JP7100930B1 - 光合波器及び光合波方法 - Google Patents

Abstract

４種類以上の波長の光を合波することが可能な光合波器及び光合波方法を提供すること。複数の波長の光を合波可能な光合波器１であって、一対のメイン入射路１１０，１２０と、一対のメイン出射路１３０，１４０と、メイン入射路１１０，１２０及びメイン出射路１３０，１４０との間に配置され、メイン入射路１１０，１２０に入射した光を結合してメイン出射路１３０，１４０に出射するメイン結合器１５０と、を有する複数の結合部１０を備え、結合部１０の１つのメイン入射路１１０，１２０は、他の結合部１０のメイン出射路１３０，１４０と連結され、メイン結合器１５０のそれぞれは、他のメイン結合器１５０の少なくとも１つと異なる結合特性を有する。

Description

本発明は、光合波器及び光合波方法に関する。

従来、レーザー光を二次元的に走査させることで使用者に画像を視認させるレーザーディスプレイが知られている。レーザーディスプレイにおいては、一般的にＲ（赤色）光源、Ｇ（緑色）光源、及びＢ（青色）光源から照射される３色の可視光が互いに近接されて、画像表示部に伝送される。画像表示部は、伝送された光を二次元的に走査することで、投影対象に映像を投影する。例えば、特許文献１には、ＲＧＢの各色に対応するレーザー光を近接させて投影する光集積回路が開示されている。

特開２０１９－３５８７６号公報

ところで、特許文献１では、上記のように、ＲＧＢの３色の近接（合波）に限定される。これに対し、４色（４種類の波長）以上の光を合波することができれば好適である。

本発明は、上記従来の実状に鑑みてなされたものであり、４種類以上の波長の光を合波することが可能な光合波器及び光合波方法を提供することを目的とする。

本発明は、複数の波長の光を合波可能な光合波器であって、一対のメイン入射路と、一対のメイン出射路と、前記メイン入射路及び前記メイン出射路との間に配置され、前記メイン入射路に入射した光を結合して前記メイン出射路に出射するメイン結合器と、を有する複数の結合部を備え、前記結合部の１つの前記メイン入射路は、他の前記結合部の前記メイン出射路と連結され、前記メイン結合器のそれぞれは、他の前記メイン結合器の少なくとも１つと異なる結合特性を有する光合波器に関する。

また、前記複数の結合部を一組とする基準ユニットと、前記基準ユニットに接続可能なサブユニットと、を備え、前記サブユニットは、一対のサブ入射路と、一対のサブ出射路と、前記サブ入射路に入射した光を結合して前記サブ出射路に出射するサブ結合器と、を有し、前記サブ入射路は、前記メイン出射路に接続可能に構成され、前記サブ出射路は、前記メイン入射路に接続可能に構成されるのが好ましい。

また、前記サブ入射路は、他の前記サブユニットの前記サブ出射路に接続可能に構成されるのが好ましい。

また、前記サブ出射路は、他の前記サブユニットの前記サブ入射路に接続可能に構成されるのが好ましい。

また、前記基準ユニットは、３つの前記結合部を一組とし、第１の前記結合部の前記メイン出射路の他方は、第３の前記結合部の前記メイン入射路の一方に接続され、第２の前記結合部の前記メイン出射路の一方は、第３の前記結合部の前記メイン入射路の他方に接続され、第１の前記結合部の前記メイン結合器と、第２の前記結合部の前記メイン結合器と、第３の前記結合部の前記メイン結合器とは、異なる結合特性を有するのが好ましい。

また、第１の前記結合部の前記メイン入射路の一方には、前記基準ユニットに入射する複数の波長の光のうち最も波長の長い光及び次に波長の長い光のうちのいずれかが入射され、第２の前記結合部の前記メイン入射路の他方には、前記基準ユニットに入射する複数の波長の光のうち最も波長の長い光及び次に波長の長い光のうちのいずれかの残りが入射されるのが好ましい。

また、第１の前記結合部の前記メイン結合器は、第１の前記結合部の前記メイン入射路のいずれかに入射される光を他方の前記メイン出射路に出射する結合特性を有し、第２の前記結合部の前記メイン結合器は、第２の前記結合部の前記メイン入射路のいずれかに入射される光を一方の前記メイン出射路に出射する結合特性を有し、第３の前記結合部の前記メイン結合器は、第３の前記結合部の前記メイン入射路のいずれかに入射される光をいずれかの前記メイン出射路に出射する結合特性を有するのが好ましい。

また、前記サブユニットの前記サブ出射路の一方は、第１の前記結合部の他方の前記メイン入射路に接続され、前記サブユニットの前記サブ出射路の他方は、第２の前記結合部の一方の前記メイン入射路に接続されるのが好ましい。

また、前記サブユニットの前記サブ結合器は、一対の前記サブ入射路に入射された光を少なくとも一方の前記サブ出射路に出射する結合特性を有するのが好ましい。

また、前記サブユニットの前記サブ入射路の他方は、他の前記サブユニットの前記サブ出射路の一方に接続されるのが好ましい。

また、前記第３の結合部の前記メイン出射路の一方は、他の前記サブユニットの前記サブ入射路の他方に接続されるのが好ましい。

また、前記サブユニットの前記サブ結合器は、一対の前記サブ入射路に入射された光のうち少なくともいずれかを一対の前記サブ出射路に分割して出射する結合特性を有するのが好ましい。

また、本発明は、複数の波長の光を合波する光合波方法であって、第１の光の一部と第２の光とを合波して光を第１合波光として出力する第１合波光出力段階と、第１の光の他の一部と第３の光とを合波して第２合波光として出力する第２合波光出力段階と、前記第１合波光と第４の光とを合波して第３合波光として出力する第３合波光出力段階と、前記第２合波光と第３合波光とを合波して第４合波光として出力する第４合波光出力段階と、を備える光合波方法に関する。

また、前記第１の光の波長をλ１、前記第２の光の波長をλ２、前記第３の光の波長をλ３、前記第４の光の波長をλ４として、λ１＜λ２＜λ３＜λ４であるのが好ましい。

また、本発明は、複数の波長の光を合波する光合波方法であって、少なくとも２つの光を合波可能な結合部の出射路を他の結合部の入射路に接続段階を備える光合波方法に関する。

また、前記第１の光の波長をλ１、前記第２の光の波長をλ２、前記第３の光の波長をλ３、前記第４の光の波長をλ４として、λ１＜λ２＜λ３＜λ４であるのが好ましい。

本開示によれば、４種類以上の波長の光を合波することが可能な光合波器及び光合波方法を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る光合波器の結合部と入射される光との関係を示す概略図である。 第１実施形態の光合波器の結合部と入射される光との関係を示す概略図である。 第１実施形態の光合波器の構成を示す概略図である。 第１実施形態の光合波器の入射される光の波長と、結合特性との関係を示す概略図である。 第１実施形態の光合波器に入射される光の波長と合波効率とを示す表である。 第１実施形態の光合波器に入射される第１の光の通過したルートを示すイメージ図である。 第１実施形態の光合波器に入射される第２の光の通過したルートを示すイメージ図である。 第１実施形態の光合波器に入射される第３の光の通過したルートを示すイメージ図である。 第１の実施形態の光合波器に入射される第４の光の通過したルートを示すイメージ図である。 本発明の第２実施形態に係る光合波器の構成を示す概略図である。 第２実施形態の光合波器に入射される光の波長に対する結合特性を示す表である。 第２実施形態の光合波器に入射される光の波長と合波効率とを示す表である。 本発明の第３実施形態に係る光合波器の構成を示す概略図である。 第３実施形態の光合波器に入射される光の波長に対する結合特性を示す表である。 第３実施形態の光合波器に入射される光の波長と合波効率とを示す表である。

以下、本発明の各実施形態に係る光合波器１及び光合波方法について、図１から図１５を参照して説明する。
まず、各実施形態に係る光合波器１及び光合波方法の概要について説明する。

光合波器１は、例えば、複数の波長の光を合波可能な装置である。特に、光合波器１は、４つ以上の波長の異なる光を合波可能な装置である。光合波器１は、例えば、図１に示すような、一対のメイン入射路１１０，１２０と、一対のメイン出射路１３０，１４０と、メイン結合器１５０とを有する結合部１０を複数有する。光合波器１は、複数の結合部１０の組み合わせを用いて、複数の波長の光を合波する。光合波器１は、例えば、複数の結合部１０を組み合わせた構造を有する。

次に、結合部１０の構成について説明する。ここでは、結合部１０は、方向性結合器の場合を例に説明されるが、光を一対のメイン入射路から入射し、一対のメイン出射路から出射するものであれば、方向性結合器以外のどのようなものでも当てはまる。例えば、結合部１０は、方向性結合器以外の多モード干渉型結合器等必ずしも方向性結合器に限定されるものではなく、光を一対のメイン入射路１１０，１２０から入射し、一対のメイン出射路１３０，１４０から出射するものであればどのようなものであってもよい。方向性結合器とは、光導波路を２本接近して平行に配置した構造の結合器のことである。方向性結合器は、光導波路から漏れ出した光フィールドが隣の光導波路に達し、光が導波路に沿って伝搬するにつれて、隣の導波路に光が乗り移る、又は再度元の導波路に戻る現象を利用した光結合器である。

また、多モード干渉型結合器は、波長に比べて比較的広い幅の光導波路（多モード光導波路）からなり、その中を伝搬する光のモード数が多いことを利用して、この多モード光導波路に光入出射光導波路をつなげて光のスイッチングを行う結合器である。多モード光導波路は、単純な幅広の光導波路だけでなく、複数の光導波路からなる場合や導波路幅が伝搬方向で変化するもの等、様々な形状のものが存在する。

一対のメイン入射路１１０，１２０のそれぞれは、いわゆる導波路である。メイン入射路１１０，１２０は、例えば、単一モード導波路あるいは基本モードを主成分とする導波路であるのが好ましい。一対のメイン入射路１１０，１２０のそれぞれは、入射される光の伝送路として機能する。本実施形態において、一対のメイン入射路１１０，１２０は、入射口から伝送方向に沿って互いの間隔が小さくなるように接近し、もっとも代表的な例は、互いに近接する方向に湾曲する形状で接近するものである。

一対のメイン出射路１３０，１４０のそれぞれは、いわゆる導波路である。一対のメイン出射路１３０，１４０のそれぞれは、出射される光の伝送路として機能する。本実施形態において、一対のメイン出射路１３０，１４０は、出射口に向かう伝送方向に沿って互いの間隔が大きくなるように離間し、もっとも代表的な例は、互いに近接する方向に湾曲する形状で離間するものである。

メイン結合器１５０は、メイン入射路１１０，１２０に沿って入射された光を実際に合波する合波器である。メイン結合器１５０は、メイン入射路１１０，１２０及びメイン出射路１３０，１４０の間に配置され、メイン入射路１１０，１２０に入射した光を結合してメイン出射路１３０，１４０に出射する。メイン結合器１５０は、所定の結合特性を有する。メイン結合器１５０は、例えば、図１に示すように、所定の波長λの光について、一方のメイン入射路１１０に入射された光のほぼ全てについて、他方のメイン出射路１４０に出射する結合特性を有する。この結合特性となるメイン結合器１５０の長さ（結合長）について、本実施形態では所定の波長に対する「完全結合長」という。また、図２に示すように、メイン結合器１５０は、完全結合長の２倍の長さである場合に、一方のメイン入射路１１０に入射された所定の波長λの光のほぼ全てについて、一方のメイン出射路１３０に出射する結合特性を有する。なお、図２の場合、一方のメイン入射路１１０に入射された波長λの光は、メイン結合器１５０において、一旦、他方のメイン出射路１４０に移った後一方のメイン出射路１３０に移るように伝送される。メイン結合器１５０の長さが３Ｌである場合、一方のメイン入射路１１０に入射された波長λの光は、メイン結合器１５０において、一旦、他方のメイン出射路１４０に移った後一方のメイン出射路１３０に移り、再度他方のメイン出射路１４０に移るように伝送される。このように、入射された光は、波長λによって決まる完全結合長と、メイン結合器１５０の長さとによって、一対のメイン出射路１３０，１４０の両方又はいずれか一方から出射する。

ここで、結合部１０の１つのメイン入射路１１０，１２０は、他の結合部１０のメイン出射路１３０，１４０と接続される。これにより、１つの結合部１０に入射された光は、１又は複数の結合部１０を経由して、最終的に、１つのメイン出射路１３０，１４０から出射される。

以下の実施形態では、３つの結合部１０を所定の組み合わせで接続したものを基準ユニット１００として説明する。また、基準ユニット１００に着脱自在に構成される結合部１０をサブユニット２１として説明する。そして、以下の実施形態では、基準ユニット１００に対してサブユニット２１の接続の組み合わせを変更することにより、種々の波長の光を合波可能にする。

［第１実施形態］
次に、本発明の第１実施形態に係る光合波器１及び光合波方法について、図１から図９を参照して説明する。
光合波器１は、図３に示すように、基準ユニット１００と、サブユニット２１と、を備える。本実施形態において、光合波器１は、第１の光（波長λ１）、第２の光（波長λ２）、第３の光（波長λ３）、及び第４の光（波長λ４）の４つの光を合波する。ここで、４つの光の波長の関係は、λ１＜λ２＜λ３＜λ４である。また、以下の説明において、一対のメイン入射路１１０，１２０及び一対のメイン出射路１３０，１４０について、図３に示す光合波器１のうち、紙面上方側に位置する側を「一方」、紙面下方側に位置する側を「他方」として説明する。

基準ユニット１００は、複数の結合部１０を一組とする。本実施形態において、基準ユニット１００は、図３に示すように、３つの結合部１０を一組とする。具体的には、基準ユニット１００は、第１の結合部１１と、第２の結合部１２と、第３の結合部１３と、を備える。

第１の結合部１１は、一対のメイン入射路１１１，１２１の一方に、第３の光を入射可能に構成される。第１の結合部１１のメイン結合器１５１は、第１の結合部１１のメイン入射路１２１に入射される光を他方のメイン出射路１４１に出射する結合特性を有する。具体的には、第１の結合部１１のメイン結合器１５１は、図４に示すように、第３の光の完全結合長であるＬ／２の長さを有する。ここで、Ｌは、第２の光の波長λ２に対する完全結合長である。第１の結合部１１のメイン出射路１３１，１４１の他方は、後述する第３の結合部１３のメイン入射路１１３，１２３の一方に接続される。具体的には、メイン出射路１３１，１４１のうち、メイン結合器１５１の長さ方向を境にして、第３の光が入射される第１の結合部１１のメイン入射路１２１と同じ側に配置されるメイン出射路１４１が、第３の結合部１３の一方のメイン入射路１１３に接続される。なお、第１の結合部１１の一方のメイン入射路１１１には、複数の光のうち、最も波長の長い光よりも次に長い波長の長い光（本実施形態では、第３の光）が入射される。

第２の結合部１２は、一対のメイン入射路１１２，１２２の他方に、第４の光を入射可能に構成される。第２の結合部１２のメイン結合器１５２は、第２の結合部１２のメイン入射路１１２，１２２に入射される光を一方のメイン出射路１３２に出射する結合特性を有する。具体的には、第２の結合部１２のメイン結合器１５２は、第４の光の完全結合長であるＬ／３の長さを有する。第２の結合部１２の一方のメイン出射路１３２は、後述する第３の結合部１３の他方のメイン入射路１２３に接続される。具体的には、メイン出射路１３２，１４２のうち、メイン結合器１５２の長さ方向を境にして、第４の光の入射されるメイン入射路１２２とは逆側に配置されるメイン出射路１３２が、第３の結合部１３の他方のメイン入射路１２３に接続される。なお、第２の結合部１２の他方のメイン入射路には、複数の光のうち、最も波長の長い波長の光（本実施形態では、第４の光）が入射される。

第３の結合部１３は、第１の結合部１１及び第２の結合部１２と接続される。具体的には、第３の結合部１３の一方のメイン入射路１１３は、第１の結合部１１の他方のメイン出射路１４１に接続される。また、第３の結合部１３の他方のメイン入射路１２３は、第２の結合部１２の一方のメイン出射路１３２に接続される。第３の結合部１３のメイン結合器１５３は、第３の結合部１３のメイン入射路１１３，１２３に入射される光を一方のメイン出射路１３３に出射する結合特性を有する。具体的には、第３の結合部１３のメイン結合器１５３は、第２の光の完全結合長であるＬの長さを有する。

サブユニット２１は、基準ユニット１００に接続可能に構成される。サブユニット２１は、一対のサブ入射路２１１，２２１と、一対のサブ出射路２３１，２４１と、サブ結合器２５１と、を備える。本実施形態において、サブユニット２１は、図３に示すように、１つ設けられる。また、本実施形態において、サブユニット２１は、第１の結合部１１及び第２の結合部１２に結合される。

一対のサブ入射路２１１，２２１のそれぞれは、いわゆる導波路である。一対のサブ入射路２１１，２２１のそれぞれは、入射される光の伝送路として機能する。本実施形態において、一対のサブ入射路２１１，２２１のそれぞれは、第１の光と、第２の光とを入射する。具体的には、サブ結合器２５１の長さ方向を境にして、第１の結合部１１の側に、第２の光が入射される。また、第２の結合部１２の側に第１の光が入射される。本実施例において、サブ出射路２３１，２４１は、メイン入射路１２１，１１２に接続可能に構成される。本実施形態において、一対のサブ入射路２１１，２２１は、入射口から伝送方向に沿って互いの間隔が小さくなるように接近し、もっとも代表的な例は、互いに近接する方向に湾曲する形状で接近するものである。

一対のサブ出射路２３１，２４１のそれぞれは、いわゆる導波路である。一対のサブ出射路２３１，２４１のそれぞれは、出射される光の伝送路として機能する。本実施形態において、一対のサブ出射路２３１，２４１は、出射口に向かう伝送方向に沿って互いの間隔が大きくなるように離間し、もっとも代表的な例は、互いに近接する方向に湾曲する形状で離間するものである。

以上のような光合波器１は、以下のように動作する。
まず、基準ユニット１００に対して、サブユニット２１が結合される。具体的には、図３に示すように、基準ユニット１００の第１の結合部１１の他方のメイン入射路１２１と、第２の結合部１２の一方のメイン入射路１１２とに対して、サブユニット２１の一対のサブ出射路２３１，２４１が結合される。

次いで、サブユニット２１の一対のサブ入射路のそれぞれに、第１の光（完全結合長２Ｌ）と、第２の光（完全結合長Ｌ）とが入射される。具体的には、他方のサブ入射路２２１に、第１の光が入射される。そして、一方のサブ入射路２１１に、第２の光が入射される。第１の光は、他方のサブ入射路２２１からサブ結合器２５１（結合長Ｌ）に入射される。第１の光は、サブ結合器２５１において、サブ出射路２３１，２４１に分割されて出射される。これにより、第１の光は、一対のサブ出射路２３１，２４１のそれぞれに分岐して出射される。一方、第２の光は、一方のサブ入射路２１１からサブ結合器２５１に入射される。第２の光は、サブ結合器２５１において、一方のサブ入射路２１１から他方のサブ出射路２４１に概ね乗り移る。これにより、第２の光は、他方のサブ出射路２４１から概ね出射される。すなわち、一方のサブ出射路２３１には、分割された光量を有する第１の光が出射される。そして、他方のサブ出射路２４１には、分割された光量を有する第１の光と、第２の光との合波光（以下、第１合波光ともいう）が出射される。

また、第３の光（完全結合長Ｌ／２）が第１の結合部１１の一方のメイン入射路１１１に入射される。そして、一方のサブ出射路２３１に出射された第１の光が第１の結合部１１の他方のメイン入射路１２１に入射される。第３の光は、一方のメイン入射路１１１からメイン結合器１５１（結合長Ｌ／２）に入射される。また、他方のメイン入射路１２１に入射された第１の光は、メイン結合器１５１に入射される。第３の光は、メイン結合器１５１において、一方のメイン入射路１１１から他方のメイン出射路１４１に概ね乗り移る。これにより、第３の光は、他方のメイン出射路１４１から概ね出射される。一方、第１の光は、メイン結合器１５１において、一方のメイン出射路１３１にほとんど乗り移りせずに、他方のメイン出射路１４１に出射される。これにより、他方のメイン出射路１４１には、第１の光と第３の光との合波光（以下、第２合波光ともいう）が出射される。

また、第４の光（完全結合長Ｌ／３）が第２の結合部１２の他方のメイン入射路１２２に入射される。そして、他方のサブ出射路２４１に出射された第１合波光（第１の光及び第２の光）が一方のメイン入射路１１２に入射される。第４の光は、他方のメイン入射路１２２からメイン結合器１５２（結合長Ｌ／３）に入射される。また、第１合波光は、一方のメイン入射路１１２からメイン結合器１５２に入射される。第４の光は、メイン結合器１５２において、他方のメイン入射路１２２から一方のメイン出射路１３２に概ね乗り移る。これにより、第４の光は、一方のメイン出射路１３２に概ね出射される。一方、第１合波光は、一方のメイン入射路１１２からメイン結合器１５２に入射される。第１合波光は、メイン結合器１５２において、他方のメイン出射路１４２にほとんど乗り移りせずに、一方のメイン出射路１３２に出射される。これにより、一方のメイン出射路１３２には、第４の光と第１合波光との合波光（以下、第３合波光ともいう）が出射される。

そして、第２合波光が他方のメイン出射路１４１から第３の結合部１３の一方のメイン入射路１１３に入射する。また、第３合波光が一方のメイン出射路１３２から第３結合部の他方のメイン入射路１２３に入射する。第２合波光は、一方のメイン入射路１１３からメイン結合器１５３（結合長Ｌ）に入射される。第３合波光は、他方のメイン入射路１２３からメイン結合器１５３に入射される。

第２合波光及び第３合波光に含まれる第１の光は、メイン結合器１５３において１つの光に再度合波される。そして、合波された第１の光は、一方のメイン出射路１３３に出射される。ここで、第１の光は、サブユニット２１において一対のサブ出射路２３１，２４１に分岐されるが、このとき、それぞれは位相が９０°ずれて出射される。そして、第３の結合部１３において結合される際に、第１の光は、位相が９０°ずれたまま結合部１３に入射する。その結果、第１の光は、結合部１３を伝搬して、光結合器の場合、光結合器の偶モードと奇モードの位相差が９０°ずれたときに、一方のメイン出射路１３３側に乗り移り、一方のメイン出射路１３３から出射される。

第３合波光に含まれる第２の光は、メイン結合器１５３において、他方のメイン入射路１２３から一方のメイン出射路１３３に概ね乗り移る。これにより、第２の光は、一方のメイン出射路１３３から出射される。

第２合波光に含まれる第３の光は、メイン結合器１５３において、一方のメイン入射路１１３から他方のメイン出射路１４３にほとんど乗り移りせずに、あるいはメイン結合器１５３中で乗り移っても最終的には元に戻って、一方のメイン出射路１３３に出射される。

第３合波光に含まれる第４の光は、メイン結合器１５３において、他方のメイン入射路１２３から一方のメイン出射路１３３に概ね乗り移る。これにより、第２の光は、一方のメイン出射路１３３から出射される。以上により、第１の光、第２の光、第３の光、及び第４の光が合波されて、第４合波光として一方のメイン出射路１３３から出射される。

次に、光合波方法について説明する。
光合波方法は、第１合波光出力段階と、第２合波光出力段階と、第３合波光出力段階と、第４合波光出力段階と、を備える。

第１合波光出力段階は、第１の光の一部と、第２の光とを合波して第１合波光として出力する。第１合波光は、具体的には、サブユニット２１の他方のサブ出射路２４１への出射光である。なお、本実施形態において、第１合波光出力段階は、第１合波光とは別に、第１の光の他の一部について、一方のサブ出射路２３１に出射する。

第２合波光出力段階は、第１の光の他の一部と第３の光とを合波して第２合波光として出力する。具体的には、第２合波光出力段階は、一方のサブ出射路２３１に出射された第１の光と、第３の光とを合波して第２合波光として出力する。第２合波光は、第１の結合部１１の他方のメイン出射路１４１への出射光となる。

第３合波光出力段階は、第１合波光と第４の光とを合波して第３合波光として出力する。第３合波光は、第２の結合部１２の一方のメイン出射路１３２への出射光となる。

第４合波光出力段階は、出力された第２合波光と第３合波光とを合波して第４合波光として出力する。第４合波光は、具体的には、第３の結合部１３の一方のメイン出射路１３３への出射光である。第４合波光は、４つの光が合波された光となる。

［実施例１］
次に、本実施形態の実施例１を説明する。
図５に示すように、λ１＝４５０ｎｍ、λ２＝５２０ｎｍ、λ３＝６３５ｎｍ、λ４＝７２０ｎｍとした。その結果、第３の結合部１３の一方のメイン出射路１３３から出射された合波光の合波効率について、λ１は９６．１％、λ２は９２．８％、λ３は９８．０％、λ４は９９．９％であった。

その結果、第１の光は、図６に示すように、サブユニット２１において、他方のサブ入射路２２１から入射して、一対のサブ出射路２３１，２４１のそれぞれに出射する。その後、第１の光は、第１の結合部１１において、他方のメイン入射路１２１から入射して、他方のメイン出射路１４１から出射した。また、第１の光は、第２の結合部１２において、一方のメイン入射路１１２から入射して、一方のメイン出射路１３２から出射した。そして、第１の光は、第３の結合部１３において、一対のメイン入射路１１３，１２３から入射して、一方のメイン出射路１３３から出射した。

第２の光は、図７に示すように、サブユニット２１において、一方のサブ入射路２１１から入射して、他方のサブ出射路２４１から出射した。第２の光は、第２の結合部１２において、一方のメイン入射路１１２から入射して、一方のメイン出射路１３２から出射した。第２の光は、第３の結合部１３において、他方のメイン入射路１２３から入射して、一方のメイン出射路１３３から出射した。

第３の光は、図８に示すように、第１の結合部１１において、一方のメイン入射路１１１から入射して、他方のメイン出射路１４１から出射した。第３の光は、第３の結合部１３において、一方のメイン入射路１１３から入射して、一方のメイン出射路１３３から出射した。

第４の光は、図９に示すように、第２の結合部１２において、他方のメイン入射路１２２から入射して、一方のサブ出射路１３２から出射した。第４の光は、第３の結合部１３において、他方のメイン入射路１２３から入射して、一方のメイン出射路１３３から出射した。
これにより、第１の光、第２の光、第３の光、及び第４の光が第３の結合部１３の一方のメイン出射路１３３から出射することがわかった。

以上、本実施形態に係る光合波器１及び光合波方法によれば、以下の効果を奏する。
（１）複数の波長の光を合波可能な光合波器１であって、一対のメイン入射路１１０，１２０と、一対のメイン出射路１３０，１４０と、メイン入射路１１０，１２０及びメイン出射路１３０，１４０との間に配置され、メイン入射路１１０，１２０に入射した光を結合してメイン出射路１３０，１４０に出射するメイン結合器１５０と、を有する複数の結合部１０を備え、結合部１０の１つのメイン入射路１１０，１２０は、他の結合部１０のメイン出射路１３０，１４０と連結され、メイン結合器１５０のそれぞれは、他のメイン結合器１５０の少なくとも１つと異なる結合特性を有する。これにより、複数の結合部１０を通して合波される光は、いずれかの結合部１０のメイン出射路１３０，１４０のいずれかにまとめて出力し得る。したがって、４つ以上の複数の光を容易に合波することができる。特に、複数の結合部１０の結合関係を変化させることにより、入力される波長に対して柔軟に対応可能な光合波器１を提供することができる。

（２）複数の結合部１０を一組とする基準ユニット１００と、基準ユニット１００に接続可能なサブユニット２１と、を備え、サブユニット２１は、一対のサブ入射路２１１，２２１と、一対のサブ出射路２３１，２４１と、サブ入射路２１１，２２１に入射した光を結合してサブ出射路２３１，２４１に出射するサブ結合器２５１と、を有し、サブ出射路２３１，２４１は、メイン入射路１１０，１２０に接続可能に構成される。これにより、基準ユニット１００に対してサブユニット２１を自由に組み替えて接続することにより、入射される光と合波された光の出射位置を適宜制御することができる。したがって、光合波器１の柔軟性を向上することができる。

（３）基準ユニット１００は、３つの結合部１０を一組とし、第１の結合部１１のメイン出射路１３１，１４１の他方は、第３の結合部１３のメイン入射路１１３，１２３の一方に接続され、第２の結合部１２のメイン出射路１３２，１４２の一方は、第３の結合部１３のメイン入射路１１３，１２３の他方に接続され、第１の結合部１１のメイン結合器１５１と、第２の結合部１２のメイン結合器１５２と、第３の結合部１３のメイン結合器１５３とは、異なる結合特性を有する。これにより、波長の異なる複数の光について、それぞれの結合部１０における出射位置をある程度限定することができる。したがって、基準ユニット１００を元に、複数のサブユニット２１を接続して調整することにより、様々な波長の光を合波することができる。

（４）第１の結合部１１のメイン結合器１５１は、第１の結合部１１のメイン入射路１１１，１２１のいずれかに入射される光をメイン出射路１３１，１４１の他方に出射する結合特性を有し、第２の結合部１２のメイン結合器１５２は、第２の結合部１２のメイン入射路１１２，１２２のいずれかに入射される光をメイン出射路１３２，１４２の一方に出射する結合特性を有し、第３の結合部１３のメイン結合器１５３は、第３の結合部１３のメイン入射路１１３，１２３のいずれかに入射される光をいずれかのメイン出射路１３３，１４３に出射する結合特性を有する。これにより、基準ユニット１００から出射される光を第３の結合部１３のメイン出射路１３３，１４３のいずれかにまとめて出力することができる。

（５）サブユニット２１のサブ出射路２３１，２４１の一方は、第１の結合部１１の他方のメイン入射路１２１に接続され、サブユニット２１の他方のサブ出射路２４１は、第２の結合部１２の一方のメイン入射路１１２に接続される。これにより、４つの入射される光を好適に合波することができる。

（６）サブユニット２１のサブ結合器２５１は、一対のサブ入射路２１１，２２１に入射された光を少なくとも一方のサブ出射路２３１，２４１に出射する結合特性を有する。これにより、サブユニットに入射された光について、基準ユニット１００に入射される前に、好ましい状態に変更することができる。

（７）サブユニット２１のサブ結合器２５１は、一対のサブ入射路２１１，２２１に入射された光の少なくともいずれかを一対のサブ出射路２３１，２４１に分割して出射する結合特性を有する。

（８）複数の波長の光を合波する光合波方法であって、第１の光の一部と第２の光とを合波して光を第１合波光として出力する第１合波光出力段階と、第１の光の他の一部と第３の光とを合波して第２合波光として出力する第２合波光出力段階と、第１合波光と第４の光とを合波して第３合波光として出力する第３合波光出力段階と、第２合波光と第３合波光とを合波して第４合波光として出力する第４合波光出力段階と、を備える。これにより、４以上の波長の光を容易に合波することができる。

（９）第１の光の波長をλ１、第２の光の波長をλ２、第３の光の波長をλ３、第４の光の波長をλ４として、λ１＜λ２＜λ３＜λ４である。これにより、４以上の波長の光を好適に合波することができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る光合波器１及び光合波方法について、図１０から図１２を参照して説明する。第２実施形態の説明にあたって、前述の実施形態と同一の構成要件については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
第２実施形態に係る光合波器１及び光合波方法は、５つの光を合波する点で第１実施形態と異なる。第２実施形態に係る光合波器１及び光合波方法は、図１０に示すように、１つの基準ユニット１００及び１つのサブユニット２１に対して、さらなるサブユニット２２を接続している点で、第１実施形態と異なる。

また、第２実施形態に係る光合波器１及び光合波方法は、図１１に示すように、第１の光の波長をλ１、第２の光の波長をλ２、第３の光の波長をλ３、第４の光の波長をλ４、第５の光の波長をλ５とする点で第１実施形態と異なる。

また、第２実施形態に係る光合波器１及び光合波方法は、それぞれの光の完全結合長が、２Ｌ、Ｌ、Ｌ／２、Ｌ／３、及びＬ／４である点で第１実施形態と異なる。また、第２実施形態に係る光合波器１及び光合波方法は、λ１＜λ２＜λ３＜λ４＜λ５である点で、第１実施形態と異なる。

光合波器１は、図１０に示すように、第１の実施形態の光合波器１に対して、さらなるサブユニット（以下、第２のサブユニット２２とする）を接続した構成を有する。具体的には、光合波器１は、第１の実施形態のサブユニット（以下、第１のサブユニット２１とする）の一方のサブ入射路２１１に、他のサブユニット（第２のサブユニット２２）の他方のサブ出射路２４２を接続した構成を有する。換言すると、第２のサブユニット２２のサブ出射路２３２，２４２の他方は、他のサブユニット（第１のサブユニット２１）のサブ入射路２１１，２２１の一方に接続可能に構成される。また、第２実施形態に係る光合波器１及び光合波方法では、第１の結合部１１の一方のメイン入射路１１１に、第５の光が入射される。また、第２の結合部１２の他方のメイン入射路１２２に、第４の光が入射される。そして、第２実施形態に係る光合波器１及び光合波方法は、第１の結合部１１の完全結合長がＬ／４であり、第２の結合部１２の完全結合長がＬ／３である点で第１実施形態と異なる。すなわち、第１の結合部１１及び第２の結合部１２のそれぞれは、第１の結合部１１及び第２の結合部１２に直接入力される第５の光及び第４の光の完全結合長を有する。

第２のサブユニット２２は、完全結合長Ｌのサブ結合器２５２を有する。すなわち、第２のサブユニット２２は、第１のサブユニット２１と同じ構成を有する。第２のサブユニット２２の一方のサブ入射路２１２には、第２の光が入射される。第２のサブユニット２２の他方のサブ入射路２２２には、第３の光が入射される。

次に、本実施形態の光合波器１の動作を説明する。
第１の光は、第１実施形態と同様に入射及び出射される。

第２の光は、第２のサブユニット２２において、他方のサブ出射路２４２から出射する。第２の光に関するその後の流れは、第１の実施形態と同様である。

第３の光は、第２のサブユニット２２において、他方のサブ出射路２４２から出射する。次いで、第３の光は、第１のサブユニット２１において、一方のサブ入射路２１１から入射して、一方のサブ出射路２３１から出射する。第３の光は、第１の結合部１１の他方のメイン入射路１２１から入射して、他方のメイン出射路１４１から出射する。第３の光は、第３の結合部１３の一方のメイン入射路１１３から入射して、一方のメイン出射路１３３から出射する。

第４の光は、第２の結合部１２の他方のメイン入射路１２２から入射して、一方のメイン出射路１３２から出射する。第４の光は、第３の結合部１３の他方のメイン入射路１２３から入射して、一方のメイン出射路１３３から出射する。

第５の光は、第１の結合部１１の一方のメイン入射路１１１から入射して、他方のメイン出射路１４１から出射する。第５の光は、第３の結合部１３の一方のメイン入射路１１３から入射して、一方のメイン出射路１３３から出射する。

［実施例２］
図１２に示すように、λ１＝４５０ｎｍ、λ２＝５２０ｎｍ、λ３＝６３５ｎｍ、λ４＝７２０ｎｍ、λ５＝８４０ｎｍとした。その結果、合波効率は、それぞれ、９７．７％、９１．６％、８７．３％、９９．８％、９６．８％となり、良好に合波できていることがわかった。

以上、本実施形態に係る光合波器１及び光合波方法によれば、以下の効果を奏する。
（１０）サブ入射路２１１，２２１の一方は、他のサブユニット２２のサブ出射路２３２，２４２の他方に接続可能に構成される。これにより、サブユニット２１を複数組み合わせることにより、複数の波長の光を柔軟に合波することができる。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態に係る光合波器１及び光合波方法について、図１３から図１５を参照して説明する。第３実施形態の説明にあたって、前述の実施形態と同一の構成要件については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
第３実施形態に係る光合波器１及び光合波方法は、５つの光を合波する点で第１実施形態と異なる。第３実施形態に係る光合波器１及び光合波方法は、図１３に示すように、１つの基準ユニット１００及び１つのサブユニット２１に対して、さらなるサブユニット２３を接続している点で、第１実施形態と異なる。

また、第３実施形態に係る光合波器１及び光合波方法は、図１４に示すように、第１の光の波長をλ１、第２の光の波長をλ２、第３の光の波長をλ３、第４の光の波長をλ４、第５の光の波長をλ５とする点で第１実施形態と異なる。

また、第３実施形態に係る光合波器１及び光合波方法は、それぞれの光の完全結合長が、２Ｌ、Ｌ、Ｌ／２、Ｌ／３、及びＬ／６である点で第１及び第２実施形態と異なる。また、第３実施形態に係る光合波器１及び光合波方法は、λ１＜λ２＜λ３＜λ４＜λ５である点で、第１実施形態と異なる。また、第３実施形態に係る光合波器１及び光合波方法では、第３のサブユニット２３の他方のサブ入射路２２３が、第３の結合部１３のメイン出射路１３３，１３４の一方に接続される点で第１及び第２実施形態と異なる。そして、第３のサブユニット２３の一方のサブ入射路２１３に第５の光が入射される点で、第１実施形態と異なる。第３のサブユニット２３は、Ｌ／６となる完全結合長を有する。

第３のサブユニット２３は、完全結合長Ｌ／６のサブ結合器を有する。第３のサブユニット２３の一方のサブ入射路２１３には、第５の光が入射される。また、第３のサブユニット２３の他方のサブ入射路２２３には、第３の結合部１３の一方のメイン出射路１３３が接続される。

次に、本実施形態に係る光合波器１の動作を説明する。
第１の光から第４の光の入射及び出射の関係は、第３の結合部１３の一方のメイン出射路１３３から出射されるまでは、第１の実施形態と同様である。第１の光から第４の光は、第３のサブユニット２３の他方のサブ入射路２２３に入射され、他方のサブ出射路２４３から出射される。

第５の光は、第３のサブユニットの一方のサブ入射路２１３に入射され、他方のサブ出射路２４３から出射される。これにより、第１から第５の光は合波される。

［実施例３］
図１５に示すように、λ１＝４５０ｎｍ、λ２＝５２０ｎｍ、λ３＝６３５ｎｍ、λ４＝７２０ｎｍ、λ５＝９６０ｎｍとした。その結果、合波効率は、それぞれ、９６．１％、９２．７％、９７．６％、９４．８％、９５．９％となり、良好に合波できていることがわかった。

以上、本発明の光合波器及び光合波方法の好ましい各実施形態につき説明したが、本開示は、上述の実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。
例えば、上記実施形態において、完全結合長は、メイン結合器１５０及びサブ結合器２５１の長さを変更することで実施されるとしたが、これに制限されない。完全結合長は、２つの導波路の間の間隔を変更することで実現されてもよい。また、完全結合長は、導波路の太さを変更することで実現されてもよい。

また、上記実施形態において、サブユニット２１の数は１つ又は２つに限定されず、さらに多くのサブユニット２１が用いられてもよい。この場合、入力される光の波長に応じて、種々の完全結合長を有するサブユニット２１を組み合わせてもよい。

また、上記実施形態において、光結合方法は、少なくとも２つの光を合波可能な結合部１０の出射路を他の結合部１０の入射路に接続段階を備えてもよい。これにより、合波する光の数及び光の波長に応じて、様々な結合器を柔軟に結合して光を合波することができる。

１ 光合波器
１０ 結合部
１１ 第１の結合部
１２ 第２の結合部
１３ 第３の結合部
２１、２２、３４ サブユニット
１００ 基準ユニット
１１０、１１１、１１２、１１３、１２０、１２１、１２２、１２３ メイン入射路
１３０、１３１、１３２、１３３、１４０、１４１、１４２、１４３ メイン出射路
１５０、１５１、１５２、１５３ メイン結合器
２１１、２２１、２１２、２２２、２１３、２２３ サブ入射路
２３１、２４１、２３２、２４２、２３３、２４３ サブ出射路
２５１ サブ結合器

Claims (9)

1. 複数の波長の光を合波可能な光合波器であって、
   光合波器は、一対の入射路と、一対の出射路と、前記入射路及び前記出射路との間に配置され、前記入射路に入射した光を結合して前記出射路に出射する結合器を有する結合部を４つ備え、
   前記結合部の１つの前記入射路は、他の前記結合部の前記出射路と連結され、
   第１の前記結合部の前記出射路の他方は、第３の前記結合部の前記入射路の一方に接続され、
   第２の前記結合部の前記出射路の一方は、第３の前記結合部の前記入射路の他方に接続され、
   第４の前記結合部の前記出射路の一方は、第１の前記結合部の前記入射路の他方に接続され、
   第４の前記結合部の前記出射路の他方は、第２の前記結合部の前記入射路の一方に接続され、
   第１の前記結合部の前記結合器は、第１の前記結合部の前記入射路のいずれかに入射される光を他方の前記出射路に出射する結合特性を有し、
   第２の前記結合部の前記結合器は、第２の前記結合部の前記入射路のいずれかに入射される光を一方の前記出射路に出射する結合特性を有し、
   第３の前記結合部の前記結合器は、第３の前記結合部の前記入射路のいずれかに入射される光を一方の前記出射路に出射する結合特性を有し、
   第４の前記結合部の前記結合器は、第４の前記結合部の前記入射路のいずれかに入射される光をいずれかの前記出射路に出射するとともに、第４の一対の前記入射路に入射された光のうち少なくともいずれかを第４の一対の前記出射路に分割して出射する結合特性を有する光合波器。
2. 第１の前記結合部の前記入射路の一方には、入射する複数の波長の光のうち最も波長の長い光及び次に波長の長い光のうちのいずれかが入射され、
   第２の前記結合部の前記入射路の他方には、入射する複数の波長の光のうち最も波長の長い光及び次に波長の長い光のうちのいずれかの残りが入射される請求項１に記載の光合波器。
3. 前記第４の前記結合部の前記入射路の一方には、第２の光が入射され、
   前記第４の前記結合部の前記入射路の他方には、第１の光が入射され、
   前記第４の前記結合部の前記出射路の一方には、第１の光が出射され、
   前記第４の前記結合部の前記出射路の他方には、第１の光及び第２の光を合波した第１合波光が出力され、
   前記第１の前記結合部の前記入射路の一方には、第３の光が入射され、
   前記第１の前記結合部の前記入射路の他方には、第１の光が入射され、
   前記第１の前記結合部の前記出射路の他方には、第１の光及び第３の光を合波した第２合波光が出力され、
   前記第２の前記結合部の前記入射路の一方には、第１合波光が入射され、
   前記第２の前記結合部の前記入射路の他方には、第４の光が入射され、
   前記第２の前記結合部の前記出射路の一方には、第４の光と第１合波光とを合波した第３合波光が出力され、
   前記第３の前記結合部の前記入射路の一方には、第２合波光が入射され、
   前記第３の前記結合部の前記入射路の他方には、第３合波光が入射され、
   前記第３の前記結合部の前記出射路の一方には、第２合波光と第３合波光とを合波した第４合波光が出力される請求項１又は２に記載の光合波器。
4. 前記結合部は、第５の前記結合部をさらに備え、
   第５の前記結合部の前記出射路の他方は、第４の前記結合部の前記入射路の一方に接続可能に構成される請求項１又は２に記載の光合波器。
5. 前記結合部は、第５の前記結合部をさらに備え、
   第３の前記結合部の前記出射路の一方は、第５の前記結合部の前記入射路の他方に接続される請求項１から３のいずれかに記載の光合波器。
6. 第５の前記結合部の前記結合器は、一対の前記入射路に入射された光を少なくとも一方の前記出射路に出射する結合特性を有する請求項４又は５に記載の光合波器。
7. 複数の波長の光を合波する光合波方法であって、
   第１の光の一部と第２の光とを合波した合波光を第１合波光として出力する第１合波光出力段階と、
   第１の光の他の一部と第３の光とを合波した合波光を第２合波光として出力する第２合波光出力段階と、
   前記第１合波光と第４の光とを合波した合波光を第３合波光として出力する第３合波光出力段階と、
   前記第２合波光と第３合波光とを合波して第４合波光として出力する第４合波光出力段階と、
   を備える光合波方法。
8. 前記第１の光の波長をλ１、前記第２の光の波長をλ２、前記第３の光の波長をλ３、前記第４の光の波長をλ４として、λ１＜λ２＜λ３＜λ４である請求項７に記載の光合波方法。
9. 光合波器は、一対の入射路と、一対の出射路と、前記入射路及び前記出射路との間に配置され、前記入射路に入射した光を結合して前記出射路に出射する結合器を有する結合部を４つ備え、
   前記結合部の１つの前記入射路は、他の前記結合部の前記出射路と連結され、
   第１の前記結合部の前記出射路の他方は、第３の前記結合部の前記入射路の一方に接続され、
   第２の前記結合部の前記出射路の一方は、第３の前記結合部の前記入射路の他方に接続され、
   第４の前記結合部の前記出射路の一方は、第１の前記結合部の前記入射路の他方に接続され、
   第４の前記結合部の前記出射路の他方は、第２の前記結合部の前記入射路の一方に接続され、
   第１の前記結合部の前記結合器と、第２の前記結合部の前記結合器と、第３の前記結合部の前記結合器とは、異なる結合特性を有する光合波器を用いて複数の波長の光を合波する光合波方法であって、
   第２の光が前記第４の前記結合部の前記入射路の一方に入射される段階と、
   第１の光が前記第４の前記結合部の前記入射路の他方に入射される段階と、
   第１の光が前記第４の前記結合部の前記出射路の一方に出射される段階と、
   第１の光及び第２の光を合波した第１合波光が前記第４の前記結合部の前記出射路の他方に出力される段階と、
   第３の光が前記第１の前記結合部の前記入射路の一方に入射される段階と、
   第１の光が前記第１の前記結合部の前記入射路の他方に入射される段階と、
   第１の光及び第３の光を合波した第２合波光が前記第１の前記結合部の前記出射路の他方に出力される段階と、
   第１合波光が前記第２の前記結合部の前記入射路の一方に入射される段階と、
   第４の光が前記第２の前記結合部の前記入射路の他方に入射される段階と、
   第４の光と第１合波光とを合波した第３合波光が前記第２の前記結合部の前記出射路の一方に出力される段階と、
   第２合波光が前記第３の前記結合部の前記入射路の一方に入射される段階と、
   第３合波光が前記第３の前記結合部の前記入射路の他方に入射される段階と、
   第２合波光と第３合波光とを合波した第４合波光が前記第３の前記結合部の前記出射路の一方に出力される段階と、
   を備える光合波方法。

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