JP2740838B2 - 光結合器およびそれを用いたチャネル・ドロッピング光フィルタならびに周波数選択光信号フィルタ - Google Patents
光結合器およびそれを用いたチャネル・ドロッピング光フィルタならびに周波数選択光信号フィルタInfo
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Description
【発明の詳細な説明】
〔技術分野〕
本発明は結合器、特に光結合器に関する。
〔発明の開示〕
本発明の第一の観点は周波数選択性の光結合器であ
り、入力部が設けられた第一の光導波路と、この第一の
光導波路の実効屈折率より実質的に大きい屈折率をも
ち、この第一の光導波路内の伝搬モードと位相速度は整
合しているが次数の高い少なくともひとつの伝搬モード
を伝搬することのできるプレーナ型の第二の光導波路と
を備えた光結合器において、第一の光導波路の入力部に
沿って導波された多波長光信号の一部の波長部分が第二
の光導波路に結合し第二の光導波路に結合しない他の光
信号部分は第一の光導波路に残るように、第二の光導波
路の寸法、屈折率および実効屈折率が選択されたことを
特徴とする。 第二の光導波路は、表面が実質的に平坦でその屈折率
が所定の伝搬モードに対してこの第二の光導波路の実効
屈折率より小さい非導波基板により被覆されていてもよ
い。 第二の光導波路およびまたは基板は、組成としてはそ
れぞれ均一でも不均一でもよいが、屈折率はそれぞれ均
一であることが望ましい。 第二の光導波路と基板とが互いに密着して配置される
ことが望ましいが、例えば一以上の中間層または空隙に
より、短い距離だけ離れて配置されてもよい。第一の光
導波路と第二の光導波路とは、短い距離だけ離れて配置
されることが望ましいが、実質的に密着して配置されて
もよい。有効な結合のためには、強い電場結合を生じさ
せて第二の光導波路内の電場を横方向に閉じ込めるため
に、第一の光導波路と第二の光導波路とが近接して配置
されることが必要である。 第一の光導波路としては、光ファイバ、特に単一モー
ド光ファイバを用いることが便利である。 第二の光導波路としては、第一の光導波路に沿った方
向およびそれを横切る方向に広がる薄膜を用いることが
できる。第二の光導波路として、集積化された光学素子
を用いてもよい。 第二の光導波路およびまたはこの第二の光導波路を被
覆する非導波基板の光学特性、例えば厚さまたは屈折率
を変化させるための手段、例えば電極等を設け、素子の
動作を制御可能とすことができる。 本発明の重要な点は、ピレーナ導波路の屈折率が導波
路の実効屈折率より非常に大きいことであり、例えば、
導波路がファイバで構成され、プレーナ導波路が薄膜で
構成されている場合に、ファイバの実効屈折率をne
fibre、薄膜の屈折率および実効屈折率をnrilmおよびne
filmとすると、 nfilm＞ne fibreのときに ne film≒ne fibre が得られる。 本明細書では、材料の屈折率（ｎ）をその材料のバル
ク屈折率とし、例えばアッベ屈折計により定義されるも
のとする。また、実効屈折率（ne）は、真空中の光速
（ｃ）と導波モードにおける位相速度（Vp）との比ので
ある。 第一の層と屈折率は、導波路の実効屈折率より少なく
とも１％ないし10％大きいことが便利であり、15％ない
し20％大きいことが望ましい。ただし、第一の層の屈折
率が導波路の実効屈折率より60％大きい場合でも有効な
結合が得られることが計算されている。 本発明の光結合器は、光ファイバ、望ましくは単一モ
ード光ファイバの長さ方向の個々の位置において光信号
で動作する光変調器、フィルタおよびその他の素子を形
成するために使用できる。 本発明の第二の観点は上述の光結合器を用いたチャネ
ル・ドロッピング光フィルタであり、第一の位相速度で
単一伝搬モードの光を伝搬する第一の光導波路と、この
第一の光導波路の実効屈折率より少なくとも１％大きい
屈折率をもち、この第一の光導波路と光学的に強く結合
して上記単一伝搬モードより次数が高い少なくともひと
つの伝搬モードを第一の位相速度と整合する位相速度で
伝搬するプレーナ型の第二の光導波路とを備え、第一の
光導波路と第二の光導波路とは実効屈折率がほぼ等しく
（上述の式ではne film≒ne fibre）、第二の光導波路は
第一の光導波路を伝搬する光の少なくともひとつの波長
が第一の光導波路から結合して濾波されるように形成さ
れたことを特徴とする。 本発明の第三の観点は上述の光結合器を用いた周波数
選択光信号フィルタであり、選択された周波数の光信号
を光導波路から吸収する周波数選択光信号フィルタにお
いて、光導波路はコアと一部が薄く形成されたクラッデ
ィングとを含む実効屈折率neの単一モード光導波路であ
る、薄く形成されたクラッディングの部分を経由して単
一モード光導波路のコアに光学的に結合する厚さｔのプ
レーナ導波路を備え、このプレーナ導波路は、バルク屈
折率ｎが単一モード光導波路の実効屈折率neより十分に
大きく（上述の式ではnfilm＞ne fibre）、かつ実効屈折
率ne′が単一モード光導波路の実効屈折率neにほぼ等し
く（上述の式はne film≒ne fibre）、膜厚ｔの関数とし
て表される周波数ｆの単一モード光信号が単一モード光
導波路から結合してこのプレーナ型導波路の高次伝搬モ
ードとして吸収されるように形成されたことを特徴とす
る。 図面の簡単な説明 第１図は本発明実施例のチャネル・ドロッピング光フ
ィルタ素子の概略的な断面図。 第２図はモード分散を示す図。 第３図は薄膜被覆層が設けられた第１図に示した半結
合器の波長に対する伝搬特性を示す図。 第４図は厚い被覆層が設けられた素子の出力を示す
図。 第５図は固体光導波路被覆層の効果を示す図。 〔発明を実施するための最良の形態〕 第１図は本発明の結合器を用いたチャネル・ドロッピ
ング光フィルタ（channel dropping optical filter）
を示す。この光フィルタは、単一モード光フィルタ導波
路11を組み合わせた被研磨光ファイバ半結合器１と、こ
の半結合器１に接する薄膜により形成された第一の層２
とを備える。薄膜の表面には、溶融シリカ・スライドの
基板３が取り付けられている。基板３の屈折率は小さ
く、薄膜の境界を形成し、薄膜の放射損失を削減する。
ファイバの剥き出しになった部分の長さは約520μｍで
あり、ほぼ被覆層との間で良好に結合できる結合長であ
る。また、ファイバと被覆層との間隔は、良好な結合が
得られる程度に近接している。このタイプの光ファイバ
半結合器については、例えば、ネイヤ著、「イント・オ
プティクス」、ノルティング・アンド・アルリック編、
スプリンガ・シリーズ・イン・オプティック・サイエン
ス第48巻、スプリンガ・バーラグ1985年（B.Nayar,"Int
Optics",Eds.Nolting and Ulrich.Springer Series in
Opt.Sc.,Vol.48,Springer Verlag 1985）に説明されて
いる。被研磨半結合器の構造は本発明の要点ではなく、
ここで詳細に説明する必要はない。ここで説明すべきこ
とは、ファイバ11が標準ブリティッシュ・テレコムＢ型
単一モード光ファイバであり、半結合器のファイバの曲
げの直径が25cmであり、ファイバ11のクラッディングが
ファイバ・コア12から１μｍのところまで研磨により除
去されていることである。 半結合器の製造に使用した光ファイバは、1.5μｍの
波長における実効屈折率が約1.45である。 薄膜被覆層２は登録屈折率液を薄く塗布したものであ
り、この屈折率液は、例えばアメリカ合衆国ニュージャ
ージ・セダーグローブのカーギル社（Cargille Inc.of
55 Ceder Grove,New Jersey,USA）により提供されてい
る。この実施例では、屈折率が約1.52のサリチル酸メチ
ル薄膜を使用した。本発明を実施するに適した薄厚の範
囲は広い（例えば１〜200μｍ）が、この実施例では約3
9μｍであった。 第２図は正規化された厚さ２πt/λに対する伝搬定数
βの変化を示すモード分散図であり、ファイバ11の伝搬
定数kne fibreと、薄膜被覆層２内のモードの伝搬定数と
を示す。ここで、β＝kneであり、ｔは被覆層の厚さで
ある。第２図にはまた、各材料そのものの屈折率にｋを
掛けた値、すなわちknfilm、knfibreおよびknsilicaを
併記する。この素子を構成するすべての材料について、
その材料分散の変化（すなわち波長に対する材料の屈折
率変化）は無視した。 グラフに示したように、ファイバの伝搬定数kne fibre
は、広い波長範囲にわたってほぼ一定である。ファイバ
11では、単一モード、すなわち基本モード（ｍ＝０）で
のみ伝搬する。薄膜被覆層２内では、遮断値以下の一連
のモード、すなわち、グラフに示したように、ｎ＋１…
ｎ＋９等の範囲でカットオフ値ｍ＝ｎ以下の次数の一連
のモードが生じる。 波長多重化されて伝送された光使用のチャネルは、分
散図（第２図）上のβの線が交差したとき、すなわちフ
ァイバ11のβ線と被覆層２の所定のモードのβ線とが交
差したときだけ、薄膜被覆層２に結合する。一定の光学
的厚さに対して個々の薄膜モードが異なる波長で伝搬す
るので、ほぼ等しい波長間隔のチャネルで結合が生じ
る。ファイバと被覆層との間で相互作用の生じる長さ
は、結合した光結合器を一度だけ横切るように（または
奇数回横切るように）設定し、これによりチャネルを被
覆層に結合させる。光の残りの部分は半結合器の出力ポ
ートから出射される（直感的予想されるより多い）。こ
のように、位相速度が一致していないときには挿入損失
が小さく、結合時には、位相速度の一致および結合長が
適切であることから高い阻止能が得られる（阻止能は、
結合した状態と結合しない状態とにおけるファイバ内の
光の強度の比で表される）。ファイバ中の光に影響しな
いかまたは結合する実効屈折率neより全屈折率値が大き
い被覆薄膜を得るための厚さの条件は設計に依存する。
これは、この素子に対してだけでなく、薄い整合層が中
間に挿入された被研磨方向性結合器の構造および使用に
ついても成り立つ。 単一モードのファイバ11から薄膜２へ強い結合が生じ
ると、薄膜内に三次元の波長閉じ込めが生じる。これに
より、薄膜からの非軸的な漏れによる光損失を削減する
ことができる。 以下の例では種々の被覆層を用いて得られる結果を示
す。被覆層が薄い（例えば１ないし５μｍ）の場合に
は、被覆層内の少しのモードまたは単一モードだけしか
結合しない。第１図の素子と同等でより薄い薄膜を用い
た例を第３図に示す。半結合器と被覆層との間には、意
識的には空隙を形成していない（実際には約１μｍの空
隙が生じた）。約900nmで薄膜モードがファイバ・モー
ドに結合し、この波長の光がファイバから薄膜に移動し
た。圧力を加えて薄厚を減少させたところ、阻止帯が約
775nmシフトした。ｔを膜厚、ｍをモード次数として、 ２π（nritm 2−ne fibre 2）1/2t/λ≒μπ なので（テイン、アプライド・オプティクス第10巻、第
2395頁ないし第2413頁、P.K.Tein,Applied optics,Vol.
10,pp2395−2413参照）、特定のモードを結合させるた
めには、与えられた屈折率に対してt/λを一定にする必
要がある。ｔが減少した場合には結合波長も減少させな
ければならず、これは観測と一致する。ただし、チャネ
ルが減衰していないときの挿入損失は無視した。 例えば被覆層の厚さを変化させることにより、この素
子の結合特性を変化させることができる。厚さが圧電的
に変化するエラスティツクな薄膜を用いて動作させるこ
とにより、例えば同調可能なチャネル・ドロッピング・
フィルタ、可変減衰器（ひとつの帯域を減衰させ、他は
減衰させない）、圧力または移動センサ、オン・オフ切
替器、音響光学変換器（マイクロホン）その他の素子を
実現することができる。 第４図は厚い膜を用いた素子のファイバからの出力を
示す。第１表は、異なる厚さの膜を用いた素子につい
て、実験により得られた結果を示す。この結果は、約12
nm間隔でチャネルが減衰する櫛型フィルタを容易に製造
できることを示す。このような厚さでもモードが被覆層
に存在し、ファイバ・モードと有効に相互作用すること
は注目すべきことである。厚みが増すと平行性を得るこ
とが困難であり損失が増加するが、厚さおよび膜屈折率
を増加させることにより、より狭い櫛形応答が得られる
と考えられる。一般には、非プレーナ型の被覆層は望ま
しくない。 結合シャネルの幅が数nm（例えば5nm）で、チャネル
の間隔が典型的に10nmであり、阻止能が20dBより大き
く、挿入損失を無視できる（例えば0.5dB）ときに櫛型
フィルタが得られる。 被覆層が厚い場合には、ファイバ・モード（単一モー
ド・ファイバの場合にｍ＝０）が、被覆層薄膜内のカッ
トオフ値（第２図のｍ＝ｎ）に近い高次モードに結合す
る。このモードは減衰することなく長い距離を伝搬でき
る。第４図に示したように、減衰するチャネルのスペク
トラム間隔は大きく、チャネルの幅も大きい。実際に
は、被覆層薄膜内の高次にモードへの結合は屈折率およ
び厚さを選択することにより非常に柔軟に変化し、一般
にはファイバ内のモードと位相速度が一致する被覆層内
の少なくともひとつのモードが必要なだけであり、それ
ほどの精度は必要としない。被覆層は、その材質および
厚さを広い範囲で選択できる。被覆層内の伝搬モードの
次数は１ないし約200の範囲であり、その値はどのモー
ドがファイバ内のモードの位相速度に一致するかに依存
する。 被覆層の屈折率を変えることにより、フィルタを適当
に同調させることができる。このフィルタは、光学電子
材料を機械的にスライスし、研磨し、これを結合器とシ
リカブロックとの間に挟み込むことにより得られる。波
長を固定した場合には、少しの位相速度変化で大きな減
衰変化を引き起こす。 第５図に示した例では、シリカ16上に設けられた薄い
導波路を被覆層として使用し、スペーサは用いていな
い。二つのよく定義された波長で薄膜への強い結合が観
測され、集積光学導波路への結合に使用できる技術であ
ることを示した。これは、標準ファイバとプレーナ導波
路との間の方向結合が可能であることを示し、特に重要
である。 必要ならば、被覆層を方形導波路の形状とすることも
できる。 以上の説明を集約すると、本発明の最も重要な点は、
シリカ・ファイバの半結合器から方向性結合を得ること
のできる屈折率（したがってその材質）の範囲は、 nfilm＞ne fibre である。 nfilmには上限がない。材料の屈折率に独立に結合が
生じることから、利用できる材料の選択および機能の範
囲は広範である、実際に、有効な結合は薄膜モード次数
に依存せず、したがって、厚い膜でも薄い膜でも同様に
利用でき、製造技術は多岐にわたり、素子の可能性も非
常に多大である。 本発明に関連する事項として、本出願人により1985年
12月30日出願の英国特許出願第8531869号および第85318
70号の発明を優先権の基礎とする同日出願「光結合器」
（PCT/GB86/00803）の明細書および図面を参照すること
ができる。
り、入力部が設けられた第一の光導波路と、この第一の
光導波路の実効屈折率より実質的に大きい屈折率をも
ち、この第一の光導波路内の伝搬モードと位相速度は整
合しているが次数の高い少なくともひとつの伝搬モード
を伝搬することのできるプレーナ型の第二の光導波路と
を備えた光結合器において、第一の光導波路の入力部に
沿って導波された多波長光信号の一部の波長部分が第二
の光導波路に結合し第二の光導波路に結合しない他の光
信号部分は第一の光導波路に残るように、第二の光導波
路の寸法、屈折率および実効屈折率が選択されたことを
特徴とする。 第二の光導波路は、表面が実質的に平坦でその屈折率
が所定の伝搬モードに対してこの第二の光導波路の実効
屈折率より小さい非導波基板により被覆されていてもよ
い。 第二の光導波路およびまたは基板は、組成としてはそ
れぞれ均一でも不均一でもよいが、屈折率はそれぞれ均
一であることが望ましい。 第二の光導波路と基板とが互いに密着して配置される
ことが望ましいが、例えば一以上の中間層または空隙に
より、短い距離だけ離れて配置されてもよい。第一の光
導波路と第二の光導波路とは、短い距離だけ離れて配置
されることが望ましいが、実質的に密着して配置されて
もよい。有効な結合のためには、強い電場結合を生じさ
せて第二の光導波路内の電場を横方向に閉じ込めるため
に、第一の光導波路と第二の光導波路とが近接して配置
されることが必要である。 第一の光導波路としては、光ファイバ、特に単一モー
ド光ファイバを用いることが便利である。 第二の光導波路としては、第一の光導波路に沿った方
向およびそれを横切る方向に広がる薄膜を用いることが
できる。第二の光導波路として、集積化された光学素子
を用いてもよい。 第二の光導波路およびまたはこの第二の光導波路を被
覆する非導波基板の光学特性、例えば厚さまたは屈折率
を変化させるための手段、例えば電極等を設け、素子の
動作を制御可能とすことができる。 本発明の重要な点は、ピレーナ導波路の屈折率が導波
路の実効屈折率より非常に大きいことであり、例えば、
導波路がファイバで構成され、プレーナ導波路が薄膜で
構成されている場合に、ファイバの実効屈折率をne
fibre、薄膜の屈折率および実効屈折率をnrilmおよびne
filmとすると、 nfilm＞ne fibreのときに ne film≒ne fibre が得られる。 本明細書では、材料の屈折率（ｎ）をその材料のバル
ク屈折率とし、例えばアッベ屈折計により定義されるも
のとする。また、実効屈折率（ne）は、真空中の光速
（ｃ）と導波モードにおける位相速度（Vp）との比ので
ある。 第一の層と屈折率は、導波路の実効屈折率より少なく
とも１％ないし10％大きいことが便利であり、15％ない
し20％大きいことが望ましい。ただし、第一の層の屈折
率が導波路の実効屈折率より60％大きい場合でも有効な
結合が得られることが計算されている。 本発明の光結合器は、光ファイバ、望ましくは単一モ
ード光ファイバの長さ方向の個々の位置において光信号
で動作する光変調器、フィルタおよびその他の素子を形
成するために使用できる。 本発明の第二の観点は上述の光結合器を用いたチャネ
ル・ドロッピング光フィルタであり、第一の位相速度で
単一伝搬モードの光を伝搬する第一の光導波路と、この
第一の光導波路の実効屈折率より少なくとも１％大きい
屈折率をもち、この第一の光導波路と光学的に強く結合
して上記単一伝搬モードより次数が高い少なくともひと
つの伝搬モードを第一の位相速度と整合する位相速度で
伝搬するプレーナ型の第二の光導波路とを備え、第一の
光導波路と第二の光導波路とは実効屈折率がほぼ等しく
（上述の式ではne film≒ne fibre）、第二の光導波路は
第一の光導波路を伝搬する光の少なくともひとつの波長
が第一の光導波路から結合して濾波されるように形成さ
れたことを特徴とする。 本発明の第三の観点は上述の光結合器を用いた周波数
選択光信号フィルタであり、選択された周波数の光信号
を光導波路から吸収する周波数選択光信号フィルタにお
いて、光導波路はコアと一部が薄く形成されたクラッデ
ィングとを含む実効屈折率neの単一モード光導波路であ
る、薄く形成されたクラッディングの部分を経由して単
一モード光導波路のコアに光学的に結合する厚さｔのプ
レーナ導波路を備え、このプレーナ導波路は、バルク屈
折率ｎが単一モード光導波路の実効屈折率neより十分に
大きく（上述の式ではnfilm＞ne fibre）、かつ実効屈折
率ne′が単一モード光導波路の実効屈折率neにほぼ等し
く（上述の式はne film≒ne fibre）、膜厚ｔの関数とし
て表される周波数ｆの単一モード光信号が単一モード光
導波路から結合してこのプレーナ型導波路の高次伝搬モ
ードとして吸収されるように形成されたことを特徴とす
る。 図面の簡単な説明 第１図は本発明実施例のチャネル・ドロッピング光フ
ィルタ素子の概略的な断面図。 第２図はモード分散を示す図。 第３図は薄膜被覆層が設けられた第１図に示した半結
合器の波長に対する伝搬特性を示す図。 第４図は厚い被覆層が設けられた素子の出力を示す
図。 第５図は固体光導波路被覆層の効果を示す図。 〔発明を実施するための最良の形態〕 第１図は本発明の結合器を用いたチャネル・ドロッピ
ング光フィルタ（channel dropping optical filter）
を示す。この光フィルタは、単一モード光フィルタ導波
路11を組み合わせた被研磨光ファイバ半結合器１と、こ
の半結合器１に接する薄膜により形成された第一の層２
とを備える。薄膜の表面には、溶融シリカ・スライドの
基板３が取り付けられている。基板３の屈折率は小さ
く、薄膜の境界を形成し、薄膜の放射損失を削減する。
ファイバの剥き出しになった部分の長さは約520μｍで
あり、ほぼ被覆層との間で良好に結合できる結合長であ
る。また、ファイバと被覆層との間隔は、良好な結合が
得られる程度に近接している。このタイプの光ファイバ
半結合器については、例えば、ネイヤ著、「イント・オ
プティクス」、ノルティング・アンド・アルリック編、
スプリンガ・シリーズ・イン・オプティック・サイエン
ス第48巻、スプリンガ・バーラグ1985年（B.Nayar,"Int
Optics",Eds.Nolting and Ulrich.Springer Series in
Opt.Sc.,Vol.48,Springer Verlag 1985）に説明されて
いる。被研磨半結合器の構造は本発明の要点ではなく、
ここで詳細に説明する必要はない。ここで説明すべきこ
とは、ファイバ11が標準ブリティッシュ・テレコムＢ型
単一モード光ファイバであり、半結合器のファイバの曲
げの直径が25cmであり、ファイバ11のクラッディングが
ファイバ・コア12から１μｍのところまで研磨により除
去されていることである。 半結合器の製造に使用した光ファイバは、1.5μｍの
波長における実効屈折率が約1.45である。 薄膜被覆層２は登録屈折率液を薄く塗布したものであ
り、この屈折率液は、例えばアメリカ合衆国ニュージャ
ージ・セダーグローブのカーギル社（Cargille Inc.of
55 Ceder Grove,New Jersey,USA）により提供されてい
る。この実施例では、屈折率が約1.52のサリチル酸メチ
ル薄膜を使用した。本発明を実施するに適した薄厚の範
囲は広い（例えば１〜200μｍ）が、この実施例では約3
9μｍであった。 第２図は正規化された厚さ２πt/λに対する伝搬定数
βの変化を示すモード分散図であり、ファイバ11の伝搬
定数kne fibreと、薄膜被覆層２内のモードの伝搬定数と
を示す。ここで、β＝kneであり、ｔは被覆層の厚さで
ある。第２図にはまた、各材料そのものの屈折率にｋを
掛けた値、すなわちknfilm、knfibreおよびknsilicaを
併記する。この素子を構成するすべての材料について、
その材料分散の変化（すなわち波長に対する材料の屈折
率変化）は無視した。 グラフに示したように、ファイバの伝搬定数kne fibre
は、広い波長範囲にわたってほぼ一定である。ファイバ
11では、単一モード、すなわち基本モード（ｍ＝０）で
のみ伝搬する。薄膜被覆層２内では、遮断値以下の一連
のモード、すなわち、グラフに示したように、ｎ＋１…
ｎ＋９等の範囲でカットオフ値ｍ＝ｎ以下の次数の一連
のモードが生じる。 波長多重化されて伝送された光使用のチャネルは、分
散図（第２図）上のβの線が交差したとき、すなわちフ
ァイバ11のβ線と被覆層２の所定のモードのβ線とが交
差したときだけ、薄膜被覆層２に結合する。一定の光学
的厚さに対して個々の薄膜モードが異なる波長で伝搬す
るので、ほぼ等しい波長間隔のチャネルで結合が生じ
る。ファイバと被覆層との間で相互作用の生じる長さ
は、結合した光結合器を一度だけ横切るように（または
奇数回横切るように）設定し、これによりチャネルを被
覆層に結合させる。光の残りの部分は半結合器の出力ポ
ートから出射される（直感的予想されるより多い）。こ
のように、位相速度が一致していないときには挿入損失
が小さく、結合時には、位相速度の一致および結合長が
適切であることから高い阻止能が得られる（阻止能は、
結合した状態と結合しない状態とにおけるファイバ内の
光の強度の比で表される）。ファイバ中の光に影響しな
いかまたは結合する実効屈折率neより全屈折率値が大き
い被覆薄膜を得るための厚さの条件は設計に依存する。
これは、この素子に対してだけでなく、薄い整合層が中
間に挿入された被研磨方向性結合器の構造および使用に
ついても成り立つ。 単一モードのファイバ11から薄膜２へ強い結合が生じ
ると、薄膜内に三次元の波長閉じ込めが生じる。これに
より、薄膜からの非軸的な漏れによる光損失を削減する
ことができる。 以下の例では種々の被覆層を用いて得られる結果を示
す。被覆層が薄い（例えば１ないし５μｍ）の場合に
は、被覆層内の少しのモードまたは単一モードだけしか
結合しない。第１図の素子と同等でより薄い薄膜を用い
た例を第３図に示す。半結合器と被覆層との間には、意
識的には空隙を形成していない（実際には約１μｍの空
隙が生じた）。約900nmで薄膜モードがファイバ・モー
ドに結合し、この波長の光がファイバから薄膜に移動し
た。圧力を加えて薄厚を減少させたところ、阻止帯が約
775nmシフトした。ｔを膜厚、ｍをモード次数として、 ２π（nritm 2−ne fibre 2）1/2t/λ≒μπ なので（テイン、アプライド・オプティクス第10巻、第
2395頁ないし第2413頁、P.K.Tein,Applied optics,Vol.
10,pp2395−2413参照）、特定のモードを結合させるた
めには、与えられた屈折率に対してt/λを一定にする必
要がある。ｔが減少した場合には結合波長も減少させな
ければならず、これは観測と一致する。ただし、チャネ
ルが減衰していないときの挿入損失は無視した。 例えば被覆層の厚さを変化させることにより、この素
子の結合特性を変化させることができる。厚さが圧電的
に変化するエラスティツクな薄膜を用いて動作させるこ
とにより、例えば同調可能なチャネル・ドロッピング・
フィルタ、可変減衰器（ひとつの帯域を減衰させ、他は
減衰させない）、圧力または移動センサ、オン・オフ切
替器、音響光学変換器（マイクロホン）その他の素子を
実現することができる。 第４図は厚い膜を用いた素子のファイバからの出力を
示す。第１表は、異なる厚さの膜を用いた素子につい
て、実験により得られた結果を示す。この結果は、約12
nm間隔でチャネルが減衰する櫛型フィルタを容易に製造
できることを示す。このような厚さでもモードが被覆層
に存在し、ファイバ・モードと有効に相互作用すること
は注目すべきことである。厚みが増すと平行性を得るこ
とが困難であり損失が増加するが、厚さおよび膜屈折率
を増加させることにより、より狭い櫛形応答が得られる
と考えられる。一般には、非プレーナ型の被覆層は望ま
しくない。 結合シャネルの幅が数nm（例えば5nm）で、チャネル
の間隔が典型的に10nmであり、阻止能が20dBより大き
く、挿入損失を無視できる（例えば0.5dB）ときに櫛型
フィルタが得られる。 被覆層が厚い場合には、ファイバ・モード（単一モー
ド・ファイバの場合にｍ＝０）が、被覆層薄膜内のカッ
トオフ値（第２図のｍ＝ｎ）に近い高次モードに結合す
る。このモードは減衰することなく長い距離を伝搬でき
る。第４図に示したように、減衰するチャネルのスペク
トラム間隔は大きく、チャネルの幅も大きい。実際に
は、被覆層薄膜内の高次にモードへの結合は屈折率およ
び厚さを選択することにより非常に柔軟に変化し、一般
にはファイバ内のモードと位相速度が一致する被覆層内
の少なくともひとつのモードが必要なだけであり、それ
ほどの精度は必要としない。被覆層は、その材質および
厚さを広い範囲で選択できる。被覆層内の伝搬モードの
次数は１ないし約200の範囲であり、その値はどのモー
ドがファイバ内のモードの位相速度に一致するかに依存
する。 被覆層の屈折率を変えることにより、フィルタを適当
に同調させることができる。このフィルタは、光学電子
材料を機械的にスライスし、研磨し、これを結合器とシ
リカブロックとの間に挟み込むことにより得られる。波
長を固定した場合には、少しの位相速度変化で大きな減
衰変化を引き起こす。 第５図に示した例では、シリカ16上に設けられた薄い
導波路を被覆層として使用し、スペーサは用いていな
い。二つのよく定義された波長で薄膜への強い結合が観
測され、集積光学導波路への結合に使用できる技術であ
ることを示した。これは、標準ファイバとプレーナ導波
路との間の方向結合が可能であることを示し、特に重要
である。 必要ならば、被覆層を方形導波路の形状とすることも
できる。 以上の説明を集約すると、本発明の最も重要な点は、
シリカ・ファイバの半結合器から方向性結合を得ること
のできる屈折率（したがってその材質）の範囲は、 nfilm＞ne fibre である。 nfilmには上限がない。材料の屈折率に独立に結合が
生じることから、利用できる材料の選択および機能の範
囲は広範である、実際に、有効な結合は薄膜モード次数
に依存せず、したがって、厚い膜でも薄い膜でも同様に
利用でき、製造技術は多岐にわたり、素子の可能性も非
常に多大である。 本発明に関連する事項として、本出願人により1985年
12月30日出願の英国特許出願第8531869号および第85318
70号の発明を優先権の基礎とする同日出願「光結合器」
（PCT/GB86/00803）の明細書および図面を参照すること
ができる。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 ブリアレイ マイケル・チャールズ
英国サフォーク・イプスウィッチ・マー
トレシャムヒース・ウェストランド33番
地
(56)参考文献 特開 昭50−123445（ＪＰ，Ａ)
特開 昭60−156020（ＪＰ，Ａ)
特開 昭54−59946（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 １．入力部が設けられた第一の光導波路と、 この第一の光導波路の実効屈折率より実質的に大きい屈
折率をもち、この第一の光導波路内の伝搬モードと位相
速度は整合しているが次数の高い少なくともひとつの伝
搬モードを伝搬することのできるプレーナ型の第二の光
導波路と を備えた光結合器において、 上記第一の光導波路の上記入力部に沿って導波された多
波長光信号の一部の波長部分が上記第二の光導波路に結
合し上記第二の光導波路に結合しない他の光信号部分は
上記第一の光導波路に残るように、上記第二の光導波路
の寸法、屈折率および実効屈折率が選択された ことを特徴とする光結合器。 ２．第二の光導波路は、表面が実質的に平坦でその屈折
率が所定の伝搬モードに対してこの第二の光導波路の実
効屈折率より小さい非導波基板により被覆された請求の
範囲第１項に記載の光結合器。 ３．第二の光導波路およびまたは基板は、その組成およ
び屈折率がそれぞれ均一である請求の範囲第２項に記載
の光結合器。 ４．第二の光導波路と基板とが互いに密着して配置され
た請求の範囲第２項または第３項に記載の光結合器。 ５．第二の光導波路と基板とが短い距離だけ離れて配置
された請求の範囲第３項または第４項に記載の光結合
器。 ６．第一の光導波路と第二の光導波路とが相互に強い電
場結合が生じる程度に接近して配置された請求の範囲第
１項ないし第５項のいずれかに記載の光結合器。 ７．第一の光導波路と第二の光導波路とが短い距離だけ
離れて配置された請求の範囲第６項に記載の光結合器。 ８．第一の光導波路と第二の光導波路とが密着して配置
された請求の範囲第６項に記載の光結合器。 ９．第一の光導波路は単一モード光ファイバである請求
の範囲第１項ないし第８項のいずれかに記載の光結合
器。 １０．第二の光導波路は、第一の光導波路に沿った方向
およびそれを横切る方向に広がる薄膜を含む請求の範囲
第１項ないし第９項のいずれかに記載の光結合器。 １１．第二の光導波路は集積化された光学素子を含む請
求の範囲第１項ないし第10項のいずれかに記載の光結合
器。 １２．素子の光学特性を変更する手段が設けられ、素子
の動作が制御可能な構造である請求の範囲第１項ないし
第11項のいずれかに記載の光結合器。 １３．上記手段は第二の光導波路の厚さまたは屈折率を
変化させる構成である請求の範囲第12項に記載の光結合
器。 １４．第二の光導波路の屈折率は、第一の光導波路の実
効屈折率より少なくとも１％ないし15％大きい請求の範
囲第１項ないし第13項のいずれかに記載の光結合器。 １５．第二の光導波路の屈折率は、第一の光導波路の実
効屈折率より少なくとも15％ないし20％大きい請求の範
囲第１項ないし第14項のいずれかに記載の光結合器。 １６．第二の光導波路の屈折率は、第一の光導波路の実
効屈折率より少なくとも20％ないし30％大きい請求の範
囲第１項ないし第15項のいずれかに記載の光結合器。 １７．第二の光導波路の屈折率は、第一の光導波路の実
効屈折率より50％以上大きい請求の範囲第１項ないし第
16項のいずれかに記載の光結合器。 １８．第一の位相速度で単一伝搬モードの光を伝搬する
第一の光導波路と、 この第一の光導波路の実効屈折率より少なくとも１％大
きい屈折率をもち、この第一の光導波路と光学的に強く
結合して上記単一伝搬モードより次数が高い少なくとも
ひとつの伝搬モードを上記第一の位相速度と整合する位
相速度で伝搬するプレーナ型の第二の光導波路と を備え、 上記第一の光導波路と上記第二の光導波路とは実効屈折
率がほぼ等しく、 上記第二の光導波路は上記第一の光導波路を伝搬する光
の少なくともひとつの波長が上記第一の光導波路から結
合して濾波されるように形成された チャネル・ドロッピング光フィルタ。 １９．選択された周波数の光信号を光導波路から吸収す
る周波数選択光信号フィルタにおいて、 上記光導波路はコアと一部が薄く形成されたクラッディ
ングとを含む実効屈折率neの単一モード光導波路であ
り、 上記薄く形成されたクラッディングの部分を経由して上
記単一モード光導波路のコアに光学的に結合する厚さｔ
のプレーナ導波路を備え、 このプレーナ導波路は、バルク屈折率ｎが上記実効屈折
率neより十分に大きく、かつ実効屈折率ne′が上記実効
屈折率neにほぼ等しく、膜厚ｔの関数として表される周
波数ｆの単一モード光信号が上記単一モード光導波路か
ら結合してこのプレーナ導波路の高次伝搬モードとして
吸収されるように形成された ことを特徴とする周波数選択光信号フィルタ。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB8531869 | 1985-12-30 | ||
| GB8531870 | 1985-12-30 | ||
| GB858531869A GB8531869D0 (en) | 1985-12-30 | 1985-12-30 | Optical coupler device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63502056A JPS63502056A (ja) | 1988-08-11 |
| JP2740838B2 true JP2740838B2 (ja) | 1998-04-15 |
Family
ID=10590323
Family Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP50032086A Expired - Lifetime JP2740838B2 (ja) | 1985-12-30 | 1986-12-29 | 光結合器およびそれを用いたチャネル・ドロッピング光フィルタならびに周波数選択光信号フィルタ |
| JP50029286A Pending JPS63502619A (ja) | 1985-12-30 | 1986-12-29 | 光結合器 |
Family Applications After (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP50029286A Pending JPS63502619A (ja) | 1985-12-30 | 1986-12-29 | 光結合器 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (2) | JP2740838B2 (ja) |
| GB (1) | GB8531869D0 (ja) |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4017597A (en) * | 1974-10-30 | 1977-04-12 | Monsanto Company | Unitized solid phase immunoassay kit and method |
-
1985
- 1985-12-30 GB GB858531869A patent/GB8531869D0/en active Pending
-
1986
- 1986-12-29 JP JP50032086A patent/JP2740838B2/ja not_active Expired - Lifetime
- 1986-12-29 JP JP50029286A patent/JPS63502619A/ja active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| GB8531869D0 (en) | 1986-02-05 |
| JPS63502619A (ja) | 1988-09-29 |
| JPS63502056A (ja) | 1988-08-11 |
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