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 - Google Patents

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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JP2003195074A
JP2003195074A JP2002369206A JP2002369206A JP2003195074A JP 2003195074 A JP2003195074 A JP 2003195074A JP 2002369206 A JP2002369206 A JP 2002369206A JP 2002369206 A JP2002369206 A JP 2002369206A JP 2003195074 A JP2003195074 A JP 2003195074A
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waveguide
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optical
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マーシャル・トーマス・デピュー
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シャリーニ・ベンカテッシュ
Naoto Uetsuka
尚登 上塚
Hiroaki Okano
広明 岡野
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Hitachi Cable Ltd
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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(Si,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;Planar Lightwav
e Circuit)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Si,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Si, を通過
するが、スイッチS1,2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S2,1とS2,2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S2,2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S2,2を通過するか又はス
イッチS2,2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(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+PPert (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、Eincident(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
Per (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(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(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Si,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Si,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Sij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Si,j
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Si,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,Si,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Si,j,Si,j+1は、添え字をi=M,N=
3としたときに装置10のSM,2とSM,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Si,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 ,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Si,j,Si,j+1は、添え字をi=M,N=
3としたときに装置80のSM,2,SM,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Si,j,Si,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Si,j,Si,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(Si,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(Si,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(Si,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(Si,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(Si,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(Si,j)と第2の能動的摂
動部(Si,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(Si,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(Si,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(Si,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(Si,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(Si,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(Si,j,82)は
能動的摂動部(Si,j)と受動的摂動部(82)を含
み、摂動部(Si,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(Si,j,82)
は、液体を充填した溝を有する能動的摂動部
(Si,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) Si,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 (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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。
  2. 【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。
  3. 【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。
  4. 【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。
  5. 【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。
  6. 【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。
  7. 【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。
  8. 【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。
  9. 【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。
  10. 【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。
  11. 【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。
  12. 【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。
  13. 【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。
  14. 【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。
  15. 【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。
  16. 【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。
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