JP2004054224A - 導波路型光機能素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】光学素子を挿入することによる接続損失を低減することができる導波路型光機能素子を提供すること。
【解決手段】導波路型光機能素子は波長フィルタ機能を有し、導波路基板１０１上に、入力導波路１０２、出力導波路１０３、スラブ導波路１０４、法線が導波路面内にある曲面を側面とする溝構造１０５ａ、ポリマーフィルム上に形成された誘電体多層膜からなる高反射ミラー１０５ｂ、法線が導波路面内にある平面を側面とする溝構造１０７、及び、波長フィルタ板１０８を備える。
【選択図】 図１
【解決手段】導波路型光機能素子は波長フィルタ機能を有し、導波路基板１０１上に、入力導波路１０２、出力導波路１０３、スラブ導波路１０４、法線が導波路面内にある曲面を側面とする溝構造１０５ａ、ポリマーフィルム上に形成された誘電体多層膜からなる高反射ミラー１０５ｂ、法線が導波路面内にある平面を側面とする溝構造１０７、及び、波長フィルタ板１０８を備える。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、導波路型光機能素子に関わり、特に、光通信用の波長合分波器、光アイソレータ、干渉計測装置、及び、光通信用の光スイッチに適用して好適な導波路型光機能素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３３は、従来の導波路型光機能素子の構成を示す断面図である。この例は導波路中に溝を形成し、溝に各種光学素子を挿入し、導波路型光機能素子を構成するものである。導波路基板２０１上に、下部クラッド層２０４、コア層２０３、及び、上部クラッド層２０２を順に形成した導波路の溝に光学素子２０５を挿入して屈折率整合透明接着剤２０６で接着固定するものである。
【０００３】
図３４は、別の従来の導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。この例は導波路中に溝を形成し、金属を蒸着してその端面を反射面とするものである。単一モード導波路２０７内に溝構造２０８を形成し、その溝構造２０８の内側に金属コーティング２０９を施す。溝構造２０８は光入射角度が大きい場合は金属コーティング２０９がなくとも全反射ミラーとして機能する。
【０００４】
図３５は、従来の干渉計測光学系の構成を示す上面図である。この干渉計測光学系は、個別の光学部品であるハーフミラー３０２、可動ミラー３０３及び干渉パタン観測面３０４を空間的に配置し、レーザなどの光源からのコヒーレント照明光３０１をハーフミラー３０２で分光して、一方を可動ミラー３０３で反射させ、他方を観測物体で反射させて、ハーフミラー３０２で合波して干渉パタン観測面の干渉を観測することで観測物体までの距離を測定したり、観測物体の表面の形状を計測したりする。実際の計測に際しては、一方の光路長の可変制御のために可動ミラー３０３を電動ステージ等で微動させることで、距離計測などに利用されてきた。
【０００５】
図３６は、従来の光導波路で構成されるマッハツェンダー干渉型光スイッチの構成を示す上面図である。マッハツェンダー干渉型光スイッチは、入力導波路３０５に入力する入力光を１：２光分岐回路３０６で２つに分岐し、一方は屈折率制御部３０７によって屈折率を制御することで光路長を可変制御し、他方はそのまま導波路３０８を介して、それぞれ２：１光結合回路３０９に入力して結合して出力導波路３１０から出力する。このマッハツェンダー干渉系を成す２つのアームを伝搬する光の位相差を制御することによって出力導波路３１０に結合される光強度を制御する。すなわち、石英系導波路においては、導波路基板上の薄膜ヒータから発生する熱量を制御することによって導波路の屈折率を制御し、スイッチ動作を実現する。あるいは、半導体導波路においては、導波路への注入電流量や電界強度を制御することによって導波路の屈折率を制御し、スイッチ動作を実現する。あるいは、ＬｉＮｂＯ３導波路では、進行波型の電極を設けて、電気信号による印加電界と伝搬光の位相整合を行いつつ電界強度を制御することによって導波路の屈折率を制御し、超高速のスイッチ動作を実現する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図３３に示す例では、溝幅ｓが大きくなると急激に接続損失が増大するという問題点がある。また、図３４に示す例では、反射端面を平滑かつ垂直にしないと散乱損失ないし接続損失が非常に大きくなるという問題点がある。また、図３５に示す例では、機械的駆動部分の信頼性が低いために光路長の可変制御の信頼性が低いこと、さらに、コンパクトに装置に組み上げることが困難であることが課題であった。図３６に示す例では、熱効果、電流注入（プラズマ効果）、電界効果の何れの効果を利用しても、屈折率制御量は０．００１程度である。このため、スイッチ動作に必要なπの位相差を実現するためには、１０００λ程度（λは波長）の長さの屈折率制御導波路が必要である。さらに、高速スイッチでは、高電界が利用できないため、屈折率制御量が減り、５０００λ程度の長さの屈折率制御導波路が必要になり、かつ、進行波電界と伝搬光の位相整合が不可欠となる。これらの屈折率制御導波路は、導波路の最小曲げ半径が一般的に数ミリメートルであるため、直線導波路で構成するので寸法が大きくなる。すなわち、従来のマッハツェンダー干渉型光スイッチは小型化が困難であり、高速変調には位相整合が不可欠であった。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑み、光学素子を挿入することによる接続損失を低減し、短い長さの領域に損失が少なく大きな伝搬光路長の遅延導波路を形成することができる導波路型光機能素子を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の導波路型光機能素子は、光導波路が保持される基板と、該基板上に形成され、その法線が前記光導波路面内にある曲面を側面とする曲面溝構造とを備える。
【０００９】
また、前記基板上に形成され、その法線が前記光導波路面内にある平面を側面とする平面溝構造と、前記曲面溝構造又は平面溝構造に挿入されている光学素子とをさらに備えることで、幅広い光学素子の用途に応用することができる。
【００１０】
また、入力光が入射する入力導波路と、該入力導波路からの光が入射するスラブ導波路と、該スラブ導波路内に設けられている第１曲面溝構造と、前記スラブ導波路内に設けられ、該第１曲面溝構造からの光が入射する第１乃至第ｎ（ｎ≧１）平面溝構造と、前記スラブ導波路内に設けられ、該第ｉ（ｉは１≦ｉ≦ｎのいずれか１つ）平面溝構造からの光が入射する第２曲面溝構造と、該第２曲面溝構造からの光が入射して出力光を出射する出力導波路とを備えることで、光の拡散を平面内に抑えられ、損失を小さくすることができる。
【００１１】
また、前記曲面溝構造に挿入されている光学素子は、柔軟なフィルム上に形成された誘電体膜、金属膜、又は、半導体膜であることで、簡易な構成で精度を高くすることができる。
【００１２】
また、少なくとも１つの前記平面溝構造に挿入されている誘電体多層膜をコーティングした基板をさらに備えることで、反射光を減らし損失を小さくすることができる。
【００１３】
また、少なくとも１つの前記平面溝構造に挿入されている平板状の強磁性体をさらに備えることで、簡易な構成で光の偏光方向を変えることができる。
【００１４】
また、少なくとも１つの前記平面溝構造に挿入されている円柱状又はシリンドリカルレンズ形状の強磁性体をさらに備えることで、光の拡散を抑え、損失を小さくすることができる。
【００１５】
また、少なくとも１つの前記平面溝構造に挿入されている球状、半球状又は回転対称面を有する形状の強磁性体をさらに備えることで、さらに光の拡散を抑えて、損失を小さくすることができる。
【００１６】
また、少なくとも１つの前記平面溝構造に挿入されている偏光フィルタ板をさらに備えることで、簡易な構成で光の偏光方向を変えることができる。
【００１７】
また、少なくとも１つの前記平面溝構造にそれぞれ挿入されている偏光分離ミラー板及び１／２波長板をさらに備えることで、簡易な構成で偏光無依存型の導波路光アイソレータを実現することができる。
【００１８】
また、前記入力導波路及び出力導波路が複数の光導波路から構成されていることで、多数の光アイソレータを小型に集積することができる。
【００１９】
また、本発明の導波路型光機能素子は、光導波路が保持される基板と、該基板上に形成される第１光導波路及び第２光導波路と、前記基板上に形成され前記第１光導波路の第１結合端と第２光導波路の第２結合端とを互いに結像関係にある位置に配置して結合する反射構造とを備え、
【００２０】
【数２】
ただし、
ｗ１：第１結合端Ａにおけるモードフィールド半径
ｗ２：スラブ導波路内１次元ガウシアンビームのミラー反射後のビームウエストにおけるモードフィールド半径
Ｌ１：反射構造と光軸の交わる点Ｂと第１結合端Ａとの間の距離
Ｌ２：スラブ導波路内１次元ガウシアンビームのミラー反射後のビームウエスト位置と点Ｂとの間の距離
Ｒ：点Ｂ近傍における曲率
ｎｅｆｆ：光が伝搬する部分の有効屈折率
ＬＷ：光の波長
とするとき、第２結合端Ｃが点Ｂから距離Ｌ２の位置にあり、かつ、第２導波路のモードフィールド半径がｗ２に等しい。これにより、曲率半径の小さい反射構造での結合効率の低下を抑えることができる。
【００２１】
また、本発明の導波路型光機能素子は、光導波路が保持される基板と、該基板上に形成され、その法線が前記光導波路面内にある曲面を側面とする複数の曲面溝構造と、前記基板において、前記曲面溝構造によって光路変更されることで複数の光路が存在し、該光路の遅延量を制御する遅延制御用領域とを備える。
【００２２】
また、前記曲面溝構造は、光導波路コアを挟み互いに凹凸関係にある２つの曲面溝構造であることで、小さな損失で導波路を小さな曲率で曲げることができる。
【００２３】
また、上記導波路光機能素子を遅延制御導波路として、さらに、該遅延制御導波路の入力端に第１出力端が接続される２：２光結合回路と、前記遅延制御導波路の出力端に接続される反射構造と、前記２：２光結合回路の第２出力端を基板端に接続する出力導波路と、前記２：２光結合回路の入力端を基板端に接続する入力導波路と、を備えることで、干渉測定器を小さくすることができる。
【００２４】
また、上記導波路光機能素子を遅延制御導波路として、さらに、該遅延制御導波路の入力端に第１出力端が接続される２：２光結合回路と、前記遅延制御導波路の出力端に接続される反射構造と、前記２：２光結合回路の第２出力端を基板端に接続する出力導波路と、前記２：２光結合回路の第１及び第２入力端にそれぞれ出力端が接続される第１及び第２波長合分波器と、前記第１及び第２波長合分波器の複数の入力端をそれぞれ基板端に接続する複数の入力導波路とを備えることで、複数の異なる波長に対して計測して正確に測定することができる。
【００２５】
また、上記導波路光機能素子を遅延制御導波路として、さらに、複数の該遅延制御導波路の入力端にそれぞれ出力端が接続される第１波長合分波器と、前記遅延制御導波路の出力端にそれぞれ接続される反射構造と、前記第１波長合分波器の入力端に第１出力端が接続される２：２光結合回路と、該２：２光結合回路の第２出力端を基板端に接続する出力導波路と、前記２：２光結合回路の第１及び第２入力端にそれぞれ出力端が接続される第２及び第３波長合分波器と、前記第２及び第３波長合分波器の複数の入力端をそれぞれ基板端に接続する入力導波路とを備えることで、異なる光源からの光の遅延時間を別々に制御して測定精度の向上が図れる。
【００２６】
また、上記導波路光機能素子を遅延制御導波路として、さらに、２つの該遅延制御導波路の入力端にそれぞれ第１出力端が接続される２つの２：２光結合回路と、２つの前記遅延制御導波路の出力端にそれぞれ接続される反射構造と、前記２：２光結合回路の第２出力端にそれぞれ第１及び第２入力端が接続される波長合分波器と、該波長合分波器の出力端を基板端に接続する出力導波路と、前記２：２光結合回路の入力端をそれぞれ基板端に接続する入力導波路とを備えることで、異なる光源からの光の遅延時間を別々に制御して測定精度の向上が図れる。
【００２７】
また、上記導波路光機能素子を遅延制御導波路として、さらに、２つの該遅延制御導波路の入力端に第１及び第２出力端が接続される１：２光分岐回路と、該１：２光分岐回路の入力端を基板端に接続する入力導波路と、２つの前記遅延制御導波路の出力端に第１及び第２入力端が接続される２：１光結合回路と、該２：１光結合回路の出力端を基板端に接続する出力導波路とを備えることで、マッハツェンダー干渉型光スイッチを小さくすることができる。
【００２８】
また、上記導波路光機能素子を遅延制御導波路として、さらに、２つの該遅延制御導波路の入力端に第１及び第２出力端が接続される第１の２：２光結合回路と、該第１の２：２光結合回路の入力端を基板端に接続する入力導波路と、２つの前記遅延制御導波路の出力端に第１及び第２入力端が接続される第２の２：２光結合回路と、該第２の２：２光結合回路の出力端を基板端に接続する出力導波路とを備えることで、出力端を切り替えるマッハツェンダー干渉型光スイッチを小さくすることができる。
【００２９】
また、上記導波路光機能素子を遅延制御導波路として、さらに、２つの該遅延制御導波路の入力端に第１及び第２出力端が接続される２：２光結合回路と、該２：２光結合回路の入力端を基板端に接続する入力導波路と、２つの前記遅延制御導波路の出力端にそれぞれ接続される反射構造とを備えることで、光が二度、遅延制御導波路を伝搬するため、半分の光路長で同様の効果が得られ、素子の小型化に有効である。
【００３０】
また、上記導波路光機能素子を遅延制御導波路として、さらに、少なくとも１つが該遅延制御導波路である第１及び第２遅延導波路の入力端に第１及び第２出力端が接続される１：２光分岐回路と、該１：２光分岐回路の入力端を基板端に接続する入力導波路と、前記第１及び第２遅延導波路の出力端にそれぞれ接続され該出力端からの出射光をコリメートする第１及び第２反射構造と、第１反射構造からの平行光の一部を観測物体に反射し、反対側からの第２反射構造からの平行光の一部を受光器アレイに反射し、観測物体からの平行光の一部を前記受光器アレイに透過する半透鏡と、該半透鏡を透過して来る観測物体からの平行光を受光し、前記半透鏡を反射して来る第２反射構造からの平行光を受光する受光器アレイとを備えることで、遅延量を変える１回の走査で、１次元上の区間の各点における測定ができるため、計測の高速化が可能になる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００３２】
図１は、本発明の第１実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。本導波路型光機能素子は波長フィルタ機能を有し、導波路基板１０１上に、入力導波路１０２、出力導波路１０３、スラブ導波路１０４、法線が導波路面内にある曲面を側面とする溝構造１０５ａ、ポリマーフィルム上に形成された誘電体多層膜からなる高反射ミラー１０５ｂ、法線が導波路面内にある平面を側面とする溝構造１０７、及び、波長フィルタ板１０８を備える。また、ミラー面の形状を溝に合わせるために、押しつけ用微小物１１８を挿入しても良い。
【００３３】
図２は、第１実施の形態の高反射ミラー周辺の詳細を示す断面図である。高反射ミラー１０５ｂは、誘電体多層膜で構成される高反射ミラー膜１０９、及び、高反射ミラー膜１０９を保持する柔軟なポリマーフィルム基板１１０から成り、導波路とほぼ等しい屈折率を有する接着剤１１１によって上部クラッド層１１２、コア層１１３、及び、下部クラッド層１１４に形成されている溝構造１０５ａに挿入され接着固定されている。溝構造１０５ａの溝は、溝幅２０−３０μｍ、溝深さ２０−５０μｍ程度である。ポリマーフィルム基板１１０としては、膜厚２−２００μｍ程度、好ましくは１０μｍ程度のポリイミド基板、セルロース トリアセテート基板、ポリエステル基板、アクリル基板、ポリオレフィン基板、シリコーン基板、ポリスチレン基板、ラテックス基板、アラミド基板、及び、ポリエチレン基板等のポリマー基板の他に、アルミニウム、金、ニッケル等の金属基板も利用することが可能である。
【００３４】
図３は、第１実施の形態の波長フィルタ板周辺の詳細を示す断面図である。波長フィルタ板１０８は、ガラス基板１１５、誘電体多層膜で構成される波長フィルタ膜１１６、及び、低反射コーティング１１７（ガラス基板１１５とコア層１１３の屈折率差が０．１以上有る場合必要）から成る。この実施の形態を実現するためには、非常に選択比の大きい溝形成が必要であるが、石英系、ポリマー（ポリイミド、ポリメチルメタクリレート、エポキシ、シリコーン等）系、ＬｉＮｂＯ３等の誘電体系の導波路では、反応性イオンエッチング技術、イオンビーム加工技術、又は、レーザ加工技術などを用いることにより実現できる。
【００３５】
第１実施の形態の動作を説明する。入力導波路１０２に入射した光は、入力導波路１０２を伝搬して、スラブ導波路１０４に結合される。スラブ導波路１０４は、基板面に平行な方向の光閉じ込めが行われないため、光はスラブ導波路１０４内で広がりながら伝搬する。溝構造１０５ａ及び高反射ミラー１０５ｂの曲面と基板面との交線で規定される曲線の形状は、高反射ミラー１０５ｂからの反射光をコリメートするための条件から決められる。幾何光学的近軸のもとで、曲率Ｒの曲線の焦点距離はＲ／２であり、入力導波路１０２とスラブ導波路１０４の結合点Ａと曲線上の点Ｂの距離は曲線の曲率をＲとすればＲ／２となる。この配置で、高反射ミラー１０５ｂからの反射光はコリメートされて平行光になる。波長フィルタ板１０８（波長フィルタ膜１１６）は特定の波長のみを透過する機能を持ち、透過光は高反射ミラー１０６ｂで再び集光されて、出力導波路１０３に結合する。波長フィルタ板１０８（波長フィルタ膜１１６）を反射した光は、別の溝構造１０７で遮断される。必要に応じてこの溝構造１０７には光吸収体が挿入される。また、溝構造１０７の端面で不要な迷光が入力導波路１０２や出力導波路１０３に結合しないように、光軸に対して溝構造１０７の側面の法線方向を傾けると良い。傾き角は、入力導波路１０２からスラブ導波路１０４に入射された光の広がり角（半角）以上の大きさにすると良い。本構成では、スラブ導波路１０４内で平行光として、あるいは、スポット径の大きいガウシアンビームとして伝搬するため、溝構造１０７や波長フィルタ板１０８を挿入しても不要な過剰損失を低減することができる。光は伝搬方向に対して水平・垂直の２つの自由度を持ち、片方の自由度の損失に対する寄与が０になるため、本構成を利用することで損失を約半分（デシベル単位）に低減することが可能である。また、高反射ミラー１０５ｂがポリマーフィルム基板１１０をベースにして形成され、屈折率整合した接着剤１１１が充填されているため、溝構造１０５ａの側面が十分に平滑でなくとも、高反射ミラー１０５ｂでの散乱損失がほとんど生じない。
【００３６】
図４は、本発明の第２実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図であり、図５は、その強磁性体周辺の詳細を示す断面図である。本導波路型光機能素子は偏波依存型の導波路光アイソレータであり、ＹＩＧ（イットリウム鉄ガーネット）及びその他のＲＩＧ（希土類鉄ガーネット）等のファラデー効果を有する強磁性体１１９及び偏光フィルタ１２０ａ，１２０ｂを有し、偏光フィルタ１２０ａ，１２０ｂは光の伝搬に垂直な平面での偏光軸が４５度互いに傾いている。なお、強磁性体１１９を磁化するための外部磁界を加える磁石が必要であるが、図面からは省いてある。
【００３７】
入力導波路１０２への入射光が高反射ミラー１０５ｂによってスラブ導波路１０４において平行光になるまでの動作は第１実施の形態と同様である。偏光フィルタ１２０ａに入射する前にスラブ導波路１０４から、屈折率整合した接着剤１１１中へ光が入射される。この光の伝搬方向に対して直交する２つの偏光成分は、極めて良い近似で各々導波路を伝搬する光のＴＥモードとＴＭモードに結合する。例えば、入力導波路１０２へ入射した光がＴＥモードで伝搬して、偏光フィルタ１２０ａの偏光透過軸を導波路基板１０１と平行方向に固定しておけば、偏光フィルタ１２０ａに入射する光の偏光軸は導波路基板１０１と平行になり、ほとんど偏光フィルタ１２０ａを透過して伝搬する。強磁性体１１９に外部磁界を光の伝搬方向と平行に加えておけば、強磁性体１１９を透過した光の偏光面は４５度回転し、再び導波路に結合する際にＴＥモードとＴＭモードをほぼ等しい割合で誘起する。偏光フィルタ１２０ｂに入射する際には強磁性体１１９を透過した偏光状態が再現されるが、偏光フィルタ１２０ｂの偏光透過軸は偏光フィルタ１２０ａに対して４５度傾けてあるので、光は偏光フィルタ１２０ｂでの損失を極小として透過し、再び導波路に結合される。その後、光は高反射ミラー１０６ｂで集光されて出力導波路１０３に結合される。出力導波路１０３側からの反射戻り光は、偏光フィルタ１２０ｂを透過するが、強磁性体１１９によって偏光面がさらに同方向に４５度回転するため、偏光フィルタ１２０ａへ入射する際の偏光軸が導波路基板１０１に垂直になり偏光フィルタ１２０ａでの損失が極大になる。このようにして、本構成は偏波依存性のある導波路型光アイソレータとして機能する。
【００３８】
導波路型アイソレータの利点は、３次元空間にレンズや偏光板、磁性体を配置した構成よりも小型化が容易であること及び他の光回路に集積することが可能になることである。本実施の形態では、導波路中に形成された反射構造を利用し、幅の広い（スポット径の大きい）ビームを形成して、スラブ導波路中を伝搬させて、その間に各光学素子を配置するため、従来よりも損失をほぼ半減させた導波路型アイソレータを構成できる。
【００３９】
図６は、本発明の第３実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。本実施の形態と第２実施の形態の相違点は、ＹＩＧ及びその他のＲＩＧ等のファラデー効果を有する強磁性体１１９を複数の薄い強磁性体１１９に分割している点である。ファラデー素子による偏光面の回転角はその厚みに比例するので、厚みが１／ｋ（ｋは自然数）の強磁性体１１９をｋ枚利用しても同様の動作をすることは明らかである。しかしながら、溝構造が有る場合の溝による損失は溝の厚さに比例するのではなく、指数関数的に増加する。
【００４０】
図７は、強磁性体の分割による損失の低減効果を示すグラフである。ここでは、溝幅の余裕と強磁性体１１９表面でのフレネル反射損を無視している。この計算では、強磁性体１１９のトータルの厚さＬ＝２００μｍと仮定している。分割数ｋが多くなると損失が小さくなることが確認できる。この手法は、本実施の形態以降に説明する実施の形態においても適用可能である。
【００４１】
図８は、本発明の第４実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図であり、図９は、その強磁性体周辺の詳細を示す断面図である。本実施の形態と第２実施の形態の相違点は、ＹＩＧ及びその他のＲＩＧ等のファラデー効果を有する強磁性体１２１を円柱形状としたことである。一般に強磁性体１２１は、石英やポリマー導波路材料とそれに整合する接着剤よりも高屈折率であるため、円柱形状とすることによりシリンドリカルレンズとして機能する。円柱形状でなく、平凸、両凸形状のシリンドリカルレンズに加工しても良いが、ここでは、容易に加工・固定できる円柱形状とする。光ファイバに整合する単一モード導波路では、コアとクラッドの屈折率差比が小さいので、レンズの収差はそれ程接続損失には影響しない。強磁性体１２１を定位置に固定しやすいように、溝の底には別の凹状の溝あるいはＶ字形状の溝を形成しても良い。本構成では、拡散した光を強磁性体１２１によって収束させるので、強磁性体１２１を挿入することによる損失をほぼ零とすることが可能である。
【００４２】
図１０は、本発明の第５実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。本実施の形態と第２実施の形態の相違点は、入力導波路１２２及び出力導波路１２３を複数の導波路とした点である。他の実施の形態にも適用可能であることは言うまでもない。本構成では、複数の入出力が行われることで多数の光アイソレータを小型に集積することが可能になる。導波路型ではない光アイソレータをアレイ化することは、入出力の光ファイバアレイ間隔が最小１２５μｍ、通常２５０μｍであり、多数の入出力を具備すると大型の光学部品が必要になるため事実上不可能である。すなわち、ファイバアレイ間を一組のレンズで高効率に結合するためには、アレイの端から端までの長さをレンズ直径の１／２０程度にする必要があるため大型のレンズが必要になる。また、各々のファイバにレンズを付ける場合は、各レンズの直径を２−３ｍｍ程度にする必要があり、ファイバ間隔を広げるため大型のファイバアレイが必要となる。
【００４３】
図１１は、本発明の第６実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。本導波路型光機能素子は、偏光無依存型の導波路光アイソレータであり、ＹＩＧ及びその他のＲＩＧ等のファラデー効果を有する強磁性体１１９ａ，１１９ｂ、１／２波長板１２４ａ，１２４ｂ、偏光分離ミラー板１２５ａ，１２５ｂ、及び、高反射ミラー１２６ａ，１２６ｂを備える。本構成では、偏光分離ミラー板１２５ａにおいて、入射光の直交する偏光成分、すなわち導波路中のＴＥ及びＴＭ波が分離される。ＴＥ波は透過し、偏光面が１／２波長板１２４ａによって進行方向に対して右に４５度回転される。次に強磁性体１１９ａによってさらに偏光面が右に４５度回転され、ＴＭ波に変換されて伝搬する。高反射ミラー１２６ａで反射され、偏光分離ミラー板１２５ｂではＴＭ波なので反射される。同様に入力導波路１０２を伝搬するＴＭ波は偏光分離ミラー板１２５ａで反射され高反射ミラー１２６ｂで反射され１／２波長板１２４ｂで偏光面が右に４５度回転され、さらに強磁性体１１９ｂで偏光面が右に４５度回転されてＴＥ波に変換されて偏光分離ミラー板１２５ｂを透過し、別の経路を辿った光と合波される。出力導波路１０３側からの反射戻り光は、偏光分離ミラー板１２５ｂで分離されて強磁性体１１９ａ，１１９ｂ、及び、１／２波長板１２４ａ，１２４ｂを透過するが、偏光面の回転がキャンセルされるため、偏光分離ミラー板１２５ａにおいて、それぞれ反射、透過して入力導波路１０２には結合しない。すなわち、偏光無依存型の導波路光アイソレータとして機能する。
【００４４】
図１２は、本発明の第７実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図であり、図１３は、その断面図である。本実施の形態と第４の実施の形態の相違点は、ＹＩＧ及びその他のＲＩＧ等のファラデー効果を有する強磁性体１２７を２つの球状としたことである。球状以外にも、半球状などの光軸に対して回転対称性を持つ曲面を表面とする形状でも良いことは言うまでもない。球状に研磨することは、ベアリング等の高精度加工技術が適用できるため構成が容易になる。また、固定するためにＶ型や凹型の溝を設けると良い。
【００４５】
図１４は、本発明の第８実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図であり、図１５は、その断面図である。本実施の形態では、球状等の回転対称性を持つ曲面を表面とする形状に加工した強磁性体１２７が導波路基板１０１に平行及び垂直の２つの軸に対してレンズ機能を持つので、２つの単一モード光導波路１２８間に挿入することも可能である。この構成では、位置合わせ精度を高くすれば、容易に光回路中に強磁性体１２７を挿入することが可能になる。
【００４６】
図１６は、本発明の第９実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。本実施の形態に示す構成は、反射構造を利用した光結合回路の結合効率を高める構成である。従来の幾何光学的近似によれば、入射結合点及び出射結合点を楕円の焦点とする、楕円ミラーを利用する構成が最も良いと考えられる。しかしながら、より精度の高い結像条件は、第１の導波路から出射した光が、スラブ導波路面内では、出射端にビームウエストがあり、ビームスポット半径が結合端におけるモードフィールド半径に等しい１次元のガウシアンビームであると仮定して求めることができる。スラブ導波路面に垂直な方向成分は、常に単一モード条件が満たされ、モードフィールド径が変化しないので結合効率は１００％であり、考慮する必要はない。曲率半径Ｒのミラーが近軸近似で、焦点距離ｆ＝Ｒ／２の結像素子であることを利用すれば、楕円ミラーの場合も含み、一般的に
【００４７】
【数３】
ただし、
ｗ１：第１結合端Ａにおけるモードフィールド半径
ｗ２：スラブ導波路内１次元ガウシアンビームのミラー反射後のビームウエストにおけるモードフィールド半径
Ｌ１：反射構造と光軸の交わる点Ｂと第１結合端Ａとの間の距離
Ｌ２：スラブ導波路内１次元ガウシアンビームのミラー反射後のビームウエスト位置と点Ｂとの間の距離
Ｒ：点Ｂ近傍における曲率
ｎｅｆｆ：光が伝搬する部分の有効屈折率
ＬＷ：光の波長
となる。２つのガウシアンビームの結合効率は、ビームウエスト位置とビームスポット半径が一致するときに最大となる。すなわち、第２結合端Ｃを、点Ｂから距離Ｌ２の位置に配置し、かつ、第２の導波路のモードフィールド半径をｗ２に等しくするとき、最大の結合効率が得られることを見いだした。
【００４８】
図１７は、反射構造の曲率半径と結合効率との関係を示すグラフである。従来の幾何光学的近似に基づく設計による構成と、本実施の形態による構成の場合の結合効率を計算した結果を示している。計算の前提は、ｗ１＝５μｍ、入出力導波路間距離５００μｍ、ｎｅｆｆ＝１．５３４、ＬＷ＝１．５５μｍ、入力側と出力側が対称な構成であるとした。図から明らかなように、反射構造の曲率半径を小さくしていくと、幾何光学近似ではＲ／２＝２００μｍ近傍から結合効率が低下してくるのに対し、本実施の形態ではＲ／２＝８０μｍ近傍まで結合効率が低下しないことが分かる。そして、本実施の形態ではＲ／２＝６０〜２００μｍで従来よりも優れた結合効率を実現することができる。
【００４９】
図１８は、本発明の第１０実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。本実施の形態は全体として干渉測定器１３９を構成しており、導波路基板１０１、入力導波路１０２、出力導波路１０３、方向性結合器又はマルチモード干渉結合器１３１、導波路１３２，１３３、遅延制御導波路１３４、反射構造１３５、レンズ１３６、半導体レーザ１３７、及び、受光器１３８を備える。干渉測定の原理は以下の通りである。半導体レーザ１３７から出射されたコヒーレント光は入力導波路１０２を介して方向性結合器１３１の入力端Ｐに入力され、出力端Ｒと出力端Ｓに分岐して出力される。出力端Ｒから出力される分岐光は導波路１３２を経て反射構造１３５で反射され再び導波路１３２を経て方向性結合器１３１に出力端Ｒから入力される。別の出力端Ｓから出力される分岐光は導波路外部に接続され、レンズ１３６を介して観測物体に照射され、反射光の一部は再びレンズ１３６を介して導波路１３３に接続され出力端Ｓに戻る。
【００５０】
２つの戻り光は、光路差が半導体レーザ１３７のコヒーレント長よりも短ければ干渉し、入力端Ｑからの出力は光路差を制御すると、波長の単位で変動する。これを利用して物体までの距離を、波長を単位として計測することが可能になる。光路差の制御のために遅延制御導波路１３４が利用される。干渉測定器１３９を移動させれば物体上の一点を基準として相対的な距離を計測することによって物体形状を計測できる。勿論、レンズ１３６を介さずに、光ファイバ等で観測用の光を導波すれば、干渉測定器１３９全体を動かすことなく、光ファイバの先端を駆動して計測することが可能であることは言うまでもない。あるいは物体を微動ステージ上で駆動しても良い。
【００５１】
さらに、半導体レーザ１３７の発振波長を制御すれば、複数の異なる波長に対して計測することによって正確に測定することができる。また、複数の目盛りがあるので波長の最小公倍数程度の大型の物体形状の計測にも有効である。
【００５２】
さらに、コヒーレント光でなく、インコヒーレント光（コヒーレント長が数ミクロンから数十ミクロン程度）を利用する干渉計測にも適用可能である。この場合は可干渉長が非常に短いことを利用して、物質界面からの反射光を検出し層構造等を測定するので、出力端Ｒから反射構造１３５までの光路長と出力端Ｓから物体までの光路長をほぼ一致させておく必要がある。インコヒーレント光源にはスーパールミネッセントダイオードなどを利用する。
【００５３】
図１９は、遅延制御導波路の第１の例の構成を示す上面図である。本実施の形態の最大の特徴は、遅延制御導波路１３４の構成にある。本第１の例の遅延制御導波路１３４は、導波路１３２、スラブ導波路１４１、ミラー１０５、及び、遅延制御用領域１４３を備える。遅延制御用領域１４３は、例えば、石英導波路であれば、薄膜ヒータである。半導体導波路であれば、電流注入ないし電界印加用電極であり、裏面にはもう一方の電極が設けられる。また、ＬｉＮｂＯ３等の誘電体導波路であれば、コプレーナ線路あるいはストリップ線路型の電極が設けられる場合もある。通常の導波路では、最小曲げ半径は５ｍｍ程度であるため、そのまま本例に示すようなつづら折りの導波路を作成すると数ｃｍ角の大きさになり実用的ではない。ところが、本例に示すように導波路中にミラーを構成して光路変更すれば、０．０５〜０．５ｍｍ間隔で並列する単一モード導波路間を接続することができるので、つづら折りの光回路を短い長さの領域に構成することができる。ミラー１０５は、端面が垂直になるようにドライエッチングを行い、エッチング端面にアルミニウムや金、銀等の金属膜を蒸着やスパッタリングによって堆積して形成しても良い。例えば、つづら折り導波路間隔を０．１ｍｍ、導波路直線部長を１ｍｍとすれば、約１ｍｍ×１ｍｍの領域に全長１０ｍｍの導波路を配置することができる。
【００５４】
図２０は、遅延制御導波路の第２の例の構成を示す上面図である。本第２の例の遅延制御導波路１３４は、渦巻き状に導波路１３２を形成し、中心部の曲率の小さくなる部分にスラブ導波路１４１とミラー１４２によりつづら折り導波路を配置するものであり、いたずらにミラー１４２の数を増やすことなく、面積の無駄なく遅延制御導波路１３４を形成することができる。例えば、コア径を０．０１ｍｍ、導波路間隔を０．０５ｍｍとすれば、半径１ｃｍの領域に５ｍ程度の遅延導波路を形成できる。導波路の有効屈折率を１．５、その温度依存性を５×１０−５［１／℃］、温度制御を２０℃とすれば、最大遅延制御量は片道で５ｍｍにも及ぶ。すなわち、図１８に示すような干渉測定器１３９に利用すれば、１０ｍｍ程度の段差までの表面凹凸形状を計測できる。勿論、導波路１３３の途中にも遅延導波路を形成すれば、近い位置の観測物体も計測できる。
【００５５】
図２１は、遅延制御導波路の第３の例の構成を示す上面図である。本第３の例の遅延制御導波路１３４は、全体を大型のスラブ導波路１４１とし、そのスラブ導波路１４１の中に複数のミラー１３４を設けて、これらミラー１３４間を往復する光路の領域を遅延制御用領域１４３として、ここには単一モードの導波路１３２を配置しないものである。単一モード導波路への接続における損失が無くなるので低損失化が可能である。
【００５６】
図２２及び図２３は、遅延制御導波路の第４の例の構成を示す上面図及びその一部断面図である。本第４の例の遅延制御導波路１３４は、ミラーを利用しない低損失な曲率の小さい曲げ構造とそれを利用したつづら折り導波路によって構成されている。導波路１３２は曲率の小さい曲げ構造部分において互いに凹凸関係にある溝構造１４５によって挟まれることで低損失になるようにしている。図２３は、図２２のＡ−Ａ’の断面図である。このように、導波路基板１０１上において導波路コア１４６及び導波路クラッド１４７を溝構造１４５で両側から挟む構造になっている。溝構造１４５の側面には、金属膜を堆積してミラーとしても良い。本構成は、曲げ部分周辺にのみ溝構造を設けて導波路への光閉じ込めを強くし、曲げ損失を減らすものである。
【００５７】
図２４及び図２５は遅延制御導波路の第５の例の構成を示す上面図及びその一部拡大図である。本第５の例の遅延制御導波路１３４は、別のミラーを利用しない低損失な曲率の小さい曲げ構造とそれを利用したつづら折り導波路によって構成されている。導波路１３２は曲率の小さい曲げ構造部分において互いに凹凸関係にある微小な穴１４８の領域によって挟まれることで低損失になるようにしている。図２５は、図２４の領域Ｂの部分の拡大図である。このように、導波路コア１４６周辺に波長よりも寸法の小さい微小な穴１４８（円筒形）を沢山設けることによって導波路１３２への光閉じ込めを強くし、曲げ損失を減らすものである。
【００５８】
図２６は、本発明の第１１実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。本実施の形態の干渉測定器１３９は、半導体レーザ１５０ａ，１５０ｂ、受光器１５１ａ，１５１ｂ、及び、異なる波長の光を合波し、また、異なる波長の光に分波する波長合分波器１５２をさらに備える。半導体レーザ１５０ａと半導体レーザ１５０ｂの発振波長は僅かに異なるので、複数の異なる波長に対して計測することによって正確に測定することができる。また、複数の目盛りがあることになるので波長の最小公倍数程度の大型の物体形状の計測にも有効である。
【００５９】
図２７は、本発明の第１２実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。本実施の形態の干渉測定器１３９は、方向性結合器又はマルチモード干渉結合器１３１の出力端Ｒからの光を波長合分波器１５２によって異なる波長に分波してそれぞれの遅延を遅延制御導波路１３４で制御するものである。
【００６０】
図２８は、本発明の第１３実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。本実施の形態の干渉測定器１３９は、方向性結合器１３１を２つ備え、異なる波長に対してそれぞれの遅延を遅延制御導波路１３４で制御するものである。
【００６１】
これら第１２及び第１３実施の形態は、異なる光源からの光の遅延時間を別々に制御することが可能である。装置構成は複雑になるが、測定の精度の向上が図れる。
【００６２】
図２９は、本発明の第１４実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。本実施の形態はマッハツェンダー干渉型光スイッチを構成するものであり、入力導波路１５３、１：２光分岐回路１５４、導波路１５５，１５６、遅延制御導波路１５７ａ，１５７ｂ、２：１光結合回路１５８、及び、出力導波路１５９を備える。本実施の形態のマッハツェンダー干渉型光スイッチは非常に長い遅延制御導波路１５７ａ，１５７ｂをコンパクトに導波路上に搭載することができるため、通常のマッハツェンダー干渉型光スイッチと比較して次のような利点がある。（１）低速信号用（ビットレート＜１Ｇｂｉｔ／ｓ程度）のスイッチを熱効果による屈折率制御方法で構成する場合、遅延制御導波路１５７ａと遅延制御導波路１５７ｂの遅延時間差を信号ビット幅の５％程度を上限に非常に長くすることによって、スイッチ全体の温度を制御してスイッチングを行うことができる。例えば、遅延制御導波路１５７ａと遅延制御導波路１５７ｂの遅延時間差を０．５ｎｓ（石英系導波路の場合、距離に換算して１ｃｍ程度）とすると、等化屈折率温度依存性を５×１０−５［１／℃］とすれば、温度を１度制御してスイッチングが可能である。チップにヒータ電極を設けずに全体の温度制御でスイッチ動作が可能であるため低コストなスイッチングが可能となる。（２）高速信号用のスイッチ、あるいは高速スイッチングを行うスイッチにおいては、遅延制御導波路１５７ａと遅延制御導波路１５７ｂの光路長差は０か多くても数波長程度に設定される。遅延制御導波路１５７ａと遅延制御導波路１５７ｂの光路長を従来の５０００λ程度とすれば、従来直線で５ｍｍ程度の長さが必要であったが、０．５ｍｍ角程度の領域につづら折りに形成することが可能になり、スイッチを小型化することができる。また、制御電極長が短くなるため、電極に印加される高周波電界と伝搬光の位相の整合が不要になり、スイッチ構成が簡易になる。あるいは、遅延制御導波路１５７ａと遅延制御導波路１５７ｂの光路長を５００００λ程度（１０倍）とすれば、印加電圧を１／１０に低減することが可能である。
【００６３】
図３０は、本発明の第１５実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。本実施の形態のマッハツェンダー干渉型光スイッチは、入力導波路１５３、２：２光結合回路１６０、遅延制御導波路１５７ａ，１５７ｂ、及び、出力導波路１５９ａ，１５９ｂを備える。本実施の形態は、信号をオンオフするのではなく、出力導波路１５９ａ又は出力導波路１５９ｂのどちらに出力するかを切り替えるスイッチである。
【００６４】
図３１は、本発明の第１６実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。本実施の形態のマッハツェンダー干渉型光スイッチは、入力導波路１５３、２：２光結合回路１６０、導波路１５５，１５６、遅延制御導波路１５７ａ，１５７ｂ、反射構造１６１、及び、出力導波路１５９ｃを備える。本実施の形態は、入力導波路１５３又は出力導波路１５９ｃのどちらに出力するかを切り替えるスイッチである。この構成では、切り替えた出力の一方は入力導波路１５３から出力されるため、入力導波路１５３の手前に光サーキュレータを接続する必要がある。本実施の形態は第１５実施の形態（図３０参照）の構成を反射構造１６１によって折り返した構成である。光が二度、遅延制御導波路１５７ａ，１５７ｂを伝搬するため、半分の光路長で同様の効果が得られ、素子の小型化に有効である。
【００６５】
図３２は、本発明の第１７実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。本実施の形態の干渉測定器１３９は、干渉測定系を１次元に拡張した構成である。半導体レーザ１５０から入射した光は１：２光分岐回路１６５で分岐され、一方は可変遅延機能を持つ遅延制御導波路１６２ａに、もう一方は、遅延導波路１６２ｂに導かれる。用途に応じて遅延導波路１６２ｂにも可変機能を付加しても良い。遅延制御導波路１６２ａ及び遅延導波路１６２ｂを出射した光はそれぞれスラブ導波路１０４内で広がり、反射構造１０５，１０６によって平行光にされる。遅延制御導波路１６２ａ−反射構造１０５−半透鏡１６３−観測物体−半透鏡１６３−受光器アレイ１６４と伝搬する光と、遅延導波路１６２ｂ−反射構造１０６−半透鏡１６３−受光器アレイ１６４と伝搬する光の干渉光強度を受光器アレイ１６４で観測する。この際、例えば反射構造１０５−半透鏡１６３−反射構造１０６と伝搬する光が遅延導波路１６２ｂに入射することがないように、遅延制御導波路１６２ａ及び遅延導波路１６２ｂを配置する。本実施の形態の場合は、可変遅延機能を持つ遅延制御導波路１６２ａの遅延量を変える１回の走査で、受光器アレイ１６４により１次元上の区間の各点における測定ができるため、計測の高速化が可能になる。
【００６６】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。
【００６７】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
【００６８】
第１の効果は、柔軟なフィルム上に堆積された高反射ミラーを溝構造に挿入することによって、低損失な反射構造をスラブ導波路内に設けることができることである。
【００６９】
第２の効果は、基板厚に比例した効果を持つ光学部品（例えば、ファラデー素子、波長板等）を基板厚の総計を一定にしたまま分割して導波路内に挿入することによって、集積に伴う損失を低減することが可能なことである。
【００７０】
第３の効果は、第１の効果から生じるものであるが、スラブ導波路内で幅の広い（スポット径の大きい）平行ビームを低損失に形成し、この平行ビームが伝搬するスラブ導波路内に設けた溝構造に光学部品を挿入することで、導波路が存在しない溝部分と光学部品部分を透過して再び導波路に結合する際の損失を半減することができることである。
【００７１】
第４の効果は、ファラデー効果を有するＹＩＧ等の材料自体を、円柱状や球状に加工してレンズ機能を持たせることによって、これらの材料を低損失に導波路内にハイブリッド集積できることである。
【００７２】
これらの第１から第４に至るミクロな効果を各種光導波回路に利用することによって次のようなマクロな効果を生み出す。
【００７３】
第５の効果は、低損失な導波路型光アイソレータや光波長フィルタを構成できるようになることである。導波路型アイソレータは従来の微小光学を利用したアイソレータよりも小型であり、特にアレイにする場合にはその効果は顕著である。また、導波路内にアイソレータを組み込むことが出来れば、導波回路内に集積されたレーザや増幅器を安定に動作させることが可能になる。さらに、小規模な波長合分波回路に適用すれば、従来のアレイ導波路回折格子よりも小型で低損失な波長合分波回路を実現することができる。
【００７４】
第６の効果は、非常に長い遅延線を導波路基板上に搭載できるので、従来、個別の部品を配置して構成していた干渉光学系を導波路基板上に構成することができる。また、遅延制御量が大きいため機械的にミラーを駆動することなく、段差のある凹凸形状の計測が容易になる。
【００７５】
第７の効果は、非常に長い遅延線を導波路基板上に搭載できるので、チップ全体の温度制御を行って駆動する光スイッチを構成することが可能になる。
【００７６】
第８の効果は、遅延線を導波路基板上に折り曲げてコンパクトに搭載できるので、光スイッチを小型化することが可能になる。
【００７７】
第９の効果は、遅延線を導波路基板上に折り曲げてコンパクトに搭載できるので、光スイッチの駆動電圧を低減することが可能になる。
【００７８】
第１０の効果は、遅延線を導波路基板上に折り曲げてコンパクトに搭載できるので、光スイッチを駆動するための高周波電界と伝搬光の位相整合が不要になり、スイッチ構成が簡易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図２】第１実施の形態の高反射ミラー周辺の詳細を示す断面図である。
【図３】第１実施の形態の波長フィルタ板周辺の詳細を示す断面図である。
【図４】本発明の第２実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図５】本発明の第２実施の形態による導波路型光機能素子の強磁性体周辺の詳細を示す断面図である。
【図６】本発明の第３実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図７】強磁性体の分割による損失の低減効果を示すグラフである。
【図８】本発明の第４実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図９】本発明の第４実施の形態による導波路型光機能素子の強磁性体周辺の詳細を示す断面図である。
【図１０】本発明の第５実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図１１】本発明の第６実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図１２】本発明の第７実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図１３】本発明の第７実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す断面図である。
【図１４】本発明の第８実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図１５】本発明の第８実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す断面図である。
【図１６】本発明の第９実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図１７】反射構造の曲率半径と結合効率との関係を示すグラフである。
【図１８】本発明の第１０実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図１９】遅延制御導波路の第１の例の構成を示す上面図である。
【図２０】遅延制御導波路の第２の例の構成を示す上面図である。
【図２１】遅延制御導波路の第３の例の構成を示す上面図である。
【図２２】遅延制御導波路の第４の例の構成を示す上面図である
【図２３】遅延制御導波路の第４の例の構成を示す一部断面図である。
【図２４】遅延制御導波路の第５の例の構成を示す上面図である
【図２５】遅延制御導波路の第５の例の構成を示す一部拡大図である。
【図２６】本発明の第１１実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図２７】本発明の第１２実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図２８】本発明の第１３実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図２９】本発明の第１４実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図３０】本発明の第１５実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図３１】本発明の第１６実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図３２】本発明の第１７実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図３３】従来の導波路型光機能素子の構成を示す断面図である。
【図３４】別の従来の導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図３５】従来の干渉計測光学系の構成を示す上面図である。
【図３６】従来の光導波路で構成されるマッハツェンダー干渉型光スイッチの構成を示す上面図である。
【符号の説明】
１０１ 導波路基板
１０２ 入力導波路
１０３ 出力導波路
１０４ スラブ導波路
１０５，１３４ ミラー
１０５ａ，１０７ 溝構造
１０５ｂ，１０６ｂ，１２６ 高反射ミラー
１０８ 波長フィルタ板
１０９ 高反射ミラー膜
１１０ ポリマーフィルム基板
１１１ 接着剤
１１２，２０２ 上部クラッド層
１１３，２０３ コア層
１１４，２０４ 下部クラッド層
１１５ ガラス基板
１１６ 波長フィルタ膜
１１７ 低反射コーティング
１１８ 押しつけ用微小物
１１９，１２１ 強磁性体
１２０ 偏光フィルタ
１２２ 入力導波路
１２３ 出力導波路
１２４ １／２波長板
１２５ 偏光分離ミラー板
１２７ 強磁性体
１２８ 単一モード光導波路
１３１ 方向性結合器又はマルチモード干渉結合器
１３２，１３３ 導波路
１３４ 遅延制御導波路
１３５ 反射構造
１３６ レンズ
１３７ 半導体レーザ
１３８ 受光器
１３９ 干渉測定器
１４１ スラブ導波路
１４２ ミラー
１４３ 遅延制御用領域
１４５ 溝構造
１４６ 導波路コア
１４７ 導波路クラッド
１４８ 穴
１５０ａ，１５０ｂ 半導体レーザ
１５１ａ 受光器
１５２ 波長合分波器
１５３ 入力導波路
１５４ １：２光分岐回路
１５５，１５６ 導波路
１５７ａ，１５７ｂ 遅延制御導波路
１５８ ２：１光結合回路
１５９，１５９ａ，１５９ｂ，１５９ｃ 出力導波路
１６０ ２：２光結合回路
１６１ 反射構造
１６２ａ 遅延制御導波路
１６２ｂ 遅延導波路
１６３ 半透鏡
１６４ 受光器アレイ
１６５ １：２光分岐回路
２０１ 導波路基板
２０５ 光学素子
２０６ 屈折率整合透明接着剤
２０７ 単一モード導波路
２０８ 溝構造
２０９ 金属コーティング
３０１ コヒーレント照明光
３０２ ハーフミラー
３０３ 可動ミラー
３０４ 干渉パタン観測面
３０５ 入力導波路
３０６ １：２光分岐回路
３０７ 屈折率制御部
３０８ 導波路
３０９ ２：１光結合回路
３１０ 出力導波路
【発明の属する技術分野】
本発明は、導波路型光機能素子に関わり、特に、光通信用の波長合分波器、光アイソレータ、干渉計測装置、及び、光通信用の光スイッチに適用して好適な導波路型光機能素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３３は、従来の導波路型光機能素子の構成を示す断面図である。この例は導波路中に溝を形成し、溝に各種光学素子を挿入し、導波路型光機能素子を構成するものである。導波路基板２０１上に、下部クラッド層２０４、コア層２０３、及び、上部クラッド層２０２を順に形成した導波路の溝に光学素子２０５を挿入して屈折率整合透明接着剤２０６で接着固定するものである。
【０００３】
図３４は、別の従来の導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。この例は導波路中に溝を形成し、金属を蒸着してその端面を反射面とするものである。単一モード導波路２０７内に溝構造２０８を形成し、その溝構造２０８の内側に金属コーティング２０９を施す。溝構造２０８は光入射角度が大きい場合は金属コーティング２０９がなくとも全反射ミラーとして機能する。
【０００４】
図３５は、従来の干渉計測光学系の構成を示す上面図である。この干渉計測光学系は、個別の光学部品であるハーフミラー３０２、可動ミラー３０３及び干渉パタン観測面３０４を空間的に配置し、レーザなどの光源からのコヒーレント照明光３０１をハーフミラー３０２で分光して、一方を可動ミラー３０３で反射させ、他方を観測物体で反射させて、ハーフミラー３０２で合波して干渉パタン観測面の干渉を観測することで観測物体までの距離を測定したり、観測物体の表面の形状を計測したりする。実際の計測に際しては、一方の光路長の可変制御のために可動ミラー３０３を電動ステージ等で微動させることで、距離計測などに利用されてきた。
【０００５】
図３６は、従来の光導波路で構成されるマッハツェンダー干渉型光スイッチの構成を示す上面図である。マッハツェンダー干渉型光スイッチは、入力導波路３０５に入力する入力光を１：２光分岐回路３０６で２つに分岐し、一方は屈折率制御部３０７によって屈折率を制御することで光路長を可変制御し、他方はそのまま導波路３０８を介して、それぞれ２：１光結合回路３０９に入力して結合して出力導波路３１０から出力する。このマッハツェンダー干渉系を成す２つのアームを伝搬する光の位相差を制御することによって出力導波路３１０に結合される光強度を制御する。すなわち、石英系導波路においては、導波路基板上の薄膜ヒータから発生する熱量を制御することによって導波路の屈折率を制御し、スイッチ動作を実現する。あるいは、半導体導波路においては、導波路への注入電流量や電界強度を制御することによって導波路の屈折率を制御し、スイッチ動作を実現する。あるいは、ＬｉＮｂＯ３導波路では、進行波型の電極を設けて、電気信号による印加電界と伝搬光の位相整合を行いつつ電界強度を制御することによって導波路の屈折率を制御し、超高速のスイッチ動作を実現する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図３３に示す例では、溝幅ｓが大きくなると急激に接続損失が増大するという問題点がある。また、図３４に示す例では、反射端面を平滑かつ垂直にしないと散乱損失ないし接続損失が非常に大きくなるという問題点がある。また、図３５に示す例では、機械的駆動部分の信頼性が低いために光路長の可変制御の信頼性が低いこと、さらに、コンパクトに装置に組み上げることが困難であることが課題であった。図３６に示す例では、熱効果、電流注入（プラズマ効果）、電界効果の何れの効果を利用しても、屈折率制御量は０．００１程度である。このため、スイッチ動作に必要なπの位相差を実現するためには、１０００λ程度（λは波長）の長さの屈折率制御導波路が必要である。さらに、高速スイッチでは、高電界が利用できないため、屈折率制御量が減り、５０００λ程度の長さの屈折率制御導波路が必要になり、かつ、進行波電界と伝搬光の位相整合が不可欠となる。これらの屈折率制御導波路は、導波路の最小曲げ半径が一般的に数ミリメートルであるため、直線導波路で構成するので寸法が大きくなる。すなわち、従来のマッハツェンダー干渉型光スイッチは小型化が困難であり、高速変調には位相整合が不可欠であった。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑み、光学素子を挿入することによる接続損失を低減し、短い長さの領域に損失が少なく大きな伝搬光路長の遅延導波路を形成することができる導波路型光機能素子を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の導波路型光機能素子は、光導波路が保持される基板と、該基板上に形成され、その法線が前記光導波路面内にある曲面を側面とする曲面溝構造とを備える。
【０００９】
また、前記基板上に形成され、その法線が前記光導波路面内にある平面を側面とする平面溝構造と、前記曲面溝構造又は平面溝構造に挿入されている光学素子とをさらに備えることで、幅広い光学素子の用途に応用することができる。
【００１０】
また、入力光が入射する入力導波路と、該入力導波路からの光が入射するスラブ導波路と、該スラブ導波路内に設けられている第１曲面溝構造と、前記スラブ導波路内に設けられ、該第１曲面溝構造からの光が入射する第１乃至第ｎ（ｎ≧１）平面溝構造と、前記スラブ導波路内に設けられ、該第ｉ（ｉは１≦ｉ≦ｎのいずれか１つ）平面溝構造からの光が入射する第２曲面溝構造と、該第２曲面溝構造からの光が入射して出力光を出射する出力導波路とを備えることで、光の拡散を平面内に抑えられ、損失を小さくすることができる。
【００１１】
また、前記曲面溝構造に挿入されている光学素子は、柔軟なフィルム上に形成された誘電体膜、金属膜、又は、半導体膜であることで、簡易な構成で精度を高くすることができる。
【００１２】
また、少なくとも１つの前記平面溝構造に挿入されている誘電体多層膜をコーティングした基板をさらに備えることで、反射光を減らし損失を小さくすることができる。
【００１３】
また、少なくとも１つの前記平面溝構造に挿入されている平板状の強磁性体をさらに備えることで、簡易な構成で光の偏光方向を変えることができる。
【００１４】
また、少なくとも１つの前記平面溝構造に挿入されている円柱状又はシリンドリカルレンズ形状の強磁性体をさらに備えることで、光の拡散を抑え、損失を小さくすることができる。
【００１５】
また、少なくとも１つの前記平面溝構造に挿入されている球状、半球状又は回転対称面を有する形状の強磁性体をさらに備えることで、さらに光の拡散を抑えて、損失を小さくすることができる。
【００１６】
また、少なくとも１つの前記平面溝構造に挿入されている偏光フィルタ板をさらに備えることで、簡易な構成で光の偏光方向を変えることができる。
【００１７】
また、少なくとも１つの前記平面溝構造にそれぞれ挿入されている偏光分離ミラー板及び１／２波長板をさらに備えることで、簡易な構成で偏光無依存型の導波路光アイソレータを実現することができる。
【００１８】
また、前記入力導波路及び出力導波路が複数の光導波路から構成されていることで、多数の光アイソレータを小型に集積することができる。
【００１９】
また、本発明の導波路型光機能素子は、光導波路が保持される基板と、該基板上に形成される第１光導波路及び第２光導波路と、前記基板上に形成され前記第１光導波路の第１結合端と第２光導波路の第２結合端とを互いに結像関係にある位置に配置して結合する反射構造とを備え、
【００２０】
【数２】
ｗ１：第１結合端Ａにおけるモードフィールド半径
ｗ２：スラブ導波路内１次元ガウシアンビームのミラー反射後のビームウエストにおけるモードフィールド半径
Ｌ１：反射構造と光軸の交わる点Ｂと第１結合端Ａとの間の距離
Ｌ２：スラブ導波路内１次元ガウシアンビームのミラー反射後のビームウエスト位置と点Ｂとの間の距離
Ｒ：点Ｂ近傍における曲率
ｎｅｆｆ：光が伝搬する部分の有効屈折率
ＬＷ：光の波長
とするとき、第２結合端Ｃが点Ｂから距離Ｌ２の位置にあり、かつ、第２導波路のモードフィールド半径がｗ２に等しい。これにより、曲率半径の小さい反射構造での結合効率の低下を抑えることができる。
【００２１】
また、本発明の導波路型光機能素子は、光導波路が保持される基板と、該基板上に形成され、その法線が前記光導波路面内にある曲面を側面とする複数の曲面溝構造と、前記基板において、前記曲面溝構造によって光路変更されることで複数の光路が存在し、該光路の遅延量を制御する遅延制御用領域とを備える。
【００２２】
また、前記曲面溝構造は、光導波路コアを挟み互いに凹凸関係にある２つの曲面溝構造であることで、小さな損失で導波路を小さな曲率で曲げることができる。
【００２３】
また、上記導波路光機能素子を遅延制御導波路として、さらに、該遅延制御導波路の入力端に第１出力端が接続される２：２光結合回路と、前記遅延制御導波路の出力端に接続される反射構造と、前記２：２光結合回路の第２出力端を基板端に接続する出力導波路と、前記２：２光結合回路の入力端を基板端に接続する入力導波路と、を備えることで、干渉測定器を小さくすることができる。
【００２４】
また、上記導波路光機能素子を遅延制御導波路として、さらに、該遅延制御導波路の入力端に第１出力端が接続される２：２光結合回路と、前記遅延制御導波路の出力端に接続される反射構造と、前記２：２光結合回路の第２出力端を基板端に接続する出力導波路と、前記２：２光結合回路の第１及び第２入力端にそれぞれ出力端が接続される第１及び第２波長合分波器と、前記第１及び第２波長合分波器の複数の入力端をそれぞれ基板端に接続する複数の入力導波路とを備えることで、複数の異なる波長に対して計測して正確に測定することができる。
【００２５】
また、上記導波路光機能素子を遅延制御導波路として、さらに、複数の該遅延制御導波路の入力端にそれぞれ出力端が接続される第１波長合分波器と、前記遅延制御導波路の出力端にそれぞれ接続される反射構造と、前記第１波長合分波器の入力端に第１出力端が接続される２：２光結合回路と、該２：２光結合回路の第２出力端を基板端に接続する出力導波路と、前記２：２光結合回路の第１及び第２入力端にそれぞれ出力端が接続される第２及び第３波長合分波器と、前記第２及び第３波長合分波器の複数の入力端をそれぞれ基板端に接続する入力導波路とを備えることで、異なる光源からの光の遅延時間を別々に制御して測定精度の向上が図れる。
【００２６】
また、上記導波路光機能素子を遅延制御導波路として、さらに、２つの該遅延制御導波路の入力端にそれぞれ第１出力端が接続される２つの２：２光結合回路と、２つの前記遅延制御導波路の出力端にそれぞれ接続される反射構造と、前記２：２光結合回路の第２出力端にそれぞれ第１及び第２入力端が接続される波長合分波器と、該波長合分波器の出力端を基板端に接続する出力導波路と、前記２：２光結合回路の入力端をそれぞれ基板端に接続する入力導波路とを備えることで、異なる光源からの光の遅延時間を別々に制御して測定精度の向上が図れる。
【００２７】
また、上記導波路光機能素子を遅延制御導波路として、さらに、２つの該遅延制御導波路の入力端に第１及び第２出力端が接続される１：２光分岐回路と、該１：２光分岐回路の入力端を基板端に接続する入力導波路と、２つの前記遅延制御導波路の出力端に第１及び第２入力端が接続される２：１光結合回路と、該２：１光結合回路の出力端を基板端に接続する出力導波路とを備えることで、マッハツェンダー干渉型光スイッチを小さくすることができる。
【００２８】
また、上記導波路光機能素子を遅延制御導波路として、さらに、２つの該遅延制御導波路の入力端に第１及び第２出力端が接続される第１の２：２光結合回路と、該第１の２：２光結合回路の入力端を基板端に接続する入力導波路と、２つの前記遅延制御導波路の出力端に第１及び第２入力端が接続される第２の２：２光結合回路と、該第２の２：２光結合回路の出力端を基板端に接続する出力導波路とを備えることで、出力端を切り替えるマッハツェンダー干渉型光スイッチを小さくすることができる。
【００２９】
また、上記導波路光機能素子を遅延制御導波路として、さらに、２つの該遅延制御導波路の入力端に第１及び第２出力端が接続される２：２光結合回路と、該２：２光結合回路の入力端を基板端に接続する入力導波路と、２つの前記遅延制御導波路の出力端にそれぞれ接続される反射構造とを備えることで、光が二度、遅延制御導波路を伝搬するため、半分の光路長で同様の効果が得られ、素子の小型化に有効である。
【００３０】
また、上記導波路光機能素子を遅延制御導波路として、さらに、少なくとも１つが該遅延制御導波路である第１及び第２遅延導波路の入力端に第１及び第２出力端が接続される１：２光分岐回路と、該１：２光分岐回路の入力端を基板端に接続する入力導波路と、前記第１及び第２遅延導波路の出力端にそれぞれ接続され該出力端からの出射光をコリメートする第１及び第２反射構造と、第１反射構造からの平行光の一部を観測物体に反射し、反対側からの第２反射構造からの平行光の一部を受光器アレイに反射し、観測物体からの平行光の一部を前記受光器アレイに透過する半透鏡と、該半透鏡を透過して来る観測物体からの平行光を受光し、前記半透鏡を反射して来る第２反射構造からの平行光を受光する受光器アレイとを備えることで、遅延量を変える１回の走査で、１次元上の区間の各点における測定ができるため、計測の高速化が可能になる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００３２】
図１は、本発明の第１実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。本導波路型光機能素子は波長フィルタ機能を有し、導波路基板１０１上に、入力導波路１０２、出力導波路１０３、スラブ導波路１０４、法線が導波路面内にある曲面を側面とする溝構造１０５ａ、ポリマーフィルム上に形成された誘電体多層膜からなる高反射ミラー１０５ｂ、法線が導波路面内にある平面を側面とする溝構造１０７、及び、波長フィルタ板１０８を備える。また、ミラー面の形状を溝に合わせるために、押しつけ用微小物１１８を挿入しても良い。
【００３３】
図２は、第１実施の形態の高反射ミラー周辺の詳細を示す断面図である。高反射ミラー１０５ｂは、誘電体多層膜で構成される高反射ミラー膜１０９、及び、高反射ミラー膜１０９を保持する柔軟なポリマーフィルム基板１１０から成り、導波路とほぼ等しい屈折率を有する接着剤１１１によって上部クラッド層１１２、コア層１１３、及び、下部クラッド層１１４に形成されている溝構造１０５ａに挿入され接着固定されている。溝構造１０５ａの溝は、溝幅２０−３０μｍ、溝深さ２０−５０μｍ程度である。ポリマーフィルム基板１１０としては、膜厚２−２００μｍ程度、好ましくは１０μｍ程度のポリイミド基板、セルロース トリアセテート基板、ポリエステル基板、アクリル基板、ポリオレフィン基板、シリコーン基板、ポリスチレン基板、ラテックス基板、アラミド基板、及び、ポリエチレン基板等のポリマー基板の他に、アルミニウム、金、ニッケル等の金属基板も利用することが可能である。
【００３４】
図３は、第１実施の形態の波長フィルタ板周辺の詳細を示す断面図である。波長フィルタ板１０８は、ガラス基板１１５、誘電体多層膜で構成される波長フィルタ膜１１６、及び、低反射コーティング１１７（ガラス基板１１５とコア層１１３の屈折率差が０．１以上有る場合必要）から成る。この実施の形態を実現するためには、非常に選択比の大きい溝形成が必要であるが、石英系、ポリマー（ポリイミド、ポリメチルメタクリレート、エポキシ、シリコーン等）系、ＬｉＮｂＯ３等の誘電体系の導波路では、反応性イオンエッチング技術、イオンビーム加工技術、又は、レーザ加工技術などを用いることにより実現できる。
【００３５】
第１実施の形態の動作を説明する。入力導波路１０２に入射した光は、入力導波路１０２を伝搬して、スラブ導波路１０４に結合される。スラブ導波路１０４は、基板面に平行な方向の光閉じ込めが行われないため、光はスラブ導波路１０４内で広がりながら伝搬する。溝構造１０５ａ及び高反射ミラー１０５ｂの曲面と基板面との交線で規定される曲線の形状は、高反射ミラー１０５ｂからの反射光をコリメートするための条件から決められる。幾何光学的近軸のもとで、曲率Ｒの曲線の焦点距離はＲ／２であり、入力導波路１０２とスラブ導波路１０４の結合点Ａと曲線上の点Ｂの距離は曲線の曲率をＲとすればＲ／２となる。この配置で、高反射ミラー１０５ｂからの反射光はコリメートされて平行光になる。波長フィルタ板１０８（波長フィルタ膜１１６）は特定の波長のみを透過する機能を持ち、透過光は高反射ミラー１０６ｂで再び集光されて、出力導波路１０３に結合する。波長フィルタ板１０８（波長フィルタ膜１１６）を反射した光は、別の溝構造１０７で遮断される。必要に応じてこの溝構造１０７には光吸収体が挿入される。また、溝構造１０７の端面で不要な迷光が入力導波路１０２や出力導波路１０３に結合しないように、光軸に対して溝構造１０７の側面の法線方向を傾けると良い。傾き角は、入力導波路１０２からスラブ導波路１０４に入射された光の広がり角（半角）以上の大きさにすると良い。本構成では、スラブ導波路１０４内で平行光として、あるいは、スポット径の大きいガウシアンビームとして伝搬するため、溝構造１０７や波長フィルタ板１０８を挿入しても不要な過剰損失を低減することができる。光は伝搬方向に対して水平・垂直の２つの自由度を持ち、片方の自由度の損失に対する寄与が０になるため、本構成を利用することで損失を約半分（デシベル単位）に低減することが可能である。また、高反射ミラー１０５ｂがポリマーフィルム基板１１０をベースにして形成され、屈折率整合した接着剤１１１が充填されているため、溝構造１０５ａの側面が十分に平滑でなくとも、高反射ミラー１０５ｂでの散乱損失がほとんど生じない。
【００３６】
図４は、本発明の第２実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図であり、図５は、その強磁性体周辺の詳細を示す断面図である。本導波路型光機能素子は偏波依存型の導波路光アイソレータであり、ＹＩＧ（イットリウム鉄ガーネット）及びその他のＲＩＧ（希土類鉄ガーネット）等のファラデー効果を有する強磁性体１１９及び偏光フィルタ１２０ａ，１２０ｂを有し、偏光フィルタ１２０ａ，１２０ｂは光の伝搬に垂直な平面での偏光軸が４５度互いに傾いている。なお、強磁性体１１９を磁化するための外部磁界を加える磁石が必要であるが、図面からは省いてある。
【００３７】
入力導波路１０２への入射光が高反射ミラー１０５ｂによってスラブ導波路１０４において平行光になるまでの動作は第１実施の形態と同様である。偏光フィルタ１２０ａに入射する前にスラブ導波路１０４から、屈折率整合した接着剤１１１中へ光が入射される。この光の伝搬方向に対して直交する２つの偏光成分は、極めて良い近似で各々導波路を伝搬する光のＴＥモードとＴＭモードに結合する。例えば、入力導波路１０２へ入射した光がＴＥモードで伝搬して、偏光フィルタ１２０ａの偏光透過軸を導波路基板１０１と平行方向に固定しておけば、偏光フィルタ１２０ａに入射する光の偏光軸は導波路基板１０１と平行になり、ほとんど偏光フィルタ１２０ａを透過して伝搬する。強磁性体１１９に外部磁界を光の伝搬方向と平行に加えておけば、強磁性体１１９を透過した光の偏光面は４５度回転し、再び導波路に結合する際にＴＥモードとＴＭモードをほぼ等しい割合で誘起する。偏光フィルタ１２０ｂに入射する際には強磁性体１１９を透過した偏光状態が再現されるが、偏光フィルタ１２０ｂの偏光透過軸は偏光フィルタ１２０ａに対して４５度傾けてあるので、光は偏光フィルタ１２０ｂでの損失を極小として透過し、再び導波路に結合される。その後、光は高反射ミラー１０６ｂで集光されて出力導波路１０３に結合される。出力導波路１０３側からの反射戻り光は、偏光フィルタ１２０ｂを透過するが、強磁性体１１９によって偏光面がさらに同方向に４５度回転するため、偏光フィルタ１２０ａへ入射する際の偏光軸が導波路基板１０１に垂直になり偏光フィルタ１２０ａでの損失が極大になる。このようにして、本構成は偏波依存性のある導波路型光アイソレータとして機能する。
【００３８】
導波路型アイソレータの利点は、３次元空間にレンズや偏光板、磁性体を配置した構成よりも小型化が容易であること及び他の光回路に集積することが可能になることである。本実施の形態では、導波路中に形成された反射構造を利用し、幅の広い（スポット径の大きい）ビームを形成して、スラブ導波路中を伝搬させて、その間に各光学素子を配置するため、従来よりも損失をほぼ半減させた導波路型アイソレータを構成できる。
【００３９】
図６は、本発明の第３実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。本実施の形態と第２実施の形態の相違点は、ＹＩＧ及びその他のＲＩＧ等のファラデー効果を有する強磁性体１１９を複数の薄い強磁性体１１９に分割している点である。ファラデー素子による偏光面の回転角はその厚みに比例するので、厚みが１／ｋ（ｋは自然数）の強磁性体１１９をｋ枚利用しても同様の動作をすることは明らかである。しかしながら、溝構造が有る場合の溝による損失は溝の厚さに比例するのではなく、指数関数的に増加する。
【００４０】
図７は、強磁性体の分割による損失の低減効果を示すグラフである。ここでは、溝幅の余裕と強磁性体１１９表面でのフレネル反射損を無視している。この計算では、強磁性体１１９のトータルの厚さＬ＝２００μｍと仮定している。分割数ｋが多くなると損失が小さくなることが確認できる。この手法は、本実施の形態以降に説明する実施の形態においても適用可能である。
【００４１】
図８は、本発明の第４実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図であり、図９は、その強磁性体周辺の詳細を示す断面図である。本実施の形態と第２実施の形態の相違点は、ＹＩＧ及びその他のＲＩＧ等のファラデー効果を有する強磁性体１２１を円柱形状としたことである。一般に強磁性体１２１は、石英やポリマー導波路材料とそれに整合する接着剤よりも高屈折率であるため、円柱形状とすることによりシリンドリカルレンズとして機能する。円柱形状でなく、平凸、両凸形状のシリンドリカルレンズに加工しても良いが、ここでは、容易に加工・固定できる円柱形状とする。光ファイバに整合する単一モード導波路では、コアとクラッドの屈折率差比が小さいので、レンズの収差はそれ程接続損失には影響しない。強磁性体１２１を定位置に固定しやすいように、溝の底には別の凹状の溝あるいはＶ字形状の溝を形成しても良い。本構成では、拡散した光を強磁性体１２１によって収束させるので、強磁性体１２１を挿入することによる損失をほぼ零とすることが可能である。
【００４２】
図１０は、本発明の第５実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。本実施の形態と第２実施の形態の相違点は、入力導波路１２２及び出力導波路１２３を複数の導波路とした点である。他の実施の形態にも適用可能であることは言うまでもない。本構成では、複数の入出力が行われることで多数の光アイソレータを小型に集積することが可能になる。導波路型ではない光アイソレータをアレイ化することは、入出力の光ファイバアレイ間隔が最小１２５μｍ、通常２５０μｍであり、多数の入出力を具備すると大型の光学部品が必要になるため事実上不可能である。すなわち、ファイバアレイ間を一組のレンズで高効率に結合するためには、アレイの端から端までの長さをレンズ直径の１／２０程度にする必要があるため大型のレンズが必要になる。また、各々のファイバにレンズを付ける場合は、各レンズの直径を２−３ｍｍ程度にする必要があり、ファイバ間隔を広げるため大型のファイバアレイが必要となる。
【００４３】
図１１は、本発明の第６実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。本導波路型光機能素子は、偏光無依存型の導波路光アイソレータであり、ＹＩＧ及びその他のＲＩＧ等のファラデー効果を有する強磁性体１１９ａ，１１９ｂ、１／２波長板１２４ａ，１２４ｂ、偏光分離ミラー板１２５ａ，１２５ｂ、及び、高反射ミラー１２６ａ，１２６ｂを備える。本構成では、偏光分離ミラー板１２５ａにおいて、入射光の直交する偏光成分、すなわち導波路中のＴＥ及びＴＭ波が分離される。ＴＥ波は透過し、偏光面が１／２波長板１２４ａによって進行方向に対して右に４５度回転される。次に強磁性体１１９ａによってさらに偏光面が右に４５度回転され、ＴＭ波に変換されて伝搬する。高反射ミラー１２６ａで反射され、偏光分離ミラー板１２５ｂではＴＭ波なので反射される。同様に入力導波路１０２を伝搬するＴＭ波は偏光分離ミラー板１２５ａで反射され高反射ミラー１２６ｂで反射され１／２波長板１２４ｂで偏光面が右に４５度回転され、さらに強磁性体１１９ｂで偏光面が右に４５度回転されてＴＥ波に変換されて偏光分離ミラー板１２５ｂを透過し、別の経路を辿った光と合波される。出力導波路１０３側からの反射戻り光は、偏光分離ミラー板１２５ｂで分離されて強磁性体１１９ａ，１１９ｂ、及び、１／２波長板１２４ａ，１２４ｂを透過するが、偏光面の回転がキャンセルされるため、偏光分離ミラー板１２５ａにおいて、それぞれ反射、透過して入力導波路１０２には結合しない。すなわち、偏光無依存型の導波路光アイソレータとして機能する。
【００４４】
図１２は、本発明の第７実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図であり、図１３は、その断面図である。本実施の形態と第４の実施の形態の相違点は、ＹＩＧ及びその他のＲＩＧ等のファラデー効果を有する強磁性体１２７を２つの球状としたことである。球状以外にも、半球状などの光軸に対して回転対称性を持つ曲面を表面とする形状でも良いことは言うまでもない。球状に研磨することは、ベアリング等の高精度加工技術が適用できるため構成が容易になる。また、固定するためにＶ型や凹型の溝を設けると良い。
【００４５】
図１４は、本発明の第８実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図であり、図１５は、その断面図である。本実施の形態では、球状等の回転対称性を持つ曲面を表面とする形状に加工した強磁性体１２７が導波路基板１０１に平行及び垂直の２つの軸に対してレンズ機能を持つので、２つの単一モード光導波路１２８間に挿入することも可能である。この構成では、位置合わせ精度を高くすれば、容易に光回路中に強磁性体１２７を挿入することが可能になる。
【００４６】
図１６は、本発明の第９実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。本実施の形態に示す構成は、反射構造を利用した光結合回路の結合効率を高める構成である。従来の幾何光学的近似によれば、入射結合点及び出射結合点を楕円の焦点とする、楕円ミラーを利用する構成が最も良いと考えられる。しかしながら、より精度の高い結像条件は、第１の導波路から出射した光が、スラブ導波路面内では、出射端にビームウエストがあり、ビームスポット半径が結合端におけるモードフィールド半径に等しい１次元のガウシアンビームであると仮定して求めることができる。スラブ導波路面に垂直な方向成分は、常に単一モード条件が満たされ、モードフィールド径が変化しないので結合効率は１００％であり、考慮する必要はない。曲率半径Ｒのミラーが近軸近似で、焦点距離ｆ＝Ｒ／２の結像素子であることを利用すれば、楕円ミラーの場合も含み、一般的に
【００４７】
【数３】
ｗ１：第１結合端Ａにおけるモードフィールド半径
ｗ２：スラブ導波路内１次元ガウシアンビームのミラー反射後のビームウエストにおけるモードフィールド半径
Ｌ１：反射構造と光軸の交わる点Ｂと第１結合端Ａとの間の距離
Ｌ２：スラブ導波路内１次元ガウシアンビームのミラー反射後のビームウエスト位置と点Ｂとの間の距離
Ｒ：点Ｂ近傍における曲率
ｎｅｆｆ：光が伝搬する部分の有効屈折率
ＬＷ：光の波長
となる。２つのガウシアンビームの結合効率は、ビームウエスト位置とビームスポット半径が一致するときに最大となる。すなわち、第２結合端Ｃを、点Ｂから距離Ｌ２の位置に配置し、かつ、第２の導波路のモードフィールド半径をｗ２に等しくするとき、最大の結合効率が得られることを見いだした。
【００４８】
図１７は、反射構造の曲率半径と結合効率との関係を示すグラフである。従来の幾何光学的近似に基づく設計による構成と、本実施の形態による構成の場合の結合効率を計算した結果を示している。計算の前提は、ｗ１＝５μｍ、入出力導波路間距離５００μｍ、ｎｅｆｆ＝１．５３４、ＬＷ＝１．５５μｍ、入力側と出力側が対称な構成であるとした。図から明らかなように、反射構造の曲率半径を小さくしていくと、幾何光学近似ではＲ／２＝２００μｍ近傍から結合効率が低下してくるのに対し、本実施の形態ではＲ／２＝８０μｍ近傍まで結合効率が低下しないことが分かる。そして、本実施の形態ではＲ／２＝６０〜２００μｍで従来よりも優れた結合効率を実現することができる。
【００４９】
図１８は、本発明の第１０実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。本実施の形態は全体として干渉測定器１３９を構成しており、導波路基板１０１、入力導波路１０２、出力導波路１０３、方向性結合器又はマルチモード干渉結合器１３１、導波路１３２，１３３、遅延制御導波路１３４、反射構造１３５、レンズ１３６、半導体レーザ１３７、及び、受光器１３８を備える。干渉測定の原理は以下の通りである。半導体レーザ１３７から出射されたコヒーレント光は入力導波路１０２を介して方向性結合器１３１の入力端Ｐに入力され、出力端Ｒと出力端Ｓに分岐して出力される。出力端Ｒから出力される分岐光は導波路１３２を経て反射構造１３５で反射され再び導波路１３２を経て方向性結合器１３１に出力端Ｒから入力される。別の出力端Ｓから出力される分岐光は導波路外部に接続され、レンズ１３６を介して観測物体に照射され、反射光の一部は再びレンズ１３６を介して導波路１３３に接続され出力端Ｓに戻る。
【００５０】
２つの戻り光は、光路差が半導体レーザ１３７のコヒーレント長よりも短ければ干渉し、入力端Ｑからの出力は光路差を制御すると、波長の単位で変動する。これを利用して物体までの距離を、波長を単位として計測することが可能になる。光路差の制御のために遅延制御導波路１３４が利用される。干渉測定器１３９を移動させれば物体上の一点を基準として相対的な距離を計測することによって物体形状を計測できる。勿論、レンズ１３６を介さずに、光ファイバ等で観測用の光を導波すれば、干渉測定器１３９全体を動かすことなく、光ファイバの先端を駆動して計測することが可能であることは言うまでもない。あるいは物体を微動ステージ上で駆動しても良い。
【００５１】
さらに、半導体レーザ１３７の発振波長を制御すれば、複数の異なる波長に対して計測することによって正確に測定することができる。また、複数の目盛りがあるので波長の最小公倍数程度の大型の物体形状の計測にも有効である。
【００５２】
さらに、コヒーレント光でなく、インコヒーレント光（コヒーレント長が数ミクロンから数十ミクロン程度）を利用する干渉計測にも適用可能である。この場合は可干渉長が非常に短いことを利用して、物質界面からの反射光を検出し層構造等を測定するので、出力端Ｒから反射構造１３５までの光路長と出力端Ｓから物体までの光路長をほぼ一致させておく必要がある。インコヒーレント光源にはスーパールミネッセントダイオードなどを利用する。
【００５３】
図１９は、遅延制御導波路の第１の例の構成を示す上面図である。本実施の形態の最大の特徴は、遅延制御導波路１３４の構成にある。本第１の例の遅延制御導波路１３４は、導波路１３２、スラブ導波路１４１、ミラー１０５、及び、遅延制御用領域１４３を備える。遅延制御用領域１４３は、例えば、石英導波路であれば、薄膜ヒータである。半導体導波路であれば、電流注入ないし電界印加用電極であり、裏面にはもう一方の電極が設けられる。また、ＬｉＮｂＯ３等の誘電体導波路であれば、コプレーナ線路あるいはストリップ線路型の電極が設けられる場合もある。通常の導波路では、最小曲げ半径は５ｍｍ程度であるため、そのまま本例に示すようなつづら折りの導波路を作成すると数ｃｍ角の大きさになり実用的ではない。ところが、本例に示すように導波路中にミラーを構成して光路変更すれば、０．０５〜０．５ｍｍ間隔で並列する単一モード導波路間を接続することができるので、つづら折りの光回路を短い長さの領域に構成することができる。ミラー１０５は、端面が垂直になるようにドライエッチングを行い、エッチング端面にアルミニウムや金、銀等の金属膜を蒸着やスパッタリングによって堆積して形成しても良い。例えば、つづら折り導波路間隔を０．１ｍｍ、導波路直線部長を１ｍｍとすれば、約１ｍｍ×１ｍｍの領域に全長１０ｍｍの導波路を配置することができる。
【００５４】
図２０は、遅延制御導波路の第２の例の構成を示す上面図である。本第２の例の遅延制御導波路１３４は、渦巻き状に導波路１３２を形成し、中心部の曲率の小さくなる部分にスラブ導波路１４１とミラー１４２によりつづら折り導波路を配置するものであり、いたずらにミラー１４２の数を増やすことなく、面積の無駄なく遅延制御導波路１３４を形成することができる。例えば、コア径を０．０１ｍｍ、導波路間隔を０．０５ｍｍとすれば、半径１ｃｍの領域に５ｍ程度の遅延導波路を形成できる。導波路の有効屈折率を１．５、その温度依存性を５×１０−５［１／℃］、温度制御を２０℃とすれば、最大遅延制御量は片道で５ｍｍにも及ぶ。すなわち、図１８に示すような干渉測定器１３９に利用すれば、１０ｍｍ程度の段差までの表面凹凸形状を計測できる。勿論、導波路１３３の途中にも遅延導波路を形成すれば、近い位置の観測物体も計測できる。
【００５５】
図２１は、遅延制御導波路の第３の例の構成を示す上面図である。本第３の例の遅延制御導波路１３４は、全体を大型のスラブ導波路１４１とし、そのスラブ導波路１４１の中に複数のミラー１３４を設けて、これらミラー１３４間を往復する光路の領域を遅延制御用領域１４３として、ここには単一モードの導波路１３２を配置しないものである。単一モード導波路への接続における損失が無くなるので低損失化が可能である。
【００５６】
図２２及び図２３は、遅延制御導波路の第４の例の構成を示す上面図及びその一部断面図である。本第４の例の遅延制御導波路１３４は、ミラーを利用しない低損失な曲率の小さい曲げ構造とそれを利用したつづら折り導波路によって構成されている。導波路１３２は曲率の小さい曲げ構造部分において互いに凹凸関係にある溝構造１４５によって挟まれることで低損失になるようにしている。図２３は、図２２のＡ−Ａ’の断面図である。このように、導波路基板１０１上において導波路コア１４６及び導波路クラッド１４７を溝構造１４５で両側から挟む構造になっている。溝構造１４５の側面には、金属膜を堆積してミラーとしても良い。本構成は、曲げ部分周辺にのみ溝構造を設けて導波路への光閉じ込めを強くし、曲げ損失を減らすものである。
【００５７】
図２４及び図２５は遅延制御導波路の第５の例の構成を示す上面図及びその一部拡大図である。本第５の例の遅延制御導波路１３４は、別のミラーを利用しない低損失な曲率の小さい曲げ構造とそれを利用したつづら折り導波路によって構成されている。導波路１３２は曲率の小さい曲げ構造部分において互いに凹凸関係にある微小な穴１４８の領域によって挟まれることで低損失になるようにしている。図２５は、図２４の領域Ｂの部分の拡大図である。このように、導波路コア１４６周辺に波長よりも寸法の小さい微小な穴１４８（円筒形）を沢山設けることによって導波路１３２への光閉じ込めを強くし、曲げ損失を減らすものである。
【００５８】
図２６は、本発明の第１１実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。本実施の形態の干渉測定器１３９は、半導体レーザ１５０ａ，１５０ｂ、受光器１５１ａ，１５１ｂ、及び、異なる波長の光を合波し、また、異なる波長の光に分波する波長合分波器１５２をさらに備える。半導体レーザ１５０ａと半導体レーザ１５０ｂの発振波長は僅かに異なるので、複数の異なる波長に対して計測することによって正確に測定することができる。また、複数の目盛りがあることになるので波長の最小公倍数程度の大型の物体形状の計測にも有効である。
【００５９】
図２７は、本発明の第１２実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。本実施の形態の干渉測定器１３９は、方向性結合器又はマルチモード干渉結合器１３１の出力端Ｒからの光を波長合分波器１５２によって異なる波長に分波してそれぞれの遅延を遅延制御導波路１３４で制御するものである。
【００６０】
図２８は、本発明の第１３実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。本実施の形態の干渉測定器１３９は、方向性結合器１３１を２つ備え、異なる波長に対してそれぞれの遅延を遅延制御導波路１３４で制御するものである。
【００６１】
これら第１２及び第１３実施の形態は、異なる光源からの光の遅延時間を別々に制御することが可能である。装置構成は複雑になるが、測定の精度の向上が図れる。
【００６２】
図２９は、本発明の第１４実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。本実施の形態はマッハツェンダー干渉型光スイッチを構成するものであり、入力導波路１５３、１：２光分岐回路１５４、導波路１５５，１５６、遅延制御導波路１５７ａ，１５７ｂ、２：１光結合回路１５８、及び、出力導波路１５９を備える。本実施の形態のマッハツェンダー干渉型光スイッチは非常に長い遅延制御導波路１５７ａ，１５７ｂをコンパクトに導波路上に搭載することができるため、通常のマッハツェンダー干渉型光スイッチと比較して次のような利点がある。（１）低速信号用（ビットレート＜１Ｇｂｉｔ／ｓ程度）のスイッチを熱効果による屈折率制御方法で構成する場合、遅延制御導波路１５７ａと遅延制御導波路１５７ｂの遅延時間差を信号ビット幅の５％程度を上限に非常に長くすることによって、スイッチ全体の温度を制御してスイッチングを行うことができる。例えば、遅延制御導波路１５７ａと遅延制御導波路１５７ｂの遅延時間差を０．５ｎｓ（石英系導波路の場合、距離に換算して１ｃｍ程度）とすると、等化屈折率温度依存性を５×１０−５［１／℃］とすれば、温度を１度制御してスイッチングが可能である。チップにヒータ電極を設けずに全体の温度制御でスイッチ動作が可能であるため低コストなスイッチングが可能となる。（２）高速信号用のスイッチ、あるいは高速スイッチングを行うスイッチにおいては、遅延制御導波路１５７ａと遅延制御導波路１５７ｂの光路長差は０か多くても数波長程度に設定される。遅延制御導波路１５７ａと遅延制御導波路１５７ｂの光路長を従来の５０００λ程度とすれば、従来直線で５ｍｍ程度の長さが必要であったが、０．５ｍｍ角程度の領域につづら折りに形成することが可能になり、スイッチを小型化することができる。また、制御電極長が短くなるため、電極に印加される高周波電界と伝搬光の位相の整合が不要になり、スイッチ構成が簡易になる。あるいは、遅延制御導波路１５７ａと遅延制御導波路１５７ｂの光路長を５００００λ程度（１０倍）とすれば、印加電圧を１／１０に低減することが可能である。
【００６３】
図３０は、本発明の第１５実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。本実施の形態のマッハツェンダー干渉型光スイッチは、入力導波路１５３、２：２光結合回路１６０、遅延制御導波路１５７ａ，１５７ｂ、及び、出力導波路１５９ａ，１５９ｂを備える。本実施の形態は、信号をオンオフするのではなく、出力導波路１５９ａ又は出力導波路１５９ｂのどちらに出力するかを切り替えるスイッチである。
【００６４】
図３１は、本発明の第１６実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。本実施の形態のマッハツェンダー干渉型光スイッチは、入力導波路１５３、２：２光結合回路１６０、導波路１５５，１５６、遅延制御導波路１５７ａ，１５７ｂ、反射構造１６１、及び、出力導波路１５９ｃを備える。本実施の形態は、入力導波路１５３又は出力導波路１５９ｃのどちらに出力するかを切り替えるスイッチである。この構成では、切り替えた出力の一方は入力導波路１５３から出力されるため、入力導波路１５３の手前に光サーキュレータを接続する必要がある。本実施の形態は第１５実施の形態（図３０参照）の構成を反射構造１６１によって折り返した構成である。光が二度、遅延制御導波路１５７ａ，１５７ｂを伝搬するため、半分の光路長で同様の効果が得られ、素子の小型化に有効である。
【００６５】
図３２は、本発明の第１７実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。本実施の形態の干渉測定器１３９は、干渉測定系を１次元に拡張した構成である。半導体レーザ１５０から入射した光は１：２光分岐回路１６５で分岐され、一方は可変遅延機能を持つ遅延制御導波路１６２ａに、もう一方は、遅延導波路１６２ｂに導かれる。用途に応じて遅延導波路１６２ｂにも可変機能を付加しても良い。遅延制御導波路１６２ａ及び遅延導波路１６２ｂを出射した光はそれぞれスラブ導波路１０４内で広がり、反射構造１０５，１０６によって平行光にされる。遅延制御導波路１６２ａ−反射構造１０５−半透鏡１６３−観測物体−半透鏡１６３−受光器アレイ１６４と伝搬する光と、遅延導波路１６２ｂ−反射構造１０６−半透鏡１６３−受光器アレイ１６４と伝搬する光の干渉光強度を受光器アレイ１６４で観測する。この際、例えば反射構造１０５−半透鏡１６３−反射構造１０６と伝搬する光が遅延導波路１６２ｂに入射することがないように、遅延制御導波路１６２ａ及び遅延導波路１６２ｂを配置する。本実施の形態の場合は、可変遅延機能を持つ遅延制御導波路１６２ａの遅延量を変える１回の走査で、受光器アレイ１６４により１次元上の区間の各点における測定ができるため、計測の高速化が可能になる。
【００６６】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。
【００６７】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
【００６８】
第１の効果は、柔軟なフィルム上に堆積された高反射ミラーを溝構造に挿入することによって、低損失な反射構造をスラブ導波路内に設けることができることである。
【００６９】
第２の効果は、基板厚に比例した効果を持つ光学部品（例えば、ファラデー素子、波長板等）を基板厚の総計を一定にしたまま分割して導波路内に挿入することによって、集積に伴う損失を低減することが可能なことである。
【００７０】
第３の効果は、第１の効果から生じるものであるが、スラブ導波路内で幅の広い（スポット径の大きい）平行ビームを低損失に形成し、この平行ビームが伝搬するスラブ導波路内に設けた溝構造に光学部品を挿入することで、導波路が存在しない溝部分と光学部品部分を透過して再び導波路に結合する際の損失を半減することができることである。
【００７１】
第４の効果は、ファラデー効果を有するＹＩＧ等の材料自体を、円柱状や球状に加工してレンズ機能を持たせることによって、これらの材料を低損失に導波路内にハイブリッド集積できることである。
【００７２】
これらの第１から第４に至るミクロな効果を各種光導波回路に利用することによって次のようなマクロな効果を生み出す。
【００７３】
第５の効果は、低損失な導波路型光アイソレータや光波長フィルタを構成できるようになることである。導波路型アイソレータは従来の微小光学を利用したアイソレータよりも小型であり、特にアレイにする場合にはその効果は顕著である。また、導波路内にアイソレータを組み込むことが出来れば、導波回路内に集積されたレーザや増幅器を安定に動作させることが可能になる。さらに、小規模な波長合分波回路に適用すれば、従来のアレイ導波路回折格子よりも小型で低損失な波長合分波回路を実現することができる。
【００７４】
第６の効果は、非常に長い遅延線を導波路基板上に搭載できるので、従来、個別の部品を配置して構成していた干渉光学系を導波路基板上に構成することができる。また、遅延制御量が大きいため機械的にミラーを駆動することなく、段差のある凹凸形状の計測が容易になる。
【００７５】
第７の効果は、非常に長い遅延線を導波路基板上に搭載できるので、チップ全体の温度制御を行って駆動する光スイッチを構成することが可能になる。
【００７６】
第８の効果は、遅延線を導波路基板上に折り曲げてコンパクトに搭載できるので、光スイッチを小型化することが可能になる。
【００７７】
第９の効果は、遅延線を導波路基板上に折り曲げてコンパクトに搭載できるので、光スイッチの駆動電圧を低減することが可能になる。
【００７８】
第１０の効果は、遅延線を導波路基板上に折り曲げてコンパクトに搭載できるので、光スイッチを駆動するための高周波電界と伝搬光の位相整合が不要になり、スイッチ構成が簡易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図２】第１実施の形態の高反射ミラー周辺の詳細を示す断面図である。
【図３】第１実施の形態の波長フィルタ板周辺の詳細を示す断面図である。
【図４】本発明の第２実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図５】本発明の第２実施の形態による導波路型光機能素子の強磁性体周辺の詳細を示す断面図である。
【図６】本発明の第３実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図７】強磁性体の分割による損失の低減効果を示すグラフである。
【図８】本発明の第４実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図９】本発明の第４実施の形態による導波路型光機能素子の強磁性体周辺の詳細を示す断面図である。
【図１０】本発明の第５実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図１１】本発明の第６実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図１２】本発明の第７実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図１３】本発明の第７実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す断面図である。
【図１４】本発明の第８実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図１５】本発明の第８実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す断面図である。
【図１６】本発明の第９実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図１７】反射構造の曲率半径と結合効率との関係を示すグラフである。
【図１８】本発明の第１０実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図１９】遅延制御導波路の第１の例の構成を示す上面図である。
【図２０】遅延制御導波路の第２の例の構成を示す上面図である。
【図２１】遅延制御導波路の第３の例の構成を示す上面図である。
【図２２】遅延制御導波路の第４の例の構成を示す上面図である
【図２３】遅延制御導波路の第４の例の構成を示す一部断面図である。
【図２４】遅延制御導波路の第５の例の構成を示す上面図である
【図２５】遅延制御導波路の第５の例の構成を示す一部拡大図である。
【図２６】本発明の第１１実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図２７】本発明の第１２実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図２８】本発明の第１３実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図２９】本発明の第１４実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図３０】本発明の第１５実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図３１】本発明の第１６実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図３２】本発明の第１７実施の形態による導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図３３】従来の導波路型光機能素子の構成を示す断面図である。
【図３４】別の従来の導波路型光機能素子の構成を示す上面図である。
【図３５】従来の干渉計測光学系の構成を示す上面図である。
【図３６】従来の光導波路で構成されるマッハツェンダー干渉型光スイッチの構成を示す上面図である。
【符号の説明】
１０１ 導波路基板
１０２ 入力導波路
１０３ 出力導波路
１０４ スラブ導波路
１０５，１３４ ミラー
１０５ａ，１０７ 溝構造
１０５ｂ，１０６ｂ，１２６ 高反射ミラー
１０８ 波長フィルタ板
１０９ 高反射ミラー膜
１１０ ポリマーフィルム基板
１１１ 接着剤
１１２，２０２ 上部クラッド層
１１３，２０３ コア層
１１４，２０４ 下部クラッド層
１１５ ガラス基板
１１６ 波長フィルタ膜
１１７ 低反射コーティング
１１８ 押しつけ用微小物
１１９，１２１ 強磁性体
１２０ 偏光フィルタ
１２２ 入力導波路
１２３ 出力導波路
１２４ １／２波長板
１２５ 偏光分離ミラー板
１２７ 強磁性体
１２８ 単一モード光導波路
１３１ 方向性結合器又はマルチモード干渉結合器
１３２，１３３ 導波路
１３４ 遅延制御導波路
１３５ 反射構造
１３６ レンズ
１３７ 半導体レーザ
１３８ 受光器
１３９ 干渉測定器
１４１ スラブ導波路
１４２ ミラー
１４３ 遅延制御用領域
１４５ 溝構造
１４６ 導波路コア
１４７ 導波路クラッド
１４８ 穴
１５０ａ，１５０ｂ 半導体レーザ
１５１ａ 受光器
１５２ 波長合分波器
１５３ 入力導波路
１５４ １：２光分岐回路
１５５，１５６ 導波路
１５７ａ，１５７ｂ 遅延制御導波路
１５８ ２：１光結合回路
１５９，１５９ａ，１５９ｂ，１５９ｃ 出力導波路
１６０ ２：２光結合回路
１６１ 反射構造
１６２ａ 遅延制御導波路
１６２ｂ 遅延導波路
１６３ 半透鏡
１６４ 受光器アレイ
１６５ １：２光分岐回路
２０１ 導波路基板
２０５ 光学素子
２０６ 屈折率整合透明接着剤
２０７ 単一モード導波路
２０８ 溝構造
２０９ 金属コーティング
３０１ コヒーレント照明光
３０２ ハーフミラー
３０３ 可動ミラー
３０４ 干渉パタン観測面
３０５ 入力導波路
３０６ １：２光分岐回路
３０７ 屈折率制御部
３０８ 導波路
３０９ ２：１光結合回路
３１０ 出力導波路
Claims (22)
- 光導波路が保持される基板と、
該基板上に形成され、その法線が前記光導波路面内にある曲面を側面とする曲面溝構造と
を備えることを特徴とする導波路型光機能素子。 - 前記基板上に形成され、その法線が前記光導波路面内にある平面を側面とする平面溝構造と、
前記曲面溝構造又は平面溝構造に挿入されている光学素子と
をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の導波路型光機能素子。 - 入力光が入射する入力導波路と、
該入力導波路からの光が入射するスラブ導波路と、
該スラブ導波路内に設けられている第１曲面溝構造と、
前記スラブ導波路内に設けられ、該第１曲面溝構造からの光が入射する第１乃至第ｎ（ｎ≧１）平面溝構造と、
前記スラブ導波路内に設けられ、該第ｉ（ｉは１≦ｉ≦ｎのいずれか１つ）平面溝構造からの光が入射する第２曲面溝構造と、
該第２曲面溝構造からの光が入射して出力光を出射する出力導波路と
を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の導波路型光機能素子。 - 前記曲面溝構造に挿入されている光学素子は、柔軟なフィルム上に形成された誘電体膜、金属膜、又は、半導体膜であることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の導波路型光機能素子。
- 少なくとも１つの前記平面溝構造に挿入されている誘電体多層膜をコーティングした基板をさらに備えることを特徴とする請求項４記載の導波路型光機能素子。
- 少なくとも１つの前記平面溝構造に挿入されている平板状の強磁性体をさらに備えることを特徴とする請求項４記載の導波路型光機能素子。
- 少なくとも１つの前記平面溝構造に挿入されている円柱状又はシリンドリカルレンズ形状の強磁性体をさらに備えることを特徴とする請求項４記載の導波路型光機能素子。
- 少なくとも１つの前記平面溝構造に挿入されている球状、半球状又は回転対称面を有する形状の強磁性体をさらに備えることを特徴とする請求項４記載の導波路型光機能素子。
- 少なくとも１つの前記平面溝構造に挿入されている偏光フィルタ板をさらに備えることを特徴とする請求項６乃至８いずれかに記載の導波路型光機能素子。
- 少なくとも１つの前記平面溝構造にそれぞれ挿入されている偏光分離ミラー板及び１／２波長板をさらに備えることを特徴とする請求項６乃至８いずれかに記載の導波路型光機能素子。
- 前記入力導波路及び出力導波路が複数の光導波路から構成されていることを特徴とする請求項４乃至１０いずれかに記載の導波路型光機能素子。
- 光導波路が保持される基板と、
該基板上に形成される第１光導波路及び第２光導波路と、
前記基板上に形成され前記第１光導波路の第１結合端と第２光導波路の第２結合端とを互いに結像関係にある位置に配置して結合する反射構造と
を備え、
ｗ１：第１結合端Ａにおけるモードフィールド半径
ｗ２：スラブ導波路内１次元ガウシアンビームのミラー反射後のビームウエストにおけるモードフィールド半径
Ｌ１：反射構造と光軸の交わる点Ｂと第１結合端Ａとの間の距離
Ｌ２：スラブ導波路内１次元ガウシアンビームのミラー反射後のビームウエスト位置と点Ｂとの間の距離
Ｒ：点Ｂ近傍における曲率
ｎｅｆｆ：光が伝搬する部分の有効屈折率
ＬＷ：光の波長
とするとき、第２結合端Ｃが点Ｂから距離Ｌ２の位置にあり、かつ、第２導波路のモードフィールド半径がｗ２に等しいことを特徴とする導波路型光機能素子。 - 光導波路が保持される基板と、
該基板上に形成され、その法線が前記光導波路面内にある曲面を側面とする複数の曲面溝構造と、
前記基板において、前記曲面溝構造によって光路変更されることで複数の光路が存在し、該光路の遅延量を制御する遅延制御用領域と
を備えることを特徴とする導波路型光機能素子。 - 前記曲面溝構造は、光導波路コアを挟み互いに凹凸関係にある２つの曲面溝構造であることを特徴とする請求項１３記載の導波路光機能素子。
- 請求項１３又は１４記載の導波路光機能素子を遅延制御導波路として、さらに、
該遅延制御導波路の入力端に第１出力端が接続される２：２光結合回路と、
前記遅延制御導波路の出力端に接続される反射構造と、
前記２：２光結合回路の第２出力端を基板端に接続する出力導波路と、
前記２：２光結合回路の入力端を基板端に接続する入力導波路と、
を備えることを特徴とする導波路型光機能素子。 - 請求項１３又は１４記載の導波路光機能素子を遅延制御導波路として、さらに、
該遅延制御導波路の入力端に第１出力端が接続される２：２光結合回路と、
前記遅延制御導波路の出力端に接続される反射構造と、
前記２：２光結合回路の第２出力端を基板端に接続する出力導波路と、
前記２：２光結合回路の第１及び第２入力端にそれぞれ出力端が接続される第１及び第２波長合分波器と、
前記第１及び第２波長合分波器の複数の入力端をそれぞれ基板端に接続する複数の入力導波路と
を備えることを特徴とする導波路型光機能素子。 - 請求項１３又は１４記載の導波路光機能素子を遅延制御導波路として、さらに、
複数の該遅延制御導波路の入力端にそれぞれ出力端が接続される第１波長合分波器と、
前記遅延制御導波路の出力端にそれぞれ接続される反射構造と、
前記第１波長合分波器の入力端に第１出力端が接続される２：２光結合回路と、
該２：２光結合回路の第２出力端を基板端に接続する出力導波路と、
前記２：２光結合回路の第１及び第２入力端にそれぞれ出力端が接続される第２及び第３波長合分波器と、
前記第２及び第３波長合分波器の複数の入力端をそれぞれ基板端に接続する入力導波路と
を備えることを特徴とする導波路型光機能素子。 - 請求項１３又は１４記載の導波路光機能素子を遅延制御導波路として、さらに、
２つの該遅延制御導波路の入力端にそれぞれ第１出力端が接続される２つの２：２光結合回路と、
２つの前記遅延制御導波路の出力端にそれぞれ接続される反射構造と、
前記２：２光結合回路の第２出力端にそれぞれ第１及び第２入力端が接続される波長合分波器と、
該波長合分波器の出力端を基板端に接続する出力導波路と、
前記２：２光結合回路の入力端をそれぞれ基板端に接続する入力導波路と
を備えることを特徴とする導波路型光機能素子。 - 請求項１３又は１４記載の導波路光機能素子を遅延制御導波路として、さらに、
２つの該遅延制御導波路の入力端に第１及び第２出力端が接続される１：２光分岐回路と、
該１：２光分岐回路の入力端を基板端に接続する入力導波路と、
２つの前記遅延制御導波路の出力端に第１及び第２入力端が接続される２：１光結合回路と、
該２：１光結合回路の出力端を基板端に接続する出力導波路と
を備えることを特徴とする導波路型光機能素子。 - 請求項１３又は１４記載の導波路光機能素子を遅延制御導波路として、さらに、
２つの該遅延制御導波路の入力端に第１及び第２出力端が接続される第１の２：２光結合回路と、
該第１の２：２光結合回路の入力端を基板端に接続する入力導波路と、
２つの前記遅延制御導波路の出力端に第１及び第２入力端が接続される第２の２：２光結合回路と、
該第２の２：２光結合回路の出力端を基板端に接続する出力導波路と
を備えることを特徴とする導波路型光機能素子。 - 請求項１３又は１４記載の導波路光機能素子を遅延制御導波路として、さらに、
２つの該遅延制御導波路の入力端に第１及び第２出力端が接続される２：２光結合回路と、
該２：２光結合回路の入力端を基板端に接続する入力導波路と、
２つの前記遅延制御導波路の出力端にそれぞれ接続される反射構造と
を備えることを特徴とする導波路型光機能素子。 - 請求項１３又は１４記載の導波路光機能素子を遅延制御導波路として、さらに、
少なくとも１つが該遅延制御導波路である第１及び第２遅延導波路の入力端に第１及び第２出力端が接続される１：２光分岐回路と、
該１：２光分岐回路の入力端を基板端に接続する入力導波路と、
前記第１及び第２遅延導波路の出力端にそれぞれ接続され該出力端からの出射光をコリメートする第１及び第２反射構造と、
第１反射構造からの平行光の一部を観測物体に反射し、反対側からの第２反射構造からの平行光の一部を受光器アレイに反射し、観測物体からの平行光の一部を前記受光器アレイに透過する半透鏡と、
該半透鏡を透過して来る観測物体からの平行光を受光し、前記半透鏡を反射して来る第２反射構造からの平行光を受光する受光器アレイと
を備えることを特徴とする導波路型光機能素子。
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| JP2007148150A (ja) * | 2005-11-29 | 2007-06-14 | Mitsubishi Electric Corp | 光スイッチ装置 |
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-
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