JP2783362B2 - 導波路型光スターカプラ - Google Patents
導波路型光スターカプラInfo
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- JP2783362B2 JP2783362B2 JP63236392A JP23639288A JP2783362B2 JP 2783362 B2 JP2783362 B2 JP 2783362B2 JP 63236392 A JP63236392 A JP 63236392A JP 23639288 A JP23639288 A JP 23639288A JP 2783362 B2 JP2783362 B2 JP 2783362B2
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- core layer
- core
- star coupler
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- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
- G02B6/125—Bends, branchings or intersections
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/26—Optical coupling means
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- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はある入力導波路へ入射した光信号を複数の出
力導波路へ分配する導波路型光スターカプラに関する。
力導波路へ分配する導波路型光スターカプラに関する。
［従来の技術］ １つの伝送路内を伝搬している光信号を複数の伝送路
へ分配する光スターカプラは、光データリンクシステ
ム、光加入者システム、光計測システムなど、非常に広
範囲に使われている。そして、最近では多モード光ファ
イバ用以外に、単一モード光ファイバ用の光スターカプ
ラの要求が高まってきている。この単一モード光ファイ
バ用の光スターカプラとして、最近、導波路型の光スタ
ーカプラが量生産、高信頼性、経済性の点で有望である
とのことから脚光を浴びつつある。
へ分配する光スターカプラは、光データリンクシステ
ム、光加入者システム、光計測システムなど、非常に広
範囲に使われている。そして、最近では多モード光ファ
イバ用以外に、単一モード光ファイバ用の光スターカプ
ラの要求が高まってきている。この単一モード光ファイ
バ用の光スターカプラとして、最近、導波路型の光スタ
ーカプラが量生産、高信頼性、経済性の点で有望である
とのことから脚光を浴びつつある。
従来、導波路型単一モード光スターカプラとして、第
11図のように、Ｙ分岐導波路21−1,21−２及び21−３を
多段に接続した構成と、第12図のように、方向性結合器
22−1,22−２及び22−３を多段に接続した構成が知られ
ている（西原、春名、栖原；光集積回路、オーム社発
行、昭和60年２月25日初版）。
11図のように、Ｙ分岐導波路21−1,21−２及び21−３を
多段に接続した構成と、第12図のように、方向性結合器
22−1,22−２及び22−３を多段に接続した構成が知られ
ている（西原、春名、栖原；光集積回路、オーム社発
行、昭和60年２月25日初版）。
［発明が解決しようとする課題］ 第11図のＹ分岐型光スターカプラは分岐の波長依存性
が小さく、広域特性をもっているという特徴があるが、
反面、分岐部での散乱損失が大きく、多ポート化（１×
N,N≧８）が難しいという問題点がある。第12図の方向
性結合器型光スターカプラは損失は小さいが、狭帯域特
性（50〜100Å）であり、また結合部の構造寸法の僅か
な偏差によって、分岐比が大きく変わり、更に、多ポー
ト化（１×N,N≧８）しようと思うと非常に寸法が長く
なり、製作上作りにくい、コスト高、性能劣化を生じ易
いといった問題点がある。
が小さく、広域特性をもっているという特徴があるが、
反面、分岐部での散乱損失が大きく、多ポート化（１×
N,N≧８）が難しいという問題点がある。第12図の方向
性結合器型光スターカプラは損失は小さいが、狭帯域特
性（50〜100Å）であり、また結合部の構造寸法の僅か
な偏差によって、分岐比が大きく変わり、更に、多ポー
ト化（１×N,N≧８）しようと思うと非常に寸法が長く
なり、製作上作りにくい、コスト高、性能劣化を生じ易
いといった問題点がある。
以上のように、導波路型単一モード光スターカプラと
して、低損失、多ポート化（Ｎ≧８）、小型、等分配、
及び広帯域特性を満足させるものは未だ開発されていな
い。
して、低損失、多ポート化（Ｎ≧８）、小型、等分配、
及び広帯域特性を満足させるものは未だ開発されていな
い。
本発明の目的は、前記した従来技術の問題点を解消
し、低損失、多ポート化、小型、等分配、及び広帯域特
性をもった導波路型光スターカプラを提供することにあ
る。
し、低損失、多ポート化、小型、等分配、及び広帯域特
性をもった導波路型光スターカプラを提供することにあ
る。
［課題を解決するための手段］ 本発明の導波路型光スターカプラは、基板上に屈折率
がnC2のスラブ導波路から成る第２クラッド層が形成さ
れ、そのスラブ導波路上に屈折率がnW2（nW2＞nC2）で
入力部が矩形状導波路で出力部が矩形状のＮポート（Ｎ
≧２）に分岐された第２のコア導波路が形成され、上記
第２コア導波路上に屈折率がnW1（nW1＞nW2）で入力側
から出力側に行くに従って、途中で矩形状導波路の幅が
拡がると共に、厚みがテーパ状に薄くなって無くなる第
１のコア導波路が積層され、そして上記導波路全体を屈
折率がnC1（nC1＜nW2）のスラブ状導波路で覆い、第１
のコア導波路に入射した光信号を第２のコア導波路のＮ
ポートからそれぞれ分配して取り出すように構成したも
のである。
がnC2のスラブ導波路から成る第２クラッド層が形成さ
れ、そのスラブ導波路上に屈折率がnW2（nW2＞nC2）で
入力部が矩形状導波路で出力部が矩形状のＮポート（Ｎ
≧２）に分岐された第２のコア導波路が形成され、上記
第２コア導波路上に屈折率がnW1（nW1＞nW2）で入力側
から出力側に行くに従って、途中で矩形状導波路の幅が
拡がると共に、厚みがテーパ状に薄くなって無くなる第
１のコア導波路が積層され、そして上記導波路全体を屈
折率がnC1（nC1＜nW2）のスラブ状導波路で覆い、第１
のコア導波路に入射した光信号を第２のコア導波路のＮ
ポートからそれぞれ分配して取り出すように構成したも
のである。
［作用］ このように構成することにより、第１のコア導波路の
入力側に入射した光信号は上記第１のコア導波路を伝搬
し、テーパ状部分で放射されて第２のコア導波路内に一
様に拡がって伝搬し、第２のコア導波路の各出力ポート
へ均等な振幅の光信号を分配させるものである。
入力側に入射した光信号は上記第１のコア導波路を伝搬
し、テーパ状部分で放射されて第２のコア導波路内に一
様に拡がって伝搬し、第２のコア導波路の各出力ポート
へ均等な振幅の光信号を分配させるものである。
本発明の特徴は、まずテーパ状導波路を用いているこ
とにより、第１のコア導波路から第２コア導波路への変
換効率を高めると共に、上記テーパ部を扇形あるいは放
射形構造とすることにより、第１コア導波路から第２の
コア導波路へ光信号を放射状に拡がらせて伝搬させ、多
分配を実現させることができる点にある。しかも、従来
のＹ分岐導波路型、方向性結合器型に比し、小型に実現
できる。また扇形あるいは放射形等に形成される本発明
のテーパ部は上記のごとくモードパターン整合機能を持
っているばかりでなく、波長の依存性が少ないので広帯
域な光スターカプラを実現することができる。
とにより、第１のコア導波路から第２コア導波路への変
換効率を高めると共に、上記テーパ部を扇形あるいは放
射形構造とすることにより、第１コア導波路から第２の
コア導波路へ光信号を放射状に拡がらせて伝搬させ、多
分配を実現させることができる点にある。しかも、従来
のＹ分岐導波路型、方向性結合器型に比し、小型に実現
できる。また扇形あるいは放射形等に形成される本発明
のテーパ部は上記のごとくモードパターン整合機能を持
っているばかりでなく、波長の依存性が少ないので広帯
域な光スターカプラを実現することができる。
［実施例］ 以下本発明を図示の実施例に基づいて説明する。
第１図〜第４図に本発明の導波路型光スターカプラの
一実施例を示す。同図において、第１図は上から見た上
面図、第２図はII−II断面図、第３図及び第４図は左側
面図及び右側面図をそれぞれ示したものである。
一実施例を示す。同図において、第１図は上から見た上
面図、第２図はII−II断面図、第３図及び第４図は左側
面図及び右側面図をそれぞれ示したものである。
１は基板であり、Si,InP,GaAsなどの半導体基板か、
或いはSiO2,LiNbO3などの誘電体基板から成る。この基
板１上に、スラブ状の第２クラッド層２（屈折率nC2）
を形成し、そのスラブ導波路上に、矩形状で入力側が１
ポート、出力側がＮポート（この例の場合、Ｎ＝８）の
パターン化した第２コア層３（屈折率nW2）を設け、ま
たその上に一端が扇形テーパ部６を有する第１コア層４
（屈折率nW1）を形成し、最後に全体をスラブ状の第１
クラッド層５（屈折率nC1）で覆った構成である。第２
コア層３上に積層される第１のコア層４の扇形テーパ部
６は、入力側から出力側に行くに従って、途中で矩形状
導波路の厚みがテーパ状に薄くなって無くなる形状、即
ちこの実施例では、第２図の断面で見て左から右へ厚み
が薄くなり、且つこの光伝搬方向と直交する方向に見
て、第１図及び第４図に示唆するように扇形に拡がり途
中から厚みが薄くなった形状とを有する。また、上記そ
れぞれの導波路の屈折率の関係は， nW1＞nW2＞nC1,nC2 ……（１） 但し、nC1＝nC2,或いはnC1≠nC2 ……（２） のように選ばれる。
或いはSiO2,LiNbO3などの誘電体基板から成る。この基
板１上に、スラブ状の第２クラッド層２（屈折率nC2）
を形成し、そのスラブ導波路上に、矩形状で入力側が１
ポート、出力側がＮポート（この例の場合、Ｎ＝８）の
パターン化した第２コア層３（屈折率nW2）を設け、ま
たその上に一端が扇形テーパ部６を有する第１コア層４
（屈折率nW1）を形成し、最後に全体をスラブ状の第１
クラッド層５（屈折率nC1）で覆った構成である。第２
コア層３上に積層される第１のコア層４の扇形テーパ部
６は、入力側から出力側に行くに従って、途中で矩形状
導波路の厚みがテーパ状に薄くなって無くなる形状、即
ちこの実施例では、第２図の断面で見て左から右へ厚み
が薄くなり、且つこの光伝搬方向と直交する方向に見
て、第１図及び第４図に示唆するように扇形に拡がり途
中から厚みが薄くなった形状とを有する。また、上記そ
れぞれの導波路の屈折率の関係は， nW1＞nW2＞nC1,nC2 ……（１） 但し、nC1＝nC2,或いはnC1≠nC2 ……（２） のように選ばれる。
さて、第１コア層４内に入射した入力光は、この第１
コア層４内を伝搬して扇形テーパ部６に到達する。そし
て、第２図に示唆するように、このテーパ部６内をジク
ザグに反射しながらその反射角度を増していき、遂には
次式で示す臨界面θＣを越え、第２コア層３内に放射さ
れる。
コア層４内を伝搬して扇形テーパ部６に到達する。そし
て、第２図に示唆するように、このテーパ部６内をジク
ザグに反射しながらその反射角度を増していき、遂には
次式で示す臨界面θＣを越え、第２コア層３内に放射さ
れる。
θＣ＝sin-1（nW1/nW2） ……（３） 第２コア層３内に放射された光信号は、第１クラッド
層５と第２クラッド層２との間を反射しながら第２コア
層内を伝搬する。そして、扇形テーパ部６の基部からの
長さl1を進む間に、十分に導波モード波面が一様にな
り、第２コア層３のそれぞれの出力ポート10−１〜10−
８に、略等分配分された光信号P01〜P08が取り出され
る。
層５と第２クラッド層２との間を反射しながら第２コア
層内を伝搬する。そして、扇形テーパ部６の基部からの
長さl1を進む間に、十分に導波モード波面が一様にな
り、第２コア層３のそれぞれの出力ポート10−１〜10−
８に、略等分配分された光信号P01〜P08が取り出され
る。
ここで、第１コア層４内から第２コア層３内への変換
効率を高め、かつ第２コア層３内へ放射された光信号の
波面をできるだけ第２コア層３内で均等にするために、
扇形テーパ部６は、そのテーパ部６の光伝搬方向長さl2
（第２図）を長く取り、またこれと直交する方向に適度
に拡がった扇形とされている。第２コア層３について
も、上記扇形テーパ部６の周囲を扇形部８としている
が、これは第２コア層３の幅でｗでの光パワー分布を略
均等に保つようにする為のものであり、また、第２コア
層３の入力部から出力分岐部までに適当な長さl1（第１
図）をとるのも、同様な効果を狙ったものである。第２
コア層３の出力側の平面的に見たヤリ形テーパ切込み部
７は、等分配出力を得るためと、各ポート10−１〜10−
８へ分配するとき、それぞれのポート間でもモードミス
マッチングによる放射損失を低減するためのものであ
る。
効率を高め、かつ第２コア層３内へ放射された光信号の
波面をできるだけ第２コア層３内で均等にするために、
扇形テーパ部６は、そのテーパ部６の光伝搬方向長さl2
（第２図）を長く取り、またこれと直交する方向に適度
に拡がった扇形とされている。第２コア層３について
も、上記扇形テーパ部６の周囲を扇形部８としている
が、これは第２コア層３の幅でｗでの光パワー分布を略
均等に保つようにする為のものであり、また、第２コア
層３の入力部から出力分岐部までに適当な長さl1（第１
図）をとるのも、同様な効果を狙ったものである。第２
コア層３の出力側の平面的に見たヤリ形テーパ切込み部
７は、等分配出力を得るためと、各ポート10−１〜10−
８へ分配するとき、それぞれのポート間でもモードミス
マッチングによる放射損失を低減するためのものであ
る。
扇形テーパ部６のテーパ角度α（第２図）は、第１コ
ア層４から第２コア層３へ放射される時の角度θｒに影
響を及ぼし、テーパ角度αが大きいと、第１コア層４か
ら放射された光信号が第２コア層３内に閉じ込められな
くなり、第２クラッド層２、基板１内へ洩れ込む。
ア層４から第２コア層３へ放射される時の角度θｒに影
響を及ぼし、テーパ角度αが大きいと、第１コア層４か
ら放射された光信号が第２コア層３内に閉じ込められな
くなり、第２クラッド層２、基板１内へ洩れ込む。
従って、上記αの値は、 α＜数度 ……（４） が好ましい値である。
以上のように、上記の構成は方向性結合器形のような
光の分布結合方式ではない。従って、帯域幅は導波モー
ドの波長分散によって決まるため、非常に広帯域（≧10
00Å）である。尚、第１コア層４の入力側及び第２コア
層３の出力側は単一モード導波路として構成され、第２
コア層３の領域l1は複数のモードが伝搬するように構成
されている。
光の分布結合方式ではない。従って、帯域幅は導波モー
ドの波長分散によって決まるため、非常に広帯域（≧10
00Å）である。尚、第１コア層４の入力側及び第２コア
層３の出力側は単一モード導波路として構成され、第２
コア層３の領域l1は複数のモードが伝搬するように構成
されている。
第１コア層４から第２コア層３への放射パワーPrは、
第２コア層３への光の放射角θｒに依存しており、 Pr∝Cosθｒ ……（５） で表されている。また上記θｒはテーパ部６のテーパ角
度αが小さい程、大きくなって第２コア層３内に効率よ
く閉じ込められる。尚、第２コア層３の出力ポート間隔
は図中では狭く見えるが、実際にはお互いに結合を起こ
さない間隔に保たれることは言うまでもないことであ
る。
第２コア層３への光の放射角θｒに依存しており、 Pr∝Cosθｒ ……（５） で表されている。また上記θｒはテーパ部６のテーパ角
度αが小さい程、大きくなって第２コア層３内に効率よ
く閉じ込められる。尚、第２コア層３の出力ポート間隔
は図中では狭く見えるが、実際にはお互いに結合を起こ
さない間隔に保たれることは言うまでもないことであ
る。
第５図〜第８図は、本発明の導波路型光スターカプラ
の別の実施例を示したものである。これは第１コア層４
からの光信号を第２コア層３内に効率よく結合させ、か
つ第２コア層内に結合させられた光信号の導波モードの
波面を一様にするようにするために、上記の扇形テーパ
部６に相当する部分を、放射状に幾つかに分けた放射状
テーパ部11として形成したものである。その作用につい
ては、第１図〜第４図の実施例と同様である。
の別の実施例を示したものである。これは第１コア層４
からの光信号を第２コア層３内に効率よく結合させ、か
つ第２コア層内に結合させられた光信号の導波モードの
波面を一様にするようにするために、上記の扇形テーパ
部６に相当する部分を、放射状に幾つかに分けた放射状
テーパ部11として形成したものである。その作用につい
ては、第１図〜第４図の実施例と同様である。
第９図及び第10図は本発明の導波路型光スターカプラ
の更に別の実施例を示す。これは、より多ポート化を図
って14ポートP01〜P14とし、その規模拡大に伴い、テー
パ状導波路を持ったコア導波路を複数積層させた形とし
た例である。
の更に別の実施例を示す。これは、より多ポート化を図
って14ポートP01〜P14とし、その規模拡大に伴い、テー
パ状導波路を持ったコア導波路を複数積層させた形とし
た例である。
即ち、上記第１コア層４を、上位コア層（屈折率
nW1）41と、それより面積規模の大きい下位コア層（屈
折率nW2,nW2＜nW1）42とで構成し、上記第２クラッド層
２上に設けた第２コア層３の屈折率をnW3（nW3＜nW2＜n
W1）とする。そして、上位コア層41には扇形テーパ部61
を、下位コア層42にはより面積規模の大きい扇形テーパ
部62を形成する。かかる構成の下で、上位コア層41内に
入射した光信号を先ず最初の扇形テーパ部61で下位コア
層42内に放射させ、ついで、扇形テーパ部62で第２コア
層（屈折率nW3、nW3＜nW2＜nW1）３内に光信号を放射さ
せ、導波路幅ｗ内での導波モードの波面をほぼ一様にす
ることにより、多分配を実現させるようにしたものであ
る。
nW1）41と、それより面積規模の大きい下位コア層（屈
折率nW2,nW2＜nW1）42とで構成し、上記第２クラッド層
２上に設けた第２コア層３の屈折率をnW3（nW3＜nW2＜n
W1）とする。そして、上位コア層41には扇形テーパ部61
を、下位コア層42にはより面積規模の大きい扇形テーパ
部62を形成する。かかる構成の下で、上位コア層41内に
入射した光信号を先ず最初の扇形テーパ部61で下位コア
層42内に放射させ、ついで、扇形テーパ部62で第２コア
層（屈折率nW3、nW3＜nW2＜nW1）３内に光信号を放射さ
せ、導波路幅ｗ内での導波モードの波面をほぼ一様にす
ることにより、多分配を実現させるようにしたものであ
る。
このように、テーパ部を持ったコア層を積層させるこ
とにより、多ポート化を実現することが可能である。
とにより、多ポート化を実現することが可能である。
尚、本発明の光スターカプラは上記実施例に限定され
ない。先ず、従来のＹ分岐形、方向性結合器形と組み合
わせて用いてもよい。また本発明の光スターカプラを縦
続接続して用いてもよい。更に本発明の光スターカプラ
のテーパ部6,11,61及び62の上部には、ここでの放射損
失を小さくするために、低屈折率膜で覆ってもよい。
ない。先ず、従来のＹ分岐形、方向性結合器形と組み合
わせて用いてもよい。また本発明の光スターカプラを縦
続接続して用いてもよい。更に本発明の光スターカプラ
のテーパ部6,11,61及び62の上部には、ここでの放射損
失を小さくするために、低屈折率膜で覆ってもよい。
［発明の効果］ 以上に述べたように、本発明の導波路型光スターカプ
ラは、第２コア導波路上に、出力端に幅が拡がると共
に、厚みが薄くなるテーパ部を持った第１のコア導波路
を積層したので、光の結合効率が高く、また導波モード
の波面の傾きを一様にできるモードパターン整合機能を
持っているので、小型にも拘らず、多ポート化が実現可
能であり、更に波長依存性が少ないので広帯域な光スタ
ーカプラを期待できる。
ラは、第２コア導波路上に、出力端に幅が拡がると共
に、厚みが薄くなるテーパ部を持った第１のコア導波路
を積層したので、光の結合効率が高く、また導波モード
の波面の傾きを一様にできるモードパターン整合機能を
持っているので、小型にも拘らず、多ポート化が実現可
能であり、更に波長依存性が少ないので広帯域な光スタ
ーカプラを期待できる。
第１図〜第４図は本発明の導波路型光スターカプラの一
実施例を示したもので、第１図は上面図、第２図はその
II−II断面図、第３図及び第４図は左側面図及び右側面
図、第５図〜第８図は本発明の導波路型光スターカプラ
の別の実施例を示したもので、第５図は上面図、第６図
はそのVI−VI断面図、第７図及び第８図は左側面図及び
右側面図、第９図及び第10図は本発明の導波路型光スタ
ーカプラの更に別の実施例を示したもので、第９図は上
面図、第10図はそのＸ−Ｘ断面図、第11図及び第12図は
従来の導波路型光スターカプラを示した概略図である。 図中、１は基板、２は第２クラッド層、３は第２コア
層、４は第１コア層、５は第１クラッド層、6,11,61,62
は扇形テーパ部、７はヤリ形テーパ切込み部、８は扇形
部、41は上位コア層、42は下位コア層を示す。
実施例を示したもので、第１図は上面図、第２図はその
II−II断面図、第３図及び第４図は左側面図及び右側面
図、第５図〜第８図は本発明の導波路型光スターカプラ
の別の実施例を示したもので、第５図は上面図、第６図
はそのVI−VI断面図、第７図及び第８図は左側面図及び
右側面図、第９図及び第10図は本発明の導波路型光スタ
ーカプラの更に別の実施例を示したもので、第９図は上
面図、第10図はそのＸ−Ｘ断面図、第11図及び第12図は
従来の導波路型光スターカプラを示した概略図である。 図中、１は基板、２は第２クラッド層、３は第２コア
層、４は第１コア層、５は第１クラッド層、6,11,61,62
は扇形テーパ部、７はヤリ形テーパ切込み部、８は扇形
部、41は上位コア層、42は下位コア層を示す。
Claims (1)
- 【請求項１】基板上に屈折率nC2のスラブ導波路を有
し、そのスラブ導波路上に、屈折率がnW2（nW2＞nC2）
で入力部が矩形状導波路で、その出力部がＮポート（Ｎ
≧２）に分岐された矩形状導波路で構成された第２のコ
ア導波路が形成され、該第２のコア導波路上に屈折率が
nW1（nW1＞nW2）で入力側から出力側に行くに従って、
途中で矩形状導波路の幅が拡がると共に、厚みがテーパ
状に薄くなって無くなる第１のコア導波路が積層され、
そして上記導波路全表面を屈折率がnC1（nC1＜nW2）の
スラブ状導波路で覆い、第１のコア導波路に入射した光
信号を第２のコア導波路のＮポートからそれぞれ分配し
て取り出すことを特徴とする導波路型光スターカプラ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63236392A JP2783362B2 (ja) | 1988-09-22 | 1988-09-22 | 導波路型光スターカプラ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63236392A JP2783362B2 (ja) | 1988-09-22 | 1988-09-22 | 導波路型光スターカプラ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0285803A JPH0285803A (ja) | 1990-03-27 |
| JP2783362B2 true JP2783362B2 (ja) | 1998-08-06 |
Family
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