JP3142081B2

JP3142081B2 - 導波型光分岐素子

Info

Publication number: JP3142081B2
Application number: JP9318492A
Authority: JP
Inventors: 章宏高木; 正夫河内
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1992-04-13
Filing date: 1992-04-13
Publication date: 2001-03-07
Anticipated expiration: 2016-03-07
Also published as: JPH05289121A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光通信分野等で用いて
好適な導波型光分岐素子に関するものであり、さらに詳
細には、パワー結合率の波長依存性を緩和した導波型広
帯域光分岐素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバ通信の普及のためには、光フ
ァイバと受・発光素子に加えて各種の光部品が必要であ
る。なかでも、光分岐素子は、最も基本的な光部品であ
り、５０％分岐，２０％分岐，数％分岐等の分岐比（結
合率）を持つ分岐素子が要求されている。特に広い波長
域にわたって波長依存性が少ない光分岐素子に対する需
要は大きい。

【０００３】光分岐素子は、光カプラとも呼ばれ、その
形態により、１）バルク型、２）ファイバ型，３）導波
型に大別することができる。バルク型は、マイクロレン
ズやプリズム，干渉膜フィルタ等を組み合せて構成する
ものであり、波長依存性の少ない分岐素子を提供でき、
一応実用のレベルにある。しかし、組立調整に長時間を
要し、長期信頼性や価格，サイズの点で問題を残してい
る。

【０００４】ファイバ型は、光ファイバ自身を構成材料
として研磨や融着・延伸工程を経て構成されるものであ
り、波長依存性の低減されたタイプも実現可能である。
しかし、その作製工程には職人芸を要し、再現性が不良
で量産に適さないという欠点がある。

【０００５】これらに対して、導波型は、フォトリソグ
ラフィ工程により、平面基板上に一括大量生産できる利
点で将来型の光分岐素子として注目されている。

【０００６】第１の従来例として、図１５および図１６
に、対称形光分岐素子の平面図と断面図およびその結合
特性をそれぞれ示す。図１５において、平面基板２１上
に、幅が互いに等しい２本の光導波路２１ａおよび２１
ｂを配置し、これら両光導波路２１ａおよび２１ｂの各
一部分２２ａおよび２２ｂを互いに近接させて方向性結
合器２２を構成している。２３ａおよび２３ｂは光導波
路２１ａおよび２１ｂの各入力ポート、２４ａおよび２
４ｂは光導波路２１ａおよび２１ｂの各出力ポートであ
る。

【０００７】なお、この明細書において、光導波路とい
うときは、コアとクラッドよりなる構造のみならず、コ
ア自体を意味する場合もある。図１５（Ｂ）および
（Ｃ）において、基板２１上に配置したクラッド層２５
に光導波路２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂとしてのコ
アを埋設する。

【０００８】このように、結合領域２２において２本の
導波路２２ａおよび２２ｂの幅がいたるところで等しい
従来の光分岐素子の波長特性は、図１６に示すようにほ
ぼ正弦波状に変化し、例えば波長１．３μｍで結合率５
０％であっても波長１．５５μｍでは結合率１００％な
どとなってしまい、大きな波長依存性をもっていた。

【０００９】第２の従来例として、図１７および図１８
に、広い波長域で動作する導波型光分岐素子の構成例を
示す平面図およびその結合特性をそれぞれ示す（特開平
２−２８７４０８号参照）。図１７に示すように、平面
基板３１上に、互いに幅の異なる一様な２本の光導波路
３１ａおよび３１ｂを一部分３２ａおよび３２ｂで近接
させて方向性結合器３２を構成している。このような結
合部のいたるところで互いに異なる一定の幅を持つ非対
称形方向性結合器は、２本の導波路の伝搬定数が異なる
ことから完全結合せず、図１８に示すような広帯域な結
合特性を実現していた。

【００１０】第３の従来例として、図１９および図２０
に、広い波長域で動作するマッハツェンダ型光分岐素子
の構成例を示す平面図およびその結合特性をそれぞれ示
す（特願平１−２６５４２，特願平１−１７４０７２，
特開平３−２１３８２９参照）。図１９に示すように、
シリコン基板４１上の２個の方向性結合器４２Ａと４２
Ｂを長さの異なる光導波路４１ａと４１ｂとで結合して
いる。４３ａおよび４４ａは光導波路４１ａおよび４１
ｂの各入力ポート、４３ｂおよび４４ｂは光導波路４１
ａおよび４１ｂの各出力ポートである。このように、２
個の方向性結合器４２Ａと４２Ｂとの間に光導波路４１
ａと４１ｂの微小な光路長差ΔＬを設定することによっ
て、図２０中の（ｃ）のような広帯域な結合特性を実現
していた。

【００１１】第４の従来例として、図２１および図２２
に、広い波長域で動作する導波型光分岐素子（テーパ形
方向性結合器）の構成例を示す平面図およびその結合特
性をそれぞれ示す（特願平２−９９９５４，特願平３−
３７３６４参照）。図２１に示すように、方向性結合器
５２を構成する導波路５１ａおよび５１ｂをゆるやかな
テーパ導波路とし、光導波路５１ａの幅を区間ＥＦで減
少、ＦＧで増加、ＧＨで再び減少させ、光導波路５１ｂ
の幅をこれとは逆に区間Ｅ’Ｆ’で増加、Ｆ’Ｇ’で減
少、Ｇ’Ｈ’で再び増加させることによって、図２２中
の（ｂ）のような広帯域な結合特性を実現していた。な
お、方向性結合器５２を構成する光導波路５１ａおよび
５１ｂは相互に向き合う側縁が平行であり、その向き合
う側縁に平行な光軸Ｚの方向に垂直なＸ―Ｘ’線との交
点Ｏに対して方向性結合器５２は点対称の構成をしてい
る。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した第２
の従来例で示した非対称形方向性結合器では、設計結合
率との間に数％〜十数％の誤差範囲があり、十分満足の
いく広帯域な結合特性とは言いがたい。また、細い光導
波路の曲がり部分での放射損失が大きく、システムへの
適応上好ましくはなかった。この原因は、方向性結合器
の入出力ポートの幅が同一でないためであった。

【００１３】また、上述した第３の従来例で示したマッ
ハツェンダ型方向性結合器では、構成した導波路の幅は
すべて同一であるため設計の容易性および素子損失の点
では有利であったが、方向性結合器を２個用いる構成の
ため、集積化には不利であった。

【００１４】さらに、上述した第４の従来例で示したテ
ーパ形方向性結合器では、１個の方向性結合器で、しか
も低損失の広帯域光分岐素子を実現できたが、考慮すべ
き構造パラメータが多く、素子開発・設計の点で不利で
あった。

【００１５】そこで、本発明の目的は、上述したような
問題点に鑑み、従来の広帯域光分岐素子の長所を維持
し、かつ不利な点を解決した優れた広帯域光分岐素子を
提供することにある。すなわち、所望の波長域、例えば
１．３μｍ〜１．６μｍを含む波長域において、結合率
の波長依存性が緩和され、かつ従来の導波型広帯域光分
岐素子よりも極めて設計が容易であり、しかも素子全体
の損失が極めて小さい、実用的な導波型光分岐素子を提
供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、基板と、該基板上に形成されたコアおよ
びクラッドから構成される少なくとも２本の光導波路
と、該少なくとも２本の光導波路の一部分を互いに近接
させて形成した少なくとも１個の方向性結合器を有し、
前記少なくとも２本の光導波路のうちの少なくとも一方
の一端を入力ポートとし、前記少なくとも２本の光導波
路の他端を出力ポートとする導波型光分岐素子であっ
て、前記少なくとも１個の方向性結合器を構成する少な
くとも１本の光導波路のコアが、光の相互作用が及んで
いる結合領域全体の中の少なくとも一箇所で、欠損部を
有することを特徴とする。

【００１７】ここで、前記コア欠損部の各々の長さの
和、および前記コアと前記クラッド間の屈折率差との積
が信号光の波長程度以下にしてもよい。

【００１８】また、前記方向性結合器の前記平行結合領
域を含む前記結合領域を形成する前記少なくとも２本の
光導波路が、前記平行結合領域の中心を通りかつ光軸に
直交しかつ前記基板に平行な直線に関してほぼ線対称形
状となるように、前記コア欠損部を配置してもよい。

【００１９】さらに、前記方向性結合器の前記平行結合
領域を含む前記結合領域を形成する前記少なくとも２本
の光導波路が、前記結合領域の中心に対してほぼ点対称
形状となるように、前記コア欠損部を配置してもよい。

【００２０】本発明では、光放射損失が各導波のコア路
欠損部において可能な限り小さくなるように、前記方向
性結合器内に設けられた各導波路欠損部の長さをある程
度狭く設定すること（例えば１０μｍ以下）が、デバイ
ス損失を低減する上で、望ましい。

【００２１】

【作用】本発明の導波型光分岐素子では、少なくとも１
個の方向性結合器を構成する少なくとも１本の光導波路
が、光の相互作用が及んでいる結合領域全体の中の少な
くとも１箇所で、コアが分断された光導波路（以降、セ
グメント導波路という。）を有し、その分断箇所（以
降、導波路コア欠損部という。）の存在により光に対す
る光路長差を設けることによって、入出力ポートから出
力ポートへのパワーの結合率の波長依存性を、ある特定
波長域（たとえば、１．３μｍから１．５５μｍ）にわ
たって緩和することができる。従って、このようなセグ
メント導波路を有する方向性結合器（以降、セグメント
形方向性結合器という。）では、上述した第２の従来例
のような互いに幅の異なった光導波路からなる構成法、
あるいは上述した第３の従来例のようなマッハツェンダ
型干渉計による構成法、さらには、上述した第４の従来
例のようなテーパ導波路からなる構成法とは、構造上、
大きく相違する。特に、上述した第３の従来例では一方
の導波路を遠回りさせて光路長差（＋ΔＬ）を設けたの
に対して、本発明では、一方の導波路のコアを分断して
等価的に光路長差（−ΔＬ）を設けたという点で発想が
全く異なる。しかも導波路コア欠損部の長さが１０（μ
ｍ／箇所）以内であれば導波路コア欠損部での損失は極
めて小さく、素子サイズも従来の対称形方向性結合器と
同程度に小さくすることができる。本発明では、相互作
用領域全体の形状を線対称構造、あるいは点対称構造と
することにより波長平坦特性の向上，素子設計・作製時
間の大幅な短縮化，歩留まり向上を達成することができ
る。

【００２２】本発明の導波型光分岐素子は、広い波長域
に広がる光信号の分配用やモニタ用，タップ用として幅
広い用途が期待され、また、平面基板上に本発明の光分
岐素子を多段に連結することにより、４分岐素子，８分
岐素子等への拡張も容易である。さらに、同一基板上に
光分岐素子をアレイ上に形成し、例えば、２５０μｍピ
ッチの光分岐素子ファイバアレイと接続して使用するこ
とも可能である。

【００２３】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない
ことは、もちろんである。本発明で述べる各種の実施例
は、その平面形状の対称性により、線対称セグメント形
方向性結合器，点対称セグメント形方向性結合器、およ
び線対称でも点対称でもないセグメント形方向性結合
器，に分類される。以後、この順序に従って実施例を説
明する。また、以降の実施例では、基板１としてシリコ
ン基板、光導波路１ａおよび１ｂとしてシリコン基板上
に石英系ガラス材料により形成された光導波路を用いて
いる。しかし、これは、石英系単一モード導波路が単一
モード光ファイバとの整合性に優れ、実用的な導波型光
分岐素子を提供できるためであり、本発明は、このよう
な石英系光導波路に限定されるものではないことは、も
ちろんである。すなわち、基板材料としては、石英基
板、セラミック基板、半導体基板、あるいはニオブ酸リ
チウム等の結晶性光導波路基板等でもよく、また、光導
波路材料としては、半導体材料、有機材料、誘電体材料
あるいはセラミック系材料でもよいことは、もちろんで
ある。

【００２４】本発明の原理の解析や説明は、基本的に上
述した第３の従来例で説明したマッハツェンダ型干渉計
による構成法における光路長差（＋ΔＬ）を（−ΔＬ）
と置き換えたものと同じである。要は、マッハツェンダ
型干渉計による構成法では光の位相を遅らせたのに対し
て、本発明では光の位相を進ませた、あるいはその逆と
考えることができる。いずれにしても、両者は相補の関
係にあり、共に結合比の波長平坦特性を実現することが
できる。

【００２５】実施例１本実施例１では、方向性結合器全体の形状がほぼ線対称
構造となるように設定されている線対称セグメント形方
向性結合器について述べる。

【００２６】図１は、線対称構造を有する本発明の導波
型光分岐素子を示す平面図、また図２は図１のＡＡ′
（ＦＦ′）線，ＢＢ′（ＥＥ′）線，ＣＣ′（ＤＤ′）
線に沿った拡大断面図である。平面基板１の上に光導波
路１ａおよび１ｂを配置し、これら光導波路１ａおよび
１ｂを１箇所で互いに近接させ、かつ平行な結合部２の
２本の導波路２ａおよび２ｂのうちの１本（例えば２
ｂ）が複数のセグメント導波路で方向性結合器２を構成
する。ここでは、長方形のセグメント導波路２ｂの形状
およびそれらの間隔はすべて同一としているが、これは
光散乱損失の低減と設計の容易さのためであり、これに
限定されるものではない。また、図２（Ａ）〜（Ｃ）に
示すように、この方向性結合器２を構成するすべての導
波路１ａ、１ｂ、２ａおよび２ｂは等しい幅および等し
い深さを持つように構成されている。このような形状は
結合部２の全体の中心点０（原点）を通る光軸の方向Ｚ
と直交するＸＸ′線に関して対称形を成すため、線対称
セグメント形方向性結合器と呼称する。

【００２７】光導波路１ａおよび１ｂの各一端３ａおよ
び３ｂを入力ポートとし、光導波路１ａおよび１ｂの各
他端４ａおよび４ｂを、それぞれ、副出力ポートおよび
主出力ポートとする。Ｐ_inは入力ポート３ａに入来する
入力光であり、Ｐ_mainおよびＰ_sub は、それぞれ、主お
よび副出力ポート４ｂおよび４ａから取り出される主お
よび副出力光である。

【００２８】光導波路１ａおよび１ｂは、膜厚５０（μ
ｍ）程度のＳｉＯ₂ 系ガラスによるクラッド層５に埋設
された断面寸法８（μｍ）×８（μｍ）程度のＳｉＯ₂
−ＴｉＯ₂ 系またはＳｉＯ₂ −Ｇ_e Ｏ₂ 系ガラスコア部
からなり、直線パターンと曲率半径４０ｍｍの円弧パタ
ーンとの組み合せにより回路を構成した。このような石
英系光導波路１ａおよび１ｂは四塩化シリコンや四塩化
チタン（または四塩化ゲルマニウム）の火炎加水分解反
応を利用したガラス膜堆積技術と反応性イオンエッチン
グによる微細加工技術の公知の組合せで形成できる。な
お、以下に述べる全実施例において、コアの屈折率は
１．４５５，屈折率差は０．３％の一定値とした。

【００２９】このような、方向性結合器２の入力ポート
３ａに入射した光パワーは、導波路コア欠損部があるた
めに、導波路１ｂ（詳しくは２ｂ）中で位相遅延を生
じ、その結果、従来の対称形方向性結合器に比べて波長
依存性の小さい出力光Ｐ_mainおよびＰ_sub が得られる。
位相遅延の大きさは欠損部の長さと欠損部箇所数のみで
制御できる。

【００３０】図３（Ａ）は、本発明の導波型光分岐素子
の第１の構成例として、波長域λ₁＝１．３μｍ〜λ₂
＝１．５５μｍで、５０％±１０％，２０％±４％，５
％±１％の各結合率を有するよう設計した分岐素子の構
成である。ここでは、セグメントピッチＬp ＝５０（μ
ｍ），セグメント数Ｎ＝４２，導波路間隔Ｇ＝４．０
（μｍ），平行結合長Ｌ＝２．１（ｍｍ）と一定とし
た。図３（Ｂ）は上記の各結合率を得るため、セグメン
ト間隔をそれぞれｇ＝４．０（μｍ），ｇ＝６．０（μ
ｍ），ｇ＝７．５（μｍ）とした場合の波長特性に関す
る計算結果である。このように、セグメント間隔のみを
適正に選ぶことによって、所望の広帯域な結合特性を実
現できることがわかる。なお、各セグメント間隔の総
和、および導波路コアとクラッド間の屈折率差との積が
信号光の波長程度以下に設定することにより設計を容易
にすることができる。

【００３１】本実施例１では、セグメント導波路２ｂの
形状をすべて長方形としているが、本発明では、これに
限定されるものではない。すなわち、例えば図４（Ａ）
のように、反射戻り光を低減するために、平行結合領域
中の入出力近傍にあるセグメント導波路の光軸に垂直な
端面を斜めに設定してもよく、あるいは図４（Ｂ）のよ
うに、すべてあるいは一部のセグメント導波路の端面を
斜めに設定してもよい。また、図４（Ｃ）のように、す
べてあるいは一部のセグメント導波路をテーパ導波路と
してもよい。あるいは図４（Ｄ）のように、ほぼ線対称
構造であればピッチの異なるセグメント導波路を組み合
せてもよい。さらに、図４（Ｅ）のように、レンズ状に
してもよい。この他にも種々の構造のセグメント導波路
を考えることができるが、本発明では、任意の形状のセ
グメント導波路も含まれることは、もちろんである。さ
らにまた、図５に示すように、第２〜４の従来例のよう
な光分岐素子に各種のセグメント導波路を適用した構成
でもよいことは、もちろんである。

【００３２】なお、これ以降に示す実施例についても以
上のような構成の拡張も可能であることは、もちろんで
ある。

【００３３】実施例２本実施例２では、方向性結合器全体の形状がほぼ点対称
構造となるように設定されている点対称セグメント形方
向性結合器について述べる。

【００３４】図６は、点対称構造を有する本発明の導波
型光分岐素子の結合領域を示す拡大平面図である。この
ような形状は結合部２の全体の中心点０（原点）を通る
光軸の方向Ｚと直交するＸＸ′線に関して光導波路２ａ
および２ｂが対称な形を成すため、点対称セグメント形
方向性結合器と呼称する。このような点対称セグメント
形方向性結合器では、線対称セグメント形方向性結合器
構造を原点０で反転させているために、その波長特性も
実施例１で示した特性を上下反転したものとなる。

【００３５】図７（Ａ）は、本発明の導波型光分岐素子
の第２の構成例として、波長域λ₁＝１．３μｍ〜λ₂
＝１．５５μｍで、５０％±１０％，７５％±５％の各
結合率を有するよう設計した分岐素子の構成である。こ
こでは、セグメントピッチＬ_p ＝５０（μｍ），セグメ
ント数Ｎ＝４０，導波路間隔Ｇ＝２．０（μｍ），平行
結合長Ｌ＝２．０（ｍｍ）と一定とした。図７（Ｂ）は
上記の各結合率を得るため、セグメント間隔をそれぞれ
ｇ＝４．５（μｍ）およびｇ＝６．０（μｍ）とした場
合の波長特性に関する計算結果である。このように、セ
グメント間隔のみを適正に選ぶことによって、所望の広
帯域な結合特性を実現できることがわかる。

【００３６】なお、実施例１においても５０％以上の広
帯域な結合率を、また実施例２においても５０％以下の
広帯域な結合率を設計することは可能であるが、徐々に
広帯域幅が狭まり好ましくない。実施例１と実施例２は
互いに相補の関係にあり、使い分ける必要がある。

【００３７】次に、実施例３〜実施例５では、方向性結
合器全体の形状が線対称でも点対称でもないセグメント
形方向性結合器に関する実施例について述べる。

【００３８】実施例３図８は、線対称でも点対称でもない構造を有する本発明
の導波型光分岐素子の結合領域を示す拡大平面図であ
る。一方の導波路１ｂを構成する一連のセグメント導波
路２ｂは、平行結合領域中の真中央以外のところに配置
しているところが、実施例１および実施例２と異なる。
このような線対称でも点対称でもないセグメント形方向
性結合器では、以下に示すように、きわめて平坦な結合
特性を実現することができる。

【００３９】図９（Ａ）は、本発明の導波型光分岐素子
の第３の構成例として、波長域λ₁＝１．３μｍ〜λ₂
＝１．５５μｍで、５０％±３％の結合率を有するよう
設計した分岐素子の構成である。ここでは、セグメント
ピッチＬ_p ＝５０（μｍ），セグメント間隔ｇ＝１０．
５（μｍ），セグメント数Ｎ＝２０，導波路間隔Ｇ＝
３．５（μｍ），平行結合長Ｌ₁ ＝０．０５（ｍｍ），
Ｌ₂ ＝１．０（ｍｍ），Ｌ₃ ＝１．５５（ｍｍ）［全長
Ｌ＝２．６（ｍｍ）］とした。図９（Ｂ）は上記の構造
パラメータで求めた結合特性に関する計算結果である。
このように、構造パラメータを適正に選ぶことによっ
て、５０％±３％もの極めて広帯域な結合特性を実現で
きることがわかる。

【００４０】実施例４図１０（Ａ）は、本発明の導波型光分岐素子の第４の構
成例として、波長域λ₁ ＝１．３μｍ〜λ₂ ＝１．５５
μｍで、２０％±２％の結合率を有するよう設計した分
岐素子の構成である。ここでは、セグメントピッチＬ_p
＝５０（μｍ），セグメント間隔ｇ＝９．５（μｍ），
セグメント数Ｎ＝２０，導波路間隔Ｇ＝３．５（μ
ｍ），平行結合長Ｌ₁ ＝０．４（ｍｍ），Ｌ₂ ＝１．０
（ｍｍ），Ｌ₃ ＝１．２（ｍｍ）［全長Ｌ＝２．６（ｍ
ｍ）］とした。図１０（Ｂ）は上記の構造パラメータで
求めた結合特性に関する計算結果である。このように、
構造パラメータを適正に選ぶことによって、２０％±２
％もの極めて広帯域な結合特性を実現できることがわか
る。

【００４１】実施例５図１１（Ａ）は、本発明の導波型光分岐素子の第５の構
成例として、波長域λ₁ ＝１．２μｍ〜λ₂ ＝１．５５
μｍで、５％±１％の結合率を有するよう設計した分岐
素子の構成である。ここでは、セグメントピッチＬ_p ＝
５０（μｍ），セグメント間隔ｇ＝１０．０（μｍ），
セグメント数Ｎ＝２０，導波路間隔Ｇ＝３．５（μ
ｍ），平行結合長Ｌ₁ ＝０．６（ｍｍ），Ｌ₂ ＝１．０
（ｍｍ），Ｌ₃ ＝１．０（ｍｍ）［全長Ｌ＝２．６（ｍ
ｍ）］とした。図１１（Ｂ）は上記の構造パラメータで
求めた結合特性に関する計算結果である。このように、
構造パラメータを適正に選ぶことによって、５％±１％
もの極めて広帯域な結合特性を実現できることがわか
る。

【００４２】これまでの実施例１〜実施例５では、すべ
て２分岐素子を扱ったが、本発明の構成は多分岐素子へ
の拡張も可能である。次に、４分岐素子の実施例につい
て説明する。

【００４３】実施例６図１２は、本発明の第６の構成例としての４分岐素子の
構成を示す平面図である。図１２において、８ａ，８
ｂ，８ｃは基板１上に一括形成された２分岐素子であ
り、ここでは、実施例１（５０％設計例），実施例２
（５０％設計例）または実施例３と同等の５０％結合光
分岐素子とした。９は入力ポート、９ａ，９ｂ，９ｃお
よび９ｄは出力ポートである。入力ポート９に入力され
た信号光は、光分岐素子８ａでほぼ２等分され、さらに
光分岐素子８ｂと８ｃで分割が進み、出力ポート９ａ，
９ｂ，９ｃ，９ｄから出力される。本構成により、波長
域１．２５μｍ〜１．６μｍにおいて、各出力ポートへ
の結合率の変動は２５％±５％と小さく、波長依存性の
少ない、かつ低損失な所望の４分岐素子を提供すること
ができた。なお、実施例の基板寸法は、３０（ｍｍ）×
５（ｍｍ）程度であり、出力ポートのピッチは光ファイ
バアレイのピッチにあわせて２５０（μｍ）とした。

【００４４】実施例７図１３は、本発明の第７の構成例としての導波型光分岐
素子アレイの構成を示す平面図である。ここで、１０
ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄは実施例１（５０％設計
例），実施例２（５０％設計例）または実施例３と同様
の構成を持つ５０％結合分岐素子であり、これら素子１
０ａ〜１０ｄを４個並列に配置する。１１，１２は入出
力ポートアレイ、１１ａ，１２ａは入出力ファイバアレ
イ、１１ｂ，１２ｂは入出力ファイバアレイ端子であ
り、アレイ端子１１ｂ，１２ｂ内のファイバアレイピッ
チと入出力ポートアレイ１１，１２の導波路ピッチはい
ずれも２５０μｍに設定してある。本実施例の基板寸法
は１アレイあたり２５ｍｍ×５ｍｍと小さく、同一基板
上に多数個の素子を一括形成可能な導波型光部品の利点
が生かされている。

【００４５】また、上述した実施例においては、シリコ
ン基板上の石英系（ＳｉＯ₂ −ＴｉＯ₂ ）光導波路によ
り、光分岐素子を構成したが、かかる基板は、シリコン
基板に限定されるものではなく、石英ガラス基板に変更
することも可能である。さらにまた、コア部の主ドーパ
ントとしてＧ_e Ｏ₂ を用いたＳｉＯ₂ −Ｇ_e Ｏ₂ 系光導
波路を用いることもできる。あるいはまた、前述したよ
うに、本発明はこれらの石英系光導波路に限定されるも
のではなく、他の導波路材料、例えば、多成分ガラス導
波路系やニオブ酸リチウム導波路系、あるいは有機高分
子導波路系や半導体導波路系にも適用できる。

【００４６】実施例８図１４は、本発明の第８の構成例としての光スイッチン
グ素子の構成例を示す平面図である。１３Ａ，１３Ｂは
実施例１（５０％設計例），実施例２（５０％設計例）
または実施例３と同様の構成を持つ５０％結合分岐素子
であり、これらを２個直列に配置し、連結部での光路長
を同一の長さとしたマッハツェンダ型干渉回路を構成す
る。１４ａ，１４ｂは入力ポート、１５ａ，１５ｂは出
力ポートであり、導波路ピッチはいずれも２５０μｍに
設定してある。

【００４７】このような２個のセグメント形方向性結合
器１３Ａと１３Ｂとの間の光導波路１ａの上部に薄膜ヒ
ータ１６を装荷して、一方の光導波路１ａの屈折率値を
熱光学効果により調整して、独立に光路長差を設定する
ことにより所望の光分岐素子を実現することもできる。
また、この薄膜ヒータ１６をオン・オフすることにより
結合特性を、波長依存性の小と大との間でスイッチング
することも可能である。

【００４８】なお、以上の実施例以外にも方向性結合器
の導波路間隔が零であるように構成してもよい。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、少な
くとも１個の方向性結合器を構成する少なくとも１本の
光導波路が、光の相互作用が及んでいる結合領域全体の
中の少なくとも１箇所で、コアが分断された光導波路
（セグメント導波路）を有し、その分断箇所の存在によ
り光に対する光路長差を設けることによって、入出力ポ
ートから出力ポートへのパワーの結合率の波長依存性
を、ある特定波長域（たとえば、１．３μｍから１．５
５μｍ）にわたって緩和することができる。

【００５０】本発明の特長は、一方の導波路を任意に分
断して等価的に光路長差（−ΔＬ）を設けたという点で
あり、従来の導波路型光分岐素子の発想とは全く異な
る。しかも分断されたコア部分同士の間の距離が１０
（μｍ／箇所）以内であればコア分断箇所での損失は極
めて小さく、素子サイズも従来の対称形方向性結合器と
同程度に小さくすることができる。本発明では、相互作
用領域全体の形状を線対称構造、あるいは点対称構造さ
らにはそのどちらでもない構造とすることにより波長平
坦特性の向上，素子設計・作製時間の大幅な短縮化，歩
留まり向上を達成することができる。

【００５１】本発明の導波型光分岐素子は、広い波長域
に広がる光信号の分配用やモニタ用，タップ用として幅
広い用途が期待され、平面基板上に本発明の光分岐素子
を多段に連結することにより、４分岐素子，８分岐素子
への拡張も容易である。

【００５２】２５０μｍピッチの光分岐素子ファイバア
レイと接続して使用することも可である。

【００５３】さらに、平面基板上に大量に一括して制作
することができるため、低価格化も期待でき、本発明の
光分岐素子およびその応用素子は、光通信システムの普
及に大きく貢献するものと期待される。

【００５４】さらにまた、多種多様な光機能回路を集積
化した将来のモノリシック光集積回路を実現していく上
で、方向性結合器素子１個のみで広波長動作導波型光分
岐素子を提供できるという本発明の特徴は、素子の占め
る面積を最小限に抑えることが可能であるため、極めて
有利な素子構成であると言える。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の導波型光分岐素子の第１の構成
例の基本的な構成を示す平面図である。

【図２】図２（Ａ），（Ｂ）および（Ｃ）は図１のそれ
ぞれＡＡ′（ＦＦ′）線断面図、ＢＢ′（ＥＥ′）線断
面図、ＣＣ′（ＤＤ′）線断面図である。

【図３】図３（Ａ）は本発明の導波型光分岐素子の第１
の構成例の構成を示す平面図であり、図３（Ｂ）は第１
の構成例の光分岐素子における結合率の波長依存性を示
す図である。

【図４】図４は本発明に含まれるセグメント形方向性結
合器の変形例構成を示す概略部分平面図である。

【図５】図５は本発明に含まれるセグメント形方向性結
合器の変形例構成を示す概略部分平面図である。

【図６】図６は本発明の導波型光分岐素子の第２の構成
例の構成を示す平面図である。

【図７】図７（Ａ）は本発明の導波型光分岐素子の第２
の構成例の構成を示す平面図であり、図７（Ｂ）は第２
の構成例の光分岐素子における結合率の波長依存性を示
す線図である。

【図８】図８は本発明の導波型光分岐素子の第３〜第５
の構成例の基本的な構成を示す平面図である。

【図９】図９（Ａ）は本発明の導波型光分岐素子の第３
の構成例の構成を示す平面図であり、図９（Ｂ）は第３
の構成例の光分岐素子における結合率の波長依存性を示
す線図である。

【図１０】図１０（Ａ）は本発明の導波型光分岐素子の
第４の構成例の構成を示す平面図であり、図１０（Ｂ）
は第４の構成例の光分岐素子における結合率の波長依存
性を示す線図である。

【図１１】図１１（Ａ）は本発明の導波型光分岐素子の
第５の構成例の構成を示す平面図であり、図１１（Ｂ）
は第５の構成例の光分岐素子における結合率の波長依存
性を示す線図である。

【図１２】図１２は本発明の導波型光分岐素子の第６の
構成例としての４分岐素子の構成を示す平面図である。

【図１３】図１３は本発明の導波型光分岐素子の第７の
構成例としての光分岐素子アレイの構成を示す平面図で
ある。

【図１４】図１４は本発明の導波型光分岐素子の第８の
構成例としての光スイッチング素子の構成を示す平面図
である。

【図１５】図１５は従来の対称形方向性結合器（第１の
従来例）の構造を示す図である。

【図１６】図１６は第１の従来例における結合率の波長
依存性を示す線図である。

【図１７】図１７は第２の従来例における結合率の波長
依存性を示す従来の非対称形方向性結合器（第２の従来
例）の構成を示す平面図である。

【図１８】図１８は第２の従来例における結合率の波長
依存性を示す線図である。

【図１９】図１９は従来のマッハツェンダ形方向性結合
器（第３の従来例）の構成を示す概略平面図である。

【図２０】図２０は第３の従来例における結合率の波長
依存性を示す線図である。

【図２１】図２１は従来のテーパ形方向性結合器（第４
の従来例）の構成を示す概略平面図である。

【図２２】図２２は第４の従来例における結合率の波長
依存性を示す線図である。

【符号の説明】

１基板１ａ，１ｂ光導波路２セグメント形方向性結合器２ａ，２ｂセグメント導波路３ａ，３ｂ入力ポート４ａ，４ｂ出力ポート５クラッド層８ａ，８ｂ，８ｃ結合率５０％のセグメント形光分岐
素子９入力ポート９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ出力ポート１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄセグメント形光分岐
素子１１，１２入出力ポートアレイ１１ａ，１２ａ入出力ファイバ、１１ｂ，１２ｂ入出力ファイバアレイ端子１３Ａ，１３Ｂ結合率５０％分岐素子１４ａ，１４ｂ入力ポート１５ａ，１５ｂ出力ポート１６薄膜ヒータ２１基板２１ａ，２１ｂ光導波路２２対称形方向性結合器２２ａ，２２ｂ光導波路２３ａ，２４ａ入力ポート２３ｂ，２４ｂ出力ポート２５クラッド３１基板３１ａ，３１ｂ光導波路３２非対称形方向性結合器３２ａ，３２ｂ光導波路３３ａ，３４ｂ入力ポート３３ｂ，３４ｂ出力ポート３５ａ，３５ｂテーパ導波路４１シリコン基板４１ａ，４１ｂ光導波路４２Ａ，４２Ｂ方向性結合器４３ａ，４４ａ入力ポート４３ｂ，４４ｂ出力ポート５１ａ，５１ｂテーパ形方向性結合器５２方向性結合器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 6/12 - 6/14 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板と、該基板上に形成されたコアおよ
びクラッドから構成される少なくとも２本の光導波路
と、該少なくとも２本の光導波路の一部分を互いに近接
させて形成した少なくとも１個の方向性結合器を有し、
前記少なくとも２本の光導波路のうち少なくとも一方の
一端を入力ポートとし、前記少なくとも２本の光導波路
の他端を出力ポートとする導波型光分岐素子であって、前記少なくとも１個の方向性結合器を構成する少なくと
も１本の光導波路のコアが、光の相互作用が及んでいる
結合領域全体の中の少なくとも１箇所で、欠損部を有す
ることを特徴とする導波型光分岐素子。
【請求項２】前記コア欠損部の各々の長さの和、およ
び前記コアと前記クラッド間の屈折率差との積が信号光
の波長程度以下であることを特徴とする請求項１に記載
の導波型光分岐素子。
【請求項３】前記方向性結合器の前記平行結合領域を
含む前記結合領域を形成する前記少なくとも２本の光導
波路が、前記平行結合領域の中心を通りかつ光軸に直交
しかつ前記基板に平行な直線に関してほぼ線対称形状と
なるように、前記コア欠損部を配置したことを特徴とす
る請求項１または２に記載の導波型光分岐素子。
【請求項４】前記方向性結合器の前記平行結合領域を
含む前記結合領域を形成する前記少なくとも２本の光導
波路が、前記結合領域の中心に対してほぼ点対称形状と
なるように、前記コア欠損部を配置したことを特徴とす
る請求項１または２に記載の導波型光分岐素子。