高め、解析モデルが妥当であることを確認した。また、得られた解析結果を分析し、曲がり導波路中で偏った分布をもつ光の伝播モードが分岐部に入射し、そのために分岐部の分岐比が５０％からずれていることが消光比劣化の主要因であると結論づけた。
【００２１】
この分析結果に基づき、本発明者は、消光比改善のための設計手法を検討した。分岐部の種々のパラメータを変えてシミュレーションを繰り返し、各パラメータの消光比への影響を調査した。分岐部の前に直線導波路を設ける手法では、分岐比を５０％に近づける効果はあるが、光変調器の大型化および波長依存性の問題が生じ得る。そこで、伝播モードの偏りの影響を抑えるという観点から、本発明者は、鋭意研究の末、曲がり導波路の分岐部と反対側の始点から分岐部に至るまでの導波路において、実効屈折率を低くする方法を発案した。この方法によれば、曲がり導波路内で偏ったモードが分岐導波路内の非対称モードと結合しなくなる。それにより、モードの対称性が改善され、分岐比を５０％または５０％に近づけることができる。なお、実効屈折率は、導波路の断面積を変化させることによって変化させてもよく、導波路の幅または深さを変化させることによって変化させてもよく、導波路中の不純物濃度を変化させることによって変化させてもよい。以下の例では、導波路の幅を変化させることによって実効屈折率を変化させる。
【００２２】
図２（ｂ）の例では、導波路幅の狭い狭幅部１８は、曲がり導波路１１の分岐部１２側端に設けられている。具体的には、曲がり導波路１１の分岐部１２と反対側の始点における幅をｗ１とし、狭幅部１８における幅をｗ２とした場合に、ｗ１＞ｗ２の関係が成立する。また、図２（ｂ）の例では、狭幅部１８の分岐部１２と反対側の始点において、幅が不連続に小さくなっている。このように、導波路幅を小さくすることによって、狭幅部１８における実効屈折率を小さくすることができる。すなわち、狭幅部１８は、実効屈折率が低い低屈折率部として機能する。
【００２３】
なお、導波路幅が狭い部分での光の閉じ込めが弱くなって放射損失が増加する問題が生じ得る。放射損失は、導波光の波長に依存し、導波光の波長が長いほど大きくなる傾向がある。そこで発明者は、分岐比とのトレードオフを考慮し、損失が少なく分岐比改善効果の得られる好ましい導波路幅について検討した。
【００２４】
図３（ａ）は、図２（ｂ）の構成において狭幅部１８の始点における幅を変えた場合の分岐比のスペクトルを示す。図３（ｂ）は、狭幅部１８の挿入損失（ｄＢ）を示す。狭幅部１８の幅は、４．５μｍ、６．０μｍ、７．５μｍとした。図３（ａ）を参照して、分岐部１２における分岐比は、狭幅部１８の幅が広い場合には長波長側で５０％からのずれが大きくなっているが、狭幅部１８の幅が狭い場合には改善されている。したがって、導波路幅を狭くすることによって、波長依存性を改善することができる。図３（ｂ）を参照して、挿入損失は導波路幅による影響は小さく、この範囲では損失を増やさずに分岐比が改善されている。
【００２５】
なお、ＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）変調器では、高い消光比（例えば、消光比２５ｄＢ以上）が要求される。例えば、５０％±５％（４５％〜５５％）の範囲内の分岐比が要求される。Ｃバンド（１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍ）およびＬバンド（１５６５ｎｍ〜１６２５ｎｍ）において分岐比が４５％〜５５％の範囲に入るのは、図３（ａ）において６．０μｍ以下の幅の場合である。以上のことから、狭幅部１８の幅は、６．０μｍ以下であることが好ましく、４．５μｍ以下であることがより好ましい。
【００２６】
また、狭幅部１８を設ける際には、設計上の問題が生じ得る。導波路を曲げながら幅を変化させるため、パターニングに用いるフォトマスク作成時に描画点算出のためのデータ計算量が膨大になるからである。この場合、描画に要する時間がかかり、パターンの作成やチェックに要する時間が長くなる。また、算出されるデータ量が膨大になるため、データ量制限によるフォトマスク作成不能の状態に陥るおそれも出てくる。そこで本発明者は、導波路の連続性がある程度保たれ、かつデータ量が抑えられるようにデータを離散化して設計することを考案した。サンプルを設計し、試作と評価とを行ったところ、図３（ｃ）に示す波長依存性の小さい分岐比が得られ、設計上の問題もクリアすることが示された。
【００２７】
一方で、狭幅部１８の幅を狭くし過ぎると、閉じ込め効果が弱まって放射損失が増加する可能性もある。図３（ｄ）は、曲がり導波路１１の曲率半径と過剰損失との関係を示す図である。図３（ｄ）を参照して、曲率半径が大きい場合には、狭幅部１８の幅が狭くても過剰損失は抑制されている。しかしながら、曲率半径が４ｍｍ未満になると、過剰損失が急激に増加する。狭幅部１８の幅が狭いほど、過剰損失が大きく増加する。したがって、曲がり導波路１１における曲率半径は、４ｍｍ以上であることが好ましい。
【００２８】
（変形例１−１）
図４（ａ）は、変形例１−１について説明するための図である。図４（ａ）を参照して、狭幅部１８は、分岐部１２に向かって、テーパ状に徐々に（連続的に）狭くなるように形成されていてもよい。この場合、導波路幅の変化に伴う散乱損失を低減することができる。なお、図４（ｂ）を参照して、分岐部１２の股の部分が鋭角ではなくてもよい。例えば、分岐部１２の股は、幅Ｇの切り欠きを入れた形状を有していてもよい。この場合、光導波路の光学特性、製造性を安定させることができる。本明細書の他の分岐部についても、同様のことが言える。
【００２９】
（変形例１−２）
図４（ｃ）は、変形例１−２について説明するための図である。図４（ｃ）を参照して、狭幅部１８は、曲がり導波路１１の曲がり部分の途中から徐々に（連続的に）導波路幅が狭くなる部分であってもよい。この場合、導波路幅の変化に伴う散乱損失をより低減することができるとともに、曲がり導波路１１をより小型化することができる。
【００３０】
なお、図３（ｄ）で説明したように、導波路幅が狭いほど損失が大きくなることから、導波路幅が狭くなるにつれて曲率半径が大きくなるように曲がり導波路１１および狭幅部１８を形成することが好ましい。この場合、曲がり導波路１１の損失を低く抑制できるとともに、曲がり導波路１１をより小型化することができる。
【００３１】
例えば、図４（ｂ）の例では、曲がり導波路１１の曲がり部分の途中から徐々に導波路幅が狭くなっていることから、導波路幅が狭くなるにつれて曲率半径が大きくなっている。なお、損失の波長依存性が大きくなるような場合においては、狭幅部１８の始点は、曲がり導波路１１の曲がり方向の切換点Ａよりも分岐部１２側に位置していることが好ましい。
【００３２】
（変形例１−３）
曲がり導波路においては、モード分布の中心が導波路の中心軸からずれることがある。この軸ずれは、導波路幅が狭くなるほど大きくなる。したがって、曲がり導波路１１と分岐部１２との接続箇所における軸ずれによる損失が発生することがある。そこで、狭幅部１８のいずれかの箇所において、導波路の中心軸にオフセットを設けてもよい。なお、オフセットの方向は、励起モード、曲がり導波路の長さ、曲がり導波路の幅、曲がり導波路の曲率半径等に応じて決定される。
【００３３】
図５（ａ）は、変形例１−３について説明するための図である。図５（ａ）を参照して、図４（ａ）の構成の狭幅部１８の始点において、導波路の中心軸にオフセットを設けてもよい。図５（ａ）の例では、狭幅部１８の中心軸を、曲がり導波路１１の曲がり方向にシフトさせている。この場合、軸ずれに起因する損失を抑制することができる。
【００３４】
（変形例１−４）
図５（ｂ）は、変形例１−４について説明するための図である。図５（ｂ）を参照して、図４（ｂ）の構成の狭幅部１８の終点において、導波路の中心軸にオフセットを設けてもよい。この場合においても、軸ずれに起因する損失を抑制することができる。
【００３５】
（変形例１−５）
図６（ａ）は、変形例１−５について説明するための図である。ここで、導波路幅を狭くすると、曲がり部と直線部との間でモード径の差が大きくなる。この場合、モードミスマッチに起因する損失が発生することがある。そこで、図６（ａ）のように、狭幅部１８において、導波路幅を不連続的に狭くしてもよい。すなわち、曲がり導波路１１の始点における幅をｗ１とし、狭幅部１８において幅が不連続に狭くなる直前の幅をｗ２とし、狭幅部１８において幅が不連続に狭くなった直後の幅をｗ３とした場合に、ｗ１＞ｗ２＞ｗ３の関係が成立していてもよい。この場合、モードミスマッチに起因する損失を抑制することができる。なお、図６（ａ）の例では中心軸にオフセット設けているが、オフセットを設けていなくてもよい。
【００３６】
（変形例１−６）
図６（ｂ）は、変形例１−６について説明するための図である。曲がり導波路１１の途中で不要モードを除去するためには、狭幅部１８が長いほど好ましい。そこで、狭幅部１８は、図６（ｂ）で説明されるように、曲がり導波路１１がＳ字状に形成されている場合には、曲がり導波路１１の曲がり方向の切換点Ａよりも分岐部１２と反対側から分岐部１２にかけて設けられていることが好ましい。なお、曲がり導波路１１の曲がり方向の切換点Ａでの導波路幅が狭くなる。この場合、モードの軸ずれに起因する損失が大きくなるおそれがある。そこで、図６（ｂ）で説明されるように、切換点Ａにおいて、導波路の中心軸にオフセットを設けてもよい。
【００３７】
（変形例１−７）
図６（ｃ）は、変形例１−７について説明するための図である。図６（ｃ）を参照して、分岐部１２の分岐導波路の幅も、曲がり導波路１１側から反対側にかけて徐々にまたは段階的に広くなっていてもよい。この場合、分岐部１２の分岐導波路の幅が中間導波路１３，１４（相互作用部）の幅よりも狭くなる。それにより、分岐後の不要モードの発生を抑制することができるとともに、相互作用部における変調効率の低下を抑制することができる。なお、分岐部１２における分岐比を５０％により近づけるために、分岐部１２の２つの分岐導波路の幅を、導波方向において同一の割合で変化させることが好ましい。
【００３８】
なお、上記各例において、低屈折率部として機能する狭幅部１８は相互作用部よりも前段に設けられているが、相互作用部よりも後段に設けられていてもよい。具体的には、狭幅部１８は、曲がり導波路１６の合流部１５と反対側の端から合流部１５までの間の導波路に設けられていてもよい。この場合においては、合流部１５は、曲がり導波路に接続されて分岐する分岐部に相当する。また、曲がり導波路１６の出射口が、曲がり導波路の分岐部と反対側の始点に相当する。
【００３９】
（第２の実施形態）
第２の実施形態においては、ＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）変調器について説明する。図７（ａ）は、第２の実施形態に係るＱＰＳＫ光変調器１００ａの模式的な平面図である。図７（ａ）を参照して、ＱＰＳＫ光変調器１００ａは、２つのマッハツェンダ型変調器（第１マッハツェンダ型光変調器および第２マッハツェンダ型光変調器）が形成された電気光学基板を備える。第１マッハツェンダ型光変調器および第２マッハツェンダ型光変調器の少なくとも一方は、第１の実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器１００と同様の構成を有する。
【００４０】
第１マッハツェンダ型光変調器は、曲がり導波路１１ａ、分岐部１２ａ、中間導波路１３ａ，１４ａ、合流部１５ａ、および曲がり導波路１６ａを備える。第２マッハツェンダ型光変調器は、曲がり導波路１１ｂ、分岐部１２ｂ、中間導波路１３ｂ，１４ｂ、合流部１５ｂ、および曲がり導波路１６ｂを備える。
【００４１】
ＱＰＳＫ光変調器１００ａは、光入力端に分岐部１９を備え、光出力端に合流部２０を備える。曲がり導波路１１ａおよび曲がり導波路１１ｂは、分岐部１９から分岐する。曲がり導波路１６ａおよび曲がり導波路１６ｂは、合流部２０において合流する。
【００４２】
図７（ｂ）は、分岐部１９、曲がり導波路１１ａ，１１ｂ、および分岐部１２ａ，１２ｂの拡大図である。図７（ｂ）の例では、曲がり導波路１１ａの始点から分岐部１２ａに至るまでの導波路に狭幅部１８ａが設けられているとともに、曲がり導波路１１ｂの始点から分岐部１２ｂに至るまでの導波路に狭幅部１８ｂが設けられている。この場合、分岐部１２ａ，１２ｂのいずれにおいても、分岐比の劣化を抑制することができる。
【００４３】
図８は、分岐部１９、曲がり導波路１１ａ，１１ｂ、および分岐部１２ａ，１２ｂの他の例を説明するための図である。図８の例では、分岐部１２ａおよび分岐部１２ｂは、ＱＰＳＫ光変調器１００ａの長手方向（光導波方向）において、異なる位置に配置されていてもよい。この場合、曲がり導波路１１ａと曲がり導波路１１ｂとの間で、曲率半径、角度等を異ならせることができる。それにより、狭幅部１８ａおよび狭幅部１８ｂの形状を個別に設定することができる。
【００４４】
例えば、狭幅部１８ａの導波方向における長さは、狭幅部１８ｂの導波方向における長さと異なっていてもよい。また、狭幅部１８ａの幅は、狭幅部１８ｂの幅と異なっていてもよい。さらに、狭幅部１８ａ，１８ｂの中心軸にオフセットを設ける場合に、各オフセット量は互いに異なっていてもよい。また、分岐部１２ａの始点の幅は、分岐部１２ｂの始点の幅と異なっていてもよい。このように、各パラメータを最適化することによって、各導波路における結合損失を低減化することができる。
【００４５】
（第３の実施形態）
第３の実施形態においては、ｍ×ｎの光カプラについて説明する。一例として、２×２の光カプラについて説明する。図９（ａ）は、本実施形態に係る光カプラ４０の模式的平面図である。図９（ａ）を参照して、光カプラ４０は、２本の入力導波路４１，４２、および２本出力導波路４３，４４を備える。入力導波路４１，４２および出力導波路４３，４４の少なくともいずれか１本は、第１の実施形態に係る曲がり導波路１１および狭幅部１８を備える。なお、第１の実施形態に係る分岐部１２は、本実施形態においては光カプラ４０が対応する。
【００４６】
図９（ａ）の例では、入力導波路４１が曲がり導波路１１および狭幅部１８を含む。図９（ａ）の例では、曲がり導波路１１の始点から光カプラ４０に至るまでの導波路に狭幅部１８が設けられている。この場合、入力導波路４１から入力される光に対する分岐比の劣化を抑制することができる。なお、光カプラ４０においては、好ましい分岐比は、５０％に限るものではなく、光カプラに要求される所望の値に設定される。
【００４７】
図９（ｂ）を参照して、入力導波路４１，４２および出力導波路４３，４４のいずれにおいても、狭幅部が設けられていてもよい。この場合において、少なくとも２本の導波路において、光カプラ４０に向かって、同じ割合で幅が狭くなっていてもよい。この場合、当該２本の導波路の損失および波長特性を等しくすることができる。また、設計時と製造時との差に起因する２本の導波路の損失差のばらつきを抑制することができる。その結果、広波長帯で製造ばらつきの小さい消光比特性を得ることができる。以上の観点から、光カプラ４０に同じ側から接続する２本の導波路が、光カプラ４０の中心軸について対称の位置に結合していてもよい。
【００４８】
図９（ｃ）を参照して、狭幅部１８よりも光カプラ４０側において、導波路幅が広くなっていてもよい。この場合、導波路幅を狭くすることによって生じるモードフィールドの広がりに起因する結合損失を抑制することができる。
【００４９】
以上、各実施形態において、導波路幅を狭くすることによって実効屈折率を低くする例について説明した。図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、実効屈折率の他の調整手法について説明するための図である。上述したように、実効屈折率は、導波路の断面積、導波路幅、導波路深さ、導波路の不純物濃度等に基づいて調整することができる。
【００５０】
まず、導波路の断面積を小さくすることによって、実効屈折率を小さくすることができる。具体的には、図１０（ａ）を参照して、導波路幅ｗｂ（＜導波路幅ｗａ）とすることによって、導波路幅ｗｂの導波路の実効屈折率を導波路幅ｗａの導波路の実効屈折率よりも小さくすることができる。また、図１０（ｂ）を参照して、導波路深さｄ２（＜導波路深さｄ１）とすることによって、導波路深さｄ２の導波路の実効屈折率を導波路深さｄ１の導波路の実効屈折率よりも小さくすることができる。
【００５１】
また、図１０（ｃ）を参照して、導波路の不純物濃度ｎ２（＜不純物濃度ｎ１）とすることによって、不純物濃度ｎ２の導波路の実効屈折率を不純物濃度ｎ１の導波路の実効屈折率よりも小さくすることができる。
【００５２】
さらに、導波路の構成は、上記各例に限られない。他の例として、シリコン導波路を用いてもよい。図１１は、シリコン導波路を説明するための断面図である。図１１を参照して、シリコン基板５０上に下部クラッド層６０および上部クラッド層７０を備え、光導波路８０は、下部クラッド層６０に形成されていてもよい。例えば、下部クラッド層６０および上部クラッド層７０として、石英系ガラスを用いることができる。また、光導波路８０は、下部クラッド層６０に対して、固相拡散法またはイオンプレーティング法等によって、Ｇｅ等を注入することによって形成することができる。このようなシリコン導波路に上記各例を適用してもよい。
【００５３】
また、上記各例においては、曲がり導波路としてＳ字状の曲がり導波路を用いているが、それに限られない。分岐部における分岐比のずれは、曲がり導波路と分岐部との結合に起因して生じるものである。したがって、Ｓ字に曲がっていなくても、一方側にだけ曲がる曲がり導波路に対しても、上記各例を適用することができる。
【００５４】
（第４の実施形態）
図１２は、第４の実施形態に係る光送信機２００の全体構成を説明するためのブロック図である。図１２を参照して、光送信機２００は、光デバイス２１０、データ生成部２２０等を備える。光デバイス２１０は、上記いずれかの光変調器を備えた半導体レーザ等である。データ生成部２２０は、光デバイス２１０を駆動するための駆動信号を光デバイスに送信する。光デバイスは、データ生成部２２０からの駆動信号に応じて光変調信号を出力する。出力された光変調信号は、光ファイバ等を介して外部に出力される。光デバイス２１０に搭載される光変調器は、小型化されるとともに高消光比を有することから、光送信機２００は、高特性光信号を出力することができる。
【００５５】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００５６】
（付記）
（付記１）
基板に形成され、
曲がり導波路と、前記曲がり導波路に接続されて分岐する分岐部と、を備え、
前記曲がり導波路の前記分岐部と反対側の始点から前記分岐部に至るまでの導波路において、前記曲がり導波路の始点の実効屈折率よりも低い実効屈折率を有する低屈折率部が設けられていることを特徴とする光導波路。
（付記２）
前記低屈折率部の実効屈折率は、前記分岐部に向かって連続的にまたは段階的に低くなることを特徴とする付記１記載の光導波路。
（付記３）
前記低屈折率部は、前記曲がり導波路の途中に設けられていることを特徴とする付記１または２記載の光導波路。
（付記４）
前記曲がり導波路の曲率半径は、４ｍｍ以上であることを特徴とする付記３記載の光導波路。
（付記５）
前記低屈折率部の曲率半径は、実効屈折率の低下に伴って大きくなることを特徴とする付記３または４記載の光導波路。
（付記６）
前記低屈折率部において、導波路の中心軸にオフセットが設けられていることを特徴とする付記１〜５のいずれかに記載の光導波路。
（付記７）
前記曲がり導波路は、Ｓ字状の曲がり導波路であり、
前記低屈折率部の前記分岐部と反対側の始点は、前記曲がり導波路において、前記曲がり導波路の曲がり方向の切換点よりも前記分岐部と反対側に位置することを特徴とする付記１〜６のいずれかに記載の光導波路。
（付記８）
前記曲がり方向の切換点において、導波路の中心軸にオフセットが設けられていることを特徴とする付記７記載の光導波路。
（付記９）
前記曲がり導波路は、Ｓ字状の曲がり導波路であり、
前記低屈折率部の前記分岐部と反対側の始点は、前記曲がり導波路において、前記曲がり導波路の曲がり方向の切換点よりも前記分岐部側に位置することを特徴とする付記１〜６のいずれかに記載の光導波路。
（付記１０）
前記分岐部の分岐導波路の実効屈折率は、分岐点から反対側にかけて徐々にまたは段階的に大きくなることを特徴とする付記１〜９のいずれかに記載の光導波路。
（付記１１）
前記各分岐導波路の実効屈折率は、光導波方向において同じ割合で変化することを特徴とする付記１０記載の光導波路。
（付記１２）
前記低屈折率部は、前記曲がり導波路の始点の断面積よりも小さい断面積を有することによって、低い実効屈折率を有することを特徴とする付記１〜１１のいずれかに記載の光導波路。
（付記１３）
前記低屈折率部は、前記曲がり導波路の始点の幅よりも小さい幅を有することによって、低い実効屈折率を有することを特徴とする付記１〜１１のいずれかに記載の光導波路。
（付記１４）
前記低屈折率部における最小幅は、６μｍ以下であることを特徴とする付記１３記載の光導波路。
（付記１５）
前記低屈折率部は、前記曲がり導波路の始点よりも浅く形成されることによって、低い実効屈折率を有することを特徴とする付記１〜１１のいずれかに記載の光導波路。
（付記１６）
前記低屈折率部は、前記曲がり導波路の始点よりも低い不純物濃度を有することによって、低い実効屈折率を有することを特徴とする付記１〜１１のいずれかに記載の光導波路。
（付記１７）
付記１〜１６のいずれかに記載の光導波路を、光入力側および光出力側の少なくとも一方の分岐箇所に備えるとともに、前記基板は電気光学効果を有することを特徴とするマッハツェンダ型の光変調器。
（付記１８）
前記光変調器は、１つの光導波路が第１分岐部において２分岐した後に２つの第２分岐部においてさらに２分岐し、２つの第１合流部において各２つの導波路が合流した後に第２合流部において１つの導波路に合流するＱＰＳＫ光変調器であり、
前記光導波路は、前記第２分岐部および前記第１合流部のいずれかの箇所に設けられていることを特徴とする付記１７記載の光変調器。
（付記１９）
前記２つの第２分岐部および／または前記２つの第１合流部は、前記光変調器の長手方向において、異なる位置に配置されていることを特徴とする付記１８記載の光変調器。
（付記２０）
付記１〜１６のいずれかに記載の光導波路を入力導波路および出力導波路の少なくとも一方に備えることを特徴とする光カプラ。
【符号の説明】
【００５７】
１０ 基板
１１，１６ 曲がり導波路
１２ 分岐部
１３，１４ 中間導波路
１５ 合流部
１８ 狭幅部
４０ 光カプラ
１００ 光変調器
２００ 光送信機
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路、光変調器、および、光カプラに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬｉＮｂＯ３（ＬＮ）基板、ＬｉＴａＯ２基板等の電気光学結晶を用いた光導波路デバイスが開発されている。これらの光導波路デバイスは、結晶基板上の一部にチタンなどの金属膜を形成し熱拡散させる、あるいはパターニング後に安息香酸中でプロトン交換するなどして光導波路を形成した後、光導波路近傍に電極を設けることで形成される。このような光導波路デバイスとして、例えばマッハツェンダ型光変調器があげられる（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−５３０８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
マッハツェンダ型光変調器では、曲がり導波路の後段にＹ字状の分岐部が設けられることがある。この構成では、曲がり導波路中で偏ったモードが分岐部に入射され、分岐比が５０％からずれることがある。その結果、マッハツェンダの消光比が劣化するという問題が生じ得る。分岐比を５０％に近づけるために分岐部前段に直線部を設けることもできるが、この場合においては光変調器が大型化するなどの問題が生じる。
【０００５】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、大型化を抑制しつつ分岐比の劣化を抑制することができる光導波路、光変調器、および、光カプラを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、明細書開示の光導波路は、基板に形成され、曲がり導波路と、前記曲がり導波路に接続されて分岐する分岐部と、を備え、前記曲がり導波路の前記分岐部と反対側の始点から前記分岐部に至るまでの導波路において、前記曲がり導波路の始点の実効屈折率よりも低い実効屈折率を有する低屈折率部が設けられているものである。
【０００７】
上記課題を解決するために、明細書開示の光変調器は、上記光導波路を、光入力側および光出力側の少なくとも一方の分岐箇所に備えるものである。
【０００８】
上記課題を解決するために、明細書開示の光カプラは、上記光導波路を入力導波路および出力導波路の少なくとも一方に備えるものである。
【発明の効果】
【０００９】
明細書開示の光導波路、マッハツェンダ型光変調器、および光カプラによれば、大型化を抑制しつつ分岐比の劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】（ａ）は第１の実施形態に係るマッハツェンダ型の光変調器の模式的な平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図２】（ａ）は比較例を説明するための図であり、（ｂ）は第１の実施形態を説明するための図である。
【図３】（ａ）は図２（ｂ）の構成において狭幅部の始点における幅を変えた場合の分岐比のスペクトルを示し、（ｂ）は挿入損失（ｄＢ）を示し、（ｃ）は波長依存性を示し、（ｄ）は、曲がり導波路の曲率半径と過剰損失との関係を示す図である。
【図４】（ａ）は変形例１−１について説明するための図であり、（ｂ）は変形例１−１の他の例について説明するための図であり、（ｃ）は変形例１−２について説明するための図である。
【図５】（ａ）は変形例１−３について説明するための図であり、（ｂ）は変形例１−４について説明するための図である。
【図６】（ａ）は変形例１−５について説明するための図であり、（ｂ）は変形例１−６について説明するための図であり、（ｃ）は変形例１−７について説明するための図である。
【図７】（ａ）は第２の実施形態に係るＱＰＳＫ光変調器の模式的な平面図であり、（ｂ）は分岐部、曲がり導波路および分岐部の拡大図である。
【図８】分岐部、曲がり導波路および分岐部の他の例を説明するための図である。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は光カプラについて説明するための図である。
【図１０】（ａ）〜（ｃ）は実効屈折率の調整手法について説明するための図である。
【図１１】シリコン導波路を説明するための断面図である。
【図１２】第４の実施形態に係る光送信機の全体構成を説明するためのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しつつ、実施の形態について説明する。
【００１２】
（第１の実施形態）
図１（ａ）は、第１の実施形態に係るマッハツェンダ型の光変調器１００の模式的な平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図１（ａ）および図１（ｂ）を参照して、光変調器１００は、曲がり導波路１１、分岐部１２、中間導波路１３，１４、合流部１５、および曲がり導波路１６が形成された基板１０を備える。基板１０は、ＬｉＮｂ３（ＬＮ）基板、ＬｉＴａＯ２基板等の電気光学結晶を用いた電気光学基板である。
【００１３】
曲がり導波路１１、分岐部１２、中間導波路１３，１４、合流部１５および曲がり導波路１６は、基板１０にＴｉ（チタン）等の金属を熱拡散させることによって形成される。曲がり導波路１１の一端は、光変調器１００の光入力端として機能する。曲がり導波路１１の他端は、分岐部１２の一端に接続される。分岐部１２は、Ｙ字分岐部を介して、曲がり導波路１１と反対側に向かって分岐する。分岐部１２の各分岐導波路は、中間導波路１３，１４のそれぞれの一端に接続される。中間導波路１３，１４は、互いに平行に配置されている。中間導波路１３，１４の他端は、合流部１５のＹ字結合部を介して曲がり導波路１６の一端に接続される。曲がり導波路１６の他端は、光変調器１００の光出力端として機能する。以上の構成により、曲がり導波路１１、分岐部１２、中間導波路１３，１４、合流部１５および曲がり導波路１６は、光導波路を構成する。
【００１４】
図１（ｂ）を参照して、基板１０の光導波路側の面には、バッファ層３０が設けられている。それにより、光導波路は、バッファ層３０によって覆われている。バッファ層３０は、光導波路を伝播する光が後述する電極によって吸収されることを防ぐために設けられている。バッファ層３０は、例えば、厚さ０．２μｍ〜２μｍ程度のＳｉＯ２等である。
【００１５】
中間導波路１３上には、バッファ層３０を介して、信号電極２１が設けられている、中間導波路１４上には、バッファ層３０を介して、接地電極２２が設けられている。それにより、信号電極２１および接地電極２２は、コプレーナ電極を構成する。基板１０としてＺカット基板を用いる場合には、Ｚ方向の電解に起因する屈折率変化を利用するために、信号電極２１および接地電極２２は、中間導波路の真上に配置される。
【００１６】
光変調器１００を高速で駆動する場合、信号電極２１および接地電極２２の終端を抵抗で接続することによって進行波電極を構成し、進行波電極の入力側からマイクロ波信号を印加する。この場合、電界によって中間導波路１３，１４の屈折率が一例として＋Δｎ、−Δｎのように変化する。それにより、中間導波路１３，１４間の位相差が変化するため、マッハツェンダ干渉が生じる。その結果、曲がり導波路１６の他端から、強度変調された信号光が出力される。電極の断面形状を変化させることでマイクロ波の実効屈折率を制御し、光の速度とマイクロ波の速度とを整合させることによって高速の光応答特性を得ることができる。
【００１７】
図１（ａ）を参照して、ファイバとの結合を考慮し、導波路の入出力端（曲がり導波路１１の一端および曲がり導波路１６の他端）は、光変調器１００の幅方向のほぼ中央に配置される。なお、光変調器１００の幅方向は、図１（ａ）では紙面における上下方向と一致する。一方、中間導波路が形成される相互作用部では、電極の入出力部（ボンディングパッド等）が光変調器１００の幅方向のいずれか一方側に配置される。したがって、中間導波路は、光変調器１００の幅方向の他方側に偏って配置される。この構成によって、光変調器１００の幅を狭くすることができる。しかしながら、導波路の入出力部と相互作用部との間で、導波路の位置が異なってしまう。そこで、曲がり導波路１１，１６を用いて導波路をＳ字状に曲げることが有効である。
【００１８】
しかしながら、曲がり導波路１１，１６を設ける場合、曲がり導波路１１の後段に分岐部１２が配置されることになる。この場合、曲がり導波路１１中で偏ったモードが分岐部１２に入射され、分岐比が５０％からずれる。その結果、マッハツェンダの消光比が劣化するという問題が生じ得る。そこで、図２（ａ）で説明される比較例のように、分岐部１２の前段に所定の長さ以上の直線導波路１７を設けることが考えられる。しかしながら、このような構成では、光変調器全体が大型化する。また、分岐比に波長依存性が生じることがある。
【００１９】
マッハツェンダの消光比の劣化は、分岐部でパワーが等分されないこと、導波路伝播損失がパスにより異なること、等のいくつかの要因で生じる。消光比劣化を起こす可能性があることに気づいた本発明者は、原因を究明するために、実験および解析の両面から綿密な調査を行った。実験としては、変調器各部でどの程度の損失が発生しているのかを詳細に調査し、消光比劣化に起因する箇所の特定を行った。本発明者は、原因究明用サンプルの設計、試作、評価、分析等を繰り返し、その結果から、分岐部での分岐比のずれが主要因である可能性が高いと判断した。
【００２０】
本発明者は、この考察に基づき、解析による理論の裏づけを行った。導波路シミュレーションとしてビーム伝播法を用い、モデルの構築、解析パラメータの設定、および計算を繰り返し、実測値からのフィードバックを通して解析精度を高め、解析モデルが妥当であることを確認した。また、得られた解析結果を分析し、曲がり導波路中で偏った分布をもつ光の伝播モードが分岐部に入射し、そのために分岐部の分岐比が５０％からずれていることが消光比劣化の主要因であると結論づけた。
【００２１】
この分析結果に基づき、本発明者は、消光比改善のための設計手法を検討した。分岐部の種々のパラメータを変えてシミュレーションを繰り返し、各パラメータの消光比への影響を調査した。分岐部の前に直線導波路を設ける手法では、分岐比を５０％に近づける効果はあるが、光変調器の大型化および波長依存性の問題が生じ得る。そこで、伝播モードの偏りの影響を抑えるという観点から、本発明者は、鋭意研究の末、曲がり導波路の分岐部と反対側の始点から分岐部に至るまでの導波路において、実効屈折率を低くする方法を発案した。この方法によれば、曲がり導波路内で偏ったモードが分岐導波路内の非対称モードと結合しなくなる。それにより、モードの対称性が改善され、分岐比を５０％または５０％に近づけることができる。なお、実効屈折率は、導波路の断面積を変化させることによって変化させてもよく、導波路の幅または深さを変化させることによって変化させてもよく、導波路中の不純物濃度を変化させることによって変化させてもよい。以下の例では、導波路の幅を変化させることによって実効屈折率を変化させる。
【００２２】
図２（ｂ）の例では、導波路幅の狭い狭幅部１８は、曲がり導波路１１の分岐部１２側端に設けられている。具体的には、曲がり導波路１１の分岐部１２と反対側の始点における幅をｗ１とし、狭幅部１８における幅をｗ２とした場合に、ｗ１＞ｗ２の関係が成立する。また、図２（ｂ）の例では、狭幅部１８の分岐部１２と反対側の始点において、幅が不連続に小さくなっている。このように、導波路幅を小さくすることによって、狭幅部１８における実効屈折率を小さくすることができる。すなわち、狭幅部１８は、実効屈折率が低い低屈折率部として機能する。
【００２３】
なお、導波路幅が狭い部分での光の閉じ込めが弱くなって放射損失が増加する問題が生じ得る。放射損失は、導波光の波長に依存し、導波光の波長が長いほど大きくなる傾向がある。そこで発明者は、分岐比とのトレードオフを考慮し、損失が少なく分岐比改善効果の得られる好ましい導波路幅について検討した。
【００２４】
図３（ａ）は、図２（ｂ）の構成において狭幅部１８の始点における幅を変えた場合の分岐比のスペクトルを示す。図３（ｂ）は、狭幅部１８の挿入損失（ｄＢ）を示す。狭幅部１８の幅は、４．５μｍ、６．０μｍ、７．５μｍとした。図３（ａ）を参照して、分岐部１２における分岐比は、狭幅部１８の幅が広い場合には長波長側で５０％からのずれが大きくなっているが、狭幅部１８の幅が狭い場合には改善されている。したがって、導波路幅を狭くすることによって、波長依存性を改善することができる。図３（ｂ）を参照して、挿入損失は導波路幅による影響は小さく、この範囲では損失を増やさずに分岐比が改善されている。
【００２５】
なお、ＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）変調器では、高い消光比（例えば、消光比２５ｄＢ以上）が要求される。例えば、５０％±５％（４５％〜５５％）の範囲内の分岐比が要求される。Ｃバンド（１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍ）およびＬバンド（１５６５ｎｍ〜１６２５ｎｍ）において分岐比が４５％〜５５％の範囲に入るのは、図３（ａ）において６．０μｍ以下の幅の場合である。以上のことから、狭幅部１８の幅は、６．０μｍ以下であることが好ましく、４．５μｍ以下であることがより好ましい。
【００２６】
また、狭幅部１８を設ける際には、設計上の問題が生じ得る。導波路を曲げながら幅を変化させるため、パターニングに用いるフォトマスク作成時に描画点算出のためのデータ計算量が膨大になるからである。この場合、描画に要する時間がかかり、パターンの作成やチェックに要する時間が長くなる。また、算出されるデータ量が膨大になるため、データ量制限によるフォトマスク作成不能の状態に陥るおそれも出てくる。そこで本発明者は、導波路の連続性がある程度保たれ、かつデータ量が抑えられるようにデータを離散化して設計することを考案した。サンプルを設計し、試作と評価とを行ったところ、図３（ｃ）に示す波長依存性の小さい分岐比が得られ、設計上の問題もクリアすることが示された。
【００２７】
一方で、狭幅部１８の幅を狭くし過ぎると、閉じ込め効果が弱まって放射損失が増加する可能性もある。図３（ｄ）は、曲がり導波路１１の曲率半径と過剰損失との関係を示す図である。図３（ｄ）を参照して、曲率半径が大きい場合には、狭幅部１８の幅が狭くても過剰損失は抑制されている。しかしながら、曲率半径が４ｍｍ未満になると、過剰損失が急激に増加する。狭幅部１８の幅が狭いほど、過剰損失が大きく増加する。したがって、曲がり導波路１１における曲率半径は、４ｍｍ以上であることが好ましい。
【００２８】
（変形例１−１）
図４（ａ）は、変形例１−１について説明するための図である。図４（ａ）を参照して、狭幅部１８は、分岐部１２に向かって、テーパ状に徐々に（連続的に）狭くなるように形成されていてもよい。この場合、導波路幅の変化に伴う散乱損失を低減することができる。なお、図４（ｂ）を参照して、分岐部１２の股の部分が鋭角ではなくてもよい。例えば、分岐部１２の股は、幅Ｇの切り欠きを入れた形状を有していてもよい。この場合、光導波路の光学特性、製造性を安定させることができる。本明細書の他の分岐部についても、同様のことが言える。
【００２９】
（変形例１−２）
図４（ｃ）は、変形例１−２について説明するための図である。図４（ｃ）を参照して、狭幅部１８は、曲がり導波路１１の曲がり部分の途中から徐々に（連続的に）導波路幅が狭くなる部分であってもよい。この場合、導波路幅の変化に伴う散乱損失をより低減することができるとともに、曲がり導波路１１をより小型化することができる。
【００３０】
なお、図３（ｄ）で説明したように、導波路幅が狭いほど損失が大きくなることから、導波路幅が狭くなるにつれて曲率半径が大きくなるように曲がり導波路１１および狭幅部１８を形成することが好ましい。この場合、曲がり導波路１１の損失を低く抑制できるとともに、曲がり導波路１１をより小型化することができる。
【００３１】
例えば、図４（ｂ）の例では、曲がり導波路１１の曲がり部分の途中から徐々に導波路幅が狭くなっていることから、導波路幅が狭くなるにつれて曲率半径が大きくなっている。なお、損失の波長依存性が大きくなるような場合においては、狭幅部１８の始点は、曲がり導波路１１の曲がり方向の切換点Ａよりも分岐部１２側に位置していることが好ましい。
【００３２】
（変形例１−３）
曲がり導波路においては、モード分布の中心が導波路の中心軸からずれることがある。この軸ずれは、導波路幅が狭くなるほど大きくなる。したがって、曲がり導波路１１と分岐部１２との接続箇所における軸ずれによる損失が発生することがある。そこで、狭幅部１８のいずれかの箇所において、導波路の中心軸にオフセットを設けてもよい。なお、オフセットの方向は、励起モード、曲がり導波路の長さ、曲がり導波路の幅、曲がり導波路の曲率半径等に応じて決定される。
【００３３】
図５（ａ）は、変形例１−３について説明するための図である。図５（ａ）を参照して、図４（ａ）の構成の狭幅部１８の始点において、導波路の中心軸にオフセットを設けてもよい。図５（ａ）の例では、狭幅部１８の中心軸を、曲がり導波路１１の曲がり方向にシフトさせている。この場合、軸ずれに起因する損失を抑制することができる。
【００３４】
（変形例１−４）
図５（ｂ）は、変形例１−４について説明するための図である。図５（ｂ）を参照して、図４（ｂ）の構成の狭幅部１８の終点において、導波路の中心軸にオフセットを設けてもよい。この場合においても、軸ずれに起因する損失を抑制することができる。
【００３５】
（変形例１−５）
図６（ａ）は、変形例１−５について説明するための図である。ここで、導波路幅を狭くすると、曲がり部と直線部との間でモード径の差が大きくなる。この場合、モードミスマッチに起因する損失が発生することがある。そこで、図６（ａ）のように、狭幅部１８において、導波路幅を不連続的に狭くしてもよい。すなわち、曲がり導波路１１の始点における幅をｗ１とし、狭幅部１８において幅が不連続に狭くなる直前の幅をｗ２とし、狭幅部１８において幅が不連続に狭くなった直後の幅をｗ３とした場合に、ｗ１＞ｗ２＞ｗ３の関係が成立していてもよい。この場合、モードミスマッチに起因する損失を抑制することができる。なお、図６（ａ）の例では中心軸にオフセット設けているが、オフセットを設けていなくてもよい。
【００３６】
（変形例１−６）
図６（ｂ）は、変形例１−６について説明するための図である。曲がり導波路１１の途中で不要モードを除去するためには、狭幅部１８が長いほど好ましい。そこで、狭幅部１８は、図６（ｂ）で説明されるように、曲がり導波路１１がＳ字状に形成されている場合には、曲がり導波路１１の曲がり方向の切換点Ａよりも分岐部１２と反対側から分岐部１２にかけて設けられていることが好ましい。なお、曲がり導波路１１の曲がり方向の切換点Ａでの導波路幅が狭くなる。この場合、モードの軸ずれに起因する損失が大きくなるおそれがある。そこで、図６（ｂ）で説明されるように、切換点Ａにおいて、導波路の中心軸にオフセットを設けてもよい。
【００３７】
（変形例１−７）
図６（ｃ）は、変形例１−７について説明するための図である。図６（ｃ）を参照して、分岐部１２の分岐導波路の幅も、曲がり導波路１１側から反対側にかけて徐々にまたは段階的に広くなっていてもよい。この場合、分岐部１２の分岐導波路の幅が中間導波路１３，１４（相互作用部）の幅よりも狭くなる。それにより、分岐後の不要モードの発生を抑制することができるとともに、相互作用部における変調効率の低下を抑制することができる。なお、分岐部１２における分岐比を５０％により近づけるために、分岐部１２の２つの分岐導波路の幅を、導波方向において同一の割合で変化させることが好ましい。
【００３８】
なお、上記各例において、低屈折率部として機能する狭幅部１８は相互作用部よりも前段に設けられているが、相互作用部よりも後段に設けられていてもよい。具体的には、狭幅部１８は、曲がり導波路１６の合流部１５と反対側の端から合流部１５までの間の導波路に設けられていてもよい。この場合においては、合流部１５は、曲がり導波路に接続されて分岐する分岐部に相当する。また、曲がり導波路１６の出射口が、曲がり導波路の分岐部と反対側の始点に相当する。
【００３９】
（第２の実施形態）
第２の実施形態においては、ＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）変調器について説明する。図７（ａ）は、第２の実施形態に係るＱＰＳＫ光変調器１００ａの模式的な平面図である。図７（ａ）を参照して、ＱＰＳＫ光変調器１００ａは、２つのマッハツェンダ型変調器（第１マッハツェンダ型光変調器および第２マッハツェンダ型光変調器）が形成された電気光学基板を備える。第１マッハツェンダ型光変調器および第２マッハツェンダ型光変調器の少なくとも一方は、第１の実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器１００と同様の構成を有する。
【００４０】
第１マッハツェンダ型光変調器は、曲がり導波路１１ａ、分岐部１２ａ、中間導波路１３ａ，１４ａ、合流部１５ａ、および曲がり導波路１６ａを備える。第２マッハツェンダ型光変調器は、曲がり導波路１１ｂ、分岐部１２ｂ、中間導波路１３ｂ，１４ｂ、合流部１５ｂ、および曲がり導波路１６ｂを備える。
【００４１】
ＱＰＳＫ光変調器１００ａは、光入力端に分岐部１９を備え、光出力端に合流部２０を備える。曲がり導波路１１ａおよび曲がり導波路１１ｂは、分岐部１９から分岐する。曲がり導波路１６ａおよび曲がり導波路１６ｂは、合流部２０において合流する。
【００４２】
図７（ｂ）は、分岐部１９、曲がり導波路１１ａ，１１ｂ、および分岐部１２ａ，１２ｂの拡大図である。図７（ｂ）の例では、曲がり導波路１１ａの始点から分岐部１２ａに至るまでの導波路に狭幅部１８ａが設けられているとともに、曲がり導波路１１ｂの始点から分岐部１２ｂに至るまでの導波路に狭幅部１８ｂが設けられている。この場合、分岐部１２ａ，１２ｂのいずれにおいても、分岐比の劣化を抑制することができる。
【００４３】
図８は、分岐部１９、曲がり導波路１１ａ，１１ｂ、および分岐部１２ａ，１２ｂの他の例を説明するための図である。図８の例では、分岐部１２ａおよび分岐部１２ｂは、ＱＰＳＫ光変調器１００ａの長手方向（光導波方向）において、異なる位置に配置されていてもよい。この場合、曲がり導波路１１ａと曲がり導波路１１ｂとの間で、曲率半径、角度等を異ならせることができる。それにより、狭幅部１８ａおよび狭幅部１８ｂの形状を個別に設定することができる。
【００４４】
例えば、狭幅部１８ａの導波方向における長さは、狭幅部１８ｂの導波方向における長さと異なっていてもよい。また、狭幅部１８ａの幅は、狭幅部１８ｂの幅と異なっていてもよい。さらに、狭幅部１８ａ，１８ｂの中心軸にオフセットを設ける場合に、各オフセット量は互いに異なっていてもよい。また、分岐部１２ａの始点の幅は、分岐部１２ｂの始点の幅と異なっていてもよい。このように、各パラメータを最適化することによって、各導波路における結合損失を低減化することができる。
【００４５】
（第３の実施形態）
第３の実施形態においては、ｍ×ｎの光カプラについて説明する。一例として、２×２の光カプラについて説明する。図９（ａ）は、本実施形態に係る光カプラ４０の模式的平面図である。図９（ａ）を参照して、光カプラ４０は、２本の入力導波路４１，４２、および２本出力導波路４３，４４を備える。入力導波路４１，４２および出力導波路４３，４４の少なくともいずれか１本は、第１の実施形態に係る曲がり導波路１１および狭幅部１８を備える。なお、第１の実施形態に係る分岐部１２は、本実施形態においては光カプラ４０が対応する。
【００４６】
図９（ａ）の例では、入力導波路４１が曲がり導波路１１および狭幅部１８を含む。図９（ａ）の例では、曲がり導波路１１の始点から光カプラ４０に至るまでの導波路に狭幅部１８が設けられている。この場合、入力導波路４１から入力される光に対する分岐比の劣化を抑制することができる。なお、光カプラ４０においては、好ましい分岐比は、５０％に限るものではなく、光カプラに要求される所望の値に設定される。
【００４７】
図９（ｂ）を参照して、入力導波路４１，４２および出力導波路４３，４４のいずれにおいても、狭幅部が設けられていてもよい。この場合において、少なくとも２本の導波路において、光カプラ４０に向かって、同じ割合で幅が狭くなっていてもよい。この場合、当該２本の導波路の損失および波長特性を等しくすることができる。また、設計時と製造時との差に起因する２本の導波路の損失差のばらつきを抑制することができる。その結果、広波長帯で製造ばらつきの小さい消光比特性を得ることができる。以上の観点から、光カプラ４０に同じ側から接続する２本の導波路が、光カプラ４０の中心軸について対称の位置に結合していてもよい。
【００４８】
図９（ｃ）を参照して、狭幅部１８よりも光カプラ４０側において、導波路幅が広くなっていてもよい。この場合、導波路幅を狭くすることによって生じるモードフィールドの広がりに起因する結合損失を抑制することができる。
【００４９】
以上、各実施形態において、導波路幅を狭くすることによって実効屈折率を低くする例について説明した。図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、実効屈折率の他の調整手法について説明するための図である。上述したように、実効屈折率は、導波路の断面積、導波路幅、導波路深さ、導波路の不純物濃度等に基づいて調整することができる。
【００５０】
まず、導波路の断面積を小さくすることによって、実効屈折率を小さくすることができる。具体的には、図１０（ａ）を参照して、導波路幅ｗｂ（＜導波路幅ｗａ）とすることによって、導波路幅ｗｂの導波路の実効屈折率を導波路幅ｗａの導波路の実効屈折率よりも小さくすることができる。また、図１０（ｂ）を参照して、導波路深さｄ２（＜導波路深さｄ１）とすることによって、導波路深さｄ２の導波路の実効屈折率を導波路深さｄ１の導波路の実効屈折率よりも小さくすることができる。
【００５１】
また、図１０（ｃ）を参照して、導波路の不純物濃度ｎ２（＜不純物濃度ｎ１）とすることによって、不純物濃度ｎ２の導波路の実効屈折率を不純物濃度ｎ１の導波路の実効屈折率よりも小さくすることができる。
【００５２】
さらに、導波路の構成は、上記各例に限られない。他の例として、シリコン導波路を用いてもよい。図１１は、シリコン導波路を説明するための断面図である。図１１を参照して、シリコン基板５０上に下部クラッド層６０および上部クラッド層７０を備え、光導波路８０は、下部クラッド層６０に形成されていてもよい。例えば、下部クラッド層６０および上部クラッド層７０として、石英系ガラスを用いることができる。また、光導波路８０は、下部クラッド層６０に対して、固相拡散法またはイオンプレーティング法等によって、Ｇｅ等を注入することによって形成することができる。このようなシリコン導波路に上記各例を適用してもよい。
【００５３】
また、上記各例においては、曲がり導波路としてＳ字状の曲がり導波路を用いているが、それに限られない。分岐部における分岐比のずれは、曲がり導波路と分岐部との結合に起因して生じるものである。したがって、Ｓ字に曲がっていなくても、一方側にだけ曲がる曲がり導波路に対しても、上記各例を適用することができる。
【００５４】
（第４の実施形態）
図１２は、第４の実施形態に係る光送信機２００の全体構成を説明するためのブロック図である。図１２を参照して、光送信機２００は、光デバイス２１０、データ生成部２２０等を備える。光デバイス２１０は、上記いずれかの光変調器を備えた半導体レーザ等である。データ生成部２２０は、光デバイス２１０を駆動するための駆動信号を光デバイスに送信する。光デバイスは、データ生成部２２０からの駆動信号に応じて光変調信号を出力する。出力された光変調信号は、光ファイバ等を介して外部に出力される。光デバイス２１０に搭載される光変調器は、小型化されるとともに高消光比を有することから、光送信機２００は、高特性光信号を出力することができる。
【００５５】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００５６】
（付記）
（付記１）
基板に形成され、
曲がり導波路と、前記曲がり導波路に接続されて分岐する分岐部と、を備え、
前記曲がり導波路の前記分岐部と反対側の始点から前記分岐部に至るまでの導波路において、前記曲がり導波路の始点の実効屈折率よりも低い実効屈折率を有する低屈折率部が設けられていることを特徴とする光導波路。
（付記２）
前記低屈折率部の実効屈折率は、前記分岐部に向かって連続的にまたは段階的に低くなることを特徴とする付記１記載の光導波路。
（付記３）
前記低屈折率部は、前記曲がり導波路の途中に設けられていることを特徴とする付記１または２記載の光導波路。
（付記４）
前記曲がり導波路の曲率半径は、４ｍｍ以上であることを特徴とする付記３記載の光導波路。
（付記５）
前記低屈折率部の曲率半径は、実効屈折率の低下に伴って大きくなることを特徴とする付記３または４記載の光導波路。
（付記６）
前記低屈折率部において、導波路の中心軸にオフセットが設けられていることを特徴とする付記１〜５のいずれかに記載の光導波路。
（付記７）
前記曲がり導波路は、Ｓ字状の曲がり導波路であり、
前記低屈折率部の前記分岐部と反対側の始点は、前記曲がり導波路において、前記曲がり導波路の曲がり方向の切換点よりも前記分岐部と反対側に位置することを特徴とする付記１〜６のいずれかに記載の光導波路。
（付記８）
前記曲がり方向の切換点において、導波路の中心軸にオフセットが設けられていることを特徴とする付記７記載の光導波路。
（付記９）
前記曲がり導波路は、Ｓ字状の曲がり導波路であり、
前記低屈折率部の前記分岐部と反対側の始点は、前記曲がり導波路において、前記曲がり導波路の曲がり方向の切換点よりも前記分岐部側に位置することを特徴とする付記１〜６のいずれかに記載の光導波路。
（付記１０）
前記分岐部の分岐導波路の実効屈折率は、分岐点から反対側にかけて徐々にまたは段階的に大きくなることを特徴とする付記１〜９のいずれかに記載の光導波路。
（付記１１）
前記各分岐導波路の実効屈折率は、光導波方向において同じ割合で変化することを特徴とする付記１０記載の光導波路。
（付記１２）
前記低屈折率部は、前記曲がり導波路の始点の断面積よりも小さい断面積を有することによって、低い実効屈折率を有することを特徴とする付記１〜１１のいずれかに記載の光導波路。
（付記１３）
前記低屈折率部は、前記曲がり導波路の始点の幅よりも小さい幅を有することによって、低い実効屈折率を有することを特徴とする付記１〜１１のいずれかに記載の光導波路。
（付記１４）
前記低屈折率部における最小幅は、６μｍ以下であることを特徴とする付記１３記載の光導波路。
（付記１５）
前記低屈折率部は、前記曲がり導波路の始点よりも浅く形成されることによって、低い実効屈折率を有することを特徴とする付記１〜１１のいずれかに記載の光導波路。
（付記１６）
前記低屈折率部は、前記曲がり導波路の始点よりも低い不純物濃度を有することによって、低い実効屈折率を有することを特徴とする付記１〜１１のいずれかに記載の光導波路。
（付記１７）
付記１〜１６のいずれかに記載の光導波路を、光入力側および光出力側の少なくとも一方の分岐箇所に備えるとともに、前記基板は電気光学効果を有することを特徴とするマッハツェンダ型の光変調器。
（付記１８）
前記光変調器は、１つの光導波路が第１分岐部において２分岐した後に２つの第２分岐部においてさらに２分岐し、２つの第１合流部において各２つの導波路が合流した後に第２合流部において１つの導波路に合流するＱＰＳＫ光変調器であり、
前記光導波路は、前記第２分岐部および前記第１合流部のいずれかの箇所に設けられていることを特徴とする付記１７記載の光変調器。
（付記１９）
前記２つの第２分岐部および／または前記２つの第１合流部は、前記光変調器の長手方向において、異なる位置に配置されていることを特徴とする付記１８記載の光変調器。
（付記２０）
付記１〜１６のいずれかに記載の光導波路を入力導波路および出力導波路の少なくとも一方に備えることを特徴とする光カプラ。
【符号の説明】
【００５７】
１０ 基板
１１，１６ 曲がり導波路
１２ 分岐部
１３，１４ 中間導波路
１５ 合流部
１８ 狭幅部
４０ 光カプラ
１００ 光変調器
２００ 光送信機
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に形成され、
曲がり導波路と、前記曲がり導波路に接続されて分岐する分岐部と、を備え、
前記曲がり導波路の前記分岐部と反対側の始点から前記分岐部に至るまでの導波路において、前記曲がり導波路の始点の実効屈折率よりも低い実効屈折率を有する低屈折率部が設けられていることを特徴とする光導波路。
【請求項２】
前記低屈折率部の実効屈折率は、前記分岐部に向かって連続的にまたは段階的に低くなることを特徴とする請求項１記載の光導波路。
【請求項３】
前記低屈折率部は、前記曲がり導波路の途中に設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の光導波路。
【請求項４】
前記曲がり導波路の曲率半径は、４ｍｍ以上であることを特徴とする請求項３記載の光導波路。
【請求項５】
前記低屈折率部の曲率半径は、実効屈折率の低下に伴って大きくなることを特徴とする請求項３または４記載の光導波路。
【請求項６】
前記低屈折率部において、導波路の中心軸にオフセットが設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光導波路。
【請求項７】
前記曲がり導波路は、Ｓ字状の曲がり導波路であり、
前記低屈折率部の前記分岐部と反対側の始点は、前記曲がり導波路において、前記曲がり導波路の曲がり方向の切換点よりも前記分岐部と反対側に位置することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光導波路。
【請求項８】
前記曲がり方向の切換点において、導波路の中心軸にオフセットが設けられていることを特徴とする請求項７記載の光導波路。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の光導波路を、光入力側および光出力側の少なくとも一方の分岐箇所に備えるとともに、前記基板は電気光学効果を有することを特徴とするマッハツェンダ型の光変調器。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれかに記載の光導波路を入力導波路および出力導波路の少なくとも一方に備えることを特徴とする光カプラ。
【請求項１】
基板に形成され、
曲がり導波路と、前記曲がり導波路に接続されて分岐する分岐部と、を備え、
前記曲がり導波路の前記分岐部と反対側の始点から前記分岐部に至るまでの導波路において、前記曲がり導波路の始点の実効屈折率よりも低い実効屈折率を有する低屈折率部が設けられていることを特徴とする光導波路。
【請求項２】
前記低屈折率部の実効屈折率は、前記分岐部に向かって連続的にまたは段階的に低くなることを特徴とする請求項１記載の光導波路。
【請求項３】
前記低屈折率部は、前記曲がり導波路の途中に設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の光導波路。
【請求項４】
前記曲がり導波路の曲率半径は、４ｍｍ以上であることを特徴とする請求項３記載の光導波路。
【請求項５】
前記低屈折率部の曲率半径は、実効屈折率の低下に伴って大きくなることを特徴とする請求項３または４記載の光導波路。
【請求項６】
前記低屈折率部において、導波路の中心軸にオフセットが設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光導波路。
【請求項７】
前記曲がり導波路は、Ｓ字状の曲がり導波路であり、
前記低屈折率部の前記分岐部と反対側の始点は、前記曲がり導波路において、前記曲がり導波路の曲がり方向の切換点よりも前記分岐部と反対側に位置することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光導波路。
【請求項８】
前記曲がり方向の切換点において、導波路の中心軸にオフセットが設けられていることを特徴とする請求項７記載の光導波路。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の光導波路を、光入力側および光出力側の少なくとも一方の分岐箇所に備えるとともに、前記基板は電気光学効果を有することを特徴とするマッハツェンダ型の光変調器。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれかに記載の光導波路を入力導波路および出力導波路の少なくとも一方に備えることを特徴とする光カプラ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−２５７６３４（Ｐ２０１１−２５７６３４Ａ）
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３２９３２（Ｐ２０１０−１３２９３２）
【出願日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【出願人】（３０９０１５１３４）富士通オプティカルコンポーネンツ株式会社 (72)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【出願人】（３０９０１５１３４）富士通オプティカルコンポーネンツ株式会社 (72)
【Ｆターム（参考）】
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