JP3389242B2 - 光学デバイス - Google Patents

光学デバイス

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は光学デバイスに係わる。
更に特に、本発明は、ビーム分割機能及び／又はビーム
再結合機能を果たすためのデバイスに係わり、更に、そ
うした機能を使用するデバイスに係わる。
【０００２】
【従来の技術】集積光学系の新たに出現しつつある分野
が、電子回路で使用される構成部品と類似した幾つかの
構成部品をもたらしている。しかし、光信号分割機能及
び光信号再結合機能は、効率的で安価で且つコンパクト
な形態で実現されることが困難である。特許協力条約出
願No PCT/GB 88/00124（1988年9月22日付でWO88/07179
として公開）は、光散乱測定用のデバイスに係わる。こ
れは、ヘテロダイン光うなりシステムにおける光ビーム
分割（ビームスプリッティング）と光ビーム再結合との
ための、光ファイバ方向性結合器の使用を開示する。そ
の構成は多重同時測定では複雑になる可能性があり、こ
の多重同時測定は光ファイバ結合器のカスケード構成を
必要とする。この構成は、安価でもなく、光の強さの伝
送に関して効率的でもない。
【０００３】1989年6月1日付でWO89/04988として公開さ
れた特許協力条約出願No PCT/GB 88/00928に開示される
種類の電気光学ビーム誘導デバイス(electro-optic bea
msteering device) において、多方向ビーム分割の必要
性が特に生じる。このデバイスは、積層半導体構造物内
に形成された電気光学材料の並列導波路アレイから成
る。これらの導波路は、印加電気バイアスによって制御
される光路長を有する。そのアレイは、適切な印加バイ
アス条件によって誘導可能な１つの共通出力ビームを与
える。この種のデバイスは、単一の光源からの光が、各
々の導波路への入力のために複数の（例えば10つの）等
しい強さのビームに分割されることを要求する。このこ
とは、積層半導体構造物に適合可能な多方向ビーム分割
器の使用を必然的に含む。そうしたビーム分割器は、現
時点では入手不可能である。
【０００４】米国特許第 3,832,029号において、及び、
“Image Formation Using Self-imaging Techniques
（自己結像技術を使用する画像形成）”, Journal of t
he Optical Society of America, vol 63, No 4, April
1973, page 416 -419において、O Bryngdahlは、対称
なオブジェクトの自己画像(self-image)を生じさせるた
めの、正方形横断面の光トンネル(optical tunnel)の使
用を説明する。nが整数であり、dがこのトンネルの幅で
あり、且つλがこのトンネル内の光の波長である場合
に、このトンネルは長さL=n(2d2/λ)である。両方の引
例では、上記の長さ以外の長さにおいて多重自己画像が
得られることが可能であるということが示唆される。V
とvが共通因子を持たない整数である場合に、これらの
長さはL=(n+V/v)2d2/λである。しかし、上記の引例は
両方とも、必要とされる数の自己画像を得るためには、
どんな長さのトンネルが必要であるかを開示していな
い。
【０００５】しかし、ビーム分割機能とビーム再結合機
能と干渉計機能とを与えるために、その自己結像作用に
おいて長方形導波路を使用することが知られている。こ
れは、A Simon とR Ulrichによって、Applied Physics
Letters, vol 31, No 2, July 15, 1977，pp 77-79 に
おいて開示される。このデバイスは、長方形の横断面を
持つ導波路壁として配置される４つの光学研磨ガラスブ
ロックを有する。その導波路のアスペクト比（幅：高
さ）Wy/Wxは√2 である。その導波路は、全反射（鏡）
側壁を有し、空心になっている。その導波路は、（コア
屈折率が１である場合に）長さL=4Wx 2/λである。その
導波路は、その一方の端部において、照明された試験物
体からの光を偏心位置に受け、その後の出力のために、
その導波路の他方の端部に２つの偏心画像を生じさせ
る。この偏心した入力は、出力画像の重なり合いを防止
する。これはビーム分割器機能である。ビーム結合器機
能は、その導波路の一方の端部における２つの偏心画像
が、その他方の端部における２つの偏心出力画像に変換
されることから成る。その２つの入力画像が同位相であ
るならば、その２つの出力画像の一方は暗い。その２つ
の入力画像が互いに位相が異なっているならば、その出
力画像の両方が非ゼロの光の強さを有するだろう。ビー
ム結合器は、２つの入力ポートと２つの出力ポートを有
するビーム分割器に相当する。その干渉計機能は、２つ
の導波路、即ち、ビーム分割器とビーム結合器とを直列
に並べることによって生じさせられる。上記のデバイス
は、英国特許第1 525 492号においてR Ulrichによって
も説明されており、この特許文献は、他の幾つかのデバ
イスも説明している。これらのデバイスは、拡大又は縮
小を得るための様々な横断面の多モード導波路を使用す
るデバイスを含む。
【０００６】容認可能な性能を得るために、R Ulrichに
よって説明されるデバイスで使用される導波路は、約50
つのモードをサポートすることが必要とされる。このこ
とは、その導波路が、高次数モードの閉じ込めを生じさ
せるために、高いコア屈折率を有することを必要とす
る。液体充填された導波路が使用されてもよい。しか
し、こうした液体充填導波路は物理的に取扱い難い構造
である。これらの液体充填導波路は、半導体リソグラフ
ィーのような積層技術に対して特に適合可能なコンパク
トな構造を生じさせるという問題を解決しない。
【０００７】光ビームを分割し再結合することに関する
問題点は、the Proceedings of theEuropean Conferenc
e on Optical Communications Gothenberg, Sweden 198
9においてA Fielding他によって提出されている。これ
らの著者は、ツリー型光結合器(tree optical coupler)
とスター型光結合器(star optical coupler)とが光通信
において重要な構成要素であるということを指摘する。
１つ以上の入力光ファイバからの光出力を受けるため
に、及び、幾つかの出力光ファイバの間に光を分割する
ために、環状導波路が使用された。入力ファイバと出力
ファイバは、この環状導波路の環状空間の周囲に配置さ
れた。入力ファイバと出力ファイバとは、各入力ファイ
バが、各出力ファイバ開口を中心とした光点パターンを
発生させるように配置された。このことは、入力光の強
さを出力ファイバ間に分配することを可能にした。しか
し、そうした環状導波路システムは、そのアラインメン
トが時間を要する調整を必要とするが故に、製造が困難
である。この場合にも同様に、その構造は、半導体加工
で使用されるような積層技術に適合できない。
【０００８】“Passive Paths for Networks（ネットワ
ークのための受動経路）”PhysicsWorld, September 19
91,pp 50-54において、T IkegamiとM Kawachiは、受動
的なビーム分割及び再結合デバイスの現在の技術水準に
ついて論評している。彼らは、ビーム分割器とプリズム
のような大型デバイスについて簡潔に論じる。彼らは、
溶融ファイバ結合器(fused fibre coupler)のようなフ
ァイバデバイスに移る。しかし、彼らは、そうした大型
デバイスとファイバデバイスとは、低い生産性と、安定
性の欠如と、光学回路の集積化への適合性の低さという
欠点を有すると述べている。更に、彼らは、様々な形状
のプレーナ形導波路デバイスを論じる。これらのプレー
ナ形導波路デバイスは、１組のＹ接合点(Y-junction)か
ら成るビーム分割デバイスを含むが、しかし、同様に、
これも低効率という欠点を有する。彼らは、８つの入力
導波路と、12つのダミー入力導波路と、１つの平板導波
路と、８つの出力導波路と、12つのダミー出力導波路か
ら成る、8×8スター型結合器も説明する。このスター型
結合器は、８つの入力を受け入れ、これらの入力を混合
し、これらの入力を８つの出力導波路に均等に配分す
る。更に、スター型結合器は、１つの入力を受け入れ
て、その入力を８つの出力導波路の間に均等に配分する
ことも可能である。ダミー導波路が、入力導波路と出力
導波路との両側に配置される。ダミー導波路は、中心に
位置した入力導波路及び出力導波路と同一の条件を周辺
の入力導波路及び出力導波路に与えるために、必要であ
る。このデバイスは、5 mm×26 mmのSi基板上に作られ
る。このデバイスは、8dBの固有結合損失に加えて、1.4
2dBの平均過剰損失を示す。0.49dBの標準偏差を示す結
合の均一性は、適切であると主張されている。
【０００９】レーザのような能動光学デバイスにおい
て、複合的な光ビーム再結合／分割構造を使用すること
も知られている。英国特許第 1 525 492号でR Ulrich
は、幾つかの類似したレーザ共振器デバイスを説明して
いる。そうしたデバイスの１つは、その両端に平面鏡を
有する長さL=4Wx 2/λの導波路から成る。その空洞のモ
ード制御は、互いを映し出すように配置された複数の小
型の平面鏡を使用することによって改善されることが可
能である。これらの鏡の大きさは、スプリアス光を反射
せずに、被形成画像を反射するのに十分な大きさであ
る。説明された別の代替案は、その一方の端部に１つの
平面鏡を有し、且つその他方の端部に２つの小型の開口
付き平面鏡を有する、長さL/2の導波路を含む。これら
の開口付き鏡は、互いを映し出すように配置される。こ
れらのデバイスは、前述のUlrichのデバイスと同じ欠点
を有する。
【００１０】Appl. Phys. Lett. 55(19), 6th November
1989, pp 1949-51において、M Jansen他は、周期的ア
レイの形のモノリシック集積レーザダイオード(monolit
hically integrated laser diode)と自己結像Talbot空
洞とを組み込んだレーザデバイスを説明する。このデバ
イスは、横断方向に配置され且つ周期的に間隔が置かれ
た光源アレイが、量zt（ztはTalbot長さである）の倍数
である距離において周期的に再結像する、Talbot効果を
使用する。これは、アレイの周期性の平方に比例する。
アレイ光源の出力が同位相であるということ、又は、隣
り合う出力が互いに逆相であるということが、必要条件
である。Jansen他は、Zt/2の長さのTalbot空洞に光学結
合され且つ劈開端面を有する、リニア並列ダイオードア
レイを開示する。この端面における反射は、Talbot空洞
の二重通過と光学長さZtとを生じさせる。このことは、
ダイオード出力が、Talbot空洞内での混合後のフィード
バックによって、そのダイオード出力自体の上に再結像
されることを可能にする。更に、Talbot空洞は、動作基
本モードに最も近い高次数モードを濾波して排除する。
空洞フィードバックは、そのアレイ要素を強力に結合さ
せ、単一縦モード動作を生じさせる。このフィードバッ
クが、Talbot効果が必要とするアレイ要素間の位相関係
をも与えると考えられる。しかし、この構造は、フィー
ドバックデバイスであるが故に、単経路多方向ビーム分
割(single pass multiway beamsplitting)には不適切で
ある。更に、レーザ導波路に加えてTalbot空洞内におい
ても電流が必要とされる。この電流は、空洞の透過性の
ために必要とされる。従って、このデバイスは受動デバ
イスではなく、受動的なビーム分割及び結合の用途には
不適切である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】ビーム分割機能及び／
又はビーム再結合機能のための別の形態の光学デバイス
を提供することが、本発明の目的である。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明は、多モード導波
路を含む光学デバイスを提供し、この光学デバイスは、
(a) 基本モード動作に適合した第１の結合導波路が、前
記多モード導波路の横断面の中心において、前記多モー
ド導波路に接続(port)され、(b) 各々に基本モード動作
に適合した少なくとも２つの第２の結合導波路が、接続
中心(port centres)が前記多モード導波路の横断面上に
互いに間隔を置いて前記多モード導波路に接続され、
(c) 前記結合導波路及び前記多モード導波路の相対寸法
と相対位置決めとが、前記第１の結合導波路の同位相の
対称基本モードとして伝搬する放射が前記多モード導波
路の対称モードだけを励起するような相対寸法と相対位
置決めとであり、前記多モード導波路内でそのように励
起されたモードが、前記多モード導波路内の放射経路に
沿ったモード分散によって、前記第２の結合導波路各々
の基本モードを励起する。
【００１３】本発明は、第１の結合導波路から第２の結
合導波路の各々に光信号が伝送可能であるという利点を
有する。適切な整相(phasing)によって、第２の結合導
波路内の光が、第１の結合導波路内で再結合されること
が可能である。従って、本発明は、ビーム分割機能とビ
ーム再結合機能が可能である。更に、第１の結合導波路
と第２の結合導波路の基本モード動作と、これらの導波
路の間のモードのマッピング(mapping)とによって、そ
のデバイスを通しての光伝送は、類似の従来技術のデバ
イスよりも効率的である。試験は、1-対-2方向ビーム分
離器において75％以上の効率が得られることが可能であ
るということを示す。Fielding他は14.3dBの挿入損失を
示し、この挿入損失は 4％未満の効率に相当する。更
に、多モード導波路における対称モード励起に対する制
限によって、この導波路は、例えばUlrichの従来技術の
導波路よりもはるかにコンパクトである。（同じ導波路
媒質を有するデバイスに比較して）係数４の長さ縮小が
得られることか可能である。更に、本発明は、それが積
層構造技術の形で実現可能であるという別の利点を有す
る。これらの構造は、CO2レーザ放射のための中空アル
ミナ導波路と、近赤外放射のための半導体材料で形成さ
れたリッジ形導波路(ridge waveguide)を含む。
【００１４】各々の結合導波路は、その導波路がより高
次数のモードをサポートしないことによって、基本モー
ド動作に適合させられることが可能である。或いは、各
々の結合導波路は、より高次数のモードを維持すること
も可能である。この場合には、各々の導波路は、その導
波路の基本モードだけを励起する形で入力放射を受け取
ることによって、基本モード動作に適合させられる。
【００１５】本発明は透過デバイスであってもよく、そ
の多モード導波路は縦方向の光路を有する。この場合に
は、第１と第２の結合導波路が、多モード導波路の互い
に反対側の縦方向端部領域の各々に接続される。或い
は、本発明は反射デバイスであってもよく、この場合に
は、第１と第２の結合導波路のどちらか一方に放射が入
力され、多モード導波路内の反射手段によってその他方
に反射される。この反射手段は逆反射であってもよく、
この場合には、第１と第２の結合導波路が、多モード導
波路の共通の縦方向端部領域に接続される。
【００１６】好ましい実施例では、本発明は長方形横断
面の多モード導波路を使用する。この横断面は一定不変
であってよく、又は、その代わりに、縦方向のテーパを
有してもよい。その多モード導波路は、１つの横断方向
における基本モード動作と、対角線方向の横寸法におけ
る多モード動作とに適合させられることが可能である。
この場合には、多モード導波路と結合導波路は、概ね共
面で平行な中心軸線を有する。しかし、本発明は、平行
性と共面性からの僅かな逸脱によって大きく悪影響を受
けることはない。本発明は、1-対-N方向ビーム分割器(N
= 1,2,3,...)として構成されることが可能である。この
場合、多モード導波路は長さ4Mb2/Nλであり、この2bは
そ多モード寸法における多モード導波路幅であり、Mは
「その第２の端部領域の幅」：「その第１の端部領域の
幅」の比率であり、λは多モード導波路内の光学動作波
長である。多モード導波路の第２の端部領域は、第２の
結合導波路の各々に共軸接続されたNつの対等な横断方
向区画に概念的に分割される。
【００１７】さて、以下では、本発明がより詳細に理解
され得るように、本発明の実施例が、次の添付図面を参
照して非限定的な例として説明されるだろう。
【００１８】
【発明の実施の形態】図１を参照すると、この図には、
全体的に参照符号10で示されるビーム分割器の形の本発
明の光学デバイスの斜視図が示されている。ビーム分割
器10は、連続して配置された３つの層即ちstrata（水平
層）を含み、これらの層の中の基板12と導波路層14が実
線で示されている。被覆層の位置は点線16で示される。
【００１９】導波路層14は、次のような中空導波路を画
定するように（描影法によって示される）その全厚さに
亙って溝を付けられている：入力導波路18、中央導波路
20、左出力導波路22、右出力導波路24。この中央導波路
20は、25のような反射側壁を有する、一定不変の長方形
断面の導波路である。この中央導波路20の高さは2aであ
り、幅は2bであり、長さLであり、これらの寸法の各々
は、参照符号28で示されるx、y、zデカルト座標の各々
に平行である。これらの中で、xは垂直であり、yとzは
水平である。パラメタa、b、Lは、一般性を維持するよ
うに使用され、その具体的な値は後述される。しかし、
この例では、b>2aである。
【００２０】入力導波路18と出力導波路22、24とは、辺
2aの正方形の断面を有する。入力導波路18と中央導波路
20とは、z方向に延在する共通の中心縦軸線30を共有す
る。出力導波路18、22は各々に、軸線30に対して平行で
あり且つyz平面内において軸線30の両側にずれている軸
32、34を有する。入力及び中央及び出力導波路18〜24の
各々は、２つの水平壁と２つの垂直壁とを有する。
【００２１】さて、上記の諸部分が同じ参照符号で示さ
れている図２及び図３も参照すると、これらの図には、
各々に矢印36と矢印38との方向で見た場合の、線II−II
と線III−IIIとに沿った断面図が示されている。両方の
場合とも、その断面はz 軸に対して垂直である。図２
は、入力導波路18がそこで中央導波路20の中に合体する
入力導波路18の出口開口40を示す。開口40は、中央導波
路20への入力ポートとして働く。図２の点線領域42は、
導波路層14内に形成された中央導波路20の垂直な入力端
壁を示す。中央導波路20の側壁は参照符号25で示され
る。開口40は、端壁42内に対称に配置され、その中心
は、側壁25から距離b を置いて軸線30上にある。
【００２２】図３は、出力導波路22、24の各々の入口開
口50、52を示す。開口50、52は、中央導波路20の出力ポ
ートとして働く。これらの開口は、中央導波路20の出力
端壁54内に位置する。開口50、52は各々に軸線32、34上
に中心を置き、軸線32、34は各々に、各側壁44と中央導
波路軸線30とから距離b/2 だけ離れて位置させられる。
従って、軸線32、34は、互いに距離b だけ離れている。
このことは、出力導波路の開口又はポート50、52（及
び、軸線32、34上のこれらの開口の中心）を、中央導波
路20の断面の各半分部分の中に対称的に配置する。これ
らの半分部分は、中央軸線30を通る垂直平面によって画
定される。従って、軸線32、34上のポートの中心は、中
央導波路20の横断面の（空間的意味で）y寸法に沿って
周期的に配置される。
【００２３】さて次に、ビーム分割器10の動作が一般的
に説明されるが、より詳細な理論的分析は後で示され
る。入力手段（図示されていない）によって与えられる
光ビームが、入力導波路18の中に結合される。そのビー
ムは、2b2/Lに等しい波長λを有する。このビームは、
導波路軸線30に平行に方向付けられ、入力導波路の横断
面の全体に亙って定位相である。このビームは、両方の
横断寸法に、即ち、横断水平寸法と横断垂直寸法におい
て、半波正弦状の強さ分布を有する。従って、このビー
ムは、入力導波路18の基本EHS 11モードだけを励起す
る。当然のことながら、入力導波路18は、異なった入力
励起によって、より高次数のモードEHS mn（m及び／又は
nは１より大きい）を維持することも可能である。従っ
て、導波路18は、基本モードだけを励起する放射源と共
に使用されることによって、基本モード動作に適合させ
られる。更に、代替案として、基本モードだけを維持す
る単一モード入力導波路を使用することも可能である。
【００２４】入力導波路18内での基本モード伝搬は、正
弦関数の半周期(0〜π)の形の、この導波路に亙っての
電界分布を生じさせる。導波路出力開口40では、この電
界分布は軸線30を中心としている。この電界分布は、水
平横断y方向において多モードデバイスである中央導波
路20の対称モード EHSS 1n（nが奇数）を励起する。垂直
方向、即ちx方向では、中央導波路20は基本モードだけ
で動作する。入力が(a)共軸であり、(b)基本モードであ
り、且つ(c)入力導波路開口40の全体に亙って定位相で
あるが故に、多モード導波路20の非対称モード（nが偶
数）は励起されない。軸線30上に中心を置いた開口40に
おける電界分布は、これらのモードの線形和に分解され
る。これらのモードは、中央導波路20内において軸線30
に沿ったz方向に様々な伝搬定数を有する。従って、xy
平面に対して平行な平面内の電界分布は、z方向におい
て変動する。この変動の故に、開口40の平面内の電界分
布は、中央導波路20の長さに沿って、出力導波路22、24
の各々の入口開口50、52における２つの同一の電界分布
に、変換されるようになる。これらの分布は、各々の出
力導波路軸線32、34を中心とする。出力開口50、52の間
と、側壁44と出力開口50、52との間の、端壁54の領域内
においては、電界は概ねゼロである。
【００２５】開口50、52における電界分布の各々は、そ
の関連した各々の出力導波路22又は24の基本EHS 11モー
ドを励起する。従って、中央導波路20内の放射は出力導
波路22、24の中に効率的に結合され、出力導波路22、24
は単一モード（基本モード）デバイスとして動作する。
入力導波路18に向かっての端壁54からの放射の著しい反
射はない。従って、中央導波路内でのモード相互作用を
変化させる逆方向伝搬なしに、放射が、入力導波路18か
ら中央導波路18を通って出力導波路22、24の中に単一方
向に伝搬する。従って、ビーム分割器10は、入力導波路
18に加えられる入力放射ビームを、出力導波路22、24か
ら出て行く２つの出力ビームに分割する。中央導波路20
のモード構造が、一方の端部42における単一の基本モー
ドの電界分布を、他方の端部54における２つの別々の類
似した分布に変換するが故に、このビーム分割が起こ
る。これは、より一般的な現象の具体例であり、中央導
波路の軸線上の平面波の励起と、次式で与えられる、中
央導波路長さLと波長λとの間の上記の関係との故に、
これが生じ、 L=2b2/λ (1) 前式中のbは中央導波路の1/2幅である。
【００２６】後述されるように、中央導波路長さLの変
化と、中央導波路に対する入力の位置と形状の変化と
が、放射分割効果を変化させる。
【００２７】さて、長方形導波路の理論的な伝搬特性が
分析されるだろう。その導波路が高さ2aと幅2bを有し、
複素誘電定数εを有する均一な誘電材料に境を接してい
るということが仮定される。更に、（導波路壁を与え
る）この誘電材料が高い反射性を有し、必要とされる伝
搬モードに対して減衰をさほどもたらさないということ
も仮定される。その導波路は、x軸、y軸、z軸に対して
各々に平行である高さ寸法と幅寸法と長さ寸法を有す
る。この導波路は、種類EHmnの直線偏光モードを既に正
規化した。点(x,y,z)におけるmn次のモードEHmnの電界
寄与 Emn (x,y,z)が、次式のように、Appl. Opt. Vol.
15, No. 5, pp 1334-1340, May 1976 においてLaakmann
他によって計算された。
【００２８】
【数１】 前式中で、mは、x軸に沿った電界依存性に関するモード
数であり、nは、y軸に沿った電界依存性に関するモード
数であり、zは、z軸に沿った距離であり、Ymn=(βmn+i
αmn)は、mn次モードの伝搬定数であり、βmnとαmnはm
n次モードの位相係数と減衰係数であり、「sin」の上の
「cos」は、「cos」が偶数モード数（場合に応じてm又
はn）に対して適用され、「sin」が奇数モード数に対し
て適用されることを示している。
【００２９】位相係数βmnは次式で与えられる。
【数２】
【００３０】方程式 (3.1)の括弧内の負項が、実際に満
たされる１（近軸放射近似値）に比べて小さいならば、
二項定理が方程式(3.1)を次式のように書き直すために
使用されることが可能であり、
【００３１】
【数３】 前式中でa、b、c、m、nは上記で定義された通りであ
り、λはその導波路内を伝搬する放射の自由空間波長で
ある。
【００３２】方程式(2)は、長方形導波路の全ての直線
偏光モードから得ることが可能な電界寄与を提示する。
各モードの電界寄与(electrical field contribution)
が、その導波路の側壁において、即ち、軸線30上でy=0
である場合にy= +b及び-bにおいて、ゼロであるという
ことに基づいて、この方程式が計算される。このこと
は、中央導波路が反射性の側壁25を有する場合に満たさ
れる。必ずしも全ての中央導波路モードが所与の入力に
よって励起される必要はない。図１〜３のビーム分割器
10の場合には、入力導波路18と中央導波路20の高さは一
致させられ、2aに等しい。入力導波路18は、その基本モ
ード即ち最低次数のモードEHS 11の形の励起を与える。
この励起は長方形導波路20の様々なEHmnモードに結合さ
れる。従って、入力EHS 11モードは、EHmnモードと各々
の複素乗法係数 Amnとの線形結合に分解されるようにな
る。これは次式で表され、
【数４】
【００３３】実質的に、振幅結合係数Amnは、入力導波
路開口40における電界を表すフーリエ級数の係数であ
る。EHmnモードは相互に直交し、従って、係数 Amnは、
次の形の重複積分から計算されることが可能である。
【数５】
【００３４】方程式(2)〜(5)から、励起長方形導波路モ
ードの振幅係数が、中央導波路幅と入力導波路幅の比率
b/aに応じてどのように変化するかを計算することが可
能である。図４は、b/aに応じた Amnの変化、即ち、中
央導波路の「幅：高さ」の比率を変化させる効果を示
す。図５は、出力結合を示す、｜Amn｜2の場合の同等物
を示す。図４は、m=1且つnが奇数の時を除いてAmn=0で
あることを示す。これは、その励起条件の対称性に起因
する。従って、励起されるモードは、対称モードEH11、
EH13、EH15等だけである。
【００３５】図６には、より低次数のEHmn導波路モード
の幾つかの形状が電界振幅分布として示されている。こ
れらの分布は計算によって得られ、擬３次元的な形でグ
ラフA〜Fとして示されている。便宜上、Gに示される座
標軸は、図１の軸線30に関して回転させられている。軸
x、y、zは、前述のように、多モード導波路20における
横断垂直方向と横断水平方向と縦方向とに相当する。グ
ラフA 〜Fは、次のモードに相当する。 A：EH11 B：EH21 C：EH31 D：EH12 E：EH13 F：EH22 これらの中で、A、C、Eは対称モードであり、B、D、Fは
反対称モードである。これを明確にするために、E(x)と
E(-x)の各々が、図１のx軸の正部分と負部分に各々に関
連付けられた電界振幅分布であり、E(x=0)がz軸30上に
あるとする。E(y)とE(-y)が、y軸に関するその同等物で
あるとする。対称モードの場合には、 E(x)=E(-x) 且つ E(y)=E(-y) (6.1) 反対称モードの場合には、次の(6.2) 又は(6.3) のどち
らか一方が当てはまる。 E(x)=-E(-x) (6.2) E(y)=-E(-y) (6.3)
【００３６】ビーム分割器10内では、本発明によって、
基本（対称）モード入力が、多モード導波路の対称モー
ドだけが励起されることを可能にする。
【００３７】入力開口40から距離z にあるxy平面内の横
断方向電界分布は、次式で与えられる Ezであり、 Ez＝ΣAmn・EHmn (7) 入力開口40から距離zにあるxy平面内の電界の強さの分
布は、方程式(7) の絶対値又は量の平方である｜Ez｜2
である。｜Ez｜2は、b/aの２つの値に関して、中央導波
路20に沿った距離zに応じて計算された。両方の場合と
も、中央導波路幅(2b)は3mmであり、その高さ(2a)は一
方の場合には1mmであり、他方の場合には0.5mmである。
これは、b/a=3とb/a=6とに相当し、その計算結果が図７
と図８の各々にグラフで示されている。図７と図８は、
中央導波路20に沿った一連のzの値の各々に関して、中
央導波路に沿った位置 yに応じた電界の強さI=｜Ez｜2
を示す。両方の場合とも、その計算は、10.59ミクロン
の放射波長（CO2レーザ）と、方程式(1)で与えられる42
5mmの中央導波路長さLとに基づいている。
【００３８】図５に示されるように、b/a=3である時に
は、モードEH11、EH13、EH15、EH17だけが励起され、こ
れらは各々に近似相対出力0.52、0.33、0.13、0.02を有
する。b/a = 6 である時には、モードEH11〜EH1.13が励
起され、これらは各々に相対出力0.27〜0.02を有する。
【００３９】図７では、最初の中心極大60が、図１と図
２の入力導波路開口40における電界の強さの分布I を示
す。この点(z=0)において、モードEH11〜EH17は、互い
に同位相であり且つ極大60を生じさせるために積極的に
干渉する電界を生じさせる。中央導波路20の長さを下る
につれて、即ち、zが増大するにつれて、モードEH11〜E
H17は互いに同位相ではなくなる。これは、位相係数β
mnと従って伝搬定数Ym nとがモード数mとnに依存してい
る、方程式(2)、(3)の結果である。
【００４０】従って、これらのモード電界寄与の変化の
空間比率(spatial rate)は、z軸30に沿って、即ち、中
央導波路20の軸方向に異なる。これは、モード電界寄与
の間の干渉の形を変化させ、横断方向に延びる様々な電
界の強さの分布を生じさせる。これらの分布は、z の各
々の値におけるxy平面内の61、62のような曲線によって
示される。導波路20に沿った約2/3の距離においては、
その電界の強さの分布は、３つの類似した極大を有する
曲線63によって表される。導波路20の端部では、その強
さの分布は、２つの明確に分かれた極大64a、64bを有す
る曲線64によって示される。極大64a、64bは、出力導波
路22、24の入口開口50、52の中心に位置している。これ
らの極大は互いに同位相であり、各々が、それに関連し
た出力導波路22、24各々の基本モードを励起する。
【００４１】計算は、曲線60によって示されるように入
力導波路18から中央導波路20への、及び、曲線64によっ
て示されるように中央導波路20から出力導波路22への、
効率的な放射結合があるということを示す。導波路端壁
54の位置に相当する区画64c、64d、64eにおいて、曲線6
4はゼロになる。従って、端壁54においては、反射に利
用できる強さはない。更に、極大64a、64bが、各々の出
力導波路22、24の基本モードを励起するが故に、入力導
波路18に向けて反射される波を発生させる不整合がな
い。従って、導波路18〜24に沿った減衰が僅かであり、
即ち、m=1且つn=1、3、5、7の場合のαmnが非常に小さ
いと仮定するならば、入力導波路18内の放射は、出力導
波路22、24の両方に効率的に均等に結合される。従っ
て、ビーム分割器10は、b/a が３である時に良好なビー
ム分割特性を有する。
【００４２】さて、図８に目をやれば、この図は、前述
のようにその導波路の横断面アスペクト比 b/aが６であ
る時の、中央導波路20の長さに沿った横断方向の電界分
布を示す。図５に示されるように、 b/aを（図７の場合
のような）３から（図８の場合のような）６に増大させ
る効果は、中央導波路モードEH11、EH13に結合される出
力を減少させ、且つ、モードEH15、EH1.13に結合される
出力を増大させることである。より高次数のモードがよ
り多くの出力を受けるが故に、図８における構造と定義
の度合いは、図７のそれらより増大させられる。図８で
は、開口40の平面内の電界分布は、単一の極大70a を有
する曲線70によって示される。前述されたように、異な
るβmn値を有するモードEH11〜EH1.13の故に、横断方向
の電界の強さの分布は、中央導波路20に沿った距離zに
応じて変化する。曲線71〜75は、概ね等しい形状と大き
さの複数の極大へ電界の強さが分割される位置を示して
いる。曲線 71 、72、73、74、75は各々に、６つの、４
つの、３つの、５つの、２つの極大を有する。特に、曲
線73は、明確に画定された３つの極大73a、73b、73cを
有する。曲線71〜75は各々に、前述のように Lが中央導
波路の長さである場合に、入力導波路開口40からの距離
L/3、L/2、2L/3、4L/5、Lに位置している。これらの長
さは、2L/6、2L/4、2L/3、4L/5、2L/2と表されることが
可能である。従って、極大の数と距離との間には逆関係
がある。
【００４３】中央導波路20は、曲線75の極大75a、75bか
らの放射を受けるように配置された出力導波路22、24を
有する。代替案のデバイスは、より短い中央導波路を使
用し、曲線71〜74のいずれか１つの曲線の各々の極大に
位置させられた１組の出力導波路を有することが可能で
ある。このことは、N=6、4、3、又は5である場合に、1-
対-N方向ビーム分割を可能にするだろう。M-対-N方向の
放射ビーム分割のための複数の入力導波路と出力導波路
を有することも可能である。例えば、３つの入力導波路
が、曲線73上の極大の位置に中心を置いて配置され、且
つ５つの出力導波路が、曲線74上の極大の位置に中心を
置いて配置されることが可能である。しかし、後述され
るように、入力導波路によって寄与される電界の位相が
異なることが必要とされるだろう。極大70a、74a、74b
は、同位相の電界に相当するが、一方、曲線71のような
曲線における極大は、一般的に、同位相ではない。
【００４４】多方向放射ビーム分割が必要とされる場合
には、出力導波路の間の端壁における寄生反射を防止す
るために、十分に大きな値のb/a を有することが必要で
ある。b/aの十分に高い値が、ゼロ強さを介在させなが
ら十分に画定された極大を生じさせるのに十分な対称EH
mnモード（m=1、n=1、3、5...）が励起させられること
を確実なものにする。これは、個々の用途に応じた設計
の問題である。しかし、比較的少数のモードが励起され
ることだけしか本発明が必要としないということは、１
つの利点である。例えば、b/a=3の場合の図７に示され
る電界パターンは、４つの最低次数の奇数EHmnモードに
よって、即ち、EH11、EH13、EH15、EH17によって概ね完
全に記述される。同様に、b/a=6の場合の図８に示され
る電界パターンは、７つの最低次数の奇数EHmnモードに
よって概ね完全に記述される。従来技術の自己結像導波
路は、50つ以上を必要とし、従って、高いモード数にお
ける全内部反射を維持するためには高屈折率のコア媒質
を必要とする。
【００４５】図９は、図８がそれから得られる中央導波
路寸法の場合における、結果的に生じる電界の位相φ
の、y 軸に沿った変動を示す。各々に曲線70〜75に相当
する80〜85のような曲線がが示される。81のような位相
曲線の各々が、zの各々の値に関する中央導波路20に沿
っての電界の位相変動を示し、図８の各々の電界の強さ
の分布に相当する。位相表示φの垂直スケールが参照符
号86で示され、この場合には 2πの間隔が示されてい
る。曲線70と75における電界分布は、直線80、85で示さ
れるように定位相である。しかし、例えば、曲線83は、
その外側領域83a、83cとは位相において異なっている中
央領域83aを有する。領域83a〜83cは、図８における関
連の極大73a 〜73cの位相を与える。従って、中央の極
大73a は外側の極大73b、73cとは位相が異なっており、
極大73b、73cは互いに同位相である。このことは、「3-
対-4」ビーム結合器／分割器が、２つの同位相の極大75
a、75bを生じさせるために、外側の極大73b、73cに対し
て位相がずれている中央の極大73a を必要とするだろう
ということを示す。
【００４６】曲線80、85が同位相であるが故に、これら
の曲線は可逆的な特性を生じさせ、即ち、特に２つの同
位相の入力75a、75bが１つの入力70を生じさせるだろ
う。これを拡張すれば、重ねられた出力導波路開口50、
52と端と端をつないで配置された２つの中央導波路20
は、極大70を極大75a/75bに変換し、その後で再び極大7
0に戻すだろう。このことは、重複された極大75a/75bに
連続した図８の２つの変形物(version) を考察すること
によって、視覚化されることが可能である。このように
して作 られる中央導波路の２倍の長さは 2L であり、
これは、方程式(1) から次のように与えられる。 2L=4b2/λ (7)
【００４７】方程式(7) は対称モード反復距離(2L)を与
え、これは、最初の電界分布がそれに亙って再現される
長方形導波路長さである。これは、その導波路に沿った
放射伝搬の過程において適切な対称EHmn導波路モードの
重大な減衰がないことを仮定する。
【００４８】図９における同等物と背中合わせに組み合
わされた図８の２つの変形物の視覚化は、光学位相の効
果を示す。例えば、単一の極大70とその対応する同位相
の曲線80は、距離L/2において、位相変動を伴った４つ
の極大72に変換する。これらの極大72は、距離L/2にお
いて、２つの同位相の極大75a/75b に変換し、更に、距
離3L/2において、単一の極大に変換する。
【００４９】図７と図８と図９は、b/aの特定の値に係
わる。更に一般的には、図１〜３のビーム分割器10の場
合に、入力導波路18からの励起のEH11対称性の故に、モ
ードEH1nだけが励起される。入力導波路開口40において
は、位相は一定不変である。任意のb/a値を含む場合に
は、方程式(3)を使用して、モードEH1pの位相係数β1p
が次式で与えられ、
【数６】 モードEH1qの位相係数β1qが次式で与えらる。
【数７】
【００５０】方程式(8) からの方程式(9) の引き算と、
再配列とによって、導波路距離z におけるモードEH1pと
モードEH1qの間の位相差は、次式によって与えられるχ
zである。
【数８】
【００５１】これらのモード間に 2πの位相差が存在す
るという条件が課せられる場合には、方程式(10)は次式
になり、
【数９】
【００５２】モードEH1pとモードEH1qの間に 2πの位相
差を生じさせる、長方形導波路内の方程式(11)における
伝搬距離z（即ち、z２π）は、次式によって与えられ
る。
【数１０】
【００５３】EH11モードとEH1nモード（即ち、基本モー
ドと、n次の最高次の奇数モード）の場合には、 z２π
が次式で与えられる。
【数１１】
【００５４】方程式(12)と方程式(13)を組み合わせるこ
とによって次式が得られる。
【数１２】
【００５５】n=3、5、7、9、11、... の場合には、 16L
/n2-1)z２πは2L、2L/3、L/3、L/5、2L/15、...であ
る。同位相に戻されるEH11モードとEH13モードとに結果
する長方形導波路内の伝搬距離2Lの分数として、その相
対長さ比率は1、1/3、1/6、1/10、1/15等である。これ
は、長方形導波路のEH1nモードの間には調和関係がある
ということを示している。方程式(4)は、基本EH11モー
ドとその次の最高次数のEH13モードとの間に 2πの位相
ずれを生じさせる伝搬距離 z２πが、基本モードとその
他の全てのEH1nモード（nは奇数）との間にも 2πの位
相ずれを生じさせるということを示している。このこと
は、奇数EH1nモードの励起だけがあるならば、距離z
２πの後の、あらゆる対称入力電界の再現に結果する。
更に、長方形導波路の十分な長さがあれば、「t」が整
数である時に、対称入力電界は、距離tz２πにおいて周
期的に生じさせられる。
【００５６】方程式(11)〜(14)は、πのモード間位相変
化がそれによってもたらされる長方形導波路内の伝搬距
離z２πを決定するように、書き直されてもよい。これ
らの方程式の精査によって、
【数１３】 であると考えられる。
【００５７】Lと2Lは、zπとz２πがそれによってもた
らされる導波路長さであり、L=2b2/λは方程式(1)から
得られる。従って、zπとz２πは、両方ともb2に比例し
ており、導波路幅の適切な選択によって、長方形導波路
に沿った予め決められた距離で生じるように決められる
ことが可能である。
【００５８】上記の分析は、次のように実験によって正
しいことが実証された。寸法1.5mm（幅2b）×0.6mm（高
さ2a）×212mm（長さ2L）の中空の長方形アルミナ導波
路が使用された。この長さは、10.59ミクロンのCO2レー
ザ波長の場合に4b2/λである。この導波路は、図１の中
央導波路20を与える。この導波路への入力は、縦方向の
導波路軸線（図１の軸線30）上の0.42 mmのウェスト(wa
ist)にCO2レーザビームを集束させることによって供給
され、このビームは、この軸線に沿って方向付けられ
た。そうした入力は、入力導波路18からの励起に類似し
た励起を与えた。これは、辺0.6mmの正方形断面と共軸
位置とを有する導波路からの基本モード入力の適切な近
似だった。パイロ電気ビジコンカメラが、長方形導波路
からの出力を検出するために使用された。このカメラ
は、その導波路からの放射出力が、その導波路長さ212m
mによって変換された放射入力と、強さ分布の上で同等
であり、即ち、その入力が、2L又は4b2/λに等しい軸方
向移動を伴って再現されていることを確認した。強さの
全伝送は、その入力の82％だった。この18％の損失が僅
かであり、且つ、この損失が、入力導波路と出力導波路
が使用されないことによる結合の非効率性に少なくとも
部分的に起因するが故に、このことはその導波路による
高い伝送効率を示した。bが多モード効果の原因となる
導波路幅寸法である場合に、入力電界分布が、伝搬距離
4b2/λにおいて長方形導波路によって再現されるという
ことが正しいことを、測定が実証した。
【００５９】上記の構造は、ビーム分割効果を試験する
ためにも使用された。これを行うために、２つの中空コ
ア光ファイバ（内径0.53mm）が長方形導波路の中に挿入
され、このファイバは、その導波路の長さ中央の横断平
面内に配置された入力端部を有した。従って、ファイバ
入力端部は、入力CO2レーザビームのウェストから距離L
=2b2/λ=106mmにあった。これらの入力におけるファイ
バ中心が、導波路中心軸線と導波路側壁各々との間の中
間に位置させられた。従って、ファイバは、レーザビー
ムウェストによって与えられる入力電界分布に長さL の
長方形導波路を介して接続される正方形導波路22、24を
模擬した。
【００６０】パイロ電気ビジコンカメラが、ファイバか
らの出力を検出するために使用された。このカメラは、
それらのファイバ出力が振幅と強さ分布において相等し
く、この強さ分布は両方の場合とも回転対称であるとい
うことを示した。このことは、入力放射の等振幅の基本
モードの分離が長さL=2b2/λの長方形導波路の中で起こ
ったということを証明した。更に、ファイバ出力間の重
なり合いを生じさせるために、ファイバが互いに並列に
配置された。このことは、十分に画定された干渉フリン
ジを生じさせた。導波路とファイバ、ビーム分割のプロ
セスは効率75％であることが計算された。25％の損失
は、ファイバのミスアラインメントと、不正確な寸法合
わせと、不完全な入力電界分布とに起因した。これにも
係わらず、導波路長さ2Lにおける入力再構成のより早期
の生起に加えて、ビーム分割効果が導波路長さ Lにおい
て示された。
【００６１】ビーム分割デバイス10は、アルミナ以外の
材料、例えばBeO、Si、Macor又は金属で作られてよい。
【００６２】図１〜９に関する上記の説明は、長方形導
波路の幅寸法においてビーム分割が得られることが可能
であることを示す。例えば、図８では、極大75a、75bが
導波路幅に亙ってy軸に沿って互いに間隔を置かれてい
る。中央導波路が2aより十分に大きい高さを持つように
作られれば、前述の多モード構造に加えて、x寸法に多
モード構造を有するだろう。特に、高さと幅が2b =4aで
あり長さがLである中央の正方形横断面の導波路が、そ
の一方の端部において軸線上に位置する入力導波路基本
EH11モードを、他方の端部における４つの同位相の基本
モード出力に変換するだろう。これらの出力は、(b/2,b
/2)、(b/2,-b/2)、(-b/2,-b/2)、(-b/2,b/2) によって
与えられる、z=Lにおけるx,y 平面内の点に集中させら
れる。ここでは、x=y=0は、（図１〜３の軸線30と同等
である）その導波路の縦方向の対称軸上にある。この例
では、２次元導波路モードEHmn（m,n=1,3,5,...）が、
図１〜９の１次元だけの同等物（m=1,n=1,3,5,...）の
代わりに励起される。互いに直角をなす図８の２つの変
形物の考察が、適切な入力と出力の位置と、図９の場合
のような位相管理とによって可能であるということを示
す。
【００６３】正方形導波路に関する上記の説明は、長方
形導波路に拡張可能である。前述のように、幅2bの導波
路幅寸法におけるKつの強さ極大へのビーム分割が、次
式によって与えられる距離LKにおいて生じる。
【数１４】
【００６４】導波路が、Jつの強さ極大への分割が必要
とされる幅2aの直交幅寸法を有するならば、これは、次
式で与えられる長さLJにおいて生じるだろう。
【数１５】
【００６５】JつとKつの強さ極大への同時分割が、その
導波路の同じ長さにおいて求められるならば、その導波
路の横断面寸法b/aは、LJとLKとを等しくすることと、
次のような平方根をとることによって与えられるだろ
う。
【数１６】
【００６６】従って、9 ×4 配列の強さ極大への分割
は、距離a2/λにおいて、3a/2に等しい bを有する長方
形導波路内で起こるだろう。
【００６７】本発明の実施例では、その多モード導波路
（例えば20）が正方形か長方形のどちらかであるという
ことが好ましい。x軸とy軸は、この導波路の中心を通る
(x=y=0)ように、且つ、図１と図２に示されるような導
波路壁25、42の各々に対して平行であるように、画定さ
れる。その多モード導波路内の対称モード電界は、２つ
の鏡平面x=0、y=0内に反射対称性を持たなければなら
ず、即ち、E(x,y,z)=E(-x,y,z)=E(x,-y,z)でなければな
らない。入力電界と出力電界は同一タイプの対称性を持
たなければならず、従って、次のタイプの入力導波路、
即ち、(1)x軸とy軸に対して平行な辺を有する正方形又
は長方形の導波路と、(2)円形導波路又は光ファイバと
が使用される。これらは重要なタイプの導波路である
が、x軸とy軸に対して45°をなす辺を有する正方形導波
路、又はx 軸とy 軸に対して平行な長軸と短軸を有する
楕円形導波路も使用可能である。菱形又は八角形の導波
路も使用可能であり、又は、対称性条件を満たす他のあ
らゆるタイプの導波路も使用可能である。
【００６８】出力導波路は、入力導波路がその入力表面
において有する形状と方向と同一の形状と方向を、多モ
ード導波路の出力表面において持たなければならない。
このことは、多モード導波路の出力端部における入力モ
ードの画像が適正に出力導波路に整合させられることを
確実なものにする。出力電界は、入力電界と同一のタイ
プの対称性を有するだろう。従って、一方の出力導波路
が x = x0且つy=y0であるならば、他方の出力導波路が
（-x0,y0）と（x0,-y0）と（-x0,-y0）とになければな
らない。１つ以上のそうした導波路がない場合には、寄
生放射を除去するために吸収手段が使用されてもよい。
【００６９】後述されることになっている半導体材料導
波路の場合のように、本発明のデバイス内の導波路の全
てが１つの方向（例えばy方向）において単一モード化
される場合には、その方向におけるモード形状が全ての
導波路に関して同一であることが重要である。しかし、
このモード形状は、この方向に正弦状である必要はな
い。従って、半導体材料層で形成される本発明のデバイ
スでは、その導波路は、望ましい単一モード方向に対し
て平行な厚さ寸法を有するGaAsとAlAGaAs の様々なエピ
タキシャル層から成ってよい。
【００７０】しかし、これらの基準は、正確な工作処理
からの僅かな逸脱に対して本発明があまり大きな感度を
持たないということを条件とする。
【００７１】図１と図２と図３を再度参照すると、ビー
ム分割器10は、入力導波路18と出力導波路22/24 を互い
に反対側の縦方向端部に有する透過デバイスである。多
モード導波路20の同等物の中にリフレクタを組み込むこ
とによって、関連した折返し光路デバイスが作られるこ
とか可能である。その反射光路は、非反射光路に対して
任意の角度にあってよい。多モード導波路の一方の縦方
向端部において入力された光がその端部に戻されるよう
に、逆反射が得られてもよい。その場合には、（導波路
18、22、24と同等の）入力導波路と出力導波路が、その
多モード導波路の同一の縦方向端部に位置させられる。
この場合には、光が前進方向と帰還方向の両方に多モー
ド導波路の中を通過するが故に、その多モード導波路の
必要長さは L/2である。
【００７２】さて図10を参照すると、この図には、Mach
-Zehnder干渉計100の形の本発明の更に別の実施例が示
されている。干渉計100は、補足的な特徴の追加を有す
る、背中合わせに直列に連結された２つの図１のデバイ
スと同等である。鎖線102は、互いの鏡像に接近した半
分部分への干渉計100の概念的な分割を示す。これらの
半分部分は、ビーム分岐器104とビーム結合器106を含
む。このビーム分岐器104は、寸法2a×2b×Lの第１の長
方形導波路110に共軸に接続された、正方形横断面の入
力導波路108を含む。この場合には、前述のように Lは2
b2/λである。長方形導波路110は、干渉計軸線114 の両
側にb/2ずらされ且つ軸線114 に対して軸方向に平行な
２つの干渉計アーム導波路112a、112bに接続される。干
渉計アーム導波路112a、112bは、入力導波路108の寸法
と同じ寸法を有する。
【００７３】干渉計アーム導波路112a、112bは、第１の
長方形導波路110と共軸に配置され且つその導波路110と
同じ寸法にされた第２（又は補助）の長方形導波路116
に接続される。この補助導波路116は、中央導波路118
と、２つのずれた出力導波路120a、120bとに接続され
る。中央導波路118は、干渉計軸線114と共軸である。ず
れた出力導波路120a、120bは、軸線114から軸方向にb/2
だけ間隔を置かれており、各々に干渉計アーム導波路11
2a、112bと共軸である。中央出力導波路118と各々のず
れた出力導波路120a、120bとの間に有限の壁厚さがある
ように、その形状はbが4aより大きくなければならない
ことを必要とする。入力導波路108と、干渉計アーム導
波路112a、112bと、出力導波路118、120は、全て同じ長
さLである。しかし、これらの導波路が基本モードでの
み動作するが故に、それらの長さは重要ではない。
【００７４】干渉計100は次のように働く。ビーム分岐
器104はビーム分割器10と同様に機能する。ビーム分岐
器104は、導波路108から入力された基本モード放射を、
干渉計アーム導波路112a、112b内における、強さが等し
く且つ同位相である２つの基本モードビームに分岐させ
る。
【００７５】図に示されているように、干渉計アーム導
波路112a、112bは同一である。従って、これらの導波路
112a、112bは、補助長方形導波路116に同位相の入力を
与える。補助長方形導波路116は、第１のそうした導波
路110に比べて反対に働き、これらの同位相の入力を、
中央出力導波路118に入力される基本モードの単一ビー
ムの形に再結合する。この機能は、逆の形で図８と同等
である。このことは、本発明のデバイスの可逆性を示し
ている。大きな放射の強さは、ずらされた出力導波路12
0a、120bには到達しない。
【００７６】しかし、干渉計アーム導波路112a、112bの
一方の導波路における放射伝搬に、その他方の導波路に
おける放射伝搬に比べて、位相変化がもたらされるなら
ば、中央出力導波路118 における強さが低減させられ
る。
【００７７】既に説明されたように、干渉計100は、背
中合わせにされた２つの本発明のデバイス104、106と同
等である。これらの中で、ビーム分岐器104は前述のデ
バイス10のように働き、一方、ビーム再結合器106は逆
に働き、追加の導波路112a、112bを含む。従って、ビー
ム再結合器106は、本発明のデバイスが逆に動作させら
れることが可能であり、様々な位相特性の入力から生じ
る放射を受け入れるための追加の出力導波路を含むこと
が可能であるということを示す。
【００７８】図11と図12は、補助長方形導波路116に関
する電界の強さの分布のグループである。これらの図は
各々に、参照符号124における１対の電界振幅極大116に
よって示される同位相入力の場合と、参照符号126にお
ける逆位相入力量の極大と極小によって示される逆位相
入力の場合の、補助導波路116内の状態を示す。
【００７９】図11は、逆にされた図８と同じである。同
位相入力強さの極大127は、補助導波路116内において対
称モード又は奇数モードだけを励起し、単一の中央の出
力極大128を生じさせる。しかし、図12は、第２の導波
路116に対する入力129の間のπの位相差が、１対の出力
放射強さの極大131a、131bに結果するということを示し
ている。極大131a、131bは各々に、ずらされ た出力導
波路120a、120bの上に中心を置かれ、中央出力導波路11
8における放射の強さ131cはゼロである。
【００８０】一般的に、補助長方形導波路116への入力
の間の（πだけではない）任意の位相差が、偶数モード
と奇数モードの励起をもたらし、中央出力導波路118内
での強さの大きさを変化させるだろう。位相差の変調
は、この強さを変調する。この変調 は、電気光学的変
調器又は放電セルを干渉計アーム導波路112a、112bのど
ちらか一方の中に組み込むことによって実現されること
が可能である。この代わりに、液体又は気体の屈折率の
僅かな変化を検出することを可能にするために、流体セ
ルが干渉計アーム導波路のどちらか一方の中に組み込ま
れることも可能である。どちらの場合にも、その他方の
アーム導波路は、測定されるべき位相変化がない時に補
助長方形導波路116への等位相入力を生じさせるため
に、光路の補償増大を有する。
【００８１】さて、図13を参照すると、この図には、本
発明の更に別の実施例の斜視図が示されている。この実
施例は、参照符号140によって全体的に示されるビーム
分割器の形である。ビーム分割器140は、固体導波路を
使用するという点で、既述の諸実施例とは異なってい
る。このビーム分割器140は、中央縦軸線144を有する多
モード中央導波路142を含む。単一の入力導波路146が多
モード導波路142の一方の端壁142aに接続され、多モー
ド導波路142と共軸である。４つの出力導波路148a〜148
dが多モード導波路142の他方の端壁142bから延び、これ
らの出力導波路は各々に中心軸線150a〜150dを有する。
多モード導波路142は、中心軸線144と、この中心軸線14
4に平行であり且つその両側に位置する更に別の２つの
軸線154a、154bとを通過する垂直平面によって、1/4部
分152a〜152dに縦方向に分割されたものと、見なされる
ことも可能である。出力導波路は、それらの軸線150a〜
150dが各々の多モード導波路 1/4部分152a〜152dに対し
て中心にあるように配置される。更に一般的には、N つ
の出力導波路を有するビーム分割器の場合に、出力導波
路軸線の各々が、それに関連した多モード導波路各々の
縦方向の均等の再分割部分がN つある時に、その関連し
た再分割部分の各々の中心にあるだろう。従って、これ
らの軸線は、多モード導波路の横断面に亙って周期的に
配置される。
【００８２】多モード導波路142は長さ468μmで幅24μm
であり、従って、その1/4 部分152a〜152dは幅6μmであ
る。その横断面は一定不変である。入力導波路146と出
力導波路148a〜148dは幅2μmである。出力導波路148a〜
148dは、隣り合う各対の軸線150a/150b等の間に6μmの
間隔を有し、最も外側の軸線150a、150dと多モード導波
路側壁142c、142dの各々との間に3μmの間隔を有する。
【００８３】入力導波路146は、矢印156で示されるよう
な入力光を受け取る。出力導波路148a〜148dは、矢印16
2のような矢印によって示される通りに光がそこから出
て行く端面160a〜160dを有する。鎖線164は、端壁142b
において光学測定を可能にするためにビーム分割器142
がそこで切断されることが可能な位置を示す。
【００８４】ビーム分割器140は、図14に拡大スケール
で示される層構造を有し、この図には出力導波路端面16
0が示されている。ビーム分割器は、エピタキシャル成
長デバイスで通常使用される種類の半絶縁GaAsの基板ウ
ェーハ170を含む。この基板ウェーハ170は、次の上向き
に連続した層を有する。
【００８５】(a)厚さ0.1μmのGaAsバッファ層172、(b)
厚さ2.5μmのAl0.1Ga0.9As下部クラッディング層174
（屈折率n=3.420）、(c)厚さ1.0μmのGaAs導波路コア層
179(n= 3.479)、(d)厚さ1.0μmのAl0.1Ga0.9As上部クラ
ッディング層178(n=3.420) 、(e)厚さ0.1μmのGaAsキャ
ッピング層180。
【００８６】垂直方向に、即ち、層172〜180の厚さ寸法
に沿って、入力導波路146と出力導波路148a〜148dと多
モード導波路142は単一モードである。入力導波路146と
出力導波路148a〜148dの幅はNd-YAGレーザ放射の場合に
は2μmに過ぎないが故に、これらの導波路は、層厚さに
対して直交した幅寸法においても単一モードである。し
かし、多モード導波路142は、その24μmの幅によって、
この第２の横断方向において複数のモードを維持する。
【００８７】光は、クラッディング層174、178 によっ
てコア層176に閉じ込められる。Nd-YAGレーザ放射の場
合には、この領域は、垂直方向の伝搬の基本モードだけ
を維持する。導波路層174/176/178の組み合わせの有効
屈折率neは、コア屈折率とクラッディング屈折率の中間
であり、3.455である。従って、ビーム分割器140内での
Nd-YAGレーザ波長は、3.455(ne)によって割られた1.064
μm(λ0)の自由空間値である。
【００８８】その多モード導波路長さは468μmである。
これはL/2に等しく、このL は等式(1) によって2b2/λ
として与えられる。ここでは、2bは、多モード導波路幅
24μmであり、λは、導波路142、146、148a〜148d内に
おけるNd-YAGレーザ波長である。L/2は、図８における
曲線72に相当し、図８では、曲線70によって表される基
本モード入力は、適切に配置された出力導波路148a〜14
8dのために、４つの基本モード励起に変換される。L/2
の数的表現は次式を与え、
【数１７】 これは図12の通りである。
【００８９】ビーム分割器140を製作する方法は次の通
りである。層172〜180が、ドーピングのための特別な用
意なしに、公知のエピタキシャル技術によって基板170
上に連続的に付着させられる。これは、領域1014／cm3
〜1016／cm3内にバックグラウンドドーピング(backgrou
nd doping)を残す。
【００９０】層の付着の後に、ホトレジスト層がキャッ
ピング層180の上に回転塗布される。ビーム分割器140の
輪郭を画定するマスクがホトレジスト上に置かれ、その
マスクを通してホトレジストに光を当てるために紫外光
が使用される。その後で、ホトレジストが現像され、更
に、除去のための半導体材料を露出させるために、UV露
光領域が化学的に除去される。その後で、基板ウェーハ
が反応性イオンエッチング機械の中に入れられ、１時間
に亙ってエッチングされる。これは、2.5μmのエッチン
グ深さを生じさせ、従って、このエッチング深さはキャ
ッピング層と上部クラッディング層とコア層178〜176を
完全に貫通し、下部クラッディング層174 の中に 0.4μ
m入り込む。これは、導波路142、146、148a〜148dのよ
うな直立又はリッジ形導波路を画定する。
【００９１】上記の手順は三元半導体材料系AlxGa1-xAs
に係わるが、他の三元又は四元半導体材料系を使用する
ことも可能である。例えば、InGaAsPが使用されてよ
い。
【００９２】図13と図14に示される実施例は作られなか
った。その代わりに、様々なビーム分割器パターンをく
り抜くぬくホトリソグラフィーマスクが作られた。その
マスクは、試験用の多数の様々な形状のビーム分割器を
含むウェーハを与えた。これらの中には、先細の多モー
ド導波路を含むデバイスがあった。そうしたデバイスの
１つが図15に示され、照合符号190によって全体的に表
されている。
【００９３】この先細ビーム分割器190は、ビーム分割
器140に関して前述された通りの層構造を有する。即
ち、垂直方向又は厚さ方向におけるそれらの構造は相等
しい。先細ビーム分割器190は、幅 2μmの入力導波路19
2と、端部194aと端部194bの間で幅20μmから10μmに直
線的に先細になる、長さ326μmの多モード導波路194と
を含む。２つの出力導波路196a、196bが、幅 1μmの狭
い方の端部194bから延びる。
【００９４】多モード導波路194を先細にすることの効
果が、乗法因子Mによって、特定の分割を得るために必
要とされる長さを変化させることであることが示され
る。Mは、「出力端部194bの幅」：「入力端部194aの
幅」の比率であり、この実施例では0.5である。特に、1
-対-2方向の分離を生じさせるために必要とされる方程
式(1)の長さLは次式で表され、 L=2Mb2／λ (17) 前式中でbは多モード導波路入力端部の1/2幅である。ビ
ーム分割器190 の場合には、 L=2×0.5×100×3.455／1.064=325μm (18)
【００９５】方程式(17)、(18)は、多モード導波路を先
細にすることが、特定の度合いのビーム分割を得るため
に必要とされる長さを変化させるということを示してい
る。パラメタMは１より大きくてもよく、このことは、
入力から出力へとその幅が増大する多モード導波路に相
当する。しかし、これは、特定の度合いのビーム分割を
得るために必要な長さを増大させる。そのテーパは図15
に示されるように線形であってもよく、又は、非線形で
あってもよい。後者の場合には、方程式(17)は当てはま
らない。テーパの度合いは、多モード導波路内の放射が
臨界角度よりも大きい角度で多モード導波路壁に入射す
ることを可能にするような度合いでなければならない。
このことは、低モード数の場合には、任意の直線状の又
は縦方向に拡幅する導波路によって、又は、その長さに
沿って比較的緩やかに狭まる導波路194によって、実現
される。空気と境を接したGaAs導波路の場合には、導波
路壁と中心軸線との間で測定される低減テーパ角度は、
5°未満でなければならない。厳密に言えば、先細多モ
ード導波路の出力端部は湾曲していなければならない
が、しかし、5°より小さな小テーパ角度の場合には、
このことは必ずしも必須ではない。
【００９６】方程式(17)は単一のテーパに当てはまる
が、連続した複数のテーパを有する多モード導波路を設
計することも可能である。これらのテーパは、同一方
向、即ち、減少であっても、反対方向、即ち、増加であ
ってもよい。
【００９７】さて、図16を参照すると、この図には、図
13〜15を参照して説明されたように作られた様々なタイ
プのビーム分割器を試験することによって得られた結果
が示されている。これらの結果は、1-対-2方向、1-対-5
方向、1-対-10方向のビーム分割の各々のために作られ
た３つの非先細のデバイスと、図15で示された通りの寸
法を有する１つの先細デバイスとから得られた。1-対-2
方向デバイスは、長さ936μmで幅24μmの多モード中央
導波路936 と、幅2μmの入力導波路と出力導波路とを有
する。1-対-5方向デバイスと1-対-10方向デバイスに関
するその同等物は、各々に30μm×586μmと40μm×521
μmである。
【００９８】各々の試験用ビーム分割器の有効性が次の
ように測定された。これらのビーム分割器はその多モー
ド導波路の各出力端部において切断され、これらの出力
端部は図13の線164と同等の位置にあった。このこと
は、多モード導波路の端部における強さ分布、即ち、出
力導波路の入口開口に相当する位置における強さ分布が
測定されることを可能にした。
【００９９】各々の入力導波路がNd-YAGレーザからの光
で照明された。レーザ出力が、顕微鏡対物レンズを使用
して直径1μmの回折制限スポット(diffraction-limited
spot)に集束させられ、一方、このスポットは各々の入
力導波路端面に当てられた。各々の切断面に現れる強さ
パターンが、赤外カメラで測定された。
【０１００】図16は、試験用ビーム分割器の各々に関す
る結果を２つの形で示している。従って、各々に全体と
して200、202、204、206で示される４つの結果のグルー
プがある。各グループの上部の線200a〜206aは、個々の
場合の赤外カメラ画像を表す。下部のグラフ200b〜206b
は、個々の場合における、各々の多モード導波路出力面
に沿った距離に応じた強さ変化を表す。線200a等は、光
スポットを示す200c〜206cのような点を有する。200cの
ようなスポット間に与えられる間隔によって示されるよ
うに、水平方向のスケールはグループ毎に異なってい
る。グラフ200b等は、関連した真上の光スポットによる
強さ変化を示す、200dのような極大を有する。
【０１０１】結果グループ200は、1-対-2方向の非先細
のビーム分割器に係わる。スポット200cは、12μm離れ
た中心を有する。その関連の極大200dは、1.8μmの半値
幅エネルギー(FWHM)を有し、このFWHMは、スポット200c
がその上に中心を置かれる関連の出力導波路の幅(2μm)
よりも僅かに小さい。極大200dは概ね同一であり、高品
質で且つ強さが等しいビーム分割を示す。更に、グラフ
200bは、これらの極大の間でゼロになり、このことは理
想的なビーム分割特性を示す。
【０１０２】グループ202、204は、1-対-5方向デバイス
と1-対-10方向デバイスに関する同様の結果を示す。こ
れらは、各々に±15％と±20％の強さの拡がり(intensi
ty spread)を有する極大202d、204dを示す。しかし、各
々の場合に、求められる規則正しい間隔と、出力導波路
幅と基本モードとに対する適切な整合と共に、適正な数
の出力ビームへの分割が得られた。1-対-10方向デバイ
スは、204eのような僅かな寄生光スポットを示す。これ
は、隣り合う極大の間の領域の光の強さが完全にゼロで
はないということを示す。
【０１０３】極大202d、204dにおける強さの拡がりと、
204eのような寄生光との効果は、(a)「GaAs :空気」界
面が生じる、164と同等の切断面における反射と、(b)試
験結果を得るために使用されるカメラの制限された解像
力と視野とに起因する。
【０１０４】先細のビーム分離器に関する結果グループ
206は、必要な5μmの間隔を有する適正な数（2つ）の極
大206dを示す。
【０１０５】集積光学回路の形の半導体ビーム分割器の
応用例では、上記の制限(a)、(b)は当てはまらないだろ
う。
【０１０６】図1〜16に関する上記の説明は、入力導波
路と多モード導波路と出力導波路を含む事例に関して詳
細に論じられてきたが、これらの事例では、(a)入力導
波路が直線状であり且つ多モード導波路と共軸であり、
(b)多モード導波路が、導波路厚さに直交した１つの横
断方向寸法において多モードであり、その厚さ寸法にお
いて単一モードであり、(c)出力導波路の軸線が、多モ
ード導波路と入力導波路の軸線に対して平行で且つ共軸
である。
【０１０７】上記の条件(a)〜(b)は必ずしも不可欠では
ない。入力導波路内の光が多モード導波路の対称モード
だけを励起するならば、この入力導波路軸線は湾曲して
いてもよい。多モード導波路は、両方の横断方向寸法に
おいて多モードであってよい。例えば、既述のように、
正方形入力導波路が正方形多モード導波路に共軸に接続
されてよい。このことは、両方の横断方向寸法において
２方向分割を生じさせるだろう。これは、光ファイバ多
方向コネクタのための基礎を形成するだろう。１種の多
モード導波路であるこのコネクタは、入力ファイバを受
ける一方の端部に入口ポートを有し、各々の受ファイバ
のための複数の出力ポートを有するだろう。
【０１０８】導波路軸線は必ずしも平行である必要はな
い。出力導波路が維持する基本放射モードが導波路壁に
おいて全内部反射を受けるならば、出力導波路は湾曲し
ていてもよい。しかし、入力導波路がそこで多モード導
波路の中に併合する開口又は入力ポート全体に亙って、
放射振幅分布が定位相であることが必要である。ビーム
分割器10の入力ポートは、図２の開口40である。基本モ
ードだけで働き、且つその入力導波路が多モード導波路
とそこで併合する入力ポートにおいて、多モード導波路
に対して軸方向に平行である入力導波路によって、上記
の基準が満たされる。
【０１０９】さて、図17を参照すると、この図には、参
照符号220によって全体的に示される本発明のビーム分
割器の更に別の形態の略斜視図が示される。ビーム分割
器220は、辺2aを有する正方形の内側横断面の、基本モ
ード中空入力導波路222を含む。ビーム分割器220は、内
側では正方形横断面であるが外側では辺2bを有する、長
さL の多モード導波路224を有する。入力導波路222と多
モード導波路224は共軸である。ビーム分割器220は、４
つの基本モード中空出力導波路226a〜226dも含み、これ
らの出力導波路は入力導波路222と多モード導波路224と
に対して軸方向に平行である。これらの出力導波路は、
入力導波路222と同一の内側横断面を有し、即ち、辺2a
を有する。
【０１１０】図18は、矢印227の方向で見た場合の、図1
7の線ＸＶIII−ＸＶIIIに沿った断面である。この図
は、入力導波路と多モード導波路の中心軸線230に比較
した出力導波路軸線228a〜228dの各々の配置を示す。こ
の図は、縦方向軸線228a〜228d、230に対して垂直な横
断面である。228aのような出力導波路軸線の各々は、多
モード導波路軸線230からb/2ずれている。こうしたずれ
は、対角線方向に上と下に向かって且つ左と右に向かっ
てのずれである。これは、多モード導波路224の横断面
の1/4部分の各々の中心に、出力導波路軸線を位置させ
る。
【０１１１】ビーム分割器220は、図１のビーム分割器1
0の２次元的変形物に相当する。これは、中央導波路224
が両方の横断寸法において多モードであるが故である。
従って、入力導波路の基本モードは、両方の横断寸法に
おいて、多モード導波路の対称モード、即ち、mとnが両
方とも奇数であり且つ１よりも大きい値をとることが可
能な場合のモードEHmnを励起する。ビーム分割器10で
は、多モード導波路20が垂直寸法において単一モード動
作に限定されたが故に、m=1の制限が適用された。
【０１１２】多モード導波路224の横断方向の２次元性
の故に、入力導波路内を伝搬する放射（基本モード）
は、出力導波路軸線228a〜228d上に中心を置かれた４つ
の半周期の正弦状の強さ極大を生じさせる。図18の平面
内の強さ分布は、互いに重なり合う形で並べられた図８
の曲線75の２つの変形物に相当する。従って、ビーム分
割器220は、互いに同位相の４つの出力ビームを伴う1-
対-4方向ビーム分割を与える。入力導波路と出力導波路
が光ファイバであった場合には、このビーム分割器は光
ファイバ多方向結合器を与えることが可能だった。
【０１１３】ビーム分割器10、220は、レーザデバイス
としての使用に適合させられてもよい。この場合には、
ビーム分割器は、レーザ利得媒質(laser gain medium)
が充填され且つその媒質の励起に適合させられた出力導
波路22/24又は226a等と共に、動作させられるだろう。
例えば、導波路22、24は、CO2ガスを充填され、高周波
励起電極とその関連の回路構成部品を有することが可能
である。レーザ鏡が、多モード導波路20から遠位の入力
導波路18の端部と出力導波路22/24の端部に配置される
だろう。入力導波路と組み合わされる方の鏡は、部分透
過性の出力結合器鏡であってよい。他方の鏡は可能な限
り完全に反射するだろう。出力導波路内でのレーザ作用
は、入力導波路内のビームに結合されるビームを生じさ
せるだろう。部分反射鏡は、その結合されたビームの一
部分を自由空間に出力し、一方、フィードバックをもた
らすためにその結合ビームの残り部分を戻すだろう。こ
のフィードバックは、出力導波路、即ち、レーザ利得導
波路の間に、均等に分岐させられるだろう。入力導波路
における同位相基本モード極大（例えば70a）が、出力
導波路において同位相の極大（例えば75a、75b）を生じ
させるが故に、この構造が実現可能である。従って、出
力導波路から入力導波路への通過とその帰還の各々にお
いて、放射の同位相の再結合と分岐が行われる。
【０１１４】さて、図19と図20を参照すると、これらの
図は各々に、参照符号240によって全体的に示される、
レーザとして構成された本発明の更に別の略平面図と側
面立面図を示す。レーザ240はアルミナ導波路本体部分2
42を含む。アルミナ導波路本体部分242は５つの区画244
〜252から成り、これらは、単一の単一モード出力導波
路254と、長さL/2の第１の多モード導波路256と、４つ
の単一モードのレーザ導波路258と、長さL/2の第２の多
モード導波路260と、２つの単一モードのフィードバッ
ク導波路262を各々に与える。フィードバック導波路262
は、第２の多モード導波路260の半分部分の各々の中心
に接続され、レーザ導波路258は両方の多モード導波路2
56、260の1/4部分の各々の中心に接続される。レーザ導
波路258は、従来の種類の高周波(RF)励起電極264を有す
る。
【０１１５】レーザ240は、出力導波路254の付近の部分
反射鏡（出力結合器）266と、フィードバック導波路262
の付近の全反射鏡268を有する。導波路254〜262は、レ
ーザ媒質としてのCO2ガスを充填され、RF励起によって
レーザ導波路258内にレーザ利得がもたらされる。
【０１１６】レーザ240は、２つの半分部分に分割され
た中央導波路20と、これらの２つの半分部分を接続する
ために挿入された４つの並列の単一モードレーザ導波路
258とを有する、ビーム分割器10に相当する。出力結合
器鏡266から反射されたレーザ放射は、出力導波路254に
沿って進み、第１の多モード導波路256によって（不均
等な整相を伴って）４つに分割される。このことは図８
に曲線70、72によって示され、この図では、1-対-4方向
の分割が多モード導波路の長さL/2において起こる。放
射は、レーザ導波路258内で増幅される。この放射は第
２の多モード導波路260に進み、この第２の多モード導
波路260は、フィードバック導波路262内において、その
放射を２つの（同位相の）ビームの形に再結合する。こ
の変換は、図８の曲線72と曲線75と間の変換である。そ
の放射は、全反射鏡268で反射される。その放射は、出
力結合路鏡266 における部分反射と部分透過のために、
出力導波路254 へとその経路を帰還する。透過は、矢印
270で示される出力ビームを与える。
【０１１７】利得を増大させるために追加のレーザ導波
路が必要とされる場合には、そうした追加のレーザ導波
路が備えられてよい。しかし、1-対-N方向の分割とそれ
に続く同位相条件の再成立とを可能にするために、多モ
ード導波路256、260の長さは変更を必要とする。例え
ば、６つのレーザ導波路は、長さL/3の第１の多モード
導波路と、長さ2L/3の第２の多モード導波路とによっ
て、使用可能にされることが可能だった。このことは、
（図８の曲線70、71の間のような）1-対-6方向の非同位
相の分離と、それに続く（曲線70、71の間のような）6-
対-2方向の同位相の結合とをもたらすだろう。従って、
図19と図20の構成は、レーザ導波路アレイを位相同期(p
hase-lock)させるための手段を提供する。図19と図20の
構成は、任意の必要な位相調整が行われるならば、光路
に関する本発明のデバイスの可逆性をも示す。
【０１１８】上記の説明は、約 1μmと約10μmの赤外波
長での使用のための中空導波路と固体導波路を説明し
た。可視波長とマイクロ波波長において本発明を応用す
るために導波路システムを設計することも可能である。
【０１１９】さて図21を参照すると、この図には、本発
明のビーム分割基の更に別の実施例の水平断面平面図が
示される。このビーム分割器は全体として参照符号280
で示される。ビーム分割器280は、「複合」多モード導
波路と呼ばれることが可能な導波路282を含む。この複
合導波路282は、共通の軸線284を有する第１と第２の区
画282a、282bを有する。第１と第２の区画282a、282bは
同じ高さ2aであるが、その各々の幅は、b2 が(b1+a)よ
り大きい時に、2b1と2b2である。これらの区画282a、28
2bは各々に次式で与えられる長さを有する。 L1 = 2b2 1/λ (19.1) L2 = 2b2 2/λ (19.2)
【０１２０】幅と高さが2aである単一の入力導波路286
が、第１の導波路区画282aの外側端部288 に共軸に接続
される。４つの出力導波路290a〜290dが、第２の導波路
区画282bの外側端部292に接続される。y方向とz方向の
デカルト軸(Cartesian axes)が参照符号294で示され
る。z軸は、デバイス縦軸284であると見なされる。y 方
向における出力導波路290ac〜290dcの位置は次式で与え
られる。 290ac y=(b2+b1)/2 (20.1) 290bc y=(b2-b1)/2 (20.2) 290cc y=-(b2-b1)/2 (20.3) 290dc y=-(b2+b1)/2 (20.4)
【０１２１】本発明の前述の実施例の詳細な分析におい
て、ビーム分割器280の動作モードが概略的に説明され
るだろう。入力導波路286からの基本モード励起が、２
つに分割するビームを生じさせる。このことは、導波路
区画282a、282bがそこで合体する平面294 内において、
y=±b1/2で起こる。これらの２つのビームへの分岐（図
示されていない）は、図８の極大75a、75bに相当し、同
位相である。これらの２つのビームは連携して第２の導
波路区画282bの対称モードを励起する。この区画282bに
おけるモード分散が、出力導波路中心290ac〜290bcを中
心とした、同じ強さの４つのビーム分割部分を生じさせ
るということが、前述の分析に類似した分析によって示
されることが可能である。従って、ビーム分割器280
は、（b2=2b 1の時を除いて）周期的に間隔を置かれてい
ない各々の中心において、距離（L1+L2）内に、1-対-4
方向のビーム分岐を与える。共にカスケード接続された
２つ以上の区画を有する複合多モード導波路が、図21に
示される線の上で使用されてもよい。
【０１２２】上記の諸実施例に加えて、本発明の更に別
のデバイスがAlGaAsで作られ、これらのデバイスの性能
が試験された。図22は、本発明の３つの異なった1-対-2
0 方向ビーム分割器から得られた結果を示している。こ
れら３つのビーム分割器は、製造時の不正確さに対する
本発明の許容差を調べるために、僅か に相違した長さ
であるように設計された。グラフ300は、高さ 2a=2.6μ
mと幅2b=120μmと長さL=2310μmという寸法を有するよ
うに設計された多モード導波路を有するこれら３つのビ
ーム分割器の第１のものから得られた結果を示してい
る。グラフ302 、304 は、これらのビーム分割器の第２
と第３のものからの結果を示し、これらの第２と第３の
ビーム分割器では、多モード導波路の高さと幅は同じ寸
法であるように設計され、その多モード導波路の長さは
各々に2330μmと2350μmであるように設計されている。
【０１２３】グラフ300、302から明瞭に見てとれるよう
に、第１と第２のビーム分割器は、単一の入力ビーム
を、概ね同じ強さである20つの出力ビームに分割した。
第３のビーム分割器に関するグラフ304は、実際には、
概ね同じ強さである19つのビームへの分割を示す。これ
は、最右側にビームを搬送すべきだった出力導波路の損
傷に起因する。グラフ300によって示される平均出力ビ
ーム強さは、グラフ302、304によって示される平均出力
ビーム強さよりも著しく低い。これは、第２と第３のビ
ーム分割器に比較して、第１のビーム分割器の入力基本
モード導波路の中への注入の効率がより一層低いという
ことに起因するかも知れない。或いは、第１のビーム分
割器の実効寸法が「適正な」寸法から最もかけ離れてい
るということに起因しているかも知れない。第２と第３
のビーム分割器の性能は極めて類似している。
【０１２４】実際上、自己結像導波路に基づく従来技術
のデバイスの場合に比べて、本発明のデバイスが、必要
であると計算される寸法からの僅かな逸脱に対して、は
るかに低い感度を有するということが発見されている。
実際には、より大きな寸法許容差がデバイス製造中に許
容されることが可能であり、従って、故障率と製造コス
トを低減させるが故に、これは従来技術に比べて大きな
利点である。それは、本発明のデバイスが、温度によっ
て引き起こされる長さと幅の変化に対して、感度がより
一層低いだろうということも示している。製造技術の結
果としての寸法誤差と、温度によって引き起こされる寸
法変化と、導波路壁の粗さとに対する、デバイス動作の
第一近似の感度は、多モード導波路長さを基準として評
価されるだろう。自己結像導波路に基づく従来技術のデ
バイスは、本発明のデバイスよりも４倍長く、製造誤差
と温度変化に対して４倍高い感度を有するだろう。
【０１２５】さて図23を参照すると、この図には、本発
明のMach-Zehnder干渉計から得られた結果がグラフの形
で示されている。そのMach-Zehnder干渉計は、概ね、図
10に関して説明された形状であり、2a=2.6μm、2b=32μ
m、多モード導波路長さ=1725μm、電極幅1.0μm、電極
長さ 6mmの寸法を有する。グラフ310〜322の各々は、移
相器に加えられる様々な電圧に応じた干渉計からの出力
の強さ分布を示し、これらの電圧は各々に、0V、5V、10
V、15V、20V、25V、30Vである。図23は、前述のように
動作するMach-Zehnder干渉計を示す。
【０１２６】本発明のデバイスの効率が次のように調査
された。基本モードの正方形断面の入力導波路と出力導
波路とに接続された多モード導波路から各々が成る本発
明の５つの1-対-1方向デバイスが、作られた。多モード
導波路の寸法は、2a= 2.6μm、2b=12μm、長さ516μmだ
った。入力導波路と出力導波路は、約 2.6×2.6×500μ
mだった。５つのそうしたデバイスが、１つの線を形成
するように互いに接続された。この線を通しての伝送効
率が、2.6μm正方形断面と同じ全長とを有する比較用の
基本モード正方形導波路の伝送効率と比較された。その
デバイスの線の出力において検出された光の強さは、比
較用の基本モード導波路の出力で検出された強さの135
％だった。1.35の５乗根が約1.06であるが故に、本発明
の各デバイスは、同じ長さの比較用基本モード導波路に
よって伝送される光よりも約６％多い光を伝送した。
【図面の簡単な説明】
【図１】ビーム分割器の形の本発明の光学デバイスの斜
視図である。
【図２】図１における線II−IIと線III−IIIに沿った断
面図である。
【図３】図１における線II−IIと線III−IIIに沿った断
面図である。
【図４】図１における、多モード中心導波路のアスペク
ト比に応じた相対モード振幅及び強さを示す。
【図５】図１における、多モード中心導波路のアスペク
ト比に応じた相対モード振幅及び強さを示す。
【図６】図６は、より低次数の様々な導波路モードに関
するモード振幅分布を示す。
【図７】様々な断面の多モード導波路に沿った位置に応
じた電界の強さの変化を示す。
【図８】様々な断面の多モード導波路に沿った位置に応
じた電界の強さの変化を示す。
【図９】図８の電界の強さの分布の各々に沿った位相変
化を示す。
【図１０】Mach-Zehnder干渉計の形状にされた本発明の
光学デバイスの平面図である。
【図１１】様々な入力位相条件に関する図10の干渉計の
一部分における電界の強さの分布を示す。
【図１２】様々な入力位相条件に関する図10の干渉計の
一部分における電界の強さの分布を示す。
【図１３】リッジ形導波路の形に形成された本発明の光
ビーム分割器を斜視図の形で示す。
【図１４】リッジ形導波路の形に形成された本発明の光
ビーム分割器を斜視図の形で示す。
【図１５】先細の多モード導波路を含む本発明のビーム
分割器を示す。
【図１６】図13〜15のビーム分割器に類似したビーム分
割器を使用して得られた結果を示す。
【図１７】２次元のビーム分割を与える本発明の別の形
状のビーム分割器を概略的に示す。
【図１８】図17の線ＸＶIII−ＸＶIIIに沿った断面図で
ある。
【図１９】レーザの形に作られた本発明の光学デバイス
の略断面図と略側面図である。
【図２０】レーザの形に作られた本発明の光学デバイス
の略断面図と略側面図である。
【図２１】複合多モード導波路を含む本発明の更に別の
実施例の略断面平面図である。
【図２２】本発明の３つの1-対-20 方向ビーム分割器か
ら得られた結果を示す。
【図２３】本発明のMach-Zehnder干渉計から得られた結
果を示す。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−171115（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−32347（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−63917（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−156703（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−166211（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭47−32472（ＪＰ，Ｂ１) 米国特許4950045（ＵＳ，Ａ) 米国特許4087159（ＵＳ，Ａ) 国際公開89／4988（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 6/12 - 6/14 H01S 3/06 H01S 5/22 G02F 1/00 - 1/035 G02F 1/29 - 1/313 G02B 6/28 - 6/293

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 （ａ）多モード導波路と、 （ｂ）前記多モード導波路の横断面の中心において、前
    記多モード導波路に接続された基本モード動作に適合し
    た第１の結合導波路と、 （ｃ）接続中心が前記多モード導波路の横断面上で互い
    に離間して配置されるように前記多モード導波路に接続
    された、各々が基本モード動作に適合した、少なくとも
    ２つの第２の結合導波路と、 （ｄ）少なくとも１つの結合導波路の基本モードだけを
    励起し、これによって前記多モード導波路の入力開口に
    わたって一定の位相の前記多モード導波路への入力を提
    供するように適合した放射源とを備え、 （ｅ）前記結合導波路および前記多モード導波路の相対
    寸法および相対位置決めが、前記第１の結合導波路の同
    位相の対称基本モードとして伝搬する放射源からの放射
    が前記多モード導波路の対称モードだけを励起し、かつ
    前記多モード導波路内でそのように励起されたモード
    が、前記多モード導波路内の放射経路に沿ったモード分
    散によって、前記第２の結合導波路の各々の基本モード
    のみを励起するようになっていることとを特徴とする光
    学デバイス。
  2. 【請求項２】 複数の出力導波路間で単一の波長源から
    の放射を分割する光学デバイスであって、 （ａ）前記デバイスは入力導波路に接続された幅２ｂの
    入力端部と前記出力導波路に接続された幅２Ｍｂの出力
    端部とを有する多モード導波路を組み込み、 （ｂ）前記入力導波路は前記多モード導波路の横断面の
    中心に接続され、かつ前記波長源からの放射を前記多モ
    ード導波路にリレーするように適合され、 （ｃ）前記出力導波路は前記多モード導波路に前記多モ
    ード導波路の横断面上で離間した位置で接続され、かつ （ｄ）前記多モード導波路は前記出力導波路間で前記入
    力導波路から出てくる放射の強度を分割するように適合
    された光学デバイスにおいて、 （ｅ）前記入力導波路および前記出力導波路は、それら
    が前記基本モードの伝搬だけを提供するように構成され
    るか、または動作中はそれぞれ前記波長源からのおよび
    前記多モード導波路からのそれらの入力励起が、前記放
    射の基本モードだけをそのなかに伝搬させるようなもの
    であることから、基本動作モードに適合されていること
    と、 （ｆ）前記入力導波路は、前記多モード導波路の入力開
    口にわたって一定の位相の放射入力を放射源から前記多
    モード導波路に提供するように適合されていることと、 （ｇ）前記多モード導波路は前記入力導波路と前記出力
    導波路との間に、４Ｍｂ２／λＫに等しい光路長であ
    り、式中λは前記多モード導波路内の波長源の放射波長
    でありかつＫは出力導波路の数を示す光路長を提供する
    ことと、 （ｈ）前記入力導波路、多モード導波路および出力導波
    路の相対寸法および相対位置決めは、前記入力導波路の
    同位相の対称基本モードとして伝搬する放射源からの放
    射が前記多モード導波路の対称モードだけを励起し、か
    つ前記多モード導波路内でそのように励起されたモード
    が、前記多モード導波路内の放射経路に沿ったモード分
    散によって、各々の出力導波路の基本モードだけを励起
    するようになっていることとを特徴とする複数の出力導
    波路間の単一の波長源からの放射を分割する光学デバイ
    ス。
  3. 【請求項３】 （ａ）前記デバイスはマッハツェンダー
    光干渉計として適合され、 （ｂ）出力導波路の数Ｋは２個であり、 （ｃ）前記出力導波路は前記多モード導波路を補助多モ
    ード導波路に接続し、かつそこから外側の１対の補助導
    波路の間にある中央補助導波路に接続し、 （ｄ）他の出力導波路の光学位相に関して、１つの出力
    導波路の光学位相を変化させる手段が設けられ、かつ （ｅ）前記補助導波路は、前記出力導波路の同位相の放
    射が、少なくとも実質的には前記中央補助導波路に固定
    される強度を発生し、かつ前記出力導波路の相対的逆位
    相の放射が、前記外側の１対の補助導波路内で実質的に
    等しい強度を発生するように適合された請求項２に記載
    の光学デバイス。
  4. 【請求項４】 複数の出力導波路間で単一の波長源から
    の放射を分割する光学デバイスであって、 （ａ）前記デバイスは入力導波路に接続された幅２ｂの
    入力端と前記出力導波路に接続された幅２Ｍｂの出力端
    とを有する多モード導波路を組み込み、 （ｂ）前記入力導波路は前記多モード導波路の横断面の
    中心に接続され、かつ前記波長源からの放射を前記多モ
    ード導波路にリレーするように適合され、 （ｃ）前記出力導波路は前記多モード導波路に前記多モ
    ード導波路の横断面上で離間した位置で接続され、かつ （ｄ）前記多モード導波路は前記出力導波路間で前記入
    力導波路から出てくる放射の強度を分割するように適合
    された光学デバイスにおいて、 （ｅ）前記入力導波路および前記出力導波路は、それら
    が前記基本モードの伝搬だけを提供するように構成され
    るか、または動作中はそれぞれ前記波長源からのおよび
    前記多モード導波路からのそれらの入力励起が、前記放
    射の基本モードだけをそのなかに伝搬させるようなもの
    であることから、基本動作モードに適合されていること
    と、 （ｆ）前記入力導波路は、前記多モード導波路の入力開
    口にわたって一定の位相の放射入力を放射源から前記多
    モード導波路に提供するように適合されていることと、 （ｇ）前記出力導波路は導波路が行列で配列されている
    ような二次元アレイであり、各列は前記多モード導波路
    の幅寸法内に延在しかつＫ個の出力導波路を含んでいる
    ことと、 （ｈ）前記多モード導波路は２つの相互に直交した横断
    方向に多モードであり、かつ前記入力導波路と前記出力
    導波路との間で４Ｍｂ２／λＫに等しい光路長であり、
    式中λは前記多モード導波路内の波長源の放射波長であ
    る光路長を有していることと、 （ｉ）前記入力導波路、多モード導波路および出力導波
    路の相対寸法および相対位置決めは、前記入力導波路の
    同位相の対称基本モードとして伝搬する放射源からの放
    射が前記多モード導波路の対称モードだけを励起し、か
    つ前記多モード導波路内でそのように励起されたモード
    が、前記多モード導波路内の放射経路に沿ったモード分
    散によって、各々の出力導波路の基本モードだけを励起
    するようになっていることとを特徴とする複数の出力導
    波路間の単一の波長源からの放射を分割する光学デバイ
    ス。
  5. 【請求項５】 同じ単一の波長を有する２つの放射入力
    の強度を組み合わせて単一の出力を提供する光学デバイ
    スであって、 （ａ）前記デバイスは入力導波路に接続された幅２ｂの
    入力端と出力導波路に接続された幅２Ｍｂの出力端とを
    有する多モード導波路を組み込み、 （ｂ）前記入力導波路は前記多モード導波路に前記多モ
    ード導波路の横断面上で離間した位置で接続され、かつ
    各々が１つまたは複数の波長源から前記多モード導波路
    に入力放射をリレーするように適合され、 （ｃ）前記多モード導波路は前記入力導波路から出てく
    る放射の強度を前記出力導波路にリレーするように適合
    された光学デバイスにおいて、 （ｄ）前記出力導波路は前記多モード導波路の横断面の
    中心に接続されていることと、 （ｅ）前記多モード導波路は、前記入力導波路から出て
    くる放射の強度を前記出力導波路内において組み合わせ
    るように適合されていることと、 （ｆ）前記入力導波路および前記出力導波路は、それら
    が前記基本モードの伝搬だけを提供するように構成され
    るか、または動作中はそれぞれ前記波長源からのおよび
    前記多モード導波路からのそれらの入力励起が、前記放
    射の基本モードだけをそのなかに伝搬させるようなもの
    であることから、基本動作モードに適合されていること
    と、 （ｇ）前記入力導波路は、前記多モード導波路の各入力
    開口にわたって一定の位相の放射入力を前記多モード導
    波路に提供するように適合されていることと、 （ｈ）前記多モード導波路は前記入力導波路と前記出力
    導波路との間に、２Ｍｂ２／λに等しい光路長であり、
    式中λは前記多モード導波路内の入力放射長である光路
    長を提供することと、 （ｉ）前記入力導波路、多モード導波路および出力導波
    路の相対寸法および相対位置決めは、相互に同位相であ
    る前記入力導波路内で対称基本モードとして伝搬する入
    力放射が結合されて、前記出力導波路上に最大値が集中
    する単一の信号強度を発生しかつ前記多モード導波路内
    の放射経路に沿ったモード分散によって、その基本モー
    ドだけを励起するようになっていることとを特徴とす
    る、同じ単一の波長を有する２つの放射入力の強度を組
    み合わせて単一の出力を提供する光学デバイス。
  6. 【請求項６】 同じ単一の波長を有する３つ以上の放射
    入力の強度を組み合わせて単一の出力を提供する光学デ
    バイスであって、 （ａ）前記デバイスは３つ以上の入力導波路に接続され
    た幅２ｂの入力端と出力導波路に接続された幅２Ｍｂの
    出力端とを有する多モード導波路を組み込み、 （ｂ）前記入力導波路は前記多モード導波路に前記多モ
    ード導波路の横断面上で離間した位置で接続され、かつ
    各々が１つまたは複数の波長源から前記多モード導波路
    に入力放射をリレーするように適合され、 （ｃ）前記多モード導波路は前記入力導波路から出てく
    る放射の強度を前記出力導波路にリレーするように適合
    されたデバイスにおいて、 （ｄ）前記出力導波路は前記多モード導波路の横断面の
    中心に接続されていることと、 （ｅ）前記多モード導波路は、前記入力導波路から出て
    くる放射の強度を前記出力導波路内において組み合わせ
    るように適合されていることと、 （ｆ）前記入力導波路および前記出力導波路は、それら
    が前記基本モードの伝搬だけを提供するように構成され
    るか、または動作中はそれぞれ前記波長源からのおよび
    前記多モード導波路からのそれらの入力励起が、前記放
    射の基本モードだけをそのなかに伝搬させるようなもの
    であることから、基本動作モードに適合されていること
    と、 （ｇ）前記入力導波路は、前記多モード導波路の各入力
    開口にわたって一定の位相の放射入力を前記多モード導
    波路に提供するように適合されていることと、 （ｈ）前記多モード導波路は前記入力導波路と前記出力
    導波路との間に、４Ｍｂ２／λＫに等しい光路長であ
    り、式中λは前記多モード導波路内の波長源の放射波長
    であり、かつＫは入力導波路の数を示す光路長を提供す
    ることと、 （ｉ）前記デバイスは、相互に前記入力導波路内の放射
    成分の位相をシフトする位相シフト手段を含んでいるこ
    とと、 （ｊ）前記入力導波路、多モード導波路および出力導波
    路の寸法および位置決めは、他の導波路に対して適切な
    位相を各々が有する前記入力導波路内で対称基本モード
    として伝搬する入力放射が結合されて、前記出力導波路
    上に最大値が集中する単一の信号強度を発生し、かつ前
    記多モード導波路内の放射経路に沿ったモード分散によ
    って、その基本モードだけを励起するようになっている
    こととを特徴とする、同じ単一の波長を有する３つ以上
    の放射入力の強度を組み合わせて単一の出力を提供する
    光学デバイス。
  7. 【請求項７】 反射手段によって定められたレーザ空洞
    と前記空洞内にレーザ放射を導く導波手段とを組み込ん
    だレーザであって、 （ａ）前記導波手段は、第１の結合導波路をレーザ導波
    路のセットに接続しかつ前記第１の結合導波路から第１
    の多モード導波路に入力された放射強度を各々のレーザ
    導波路入力された成分に分割するように適合された第１
    の多モード導波路を含んでいることと、 （ｂ）前記導波手段はまた前記レーザ導波路のセットを
    第２の結合導波路に接続しかつ前記リレー導波路から出
    てくる放射を前記放射が前記第２の結合導波路に入るよ
    うに再分割するように適合された第２の多モード導波路
    も含んでいることと、 （ｃ）前記第１の結合導波路および前記レーザ導波路は
    放射入力を前記第１の多モード導波路および前記第２の
    結合導波路にそれぞれ提供するように適合されており、
    そのような放射は各多モード導波路入力開口にわたって
    一定の位相であることと、 （ｄ）前記第１および第２の多モード導波路は、同じ幅
    ２ｂを有し、かつそれぞれ前記第１の結合導波路と前記
    レーザ導波路との間および前記レーザ導波路と前記第２
    の結合導波路との間に光路を提供し、これらの光路長の
    合計は２ｂ２／λに等しく、式中λは前記多モード導波
    路内のレーザ放射波長であることと、 （ｅ）前記レーザ導波路はレーザ励起手段を組み込んで
    いることと、 （ｆ）前記第１および第２の結合導波路ならびに前記レ
    ーザ導波路は、それらが前記基本モードだけの伝搬を提
    供するように構成されるか、または動作中にそれらの入
    力された励起が放射の基本モードだけをそこに伝搬させ
    るようなものであることから、基本モード動作に適合さ
    れていることと、 （ｇ）前記第１の結合導波路、前記第１の多モード導波
    路、および前記レーザ導波路の相対寸法および相対位置
    決めは、前記第１の結合導波路の同位相の対称基本モー
    ドとして伝搬する放射が前記第１の多モード導波路の対
    称モードだけを励起し、かつ前記第１の多モード導波路
    内でそのように励起されたモードが、前記第１の多モー
    ド導波路内の放射経路に沿ったモード分散によって、各
    々のレーザ導波路の基本モードだけを励起するようにな
    っていることと、 （ｈ）前記レーザ導波路、前記第２の多モード導波路、
    および前記第２の結合導波路の相対寸法および相対位置
    決めは、前記レーザ導波路内を伝搬する放射が組み合わ
    されてそれぞれの第２の結合導波路上に最大値が集中す
    る放射強度を発生し、かつ前記第２の多モード導波路内
    の放射経路に沿ったモード分散によって、それらの基本
    モードだけを励起するようになっていることとを特徴と
    する、反射手段によって定められたレーザ空洞と前記空
    洞内にレーザ放射を導く導波手段とを組み込んだレー
    ザ。
  8. 【請求項８】 単一の波長源からの放射を複数の出力導
    波路間で分割する光学デバイスであって、 （ａ）前記デバイスは入力導波路を前記出力導波路に接
    続する多モード導波路を組み込み、 （ｂ）前記入力導波路は前記多モード導波路の横断面の
    中心に接続され、かつ前記波長源からの放射を前記多モ
    ード導波路にリレーするように適合され、かつ （ｃ）前記出力導波路は、前記多モード導波路の横断面
    上に離間して配置された位置で前記多モード導波路に接
    続された光学デバイスにおいて、 （ｄ）前記多モード導波路は、放射経路の長手方向に連
    続して配置された幅の異なる複数の区分を有すること
    と、 （ｅ）前記入力導波路および前記出力導波路は、それら
    が前記基本モードだけの伝搬を提供するように構成され
    るか、または動作中にそれぞれ前記波長源からおよび前
    記多モード導波路からの入力された励起が、前記放射の
    基本モードだけをそこに伝搬させるようなものであるこ
    とから、基本モード動作に適合されていることと、 （ｆ）前記入力導波路は、前記多モード導波路の入力開
    口にわたって一定の位相の放射入力を放射源から前記多
    モード導波路に提供するように適合されていることと、 （ｇ）各々の多モード導波路の区分は、２ｂ２／λに等
    しい光路長をそこを通過する放射に提供し、λは前記波
    長源の放射波長であり、かつ２ｂは各々の場合のそれぞ
    れの導波路の区分の幅であることと、 （ｈ）前記入力導波路、前記多モード導波路、および前
    記出力導波路の相対寸法および相対位置決めは、前記入
    力導波路の同位相の対称基本モードとして伝搬する放射
    が前記第１の多モード導波路の区分の対称モードだけを
    励起し、かつ前記入力導波路からの多モード導波路の励
    起は、前記多モード導波路内の放射経路に沿ったモード
    分散によって、各々の出力導波路の基本モードだけを励
    起するようになっていることとを特徴とする、単一の波
    長源からの放射を複数の出力導波路間で分割する光学デ
    バイス。
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