本发明涉及光波导元件，尤其是涉及形成于基板的光波导在Y分支结构的前段具有三分支结构的光波导元件。
背景技术：
近年来，在光通信或光计测的领域中，多使用如光调制器那样在铌酸锂基板或半导体基板等基板上形成有光波导、控制电极的光波导元件。
在这样的光波导元件中，由于使光波向光波导入射的光纤的配置的偏离、光波导的制作误差、光纤与光波导元件内的光波导的模场形状的不一致等，有时在光波导中传播的光产生高阶模光，该高阶模光在光波导中传播。
由于该高阶模光与最低阶(1阶)模光(也称为基模光)的各分量发生干涉，而成为伴随着光的传播而光分布摆动的摆动光。这样的摆动光在光波导分支的Y分支结构中成为光的分支比变得不平衡的原因。
而且，在使用了20μm以下的厚度的基板(薄板)的光波导元件的情况下，基板自身作为平板波导而动作。因此，基板中的放射光或漏泄光等沿着基板的厚度方向被封闭，因此波导附近的放射光等的光分布比厚板(厚度为几百μm左右)强，光波导的摆动容易产生。
为了除去这样的高阶模光，在专利文献1中，提出了以夹持主波导的方式设置副波导而成的三分支结构。
此外，为了更有效地除去高阶模光，在专利文献2中提出了在三分支结构的前段，接近主波导的两侧而配置2个平板波导的技术方案。
图1是表示形成于基板1的光波导2的以往的形状的概略图。光波导形成有：使1个光波导分支成3个的三分支结构A；在其后段使主波导20再分支成2个分支波导22的Y分支结构B。标号21表示构成三分支结构的副波导。
如图1所示，以往的光波导元件的从三分支结构A至Y分支结构B的主波导成为锥形形状。其理由是，紧接着三分支结构之后的主波导的宽度是适合于1阶模光的宽度，但是在Y分支结构的分支部处，2个分支波导分别成为适合于1阶模光的宽度，因此需要使主波导20的宽度变化至大致加倍的宽度。需要说明的是，从标号C的位置至三分支结构A之间也设定为锥形形状。
在副波导接近主波导20的区域中，需要使主波导20的宽度平缓地变化来抑制高阶模光的产生，而产生的高阶模光在三分支结构内也难以除去。因此，呈锥形形状的主波导2的长度需要设定为例如2000μm以上，在实现光波导元件的小型化方面，成为重要的课题。
另外，在专利文献3中，如图1所示，公开了在Y分支结构B的分支部形成台阶的技术方案。通过利用这样的台阶，能够或多或少地缩短锥形部分的长度，但是难以根本性地缩短主波导20的长度。
【在先技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本特开2005-181748号公报
【专利文献2】日本特开2016-191820号公报
【专利文献3】日本特开2015-191140号公报
技术实现要素：
【发明的概要】
【发明要解决的课题】
本发明要解决的课题在于解决上述的问题，提供一种抑制在Y分支结构的前段产生的光的摆动且能够小型化的光波导元件。
【用于解决课题的方案】
为了解决上述课题，本发明的光波导元件具有以下的技术特征。
(1)一种光波导元件，具有形成有光波导的基板，该光波导具有将在主波导中传播的光分支成两束的Y分支结构，并在该Y分支结构的前段具有三分支结构，该三分支结构分支成包含该主波导和该主波导的两侧的两个副波导在内的三个波导，所述光波导元件的特征在于，该主波导在该三分支结构与该Y分支结构之间具备波导宽度恒定的直线波导部分和波导宽度逐渐变宽的锥形波导部分。
(2)在上述(1)记载的光波导元件中，其特征在于，在将该直线波导部分与该锥形波导部分连接的位置，该主波导与该副波导之间的间隔设定为该主波导的模场直径的0.7～1.4倍。
(3)在上述(1)或(2)记载的光波导元件中，其特征在于，该直线波导部分的长度为400μm以上。
(4)在上述(1)至(3)中任一记载的光波导元件中，其特征在于，该直线波导部分与该锥形波导部分的长度之和为2000μm以下。
(5)在上述(1)至(4)中任一记载的光波导元件中，其特征在于，从该光波导的入射侧端部至该两分支结构的长度小于3000μm。
(6)在上述(1)至(5)中任一记载的光波导元件中，其特征在于，该基板的厚度为20μm以下。
【发明效果】
根据本发明，光波导元件具有形成有光波导的基板，该光波导具有将在主波导中传播的光分支成两束的Y分支结构，并在该Y分支结构的前段具有三分支结构，该三分支结构分支成包含该主波导和该主波导的两侧的两个副波导在内的三个波导，其中，该主波导在该三分支结构与该Y分支结构之间具备波导宽度恒定的直线波导部分和波导宽度逐渐变宽的锥形波导部分，因此，能够提供一种能够有效地抑制在Y分支结构的前段产生的光的摆动且能够小型化的光波导元件。
附图说明
图1是将以往的光波导元件所使用的三分支结构与Y分支结构组合而成的光波导的俯视图。
图2是表示本发明的光波导元件所使用的光波导的结构的概略的俯视图。
图3是表示Y分支结构的分支比相对于紧接着三分支结构之后的直线波导部分的长度的变化的坐标图。
图4是表示从Y分支结构的一方的分支波导出射的光的光损失相对于紧接着三分支结构之后的直线波导部分的长度的变化的坐标图。
图5是表示Y分支结构的分支比相对于光波导的入射端部的光的入射角的变化的坐标图。
图6是表示将入射角设定为±0.5度时的、Y分支结构的分支比相对于紧接着三分支结构之后的直线波导部分的长度的变化的坐标图。
图7是表示本发明的光波导元件的应用例的图。
【标号说明】
1 基板
2 光波导
3 平板波导
21 副波导
22 分支波导
201 直线波导部分
202 锥形波导部分
具体实施方式
以下，关于本发明的光波导元件，详细地进行说明。
如图2所示，本发明的光波导元件具有形成有光波导2的基板1，该光波导具有将在主波导中传播的光分支成两束的Y分支结构B，并在该Y分支结构的前段具有三分支结构A，该三分支结构A分支成包含该主波导和该主波导的两侧的两个副波导21在内的三个波导，所述光波导元件的特征在于，该主波导在该三分支结构与该Y分支结构之间具备波导宽度恒定的直线波导部分201和波导宽度逐渐变宽的锥形波导部分202。
基板可以利用具有电光效应的基板或半导体基板、以及使用了EO聚合物的基板等。作为具有电光效应的基板，由例如铌酸锂、钽酸锂、PLZT(锆钛酸铅镧)及石英系的材料构成，具体而言，由上述单晶材料的X切板、Y切板及Z切板构成。尤其是从容易构成作为光波导器件且各向异性大的理由出发，优选使用铌酸锂(LN)。
另外，在使用基板主体作为平板波导进行动作那样的例如基板的厚度为20μm以下的薄板时，优选适用本发明。
需要说明的是，基板的厚度越薄，则本发明越能够期待效果。这是因为，当基板变薄时，高阶模光容易留在主波导的附近，因此使用本发明的方案能够更高效地除去高阶模光。具体而言，在基板的厚度为1μm～20μm的范围内，能够适用本发明。
作为在基板上形成光波导的方法，设置有例如在使钛(Ti)等堆积于基板上之后使其热扩散而形成的光波导2。而且，也可以通过在基板上形成沿着光波导的脊来形成凸状的光波导。
需要说明的是，在基板上也设有用于减少在光波导2中传播的光向电极层的吸收的由氧化硅(SiO2)等构成的缓冲层、用于调整在光波导2(尤其是图2所示的Y分支结构的分支波导)中传播的光波的控制电极(例如，信号电极或接地电极、DC偏压电极)等，但是为了简化说明而省略图示。
本发明的特征在于，在光波导的三分支结构与Y分支结构之间，主波导具备波导宽度恒定的直线波导部分和波导宽度逐渐变宽的锥形波导部分。直线波导部分的宽度设定为主要对1阶模光(单模光)进行引导的宽度。虽然根据基板的厚度或基板材料与光波导形成材料的组合等而变化，但是例如在20μm的铌酸锂基板上形成Ti扩散波导的情况下，设定为约4μm左右。需要说明的是，在图2中，与图1同样，从标号C的位置至三分支结构A之间也设定为锥形形状。
图2所示的直线波导部分201的长度L2优选为了除去高阶模光并抑制摆动光而为400μm以上。而且，当直线波导部分变长时，光损失增加，因此L2优选设定为1000μm以下。而且，为了抑制在主波导中传播的1阶模光与在副波导中传播的高阶模光进行再耦合，在将该直线波导部分与该锥形波导部分连接的位置D处，该主波导与该副波导之间的间隔L3优选设定为该主波导(201)的模场直径的0.7～1.4倍。
此外，图2所示的直线波导部分201与锥形波导部分202的长度之和L1虽然也依赖于直线波导部分的长度，但是优选在1000～2000μm的范围内设定。尤其是通过设定为2000μm以下，能够谋求光波导元件的小型化。
在本发明中，通过主波导中的直线波导部分与锥形波导部分的组合，能够有效地除去高阶模光。因此，也能够缩短位于图2的光波导2的左端的从光波导的入射侧端部至两分支结构B的长度。
通常，从光波导的入射侧端部入射的光未与光波导2适当地耦合，容易产生高阶模光或漏泄光。为了将这样的高阶模光等从光波导2除去，需要将从入射侧端部至两分支结构的长度确保为一定值以上。在图2所示的结构中，也可以将从入射侧端部至两分支结构B的长度设定为小于3000μm。
为了验证与本发明的结构相关的效果而进行了以下所示的试验。
在10μm的厚度的铌酸锂基板上利用Ti扩散形成光波导，制作了图2所示的光波导元件。
在第一试验中，将图2所示的直线波导部分201与锥形波导部分202的长度之和L1设定为1200μm，使直线波导部分201的长度L2在0～1000μm的范围内变化。
另外，在光波导2的左端的入射侧端部，使入射光从光波导的光轴偏移0.5μm地入射，有意地使摆动光产生。
图3的坐标图中，将从由Y分支结构形成的2个分支波导22输出的各光的强度表示为Pout_X、Pout_Y，两者之差表示为Loss|X-Y|(＝|Pout_X-Pout_Y|)。在Loss|X-Y|＝0的情况下，是从2个分支波导出射的光的强度相等的状态，基于Y分支结构的分支比成为1：1的状态。
观察图3的坐标图时容易知道，随着直线波导部分L2的长度变长而Loss|XY|下降，分支比的不平衡得到改善。这表示由于直线波导部分的存在而能高效地除去高阶模光。在L2为400μm以上时，Loss|X-Y|也下降为大致0.6dB以下，可知能够期待充分的改善效果。
在第二试验中，测定从2个分支波导22的一方输出的光的强度的变化，研究了光波导2的光损失量(Loss)。图4是研究了相对于直线波导部分的长度L2的变化的光损失量(Loos)的变化的坐标图。其他的试验条件与第一试验相同。在图4中，使直线波导部分201的长度L2在0～1190μm的范围内变化。
容易知道随着直线波导部分的长度L2变长而光损失量(Loss)增加。当L2超过1000μm时，光损失量急剧恶化。由此，直线波导部分的长度L2也优选设定为1000μm以下。
接下来，作为第三试验，测定了使向图2的光波导2的入射侧端部入射的光的入射角度变化时的Loss|X-Y|的变化。将入射角度的变化量由“入射角偏移量(单位：°[度])”表示。
另外，关于三分支结构与Y分支结构之间的主波导的形状，对于L2为0、400、600及1190μm的情况进行了测定。而且，L1设定为1200μm。图5的图例表示“L2/(L1-L2)”的数值。
图5示出第三试验结果。观察图5时容易知道，在L2为0μm的以往那样的光波导元件的情况下，如果入射角偏移量变化，则Loss|X-Y|的变化也急剧，高阶模光的除去效率极低。相对于此，可知在L2为400μm或600μm的情况下，Loss|X-Y|的变化量也被抑制为0～0.4dB左右的范围，能高效地进行高阶模光的除去。
另外，可知在L2为1190μm的情况下，变化为Loss|X-Y|的变化量也增加的倾向。因此，L2也优选设定为1000μm以下。
作为第四试验，测定了将第三试验中使用的入射角的偏移设定为±0.5°时，使L2在0～1190μm的范围内变化时的Loss|X-Y|的变化量。在试验时，准备了2个试验体(试样1和试样2是以相同设计、相同工艺条件制作且制造批次不同的试验体)。图6表示与L2的变化相伴的Loss|X-Y|的变化量，容易知道在L2为400μm以上时，Loss|X-Y|的变化量的变化成为大致常规状态。
根据以上的试验结果，图2的直线波导部分的长度L2优选设定为400μm～1000μm的范围。
此外，如图7所示，在本发明的光波导元件中，可以还附加专利文献2所示那样的使用平板波导3来除去高阶模光的技术。而且，当然也可以附加如专利文献3那样在Y分支结构中不连续地构成锥形波导与2个分支波导的连接部B的技术。
【产业上的可利用性】
如以上说明所述，根据本发明，能够提供一种抑制在Y分支结构的前段产生的光的摆动且能够小型化的光波导元件。