JP3596917B2 - 光ブランチングデバイスおよび光学部品 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、光通信、光信号処理等の分野で用いられる光学部品に関するもので、特に、分岐導波路や方向性結合器などの光ブランチングデバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
１つの路を伝達してきた光を８つの路に分岐させる光分岐素子が知られている。この１×８の構造を有する導波路型光分岐素子は、光通信、光信号処理等の分野で頻繁に用いられており、この光導波路型光分岐素子は、特開平５−１１１３０号公報に記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
導波路型光分岐素子の基本的構成要素は、Ｙ型分岐素子である。本願発明者らによって考えられた１つのＹ型分岐素子は、図９に示される。光通信分野においては、分岐素子の分岐部をシャープに製造することができず、その分岐過剰損失を低減することができなかった。
【０００４】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、分岐過剰損失を低減させ、光導波路型分岐素子の光結合効率を増加させることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の光ブランチングデバイスおよび光導波路型分岐素子は、従来の素子と比較して結合効率を著しく改良した素子である。
【０００６】
本発明の光ブランチングデバイスは、基板上に設けられたクラッド部材と、クラッド部材内に埋設された第１、第２及び第３コア部材とを備える光ブランチングデバイスにおいて、第１コア部材はクラッド部材内に埋設された端面を有し、第２及び第３コア部材のそれぞれはクラッド部材の一部分を介して第１コア部材の端面に対向して離隔した対向面を有しており、第２コア部材の対向面の幅Ｗ１と、第３コア部材の前記対向面の幅Ｗ２と、第２及び第３コア部材間の最小離隔距離Ａとの合計よりも、第１コア部材の端面の幅Ｗｔは広く、前記第２及び第３コア部材の前記対向面は前記第１コア部材の前記端面に対して全て対向しており、分岐過剰損が０．３ｄＢ以下であることを特徴とする。
【０００７】
【作用】
これにより、光分岐前後の電磁界分布の結合効率が向上するので、第２及び第３コア部材間からの導波光放射（放射損失）を大幅に減少させ、光分岐における損失を低減しつつ導波光を分岐させることができる。
【０００８】
特に、本発明の光ブランチングデバイスが以下の関係式：
Ｗｔ＜Ｗ１＋Ｗ２＋Ａ＋１０μｍ
を更に満たすことが好ましい。
【０００９】
第１コア部材は、前記端面を含むテーパ部と、前記テーパ部の一端に連続する直線部とを備えることが好ましい。
【００１０】
第１コア部材は、前記端面を含む幅広の直線部と、直線部よりも狭い幅を有する幅狭の部と、これらの直線部間を接続するテーパ部とを備えることが好ましい。
【００１１】
第２コア部材と第３コア部材とは、所定のスペースを有しているので、第１コア部材からこれらの第２および第３コア部材に入力された光がこのスペースからが洩れる。
【００１２】
洩れた光は、他の光学部材に影響を与えることがあるので、本発明の光ブランチングデバイスは、第２コア部材と第３コア部材との間に介在する遮光部材を備えることとした。これにより、洩れた光が他の素子への影響を与えるのを防止するとともに、この遮光部材を用いることにした。
【００１３】
これらの第２コア部材と第３コア部材とは、第２および第３コア部材内を伝搬する光が干渉しない程度（エバネセントフィールド結合しない程度）に離隔していることが望ましい。これにより、結合効率を向上させることができる。
【００１４】
第１コア部材は、光ミキサーを構成する多モード直線導波路からなることとすることもできる。
【００１５】
この場合、クラッド部材内に埋設され第１コア部材に対向する第４及び第５コア部材を更に備えることができる。それぞれの第４コア部材および第５コア部材には、異なる波長の光信号を入力することにしてもよく、この場合は、本光ブランチングデバイスは、オプテクィカルマルチプレクサ（またはディマルチプレクサ）として機能することができる。また、第４コア部材および第５コア部材には、同じ波長の光信号を入力することにしてもよく、この場合は、この光ブランチングデバイスは、光カプラー（オプティカルデバイダーを含む）として機能することができる。
【００１６】
本発明の光ブランチングデバイスは、第１コア部材の終端に接続され第１コア部材内に光を導入する光ファイバを更に備えることができる。
【００１７】
第１コア部材の幅Ｗｔは、２３マイクロメーターより大きく、２９マイクロメーターより小さいことが好ましい。
【００１８】
前記幅広の直線部の長さは４００μｍよりも小さく、１００μｍよりも大きいことが好ましい。
【００１９】
第１コア部材は入力された光のエネルギー密度を下げて端面に対して波面が平行となるように機能する形状とされていることが好ましい。第１コア部材に入力された光は、端面に向かって進行する。この場合、光のパワー密度（エネルギー密度）が減少すると同時に、この光の波面 （ｗａｖｅ ｆｒｏｎｔ） が扇型に変形する。波面が端面にほぼ平行になると、端面から出力された光の指向性は高くなり、第２コア部材および第３コア部材に結合する光の結合効率は高くなる。波面と端面のなす角度が±３度以内であれば、これらはほぼ平行であることとする。本発明の光ブランチングデバイスにおいて、前記端面および第２及び第３コア部材の前記面は、端面から出射される光の波面にほぼ平行なので、光の結合効率は高くなる。
【００２０】
第１コア部材が第２および第３コア部材方向に向かって広がったテーパー形状の部分を有していると、第１コア部材に入力された光のエネルギーは、この光が端面から出射される際に減少する。光ブランチングデバイスにおける光の結合効率をさらに向上させるために、第１コア部材の特定箇所の垂直断面の面積を端面の面積と等しくすることもできる。なお、以下の説明において、面積が等しいとは、実質的にそれらの面積が等しいことであって、一方の面積が他方の面積の１００±３％以内であれば、これらの面積はほぼ等しいこととする。
【００２１】
以上のように、本発明に係る光ブランチングデバイス（オプティカルコンポーネント）は、このデバイスに入力された光をミキシングして出力する。本デバイスに入射された入射光と本デバイスから出力される出力光との比率は、図９に示したＹ分岐素子よりも高くなる。本発明の光学部品は上記光ブランチングデバイスを複数備えてなる。
【００２２】
【実施例】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施例を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２３】
まず、本願発明者が考えた光分岐素子（光ブランチングデバイス）について、図９を用いて説明する。
【００２４】
図９は、１つの非分岐側導波路１０から直線導波路１２に付加されたテーパ導波路１１を介して連続的に分岐側導波路２０、２１へ分岐する形状の光ブランチングデバイスを示す断面図である。
【００２５】
この導波路型光分岐素子には、導波路を形成する際に、分岐部にある鋭角形状のくさび部３０の先端が丸くなることが避けられず、その結果、光分岐素子全体の損失が増加しやすい。十分に損失を抑えた光分岐素子を大量生産する場合、歩留りをさらに向上させることが必要である。
【００２６】
これを解決する導波路型光分岐素子（光ブランチングデバイス）として、図１１に示すような、非分岐側導波路１０と分岐側導波路２０、２１とを分離した分岐部構造を有する導波路型光分岐素子が考えられる。ここで、直線導波路１２に付加されたテーパ導波路（ｔａｐｅｒｅｄ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ） １１の末端幅（Ｗｔ）は、分岐側導波路２０、２１の幅（図１１の例では、ともにＷである。）の和（２Ｗ）と、分岐側導波路２０、２１の分岐部における間隔（Ａ）との総和（２Ｗ＋Ａ）に等しい。
【００２７】
図１１に示した導波路型光分岐素子は、図９に示した導波路型光分岐素子におけるくさび部３０のような、作製上なまりやすい部分を有していない。したがって、図１１の導波路型光分岐素子は、分岐部の加工が比較的容易である。したがって、図１１の素子は、図９に示した素子よりも優れた加工安定性のもとに再現性よく作製することができる。それゆえ、この導波路型光分岐素子は、図９の素子と比べ歩留りよく大量生産することが可能である。
【００２８】
一方、図１１に示される比較例の導波路型光分岐素子は、加工安定性を高めようとして分岐側導波路２０と２１の間隔を大きくすると、図１１に示されるような分岐側導波路２０と２１の間からの導波光の放射が増加し、光分岐における損失が急激に上昇する。
【００２９】
逆に、光分岐における放射を抑えるために分岐側導波路２０と２１との間隔を小さくすると、加工安定性が低下し、歩留りをさらに向上させることができず、量産に向かないものとなってしまう。この様に、図１１の導波路型光分岐素子には、十分な加工安定性を保持する必要から、損失の低減化において改良すべき点がある。
【００３０】
図１は、本発明の１つの実施例に係る光ブランチングデバイスを示す斜視図である。図２Ａは、このデバイスを図の矢印Ｈ−Ｈを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図２Ｂは、図２Ａに示したデバイスを図の矢印Ｂ−Ｂを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図２Ｃは、図２Ａに示したデバイスを図の矢印Ｃ−Ｃを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図２Ｄは、図２Ａに示したデバイスを図の矢印Ｄ−Ｄを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図２Ｅは、図２Ａに示したデバイスを図の矢印Ｅ−Ｅを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図２Ｆは、図２Ａに示したデバイスを図の矢印Ｆ−Ｆを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図３は、図２Ａに示したデバイスの断面図である。
【００３１】
この光ブランチングデバイスは、図１１に示したデバイスをさらに改良した素子である。光ブランチングデバイスの特性を改良するために、この導波路光分岐素子は、端部１１がテーパ導波路１１となっている非分岐側導波路１０と、テーパ導波路１１の端面１１ｃと所定の間隔をあけて対向し、互いに分離した２つの分岐側導波路２０，２１とを備えている。
【００３２】
テーパ導波路１０の末端１１ｃの幅（Ｗｔ）は、２つの分岐側導波路２０，２１の分岐部側の末端２０ｃ，２１ｃの各幅（Ｗ）の和（２Ｗ）と、２つの分岐側導波路２０，２１の分岐部における間隔（Ａ）との総和（２Ｗ＋Ａ）よりも大きい。
【００３３】
ここで、テーパ導波路は、後述するように、テーパ部１１５と、テーパ部１１５の先端に付加され、テーパ部１１５の末端とほぼ同一幅の直線部１１６とを有しており、テーパ導波路の直線部１１６の末端の幅が、２つの分岐側導波路１２０，１２１の分岐部側の末端１２０ｃ，１２１ｃの各幅の和と、２つの分岐側導波路１２０，１２１の分岐部における間隔との総和より大きい。
【００３４】
上記の導波路型光分岐素子において、テーパ導波路の末端の幅（Ｗｔ）が、２つの分岐側導波路２０，２１の分岐部側の末端の各幅（Ｗ）の和（２Ｗ）と、２つの分岐側導波路２０，２１の分岐部における間隔（Ａ）との総和よりも、約１０μｍ以下の長さだけ大きい。また、後述するテーパ導波路の直線部が約３００μｍ以下の長さであってもよい。さらに、後述するように、本発明に係る導波路光分岐素子は、上記の導波路型光分岐素子を複数備え、一つの前記導波路型光分岐素子の前記分岐側導波路の末端を、他の前記導波路型光分岐素子の前記非分岐側導波路としてもよい。
【００３５】
本実施例に係る導波路型光分岐素子は、非分岐側導波路１０と分岐側導波路２０，２１とが分離しているので、加工困難なくさび部（図９の符号３０）を設けることなく、端面１２ｃから第１コア部材１０に入力された導波光を分岐させることができる。また、非分岐側導波路１０の端部１１にあるテーパ導波路１１の末端１１ｃの幅（Ｗｔ）が、２つの分岐側導波路２０，２１の分岐部側の末端２０ｃ，２１ｃの各幅（Ｗ）の和（２Ｗ）と、２つの分岐側導波路２０，２１の分岐部における間隔（Ａ）との総和（２Ｗ＋Ａ）よりも大きいので、テーパ導波路１１の末端１１ｃにおける前記導波光の電界分布が幅方向に拡大して、光分岐の前後における電界分布の重なりを大きくしながら導波光を分岐させることができる。これにより、光分岐前後の電磁界分布の結合効率が向上するので、２つの分岐側導波路２０，２１間からの導波光放射（放射損失）を大幅に減少させ、光分岐における損失を低減しつつ導波光を分岐させることができる。
【００３６】
また、後述するように、導波路型光分岐素子のうち、テーパ導波路がテーパ部と、テーパ部の先端に付加され、テーパ部の末端とほぼ同一幅の直線部とを有するものは、上記の作用に加え、テーパ部１１６にて放射状に広がった波面を平面状に戻してから導波光を分岐側導波路に入射させることができる。これにより、テーパ導波路の端面のうち、２つの分岐側導波路の分岐部側の末端の各幅と、２つの分岐側導波路の分岐部における間隔との総和よりも幅を大きくした部分からの導波光放射を抑えて、光分岐における損失をさらに低減しつつ導波光を分岐させることができる。
【００３７】
また、後述するように、上記の導波路型光分岐素子を複数備える導波路型光分岐素子は、上記の作用が複数回繰り返され、光分岐における損失を格段に低減しつつ導波光を分岐して出力することができる。
【００３８】
図１の導波路型光分岐素子は、例えばシリコンを含む材料から作られる基板１と、その上面に形成された、例えばＳｉＯ_２ （ガラス、シリカガラス）からなる透明材料層（クラッド部材２およびコア部材１０，２０，２１）と備えている。すなわち、この透明材料層は、クラッド２よりも高屈折率のコア１０，２０，２１を備えている。透明材料層は、非分岐側導波路１０および互いに分離した分岐側導波路２０，２１と、このコア１０が埋め込まれたコア１０のそれよりも低屈折率のクラッド２からなっている。なお、導波路１０，２０および２１は、いずれも光が伝搬する方向に沿って形成されている。
【００３９】
ここで、非分岐側導波路１０は、直線導波路１２の端部に、平面形状が末広がりのテーパ状であるテーパ導波路１１が付加されたものである。また、分岐側導波路２０、２１は、ともに一定の幅と曲率半径を有する曲り導波路２０，２１であり、テーパ導波路１１の端面１１ｃと所定の間隔をあけて対向している。
【００４０】
図１に示される構造をより詳しく説明すると、図２Ａおよび図３に示すように、分岐側導波路２０，２１は一定の幅（Ｗ）および曲率半径（Ｒ）を有する曲り導波路となっており、分岐部側の端部で間隔（Ａ）をあけて近接している。また、これらはテーパ導波路１１の端面と所定の間隔（Ｂ）をあけて対向しており、非分岐側光導波路１０の中央線（図３の一点鎖線で示す）に関して対称に、なおかつ、光の伝搬する方向に向かって徐々に互いの間隔が大きくなるように配置されている。
【００４１】
図１ないし３に示される導波路型光分岐素子の１つの特徴的な点は、テーパ導波路１１の末端幅（Ｗｔ）が、分岐側導波路２０、２１の分岐部側の末端の幅の和（２Ｗ）と、分岐側導波路２０、２１の分岐部における間隔（Ａ）との総和 （２Ｗ＋Ａ）よりも大きいことである。すなわち、Ｗｔ＞２Ｗ＋Ａである。この点において、この導波路型光分岐素子は、図１１に示した導波路型光分岐素子と異なる。
【００４２】
図２Ａの導波路型光分岐素子は、非分岐側導波路１０と分岐側導波路２０，２１とを分離した分岐部構造を採用しているので、図９に示した鋭角形状の「くさび部」が不要となって、分岐部の加工が容易になり、優れた加工安定性を有する。これに加えて、上記のようにテーパ導波路１１の末端幅が拡大されているので、導波光の電界分布をテーパ導波路１１の幅方向、すなわち光の伝搬方向に対して垂直な方向に拡大して、光分岐の前後における電界分布をより合致させることができる。
【００４３】
さらに詳しく説明すると、非分岐側導波路１０と分岐側導波路２０、２１とが分離した導波路型光分岐素子においては、非分岐側導波路１０の分岐部側の末端における導波光の電磁界と、分岐側導波路２０、２１の分岐部側の末端における導波光の電磁界との間の結合効率が大きいほど、光分岐における損失を低減することができる。
【００４４】
本実施例に係る導波路型光分岐素子では、上述したように、導波路を対向して分離させた分岐部構造を採用し、しかもテーパ導波路１１の末端幅を拡大しているので、テーパ導波路１１の末端における電界分布がテーパ導波路１１の幅方向に広がる。この結果、光分岐前後の電界の重なり部分の面積が大きくなり、図１１に示したデバイスよりも結合効率を高めることができる。
【００４５】
以下、上述したデバイスをさらに詳しく説明する。
【００４６】
本実施例の導波路型光分岐素子（光ブランチングデバイス）は、シリコン基板１と、保持基板１上に形成されたクラッド部材２と、第１コア部材（第１テーパ導波路）１０と、第２コア部材（第２導波路）２０と、第３コア部材（第３導波路）２１とを備える。
【００４７】
第１コア部材１０は、クラッド部材２内に埋設されている。第２コア部材２０は、クラッド部材２内に埋設されている。第２コア部材２０は、第１コア部材１０の第１端面１１ｃに対して第１の間隔Ｂを隔てて対向する第２端面２０ｃを有している。第３コア部材２１も、クラッド部材２内に埋設されている。第３コア部材２１は、第１コア部材１０の第１端面１１ｃに対して第２の間隔Ｂを隔てて対向する第３端面２１ｃを有している。ここで、第１の間隔Ｂと第２の間隔Ｂとは等しくしてある。
【００４８】
クラッド部材２（クラッド２，クラッド層２）は、第１表面２ａを有している。第１表面２ａは、基板１の主表面１ａに平行である。この第１表面２ａに垂直な方向と光の伝搬する方向の双方に垂直な方向を幅方向とする。また、第１表面２ａに垂直な方向を厚み方向とする。第１コア部材１０は、一定の幅および厚みを有する光伝送路１２、一定の厚みを有し、光伝送路１２に連続してこの光伝送路１２から離れるほど広い幅を有するテーパー型のコア部分１１とを有している。光伝送路１２の幅１２は、図２Ａの面１２ａと面１２ｂとの間の距離により規定される。
【００４９】
第１コア部材１０は、第１表面２ａに対して垂直な第１面（図２Ａの矢印Ｂ−Ｂを通る平面）と交差することにより規定される第１垂直断面１２ｄを有している。第１コア部材１０は、第１表面２ａに対して垂直な第２面（図２Ａの矢印Ｃ−Ｃを通る平面）であって第１端面１１ｃと第１面（Ｂ−Ｂ面）との間に位置する第２面（Ｃ−Ｃ面）と交差することにより規定される第２垂直断面１２ｅを有している。第１コア部材１０は、第１表面２ａに対して平行な第３面（図１の矢印Ｈ−Ｈを通る平面）と交差することにより規定される第１水平断面（図２Ａの符号１０ａで示される）を有している。
【００５０】
第２コア部材２０は、第１表面２ａに対して垂直な第４面（図２Ａの矢印Ｅ−Ｅを通る平面）と交差することにより規定される第３垂直断面２０ｅを有している。第２コア部材２０は、第３面（Ｈ−Ｈ面）と交差することにより規定される第２水平断面（図２Ａの符号２０ｆで示される）を有している。第３コア部材２１は、第４面（Ｅ−Ｅ面）と交差することにより規定される第４垂直断面２１ｅを有している。第３コア部材２１は、第３面（Ｈ−Ｈ面）と交差することにより規定される第３水平断面２１ｆを有している。
【００５１】
換言すれば、図１ないし図３に示された分岐導波路は、基板１、第１テーパ導波路１０、第２導波路２０および第３導波路２１を有している。
【００５２】
基板１は、基板表面１ａを有している。
【００５３】
第１テーパ導波路１０は、基板表面１ａ上に形成されており、第１端面１１ｃを有している。
【００５４】
第２導波路２０は、基板表面１ａ上に形成されている。第２導波路２０は、第１端面１１ｃに対して所定の間隔をあけて対向する第２端面２０ｃ、基板表面１ａと交差する面を含む第１側面２０ａ、第１側面２０ａに対向する第２側面２０ｂを有している。
【００５５】
第３導波路２１は、基板表面１ａ上に形成されている。第１端面１１ｃに対して所定の間隔をあけて対向する第３端面２１ｃ、基板表面１ａと交差する面を含む第３側面２１ａ、第３側面２１ａに対向する第４側面２１ｂを有している。第４側面２１ｂは、第１側面２０ａと第３側面２１ａとの間に配置されている。第１側面２０ａは、第２側面２０ｂと第４側面２１ｂとの間に配置されている。
【００５６】
第１端面１ａの幅は、基板表面１ａの法線方向（厚み方向）および第１端面１１ｃの法線方向（光軸方向）の双方に垂直な方向（幅方向）に沿った第１端面１ａの長さである。第１端面１１ｃの幅（Ｗｔ）は、第２端面２０ｃと第３端面２１ｃとの間の距離よりも大きい。すなわち、側面２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂと第１端面１１ｃとの交線をそれぞれ、交線２０ｉ、２０ｊ、２１ｊ、２１ｉとし、第１端面１１ｃと端面１１ｂとの間の交線を１１ｉとし、第１端面１１ｃと側面１１ａとの交線を１１ｊとすれば、第１端面１１ｃの幅はＷｔは、交線１１ｉと交線１１ｊとの間の距離で規定される。また、第２端面２０ｃの幅（Ｗ）は、交線２０ｉと２０ｊとの間の距離によって規定され、第３端面２１ｃの幅 （Ｗ）は、交線２１ｉと２１ｊとの間の距離によって規定される。第３端面２１ｃと第２端面２０ｃとの間の距離（Ａ）は、交線２０ｊと２１ｊとの間の距離によって規定される。つまり、交線１１ｉと交線１１ｊとの間の距離（Ｗｔ）は、交線２０ｉと２１ｉとの間の距離（Ｗ＋Ｗ＋Ａ）よりも大きい。
【００５７】
第１コア部材１０は、端面１２ｃを介して第１コア部材１０に入力された光が、第１垂直断面１２ｄおよび第２垂直断面１２ｅを横切って第１水平断面１０ａに沿った方向に伝搬して第１端面１１ｃから出力されるように配置されている。
【００５８】
第２コア部材は、第１端面１１ｃから出力された光が、第２端面２０ｃを通って第２コア部材２０に入力され、第３垂直断面２０ｅを横切って第２水平断面２０ｆに沿った方向に伝搬して第２コア部材２０の端面２０ｄを通って出力されるように配置されている。第３コア部材２１は、第１端面から出力された光が、第３端面を通って第３コア部材に入力され、第４垂直断面を横切って第３水平断面に沿った方向に伝搬して第３コア部材から出力されるように配置されている。
【００５９】
ここで、第１端面１１ｃの面積は、第１垂直断面１２ｄの面積よりも大きい。すなわち、第１コア部材１０は、第２および第３コア部材方向に向かって広がったテーパー形状の部分１１を有している。テーパー形状の部分１１は、第１コア部材１０の光軸ＯＰ（中心線）に対して所定の角度を有する面１１ａおよび１１ｂを有している。換言すれば、テーパー形状の部分１１は、部分１１の第１表面２ａに垂直な２つの表面と、第３表面（Ｈ−Ｈ面）との交線１１ａ，１１ｂは、第３表面第１コア部材１０の光軸ＯＰ（中心線）に対して所定の角度を有している。第１コア部材１０がテーパー部分１１を含んでいることにより、第１コア部材１０の端面１２ｃに入力された光信号のエネルギー（パワー）密度は、この光が第１垂直断面１２ｄを通過して第１端面１１ｃに向かうにしたがって減少する。
【００６０】
第１コア部材１０の端面１１ｃから出力された光は、第２端面２０ｃから第２コア部材２０に入力され、第３端面２１ｃから第３コア部材２１に入力される。本願発明者らは、これまでの研究から、２つの光部品間を伝搬する光の結合効率を増加されるためには、それぞれの光部品の対向する端面を光の伝搬する方向に対して垂直にすることが有効であることに気付いた。本実施例の光ブランチングデバイスの第１端面１１ｃは、この第１端面を通過する光の進行方向に対して垂直である。また、第２端面２０ｃは、この第２端面２０ｃに入射される光の進行方向に対して垂直である。第３端面２１ｃは、この第３端面２１ｃに入射される光の進行方向に対して垂直である。したがって、第１端面１１ｃは、第２端面２０ｃに対して対向しており、第１端面１１ｃは第２端面２０ｃに平行である。第１端面１１ｃは、第３端面２１ｃに対して対向しており、第１端面１１ｃは第３端面２１ｃに平行である。
【００６１】
第２コア部材２０は、第１表面２ａに対して垂直な面２０ａおよび２０ｂを有している。面２０ａおよび面２０ｂは、第２コア部材２０内を伝搬する光の進行方向に対して平行である。また、面２０ａと面２０ｂとは互いに対向しており、面２０ａおよび面２０ｂは平行である。したがって、面２０ａと面２０ｂは、第１表面２ａと第２端面２０ｃの双方に垂直である。
【００６２】
同様に、第３コア部材２１は、第１表面２ａに対して垂直な面２１ａおよび２１ｂを有している。面２１ａおよび面２１ｂは、第３コア部材２１内を伝搬する光の進行方向に対して平行である。また、面２１ａと面２１ｂとは互いに対向しており、面２１ａおよび面２１ｂは平行である。したがって、面２１ａと面２１ｂは、第１表面２ａと第３端面２１ｃの双方に垂直である。
【００６３】
第２コア部材２０と第３コア部材２１との間隔は、第１コア部材１０から離れるにしたがって広くなる。すなわち、第２コア部材２０は、第３コア部材２１から離れる方向に曲った曲面３０ａおよび３０ｂを有している。曲面３０ａは、平面２０ａに連続しており、曲面３０ｂは、平面２０ｂに連続している。曲面３０ａの曲率半径はＲであり、曲面３０ｂの曲率半径もほぼＲである。第３コア部材２１は、第２コア部材２０から離れる方向に曲った曲面３１ａおよび３１ｂを有している。曲面３１ａは、平面２１ａに連続しており、曲面３１ｂは、平面２１ｂに連続している。曲面３０ａの曲率半径はＲであり、曲面３０ｂの曲率半径もほぼＲである。第２コア部材２０および第３コア部材２１は、Ｓ字形導波路である。
【００６４】
第２端面２０ｃから第２コア部材２０に入力された光は、第２コア部材２０の端面２０ｄから出力される。第３端面２１ｃから第３コア部材２１に入力された光は、第３コア部材２１の端面２１ｄから出力される。ここで、第２コア部材２０の入力端面２０ｃから出力端面２０ｄまでの光路長は、第３コア部材２１の入力端面２１ｃから出力端面２１ｄまでの光路長に等しい。したがって、第１コア部材１０からこれらのコア部材２０，２１に入力された光がコア部材２０，２１から出力される場合において、コア部材２０，２１によって分岐されたそれぞれの光ビームの出力端面２０ｄ，２１ｄにおける位相は揃っている。それぞれの端面２０ｄ，２１ｄから出力された光ビームの位相は、お互いに揃っているので、これらの出力光を再び合成する場合などにおいても、それぞれのビームの位相は容易に整合する。
【００６５】
図４は、図２Ａに示した光ブランチングデバイスの第２コア部材２０および第３コア部材２１の端面２０ｄ，２１ｄを改良したデバイスである。図２Ａに示した光ブランチングデバイスの端面２０ｄ，２１ｄは、露出している。露出した端面２０ｄの法線方向は、第３コア部材２１の内を伝搬する光の進行方向（光軸方向）に対して所定の角度を有している。また、露出した端面２１ｄの法線方向は、第３コア部材２１内を伝搬する光の進行方向に対して所定の角度を有している。前述のように、本願発明者らは、これまでの研究から、２つの光部品間を伝搬する光の結合効率を増加されるためには、それぞれの光部品の対向する端面を光の伝搬する方向（光軸）に対して垂直にすることが有効であることに気付いた。そこで、本実施例の光ブランチングデバイスは、図４に示すように、第２コア部材２０の出力端面２０ｄが、第２コア部材２０の光軸ＯＰ２（一点鎖線で示す）に対して垂直になるように第２コア部材２０を配置する。第２コア部材２０の端面２０ｄに対向する位置にレンズＬ２を介して光ファイバＦ２を配置する。また、第３コア部材２１の出力端面２１ｄが、第３コア部材２１の光軸ＯＰ３（一点鎖線で示す）に対して垂直になるように第３コア部材２１を配置する。第３コア部材２１の端面２１ｄに対向する位置にレンズＬ３を介して光ファイバＦ３を配置する。また、第１コア部材１０の入力端面１２ｃが、第１コア部材１０の光軸ＯＰ１（一点鎖線で示す）に対して垂直になるように第１コア部材１０を配置する。第１コア部材１０の端面１２ｃに対向する位置にレンズＬ１を介して光ファイバＦ１を配置する。
【００６６】
図５は、図４に示した光ブランチングデバイスを３つ用意し、これらの光ブランチングデバイスＢＲ１，ＢＲ２，ＢＲ３を接続した１ｘ４構造を有する光ブランチングデバイスである。この光ブランチングデバイスは、第１の光ブランチングデバイスＢＲ１と、第１の光ブランチングデバイスＢＲ１の出力端面２０ｄに、第２の光ブランチングデバイスＢＲ２の入力端面１２ｃが接続された第２の光ブランチングデバイスＢＲ２と、第１の光ブランチングデバイスＢＲ１の出力端面２１ｄに、第３の光ブランチングデバイスＢＲ３の入力端面１２ｃが接続された第３の光ブランチングデバイスＢＲ３とを備える。
【００６７】
端面Ｐ１から第１の光ブランチングデバイスＢＲ１に入力された光信号（図の実線矢印で示す）は、この光ブランチングデバイスによって、分離されて、第２の光ブランチングデバイスＢＲ２の端面Ｐ２，Ｐ３、および第３の光ブランチングデバイスＢＲ３の端面Ｐ４，Ｐ５から出力される。一方、端面Ｐ２〜Ｐ５から入力されたそれぞれの光信号（図の一点鎖線矢印で示す）は、この光ブランチングデバイスによって、合成されて、端面Ｐ１から出力される。
【００６８】
図６は、図４に示した光ブランチングデバイスを７つ用意し、これらの光ブランチングデバイスＢＲ１，ＢＲ２，ＢＲ３，ＢＲ４，ＢＲ５，ＢＲ６，ＢＲ７を接続した１ｘ８構造を有する光ブランチングデバイスである。この光ブランチングデバイスは、入力端面（入力ポート）を有する第１の光ブランチングデバイスＢＲ１と、第１の光ブランチングデバイスＢＲ１の出力端面２０ｄに、第２の光ブランチングデバイスＢＲ２の入力端面１２ｃが接続された第２の光ブランチングデバイスＢＲ２と、第１の光ブランチングデバイスＢＲ１の出力端面２１ｄに、第３の光ブランチングデバイスＢＲ３の入力端面１２ｃが接続された第３の光ブランチングデバイスＢＲ３とを有している。
【００６９】
さらに、この光ブランチングデバイスは、第２の光ブランチングデバイスＢＲ２の出力端面２０ｄに、第４の光ブランチングデバイスＢＲ４の入力端面１２ｃが接続された第４の光ブランチングデバイスＢＲ４と、第２の光ブランチングデバイスＢＲ２の出力端面２１ｄに、第５のブランチングデバイスＢＲ５の入力端面１２ｃが接続された第５の光ブランチングデバイスＢＲ５と、第３の光ブランチングデバイスＢＲ３の出力端面２０ｄに、第６の光ブランチングデバイスＢＲ６の入力端面１２ｃが接続された第６の光ブランチングデバイスＢＲ６と、第３の光ブランチングデバイスＢＲ３の出力端面２１ｄに、第７の光ブランチングデバイスＢＲ７の入力端面１２ｃが接続された第７の光ブランチングデバイスＢＲ７とを備える。
【００７０】
したがって、この光ブランチングデバイスは、このデバイスに入力された１つの光ビームを８つのビームに分岐することができ、このデバイスに入力された８つのビームを１つのビームに合成することができる。なお、これらの光ブランチングデバイスＢＲ１，ＢＲ２，ＢＲ３，ＢＲ４，ＢＲ５，ＢＲ６，ＢＲ７は同一基板１上に形成されている。
【００７１】
次に、図１ないし図３を用いて説明した光ブランチングデバイスの形状の最適化について説明する。
【００７２】
図７Ｂは、図１ないし図３に示した光ブランチングデバイスの第１コア部材１０，第２コア部材２０，第３コア部材２１を図１ないし図３から抜出して示す図である。図７Ｂには、座標軸が示してある。図７Ａは、図７Ｂに示した第１コア部材１０の末端、すなわち、座標Ｙ１、における導波光の電界分布（コア部材固有の界分布であって、導波してきた光の電界分布との一致度が高いほど結合効率が高くなる。以下この分布については同様である。）、および、第２および第３コア部材２０，２１の末端、すなわち、座標Ｙ２における導波光の電界分布を示すグラフである。図７Ａにおいて、座標Ｙ１における導波光の電界分布は、実線で示し、座標Ｙ２における導波光の電界分布は、点線で示す。図７Ａに示された座標Ｘ１，Ｘ２は、図７Ｂの位置座標Ｘ１，Ｘ２にそれぞれ対応している。導波光とは、本光ブランチングデバイスのコア部材１０，２０，２１内を伝搬する光である。図７Ａ内の各分布は、各導波モードが運ぶ光パワーが１になるように正規化（ｎｏｍａｌｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｐｏｗｅｒ）して示してある。なお、ここでは、非分岐側導波路１０および分岐側導波路２０，２１のいずれにおいても最低次モードのみが励振されると仮定している。
【００７３】
本実施例の光ブランチングデバイスは、第１水平断面１０ａと第１端面１１ｃとの交線の長さ（Ｗｔ）を、第２水平断面２０ａと第２端面２０ｃとの交線の長さ（Ｗ１）と、第３水平断面２１ａと第３端面２１ｃとの交線の長さ（Ｗ２）と、第２端面（２０ｃ）と第３端面（２１ｃ）との間の距離（Ａ）との和よりも大きい。Ｗｔは、Ｗ１＋Ｗ２＋Ａよりも大きい。すなわち、Ｗｔ＞Ｗ１＋Ｗ２＋Ａである。なお、本実施例において、Ｗ１＝Ｗ２＝Ｗである。
【００７４】
一方、図１１に示した比較例の光ブランチングデバイスの電界分布は、図１０に示される。図１１に示した光ブランチングデバイスは、直線導波路１２に付加されたテーパ導波路１１の末端幅（Ｗｔ）は、分岐側導波路２０、２１の幅（図１１の例では、ともにＷである。）の和（２Ｗ）と、分岐側導波路２０、２１の分岐部における間隔（Ａ）との総和（２Ｗ＋Ａ）に等しい。
【００７５】
図１０Ｂは、図１１に示した光ブランチングデバイスの第１コア部材１０，第２コア部材２０，第３コア部材２１を図１０から抜出して示す図である。図１０Ｂには、座標軸が示してある。
【００７６】
図１０Ａは、図１０Ｂに示した第１コア部材１０の末端、すなわち、座標Ｙ１、における導波光の電界分布、および、第２および第３コア部材２０，２１の末端、すなわち、座標Ｙ２における導波光の電界分布を示すグラフである。図１０Ａにおいて、座標Ｙ１における導波光の電界分布は、実線で示し、座標Ｙ２における導波光の電界分布は、点線で示す。図１０Ａに示された座標Ｘ１，Ｘ２は、図１０Ｂの位置座標Ｘ１，Ｘ２にそれぞれ対応している。導波光とは、本光ブランチングデバイスのコア部材１０，２０，２１内を伝搬する光である。図１０Ａ内の各分布は光パワーが１になるように正規化して示してある。なお、ここでは、非分岐側導波路１０および分岐側導波路２０，２１のいずれにおいても最低次モードのみが励振されると仮定している。
【００７７】
このように、図７Ａ、図７Ｂに示した光ブランチングデバイスは、テーパー部１１の第１端面１１ｃの幅（Ｗｔ）を、図１０Ａ、図１０Ｂに示した光ブランチングデバイスのそれよりも広げたデバイスである。
【００７８】
図７Ａから、テーパ導波路１１の末端幅（Ｗｔ）を拡大することによりテーパ導波路１１の末端における電界分布がテーパ導波路１１の幅方向に広がり、光分岐前後の電界の重なり部分の面積が大きくなる。したがって、光分岐前後の電磁界分布の重畳積分（ｏｖｅｒｌａｐ ｉｎｔｅｇｒａｌ） で与えられる結合効率が向上する。このため、分岐側導波路２０と２１の間からの導波光放射が抑えられ、比較例の導波路型光分岐素子に比べて光分岐の際の損失が低くなる。
【００７９】
以上で説明したように、図７Ａ，７Ｂに示した、Ｗｔ＞Ｗ１＋Ｗ２＋Ａの関係を有する光ブランチングデバイスは、図１０Ａ，１０Ｂに示した、Ｗｔ＝Ｗ１＋Ｗ２＋Ａの関係を有する光ブランチングデバイスよりも光結合効率を上昇させることができることが判明した。
【００８０】
次に、光結合効率を増加させるためには、さらに、光ブランチングデバイスの改良が必要である。
【００８１】
図８は、テーパ導波路１１の末端幅１１ｃ（Ｗｔ）と図１ないし図３に示した光ブランチングデバイスの分岐過剰損（excess loss (dB)）との関係を示すグラフである。すなわち、図８は、導波光の波長が１．５５μｍの場合における分岐過剰損を、テーパ導波路１１の末端幅１１ｃ（Ｗｔ）を変化させつつ計算した結果を示したグラフである。なお、分岐過剰損の計算はビーム伝搬法により行った。この計算にあたっては、図２Ａおよび図３に示される導波路型光分岐素子の各部の寸法を、Ａ＝４μｍ、Ｂ＝４μｍ、Ｗ＝８μｍ、Ｌｔ＝１２００μｍ、Ｒ＝５０ｍｍとし、コアとクラッドの比屈折率差を０．３％とした。Ｂは、第２コア部材２０の第２端面２０ｃと第１コア部材１０の第１端面１１ｃとの距離である。なお、Ｂは、第３コア部材２１の第３端面２１ｃと第１コア部材１０の第１端面１１ｃとの間隔に等しい。Ｌｔは、図３に示した、テーパー部１１の端面１１ｃと、テーパー部１１と直線部１２との界面１１ｄとの間の距離である。
【００８２】
良好な加工安定性を保持しつつ損失を十分に抑えるためには、分岐側導波路間２０、２１の分岐部における間隔（Ａ）は、約２〜４μｍであることが好ましく、非分岐側導波路１０と分岐側導波路２０、２１の対向間隔（Ｂ）は、約２〜８μｍであることが好ましい。
【００８３】
図８に示されるグラフによれば、テーパ導波路１１の末端幅１１ｃ（Ｗｔ）が、分岐側導波路２０、２１の末端２０ｃ，２１ｃの幅（Ｗ）の和（Ｗ＋Ｗ）と、分岐側導波路２０、２１の間隔（Ａ）との総和（２Ｗ＋Ａ）である２０μｍより、６μｍ大きいとき、すなわち、Ｗｔ＝２６μｍの値のときにおいて最低損失値０．２７ｄＢが得られる。Ｗｔ＝２０μｍのスケールを持つ光ブランチングデバイスの分岐過剰損は、０．４２ｄＢであり、Ｗｔ＝２６μｍのスケールを持つ光ブランチングデバイスの分岐過剰損は、０．２７ｄＢである。したがって、図７Ａ，７Ｂに示した光ブランチングデバイスは、図１０Ａ、図１０Ｂに示した末端幅１１ｃの拡大を行わない光ブランチングデバイス（Ｗｔ＝２０μｍ）の０．４２ｄＢに比べて大幅な損失値の低下が認めらる。
【００８４】
また、テーパ導波路１１の末端１１ｃの幅（Ｗｔ）を拡大しすぎた場合、末端幅１１ｃの拡大した部分からの導波光の放射（後述する。）が増加し、損失が増加する。したがって、図７に示されるグラフから、テーパ導波路１１の末端１１ｃの幅（Ｗｔ）の拡大値は約１０μｍ以下であることが好ましい。長距離光通信を行うためには、分岐過剰損は、０．３ｄＢ以下であることが望ましい。したがって、末端１１ｃの幅（Ｗｔ）は、２３マイクロメーターより大きく、２９マイクロメーターより小さいことが望ましい。特に、テーパ導波路１１の末端幅（Ｗｔ）が約２５μｍ〜２７μｍ（末端幅の拡大値が、約５μｍ〜７μｍ）のときに分岐過剰損は、一定値０．２７ｄＢに収束する。したがって、最も損失が減らすためには、末端１１ｃの幅（Ｗｔ）が、２５マイクロメーターより大きく、２７マイクロメーターより小さいことが望ましい。
【００８５】
次に、本発明の１つの実施例に係る光ブランチングデバイスについて説明する。
【００８６】
図１２は、本発明の１つの実施例に係る光ブランチングデバイスを示す斜視図である。図１３Ａは、このデバイスを図１２の矢印Ｈ−Ｈを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図１２Ｂは、図１３Ａに示したデバイスを図の矢印Ｂ−Ｂを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図１３Ｃは、図１３Ａに示したデバイスを図の矢印Ｃ−Ｃを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図１３Ｄは、図１３Ａに示したデバイスを図の矢印Ｄ−Ｄを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図１３Ｅは、図１３Ａに示したデバイスを図の矢印Ｅ−Ｅを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図１３Ｆは、図１３Ａに示したデバイスを図の矢印Ｆ−Ｆを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図１３Ｇは、図１３Ａに示したデバイスを図の矢印Ｇ−Ｇを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図１４は、図１３Ａに示したデバイスの断面図である。
【００８７】
この導波路型光分岐素子は、図１に示した導波路光分岐素子のテーパ導波路１１の末端１１ｃに、このテーパ部１１の末端１１ｃとほぼ同一幅の直線部１６が付加された構造のテーパー導波路１１５を有している。
【００８８】
このため、テーパ部１１５にて放射状に広がった波面を直線部１１６にて平面状に戻してから、導波光を分岐側導波路１２０，１２１に入射させることができる。
【００８９】
この波面が進行する様子を、図１５に示す。これにより、テーパ導波路１１１の分岐部側の端面のうち、末端幅を拡大するために設けられた部分（分岐側導波路１２０、１２１の末端幅と、分岐側導波路１２０、１２１の間隔との総和よりも幅を大きくした部分）にて生じる導波光の放射（反射、回折）を抑え、分岐部での放射損失（ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｌｏｓｓ） をさらに低減することができる。
【００９０】
本実施例の光ブランチングデバイスについてさらに詳しく説明する。
【００９１】
図１２に示すように、本実施例の導波路型光分岐素子（光ブランチングデバイス）は、シリコン基板１０１と、保持基板１０１上に形成されたクラッド部材１０２と、第１コア部材１１０と、第２コア部材１２０と、第３コア部材１２１とを備える。
【００９２】
第１コア部材１１０は、クラッド部材１０２内に埋設されている。第２コア部材１２０は、クラッド部材１０２内に埋設されている。第２コア部材１２０は、第１コア部材１１０の第１端面１１１ｃに対して第１の間隔Ｂを隔てて対向する第２端面１２０ｃを有している。第３コア部材１２１も、クラッド部材１０２内に埋設されている。第３コア部材１２１は、第１コア部材１１０の第１端面１１１ｃに対して第２の間隔Ｂを隔てて対向する第３端面２１ｃを有している。ここで、第１の間隔Ｂと第２の間隔Ｂとは等しくしてある。
【００９３】
クラッド部材１０２（クラッド１０２，クラッド層１０２）は、第１表面１０２ａを有している。第１表面１０２ａは、基板１０１の主表面１０１ａに平行である。主表面１０１ａは、クラッド部材１０２と基板１０１との界面で規定される。この第１表面１０２ａに垂直な方向と光の伝搬する方向の双方に垂直な方向を幅方向とする。また、第１表面１０２ａに垂直な方向を厚み方向とする。第１コア部材１１０は、一定の幅および厚みを有する光伝送路１１２、一定の厚みを有し、光伝送路１１２に連続してこの光伝送路１１２から離れるほど広い幅を有するテーパー型の第１コア部分１１５と、一定の厚みおよび幅を有し、コア部分１１５に連続した第２コア部分１１６とを有する。
【００９４】
光伝送路１１２の幅１１２は、図１１３Ａの面１１２ａと面１１２ｂとの間の距離により規定される。
【００９５】
第１コア部材１１０は、第１表面１０２ａに対して垂直な面（図１３Ａの矢印Ｂ−Ｂを通る平面）と交差することにより規定される第５垂直断面１１２ｄを有している。
【００９６】
第１コア部材１１０は、第１表面１０２ａに対して垂直な第１面（図１３Ａの矢印Ｃ−Ｃを通る平面）と交差することにより規定される第１垂直断面１１２ｅを有している。
【００９７】
第１コア部材１１０は、第１表面１０２ａに対して垂直な第２面（図１３Ａの矢印Ｇ−Ｇを通る平面）であって第１端面１１１ｃと第１面（Ｂ−Ｂ面）との間に位置する第２面（Ｇ−Ｇ面）と交差することにより規定される第２垂直断面１１６ｃを有している。
【００９８】
第１コア部材１１０は、第１表面２ａに対して平行な第３面（図１の矢印Ｈ−Ｈを通る平面）と交差することにより規定される第１水平断面（図１３Ａの符号１１０ａで示される）を有している。
【００９９】
第２コア部材１２０は、第１表面１０２ａに対して垂直な第４面（図１３Ａの矢印Ｅ−Ｅを通る平面）と交差することにより規定される第３垂直断面１２０ｅを有している。第２コア部材１２０は、第３面（Ｈ−Ｈ面）と交差することにより規定される第２水平断面（図１３Ａの符号１２０ｆで示される）を有している。第３コア部材１２１は、第４面（Ｅ−Ｅ面）と交差することにより規定される第４垂直断面１２１ｅを有している。第３コア部材１２１は、第３面（Ｈ−Ｈ面）と交差することにより規定される第３水平断面１２１ｆを有している。
【０１００】
第１コア部材１１０は、端面１１２ｃを介して第１コア部材１１０に入力された光が、第１垂直断面１１２ｅおよび第２垂直断面１１６ｃを横切って第１水平断面１１０ａに沿った方向に伝搬して第１端面１１１ｃから出力されるように配置されている。
【０１０１】
なお、断面は、第１端面１１１ｃに平行であり、導波光の進行方向に垂直であるとする。
【０１０２】
第２コア部材１２０は、第１端面１１１ｃから出力された光が、第２端面１２０ｃを通って第２コア部材１２０に入力され、第３垂直断面１２０ｅを横切って第２水平断面１１２０ｆに沿った方向に伝搬して第２コア部材１２０の端面１２０ｄを通って出力されるように配置されている。第３コア部材１２１は、第１端面から出力された光が、第３端面１２１ｃを通って第３コア部材１２１に入力され、第４垂直断面１２１ｅを横切って第３水平断面１２１ｆに沿った方向に伝搬して第３コア部材１２１から出力されるように配置されている。
【０１０３】
ここで、第１端面１１１ｃの面積は、第１垂直断面１１２ｅの面積よりも大きい。すなわち、第１コア部材１１０は、第２および第３コア部材１２０，１２１方向に向かって広がったテーパー形状の部分１１５を有している。テーパー形状の部分１１５は、第１コア部材１１０の光軸ＯＰ（中心線）に対して所定の角度を有する面１１５ａおよび１１５ｂを有している。換言すれば、部分１１５における第１表面１０２ａに垂直な２つの表面１１５ａ，１１５ｂと、第３表面（Ｈ−Ｈ面）との交線１１５ａ，１１５ｂは、第３表面内において第１コア部材１１０の光軸ＯＰ（中心線）に対して所定の角度を有している。また、第１端面１０１ａの幅は、基板表面１０１ａの法線方向（厚み方向）および第１端面１１１ｃの法線方向（光軸方向）の双方に垂直な方向（幅方向）に沿った第１端面１０１ａの長さである。第１端面１１１ｃの幅（Ｗｔ）は、第２端面１２０ｃと第３端面１２１ｃとの間の距離よりも大きい。すなわち、側面１２０ａ、１２０ｂ、１２１ａ、１２１ｂと第１端面１１１ｃとの交線をそれぞれ、交線１２０ｉ、１２０ｊ、１２１ｊ、１２１ｉとし、第１端面１１１ｃと端面１１６との間の交線を１１１ｉとし、第１端面１１１ｃと端面１１６との交線を１１１ｊとすれば、第１端面１１１ｃの幅はＷｔは、交線１１１ｉと交線１１１ｊとの間の距離で規定される。また、第２端面１２０ｃの幅（Ｗ）は、交線１２０ｉと１２０ｊとの間の距離によって規定され、第３端面１２１ｃの幅（Ｗ）は、交線１２１ｉと１２１ｊとの間の距離によって規定される。第３端面１２１ｃと第２端面１２０ｃとの間の距離（Ａ）は、交線１２０ｊと１２１ｊとの間の距離によって規定される。つまり、交線１１１ｉと交線１１１ｊとの間の距離（Ｗｔ）は、交線１２０ｉと１２１ｉとの間の距離（Ｗ＋Ｗ＋Ａ）よりも大きい。
【０１０４】
換言すれば、この光ブランチングデバイスは、基板表面１０１ａを有する基板１０１、第１テーパ導波路１１０、第２導波路１２０および第３導波路１２１を有している。
【０１０５】
１テーパ導波路１１０は、第４導波路１１６とこの第４導波路１１６に連続した第２テーパ導波路１１５を有している。第１テーパ導波路１１０は、基板表面１ａ上に形成されている。
【０１０６】
第４導波路１１６は、基板表面１０１ａと交差する面を含む第１端面１１１ｃ、基板表面１ａと交差する面を含む第５側面１１６ａ、第５側面１１６ａにほぼ平行な第６側面１１６ｂを有している。したがって、第５側面１１６ａと第６側面１１６ｂとのなす角度は３度以下である。
【０１０７】
第２テーパ導波路１１５は、第４導波路１１６（まっすぐな導波路）に連続している。第２テーパ導波路１１５は、第４導波路１１６に近付く方向に広がっている。第２導波路１２０は、基板表面１０１ａ上に形成されている。第２導波路１２０は、第１端面１１１ｃに対して所定の間隔をあけて対向する第２端面１２０ｃを有している。
【０１０８】
第３導波路１２１は、基板表面１ａ上に形成されている。第３導波路１２１は、第１端面１１１ｃに対して所定の間隔をあけて対向する第３端面１２１ｃを有している。第１コア部材がテーパー部分１１５を含んでいることにより、第１コア部材１１０の端面１１２ｃに入力された光信号のエネルギー（パワー）密度は、この光が第１垂直断面１１２ｄを通過して第１端面１１１ｃに向かうにしたがって減少する。
【０１０９】
第１コア部材１１０の端面１１１ｃから出力された光は、第２端面１２０ｃから第２コア部材１２０に入力され、第３端面１２１ｃから第３コア部材１２１に入力される。本願発明者らは、これまでの研究から、２つの光部品間を伝搬する光の結合効率を増加されるためには、それぞれの光部品の対向する端面を光の伝搬する方向に対して垂直にすることが有効であることに気付いた。本実施例の光ブランチングデバイスの第１端面１１１ｃは、この第１端面１１１ｃを通過する光の進行方向に対して垂直である。また、第２端面１２０ｃは、この第２端面１２０ｃに入射される光の進行方向に対して垂直である。第３端面１２１ｃは、この第３端面１２１ｃに入射される光の進行方向に対して垂直である。
【０１１０】
したがって、第１端面１１１ｃは、第２端面１２０ｃに対して対向しており、第１端面１１１ｃは第２端面１２０ｃに平行である。第１端面１１１ｃは、第３端面１２１ｃに対して対向しており、第１端面１１１ｃは第３端面１２１ｃに平行である。
【０１１１】
光ブランチングデバイスにおける光の結合効率をさらに向上させるために、本実施例の光ブランチングデバイスでは、第２垂直断面１１６ｃの面積が、第１端面１１１ｃの面積と等しいこととした。換言すれば、第２垂直断面１１６ｃの幅は、第１端面１１１ｃの幅（Ｗｔ）とほぼ等しく、これらの面積の違いは３％以下である。
【０１１２】
すなわち、図１５に示すように、第１コア部材１１０に入力された光は、第１垂直断面１１２ｅから第１端面１１１ｃに進行するにしたがって、光のパワー密度（エネルギー密度）が減少すると同時に、この光の波面ＷＡ１が第１水平断面１１０ａ内において扇型に変形する。この第２垂直断面１１６ｃの面積が、第１端面１１１ｃの面積と等しいこととすれば、この光が、第２垂直断面１１６ｃから第１端面１１１ｃへ伝搬する間にその波面が、第１端面１１１ｃに平行になる。同図から明らかなように、本実施例に係る光学部品は、端面１１２ｃに取り付けられた光入力手段ＩＭを有している。光入力手段ＩＭは、レーザダイオードＩＭ１と、レーザダイオードＩＭ１から出力された光ＩＭ２が入力されるように配置されたレンズＩＭ３と、レンズＩＭ３から出力された光が入力されるように配置されたファイバＩＭ４とファイバＩＭ５から出力された光が入力されるレンズＩＭ５と、レンズＩＭ５で集光された光がその端面に入力されるファイバＩＭ６とを備えている。ファイバＩＭ６の端面は、直接、第１導波路１１０の端面１１２ｃに接続されている。ファイバＩＭ６内を通過した光ＩＭ７は、第１導波路１１０内を伝搬して、第２および第３導波路１２０，１２１の第１端面１１１ｃに対向する一端からこれらの導波路１２０，１２１に入力される。第２導波路１２０に入力された光ＩＭ８は、第２導波路１２０の他端１２０ｄから出力され、この出力された光ＩＭ１０は、ファイバＦ１０２に入力される。ファイバＦ１０２は、光検出器ＯＭ１に接続されている。一方、第３導波路１２１に入力された光ＩＭ９は、第３導波路１２１の他端１２１ｄから出力され、この出力された光ＩＭ１１は、ファイバＦ１０３に入力される。ファイバＦ１０３は、光検出器ＩＭ２に接続されている。
【０１１３】
したがって、第１端面１１１ｃから出力された光の指向性は高くなり、第２コア部材１２０および第３コア部材１２１に結合する光の結合効率は高くなる。
【０１１４】
また、第２端面１２０ｃおよび第３端面１２１ｃは、第１端面１１１ｃから出射される光の波面ＷＡ２に平行であるので、光の結合効率は高くなる。
【０１１５】
すなわち、第１コア部材１１０は、第１端面１１１ｃを有し、入力された光のエネルギー密度を低下させるとともに、光の波面ＷＡ１を第１端面１１１ｃに対して平行にして光を第１端面１１１ｃから出射する形状を有している。第２コア部材１２０は、第１端面１１１ｃに対して所定の間隔をあけて対向する第２端面１２０ｃを有しており、第３コア部材１２１ｃは、第１端面１１１ｃに対して所定の間隔（Ｂ）をあけて対向する第３端面１２１ｃを有している。
【０１１６】
この光は、一定の幅（コアサイズ）を有する光伝送路（コア）１１２内を通過する。光伝送路１１２ｃは、第１コア部材１１０の一部分であり、テーパー導波路部１１５に連続し、第１垂直断面１１２ｅの断面積の最小値と等しい断面積を有している。
【０１１７】
第２コア部材１２０は、第１表面１０２ａに対して垂直な面１２０ａおよび１２０ｂを有している。面１２０ａおよび面１２０ｂは、第２コア部材１２０内を伝搬する光の進行方向に対して平行である。また、面１２０ａと面１２０ｂとは互いに対向しており、面１２０ａおよび面１２０ｂは平行である。したがって、面１２０ａと面１２０ｂは、第１表面１０２ａと第２端面１２０ｃの双方に垂直である。
【０１１８】
同様に、第３コア部材１２１は、第１表面１０２ａに対して垂直な面１２１ａおよび１２１ｂを有している。面１２１ａおよび面１２１ｂは、第３コア部材１２１内を伝搬する光の進行方向に対して平行である。また、面１２１ａと面１２１ｂとは互いに対向しており、面１２１ａおよび面１２１ｂは平行である。したがって、面１２１ａと面１２１ｂは、第１表面１０２ａと第３端面１２１ｃの双方に垂直である。
【０１１９】
第２部材１２０と第３部材１２１との間隔は、第１コア部材１１０から離れるにしたがって広くなる。すなわち、第２コア部材１２０は、第３コア部材１２１から離れる方向に曲った曲面１３０ａおよび１３０ｂを有している。曲面１３０ａは、平面１２０ａに連続しており、曲面１３０ｂは、平面１２０ｂに連続している。曲面１３０ａの曲率半径はＲであり、曲面１３０ｂの曲率半径もほぼＲである。第３コア部材１２１は、第２コア部材１２０から離れる方向に曲った曲面１３１ａおよび１３１ｂを有している。曲面１３１ａは、平面１２１ａに連続しており、曲面１３１ｂは、平面１２１ｂに連続している。曲面１３０ａの曲率半径はＲであり、曲面１３１ｂの曲率半径もほぼＲである。
【０１２０】
第２端面１２０ｃから第２コア部材１２０に入力された光は、第２コア部材１２０の端面２０ｄから出力される。第３端面１２１ｃから第３コア部材１２１に入力された光は、第３コア部材１２１の端面１２１ｄから出力される。ここで、第２コア部材１２０の入力端面１２０ｃから出力端面１２０ｄまでの光路長は、第３コア部材１２１の入力端面１２１ｃから出力端面１２１ｄまでの光路長に等しい。したがって、第１コア部材１１０からこれらのコア部材１２０，１２１に入力された光がコア部材１２０，１２１から出力される場合において、コア部材１２０，１２１によって分岐されたそれぞれの光ビームの出力端面１２０ｄ，１２１ｄにおける位相は揃っている。それぞれの端面１２０ｄ，１２１ｄから出力された光ビームの位相は、お互いに揃っているので、これらの出力光を再び合成する場合などにおいても、それぞれのビームの位相は容易に整合する。
【０１２１】
図１６は、図１３Ａに示した光ブランチングデバイスの第２コア部材１２０および第３コア部材１２１の端面１２０ｄ，１２１ｄを改良したデバイスである。図１３Ａに示した光ブランチングデバイスの端面１２０ｄ，１２１ｄは、露出している。露出した端面１２０ｄの法線方向は、第３コア部材１２１の内を伝搬する光の進行方向（光軸方向）に対して所定の角度を有している。また、露出した端面１２１ｄの法線方向は、第３コア部材１２１内を伝搬する光の進行方向に対して所定の角度を有している。すなわち、第２コア部材１２０および第３コア部材１２１は、Ｓ字形導波路（Ｓ−ｓｈａｐｅｄ ｗａｖｅｇｕｉｄ） である。前述のように、本願発明者らは、これまでの研究から、２つの光部品間を伝搬する光の結合効率を増加されるためには、それぞれの光部品の対向する端面を光の伝搬する方向（光軸）に対して垂直にすることが有効であることに気付いた。そこで、本実施例の光ブランチングデバイスは、図１６に示すように、第２コア部材１２０の出力端面１２０ｄが、第２コア部材１２０の光軸ＯＰ２（一点鎖線で示す）に対して垂直になるように第２コア部材１２０を配置する。第２コア部材１２０の端面１２０ｄに対向する位置にレンズＬ１０２を介して光ファイバＦ１０２を配置する。また、第３コア部材１２１の出力端面１２１ｄが、第３コア部材２１の光軸ＯＰ３（一点鎖線で示す）に対して垂直になるように第３コア部材１２１を配置する。第３コア部材１２１の端面１２１ｄに対向する位置にレンズＬ１０２を介して光ファイバＦ１０３を配置する。また、第１コア部材１１０の入力端面１１２ｃが、第１コア部材１１０の光軸ＯＰ１（一点鎖線で示す）に対して垂直になるように第１コア部材１１０を配置する。第１コア部材１１０の端面１１２ｃに対向する位置にレンズＬ１０１を介して光ファイバＦ１０１を配置する。
【０１２２】
図１７は、図１６に示した光ブランチングデバイスを３つ用意し、これらの光ブランチングデバイスＢＲ１０１，ＢＲ１０２，ＢＲ１０３を接続した１ｘ４構造を有する光ブランチングデバイスである。この光ブランチングデバイスは、第１の光ブランチングデバイスＢＲ１０１と、第１の光ブランチングデバイスＢＲ１０１の出力端面１２０ｄに、第２の光ブランチングデバイスＢＲ１０２の入力端面１１２ｃが接続された第２の光ブランチングデバイスＢＲ１０２と、第１の光ブランチングデバイスＢＲ１０１の出力端面１２１ｄに、第３の光ブランチングデバイスＢＲ１０３の入力端面１１２ｃが接続された第３の光ブランチングデバイスＢＲ１０３とを備える。端面Ｐ１０１から第１の光ブランチングデバイスＢＲ１０１に入力された光信号（図の実線矢印で示す）は、この光ブランチングデバイスによって、分離されて、第２の光ブランチングデバイスＢＲ１０２の端面Ｐ１０２，Ｐ１０３、および第３の光ブランチングデバイスＢＲ１０３の端面Ｐ１０４，Ｐ１０５から出力される。一方、端面Ｐ１０２〜Ｐ１０５から入力されたそれぞれの光信号（図の一点鎖線矢印で示す）は、この光ブランチングデバイスによって、合成されて、端面Ｐ１０１から出力される。
【０１２３】
図２０は、図１６に示した光ブランチングデバイスを７つ用意し、これらの光ブランチングデバイスＢＲ１０１，ＢＲ１０２，ＢＲ１０３，ＢＲ１０４，ＢＲ１０５，ＢＲ１０６，ＢＲ１０７を接続した１ｘ８構造を有する光ブランチングデバイスである。この光ブランチングデバイスは、入力端面（入力ポート）を有する第１の光ブランチングデバイスＢＲ１０１と、第１の光ブランチングデバイスＢＲ１０１の出力端面１２０ｄに、第２の光ブランチングデバイスＢＲ１０２の入力端面１１２ｃが接続された第２の光ブランチングデバイスＢＲ１０２と、第１の光ブランチングデバイスＢＲ１０１の出力端面１２１ｄに、第３の光ブランチングデバイスＢＲ１０３の入力端面１１２ｃが接続された第３の光ブランチングデバイスＢＲ１０３とを有している。さらに、この光ブランチングデバイスは、第２の光ブランチングデバイスＢＲ１０２の出力端面１２０ｄに、第４の光ブランチングデバイスＢＲ４の入力端面１１２ｃが接続された第４の光ブランチングデバイスＢＲ１０４と、第２の光ブランチングデバイスＢＲ１０２の出力端面１２１ｄに、第５のブランチングデバイスＢＲ１０５の入力端面１１２ｃが接続された第５の光ブランチングデバイスＢＲ１０５と、第３の光ブランチングデバイスＢＲ１０３の出力端面１２０ｄに、第６の光ブランチングデバイスＢＲ１０６の入力端面１１２ｃが接続された第６の光ブランチングデバイスＢＲ１０６と、第３の光ブランチングデバイスＢＲ１０３の出力端面１２１ｄに、第７の光ブランチングデバイスＢＲ７の入力端面１１２ｃが接続された第７の光ブランチングデバイスＢＲ１０７とを備える。
【０１２４】
したがって、この光ブランチングデバイスは、このデバイスに入力された１つの光ビームを８つのビームに分岐することができ、このデバイスに入力された８つのビームを１つのビームに合成することができる。なお、これらの光ブランチングデバイスＢＲ１０１，ＢＲ１０２，ＢＲ１０３，ＢＲ１０４，ＢＲ１０５，ＢＲ１０６，ＢＲ１０７は同一基板１０１上に形成されている。
【０１２５】
図１８は、直線部１１６の長さＬｓと分岐過剰損との関係を示すグラフである。すなわち、図１８は、導波光の波長１．５５μｍにおける図１２に示した光ブランチングデバイスの分岐過剰損をビーム伝搬法により計算した結果を表したグラフである。計算にあたって、導波路型光分岐素子の各部の寸法は、Ａ＝４μｍ、Ｂ＝４μｍ、Ｗ＝８μｍ、Ｌｔ＝１２００μｍ、Ｒ＝５０ｍｍとした。テーパ部１５の末端幅（Ｗｔ）は、図１の導波路型光分岐素子において最も損失低減の効果が現れた値である２６μｍである（図８参照）。また、コアとクラッドの比屈折率差は０．３％とした。Ｂは、第２コア部材１２０の第２端面１２０ｃと第１コア部材１１０の第１端面１１１ｃとの距離である。なお、Ｂは、第３コア部材１２１の第３端面１２１ｃと第１コア部材１１０の第１端面１１１ｃとの間隔に等しい。Ｌｓは、図１４に示した、テーパー部１１１の第４導波路１１６の端面１１１ｃと、第４導波路１１６と第２テーパ導波路１１５との界面１１１ｅとの間の距離である。Ｌｔは、図１４に示した、界面１１１ｅと、第２テーパ導波路１１５と光導波路１１２との界面１１１ｄとの間の距離である。
【０１２６】
図１８に示されるグラフによれば、図１２の導波路型光分岐素子に関して、分岐過剰損の最低値は、０．２３ｄＢである。この最低値は、直線部１１６の長さが約３００μｍのときに得られる。図１の導波路型光分岐素子の分岐過剰損の最低値は、０．２７ｄＢである。したがって、図１２に示した光ブランチングデバイスは、図１に示した光ブランチングデバイスよりも優れている。図１２に示した導波路型光分岐素子によれば、さらなる損失の低減効果が得られることが確認される。
【０１２７】
また、直線部（第４導波路）１１６が長くなり過ぎると、高次モードの発生等により分岐部以外の部分において損失が上昇する。したがって、直線部１１６の長さ（Ｌｓ）、すなわち、第６側面１１６ｃの長さは、損失が最低になる約３００μｍ以下であるのが好ましい。また、分岐過剰損失は、直線部１１６の長さが、４００マイクロメータよりも小さく、１００μｍよりも大きい場合に顕著に減少する。したがって、第４導波路１１６の長さ、すなわち、第６側面１１６ｂの長さは、４００マイクロメータよりも小さく、１００μｍよりも大きいことが望ましい。直線部１１６の長さ、すなわち、第６側面１１６ｃの長さが、３００マイクロメータ以下であり、２５０μｍよりも大きい場合に、分岐過剰損の値は、一定値（最低値０．２３ｄＢ）に収束する。
【０１２８】
本発明者らは、実施例に係る光ブランチングデバイスの効果を確認するために、図１、図１２、および図１１に示した光ブランチングデバイスを作製した。本願発明者らは、これらデバイスの光伝送特性を測定した。以下、この結果を示す。
【０１２９】
（第１実験）
本願発明者らは、図１、図１２、図１１の導波路型光分岐素子を製造した。図１１の分岐導波路は、図１および図１２に示した分岐導波路とその特性を比較するために作製した。これらの分岐導波路は、１ｘ２構造を有している。
【０１３０】
これらの導波路型光分岐素子は、シリコン基板１，１０１上に火炎堆積法でＳｉＯ_２ ガラス層 （クラッド）を形成し、次いで、ドーパントを含んだ高屈折率のＳｉＯ_２ ガラス層を堆積して、エッチングすることによりコアを形成し、さらに上部クラッドとしてのＳｉＯ_２ ガラス層を堆積して形成することにより作製した。
【０１３１】
各素子の各部の寸法は、図１、図１２、図１１における符号を用いて表すと、
Ａ＝４μｍ
Ｂ＝４μｍ
Ｗ＝８μｍ
Ｌｔ＝１２００μｍ
Ｒ＝５０ｍｍ
（以上の寸法は、図１、１２、１１の３タイプに共通）
であり、第１テーパ導波路１１，１１１の末端幅（Ｗｔ）および直線部１６の長さＬｓについては、
図１のタイプ（実施例）…Ｗｔ＝２６μｍ、Ｌｓ＝０μｍ
図１２のタイプ（実施例）…Ｗｔ＝２６μｍ、Ｌｓ＝２５０μｍ
図１１のタイプ（比較例）…Ｗｔ＝２０μｍ、Ｌｓ＝０μｍ
と異ならせている。また、いずれにおいても、コアとクラッドの比屈折率差は０．３％、導波路の厚さは８μｍとした。
【０１３２】
上記の導波路型光分岐素子にシングルモードファイバを通じて波長１．５５μｍのレーザダイオード光を入出力して、分岐過剰損を測定した。分岐過剰損は、光分岐素子全体の損失から１×２分岐構造の本質的な損失３ｄＢ、入出力ファイバとの結合損、導波路の伝送損失を差し引いた値で定義される。
【０１３３】
各タイプの素子について各１０個づつのサンプルを用意し、測定値の平均を求めた。この結果、平均分岐過剰損は、
図１のタイプ（実施例）…０．３６ｄＢ
図１２のタイプ（実施例）…０．３２ｄＢ
図１１のタイプ（比較例）…０．５５ｄＢ
であった。測定誤差は±０．０５ｄＢである。したがって、測定誤差を考慮しても、本実施例に係る素子と比較例に係る素子との間には有効な差が認めらる。第１テーパ導波路１１，１１１の末端幅拡大により光分岐の際の損失が低減されることが実際に確認された。
【０１３４】
（第２実験）本願発明者らは、図６、図２０に示した１ｘ８構造を有する導波路型光分岐素子を製造した。また、図１１の分岐導波路を用いて１ｘ８構造を有する分岐導波路（第２比較例に係る素子）を製造した。第２比較例に係る素子は、図６および図２０に示した分岐導波路とその特性を比較するために作製した。本願発明者らは、それぞれの素子について分岐過剰損の測定を行った。この１×８素子は、実施例の１×２素子における分岐側導波路２０，２１（１２０，１２１）の末端を、実施例の別の１×２素子の第１テーパ導波路１１（１１１）に連続させてなる素子である。この素子は、光伝搬方向に沿って実施例の１×２素子を複数組み合わせたものである。
【０１３５】
作製された素子は、図１の１×２素子を３段組み合わせた１×８素子、図１２の素子を３段組み合わせた１×８素子である。また、比較例に係る図１１の素子を３段組み合わせた１×８素子も併せて作製した。
【０１３６】
導波光波長が１．５５μｍの場合の平均分岐過剰損を、１×８素子の８個の出力ポートの出力平均を測定して求めた。この測定の結果、図６に示した１×８素子の平均分岐過剰損は１．０２ｄＢ、図２０に示した１×８素子の平均分岐過剰損は０．８９ｄＢであった。図１１の素子を用いた１ｘ８素子（第２比較例の素子）の平均分岐過剰損は１．５３ｄＢであった。図６および図２０に示した素子の平均分岐過剰損は、図１１に示した素子の平均分岐過剰損よりも低い。したがって、図６に示した分岐導波路は、第２比較例の素子よりも優れていることが実験的にも判明した。図２０に示した素子は、図６に示した素子よりもさらに優れていることが実験的にも判明した。改善された素子の平均分岐過剰損の低下量は、測定誤差の値よりもはるかに大きい。これは、図１，図１２の１×２素子を３段組み合わせたことにより、直線部１１６を付加した効果が累積的に現れたものである。したがって、図１２の導波路型光分岐素子で、さらに効果的に光分岐における損失が低減されることが確認された。
【０１３７】
図１９は、図２０の１×８素子と第２比較例に係る１×８素子について、分岐過剰損の波長特性を測定した結果を示したグラフである。測定にあたっては、各素子に分光器から出射した光を入射させた。
【０１３８】
図１９に示されるグラフによれば、広範囲にわたる導波光の波長領域において、図２０の１×８素子の方が第２比較例の素子より低損失であることが確認できる。また、本実施例のタイプは比較例のタイプに比べ導波光波長の変化による損失の変動が小さい。したがって、本発明の導波路型光分岐素子は、広波長域にわたる光を掃引するような光測定システムなどにおいて好適な使用が可能な点でも優れている。
【０１３９】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、テーパ導波路の末端幅が拡大されているかぎり、導波路型光分岐素子の組成や、各部の形状、寸法等は、上記実施例のものに限定されない。また、導波路型光分岐素子の構造は、本実施例の埋込み型構造に限られず、リッジ型や装荷型といった他の構造であってもよい。また、２つの分岐側導波路は、上記実施例のように、非分岐側導波路の中央線に関して対称に配置されるものに限られず、非対称の光分岐素子であっても上記実施例と同様に損失低減の効果が得られるものと考えられる。
【０１４０】
以上、詳細に説明した通り、本発明の導波路型光分岐素子は、非分岐側導波路と分岐側導波路とを分離した分岐部構造を採用しているので、加工困難なくさび部を設けることなく導波光を分岐させることができる。このため、優れた加工安定性のもとに再現性よく作製でき、とくに、大規模光通信システムの構築にあたって、歩留りよく大量生産することが可能である。
【０１４１】
また、本発明の導波路型光分岐素子はこれに加えて、以下の効果を有する。すなわち、テーパ導波路の末端の幅が、２つの分岐側導波路の分岐部側の末端の各幅と、２つの分岐側導波路の分岐部における間隔との総和よりも大きいので、光分岐の前後における導波光の電界分布の重なりを大きくし、結合効率を向上させながら導波光を分岐させることができる。これにより、２つの分岐側導波路間からの導波光放射を大幅に減少させ、広い波長域にわたって光分岐における損失を低減しつつ導波光を分岐させることができる。
【０１４２】
また、本発明の導波路型光分岐素子のうち、テーパ導波路が、テーパ部と、テーパ部の先端に付加され、テーパ部の末端とほぼ同一幅の直線部とを有するものは、末広がりのテーパ部に直線部が付加されているので、テーパ部にて放射状に広がった波面を平面状に戻してから導波光を分岐側導波路に入射させ、非分岐側導波路の分岐部側の端面のうち、２つの分岐側導波路の分岐部側の末端の各幅と、２つの分岐側導波路の分岐部における間隔との総和よりも幅を大きくした部分からの導波光放射を抑えて、広い波長域にわたって光分岐における損失をさらに低減しつつ導波光を分岐させることができる。
【０１４３】
また、上記の導波路型光分岐素子を複数段組み合わせてなる導波路型光分岐素子では、上記の効果が累積されて、広い波長域にわたって光分岐における損失を格段に低減しつつ導波光を分岐して出力することができる。
【０１４４】
なお、第２コア部材１２０および第３コア部材１２１内を伝搬する光ビームを完全に分離するためには、図２１に示すように、第２コア部材１２０と第３コア部材１２１との間に遮光部材１４０を配置する。
【０１４５】
次に、本発明の１つの実施例に係る光ブランチングデバイスについて説明する。
【０１４６】
本発明の１つの実施例に係る光ブランチングデバイスを図２２ないし図２４に示す。これは単一モード導波路３１２または３２０、３２１によって伝送される導波光を、多モードのテーパ導波路３１１を介して分岐、結合させる略Ｙ字状の分岐結合素子（Ｙ字状素子）である。
【０１４７】
本発明に係る導波路型光分岐結合素子の一つは、多モード導波路３１０と、２つの単一モード導波路３２０，３２１とを備えている。単一モード導波路３２０，３２１は、多モード導波路３１０側の端部３２０ｃ，３２１ｃが互いに近接している。端面３２０ｃ，３２１ｃは、多モード導波路３１０の一方の端面３１１ｃと所定の間隔（Ｂ）をあけて対向している。
【０１４８】
２つの単一モード導波路３２０，３２１のうち少なくとも１つの導波路は、基端部側から多モード導波路３１１側に向かって徐々にその幅が縮小されている。
【０１４９】
ここで、多モード導波路３１０は、所定幅の単一モード導波路３１２と端部に接続されたテーパ導波路３１１とからなる。このテーパ導波路３１１は、後述するように、所定幅の導波路に接続され平面形状がテーパ状のテーパ部と、テーパ部に接続されテーパ部の末端とほぼ同一幅の直線部とを有するものであってもよい。また、後述するように、多モード導波路側の端部が互いに近接し、多モード導波路の他方の端面と所定の間隔をあけて対向する２つの単一モード導波路をさらに備えてもよい。
【０１５０】
光ブランチングデバイスは、多モード導波路と、多モード導波路の一方の末端に接続され、多モード導波路側の端部が互いに近接する２つの単一モード導波路とを備え、２つの単一モード導波路のうち少なくとも１つが基端部側から多モード導波路側に向かって徐々に幅が縮小されることにより、２つの単一モード導波路の中心間の間隔が狭められたことを特徴としている。
【０１５１】
この導波路型光分岐結合素子は、多モード導波路の他方の末端に接続され、多モード導波路側の端部が互いに近接する２つの単一モード導波路をさらに備えてもよい。以上の導波路型光分岐結合素子は、単一モード導波路の多モード導波路側の末端幅が基端部の幅の１／２〜４／５になるように縮小されていてもよい。
【０１５２】
本発明に係る導波路型光分岐結合素子のうち、多モード導波路の一方の端面と２つの単一モード導波路の端面が対向するものは、多モード導波路と２つの単一モード導波路とが分離した分岐部構造を有するので、分岐部に加工困難な間隙部を設けることなく導波光の分岐、結合が可能である。このため、分岐部の加工が容易で優れた加工安定性を有する。
【０１５３】
さらに、２つの単一モード導波路の幅が基端部側から多モード導波路側に向かって徐々に縮小されているので、２つの単一モード導波路の中心間の間隔が狭められる。これにより、単一モード導波路の末端における電界分布の２つのピークが接近し、分岐部での電磁界分布の結合効率が高まる。したがって、分岐部での損失を低減しつつ導波光を分岐、結合させて出力することができる。
【０１５４】
また、上記の導波路型光分岐素子のうち、多モード導波路がテーパ部と直線部とを有するテーパ導波路であるものは、上記の作用に加えて特に以下の作用を有する。すなわち、導波光が多モード導波路から単一モード導波路へ向かって伝送される場合、導波光は、テーパ部にて放射状に広がった波面が直線部にて平面状に戻されてから単一モード導波路に入射する。これにより、多モード導波路の端面のうち、単一モード導波路の末端幅縮小により、対向する導波路端面が存在しなくなった部分にて生じる導波光の放射を抑えながら導波光を分岐して出力することができる。
【０１５５】
また、本発明に係る導波路型光分岐素子のうち、多モード導波路の一方の末端に２つの単一モード導波路が接続されているものは、２つの単一モード導波路の幅が基端部側から多モード導波路側に向かって徐々に縮小されているので、２つの単一モード導波路の中心間の間隔が狭められる。これにより、２つの単一モード導波路の末端における電界分布の２つのピークが接近し、分岐部での電磁界分布の結合効率が高まって、分岐部での損失を低減しつつ導波光を分岐、結合させて出力することができる。
【０１５６】
図２２のように、例えばシリコンからなる基板３０１の上面に、例えばＳｉＯ_２ からなる透明材料層が形成されている。この透明材料層は高屈折率のコア、すなわち単一モード導波路３１２、多モードのテーパ導波路３１１および分岐側の単一モード導波路（以下、分岐側導波路と呼ぶ。）３２０，３２１と、このコアが埋め込まれた低屈折率のクラッド３０２とからなる。なお、導波路３１１，３１２，３２０および３２１は、いずれもこれらの部材内を光が伝搬する方向に沿って形成されている。
【０１５７】
テーパ導波路３１１は単一モード導波路３１２に接続されている。また、分岐側導波路３２０，３２１の端面３２０ｃ，３２１ｃはともに、テーパ導波路３１１の端面と所定の間隔をあけて対向している。
【０１５８】
単一モード導波路３１２の、基板の表面方向に沿った平面形状は直線であり、テーパ導波路３１１の平面形状は、単一モード導波路３１２側から分岐部側に向かって末広がりのテーパ形状である。また、分岐側導波路３２０，３２１は、基端部３２０ｄ，３２１ｄ側からテーパ導波路３１２に向かって徐々に幅が縮小されている。
【０１５９】
図２４を用いて、図２２および図２３Ａ−２３Ｅに示される光ブランチングデバイスの構造をより詳しく説明する。図２４のように、テーパ導波路３１１は末端幅がＷｔ、長さがＬｔであり、幅がＷ１の単一モード導波路３１２に接続されている。分岐側の単一モード導波路３２０，３２１の端面３２０ｃ，３２１ｃは、テーパ導波路３１１の端面と所定の間隔Ｂをあけて対向している。また、分岐側導波路３２０、３２１は、分岐部側の端部が間隔Ａをあけて互いに近接しており、テーパ導波路３１１の中央線に関して対称に、なおかつ、光の伝搬する方向に向かって徐々に互いの間隔が大きくなるように配置されている。優れた加工安定性と低損失性を同時に実現するためには、テーパ導波路３１１の端面と分岐側導波路３２０、３２１の端面との間隔Ｂは、２〜８μｍ程度であることが好ましい。
【０１６０】
分岐側導波路３２０、３２１は、一定幅の基端部３２０ｘ，３２１ｘに、外縁の曲率半径がＲでテーパ導波路３１１に向かって徐々に幅が縮小された単一モード導波路３２０ｙ，３２１ｙが接続されたものである。ここで、基端部３２０ｘ，３２１ｘは、共に、幅がＷ１で曲率半径がＲの曲線形状の単一モード導波路である。また、分岐側導波路３２０、３２１の第１端面３１１ｃ側の末端幅はＷ２である。なお、分岐側導波路３２０、３２１の幅は、基端部３２０ｘ，３２１ｘ側から導波路の光軸中心軸に沿って１ｍｍテーパ導波路１２側に向かうごとに３μｍ小さくなる。
【０１６１】
ここで、単一モード導波路の幅について述べると、単一モード条件の下で十分な電磁界の閉じ込め作用を実現し、スラブの導波路からの放射を抑えながら光を伝送するためには、導波路の正規化周波数Ｖが、
（３／８）π≦Ｖ≦（１／２）π…（１）
の条件を満たすように導波路の幅（Ｗ）を設定することが好ましい。なお、
Ｖ＝（π・Ｗ／λ）・（Ｎ_１ ^２ −Ｎ_２ ^２ ）^１／２
ここで、Ｗ…導波路の幅
λ…導波光の波長
Ｎ_１ …コアの屈折率
Ｎ_２ …クラッドの屈折率
である。
【０１６２】
本実施例に係る図２４の素子では、基端部３２０ｘ，３２１ｘおよび単一モード導波路３１２の幅は、式（１）の条件をみたす様に設定される。基端部３２０ｘ，３２１ｘおよび単一モード導波路３１２の幅の値は、それぞれＷ１である。しかし、テーパ導波路３１１と分岐側導波路３２０、３２１とが分離した分岐部構造を有する点、および分岐側導波路３２０、３２１の末端幅（＝Ｗ２）が基端部３２０ｘ，３２１ｘおよび単一モード導波路３１２の幅（＝Ｗ１）より縮小されている点で図１１の素子と異なっている。
【０１６３】
本実施例の素子について、さらに詳しく説明する。
【０１６４】
第２コア部材３２０および第３コア部材３２１は、第１端面３１１ｃに近づくにしたがって、細くなっている。
【０１６５】
図２２は、この光ブランチングデバイスを示す斜視図である。図２３Ａは、このデバイスを図の矢印Ｈ−Ｈを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図２３Ｂは、図２３Ａに示したデバイスを図の矢印Ｂ−Ｂを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図２３Ｃは、図２３Ａに示したデバイスを図の矢印Ｃ−Ｃを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図２３Ｄは、図２３Ａに示したデバイスを図の矢印Ｄ−Ｄを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図２３Ｅは、図２３Ａに示したデバイスを図の矢印Ｅ−Ｅを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図２３Ｆは、図２３Ａに示したデバイスを図の矢印Ｆ−Ｆを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図２３Ｇは、図２３Ａに示したデバイスを図の矢印Ｇ−Ｇを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図２４は、図２３Ａに示した光ブランチングデバイスを示す図である。
【０１６６】
本実施例の導波路型光分岐素子（光ブランチングデバイス）は、シリコン基板３０１と、保持基板３０１上に形成されたクラッド部材３０２と、第１コア部材（第１テーパ導波路）３１０と、第２コア部材（第２導波路）３２０と、第３コア部材（第３導波路）３２１とを備える。
【０１６７】
第１コア部材３１０は、クラッド部材３０２内に埋設されている。第２コア部材３２０は、クラッド部材３０２内に埋設されている。第２コア部材３２０は、第１コア部材３１０の第１端面３１１ｃに第１の間隔をあけて対向する第２の端面３２０ｃを有している。第３コア部材３２１も、クラッド部材３０２内に埋設されている。第３コア部材３２１は、第１コア部材１０の第１端面３１１ｃに第２の間隔を開けて対向する第３端面３２１ｃを有している。
【０１６８】
クラッド部材３０２（クラッド３０２，クラッド層３０２）は、第１表面３０２ａを有している。第１表面３０２ａは、基板３０１の主表面３０１ａに平行である。この第１表面３０２ａに垂直な方向と光の伝搬する方向の双方に垂直な方向を幅方向とする。また、第１表面３０２ａに垂直な方向を厚み方向とする。第１コア部材３１０は、一定の幅および厚みを有する光伝送路３１２、一定の厚みを有し、光伝送路３１２に連続してこの光伝送路３１２から離れるほど広い幅を有するテーパー型のコア部分３１１とを有している。光伝送路３１２の幅３１２は、図２３Ａの面３１２ａと面３１２ｂとの間の距離により規定される。
【０１６９】
第１コア部材３１０は、第１表面３０２ａに対して垂直な第１面（図２３Ａの矢印Ｂ−Ｂを通る平面）と交差することにより規定される第１垂直断面３１２ｄを有している。第１コア部材３１０は、第１表面３０２ａに対して垂直な第２面（図２３Ａの矢印Ｃ−Ｃを通る平面）であって第１端面３１１ｃと第１面（Ｂ−Ｂ面）との間に位置する第２面（Ｃ−Ｃ面）と交差することにより規定される第２垂直断面３１２ｅを有している。第１コア部材３１０は、第１表面２ａに対して平行な第３面（図２２の矢印Ｈ−Ｈを通る平面）と交差することにより規定される第１水平断面（図２３Ａの符号３１０ａで示される）を有している。
【０１７０】
第２コア部材３２０は、第１表面３０２ａに対して垂直な第４面（図２３Ａの矢印Ｅ−Ｅを通る平面）と交差することにより規定される第３垂直断面３２０ｅを有している。第２コア部材３２０は、第３面（Ｈ−Ｈ面）と交差することにより規定される第２水平断面（図２３Ａの符号３２０ｆで示される）を有している。
【０１７１】
第３コア部材３２１は、第４面（Ｅ−Ｅ面）と交差することにより規定される第４垂直断面３２１ｅを有している。第３コア部材３２１は、第３面（Ｈ−Ｈ面）と交差することにより規定される第３水平断面３２１ｆを有している。
【０１７２】
換言すれば、図２２ないし図２４に示された分岐導波路は、基板１、第１テーパ導波路３１０、第２導波路３２０および第３導波路３２１を有している。
【０１７３】
第２コア部材３２０は、第１コア部材３１０に近づくにしたがって細くなっている。第３コア部材３２１も、第１コア部材３１０に近づくにしたがって細くなっている。さらに、第２コア部材３２０と第３コア部材３２１との間の間隔は、第１コア部材３１０に近づくにしたがって狭くなっている。この光ブランチングデバイスにおいて、第１コア部材３１０は、第１のマルチモード導波路３１０であり、第２コア部材３２０は、第２のシングルモード導波路３２０であり、第３コア部材３２１は、第３のシングルモード導波路３２１ある。第１コア部材３１０はテーパ導波路３１１を含む。
【０１７４】
第２コア部材３２０と第３コア部材３２１は、共に先細りの形状を有しているので、第２コア部材３２０と第３コア部材３２１との間のスペースを一定とした場合において、第２端面３２０ｃにおける第２コア部材３２０の光軸と、第３端面３２１ｃにおける第３コア部材３２１の光軸との距離を近接させることができる。
【０１７５】
したがって、第２コア部材３２０の第２端面３２０ｃにおいて、この第２コア部材３２０内を伝達する光は，コア３２０の径方向に電界分布を有する。電界分布のピーク位置（第１ピーク位置）は、第２コア部材３２０の光軸のある位置である。第３コア部材３２１の第３端面３２１ｃにおいて、この第３コア部材３２１ｃ内を伝達する光は，コア３２１の径方向に電界分布を有する。電界分布のピーク位置（第２ピーク位置）は、第３コア部材３２１の光軸のある位置である。第１ピークと第２ピークとを近接させれば、第１コア部材３１０と第２コア部材３２０との間を伝搬する光の結合効率および第１コア部材３１０と第３コア部材３２１との間を伝搬する光の結合効率は高めることができる。したがって、本発明によれば、分岐部での損失を低減しつつ導波光を分岐、結合させて出力することができる。
【０１７６】
第２コア部材３２０は、第２端面３２０ｃ、第３垂直断面３２０ｅおよび第２水平断面３２０ｆを有している。第２端面３２０ｃは、第１コア部材（第１テーパ導波路）３１０の第１端面３１１ｃに対して対向している。
【０１７７】
第３垂直断面３２０ｅは、第１表面３０２ａに対して垂直な第４面（Ｅ−Ｅ面）と交差することにより規定される。第２水平断面３２０ｆは、第３面（Ｈ−Ｈ面）と交差することにより規定される。ここで、第２コア部材３２０は、先細りの形状であるので、第２端面３２０ｃの面積は、第３垂直断面３２０ｅの面積よりも小さい。また、第２コア部材３２０は、第４面と平行な面（Ｇ−Ｇ面）と交差することによって規定される断面３２０ｈを有している。第３垂直断面３２０ｅは、界面３２０ｃと断面３２０ｈとの間に配置される。断面３２０ｈの面積は、第３垂直断面３２０ｅの面積よりも大きい。
【０１７８】
第３コア部材３２１は、クラッド部材３０２内に埋設されている。第３コア部材３２１は、第３端面３２１ｃ、第４垂直断面３２１ｅ、第３水平断面３２１ｆを有している。第３端面）３２１ｃは、第１コア部材３１０の第１端面３１１ｃに対して対向している。第４垂直断面３２１ｅは、この第３コア部材３２１が、第４面（Ｅ−Ｅ面）と交差することにより規定される。第３水平断面３２１ｆは、第３コア部材３２１が、第３面（Ｈ−Ｈ面）と交差することにより規定される。第３コア部材３２１は、先細りの形状を有しているので、第３端面３２１ｃの面積は、第４垂直断面３２１ｅの面積よりも小さい。また、第３コア部材３２１は、第４面（Ｅ−Ｅ面）と平行な面（Ｇ−Ｇ面）と交差することによって規定される断面３２１ｈを有している。第４垂直断面３２１ｅは、界面３２１ｃと断面３２１ｈとの間に配置される。断面３２１ｈの面積は、第４垂直断面３２１ｅの面積よりも大きい。
【０１７９】
基板３０１は、基板表面３０１ａを有している。第１テーパ導波路３１０は、基板表面３０１ａ上に形成されており、第１端面３１１ｃを有している。第２導波路３２０は、基板表面３０１ａ上に形成されている。第２導波路３２０は、第１端面３１１ｃとの界面３２０ｃ、基板表面３０１ａと交差する面を含む第１側面３２０ａ、第１側面３２０ａに対向する第２側面３２０ｂを有している。
【０１８０】
第３導波路３２１は、基板表面３０１ａ上に形成されている。第１端面３１１ｃとの界面３２１ｃ、基板表面３０１ａと交差する面を含む第３側面３２１ａ、第３側面３２１ａに対向する第４側面３２１ｂを有している。第４側面３２１ｂは、第１側面３２０ａと第３側面３２１ａとの間に配置されている。第１側面３２０ａは、第２側面３２０ｂと第４側面３２１ｂとの間に配置されている。
【０１８１】
第１端面３１１ｃの幅は、基板表面３０１ａの法線方向（厚み方向）および第１端面３１１ｃの法線方向（光軸方向）の双方に垂直な方向（幅方向）に沿った第１端面３１１ｃの長さである。第１端面３１１ｃの幅（Ｗｔ）は、第２側面３２０ａと第３側面３２１ｂとの間の距離よりも大きい。すなわち、側面３２０ａ、３２０ｂ、３２１ａ、３２１ｂと第１端面３１１ｃとの交線をそれぞれ、交線３２０ｉ、３２０ｊ、３２１ｊ、３２１ｉとし、第１端面３１１ｃと端面３１１ｂとの間の交線を３１１ｉとし、第１端面３１１ｃと端面３１１ａとの交線を３１１ｊとすれば、第１端面３１１ｃの幅はＷｔは、交線３１１ｉと交線３１１ｊとの間の距離で規定される。また、第２端面３２０ｃの幅（Ｗ２）は、交線３２０ｉと３２０ｊとの間の距離によって規定され、第３端面３２１ｃの幅（Ｗ２）は、交線３２１ｉと３２１ｊとの間の距離によって規定される。第３端面３２１ｃと第２端面３２０ｃとの間の距離（Ａ）は、交線３２０ｊと３２１ｊとの間の距離によって規定される。つまり、交線３１１ｉと交線３１１ｊとの間の距離（Ｗｔ）は、交線３２０ｉと３２１ｉとの間の距離（Ｗ２＋Ｗ２＋Ａ）よりも大きい。
【０１８２】
第１コア部材３１０は、界面３１２ｃを介して第１コア部材３１０に入力された光が、第１垂直断面３１２ｄおよび第３垂直断面３１２ｅを横切って第１水平断面３１０ａに沿った方向に伝搬して第１端面３１１ｃから出力されるように配置されている。
【０１８３】
第２コア部材は、第１端面３１１ｃから出力された光が、第２界面３２０ｃを通って第２コア部材３２０に入力され、第３垂直断面３２０ｅを横切って第２水平断面３２０ｆに沿った方向に伝搬して第２コア部材３２０の端面３２０ｄを通って出力されるように配置されている。
【０１８４】
第３コア部材３２１は、第１端面３１１ｃから出力された光が、第３端面３２１ｃを通って第３コア部材３１１に入力され、第４垂直断面３２１ｅを横切って第３水平断面３２１ｆに沿った方向に伝搬して第３コア部材３２１から出力されるように配置されている。
【０１８５】
ここで、第１端面３１１ｃの面積は、第１垂直断面３１２ｄの面積よりも大きい。すなわち、第１コア部材３１０は、第２および第３コア部材方向３２０，３２１に向かって広がったテーパー形状の部分３１１を有している。テーパー形状の部分３１１は、第１コア部材３１０の光軸ＯＰ３１０（中心線）に対して所定の角度を有する面３１１ａおよび３１１ｂを有している。換言すれば、テーパー形状の部分（テーパ導波路）３１１の第１表面３０２ａに垂直な２つの表面と、第３表面（Ｈ−Ｈ面）との交線３１１ａ，３１１ｂは、第３表面の第１コア部材３１０の光軸ＯＰ３１０（中心線）に対して所定の角度を有している。第１コア部材３１０がテーパー部分３１１を含んでいることにより、第１コア部材３１０の端面（第４端面）３１２ｃに入力された光信号のエネルギー（パワー）密度は、この光が第１垂直断面３１２ｄを通過して第１端面３１１ｃに向かうにしたがって減少する。
【０１８６】
第１コア部材３１０の端面３１１ｃから出力された光は、界面３２０ｃから第２コア部材３２０に入力され、第３端面３２１ｃから第３コア部材３２１に入力される。
【０１８７】
光ブランチングデバイスの第１端面３１１ｃは、第１端面３１１ｃを通過する光の進行方向に対して垂直である。したがって、第２端面３２０ｃは、この第２端面３２０ｃに入射される光の進行方向に対して垂直である。第３端面３２１ｃは、この第３端面３２１ｃに入射される光の進行方向に対して垂直である。したがって、第１端面３１１ｃは、第２端面３２０ｃに対して対向しており、第１端面３１１ｃは第２端面３２０ｃに平行である。第１端面３１１ｃは、第３端面３２１ｃに対して対向しており、第１端面３１１ｃは第３端面３２１ｃに平行である。
【０１８８】
第２コア部材３２０は、第１表面３０２ａに対して垂直な面３２０ａおよび３２０ｂを有している。面３２０ａおよび面３２０ｂは、第２コア部材３２０内を伝搬する光の進行方向に対して平行である。また、面３２０ａと面３２０ｂとは互いに対向しており、面３２０ａおよび面３２０ｂは平行である。したがって、面３２０ａと面３２０ｂは、第１表面３０２ａと第２端面３２０ｃの双方に垂直である。
【０１８９】
同様に、第３コア部材３２１は、第１表面３０２ａに対して垂直な面３２１ａおよび３２１ｂを有している。面３２１ａおよび面３２１ｂは、第３コア部材３２１内を伝搬する光の進行方向に対して平行である。また、面３２１ａと面３２１ｂとは互いに対向しており、面３２１ａおよび面３２１ｂは平行である。したがって、面３２１ａと面３２１ｂは、第１表面３０２ａと第３端面３２１ｃの双方に垂直である。
【０１９０】
第２導波路３２０は、一定の幅を有する一定幅導波路３２０ｘと、一定幅導波路３２０ｘに連続した傾斜幅導波路３２０ｙとを有している。傾斜幅導波路３２０ｙは、第１端面３１１ｃに近づくにしたがって、その幅が細くなっており、傾斜幅導波路３２０ｙの幅は、一定幅導波路３２０ｘの幅の１／２ないし４／５である。
【０１９１】
第３導波路３２１は、一定の幅を有する一定幅導波路３２１ｘと、一定幅導波路３２１ｘに連続した傾斜幅導波路３２１ｙとを有している。傾斜幅導波路３２１ｙは、第１端面３１１ｃに近づくにしたがって、その幅が細くなっており、傾斜幅導波路３２１ｙの幅は、一定幅導波路３２１ｘの幅の１／２ないし４／５である。
【０１９２】
第２コア部材３２０と第３コア部材３２１との間隔は、第１コア部材３１０から離れるにしたがって広くなる。すなわち、第２コア部材３２０は、第３コア部材３２１から離れる方向に曲った曲面３３０ａおよび３３０ｂを有している。曲面３３０ａは、平面３２０ａに連続しており、曲面３３０ｂは、平面３２０ｂに連続している。曲面３３０ａの曲率半径はＲであり、曲面３３０ｂの曲率半径もほぼＲである。第３コア部材３２１は、第２コア部材３２０から離れる方向に曲った曲面３３１ａおよび３３１ｂを有している。曲面３３１ａは、平面３２１ａに連続しており、曲面３３１ｂは、平面３２１ｂに連続している。曲面３３０ａの曲率半径はＲであり、曲面３３０ｂの曲率半径もほぼＲである。第２コア部材３２０および第３コア部材３２１は、Ｓ字形導波路である。
【０１９３】
第２端面３２０ｃから第２コア部材３２０に入力された光は、第２コア部材３２０の端面３２０ｄから出力される。第３端面３２１ｃから第３コア部材３２１に入力された光は、第３コア部材３２１の端面３２１ｄから出力される。ここで、第２コア部材３２０の入力端面３２０ｃから出力端面３２０ｄまでの光路長は、第３コア部材３２１の入力端面３２１ｃから出力端面３２１ｄまでの光路長に等しい。
【０１９４】
したがって、第１コア部材３１０からこれらのコア部材３２０，３２１に入力された光がコア部材３２０，３２１から出力される場合において、コア部材３２０，３２１によって分岐されたそれぞれの光ビームの出力端面３２０ｄ，３２１ｄにおける位相は揃っている。それぞれの端面３２０ｄ，３２１ｄから出力された光ビームの位相は、お互いに揃っているので、これらの出力光を再び合成する場合などにおいても、それぞれのビームの位相は容易に整合する。
【０１９５】
図２５は、図２３Ａに示した光ブランチングデバイスの第２コア部材３２０および第３コア部材３２１の端面３２０ｄ，３２１ｄを改良したデバイスである。図２３Ａに示した光ブランチングデバイスの端面３２０ｄ，３２１ｄは、露出している。露出した端面３２０ｄの法線方向は、第３コア部材３２１の内を伝搬する光の進行方向（光軸方向）に対して所定の角度を有している。また、露出した端面３２１ｄの法線方向は、第３コア部材３２１内を伝搬する光の進行方向に対して所定の角度を有している。前述のように、本願発明者らは、これまでの研究から、２つの光部品間を伝搬する光の結合効率を増加されるためには、それぞれの光部品の対向する端面を光の伝搬する方向（光軸）に対して垂直にすることが有効であることに気付いた。
【０１９６】
そこで、本実施例の光ブランチングデバイスは、図２５に示すように、第２コア部材３２０の出力端面３２０ｄが、第２コア部材３２０の光軸ＯＰ３０２（一点鎖線で示す）に対して垂直になるように第２コア部材３２０を配置する。第２コア部材３２０の端面３２０ｄに対向する位置にレンズＬ３０２を介して光ファイバＦ３０２を配置する。また、第３コア部材３２１の出力端面３２１ｄが、第３コア部材３２１の光軸ＯＰ３０３（一点鎖線で示す）に対して垂直になるように第３コア部材３２１を配置する。第３コア部材３２１の端面３２１ｄに対向する位置にレンズＬ３０３を介して光ファイバＦ３０３を配置する。また、第１コア部材３１０の入力端面３１２ｃが、第１コア部材３１０の光軸ＯＰ３０１（一点鎖線で示す）に対して垂直になるように第１コア部材３１０を配置する。第１コア部材３１０の端面３１２ｃに対向する位置にレンズＬ３０１を介して光ファイバＦ３０１を配置する。
【０１９７】
図２６は、図２５に示した光ブランチングデバイスを３つ用意し、これらの光ブランチングデバイスＢＲ３０１，ＢＲ３０２，ＢＲ３０３を接続した１ｘ４構造を有する光ブランチングデバイスである。この光ブランチングデバイスは、第１の光ブランチングデバイスＢＲ３０１と、第１の光ブランチングデバイスＢＲ３０１の出力端面３２０ｄに、第２の光ブランチングデバイスＢＲ３０２の入力端面３１２ｃが接続された第２の光ブランチングデバイスＢＲ３０２と、第１の光ブランチングデバイスＢＲ１の出力端面３２１ｄに、第３の光ブランチングデバイスＢＲ３０３の入力端面３１２ｃが接続された第３の光ブランチングデバイスＢＲ３０３とを備える。したがって、Ｓ字型導波路の一端部分は、テーパ導波路を構成している。
【０１９８】
端面Ｐ３０１から第１の光ブランチングデバイスＢＲ３０１に入力された光信号（図の実線矢印で示す）は、この光ブランチングデバイスによって、分離されて、第２の光ブランチングデバイスＢＲ３０２の端面Ｐ３０２，Ｐ３０３、および第３の光ブランチングデバイスＢＲ３の端面Ｐ３０４，Ｐ３０５から出力される。一方、端面Ｐ３０２〜Ｐ３０５から入力されたそれぞれの光信号（図の一点鎖線矢印で示す）は、この光ブランチングデバイスによって、合成されて、端面Ｐ３０１から出力される。
【０１９９】
図２７は、図２５に示した光ブランチングデバイスを７つ用意し、これらの光ブランチングデバイスＢＲ３０１，ＢＲ３０２，ＢＲ３０３，ＢＲ３０４，ＢＲ３０５，ＢＲ３０６，ＢＲ３０７を接続した１ｘ８構造を有する光ブランチングデバイスである。この光ブランチングデバイスは、入力端面（入力ポート）を有する第１の光ブランチングデバイスＢＲ３０１と、第１の光ブランチングデバイスＢＲ３０１の出力端面３２０ｄに、第２の光ブランチングデバイスＢＲ３０２の入力端面３１２ｃが接続された第２の光ブランチングデバイスＢＲ３０２と、第１の光ブランチングデバイスＢＲ３０１の出力端面３２１ｄに、第３の光ブランチングデバイスＢＲ３０３の入力端面３１２ｃが接続された第３の光ブランチングデバイスＢＲ３０３とを有している。
【０２００】
さらに、この光ブランチングデバイスは、第２の光ブランチングデバイスＢ３０Ｒ２の出力端面３２０ｄに、第４の光ブランチングデバイスＢＲ３０４の入力端面３１２ｃが接続された第４の光ブランチングデバイスＢＲ３０４と、第２の光ブランチングデバイスＢＲ３０２の出力端面３２１ｄに、第５のブランチングデバイスＢＲ３０５の入力端面３１２ｃが接続された第５の光ブランチングデバイスＢＲ３０５と、第３の光ブランチングデバイスＢＲ３０３の出力端面３２０ｄに、第６の光ブランチングデバイスＢＲ６の入力端面３１２ｃが接続された第６の光ブランチングデバイスＢＲ３０６と、第３の光ブランチングデバイスＢＲ３０３の出力端面３２１ｄに、第７の光ブランチングデバイスＢＲ３０７の入力端面３１２ｃが接続された第７の光ブランチングデバイスＢＲ３０７とを備える。
【０２０１】
したがって、この光ブランチングデバイスは、このデバイスに入力された１つの光ビームを８つのビームに分岐することができ、このデバイスに入力された８つのビームを１つのビームに合成することができる。なお、これらの光ブランチングデバイスＢＲ３０１，ＢＲ３０２，ＢＲ３０３，ＢＲ３０４，ＢＲ３０５，ＢＲ３０６，ＢＲ３０７は同一基板３０１上に形成されている。
【０２０２】
本実施例のＹ字状素子は、テーパ導波路３１１と分岐側導波路３２０，３２１とが分離した分岐部構造を有している点で、図９のＹ字状素子と異なる。したがって、図９における鋭角形状の間隙部８０が不要となって分岐部の加工が容易になる。この結果、本実施例の光ブランチングデバイスは、大規模通信システムの構築の際などに歩留まりよく大量生産することができる。
【０２０３】
図１１の素子の分岐側導波路２０，２１は一定幅（Ｗ）であるのに対し、本実施例の素子は、その末端幅が基端部３２０ｘ，３２１ｘの幅より縮小された分岐側導波路３２０，３２１を備えている。
【０２０４】
したがって、本実施例の素子では、分岐部において、分岐側導波路３２０，３２１の末端３２０ｃ，３２１ｃでの電界分布が多モード導波路３１１の末端３１１ｃでの電界分布により合致する。
【０２０５】
詳しく説明すると、本実施例の光分岐結合素子における分岐部のような導波路の形状が急激に変化する箇所では、多モード導波路３１１の末端３１１ｃおよび３２０，３２１の末端３２０ｃ，３２１ｃにおける導波光の電磁界分布の結合効率が大きいほど、導波光の分岐、結合の際の損失は低減される。
【０２０６】
２８Ｂ、図２２なし図２４した光ブランチングデバイスの第１コア部材３１０，第２コア部材３２０，第３コア部材３２１を図２２ないし図２４から抜出して示す図である。図２８Ｂには、座標軸が示してある。図２８Ａは、図２８Ｂに示した第１コア部材３１０の末端、すなわち、座標Ｙ１、における導波光の電界分布、および、第２および第３コア部材３２０，３２１の末端、すなわち、座標Ｙ２における導波光の電界分布を示すグラフである。図２８Ａにおいて、座標Ｙ１における導波光の電界分布は、実線で示し、座標Ｙ２における導波光の電界分布は、点線で示す。図２８Ａに示された座標Ｘ１，Ｘ２は、図２８Ｂの位置座標Ｘ１，Ｘ２にそれぞれ対応している。導波光とは、本光ブランチングデバイスのコア部材３１０，３２０，３２１内を伝搬する光である。ここで、第２および第３コア部材３２０，３２１の末端３２０ｃ，３２１ｃの幅は、それぞれ、図１１に示した第２コア部材２０，２１の末端２０ｃ，２１ｃの幅の半分である。
【０２０７】
図２８Ａ内の各電界分布は、各導波モードが運ぶ光パワーが１になるように正規化（ｎｏｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｐｏｗｅｒ）して示してある。なお、ここでは、非分岐側導波路３１０および分岐側導波路３２０，３２１のいずれにおいても最低次モードのみが励振されると仮定している。光分岐後の電界分布は、分岐側導波路３２０、３２１における各電界分布を合成して得られる。
【０２０８】
一方、図１１に示した比較例の光ブランチングデバイスの電界分布は、図１０Ａに示される。
【０２０９】
図２８Ａから、第１端面３１１ｃに近づくにしたがって細くなった第２コア部材３２０、第１端面３１１ｃに近づくにしたがって細くなった第３コア部材３２１を用いることにより、第２コア部材３２０および第３コア部材３２１の末端３２０ｃ，３２１ｃにおける電界分布と、テーパ導波路３１１の末端３１１ｃにおける電界分布を図１１に示した光ブランチングデバイスのそれらよりも多く重ねることができる。すなわち、光分岐前後の電界の重なり部分の面積が大きくなる。したがって、光分岐前後の電磁界分布の重畳積分（ｏｖｅｒｌａｐ ｉｎｔｅｇｒａｌ） で与えられる結合効率が向上する。このため、分岐側導波路３２０と３２１の間からの導波光放射が抑えられ、比較例の導波路型光分岐素子に比べて光分岐の際の損失が低くなる。
【０２１０】
図２８Ａから明らかなように、分岐側導波路３２０、３２１の末端３２０ｃ，３２１ｃの幅を基端３２０ｘ，３２１ｘの幅よりも縮小することによって、分岐側導波路３２０、３２１の中心間（光軸間）の間隔が狭まるので、分岐導波路３２０、３２１側の電界分布（点線）の２つのピーク（ＰＥ１，ＰＥ２）が接近し、多モード導波路３１１側の電界分布に非常によく合致する。
【０２１１】
図２８Ａに示した多モード導波路３１１の電界分布のピーク位置ＰＥと、第１のピークＰＥ１との間の距離は、１マイクロメータ以上、２マイクロメータ以下であることが望ましい。
【０２１２】
図２８Ａに示した多モード導波路３１１の電界分布のピーク位置ＰＥと、第２のピークＰＥ２との間の距離は、１マイクロメータ以上、２マイクロメータ以下であることが望ましい。
【０２１３】
これにより、電界の重なる面積が大きくなり、分岐導波路３２０、３２１側および多モード導波路３１１側の電磁界分布の重畳積分で与えられる結合効率が向上する。その結果、導波光を分岐、結合して出力するにあたり、分岐部での結合損失を低減することが可能である。
【０２１４】
換言すれば、第２コア部材３２０の第２端面３２０ｃにおいて、この第２コア部材３２０内を伝達する光は，コア３２０の径方向に電界分布を有する。電界分布のピーク位置（第１ピーク位置）は、第２コア部材３２０の光軸ＯＰ３２０のある位置である。第３コア部材３２１の第３端面３２１ｃにおいて、この第３コア部材３２１ｃ内を伝達する光は，コア３２１の径方向に電界分布を有する。電界分布のピーク位置（第２ピーク位置）は、第３コア部材３２１の光軸ＯＰ３２１のある位置である。第１ピークと第２ピークとを近接させれば、第１コア部材３１０と第２コア部材３２０との間を伝搬する光の結合効率および第１コア部材３１０と第３コア部材３２１との間を伝搬する光の結合効率は高めることができる。したがって、本発明によれば、分岐部での損失を低減しつつ導波光を分岐、結合させて出力することができる。
【０２１５】
ところが、間隔を狭め過ぎると加工安定性が低下し、歩留まりの悪化を招いてしまう。
【０２１６】
歩留まりの悪化を防ぎ、十分な加工安定性と低損失性をともに実現するには、第２導波路３２０と第３導波路３２１との間の間隔の値は２〜４μｍであることが好ましい。
【０２１７】
これに対し、実施例のＹ字状素子は、分岐側導波路３２０，３２１の末端３２０ｃ，３２１ｃの幅が基端部３２０ｘ，３２１ｘの幅より縮小された構造を有している。したがって、分岐側導波路３２０と３２１の間隔を狭めることなく、導波路３２０、３２１の中心同士（素子のコアの中心同士）の間隔を狭まくすることができる。そして、第２導波路３２０と第３導波路３２１との間の間隔の値が２〜４μｍであるので、その加工が容易である。
【０２１８】
本実施例の光ブランチングデバイスは、図１１に示した光ブランチングデバイスよりも、導波光の分岐、結合の際の損失を低減することができる。
【０２１９】
次に、本発明の１つの実施例に係る光ブランチングデバイスについて説明する。
【０２２０】
図２９は、本発明の１つの実施例に係る光ブランチングデバイスを示す斜視図である。図３０Ａは、このデバイスを図２９の矢印Ｈ−Ｈを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図３０Ｂは、図３０Ａに示したデバイスを図の矢印Ｂ−Ｂを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図３０Ｃは、図３０Ａに示したデバイスを図の矢印Ｃ−Ｃを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図３０Ｄは、図３０Ａに示したデバイスを図の矢印Ｄ−Ｄを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図３０Ｅは、図３０Ａに示したデバイスを図の矢印Ｅ−Ｅを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図３０Ｆは、図３０Ａに示したデバイスを図の矢印Ｆ−Ｆを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図３０Ｇは、図３０Ａに示したデバイスを図の矢印Ｇ−Ｇを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図３１は、図３０Ａに示したデバイスの断面図である。
【０２２１】
図２９ないし図３１に示されるように、このＹ字状素子では、末端幅がＷｔのテーパ部４１５に、幅がＷｔで長さがＬｓの直線部４１６が接続されている。このため、導波光がテーパ導波路４１１から分岐側導波路へ向かって伝送される場合、テーパ部４１５にて放射状に広がった波面を直線部４１６にて平面状に戻してから、導波光を分岐側導波路４２０，４２１に入射させることができる。
【０２２２】
これによって、テーパ導波路４１１の端面４１１ｃのうち、分岐側導波路４２０，４２１の末端幅縮小により対向する導波路端面が存在しなくなった部分（テーパ導波路４１２の端面のうち、分岐側導波路４２０，４２１の末端幅と分岐側導波路４２０，４２１の間隔との総和よりも幅が大きくなった部分）にて生じる導波光の放射（反射、回折）を抑え、光分岐の際の損失をさらに低減することができる。
【０２２３】
この導波路型光分岐素子は、テーパ導波路（第１テーパ導波路）４１１の末端４１１ｃに、このテーパ部４１６の末端３１１ｃとほぼ同一幅の直線部４１６が付加された構造を有している。
【０２２４】
このため、テーパ部４１５にて放射状に広がった波面を直線部４１６にて平面状に戻してから、導波光を分岐側導波路４２０，１４１に入射させることができる。
【０２２５】
この波面が進行する様子を、図３７に示す。これにより、テーパ導波路４１１の分岐部側の端面のうち、末端幅を拡大するために設けられた部分（分岐側導波路４２０、４２１の末端幅と、分岐側導波路４２０、４２１の間隔との総和よりも幅を大きくした部分）にて生じる導波光の放射（反射、回折）を抑え、分岐部での放射損失（ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｌｏｓｓ） をさらに低減することができる。
【０２２６】
入力手段ＩＭは、光源ＩＭ１と、光源ＩＭ１から出射された光ＩＭ４が入力される光ファイバＩＭ２と、光ファイバＩＭ２から出力された光ＩＭ５が入力されるレンズＩＭ３とを有している。レンズＩＭ３から出力された光ＩＭ６は、第１コア部材１１０の第４端面４１２ｄに入力される。この光ＩＭ６は、第１コア部材４１０を通って、第１端面４１１ｃから出力される。第１端面４１１ｃから出力された光ＩＭ７は、第２コア部材４２０に入力される。第１端面４１１ｃから出力された光ＩＭ８は。第コア部材４３０に入力される。第２コア部材４２０から出力された光ＩＭ９は、光検出器ＯＭ１に入力される。第３コア部材４２１から出力された光ＩＭ１０は、光検出器ＯＭ２に入力される。
【０２２７】
本実施例の光ブランチングデバイスについてさらに詳しく説明する。
【０２２８】
図２９ないし図３１に示すように、本実施例の光ブランチングデバイスは、シリコン基板４０１と、保持基板４０１上に形成されたクラッド部材４０２と、第１コア部材４１０と、第２コア部材４２０と、第３コア部材４２１とを備える。
【０２２９】
第１コア部材４１０は、クラッド部材４０２内に埋設されている。第２コア部材４２０は、クラッド部材４０２内に埋設されている。第２コア部材４２０は、第１コア部材４１０の第１端面４１１ｃに対して第１の間隔Ｂを隔てて対向する第２端面４２０ｃを有している。第３コア部材４２１も、クラッド部材４０２内に埋設されている。第３コア部材４２１は、第１コア部材４１０の第１端面４１１ｃに対して第２の間隔Ｂを隔てて対向する第３端面４２１ｃを有している。ここで、第１の間隔Ｂと第２の間隔Ｂとは等しくしてある。
【０２３０】
クラッド部材４０２（クラッド４０２，クラッド層４０２）は、第１表面４０２ａを有している。第１表面４０２ａは、基板４０１の主表面４０１ａに平行である。主表面４０１ａは、クラッド部材４０２と基板４０１との界面で規定される。この第１表面４０２ａに垂直な方向と光の伝搬する方向の双方に垂直な方向を幅方向とする。また、第１表面４０２ａに垂直な方向を厚み方向とする。第１コア部材４１０は、一定の幅および厚みを有する光伝送路４１２、一定の厚みを有し、光伝送路４１２に連続してこの光伝送路４１２から離れるほど広い幅を有するテーパー型の第１コア部分４１５と、一定の厚みおよび幅を有し、コア部分４１５に連続した第２コア部分４１６とを有する。
【０２３１】
光伝送路４１２の幅４１２は、図３０Ａの面４１２ａと面４１２ｂとの間の距離により規定される。
【０２３２】
第１コア部材４１０は、第１表面４０２ａに対して垂直な面（図３０Ａの矢印Ｂ−Ｂを通る平面）と交差することにより規定される第５垂直断面４１２ｄを有している。
【０２３３】
第１コア部材４１０は、第１表面４０２ａに対して垂直な第１面（図３０Ａの矢印Ｃ−Ｃを通る平面）と交差することにより規定される第１垂直断面４１２ｅを有している。
【０２３４】
第１コア部材４１０は、第１表面４０２ａに対して垂直な第２面（図３０Ａの矢印Ｇ−Ｇを通る平面）であって第１端面４１１ｃと第１面（Ｂ−Ｂ面）との間に位置する第２面（Ｇ−Ｇ面）と交差することにより規定される第２垂直断面４１６ｃを有している。
【０２３５】
第１コア部材４１０は、第１表面２ａに対して平行な第３面（図２９の矢印Ｈ−Ｈを通る平面）と交差することにより規定される第１水平断面（図３０Ａの符号４１０ａで示される）を有している。
【０２３６】
第２コア部材４２０は、第１表面４０２ａに対して垂直な第４面（図３０Ａの矢印Ｅ−Ｅを通る平面）と交差することにより規定される第３垂直断面４２０ｅを有している。第２コア部材４２０は、第３面（Ｈ−Ｈ面）と交差することにより規定される第２水平断面（図３０Ａの符号４２０ｆで示される）を有している。第３コア部材４２１は、第４面（Ｅ−Ｅ面）と交差することにより規定される第４垂直断面４２１ｅを有している。第３コア部材４２１は、第３面（Ｈ−Ｈ面）と交差することにより規定される第３水平断面４２１ｆを有している。
【０２３７】
第１コア部材４１０は、端面４１２ｃを介して第１コア部材４１０に入力された光が、第１垂直断面４１２ｅおよび第２垂直断面４１６ｃを横切って第１水平断面４１０ａに沿った方向に伝搬して第１端面４１１ｃから出力されるように配置されている。
【０２３８】
なお、断面は、第１端面４１１ｃに平行であり、導波光の進行方向に垂直であるとする。
【０２３９】
第２コア部材４２０は、第１端面４１１ｃから出力された光が、第２端面４２０ｃを通って第２コア部材４２０に入力され、第３垂直断面４２０ｅを横切って第２水平断面４２０ｆに沿った方向に伝搬して第２コア部材４２０の端面４２０ｄを通って出力されるように配置されている。第３コア部材４２１は、第１端面から出力された光が、第３端面４２１ｃを通って第３コア部材４２１に入力され、第４垂直断面４２１ｅを横切って第３水平断面４２１ｆに沿った方向に伝搬して第３コア部材４２１から出力されるように配置されている。
【０２４０】
ここで、第１端面４１１ｃの面積は、第１垂直断面４１２ｅの面積よりも大きい。すなわち、第１コア部材４１０は、第２および第３コア部材４２０，４２１方向に向かって広がったテーパー形状の部分４１５を有している。テーパー形状の部分４１５は、第１コア部材４１０の光軸ＯＰ４１０（中心線）に対して所定の角度を有する面４１５ａおよび４１５ｂを有している。換言すれば、部分４１５における第１表面４０２ａに垂直な２つの表面４１５ａ，４１５ｂと、第３表面（Ｈ−Ｈ面）との交線４１５ａ，４１５ｂは、第３表面内において第１コア部材４１０の光軸ＯＰ４１０（中心線）に対して所定の角度を有している。
【０２４１】
換言すれば、この光ブランチングデバイスは、基板表面４０１ａを有する基板４０１、第１テーパ導波路４１０、第２導波路４２０および第３導波路４２１を有している。
【０２４２】
１テーパ導波路４１０は、第４導波路４１６とこの第４導波路４１６に連続した第２テーパ導波路４１５を有している。第１テーパ導波路４１０は、基板表面４０１ａ上に形成されている。
【０２４３】
第４導波路４１６は、基板表面４０１ａと交差する面を含む第１端面４１１ｃ、基板表面４０１ａと交差する面を含む第５側面４１６ａ、第５側面４１６ａに平行な第６側面４１６ｂを有している。第１端面４１１ｃの幅（Ｗｔ）は、第２側面４２０ｂと第３側面４２１ａとの間の距離よりも大きい。すなわち、側面４２０ａ、４２０ｂ、４２１ａ、４２１ｂと第１端面４１１ｃとの交線をそれぞれ、交線４２０ｉ、４２０ｊ、４２１ｊ、４２１ｉとし、第１端面４１１ｃと端面４１１ｂとの間の交線を４１１ｉとし、第１端面４１１ｃと端面４１１ａとの交線を４１１ｊとすれば、第１端面４１１ｃの幅はＷｔは、交線４１１ｉと交線４１１ｊとの間の距離で規定される。また、第２端面４２０ｃの幅（Ｗ２）は、交線４２０ｉと４２０ｊとの間の距離によって規定され、第３端面４２１ｃの幅（Ｗ２）は、交線４２１ｉと４２１ｊとの間の距離によって規定される。第３端面４２１ｃと第２端面４２０ｃとの間の距離（Ａ）は、交線４２０ｊと４２１ｊとの間の距離によって規定される。つまり、交線４１１ｉと交線４１１ｊとの間の距離（Ｗｔ）は、交線４２０ｉと４２１ｉとの間の距離（Ｗ２＋Ｗ２＋Ａ）よりも大きい。
【０２４４】
第２テーパ導波路４１５は、第４導波路（真っ直ぐな導波路）４１６に連続している。第２テーパ導波路４１５は、第４導波路４１６に近付く方向に広がっている。第２導波路４２０は、基板表面４０１ａ上に形成されている。第２導波路４２０は、第１端面４１１ｃに対して所定の間隔をあけて対向する第２端面４２０ｃを有している。
【０２４５】
第３導波路４２１は、基板表面４０１ａ上に形成されている。第３導波路４２１は、第１端面４１１ｃに対して所定の間隔をあけて対向する第３端面４２１ｃを有している。第１コア部材がテーパー部分４１５を含んでいることにより、第１コア部材４１０の端面４１２ｃに入力された光信号のエネルギー（パワー）密度は、この光が第１垂直断面４１２ｄを通過して第１端面４１１ｃに向かうにしたがって減少する。
【０２４６】
第１コア部材４１０の端面４１１ｃから出力された光は、第２端面４２０ｃから第２コア部材４２０に入力され、第３端面４２１ｃから第３コア部材４２１に入力される。本願発明者らは、これまでの研究から、２つの光部品間を伝搬する光の結合効率を増加されるためには、それぞれの光部品の対向する端面を光の伝搬する方向に対して垂直にすることが有効であることに気付いた。本実施例の光ブランチングデバイスの第１端面４１１ｃは、この第１端面４１１ｃを通過する光の進行方向に対して垂直である。また、第２端面４２０ｃは、この第２端面４２０ｃに入射される光の進行方向に対して垂直である。第３端面４２１ｃは、この第３端面４２１ｃに入射される光の進行方向に対して垂直である。
【０２４７】
したがって、第１端面４１１ｃは、第２端面４２０ｃに対して対向しており、第１端面４１１ｃは第２端面４２０ｃに平行である。第１端面４１１ｃは、第３端面４２１ｃに対して対向しており、第１端面４１１ｃは第３端面４２１ｃに平行である。
【０２４８】
光ブランチングデバイスにおける光の結合効率をさらに向上させるために、本実施例の光ブランチングデバイスでは、第２垂直断面４１６ｃの面積が、第１端面４１１ｃの面積と等しいこととした。換言すれば、第２垂直断面４１６ｃの幅は、第１端面４１１ｃの幅（Ｗｔ）とほぼ等しく、その違いは±３％以内である。
【０２４９】
すなわち、図３０に示すように、第１コア部材４１０に入力された光は、第１垂直断面４１２ｅから第１端面４１１ｃに進行するにしたがって、光のパワー密度（エネルギー密度）が減少すると同時に、この光の波面ＷＡ１が第１水平断面４１０ａ内において扇型に変形する。この第２垂直断面４１６ｃの面積が、第１端面４１１ｃの面積と等しいこととすれば、この光が、第２垂直断面４１６ｃから第１端面４１１ｃへ伝搬する間にその波面が、第１端面４１１ｃに平行になる。
【０２５０】
したがって、第１端面４１１ｃから出力された光の指向性は高くなり、第２コア部材４２０および第３コア部材４２１に結合する光の結合効率は高くなる。
【０２５１】
また、第２端面４２０ｃおよび第３端面４２１ｃは、第１端面４１１ｃから出射される光の波面ＷＡ２に平行であるので、光の結合効率は高くなる。
【０２５２】
すなわち、第１コア部材４１０は、第１端面４１１ｃを有し、入力された光のエネルギー密度を低下させるとともに、光の波面ＷＡ１を第１端面４１１ｃに対して平行にして光を第１端面４１１ｃから出射する形状を有している。第２コア部材４２０は、第１端面４１１ｃに対して所定の間隔をあけて対向する第２端面４２０ｃを有しており、第３コア部材４２１ｃは、第１端面４１１ｃに対して所定の間隔（Ｂ）をあけて対向する第３端面４２１ｃを有している。
【０２５３】
この光は、一定の幅（コアサイズ）を有する光伝送路（コア）４１２内を通過する。光伝送路４１２ｃは、第１コア部材４１０の一部分であり、テーパー導波路部４１５に連続し、第１垂直断面４１２ｅの断面積の最小値と等しい断面積を有している。
【０２５４】
第２コア部材４２０は、第１表面４０２ａに対して垂直な面４２０ａおよび４２０ｂを有している。面４２０ａおよび面４２０ｂは、第２コア部材４２０内を伝搬する光の進行方向に対して平行である。また、面４２０ａと面４２０ｂとは互いに対向しており、面４２０ａおよび面４２０ｂは平行である。したがって、面４２０ａと面４２０ｂは、第１表面４０２ａと第２端面４２０ｃの双方に垂直である。
【０２５５】
同様に、第３コア部材４２１は、第１表面４０２ａに対して垂直な面４２１ａおよび４２１ｂを有している。面４２１ａおよび面４２１ｂは、第３コア部材４２１内を伝搬する光の進行方向に対して平行である。また、面４２１ａと面４２１ｂとは互いに対向しており、面４２１ａおよび面４２１ｂは平行である。したがって、面４２１ａと面４２１ｂは、第１表面４０２ａと第３端面４２１ｃの双方に垂直である。
【０２５６】
第２部材４２０と第３部材４２１との間隔は、第１コア部材４１０から離れるにしたがって広くなる。すなわち、第２コア部材４２０は、第３コア部材４２１から離れる方向に曲った曲面４３０ａおよび４３０ｂを有している。曲面４３０ａは、平面４２０ａに連続しており、曲面４３０ｂは、平面４２０ｂに連続している。曲面４３０ａの曲率半径はＲであり、曲面４３０ｂの曲率半径もほぼＲである。第３コア部材４２１は、第２コア部材４２０から離れる方向に曲った曲面４３１ａおよび４３１ｂを有している。曲面４３１ａは、平面４２１ａに連続しており、曲面４３１ｂは、平面４２１ｂに連続している。曲面４３０ａの曲率半径はＲであり、曲面４３１ｂの曲率半径もほぼＲである。
【０２５７】
第２端面４２０ｃから第２コア部材４２０に入力された光は、第２コア部材４２０の端面４２０ｄから出力される。第３端面４２１ｃから第３コア部材４２１に入力された光は、第３コア部材４２１の端面４２１ｄから出力される。ここで、第２コア部材４２０の入力端面４２０ｃから出力端面４２０ｄまでの光路長は、第３コア部材４２１の入力端面４２１ｃから出力端面４２１ｄまでの光路長に等しい。したがって、第１コア部材４１０からこれらのコア部材４２０，４２１に入力された光がコア部材４２０，４２１から出力される場合において、コア部材４２０，４２１によって分岐されたそれぞれの光ビームの出力端面４２０ｄ，４２１ｄにおける位相は揃っている。それぞれの端面４２０ｄ，４２１ｄから出力された光ビームの位相は、お互いに揃っているので、これらの出力光を再び合成する場合などにおいても、それぞれのビームの位相は容易に整合する。
【０２５８】
図３２は、図３０Ａに示した光ブランチングデバイスの第２コア部材４２０および第３コア部材４２１の端面４２０ｄ，４２１ｄを改良したデバイスである。図３０Ａに示した光ブランチングデバイスの端面４２０ｄ，４２１ｄは、露出している。露出した端面４２０ｄの法線方向は、第３コア部材４２１の内を伝搬する光の進行方向（光軸方向）に対して所定の角度を有している。また、露出した端面４２１ｄの法線方向は、第３コア部材４２１内を伝搬する光の進行方向に対して所定の角度を有している。すなわち、第２コア部材４２０および第３コア部材４２１は、Ｓ字形導波路（Ｓ−ｓｈａｐｅｄ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ） である。前述のように、本願発明者らは、これまでの研究から、２つの光部品間を伝搬する光の結合効率を増加されるためには、それぞれの光部品の対向する端面を光の伝搬する方向（光軸）に対して垂直にすることが有効であることに気付いた。そこで、本実施例の光ブランチングデバイスは、図３２に示すように、第２コア部材４２０の出力端面４２０ｄが、第２コア部材４２０の光軸ＯＰ４０２（一点鎖線で示す）に対して垂直になるように第２コア部材４２０を配置する。第２コア部材４２０の端面４２０ｄに対向する位置にレンズＬ４０２を介して光ファイバＦ４０２を配置する。また、第３コア部材４２１の出力端面４２１ｄが、第３コア部材４２１の光軸ＯＰ４０３（一点鎖線で示す）に対して垂直になるように第３コア部材４２１を配置する。第３コア部材４２１の端面４２１ｄに対向する位置にレンズＬ４０２を介して光ファイバＦ４０３を配置する。また、第１コア部材４１０の入力端面４１２ｃが、第１コア部材４１０の光軸ＯＰ４０１（一点鎖線で示す）に対して垂直になるように第１コア部材４１０を配置する。第１コア部材４１０の端面４１２ｃに対向する位置にレンズＬ４０１を介して光ファイバＦ４０１を配置する。
【０２５９】
図３３は、図３２に示した光ブランチングデバイスを３つ用意し、これらの光ブランチングデバイスＢＲ４０１，ＢＲ４０２，ＢＲ４０３を接続した１ｘ４構造を有する光ブランチングデバイスの断面図である。この光ブランチングデバイスは、第１の光ブランチングデバイスＢＲ４０１と、第１の光ブランチングデバイスＢＲ４０１の出力端面４２０ｄに、第２の光ブランチングデバイスＢＲ４０２の入力端面４１２ｃが接続された第２の光ブランチングデバイスＢＲ４０２と、第１の光ブランチングデバイスＢＲ４０１の出力端面４２１ｄに、第３の光ブランチングデバイスＢＲ４０３の入力端面４１２ｃが接続された第３の光ブランチングデバイスＢＲ４０３とを備える。端面Ｐ４０１から第１の光ブランチングデバイスＢＲ４０１に入力された光信号（図の実線矢印で示す）は、この光ブランチングデバイスによって、分離されて、第２の光ブランチングデバイスＢＲ４０２の端面Ｐ４０２，Ｐ４０３、および第３の光ブランチングデバイスＢＲ４０３の端面Ｐ４０４，Ｐ４０５から出力される。一方、端面Ｐ４０２〜Ｐ４０５から入力されたそれぞれの光信号（図の一点鎖線矢印で示す）は、この光ブランチングデバイスによって、合成されて、端面Ｐ４０１から出力される。
【０２６０】
図３５は、図３２に示した光ブランチングデバイスを７つ用意し、これらの光ブランチングデバイスＢＲ４０１，ＢＲ４０２，ＢＲ４０３，ＢＲ４０４，ＢＲ４０５，ＢＲ４０６，ＢＲ４０７を接続した１ｘ８構造を有する光ブランチングデバイスの断面図である。この光ブランチングデバイスは、入力端面（入力ポート）を有する第１の光ブランチングデバイスＢＲ４０１と、第１の光ブランチングデバイスＢＲ４０１の出力端面４２０ｄに、第２の光ブランチングデバイスＢＲ４０２の入力端面４１２ｃが接続された第２の光ブランチングデバイスＢＲ４０２と、第１の光ブランチングデバイスＢＲ４０１の出力端面４２１ｄに、第３の光ブランチングデバイスＢＲ４０３の入力端面４１２ｃが接続された第３の光ブランチングデバイスＢＲ４０３とを有している。さらに、この光ブランチングデバイスは、第２の光ブランチングデバイスＢＲ２の出力端面４２０ｄに、第４の光ブランチングデバイスＢＲ４の入力端面４１２ｃが接続された第４の光ブランチングデバイスＢＲ４０４と、第２の光ブランチングデバイスＢＲ４０２の出力端面４２１ｄに、第５のブランチングデバイスＢＲ４０５の入力端面４１２ｃが接続された第５の光ブランチングデバイスＢＲ４０５と、第３の光ブランチングデバイスＢＲ４０３の出力端面４２０ｄに、第６の光ブランチングデバイスＢＲ４０６の入力端面４１２ｃが接続された第６の光ブランチングデバイスＢＲ４０６と、第３の光ブランチングデバイスＢＲ３の出力端面４２１ｄに、第７の光ブランチングデバイスＢＲ７の入力端面４１２ｃが接続された第７の光ブランチングデバイスＢＲ４０７とを備える。
【０２６１】
したがって、この光ブランチングデバイスは、このデバイスに入力された１つの光ビームを８つのビームに分岐することができ、このデバイスに入力された８つのビームを１つのビームに合成することができる。なお、これらの光ブランチングデバイスＢＲ４０１，ＢＲ４０２，ＢＲ４０３，ＢＲ４０４，ＢＲ４０５，ＢＲ４０６，ＢＲ４０７は同一基板４０１上に形成されている。
【０２６２】
図３４は、図２９ないし図３１に示した本実施例のＹ字状素子について、直線部４１６の幅（＝Ｗｔ）と分岐側導波路４２０，４２１の末端幅（＝Ｗ２）をパラメーターとして、導波光の波長が１．５５μｍの場合の分岐過剰損を計算し、その結果を示したグラフである。分岐過剰損の計算はビーム伝搬法により行った。計算にあたっては、図３１に示される各部の寸法を、Ａ＝４μｍ、Ｂ＝４μｍ、Ｗ１＝８μｍ、Ｌｔ＝１２００μｍ、Ｒ＝５０ｍｍとし、コアとクラッドの比屈折率差を０．３％とした。また、末端幅の各数値ごとに直線部４１６の幅（＝Ｗｔ）を１μｍ間隔で異ならせてデータを５個ずつ求めた。
【０２６３】
図３４のグラフによれば、分岐側導波路４２０，４２１の末端幅（＝Ｗ２）を小さくすると分岐過剰損の最小値を与える直線部４１６の幅（＝Ｗｔ）が小さくなり、最小値自体も小さくなる傾向が認められる。
【０２６４】
ただし、末端幅を縮小し過ぎると、電界の閉じ込め作用が弱まって電界が広がり、放射損失が増加するうえ、加工性も低下する。本発明者らの知見によれば、末端幅縮小による効果が顕著で放射損失の増加を上回り、なおかつ十分な加工安定性を維持するためには、分岐側導波路４２０，４２１の末端４２０ｃ，４２１ｃの幅は、基端部４２０ｘ，４２１ｘの幅の１／２〜４／５であることが望ましい。ここで、導波光の波長は約１．３〜１．５５μｍを想定している。
【０２６５】
本発明者らは、実施例のＹ字状素子の効果を確認するために、図３５に示されるような１×８構造を有する分岐結合素子を作製した。図３５に示される素子は、図３２のＹ字状素子を光伝搬方向に沿って３段組み合わせて作製した光学部品である。図３５に示される光学部品について、その伝送特性を測定した。また、比較のために図１１のＹ字状素子（比較例）を３段組み合わせた１×８素子も併せて作製し、伝送特性を測定した。
【０２６６】
１×８素子は、シリコン基板４０１上に火炎堆積法でＳｉＯ_２ ガラス層（クラッド）を形成し、次いで、ドーパントを含んだ高屈折率のＳｉＯ_２ ガラス層を堆積して、エッチングすることによりコアを形成し、さらに上部クラッドとしてのＳｉＯ_２ ガラス層を堆積して形成することにより作製された。
【０２６７】
１×８素子を構成するＹ字状素子の各部の寸法は、図３１、図１１における符号を用いて表すと、次の通りである。
【０２６８】
Ａ＝４μｍ
Ｂ＝４μｍ
Ｗ１＝８μｍ
Ｌｔ＝１２００μｍ
Ｒ＝５０ｍｍ
であり、分岐側導波路４２０、４２１の末端幅（＝Ｗ２）、直線部４１６の末端幅Ｗｔおよび直線部４１６の長さＬｓは、以下の通りである。
【０２６９】
図３５の素子…Ｗ２＝４μｍ、Ｗｔ＝１８μｍ、Ｌｓ＝１５０μｍ。
【０２７０】
図１１の素子（比較例）…Ｗ２＝Ｗ１＝８μｍ、Ｗｔ＝２０μｍ、Ｌｓ＝０μｍ。
【０２７１】
いずれの素子においても、コアとクラッドの比屈折率差は０．３％、導波路の厚さは８μｍとした。なお、図２９ないし図３５の素子において上記の寸法を採用した理由は、図３４に示されたデータに基づく。この寸法を有する光ブランチングデバイスは、図３４のグラフに表されるＷ２＝４μｍのデータの中で比較的低い分岐過剰損を示したからである。
【０２７２】
分岐過剰損（素子全体の損失から１×８分岐の本質的な損失９ｄＢ、入出力ファイバとの結合損、導波路の伝送損失を差し引いた値）の測定は、図３５、１１のＹ字状素子にシングルモードファイバを通じて波長１．５５μｍのレーザダイオード光を入出力することにより行われた。
【０２７３】
１×８素子の８個の出力ポートの出力平均を測定して平均分岐過剰損を求めたところ、図１１のタイプの１×８素子（比較例）は１．５３ｄＢであるのに対し、図３５の素子（図２９の素子を含む）の１×８素子の平均分岐過剰損は、０．８０ｄＢであり、比較例の素子に比べ格段に優れた特性を示した。これは、分岐側導波路４２０、４２１の末端幅が縮小された構造を採用したことに基づく効果の現れである。
【０２７４】
図３６は、図３５の１×８素子（実施例）および図１１の１×８素子（比較例）の分岐過剰損の波長特性を測定した結果を示したグラフである。なお、ここでの分岐過剰損とは、分岐一段当たりのもので、１×８素子全体の分岐過剰損を３等分したものである。
【０２７５】
図３６によれば、測定波長全域にわたり図２９の素子（実施例）のほうが低損失で、とくに、長波長領域での実施例の素子の損失は図１１の素子（比較例）のそれの半分程度である。広範囲にわたる導波光の波長領域において、実施例の素子の方が比較例の素子より優れていることが確認できる。また、実施例の素子は比較例の素子に比べ導波光波長の変化による損失の変動が小さい。したがって、本発明の導波路型光分岐素子は、広波長域にわたる光を掃引するような光測定システムなどにおいて好適な使用が可能な点でも優れている。
【０２７６】
次に、本発明の１つの実施例に係る方向性結合器について説明する。
【０２７７】
図３８はこの方向性結合器の斜視図である。図３９は、図３８のデバイスを図３８の矢印Ｈ−Ｈを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図４０Ａは、図３３に示したデバイスを図の矢印Ａ−Ａを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図４０Ｂは、図３９に示したデバイスを図の矢印Ｂ−Ｂを通る平面で切ったデバイスの断面図である。
【０２７８】
図４０Ｃは、図３９に示したデバイスを図の矢印Ｃ−Ｃを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図４０Ｄは、図３９に示したデバイスを図の矢印Ｄ−Ｄを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図４０Ｅは、図３９に示したデバイスを図の矢印Ｅ−Ｅを通る平面で切ったデバイスの断面図である。
【０２７９】
本実施例の方向性結合器は、シリコン基板６０１と、保持基板６０１上に形成されたクラッド部材６０２と、第１コア部材６６０と、第２コア部材（第２導波路）６２０と、第３コア部材（第３導波路）６２１とを備える。
【０２８０】
第１コア部材６６０は、クラッド部材６０２内に埋設されている。第２コア部材６２０は、クラッド部材６０２内に埋設されている。第２コア部材６２０は、第１コア部材６６０の第１端面６１１ｃに所定の間隔（Ｂ）をあけて対向する第２端面６２０ｃを有している。第３コア部材６２１も、クラッド部材２内に埋設されている。第３コア部材６２１は、第１コア部材６６０の第１端面６１１ｃに所定の間隔（Ｂ）をあけて対向した第３端面６２１ｃを有している。
【０２８１】
第１コア部材６６０は、第１端面６１１ｃに対向する第４端面６１１ｄを有している。
【０２８２】
第４コア部材６４０は、クラッド部材６０２内に埋設されている。第４コア部材６４０は、第１コア部材６６０の第４端面６１１ｄに対して所定の間隔（Ｂ）をあけて対向した第５端面６４０ｃを有している。
【０２８３】
第５コア部材６４１も、クラッド部材６０２内に埋設されている。第５コア部材６４１は、第１コア部材６６０の第４端面６１１ｄに対して所定の間隔（Ｂ）をあけて対向した第６端面６２１ｄを有している。
【０２８４】
クラッド部材６０２（クラッド６０２，クラッド層６０２）は、第１表面６０２ａを有している。第１表面６０２ａは、基板６０１の主表面６０１ａに平行である。この第１表面６０２ａに垂直な方向と光の伝搬する方向の双方に垂直な方向を幅方向とする。また、第１表面６０２ａに垂直な方向を厚み方向とする。第１コア部材６６０は、一定の幅および厚みを有している。
【０２８５】
第１コア部材６６０は、第１表面６０２ａに対して垂直な第１面（図３９の矢印Ｃ−Ｃを通る平面）と交差することにより規定される第１垂直断面６１２ｄを有している。第１垂直断面６１２ｄの幅は一定である。
【０２８６】
第１コア部材６６０は、第１表面６０２ａに対して平行な第３面（図３８の矢印Ｈ−Ｈを通る平面）と交差することにより規定される第１水平断面（図３９の符号６６０ａで示される）を有している。
【０２８７】
第２コア部材６２０は、第１表面６０２ａに対して垂直な第４面（図３９の矢印Ｅ−Ｅを通る平面）と交差することにより規定される第３垂直断面６２０ｅを有している。第２コア部材６２０は、第３面（Ｈ−Ｈ面）と交差することにより規定される第２水平断面（図３９の符号６２０ｆで示される）を有している。
【０２８８】
第３コア部材６２１は、第４面（Ｅ−Ｅ面）と交差することにより規定される第４垂直断面６２１ｅを有している。第３コア部材６２１は、第３面（Ｈ−Ｈ面）と交差することにより規定される第３水平断面６２１ｆを有している。
【０２８９】
第４コア部材６４０は、第１表面６０２ａに対して垂直な第５面（図３９の矢印Ａ−Ａを通る平面）と交差することにより規定される第５垂直断面６４０ｅを有している。第４コア部材６４０は、第３面（Ｈ−Ｈ面）と交差することにより規定される第４水平断面（図３９の符号６４０ｆで示される）を有している。
【０２９０】
第５コア部材６４１は、第５面（Ａ−Ａ面）と交差することにより規定される第６垂直断面６４１ｅを有している。第５コア部材６４１は、第３面（Ｈ−Ｈ面）と交差することにより規定される第５水平断面６４１ｆを有している。
【０２９１】
換言すれば、図３８ないし図４０Ｅに示された分岐導波路は、基板６０１、直線導波路（ミキサー）６６０、第２導波路６２０、第３導波路６２１、第４導波路６４０および第５導波路６４１を有している。
【０２９２】
第１端面６１１ｃの幅は、基板表面６０１ａの法線方向（厚み方向）および第１端面６１１ｃの法線方向（光軸方向）の双方に垂直な方向（幅方向）に沿った第１端面６１１ｃの長さである。第１端面６１１ｃの幅は、第２端面６２０ｃと第３端面６２１ｃとの間の距離よりも大きい。第１端面６１１ｃの幅は、第２側面６２０ｂと第３側面６２１ａとの間の距離よりも大きい。
【０２９３】
第２導波路６２０の幅は、ミキサー６６０に近づくにしたがって、細くなっている。したがって、断面６２０ｅの面積は、第２端面６２０ｃの面積よりも大きい。
【０２９４】
第３導波路６２１の幅は、ミキサー６６０に近づくにしたがって、細くなっている。したがって、断面６２１ｅの面積は、第３端面６２１ｃの面積よりも大きい。
【０２９５】
第４導波路６４０の幅は、ミキサー６６０に近づくにしたがって、細くなっている。したがって、断面６４０ｅの面積は、第５端面６４０ｃの面積よりも大きい。
【０２９６】
第５導波路６４１の幅は、ミキサー６６０に近づくにしたがって、細くなっている。したがって、断面６２１ｅの面積は、第６端面６２１ｃの面積よりも大きい。
【０２９７】
第１コア部材６６０は、第４導波路６４０および第５導波路６４１を通って第１コア部材６６０に入力された光が、第２導波路６２０および第３導波路６２１を通って光ブランチングデバイスから出力されるように配置されている。
【０２９８】
図３９の方向性結合器は、本実施例のＹ字状素子と同様に、シリコンからなる基板６０１上に形成されたコア、すなわち単一モード導波路６２０，６２１，６４０，６４１および多モード導波路６６０と、このコアが埋め込まれたクラッド６０２とを備えている。
【０２９９】
多モード導波路６６０の一方の末端６１１ｃには、単一モード導波路６２０、６２１が接続されており、他方の末端６１１ｄには単一モード導波路６４０、６４１が接続されている。単一モード導波路６２０，６２１および６４０，６４１は、それぞれ多モード導波路６６０側の端部が間隔Ａをあけて互いに近接し、多モード導波路６６０の中央線（光軸）ＯＰ６６０に関して対称に配置されている。また、第１コア部材６６０から離れるほど、単一モード導波路６２０と６２１との間隔は、広くなる。第１コア部材６６０から離れるほど、単一モード導波路６４０と６４１との間隔は、広くなる。
【０３００】
図３９に示される構造をさらに説明すると、単一モード導波路６４０，６４１の端面６４０ｃ，６４１ｃは、多モード導波路６６０の端面６６０ｄと間隔Ｂをあけて対向している。単一モード導波路６２０，６２１についても同様である。なお、本実施例の光ブランチングデバイスにおいて、優れた加工安定性と十分な低損失性を実現するためには、単一モード導波路６４０，６４１および６２０，６２１の端面６４０ｃ，６４１ｃおよび６２０ｃ，６２１ｃと多モード導波路６６０の端面６６０ｄ，６６０ｃとの間隔Ｂは、２〜８μｍ程度であることが好ましい。
【０３０１】
図３９の方向性結合器は単一モード導波路６２０，６２１，６４０，６４１とマルチモード導波路６６０とが分離した分岐部構造を有している。したがって、図９の光ブランチングデバイスにおける分岐部付近の間隙部ような作製上なまりやすい部分を有さない。したがって、図３９の素子は、図９の素子よりもさらに優れた加工安定性を有しており、歩留まりよく大量生産することができるので、大規模通信システム等の構築にいっそう適している。
【０３０２】
本発明は上記実施例に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、分岐側の単一モード導波路の末端幅が基端部より縮小された構造を有するかぎり、導波路型光分岐結合素子の組成や、各部の形状、寸法等は、上記実施例のものに限定されない。また、導波路型光分岐結合素子の構造は、本実施例の埋込み型構造に限られず、リッジ型や装荷型といった他の構造であってもよい。
【０３０３】
また、分岐側の単一モード導波路は、上記実施例のように多モード導波路の中央線に関して対称に配置されるものに限られない。本発明者らは、非対称の光分岐結合素子であっても上記実施例と同様に優れた加工安定性と低損失性が実現できるものと考える。
【０３０４】
また、光分岐結合素子の例として、Ｙ字状素子と方向性結合器をあげたが、このほかにもスターカプラなどがあり、このような素子も本発明の特徴である分岐部構造を有する限り本発明に含まれる。
【０３０５】
また、本発明の光分岐結合素子を、一の素子の出力側導波路の末端を他の素子の入力側導波路とすることにより複数組み合わせて一つの導波路型素子とすることもできる。この導波路型素子は、各素子の効果が累積されるので、優れた加工安定性を有するとともに格段に損失を抑えて、導波光を分岐、結合させて出力することができる。
【０３０６】
本発明の特徴は、多モード導波路側の末端幅が基端部の導波路幅より縮小された単一モード導波路を備えることより、２つの単一モード導波路の中心同士の間隔が狭められていることであり、このような構造を有する導波路型素子は本発明に含まれる。
【０３０７】
図４１は、図３９に示された光ブランチングデバイスＢＲ６０１を３つ用意し、これらの光ブランチングデバイスを接続した光学部品である。それぞれの光ブランチングデバイスをＢＲ６０１，ＢＲ６０２，ＢＲ６０３とする。
【０３０８】
この光学部品は、第１光ミキサー６６０と、第１の端部６２１ｃと第２の端部６２１ｐを有するＳ字型導波路６２１と、第１の端部６２０ｃと第２の端部６２０ｐを有するＳ字型導波路６２０と、第２光ミキサー１６６０と、第３光ミキサー２６６０とを備える。
【０３０９】
第１の端部６２１ｃは、第１ミキサー６６０に対向している。第２の端部６２１ｐは、第３のミキサー２６６０に対向している。第１の端部６２０ｃは、第１ミキサー６６０に対向している。第２の端部６２０ｐは、第２のミキサー１６６０に対向している。
【０３１０】
ポートＰ１ないしＰ４から入力された光は、合成されてポートＰ４ないしＰ８から出力される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の１つの実施例に係る光ブランチングデバイスを示す斜視図である。
【図２】図２Ａは、図１に示したデバイスを図１の矢印Ｈ−Ｈを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図２Ｂは、図２Ａに示したデバイスを図の矢印Ｂ−Ｂを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図２Ｃは、図２Ａに示したデバイスを図の矢印Ｃ−Ｃを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図２Ｄは、図２Ａに示したデバイスを図の矢印Ｄ−Ｄを通る平面で切ったデバイスの断面図である。
図２Ｅは、図２Ａに示したデバイスを図の矢印Ｅ−Ｅを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図２Ｆは、図２Ａに示したデバイスを図の矢印Ｆ−Ｆを通る平面で切ったデバイスの断面図である。
【図３】図３は、図２Ａに示したデバイスの断面図である。
【図４】図４は、図２に示した光ブランチングデバイスの第２コア部材２０および第３コア部材２１の端面２０ｄ，２１ｄを改良したデバイスの断面図である。
【図５】図５は、図４に示した光ブランチングデバイスを３つ用意し、これらの光ブランチングデバイスＢＲ１，ＢＲ２，ＢＲ３を接続した１ｘ４構造を有する光ブランチングデバイスの断面図である。
【図６】図６は、図４に示した光ブランチングデバイスを７つ用意し、これらの光ブランチングデバイスＢＲ１，ＢＲ２，ＢＲ３，ＢＲ４，ＢＲ５，ＢＲ６，ＢＲ７を接続した１ｘ８構造を有する光ブランチングデバイスの断面図である。
【図７】図７Ａは、図７Ｂに示した第１コア部材１０の末端、すなわち、座標Ｙ１、における導波光の電界分布、および、第２および第３コア部材２０，２１の末端、すなわち、座標Ｙ２における導波光の電界分布を示すグラフである。図７Ａにおいて、座標Ｙ１における導波光の電界分布は、実線で示し、座標Ｙ２における導波光の電界分布は、点線で示す。図７Ａに示された座標Ｘ１，Ｘ２は、図７Ｂの位置座標Ｘ１，Ｘ２にそれぞれ対応している。図７Ｂは、図１ないし図３に示した光ブランチングデバイスの第１コア部材１０，第２コア部材２０，第３コア部材２１を図１ないし図３から抜出して示す図である。図７Ｂには、座標系が示してある。
【図８】図８は、テーパ導波路１１の末端幅１１ｃ（Ｗｔ）と図１ないし図３に示した光ブランチングデバイスの分岐過剰損（ｅｘｅｓｓ ｌｏｓｓ （ｄＢ））との関係を示すグラフである。導波光の波長は、１．５５μｍである。
【図９】図９は、１つの非分岐側導波路１０から直線導波路１２に付加されたテーパ導波路１１を介して連続的に分岐側導波路２０、２１へ分岐する形状の光ブランチングデバイスを示す断面図である。
【図１０】図１０Ａは、図１０Ｂに示した第１コア部材１０の末端、すなわち、座標Ｙ１、における導波光の電界分布、および、第２および第３コア部材２０，２１の末端、すなわち、座標Ｙ２における導波光の電界分布を示すグラフである。図１０Ａにおいて、座標Ｙ１における導波光の電界分布は、実線で示し、座標Ｙ２における導波光の電界分布は、点線で示す。図１０Ａに示された座標Ｘ１，Ｘ２は、図１０Ｂの位置座標Ｘ１，Ｘ２にそれぞれ対応している。図１０Ｂは、図１１に示した光ブランチングデバイスの第１コア部材１０，第２コア部材２０，第３コア部材２１を図１０から抜出して示す図である。図１０Ｂには、座標軸が示してある。
【図１１】図１１は、比較例に係る光ブランチングデバイスの断面図である。
【図１２】図１２は、本発明の１つの実施例に係る光ブランチングデバイスを示す斜視図である。
【図１３】図１３Ａは、図１２のデバイスを図１２の矢印Ｈ−Ｈを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図１３Ｂは、図１３Ａに示したデバイスを図の矢印Ｂ−Ｂを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図１３Ｃは、図１３Ａに示したデバイスを図の矢印Ｃ−Ｃを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図１３Ｄは、図１３Ａに示したデバイスを図の矢印Ｄ−Ｄを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図１３Ｅは、図１３Ａに示したデバイスを図の矢印Ｅ−Ｅを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図１３Ｆは、図１３Ａに示したデバイスを図の矢印Ｆ−Ｆを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図１３Ｇは、図１３Ａに示したデバイスを図の矢印Ｇ−Ｇを通る平面で切ったデバイスの断面図である。
【図１４】図１４は、図１３Ａに示したデバイスの断面図である。
【図１５】図１５は、図１４に示したデバイス内を光の波面が伝搬していくようすを示す図である。第１コア部材１１０に入力された光は、第１垂直断面１１２ｅから第１端面１１１ｃに進行するにしたがって、光のパワー密度（エネルギー密度）が減少すると同時に、この光の波面ＷＡ１が第１水平断面１１０ａ内において扇型に変形する。この第２垂直断面１１６ｃの面積が、第１端面１１１ｃの面積と等しいので、この光が、第２垂直断面１１６ｃから第１端面１１１ｃへ伝搬する間にその波面ＷＡ２が、第１端面１１１ｃに平行になる。
【図１６】図１６は、図１３Ａに示した光ブランチングデバイスの第２コア部材１２０および第３コア部材１２１の端面１２０ｄ，１２１ｄを改良したデバイスの断面図である。
【図１７】図１７は、図１６に示した光ブランチングデバイスを３つ用意し、これらの光ブランチングデバイスＢＲ１０１，ＢＲ１０２，ＢＲ１０３を接続した１ｘ４構造を有する光ブランチングデバイスの断面図である。
【図１８】図１８は、直線部１１６の長さＬｓと分岐過剰損との関係を示すグラフである。すなわち、導波光の波長は１．５５μｍである。
【図１９】図１９は、図２０の１×８素子と第２比較例に係る１×８素子について、分岐過剰損の波長特性を測定した結果を示したグラフである。測定にあたっては、各素子に分光器から出射した光を入射させた。
【図２０】図２０は、図１６に示した光ブランチングデバイスを７つ用意し、これらの光ブランチングデバイスＢＲ１，ＢＲ２，ＢＲ３，ＢＲ４，ＢＲ５，ＢＲ６，ＢＲ７を接続した１ｘ８構造を有する光ブランチングデバイスの断面図である。
【図２１】実施例に係る光ブランチングデバイスの水平断面図である。
【図２２】図２２は、この光ブランチングデバイスを示す斜視図である。
【図２３】図２３Ａは、このデバイスを図の矢印Ｈ−Ｈを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図２３Ｂは、図２３Ａに示したデバイスを図の矢印Ｂ−Ｂを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図２３Ｃは、図２３Ａに示したデバイスを図の矢印Ｃ−Ｃを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図２３Ｄは、図２３Ａに示したデバイスを図の矢印Ｄ−Ｄを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図２３Ｅは、図２３Ａに示したデバイスを図の矢印Ｅ−Ｅを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図２３Ｆは、図２３Ａに示したデバイスを図の矢印Ｆ−Ｆを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図２３Ｇは、図２３Ａに示したデバイスを図の矢印Ｇ−Ｇを通る平面で切ったデバイスの断面図である。
【図２４】図２４は、図２３Ａに示した光ブランチングデバイスを示す図である。
【図２５】図２５は、図２３Ａに示した光ブランチングデバイスの第２コア部材３２０および第３コア部材３２１の端面３２０ｄ，３２１ｄを改良したデバイスの断面図である。
【図２６】図２６は、図２５に示した光ブランチングデバイスを３つ用意し、これらの光ブランチングデバイスＢＲ３０１，ＢＲ３０２，ＢＲ３０３を接続した１ｘ４構造を有する光ブランチングデバイスの断面図である。
【図２７】図２７は、図２５に示した光ブランチングデバイスを７つ用意し、これらの光ブランチングデバイスＢＲ３０１，ＢＲ３０２，ＢＲ３０３，ＢＲ３０４，Ｂ
Ｒ３０５，ＢＲ３０６，ＢＲ３０７を接続した１ｘ８構造を有する光ブランチングデバイスの断面図である。
【図２８】図２８Ａは、図２８Ｂに示した第１コア部材３１０の末端、すなわち、座標Ｙ１、における導波光の電界分布、および、第２および第３コア部材３２０，３２１の末端、すなわち、座標Ｙ２における導波光の電界分布を示すグラフである。図２８Ｂは、図２２ないし図２４示した光ブランチングデバイスの第１コア部材３１０，第２コア部材３２０，第３コア部材３２１を図２２ないし図２４から抜出して示す図である。図２８Ｂには、座標軸が示してある。
【図２９】図２９は、本発明の１つの実施例に係る光ブランチングデバイスを示す斜視図である。
【図３０】図３０Ａは、このデバイスを図２９の矢印Ｈ−Ｈを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図３０Ｂは、図３０Ａに示したデバイスを図の矢印Ｂ−Ｂを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図３０Ｃは、図３０Ａに示したデバイスを図の矢印Ｃ−Ｃを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図３０Ｄは、図３０Ａに示したデバイスを図の矢印Ｄ−Ｄを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図３０Ｅは、図３０Ａに示したデバイスを図の矢印Ｅ−Ｅを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図３０Ｆは、図３０Ａに示したデバイスを図の矢印Ｆ−Ｆを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図３０Ｇは、図３０Ａに示したデバイスを図の矢印Ｇ−Ｇを通る平面で切ったデバイスの断面図である。
【図３１】図３１は、図３０Ａに示したデバイスの断面図である。
【図３２】図３２は、図３０Ａに示した光ブランチングデバイスの第２コア部材４２０および第３コア部材４２１の端面４２０ｄ，４２１ｄを改良したデバイスの断面図である。
【図３３】図３３は、図３２に示した光ブランチングデバイスを３つ用意し、これらの光ブランチングデバイスＢＲ４０１，ＢＲ４０２，ＢＲ４０３を接続した１ｘ４構造を有する光ブランチングデバイスを示す図である。
【図３４】図３４は、図２９ないし図３１に示した本実施例のＹ字状素子について、直線部４１６の幅（＝Ｗｔ）と分岐側導波路４２０，４２１の末端幅（＝Ｗ２）をパラメーターとして、導波光の波長が１．５５μｍの場合の分岐過剰損を計算し、その結果を示したグラフである。
【図３５】図３５は、図３２に示した光ブランチングデバイスを７つ用意し、これらの光ブランチングデバイスＢＲ４０１，ＢＲ４０２，ＢＲ４０３，ＢＲ４０４，ＢＲ４０５，ＢＲ４０６，ＢＲ４０７を接続した１ｘ８構造を有する光ブランチングデバイスの断面図である。
【図３６】図３６は、図３５の１×８素子（実施例）および図１１の１×８素子（比較例）の分岐過剰損の波長特性を測定した結果を示したグラフである。
【図３７】実施例に係る光ブランチングデバイス内を波面が伝搬するようすを示す断面図である。
【図３８】図３８は、方向性結合器の斜視図である。
【図３９】図３９は、図３８のデバイスを図３８の矢印Ｈ−Ｈを通る平面で切ったデバイスの断面図である。
【図４０】図４０Ａは、図３９に示したデバイスを図の矢印Ａ−Ａを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図４０Ｂは、図３９に示したデバイスを図の矢印Ｂ−Ｂを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図４０Ｃは、図３９に示したデバイスを図の矢印Ｃ−Ｃを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図４０Ｄは、図３９に示したデバイスを図の矢印Ｄ−Ｄを通る平面で切ったデバイスの断面図である。図４０Ｅは、図３９に示したデバイスを図の矢印Ｅ−Ｅを通る平面で切ったデバイスの断面図である。
【図４１】図４１は、図３９に示された光ブランチングデバイスを３つ用意し、これらを接続した光学部品の断面図である。
【符号の説明】
１…基板、２…クラッド、１０…第１コア部材（第１テーパ導波路）、１１，１５…テーパ導波路（第２テーパ導波路）、１２…直線導波路、１６…第４導波路、２０…第２コア部材（第２導波路）、２０…第３コア部材（第３導波路）、３０…くさび部。

Claims (10)

1. 基板上に設けられたクラッド部材と、前記クラッド部材内に埋設された第１、第２及び第３コア部材とを備える光ブランチングデバイスにおいて、
   前記第１コア部材は前記クラッド部材内に埋設された端面を有し、
   前記第２及び第３コア部材のそれぞれは前記クラッド部材の一部分を介して前記第１コア部材の前記端面に対向して離隔した対向面を有しており、
   前記第２コア部材の前記対向面の幅Ｗ１と、前記第３コア部材の前記対向面の幅Ｗ２と、前記第２及び第３コア部材間の最小離隔距離Ａとの合計よりも、前記第１コア部材の前記端面の幅Ｗｔは広く、
   前記第２及び第３コア部材の前記対向面は前記第１コア部材の前記端面に対して全て対向しており、
   分岐過剰損が０．３ｄＢ以下であることを特徴とする光ブランチングデバイス。
2. 以下の関係式：
   Ｗｔ＜Ｗ１＋Ｗ２＋Ａ＋１０μｍ
   を更に満たすことを特徴とする請求項１に記載の光ブランチングデバイス。
3. 前記第１コア部材は、前記端面を含むテーパ部と、前記テーパ部の一端に連続する直線部とを備えることを特徴とする請求項１に記載の光ブランチングデバイス。
4. 前記第１コア部材は、前記端面を含む幅広の直線部と、前記直線部よりも狭い幅を有する幅狭の直線部と、これらの直線部間を接続するテーパ部とを備えることを特徴とする請求項１に記載の光ブランチングデバイス。
5. 前記第２及び第３コア部材間に介在する遮光部材を備えることを特徴とする請求項１に記載の光ブランチングデバイス。
6. 前記第１コア部材の終端に接続され前記第１コア部材内に光を導入する光ファイバを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の光ブランチングデバイス。
7. 第１コア部材の幅Ｗｔは、２３マイクロメーターより大きく、２９マイクロメーターより小さいことを特徴とする請求項１に記載の光ブランチングデバイス。
8. 前記幅広の直線部の長さは４００μｍよりも小さく、１００μｍよりも大きいことを特徴とする請求項４に記載の光学部品。
9. 前記第１コア部材は入力された光のエネルギー密度を下げて前記端面に対して波面が平行となるように機能する形状とされていることを特徴とする請求項１に記載の光ブランチングデバイス。
10. 請求項１に記載の光ブランチングデバイスを複数備えてなる光学部品。

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