JP2008107518A - 光分岐結合器および光通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】一の出射導波路に出射される光と他の出射導波路に出射される光との強度比を任意に変更できる光分岐結合器の提供。
【解決手段】多モード導波路２と、光を単一モードで伝搬して多モード導波路２の一端に入力する１本の入射導波路１と、多モード導波路２を伝搬してきた光が単一モードで導出される２本の出射導波路６Ａ、６Ｂと、多モード導波路２の一方の面上において夫々の側縁の近傍に位置するように設けられた１対の個別電極３Ａ，３Ｂと、多モード導波路２の他方の面上に設けられた接地電極４とを有し、多モード導波路２は、入射導波路１から入射した光によって中央部と両側縁部とに３（ｎ＋１）個の輝点が生じる長さを有し、個別電極３Ａ、３Ｂは、最も上流側の１対の輝点の上に設けられ、出射導波路６Ａ，６Ｂは、多モード導波路２において最も下流側の１対の輝点が生じる位置に接続された光分岐結合器、前記光分岐結合器を有する光通信システム。
【選択図】図１

Description

本発明は、光分岐結合器に関し、特に、１本の入射導波路から入射した光を２本の出射導波路に分岐させる光分岐結合器において一の出射導波路から出射される光と他の出射導波路から出射される光との強度比を任意に変更できる光分岐結合器、２本の入射導波路から入射した光を１本の出射導波路に導出する光分岐結合器において一の入射導波路から入射した光と他の入射導波路から入射した光とをどのような比率で出射導波路から出射させるかを任意に設定できる光分岐結合器、およびこれらの光分岐結合器を用いた光通信システムに関する。

光分岐結合器は、光ネットワークを構成する上で重要な部品であるが、従来の光ネットワークにおいて用いられていた光分岐結合素子は受動素子であり、ある決まった比率でしか光信号を分岐させることができない。

より柔軟な光ネットワークを構築するためには、光を分岐する比率を大きく変更できる光分岐結合器が必要であると考えられている。

このような光分岐結合器として、Ｙ分岐スイッチ構造と称される光スイッチがあるが、この光スイッチは、構造は単純であるものの、許容される組立誤差が小さい故に、歩留まりが悪いという問題がある。

Ｙ分岐スイッチ構造の上記の問題を解決したものとして、多モード導波路の一端に１本の入射導波路を、他端に２本の出射導波路を接続した光分岐結合器が提案された（特許文献１）。
特開２００４−２７９６３７号公報

しかしながら、特許文献１の光分岐結合器も本質的には受動素子であり、２本の出射導波路に出射される光の強度の比率は固定されていた。

本発明は、上記問題を解決すべく成されたものであり、１本の入射導波路から入射した光を２本の出射導波路に分岐させる光分岐結合器において一の出射導波路から出射される光と他の出射導波路から出射される光との強度比を任意に変更できる光分岐結合器の提供を目的とする。

また、上記目的に加え、２本の入射導波路から入射した光を１本の出射導波路から出射させる光分岐結合器において一の入射導波路から入射した光と他の入射導波路から入射した光とをどのような比率で出射導波路から出射させるかを任意に設定できる光分岐結合器の提供も目的とする。

請求項１に記載の発明は、電気光学効果を有し、光を多モードで伝搬する多モード導波路と、光を単一モードで伝搬して前記多モード導波路の一端に入力する１本の入射導波路と、前記多モード導波路を伝搬してきた光が単一モードで導出される１対の出射導波路と、前記多モード導波路の一方の面上において前記多モード導波路の夫々の側縁の近傍に位置するように設けられた少なくとも１対の個別電極と、前記多モード導波路の他方の面上に設けられた接地電極とを有し、前記多モード導波路は、前記入射導波路から入射した光によって中央部と両側縁部とに３（ｎ＋１）個（ｎは自然数である。）の輝点が生じる長さを有し、前記個別電極は、最も上流側の１対の輝点に対応した位置に設けられ、前記出射導波路は、前記多モード導波路において最も下流側の１対の輝点に対応した位置に接続されてなることを特徴とする光分岐結合器に関する。

前記光分岐結合器においては、入射導波路を単一モードで伝搬されてきた光は、前記入射導波路と多モード導波路との接続部において分散し、多モードで前記多モード導波路に入射される。

ここで、多モード導波路は、前記入射導波路から入射した光によって中央部と両側縁部とに３（ｎ＋１）個（ｎは自然数である。）の輝点が生じる長さに形成され、しかも入射導波路は上流側端縁中央部に１本接続されている。したがって、前記入射導波路から多モード導波路に光が入射すると、多モード導波路の中央部近傍と両側縁部近傍とに輝点が生じ、しかも中央部近傍の１個の輝点の下流側に両側縁部近傍に生じた２個の輝点が位置する。多モード導波路には、このように中央部近傍と両側縁部近傍とに生じた合計３個の輝点の組がｎ＋１組形成される。そして、前記出射導波路は、前記多モード導波路において最も下流側に位置する１対の輝点、即ち両側縁部近傍に生じる２個の輝点に対応した位置に接続されているから、前記多モード導波路を多モードで伝搬された光は、前記多モード導波路と前記出射導波路との接続部において単一モード光に収束され、前記出射導波路を単一モードで伝搬される。

したがって、前記入射導波路と多モード導波路との接続部および前記多モード導波路と前記出射導波路との接続部の両方において輝点が生じると共に、前記多モード導波路の内部においても、多モードで伝搬されている光が互いに干渉して輝点を形成する。

ここで、個別電極は、記多モード導波路において形成される輝点に対応した位置に形成されているから、個別電極に電場を印加すると、前記多モード導波路中の光が互いに干渉する部分において電気光学的な性質が変化し、前記部分を通過する光の位相がずれる。

したがって、一の出射導波路が接続された箇所における輝点と他の出射導波路が接続された箇所における輝点との強度比が電場を印加しないときに比較して変化するから、出射導波路から出射する光強度も変化する。

前記光分岐結合器においては、このようにして一の出射導波路から出射される光と他の出射導波路から出射される光との強度比を任意に変更できる。

請求項２に記載の発明は、電気光学効果を有し、光を多モードで伝搬する多モード導波路と、光を単一モードで伝搬して前記多モード導波路の一端に入力する１対の入射導波路と、前記多モード導波路を伝搬してきた光が単一モードで導出される１本の出射導波路と、前記多モード導波路の一方の面上において前記多モード導波路の夫々の側縁の近傍に位置するように設けられた少なくとも１対の個別電極と、前記多モード導波路の他方の面上に設けられた接地電極とを有し、前記多モード導波路は、前記入射導波路から入射した光によって中央部と両側縁部とに３（ｎ＋１）個（ｎは自然数である。）の輝点が生じる長さを有し、前記個別電極は、上流側から２番目の１対の輝点に対応した位置に設けられ、前記出射導波路は、前記多モード導波路において最も下流側の１個の輝点に対応した位置に接続されてなることを特徴とする光分岐結合器に関する。

請求項１の光分岐結合器と同様、前記光分岐結合器においても、入射導波路を単一モードで伝搬されてきた光は、前記入射導波路と多モード導波路との接続部において輝点を形成すると同時に分散し、多モードで前記多モード導波路に入射される。

ここで、多モード導波路は、前記入射導波路から入射した光によって中央部と両側縁部とに３（ｎ＋１）個（ｎは自然数である。）の輝点が生じる長さに形成され、しかも、入射導波路は上流側の端部に２本接続されているから、両方の入射導波路から光を入射させると、多モード導波路の両側縁近傍と中央部近傍とに輝点が生じ、両側縁部近傍に生じた２個の輝点の下流側に中央部近傍の１個の輝点が位置する。このように多モード導波路には、中央部近傍と両側縁部近傍とに生じた３個の輝点の組がｎ＋１組形成される。そして、前記出射導波路は、前記多モード導波路において最も下流側に位置する１個の輝点に対応した位置に接続されているから、前記多モード導波路を多モードで伝搬された光は、前記多モード導波路と前記出射導波路との接続部において単一モード光に収束され、前記出射導波路を単一モードで伝搬される。

したがって、前記入射導波路と多モード導波路との接続部および前記多モード導波路と前記出射導波路との接続部の両方において輝点が生じると共に、前記多モード導波路の内部においても、多モードで伝搬されている光が互いに干渉して輝点を形成する。

ここで、個別電極は、記多モード導波路において形成される輝点に対応した位置に形成されているから、個別電極に電場を印加すると、前記多モード導波路中の光が互いに干渉する部分において電気光学的な性質が変化し、前記部分を通過する光の位相がずれる。

したがって、一の入射導波路が接続された箇所における輝点と他の入射導波路が接続された箇所における輝点との強度比が電場を印加しないときに比較して変化するから、入射導波路から多モード導波路に入射する光強度も変化する。

前記光分岐結合器においては、このようにして何れの入射導波路から光を入射させるかを選択できる。

請求項３に記載の発明は、２対の個別電極が、最も上流側および上流側から２番目の２対の輝点に対応した位置に設けられてなる請求項１に記載の光分岐結合器に関する。

前記光分岐結合器は、請求項１に記載の光分岐結合器の半分の電圧で動作させることができる。

請求項４に記載の発明は、２対の個別電極が、上流側から２番目および３番目の２対の輝点に対応した位置に設けられてなる請求項２に記載の光分岐結合器に関する。

前記光分岐結合器は、請求項２に記載の光分岐結合器の半分の電圧で動作させることができる。

請求項５に記載の発明は、前記多モード導波路が、全体に同一方向の電界を印加して分極化処理することにより、電気光学効果を付与してなる請求項１〜４の何れか１項に記載の光分岐結合器に関する。

前記光分岐結合器においては、多モード導波路の全幅に亘って同一方向の電界を印加して分極化処理を行っているから分極化処理が容易である。

請求項６に記載の発明は、前記多モード導波路が、長さ方向の中心線を境にして互いに反対方向の電界を印加して分極処理することにより電気光学効果を付与してなる請求項１に記載の光分岐結合器に関する

前記光分岐結合器においては、両方の個別電極に同一極性の電圧を印加すれば、前記多モード導波路における双極子モーメントは、長手方向の中心線を境にして互いに逆になる。

したがって、両方の個別電極に同一極性の電圧を印加するだけで光路を切り替えられるから、個別電極に電圧を印加する電圧印加回路の構成が単純になる。

請求項７に記載の発明は、前記入射導波路および出射導波路の幅をＷ_１とし、前記多モード導波路の幅をＷ_２とすると、２≦Ｗ_２／Ｗ_１≦１００である請求項１〜６の何れか１項に記載の光分岐結合器に関する。

前記入射導波路および出射導波路に対する前記多モード導波路の巾の比率Ｗ_２／Ｗ_１が前記範囲内であれば、前記入射導波路を単一モードで伝搬された光は、多モード導波路において安定に分散されて多モード光になり、出射導波路において再び単一モードで安定に伝搬される。

請求項８に記載の発明は、基板と、前記基板上に形成された下側クラッド層と、前記下側クラッド層の上方に位置する上側クラッド層と、前記下側クラッド層と前記上側クラッド層とに挟まれ、前記多モード導波層と前記入射導波路と前記出射導波路とを形成するコア層とを備え、前記コア層が、前記上側クラッド層および下側クラッド層の何れよりも大きな屈折率を有すると共に、前記個別電極は前記上側クラッド層の表面またはその上方に、前記接地電極は前記基板と下側電極との間に形成されてなる請求項１〜７の何れか１項に記載の光分岐結合器に関する。

前記光分岐結合器においては、コア層を伝搬する光は、コア層とクラッド層との境界面で全反射しながら伝搬するから、光が外部に漏洩することがない。また、前記個別電極に印加された電場は、上側クラッド層を介してコア層における多モード導波路に到達し、多モード導波路において確実に光路を切り替えることができる。

請求項９に記載の発明は、前記多モード導波路は、前記コア層が前記上側クラッド層に向かってリブ状に突出したリブ構造の導波路である請求項８に記載の光分岐結合器に関する。

前記光分岐結合器においては、個別電極に印加した電場によってコア層により大きな電界が生じるから、低い電圧の電場を印加した場合においても、多モード導波路を伝搬される光を効率的に変調できる。

請求項１０に記載の発明は、前記多モード導波路は、前記コア層が前記下側クラッド層に向かってリブ状に突出した逆リブ構造の導波路である請求項８に記載の光分岐結合器に関する。

前記光分岐結合器においては、基板上に接地電極および下側クラッド層を形成したあと、下側クラッド層の表面を適宜の方法でエッチングし、コア層に形成しようとするモード導波層と入射導波路と出射導波路とに対応する凹陥部を形成し、次いでコア層を形成することにより、モード導波層と入射導波路と出射導波路とを形成できる。したがって、何らかの事情により、コア層の表面をエッチング処理できない場合に好適である。

請求項１１に記載の発明は、請求項１〜１０の何れか１項に記載の光分岐結合器と、前記光分岐結合器の入射導波路に接続された１または複数の送信部と、前記光分岐結合器の出射射導波路に接続された１または複数の受信部と、前記光分岐結合器の個別電極に電圧を印加して前記光分岐結合部における光の分岐を制御する光信号制御部とを備えてなることを特徴とする光通信システムに関する。

前記光通信システムにおいては、光信号制御部において前記光分岐結合器の個別電極に電圧を印加することにより、前記送信部から前記受信部に送出される光信号の強度比を制御することにより、各受信部において同等の強度の光信号を受信できる。また、送信部が複数設けられている場合においても、受信部においては、各送信部からの光信号を同一の強度で受信できる。

以上説明したように本発明によれば、１本の入射導波路から入射した光を２本の出射導波路に分岐させる光分岐結合器において一の出射導波路から出射される光と他の出射導波路から出射される光との強度比を任意に変更できる光分岐結合器、２本の入射導波路から入射した光を１本の出射導波路から出射させる光分岐結合器において一の入射導波路から入射した光と他の入射導波路から入射した光とをどのような比率で出射導波路から出射させるかを任意に設定できる光分岐結合器、およびこれらの光分岐結合器を用いた光通信システムが提供される。

１．実施形態１
（１）構成
実施形態１に係る光分岐結合器１００は、図１〜図４に示すように、１本の入射導波路１と、２本の出射導波路６Ａおよび出射導波路６Ｂ（以下、「出射導波路６」と総称することがある。）と、入射導波路１が一端に、出射導波路６が他端に接続された多モード導波路２と、多モード導波路２内を伝搬される光を変調するために電圧が印加される２個の個別電極３Ａおよび個別電極３Ｂ（以下「個別電極３」と総称することがある。）とを有する。

入射導波路１と出射導波路６Ａと出射導波路６Ｂと多モード導波路２とは、図２および図３に示すように、下側クラッド層９と上側クラッド層１１とに挟まれたコア層１０によって一体に形成されている。コア層１０は、下側クラッド層９および上側クラッド層１１の何れよりも大きな屈折率を有している。なお、下側クラッド層９と上側クラッド層１１とは屈折率が同一であっても異なっていてもよい。

下側クラッド層９は、基板７の表面に形成され、下側クラッド層９と基板７との間には電位が０になるように接地される接地電極４が形成されている。

入射導波路１と出射導波路６と多モード導波路２は、図２に示すように、上側クラッド層１１に向かってリブ状に突出したリブ構造の導波路であっても、図３に示すように、下側クラッド層９に向かってリブ状に突出した逆リブ構造の導波路であってもよいが、リブ構造の導波路であれば、個別電極３に印加した変調信号によってコア層１０、具体的には多モード導波路２により大きな電界が生じるから、変調信号が低電圧であっても、多モード導波路２においてより効率的に光を変調できる。なお、何らかの事情でコア層１０をエッチングして入射導波路１と出射導波路６と多モード導波路２を形成できない場合は、下側クラッド層９を所定の形状にエッチングした後にコア層１０を形成するための形成溶液を流延し、加熱、硬化させることにより、入射導波路１と出射導波路６と多モード導波路２とを逆リブ構造の導波路として形成することができる。

図４に示すように、入射導波路１と出射導波路６とは同一の巾Ｗ_１を有している。そして、多モード導波路２の巾Ｗ_２は、以下の関係式：
１＜Ｗ_２／Ｗ_１＜１００
を満たすことが、多モード導波路２において安定に多モード伝送を行ううえで好ましい。

多モード導波路２の長さＬは、下側クラッド層９および上側クラッド層１１の屈折率ｎ_２とコア層１０の屈折率ｎ_１との差Δｎと、入射導波路１と出射導波路６との巾Ｗ_１と、多モード導波路２の巾Ｗ_２との関数として設定できる。

光分岐結合器１００においては、入射導波路１から入射した光によって多モード導波路２の内部には光モード場が形成されるが、前記光モード場において光が干渉して多モード導波路２における入射導波路１との接合部および多モード導波路２の所定箇所に輝点が生じる。具体的には図４に示すように入射導波路１との接合部、出射導波路６Ａおよび出射導波路６Ｂとの接合部に輝点が生じ、更に、入射導波路１から出射導波路６に向かって長手方向の中心線を挟んで両側縁近傍に２個、および前記中心線上に１個の合計３個、したがって、入射導波路１から出射導波路６に向かって１個、２個、１個、２個の計６個の輝点が形成されるように長さＬが設定されている。但し、長さＬは、入射導波路１から出射導波路６に向かって１個、２個、１個、２個、１個、２個の合計９個、または１個、２個、１個、２個、１個、２個、１個、２個の合計１２個形成されるように設定してもよい。

多モード導波路２は、所定の電界を印加して分極配向処理することにより、電気光学的効果が付与されている。前記分極配向処理は、図５に示すように多モード導波路２全体に同一方向の電界を印加して行ってもよく、図６に示すように、多モード導波路２の長手方向に沿った中心線を境にして反対方向の電界を印加して行ってもよい。

個別電極３は、図１〜図４に示すように上側クラッド層１１の表面における多モード導波路２の上方において、長手方向の中心線を間に挟むように配設され、しかも前記長手方向の中心線を挟むように生じる２個の輝点のうち、最も上流側の輝点の位置に重なるように形成されている。個別電極３の一方は、多モード導波路２の長辺を形成する側縁の一方から中心部に向かって多モード導波路２を覆うように形成され、個別電極３の他方は、多モード導波路２の長辺を形成する側縁の他方から中心部に向かって多モード導波路２を覆うように形成されている。個別電極３は、図１〜図４に示すように１個づつ設け、言い換えれば１対設けてもよいし、また２個づつ、言い換えれば２対設けてもよく、また３個づつ、言い換えれば３対設けてもよい。個別電極３を２対設けるときは、長手方向の中心線を挟んで生じる輝点のうち、最も上流側のものと２番目に上流側のものとが生じる位置に設ければよい。また、個別電極３を３対設けるときは、長手方向の中心線を挟んで生じる輝点のうち、最も上流側のものと２番目に上流側のものと３番目に上流側のものとが生じる位置に設ければよい。

個別電極３における多モード導波路２の短辺方向の寸法、即ち巾Ｗ_４は、多モード導波路２の巾Ｗ_２の１／２以下である。また、個別電極３における多モード導波路２の長辺方向の寸法、即ち長さＷ_３は、巾Ｗ_４と同一であっても異なっていてもよいが、多モード導波路２の長さＬよりは短いことが好ましい。

個別電極３Ａおよび個別電極３Ｂは、夫々直流電源（図示せず。）に接続されている。多モード導波路２全体が同一の極性に分極配向処理されている場合は、図５に示すように一方の直流電源および他方の直流電源から印加される直流電圧の極性は互いに逆である。一方、多モード導波路２が長さ方向の中心線を境にして反対の極性に分極配向処理されている場合は、個別電極３には同一の極性の電圧を印加できるから、個別電極３を１つの直流電源に接続でき、電圧印加回路の構成を簡略化できる。

図４に示すように、２本の出射導波路６の中心線の間隔はＷ_２／２であり、多モード導波路２の側縁から出射導波路６の中心線までの距離は夫々Ｗ_２／４である。

コア層１０、上側クラッド層１１、および下側クラッド層９の材質としては、アクリル樹脂やエポキシ樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、弗素化ポリイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリシロキサン樹脂などの透光性高分子材料、酸化ケイ素、各種ガラス、チタン酸ストロンチウム、ガリウム砒素、インジウム燐など、電場を印加すると屈折率が変化する電気光学効果を有するとともに、変調しようとする光に対して透明な材料であれば、どのようなものも使用できる。なお、前記透光性高分子を使用する場合には、非線形光学効果を発現させるため、電気光学効果を有する色素を分散させるか、または、主鎖や側鎖に非線形光学効果を有する基を結合させることが好ましい。

個別電極３および接地電極４の材質としては、アルミニウム、チタン、金、銅、ＩＴＯなど、電極用材料として知られている各種金属材料や金属酸化物が挙げられる。

（２）作製手順
光分岐結合器１００は、図１７に示す手順で作製することができる。
先ず、図８において（１）に示すように基板７を用意する。基板７としては、ガラス基板や石英基板、シリコン基板、ポリイミド基板など任意の材料からなる基板を用いることが可能である。基板７にシランカップリング剤などを塗布すれば、接地電極４との接着性を向上させることができる。

次に、同図において（２）に示すように、基板７の表面に接地電極４を形成する。接地電極４は、基板７の表面にアルミニウム、チタン、金、銅などの金属を蒸着または鍍金して形成してもよく、また、前記金属の箔を貼り合わせてもよい。

接地電極４が形成されたら、同図において（３）に示すように、接地電極４の表面に下側クラッド層９を形成する。先ず、前記接地電極４の表面に、下側クラッド層９を形成する透光性高分子の溶液を塗布する。前記溶液を接地電極４に塗布する方法としては、カーテンコーティング法、押出成形コーティング法、ロールコーティング法、スピンコーティング法、ディップコーティング法、バーコーティング法、スプレーコーティング法、スライドコーティング法、印刷コーティング法などが挙げられる。上記材料の溶液の溶液を第１の基板に塗布したら、加熱して溶媒を溜去し、必要に応じて反応、硬化させて下側クラッド層９を形成する。

次に、同図において（４）に示すように、下側クラッド層９の表面にコア層１０を形成する。コア層１０は、たとえば、コア層１０を形成する透光性高分子の溶液を下側クラッド層９の表面に塗布し、加熱、硬化させて形成できる。前記溶液の塗布方法は、下側クラッド層９のところで述べたのと同様の方法が使用される。

コア層１０が形成されたら、同図において（５）に示すように、コア層１０に入射導波路１、出射導波路６、および多モード導波路２などの導波路を形成する。導波路を形成する手段としては、エッチングなどの手段が挙げられる。また、下側クラッド層９に前記導波路に対応する形状の凹陥部を形成し、その上から透光性高分子の溶液を塗布して加熱、硬化させることにより、前記導波路を形成してもよい。

次に、同図において（６）に示すように、コア層１０の上に上側クラッド層１１を形成し、同図において（７ａ）および（７ｂ）に示すように、更にその上に金属皮膜からなる種電極１２を形成する。種電極１２は、接地電極４と同様にして形成できる。（７ａ）は、多モード導波路２全体を同一の極性に分極配向処理する場合は、（７ａ）に示すように、多モード導波路２全体を覆うように種電極１２を形成する。一方、多モード導波路２を長さ方向の中心線を境にして反対の極性に分極配向処理する場合は、（７ｂ）に示すように、種電極１２の一方が、多モード導波路２の長さ方向の中心線を境にした一方の半分を覆い、種電極１２の他方が、多モード導波路２の長さ方向の中心線を境にした他方の半分を覆うように種電極１２を形成する。

種電極１２を形成したら、種電極１２に所定の電圧を印加してコア層１０に電場を印加し、コア層１０の入射導波路１、出射導波路６、および多モード導波路２が形成された部分を分極配向処理する。

分極配向処理が終了したら、同図において（８）に示すように、種電極１２を除去し、（９）に示すように上側クラッド層１１の表面に個別電極３を形成する。なお、種電極１２を除去する代わりに個別電極３の平面形状にエッチングし、電気鍍金などの手段によって種電極１２の厚みを増加させて個別電極３を形成してもよい。
このようにして光分岐結合器１００を形成できる。

（３）作用
光分岐結合器１００の個別電極３Ａおよび個別電極３Ｂに電場を印加しない状態で入射導波路１から多モード導波路２に光を入射させると、図９に示すように入射導波路１を単一モードで伝搬された光は、多モード導波路２で多モード光に分離される。それによって入射導波路１と多モード導波路２との接続部において光像が生じる。多モード導波路２においては、光は、多モードで伝播するから、多モード導波路２の内部で互いに干渉して光像を形成する。そして、多モード導波路２を多モードで伝搬された光は、多モード導波路２と出射導波路６Ａおよび出射導波路６Ｂとの接続部において互いに干渉しつつ単一モード光に収束されるから、前記接続部においても光像が生じ、出射導波路６Ａおよび出射導波路６Ｂからは同一の強度の光が出射する。

ここで、多モード導波路２は電気光学効果を有する材質で形成されているから、個別電極３Ａおよび個別電極３Ｂに電場を印加すると、多モード導波路２の屈折率が変化し、特に光像の生じる箇所において屈折率が大きく変化する。したがって、図１０に示すように光像のパターンが変化するから、出射導波路６Ａから出射する光と出射導波路６Ｂから出射する光との強度に差が生じる。

たとえば個別電極３Ａに正の電圧を印加し、個別電極３Ｂに負の電圧を印加したときは、図１３に示すように出射導波路６Ａ（Ｐｏｒｔ１）から出射する光の強度が減少し、出射導波路６Ｂ（Ｐｏｒｔ２）から出射する光の強度が増大する。そして、個別電極３Ａおよび個別電極３Ｂに印加する電圧の絶対値が大きいほど、出射導波路６Ａ（Ｐｏｒｔ１）から出射する光の強度が減少し、出射導波路６Ｂ（Ｐｏｒｔ２）から出射する光の強度が増大する。

反対に、個別電極３Ａに負の電圧を印加し、個別電極３Ｂに正の電圧を印加したときは、図１４に示すように出射導波路６Ａ（Ｐｏｒｔ１）から出射する光の強度が増大し、出射導波路６Ｂ（Ｐｏｒｔ２）から出射する光の強度が減少する。そして、個別電極３Ａおよび個別電極３Ｂに印加する電圧の絶対値が大きいほど、出射導波路６Ａ（Ｐｏｒｔ１）から出射する光の強度が増大し、出射導波路６Ｂ（Ｐｏｒｔ２）から出射する光の強度が減少する。

このように、光分岐結合器１００においては、多モード導波路２の長さ方向に沿った中心線を境にして一方の半分と他方の半分とで反対の極性に分極するように個別電極３Ａおよび個別電極３Ｂに電圧を印加するとともに、前記電圧の絶対値を調節することにより、出射導波路６Ａから出射する光と出射導波路６Ｂから出射する光との強さの割合を所定の範囲に設定できる。

２．実施形態２
実施形態２に係る光分岐結合器１０２は、図７および図８に示すように、２本の入射導波路１Ａおよび入射導波路１Ｂ（以下、「入射導波路１」と総称することがある。）と、１本の出射導波路６と、入射導波路１Ａおよび入射導波路１Ｂが一端に、出射導波路６が他端に接続された多モード導波路２と、多モード導波路２内を伝搬される光を変調するために電圧が印加される２個の個別電極３Ａおよび個別電極３Ｂ（以下「個別電極３」と総称することがある。）とを有する。

入射導波路１Ａおよび入射導波路１Ｂと出射導波路６と多モード導波路２とは、図７に示すように、下側クラッド層９と上側クラッド層１１とに挟まれたコア層１０によって一体に形成されている。コア層１０は、下側クラッド層９および上側クラッド層１１の何れよりも大きな屈折率を有している。なお、下側クラッド層９と上側クラッド層１１とは屈折率が同一であっても異なっていてもよい。

光分岐結合器１０２においては、図８に示すように入射導波路１Ａおよび入射導波路１Ｂとの接合部、出射導波路６との接合部に輝点が生じ、更に、入射導波路１から出射導波路６に向かって長手方向の中心線を挟んで両側縁部近傍に２個、および前記中心線上に１個の合計３個、したがって、入射導波路１から出射導波路６に向かって２個、１個、２個、１個の計６個の輝点が形成されるように長さＬが設定されている。但し、多モード導波路２の長さＬは、入射導波路１から出射導波路６に向かって２個、１個、２個、１個、２個、１個の合計９個、または２個、１個、２個、１個、２個、１個、２個、１個の合計１２個形成されるように設定してもよい。

個別電極３は、図７および図８に示すように上側クラッド層１１の表面における多モード導波路２の上方において、長手方向の中心線を間に挟むように配設され、しかも前記長手方向の中心線を挟むように生じる２個の輝点のうち、上流側から２番目、言い換えれば最も出射導波路６寄りの２個の輝点の位置に重なるように形成されている。

以上の点を除いて光分岐結合器１０２は実施形態１に係る光分岐結合器１００と同一の構成を有する。また、作成手順も同様である。

光分岐結合器１０２において個別電極３Ａおよび個別電極３Ｂに印加する電圧の極性を切り替えることにより、図１１および図１２に示すように、多モード導波路２内に形成される光像のパターンが変化して輝点の位置が移動し、これによって光が伝搬する経路も変化する。したがって、たとえば個別電極３Ａに正の電圧を、個別電極３Ｂに負の電圧を印加したときは、図１１に示すように入射導波路１Ａから入射した光が出射導波路６から導出される。一方、個別電極３Ａに負の電圧を、個別電極３Ｂに正の電圧を印加したときは、図１２に示すように入射導波路１Ｂから入射した光が出射導波路６から導出される。

３．実施形態３

サーバＡとサーバＢおよびサーバＣとを接続する光通信システム２００は、図１５に示すように、光源１２２と、サーバＡからの信号によって光源１２２からの光を変調する変調器１２０と、変調器１２０で変調した光を２つに分岐させる実施形態１の光分岐結合器１００と、光分岐結合器１００で分岐された光の一方を受光して電気信号に変換し、サーバＢに伝える受光素子１３０Ａと、光分岐結合器１００で分岐された光の他方を受光して電気信号に変換し、サーバＣに伝える受光素子１３０Ｂとを備える。光通信システム２００においては、光源１２２および変調器１２０が送信部に、受光素子１３０Ａおよび受光素子１３０Ｂが受光部に相当する。また、光源１２２と変調器１２０と光分岐結合器１００とが光信号を送出する送出部１２４を構成する。

光分岐結合器１００においては、入射導波路１は変調器１２０に、出射導波路６Ａは光ファイバ１３２Ａを介して受光素子１３０Ａに、出射導波路６Ｂは光ファイバ１３２Ｂを介して受光素子１３０Ｂに接続されている。また、個別電極３Ａおよび個別電極３Ｂは、光信号制御回路（図示せず。）に接続されている。光信号制御回路は、所定の電圧の直流を発生させ、個別電極３Ａおよび個別電極３Ｂに印加する回路であって光信号制御部として機能する。

サーバＡとサーバＢとの距離がサーバＡとサーバＣとの距離よりも遥かに大きな場合には、サーバＡとサーバＢとを結ぶ光ファイバは、サーバＡとサーバＣとを結ぶ光ファイバよりも長いから、光信号の減衰も大きい。したがって、サーバＡからの光信号を単に２つに分岐させてサーバＢとサーバＣとに送出したのでは、サーバＢで受信する光信号の強度は、サーバＣで受信する光信号の強度よりも遥かに小さい。

そこで、図１６に示すように、サーバＡとサーバＢおよびサーバＣとの間に光通信システム２００を設け、サーバＢに送出される光信号の強度をサーバＣに送出される光信号の強度よりも高く設定することにより、サーバＢで受信する光信号の強度とサーバＣで受信する光信号の強度を等しくすることができる。

図１７に示す手順に従って光分岐結合器１００を作製した。
基板７上にＶＣＤ法によって金を蒸着して接地電極４を形成し、その上に、アクリル系樹脂をスピンコートして紫外線硬化させ、厚さ４μｍの下側クラッド層９を形成した。

そして、下側クラッド層９にＦＴＣ（２−ジシアノメチレン−３−シアノ−４−｛２−［トランス−（４−Ｎ，Ｎ−ジアセトキシエチル−アミノ）フェニレン−３，４−ジブチレン−５］ビニル｝−５，５−ジメチル−２，５−ジヒドロフラン）にＤｉｓｐｅｒｓｅ−Ｒｅｄ １を分散させたものをスピンコートして加熱、硬化させ、厚さ３．３μｍのコア層１０を形成した。

次いで、コア層をエッチングして入射導波路１と多モード導波路２と出射導波路６Ａおよび６Ｂとを形成した。入射導波路１および出射導波路６の巾Ｗ_１を５μｍとし、多モード導波路２の巾Ｗ_２を４０μｍとした。したがって、Ｗ_２／Ｗ_１＝１０である。多モード導波路２の長さＬは３１０５μｍとした。また、多モード導波路２の両側縁から出射導波路６Ａおよび６Ｂの中心線までの距離を夫々１７．５μｍとして。コア層１０は、入射導波路１と多モード導波路２と出射導波路６の周囲の部分を厚みが２．６μｍになるようにエッチングした。

コア層１０に入射導波路１と多モード導波路２と出射導波路６とを形成したら、その上に下側クラッド層９を形成するのに使用したのと同様のアクリル樹脂を厚さ４μｍにスピンコートして紫外線で硬化させた。下側クラッド層９および上側クラッド層１１の屈折率は１．５４３７であり、コア層１０の屈折率は１．６５６３であった。

上側クラッド層１１が形成されたら、その上に金を蒸着させて種電極１２を形成した。 種電極１２が形成されたら、９０〜２５０℃の高温で第３電極３と種電極１２との間に４００〜２０００Ｖの電圧を印加し、前記電圧を印加した状態で常温まで放冷してコア層１０を分極配向処理した。

分極配向処理が終了したら、種電極１２をエッチングして除去し、長さ５００μｍ×幅１０μｍの個別電極３Ａおよび個別電極３Ｂを金鍍金により形成して光分岐結合器１００を作成した。

個別電極３Ａおよび個別電極３Ｂに電圧を印加しない状態で入射導波路１に光を導入すると、図１３に示すように出射導波路６Ａおよび出射導波路６Ｂから３ｄＢの出力の光が導出された。これは、光分岐結合器１００において入射導波路１から導入された光が等分されて出射導波路６Ａおよび出射導波路６Ｂから導出されたことを示す。

次に、個別電極３Ａに印加する電圧を０Ｖから＋５Ｖに変化させ、個別電極３Ｂに印加する電圧を０Ｖから−５Ｖに変化させると、出射導波路６Ａから出射される光の出力は１．５ｄＢまで低下し、出射導波路６Ｂから出射される光の出力は５．４ｄＢまで増加した。

反対に、個別電極３Ａに印加する電圧を０Ｖから−５Ｖに変化させ、個別電極３Ｂに印加する電圧を０Ｖから＋５Ｖに変化させると、出射導波路６Ａから出射される光の出力は５．４ｄＢまで増加し、出射導波路６Ｂから出射される光の出力は１．５ｄＢまで低下した。

図１は、実施形態１に係る光分岐結合器の全体的な構成を示す斜視図である。 図２は、実施形態１に係る光分岐結合器を幅方向に沿って切断した断面を示す断面図である。 図３は、実施形態１に係る光分岐結合器の別の例について幅方向に沿って切断した断面を示す断面図である。 図４は、実施形態１に係る光分岐結合器における入射導波路、多モード導波路、出射導波路、および１対の個別電極の相対的な位置関係を示す平面図である。 図５は、実施形態１に係る光分岐結合器において多モード導波路を同一の極性で分極配向処理した態様において個別電極に電圧を印加したところを示す平面図である。 図６は、実施形態１に係る光分岐結合器において多モード導波路を長さ方向の中心線を境にして反対の極性で分極配向処理した態様において個別電極に電圧を印加したところを示す平面図である。 図７は、実施形態２に係る光分岐結合器の全体的な構成を示す斜視図である。 図８は、実施形態２に係る光分岐結合器における入射導波路、多モード導波路、出射導波路、および１対の個別電極の相対的な位置関係を示す平面図である。 図９は、実施形態１に係る光分岐結合器において個別電極に電圧を印加しないときの光の伝搬状態を示す説明図である。 図１０は、実施形態１に係る光分岐結合器において、個別電極に電圧を印加したときの光の伝搬状態を示す説明図である。 図１１は、実施形態２に係る光分岐結合器において、個別電極の一方に正の、他方に負の電圧を印加したときの光の伝搬状態を示す説明図である。 図１２は、実施形態２に係る光分岐結合器において、個別電極に印加する電圧の極性を反転させたときの光の伝搬状態を示す説明図である。 図１３は、実施形態１に係る光分岐結合器において、個別電極に印加する電圧を変化させたときの出射導波路から導出される光の強度の変化を示す説明図である。 図１４は、実施形態１に係る光分岐結合器において、個別電極に印加する電圧の極性を反転させ、しかも電圧の大きさを変化させたときの出射導波路から導出される光の強度の変化を示す説明図である。 図１５は、実施形態１に係る光分岐結合器を用いた光通信システムの一例について構成の概要を示すブロック図である。 図１６は、図１５に示す光通信システムをサーバ間の通信に用いた例を示す説明図である。 図１７は、実施形態１に係る光分岐結合器を作成する手順を示す工程図である。

符号の説明

１ 入射導波路
１Ａ 入射導波路
１Ｂ 入射導波路
２ 多モード導波路
３ 個別電極
３Ａ 個別電極
３Ｂ 個別電極
４ 接地電極
６ 出射導波路
６Ａ 出射導波路
６Ｂ 出射導波路
７ 基板
９ 下側クラッド層
１０ コア層
１１ 上側クラッド層
１２ 種電極
１００ 光分岐結合器
１０２ 光分岐結合器
１２０ 変調器
１２２ 光源
１２４ 送出部
１３０Ａ 受光素子
１３０Ｂ 受光素子
１３２Ａ 光ファイバ
１３２Ｂ 光ファイバ
２００ 光通信システム

Claims (11)

1. 電気光学効果を有し、光を多モードで伝搬する多モード導波路と、
   光を単一モードで伝搬して前記多モード導波路の一端に入力する１本の入射導波路と、
   前記多モード導波路を伝搬してきた光が単一モードで導出される１対の出射導波路と、
   前記多モード導波路の一方の面上において前記多モード導波路の夫々の側縁の近傍に位置するように設けられた少なくとも１対の個別電極と、
   前記多モード導波路の他方の面上に設けられた接地電極と
   を有し、
   前記多モード導波路は、前記入射導波路から入射した光によって中央部と両側縁部とに３（ｎ＋１）個（ｎは自然数である。）の輝点が生じる長さを有し、
   前記個別電極は、最も上流側の１対の輝点に対応した位置に対で設けられ、
   前記出射導波路は、前記多モード導波路において最も下流側の１対の輝点に対応した位置に接続されてなることを特徴とする光分岐結合器。
2. 電気光学効果を有し、光を多モードで伝搬する多モード導波路と、
   光を単一モードで伝搬して前記多モード導波路の一端に入力する１対の入射導波路と、
   前記多モード導波路を伝搬してきた光が単一モードで導出される１本の出射導波路と、
   前記多モード導波路の一方の面上において前記多モード導波路の夫々の側縁の近傍に位置するように設けられた少なくとも１対の個別電極と、
   前記多モード導波路の他方の面上に設けられた接地電極と
   を有し、
   前記多モード導波路は、前記入射導波路から入射した光によって中央部と両側縁部とに３（ｎ＋１）個（ｎは自然数である。）の輝点が生じる長さを有し、
   前記個別電極は、上流側から２番目の１対の輝点に対応した位置に設けられ、
   前記出射導波路は、前記多モード導波路において最も下流側の１個の輝点に対応した位置に接続されてなることを特徴とする光分岐結合器。
3. ２対の個別電極が、最も上流側および上流側から２番目の２対の輝点に対応した位置に設けられてなる請求項１に記載の光分岐結合器。
4. ２対の個別電極が、上流側から２番目および３番目の２対の輝点に対応した位置に設けられてなる請求項２に記載の光分岐結合器。
5. 前記多モード導波路は、全体に同一方向の電界を印加して分極化処理することにより、電気光学効果を付与してなる請求項１〜４の何れか１項に記載の光分岐結合器。
6. 前記多モード導波路は、長さ方向の中心線を境にして互いに反対方向の電界を印加して分極処理することにより電気光学効果を付与してなる請求項１〜４の何れか１項に記載の光分岐結合器。
7. 前記入射導波路および出射導波路の幅をＷ_１とし、前記多モード導波路の幅をＷ_２とすると、２≦Ｗ_２／Ｗ_１≦１００である請求項１〜６の何れか１項に記載の光分岐結合器。
8. 基板と、
   前記基板上に形成された下側クラッド層と、
   前記下側クラッド層の上方に位置する上側クラッド層と、
   前記下側クラッド層と前記上側クラッド層とに挟まれ、前記多モード導波層と前記入射導波路と前記出射導波路とを形成するコア層と
   を備え、
   前記コア層は、前記上側クラッド層および下側クラッド層の何れよりも大きな屈折率を有すると共に、
   前記個別電極は前記上側クラッド層の表面またはその上方に、前記接地電極は前記基板と下側電極との間に形成されてなる請求項１〜７の何れか１項に記載の光分岐結合器。
9. 前記多モード導波路は、前記コア層が前記上側クラッド層に向かってリブ状に突出したリブ構造の導波路である請求項８に記載の光分岐結合器。
10. 前記多モード導波路は、前記コア層が前記下側クラッド層に向かってリブ状に突出した逆リブ構造の導波路である請求項８に記載の光分岐結合器。
11. 請求項１〜１０の何れか１項に記載の光分岐結合器と、
    前記光分岐結合器の入射導波路に接続された１または複数の送信部と、
    前記光分岐結合器の出射射導波路に接続された１または複数の受信部と、
    前記光分岐結合器の個別電極に電圧を印加して前記光分岐結合器における光の分岐を制御する光信号制御部と
    を備えてなることを特徴とする光通信システム

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