JP2002530690A - 光結合器及びその製作方法 - Google Patents

光結合器及びその製作方法

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JP2002530690A
JP2002530690A JP2000582831A JP2000582831A JP2002530690A JP 2002530690 A JP2002530690 A JP 2002530690A JP 2000582831 A JP2000582831 A JP 2000582831A JP 2000582831 A JP2000582831 A JP 2000582831A JP 2002530690 A JP2002530690 A JP 2002530690A
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optical waveguide
optical
junction
module
waveguides
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ジョン−ファン チョ
サン−ユン イ
テ−ヒュン イ
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Abstract

(57)【要約】 【課題】Ｙ−接合光導波路及びこれを連結する曲線光導波路でオフ軸光結合器をモジュール化することにより、出力光導波路の本数を容易に増やしうる光結合器を提供する。 【解決手段】一本の入力光導波路Ｉからの光信号をＮ個の光信号に分割して出力光導波路Ｏへ出力する光結合器において、光信号を２つの光信号に分岐するＹ−接合光導波路Ｊを複数用いてｍ段に構成し、このＹ−接合光導波路と交互に連結され、第ｍ番目の段のＹ−接合光導波路と出力光導波路との間には少なくとも１本連結される曲線光導波路Ｂを複数備えてなり、光信号導波方向を縦軸Ｚ、入力光導波路と第１番目の段のＹ−接合光導波路との接続点を原点としたとき、Ｙ−接合光導波路及び曲線光導波路は、原点から各出力光導波路まで形成されたＮ本の経路のうち、最大長さの経路を最小化する位置に配置され、その大きさが決められることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光結合器及びその製作方法に係り、特に、入出力光導波路の間に、Ｙ
−接合光導波路及びそこに連結される曲線光導波路を具備する光結合器及びその
製作方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光結合器は、一つの光信号を多数の光信号に分割する光素子であって、光加入
者網の核心素子である。初期の光結合器は、二本の光ファイバを互いに熱接合さ
せる方法により製作されていた。しかし、これは、その製作中に多くの手間を要
するため、製作コストが高かった。しかも、光ファイバを直接使用するため、製
作された光結合器の体積が嵩むという短所があった。
【０００３】 これらの短所を克服するために、集積光学技術を用いた光結合器が提案されて
いる。集積光学技術を用いた光結合器の製作方法は、半導体集積回路の製作方法
と類似し、平板に光結合器を構成する微細パターンを形成するものである。この
方法は大量生産に適するので製作コストが低く、しかも、製作された光結合器の
体積が小さいという長所がある。また、光ファイバ光結合器では製作し難い多出
力の光結合器（１６個以上の出力）も容易に製作できるという長所もある。
【０００４】 １つの入力に対し出力数がＮである光結合器を１×Ｎ光結合器と呼ぶ。１×Ｎ
光結合器を構成する一つの方法として、１×２光結合器を直列接続して構成する
方法があげられる。この場合、光結合器の出口数Ｎは、２ｍ（ここで、ｍは１×
２光結合時に直列接続される段数であって、自然数である）となる。例えば、１
×４光結合器は、１×２光結合器の二つの出力端に各々１×２光結合器を直列接
続して構成される。このとき、１×２光結合器は、ローマ字Ｙの形状のＹ−接合
光導波路と、これを出力光導波路まで連結する曲線導波路とで構成される。
【０００５】 現在、Ｙ−接合光導波路を配置する方法によって、２種類の光結合器の構造が
提案されている。その一つは、平行軸光結合器であって、Ｙ−接合光導波路を光
の進行方向である縦軸と平行に配置する構造である。もう一つは、オフ軸光結合
器であって、Ｙ−接合光導波路が縦軸と平行ではない状態に配置される構造であ
る。
【０００６】 図１Ａは、平行軸光結合器の構造を示したものであって、米国特許第４、１６
５、２２５号に開示されている。図１Ａによる光結合器は、Ｙ−接合光導波路を
段数に合わせて縦軸Ｚに平行に配置し、これらの入出力を曲線光導波路である連
結光導波路に連結して構成される。図１Ａにおいて、Ｙ−接合光導波路はＩｘｙ で示され、連結光導波路はＡｘｙで示されている。また、ｘｘは、出力光導波路
を表わす。
【０００７】 この図１Ａに示された光結合器は、素子が長いという問題点がある。一般に、
曲線光導波路の曲がり損失を低減させるためには、横方向変位の変化率を小さく
保つ必要がある。平行軸光結合器において、二つのＹ−接合光導波路を縦軸に平
行に連結するためには、連結光導波路の終端を縦軸Ｚに平行にしなければならな
い。このとき、横方向変位の変化率を小さく保てば、連結光導波路の縦方向の長
さが長くなり、結果的に、Ｙ−接合光導波路と平行にするのに必要な長さだけ、
全体の素子が長くなる。素子が長くなれば歩留りが低下し、その結果、製作コス
トが上がる。しかも、素子内のパターン均一度が増加されて、素子の性能が低下
される。
【０００８】 図１Ｂは、オフ軸光結合器の構造を示したものであって、米国特許第５、２２
２、１６７号に開示されている。図１Ｂによる光結合器は、光結合器の最外郭の
光導波路の経路を設定し、この経路上にＹ−接合光導波路の配置を決定した後、
決定された位置で光導波路経路（例えば、Ｒ２）と接する仮想の対称軸Ｗを描き
、反対側にこれと対称な曲線（例えば、Ｒ３）を描いてＹ−接合光導波路を形成
することにより製作される。図１Ｂにおいて、Ｙ−接合光導波路はＫｘｙで示さ
れている。また、Ｒｘは曲線光導波路の半径であり、ｘｘは出力光導波路である
。
【０００９】 一般に、最外郭の光導波路は円弧の光導波路を使用するため、曲線上に形成さ
れるＹ−接合光導波路は、図１Ｂに示されたように、外接する両円の円弧Ｒ２、
Ｒ３の間に形成される。このとき、Ｙ−接合光導波路の中心軸は、それ以上縦軸
Ｚに平行しない。
【００１０】 この図１Ｂに示された光結合器は、Ｙ−接合光導波路及び曲線光導波路が一体
となっているため、曲線光導波路によりＹ−接合光導波路の構造が画一的に構成
されるという問題がある。また、最外郭の曲線光導波路において、Ｙ−接合光導
波路の位置は、ここから分岐される各経路の終端が出力光導波路と正確に一致す
るように設定される必要がある。ところで、このような位置設定は、連結されて
続く後段のＹ−接合光導波路でも必要とされるため、各経路上において、Ｙ−接
合光導波路の位置は極めて制限される。従って、必ず決まった位置にＹ−接合光
導波路が置かれる必要があるため、僅かな位置調節も極めて難しくなり、設計上
の自由度は下がる。これは、出力光導波路の本数が増すにつれて段々難しくなる
。すなわち、出力光導波路の本数を増やすためには、より多くの経路が最外郭の
光導波路の内側から分岐される。このとき、各分岐された光導波路において、Ｙ
−接合光導波路の位置は、これを含む各経路の終端が一定の間隔で離れている出
力光導波路の入力と正確に一致するように決められる必要がある。しかし、オフ
軸光結合器の場合、Ｙ−接合光導波路の位置決めは、直観的な判断による試行錯
誤を通じてなされるため、出力光導波路の本数が増えるほど、決められるべきＹ
−接合光導波路の本数も多くなることから、この方法によるＹ−接合光導波路の
位置決めは困難である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、Ｙ−接合光導波
路及びこれを連結する曲線光導波路でオフ軸光結合器をモジュール化することに
より、出力光導波路の本数を容易に増やしうる光結合器及びその製作方法を提供
することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明は、一本の入力光導波路及びＮ本の出力光
導波路を具備し、前記入力光導波路から入射した光信号をＮ個の光信号に分割し
て前記出力光導波路へ出力する光結合器において、入射してきた光信号を２つの
光信号に分岐するＹ−接合光導波路を複数用いてｍ段に構成し、このＹ−接合光
導波路と交互に連結され、第ｍ番目の段の前記Ｙ−接合光導波路と前記出力光導
波路との間には少なくとも１本連結される曲線光導波路を複数備えてなり、光信
号の導波方向を縦軸とし、前記入力光導波路と第１番目の段の前記Ｙ−接合光導
波路との接続点を原点としたとき、前記Ｙ−接合光導波路及び前記曲線光導波路
は、前記原点から前記各出力光導波路まで形成されたＮ本の経路のうち、最大長
さの経路を最小化する位置に配置され、その大きさが決められることを特徴とす
る。
【００１３】 また、上記目的を達成するために、本発明は、一本の入力光導波路、Ｎ本の出
力光導波路を具備し、前記入力光導波路に入射してきた光信号を２つの信号に分
岐して前記各出力光導波路に出力するよう複数のＹ−接合光導波路をｍ段に構成
するとともに、前記Ｙ−接合光導波路と交互に連結され、第ｍ番目の段の前記Ｙ
−接合光導波路と前記出力光導波路との間には少なくとも１本連結される曲線光
導波路を複数備える光結合器のパターンマスクを設計し、このマスクパターンに
よって光結合器を製作する方法における前記パターンマスクの設計方法において
、前記Ｙ−接合光導波路の長さ、幅及び分岐角を決定し、前記各Ｙ−接合光導波
路につき決定された値による大きさを持つＹ−接合光導波路モジュールを形成す
る第１段階と、前記各曲線光導波路の曲率半径及び内角によって決められる大き
さを持ち、前記Ｙ−接合光導波路モジュール間を連結し、第ｍ番目の段の前記Ｙ
−接合光導波路モジュールと前記各出力光導波路とを連結する連結光導波路モジ
ュールを形成する第２段階と、前記入力光導波路と第１番目の段の前記Ｙ−接合
光導波路モジュールとが連結される接続点を原点とし、光の導波方向を縦軸とし
たとき、前記入力光導波路と前記各出力光導波路との間に配置される前記Ｙ−接
合光導波路モジュール及び前記連結光導波路モジュールについて、前記原点から
前記各出力光導波路までの縦軸距離が最小になるように、前記連結光導波路モジ
ュールの長さ、前記Ｙ−接合光導波路モジュール及び前記連結光導波路モジュー
ルの位置を決めて配置する第３段階と、この配置構造に従って前記パターンマス
クを製作する第４段階と、を含むことを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の上記及び他の特徴は、添付した図面と結びつけて説明される本欄の好
適な実施形態の説明から明らかになる。なお、図面における同一の部材には共通
の参照番号を使用している。
【００１５】 図２は、本発明による１×Ｎ光結合器の構造を示したものである。図２に示す
本例の光結合器は、出力導波路の本数が８である１×８構造である。本発明によ
る光結合器は図中の上下対称の構造であり、図２には、上部４本の光導波路だけ
が示してある。図２による光結合器は、一本の入力光導波路Ｉと、Ｎ本の出力光
導波路Ｏｘと、複数のＹ−接合光導波路モジュールＪｘｙ、及び複数の連結光導
波路モジュールＢｘｙを含む。図中、丸「○」は接続点を表わす。Ｙ−接合光導
波路モジュールＪｘｙはｍ段連結される。例えば、１×８光結合器の場合、Ｙ−
接合光導波路モジュールＪｘｙは３段連結される。
【００１６】 入力光導波路Ｉは、縦軸Ｚに置かれた直線光導波路である。
【００１７】 出力光導波路Ｏｘは、等間隔Δｘの直線光導波路であって、光信号を出力光フ
ァイバに伝える。出力光導波路Ｏｘの横軸位置は、各々ｘ１、ｘ２、ｘ３、ｘ４ である。
【００１８】 Ｙ−接合光導波路モジュールＪｘｙは、一つの入口及び二つの出口を具備し、
長さ、幅及び分岐角によりモジュールで表わされる。各Ｙ−接合光導波路モジュ
ールＪｘｙは入力光導波路Ｉと各出力光導波路Ｏｘとの間の経路上に位置し、入
力光信号を２つの光信号に分岐する。このとき、Ｙ−接合光導波路モジュールＪ ｘｙ は、Ｚ軸と平行しない場合もある。
【００１９】 連結光導波路モジュールＢｘｙは各Ｙ−接合光導波路モジュールＪｘｙを連結
し、第ｍ番目の段と出力光導波路Ｏｘとの間には１本以上が連結される。この実
施形態においては、第ｍ番目の段と出力光導波路Ｏｘとの間に２つの連結光導波
路モジュールを連結した。各連結光導波路モジュールＢｘｙは、Ｙ−接合光導波
路モジュールＪｘｙで分割された光信号を次の段のＹ−接合光導波路モジュール
Ｊｘｙまたは出力光導波路Ｏｘに出力する。
【００２０】 Ｅｘは、出力光導波路と連結される連結光導波路モジュールの終点を表わす。
接続点○は、入力光導波路とＹ−接合光導波路モジュールＪｘｙとの間の接続点
、Ｙ−接合光導波路モジュールＪｘｙと連結光導波路モジュールＢｘｙとの間の
接続点、連結光導波路モジュールＢｘｙ間の接続点である。これらの接続点○は
、導波される光の散乱及び導波される光波面の歪曲を防止すべく、所定の制限条
件、例えば、１）前段モジュール出口の座標と次段のモジュール入口座標の一致
（座標整合）、２）前段モジュール出口の接線傾斜及び次段のモジュール入口の
接線傾斜の一致（傾斜整合）、３）前段モジュール出口の曲率及び次段のモジュ
ール入口の曲率の一致（曲率整合）の条件を満足しなければならない。
【００２１】 以上の構造を持つ光結合器を製作するためには、先ず、光結合器の出力光導波
路の本数Ｎ及び出力光導波路の間隔Δｘを決定しなければならない。
【００２２】 次に、Ｙ−接合光導波路モジュールＪｘｙの長さＬＪ、半分の幅ＯＪ、及び分
岐角θＪを決定して、Ｙ−接合光導波路モジュールＪｘｙを設計する。図３は、
Ｙ−接合光導波路モジュールＪｘｙの構造を示したものである。ここで、／ａ（
“／”はアッパーラインの意味）は入口を、／ｂ及び／ｃは出口を表わす。また
、分岐角θＪは、Ｙ−接合光導波路モジュールの上側の出口点での接線と対称軸
Ｗとの間の角である。
【００２３】 θＲだけ回転されたＹ−接合光導波路モジュールの出口座標／ｂ及び／ｃは、
下記のように決められる。
【数１】
【００２４】 ここで、θＲだけ回転されたＹ−接合光導波路モジュールの出口／ｂでの出口
角はθＲ＋θＪであり、出口／ｃでの出口角はθＲ−θＪである。
【００２５】 次に、連結光導波路モジュールの設計のために、円弧光導波路の半径Ｒを決め
る。各円弧光導波路の半径を互いに別々に設定したり、或いは半径自体を未知数
にできるが、この実施形態では、全ての円弧光導波路が同一の半径を持つと仮定
する。
【００２６】 本発明に用いられる連結光導波路としては、円弧光導波路が挙げられる。望ま
しくは、多項弧の光導波路（Ｐｏｌｙｎｏｍｉａｌ ａｒｃ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ
、以下、ＰＡ光導波路と称する）が用いられる。ＰＡ光導波路は、円弧光導波路
の長所はそのまま持っており、短所は修正補完された曲線光導波路である。円弧
光導波路は、曲率半径がＲである円の一部を光導波路として用いるものであって
、経路方程式を表わし易いという長所がある。しかし、相異なる曲率を持つ円弧
光導波路が連結される場合、接続点において、曲率不整合による遷移損失及び波
面歪みが生じるという問題がある。
【００２７】 ＰＡ光導波路は、媒介変数ｔに対して５次多項式で表わされる縦軸多項式ｚ（
ｔ）及び横軸多項式ｘ（ｔ）により経路が定義できる。各方程式の各項に対する
係数は、曲線光導波路の入出口での境界条件、すなわち、座標整合、傾斜整合、
及び曲率整合から決定される。しかし、導出すべきパラメータが多いため、光結
合器のための連結光導波路モジュールとして、ＰＡ光導波路は用い難い。従って
、この実施形態では、光結合器の設計時に、パラメータの導出段階で円弧光導波
路を連結光導波路として選択し、パラメータが導出された後、円弧光導波路を曲
率整合されたＰＡ光導波路に替えることとする。
【００２８】 図４は、円弧光導波路を用いた連結光導波路モジュールを示した図である。こ
こで、／ａは入口を、／ｂは出口を表わす。連結光導波路モジュールは、連結光
導波路を円弧の一部として持つ円の曲率半径Ｒ及び内角θＢ（光導波路出口の接
線角θoから入口の接線角θＩを引いた角度）により表わされる。θＩだけ回転
された連結光導波路の出口の位置／ｂは、入口／ａに対し、Ｒ及びθＢにより下
記式のように決められる。
【数２】
【００２９】 ここで、ｒは符号を持つ曲率半径であって、ｒ＝Ｒ・sin（θＢ）として定義
される。ｒの符号は曲率の符号であって、経路に沿って連結光導波路の接線角が
広くなると、プラス（＋）で、狭くなるとマイナス（−）で表わされる。すなわ
ち、下記式の通りである。
【数３】
【００３０】 数式２及び数式３から、Ｙ−接合光導波路モジュール及び連結光導波路モジュ
ールを順次接続して形成される光結合器の経路を方程式で表わせる。数式２及び
数式３によれば、この方程式は、円弧光導波路の内角に対する方程式である。従
って、方程式の解を求めることで連結光導波路の大きさが求められ、経路による
Ｙ−接合光導波路モジュールの位置及び連結光導波路モジュールの位置を決める
ことができる。
【００３１】 図５Ａは、開始点Ｉから終点Ｅ１までの第１経路を示したものである。図５Ａ
によれば、第１経路は、Ｊ１１→Ｂ１１→Ｊ２１→Ｂ２１→Ｊ３１→Ｂ３１→Ｂ ４１ →Ｅ１で構成される。連結光導波路モジュールＢ１１、Ｂ２１、Ｂ３１及び
Ｂ４１に対する円弧の曲率半径ＲＢ１１、ＲＢ２１、ＲＢ３１及びＲＢ４１、円
弧内角θＢ１１、θＢ２１、θＢ３１から第１経路の終点座標（ｚ１，ｘ１）は
、下記のように表わされる。
【数４】
【００３２】 入力光導波路及び出力光導波路は縦軸Ｚに平行であるため、第１経路に沿って
累積した角度θ１は０にならなければならない。すなわち、下記式のように表わ
される。
【数５】
【００３３】 図５Ｂは、開始点Ｉから終点Ｅ２までの第２経路を示したものである。図５Ｂ
によれば、第２経路はＪ１１→Ｂ１１→Ｊ２１→Ｂ２１→Ｊ３１→Ｂ３２→Ｂ４ ２ →Ｅ２で構成される。連結光導波路モジュールＢ１１、Ｂ２１、Ｂ３２及びＢ ４２ に対する円弧の曲率半径ＲＢ１１、Ｒ Ｂ２１、Ｒ Ｂ３２及びＲＢ４２、円
弧内角θＢ１１、θＢ２１、θＢ３２及びθＢ４２から、第２経路の終点座標（
ｚ２，ｘ２）は下記のように表わされる。
【数６】
【００３４】 入力光導波路及び出力光導波路が縦軸Ｚに平行であるため、第２経路に沿って
累積した角度θ２は、０にならなければならない。すなわち、下記式のように表
わされる。
【数７】
【００３５】 図５Ｃは、開始点Ｉから終点Ｅ３までの第３経路を示したものである。図５Ｃ
によれば、第３経路は、Ｊ１１→Ｂ１１→Ｊ２１→Ｂ２２→Ｊ３２→Ｂ３３→Ｂ ４３ →Ｅ３で構成される。連結光導波路モジュールＢ１１、Ｂ２２、Ｂ３３及び
Ｂ４３に対する円弧の曲率半径ＲＢ１１、ＲＢ２２、ＲＢ３３及びＲＢ４３、円
弧の内角θＢ１１、θＢ２２、θＢ３３及びθＢ４３から第３経路の終点座標（
ｚ３，ｘ３）は、下記式のように表わされる。
【数８】
【００３６】 入力光導波路及び出力光導波路が縦軸Ｚに平行であるため、第３経路に沿って
累積した角度θ３は０にならなければならない。すなわち、下記式のように表わ
される。
【数９】
【００３７】 図５Ｄは、開始点Ｉから終点Ｅ４までの第４経路を示したものである。図５Ｄ
によれば、第４経路は、Ｊ１１→Ｂ１１→Ｊ２１→Ｂ２２→Ｊ３２→Ｂ３４→
Ｂ４４→Ｅ４で構成される。連結光導波路モジュールＢ１１、Ｂ２２、Ｂ３４及
びＢ４４に対する円弧の曲率半径ＲＢ１１、ＲＢ２２、ＲＢ３４及びＲＢ４４、
円弧の内角θＢ１１、θＢ２２、θＢ３４及びθＢ４４から第４経路の終点座標
（ｚ４，ｘ４）は、下記式のように表わされる。
【数１０】
【００３８】 入力光導波路及び出力光導波路が縦軸Ｚに平行であるため、第４経路に沿って
累積した角度θ４は、０にならなければならない。すなわち、下記式のように表
わされる。
【数１１】
【００３９】 数式４〜数式１１から、１１個の未知数を持つ８つの非線形連立方程式を求め
る。１１個の未知数は各連結光導波路モジュールの内角であり、これらの集合を
Ｕ={θＢ１１、θＢ２１、 θＢ２２、θＢ３１、θＢ３２、 θＢ３３、θＢ３ ４ 、θＢ４１、θＢ４２、θＢ４３、 θＢ４４}で表わす。８つの非線形連立方
程式のうち４つは、出力光導波路の横方向変位に対する境界条件から得られる横
軸移動距離方程式、すなわち、各終点の横座標値であり、その値はｘｉ＝ｇｉ（
…）＝｛（Ｎ＋１）／２−ｉ｝・Δｘである。残りの４つは、入力光導波路から
出力光導波路までの角度累積値が０となるという条件から得られる累積角度方程
式θｉ＝ψｉ（…）＝０である。この場合、未知数の個数が方程式のそれよりも
多いので、多数の解集合が得られる。
【００４０】 複数の解集合のうち、数式４〜数式１１の縦軸移動距離方程式ｚｉ＝ｆｉ（…
）を最小とする解の集合Ｕｉを求める。解の集合は各種の方法により求めること
ができ、この実施形態では、数学的な最適化技法を使用している。
【００４１】 各経路（ｉ=１、２、３、４）を最小化する解集合Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３、Ｕ４を
求めた後、求められた解集合を利用して求めた４本の経路のうち、最大の縦軸移
動距離を持つ経路を互いに比較して、これらのうち最小の長さを持つ解集合を選
ぶ。すなわち、最小{最大[ｆ１（Ｕ１）、ｆ２（Ｕ１）、ｆ３（Ｕ１）、ｆ４（
Ｕ１）]、最大[ｆ１（Ｕ２）、ｆ２（Ｕ２）、ｆ３（Ｕ２）、ｆ４（Ｕ２）]、
最大 [ｆ１（Ｕ３）、ｆ２（Ｕ３）、ｆ３（Ｕ３）、ｆ４（Ｕ３）]、最大 [ｆ
１（Ｕ４）、ｆ２（Ｕ４）、ｆ３（Ｕ４）、ｆ４（Ｕ４）]｝を満足する解集合
を選ぶ。
【００４２】 求められた解集合から連結光導波路モジュールの大きさを決めて、各Ｙ−接合
光導波路モジュール及び連結光導波路モジュールを連結配置する。
【００４３】 光結合器の下部は、今まで求めたＹ−接合光導波路モジュール及び連結光導波
路モジュールを縦軸に対して対称をなすように配置してなる。
【００４４】 図６は、本発明による１×８光結合器を示したものである。入力光導波路及び
出力光導波路は縦軸と平行で、出力光導波路間の間隔は２５０μｍである。各Ｙ
−接合光導波路モジュールは、長さＬＪ=１７００μｍ、半分の幅ＰＪ=１４．８
１μｍ、そして分岐角θＪ=１．０２８゜で構成されている。連結光導波路モジ
ュールの曲率半径Ｒは５０ｍｍである。光結合器の長さ（ＩからＥ１まで）は最
外郭の経路により決められ、その長さは１５ｍｍである。この長さは、従来の方
法による光結合器のそれ（２２ｍｍ）よりも短い。
【００４５】 図７は、本発明の１×３２光結合器及び従来の１×３２光結合器の長さを比較
して示したものである。図７Ａは従来の光結合器であって、その長さは６７ｍｍ
である。図７Ｂは本発明による光結合器であって、その長さは３１ｍｍである。
【００４６】 本発明では、連結光導波路モジュールとして、ＰＡ光導波路を用いる。ＰＡ光
導波路は、円弧光導波路の開始点及び終点を、多項の曲線光導波路（以下、Ｐ−
カーブ光導波路と称する）に替えたものである。
【００４７】 Ｐ−カーブ光導波路はラドーセル（Ｆ．Ｌａｄｏｕｃｅｒ）により提案された
ものであって、光導波路の経路に沿って曲率を変えることができる。図８は、Ｐ
−カーブ光導波路の一部を示したものである。図８に示されたように、二つの直
線光導波路８００、８０４を結ぶ曲線導波路８０２での遷移損失を無くすために
は、第１直線光導波路８００の終点と曲線光導波路８０２の開始点との接続点Ａ
、曲線光導波路８０２の終点と第２直線光導波路８０４の開始点Ｂとの接続点Ｂ
において、第１直線光導波路８００と曲線光導波路８０２、曲線光導波路８０２
と第２直線光導波路８０４の各々の座標、傾斜及び曲率が一致しなければならな
い。このような境界条件を適用するために、経路ベクトルＲ（ｔ）を下記式のよ
うに、媒介変数ｔに対する多項式で表わす。
【数１２】
【００４８】 ここで、ｕｚ、ｕｘはｚ軸、ｘ軸の単位ベクトルである。
【００４９】 前記の境界条件は、各座標に対して６つの境界条件を提供するため、多項式の
次数は、５が適切である。従って、ｚ（ｔ）、ｘ（ｔ）は、下記式のように表わ
される。
【数１３】
【００５０】 接続点Ａにおいてｔ値が０、接続点Ｂにおいてｔ値がＬであるとき、前記の境
界条件から、下記式のような代数方程式が得られる。
【数１４】
【００５１】 このとき、右側行列の各項において、上部のドット表示はｔに対する微分を表
わし、その値は、下記式のように表わされる。
【数１５】
【００５２】 ここで、ｋｉ，ｋｆは各々開始点及び終点での曲率である。
【００５３】 数式１４及び数式１５から、ａ０〜ａ５を求めることができる。
【数１６】
【００５４】 この方法と同様にして、ｂ０〜ｂ５も下記式のように救められる。
【数１７】
【００５５】 ＰＡ光導波路は、円弧光導波路の開始点及び終点をＰ−カーブで連結して作っ
た曲線光導波路である。図９は、曲率半径Ｒが５０，０００μｍであり、内角が
９０゜である円弧光導波路及びＰＡ光導波路を示したものである。点線は円弧光
導波路であり、実線はＰＡ光導波路である。接続点Ａ及び接続点Ｂでの境界条件
は、数式１５により、下記のように決められる。
【数１８】
【００５６】 Ｌ=Ｒ×θであるため、数式１３、１６、１７及び１８から、ｚ（ｔ）、ｘ（
ｔ）は下記式のように決められる。
【数１９】
【００５７】 連結光導波路の開始点から数式１９の媒介変数ｔを０からＬ（７．８５４×１
０４）まで変えつつ、数式１２の経路ベクトルＲ（ｔ）の軌跡を描けば、図９に
示されたＰＡ光導波路が得られる。
【００５８】 光結合器の製作は、入力光導波路、複数の出力光導波路及び前述のように設計
された位置及び長さを持つＹ−接合光導波路モジュールと連結光導波路モジュー
ルとを備えたパターンマスクを製作し、基板にこのマスクパターンを形成して行
うことができる。
【００５９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、Ｙ−接合光導波路モジュール及び連結光
導波路モジュールを利用して光結合器を構成するため、各種の構造のＹ−接合光
導波路の構造が設計でき、モジュール配置の自由度が大きくなるので、光結合器
の設計が容易である。これにより、相対的に短い長さの光結合器を製作でき、そ
の結果、歩留りが高くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１Ａ及び図１Ｂは、従来の光結合器の構造を示した図。
【図２】 図２は、本発明による光結合器の構造を示した図。
【図３】 図３は、図２のＹ−接合光導波路モジュールの構造を示した図。
【図４】 図４は、円弧光導波路を用いた連結光導波路モジュールを示した図。
【図５】 図５Ａ〜図５Ｄは、図２に示された光結合器の開始点Ｉから終点Ｅ１〜Ｅ４ま
での第１〜第４経路を示した図。
【図６】 図６は、本発明による１×８光結合器を示した図。
【図７】 図７は、本発明による１×３２光結合器及び従来の方法による１×３２光結合
器の長さを比較して示した図。
【図８】 図８は、Ｐ−カーブ光導波路の一部を示した図。
【図９】 図９は、曲率半径Ｒが５０，０００μｍであり、内角が９０゜である円弧光導
波路及び多項の円弧光導波路を示した図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 イ サン−ユン 大韓民国 449−900 キョンキ−ド ヨン イン−シティ キフン−ウプ ノンソ−リ サン14 (72)発明者 イ テ−ヒュン 大韓民国 463−050 キョンキ−ド ソン ナム−シティ ブンダン−グ ソヒョン− ドン 96 ウソンアパート209−501 Ｆターム(参考） 2H047 KA03 KA12 LA12 PA21 TA42 TA43

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 一本の入力光導波路及びＮ本の出力光導波路を具備し、前記
    入力光導波路から入射した光信号をＮ個の光信号に分割して前記出力光導波路へ
    出力する光結合器において、 入射してきた光信号を２つの光信号に分岐するＹ−接合光導波路を複数用いて
    ｍ段に構成し、このＹ−接合光導波路と交互に連結され、第ｍ番目の段の前記Ｙ
    −接合光導波路と前記出力光導波路との間には少なくとも１本連結される曲線光
    導波路を複数備えてなり、 光信号の導波方向を縦軸とし、前記入力光導波路と第１番目の段の前記Ｙ−接
    合光導波路との接続点を原点としたとき、前記Ｙ−接合光導波路及び前記曲線光
    導波路は、前記原点から前記各出力光導波路まで形成されたＮ本の経路のうち、
    最大長さの経路を最小化する位置に配置され、その大きさが決められることを特
    徴とする光結合器。
  2. 【請求項２】 各Ｙ−接合光導波路は、一つの入口及び二つの出口を具備し
    、長さ、幅及び前記両出口の分岐角によりその構造が決められる請求項１に記載
    の光結合器。
  3. 【請求項３】 各曲線光導波路は、各曲線光導波路の曲率半径及び内角によ
    りその軌跡が決められる請求項１に記載の光結合器。
  4. 【請求項４】 曲線光導波路の軌跡は、該曲線光導波路の接続点で光信号の
    遷移損失が生じないように所定の境界条件を満足する係数を持つ縦軸及び横軸多
    項式において、当該多項式の変数値を０から連結光導波路長まで変えつつ求めら
    れた値によって形成される請求項３に記載の光結合器。
  5. 【請求項５】 一本の入力光導波路、Ｎ本の出力光導波路を具備し、前記入
    力光導波路に入射してきた光信号を２つの信号に分岐して前記各出力光導波路に
    出力するよう複数のＹ−接合光導波路をｍ段に構成するとともに、前記Ｙ−接合
    光導波路と交互に連結され、第ｍ番目の段の前記Ｙ−接合光導波路と前記出力光
    導波路との間には少なくとも１本連結される曲線光導波路を複数備える光結合器
    のパターンマスクを設計し、このマスクパターンによって光結合器を製作する方
    法における前記パターンマスクの設計方法において、 前記Ｙ−接合光導波路の長さ、幅及び分岐角を決定し、前記各Ｙ−接合光導波
    路につき決定された値による大きさを持つＹ−接合光導波路モジュールを形成す
    る第１段階と、 前記各曲線光導波路の曲率半径及び内角によって決められる大きさを持ち、前
    記Ｙ−接合光導波路モジュール間を連結し、第ｍ番目の段の前記Ｙ−接合光導波
    路モジュールと前記各出力光導波路とを連結する連結光導波路モジュールを形成
    する第２段階と、 前記入力光導波路と第１番目の段の前記Ｙ−接合光導波路モジュールとが連結
    される接続点を原点とし、光の導波方向を縦軸としたとき、前記入力光導波路と
    前記各出力光導波路との間に配置される前記Ｙ−接合光導波路モジュール及び前
    記連結光導波路モジュールについて、前記原点から前記各出力光導波路までの縦
    軸距離が最小になるように前記連結光導波路モジュールの長さ、前記Ｙ−接合光
    導波路モジュール及び前記連結光導波路モジュールの位置を決めて配置する第３
    段階と、 この配置構造に従って前記パターンマスクを製作する第４段階とを含むことを
    特徴とする光結合器の製作方法。
  6. 【請求項６】 第３段階は、各連結光導波路モジュールの曲率半径を決定し
    、決定された曲率半径及び未知数である内角から前記連結光導波路モジュールの
    長さを求める段階と、各Ｙ−接合光導波路モジュールの長さ及び前記各連結光導
    波路モジュールの長さを基に原点から各出力光導波路までの横軸及び縦軸距離を
    求める段階と、前記各出力光導波路の横軸距離が前記出力光導波路間の間隔によ
    って決められるとき、所定の制限条件を満足しつつ前記各縦軸距離を最小化する
    内角を求める段階と、これにより求められた内角から前記各Ｙ−接合光導波路モ
    ジュールの位置、前記各連結光導波路モジュールの位置及び長さを求める段階と
    を含む請求項５に記載の光結合器の製作方法。
  7. 【請求項７】 所定の制限条件は、原点と各出力光導波路との間の各経路に
    含まれるＹ−接合光導波路モジュールの分岐角及び連結光導波路モジュールの内
    角を累積した角度が各経路に対して０であることとする請求項６に記載の光結合
    器の製作方法。
  8. 【請求項８】 内角を求める段階は、最小化を満足する複数の内角の集合を
    求め、当該集合のうち、前記各内角の集合から得られる経路のうち最大長さの経
    路を最小化する内角の集合を求めることによる請求項７に記載の光結合器の製作
    方法。
  9. 【請求項９】 各連結光導波路モジュールの配置は、前記各連結光導波路モ
    ジュールの接続点を進行する光の遷移損失を最小化する第２制限条件を満足する
    ようにする段階を含む請求項８に記載の光結合器の製作方法。
  10. 【請求項１０】 第２制限条件は、各接続点で接続される各モジュールの入
    口及び出口における座標の一致、接線傾斜の致及び曲率の一致である請求項９に
    記載の光結合器の製作方法。
  11. 【請求項１１】 各連結光導波路の軌跡は、該各連結光導波路の接続点で第
    ２制限条件により決められる係数を持つ横軸及び縦軸多項式から、当該多項式の
    変数値を０から前記連結光導波路長まで変えて求められた値によって決められる
    請求項１０に記載の光結合器の製作方法。
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