JP4130834B2 - 光デバイス及び光デバイスの製造方法、ならびに光集積デバイス - Google Patents

光デバイス及び光デバイスの製造方法、ならびに光集積デバイス Download PDF

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Description

本発明は、高速マルチモード光伝送に用いられるシート状伝送路を備える光デバイス及び光デバイスの製造方法に関し、特定的には、光分岐器、光合成器、光分波器、光合波器、光ストレートシートバス、光クロスシートバス、スターカプラ、光スイッチ等に好適なマルチモード干渉のセルフ−イメージング原理を利用した光デバイス及び光デバイスの製造方法に関する。また、本発明は、上記光デバイスを複数備える光集積デバイスに関する。
光通信システム等に好適な、光伝送路を用いた光デバイスの研究が行われている。このような光デバイスは、光回路間のデータ交換のための光データバスシートへの応用や、信号光を分岐する光分岐器や信号光を合成するための光合成器への応用が期待されている。光伝送路のうち、マルチモードの光伝送路は、シングルモードの光伝送路と比較して安価であるため、旧来の電子回路の置き換えが可能である。
マルチモード光伝送路の内、シート状のマルチモード光伝送路がある。例えば、文献（３）は、屈折率が均質のシート状の透明性媒体と、透明性媒体の入射端面に信号光を入射するレーザダイオードアレイと、透明性媒体の出射側端面から出射した信号光を受光するフォトダイオードアレイとを備える光バス回路基板を開示している。文献（３）に開示された光バス回路基板において、レーザダイオードアレイから放射された入射光は、透明性媒体の内部で厚さ方向と幅方向に全反射を繰り返して出射側端面の全面積から出射光として出射され、フォトダイオードアレイで受光される。
また、文献（２）は、文献（３）と同様に、屈折率が均質のシート状の透明性媒体と、透明性媒体に信号光を入射するレーザダイオードと、透明性媒体から出射した信号光を受光する複数の光ファイバとを備える光分岐装置を開示している。文献（２）に記載された光分岐装置は、入射側の端面に光拡散層を設けて短距離で効率よく信号光を透明性媒体の内部に拡散するようにしている。文献（２）においても入射光は、透明性媒体の内部で厚さ方向と幅方向に全反射を繰り返して出射側端面の全面積から出射光として出射され、フォトダイオードアレイで受光される。
また、文献（１）は、厚さ方向の中心に最大屈折率を有し、中心から離れるに従って屈折率を低下させる屈折率分布を持つシート状の光データバスを開示している。文献（１）に記載された光データバスは、屈折率分布によりマルチモードのモード分散を低減するとしている。文献（１）においても入射光は、出射側端面の全面積から出射光として出射される。
一方、入射側のシングルモード光伝送路と、出射側のシングルモード光伝送路との間に、幅方向にマルチモードで信号光を伝送する光導波路を配置する技術がある。この光導波路は、光導波路の一定の屈折率ｎと、光導波路の幅方向の基本モード幅Ｗ0 と、伝送される信号光の波長λとから決定される所定の長さ方向の大きさＬを有する。光導波路は、この長さ方向の大きさＬに基づいて、信号光の固有モードが長さ方向に沿って相互に干渉することにより出射光を生成する（文献（４）〜（８）、（１１））。
また、近年、光通信の分野では、通信容量を拡大するために、複数の信号を異なる波長の信号光に乗せて多重化し、同一の光伝送路により伝送する波長分割多重伝送（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：ＷＤＭともいう）方式が検討されている。ＷＤＭ方式においては、異なる波長の信号光を分波する光分波器、及び異なる波長の信号光を合波する光合波器等の光デバイスが重要な役割を果たす。
このような光分波器及び光分岐器を、入射側のシングルモード光伝送路と、出射側のシングルモード光伝送路との間に、幅方向にマルチモードで信号光を伝送する光導波路を配置する技術を用いて実現した従来例が知られている（文献（９）、（１２）〜（１５））。これら従来の光分波器及び光分岐器は、入射側シングルモード導波路と、入射側シングルモード導波路に接続され、幅方向にマルチモードで伝送する光導波路とを備える。文献（９）、（１２）〜（１５）に記載された光デバイスは、入射側シングルモード導波路に互いに異なる２波長の多重信号光を伝送して、光導波路に入射させる。光導波路は、信号光の固有モードが長さ方向に沿って相互に干渉することによって、出射端上の相異なる位置出射光に生成するように、光導波路の幅方向の大きさと長さ方向の大きさを設定している。
また、文献（１０）は、入射側ビーム変換部と、光導波路部と、出射側ビーム変換部とを備える光デバイスの製造方法を開示している。文献（１０）の光デバイスの製造方法は、流動性のある材料をガラス基板内に封止して光導波路を形成することを述べている。また、文献（１０）は、特に入射側ビーム変換部及び出射側ビーム変換部を、屈折率の異なる素材を順に積層していくことにより屈折率分布を施すことを開示している（文献（１０）、第４図及び対応する記載参照）。
マルチモードの光伝送路を均質な媒質で構成した場合、信号光を伝送すると、モード毎に物理的な光路長（位相速度）が異なってしまう。このため、光伝送路の長さに依存して出射される光の強度分布が変化する現象が発生する。
また、マルチモードの光伝送路の長さが１００ｍｍを超える程度に長くなる場合は、光路ごとに群速度が相違するため、伝送される光の信号波形が変化してしまう現象が発生する。
このように、モード間で位相速度や群速度が異なる現象であるモード分散が発生すると、入射光の強度分布を出射側へ保持したまま伝送することができない。
上記のような問題を解決するために、屈折率分布が施された光伝送路が提案されている。屈折率分布を持つ媒質中を伝搬する信号光は、屈折率分布に基づき曲線状（蛇行線形状）の光線軌跡を描く。この現象を応用すると、各光路間で物理的な光路長が相違しても、屈折率の差によって光学的な光路長を等しくできる。したがって、屈折率分布を適切に設定することより、モード分散を抑制するのでマルチモードの光伝送路を得ることができる。
例えば、文献（１）は、積層されたシート状光伝送路を備え、それぞれのシート状光伝送路が積層される方向に屈折率分布を有する光デバイスを記載している。文献（１）に記載されたシート状光伝送路は、屈折率分布によってモード分散が抑制されるので、マルチモードでギガビットクラスの高周波信号を伝送することができる。
このような光デバイスでは、シート状光伝送路に信号光を入射し、シート状光伝送路から信号光を出射するための構成が必要となる。上述の文献（１）に記載された光デバイスにおいて、信号光は、シート状光伝送路の一方の端部から信号光の伝送方向に平行に入射され、シート状光伝送路の他方の端部から信号光の伝送方向に平行に出射する（文献（１）の図１、図９）。
また、光導波路（シート状光伝送路）に信号光の光軸を垂直に折り曲げるためのミラーを設け、外部と光導波路とを結合する技術が知られている（文献（１６）の第１図、第２図）。文献（１６）に記載された光導波路において、伝送方向に対して垂直な方向から入射する信号光は、信号光の伝送方向に対して４５度の角度をなすミラーによって折り曲げられ光導波路に入射する。また、光導波路を伝送した信号光は、信号光の伝送方向に対して４５度の角度をなすミラーによって折り曲げられ、伝送方向に対して垂直な方向へ出射する（文献（１６）の第１図、第２図参照）。
特開２０００−１１１７３８号公報（文献（１）、第３図） 特開２０００−３２９９６２号公報（文献（２）、第２図） 特開２００１−１４７３５１号公報（文献（３）、第１図） 特開２００３−０５０３３０号公報（文献（４）、第１図） 特開２００１−１８３７１０号公報（文献（５）、第１図） 特開平１−１５６７０３号公報（文献（６）、第１図） 米国特許第４，０８７，１５９号明細書（文献（７）、第１図） 米国特許第４，９５０，０４５号明細書（文献（８）、第１図） 特開平８−２０１６４８号公報（文献（９）、第２−５頁、第１１図） 特開２００３−０４３２８５（文献（１０）、第４図） 特開昭６２−３５３０４号公報（文献（１６）、第１図、第２図） ルーカス・Ｂ・ソルダノ、エリック・Ｃ・Ｍ・ペニングス(Lucas B. Soldano and Eric C. M. Pennings)著，「オプティカル マルチモード インターフェアレンス デバイス ベイスト オン セルフイメージング プリンシパルズ アンド アプリケーションズ（Optical Multi-Mode Interference Device Based on Self-Imaging: Principles and Applications）」，Ｖｏｌ．１３，Ｎｏ．４，ジャーナル オブ ライトウェーブ テクノロジー（Journal of Lightwave Technology），１９９５年４月（文献（１１）） Ｆ．ロットマン，Ａ．ネイヤー，Ｗ．メーベンカンプ，アンド Ｅ．フォーゲス（F. Rottmann, A. Neyer, W. Mevenkamp, and E. Voges）著，「インテグレイデッド−オプティック ウエブレングス マルチプレクサーズ オン リチウム ニオベイト ベイスド オン ツーモード インターフェアレンス（Integrated-Optic Wavelength Multiplexers on Lithium Niobate based on Two-Mode Interference）」，ジャーナル オブ ライトウェイブ テクノロジー（Journal of Lightwave Technology），Ｖｏｌ．６，Ｎｏ．６，１９８８年６月（文献（１２）） Ｍ．Ｒ．ペイアム，Ｃ．Ｆ．ヤンツ，Ｒ．Ｉ．マクドナルド アンド Ｊ．Ｎ．ブロートン（M. R. Paiam, C. F. Janz, R. I. MacDonald and J. N. Broughton）著，「コンパクト プランナー ９８０／１５５０−ｎｍ ウェーブレンクス マルチ／ディマルチプレクサー ベイスト オン マルチモード インターフェアレンス」，（Compact Planar 980/1550-nm Wavelength Multi/Demultiplexer Based on Multimode Interference）」，アイトリプルイー フォトニックス テクノロジー レタース（IEEE Photonics Technology Letters），Ｖｏｌ．７，Ｎｏ．１０，１９９５年１０月（文献（１３）） Ｋ．Ｃ．リン アンド Ｗ．Ｙ．リー（K. C. Lin and W. Y. Lee）著，「ガイディッド−ウェイブ １．３／１．５５μｍ ウエブレングス ディビジョン マルチプレクサー ベイスト オン マルチモード インターフェアレンス（Guided-wave 1.3/1.55μm wavelength division multiplexer based on multimode inteference）」，アイトイプルイー エレクトロニックス レターズ（IEEE Electronics Letters），Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．１４，１９９６年７月４日（文献（１４）） バオジュン リー，グォーチェン リー，エンケ リュー，ズイミン チャン，ジー チン，アンド シュン ウォン（Baojun Li, Guozheng Li, Enke Liu, Zuimin Jiang, Jie Qin and Xun Wang）著，「ローパス １×２ マルチモード インターフェアレンス ウエブレングス デマルチプレクサー イン シリコン−ゲルマニュウム アロイ（Low-Loss 1×2 Multimode Interference Wavelength Demultiplexer in Silicon-Germanium Alloy）」，アイトリプルイー フォトニクス テクノロジー レターズ（IEEE Photonics Technology Letters），Ｖｏｌ．１１，Ｎｏ．５，１９９９年５月（文献（１５））
文献（２）及び（３）に記載されたマルチモード光伝送路は、信号光として入射した入射光を透明性媒体の内部を厚さ方向及び幅方向に全反射しながら伝送する。このため、拡散して入射した入射光の経路間で光路長差が発生し、モード分散が生じていた。したがって、文献（２）及び（３）に記載されたマルチモード光伝送路は、一般的な入射光の拡散により伝送速度が制限され、１０Ｇｂｐｓを超えるような高速伝送をすることができなかった。
文献（１）に記載された光データバスは、厚さ方向において屈折率分布を有するため厚さ方向のモード分散は抑制される。しかしながら、幅方向において一定屈折率であるため、幅方向のモード分散が発生し、同様に伝送速度が制限されるという問題があった。また、文献（１）〜（３）に記載された技術は、いずれも出射側端面の全面積から出射光として出射されるので、出射側に設けられた光伝送路との結合損失が大きいという問題があった。
また、文献（４）〜（８）、（１１）に記載された光導波路は、厚さ方向においてシングルモードである信号光を入射する場合は結合損失も小さく、高速に伝送することができる。しかしながら、シングルモードであっても信号光として拡散が大きく広がり角度が大きい入射光や、マルチモード導波路からの出射光のようにビーム径の大きな入射光を用いる場合は、光導波路への結合が困難であるため入出射する際の信号光の損失が大きいという問題があった。また、文献（４）〜（８）、（１１）に記載された光導波路は、光導波路の中心に対して軸ズレして入射する入射光に対して損失が大きいので、入出射光を入出射側と高い精度で結合する必要があった。
また、文献（４）〜（８）、（１１）に記載された光導波路を、厚さ方向においてマルチモードである信号光を入射させて用いる場合、拡散が大きく広がり角度が大きい入射光やビーム径の大きな入射光に対する入出射光の結合が困難であるという問題は改善される。しかしながら、文献（４）〜（８）、（１１）に記載された光導波路を、厚さ方向においてマルチモードの信号光を入射させて用いると、厚さ方向にモード分散が発生し、高速に伝送することができない。また、この場合において、厚さ方向に軸ズレ入射する入射光は、厚さ方向に励振される複数の固有モードが長さ方向に沿って干渉するため、出射光の厚さ方向の強度分布が変化するという問題もあった。厚さ方向の強度分布が変化すると、出射光を出射側の光伝送路へ結合する際の損失が大きい。
一方、文献（１０）に記載された光デバイスの製造方法は、光導波路が屈折率分布を持たせた例ではなく、入射側あるいは出射側ビーム変換部に屈折率分布を持たせた例を開示している。したがって、文献（１０）に記載された光デバイスの製造方法の内、光導波路を製造する工程を用いた場合、文献（１）、（２）、（４）〜（９）、（１１）〜（１５）に記載された従来の均質な屈折率を持つ光伝送路を製造することしかできない。また、文献（１０）に記載された光デバイスの製造方法の内、ビーム変換部を製造する工程を用いた場合、レンズ機能を持たせるように幅方向の大きさと長さ方向の大きさを規定しているので、マルチモード干渉を発生させる光導波路を得ることはできない。また、文献（１０）に記載された光デバイスの製造方法のビーム変換部を製造する工程は、屈折率の異なる素材を順に積層する方法であるため、光導波路に屈折率分布を形成する方法に適用すると生産性が高い方法とはいえない。
そこで、本発明の第１の目的は、信号光を入出射させる際の結合が容易で損失が小さいシート状マルチモード光伝送路を備え、シングルモードによる信号光の伝送と同等の１０Ｇｂｓ程度の高速伝送が可能である光デバイス及びその光デバイスの製造方法を提供することである。また、本発明の第１の目的は、上記光デバイスを複数備える光集積デバイス及び光集積デバイスの製造方法を提供することである。
文献（９）及び（１２）〜（１５）に記載された光デバイスは、光分岐を行う光導波路が幅方向にのみマルチモードで信号光を伝送するため、前述の文献（４）〜（８）及び（１１）と同様の課題を有していた。すなわち、シングルモードであっても信号光として拡散が大きく広がり角度が大きい多重信号光やビーム径の大きな多重信号光を用いる場合は、光導波路への結合が困難であるため入出射する際の信号光の損失が大きいという問題があった。また、光導波路の中心に対して軸ズレして入射する入射光に対して損失が大きいので、入射する多重信号光や出射する信号光を入出射側と高い精度で結合する必要があった。
また、文献（９）及び（１２）〜（１５）に記載された光デバイスに記載された光導波路を、厚さ方向においてマルチモードの多重信号光を入射させて用いると、厚さ方向にモード分散が発生し、高速に伝送することができない。また、この場合において、厚さ方向に軸ズレ入射する多重信号光は、厚さ方向に励振される複数の固有モード長さ方向に沿って干渉するため、厚さ方向の強度分布が変化するという問題もあった。厚さ方向の強度分布が変化すると、多重信号光を分波したり合波したりすることができない。
そこで、本発明の第２の目的は、信号光を入出射させる際の結合が容易で損失が小さいシート状マルチモード光伝送路を備え、シングルモードによる信号光の伝送と同等の１０Ｇｂｓ程度の高速伝送が可能で、多重信号光の分波及び合波を良好に行うことができる光デバイスを提供することである。
文献（１）〜（８）及び（１１）に記載の光伝送路あるいは光導波路は、いずれも入射光に対応して一義的に出射光を出射させるにとどまっている。したがって、光伝送路あるいは光導波路を用いて、入射光に対応した出射光の出射位置を選択するスイッチングを行う技術思想は示唆されていない。
そこで、本発明の第３の目的は、信号光を入出射させる際の結合が容易で損失が小さいシート状マルチモード光伝送路を備え、シングルモードによる信号光の伝送と同等の１０Ｇｂｓ程度の高速伝送が可能で、伝送される信号光のスイッチングが可能な光デバイスを提供することである。
文献（４）〜（８）及び（１１）に記載された光導波路は、入力側及び出射側とも光導波路が、共にシングルモード（コア径は大きくても１０μｍ）である。したがって、幅方向に異なる固有モード同士を干渉（マルチモード干渉（Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ：以下、ＭＭＩということがある））させ、セルフ−イメージング原理に基づいて出射光を発生させた場合、出力端の出射光の分離間隔は、２分岐の場合で出力側における光導波路のコア径に相当する１０μｍ程度でよい。しかし、入力側および出力側を共にマルチモード光導波路にした場合、同様に計算したコア径は２０μｍ〜１，０００μｍ程度と大きくなる。このため、光導波路の出力端の出射光の分離間隔も最低でもコア径以上が必要になる。
マルチモード干渉のセルフ−イメージング原理による出射光の分離間隔は、光導波路の幅にほぼ比例する。また、この場合における光導波路の長さ方向の大きさは、幅方向の大きさの２乗にほぼ比例する。このため、入力側および出力側を共にマルチモード光導波路にした場合、光導波路の形状は、シングモード光導波路の場合と比較して、幅方向で２〜１００倍、長さ方向で４〜１０，０００倍となり巨大になってしまう。例えば、２００μｍのマルチモード光ファイバを入出力導波路として使用した場合、シングルモード光ファイバを使用した場合と比較して、幅方向の大きさが２０倍で、長さ方向の大きさが約２００倍（具体的には、幅：約４００μｍ、長さ：約１２０，０００μｍ）となり、巨大であると同時に幅と長さのバランス（比率）が悪く取扱いが困難である。
さらに、マルチモード干渉のセルフ−イメージング原理より発生する出射光のプロファイルは、入射光のプロファイルとほぼ同じである。このため、２分岐以上の合成あるいは分岐を行う場合、すなわち、入出射端により多くのモードフィールドの大きな入出射光を入出力する場合、光導波路の幅方向の大きさをより大きくしなければならない。既に説明したように、マルチモード干渉のセルフ−イメージング原理によって出射光を発生させる光導波路の長さ方向の大きさは、幅方向の大きさの２乗にほぼ比例する。したがって、光導波路の幅方向の大きさが大きくなると、長さ方向の大きさは２分岐の場合以上の大きさが必要になるという問題があった。
そこで、本発明の第４の目的は、信号光を入出射させる際の結合が容易で損失が小さいシート状マルチモード光伝送路を備え、シングルモードによる信号光の伝送と同等の１０Ｇｂｓ程度の高速伝送が可能で、シート状マルチモード光伝送路の幅方向と長さ方向の大きさがコンパクトな光デバイスを提供することである。また、本発明の第４の目的は、上記光デバイスの製造方法を提供することである。
文献（１）に記載された技術のように、信号光の入出射方向とシート状光伝送路の光の伝送方向とを一致させると、入出射部分とシート状光伝送路とを損失なく結合することができる。すなわち、シート状光伝送路へ入射する信号光の強度ピークと、シート状光伝送路の屈折率分布とを調整することが容易であるため、入射時の信号光のロスを小さくすることができる。
しかしながら、光デバイスは、入射側にレーザなどの光部品を実装し、出射側にセンサーなどの光部品を実装する必要がある。このため、これらの光部品とシート状光伝送路とを結合する際に、光部品とシート状光伝送路との間の高さを調整する必要が生じ、光部品の実装に際して嵩上げを行わなければならないという問題があった。したがって、光デバイスをコンパクトにできなかった。
一方、文献（１６）は、屈折率分布を備えていないシングルモードのシート状光伝送路に関する技術である。このため、文献（２）に記載された光導波路では、モード分散が発生し、ギガビットクラスの高周波の信号光をマルチモードで伝送できないという問題があった。
また、近年、マルチモード干渉を用いて、信号光を生成する光デバイスが提案されている。マルチモード干渉を用いると、入射した信号光を複数の信号光に分岐する光分岐器や、入射した複数の信号光を単一の信号光に合成する光合成器を、簡単に得ることができる。しかしながら、文献（１）及び文献（１６）のいずれにも、マルチモード干渉に関する記載は認められない。
そこで、本発明の第５の目的は、光部品の実装が簡単にでき、ギガビットクラスの高周波の信号光をマルチモードで伝送することが可能な光デバイスを提供することである。
また、本発明の第６の目的は、光部品の実装が簡単にでき、ギガビットクラスの高周波の信号光をマルチモードで伝送することが可能で、さらに、マルチモード干渉を用いて信号光を出射することができる光デバイスを提供することである。
上記第１の目的は、以下の第１の光デバイスにより達成される。
入力信号と出力信号との間を、光信号により接続する光デバイスであって、
入射光を入射させるための入射面と出射光を出射させるための出射面を具備するシート状の光伝送路を備え、
前記光伝送路は、当該光伝送路の厚さ方向において最大屈折率部分を有し、前記最大屈折率部分から厚さ方向に沿って離れるに従って屈折率が減少していく屈折率分布を含み、
前記厚さ方向に直交する幅方向に励起される複数の固有モードを持つマルチモードを導波可能であり、前記厚さ方向と前記幅方向に直交する長さ方向に沿って、前記マルチモードで前記入射光を伝送するとともに、前記マルチモードの相互の干渉により前記入射光の光空間分布を変化して出射光を生成することを特徴とする。
本発明に係る第１の光デバイスは、光伝送路が厚さ方向に屈折率分布を備えているので、マルチモードで信号光を伝送する構成であっても厚さ方向にモード分散が抑制され、高速に信号光を伝送することができる。また、本発明に係る光デバイスは、光伝送路がマルチモード干渉により出射光を発生させるので、入出射の際の損失が小さく接続の際に高精度の調整が不要である。
好ましくは、光伝送路は、光伝送路の幅方向に励振する第０次モードの伝搬定数と、第１次モードの伝搬定数との間の差の関数で表される長さ方向の大きさを持つ。好ましくは、光伝送路は、幅方向の基本モード幅と、幅方向に励起した０次モード光に対する実効屈折率と、マルチモード光伝送路中を伝送される光の波長との関数で表される長さ方向の大きさを持つ。
好ましくは、光伝送路は、厚さ方向の中央位置が最大屈折率であり、中心位置から離れるに従って屈折率が減少していく屈折率分布を含む。特に、屈折率分布は、ほぼ２次関数に沿って変化することが望ましい。
好ましくはさらに、光伝送路は、ポリシランからなることが望ましい。特に、光伝送路は、ポリシランからなり、当該ポリシランが硬化する際の酸素濃度分布によって屈折率分布が施される。
好ましくは、入力信号は、電気信号であり、当該電気信号を信号光へ変換し、信号光を光伝送路へ入射光として入射させる入射部を備える。一例として、入射部は、光伝送路の幅方向にアレイ状に並ぶ複数の発光部を有する。また、好ましくは、入力信号は、信号光であり、当該信号光を光伝送路へ入射光として入射させる入射部を備える。
好ましくは、出力信号は、電気信号であり、光伝送路から出射された出射光として信号光を受光し、当該信号光を電気信号へ変換する出射部を備える。一例として、出射部は、光伝送路の幅方向にアレイ状に並ぶ複数の受光部を有する。また、好ましくは、出力信号は、信号光であり、当該信号光を光伝送路から出射光として出射させる出射部を備える。
好ましくは、光デバイスは、少なくとも１個の入力信号を入力し、Ｎ（Ｎ＝１，２，３・・・）個の出力信号として出力可能である光Ｎ分岐デバイスであり、
光伝送路は、
入射光を入射させるための入射面と、
出射光を出射させるための出射面とを含み、
長さ方向の大きさが、幅方向の基本モード幅をＷ0 と、幅方向に励起した０次モード光に対する実効屈折率をｎ0 と、マルチモード光伝送路中を伝送される光の波長をλとしたとき、ほぼ以下の式の整数倍になる値であり、
入射面上であって幅方向の中心に１個の入射光を入射させ、出射面上であって幅方向の中心に対称にＮ個の出射光を生成する。
Figure 0004130834
好ましくは、光デバイスは、Ｎ（Ｎ＝１，２，３・・・）個の入力信号を入力し、少なくとも１個の出力信号として出力可能である光Ｎ合成デバイスであり、
光伝送路は、
入射光を入射させるための入射面と、
出射光を出射させるための出射面とを含み、
長さ方向の大きさが、幅方向の基本モード幅をＷ0 と、幅方向に励起した０次モード光に対する実効屈折率をｎ0 と、マルチモード光伝送路中を伝送される光の波長をλとしたとき、ほぼ以下の式の整数倍になる値であり、
入射面上であって幅方向の中心に対称にすべて同一の波長λを有するＮ個の入射光を入射させ、出射面上であって幅方向の中心に１個の出射光を生成する。
Figure 0004130834
好ましくは、光デバイスは、Ｎ（Ｎ＝１，２，３・・・）個の入力信号を入力し、当該入力信号に１対１対応するＮ個の出力信号として出力可能であるストレートシートバスであり、
光伝送路は、
入射光を入射させるための入射面と、
出射光を出射させるための出射面とを含み、
長さ方向の大きさが、幅方向の基本モード幅をＷ0 と、幅方向に励起した０次モード光の実効屈折率をｎ0 と、マルチモード光伝送路中を伝送される光の波長をλとしたとき、ほぼ以下の式の整数倍になる値であり、
入射面上であって幅方向の任意の位置にすべて同一の波長λを有するＮ個の入射光を入射させ、出射面上であって各入射光の入射位置と幅方向の位置が同一である位置にそれぞれ、Ｎ個の入射光に１対１対応するＮ個の出射光を生成する。
Figure 0004130834
好ましくは、光デバイスは、Ｎ（Ｎ＝１，２，３・・・）個の入力信号を入力し、当該入力信号に１対１対応するＮ個の出力信号として出力可能であるクロスシートバスであり、
光伝送路は、
入射光を入射させるための入射面と、
出射光を出射させるための出射面とを含み、
長さ方向の大きさが、幅方向の基本モード幅をＷ0 と、幅方向に励起した０次モード光の実効屈折率をｎ0 と、マルチモード光伝送路中を伝送される光の波長をλとしたとき、ほぼ以下の式の奇数倍になる値であり、
入射面上であって幅方向の任意の位置にすべて同一の波長λを有するＮ個の入射光を入射させ、出射面上であって各入射光の入射位置と幅方向の位置が幅方向の中心に対して対称になる位置にそれぞれ、Ｎ個の入射光と１対１対応するＮ個の出射光を生成する。
Figure 0004130834
好ましくは、光デバイスは、Ｎ（Ｎ＝１，２，３・・・）個の入力信号を入力し、当該入力信号にそれぞれ対応するＮ個の出力信号として出力するスターカプラであり、
光伝送路は、
入射光を入射させるための入射面と、
出射光を出射させるための出射面とを含み、
長さ方向の大きさが、幅方向の基本モード幅をＷ0 と、幅方向に励起した０次モード光の実効屈折率をｎ0 と、マルチモード光伝送路中を伝送される光の波長をλとしたとき、ほぼ以下の式の値であり、
入射面上であって幅方向の所定の位置にすべて同一の波長λを有するＮ個の入射光を入射させ、出射面上であって各入射光の入射位置と幅方向の位置が幅方向の中心に対して対称になる位置にそれぞれ、入射光のいずれの１個に対してもＮ個の出射光を生成する。
Figure 0004130834
好ましくはさらに、光デバイスは、ＮEVEN（ＮEVEN＝２，４，６・・・）個の入力信号を入力し、当該入力信号にそれぞれ対応するＮEVEN個の出力信号として出力するスターカプラであり、
光伝送路は、入射面上であって幅方向の中心に対称な位置にすべて同一の波長λを有するＮEVEN個の入射光を入射させる。
また、好ましくはさらに、光デバイスは、ＮODD（ＮODD＝１，３，５・・・）個の入力信号を入力し、当該入力信号にそれぞれ対応するＮODD個の出力信号として出力するスターカプラであり、
光伝送路は、入射面上であって幅方向の中心に非対称な位置にすべて同一の波長λを有するＮ ODD 個の入射光を入射させる。
好ましくは、光デバイスは、Ｎ（Ｎ＝１，２，３・・・）個の入力信号を入力し、当該第１の入力信号に１対１対応するＮ個の出力信号として出力可能であり、Ｍ（Ｍ＝１，２，３・・・）個の入力信号を入力し、当該入力信号に１対１対応するＭ個の出力信号として出力可能である双方向ストレートシートバスであり、
光伝送路は、
長さ方向の一方の端部に形成された第１面と、
長さ方向の他方の端部に形成された第２面とを含み、
長さ方向の大きさが、幅方向の基本モード幅をＷ0 と、幅方向に励起した０次モード光の実効屈折率をｎ0 と、マルチモード光伝送路中を伝送される光の波長をλとしたとき、ほぼ以下の式の整数倍になる値であり、
第１面上であって幅方向の任意の位置にすべて同一の波長λを有するＮ個の入射光を入射させ、第２面上であって各入射光の入射位置と幅方向の位置が同一である位置にそれぞれ、Ｎ個の入射光と１対１対応するＮ個の出射光を生成し、
第２面上であって幅方向の任意の位置に第１面に入射する入射光とすべて同一の波長λを有するＭ個の入射光を入射させ、第１面上であって各入射光の入射位置と幅方向の位置が同一である位置にそれぞれ、Ｍ個の入射光と１対１対応するＭ個の出射光を生成する。
Figure 0004130834
好ましくは、光デバイスは、Ｎ（Ｎ＝１，２，３・・・）個の第１の入力信号を入力し、当該第１の入力信号に１対１対応するＮ個の第１の出力信号として出力可能であり、Ｍ（Ｍ＝１，２，３・・・）個の第２の入力信号を入力し、当該第２の入力信号に１対１対応するＭ個の出力信号として出力可能である双方向クロスシートバスであり、
光伝送路は、
長さ方向の一方の端部に形成された第１面と、
長さ方向の他方の端部に形成された第２面とを含み、
長さ方向の大きさが、幅方向の基本モード幅をＷ0 と、幅方向に励起した０次モード光の実効屈折率をｎ0 と、マルチモード光伝送路中を伝送される光の波長をλとしたとき、ほぼ以下の式の奇数倍になる値であり、
第１面上であって幅方向の任意の位置にすべて同一の波長λを有するＮ個の入射光を入射させ、第２面上であって各入射光の入射位置と幅方向の位置が幅方向の中心に対して対称になる位置にそれぞれ、Ｎ個の入射光と１対１対応するＮ個の出射光を生成し、
第２面上であって幅方向の任意の位置にすべて同一の波長λを有するＭ個の入射光を入射させ、第１面上であって各入射光の入射位置と幅方向の位置が幅方向の中心に対して対称になる位置にそれぞれ、Ｍ個の入射光と１対１対応するＭ個の出射光を生成する。
Figure 0004130834
好ましくは、光伝送路は、長さ方向の一方の端部に形成され厚さ方向に平行な方向に沿って入射する入射光の光路を長さ方向へほぼ９０°折り曲げる反射面、及び／又は長さ方向の他方の端部に形成され長さ方向に沿って伝送された出射光の光路を厚さ方向に平行な方向に沿って出射させるようにほぼ９０°折り曲げる反射面を含む。
好ましくは、光伝送路は、長さ方向の一方の端部に形成され厚さ方向に傾斜した方向に沿って入射する入射光の光路を長さ方向へ折り曲げるプリズム、及び／又は長さ方向の他方の端部に形成され長さ方向に沿って伝送された出射光の光路を厚さ方向に傾斜した方向に沿って出射させるように折り曲げるプリズムを含む。
好ましくは、光伝送路は、厚さ方向に複数の固有モードを有する。この構成により、厚さ方向にも、マルチモード干渉を利用した光デバイスを提供することができる。好ましくは、光伝送路は、２０μｍ以上の厚さを有する。
好ましくは、光伝送路は、長さ方向及び厚さ方向を含む任意の相異なる２個の断面において、厚さ方向の中心位置が、常に同一の曲線を描くように湾曲している。好ましくは、光伝送路は、長さ方向及び厚さ方向を含む任意の相異なる２個の断面において、厚さ方向の中心位置が、異なる曲線を描くように捩れている。
上記第１の目的は、以下の光集積デバイスにより達成される。
外部から入力される入力信号と出力すべき出力信号との間を、信号光により接続する光集積デバイスであって、
シート状であり、当該シートの厚さ方向に最大屈折率部分を有し、当該最大屈折率部分からの厚さ方向に沿って離れるに従って屈折率が増加しない屈折率分布を含む光伝送路を厚さ方向に複数積層してなる光伝送部を備え、
入力信号に対応する信号光を、各光伝送路へ入射光として入射させ、
各光伝送路の内部において、厚さ方向に直交する長さ方向に沿って、長さ方向及び厚さ方向の両方に直交する幅方向に複数の固有モードを持つマルチモードで入射光を伝送するとともに、複数の固有モードが長さ方向に沿って相互に干渉することにより出射光を生成し、
各光伝送路から出射光を出射させ、出射光に対応する出力信号を出力することを特徴とする。
本発明に係る光集積デバイスは、各光伝送路が厚さ方向に屈折率分布を備えているので、マルチモードで信号光を伝送する構成であっても厚さ方向にモード分散が抑制され、高速に信号光を伝送することができる。また、本発明に係る光集積デバイスは、各光伝送路がマルチモード干渉により出射光を発生させるので、入出射の際の損失が小さく接続の際に高精度の調整が不要である。
上記第１の目的は、以下の光デバイスの第１の製造方法により達成される。
入力信号と出力信号との間を、光信号により接続する光デバイスであって、
入射光を入射させるための入射面と出射光を出射させるための出射面を具備するシート状の光伝送路とを備え、
前記光伝送路は、当該光伝送路の厚さ方向において最大屈折率部分を有し、前記最大屈折率部分から厚さ方向に沿って離れるに従って屈折率が減少していく屈折率分布を含み、
前記厚さ方向に直交する幅方向に励起される複数の固有モードを持つマルチモードを導波可能であり、前記厚さ方向と前記幅方向に直交する長さ方向に沿って、前記マルチモードで前記入射光を伝送するとともに、前記マルチモードの相互の干渉により前記入射光の光空間分布を変化して出射光を生成することを特徴とする光デバイスの製造方法において、
前記光伝送路の材料である樹脂を硬化させるために印加されるべきエネルギーが伝達可能な材料からなり、少なくとも前記光伝送路の前記厚さ方向と同一の深さを持つ凹部を含む成形型を準備する第１の工程と、
前記凹部に、前記樹脂を充填する第２の工程と、
前記樹脂が充填された前記成形型に対して、前記厚さ方向の上下から所定量の前記エネルギーを印加する第３の工程と、
所望の前記屈折率分布が形成されて硬化した前記樹脂に対して、前記光伝送路にするために、少なくとも前記長さ方向の大きさを決定して、入出射光の接続部分を形成する第４の工程とを備える。
本発明の光デバイスの第１の製造方法は、以上の工程を備えているので、所望の屈折率分布を含むシート状の光伝送路を容易に高精度に製造することができる。
好ましくは、
第３の工程において、
エネルギーの印加は、所定波長の紫外線の照射であり、
第１の工程において、
準備される成形型は、所定波長の紫外線に対して透明な材料からなる。
好ましくは、
第３の工程において、
エネルギーの印加は、加熱である。
好ましくは、光伝送路は、厚さ方向の中央位置が最大屈折率であり、中心位置から離れるに従って屈折率が増加しない屈折率分布を含む。好ましくはさらに、屈折率分布は、ほぼ２次関数に沿って変化する。
好ましくはさらに、光伝送路は、ポリシランからなる。また、好ましくはさらに、光伝送路は、ポリシランからなり、当該ポリシランが硬化する際の酸素濃度分布によって屈折率分布が施される。
好ましくは、
第１の工程において、
成形型は、製造すべき光伝送路が複数個含まれる大きさを有する凹部を含み、
第４の工程において、
樹脂を切断することにより、複数個の光伝送路を同時に製造する。
好ましくは、
第１の工程において、
成形型は、製造すべき光伝送路の幅方向にほぼ等しい大きさを有する凹部を含み、
第４の工程において、
樹脂を切断することにより、長さ方向の大きさを決定する。
好ましくは、
第１の工程において、
成形型は、製造すべき光伝送路にほぼ等しい大きさを有する凹部を含み、
第４の工程において、
光伝送路へ入射光及び出射光を入出射させるべき位置の凹部の壁面を除去する。
好ましくは、
さらに、第４の工程の前後のいずれか一方に、
成形型から光伝送路を離型する第５の工程を含む。
本発明の光デバイスの製造方法は、第５の工程を含むことにより、成形型の再利用がはかれるため製造時のコストダウンを行うことができる。
上記第１の目的は、以下の第２の光デバイスにより達成される。
互いに異なる２個の波長が重ね合わされた多重信号光を入力し、当該多重信号光を波長に応じて分波して、２個の互いに異なる信号光として出力可能である光デバイスであって、
シート状であり、当該シートの厚さ方向に最大屈折率部分を有し、当該最大屈折率部分からの厚さ方向に沿って離れるに従って屈折率が増加しない屈折率分布を含む光伝送路を備え、
多重信号光を、光伝送路へ入射光として入射させ、
光伝送路の内部において、厚さ方向に直交する長さ方向に沿って、長さ方向及び厚さ方向の両方に直交する幅方向に各波長ごとに複数の固有モードを持つマルチモードで入射光を伝送するとともに、同一の波長の信号光について複数の固有モードが長さ方向に沿って相互に干渉することにより、波長に応じて幅方向の異なる位置に２個の出射光を生成し、
光伝送路から２個の出射光を出射させることを特徴とする。
本発明に係る第２の光デバイスは、光伝送路が厚さ方向に屈折率分布を備えているので、マルチモードで信号光を伝送する構成であっても厚さ方向にモード分散が抑制され、高速に信号光を伝送することができる。また、本発明に係る光デバイスは、光伝送路がマルチモード干渉により出射光を発生させ波長に応じて分波させるので、入出射の際の損失が小さく接続の際に高精度の調整が不要である。
好ましくは、２個の出射光は、互いの光量の比が、最大になる幅方向の位置からそれぞれ出射される。好ましくは、２個の出射光は、互いの光量が最小になる幅方向の位置からそれぞれ出射される。
好ましくは、光伝送路は、光伝送路の幅方向に励振する第０次モードの伝搬定数と、第１次モードの伝搬定数との間の差の関数で表される長さ方向の大きさを持つ。
好ましくは、光伝送路は、直方体形状であり、幅方向の基本モード幅と、厚さ方向の最大屈折率と、マルチモード光伝送路中を伝送される光の波長との関数で表される長さ方向の大きさを持つ。
好ましくは、光伝送路は、厚さ方向の中央位置が最大屈折率であり、中心位置から離れるに従って屈折率が増加しない屈折率分布を含む。特に、屈折率分布は、ほぼ２次関数に沿って変化することが望ましい。
上記第２の目的は、以下の第３の光デバイスにより達成される。
互いに異なる波長を持つ２個の信号光を入力し、当該信号光を合波して、互いに異なる２個の波長が重ね合わされた多重信号光として出力可能である光デバイスであって、
シート状であり、当該シートの厚さ方向に最大屈折率部分を有し、当該最大屈折率部分からの厚さ方向に沿って離れるに従って屈折率が増加しない屈折率分布を含む光伝送路を備え、
２個の信号光を、光伝送路へ入射光として入射させ、
光伝送路の内部において、厚さ方向に直交する長さ方向に沿って、長さ方向及び厚さ方向の両方に直交する幅方向に各波長ごとに複数の固有モードを持つマルチモードで入射光を伝送するとともに、同一の波長の信号光について複数の固有モードが長さ方向に沿って相互に干渉することにより、波長に応じて幅方向の同一位置に多重信号光である出射光を生成し、
光伝送路から出射光を出射させることを特徴とする。
本発明に係る第３の光デバイスは、光伝送路が厚さ方向に屈折率分布を備えているので、マルチモードで信号光を伝送する構成であっても厚さ方向にモード分散が抑制され、高速に信号光を伝送することができる。また、本発明に係る光デバイスは、光伝送路がマルチモード干渉により出射光を発生させ波長に応じて合波させるので、入出射の際の損失が小さく接続の際に高精度の調整が不要である。
上記第３の目的は、以下の第４の光デバイスにより達成される。
入力信号と出力信号との間を、光信号により接続する光デバイスであって、シート状である光伝送路と、
屈折率変調手段とを備え、
前記光伝送路は、厚さ方向に最大屈折率部分を有し、前記最大屈折率部分から厚さ方向に沿って離れるに従って屈折率が減少していく屈折率分布を含み、
前記厚さ方向に直交する幅方向に隣接する第１の部分光伝送路と第２の部分光伝送路を有し、
前記第１の部分光伝送路と前記第２の部分光伝送路は、前記幅方向に励起される複数の固有モードを持つマルチモードを導波可能であり、前記厚さ方向に直交する長さ方向に沿って、前記マルチモードで信号光を伝送するとともに、前記マルチモードの相互の干渉により前記入射光の光空間分布を変化して出射光を生成し、
前記屈折率変調手段は、外部から供給される制御信号に基づいて、前記第１の部分光伝送路と前記第２の部分光伝送路の内、少なくとも一方の前記屈折率分布を変更することにより、前記第１の部分光伝送路のみを用いて前記入射光を伝送する第１の状態と、前記第１及び第２の部分光伝送路を用いて前記入射光を伝送する第２の状態とを選択可能であり、
前記第１の状態である場合、
前記第１の光伝送路から前記出射光を出射させ、前記出射光に対応する前記出力信号を出力する一方、
前記第２の状態である場合、
前記第２の光伝送路から前記出射光を出射することを特徴とする。
本発明に係る第４の光デバイスは、光伝送路が厚さ方向に屈折率分布を備えているので、マルチモードで信号光を伝送する構成であっても厚さ方向にモード分散が抑制され、高速に信号光を伝送することができる。また、本発明に係る光デバイスは、光伝送路がマルチモード干渉により出射光を発生させスイッチングさせるので、入出射の際の損失が小く接続の際に高精度の調整が不要である。
好ましくは、屈折率変調手段は、
第１のマルチモード部分光伝送路の屈折率分布を変更可能であり、
第２の状態において、第１及び第２のマルチモード部分光伝送路の屈折率分布を等しくし、
第１の状態において、第１のマルチモード部分光伝送路の最大屈折率を、第２のマルチモード部分光伝送路の最大屈折率より大きくする。
好ましくは、屈折率変調手段は、
第２のマルチモード部分光伝送路の屈折率分布を変更可能であり、
第２の状態において、第１及び第２のマルチモード部分光伝送路の屈折率分布を等しくし、
第１の状態において、第２のマルチモード部分光伝送路の最大屈折率を、第１のマルチモード部分光伝送路の最大屈折率より小さくする。
好ましくは、屈折率変調手段は、
第１及び２のマルチモード部分光伝送路の屈折率分布を変更可能であり、
第２の状態において、第１及び第２のマルチモード部分光伝送路の屈折率分布を等しくし、
第１の状態において、第１のマルチモード部分光伝送路の最大屈折率を、第２の状態における第２のマルチモード部分光伝送路の最大屈折率より大きくするとともに、第２のマルチモード部分光伝送路の最大屈折率を、第２の状態における第１のマルチモード部分光伝送路の最大屈折率より小さくする。
好ましくは、第１及び第２のマルチモード部分光伝送路の内、屈折率変調手段によって、屈折率分布が変更可能である光伝送路は、熱光学効果を呈するポリマーからなり、
屈折率変調手段は、制御信号に応じて熱の発生／吸収が可能な冷熱シートを含み、
冷熱シートによって光伝送路の温度を変化させて屈折率分布を変化させる。
好ましくは、光伝送路は、
長さ方向の大きさが、伝送路の幅方向の基本モード幅をＷ0 と、幅方向に励起した０次モード光の実効屈折率をｎ0 と、第１及び第２の光伝送路中を伝送される光の波長をλとしたとき、ほぼ以下の式の奇数倍になる値である。
Figure 0004130834
好ましくは、光伝送路は、
光伝送路を加えた幅方向に対して（１／√２）倍になる幅方向の大きさを持つ。この構成により、第２の状態においてもマルチモード干渉により出射光を発生させることができる。
好ましくは、光伝送路は、厚さ方向の中央位置が最大屈折率であり、中心位置から離れるに従って屈折率が増加しない屈折率分布を含む。特に、各屈折率分布は、ほぼ２次関数に沿って変化することがのぞましい。
上記第４の目的は、以下の第５の光デバイスにより達成する。
直線上に並べられ、前記直線に直交する方向に平行して入射するＮ（Ｎ＝２，３，４・・・）個の入射光の間隔を変化させるための光デバイスであって、
入射光を入射させるための入射面と出射光を出射させるための出射面を具備するシート状の光伝送路をＮ個備え、
各前記入射光を、各前記光伝送路へ入射させ、
前記各光伝送路は、当該光伝送路の厚さ方向に最大屈折率部分を有し、前記最大屈折率部分から厚さ方向に沿って離れるに従って屈折率が減少していく屈折率分布を含み、
前記厚さ方向に直交する幅方向に励起される複数の固有モードを持つマルチモードを導波可能であり、前記厚さ方向に直交する長さ方向に沿って、前記マルチモードで前記入射光を伝送するとともに、前記マルチモードの相互の干渉により、前記幅方向において前記入射光が各前記光伝送路へ入射した位置とは異なる位置に前記出射光を生成することを特徴とする。
本発明に係る第５の光デバイスは、以上の構成を備えているので、複数の信号光の間隔を容易に変更することができる。したがって、入出射部にマルチモードの光ファイバ等を用いた場合でも光伝送路を大型させることなく、接続が可能である。
好ましくは、各光伝送路は、
入射光を入射させるための入射面と、
出射光を出射させるための出射面とを含み、
入射面上であって幅方向の任意の位置に入射光を入射させ、出射面上であって各入射光の入射位置と幅方向の位置が幅方向の中心に対して対称になる位置に出射光を生成する。
好ましくは、光デバイスは、信号光の間隔を拡大する。好ましくは、シート状の入射側光伝送路を備え、当該光伝送路は、１個の入射光をＮ個に分岐する光Ｎ分岐デバイスであり、Ｎ分岐された出射光を信号光として各光伝送路に接続する。
上記第４の目的は、以下の第６の光デバイスにより達成される。
信号光の位置を変化させるための光デバイスであって、入射光を入射させるための入射面と出射光を出射させるための出射面を具備するシート状の光伝送路を複数備え、
前記複数の光伝送路は、前記光デバイスに入射された前記信号光を伝送できるようにカスケード接続され、
前記各光伝送路は当該光伝送路の厚さ方向に最大屈折率部分を有し、前記最大屈折率部分から厚さ方向に沿って離れるに従って屈折率が減少していく屈折率分布を含み、
前記厚さ方向に直交する幅方向に励起される複数の固有モードを持つマルチモードを導波可能であり、前記厚さ方向に直交する長さ方向に沿って、前記マルチモードで当該伝送路に入射された入射光を伝送するとともに、前記マルチモードの相互の干渉により、前記幅方向において前記入射光が各前記光伝送路へ入射した位置とは異なる位置に出射光を生成することを特徴とする。
本発明に係る第６の光デバイスは、以上の構成を備えているので、信号光を容易に幅方向にシフトすることができる。したがって、入出射部にマルチモードの光ファイバ等を用いた場合でも光伝送路を大型させることなく、接続が可能である。
好ましくは、信号光は、直線上に並べられたＮ（Ｎ＝２，３，４・・・）個の信号光であり、
シート状であり、当該シートの厚さ方向に最大屈折率部分を有し、当該最大屈折率部分からの厚さ方向に沿って離れるに従って屈折率が増加しない屈折率分布を含む光伝送路を、Ｎ個の信号光同士の間隔を変化させるために直線に沿ってＮ個配置し、
各信号光を、各光伝送路へ入射光として入射させ、
各光伝送路の内部において、厚さ方向に直交する長さ方向に沿って、長さ方向及び厚さ方向の両方に直交する幅方向に複数の固有モードを持つマルチモードで入射光を伝送するとともに、複数の固有モードが長さ方向に沿って相互に干渉することにより、幅方向において入射光が各光伝送路へ入射した位置とは異なる位置に出射光を生成し、
各光伝送路から信号光として出射光を出射させる。
上記第４の目的は、以下の第７の光デバイスにより達成される。
外部から入力される入力信号と出力すべき出力信号との間を、信号光により接続する光デバイスであって、
シート状であり、シートの厚さ方向に最大屈折率部分を有し、当該最大屈折率部分からの厚さ方向に沿って離れるに従って屈折率が増加しない屈折率分布を含むシート状光伝送路と、
入力信号に応じた入射光を、シート状光伝送路へ入射させるために伝送する入射側光伝送路と、
入射側光伝送路とシート状光伝送路とを接続し、入射側光伝送路のモードフィールドを、シート状光伝送路へ入射できるように変換する入射側ビーム変換部と、
シート状光伝送路から出射光を、出力信号として出射させるために伝送する出射側光伝送路と、
出射側光伝送路とシート状光伝送路とを接続し、シート状光伝送路のモードフィールドを、出射側光伝送路へ入射できるように変換する出射側ビーム変換部とを備え、
入射側ビーム変換部から出射する信号光を、シート状光伝送路へ入射光として入射させ、
シート状光伝送路の内部において、厚さ方向に直交する長さ方向に沿って、長さ方向及び厚さ方向の両方に直交する幅方向に複数の固有モードを持つマルチモードで入射光を伝送するとともに、複数の固有モードが長さ方向に沿って相互に干渉することにより出射光を生成し、
シート状光伝送路から出射光を出射させ、出射側ビーム変換部へ入射させる。
本発明に係る第７の光デバイスは、以上の構成を備えているので、複数の信号光の間隔を容易に変更することができる。したがって、入出射部にモードフィールドの異なるマルチモードの光ファイバ等を用いた場合でも光伝送路を大型させることなく、接続が可能である。
好ましくは、入射側ビーム変換部は、
中心を最大屈折率として中心から離れるに従って屈折率が減少する屈折率分布を有するレンズ素子であり、
シート状光伝送路に入射される信号光と同数配置される。
好ましくは、入射側ビーム変換部は、
入射側光伝送路側からシート状光伝送路側へ向けて、中心と周辺との間の屈折率の変化が次第に大きくなる屈折率分布を含む。
好ましくは、入射側ビーム変換部は、
シート状光伝送路の厚さ方向に平行な方向の中心部に最大屈折率を有し、中心部から離れるに従って屈折率が減少する屈折率分布を有する導波路であり、
シート状光伝送路に入射される信号光と同数配置される。
好ましくは、導波路は、幅方向の大きさがシート状光伝送路との接続部に向けて小さくなる形状を備える。好ましくはさらに、入射側ビーム変換部は、シート状光伝送路と一体的に形成される。
好ましくは、入射側ビーム変換部は、
シート状光伝送路の厚さ方向に平行な方向及び幅方向に平行な方向の中心部に最大屈折率を有し、中心部から離れるに従って屈折率が減少する屈折率分布を有する光伝送路であり、
シート状光伝送路に対して１個配置される。
好ましくは、出射側ビーム変換部は、
中心を最大屈折率として中心から離れるに従って屈折率が減少する屈折率分布を有するレンズ素子であり、
シート状光伝送路から出射される信号光と同数配置される。
好ましくは、出射側光伝送路は、
中心を最大屈折率として中心から離れるに従って屈折率が減少する屈折率分布を有する光ファイバであり、
出射側ビーム変換部は、
出射側光伝送路側からシート状光伝送路側へ向けて、中心と周辺との間の屈折率の変化が次第に大きくなる屈折率分布を含む。
好ましくは、出射側ビーム変換部は、
シート状光伝送路の厚さ方向に平行な方向の中心部に最大屈折率を有し、中心部から離れるに従って屈折率が減少する屈折率分布を有する導波路であり、
シート状光伝送路から出射される信号光と同数配置される。
好ましくはさらに、導波路は、幅方向の大きさがシート状光伝送路との接続部に向けて小さくなる形状を備える。好ましくはさらに、出射側ビーム変換部は、シート状光伝送路と一体的に形成される。
好ましくは、出射側ビーム変換部は、
シート状光伝送路の厚さ方向に平行な方向及び幅方向に平行な方向の中心部に最大屈折率を有し、中心部から離れるに従って屈折率が減少する屈折率分布を有する光伝送路であり、
シート状光伝送路に対して１個配置される。
上記第４の目的は、以下の光デバイスの第２の製造方法により達成される。
入力信号と出力信号との間を、光信号により接続する光デバイスであって、
入射光を入射させるための入射面と出射光を出射させるための出射面を具備するシート状の光伝送路と、
前記入射光を前記光伝送路へ入射させるために伝送する入射側光伝送路と、
前記入射側光伝送路と前記光伝送路とを接続し、前記入射側光伝送路のモードフィールドを、前記光伝送路へ入射できるように変換する入射側ビーム変換部と、
前記状光伝送路から前記出射光を、出射させるために伝送する出射側光伝送路と、
前記出射側光伝送路と前記光伝送路とを接続し、前記光伝送路のモードフィールドを、前記出射側光伝送路へ入射できるように変換する出射側ビーム変換部とを備え、
前記光伝送路は、当該光伝送路の厚さ方向において最大屈折率部分を有し、前記最大屈折率部分から厚さ方向に沿って離れるに従って屈折率が減少していく屈折率分布を含み、
前記厚さ方向に直交する幅方向に励起される複数の固有モードを持つマルチモードを導波可能であり、前記厚さ方向と前記幅方向に直交する長さ方向に沿って、前記マルチモードで前記入射光を伝送するとともに、前記マルチモードの相互の干渉により前記入射光の光空間分布を変化して出射光を生成することを特徴とする光デバイスの製造方法であって、
前記シート状光伝送路と、前記入射側ビーム変換部及び前記出射側ビーム変換部の内の少なくとも一方とに対応する凹部を有し、前記シート状光伝送路の材料である樹脂を硬化させるために印加されるべきエネルギーが伝達可能な材料からなる成形型を準備する第１の工程と、
前記凹部に、前記樹脂を充填する第２の工程と、
前記樹脂が充填された前記成形型に、前記樹脂を硬化させて所望の前記屈折率分布を形成するために、前記厚さ方向の上下から所定量の前記エネルギーを印加する第３の工程と、
硬化した前記樹脂に、前記凹部に形成されていない前記入射側ビーム変換部及び前記出射側ビーム変換部がある場合には当該変換部を接続し、さらに、前記入射側光伝送路と、前記出射側光伝送路とを接続する第４の工程とを備える。
本発明に係る光デバイスの第２の製造方法は、以上の工程を備えるので、所望の屈折率分布を含むシート状の光伝送路と入射側光伝送路と、出射側光伝送路とを備える光デバイスを容易に高精度に製造することができる。
好ましくは、エネルギーの印加は、所定波長の紫外線の照射であり、
成形型は、所定波長の紫外線に対して透明な材料からなる。
また、好ましくは、エネルギーの印加は、加熱である。
好ましくは、第４工程に先立って、硬化した樹脂を成形型から離型する第５の工程を備える。
好ましくは、第４工程において、
硬化した樹脂に、成形型に形成されていない入射側ビーム変換部及び出射側ビーム変換部がある場合には当該変換部を接続し、さらに、入射側光伝送路と、出射側光伝送路とを接続する際に、当該光伝送路を位置決めするための位置決め部が形成された基板に各光伝送路を配置する。
好ましくは、第１の工程において、
成形型は、入射側光伝送路及び出射側光伝送路の少なくとも一方を位置決めするための位置決め部を含み、
第４の工程において、
位置決め部が形成された成形型に各伝送路を配置する。
好ましくは、入射側光伝送路は、光ファイバである。また、好ましくは、出射側光伝送路は、光ファイバである。
本発明に係る第１の光デバイスによれば、信号光を入出射させる際の結合が容易で損失が小さいシート状マルチモード光伝送路を備え、シングルモードによる信号光の伝送と同等の１０Ｇｂｓ程度の高速伝送が可能である光デバイスを提供することができる。また、本発明に係る第１の光デバイスの製造方法によれば、上記光デバイスを製造することができる。
また、本発明に係る第１の光集積デバイスによれば、上記光デバイスを複数備える光集積デバイスを提供することができる。また、本発明に係る第１の光集積デバイスの製造方法によれば、上記光集積デバイスを製造することができる。
本発明に係る第２及び第３の光デバイスによれば、信号光を入出射させる際の結合が容易で損失が小さいシート状マルチモード光伝送路を備え、シングルモードによる信号光の伝送と同等の１０Ｇｂｓ程度の高速伝送が可能で、多重信号光の分波及び合波を良好に行うことができる光デバイスを提供することができる。
本発明に係る第４の光デバイスによれば、信号光を入出射させる際の結合が容易で損失が小さいシート状マルチモード光伝送路を備え、シングルモードによる信号光の伝送と同等の１０Ｇｂｓ程度の高速伝送が可能で、伝送される信号光のスイッチングが可能な光デバイスを提供することができる。
本発明に係る第５乃至６の光デバイスによれば、信号光を入出射させる際の結合が容易で損失が小さいシート状マルチモード光伝送路を備え、シングルモードによる信号光の伝送と同等の１０Ｇｂｓ程度の高速伝送が可能で、シート状マルチモード光伝送路の幅方向と長さ方向の大きさがコンパクトな光デバイスを提供することができる。
上記第５の目的は、以下の構成を備えた第８の光デバイスにより達成される。
外部から入射する信号光を伝送し、伝送した信号光を外部へ出射する光デバイスであって、
第１方向に屈折率分布を含み、信号光を複数の光路によって第１方向に直交する第２方向に伝送できる光伝送路を備え、
光伝送路へ入射する信号光の光軸、及び光伝送路から出射する信号光の光軸の内、少なくとも一方は、第２方向と平行でなく、
複数の光路の内、信号光の光軸に関して互いに対称に光伝送路へ入射する二つの光路は、光伝送路へ入射する位相差と光伝送路から出射する位相差とが等しい。
以上の構成によれば、本発明に係る第８の光デバイスは、第１方向に屈折率分布を含み、信号光を複数の光路によって第１方向に直交する第２方向に伝送できる光伝送路を備えているから、モード分散抑制し、ギガビットクラスの高周波の信号光をマルチモードで伝送することができる。
また、光伝送路へ入射する信号光の光軸、及び光伝送路から出射する信号光の光軸の内、少なくとも一方は、第２方向と平行でないので、光部品の実装に際して嵩上げをしなくてもよい。したがって、光デバイスの全体構成をコンパクトにできる。
さらに、信号光の複数の光路の内、信号光の光軸に関して互いに対称に光伝送路へ入射する二つの光路は、光伝送路へ入射する位相差と光伝送路から出射する位相差とが等しいので、入射の際の信号光の強度分布をそのまま信号光として出射できる。すなわち、光伝送路により位相差が発生しないので、入射した強度分布のまま光伝送路から出射することができ、光伝送路から信号光を損失なく出射できる。
好ましくは、光デバイスは、以下の構成を備える。
光伝送路へ信号光を入射するための入射部と、
光伝送路から信号光を出射するための出射部とを備え、
入射部及び出射部の内、少なくとも一方は、内部を伝送する信号光の光軸が、第２方向と平行でない方向になるように、光伝送路と結合する。
この構成により、入射部又は出射部を、光伝送路の伝送方向端面に設ける必要がなくなる。したがって、光部品の実装に際して嵩上げをしなくてもよい。
好ましくは、入射部及び出射部の内、少なくとも一方は、内部を伝送する信号光の光軸が、第２方向と直交するように、光伝送路と結合している。
この構成により、外部と光伝送路とを簡単に結合することができる。例えば、光伝送路へ入射する信号光を発光する発光素子や光伝送路から出射した信号光を受光する受光素子などの光部品と、光伝送路とを結合する際に、光部品を簡単に実装できる。
好ましくは、上述の二つの光路は、伝送される信号光の波長の整数倍に等しい光学的な光路長差を持つ（以下、構成Ａという）。構成Ａを具備していることにより、二つの光路の位相差をゼロにすることができる。
構成Ａにおいて、好ましくは、二つの光路は、光学的な光路長差が生じる光路長差発生部をｍ個（ｍ＝１，２，３・・・）含み、ｍ個の光路長差発生部で発生する光学的な光路長差の和が、信号光の波長の自然数倍に等しい（以下、構成１という）。この構成により、二つの光路の位相差をゼロにすることができる。
構成１において、好ましくは、光伝送路は、第１方向に信号光を閉じこめ可能なシート状光伝送路であり、第１方向の厚さが半分となる中心部の屈折率が最大で、中心部から第１方向に沿って離れるに従って屈折率が増加しない屈折率分布を含む。この構成により、屈折率分布によってモード分散を抑制しながら、信号光を伝送する。
構成１において、好ましくはさらに、上述のシート状光伝送路は、第２方向と平行でない方向から入射した信号光の光軸を、第２方向へ折り曲げるための第１反射面と、第２方向に伝送した信号光の光軸を、第２方向と平行でない方向へ折り曲げるための第２反射面とを含んでおり、光路長差発生部は、第１及び第２反射面により反射される二つの光路の屈折率履歴が異なる部分である。
この構成により、第１方向と平行でない方向から光伝送路へ入射される信号光を、簡単に光伝送路へ入射させることができる。また、及び第１方向と平行でない方向へ光伝送路から出射される信号光を、簡単に光伝送路から出射させることができる。
構成１において、好ましくはさらに、上述のシート状光伝送路において、第１反射面により信号光のすべてが第２方向へ折り曲げられた位置から、信号光のすべてが第２反射面に入射する直前の位置までの物理的な光路長が、屈折率分布に基づいて蛇行して伝送される光路の蛇行周期のｊ倍（ｊ＝０，１，２，３・・・）に等しい。この構成により、信号光は入射側と出射側とで強度分布が一致する。
構成Ａにおいて、好ましくは、二つの光路は、光学的な光路長差が生じる光路長差発生部をｎ個（ｎ＝２，３，４・・・）含み、ｎ個の光路長差発生部で発生する光路長差の和がゼロである（以下、構成２という）。この構成により、二つの光路の位相差をゼロにすることができる。
構成２において、好ましくは、光伝送路は、第１方向に信号光を閉じこめ可能なシート状光伝送路であり、第１方向の厚さが半分となる中心部の屈折率が最大で、中心部から第１方向に沿って離れるに従って屈折率が増加しない屈折率分布を含む。この構成により、屈折率分布によってモード分散を抑制して、信号光を伝送する。
構成２において、好ましくはさらに、上述のシート状光伝送路は、第２方向と平行でない方向から入射した信号光の光軸を、第２方向へ折り曲げるための第１反射面と、第２方向に伝送した信号光の光軸を、第２方向と平行でない方向へ折り曲げるための第２反射面とを含んでおり、光路長差発生部は、第１及び第２反射面により反射される二つの光路の屈折率履歴が異なる部分である。
この構成により、第２方向と平行でない方向から光伝送路へ入射される信号光を、簡単に光伝送路へ入射させることができる。また、及び第２方向と平行でない方向へ光伝送路から出射される信号光を、簡単に光伝送路から出射させることができる。
構成２において、好ましくはさらに、上述のシート状光伝送路において、第１反射面により信号光のすべてが第２方向へ折り曲げられた位置から、信号光のすべてが第２反射面に入射する直前の位置までの物理的な光路長が、屈折率分布に基づいて蛇行して伝送される光路の蛇行周期の（ｊ＋０．５）倍（ｊ＝０，１，２，３・・・）に等しい。この構成により、信号光は入射側と出射側とで強度分布が一致する。
好ましくは、上述の二つの光路は、光学的な光路長差がゼロである（以下、構成Ｂという）。構成Ｂを具備していることにより、二つの光路の位相差をゼロにすることができる。
構成Ｂにおいて、好ましくは、二つの光路は、光学的な光路長差が生じる光路長差発生部をｎ個（ｎ＝２，３，４・・・）含み、ｎ個の光路長差発生部で発生する光路長差の和がゼロである（以下、構成２という）。この構成により、二つの光路の位相差をゼロにすることができる。
構成２において、好ましくは、光伝送路は、第１方向に信号光を閉じこめ可能なシート状光伝送路であり、第１方向の厚さが半分となる中心部の屈折率が最大で、中心部から第１方向に沿って離れるに従って屈折率が増加しない屈折率分布を含む。この構成により、屈折率分布によってモード分散を抑制させて、信号光を伝送する。
構成２において、好ましくはさらに、上述のシート状光伝送路は、第２方向と平行でない方向から入射した信号光の光軸を、第２方向へ折り曲げるための第１反射面と、第２方向に伝送した信号光の光軸を、第２方向と平行でない方向へ折り曲げるための第２反射面とを含んでおり、光路長差発生部は、第１及び第２反射面により反射される二つの光路の屈折率履歴が異なる部分である。
この構成により、第２方向と平行でない方向から光伝送路へ入射される信号光を、簡単に光伝送路へ入射させることができる。また、及び第２方向と平行でない方向へ光伝送路から出射される信号光を、簡単に光伝送路から出射させることができる。
構成２において、好ましくはさらに、上述のシート状光伝送路において、第１反射面により信号光のすべてが第２方向へ折り曲げられた位置から、信号光のすべてが第２反射面に入射する直前の位置までの物理的な光路長が、屈折率分布に基づいて蛇行して伝送される光路の蛇行周期の（ｊ＋０．５）倍（ｊ＝０，１，２，３・・・）に等しい。この構成により、信号光は入射側と出射側とで強度分布が一致する。
構成Ｂにおいて、好ましくは、二つの光路は、光学的な光路長差が発生する部分を持たない（以下、構成３という）。この構成により、二つの光路の位相差をゼロにすることができる。
構成３において、好ましくは、光伝送路は、第１方向に信号光を閉じこめ可能なシート状光伝送路であり、第１方向の厚さが半分となる中心部の屈折率が最大で、中心部から第１方向に沿って離れるに従って屈折率が増加しない屈折率分布を含む。
構成３において、好ましくはさらに、上述のシート状光伝送路は、第２方向と平行でない方向から入射した信号光の光軸を、第２方向へ折り曲げるための第１反射面と、第２方向に伝送した信号光の光軸を、第２方向と平行でない方向へ折り曲げるための第２反射面とを含み、中心部における第１反射面と第２反射面との間の物理的な光路長が、屈折率分布に基づいて蛇行して伝送される光路の蛇行周期のｊ／２倍（ｊ＝０，１，２，３・・・）に等しく、信号光は、第１反射面及び第２反射面上の、光伝送路の第１方向の厚さが半分となる中心部で、第１方向及び第２方向に共に直交する第３方向に平行な線状に集光される。
この構成により、中心部における第１反射面と第２反射面との間が、光学的に共役関係となる。このため、第１反射面と第２反射面との間で、二つの光路は、光学的な光路長差が発生する部分を持たない。したがって、二つの光路の位相差をゼロにすることができる。
また、上記第６の目的は、以下の構成を備えた第９の光デバイスにより達成される。
外部から入射する信号光を伝送し、伝送した信号光をマルチモード干渉によって所定の位置から外部へ出射する光デバイスであって、
第１方向に屈折率分布を含み、信号光を前記第１方向に直交する第２方向に伝送可能であり、前記第１方向に信号光を閉じこめ可能なシート状光伝送路と、
前記シート状光伝送路へ信号光を入射するためのＭ個（Ｍ＝１，２，３・・・）の入射部と、
前記シート状光伝送路から信号光を出射するためのＮ個（Ｎ＝１，２，３・・・）の出射部とを備え、
前記Ｍ個の入射部及び前記Ｎ個の出射部は、内部を伝送する信号光の光軸が前記第２方向と平行でない方向に前記シート状光伝送路と結合する少なくとも一つの非平行入出射部を含み、
前記非平行入出射部と対応する前記入射部又は前記出射部との間を伝送する信号光の複数の光路の内、信号光の光軸に関して互いに対称に前記シート状光伝送路へ入射する二つの光路は、前記シート状光伝送路へ入射する位相差と前記シート状光伝送路から出射する位相差とが等しく、
前記Ｍ個の入射部及び前記Ｎ個の出射部は、すべて所定のマルチモード干渉のセルフ−イメージング原理の条件を満足する位置に配置されていることを特徴とする。
以上の構成によれば、本発明に係る第９の光デバイスは、第１方向に屈折率分布を含み、信号光を複数の光路によって第１方向に直交する第２方向に伝送できる光伝送路を備えているから、モード分散を抑制し、ギガビットクラスの高周波の信号光をマルチモードで伝送することができる。
また、非平行入出射部を含むので、光部品の実装に際して嵩上げをしなくてもよい。したがって、光デバイスの全体構成をコンパクトにできる。
また、信号光の複数の光路の内、信号光の光軸に関して互いに対称に光伝送路へ入射する二つの光路は、光伝送路へ入射する位相差と光伝送路から出射する位相差とが等しいので、入射の際の信号光の強度分布をそのまま信号光として出射できる。すなわち、光伝送路により位相差が発生しないので、入射した強度分布のまま光伝送路から出射することができ、光伝送路から信号光を損失なく出射できる。
さらに、Ｍ個の入射部及びＮ個の出射部は、すべて所定のマルチモード干渉のセルフ−イメージング原理の条件を満足する位置に配置されているので、マルチモード干渉を用いて信号光を制御することができる。したがって、光分岐器や光合成器といった光デバイスを得ることができる。
好ましくは、非平行入射部は、内部を伝送する信号光の光軸が、第２方向と直交するように、光伝送路と結合する。この構成により、外部と光伝送路とを簡単に結合することができる。例えば、光伝送路へ入射する信号光を発光する発光素子や光伝送路から出射した信号光を受光する受光素子などの光部品と、光伝送路とを結合する際に、光部品を簡単に実装できる。
好ましくは、上述の二つの光路は、伝送される信号光の波長の整数倍に等しい光学的な光路長差を持つ（以下、構成Ａという）。構成Ａを具備していることにより、二つの光路の位相差をゼロにすることができる。
構成Ａにおいて、好ましくは、二つの光路は、光学的な光路長差が生じる光路長差発生部をｍ個（ｍ＝１，２，３・・・）含み、ｍ個の光路長差発生部で発生する光学的な光路長差の和が、信号光の波長の自然数倍に等しい（以下、構成１という）。この構成により、二つの光路の位相差をゼロにすることができる。
構成１において、好ましくは、光伝送路は、第１方向の厚さが半分となる中心部の屈折率が最大で、中心部から第１方向に沿って離れるに従って屈折率が増加しない屈折率分布を含む。この構成により、屈折率分布によってモード分散を抑制し、信号光を伝送する。
構成１において、好ましくはさらに、上述のシート状光伝送路は、第２方向と平行でない方向から入射した信号光の光軸を、第２方向へ折り曲げるための第１反射面と、第２方向に伝送した信号光の光軸を、第２方向と平行でない方向へ折り曲げるための第２反射面とを含んでおり、光路長差発生部は、第１及び第２反射面により反射される二つの光路の屈折率履歴が異なる部分である。
この構成により、第１方向と平行でない方向から光伝送路へ入射される信号光を、簡単に光伝送路へ入射させることができる。また、及び第１方向と平行でない方向へ光伝送路から出射される信号光を、簡単に光伝送路から出射させることができる。
構成１において、好ましくはさらに、上述のシート状光伝送路において、第１反射面により信号光のすべてが第２方向へ折り曲げられた位置から、信号光のすべてが第２反射面に入射する直前の位置までの物理的な光路長が、屈折率分布に基づいて蛇行して伝送される光路の蛇行周期のｊ倍（ｊ＝０，１，２，３・・・）に等しい。この構成により、信号光は入射側と出射側とで強度分布が一致する。
構成Ａにおいて、好ましくは、二つの光路は、光学的な光路長差が生じる光路長差発生部をｎ個（ｎ＝２，３，４・・・）含み、ｎ個の光路長差発生部で発生する光路長差の和がゼロである（以下、構成２という）。この構成により、二つの光路の位相差をゼロにすることができる。
構成２において、好ましくは、光伝送路は、第１方向の厚さが半分となる中心部の屈折率が最大で、中心部から第１方向に沿って離れるに従って屈折率が増加しない屈折率分布を含む。この構成により、屈折率分布によってモード分散を抑制し、信号光を伝送する。
構成２において、好ましくはさらに、上述のシート状光伝送路は、第２方向と平行でない方向から入射した信号光の光軸を、第２方向へ折り曲げるための第１反射面と、第２方向に伝送した信号光の光軸を、第２方向と平行でない方向へ折り曲げるための第２反射面とを含んでおり、光路長差発生部は、第１及び第２反射面により反射される二つの光路の屈折率履歴が異なる部分である。
この構成により、第２方向と平行でない方向から光伝送路へ入射される信号光を、簡単に光伝送路へ入射させることができる。また、及び第２方向と平行でない方向へ光伝送路から出射される信号光を、簡単に光伝送路から出射させることができる。
構成２において、好ましくはさらに、上述のシート状光伝送路において、第１反射面により信号光のすべてが第２方向へ折り曲げられた位置から、信号光のすべてが第２反射面に入射する直前の位置までの物理的な光路長が、屈折率分布に基づいて蛇行して伝送される光路の蛇行周期の（ｊ＋０．５）倍（ｊ＝０，１，２，３・・・）に等しい。この構成により、信号光は入射側と出射側とで強度分布が一致する。
好ましくは、上述の二つの光路は、光学的な光路長差がゼロである（以下、構成Ｂという）。構成Ｂを具備していることにより、二つの光路の位相差をゼロにすることができる。
構成Ｂにおいて、好ましくは、二つの光路は、光学的な光路長差が生じる光路長差発生部をｎ個（ｎ＝２，３，４・・・）含み、ｎ個の光路長差発生部で発生する光路長差の和がゼロである（以下、構成２という）。この構成により、二つの光路の位相差をゼロにすることができる。
構成２において、好ましくは、光伝送路は、第１方向の厚さが半分となる中心部の屈折率が最大で、中心部から第１方向に沿って離れるに従って屈折率が増加しない屈折率分布を含む。この構成により、屈折率分布によってモード分散を抑制し、信号光を伝送する。
構成２において、好ましくはさらに、上述のシート状光伝送路は、第２方向と平行でない方向から入射した信号光の光軸を、第２方向へ折り曲げるための第１反射面と、第２方向に伝送した信号光の光軸を、第２方向と平行でない方向へ折り曲げるための第２反射面とを含んでおり、光路長差発生部は、第１及び第２反射面により反射される二つの光路の屈折率履歴が異なる部分である。
この構成により、第２方向と平行でない方向から光伝送路へ入射される信号光を、簡単に光伝送路へ入射させることができる。また、及び第２方向と平行でない方向へ光伝送路から出射される信号光を、簡単に光伝送路から出射させることができる。
構成２において、好ましくはさらに、上述のシート状光伝送路において、第１反射面により信号光のすべてが第２方向へ折り曲げられた位置から、信号光のすべてが第２反射面に入射する直前の位置までの物理的な光路長が、屈折率分布に基づいて蛇行して伝送される光路の蛇行周期の（ｊ＋０．５）倍（ｊ＝０，１，２，３・・・）に等しい。この構成により、信号光は入射側と出射側とで強度分布が一致する。
構成Ｂにおいて、好ましくは、二つの光路は、光学的な光路長差が発生する部分を持たない（以下、構成３という）。この構成により、二つの光路の位相差をゼロにすることができる。
構成３において、好ましくは、光伝送路は、第１方向の厚さが半分となる中心部の屈折率が最大で、中心部から第１方向に沿って離れるに従って屈折率が増加しない屈折率分布を含む。
構成３において、好ましくはさらに、上述のシート状光伝送路は、第２方向と平行でない方向から入射した信号光の光軸を、第２方向へ折り曲げるための第１反射面と、第２方向に伝送した信号光の光軸を、第２方向と平行でない方向へ折り曲げるための第２反射面とを含み、中心部における第１反射面と第２反射面との間の物理的な光路長が、屈折率分布に基づいて蛇行して伝送される光路の蛇行周期のｊ／２倍（ｊ＝０，１，２，３・・・）に等しく、信号光は、第１反射面及び第２反射面上の、光伝送路の第１方向の厚さが半分となる中心部で、第１方向及び第２方向に共に直交する第３方向に平行な線状に集光される。
この構成により、中心部における第１反射面と第２反射面との間が、光学的に共役関係となる。このため、第１反射面と第２反射面との間で、二つの光路は、光学的な光路長差が発生する部分を持たない。したがって、二つの光路の位相差をゼロにすることができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、本発明は下記の実施の形態に限定されるものではない。また、本発明は、下記の実施の形態をそれぞれ組み合わせたものも含む。なお、各実施の形態に係る屈折率分布スラブ導波路において、ｚ軸に平行な方向を長さ方向と、ｙ軸に平行な方向を厚さ方向と、ｘ軸に平行な方向を幅方向とそれぞれ定義する。特に、ｚ軸の正に向かう方向を伝送方向と定義する。ｘｙｚ軸は、３次元直交座標系を構成する。また、各実施の形態に係る屈折率分布スラブ導波路において、ｘ軸に平行な方向の大きさをスラブ幅（Ｗ）と、ｙ軸に平行な方向の大きさをスラブ厚（Ｄ）と、ｚ軸に平行な方向の大きさをスラブ長Ｌとする。特に指定しない限り、各図において、屈折率分布は、図中に示された濃淡により模式的に表わされており、濃淡が濃い程屈折率が高いことを示す。
（実施の形態１）
図１Ａは、本発明の実施の形態１に係る光２分岐を行う光デバイスの屈折率分布スラブ導波路１０１の概要を示す斜視図である。図１Ｂは、本発明の実施の形態１に係る光２分岐を行う光デバイスの屈折率分布スラブ導波路１０１の断面図である。図１８は、光２分岐の場合のＢＰＭ（Ｂｅａｍ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ）シミュレーション結果である。
実施の形態１に係る光デバイスは、光を伝送する屈折率分布スラブ導波路１０１を中心に構成される。屈折率分布スラブ導波路１０１は、図１Ａに示すように、ｘｚ平面に平行に広がるシート状のマルチモード光伝送路である。屈折率分布スラブ導波路１０１は、厚さ方向の中心位置に最大屈折率 ｎmaxを持ち、中心位置から離れるに従って屈折率が増加しない厚さ方向の屈折率分布を有する。屈折率分布スラブ導波路１０１は、幅方向には一定の屈折率を有し、屈折率分布を持たない。屈折率分布スラブ導波路１０１は、入射面１０２と、出射面１０３とを含む。入射面１０２は、幅方向の中心位置に入射光１０７を入射させる入射部（図示せず）に対向する。出射面１０３は、幅方向の中心に対して対称な位置から出射する２個の出射光１０８を受光する出射部（図示せず）に対向する。入射部は、信号光に対応する入射光１０７を入射面１０２の幅方向の中心位置に入射させる。入射光１０７は、屈折率分布スラブ導波路１０１の内部を伝送される。入射光１０７は、屈折率分布スラブ導波路１０１の内部で、後述するマルチモード干渉のセルフ−イメージング原理に従って２分岐され、出射面１０３の幅方向に離れた位置から２個の出射光１０８として出射し出射部に至る。
屈折率分布スラブ導波路１０１のスラブ長Ｌは、ほぼｎ0× Ｗ0 2／（２λ）であり、２個の出射光１０８の出射位置の幅方向の間隔Ｄ１は、ほぼ Ｗ0／２である。ここで、Ｗ0 は、屈折率分布スラブ導波路１０１の幅方向の基本モードの幅を、 ｎ0は、幅方向に励起した０次モード光の実効屈折率をそれぞれ表す。実効屈折率ｎ0は、厚さ方向の最大屈折率 ｎmaxと屈折率分布スラブ導波路１０１の形状とにより決定される定数である。ただし、スラブ長Ｌが、ｎ0 ×Ｗ0 2／（２λ）に一致する位置から以降は、セルフ−イメージング原理により、ｎ0 ×Ｗ0 2／λの長さ毎に同様の出力が繰り返される。したがって、スラブ長Ｌを、ｎ0 ×Ｗ0 2／（２λ）の奇数倍とすることで、所望の大きさになるようにスラブ長Ｌを調節することができる。
たとえば、図１Ａに示す屈折率分布スラブ導波路１０１において、幅方向に励起した０次モード光に対する実効屈折率ｎ0を約１.５とし、伝送される光の波長λを１.３０μｍとし、屈折率分布スラブ導波路１０１のスラブ幅Ｗを４００μｍとし、屈折率分布スラブ導波路１０１のスラブ厚Ｄを５０μｍとした場合を考える。屈折率分布スラブ導波路１０１の幅方向の基本モードの幅Ｗ0は、屈折率分布スラブ導波路１０１の周囲の屈折率ｎ1に依存する。屈折率分布スラブ導波路１０１の周囲が空気（ｎ1＝１）の場合、Ｗ0の値が４００．１６μｍとなるので、屈折率分布スラブ導波路１０１の最短のスラブ長Ｌの値は、約９２，４００μｍとなる。このとき、出射光１０８の出射位置間隔Ｄ１の値は、２００．０８μｍとなる。図１８に、以上の条件に基いて実施したＢＰＭシミュレーションの結果を示す。図１８において、入射面１０２の幅方向の中心位置に入射した１個の入射光１０７が、長さ方向に沿ってマルチモード干渉しながら５分岐、４分岐、３分岐と変化し、最終的には出射面１０３で設計通り２分岐となる様子がわかる。




屈折率分布スラブ導波路１０１の厚さ方向の屈折率分布は、例えば、（数１）に示すように厚さ方向の中心に位置する厚さ方向の中心位置の最大屈折率 ｎmaxと、中心位置から厚さ方向に離れる距離ｒと屈折率分布定数Ａ1/2とで近似的に表される。
Figure 0004130834
なお、実際の屈折率分布は、製造プロセスの制御の困難性から（数１）と完全に一致させることは困難である。実施の形態１に係る屈折率分布スラブ導波路１０１は、中心近傍に最大屈折率部分を形成し、最大屈折率部分からの距離に従って（数１）で規定するような放物線に従って低下する構成を有している。
実際には、屈折率分布スラブ導波路１０１を伝送される信号光は、幅方向に複数モードが励起されており、モードごとに実効屈折率が異なっている。後述するように、MMIにおいて、長さ方向の大きさは、幅方向に励起される０次モード光の実効屈折率の関数になるので、最大屈折率 ｎmaxを幅方向に励起される０次モード光の実効屈折率 n0に置換した方が都合がよい。したがって、以下の議論において、屈折率として幅方向に励起される０次モード光の実効屈折率 n0を用いることにする。なお、実効屈折率 n0は、最大屈折率 ｎmaxと、信号光の波長と、シート状光伝送路の形状により決定される。
屈折率分布定数は、屈折率分布スラブ導波路１０１中を伝送する光が、膜厚から外へ出ないように、屈折率分布スラブ導波路１０１の膜厚と入射光１０７のプロファイルとに応じて最適化される。例えば、屈折率分布スラブ導波路１０１の膜厚に対して、入射光１０７の広がり角度が大きい場合は、屈折率分布定数を大きくする。逆に、入射光１０７の広がり角度が小さい場合は、屈折率分布定数を小さくする。また、入射光１０７のビーム径に合わせて屈折率分布スラブ導波路１０１の膜厚を調整すると結合ロスを低減できる。なお、屈折率分布は（数１）に示すような連続的な変化でなくてもよく、中心からの距離の関数として階段状に変化しても問題無い。
次に、屈折率分布スラブ導波路１０１の入射面１０２に幅方向の中心線に対称に入射する入射光を入射した時に、出射面１０３側で幅方向の中心線に対称に２分岐するメカニズムを説明する。ただし、（ｉ）厚さ方向の中心面内を伝送する光の場合（図１ＢにおいてＡと記載した光路を伝送する信号光）と、（ｉｉ）厚さ方向の中心面内を伝送しない光とに分けて説明する。（ｉｉ）の厚さ方向の中心面内を伝送しない光は、中心面に軸ずれ角度を有して入射する入射光の場合（図１ＢにおいてＢと記載した光路を伝送する信号光）と、中心面から位置ずれ（軸ずれ）した位置に入射する入射光の場合（図１ＢにおいてＣと記載した光路を伝送する信号光）との２つの信号光が存在する。（ｉ）厚さ方向の中心面内を伝送する光は、厚さ方向の屈折率分布の影響を受けない。一方、（ｉｉ）厚さ方向の中心面内を伝送しない光は、厚さ方向の屈折率分布の影響を受ける。
屈折率分布スラブ導波路１０１において、（ｉ）厚さ方向の中心面内を伝送する光の振る舞いは、実質的に実効屈折率 ｎ0しか感じないので、文献（１１）に記載されたスラブ導波路において一定屈折率を、幅方向に励起する０次モードに対する実効屈折率 ｎ0とした場合と等価である。したがって、屈折率分布スラブ導波路１０１の厚さ方向の中心面内を伝送する入射光に対する出射光の状態は、屈折率が ｎ0で一定のスラブ導波路の幅方向に励起するマルチモードのモード分散によって、スラブ長Ｌに応じて変化する。ただし、出射光の状態が変化するとは、入射光と同じ像の数と出射位置とが変化することを意味する。実施の形態１に係る屈折率分布スラブ導波路１０１の場合、スラブ長Ｌを、ほぼ ｎ0×Ｗ0 2／λ／２に一致させ、入射面１０２の幅方向の中心位置に１個の入射光１０７を入射させることにより、出射面１０３に入射光１０７と同じ像が、幅方向の中心に対称にほぼ Ｗ0／２だけ離れた間隔に形成されように構成している。屈折率分布スラブ導波路１０１は、出射面１０３に形成された２個の像を、２個の出射光１０８として出力している。２個の出射光１０８は、入射光１０７と同じ像を出力したものであるため、それぞれ同じプロファイルを持つ。
このようなマルチモード干渉（ＭＭＩ：Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）のセルフ−イメージング原理を利用することにより、幅方向の入射位置に応じて、以下の（１）及び（２）に示す機能を持つデバイスを作成することができる。
（１）非対称入射：
一定屈折率ｎ0を有するスラブ導波路において、幅方向の中心からｘだけずれた入射光に対して、入射光と同じプロファイルを有する出射光が、下記の（数２）〜（数８）に示すようにスラブ長Ｌに応じて位置と数とを変化させて出射面から出射する。ただし、ｐ及びＮは、整数である。また、整数ｐは（ｐ±１／Ｎ）が正となる整数である。
（１−１）
Figure 0004130834
 スラブ長Ｌが（数２）を満足することにより、出射面の幅方向において入射光に対応する位置、すなわち幅方向の中心から入射光の場合と同方向にｘだけずれた位置に、出射光を出射させることができる。
（１−２）
Figure 0004130834
 スラブ長Ｌが（数３）を満足することにより、出射面の幅方向において入射光と幅方向の中心に対称な位置、すなわち幅方向の中心から入射光の場合と逆方向にｘだけずれた位置に、出射光を出射させることができる。
（１−３）
Figure 0004130834
 スラブ長Ｌが（数４）を満足することにより、出射面の幅方向において入射光に対応する位置、すなわち幅方向の中心から入射光の場合と同方向にｘだけずれた位置と、出射面の幅方向において入射光と幅方向の中心に対称な位置、すなわち幅方向の中心から入射光の場合と逆方向にｘだけずれた位置との間のＮカ所に、Ｎ個の出射光を出射させることができる。
なお、入射光が２個で、入射位置がそれぞれ中心から約±Ｗ0／６ずれている場合は、スラブ長Ｌは下記のように（１−１）から（１−３）で述べたスラブ長Ｌに対して１／３の長さになる。
（１−１）‘
Figure 0004130834
 （１−２）‘
Figure 0004130834
 （１−３）‘
Figure 0004130834
 （２）対称中心入射：
一定屈折率ｎ0を有するスラブ導波路において、幅方向の中心に対して対称に入射する入射光に対して、入射光と同じプロファイルを有する出射光が、下記の（数８）に示すようにスラブ長Ｌに応じて位置と数とを変化させて出射面から出射する。ただし、ｐ及びＮは、整数である。また、整数ｐは（ｐ±１／Ｎ）が正となる整数である。
Figure 0004130834
 スラブ長Ｌが（数８）を満足することにより、出射面の幅方向の中心対称にＮ個の出射光が各 Ｗ0／Ｎの間隔で出射する。
なお、複数個の入射光が有る場合は、各入射光について個別に出射光を求め、対応する出射光を重ね合わせればよい。
実施の形態１に係る屈折率分布スラブ導波路１０１の厚さ方向の中心面内を伝送する光は、（数８）において、屈折率ｎ0、Ｎ＝２とした場合に相当する。したがって、入射光は出射端で２分岐される。
一方、（ｉｉ）厚さ方向の中心面内を伝送しない光は、厚さ方向の屈折率分布の影響を受けるので、図１Ｂに示すように、中心面に沿って厚さ方向に蛇行しながら伝播する。すなわち、中心面から離れる方向へ進む光は、常に相対的に屈折率が大きい部分から小さい部分へ進むので、進むにつれて徐々に進行方向と厚さ方向のなす角度が大きくなり、中心軸から最も離れた位置で９０°なる。また、中心面へ近づく方向へ進む光は、常に相対的に屈折率が小さい部分から大きい部分へ進むので、進むにつれて徐々に進行方向と厚さ方向のなす角度が小さくなり、中心面と交差する位置で最小となる。（ｉｉ）厚さ方向の中心面内を伝送しない光は、蛇行しながらも感じる屈折率は常に中心の屈折率よりも小さいので、（ｉ）厚さ方向の中心軸上を伝送する光よりも速度は早くなる。
ここで、屈折率分布が（数１）に示す２次関数の屈折率分布である場合、（ｉｉ）厚さ方向の中心面内を伝送しない光の中心面に平行な伝送速度の成分は、（ｉ）厚さ方向の中心面内を伝送する光の伝送速度と等しくなる。このことは、厚さ方向のモード分散がないことを意味している。従って、入射光の（ｉｉ）厚さ方向の中心面内を伝送しない光の中心面に平行な成分（蛇行する光の厚さ方向に垂直な方向成分）は、（ｉ）厚さ方向の中心面内を伝送する光と同様に、出射面で幅方向の中心に対して対称に２分岐される。
射光の（ｉｉ）厚さ方向の中心面内を伝送しない光の中心面に垂直な成分（蛇行する光の厚さ方向成分）は、蛇行する光の伝播位置に応じて変化するので、出射光の状態は特定できない。ところが、この蛇行する光の厚さ方向成分は、厚さ方向のモード分散がないので、モード分散に起因する信号波形の乱れの影響を受けない。このため、あたかも幅方向についてもモード分散の影響が無い場合と等価の振る舞いをする。従って、２個の出射光は、それぞれ入射光と同じ像を有することになる。以上の結果から、（ｉｉ）厚さ方向の中心面内を伝送しない光（蛇行する光）は、（ｉ）の場合と同じようにスラブ導波路形状に応じて幅方向の中心対称に入射光と同じ像として２分岐される。
上記の説明のように、入射光は屈折率分布スラブ導波路１０１の厚さ方向の全ての固有モードについて等しく２分岐するので、入射面の幅方向の中心位置に入射光が入射すれば、厚さ方向の中心からの位置ずれや大きな広がり角度を有している場合であっても２分岐として機能する光デバイスを得ることができる。なお、入射光の幅方向の中心からの位置ずれは出射光の分岐比のアンバランスの原因となるので、同等の出射光を得たい場合、できるだけ位置ずれが無い方が良い。しかしながら、この位置ずれを積極的に利用して分岐比の調整をすることも可能である。
以上のように、実施の形態１の光２分岐デバイスは、以下の式で表される値の奇数倍であるスラブ長Ｌを持つ屈折率分布スラブ導波路を有しているので、屈折率分布スラブ導波路の入射面の幅方向の中心に入射した入射光を、出射面の幅方向の中心に対称に２個の出射光を生成して出力することができる。
Figure 0004130834
なお、実施の形態１の光２分岐デバイスの入射面と出射面とを入れ替えて、光２合成デバイスとして使用することができる。この場合は、入射面の幅方向の中心位置に対称に２個の入射光を入射させ、出射面の幅方向の中心に１個の出射光を出射させる。光２合成デバイスのスラブ長Ｌは、光２分岐デバイスのスラブ長Ｌと等しい。
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２に係る光８分岐を行う光デバイスの屈折率分布スラブ導波路の概要を示す斜視図である。実施の形態２に係る光デバイスは、光を伝送する屈折率分布スラブ導波路２０１を中心に構成される。屈折率分布スラブ導波路２０１は、図２に示すように、ｘｚ平面に平行に広がるシート状のマルチモード光伝送路である。屈折率分布スラブ導波路２０１は、厚さ方向の中心に最大屈折率 ｎmaxを有し、中心から離れるに従って屈折率が増加しない屈折率分布を有する。屈折率分布スラブ導波路２０１は、幅方向には一定の屈折率を有し、屈折率分布を持たない。屈折率分布スラブ導波路２０１は、入射面２０２と、出射面２０３とを含む。入射面２０２は、幅方向の中心位置に入射光２０７を入射させる入射部（図示せず）に対向する。出射面２０３は、幅方向の中心に対して対称な位置から出射する８個の出射光２０８を受光する受光部２２０に対向する。また、実施の形態２に係る光デバイス２００は、アレイＯ／Ｅ変換部２２１と、出力電気線（バス）２２２とを備える。アレイＯ／Ｅ変換部２２１は、８個の受光部２２０を含む。アレイＯ／Ｅ変換部２２１は、出力電気線２２２に接続される。
実施の形態２において、スラブ長Ｌを、ほぼ ｎ0×Ｗ0 2／（８λ）に一致させ、８個の出射光２０８の出射位置間隔Ｄ１を、ほぼ Ｗ0／８に一致させている。ただし、幅方向に励起する０次モード光の実効屈折率を ｎ0とする。スラブ長Ｌ及び出射位置間隔Ｄ１をこれらの値に設定することにより、出射面に８個の入射光と同じ像が、幅方向の中心に対称にほぼ Ｗ0／８だけ離れた間隔に形成される。実施の形態２に係る屈折率分布スラブ導波路２０１は、この出射面２０３に形成された８個の像を、８個の出射光２０８として出力している。８個の出射光２０８は、入射光２０７と同じ像を出力したものであるため、それぞれ同じプロファイルを持つ。なお、セルフ−イメージング原理によれば、以下に示す数式の値の長さ毎に同様の現象が現れるので、整数ｐを変化させることによりスラブ長Ｌを用途に応じて調節することができる。なお、詳細な８分岐のメカニズムおよび、高速伝送であっても厚さ方向と幅方向で信号光波形の乱れが無いメカニズムは、実施の形態１と同様である。
Figure 0004130834
以上の構成により、入射光２０７は、信号光として入射面２０２の幅方向の中心に入射し、屈折率分布スラブ導波路２０１の内部を伝送される。信号光は、屈折率分布スラブ導波路２０１の内部で、ＭＭＩのセルフ−イメージング原理に従って８分岐され、出射面２０３の幅方向に離れた位置から８個の出射光２０８として出射し８個の受光部２２０に至る。各受光部２２０で受光した信号光は、アレイＯ／Ｅ変換部２２１で電気信号に変化され、出力電気線（バス）２２２から外部へ出力される。
また、実施の形態２に係る光デバイスは、出射面から出射した出射光２０８を受光する受光部２２０がアレイＯ／Ｅ変換部２２１に形成され、アレイＯ／Ｅ変換部２２１が出力電気線２２２に接続されている。この構成により、屈折率分布スラブ導波路２０１から出力される出射光が省スペースで電気信号に変換されるため、出射光を光ファイバ等に接続するカプラが不要となる。したがって、実施の形態２に係る光デバイスは、調整容易でコンパクトに構成することができる。
以上のように、実施の形態２の光８分岐デバイスは、以下の式で表される値のスラブ長Ｌを持つ屈折率分布スラブ導波路を有しているので、屈折率分布スラブ導波路の入射面の幅方向の中心に入射した入射光を、出射面の幅方向の中心に対称に８個の出射光を生成して出力することができる。
Figure 0004130834
なお、実施の形態２の光８分岐デバイスの入射面と出射面とを入れ替えて、光８合成デバイスとして使用することができる。この場合は、入射面の幅方向の中心位置に対称に８個の入射光を入射させ、出射面の幅方向の中心に１個の出射光を出射させる。光８合成デバイスのスラブ長Ｌは、光２分岐デバイスのスラブ長Ｌと等しい。
実施の形態１は光２分岐デバイスの例、実施の形態２は光８分岐の例を示したが、一般に光Ｎ分岐デバイス（Ｎ＝１，２，３・・・）についても同様に設計することが可能である。この場合、以下の式の値を満足するスラブ長Ｌを持つ屈折率分布スラブ導波路の入射面の幅方向の中心位置に１個の入射光を入射させることにより、出射面の幅方向の中心対称にＮ個の出射光を得ることができる。
Figure 0004130834
光Ｎ合成デバイスの場合、同様のスラブ長を持つ屈折率分布スラブ導波路の入射面の幅方向の中心対称にＮ個の入射光を入射させることにより、出射面の中心に１個の出射光を得ることができる。
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３に係る光デバイスである２信号ストレートシートバスの概要を示す斜視図である。実施の形態３に係る光デバイスは、光を伝送する屈折率分布スラブ導波路３０１を中心に構成される。屈折率分布スラブ導波路３０１は、図３に示すように、ｘｚ平面に平行に広がるシート状のマルチモード光伝送路である。屈折率分布スラブ導波路３０１は、厚さ方向の中心に最大屈折率 ｎmaxを有し、中心から離れるに従って屈折率が増加しない分布を有する。屈折率分布スラブ導波路３０１は、幅方向には一定の屈折率を有し、屈折率分布を持たない。実施の形態３に係る光デバイスは、アレイＥ／Ｏ変換部３３２と、入力電気線（バス）３３３と、アレイＯ／Ｅ変換部３３６と、出力電気線（バス）３３７とを備える。
アレイＥ／Ｏ変換部３３２は、第１の発光部３３０と、第２の発光部３３１を含む。第１の発光部３３０は、屈折率分布スラブ導波路３０１の入射面３０２において幅方向の任意の位置に第１光３３８（波長：λ）を入射させる。第２の発光部３３１は、屈折率分布スラブ導波路３０１の入射面において幅方向の任意の位置に、第１光と同一波長の第２光３３９を入射させる。また、アレイＥ／Ｏ変換部３３２は、入力電気線（バス）３３３と接続される。アレイＥ／Ｏ変換部３３２は、入力電気線３３３から入力される外部電気信号を、第１の発光部３３０と第２の発光部３３１とから放射される信号光に変換する。
アレイＯ／Ｅ変換部３３６は、第１の受光部３３４と、第２の受光部３３５とを含む。第１の受光部３３４は、屈折率分布スラブ導波路３０１の出射面３０３において第１の発光部３３０と幅方向の位置が同一である位置に配置される。第２の受光部３３５は、屈折率分布スラブ導波路３０１の出射面において第２の発光部３３１と幅方向の位置が同一である位置に配置される。また、アレイＯ／Ｅ変換部３３６は、出力電気線（バス）３３７と接続される。アレイＯ／Ｅ変換部３３６は、第１の受光部３３４と第２の受光部３３５とで受光する信号光を電気信号に変換し、出力電気線３３７へ出力する。
屈折率分布スラブ導波路３０１は、スラブ長Ｌを、ほぼ８× ｎ0×Ｗ0 2／λに一致させている。ただし、幅方向に励起する０次モード光の実効屈折率を ｎ0とする。屈折率分布スラブ導波路３０１のスラブ長Ｌは、実施の形態１で説明した（１）非対称入射の（数２）において、入射光を複数にして重ね合わせた場合に相当する。スラブ長Ｌをこのように設定することにより、第１の発光部３３０から入射した第１光３３８は、第１の受光部３３４付近に入射した際と同じプロファイルを持つ像を形成する。同様に、第２の発光部３３１から入射した第２光３３９は、第２の受光部３３５付近に入射した際と同じプロファイルを持つ像を形成する。なお、セルフ−イメージング原理によれば８× ｎ0×Ｗ0 2／λの長さ毎に同様の現象が現れるので、スラブ長Ｌを８× ｎ0×Ｗ0 2／λの整数倍にすることにより、用途に応じて屈折率分布スラブ導波路３０１の長さを調節することができる。なお、詳細な分岐のメカニズムおよび、高速伝送であっても厚さ方向と幅方向で信号光波形の乱れが無いメカニズムは、実施の形態１と同様である。
以上の構成により、入力電気線３３３から外部電気信号がアレイＥ／Ｏ変換部３３２に入力されると、アレイＥ／Ｏ変換部３３２は、外部電気信号を第１の発光部３３０から放射される第１光３３８と第２の発光部３３１とから放射される第２光３３９とに変換する。第１の発光部３３０から放射された第１光３３８は、入射面３０２から屈折率分布スラブ導波路３０１に入射して伝送される。第１光３３８は、セルフ−イメージング原理に従って、第１の受光部３３４付近に入射した際と同じプロファイルを持つ像を形成する。これにより、第１光３３８は、出射面３０３から第１の受光部３３４へ出力される。一方、第２の発光部３３１から放射された第２光３３９は、入射面３０２から屈折率分布スラブ導波路３０１に入射して伝送される。第２光３３９は、セルフ−イメージング原理に従って、第２の受光部３３５付近に入射した際と同じプロファイルを持つ像を形成する。これにより、第２光３３９は、出射面３０３から第１の受光部３３５へ出力される。第１の受光部３３４は、受光した第１光３３８に応じた電気信号を出力する。第２の受光部３３５は、受光した第２光３３９に応じた電気信号を出力する。出力された電気信号は、出力電気線３３７から外部へ出力される。このように、ＭＭＩを利用することで、２個の信号光をストレートに伝送するのに個別の光導波路を用意する必要が無く、１個の屈折率分布スラブ導波路３０１で独立して伝送することができる。
図４は、本発明の実施の形態３の変形例に係る光デバイスである８信号ストレートシートバスの概要を示す斜視図である。変形例の光デバイスは、前述した２信号ストレートシートバスと概略構成を同じくする。変形例の光デバイスは、屈折率分布スラブ導波路４０１と、アレイＥ／Ｏ変換部４３２と、入力電気線（バス）３３３と、アレイＯ／Ｅ変換部４３６と、出力電気線（バス）３３７とを備える。アレイＥ／Ｏ変換部４３２は、２信号ストレートシートバスのアレイＥ／Ｏ変換部３３２と概略同一の構成を有するが、第１の発光部３３０及び第２の発光部３３１の代わりに８個の発光部からなる発光部群４４６が形成されている点で相違する。また、アレイＯ／Ｅ変換部４３６は、２信号ストレートシートバスのアレイＯ／Ｅ変換部３３６と概略同一の構成を有するが、第１の受光部３３４及び第２の受光部３３５の代わりに８個の受光部からなる受光部群４４７が形成されている点で相違する。発光部群４４６に含まれる発光部は、すべて受光部群４４７に含まれる受光部と幅方向の位置が対応している。
発光部群４４６は、入力電気線３３３から入力された外部電気信号に基づいて、すべて同一波長の８個の信号光である第１光４３８〜第８光４４５を、入射面４０２からそれぞれ独立に屈折率分布スラブ導波路４０１へ入射させる。屈折率分布スラブ導波路４０１は、第１光４３８〜第８光４４５を伝送する。第１光４３８〜第８光４４５は、屈折率分布スラブ導波路３０１の場合と同様に、出射面４０３から出射され受光部群４４７の内の幅方向の位置が同一である受光部へ受光される。８個の入射光が独立して出射端の幅方向の平行位置に現れる原理は、実施の形態１で説明した（１）非対称入射の（数２）において、入射光を複数にして重ね合わせた場合に相当する。このように、ＭＭＩを利用することで、８個の信号光をストレートに伝送するのに個別の光導波路を用意する必要が無く、１個の屈折率分布スラブ導波路４０１で独立して伝送することができる。
実施の形態３は２信号ストレートシートバス及び８信号ストレートシートバスの例を示したが、一般にＮ信号ストレートシートバス（Ｎ＝１，２，３・・・）についても同様に設計することが可能である。この場合、ほぼ以下の式の整数倍の値であるスラブ長Ｌを持つ屈折率分布スラブ導波路の入射面の任意の位置にＮ個の入射光を入射させることにより、出射面の幅方向の位置が同一の位置からＮ個の出射光を得ることができる。
Figure 0004130834
（実施の形態４）
図５は、本発明の実施の形態４に係る光デバイスである２信号クロスシートバスの概要を示す斜視図である。実施の形態４に係る光デバイスは、光を伝送する屈折率分布スラブ導波路５０１を中心に構成される。屈折率分布スラブ導波路５０１は、図５に示すように、ｘｚ平面に平行に広がるシート状のマルチモード光伝送路である。屈折率分布スラブ導波路５０１は、厚さ方向の中心に最大屈折率 ｎmaxを有し、中心から離れるに従って屈折率が増加しない分布を有する。屈折率分布スラブ導波路５０１は、幅方向には一定の屈折率を有し、屈折率分布を持たない。実施の形態４に係る光デバイスは、アレイＥ／Ｏ変換部５３２と、入力電気線（バス）３３３と、アレイＯ／Ｅ変換部５３６と、出力電気線（バス）３３７とを備える。
アレイＥ／Ｏ変換部５３２は、第１の発光部５３０と、第２の発光部５３１を含む。第１の発光部５３０は、屈折率分布スラブ導波路５０１の入射面において幅方向の任意の位置に第１光５３８（波長：λ）を入射させる。第２の発光部５３１は、屈折率分布スラブ導波路５０１の入射面において幅方向の任意の位置に第１光と同一波長の第２光５３９を入射させる。また、アレイＥ／Ｏ変換部５３２は、入力電気線（バス）３３３と接続される。アレイＥ／Ｏ変換部５３２は、入力電気線３３３から入力される外部電気信号を、第１の発光部５３０と第２の発光部５３１とから放射される信号光に変換する。
アレイＯ／Ｅ変換部５３６は、第１の受光部５３４と、第２の受光部５３５とを含む。第１の受光部５３４は、屈折率分布スラブ導波路５０１の出射面において第２の発光部５３１と幅方向の中心に対して対称な位置に配置される。第２の受光部５３５は、屈折率分布スラブ導波路５０１の出射面において第１の発光部５３０と幅方向の中心に対して対称な位置に配置される。また、アレイＯ／Ｅ変換部５３６は、出力電気線（バス）３３７と接続される。アレイＯ／Ｅ変換部５３６は、第１の受光部５３４と第２の受光部５３５とで受光する信号光を電気信号に変換し、出力電気線３３７へ出力する。
屈折率分布スラブ導波路５０１は、スラブ長Ｌを、ほぼ４× ｎ0×Ｗ0 2／λに一致させている。ただし、幅方向に励起する０次モード光の実効屈折率をｎ0とする。屈折率分布スラブ導波路５０１のスラブ長Ｌは、実施の形態１で説明した（１）非対称入射の（数３）において、入射光を複数にして重ね合わせた場合に相当する。スラブ長Ｌをこのように設定することにより、第１の発光部５３０から放射され、入射面５０２から入射した第１光５３８は、第１の受光部５３４付近に入射した際と同じプロファイルを持つ像を形成する。同様に、第２の発光部５３１から放射され、入射面５０２から入射した第２光５３９は、第２の受光部５３５付近に入射した際と同じプロファイルを持つ像を形成する。なお、セルフ−イメージング原理によれば８× ｎ0×Ｗ0 2／λの長さ毎に同様の現象が現れるので、スラブ長Ｌを４× ｎ0×Ｗ0 2／λの奇数倍にすることにより、用途に応じて屈折率分布スラブ導波路５０１の長さを調節することができる。なお、詳細な分岐のメカニズムおよび、高速伝送であっても厚さ方向と幅方向で信号光波形の乱れが無いメカニズムは、実施の形態１と同様である。
以上の構成により、入力電気線３３３から外部電気信号がアレイＥ／Ｏ変換部５３２に入力されると、アレイＥ／Ｏ変換部５３２は、外部電気信号を第１の発光部５３０から放射される第１光５３８と第２の発光部５３１とから放射される第２光５３９とに変換する。第１の発光部５３０から放射された第１光５３８は、入射面５０２から屈折率分布スラブ導波路５０１に入射して伝送される。第１光５３８は、セルフ−イメージング原理に従って、第１の受光部５３４付近に入射した際と同じプロファイルを持つ像を形成する。これにより、第１光５３８は、出射面５０３から出射され第１の受光部５３４で受光される。一方、放射された第２光５３９は、入射面５０２から屈折率分布スラブ導波路５０１に入射して伝送される。第２光５３９は、セルフ−イメージング原理に従って、第２の受光部５３５付近に入射した際と同じプロファイルを持つ像を形成する。これにより、第２光５３９は、出射面５０３から出射され第２の受光部５３５で出力される。第１の受光部５３４は、受光した第１光５３８に応じた電気信号を出力する。第２の受光部５３５は、受光した第２光５３９に応じた電気信号を出力する。出力された電気信号は、出力電気線３３７から外部へ出力される。このように、ＭＭＩを利用することで、２個の信号光をクロスさせて伝送するのに個別の光導波路を用意する必要が無く、１個の屈折率分布スラブ導波路５０１で独立して伝送することができる。
図６は、本発明の実施の形態４の変形例に係る光デバイスである８信号クロスシートバスの概要を示す斜視図である。変形例の光デバイスは、前述した２信号クロスシートバスと概略構成を同じくする。変形例の光デバイスは、屈折率分布スラブ導波路６０１と、アレイＥ／Ｏ変換部６３２と、入力電気線（バス）３３３と、アレイＯ／Ｅ変換部６３６と、出力電気線（バス）３３７とを備える。アレイＥ／Ｏ変換部６３２は、２信号クロスシートバスのアレイＥ／Ｏ変換部５３２と概略同一の構成を有するが、第１の発光部５３０及び第２の発光部５３１の代わりに８個の発光部からなる発光部群６４６が形成されている点で相違する。また、アレイＯ／Ｅ変換部６３６は、２信号ストレートバスのアレイＯ／Ｅ変換部５３６と概略同一の構成を有するが、第１の受光部５３４及び第２の受光部５３５の代わりに８個の受光部からなる受光部群６４７が形成されている点で相違する。発光部群６４６に含まれる発光部は、すべて受光部群６４７に含まれる受光部と幅方向の中心に対して対称な位置に配置されている。
発光部群６４６は、入力電気線３３３から入力された外部電気信号に基づいて、すべて同一波長の８個の信号光である第１光６３８〜第８光６４５をそれぞれ独立に、入射面５０２から屈折率分布スラブ導波路６０１へ入射させる。屈折率分布スラブ導波路６０１は、第１光６３８〜第８光６４５を伝送する。第１光６３８〜第８光６４５は、屈折率分布スラブ導波路５０１の場合と同様に、出射面６０３から出射され受光部群６４７の内の幅方向の中心に対称な受光部から出力される。８個の入射光が独立して出射端の幅方向の平行位置に現れる原理は、実施の形態１で説明した（１）非対称入射の（数３）において、入射光を複数にして重ね合わせた場合に相当する。このように、ＭＭＩを利用することで、８個の信号光をクロスして伝送するのに個別の光導波路を用意する必要が無く、１個の屈折率分布スラブ導波路６０１で独立して伝送することができる。
実施の形態４は２信号クロスシートバス及び８信号クロスシートバスの例を示したが、一般にＮ信号クロスシートバス（Ｎ＝１，２，３・・・）についても同様に設計することが可能である。この場合、ほぼ以下の式の奇数倍の値であるスラブ長Ｌを持つ屈折率分布スラブ導波路の入射面の任意の位置にＮ個の入射光を入射させることにより、出射面の幅方向の中心に対称な位置と同一の位置からＮ個の出射光を得ることができる。
Figure 0004130834
（実施の形態５）
図７は、本発明の実施の形態５に係る光デバイスである２信号スターカプラの概要を示す斜視図である。実施の形態５に係る光デバイスは、光を伝送する屈折率分布スラブ導波路７０１を中心に構成される。屈折率分布スラブ導波路７０１は、図７に示すように、ｘｚ平面に平行に広がるシート状のマルチモード光伝送路である。屈折率分布スラブ導波路７０１は、厚さ方向の中心に最大屈折率 ｎmaxを有し、中心から離れるに従って屈折率が増加しない分布を有する。屈折率分布スラブ導波路７０１は、幅方向には一定の屈折率を有し、屈折率分布を持たない。実施の形態５に係る光デバイスは、アレイＥ／Ｏ変換部７３２と、入力電気線（バス）３３３と、アレイＯ／Ｅ変換部７３６と、出力電気線（バス）３３７とを備える。
アレイＥ／Ｏ変換部７３２は、第１の発光部７３０と、第２の発光部７３１を含む。第１の発光部７３０は、屈折率分布スラブ導波路７０１の入射面において幅方向の中心から所定の距離だけ離れた位置に第１光７３８（波長：λ）を入射させる。第２の発光部７３１は、屈折率分布スラブ導波路７０１の入射面において第１の発光部７３０と幅方向の中心に対して対称な位置に第１光と同一波長の第２光７３９を入射させる。また、アレイＥ／Ｏ変換部７３２は、入力電気線（バス）３３３と接続される。アレイＥ／Ｏ変換部７３２は、入力電気線３３３から入力される外部電気信号を、第１の発光部７３０と第２の発光部７３１とから放射される信号光に変換する。
アレイＯ／Ｅ変換部７３６は、第１の受光部７３４と、第２の受光部７３５とを含む。第１の受光部７３４は、屈折率分布スラブ導波路７０１の出射面において第１の発光部７３０と幅方向の位置が同一である位置に配置される。第２の受光部７３５は、屈折率分布スラブ導波路７０１の出射面において第２の発光部７３１と幅方向の位置が同一である位置に配置される。また、アレイＯ／Ｅ変換部７３６は、出力電気線（バス）３３７と接続される。アレイＯ／Ｅ変換部７３６は、第１の受光部７３４と第２の受光部７３５とで受光する信号光を電気信号に変換し、出力電気線３３７へ出力する。
屈折率分布スラブ導波路７０１は、スラブ長Ｌを、ほぼ２× ｎ0×Ｗ0 2／λに一致させている。ただし、幅方向に励起する０次モード光の実効屈折率をｎ0とする。屈折率分布スラブ導波路７０１のスラブ長Ｌは、実施の形態１で説明した（１）非対称入射の（数４）において、ｐ＝０及びＮ＝２として、入射光を複数にして重ね合わせた場合に相当する。スラブ長Ｌをこのように設定することにより、第１の発光部７３０から放射され、入射面７０２から入射した第１光７３８は、第１の受光部７３４及び第２の受光部７３５付近に、入射した際と同じプロファイルを持つ２個の像を形成する。同様に、第２の発光部７３１から放射され入射面７０２から入射した第２光７３９は、第１の受光部７３４及び第２の受光部７３５付近に入射した際と同じプロファイルを持つ２個の像を形成する。なお、セルフ−イメージング原理によれば以下に示す数式の値の長さ毎に同様の現象が現れるので、スラブ長Ｌを（数１０）のｐの値を変化させることにより、用途に応じて屈折率分布スラブ導波路７０１の長さを調節することができる。
Figure 0004130834
なお、詳細な分岐のメカニズムおよび、高速伝送であっても厚さ方向と幅方向で信号光波形の乱れが無いメカニズムは、実施の形態１と同様である。
以上の構成により、入力電気線３３３から外部電気信号がアレイＥ／Ｏ変換部７３２に入力されると、アレイＥ／Ｏ変換部７３２は、外部電気信号を第１の発光部７３０から放射される第１光７３８と第２の発光部７３１とから放射される第２光７３９とに変換する。第１の発光部７３０から放射された第１光７３８は、入射面７０２から屈折率分布スラブ導波路７０１に入射して伝送される。第１光７３８は、セルフ−イメージング原理に従って、第１の受光部７３４及び第２の受光部７３５付近に入射した際と同じプロファイルを持つ２個の像を形成する。これにより、第１光７３８は、出射面７０３から出射し第１の受光部７３４及び第２の受光部７３５へ出力される。一方、第２の発光部７３１から放射された第２光７３９は、入射面７０２から屈折率分布スラブ導波路７０１に入射して伝送される。第２光７３９は、セルフ−イメージング原理に従って、第１の受光部７３４及び第２の受光部７３５付近に入射した際と同じプロファイルを持つ２個の像を形成する。これにより、第２光７３９は、出射面７０３から出射し第２の受光部７３５へ出力される。第１の受光部７３４は、受光した第１光７３８に応じた電気信号を出力する。第２の受光部７３５は、受光した第２光７３９に応じた電気信号を出力する。出力された電気信号は、出力電気線３３７から外部へ出力される。このように、ＭＭＩを利用することで、１個の屈折率分布スラブ導波路７０１により２信号スターカプラを実現することができる。
以上の２信号スターカプラは、２個の信号光を幅方向の対称位置に入射し、２個の信号光を幅方向の対称位置に出射する光デバイスであったが、２個以上の信号光を入出力することも可能である。Ｎ（Ｎは偶数）個の信号光を幅方向の対称位置に入射し、Ｎ個の信号光を幅方向の対称位置に出射するスターカプラの場合、屈折率分布スラブ導波路のスラブ長Ｌは、以下の数式を満足する。
Figure 0004130834
 上記数式において、ｐは整数であるので、ｐを変化させることにより屈折率分布スラブ導波路のスラブ長Ｌを所望の長さに調整することができる。特に、長さを調整する必要がない場合は、ｐ＝０とすることにより、最短の屈折率分布スラブ導波路を得ることができる。
一方、Ｎ（Ｎは奇数）個の信号光を入射しＮ個の信号光を出射するスターカプラの場合、屈折率分布スラブ導波路のスラブ長Ｌは、以下の数式の値を満足する。
Figure 0004130834
 上記数式は、偶数個の場合と形式は同一である。しかしながら、Ｎが奇数の場合、入出射される信号光の位置は幅方向に対称ではない。図１９は、本発明に係る３個の入出力光を持つスターカプラの屈折率分布スラブ導波路を示す上面図である。図１９において、すべて同一の波長λを有する第１光１９０２と、第２光１９０３と、第３光１９０４とは、屈折率分布スラブ導波路１９０１の入射面から入射する。第１光１９０２は、屈折率分布スラブ導波路１９０１の長さ方向に平行な一方の面からＸだけ離れた位置に入射する。第２光１９０３は、屈折率分布スラブ導波路１９０１の長さ方向に平行な一方の面から２Ｗ／３（Ｗはスラブ幅）だけ離れた位置を基準に、さらにＸだけ一方の面側へ離れた位置に入射する。第３光１９０４は、屈折率分布スラブ導波路１９０１の長さ方向に平行な一方の面から２Ｗ／３（Ｗはスラブ幅）だけ離れた位置を基準に、さらにＸだけ他方の面側へ離れた位置に入射する。
以上の入射位置を持つ３個の信号光が、入射面から入射され前述の（数１２）を満足するスラブ長Ｌを有する屈折率分布スラブ導波路を伝送すると、第１光１９０２と、第２光１９０３と、第３光１９０４とは、それぞれ屈折率分布スラブ導波路１９０１の長さ方向に平行な他方の面からＸだけ離れた位置と、屈折率分布スラブ導波路１９０１の長さ方向に平行な一方の面からＷ／３（Ｗはスラブ幅）だけ離れた位置を基準に、さらにＸだけ他方の面側へ離れた位置と、さらにＸだけ一方の面側へ離れた位置との３箇所に、入射した際と同一のプロファイルを持つ３個の像を形成する。したがって、各信号光の像の位置に受光部を形成すると、各出射光を出力させることができる。
以上の例は、Ｎ＝３の場合であったが、Ｎが３以上の奇数の場合も、（数１２）を満足する屈折率分布スラブ導波路により、幅方向の中心に対して非対称の信号光の入力に対応して、幅方向の中心に対して非対称の出力を得るスターカプラを構成することができる。このように、Ｎが奇数の場合もＭＭＩのセルフ−イメージング原理を用いて、スターカプラを実現することができる。なお、上記（数１２）において、ｐは整数であるので、ｐを変化させることにより屈折率分布スラブ導波路のスラブ長Ｌを所望の長さに調整することができる。特に、長さを調整する必要がない場合は、ｐ＝０とすることにより、最短の屈折率分布スラブ導波路を得ることができる。
（実施の形態６）
図８Ａは、本発明の実施の形態６に係る光デバイスである片側制御型光スイッチの概要を示す斜視図である。実施の形態６に係る光デバイスは、光を伝送する第１の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ａ及び第２の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ｂを中心に構成される。第１の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ａ及び第２の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ｂは、図８Ａに示すように、共にｘｚ平面に平行に広がるシート状のマルチモード光伝送路である。第１の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ａ及び第２の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ｂは、同一の幅方向の大きさを有する。第１の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ａ及び第２の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ｂは、幅方向に連続して接続されて配置される。また、第１の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ａ及び第２の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ｂは、所定の熱光学効果を呈するポリマーからなる。
第１の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ａは、入射面８０１に入射光８０４を入射させるための入射位置と、出射面８０３に出射光８０９を出射させるための出射位置とを有する。入射位置と出射位置とは、第１の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ａ及び第２の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ｂを一つのスラブ導波路８０１としたときの幅方向の中心から離れた位置にあり、互いに幅方向の位置が同一である。第２の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ｂは、出射面８０３に出射光８０８を出射させるための出射位置を有する。第２の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ｂの出射位置は、第１の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ａの出射位置に対して、第１の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ａ及び第２の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ｂを一つのスラブ導波路としたときの幅方向の中心に対称になる位置に配置される。また、第２の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ｂは、上面に冷熱シート８０５を有する。冷熱シート８０５は、接続線８０６により温度制御部８０７に接続される。
温度制御部８０７は、外部から供給される制御信号に基づいて冷熱シート８０５を温度制御する。冷熱シート８０５が温度制御されることにより、第２の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ｂの温度を変化するので、熱光学効果に基づいて屈折率の絶対値が変化する。実施の形態６の光デバイスは、温度制御部８０７がＯＦＦ状態のとき、第１の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ａ及び第２の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ｂの屈折率分布が一致するように構成されている。このとき、第１の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ａ及び第２の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ｂは、共に厚さ方向の中心に最大屈折率 ｎmaxを有し、中心から離れるに従って屈折率が増加しない分布を有する。またこのとき、第１の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ａ及び第２の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ｂは、幅方向には一定の屈折率を有し、屈折率分布を持たない。そして、実施の形態６の光デバイスは、温度制御部８０７がＯＮ状態のとき、第１の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ａの最大屈折率が、第２の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ｂの最大屈折率の絶対値より大きくなり、互いの屈折率分布全体が異なるように構成されている。
第１の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ａ及び第２の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ｂは、スラブ長Ｌを、ほぼ４× ｎ0×Ｗ0 2／λに一致させている。ただし、幅方向に励起する０次モード光の実効屈折率をｎ0とする。第１の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ａ及び第２の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ｂのスラブ長Ｌは、実施の形態１で説明した（１）非対称入射の（数３）において、入射光を複数にして重ね合わせた場合に相当する。なお、セルフ−イメージング原理によれば８× ｎ0×Ｗ0 2／λの長さ毎に同様の現象が現れるので、スラブ長Ｌを４× ｎ0×Ｗ0 2／λの奇数倍にすることにより、用途に応じて第１の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ａ及び第２の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ｂの長さを調節することができる。
次に、上記構造で光進路方向を変化させる光スイッチのメカニズムを説明する。温度制御部８０７がＯＦＦ状態の時、第１の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ａの入射位置から入射した入射光８０４は、共に同一の屈折率分布を持つため第１の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ａ及び第２の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ｂを一つのスラブ導波路として伝送される。したがって、実施の形態１で説明した（１）非対称入射の（数４）に従って、出射面８０３における幅方向の位置が入射位置に対して中心に対称になる出射位置に入射光と同じプロファイルの像を形成する。この像が出射光８０８として出射される。
一方、温度制御部８０７がＯＮ状態の時、第１の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ａの最大屈折率が、第２の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ｂの最大屈折率より大きくなるので、所定の屈折率差を満足させることにより、第２の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ｂは第１の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ａに対してクラッドとして機能する。したがって、第１の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ａの入射位置から入射した入射光８０４は、第１の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ａ及び第２の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ｂの境界面での全反射により、出射面８０３まで第１の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ａに閉じ込められる。この結果、出射光８０８は、出射面８０３から出射される。
以上のようにして、温度制御部８０７のＯＮ−ＯＦＦスイッチング制御によって、入射光８０４の進行方向を変更することができる光スイッチを実現することができる。なお、実施の形態６の光デバイスは、温度制御部８０７がＯＦＦ状態のとき、第１の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ａ及び第２の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ｂの屈折率分布が一致するように構成されている例であったが、温度制御部８０７がＯＮ状態のとき、屈折率分布が一致するように構成してもよい。この場合は、温度制御部８０７がＯＦＦ状態のとき、第１の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ａの最大屈折率が、第２の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ｂの最大屈折率より低くなり、互いの屈折率分布が異なるように構成するとよい。ただし、この構成の場合を採用した場合、温度制御部８０７がＯＮ状態のとき、第２の屈折率分布スラブ導波路８０１ｂから出射光８０８が出射され、温度制御部８０７がＯＦＦ状態のとき、第１の屈折率分布スラブ導波路８０１ａから出射光８０９が出射される。
図８Ｂは、本発明の実施の形態６の変形例１に係る光デバイスである両側制御型光スイッチの概要を示す斜視図である。実施の形態６の変形例１は、先に説明した光デバイスと概略構成が同一であるので、異なる部分のみを説明する。なお、同一の符号は同一の構成であることを示している。
実施の形態６の変形例１において、第２の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ｂは、冷熱シート８０５を有し、接続線８０６によって温度制御部８０７と接続されている。実施の形態６の変形例１の光デバイスは、温度制御部８０７がＯＦＦ状態のとき、第１の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ａ及び第２の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ｂの屈折率分布が一致するように構成されている。そして、温度制御部８０７がＯＮ状態のとき、双方の温度を逆相で制御して、第１の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ａの最大屈折率を大きくし、第２の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ｂの最大屈折率を小さくして、互いの屈折率分布が異なるように構成している。このように、構成することにより、片側制御型よりも高速にスイッチングすることができる。なお、実施の形態６の変形例１において、温度制御部８０７がＯＮ状態のとき、第１の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ａ及び第２の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ｂの屈折率分布が一致するように構成してもよい。この場合、温度制御部８０７がＯＦＦ状態のとき、双方の温度を逆相で制御して、第１の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ａの最大屈折率を大きくし、第２の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ｂの最大屈折率を小さくして、互いの屈折率分布が異なるように構成するとよい。
図２０Ａは、本発明の実施の形態６の変形例２に係る光デバイスである片側制御型光スイッチの概要を示す斜視図である。実施の形態６の変形例２は、先に説明した実施の形態６の光デバイスと概略構成が同一であるので、異なる部分のみを説明する。なお、同一の符号は同一の構成であることを示している。
実施の形態６の変形例２において、第１の屈折率分布スラブ部分導波路２００１ａの幅方向の大きさは、第１の屈折率分布スラブ部分導波路２００１ａと第２の屈折率分布スラブ部分導波路２００１ｂを一つの光導波路としたときの１／√２倍である。また、実施の形態６の変形例２において、温度制御部８０７がＯＮ状態のとき、第１の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ａの最大屈折率が、第２の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ｂの最大屈折率より大きくなり、互いの屈折率分布全体が異なるように構成されている。このように構成することにより、温度制御部８０７がＯＮ状態の場合、実施の形態６の変形例２に係る第１の屈折率分布スラブ部分導波路２００１ａは、幅方向の大きさが１／√２Ｗである屈折率分布スラブ導波路として機能し、基本モードの大きさも１／√２ Ｗ0となる。第１の屈折率分布スラブ部分導波路２００１ａのスラブ長Ｌが、ほぼ４× ｎ0×Ｗ0 2／λに一致している場合は、出射光８０９が出射面２００３において入射位置と幅方向の位置が同一である出射位置に入射光８０４と同一のプロファイルを持つ像を形成する条件を満足する。このため、実施の形態６の変形例２に係る光デバイスは、温度制御部８０７がＯＮ状態の場合にもマルチモード干渉のセルフ−イメージング原理により入射光と同一のプロファイルをもつ出射光を生成することができる。
なお、実施の形態６の変形例２に係る光デバイスは、温度制御部８０７がＯＦＦ状態のとき、第１の屈折率分布スラブ部分導波路２００１ａ及び第２の屈折率分布スラブ部分導波路２００１ｂの屈折率分布が一致するように構成されている例であったが、温度制御部８０７がＯＮ状態のとき、屈折率分布が一致するように構成してもよいことはいうまでもない。ただし、この構成の場合を採用した場合、温度制御部８０７がＯＮ状態のとき、第２の屈折率分布スラブ導波路２００１ｂから出射光８０８が出射され、温度制御部８０７がＯＦＦ状態のとき、第１の屈折率分布スラブ導波路２００１ａから出射光８０９が出射される。
図２０Ｂは、本発明の実施の形態６の変形例３に係る光デバイスである両側制御型光スイッチの概要を示す斜視図である。実施の形態６の変形例３は、先に説明した実施の形態６の変形例１と変形例２とを組み合わせた光デバイスである。なお、同一の符号は同一の構成であることを示している。
実施の形態６の変形例３に係る光デバイスは、第１の屈折率分布スラブ部分導波路２００１ａの幅方向の大きさは、第１の屈折率分布スラブ部分導波路２００１ａと第２の屈折率分布スラブ部分導波路２００１ｂを一つの光導波路としたときの１／√２倍であり、第２の屈折率分布スラブ部分導波路２００１ｂも接続線８０６によって温度制御部８０７と接続されている。この構成により、温度制御部８０７からの信号に基づくＯＮ−ＯＦＦスイッチング制御を高速に行うことができ、ＯＮ状態及びＯＦＦ状態のいずれの状態においもマルチモード干渉のセルフ−イメージング原理によって生成された出射光を得ることができる。
なお、実施の形態６のすべての説明において、熱光学効果の大きなポリマーを使用して屈折率制御を行う例示したが、電気光学効果など、第１及び第２の屈折率分布スラブ部分導波路のそれぞれの屈折率を個別に変化させる方法であれば何でも良い。
（実施の形態７）
図９は、本発明の実施の形態７に係る光集積デバイスである光スイッチアレイの概要を示す斜視図である。実施の形態７の光スイッチアレイは、実施の形態６の変形例１に記載した光スイッチ（図８Ｂ）を屈折率分布スラブ導波路８０１の厚さ方向に８個積層した積層光スイッチ群９０１を備える。積層光スイッチ群９０１に含まれる各光スイッチにおいて、実施の形態６において説明した第１の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ａに相当する部分が図中下側に配置されている。実施の形態７に係る光集積デバイスは、第１アレイＯ／Ｅ変換部９０５と、第２アレイＯ／Ｅ変換部９０６と、第１出力電気線（バス）９０７と、第２出力電気線（バス）９０８とを含む。
第１アレイＯ／Ｅ変換部９０５は、各光スイッチの第１の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ａに相当する出射部に対向して設けられた８個の受光部からなる第１受光部群９０３を有する。また、第１アレイＯ／Ｅ変換部９０５は、第１出力信号線９０８に接続されている。第２アレイＯ／Ｅ変換部９０６は、各光スイッチの第２の屈折率分布スラブ部分導波路８０１ｂに相当する出射部に対向して設けられた８個の受光部からなる第２受光部群９０４を有する。また、第２アレイＯ／Ｅ変換部９０６は、第２出力信号線９０８に接続されている。ここでは、温度制御部がＯＮ状態のとき第１の屈折率分布部分導波路側から出射光が出射し、温度制御部がＯＦＦ状態のとき第２の屈折率分布部分導波路側から出射光が出射するように構成されている。
以上の構成において、積層光スイッチ９０１に含まれる各光スイッチの第１の屈折率分布スラブ部分導波路に相当する部分（図中下側）にアレイ入射光９０２を入射させ、長さ方向に伝送させる。各光スイッチは、それぞれ独立に実施の形態６で説明した温度制御部の制御に基づいてスイッチングを行う。温度制御部がＯＮ状態のとき、各光スイッチからの出射光は、第１アレイＯ／Ｅ変換部９０５の第１受光部群９０３に含まれる受光部へ入射する。また、温度制御部がＯＦＦ状態のとき、各光スイッチからの出射光は、第２アレイＯ／Ｅ変換部９０６の第２受光部群９０４に含まれる受光部へ入射する。
第１アレイＯ／Ｅ変換部９０５及び第２アレイＯ／Ｅ変換部９０６は、各受光部へ出射光が出射された場合は１信号を、各受光部へ出射光が出射されなかった場合は０信号をそれぞれ割り当てる。第１アレイＯ／Ｅ変換部９０５において割り当てられた信号は、出力信号として第１出力電気線９０７により外部へ出力される。第２アレイＯ／Ｅ変換部９０６において割り当てられた信号は、出力信号として第２出力電気線９０８により外部へ出力される。このように、信号を割り当てることにより、８桁のデジタル信号とその反転信号をパラレルに伝送することができる。
なお、アレイ入射光９０２は、アレイ型の発光素子から放射した光を直接入射させても、光ファイバ等の入射側に配置された光伝送路により外部光源からの光を入射させてもよい。また、例えば、実施の形態２に示した光８分岐の光デバイスによりアレイ入射光を生成する構成でもよい。また、積層光スイッチの各スイッチ間に空気などの断熱材料や絶縁体を設けてもよい。
（実施の形態８）
図１０は、本発明の実施の形態８に係る光デバイスである１対双方向ストレートシートバスの概略構成を示す斜視図である。実施の形態８に係る光デバイスは、実施の形態３において説明した２信号ストレートシートバスの一方の信号光の伝送方向を逆転させ、双方向通信を可能にしたものである。実施の形態８に係る光デバイスは、屈折率分布スラブ導波路１０００を中心に構成される。屈折率分布スラブ導波路１００１は、図１０に示すように、ｘｚ平面に平行に広がるシート状のマルチモード光伝送路である。屈折率分布スラブ導波路１００１は、厚さ方向の中心に最大屈折率 ｎmaxを有し、中心から離れるに従って屈折率が増加しない分布を有する。屈折率分布スラブ導波路１００１は、幅方向には一定の屈折率を有し、屈折率分布を持たない。実施の形態８に係る光デバイスは、第１Ｅ／Ｏ変換部１００６と、第２Ｅ／Ｏ変換部１００９と、第１Ｏ／Ｅ変換部１００７と、第２Ｏ／Ｅ変換部１００８と、第１入力電気線（バス）１０１０と、第２入力電気線（バス）１０１１と、第１出力電気線（バス）１０１２と、第２出力電気線（バス）１０１３とを備える。
第１Ｅ／Ｏ変換部１００６は、第１の発光部１０１４を含む。第２Ｅ／Ｏ変換部１００９は、第２の発光部１０１５を含む。第１の発光部１０１４は、屈折率分布スラブ導波路１００１の第１面１００２において幅方向の任意の位置に第２光１０１９（波長：λ）を入射させる。第２の発光部１０１５は、屈折率分布スラブ導波路１００１の第２面１００３において幅方向の任意の位置に、第２光１０１９と同一波長の第１光１０１８を入射させる。第１Ｅ／Ｏ変換部１００６は、第１入力電気線（バス）１０１０と接続される。第１Ｅ／Ｏ変換部１００６は、第１入力電気線（バス）１０１０から入力される外部電気信号を第１の発光部１０１４から放射される信号光に変換する。第２Ｅ／Ｏ変換部１００９は、第２入力電気線（バス）１０１１と接続される。第２Ｅ／Ｏ変換部１００９は、第２入力電気線（バス）１０１１から入力される外部電気信号を第２の発光部１０１５から放射される信号光に変換する。
第１Ｏ／Ｅ変換部１００７は、第１の受光部１０１６を含む。第２Ｏ／Ｅ変換部１００８は、第２の受光部１０１７を含む。第１の受光部１０１６は、屈折率分布スラブ導波路１００１の第１面１００２において第２の発光部１０１５と幅方向の位置が同一になる位置に配置され、第２光１０１９（波長：λ）を受光する。第２の受光部１０１７は、屈折率分布スラブ導波路１００１の第２面１００３において第１の発光部１０１４と幅方向の位置が同一になる位置に、第２光１０１９と同一波長の第１光１０１８を受光する。第１Ｏ／Ｅ変換部１００７は、第１出力電気線（バス）１０１２と接続される。第１Ｏ／Ｅ変換部１００７は、受光した信号光を第１出力電気線（バス）１０１０により外部へ出力する外部電気信号に変換する。第２Ｏ／Ｅ変換部１００８は、第２出力電気線（バス）１０１３と接続される。第２Ｏ／Ｅ変換部１００８は、受光した信号光を第２出力電気線（バス）１０１３により外部へ出力する外部電気信号に変換する。
屈折率分布スラブ導波路１００１は、スラブ長Ｌを、ほぼ８× ｎ0×Ｗ0 2／λに一致させている。ただし、幅方向に励起する０次モード光の実効屈折率を ｎ0とする。屈折率分布スラブ導波路１００１のスラブ長Ｌは、実施の形態１で説明した（１）非対称入射の（数２）において、入射光を複数にして重ね合わせた場合に相当する。スラブ長Ｌをこのように設定することにより、第１の発光部１０１４から入射した第１光１０１８は、第２の受光部１０１７付近に入射した際と同じプロファイルを持つ像を形成する。同様に、第２の発光部１０１５から入射した第２光１０１９は、第１の受光部１０１６付近に入射した際と同じプロファイルを持つ像を形成する。なお、セルフ−イメージング原理によれば８× ｎ0×Ｗ0 2／λの長さ毎に同様の現象が現れるので、スラブ長Ｌを８× ｎ0×Ｗ0 2／λの整数倍にすることにより、用途に応じて屈折率分布スラブ導波路１００１の長さを調節することができる。なお、詳細な分岐のメカニズムおよび、高速伝送であっても厚さ方向と幅方向で信号光波形の乱れが無いメカニズムは、実施の形態１と同様である。
以上の構成により、第１入力電気線１０１０から外部電気信号が第１Ｅ／Ｏ変換部１００６に入力されると、第１Ｅ／Ｏ変換部１００６は、外部電気信号を第１の発光部１０１４から放射される第１光１０１８に変換する。また、第２入力電気線１０１１から外部信号が第２Ｅ／Ｏ変換部１００９へ入力されると、第２Ｅ／Ｏ変換部１００９は、外部電気信号を第２の発光部１０１５から放射される第２光１０１９に変換する。
第１の発光部１０１４から放射された第１光１０１８は、第１面１００２から屈折率分布スラブ導波路１００１に入射して伝送される。第１光１０１８は、セルフ−イメージング原理に従って、第２の受光部１０１７付近に入射した際と同じプロファイルを持つ像を形成する。これにより、第１光１０１４は、第２面１００３から第２の受光部１０１７へ出力される。第２の受光部１０１７は、受光した第１光１０１８に応じた電気信号を出力する。出力された電気信号は、第２出力電気線１０１３から外部へ出力される。一方、第２の発光部１０１５から放射された第２光１０１９は、第２面１００３から屈折率分布スラブ導波路１００１に入射して伝送される。第２光１０１９は、セルフ−イメージング原理に従って、第１の受光部１０１６付近に入射した際と同じプロファイルを持つ像を形成する。これにより、第２光１０１９は、第１面１００２から第１の受光部１０１６へ出力される。第１の受光部１０１６は、受光した第２光１０１９に応じた電気信号を出力する。出力された電気信号は、第１出力電気線１０１２から外部へ出力される。このように、ＭＭＩは光の伝送方向に関係なく可逆であるためＭＭＩを双方向に利用することができる。したがって、２個の信号光を双方向にストレートに伝送するのに個別の光導波路を用意する必要が無く、１個の屈折率分布スラブ導波路１００１で独立して双方向に伝送することができる。
図１１は、本発明の実施の形態８の変形例に係る光デバイスである４対双方向ストレートシートバスの概要を示す斜視図である。変形例の光デバイスは、前述した１対双方向信号ストレートシートバスと概略構成を同じくする。変形例の光デバイスは、屈折率分布スラブ導波路１１０１と、第１アレイＥ／Ｏ変換部１１０６と、第２アレイＥ／Ｏ変換部１１０９と、第１アレイＯ／Ｅ変換部１１０７と、第２アレイＯ／Ｅ変換部１１０８と、第１入力電気線（バス）１０１０と、第２入力電気線（バス）１０１１と、第１出力電気線（バス）１０１２と、第２出力電気線（バス）１０１３とを備える。
第１アレイＥ／Ｏ変換部１１０６は、１対双方向ストレートシートバスの第１Ｅ／Ｏ変換部１００６と概略同一の構成を有するが、第１の発光部１０１４の代わりに４個の発光部からなる第１の発光部群１１１４が形成されている点で相違する。第２アレイＥ／Ｏ変換部１１０９は、１対双方向ストレートシートバスの第２Ｅ／Ｏ変換部１００９と概略同一の構成を有するが、第２の発光部１０１５の代わりに４個の発光部からなる第２の発光部群１１１５が形成されている点で相違する。第１アレイＯ／Ｅ変換部１１０７は、１対双方向ストレートシートバスの第１Ｏ／Ｅ変換部１００７と概略同一の構成を有するが、第１の受光部１０１６の代わりに４個の受光部からなる第１の受光部群１１１６が形成されている点で相違する。第２アレイＯ／Ｅ変換部１１０８は、１対双方向ストレートシートバスの第２Ｏ／Ｅ変換部１００８と概略同一の構成を有するが、第２の受光部１０１７の代わりに４個の受光部からなる第２の受光部群１１１７が形成されている点で相違する。第１の発光部群１１１４に含まれる発光部は、すべて第２の受光部群１１１７に含まれる受光部と幅方向の位置が対応している。第２の発光部群１１１５に含まれる発光部は、すべて第１の受光部群１１１６に含まれる受光部と幅方向の位置が対応している。
第１発光部群１１１４は、第１入力電気線１０１０から入力された外部電気信号に基づいて、すべて同一波長の４個の信号光である第１光１１２１〜第４光１１２４を、第１面１１０２からそれぞれ独立に屈折率分布スラブ導波路１１０１へ入射させる。屈折率分布スラブ導波路１１０１は、第１光１１２１〜第４光１１２４を伝送する。第１光１１２１〜第４光１１２４は、屈折率分布スラブ導波路１００１の場合と同様に、第２面１１０３から出射され、第２受光部群１１１７の内の幅方向の位置が同一である受光部に受光される。受光された信号は、第２出力電気線１０１３により外部へ出力される。
第２発光部群１１１５は、第２入力電気線１０１１から入力された外部電気信号に基づいて、すべて同一波長の４個の信号光である第５光１１２５〜第８光１１２８を、第２面１１０３からそれぞれ独立に屈折率分布スラブ導波路１１０１へ入射させる。屈折率分布スラブ導波路１１０１は、第５光１１２５〜第８光１１２８を伝送する。第５光１１２５〜第８光１１２８は、屈折率分布スラブ導波路１００１の場合と同様に、第１面１１０２から出射され、第１受光部群１１１６の内の幅方向の位置が同一である受光部に受光される。受光された信号は、第１出力電気線１０１１により外部へ出力される。
４個の入射光が独立してそれぞれの幅方向の平行位置に現れる原理は、実施の形態１で説明した（１）非対称入射の（数２）において、入射光を複数にして重ね合わせた場合に相当する。このように、ＭＭＩを利用することで、４対の信号光を双方向にストレートに伝送するのに個別の光導波路を用意する必要が無く、１個の屈折率分布スラブ導波路１１０１で独立して伝送することができる。
実施の形態８は１対双方向ストレートシートバス及び４対双方向ストレートシートバスの例を示したが、一般にＮ×Ｍ信号ストレートシートバス（Ｎ，Ｍ＝１，２，３・・・）についても同様に設計することが可能である。この場合、ほぼ以下の式の整数倍の値であるスラブ長Ｌを持つ屈折率分布スラブ導波路において、第１面の任意の位置にＮ個、第２面の任意の位置からＭ個の入射光をそれぞれ入射させることにより、第２面の幅方向の位置が同一の位置からＮ個、第１面の幅方向の位置が同一の位置からＭ個の出射光を得ることができる。
Figure 0004130834
（実施の形態９）
図１２は、本発明の実施の形態９に係る光デバイスである１対双方向クロスシートバスの概略構成を示す斜視図である。実施の形態９に係る光デバイスは、実施の形態４において説明した２信号クロスシートバスの一方の信号光の伝送方向を逆転させ、双方向通信を可能にしたものである。実施の形態９に係る光デバイスは、屈折率分布スラブ導波路１２０１を中心に構成される。屈折率分布スラブ導波路１２０１は、図１２に示すように、ｘｚ平面に平行に広がるシート状のマルチモード光伝送路である。屈折率分布スラブ導波路１２０１は、厚さ方向の中心に最大屈折率 ｎmaxを有し、中心から離れるに従って屈折率が増加しない分布を有する。屈折率分布スラブ導波路１２０１は、幅方向には一定の屈折率を有し、屈折率分布を持たない。実施の形態９に係る光デバイスは、第１Ｅ／Ｏ変換部１２０６と、第２Ｅ／Ｏ変換部１２０９と、第１Ｏ／Ｅ変換部１２０７と、第２Ｏ／Ｅ変換部１２０８と、第１入力電気線（バス）１０１０と、第２入力電気線（バス）１０１１と、第１出力電気線（バス）１０１２と、第２出力電気線（バス）１０１３とを備える。
第１Ｅ／Ｏ変換部１２０６は、第１の発光部１２１４を含む。第２Ｅ／Ｏ変換部１２０９は、第２の発光部１２１５を含む。第１の発光部１２１４は、屈折率分布スラブ導波路１２０１の第１面１２０２において幅方向の任意の位置に第１光１２１８（波長：λ）を入射させる。第２の発光部１２１５は、屈折率分布スラブ導波路１２０１の第２面１２０３において幅方向の任意の位置に、第１光１２１８と同一波長の第２光１２１９を入射させる。第１Ｅ／Ｏ変換部１２０６は、第１入力電気線（バス）１０１０と接続される。第１Ｅ／Ｏ変換部１２０６は、第１入力電気線（バス）１０１０から入力される外部電気信号を第１の発光部１２１４から放射される信号光に変換する。第２Ｅ／Ｏ変換部１２０９は、第２入力電気線（バス）１０１３と接続される。第２Ｅ／Ｏ変換部１２０９は、第２入力電気線（バス）１０１３から入力される外部電気信号を第２の発光部１２１５から放射される信号光に変換する。
第１Ｏ／Ｅ変換部１２０７は、第１の受光部１２１６を含む。第２Ｏ／Ｅ変換部１２０８は、第２の受光部１２１７を含む。第１の受光部１２１６は、屈折率分布スラブ導波路１２０１の第１面１２０２において第２の発光部１２１５と幅方向の位置が中心に対称になる位置に配置され、第２光１２１９（波長：λ）を受光する。第２の受光部１２１７は、屈折率分布スラブ導波路１２０１の第２面１２０３において第１の発光部１２１４と幅方向の位置が中心に対称になる位置に、第２光１２１９と同一波長の第１光１２１８を受光する。第１Ｏ／Ｅ変換部１２０７は、第１出力電気線（バス）１０１２と接続される。第１Ｏ／Ｅ変換部１２０７は、受光した信号光を第１出力電気線（バス）１０１２により外部へ出力する外部電気信号に変換する。第２Ｏ／Ｅ変換部１２０８は、第２出力電気線（バス）１０１１と接続される。第２Ｏ／Ｅ変換部１２０８は、受光した信号光を第２出力電気線（バス）１０１１により外部へ出力する外部電気信号に変換する。
屈折率分布スラブ導波路１２０１は、スラブ長Ｌを、ほぼ４× ｎ0×Ｗ0 2／λに一致させている。ただし、幅方向に励起する０次モード光の実効屈折率を ｎ0とする。屈折率分布スラブ導波路１２０１のスラブ長Ｌは、実施の形態１で説明した（１）非対称入射の（数３）において、入射光を複数にして重ね合わせた場合に相当する。スラブ長Ｌをこのように設定することにより、第１の発光部１２１４から入射した第１光１２１８は、第２の受光部１２１７付近に入射した際と同じプロファイルを持つ像を形成する。同様に、第２の発光部１２１５から入射した第２光１２１９は、第１の受光部１２１６付近に入射した際と同じプロファイルを持つ像を形成する。なお、セルフ−イメージング原理によれば８× ｎ0×Ｗ0 2／λの長さ毎に同様の現象が現れるので、スラブ長Ｌを４× ｎ0×Ｗ0 2／λの奇数倍にすることにより、用途に応じて屈折率分布スラブ導波路１２０１の長さを調節することができる。なお、詳細な分岐のメカニズムおよび、高速伝送であっても厚さ方向と幅方向で信号光波形の乱れが無いメカニズムは、実施の形態１と同様である。
以上の構成により、第１入力電気線１０１０から外部電気信号が第１Ｅ／Ｏ変換部１２０６に入力されると、第１Ｅ／Ｏ変換部１２０６は、外部電気信号を第１の発光部１２１４から放射される第１光１２１８に変換する。また、第２入力電気線１０１３から外部信号が第２Ｅ／Ｏ変換部１２０９へ入力されると、第２Ｅ／Ｏ変換部１２０９は、外部電気信号を第２の発光部１２１５から放射される第２光１２１９に変換する。
第１の発光部１２１４から放射された第１光１２１８は、第１面１２０２から屈折率分布スラブ導波路１２０１に入射して伝送される。第１光１２１８は、セルフ−イメージング原理に従って、第２の受光部１２１７付近に入射した際と同じプロファイルを持つ像を形成する。これにより、第１光１２１８は、第２面１２０３から第２の受光部１２１７へ出力され、第２出力電気線１０１１から外部へ出力される。一方、第２の発光部１２１５から放射された第２光１２１９は、第２面１２０３から屈折率分布スラブ導波路１２０１に入射して伝送される。第２光１２１９は、セルフ−イメージング原理に従って、第１の受光部１２１６付近に入射した際と同じプロファイルを持つ像を形成する。これにより、第２光１２１９は、第１面１２０２から第１の受光部１２１６へ出力される。第１受光部１２１６は、受光した第２光１２１９に応じた電気信号を出力する。出力された電気信号は、第１出力電気線１０１２から外部へ出力される。このように、ＭＭＩは光の伝送方向に関係なく可逆であるためＭＭＩを双方向に利用することができる。したがって、２個の信号光を双方向にクロスに伝送するのに個別の光導波路を用意する必要が無く、１個の屈折率分布スラブ導波路１２０１で独立して双方向に伝送することができる。
実施の形態９は１対双方向ストレートシートバスの例を示したが、一般にＮ×Ｍ信号クロスシートバス（Ｎ，Ｍ＝１，２，３・・・）についても同様に設計することが可能である。この場合、ほぼ以下の式の奇数倍の値であるスラブ長Ｌを持つ屈折率分布スラブ導波路において、第１面の任意の位置にＮ個、第２面の任意の位置からＭ個の入射光をそれぞれ入射させることにより、第２面の幅方向の中心に対称な位置からＮ個、第１面の幅方向の中心に対称な位置からＭ個の出射光を得ることができる。
Figure 0004130834
（実施の形態１０）
図１３は、本発明の実施の形態１０に係る光集積デバイスである１対双方向ストレートシートバスアレイの構成概要図である。実施の形態１０の光集積デバイスは、図１３に示すように実施の形態８の１対双方向ストレートシートバスを、厚さ方向に８個積層して形成される積層双方向ストレートシートバス１３０１を中心に構成される。実施の形態１０に係る光集積デバイスは、積層双方向ストレートシートバス１３０１と、第１アレイＥ／Ｏ変換部１３０２と、第１アレイＯ／Ｅ変換部１３０３と、第２アレイＥ／Ｏ変換部１３０５と、第２アレイＯ／Ｅ変換部１３０４と第１入力電気線（バス）１３０６と、第２入力電気線（バス）１３０８と、第１出力電気線（バス）１３０７と、第２出力電気線（バス）１３０９とを備える。
第１アレイＥ／Ｏ変換部１３０２は、各双方向ストレートシートバスの一方端面（紙面左側）に配置される８個の発光部をアレイ化したものである。第１アレイＯ／Ｅ変換部１３０３は、各双方向ストレートシートバスの一方端面（紙面左側）に配置される８個の受光部をアレイ化したものである。第１アレイＥ／Ｏ変換部１３０２及び第１アレイＯ／Ｅ変換部１３０３は、隣接して配置される。第２アレイＥ／Ｏ変換部１３０５は、各双方向ストレートシートバスの他方端面（紙面右側）に配置される８個の発光部をアレイ化したものである。第２アレイＯ／Ｅ変換部１３０４は、各双方向ストレートシートバスの一方端面（紙面左側）に配置される８個の受光部をアレイ化したものである。第２アレイＥ／Ｏ変換部１３０５及び第２アレイＯ／Ｅ変換部１３０４は、隣接して配置される。第１アレイＥ／Ｏ変換部１３０２の各発光部は、第２アレイＯ／Ｅ変換部１３０４の各受光部と、各双方向ストレートシートバスを挟んで対向して配置される。第２アレイＥ／Ｏ変換部１３０５の各発光部は、第１アレイＯ／Ｅ変換部１３０３の各受光部と、各双方向ストレートシートバスを挟んで対向して配置される。第１アレイＥ／Ｏ変換部１３０２は、第１入力電気線１３０６に接続される。第２アレイＥ／Ｏ変換部１３０５は、第２入力電気線１３０８に接続される。第１アレイＯ／Ｅ変換部１３０３は、第１出力電気線１３０７に接続される。第２アレイＯ／Ｅ変換部１３０４は、第２出力電気線１３０９に接続される。
以上の構成において、第１入力電気線１３０６から入力された電気信号は、第１アレイＥ／Ｏ変換部１３０２により信号光に変換される。変換された各信号光は、各発光部より放射され入射光として各各双方向ストレートシートバスに入射する。一方、第２入力電気線１３０８から入力された電気信号は、第２アレイＥ／Ｏ変換部１３０５により信号光に変換される。変換された各信号光は、各発光部より放射され入射光として各各双方向ストレートシートバスに入射する。信号光は、それぞれ伝送されセルフ−イメージング原理に従って、入射光と同一のプロファイルを持つ像を各受光部の近傍に形成する。像は、双方向ストレートシートバスの各受光部へ出射される。出射光を各受光部で受光した第１アレイＯ／Ｅ変換部１３０３は、出射光を電気信号に変換して第１出力電気線１３０７へ出力する。出射光を各受光部で受光した第２アレイＯ／Ｅ変換部１３０４は、出射光を電気信号に変換して第２出力電気線１３０９へ出力する。このようにして、簡単な構成により双方向ストレートシートバスが、実現する。
なお、実施の形態１０は、すべてが１対双方向ストレートシートバスからなる積層双方向ストレートシートバスを開示したが、これに限られない。例えば、実施の形態９の１対双方向クロスシートバスを積層してもよい。また、実施の形態８に係る１対ストレートシートバスと、実施の形態９に係る１対双方向クロスシートバスとの２種類を積層した双方向光バスアレイにしてもよく、実施の形態８及び実施の形態９に係る双方向シートバスと、実施の形態３及び実施の形態４に係る光シートバスの内から複数の種類の光バスを積層した複合光バスアレイにしてもよい。
（実施の形態１１）
図１４は、本発明の実施の形態１１に係る光集積デバイスである多層光バスの構成概要図である。実施の形態１１に係る光集積デバイスは、長さ方向の大きさが異なる屈折率分布スラブ導波路が厚さ方向に積層され形成されている。積層される屈折率分布スラブ導波路は、実施の形態１乃至５、８，９など単層の屈折率分布スラブ導波路のいずれを用いてもよい。マルチモード干渉のセルフ−イメージング原理に従うと、所定の周期ごとに同様の効果が現れるので、同種類の光デバイスであっても異なる長さの屈折率分布スラブ導波路を用いることができる。例えば、図１４に記載された光集積デバイスは、屈折率分布スラブ導波路を用いたストレートシートバスが積層されている。光集積デバイスは、入射面が揃えられており、長さ方向の大きさが、上から順に、第１の屈折率分布スラブ導波路１４０１について Ｌ1＝８ ｎ0Ｗ0 2／λと、第２の屈折率分布スラブ導波路１４０２について Ｌ2＝１６ ｎ0Ｗ0 2／λと、第３の屈折率分布スラブ導波路１４０３について Ｌ1＝３２ ｎ0Ｗ0 2／λとしている。このように構成することにより、異なる長さ方向の大きさを持つ各屈折率分布スラブ導波路からの出射光のプロファイルを同一にすることができる。
実際の機器間や基板間あるいは基板上に実装されるチップ間の間隔は、一定でない、したがって、実際には各種長さに対応した光シートバスが必要である。実施の形態１１のように、異なる長さの光シートバスを多層化して一体化することで、基板から距離の異なる複数の基板へ光伝送することが可能となる。このとき、基板には多層光バスの端面の揃った端面１４０を接続し、端面の揃った側への入出力には例えば実施の形態１に係るの光Ｎ分岐器（結合器）を使用してもよい。
（実施の形態１２）
図２１Ａは、本発明の実施の形態１２に係る光分波を行う光デバイスの屈折率分布スラブ導波路２１０１の概要を示す斜視図である。図２１Ｂは、本発明の実施の形態１２に係る光分波を行う光デバイスの屈折率分布スラブ導波路２１０１の断面図である。図２２Ａは、屈折率分布スラブ導波路２１０１に１．３０μｍの信号光を伝送させた場合のＢＰＭ（Ｂｅａｍ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ）シミュレーション結果である。図２２Ｂは、屈折率分布スラブ導波路２１０１に１．５５μｍの信号光を伝送させた場合のＢＰＭシミュレーション結果である。
実施の形態１２に係る光デバイスは、光を伝送する屈折率分布スラブ導波路２１０１を中心に構成される。屈折率分布スラブ導波路２１０１は、図２１Ａに示すように、ｘｚ平面に平行に広がるシート状のマルチモード光伝送路である。屈折率分布スラブ導波路２１０１は、厚さ方向の中心位置に最大屈折率 ｎmaxを持ち、中心位置から離れるに従って屈折率が増加しない厚さ方向の屈折率分布を有する。屈折率分布スラブ導波路２１０１は、幅方向には一定の屈折率を有し、屈折率分布を持たない。屈折率分布スラブ導波路２１０１は、入射面２１０２と、出射面２１０３とを含む。
入射面２１０２は、幅方向の中心から所定距離離れた位置に異なる２つの波長（波長１．３０μｍと波長１．５５μｍ）の光が多重された多重入射光２１０７を入射させる入射部（図示せず）に対向する。出射面２１０３は、幅方向の中心に対して対称な位置から出射する互いに異なる波長を持つ２個の出射光２１０８及び出射光２１０９を受光する出射部（図示せず）に対向する。入射部は、多重入射光２１０７を入射面２１０２の幅方向の中心から所定距離だけ離れた位置に入射させる。多重入射光２１０７は、屈折率分布スラブ導波路２１０１の内部を伝送される。多重入射光２１０７は、屈折率分布スラブ導波路２１０１の内部で、後述するマルチモード干渉のセルフ−イメージング原理に従って波長に応じて２分波され、出射面２１０３の幅方向に離れた位置から互いに異なる波長（波長１．３０μｍと波長１．５５μｍ）を持つ２個の出射光２１０８及び出射光２１０９として出射し出射部に至る。屈折率分布スラブ導波路２１０１のスラブ長Ｌは、波長１．３０μｍの光量移動と波長１．５５μｍの光量移動との位相差が逆相（すなわち、πの整数倍）になる光路長である。
屈折率分布スラブ導波路２１０１の厚さ方向の屈折率分布は、例えば、前述した（数１）に示すように厚さ方向の中心に位置する屈折率の極大点 ｎmaxと極大点から厚さ方向に離れる距離ｒと屈折率分布定数Ａ1/2とで表される。
屈折率分布定数は、屈折率分布スラブ導波路２１０１中を伝送する光が、膜厚から外へ出ないように、屈折率分布スラブ導波路２１０１の膜厚と多重入射光２１０７のプロファイルとに応じて最適化される。例えば、屈折率分布スラブ導波路２１０１の膜厚に対して、多重入射光２１０７の広がり角度が大きい場合は、屈折率分布定数を大きくする。逆に、多重入射光２１０７の広がり角度が小さい場合は、屈折率分布定数を小さくする。また、多重入射光２１０７のビーム径に合わせて屈折率分布スラブ導波路２１０１の膜厚を調整すると結合ロスを低減できる。なお、屈折率分布は（数１）に示すような連続的な変化でなくてもよく、中心からの距離の関数として階段状に変化しても問題無い。
次に、屈折率分布スラブ導波路２１０１の入射面２１０２に幅方向の中心から所定距離離れた位置に入射する多重入射光２１０７を入射した時に、出射面２１０３側で幅方向の中心線に対称に波長に応じて２分波するメカニズムを説明する。ただし、（ｉ）厚さ方向の中心面内を伝送する光の場合（図２１ＢにおいてＡと記載した光路を伝送する信号光）と、（ｉｉ）厚さ方向の中心面内を伝送しない光とに分けて説明する。（ｉｉ）の厚さ方向の中心面内を伝送しない光は、中心面に軸ずれ角度を有して入射する入射光の場合（図２１ＢにおいてＢと記載した光路を伝送する信号光）と、中心面から位置ずれ（軸ずれ）した位置に入射する入射光の場合（図２１ＢにおいてＣと記載した光路を伝送する信号光）との２つの信号光が存在する。（ｉ）厚さ方向の中心面内を伝送する光は、厚さ方向の屈折率分布の影響を受けない。一方、（ｉｉ）厚さ方向の中心面内を伝送しない光は、厚さ方向の屈折率分布の影響を受ける。
屈折率分布スラブ導波路２１０１において、（ｉ）厚さ方向の中心面内を伝送する光の振る舞いは、実質的に実効屈折率 ｎ0しか感じないので、文献（１１）に記載されたスラブ導波路において一定屈折率を、屈折率 ｎ0とした場合と等価である。したがって、屈折率分布スラブ導波路２１０１の厚さ方向の中心面内を伝送する多重入射光２１０７に対する出射光の状態は、屈折率が ｎ0で一定のスラブ導波路の幅方向に励起するマルチモードのモード分散によって、スラブ長Ｌに応じて変化する。ただし、出射光の状態が変化するとは、入射光と同じ像の数と出射位置とが変化することを意味する。実施の形態１２に係る屈折率分布スラブ導波路２１０１の場合、スラブ長Ｌを、波長１．３０μｍの光量移動と波長１．５５μｍの光量移動との位相差が逆相（すなわち、πの整数倍）になる光路長にすることにより、出射面２１０３に異なる波長を持つ多重入射光２１０７と同じ２つの像が、幅方向の中心に対称に形成されように構成している。
図２２ＡのＢＰＭシミュレーションは、波長１．３０μｍの光の振る舞いを示す。多重入射光２１０７の内、波長１．３０μｍに対応する信号光成分は、屈折率分布スラブ導波路２１０１に固有の第０次モード（基本モード）と、第１次モードとに展開される。第０次モードと第１次モードとはモード分散が異なる。言い換えると、第０次モードの伝搬定数と、第１次モードの伝搬定数とは互いに異なる。したがって、第０次モードと第１次モードとの間でモード干渉が生じる。このモード干渉によって、波長１．３０μｍに対応する信号光成分は、図２２Ａに示すように、屈折率分布スラブ導波路２１０１内を幅方向に交互に移動しながら長さ方向の一方の方向（紙面、左から右へ向けた方向）に伝送される。
一方、図２２ＢのＢＰＭシミュレーションは、波長１．５５μｍの光の振る舞いを示す。多重入射光２１０７の内、波長１．５５μｍに対応する信号光成分も、屈折率分布スラブ導波路２１０１に固有の第０次モード（基本モード）と、第１次モードとに展開される。このため、波長１．３０μｍの信号光成分の場合と同様に、第０次モードと第１次モードとの間でモード干渉が生じる。このモード干渉によって、波長１．５５μｍに対応する信号光成分は、図２２Ｂに示すように、屈折率分布スラブ導波路２１０１内を幅方向に交互に移動しながら長さ方向の一方の方向（紙面、左から右へ向けた方向）に伝送される。
波長１．３０μｍの信号光成分は、波長１．５５μｍの信号光成分と波長分散が異なる。すなわち、波長１．３０μｍの信号光成分と波長１．５５μｍの信号光成分とは、互いに各モードの伝搬定数が異なるため、屈折率分布スラブ導波路２１０１内を伝送する際にそれぞれ異なる挙動を示す。この性質を利用して、実施の形態１２に係る光デバイスは、屈折率分布スラブ導波路２１０１のスラブ長Ｌを、波長１．３０μｍの信号光の光量移動と波長１．５５μｍの信号光の光量移動と間の位相差が、逆相（すなわち、πの整数倍）になる大きさに設定している。このように構成することにより、マルチモード干渉のセルフイーメージング原理に従って、波長１．３０μｍの信号光成分の入射光と同一のプロファイルを持つ像と、波長１．５５μｍの信号光成分の入射光と同一のプロファイルを持つ像とを、互いに異なる位置に形成することができる。そして、互いに異なる場所に形成される２つの像を、それぞれ出射光２１０８及び出射光２１０９として出射させて光分波が達成される。
一方、（ｉｉ）厚さ方向の中心面内を伝送しない光は、厚さ方向の屈折率分布の影響を受けるので、図２１Ｂに示すように、中心面に沿って厚さ方向に蛇行しながら伝播する。すなわち、中心面から離れる方向へ進む光は、常に相対的に屈折率が大きい部分から小さい部分へ進むので、進むにつれて徐々に進行方向と厚さ方向のなす角度が大きくなり、中心軸から最も離れた位置で９０°なる。また、中心面へ近づく方向へ進む光は、常に相対的に屈折率が小さい部分から大きい部分へ進むので、進むにつれて徐々に進行方向と厚さ方向のなす角度が小さくなり、中心面と交差する位置で最小となる。（ｉｉ）厚さ方向の中心面内を伝送しない光は、蛇行しながらも感じる屈折率は常に屈折率 ｎ0よりも小さいので、（ｉ）厚さ方向の中心面内を伝送する光よりも速度は早くなる。
ここで、屈折率分布が前述した（数１）に示す２次関数の屈折率分布である場合、（ｉｉ）厚さ方向の中心面内を伝送しない光の中心面に平行な伝送速度の成分は、（ｉ）厚さ方向の中心面内を伝送する光の伝送速度と等しくなる。このことは、厚さ方向のモード分散がないことを意味している。従って、入射光の（ｉｉ）厚さ方向の中心面内を伝送しない光の中心面に平行な成分（蛇行する光の厚さ方向に垂直な方向成分）は、（ｉ）厚さ方向の中心面内を伝送する光と同様に、出射面で幅方向の中心に対して対称に２分波される。
入射光の（ｉｉ）厚さ方向の中心面内を伝送しない光の中心面に垂直な成分（蛇行する光の厚さ方向成分）は、蛇行する光の伝播位置に応じて変化するので、出射光の状態は特定できない。ところが、この蛇行する光の厚さ方向成分は、厚さ方向のモード分散がないので、モード分散に起因する信号波形の乱れの影響を受けない。このため、あたかも幅方向についてもモード分散の影響が無い場合と等価の振る舞いをする。従って、２個の出射光は、それぞれ多重入射光のそれぞれの波長に対応する信号光成分と同じ像を有することになる。以上の結果から、（ｉｉ）厚さ方向の中心面内を伝送しない光（蛇行する光）は、（ｉ）の場合と同じようにスラブ導波路形状に応じて幅方向の中心対称に入射光と同じ像として２分波される。
上記の説明のように、入射光は屈折率分布スラブ導波路２１０１の厚さ方向の全ての固有モードについて等しく２分波するので、入射面の幅方向の中心から所定距離だけ離れた位置に多重入射光が入射すれば、厚さ方向の中心からの位置ずれや大きな広がり角度を有している場合であっても２分波として機能する光デバイスを得ることができる。なお、入射光の幅方向の中心からの位置ずれは出射光の分波比のアンバランスの原因となるので、同等の出射光を得たい場合、できるだけ位置ずれが無い方が良い。しかしながら、この位置ずれを積極的に利用して分波される信号光の強度比の調整をすることも可能である。
なお、２つの波長の間で逆相となる位置を決定する場合、２個の出射光の互いの光量の比が、最大になる幅方向の位置により定める方法、２個の出射光の互いの光量が最小になる幅方向の位置により定める方法のいずれを採用してもよい。前者の方法を採用した場合、出射光の損失を小さくすることができ、伝送される信号光の利用効率を向上させることができる。後者の方法を採用した場合、出射光に含まれるエラー成分を小さくすることができるので、伝送エラーを小さくすることができる。
なお、実施の形態１〜１２では、屈折率分布スラブ導波路への入出力方法として端面への垂直入出射の例を示したが、これに限られない。図１５Ａは、屈折率分布スラブ導波路の入出射方式の一例を示す斜視図、図１５Ｂは、屈折率分布スラブ導波路の入出射方式の他の例を示す斜視図、図１６は、屈折率分布スラブ導波路の入出射方式のさらに他の例を示す斜視図である。例えば、屈折率分布スラブ導波路の入出射端面を４５°に傾斜させて反射面１５０２及び反射面１５０３を形成し、厚さ方向に垂直な方向から入射する入出射光を反射面１５０２及び反射面１５０３で反射させて光路を９０°折り曲げる反射方式（図１５Ａ）を採用してもよい。また、屈折率分布スラブ導波路の入出射端面の近傍に厚さ方向の面に近接してプリズム１６０２を設け、プリズム１６０２に入出射する光を光バスに結合するカプラー方式（図１６）を採用してもよい。また、プリズム１６０２の代わりに回折格子などの回折光学素子を用いてもよい。また、屈折率分布スラブ導波路を電気基板１５０３により挟み込んで形成した電気・光ハイブリッド基板にした場合、図１５Ｂに示すように、入出射端面を４５°に傾斜させて反射面を形成した屈折率分布スラブ導波路を使用し、電気基板の４５°に傾斜させて反射面とした部分に垂直入射光を通す貫通穴１５０４を設けるとよい。
また、実施の形態１〜１２では、シート状の屈折率分布スラブ導波路を単一平面上としたが、これに限られない。図１７Ａは、屈折率分布スラブ導波路の形状の一例を示す斜視図、図１７Ｂは、屈折率分布スラブ導波路の形状の他の例を示す斜視図である。図１７Ａのように、屈折率分布スラブ導波路１７０１は、長さ方向及び厚さ方向を含む任意の相異なる２個の断面において、厚さ方向の中心位置が、常に同一の曲線を描くように湾曲（図１７Ａ）していてもよい。また、屈折率分布スラブ導波路１７０２は、長さ方向及び厚さ方向を含む任意の相異なる２個の断面において、厚さ方向の中心位置が、異なる曲線を描くように捩れて（図１７Ｂ）いてもよい。これは、一般的な厚さ方向に屈折率が一定のスラブ導波路では、湾曲や捩れによって境界面で光が反射する時の入射角の変化による分散や損失の影響が避けられないのに対して、厚さ方向の中心に極大値を有する屈折率分布を有するスラブの場合は、光がスラブの境界面に到達することが無く、スラブの境界面の状態に関係なく伝播するからである。
なお、上記では入出力光としてマルチモード光に限定しているが、結合ロスを問題にしなければ、シングルモード光でも何ら問題は無い。
（実施の形態１３）
図２３は、本発明の実施の形態１３に係る光２分岐器である光デバイスの構成概要図である。実施の形態１３に係る光デバイスは、図２３に示すように、第１の屈折率分布スラブ導波路２３０１と、第２の屈折率分布スラブ導波路２３０２と、第３の屈折率分布スラブ導波路２３０３とを中心に構成される。
第１乃至第３の屈折率分布スラブ導波路２３０１〜２３０３は、いずれもｘｚ平面に平行に広がるシート状のマルチモード光伝送路である。第１乃至第３の屈折率分布スラブ導波路２３０１〜２３０３は、厚さ方向の中心位置に最大屈折率 ｎmaxを持ち、中心位置から離れるに従って屈折率が増加しない厚さ方向の屈折率分布を有する。第１乃至第３の屈折率分布スラブ導波路２３０１〜２３０３は、幅方向には一定の屈折率を有し、屈折率分布を持たない。
第１の屈折率分布スラブ導波路２３０１は、実施の形態１に係る光２分岐の場合において説明した屈折率分布スラブ導波路と同一である。すなわち、第１の屈折率分布スラブ導波路２３０１のスラブ長 Ｌ1は、幅方向の基本モード幅 Ｗ0と、幅方向に励起する０次モード光の実効屈折率 ｎ0と、入射光の波長λとの関数となり、ほぼ ｎ0×Ｗ0 2／（２λ）である。
第２の屈折率分布スラブ導波路２３０２及び第３の屈折率分布スラブ導波路２３０３は、実施の形態４に係るクロスシートバスと同一である。すなわち、第２の屈折率分布スラブ導波路２３０２及び第３の屈折率分布スラブ導波路２３０３のスラブ長 Ｌ2は、幅方向の基本モード幅 Ｗ0と、幅方向に励起する０次モード光の実効屈折率 ｎ0と、入射光の波長λの関数となり、いずれも、ほぼ４× ｎ0×Ｗ0 2／λである。
実施の形態１３に係る光デバイスは、図示しない入射部から第１の屈折率分布スラブ導波路２３０１の入射面の幅方向の中心位置に入射光を入射させる。第１の屈折率分布スラブ導波路２３０１は、入射面の幅方向の中心に入射した入射光を伝送し、セルフ−イメージング原理に従って、出射面の幅方向の中心に対称な２つの出射光を生成する。
第１の屈折率分布スラブ導波路２３０１から出射した出射光の内、一の出射光は、第２の屈折率分布スラブ導波路２３０２の入射面の幅方向の中心から所定の距離離れた位置に入射する。第２の屈折率分布スラブ導波路２３０２は、入射した入射光を伝送し、セルフ−イメージング原理に従って、出射面の入射光と幅方向の中心に対して対称な位置に出射光を生成する。
第１の屈折率分布スラブ導波路２３０１から出射した出射光の内、他の出射光は、第３の屈折率分布スラブ導波路２３０３の入射面の幅方向の中心から所定の距離離れた位置に入射する。第３の屈折率分布スラブ導波路２３０３は、入射した入射光を伝送し、セルフ−イメージング原理に従って、出射面の入射光と幅方向の中心に対して対称な位置に出射光を生成する。
ここで、第１の屈折率分布スラブ導波路２３０１の基本モードの幅をＷ0と、第２の屈折率分布スラブ導波路２３０２の入射面における幅方向の中心から入射光の入射位置までの所定の距離をｘ１と、第３の屈折率分布スラブ導波路２３０３の入射面における幅方向の中心から入射光の入射位置までの所定の距離をｘ２とする。この場合において、第１の屈折率分布スラブ導波路２３０１の出射面での分離幅ｄ１は、セルフ−イメージング原理によれば、ｄ１＝ Ｗ0／２に等しい。ところが、第２の屈折率分布スラブ導波路２３０２及び第３の屈折率分布スラブ導波路２３０３から出射したそれぞれの出射光同士の分離幅ｄ２は、ｄ２＝ Ｗ0／２＋２×ｘ１＋２×ｘ２に等しく大幅に拡大している。
このように、実施の形態１３に係る光デバイスは、基本モードの幅 Ｗ0を変化させることなく、分離幅を大きくすることができる。例えば、第１の屈折率分布スラブ導波路２３０１のみで光２分岐を構成する場合、２分岐後の分離幅は Ｗ0／２となり、直径１２５μｍの光ファイバを接続する場合はＷ0＝２５０μｍ以上が必要である。この場合、第１の屈折率分布スラブ導波路２３０１の長さはＬ＝３５,０００μｍ以上となり、大型化が避けられない。さらに、直径が２００〜１,０００μｍのプラスチック光ファイバを接続する場合、Ｌ＞１００，０００μｍとなる（Ｌは、Ｗ0の２乗に比例）。
一方、第２屈折率分布スラブ導波路２３０２及び第３屈折率分布スラブ導波路２３０３を使用した場合、２つの出射光の移動量は２×ｘ１＋２×ｘ２になる。ｘ１及びｘ２の値は、第２屈折率分布スラブ導波路２３０２及び第３屈折率分布スラブ導波路２３０３の半幅まで大きくできる。したがって、第１屈折率分布スラブ導波路２３０１のみを用いて同等の分離幅を得ようとした場合より、スラブ長Ｌを小さくできる。このように、第１の屈折率分布スラブ導波路２３０１が分離幅の小さな分岐器であっても、第２と第３屈折率分布スラブ導波路を接続することにより容易に分離幅を拡大することができる。
図２４は、本発明の実施の形態１３の変形例１に係る３個以上の信号光の間隔拡大のための光デバイスの要部を示す上面図である。実施の形態１３の変形例１に係る光デバイスは、図２４に示すように、幅方向に並べられた複数の屈折率分布スラブ導波路を備えている。各屈折率分布スラブ導波路は、いずれも実施の形態４に係るクロスシートバスの場合において説明した屈折率分布スラブ導波路と同一である。
実施の形態１３の変形例１に係る光デバイスは、図面の上から順に、幅方向において第ｋ−１番目に配置される第ｋ−１の屈折率分布スラブ導波路２４０１と、幅方向において第ｋ番目に配置される第ｋの屈折率分布スラブ導波路２４０２と、幅方向において第ｋ＋１番目に配置される第ｋ＋１の屈折率分布スラブ導波路２４０３とを中心に構成される。
実施の形態１３の変形例１に係る光デバイスにおいて、３個以上の信号光の間隔を拡大するためには、以下の２つのパターンを適宜組み合わせて伝送を行う。
（１）隣合う第ｋ及び第ｋ＋１の屈折率分布スラブ導波路のように、入射位置と幅方向の中心との間の関係を互いに異方向にする方法である。この場合、信号光の間隔を大幅に拡大することが可能である。
（２）隣合う第ｋ及び第ｋ−１の屈折率分布スラブ導波路のように、入射位置と幅方向の中心との間の関係を互いに同方向にし、光デバイス全体の中心により近くに入射位置を持つ第ｋの屈折率分布スラブ導波路の入射位置と幅方向の中心と間の距離を、第ｋ−１の屈折率分布スラブ導波路の入射位置と幅方向の中心と間の距離より小さくする方法である。
これら（１）及び（２）に記載した方法を適宜組み合わせることにより、３以上の信号光同士の間隔を拡大することが可能になる。
図２５は、本発明の実施の形態１３の変形例２に係る信号光の間隔拡大のための光デバイスの要部を示す上面図である。実施の形態１３の変形例２に係る光デバイスは、図２５に示すように、長さ方向に入射位置をずらせて並べられた複数の屈折率分布スラブ導波路を備えている。各屈折率分布スラブ導波路は、いずれも実施の形態４に係るクロスシートバスの場合において説明した屈折率分布スラブ導波路と同一である。
実施の形態１３の変形例２に係る光デバイスは、屈折率分布スラブ導波路を長さ方向に多段に接続している。すなわち、第１段の屈折率分布スラブ導波路２５０１からの出射光を、第２段の屈折率分布スラブ導波路２５０２の入射光として接続し、第２段の屈折率分布スラブ導波路２５０２からの出射光を、順に第ｎ段の屈折率分布スラブ導波路２５０３の入射光として接続している。このとき、実施の形態１３の変形例２に係る光デバイスは、各屈折率分布スラブ導波路からの出射位置が、幅方向の中心に対して常に同方向にずれるよう配置する。このように配置することにより、出射光を幅方向に移動させることができる。
なお、以上説明した光デバイスは、いずれも４角形のそれぞれ独立した屈折率分布スラブ導波路をそれぞれ接続して分離幅を拡大する構成を説明したが、これに限られない。例えば、複数のシート状多モード導波路が接続した状態の屈折率分布スラブ導波路を製造してもよい。
（実施の形態１４）
図２６は、本発明の実施の形態１４に係るビーム変換部を有する光デバイスの構成の概要を示す斜視図である。実施の形態１４に係る光デバイスは、屈折率分布スラブ導波路２６１０と、入射側光ファイバ２６２０と、第１の出射側光ファイバ２６３０と、第２の出射側光ファイバ２６３５と、入射側ビーム変換部２６４０と、第１の出射側ビーム変換部２６５０と、第２の出射側ビーム変換部２６５５とを備える。
屈折率分布スラブ導波路２６１０は、実施の形態１の光デバイスを構成する屈折率分布スラブ導波路１０１と同一の構成を有し、光２分岐を行う所定のスラブ長Ｌを持つ。入射側光ファイバ２６２０と、第１の出射側光ファイバ２６３０及び第２の出射側光ファイバ２６３５は、いずれもＧＩ（Ｇｒａｄｅｄ−Ｉｎｄｅｘ）型のマルチモード光ファイバである。入射側光ファイバ２６２０と、第１の出射側光ファイバ２６３０及び第２の出射側光ファイバ２６３５は、いずれも中心部が最大屈折率であり、周辺に向かって屈折率がほぼ２次関数に従って減少する屈折率分布を持つ。
入射側ビーム変換部２６４０は、屈折率分布スラブ導波路２６１０の入射面２６１２と、入射側光ファイバ２６２０の出射側端面２６２２との間に配置される。入射側ビーム変換部２６４０は、ほぼ円筒形状をなし、円筒の中心軸において極大となり周辺に向かって屈折率が低下する屈折率分布を持つ。入射側ビーム変換部２６４０の屈折率分布は、中心を極大とし周辺に向けてほぼ２次関数に従って変化する。
入射側ビーム変換部２６４０は、入射側光ファイバ２６２０側から屈折率分布スラブ導波路２６１０側へ向けて次第に変化が大きくなる屈折率分布を持つ。ここで、図２６に記載したグラフに、入射側ビーム変換部２６４０の入射側光ファイバ２６２０側の端面２６４１の屈折率分布をＡとし、入射側ビーム変換部２６４０の屈折率分布スラブ導波路２６１０側の端面２６４２の屈折率分布をＢとして図示する。グラフからわかるように、屈折率分布Ａは、屈折率分布Ｂよりも緩やかな変化を示す。
第１の出射側ビーム変換部２６５０は、屈折率分布スラブ導波路２６１０の出射面２６１３と、第１の出射側光ファイバ２６３０の入射側端面との間に配置される。第２の出射側ビーム変換部２６５５は、屈折率分布スラブ導波路２６１０の出射面２６１３と、第２の出射側光ファイバ２６３５の入射側端面との間に配置される。第１の出射側ビーム変換部２６５０及び第２の出射側ビーム変換部２６５５は、ほぼ円筒形状をなし、円筒の中心軸において極大となり周辺に向かって屈折率が低下する屈折率分布を持つ。第１の出射側ビーム変換部２６５０及び第２の出射側ビーム変換部２６５５の屈折率分布は、中心を極大とし周辺に向けてほぼ２次関数に従って変化する。
第１の出射側ビーム変換部２６５０は、第１の出射側光ファイバ側２６３０側から屈折率分布スラブ導波路２６１０側へ向けて次第に変化が大きくなる屈折率分布を持つ。第２の出射側ビーム変換部２６５５は、第２の出射側光ファイバ側２６３１側から屈折率分布スラブ導波路２６１０側へ向けて次第に変化が大きくなる屈折率分布を持つ。変化の様子は、前述した入射側ビーム変換部２６４０を逆方向に向けた分布になっている。
以上の構成により、入射側光ファイバ２６２０から出射されたマルチモードの信号光は、入射側ビーム変換部２６４０に入射して、長さ方向に伝送される。入射側ビーム変換部２６４０は、屈折率分布の長さ方向の変化によって、入射側光ファイバ２６２０のモードフィールド（ビームスポット径）を、小さなモードフィールド（ビームスポット径）に変換する。モードフィールドが小さく変換された信号光は、屈折率分布スラブ導波路２６１０の入射面上の幅方向の中心位置に入射光として入射する。屈折率分布スラブ導波路２６１０は、実施の形態１において説明したように、入射光を長さ方向に伝送し、セルフ−イメージング原理に従って出射面近傍に２個の像を形成し、この像を出射光として出射する。
出射した２個の信号光は、それぞれ第１の出射側ビーム変換部２６５０及び第２の出射側ビーム変換部２６５５に入射して、長さ方向に伝送される。第１の出射側ビーム変換部２６５０は、屈折率分布の長さ方向の変化によって、屈折率分布スラブ導波路２６１０のモードフィールド（ビームスポット径）を、大きなモードフィールド（ビームスポット径）に変換する。第２の出射側ビーム変換部２６５５は、屈折率分布の長さ方向の変化によって、屈折率分布スラブ導波路２６１０のモードフィールド（ビームスポット径）を、大きなモードフィールド（ビームスポット径）に変換する。モードフィールドが大きく変換された信号光は、第１の出射側光ファイバ２６３０及び第２の出射側光ファイバ２６３５へ入射した後、伝送される。
このように、実施の形態１４に係る光デバイスは、屈折率分布スラブ導波路へ入出射する信号光のモードフィールドを変換するビーム変換部を備えているので、屈折率分布スラブ導波路２６１０に小さなモードフィールドを持つ入射光を入射させることができる。したがって、セルフ−イメージング原理により、出射光のモードフィールドを小さくすることができる。
従来、屈折率分布スラブ導波路の幅に対してＰＯＦのようなコア径（モードフィールド、ビームスポット径）の占める割合が大きな光ファイバを接続すると、セルフイーメジング原理より、出力側にも入射光と同じプロファイルを持つビームスポット径の大きな光が出力されるので、出射光の間隔を大きくすることが困難になる。したがって、信号光の分岐数を多くすることができなかった。一方、実施の形態１４に係る光デバイスは、出射光のモードフィールドを小さくすることができるので、分岐数を増やすことが容易である。
なお、入射のモードフィールドが小さくなると、分岐された複数の出射光の間隔も小さくなる。これに対しては、出力位置が平行移動できるように出力側ビーム変換部に角度をつけたり、Ｓ字型にして緩やかなカーブを付けることで、コア径の大きな光ファイバを出力側に接続することができる。また、上記例では、屈折率分布スラブ導波路２６１０は、実施の形態１の光２分岐の光デバイスに用いられるものであったが、他の実施の形態で説明したストレートシートバス、クロスシートバス、スターカプラ、光スイッチ等を適用可能であることはいうまでもない。この場合、入出射される信号光の数に応じて、入出射側光ファイバ及び入出射側ビーム変換部の数を調整すればよい。
図２７は、本発明の実施の形態１４の変形例１に係る光デバイスの構成の概要を示す斜視図である。実施の形態１４の変形例１に係る光デバイスは、実施の形態１４の光デバイスとほぼ同一の構成を有するので、相違する部分のみ説明する。また、同一の符号は同一の構成を示す。
実施の形態１４の変形例１に係る光デバイスは、実施の形態２で説明した光Ｎ分岐の光デバイスにおいて、Ｎ＝５とした屈折率分布スラブ導波路２７１０を備えている。実施の形態１４の変形例１に係る光デバイスは、厚さ方向の中心に最大屈折率を持ち、厚さ方向にのみほぼ２次関数に従って屈折率が減少する屈折率分布を持つ屈折率分布導波路からなる入射側ビーム変換部２７４０を備える。また、実施の形態１４の変形例１に係る光デバイスは、厚さ方向の中心に最大屈折率を持ち、厚さ方向にのみほぼ２次関数に従って屈折率が減少する屈折率分布を、それぞれ持つ５個の屈折率分布導波路からなる出射側ビーム変換部２７５０を備える。
入射側ビーム変換部２７２０の屈折率分布導波路は、入射側光ファイバ２６２０側から屈折率分布スラブ導波路２７１０側へ向けて、幅方向の大きさが減少する形状を持つ。出射側ビーム変換部２７５０の各屈折率分布導波路は、各出射側光ファイバ２７３０側から屈折率分布スラブ導波路２７１０側へ向けて、幅方向の大きさが減少する形状を備える屈折率分布導波路である。このように、幅方向の大きさが変化する屈折率分布導波路を入出射側のビーム変換部に用いた場合であっても、モードフィールドを変換することが可能である。
図２８Ａは、本発明の実施の形態１４の変形例２に係る光デバイスの構成の概要を示す上面図である。また、図２８Ｂは、本発明の実施の形態１４の変形例２に係る光デバイスの出射側ビーム変換部２８５０の一例を示す断面図、図２８Ｃは、本発明の実施の形態１４の変形例２に係る光デバイスの出射側ビーム変換部２８５０の他の例を示す断面図である。実施の形態１４の変形例２に係る光デバイスは、実施の形態１４の光デバイスとほぼ同一の構成を有するので、相違する部分のみ説明する。また、同一の符号は同一の構成を示す。
実施の形態１４の変形例２に係る光デバイスは、実施の形態２で説明した光Ｎ分岐の光デバイスにおいて、Ｎ＝４とした屈折率分布スラブ導波路２８１０を備えている。実施の形態１４の変形例２に係る光デバイスは、変形例１において説明した入射側ビーム変換部２７４０を備える。実施の形態１４の変形例２に係る光デバイスは、出力側光ファイバ２８３０の全てをカバーする単体の出射側ビーム変換部２８５０を備える。出射側ビーム変換部２８５０は、長さ方向に垂直な平面内で、屈折率分布スラブ導波路２８１０の幅方向中心に対応する中心に最大屈折率を持ち、周辺に向けて屈折率が低下する屈折率分布を持つ光伝送路である。出射側ビーム変換部２８５０は、断面が円あるいは矩形のいずれかの形状を有する。図２８Ｂは、断面が円である出射側ビーム変換部２８５０、図２８Cは、断面が矩形である出射側ビーム変換部２８５０をそれぞれ示している。また、各断面図において、出射側光ファイバ群２８３０は、すべて断面内に配置される。このように、屈折率分布を持つ単一の光伝送路をビーム変換部に用いた場合であっても、モードフィールドを変換することが可能である。
なお、変形例２のように、ビーム変換部の構成は入出射側で統一する必要な無く、適宜組み合わせることができる。例えば、入射側ビーム変換部に変形例２で説明した構成を適用して、出射側ビーム変換部に変形例１で説明した構成を適用する等してもよい。
図２９は、本発明の実施の形態１４の変形例３に係る光デバイスの構成の概要を示す斜視図である。実施の形態１４の変形例３に係る光デバイスは、実施の形態１４の変形例１に係る光デバイスとほぼ同一の構成を有するので、相違する部分のみ説明する。また、同一の符号は同一の構成を示す。
本発明の実施の形態１４の変形例３に係る光デバイスは、出射側光ファイバ群２９３０のクラッドの一部が幅方向にカットして、光ファイバ同士の隣接間隔を小さくしている。このように、クラッドの一部をカットすることにより、出射側ビーム変換部２７５０の幅方向の変形量を小さくすることができる。
（製造方法に係る実施の形態）
以下、各実施の形態で説明したシート状の屈折率分布スラブ導波路の製造方法を説明する。屈折率分布スラブ導波路の製造方法としては、例えば下記の２種類があげられる。
第１の製造方法は、屈折率の異なる極薄のフィルムを、厚さ方向の屈折率変化に合わせて積層して屈折率分布スラブ導波路を製造する方法である。第１の製造方法の具体例として、エポキシ系、アクリル系、ポリカーボネート系、ポリイミド系の樹脂を採用する方法がある。これらの樹脂に添加されるフッ素や重水素や硫黄などの添加量を調整すると、屈折率が変化するので、さまざまな屈折率を有する極薄のフィルムを製造することができる。
第２の製造方法は、光伝送路の厚さ方向の組成を、厚さ方向の屈折率分布に合うように変化させる方法である。第２の製造方法の具体例として、以下に示す方法がある。
（１）シート状のガラス材料へイオン注入し、注入したイオンをガラス内部で分布制御して屈折率分布を形成する方法。
（２）シート状のポリシランを硬化する際に、酸素濃度を制御し、ポリシラン内部での酸素濃度に分布を施して屈折率分布を形成する方法。
（３）シート状の全フッ素樹脂を硬化する際に、樹脂内部で高屈折率低分子と低屈折率モノマーの分布を制御して屈折率分布を施す方法。
なお、（３）の全フッ素樹脂内部で屈折率分布形成方法は、他の樹脂に対しても応用が可能である。
以下、特に第２の製造方法の（２）のポリシランを用いて屈折率分布スラブ導波路を作成する方法について詳細に説明する。ポリシランは、紫外線露光や熱処理によって硬化する。このとき、ポリシラン構造の一部は、硬化される時に酸化されて屈折率のより小さなシロキサン構造に変化する。したがって、硬化したポリシランは、酸化されないでポリシラン構造のまま硬化した部分と、硬化される時に酸化されてシロキサン構造に変化した部分の比率を変化させることにより、屈折率を制御することが可能になる。例えば、雰囲気中に酸素を含む環境で紫外線照射により硬化させた場合、ポリシランは、紫外線が照射された表面から内部へ向かって酸素濃度が低下した状態で硬化されるため、酸素濃度の低い内部から酸素濃度の高い表面に向かって屈折率が低下する屈折率分布構造を形成することが可能である。このようにして、シート状のポリシランの上下面から等しく紫外線を照射すれば、厚さ方向に中心対称の屈折率分布を得ることができる。
以下、光デバイスの屈折率分布スラブ導波路の製造方法を説明する。図３０は、屈折率分布スラブ導波路の製造方法の一例を示す説明図である。図３０において、はじめに、実施の形態１で説明した屈折率分布スラブ導波路３０１０のスラブ厚Ｄと同じ深さを有し、複数の屈折率分布スラブ導波路３０１０の大きさに相当する凹部３００１を持つ透明成形型３００２を準備する（第１の工程）。透明成形型３００２は、紫外線に対して透明な材料により形成する。次に、透明成形型３００２の凹部分３００１に、ポリシラン３００３を凹部３００１からほぼはみ出さないように充填する（第２の工程）。この工程を、図３０Ａに示す。
次に、凹部３００１に溜めたポリシラン３００３に対して、厚さ方向の上下から紫外線３００４を照射すると同時に加熱する。この工程を、図３０Ｂに示す。その後、ポリシラン３００３を硬化させる（第３の工程）。この工程を、図３０Ｂに示す。
ポリシラン３００３が硬化した後、所望の屈折率分布スラブ導波路３０１０の形状に切断する（第４の工程）。このようにして、複数の屈折率分布スラブ導波路を製造することができる。切断した後の透明成形型３００２は、そのまま屈折率分布スラブ導波路３０１０の基板３００５として使用することができる。もちろん、基板３００５を除去してもよい。
ただし、凹部３００２の側壁は、最後に切断削除されるので垂直でなくても良く、テーパー面であってもよい。また、屈折率分布スラブ導波路３０１０の切断面を光学研磨してもよい。また、所望の厚さを持つシート状ポリシランを形成できる場合、側壁は、必ずしも必要ではない。
図３１は、屈折率分布スラブ導波路の製造方法の他の例を示す説明図である。図３１において、はじめに、実施の形態１で説明した屈折率分布スラブ導波路３１１０のスラブ厚Ｄと同じ深さを有し、単一の屈折率分布スラブ導波路３１１０の大きさに相当する凹部３００１を持つ透明成形型３１０２を準備する（第１の工程）。透明成形型３１０２は、紫外線に対して透明な材料により形成する。次に、透明成形型３１０２の凹部分３１０１に、ポリシラン３１０３を凹部３１０１からほぼはみ出さないように充填する（第２の工程）。この工程を、図３１Ａに示す。
次に、凹部３１０１に溜めたポリシラン３１０３に対して、厚さ方向の上下から紫外線３００４を照射すると同時に加熱する。この工程を、図３１Ｂに示す。その後、ポリシラン３１０３を硬化させる（第３の工程）。この工程を、図３１Ｂに示す。
ポリシラン３１０３が硬化した後、入出射端面に相当する部分を屈折率分布スラブ導波路３１１０の形状に切断する（第４の工程）。このようにして、屈折率分布スラブ導波路を製造することができる。切断した後の透明成形型３１０２は、そのまま屈折率分布スラブ導波路３１１０の基板３１０５として使用することができる。もちろん、基板３１０５を除去してもよい。
ただし、凹部の入出射面は最後に切断削除されるので垂直でなくても良くてテーパーが付いていても良いが、幅方向の側壁面３１０６は１０°以下の垂直面が望ましい。また、凹部の入出射面は、切断削除されるだけはなく、入出射位置の近傍にのみ形成してもよいまた、切断面を光学研磨しても良いが、光入出射面方向の透明成形型３１０２の肉厚が１０μｍ以下であれば透明成形型３１０２自体を切断や研磨して入出射面にしても良い。
このように、透明成形型に設けた凹部分に充填した樹脂を溜めるようにすることで、粘土の低い樹脂であっても膜厚を任意に厚くすることができる。したがって、コア径の大きな光ファイバを入出射側に用いることが可能な光伝送路に対応することができる。
図３２は、ポリシランを用いた屈折率分布のメカニズムを説明する説明図である。前述のように、ポリシランは、紫外線露光や熱処理によって起こる硬化時の酸化により屈折率のより小さなシロキサン構造（図３２Ｅ）に変化する。このため、酸化しないポリシラン構造（図３２Ｄ）部分と酸化により発生するシロキサン構造部分の比率を制御することで屈折率分布をつけることができる。図からわかるように、ポリシランを酸素雰囲気中に配置し（図３２Ａ）、紫外線露光と加熱とのいずれか一方を行う（図３２Ｂ）ことにより、酸素濃度が薄い中心部はポリシラン構造が多く、酸素濃度が濃い表面部はシロキサン構造が多い成形体を得る（図３２Ｃ）。
ポリシランの膜厚が５０μｍ以下である場合、雰囲気中の酸素によりポリシラン内では表面から内部に向かって酸素濃度が低下する。このため、自然に酸素濃度の低い内部から酸素濃度の高い表面に向かって屈折率が低下する屈折率分布を形成することとなる。また、ポリシランの膜厚が５０μｍ以上である場合、雰囲気中の酸素以外に、予め硬化前のポリシランの内部に酸素あるいは酸化物を所望の分布で拡散させておくことで、酸化時の屈折率分布を任意に制御することも可能である。
また、ポリシランを両面から対称的に酸化させることで厚さ方向の中心に対して対称形状の屈折率分布を形成することができる。ただし、ＵＶ露光で硬化する場合に基板側から露光する場合は、ＵＶに対して透明な材料、例えば、石英やパイレックス（登録商標）などのガラスを使用し、基板側から露光しない場合は、ガラス以外にシリコンや樹脂などＵＶに対して不透明な材料でもかまわない。
図３３は、本発明の実施の形態１４の変形例１に係る光デバイスの製造方法を説明する説明図である。以下、本発明の実施の形態１４に係る変形例１を例にして、光デバイスの製造方法を説明する。
透明成形型３３０１は、予め屈折率分布マルチモード導波路に相当する凹部３３０２と、入射側ビーム変換部に相当する凹部３３０３と、出射側ビーム変換部に相当する凹部３３０４とが形成される。また、透明成形型３３０１は、入射側光ファイバ３３１０の位置決めを行うためのＶ溝３３０５と、出射側光ファイバ３３１１の位置決めを行うためのＶ溝３３０６とが形成される。この透明成形型３３０１の各凹部に、ポリシラン３３２０を充填する。充填した後、各凹部に溜めたポリシラン３３２０に対して、上下からの紫外線を照射すると同時に加熱して、ポリシラン３３０１を硬化させる。最後に、Ｖ溝３３０５及びＶ溝３３０６に、光ファイバを配置して光デバイスを製造することができる。
ただし、凹部３３０２の幅方向を決定する側壁面３３３０は１０°以下の垂直面にすることが望ましい。このように、透明成形型に設けた凹部に充填した樹脂を溜めるようにすることで、粘度の低い樹脂であっても膜厚を任意に厚くすることができる。したがって、入出射側の光伝送路にコア径の大きな光ファイバを使用した場合であっても、対応することができる。
以上の例では、透明成形型を屈折率分布スラブ導波路の基板として、光デバイスの一部として利用したが、硬化したポリシランを離型してもよい。離型することにより、透明成形型の再利用が可能となるので、透明成形型の製造コストを低減することができる。
図３４及び図３５は、本発明の実施の形態１４の変形例１に係る光デバイスの製造方法の別例を説明する説明図である。図３４において、透明成形型３４０１は、予め屈折率分布マルチモード導波路に相当する凹部３４０２と、入射側ビーム変換部に相当する凹部３４０３と、出射側ビーム変換部に相当する凹部３４０４とが形成される。この透明成形型３４０１により、入出射側ビーム変換部が一体的に形成された屈折率分布スラブ導波路３４１０を、今まで述べた紫外線露光等の方法で成形する。屈折率分布スラブ導波路３４１０は、硬化後、透明成形型３４０１から離型する。
次に、図３５において、予め屈折率分布スラブ導波路３４０１に相当する凹部３５０２と、入射側光ファイバ３５２０の位置決めを行うＶ溝３５０３と、出射側光ファイバ３５３０の位置決めを行うＶ溝３５０４とが形成されたアセンブリ型３５０１を準備する。このアセンブリ型３５０１に、屈折率分布スラブ導波路３５０１と、入射側光ファイバ３５２０と、出射側光ファイバ３５３０とを配置することより、光デバイスを製造することができる。
この製造方法によれば、屈折率分布スラブ導波路３４０１の成形に用いた透明成形型は、離型により再利用できるため、コストダウンが可能である。また、入出射側ビーム変換部の位置決め調整が不要であるため製造の際の生産性向上を図ることができる。また、アセンブリ型３５０１は、製造工程において紫外線露光をする必要がないため材料の限定が小さく、低価格な型材料を選択することができる。また、アセンブリ型３５０１を使用することにより、入出射側光ファイバの位置決め調整が容易であるため製造の際の生産性向上を図ることができる。
なお、図３４及び図３５の出射側ビーム変換部は、出射側光ファイバ側とＧＩ型マルチモードスラブ導波路側の光軸が一致しているが、これに限られない。実施の形態１４の変形例１に説明したように、各出射側ビーム変換部間隔が、屈折率分布スラブ導波路から出射側光ファイバに向かって次第に大きくすると、屈折率分布スラブ導波路の形状を小さくできる。
以上説明した製造方法は、光Ｎ分岐の光デバイスだけでなく、各実施の形態で説明したストレートシートバス、クロスシートバス、光スイッチ、スターカプラ等の光デバイスに適用可能であることはいうまでもない。
（実施の形態１５）
図３６Ａは、本発明の実施の形態１５に係るマルチモード干渉二分岐器５１００の斜視図である。また、図３６Ｂは、マルチモード干渉二分岐器５１００の正面図である。図３６Ａにおいて、座標系を図中に示すように定め、紙面の下方向をｙ方向と、紙面の右向きをｚ方向と、ｙ方向及びｚ方向に垂直な方向をｘ方向と定義する。
マルチモード干渉二分岐器５１００は、シート状光伝送路５１０１と、入射部５１０４と、出射部５１０５及び出射部５１０６と、電気用基板５１０７と、電気用基板５１０８とを備える。シート状光伝送路５１０１は、ｙ方向の正の方向に沿って、電気用基板５１０７と、シート状光伝送路５１０１と、電気用基板５１０８とを順に積層した３層構造を備えている。
シート状光伝送路５１０１は、ｙ方向（厚さ方向）の厚さがｄで、ｚｘ平面に対して平行な２次元光伝送路である。シート状光伝送路５１０１は、外部から入射した信号光をｙ方向に閉じこめ、ｚ方向（伝送方向）に伝送可能である。シート状光伝送路５１０１は、ｚ方向の両端に反射面５１０２及び反射面５１０３を持つ。
反射面５１０２は、ｚ方向の一方の端部に形成される。反射面５１０２は、ｙ方向の正方向に沿って入射する信号光を、ｚ方向の正方向へ折り曲げるように、ｚｘ平面に対して４５°の角度をなす反射面である。
反射面５１０３は、入射側に対して反対側であるｚ方向の他方の端部に形成される。反射面５１０３は、ｚ方向の正方向に沿って伝送する信号光をｙ方向の負方向へ折り曲げるように、ｚｘ平面に対して４５°の角度をなす反射面である。
シート状光伝送路５１０１は、ｙ方向に屈折率分布を持つ。シート状光伝送路５１０１は、ｙ方向の厚さが半分のｄ／２の位置にあるｚｘ方向に平行な面（以下、中心部５１０１ａという）が最大屈折率 ｎmaxである。シート状光伝送路５１０１は、中心部５１０１ａを対称面として、中心部５１０１ａからそれぞれ電気用基板５１０７及び電気用基板５１０８に向けて連続的に屈折率が減少してく屈折率分布を持つ。
また、シート状光伝送路５１０１は、ｚｘ平面に平行な面内の屈折率が常に等しい。すなわち、シート状光伝送路５１０１は、ｙ方向にのみ屈折率分布を持ち、他の方向には屈折率分布を持たない。
電気用基板５１０７及び電気用基板５１０８は、平板状である。電気用基板５１０７は、発光素子５１１０と、受光素子５１１１と、受光素子５１１２とを含む。
発光素子５１１０は、信号光を発生させるための面発光レーザである。面発光レーザは、信号光となるレーザがｙ方向の正方向に発振するように配置される。
また、受光素子５１１１及び受光素子５１１２は、信号光を受光するフォトダイオードである。フォトダイオードは、ｙ方向の負方向に沿って伝送される信号光を受光するように配置される。電気用基板５１０７及び電気用基板５１０８は、その他光デバイスを駆動するために必要な図示しない電気部品や光部品を実装する。
電気用基板５１０７は、発光素子５１１０に対応する位置に円筒状の貫通孔であるスルーホールを有する。このスルーホールの内部には、円筒状の入射部５１０４が形成されている。また、電気用基板５１０７は、受光素子５１１１に対応する位置に円筒状の貫通孔であるスルーホールを有する。
このスルーホールの内部には、円筒状の出射部５１０５が形成されている。同様に、電気用基板５１０７は、受光素子５１１２に対応する位置に円筒状の貫通孔であるスルーホールを有する。このスルーホールの内部には、円筒状の出射部５１０６が形成されている。
入射部５１０４は、シート状光伝送路５１０１を構成する材料と同じ材料で作成される。入射部５１０４は、円筒の中心軸に関して軸対称な屈折率分布を持ち、円筒の中心軸を最大屈折率 ｎmaxとし、中心軸対称に中心軸から周辺へ離れるに従って連続的に屈折率が増加しない屈折率分布を持つ。入射部５１０４のｙ方向の長さは、信号光をシート状光伝送路５１０１に平行光として入射するように決定されている。
入射部５１０４と、出射部５１０５及び出射部５１０６とは、いずれも等しい構造である。また、入射部５１０４と、出射部５１０５と、出射部５１０６とは、いずれもシート状光伝送路５１０１と接着されている。入射部５１０４と、出射部５１０５と、出射部５１０６とは、マルチモード干渉のセルフ−イメージング原理の条件に従って所定位置に形成される。なお、マルチモード干渉のセルフ−イメージング原理の条件については、後述する。
上記の構成において、発光素子５１１０の面発光レーザの発光点から発振した信号光は、入射部５１０４に入射し、ｙ方向の正方向に進行する。その後、信号光は、入射部５１０４からシート状光伝送路５１０１に入射し、反射面５１０２でｚ方向の正方向に折り曲げられ、シート状伝送路５１０１内を伝搬する。信号光は、シート状光伝送路５１０１内でｘ方向に拡散してマルチモードでｚ方向の正方向に伝送される。その後、信号光は、反射面５１０３でｙ方向の負方向に折り曲げられる。
ここで、入射部５１０４と、出射部５１０５と、出射部５１０６とは、後述するマルチモード干渉のセルフ−イメージング原理の条件に従って所定位置に形成されているので、信号光は、出射部５１０５及び出射部５１０６の位置で等エネルギーに二分割され、それぞれ出射部５１０５及び出射部５１０６に入射する。
出射部５１０５に入射した信号光は、出射部５１０５から出射して受光素子５１１１のフォトダイオードの受光面で検出される。同様に、出射部５１０６に入射した信号光は、出射部５１０６から出射して受光素子５１１２のフォトダイオードの受光面で検出される。
このように、出射部５１０６は、出射部５１０５と等しい構成を持ち、マルチモード干渉のセルフ−イメージング原理の条件に従う所定位置に配置されている。このため、出射部５１０６は、出射部５１０５と等価であり、光学的な作用は等しい。したがって、以下の説明では、出射部５１０５に基づいてのみ行い、出射部５１０６の説明は同一であるため省略する。
なお、入射部５１０４と、出射部５１０５と、出射部５１０６とは、いずれも内部を伝送する信号光の光軸は、ｙ方向に平行であり、シート状光伝送路５１０１の信号光の伝送方向であるｚ方向に直交している。したがって、入射部５１０４と、出射部５１０５と、出射部５１０６とは、いずれも非平行入射部である。
図３７は、本発明の実施の形態１５に係るマルチモード干渉二分岐器５１００の信号光が伝送される部分の断面図である。図３７は、シート状光伝送路５１０１及び入射部５１０４を図３６Ａ中のＣ−Ｄ−Ｇ−Ｈ面を含む平面で切断した断面のＤ−Ｈ側と、シート状光伝送路５１０１及び出射部５１０５を図３６Ａ中のＥ−Ｆ−Ｉ−Ｊ面を含む平面で切断した断面のＥ−Ｉ側を接続した断面図である。
ここで、Ｃ−Ｄ−Ｇ−Ｈ面を含む平面は、ｙｚ面に平行であり入射部５１０４の中心軸を含む平面である。また、Ｅ−Ｆ−Ｉ−Ｊ面を含む平面は、ｙｚ面に平行であり出射部５１０６の中心軸を含む平面である。
なお、図３７において、等しい構成については図３６と同じ符号を付している。図３７において、発光素子５１１０の発光点を発光点５１１０ａと、受光素子５１１１の受光面上の受光点を受光点５１１１ａとする。
実施の形態１５に係るマルチモード干渉二分岐器５１００では、信号光はシート状光伝送路５１０１内でｙ方向の正方向にのみ伝送される。このため、信号光の伝送方向の位相状態の議論を行う場合、信号光のｘ方向の拡散は考慮しなくてよい。信号光のｘ方向への拡散は、マルチモード干渉による信号光の強度分布の変化が原因であるためエネルギー伝搬を伴わず、信号光のｘ方向には常に同位相となるからである。
したがって、図３７において、伝送方向の位相状態を議論する場合、図３６Ａ中のｘｙ面に平行なＤ−Ｅ−Ｈ−Ｉ面は無視してよく、図３７のＣ−Ｄ−Ｇ−Ｈ面のＤ−Ｈ側と、Ｅ−Ｆ−Ｉ−Ｊ面のＥ−Ｉ側とを接続した媒質中に記載された光路は、信号光の光路と等価になる。このように、以下に述べる実施の形態において、光路あるいは光路長という語を用いる場合、ｘ方向の拡散は無視していることとする。
図３７において、発光点５１１０ａから発振する信号光は、発散光であるからさまざまな光路を軌跡とする光線を含む。発光点５１１０ａから発振する信号光のうち、特に、最も信号光の光軸から離れた位置に入射する二つの光路Ａ及び光路Ｂを検討する。なお、光路Ａは、入射部５１０４に入射する信号光の光軸に関して光路Ｂと対称な関係にある。図３７において、光路Ａを実線で表し、光路Ｂを点線で表す。
図３７において、発光点５１１０ａからｙ方向の正方向に発振した信号光は、発散光として入射部５１０４に入射する。入射部５１０４は、前述したように中心軸対称に中心軸から周辺へ離れるに従って連続的に屈折率が増加しない屈折率分布を持つ。このため、入射部５１０４に入射した信号光のうち、入射部５１０４に９０度以外の角度をなして入射した光線は、直線状には伝送されず蛇行しながら進行する。
すなわち、光路Ａに沿って伝送される光線は、屈折率の高い領域から屈折率の低い領域へ伝送され、次第にｙ方向に平行に曲げられる。光路Ｂに沿って伝送される光線も、屈折率の高い領域から屈折率の低い領域へ伝送され、次第にｙ方向に平行に曲げられる。
ここで、入射部５１０４は、信号光がシート状光伝送路５１０１に入射する際に平行光（コリメータ光）となるようにｙ方向の長さが決められている。すなわち、光路Ａが、光路Ｂに平行になるように、入射部５１０４のｙ方向の物理的な長さが決定されている。したがって、信号光は、平行光としてシート状光伝送路５１０１に入射する。
光路Ａは、シート状光伝送路５１０１を垂直に横切って反射面５１０２に達し、反射面５１０２によってｚ方向の正方向に折り曲げられる。一方、光路Ｂは、すぐに反射面５１０２に達し、反射面５１０２によってｚ方向の正方向に折り曲げられる。光路Ａが反射面５１０２で折り曲げられることにより、すべての信号光がシート状光伝送路５１０１のｚ方向の正方向に伝送される。その後、光路Ａ及び光路Ｂは、屈折率分布に従って蛇行しながら進行する。
光路Ａは、反射面５１０３に達し、反射面５１０３によってｙ方向の負方向に折り曲げられる。一方、ｙ方向の正方向に平行に入射した光路Ｂは、光路Ａより遅れて反射面５１０３に達し、反射面５１０３によってｙ方向の負方向に折り曲げられる。
このとき、シート状光伝送路５１０１は、出射部５１０５に出射する際に平行光となるようにｚ方向の構成が決められている。すなわち、光路Ａが、光路Ｂに平行になるように、シート状光伝送路５１０１の物理的な長さが決定されている。したがって、信号光は、平行光として出射部５１０５に入射する。ここで、出射部５１０５を伝送する信号光の光軸は、ｙ方向に平行であり、シート状光伝送路５１０１の信号光の伝送方向であるｚ方向に直交している。なお、シート状光伝送路５１０１の構成は、後に詳述する。
出射部５１０５は、前述したように中心軸対称に中心軸から周辺へ離れるに従って連続的に屈折率が増加しない屈折率分布を持つ。このため、出射部５１０５に入射した信号光のうち、中心軸から離れた部分に入射した信号光は、直線状には伝送されず蛇行しながら進行する。
光路Ａは、屈折率の低い領域から屈折率の高い領域へ伝送され、次第に対称光軸に接近する方向に曲げられる。光路Ｂも、屈折率の低い領域から屈折率の高い領域へ伝送され、次第に対称光軸に接近する方向に曲げられる。
出射部５１０５は、屈折率分布及びｙ方向の物理的長さが入射部５１０４と等しい。このため、信号光は収束光として出射部５１０５から出射し、受光点５１１１ａで結像する。
光路Ａにおいて、光路Ｂが反射面５１０２に達した位置に対応する位置から、光路Ａが反射面５１０２に達した位置までの物理的な光路長をＬ１Ａと定義する。光路Ｂにおいて、光路Ｂが反射面５１０２に達した位置から、光路Ａが反射面５１０２に達する位置に対応する位置までの物理的な光路長をＬ１Ｂとする。
また、光路Ａにおいて、光路Ａが反射面５１０３に達した位置から、光路Ｂが反射面５１０３に達する位置に対応する位置までの物理的な光路長をＬ２Ａと定義する。光路Ｂにおいて、光路Ａが反射面５１０３に達した位置に対応する位置から、光路Ｂが反射面５１０３に達した位置までの物理的な光路長をＬ２Ｂとする。
また、光路Ａが反射面５１０２に達した位置から、光路Ａが反射面５１０３に達する位置までの物理的距離を伝送長Ｌと定義する。伝送長Ｌは、信号光がｚ方向の正の方向に伝送される領域の物理的長さに相当する。
反射面５１０２及び反射面５１０３は、ともに光路を９０度折り曲げるミラーとして機能するので、ｙ方向及びｚ方向の幾何学的形状は共通である。したがって、物理的な光路長Ｌ１Ａは、物理的な光路長Ｌ１Ｂと等しい。同様に物理的な光路長Ｌ２Ａは、物理的な光路長Ｌ２Ｂと等しい。
しかしながら、物理的な光路長Ｌ１Ａに対応する光学的な光路長は、物理的な光路長ＬＢ１に対応する光学的な光路長と一致しない。これは、反射面５１０２で反射した後で光学的な光路長が異なるため、光路Ａを軌跡とする光線の位相は、光路Ｂを軌跡とする光線の位相と一致しないためである。すなわち、光路Ａと光路Ｂとは位相差が生じる。このように、屈折率分布を含むシート状光伝送路に、伝送される方向に対して垂直でない反射面を設けると、反射面は光路長差発生部として機能する。
光路Ａと光路Ｂとは、位相差があるため、シート状光伝送路５１０１の内部を伝送される信号光の強度ピーク位置がシフトする。光路ＡがＬ１Ａに対応する光路を伝送される間に信号光が感じる屈折率は、光路ＢがＬ１Ｂに対応する光路を伝送される間に信号光が感じる屈折率よりも高い。
この結果、光路Ａは、光路Ｂよりも位相が遅れてしまう。したがって、図３７からも明らかなように、両光路が交差する位置は、シート状光伝送路５１０１の中心部５１０１ａとは一致せず、ｙ方向の正側にシフトしている。
また、シート状光伝送路５１０１をｚ方向に伝送される光線は、屈折率分布のために位相が乱れない。したがって、反射面５１０２により発生した光路Ａ及び光路Ｂの間の位相差は、そのまま反射面５１０３へ伝送される。反射面５１０３においても、同じメカニズムで、光路Ａ及び光路Ｂの間に位相差を発生させる。
反射面５１０２で発生する位相差を定量化する。図３８Ａは、シート状光伝送路５１０１及び入射部５１０４を、図３６Ａ中のＣ−Ｄ−Ｇ−Ｈ面を含む平面で切断した断面である。また、図３８Ｂは、シート状光伝送路５１０１の屈折率分布を表すグラフである。図３８Ｂにおいて、縦軸はｙ方向と一致させており、ｙ座標の原点を中心部５１０１ａとする。
屈折率分布定数をｇとし、中心部５１０１ａにおける屈折率を ｎmaxとし、ｙ方向の屈折率分布を以下の（数９）に示された二次関数で定義する。
Figure 0004130834
図３８Ｂにおいて、横軸は屈折率ｎ（ｙ）であり、縦軸はシート状光伝送路５１０１のｙ方向の位置座標である。位置の原点はシート状光伝送路５１０１の中心部５１０１ａである。図３８Ｂから明らかなように、（数９）は上に凸の２次関数で、中心部５１０１ａの屈折率が最大屈折率 ｎmaxであり、中心部５１０１ａからｙ方向の正負両方向に離れるにしたがって連続的かつ中心対称に屈折率が低下していく屈折率分布である。
物理的な光路長を光学的な光路長へ変換するには、屈折率分布の関数を位置で積分すればよい。簡単のために、光路Ａ及び光路Ｂを伝送する信号光が反射面５１０２において反射する位置は、シート状光伝送路５１０１の最大径の位置であるとする。
実際には、シート状光伝送路５１０１を伝送される信号光は、幅方向に複数モードが励起されており、モードごとに実効屈折率が異なっている。MMIでは、長さ方向の大きさは、幅方向に励起される０次モード光の実効屈折率の関数になるので、最大屈折率 ｎmaxを幅方向に励起される０次モード光の実効屈折率 n0に置換した方が都合がよい。したがって、以下の議論において、屈折率として幅方向に励起される０次モード光の実効屈折率 n0を用いることにする。なお、実効屈折率 n0は、最大屈折率 ｎmaxと、信号光の波長と、シート状光伝送路の形状により決定される。
光路Ａの物理的な光路長Ｌ１Ａに対応する光学的な光路長は、屈折率分布の関数である（数９）を、位置座標ｙについて−ｄ／２からｄ／２まで積分したものに等しい。すなわち、光路Ａの物理的な光路長Ｌ１Ａに対応する光学的な光路長は、図３８Ｂにおいて屈折率分布を表す（数９）のグラフとｙ軸とが形成する領域αの面積に等しい。
同様に、光路Ｂの物理的な光路長Ｌ１Ｂに対応する光学的な光路長は、図３８Ｂにおいて位置ｄ／２における屈折率の値ｎ（ｄ／２）を、位置座標ｙについて−ｄ／２からｄ／２まで積分したものに等しい。すなわち、光路Ｂの物理的な光路長Ｌ１Ｂに対応する光学的な光路長は、図３８Ｂにおいて矩形の領域βの面積に等しい。
したがって、反射面５１０２により発生した光路Ａ及び光路Ｂの間の光学的な光路長の差ΔＬは、以下の（数１０）で表わす。また、このときの光路Ａと光路Ｂの間に発生する位相差Δは、以下の（数１１）で表される。ただし、屈折率として実効屈折率 ｎ0を用いている。
Figure 0004130834
Figure 0004130834
上記の位相差Δを具体的に数値計算した結果を表１に示す。なお、計算に際して屈折率分布定数ｇは、ｄ／２で中心から１％程度低下する値として設定している。また、中心部５１０１ａの屈折率に対応する実効屈折率は ｎ0＝１．５に設定している。
Figure 0004130834
表１からも明らかなように、反射面５１０２において発生する光路Ａ及び光路Ｂの間の位相差は、πラジアン以上である。光路Ａ及び光路Ｂの間の位相差をゼロにしなければ、強度分布を維持したまま信号光を出射することができない。
そこで、位相差を補償する方法について説明する。はじめに、光路Ａを伝送される信号光が反射面５１０２に達した位置から、光路Ａを伝送される信号光が反射面５１０３に達する位置までの物理的距離（以下、伝送長という）Ｌが、満足すべき条件を求める。
入射部５１０４からシート状光伝送路５１０１に入射する信号光及び、シート状光伝送路５１０１から出射部５１０５へ出射する信号光は、ともに平行光である。また、屈折率分布係数ｇが与えられると、シート状光伝送路５１０１を伝送する光線は、屈折率分布に従って周期２π／ｇで蛇行する。
したがって、シート状光伝送路５１０１で、平行光として入射した信号光を平行光として出射させるためには、伝送長Ｌを周期２π／ｇの整数倍にすればよい。すなわち、伝送長Ｌは、以下の（数１２）を満足する必要がある。
Figure 0004130834
一方、屈折率分布によって、光路Ａの物理的な伝送長Ｌに対応する光学的な光路長は、光路Ｂの物理的な伝送長に対応する光学的な光路長と等しい。シート状光伝送路５１０１の全体の光路Ａ及び光路Ｂの間の光学的な光路長の差は、反射面５１０２及び反射面５１０３のみで発生すると考えてよい。このように、反射面５１０２及び反射面５１０３は、光路長差発生部である。
シート状光伝送路５１０１の全体の光学的な光路長の差 ΔＬtotalは、反射面５１０２に対して計算した（数１０）を２倍した以下の（数１３）の値と等しい。
Figure 0004130834
上記（数１３）は、光路Ａの光学的な光路長が光路Ｂの光学的な光路長より ΔＬtotalの値だけ大きいことを意味している。したがって、（数１３）の値を信号光の波長の整数倍に一致させることにより、光路Ａの位相と光路Ｂの位相との間の差をゼロにすることができる。すなわち、光路Ａ及び光路Ｂの位相差をゼロにする条件は、以下の（数１４）で表される条件である。
Figure 0004130834
このように、光路Ａと光路Ｂとの間の位相差は、シート状光伝送路５１０１全体で発生する光路Ａと光路Ｂとの間の光学的な光路長の差を（数１４）を満足するように構成すれば、信号光の波長λの自然数倍となる。この結果、光路Ａと光路Ｂとの間の位相差は発生しない。
ここで、シート状光伝送路５１０１は、次のように設計される。はじめに、（数１２）により伝送長Ｌを決定する。これにより、屈折率分布定数ｇが決定される。次に、決定された屈折率分布定数ｇと、あらかじめ与えられる信号光の波長λとを用いて（数１４）を調整する。
調整するためのパラメータは、中心部５１０１ａの屈折率 ｎmax及びｙ方向の厚さｄである。なお、中心部５１０１ａの屈折率 ｎmax及びｙ方向の厚さｄを変化させることにより、幅方向に励起する０次モード光の実効屈折率 ｎ0を変化させることができる。調整ができないときは、屈折率分布定数ｇを変化させて、再び（数１２）により伝送長Ｌを決定する。この最適化設計を繰り返すことにより、所望のシート状光伝送路５１０１を得ることができる。
以上のように、実施の形態１５に係る光デバイスは、光路Ａと光路Ｂとの間の光学的な光路長の差は、信号光の波長λの自然数倍となっている。したがって、光路Ａと光路Ｂとの間の位相差は、光伝送路へ入射する前と光伝送路から出射した後とで等しい。このため、実施の形態１５に係る光デバイスは、光伝送路に入射した際の波形と、出射する際の波形とを一致させることができ、光伝送路から信号光を損失なく出射することができる。
また、実施の形態１５の係る光デバイスは、光伝送路へ入射する信号光の光軸、及び光伝送路から出射する信号光の光軸が、いずれもｚ方向と直交するので、外部と光伝送路とを簡単に結合することができる。特に、光伝送路へ入射する信号光を発光する発光素子や光伝送路から出射した信号光を受光する受光素子などの光部品と、光伝送路とを結合する際に、光部品を簡単に実装できる。
また、実施の形態１５に係る光デバイスは、光路Ａ及び光路Ｂは、光学的な光路長差が生じる光路長差発生部を２個含み、２個の光路長差発生部で発生する光学的な光路長差の和が、信号光の波長の自然数倍に等しい。この構成により、二つの光路の位相差をゼロにすることができる。
また、実施の形態１５に係る光デバイスは、ｙ方向に信号光を閉じこめ可能なシート状光伝送路を含み、シート状伝送路がｙ方向の厚さが半分となる中心部の屈折率が最大で、中心部から第１方向に沿って離れるに従って屈折率が増加しない屈折率分布を有している。この構成により、屈折率分布によってモード分散を抑制し、信号光を伝送することができる。
また、実施の形態１５に係る光デバイスは、シート状光伝送路が、ｚ方向と平行でない方向から入射した信号光の光軸を、ｚ方向へ折り曲げるための反射面５１０２と、ｚ方向に伝送した信号光の光軸を、ｚ方向と平行でない方向へ折り曲げるための反射面５１０３とを含んでいる。この場合、反射面５１０２と反射面５１０３とは、光路長差発生部である。
この構成により、ｚ方向と平行でない方向から光伝送路へ入射される信号光を、簡単に光伝送路へ入射させることができる。また、ｚ方向と平行でない方向へ光伝送路から出射される信号光を、簡単に光伝送路から出射させることができる。
また、実施の形態１５に係る光デバイスは、シート状光伝送路において、反射面５１０２により信号光のすべてがｚ方向へ折り曲げられた位置から、信号光のすべてが反射面５１０３に入射する直前の位置までの物理的な光路長が、屈折率分布に基づいて蛇行して伝送される光路の蛇行周期のｊ倍（ｊ＝０，１，２，３・・・）に等しい。この構成により、信号光は入射側と出射側とで強度分布が一致する。
（実施の形態１６）
次に、本発明の実施の形態１６を説明する。実施の形態１６では実施の形態１５と同一部分については説明を省略し、相違部分のみ説明する。実施の形態１６のマルチモード干渉二分岐器５２００は、図３６に示したマルチモード干渉二分岐器５１００と概略等しい構成を備えており、シート状光伝送路５２０１の構成のみが異なる。
図３９は、本発明の実施の形態１６に係るマルチモード干渉二分岐器５２００の信号光が伝送される部分の断面図である。図３９は、マルチモード干渉二分岐器５２００を、図３６及び図３７に示した実施の形態１５に係るマルチモード干渉二分岐器５１００の場合と同一の場所で切断した断面図である。図３９において、入射部５１０４と、出射部５１０５と、反射面５１０２と、反射面５１０３とは、すべて実施の形態１５に係るマルチモード干渉二分岐器５１００と等しい構成を持つ。
シート状光伝送路５２０１は、ｙ方向に屈折率分布を持つ。シート状光伝送路５２０１は、中心部５１０１ａが最大屈折率 ｎmaxである。シート状光伝送路５２０１は、中心部５１０１ａを対称面として、（数９）を満足する屈折率分布を持つ。また、シート状光伝送路５２０１は、ｙ方向にのみ屈折率分布を持ち、他の方向には屈折率分布を持たない。また、シート状光伝送路５２０１の伝送長Ｌは、以下の（数１５）を満足している。
Figure 0004130834
（数１５）は、伝送長Ｌが、シート状光伝送路５２０１で光が伝送する際の蛇行周期の（整数＋０．５）倍であることを意味している。伝送長Ｌが、（数１５）を満足している場合、光路Ａ及び光路Ｂの蛇行周期が、入射時と比較して半周期だけずれる。
光路Ａは、反射面５１０２の最も入射部５１０４から遠い側で反射して、ｚ方向の正の方向に折り曲げられ伝送された後、反射面５１０３の最も出射部５１０５に近い側で反射する。同様に、光路Ｂは、反射面５１０２の最も入射部５１０４から近い側で反射して、ｚ方向の正の方向に折り曲げられ伝送された後、反射面５１０３の最も出射部５１０５から遠い側で反射する。
ここで、物理的な光路長Ｌ１Ａと、Ｌ２Ａと、Ｌ１Ｂと、Ｌ２Ｂとを実施の形態１５の場合と等しく定義する。また、伝送長Ｌも実施の形態１５の場合と等しく定義する。実施の形態１６の場合、光路Ａの物理的な光路長Ｌ１Ａに対応する光学的な光路長は、光路Ｂの物理的な光路長Ｌ２Ｂに対応する光学的な光路長と等しい。また、光路Ａの物理的な光路長Ｌ２Ａに対応する光学的な光路長は、光路Ｂの物理的な光路長Ｌ１Ｂに対応する光学的な光路長と等しい。
一方、屈折率分布によって、光路Ａの物理的な伝送長Ｌに対応する光学的な光路長は、光路Ｂの物理的な伝送長に対応する光学的な光路長と等しい。したがって、シート状光伝送路５２０１の全体の光路Ａ及び光路Ｂの間の光学的な光路長の差は、ゼロとなる。実施の形態１５の場合と同様に、光学的な光路長を ΔＬtotalとすると、以下の（数１６）が成り立つ。
Figure 0004130834
すなわち、光路Ａの光学的な光路長と、光路Ｂの光学的な光路長の間の差は、ゼロとなる。光学的な光路長の差がゼロであるから、光路Ａ及び光路Ｂの間には位相差は発生しない。このように、光路Ａと光路Ｂとの間の位相差は、シート状伝送路５２０１の伝送長Ｌを（数１５）を満足するように設定すると、ゼロになる。
以上のように、実施の形態１６に係る光デバイスは、光路Ａと光路Ｂとの間の光学的な光路長の差は、ゼロである。したがって、光路Ａと光路Ｂとの間の位相差は、光伝送路へ入射する前と光伝送路から出射した後とで等しい。このため、実施の形態１６に係る光デバイスは、光伝送路に入射した際の波形と、出射する際の波形とを一致させることができ、光伝送路から信号光を損失なく出射することができる。
また、実施の形態１６の係る光デバイスは、光伝送路へ入射する信号光の光軸、及び光伝送路から出射する信号光の光軸が、いずれもｚ方向と直交するので、外部と光伝送路とを簡単に結合することができる。特に、光伝送路へ入射する信号光を発光する発光素子や光伝送路から出射した信号光を受光する受光素子などの光部品と、光伝送路とを結合する際に、光部品を簡単に実装できる。
また、実施の形態１６に係る光デバイスは、光路Ａ及び光路Ｂは、光学的な光路長差が生じる光路長差発生部を２個含み、２個の光路長差発生部で発生する光学的な光路長差の和が、ゼロである。この構成により、二つの光路の位相差をゼロにすることができる。
また、実施の形態１６に係る光デバイスは、ｙ方向に信号光を閉じこめ可能なシート状光伝送路を含み、シート状伝送路がｙ方向の厚さが半分となる中心部の屈折率が最大で、中心部から第１方向に沿って離れるに従って屈折率が増加しない屈折率分布を有している。この構成により、屈折率分布によってモード分散を抑制し、信号光を伝送することができる。
また、実施の形態１６に係る光デバイスは、シート状光伝送路が、ｚ方向と平行でない方向から入射した信号光の光軸を、ｚ方向へ折り曲げるための反射面５１０２と、ｚ方向に伝送した信号光の光軸を、ｚ方向と平行でない方向へ折り曲げるための反射面５１０３とを含んでいる。さらに、反射面５１０２と反射面５１０３とは、光路長差発生部である。
この構成により、ｚ方向と平行でない方向から光伝送路へ入射される信号光を、簡単に光伝送路へ入射させることができる。また、ｚ方向と平行でない方向へ光伝送路から出射される信号光を、簡単に光伝送路から出射させることができる。
また、実施の形態１６に係る光デバイスは、シート状光伝送路において、反射面５１０２により信号光のすべてがｚ方向へ折り曲げられた位置から、信号光のすべてが反射面５１０３に入射する直前の位置までの物理的な光路長が、屈折率分布に基づいて蛇行して伝送される光路の蛇行周期の（ｊ＋０．５）倍（ｊ＝０，１，２，３・・・）に等しい。この構成により、信号光は入射側と出射側とで強度分布が一致する。
（実施の形態１７）
次に、本発明の実施の形態１７を説明する。実施の形態１７では実施の形態１５と同一部分については説明を省略し、相違部分のみ説明する。実施の形態１７のマルチモード干渉二分岐器５３００は、図３６に示したマルチモード干渉二分岐器５１００と概略等しい構成を備えており、入射部５３０４と、出射部５３０５と、シート状光伝送路５３０１との構成が異なる。
図４０は、本発明の実施の形態１７に係るマルチモード干渉二分岐器５３００の信号光が伝送される部分の断面図である。図４０は、マルチモード干渉二分岐器５３００を、図３６及び図３７に示した実施の形態１５に係るマルチモード干渉二分岐器５１００の場合と同一の場所で切断した断面図である。
シート状光伝送路５３０１は、ｙ方向に屈折率分布を持つ。シート状光伝送路５３０１は、中心部５１０１ａが最大屈折率 ｎmaxである。シート状光伝送路５３０１は、中心部５１０１ａを対称面として、（１）式を満足する屈折率分布を持つ。また、シート状光伝送路５３０１は、ｙ方向にのみ屈折率分布を持ち、他の方向には屈折率分布を持たない。
シート状光伝送路５３０１において、入射部５３０４から入射する信号光は、反射面５１０２上の、シート光伝送路の中心部５１０１ａで、ｘ方向に平行な線状に集光される。すなわち、入射部５３０４のｙ方向の長さを適切に設定することにより、信号光を、反射面５１０２上の、シート光伝送路の中心部５１０１ａで、ｘ方向に平行な線状に集光することができる。
また、シート状光伝送路５３０１において、出射部５３０５から出射する信号光は、反射面５１０３上の、シート光伝送路の中心部５１０１ａで、ｘ方向に平行な線状に集光された後、出射部５１０５から出射する。すなわち、出射部５３０５のｙ方向の長さを適切に設定することにより、信号光を、反射面５１０３上の、シート光伝送路の中心部５１０１ａで、ｘ方向に平行な線状に集光することができる。
さらに、シート状光伝送路５３０１は、このとき、シート状光伝送路５３０１の反射面５１０２から反射面５１０３までの中心部５１０１ａにおける物理的な光路長 ＬR-Rは、以下の（数１７）の関係を満足している。
Figure 0004130834
（数１７）は、物理的な光路長 ＬR-Rが、シート状光伝送路５３０１内を蛇行する信号光の光路の蛇行周期の半整数倍と等しいことを意味している。（数１７）を満足するように、物理的な光路長 ＬR-Rを設定すると、反射面５１０２上でｘ方向に平行な線状に集光した信号光は、反射面５１０３上にｘ方向に平行な線状に再び集光する。
したがって、反射面５１０１と反射面５１０２との間には、ｙｚ平面に平行な面内で光学的には共役関係が成立する。このとき、光路Ａが感じる屈折率は、光路Ｂが感じる屈折率は完全に一致するので、光路Ａ及び光路Ｂの間には、位相差は発生しない。このように、光路Ａと光路Ｂとの間の位相差は、シート状伝送路５３０１の物理的な光路長 ＬR-Rを、（数１７）を満足するように設定すると、ゼロになる。
以上のように、実施の形態１７に係る光デバイスは、シート状光伝送路５３０１を伝送される複数の光路のうち、光路Ａと光路Ｂとの間の光学的な光路長の差は、ゼロとなっている。光路Ａと光路Ｂとの間の位相差は、光伝送路へ入射する前と光伝送路から出射した後とで等しい。このため、実施の形態１７に係る光デバイスは、光伝送路に入射した際の波形と、出射する際の波形とを一致させることができ、光伝送路から信号光を損失なく出射することができる。
また、実施の形態１７に係る光デバイスは、光路Ａ及び光路Ｂは、光学的な光路長差が発生する部分を持たない。この構成により、光路Ａ及びＢの位相差をゼロにすることができる。
また、実施の形態１７に係る光デバイスは、上述のシート状光伝送路が、反射面５１０２と反射面５１０３とを含み、中心部５１０１ａにおける反射面５１０２と反射面５１０３との間の物理的な光路長が、屈折率分布に基づいて蛇行して伝送される光路の蛇行周期のｊ／２倍（ｊ＝０，１，２，３・・・）に等しい。また、実施の形態１７の光デバイスは、信号光が、光伝送路の第１方向の厚さが半分となる中心部で、ｙ方向及びｚ方向に共に直交するｘ方向に平行な線状に集光される。
この構成により、中心部における反射面間が、光学的に共役関係となる。このため、反射面間で、二つの光路は、光学的な光路長差が発生する部分を持たない。したがって、二つの光路の位相差をゼロにすることができる。
（実施の形態１８）
次に、本発明の実施の形態１８を説明する。実施の形態１８では実施の形態１５と同一部分については説明を省略し、相違部分のみ説明する。実施の形態１８のマルチモード干渉二分岐器５４００は、図３６に示したマルチモード干渉二分岐器５１００と概略等しい構成を備えており、入射部５４０４と、出射部５４０５及び出射部５４０６と、シート状光伝送路５４０１との構成が異なる。
図４１Ａは、本発明の実施の形態１８に係るマルチモード干渉二分岐器５４００の信号光が伝送される部分の断面図である。図４１Ａは、マルチモード干渉二分岐器５４００を、図３６及び図３７に示した実施の形態１５に係るマルチモード干渉二分岐器５１００の場合と同一の場所で切断した断面図である。なお、図中、屈折率分布は省略している。
シート状光伝送路５４０１は、外部から入射した信号光をｙ方向に閉じこめ、ｚ方向（伝送方向）に伝送可能である。シート状光伝送路５４０１は、ｚ方向の両端に反射面５４０２及び反射面５４０３を持つ。
入射部５４０４は、シート状光伝送路５４０１へ入射する信号光の光軸が、ｚ方向と平行でなく、所定の鋭角をなすように構成される。また、出射部５４０５は、シート状光伝送路５４０１から出射する信号光の光軸が、ｚ方向と平行でなく、所定の鋭角をなすように構成される。
反射面５４０２は、入射部５４０５を伝送しｚ方向と所定の鈍角をなす方向からシート状光伝送路５４０１へ入射する信号光の光軸をｚ方向に折り曲げるよう配置されている。反射面５４０３は、シート状光伝送路５４０１を伝送しｚ方向と所定の鈍角をなす方向へ信号光を折り曲げるよう配置されている。
シート状光伝送路５４０１において、入射部５４０４から入射する信号光は、反射面５４０２上の、シート光伝送路の中心部５１０１ａで、ｘ方向に平行な線状に集光される。すなわち、入射部５４０４の構成を適切に設定することにより、信号光を、反射面５４０２上の、シート光伝送路の中心部５１０１ａで、ｘ方向に平行な線状に集光することができる。
また、シート状光伝送路５４０１において、出射部５４０５から出射する信号光は、反射面５４０３上の、シート光伝送路の中心部５１０１ａで、ｘ方向に平行な線状に集光された後、出射部５４０５から出射する。すなわち、出射部５４０５の構成を適切に設定することにより、信号光を、反射面５４０３上の、シート光伝送路の中心部５１０１ａで、ｘ方向に平行な線状に集光することができる。
このように、実施の形態１８に係るマルチモード干渉二分岐器５４００は、光伝送路へ入射する信号光の光軸、及び光伝送路から出射する信号光の光軸が、いずれもｚ方向と平行でなく、所定の鋭角をなしている。したがって、発光素子５１１１と受光素子５１１２との配置レイアウトの自由度を向上させることができる。
なお、実施の形態１８において、実施の形態１５及び実施の形態１６で説明したように、シート状光伝送路５４０１の信号光の光路Ａと光路Ｂとの位相差を計算し、その位相差を信号光の波長の自然数倍やゼロとしてもよい。このようにしても、光路Ａと光路Ｂとの位相差をゼロにすることができる。
（実施の形態１９）
次に、本発明の実施の形態１９を説明する。実施の形態１９では実施の形態１５と同一部分については説明を省略し、相違部分のみ説明する。実施の形態１９のマルチモード干渉二分岐器５５００は、図３６に示したマルチモード干渉二分岐器５１００と概略等しい構成を備えており、入射部５５０４と、出射部５５０５及び出射部５５０６と、シート状光伝送路５５０１との構成が異なる。
図４１Ｂは、本発明の実施の形態１９に係るマルチモード干渉二分岐器５００の信号光が伝送される部分の断面図である。図４１Ｂは、マルチモード干渉二分岐器５５００を、図３６及び図３７に示した実施の形態１５に係るマルチモード干渉二分岐器５１００の場合と同一の場所で切断した断面図である。なお、図中、屈折率分布は省略している。
シート状光伝送路５５０１は、外部から入射した信号光をｙ方向に閉じこめ、ｚ方向（伝送方向）に伝送可能である。シート状光伝送路５５０１は、ｚ方向の両端に反射面５５０２及び反射面５５０３を持つ。
入射部５５０４は、シート状光伝送路５５０１へ入射する信号光の光軸が、ｚ方向と平行でなく、所定の鈍角をなすように構成される。また、出射部５５０５は、シート状光伝送路５５０１から出射する信号光の光軸が、ｚ方向と平行でなく、所定の鈍角をなすように構成される。
反射面５５０２は、入射部５５０４を伝送しｚ方向と所定の鈍角をなす方向からシート状光伝送路５５０１へ入射する信号光の光軸をｚ方向に折り曲げるよう配置されている。反射面５５０３は、シート状光伝送路５５０１を伝送しｚ方向と所定の鈍角をなす方向へ信号光を折り曲げるよう配置されている。
シート状光伝送路５５０１において、入射部５５０４から入射する信号光は、反射面５５０２上の、シート光伝送路の中心部５１０１ａで、ｘ方向に平行な線状に集光される。すなわち、入射部５５０４の構成を適切に設定することにより、信号光を、反射面５５０２上の、シート光伝送路の中心部５１０１ａで、ｘ方向に平行な線状に集光することができる。
また、シート状光伝送路５５０１において、出射部５５０５から出射する信号光は、反射面５５０３上の、シート光伝送路の中心部５１０１ａで、ｘ方向に平行な線状に集光された後、出射部５５０５から出射する。すなわち、出射部５５０５の構成を適切に設定することにより、信号光を、反射面５５０３上の、シート光伝送路の中心部５１０１ａで、ｘ方向に平行な線状に集光することができる。
シート状光伝送路５５０１は、このとき実施の形態１７において説明した（数１７）を満足している。したがって、反射面５５０２と反射面５５０３との間には、ｙｚ平面に平行な面内で光学的には共役関係が成立する。このとき、光路Ａが感じる屈折率は、光路Ｂが感じる屈折率は完全に一致するので、光路Ａ及び光路Ｂの間には、位相差は発生しない。
このように、実施の形態１９に係るマルチモード干渉二分岐器５５００は、光伝送路へ入射する信号光の光軸、及び光伝送路から出射する信号光の光軸が、いずれもｚ方向と平行でなく、所定の鈍角をなしている。したがって、発光素子５１１１と受光素子５１１２との配置レイアウトの自由度を向上させることができる。
なお、実施の形態１９において、実施の形態１５及び実施の形態１６で説明したように、シート状光伝送路５５０１の信号光の光路Ａと光路Ｂとの位相差を計算し、その位相差を信号光の波長の自然数倍やゼロとしてもよい。このようにしても、光路Ａと光路Ｂとの位相差をゼロにすることができる。
（実施の形態２０）
図４２Ａは、本発明の実施の形態２０に係るマルチモード干渉二分岐器５６００の信号光が伝送される部分の断面図である。実施の形態２０では実施の形態１５と同一部分については説明を省略し、相違部分のみ説明する。実施の形態２０に係るマルチモード干渉二分岐器５６００は、図３６に示したマルチモード干渉二分岐器５１００と概略等しい構成を備えており、出射部に相当する構成を備えていない点のみ相違する。なお、図中、屈折率分布は省略している。
図４２Ａにおいて、実施の形態２０に係るマルチモード干渉二分岐器５６００は、入射部５１０４と、シート状光伝送路５６０１とを備える。シート状光伝送路５６０１は、入射側の構成は、実施の形態１に係るシート状光伝送路５１０１と等しい。一方、出射側において、信号光は、出射側からシート状光伝送路５６０１の端面からｚ方向に出射される。
シート状光伝送路５６０１において、光路長差発生部は反射面５１０２しかない。よって、反射面５１０２において発生した光路Ａと光路Ｂとの位相差を、信号光の波長の整数倍とすることにより、位相差をゼロにすることができる。
（実施の形態２１）
図４２Ｂは、本発明の実施の形態２１に係るマルチモード干渉二分岐器５７００の信号光が伝送される部分の断面図である。実施の形態２１では実施の形態１５と同一部分については説明を省略し、相違部分のみ説明する。実施の形態２１に係るマルチモード干渉二分岐器５７００は、図３６に示したマルチモード干渉二分岐器５１００と概略等しい構成を備えており、入射部に相当する構成を備えていない点のみ相違する。なお、図中、屈折率分布は省略している。
図４２Ｂにおいて、実施の形態２１に係るマルチモード干渉二分岐器５７００は、入射部５１０４と、シート状光伝送路５７０１とを備える。シート状光伝送路５７０１は、出射側の構成は、実施の形態１５に係るシート状光伝送路５１０１と等しい。一方、入射側において、信号光は、入射側からシート状光伝送路５７０１の端面からｚ方向に入射される。
シート状光伝送路５７０１において、光路長差発生部は反射面５１０３しかない。よって、反射面５１０３において発生した光路Ａと光路Ｂとの位相差を、信号光の波長の整数倍とすることにより、位相差をゼロにすることができる。
（実施の形態２２）
次に、図４３Ａを参照して本発明の実施の形態２２を説明する。実施の形態２２では実施の形態１５と同一部分については説明を省略し、相違部分のみ説明する。実施の形態２２に係るマルチモード干渉二分岐器５８００は、図３６に示したマルチモード干渉二分岐器５１００と概略等しい構成を備えており、出射部に相当する構成がない点及び中間入出射部が存在する点が異なる。なお、図中、屈折率分布は省略している。
実施の形態２２に係るマルチモード干渉二分岐器５８００は、入射部５１０４と、シート状光伝送路５８０１と、中間入出射部５８２０とを備える。シート状光伝送路５８０１は、入射側の構成は、第１実施の形態に係るシート状光伝送路５１０１と等しい。一方、出射側において、信号光は、出射側からシート状光伝送路５８０１の端面からｚ方向に出射される。
中間入出射部５８２０は、反射面５８１３と、中間出射部５８１４と、処理部５８１６と、中間入射部５８１７と、反射面５８１９と、を含む。
反射面５８１３は、ｚ方向の正方向に沿って伝送する信号光をｙ方向の負方向へ折り曲げるように、ｚｘ平面に対して５４５°の角度をなす反射面である。
中間出射部５８１４は、ｘ方向に伸びた三角柱形状の均質媒質のプリズムである。中間出射部５８１４は、ｙ方向の負方向へ折り曲げられた信号光の光軸を、ｚ方向の正方向へ折り曲げる反射面５８１５を有する。
処理部５８１６は、入射した信号光を光学フィルタで処理する。例えば、偏光フィルタや半波長板や１／４波長板やＮＤフィルタ等である。また、液晶素子を配置してもよい。この場合、光学スイッチとして機能する。
中間入射部５８１７は、ｘ方向に伸びた三角柱形状の均質媒質のプリズムである。中間入射部５８１７は、ｚ方向に伝送される信号光をｙ方向の正方向へ折り曲げる反射面５８１８を有する。
反射面５８１９は、ｙ方向の正方向に沿って入射する信号光を、ｚ方向の正方向へ折り曲げるように、ｚｘ平面に対して４５°の角度をなす反射面である。
以上の構成において、発光点５１１０ａから発振した信号光は、実施の形態１５と同様に伝送されて反射面５８１３に至る。信号光の光軸は、反射面５８１３でｙ方向の負方向へ折り曲げられる。さらに中間出射部５８１４の反射面５８１５で反射して、ｚ方向の正方向へ折り曲げられる。ｚ方向の正方向へ折り曲げられた信号光の光軸は、処理部５８１６で所定の処理を受け、中間入射部５８１７の反射面５８１８で反射して、ｙ方向の正方向へ折り曲げられる。ｙ方向の正方向へ折り曲げられた信号光の光軸は、反射面５８１９によりｚ方向の正方向に折り曲げられる。信号光は、最後にシート状光伝送路の端部から出射される。
シート状光伝送路５８０１において、光路長差発生部は反射面５１０２と、反射面５８１３と、反射面５８１９の３面である。よって、３面の反射面で発生する光路Ａと光路Ｂとの光学的な光路長差の和を、信号光の波長の整数倍とすることにより、光路Ａと光路Ｂと全体の位相差をゼロにすることができる。
また、３面の反射面で発生する光路Ａと光路Ｂとの光学的な光路長差の和を、ゼロにすることにより、光路Ａと光路Ｂとの全体の位相差をゼロにすることができる。
（実施の形態２３）
次に、図４３Ｂを参照して本発明の実施の形態２３を説明する。実施の形態２３では実施の形態１５及び前述の実施の形態２２と同一部分については説明を省略し、相違部分のみ説明する。実施の形態２３に係るマルチモード干渉二分岐器５９００は、図４３Ａに示したマルチモード干渉二分岐器５８００と概略等しい構成を備えており、出射部５１０５が実施の形態１５と等しい点が異なる。なお、図中、屈折率分布は省略している。
シート状光伝送路５９０１において、光路長差発生部は反射面５１０３と、反射面５８１３と、反射面５８１９と、反射面５１０３との４面である。よって、４面の反射面で発生する光路Ａと光路Ｂとの光学的な光路長差の和を、信号光の波長の整数倍とすることにより、光路Ａと光路Ｂと全体の位相差をゼロにすることができる。
また、４面の反射面で発生する光路Ａと光路Ｂとの光学的な光路長差の和を、ゼロにすることにより、光路Ａと光路Ｂとの全体の位相差をゼロにすることができる。
（他の実施の形態）
実施の形態１５乃至２３は、上述の形態に限られず適宜変更することができる。例えば、位相差を発生させる部分は、各実施の形態では反射面であったが、光路長差を求めることが可能であれば他の構成でもよい。
また、各実施の形態では、発光素子５１１０は、面発光レーザであったが、端面発光レーザ等の他の素子でもよい。また、発光素子５１１０の発光点５１１０ａの位置に、外部の光源から発振した信号光を伝送した他の光伝送路の出射部を配置してもよい。
また、各実施の形態では、受光素子５１１１及び受光素子５１１２は、フォトダイオードであったが、フォトトランジスタ等の他の素子でもよい。また、受光素子５１１１の受光点５１１１ａの位置に、信号光を伝送するための他の光伝送路の入射部を配置してもよい。
また、各実施の形態では、屈折率分布は中心屈折率が最大（最大屈折率ｎmax）であり中心から周辺方向に離れるにしたがって連続的かつ中心対称に屈折率が低下していく屈折率分布であったが、これに限られない。例えば、中心部から階段状にステップ関数的に低下する屈折率分布でもよい。
さらに、各実施の形態では、シート状光伝送路のｙ方向以外の方向は、各実施の形態ではマルチモード干渉を発生させるため一定屈折率であったが、光データバスシートなどの場合はｘ方向に信号光を閉じこめるために所望の屈折率分布を持っていてもよい。また、光学的な光路長差が発生する光路長差発生部は、任意の数でよい。
例えば、光学的な光路長差が生じる光路長差発生部をｍ個（ｍ＝１，２，３・・・）含み、ｍ個の光路長差発生部で発生する光学的な光路長差の和を、信号光の波長の自然数倍に等しくしてよい。
また、光学的な光路長差が生じる光路長差発生部をｎ個（ｎ＝２，３，４・・・）含み、ｎ個の光路長差発生部で発生する光学的な光路長差の和を、ゼロとしてよい。
また、実施の形態１及び２では、入射部からシート状光伝送路へは平行光入射するよう構成されているが、発散光あるいは収束光入射でもよく、信号光のシート状光伝送路の中心部に対する対称性が存在すればよい。
以上のように、各実施の形態の光デバイスは、以下の構成を備えている。
（１）第１方向（上記ではｙ方向）に屈折率分布を含み、信号光を複数の光路によって当該第１方向に直交する第２方向（上記ではｚ方向）に伝送可能な光伝送路を備える。
（２）光伝送路へ入射する信号光の光軸、及び光伝送路から出射する信号光の光軸の内、少なくとも一方は、第２方向と平行でない。
（３）複数の光路の内、信号光の光軸に関して互いに対称に光伝送路へ入射する二つの光路は、光伝送路へ入射する位相差と光伝送路から出射する位相差とが等しい。
各実施の形態に係る光デバイスは、（１）の構成を備えているので、光伝送路が屈折率分布を備えているため、光伝送路を伝送される信号光にモード分散が抑制される。したがって、伝送される信号光の波形のくずれが発生せず、ギガビットクラスの高周波の信号光をマルチモードで伝送することが可能である。
また、各実施の形態に係る光デバイスは、（２）の構成を備えているため、入射部及び出射部は、非平行入射部として機能する。したがって、レーザやセンサーなどの光部品を実装する際に、光部品と光伝送路との間の高さを調整が容易である。この結果、これらの光部品を簡単に実装することができる。また、直接電気用基板上に実装が可能となるため、光デバイスをコンパクトにできる。
また、各実施の形態に係る光デバイスは、（３）の構成を備えているので、二つの光路を伝送される光線は、光伝送路から出射する際に損失なく結合される。
特に、各実施の形態に係る光デバイスのように、光伝送路へ入射する信号光の光軸、及び光伝送路から出射する信号光の光軸の内、少なくとも一方が、第２方向と直交する場合、外部と光伝送路とを簡単に結合することができる。例えば、光伝送路へ入射する信号光を発光する発光素子や光伝送路から出射した信号光を受光する受光素子などの光部品と、光伝送路とを結合する際に、光部品を簡単に実装できる。
（マルチモード干渉のセルフ−イメージング原理）
次に、各実施の形態で説明した光学的な光路長差を補償する構成と、マルチモード干渉のセルフ−イメージング原理によって信号光を分岐するために必要なシート状光伝送路の物理的な光路長との関係について説明する。ここでは簡単のために、実施の形態１５の光デバイスにおいて、セルフ−イメージング原理を用いて光を二分岐させる場合を例として説明する。
図４４は、実施の形態１５に係るマルチモード干渉二分岐器５１００の構成を表す斜視図である。図４５は、実施の形態１５に係るシート状光伝送路５１０１の部分断面図である。図４５は、図４４に図示したＣ−Ｄ−Ｇ−Ｈ面を表している。なお、図４４及び図４５において、詳細な構成は、実施の形態１５で説明したので省略し、新たに説明が必要になる部分のみ説明する。
図４４及び図４５において、セルフ−イメージング原理に基づくｚ方向の物理的な光路長をＬ１とする。また、シート状光伝送路５１０１の反射面５１０２から反射面５１０３までの中心部５１０１ａにおける物理的な光路長をＬ２とする。
図４５において、シート状光伝送路５１０１は、ｚｘ平面に平行な面内で屈折率は一定である。したがって、信号光の光路の内、中心部５１０１ａに入射する光路Ｏは、屈折率分布の影響を受けることなく直進する。光路Ｏは、直進する間に感じる屈折率は一定である。一方、光路Ａは、屈折率が伝送方向へ進行するに従って刻々変化する。そこで、マルチモード干渉の説明に際しては、これら二つの光路を分けて説明することとする。
中心部５１０１ａに入射する光路Ｏ上を伝送される信号光は、一定の実効屈折率 ｎ0の平面内を伝送される。したがって、セルフ−イメージング原理の適用してＬ１を計算することができる。セルフ−イメージング原理によれば、以下の（数１８）に示すＬπ を単位して周期的に伝送される信号光が入射する信号光と同一の形状に戻ることが知られている。
Figure 0004130834
入射する信号光の挙動は、信号光が伝送路に入射したｘ方向の位置に応じて、セルフ−イメージング原理の計算を行うことができる。例えば、実施の形態１５のように、ｘ方向の中心位置に入射した信号光は、３／４ Ｌπを周期として同一の波形が得られることが知られている。
Figure 0004130834
 ここで、 ｎ0は中心部の最大屈折率ｎmaxに対応する幅方向に励起する０次モード光の実効屈折率、Ｗはシート型光伝送路のｘ方向の大きさ、λは伝送される信号光の波長である。
このように、セルフ−イメージング原理は、シート状光伝送路の伝送路長が、基本モードと１次モードの差の関数となることに特徴がある。また、セルフ−イメージング原理は、基本モードと１次モードの差が、近似的に信号光の波長λと、実効屈折率 ｎ0と、幅方向の大きさＷとで決定されることに特徴がある。
また、セルフ−イメージング原理によれば、ｘ方向の中心位置に入射した信号光がｘ方向の中心位置を通りｙｚ面に平行な面に対して対称にＮ等分に分岐して集光される位置は、同一の出力波形となる位置からｚ方向に（１／Ｎ）３／４ Ｌπだけずれた位置になることが知られている。
以上より、シート状光伝送路５１０１のｘ方向の大きさＷの中心位置に入射した信号光が、ｘ方向の中心位置を通りｙｚ面に平行な面に対して対称にＮ個に分岐して集光されるためには、物理的な光路長Ｌ１が、以下の（数２０）を満足することが必要である。
Figure 0004130834
 ただし、ｐ（ｐ≧０）、Ｎ（Ｎ≧１）はともに整数で、Ｌ１は正の数であるから（ｐ±１／Ｎ）が正の数となる関係を満足する。
分岐数が２の場合（Ｎ＝２である場合）を計算すると、（数２０）を変形して以下の（数２１）を得る。
Figure 0004130834
（数２１）からわかるように、実施の形態１５の場合、ｎ0Ｗ2／ （２λ）を単位としその奇数倍（１、３，５・・・）の周期に対応した位置に出射部を設けることにより、信号光を分岐することができる。
一方、中心部から離れた位置に入射する光路Ａは、屈折率分布の影響を受けシート状光伝送路５１０１内を蛇行しながら伝送する。したがって、光路Ａ上を伝送される信号光が感じる屈折率は均一ではない。
光路Ａにおいて、中心部５１０１ａから離れる方向に進む場合、常に屈折率が大きい方から小さい方へ進行するため、次第にｙ方向とのなす角が大きくなる方向に進行する。すなわち、光路Ａは、中心部５１０１ａから離れる方向に進む場合、中心部５１０１ａから離れるに従ってｚ方向に平行となるように近づいていく。
逆に、光路Ａにおいて、中心部５１０１ａへ近づく方向に進む場合、常に屈折率が小さい方から大きい方へ進行するため、次第にｙ方向とのなす角が小さくなる方向に進行する。すなわち、光路Ａは、中心部５１０１ａへ近づく方向に進む場合、中心部５１０１ａへ近づくに従ってｚ方向に垂直となるように近づいていく。この作用を繰り返すことにより、光路Ａは、蛇行しながら進行する。
このように、光路Ａの信号光は常にｙ方向と有限の角度をなして進行していくことになる。この結果、光路Ａを伝送される信号光の速度は、中心部５１０１ａから離れる方向に進む場合、増大していく。逆に、光路Ａを伝送される信号光の速度は、中心部５１０１ａへ近づく向に進む場合、減少していく。
シート状光伝送路５１０１の屈折率分布は、前述の（数９）を満足する二次関数で表されている。屈折率分布を適切に設定することにより、光路Ａのｚ方向の速度成分は、光路Ｏのｚ方向の速度成分と等しくなる。
ｚ方向の光の速度成分が一定であることは、ｚ方向に位相の乱れがないことを意味する。したがって、光路Ａを伝送される信号光は、（数２１）を満足するようにシート状光伝送路５１０１を構成した場合、光路Ｏを伝送される信号光と同様に振る舞う。
このように、光路Ａの伝送される信号光は、物理的な光路長Ｌ１が（数２１）を満足する限り、セルフ−イメージング原理によりｘ方向に二分岐されて集光される。このため、（数２１）に基づいて計算された集光位置に出射部を設けることにより、信号光を二分岐させて出射させることができる。
しかしながら、入射する信号光と出射する信号光の強度分布を完全に整合させるためには、先に説明した反射面５１０２及び反射面５１０３で発生する位相差がゼロとなるように構成する必要がある。
位相差がゼロとなるシート状光伝送路５１０１の物理的な光路長は、（数１２）で求めたとおりである。（数１２）の条件からＬ２を求めると、（数１２）にｄだけ加えた以下の（数２２）が得られる。
Figure 0004130834
表２は、シート状光伝送路５１０１において、マルチモード干渉のセルフ−イメージング原理により二分岐できる最短の物理的な光路長Ｌ１と、反射面で発生した位相差を補償する最短の物理的な光路長Ｌ２との関係を具体的に計算した結果を示す表である。ただし、屈折率 ｎ0＝１．５とし、波長λ＝０．８５μｍとし、屈折率分布定数ｇをｄ／２で中心から１％程度低下するように設定している。また、Ｌ１欄のうち、１倍・２倍とあるのは、出射部においてシート状光伝送路５１０１のｙ方向の厚さｄのそれぞれ１倍・２倍となるシート状光伝送路のｘ方向の分離幅Ｗを表す。
Figure 0004130834
表２からわかるように、光路長Ｌ２と光路長Ｌ１とを、同時に満足するためには、Ｌ２の整数倍であってＬ１の奇数倍となるような値を、シート状光伝送路５１０１に採用すればよい。
しかしながら、両者を完全に一致させることは困難である。そこで、伝送方向長さに対する許容幅がＬ２よりも広いＬ１を用いて微調整をすることが必要である。表２から理解されるように、Ｌ２はＬ１と比較してはるかに小さい値をとるので、両者を整合させるためには、Ｌ２を調整してＬ１とほぼ一致する物理的な光路長を採用するとよい。例えば、Ｌ２をほぼ８倍すれば、ｘ方向に幅ｄだけ二分岐するために必要なＬ１を得る。
以上説明したように、実施の形態の光デバイスは、屈折率分布に直交する方向から入射する信号光の位相差を補償する物理的な光路長と、マルチモード干渉のセルフ−イメージング原理の条件におけるセルフ−イメージング原理により分岐可能な物理的な光路長とが一致している。このため、入射した信号光をマルチモード干渉により二分岐して出射する際に、入出射部分とシート状光伝送路とを損失なく結合することができる。
以上の説明したように、実施の形態の光デバイスは、反射面で発生した位相差を補償する物理的な光路長と、マルチモード干渉のセルフ−イメージング原理の条件に基づく物理的な光路長とが一致している。このため、入射した信号光をマルチモード干渉により二分岐して出射する際に、入出射部分とシート状光伝送路とを損失なく結合することができる。
なお、以上の例では、シート状光伝送路５１０１のｘ方向の対称位置に二分岐させる例を示したが、本発明はこの実施の形態に限定されない。
図４６Ａ〜Ｄは、光デバイスの入出力構成の例を示す模式図である。図４６Ａ〜Ｄは、いずれも、光デバイスのｚｘ平面に平行な面からみた図である。
図４６Ａは、他の実施の形態のマルチモード干渉を利用した光デバイスの模式図である。図４６Ａに記載した光デバイスは、一つの入射部Ｉｎｐｕｔ１から入射した信号光を、マルチモード干渉により分岐して二つの出射部Ｏｕｔｐｕｔ１及び出射部Ｏｕｔｐｕｔ２から出射する分岐器である。入射部Ｉｎｐｕｔ１は、光デバイスのｚ方向の中心位置から外れた位置に配置されている。出射部Ｏｕｔｐｕｔ１は、入射部Ｉｎｐｕｔ１を通りｚ軸に平行な線上に配置されている。出射部Ｏｕｔｐｕｔ２は、出射部Ｏｕｔｐｕｔ１とｘ方向に間隔を空けて配置されている。
図４６Ｂは、他の実施の形態のマルチモード干渉を利用した光デバイスの模式図である。図４６Ｂに記載した光デバイスは、二つの入射部Ｉｎｐｕｔ１及び入射部Ｉｎｐｕｔ２から入射した信号光を、マルチモード干渉により合成して一つの出射部Ｏｕｔｐｕｔ１から出射する合成器である。二つの入射部Ｉｎｐｕｔ１及び入射部Ｉｎｐｕｔ２は、ｘ方向の中心を通りｚ軸に平行な線に関して対称に配置されている。出射部Ｏｕｔｐｕｔ１は、ｘ方向の中心を通りｚ軸に平行な線上に配置されている。
図４６Ｃは、他の実施の形態のマルチモード干渉を利用した光デバイスの模式図である。図４６Ｃに記載した光デバイスは、二つの入射部Ｉｎｐｕｔ１及び入射部Ｉｎｐｕｔ２から入射した信号光を、マルチモード干渉により合成して一つの出射部Ｏｕｔｐｕｔ１から出射する合成器である。二つの入射部Ｉｎｐｕｔ１及び入射部Ｉｎｐｕｔ２は、ｘ方向の中心を通りｚ軸に平行な線に関して対称に配置されている。出射部Ｏｕｔｐｕｔ１は、入射部Ｉｎｐｕｔ１を通りｚ軸に平行な線上に配置されている。
図４６Ｄは、他の実施の形態のマルチモード干渉を利用した光デバイスの模式図である。図４６Ｄに記載した光デバイスは、二つの入射部Ｉｎｐｕｔ１及び入射部Ｉｎｐｕｔ２から入射した信号光を、マルチモード干渉により合成及び分岐して二つの出射部Ｏｕｔｐｕｔ１及び出射部Ｏｕｔｐｕｔ２から出射する合成器である。二つの入射部Ｉｎｐｕｔ１及び入射部Ｉｎｐｕｔ２は、ｘ方向の中心を通りｚ軸に平行な線に関して対称に配置されている。二つの出射部Ｏｕｔｐｕｔ１及び出射部Ｏｕｔｐｕｔ２は、ｘ方向の中心を通りｚ軸に平行な線に関して対称に配置されている。
図４６Ａ〜Ｄに記載された光デバイスは、マルチモード干渉のセルフ−イメージング原理の条件がそれぞれ異なる。そこで、マルチモード干渉のセルフ−イメージング原理の条件を変更して、物理的な光路長とを調整するとよい。これにより、図４６Ａ〜Ｄに記載された光デバイスにおいて、反射面で発生した位相差を補償する物理的な光路長と、マルチモード干渉のセルフ−イメージング原理の条件に基づく物理的な光路長とが一致する。この結果、入射した信号光をマルチモード干渉により二分岐して出射する際に、入出射部分とシート状光伝送路とを損失なく結合することができる。
さらに、上記光デバイスの入出射構成に限られず、シート状光伝送路へ信号光を入射するためのＭ個（Ｍ＝１，２，３・・・）の入射部と、シート状光伝送路から信号光を出射するためのＮ個（Ｎ＝１，２，３・・・）の出射部とを備え、マルチモード干渉により入出射部を結合する光デバイスに適用可能である。
（１）第１方向に屈折率分布を含み、信号光を第１方向に直交する第２方向に伝送可能であり、第１方向に信号光を閉じこめ可能なシート状光伝送路
（２）光伝送路へ信号光を入射するためのＭ個（Ｍ＝１，２，３・・・）の入射部
（３）光伝送路から信号光を出射するためのＮ個（Ｎ＝１，２，３・・・）の出射部
を備えており、
（４）Ｍ個の入射部及びＮ個の出射部は、内部を伝送する信号光の光軸が前記第２方向と平行でない方向に前記シート状光伝送路と結合する少なくとも一つの非平行入出射部を含む。
（５）非平行入出射部と対応する入射部又は出射部との間を伝送する信号光の複数の光路の内、信号光の光軸に関して互いに対称にシート状光伝送路へ入射する二つの光路は、シート状光伝送路へ入射する位相差と前記シート状光伝送路から出射する位相差とが等しい。
（６）Ｍ個の入射部及びＮ個の出射部は、すべて所定のマルチモード干渉のセルフ−イメージング原理の条件を満足する位置に配置されている。
実施の形態に係るマルチモード干渉二分岐器は、（１）の構成を備えているので、光伝送路を伝送される信号光にモード分散が抑制される。したがって、伝送される信号光の波形のくずれが発生せず、ギガビットクラスの高周波の信号光をマルチモードで伝送することが可能である。
また、実施の形態に係るマルチモード干渉二分岐器は、（４）の構成を備えているため、レーザやセンサーなどの光部品を実装する際に、光部品と光伝送路との間の高さを調整が容易である。したがって、これらの光部品を簡単に実装することができる。また、直接電気用基板上に実装が可能となるため、光デバイスをコンパクトにできる。
また、実施の形態に係るマルチモード干渉二分岐器は、（５）の構成を備えているので、二つの光路を伝送される光線は、光伝送路から出射する際に損失なく結合される。
また、実施の形態に係るマルチモード干渉二分岐器は、（２）と（３）と（６）との構成を備えているので、入射部から入射した信号光は、マルチモード干渉により出射部から出射される。
（実施の形態２４）
図４７Ａは、本発明の実施の形態２４に係る光２分岐を行う光デバイスの屈折率分布スラブ導波路の概要を示す斜視図である。実施の形態２４に係る光デバイスは、図４７Ａに示すように、光を伝送する屈折率分布スラブ導波路４７０１を中心に構成される。屈折率分布スラブ導波路４７０１は、図４７Ａに示すように、ｘｚ平面に広がるシート状のマルチモード光伝送路である。屈折率分布スラブ導波路４７０１は、厚さ方向の中心に最大屈折率 ｎmaxを有し、中心から離れるに従って屈折率が増加しない屈折率分布を有する。屈折率分布スラブ導波路４７０１は、幅方向には一定の屈折率を有し屈折率を持たない。屈折率分布スラブ導波路４７０１は、入出射面４７０２と、反射面４７０３とを備える。
入出射面４７０２は、幅方向の中心位置に入射光４７０４を入射させる入射部（図示せず）と、幅方向の中心に対して対称な位置から出射する出射光４７０５を受光する受光部（図示せず）と、出射光４７０６を受光する受光部（図示せず）とのすべてに対向する。また、反射面４７０３は、端面にアルミニウム等の金属を蒸着してできた全反射面である。反射面４７０３は、入射した信号光をすべて反射させる。
実施の形態２４において、屈折率分布スラブ導波路４７０１は、スラブ長Ｌ／２を、ほぼ ｎ0× Ｗ0 2／（４λ）に一致させ、出射光４７０５と、出射光４７０６との間隔Ｄ１を、ほぼ Ｗ0／２に一致させている。ただし、ｎ0は、幅方向に励起する０次モード光の実効屈折率である。
屈折率分布スラブ導波路４７０１は、実施の形態１において説明した中心入射２分岐の光デバイスにおいて説明した屈折率分布導波路１０１の半分のスラブ長を持っている。したがって、入射部から屈折率分布スラブ導波路４７０１へ入射した信号光は、ｚ方向の正方向に伝搬して反射面４７０３で反射し、ｚ方向に負方向に伝搬することにより、実施の形態１において説明した光路と等しい長さを伝搬することになる。この結果、信号光は、マルチモード干渉のセルフ−イメージング原理に基づいて、出射光４７０５と、出射光４７０６との位置に入射光と同一のプロファイルを持つ像を形成する。形成された像は、それぞれ出射光として出力される。
以上のように、実施の形態２４に係る光デバイスによれば、幅方向の中心位置に入射した入射光を、幅方向の中心に対称に２分岐させる光分岐器を、実施の形態１の半分のスラブ長を持つ屈折率分布スラブ導波路により実現することができる。また、実施の形態２４に係る光デバイスは、幅方向の中心位置に入射した入射光を、幅方向の中心に対称に２分岐した出射光として、入射した面と同一の面から出射させることができる。
図４７Ｂは、本発明の実施の形態２４の変形例に係る光２分岐を行う光デバイスの屈折率分布スラブ導波路の概要を示す斜視図である。実施の形態２４の変形例に係る光デバイスは、図４７Ｂに示すように、光を伝送する屈折率分布スラブ導波路４８０１を中心に構成される。屈折率分布スラブ導波路４８０１は、図４７Ｂに示すように、ｘｚ平面に広がるシート状のマルチモード光伝送路である。屈折率分布スラブ導波路４８０１は、厚さ方向の中心に最大屈折率 ｎmaxを有し、中心から離れるに従って屈折率が増加しない屈折率分布を有する。屈折率分布スラブ導波路４８０１は、幅方向には一定の屈折率を有し屈折率を持たない。屈折率分布スラブ導波路４８０１は、入射面４８０２と、反射面４８０３と、出射面４８０７とを備える。
入射面４８０２は、幅方向の中心位置に入射光４８０４を入射させる入射部（図示せず）と、幅方向の中心に対して対称な位置から出射する出射光４８０５を受光する受光部（図示せず）と、出射光４８０６を受光する受光部（図示せず）とのすべてに対向する。出射面４８０７は、幅方向の中心に対して対称な位置から出射する出射光４８０８を受光する受光部（図示せず）と、出射光４８０９を受光する受光部（図示せず）とのすべてに対向する。また、反射面４８０３は、端面にアルミニウム等の金属を蒸着してできたハーフミラーである。反射面４８０３は、入射した信号光の内、半分を透過し残りを反射させる。
実施の形態２４の変形例において、屈折率分布スラブ導波路４８０１は、スラブ長Ｌを、ほぼ ｎ0× Ｗ0 2／（２λ）に一致させ、出射光４８０５と、出射光４８０６との間隔Ｄ１を、ほぼ Ｗ０／２に一致させている。また、反射面４８０３は、スラブ長Ｌがちょうど半分の長さになる位置に形成されている。ただし、ｎ0は、幅方向に励起する０次モード光の実効屈折率である。
以上の構成により、入射部から屈折率分布スラブ導波路４８０１へ入射した信号光は、ｚ方向の正方向に伝搬して反射面４８０３で一部が反射し、他は透過する。反射した信号光は、実施の形態２４で説明したように、マルチモード干渉のセルフ−イメージング原理に基づいて、入射面４８０２から出射光４８０５と、出射光４８０６として出射される。一方、透過した信号光は、実施の形態１と全く同様に、マルチモード干渉のセルフ−イメージング原理に基づいて、出射光４８０８と、出射光４８０９として出射される。
以上のように、実施の形態２４の変形例に係る光デバイスによれば、幅方向の中心位置に入射した入射光を、幅方向の中心に対称に４分岐させる光分岐器を、実施の形態１と同じスラブ長を持つ屈折率分布スラブ導波路により実現することができる。また、実施の形態２４の変形例に係る光デバイスは、幅方向の中心位置に入射した入射光を、幅方向の中心に対称に２分岐した出射光として、相異なる２方向に出射させることができる。
本発明は、高速マルチモード光通信に用いられる光分岐器、光合成器、光分波器、光合波器、スターカプラ、光スイッチ等の光デバイスに好適である。また、本発明は、高速マルチモード光配線に用いられる光ストレートシートバス、光クロスシートバス等に好適である。
本発明の実施の形態１に係る光２分岐を行う光デバイスの屈折率分布スラブ導波路の概要を示す斜視図 本発明の実施の形態１に係る光２分岐を行う光デバイスの屈折率分布スラブ導波路の断面図 本発明の実施の形態２に係る光８分岐を行う光デバイスの屈折率分布スラブ導波路の概要を示す斜視図 本発明の実施の形態３に係る光デバイスである２信号ストレートシートバスの概要を示す斜視図 本発明の実施の形態３の変形例に係る光デバイスである８信号ストレートシートバスの概要を示す斜視図 本発明の実施の形態４に係る光デバイスである２信号クロスシートバスの概要を示す斜視図 本発明の実施の形態４の変形例に係る光デバイスである８信号クロスシートバスの概要を示す斜視図 本発明の実施の形態５に係る光デバイスである２信号スターカプラの概要を示す斜視図 本発明の実施の形態６に係る光デバイスである片側制御型光スイッチの概要を示す斜視図 本発明の実施の形態６の変形例１に係る光デバイスである両側制御型光スイッチの概要を示す斜視図 本発明の実施の形態７に係る光集積デバイスである光スイッチアレイの概要を示す斜視図 本発明の実施の形態８に係る光デバイスである１対双方向ストレートシートバスの概略構成を示す斜視図 本発明の実施の形態８の変形例に係る光デバイスである４対双方向ストレートシートバスの概要を示す斜視図 本発明の実施の形態９に係る光デバイスである１対双方向クロスシートバスの概略構成を示す斜視図 本発明の実施の形態１０に係る光集積デバイスである１対ストレート双方向光バスアレイの構成概要図 本発明の実施の形態１１に係る光集積デバイスである多層光バスの構成概要図 屈折率分布スラブ導波路の入出射方式の一例を示す斜視図 屈折率分布スラブ導波路の入出射方式の他の例を示す斜視図 屈折率分布スラブ導波路の入出射方式のさらに他の例を示す斜視図 屈折率分布スラブ導波路の形状の一例を示す斜視図 屈折率分布スラブ導波路の形状の他の例を示す斜視図 光２分岐の場合のＢＰＭ（Ｂｅａｍ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ）シミュレーション結果 本発明に係る３個の入出力光を持つスターカプラの屈折率分布スラブ導波路を示す上面図 本発明の実施の形態６の変形例２に係る光デバイスである片側制御型光スイッチの概要を示す斜視図 本発明の実施の形態６の変形例３に係る光デバイスである両側制御型光スイッチの概要を示す斜視図 本発明の実施の形態１２に係る光分波を行う光デバイスの屈折率分布スラブ導波路の概要を示す斜視図 本発明の実施の形態１２に係る光分波を行う光デバイスの屈折率分布スラブ導波路の断面図 屈折率分布スラブ導波路に１．３０μｍの信号光を伝送させた場合のＢＰＭシミュレーション結果 屈折率分布スラブ導波路１２０１に１．５５μｍの信号光を伝送させた場合のＢＰＭシミュレーション結果 本発明の実施の形態１３に係る光２分岐器である光デバイスの構成概要図 本発明の実施の形態１３の変形例１に係る３個以上の信号光の間隔拡大のための光デバイスの要部を示す上面図 本発明の実施の形態１３の変形例２に係る信号光の間隔拡大のための光デバイスの要部を示す上面図 本発明の実施の形態１４に係るビーム変換部を有する光デバイスの構成の概要を示す斜視図 本発明の実施の形態１４の変形例１に係る光デバイスの構成の概要を示す斜視図 本発明の実施の形態１４の変形例２に係る光デバイスの構成の概要を示す上面図 本発明の実施の形態１４の変形例２に係る光デバイスの出射側ビーム変換部の一例を示す断面図 本発明の実施の形態１４の変形例２に係る光デバイスの出射側ビーム変換部の他の例を示す断面図 本発明の実施の形態１４の変形例３に係る光デバイスの構成の概要を示す斜視図 屈折率分布スラブ導波路の製造方法の一例を示す説明図 屈折率分布スラブ導波路の製造方法の他の例を示す説明図 ポリシランを用いた屈折率分布のメカニズムを説明する説明図 本発明の実施の形態１４の変形例１に係る光デバイスの製造方法を説明する説明図 本発明の実施の形態１４の変形例１に係る光デバイスの製造方法の別例を説明する説明図 本発明の実施の形態１４の変形例１に係る光デバイスの製造方法の別例を説明する説明図 本発明の実施の形態１５に係るマルチモード干渉二分岐器の斜視図 マルチモード干渉二分岐器の正面図 本発明の実施の形態１５に係るマルチモード干渉二分岐器の信号光が伝送される部分の断面図 シート状光伝送路及び入射部を図３６Ａ中のＣ−Ｄ−Ｇ−Ｈ面を含む平面で切断した断面 シート状光伝送路の屈折率分布を表すグラフ 本発明の実施の形態１６に係るマルチモード干渉二分岐器の信号光が伝送される部分の断面図 本発明の実施の形態１７に係るマルチモード干渉二分岐器の信号光が伝送される部分の断面図 本発明の実施の形態１８に係るマルチモード干渉二分岐器の信号光が伝送される部分の断面図 本発明の実施の形態１９に係るマルチモード干渉二分岐器の信号光が伝送される部分の断面図 本発明の実施の形態２０に係るマルチモード干渉二分岐器の信号光が伝送される部分の断面図 本発明の実施の形態２１に係るマルチモード干渉二分岐器の信号光が伝送される部分の断面図 本発明の実施の形態２２に係るマルチモード干渉二分岐器の信号光が伝送される部分の断面図 本発明の実施の形態２３に係るマルチモード干渉二分岐器の信号光が伝送される部分の断面図 実施の形態１５に係るマルチモード干渉二分岐器の構成を表す斜視図 実施の形態１５に係るシート状光伝送路の部分断面図 Ａ〜Ｄは、いずれも光デバイスの入出力構成の例を示す模式図 本発明の実施の形態２４に係る光２分岐を行う光デバイスの屈折率分布スラブ導波路の概要を示す斜視図 本発明の実施の形態２４の変形例に係る光２分岐を行う光デバイスの屈折率分布スラブ導波路の概要を示す斜視図
符号の説明
１０１ 屈折率分布スラブ伝送路
１０２ 入射面
１０３ 出射面
１０７ 入射光
１０８ 出射光
２０１ 屈折率分布スラブ導波路
２０２ 入射面
２０３ 出射面
２０７ 入射光
２０８ 出射光
２２０ 受光部
２２１ アレーＯ／Ｅ変換部
２２２ 出力電気線
３０１ 屈折率分布スラブ導波路
３０２ 入射面
３０３ 出射面
３２３ アレーＥ／Ｏ変換部
３３０ 第１の発光部
３３１ 第２の発光部
３３２ アレーＥ／Ｏ変換部
３３３ 入力電気線
３３４ 第１の受光部
３３５ 第２の受光部
３３６ アレーＯ／Ｅ変換部
３３７ 出力電気線
３３８ 第１光
３３９ 第２光
４０１ 屈折率分布スラブ導波路
４０２ 入射面
４０３ 出射面
４２３ アレーＥ／Ｏ変換部
４３２ アレーＥ／Ｏ変換部
４３６ アレーＯ／Ｅ変換部
４３８ 第１光
４４５ 第８光
４４６ 発光部群
４４７ 受光部群
５０１ 屈折率分布スラブ導波路
５０２ 入射面
５０３ 出射面
５２３ アレーＥ／Ｏ変換部
５３０ 第１の発光部
５３１ 第２の発光部
５３２ アレーＥ／Ｏ変換部
５３４ 第１の受光部
５３５ 第２の受光部
５３６ アレーＯ／Ｅ変換部
５３８ 第１光
５３９ 第２光
６０１ 屈折率分布スラブ導波路
６０３ 出射面
６２３ アレーＥ／Ｏ変換部
６３２ アレーＥ／Ｏ変換部
６３４ 受光部群
６３６ アレーＯ／Ｅ変換部
６３８ 第１光
６４０ 発光部群
６４５ 第８光
６４６ 発光部群
６４７ 受光部群
７０１ 屈折率分布スラブ導波路
７０２ 入射面
７０３ 出射面
７３０ 第１の発光部
７３１ 第２の発光部
７３２ アレーＥ／Ｏ変換部
７３４ 第１の受光部
７３５ 第２の受光部
７３６ アレーＯ／Ｅ変換部
７３８ 第１光
７３９ 第２光
８０１ａ 第１の屈折率分布スラブ部分導波路
８０１ｂ 第２の屈折率分布スラブ部分導波路
８０２ 出射面
８０３ 出射面
８０４ 入射光
８０５ 冷熱シート
８０６ 接続線
８０７ 温度制御部
８０８ 出射光
８０９ 出射光
９０１ 積層光スイッチ群
９０２ アレー入射光
９０３ 第１受光部群
９０４ 第２受光部群
９０５ 第１アレーＯ／Ｅ変換部
９０６ 第２アレーＯ／Ｅ変換部
９０７ 第１出力電気線
９０８ 第２出力信号線
１００１ 屈折率分布スラブ導波路
１００２ 第１面
１００３ 第２面
１００６ 第１Ｅ／Ｏ変換部
１００７ 第１Ｏ／Ｅ変換部
１００８ 第２Ｏ／Ｅ変換部
１００９ 第２Ｅ／Ｏ変換部
１０１０ 第１入力電気線
１０１１ 第２入力電気線
１０１２ 第１出力電気線
１０１３ 第２出力電気線
１０１４ 第１の発光部
１０１５ 第２の発光部
１０１６ 第１の受光部
１０１７ 第２の受光部
１０１８ 第１光
１０１９ 第２光
１１０１ 屈折率分布スラブ導波路
１１０２ 第１面
１１０３ 第２面
１１０６ 第１アレーＥ／Ｏ変換部
１１０７ 第１アレーＯ／Ｅ変換部
１１０８ 第２アレーＯ／Ｅ変換部
１１０９ 第２アレーＥ／Ｏ変換部
１１１４ 第１の発光部群
１１１５ 第２の発光部群
１１１６ 第１の受光部群
１１１７ 第２の受光部群
１１２１ 第１光
１１２４ 第４光
１１２５ 第５光
１１２８ 第８光
１２０１ 屈折率分布スラブ導波路
１２０２ 第１面
１２０３ 第２面
１２０６ 第１Ｅ／Ｏ変換部
１２０７ 第１Ｏ／Ｅ変換部
１２０８ 第２Ｏ／Ｅ変換部
１２０９ 第２Ｅ／Ｏ変換部
１２１４ 第１の発光部
１２１５ 第２の発光部
１２１６ 第１の受光部
１２１７ 第２の受光部
１２１８ 第１光
１２１９ 第２光
１３０１ 積層双方向ストレートシートバス
１３０２ 第１アレーＥ／Ｏ変換部
１３０３ 第１アレーＯ／Ｅ変換部
１３０４ 第２アレーＯ／Ｅ変換部
１３０５ 第２アレーＥ／Ｏ変換部
１３０６ 第１入力電気線
１３０７ 第１アレーＯ／Ｅ変換部
１３０８ 第２入力電気線
１３０９ 第２出力電気線
１４０１ 第１の屈折率分布スラブ導波路
１４０２ 第２の屈折率分布スラブ導波路
１４０３ 第３の屈折率分布スラブ導波路
１９０１ 屈折率分布スラブ導波路
１９０２ 第１光
１９０３ 第２光
１９０４ 第３光
２００３ 出射光
２１０１ 屈折率分布スラブ導波路
２１０２ 入射面
２１０３ 出射面
２１０７ 多重入射光
２１０８ 出射光
２１０９ 出射光
２３０１ 第１の屈折率分布スラブ導波路
２３０２ 第２の屈折率分布スラブ導波路
２３０３ 第３の屈折率分布スラブ導波路
２４０１ 第ｋ−１の屈折率分布スラブ導波路
２４０２ 第ｋの屈折率分布スラブ導波路
２４０３ 第ｋ＋１の屈折率分布スラブ導波路
２５０１ 第１段の屈折率分布スラブ導波路
２５０２ 第２段の屈折率分布スラブ導波路
２５０３ 第ｎ段の屈折率分布スラブ導波路
２６１０ 屈折率分布スラブ導波路
２６１２ 入射面
２６１３ 出射面
２６２０ 入射側光ファイバ
２６２２ 出射側端面
２６３０ 第１の出射側光ファイバ
２６３１ 第２の出射側光ファイバ
２６３５ 第２の出射側光ファイバ
２６３６ 入射側端面
２６４０ 入射側ビーム変換部
２６４１ 端面
２６４２ 端面
２６５０ 第１の出射側ビーム変換部
２６５５ 第２の出射側ビーム変換部
２７１０ 屈折率分布スラブ導波路
２７２０ 入射側ビーム変換部
２７３０ 出射側ビーム変換部
２７４０ 入射側ビーム変換部
２７５０ 出射側ビーム変換部
２８１０ 屈折率分布スラブ導波路
２８３０ 出力側光ファイバ
２８５０ 出射側ビーム変換部
２９３０ 出射側光ファイバ群
３００１ 凹部
３００２ 透明成形型
３００３ ポリシラン系樹脂
３００４ 紫外線
３００５ 基板
３０１０ 屈折率分布スラブ導波路
３１０１ 凹部
３１０２ 透明成形型
３１０３ ポリシラン系樹脂
３１０５ 基板
３１０６ 側壁面
３１１０ 屈折率分布スラブ導波路
３３０１ 透明成形型
３３０２ 凹部
３３０３ 凹部
３３０４ 凹部
３３０５ Ｖ溝
３３０６ Ｖ溝
３３１０ 入射側光ファイバ
３３１１ 出射側光ファイバ
３３２０ ポリシラン系樹脂
３３３０ 側壁面
３４０１ 透明成形型
３４０２ 凹部
３４０３ 凹部
３４０４ 凹部
３４１０ 屈折率分布スラブ導波路
３５０１ アセンブリ型
３５０２ 凹部
３５０３ Ｖ溝
３５０４ Ｖ溝
３５２０ 入射側光ファイバ
３５３０ 出射側光ファイバ

Claims (16)

  1. 入力信号と出力信号との間を、光信号により接続する光デバイスであって、
    入射光を入射させるための入射面と出射光を出射させるための出射面を具備するシート状の光伝送路を備え、
    前記光伝送路は、当該光伝送路の厚さ方向の中央位置において最大屈折率部分を有し、前記最大屈折率部分から厚さ方向に沿って離れるに従って屈折率が減少していく屈折率分布を含み、前記厚さ方向に直交する幅方向に励起される複数の固有モードを持つマルチモードを導波可能であり、前記厚さ方向と前記幅方向に直交する長さ方向に沿って、前記マルチモードで前記入射光を伝送するとともに、前記マルチモードの相互の干渉により前記入射光の光空間分布を変化して出射光を生成し、予め酸素または酸化物を所定の分布で拡散させたポリシランからなり、当該ポリシランが硬化する際の酸素または酸化物の濃度分布によって屈折率分布が施されることを特徴とする光デバイス。
  2. 前記屈折率分布は、２次関数に沿って変化する、請求項１に記載の光デバイス。
  3. 前記幅方向の基本モード幅をＷ0と、前記幅方向に励起した０次モード光の実効屈折率をｎ0と、前記光伝送路中で伝送される光の波長をλとしたとき、前記長さ方向の大きさが以下の式の整数倍になる値であり、
    前記入射面上であって前記幅方向の中心に１個の入射光を入射させ、前記出射面上であって前記幅方向の中心に対称にＮ個の出射光を生成する、請求項１に記載の光デバイス。
    Figure 0004130834
  4. 前記幅方向の基本モード幅をＷ0と、前記幅方向に励起した０次モード光の実効屈折率をｎ0と、前記光伝送路中で伝送される光の波長をλとしたとき、前記長さ方向の大きさが以下の式の整数倍になる値であり、
    前記入射面上であって前記幅方向の中心に対称にすべて同一の波長λを有するＮ個の入射光を入射させ、前記出射面上であって前記幅方向の中心に１個の出射光を生成する、請求項１に記載の光デバイス。
    Figure 0004130834
  5. 前記幅方向の基本モード幅をＷ0と、前記幅方向に励起した０次モード光の実効屈折率をｎ0と、前記光伝送路中を伝送される光の波長をλとしたとき、前記長さ方向の大きさが以下の式の整数倍になる値であり、
    前記入射面上であって前記幅方向の任意の位置にすべて同一の波長λを有するＮ個の前記入射光を入射させ、前記出射面上であって各前記入射光の入射位置と同一である位置に、Ｎ個の前記入射光に１対１対応するＮ個の前記出射光を生成する、請求項１に記載の光デバイス。
    Figure 0004130834
  6. 前記幅方向の基本モード幅をＷ0と、前記幅方向に励起した０次モード光の実効屈折率をｎ0と、前記マルチモード光伝送路中を伝送される光の波長をλとしたとき、前記長さ方向の大きさが以下の式の奇数倍になる値であり、
    前記入射面上であって前記幅方向の任意の位置にすべて同一の波長λを有するＮ個の前記入射光を入射させ、前記出射面上であって前記幅方向において各前記入射光の入射位置と前記幅方向の中心に対して対称になる位置に、Ｎ個の前記入射光と１対１対応するＮ個の前記出射光を生成する、請求項１に記載の光デバイス。
    Figure 0004130834
  7. 前記幅方向の基本モード幅をＷ0と、前記幅方向に励起した０次モード光の実効屈折率をｎ0と、前記マルチモード光伝送路中を伝送される光の波長をλとしたとき、前記長さ方向の大きさが以下の式の値であり、
    前記入射面上であって前記幅方向において所定の位置にすべて同一の波長λを有するＮ個の前記入射光を入射させ、前記出射面上であって前記幅方向において各前記入射光の入射位置と前記幅方向の中心に対して対称になる位置に、前記入射光のいずれの１個に対してもＮ個の前記出射光を生成する、請求項１に記載の光デバイス。
    Figure 0004130834
  8. 前記光伝送路を前記厚さ方向に複数積層することを特徴とする、請求項１に記載の光デバイス。
  9. お互いに異なる２個の波長が重ね合わされた多重信号光を、前記光伝送路へ入射させ、前記波長に応じて前記幅方向の異なる位置に２個の出射光を生成することを特徴とする、請求項１に記載の光デバイス。
  10. お互いに異なる波長を持つ２個の前記入射光を、前記光伝送路へ入射させ、
    前記波長に応じて前記幅方向の同一位置に前記２個の波長が重ね合わされた多重信号光を前記出射光として生成することを特徴とする、請求項１に記載の光デバイス。
  11. 入力信号と出力信号との間を、光信号により接続する光デバイスであって、シート状である光伝送路と、
    屈折率変調手段とを備え、
    前記光伝送路は、厚さ方向の中央位置に最大屈折率部分を有し、前記最大屈折率部分から厚さ方向に沿って離れるに従って屈折率が減少していく屈折率分布を含み、
    前記厚さ方向に直交する幅方向に隣接する第１の部分光伝送路と第２の部分光伝送路を有し、
    前記第１の部分光伝送路と前記第２の部分光伝送路は、前記幅方向に励起される複数の固有モードを持つマルチモードを導波可能であり、前記厚さ方向に直交する長さ方向に沿って、前記マルチモードで信号光を伝送するとともに、前記マルチモードの相互の干渉により前記入射光の光空間分布を変化して出射光を生成し、予め酸素または酸化物を所定の分布で拡散させたポリシランからなり、当該ポリシランが硬化する際の酸素または酸化物の濃度分布によって屈折率分布が施され、
    前記屈折率変調手段は、外部から供給される制御信号に基づいて、前記第１の部分光伝送路と前記第２の部分光伝送路の内、少なくとも一方の前記屈折率分布を変更することにより、前記第１の部分光伝送路のみを用いて前記入射光を伝送する第１の状態と、前記第１及び第２の部分光伝送路を用いて前記入射光を伝送する第２の状態とを選択可能であり、
    前記第１の状態である場合、
    前記第１の光伝送路から前記出射光を出射させ、前記出射光に対応する前記出力信号を出力する一方、
    前記第２の状態である場合、
    前記第２の光伝送路から前記出射光を出射することを特徴とする、光デバイス。
  12. 直線上に並べられ、前記直線に直交する方向に平行して入射するＮ（Ｎ＝２，３，４・・・）個の入射光の間隔を変化させるための光デバイスであって、
    入射光を入射させるための入射面と出射光を出射させるための出射面を具備するシート状の光伝送路をＮ個備え、
    各前記入射光を、各前記光伝送路へ入射させ、
    前記各光伝送路は、当該光伝送路の厚さ方向の中央位置に最大屈折率部分を有し、前記最大屈折率部分から厚さ方向に沿って離れるに従って屈折率が減少していく屈折率分布を含み、
    前記厚さ方向に直交する幅方向に励起される複数の固有モードを持つマルチモードを導波可能であり、前記厚さ方向に直交する長さ方向に沿って、前記マルチモードで前記入射光を伝送するとともに、前記マルチモードの相互の干渉により、前記幅方向において前記入射光が各前記光伝送路へ入射した位置とは異なる位置に前記出射光を生成し、予め酸素または酸化物を所定の分布で拡散させたポリシランからなり、当該ポリシランが硬化する際の酸素または酸化物の濃度分布によって屈折率分布が施されることを特徴とする光デバイス。
  13. 信号光の位置を変化させるための光デバイスであって、入射光を入射させるための入射面と出射光を出射させるための出射面を具備するシート状の光伝送路を複数備え、
    前記複数の光伝送路は、前記光デバイスに入射された前記信号光を伝送できるようにカスケード接続され、
    前記各光伝送路は当該光伝送路の厚さ方向の中央位置に最大屈折率部分を有し、前記最大屈折率部分から厚さ方向に沿って離れるに従って屈折率が減少していく屈折率分布を含み、
    前記厚さ方向に直交する幅方向に励起される複数の固有モードを持つマルチモードを導波可能であり、前記厚さ方向に直交する長さ方向に沿って、前記マルチモードで当該伝送路に入射された入射光を伝送するとともに、前記マルチモードの相互の干渉により、前記幅方向において前記入射光が各前記光伝送路へ入射した位置とは異なる位置に出射光を生成し、予め酸素または酸化物を所定の分布で拡散させたポリシランからなり、当該ポリシランが硬化する際の酸素または酸化物の濃度分布によって屈折率分布が施されることを特徴とする光デバイス。
  14. 前記入射光を前記光伝送路へ入射させるために伝送する入射側光伝送路と、
    前記入射側光伝送路と前記光伝送路とを接続し、前記入射側光伝送路のモードフィールドを、前記光伝送路へ入射できるように変換する入射側ビーム変換部と、
    前記状光伝送路から前記出射光を、出射させるために伝送する出射側光伝送路と、
    前記出射側光伝送路と前記光伝送路とを接続し、前記光伝送路のモードフィールドを、前記出射側光伝送路へ入射できるように変換する出射側ビーム変換部とをさらに備える、請求項１に記載の光デバイス。
  15. 入力信号と出力信号との間を、光信号により接続する光デバイスであって、
    入射光を入射させるための入射面と出射光を出射させるための出射面を具備するシート状の光伝送路とを備え、
    前記光伝送路は、当該光伝送路の厚さ方向の中央位置において最大屈折率部分を有し、前記最大屈折率部分から厚さ方向に沿って離れるに従って屈折率が減少していく屈折率分布を含み、前記厚さ方向に直交する幅方向に励起される複数の固有モードを持つマルチモードを導波可能であり、前記厚さ方向と前記幅方向に直交する長さ方向に沿って、前記マルチモードで前記入射光を伝送するとともに、前記マルチモードの相互の干渉により前記入射光の光空間分布を変化して出射光を生成し、予め酸素または酸化物を所定の分布で拡散させたポリシランからなり、当該ポリシランが硬化する際の酸素または酸化物の濃度分布によって屈折率分布が施されることを特徴とする光デバイスの製造方法において、
    前記光伝送路の材料である樹脂を硬化させるために印加されるべきエネルギーが伝達可能な材料からなり、少なくとも前記光伝送路の前記厚さ方向と同一の深さを持つ凹部を含む成形型を準備する第１の工程と、
    前記凹部に、前記樹脂を充填する第２の工程と、
    前記樹脂が充填された前記成形型に対して、前記厚さ方向の上下から所定量の前記エネルギーを印加する第３の工程と、
    所望の前記屈折率分布が形成されて硬化した前記樹脂に対して、前記光伝送路にするために、少なくとも前記長さ方向の大きさを決定して、入出射光の接続部分を形成する第４の工程とを備える、光デバイスの製造方法。
  16. 入力信号と出力信号との間を、光信号により接続する光デバイスであって、
    入射光を入射させるための入射面と出射光を出射させるための出射面を具備するシート状の光伝送路と、
    前記入射光を前記光伝送路へ入射させるために伝送する入射側光伝送路と、
    前記入射側光伝送路と前記光伝送路とを接続し、前記入射側光伝送路のモードフィールドを、前記光伝送路へ入射できるように変換する入射側ビーム変換部と、
    前記状光伝送路から前記出射光を、出射させるために伝送する出射側光伝送路と、
    前記出射側光伝送路と前記光伝送路とを接続し、前記光伝送路のモードフィールドを、前記出射側光伝送路へ入射できるように変換する出射側ビーム変換部とを備え、
    前記光伝送路は、当該光伝送路の厚さ方向の中央位置において最大屈折率部分を有し、前記最大屈折率部分から厚さ方向に沿って離れるに従って屈折率が減少していく屈折率分布を含み、
    前記厚さ方向に直交する幅方向に励起される複数の固有モードを持つマルチモードを導波可能であり、前記厚さ方向と前記幅方向に直交する長さ方向に沿って、前記マルチモードで前記入射光を伝送するとともに、前記マルチモードの相互の干渉により前記入射光の光空間分布を変化して出射光を生成し、予め酸素または酸化物を所定の分布で拡散させたポリシランからなり、当該ポリシランが硬化する際の酸素または酸化物の濃度分布によって屈折率分布が施されることを特徴とする光デバイスの製造方法であって、
    前記シート状光伝送路と、前記入射側ビーム変換部及び前記出射側ビーム変換部の内の少なくとも一方とに対応する凹部を有し、前記シート状光伝送路の材料である樹脂を硬化させるために印加されるべきエネルギーが伝達可能な材料からなる成形型を準備する第１の工程と、
    前記凹部に、前記樹脂を充填する第２の工程と、
    前記樹脂が充填された前記成形型に、前記樹脂を硬化させて所望の前記屈折率分布を形成するために、前記厚さ方向の上下から所定量の前記エネルギーを印加する第３の工程と、
    硬化した前記樹脂に、前記凹部に形成されていない前記入射側ビーム変換部及び前記出射側ビーム変換部がある場合には当該変換部を接続し、さらに、前記入射側光伝送路と、前記出射側光伝送路とを接続する第４の工程とを備える、光デバイスの製造方法。
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