JP2002182171A - 外部調節が可能な光導波路形の高次モード発生器 - Google Patents

外部調節が可能な光導波路形の高次モード発生器

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JP2002182171A JP2001306568A JP2001306568A JP2002182171A JP 2002182171 A JP2002182171 A JP 2002182171A JP 2001306568 A JP2001306568 A JP 2001306568A JP 2001306568 A JP2001306568 A JP 2001306568A JP 2002182171 A JP2002182171 A JP 2002182171A
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 光導波路における0次の基本導波モードを1
次以上の高次モードに転換させる高次モード発生器を提
供する。 【解決手段】 導波路の材質は熱光学物質又は電気光
学物質とから構成される。このため、導波路は最小2つ
の横方向導波モードを有し、温度または電気場により屈
折率摂動を与えるための熱線または電極が、導波路と特
定角αを有しながら直線で導波路を斜めに横切る構造を
有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は0次の基本モード導
波光を外部調節によって高次の導波モードに変換させる
高次モード発生器素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】光導波路素子における異なる次数の導波
モードの間の結合は非常に難しくて基本的なものであ
り、これを利用すればスイッチや減衰器などのいろいろ
な素子で応用が可能である。基本モードと高次モードと
の間の結合が可能な手動素子としては、互いに幅が異な
る断熱Y−分岐(Adiabatic Y-branch)程度であり、外
部電圧により結合量が調節可能な素子はない。断熱Y−
分岐を利用した場合には2個のY−分岐をマッハツェン
ダー干渉計(Mach-Zehnder interferometer)形態に結
合して、2×2スイッチ、光減衰器などの光素子製作が
可能である。しかし、この場合Y−分岐の角度が非常に
小さくて製作上の難しさがあるだけでなく、長さが長く
なり損失が増加される欠点もある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、0次
の基本導波モードを高次の導波モードを転換させるため
の高次モード発生器として直線導波路と直線電極を利用
した非常に単純な構造の素子であり、結局、これを応用
した光素子の構造及び駆動方法を単純化することであ
る。
【0004】
【課題を解決するための手段】請求項1において、1次
以上の高次モードを支援する上部クラッド層2と下部ク
ラッド層3とコア層1とから構成される直線光導波路
と、この光導波路との間の角度αを有しながら導波路を
斜めに横切る直線電極4とから構成された高次モード発
生器において、0次の光導波モードをm次の光導波モー
ドに転換するために、m次の高次モードの進行角度をθ
であるとする時、電極の角度αと高次モード進行角度
θがα>θ/2の条件を満足することを特徴とする
高次モード発生器が提供される。ここでmは1以上の自
然数である。
【0005】請求項2による高次モード発生器は、請求
項1において、導波路のクラッド層2,3及びコア層1
の材質としてシリカ又はポリマーを使用し、電極4に電
流を流すことによって、温度変化による屈折率変化を利
用して調節される。
【0006】請求項3による高次モード発生器は、請求
項1の導波路の材質がLiNbO3や電気光学ポリマーである
場合、電極に印加された電圧による屈折率変化を利用す
る。
【0007】以上のような本発明の目的と別の特徴及び
長所などは以下に参照する本発明の好ましい実施例に対
する以下の説明から明確になるであろう。
【0008】
【発明の実施の形態】図1は本発明の高次モード発生器
素子の概略図を示す。図1の光導波路素子は、1次以上
の高次モードを支持することができる直線コア層1とク
ラッド層2,3とから構成された多重モード光導波路
と、多重モード光導波路を角度αで斜めに横切る直線電
極(熱線)4とから構成されている。本発明の高次モー
ド発生器を詳細に説明するために、まず三層構造の光導
波路での光導波特性を図2を通じて説明する。
【0009】光導波路のコア層1の屈折率nは、クラ
ッド層2,3の屈折率nより大きく、光が導波路に沿
って進行するためには基本的に全反射条件及び垂直方向
の定常波条件を満足しなければならない。
【0010】全反射条件は、導波路のコア層1内で、ク
ラッド層2,3に向かって進行する光が、コア層とクラ
ッド層との境界面で100%反射されることを意味す
る。従って、図2でm次モードの進行角θにより決定
される上部クラッド層に対する入射角Ψが、導波路の
屈折率の差によって決定される全反射角Ψより小さく
なければならず、全反射角は次のように定義される。
【数1】
【0011】しかし、全反射条件を満足する全ての光
が、導波路に沿って進行することはなく、そのうち垂直
方向の定常波条件を満足する光のみが、導波路に沿って
進行するようになる。垂直方向の定常波条件は次の通り
である。 kdsin(θ)−2πψ=2πm (2) ここで、dは導波路コア層の厚さ、k=2π/λは光
の波数ベクトル、λは真空での波長、ψはコア層と
クラッド層の境界面での光の反射位相変化、mは0或い
は自然数である。m=0の場合が最も基本的な0次の基
本導波モードであり、m=1の場合が1次の高次モー
ド、m=2の場合が2次の導波モードとなる。また、図
2から明らかなように、導波モードの次数が高くなるほ
ど進行角が大きくなる。
【0012】導波路の総導波モード数は、導波路コア層
の厚さd及びコア層とクラッド層の屈折率の差により決
定されて次のように定義される。 M=2×d/λk(n −n 1/2 (3)
【0013】図3は各導波モード間の導波路内の進行方
向特性を比較するために、波数ベクトル平面で導波可能
な全ての高次モードを同時に示した。進行方向(z軸)
への波数ベクトル成分が導波路の有効伝播定数となり、
これは高次モードになるほど小さくなる。即ち、高次モ
ードになるほど、光の進行角θが大きくなり、従っ
て、光の進行速度が遅くなる。
【0014】以上の基本原理を基に、本発明の高次モー
ド発生器の原理を説明すれば次の通りとなる。まず、0
次の基本導波モードをm番目の導波モードに転換させる
ための熱線4と導波路がなす角をα=θ/2とする。
熱線4に電力を印加すれば熱線4の下部の光導波路域は
温度が高くなり、導波路の屈折率が高くなったり(シリ
カの場合)、または低くなる(ポリマーの場合)。従っ
て、進行する光は熱線4の境界面で熱線4に対して角度
αで反射するようになり、光導波路進行方向に対しては
2αの角度で反射して進行する。この時、2αの角度が
m次の導波モードの進行角θと一致すれば、m次の高
次モードが進行する方向と一致するために、0次の導波
モードはm次の導波モードに転換される。そして、熱線
に印加される電力量を増加させれば熱線下部の温度上昇
はさらに大きくなり、それにつれて導波路屈折率の変化
量が増加する。これにしたがって反射光の量は更に増加
して、0次からm次への高次モード転換量が増加するよ
うになる。
【0015】次に、本発明の高次モード発生器を利用し
て製作可能である光素子の実施例として、外部電圧によ
り入力光の強さを調節することができる可変光減衰器の
構造を図4に示した。この実施例で使用する光導波路の
物質はポリマーであり、この場合温度が上昇すれば屈折
率が減少する熱光学効果を有している。
【0016】図4に示した可変光減衰器の動作原理は次
の通りである。入力部の単一モード光導波路6を通過し
た光は、横方向にテーパー状領域7を通り、光パワーの
損失なしに本発明の多重モード発生器の領域5に入射さ
れる。熱線4に外部電力が印加されない場合は、多重モ
ード発生器の領域5を通過した光は再び出力部のテーパ
ー状領域8を通り、出力部単一モード光導波路9の0次
導波モードで、いかなる光パワーの損失もなく変換され
る。従って、光は減衰なしに素子を通過するようにな
る。しかし、熱線4に沿って電流を流すと、熱線下部の
光導波路屈折率が温度に比例して低くなる。この場合、
熱線下部を通る進行光の一部が熱線4に対する入射角と
同じ角度αとして熱線4で反射するようになる。従っ
て、光導波路の進行方向に対しては2αの角度で進行す
るようになる。もし2αの角度で反射された光が高次モ
ード発生器の1次導波モードの進行角度以上であれば、
高次モード発生器では1次以上の高次モードが励起され
るようになり、このような高次モードは出力部のテーパ
ー状領域8、及び出力部の単一モード光導波路9で除去
されて結果的に入力光の減衰をもたらす。従って、熱線
4に流れる電流量が多くなれば、反射される光の強さも
多くなって、より多くの入力光が減衰され、結局、熱線
に流れる電流(または電圧)の量により入力光の強さを
調節することができる可変光減衰器で動作する。
【0017】図5は、BPM(Beam Propagation Metho
d;ビーム伝搬法)計算機シミュレーションを利用して
計算された図4に示した可変光減衰器の光導波特性であ
り、導波路の熱光学係数を-1.2×10-4/℃と仮定し
て計算した結果を示す。図5(a)は熱線4の下部の温
度上昇量が0℃の場合であり、図5(b)は熱線4の下
部の温度上昇量が30℃の場合である。計算時に使用し
た入力部の導波路6の幅は7μm、テーパー状領域の長
さL ap=3200μm、高次モード発生器の幅はd
=40μm、高次モード発生器の長さはLmmr=38
00μmである。そして、クラッド層とコア層の屈折率
は波長λ=1.55μmでn=1.4937、n
1.4856である。温度上昇がない時(図5(a))
は、入力部の0次単一モード入力光の大部分が、出力部
の0次単一モードで通過し、出力端のテーパー状領域8
でわずかな付加損失のみの損失があることが分かる。し
かし、温度上昇が30℃の場合(図5(b))、熱線の
境界で光が反射されて、それ以後、高次モードが励起さ
れることが分かる。この場合、出力端のテーパー状領域
8、及び単一モード領域9で大部分の光が除去されるこ
とが明確に示されている。図5(c)は、上記構造の可
変光減衰器において、熱線下部の温度上昇に応じて出力
光パワーの減衰特性を模擬実験した結果を示す。温度上
昇が約35℃の場合、30dB以上の減衰が起こること
が分かる。
【0018】図6は、図5の可変光減衰器を実際に製作
して、熱線に印加された電力に応じた減衰特性を測定し
た結果を示す。熱線に印加された電力が増加するほど、
熱線による温度変化量も比例して増加するために、図5
(c)に図示されたように模擬実験結果と実際の測定結
果が同様の傾向であることが分かる。
【0019】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明の高次モー
ド発生器は、その構造が非常に簡易な上、製作も容易で
ある。更に、これを利用した可変光減衰器等の様々な光
導波素子を製作することも容易であり、再生性があり、
その上、大量生産が容易な長所がある。
【0020】以上では本発明を実施例によって詳細に説
明したが、本発明は実施例によって限定されず、本発明
が属する技術分野において通常の知識を有するものであ
れば本発明の思想と精神を離れることなく、本発明を修
正または変更できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の高次モード発生器素子の略図である。
【図2】本発明の高次モード発生器において、導波光の
次数によって光が導波路に進行する形態を示した線図で
ある。
【図3】導波光の次数による波数ベクトルの大きさ、及
びコア層、クラッド層の波数ベクトルの関係を示した線
図である。
【図4】本発明の高次モード発生器を利用した実施例の
一つである可変光減衰器の構造の略図である。
【図5】図4の実施例における波長λ=1.55μ
m、n=1.4937、n=1.4856,d=40
μm、Ltap=3200μm、Lmmr=3800μ
m、w=7μmの条件での光の導波特性を示すものであ
り、aは、導波路の温度上昇が0℃の場合の、BPM計
算機シミュレーションによる光の導波特性を撮影した写
真である。bは、導波路の温度上昇が30℃の場合の、
BPM計算機シミュレーションによる光の導波特性を撮
影した写真である。cは、BPMで数値計算された温度
による導波路の減衰特性を示したグラフである。
【図6】図5の構造を有するポリマー可変光減衰器を実
際に製作して、印加電力による減衰特性を測定した線図
である。
【符号の説明】
1 高次モード発生器のコア層 2 高次モード発生器の上部クラッド層 3 高次モード発生器の下部クラッド層 4 外部電圧(または電流)が印加される電極 5 高次モード発生器 6 可変光減衰器入力部の0次単一モード光導波路 7 可変光減衰器入力部のテーパー状光導波路 8 可変光減衰器出力部のテーパー状光導波路 9 可変光減衰器出力部の0次単一モード光導波路

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 1次以上の高次モードを支援する上部ク
    ラッド層2と下部クラッド層3とコア層1とから構成さ
    れる直線光導波路と、この光導波路との間の角度αを有
    し、導波路を斜めに横切る直線電極4とから構成された
    高次モード発生器において、0次の光導波モードをm次
    の光導波モードに転換するためにm次の高次モードの進
    行角度をθであるとする時、電極の角度αと高次モー
    ド進行角度θがα>θ/2の条件を満足することを
    特徴とする高次モード発生器。ここでmは1以上の自然
    数を示す。
  2. 【請求項2】 導波路のクラッド層2,3とコア層1の
    材質としてシリカ又はポリマーを使用して、電極4に電
    流を流すことによって温度変化による屈折率変化を利用
    して調節される請求項1記載の高次モード発生器。
  3. 【請求項3】 導波路材質としてLiNbO3又は電気光学ポ
    リマーである場合、電極に印加された電圧による屈折率
    変化を利用した請求項1記載の高次モード発生器。
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