JP3440712B2 - 光分岐素子 - Google Patents
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- 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
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は光分岐素子に関し、
さらに詳細にいえば、平面型多モード光導波路を分岐す
る光分岐素子に関する。
さらに詳細にいえば、平面型多モード光導波路を分岐す
る光分岐素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】平面型多モード光導波路の分岐方式とし
ては、一本の導波路を２つに分岐するいわゆるＹ分岐型
導波路が知られている。また、多モード光ファイバの分
岐方式として、多モード光ファイバを曲げることによっ
て放射する光をこれとは別の分岐用光ファイバの入力端
に結合させるモード分割方式と呼ばれる方式が知られて
いる。
ては、一本の導波路を２つに分岐するいわゆるＹ分岐型
導波路が知られている。また、多モード光ファイバの分
岐方式として、多モード光ファイバを曲げることによっ
て放射する光をこれとは別の分岐用光ファイバの入力端
に結合させるモード分割方式と呼ばれる方式が知られて
いる。
【０００３】図１０に示すよう主導波路１を急激に曲げ
ることによってクラッド中に放射される放射光を分岐導
波路２に結合させるモード分割方式を平面型多モード光
導波路の分岐に採用した方式が知られている。
ることによってクラッド中に放射される放射光を分岐導
波路２に結合させるモード分割方式を平面型多モード光
導波路の分岐に採用した方式が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】Ｙ分岐型導波路は、分
岐角度が大きい場合には導波路中を進行している光線が
分岐部で臨界角を越えて放射損失となる。また、分岐角
が小さい場合には、分岐なまりによる散乱損失が増加す
る他、分岐された２つの導波路を一定距離引き離すため
に長い距離を要するので導波距離が長くなり、その結果
導波損失が増大するという問題がある。
岐角度が大きい場合には導波路中を進行している光線が
分岐部で臨界角を越えて放射損失となる。また、分岐角
が小さい場合には、分岐なまりによる散乱損失が増加す
る他、分岐された２つの導波路を一定距離引き離すため
に長い距離を要するので導波距離が長くなり、その結果
導波損失が増大するという問題がある。
【０００５】図１０に示したモード分割方式を平面型多
モード光導波路の分岐に採用した方式は、元来、損失と
なる放射光を分岐光として利用するので、低損失な分岐
ができ、かつ、急激に曲げることができるので、見かけ
上大きな分岐角が得られ、導波距離を短くできる。しか
し、平面型導波路の断面に不本意に発生するコア側壁の
凹凸により、主導波路１からの放射光は散乱性の放射光
となり、主導波路のクラッド中に広がる。その結果、分
岐導波路２の入射端面５にて捕らえられる放射光は僅か
となり、損失が大きくなるという問題がある。
モード光導波路の分岐に採用した方式は、元来、損失と
なる放射光を分岐光として利用するので、低損失な分岐
ができ、かつ、急激に曲げることができるので、見かけ
上大きな分岐角が得られ、導波距離を短くできる。しか
し、平面型導波路の断面に不本意に発生するコア側壁の
凹凸により、主導波路１からの放射光は散乱性の放射光
となり、主導波路のクラッド中に広がる。その結果、分
岐導波路２の入射端面５にて捕らえられる放射光は僅か
となり、損失が大きくなるという問題がある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、請求項１の光分岐素子は図２に示すように、主導
波路１を屈曲させ、屈曲部３から放射する光線を近接配
置した分岐導波路２に結合させる構造の光分岐素子にお
いて、分岐導波路２は光の伝搬方向にその幅が徐々に細
くなるテーパ構造であり、図３に示すように、分岐導波
路２の中心軸２１は、主導波路１の屈曲前直線部の中心
軸の延長線１１に対して、主導波路１の屈曲方向Ｘに傾
いており、図１に示すように、分岐導波路２の入射端面
５の法線ベクトル２３が分岐導波路２の中心軸２１に対
して主導波路１の屈曲方向と反対方向Ｙに向くように傾
いていることを特徴とする。
めに、請求項１の光分岐素子は図２に示すように、主導
波路１を屈曲させ、屈曲部３から放射する光線を近接配
置した分岐導波路２に結合させる構造の光分岐素子にお
いて、分岐導波路２は光の伝搬方向にその幅が徐々に細
くなるテーパ構造であり、図３に示すように、分岐導波
路２の中心軸２１は、主導波路１の屈曲前直線部の中心
軸の延長線１１に対して、主導波路１の屈曲方向Ｘに傾
いており、図１に示すように、分岐導波路２の入射端面
５の法線ベクトル２３が分岐導波路２の中心軸２１に対
して主導波路１の屈曲方向と反対方向Ｙに向くように傾
いていることを特徴とする。
【０００７】
【０００８】
【０００９】請求項２の発明は、図１に示した光分岐素
子において、主導波路１の断面の高さを２ｂ、幅を２
ｂ、曲げ半径をＲ、コアとクラッドの屈折率をそれぞ
れ、ｎ1、ｎ2とし、テーパ形状の分岐導波路２の高さを
２ｂ、分岐導波路２の側面５１と分岐導波路２の中心軸
２１（図１では分岐導波路２の側面５１と分岐導波路２
の中心軸２１と平行な直線２４）との成す角であるテー
パ角をα、出射端幅を２ｂ、コア及びクラッドの屈折率
を主導波路１と同じとし、主導波路１の屈曲前直線部の
中心軸の延長線１１に対する分岐導波路２の中心軸２１
の傾きをθb、分岐導波路２の中心軸２１に対する分岐
導波路２の入射端面５の法線ベクトル２３の傾きを
ψb、分岐導波路２の出射端面７に接続する図示されて
いない導波路のコアとクラッドの屈折率をそれぞれ、ｎ
f1、ｎf2とした場合、
子において、主導波路１の断面の高さを２ｂ、幅を２
ｂ、曲げ半径をＲ、コアとクラッドの屈折率をそれぞ
れ、ｎ1、ｎ2とし、テーパ形状の分岐導波路２の高さを
２ｂ、分岐導波路２の側面５１と分岐導波路２の中心軸
２１（図１では分岐導波路２の側面５１と分岐導波路２
の中心軸２１と平行な直線２４）との成す角であるテー
パ角をα、出射端幅を２ｂ、コア及びクラッドの屈折率
を主導波路１と同じとし、主導波路１の屈曲前直線部の
中心軸の延長線１１に対する分岐導波路２の中心軸２１
の傾きをθb、分岐導波路２の中心軸２１に対する分岐
導波路２の入射端面５の法線ベクトル２３の傾きを
ψb、分岐導波路２の出射端面７に接続する図示されて
いない導波路のコアとクラッドの屈折率をそれぞれ、ｎ
f1、ｎf2とした場合、
【数７】
０＜α≦θC−sin-1((ｎ2／ｎ1)・sinθrmx) …（７）
【数８】
０≦θb≦ψb−sin-1((ｎ1／ｎ2)・sin(ψb−θC＋α)) …（８）
【数９】
θrmx＝π／２−sin-1(ｎ2／ｎ1)−cos-1((ｎ2／ｎ1)・((Ｒ＋２ｂ)／Ｒ))，
ただし Ｒ≧２ｂｎ2／(ｎ1−ｎ2） …（９）
【数１０】
θrmx＝sin-1((ｎ1／ｎ2)・(Ｒ／(Ｒ＋２ｂ)))−sin-1(Ｒ／(Ｒ＋２ｂ))，
ただし Ｒ＜２ｂｎ2／(ｎ1−ｎ2) …（１０）
【数１１】
θC＝π／２−sin-1(ｎ2／ｎ1)， ただし ｎ2／ｎ1＞ｎf2／ｎf1…（１１）
【数１２】
θC＝π／２−sin-1(ｎf2／ｎf1)、ただし ｎ2／ｎ1≦ｎf2／ｎf1…（１２）
で示される関係式が成立することを特徴とする。なお、
図１に示すようにテーパ分岐導波路の短い方の側面の入
射側の起点位置を通り分岐導波路の中心軸と垂直な仮想
入射端５ａを定義したとき、仮想入射端５ａと出射端７
の間の中心軸の長さをＬ、仮想入射端５ａの幅を２ａ、
出射端幅を２ｂとすると、テーパ角の定義より、
図１に示すようにテーパ分岐導波路の短い方の側面の入
射側の起点位置を通り分岐導波路の中心軸と垂直な仮想
入射端５ａを定義したとき、仮想入射端５ａと出射端７
の間の中心軸の長さをＬ、仮想入射端５ａの幅を２ａ、
出射端幅を２ｂとすると、テーパ角の定義より、
【数１３】
α＝tan-1((ａ−ｂ)／Ｌ) …（１３）
であるので、上記（７）式は、
【数１４】
ｂ＜ａ≦Ｌ・tan(θC−sin-1((ｎ2／ｎ1)・sinθrmx)) …（１４）
と表すこともできる。
【００１０】
【発明の作用及び効果】図２に示すように、分岐導波路
２を光の伝搬方向にその幅が徐々に細くなるテーパ構造
とすることにより主導波路１の屈曲部３からの放射光を
多く分岐導波路２の入射端面５にて受光することができ
る。その結果、分岐損失を低減することができる。
２を光の伝搬方向にその幅が徐々に細くなるテーパ構造
とすることにより主導波路１の屈曲部３からの放射光を
多く分岐導波路２の入射端面５にて受光することができ
る。その結果、分岐損失を低減することができる。
【００１１】また、主導波路１の屈曲部３からの放射光
の分布の中心軸は屈曲方向に傾く。よって、図３に示す
ように、分岐導波路２の中心軸２１を、主導波路１の屈
曲前直線部の中心軸の延長線１１に対して、主導波路１
の屈曲方向Ｘに傾けることにより、指向性を考慮して、
より多くの主導波路１の屈曲部３からの放射光を分岐導
波路２の入射端面５にて受光することができる。その結
果、さらに分岐損失を低減することができる。
の分布の中心軸は屈曲方向に傾く。よって、図３に示す
ように、分岐導波路２の中心軸２１を、主導波路１の屈
曲前直線部の中心軸の延長線１１に対して、主導波路１
の屈曲方向Ｘに傾けることにより、指向性を考慮して、
より多くの主導波路１の屈曲部３からの放射光を分岐導
波路２の入射端面５にて受光することができる。その結
果、さらに分岐損失を低減することができる。
【００１２】さらに、放射光の屈曲方向に傾いた中心軸
に対して、図１に示すように、分岐導波路２の入射端面
５の法線ベクトル２３が分岐導波路２の中心軸２１に対
して主導波路１の屈曲方向と反対方向Ｙに向くように傾
けることにより分岐導波路２を屈曲部３に近接配置でき
るので、より多くの主導波路１の屈曲部３からの放射光
を分岐導波路２の入射端面５にて受光することができ
る。その結果、さらに分岐損失を低減することができ
る。
に対して、図１に示すように、分岐導波路２の入射端面
５の法線ベクトル２３が分岐導波路２の中心軸２１に対
して主導波路１の屈曲方向と反対方向Ｙに向くように傾
けることにより分岐導波路２を屈曲部３に近接配置でき
るので、より多くの主導波路１の屈曲部３からの放射光
を分岐導波路２の入射端面５にて受光することができ
る。その結果、さらに分岐損失を低減することができ
る。
【００１３】また、図１に示すように分岐導波路２の側
面５１と分岐導波路２の中心軸２１との成す角であるテ
ーパ角α、中心軸の傾斜角θb、端面の傾斜角ψbに関し
て、請求項１に示されている式（１）から式（６）の関
係式が成立するように図１の光分岐素子を設計すると、
分岐導波路２の入射端面５にて受光された主導波路１の
屈曲部３からの放射光は、分岐導波路２の出射端面７に
伝送される間に放射することがなくなる。この結果、主
導波路１より分岐された分岐光は分岐導波路２の出射端
面７に低損失で伝送することができる。
面５１と分岐導波路２の中心軸２１との成す角であるテ
ーパ角α、中心軸の傾斜角θb、端面の傾斜角ψbに関し
て、請求項１に示されている式（１）から式（６）の関
係式が成立するように図１の光分岐素子を設計すると、
分岐導波路２の入射端面５にて受光された主導波路１の
屈曲部３からの放射光は、分岐導波路２の出射端面７に
伝送される間に放射することがなくなる。この結果、主
導波路１より分岐された分岐光は分岐導波路２の出射端
面７に低損失で伝送することができる。
【発明の実施の形態】
【００１４】図１は平面基板上の主導波路１と分岐導波
路２の配置を示している。主導波路１は屈曲部３で曲げ
半径Ｒで曲げられており、屈曲部３に分岐導波路２が近
接配置されている。
路２の配置を示している。主導波路１は屈曲部３で曲げ
半径Ｒで曲げられており、屈曲部３に分岐導波路２が近
接配置されている。
【００１５】主導波路１の入射端面４と出射端面６と、
分岐導波路２の出射端面７の大きさは等しく、分岐導波
路２の入射端面５は前記の３つの端面より幅が広い。つ
まり、分岐導波路２は光の伝搬方向に断面積が狭くなる
テーパ構造をしていることになる。また、分岐導波路２
の中心軸２１は主導波路１の屈曲前直線部の中心軸の延
長線１１より主導波路１の屈曲方向Ｘに傾いている。入
射端面５の法線ベクトル２３は分岐導波路２の中心軸２
１に対して主導波路１の屈曲方向とは反対の方向Ｙに向
くように傾いている。
分岐導波路２の出射端面７の大きさは等しく、分岐導波
路２の入射端面５は前記の３つの端面より幅が広い。つ
まり、分岐導波路２は光の伝搬方向に断面積が狭くなる
テーパ構造をしていることになる。また、分岐導波路２
の中心軸２１は主導波路１の屈曲前直線部の中心軸の延
長線１１より主導波路１の屈曲方向Ｘに傾いている。入
射端面５の法線ベクトル２３は分岐導波路２の中心軸２
１に対して主導波路１の屈曲方向とは反対の方向Ｙに向
くように傾いている。
【００１６】上記構成において、入射端面４より入射し
た光は主導波路１を通り屈曲部３に到達する。屈曲部３
では主導波路１をそのまま通る光と入射端面５に向かっ
て放射する光に分岐する。主導波路１をそのまま通る光
は出射端面６に到達する。入射端面５に向かって放射す
る光は入射端面５より分岐導波路２を通って出射端面７
に到達する。
た光は主導波路１を通り屈曲部３に到達する。屈曲部３
では主導波路１をそのまま通る光と入射端面５に向かっ
て放射する光に分岐する。主導波路１をそのまま通る光
は出射端面６に到達する。入射端面５に向かって放射す
る光は入射端面５より分岐導波路２を通って出射端面７
に到達する。
【００１７】本発明を実施することによって、主導波路
１の屈曲部３から放射する光線が分岐導波路２の入射端
面５にて効率よく捕らえられ、出射端面７に少ない損失
で伝送されることを説明する。計算は幾何光学によるメ
リジオナル光線近似によって行う。
１の屈曲部３から放射する光線が分岐導波路２の入射端
面５にて効率よく捕らえられ、出射端面７に少ない損失
で伝送されることを説明する。計算は幾何光学によるメ
リジオナル光線近似によって行う。
【００１８】図４は図１の主導波路１の屈曲部３の近傍
を拡大した図である。図４の（ａ）に示すように、主導
波路１の屈曲前直線部１２を導波モードで伝搬してきた
光線が、屈曲部３のコアとクラッドの外径側境界面３１
に入射した際に最も漏洩しやすいのは直線部と屈曲部の
境界（ｘ＝０、Ｒ≦ｙ≦Ｒ＋２ｂ）上のうち内径側の境
界３２（点Ｃ）を通過した光線である。このときの外径
側境界面３１への入射角φ（図中ではφ0で表されてい
る角ＯＡＢ）と主導波路１の屈曲前直線部１２における
伝搬角θ（図中ではθwbcで表されている）の関係は以
下のように表される。
を拡大した図である。図４の（ａ）に示すように、主導
波路１の屈曲前直線部１２を導波モードで伝搬してきた
光線が、屈曲部３のコアとクラッドの外径側境界面３１
に入射した際に最も漏洩しやすいのは直線部と屈曲部の
境界（ｘ＝０、Ｒ≦ｙ≦Ｒ＋２ｂ）上のうち内径側の境
界３２（点Ｃ）を通過した光線である。このときの外径
側境界面３１への入射角φ（図中ではφ0で表されてい
る角ＯＡＢ）と主導波路１の屈曲前直線部１２における
伝搬角θ（図中ではθwbcで表されている）の関係は以
下のように表される。
【数１５】
sinφ＝(Ｒ／(Ｒ＋２ｂ))・cosθ …（１５）
ここで、Ｒは主導波路の曲げ半径で、２ｂは導波路幅で
ある。上記の式は、以下のようにして求められる。図４
にて角ＯＢＡを直角とした直角三角形ＯＡＢと直角三角
形ＯＣＢを考える。ｙ軸とＣ点にて反射した反射後の光
線のなす角が（π／２−θ）となり、対頂角の関係によ
り角ＯＣＢも（π／２−θ）となることから角ＢＯＣは
θとなる。ここで、辺ＯＣの長さが曲げ半径Ｒであり、
角ＯＢＣが直角の直角三角形ＯＣＢの角ＢＯＣがθであ
ることにより辺ＯＢはＲcosθとなる。また、角ＯＢＡ
が直角の直角三角形ＯＡＢの辺ＯＡの長さが曲げ半径Ｒ
に主導波路の幅２ｂを加えた長さであり、角ＢＡＯがφ
なので、辺ＯＢは（Ｒ＋２ｂ）sinφとなる。そして、
２つの方法で求めた辺ＯＢが等しいことから式（１３）
は求められる。
ある。上記の式は、以下のようにして求められる。図４
にて角ＯＢＡを直角とした直角三角形ＯＡＢと直角三角
形ＯＣＢを考える。ｙ軸とＣ点にて反射した反射後の光
線のなす角が（π／２−θ）となり、対頂角の関係によ
り角ＯＣＢも（π／２−θ）となることから角ＢＯＣは
θとなる。ここで、辺ＯＣの長さが曲げ半径Ｒであり、
角ＯＢＣが直角の直角三角形ＯＣＢの角ＢＯＣがθであ
ることにより辺ＯＢはＲcosθとなる。また、角ＯＢＡ
が直角の直角三角形ＯＡＢの辺ＯＡの長さが曲げ半径Ｒ
に主導波路の幅２ｂを加えた長さであり、角ＢＡＯがφ
なので、辺ＯＢは（Ｒ＋２ｂ）sinφとなる。そして、
２つの方法で求めた辺ＯＢが等しいことから式（１３）
は求められる。
【００１９】コアの屈折率をｎ1、クラッドの屈折率を
ｎ2とすると臨界角φ0は全反射におけるスネルの法則に
より次式で表される。
ｎ2とすると臨界角φ0は全反射におけるスネルの法則に
より次式で表される。
【数１６】
sinφ0＝ｎ2／ｎ1 …（１６）
【００２０】導波路のカットオフとなる導波路内伝搬角
をθWCとすると、直線部と屈曲部の内径側の境界３２を
通過する光線群は伝搬角が｜θ｜≦θWCの範囲内で伝搬
する。このうち屈曲部３のコアとクラッドの外径側境界
面３１へ入射する光線が臨界角φ0となる伝搬角θWbcは
次式で表される。
をθWCとすると、直線部と屈曲部の内径側の境界３２を
通過する光線群は伝搬角が｜θ｜≦θWCの範囲内で伝搬
する。このうち屈曲部３のコアとクラッドの外径側境界
面３１へ入射する光線が臨界角φ0となる伝搬角θWbcは
次式で表される。
【数１７】
θWbc＝cos-1((ｎ2／ｎ1)・((Ｒ＋２ｂ)／Ｒ)) …（１７）
上記の式は式（１５）のφをφ0、θをθWbcとし、式
（１６）を代入することにより求められる。従って、放
射モードに変換される光線は図９に示す直線導波路部で
の導波光のモード分布のうち、θWbc≦θ≦θWCの範囲
にある光線（図中の斜線領域）である。ここでθWCは次
式で表される。
（１６）を代入することにより求められる。従って、放
射モードに変換される光線は図９に示す直線導波路部で
の導波光のモード分布のうち、θWbc≦θ≦θWCの範囲
にある光線（図中の斜線領域）である。ここでθWCは次
式で表される。
【数１８】
θWC＝cos-1(ｎ2／ｎ1) …（１８）
θWCは直線部１２における全反射を生じる臨界角であ
る。
る。
【００２１】屈曲部３のコアとクラッドの外径側境界面
３１から放射した光線のうち主導波路１の直線部の延長
軸に対して最も大きな角で放射するのは、内径側の直線
部と屈曲部の境界３２を通過した光線であり、その放射
方向はコアとクラッドの外径側境界面３１の接線方向で
あり、これを最大放射角θrmxとすると θrmxは次式で
表される。
３１から放射した光線のうち主導波路１の直線部の延長
軸に対して最も大きな角で放射するのは、内径側の直線
部と屈曲部の境界３２を通過した光線であり、その放射
方向はコアとクラッドの外径側境界面３１の接線方向で
あり、これを最大放射角θrmxとすると θrmxは次式で
表される。
【数１９】
θrmx＝π／２−sin-1(ｎ2／ｎ1)−cos-1((ｎ2／ｎ1)・((Ｒ＋２ｂ)／Ｒ))
…（１９）
上記の式は、主導波路１の屈曲前直線部１２の中心軸１
１とＡ点にて屈折をする屈折前の光線となす角がθWbc
であり、Ａ点における境界面３１の法線ベクトル３４と
主導波路１の屈曲前直線部１２の中心軸１１のなす角が
θWbcと臨界角φ0を加えた値になり、この角度の対頂角
にθrmxを加えると丁度π／２となることと、式（１
６）、式（１７）にて求められたφ0とθWbcの値を代入
することにより求められる。
１とＡ点にて屈折をする屈折前の光線となす角がθWbc
であり、Ａ点における境界面３１の法線ベクトル３４と
主導波路１の屈曲前直線部１２の中心軸１１のなす角が
θWbcと臨界角φ0を加えた値になり、この角度の対頂角
にθrmxを加えると丁度π／２となることと、式（１
６）、式（１７）にて求められたφ0とθWbcの値を代入
することにより求められる。
【００２２】しかし、分岐光Ｂの強度を大きくしようと
する場合、即ち、曲げ半径が次式
する場合、即ち、曲げ半径が次式
【数２０】
Ｒ＜２ｂｎ2／(ｎ1−ｎ2) …（２０）
のような小さな値をとるとき、主導波路１の屈曲部３に
入射したθ＝０の直進光線の外径側境界面３１への入射
角が臨界角φ0より小さくなるので、図４の（ｂ）に示
すように、直進光線もそのまま放射モードとなりクラッ
ド中へ漏洩する。この場合θrmxが最大となるのは直線
部と屈曲部の内径側の境界をθ＝０で通過した光線であ
り、θrmxはＡ点における入射光と透過光に対してスネ
ルの法則を適用し次式で表される。
入射したθ＝０の直進光線の外径側境界面３１への入射
角が臨界角φ0より小さくなるので、図４の（ｂ）に示
すように、直進光線もそのまま放射モードとなりクラッ
ド中へ漏洩する。この場合θrmxが最大となるのは直線
部と屈曲部の内径側の境界をθ＝０で通過した光線であ
り、θrmxはＡ点における入射光と透過光に対してスネ
ルの法則を適用し次式で表される。
【数２１】
θrmx＝sin-1((ｎ1／ｎ2)・(Ｒ／(Ｒ＋２ｂ)))−sin-1(Ｒ／(Ｒ＋２ｂ))
…（２１）
【００２３】一方、すべてのＲに対して放射角度が最も
小さくなるのは外径側の直線部と屈曲部の境界３３を伝
搬角θ＝−θWCで入射した光線であり、その放射角度は
θr＝０となる。従って、放射光の放射角度は０≦θr≦
θrmxの範囲でその広がり角はθrmxである。
小さくなるのは外径側の直線部と屈曲部の境界３３を伝
搬角θ＝−θWCで入射した光線であり、その放射角度は
θr＝０となる。従って、放射光の放射角度は０≦θr≦
θrmxの範囲でその広がり角はθrmxである。
【００２４】主導波路のコアとクラッドの境界面が理想
的な直線と円弧で構成された場合は前記の放射光の広が
り角となるが、実際のデバイスでは上記の境界面では少
なからず凹凸が発生するので、その結果、放射光の広が
り角はθrmx以上となる。
的な直線と円弧で構成された場合は前記の放射光の広が
り角となるが、実際のデバイスでは上記の境界面では少
なからず凹凸が発生するので、その結果、放射光の広が
り角はθrmx以上となる。
【００２５】前記の広がった放射光を効率よく分岐導波
路に結合させるには、分岐導波路の入射端幅を可能な限
り大きくすることである。しかし、出射端側は接続する
機器に合わせる必要があるためにテーパ構造を採用する
ことになる。
路に結合させるには、分岐導波路の入射端幅を可能な限
り大きくすることである。しかし、出射端側は接続する
機器に合わせる必要があるためにテーパ構造を採用する
ことになる。
【００２６】しかし、テーパ分岐導波路２を伝搬中の光
線が導波路の臨界角を越えてしまっては放射損失が発生
するので、効率よく分岐したことにはならない。本発明
では最大放射角θrmxで放射された光線が、分岐導波路
２の入射端面５に結合し、テーパ中を伝搬しても導波路
の臨界角を越えないようなテーパ角αの最大角αmaxを
求める。
線が導波路の臨界角を越えてしまっては放射損失が発生
するので、効率よく分岐したことにはならない。本発明
では最大放射角θrmxで放射された光線が、分岐導波路
２の入射端面５に結合し、テーパ中を伝搬しても導波路
の臨界角を越えないようなテーパ角αの最大角αmaxを
求める。
【００２７】テーパ構造の分岐導波路２を図５に示す。
分岐導波路２のテーパ角αが最大となるのは最大伝搬角
θrmxで入射した光線が、１回の全反射で伝搬角が臨界
角となり、出射端の隅に到達する場合である。主導波路
１の屈曲前直線部１２の中心軸１１と平行な直線１３と
入射光線のなす角が伝搬角であり、直線１３と分岐導波
路２の下側境界面５２のなす角がテーパ角αの最大角α
maxとなるので、分岐導波路２の下側境界面５２に対す
る入射角は伝搬角にテーパ角が加わることになり、前記
の条件はコア内での条件なので、最大放射光線のコア内
伝搬角をθrmx 'とすると次式で表される。
分岐導波路２のテーパ角αが最大となるのは最大伝搬角
θrmxで入射した光線が、１回の全反射で伝搬角が臨界
角となり、出射端の隅に到達する場合である。主導波路
１の屈曲前直線部１２の中心軸１１と平行な直線１３と
入射光線のなす角が伝搬角であり、直線１３と分岐導波
路２の下側境界面５２のなす角がテーパ角αの最大角α
maxとなるので、分岐導波路２の下側境界面５２に対す
る入射角は伝搬角にテーパ角が加わることになり、前記
の条件はコア内での条件なので、最大放射光線のコア内
伝搬角をθrmx 'とすると次式で表される。
【数２２】
θrmx '＋αmax＝θC …（２２）
最大放射光線のコア内伝搬角θrmx 'とクラッド中への最
大放射角θrmxとの関係はスネルの法則により次式で表
される。
大放射角θrmxとの関係はスネルの法則により次式で表
される。
【数２３】
ｎ2sinθrmx＝ｎ1sinθrmx ' …（２３）
また、θCはテーパ導波路もしくは、これに接続する光
ファイバ等の光導波路の最大伝搬角度、即ち、コア内を
伝搬する光線がコアとクラッドの境界面で全反射が可能
な最大伝搬角度、の小さい方の値であり、放射光線をＮ
Ａ不整合損失を伴わずに次段の導波系に結合できる値で
あり全反射のスネルの法則を用いて次式で表される。
ファイバ等の光導波路の最大伝搬角度、即ち、コア内を
伝搬する光線がコアとクラッドの境界面で全反射が可能
な最大伝搬角度、の小さい方の値であり、放射光線をＮ
Ａ不整合損失を伴わずに次段の導波系に結合できる値で
あり全反射のスネルの法則を用いて次式で表される。
【数２４】
θC＝π／２−sin-1(ｎ2／ｎ1)， ただし ｎ2／ｎ1＞ｎf2／ｎf1…（２４）
【数２５】
θC＝π／２−sin-1(ｎf2／ｎf1)，ただし ｎ2／ｎ1≦ｎf2／ｎf1…（２５）
ここで、ｎf1、ｎf2はそれぞれ分岐用導波路に接続する
光ファイバ等の光導波路のコアとクラッドの屈折率であ
る。
光ファイバ等の光導波路のコアとクラッドの屈折率であ
る。
【００２８】図５で示される最大テーパ角αmaxは式
（２２）、式（２３）より次式で表すことができる。
（２２）、式（２３）より次式で表すことができる。
【数２６】
αmax＝θC−sin-1((ｎ2／ｎ1)・sinθrmx) …（２６）
従って、請求項１のようなテーパ構造をとり、そのテー
パ角αが請求項２の式（１）の範囲となる構造は分岐導
波路２の入射端面５にて放射光を多く受光し、出射端面
７に少ない損失で伝送することができる。また、図５の
ようにテーパ分岐導波路の長さをＬ、出射端幅を２ｂ、
最大テーパ角αmaxのときの入射端幅を２ａmaxとする
と、テーパ角の定義より次式を得ることができる。
パ角αが請求項２の式（１）の範囲となる構造は分岐導
波路２の入射端面５にて放射光を多く受光し、出射端面
７に少ない損失で伝送することができる。また、図５の
ようにテーパ分岐導波路の長さをＬ、出射端幅を２ｂ、
最大テーパ角αmaxのときの入射端幅を２ａmaxとする
と、テーパ角の定義より次式を得ることができる。
【数２７】
tanαmax＝(ａmax−ｂ)／Ｌ …（２７）
よって、式（２１）〜（２７）によりａmaxは次式で表
される。
される。
【数２８】
ａmax＝Ｌ・tan(θC−sin-1((ｎ2／ｎ1)・sinθrmx))＋ｂ …（２８）
よって、請求項２の式（１）は式（２８）より次式で表
すこともできる。
すこともできる。
【数２９】
ｂ＜ａ≦Ｌ・tan(θC−sin-1((ｎ2／ｎ1)・sinθrmx))＋ｂ …（２９）
【００２９】次に、放射光の指向性にあわせて分岐導波
路２を傾けて配置した場合を考える。図６に示すよう
に、分岐導波路２の中心軸２１を主導波路１の屈曲方向
Ｘに傾けると、大きな放射角度で入射した光線４２は分
岐導波路のコアとクラッドの境界面５２への入射角度６
２が大きくなるため放射しにくくなる。
路２を傾けて配置した場合を考える。図６に示すよう
に、分岐導波路２の中心軸２１を主導波路１の屈曲方向
Ｘに傾けると、大きな放射角度で入射した光線４２は分
岐導波路のコアとクラッドの境界面５２への入射角度６
２が大きくなるため放射しにくくなる。
【００３０】一方、θr＝０の放射光４１は分岐導波路
の中心軸の傾き角θbが大きくなるにつれて分岐導波路
上側のコアとクラッドの境界面５１への入射角６１が小
さくなり、上側から放射するようになる。導波路の受光
角が最大放射光線のコア内伝搬角θrmx 'よりも大きい場
合、分岐導波路の中心軸を傾けてもθr＝０の放射光が
分岐導波路のコアとクラッドの境界面に一回全反射して
出射端に到達可能な角度以内にすれば、分岐導波路中の
光線はテーパ導波路中で放射モードに変換されない。つ
まり、放射光の指向性にあわせて分岐導波路２を傾けて
配置すると大きな放射角度の放射光まで受光し易くな
り、θr＝０の放射光が分岐導波路のコアとクラッドの
境界面に一回全反射して出射端に到達可能な角度以内に
傾けると少ない損失で入射端面に受光した放射光を出射
端面に伝送することができる。
の中心軸の傾き角θbが大きくなるにつれて分岐導波路
上側のコアとクラッドの境界面５１への入射角６１が小
さくなり、上側から放射するようになる。導波路の受光
角が最大放射光線のコア内伝搬角θrmx 'よりも大きい場
合、分岐導波路の中心軸を傾けてもθr＝０の放射光が
分岐導波路のコアとクラッドの境界面に一回全反射して
出射端に到達可能な角度以内にすれば、分岐導波路中の
光線はテーパ導波路中で放射モードに変換されない。つ
まり、放射光の指向性にあわせて分岐導波路２を傾けて
配置すると大きな放射角度の放射光まで受光し易くな
り、θr＝０の放射光が分岐導波路のコアとクラッドの
境界面に一回全反射して出射端に到達可能な角度以内に
傾けると少ない損失で入射端面に受光した放射光を出射
端面に伝送することができる。
【００３１】また、請求項１のように、分岐導波路の入
射端面を図７のようにψb傾けることにより、主導波路
の屈曲部３に近接配置が可能となり、その結果、放射光
が大きく広がる前に分岐導波路に結合することができ、
低損失となる。
射端面を図７のようにψb傾けることにより、主導波路
の屈曲部３に近接配置が可能となり、その結果、放射光
が大きく広がる前に分岐導波路に結合することができ、
低損失となる。
【００３２】前記のように、分岐導波路２の中心軸２１
が主導波路１の屈曲前直線部１２の中心軸１１に対して
主導波路１の屈曲方向にθb傾いていて、分岐導波路２
の入射端面５の法線ベクトル２３が分岐導波路２の中心
軸２１に対して主導波路１の屈曲方向と反対方向にψb
傾いている場合、分岐導波路２の入射端面５に結合した
光線の導波路内伝搬角θWAは、図８のように角度を定義
すると次式で表される。
が主導波路１の屈曲前直線部１２の中心軸１１に対して
主導波路１の屈曲方向にθb傾いていて、分岐導波路２
の入射端面５の法線ベクトル２３が分岐導波路２の中心
軸２１に対して主導波路１の屈曲方向と反対方向にψb
傾いている場合、分岐導波路２の入射端面５に結合した
光線の導波路内伝搬角θWAは、図８のように角度を定義
すると次式で表される。
【数３０】
θWA＝ψb−sin-1((ｎ2／ｎ1)・sin(ψb−θb)) …（３０）
ただし、ψb、θb、θWAはともに図８の矢印の方向を正
とする。上記の式は、図８における入射角をクラッド内
の光線７１と法線ベクトル２３のなす角（ψb−θb）と
し、屈折角はコア内の光線７２と法線ベクトル２３のな
す角（ψb−θWA）としてスネルの法則により得られる
式である。式（３０）において
とする。上記の式は、図８における入射角をクラッド内
の光線７１と法線ベクトル２３のなす角（ψb−θb）と
し、屈折角はコア内の光線７２と法線ベクトル２３のな
す角（ψb−θWA）としてスネルの法則により得られる
式である。式（３０）において
【数３１】
ψb≧０、θb≧０ …（３１）
の範囲では常にθWA≧０となる。この結果、θr＝０で
主導波路から放射された光線は、分岐導波路の上側で反
射することになる。
主導波路から放射された光線は、分岐導波路の上側で反
射することになる。
【００３３】テーパ角αの分岐導波路において、１回の
反射で臨界角に達する条件は式（２２）と同様に次式で
表される。
反射で臨界角に達する条件は式（２２）と同様に次式で
表される。
【数３２】
θWA＋α＝θC …（３２）
式（３２）に、式（３０）を代入するとθr＝０で主導
波路から放射された光線を分岐導波路内で臨界角に屈折
させるための中心軸の傾きθbcは次式で与えられる。
波路から放射された光線を分岐導波路内で臨界角に屈折
させるための中心軸の傾きθbcは次式で与えられる。
【数３３】
θbc＝ψb−sin-1((ｎ1／ｎ2)・sin(ψb−θC＋α)) …（３３）
従って、請求項１の形状で、請求項２の式（２）（０≦
θb≦θbc）の範囲で設計すれば、放射光を効率よく受
光するとともに、分岐導波路内で放射損失になることな
く分岐素子が構成できる。
θb≦θbc）の範囲で設計すれば、放射光を効率よく受
光するとともに、分岐導波路内で放射損失になることな
く分岐素子が構成できる。
【００３４】式（３１）の範囲以外では、ψb＜０の場
合には構造的に分岐導波路の入射端面を主導波路の屈曲
部に近接することができないので、また、θb＜０の場
合には屈曲部からの放射光の指向性と一致しない角度に
配置するので効率が悪くなる。
合には構造的に分岐導波路の入射端面を主導波路の屈曲
部に近接することができないので、また、θb＜０の場
合には屈曲部からの放射光の指向性と一致しない角度に
配置するので効率が悪くなる。
【００３５】以上により、光導波路の主導波路の屈曲部
の放射光を、分岐導波路に請求項１の形状を与えること
によって効率よく分岐することができる。また、請求項
２によって最適な形状を得ることができる。これにより
多モード光導波路を効率よく分岐する光分岐素子が得ら
れる。
の放射光を、分岐導波路に請求項１の形状を与えること
によって効率よく分岐することができる。また、請求項
２によって最適な形状を得ることができる。これにより
多モード光導波路を効率よく分岐する光分岐素子が得ら
れる。
【図１】請求項１の光分岐素子の上面図
【図２】請求項１の光分岐素子を説明するための光分岐
素子の上面図
素子の上面図
【図３】請求項１の光分岐素子を説明するための光分岐
素子の上面図
素子の上面図
【図４】主導波路１の屈曲部３の拡大図
【図５】分岐導波路のテーパ部の説明図
【図６】分岐導波路を主導波路の屈曲方向に傾けた場合
の説明図
の説明図
【図７】分岐導波路の入射端面を傾けた場合の説明図
【図８】分岐導波路の拡大図
【図９】主導波路の直線部を伝送する伝搬光のモード分
布
布
【図１０】従来のモード分割方式を用いた光分岐素子の
上面図
上面図
１…主導波路
２…分岐導波路
３…屈曲部
４…主導波路１の入射端面
５…分岐導波路２の入射端面
５ａ…分岐導波路２の仮想入射端面
６…主導波路１の出射端面
７…分岐導波路２の出射端面
１１…主導波路１の屈曲前直線部の中心軸
１２…主導波路１の屈曲前直線部
２１…分岐導波路２の中心軸
２２…分岐導波路２の中心軸に垂直な面
２３…入射端面５の法線ベクトル
３１…屈曲部３の外径側境界面
３２…屈曲部３と直線部１２の内径側境界
３３…屈曲部３と直線部１２の外径側境界
４１…θr＝０の放射光
４２…θr＝θrmxの放射光
５１…分岐導波路２の上側境界面
５２…分岐導波路２の下側境界面
６１…放射光４１の境界面５１への入射角
６２…放射光４２の境界面５２への入射角
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 昭63−149610（ＪＰ，Ａ)
特開 昭61−14607（ＪＰ，Ａ)
特開 昭63−89810（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G02B 6/12 - 6/14
G02B 6/28 - 6/293
Claims (2)
- 【請求項１】 主導波路を屈曲させ、該屈曲部から放射
する光線を近接配置した分岐導波路に結合させる構造の
光分岐素子において、 該分岐導波路は光の伝搬方向にその幅が徐々に細くなる
テーパ構造であり、 前記分岐導波路の中心軸は、前記主導波路の屈曲前直線
部の中心軸の延長線に対して前記主導波路の屈曲方向に
傾いており、 前記分岐導波路の入射端面は、その法線ベクトルが前記
分岐導波路の中心軸に対して前記主導波路の屈曲方向と
反対方向に向く様に傾いている ことを特徴とする光分岐
素子。 - 【請求項２】 前記主導波路の断面形状が概略矩形で断
面の高さを２ｂ、幅を２ｂ、曲げ半径をＲ、コアとクラ
ッドの屈折率をそれぞれ、ｎ1、ｎ2とし、前記テーパ形
状の分岐導波路の高さを２ｂ、前記分岐導波路の側面と
中心軸との成す角であるテーパ角をα、出射端幅を２
ｂ、コア及びクラッドの屈折率を前記主導波路と同じと
し、前記主導波路の屈曲前直線部の前記中心軸の延長線
に対する前記分岐導波路の前記中心軸の傾きをθb、前
記分岐導波路の中心軸に対する前記分岐導波路の前記入
射端面の法線ベクトルの傾きをψb、前記分岐導波路に
接続する導波路のコアとクラッドの屈折率をそれぞれ、
ｎf1、ｎf2とした場合、 【数１】 ０＜α≦θC−sin-1((ｎ2／ｎ1)・sinθrmx) …（１） 【数２】 ０≦θb≦ψb−sin-1((ｎ1／ｎ2)・sin(ψb−θC＋α)) …（２） 【数３】 θrmx＝π／２−sin-1(ｎ2／ｎ1)−cos-1((ｎ2／ｎ1)・((Ｒ＋２ｂ)／Ｒ))， ただし Ｒ≧２ｂｎ2／(ｎ1−ｎ2) …（３） 【数４】 θrmx＝sin-1((ｎ1／ｎ2)・(Ｒ／(Ｒ＋２ｂ)))−sin-1(Ｒ／(Ｒ＋２ｂ))， ただし Ｒ＜２ｂｎ2／(ｎ1−ｎ2) …（４） 【数５】 θC＝π／２−sin-1(ｎ2／ｎ1)， ただし ｎ2／ｎ1＞ｎf2／ｎf1 …（５） 【数６】 θC＝π／２−sin-1(ｎf2／ｎf1)， ただし ｎ2／ｎ1≦ｎf2／ｎf1…（６） で示される関係式が成立することを特徴とする請求項１
に記載の光分岐素子。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22748496A JP3440712B2 (ja) | 1996-08-09 | 1996-08-09 | 光分岐素子 |
| US08/907,618 US6081639A (en) | 1996-08-09 | 1997-08-08 | Optical branching devices |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22748496A JP3440712B2 (ja) | 1996-08-09 | 1996-08-09 | 光分岐素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1054915A JPH1054915A (ja) | 1998-02-24 |
| JP3440712B2 true JP3440712B2 (ja) | 2003-08-25 |
Family
ID=16861614
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP22748496A Expired - Fee Related JP3440712B2 (ja) | 1996-08-09 | 1996-08-09 | 光分岐素子 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6081639A (ja) |
| JP (1) | JP3440712B2 (ja) |
Cited By (1)
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| CN103119485A (zh) * | 2010-09-30 | 2013-05-22 | 住友大阪水泥股份有限公司 | 光波导元件 |
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| US7308166B1 (en) | 2002-10-08 | 2007-12-11 | Kotura, Inc. | Coupling a light sensor array with an optical component |
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| CN103531700A (zh) * | 2013-10-25 | 2014-01-22 | 中国电子科技集团公司第四十四研究所 | 能提高超辐射发光二极管芯片工作温度范围的波导结构 |
| JP6182503B2 (ja) * | 2014-05-12 | 2017-08-16 | 日本電信電話株式会社 | 光分岐装置 |
| JP2018189691A (ja) * | 2017-04-28 | 2018-11-29 | 株式会社豊田中央研究所 | 光装置、通信システム及び合波／分波方法 |
| JP6925894B2 (ja) | 2017-07-10 | 2021-08-25 | 株式会社豊田中央研究所 | 光装置、通信システム及び合波／分波方法 |
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| JPS5466157A (en) * | 1977-11-07 | 1979-05-28 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Photo switching and branching circuit |
| JPS56167105A (en) * | 1980-05-28 | 1981-12-22 | Toshiba Corp | Optical coupler and branching filter |
| JPS62291604A (ja) * | 1986-06-11 | 1987-12-18 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 光分岐結合器 |
| JPH0664216B2 (ja) * | 1986-10-02 | 1994-08-22 | 三菱レイヨン株式会社 | 光ファイバタップ |
| JPS63149610A (ja) * | 1986-12-15 | 1988-06-22 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 光タツプ装置 |
| DE3904662A1 (de) * | 1989-02-16 | 1990-08-23 | Licentia Gmbh | Faseroptische koppelanordnung |
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-
1996
- 1996-08-09 JP JP22748496A patent/JP3440712B2/ja not_active Expired - Fee Related
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1997
- 1997-08-08 US US08/907,618 patent/US6081639A/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103119485A (zh) * | 2010-09-30 | 2013-05-22 | 住友大阪水泥股份有限公司 | 光波导元件 |
| CN103119485B (zh) * | 2010-09-30 | 2014-07-23 | 住友大阪水泥股份有限公司 | 光波导元件 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH1054915A (ja) | 1998-02-24 |
| US6081639A (en) | 2000-06-27 |
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