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JP2855676B2 - Optical waveguide - Google Patents
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JP2855676B2 - Optical waveguide - Google Patents

Optical waveguide

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JP2855676B2
JP2855676B2 JP1186747A JP18674789A JP2855676B2 JP 2855676 B2 JP2855676 B2 JP 2855676B2 JP 1186747 A JP1186747 A JP 1186747A JP 18674789 A JP18674789 A JP 18674789A JP 2855676 B2 JP2855676 B2 JP 2855676B2
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waveguide
optical waveguide
optical
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正明 岩崎
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、基板の表面にチャンネル状に形成された光
導波路に関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an optical waveguide formed in a channel shape on a surface of a substrate.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

光導波路は、熱拡散,イオン交換,イオン注入等によ
り基板の表面近くの高屈折率層として形成され、導波路
中に光を閉じ込め、光スイッチ,変調器などの機能素子
を集積した光集積回路を形成することができる。特に光
集積回路の素子間の光路変換を行うために曲がり導波路
は重要である。このとき、曲がり導波路の曲率半径が小
さいほど短い伝搬距離で光路を変換することができる
が、曲がり導波路の損失は曲率半径の減少にともない増
加する。これは、曲がり導波路において光が伝搬する時
曲がりの外側にはみ出した光の一部が半径方向に放射さ
れ、その放射損失は曲率半径が小さいほど大きくなるこ
とを意味している。光集積回路の目的の1つは素子の小
型化であり、これを実現するには、曲がり導波路の曲率
半径を小さく、かつ、放射損失を低くする必要があっ
た。
The optical waveguide is formed as a high refractive index layer near the surface of the substrate by thermal diffusion, ion exchange, ion implantation, etc., confine the light in the waveguide, and integrate an optical switch, modulator and other functional elements. Can be formed. In particular, a bent waveguide is important for performing optical path conversion between elements of an optical integrated circuit. At this time, as the radius of curvature of the curved waveguide is smaller, the optical path can be converted with a shorter propagation distance, but the loss of the curved waveguide increases as the radius of curvature decreases. This means that when the light propagates in the bent waveguide, a part of the light protruding outside the bend is radiated in the radial direction, and the radiation loss increases as the radius of curvature decreases. One of the purposes of the optical integrated circuit is to reduce the size of the element. To achieve this, it was necessary to reduce the radius of curvature of the bent waveguide and to reduce the radiation loss.

一般に曲がり導波路の放射損失は、曲がり部分の放射
に伴う導波路の減衰定数αで表わすことができ、この減
衰定数αは曲率半径Rと屈折率差ΔN(導波モードの実
効屈折率Nと導波路に近接する表面屈折率nsとの差N−
ns)とにより下記の式で決定される。
In general, the radiation loss of a bent waveguide can be represented by the attenuation constant α of the waveguide due to the radiation of the bent portion, and this attenuation constant α is equal to the radius of curvature R and the refractive index difference ΔN (the effective refractive index N of the waveguide mode and Difference N− from the surface refractive index n s near the waveguide
n s ) is determined by the following equation.

αA・(N2−n2 s-1・exp(−B・R)……(1) 但し、A,Bは導波路で決まる定数 従来、曲がり導波路の放射損失を低減するために、基
板の屈折率を減少させることが知られている酸化マグネ
シウムを曲がり導波路の外側に追拡散し、屈折率差ΔN
を大きくする方法が報告されている。
αA · (N 2 −n 2 s ) −1 · exp (−BR · R) (1) where A and B are constants determined by the waveguide. Conventionally, in order to reduce radiation loss of a bent waveguide, Magnesium oxide, which is known to reduce the refractive index of the substrate, is bent and diffused out of the waveguide, and the refractive index difference ΔN
It has been reported how to increase the size.

第5図は、従来の曲がり導波路の一例を示す斜視図で
あり、Ti拡散曲がり導波路の外側に酸化マグネシウム追
拡散を施した構造である。酸化マグネシウムの追拡散に
より、Ti拡散導波路との屈折率差ΔNを大きくし、導波
路への光閉じ込めを強めることで放射損失を低減してい
る。第5図において31はニオブ酸リチウム結晶基板(Li
NbO3)、32はTi拡散曲がり導波路、33は酸化マグネシウ
ム追拡散層である。マグネシウム追拡散法のTi拡散曲が
り導波路(ニオブ酸リチウム結晶板)の放射損失低減へ
の利用は、ビー・シュパート(B.SUHPPERT)のエレク
トロニクス・レターズ(ELECTRONICS LETTERS),23巻,1
5号,797〜798ページに述べられている。
FIG. 5 is a perspective view showing an example of a conventional bent waveguide, and has a structure in which magnesium oxide is further diffused outside the Ti diffusion bent waveguide. Radiation loss is reduced by increasing the refractive index difference ΔN from the Ti diffusion waveguide by the additional diffusion of magnesium oxide and strengthening light confinement in the waveguide. In FIG. 5, reference numeral 31 denotes a lithium niobate crystal substrate (Li
NbO 3 ) and 32 are Ti diffusion bending waveguides, and 33 is a magnesium oxide additional diffusion layer. The use of the magnesium additional diffusion method for reducing radiation loss of a Ti diffusion bending waveguide (lithium niobate crystal plate) is described in B. SUHPPERT's ELECTRONICS LETTERS, Vol. 23, 1
No. 5, pages 797-798.

この光導波路を基本にした光集積回路は、一般に光伝
送路に挿入され、光ファイバ中を伝搬された光を信号処
理するために使用される場合が多い。また、高速,大容
量の光通信システムでは、光ファイバとして単一モード
光ファイバが使用され、光源には半導体レーザが使われ
る。半導体レーザは直線偏光を出射するが、単一モード
光ファイバ中を伝搬された光は一般に楕円偏光となり、
また、その偏光状態も時間的に変動する。すなわち、光
集積回路と単一モード光ファイバを直結するためには、
光集積回路の特性の偏光依存性を除去する必要がある。
An optical integrated circuit based on this optical waveguide is generally inserted into an optical transmission line and is often used for signal processing of light propagated in an optical fiber. In a high-speed, large-capacity optical communication system, a single-mode optical fiber is used as an optical fiber, and a semiconductor laser is used as a light source. A semiconductor laser emits linearly polarized light, but light propagated in a single mode optical fiber generally becomes elliptically polarized light,
Further, the polarization state also varies with time. That is, in order to directly connect the optical integrated circuit and the single mode optical fiber,
It is necessary to remove the polarization dependence of the characteristics of the optical integrated circuit.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

結晶基板上に形成された光導波路の導波光は、一般に
独立な2つのモード即ち、偏光方向が基板表面に垂直な
TMモードとそれに直交する偏光成分をもつTEモードに分
離される。例えば、通常良く用いられるLiNbO3Z板では
曲がり導波路において、TMモードでは異常光に対する屈
折率差Δneが関与し、TEモードでは常光に対する屈折率
差Δn0が関与し、それらの大きさに差があるため(Δne
>Δn0)、TMモード,TEモードの光を各々導波させたと
きの放射損失をLoss(TM),Loss(TE)とするとLoss
(TM)<Loss(TE)となり、光導波路に損失の偏光依存
性が生ずる欠点があった。酸化マグネシウムの追拡散で
は異常光に対する屈折率neと常光に対する屈折率n0が共
に減少し、Δne,Δn0が共に大きくなるため損失の偏光
依存性を低減するには至らない。
The guided light of an optical waveguide formed on a crystal substrate generally has two independent modes, that is, a polarization direction perpendicular to the substrate surface.
The light is separated into a TM mode and a TE mode having a polarization component orthogonal to the TM mode. For example, in a bent waveguide in a LiNbO 3 Z plate that is usually used, in the TM mode, the refractive index difference Δn e for extraordinary light is involved, and in the TE mode, the refractive index difference Δn 0 for ordinary light is involved. Because of the difference (Δn e
> Δn 0 ), and the radiation loss when each of the TM mode and TE mode light is guided is Loss (TM) and Loss (TE) , respectively.
(TM) <Loss (TE) , and the optical waveguide has a drawback that the polarization dependence of loss occurs. In the additional diffusion of magnesium oxide, the refractive index n e for extraordinary light and the refractive index n 0 for ordinary light both decrease, and both Δn e and Δn 0 increase, so that the polarization dependence of loss cannot be reduced.

本発明の目的は、基板表面の屈折率n0を減少させ、屈
折率neを増加させることにより、損失の偏光依存性を低
減した光導波路を提供することにある。
An object of the present invention reduces the refractive index n 0 of the substrate surface, by increasing the refractive index n e, it is to provide an optical waveguide with reduced polarization dependence loss.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

本発明は、光学的異方性を有する結晶基板に不純物を
拡散して形成された曲線形状を含むチャンネル光導波路
において、少なくとも前記光導波路の曲線部分に沿った
隣接した部位に基板表面からイオン交換が施されている
ことを特徴とする光導波路である。
The present invention is directed to a channel optical waveguide including a curved shape formed by diffusing impurities into a crystal substrate having optical anisotropy, wherein at least a portion adjacent to the curved portion of the optical waveguide along the curved portion is subjected to ion exchange from the substrate surface. Is provided.

〔作用〕[Action]

ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム等の光学的異
方性を有する結晶では、イオン交換を施した部位では、
常光に対する基板の屈折率n0が減少し、異常光に対する
屈折率neが増加する。このため、本発明ではTEモードは
光の閉じ込めが強められ、TMモードでは弱められて、TE
モードとTMモードとの放射損失の差は減少し、光導波路
の損失偏光依存性は低減する。
In crystals having optical anisotropy, such as lithium niobate and lithium tantalate,
Refractive index n 0 of the substrate is reduced with respect to ordinary light, the refractive index n e for extraordinary light is increased. For this reason, in the present invention, the light confinement in the TE mode is enhanced, and
The difference in radiation loss between the mode and the TM mode is reduced, and the loss polarization dependence of the optical waveguide is reduced.

第6図は、本発明の光導波路と従来例との偏光偏依存
性の比較を示し、光導波路にTEモードおよびTMモードを
導波させた時の基板表面の屈折率差・放射損失特性をそ
れぞれ示している。ここで、横軸は基板表面における屈
折率差(Δn)が、縦軸には放射損失(Loss)がそれぞ
れとってある。すなわち曲線21a,21bは従来例におけるT
Eモード(a),TMモード(b)を導波させた屈折率差・
放射損失特性で、曲線22a,22bは本発明によるものであ
る。
FIG. 6 shows a comparison of polarization polarization dependence between the optical waveguide of the present invention and the conventional example, and shows the refractive index difference and radiation loss characteristics of the substrate surface when TE mode and TM mode are guided in the optical waveguide. Each is shown. Here, the horizontal axis indicates the refractive index difference (Δn) on the substrate surface, and the vertical axis indicates the radiation loss (Loss). That is, the curves 21a and 21b correspond to T
E mode (a), TM mode (b) guided refractive index difference
In the radiation loss characteristics, the curves 22a and 22b are according to the present invention.

この第6図から明らかなように、本発明により、損失
の偏光依存性を従来例よりも改善することができる。
As is clear from FIG. 6, the present invention makes it possible to improve the polarization dependence of the loss as compared with the conventional example.

〔実施例〕〔Example〕

第1図は本発明の一実施例の斜視図である。1はZ軸
が基板表面に垂直なニオブ酸リチウム結晶基板(LiNb
O3)、2はTi拡散曲がり導波路、3はプロトンによるイ
オン交換層(プロトン交換層)である。Ti拡散曲がり導
波路2は、スパッタによってNiNbO3上にTi膜450Å程度
を堆積し、約1000℃で熱処理し作製する。プロトン交換
層3は、安息香酸にリチウム安息香酸を3〜5%程度混
ぜた溶融液を220℃程度に熱し、結晶基板1を浸し、さ
らに基板を400℃程度でアニールすることにより形成で
きる。プロトン交換により、基板(プロトン交換層)の
常光線に対する屈折率n0は2×10-3程度減少し、Ti拡
散曲がり導波路とプロトン交換層との表面屈折率差Δn0
は大きくなる。異常光線に対する屈折率neは6×10-3
程度増加し、Δneは小さくなる。
FIG. 1 is a perspective view of one embodiment of the present invention. 1 is a lithium niobate crystal substrate (LiNb) whose Z axis is perpendicular to the substrate surface.
O 3 ), 2 is a Ti diffusion bending waveguide, and 3 is a proton-exchange layer (proton-exchange layer). The Ti diffusion bending waveguide 2 is prepared by depositing a Ti film of about 450 ° on NiNbO 3 by sputtering and heat-treating it at about 1000 ° C. The proton exchange layer 3 can be formed by heating a melt obtained by mixing about 3 to 5% of lithium benzoic acid with benzoic acid to about 220 ° C., immersing the crystal substrate 1, and annealing the substrate at about 400 ° C. By the proton exchange, the refractive index n 0 of the substrate (proton exchange layer) with respect to ordinary light decreases by about 2 × 10 −3, and the surface refractive index difference Δn 0 between the Ti diffusion bending waveguide and the proton exchange layer.
Becomes larger. Refractive index n e for extraordinary ray 6 × 10 -3
And Δn e decreases.

第2図はTi膜厚に対する表面屈折率差Δnを示す。プ
ロトン交換を施すことにより、Δn0は大きく、Δneが小
さくなり、TE,TMモードに対する光の閉じ込め度合を近
づけることができる。
FIG. 2 shows the surface refractive index difference Δn with respect to the Ti film thickness. By performing the proton exchange, Δn 0 is large and Δn e is small, and the degree of light confinement for the TE and TM modes can be made closer.

ここで、第2図において、横軸はTi膜厚が、縦軸には
表面屈折率差Δnがそれぞれとってあり、直線11a,11b
は、基板表面とTi拡散光導波路との屈折率差、直線12a,
12bはプロトン交換層とTi拡散光導波路との屈折率差で
ある。
In FIG. 2, the horizontal axis represents the Ti film thickness, and the vertical axis represents the surface refractive index difference Δn.
Is the refractive index difference between the substrate surface and the Ti diffused optical waveguide, straight line 12a,
12b is a refractive index difference between the proton exchange layer and the Ti diffused optical waveguide.

この様にして、屈折率n0が関与するTEモードの放射損
失は低減され、neが関与するTMモードの放射損失は増大
されることにより、光導波路の損失に関与する偏光依存
性は改善される。
In this way, the radiation loss of the TE mode refractive index n 0 is involved is reduced, by the radiation loss of the TM mode n e is involved is increased, polarization dependency involved in the loss of the optical waveguide improved Is done.

第3図はTi拡散曲がり導波路の外側全面にプロトン交
換を施した斜視図、第4図は、導波路の両側にプロトン
交換を施した斜視図である。第3図,第4図のいずれの
場合も第1図と同様な発明の効果が得られる。
FIG. 3 is a perspective view in which proton exchange is performed on the entire outer surface of the Ti diffusion bending waveguide, and FIG. 4 is a perspective view in which proton exchange is performed on both sides of the waveguide. 3 and 4, the same effect of the invention as in FIG. 1 can be obtained.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上説明したように本発明は、光学的異方性を有する
結晶基板に不純物を拡散して形成されたチャネル導波路
に沿った隣接した部位に基板表面からイオン交換を施す
ことにより、TEモードに関与する常光線に対する屈折率
n0を減少させ、また、TMモードに関与する異常光線に対
する屈折率neを増加させて、光導波路の損失に関する偏
光依存性を低減させる効果がある。
As described above, the present invention provides a TE mode by performing ion exchange from a substrate surface to an adjacent portion along a channel waveguide formed by diffusing impurities into a crystal substrate having optical anisotropy. Refractive index for the involved ordinary ray
n 0 reduces, also increasing the refractive index n e for extraordinary ray which is involved in the TM mode, the effect of reducing the polarization dependency regarding loss of the optical waveguide.

【図面の簡単な説明】 第1図は、本発明による光導波路の一実施例を示す斜視
図、第2図は第1図における光導波路のTi膜厚・表面屈
折率差特性図、第3図はTi拡散曲がり導波路の外側全体
にプロトン交換を施した斜視図、第4図はTi拡散曲がり
導波路の両側にプロトン交換を施した斜視図、第5図は
従来の曲がり導波路の斜視図、第6図は本発明の作用を
示す屈折率差・放射損失特性図である。 1,31……ニオブ酸リチウム結晶基板(LiNbO3)、2,32…
…Ti拡散曲がり導波路、3……プロトン交換層、11a…
…基板との常光屈折率差、11b……基板との異常光屈折
率差、12a……プロトン交換層との常光屈折率差、12b…
…プロトン交換層との異常光屈折率差、21a……従来例
におけるTEモードの放射損失、21b……従来例におけるT
Mモードの放射損失、22a……本発明におけるTEモードの
放射損失、22b……本発明におけるTMモードの放射損
失、33……酸化マグネシウム追拡散層。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of an optical waveguide according to the present invention, FIG. 2 is a characteristic diagram of Ti film thickness / surface refractive index difference of the optical waveguide in FIG. FIG. 4 is a perspective view in which proton exchange is performed on the entire outside of the Ti diffusion bending waveguide, FIG. 4 is a perspective view in which proton exchange is performed on both sides of the Ti diffusion bending waveguide, and FIG. 5 is a perspective view of a conventional bending waveguide. FIG. 6 and FIG. 6 are graphs showing the refractive index difference and radiation loss characteristics showing the operation of the present invention. 1,31 ...... lithium niobate crystal substrate (LiNbO 3), 2,32 ...
... Ti diffusion bending waveguide, 3 ... Proton exchange layer, 11a ...
… Ordinary light refractive index difference from substrate, 11b… extraordinary light refractive index difference from substrate, 12a… ordinary light refractive index difference from proton exchange layer, 12b…
... Anomalous optical refractive index difference from proton exchange layer, 21a ... TE mode radiation loss in conventional example, 21b ... T in conventional example
M mode radiation loss, 22a: TE mode radiation loss in the present invention, 22b: TM mode radiation loss in the present invention, 33: magnesium oxide additional diffusion layer.

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】光学的異方性を有する結晶基板に不純物を
拡散して形成された曲線形状を含むチャンネル光導波路
において、少なくとも前記光導波路の曲線部分に沿った
隣接した部位に基板表面からイオン交換を施し、イオン
交換が施された領域に常光に対する屈折率n0を減少さ
せ、異常光に対する屈折率neを増加させることにより、
前記光導波路の曲線部分を光が伝搬する際に発生する損
失の偏光依存性を低減したことを特徴とする光導波路。
In a channel optical waveguide including a curved shape formed by diffusing impurities into a crystal substrate having optical anisotropy, ions are formed from a substrate surface at least in an adjacent portion along a curved portion of the optical waveguide. subjected to replacement, reduces the refractive index n 0 for ordinary light in the ion exchange has been applied region, by increasing the refractive index n e for extraordinary light,
An optical waveguide, wherein the polarization dependence of loss generated when light propagates along a curved portion of the optical waveguide is reduced.
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