JP2003084324A

JP2003084324A - マルチモード導波路

Info

Publication number: JP2003084324A
Application number: JP2001277085A
Authority: JP
Inventors: Masao Kato; 正夫加藤; Katsunari Okamoto; 勝就岡本; Masaki Kamitoku; 正樹神徳
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2001-09-12
Filing date: 2001-09-12
Publication date: 2003-03-19

Abstract

(57)【要約】【課題】実効作用長を充分長く設定することが可能な
マルチモード導波路を提供し、動作しきい値光強度が低
い光デバイスを提供すること。【解決手段】伝播する光の強度に応じて屈折率が変化
する材料を用いてマルチモード導波路を構成することと
し、マルチモード導波路の信号光入射側端面及び信号光
出射側端面の一部に、導波路中の伝播光を反射させるた
めの反射手段を備えることとした。また、マルチモード
導波路に、導波路の構成材料の屈折率を変化させるため
の屈折率変化手段を備えることとした。更に、マルチモ
ード導波路に、制御光入力部と制御光出力部とを備え、
導波路中を伝播する制御光の強度に応じて導波路の構成
材料の屈折率を変化させることとした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マルチモード導波
路およびこれを用いた光デバイスに関し、より詳細に
は、伝播する光の強度に応じて屈折率が変化する材料か
らなるマルチモード導波路およびこれを用いた光デバイ
スに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年では、コンピュータ通信需要の増大
を背景に、光ファイバーの広帯域性を活用し、大容量光
通信を可能とするシステムの研究開発が活発化してお
り、実験的には、波長多重（ＷＤＭ）技術や光時分割多
重（ＯＴＤＭ）技術による数テラｂｐｓの超大容量伝送
が達成されている。ここで、ＷＤＭとは、信号光を周波
数領域で多重する伝送方式であり、ＯＴＤＭとは、光パ
ルスを光学的に時間多重する伝送方式である。

【０００３】このような信号光の伝送方式において重要
な役割を担う光デバイスのひとつが全光型光スイッチで
あり、光通信分野における高速光スイッチとして期待さ
れているだけではなく、これを利用することで、光パル
ス強度のばらつきを抑えて光強度を一律に揃える光リミ
ッタや、光増幅器で生じる自然放出光（ＡＥＳ）を除去
するＡＥＳ除去フィルタや、光パルスのパルス幅を狭く
して波形整形をおこなうパルスコンプレッサなどへの、
多岐にわたる応用が可能である。

【０００４】図１２は、これまでに報告されている全光
型光スイッチの構成例を説明するための図で、基板１１
上には２本の単一モードの導波路１２、１３が設けら
れ、これらの導波路は、信号光の入力ポートＡ１４、入
力ポートＢ１５、及び出力ポートＡ１６、出力ポートＢ
１７へと接続されている。

【０００５】導波路１２、１３の斜線で示した直線導波
路部分は「光カー媒質」により構成されており、その余
の導波路部分は「線形媒質」で構成されている。ここ
で、「光カー媒質」とは、媒質に入射する光強度に応じ
てその屈折率が変化する物質を意味する。

【０００６】図１３は、図１２に示した構成の単一モー
ド導波路を備える全光型光スイッチにおいて、入力ポー
トＡ１４から入射した入力光が、導波路１２、１３中を
伝播して出力ポートＡ１６または出力ポートＢ１７から
出射される場合における、各出力ポートからの出力光強
度を入力光強度で除して得られる出力率（透過率）の入
力光強度依存性を説明するための図である。

【０００７】図１３に示すとおり、入力光強度が弱い場
合には、導波路中を伝播する伝播光の強度も弱く、導波
路を構成する光カー媒質の屈折率はほとんど変化しな
い。その結果、光スイッチング動作は線形となり、入力
ポートＡ１４から入力されて導波路中を伝播する信号光
の殆どは、入力ポートＡ１４の対角位置にある出力ポー
トＢ１７へと出力される。

【０００８】一方、入力光強度が上がるにつれて、導波
路を構成する光カー媒質中を伝播する信号光強度も強く
なり、これに伴って、光カー媒質の屈折率は大きくな
る。その結果、導波路による方向性結合性が非対称とな
り、線形結合側の出力ポートである出力ポートＢ１７へ
出力されるための光結合率が減少して出力ポートＢ１７
の出力率が低下するとともに、出力ポートＡ１６へ出力
されるための光結合率が増大して出力ポートＡ１６の出
力率が上昇する。更に入力光強度が強くなると、入力光
の殆どは、入力ポートＡ１４の平行ポートである出力ポ
ートＡ１６に出力されるようになる。

【０００９】このような、入力光強度に応じて各々の出
力ポートの出力率が変化するという特性を利用すれば、
光パルス強度のばらつきを抑えて光強度を一律に揃える
光リミッタや、光増幅器で生じる自然放出光（ＡＥＳ）
を除去するＡＥＳ除去フィルタとして作用する光制御型
光デバイスが得られる。

【００１０】この他にも、入力光強度に応じて特性が変
化するという光学材料の特性を利用した光デバイスとし
て、利得飽和状態における光増幅器を光リミッターとし
て応用した例が報告されている。

【００１１】ここで、利得飽和現象のメカニズムについ
て簡単に説明すると、まず、希土類添加型の光増幅器
（ＥＤＦＡ等）では、利得が反転分布密度に比例するた
め、利得媒質内の光強度が大きくなり、誘導放出により
高いエネルギ準位（上準位）に励起された原子が大量に
消費されると、反転分布の減少による利得の減少（利得
飽和）が生じる。

【００１２】また、半導体型の光増幅器では、誘導増幅
過程においてキャリアの消費量が入力光強度に依存して
変化するため、入力光強度が強くなるにつれて大量のキ
ャリアが消費される。キャリア消費量が蓄積キャリアに
対して無視できない領域では、利得の減少（利得飽和）
が生じる。

【００１３】このような利得飽和の領域では、強度の強
い光信号は、強度の弱い光信号に比較して増幅率が小さ
くなるため、信号光の振幅（ピーク値）を一定にするこ
とができる。

【００１４】図１４は、光増幅器の利得飽和特性を説明
するための図で、図１４（ａ）は、利得Ｇの入力光強度
依存性を示しており、図１４（ｂ）は、出力光強度Ｉの
入力光強度依存性を示している。

【００１５】光増幅器が利得飽和領域に達すると、入力
された光が増幅作用を受けずに出力されることとなる結
果、利得Ｇは、入力光強度が強くなるにつれて徐々に減
少する一方、その出力光強度Ｉは、入力光強度につれて
徐々に増大し、やがて一定値で飽和する。

【００１６】図１５は、光増幅器が利得飽和することに
より、入力光パルスにおける強度のばらつきが等化され
る様子を説明するための図で、光振幅のばらついた入力
光パルス列４１が光振幅等化器４２に入力され、光振幅
等化器４２内において入力光パルス列４１の光強度のば
らつきが等化されて光振幅の揃った出力光パルス列４３
が出力される。

【００１７】なお、この他の光リミッターとして、しき
い値特性の異なる２つの過飽和吸収体を備えた光デバイ
スも報告されている。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】図１２に示したような
単一モード導波路を備える全光型光スイッチでは、導波
路内で非線形現象を誘起するための高強度の光入力が必
要となる。これは、導波路内で生じる非線形現象の程度
は、光カー媒質の非線形屈折率（ｎ_２）と作用長（Ｌ
_ＮＬ）、および、入力する信号の光強度（Ｐ）の積（ｎ
_２・Ｌ_ＮＬ・Ｐ）に依存することに起因する。

【００１９】次式で示すように、作用長（Ｌ_ＮＬ）は、
損失（α）および光カー媒質の導波路長（Ｌ）に依存す
る。Ｌ_ＮＬ＝［１−ｅｘｐ（−αＬ）］／α （１）

【００２０】単一モード導波路は、光ファイバと比較し
て損失（α）が大きいため、式（１）で示したように、
単に導波路長（Ｌ）だけを長くしても作用長（Ｌ_ＮＬ）
を充分に大きくすることは困難であるのみならず、製造
プロセスとの関係からも、導波路長（Ｌ）の設定可能範
囲には限界がある。さらに、その設計上の制約から導波
路として利用可能な光カー媒質材料にも制限があるた
め、材料の選択により損失（α）を変化させて作用長
（Ｌ_ＮＬ）を充分に大きく設定することにも限界があ
る。

【００２１】このように、単一モード導波路型の全光型
光スイッチでは、作用長（Ｌ_ＮＬ）が比較的短く、導波
路として使用可能な光カー媒質にも制限があるため、非
線形屈折率（ｎ_２）を充分に大きく設定することができ
ず、その結果、スイッチングのしきい値光強度が大きく
なり、信号光の入力光強度を大きくしなければ動作しな
いという問題がある。

【００２２】また、上述した光増幅器の利得飽和現象を
光スイッチに利用する場合には、強度の弱い光信号が入
力されると、信号光が増幅されるのみならず、光増幅器
によって発生する雑音（自然放出光：ＡＳＥ）も増幅さ
れてしまい、光信号のＳＮ比が低下するという問題もあ
った。

【００２３】更に、半導体型光増幅器を利得飽和領域で
使用すると、キャリア密度の時定数が光強度の時間変化
に比べて遅い場合には、キャリアが感じる光強度は入力
光の光強度を時間平均して得られた強度となり、高速の
光信号に対しては信号光の振幅を一定に保つことができ
ず、その結果、時間応答特性が生じて光増幅器として適
応可能な領域が限定されるという問題もある。

【００２４】本発明は、このような問題に鑑みてなされ
たものであって、その目的とするところは、第１に、伝
播損失の小さい材料を用いてマルチモード導波路を構成
することにより、光デバイスに備えられるマルチモード
導波路の作用長（Ｌ_ＮＬ）を充分長く設定することを可
能とし、動作しきい値光強度が低い光デバイスを提供す
ることである。

【００２５】また、本発明の第２の目的は、シンプルな
導波路構造を採用することにより、光カー効果の大きな
媒質のマルチモード導波路への使用を可能とし、動作し
きい値光強度の低い光デバイスを提供することである。

【００２６】また、本発明の第３の目的は、時間応答特
性がなく、超高速光パルス列の振幅をも等化可能な高速
の光デバイスを提供することである。

【００２７】更に、本発明の第４の目的は、信号光のう
ち、光強度の強い成分のみを選択的に透過するしきい値
特性を有し、ＳＮ比の低下しない光デバイスを提供する
ことである。

【００２８】

【課題を解決するための手段】本発明は、このような目
的を達成するために、請求項１に記載のマルチモード導
波路は、伝播する光の強度に応じて屈折率が変化する材
料により構成した導波路部分を備え、該導波路の第１端
部から光を入力し、前記導波路部分の中を伝播した光を
その第２端部から出力するようにしたことを特徴とす
る。

【００２９】また、請求項２に記載の発明は、請求項１
に記載のマルチモード導波路において、前記材料は、シ
リカガラス、カルコゲナイドガラス、半導体ドープガラ
ス、または二硫化炭素のいずれかであることを特徴とす
る。

【００３０】また、請求項３に記載の発明は、請求項１
または２に記載のマルチモード導波路において、前記第
１端部および第２端部の各端面の一部に、前記導波路部
分を伝播する光を反射させるための反射手段を設けたこ
とを特徴とする。

【００３１】また、請求項４に記載の発明は、請求項１
乃至３いずれかに記載のマルチモード導波路において、
前記導波路部分は、前記材料の屈折率を変化させるため
の屈折率変化手段を備えたことを特徴とする。

【００３２】また、請求項５に記載の発明は、請求項４
に記載のマルチモード導波路において、前記屈折率変化
手段は、温度調整手段又は応力付与手段であることを特
徴とする。

【００３３】また、請求項６に記載の発明は、請求項１
乃至５いずれかに記載のマルチモード導波路において、
前記導波路部分は、制御光入力部と制御光出力部とを備
え、前記導波路部分を伝播する制御光の強度に応じて前
記材料の屈折率を変化させるようにしたことを特徴とす
る。

【００３４】更に、請求項７に記載の発明は、請求項１
乃至６いずれかに記載のマルチモード導波路であって、
光スイッチ、光リミッタ、ＡＥＳ除去フィルタ、または
パルスコンプレッサのいずれかの機能を有することを特
徴とする。

【００３５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。

【００３６】先ず、本発明のマルチモード導波路および
これを用いた光デバイスが奏する利点の理解を容易にす
るために、マルチモード導波路中の信号光の伝搬特性に
ついて簡単に説明する。

【００３７】マルチモード導波路では、そのセルフイメ
ージング効果により、１の導波路中を伝搬する信号光を
分岐することができ、複数の導波路を特別に設けること
を要しない。

【００３８】図１は、本発明の２分岐型の（１×２）マ
ルチモード導波路の構成を説明するための図で、光カー
媒質からなるマルチモード導波路５１は、導波路幅Ｗ、
導波路長Ｌ_ＭＭＩ、および、導波路の特性に対応して定
まる高さを有する平板状をなし、この中を信号光が伝播
する導波路部である。この導波路部の第１端部である一
方の端面には信号光の入力部５２が設けられ、これと対
向する導波路部の第２端部である他方の端面には、信号
光の出力部５３Ａ、５３Ｂが設けられている。すなわ
ち、導波路部分の第１端部から光を入力し、前記導波路
部分の中を伝播した光がその第２端部から出力されるこ
とになる。

【００３９】なお、これらのマルチモード導波路５１、
入力部５２、及び、出力部５３Ａ、５３Ｂは、同一の材
料を一体に成形して得られたものである。

【００４０】マルチモード導波路によって分岐可能な光
強度の分岐数は、導波路長（Ｌ_ＭＭ _Ｉ）と導波路の実効
幅（Ｗ_ｅ）の双方に依存し、信号光の波長がλの場合の
分岐数（Ｎ）と導波路長（Ｌ_ＭＭＩ(λ)）との関係は、
次式により与えられる。Ｌ_ＭＭＩ(λ)＝ｎ_ｅ(λ)・Ｗ_ｅ(λ)^２／（Ｎλ）（２）

【００４１】式（２）において、ｎ_ｅ（λ）は、波長λ
の信号光が導波路中を伝搬する際の導波路の実効屈折率
を意味し、Ｗ_ｅ（λ）は、波長（λ）の光に対するマル
チモード導波路の実効幅を意味する。

【００４２】本発明のマルチモード導波路の構成材料
は、入力光強度によって屈折率が変化する光カー媒質で
あるので、導波路の実効屈折率ｎ_ｅ（λ）は、入力光強
度によって変化する成分を有し、次式で与えられる。ｎ_ｅ(λ，Ｉ (τ))＝ｎ_ｅ(λ) ＋ｎ_２(λ，Ｉ (τ)) （３）

【００４３】ここで、Ｉ（τ）は、時刻τにおける入力
光の光強度の瞬時値であり、入力光が、強度変調成分を
もたない連続光である場合には、Ｉ（τ）は一定の値を
もつスカラーとなる。

【００４４】式（３）において、右辺第２項のｎ
_２(λ，Ｉ (τ))は、入力光強度によって変化する非線
形屈折率を意味し、これを式（２）に代入すると、光カ
ー媒質で構成されるＮ分岐のマルチモード導波路の導波
路長は次式で与えられる。Ｌ_ＭＭＩ(λ，Ｉ(τ))＝［ｎ_ｅ（λ）＋ｎ_２(λ，Ｉ(τ))］Ｗ_ｅ（λ）^２／Ｎλ （４）

【００４５】図２は、本発明のマルチモード導波路の最
適導波路長が、入力光強度に依存することを説明するた
めの図で、図２（ａ）は、入力光強度が相対的に弱い場
合に導波路長を最適化した（１×２）マルチモード導波
路６１の構成を示し、図２（ｂ）は、入力光強度が相対
的に強い場合に導波路長を最適化した（１×２）マルチ
モード導波路６４の構成を示している。

【００４６】図２（ａ）に示したマルチモード導波路６
１は、導波路幅がＷで、導波路長がＬ^Ａ _ＭＭＩであり、
その片端面には、信号光の入力部６２が設けられ、他の
端面には、信号光の出力部６３Ａ、６３Ｂが設けられて
いる。

【００４７】図２（ｂ）に示したマルチモード導波路６
４は、導波路幅がＷで、導波路長がＬ^Ｂ _ＭＭＩであり、
その片端面には、信号光の入力部６５が設けられ、他の
端面には、信号光の出力部６６Ａ、６６Ｂが設けられて
いる。

【００４８】なお、これらのマルチモード導波路６１、
６４と、入力部６２、６５、及び、出力部６３Ａ、６３
Ｂ、６６Ａ、６６Ｂとは、同一の光カー媒質材料を一体
に成形して得られたものである。

【００４９】図２（ａ）に示すように、入力光強度が弱
く、式（３）の右辺第２項で示す非線形屈折率の影響が
ほとんど無視できる場合の導波路長の最適値は、Ｌ^Ａ _ＭＭI（λ，Ｉ（τ））＝Ｌ_ＭＭI（λ）（５）により求められる。

【００５０】一方、入力光強度が強くなると非線形屈折
率の影響を無視することができなくなり、導波路長を最
適化するためには、図２（ｂ）中に斜線で示した分だけ
の導波路長の長尺化が必要となり、その最適導波路長は
Ｌ^Ｂ _ＭＭI（λ，Ｉ（τ））となる。

【００５１】この場合の導波路長の変化量Ｌ
_ＮＭＩ（λ，Ｉ（τ））は、式（２）、式（４）、およ
び、式（５）に基づいて、次式により与えられる。Ｌ_ＮＭＩ（λ，Ｉ（τ)）＝ｎ_２(λ，Ｉ(τ))Ｗ_ｅ(λ)^２／Ｎλ （６）

【００５２】このように、光カー媒質で構成されたマル
チモード導波路では、入力光強度によって最適な導波路
長が異なり、入力光の強度に対応した導波路長の設計が
必要なことがわかる。

【００５３】なお、図２に示したマルチモード導波路の
構成は本発明の一構成例にすぎず、導波路に設けられる
入力部および出力部の数はこれに限定されるものではな
く、Ｎ×Ｎ（Ｎは１以上の任意の整数）の数であっても
よい。

【００５４】上述したように、本発明のマルチモード導
波路の導波路長（Ｌ_ＭＭＩ）と実効幅（Ｗ_ｅ）とを適当
に設定することにより、複数の導波路を特別に設けるこ
とを要しない、Ｎ入力Ｎ出力の全光型光スイッチが実現
できる。

【００５５】また、本発明のマルチモード導波路の導波
路長を、式（４）に基づいて入力光の光パワーに対応す
るように設計すれば、ＡＳＥ雑音成分を除去し、かつ、
出力光の振幅を一定に揃える光リミッターが実現でき
る。

【００５６】更に、本発明のマルチモード導波路にパル
ス状の入力光を入射させる場合には、式（３）と式
（４）の入力光の光強度の瞬時値Ｉ（τ）が時間的に変
化するため、超高速の光シャッターとして機能し、入力
光パルスのうちの強度の強い成分のみを選択的に透過さ
せることが可能となるから、光パルスのコンプレッサー
が実現できる。

【００５７】図３は、本発明のマルチモード導波路を入
出力光用光ファイバと接続させて構成した光デバイスの
構成例を説明するための図で、入力光用光ファイバ７１
と、出力光用光ファイバ７２と、導波路幅Ｗ、導波路長
Ｌ_ＭＭＩの平板状の１×１型マルチモード導波路７３と
から構成されており、光ファイバ７１、７２と、マルチ
モード導波路７３との接合部には、光ファイバ７１、７
２とマルチモード導波路７３の入出力部との開口径を一
致させるためのスポットサイズ変換部７４、７５が備え
られている。なお、スポットサイズ変換部７４、７５
は、入出力用光ファイバとマルチモード導波路とを高効
率で結合させるため、融着や突き合わせ、若しくはレン
ズ等を使用した接合がなされている。

【００５８】図３に示したマルチモード導波路７３は、
伝搬損失が小さい光カー媒質材料で構成されているた
め、導波路長Ｌ_ＭＭ１(λ，Ｉ (τ))は長く設定するこ
とが好ましい。また、導波路内の光パワー密度（単位体
積あたりの光パワー）を高くして媒質への光カー効果効
率を上げるためには、導波路幅Ｗは単一モード導波路と
ならないことを条件に狭く設定することが好ましい。

【００５９】式（２）によれば、導波路幅Ｗを小さくす
ると導波路長Ｌ_ＭＭ１を短くしなければならないことと
なり、導波路長を長く設定すべしとの上述した要請と矛
盾することとなるが、導波路の全長Ｌ^tot _ＭＭ１(λ，Ｉ
(τ)) を、式（２）から求められる導波路長Ｌ_ＭＭ１
(λ，Ｉ (τ))の整数倍（ｍ倍）になるように設計し、Ｌ^tot _ＭＭ１(λ，Ｉ (τ))＝ｍＬ_ＭＭ１(λ，Ｉ (τ)) （７）とすることで、上述の問題を回避することができる。

【００６０】なお、本発明の全光型光スイッチに備えら
れるマルチモード導波路の形状は、図３中に示した形状
に限定されるものではなく、式（２）を満足する限度に
おいて達成可能な任意の形状であってもよい。

【００６１】このようなマルチモード導波路に、反射膜
やミラーを備えることとして、導波路中を伝搬する光を
多重反射させる機能をもたせることとしてもよい。

【００６２】図４は、本発明の多重反射型マルチモード
導波路の構成例を説明するための図で、図４（ａ）は、
比較のために、図３において示したものと同様のマルチ
モード導波路８１の構成を示しており、図４（ｂ）は、
マルチモード導波路の導波路端面の入出力部分以外の部
分を金（Ａｕ）コーティングすることにより全反射ミラ
ー８３とした多重反射型マルチモード導波路８２を示し
ている。

【００６３】図４（ｂ）に示すように、多重反射型マル
チモード導波路８２中を伝播する光は、導波路端面の入
出力部分以外の部分にコーティングされたＡｕ膜により
多重に反射され、その結果、導波路８２中での光路長が
反射回数に相当する分だけ長くなり、実効的な導波路長
Ｌ^ｅｆｆ _ＭＭ１を長くすることができる。

【００６４】図４（ｂ）に示した多重反射型マルチモー
ド導波路８２の導波路長Ｌ^Ｂ _ＭＭ１は、図４（ａ）に示
したマルチモード導波路８１の導波路長Ｌ
^Ａ _ＭＭ１(λ，Ｉ(τ))の１／３に相当し、入力光が多重
反射マルチモード導波路８２内を１．５往復した後のセ
ルフイメージングは、図示しない出力ポートと結合する
ように設計されている。

【００６５】従って、このような多重反射型マルチモー
ド導波路８２を光スイッチとして利用した場合には、そ
の実効的な作用長は、幾何学的作用長の３倍となり、高
反射率のＡｕコーティングを施し、全反射ミラー８３に
よってほぼ１００％の反射をおこさせることにより、同
じ幾何学的導波路長のマルチモード導波路と比較して、
スイッチングのしきい値光強度を約１／３とすることが
できる。

【００６６】図５は、本発明のマルチモード導波路の他
の構成例を説明するための図であり、図５（ａ）はその
平面図であり、図５（ｂ）はその断面図である。

【００６７】導波路長Ｌ_ＭＭＩ、導波路幅Ｗで高さＨの
平板状の導波路９２は、その片端面に信号光の入力部９
５が設けられ、他の端面に信号光の出力部９６が設けら
れており、上面にオーバークラッド（ＯＣ）９３が、下
面にアンダークラッド（ＵＣ）９４が設けられて、全体
としてひとつのマルチモード導波路９１を構成してい
る。

【００６８】ここで、導波路９２の上下面の上に薄膜形
成ができ、かつ、その薄膜をエッチング等により成形す
ることができれば、導波路９２の表面を光学的に平坦に
加工することが可能となる。そして、そのような光学的
に平坦な表面を有する導波路においては、その上下両表
面に接する空気等の外気をクラッドとすることが可能と
なり、オーバークラッド（ＯＣ）９３とアンダークラッ
ド（ＵＣ）９４とを設けないシンプルな構造のマルチモ
ード導波路とすることができる。

【００６９】図６は、オーバークラッド（ＯＣ）とアン
ダークラッド（ＵＣ）を不要としたシンプルな構成の導
波路の例を説明するための図で、図６（ａ）はその平面
図であり、図６（ｂ）はその断面図である。導波路長Ｌ
_ＭＭＩ、導波路幅Ｗで高さＨの平板状の導波路１０１
は、その片端面には、信号光の入力部１０２が設けら
れ、これに対向する他の端面には、信号光の出力部１０
３が設けられている。

【００７０】図５および図６に示した構成の導波路にお
いて、光が伝搬する導波路（コア部分）の屈折率が高
く、かつ、クラッドとの比屈折率差Δが大きい場合に
は、導波路厚Ｈは、入力光の波長をコア部の屈折率で除
して得られる値（入力光の波長／コア部の屈折率）程度
にまで低く設計することができるので、導波路内の光パ
ワー密度を上げることができる。

【００７１】この場合、光パワー密度を上げると、入出
力ファイバ径と比較してスポットサイズが小さくなるた
め、図示しない入出力ファイバとマルチモード導波路と
の結合部においてスポットサイズの変換を行い、スポッ
トサイズと入出力ファイバ径とを一致させることが必要
となる。

【００７２】なお、マルチモード導波路の構造は、図５
及び図６に示した構造に限定されるものではなく、ＯＣ
やＵＣの積層数やその形状も所望の数及び形状とするこ
とが可能である。

【００７３】次に、種々の光カー媒質材料によりマルチ
モード導波路を構成した実施例について述べる。

【００７４】図７は、本発明のマルチモード導波路の導
波路長と、これを光スイッチとして利用した場合の入力
光強度しきい値との関係を説明するための図で、これら
のマルチモード導波路は、光カー媒質として、シリカガ
ラス、カルコゲナイトガラス、半導体ドープガラス、お
よび二硫化炭素を用い、導波路長非線形屈折率に起因し
て変化する実効導波路長と幾何学的導波路長との変化
（導波路長変化）が１ｍｍとなるように設計されてい
る。

【００７５】図７に示した測定結果より、導波路長を長
くするほど、光スイッチに必要な入力光強度のしきい値
が小さくなることがわかる。また、導波路長一定の条件
で比較した入力光強度のしきい値は、光カー媒質とし
て、半導体ドープガラス、カルコゲナイトガラス、二硫
化炭素、シリカガラスを用いたマルチモード導波路の順
に低くなる。これは、これら光カー媒質の非線形屈折率
が、半導体ドープガラス２．０×１０^−１４ｍ^２/Ｗ、
カルコゲナイトガラス６．８×１０^−１８ｍ^２/Ｗ、二
硫化炭素３．１×１０^−１８ｍ^２/Ｗ、シリカガラス
２．７×１０^−２０ｍ ^２/Ｗであり、半導体ドープガラ
ス、カルコゲナイトガラス、二硫化炭素、シリカガラス
の順に小さいことに起因している。

【００７６】なお、上述の光カー媒質はあくまでも例示
にすぎず、マルチモード導波路の作製が可能で、かつ、
光カー定数（非線形屈折率）が大きい材料であれば、気
体、液体、固体（ガラス、有機材料、無機材料等）のい
ずれの材料でもよい。

【００７７】また、図８は、導波路長が４０ｍｍのマル
チモード導波路において、入力光による導波路長変化
が、それぞれ、１．０ｍｍ、０．５ｍｍ、０．１ｍｍ、
および、０．０１ｍｍとなるように設計された導波路
の、非線形屈折率（ｎ_２）と入力光強度との関係を示し
ており、いずれの導波路長差の導波路においても、入力
光強度が強くなるにつれて非線形屈折率（ｎ_２）が減少
することがわかる。

【００７８】従って、設計するマルチモード導波路に求
められる特性値に応じて、最適な非線形屈折率を有する
光カー媒質材料を選択すればよい。

【００７９】次に、入力光強度以外の手段により導波路
の屈折率を制御する構成のマルチモード導波路の構成例
を示す。

【００８０】図９は、本発明のマルチモード導波路の構
成例を説明するための図で、光カー媒質の導波路１３１
の入出力端面部以外の側面部分にはヒータ１３２が備え
られており、ヒータ１３２により光カー媒質を加温・冷
却することで、媒質の温度を変化させ、温度により媒質
の屈折率が変化するという熱光学効果を利用して導波路
１３１の屈折率制御を行っている。

【００８１】すなわち、このような構成のマルチモード
導波路を光スイッチとして利用すれば、カー媒質の屈折
率を変化させるためのバイアスとしてヒータ１３２を使
用することでスイッチングのしきい値光強度を制御する
ことが可能となる。

【００８２】なお、図９に示す構成は例示にすぎず、ヒ
ータの大きさ及び形状はこれに限定されるものではな
く、導波路の所望の面や部位にのみヒータを設けること
としてもよく、更には、導波路の内部にヒータを設ける
こととしてもよい。

【００８３】図１０は、入力光以外の手段により導波路
の屈折率を制御する本発明のマルチモード導波路の他の
構成例を説明するための図で、導波路１４１の両側面に
は、光カー媒質に機械的な歪を与えるための応力付与部
１４２Ａ、１４２Ｂが備えられており、負荷された応力
に応じて発生する媒質内の歪により屈折率が変化する効
果（光弾性効果）により導波路１４１の屈折率を制御し
ている。

【００８４】従って、このような構成のマルチモード導
波路を光スイッチとして利用すれば、応力歪を屈折率変
化のバイアスとして使用することでスイッチングのしき
い値光強度を制御することが可能となる。

【００８５】なお、図１０に示す構成は例示にすぎず、
応力付与部の大きさ及び形状はこれに限定されるもので
はなく、導波路の所望の面や部位にのみ応力付与部を設
けることとしてもよく、更には、導波路応力付与部全体
を気密性の高い容器に封入し、液体または気体により加
減圧することで応力を付与することとしてもよい。

【００８６】図１１は、信号光とは別の入射光である制
御光を導波路中に伝播させることにより導波路の屈折率
を制御する、本発明のマルチモード導波路の構成例を説
明するための図である。

【００８７】マルチモード導波路１５１の一方の端面に
は、信号光入力部１５２及び制御光入力部１５４が設け
られており、他方の端面には、信号光出力部１５３及び
制御光出力部１５５が設けられている。

【００８８】制御光入力部１５４からマルチモード導波
路１５１へと入射した制御光は、マルチモード導波路１
５１中を伝播して制御光出力部１５５へと出力される
が、制御光がマルチモード導波路１５１中を伝播するこ
とにより、その構成材料である光カー媒質の屈折率が変
化する。

【００８９】従って、このような構成のマルチモード導
波路を光スイッチとして利用すれば、制御光を屈折率変
化のバイアスとして利用することにより、光スイッチン
グのしきい値光強度が制御できる。

【００９０】ここで、制御光として用いられる光の波長
には特に制限はなく、また、時間的に強度変化のない連
続光でも、光パルス列であってもよい。

【００９１】なお、図１１に示した導波路の構成は例示
にすぎず、光入力部および光出力部の数はこれに限定さ
れるものではなく、Ｎ×Ｎ（Ｎは１以上の整数）の数と
することが可能であり、マルチモード導波路の形状も、
式（２）を満足する限度において任意の形状とすること
が可能である。

【００９２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のマルチモ
ード導波路は、伝播する光の強度に応じて屈折率が変化
する材料を用いる構成としたので、伝播損失の小さなマ
ルチモード導波路を提供することが可能となる。

【００９３】また、マルチモード導波路をシンプルな構
成としたので、非線形屈折率の大きな光カー媒質を導波
路構成材料とすることが可能となる。

【００９４】また、大きな非線形屈折率（ｎ_２）と長い
作用長（Ｌ_ＮＬ）を有する光カー媒質のマルチモード導
波路を光スイッチとして利用することにより、スイッチ
ングのしきい値光強度が低い全光型光スイッチを提供す
ることが可能となる。

【００９５】また、そのような光スイッチは、動作原理
として光カー効果を利用しているため、ピコ秒からサブ
ピコ秒（１０^−１３〜１０^−１２秒）のスイッチング速
度を得ることができ、時間応答特性のない、超高速の全
光型光スイッチを提供することが可能となる。

【００９６】さらに、強度の強い入力光のみを選択的に
透過させることにより、光増幅器によって生じるＡＳＥ
成分を除去してＳＮ比の低下を抑制したり、或いは、強
度の強い入力光成分のみを選択的に取り除くことによ
り、出力を任意の光強度に揃えることが可能な光リミッ
タ、ＡＥＳ除去フィルタ、パルスコンプレッサ等を提供
することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の（１×２）マルチモード導波路の構成
を説明するための図である。

【図２】本発明の（１×２）マルチモード導波路の構成
例を説明するための図で、（ａ）は、入力光強度が相対
的に弱い場合に導波路長を最適化したマルチモード導波
路６１の構成を示す図であり、（ｂ）は、入力光強度が
相対的に強い場合に導波路長を最適化したマルチモード
導波路６４の構成を示す図である。

【図３】本発明の（１×１）マルチモード導波路の構成
例を説明するための図である。

【図４】本発明の（１×１）マルチモード導波路の側面
に全反射ミラー備える構成とした例を説明するための図
で、（ａ）は、比較のために示したマルチモード導波路
の構成を示す図であり、（ｂ）は、マルチモード導波路
の導波路端面の入出力部分以外の部分を金（Ａｕ）コー
ティングすることにより全反射ミラーとした多重反射型
マルチモード導波路を示す図である。

【図５】本発明の（１×１）マルチモード導波路の構成
例を説明するための図で、（ａ）はその平面図であり、
（ｂ）はその断面図である。

【図６】本発明の（１×１）マルチモード導波路の別の
構成例を説明するための図で、（ａ）はその平面図であ
り、（ｂ）はその断面図である。

【図７】本発明のマルチモード導波路の、導波路長と入
力光強度との関係を説明するための図である。

【図８】本発明のマルチモード導波路の、導波路長と入
力光強度との関係を説明するための図である。

【図９】本発明の（１×１）マルチモード導波路の構成
例を説明するための図である。

【図１０】本発明の（１×１）マルチモード導波路の別
の構成例を説明するための図である。

【図１１】本発明のマルチモード導波路の構成例を説明
するための図である。

【図１２】従来型の全光型光スイッチの導波路の構成を
説明するための図である。

【図１３】従来型の全光型光スイッチにおけるスイッチ
ング特性を説明するための図である。

【図１４】光増幅器の利得飽和特性を説明するための図
で、（ａ）は、利得Ｇの入力光強度依存性を説明するた
めの図で、（ｂ）は、出力光強度Ｉの入力光強度依存性
を説明するための図である。

【図１５】光振幅リミッターの特性を説明するための図
である。

【符号の説明】１１基板１２、１３導波路１４入力ポートＡ１５入力ポートＢ１６出力ポートＡ１７出力ポートＢ４１入力光パルス列４２光振幅等化器４３出力光パルス列５１マルチモード導波路５２入力部５３Ａ、５３Ｂ出力部６１、６４マルチモード導波路６２、６５入力部６３Ａ、６３Ｂ、６６Ａ、６６Ｂ出力部７１入力光用光ファイバ７２出力光用光ファイバ７３マルチモード導波路７４、７５スポットサイズ変換部８１マルチモード導波路８２多重反射型マルチモード導波路８３全反射ミラー９１マルチモード導波路９２導波路９３オーバークラッド９４アンダークラッド９５入力部９６出力部１０１導波路１０２入力部１０３出力部１３１導波路１３２ヒータ１４１導波路１４２Ａ、１４２Ｂ応力付与部１５１マルチモード導波路１５２信号光入力部１５３信号光出力部１５４制御光入力部１５５制御光出力部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者神徳正樹東京都千代田区大手町二丁目３番１号日本電信電話株式会社内Ｆターム(参考） 2H047 KA04 KA05 KB01 LA09 LA12 LA15 MA05 NA07 NA08 QA01 QA04 RA08 2K002 AA02 AB04 AB09 AB33 BA01 BA13 CA15 CA16 DA06 EA04 HA11 HA27

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】伝播する光の強度に応じて屈折率が変化
する材料により構成した導波路部分を備え、該導波路の
第１端部から光を入力し、前記導波路部分の中を伝播し
た光をその第２端部から出力するようにしたことを特徴
とするマルチモード導波路。
【請求項２】前記材料は、シリカガラス、カルコゲナ
イドガラス、半導体ドープガラス、または二硫化炭素の
いずれかであることを特徴とする請求項１に記載のマル
チモード導波路。
【請求項３】前記第１端部および第２端部の各端面の
一部に、前記導波路部分を伝播する光を反射させるため
の反射手段を設けたことを特徴とする請求項１または２
に記載のマルチモード導波路。
【請求項４】前記導波路部分は、前記材料の屈折率を
変化させるための屈折率変化手段を備えたことを特徴と
する請求項１乃至３いずれかに記載のマルチモード導波
路。
【請求項５】前記屈折率変化手段は、温度調整手段又
は応力付与手段であることを特徴とする請求項４に記載
のマルチモード導波路。
【請求項６】前記導波路部分は、制御光入力部と制御
光出力部とを備え、前記導波路部分を伝播する制御光の強度に応じて前記材
料の屈折率を変化させるようにしたことを特徴とする請
求項１乃至５いずれかに記載のマルチモード導波路。
【請求項７】光スイッチ、光リミッタ、ＡＥＳ除去フ
ィルタ、またはパルスコンプレッサのいずれかの機能を
有することを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載
のマルチモード導波路。