WO2002054120A1 - Circuit de traitement de signaux optiques et procede de fabrication - Google Patents

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Hiroyuki Tuda
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    • G02F1/3548—Quasi phase matching [QPM], e.g. using a periodic domain inverted structure

Definitions

  • the present invention relates to an optical signal processing circuit and a method of manufacturing the optical signal processing circuit, and more particularly to an optical signal processing circuit and an optical signal processing circuit effective when applied to an optical signal processing device that controls an ultra-high-speed optical signal waveform and an optical communication multiplexer / demultiplexer. It relates to a manufacturing method. Background art
  • this prior art does not disclose a specific method of manufacturing the reflection structure, and still has a problem in the arrangement of the reflection structure and the input / output waveguide.
  • Fig. 42 shows the configuration of a conventional slab waveguide lens function circuit.
  • the slab waveguide type lens function circuit 200 is configured to connect one or a plurality of waveguides between waveguide arrays 201 a and 201 b via a slab waveguide 202. It has become.
  • the respective waveguide ends 201 ae and 201 be are arranged on an arc centered on both ends P and Q of the optical axis PQ of the slab waveguide 202.
  • the ends P and Q of the slab waveguide 202 are in a spatial Fourier transform relationship with each other, and the waveguide ends 201 ae and 201 be are located at the front and rear focal planes of the lens. This is approximately equivalent to being located at the focal plane.
  • Techniques that can be considered as special cases include one-dimensional optical waveguides, and there are known reflection structures of distributed feedback semiconductor lasers and distributed reflection semiconductor lasers, and optical fiber diffraction gratings.
  • reactive ion etching which has been generally used as a fabrication technique for the above-described structure, cannot form a groove vertically, sufficiently deeply, and smoothly. However, it cannot be applied to the fabrication of the above-mentioned optical signal processing circuit.
  • the focused ion beam etching method has a low etching rate and a few tens of micron groove structure is required. Time is required.
  • the diameter of the ion beam is usually about 5 to 10 micron, and it is difficult to process finer than that. Therefore, it is conceivable to use some kind of mask together, but since the etching selectivity to the ion beam is small among materials, a thick resist film is necessary to form a deep groove, and as a result, less than 3 micron Processing of fine patterns is difficult, FIG.
  • FIG. 43 shows a configuration of an optical nonlinear element having a quasi-phase matching unit using a conventional periodically poled structure 502.
  • This conventional device has low efficiency such as wavelength conversion and second harmonic generation for practical use, and does not operate unless high-intensity laser light is used.
  • Efficiency is generally proportional to the square of the element length, so a large substrate can be used.However, it is extremely difficult to manufacture a large substrate and it is costly. The area is narrowed.
  • a pattern is formed by electron beam exposure Z drawing, a structure is formed by dry etching or the like, and a diffraction grating is formed in a waveguide.
  • a DFB laser that uses a compound semiconductor.
  • the use of expensive and large-sized equipment is indispensable for high-precision etching.
  • Ion implantation is mainly used to control the electrical conductivity of semiconductors, and in optical device fabrication, there is only a report on the current confinement structure by H + ion implantation.
  • an object of the present invention is to provide a novel two-dimensional optical signal processing circuit and a method of manufacturing the same, which can be realized only by introducing a concave, flat or convex reflecting structure.
  • An optical signal processing circuit includes: a substrate holding an optical waveguide; a first optical waveguide and a second optical waveguide formed on the substrate; and a first optical waveguide formed on the substrate.
  • a reflection structure is provided in which the coupling end and the second coupling end of the second optical waveguide are arranged at positions in an image forming relationship with each other and coupled.
  • the optical signal processing circuit of the present invention includes: a substrate holding an optical waveguide; a first optical waveguide and a second optical waveguide formed on the substrate; and the first optical waveguide formed on the substrate. And a reflection structure for arranging and coupling the first coupling end and the second coupling end of the second optical waveguide to each other at a position having a Fourier transform relationship of an image.
  • the reflection structure has an arc shape with a radius r, and the first coupling end and the second coupling end have optical axes whose reflection axis is the reflection structure. It passes through the same point Q above, and is a position symmetrical with respect to a straight line including the point Q and the center P of the arc of the reflection structure, and the line segment PQ is extended by r / 2 in the direction of the point Q. It is characterized by being arranged on an arc of radius r centered on the end point T.
  • the optical signal processing circuit of the present invention includes a substrate holding an optical waveguide, three or more optical waveguides formed on the substrate, and a plurality of optical waveguides formed on the substrate and coupling between the optical waveguides. And a reflecting structure.
  • the reflection structure has an arc shape with a radius r, and the first coupling end and the second coupling end of the optical waveguide have optical axes thereof. It is characterized by being arranged at a position passing through the same point Q on the reflection structure and symmetric with respect to a straight line including the point Q and the center P of the arc of the reflection structure.
  • the reflection structure has a radius r
  • the first coupling end and the second coupling end of the optical waveguide have radii whose optical axes pass through the same point Q on the reflection structure, and centered on the point Q. It is characterized in that it is arranged at a position symmetrical with respect to a straight line including the center P of the arc of the reflecting structure and the point Q on the arc of r.
  • an intersection line between the reflection structure and a plane including the optical axis of the optical waveguide has a parabolic shape, an elliptical shape, or a hyperbolic shape.
  • the optical signal processing circuit of the present invention is characterized in that the optical signal processing circuit further includes a periodic groove structure formed on the substrate holding the optical waveguide.
  • the periodic groove structure is characterized in that each groove is linear and arranged in a certain direction in parallel.
  • the periodic groove structure is characterized in that each groove is linear and is arranged in parallel in a plurality of different directions.
  • the periodic groove structure is characterized in that each groove has an arc shape or a quadratic curve shape.
  • the periodic groove structure is characterized in that a period of each groove changes sequentially at a constant interval.
  • the periodic groove structure is characterized in that the depth of each groove sequentially changes by a constant depth.
  • the periodic groove structure is characterized in that the period of each groove changes periodically.
  • the ratio of the width of the concave portion to the convex portion of each groove is 1: lZnc (where nc is the effective refractive index of the optical waveguide).
  • the periodic groove structure is characterized in that a concave portion of each groove is filled with a material having a different refractive index from the material of the optical waveguide.
  • the periodic groove structure may be such that the concave portion of each groove is filled with a material having a refractive index (nx) different from that of the optical waveguide material, and the concave portion and the convex portion of the groove are filled. And a width ratio of l / nx: 1 / nc.
  • a method for manufacturing an optical signal processing circuit according to the present invention includes the following procedures (i) to (v).
  • a substrate on which an optical waveguide is formed is fixed on a stage.
  • the stage controller recognizes the position of the optical waveguide by observing a plurality of markers provided on the substrate with a monitor device.
  • a method of manufacturing an optical signal processing circuit according to the present invention includes the following procedures (i) to (ix).
  • a resist is applied on a substrate on which an optical waveguide is formed.
  • (V) Observe a plurality of markers provided on the substrate with a monitor device, and adjust the tilt angle so that the substrate is perpendicular to the laser beam optical axis.
  • a plurality of markers provided on the substrate are observed with a monitor device, and the position of the pan is recognized by a stage controller.
  • a method of manufacturing an optical signal processing circuit according to the present invention includes the following procedures (i) to (xi).
  • a metal or dielectric thin film A is formed on an optical waveguide.
  • the thin film A is etched by a reactive ion etching apparatus to transfer an electron beam drawing pattern.
  • the etching depth is controlled by the number of pulse irradiations.
  • An optical signal processing circuit includes: a substrate holding an optical waveguide; first to N-th optical waveguides (N is an integer of 2 or more) formed on the substrate; The first coupling end of the k-th optical waveguide (k is an integer of N ⁇ 1 ⁇ k 1) and the second coupling end of the k + 1-th optical waveguide are arranged and coupled at a position where they are in an image-forming relationship with each other. It is characterized by having l reflection structures.
  • the optical signal processing circuit according to the present invention further includes a substrate holding the optical waveguide, first to N-th optical waveguides (N is an integer of 2 or more) formed on the substrate, The k-th optical waveguide (k is an integer of N-1 ⁇ k ⁇ 1) and N-1 total reflection structures that couple the k + 1-th optical waveguide are provided. Further, in the optical signal processing circuit according to the present invention, a part or the whole of the optical waveguide is made of an optical nonlinear optical material.
  • the optical nonlinear optical material has a periodically poled structure.
  • an optical signal processing circuit of the present invention comprises: a substrate holding an optical waveguide; a reflecting structure formed on the substrate to collimate light from an incident waveguide in a slab waveguide; It is characterized by having a periodic structure formed in the propagation path of light collimated by the structure and transmitting polarized light in one direction and reflecting polarized light in a direction perpendicular thereto.
  • an optical signal processing circuit of the present invention comprises an optical waveguide having a core layer, a lower cladding layer and an upper cladding layer, and an electron beam embedded in the core layer, the lower cladding layer or the upper cladding layer. And a register having a pattern drawn by the method.
  • a method of manufacturing an optical signal processing circuit according to the present invention includes the following procedure.
  • a resist is applied on a substrate on which an optical waveguide circuit is formed.
  • a plurality of markers provided on the substrate are observed with a monitor device, and the position of the pattern is recognized by the stage controller.
  • a method of manufacturing an optical signal processing circuit according to the present invention includes the following procedure.
  • a metal or dielectric thin film is formed on a substrate on which an optical waveguide circuit is formed, and a resist is applied on the thin film.
  • a method of manufacturing an optical signal processing circuit according to the present invention includes the following procedure.
  • a positioning force is formed on each of the mold having the fine structure and the optical waveguide substrate.
  • the optical signal processing circuit of the present invention is characterized in that part or all of the optical waveguide is made of an optical amplification material.
  • the optical amplification material La te Neu de system YIG a rare earth element or Cr is added, GGG, YAG, Sahu ⁇ Lee A LiNb0 3, BaTi0 3, LiTa0 3, quartz, Moshiku is characterized by a glass.
  • the efficiency of optical amplification can be increased.
  • FIG. 1 shows a configuration of an optical signal processing circuit according to a first embodiment of the present invention, which is configured by coupling two optical waveguide circuits 12 a and 12 b using a reflection structure. .
  • FIG. 2 shows a configuration of a laser ablation device 30 for forming the reflection structure 16.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the optical waveguide circuit board 50 for illustrating a procedure for forming the reflection structure 16 on the optical waveguide circuit board 50.
  • FIG. 4 shows a configuration of a 1: 2 optical coupler 60, which is one specific application example of the optical signal processing circuit according to the first embodiment.
  • FIG. 5 shows a modification of the configuration of the optical signal processing circuit configured by coupling two optical waveguide circuits 12a and 12b using the reflection structure shown in FIG.
  • FIG. 6 shows a second embodiment of an optical signal processing circuit configured by coupling two optical waveguide circuits 12 a and 12 b using the reflection structure 16.
  • FIG. 7 shows a modification of the configuration of an optical signal processing circuit configured by coupling two optical waveguide circuits 12a and 12b using the reflection structure shown in FIG.
  • FIG. 8 shows a configuration of an N: N star type optical coupler 70 as a specific application example of the optical signal processing circuit of the second embodiment described in FIG.
  • FIG. 9 shows a third embodiment of an optical signal processing circuit configured by coupling two optical waveguide circuits 12 a and 12 b using the reflection structure 16.
  • FIG. 10 shows a configuration of a lightwave / length multiplexer / demultiplexer 80 which is one of specific application examples of the optical signal processing circuit according to the third embodiment described in FIG.
  • FIG. 11 shows a configuration of another optical wavelength multiplexer / demultiplexer 80 which is one of specific application examples of the optical signal processing circuit of the third embodiment described in FIG.
  • FIG. 12 shows a specific configuration example of the periodic groove structure 81.
  • FIG. 13 shows another specific configuration example of the periodic groove structure 81.
  • FIG. 14 shows another specific configuration example of the periodic groove structure 81.
  • FIG. 15 shows a periodic groove structure 81 d in which a groove 86 is filled with a filler 86 made of a polymer material or a dielectric material.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view of the optical waveguide circuit board 50 for illustrating a procedure for forming the periodic groove structure 81 d on the optical waveguide circuit board 50.
  • FIG. 17 shows a fourth embodiment of an optical signal processing circuit configured by coupling two optical waveguide circuits 12 a and 12 b using the present reflection structure 16.
  • FIG. 18 shows details of the arc-shaped periodic groove structure 91 formed on the optical waveguide circuit board 50.
  • FIG. 19 shows a fifth embodiment of the optical signal processing circuit configured by coupling two optical waveguide circuits 12 a and 12 b using the reflection structure 16.
  • FIG. 20 shows a detailed configuration of the array waveguide 101.
  • FIG. 21 shows a sixth embodiment of an optical signal processing circuit configured by coupling two optical waveguide circuits 12 a and 12 b using a reflection structure 16.
  • FIG. 22 shows a cross-sectional view of the wavefront compensator 11 1.
  • FIG. 23 shows a seventh embodiment of the optical signal processing circuit configured by coupling two optical waveguide circuits 12 a and 12 b using the reflection structure 16.
  • FIG. 24 is a sectional view of the optical signal processing circuit shown in FIG.
  • FIG. 25 shows a modification of the configuration shown in FIGS.
  • FIG. 26 shows an eighth embodiment of the optical signal processing circuit configured by coupling two optical waveguide circuits 12a and 12b using the reflection structure 16. As shown in FIG. FIG. 27 is a sectional view of the optical signal processing circuit shown in FIG.
  • FIG. 28 shows a ninth embodiment of an optical signal processing circuit configured by coupling two optical waveguide circuits 12 a and 12 b using the reflection structure 16.
  • FIG. 29 is a sectional view of the optical signal processing circuit shown in FIG.
  • FIG. 30 shows a tenth embodiment of an optical signal processing circuit having a quasi-phase matching structure in which optical waveguides are connected in multiple stages using a reflection structure.
  • FIG. 31 shows a first embodiment of an optical signal processing circuit having a quasi-phase matching structure in which optical waveguides are connected in multiple stages using a reflection structure.
  • FIG. 32 shows details of the groove structure 303.
  • FIG. 33 is a cross-sectional view of an optical waveguide circuit board 50 for explaining a procedure for manufacturing a structure finer than a laser beam wavelength for processing; ⁇ m by laser ablation processing. Is shown.
  • FIG. 34 shows the details of the pattern of the thin film 54.
  • FIG. 35 shows a method for fabricating a submicron-scale fine structure by an electron beam exposure method according to the 12th embodiment of the present invention.
  • FIG. 36 shows a method for fabricating a submicron-scale fine structure by an ion implantation method according to the thirteenth embodiment of the present invention.
  • FIG. 37 shows a method for fabricating a sub-micron-scale fine refractive index control structure on a polymer waveguide by a fine pattern transfer method according to the fourteenth embodiment of the present invention.
  • FIG. 38 shows a TEZ TM mode demultiplexing circuit configured by using any of the methods shown in the first to fourteenth embodiments.
  • FIG. 39 shows details of the mode separation structure 703.
  • FIG. 40 shows an example 1 of a pattern for forming the mode separation structure 703.
  • Figure 41 shows a second example of a pattern for configuring the mode separation structure 703.
  • Figure 42 shows the configuration of a conventional slab waveguide lens function circuit.
  • Fig. 43 shows the configuration of an optical nonlinear element having a quasi-phase matching unit using a conventional periodically poled structure 502. Explanation of reference numerals
  • FIG. 1 shows a configuration of an optical signal processing circuit according to a first embodiment of the present invention, which is configured by coupling two optical waveguide circuits 12 a and 12 b using a reflection structure. .
  • the optical waveguide circuits 12a and 12b are provided on the optical waveguide circuit board 5 °, and the output waveguide 13 and the input waveguide 14 are provided on the optical waveguide circuits 12a and 12b. Are connected to each other, and the other ends of the output waveguide 13 and the input waveguide 14 are connected to a coupling circuit 15.
  • I is the input coupling end of the coupling circuit 15 and the output waveguide 13 (that is, the output coupling end of the output waveguide 13), and U is the output coupling end of the coupling circuit 15 and the input waveguide 14.
  • the force coupling end ie, the input coupling end of the input waveguide 14 is shown.
  • the coupling circuit 15 is constituted by a slab waveguide 15 having end surfaces E, Eq including the shaft ends P, Q with respect to the axis PQ, each having a predetermined curved shape.
  • the coupling circuit 15 is such that the end surface Ep including one shaft end P is a curved surface having a curvature r around the other shaft end Q, and the other shaft end
  • the end face E q including Q is a curved surface having a curvature r with the one shaft end P as the center of curvature.
  • the other end surface Eq forms a reflection structure 16 having a curvature r with the axis end P as the center of curvature.
  • the input coupling end of the coupling circuit 15 (that is, the output coupling end of the output waveguide 13) I and the coupling circuit 15 (That is, the input coupling end of the input waveguide 14).
  • the input coupling end I and the output coupling end U of the coupling circuit 15 have the optical axes of the input coupling end I and the output coupling end U both at the axial end Q on the reflective structure 16 having the curvature r. I will pass.
  • the optical axes of the input coupling end of the coupling circuit 15 (that is, the output coupling end of the output waveguide 13) I and the output coupling end (that is, the input coupling end of the input waveguide 14) U are
  • the light passes through the same point Q on the reflection structure 16 and the lengths IQ and QU of the respective optical axes are kept the same.
  • the portion surrounded by the curved surface including the circular arc IPU and the curved surface including the circular arc of the reflection structure 16 is the slab waveguide 15.
  • the input coupling end I and the output coupling end U have the same imaging relationship with each other, and the output waveguide 13 and the input waveguide 14 are coupled with high coupling efficiency.
  • FIG. 2 shows a configuration of a laser ablation device 30 for forming the reflection structure 16.
  • the pulse light source 31 composed of a titanium sapphire laser or the like has a pulse width of, for example, typically about 50 fs (femtosecond). It is configured to generate and output a pulsed light beam with a repetition frequency of 1 kHz, so that a pulse energy of 2 mJ can be obtained.
  • the pulse light beam generated by the femtosecond light source 31 is supplied to a laser light transmission device 32, and the laser light is transmitted so that the pulse light beam can be spatially transmitted and focused on a small spot.
  • the beam diameter can be expanded by the optical transmission device 32.
  • the pulse whose beam diameter has been expanded by the laser light transmission device 32 passes through a spatial filter 34 provided in the fusion device main body 33 to the die cutter mirror 35. It is output.
  • This spatial filter 34 is arranged at a focal position on the rear side of a condenser lens described later.
  • the pulse light beam is generated by the spatial filter 34.
  • the spatial filter 34 By giving the beam an appropriate cross-sectional amplitude profile, the cross-sectional amplitude profile of the focused pulsed light beam can be controlled.
  • the spatial filter 34 should be designed so that an amplitude profile represented by a sine function can be obtained on a straight line orthogonal to the optical axis.
  • the Die-Croix mirror 35 functions as a mirror for the light of the pulsed light beam wavelength, and is configured to have a characteristic of being transmitted at the wavelength of the illumination light source.
  • the pulse light beam whose cross-sectional amplitude profile is controlled is guided to the condenser lens 36 via the filter 34.
  • the illumination light from the epi-illumination light source 37 is supplied to the die mirror 35 through the half mirror 38, and the illumination light is supplied to the die mirror 35 together with the pulsed light beam.
  • the light is guided to the condenser lens 36.
  • the focusing lens 36 is equipped with an abrasion mount at its front focal point.
  • the pulsed light beam and the illumination light are condensed and illuminated on an optical waveguide circuit board 50 which is arranged so as to be finely movable with respect to the mounting body 33 and mounted and fixed on the fine movement stage 39.
  • the irradiation position of the pulsed light beam onto the optical waveguide circuit board 50 is determined by the imaging camera 4 disposed on the mirror side opposite to the side on which the epi-illumination light source 37 of the half mirror 38 is provided.
  • the controller 41 moves the fine movement stage 39 on which the optical waveguide circuit board 50 is mounted and fixed based on the image output of the alignment pattern on the optical waveguide circuit board 50 and the region to be etched from 0 onwards. It can be adjusted by controlling the minute movement.
  • the controller 41 is connected to an imaging camera 40 and a fine movement stage 39, and a femtosecond light source 31 is also connected to the controller 41. I have.
  • the controller 41 controls the fine movement of the fine movement stage 39, and also controls the period, energy, and number of pulses of the pulsed light beam generated by the femtosecond light source 31.
  • the production of the optical signal processing circuit 10 on the substrate 50 is comprehensively controlled.
  • the reflection structure 16 of the optical signal processing circuit 10 is formed in the following procedure by the laser ablation device 30 configured as described above. In the description, it is assumed that the waveguide circuit 13 (or 14) has already been fabricated on the optical waveguide circuit board 50 in the previous step.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the optical waveguide circuit board 50 for illustrating a procedure for forming the reflection structure 16 on the optical waveguide circuit board 50.
  • FIG. 3A is a cross-sectional view of the optical waveguide substrate 50 on which the waveguide circuit 13 (or 14) is formed.
  • the waveguide circuit 13 (or 14) is formed by sequentially laminating a lower cladding layer 51, a core layer 52, and an upper cladding layer 53 on a substrate 50.
  • a metal or dielectric thin film 54 is formed on the waveguide circuit 13 (or 14).
  • the resist 55 is removed by a reactive ion etching device (not shown) and the exposed portion is etched, and the electron beam drawing pattern by the electron beam drawing device is formed on the thin film 54. Transcribe ( Figure 3-(2)).
  • the resist 55 is peeled off from the optical waveguide circuit board 50 (FIG. 3-(E)).
  • the electron beam drawing pattern is transferred onto the thin film 54, and the optical waveguide circuit board 50 from which the resist 55 has been peeled is placed on the fine movement stage 39 of the laser ablation device 30. Fix it.
  • the images of the plurality of markers provided on the optical waveguide circuit board 50 are observed with a monitor device (not shown) using the imaging camera 40, and the optical waveguide circuit board 50 is perpendicular to the optical axis of the pulsed light beam. Adjust the tilt angle so that
  • a plurality of forces provided on the optical waveguide circuit board 50 are similarly observed with a monitor device, and the position of the pattern is recognized by the stage controller (controller) 41.
  • the laser ablation device 30 condenses the pulse light beam generated by the femtosecond light source 31 by the converging lens 36, and performs fine movement.
  • the stage 39 is moved to sweep the surface of the optical waveguide circuit board 50 with the spot of the pulsed light beam, and the upper cladding layer 53 and the core at the portion where the resist 55 has been peeled off in the aforementioned process.
  • Etch layer 52, and lower cladding layer 51 The etching depth is controlled by the number of irradiations of the pulse light beam. ( Figure 3-(f)).
  • the optical waveguide circuit board 50 is removed from the fine movement stage 39, and the remaining. Remove the portion of the thin film 54 ( Figure 3-(U)).
  • the metal or dielectric film 56 is applied to the end face 57 e of the etched recess 57, that is, the end face of the lower clad layer 51, the core layer 52, and the upper clad layer 53 formed by etching. Deposit on 5 7 e.
  • a lift-off method may be used (FIG. 3-(h)).
  • the thin film 54 is a film that is sufficiently thin with respect to the etching depth and must withstand pulsed beam irradiation. Therefore, as the material of the thin film 54, a metal material such as tantalum, molybdenum, tandatin, chromium, gold, platinum, vanadium, nickel, silver, and copper is particularly suitable for the silica-based waveguide.
  • a metal material such as tantalum, molybdenum, tandatin, chromium, gold, platinum, vanadium, nickel, silver, and copper is particularly suitable for the silica-based waveguide.
  • oxide silicon S i 0 2, nitride silicon S i N, titanium oxide emissions T i 0 2, boron nitride BN, aluminum nitride A dielectric material such as Ni A 1 N may be used.
  • etching may be performed using the resist 55 as a mask without using the thin film 54.
  • the optical waveguide substrate 50 on which the waveguide circuit 13 (or 14) is formed is fixed on the fine movement stage 39.
  • stage controller (controller) 41 recognizes the position of the waveguide circuit 13 (or 14).
  • the laser ablation device 30 collects the pulsed light beam generated by the femtosecond light source 31 along the portion where the reflection structure 16 is provided. The light is condensed through the optical lens 36, and the fine movement stage 39 is moved to form the concave portion 57.
  • the pulse light beam is condensed along the periphery of the concave portion 57, and the fine stage 39 is moved to smooth the end surface 57e of the concave portion 57.
  • FIG. 4 shows a configuration of a 1: 2 optical coupler 60 which is one of specific application examples of the optical signal processing circuit according to the first embodiment.
  • the reflection structure 16 is the boundary point Q.
  • the boundary is divided into two reflection structures 16 -1, 16 -2 with different center points P.
  • the first reflection structure 16-1 is composed of a spherical surface including an arc QoQi with a radius of curvature r centered on the point Pi
  • the second reflection structure 16-2 is the same centered on the point P 2. It is composed of a spherical surface including an arc Q fl Q 2 with a large radius of curvature r.
  • the center point P 2 is the boundary point Q between the first and second reflection structures 16 -1, 2.
  • the input coupling end of the coupling circuit 15 that is, the output coupling end of the output waveguide 13
  • the output coupling end that is, the input waveguide
  • the input coupling ends 14 U satisfy the same positional relationship as in the case of the reflection structure 16 shown in FIG.
  • the optical axis of the input coupling end of the coupling circuit 15 (that is, the output coupling end of the output waveguide 13) I is the boundary point Q of the reflection structure 16.
  • the border point Q are arranged on the circumference of radius r passing through the was point P have P 2 mainly.
  • the first output coupling end of the coupling circuit 15 (ie, the first input coupling end of the input waveguide 14) U 1 is the boundary point Q of the reflection structure 16.
  • the first reflection structure 16-1 the center of the circular arc P i, ie, the axis P, (3.
  • the input coupling end of the coupling circuit 15 (that is, the output waveguide 1 third output binding end) I and a line symmetry, a circle of radius r passing through the center and was point P have P 2 boundary points Q. It is arranged on the circumference.
  • the second output coupling end of the coupling circuit 15 (that is, the second input coupling end of the input waveguide 14) U2 is at the boundary 'point ⁇ 3 of the reflection structure 16.
  • a boundary point Q which is axisymmetric with respect to the input coupling end of the coupling circuit 15 (that is, the output coupling end of the output waveguide 13). It is arranged on the circumference of radius r passing through the dead point [rho ,, [rho 2 centered.
  • the portion surrounded by the curved surface composed of these arcs is the slab waveguide 15.
  • the input coupling end I of the coupling circuit 15 and the first output coupling end Ul, and the input coupling end I and the second output coupling end U2 of the coupling circuit 15 are arcs Q. Q, a first reflecting structure 16-1, and an arc Q. Since the imaging relationship via the second reflective structure 1 6-2 consisting Q 2, it is 1/2 of the light emitted from the input coupling end I first output coupling end U 1 second output
  • the optical signal processing circuit according to the present embodiment which is distributed to the coupling end U2, functions as a 1: 2 optical coupler 60 that splits the input light into two at a ratio of 1: 1.
  • the center point of the first reflecting structure 16-1 composed of the arcs Q Q Qi is defined as P, and the arc Q.
  • the center point of the second reflective structure 1 6-2 was formed in a P 2 consisting of Q 2, the first reflective structure 1 6 consisting of a circular arc QeQ the center point as the P 2 -! 1 the formation And the arc Q with the center point as.
  • a 1: 2 optical power mirror having the same function as the 1: 2 optical coupler 60 can be formed.
  • FIG. 5 shows a modification of the configuration of an optical signal processing circuit formed by coupling two optical waveguide circuits 12a and 12b using the reflection structure shown in FIG.
  • the reflection structure 16 and the waveguides 13 and Although the case where the line of intersection with the surface including 14 is an arc has been described, in the optical signal processing circuit shown in FIG. 5, the line of intersection between the reflection structure 16 and the surface including the waveguides 13 and 14 is formed. It has an arc shape of a perfect circle with the input coupling end I and the output coupling end U of the coupling circuit 15 as focal points.
  • the reflection structure 16 is an elliptical arc-shaped curved surface having such a relationship.
  • the curved surface of the reflection structure 16 is not limited to such an elliptical arc shape and the above-described circular arc, but may be represented by another quadratic curve such as a curved surface represented by a parabola or a hyperbola.
  • a second-order curved surface optical reflection system may be used.
  • FIG. 6 shows a second embodiment of an optical signal processing circuit configured by coupling two optical waveguide circuits 12 a and 12 b using a reflection structure 16.
  • the reflection structure 16 is constituted by a spherical surface composed of an arc having a radius of curvature r centered on the point P.
  • Point Q indicates a point on the arc of reflective structure 16.
  • the point T is an end point obtained by extending the line segment PQ in the direction of the point Q by a distance of r / 2, and the center of each of the input coupling end I and the output coupling end U of the coupling circuit 15 is In addition to being arranged on the circumference of radius r centered on this end point T, in addition to the input coupling end I of the coupling circuit 15 (that is, the output coupling end of the output waveguide 13) and the coupling circuit 1
  • the optical axis of the output coupling end U of 5 (that is, the input coupling end of the input waveguide 14) is arranged so as to pass through the point Q.
  • the portion surrounded by the curved surface composed of the circular arc is a slab waveguide 15, which is a portion through which light propagates.
  • the positional relationship between the input coupling end I and the output coupling end U of the slab waveguide (coupling circuit) 15 is a spatial Fourier transform relationship with each other.
  • FIG. 7 shows a modification of the configuration of the optical signal processing circuit configured by coupling two optical waveguide circuits 12a and 12b using the reflection structure shown in FIG.
  • the surface including the reflection structure 16 and the waveguide 13 14 ie, the surface including the optical axis of the input coupling end I and the output coupling end U of the coupling circuit 15
  • the intersection line between the reflection structure 16 and the plane including the waveguides 13 and 14 has been described. It is represented by a quadratic curve, for example a parabola.
  • the reflection structure 16 has a parabolic shape with the input coupling end I of the coupling circuit 15 as the focal point, and the optical axis of the input coupling end I is the same as the reflection structure 16.
  • the vertex Q of the intersecting parabola is a cutout 65 where the reflection structure 16 has been removed to reduce the reflected light.
  • FIG. 8 shows a configuration of an N: N optical coupler 70 as a specific application example of the optical and signal processing circuit of the second embodiment described in FIG.
  • the output waveguides 13 and the input waveguides 14 each have N waveguides. Road array.
  • the light emitted from one of the output waveguides 13 is converted into parallel light by the reflection structure 16 and distributed to the respective waveguides of the input waveguide 14
  • the curvature r of the reflection structure 16 and the width D of the output waveguide 13 and the width D of the input waveguide 14 have a certain relationship represented by the following equation. r ( ° c ⁇ D (3) where we is the mode radius of light propagating in the waveguides of the output waveguide 13 and the input waveguide 14,! is the wavelength, and nc is the slab waveguide 15
  • the effective refractive index r of is the radius of curvature.
  • the output waveguide 13 is used to reduce the difference in coupling efficiency between the waveguides or to increase the coupling efficiency. Also, the mode profile near the exit end of the input waveguide 14 is controlled. For example, to increase the coupling efficiency, it is preferable to widen the waveguide end in a tapered shape.
  • the input and output waveguides 201 a and 201 b are radially connected to the slab waveguide 202, so that a certain straight line perpendicular to the optical axis is formed. In this respect, isochronism is not satisfied.
  • Isochronism is an important characteristic in some optical signal processing in order to keep the position of the optical pulse, that is, the timing of the rise and fall of the pulse.
  • FIG. 9 shows a third embodiment of an optical signal processing circuit configured by coupling two optical waveguide circuits 12 a and 12 b using the reflection structure 16. In this configuration, similarly to the configuration of the optical signal processing circuit shown in FIG.
  • the input coupling end of the first coupling circuit 15a (that is, the output coupling end of the output waveguide 13) II and the optical waveguide circuit
  • the input coupling end of 1 2c ie, the output coupling end of the first coupling circuit 15a) Ul
  • the output coupling end of the optical waveguide circuit 12c ie, the input coupling end of the second coupling circuit 15a)
  • the output coupling end of the second coupling circuit 15a that is, the input coupling end of the input waveguide 14) U2 are in the spatial relationship of the spatial Fourier transform.
  • the light emitted from the output waveguide 13 becomes parallel light whose light beam diameter has been expanded by the first reflection structure 16a of the first coupling circuit 15a, and is converted into an optical waveguide circuit. It is incident on 1 2 c.
  • a wide light beam is formed in the slab waveguide 15 (that is, a waveguide including the first and second coupling circuits 15a and b and the optical waveguide circuit 12c).
  • an optical component with a size of several tens of microns or more such as a wave plate, a retarder, a Faraday element, or a polarizing plate, is arranged at the position of the optical waveguide circuit 12c instead of the optical waveguide circuit 12c, a large loss will occur. Since they do not occur, they can be placed.
  • the light emitted from the optical waveguide circuit 12c that is, the slab waveguide 15 (that is, the waveguide including the first and second coupling circuits 15a and b and the optical waveguide circuit 12c)
  • the wide light beam is condensed by the second reflection structure 16b of the second coupling circuit 15b, and is input to the input waveguide 14.
  • FIGS. 10 and 11 show the configuration of an optical wavelength multiplexer / demultiplexer 80 which is one of specific applications of the optical signal processing circuit according to the third embodiment described with reference to FIG.
  • the periodic groove structure 81 is arranged as the optical waveguide circuit 12c.
  • Fig. 10 shows the case where the periodic groove structure 81 is parallel to the optical axis of the parallel light
  • Fig. 11 shows the case where it is inclined with respect to the optical axis of the parallel light. .
  • FIGS. 12 to 14 show specific examples of the structure of the periodic groove structure 81.
  • the groove width (concave width) is d
  • the groove interval (convex width) is d / nc
  • the groove 8 2 Are arranged side by side.
  • nc is the effective refractive index of the waveguide.
  • a lattice 85 is formed by two parallel kinds of grooves 83 and 84 each intersecting at a predetermined angle.
  • the groove 83 is formed on the optical waveguide circuit board 50 with a groove width (concave width) of d and a groove interval (convex width) of d / nc.
  • the groove width (concave width) is d 'and the groove interval (convex width) is-/ nc, and the groove width (concave width) is between both grooves 83, 84. Width) and groove interval (convex width).
  • the groove width (concave width) d and the groove interval (convex width) of the groove 82 or the lattice 85 are not constant d / nc.
  • the groove width (concave width) d and the groove interval (convex width) d / nc are configured to change.
  • the procedure for manufacturing the periodic groove structure 81 on the optical waveguide circuit board 50 is the same as the above-described method for manufacturing the groove on the optical waveguide circuit board 50 for the reflection structure 16 described above.
  • the diffraction characteristics of the grating of these periodic groove structures 81 generally show strong wavelength-angle dependence, and diffract light of a specific wavelength to a certain angle.
  • the reflection structure 16 changes the angle.
  • the light is coupled to different waveguides of the input waveguide 14 depending on the wavelength in order to convert the light into a change in the focusing position. That is, the optical signal processing circuit having the configuration shown in FIGS. 10 and 11 functions as an optical wavelength multiplexing / demultiplexing circuit.
  • the groove 82 may be filled with a polymer material or a dielectric material.
  • Figure 8 shows a periodic groove structure 81d filled with a filler 86 made of a polymer material or a dielectric material.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view of the optical waveguide circuit board 50 for explaining the procedure for forming the periodic groove structure 81 d on the optical waveguide circuit board 50.
  • a waveguide 13 (or 14) is formed on the substrate 50, and the waveguide 13 (or 14) is composed of the lower cladding layer 51, the core layer 5.2, and the upper cladding layer 53. Are sequentially laminated (FIG. 16- (a)).
  • a metal or dielectric thin film 54 is formed on the waveguide circuit 13 (or 14).
  • a resist 55 is applied on the optical waveguide circuit substrate 50, and a metal or dielectric thin film 54 is coated with the resist 55 for processing (FIG. 16- ( ⁇ )).
  • the thin film 54 is etched by a reactive ion etching apparatus, and the electron beam drawing pattern is transferred (Fig. 16- (2)).
  • the optical waveguide circuit board 50 is fixed on the fine movement stage 39 of the laser abrasion device 30.
  • the optical waveguide circuit board 50 Observe a plurality of markers provided on the optical waveguide circuit board 50 with a monitor so that the optical waveguide circuit board 50 is perpendicular to the optical axis of the pulsed light beam. Then, the tilt angle of the fine movement stage 39 is adjusted.
  • a plurality of markers provided on the optical waveguide circuit board 50 are observed with a monitor device, and the position of the pattern is recognized by a stage controller (controller) 41.
  • the pulsed light beam is focused by the condenser lens 36, the fine movement stage 39 is moved, and the surface is swept by the spot of the pulsed light beam for etching (Fig. 16- (f)) .
  • the etching depth is controlled by the pulse irradiation frequency.
  • the optical waveguide circuit board 50 is removed from the fine movement stage 39, and the thin film 54 is removed (FIG. 16- (g)).
  • the filling material 86 made of a polymer material or a dielectric material is filled in the groove portion 82 constituting the periodic groove structure 81. This is done by vapor deposition or spin coating ( Figure 16- (h)) o
  • FIG. 17 shows a fourth embodiment of the optical signal processing circuit configured by coupling two optical waveguide circuits 12a and 12b using the reflection structure 16.
  • FIG. The optical signal processing circuit according to the present embodiment replaces the reflection structure 16 -1 in FIG. 4 with an arc-shaped or quadratic-curve periodic groove structure 91 to replace the optical wavelength multiplexer / demultiplexer 90. It is composed.
  • the periodic refractive index change selectively reflects light having a wavelength near the Bragg wavelength corresponding to the period. That is, an arc-shaped or quadratic-curved periodic groove structure can be regarded as a wavelength-selective reflection structure, and the optical wavelength multiplexer / demultiplexer 90 can be configured using the positional relationship shown in FIG. It is possible to configure.
  • arc-shaped periodic groove structures 91a, 91b, and 91c, and a reflection structure 16 on an outer peripheral portion thereof are spaced from each other. And are formed concentrically.
  • the il component is reflected by the arc-shaped periodic groove structure 9 la and is coupled to the input waveguide 14a.
  • the two wavelength components are reflected by the arc-shaped periodic groove structure 9 1 b and coupled to the input waveguide 14 b, and the wavelength;
  • the three components are reflected by the arc-shaped periodic groove structure 91c and are coupled to the input waveguide 14c.
  • the remaining wavelength components are reflected by the reflection structure 16 and coupled to the input waveguide 14d.
  • FIG. 18 shows details of the arc-shaped periodic groove structure 91 formed on the optical waveguide circuit board 50.
  • FIG. 18 has a configuration similar to that of the periodic groove structure 81 d shown in FIG. 15, but the shape of the periodic groove structure 81 a shown in FIG. 12 may be used. Needless to say.
  • a groove structure in which the core layer 52 formed on the optical waveguide circuit substrate 50 is etched halfway is used.
  • ny is the effective refractive index of the part of the core layer 52 that has been etched halfway.
  • the reflection point is calculated by obtaining multiple reflections from all periodic structural interfaces including the phase.
  • the periodic groove structure 81c can also be applied, but the period is not constant and cannot be easily formulated.
  • the structure of the periodic groove structure 81a and the structure of the periodic groove structure 81c overlaps with the structure of the periodic groove structure 81b, so the structure of the periodic groove structure 81b must be used. Is also possible. In this case, in FIG. 18, the arc-shaped periodic groove structure 91 partially overlaps.
  • the arc-shaped periodic groove structure 91 uses a groove structure in which the core layer 52 formed on the optical waveguide circuit board 50 is formed halfway to narrow the band.
  • the etching is stopped in the middle of the upper cladding layer 53, and the filling material 86 made of a polymer material or a dielectric material is filled in the groove (recess) 92. do it.
  • a filling material 86 made of a polymer material or a dielectric material is filled in the grooves (recesses) 92. do it.
  • the periodic groove structure 91 has been described as an example of an arc-shaped configuration as illustrated, but the periodic groove structure 91 has a parabolic shape, an elliptical shape, or a hyperbolic shape. May be a quadratic curve.
  • FIG. 19 shows a fifth embodiment of the optical signal processing circuit configured by coupling two optical waveguide circuits 12 a and 12 b using the reflection structure 16.
  • the configuration of this embodiment is topologically equivalent to the embodiment shown in FIG. 9, but is shown as another configuration because it is a particularly useful configuration.
  • This configuration utilizes a reflection structure 16 and is an arrayed waveguide diffraction grating 100 having an arrayed waveguide 101.
  • FIG. 20 shows a detailed configuration of the array waveguide 101.
  • the array waveguide 101 is composed of parallel waveguide portions 102 and 104 and an arc-shaped or quadratic curved waveguide portion 103.
  • Let h be the distance between the centers of the waveguides in the array waveguide 101 and S be the divergence angle of the arc in the arcuate waveguide portion 103.
  • the optical path length difference L between each waveguide is expressed by the following equation.
  • the light emitted from the output waveguide 13 is distributed to the waveguides of the array waveguide 101 and is incident at the same phase, but because of the optical path difference L in equation (4), it depends on the wavelength.
  • the circuit of this configuration functions as an optical multiplexing / demultiplexing circuit.
  • FIG. 21 shows the coupling of two optical waveguide circuits 12 a and 12 b using the procedure for forming the periodic groove structure 81 d on the optical waveguide circuit board 50 described in FIG. 13 shows an optical signal processing circuit according to a sixth embodiment.
  • the optical signal processing circuit according to the present embodiment is based on a quadratic curved optical reflection system in which the reflection structure 16 shown in FIGS. 1 and 5 is represented by a quadratic curve including a circular arc or an elliptical arc.
  • a wavefront compensator 111 for reducing aberrations of a general optical system is formed in the slab waveguide 15.
  • the wavefront compensation unit 111 is integrally formed on an optical waveguide circuit board 50 forming an optical signal processing circuit.
  • FIG. 22 shows the wavefront compensator 1 11 1 formed in the slab waveguide 15 on the optical waveguide circuit board 50 so as to intersect the optical axis of the input coupling end I of the coupling circuit 15.
  • the wavefront compensator 111 is formed by the upper cladding layer 53, the core layer 52, and the lower part of the slab waveguide 15 in the same manner as the method of manufacturing the periodic groove structure 81 described in FIG.
  • a part of the flat surface of the cladding layer 51 is removed into a predetermined pattern shape to form the wavefront compensating portion forming groove 112, and the wavefront compensating portion forming groove 112 is formed on the upper cladding layer 53,
  • the waveguide formed of the core layer 52 and the lower cladding layer 51 is filled with a material 113 having a refractive index different from the effective refractive index.
  • the groove width of the wavefront compensation portion forming groove 112 is different depending on the longitudinal position of the groove.
  • the location where the wavefront compensator 11 1 is provided is not limited to the above-mentioned position.
  • the slab waveguide 15 of FIG. 15 is not limited to the above-mentioned position.
  • FIG. 23 shows a seventh embodiment of the optical signal processing circuit configured by coupling two optical waveguide circuits 12a and 12b using the reflection structure 16.
  • FIG. 24 is a sectional view of the optical signal processing circuit shown in FIG.
  • the input coupling end of the first coupling circuit 15a (that is, the output coupling end of the output waveguide 13) I 1
  • the input coupling end of the optical waveguide circuit 12c (that is, the output coupling end of the first coupling circuit 15a) Ul
  • the output coupling end of the optical waveguide circuit 12c (ie, the second coupling circuit 1
  • the input coupling end of 5a) 12 and the output coupling end of the second coupling circuit 15a (that is, the input coupling end of the input waveguide 14) U2 are in a spatial relationship of the spatial Fourier transform.
  • the first reflection structure 16a allows the slab waveguide 15 (that is, the waveguide including the first and second coupling circuits 15 a and b and the optical waveguide circuit 12 c) to have a broad light beam.
  • the upper cladding layer 53, the core layer 52, the lower cladding layer 51, and a part of the planar surface of the optical waveguide circuit board 50 in the slab waveguide 15 are removed into a predetermined pattern shape.
  • the optical beam diameter in the optical waveguide circuit 12c is expanded, and a pair of cylinder-shaped linear lenses 1 2 2 and 1 2 are fixed separately in the groove structure 1 2 1 of the optical waveguide circuit 1 2c.
  • the light beam spreads in the direction perpendicular to the waveguide surface of the optical waveguide circuit 12c between the cylindrical lens 122, 123 and the optical waveguide circuit 122c.
  • Relatively large optical components 124 can be incorporated between them.
  • the optical component 124 can be attached at an angle to the direction of the light beam to suppress the reflection at the end face.
  • Fig. 25 is shown in Figs. 2.3 and 24. A variation of the configuration shown is shown.
  • a cylindrical distributed refractive index lens 125, 126 is replaced with a cylindrical distributed refractive index lens 125, 126 instead of a silicon drill lens 122, 123, and a light beam is formed in the groove structure ⁇ 21. It is embedded away from the direction.
  • the distributed refractive index lenses 1 2 5 and 1 2 6 and the transparent adhesive 1 2 7 having a refractive index close to the refractive index of the slab waveguide 1 5 are distributed in the groove structure 1 2 1.
  • this transparent adhesive 1 27 is applied to the gap in the groove structure 1 2 1
  • an antireflection film or the like on the surfaces of the distributed refractive index lenses 125 and 126 becomes unnecessary, and can be firmly fixed.
  • FIG. 26 shows an eighth embodiment of the optical signal processing circuit configured by coupling two optical waveguide circuits 12a and 12b using the reflection structure 16. As shown in FIG. FIG. 27 is a sectional view of the optical signal processing circuit shown in FIG.
  • the light beam emitted from the output waveguide 13 is condensed by the reflection structure 16a, and the upper cladding layer 53, the core layer 52, and the lower cladding layer of the slab waveguide 15 are formed.
  • a pair of cylindrical lenses 1 fixed apart from each other in the groove structure 12 1 of the optical waveguide circuit 12 c in which the layer 51 and a part of the plane of the optical waveguide circuit board 50 are removed in a predetermined pattern shape.
  • the light beams are also condensed by the light guides 28 and 12 9 in the direction perpendicular to the waveguide surface of the light guide circuit 12 c, and the semiconductor laser is placed between the cylindrical lenses 12 8 and 12 9.
  • optical components 130 such as
  • FIG. 29 is a sectional view of the optical signal processing circuit shown in FIG.
  • the light emitted from the output waveguide 13 is converted into parallel light whose light beam diameter is expanded by the reflection structure 16a, and the upper cladding layer 53 and the core layer 5 of the slab waveguide 15 are formed.
  • the light beams are condensed in a direction perpendicular to the waveguide surface of the optical waveguide circuit 13c by the lenses 131, 1332, and are interposed between the cylindrical lenses 131, 132. It is possible to incorporate optical components such as photo diode arrays.
  • a tenth embodiment of an optical signal processing circuit having a quasi-phase matching structure in which optical waveguides are connected in multiple stages is shown.
  • the optical waveguide substrate 5 0, in the present embodiment is made of LiNbO 3.
  • the single-mode optical waveguides 302a to 302e diffuse titanium to form a core.
  • the slab waveguides 303 a and 303 b are formed by diffusing titanium.
  • the periodically poled structure 304 is a quasi-phase matching portion that periodically reverses the polarization.
  • the wave number corresponding to the period compensates for the difference between twice the propagation constant of the fundamental wave and the propagation constant of the second harmonic, thus achieving phase matching over a long range. It is possible to do so.
  • the reflecting structures 300a to 300d couple each single mode waveguide.
  • the efficiency of the second-order optical nonlinear effects is proportional to the square of the waveguide length.
  • these efficiencies which have been limited by the size of the substrate, can be expected to be dramatically increased by connecting them in multiple stages and increasing the length using the reflective structures 300a to 300d. You.
  • the manufacturing method and the structure of the reflecting structures 300a to 300d are the same as those of the first and second embodiments, and the description thereof will be omitted.
  • FIG. 31 shows an eleventh embodiment of an optical signal processing circuit having a quasi-phase matching structure in which optical waveguides are connected in multiple stages using a reflection structure.
  • a groove structure 303 for cutting the core of the single-mode optical waveguides 302 a to 302 i is formed, and the side wall 307 is formed by a total reflection mirror.
  • the refractive index of the waveguide material is sufficiently higher than the refractive index of air, so high reflectivity can be obtained without providing a metal layer on the side wall.
  • a protective film such as a metal layer is used to protect the side surfaces. May be provided.
  • FIG. 33 is a cross-sectional view of an optical waveguide circuit board 50 for explaining a procedure for producing a finer structure than im by laser abrasion processing. Is shown.
  • a metal or dielectric thin film 54 is formed on the optical waveguide circuit (FIG. 33- (a ')).
  • 50 is an optical waveguide circuit board
  • 51 is a lower cladding layer
  • 52 is a core layer
  • 53 is an upper cladding layer.
  • the optical waveguide circuit board 50 is fixed on the stage.
  • the etching depth is controlled by the number of pulse irradiations.
  • the difference between this method and the conventional method is that Shape.
  • the size of the pattern from which the thin film 54 has been peeled that is, the size of the window, differs greatly in two orthogonal directions.
  • the length Lxl in the width direction of the window is shorter than ⁇ m
  • the length Ly in the lengthwise direction of the window is longer than 1 m.
  • the thin film 54 is a metal film
  • the vibration plane of the electric field is in the Ly direction
  • the laser beam can only pass through the window about the wavelength length, but the vibration plane of the electric field is in the Lx direction. And through the window.
  • diffracted light is generated if Lxl + Lx2 is set to be 80% or less of the wavelength in the waveguide of the optical waveguide propagation light. Absent. That is, it is possible to control the equivalent refractive index of the material by this method.
  • FIG. 35 shows a method for fabricating a submicron-scale fine structure by an electron beam exposure method according to the 12th embodiment of the present invention.
  • 50 is an optical waveguide substrate
  • 51 is a lower cladding layer
  • 52 is a core layer
  • 53 is an upper cladding layer.
  • a resist 55 is applied on the upper cladding layer 53 of the optical waveguide substrate 50 (FIG. 35-(port)).
  • An upper clad layer 53 is further formed from above the resist 55.
  • the material may be applied by embedding a resist 55 with a Sincoater, and then polymerized and cured (Fig. 35- (2)).
  • the resist 55 is provided in the core layer 52, and the Alternatively, the upper cladding layer 53 may be configured (Fig. 35- (e)).
  • the resist 55 may be provided in the lower cladding layer 51, and the rest of the lower cladding layer 51, the core layer 52, and the upper cladding layer 53 may be similarly configured (FIG. 3). 5— (to)).
  • the electric field intensity of the guided light is 1/10 or more of that of the core layer 52.
  • the intensity of guided light is substantially affected, and a diffraction grating or the like can be formed.
  • a finely patterned resist is used as a waveguide constituent material, and embedded in the waveguide, so that an expensive etching apparatus can be used. It becomes possible to configure an optical signal processing circuit including a diffraction grating without the need.
  • FIG. 36 shows a method for fabricating a submicron-scale fine structure by an ion implantation method according to the thirteenth embodiment of the present invention.
  • 50 is an optical waveguide substrate
  • 51 is a lower cladding layer
  • 52 is a core layer
  • 53 is an upper cladding layer.
  • a metal or dielectric thin film 54 is formed on the upper cladding layer 53 of the optical waveguide substrate 50, and a resist 55 is applied on the thin film 54 (FIG. 36-(o)). ).
  • the reactive ion etching system is used to etch 54 and transfer the electron beam drawing pattern (Fig. 36-
  • Ion is accelerated and injected.
  • H +, F + or rare gas ions can be implanted into a polymer waveguide to produce a low refractive index portion.
  • Si0N +, S + may be implanted.
  • a low refractive index portion can be formed by injecting ⁇ , F + , B + , 0+,, N + or a rare gas ion into a quartz waveguide.
  • Si + , Ge +, Ti ⁇ Ta ⁇ P ⁇ Al +, Zr + , and rare earth element ions may be implanted.
  • a low-refractive-index portion can be manufactured by injecting H + , ⁇ B + , 0 ⁇ C +, N + or a rare gas ion into the dielectric waveguide.
  • a rare gas ion may be implanted. It goes without saying that multiply-charged ions may be used for ion implantation (Fig. 36- (f)).
  • ion implantation is a standard process in silicon LSI manufacturing, and it is possible to uniformly implant appropriate ions into a large substrate. In other words, by combining with electron beam lithography, it is possible to easily perform minute refractive index control, and the degree of freedom in designing an optical signal processing circuit is increased.
  • FIG. 37 shows a method for fabricating a sub-micron-scale fine refractive index control structure on a polymer waveguide by a fine pattern transfer method according to the fourteenth embodiment of the present invention.
  • a concavo-convex pattern of a fine structure is previously formed on a quartz substrate 401 by an electron beam exposure method or the like.
  • a positioning pattern 402 is provided on the quartz substrate, and a metal 403 such as Ni or Ta is deposited on the fine pattern (FIG. 37- (a)).
  • the micro-refractive index control structure is described as being configured on a substrate made up to the upper cladding layer.
  • the lower cladding layer is formed with irregularities to allow the core layer and the upper cladding layer to be formed.
  • the upper cladding layer may be formed by forming irregularities on the core layer.
  • a mold having a fine structure is manufactured, and an optical signal processing circuit configuration method for transferring the fine structure by pressing the mold against a polymer waveguide substrate has been realized.
  • the microstructures of many optical signal processing circuits can be transferred one after another, making it possible to produce optical signal processing circuits with fine structures at high speed. It is.
  • a commercially available mask aligner can be diverted for the transfer, so that easy and low-cost fabrication is possible.
  • FIG. 38 shows a TEZTM mode branching circuit configured by using any of the methods shown in the first to fourteenth embodiments.
  • the reflection structure 702a converts the output light from the input waveguide 701 into parallel light, that is, collimates.
  • the reflecting structures 702b and 702c couple the light of each mode separated by the mode separating structure 703 to the output waveguides 704a and 704b.
  • FIG. 39 shows details of the mode separation structure 703.
  • the mode separation structure 703 is composed of a high refractive index part 705 and a low refractive index part 706 and has a periodic structure.
  • the portion where light propagates other than the input / output waveguides 71, 704a and 704b is a slab waveguide.
  • the normal length and refractive index be nh, dh, nl, and dl, respectively.
  • the angle between the light propagation direction and the normal direction is g
  • the angle between the light propagation direction and the normal direction in the high refractive index portion 705 is Sh
  • the light angle in the low refractive index portion 706 is light.
  • the angle between the propagation direction and the normal direction is ⁇ 1
  • the wavelength and refractive index of the propagated light in vacuum are ⁇ o and ng.
  • the refractive index and the length are determined so that the following relationship is established.
  • the TM mode mode that has a magnetic field component only in the direction perpendicular to the propagation direction in the waveguide plane
  • the mode separation structure 703 is large enough, most TM mode light will be reflected, and this circuit will function as a TEZ TM mode demultiplexer.
  • FIGS. 40 and 41 show examples of patterns for forming the mode separation structure 703 by the methods of the first to fourteenth embodiments. The change in the effective refractive index is proportional to the density of the microstructure pattern.
  • the high-density region C1 and the low-density region C2 of the pattern can be manufactured using the pattern shown in the figure. If C 1 and C 2 are a low (high) refractive index portion and a high (low) refractive index portion, the first to fourth embodiments can be realized.
  • the configuration method of the TE / TM mode multiplexing / demultiplexing circuit has been clarified.
  • This circuit functions as an all-waveguide polarization multiplexing / demultiplexing circuit.
  • a polarization multiplexing / demultiplexing circuit is conventionally configured using a polarization beam splitter or a fiber collimator, the circuit integrated in the waveguide described in this embodiment is It is small and highly reliable. '
  • the optical signal processing circuit according to the present invention has been specifically described based on the embodiment.
  • the present invention is not limited to the embodiment and does not depart from the gist of the present invention.
  • various changes can be made in the range.
  • the optical signal processing circuit of the present invention silica-based waveguides, poly Ma one type waveguide, L i Nb0 3 waveguide, compound semiconductor waveguides, etc., is also applicable to an optical waveguide of any material system.
  • De rare earth element or C YIG which r is added GGG, YAG, Sahu ⁇ Lee A, L i NbO 3, BaT i 0 3, L i Ta0 3, quartz, Moshiku is the optical amplification materials, such as glass May be used.
  • the functions of the first and second coupling ends I and U are equal to each other or have an arbitrary magnification, which are functions that cannot be realized by a conventional optical waveguide circuit that does not include a reflection structure. It becomes an imaging relationship.
  • optical signal processing circuit of the present invention when the optical signal processing circuit of the present invention is applied to a directional coupler-type optical coupler in which optical fibers, which are most frequently used in the past, are fused in parallel, the following advantages are obtained. Can be played.
  • the branching ratio of the directional coupler is controlled by the distance between the optical fibers to be fused and the fusion length, but it is difficult to fine-tune it, so the precision of the ratio cannot be improved.
  • the ratio can be determined geometrically according to the division position of the reflection structure, so that the ratio can be controlled with high precision.
  • isochronism can be obtained at each point in the waveguide that crosses a straight line perpendicular to the optical axis of the first optical waveguide and the second optical waveguide. Since the coupling circuits are also arranged in a straight line in parallel, it is easy to design and manufacture the optical circuit. ⁇
  • a conventional reflection structure is not included.
  • the light emitted from the first coupling end of the single mode first optical waveguide, which cannot be realized by the optical waveguide circuit, is converted into a wide parallel light in the coupling circuit by the first reflection structure,
  • the second reflection structure can be connected to the second coupling end of the single mode second optical waveguide again.
  • a plurality of reflection structures can be provided, so that the number of arc-shaped reflection structures is within ten and several places, that is, a wavelength multiplexed optical signal of dozens of waves.
  • a wavelength multiplexer / demultiplexer having less loss and less loss variation than the conventional array waveguide diffraction grating can be configured.
  • a wavelength multiplexing / demultiplexing circuit can be configured with low loss and low cost.
  • the arrayed waveguides are arranged in parallel, which facilitates the design and manufacture of an optical circuit.
  • laser ablation using an ultrashort optical pulse is used to form a concave, planar or convex reflective structure or periodic groove structure. Use. Since this laser ablation etches in a shorter time than the thermal relaxation time, the verticality and smoothness of the machined end surface are very good.
  • the time required to form a groove structure of several tens of microns with an opening of several millimeters is only several minutes. Furthermore, even without using a mask, it is possible to perform fine processing by narrowing down to a spot system of about the wavelength.
  • its masking materials include tantalum, molybdenum, tungsten chrome, gold, platinum, nonadium, nickel, silver, copper, silicon oxide, silicon nitride, silicon nitride, Utilize titanium oxide, boron nitride, and aluminum nitride As a result, etching with a very high aspect ratio became possible.

Description

明 細 書 光信号処理回路及びその製造方法 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、 ァ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 4 2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 2 0 0は、 一本或いは多数本の導 波路から成る導波路ァ レイ 2 0 1 a， 2 0 1 b間をスラブ導波路 2 0 2 を介して接続する構成となっている。 各々の導波路端 2 0 1 ae, 2 0 1 beがスラブ導波路 2 0 2の光軸 P Q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 2 0 2の両端 P， Qが互 いに空間フーリ ェ変換の関係になり、 導波路端 2 0 1 ae, 2 0 1 be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 2 0 1 a , 2 0 1 b間を結像関係とすることが不可能で ある し、 導波路端 2 0 1 ae, 2 0 1 be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 アイパ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- 1 0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ツチン 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 4 3は、 従来の周期分極反転構造 5 0 2 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 Z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+ィオン注入に 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 l cffl角の領域に 0. 01ミ ク ロ ンの精度で描画するに は約 1 0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 ェ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 P Q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 ： l Z n c ( n c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 （n x) の材料で充填し、 溝の 凹部と凸部との幅の比が、 l / n x : 1 / n c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一力をモニタ装置で観察し、 基板が レ 一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 一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、 前記パ夕 —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、 ステ一ジを移動して 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)ェッチング深さは、 パルス照射回数によつて制御する。 (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一力をモニタ装置で観察し、 前記パ夕 —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、 ステ一ジを移動して 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)ェッチング深さは、 パルス照射回数によつて制御する。
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 _ l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 一トする反射構造と、 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
—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、 前記バタ —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。
(i i)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)ィ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 合わせ用マ一力を形成する。
(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 LiNb03、 BaTi03、 LiTa03、 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。 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 1 2 a , 1 2 b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 1 6を形成するための レーザアブレーシヨ ン装置 3 0の構成を示す。
図 3は、 光導波回路基板 5 0上への反射構造 1 6の形成手順を説明す るための光導波回路基板 5 0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 6 0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 1 2 a , 1 2 b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 1 6を利用した二つの光導波回路 1 2 a , 1 2 b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 1 2 a， 1 2 b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 7 0の構成を示す。
図 9は、 反射構造 1 6を利用した二つの光導波回路 1 2 a , 1 2 b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 1 0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 8 0の構成を示す。
図 1 1 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 8 0の構成を示す。 図 1 2 は、 周期的溝構造 8 1 の具体的な構成例を示したものである。 図 1 3 は、 周期的溝構造 8 1 の別の具体的な構成例を示したものであ る。
図 1 4は、 周期的溝構造 8 1 のさ らに別の具体的な構成例を示したも のである。
図 1 5 は、 溝部 8 2部分にポリ マー材料や誘電体材料からなる充填材 8 6を充填した周期的溝構造 8 1 dを示す。
図 1 6は、 光導波回路基板 5 0上への周期的溝構造 8 1 dの形成手順 を説明するための光導波回路基板 5 0の断面図を示す。
図 1 7は、 本反射構造 1 6を利用 した二つの光導波回路 1 2 a , 1 2 b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 1 8は、 光導波回路基板 5 0上に形成された円弧状周期的溝構造 9 1 の詳細を示したものである。
図 1 9は、 反射構造 1 6を利用した二つの光導波回路 1 2 a , 1 2 b 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 2 0は、 ア レイ導波路 1 0 1 の詳細な構成を示す。
図 2 1 は、 反射構造 1 6を利用 した二つの光導波回路 1 2 a , 1 2 b 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 2 2は、 波面補償部 1 1 1 の断面図を示す。
図 2 3は、 反射構造 1 6を利用した二つの光導波回路 1 2 a , 1 2 b 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 2 4は、 図 2 3に示した光信号処理回路の断面図を示す。
図 2 5 は、 図 2 3及び図 2 4に示した構成の変形例を示す。
図 2 6は、 反射構造 1 6を利用 した二つの光導波回路 1 2 a， 1 2 b 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 2 7は、 図 2 6に示した光信号処理回路の断面図を示す。
図 2 8は、 反射構造 1 6を利用した二つの光導波回路 1 2 a , 1 2 b 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 2 9は、 図 2 8に示した光信号処理回路の断面図を示す。
図 3 0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 1 0の実施の形態を示す。
図 3 1 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 1 1 の実施の形態を示す。
図 3 2は、 溝構造 3 0 6 の詳細を示す。
図 3 3は、 レーザアブレ一シヨ ン加工によ り、 加工用のレーザ光の波 長； } m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 5 0の断面図を示す。
図 3 4は、 薄膜 5 4のパターンの詳細を示す。
図 3 5は、 本発明の第 1 2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 3 6は、 本発明の第 1 3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 3 7は、 本発明の第 1 4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 ク口ンスケールの微細屈折率制御構造をポリ マ一導波 路に作製する方法を示す。
図 3 8は、 第 1 1乃至 1 4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 TEZ TMモ一 ド分波回路を示す。
図 3 9は、 モー ド分離構造 7 0 3 の詳細を示す。
図 4 0は、 モー ド分離構造 7 0 3を構成するためのパターンの例その 1 を示す。
図 4 1 は モー ド分離構造 7 0 3 を構成するためのパ夕一ンの例その 2を示す。
図 4 2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 4 3は 従来の周期分極反転構造 5 0 2 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
1 2 光導波回路
1 3 出力導波路
1 4 入力導波路
1 5 結合回路 （ス ラブ導波路） 1 6 反射構造
3 0 レーザアブレーシ ョ ン装置
5 0 光導波回路基板
5 1 下部ク ラッ ド層
5 2 コア層
5 3 上部ク ラッ ド層
5 4
5 5 レジス ト
5 6 金属又は誘電体膜
5 7 凹部
6 0 1： 2光カ ップラ
7 0 Ν : Νスター型光力 ッ プラ
8 0 光波長合分波器
8 1 周期的溝構造
8 2 , 8 3 , 8 4 溝
8 6 充填材
9 0 光波長合分波器
9 1 円弧状周期的溝構造
1 0 1 ァ レイ導波路
3 0 2 単一モー ド光導波路
3 0 3 スラブ導波路
3 0 4 周期的分極反転構造 3 0 5 反射構造
3 0 6 溝構造
3 0 7 側壁
4 0 1 石英基板
4 0 2 位置合わせ用パターン
4 0 3
4 0 4 ポリ マー導波路基板
7 0 1 入力導波路
7 0 2 反射構造
7 0 3 モー ド分離構造
7 0 4 出力導波路
7 0 5 高屈折率部
7 0 6 低屈折率部 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 1 2 a , 1 2 b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 5 ◦ には、 光導波回路 1 2 a， 1 2 bが設け られ、 光導波回路 1 2 a , 1 2 bには、 出力導波路 1 3 , 入力導波路 1 4の一端側がそれぞれ接続され、 出力導波路 1 3 , 入力導波路 1 4の他 端側は、 結合回路 1 5に接続されている。
I は結合回路 1 5 と出力導波路 1 3 との入力結合端 （すなわち、 出力 導波路 1 3の出力結合端） 、 Uは結合回路 1 5 と入力導波路 1 4 との出 力結合端 （すなわち、 入力導波路 1 4の入力結合端） を示す。
結合回路 1 5は、 その軸 P Qに対し、 軸端 P , Qを含むそれぞれ端面 E , E qが， 所定の曲面形状となったスラブ導波路 1 5 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 1 5は、 一方の軸端 Pを含む端面 E p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 E q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 E qは、 軸端 Pを曲率中心とする曲率 rの反射構造 1 6を構成する。
その上で、 軸 P Q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 1 5の入力結合端 （すなわち、 出力導波路 1 3の出力結合端） I と、 結合回路 1 5の出力結合端 （すなわち、 入力導波路 1 4の入力結合 端） Uとが配置されている。
これよ り、 結合回路 1 5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 1 6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 1 5の入力結合端 （すなわち、 出力導波路 1 3 の出力結合端） I 及び出力結合端 （すなわち、 入力導波路 1 4の入力結 合端） Uの光軸が、 反射構造 1 6上の同一点 Qを通り、 かつ、 それぞれ の光軸の長さ I Q及び長さ Q Uは、 同じ長さに保たれる。
そして、 これらの円弧 I P Uを含む曲面及び反射構造 1 6の円弧を含 む曲面で囲まれる部分が、 スラブ導波路 1 5 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 1 3 と入力導波路 1 4 とは高い結合効率で結合さ れる。
図 2は、 反射構造 1 6を形成するための レーザアブレ一シヨ ン装置 3 0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 ヱム ト秒光源 3 1 は'、 本実施の形態の場合、 例えば、 通常 50f s (フ ェ ム ト秒） 程度のパ ルス幅で、 繰り返し周波数 1 kHz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つている。
フ ヱム ト秒光源 3 1 によ り生成されたパルス光ビームは、 レーザ光伝 送装置 3 2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 3 2によってそのビーム径が 広げられるよう になつている。
レーザ光伝送装置 3 2 によってビーム径が広げられたパルスは、 ァズ レーシ ョ ン装置本体 3 3に設けられている空間フ ィ ルタ 3 4を介して、 ダイ クロイ ツク ミ ラー 3 5 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 3 4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 3 4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 ル夕 3 4でパルス光ビームに適当な断面振幅プ 口フ 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 s i ne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 3 4を設計すると良い。
ダイ クロイ ツ ク ミ ラ一 3 5は、 パルス光ビームの波長の光に対しては ミ ラ一と 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 3 4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 3 6 に案内する。
また、 ダイ クロイ ツ ク ミ ラー 3 5には、 落射照明光源 3 7からの照明 光がハーフ ミ ラ一 3 8 を介して供給され、 ダイ クロイ ツク ミ ラー 3 5 は パルス光ビームとともに照明光も集光レンズ 3 6 に案内するようになつ ている。
そして、 集光レンズ 3 6は、 その前側の焦点位置にアブレ一シ ヨ ン装 置本体 3 3 に対して微小移動可能に配置され微動ステージ 3 9 に載置固 定された光導波回路基板 5 0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 5 0へのパルス光ビームの照射位置は、 ハーフ ミ ラ一 3 8の落射照明光源 3 7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 4 0からの、 光導波回路基板 5 0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 4 1 が光導波回路基板 5 0が載置固定された微動ステージ 3 9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 4 1 には、 撮像カメ ラ 4 0及ぴ微動ステ一 ジ 3 9のァクチユエ一夕が接続されているとともに、 さ らにフ エム ト秒 光源 3 1 が接続されている。 そして、 コ ン ト ローラ 4 1 は、 微動ステー ジ 3 9の微小移動制御とともに、 フ ヱム ト秒光源 3 1 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 5 0上への光信号処理回路 1 0の作製を総合的に制御する。
このよ う に構成された レーザアブレ一シ ヨ ン装置 3 0 によ っ て、 光信 号処理回路 1 0の反射構造 1 6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 1 3 (又は 1 4 ) は既に前工程で光導 波回路基板 5 0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 5 0上への反射構造 1 6の形成手順を説明す るための光導波回路基板 5 0の断面図を示す.
図 3 (ィ） は、 導波回路 1 3 (又は 1 4 ) が形成された光導波回路基 板 5 0 の断面図を示す。
導波回路 1 3 (又は 1 4 ) は、 基板 5 0上に、 下部クラ ッ ド層 5 1、 コア層 5 2、 及び上部クラッ ド層 5 3を、 順次積層して形成されている, まず、 反射構造 1 6の形成に際して、 この導波回路 1 3 (又は 1 4 ) 上に、 金属又は誘電体の薄膜 5 4を形成する。
この後、 光導波回路基板 5 0の上に レジス ト 5 5を塗布し、 金属又は 誘電体の薄膜 5 4を レジス ト 5 5でプロセス用に被覆する （図 3 - ( π ) ) 。
そして、 レジス ト 5 5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 5 5の現像処理を、 E B露光によって行い、 エッチング面の レジス ト 5 5を除去し、 パターンニングを行う (図 3 - (ハ) ) o
レジス ト 5 5をマスクと して、 図示せぬリ アクティ ブイオンエツチン グ装置でレジス ト 5 5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 5 4上に転写する (図 3 - (二） ） 。
その後、 レジス ト 5 5を光導波回路基板 5 0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 5 4上に転写され、 レ ジス ト 5 5が剥離された光導波回路基板 5 0を、 レーザアブレーシ ョ ン 装置 3 0の微動ステージ 3 9上に固定する。
光導波回路基板 5 0上に設けられた複数のマーカ の画像を撮像カ メ ラ 4 0による図示せぬモニタ装置で観察し、 光導波回路基板 5 0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 5 0上に設けられた複数のマ一力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 口一 ラ） 4 1 が認識する。
そして、 コン ト ローラ 4 1 による制御に基づき、 レーザアブレーシ ョ ン装置 3 0 はフ ヱ ム ト秒光源 3 1 で生成されたパルス光ビーム'を集光レ ンズ 3 6によって集光し、 微動ステージ 3 9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 5 0の表面を掃引して、 前述の工程でレジ ス ト 5 5が剥離された部分の上部クラッ ド層 5 3、 コア層 5 2、 及び下 部クラッ ド層 5 1 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 - (へ） ） 。 パターンニングに基づく、 下部クラ ッ ド層 5 1 、 コア層 5 2、 及ぴ上 部クラッ ド層 5 3のエッチングが完了 した後は、 光導波回路基板 5 0 を 微動ステージ 3 9から取り外し、 残っている薄膜 5 4部分を取り除く (図 3 - (卜） ） 。
そ して、 金属又は誘電体膜 5 6 を、 エッチング凹部 5 7の端面 5 7 e. 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 5 1、 コア層 5 2、 及び上部クラッ ド層 5 3の端面 5 7 eに蒸着する。 この光導波回路 基板 5 0上で部分的に金属又は誘電体膜 5 6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 5 4の材料の選定であ る。 薄膜 5 4は、 エッチング深さに対して十分に薄い膜で、 パルス光ビ —ムの照射に耐えなければならない。 そのため、 薄膜 5 4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、 タンダステ 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 S i 02、 窒化シリ コン S i N、 酸化チタ ン T i 02、 窒化ホウ 素 BN、 窒化アルミ ニゥム A 1 N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 5 4を利用せず、 レジス ト 5 5 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 ヨ ン装置 3 0 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 1 3 (又は 1 4 ) が形成された光導波回路基板 5 0を 微動ステージ 3 9上に固定する。
そして、 光導波回路基板 5 0上に設けられた複数のマ一力をモニタ装 置で観察し、 光導波回路基板 5 0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 5 0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 1 3 (又は 1 4 ) の位置をステージコ ン ト ローラ （コン ト ローラ） 4 1 に認識させる。
そして、 コ ン ト ローラ 4 1 による制御に基づき、 レーザアブレーシ ョ ン装置 3 0はフ ェム ト秒光源 3 1 で生成されたパルス光ビームを、 反射 構造 1 6を設ける部位に沿って集光レンズ 3 6を介して集光し、 微動ス テ一ジ 3 9を移動して凹部 5 7を作製する。
その後、 今度は凹部 5 7の周囲に沿ってパルス光ビームを集光し、 微 動ステージ 3 9を移動して凹部 5 7の端面 5 7 e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 6 0の構成を示す。
こ こで、 反射構造 1 6は境界点 Q。を境に、 それぞれ中心点 Pが異な る二つ反射構造 1 6 -1, 1 6 -2に分割されている。 第 1 の反射構造 1 6-1は、 点 Piを中心とする曲率半径 rの円弧 QoQiを含む球面で構成さ れ、 第 2の反射構造 1 6- 2は、 点 P2を中心とする同一大きさの曲率半 径 rの円弧 QflQ2を含む球面で構成されている。
そして、 それぞれ中心点 P2は、 第 1， 2の反射構造 1 6 -1, 2の 境界点 Q。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 1 5の入力結合端 （すなわち、 出力導波路 1 3の出力結合端） I及び出 力結合端 （すなわち、 入力導波路 1 4の入力結合端） Uは、 それぞれ図 1 に示した反射構造 1 6の場合ど同様な位置関係を満たしている。
すなわち、 結合回路 1 5の入力結合端 （すなわち、 出力導波路 1 3の 出力結合端） I の光軸が、 反射構造 1 6の境界点 Q。を通るよう に、 境 界点 Q。を中心と し点 Pい 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 1 5の第 1 の出力結合端 （すなわち、 入力導波路 1 4の第 1 の入力結合端） U1は、 反射構造 1 6の境界点 Q。と第 1 の反 射構造 1 6 -1の円弧の中心 P iとを含む直線、 すなわち軸 P ,(3。を中心に して、 結合回路 1 5の入力結合端 （すなわち、 出力導波路 1 3の出力結 合端） I と線対称な、 境界点 Q。を中心と し点 Pい 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 1 5の第 2の出力結合端 （すなわち、 入力導波 路 1 4の第 2の入力結合端） U2は、 反射構造 1 6の境界 '点<3。と第 2の 反射構造 1 6 -2の円弧の中心 P2とを含む直線、 すなわち軸 P2Q。を中心 にして、 結合回路 1 5の入力結合端 （すなわち、 出力導波路 1 3の出力 結合端） I と線対称な、 境界点 Q。を中心と し点 Ρ ,, Ρ2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 1 5になっている。
この結果、 結合回路 1 5の入力結合端 I と第 1 の出力結合端 Ul、 及 ぴ結合回路 1 5の入力結合端 I と第 2の出力結合端 U2とは、 円弧 Q。Q ,からなる第 1 の反射構造 1 6 -1、 及び円弧 Q。Q2からなる第 2の反射構 造 1 6 -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 U 1と第 2の出力結合端 U 2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 6 0 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 6 0では、 円弧 QQQiから なる第 1 の反射構造 1 6 -1の中心点を P ,と し、 円弧 Q。Q2からなる第 2 の反射構造 1 6 -2の中心点を P 2と して形成したが、 中心点を P 2と して 円弧 QeQ!からなる第 1 の反射構造 1 6 - 1を形成し、 中心点を と して 円弧 Q。Q2からなる第 2の反射構造 1 6 -2を形成するようにしても、 1: 2光カ ップラ 6 0 と同様機能の 1 :2光力 ッブラが構成できる。
また、 本実施の形態に係る 1:2光カ ップラ 6 0 において、 反 構造 1 6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 6 0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 1 2 a， 1 2 b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 1 6 と導波路 1 3 , 1 4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 1 6 と導波路 1 3 , 1 4含む面との 交線が、 結合回路 1 5の入力結合端 I 及び出力結合端 Uを焦点とする精 円の弧形状となっている。
この場合、 結合回路 1 5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 Q Sで表すと 入力結合端 I と中心点 S との距離 I S と、 出力結合端 Uと中心点 S との 距離 U S 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。 c = 一 b2 (1)
そして、 反射構造 1 6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 1 6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つてもよい。
さらに、 図 1 及び図 5によ り示した反射構造 1 6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 1 5の入力結合端 I 及び 出力結合端 Uの光軸が反射構造 1 6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 I Qと、 点 Qと出力結合端 Uとの間との距 離 Q Uとの関係において、 次式が成り立てばよい。
Figure imgf000023_0001
図 6は、 反射構造 1 6を利用した二つの光導波回路 1 2 a , 1 2 b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 1 6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 1 6の円弧上の点を示す。
こ こで、 点 Tは、 線分 P Q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 1 5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 1 5の入力結合端 I (すなわち、 出力導波路 1 3の出 力結合端） 及び結合回路 1 5 の出力結合端 U (すなわち、 入力導波路 1 4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 1 5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） 1 5 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 1 2 a , 1 2 b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 1 6 と導波路 1 3 1 4を含む面 （すなわち、 結合回路 1 5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 1 6 と導波路 1 3 , 1 4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 1 6は、 結合回路 1 5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 1 6 と交わる放物線の頂点 Qは、 反射構造 1 6が除去され て反射戻り光を低減させた切欠部 6 5 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ス夕一型光カ ップラ 7 0の構成を示す。
この構成では、 出力導波路 1 3 , 入力導波路 1 4は、 各々 N本の導波 路ア レイ である。
出力導波路 1 3の一つの導波路から出射された光は、 反射構造 1 6 に よって平行光に変換され、 入力導波路 1 4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 1 6の曲率 rと出力導波路 1 3及び入力導波路 1 4の幅 Dとは、 次 式で示す一定の関係となっている。 r(°c ≥D (3) こ こで、 w eは出力導波路 1 3及び入力導波路 1 4の導波路中を伝搬 する光のモー ド半径、 ！ は波長、 n cはスラブ導波路 1 5の有効屈折率 r は曲率半径である。
スラブ導波路 1 5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 1 3及び入力導波路 1 4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 4 2 に示した従来の構成では、 スラブ導波路 2 0 2に対して入出力 導波路 2 0 1 a , 2 0 1 b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 1 3及び入力導波路 1 4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 1 6を利用した二つの光導波回路 1 2 a , 1 2 b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 1 5 aの入力結合端 （すなわち、 出力導波路 1 3の出力結合端） I Iと光導波回路 1 2 cの入力結合端 （すなわち、 第 1 の結合回路 1 5 aの出力結合端） Ul、 光導波回路 1 2 cの出力結合端 （すなわち、 第 2の結合回路 1 5 aの入力結合端） I 2と第 2の結合回路 1 5 aの出力 結合端 （すなわち、 入力導波路 1 4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 1 3からの出射光は、 第 1 の結合回路 1 5 a の第 1 の反射構造 1 6 aによって光ビーム径が広げられた平行光となつ て、 光導波回路 1 2 cへ入射される。 その際、 スラブ導波路 1 5 (すな わち、 第 1 , 2の結合回路 1 5 a , b及び光導波回路 1 2 c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 1 2 cでなく 光導波回路 1 2 c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 1 2 cからの出射光、 すなわちスラブ導波路 1 5 (すなわち、 第 1 , 2の結合回路 1 5 a， b及び光導波回路 1 2 cを含 む導波路） 中での幅広い光ビームは、 第 2の結合回路 1 5 bの第 2の反 射構造 1 6 bによつて集光され、 入力導波路 1 4に入力されるようにな つている。
図 1 0 , 図 1 1 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 8 0の構成を示す。
こ こで、 図 1 0及び図 1 1 の光波長合分波器 8 0では、 光導波回路 1 2 c と して周期的溝構造 8 1 が配置されている。 周期的溝構造 8 1 が平 行光の光軸に平行な場合を示したものが図 1 0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 1 1 である。
図 1 2乃至図 1 4は、 この周期的溝構造 8 1 の具体的な構成例を示し たものである。 図 1 2 に示した周期的溝構造 8 1 aでは、 光導波回路 S板 5 0上に、 溝幅 （凹部幅） が d、 溝間隔 （凸部幅） が d /n cで、 溝 8 2が並設され て構成されている。 なお、 n cは導波路の有効屈折率である。
これに対し、 図 1 3に示した周期的溝構造 8 l bでは、 平行な 2種類 の溝 8 3， 8 4が所定角度をもってそれぞれ複数ずつ交差した格子 8 5 となっている。
本具体例では、 溝 8 3は、 光導波回路基板 5 0上に、 溝幅 （凹部幅） が d、 溝間隔 （凸部幅） が d /n cで形成され、 溝 8 4は、 光導波回路基 板 5 0上に、 溝幅 （凹部幅） が d '、 溝間隔 （凸部幅） が ー /n cで形 成されており、 両溝 8 3， 8 4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 1 4 に示した周期的溝構造 8 1 cでは、 溝 8 2又は格子 8 5 の溝幅 （凹部幅） dや溝間隔 （凸部幅） が d /n c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 5 0上への周期的溝構造 8 1 の作製手順は、 前 述した反射構造 1 6のための光導波回路基板 5 0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 8 1 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 8 1 bでは基本となる格子が二種類あるので、 そ れそれの格子に対応する回折が重なって現れるため、 複雑な波長一角度 依存性を実現できる。
また、 周期的溝構造 8 1 cでは緩慢な波長一角度依存性を実現できる そして、 図 1 0及び図 1 1 で説明した光波長合分波器 8 0では、 反射 構造 1 6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 1 4の異なる導波路に光が結合する。 すなわち、 図 1 0及び 図 1 1 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 8 1部分の保護あるいは特性を制御するために、 溝 8 2部分 （凹部） にポリ マ一材料や誘電体材料を充填する場合もある 図 1 5は、 溝部 8 2部分にポリ マー材料や誘電体材料からなる充填材 8 6を充填した周期的溝構造 8 1 dを示す。
この周期的溝構造 8 1 dでは、 屈折率変化が少ないため非常に鋭い波 長一角度依存性を実現できる。 この様な周期的溝構造 8 1 の作製手順は 反射構造 1 6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 1 6は： 光導波回路基板 5 0上への周期的溝構造 8 1 dの形成手順 を説明するための光導波回路基板 5 0の断面図を示す。
基板 5 0上には導波回路 1 3 (又は 1 4 ) が形成され、 導波回路 1 3 (又は 1 4 ) は、 下部クラッ ド層 5 1、 コア層 5.2、 及び上部クラッ ド 層 5 3を、 順次積層して形成されている （図 1 6 - (ィ） ） 。
まず、 反射構造 1 6の形成に際して、 この導波回路 1 3 (又は 1 4) 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 5 0の上に レジス ト 5 5を塗布し、 金属又は 誘電体の薄膜 54を レジス ト 5 5でプロセス用に被覆する （図 1 6- (π) ) 。
そして、 レジス ト 5 5に電子ビーム描画装置でパターンを描画し、 レジ ス ト 5 5の現像処理を行う （図 1 6 - ひ、） ） 。
レジス ト 5 5をマスク と して、 リ ァク 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 1 6 - （二） ） 。
その後、 残りの レジス ト 5 5を剥離する （図 1 6 - (ホ） ） 。
その上で、 光導波回路基板 5 0を レーザアブレーシ ヨ ン装置 3 0の微 動ステージ 3 9上に固定する。
光導波回路基板 5 0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 5 0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 3 9のあおり角調節を行う。
同じく光導波回路基板 5 0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） 4 1 が認識する。
こ の後、 パルス光ビームを集光レンズ 3 6で集光し、 微動ステージ 3 9を移動してパルス光ビームのスポッ トで表面を掃引 してエツチングす る （図 1 6 - (へ） ） 。 この際、 エッチング深さは、 パルス照射回数 によつて制御する。
エツチングが終了したら、 光導波回路基板 5 0を微動ステージ 3 9か ら取り外し、 薄膜 5 4を取り除く （図 1 6 - ( ト） ：） 。
この後、 周期的溝構造 8 1 を構成する溝部 8 2部分に、 ポリ マー材料 や誘電体材料からなる充填材 8 6 を充填する。 これは、 蒸着やス ピンコ 一テ ィ ングによって行われる (図 1 6 - (チ） ) o
図 1 7は、 反射構造 1 6を利用 した二つの光導波回路 1 2 a， 1 2 b 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 1 6 -1, を、 円弧状又は二次曲線状の周期的溝構造 9 1 に置き換えて、 光波長合 分波器 9 0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 9 0を構 成するこ とが可能である。
図 1 7 において、 光導波回路基板 5 0上には、 円弧状周期的溝構造 9 1 a , 9 1 b及び 9 1 c と、 さ らにその外周部分には反射構造 1 6 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 1 3からの出射光の波長； i l成分は、 円弧状周期的溝構造 9 l a によって反射され、 入力導波路 1 4 aに結合される。 同様に して 波長ス 2成分は円弧状周期的溝構造 9 1 bによって反射され、 入力導波 路 1 4 b に結合され、 波長；！ 3成分は円弧状周期的溝構造 9 1 c によつ て反射され、 入力導波路 1 4 c に結合される。
そして、 残り の波長成分は反射構造 1 6 によって反射され、 入力導波 路 1 4 dに結合される。
図 1 8は、 光導波回路基板 5 0上に形成された円弧状周期的溝構造 9 1 の詳細を示したものである。
図 1 8は、 図 1 5に示した周期的溝構造 8 1 dのように準じた構成と なっているが、 図 1 2に示した周期的溝構造 8 1 a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 5 0 に形成したコア層 5 2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 1 6 と異なり円弧状周期的溝構造 9 1 の反射点は波長と、 円弧 状周期的溝構造 9 1 の溝部 （凹部） 9 2の端面 9 4 と溝間部 （凸部） 9 5 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。 p = - (4)
2 p = d +— (周期的溝構造 8 l aの場合） （5) p =— +— (周期的溝構造 8 1 dの場合） （5)，
( 5 ) '式における nyはコア層 5 2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 8 1 c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、 周期的溝樺造 8 1 aや周期的溝構造 8 1 cの構造が重なり合った ものが周期的溝構造 8 1 bであるので、 周期的溝構造 8 1 bの構造を利 用することも可能である。 この場合は図 1 8 において、 円弧状周期的溝 構造 9 1 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 9 1 は、 狭帯域 にするために、 光導波回路基板 5 0 に形成したコア層 5 2の途中までェ ツ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 5 3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 8 6 を溝部 （凹部） 9 2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 5 1 の途中までェッ チングした後に、 ポリ マ一材料や誘電体材料からなる充填材 8 6を溝部 (凹部） 9 2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 9 1 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 9 1 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 1 9は、 反射構造 1 6を利用した二つの光導波回路 1 2 a , 1 2 b 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 1 6 を利用し、 アレイ導波路 1 0 1 を備えたア レイ 導波路回折格子 1 0 0である。
図 2 0は、 このア レイ導波路 1 0 1 の詳細な構成を示す。
ア レイ導波路 1 0 1 は、 平行導波路部分 1 0 2 , 1 0 4 と円弧状又は 二次曲線状の導波路部分 1 0 3 とから構成される。 ア レイ導波路 1 0 1 の各導波路の中心間の距離を h、 円弧状導波路部分 1 0 3の円弧の広が り角を S 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
Figure imgf000031_0001
出力導波路 1 3から出射された光は、 ア レイ導波路 1 0 1 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 1 0 1 の出射部分、 I 2面では等位相面が傾く 第 2の反射構造 1 6 bでは入射角度の変化は、 入力導波路 1 4 との出力 結合端 U 2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 2 1 は、 図 1 6で説明 した光導波回路基板 5 0上への周期的溝構造 8 1 dの形成手順を利用 した、 二つの光導波回路 1 2 a , 1 2 b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 1 6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 1 5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 1 1 1 を形成したことを特徴とする。 この波面補 償部 1 1 1 は、 光信号処理回路を形成する光導波回路基板 5 0上に一体 的に形成されている。
図 2 2は、 光導波回路基板 5 0上のスラブ導波路 1 5部分に、 結合回 路 1 5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 1 1 1 の断面図を示す。
波面補償部 1 1 1 は、 図 1 6で説明した周期的溝構造 8 1 の作製方法 と同様に して、 スラブ導波路 1 5部分の上部クラッ ド層 5 3、 コア層 5 2、 及び下部クラッ ド層 5 1 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 1 1 2を形成し、 この波面補償部形成溝 1 1 2を 上記した上部クラッ ド層 5 3、 コア層 5 2、 及び下部クラッ ド層 5 1 か らなる導波路の有効屈折率とは異なる屈折率の材料 1 1 3で充填して作 製される。 この波面補償部形成溝 1 1 2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つている。
なお、 この波面補償部 1 1 1 を設ける場所は、 上記位置に限らず、 結 合回路 1 5の出力結合端 Uの光軸と交差するよう光導波回路基板 5 0上 ' のスラブ導波路 1 5部分に形成してもよい。
図 2 3は、 反射構造 1 6を利用 した二つの光導波回路 1 2 a， 1 2 b 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 2 4は、 図 2 3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 1 5 aの入力結合端 （すなわち、 出力導波路 1 3の出力 結合端） I 1と光導波回路 1 2 cの入力結合端 （すなわち、 第 1 の結合 回路 1 5 aの出力結合端） Ul、 光導波回路 1 2 cの出力結合端 （すな わち、 第 2の結合回路 1 5 aの入力結合端） 12と第 2の結合回路 1 5 aの出力結合端 （すなわち、 入力導波路 1 4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 1 3からの出射光は第 1 の反射構造 1 6 aに よつて光導波回路 1 2 cへ入射される。 その際、 第 1 の反射構造 1 6 a によって、 スラブ導波路 1 5 (すなわち、 第 1 , 2の結合回路 1 5 a , b及び光導波回路 1 2 c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 1 5部分の上部クラ ッ ド層 5 3、 コア層 5 2、 下部クラ ッ ド層 5 1、 及び光導波回路基板 5 0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 1 2 c内の光ビーム径を広げるとともに、 光導波回 路 1 2 cの溝構造 1 2 1 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 1 2 2 , 1 2 3によ って、 光導波回路 1 2 c内のシリ ン ド リ カルレンズ 1 2 2, 1 2 3間では光導波回路 1 2 c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 1 2 4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 1 24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 2 5は、 図 2.3及び図 2 4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 ルレンズ 1 2 2 , 1 2 3の代わり に 円筒状の分布屈折率レンズ 1 2 5 , 1 2 6を溝構造 Γ2 1 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 1 2 5 , 1 2 6及びスラブ導波路 1 5の 屈折率に近い屈折率を有する透明接着剤 1 2 7を、 溝構造 1 2 1 内に分 布屈折率レンズ 1 2 5 , 1 2 6を固定する際に利用 し、 分布屈折率レ ン ズ 1 2 5 , 1 2 6の固定後、 さ らにこの透明接着剤 1 2 7を溝構造 1 2 1 内の隙間を充填すれば、 分布屈折率レンズ 1 2 5 , 1 2 6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 2 6 は、 反射構造 1 6 を利用 した二つの光導波回路 1 2 a , 1 2 b 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 2 7は、 図 2 6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 1 3からの出射光を反射構造 1 6 a によって 光ビームを集光するとともに、 スラブ導波路 1 5部分の上部クラッ ド層 5 3、 コア層 5 2、 下部クラッ ド層 5 1 、 及び光導波回路基板 5 0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 1 2 cの溝構造 1 2 1 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 1 2 8 , 1 2 9 によって、 光導波回路 1 2 c の導波路面に垂直な方向にも光ビ一 ムを集光して、 このシリ ン ドリ カルレンズ 1 2 8 , 1 2 9間に半導体レ —ザ等の光学部品 1 3 0を組み込むこ とを可能にしている。
この際、 光学部品 1 3 0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 2 8は、 反射構造 1 6 を利用 した二つの光導波回路 1 2 a , 1 2 b 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 2 9は、 図 2 8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 1 3からの出射光を反射構造 1 6 a 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 1 5部分の上 部クラッ ド層 5 3、 コア層 5 2、 下部クラッ ド層 5 1 、 及び光導波回路 基板 5 0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 1 2 c の溝構造 1 2 1 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 1 3 1， 1 3 2によって、 光導波回路 1 2 c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 1 3 1 , 1 3 2 間にフォ ト ダイオー ドア レイ等の光学部品 1 3 3を組み込むこ とを可能 にしている。
この際、 光学部品 1 3 3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 3 0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 1 0の実施の形態を示す。 こ こで、 光導波路基板 5 0は、 本実施の形態では LiNb03で出来ている。 また、 単 一モー ド光導波路 3 0 2 a〜 3 0 2 eはチタ ンを拡散してコアを形成す る。 スラブ導波路 3 0 3 a、 3 0 3 b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 3 0 4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 3 0 5 a〜 3 0 5 d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 3 0 5 a〜 3 0 5 d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 2 5 (= 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ゃ光メ モ リ に必要な短波長レーザ光を 2次高調波発生によつて得る光信号処理 回路が構成可能である。
反射構造 3 0 5 a〜 3 0 5 d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 5 0上に多数の反射構造 3 0 5 a〜 3 0 5 d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 3 1 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 1 1 の実施の形態を示す。 こ こでは 図 3 2に示すように、 単一モー ド光導波路 3 0 2 a〜 3 0 2 i のコア部 を切断する溝構造 3 0 6を形成し、 その側壁 3 0 7を全反射ミ ラーと し て機能させるこ とによって、 単一モ一 ド導波路 3 0 2 a〜 3 0 2 i 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 ン拡散コァの LiNb03導波路を利用して説明し たが、 基板ど して Mgド一プ LiNb03、 LiTa03、 KTiOP04、 RbTiOP04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 率を変化ノ制御することが可能となる。 これによつて、 光信号処理回路 設計の自由度が飛躍的に増大する。
図 3 3は、 レーザアブレーシヨ ン加工によ り、 加工用の レーザ光の波 長； i m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 5 0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 5 4を形成する （図 3 3 - (ィ '） ) 。 こ こで、 5 0は光導波回路基板、 5 1 は下部クラッ ド層、 5 2はコア層、 5 3は上部クラ ッ ド層である。
(2)薄膜 5 4上に レジス ト 5 5を塗布する （図 3 3 - (口） ） 。
(3)レジス ト 5 5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 5 5の現像処理を行う （図 3 3 - (ハ） ） 。
(5)レジス ト 5 5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 5 4をエッチングし電子ビーム描画パターンを転写する （図 3 3 -
(二） ） 。
(6)レジス ト 5 5を剥離する （図 3 3 - (ホ） ） 。
(7)光導波回路基板 5 0をステージ上に固定する。
(8)光導波回路基板 5 0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 5 0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 5 0上に設けられた複数のマ一力をモニタ装置で観 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 3 3 - (へ） ） 。
(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 5 4を取り除く （図 3 3 - (ト） ） 。 (13)必要に応じて溝部分にポリ マ一材料や誘電体材料 8 6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 3 3 - (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 パ夕一 ンの形状である。 図 3 4に示すよう に、 薄膜 5 4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 Lx lが ^ mよ り も短く 、 窓長手方向長さ Lyが； 1 m よ り も長い。 例えば、 薄膜 5 4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 —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 ヨ 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、 Lx l + 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 2 5 %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、 Lx l + Lx2を光導波路伝搬光の導波路内波長に比較 して 8 0 %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 3 5は、 本発明の第 1 2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 3 5 (ィ） において、 5 0は光導波路基板、 5 1 は下部クラ ッ ド層、 5 2 はコア層、 5 3は上部クラッ ド層である。
( 1 )光導波回路基板 5 0の上部クラッ ド層 5 3上に レジス ト 5 5を塗布 する （図 3 5 - (口） ） 。
(2)レジス ト 5 5 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 5 5 の現像処理を行う （図 3 5 - (ハ） ） 。
(4) レジス ト 5 5 の上から更に上部ク ラ ッ ド層 5 3を作製する。 例えば ポリ マー導波路材料を利用すれば、 スビンコ一ターで材料を塗布して レ ジス ト 5 5 を埋め込み、 重合、 硬化させればよい （図 3 5 - (二） ） 。 また、 レジス ト 5 5をコア層 5 2内に設けて、 同様にコア層 5 2の残 り と上部クラッ ド層 5 3を構成しても良い （図 3 5 - (ホ） ） 。
また、 レジス ト 5 5を下部クラッ ド層 5 1 に設けて、 同様に下部クラ ッ ド層 5 1 の残り、 コア層 5 2及び上部クラッ ド層 5 3を構成しても良 い （図 3 5— (へ） ） 。
こ こで、 上部クラッ ド層 5 3又は下部クラ ッ ド層 5 1 に レジス ド 5 5 を埋め込む場合には、 導波する光の電界強度がコア層 5 2の 1 / 1 0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、 微細にパ夕一ニングさ 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 3 6は、 本発明の第 1 3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 3 6 (ィ） において、 5 0は光導波路基板、 5 1 は下部クラッ ド層、 5 2 は コア層、 5 3は上部クラッ ド層である。
( 1 )光導波回路基板 5 0の上部クラッ ド層 5 3上に金属あるいは誘電体 の薄膜 5 4を形成し、 薄膜 5 4上に レジス ト 5 5を塗布する （図 3 6 - ( o ) ) 。
(2)レジス ト 5 5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 5 5の現像処理を行う （図 3 6 - (ハ） ） 。
(4)レジス ト 5 5をマスクと してリ アクティ ブイオンエッチング装置で 5 4をエッチングし電子ビーム描画パターンを転写する （図 3 6 -
(二） ） 。
(5)レジス ト 5 5を剥離する （図 3 6 - (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、 、 S i 0 N+、 S+、 を注入すればよい。 また、 石英導波路には、 Γ、 F+、 B+、 0+、 、 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+、 ¥ B+、 0\ 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。 ィ 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 3 6 - (へ） ） 。
(7)薄膜 5 4を取り除く （図 3 6 - (卜） ） 。
(8)必要に応じて上部クラッ ド層 5 3の厚みを増やす （図 3 6 - (チ） ） c 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 したィォン注入による屈折率制御法を考案した。 ィ ォン注入はシリ 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 3 7は、 本発明の第 1 4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 ク口ンスケールの微細屈折率制御構造をポリ マ一導波 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 4 0 1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 4 0 2 があり、 微細パターン上には、 Niや Ta等の金属 4 0 3が蒸着されている (図 3 7 - (ァ） ） 。
(2)マス クァライナー等を利用 して、 位置合わせパターンを合わせて、 石英基板 4 0 1 を金型と してポリ マー導波路基板 4 0 4に押しつけてポ リ マ一導波路基板 4 0 4に微細構造凹凸パターンの レプリ カを形成する (図 3 7 - (ィ） 、 （ゥ） 、 （ヱ） ） 。
(3) 必要に応じて上部クラ ッ ド層の厚みを増やす （図 3 7 - (ォ） ） 。 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 ァ層と上部クラ 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つ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、 市販のマスクァライナ一装置を転用するこ 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 3 8は、 第 1 1乃至 1 4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 TEZTMモー ド分波回路を示す。 ここで、 入力導波路 7 0 1 に対して、 反射構造 7 0 2 aは入力導波路 7 0 1 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 7 0 2 b、 7 0 2 c はモー ド分離構造 7 0 3によって分離された各モー ドの光を出力導波路 7 0 4 a , 7 0 4 bに結合する。 図 3 9は、 モー ド分離構造 7 0 3の詳 細を示す。 モー ド分離構造 7 0 3は高屈折率部 7 0 5 と低屈折率部 7 0 6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 7 0 1、 7 04 a、 7 0 4 b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、 d h, n l、 d lとする。 また、 光の伝搬方向と法線方向のなす角を g、 高屈 折率部 7 0 5における光の伝搬方向と法線方向のなす角を S h、 低屈折 率部 7 0 6における光の伝搬方向と法線方向のなす角を ^ 1、 真空中に おける伝搬光の波長と屈折率を ί o、 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。 n sm θ„ = nh sin 6h =n,sba.ei い ) - ^- = -^L- ( 8 )
cos0h cos0l
cos = ( 9 ) n,d, cos Θ, = （1 0 ) 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 モー ド分離構造 7 0 3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 TEZ TMモー ド分波回路と して機能する。 第 1 1 乃至 1 4の実施の形態の方法でモー ド分離構造 7 0 3を構成する ためのパターンの例を図 4 0及び図 4 1 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 C 1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。 C 1及び C2を低 （高） 屈折率部、 高 （低） 屈折率部とすれば、 第 1 1 乃至 1 4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。 これによつて 従来偏光ビームスプリ ッターやフ ァイバコ リ メ一夕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 マ一系導波路、 L i Nb03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 1 0の実施の形態 （図 3 0 ) 及び第 1 1 の実施の形態 （図 3 1 ) 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、 ランタノィ ド系希土類元素又は C rが添加された Y I G、 GGG、 YAG、 サフ ァ イ ア、 L i NbO 3、 BaT i 03、 L i Ta03、 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力 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 ツブラの分岐比率は融着する光フ アイバ間の距離と 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 ツブラは 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 ツブラの寸法は数腿 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つた、 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。
これによつて、 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 つて、 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 レ一夕が不要になるため、 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 レーザアブレ一シ ョ ンは 熱的緩和時間よ り も短い時間でェッチングするので、 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 ク口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、 ノ ナジゥム、 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、 非常にァスぺク ト比の高いエッチングが可能になった。
これによつて、 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。

Claims

請 求 の 範 囲
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。
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。
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 P Q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。 '
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 I Qの逆数と、 第 2 結合端と点 Qとの間の距離 Q U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。
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。
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。
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。
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。
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 つ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。
1 0 . 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。
1 1. 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 1 0記載の光信号処理回路。
1 2. 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 1 0記載の光信号処理回 路。
1 3. 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 1 0記載の光信号処理回路。
1 4. 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 1 3記載の光信号処理回路。
1 5. 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 1 3記載 の光信号処理回路。
1 6. 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 1 0乃至 1 5いずれかに記載の光信号処理回路 (
1 7. 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 1 0乃至 1 6いずれかに記載の光信号処理回路 <
1 8. 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 1 0乃至 1 7いずれかに記載の光信号処理回路。
1 9. 前記周期的溝構造は、 各溝の凹部と凸部の幅の比が、 1 ： Ι Ζη c ( n c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 1 0乃 至 1 8いずれかに記載の光信号処理回路。
2 0. 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 1 0乃至 1 9いずれかに記載 の光信号処理回路。
2 1. 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 ( n x) 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 1 0乃至 2 0いずれかに記載の光信 号処理回路。
2 2. 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。
2 3. 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。
2 4. 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 2 2又は 2 3記載の光信号処理回路。
2 5. 以下の手順を備えるこ とを特徴とする請求項 1乃至 2 4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 —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。
(i i i)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 レ一ザ光を集光し、 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。
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 一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、 前記バタ ーンの位置をステージコ ン ト ローラが認識する。
(vi i)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。
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 アタテ 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 —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。
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。
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。
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、 ノ ナジゥム、 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 2 7記載の光信号処理回路の製造方法。
3 1. 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≥ l 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。
3 2 . 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 — l ≥ k≥ l 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。
3 3 . 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 3 1 又は 3 2記載の光信号処理回路。
3 4 . 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 3 3記載の光信号処理回路。
3 5 . 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 メ一 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。
3 6 . 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。
3 7. 以下の手順を備えることを特徴とする請求項 1乃至 2 4及び 3 1 乃至 3 5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 短いパ夕一ンを描画する。
(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 一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、 前記バタ 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。
3 8. 以下の手順を備えることを特徴とする請求項 1乃至 2 4及び 3 1 乃至 3 5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。
3 9. 以下の手順を備えることを特徴とする請求項 1乃至 2 4及び 3 1 乃至 3 5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。
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 3 1又は 3 2記載の光信号処理回路。
4 1. 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、 LiNb03、 BaTi03、 LiTa03、 石英、 若しく は、 ガラスであることを特徴とする請求項 4 ひ記載の光信号処理回路。
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