JP2001056414A - Optical waveguide device - Google Patents

Optical waveguide device

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JP2001056414A
JP2001056414A JP23264499A JP23264499A JP2001056414A JP 2001056414 A JP2001056414 A JP 2001056414A JP 23264499 A JP23264499 A JP 23264499A JP 23264499 A JP23264499 A JP 23264499A JP 2001056414 A JP2001056414 A JP 2001056414A
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optical waveguide
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waveguide device
clad
core
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薇薇 胡
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恵三 稲垣
Yoshihiko Mizuguchi
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain high dispersion of birefringence in a wide wavelength range by forming a plurality of cores each having a higher refractive index than that of a clad on a dielectric substrate to be used as the clad so as to obtain the distribution of the refractive index showing a plurality of maxima. SOLUTION: When a Ti diffusion method is used, for example, a patterned Ti metal film is deposited on a LiNbO3 substrate 111 and diffused into the substrate by heat treatment to form a plurality of cores 112 having a high refractive index near the surface. During the heat treatment, external diffusion of Li2O is caused to decrease the trapping effect for light. To prevent that, the treatment is performed in Li2O or LiNbO3 powder. For example, in a proton exchange method, LiNbO3 is dipped in a fused liquid of benzoic acid (C6 H5COOH) at about 210 to 250 deg.C for several ten minutes to exchange Li+ and H+ so that a region having a high refractive index can be obtained. Thus, the distribution of the refractive index shows two peaks n1 corresponding to the two cores 112 formed by the Ti diffusion method on the LiNbO3 substrate 111.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、光空間に
おいて複数の無線信号を処理することによりそれぞれ独
立に所定の指向方向に無線信号を送信する光制御型フェ
ーズドアレーアンテナのために用いられ、より改善され
た高い複屈折分散を有する光導波路装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention is used, for example, for an optically controlled phased array antenna that transmits a plurality of radio signals in a predetermined directivity direction by processing a plurality of radio signals in an optical space. An improved optical waveguide device having improved high birefringence dispersion.

【0002】[0002]

【従来の技術】光空間において複数の無線信号を処理す
ることにより、それぞれ独立に所定の指向方向に電波を
送信する光制御型フェーズドアレーアンテナ装置が、例
えば、特開平9−139620号公報の特許出願(以
下、第1の従来例という。)、及び特開平10−233
615公報の特許出願(以下、第2の従来例という。)
において開示されている。第1の従来例においては、光
信号処理技術を用いたビーム形成回路を用いてマルチビ
ームアンテナを実現しているが、各ビームの指向方向は
固定であり、変化させることができないという問題点が
あった。この問題点を解決するために、本発明者らは、
第2の従来例において、光信号処理技術を用いたビーム
形成回路により指向方向を変化することができる指向可
変マルチビームアンテナを実現している。
2. Description of the Related Art An optically controlled phased array antenna device which independently processes a plurality of radio signals to transmit radio waves in a predetermined directional direction is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 9-139620. Application (hereinafter referred to as a first conventional example) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-233.
615 Patent Application (hereinafter, referred to as a second conventional example)
Are disclosed. In the first conventional example, a multi-beam antenna is realized using a beam forming circuit using an optical signal processing technique. However, the directivity of each beam is fixed and cannot be changed. there were. To solve this problem, we have:
In the second conventional example, a variable directivity multi-beam antenna capable of changing the directivity by a beam forming circuit using an optical signal processing technique is realized.

【0003】しかしながら、第2の従来例においては、
光ファイバケーブルの端部をその支持移動機構により機
械的に移動させることにより各ビームの指向方向を変化
させているので、高精度で当該端部を移動させることが
難しく、そのため、各ビームを高精度で制御することが
できなかった。また、上記支持移動機構などの機械機構
を備える必要があるので、第2の従来例の光回路を光集
積化することができなかった。
However, in the second conventional example,
Since the directivity of each beam is changed by mechanically moving the end of the optical fiber cable by its supporting and moving mechanism, it is difficult to move the end with high precision, and therefore, It could not be controlled with precision. Further, since it is necessary to provide a mechanical mechanism such as the above-mentioned support moving mechanism, the optical circuit of the second conventional example cannot be optically integrated.

【0004】上述の第2の従来例の問題点を解決するた
めに、本特許出願人は、特願平10−249519号の
特許出願において、各ビームの指向方向を従来例に比較
して高精度で制御することができ、しかも光集積化する
ことができる光制御型フェーズドアレーアンテナ装置
(以下、第3の従来例という。)を提案している。
In order to solve the above-mentioned problem of the second conventional example, the applicant of the present invention has disclosed in Japanese Patent Application No. Hei 10-249519 that the directivity of each beam is higher than that of the conventional example. A light-controlled phased array antenna device (hereinafter, referred to as a third conventional example) that can be controlled with high accuracy and that can be optically integrated has been proposed.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】この第3の従来例にお
いては、より高い複屈折分散を有する複屈折性光導波路
装置80(図23参照。)を必要とする。この複屈折性
光導波路装置80を用いると、伝送される光信号の波長
に応じて屈折率が変化するので、伝送後の光信号の位相
も光信号の波長に応じて変化させることができ、光電変
換後のビームの方向を変化させることができる。しかし
ながら、従来技術では、複屈折分散が比較的低く、ビー
ムの方向の変化量が小さいという問題点があった。
In the third conventional example, a birefringent optical waveguide device 80 having a higher birefringence dispersion (see FIG. 23) is required. When the birefringent optical waveguide device 80 is used, the refractive index changes according to the wavelength of the transmitted optical signal, so that the phase of the transmitted optical signal can also be changed according to the wavelength of the optical signal, The direction of the beam after photoelectric conversion can be changed. However, the prior art has a problem that the birefringence dispersion is relatively low and the amount of change in the beam direction is small.

【0006】本発明の目的は以上の問題点を解決し、従
来技術に比較して改善された高い複屈折分散を有する光
導波路装置を提供することにある。
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide an optical waveguide device having a high birefringence dispersion improved as compared with the prior art.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】第1の発明に係る光導波
路装置においては、クラッドとなる誘電体基板上に、熱
拡散法により所定の材料を拡散し又はプロトン交換法に
より所定の材料を用いて交換することにより、それぞれ
上記クラッドよりも大きな屈折率を有する複数のコアを
形成して、屈折率分布特性において複数の極大値の屈折
率を有することを特徴とする。
In the optical waveguide device according to the first aspect of the present invention, a predetermined material is diffused on a dielectric substrate serving as a clad by a thermal diffusion method or a predetermined material is used by a proton exchange method. In this case, a plurality of cores each having a refractive index higher than that of the cladding are formed, and the refractive index has a plurality of maximum values in the refractive index distribution characteristics.

【0008】また、第2の発明に係る光導波路装置にお
いては、クラッドとなる誘電体基板又は半導体基板上
に、それぞれ所定の厚さを有しかつコアの屈折率が上記
クラッドの屈折率よりも大きいコア及びチャネルとなる
複数の層を形成した後、上記複数の層を取り囲むように
クラッドとなる誘電体材料又は半導体材料を形成して、
屈折率分布特性において少なくとも1つの極大値の屈折
率を有することを特徴とする。
Further, in the optical waveguide device according to the second aspect of the present invention, the core has a predetermined thickness and the refractive index of the core is higher than that of the cladding on the dielectric substrate or the semiconductor substrate serving as the cladding. After forming a plurality of layers serving as a large core and a channel, a dielectric material or a semiconductor material serving as a clad is formed so as to surround the plurality of layers,
It is characterized by having at least one local maximum refractive index in the refractive index distribution characteristics.

【0009】第2の発明に係る光導波路装置において、
好ましくは、上記複数の層は少なくとも3つの層を備
え、上記コアとなる層は2つのチャネルによって挟設さ
れている。また、第2の発明に係る光導波路装置におい
て、好ましくは、上記チャネルとなる層の材料の屈折率
は、上記クラッドとなる材料の屈折率に比較して小さ
い。さらに、第2の発明に係る光導波路装置において、
好ましくは、上記コアとなる層の材料の屈折率は、上記
チャネルとなる材料の屈折率の1.08倍以上である。
またさらに、第2の発明に係る光導波路装置において、
好ましくは、屈折率分布特性において複数の極大値の屈
折率を有することを特徴とする。ここで、より好ましく
は、上記複数の極大値の屈折率のうち2つは互いに異な
る。
In the optical waveguide device according to the second invention,
Preferably, the plurality of layers include at least three layers, and the core layer is sandwiched between two channels. Further, in the optical waveguide device according to the second invention, preferably, the refractive index of the material of the channel layer is smaller than the refractive index of the material of the clad. Furthermore, in the optical waveguide device according to the second invention,
Preferably, the refractive index of the material for the core layer is at least 1.08 times the refractive index of the material for the channel.
Still further, in the optical waveguide device according to the second invention,
Preferably, it has a plurality of local maximum refractive indexes in the refractive index distribution characteristics. Here, more preferably, two of the plurality of maximum value refractive indexes are different from each other.

【0010】第3の発明に係る光導波路装置において
は、好ましくは、クラッドとなる誘電体基板又は半導体
基板上に、矩形形状に突出部を付加した多角形の断面形
状を有しかつ上記クラッドよりも大きな屈折率を有する
コアとなる複数の層を形成した後、上記複数の層を取り
囲むようにクラッドとなる誘電体材料又は半導体材料を
形成したことを特徴とする。
[0010] In the optical waveguide device according to the third aspect of the present invention, preferably, the optical waveguide device has a polygonal cross-sectional shape in which a protruding portion is added in a rectangular shape on a dielectric substrate or a semiconductor substrate to be a clad, and the cladding has After forming a plurality of layers serving as a core having a large refractive index, a dielectric material or a semiconductor material serving as a clad is formed so as to surround the plurality of layers.

【0011】第3の発明に係る光導波路装置において、
好ましくは、上記コアの断面形状は、その外形形状が階
段形状で変化している。
[0011] In an optical waveguide device according to a third invention,
Preferably, the outer shape of the cross-sectional shape of the core changes in a step-like shape.

【0012】第4の発明に係る光導波路装置において
は、クラッドとなる誘電体基板又は半導体基板上に、長
さと幅を有する矩形形状を有しかつ上記クラッドよりも
大きな屈折率を有するコアとなる層を形成した後、上記
層を取り囲むようにクラッドとなる誘電体材料又は半導
体材料を形成してなる光導波路装置において、上記コア
の長さと幅を、上記コアの長さと幅の比であるアスペク
ト比に対して複屈折分散が実質的に極大値となるような
コアの長さと幅に設定したことを特徴とする。
In the optical waveguide device according to a fourth aspect of the present invention, a core having a rectangular shape having a length and a width and having a refractive index larger than that of the clad is formed on a dielectric substrate or a semiconductor substrate serving as a clad. After forming the layer, in the optical waveguide device formed by forming a dielectric material or a semiconductor material to be a clad so as to surround the layer, the length and the width of the core are set to an aspect ratio that is a ratio of the length and the width of the core. The length and width of the core are set so that the birefringence dispersion substantially has a maximum value with respect to the ratio.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明に係
る実施形態について説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0014】<実施形態の基本原理>本発明に係る実施
形態において、本発明者は従来技術に比較して改善され
た高い複屈折分散を有する光導波路装置を提案する。よ
り高い複屈折は、必ずしもより高い複屈折分散をもたら
さない。本実施形態では、より高い複屈折分散を有する
3つの実施形態の光導波路装置について開示する。ここ
では、特に、詳細後述するように、第2の実施形態に係
る3層構造のSiO2/Si光導波路115は、その複
屈折が従来技術のLiNbO3光導波路の場合よりも低
いにもかかわらず、他のものより高い複屈折分散を有す
ることを発見した。
<Basic Principle of Embodiment> In an embodiment according to the present invention, the present inventors propose an optical waveguide device having a high birefringence dispersion which is improved as compared with the prior art. Higher birefringence does not necessarily result in higher birefringence dispersion. In the present embodiment, three embodiments of the optical waveguide device having higher birefringence dispersion will be disclosed. Here, as described in detail later, the SiO 2 / Si optical waveguide 115 having the three-layer structure according to the second embodiment has a lower birefringence than that of the conventional LiNbO 3 optical waveguide. And have higher birefringence dispersion than others.

【0015】まず、シングルモードの光導波路における
複屈折B及び複屈折分散dB/dλについて説明する。
シングルモードの光導波路においては、モードによる複
屈折は、互いに直交するx軸及びy軸の偏波間の異なる
実効屈折率に基づいており、複屈折B及び複屈折分散d
B/dλは、次式のように定義される。
First, the birefringence B and the birefringence dispersion dB / dλ in the single mode optical waveguide will be described.
In a single-mode optical waveguide, the birefringence due to the mode is based on different effective indices of refraction between the x-axis and y-axis polarizations orthogonal to each other, and the birefringence B and the birefringence dispersion d
B / dλ is defined as follows.

【0016】[0016]

【数1】B=β/k0=nx−ny ## EQU1 ## B = β / k 0 = n x −n y

【数2】dB/dλ=d(nx−ny)/dλ[Number 2] dB / dλ = d (n x -n y) / dλ

【0017】ここで、βは当該光導波路の伝搬定数、k
0は自由空間の波数、λは光波長、nx及びnyはそれぞ
れTE基本モード及びTM基本モードの実効屈折率であ
る。上記数1及び数2における複屈折B及び複屈折分散
dB/dλは、より高い複屈折分散dB/dλがTE及
びTM基本モード間の異なる実効屈折率の分散に依存す
ることを示している。より高い複屈折Bは、1つの波長
におけるTE及びTM基本モード間の実効屈折率の差に
依存する。従って、複屈折Bと複屈折分散dB/dλの
特性は異なる。
Here, β is the propagation constant of the optical waveguide, k
0 is the wave number of free space, lambda is optical wavelength, the n x and n y is the effective refractive index of the TE fundamental mode and the TM fundamental mode, respectively. The birefringence B and the birefringence dispersion dB / dλ in Equations 1 and 2 above indicate that the higher birefringence dispersion dB / dλ depends on the dispersion of the different effective refractive indices between the TE and TM fundamental modes. The higher birefringence B depends on the difference in the effective refractive index between the TE and TM fundamental modes at one wavelength. Therefore, the characteristics of the birefringence B and the birefringence dispersion dB / dλ are different.

【0018】光導波路のクラッド及びコア間の屈折率の
Difference in refractive index between cladding and core of optical waveguide

【数3】Δn=nco−ncl が高ければ、複屈折Bも高くなることがわかる。## EQU3 ## It can be seen that the higher the Δn = n co −n cl , the higher the birefringence B.

【0019】従って、異なる形状の光導波路における複
屈折Bを比較するために、各実施例毎に、屈折率の差に
制限条件Δn≦0.1を仮定した。詳細後述する光導波
路(第1の実施形態)の実験シミュレーションでは、B
PM−CADの交互方向の黙示法(ADI;Alternatin
g direction implicit method)を使用している(例え
ば、従来技術文献2「Optiwave Corporation Co.,”BPM
-CAD waveguide optics modeling software system”,
Version 3.0」参照。)。
Therefore, in order to compare the birefringences B in the optical waveguides having different shapes, the limiting condition Δn ≦ 0.1 was assumed for the difference in the refractive index in each embodiment. In an experimental simulation of an optical waveguide (first embodiment) described in detail below, B
Alternate direction implicit method (ADI; Alteratin) of PM-CAD
g direction implicit method) (for example, see Prior Art Document 2 “Optiwave Corporation Co.,” BPM
-CAD waveguide optics modeling software system ”,
Version 3.0 ". ).

【0020】原理的な予備的な研究として、図4の右上
に図示する単純なステップインデックス型の矩形構造
(サイズa×b)のコアを有する光導波路について分析
する。この光導波路は、例えば、詳細後述する第2又は
第3の実施形態もしくはその変形例の方法で製造するこ
とができる。図4は、矩形コアを有する光導波路の1.
55μmの光に対する複屈折B及び複屈折分散dB/d
λと種々のサイズ範囲におけるアスペクト比a/bに対
する依存性を示している。ここで、光導波路は、シング
ルモード伝搬に制限されている。
As a basic preliminary study, an optical waveguide having a simple step index type rectangular structure (size a × b) core shown in the upper right of FIG. 4 will be analyzed. This optical waveguide can be manufactured, for example, by the method of the second or third embodiment described later in detail or a modification example thereof. FIG. 4 shows an optical waveguide 1 having a rectangular core.
Birefringence B and birefringence dispersion dB / d for 55 μm light
9 shows the dependence on λ and the aspect ratio a / b in various size ranges. Here, the optical waveguide is limited to single mode propagation.

【0021】図4から明らかなように、矩形コアを有す
る光導波路の形状が狭いほど、複屈折Bは高くなる。こ
れは、複屈折分散dB/dλの特性とは全く異なる。複
屈折分散dB/dλは、アスペクト比a/bに対して非
単調の依存性を有し、よって光導波路の形状が複屈折分
散dB/dλに多大な影響を与えることが分かる。矩形
コアを有する光導波路の同じアスペクト比a/bに対し
ては、複屈折Bは、大きいサイズaを有する光導波路の
方が高い。しかしながら、複屈折分散dB/dλは、サ
イズが大きくなるにつれて低下する。これは、より高い
複屈折分散dB/dλを得るためには、複屈折Bの値が
低減する必要があることを意味している。
As is apparent from FIG. 4, the smaller the shape of the optical waveguide having the rectangular core, the higher the birefringence B. This is completely different from the characteristic of the birefringence dispersion dB / dλ. It can be seen that the birefringence dispersion dB / dλ has a non-monotonic dependence on the aspect ratio a / b, and that the shape of the optical waveguide greatly affects the birefringence dispersion dB / dλ. For the same aspect ratio a / b of an optical waveguide having a rectangular core, the birefringence B is higher for an optical waveguide having a larger size a. However, the birefringence dispersion dB / dλ decreases as the size increases. This means that the value of birefringence B needs to be reduced in order to obtain a higher birefringence dispersion dB / dλ.

【0022】すなわち、図4から明らかなように、複屈
折分散dB/dλにおいては、アスペクト比a/bに対
して最適な最大値である極大値が存在する。従って、図
4に示すように、矩形形状のコア130をクラッド12
0で取り囲んで形成してなる光導波路において、上記コ
アの長さbと幅aを、上記コアの長さbと幅aの比であ
るアスペクト比a/bに対して複屈折分散が実質的に極
大値となるようなコアの長さと幅に設定することが好ま
しい。
That is, as is apparent from FIG. 4, the birefringence dispersion dB / dλ has a maximum value which is the optimum maximum value for the aspect ratio a / b. Therefore, as shown in FIG.
In an optical waveguide formed by being surrounded by 0, the length b and the width a of the core are substantially equal to the aspect ratio a / b which is the ratio of the length b to the width a of the core. It is preferable to set the length and width of the core so that the maximum value is obtained.

【0023】なお、本発明者によって実行された、図4
に基づく実験シミュレーションによれば、最大の複屈折
分散dB/dλを有する光導波路において、複屈折分散
dB/dλ=2.6×10-3μm-1、複屈折B=2.3
×10-3、幅a=0.6μm及び長さb=2μmであっ
た。
Note that FIG.
According to the experimental simulation based on the above, in the optical waveguide having the maximum birefringence dispersion dB / dλ, the birefringence dispersion dB / dλ = 2.6 × 10 −3 μm −1 and the birefringence B = 2.3.
× 10 -3 , width a = 0.6 μm and length b = 2 μm.

【0024】<第1と第2の実施形態>次いで、図1に
示すLiNbO3基板111から生成されたグレーデッ
ドインデックス型Ti:LiNbO3光導波路110
(第1の実施形態)と、図2に示すガラス(SiO2
から生成されたステップインデックス型SiO2/Si
光導波路(第2の実施形態)の構造及び製造方法につい
て説明する。
<First and Second Embodiments> Next, a graded index type Ti: LiNbO 3 optical waveguide 110 formed from a LiNbO 3 substrate 111 shown in FIG.
(First embodiment) and glass (SiO 2 ) shown in FIG.
Index type SiO 2 / Si generated from
The structure and the manufacturing method of the optical waveguide (second embodiment) will be described.

【0025】図1(a)に示す第1の実施形態に係るT
i:LiNbO3光導波路110は以下のようにして製
造される。例えば、Ti拡散法を用いる場合、図1
(a)において、LiNbO3基板111上にパターン
化したTi金属膜を付着させ、熱処理によりこれを内部
に拡散することにより、表面近傍に高い屈折率部である
複数のコア112を形成するものである。熱処理は約1
000°Cで数時間程度行うが、そのときにLi2Oの
外部拡散を生じ、光の閉じ込め作用が弱まる。これを防
止するために、Li2O又はLiNbO3の粉末中での処
理を施す。また、例えば、プロトン交換法では、LiN
bO3を安息香酸(C65COOH)融液中に約210
〜250°Cで数十分間浸し、Li+とH+との間の交換
により高屈折率部を得ることができる。さらに、LiT
aO3もLiNbO3とほぼ同じ特性を有する電気光学結
晶で、Nb,Ti、Cuの熱拡散により光導波路を製作
することができる。しかしながら、キュリー温度が89
0℃と熱処理温度よりも低いため、ポーリングが必要で
ある。PLZT(Pb1-xLax)(ZryTi1-y1-x/
43)も大きな電気光学効果を示す材料であり、例えば
スパッタリング法によりサファイア基板上に単結晶膜を
成長できる。LiNbO3における屈折率分布は、深さ
方向にTi拡散法ではガウス形となり、プロトン交換法
ではステップ形となるが、熱処理を加えることによりガ
ウス形となる。これらLiNbO3系光導波路は通常単
一モードで動作する。さらに、第1の実施形態で使用可
能なコア及びクラッドの材料並びに製造方法の一例を表
1に示す。
The T according to the first embodiment shown in FIG.
The i: LiNbO 3 optical waveguide 110 is manufactured as follows. For example, when the Ti diffusion method is used, FIG.
1A, a patterned Ti metal film is deposited on a LiNbO 3 substrate 111 and diffused inside by heat treatment to form a plurality of cores 112 having high refractive index portions near the surface. is there. About 1 heat treatment
The process is performed at 000 ° C. for several hours. At that time, external diffusion of Li 2 O occurs, and the light confinement effect is weakened. In order to prevent this, treatment is performed in a powder of Li 2 O or LiNbO 3 . For example, in the proton exchange method, LiN
The bO 3 is added to the benzoic acid (C 6 H 5 COOH)
A high refractive index portion can be obtained by immersing for several tens of minutes at ~ 250 ° C and exchanging between Li + and H + . Furthermore, LiT
aO 3 is also an electro-optic crystal having almost the same characteristics as LiNbO 3, and an optical waveguide can be manufactured by thermal diffusion of Nb, Ti, and Cu. However, the Curie temperature is 89
Since it is 0 ° C., which is lower than the heat treatment temperature, poling is necessary. PLZT (Pb 1-x La x ) (Zr y Ti 1-y) 1-x /
4 O 3 ) is also a material exhibiting a large electro-optical effect, and a single crystal film can be grown on a sapphire substrate by, for example, a sputtering method. The refractive index distribution in LiNbO 3 becomes Gaussian in the depth direction by the Ti diffusion method and step-like in the proton exchange method, but becomes Gaussian by heat treatment. These LiNbO 3 -based optical waveguides usually operate in a single mode. Further, Table 1 shows an example of the materials of the core and the clad which can be used in the first embodiment, and an example of the manufacturing method.

【0026】[0026]

【表1】 グレーデッドインデックス型光導波路(第1の実施形態) ―――――――――――――――――――――――――――――――――― コア クラッド 製造方法 ―――――――――――――――――――――――――――――――――― Ti:LiNbO3 LiNbO3 熱拡散法 Nb:LiTaO3 LiTaO3 熱拡散法 Cu:LiTaO3 LiTaO3 熱拡散法 ――――――――――――――――――――――――――――――――――[Table 1] Graded index optical waveguide (first embodiment) ――――――――――――――――――――――――――――――― ― Core clad manufacturing method ―――――――――――――――――――――――――――――――― Ti: LiNbO 3 LiNbO 3 thermal diffusion method Nb: LiTaO 3 LiTaO 3 thermal diffusion method Cu: LiTaO 3 LiTaO 3 thermal diffusion method ――――――――――――――――――――――――――――――――

【0027】次いで、第2の実施形態に係るSiO2
Si光導波路115(図2)の製造方法について説明す
る。ここでは、例えば、火炎堆積法や反応性イオンエッ
チング法が用いられる。図2において、Si基板121
上に火炎堆積法を用いて多孔質ガラス膜を酸水素火炎に
より堆積し、これを加熱透明化して厚み方向に屈折率分
布を有する一様膜を繰り返し形成することにより、チャ
ンネル131、コア132、及びチャネル133を形成
する。次いで、a−Siをマスクとして反応性イオンエ
ッチング法を用いてエッチングを施し、光導波路パター
ンを形成する。さらに、クラッドとなるSi堆積層12
2を、火炎堆積法を用いて堆積した後、再び加熱透明化
して光導波路を得る。また、例えば、CVD法は、原料
ガスの熱酸化によって基板上に多孔質膜あるいは透明膜
を得るものである。RFスパッタリング法では、ターゲ
ット組成を選ぶことにより屈折率の制御された光導波膜
を得ることができる。
Next, according to the second embodiment, the SiO 2 /
A method for manufacturing the Si optical waveguide 115 (FIG. 2) will be described. Here, for example, a flame deposition method or a reactive ion etching method is used. 2, the Si substrate 121
A channel 131, a core 132, and a porous glass film are deposited by oxy-hydrogen flame using a flame deposition method, and are heated and made transparent to repeatedly form a uniform film having a refractive index distribution in a thickness direction. And a channel 133 are formed. Next, etching is performed using reactive ion etching with a-Si as a mask to form an optical waveguide pattern. Further, the Si deposition layer 12 serving as a clad
2 is deposited by using a flame deposition method, and is then heated and made transparent again to obtain an optical waveguide. In addition, for example, in the CVD method, a porous film or a transparent film is obtained on a substrate by thermal oxidation of a source gas. In the RF sputtering method, an optical waveguide film having a controlled refractive index can be obtained by selecting a target composition.

【0028】また、石英ガラスにてなるSi基板121
などの石英系基板に代えて、ポロシリケイトガラスやソ
ーダライムガラスなどのガラス系基板等の誘電体基板を
用いてもよい。この場合、公知のイオン交換法やスパッ
タリング法を用いて高屈折率部を形成することにより光
導波路を形成することができる。さらに、第2の実施形
態で使用できるコア、クラッド及びチャネルの材料並び
に製造方法の一例を表2に示す。
Also, a Si substrate 121 made of quartz glass
A dielectric substrate such as a glass-based substrate such as borosilicate glass or soda-lime glass may be used instead of the quartz-based substrate. In this case, an optical waveguide can be formed by forming a high refractive index portion using a known ion exchange method or sputtering method. Further, Table 2 shows an example of the materials of the core, the cladding, and the channel that can be used in the second embodiment, and an example of the manufacturing method.

【0029】[0029]

【表2】 ステップインデックス型光導波路(第2の実施形態) ―――――――――――――――――――――――――――――――――― コア クラッド チャネル 製造方法 ――――――――――――――――――――――――――――――――――コーニンク゛ 7059 ハ゛イコールカ゛ラス 溶融石英(SiO2) RFスハ゜ッタリンク゛法コーニンク゛ 7059 ハ゜イレックスカ゛ラス 溶融石英(SiO2) RFスハ゜ッタリンク゛法コーニンク゛ 7059 ソータ゛カ゛ラス 溶融石英(SiO2) RFスハ゜ッタリンク゛法コーニンク゛ 7059 ソータ゛カ゛ラス ハ゛イコールカ゛ラス RFスハ゜ッタリンク゛法コーニンク゛ 7059 ソータ゛カ゛ラス ハ゜イレックスカ゛ラス RFスハ゜ッタリンク゛法ソータ゛カ゛ラス ハ゛イコールカ゛ラス 溶融石英(SiO2) RFスハ゜ッタリンク゛法ソータ゛カ゛ラス ハ゜イレックスカ゛ラス 溶融石英(SiO2) RFスハ゜ッタリンク゛法 GeO2ト゛ーフ゜ソータ゛カ゛ラス 溶融石英(SiO2) Fト゛ーフ゜溶融石英 CVD法ホ゜リウレタン ソータ゛カ゛ラス PMMA スヒ゜ンコート法エホ゜キシ ソータ゛カ゛ラス PMMA スヒ゜ンコート法フォトレシ゛スト ソータ゛カ゛ラス PMMA スヒ゜ンコート法 ――――――――――――――――――――――――――――――――――[Table 2] Step-index type optical waveguide (second embodiment) ―――――――――――――――――――――――――――――――― Core Clad channel Manufacturing method ―――――――――――――――――――――――――――――――――――― Koningk 7059 High-color glass Fused quartz (SiO 2 ) RF Suha ° Ttarinku Bu method Koninku Bu 7059 Pas Irekkusuka Bu Las fused silica (SiO 2) RF Suha ° Ttarinku Bu method Koninku Bu 7059 sorter Bu Ka Bu Las fused silica (SiO 2) RF Suha ° Ttarinku Bu method Koninku Bu 7059 sorter Bu Ka Bu Las Ha Bu Ikoruka Bu Las RF Suha ° Ttarinku Bu method Koninku Bu 7059 sorter Bu Ka Bu Las Pas Irekkusuka Bu Las RF Suha ° Ttarinku Bu method sorter Bu Ka Bu Las Ha Bu Ikoruka Bu Las Fused quartz (SiO 2 ) RF shutter link method saw Takaras Hirex glass Fused quartz (SiO 2 ) RF shutter link method GeO 2 tow sorter glass Fused quartz (SiO 2 ) F-top fused quartz CVD method Polyurethane sorter glass PMMA Shen coat method Law ――――――――――――――――――――――――――――――――――

【0030】次いで、第1及び第2の実施形態におい
て、より高い複屈折分散dB/dλを得るための方法に
ついて説明する。Ti:LiNbO3光導波路は、その
一軸屈折率ne及びnoのために、波長1.55μmにお
いて極めて高い複屈折B=0.065を示すことができ
る。しかしながら、複屈折分散dB/dλの方は、波長
1.55μmでわずかに約2.5×10-3μm-1であ
る。これに対して、ステップインデックス型SiO2
Si光導波路は、加工及び光ファイバとの接続が容易で
ある。但し、複屈折B及び複屈折分散dB/dλは、従
来技術では通常、図4が示すほどには高くない。従っ
て、より高い複屈折分散dB/dλを得るためには、新
たな光導波路構造を発明する必要がある。
Next, a method for obtaining a higher birefringence dispersion dB / dλ in the first and second embodiments will be described. Ti: LiNbO 3 optical waveguide, due to its uniaxial refractive index n e and n o, can exhibit a very high birefringence B = 0.065 at a wavelength of 1.55 .mu.m. However, the birefringence dispersion dB / dλ is only about 2.5 × 10 −3 μm −1 at a wavelength of 1.55 μm. In contrast, the step index type SiO 2 /
The Si optical waveguide is easy to process and connect to the optical fiber. However, the birefringence B and the birefringence dispersion dB / dλ are usually not as high in the prior art as shown in FIG. Therefore, in order to obtain a higher birefringence dispersion dB / dλ, it is necessary to invent a new optical waveguide structure.

【0031】本発明に係る第1の実施形態においては、
図1(a)及び(b)に示すように、LiNbO3基板
111に対してTi拡散法により形成された2つのコア
112に対応して2つのピークの屈折率n1を有するグ
レーデッドインデックス型Ti:LiNbO3光導波路
110が示されている。一方、第2の実施形態において
は、図2(a)に示すように、SiO2にてなり、コア
132がチャネル131,132によって挟設されかつ
これらがSi基板121及びSi堆積層122からなる
クラッド120で取り囲まれてなるステップインデック
ス型SiO2/Si光導波路115が示されている。図
2の例では、その屈折率は、図2(b)に示すように、
(コア132の屈折率n1)>(クラッド120の屈折
率n0)>(チャネル131,133の屈折率n2)に設
定されている。
In the first embodiment according to the present invention,
As shown in FIGS. 1A and 1B, a graded index type having two peak refractive indices n 1 corresponding to two cores 112 formed on a LiNbO 3 substrate 111 by a Ti diffusion method. A Ti: LiNbO 3 optical waveguide 110 is shown. On the other hand, in the second embodiment, as shown in FIG. 2A, the core 132 is made of SiO 2 , the core 132 is sandwiched between the channels 131 and 132, and these consist of the Si substrate 121 and the Si deposition layer 122. A step index type SiO 2 / Si optical waveguide 115 surrounded by a clad 120 is shown. In the example of FIG. 2, the refractive index is, as shown in FIG.
(Refractive index n 1 of core 132)> (refractive index n 0 of clad 120)> (refractive index n 2 of channels 131 and 133).

【0032】図5は、従来例及び第1と第2の実施形態
の光導波路における複屈折分散の波長特性を示すグラフ
である。図5から明らかなように、それぞれ波長1.5
5μmにおいて、グレーデッドインデックス型Ti:L
iNbO3光導波路の構造で、複屈折分散dB/dλ=
5.0×10-3μm-1が得られている。また、詳細後述
する第2の実施形態の第2の変形例に係るAlGaAs
/GaAs光導波路の構造では、比較的高い複屈折分散
dB/dλ=3.8×10-3μm-1が得られている。
FIG. 5 is a graph showing the wavelength characteristics of the birefringence dispersion in the optical waveguides of the conventional example and the first and second embodiments. As is clear from FIG.
At 5 μm, graded index type Ti: L
In the structure of the iNbO 3 optical waveguide, the birefringence dispersion dB / dλ =
5.0 × 10 −3 μm −1 is obtained. Also, an AlGaAs according to a second modification of the second embodiment described in detail later.
In the structure of the / GaAs optical waveguide, a relatively high birefringence dispersion dB / dλ = 3.8 × 10 −3 μm −1 is obtained.

【0033】図6は、従来例及び第1の実施形態に係る
光導波路の構造、屈折率分布特性及び複屈折分散を示す
図である。図6において、光波長の範囲λ=1.5μm
乃至1.6μm、中心光波長λ0=1.55μm、拡散
前のコアストリップの厚さh=0.075μm、Tiの
x方向の拡散定数=4μm、Tiのy方向の拡散定数D
y=3.5μm、中心の屈折率の位置y=0μmであ
る。また、dはピーク間の間隔であり、wは光導波路の
開始幅(デフォルト値)である。
FIG. 6 is a diagram showing the structure, refractive index distribution characteristics, and birefringence dispersion of an optical waveguide according to the conventional example and the first embodiment. In FIG. 6, the range of light wavelength λ = 1.5 μm
To 1.6 μm, center light wavelength λ 0 = 1.55 μm, thickness h of the core strip before diffusion = 0.075 μm, diffusion constant of Ti in the x direction = 4 μm, diffusion constant D of Ti in the y direction
y = 3.5 μm, and the center refractive index position y = 0 μm. Also, d is the interval between peaks, and w is the starting width (default value) of the optical waveguide.

【0034】図6から明らかなように、水平方向の長さ
に対する屈折率を示す屈折率分布特性において、2つ又
は3つのピークの屈折率を有するTi:LiNbO3
導波路110では、1つのピークの屈折率を有する従来
例に比較して高い複屈折分散dB/dλを有する。以上
の実施形態においては、2つ又は3つのピーク(極大値
又は最大値)の屈折率を有する光導波路について述べて
いるが、本発明はこれに限らず、4つ以上の複数のピー
ク(極大値又は最大値)の屈折率を有する光導波路を構
成しても、従来例に比較して高い複屈折分散dB/dλ
を有する光導波路を得ることができる。
As is clear from FIG. 6, in the refractive index distribution characteristic indicating the refractive index with respect to the length in the horizontal direction, in the Ti: LiNbO 3 optical waveguide 110 having the refractive index of two or three peaks, one peak is obtained. Has a higher birefringence dispersion dB / dλ than the conventional example having a refractive index of In the above embodiments, the optical waveguide having a refractive index of two or three peaks (maximum value or maximum value) is described. However, the present invention is not limited to this, and four or more peaks (maximum values) are used. Value or the maximum value), the birefringence dispersion dB / dλ is higher than that of the conventional example.
Can be obtained.

【0035】図7は、第2の実施形態のSiO2層の構
成を示す縦断面図であり、図9乃至図17において示す
種々の実施例においてコア132及びチャネル131,
133を構成する合計複数N層のSiO2層135−1
乃至135−Nを示している。ここで、各SiO2層1
35−1乃至135−Nの屈折率分布特性は、例えば、
図8に示すように、矩形パルス形状141であってもよ
いし、その上部が丸められた形状142であってもよい
し、さらに下部が広げられた形状143であってもよ
い。すなわち、実質的に矩形パルス形状であればよい。
また、より高い複屈折分散dB/dλを得るためには、
第2の実施形態において、SiO2層である、コア13
2及びチャンネル131,133となる複数の層の厚さ
はそれぞれ各層において実質的に同一の厚さで保持され
ていることが好ましい。
FIG. 7 is a longitudinal sectional view showing the structure of the SiO 2 layer according to the second embodiment. In various examples shown in FIGS.
133, a total of N layers of SiO 2 layers 135-1
To 135-N. Here, each SiO 2 layer 1
The refractive index distribution characteristics of 35-1 to 135-N are, for example,
As shown in FIG. 8, the shape may be a rectangular pulse shape 141, an upper portion may have a rounded shape 142, or a lower portion may have an expanded shape 143. That is, it is sufficient if the shape is substantially a rectangular pulse.
In order to obtain a higher birefringence dispersion dB / dλ,
In the second embodiment, the core 13 is a SiO 2 layer.
It is preferable that the thicknesses of the plurality of layers serving as the channel 2 and the channels 131 and 133 are maintained at substantially the same thickness in each layer.

【0036】図9乃至図17は、それぞれ第2の実施形
態に係る光導波路の種々の実施例の構造、屈折率分布特
性及び複屈折分散を示す図である。ここで、光波長λ=
1.5乃至1.6μm、幅b(μm)及び厚さa1乃至
N(μm)を有する複数N層を仮定している。また、
各屈折率のパラメータは以下の通りである。 n0=ncl=1.45,Δn+=nco−n0≦0.1,Δ
-=nch−n0≧−0.02,n-=1.43,n1
1.46,n2=1.48,n3=1.5,n4=1.5
2,n5=1.55。 ここで、nclはクラッド120の屈折率であり、nch
チャネル131,133の屈折率であり、ncoはコア1
32の屈折率である。
FIGS. 9 to 17 are views showing the structures, refractive index distribution characteristics and birefringence dispersion of various examples of the optical waveguide according to the second embodiment. Here, the light wavelength λ =
It is assumed that a plurality of N layers having a thickness of 1.5 to 1.6 μm, a width b (μm) and a thickness a 1 to a N (μm) are used. Also,
The parameters of each refractive index are as follows. n 0 = n cl = 1.45, Δn + = n co −n 0 ≦ 0.1, Δ
n = n ch −n 0 ≧ −0.02, n = 1.43, n 1 =
1.46, n 2 = 1.48, n 3 = 1.5, n 4 = 1.5
2, n 5 = 1.55. Here, n cl is the refractive index of the cladding 120, n ch is the refractive index of the channels 131 and 133, and n co is the core 1
A refractive index of 32.

【0037】図9乃至図17の種々の実施例から明らか
なように、より高い複屈折分散dB/dλを得るために
は、以下の条件が好ましい。 (1)複数の層は少なくとも3つの層を備え、コア13
2となる層は2つのチャネル131,133によって挟
設されている。 (2)チャネル131,133となる層の材料の屈折率
は、クラッド132となる材料の屈折率n0に比較して
小さい。 (3)コア132となる層の材料の屈折率は、チャネル
131,133となる材料の屈折率に比較して、水平方
向の長さに対して急峻に変化することが好ましく、より
好ましくは、1.08倍(=n5/n-)以上である(例
えば、図9(a)、図10、図11、図12,図13な
ど)。 (4)屈折率分布特性において複数の極大値の屈折率を
有する。ここで、より好ましくは、複数の極大値の屈折
率のうち2つは互いに異なる。すなわち、最大値の屈折
率n5と、次いで大きい屈折率n4を有する(例えば、
図11(b)、図13(c)、図13(d)、図14
(b),図16(b)、図17(c)など)。
As apparent from the various embodiments shown in FIGS. 9 to 17, the following conditions are preferable in order to obtain a higher birefringence dispersion dB / dλ. (1) The plurality of layers includes at least three layers, and the core 13
The layer to be 2 is sandwiched between two channels 131 and 133. (2) The refractive index of the material of the layer to be the channels 131 and 133 is smaller than the refractive index n 0 of the material of the clad 132. (3) The refractive index of the material of the layer to be the core 132 preferably changes steeply with respect to the length in the horizontal direction as compared with the refractive index of the material to be the channels 131 and 133, and more preferably, It is 1.08 times (= n 5 / n ) or more (for example, FIG. 9A, FIG. 10, FIG. 11, FIG. 12, FIG. 13, etc.). (4) It has a plurality of maximum value refractive indexes in the refractive index distribution characteristics. Here, more preferably, two of the plurality of maximum value refractive indexes are different from each other. That is, it has a maximum refractive index n5 and a second highest refractive index n4 (for example,
11 (b), 13 (c), 13 (d), 14
(B), FIG. 16 (b), FIG. 17 (c), etc.).

【0038】<第2の実施形態の第1の変形例>図18
は第2の実施形態の第1の変形例のPMMA光導波路に
係る種々の実施例の構造、屈折率分布特性及び複屈折分
散を示す図である。この第1の変形例では、クラッド1
20としてSiに代えてPMMA(ポリメチルメタクリ
レート)を用い、コア132やチャネル131,133
ではSiO2に代えてPMMAにF(フッ素)を添加す
ることにより高屈折率部を得ている。ここで、Fの含有
量を変化することによりコア132とチャネル131,
133を形成することができる。
<First Modification of Second Embodiment> FIG.
FIG. 9 is a diagram showing structures, refractive index distribution characteristics, and birefringence dispersion of various examples of a PMMA optical waveguide according to a first modification of the second embodiment. In this first modification, the cladding 1
20 is made of PMMA (polymethyl methacrylate) instead of Si, and the core 132 and channels 131 and 133 are used.
In JP, a high refractive index portion is obtained by adding F (fluorine) to PMMA instead of SiO 2 . Here, the core 132 and the channels 131,
133 can be formed.

【0039】この第1の変形例の光導波路はいわゆるポ
リマー光導波路と呼ばれており、公知の選択光重合法又
はフォトロンキング法、もしくは色素をポリマー内にも
ち光照射により分解させて屈折率差をつける方法を用い
て作成することができる。ここで、PMMAのフッ素含
有量を変化することにより、屈折率は一般に1.36か
ら1.48まで変化させることができる。
The optical waveguide of the first modified example is called a so-called polymer optical waveguide, and has a refractive index by a known selective photopolymerization method or photolonking method, or by dissolving a dye in a polymer by irradiating light. It can be created using a method that makes a difference. Here, by changing the fluorine content of PMMA, the refractive index can generally be changed from 1.36 to 1.48.

【0040】以上の第1の変形例において、PMMAを
用いているが、本発明はこれに限らず、ポリイミドなど
の樹脂等の誘電体を用いてもよい。
Although PMMA is used in the above first modification, the present invention is not limited to this, and a dielectric such as a resin such as polyimide may be used.

【0041】<第2の実施形態の第2の変形例>図19
は第2の実施形態の第2の変形例のAlGaAs/Ga
As光導波路に係る種々の実施例の構造、屈折率分布特
性及び複屈折分散を示す図である。この第2の変形例で
は、クラッド120としてSiに代えてGaAsを用
い、コア132やチャネル131,133ではSiO2
に代えてAlxGa1-xAsを用いている。ここで、図2
0に示すようにxを変化することにより屈折率を変化さ
せて高屈折率部を得ることができるとともに、コア13
2とチャネル131,133の屈折率差を形成すること
ができる。図20から明らかなように、AlxGa1-x
sにおけるxを0から1まで変化させることにより屈折
率は約3.37から約2.88まで変化する。
<Second Modification of Second Embodiment> FIG.
Is AlGaAs / Ga of the second modification of the second embodiment.
It is a figure which shows the structure of various Examples regarding an As optical waveguide, a refractive index distribution characteristic, and birefringence dispersion. In the second modification, GaAs is used as the cladding 120 instead of Si, and the core 132 and the channels 131 and 133 are made of SiO 2.
Instead of Al x Ga 1 -x As. Here, FIG.
By changing x as shown by 0, the refractive index can be changed to obtain a high refractive index portion, and the core 13
2 and channels 131 and 133 can have a difference in refractive index. As is clear from FIG. 20, Al x Ga 1 -x A
Changing x in s from 0 to 1 changes the index of refraction from about 3.37 to about 2.88.

【0042】以上の変形例では、GaAsなどの半導体
を用いているが、InGaAs、InP、GaN、Si
Geなどの半導体を用いてもよい。
In the above-described modified example, a semiconductor such as GaAs is used, but InGaAs, InP, GaN, Si
A semiconductor such as Ge may be used.

【0043】<第3の実施形態>図3は、本発明に係る
第3の実施形態であるSiO2/Si光導波路116の
構造を示す縦断面図である。この第3の実施形態は、ク
ラッド120となるSi基板121上に、矩形形状に突
出部を付加した多角形の断面形状を有しかつクラッド1
20よりも大きな屈折率を有するコア130となる複数
のSiO2層136−1,136−2を形成した後、複
数のSiO2層136−1,136−2を取り囲むよう
にクラッドとなるSi堆積層122を形成したことを特
徴としている。ここで、複数のSiO2層136−1,
136−2は例えば同一の屈折率を有するものである。
<Third Embodiment> FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing the structure of a SiO 2 / Si optical waveguide 116 according to a third embodiment of the present invention. The third embodiment has a polygonal cross-sectional shape in which a protruding portion is added to a rectangular shape on a Si substrate 121 serving as a clad 120, and the clad 1
After forming a plurality of SiO 2 layers 136-1 and 136-2 to be the cores 130 having a refractive index larger than 20, a Si deposition serving as a clad is formed to surround the plurality of SiO 2 layers 136-1 and 136-2. The feature is that the layer 122 is formed. Here, the plurality of SiO 2 layers 136-1,
136-2 have, for example, the same refractive index.

【0044】図21は、従来例及び第3の実施形態に係
る光導波路の種々の実施例の構造、屈折率分布特性及び
複屈折分散を示す図である。ここで、光波長λ=1.5
乃至1.6μmであり、Δn+=(コア130の屈折率
co)−(クラッド120の屈折率ncl)=0.1、ク
ラッド120の屈折率ncl=1.45である。図21か
ら明らかなように、第3の実施形態に係る光導波路のコ
ア130は、矩形形状に少なくとも1つの突出部を付加
した多角形の断面形状を有しており、より好ましくは、
矩形形状に複数の突出部を付加した形状を有し、さらに
好ましくは、外形形状が階段形状で変化していることが
好ましい。
FIG. 21 is a diagram showing the structure, refractive index distribution characteristics and birefringence dispersion of various examples of the optical waveguide according to the conventional example and the third embodiment. Here, the light wavelength λ = 1.5
To a 1.6 [mu] m, [Delta] n + = (refractive index n co of the core 130) - (the refractive index n cl of the cladding 120) = 0.1, a refractive index n cl = 1.45 cladding 120. As is clear from FIG. 21, the core 130 of the optical waveguide according to the third embodiment has a polygonal cross-sectional shape obtained by adding at least one protrusion to a rectangular shape, and more preferably,
It has a shape in which a plurality of protrusions are added to a rectangular shape, and more preferably, the outer shape changes in a step-like shape.

【0045】図22は、本発明に係る分散シフト光ファ
イバケーブルの屈折率分布特性の形状の種々の変形例を
示す図である。本発明に係る光導波路の屈折率分布特性
の形状については、上述の形状に限定されず、図22に
示すように、三角形状、台形形状、ディプレスト形状、
セグメントコア形状、階段形状であってもよい。
FIG. 22 is a view showing various modified examples of the shape of the refractive index distribution characteristic of the dispersion shifted optical fiber cable according to the present invention. The shape of the refractive index distribution characteristic of the optical waveguide according to the present invention is not limited to the shape described above, and as shown in FIG. 22, a triangular shape, a trapezoidal shape, a depressed shape,
It may have a segment core shape or a step shape.

【0046】以上説明したように、本発明に係る実施形
態の光導波路によれば、広帯域波長範囲にわたって、従
来例に比較して改善された高い複屈折分散を得ることが
できる。以下、第1乃至第3の実施形態に係る光導波路
を用いた応用例について説明する。
As described above, according to the optical waveguide of the embodiment of the present invention, it is possible to obtain a high improved birefringence dispersion over the conventional example over a wide wavelength range. Hereinafter, application examples using the optical waveguide according to the first to third embodiments will be described.

【0047】<応用例>図23は、本発明に係る光導波
路装置を用いた応用例の光制御型フェーズドアレーアン
テナ装置の構成を示すブロック図である。この光制御型
フェーズドアレーアンテナ装置は、公知の波長可変光源
装置10a,10b,10cと、ラミポール偏光子45
が形成された複屈折性光導波路装置80とを用いて、波
長可変光源装置10a,10b,10cから出力される
光信号の波長を変化させることにより、リニアアレーで
配列されたアレーアンテナ70から放射される各ビーム
の指向方向を変化させることを特徴としている。
<Application Example> FIG. 23 is a block diagram showing a configuration of a light-controlled phased array antenna apparatus of an application example using the optical waveguide device according to the present invention. This optically controlled phased array antenna device includes a known wavelength variable light source device 10a, 10b, 10c and a Ramipole polarizer 45.
By using the birefringent optical waveguide device 80 on which the optical signal is formed to change the wavelength of the optical signal output from the wavelength tunable light source devices 10a, 10b, and 10c, the light is radiated from the array antenna 70 arranged in a linear array. It is characterized in that the directivity direction of each beam is changed.

【0048】図23において、波長可変光源装置10
a,10b,10cの出力端は、図20の光アイソレー
タ12の出力端に対応する。ここで、各波長可変光源装
置10a,10b,10cは、垂直偏波成分の波長と水
平偏波成分の波長との周波数差を一定に保持しながら発
光する光の波長を変化可能な公知の波長可変光源装置で
ある。
In FIG. 23, the wavelength variable light source device 10
The output terminals of a, 10b, and 10c correspond to the output terminals of the optical isolator 12 in FIG. Here, each of the variable wavelength light source devices 10a, 10b, and 10c is a known wavelength capable of changing the wavelength of emitted light while maintaining a constant frequency difference between the wavelength of the vertical polarization component and the wavelength of the horizontal polarization component. It is a variable light source device.

【0049】図23において、波長可変光源装置10
a,10b,10cから出力される光信号の波長は、ビ
ームコントローラ30により、波長可変光源装置10
a,10b,10c内の回折格子板6(図20参照。)
の回転角度を変化することにより変化させ、これによ
り、詳細後述するように、アレーアンテナ70から放射
される指向方向を変化させる。ここで、波長可変光源装
置10a,10b,10cから出力される光信号は、互
いに直交する垂直偏光成分と水平偏光成分とを含み、そ
れらの間の差周波数は各装置10a,10b,10c毎
で異なり、装置10aが差周波数Δf1を有し、装置1
0bが差周波数Δf2を有し、装置10cが差周波数Δ
f3を有しているとき、アレーアンテナ70から放射さ
れる無線信号のビームB1は差周波数Δf1の無線周波
数を有し、無線信号のビームB2は差周波数Δf2の無
線周波数を有し、無線信号のビームB3は差周波数Δf
3の無線周波数を有する。
In FIG. 23, the wavelength variable light source device 10
The wavelengths of the optical signals output from the a, b, and c are controlled by the beam controller 30 by the wavelength tunable light source device 10.
Diffraction grating plate 6 in a, 10b, 10c (see FIG. 20)
By changing the rotation angle of the array antenna 70, the directional direction radiated from the array antenna 70 is changed as described later in detail. Here, the optical signals output from the wavelength tunable light source devices 10a, 10b, and 10c include a vertical polarization component and a horizontal polarization component that are orthogonal to each other, and the difference frequency therebetween is different for each of the devices 10a, 10b, and 10c. Differently, device 10a has a difference frequency Δf1,
0b has the difference frequency Δf2 and the device 10c has the difference frequency Δf2.
When f3, the beam B1 of the radio signal radiated from the array antenna 70 has a radio frequency of the difference frequency Δf1, the beam B2 of the radio signal has a radio frequency of the difference frequency Δf2, Beam B3 has a difference frequency Δf
3 radio frequencies.

【0050】波長可変光源装置10aから出力される光
信号は、互いに直交する垂直偏光成分と水平偏光成分と
を含み、偏向ビームスプリッタ32aにより偏向分離さ
れ、一方の水平偏波成分の光信号は、入力される第1の
デジタルデータ信号に従って光信号を強度変調する外部
光変調器(以下、EOMという。)31aを介して偏向
ビームスプリッタ33aに入力される一方、他方の水平
偏波成分の光信号は、そのまま偏向ビームスプリッタ3
3aに入力される。偏向ビームスプリッタ33aは、入
力される2つの光信号を偏向合波して複屈折性光導波路
装置80内の光導波路41aに出力する。ここで、水平
偏向成分の光信号は第2の従来例における基準光信号と
して用いられ、フォトダイオード51−1乃至51−N
における2乗検波における局部発振信号として用いられ
る。従って、偏向ビームスプリッタ32a,33aとE
OM31aにより、垂直偏波成分の光信号のみを光変調
する光変調装置60aを構成している。
The optical signal output from the wavelength tunable light source device 10a includes a vertical polarization component and a horizontal polarization component orthogonal to each other, and is deflected and separated by the deflecting beam splitter 32a. The optical signal of the other horizontal polarization component is input to the deflection beam splitter 33a via an external optical modulator (hereinafter, referred to as EOM) 31a for intensity-modulating the optical signal according to the input first digital data signal. Is the deflection beam splitter 3
3a. The deflection beam splitter 33a deflects and combines the two input optical signals and outputs the resultant signal to the optical waveguide 41a in the birefringent optical waveguide device 80. Here, the optical signal of the horizontal deflection component is used as a reference optical signal in the second conventional example, and the photodiodes 51-1 to 51-N
Are used as local oscillation signals in the square detection. Therefore, the deflection beam splitters 32a, 33a and E
The OM 31a constitutes an optical modulation device 60a that optically modulates only the optical signal of the vertical polarization component.

【0051】また、波長可変光源装置10bから出力さ
れる光信号は、互いに直交する垂直偏光成分と水平偏光
成分とを含み、光変調装置60aと同様に、偏向ビーム
スプリッタ32b,33b及びEOM31bにより構成
される光変調装置60bを介して複屈折性光導波路装置
80内の光導波路41bに出力する。ここで、EOM3
1bは、入力される水平偏波成分の光信号を、第2のデ
ジタルデータ信号に従って強度変調して出力する。
The optical signal output from the wavelength tunable light source device 10b includes a vertical polarization component and a horizontal polarization component orthogonal to each other, and includes the deflection beam splitters 32b and 33b and the EOM 31b, like the optical modulation device 60a. The light is output to the optical waveguide 41b in the birefringent optical waveguide device 80 via the optical modulator 60b. Here, EOM3
1b intensity-modulates the input optical signal of the horizontally polarized component according to the second digital data signal and outputs the modulated signal.

【0052】さらに、波長可変光源装置10cから出力
される光信号は、互いに直交する垂直偏光成分と水平偏
光成分とを含み、光変調装置60a,60bと同様に、
偏向ビームスプリッタ32c,33c及びEOM31c
により構成される光変調装置60cを介して複屈折性光
導波路装置80内の光導波路41cに出力する。ここ
で、EOM31cは、入力される水平偏波成分の光信号
を、第3のデジタルデータ信号に従って強度変調して出
力する。
Further, the optical signal output from the wavelength tunable light source device 10c includes a vertical polarization component and a horizontal polarization component which are orthogonal to each other, and is similar to the optical modulation devices 60a and 60b.
Deflection beam splitters 32c, 33c and EOM 31c
The light is output to the optical waveguide 41c in the birefringent optical waveguide device 80 via the optical modulator 60c composed of Here, the EOM 31c modulates the intensity of the input optical signal of the horizontal polarization component according to the third digital data signal, and outputs the resultant signal.

【0053】なお、波長可変光源装置10aと、複屈折
性光導波路装置80の光導波路41aとの間、波長可変
光源装置10bと、複屈折性光導波路装置80の光導波
路41bとの間、及び波長可変光源装置10cと、複屈
折性光導波路装置80の光導波路41cとの間は、好ま
しくは、光ファイバケーブルで接続して構成され、とっ
て代わって光導波路で接続して構成されてもよい。
The variable wavelength light source device 10a and the optical waveguide 41a of the birefringent optical waveguide device 80, the variable wavelength light source device 10b and the optical waveguide 41b of the birefringent optical waveguide device 80, and The wavelength tunable light source device 10c and the optical waveguide 41c of the birefringent optical waveguide device 80 are preferably connected by an optical fiber cable, and may be connected by an optical waveguide instead. Good.

【0054】複屈折性光導波路装置80において、光導
波路41a,41b,41cは、その装置80の縁端部
からTi拡散による2次元光導波路42の一方の縁端部
まで導かれるように、LiNbO3にてなる複屈折性光
導波路基板40上に形成される。Ti拡散による2次元
光導波路42は、複屈折性光導波路基板40内におい
て、公知のTi拡散方法により形成され、光導波路41
a,41b,41cの縁端部から出射される3つの光信
号について、当該基板40の厚さ方向である上下方向
(垂直偏波成分の偏波変化方向に対応する。)のみに対
して光を閉じ込める長方形の面状の光導波路である。T
i拡散による2次元光導波路42の一方の縁端部に対向
する他方の縁端部には、複数N本の光導波路44−1乃
至44−Nが接続される。
In the birefringent optical waveguide device 80, the optical waveguides 41 a, 41 b, and 41 c are made of LiNbO 4 so as to be guided from the edge of the device 80 to one edge of the two-dimensional optical waveguide 42 by Ti diffusion. 3 is formed on the birefringent optical waveguide substrate 40. The two-dimensional optical waveguide 42 formed by Ti diffusion is formed in the birefringent optical waveguide substrate 40 by a known Ti diffusion method.
With respect to the three optical signals emitted from the edge portions of a, 41b, and 41c, light is emitted only in the vertical direction (corresponding to the polarization change direction of the vertical polarization component) that is the thickness direction of the substrate 40. Is a rectangular planar optical waveguide for confining the optical waveguide. T
A plurality N of optical waveguides 44-1 to 44-N are connected to one edge of the two-dimensional optical waveguide 42 by i-diffusion, which is opposite to the other edge.

【0055】光導波路41aから出射された光信号は当
該2次元光導波路42の面内で横方向に広がってすべて
の光導波路44−1乃至44−Nの入射部に入射する。
また、光導波路41bから出射された光信号は、同様
に、当該2次元光導波路42の面内で横方向に広がって
すべての光導波路44−1乃至44−Nの入射部に入射
する。さらに、光導波路41cから出射された光信号
は、同様に、当該2次元光導波路42の面内で横方向に
広がってすべての光導波路44−1乃至44−Nの入射
部に入射する。従って、2次元光導波路42は、3個の
光導波路41a,41b,41cからそれぞれ出力され
る各光信号を、光スターカプラ形式でN本の光導波路4
4−1乃至44−Nに分配して出力する。
The optical signal emitted from the optical waveguide 41a spreads in the horizontal direction within the plane of the two-dimensional optical waveguide 42 and enters the incident portions of all the optical waveguides 44-1 to 44-N.
Similarly, the optical signal emitted from the optical waveguide 41b spreads in the horizontal direction within the plane of the two-dimensional optical waveguide 42 and enters the incident portions of all the optical waveguides 44-1 to 44-N. Further, similarly, the optical signal emitted from the optical waveguide 41c spreads in the horizontal direction within the plane of the two-dimensional optical waveguide 42 and enters the incident portions of all the optical waveguides 44-1 to 44-N. Accordingly, the two-dimensional optical waveguide 42 converts each optical signal output from each of the three optical waveguides 41a, 41b, 41c into N optical waveguides 4 in the form of an optical star coupler.
4-1 to 44-N and output.

【0056】光導波路44−1乃至44−Nは、公知の
Ti拡散方法により形成されたTi拡散による3次元光
導波路43であり、2次元光導波路42から光導波路4
4−1乃至44−Nに入射した複数N本の光信号につい
て、当該基板40の厚さ方向である上下方向(垂直偏波
成分の偏波変化方向に対応する。)及びその厚さ方向に
垂直な方向である左右方向(横方向;水平偏波成分の偏
波変化方向に対応する。)に対して光を閉じ込めてシン
グルモードで光信号を伝搬させる光導波路である。ここ
で、光導波路44−1乃至44−Nは互いに光路差が例
えば1mmだけ異なるように例えば昇順で各光路長を、
アレーアンテナ70のアンテナ素子53−1乃至53−
Nの設置位置に対応して変化させている。Ti拡散によ
る3次元光導波路43の各光導波路44−1乃至44−
Nの他方の端部には、InP層上にInGaAs層を形
成するように、直接的に一括してコーティングすること
によりラミポール型偏光子45が形成され、ラミポール
型偏光子45は各光導波路44−1乃至44−Nから出
射される光信号の垂直偏波成分と水平偏波成分とから約
45度だけ傾斜された偏向成分のみを偏向抽出して出力
する光学素子である。この場合、ラミポール型偏光子4
5は、光信号の垂直偏波成分と水平偏波成分の両方の偏
波成分をそれぞれ若干減衰しながらも偏向抽出して各フ
ォトダイオード51−1乃至51−Nに出力する。な
お、ラミポール型偏光子45は上述のように一括コーテ
ィングしてもいいし、もしくは、各光導波路44−1乃
至44−Nに対して個別にコーティングして形成しても
よい。
The optical waveguides 44-1 through 44-N are three-dimensional optical waveguides 43 formed by a known Ti diffusion method and formed by Ti diffusion.
Regarding a plurality of N optical signals incident on 4-1 to 44-N, the vertical direction (corresponding to the polarization change direction of the vertical polarization component), which is the thickness direction of the substrate 40, and the thickness direction. This is an optical waveguide for confining light in the left-right direction (horizontal direction; corresponding to the polarization change direction of the horizontal polarization component), which is a vertical direction, and transmitting an optical signal in a single mode. Here, the optical waveguides 44-1 to 44-N have respective optical path lengths in ascending order, for example, so that the optical path differences are different from each other by, for example, 1 mm.
Antenna elements 53-1 to 53- of array antenna 70
N is changed according to the installation position. Each optical waveguide 44-1 to 44- of the three-dimensional optical waveguide 43 by Ti diffusion
At the other end of the N, a Ramipole-type polarizer 45 is formed by directly and collectively coating so as to form an InGaAs layer on the InP layer. This is an optical element that deflects and extracts only a deflection component inclined by about 45 degrees from the vertical polarization component and the horizontal polarization component of the optical signal emitted from -1 to 44-N and outputs the result. In this case, the Ramipole type polarizer 4
Reference numeral 5 depolarizes and extracts the polarization components of both the vertical polarization component and the horizontal polarization component of the optical signal while slightly attenuating them, and outputs the polarization components to the photodiodes 51-1 to 51-N. The Ramipole-type polarizer 45 may be coated as described above, or may be formed by individually coating the optical waveguides 44-1 to 44-N.

【0057】従って、上記2次元光導波路42は、入射
する3つの光信号を合成して合波した後、複数N本の光
導波路44−1乃至44−Nに分配して分波する光学装
置を構成しており、次いで、ラミポール型偏光子45に
より各光導波路44−1乃至44−Nにおける垂直偏波
成分と水平偏波成分の両方の偏波成分を偏光抽出して出
力する。
Therefore, the two-dimensional optical waveguide 42 is an optical device that combines and combines three incident optical signals, and then distributes and demultiplexes the optical signals to a plurality of N optical waveguides 44-1 to 44-N. Next, both the vertical polarization component and the horizontal polarization component in each of the optical waveguides 44-1 to 44-N are polarization-extracted by the Ramipole polarizer 45 and output.

【0058】各光導波路44−1乃至44−Nから出力
される光信号はそれぞれ、ラミポール型偏光子45を介
して各フォトダイオード51−1乃至51−Nに入射さ
れて、2乗検波法により混合されて、2つの偏波成分の
差周波数Δf1,Δf2,Δf3を有するマイクロ波信
号に光電変換された後、変換後のマイクロ波信号は各無
線周波電力増幅器52−1乃至52−Nにより電力増幅
されて、アレーアンテナ70の各アンテナ素子53−1
乃至53−Nから自由空間に向けて放射される。ここ
で、アレーアンテナ70において、各アンテナ素子53
−1乃至53−Nは、例えば半波長の所定の間隔で1直
線上にリニアアレーで配置される。
The optical signals output from the optical waveguides 44-1 to 44-N are respectively incident on the photodiodes 51-1 to 51-N via the Ramipole type polarizer 45, and are subjected to the square detection method. After being mixed and photoelectrically converted into microwave signals having a difference frequency Δf1, Δf2, Δf3 between two polarization components, the converted microwave signals are subjected to power conversion by the radio frequency power amplifiers 52-1 to 52-N. After being amplified, each antenna element 53-1 of the array antenna 70 is amplified.
To 53-N toward free space. Here, in the array antenna 70, each antenna element 53
-1 to 53-N are arranged in a linear array on a straight line at predetermined intervals of, for example, half a wavelength.

【0059】図24は、図21の複屈折性光導波路装置
80の各光導波路の屈折率の波長依存特性(シミュレー
ション結果)を示すグラフである。LiNbO3にてな
る複屈折性光導波路基板40において光導波路42及び
43のように、Tiを熱拡散することにより、元の屈折
率から屈折率を例えば1%程度だけ変化させることがで
き、しかも、図24に示すように、常光及び異常光とも
光波長に対して屈折率が変化しており、また、偏向方向
の違いにより屈折率の変化が異なっている。すなわち、
伝送される光の波長に応じて屈折率が変化するので、伝
送後の光の位相も光の波長に応じて変化させることがで
きる。
FIG. 24 is a graph showing the wavelength dependence of the refractive index of each optical waveguide of the birefringent optical waveguide device 80 of FIG. 21 (simulation result). By thermally diffusing Ti in the birefringent optical waveguide substrate 40 made of LiNbO 3 like the optical waveguides 42 and 43, the refractive index can be changed from the original refractive index by about 1%, for example, and 24, the refractive index of the ordinary light and the extraordinary light changes with respect to the light wavelength, and the change of the refractive index differs depending on the direction of deflection. That is,
Since the refractive index changes according to the wavelength of the transmitted light, the phase of the transmitted light can also be changed according to the wavelength of the light.

【0060】図25は、図21のアレーアンテナの制御
装置において波長可変光源装置10a,10b,10c
による波長可変時の隣接アンテナ素子間の位相差(シミ
ュレーション結果)を示すグラフである。このシミュレ
ーション結果の条件は、垂直偏波成分と水平偏波成分と
の間の差周波数、すなわちアレーアンテナ70から放射
される無線信号のマイクロ波周波数が60GHzであ
り、3次元光導波路43の各光導波路44−1乃至44
−Nにおける各隣接する光導波路の光路差を1mmに設
定した場合である。図25から明らかなように、波長可
変光源装置10a,10b,10cから出力される光信
号の波長を変化することにより、アレーアンテナ70に
おける各隣接するアンテナ素子間の位相差を実質的に線
形的に変化させることができることがわかる。従って、
光信号の波長を変化させることにより、ビームB1,B
2,B3の指向方向を変化させることができる。
FIG. 25 shows a tunable light source device 10a, 10b, 10c in the array antenna control device of FIG.
5 is a graph showing a phase difference (simulation result) between adjacent antenna elements when the wavelength is changed by the above. The condition of the simulation result is that the difference frequency between the vertical polarization component and the horizontal polarization component, that is, the microwave frequency of the radio signal radiated from the array antenna 70 is 60 GHz, and each optical waveguide of the three-dimensional optical waveguide 43 Wave paths 44-1 to 44
This is the case where the optical path difference between adjacent optical waveguides at −N is set to 1 mm. As is apparent from FIG. 25, the phase difference between each adjacent antenna element in the array antenna 70 is substantially linearly changed by changing the wavelength of the optical signal output from the wavelength variable light source device 10a, 10b, 10c. It can be seen that it can be changed to Therefore,
By changing the wavelength of the optical signal, the beams B1, B
2 and B3 can be changed.

【0061】以上説明したように本実施形態によれば、
以下の特有の効果を有する。 (1)複数N本のビームからなるマルチビームアンテナ
の放射する各ビームの指向方向を、波長可変光源装置1
0a,10b,10cの発光波長を変化することにより
独立に制御でき、しかも第2の従来例に比較して機械的
な機構を用いていないので高精度で制御できる。 (2)従来のマイクロ波回路で構成する場合に比べて、
簡単な構成で形成することができ、広帯域の信号を取り
扱い伝送することができる。 (3)少なくとも複屈折性光導波路装置80は光導波路
として光集積化が可能であり、実用性が高く小型軽量化
することができ、これによって製造コストを大幅に低減
できる。さらに、光変調装置60a,60b,60cを
も光集積化が可能であり、さらに小型軽量化することが
でき、これによって製造コストを低減できる。
As described above, according to the present embodiment,
It has the following unique effects. (1) The directional direction of each beam radiated by a multi-beam antenna composed of a plurality of N beams is changed by the wavelength tunable light source device
It can be controlled independently by changing the emission wavelengths of Oa, 10b, and 10c, and can be controlled with high precision because no mechanical mechanism is used as compared with the second conventional example. (2) Compared to the case where a conventional microwave circuit is used,
It can be formed with a simple configuration, and can handle and transmit a wideband signal. (3) At least the birefringent optical waveguide device 80 can be optically integrated as an optical waveguide, is highly practical, can be reduced in size and weight, and can significantly reduce the manufacturing cost. Further, the optical modulators 60a, 60b, and 60c can also be optically integrated, and can be further reduced in size and weight, thereby reducing manufacturing costs.

【0062】以上の実施形態においては、Ti拡散方法
により分布屈折率光導波路である3次元及び2次元光導
波路42,43を形成しているが、本発明はこれに限ら
ず、LiTaO3の電気光学結晶基板等の誘電体基板を
用いるときは、Nb、Ti又はCuを熱拡散することに
よりコアを形成することができる。また、公知のプロト
ン交換法により、LiNbO3の結晶基板のリチウムイ
オン(Li+)の一部をプロトン(H+)で交換して、分
布屈折率光導波路であるプロトン交換光導波路を構成し
てもよい。この場合、LiNbO3の結晶基板を安息香
酸(C65COOH)融液中に約210乃至250度で
数十分間浸し、LiNbO3の結晶基板のリチウムイオ
ン(Li+)の一部をプロトン(H+)で交換することに
より高屈折率部を得ることができる。
In the above embodiments, the three-dimensional and two-dimensional optical waveguides 42 and 43, which are distributed index optical waveguides, are formed by the Ti diffusion method. However, the present invention is not limited to this, and the LiTaO 3 When a dielectric substrate such as an optical crystal substrate is used, a core can be formed by thermally diffusing Nb, Ti or Cu. Further, by a known proton exchange method, a part of lithium ions (Li + ) of the LiNbO 3 crystal substrate is exchanged with protons (H + ) to form a proton exchange optical waveguide which is a distributed index optical waveguide. Is also good. In this case, the LiNbO 3 crystal substrate is immersed in a benzoic acid (C 6 H 5 COOH) melt at about 210 to 250 ° C. for several tens of minutes to remove a part of the lithium ions (Li + ) of the LiNbO 3 crystal substrate. By exchanging with protons (H + ), a high refractive index portion can be obtained.

【0063】以上の実施形態においては、リニアアレー
で形成されたアレーアンテナ70を用いているが,本発
明はこれに限らず、2次元のアレーアンテナであっても
よい。この変形例の場合においては、各ビームを、実施
形態のように平面内で変化させるのではなく、アレーア
ンテナの平面に対して垂直な方向に延在する空間で3次
元で変化させることができる。
In the above embodiment, the array antenna 70 formed of a linear array is used, but the present invention is not limited to this, and a two-dimensional array antenna may be used. In the case of this modification, each beam can be changed three-dimensionally in a space extending in a direction perpendicular to the plane of the array antenna, instead of being changed in a plane as in the embodiment. .

【0064】以上の実施形態において、波長可変光源装
置10a,10b,10cの各差周波数Δf1,Δf
2,Δf3を互いに異なるように設定しているが、本発
明はこれに限らず、同一に設定しても良い。この場合、
アレーアンテナ70からは、同一の無線周波数であっ
て、例えば異なる指向方向のビームB1,B2,B3を
放射することができる。
In the above embodiment, the difference frequencies Δf1, Δf of the wavelength-variable light source devices 10a, 10b, 10c
2 and Δf3 are set to be different from each other, but the present invention is not limited to this and may be set to the same value. in this case,
From the array antenna 70, for example, beams B1, B2, and B3 having the same radio frequency and different directions can be emitted.

【0065】<光導波路適用時の効果>最後に、第1乃
至第3の実施形態の光導波路を応用例の光制御型フェー
ズドアレーアンテナ装置に3次元光導波路43として適
用したときの効果について説明する。応用例の光制御型
フェーズドアレーアンテナ装置は、主に、(1)複数M
個の波長可変光源装置10a,10b,10cと、
(2)1つの複屈折性光導波路基板40に集積された複
屈折性光導波路装置80と、(3)複数N個のアンテナ
素子53−1乃至53−Nからなるアレーアンテナと7
0を備えて構成されている。その機能は、アレーアンテ
ナ70から複数M個のビームを同時に放射するととも
に、波長可変光源装置10a,10b,10cの波長を
変えることで、各ビームの指向方向を他のビームとは独
立に偏向できることである。本発明に係る高複屈折分散
性光導波路は、応用例の光制御型フェーズドアレーアン
テナ装置において「上記複屈折性光導波路基板上に互い
に所定の光路長差を有して形成され、複数N個の光信号
を伝送する複数N本の第2の光導波路」の部分に用いる
ことにより、下記の利点をもたらす。 (1)波長可変光源装置の波長変化幅を同一とした場
合、その光源に対応するアンテナ放射ビームの偏向範囲
を広くすることができる。 (2)アンテナ放射ビームの偏向範囲を同一とした場
合、対応する波長可変光マイクロ波光源の波長変化幅を
小さくできる。 (3)上記(2)の場合、アンテナから同時に放射する
ビームの数Mを増大できる。なぜなら、各ビームに対応
する光源の波長変化域は、不要電波の放射を避けるため
に異なる波長域に設定する必要がある。一方で、現状で
波長可変光源を実現できる波長域は例えば1450nm
乃至1590nm(例えば、ヒューレット・パッカード
社製8168F型光源の場合。)と限定されている。こ
のため、実現可能なビーム数Mは(波長可変光源の実現
可能全波長域)/(各光源の波長変化幅)となる。本発
明により分母の波長変化幅が小さくてすめば、ビーム数
Mを大幅に増大できる。
<Effects when Optical Waveguide is Applied> Lastly, effects when the optical waveguides of the first to third embodiments are applied as a three-dimensional optical waveguide 43 to a light-controlled phased array antenna device of an application example will be described. I do. The optically controlled phased array antenna device of the application example mainly includes (1) a plurality of M
Wavelength tunable light source devices 10a, 10b, 10c;
(2) a birefringent optical waveguide device 80 integrated on one birefringent optical waveguide substrate 40; and (3) an array antenna composed of a plurality of N antenna elements 53-1 to 53-N.
0. Its function is to simultaneously radiate a plurality of M beams from the array antenna 70 and change the wavelength of the variable wavelength light source devices 10a, 10b, 10c so that the directivity of each beam can be deflected independently of other beams. It is. The high-birefringence dispersive optical waveguide according to the present invention is a light-controlled phased array antenna apparatus according to an application example, wherein “a plurality of N optical waveguides are formed on the birefringent optical waveguide substrate with a predetermined optical path length difference from each other. The following advantages are provided by using the “N number of second optical waveguides” that transmit the optical signal of “N”. (1) When the wavelength change width of the variable wavelength light source device is the same, the deflection range of the antenna radiation beam corresponding to the light source can be widened. (2) When the deflection range of the antenna radiation beam is the same, the wavelength change width of the corresponding tunable optical microwave light source can be reduced. (3) In the case of (2), the number M of beams radiated simultaneously from the antenna can be increased. This is because the wavelength change range of the light source corresponding to each beam needs to be set to a different wavelength range in order to avoid emission of unnecessary radio waves. On the other hand, at present, the wavelength range in which a tunable light source can be realized is, for example, 1450 nm.
To 1590 nm (for example, in the case of an 8168F light source manufactured by Hewlett-Packard Company). Therefore, the achievable number of beams M is (the entire achievable wavelength range of the wavelength variable light source) / (the wavelength change width of each light source). If the wavelength change width of the denominator is small according to the present invention, the number of beams M can be greatly increased.

【0066】[0066]

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係る光導波
路装置によれば、広帯域波長範囲にわたって、従来例に
比較して改善された高い複屈折分散を得ることができ
る。また、本発明に係る光導波路装置を、第3の従来例
の光制御型フェーズドアレーアンテナ装置に適用するこ
とにより、以下の特有の効果を奏する。 (1)波長可変光源装置の波長変化幅を同一とした場
合、その光源に対応するアンテナ放射ビームの偏向範囲
を広くすることができる。 (2)アンテナ放射ビームの偏向範囲を同一とした場
合、対応する波長可変光マイクロ波光源の波長変化幅を
小さくできる。 (3)上記(2)の場合、アンテナから同時に放射する
ビームの数Mを増大できる。なぜなら、各ビームに対応
する光源の波長変化域は、不要電波の放射を避けるため
に異なる波長域に設定する必要がある。一方で、現状で
波長可変光源を実現できる波長域は例えば1450nm
乃至1590nm(例えば、ヒューレット・パッカード
社製8168F型光源の場合。)と限定されている。こ
のため、実現可能なビーム数Mは(波長可変光源の実現
可能全波長域)/(各光源の波長変化幅)となる。本発
明により分母の波長変化幅が小さくてすめば、ビーム数
Mを大幅に増大できる。
As described in detail above, according to the optical waveguide device of the present invention, it is possible to obtain improved birefringence dispersion higher than that of the conventional example over a wide wavelength range. Further, by applying the optical waveguide device according to the present invention to the third conventional optically controlled phased array antenna device, the following specific effects can be obtained. (1) When the wavelength change width of the variable wavelength light source device is the same, the deflection range of the antenna radiation beam corresponding to the light source can be widened. (2) When the deflection range of the antenna radiation beam is the same, the wavelength change width of the corresponding tunable optical microwave light source can be reduced. (3) In the case of (2), the number M of beams radiated simultaneously from the antenna can be increased. This is because the wavelength change range of the light source corresponding to each beam needs to be set to a different wavelength range in order to avoid emission of unnecessary radio waves. On the other hand, at present, the wavelength range in which a wavelength tunable light source can be realized is, for example,
To 1590 nm (for example, in the case of an 8168F light source manufactured by Hewlett-Packard Company). Therefore, the achievable number of beams M is (the entire achievable wavelength range of the wavelength variable light source) / (the wavelength change width of each light source). If the wavelength change width of the denominator is small according to the present invention, the number of beams M can be greatly increased.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 (a)は本発明に係る第1の実施形態である
Ti:LiNbO3光導波路110の構造を示す縦断面
図であり、(b)は上記光導波路110の水平方向の長
さに対する屈折率分布特性を示すグラフである。
FIG. 1A is a longitudinal sectional view showing a structure of a Ti: LiNbO 3 optical waveguide 110 according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a horizontal length of the optical waveguide 110. 6 is a graph showing a refractive index distribution characteristic with respect to.

【図2】 (a)は本発明に係る第2の実施形態である
SiO2/Si光導波路115の構造を示す縦断面図で
あり、(b)は上記光導波路115の厚さ方向の長さに
対する屈折率分布特性を示すグラフである。
FIG. 2A is a longitudinal sectional view showing a structure of an SiO 2 / Si optical waveguide 115 according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 2B is a longitudinal view of the optical waveguide 115 in a thickness direction. 6 is a graph showing a refractive index distribution characteristic with respect to the height.

【図3】 本発明に係る第3の実施形態であるSiO2
/Si光導波路116の構造を示す縦断面図である。
FIG. 3 shows a SiO 2 according to a third embodiment of the present invention.
5 is a longitudinal sectional view showing the structure of the / Si optical waveguide 116. FIG.

【図4】 矩形コアを有する光導波路におけるアスペク
ト比に対する複屈折及び複屈折分散の特性を示すグラフ
である。
FIG. 4 is a graph showing characteristics of birefringence and birefringence dispersion with respect to an aspect ratio in an optical waveguide having a rectangular core.

【図5】 従来例及び第1と第2の実施形態の光導波路
における複屈折分散の波長特性を示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing wavelength characteristics of birefringence dispersion in the optical waveguides of the conventional example and the first and second embodiments.

【図6】 従来例及び第1の実施形態に係る光導波路の
構造、屈折率分布特性及び複屈折分散を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing a structure, refractive index distribution characteristics, and birefringence dispersion of an optical waveguide according to a conventional example and the first embodiment.

【図7】 第2の実施形態のSiO2層の構成を示す縦
断面図である。
FIG. 7 is a longitudinal sectional view illustrating a configuration of an SiO 2 layer according to a second embodiment.

【図8】 図7の第2の実施形態の光導波路における屈
折率分布特性を示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing a refractive index distribution characteristic in the optical waveguide of the second embodiment of FIG. 7;

【図9】 (a),(b),(c)及び(d)はそれぞ
れ第2の実施形態に係る光導波路の種々の実施例の構
造、屈折率分布特性及び複屈折分散を示す図である。
FIGS. 9 (a), (b), (c) and (d) are diagrams showing the structures, refractive index distribution characteristics and birefringence dispersion of various examples of the optical waveguide according to the second embodiment, respectively. is there.

【図10】 (a),(b),(c)及び(d)はそれ
ぞれ第2の実施形態に係る光導波路の種々の実施例の構
造、屈折率分布特性及び複屈折分散を示す図である。
FIGS. 10 (a), (b), (c) and (d) are diagrams respectively showing the structures, refractive index distribution characteristics and birefringence dispersion of various examples of the optical waveguide according to the second embodiment. is there.

【図11】 (a),(b),(c)及び(d)はそれ
ぞれ第2の実施形態に係る光導波路の種々の実施例の構
造、屈折率分布特性及び複屈折分散を示す図である。
FIGS. 11 (a), (b), (c) and (d) are diagrams respectively showing the structures, refractive index distribution characteristics and birefringence dispersion of various examples of the optical waveguide according to the second embodiment. is there.

【図12】 (a),(b),(c)及び(d)はそれ
ぞれ第2の実施形態に係る光導波路の種々の実施例の構
造、屈折率分布特性及び複屈折分散を示す図である。
FIGS. 12 (a), (b), (c) and (d) are diagrams respectively showing the structures, refractive index distribution characteristics and birefringence dispersion of various examples of the optical waveguide according to the second embodiment. is there.

【図13】 (a),(b),(c)及び(d)はそれ
ぞれ第2の実施形態に係る光導波路の種々の実施例の構
造、屈折率分布特性及び複屈折分散を示す図である。
FIGS. 13 (a), (b), (c) and (d) are diagrams respectively showing the structures, refractive index distribution characteristics and birefringence dispersion of various examples of the optical waveguide according to the second embodiment. is there.

【図14】 (a),(b),(c)及び(d)はそれ
ぞれ第2の実施形態に係る光導波路の種々の実施例の構
造、屈折率分布特性及び複屈折分散を示す図である。
FIGS. 14 (a), (b), (c) and (d) are diagrams respectively showing the structures, refractive index distribution characteristics and birefringence dispersion of various examples of the optical waveguide according to the second embodiment. is there.

【図15】 (a),(b),(c)及び(d)はそれ
ぞれ第2の実施形態に係る光導波路の種々の実施例の構
造、屈折率分布特性及び複屈折分散を示す図である。
FIGS. 15 (a), (b), (c) and (d) are diagrams showing the structures, refractive index distribution characteristics and birefringence dispersion of various examples of the optical waveguide according to the second embodiment, respectively. is there.

【図16】 (a),(b),(c)及び(d)はそれ
ぞれ第2の実施形態に係る光導波路の種々の実施例の構
造、屈折率分布特性及び複屈折分散を示す図である。
FIGS. 16 (a), (b), (c) and (d) are diagrams respectively showing the structures, refractive index distribution characteristics and birefringence dispersion of various examples of the optical waveguide according to the second embodiment. is there.

【図17】 (a),(b)及び(c)はそれぞれ第2
の実施形態の光導波路に係る種々の実施例の構造、屈折
率分布特性及び複屈折分散を示す図である。
FIGS. 17 (a), (b) and (c) each show a second example.
It is a figure which shows the structure, the refractive index distribution characteristic, and the birefringence dispersion of various Examples regarding the optical waveguide of embodiment.

【図18】 (a),(b)及び(c)はそれぞれ第2
の実施形態の第1の変形例のPMMA光導波路に係る種
々の実施例の構造、屈折率分布特性及び複屈折分散を示
す図である。
FIGS. 18 (a), (b) and (c) each show a second example.
FIG. 14 is a diagram showing structures, refractive index distribution characteristics, and birefringence dispersion of various examples according to a PMMA optical waveguide of a first modification of the embodiment.

【図19】 (a),(b)及び(c)はそれぞれ第2
の実施形態の第2の変形例のAlGaAs/GaAs光
導波路に係る種々の実施例の構造、屈折率分布特性及び
複屈折分散を示す図である。
FIGS. 19 (a), (b) and (c) each show a second example.
FIG. 14 is a diagram showing structures, refractive index distribution characteristics, and birefringence dispersion of various examples according to the AlGaAs / GaAs optical waveguide of the second modification of the embodiment.

【図20】 第2の実施形態の第2の変形例のAlGa
As/GaAs光導波路において用いるAlxGa1-x
sのxに対する屈折率の変化を示すグラフである。
FIG. 20 shows an AlGa according to a second modification of the second embodiment.
Al x Ga 1-x A used in As / GaAs optical waveguide
It is a graph which shows the change of the refractive index with respect to x of s.

【図21】 従来例及び第3の実施形態に係る光導波路
の種々の実施例の構造、屈折率分布特性及び複屈折分散
を示す図である。
FIG. 21 is a diagram showing structures, refractive index distribution characteristics, and birefringence dispersion of various examples of the optical waveguide according to the conventional example and the third embodiment.

【図22】 本発明に係る分散シフト光ファイバケーブ
ルの屈折率分布特性の形状の種々の変形例を示す図であ
る。
FIG. 22 is a view showing various modifications of the shape of the refractive index distribution characteristic of the dispersion-shifted optical fiber cable according to the present invention.

【図23】 本発明に係る光導波路装置を用いた応用例
の光制御型フェーズドアレーアンテナ装置の構成を示す
ブロック図である。
FIG. 23 is a block diagram showing a configuration of a light-controlled phased array antenna device of an application example using the optical waveguide device according to the present invention.

【図24】 図23の複屈折性光導波路装置80の各光
導波路の屈折率の波長依存特性を示すグラフである。
24 is a graph showing the wavelength dependence of the refractive index of each optical waveguide of the birefringent optical waveguide device 80 of FIG.

【図25】 図23の光制御型フェーズドアレーアンテ
ナ装置において波長可変光源装置10a,10b,10
cによる波長可変時の隣接アンテナ素子間の位相差を示
すグラフである。
FIG. 25 shows a wavelength-variable light source device 10a, 10b, 10 in the optically controlled phased array antenna device of FIG.
9 is a graph showing a phase difference between adjacent antenna elements when the wavelength is changed by c.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10a,10b,10c…波長可変光源装置、 30…ビームコントローラ、 31a,31b,31c…外部光変調器(EOM)、 32a,32b,32c,33a,33b,33c…偏
向ビームスプリッタ、 40…複屈折性光導波路基板、 41a,41b,41c…光導波路、 42…Ti拡散による2次元光導波路、 43…Ti拡散による3次元光導波路、 44−1乃至44−N…光導波路、 45…ラシポール型偏光子、 51−1乃至51−N…フォトダイオード、 52−1乃至52−N…無線周波電力増幅器、 53−1乃至53−N…アンテナ素子、 60a,60b,60c…光変調装置、 70…アレーアンテナ、 80…複屈折性光導波路装置、 100…外部共振器型半導体レーザ装置、 B1,B2,B3…ビーム、 110…Ti:LiNbO3光導波路、 111…LiNbO3基板、 112…Ti拡散によるコア、 115…SiO2/Si光導波路、 116…SiO2/Si光導波路、 120…クラッド、 121…Si基板、 122…Si堆積層、 130…コア、 131…チャネル、 132…コア、 133…チャネル、 135−1乃至135−N…SiO2層、 136−1,136−2…SiO2層、 141乃至143…屈折率分布特性。
10a, 10b, 10c: variable wavelength light source device, 30: beam controller, 31a, 31b, 31c: external optical modulator (EOM), 32a, 32b, 32c, 33a, 33b, 33c: deflection beam splitter, 40: birefringence 41a, 41b, 41c: optical waveguide, 42: two-dimensional optical waveguide by Ti diffusion, 43: three-dimensional optical waveguide by Ti diffusion, 44-1 to 44-N: optical waveguide, 45: rasipole type polarized light 51-1 to 51-N: photodiodes, 52-1 to 52-N: radio frequency power amplifiers, 53-1 to 53-N: antenna elements, 60a, 60b, 60c: optical modulators, 70: array Antenna, 80: birefringent optical waveguide device, 100: external cavity semiconductor laser device, B1, B2, B3: beam, 110: i: LiNbO 3 waveguide, 111 ... LiNbO 3 substrate, 112 ... Ti core by diffusion, 115 ... SiO 2 / Si optical waveguides, 116 ... SiO 2 / Si optical waveguides, 120 ... cladding, 121 ... Si substrate, 122 ... Si deposited layer, 130 ... core, 131 ... channel, 132 ... core, 133 ... channel 135-1 to 135-N ... SiO 2 layer, 136-1,136-2 ... SiO 2 layer, 141 to 143 ... refractive index distribution Characteristic.

─────────────────────────────────────────────────────
────────────────────────────────────────────────── ───

【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成12年3月23日(2000.3.2
3)
[Submission date] March 23, 2000 (200.3.2.
3)

【手続補正1】[Procedure amendment 1]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】特許請求の範囲[Correction target item name] Claims

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【特許請求の範囲】[Claims]

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 稲垣 恵三 京都府相楽郡精華町大字乾谷小字三平谷5 番地 株式会社エイ・ティ・アール環境適 応通信研究所内 (72)発明者 水口 芳彦 京都府相楽郡精華町大字乾谷小字三平谷5 番地 株式会社エイ・ティ・アール環境適 応通信研究所内 Fターム(参考) 2H047 KA04 PA12 PA13 PA21 PA24 QA02 QA03 QA04 TA00 5J021 AA05 AA07 AA09 BA03 DB07 FA00 FA02 FA26 HA02  ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Keizo Inagaki 5 Sanraya, Inaya, Seika-cho, Soraku-cho, Kyoto Pref. Inside ATI R & D Center for Environmentally Adaptable Communications (72) Inventor Yoshihiko Mizuguchi Kyoto Soraku No. 5, Sanraya, Inaya, Seika-cho, Gunma F-term (reference) 2A047 KA04 PA12 PA13 PA21 PA24 QA02 QA03 QA04 TA00 5J021 AA05 AA07 AA09 BA03 DB07 FA00 FA02 FA26 HA02

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 クラッドとなる誘電体基板上に、熱拡散
法により所定の材料を拡散し又はプロトン交換法により
所定の材料を用いて交換することにより、それぞれ上記
クラッドよりも大きな屈折率を有する複数のコアを形成
して、屈折率分布特性において複数の極大値の屈折率を
有することを特徴とする光導波路装置。
1. A method in which a predetermined material is diffused on a dielectric substrate serving as a clad by a thermal diffusion method or exchanged by using a predetermined material by a proton exchange method, thereby each having a refractive index larger than that of the clad. An optical waveguide device comprising: a plurality of cores; and a plurality of maximum refractive indexes in a refractive index distribution characteristic.
【請求項2】 クラッドとなる誘電体基板又は半導体基
板上に、それぞれ所定の厚さを有しかつコアの屈折率が
上記クラッドの屈折率よりも大きいコア及びチャネルと
なる複数の層を形成した後、上記複数の層を取り囲むよ
うにクラッドとなる誘電体材料又は半導体材料を形成し
て、屈折率分布特性において少なくとも1つの極大値の
屈折率を有することを特徴とする光導波路装置。
2. A core and a plurality of layers each having a predetermined thickness and a refractive index of a core larger than the refractive index of the clad are formed on a dielectric substrate or a semiconductor substrate serving as a clad. Thereafter, a dielectric material or a semiconductor material serving as a clad is formed so as to surround the plurality of layers, and the optical waveguide device has at least one maximum refractive index in a refractive index distribution characteristic.
【請求項3】 請求項2記載の光導波路装置において、 上記複数の層は少なくとも3つの層を備え、上記コアと
なる層は2つのチャネルによって挟設されたことを特徴
とする光導波路装置。
3. The optical waveguide device according to claim 2, wherein the plurality of layers include at least three layers, and the core layer is sandwiched between two channels.
【請求項4】 請求項2又は3記載の光導波路装置にお
いて、 上記チャネルとなる層の材料の屈折率は、上記クラッド
となる材料の屈折率に比較して小さいことを特徴とする
光導波路装置。
4. The optical waveguide device according to claim 2, wherein a refractive index of a material of the layer serving as the channel is smaller than a refractive index of a material of the cladding. .
【請求項5】 請求項2乃至4のうちの1つに記載の光
導波路装置において、 上記コアとなる層の材料の屈折率は、上記チャネルとな
る材料の屈折率の1.08倍以上であることを特徴とす
る光導波路装置。
5. The optical waveguide device according to claim 2, wherein the refractive index of the material of the core layer is at least 1.08 times the refractive index of the material of the channel. An optical waveguide device, comprising:
【請求項6】 請求項2乃至5のうちの1つに記載の光
導波路装置において、 屈折率分布特性において複数の極大値の屈折率を有する
ことを特徴とする光導波路装置。
6. The optical waveguide device according to claim 2, wherein the optical waveguide device has a plurality of local maximum refractive indexes in a refractive index distribution characteristic.
【請求項7】 請求項6記載の光導波路装置において、 上記複数の極大値の屈折率のうち2つは互いに異なるこ
とを特徴とする光導波路装置。
7. The optical waveguide device according to claim 6, wherein two of the plurality of maximum value refractive indexes are different from each other.
【請求項8】 クラッドとなる誘電体基板又は半導体基
板上に、矩形形状に突出部を付加した多角形の断面形状
を有しかつ上記クラッドよりも大きな屈折率を有するコ
アとなる複数の層を形成した後、上記複数の層を取り囲
むようにクラッドとなる誘電体材料又は半導体材料を形
成したことを特徴とする光導波路装置。
8. A plurality of layers each having a polygonal cross-sectional shape obtained by adding a protrusion to a rectangular shape and having a refractive index larger than that of the clad are formed on a dielectric substrate or a semiconductor substrate serving as a clad. An optical waveguide device, comprising: forming a dielectric material or a semiconductor material to be a clad so as to surround the plurality of layers.
【請求項9】 請求項8記載の光導波路装置において、 上記コアの断面形状は、その外形形状が階段形状で変化
していることを特徴とする光導波路装置。
9. The optical waveguide device according to claim 8, wherein the cross-sectional shape of the core has a stepped outer shape.
【請求項10】 クラッドとなる誘電体基板又は半導体
基板上に、長さと幅を有する矩形形状を有しかつ上記ク
ラッドよりも大きな屈折率を有するコアとなる層を形成
した後、上記層を取り囲むようにクラッドとなる誘電体
材料又は半導体材料を形成してなる光導波路装置におい
て、 上記コアの長さと幅を、上記コアの長さと幅の比である
アスペクト比に対して複屈折分散が実質的に極大値とな
るようなコアの長さと幅に設定したことを特徴とする光
導波路装置。
10. A layer having a rectangular shape having a length and a width and having a refractive index larger than that of the clad is formed on a dielectric substrate or a semiconductor substrate serving as a clad and surrounding the layer. In an optical waveguide device formed by forming a dielectric material or a semiconductor material as a cladding as described above, the length and width of the core are substantially equal to the aspect ratio, which is the ratio of the length and width of the core, and the birefringence dispersion is substantially. An optical waveguide device characterized in that the length and width of the core are set to have maximum values.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101718240B1 (en) * 2015-11-16 2017-03-21 한국과학기술원 Ultra-compact photonic phased array antenna

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