JP2001318246A - 光導波路結合器 - Google Patents

光導波路結合器

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JP2001318246A
JP2001318246A JP2000139463A JP2000139463A JP2001318246A JP 2001318246 A JP2001318246 A JP 2001318246A JP 2000139463 A JP2000139463 A JP 2000139463A JP 2000139463 A JP2000139463 A JP 2000139463A JP 2001318246 A JP2001318246 A JP 2001318246A
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optical waveguide
light
optical
waveguide
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Kenjiro Miyano
健次郎 宮野
Hiroharu Tamaru
博晴 田丸
Hiroshi Ishikawa
弘 石川
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/12007—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind forming wavelength selective elements, e.g. multiplexer, demultiplexer

Abstract

(57)【要約】 【課題】 位相整合条件を緩和し、容易に光導波路と共
振器が結合できる光導波路結合器を提供する。 【解決手段】 マルチモード光導波路１中の光はエバネ
セント光を介して直接微小球共振器２へ結合する。この
とき、微小球共振器２が微小であることによって、微小
球共振器２とマルチモード光導波路１の結合効率は低
い。従って、非共鳴条件では微小球共振器２の影響は小
さく、マルチモード光導波路１中の光伝搬に影響を及ぼ
さない。しかし、共鳴条件においては微小球共振器２中
に蓄えられる光の強度が強いために、低い結合効率でも
微小球共振器２中の光はマルチモード光導波路１中の光
と同程度の光出力をマルチモード光導波路１に出射する
ため、常に強結合条件が成立し、マルチモード光導波路
１中の光と微小球共振器２を通過した光の干渉によるフ
ィルターとしての役割を果たす。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光導波路結合器に
係り、特に伝達の際に介在する結合器の位相整合条件を
緩和する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、光導波路に共振器を接続させ、周
波数弁別機能を発現する場合、光導波路と共振器の間の
信号伝達効率向上のため、両者の導波モードの位相整合
が重要であると考えられてきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来の波長弁別機能を
有する光導波路結合器では、光導波路内と結合器内のモ
ード間で十分な結合を得るため、位相整合条件を実現す
るような特別の設計を必要とした。つまり、そのため結
合による導波モードの変形などを考慮した結合部の形
状、材料の屈折率、結合長などを精密にデザインする必
要があった。
【０００４】また、十分な伝達率を得るため、長い結合
部を必要とした（例えば、特開平０７−３０１７１６号
公報、特開平０８−２４８２２９号公報参照）。
【０００５】図６はかかる従来の光導波路結合器（光タ
ッピング）の模式図（特開平０８−２４８２２９号公報
参照）である。この図から明らかなように、位相整合条
件を満たすために、長い結合長３１を必要とする。
【０００６】本発明は、上記状況に鑑みて、上述した従
来の技術の位相整合条件を緩和し、容易に光導波路と共
振器が結合できる光導波路結合器を提供することを目的
とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、〔１〕１本あるいは２本以上の光導波路
と接して波長弁別機能を有する共振器において、この共
振器を小さくすることによるサイズ効果を利用して、前
記光導波路と前記共振器の間の信号伝達に対して、非共
鳴条件では前記共振器の影響を少なくし、共鳴条件では
前記光導波路と前記共振器の導波モードの位相整合条件
を緩和することを特徴とする。
【０００８】〔２〕上記〔１〕記載の光導波路結合器に
おいて、前記共振器のサイズ効果として、前記共振器の
外周長をＬ、真空中の光波長をλとして、Ｌ／λで定義
されるサイズパラメータが１０から１００の間の範囲に
入る値を取ることを特徴とする。
【０００９】〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の光導波
路結合器において、マルチモード光導波路に微小共振器
を接するように配置し、前記マルチモード導波器と前記
微小共振器の共鳴条件を満たす特定モードへ伝達される
光強度をゼロにするノッチフィルターとしての機能を有
することを特徴とする。
【００１０】〔４〕上記〔１〕又〔２〕記載の光導波路
結合器において、微小共振器を２本の光導波器の間に接
触させて置き、その２本の光導波路の一方を伝搬する導
波光を共振器の共鳴条件を満たす波長に対して、共振器
を介して、他方の光導波路の出力口から出射することを
特徴とする。
【００１１】〔５〕上記〔１〕又は〔２〕記載の光導波
路結合器において、複数の光導波路が形成されている２
枚の光回路基板で微小円筒共振器を挟むことによって、
その２枚の光回路基板間で前記微小円筒共振器を介し
て、請求項４と同じフィルター機能を持たせることを特
徴とする。
【００１２】本発明は、結合器として微小共振器を用い
ることにより位相整合条件を大幅に緩和することを特徴
とする。すなわち、エバネセント光が漏れ出しているよ
うな光導波路（例えばクラッドを除いた光ファイバー）
を、単に微小な球あるいは円筒に接触させるだけで光導
波路結合器として作用させる。位相整合条件の緩和は、
球あるいは円筒が微小であるために光導波路との接点が
小さいからである。このため、この結合器の結合定数は
小さく、通常は光導波路に殆ど影響を与えない。
【００１３】一方、光が共振器と共鳴する波長では共振
器内の光強度が強いために、弱い結合でも光導波路内に
十分強い光が射出されるため導波光と干渉し波長弁別性
を示す。
【００１４】そして、以下のような利点を有する。
【００１５】 共振器が微小であり、光導波路に接触
させた場合、結合長が短いために位相整合条件が緩和さ
れる。
【００１６】 共鳴条件下で微小共振器中の光波密度
が高いことにより、短い結合長でも十分な信号伝達が行
える。
【００１７】以上のように、微小な共振器を用いること
により、従来技術の問題点を解決することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。
【００１９】図１は本発明の第１実施例を示す多モード
導波路と微小共振器が接触している光導波路結合器の断
面図である。
【００２０】この図において、１はマルチモード光導波
路（屈折率１．５のガラス板）であり、これに微小球共
振器２（屈折率１．５、球径５ミクロンのガラス球）が
接している。
【００２１】矢印はマルチモード光導波路１の無数のモ
ードのうち、ここで注目するモードを表しており、斜線
は微小球共振器２内とそこよりマルチモード光導波路１
へ出射する光の位相すなわち光の進行方向を模式的に表
したものである。この２つの光の干渉によって出力され
る光強度が変化することを表している。
【００２２】マルチモード光導波路１中の光はエバネセ
ント光を介して直接微小球共振器２へ結合する。このと
き、微小球共振器２が微小であることによって、微小球
共振器２とマルチモード光導波路１の結合効率は低い。
従って、非共鳴条件では微小球共振器２の影響は小さ
く、マルチモード光導波路１中の光伝搬に影響を及ぼさ
ない。しかし、共鳴条件においては微小球共振器２中に
蓄えられる光の強度が強いために、低い結合効率でも微
小球共振器２中の光はマルチモード光導波路１中の光と
同程度の光出力をマルチモード光導波路１に出射するた
め、常に強結合条件が成立し、マルチモード光導波路１
中の光と微小球共振器２を通過した光の干渉によるフィ
ルターとしての役割を果たす。マルチモード光導波路１
を伝播する光の波数の面内方向成分の、その光の真空中
の波数をマルチモード光導波路１の屈折率で割った値に
対する比を規格化伝播定数と定義すると、この実施例で
は実験的にこの規格化伝播定数が０．７７であるような
モードへの出力を観察すると最適なフィルター作用が得
られた。
【００２３】この様子を図示したものが、図２に示す実
験結果であり、縦軸は光強度、横軸は波長を示してい
る。特定波長でマルチモード光導波路１中のこのモード
へ伝達される光強度がゼロになるノッチフィルターとし
ての役目を果たしている。
【００２４】このような作用に加えて、微小球共振器２
が微小であるために、マルチモード光導波路１との接点
が小さくなり、このため伝搬定数の保存則（位相整合）
が厳密に成立する必要がなくなる。すなわち、この球か
ら出射される光モードの伝搬定数を計算すると、微小な
接点から光が入射することによる回折効果により、図３
においてａに示す通り広い範囲に広がったものとなり、
マルチモード光導波路１の伝搬定数がこの広がりの中に
入っていれば有効な結合を得ることができる。
【００２５】一方、大きな共振器を使用すると図３にお
いてｂに示す通り、球から出射される光モードの伝搬定
数の広がりがほとんどなく、その結果、有効な結合を得
るためには導波路の伝搬定数は球から出射される光モー
ドの伝搬定数と正確に一致させる必要がある。より一般
的に、共振器外周長の、真空中での光波長に対する比
を、サイズパラメータと定義すると、サイズパラメータ
がおよそ１００以下（屈折率によって共振器の光閉じ込
め効果が異なるため若干変わるが、ここでは屈折率１．
５のガラス球を想定して計算した）であれば、マルチモ
ード光導波路１との位相整合条件は大幅に緩和される。
ただし、共鳴モードのスペクトル幅が、隣り合うモード
とのモード間隔程度に広くなると、複数の共鳴モードが
重なり合ってしまい、もはやノッチフィルターとは呼べ
ないので、これによりサイズパラメータの下限が決ま
る。
【００２６】共鳴モードのスペクトル幅及びモード間隔
はどちらも実験と計算がよく一致することが知られてお
り、これらはサイズパラメータと屈折率を与えることに
よって求まる。この計算によって見積もると、サイズパ
ラメータの下限はおよそ１０程度である。なお、この位
相整合条件の緩和という特性は、微小周回型共振器を使
用すること自体の特性であり、導波路や微小周回型共振
器の屈折率によって有効なサイズパラメータの範囲につ
いて若干の補正があるものの、導波路の形態や両者の材
質（屈折率、分散関係など）によらず一般的に成立す
る。
【００２７】次に、本発明の第２実施例について説明す
る。
【００２８】図４は本発明の第２実施例を示す２本の導
波路と接触した微小球を有する光導波路結合器の断面図
である。２本の導波路１２，１３と接触した微小球共振
器１１の断面が示されており、入力口１４に対して出力
口１５，１６の特性が、付加／脱落フィルターの特性を
有する。
【００２９】すなわち、微小球共振器１１（屈折率１．
５、直径５ミクロンのガラス球）は２本の光導波路１２
及び１３と接している。第１実施例で述べたようにこの
光導波路１２，１３はエバネセント光を介して微小球共
振器１１と結合できればその形態を問われないが、図４
ではコアを露出させた光ファイバーを使用している。１
２を入力導波路とする。第１実施例の原理に基づいて微
小球共振器１１−入力導波路１２及び微小球共振器１１
−出力導波路１３の間に強結合が常に成立することによ
り、入力導波路１２の入力口１４から見たとき、インピ
ーダンス整合が常に成り立っている。このため、共振器
の共鳴条件を満たす波長においては、光信号はほぼ完全
に導波路１３の出力口１６から出射し、それ以外の場合
にはほぼ完全に入力導波路１２の出力口１５から出射す
る。このように、この構造により、光チャンネル付加／
脱落フィルターが簡便に実現された。
【００３０】次に、本発明の第３実施例について説明す
る。
【００３１】図５は本発明の第３実施例を示す微小円筒
共振器が、表面に導波路を持つ２枚の光回路基板間の波
長選択機能をもつコネクターとして作用する光導波路結
合器の斜視図である。
【００３２】この図に示すように、チャンネル型導波路
を表面に実装する２枚の光回路基板２２，２３を導波路
として使用している。また、微小円筒共振器２１として
微小円筒を使用している。微小円筒共振器２１を光回路
基板２２，２３で挟むことによって、第２実施例と同じ
原理により波長フィルター機能を備えた基板間の光コネ
クターを実現した。
【００３３】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
【００３４】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、以下のような効果を奏することができる。
【００３５】従来、光導波路を他の光回路と結合すると
きに重要と思われてきた位相整合条件が、微小共振器と
の結合の場合には大幅に緩和されることを見出し、その
原理が共振器のＱ値が大きいために、結合効率が小さく
ても構わないという点にあることを明らかにしたもので
あり、波長弁別性を有する光結合器における設計条件の
簡略化に貢献するものである。
【００３６】したがって、本発明は位相整合条件が緩和
されたことにより、導波モードの一致・不一致に関わら
ず、共振器を結合させることができる。
【００３７】換言すれば、 共振器が微小であり、光導波路に接触させた場合、
結合長が短いために、位相整合条件を緩和することがで
きる。
【００３８】 共鳴条件下で微小共振器中の光波密度
が高いことにより、短い結合長でも十分な信号伝達を行
うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す光導波路結合器を示
す断面図である。
【図２】図１の場合のある出射モードの光強度の波長依
存性について実験結果を示す図である。
【図３】微小共振器のサイズパラメータが２６の場合１
と、１０００の場合２のマルチモード光導波路内におけ
る伝搬定数の分布の計算結果であり、サイズパラメータ
が小さい場合には導波路内の多くのモードと結合できる
ことを示す図である。
【図４】本発明の第２実施例を示す光導波路結合器を示
す断面図である。
【図５】本発明の第３実施例を示す光導波路結合器を示
す斜視図である。
【図６】従来の光導波路結合器（光タッピング）の模式
図である。
【符号の説明】
１ マルチモード光導波路（屈折率１．５のガラス
板） ２ 微小球共振器（屈折率１．５、球径５ミクロンの
ガラス球） １１ 微小球共振器 １２，１３ 導波路 １４ 入力口 １５，１６ 出力口 ２１ 微小円筒共振器 ２２，２３ ２枚の光回路基板（導波路）

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 １本あるいは２本以上の光導波路と接し
    て波長弁別機能を有する共振器において、該共振器を小
    さくすることによるサイズ効果を利用して、前記光導波
    路と前記共振器の間の信号伝達に対して、非共鳴条件で
    は前記共振器の影響を少なくし、共鳴条件では前記光導
    波路と前記共振器の導波モードの位相整合条件を緩和す
    ることを特徴とする光導波路結合器。
  2. 【請求項２】 前記共振器のサイズ効果として、前記共
    振器の外周長をＬ、真空中の光波長をλとして、Ｌ／λ
    で定義されるサイズパラメータが１０から１００の間の
    範囲に入る値を取ることを特徴とする請求項１記載の光
    導波路結合器。
  3. 【請求項３】 マルチモード光導波路に微小共振器を接
    するように配置し、前記マルチモード導波器と前記微小
    共振器の共鳴条件を満たす特定モードへ伝達される光強
    度をゼロにするノッチフィルターとしての機能を有する
    ことを特徴とする請求項１又は２記載の光導波路結合
    器。
  4. 【請求項４】 微小共振器を２本の光導波器の間に接触
    させて置き、該２本の光導波路の一方を伝搬する導波光
    を共振器の共鳴条件を満たす波長に対して、共振器を介
    して、他方の光導波路の出力口から出射することを特徴
    とする請求項１又２記載の光導波路結合器。
  5. 【請求項５】 複数の光導波路が形成されている２枚の
    光回路基板で微小円筒共振器を挟むことによって、該２
    枚の光回路基板間で前記微小円筒共振器を介して、請求
    項４と同じフィルター機能を持たせることを特徴とする
    請求項１又は２記載の光導波路結合器。
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