JP2004045709A

JP2004045709A - Coupled optical waveguide

Info

Publication number: JP2004045709A
Application number: JP2002202526A
Authority: JP
Inventors: Hirohito Yamada; 山田　博仁; Shojiro Kawakami; 川上　彰二郎; Yasuo Odera; 大寺　康夫
Original assignee: NEC Corp; Photonic Lattice Inc
Current assignee: NEC Corp; Photonic Lattice Inc
Priority date: 2002-07-11
Filing date: 2002-07-11
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2022-07-11
Also published as: JP4491188B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a coupled optical waveguide of which entire size can be reduced even when many optical guides are integrated on a substrate. <P>SOLUTION: The coupled optical waveguide is provided with the substrate 11, where a groove 12 forming a line-and-space pattern is formed on the surface, and a plurality of grid modulation photonic crystal optical waveguides 10(1, 1) and 10(2, 1) prepared by a self cloning technique of alternately laminating a dielectric 13 of a low refractive index and a dielectric 14 of a high refractive index on the substrate 11 respectively. Then, a plurality of the grid modulation photonic crystal optical waveguides are arranged parallelly to each other on a surface parallel to the surface of the substrate 11. Also, the adjacent two of a plurality of the grid modulation photonic crystal optical waveguides are arranged closely so as to couple the electric fields of light between them. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の光導波路を結合してなる結合光導波路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の結合光導波路、例えば方向性結合器は、光ファイバー型のものや、ガラスや半導体基板上に形成する平面導波路型のものが存在する。しかし、光ファイバー型のものはそもそも集積化には適さないし、平面導波路型のものでも、サイズが大きく、多数集積化すると全体サイズが大きくなりすぎる。例えば、結合光導波路構造を有する電気光学効果光スイッチをマトリクス化して集積化する場合、８×８マトリクススイッチとなると、３ｃｍ程度の長さとなる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の結合光導波路は、サイズが大きいという問題が有った。また、平面導波路型のものにおいて、結合光導波路の形成は、ドライエッチングなどにより、二本の光導波路間を隔てる溝を掘り込むなどして作製している。この場合、結合光導波路における二本の光導波路間の光学結合の強さが、導波路間隔に非常に敏感であるため、ドライエッチングによる分離溝形成の精度が作製プロセスの制御性を左右していた。このため、このような従来プロセスで得られる結合光導波路の特性の再現性および制御性はあまり良くはなかった。
【０００４】
本発明の目的は、従来の結合光導波路型素子におけるそのような課題を解決するためのもので、サイズが小さい結合光導波路、及びそれを用いた種々の光デバイスを提供することにある。
【０００５】
本発明のもう一つの目的は、結合光導波路作製プロセスにおける制御性および再現性を改善できる結合光導波路、及びそれを用いた種々の光デバイスを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下に述べるとおりである。
【０００７】
（１）　ライン・アンド・スペース　パターンを形成する溝が表面に形成された基板と、
各々が前記基板上に、屈折率の低い誘電体と屈折率の高い誘電体とを交互に積層する自己クローニング技術によって作製された所定数Ｘ（Ｘは２以上の整数）の格子変調フォトニック結晶光導波路とを有し、
前記所定数Ｘの格子変調フォトニック結晶光導波路は、前記基板の前記表面に平行な面上に、互いに平行に位置し、かつ前記所定数Ｘの格子変調フォトニック結晶光導波路の隣接する２つは、それらの間で光の電界が結合するように近接して配置されていることを特徴とする結合光導波路（図３及び図４）。
【０００８】
（２）　ライン・アンド・スペース　パターンを形成する溝が表面に形成された基板と、
各々が前記基板上に、屈折率の低い誘電体と屈折率の高い誘電体とを交互に積層する自己クローニング技術によって作製された規定数Ｙ（Ｙは２以上の整数）の格子変調フォトニック結晶光導波路とを有し、
前記規定数Ｙの格子変調フォトニック結晶光導波路は、前記基板の前記表面に垂直な面上に、互いに平行に位置し、かつ前記規定数Ｙの格子変調フォトニック結晶光導波路の隣接する２つは、それらの間で光の電界が結合するように近接して配置されていることを特徴とする結合光導波路（図５）。
【０００９】
（３）　ライン・アンド・スペース　パターンを形成する溝が表面に形成された基板と、
各々が前記基板上に、屈折率の低い誘電体と屈折率の高い誘電体とを交互に積層する自己クローニング技術によって作製された複数の格子変調フォトニック結晶光導波路とを有し、
前記複数の格子変調フォトニック結晶光導波路は、所定数Ｘ（Ｘは２以上の整数）の格子変調フォトニック結晶光導波路と規定数Ｙ（Ｙは２以上の整数）の格子変調フォトニック結晶光導波路とを有し、
前記所定数Ｘの格子変調フォトニック結晶光導波路は、前記基板の前記表面に平行な面上に、互いに平行に位置し、かつ前記所定数Ｘの格子変調フォトニック結晶光導波路の隣接する２つは、それらの間で光の電界が結合するように近接して配置され、
前記規定数Ｙの格子変調フォトニック結晶光導波路は、前記基板の前記表面に垂直な面上に、互いに平行に位置し、かつ前記規定数Ｙの格子変調フォトニック結晶光導波路の隣接する２つは、それらの間で光の電界が結合するように近接して配置されていることを特徴とする結合光導波路（図６）。
【００１０】
（４）　ライン・アンド・スペース　パターンを形成する溝が表面に形成された基板と、前記基板上に、屈折率の低い誘電体と屈折率の高い誘電体とを交互に積層する自己クローニング技術によって作製された格子変調フォトニック結晶光導波路とを有し、前記格子変調フォトニック結晶光導波路は、前記基板の前記表面に平行な面上に、複数本互いに平行に形成され、かつ前記複数本の格子変調フォトニック結晶光導波路間で光の電界が結合するように近接して形成されていることを特徴とする結合光導波路（図３及び図４）。
【００１１】
（５）　ライン・アンド・スペース　パターンを形成する溝が表面に形成された基板と、前記基板上に、屈折率の低い誘電体と屈折率の高い誘電体とを交互に積層する自己クローニング技術によって作製された格子変調フォトニック結晶光導波路とを有し、前記格子変調フォトニック結晶光導波路は、前記基板の前記表面に垂直な面上に、複数本互いに平行に形成され、かつ前記複数本の格子変調フォトニック結晶光導波路間で光の電界が結合するように近接して形成されていることを特徴とする結合光導波路（図５）。
【００１２】
（６）　ライン・アンド・スペース　パターンを形成する溝が表面に形成された基板と、前記基板上に、屈折率の低い誘電体と屈折率の高い誘電体とを交互に積層する自己クローニング技術によって作製された格子変調フォトニック結晶光導波路とを有し、前記格子変調フォトニック結晶光導波路は、前記基板の前記表面に平行な面上及び前記基板の前記表面に垂直な面上に、複数本ずつ、互いに平行に形成され、かつ前記複数本の格子変調フォトニック結晶光導波路間で光の電界が結合するように近接して形成されていることを特徴とする結合光導波路（図６）。
【００１３】
（７）　上記（４）又は上記（５）に記載の結合光導波路を用いた方向性結合器であって、前記結合光導波路の前記格子変調フォトニック結晶光導波路の数が二本であり、前記二本の格子変調フォトニック結晶光導波路の一方に入力した光ビームを、前記二本の格子変調フォトニック結晶光導波路の他方に結合させて出力させる動作をすることを特徴とする方向性結合器（図１０及び図１１）。
【００１４】
（８）　上記（４）乃至上記（６）のいずれかに記載の結合光導波路を用いたビーム　スプリッターであって、前記複数本の格子変調フォトニック結晶光導波路の一つに入力した光ビームのパワーを、所定の割合で、前記複数本の格子変調フォトニック結晶光導波路の残りのものに結合させることを特徴とするビーム　スプリッター（図１２）。
【００１５】
（９）　上記（４）又は上記（５）に記載の結合光導波路を複数本、横方向にずらして繋ぐことにより、光ビームの伝搬経路をずらしながら伝搬させて行くようにしたことを特徴とする結合光導波路の組合せ（図８）。
【００１６】
（１０）　上記（７）に記載の方向性結合器を用いた光スイッチであって、前記結合光導波路の前記二本の格子変調フォトニック結晶光導波路の屈折率を変化させる手段を有し、前記結合光導波路の前記二本の格子変調フォトニック結晶光導波路の屈折率を変化させることにより、光ビームを出力させる格子変調フォトニック結晶光導波路を切り替えることを特徴とする光スイッチ（図１３）。
【００１７】
（１１）　上記（４）又は上記（５）に記載の結合光導波路を用いた結合光導波路型波長フィルターであって、前記複数本の格子変調フォトニック結晶光導波路間に、固有の共振周波数を有する短い光導波路を導入することにより、前記複数本の格子変調フォトニック結晶光導波路の一方に入射させた光ビームのうちの特定の波長成分の光のみが前記短い光導波路からなる光共振器内で共振することにより、前記複数本の格子変調フォトニック結晶光導波路の他方に乗り移って出力されることを特徴とする結合光導波路型波長フィルター（図１５）。
【００１８】
（１２）　上記（１１）に記載の結合光導波路型波長フィルターにおいて、前記光共振器の前記短い光導波路を構成する多層膜の構造が前記短い光導波路の長手方向に波型に変調される構造を有することにより、前記波型変調の周期に対応するある波長の光のみを選択的に共振させて出力することを特徴とする結合光導波路型波長フィルター（図１６）。
【００１９】
（１３）　上記（１１）又は上記（１２）に記載の結合光導波路型波長フィルターにおいて、前記光共振器の前記短い光導波路の屈折率を変化させる手段を有し、前記光共振器の前記短い光導波路の屈折率を変化させることにより、出力される光の波長を変化させることを可能とする結合光導波路型波長フィルター（図１７）。
【００２０】
（１４）　上記（７）に記載の方向性結合器を用いたアド・ドロップ・マルチプレクサーであって、前記二本の格子変調フォトニック結晶光導波路の一方の一部に、光導波路を構成する多層膜の構造が前記光導波路の長手方向に波型に変調される構造を有することにより、特定波長の光のみを選択的に反射する分布ブラッグ反射鏡部を有することを特徴とするアド・ドロップ・マルチプレクサー（図１８）。
【００２１】
（１５）　上記（１４）に記載のアド・ドロップ・マルチプレクサーにおいて、分布ブラッグ反射鏡部の屈折率を変化させることができる手段を有し、前記分布ブラッグ反射鏡部の屈折率を変化させることにより、アド・ドロップする光の波長を可変できることを特徴とするアド・ドロップ・マルチプレクサー（図１９）。
【００２２】
（１６）　上記（７）に記載の方向性結合器を用いた光制御光スイッチであって、前記結合光導波路の前記二本の格子変調フォトニック結晶光導波路の少なくとも一方の一部に、光導波路を構成する多層膜の構造が長手方向に波型に変調される構造を有することにより、スイッチ制御を行う波長の制御光のみを選択的に反射する分布ブラッグ反射鏡部を有し、前記制御光の入射によって、前記結合光導波路の屈折率を変化されることにより、前記結合光導波路の完全結合長を変化させ、前記結合光導波路に制御光とは別に入射する信号光の出口を切り替えることを特徴とする光制御光スイッチ（図２０）。
【００２３】
（１７）　上記（７）に記載の方向性結合器を用いた光制御光スイッチであって、前記結合光導波路の前記二本の格子変調フォトニック結晶光導波路の少なくとも一方の一部に、光導波路を構成する多層膜の構造が長手方向に波型に変調される構造を有することにより、信号光の波長の光のみを選択的に反射する分布ブラッグ反射鏡部を有し、さらに前記結合光導波路に信号光とは別に制御光を入射させることによって、前記結合光導波路の屈折率を変化されることにより、前記結合光導波路の完全結合長を変化させ、信号光の出口を切り替えることを特徴とする光制御光スイッチ（図２１）。
【００２４】
（１８）　上記（４）に記載の結合光導波路を用いた光制御光スイッチであって、前記結合光導波路は、互いに結合した三本の格子変調フォトニック結晶光導波路を有し、前記結合光導波路の外側の二本の格子変調フォトニック結晶光導波路に挟まれた中央の格子変調フォトニック結晶光導波路に、スイッチングを制御する制御光を入射させることによって、前記結合光導波路の屈折率を変化されることにより、前記結合光導波路の完全結合長を変化させ、前記外側の二本の格子変調フォトニック結晶光導波路の何れかに入射させた信号光の出口を切り替えることを特徴とする光制御光スイッチ（図２２）。
【００２５】
（１９）　上記（５）に記載の結合光導波路において、前記複数本の格子変調フォトニック結晶光導波路の等価屈折率が互いに異なることを特徴とする結合光導波路（図２３）。
【００２６】
（２０）　上記（１９）に記載の結合光導波路を用いた分散補償器において、前記複数本の格子変調フォトニック結晶光導波路間での等価屈折率の違いを利用して、異なる波長の光に対して伝搬速度の違いを生じさせ、分散補償を行うことを特徴とする分散補償器（図２３）。
【００２７】
（２１）　上記（４）に記載の結合光導波路において、前記複数本の格子変調フォトニック結晶光導波路が、長手方向に夫々異なる周期の波型周期構造パターンを有することを特徴とする結合光導波路（図２４）。
【００２８】
（２２）　上記（２１）に記載の結合光導波路において、前記複数本の格子変調フォトニック結晶光導波路間での前記長手方向の波型周期構造パターンの周期の違いを利用して、異なる波長の光に対して伝搬速度の違いを生じさせ、分散補償を行うことを特徴とする分散補償器（図２４）。
【００２９】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【００３０】
本発明は、東北大学　川上彰二郎　教授らが考案した自己クローニング技術（Ｓ．　Ｋａｗａｋａｍｉ　ｅｔ　ａｌ．，　Ａｐｐｌ．　Ｐｈｙｓ．　Ｌｅｔｔ．，　７４，　４６３　（１９９９）．）によって作製可能な格子変調フォトニック結晶により形成される光導波路（格子変調フォトニック結晶光導波路）を用いる。
【００３１】
図１は、その格子変調フォトニック結晶光導波路１０を示している。この格子変調フォトニック結晶光導波路１０は、Ｓｉ等の半導体の基板１１上にライン・アンド・スペース　パターンを形成する溝１２を形成し、その上に自己クローニング技術を用いて屈折率の低い誘電体１３としてＳｉＯ_２を、屈折率の高い誘電体１４としてはＴａ_２Ｏ_５（或はＳｉ）を交互に積層することにより、所謂格子変調フォトニック結晶による光導波路を形成したものである。この格子変調フォトニック結晶光導波路１０においては、図示のように、ライン・アンド・スペース　パターン上に波形の多層膜が形成されている。
【００３２】
この波形多層膜においては、場所による波型パターンの周期の違いによって、伝搬する光ビームが感じる等価的な屈折率に差が付けられる。基板１１に平行な面内では、一般的に、波型パターンの周期が短い程等価的な屈折率は高くなる。一方、基板１１に垂直な（積層）方向でも等価的な屈折率に差が付けられ、この場合は、多層膜の膜厚が厚いほど等価屈折率は高くなる。従って、図に示すように、導波路コア（０．３μｍ×０．３μｍ）１５の部分の屈折率を、導波路コア１５を取り囲むクラッド部分の屈折率よりも高くすれば、チャネル型の光導波路として機能する。
【００３３】
波形パターンの基板１１に平行な面内での周期は、最初に基板１１上に形成するライン・アンド・スペース　パターンの周期によって決まる。具体的には、屈折率の高い誘電体（高屈折率媒質）１４として屈折率が約２．１のＴａ_２Ｏ_５を、屈折率の低い誘電体（低屈折率媒質）１３として屈折率が約１．５のＳｉＯ_２を夫々、クラッド部分は厚さ０．３４μｍずつ７周期、導波路コア１５の部分は厚さ０．３８μｍずつ４．５周期積層する。このような構造においては、導波路コア１５部分の等価屈折率は約１．８３となり、周りのクラッド部分の等価屈折率約１．８１に比べて１％程度高くなり、チャネル型光導波路として機能する。
【００３４】
なお、図示の場合、導波路コア１５を形成するための凸部間の間隔は０．３μｍである（溝間の間隔も０．３μｍである）。導波路コア１５の両横のクラッド部分を形成するための凸部間の間隔は０．６μｍである（溝間の間隔も０．６μｍである）。
【００３５】
ところで、本発明の特徴は、このように形成される格子変調フォトニック結晶光導波路を２本平行に並べて近接させることにより、二本の光導波路間での伝搬光ビームの光学的な結合を実現した結合光導波路を得、この結合光導波路を用いて、方向性結合器他の様々なデバイスに展開して行こうとするものである。
【００３６】
次に、図２、図３、及び図４を参照して、本発明の第１の実施例による結合光導波路を説明する。
【００３７】
この第１の実施例による結合光導波路は、以下の様にして得られる。
【００３８】
まず、図２に示すライン・アンド・スペース　パターンの溝（深さ約０．４μｍ）１２をＳｉ等の半導体の基板１１上に、図３に示すように設ける。
【００３９】
続いて、図３において、その基板１１上に同様に、屈折率の高い誘電体（高屈折率媒質）１４としてＴａ_２Ｏ_５を、屈折率の低い誘電体（低屈折率媒質）１３としてＳｉＯ_２を夫々、導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）部分は厚さ０．３８μｍずつ４．５周期、導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）部分を取り囲むクラッド部分は厚さ０．３４μｍずつ７周期積層する。
【００４０】
なお、図２に示すように、導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）の各々を形成するための溝１２間の間隔は０．３μｍであり、凸部間の間隔も０．３μｍである。導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）の各々の両横のクラッド部分を形成するための溝１２間の間隔は０．６μｍであり、凸部間の間隔も０．６μｍである。
【００４１】
こうすることにより、図３に示した様に、平行な二本の近接した導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）を有するチャネル型の結合光導波路が得られる。導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）は、それらの間で光の電界が結合するように近接して配置されている。導波路コア１５（１，１）及び導波路コア１５（２，１）の各々は、図１の導波路コア１５と同じ構造を有する。すなわち、導波路コア１５（１，１）及び導波路コア１５（２，１）は、互いに同じ構造を有している。導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）間の間隔は、基板１１に形成するライン・アンド・スペース　パターンによって決まり、電子ビーム露光や、光学露光によるマスクパターンの精度で導波路間隔を正確に制御できる。従って、ドライエッチングなどにより、分離溝を形成する必要がないため、制御性および再現性良く結合光導波路が得られる。
【００４２】
図４は、この結合光導波路の斜視図である。なお、導波路コアの数は２に限定されず、３以上であっても良い。
【００４３】
図３及び図４をまとめると、この結合光導波路は、ライン・アンド・スペースパターンを形成する溝１２が表面に形成された基板１１と、各々が基板１１上に、屈折率の低い誘電体１３と屈折率の高い誘電体１４とを交互に積層する自己クローニング技術によって作製された所定数Ｘ（Ｘは２以上の整数）の格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，１）及び１０（２，１）とを有する。前記所定数Ｘの格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，１）及び１０（２，１）は、基板１１の前記表面に平行な面上に、互いに平行に位置し、かつ前記所定数Ｘの格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，１）及び１０（２，１）の隣接する２つは、それらの間で光の電界が結合するように近接して配置されている。
【００４４】
次に、図５を参照して、本発明の第２の実施例による結合光導波路を説明する。
【００４５】
この第２の実施例による結合光導波路は、基板１１に垂直な方向に形成したものであり、同様の参照符号で示された同様の部分を含む。
【００４６】
図５において、基板１１に垂直な方向での結合光導波路は、基板１１上に、積層方向に、クラッド層、導波路コア１５（１，１）、クラッド層、導波路コア１５（１，２）、クラッド層の順に積層して格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，１）及び１０（１，２）を形成する。この場合、基板１１のライン・アンド・スペース　パターンを形成する溝は、図１の一本の導波路を形成する場合の溝１２と同じである。また、導波路コア１５（１，１）及び導波路コア１５（１，２）の各々は、図１の導波路コア１５と同じ構造を有する。すなわち、導波路コア１５（１，１）及び導波路コア１５（１，２）は、互いに同じ構造を有している。
【００４７】
なお、導波路コアの数は２に限定されず、３以上であっても良い。
【００４８】
図５をまとめると、この結合光導波路は、ライン・アンド・スペース　パターンを形成する溝（図１の１２）が表面に形成された基板１１と、各々が前記基板１１上に、屈折率の低い誘電体（図１の１３）と屈折率の高い誘電体（図１の１４）とを交互に積層する自己クローニング技術によって作製された規定数Ｙ（Ｙは２以上の整数）の格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，１）及び１０（１，２）とを有し、前記規定数Ｙの格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，１）及び１０（１，２）は、前記基板１１の前記表面に垂直な面上に、互いに平行に位置し、かつ前記規定数Ｙの格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，１）及び１０（１，２）の隣接する２つは、それらの間で光の電界が結合するように近接して配置されている。
【００４９】
次に、図６を参照して、本発明の第３の実施例による結合光導波路を説明する。
【００５０】
この第３の実施例は、基板１１に平行な方向に形成した結合光導波路（格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，１）及び１０（２，１）を有する）と、基板１１に垂直な方向に形成した結合光導波路（格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，１）及び１０（１，２）を有する）とを、同時に形成した２次元の結合光導波路であり、同様の参照符号で示された同様の部分を含む。なお、基板１１に平行な方向に形成した結合光導波路における格子変調フォトニック結晶光導波路の数Ｘ及び基板１１に垂直な方向に形成した結合光導波路の数Ｙは、２に限定されず、３以上であっても良い。
【００５１】
すなわち、図６の結合光導波路は、ライン・アンド・スペース　パターンを形成する溝１２が、図３の場合と同様にして、表面に形成された基板１１と、各々が前記基板１１上に、屈折率の低い誘電体（図１の１３）と屈折率の高い誘電体（図１の１４）とを交互に積層する自己クローニング技術によって作製された複数の格子変調フォトニック結晶光導波路とを有し、前記複数の格子変調フォトニック結晶光導波路は、所定数Ｘ（Ｘは２以上の整数）の格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，１）及び１０（２，１）と規定数Ｙ（Ｙは２以上の整数）の格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，１）及び１０（１，２）とを有し、前記所定数Ｘの格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，１）及び１０（２，１）は、前記基板１１の前記表面に平行な面上に、互いに平行に位置し、かつ前記所定数Ｘの格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，１）及び１０（２，１）の隣接する２つは、それらの間で光の電界が結合するように近接して配置され、前記規定数Ｙの格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，１）及び１０（１，２）は、前記基板１１の前記表面に垂直な面上に、互いに平行に位置し、かつ前記規定数Ｙの格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，１）及び１０（１，２）の隣接する２つは、それらの間で光の電界が結合するように近接して配置されている。
【００５２】
なお、図６に図示の結合光導波路は、所定数Ｘの格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，１）及び１０（２，１）と規定数Ｙの格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，１）及び１０（１，２）とが、共通の格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，１）を含んでいるが、所定数Ｘの格子変調フォトニック結晶光導波路と規定数Ｙの格子変調フォトニック結晶光導波路とが、共通の格子変調フォトニック結晶光導波路を含まないように、それぞれ別の格子変調フォトニック結晶光導波路を含むように構成しても良い。
【００５３】
また、図６の結合光導波路は、基板１１の表面に平行な面上に互いに平行に位置する所定数Ｘの格子変調フォトニック結晶光導波路が、１０（１，２）及び１０（２，２）に相当し、基板１１の表面に垂直な面上に互いに平行に位置する規定数Ｙの格子変調フォトニック結晶光導波路が、１０（２，１）及び１０（２，２）に相当するものと定義され得る。これら所定数Ｘの格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，２）及び１０（２，２）は、それらの間で光の電界が結合するように近接して配置され、また、規定数Ｙの格子変調フォトニック結晶光導波路１０（２，１）及び１０（２，２）は、それらの間で光の電界が結合するように近接して配置されている。
【００５４】
次に、上述した図３及び図４の結合光導波路の動作について説明する。
【００５５】
まず、結合光導波路での光ビームの伝搬について、３次元ＢＰＭ（Ｂｅａｍ　Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ　Ｍｅｔｈｏｄ）による電磁界解析の結果を用いて説明する。図７に、解析に用いた結合光導波路の断面構造を示す。本解析では、波型の微細構造については考えず、導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）とクラッド領域とをある等価屈折率を有する一様媒質として扱った。この場合、導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）の等価屈折率は１．８２８とし、それを囲むクラッド領域の屈折率は図のような値を用いた。
【００５６】
図８（Ａ）及び（Ｂ）に、導波路コア間の間隔１μｍの結合光導波路の第１の導波路コアに光を入射させた場合に、光ビームが伝搬して行く様子をシミュレーションした結果を示す。Ｘは結合光導波路の幅方向の距離、Ｚは結合光導波路の奥行き方向の距離を示している。第１の導波路コアに入射させた光ビームのエネルギーは、この場合約５００μｍの距離を伝搬した後、隣の第２の導波路コアに完全に移行する。従って、この場合、完全結合長は５００μｍである。
【００５７】
図８（Ａ）及び（Ｂ）において、さらに５００μｍ伝搬すると、光ビームのエネルギーは第１の導波路コアに戻ってくる。これが、完全結合長の結合光導波路を２本繋いだ場合の動作である。
【００５８】
従って、完全結合長の長さを有する結合光導波路を何本も横方向にずらして繋いでいくと、図８（Ｃ）のように、光ビームの伝搬経路をずらしながら伝搬させて行くこともできる。
【００５９】
また、図９（Ａ）及び（Ｂ）の様に、導波路コア間の間隔を狭く（０．５μｍ）したり、広く（１．５μｍ）したりすると、それに伴い完全結合長も短く（３５０μｍ）なったり長く（７００μｍ）なったり変化する。
【００６０】
図１０を参照すると、本発明の第４の実施例による方向性結合器が示されている。この方向性結合器は、図４の結合光導波路に構造において等しい中央の結合光導波路２０と、この結合光導波路２０の導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）の一端に結合された一対の光入力ポート２１と、結合光導波路２０の導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）の他端に結合された一対の光出力ポート２２とを有する。一対の光入力ポート２１の一方を介して導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）の一方に入力した光ビームは、矢印のように、導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）の他方に結合されて、それに結合された一対の光出力ポート２２の一方から出力される。
【００６１】
図では、一対の光入力ポート２１及び一対の光出力ポート２２として、Ｓ字の曲がり導波路コアを採用しているが、このような緩やかな曲がり導波路コアなら、自己クローニング技術において、基板のパターンニングのみで形成できる。
【００６２】
図１１を参照すると、本発明の第５の実施例による方向性結合器が示されている。この方向性結合器も、図１０と同様な中央の結合光導波路２０を含む。しかし、この方向性結合器は、一対の光入力ポート２３及び一対の光出力ポート２４として、図１０のようなＳ字の曲がり導波路コアの代りに、ストレートな導波路コア２３（１）、２３（２）、２４（１）、及び２４（２）を用いている。導波路コア２３（１）及び２３（２）は、導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）と、完全結合長の結合光導波路を構成している。導波路コア２４（１）及び２４（２）は、導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）と、完全結合長の結合光導波路を構成している。完全結合長の結合光導波路であれば、上述したように、理論上は１００％のパワーが一方の導波路コアから隣の導波路コアに移行できるので、入力ポート及び出力ポートとして利用できる。
【００６３】
図１２を参照すると、本発明の第６の実施例によるビームスプリッターが示されている。このビームスプリッターは、図６に示した結合光導波路を用いている。このビームスプリッターは、４（＝２×２）本の導波路コア１５（１，１）、１５（２，１）、１５（１，２）、及び１５（２，２）を有する２次元の結合光導波路を用いる例であるが、別にこの数に拘る必要は無く、６（＝２×３）本の導波路コアを有する結合光導波路を用いても、９（＝３×３）本の導波路コアを有する結合光導波路を用いても良いことは言うまでもない。図１２の場合で説明すると、４本の導波路コアの何れか１本の導波路コア１５（１，１）に光を入射させると、残りの３本の導波路コア１５（２，１）、１５（１，２）、及び１５（２，２）に、導波路コア１５（１，１）に対する結合の強さに応じた分配比で光のパワーが移行し、ビームスプリッターとして動作する。また、入射光が波長成分を有していれば、その波長で完全結合長となる導波路コアに最大パワーが移行するので、ＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）分波器として動作させることも可能である。
【００６４】
図１３を参照すると、本発明の第７の実施例による方向性結合器型光スイッチが示されている。この方向性結合器型光スイッチは、図１０に示した方向性結合器を用いている。この方向性結合器型光スイッチは、中央の結合光導波路２０部分の屈折率を変化させる電極３０を有し、この電極３０に電界を印加し、結合光導波路２０部分の屈折率を変化させ、光ビームを出力させる導波路コアを切り換えるものである。
【００６５】
所謂、方向性結合器型光スイッチは、ＬｉＮＯ_３やＩｎＰなどの半導体基板上に実現されているものは従来から有るが、サイズが大きいのと、製造上の歩留まりが悪いため、多数の光スイッチをマトリクス化して集積化することは非常に困難であった。
【００６６】
図１３の方向性結合器型光スイッチでは、中央の結合光導波路２０部分の導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）間の間隔を１μｍ以下と非常に狭くすることも可能であり、素子長を短くできると同時に、製造面での制御性、再現性が良く、マトリクス集積化しても歩留まりが低下しないというメリットが有る。スイッチンク動作は、従来の光スイッチと同様に、中央の結合光導波路２０部分の屈折率を、電気光学（ＥＯ）効果や熱光学（ＴＯ）効果を用いて変化させることにより行うことができる。図１３に示すものは、中央の結合光導波路２０部分の上方に、電極３０を付けることによって、結合光導波路２０部分に電界を印加し、電気光学効果によりスイッチングを行うものであるが、電極３０の代りにヒーターを設けて、熱光学効果によりスイッチングを行うことも可能である。
【００６７】
図１４を参照すると、本発明の第８の実施例による方向性結合器型光スイッチが示されている。この方向性結合器型光スイッチは、図１３に示した方向性結合器型光スイッチの構造バリエーションの一つである。すなわち、中央の結合光導波路２０部分の導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）間にさらに一本導波路コア４０を設けて、この導波路コア４０への光の結合を利用することにより、スイッチング動作を効率よく行えるようにしたものである。従って、電気光学効果によるスイッチングを行う場合の電極３０への印加電圧を低減できる。
【００６８】
図１５を参照すると、本発明の第９の実施例による結合光導波路型波長フィルターが示されている。この結合光導波路型波長フィルターは、図１０に示した方向性結合器を用いている。この結合光導波路型波長フィルターは、中央の結合光導波路２０部分の導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）間に、固有の共振周波数を有する短い光導波路からなる共振器５０を導入することにより、導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）の一方に入射させた光ビーム（波長成分λｊ及びλｉを含む）のうちの特定の波長成分λｉの光のみが短い光導波路５０からなる光共振器内で共振することにより、導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）の他方に乗り移って出力されるものである。
【００６９】
このように、この結合光導波路型波長フィルターは、二本の導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）間に、短い光導波路からなる共振器５０を導入し、この部分がある波長λｉの光に対して高いＱを有するような所謂光共振器として動作する場合、一方の導波路コア１５（１，１）に入射させた光のうち、共振器５０の共振周波数λｉと一致する特定の波長成分λｉの光のみが他方の導波路コア１５（２，１）に移行し、取り出される。
【００７０】
図１６を参照すると、本発明の第１０の実施例による結合光導波路型波長フィルターが示されている。この結合光導波路型波長フィルターは、同様の参照符号で示された同様の部分を有する。この結合光導波路型波長フィルターは、二本の導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）間の短い光導波路を構成する多層膜の構造が、短い光導波路の長手方向にも波型に変調されており、短い光導波路の長手方向に分布ブラッグ反射鏡（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｂｒａｇｇ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：ＤＢＲ）共振器５０’として機能するものである。短い光導波路の長手方向への波型変調構造の導入は、この部分の基板のパターンを、ライン・アンド・スペース　パターンから、長手方向の波型パターンの周期を含む格子状のパターンに変更するだけである。この場合、格子状パターンの上に積層される多層膜の断面構造は、短い光導波路の長手方向に垂直な所謂横方向に波型パターンを有しているばかりでなく、短い光導波路の長手方向の断面も波型パターンを有する。この場合、中央の光共振器５０’の共振波長λｉは、短い光導波路の長手方向の波型パターンの周期によるＤＢＲの反射波長によって決まる。従って、一方の導波路コア１５（１，１）に入射させた光のうち、波型パターンの周期に応じた波長成分λｉの光のみが、他方の導波路コア１５（２，１）に移行し、取り出される。
【００７１】
このように、この結合光導波路型波長フィルターは、光共振器の短い光導波路を構成する多層膜の構造が短い光導波路の長手方向に波型に変調される構造を有することにより、前記波型変調の周期に対応するある波長の光のみを選択的に共振させて出力するものである。
【００７２】
図１７を参照すると、本発明の第１１の実施例による結合光導波路型波長フィルターが示されている。この結合光導波路型波長フィルターは、図１５の波長フィルターの中央の共振器５０の上方に設けられ、共振器５０の部分の屈折率を変化させる電極６０を有し、この電極６０に電界を印加し、電気光学効果等により共振器５０の部分の屈折率を変化させ、共振器５０の共振波長を変化させ、取り出される光の波長を、λｉ（図１５の場合）から、（λｉ＋Δλ）或は（λｉ−Δλ）にチューニングするものである。
【００７３】
電極６０の代りにヒーターを設けて、熱光学効果により、取り出される光の波長をチューニングしても良い。
【００７４】
また、電極６０或いは上記ヒーターを、図１６の波長フィルターの中央のＤＢＲ共振器５０’の上方に設けて、図１６の波長フィルターにおいて、取り出される光の波長を、λｉ（図１６の場合）から、（λｉ＋Δλ）或は（λｉ−Δλ）にチューニングするようにしても良い。
【００７５】
図１８を参照すると、本発明の第１２の実施例によるアド・ドロップ・マルチプレクサー（Ａｄｄ−Ｄｒｏｐ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ：ＡＤＭ）が示されている。このアド・ドロップ・マルチプレクサーは、図１０に示した方向性結合器を用いている。このアド・ドロップ・マルチプレクサーは、中央の結合光導波路２０部分の二本の導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）の一方１５（１，１）の一部に、ＤＢＲ部７０を有するもので、ＤＢＲ部７０は、図１６のＤＢＲ共振器５０’の場合と同様に、この部分の多層膜の構造が、導波路コアの長手方向にも波型に変調されているものである。ＤＢＲ部７０の作製は、図１６の場合と同様に、この部分の基板のパターンを、導波路コアの長手方向の波型パターンの周期を含む格子状のパターンに変更するのみである。
【００７６】
ＡＤＭとしての動作は、以下の様になる。まず、ＤＢＲ部７０は、波長λｉの光に対して選択的に反射が起こるように、この長手方向での波型パターンの周期が設定されているとする。入力ポート７１から導入される様々な波長の光の内、ＤＢＲ部７０によって反射されない、波長λｉ以外の光は、中央の結合光導波路２０部分で、一方の導波路コア１５（１，１）から他方の導波路コア１５（２，１）に乗り移り、出力ポート７２から取り出される。一方、入力ポート７１から一方の導波路コア１５（１，１）に導入された波長λｉ成分の光は、ＤＢＲ部７０で反射されながら、他方の導波路コア１５（２，１）に乗り移り、Ｄｒｏｐ　Ｏｕｔ出力ポート７３から、Ｄｒｏｐ　Ｏｕｔ出力光λｉとして取り出される。
【００７７】
さらに、Ａｄｄ　Ｉｎ入力ポート７４から、一方の導波路コア１５（１，１）に、波長λｉのＡｄｄ　Ｉｎ入力光を導入してやれば、ＤＢＲ部７０で反射されながら、他方の導波路コア１５（２，１）に乗り移り、出力ポート７２から取り出される。このように、このデバイスは、ＤＢＲ部７０の反射波長で決まる波長に対するＡＤＭとして機能する。
【００７８】
図１９を参照すると、本発明の第１３の実施例によるアド・ドロップ・マルチプレクサー（ＡＤＭ）が示されている。このアド・ドロップ・マルチプレクサーは、図１８に示したＡＤＭにおいて、ＤＢＲ部７０の上方に電極７５（或いは、ヒーター）を設けて、電気光学（ＥＯ）効果（或いは、熱光学（ＴＯ）効果）によりＤＢＲ部７０の屈折率を変化させ、ＤＢＲ部７０での反射波長λｉを変化させ、波長チューナブルなＡＤＭとして動作させるものである。
【００７９】
図２０を参照すると、本発明の第１４の実施例による光制御光スイッチが示されている。この光制御光スイッチは、図１０に示した方向性結合器を用いている。この光制御光スイッチは、信号入力ポート７６に信号光が入り、制御光入力ポート７７に制御光（波長λｉ）が入ってない場合は、通常の方向性結合器として動作し、信号光は、結合光導波路２０部分の一方の導波路コア１５（１，１）から他方の導波路コア１５（２，１）に乗り移り、出力ポート７８から出力される。次に、スイッチング動作をさせるための前記制御光（波長λｉ）を、制御光入力ポート７７から導入すると、制御光（波長λｉ）が結合光導波路２０部分を通過するうちに、非線形光学効果によりこの部分の屈折率を変化させる。結合光導波路２０の二本の導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）の一方１５（１，１）の一部には、図２０に示すように、制御光（波長λｉ）に共振するＤＢＲ部７５が設けてあり、この屈折率変化を効率よく起こすことができる。ＤＢＲ部７５は、図１８のＤＢＲ部７０の場合と同様に、この部分の多層膜の構造が、導波路コアの長手方向にも波型に変調されているものである。このように、制御光が信号光と共に入力された場合、信号光は結合光導波路２０部分で再び元の導波路コア１５（１，１）に結合し、出力ポート７８には出て来ないような動作をさせることができる。
【００８０】
このように、図２０の光制御光スイッチは、制御光の波長λｉのみを選択的に反射し共振するＤＢＲ部７５に対する制御光の入射によって、結合光導波路２０の屈折率を変化させることにより、結合光導波路２０部分の完全結合長を変化させ、結合光導波路２０に制御光とは別に入射する信号光の出口を切り替えることができる。
【００８１】
図２１を参照すると、本発明の第１５の実施例による光制御光スイッチが示されている。この光制御光スイッチも、図１０に示した方向性結合器を用いている。この光制御光スイッチでは、信号光の波長（λｉ）の光を反射するＤＢＲ部８０が結合光導波路２０の二本の導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）の両方に形成されている。導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）の各々に形成されたＤＢＲ部８０は、図１８のＤＢＲ部７０の場合と同様に、この部分の多層膜の構造が、導波路コアの長手方向にも波型に変調されているものである。
【００８２】
この光制御光スイッチは、次のように動作する。
【００８３】
まず、制御光がＢａｒポート８１に入射されない場合、入力ポート８２から導波路コア１５（１，１）に入射された信号光は、導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）に形成されたＤＢＲ部８０によって反射され、他方の導波路コア１５（２，１）に乗り移りながら、反射出力ポート８３から出力される。次に、制御光がＢａｒポート８１から導波路コア１５（１，１）に入力されると、非線形光学効果により導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）のＤＢＲ部８０の屈折率変化がもたらされ、導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）のＤＢＲ部８０の反射波長がシフトすることにより、信号光の反射が起こらなくなるため、信号光はＣｒｏｓｓポート８４から出力される。このようにして、スイッチング動作が行える。
【００８４】
なお、ＤＢＲ部８０は、結合光導波路２０の二本の導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）のうちの一方の導波路コア１５（１，１）のみに形成されても良い。この場合、制御光がＢａｒポート８１に入射されない場合、入力ポート８２から導波路コア１５（１，１）に入射された信号光は、導波路コア１５（１，１）に形成されたＤＢＲ部８０によって反射され、他方の導波路コア１５（２，１）に乗り移りながら、反射出力ポート８３から出力される。次に、制御光がＢａｒポート８１から導波路コア１５（１，１）に入力されると、非線形光学効果により導波路コア１５（１，１）のＤＢＲ部８０の屈折率変化がもたらされ、導波路コア１５（１，１）のＤＢＲ部８０の反射波長がシフトすることにより、信号光の反射が起こらなくなるため、信号光はＣｒｏｓｓポート８４から出力される。
【００８５】
このように、図２１の光制御光スイッチは、結合光導波路２０に信号光とは別に制御光を入射させることによって、結合光導波路２０の屈折率を変化させることにより、結合光導波路２０の完全結合長を変化させ、信号光の出口を切り替える。
【００８６】
図２２を参照すると、本発明の第１６の実施例による光制御光スイッチが示されている。この光制御光スイッチも、図１０に示した方向性結合器を用いている。この光制御光スイッチは、結合光導波路２０の二本の導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）に挟まれた中央の導波路コア８５を有する。中央の導波路コア８５は、二本の導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）の各々と同様の構造を有する。中央の導波路コア８５に制御光入力ポート８６から制御光を導入してスイッチング動作を行うものである。制御光が導入されていない場合、信号入力ポート８７から導波路コア１５（１，１）に入力された信号光は、結合光導波路２０部分で、導波路コア８５を経由して、導波路コア１５（２，１）に乗り移りながら、ＯＦＦ出力ポート８８から出力される。一方、制御光信号光が導波路コア８５に入力されている場合は、信号入力ポート８７から導波路コア１５（１，１）に入力された信号光は、結合光導波路２０部分で導波路コア８５を経由して、再び元の導波路コア１５（１，１）に戻ってきて、ＯＮ出力ポート８９から出力される。このようにして、スイッチング動作が行える。結合光導波路２０の長さを適切に選んでやれば、ＯＦＦ出力ポートとＯＮ出力ポートを逆にすることもできる。
【００８７】
このように、図２２の光制御光スイッチは、結合光導波路２０は、互いに結合した三本の導波路コア１５（１，１）、８５、及び１５（２，１）を有し、結合光導波路２０の外側の二本の導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）に挟まれた中央の導波路コア８５に、スイッチングを制御する制御光を入射させることによって、結合光導波路２０の屈折率を変化されることにより、結合光導波路２０の完全結合長を変化させ、外側の二本の導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）の何れかに入射させた信号光の出口を切り替えるものである。
【００８８】
図２３を参照すると、本発明の第１７の実施例による分散補償器が示されている。この分散補償器は、図５に示した結合光導波路を用いており、同様の参照符号で示した同様の部分を含む。この分散補償器は、上下に結合した格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，１）及び１０（１，２）から成るが、結合する上下の格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，１）及び１０（１，２）の導波路コア１５（１，１）及び１５（１，２）の等価屈折率が互いに異なり、その結果、導波路コア１５（１，１）及び１５（１，２）の互いに群速度が異なるように設計されている。図示の例では、導波路コア１５（１，１）は、群速度の速い導波路コアを構成し、導波路コア１５（１，２）は、群速度の遅い導波路コアを構成している。上下の導波路コア１５（１，１）及び１５（１，２）で等価屈折率を異なるようにするためには、導波路コア１５（１，１）及び１５（１，２）を構成する波型多層膜の各膜の厚さを微妙に異ならせればよい。光は、上下の導波路コアを同時に励振するように入射するが、入射する光の波長によって、上下の導波路コアの各々に結合する割合が異なり、従って、波長により異なる群速度が得られることになる。このことは正しく分散を意味しており、入射光のチャープ波長成分を打ち消すような分散を与えれば、分散補償が可能となる。
【００８９】
このように、図２３の分散補償器は、格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，１）及び１０（１，２）間での等価屈折率の違いを利用して、異なる波長の光に対して伝搬速度の違いを生じさせ、分散補償を行うものである。
【００９０】
図２４を参照すると、本発明の第１８の実施例による分散補償器が示されている。この分散補償器は、図４に示した結合光導波路をモディファイしたものを用いている。この分散補償器においては、導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）は、図４の結合光導波路と同様に、基板１１の表面に平行な面上に、互いに平行に形成されている。この分散補償器では、導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）の各々には、断面が長手方向に波型の周期パターンを有するようなＤＢＲが形成されている。さらに、波型パターンの周期は、導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）間で異なる。このように結合光導波路を基板１１と平行な面上に形成することにより、ＤＢＲ構造を用いて導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）とで大きな群速度の差を付けることができる。
【００９１】
以上に示した種々の実施例では、屈折率の高い誘電体１４としてＴａ_２Ｏ_５を使用しているが、Ｔａ_２Ｏ_５の代わりに、屈折率が約３．５のＳｉやその他の材料を用いることも可能である。また同様に、屈折率の低い誘電体１３としてＳｉＯ_２以外の材料を用いることも当然考えられる。さらに、波型パターンを構成する波型の単位格子の代りに、例えば、くさび型の単位格子を用いるという方法も考えられる。本発明の結合光導波路において、基本格子の構造が何かということは、本質的ではない。
【００９２】
【発明の効果】
本発明による、自己クローニング技術を用いた結合光導波路の最大の特徴は、導波路コア間の間隔を１μｍ以下と非常に狭く作ることが可能である点である。このため、完全結合長を短くでき、結果的に結合光導波路を用いる素子の長さを短く出来ることである。導波路コア間の間隔を狭くできる理由は、自己クローニング技術によるその製法にある。従来の結合光導波路は、二本の導波路間の溝を掘り込んで形成するため、プロセスの加工精度上この間隔を２μｍ程度以下にはできなかった。従って、導波路間での結合が弱く、完全結合長を短くできなかった。これに対して、本発明の結合光導波路の製法では、溝を掘り込むことなく、基板のパターンニングのみで形成できるため、導波路コアの間隔を１μｍ以下にすることも可能であり、完全結合長を短くできる。また、このような結合光導波路を作製するプロセスの制御性および再現性も、従来の溝を掘り込むタイプの結合光導波路に比べると格段に良くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で用いられる格子変調フォトニック結晶光導波路の斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施例による結合光導波路の基板上に設けられるライン・アンド・スペース　パターンの溝を説明するための図である。
【図３】本発明の第１の実施例による結合光導波路の断面図である。
【図４】本発明の第１の実施例による結合光導波路を説明するための図である。
【図５】本発明の第２の実施例による結合光導波路を説明するための図である。
【図６】本発明の第３の実施例による結合光導波路を説明するための図である。
【図７】図３及び図４の結合光導波路の動作を説明するための図である。
【図８】（Ａ）〜（Ｃ）は図３及び図４の結合光導波路の動作を説明するための図である。
【図９】（Ａ）及び（Ｂ）は図３及び図４の結合光導波路の動作を説明するための図である。
【図１０】本発明の第４の実施例による方向性結合器を説明するための図である。
【図１１】本発明の第５の実施例による方向性結合器を説明するための図である。
【図１２】本発明の第６の実施例によるビームスプリッターを説明するための図である。
【図１３】本発明の第７の実施例による方向性結合器型光スイッチを説明するための図である。
【図１４】本発明の第８の実施例による方向性結合器型光スイッチを説明するための図である。
【図１５】本発明の第９の実施例による結合光導波路型波長フィルターを説明するための図である。
【図１６】本発明の第１０の実施例による結合光導波路型波長フィルターを説明するための図である。
【図１７】本発明の第１１の実施例による結合光導波路型波長フィルターを説明するための図である。
【図１８】本発明の第１２の実施例によるアド・ドロップ・マルチプレクサーを説明するための図である。
【図１９】本発明の第１３の実施例によるアド・ドロップ・マルチプレクサーを説明するための図である。
【図２０】本発明の第１４の実施例による光制御光スイッチを説明するための図である。
【図２１】本発明の第１５の実施例による光制御光スイッチを説明するための図である。
【図２２】本発明の第１６の実施例による光制御光スイッチを説明するための図である。
【図２３】本発明の第１７の実施例による分散補償器を説明するための図である。
【図２４】本発明の第１８の実施例による分散補償器を説明するための図である。
【符号の説明】
１０　　格子変調フォトニック結晶光導波路
１０（１，１）　　格子変調フォトニック結晶光導波路
１０（２，１）　　格子変調フォトニック結晶光導波路
１０（１，２）　　格子変調フォトニック結晶光導波路
１０（２，２）　　格子変調フォトニック結晶光導波路
１１　　基板
１２　　溝
１３　　屈折率の低い誘電体
１４　　屈折率の高い誘電体
１５　　導波路コア
１５（１，１）　　導波路コア
１５（２，１）　　導波路コア
１５（１，２）　　導波路コア
１５（２，２）　　導波路コア[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a coupled optical waveguide formed by coupling a plurality of optical waveguides.
[0002]
[Prior art]
Conventional coupling optical waveguides, for example, directional couplers, include an optical fiber type and a planar waveguide type formed on glass or a semiconductor substrate. However, the optical fiber type is not suitable for integration in the first place, and even the planar waveguide type is large in size. For example, when an electro-optic effect optical switch having a coupling optical waveguide structure is integrated in a matrix, an 8 × 8 matrix switch has a length of about 3 cm.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the conventional coupling optical waveguide has a problem that the size is large. In the planar waveguide type, the coupling optical waveguide is formed by digging a groove separating the two optical waveguides by dry etching or the like. In this case, since the strength of the optical coupling between the two optical waveguides in the coupled optical waveguide is very sensitive to the distance between the waveguides, the precision of the formation of the separation groove by dry etching affects the controllability of the manufacturing process. Was. Therefore, the reproducibility and controllability of the characteristics of the coupled optical waveguide obtained by such a conventional process have not been very good.
[0004]
An object of the present invention is to solve such a problem in a conventional coupled optical waveguide device, and to provide a small-sized coupled optical waveguide and various optical devices using the same.
[0005]
Another object of the present invention is to provide a coupled optical waveguide capable of improving controllability and reproducibility in a coupled optical waveguide manufacturing process, and various optical devices using the same.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is as described below.
[0007]
(1) a substrate having a groove for forming a line and space pattern formed on a surface thereof;
A predetermined number X (X is an integer of 2 or more) of lattice-modulated photonic crystals each manufactured by a self-cloning technique in which a dielectric material having a low refractive index and a dielectric material having a high refractive index are alternately stacked on the substrate. An optical waveguide,
The predetermined number X of the lattice-modulated photonic crystal optical waveguides are positioned parallel to each other on a plane parallel to the surface of the substrate, and two of the predetermined number X of the lattice-modulated photonic crystal optical waveguides are adjacent to each other. Are coupled optical waveguides (FIGS. 3 and 4), which are arranged close to each other so that an electric field of light is coupled therebetween.
[0008]
(2) a substrate having a groove for forming a line and space pattern formed on a surface thereof;
A prescribed number of Y (Y is an integer of 2 or more) lattice-modulated photonic crystals each manufactured by a self-cloning technique in which a dielectric material having a low refractive index and a dielectric material having a high refractive index are alternately stacked on the substrate. An optical waveguide,
The prescribed number Y of lattice-modulated photonic crystal optical waveguides are located parallel to each other on a plane perpendicular to the surface of the substrate, and two adjacent lattice-modulated photonic crystal optical waveguides of the prescribed number Y are adjacent to each other. Are coupled optical waveguides (FIG. 5), which are arranged close to each other so that an electric field of light is coupled between them.
[0009]
(3) a substrate having a groove for forming a line and space pattern formed on a surface thereof;
Each having a plurality of lattice-modulated photonic crystal optical waveguides produced by a self-cloning technique of alternately laminating a low-refractive-index dielectric and a high-refractive-index dielectric on the substrate,
The plurality of lattice-modulated photonic crystal optical waveguides are composed of a predetermined number X (X is an integer of 2 or more) of lattice-modulated photonic crystal optical waveguides and a specified number Y (Y is an integer of 2 or more). Having a wave path,
The predetermined number X of the lattice-modulated photonic crystal optical waveguides are positioned parallel to each other on a plane parallel to the surface of the substrate, and two of the predetermined number X of the lattice-modulated photonic crystal optical waveguides are adjacent to each other. Are placed in close proximity such that the electric field of light couples between them,
The prescribed number Y of lattice-modulated photonic crystal optical waveguides are located parallel to each other on a plane perpendicular to the surface of the substrate, and two adjacent lattice-modulated photonic crystal optical waveguides of the prescribed number Y are adjacent to each other. Are coupled optical waveguides (FIG. 6), which are arranged close to each other so that an electric field of light is coupled between them.
[0010]
(4) A self-cloning technique in which a substrate having a groove for forming a line and space pattern formed on the surface thereof and a dielectric material having a low refractive index and a dielectric material having a high refractive index are alternately stacked on the substrate. Having a fabricated lattice-modulated photonic crystal optical waveguide, wherein the lattice-modulated photonic crystal optical waveguide is formed in parallel with each other on a surface parallel to the surface of the substrate, and the plurality of A coupling optical waveguide (FIGS. 3 and 4), which is formed close to a lattice-modulated photonic crystal optical waveguide so that an electric field of light is coupled.
[0011]
(5) By a self-cloning technique of alternately stacking a substrate having a groove having a groove for forming a line and space pattern on the surface thereof, and a dielectric having a low refractive index and a dielectric having a high refractive index on the substrate. Having a fabricated lattice-modulated photonic crystal optical waveguide, wherein the lattice-modulated photonic crystal optical waveguide is formed in parallel with each other on a plane perpendicular to the surface of the substrate, and the plurality of A coupling optical waveguide (FIG. 5), which is formed close to the lattice-modulated photonic crystal optical waveguide such that an electric field of light is coupled.
[0012]
(6) A self-cloning technique of alternately stacking a substrate having a groove having a line and space pattern formed on the surface thereof and a dielectric material having a low refractive index and a dielectric material having a high refractive index on the substrate. And a plurality of lattice-modulated photonic crystal optical waveguides formed on a surface parallel to the surface of the substrate and a surface perpendicular to the surface of the substrate. A coupling optical waveguide (FIG. 6), wherein the coupling optical waveguides are formed parallel to each other and are formed close to each other so that an electric field of light is coupled between the plurality of lattice-modulated photonic crystal optical waveguides.
[0013]
(7) A directional coupler using the coupling optical waveguide according to the above (4) or (5), wherein the number of the lattice-modulated photonic crystal optical waveguides in the coupling optical waveguide is two, Directional coupling, wherein an operation is performed in which a light beam input to one of the two lattice-modulated photonic crystal optical waveguides is coupled to the other of the two lattice-modulated photonic crystal optical waveguides and output. Vessel (FIGS. 10 and 11).
[0014]
(8) A beam splitter using the coupled optical waveguide according to any one of (4) to (6), wherein the beam splitter includes a light beam input to one of the plurality of lattice-modulated photonic crystal optical waveguides. A beam splitter (FIG. 12) for coupling power at a predetermined rate to the rest of the plurality of grating-modulated photonic crystal optical waveguides.
[0015]
(9) A plurality of coupled optical waveguides described in the above (4) or (5) are laterally shifted and connected, so that the light beam propagates while being shifted in a propagation path. (Fig. 8).
[0016]
(10) An optical switch using the directional coupler according to the above (7), comprising: means for changing a refractive index of the two lattice-modulated photonic crystal optical waveguides of the coupling optical waveguide, An optical switch characterized in that a grating-modulated photonic crystal optical waveguide for outputting a light beam is switched by changing a refractive index of the two grating-modulated photonic crystal optical waveguides of the coupling optical waveguide (FIG. 13). .
[0017]
(11) A coupled optical waveguide type wavelength filter using the coupled optical waveguide according to (4) or (5), wherein a unique resonance frequency is set between the plurality of lattice-modulated photonic crystal optical waveguides. By introducing a short optical waveguide having a short wavelength, only light of a specific wavelength component of a light beam incident on one of the plurality of lattice-modulated photonic crystal optical waveguides is in an optical resonator including the short optical waveguide. A coupled optical waveguide type wavelength filter (FIG. 15), which resonates at and outputs the light to the other of the plurality of lattice-modulated photonic crystal optical waveguides.
[0018]
(12) In the coupled optical waveguide type wavelength filter according to the above (11), the structure of the multilayer film forming the short optical waveguide of the optical resonator is modulated in a wave shape in the longitudinal direction of the short optical waveguide. A coupled optical waveguide type wavelength filter (FIG. 16) characterized in that only light having a certain wavelength corresponding to the period of the wave type modulation is selectively resonated and output.
[0019]
(13) The coupled optical waveguide type wavelength filter according to the above (11) or (12), further comprising: means for changing a refractive index of the short optical waveguide of the optical resonator, wherein the short wavelength of the optical resonator is reduced. A coupled optical waveguide type wavelength filter (FIG. 17) that can change the wavelength of output light by changing the refractive index of the optical waveguide.
[0020]
(14) An add / drop multiplexer using the directional coupler according to (7), wherein an optical waveguide is formed in a part of one of the two lattice-modulated photonic crystal optical waveguides. An add / drop device having a distributed Bragg reflector that selectively reflects only light of a specific wavelength by having a structure in which the structure of the multilayer film is modulated in a wave shape in the longitudinal direction of the optical waveguide. A multiplexer (FIG. 18).
[0021]
(15) The add / drop multiplexer according to (14), further comprising means for changing a refractive index of the distributed Bragg reflector, and changing a refractive index of the distributed Bragg reflector. The add / drop multiplexer (FIG. 19) is characterized in that the wavelength of the light to be added / dropped can be changed.
[0022]
(16) An optical control optical switch using the directional coupler according to (7), wherein at least a part of the two grating-modulated photonic crystal optical waveguides of the coupling optical waveguide is provided with an optical waveguide. The structure of the multilayer film constituting the waveguide has a structure in which the structure is modulated in a wave shape in the longitudinal direction, so that the control device has a distributed Bragg reflecting mirror portion that selectively reflects only control light of a wavelength for performing switch control, By changing the refractive index of the coupling optical waveguide by the incidence of light, the complete coupling length of the coupling optical waveguide is changed, and the exit of the signal light that enters separately from the control light into the coupling optical waveguide is switched. An optical control optical switch (FIG. 20).
[0023]
(17) An optical control optical switch using the directional coupler according to (7), wherein at least one part of the two lattice-modulated photonic crystal optical waveguides of the coupling optical waveguide is provided with an optical waveguide. By having a structure in which the structure of the multilayer film constituting the wave path is modulated in a wave shape in the longitudinal direction, a distributed Bragg reflector for selectively reflecting only light having the wavelength of the signal light is provided. By injecting control light separately from the signal light into the waveguide, the refractive index of the coupling optical waveguide is changed, thereby changing the complete coupling length of the coupling optical waveguide and switching the exit of the signal light. An optical control optical switch (FIG. 21).
[0024]
(18) An optical control optical switch using the coupled optical waveguide according to (4), wherein the coupled optical waveguide has three lattice-modulated photonic crystal optical waveguides coupled to each other, and A control light for controlling switching is made incident on a central lattice-modulated photonic crystal optical waveguide sandwiched between two lattice-modulated photonic crystal optical waveguides outside the waveguide, thereby changing the refractive index of the coupled optical waveguide. Light control by changing the complete coupling length of the coupled optical waveguide and switching the exit of the signal light incident on one of the outer two lattice-modulated photonic crystal optical waveguides. Optical switch (FIG. 22).
[0025]
(19) The coupled optical waveguide according to (5), wherein the plurality of lattice-modulated photonic crystal optical waveguides have different equivalent refractive indices from each other (FIG. 23).
[0026]
(20) In the dispersion compensator using the coupled optical waveguide according to the above (19), the light having different wavelengths can be obtained by utilizing a difference in an equivalent refractive index among the plurality of lattice-modulated photonic crystal optical waveguides. A dispersion compensator (FIG. 23) characterized in that a difference in propagation speed is caused to perform dispersion compensation.
[0027]
(21) The coupled optical waveguide according to (4), wherein the plurality of lattice-modulated photonic crystal optical waveguides have a wave-shaped periodic structure pattern having different periods in the longitudinal direction. (FIG. 24).
[0028]
(22) In the coupled optical waveguide according to the above (21), different wavelengths of different wavelengths are used by utilizing a difference in a period of the wave-shaped periodic structure pattern in the longitudinal direction among the plurality of lattice-modulated photonic crystal optical waveguides. A dispersion compensator (FIG. 24), which makes a difference in propagation speed for light and performs dispersion compensation.
[0029]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0030]
The present invention is based on a self-cloning technology (S. Kawakami et al., Appl. Phys. Lett., 74, 463 (1999).) That can be produced by a self-cloning technique devised by Prof. Shojiro Kawakami of Tohoku University. An optical waveguide (lattice modulation photonic crystal optical waveguide) to be formed is used.
[0031]
FIG. 1 shows the lattice-modulated photonic crystal optical waveguide 10. The lattice-modulated photonic crystal optical waveguide 10 has a groove 12 for forming a line-and-space pattern formed on a substrate 11 made of a semiconductor such as Si, and a dielectric material having a low refractive index formed thereon using a self-cloning technique. 13 as SiO ₂ Is used as the dielectric material 14 having a high refractive index. ₂ O ₅ (Or Si) are alternately laminated to form an optical waveguide of a so-called lattice-modulated photonic crystal. In the lattice-modulated photonic crystal optical waveguide 10, as shown, a multilayer film having a waveform is formed on a line and space pattern.
[0032]
In this waveform multilayer film, the difference in the equivalent refractive index felt by the propagating light beam depends on the difference in the period of the wave pattern depending on the location. In a plane parallel to the substrate 11, generally, the shorter the period of the wave pattern, the higher the equivalent refractive index. On the other hand, there is a difference in the equivalent refractive index even in the direction (stacking) perpendicular to the substrate 11, and in this case, the larger the thickness of the multilayer film, the higher the equivalent refractive index. Therefore, as shown in the figure, if the refractive index of the portion of the waveguide core (0.3 μm × 0.3 μm) 15 is made higher than the refractive index of the cladding surrounding the waveguide core 15, the channel type optical waveguide can be obtained. Function as
[0033]
The period of the waveform pattern in a plane parallel to the substrate 11 is determined by the period of the line and space pattern formed on the substrate 11 first. Specifically, as the dielectric material (high refractive index medium) 14 having a high refractive index, Ta having a refractive index of about 2.1 is used. ₂ O ₅ As a low refractive index dielectric (low refractive index medium) 13 having a refractive index of about 1.5 ₂ In each case, the cladding portion is laminated seven times with a thickness of 0.34 μm, and the portion of the waveguide core 15 is laminated with a thickness of 0.38 μm for 4.5 periods. In such a structure, the equivalent refractive index of the waveguide core 15 is about 1.83, which is about 1% higher than the equivalent refractive index of the surrounding cladding of about 1.81, and functions as a channel-type optical waveguide. I do.
[0034]
In the case shown in the figure, the interval between the protrusions for forming the waveguide core 15 is 0.3 μm (the interval between the grooves is also 0.3 μm). The interval between the convex portions for forming the cladding portions on both sides of the waveguide core 15 is 0.6 μm (the interval between the grooves is also 0.6 μm).
[0035]
By the way, the feature of the present invention is to realize optical coupling of a propagating light beam between two optical waveguides by arranging two lattice-modulated photonic crystal optical waveguides thus formed in parallel and approaching each other. In this case, a coupled optical waveguide is obtained, and using the coupled optical waveguide, it is intended to expand to various devices such as a directional coupler.
[0036]
Next, a coupled optical waveguide according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2, 3, and 4. FIG.
[0037]
The coupled optical waveguide according to the first embodiment is obtained as follows.
[0038]
First, a groove (depth: about 0.4 μm) 12 having a line and space pattern shown in FIG. 2 is provided on a semiconductor substrate 11 such as Si as shown in FIG.
[0039]
Subsequently, in FIG. 3, a dielectric (high refractive index medium) 14 having a high refractive index is similarly formed on the substrate 11 by using Ta. ₂ O ₅ Is used as the dielectric material (low refractive index medium) 13 having a low refractive index. ₂ Each of the waveguide cores 15 (1,1) and 15 (2,1) has a thickness of 0.38 μm for 4.5 periods, and the waveguide cores 15 (1,1) and 15 (2,1) have The surrounding clad portion is laminated seven times with a thickness of 0.34 μm.
[0040]
As shown in FIG. 2, the interval between the grooves 12 for forming each of the waveguide cores 15 (1, 1) and 15 (2, 1) is 0.3 μm, and the interval between the convex portions is also 0.3 μm. The distance between the grooves 12 for forming the cladding portions on both sides of each of the waveguide cores 15 (1, 1) and 15 (2, 1) is 0.6 μm, and the distance between the protrusions is also 0.6 μm. It is.
[0041]
In this way, as shown in FIG. 3, a channel-type coupled optical waveguide having two parallel waveguide cores 15 (1,1) and 15 (2,1) is obtained. The waveguide cores 15 (1,1) and 15 (2,1) are arranged close so that the electric field of light is coupled between them. Each of the waveguide cores 15 (1, 1) and 15 (2, 1) has the same structure as the waveguide core 15 of FIG. That is, the waveguide core 15 (1, 1) and the waveguide core 15 (2, 1) have the same structure. The spacing between the waveguide cores 15 (1, 1) and 15 (2, 1) is determined by the line and space pattern formed on the substrate 11, and is determined by the accuracy of the mask pattern by electron beam exposure or optical exposure. The interval can be precisely controlled. Therefore, since it is not necessary to form a separation groove by dry etching or the like, a coupled optical waveguide can be obtained with good controllability and reproducibility.
[0042]
FIG. 4 is a perspective view of the coupled optical waveguide. Note that the number of waveguide cores is not limited to two, and may be three or more.
[0043]
Summarizing FIGS. 3 and 4, this coupled optical waveguide is composed of a substrate 11 having a groove 12 forming a line and space pattern formed on the surface thereof, and a dielectric 13 having a low refractive index on each of the substrates 11. And a predetermined number X (X is an integer of 2 or more) of lattice-modulated photonic crystal optical waveguides 10 (1, 1) and 10 (2) manufactured by a self-cloning technique of alternately laminating a dielectric 14 having a high refractive index. , 1). The predetermined number X of lattice-modulated photonic crystal optical waveguides 10 (1,1) and 10 (2,1) are positioned parallel to each other on a plane parallel to the surface of the substrate 11, and the predetermined number X Adjacent two of the lattice-modulated photonic crystal optical waveguides 10 (1, 1) and 10 (2, 1) are arranged close to each other so that an electric field of light is coupled therebetween.
[0044]
Next, a coupled optical waveguide according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0045]
The coupling optical waveguide according to the second embodiment is formed in a direction perpendicular to the substrate 11, and includes the same parts indicated by the same reference numerals.
[0046]
In FIG. 5, the coupling optical waveguide in the direction perpendicular to the substrate 11 is formed on the substrate 11 in the stacking direction in the cladding layer, the waveguide core 15 (1, 1), the cladding layer, and the waveguide core 15 (1, 2). ), And lamination in the order of the cladding layers to form lattice-modulated photonic crystal optical waveguides 10 (1, 1) and 10 (1, 2). In this case, the groove for forming the line and space pattern of the substrate 11 is the same as the groove 12 for forming one waveguide of FIG. Further, each of the waveguide cores 15 (1, 1) and 15 (1, 2) has the same structure as the waveguide core 15 of FIG. That is, the waveguide core 15 (1, 1) and the waveguide core 15 (1, 2) have the same structure.
[0047]
Note that the number of waveguide cores is not limited to two, and may be three or more.
[0048]
Summarizing FIG. 5, this coupled optical waveguide comprises a substrate 11 having grooves (12 in FIG. 1) forming a line-and-space pattern formed on the surface thereof, and a substrate 11 having a low refractive index on the substrate 11 respectively. A lattice modulation photonic of a prescribed number Y (Y is an integer of 2 or more) produced by an auto-cloning technique in which dielectrics (13 in FIG. 1) and dielectrics with a high refractive index (14 in FIG. 1) are alternately stacked. The optical modulator has crystal optical waveguides 10 (1,1) and 10 (1,2), and the lattice-modulated photonic crystal optical waveguides 10 (1,1) and 10 (1,2) having the specified number Y are provided on the substrate 11, two adjacent ones of the lattice-modulated photonic crystal optical waveguides 10 (1,1) and 10 (1,2) positioned parallel to each other on a plane perpendicular to the surface and having the specified number Y, Placed in close proximity so that the light field between them couples Have been.
[0049]
Next, a coupling optical waveguide according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0050]
In the third embodiment, a coupling optical waveguide (having grating-modulated photonic crystal optical waveguides 10 (1, 1) and 10 (2, 1)) formed in a direction parallel to the substrate 11 and a substrate perpendicular to the substrate 11 are provided. A two-dimensional coupled optical waveguide formed simultaneously with a coupled optical waveguide formed in various directions (having grating-modulated photonic crystal optical waveguides 10 (1,1) and 10 (1,2)). It includes similar parts indicated by reference numerals. Note that the number X of the lattice-modulated photonic crystal optical waveguides in the coupling optical waveguide formed in the direction parallel to the substrate 11 and the number Y of the coupling optical waveguides formed in the direction perpendicular to the substrate 11 are not limited to two, but are three. It may be above.
[0051]
That is, in the coupling optical waveguide of FIG. 6, the grooves 12 forming the line-and-space pattern have the substrate 11 formed on the surface and each of the grooves 12 formed on the substrate 11 in the same manner as in the case of FIG. A plurality of lattice-modulated photonic crystal optical waveguides produced by a self-cloning technique in which a dielectric having a low refractive index (13 in FIG. 1) and a dielectric having a high refractive index (14 in FIG. 1) are alternately stacked; The predetermined number X (X is an integer of 2 or more) of the lattice-modulated photonic crystal optical waveguides 10 (1, 1) and 10 (2, 1) and the specified number Y ( Y is an integer of 2 or more), and the lattice-modulated photonic crystal optical waveguides 10 (1,1) and 10 (1,2) are provided. ) And 10 (2,1) are the substrates The two adjacent lattice-modulated photonic crystal optical waveguides 10 (1,1) and 10 (2,1), which are positioned parallel to each other on a plane parallel to the surface of 11 and are the predetermined number X, The grating-modulated photonic crystal optical waveguides 10 (1,1) and 10 (1,2) of the specified number Y are arranged close to each other so that an electric field of light is coupled between them. The two adjacent lattice-modulated photonic crystal optical waveguides 10 (1,1) and 10 (1,2) which are positioned parallel to each other on a plane perpendicular to the surface and have the prescribed number Y are between them. Are arranged close so that the electric fields of light are coupled.
[0052]
The coupling optical waveguide shown in FIG. 6 includes a predetermined number X of lattice-modulated photonic crystal optical waveguides 10 (1, 1) and 10 (2, 1) and a prescribed number Y of lattice-modulated photonic crystal optical waveguides 10 ( 1, (1) and 10 (1, 2) include a common lattice-modulated photonic crystal optical waveguide 10 (1, 1), and a predetermined number X of lattice-modulated photonic crystal optical waveguides and a specified number Y The lattice-modulated photonic crystal optical waveguides may be configured to include different lattice-modulated photonic crystal optical waveguides so as not to include a common lattice-modulated photonic crystal optical waveguide.
[0053]
In the coupled optical waveguide of FIG. 6, a predetermined number X of lattice-modulated photonic crystal optical waveguides located parallel to each other on a plane parallel to the surface of the substrate 11 are 10 (1,2) and 10 (2,2). ), And the lattice-modulated photonic crystal optical waveguides of the prescribed number Y positioned parallel to each other on a plane perpendicular to the surface of the substrate 11 correspond to 10 (2,1) and 10 (2,2). Can be defined as The predetermined number X of the lattice-modulated photonic crystal optical waveguides 10 (1,2) and 10 (2,2) are arranged close to each other so that an electric field of light is coupled therebetween, and a prescribed number Y Of the lattice-modulated photonic crystal optical waveguides 10 (2, 1) and 10 (2, 2) are disposed close to each other so that an electric field of light is coupled therebetween.
[0054]
Next, the operation of the above-described coupled optical waveguide shown in FIGS. 3 and 4 will be described.
[0055]
First, the propagation of a light beam in a coupled optical waveguide will be described using the results of an electromagnetic field analysis based on three-dimensional beam propagation method (BPM). FIG. 7 shows a cross-sectional structure of the coupled optical waveguide used for the analysis. In this analysis, the waveguide cores 15 (1, 1) and 15 (2, 1) and the cladding region were treated as a uniform medium having a certain equivalent refractive index without considering a corrugated fine structure. In this case, the equivalent refractive index of the waveguide cores 15 (1,1) and 15 (2,1) was 1.828, and the refractive index of the cladding region surrounding the cores was as shown in the figure.
[0056]
FIGS. 8A and 8B show the results of a simulation of how a light beam propagates when light is incident on the first waveguide core of a coupled optical waveguide having a spacing of 1 μm between the waveguide cores. Is shown. X indicates the distance in the width direction of the coupling optical waveguide, and Z indicates the distance in the depth direction of the coupling optical waveguide. In this case, the energy of the light beam incident on the first waveguide core is completely transferred to the adjacent second waveguide core after propagating through a distance of about 500 μm. Therefore, in this case, the complete coupling length is 500 μm.
[0057]
8A and 8B, when the light beam further propagates by 500 μm, the energy of the light beam returns to the first waveguide core. This is the operation when two coupling optical waveguides having a complete coupling length are connected.
[0058]
Therefore, if a number of coupled optical waveguides having a complete coupling length are connected in a laterally shifted manner, the light beam may be propagated while being shifted in its propagation path as shown in FIG. 8C. it can.
[0059]
As shown in FIGS. 9A and 9B, when the distance between the waveguide cores is reduced (0.5 μm) or widened (1.5 μm), the complete coupling length is shortened (350 μm). ) Or longer (700 μm).
[0060]
Referring to FIG. 10, there is shown a directional coupler according to a fourth embodiment of the present invention. This directional coupler has a central coupling optical waveguide 20 that is identical in structure to the coupling optical waveguide of FIG. 4 and one end of the waveguide cores 15 (1, 1) and 15 (2, 1) of the coupling optical waveguide 20. It has a pair of optical input ports 21 coupled to each other and a pair of optical output ports 22 coupled to the other ends of the waveguide cores 15 (1, 1) and 15 (2, 1) of the coupled optical waveguide 20. The light beam input to one of the waveguide cores 15 (1, 1) and 15 (2, 1) via one of the pair of optical input ports 21 is reflected by the waveguide core 15 (1, 1) as shown by the arrow. And 15 (2,1), and is output from one of a pair of optical output ports 22 coupled thereto.
[0061]
In the figure, an S-shaped bent waveguide core is employed as a pair of optical input ports 21 and a pair of optical output ports 22, but if such a gentle bent waveguide core is used, the self-cloning technique requires the use of a substrate. It can be formed only by patterning.
[0062]
Referring to FIG. 11, there is shown a directional coupler according to a fifth embodiment of the present invention. This directional coupler also includes a central coupling optical waveguide 20 similar to FIG. However, this directional coupler has a pair of optical input ports 23 and a pair of optical output ports 24 instead of an S-shaped bent waveguide core as shown in FIG. 10, instead of a straight waveguide core 23 (1). 23 (2), 24 (1), and 24 (2) are used. The waveguide cores 23 (1) and 23 (2) and the waveguide cores 15 (1,1) and 15 (2,1) constitute a coupled optical waveguide having a complete coupling length. The waveguide cores 24 (1) and 24 (2) and the waveguide cores 15 (1,1) and 15 (2,1) constitute a coupling optical waveguide having a complete coupling length. As described above, a coupled optical waveguide having a complete coupling length can theoretically be used as an input port and an output port because 100% of power can be transferred from one waveguide core to an adjacent waveguide core.
[0063]
Referring to FIG. 12, there is shown a beam splitter according to a sixth embodiment of the present invention. This beam splitter uses the coupled optical waveguide shown in FIG. This beam splitter has a two-dimensional structure having four (= 2 × 2) waveguide cores 15 (1, 1), 15 (2, 1), 15 (1, 2), and 15 (2, 2). This is an example in which a coupled optical waveguide is used. However, it is not necessary to be limited to this number. Even if a coupled optical waveguide having 6 (= 2 × 3) waveguide cores is used, 9 (= 3 × 3) It goes without saying that a coupled optical waveguide having a waveguide core may be used. In the case of FIG. 12, when light is incident on any one of the four waveguide cores 15 (1, 1), the remaining three waveguide cores 15 (2, 1) , 15 (1, 2), and 15 (2, 2) at a distribution ratio corresponding to the strength of coupling to the waveguide core 15 (1, 1), and operate as a beam splitter. In addition, if the incident light has a wavelength component, the maximum power is transferred to the waveguide core having a complete coupling length at that wavelength, so that it is possible to operate as a WDM (Wavelength Division Multiplexing) duplexer. .
[0064]
Referring to FIG. 13, there is shown a directional coupler type optical switch according to a seventh embodiment of the present invention. This directional coupler type optical switch uses the directional coupler shown in FIG. This directional coupler type optical switch has an electrode 30 that changes the refractive index of the central coupling optical waveguide 20 portion, and applies an electric field to the electrode 30 to change the refractive index of the coupling optical waveguide 20 portion. A waveguide core for outputting a light beam is switched.
[0065]
The so-called directional coupler type optical switch is made of LiNO. ₃ Conventionally, semiconductors such as InP and InP have been realized on a semiconductor substrate. However, because of their large size and poor production yield, it is very difficult to integrate a large number of optical switches in a matrix. there were.
[0066]
In the directional coupler type optical switch shown in FIG. 13, the interval between the waveguide cores 15 (1, 1) and 15 (2, 1) in the central coupling optical waveguide 20 can be made extremely narrow as 1 μm or less. This has the advantages that the element length can be shortened, the controllability and reproducibility in terms of manufacturing are good, and the yield does not decrease even when the matrix is integrated. The switching operation can be performed by changing the refractive index of the central coupling optical waveguide 20 using an electro-optic (EO) effect or a thermo-optic (TO) effect, similarly to the conventional optical switch. FIG. 13 shows an example in which an electrode 30 is attached above the central coupling optical waveguide 20 to apply an electric field to the coupling optical waveguide 20 and perform switching by the electro-optic effect. It is also possible to provide a heater in place of and to perform switching by the thermo-optic effect.
[0067]
Referring to FIG. 14, there is shown a directional coupler type optical switch according to an eighth embodiment of the present invention. This directional coupler type optical switch is one of the structural variations of the directional coupler type optical switch shown in FIG. That is, a single waveguide core 40 is further provided between the waveguide cores 15 (1, 1) and 15 (2, 1) in the central coupling optical waveguide 20 portion, and light is coupled to the waveguide core 40. By using this, the switching operation can be performed efficiently. Therefore, the voltage applied to the electrode 30 when switching by the electro-optic effect is performed can be reduced.
[0068]
Referring to FIG. 15, there is shown a coupled optical waveguide type wavelength filter according to a ninth embodiment of the present invention. This coupled optical waveguide type wavelength filter uses the directional coupler shown in FIG. This coupled optical waveguide type wavelength filter has a resonator 50 composed of a short optical waveguide having a unique resonance frequency between the waveguide cores 15 (1, 1) and 15 (2, 1) in the central coupled optical waveguide 20 portion. Is introduced, only the light of the specific wavelength component λi of the light beam (including the wavelength components λj and λi) incident on one of the waveguide cores 15 (1, 1) and 15 (2, 1) is obtained. Is resonated in the optical resonator composed of the short optical waveguide 50, and is transferred to the other of the waveguide cores 15 (1, 1) and 15 (2, 1) and output.
[0069]
As described above, in this coupled optical waveguide type wavelength filter, the resonator 50 composed of the short optical waveguide is introduced between the two waveguide cores 15 (1, 1) and 15 (2, 1). When operating as a so-called optical resonator having a high Q with respect to light of a certain wavelength λi, of the light incident on one waveguide core 15 (1, 1), the resonance frequency λi of the resonator 50 and Only the light of the matching specific wavelength component λi moves to the other waveguide core 15 (2, 1) and is extracted.
[0070]
Referring to FIG. 16, there is shown a coupled optical waveguide type wavelength filter according to a tenth embodiment of the present invention. This coupled optical waveguide type wavelength filter has similar parts indicated by similar reference numerals. In this coupled optical waveguide type wavelength filter, the structure of the multilayer film forming the short optical waveguide between the two waveguide cores 15 (1, 1) and 15 (2, 1) can be reduced even in the longitudinal direction of the short optical waveguide. It is modulated in a wave form and functions as a distributed Bragg reflector (DBR) resonator 50 'in the longitudinal direction of the short optical waveguide. Introducing a wave-shaped modulation structure in the longitudinal direction of a short optical waveguide simply changes the pattern of the substrate in this part from a line-and-space pattern to a grid-like pattern that includes the period of the longitudinal wave-shaped pattern. It is. In this case, the cross-sectional structure of the multilayer film laminated on the lattice pattern has not only a wavy pattern in a so-called lateral direction perpendicular to the longitudinal direction of the short optical waveguide, but also a longitudinal direction of the short optical waveguide. Also has a corrugated pattern. In this case, the resonance wavelength λi of the central optical resonator 50 ′ is determined by the reflection wavelength of the DBR due to the period of the wave pattern in the longitudinal direction of the short optical waveguide. Therefore, of the light incident on one of the waveguide cores 15 (1, 1), only the light of the wavelength component λi corresponding to the period of the wave pattern shifts to the other waveguide core 15 (2, 1). And is taken out.
[0071]
As described above, the coupled optical waveguide type wavelength filter has a structure in which the structure of the multilayer film constituting the short optical waveguide of the optical resonator has a structure in which the structure is modulated in the longitudinal direction of the short optical waveguide. Only the light of a certain wavelength corresponding to the modulation period is selectively resonated and output.
[0072]
Referring to FIG. 17, there is shown a coupled optical waveguide type wavelength filter according to an eleventh embodiment of the present invention. This coupled optical waveguide type wavelength filter is provided above the resonator 50 at the center of the wavelength filter in FIG. 15, and has an electrode 60 for changing the refractive index of the portion of the resonator 50. An electric field is applied to this electrode 60. Then, the refractive index of the portion of the resonator 50 is changed by the electro-optic effect or the like, the resonance wavelength of the resonator 50 is changed, and the wavelength of the extracted light is changed from λi (in the case of FIG. 15) to (λi + Δλ) or (λi + Δλ). The tuning is performed to (λi−Δλ).
[0073]
A heater may be provided instead of the electrode 60, and the wavelength of the extracted light may be tuned by the thermo-optic effect.
[0074]
Further, the electrode 60 or the heater is provided above the DBR resonator 50 'at the center of the wavelength filter of FIG. 16, and the wavelength of the light extracted from the wavelength filter of FIG. 16 is changed from λi (in the case of FIG. 16). , (Λi + Δλ) or (λi−Δλ).
[0075]
Referring to FIG. 18, there is shown an Add-Drop Multiplexer (ADM) according to a twelfth embodiment of the present invention. This add / drop multiplexer uses the directional coupler shown in FIG. This add-drop multiplexer includes a DBR at a part of one of the two waveguide cores 15 (1,1) and 15 (2,1) 15 (1,1) in the central coupling optical waveguide 20. In the DBR unit 70, the structure of the multilayer film in this portion is modulated in a wave shape also in the longitudinal direction of the waveguide core, as in the case of the DBR resonator 50 'in FIG. Things. The fabrication of the DBR portion 70 is similar to the case of FIG. 16, except that the pattern of the substrate in this portion is simply changed to a lattice-like pattern including the period of the wave pattern in the longitudinal direction of the waveguide core.
[0076]
The operation as an ADM is as follows. First, it is assumed that the period of the wave-shaped pattern in the longitudinal direction is set so that the DBR unit 70 selectively reflects light having the wavelength λi. Of the light of various wavelengths introduced from the input port 71, the light other than the wavelength λi, which is not reflected by the DBR unit 70, is transmitted from one waveguide core 15 (1, 1) at the central coupling optical waveguide 20 part. It is transferred to the other waveguide core 15 (2, 1) and taken out from the output port 72. On the other hand, the light of the wavelength λi component introduced from the input port 71 to one of the waveguide cores 15 (1, 1) is reflected by the DBR unit 70 and transits to the other waveguide core 15 (2, 1). The light is output from the Drop Out output port 73 as Drop Out output light λi.
[0077]
Furthermore, when Add In input light of wavelength λi is introduced from the Add In input port 74 to one waveguide core 15 (1, 1), the other waveguide core 15 (2) is reflected by the DBR unit 70. , 1) and is taken out from the output port 72. As described above, this device functions as an ADM for a wavelength determined by the reflection wavelength of the DBR unit 70.
[0078]
Referring to FIG. 19, there is shown an add / drop multiplexer (ADM) according to a thirteenth embodiment of the present invention. This add-drop multiplexer is different from the ADM shown in FIG. 18 in that an electrode 75 (or a heater) is provided above the DBR section 70 to provide an electro-optic (EO) effect (or a thermo-optic (TO) effect). Changes the refractive index of the DBR unit 70, changes the reflection wavelength λi at the DBR unit 70, and operates as an tunable ADM.
[0079]
Referring to FIG. 20, there is shown a light control light switch according to a fourteenth embodiment of the present invention. This light control optical switch uses the directional coupler shown in FIG. When the signal light enters the signal input port 76 and the control light (wavelength λi) does not enter the control light input port 77, the optical control optical switch operates as a normal directional coupler. The light is transferred from one waveguide core 15 (1, 1) to the other waveguide core 15 (2, 1) of the coupling optical waveguide 20, and is output from the output port 78. Next, when the control light (wavelength λi) for performing the switching operation is introduced from the control light input port 77, while the control light (wavelength λi) passes through the coupling optical waveguide 20, a non-linear optical effect is applied. Change the refractive index of the part. As shown in FIG. 20, the control light (wavelength λi) is partially provided to one of the two waveguide cores 15 (1, 1) and 15 (2, 1) of the coupled optical waveguide 20. 2), a resonating DBR section 75 is provided, and this change in the refractive index can be caused efficiently. As in the case of the DBR section 70 in FIG. 18, the DBR section 75 has a structure in which the multilayer film in this portion is modulated in a wave shape in the longitudinal direction of the waveguide core. As described above, when the control light is input together with the signal light, the signal light is coupled again to the original waveguide core 15 (1, 1) at the coupling optical waveguide 20 and does not come out of the output port 78. Operation can be performed.
[0080]
As described above, the optical control optical switch of FIG. 20 changes the refractive index of the coupling optical waveguide 20 by inputting the control light to the DBR unit 75 that selectively reflects only the wavelength λi of the control light and resonates, By changing the complete coupling length of the coupling optical waveguide 20 portion, it is possible to switch the exit of the signal light that enters the coupling optical waveguide 20 separately from the control light.
[0081]
Referring to FIG. 21, there is shown a light control light switch according to a fifteenth embodiment of the present invention. This optical control optical switch also uses the directional coupler shown in FIG. In this optical control optical switch, the DBR unit 80 that reflects light having the wavelength (λi) of the signal light is provided on both of the two waveguide cores 15 (1, 1) and 15 (2, 1) of the coupled optical waveguide 20. Is formed. The DBR portion 80 formed in each of the waveguide cores 15 (1, 1) and 15 (2, 1) has a multilayer film structure in this portion similar to the DBR portion 70 in FIG. The wave is also modulated in the longitudinal direction of the core.
[0082]
This light control optical switch operates as follows.
[0083]
First, when the control light is not incident on the Bar port 81, the signal light incident on the waveguide core 15 (1,1) from the input port 82 is transmitted to the waveguide cores 15 (1,1) and 15 (2,1). The light is reflected by the DBR unit 80 formed on the other side, and is output from the reflection output port 83 while moving to the other waveguide core 15 (2, 1). Next, when the control light is input from the Bar port 81 to the waveguide core 15 (1, 1), the DBR portions 80 of the waveguide cores 15 (1, 1) and 15 (2, 1) are caused by the nonlinear optical effect. Since the refractive index changes and the reflection wavelengths of the DBR portions 80 of the waveguide cores 15 (1, 1) and 15 (2, 1) shift, signal light reflection does not occur. Output from port 84. Thus, a switching operation can be performed.
[0084]
The DBR section 80 is formed only on one of the two waveguide cores 15 (1, 1) and 15 (2, 1) of the coupled optical waveguide 20. Is also good. In this case, when the control light is not incident on the Bar port 81, the signal light incident on the waveguide core 15 (1,1) from the input port 82 is transmitted to the DBR section formed on the waveguide core 15 (1,1). The light is reflected by 80 and output from the reflection output port 83 while being transferred to the other waveguide core 15 (2, 1). Next, when the control light is input from the Bar port 81 to the waveguide core 15 (1, 1), a change in the refractive index of the DBR unit 80 of the waveguide core 15 (1, 1) is caused by the nonlinear optical effect. When the reflection wavelength of the DBR unit 80 of the waveguide core 15 (1, 1) shifts, the reflection of the signal light does not occur, and the signal light is output from the cross port 84.
[0085]
As described above, the optical control optical switch shown in FIG. 21 changes the refractive index of the coupling optical waveguide 20 by causing the control light to enter the coupling optical waveguide 20 separately from the signal light. By changing the coupling length, the exit of the signal light is switched.
[0086]
Referring to FIG. 22, there is shown a light control light switch according to a sixteenth embodiment of the present invention. This optical control optical switch also uses the directional coupler shown in FIG. This optical control optical switch has a central waveguide core 85 sandwiched between two waveguide cores 15 (1, 1) and 15 (2, 1) of the coupling optical waveguide 20. The center waveguide core 85 has the same structure as each of the two waveguide cores 15 (1,1) and 15 (2,1). The switching operation is performed by introducing control light from the control light input port 86 into the central waveguide core 85. When the control light is not introduced, the signal light input to the waveguide core 15 (1, 1) from the signal input port 87 passes through the waveguide core 85 at the coupling optical waveguide 20 and passes through the waveguide core 85. The signal is output from the OFF output port 88 while shifting to 15 (2, 1). On the other hand, when the control optical signal light is input to the waveguide core 85, the signal light input from the signal input port 87 to the waveguide core 15 (1, 1) The light returns to the original waveguide core 15 (1, 1) again via the line 85, and is output from the ON output port 89. Thus, a switching operation can be performed. If the length of the coupling optical waveguide 20 is appropriately selected, the OFF output port and the ON output port can be reversed.
[0087]
Thus, in the optical control optical switch of FIG. 22, the coupling optical waveguide 20 has three waveguide cores 15 (1, 1), 85, and 15 (2, 1) coupled to each other, and By causing the control light for controlling the switching to enter the central waveguide core 85 sandwiched between the two waveguide cores 15 (1, 1) and 15 (2, 1) outside the waveguide 20, the coupled light guide is formed. By changing the refractive index of the waveguide 20, the complete coupling length of the coupling optical waveguide 20 is changed, and it is incident on one of the two outer waveguide cores 15 (1, 1) and 15 (2, 1). The exit of the signal light is switched.
[0088]
Referring to FIG. 23, there is shown a dispersion compensator according to a seventeenth embodiment of the present invention. This dispersion compensator uses the coupling optical waveguide shown in FIG. 5 and includes the same parts indicated by the same reference numerals. This dispersion compensator is composed of vertically coupled grating-modulated photonic crystal optical waveguides 10 (1,1) and 10 (1,2). ) And 10 (1,2) waveguide cores 15 (1,1) and 15 (1,2) have equivalent refractive indices different from each other. As a result, waveguide cores 15 (1,1) and 15 (1,1) It is designed so that the group velocities of 2) are different from each other. In the illustrated example, the waveguide core 15 (1, 1) forms a waveguide core having a high group velocity, and the waveguide core 15 (1, 2) forms a waveguide core having a low group velocity. . In order to make the equivalent refractive index different between the upper and lower waveguide cores 15 (1, 1) and 15 (1, 2), the waveguide cores 15 (1, 1) and 15 (1, 2) are configured. What is necessary is just to make the thickness of each film of the corrugated multilayer film slightly different. The light is incident so as to simultaneously excite the upper and lower waveguide cores, but the ratio of coupling to each of the upper and lower waveguide cores differs depending on the wavelength of the incident light, so that different group velocities can be obtained depending on the wavelength. become. This means dispersion correctly, and dispersion compensation can be performed by providing dispersion that cancels the chirp wavelength component of incident light.
[0089]
As described above, the dispersion compensator in FIG. 23 utilizes the difference in the equivalent refractive index between the lattice-modulated photonic crystal optical waveguides 10 (1, 1) and 10 (1, 2) to generate light of different wavelengths. On the other hand, a difference in propagation speed is caused to perform dispersion compensation.
[0090]
Referring to FIG. 24, there is shown a dispersion compensator according to an eighteenth embodiment of the present invention. This dispersion compensator uses a modified version of the coupled optical waveguide shown in FIG. In this dispersion compensator, the waveguide cores 15 (1, 1) and 15 (2, 1) are formed parallel to each other on a plane parallel to the surface of the substrate 11, similarly to the coupled optical waveguide of FIG. Have been. In this dispersion compensator, each of the waveguide cores 15 (1, 1) and 15 (2, 1) is formed with a DBR whose cross section has a wave-shaped periodic pattern in the longitudinal direction. Further, the period of the wave pattern differs between the waveguide cores 15 (1, 1) and 15 (2, 1). By forming the coupling optical waveguide on a plane parallel to the substrate 11 in this manner, a large group velocity difference is provided between the waveguide cores 15 (1, 1) and 15 (2, 1) using the DBR structure. be able to.
[0091]
In the various embodiments described above, the dielectric 14 having a high refractive index is made of Ta. ₂ O ₅ Is used, but Ta ₂ O ₅ Alternatively, Si or another material having a refractive index of about 3.5 can be used. Similarly, as the dielectric material 13 having a low refractive index, SiO 2 is used. ₂ It is of course conceivable to use other materials. Further, instead of the wave-shaped unit cell constituting the wave-shaped pattern, for example, a method of using a wedge-shaped unit cell can be considered. In the coupled optical waveguide of the present invention, it is not essential what the structure of the basic grating is.
[0092]
【The invention's effect】
The most significant feature of the coupled optical waveguide using the self-cloning technique according to the present invention is that the interval between the waveguide cores can be made very narrow as 1 μm or less. Therefore, the complete coupling length can be shortened, and as a result, the length of the element using the coupling optical waveguide can be shortened. The reason that the spacing between the waveguide cores can be reduced is its production method by the self-cloning technique. Since the conventional coupling optical waveguide is formed by digging a groove between two waveguides, the distance cannot be reduced to about 2 μm or less due to the processing accuracy of the process. Therefore, the coupling between the waveguides is weak, and the complete coupling length cannot be shortened. On the other hand, in the manufacturing method of the coupled optical waveguide of the present invention, since the waveguide can be formed only by patterning the substrate without digging a groove, the interval between the waveguide cores can be reduced to 1 μm or less. Length can be shortened. In addition, the controllability and reproducibility of the process for manufacturing such a coupled optical waveguide are significantly improved as compared with a conventional coupled optical waveguide in which a groove is formed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of a lattice-modulated photonic crystal optical waveguide used in the present invention.
FIG. 2 is a view for explaining grooves of a line and space pattern provided on a substrate of the coupling optical waveguide according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view of the coupling optical waveguide according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating a coupling optical waveguide according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram for explaining a coupling optical waveguide according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a view for explaining a coupling optical waveguide according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram for explaining the operation of the coupled optical waveguide of FIGS. 3 and 4;
FIGS. 8A to 8C are diagrams for explaining the operation of the coupled optical waveguide of FIGS. 3 and 4;
FIGS. 9A and 9B are diagrams for explaining the operation of the coupled optical waveguide shown in FIGS. 3 and 4;
FIG. 10 is a diagram illustrating a directional coupler according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a diagram illustrating a directional coupler according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a diagram for explaining a beam splitter according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a diagram illustrating a directional coupler type optical switch according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a diagram illustrating a directional coupler type optical switch according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a diagram illustrating a coupled optical waveguide type wavelength filter according to a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a diagram illustrating a coupled optical waveguide type wavelength filter according to a tenth embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a view for explaining a coupled optical waveguide type wavelength filter according to an eleventh embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a diagram for explaining an add / drop multiplexer according to a twelfth embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a diagram for explaining an add / drop multiplexer according to a thirteenth embodiment of the present invention.
FIG. 20 is a diagram for explaining a light control optical switch according to a fourteenth embodiment of the present invention.
FIG. 21 is a diagram for explaining a light control optical switch according to a fifteenth embodiment of the present invention.
FIG. 22 is a diagram for explaining a light control optical switch according to a sixteenth embodiment of the present invention.
FIG. 23 is a diagram for explaining a dispersion compensator according to a seventeenth embodiment of the present invention.
FIG. 24 is a diagram for explaining a dispersion compensator according to an eighteenth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
10. Lattice modulated photonic crystal optical waveguide
10 (1,1) Lattice Modulated Photonic Crystal Optical Waveguide
10 (2,1) Lattice Modulated Photonic Crystal Optical Waveguide
10 (1,2) Lattice Modulated Photonic Crystal Optical Waveguide
10 (2,2) Lattice Modulated Photonic Crystal Optical Waveguide
11 Substrate
12 grooves
13. Dielectric with low refractive index
14 High refractive index dielectric
15 Waveguide core
15 (1, 1) waveguide core
15 (2, 1) waveguide core
15 (1,2) waveguide core
15 (2, 2) waveguide core

Claims

A substrate on the surface of which a groove for forming a line and space pattern is formed;
A predetermined number X (X is an integer of 2 or more) of lattice-modulated photonic crystals each manufactured by a self-cloning technique in which a dielectric material having a low refractive index and a dielectric material having a high refractive index are alternately stacked on the substrate. An optical waveguide,
The predetermined number X of the lattice-modulated photonic crystal optical waveguides are positioned parallel to each other on a plane parallel to the surface of the substrate, and two of the predetermined number X of the lattice-modulated photonic crystal optical waveguides are adjacent to each other. Wherein the coupling optical waveguides are arranged close to each other so that an electric field of light is coupled between them.

A substrate on the surface of which a groove for forming a line and space pattern is formed;
A prescribed number of Y (Y is an integer of 2 or more) lattice-modulated photonic crystals each manufactured by a self-cloning technique in which a dielectric material having a low refractive index and a dielectric material having a high refractive index are alternately stacked on the substrate. An optical waveguide,
The prescribed number Y of lattice-modulated photonic crystal optical waveguides are located parallel to each other on a plane perpendicular to the surface of the substrate, and two adjacent lattice-modulated photonic crystal optical waveguides of the prescribed number Y are adjacent to each other. Wherein the coupling optical waveguides are arranged close to each other so that an electric field of light is coupled between them.

A substrate on the surface of which a groove for forming a line and space pattern is formed;
Each having a plurality of lattice-modulated photonic crystal optical waveguides produced by a self-cloning technique of alternately laminating a low-refractive-index dielectric and a high-refractive-index dielectric on the substrate,
The plurality of lattice-modulated photonic crystal optical waveguides are composed of a predetermined number X (X is an integer of 2 or more) of lattice-modulated photonic crystal optical waveguides and a specified number Y (Y is an integer of 2 or more). Having a wave path,
The predetermined number X of the lattice-modulated photonic crystal optical waveguides are positioned parallel to each other on a plane parallel to the surface of the substrate, and two of the predetermined number X of the lattice-modulated photonic crystal optical waveguides are adjacent to each other. Are placed in close proximity such that the electric field of light couples between them,
The prescribed number Y of lattice-modulated photonic crystal optical waveguides are located parallel to each other on a plane perpendicular to the surface of the substrate, and two adjacent lattice-modulated photonic crystal optical waveguides of the prescribed number Y are adjacent to each other. Wherein the coupling optical waveguides are arranged close to each other so that an electric field of light is coupled between them.

A line and space pattern was formed by a self-cloning technique in which a groove having a pattern was formed on the surface, and a dielectric material having a low refractive index and a dielectric material having a high refractive index were alternately stacked on the substrate. A lattice-modulated photonic crystal optical waveguide, wherein the plurality of lattice-modulated photonic crystal optical waveguides are formed in parallel with each other on a surface parallel to the surface of the substrate, and A coupling optical waveguide formed so as to be close to an electric field of light between nick crystal optical waveguides.

A line and space pattern was formed by a self-cloning technique in which a groove having a pattern was formed on the surface, and a dielectric material having a low refractive index and a dielectric material having a high refractive index were alternately stacked on the substrate. A lattice-modulated photonic crystal optical waveguide, wherein the plurality of lattice-modulated photonic crystal optical waveguides are formed parallel to each other on a plane perpendicular to the surface of the substrate, and A coupling optical waveguide formed so as to be close to an electric field of light between nick crystal optical waveguides.

A line and space pattern was formed by a self-cloning technique in which a groove having a pattern was formed on the surface, and a dielectric material having a low refractive index and a dielectric material having a high refractive index were alternately stacked on the substrate. A lattice-modulated photonic crystal optical waveguide, the plurality of lattice-modulated photonic crystal optical waveguides on a surface parallel to the surface of the substrate and on a surface perpendicular to the surface of the substrate. A coupling optical waveguide formed in parallel and formed close to each other so that an electric field of light is coupled between the plurality of lattice-modulated photonic crystal optical waveguides.

6. The directional coupler using the coupled optical waveguide according to claim 4 or 5, wherein the number of the lattice-modulated photonic crystal optical waveguides in the coupled optical waveguide is two, and the two lattice-modulated photo-waves are provided. A directional coupler that operates to couple a light beam input to one of the nick crystal optical waveguides to the other of the two lattice-modulated photonic crystal optical waveguides and output the combined light beam.

A beam splitter using the coupling optical waveguide according to claim 4, wherein a power of a light beam input to one of the plurality of lattice-modulated photonic crystal optical waveguides is controlled at a predetermined rate. A beam splitter coupled to the rest of the plurality of grating-modulated photonic crystal optical waveguides.

6. A combination of coupled optical waveguides, characterized in that a plurality of coupled optical waveguides according to claim 4 or 5 are connected while being shifted laterally, so that a light beam propagates while being shifted.

An optical switch using the directional coupler according to claim 7, further comprising: means for changing a refractive index of the two lattice-modulated photonic crystal optical waveguides of the coupling optical waveguide, wherein the coupling optical waveguide comprises: An optical switch characterized by changing the refractive index of the two lattice-modulated photonic crystal optical waveguides to switch the lattice-modulated photonic crystal optical waveguide for outputting a light beam.

A coupled optical waveguide type wavelength filter using the coupled optical waveguide according to claim 4 or 5, wherein a short optical waveguide having a unique resonance frequency is introduced between the plurality of lattice-modulated photonic crystal optical waveguides. Thereby, only light of a specific wavelength component of the light beam incident on one of the plurality of lattice-modulated photonic crystal optical waveguides resonates in the optical resonator consisting of the short optical waveguide, A coupled optical waveguide type wavelength filter characterized by being output by being transferred to the other of a plurality of grating modulated photonic crystal optical waveguides.

12. The coupled optical waveguide type wavelength filter according to claim 11, wherein a structure of a multilayer film constituting the short optical waveguide of the optical resonator has a structure in which the short optical waveguide is modulated in a wave shape in a longitudinal direction of the short optical waveguide. A coupled optical waveguide type wavelength filter, which selectively resonates and outputs only light having a certain wavelength corresponding to the period of the wave type modulation.

13. The coupled optical waveguide type wavelength filter according to claim 11, further comprising means for changing a refractive index of the short optical waveguide of the optical resonator, wherein the refractive index of the short optical waveguide of the optical resonator is changed. A coupled optical waveguide type wavelength filter that can change the wavelength of output light.

8. An add / drop multiplexer using the directional coupler according to claim 7, wherein a part of one of the two lattice-modulated photonic crystal optical waveguides has a structure of a multilayer film forming an optical waveguide. Has a distributed Bragg reflector for selectively reflecting only light of a specific wavelength by having a structure that is modulated in a wave form in the longitudinal direction of the optical waveguide.

15. The add / drop multiplexer according to claim 14, further comprising means for changing a refractive index of the distributed Bragg reflector, wherein the add / drop multiplexer changes the refractive index of the distributed Bragg reflector. An add / drop multiplexer that can change the wavelength of light to be dropped.

An optical control optical switch using the directional coupler according to claim 7, wherein an optical waveguide is formed on at least a part of at least one of the two lattice-modulated photonic crystal optical waveguides of the coupling optical waveguide. By having a structure in which the structure of the multilayer film is modulated in a wave form in the longitudinal direction, the multilayer film has a distributed Bragg reflector that selectively reflects only control light having a wavelength for performing switch control. By changing the refractive index of the coupling optical waveguide, the complete coupling length of the coupling optical waveguide is changed, and the exit of the signal light incident on the coupling optical waveguide separately from the control light is switched. Light control light switch.

An optical control optical switch using the directional coupler according to claim 7, wherein an optical waveguide is formed on at least a part of at least one of the two lattice-modulated photonic crystal optical waveguides of the coupling optical waveguide. By having a structure in which the structure of the multilayer film is modulated in a wave form in the longitudinal direction, the multilayer film has a distributed Bragg reflector that selectively reflects only light having a wavelength of signal light, and further includes a signal light in the coupling optical waveguide. Light control characterized by changing the complete coupling length of the coupling optical waveguide by changing the refractive index of the coupling optical waveguide by inputting control light separately from the control light, and switching the exit of the signal light. Light switch.

5. An optical control optical switch using the coupled optical waveguide according to claim 4, wherein the coupled optical waveguide has three lattice-modulated photonic crystal optical waveguides coupled to each other, and is provided outside the coupled optical waveguide. By injecting control light for controlling switching into a central lattice-modulated photonic crystal optical waveguide sandwiched between two lattice-modulated photonic crystal optical waveguides, the refractive index of the coupled optical waveguide is changed. An optical control optical switch characterized by changing a complete coupling length of the coupling optical waveguide and switching an exit of signal light incident on one of the two outer grating-modulated photonic crystal optical waveguides.

6. The coupled optical waveguide according to claim 5, wherein said plurality of lattice-modulated photonic crystal optical waveguides have mutually different equivalent refractive indices.

20. The dispersion compensator using the coupled optical waveguide according to claim 19, wherein a difference in equivalent refractive index between the plurality of lattice-modulated photonic crystal optical waveguides is used to propagate light with different wavelengths. And a dispersion compensator for performing dispersion compensation.

5. The coupled optical waveguide according to claim 4, wherein the plurality of lattice-modulated photonic crystal optical waveguides have a wave-shaped periodic structure pattern having different periods in the longitudinal direction.

22. The coupling optical waveguide according to claim 21, wherein a difference in the period of the longitudinal wave-shaped periodic structure pattern between the plurality of lattice-modulated photonic crystal optical waveguides is used for light of different wavelengths. A dispersion compensator characterized in that a difference in propagation speed is caused to perform dispersion compensation.