JP4127975B2 - 光導波装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放射光を所定領域に閉じ込め、そのエネルギーを所定方向に伝達して出力する光導波装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光導波路を備えた光導波装置において、光パワー（エネルギー）の分割及び結合は重要な基本的機能である。この場合、出力時までのエネルギー損失の抑制化及び各出力ポート間における転送損失の均一化を図ることが重要な課題である。その一方で、光導波装置の更なる小型化を図ることが、製造コストを低減し、且つ当該装置の広範囲の応用を容易化するために必須のもう一つの要請である。
【０００３】
従来の光導波装置のいくつかの具体例を以下に示す。
【０００４】
初めに、図７に示すように、複モード干渉デバイス（ＭＭＩ：Multi-Mode Interference device）がある。
この装置は、入射光を単一の光モードとする入力導波路１０１と、パワー分割して出力する複数の出力導波路１０２と、光の伝播方向に沿って同幅に形成され、入力導波路１０１と出力導波路１０２とを接続し、光の伝播方向に沿って複数の光モードを惹起する導波路１０３とを備えて構成されている。
【０００５】
入力導波路１０１で単一の光モードとされた入射光は、導波路１０３にて複数の光モードとされ、各出力導波路１０２でパワー分割されて出力される。導波路１０３の各出力導波路１０２側の端部（図７中、楕円Ｅで示す）における電磁場強度は、図示のように各出力導波路１０２に対応した部位でそれぞれピークを有する形状に分布する。
【０００６】
次に、図８に示すように、スターカップラー（Star Coupler）デバイスがある。
この装置は、ＭＭＩデバイスと同様の入力導波路１０１と、各々出力部へ向かって幅狭となるテーパ形状で放射状に設けられ、パワー分割して出力する複数の出力導波路１０４と、入力導波路１０１と出力導波路１０４とを接続し、各出力導波路１０４へ向かって光を自由伝播させる通路１０５とを備えて構成されている。
【０００７】
入力導波路１０１で単一の光モードとされた入射光は、通路１０５を自由伝播し、各出力導波路１０４でパワー分割されて出力される。通路１０５の各出力導波路１０４側の端部（図８中、楕円Ｅで示す）における電磁場強度は、図示のように中央部位をピークとするなだらかな略釣鐘形状に分布する。
【０００８】
次に、図９に示すように、Ｙ分岐（Y-branch）デバイスがある。
この装置は、ＭＭＩデバイスと同様の入力導波路１０１と、各々放射状に設けられ、パワー分割して出力する２つの出力導波路１０６と、入力導波路１０１と出力導波路１０６とを接続し、断熱、即ち光の伝播方向に沿って光モードを不変とする微小テーパ角を有するテーパ状導波路１０７とを備えて構成されている。
【０００９】
入力導波路１０１で単一の光モードとされた入射光は、導波路１０７を光モードを変えずに伝播し、各出力導波路１０６でパワー分割されて出力される。導波路１０７の各出力導波路１０７側の端部（図９中、楕円Ｅで示す）における電磁場強度は、図示のように中央部位をピークとするなだらかな略釣鐘形状に分布する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の各光導波装置には、以下に示すような問題がある。
【００１１】
ＭＭＩデバイスは、出力ポートを構成する各出力導波路１０２間における均一な光結合を得るには優れている反面、導波路１０３の長さが出力ポート数の２乗に比例して増大するため、十分な数の出力ポートを設ければ、必然的に実際の製造が困難な程に過大なものとなってしまう。
【００１２】
スターカップラーデバイスは、多数の出力ポートを設けた場合でも小型サイズに抑えることが可能であるが、各出力ポート間における均一な光結合を得るために通路１０５の幅を調整することが必要である。この場合、極めて大きな幅が要求されるために通路１０５を長くせざるを得ず、しかも各出力導波路１０４にテーパを設ける必要があるため、装置全体のサイズは更に大きくなる。
【００１３】
Ｙ分岐デバイスは、光モード変換を避けて断熱状態を実現するために、テーパ角を小さくする要請から、その長さを極めて大きくすることが必要となる。
【００１４】
このように、従来の光導波装置では、各出力ポート間における光結合の均一化の要請を満たすことは可能であるが、これを満足させつつも装置全体の小型化の要請に応えることは極めて困難であるという現況にある。
【００１５】
そこで本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、各出力ポート間における光結合の均一化の要請と、装置全体の小型化の要請の双方を共に十分満たし、各種の有用な応用を自在とする信頼性の高い高精度の光導波装置及び光導波方法を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、鋭意検討の結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。
【００１７】
本発明の光導波装置は、単一の光モードとする入力導波路と、複数の出力導波路と、前記入力導波路と前記各出力導波路とを接続し、前記入力導波路から前記各出力導波路へ向かうにつれて徐々に幅広となるテーパ状導波路とを備え、前記テーパ状導波路は、当該テーパ状導波路を光が伝播する間に、より低次数の光モードがより高次数の光モードと結合するに十分な程度の大きさのテーパ角度とされており、前記テーパ状導波路は、その幅狭端における幅が前記入力導波路の幅より広く、単一の低次数モードの光が前記入力導波路から前記テーパ状導波路の前記幅狭端に入射するときに高次数モードに変換されるものであり、前記テーパ状導波路の出力側における電磁場強度分布は、ほぼ平坦形状でその縁部で急激に減少する形状となることを特徴とするものである。
【００１８】
ここで、前記複数の出力導波路のうち、最も外側の前記出力導波路は、その他の前記出力導波路よりも幅広に形成されることが好ましい。
【００１９】
また、前記テーパ状導波路は、そのテーパ角が、当該テーパ状導波路の幅広端における前記電磁場強度分布が最大限に平坦となるように数値解析的手法により最適化されてなる断面直線状テーパ面を有することが好ましい。
【００２０】
また、前記各出力導波路は、その中心軸が前記テーパ状導波路の前記幅狭端へ向かうような方向に設けられていることが好ましい。
【００２１】
また、前記各出力導波路は、前記テーパ状導波路の前記幅広端において電磁波の同位相波面上に位置していることが好ましい。
【００２２】
また、前記各出力導波路は、それぞれ略等しいパワー効率が得られるように数値解析的手法により最適化されてなる幅を有することが好ましい。
【００２３】
また、前記各出力導波路は、前記テーパ状導波路の前記幅広端へ向かうにつれて徐々に幅広となるテーパ状とされていることが好ましい。
【００２４】
この場合、前記各出力導波路は、当該各出力導波路を光が伝播する間に、より高次数の光モードがより低次数の光モードと結合するに十分な程度の大きさのテーパ角度とされていることが好適である。
【００２５】
また、前記各出力導波路は、屈曲形状とされていることが好ましい。
【００２６】
更に本発明は、光導波方法を対象とし、入射光を単一の光モードとし、より低次数の光モードがより高次数の光モードと結合するに十分な程度の大きさのテーパ角を有する導波路に光を導波させた後に、複数のパワーに分割して出力することを特徴とする。
【００２７】
本発明の光導波装置においては、先ずその導波路が、伝達する光のモード変換を惹起する非断熱構造とされているため、各出力ポート間において均一な光結合を得ることができる。更にはこれに加え、当該導波路が、前記非断熱構造を可能とするように、より低次数の光モードがより高次数の光モードと結合するに十分な程度の大きさのテーパ角を有するため、断熱構造の場合の如く導波路を長くする必要がなく、出力ポートを多く設けて光結合の更なる均一化を図る場合でも、装置全体を小型に抑えることができる。即ち、出力ポートを多く設けて光結合の均一化を向上させるとともに、これに伴う装置サイズの増加を最小限に抑え、装置の小型化の要請にも十分に応えることが可能となる。
【００２８】
具体的に、前記テーパ状導波路を断面直線状テーパ面を有するように構成する場合では、導波路の長さは出力ポート数に比例して増大するに過ぎない。従って、出力ポート数を増加させるほど、装置サイズの相対的な小型化が顕著となることから、本発明は光結合がより均一化された小型の光導波装置を実現する際に有用となる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した好適な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３０】
図１は、本実施形態の光導波装置の主要構成を示す概略断面図である。
この光導波装置は、入射光を単一の光モードとする入力導波路１と、入射光をパワー分割して出力する複数の出力導波路２と、入力導波路１と出力導波路２とを接続し、入力導波路１から各出力導波路２へ向かうにつれて徐々に幅広となるテーパ状導波路３とを備えて構成されている。
【００３１】
テーパ状導波路３は、当該テーパ状導波路３を光が伝播する間に、非断熱状態、即ちより低次数の光モードがより高次数の光モードと結合するに十分な程度の大きさのテーパ角度とされている。具体的に、このテーパは、テーパ状導波路３の幅広端における電磁場強度分布が最大限に平坦となるように数値解析的手法により最適化されてなる断面直線状（以下、直線状テーパと称する。）とされている。
【００３２】
更に、テーパ状導波路３は、図１中の円Ｃ内に示すように、その入力導波路１側の端部（幅狭端）における幅が、入力導波路１の幅より広く、所定数の光モードの離散スペクトルを維持するに十分なほど小さい値とされている。
【００３３】
各出力導波路２は、それぞれ略等しいパワー効率が得られるように数値解析的手法により最適化されてなる幅を有しており、本実施形態においては、縁部位における電磁場強度の急激な減少を補償するために、最も外側の出力導波路２はその他の出力導波路２に比して幅広に形成されている。
【００３４】
また、各出力導波路２間の間隔は、余分な光パワーの損失を最小に抑えるべく、可及的に小さくすることが好ましい。
【００３５】
この光導波装置において、入力導波路１で単一の光モードとされた入射光は、テーパ状導波路３にて前記非断熱構造により光モード変換が惹起され、各出力導波路２でパワー分割されて出力される。テーパ状導波路３の各出力導波路２側の端部（図１中、楕円Ｅで示す）における電磁場強度は、図示のように縁部位で急激に減少し、その他の部位では略平坦な最良形状に分布する。
【００３６】
本実施形態による光導波装置（特に、直線状テーパを有する装置）により、上記のような電磁場強度分布を実現させるメカニズムには、以下の２つものが考えられる。
【００３７】
第１のメカニズムとしては、テーパ状導波路３における光の伝播に沿ったモード変換に基づく、パワーの再配分である。
全体の電磁場強度分布の形状は、テーパ状導波路３の入力導波路１側の端部で最も急速に変化する。そこでは、テーパ状導波路３の幅及び光モード数はいずれもまだ小さい。前記端部から離れるほど、全体の電磁場強度分布の形状は、より緩やかに変化するようになる。
【００３８】
図２は、テーパ状導波路３のテーパ角を明示する概略上面図である。
テーパ角を大きくすると、光モード変換が起こり始める。断熱状態から非断熱状態への遷移は徐々に実現する。光線理論を用いて、光モード変換を惹起するためのテーパ角の大よその最小限界を求めることができる。対称的な励起作用を呈するために、テーパ角は、基本次数モードと２次モードの伝播角における差の１／４倍よりも小さくすることが好ましい。
【００３９】
テーパ状導波路３の幅広端において、２次モードが存在しない場合には、２次モードの伝播角の代わりに臨界角を用いる。好ましくは、テーパ角はおよそ１°〜１０°程度である。
【００４０】
第２のメカニズムとしては、入力導波路１とテーパ状導波路３との間の遷移における、より高次の光モード励起であり、これは第１のメカニズムとの組み合わせで明確な意味を持つ。
これは、図１のように、テーパ状導波路３の入力導波路１側の端部の幅が入力導波路１の幅よりも大きくされていれば起こる。この複モード励起の結果として、テーパ壁の出力導波路２側の端部に起因して、縁部位で急激に減少する電磁場強度分布形状が得られる。テーパ状導波路３の入力導波路１側の端部を幅広とすることにより、入力導波路１とテーパ状導波路３との間における結合効率が向上し、更には電磁場強度分布形状の縁部位における急激な減少をも助長する。
【００４１】
以上説明したように、本実施形態の光導波装置によれば、先ずそのテーパ状導波路３が、伝達する光のモード変換を惹起する非断熱構造とされているため、各出力導波路２間において均一な光結合を得ることができる。更にはこれに加え、テーパ状導波路３が、前記非断熱構造を可能とするように、より低次数の光モードがより高次数の光モードと結合するに十分な程度の大きさのテーパ角を有するため、断熱構造の場合の如く導波路を長くする必要がなく、出力ポートを多く設けて光結合の更なる均一化を図る場合でも、装置全体を小型に抑えることができる。即ち、出力ポートを多く設けて光結合の均一化を向上させるとともに、これに伴う装置サイズの増加を最小限に抑え、装置の小型化の要請にも十分に応えることが可能となる。
【００４２】
−変形例−
ここで、本実施形態による光導波装置の諸変形例について説明する。なお、図１で示した構成要素と同様のものについては、同符号を付して説明を省略する。
【００４３】
（変形例１）
図３は、変形例１の光導波装置の主要構成を示す概略断面図である。
ここで、各テーパ状出力導波路１１は、光の出射部へ向かうにつれて徐々に幅広となるテーパ状とされており、非断熱状態、即ち当該各テーパ状出力導波路１１を光が伝播する間に、より低次数の光モードがより高次数の光モードと結合するに十分な程度の大きさのテーパ角度とされている。更に各出力導波路２は、その中心軸がテーパ状導波路３の幅狭端へ向かうような方向、即ち入力導波路１の端部へ向かうような方向に設けられている。
これにより、光の同位相波面が湾曲し、最も高い結合効率を得ることが可能となる。
【００４４】
更に、各テーパ状出力導波路１１を、テーパ状導波路３の幅広端において電磁波の波面上に位置するように配置することが好ましい。
これにより、各テーパ状出力導波路１１内で同じ位相を得ることが可能となる。
【００４５】
（変形例２）
図４は、変形例２の光導波装置の主要構成を示す概略断面図である。
ここで、各屈曲テーパ状出力導波路１２は、変形例１のテーパ状出力導波路１１と同様なテーパ状とされたことに加え、光の出射部へ向かうにつれて外側へ向かって徐々に屈曲した形状とされている。
これにより、高い結合効率を保ちつつも、各出力導波路１２を含む光導波装置全体のサイズを更に縮小することが可能となる。
【００４６】
【実施例】
実際に、本発明に基づき、図１に対応して図５に示すような光導波装置を作製した。この光導波装置は、厚みが２００ｎｍ程度、バンドギャップ波長が１．３μｍ程度のＩｎＧａＡｓＰコアを有するＩｎＰ埋め込み型の装置である。
【００４７】
ここでは、テーパ状導波路の狭幅端の幅と、テーパ状導波路のテーパ角を、テーパの幅広端において平坦な電磁場強度分布形状を得るため、広角ビーム伝播法シミュレーションを用いて最適化した。これにより、前記狭幅端の幅及び前記テーパ角の組み合わせ、出力導波路の最小幅、各出力導波路の最小間隔、並びに出力ポート数に依存したテーパの最小長さを算出した。
【００４８】
この例では、出力導波路の最小幅は１．６μｍ程度、各出力導波路の最小間隔は２．５μｍ程度となった。余分なエネルギー損失を抑える要請から、最も外側の出力導波路の幅を適切な最大値に設定し、これにより、全ての出力導波路について均一な結合が得られる。
【００４９】
図６は、複数の出力導波路を設けた場合における各出力導波路の損失（ｄＢ）を調べた特性図である。
このように、縁部位で急激に減少し、その他の部位では略平坦な最良形状の電磁場強度分布に対応するような極めて良好な結果が得られた。
【００５０】
以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。
【００５１】
（付記１） 単一の光モードとする入力導波路と、
複数の出力導波路と、
前記入力導波路と前記各出力導波路とを接続し、前記入力導波路から前記各出力導波路へ向かうにつれて徐々に幅広となるテーパ状導波路とを備え、
前記テーパ状導波路は、当該テーパ状導波路を光が伝播する間に、より低次数の光モードがより高次数の光モードと結合するに十分な程度の大きさのテーパ角度とされていることを特徴とする光導波装置。
【００５２】
（付記２） 前記テーパ状導波路は、その幅狭端における幅が、前記入力導波路の幅より広く、所定数の光モードの離散スペクトルを維持するに十分なほど小さい値とされていることを特徴とする付記１に記載の光導波装置。
【００５３】
（付記３） 前記テーパ状導波路は、前記テーパ角が当該テーパ状導波路の幅広端における電磁場強度分布が最大限に平坦となるように数値解析的手法により最適化されてなる断面直線状テーパ面を有することを特徴とする付記１又は２に記載の光導波装置。
【００５４】
（付記４） 前記各出力導波路は、その中心軸が前記テーパ状導波路の前記幅狭端へ向かうような方向に設けられていることを特徴とする付記３に記載の光導波装置。
【００５５】
（付記５） 前記各出力導波路は、前記テーパ状導波路の前記幅広端において電磁波の波面上に位置していることを特徴とする付記３又は４に記載の光導波装置。
【００５６】
（付記６） 前記各出力導波路は、それぞれ略等しいパワー効率が得られるように数値解析的手法により最適化されてなる幅を有することを特徴とする付記１〜５のいずれか１項に記載の光導波装置。
【００５７】
（付記７） 前記各出力導波路は、前記テーパ状導波路の前記幅広端へ向かうにつれて徐々に幅広となるテーパ状とされていることを特徴とする付記１〜６のいずれか１項に記載の光導波装置。
【００５８】
（付記８） 前記各出力導波路は、当該各出力導波路を光が伝播する間に、より高次数の光モードがより低次数の光モードと結合するに十分な程度の大きさのテーパ角度とされていることを特徴とする付記７に記載の光導波装置。
【００５９】
（付記９） 前記各出力導波路は、屈曲形状とされていることを特徴とする付記７又は８に記載の光導波装置。
【００６０】
（付記１０） 入射光を単一の光モードとし、より低次数の光モードがより高次数の光モードと結合するに十分な程度の大きさのテーパ角を有する導波路に光を導波させた後に、複数のパワーに分割して出力することを特徴とする光導波方法。
【００６１】
（付記１１） 前記導波路の幅広端における電磁場強度分布が最大限に平坦とされることを特徴とする付記１０に記載の光導波方法。
【００６２】
（付記１２） それぞれ略等しいパワー効率とされるように複数のパワーに分割して出力が行われることを特徴とする付記１０又は１１に記載の光導波方法。
【００６３】
【発明の効果】
本発明によれば、ポート間における光結合の均一化の要請と、装置全体の小型化の要請の双方を共に十分満たし、各種の有用な応用を自在とする信頼性の高い高精度の光導波装置及び光導波方法が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の光導波装置の主要構成を示す概略断面図である。
【図２】本実施形態の光導波装置におけるテーパ状導波路のテーパ角を明示する概略上面図である。
【図３】本実施形態の変形例１の光導波装置の主要構成を示す概略断面図である。
【図４】本実施形態の変形例２の光導波装置の主要構成を示す概略断面図である。
【図５】本実施例で作製したＩｎＧａＡｓＰコアを有するＩｎＰ埋め込み型の光導波装置を示す概略断面図である。
【図６】複数の出力導波路を設けた場合における各出力導波路の損失（ｄＢ）を調べた特性図である。
【図７】従来の光導波装置として複モード干渉デバイスを示す概略断面図である。
【図８】従来の光導波装置としてスターカップラーデバイスを示す概略断面図である。
【図９】従来の光導波装置としてＹ分岐デバイスを示す概略断面図である。
【符号の説明】
１ 入力導波路
２ 出力導波路
３ テーパ状導波路
１１ テーパ状出力導波路
１２ 屈曲テーパ状出力導波路
【発明の属する技術分野】
本発明は、放射光を所定領域に閉じ込め、そのエネルギーを所定方向に伝達して出力する光導波装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光導波路を備えた光導波装置において、光パワー（エネルギー）の分割及び結合は重要な基本的機能である。この場合、出力時までのエネルギー損失の抑制化及び各出力ポート間における転送損失の均一化を図ることが重要な課題である。その一方で、光導波装置の更なる小型化を図ることが、製造コストを低減し、且つ当該装置の広範囲の応用を容易化するために必須のもう一つの要請である。
【０００３】
従来の光導波装置のいくつかの具体例を以下に示す。
【０００４】
初めに、図７に示すように、複モード干渉デバイス（ＭＭＩ：Multi-Mode Interference device）がある。
この装置は、入射光を単一の光モードとする入力導波路１０１と、パワー分割して出力する複数の出力導波路１０２と、光の伝播方向に沿って同幅に形成され、入力導波路１０１と出力導波路１０２とを接続し、光の伝播方向に沿って複数の光モードを惹起する導波路１０３とを備えて構成されている。
【０００５】
入力導波路１０１で単一の光モードとされた入射光は、導波路１０３にて複数の光モードとされ、各出力導波路１０２でパワー分割されて出力される。導波路１０３の各出力導波路１０２側の端部（図７中、楕円Ｅで示す）における電磁場強度は、図示のように各出力導波路１０２に対応した部位でそれぞれピークを有する形状に分布する。
【０００６】
次に、図８に示すように、スターカップラー（Star Coupler）デバイスがある。
この装置は、ＭＭＩデバイスと同様の入力導波路１０１と、各々出力部へ向かって幅狭となるテーパ形状で放射状に設けられ、パワー分割して出力する複数の出力導波路１０４と、入力導波路１０１と出力導波路１０４とを接続し、各出力導波路１０４へ向かって光を自由伝播させる通路１０５とを備えて構成されている。
【０００７】
入力導波路１０１で単一の光モードとされた入射光は、通路１０５を自由伝播し、各出力導波路１０４でパワー分割されて出力される。通路１０５の各出力導波路１０４側の端部（図８中、楕円Ｅで示す）における電磁場強度は、図示のように中央部位をピークとするなだらかな略釣鐘形状に分布する。
【０００８】
次に、図９に示すように、Ｙ分岐（Y-branch）デバイスがある。
この装置は、ＭＭＩデバイスと同様の入力導波路１０１と、各々放射状に設けられ、パワー分割して出力する２つの出力導波路１０６と、入力導波路１０１と出力導波路１０６とを接続し、断熱、即ち光の伝播方向に沿って光モードを不変とする微小テーパ角を有するテーパ状導波路１０７とを備えて構成されている。
【０００９】
入力導波路１０１で単一の光モードとされた入射光は、導波路１０７を光モードを変えずに伝播し、各出力導波路１０６でパワー分割されて出力される。導波路１０７の各出力導波路１０７側の端部（図９中、楕円Ｅで示す）における電磁場強度は、図示のように中央部位をピークとするなだらかな略釣鐘形状に分布する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の各光導波装置には、以下に示すような問題がある。
【００１１】
ＭＭＩデバイスは、出力ポートを構成する各出力導波路１０２間における均一な光結合を得るには優れている反面、導波路１０３の長さが出力ポート数の２乗に比例して増大するため、十分な数の出力ポートを設ければ、必然的に実際の製造が困難な程に過大なものとなってしまう。
【００１２】
スターカップラーデバイスは、多数の出力ポートを設けた場合でも小型サイズに抑えることが可能であるが、各出力ポート間における均一な光結合を得るために通路１０５の幅を調整することが必要である。この場合、極めて大きな幅が要求されるために通路１０５を長くせざるを得ず、しかも各出力導波路１０４にテーパを設ける必要があるため、装置全体のサイズは更に大きくなる。
【００１３】
Ｙ分岐デバイスは、光モード変換を避けて断熱状態を実現するために、テーパ角を小さくする要請から、その長さを極めて大きくすることが必要となる。
【００１４】
このように、従来の光導波装置では、各出力ポート間における光結合の均一化の要請を満たすことは可能であるが、これを満足させつつも装置全体の小型化の要請に応えることは極めて困難であるという現況にある。
【００１５】
そこで本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、各出力ポート間における光結合の均一化の要請と、装置全体の小型化の要請の双方を共に十分満たし、各種の有用な応用を自在とする信頼性の高い高精度の光導波装置及び光導波方法を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、鋭意検討の結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。
【００１７】
本発明の光導波装置は、単一の光モードとする入力導波路と、複数の出力導波路と、前記入力導波路と前記各出力導波路とを接続し、前記入力導波路から前記各出力導波路へ向かうにつれて徐々に幅広となるテーパ状導波路とを備え、前記テーパ状導波路は、当該テーパ状導波路を光が伝播する間に、より低次数の光モードがより高次数の光モードと結合するに十分な程度の大きさのテーパ角度とされており、前記テーパ状導波路は、その幅狭端における幅が前記入力導波路の幅より広く、単一の低次数モードの光が前記入力導波路から前記テーパ状導波路の前記幅狭端に入射するときに高次数モードに変換されるものであり、前記テーパ状導波路の出力側における電磁場強度分布は、ほぼ平坦形状でその縁部で急激に減少する形状となることを特徴とするものである。
【００１８】
ここで、前記複数の出力導波路のうち、最も外側の前記出力導波路は、その他の前記出力導波路よりも幅広に形成されることが好ましい。
【００１９】
また、前記テーパ状導波路は、そのテーパ角が、当該テーパ状導波路の幅広端における前記電磁場強度分布が最大限に平坦となるように数値解析的手法により最適化されてなる断面直線状テーパ面を有することが好ましい。
【００２０】
また、前記各出力導波路は、その中心軸が前記テーパ状導波路の前記幅狭端へ向かうような方向に設けられていることが好ましい。
【００２１】
また、前記各出力導波路は、前記テーパ状導波路の前記幅広端において電磁波の同位相波面上に位置していることが好ましい。
【００２２】
また、前記各出力導波路は、それぞれ略等しいパワー効率が得られるように数値解析的手法により最適化されてなる幅を有することが好ましい。
【００２３】
また、前記各出力導波路は、前記テーパ状導波路の前記幅広端へ向かうにつれて徐々に幅広となるテーパ状とされていることが好ましい。
【００２４】
この場合、前記各出力導波路は、当該各出力導波路を光が伝播する間に、より高次数の光モードがより低次数の光モードと結合するに十分な程度の大きさのテーパ角度とされていることが好適である。
【００２５】
また、前記各出力導波路は、屈曲形状とされていることが好ましい。
【００２６】
更に本発明は、光導波方法を対象とし、入射光を単一の光モードとし、より低次数の光モードがより高次数の光モードと結合するに十分な程度の大きさのテーパ角を有する導波路に光を導波させた後に、複数のパワーに分割して出力することを特徴とする。
【００２７】
本発明の光導波装置においては、先ずその導波路が、伝達する光のモード変換を惹起する非断熱構造とされているため、各出力ポート間において均一な光結合を得ることができる。更にはこれに加え、当該導波路が、前記非断熱構造を可能とするように、より低次数の光モードがより高次数の光モードと結合するに十分な程度の大きさのテーパ角を有するため、断熱構造の場合の如く導波路を長くする必要がなく、出力ポートを多く設けて光結合の更なる均一化を図る場合でも、装置全体を小型に抑えることができる。即ち、出力ポートを多く設けて光結合の均一化を向上させるとともに、これに伴う装置サイズの増加を最小限に抑え、装置の小型化の要請にも十分に応えることが可能となる。
【００２８】
具体的に、前記テーパ状導波路を断面直線状テーパ面を有するように構成する場合では、導波路の長さは出力ポート数に比例して増大するに過ぎない。従って、出力ポート数を増加させるほど、装置サイズの相対的な小型化が顕著となることから、本発明は光結合がより均一化された小型の光導波装置を実現する際に有用となる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した好適な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３０】
図１は、本実施形態の光導波装置の主要構成を示す概略断面図である。
この光導波装置は、入射光を単一の光モードとする入力導波路１と、入射光をパワー分割して出力する複数の出力導波路２と、入力導波路１と出力導波路２とを接続し、入力導波路１から各出力導波路２へ向かうにつれて徐々に幅広となるテーパ状導波路３とを備えて構成されている。
【００３１】
テーパ状導波路３は、当該テーパ状導波路３を光が伝播する間に、非断熱状態、即ちより低次数の光モードがより高次数の光モードと結合するに十分な程度の大きさのテーパ角度とされている。具体的に、このテーパは、テーパ状導波路３の幅広端における電磁場強度分布が最大限に平坦となるように数値解析的手法により最適化されてなる断面直線状（以下、直線状テーパと称する。）とされている。
【００３２】
更に、テーパ状導波路３は、図１中の円Ｃ内に示すように、その入力導波路１側の端部（幅狭端）における幅が、入力導波路１の幅より広く、所定数の光モードの離散スペクトルを維持するに十分なほど小さい値とされている。
【００３３】
各出力導波路２は、それぞれ略等しいパワー効率が得られるように数値解析的手法により最適化されてなる幅を有しており、本実施形態においては、縁部位における電磁場強度の急激な減少を補償するために、最も外側の出力導波路２はその他の出力導波路２に比して幅広に形成されている。
【００３４】
また、各出力導波路２間の間隔は、余分な光パワーの損失を最小に抑えるべく、可及的に小さくすることが好ましい。
【００３５】
この光導波装置において、入力導波路１で単一の光モードとされた入射光は、テーパ状導波路３にて前記非断熱構造により光モード変換が惹起され、各出力導波路２でパワー分割されて出力される。テーパ状導波路３の各出力導波路２側の端部（図１中、楕円Ｅで示す）における電磁場強度は、図示のように縁部位で急激に減少し、その他の部位では略平坦な最良形状に分布する。
【００３６】
本実施形態による光導波装置（特に、直線状テーパを有する装置）により、上記のような電磁場強度分布を実現させるメカニズムには、以下の２つものが考えられる。
【００３７】
第１のメカニズムとしては、テーパ状導波路３における光の伝播に沿ったモード変換に基づく、パワーの再配分である。
全体の電磁場強度分布の形状は、テーパ状導波路３の入力導波路１側の端部で最も急速に変化する。そこでは、テーパ状導波路３の幅及び光モード数はいずれもまだ小さい。前記端部から離れるほど、全体の電磁場強度分布の形状は、より緩やかに変化するようになる。
【００３８】
図２は、テーパ状導波路３のテーパ角を明示する概略上面図である。
テーパ角を大きくすると、光モード変換が起こり始める。断熱状態から非断熱状態への遷移は徐々に実現する。光線理論を用いて、光モード変換を惹起するためのテーパ角の大よその最小限界を求めることができる。対称的な励起作用を呈するために、テーパ角は、基本次数モードと２次モードの伝播角における差の１／４倍よりも小さくすることが好ましい。
【００３９】
テーパ状導波路３の幅広端において、２次モードが存在しない場合には、２次モードの伝播角の代わりに臨界角を用いる。好ましくは、テーパ角はおよそ１°〜１０°程度である。
【００４０】
第２のメカニズムとしては、入力導波路１とテーパ状導波路３との間の遷移における、より高次の光モード励起であり、これは第１のメカニズムとの組み合わせで明確な意味を持つ。
これは、図１のように、テーパ状導波路３の入力導波路１側の端部の幅が入力導波路１の幅よりも大きくされていれば起こる。この複モード励起の結果として、テーパ壁の出力導波路２側の端部に起因して、縁部位で急激に減少する電磁場強度分布形状が得られる。テーパ状導波路３の入力導波路１側の端部を幅広とすることにより、入力導波路１とテーパ状導波路３との間における結合効率が向上し、更には電磁場強度分布形状の縁部位における急激な減少をも助長する。
【００４１】
以上説明したように、本実施形態の光導波装置によれば、先ずそのテーパ状導波路３が、伝達する光のモード変換を惹起する非断熱構造とされているため、各出力導波路２間において均一な光結合を得ることができる。更にはこれに加え、テーパ状導波路３が、前記非断熱構造を可能とするように、より低次数の光モードがより高次数の光モードと結合するに十分な程度の大きさのテーパ角を有するため、断熱構造の場合の如く導波路を長くする必要がなく、出力ポートを多く設けて光結合の更なる均一化を図る場合でも、装置全体を小型に抑えることができる。即ち、出力ポートを多く設けて光結合の均一化を向上させるとともに、これに伴う装置サイズの増加を最小限に抑え、装置の小型化の要請にも十分に応えることが可能となる。
【００４２】
−変形例−
ここで、本実施形態による光導波装置の諸変形例について説明する。なお、図１で示した構成要素と同様のものについては、同符号を付して説明を省略する。
【００４３】
（変形例１）
図３は、変形例１の光導波装置の主要構成を示す概略断面図である。
ここで、各テーパ状出力導波路１１は、光の出射部へ向かうにつれて徐々に幅広となるテーパ状とされており、非断熱状態、即ち当該各テーパ状出力導波路１１を光が伝播する間に、より低次数の光モードがより高次数の光モードと結合するに十分な程度の大きさのテーパ角度とされている。更に各出力導波路２は、その中心軸がテーパ状導波路３の幅狭端へ向かうような方向、即ち入力導波路１の端部へ向かうような方向に設けられている。
これにより、光の同位相波面が湾曲し、最も高い結合効率を得ることが可能となる。
【００４４】
更に、各テーパ状出力導波路１１を、テーパ状導波路３の幅広端において電磁波の波面上に位置するように配置することが好ましい。
これにより、各テーパ状出力導波路１１内で同じ位相を得ることが可能となる。
【００４５】
（変形例２）
図４は、変形例２の光導波装置の主要構成を示す概略断面図である。
ここで、各屈曲テーパ状出力導波路１２は、変形例１のテーパ状出力導波路１１と同様なテーパ状とされたことに加え、光の出射部へ向かうにつれて外側へ向かって徐々に屈曲した形状とされている。
これにより、高い結合効率を保ちつつも、各出力導波路１２を含む光導波装置全体のサイズを更に縮小することが可能となる。
【００４６】
【実施例】
実際に、本発明に基づき、図１に対応して図５に示すような光導波装置を作製した。この光導波装置は、厚みが２００ｎｍ程度、バンドギャップ波長が１．３μｍ程度のＩｎＧａＡｓＰコアを有するＩｎＰ埋め込み型の装置である。
【００４７】
ここでは、テーパ状導波路の狭幅端の幅と、テーパ状導波路のテーパ角を、テーパの幅広端において平坦な電磁場強度分布形状を得るため、広角ビーム伝播法シミュレーションを用いて最適化した。これにより、前記狭幅端の幅及び前記テーパ角の組み合わせ、出力導波路の最小幅、各出力導波路の最小間隔、並びに出力ポート数に依存したテーパの最小長さを算出した。
【００４８】
この例では、出力導波路の最小幅は１．６μｍ程度、各出力導波路の最小間隔は２．５μｍ程度となった。余分なエネルギー損失を抑える要請から、最も外側の出力導波路の幅を適切な最大値に設定し、これにより、全ての出力導波路について均一な結合が得られる。
【００４９】
図６は、複数の出力導波路を設けた場合における各出力導波路の損失（ｄＢ）を調べた特性図である。
このように、縁部位で急激に減少し、その他の部位では略平坦な最良形状の電磁場強度分布に対応するような極めて良好な結果が得られた。
【００５０】
以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。
【００５１】
（付記１） 単一の光モードとする入力導波路と、
複数の出力導波路と、
前記入力導波路と前記各出力導波路とを接続し、前記入力導波路から前記各出力導波路へ向かうにつれて徐々に幅広となるテーパ状導波路とを備え、
前記テーパ状導波路は、当該テーパ状導波路を光が伝播する間に、より低次数の光モードがより高次数の光モードと結合するに十分な程度の大きさのテーパ角度とされていることを特徴とする光導波装置。
【００５２】
（付記２） 前記テーパ状導波路は、その幅狭端における幅が、前記入力導波路の幅より広く、所定数の光モードの離散スペクトルを維持するに十分なほど小さい値とされていることを特徴とする付記１に記載の光導波装置。
【００５３】
（付記３） 前記テーパ状導波路は、前記テーパ角が当該テーパ状導波路の幅広端における電磁場強度分布が最大限に平坦となるように数値解析的手法により最適化されてなる断面直線状テーパ面を有することを特徴とする付記１又は２に記載の光導波装置。
【００５４】
（付記４） 前記各出力導波路は、その中心軸が前記テーパ状導波路の前記幅狭端へ向かうような方向に設けられていることを特徴とする付記３に記載の光導波装置。
【００５５】
（付記５） 前記各出力導波路は、前記テーパ状導波路の前記幅広端において電磁波の波面上に位置していることを特徴とする付記３又は４に記載の光導波装置。
【００５６】
（付記６） 前記各出力導波路は、それぞれ略等しいパワー効率が得られるように数値解析的手法により最適化されてなる幅を有することを特徴とする付記１〜５のいずれか１項に記載の光導波装置。
【００５７】
（付記７） 前記各出力導波路は、前記テーパ状導波路の前記幅広端へ向かうにつれて徐々に幅広となるテーパ状とされていることを特徴とする付記１〜６のいずれか１項に記載の光導波装置。
【００５８】
（付記８） 前記各出力導波路は、当該各出力導波路を光が伝播する間に、より高次数の光モードがより低次数の光モードと結合するに十分な程度の大きさのテーパ角度とされていることを特徴とする付記７に記載の光導波装置。
【００５９】
（付記９） 前記各出力導波路は、屈曲形状とされていることを特徴とする付記７又は８に記載の光導波装置。
【００６０】
（付記１０） 入射光を単一の光モードとし、より低次数の光モードがより高次数の光モードと結合するに十分な程度の大きさのテーパ角を有する導波路に光を導波させた後に、複数のパワーに分割して出力することを特徴とする光導波方法。
【００６１】
（付記１１） 前記導波路の幅広端における電磁場強度分布が最大限に平坦とされることを特徴とする付記１０に記載の光導波方法。
【００６２】
（付記１２） それぞれ略等しいパワー効率とされるように複数のパワーに分割して出力が行われることを特徴とする付記１０又は１１に記載の光導波方法。
【００６３】
【発明の効果】
本発明によれば、ポート間における光結合の均一化の要請と、装置全体の小型化の要請の双方を共に十分満たし、各種の有用な応用を自在とする信頼性の高い高精度の光導波装置及び光導波方法が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の光導波装置の主要構成を示す概略断面図である。
【図２】本実施形態の光導波装置におけるテーパ状導波路のテーパ角を明示する概略上面図である。
【図３】本実施形態の変形例１の光導波装置の主要構成を示す概略断面図である。
【図４】本実施形態の変形例２の光導波装置の主要構成を示す概略断面図である。
【図５】本実施例で作製したＩｎＧａＡｓＰコアを有するＩｎＰ埋め込み型の光導波装置を示す概略断面図である。
【図６】複数の出力導波路を設けた場合における各出力導波路の損失（ｄＢ）を調べた特性図である。
【図７】従来の光導波装置として複モード干渉デバイスを示す概略断面図である。
【図８】従来の光導波装置としてスターカップラーデバイスを示す概略断面図である。
【図９】従来の光導波装置としてＹ分岐デバイスを示す概略断面図である。
【符号の説明】
１ 入力導波路
２ 出力導波路
３ テーパ状導波路
１１ テーパ状出力導波路
１２ 屈曲テーパ状出力導波路
Claims (9)
- 単一の光モードとする入力導波路と、
複数の出力導波路と、
前記入力導波路と前記各出力導波路とを接続し、前記入力導波路から前記各出力導波路へ向かうにつれて徐々に幅広となるテーパ状導波路とを備え、
前記テーパ状導波路は、当該テーパ状導波路を光が伝播する間に、より低次数の光モードがより高次数の光モードと結合するに十分な程度の大きさのテーパ角度とされており、
前記テーパ状導波路は、その幅狭端における幅が前記入力導波路の幅より広く、単一の低次数モードの光が前記入力導波路から前記テーパ状導波路の前記幅狭端に入射するときに高次数モードに変換されるものであり、
前記テーパ状導波路の出力側における電磁場強度分布は、ほぼ平坦形状でその縁部で急激に減少する形状となることを特徴とする光導波装置。 - 前記テーパ状導波路は、そのテーパ角が、当該テーパ状導波路の幅広端における前記電磁場強度分布が最大限に平坦となるように数値解析的手法により最適化されてなる断面直線状テーパ面を有することを特徴とする請求項１に記載の光導波装置。
- 前記各出力導波路は、その中心軸が前記テーパ状導波路の前記幅狭端へ向かうような方向に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の光導波装置。
- 前記各出力導波路は、前記テーパ状導波路の前記幅広端において電磁波の同位相波面上に位置していることを特徴とする請求項２又は３に記載の光導波装置。
- 前記各出力導波路は、それぞれ略等しいパワー効率が得られるように数値解析的手法により最適化されてなる幅を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光導波装置。
- 前記各出力導波路は、前記テーパ状導波路の前記幅広端へ向かうにつれて徐々に幅広となるテーパ状とされていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光導波装置。
- 前記各出力導波路は、当該各出力導波路を光が伝播する間に、より高次数の光モードがより低次数の光モードと結合するに十分な程度の大きさのテーパ角度とされていることを特徴とする請求項６に記載の光導波装置。
- 前記各出力導波路は、屈曲形状とされていることを特徴とする請求項６又は７に記載の光導波装置。
- 前記複数の出力導波路のうち、最も外側の前記出力導波路は、その他の前記出力導波路よりも幅広に形成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の光導波装置。
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