JP2001004851A

JP2001004851A - 光回路

Info

Publication number: JP2001004851A
Application number: JP17902699A
Authority: JP
Inventors: Kousuke Nishimura; 公佐西村; Masashi Usami; 正士宇佐見
Original assignee: KDD Corp
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 1999-06-24
Filing date: 1999-06-24
Publication date: 2001-01-12

Abstract

(57)【要約】【課題】寸法が小さく、振動、温度及び湿度などの環
境変化に対して極めて安定に動作し、石英ファイバとの
結合性の良好な複屈折光素子を実現する。【解決手段】石英基板１２上に２つの導波路を形成
し、その長手方向に偏光合分波回路１４、相対遅延回路
１６及び偏光合波回路１８を形成する。偏光合分波回路
１４は、入射光をそのＴＥ成分とＴＭ成分に分波する。
相対遅延回路１６は、偏光合分波回路１４により分波さ
れたＴＥ成分とＴＭ成分を互いに異なる距離伝搬させる
ことで、ＴＭ波（又はＴＥ波）をＴＥ波（又はＴＭ波）
に対して相対的に遅延させる。偏光合波回路１８は、相
対遅延回路１６により相対的に遅延されたＴＥ波及びＴ
Ｍ波を合波する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、平面光導波路から
なる光回路に関し、より具体的には、ＴＥ波とＴＭ波に
異なる伝搬時間を与える光回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】互いに直交する偏光成分に対して異なる
伝搬速度を与える複屈折素子は、近年の光通信技術の高
度化に伴い、極めて重要な部品の一つとなってきてい
る。特に長距離光通信システムでは、石英光ファイバの
僅かな偏光モード分散が長距離にわたって蓄積されるの
で、これを補償する手段として複屈折素子が使用され
る。

【０００３】複屈折光回路としては、従来、偏光ビーム
スプリッタＰＢＳ（ＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＢｅａ
ｍＳｐｌｉｔｔｅｒ）と反射鏡又はプリズムを用いた
空間分割型複屈折光回路、方解石及びルチルなどの複屈
折結晶からなるバルク結晶型複屈折光回路、並びに、構
造的異方性を持ったファイバからなるファイバ型複屈折
光回路が知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】空間分割型複屈折光回
路は、第１の偏光ビームスプリッタにより入射光を１：
１でＴＥ波とＴＭ波に分割し、分割されたＴＥ波及びＴ
Ｍ波を互いに異なる伝搬距離だけ伝搬させ、第２の偏光
ビームスプリッタにより合波する構成からなる。ＰＢＳ
の典型的な大きさは数ｍｍの立方体で比較的に大きい。
しかも、多くの部品を空間的に結合する必要があるの
で、全体の寸法が大きくなる。空間的光学結合系では、
温度変化及び振動などの環境変化に対する安定性が低
い。更に光通信用の石英ファイバ及びその他の部品と結
合するには、入射側及び出射側でそれぞれ別の光学的結
合系が必要となる。

【０００５】方解石やルチルなどの複屈折結晶の場合、
空間分割型光回路よりも小型化しやすく、部品点数を大
幅に削減できる。１．５５μｍ帯の光をルチル結晶複屈
折素子（直交する偏光成分間の屈折率差が０．２６）を
用いて各光学軸方向の偏光成分の間に５ピコ秒分の相対
的な時間的遅延を与えるためには、約５．７ｍｍの素子
長が必要である。しかし、バルク結晶型複屈折光回路で
も、光通信用の石英ファイバ及びその他の部品と結合す
るには、入射側と出射側にそれぞれ光学結合系が必要で
あり、その分、寸法が大きくなる上に、安定性も悪くな
ってしまう。

【０００６】構造的異方性を持ったファイバでは、直交
する偏光成分間の屈折率差△ｎは１０^−４〜１０^−３程
度と小さいが、数ｍ乃至数十ｍの長さのものを容易に製
造できるので、所望の伝搬時間差を得るのは比較的容易
である。例えば、△ｎ＝５×１０^−４のファイバ型複屈
折素子において各光学軸方向の偏光成分の間に５ピコ秒
の相対的な時間遅延を与えるためには、約３ｍの長さの
ファイバが必要である。ファイバ型複屈折素子は、光通
信用の石英ファイバと同じ材科で製造できるので、相互
の結合は比較的簡単であり、融着又はファイバコネクタ
により安定的に、且つ低損失で結合できる。但し、ファ
イバ型複屈折素子は素子長が比較的長いので、振動又は
温度変化により発生するファイバ張力変化により複屈折
量が変化し、光通信システムに必要な長期にわたる特性
の安定性には問題がある。

【０００７】従って、従来例のものは、石英ファイバと
の結合性能、大きさ及び時間的な安定性の何れかで問題
があった。

【０００８】そこで、本発明は、複屈折を実現しつつ、
寸法が小さく、振動、温度及び湿度などの環境変化に対
して極めて安定に動作し、石英ファイバとの結合性の良
好な光回路を提示することを目的とする。

【０００９】本発明はまた、既存の複屈折光回路では得
られない機能を奏する光回路を提示することを目的とす
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る光回路は、
平面光導波路で形成された光回路であって、２×２の第
１及び第２の偏光合分波回路と、所定の光路差の２つの
光導波路を具備し、当該第１及び第２の偏光合分波回路
の間に配置される相対遅延回路とからなることを特徴と
する。このような構成により、温度及び湿度などの環境
変化に対する特性の安定性は飛躍的に向上する。また、
寸法は、数ｃｍ程度と小さくすることができる。更に石
英製導波路で形成すれば、石英ファイバとも、突き合わ
せ接合又は融着により安定且つ低損失で結合できる。

【００１１】第１及び第２の偏光合分波回路はそれぞ
れ、第１及び第２の方向性結合器と、当該第１及び第２
の方向性結合器を接続し、ＴＥ偏光成分とＴＭ偏光成分
に所定の異なる光路差を与える２つの光導波路とからな
る。これにより、偏光分波と偏光合波の両方を実現でき
る。

【００１２】本発明に係る光回路はまた、平面光導波路
で形成された光回路であって、１×２の光合分波回路
と、２×２の偏光合分波回路と、所定の光路差の２つの
光導波路を具備し、当該光合分波回路と当該偏光合分波
回路の間に配置される相対遅延回路と、当該相対遅延回
路の一方の光導波路上に配置され、ＴＥ波及びＴＭ波の
一方を他方を変換するモード変換素子とからなることを
特徴とする。これにより、通常の複屈折回路として機能
するだけでなく、入力光の偏光成分の位相関係に応じて
出力光の偏光方向が変化する偏光スイッチとしても機能
する。

【００１３】偏光合分波回路は好ましくは、第１及び第
２の方向性結合器と、当該第１及び第２の方向性結合器
を接続し、ＴＥ偏光成分とＴＭ偏光成分に所定の異なる
光路差を与える２つの光導波路とからなる。モード変換
素子は好ましくは半波長板からなる。

【００１４】本発明に係る光回路はまた、平面光導波路
で形成された光回路であって、２×２の光合分回路と、
２×２の偏光合分波回路と、所定の光路差の２つの光導
波路を具備し、当該光合分波回路と当該偏光合分波回路
の間に配置される相対遅延回路と、当該相対遅延回路の
一方の光導波路上に配置され、ＴＥ波及びＴＭ波の一方
を他方を変換するモード変換素子とからなることを特徴
とする。これにより、通常の複屈折回路として機能する
だけでなく、入力光の偏光成分の位相関係に応じて出力
ポートが切り替わるパワースイッチとして機能する。

【００１５】偏光合分波回路は好ましくは、第１及び第
２の方向性結合器と、当該第１及び第２の方向性結合器
を接続し、ＴＥ偏光成分とＴＭ偏光成分に所定の異なる
光路差を与える２つの光導波路とからなる。モード変換
素子は好ましくは半波長板からなる。

【００１６】

【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳
細に説明する。

【００１７】図１は、本発明の導波路構造を示す平面図
であり、図２は、そのＡ−Ａ線から見た断面図を示す。
本実施例の各要素は、平面光回路ＰＬＣ（Ｐｌａｎａｒ
ｌｉｇｈｔｗａｖｅｃｉｒｃｕｉｔ）として形成さ
れている。本実施例１０は、基本的に、石英基板１２上
に形成された偏光合分波回路１４、相対遅延回路１６及
び偏光合波回路１８からなる。偏光合分波回路１４、相
対遅延回路１６及び偏光合波回路１８はそれぞれ、２×
２の光回路である。

【００１８】偏光合分波回路１４は、一方のポート対の
第１のポートにＴＥ波を入力し、第２のポートにＴＭ波
を入力した場合、他方のポート対のいずれかのポートか
らそのＴＥ波とＴＭ波の合波光を出力する偏光合波回路
として機能する。偏光合分波回路１４はまた、一方のポ
ート対の第１のポートにＴＥ偏光成分とＴＭ偏光成分を
有する光を入力すると、そのＴＥ偏光成分とＴＭ偏光成
分を分離して他方のポート対の所定のポートから出力す
る偏光分波回路として機能する。

【００１９】相対遅延回路１６は、ＴＥ成分とＴＭ成分
に対してそれぞれ異なる光路差を与える２つの光導波路
からなる。相対遅延回路１６は、例えば、偏光合分波回
路１４により分波されたＴＥ成分とＴＭ成分を互いに異
なる距離伝搬させることで、ＴＭ波（又はＴＥ波）をＴ
Ｅ波（又はＴＭ波）に対して相対的に遅延させる。

【００２０】偏光合波回路１８は、偏光合分波回路１４
と全く同じ構成からなり、同様に、偏光合波回路として
も、偏光分波回路としても機能する。

【００２１】各光回路１４，１６，１８は、厚さ１ｍｍ
の石英基板（下部クラッド）１２上に６μｍ角のゲルマ
ニウムドープ石英コア及び厚さ２５μｍの石英上部クラ
ッドを積層した石英導波路からなる。図３は、その石英
導波路の断面構造を示す。クラッドとコアの比屈折率差
は０．８％である。コアの導波路構造の形成には、石英
導波路の一般的な製造工程を用いている。導波路の実効
屈折率ｎ_ｅｆｆは１．４５７である。

【００２２】偏光合分波回路１４は、基本的には、導波
路型マッハツェンダ干渉計構造からなる。即ち、２つの
光導波路２０，２２をその長手方向の２ヶ所で接近させ
て結合率５０％の方向性結合器２４，２６を形成し、方
向性結合器２４，２６間の一方の光導波路２０（又は２
２）の上部クラッド上に、非晶質シリコン応力付与膜２
８を積層してある。光導波路２０，２２の一端が光入出
力ポート２０Ａ，２２Ａとなる。

【００２３】非晶質シリコン応力付与膜２８は、ＣＶＤ
法により光導波路２０の上部クラッド上に堆積され、そ
の形状は、ホトリソグラフ法及びレーザトリミング法に
より精細に調整され得る。λを光波長とするとき、２つ
の方向性結合器２４，２６の間にある光導波路２０，２
２の光路差が、ＴＥ波に対して（Ｎ＋１／２）・λとな
り、ＴＭ波に対してＭ・λとなるように、応力付与膜２
８を調整する。Ｎ，Ｍは整数である。

【００２４】この種の導波路型偏光合分波回路は、例え
ば、Ｍ．Ｏｋｕｎｏ他，”Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃ
ｅＣｏｎｔｒｏｌｏｆＳｉｌｉｃａＷａｖｅｇ
ｕｉｄｅｓｏｎＳｉａｎｄＩｔｓＡｐｐｌｉ
ｃａｔｉｏｎｔｏａＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−
ＢｅａｍＳｐｌｉｔｔｅｒ／Ｓｗｉｔｃｈ”，Ｊｏ
ｕｎａｌｏｆＬｉｇｈｔｗａｖｅＴｅｃｈｎｏｌ
ｏｇｙ，ｖｏｌ．１２，Ｎｏ．４，（１９９４）
ｐｐ．６２５−６３３に詳細に説明されている。

【００２５】相対遅延回路１６は、偏光合分波回路１４
の光導波路２０に接続する光導波路３０と、偏光合分波
回路１４の光導波路２２に接続する光導波路３２とから
なる。光導波路３０上に、曲げ半径５ｍｍの４つの円弧
を形成して、光導波路３０の長さを光導波路３２よりも
約１ｍｍ程度、長くしてある。これにより、光導波路３
０，３２間には、約５ピコ秒程度の時間差が生じる。光
路長差をΔＬ、真空中の光の速度をｃ、実効屈折率をｎ
_ｅｆｆ、光導波路３０，３２間の時間差をΔｔとする
と、Δｔ＝ｎ_ｅｆｆ△Ｌ／ｃである。

【００２６】偏光合波回路１８は、偏光合分波回路１４
と同じ構造からなる。相対遅延回路１６の光導波路３
０，３２からの光がそれぞれ、光導波路３４，３６に入
射する。２つの光導波路３４，３６をその長手方向の２
ヶ所で接近させて結合率５０％の方向性結合器３８，４
０を形成し、方向性結合器３８，４０間の一方の光導波
路３４（又は３６）の上部クラッド上に、非晶質シリコ
ン応力付与膜４２を積層する。非晶質シリコン応力付与
膜４２もまた、ＣＶＤ法により光導波路３４の上部クラ
ッド上に堆積され、その形状は、ホトリソグラフ法及び
レーザトリミング法により精細に調整され得る。光導波
路３４，３６の、相対遅延回路１６とは反対の端面が光
入出力ポート３４Ａ，３６Ａとなる。

【００２７】図３は、偏光合分波回路１４と偏光合波回
路１８の基本構造を示す。図３を参照して、偏光合分波
回路１４と偏光合波回路１８の基本的な動作を簡単に説
明する。図３に示すように、２つの入力ポート５０，５
２と２つの出力ポート５４，５６との間に結合率５０％
の２つの方向性結合器５８，６０があり、方向性結合器
５８，６０を結ぶ２つの光導波路６２，６４の光路差
が、ＴＥ波に対して（Ｎ＋０．５）λ、ＴＭ波に対して
Ｍλになっているとする。Ｎ，Ｍは整数であり、λは伝
搬する光の波長である。

【００２８】入力ポート５０，５２の電界をそれぞれＥ
１，Ｅ２、出力ポート５４，５６の電界をそれぞれＥ
３，Ｅ４とする。詳細な計算は省略するが、方向性結合
器５８，６０の結合率が５０％であり、伝送ロスを無視
できるとした条件下では、Ｅ_１，Ｅ_２，Ｅ_３，Ｅ_４は以
下の関係になる。即ち、ＴＥ波に対しては、Ｅ_３＝＋Ｅ_１Ｅ_４＝−Ｅ_２ＴＭ波に対しては、Ｅ_３＝ｊＥ_２Ｅ_４＝ｊＥ_１となる。換言すると、ＴＥ波はストレートに進行し、Ｔ
Ｍ波はクロス方向に進行する。ｊ（＝（−１）^１／２）
は、位相が９０゜回転することを示し、−（マイナス）
は位相が１８０゜回転することを示す。符号の＋（プラ
ス），−（マイナス）及びｊは、Ｅ_３とＥ_４の相対的な
位相関係を示す。

【００２９】この場合に、入力ポート５２のみにＴＥ波
とＴＭ波を具備する光を入力すると、そのＴＥ波は、出
力ポート５６から出力され、そのＴＭ波は、出力ポート
５４から出力される。すなわち、入力光をＴＥ成分とＴ
Ｍ成分に分波できる。入力ポート５０にＴＥ波を入力
し、入力ポート５２にＴＭ波を入力すると、それらは共
に出力ポート５４から出力される。これにより、偏光合
波機能を実現できる。

【００３０】光導波路６２，６４の光路差が、ＴＥ波に
対してＮλ、ＴＭ波に対して（Ｍ＋０．５）λになった
場合、ＴＥ波とＴＭ波の位相の変化が逆になる。即ち、
ＴＥ波に対しては、Ｅ_３＝ｊＥ_２Ｅ_４＝ｊＥ_１ＴＭ波に対して、Ｅ_３＝Ｅ_１Ｅ_４＝−Ｅ_２となる。

【００３１】図３に示す２×２光回路が、入力ポート５
０，５２と出力ポート５４，５６を入れ換えても、すな
わち、出力ポート５４，４６に光を入力し、入力ポート
５０，５２から光を出力する場合にも、全く同様に動作
することは明らかである。

【００３２】ＴＭ偏光成分をＴＥ偏光成分に対して遅ら
せる場合を正の複屈折動作、逆に、ＴＥ偏光成分をＴＭ
偏光成分に対して遅らせる場合を負の複屈折動作と呼ぶ
ことにすると、図１に示す実施例は、その両方でも動作
する。

【００３３】先ず、正の複屈折動作を説明する。直線偏
光の信号光を、その偏光面が基板１２に対して４５゜に
なるように光入出力ポート２２Ａに入射する。即ち、Ｔ
Ｅ偏光成分とＴＭ偏光成分を均等に具備する信号光を光
入出力ポート２２Ａに入力する。偏光合分波回路１４は
この場合偏光分波回路として機能し、ポート２２Ａの入
力光をＴＥ偏光成分とＴＭ偏光成分に分離し、ＴＥ偏光
成分を光導波路２２から出力し、ＴＭ偏光成分を光導波
路２４から出力する。

【００３４】偏光合分波回路１４の光導波路２０から出
力されるＴＭ波は相対遅延回路１６の光導波路３０に入
力し、偏光合分波回路１４の光導波路２２から出力され
るＴＥ波は相対遅延回路１６の光導波路３２に入力す
る。上述のように、光導波路３０の光路長を光導波路３
２の光路長よりも長くしてあるので、ＴＭ波は、ＴＥ波
に比べて約５ピコ秒、遅れることになる。

【００３５】偏光合波回路１８の一方のポートにＴＭ波
が入力し、並列な他方のポートにＴＥ波が入力するの
で、偏光合波回路１８は、先に説明したように両入力を
合波して、導波路３６のポート３６Ａから出力する。但
し、合波光では、ＴＭ波はＴＥ波に対して所定時間（こ
こでは約５ピコ秒）遅れている。

【００３６】負の複屈折動作をさせたい場合、すなわ
ち、ＴＥ偏光成分をＴＭ偏光成分に対して遅延させたい
場合には、ポート２０ＡにそのＴＥ偏光成分及びＴＭ偏
光成分を具備する光を入力する。偏光部波回路１４は、
ポート２０Ａから入力する光のＴＥ偏光成分を導波路２
０から相対遅延回路１６に供給し、ＴＭ偏光成分を導波
路２２から相対遅延回路１６に供給する。従って、ＴＥ
偏光成分がＴＭ偏光成分に対して一定時間遅れることに
なる。偏光合波回路１８はＴＥ偏光成分とＴＭ偏光成分
を合波してポート３４Ａから出力する。

【００３７】ちなみに、ＴＥ偏光成分及びＴＭ偏光成分
を具備する光をポート３６Ａに入力したとき、そのＴＥ
偏光成分と、ＴＥ偏光成分に対して相対遅延回路１６の
遅延量だけ遅れたＴＭ偏光成分がポート２２Ａから出力
される。また、ＴＥ偏光成分及びＴＭ偏光成分を具備す
る光をポート３４Ａに入力したとき、そのＴＭ偏光成分
と、ＴＭ偏光成分に対して相対遅延回路１６の遅延量だ
け遅れたＴＥ偏光成分がポート２０Ａから出力される。

【００３８】本実施例１０は、平面光回路素子からなる
ので、振動、温度及び湿度などの環境変化に対して特性
の安定性が極めて高くなる。また、寸法は、長さ８０ｍ
ｍ×幅３ｍｍ程度であり、非常にコンパクトにである。
更に石英光ファイバと低損失且つ安定に結合することが
可能である。更には、別の平面光回路と集積化すること
も可能であり、容易である。

【００３９】本実施例では、偏光合分波回路１４及び偏
光合波回路１８の光分岐部分に方向性結合器を使用した
が、マルチモード干渉計（ＭＭＩ）型分岐回路を用いて
もよい。ＭＭＩ分岐回路は、方向性結合型分岐回路と比
較すると損失面では若干劣るが、プロセス精度偏差に対
する特性の安定性の面で優れている。

【００４０】上述の実施例では、相対遅延回路１６の光
導波路３０，３２を基本的に直線的に配置したが、これ
らの光導波路３０，３２を湾曲させることができれば、
全体をよりコンパクトにすることができる。図４は、図
１に示す実施例をそのように変更した実施例の平面図を
示す。図４では、相対遅延回路１６の光導波路４４，４
６を１８０゜の曲がり導波路とした。これにより、偏光
合分波回路１４と偏光合波回路１８が並列に配置され、
光入出力ポート２０Ａ，２２Ａと光入出力ポート３４
Ａ，３６Ａが同じ端面に配置されることとなる。図１に
示す構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付してあ
る。

【００４１】このように変更することで、素子寸法は、
長さ５０ｍｍ×幅１５ｍｍとなる。図３に示す実施例で
は、図１に示す実施例と比べて、幅はやや大きいものの
長さを短くすることができる。

【００４２】一般的に、相対遅延回路１６の２つの光導
波路３０，３２；４４，４６は、所望の相対的な光路差
が得られるならば、許容曲げ半径以上の半径で任意の開
き角を持つ円弧と直線を接続した任意の形状であってか
まわない。このような自由度は、本発明によるＰＬＣ型
複屈折素子を更に別のＰＬＣ素子と一体集積化する場合
の設計上の自由度として重要となる場合がある。

【００４３】説明を省略したが、特に石英導波路ＰＬＣ
では、導波路上にヒータを形成して伝搬光の位相を調整
することができる。特に、図１及び図３に示す実施例の
偏光合分波回路１４及び偏光合分波回路１８では、必要
に応じて導波路上のヒータを利用して位相の微細な調整
を行なうことが可能である。

【００４４】石英基板を使用する実施例を説明したが、
シリコン基板を使用しても良いことはいうまでもない。

【００４５】図１及び図３に示す実施例では、相対遅延
回路１６の遅延時間Δｔに相当する時間だけＴＥ偏光成
分をＴＭ偏光成分より遅らせた信号光をポート２２Ａに
入力すると、入力光のＴＥ波とＴＭ波の位相関係に応じ
て、ポート３６Ａからの出力光の偏光方向が変化する。
例えば、入力光のＴＥ偏光成分とＴＭ偏光成分が所定の
位相差の場合にポート３６Ａの出力光が４５゜偏光であ
るとすると、この位相差より１８０゜更にずれている場
合には、ポート３６Ａの出力光は−４５゜偏光になる。
このことは、図１及び図３に示す実施例が、入力光にお
けるＴＥ／ＴＭ波の位相関係によって出力状態が切り換
わる偏光スイッチとして機能することを示している。

【００４６】図５は、本発明の第３実施例の平面図を示
す。この実施例も、上述の実施例と同様に、石英基板又
はシリコン基板上に平面光回路として形成される。本実
施例は、Ｙ分岐型合分波回路１１０、相対遅延回路１１
２、相対遅延回路１１２の一方の光導波路上に配置され
るモード変換素子１１４、及び偏光合分波回路１１６か
らなる。Ｙ分岐型合分波回路１１０は１×２の光回路、
相対遅延回路１１２及び偏光合分波回路１１６は２×２
の光回路である。相対遅延回路１１２及び偏光合分波回
路１１６の構成はそれぞれ、図１に示す相対遅延回路１
６及び偏光合分波回路１８と同じである。モード変換素
子１１４はＴＥモードをＴＭモードに、ＴＭモードをＴ
Ｅモードに変換する素子であり、具体的には半波長板か
らなる。

【００４７】Ｙ分岐型合分波回路１１０、相対遅延回路
１１２及び偏光合分波回路１１６を形成する石英光導波
路は、厚さ１ｍｍの石英基板〈下部クラッド〉上に６μ
ｍ角のゲルマニウムドープ石英コア及び厚さ２５μｍの
石英上部クラッドを積層して形成されている。クラッド
とコアの比屈折率差は０．８％である。コアの導波路構
造の形成には、石英導波路の一般的な製造工程を用いて
いる。

【００４８】Ｙ型合分波回路１１０は１×２の光回路で
あり、ポート１１８に入力する光を所定の割合で２分割
して、相対遅延回路１１２に供給する分波器として機能
し、相対遅延回路１１２からの光を合波してポート１１
８に出力する合波器として機能する。合分波器１１０か
ら相対遅延回路１１２への２つの出力光は、相対遅延回
路１１２の２つの光導波路１２０，１２２を別々に伝搬
する。相対遅延回路１６と同様に、相対遅延回路１１２
の一方の光導波路１２０を途中で湾曲させ、他方の光導
波路１２２をストレートのままとすることにより、光導
波路１２０の伝搬光を、光導波路１２２の伝搬光に対し
て所望時間だけ遅延させるようにしている。光導波路１
２０上にモード変換素子１１４となる半波長板１２４を
配置してある。光導波路１２０を伝搬し、半波長板１２
４を透過した光と、光導波路１２２を伝搬した光は、偏
光合分波回路１１６の各ポートに入射する。半波長板１
２４は、合分波器１１０の出力と偏光合分波回路１１６
の入力の間であれば、どこに位置しても良い。

【００４９】モード変換素子１１４となる半波長板１２
４は、厚さ約１５μｍの異方性ポリイミドからなり、石
英導波路の一部にダイヤモンドカッターで溝を切り、そ
こに紫外線硬化樹脂で固定されている。このような波長
板を平面光導波路の一部に挿入する技術は周知である
（例えば、Ｙ．Ｉｎｏｕｅ他，”Ｐｏｌａｒｉｚａｔ
ｉｏｎＭｏｄｅＣｏｎｖｅｒｔｅｒＷｉｔｈＰ
ｏｌｙｉｍｉｄｅＨａｌｆＷａｖｅｐｌａｔｅｉ
ｎＳｉｌｉｃａ−ＢａｓｅｄＰｌａｎａｒＬｉｇｈ
ｔｗａｖｅＣｉｒｃｕｉｔ”，ＩＥＥＥＰｈｏｔ
ｏｎｉｃｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＬｅｔｔｅｒｓ，
Ｖｏｌ．６，Ｎｏ．５，（１９９４）ｐｐ．６２
６−６２８参照）。半波長板の挿入損失は０．２７ｄＢ
（透過率９４．０％）程度と僅かである。

【００５０】偏光合分波回路１１６は、偏光合分波回路
１８と全く同じ構成からなる。即ち、相対遅延回路１１
２及びモード変換素子１１４を通過した２つの光はそれ
ぞれ、偏光合分波回路１１６の２つの光導波路１２６，
１２８に入射する。２つの光導波路１２６，１２８をそ
の長手方向の２ヶ所で接近させて結合率５０％の方向性
結合器１３０，１３２を形成し、方向性結合器１３０，
１３２間の一方の光導波路１２８（又は１２６）の上部
クラッド上に、非晶質シリコン応力付与膜１３４を積層
する。非晶質シリコン応力付与膜１３４は非晶質シリコ
ン応力付与膜４２と同様に製造及び調整される。光導波
路１２６，１２８の、相対遅延回路１１２とは反対の端
面が光入出力ポート１２６Ａ，１２８Ａとなる。

【００５１】本実施例の作用を具体的に説明する。ポー
ト１１８にＴＥ波が入射すると仮定する。Ｙ型合分波回
路１１０は、ポート１１８の入力光を上述の分割比で分
割し、５０％光を相対遅延回路１１２の光導波路１２０
に、５０％を光導波路１２２に供給する。相対遅延回路
１１２では、光導波路１２０の光路長が光導波路１２２
のそれに対して約１ｍｍ長くしてあるので、時間にして
約５ピコ秒相当の相対的遅延が光導波路１２０の伝搬光
に与えられる。半波長板１２４は、光導波路１２２を伝
搬するＴＥ波をＴＭ波に変換すると共に、パワーにして
６％減衰させる。従って、光導波路１２０を伝搬し、半
波長板１２４を透過した光は、パワー４７％のＴＭ波で
あり、他方、光導波路１２２を伝搬した光はパワー５０
％のＴＥ波である。偏光が異なるこれらの光が偏光合分
波回路１１６のそれぞれ光導波路１２６，１２８に入射
する。

【００５２】偏光合分波回路１１６は、偏光合成回路１
８と同様に、これら直交する偏光の光を合成し、ポート
１２８Ａからその合波光を出力する。合波光のＴＭ偏光
成分はＴＥ偏光成分に対してΔｔ（約５ピコ秒）だけ遅
延しており、そのパワー比は、０．４７：０．５であ
る。

【００５３】このように、本実施例では、ＴＥ波からな
る入力光に対し、出力光のＴＭ偏光成分がＴＥ偏光成分
に対して所定時間遅延しているので、本実施例の光回路
は、複屈折素子として機能していることになる。

【００５４】ポート１１８にＴＭ波を入力すると、ポー
ト１２６Ａから合波光が出力される。その合波光では、
ＴＥ偏光成分がＴＭ偏光成分に対してΔｔ（約５ピコ
秒）だけ遅延しており、そのパワー比は、０．４７：
０．５である。

【００５５】また、図５に示す実施例は、入出力ポート
を逆にして、ポート１２６Ａ又は１２６Ｂに、ＴＥ偏光
成分とＴＭ偏光成分に一定に時間差Δｔを具備する光を
入力すると、ＴＥ偏光成分とＴＭ偏光成分の位相関係に
応じて、ポート１１８の出力光のパワーが２つのレベル
間で変化する。

【００５６】例えば、ポート１２８Ａに、ＴＭ偏光成分
と、そのＴＭ偏光成分に対してΔｔ遅れ、振幅がＴＭ偏
光成分の０．９４であるＴＥ偏光成分とを具備する光が
入力したとする。このとき、偏光合分波器１１６は偏光
分波器として機能し、相対遅延回路１１２の光導波路１
２０にＴＭ偏光成分を、光導波路１２２にＴＥ偏光成分
を供給する。光導波路１２０を伝搬するＴＭ偏光成分
は、半波長板１２４によりＴＥ偏光に変換され、光導波
路１２２を伝搬する光に対してΔｔだけ遅延する。Ｙ型
光合分波回路１１８は、相対遅延回路１１２からの、時
間、即ち位相の合った同じ偏光成分を合波して、ポート
１１８から出力する。従って、ポート１２８Ａに入力す
る光のＴＥ偏光成分とＴＭ偏光成分が同じ位相関係にあ
るとき、ポート１１８の出力光のパワーは両者を合波し
た１．８８となり、逆の位相関係にあるときには、ポー
ト１１８の出力光のパワーは実質的に０となる。これ
は、本実施例の光回路が、入力光に含まれるＴＥ偏光成
分とＴＭ偏光成分の位相関係により出力光がオン／オフ
するパワー・スイッチ機能を奏することを示している。

【００５７】逆に、ＴＥ偏光成分と、そのＴＥ偏光成分
に対してΔｔ遅れ、振幅がＴＥ偏光成分の０．９４であ
るＴＭ偏光成分とを具備する光の場合、その光をポート
１２６Ａに入力すれば、同様に、そのＴＥ偏光成分とＴ
Ｍ偏光成分の位相関係により、ポート１１８の出力光が
オン又はオフになる。

【００５８】図５に示す実施例も、振動、温度及び湿度
などの環境変化に対する特性の安定性が極めて高くな
る。寸法は長さ５０ｍｍ×幅３ｍｍと非常にコンパクト
にすることができる。更に前述のとおり、石英光ファイ
バと低損失且つ安定に結合することが可能である。更に
別のＰＬＣと一体に集積することも可能であり、容易で
ある。

【００５９】偏光合分波回路１１６では、合分波に方向
性結合器を使用したが、ＭＭＩ型合分波回路を用いても
よい。

【００６０】相対遅延回路１１２の２つの光導波路１２
０，１２２は、所望の相対的な光路差が得られるなら
ば、許容曲げ半径以上の半径で任意の開き角を持つ円弧
と直線を接続した任意の形状であってかまわない。

【００６１】図６は、本発明の第４実施例の平面図を示
す。この実施例も、上述の各実施例と同様に、石英基板
又はシリコン基板上に平面光回路として形成される。本
実施例は、偏光合分波回路１４０、偏光合分波回路１４
０から出力されるＴＥモード（又はＴＭモード）の光を
ＴＭモード（又はＴＥモード）に変換するモード変換回
路１４２、相対遅延回路１４４及び合分波回路１４６か
らなる。

【００６２】偏光合分波回路１４０の構成は、図１に示
す実施例の偏光合分波回路１４と全く同じである。すな
わち、偏光合分波回路１４０は、２つの光導波路１４
８，１５０をその長手方向の２ヶ所で接近させて結合率
５０％の方向性結合器１５２，１５４を形成し、方向性
結合器１５２，１５４間の一方の光導波路１４８（又は
１５０）の上部クラッド上に、非晶質シリコン応力付与
膜２８と同じ作用の非晶質シリコン応力付与膜１５６を
積層してある。光導波路１４８，１５０の一端が光入出
力ポート１４８Ａ，１５０Ａとなる。非晶質シリコン応
力付与膜１５６は、Ｎを整数、λを光波長とするとき、
光２つの方向性結合器１５０，１５２間の光導波路１４
８，１５０の光路差が、例えばＴＥ波に対して（Ｎ＋１
／２）・λとなり、ＴＭ波に対してＭ・λとなるよう
に、応力付与膜１５６を調整する。Ｎ，Ｍは整数であ
る。

【００６３】相対遅延回路１４４は、偏光合分波回路１
４０の光導波路１４８に接続する光導波路１５８と、偏
光合分波回路１４０の光導波路１５０に接続する光導波
路１６０とからなる。光導波路３０，１２０と同様に、
光導波路１５８上に、曲げ半径５ｍｍの４つの円弧を形
成して、光導波路１５８の長さを光導波路１６０よりも
約１ｍｍ程度、長くしてある。これにより、光導波路１
５８，１６０間には、約５ピコ秒程度の時間差が生じ
る。

【００６４】モード変換素子１４２はモード変換素子１
１４と同様に半波長板１６２からなり、ＴＥモードをＴ
Ｍモードに、ＴＭモードをＴＥモードに変換する。本実
施例では、モード変換素子１４２となる半波長板１６２
は、光導波路１５８上に配置される。半波長板１６２
は、図６では、光導波路１５８の湾曲路の前に配置され
ているが、その後に配置しても良い。すなわち、半波長
板１６２は、偏光合分波回路１４０の出力と合分波回路
１４６の入力の間であれば、どこに配置しても良い。

【００６５】合分波回路１４６は、相対遅延回路の光導
波路１５８，１６０にそれぞれ連なる光導波路１６４，
１６６からなる。これらの光導波路１６４，１６６を所
定長さだけ近接配置して結合率５０％の方向性結合器１
６８が形成さている。光導波路１６４，１６６の、相対
遅延回路１４４とは反対の端面が光入出力ポート１６４
Ａ，１６６Ａとなる。

【００６６】図６に示す実施例では、ポート１６４Ａ
（又は同１６６Ａ）にＴＥ波を入力したとき、ポート１
５０Ａは、１：０．９４のパワー比のＴＥ偏光成分及び
ＴＭ偏光成分を具備し、しかも、そのＴＭ偏光成分がそ
のＴＥ偏光成分に対して一定時間Δｔだけ遅延した光を
出力する。また、ポート１６４Ａ（又は同１６６Ａ）に
ＴＭ波を入力したとき、ポート１５０Ａは、１：０．９
４のパワー比のＴＭ偏光成分及びＴＥ偏光成分を具備
し、しかも、そのＴＥ偏光成分がそのＴＭ偏光成分に対
して一定時間Δｔだけ遅延した光を出力する。これは、
図５に示す実施例と同じ動作である。

【００６７】図６に示す実施例で、ポート１４８Ａに、
パワー比が１：０．９４のＴＥ偏光成分とＴＭ偏光成分
を具備し、ＴＥ偏光成分に対してＴＭ偏光成分がΔｔだ
け遅延する光が入力したとする。偏光合分波回路１４０
は偏光合分波回路１４と同様に、入力信号光をＴＥ偏光
成分とＴＭ偏光成分に分離する。分離されたＴＥ偏光成
分が光導波路１４８から出力され、ＴＭ偏光成分が光導
波路１５０から出力される。

【００６８】モード変換素子１４２である半波長板１６
２は、偏光合分波器１４０の光導波路１４８からのＴＥ
偏光成分をＴＭ偏光に変換すると共に、挿入損失により
パワーを６％低下させる。半波長板１６２の出力光は相
対遅延回路１４４の光導波路１５８を伝搬する。偏光合
分波回路１４０の光導波路１５０から出力される光（Ｔ
Ｍ偏光）は相対遅延回路１４４の光導波路１６０に入射
する。光導波路１５８，１６０を伝搬する光は共にＴＥ
波になっている。しかも、半波長板１６２の挿入損失に
より、光導波路１５８，１６０上の各光は同じ強度にな
っている。また、光導波路１５８を伝搬する光は、光導
波路１６０を伝搬する光に比べてΔｔだけ遅延するの
で、光伝送路１５８，１６０を伝搬する各光は時間的に
同期することになる。

【００６９】光導波路１５８，１６０を伝搬した光は、
それぞれ合分波器１４６の光導波路１６４，１６６に入
射する。合分波器１６８の方向性結合器１６８は、相対
遅延回路１４４の光導波路１５８，１６０からの光を単
純に合分波する。方向性結合器１６８内でクロス方向に
進む波は、位相が９０゜進む。相対遅延回路１４４の光
導波路１５８，１６０からの光は共にＴＥ波で同じ振幅
になり、互いに同期している。相対遅延回路１４４の光
導波路１５８の出力光が導波路１６０の出力光に対して
＋９０゜（又は−９０゜）位相が進んでいる場合には、
合分波器１４６は、一方のポート１６４Ａ（又は１６６
Ａ）から両者を合波した光を出力し、他方のポート１６
６Ａ（又は１６４Ａ）から何の光も出力しない。

【００７０】すなわち、本実施例は、ポート１４８Ａに
入力する光のＴＥ偏光成分とＴＭ偏光成分間の、Δｔの
遅延を除いた位相関係がある位相差又はその逆の位相差
の場合、一方のポート１６４Ａ（又は１６６Ａ）からの
み光が出力され、他方のポート１６６Ａ（又は１６６
Ａ）からは光が出力されない経路スイッチとして機能す
る。出力ポート１６４Ａ，１６６Ａの出力光の配分は、
ポート１４８Ａに入力する光のＴＥ偏光成分とＴＭ偏光
成分間の、Δｔの遅延を除いた位相関係に従って変化す
る。

【００７１】バルク複屈折結晶又は複屈折ファイバを使
用する従来の複屈折光回路は、ＴＥ偏光成分又はＴＭ偏
光成分に対してＴＭ偏光成分又はＴＥ偏光成分を予め遅
延させた光を入力した場合には、単に、そのＴＥ偏光成
分とＴＭ偏光成分の位相関係に従った偏光方向の光を出
力するに過ぎない。すなわち、従来例の複屈折光回路は
偏光スイッチとして機能し得ないが、図５に示す実施例
はパワースイッチとして機能でき、図６に示す実施例は
経路スイッチとして機能し得る。これは従来例では得ら
れない特徴的な機能である。

【００７２】なお、合分波器１４６として方向性結合器
型合分岐回路１６８を用いたが、ＭＭＩ型分岐回路であ
っても同様な動作が得られる。

【００７３】図５及び図６に示す実施例は、相対遅延回
路１１２，１４４の時間差をゼロにすることで、ＴＥ偏
光成分とＴＭ偏光成分に時間差の無い光を入力した場合
に、それぞれ、パワースイッチ及び経路スイッチとして
動作させることができることは明らかである。

【００７４】

【発明の効果】以上の説明から容易に理解できるよう
に、本発明によれば、環境変化に対する安定性が極めて
高く、且つ寸法の小さい複屈折光回路を実現できる。全
ての回路を導波路で形成することにより、極めて低損失
となる。別のＰＬＣ光回路との一体集積化が容易にな
る。石英製導波路を用いた場合、通信用石英光ファイバ
と安定に結合でき、結合損失も少ない。既存の複屈折光
回路では得られない特有の機能が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の導波路構造を示す平面
図図である。

【図２】第１実施例の断面図である。

【図３】偏光合分波回路１４の機能の説明図である。

【図４】本発明の第２実施例の平面図である。

【図５】本発明の第３実施例の平面図である。

【図６】本発明の第４実施例の平面図である。

【符号の説明】

１０：第１実施例１２：基板１４：偏光合分波回路１６：相対遅延回路１８：偏光合波回路２０，２２：光導波路２０Ａ，２２Ａ：光入出力ポート２４，２６：方向性結合器２８：応力付与膜３０，３２：光導波路３４，３６：光導波路３８，４０：方向性結合器４２：非晶質シリコン応力付与膜４４，４６：光導波路５０，５２：入力ポート５４，５６：出力ポート５８，６０：方向性結合器６２，６４：光導波路１１０：Ｙ分岐型合分波回路１１２：相対遅延回路１１４：モード変換素子１１６：偏光合波回路１２０，１２２：光導波路１２４：半波長板１２６，１２８：光導波路１２６Ａ，１２８Ａ：光入出力ポート１３０，１３２：方向性結合器１４０：偏光合分波回路１４２：モード変換回路１４４：相対遅延回路１４６：合分波回路１４８，１５０：光導波路１４８Ａ，１５０Ａ：光入出力ポート１５２，１５４：方向性結合器１５６：応力付与膜１５８，１６０：光導波路１６２：半波長板１６４，１６６：光導波路１６４Ａ，１６６Ａ：光入出力ポート１６８：方向性結合器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】平面光導波路で形成された光回路であっ
て、２×２の第１及び第２の偏光合分波回路と、所定の光路差の２つの光導波路を具備し、当該第１及び
第２の偏光合分波回路の間に配置される相対遅延回路と
からなることを特徴とする光回路。
【請求項２】当該第１及び第２の偏光合分波回路はそ
れぞれ、第１及び第２の方向性結合器と、当該第１及び第２の方向性結合器を接続し、ＴＥ偏光成
分とＴＭ偏光成分に所定の異なる光路差を与える２つの
光導波路とからなる請求項１に記載の光回路。
【請求項３】平面光導波路で形成された光回路であっ
て、１×２の光合分波回路と、２×２の偏光合分波回路と、所定の光路差の２つの光導波路を具備し、当該光合分波
回路と当該偏光合分波回路の間に配置される相対遅延回
路と、当該相対遅延回路の一方の光導波路上に配置され、ＴＥ
波及びＴＭ波の一方を他方を変換するモード変換素子と
からなることを特徴とする光回路。
【請求項４】当該偏光合分波回路が、第１及び第２の方向性結合器と、当該第１及び第２の方向性結合器を接続し、ＴＥ偏光成
分とＴＭ偏光成分に所定の異なる光路差を与える２つの
光導波路とからなる請求項３に記載の光回路。
【請求項５】当該モード変換素子が半波長板からなる
請求項５に記載の光回路。
【請求項６】平面光導波路で形成された光回路であっ
て、２×２の光合分回路と、２×２の偏光合分波回路と、所定の光路差の２つの光導波路を具備し、当該光合分波
回路と当該偏光合分波回路の間に配置される相対遅延回
路と、当該相対遅延回路の一方の光導波路上に配置され、ＴＥ
波及びＴＭ波の一方を他方を変換するモード変換素子と
からなることを特徴とする光回路。
【請求項７】当該偏光合分波回路が、第１及び第２の方向性結合器と、当該第１及び第２の方向性結合器を接続し、ＴＥ偏光成
分とＴＭ偏光成分に所定の異なる光路差を与える２つの
光導波路とからなる請求項６に記載の光回路。
【請求項８】当該モード変換素子が半波長板からなる
請求項６に記載の光回路。