JP2003195074A

JP2003195074A - 誘電摂動最適化により平面的光波回路における光学的挿入損を低減する方法及び装置

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Publication number: JP2003195074A
Application number: JP2002369206A
Authority: JP
Inventors: Marshall Tomas Depue; マーシャル・トーマス・デピュー; Shalini Venkatesh; シャリーニ・ベンカテッシュ; Naoto Uetsuka; 尚登上塚; Hiroaki Okano; 広明岡野
Original assignee: Hitachi Cable Ltd; Agilent Technologies Inc
Current assignee: Hitachi Cable Ltd; Agilent Technologies Inc
Priority date: 2001-12-21
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2003-07-09
Also published as: EP1324084B1; US20030123778A1; EP1324084A3; US6668107B2; DE60220242D1; EP1324084A2

Abstract

(57)【要約】【課題】挿入損を低減し最小化することのできる光スイ
ッチを提供する。【解決手段】平面的光波回路（ＰＬＣ）（８０）であっ
て、交点にて交差する導波路（１１，１３，１５，１
７，１９，２１）列で、各導波路が光信号を導波する導
波路屈折率分布を有する前記導波路列と、光信号に作用
する能動的摂動部（Ｓ_ｉ，ｊ）と、導波路屈折率分布と
は異なる屈折率分布を有し、ＰＬＣ（８０）の挿入損を
低減する受動的摂動部（８２）を備えることを特徴とす
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、光学回路分野に関
する。より具体的には、本発明は挿入損を減らした平面
的光波回路（ＰＬＣ；ＰｌａｎａｒＬｉｇｈｔｗａｖ
ｅＣｉｒｃｕｉｔ）に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＰＬＣなどの光学回路が、様々な用途に
用いられている。一つの用途は、通信システム分野にあ
る。これらのシステムでは、切換装置が入力端子から複
数の光信号を受け取る。それから、これらの信号は選択
され、転路され、出力端子へ送られる。しばしば、この
転路はマトリクス配置されたスイッチ列を用いてなされ
る。

【０００３】切換機能を実行するために、一部切換装置
は先ず光信号を対応する電気信号へ変換する。次に、電
気信号は選択されて転路される。そこで、電気信号は対
応する光信号へ変換し戻され、出力端子へ伝送される。
この種の装置や部品は、しばしばＯＥＯ（光−電気−
光）装置と呼ばれる。変換素子を必要とするために、Ｏ
ＥＯ装置は高価な部品の使用を必要としたり、データ通
信システムの潜在的な帯域幅を制限したり、或いはその
両方となる。

【０００４】ＯＥＯ装置の欠点を克服するため、変換素
子をもたないシステム全体が光学化された装置が一部シ
ステムで用いられている。全系光学化スイッチ装置で
は、光信号は導波路に沿って搬送される。導波路内或い
は導波路沿いに摂動部（物理的作用による擾乱が生じる
部分を意味する）が形成され、切換や他の機能や導波路
内を進行する光信号に対する処理を実行する。一般に、
導波路は交差部分すなわち交点を有する格子としてレイ
アウトされ、摂動部は交差部分に形成され、それによっ
て摂動部マトリクスを生成している。例えば、摂動部は
光スイッチとして用いる液体充填溝や導波路のドープ処
理部分や導波路の屈折率とは異なる屈折率を有する他の
構造や材料であったりする。切換摂動部の屈折率は、幾
つかの可能な状態、例えば２つのレベル間で変えること
ができる。その一方は光をして方向を変えることなく摂
動部を通過させ、他方は光をして方向を切り換えて交差
導波路へ進入させる。液体充填溝を利用した場合、液体
は横移動させられ、交点に気化位相を残すか、その中に
気泡を形成する。いずれにせよ、溝は２つの導波路の交
点に配置された三次元屈折率分布を画成し、その値を変
更することで切換動作が行なわれる。

【０００５】図１は、第１入力端１１，第２入力端１
３，・・・第Ｍ入力端１５で表わされるＭ個までの入力
光路を、第１入力端１７，第２入力端１９，・・・第Ｍ
入力端２１で表わされるＮ個までの出力光路へ切り換え
ることのできる例示的光スイッチ装置１０の平面図であ
る。図１において、行として図示した入力経路と列とし
て図示した出力経路は、Ｍ×Ｎの交点を有する格子を形
成している。入力路と出力路は、導波路セグメントとす
ることができる。ここでは導波路セグメントとして説明
するが、光路は光信号を伝えることのできるどんな光路
でもよい。

【０００６】切換機能を遂行するため、装置１０は個別
光スイッチ列を含んでおり、１個のスイッチが各交点す
なわち交差箇所に配置してある。図１では、便宜上これ
らのスイッチはＳ_ｉ，ｊで表わされ、ｉが入力行で、ｊ
が出力列である。図１にはさらに、例えば可能な２つの
光路が例示してある。第１の光路は、第１入力端への入
力信号を第２出力端子へ転路させるものである。第１入
力端への入力信号は、ベクトル１２ａで示してある。第
１入力端への入力信号１２ａはスイッチＳ_ｉ， _ｊを通過
するが、スイッチＳ_１，２により第２出力端子へ転路さ
せられる。転路された信号は、ベクトル１２ｂで示して
ある。第２の光路は、第Ｎ出力端子へ向けて転路される
第２入力端への入力信号（ベクトル１４ａで示す）を用
いて図示してある。転路された信号は、ベクトル１４ｂ
で示してある。第２入力端への入力信号１４ａは、スイ
ッチＳ_２，１とＳ_２，２を通過するが、スイッチＳ
_２，Ｎにより第Ｎ出力端子へ向けて転路させられる。こ
の種の光路とスイッチ構成は、従来技術において公知で
ある。例えば、Ｆｏｕｑｕｅｔ等に付与された米国特許
（特許文献１）を参照されたい。

【０００７】装置１０のスイッチを実装する様々な技術
が存在する。例えば、装置１０の各スイッチは、鏡やド
ープ処理や液体充填溝や他の光信号摂動部を用いて実装
することができる。話を簡単にするため、図１の導波路
は互いに直角に交差させて図示してある。この場合、液
体を満たした溝としてスイッチを実装すると、それらは
入力導波路と出力導波路に対し４５度で交わる。実際に
は、９０度以外の角度で交わる導波路を設計することが
光学的に有効な場合もあり、その場合溝は導波路に対し
対応する異なる角度でもって配置されることになる。

【０００８】一例として、図２は溝２２を有する流体光
スイッチＳ_２，２を含む図１の装置１０の一部分１８の
側面図を例示するものである。スイッチは、導波路２４
の断層と装置１０の他の層、すなわち限定はしないがク
ラッド層２６と加熱素子２９を含む加熱回路層２８を含
む層との間に形成した溝２２により画成してある。装置
１０の全ての層は通常、基板３０上に組み立てられる。
この種のスイッチは、当業界では公知である。溝２２に
はガスや沸騰可能な液体が充填してあり、溝２２が導波
路２６に斜めに交差するよう製作してある。光信号例え
ば光信号１４ａは導波路２６沿いに進み、溝２２内の液
体の状態に応じてスイッチＳ_２，２を通過するか又はス
イッチＳ_２，２により転路されるかのいずれかとなる。

【０００９】

【特許文献１】米国特許第５，６９９，４６２号明細書

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】光信号損失は、伝送の
各段で発生する。これは、挿入損と呼ばれる。部品や光
路の挿入損は、通常、部品や光路に去来するパワー間の
差分として規定される。挿入損は、信号が到達できる距
離を制限する。光スイッチなどの装置では、挿入損が入
力信号を制御したり作用するのに効果的に用いることの
できるスイッチの数を制約する。従って、光スイッチや
他の光部品における挿入損を低減し最小化する方法及び
装置への持続的な要求が残されたままである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】これらの要求に本発明は
応えるものである。本発明の一態様では、平面的な光波
回路（ＰＬＣ）は、交点で交差する導波路列を備え、各
導波路が光信号を導波する導波路屈折率分布を有する。
ＰＬＣはさらに、光信号に作用する能動的摂動部と導波
路屈折率分布とは異なる屈折率分布を有する受動的摂動
部を含み、ＰＬＣの挿入損を低減する。

【００１２】本発明の第２の態様によれば、集積化光学
回路は、光信号を伝える導波路と光信号に作用する能動
的摂動部を含む。さらに、この回路は受動的摂動部を含
んでいて、摂動部間の間隔が回路の挿入損の低減へ導く
ようにしてある。

【００１３】本発明の第３の態様によれば、平面的な光
波回路（ＰＬＣ）は、交点で交差する導波路列を有して
おり、各導波路が光信号を導波する導波路屈折率分布を
有する。さらに、ＰＬＣは光信号に作用する摂動部を含
み、摂動部はＰＬＣの挿入損を最小化するよう離間させ
てある。

【００１４】本発明の第４の態様によれば、集積化光学
回路の導波路内で光信号を効率的に操作する方法が開示
される。能動的摂動部が光信号に作用し、その機能を果
す。光信号は、受動的摂動部を通過する。能動的摂動部
と受動的摂動部は所定の間隔を有しており、それによっ
て挿入損が低減される。

【００１５】本発明の第５の態様によれば、光信号を伝
える導波路を含む集積化光学回路の製造方法が開示され
る。この回路は、所定の間隔をもった摂動部を有するよ
う製作され、それによって挿入損が低減される。

【００１６】本発明の第６の態様によれば、平面的な光
波回路は交点で交差する導波路列を含み、各導波路が導
光用の三次元屈折率分布を有する。この回路はさらに、
列内に配置した複数の摂動部を含み、各摂動部は各導波
路の屈折率分布とは異なる三次元屈折率分布を有してい
て光学的挿入損を低減するよう作動する。

【００１７】本発明の他の態様ならびに長所は、本発明
の原理を例示により図解する添付図面と併せ、以下の詳
細な説明から明らかとなろう。

【００１８】

【発明の実施の形態】例示目的で図面に示した如く、本
発明は光装置内での挿入損を低減する方法及び装置に実
施されるものである。以下の詳細な説明において、本発
明の一部をなし、かつ本発明を実施する特定の実施形態
を例示した添付図面を参照する。他の実施形態を用い、
本発明範囲から逸脱することなく構造的或いは論理的な
変更がなし得ることは理解されるべきである。以下の詳
細な説明は、それ故に限定的な意味にとってはならず、
本発明範囲は添付の特許請求の範囲の記載によって規定
される。

【００１９】本発明の基本的な原動力は、特定の構成に
おいて光信号をより少数の摂動部ではなくより多数の摂
動部を通過させることで挿入損を低減できるという直観
に反する発見に基づくものである。

【００２０】光導波路は、導波モードと非導波モードの
両方で光信号すなわち光を伝送することができる。導波
モードでは、光は全内反射を介して導波路を伝搬して下
り、そのパワーの実質部分を導波路内に閉じ込めるのに
対し、非導波モードでは、光が導波層を外れて伝搬する
につれてパワーを失う。すなわち、非導波光はその進路
方向、例えば図２のｚ方向へ十分な距離を伝搬すること
はない。最低次導波モードは、その進路方向沿いを指向
する光信号の大部分のパワーを有する。

【００２１】導波光光学を用いた通信システムの設計で
は、最低次導波モードだけが存在するシステムを設計す
ることが好ましい。このことが、高次モードの存在に関
連する分散と損失を最小化する。この種のシングルモー
ド構造の実施可能性は、近年多くのことが実証されてき
た。今日の光ネットワーク内の光ファイバと導波路の大
半は、動作波長においてシングルモードだけをサポート
する。

【００２２】導波路内を進行する光を特定の導波モード
に限定した場合、摂動部のない環境内を進行する限り
は、そのモード内にとどまる。様々な平面的光波回路
（ＰＬＣ）と光スイッチを含む多くの光装置では、導波
光に作用して特定の機能を達成する構造が導波路に付加
してある。既に説明したように、例えば光スイッチ内で
の切換操作を遂行すべく、溝すなわち導波路セグメント
がしばしば２つの導波路の交差箇所すなわち交点に用い
られる。この種の構造は光路内の摂動部であって、挿入
損を招く。

【００２３】摂動部は、摂動部領域の誘電率に変化をも
たらす。誘電率における変化に遭遇すると、光信号すな
わち光は導波路内でするのと異なる挙動をとる。一般
に、各摂動部は回折と放射のために光パワーの一部を損
失させる。従って、一般には光路内の摂動部の数が増加
するにつれ、光路の挿入損は増大する。

【００２４】しかしながら、摂動部の間隔と幅と空間的
な屈折率分布を制御することで、たとえ摂動部数が増え
ようとも挿入損を減らすことができる。直観に反する結
果が、図３に視覚的に例示してある。このグラフは、導
波路パラメータ（コアとクラッドの屈折率、コア寸法な
ど）の特定の組用に実施したビーム伝搬アルゴリズムに
基づくシミュレーション結果を示すものであるが、図示
の傾向は損失と距離の正確な値の違いをもって一般に適
用可能である。図３には、溝（ミクロン）の間隔と２０
個の溝を有する光路の全挿入損との間の関係を表わす第
１の曲線４０が例示してある。また、図３には、溝（ミ
クロン）の間隔と４０個の溝を有する光路の全挿入損と
の間の関係を表わす第２の曲線４２を例示するものであ
る。従って、追加の摂動部により光学回路の挿入損を低
減し、追加の摂動部をもった回路の挿入損が同一構成な
がら追加の摂動部をもたない別の回路の挿入損に満たな
いようにすることができる。この点は、以下に更に詳細
に説明する。

【００２５】図３のグラフは一般に、摂動部の数すなわ
ち本例の溝の数が増えるにつれ、光路がより高い信号損
失を蒙ることを示している。しかしながら、溝の間隔を
変化させることで、たとえ溝の数が増えようとも挿入損
を低減することができる。例えば、グラフが示すよう
に、２００ミクロンの溝間隔を有する２０個の溝につい
ての挿入損は、この特定のケースでは約１．５ｄＢであ
る。１００ミクロンの溝間隔を有する４０個の溝につい
ての挿入損は、対照的に、約０．５ｄＢだけである。そ
れ故に、約４０００ミクロンの同じ総光路長を維持し、
２００ミクロン間隔での２０個の溝よりは１００ミクロ
ン間隔で４０個の溝すなわち摂動部を製作することの方
が有利である。このことは、全４０個の溝を光信号の転
路に用いるかどうかにせよ真実である。明確にさせるた
め、光信号の転路（例えば、切換機能）に用いるよう設
計され或いは用いることのできるこれらの摂動部は、こ
こでは以下能動的摂動部（能動的溝）と呼び、この種の
目的に用いるよう設計されていないか或いは用いること
のできないこれらの摂動部を、ここでは以下受動的摂動
部（非能動的溝）と呼ぶ。さらに、用語「摂動部」は、
能動的摂動部や受動的摂動部を指し、またその両方でも
あり得る。

【００２６】この直観に反する結果は光信号が摂動部を
横切る際の摂動と光のモード変換を含む様々な効果の理
解により到達されるものである。誘電摂動に近い光の伝
搬は多数のモードで出来ているものと考えることができ
る。誘電摂動における光の説明は、有限な数の可能な導
波モードと無数の放射すなわち連続モードを含む可能性
のある全てのモードの総和を含む。摂動部の誘電率や構
造や対称性が、それらの相対的な釣合だけでなくどのモ
ードが存在するかを決定する。誘電率摂動がモードを結
合し、一つのモードからより高次のモードへのエネルギ
ー交換を可能するのは、このメカニズムを介してこそな
される。

【００２７】モード変換と結合は、損失源となり得る。
溝或いは他の摂動部などの障害物近傍で励起された放射
モードは、再捕捉できず、摂動部の他側の導波路内に導
波され、それによってパワーを失う。この種の損失の大
きさは誘電摂動部の特性Δεに依存し、これが翻って構
造の幾何形状や対称性のみならず屈折率分布Δｎに依存
する。ここに具体的に記載していない本文書の式中に用
いた記号は、本技術分野におけるその用例文脈中の通常
かつ従前の意味を有する。誘電率摂動は、光に有益な機
能をもたらすと同時に光損失を最小化するよう設計する
ことができる。これらの目標を実行する上手な戦略は、
２つの鍵となる要件に依存する。第１に、より損失の大
きなより高次の導波放射モードへの結合が、導波路構造
の注意深い設計及び摂動部により最小化されること。第
２に、摂動部近傍の励起モードの位相を導波路の非摂動
部分への放射再結合を最大化すべく調整すべきであるこ
とである。これらの考えは、単純なモデルを用いて以下
により詳細に説明する。

【００２８】光信号上の多重摂動効果は、光信号上の一
連の単レンズ効果としてモデル化することができる。一
般に、図４の摂動部５０（溝５０として例示）を横切る
光は、ベクトル５１に示す如く障害物で回析し散乱す
る。摂動部で散乱する入力導波路５４から発生した光
は、出力導波路５６の開口数内に存在せず、かくして光
損失が具現化する。光損失は、回折からも発生すること
がある。すなわち、光が溝５０を横切る際に光の拡散は
より大きな寸法となり、かくして乏しいモード整合すな
わち出力導波路５６での光ビームに至る。より高次の励
起「漏洩」モードは、追加の光損失を招くことがある。
すなわち溝の屈折率分布と幾何形状と対称性を最適化
し、これらの高次のモードの励起を防止することができ
る。

【００２９】レンズとの相似性は、一連の多くの誘電摂
動部の損失特性の説明に役立つ。すなわち、レーザー共
鳴器理論からは、レンズ−導波路に低光損失をもつ安定
した制限ビームを支持させる最適レンズ間隔が存在する
ことが知られている。図５中、導波路６４を横切る溝６
２の列は、レンズ６６の列を有するレンズ共鳴器として
振る舞い、同様の波面を形成する。溝配列では、光信号
の主要モード成分６８と高次のモード成分７０が重畳結
合し、波面７２を形成する。同様の波面７２ａが、レン
ズ列により形成される。溝の幾何形状と屈折率分布は、
主要モードの位相と溝摂動部により励起されるどんなよ
り高次のモードも適切に調整し、出力導波路の結合長内
での再捕捉が可能となるよう選択される。

【００３０】しかしながら、溝摂動部のレンズとの相似
性が溝を完全に説明しないことは事実である。真正レン
ズは、周知の方法で入射光の位相特性を調整する。入射
平面波にとって、レンズは空間的に依存する位相差を生
成する。すなわち、

【００３１】

【数１】

【００３２】であり、ここでｆはレンズの焦点距離、λ
は光の波長、ｘ，ｙは図４に示す光伝搬方向に直角なデ
カルト座標である。一般に、導波路摂動部はこの正確な
移相をもたらさない。それは、摂動部の構造や屈折率分
布のみならず、励起モードの伝搬定数にも依存するより
複雑な関数である。さらに、導波路摂動はより損失の大
きなより高次のモードを招くことがある。従って、より
踏み込んだ定式化を考慮し、誘電摂動を用いた導波路構
造内の損失低減にとって重要なパラメータをさらに探査
することは有用である。

【００３３】スカラー近似では、光導波路内の電磁場は
ヘルムホルツの波動方程式に従う。横電場（ＴＥ）モー
ドと平板的導波路の特別なケースを考慮した場合、図１
の非摂動部導波路内の電界は、下記を満たす。

【００３４】

【数２】

【００３５】ここで、Ｅ_ｙ（ｘ）は光の横電界であり、

【００３６】

【数３】

【００３７】は、横微係数を表わし、ε，μはそれぞれ
導波路材料の誘電率と透磁率を表わす。

【００３８】構造の特定モードは、

【００３９】

【数４】

【００４０】で与えられ、ここで、

【００４１】

【数５】

【００４２】は、伝搬定数β_ｊをもつｊ次モードの正規
化した横空間特性（プロファイル）である。誘電摂動部
の存在は、式（１）、（２）を変える。

【００４３】誘電摂動部が存在すると、導波路材料は摂
動部が存在しない場合とは異なって分極する。一般に、
非摂動問題におけるＤ＝εＥに対し、置換電界は下式
（３）となる。Ｄ＝εＥ＋Ｐ_Ｐｅｒｔ（３）摂動部は、明示形式

【００４４】

【数６】

【００４５】をとり、入射光の比誘電率との相互作用を
表わす。この式で、Δεは摂動部により生成される誘電
率の変化であり、Ｅ_{ｉｎｃｉｄｅｎｔ}（ｘ，ｚ，ｔ）は
入射電界である。実際の多くの状況では、Ｅ
_{ｉｎｃｉｄｅｎｔ}（ｘ，ｚ，ｔ）はシングルモードの非
摂動部導波路の電界分布である。物理的には、新たな項
Ｐ_Ｐｅｒ _ｔ（ｘ，ｚ，ｔ）が局所化した体積双極子モー
メントを表わす。式（３）をマクスウェルの方程式に代
入すると、修正された波動方程式が得られる。

【００４６】

【数７】

【００４７】式（４）の意味は、修正された分極Ｐ
_Ｐｅｒｔが波動方程式（１）へ原始項を加えることであ
る。モードを結合させ、それらの相対的位相と減衰長が
調整できるよう究極的に応答可能なものが、この原始項
である。

【００４８】理想的な導波路からのどんな逸脱も、一般
に異なるモード間での結合やエネルギー流を引き起こす
ことになる。例えば、式（２）の形の光が溝などの誘電
摂動部上に入射したとする。溝近傍の光の表現は、もは
や式（２）に示される単純な式ではない。むしろ、それ
は下式のような無数のモードの総和となる。

【００４９】

【数８】

【００５０】式（５）中の係数ａ_ｊ（ｚ）は、各モード
がどれ位存在し、摂動部の特定の細部によって自身決定
されるかを決めるものである。これらの係数が距離に依
存することが、異なるモード混合が導波路沿いの位置の
関数として如何に存在し得るかを示している。

【００５１】

【数９】

【００５２】なる係数は、元来の伝搬方向を進行する波
を表わし、

【００５３】

【数１０】

【００５４】なる係数は、障害物により生成された反射
波を表わす。これらの式内には２種類のモードが存在す
る。すなわち導波モードと放射モードである。離散値の
総和には導波モードが含まれ、一方でその積分は無数の
放射モードに対する総和となる。かくして、注意深く通
過損失を最適化するには、連続的な放射モードとそれら
の位相ならびに減衰長を精細に如何に調整して最適再結
合を保証するかの習得が焦点となる。

【００５５】放射モードの積分に纏わる数学的な複雑さ
故に、式（５）を用いた計算は困難である。実際には、
通過損失の最適化はマクスウェルの方程式の数値解をも
って遂行される。このため、ＢＰＭアルゴリズムを用い
たシミュレーションソフトウェアが一般に用いられる。

【００５６】これらの数学的なモデルは、摂動の果す役
割のより深い理解をもたらすよう記載したものである。
実際の装置では放射モードは重要であるが、式（５）中
の放射モードの積分の複雑さが単純モデルの基本的物理
を不明瞭にする。解説を簡明にしかつ一般性が失われな
いようにするため、放射モードを（例えば、適切かつ周
知の離散値化処理を用いて）外し、電界を離散値モード
だけの総和と考えることは可能である。

【００５７】

【数１１】

【００５８】式（６）を修正波動方程式（４）に代入
し、振幅が位置とともにゆっくりと変化するものと仮定
（緩慢変化振幅近似）すると、モード振幅ａ_ｊ（ｚ）に
ついて以下の式が得られる。

【００５９】

【数１２】

【００６０】この式は、横電場モードの直交性を用いる
ことで、さらに以下の如く簡単化される。

【００６１】

【数１３】

【００６２】式（８）を用いることで、簡単な代数によ
り式（７）を差分式、すなわち振幅に関するいわゆる結
合モード方程式へと変える。

【００６３】

【数１４】

【００６４】式（９）は、モードｊへの結合が摂動を乗
じたモードｊの重なり積分に依存することを示してい
る。入射光がモードｍに含まれる場合、ここでは

【００６５】

【数１５】

【００６６】となり、かくして摂動は次の形式をとる。

【００６７】

【数１６】

【００６８】この摂動は、重なり積分を介してモードｍ
をモードｊへ結合すると見られる。

【００６９】幾つかの興味ある特徴が、式（９）に表さ
れる。第１に、非常に弱い摂動限界、すなわち

【００７０】

【数１７】

【００７１】では、モード間に結合は一切存在しない。
摂動が高度の対称性を有する特別な場合のように重なり
積分が消失するときは、無結合事例が発生することがあ
る。例えば、平板導波路内の対称性ノッチは、最低次モ
ードを一様な対称性をもってより高次のモードへ結合で
きるだけである。重なり積分の解析により見出される他
の結果は、パワーが障害物の長さの関数としてモード間
を前後に発振できることである。この場合の結合は、摂
動部が問題とするモードの伝搬定数間の差分Δβを埋め
合わせるときに往々にして強まる。実際に、これは摂動
部の長さＬがΔβ∝１／Ｌ台であるときに発生する。

【００７２】同様に、間隔Λを伴う周期的に摂動がモー
ドを結合することができる。この場合、Δβ∝１／Λで
あるときに、摂動の特定の空間的フーリエ成分が結合を
生じさせる。この現象のより詳細な取り扱いは、１９８
９年発行のＹａｒｉｖ著「量子エレクトロニクス」第２
２章に掲載されている。摂動部の間隔を介するモード結
合は、光学的損失に寄与することになる。

【００７３】任意の導波路構造の光学的損失を判定する
厳密な手法は数値解を必要とするが、離散放射モードと
摂動理論に基づく単純なモデルが鍵となる物理へ照明を
当てる。誘電障害物近傍の電界を説明するのに、重なり
合う無数のモードを用いねばならない。摂動が、入射モ
ードから任意の数の励起モードへパワーを結合する。こ
れらの励起モードの位相と減衰長に従い、摂動部を横切
るときに導波路へ光が効率的に結合し戻されることはな
い。光学的損失の最適化は、摂動部の屈折率変化や対称
性や構造を注意深く最適化して励起モードの数や位相を
調整する能力に依存する。

【００７４】特に、摂動部の間隔と総数は、本発明にあ
っては光学装置の様々な光路の全挿入損の低減に用いら
れる。本発明は、屈折率摂動部を導入することで光スイ
ッチ列のような装置内で光挿入損を低減することを指向
するものである。これらの摂動部は、追加の溝や、可変
屈折率領域や、特性導波路寸法の構造変化や、屈折率特
性や、導波路内の断層や、或いはこれらの任意の組み合
わせである。

【００７５】図６を参照するに、本発明の一実施形態を
含む光学装置８０の平面図が例示してある。図６は、図
１の特定部分と同様の部分を有する。便宜上、図１の各
部と同様の図６の部分には同じ参照符号と指名子が割り
当ててある。例えば、装置８０は平面的な導波路回路
（ＰＬＣ）である。

【００７６】図１の装置１０と同様、図６の装置８０で
は、導波路列はＭ×Ｎの交差箇所すなわち交点を有する
Ｍ行Ｎ列の格子を形成する入力光信号路１１，１３，１
５（１乃至Ｍの入力を表わす）と出力信号路１７，１
９，２１（１乃至Ｎの出力を表わす）を含む。入力路と
出力路は、導波路セグメントとすることもできる。ここ
では導波路セグメントとして説明するが、光路は光信号
の伝導が可能などんな光路、例えば光ファイバでもよ
い。装置８０は、平面的な光波回路である。

【００７７】単一線路として図示してあるが、入力導波
路１１，１３，１５と出力導波路１７，１９，２１は基
板やクラッド或いはその両方により支持され、そこを光
が進行するコアやチャンネルである。各導波路は、光を
導波する三次元屈折率分布すなわち導波路屈折率分布を
有する。

【００７８】全部で９個の光学的切換点に対し３行３列
のマトリクスとして説明するが、装置８０にはその交差
箇所に相応する数の交点スイッチを有する任意の数の入
力導波路と出力導波路を含ませることができる。さら
に、直角に交差するものとして説明するが、入力導波路
と出力導波路は直角以外の角度で交差させることもでき
る。例えば、装置８０は３２個の入力導波路と３２個の
出力導波路或いはさらにそれ以上を有する３２×３２の
光スイッチマトリクスとすることもできる。話を簡単に
するため、３×３の光スイッチマトリクスがここでは装
置８０として例示してある。さらに、本例示装置８０に
あっては、連続的な導波路部分として明示したが、各入
力路（１１，１３，１５）と出力路（１７，１９，２
１）が溝にある多重切換素子Ｓ_ｉ，ｊを横切り、かくし
て各入力導波路と各出力導波路が複数の導波路セグメン
トで構成されるようにしてある。使用時に、導波路セグ
メントは入力端と出力端において光ファイバに接続する
ことができる。例えば入力導波路１１，１３，１５と出
力導波路１７，１９，２１は、Ｖ溝列を用いてリボンケ
ーブル光ファイバに接続することができ、この導波路が
通常０．２５ミリメートル台の間隔を置いて離間する。
ここで、スイッチＳ_ｉ，ｊは光信号に作用する能動的摂
動部である。

【００７９】切換機能を実行するため、装置８０は個別
光スイッチ列を含み、一つのスイッチが各交点すなわち
交差箇所に位置し、これをＳ_ｉｊで表わす。ただし、ｉ
はスイッチを接続した入力路、ｊはスイッチに接続した
出力路である。（入力路と出力路の）導波路セグメント
と同一或いは同様の屈折率を有する液体などの屈折率整
合媒体を充填したときに、スイッチが導波路内を進行す
る光をして直接そこを通過するようにさせる点で、スイ
ッチは透過型である。スイッチ（溝）にガスや気泡が充
填されるなど屈折率整合媒体を欠くときは、入射光はス
イッチを介して伝送される代わりに、接合導波路内へ反
射される。本発明の目的にとって、スイッチＳ_ｉ，ｊは
そこを通過する光信号に作用する能動的摂動部として考
えられる。

【００８０】装置８０はさらに、装置８０の様々な光路
の挿入損を低減する受動的摂動部８２を含む。図６にお
いて、混乱を避けるため、装置８０の受動的摂動部８２
の一部分だけを参照符号８２により指摘してある。受動
的摂動部８２は、光信号が装置８０内で遭遇する摂動部
の数を増やし、それによって明らかに装置８０の挿入損
を増大させている。しかしながら、特に図３のグラフを
参照し、能動的ならびに受動的の両方の摂動部間隔を減
らすことで前記に詳しく説明したように、受動的導波路
の追加により装置８０を介する挿入損を低減することが
できる。既に説明したように、受動的摂動部８２は、溝
や、可変屈折率領域や、特性導波路寸法の構造変化や、
屈折率特性や、クラッド材料を充填した導波路内の断層
や、或いはこれらの任意の組み合わせとすることができ
る。各受動的摂動部は、各導波路のものとは異なる三次
元屈折率配布を有する。さらに、各受動的摂動部の屈折
率は能動的摂動部の屈折率と同じか又は異なるものとす
ることができる。例示した実装構造では、能動的摂動部
（スイッチ）は光信号に作用して切換などの機能を実行
するが、その一方で受動的摂動部８２は光信号を通過さ
せる。

【００８１】受動的摂動部８２は、導波路列内の任意の
箇所に配置することができる。図６では、受動的摂動部
８２は能動的摂動部すなわちスイッチＳ_ｉ,ｊの間にあ
るものとして例示してある。しかしながら、１以上の受
動的摂動部８２を交差箇所に配置することができる。

【００８２】別の実施形態では、少なく一つの受動的摂
動部８２は、各導波路内のものとは異なるドープ処理濃
度の領域や、破断した導波路コアや、導波路列の地勢の
修正や、これらの組み合わせとすることができる。どん
な所与の導波路と受動的摂動部屈折率分布についても、
最小の挿入損に向けて摂動部（能動的又は受動的或いは
その両方）の間に１以上の最適間隔を存在させることが
できる。さらに別の実施形態では、摂動部は周期的或い
は準周期的摂動部である。

【００８３】挿入損は、一定範囲の波長に対してほぼ波
長とは独立して作成することができる。波長依存損失低
減量は、特定の摂動部空間屈折率分布と導波路の幾何構
造と屈折率特性とに依存する。特に、波長依存損失は波
長間隔１４５０〜１６５０ナノメータ（ｎｍ）に亙って
低減することができる。

【００８４】本発明の一例示形態が、以下の表１に図示
してある。導波路についての屈折率分布は、従来技術と
本発明の両方の説明においてシングルモード光ファイバ
へ結合するよう選択される。本例の場合、ダミー溝の形
をなす受動的摂動部が能動的摂動部すなわち切換素子の
間に配置してある。（低減された間隔と装置ポート数に
等しい溝数に代わる）ダミー溝の使用に対する長所は、
装置を標準的なファイバのｖ字溝列すなわち標準的２５
０ミクロンピッチの光ファイバ列に取り付けることがで
きることにある。２．３ｄＢの損失低減は、たとえ溝の
全数が約３倍だけ増えるにせよ、摂動部周期を約２６０
ミクロンから約９０ミクロンへ減少させたときに達成さ
れる。この特定の場合には、この損失減少は能動的溝の
各対間に均等に離間させた２つのダミー溝を挿入するこ
とで達成される。ここでの実験では、９０ミクロンと１
００ミクロンの間の周期性が、良好に機能した。しかし
ながら、各回路についての理想的な周期性は、導波路の
屈折率や能動的及び受動的摂動部の屈折率や光信号の周
波数などの様々な要素に依存する。

【００８５】

【表１】

【００８６】第２の例示的な実施形態によれば、第１と
同様、実験的に検証されてはいるが、同じ導波路寸法
と、１４．２ミクロンの溝幅と、０．３３％の屈折率変
化を用いる。溝間隔を約２６０μｍから約６５μｍへ変
更し、溝の数を約４倍に増やすことで、３２個の能動的
溝を通過する光路についての挿入損は約４．１ｄＢから
約２．２ｄＢへ低下する。

【００８７】第３の例示的な実施形態によれば、同じ導
波路寸法と、１５ミクロン幅の能動的溝と、０．３０％
の屈折率変化と、ダミー溝の代わりにクラッド材料を充
填し溝間に等間隔に離間させた２つのコア断層を用い
る。コアの断層の幅は、１０ミクロンである。計算で
は、試験チップの挿入損はコア断層無しの約２．６ｄＢ
からコア断層有りの約１．３ｄＢへ低減されることが予
想される。この設計に合わせて作成したＰＬＣチップ
は、約１．４ｄＢの損失を有することが計測されてい
る。

【００８８】装置８０は集積化光学回路として製作する
ことができ、そこでは摂動部は所定の間隔をもって製作
され、それによってここに詳細に説明したように挿入損
が低減される。摂動部は能動的ならびに受動的摂動部を
含み、９０ミクロンと１１０ミクロンの間の範囲で離間
させることができる。

【００８９】本発明の追加の実施形態が、図７乃至図１
２を用いて例示してある。図７を参照するに、例えば導
波路のセグメントの可能な実装構造が例示してあり、図
１の装置１０の一部分３８が例示してある。図７は、図
１の特定部分と同様の部分を有する。便宜上、図１の各
部と同様の図７の部分は、同じ参照番号と指名子を割り
当ててある。ここで、能動的摂動部すなわちスイッチＳ
_ｉ，ｊ，Ｓ_{ｉ，ｊ＋１}は、第１の距離例えば約２６０ミ
クロンだけ離間させて例示してある。この例では、スイ
ッチＳ_ｉ，ｊ，Ｓ_{ｉ，ｊ＋１}は、添え字をｉ＝Ｍ，Ｎ＝
３としたときに装置１０のＳ_Ｍ，２とＳ_Ｍ，Ｎとするこ
とができる。

【００９０】装置１０の例示部分の挿入損を低減するた
め、能動的或いは受動的摂動部を付加し、摂動部間の間
隔を低減することができる。例えば、図８には本発明の
一つの可能な実装構造、例えば図６の装置８０の部分８
８を部分８８ｂとして例示してある。図８乃至１２は、
図６の特定部分と同様の部分を有する。便宜上、図６の
部分と同様の図８乃至７Ｆの部分には同一の参照符号と
指名子が割り当ててある。スイッチＳ_ｉ，ｊとＳ
_{ｉ，ｊ＋１}の間では、摂動部間の間隔を例えば約９０ミ
クロンまで減らすよう追加の溝９０，９２を製作するこ
ともできる。本発明の代替実装構造が、図９の一部分８
８ｃとして例示してある。ここでスイッチＳ_ｉ _，ｊとＳ
_{ｉ，ｊ＋１}の間では、導波路コア１５のドープ処理部分
９４，９６を受動的摂動部として用い、摂動部間の間隔
を減らしてある。図８乃至１２で説明した例では、スイ
ッチＳ_ｉ，ｊ，Ｓ_{ｉ，ｊ＋１}は、添え字をｉ＝Ｍ，Ｎ＝
３としたときに装置８０のＳ_Ｍ，２，Ｓ_Ｍ，Ｎとするこ
とができる。

【００９１】図６の一部分８８の第２の代替実装構造
が、図９の一部分８８ｃとして例示してある。ここで、
スイッチＳ_ｉ，ｊ，Ｓ_{ｉ，ｊ＋１}の間では、導波路コア
１５のドープ処理部分９４，９６が受動的摂動部として
用いられ、摂動部間の間隔を低減している。

【００９２】図６の一部分８８の第３の代替実装構造
が、図１０の一部分８８ｄとして例示してある。ここ
で、受動的摂動部９８，１００は、導波路１５の不連続
すなわち断層部分９８，１００として実装してあり、受
動的摂動部９８，１００は導波路セグメント間のクラッ
ド充填空間として画成してある。

【００９３】図１１を用いて例示した第４の代替実施形
態では、図６の一部分８８が破断したクラッド充填部分
１０２とドープ処理部分１０４を有する部分８８ｅとし
て例示してある。ここで、断層部分１０２は導波路コア
１５に対して或る角度を有するよう図示してあり、この
角度はスイッチＳ_ｉ，ｊ，Ｓ_{ｉ，ｊ＋１}のそれと同様の
ものである。さらに、図１１は導波路コア１５が同時に
異なる種類の摂動部を含み得ることを例示するものであ
る。

【００９４】図１２を用いて図示した第５の代替実装構
造にあっては、図６の一部分８８が一部分８８ｆとして
図示してある。ここで、受動的摂動部９５は導波路コア
１５自体で出来ている。角度９７は、挿入損を低減すべ
く柔軟に可変することができる。

【００９５】前述のことから、本発明光学装置が従来技
術に対し数々の利点をもたらすことが理解されよう。例
えば、本発明の光学装置は、従来技術の比較可能な装置
よりも低挿入損で光信号に対する切換機能を実行する。
本発明の特定の実施形態を説明し図解したが、説明し図
解した部品の特定の形態或いは配置に本発明を限定する
ことを意図するものではない。本発明は、特許請求の範
囲の記載によってのみ限定されるものである。

【００９６】本発明を上述の実施形態に即して説明する
と、本発明は、平面的光波回路（ＰＬＣ）（８０）であ
って、交点にて交差する導波路（１１，１３，１５，１
７，１９，２１）列で、各導波路が光信号を導波する導
波路屈折率分布を有する前記導波路列と、光信号に作用
する能動的摂動部（Ｓ_ｉ，ｊ）と、導波路屈折率分布と
は異なる屈折率分布を有し、ＰＬＣ（８０）の挿入損を
低減する受動的摂動部（８２）を備えることを特徴とす
る回路を提供する。

【００９７】好ましくは、受動的摂動部（８２）はダミ
ーの溝とされる。

【００９８】好ましくは、第１の受動的摂動部（８２）
は、能動的摂動部（Ｓ_ｉ，ｊ）の間に配置してある。

【００９９】好ましくは、摂動部（受動的（８２）と能
動的（Ｓ_ｉ，ｊ）の両方）の間隔の周期性が、シングル
モードのファイバへ結合する導波路（１５）を有する光
スイッチについて、７０ミクロンから１１０ミクロンの
範囲にある。

【０１００】更に本発明は、光信号を伝える導波路（１
５）を有する集積化光学回路（８０）であって、光信号
に作用する能動的摂動部（Ｓ_ｉ，ｊ）と、摂動部間の間
隔が回路の挿入損の低減を引き起こす受動的摂動部（８
２）を備えることを特徴とする回路を提供する。

【０１０１】好ましくは、各受動的摂動部（８２）が、
能動的摂動部（Ｓ_ｉ，ｊ）の屈折率とは異なる屈折率を
有する。

【０１０２】好ましくは、回路（８０）の挿入損は、同
一構成ながら受動的摂動部（８２）を持たない別回路
（１０）の挿入損未満である。

【０１０３】好ましくは、第１の受動的摂動部（８２）
は、第１の能動的摂動部（Ｓ_ｉ，ｊ）と第２の能動的摂
動部（Ｓ_{ｉ，ｊ＋１}）の間にある。

【０１０４】更に、本発明は、平面的光波回路（ＰＬ
Ｃ）（８０）であって、交点で交差する導波路（１１，
１３，１５，１７，１９，２１）列を備え、各導波路が
光信号を導波する導波路屈折率分布を有する前記導波路
列と、光信号に作用する摂動部（Ｓ_ｉ，ｊ，８２）で、
ＰＬＣ（８０）の挿入損を最小化するよう離間させた前
記摂動部（Ｓ_ｉ，ｊ，８２）を備えることを特徴とする
回路を提供する。

【０１０５】好ましくは、前記摂動部（Ｓ_ｉ，ｊ，８
２）は、８０ミクロンと１００ミクロンの間で離間させ
てある。

【０１０６】更に、本発明は、集積化光学回路（８０）
の導波路内で光信号に効率的に作用する方法であって、
能動的摂動部（Ｓ_ｉ，ｊ）を用いて光信号に作用し機能
を遂行するステップと、受動的摂動部（８２）を介して
光信号を通過させるステップで、能動的摂動部（Ｓ
_ｉ，ｊ）と受動的摂動部（８２）が所定の間隔を有し、
それによって挿入損を低減する前記ステップを含むこと
を特徴とする方法を提供する。

【０１０７】好ましくは、所定の間隔は周期的とされ
る。

【０１０８】好ましくは、周期性は８０ミクロンと１０
０ミクロンの間にある。

【０１０９】更に、本発明は、光信号を伝送する導波路
を含む集積化光学回路（８０）の製造方法であって、所
定間隔をもって摂動部（Ｓ_ｉ，ｊ，８２）を製作して挿
入損を低減するステップを含むことを特徴とする方法を
提供する。

【０１１０】好ましくは、摂動部（Ｓ_ｉ，ｊ，８２）は
能動的摂動部（Ｓ_ｉ，ｊ）と受動的摂動部（８２）を含
み、摂動部（Ｓ_ｉ，ｊ，８２）は８０ミクロンと１１０
ミクロンの間の範囲で離間させてある。

【０１１１】好ましくは、摂動部（Ｓ_ｉ，ｊ，８２）
は、液体を充填した溝を有する能動的摂動部
（Ｓ_ｉ，ｊ）とダミーの溝からなる受動的摂動部（８
２）を含む。

【図面の簡単な説明】

【図１】光スイッチ装置の概略上面図である。

【図２】図１の装置の一部側面図である。

【図３】溝の数及び間隔と挿入損との関係を例示するグ
ラフである。

【図４】光信号に作用する摂動モデルを例示する図であ
る。

【図５】摂動部及びレンズの列を通過する際の光信号の
挙動を例示する図である。

【図６】本発明の一実施形態になる装置を例示する図で
ある。

【図７】本発明の代替実施形態を例示する図である。

【図８】本発明の第２の代替実施形態を例示する図であ
る。

【図９】本発明の第３の代替実施形態を例示する図であ
る。

【図１０】本発明の第４の代替実施形態を例示する図で
ある。

【図１１】本発明の第５の代替実施形態を例示する図で
ある。

【図１２】本発明の第６の代替実施形態を例示する図で
ある。

【符号の説明】

１０光スイッチ装置１１，１３，１５，１７，１９，２１導波路１２ａ，１２ｂ，１４ａ，１４ｂ，５１ベクトル１８，３８，８８，８８ｂ，８８ｃ，８８ｄ，８８ｅ，
８８ｆ一部分２２溝２４導波路２６クラッド層２８加熱回路層２９加熱素子３０基板５０摂動部（溝）５４入力導波路５６出力導波路６２溝６６レンズ６８主要モード成分７０高次のモード成分７２，７２ａ波面８０平面的光波回路（ＰＬＣ）Ｓ_ｉ，ｊ能動的摂動部８２，９５，９８，１００受動的摂動部９０，９２追加の溝９４，９６，１０４ドープ処理部分９７角度１０２断層部分

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 000005120 日立電線株式会社東京都千代田区大手町一丁目６番１号 (72)発明者マーシャル・トーマス・デピューアメリカ合衆国カリフォルニア州サン・マテオ・ナンバー25 デ・セイブラ７ (72)発明者シャリーニ・ベンカテッシュアメリカ合衆国カリフォルニア州サンタ・クララポメロイ・アベニュー1078 (72)発明者上塚尚登日本国茨城県日立市かみあい町２−17 −３ (72)発明者岡野広明日本国茨城県日立市城南町５−19−12 Ｆターム(参考） 2H047 KA03 LA14 NA01 RA08 TA36 TA37 2K002 AB05 CA17

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】交点にて交差する導波路列で、各導波路が
光信号を導波する導波路屈折率分布を有する前記導波路
列と、光信号に作用する能動的摂動部と、導波路屈折率分布とは異なる屈折率分布を有し、平面的
光波回路の挿入損を低減する受動的摂動部を備えること
を特徴とする平面的光波回路回路。
【請求項２】受動的摂動部はダミーの溝であることを特
徴とする、請求項１記載の平面的光波回路前記回路。
【請求項３】第１の受動的摂動部は、能動的摂動部の間
に配置してあることを特徴とする、請求項１記載の平面
的光波回路。
【請求項４】受動的或いは能動的である摂動部の間隔の
周期性が、シングルモードのファイバへ結合する導波路
を有する光スイッチについて、７０ミクロンから１１０
ミクロンの範囲にあることを特徴とする請求項１記載の
平面的光波回路。
【請求項５】光信号を伝送する導波路を有する集積化光
学回路であって、光信号に作用する能動的摂動部と、摂動部間の間隔が回路の挿入損の低減を引き起こす受動
的摂動部を備えることを特徴とする集積化光学回路。
【請求項６】各受動的摂動部が、能動的摂動部の屈折率
とは異なる屈折率を有することを特徴とする、請求項５
記載の集積化光学回路。
【請求項７】回路の挿入損は、同一構成ながら受動的摂
動部を持たない別回路の挿入損未満であることを特徴と
する、請求項５記載の集積化光学回路。
【請求項８】第１の受動的摂動部は、第１の能動的摂動
部と第２の能動的摂動部の間にあることを特徴とする、
請求項５記載の集積化光学回路。
【請求項９】交点で交差する導波路列を備え、各導波路
が光信号を導波する導波路屈折率分布を有する前記導波
路列と、光信号に作用する摂動部で、平面波光波回路の挿入損を
最小化するよう離間させた前記摂動部を備えることを特
徴とする平面的光波回路。
【請求項１０】前記摂動部は、８０ミクロンと１００ミ
クロンの間で離間させてあることを特徴とする請求項９
記載の平面波光波回路。
【請求項１１】集積化光学回路の導波路内で光信号に効
率的に作用する方法であって、能動的摂動部を用いて光信号に作用し機能を遂行するス
テップと、受動的摂動部を介して光信号を通過させるステップで、
能動的摂動部と受動的摂動部が所定の間隔を有し、それ
によって挿入損を低減する前記ステップを含むことを特
徴とする方法。
【請求項１２】所定の間隔は周期的であることを特徴と
する請求項１１記載の方法。
【請求項１３】周期性は８０ミクロンと１００ミクロン
の間にあることを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１４】光信号を伝える導波路を含む集積化光学
回路の製造方法であって、所定間隔をもって摂動部を製作して挿入損を低減するス
テップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１５】摂動部は能動的摂動部と受動的摂動部を
含み、摂動部は８０ミクロンと１１０ミクロンの間の範
囲で離間させてあることを特徴とする請求項１４記載の
製造方法。
【請求項１６】摂動部は、液体を充填した溝を有する能
動的摂動部とダミーの溝からなる受動的摂動部を含むこ
とを特徴とする請求項１４記載の製造方法。