JP7047256B2 - 光分配器および光アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、光分配器および光アンテナに関する。

光分配器とは、光伝播媒体を伝播する光を１つまたは複数に分割する機能を備えた光デバイスをいう。光分配器は、構造的に、ミラーやプリズム等の微小な光学部品を用いたバルク型の光分配器、光ファイバを融着延伸した光ファイバ型の光分配器、光集積回路技術を用いた光導波路型の光分配器に分類されるが、中でも光導波路型は、光集積回路の一部として組み込むことが可能であり、また光導波路型は多対多の大規模な光分配器がフォトリソグラフィ技術等によって一括製造されるので、特に量産化、低価格化等の面で注目度が高い。

光導波路型の光分配器を含む技術として、例えば特許文献１に開示された光フェーズドアレイが知られている。特許文献１に開示された光フェーズドアレイは、光導波路によって接続された多数のナノフォトニックアンテナ素子から形成されている。光導波路とアンテナ素子は空間結合型の方向性結合器によって接続されている。空間結合型の方向性結合器とは、２本の光導波路同士を所定の間隔を設けて対向させ、一方の光導波路からの光を他方の光導波路にエバネッセント結合させて光を分配する方式の光分配器である。特許文献１では、この空間結合型の光分配器を用いて多数のアンテナ素子を効率よくアレイ状に配置している。

また、分岐比の精度の向上を目的とした空間結合型の光分配器として、特許文献２に開示された方向性結合器が知られている。特許文献２に開示された方向性結合器は、基板と、該基板上に構成された２本の光導波路とを備えた光方向性結合器において、２本の光導波路は、光結合を生じる光結合領域における直線部分の長さがゼロであることを特徴としている。光導波路型の光分配器には、光導波路の製造誤差により設計した通りの分岐比が得られないという課題がある。特許文献２に開示された方向性結合器では、方向性結合器を構成する光導波路部分に直線導波路を用いないことで、方向性結合器の歩留まり低下の主要因である光導波路幅の変動および光導波路の比屈折率の変動を含む製造誤差に対する許容範囲を大きくしている。

一方、光を分岐する他のエレメントとしてＹ分岐が知られており、該Ｙ分岐を用いた光分配器も知られている。Ｙ分岐を用いた光分配器として、例えば特許文献３に開示された光カプラが知られている。特許文献３に開示された光カプラでは、非対称Ｙ字型分岐路とエバネッセント光カプラとが直列に接続され、エバネッセント光カプラよって分岐比の制御が行われ、非対称Ｙ字型分岐路によって合波損失の発生を防いでいる。Ｙ分岐を用いた光分配器では、Ｙ分岐の各々の枝を伝播する光の位相のずれなどにより、２つの波が打ち消されて損失が大きくなるという課題がある。特許文献３に開示された光カプラでは非対称なＹ分岐を採用することで位相が同相になるよう制御しており、分岐後の平行導波路で空間結合により分岐量を制御している。

米国特許出願公開第２０１５／０３４６３４０号明細書 特開２００６－０６５０８９号公報 特開平０６－２３５８４２号公報

ところで、光導波路型の光学素子においては、プロセスが微細であることにも起因して、特に光導波路の製造誤差による該光学素子の特性の変動が問題となる場合がある。そのため、例えば空間結合型の光分配器では、製造誤差による空間結合の分岐量のずれが問題となる場合がある。空間結合型の光分配器では、近接させて配置された２本の導波路の導波路間の間隔、近接領域の長さにより分岐量が決定される。従って製造誤差により導波路間の間隔が設計値通りでない場合や、製造誤差により導波路の側壁に凹凸が形成されたような場合には、設計した分岐量が得られないという問題がある。

一方、Ｙ分岐等に代表される分岐構造を複数用いて位相変調させる場合には、光集積回路の大規模化が避けられないという問題がある。特許文献２に開示された方向性結合器や、特許文献３に開示された光カプラのような構造を用いて光フェーズドアレイのような回路を構成する場合、複数の分岐を配置し、さらに位相変調回路を分岐間に直列につなぐ必要が生じ、そのため光集積回路の面積が増大してしまうという問題がある。

本発明は、上記諸問題に鑑みてなされたものであり、小型でかつ容易に分岐比を変えることが可能であるとともに、製造誤差による分岐比の変動が低減され、光アンテナを構成した場合にも各伝播光の位相変調が容易である光分配器および光アンテナを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の光分配器は、予め定められた方向に屈曲された屈曲部を含むとともに、一端が光が入力される入力部とされかつ他端が光が出力される第１の出力部とされた一定の幅を有する曲げ導波路と、 前記屈曲部の内部の１点を分岐点とし、前記分岐点において前記屈曲部の幅より狭い幅を有する一端が前記入力部に入力された光を分岐光として分岐する分岐端とされるとともに、前記屈曲部の外部に位置する他端が前記分岐光を出力する第２の出力部とされ、前記分岐点が前記分岐端上の１点でありかつ前記分岐端が前記屈曲部に包含されるとともに、前記分岐点における光の導波方向に垂直な断面の中心を通る線の接線が、前記屈曲部の前記分岐点を通過する前記屈曲部の外周に沿った線の接線と共通となるようにして前記予め定められた方向とは逆方向に曲げられた分岐導波路と、を含み、前記分岐端の前記曲げ導波路に沿った移動によって変化する予め定められた基準線と前記接線とのなす接線角度、前記分岐端の幅、および前記分岐点から前記他端までの長さの少なくとも１つによって、前記入力部に入力された入力光強度に対する前記第２の出力部から出力される出力光強度の比である分岐比を変えることが可能なものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記分岐導波路の光の導波方向に垂直な断面の中心を通る線の形状が第１の多項式で示されるものである。

また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記第１の多項式はクロソイド曲線を示す多項式であるものである。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の発明において、前記分岐導波路は、前記分岐端から前記第２の出力部にかけて幅が漸増しており、かつ漸増する幅が第２の多項式で示される幅となっているものである。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の発明において、前記屈曲部の光の導波方向に垂直な断面の中心を通る線の形状は、クロソイド曲線で示される形状となっているものである。

また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記屈曲部の曲げ方向内側の幅が、前記クロソイド曲線の始点から前記クロソイド曲線の中央部まで漸増し、前記クロソイド曲線の中央部から前記クロソイド曲線の終点まで漸減するように構成されているものである。

また、請求項７に記載の発明は、請求項１から請求項６いずれか１項に記載の発明において、前記曲げ導波路が窒化ケイ素で形成され、前記分岐導波路がケイ素または窒化ケイ素で形成され、前記曲げ導波路および分岐導波路の周囲を覆う二酸化ケイ素の層をさらに含むものである。

また、請求項８に記載の発明は、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の発明において、前記屈曲部が複数であり、前記曲げ導波路は、複数の前記屈曲部の隣接する屈曲部同士の屈曲方向が互いに反対でありかつ隣接する屈曲部同士の折り曲げ角が各々１８０度より大きくなるようにして前記複数の屈曲部が接続されて構成され、かつ前記分岐導波路は前記曲げ導波路の前記入力部を備える屈曲部に配置されているものである。

上記の目的を達成するために、請求項９に記載の光アンテナは、複数の請求項８に記載の光分配器と、前記第１の出力部および複数の前記第２の出力部の各々に接続された複数のアンテナ素子と、前記複数の光分配器の各々の前記分岐導波路が配置された屈曲部以外の前記屈曲部に対向して配置された加熱部と、を含むものである。

本発明によれば、小型でかつ容易に分岐比を変えることが可能であるとともに、製造誤差による分岐比の変動が低減され、光アンテナを構成した場合にも各伝播光の位相変調が容易である光分配器および光アンテナを提供することができるという効果を奏する。

第１の実施の形態に係る光分配器の構成の一例を示す、（ａ）は平面図、（ｂ）はブロック図である。 第１の実施の形態に係る光分配器を説明するための、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。 第１の実施の形態に係る光分配器の導波路の分岐構造の詳細を説明するための平面図である。 第１の実施の形態に係る光分配器の接線角度を変えた場合の形状の変化を示す図である。 第１の実施の形態に係る光分配器の、（ａ）は分岐端幅をパラメータとした 接線角度に対する分岐比の変化、（ｂ）は分岐端幅をパラメータとした接線角度に 対する透過率の変化を示すグラフである。 第２の実施の形態に係る光分配器の構成の一例を示す平面図である。 第３の実施の形態に係る光分配器の構成の一例を示す平面図である。 第４の実施の形態に係る光アンテナの構成の一例を示す平面図である。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
図１から図５を参照して、本実施の形態に係る光分配器１０について説明する。本実施の形態では、本発明に係る光分配器を、光の伝播路であるコアと、コアの周囲を覆うクラッドを含んで構成される光導波路（矩形光導波路）で構成した形態を例示して説明する。
しかしながら、本実施の形態に係る光導波路は、矩形光導波路に限られず、他の形態の光導波路、例えばリブ型の光導波路で構成した形態としてもよい。光分配器１０は、一端から入力された光を２つに分岐して出力させる１：２カプラとしての機能を有する。以下で詳細に説明するように、光分配器１０では２つの出力間の分岐比を容易に、かつ精度よく設定することが可能となっている。

図１（ａ）に示すように、光分配器１０は、直線導波路Ｓ１、屈曲導波路Ｃ１、屈曲導波路Ｃ２、直線導波路Ｓ２がこの順に接続されて構成されている。また、屈曲導波路Ｃ１の内部の１点から分岐導波路Ｂ１が分岐されている。図１に示すように、直線導波路Ｓ１の一端が入力部ＩＮ、分岐導波路Ｂ１の一端が出力部ＯＵＴ１、直線導波路Ｓ２の一端が出力部ＯＵＴ２とされている。

以上の構成を有する光分配器１０を機能的に表したのが図１（ｂ）である。図１（ｂ）に示すように、光分配器１０は機能的には１：２カプラとみなすことができる。そして、本実施の形態に係る光分配器１０では、分岐比Ｂｒ（本実施の形態では、Ｂｒ＝ＯＵＴ１の出力パワー／（ＯＵＴ１の出力パワー＋ＯＵＴ２の出力パワー）で定義する）を任意の値に設定することが可能となっている。

図２を参照して、光分配器１０の構成についてより詳細に説明する。図２（ａ）において境界Ｄ１は直線導波路Ｓ１と屈曲導波路Ｃ１との境界を、境界Ｄ２は屈曲導波路Ｃ１と屈曲導波路Ｃ２との境界を、境界Ｄ３は屈曲導波路Ｃ２と直線導波路Ｓ２との境界を、各々示している。点Ｐ１は境界Ｄ１上の点であり、屈曲導波路Ｃ１の始点を示している。また、点Ｐ３は境界Ｄ２上の点であり、屈曲導波路Ｃ１の終点を示すと同時に、屈曲導波路Ｃ２の始点を示している。さらに、点Ｐ５は境界Ｄ３上の点であり、屈曲導波路Ｃ２の終点を示している。一方、点Ｐ２は屈曲導波路Ｃ１の頂点を、点Ｐ４は屈曲導波路Ｃ２の頂点を、各々示している。以上を考慮し、以下では、点Ｐ１を「始点Ｐ１」、点Ｐ２を「頂点Ｐ２」、点Ｐ３を「終点Ｐ３」、点Ｐ４を「頂点Ｐ４」、点Ｐ５を「始点Ｐ５」という場合がある。なお、本実施の形態に係る光分配器１０では、直線導波路Ｓ１、Ｓ２、屈曲導波路Ｃ１、Ｃ２の幅はいずれもＷ１とされている。

図２（ａ）に示すように屈曲導波路Ｃ１は、頂点Ｐ２を境とする始点Ｐ１の側の形状と終点Ｐ３の側の形状とが同じ形状、すなわち頂点Ｐ２を通る直線に対して線対称である形状とされている。本実施の形態では、屈曲導波路Ｃ２も屈曲導波路Ｃ１と同様の形状とされ、平面視での向きを逆にして、終点Ｐ３で接続されている。

本実施の形態に係る屈曲導波路Ｃ１、Ｃ２の形状は、クロソイド曲線を用いて設計されている。クロソイド曲線とは、始点における曲率が０であり、線路長（導波路に沿った道のり）の増大に伴って曲率（曲率半径Ｒの逆数１／Ｒで表される）が徐々に増え（漸増し）、頂点で曲率が最大曲率となり、その後曲率は徐々に減少し（漸減し）、終点における曲率が０となるような曲線である。クロソイド曲線では、全線路長が短いと最大曲率は大きくなり、全線路長が長いと最大曲率は小さくなる。

屈曲導波路Ｃ１を例にとってより詳細に説明すると、図２（ａ）に示すように、始点Ｐ１における曲率が０であり、線路長の増大に伴って曲率が徐々に増え（漸増し）、頂点Ｐ２で最大曲率となり、終点Ｐ３で曲率が０となる。屈曲導波路Ｃ２は、屈曲導波路Ｃ１に対して曲げ方向（屈曲部を円弧とした場合に、光導波路から該円弧の中心を見る方向と定義する）を逆にした屈曲導波路であり、形状は屈曲導波路Ｃ１と同一のものである。

すなわち、本実施の形態では、屈曲導波路Ｃ１と屈曲導波路Ｃ２とで構成される曲げ導波路ＣＧは、終点Ｐ３に対して点対称となっている。なお、本実施の形態では、屈曲導波路Ｃ１とＣ２とが同一形状である形態を例示して説明するが、これに限られず、屈曲導波路Ｃ１とＣ２とを別の形状（すなわち、全線路長および最大曲率が異なる屈曲導波路）としてもよい。

さらに、本実施の形態に係る曲げ導波路ＣＧを構成する屈曲導波路Ｃ１およびＣ２の各々の折り曲げ角θは、１８０度を越える角度とされている。本実施の形態における「折り曲げ角θ」は、光導波路に沿って進む伝播光の進行方向を移動ベクトルで表した場合に、図２（ａ）に示す始点Ｐ１における移動ベクトルＶ１と、終点Ｐ３における移動ベクトルＶ２とのなす角度で定義される。図２（ａ）は、この折り曲げ角θが、θ＝２２０度の場合を例示している。

本実施の形態のように、折り曲げ角θを１８０度を越える角度とすることにより、図２（ａ）に示すように、屈曲導波路Ｃ１とＣ２とが、Ｙ軸方向ではなく、Ｚ軸方向に配列されるため、折り曲げ角θが１８０度以下の屈曲導波路を配列する場合と比較して、直線導波路Ｓ１と直線導波路Ｓ２との間隔を狭くすることができる。このことにより、光アンテナ等の光集積回路をより小型化することが可能となる。また、本実施の形態に係る光分配器１０の曲げ導波路ＣＧでは、曲率の向きが変わる境界である終点Ｐ３において必ず曲率が０になるため、曲げ導波路ＣＧが連続的でスムースに構成されており、より低損失化に寄与している。

なお、本実施の形態では、屈曲導波路Ｃ１、Ｃ２の形状として、線路長に対して曲率が線形に変化する（比例関係にある）クロソイド曲線を例示して説明するが、必ずしも比例関係で変化する必要はなく、線路長に対して曲率が単調増加するような屈曲導波路であれば、クロソイド曲線でなくとも本発明の効果を発揮することができる。なお、本実施の形態に係る「単調増加」とは広義の単調増加を意味し、増加量が０の場合を含む。すなわち、本実施の形態に係る屈曲導波路は、例えば、曲線の開始近傍と終了近傍とがクロソイド曲線であり、その間が円弧であるような形態を含む。

図２（ａ）におけるＡ－Ａ断面図である図２（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る光分配器１０は、基板１２、クラッド１４、およびコア１６を含んで構成される矩形光導波路を用いて構成されている。基板１２には、一例としてＳｉ（シリコン、ケイ素）が用いられ、コア１６は、一例として比較的屈折率の高い材料であるＳｉで形成され、クラッド１４は、一例としてＳｉよりも屈折率の低い材料であるＳｉＯ２（二酸化ケイ素）で形成されている。コア１６はクラッド１４で覆われており、屈折率の違いに起因して、光は主としてコア１６の内部を伝播する。コア１６の寸法は、コア１６およびクラッド１４の各々の屈折率、および伝播させる光の波長に基づいて設定される。なお、コア１６と、クラッド１４とを含んで光導波路と呼称される場合もあるが、本実施の形態では、図１（ａ）に示すように、コア１６の部分を光導波路と称することにする。

再び図２（ａ）を参照して、直線導波路Ｓ１は、入力光Ｐｉｎを入力部ＩＮから入力する光導波路（入力導波路）であり、屈曲導波路Ｃ１、Ｃ２を透過した伝播光の一部は、出力導波路である直線導波路Ｓ２の出力部ＯＵＴ２から出力光Ｐｏｕｔ２として出力される。なお、本実施の形態では、入力導波路および出力導波路を直線導波路で構成する形態を例示して説明するが、入力導波路、出力導波路は必ずしも直線導波路で構成する必要はなく、他の様々な形状の光導波路を用いてよい。

さらに、本実施の形態では、入力部ＩＮから入力された入力光Ｐｉｎの一部は分岐導波路Ｂ１で分岐され、分岐された光は出力光Ｐｏｕｔ１として出力部ＯＵＴ１から出力される。本実施の形態に係る光分配器１０では、以下の（式１）で定義される分岐比Ｂｒが簡易にかつ精度よく設定される。
Ｂｒ＝Ｐｏｕｔ１／（Ｐｏｕｔ１＋Ｐｏｕｔ２）＝Ｐｏｕｔ１／Ｐｉｎ ・・・（式１）

次に、図３を参照して、屈曲導波路Ｃ１と分岐導波路Ｂ１との接続部の構成、および分岐導波路Ｂ１の形状についてより詳細に説明する。図３は、分岐導波路Ｂ１について、屈曲導波路Ｃ１との接続部を含めた全体の形状を表した図である。

分岐導波路Ｂ１の分岐においては、まず屈曲導波路Ｃ１上の１点である「分岐点Ｐｓ」を指定する。分岐点Ｐｓの屈曲導波路Ｃ１上の位置については、曲率＝０となる位置（すなわち、始点Ｐ１、頂点Ｐ２）以外であれば特に制限はない。また、分岐点Ｐｓの屈曲導波路Ｃ１の幅方向の位置についても制限がないが、本実施の形態では中央としている。同時に、分岐導波路Ｂ１の分岐点Ｐｓにおける幅である分岐端幅Ｗｓ（０＜Ｗｓ≦Ｗ１）と分岐長Ｙｓを設定する。本実施の形態において分岐長Ｙｓとは、分岐点Ｐｓと終点Ｐｅとの間のＹ軸方向の距離、すなわち分岐導波路Ｂ１のＹ軸方向の長さである。一方、分岐点Ｐｓにおける屈曲導波路Ｃ１の接線を接線ｔで表すと、分岐導波路Ｂ１の分岐点Ｐｓにおける接線も接線ｔと共通になるように設定する。このとき、Ｙ軸から測った接線ｔの角度を接線角度θｓとする。以上の考え方で構成された分岐導波路Ｂ１の形状は、接線角度θｓ、分岐端幅Ｗｓ、分岐長Ｙｓで決定される。

本実施の形態では、分岐導波路Ｂ１の形状をクロソイド曲線で示される形状としている。すなわち、分岐点Ｐｓにおいて曲率が０であり、分岐点Ｐｓから終点Ｐｅに向かうにつれて曲率が増加し、曲率のピークを経て終点Ｐｅで再び曲率が０となっている。なお、本実施の形態では、分岐導波路Ｂ１の形状としてクロソイド曲線を例示して説明するが、必ずしもクロソイド曲線である必要はない。

さらに本実施の形態に係る分岐導波路Ｂ１の幅は、分岐点ＰｓでＷｓとされ、終点Ｐｅに向かうにつれて拡大し、終点Ｐｅでは直線導波路Ｓ１、Ｓ２と同じ幅Ｗ１となっている。つまり、本実施の形態に係る分岐導波路Ｂ１の幅は、分岐点Ｐｓから終点Ｐｅにかけて広がるように構成され、しかもその幅の広がり分は、分岐点Ｐｓからの線路長に従って高次の多項式で表されるように構成されている。多項式に特に制限はないが、分岐点Ｐｓと終点Ｐｅにおいて微分値が０となる多項式が好ましい。以下に示す（式２）はその多項式の一例を示している。

ただし、αは、分岐導波路Ｂ１の分岐端幅Ｗｓと終点Ｐｅにおける幅Ｗｂとの差である増加幅（Ｗｂ－Ｗｓ）、ｈはＬ／２、Ｌは分岐点Ｐｓから終点Ｐｅまでの線路長、Φは線路上の任意の点（－ｈ≦Φ≦ｈ）である。ただし、本実施の形態ではＷｂ＝Ｗ１としている。なお、本実施の形態では、分岐導波路Ｂ１の終点Ｐｅにおける幅をＷ１としているが、必ずしもＷ１とする必要はなく、Ｗ１より小さくてもよいし、大きくてもよい。

図４は、接線角度θｓを変化させた場合の光分配器の形状の変化を示している。図４（ａ）はθｓ＝５ｄｅｇ（度）とした場合の光分配器１０Ａを、図４（ｂ）はθｓ＝３０ｄｅｇとした場合の光分配器１０Ｂを、図４（ｃ）はθｓ＝６０ｄｅｇとした場合の光分配器１０Ｃを、図４（ｄ）はθｓ＝９０ｄｅｇとした場合の光分配器１０Ｄを、各々示している。なお、図４では、接線角度θｓ以外のパラメータ（分岐端幅Ｗｓ、分岐長Ｙｓ）を固定している。ここで、本実施の形態において、分岐点Ｐｓの屈曲導波路Ｃ１上の位置を指定することと、接線角度θｓを指定することとは等価である。

以下で説明するように、本実施の形態に係る光分配器では、図４に示すように接線角度θｓを変えることによって分岐比Ｂｒを容易に変えることができる。なお、図１（ａ）に示す光分配器１０の接線角度θｓは、図４（ｂ）に示す光分配器１０Ｂと同じ接線角度（θｓ＝３０ｄｅｇ）である。

次に、図５を参照して、本実施の形態に係る光分配器１０の分岐比Ｂｒの特性、および透過率Ｔｒの特性について説明する。本実施の形態でいう透過率Ｔｒは以下に示す（式３）で与えられる。
（Ｐｏｕｔ１＋Ｐｏｕｔ２）／Ｐｉｎ ・・・ （式３）
図５（ａ）は、分岐端幅Ｗｓをパラメータとした接線角度θｓに対する分岐比Ｂｒの変化を、図５（ｂ）は、分岐端幅Ｗｓをパラメータとした接線角度θｓに対する透過率Ｔｒの変化を、各々シミュレーションした結果を示している。なお、図５におけるシミュレーションでは分岐長Ｙｓを固定している。図５では、分岐端幅Ｗｓの初期値をＡ（例えばＷ１）とし、一定量βずつ細らせて分岐端幅Ｗｓを変えている。

図５（ａ）に示すように、接線角度θｓが大きくなると分岐比Ｂｒは低下する。つまり、図４でいうと、（ａ）から（ｄ）に向かうにつれて分岐比Ｂｒが低下する。また、分岐端幅Ｗｓが狭くなると分岐比Ｂｒが低下する。すなわち本実施の形態に係る光分配器１０は、接線角度θｓ、あるいは分岐端幅Ｗｓを変えることにより容易に分岐比を変えることが可能となっている。

一方、図５（ｂ）は示すように、接線角度θｓが大きくなると透過率Ｔｒは低下する。
つまり、図４でいうと、（ａ）から（ｄ）に向かうにつれて透過率Ｔｒが低下する。また、分岐端幅Ｗｓが広いほど透過率Ｔｒが低下する。これは、分岐端幅Ｗｓが広いほど分岐導波路Ｂ１の分岐点での散乱が発生しやすくなり、そのため出力部ＯＵＴ１、ＯＵＴ２に向かう伝播光の光量が減少するからである。以上のように、本実施の形態に係る光分配器１０では、接線角度θｓ、分岐端幅Ｗｓ、あるいは分岐長Ｙｓを変えることにより容易に分岐比を変えることが可能となっている。

以上のように、本実施の形態に係る光分配器１０によれば、分岐導波路Ｂ１の形状パラメータ（接線角度θｓ、分岐端幅Ｗｓ、分岐長Ｙｓ）を変えることにより、所望の分岐比Ｂｒ、あるいは透過率Ｔｒを得ることができる。なお、異なる形状パラメータを用いても同じ分岐比Ｂｒが得られる場合がある。例えば図５（ａ）の点Ｑ１と点Ｑ２とは異なる接線角度θｓ（図５（ａ）に示すθ１およびθ２）であるにも関わらず同じ分岐比Ｂｒが得られる。このような場合は、点Ｑ１、Ｑ２の条件における透過率Ｔｒをみてどちらのパラメータを選択するか決めてもよい。つまり、点Ｑ１を図５（ｂ）に示す透過率Ｔｒのグラフ上にプロットすると点Ｑ３（θｓ＝θ１）となり、点Ｑ２をプロットすると点Ｑ４（θｓ＝θ２）となる。図５（ｂ）から明らかなように、点Ｑ３の方が透過率Ｔｒが大きいので、接線角度θｓはθ１を選択するようにする。

以上詳述したように、本実施の形態に係る光分配器は、分岐導波路の位置や形状で分岐を行う方式を採用しており、空間結合は用いていない。このため、空間結合を用いた場合に問題となる、製造誤差により２本の導波路の間隔が変動することによる分岐比の変動、あるいは導波路間の側壁に発生する凹凸に起因する分岐比の変動が抑制される。

また、本実施の形態に係る光分配器は、入力された光を分岐導波路によって分岐して２つめの出力を得ると同時に、該分岐導波路の各形状パラメータを変更することにより、分岐量（分岐比）を任意の比率に設定することが可能となっている。

［第２の実施の形態］

図６を参照して、本実施の形態に係る光分配器１０Ｅについて説明する。光分配器１０Ｅは、上記実施の形態に係る光分配器１０における一方の屈曲導波路の形状を変更したものである。すなわち、図１（ａ）に示すように、光分配器１０においては、光導波路の幅は、直線導波路Ｓ１から直線導波路Ｓ２にかけて一定の幅Ｗ１であった。これに対し、光分配器１０Ｅの屈曲導波路Ｃ２Ａでは、図６に示すように、幅が線路長に応じて変化している。すなわち、屈曲導波路Ｃ２Ａの幅は、終点Ｐ３から頂点Ｐ４に向けて、光導波路の曲げ方向内側の幅が徐々に広くなっており、また、頂点Ｐ４から始点Ｐ５に向けて、光導波路の曲げ方向内側の幅が徐々に狭くなっている。なお、屈曲導波路Ｃ１およびＣ２Ａもクロソイド曲線を用いている点は、屈曲導波路Ｃ１およびＣ２と同じである。

線路長に対して幅を変化させる手法としては高次の多項式による手法を用いることができ、多項式の一例として（式２）を挙げることができる。すなわち、（式２）において、Ｌを屈曲開始位置（始点Ｐ５）から最も屈曲した位置（頂点Ｐ４）までの線路長とし、αを最も屈曲した位置での幅の増加分（増加分の最大値）とする。最も屈強した位置（頂点Ｐ４）から屈曲終了位置（終点Ｐ３）までは、屈曲開始位置（始点Ｐ５）から最も屈曲した位置（頂点Ｐ４）までの増加分の逆の減少量となる。始点Ｐ５における屈曲導波路Ｃ２Ａの幅は直線導波路Ｓ２と同じ幅Ｗ１であり、終点Ｐ３における屈曲導波路Ｃ２Ａの幅は屈曲導波路Ｃ１と同じ幅Ｗ１である。

以上の構成を有する光分配器１０Ｅによれば、光導波路の幅が屈曲導波路Ｃ１の幅から急激に変化せず、また光導波路の幅が直線導波路Ｓ２から幅が急激に変化しないため、コア内の反射や散乱を抑えることができ、伝播光の損失を抑制することができる。また、屈曲導波路では、一般に、伝播する光が曲げ方向内側に染み出すが、屈曲導波路Ｃ２Ａのように、光導波路の幅を曲げ方向内側に拡張することにより、その染み出した光も含めて伝播させることができるので、光損失がより低減される。

［第３の実施の形態］
図７を参照して、本実施の形態に係る光分配器１０Ｆについて説明する。光分配器１０Ｆは、上記各実施の形態において光導波路のコアを形成する材料を変更したものである。

上記各実施の形態では、光導波路のコア１６の材料としてＳｉを用いた形態を例示して説明した。ここで、次の実施の形態に係る光アンテナのように、複数の光分配器を直列に接続し、複数の分岐出力を用いる形態では、入力する光強度が弱いと末端のグレーティングカプラまで光が届かない。このため、強度の強い光をコア１６に入力する必要があるが、Ｓｉによる光導波路（コア）は入力できる光強度に限界がある。

上記問題を解決するため、光分配器１０Ｆでは、直線導波路Ｓ１Ａ、Ｓ２Ａ、屈曲導波路Ｃ１Ａ、Ｃ２Ｂの光導波路（コア）を、一例としてＳｉＮ（窒化ケイ素）で形成している。ＳｉＮはＳｉよりも、より強い光を通すことができる。なお、本実施の形態では直線導波路Ｓ１Ａ、Ｓ２Ａ、屈曲導波路Ｃ１Ａ、Ｃ２Ｂの光導波路（コア）をＳｉＮで形成する形態を例示して説明するが、Ｓｉよりも強い光を通すことができる他の材料を用いた形態としてもよい。また、本実施の形態では、上記実施の形態と同様に分岐導波路Ｂ１はＳｉで形成しているが、これに限られず、分岐導波路Ｂ１もＳｉＮで形成してもよい。

以上の構成を有する本実施の形態に係る光分配器１０Ｆによれば、分岐導波路Ｂ１をＳｉで形成し、分岐導波路Ｂ１以外の部分をより強い光を伝播させることができる材料であるＳｉＮで形成したので、光分配器１０Ｆを直列に接続した場合でも、少しずつ光を分岐しながら、末端のグレーティングカプラまで光を伝搬させることができる。

［第４の実施の形態］
図８を参照して、本実施の形態に係る光アンテナ５０について説明する。図８に示すように、光アンテナ５０は、光分配器アレイ６０、グレーティングカプラアレイ４０、およびヒータ３０を含んで構成されている。光アンテナ５０は、グレーティングカプラアレイ４０を光の出射部とするフェーズドアレイアンテナである。すなわち、ヒータ３０により光分配器アレイ６０を構成する各光分配器の一部に熱を付与し、各光分配器を伝播する光の位相を変調させ、チャンネル間の位相を制御して光の放射方向を制御するフェーズドアレイアンテナとなっている。

光分配器アレイ６０は、複数の、上記各実施の形態に係る光分配器（１０、１０Ａ～１０Ｆ）のいずれかを直列に接続（カスケード接続）したものであるが、本実施の形態ではＮ個の光分配器１０Ｆを直列に接続したものを用いている。すなわち、光分配器１０Ｆ－１、１０Ｆ－２、１０Ｆ－３、・・・、１０Ｆ－Ｎが入力部ＩＮと出力部ＯＵＴ２とを介して直列に接続されて構成されている。

各光分配器１０Ｆ－１、１０Ｆ－２、１０Ｆ－３、・・・、１０Ｆ－Ｎの分岐導波路Ｂ１は、各々光導波路によってグレーティングカプラ４２－１、４２－２、４２－３、・・・４２－Ｎ（アンテナ素子。以下、総称する場合は「グレーティングカプラ４２」）に接続されている。従って、光分配器１０Ｆ－１の入力部ＩＮに入力された入力光Ｐｉｎは、各光分配器１０Ｆの出力部ＯＵＴ１から一部が分岐されて各グレーティングカプラ４２に伝播される。

ヒータ３０は、抵抗体３４および抵抗体３４の両端に電気的に接続された電極３２－１、３２－２を含んで構成されている。抵抗体３４はクラッド１４に不純物が添加（ドープ）されて形成された発熱体であり、電極３２－１と３２－２とはビアを介して接続されている。電極３２－１と３２－２との間に電源を接続して電流を流すことによって抵抗体３４が発熱する。抵抗体３４は、各光分配器１０Ｆの屈曲導波路Ｃ２Ｂに対向して配置されており、ヒータ３０で発生した熱は各屈曲導波路Ｃ２Ｂに付与される。この際、抵抗体３４と各屈曲導波路Ｃ２Ｂとの距離は略等しくされている。

屈曲導波路Ｃ２Ｂに熱が付与されると、熱が付与された部分の屈折率が変化し、光導波路のみかけの長さが変化する。このことにより、屈曲導波路Ｃ２Ｂ内を伝搬する光の位相を変調することができる。各光分配器１０Ｆは等間隔に配置されているため、光アンテナ５０を構成する各グレーティングカプラ４２から出力される光の位相は、隣り合うグレーティングカプラ４２間で等位相差となっている。

光アンテナ５０（グレーティングカプラアレイ４０）から出力される光の波面の進行方向、すなわち等位相面の進行方向はこの各グレーティングカプラ４２間の位相差によって定まる。この際、各光分配器１０Ｆと抵抗体３４との距離が略等しくされていることにより、各グレーティングカプラ４２間の位相変化量も略等しくなる。従って、ヒータ３０により光分配器アレイ６０を構成する各光分配器１０Ｆに付与する熱量を変化させ、各光分配器１０Ｆを位相変調するとこの位相差が変化し、光アンテナ５０から出射される光の波面の進行方向、すなわち等位相面の進行方向を変えることができる。その結果、光アンテナ５０から放射される光ビームの方向が、電極３２－１、３２－２間に流す電流によって制御することが可能となる。

本実施の形態に係る光アンテナ５０は、各光分配器１０ＦがＳ字型の折り曲げ構造となっており、折り曲げ構造の一部に対向させて熱印加手段（加熱部）を配置して各グレーティングカプラに伝播させる光の位相を変調する構造となっているので、光アンテナを小型に構成することが可能となっている。さらに、上述したように光導波路同士の空間結合を用いずに直接導波路を分岐させることで製造誤差の影響が低減可能な構造となっている。

なお、本実施の形態では、各光分配器１０Ｆにおける分岐導波路として、形状パラメータ（Ｗｓ、θｓ、Ｙｓ）を同じとする分岐導波路を用いる形態を例示して説明したが、これに限られない。直列に接続される光分配器１０Ｆの損失を補償するように各分岐導波路の分岐比を変え、各グレーティングカプラ４２に同じ光パワー（電力）が伝播されるように構成してもよい。

また、各光分配器１０Ｆにおける分岐比を変えることにより、光アンテナ５０から出射される光パワーのプロファイルを調整することもできる。例えば、光アンテナ５０から放射されるビームに発生するサイドローブを極力低減することを目的に、光アンテナ５０の両端付近で光パワーが弱く、中央付近で光パワーが強い分布、例えば２次関数曲線で示される分布をもつように設定することができる。図８には、２次関数曲線で示される光パワーＩのプロファイルの一例を示している。

また、本実施の形態では位相を変調させる方法としてヒータ３０（抵抗体３４）を用いる形態を例示して説明したが、これに限られず、光導波路の部分的な箇所の屈折率を制御することが可能な構造であればいずれの方法を用いてもよい。

なお、上記各実施の形態では１つの屈曲導波路（例えば、図１（ａ）に示す屈曲導波路Ｃ１）から１つの分岐導波路（例えば、図１（ａ）に示す分岐導波路Ｂ１）が分岐する形態を例示して説明したが、これに限られず、１つの屈曲導波路から複数の分岐導波路が分岐する形態としてもよい。このような形態によれば、小型の１：Ｎカプラを構成することができる。

また、上記各実施の形態では入力部ＩＮに近い側の屈曲導波路（例えば、図１（ａ）に示す屈曲導波路Ｃ１）に分岐導波路（例えば、図１（ａ）に示す分岐導波路Ｂ１）を設ける形態を例示して説明したが、これに限られず、出力部ＯＵＴ２に近い側の屈曲導波路（例えば、図１（ａ）に示す屈曲導波路Ｃ２）に分岐導波路を設ける形態としてもよい。このような形態によれば、光分配器の出力部を入力部と同じ側に配置することができる。

また、上記各実施の形態では２つの直線導波路の間に２つの屈曲導波路を配置する形態を例示して説明したが、これに限られず、１を含む任意の数の屈曲導波路を配置する形態としてもよい。例えば、２つの直線導波路の間に３つの屈曲導波路（あるいは一般に３以上の奇数個の屈曲導波路）を屈曲方向を異ならせて配置することにより、入力部ＩＮと出力部ＯＵＴ２を光分配器の同じ側に配置することができる。

１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆ、１０Ｆ－１、１０Ｆ－２、１０Ｆ－３、・・・、１０Ｆ－Ｎ 光分配器
１２ 基板
１４ クラッド
１６ コア
３０ ヒータ
３２－１、３２－２ 電極
３４ 抵抗体
４０ グレーティングカプラアレイ
４２、４２－１、４２－２、・・・、４２－Ｎ グレーティングカプラ
５０ 光アンテナ
６０ 光分配器アレイ
Ｂ１、Ｂ１Ａ 分岐導波路
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ２Ａ、Ｃ２Ｂ 屈曲導波路
ＣＧ 曲げ導波路
Ｓ１、Ｓ２ 直線導波路
ＩＮ 入力部
ＯＵＴ１、ＯＵＴ２ 出力部
Ｄ１～Ｄ３ 境界
Ｐ１、Ｐ５ 始点
Ｐ２、Ｐ４ 頂点
Ｐ３ 終点
Ｐｉｎ 入力光
Ｐｏｕｔ１、Ｐｏｕｔ２ 出力光
ｔ 接線
Ｗｓ 分岐端幅
Ｙｓ 分岐長
Ｐｓ 分岐点
Ｐｅ 終点
Ｗ１ 幅
Ｂｒ 分岐比
Ｔｒ 透過率
θｓ 接線角度

Claims (9)

1. 予め定められた方向に屈曲された屈曲部を含むとともに、一端が光が入力される入力部とされかつ他端が光が出力される第１の出力部とされた一定の幅を有する曲げ導波路と、
   前記屈曲部の内部の１点を分岐点とし、前記分岐点において前記屈曲部の幅より狭い幅を有する一端が前記入力部に入力された光を分岐光として分岐する分岐端とされるとともに、前記屈曲部の外部に位置する他端が前記分岐光を出力する第２の出力部とされ、前記分岐点が前記分岐端上の１点でありかつ前記分岐端が前記屈曲部に包含されるとともに、前記分岐点における光の導波方向に垂直な断面の中心を通る線の接線が、前記屈曲部の前記分岐点を通過する線であり、前記屈曲部の外周に沿った前記線の接線と共通となるようにして前記予め定められた方向とは逆方向に曲げられた分岐導波路と、を含み、
   予め定められた基準線と前記接線とのなす接線角度であり、前記分岐端の前記曲げ導波路に沿った移動によって変化する前記接線角度、および前記分岐端の幅の少なくとも１つによって、前記入力部に入力された入力光強度に対する前記第２の出力部から出力される出力光強度の比である分岐比を設定することが可能な
   光分配器。
2. 前記分岐導波路の光の導波方向に垂直な断面の中心を通る線の形状が第１の多項式で示される
   請求項１に記載の光分配器。
3. 前記第１の多項式はクロソイド曲線を示す多項式である
   請求項２に記載の光分配器。
4. 前記分岐導波路は、前記分岐端から前記第２の出力部にかけて幅が漸増しており、かつ漸増する幅が第２の多項式で示される幅となっている
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光分配器。
5. 前記屈曲部の光の導波方向に垂直な断面の中心を通る線の形状は、クロソイド曲線で示される形状となっている
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光分配器。
6. 前記屈曲部の曲げ方向内側の幅が、前記クロソイド曲線の始点から前記クロソイド曲線の中央部まで漸増し、前記クロソイド曲線の中央部から前記クロソイド曲線の終点まで漸減するように構成されている
   請求項５に記載の光分配器。
7. 前記曲げ導波路が窒化ケイ素で形成され、前記分岐導波路がケイ素または窒化ケイ素で形成され、前記曲げ導波路および分岐導波路の周囲を覆う二酸化ケイ素の層をさらに含む
   請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の光分配器。
8. 前記屈曲部が複数であり、前記曲げ導波路は、複数の前記屈曲部の隣接する屈曲部同士の屈曲方向が互いに反対でありかつ隣接する屈曲部同士の折り曲げ角が各々１８０度より大きくなるようにして前記複数の屈曲部が接続されて構成され、かつ前記分岐導波路は前記曲げ導波路の前記入力部を備える屈曲部に配置されている
   請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の光分配器。
9. 複数の請求項８に記載の光分配器と、
   前記第１の出力部および複数の前記第２の出力部の各々に接続された複数のアンテナ素子と、
   前記複数の光分配器の各々の前記分岐導波路が配置された屈曲部以外の前記屈曲部に対向して配置された加熱部と、
   を含む光アンテナ。

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