JP7198769B2 - 平面光波回路の光学スプリッタ／ミキサ - Google Patents

Description

本発明は、平面光波回路用の、光損失が低い受動光カプラ／スプリッタに関する。本発明はさらに、低損失の光カプラを備える平面光波回路を形成する方法に関する。

平面光波回路（ＰＬＣ）技術は、既存及び新規の光アセンブリ機能をチップベースでのシリカ系導波路の光集積回路に集積化するための、主要な技術プラットフォームになってきている。たとえば、非特許文献１を参照されたい。光導波路技術の基礎及び平面光波回路の形成についての参考として、これを本明細書に援用する。Ｙ分岐導波路は、広範囲の光回路において重要な光集積回路素子である。Ｙ分岐導波路を使用して、単一の導波路からの光信号を別々の２つの導波路に分配し（「スプリッタ」）、又は、別々の経路に沿って伝搬してきた２つの光信号を（干渉原理に従って）再結合する（「結合器」）。Ｙ分岐導波路のこの１×２の性質が拡張されて、Ｙ分岐回路素子の集積済みカスケーディングによって、分割比又は結合比がさらに大きくなる。

電気信号の伝搬を含むのはワイヤなので、光導波路が光信号の伝搬を「含む」ことはない。導波路は単に、その経路に沿って、又はその経路の近くで光信号の伝搬に影響を及ぼす。一般に、導波路の構造は不完全なので、光信号の光の一部は単に、導波路から外れて伝搬することになる。これにより、誘導された光信号のエネルギーが減少し、信号の完全性が損なわれることになる。したがって、このような導波路回路素子を設計する上で重要な目的は、その過剰な損失が可能な限り少なくなることである。Ｙ分岐素子がカスケード接続されて、さらに大きいマニホルドを形成することが多いので、それぞれのＹ分岐でのほんのわずかな損失でも、望ましくない回路損失につながることがある。

光ネットワークは一般に、合理的な距離にわたって各波長の帯域を伝送するように設計された伝送構成部品を備える。各波長の帯域は一般に、複数の顧客／ユーザを対象とする信号を含む。したがって、単一の光ファイバを使用して、配信するために続いて分割される複数の信号を同時に伝送することができる。同様にして、経路指定及び／又は配信するための最終的な分割に先立って、個々の信号が結合されて、共通ライン上で伝送される。したがって、個々の帯域は、少数ユーザの集合を含む個々のユーザに関連する信号に対応する、比較的狭い波長範囲に分割され、多重化機能及び逆多重化機能を使用して、共通ラインでの結合済み信号と、経路指定及び／又は個々のユーザとのインターフェース用の個々の信号との間で変換することができる。平面光波回路は一般に、波長分割多重化に使用される数多くの光学機能とって効果的に使用される。

Ｋ．Ｏｋａｍｏｔｏ（２０１０）、「Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ」（Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ）

第１の態様では、本発明は、少なくとも１つの入力導波路セクション、少なくとも２つの出力導波路セクション、及び少なくとも１つの入力導波路セクションと少なくとも２つの出力導波路セクションとを光学的に接続する遷移導波路セクションを備える、平面導波路接合部に関する。遷移領域は、光路に沿って、ギャップありセグメントとギャップなしセグメントとを交互に含むことができる。ギャップありセグメントは、光学コアのギャップによって分離された少なくとも２つの出力導波路セクションに対応する光路導波路コア・セグメントに対して横方向であり、ギャップなしセクションは、ギャップありセグメントでのコアの横幅の総計の±２５％以内の全幅を有する、横方向の連続コアを有する。遷移セクションは、少なくとも３つのギャップありセグメントと、少なくとも３つのギャップなしセグメントとを含むことができる。

さらなる態様では、本発明は、ａ）入力導波路セクション、結合セクション、及び終端セクションを含む湾曲導波路、並びに、ｂ）結合セクションにおいてこの湾曲導波路に光学的に結合するように配置されたＹスプリッタを備える、光学ミキサに関する。Ｙスプリッタは、入力導波路セクション、遷移セクション、第１の出力セクション、及び第２の出力セクションを備えることができ、ここで、遷移セクションは、入力導波路セクションと、第１の出力導波路セクション及び第２の出力導波路セクションとを光学的に接続する。一般に、入力セクションは、ｗの初期幅から２ｗ＋ｇのテーパ幅までのテーパを有する。このテーパは、湾曲導波路でのゼロ次モードが入力導波路セクションでの１次モードに結合するように、湾曲導波路と光学的に結合するように構成することができ、遷移セクションは、光路に沿ってギャップありセグメントとギャップなしセグメントとを交互に含み、ギャップありセグメントは、光学コアでのギャップによって分離された２つの出力導波路セクションに対応する光路導波路コアに対して横方向であり、ギャップなしセグメントは、横方向の連続コアを有する。

光ミキサは、光信号出力を制御する方法において使用することができ、この方法は、２つの光信号を結合し、この結合光信号を遷移領域に送って、選択された光信号を２つの光信号の位相関係に基づいて第１の出力セクションと第２の出力セクションに送る。一般に、結合光信号を形成するには、第１の光信号がゼロ次モードにあり、第２の光信号が１次モードにあって、Ｙスプリッタの入力セクション内でこの２つの光信号の干渉をもたらして、結合光信号を形成する。この方法を使用して、可変光減衰、光スイッチング、又は偏光ビーム分割を実現することができる。偏光ビーム分割の実施形態については、第１の光信号の第１の偏光が、第２の光信号の対応する偏光に対して位相が１８０度ずれてミキサに到達し、第１の光信号の第２の偏光が、第２の光信号の対応する偏光に対して同相でミキサに到達する。

別の態様では、本発明は、入力導波路セクション、第１の出力導波路セクション、第２の出力導波路セクション、及び入力導波路セクションと出力導波路セクションとを接続する遷移導波路セクションを備える非対称の光接合に関し、第１の出力導波路セクションは、第２の出力セクションの対応する幅よりも少なくとも約１０％広い遷移セクションにおいて光路に垂直な幅を有する。一般に、遷移セクションは、光路に沿ってギャップありセグメントとギャップなしセグメントとを交互に含み、ギャップありセグメントは、光学コアでのギャップによって分離された２つの出力導波路セクションに対応する光路導波路コアに対して横方向であり、ギャップなしセグメントは、横方向の連続コアを有する。

平面構造体での理想的な１×２光学スプリッタのコアの上面図である。 単一の導波路から分割導波路への光強度の分割を示す、図１の理想的な１×２スプリッタの光場強度のシミュレーション・プロットである。 総合光強度に正規化された、図１の分割導波路のうちの１つでの導波路に沿った位置の関数としてのシミュレーションされた光学モード強度のプロットである。 鋭い先細のギャップが、このギャップに適合する縁部に置き換えられた、図１の理想的なスプリッタに対して実際に作製された近似のスプリッタのコアの上面図である。 図４の１×２スプリッタでの光場強度のシミュレーション・プロットである。 総合光強度に正規化された、図４の分割導波路のうちの１つでの導波路に沿った位置の関数としてのシミュレーションされた光学モード強度のプロットである。 光強度を分割しやすくするためのいくつかの追加構造を有する、図４のスプリッタ設計の一修正形態に基づいた改良型の光スプリッタの一実施形態のコアの上面図である。 図７の１×２スプリッタでの光場強度のシミュレーション・プロットである。 総合光強度に正規化された、図７のスプリッタ設計での導波路に沿った位置の関数としての光学モード強度のプロットである。 図４に示すような遷移領域が、拡大分離図の下面図に示す波状遷移セクションに置き換えられる、１×２光スプリッタの部分上面図である。 設計パラメータを示すためのマーキングを有する、図１０の下側切欠き部の波状遷移セクションの部分図である。 ギャップが横方向と縦方向の両方に成長する波状遷移部の一代替実施形態の部分図である。 接続セグメントが取り外されて、波状部を横切る長方形のギャップを形成する一代替構造を有する、単一の波状セクションの部分図である。 図１３の代替実施形態と対比するために各セクションがマーキングされた、図１０の構造を有する単一の波状セクションの部分図である。 波状遷移部を有する１×２光スプリッタを用いて得られる光信号の分割光場強度を示すシミュレーション・プロットである。 波状遷移部がはっきり見えるように、この波状遷移部を誇張したサイズで示してある、波状遷移部を有する１×２光スプリッタの上面図である。 図１５のシミュレーション用の１つの出力導波路に沿った位置の関数としての、光学モード強度のプロットである。 図４のスプリッタ（図５及び図６の結果）（１８Ａ）と、図７のスプリッタ（図８及び図９の結果）（１８Ｂ）と、図１６のスプリッタ（図１５及び図１７の結果）（１８Ｃ）とを並列比較するために概要を示した、シミュレーション光場強度プロット及びモード強度プロットを含む、１組のシミュレーション・データである。 図４のスプリッタ（１９Ａ）と、図７のスプリッタ（１９Ｂ）と、図１６のスプリッタ（１９Ｃ）との並列比較を用いて、分割導波路での光強度の各ピークへの分割を示す、位置の関数としての光振幅の１組のプロットである。 湾曲結合導波路でのゼロ次モードを、Ｙスプリッタの１次モードに結合するように構成された、指向性光カプラを形成する２つの入力導波路を備えた、波状遷移セクションを有する効果的な２×２カプラ／スプリッタの上面図である。 ゼロ次モードの光入力信号に基づく先に示した図と対比した、図４のスプリッタ（２１Ａ）と、図７のスプリッタ（２１Ｂ）と、図１６のスプリッタ（２１Ｃ）とを並列に比較するための１次モード入力光信号を用いて得られるシミュレーション光場強度プロット及びモード強度プロットを含む、１組のシミュレーション・データである。 ２つの出力導波路セクション間で約８０：２０まで分割するための、本明細書に記載の例示的なパラメータに概ね適した波状遷移セクションを有する、非対称Ｙスプリッタの上面図である。 出力導波路セクションが入力導波路セクションに対して下方にシフトされていて、主要な出力導波路セクションの縁部と、遷移セクションの縁部及び入力導波路セクションの端部の縁部とのおおよその位置合せを実現して、マイナーな出力導波路セクションに低タップ機能を提供する、非対称Ｙスプリッタの上面図である。 図２３の構造に対して出力導波路セクションがさらに下方にシフトされていて、波状遷移セクションに対応する変更を加えてタップへの結合を減少させる、非対称Ｙスプリッタの上面図である。 波状遷移セクションを有する１×３スプリッタの上面図である。 波状遷移セクションを有する２×３結合器の上面図である。

上記の装置図では、こうした図は、入力及び出力の導波路セクションが、平面光波回路（ＰＬＣ）構造体への集積を継続するという意味では、部分図とみなすことができる。一般に、いくつかの実施形態においては、導波路は、伝送向きのモードにおいて一定の幅に到達し続けるが、タップの実施形態向けの任意選択の例外を以下に説明する。

Ｎ個の入力導波路セクションとＭ個の出力導波路セクションとを接続し、分岐した導波路を接合する接合部の回りでの非理想的な挙動に起因する光損失を低減する遷移セクションを有する、性能改善された光カプラを説明する。この考察では、この設計を「波状（ｗａｇｇｌｅ）」導波路遷移と呼ぶ。「波状」の英語での定義には、「短い間隔で素早く左右に移動する」ことが含まれる。このカプラ構造では、２つ（以上）の別々の導波路が、遷移領域を含む比較的短い伝搬距離にわたって左右にうねっている。この遷移領域は、単一の拡張導波路など第１の導波路構造体と、２つの分割導波路など第２の導波路構造体との間にまたがっているが、代替の遷移部について以下でさらに説明する。その結果得られる構造体は、入力導波路の出力導波路への分割に起因する光損失の量が比較的少ないことが分かる。代替実施形態では、対応する波状遷移部は、非対称遷移部、１×３遷移部、２×３遷移部、又は他の遷移部用に使用することができる。波状遷移部は、特に光学タップの形成に効果的であることが分かっている。平面光波回路（ＰＬＣ）だけに、又は追加の光学構成部品とともに、スプリッタ／カプラを一体化することができる。構造体を形成するためのＰＬＣ処理技術を説明する。

本明細書に記載の各説明及び改良済みのスプリッタ／カプラは、非常に広範囲の導波路パラメータにわたって適用可能である。代表例は次のようになるはずである。すなわち、（ｉ）コアの屈折率が周囲の材料よりも１．５％高い。（ｉｉ）導波路の厚さが、おおよそ４ミクロンである。（ｉｉｉ）公称の導波路幅（テーパ前、又は分割後）が、おおよそ４ミクロンである。（ｉｖ）導波路間の形成可能な最小ギャップが、おおよそ２ミクロンである。話を先に進めて比較するために、石英ガラスの導波路に適したこうした例示的なパラメータが、考察、構成、及びシミュレーションの全体を通して使用されるが、本明細書で各教示に基づく各装置は、こうした例示的なパラメータに限定されない。当業者なら、比較的高い屈折率差、様々な光周波数での様々な導波路寸法、様々な光学材料、又は当技術分野で知られている他の設計上の問題点など、適した様々なパラメータに応じて各構造体を調整することができる。

理想化されたＹ分岐スプリッタ１００を図１に示す。伝搬方向に沿った長さ（この図では垂直方向）は、横幅（この図では水平方向）と比較してはるかに長く示すことになるので、図１の理想的なスプリッタの物理的レイアウトは正確な縮尺通りではない。理想化されたＹ分岐スプリッタ１００は、単一の導波路セクション１０２、遷移導波路セクション１０４、第１の分割導波路セクション１０６、及び第２の分割導波路セクション１０８を備える。この図では、底部から始まる単一の導波路セクションが、その幅の約２倍まで徐々に広くなり、次いで、ある一定の距離において徐々に分離する２つの導波路セクションに分割され、次いで、２つの導波路が十分に独立した後、さらに急速に分離する。分割導波路端部での遷移導波路セクション１０４の精密な境界線は、光学特性に基づいて選択することができ、精密に画定する必要はない。しかし、光信号が分割導波路に局在化していると、各導波路は分割導波路と適切にみなされる。この形状は文字「Ｙ」によく似ており、したがって一般にはＹ分岐スプリッタ（又は結合器）と呼ばれている。図２には、図１の理想的なＹ分岐構造体を通って下から上へ図に示した向きで光が伝搬する際の数値シミュレーションが示してある。このシミュレーション、及び本明細書において提示された対応する同様のシミュレーションは、よく知られた「ビーム伝搬法」（ＢＰＭ）に基づいている。図２には、電界強度が導波路のコアに沿って集中している様子が示してあり、信号が、遷移領域に沿って分割導波路にまで滑らかに遷移している。これには、理想的なＹ分岐が、光パワーを２つの分岐に効率的に等しく分割する様子が示してある。

図３のプロットには、数値シミュレーションから、個々の出力導波路に結合された入力パワーの計算済みの（１に正規化された）割合が示してある。分割前には出力導波路がないので、分割前の値はゼロである。出力導波路セクションが最初に分割を開始するとき、各セクション間に明確な分離は存在せず、短い距離ではこのパワーを正確に計算することができない。したがって、測定済み出力は、各導波路の０．５（５０％）の最大パワーを一時的に超える。導波路がさらに明確に分離されると、パワー測定値は、シミュレーションされている値を正確に反映する。分割された導波路が識別可能になると、理想的なスプリッタの各出力アームの光強度が、理論上最大の５０％に実質的に等しくなり、したがって、このスプリッタは「理想的である」と識別される。

ＰＬＣ技術が受動光集積回路の主要な商業技術となってきたという数多くの実際の理由があるが、実際の製造技法を使用すると、ＰＬＣ技術では図１に示すような理想的なスプリッタを作製することができない。この理由は、導波路が、幅とほぼ同じ深さをもつ３次元構造体であるということである。したがって、導波路が最初に分離し始める各導波路間に、鋭く先細りする深くて狭いギャップを正確に作製することは不可能である。実際の製造技法を使用するＰＬＣ導波路設計では、各導波路間に「最小ギャップ」が必要となり、したがって、Ｙ分岐においては、出力導波路が開始できる前に、この出力導波路と最小ギャップの両方と同じ幅になるまで単一の導波路をさらに拡張する必要がある。理想的なスプリッタから改変された実際のＹ分岐スプリッタ１２０が図４に示してあり、その結果得られる導波路レイアウトは、実現可能なギャップを各導波路間に有する。Ｙ分岐スプリッタ１２０は、入力導波路セクション１２２、遷移導波路セクション１２４、第１の分割導波路セグメント１２６、及び第２の分割導波路セクション１２８を備える。遷移導波路セクションは、幅が２ｗである点において入力導波路セクション１２２の側部にマークされた縁部を有し、ここで、ｗは名目上の長距離導波路幅である。やはり、各信号が個々の導波路に良好に局所化していると、各導波路が分割されていると考えることが適切であることを除いて、分割導波路セクションに向かう遷移導波路セクション１２４の縁部は特に重要ではない。有限のギャップは、図４に「ｇ」とマークされている。

図５には、上記の例示的なパラメータによる、図４の構造体を通る光伝搬のＢＰＭシミュレーションからの電界強度が示してある。図５からは、有限のギャップｇによって光伝搬が著しく乱されていることを容易に理解することができる。理想の５０％を大幅に下回るパワーが出力導波路のそれぞれに結合され、残りが周囲媒体へと消失するというこの観察結果が、正規化された光入力パワーの割合を示す図６で確認される。

理想的なＹ分岐スプリッタへの現実的な近似の結果として生じる光損失が、様々な実用性及び有効性の提案済み改良点を記した参考文献において知られており、またそこで考察されている。たとえば、Ｍａｔｓｕｕｒａらが、基本的な問題を説明し、効率を改善するための導波路テーパの修正を提案しており、参考として本明細書に援用される「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｒａｎｃｈｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ」と題する、米国特許第５，５８６，２０９号明細書を参照されたい。Ｙ分岐の不完全性に起因する信号損失のさらなる説明、及び結合効率を改善するためにモード干渉を使用するための提案が、「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｕｐｌｅｒ」と題する、Ｃｈｅｎらによる米国特許第５，７５７，９９５号明細書に見られ、これを参考として本明細書に援用する。遷移に続いて各出力間に接続された幅が徐々に狭くなる複数の導波路コアの経路を追加することが、いくつかのかなり効果的で商業的に実装された改良の基礎であることが示唆されてきた。図８に特に注意して、参考としてそっくりそのまま本明細書に援用される、「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｈａｖｉｎｇ Ｌｏｗ Ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ Ｌｏｓｓ」と題する、Ｌｉ（以下では、Ｌｉ）の米国特許第５，７４５，６１８号明細書を参照されたい。Ｌｉの各構造体についてのさらなる変形形態が、「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ Ｈａｖｉｎｇ Ｌｏｗ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｌｏｓｓ ａｎｄ Ｈｉｇｈ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｙｉｅｌｄ」と題する、Ｙｕの米国特許第６，８９２，００４号明細書（図６には、１×Ｎのスプリッタが示してある）、及び「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ａｎｄ ａ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ ａｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ」と題する、Ｌａｕｒｅｎｔ－Ｌｕｎｄの米国特許第７，３４３，０７１号明細書に記載され、これら両方が参考として本明細書に援用される。こうした改良点の多くでは、図４のＹ分岐スプリッタに対して効率が大幅に改善してきた。

図７には、Ｌｉなどによって提案された改良物の趣旨に沿ったＹ分岐スプリッタ１４０の導波路レイアウトが示してあり、これには、入力導波路セクション１４６から発散導波路１４８、１５０への遷移導波路セクション１４４を形成する、コア材料の徐々に薄くなるブリッジ１４２が追加されている。理想的なＹ分岐のシミュレーションを示す図２に戻って参照すると、各導波路の間に非常に小さいギャップ（製造するのが実用的ではない構造体の一部分）しかない領域では、元々はＹ分岐の下部の中心に沿ってピークになっている光強度プロファイルが、サブ分解能の分離で領域に沿って２つのピークに分割され、その結果、Ｙ分岐の別個の２つの上部に結合するためのデュアル・ピークが存在することが分かる。この現象は、理想的なＹ分岐が理想的には効率的である理由と本質的に考えることができ、この例では、下部アームからの光信号の５０％すべてを２つの上部アームのそれぞれに結合する。図５にプロットされた実際のＹ分岐のシミュレーションをさらに参照すると、明確に分離された上部アームに到達する前に、下部アームでの単一の中央ピークからデュアル・ピークへの遷移のないことが分かる。これが、基礎となる実際のＹ分岐の効率的な結合が大幅に劣化する主な理由である。図７に示すような、Ｌｉなどの趣旨に沿って改良されたＹ分岐のシミュレーションが、図８にプロットしてある。ここで、こうした改良はやはり、理想化されたＹ分岐の重要な特性である、上部アームの前での強度ピークの分割を実現しないことが分かる。

図４では、図７に示した改良が欠けており、下部アームの中央にピークがくる光信号が、各上部アーム間の有限ギャップにぶつかり、光のかなりの成分が各上部アーム間のギャップに伝搬する。導波路の基本的な性質によれば、上部アーム間の屈折率は、導波路コアの屈折率よりも必然的に低い。したがって、ギャップに伝搬する光の一部分は、上部アームの導波モードに結合する光の一部分よりも先行して移動する。これによって光波面が歪み、光の中央部分が、上部アーム内を伝搬する光信号に再結合する可能性が象徴的に減少し、損失が過剰になり、結合効率が低下することになる。図７に示した改良を簡単に説明すると、ギャップ内を伝搬しようとする中央光をブリッジが適切に減速し、この中央光が上部アームでの光学モードに結合して戻る可能性を向上するということである。この意味では、また実際には、図７の実施形態におけるこうした改良は、中央ピークでの分割の欠如を「修復」しようとするものではなく、その結果得られる効果をさらに減少させ、ある程度は光強度を導波路に誘導して戻そうとするものである。こうした効果は図９に見ることができ、この図９には、このスプリッタの改良によって上部アームに結合される光をプロットしてある。追加されたブリッジの範囲を超えても、上部アームの導波モード・エネルギーの振動を容易に見ることができる。導波モード及び横方向の光が複合導波モードに調和しようとするので、これはモード「スロッシング」である。こうした特定のタイプの改良の構成は、実用的なＹ分岐の効率を理想のおおよそ９５％以内にまで高めることができるが、効率、安定性、プロセス品質、及び他の機能には、貴重な改善の余地がさらに残っている。本明細書に記載のスプリッタと考え方が重複するアレイ型導波路格子用のスラブ導波路においては、厚さにテーパが付いているコア要素（この厚さ寸法は各図に示していない第３の寸法である）をブリッジの代わりに使用する、この手法の一変形形態が、Ｓｕｇｉｔａらによって記載されている。参考として本明細書に援用される、Ｓｕｇｉｔａらによる、「Ｖｅｒｙ Ｌｏｗ Ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ Ｌｏｓｓ Ａｒｒａｙｅｄ－Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ ｗｉｔｈ Ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ Ｔａｐｅｒ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ」、ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ １２（９）、２０００年９月、１１８０～１１８２頁を参照されたい。これによって、同様の結果又はわずかに改良された結果がブリッジにもたらされると予想されるはずだが、製造に要する時間とコストが大幅に増加することになる。

理想化されたＹ分岐スプリッタの下部アームにおけるモード分割をエミュレートするために、様々な手法が試されてきた。たとえば、中央ピークの分割をもたらすために、下部アームに沿った導波路幅のコンピュータ最適化された複数のランダムな変動が、Ｓａｋａｍａｋｉらによって示唆されている。参考として本明細書に援用される、Ｓａｋａｍａｋｉらの、「Ｌｏｗ－Ｌｏｓｓ Ｙ－Ｂｒａｎｃｈ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ Ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｙ Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ Ｍａｔｃｈｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、２７（９）、２００９年５月、１１２８～１１３４頁を参照されたい。Ｓａｋａｍａｋｉの波面整合手法は、原理的には確かに有望であるが、設計パラメータの微妙なバランスが必要となり、そうしたバランスの取れた数値設計を、実際に製造される導波路素子に忠実に転換する上で大きな課題になる。

実際の設計では、Ｙ分岐スプリッタの光損失を低減する試みがなされてきたが、本明細書におけるＹ分岐設計は、ある一定の明確な利点を有する改良されたＹ分岐導波路接合部への代替手法を提供する。このＹ分岐設計は、以下に述べる光タップなど、前述のその他の代替手法では十分に対処されない他のタイプの導波路分割接合部にも適用することができる。

本明細書における考察のために、別段の記載が明示的にない限り、「入力」という用語は、導波路若しくは各部分、及び／又は物理的な導波路チャネルが少ない装置の側部（たとえば、Ｙ分岐の単一アーム側）から到達する光信号を指し、「出力」という用語は、各導波路若しくはその一部分、及び／又はさらに多くの物理的な光チャネルを有する装置（たとえば、Ｙ分岐の横方向に分離されたアーム）の側部への光信号を指す。こうしたスプリッタは、受動的で光学的に線形な装置なので、入力から出力への光伝送用に提供される改良物が、出力から入力へと伝搬する光についての（光学干渉を正当に考慮した上での）対応する改良物をも提供するはずであることが、当業者にはよく理解される。したがって、「入力」及び「出力」という用語の選択は、さらに分かりやすい説明を容易にすることのみを意図しており、伝搬方向の必要とする向きを意味するものではない。同様に、各図における向きは説明目的のためのものであり、実際の装置は、特定の用途向けに配向することができ、一般には、非対称装置では、逆向きの装置の鏡像が本開示によって同様に対象となる。

このＹ分岐の革新の基本原理を図１０に示す。特に微視的スケールでは一般に特許図面で受け入れられるように、各図面は、横方向から縦方向へでも、また様々な縦断面図間でも、均一なスケールではなくて、さらに良好な視覚化を実現する。図１０の上面図を参照すると、Ｙ分岐スプリッタ１７０は、装置の入力側での単一の導波路セグメント１７２、遷移セクション１７４、第１の分割導波路１７６、及び第２の分割導波路１７８を備え、ここで、上記の専門用語に基づいて分割導波路１７６、１７８は装置の出力側に存在する。この実施形態では、入力導波路の初期幅は「ｗ」であるとみなすことができ、各出力導波路の幅も約「ｗ」であるとみなすことができ、各出力導波路間のギャップは「ｇ」として表される。理想的な（実現不可能な）スプリッタ（図１の通り）では、入力導波路が、２×ｗ幅まで徐々に先細になり、次いで、幅がそれぞれｗの２つの出力導波路が分割され、最終的には分離するはずである。基本的な実際のスプリッタ（図４の通り）では、入力テーパが２＊ｗ＋ｇの幅に到達するまで徐々に継続するはずであり、その結果、最小の実用的なギャップｇによって分離される幅ｗの別個の２つの出力導波路が続いて分離する。この設計では、テーパが２＊ｗの幅から２＊ｗ＋ｇの幅になる位置で、遷移セクションが置換される（図１０の上部の網掛け領域）。具体的には、テーパの遷移セクションは、図１０の下図で示してあるように、「波状の」導波路遷移セクション１８０に置換される。

この例では、波状遷移部１８０は、初期幅が約２ｗであり、次いで、幅ｗのそれぞれがｇのギャップ１８６によって分離された２つの導波路セグメント１８２、１８４に急激にシフトし、ギャップありセグメントと呼ぶことのできるものを形成する。非常に短い距離の後、この波状遷移部は、「波状に変化しながら」、単一の導波路の幅２ｗのギャップなしセグメント１８８まで戻り、ギャップなしのセグメントと呼ぶことのできるものを形成する。接続セグメント１９０、１９２は、ギャップありセグメントの導波路セグメント１８２、１８４を、単一の導波路セグメント１７２及びギャップなしセグメント１８８にそれぞれ接続する。図１０の下側の図では、この図を簡略化するために第１のサイクルのみに参照番号を表示してあるが、この実施形態では合計１０個の波状部が図示された状況で概要を示すように、各サイクルが繰り返されていることが理解される。ギャップありセグメントは、遷移セクションに隣接する出力導波路セクションに似ており、ギャップなしセグメントは、この遷移セクションに隣接する入力セクションに似ている。図１０での実施形態は望ましい実際的な実施形態であるが、適切な背景として、この具体的な実施形態とともに、さらに一般的な設計配慮を次に考察する。

２重及び単一の導波路セクションのこの交互配置は、一般に、後続の各サイクルにおいて数回繰り返すことができ、別々の２つの導波路を有する長さの割合が増加する場合があり、また単一の導波路を有する長さの割合が減少する場合があるが、１サイクル又は数サイクルにおいて各長さの割合をほぼ同じままにできる隣接波状部が存在してもよい。１０個の波状部（１０個のギャップなしセグメント及び１０個のギャップありセグメント）として示してある交互配置セグメントの総数は、より一般的には少なくとも３個の波状部、実施形態によっては遷移セクションにおいて４～約７５個、さらなる実施形態では５～５０個、また他の実施形態では、遷移セクションにおいて６～２５個の波状部とすることができる。上記明確な範囲内での波状部の追加範囲が企図され、またそれが本開示内にあることを、当業者は認識することになる。

導波路コアは一般に、波を「案内する」ように、著しい中断なしに数百ミクロン以上にわたって延在する。導波路コアの比較的短い構造体を「導波路」と呼ぶことが一般的かつ通常のことであり、それに応じて本明細書において使用されるが、より正確には、これらは「屈折素子」であり、その区別は、波状の導波路遷移部の挙動を理解するものとみなすべきである。この概要を単純化することによって限定されることは望まないが、本明細書に記載の各装置の動作についていくつかの観察がなされる。光信号は、直ちに分割されて、導波路コアの内外に追従することはなく、その代わりに、この光信号はパターンの屈折する性質に反応する。このような構造体での光信号は、コア素子の実際の構造体よりも幅が広がる。光信号が導波路コアの素子にぶつかると、このコアを通過する信号の一部分は、コア素子の周りを通過する光信号の一部分と比較して、屈折しながらわずかに遅延する。これによって、光信号の波面はコア素子の軸を中心に内側へ曲がる傾向がある。このような影響を受けずに媒体を通って進行する閉じ込められた光信号は、基本的な光物理学によって外側へ曲がる傾向を示す。最も効率的にするためには、所望の導波路遷移は、以下の２つのことを達成しなければならない。すなわち、（ａ）入力モードの中央ピークは、出力導波路にほぼ位置合せされ、くぼみによって分離された２つのピークに滑らかに分割される。（ｂ）波面は平坦のままで、収束も発散もしないようにしなければならない。理想的なスプリッタは、こうしたことの両方を（理論的な装置として）実現し、したがって、その並外れた（理論的な）効率を実現する。本発明に先立ってこれまでに述べたＹ分岐スプリッタの光損失を低減するその他の手法は、これらのいずれにも直接応えないか、せいぜい（ａ）だけにしか応えない傾向がある。実際、その他の手法、たとえば図７は一般に、何もしない場合よりも（ｂ）を悪化させ、図１０の実施形態で利用できるように、改良された光分割にとって明らかに望ましい。

波状遷移の構造を、図１１でさらに詳しく述べる。ここで、入力導波路２００には導波路「プロファイルＡ」が存在し、プロファイルＢを集合的に形成する遷移セクション２０２と出力導波路２０４、２０６との界面において、複合「プロファイルＢ」が存在するという点で重要な原理が強調されており、プロファイルＡとプロファイルＢの両方を実際に作製することができる。この図を念頭に置いて、波状遷移部の原理は単純明快である。すなわち、この構造体は、プロファイルＡとプロファイルＢを数回交互に繰り返し、入力に近い方のサイクルが、プロファイルＡでの長さの大部分であり、出力に近い方のサイクルが、プロファイルＢでの長さの大部分を有する。波状部を有する遷移セクション２０２では、代替のプロファイル・セグメントが、その間に接続セクションＣを有する。各サイクルの長さ（「ｐ」で示してある）は、遷移部全体を通して一定である必要はなく、プロファイル長の進行（ｎ＊ｄｑで示す）は、初期プロファイル長ｑ_０から始まって均一である必要はなく、必ずしもあらゆるサイクルにおいてではないが、一般には増加するはずである。先に示したように本明細書において使用される例示的なパラメータでは、ｄｑの適切な値が約０．２５ミクロンになるはずである。したがって、波状部での広範囲の変形形態で、適切な性能を実現することができる。実際には、一定の「ｐ」と均一な「ｄｑ」が極めて良好に機能する。寸法の数値例は、この文書の後半で提示され、そこで結果を考察する。

図１０及び図１１には、各プロファイル間の傾斜した結合セグメントが示してあることに気付いでもよい。これは、遷移の基本的な効率にとって非常に重要なものではなく、こうした接続セグメントの他の形状も相応に効率的である。しかし、こうした傾斜部には他にもいくつかの利点があり、これについて簡潔に説明する。ただし具体的には、接続セグメントへの不完全さをもたらす処理問題は、接続セグメントへの適切な選択によってさほど顕著にならない場合もある。

そのように示してはいないが、Ｌｉ、Ｙｕ、Ｌａｕｒｅｎｔ－Ｌｕｎｄ及び他の同様の人々による前述のＹスプリッタ設計の参考文献は、プロファイル間で徐々に交互配置するものとして表すこともできる。図１の理想的な構造体は実用的ではないので、損失を減らして光信号の分割を容易にしようと試みることのできる実用的な構造体は、一般に、波面の中央ピークをさらに滑らかに分割するのに役立つ何らかの形の交互配置の構造体を含む。しかし、この設計は、本明細書において設計の効率を支える重要な他の２つの要因（又は単一の重要な要因の２つの態様）を組み込んでいる。設計の１つの態様は、プロファイルＡ、たとえばギャップなしセグメント全体にわたるコアの総量が、プロファイルＢ、たとえばギャップありセグメント全体にわたるコアの総量にほぼ等しいということである。望ましい結果によってこの状態を緩和することができ、その結果、実施形態によっては、プロファイルＡ全体にわたるコアは、プロファイルＢ全体にわたるコア構造体の±２５％以内とすることができ、さらなる実施形態ではプロファイルＢ全体にわたるコア構造体の±１５％以内、追加の実施形態では±１０％以内、また他の実施形態では±５％とすることができる。同様に、プロファイルＡのセグメントとプロファイルＢのセグメントの全体にわたるコア幅は、同じ範囲内での同じタイプのセグメントからの遷移セクション全体にわたって、±２５％、±１５％、±１０％、±５％のわずかな変動が生じる場合がある。ギャップが「ｇ」である前述の設計パラメータでは、伝搬方向での交互配置セグメントの範囲（図１１でのパラメータ「ｐ」）は、一般に、約２＊ｇ～約３０＊ｇの範囲とすることができ、さらなる実施形態では約３＊ｇ～約２５＊ｇ、追加の実施形態では約４＊ｇ～約２０＊ｇとすることができる。前述の通り、プロファイルＡのセグメントは、プロファイルＢのセグメントよりも伝搬方向での範囲が大きい入力側で開始するが、このプロファイルＡのセグメントは、伝搬方向での範囲が徐々に小さくなり、プロファイルＢのセグメントは大きくなる。各プロファイル全体にわたる相対的なコア量の追加範囲、及び前述の明確な範囲内の伝搬方向でのプロファイルの範囲が企図され、本開示の範囲内であることが当業者には理解されよう。

前述の内容では、コア構造体が屈折素子と呼ばれ、光波面に沿って局所的な遅延を誘発したことを思い出されたい。この遅延が領域の正しい範囲を超えている場合、光波面がこの遅延から内側に曲がる傾向は、この光波面が伝搬から外側に曲がる傾向とバランスが取れ、この波面は名目上は直線のままである。経路を横断するコアが多すぎる場合、この波面は過度に遅延し、全体として内側に曲がる場合がある。横断するコアが少なすぎる場合、この波面は外側に曲がる場合がある。波面の中央領域全体にわたってコアの総断面積をほぼ一定に保つことによって、この波面を直線状に維持するのに役立ち、出力導波路でのさらに高い効率と低減された雑音（「スロッシング」）に対処できるようになる。傾斜部の構成により、あるプロファイルからその他のプロファイルへと波状になっている場合でも、断面でのコアの総量がほぼ一定のままであることに留意されたい（傾斜部の利点の１つ）。図１０を参照すると、波状セグメントでは、構造体の中央でコアにある孔が、上下の付加物においてコアにミラーリングされ、孔の半分が上部において満たされ、孔の残りの半分が下部において満たされて、分割されるが、コア幅の量をほぼ同じに維持する。しかし、一般には、光学性能は接続セグメントの形状に強く依存することはなく、この接続セグメントは、伝搬方向の長さが短い場合がある。Ｌｉの「シリカ経路」及びＬａｕｒｅｎｔ－Ｌｕｎｄの「横方向の導波路コア」は、その隣接するプロファイルの断面積よりも導波路コアの総断面積を大幅に増加させるが、コア材料の全幅は、交互配置パターンにおいては一定のままではまったくない。Ｙｕにおいて説明する「セグメント」は、交互配置プロファイルよりもコアの総断面積を交互にかつ大幅に増減する。

本明細書における設計の別の利点は、遷移区域を通るほぼ一定の前述の総断面の直接の結果である。プロファイルＢのセグメントでのギャップに起因して、コアの入力様のプロファイルＡの横方向の合計範囲は、コアの出力様のプロファイルＢの横方向の合計範囲よりも小さい（遷移区域の外縁部は、ＡからＢに進むように外側に突き出ていなければならない）。このシフトは、プロファイルＡの幅がおおよそ２＊ｗでギャップなしであり、プロファイルＢの幅がおおよそ２＊ｗでギャップを加えるので発生する。対照的に、前述のＬｉ及びＹｕは、出力導波路の範囲を超えて光学モードの末端をさらに移動させるように、出力導波路の範囲よりも実質的に広い入力プロファイルを教示している。したがって、Ｌｉ及びＹｕは、交互配置のセクションを教示しているが、プロファイルはまったく異なる。

遷移区域を通るほぼ一定のコア断面の考え方によれば、プロファイルＢのセグメントでのギャップは、緩やかな遷移など、入力端部から出力端部まで変化することができる。図１２を参照すると、３つの波状部を有するセグメントが示してある。遷移セクション２２０の部分図を参照すると、入力セクションの幅は２ｗであり、プロファイルＢのセグメント２２２、２２４、２２６のギャップはそれぞれｇ１、ｇ２、ｇ３であり、ここでｇ１＜ｇ２＜ｇ３である。プロファイルＡのセグメント２２８、２３０、２３２、２３４は、図１０及び図１１の対応するプロファイルＡのセグメント並びに入力セクションと同等である。接続セグメントは適宜変化して、変化するギャップを考慮に入れる。一般に、初期のギャップは、実用上の最小ギャップになるように選択することができ、このギャップは、遷移セクションの端部まで緩やかに拡大することができる。実施形態によっては、このギャップは、いくつかの波状部において一定とすることができ、次いで、変化する場合などがある。

図１３には、各プロファイル間に傾斜部のない波状遷移部２５０の一部分が示してある。すなわち、プロファイルＡのセグメントとプロファイルＢのセグメントの間には、接続セグメントがほぼない。図１３を参照すると、波状遷移部２５０の図示された部分は、プロファイルＡのセグメント２５２、プロファイルＢのセグメント２５４、及びプロファイルＡのセグメント２５６を含む。プロファイルＢのセグメント２５４は、ほぼ長方形のギャップ２５８を有する。シミュレーションによれば、傾斜部のない、すなわち接続セグメントのない遷移領域は、傾斜のある接続セグメントとほぼ同じように効率的に結合すると予測されるが、傾斜部を好ましいものにすることのできる何らかの考慮すべき２次的な問題がある。より一般には、このシミュレーションは、接続セグメントの精密な形状には特に影響を受けるものではなく、この接続セグメントは概ね、プロファイル済みのセグメントよりも縦方向の広がりが少なかった。前述の通り、垂直の機能部分がどのように配列されるによって、傾斜した相互接続部を用いてほぼ「一定のコア総断面積」を確立することが比較的容易となる場合がある。第２に、図１３での斜線部分は、製造プロセスが生成しようとする９０°の内角を示す。設計ルールでは、おおよそ最小の寸法で９０°の内角を実現しているが、こうした内角が存在するときは、製造プロセスを慎重に制御してこれらを製造しなければならない。その場合には、このような機能部分は、別の方法で他のタイプの機能部分を改良するように調整されてもよい領域において製造プロセスを制限してもよく、このことは処理の柔軟性を制限することを意味する。第３に、図１３に示した垂直縁部は、入力方向に沿って少量の光を反射して戻すことができる。こうした反射は一般に、少なすぎて効率に影響を及ぼさないが、光学システムは、入力に沿って反射して戻される非常に少量の光でもその影響を受けやすくなる場合がある。光の１／１０，０００、又はさらに１／１００，０００を各構成要素が反射して戻す複数構成要素の光回路では、結果として仕様がうまく働かない場合もある。実施形態によっては、接続セグメントは、導波路の伝搬方向に沿った広がりを有し、これは一般に、プロファイル済みのセグメントの横方向の最小広がりの２５％以下、又はギャップの５０％以下である。上記明確な範囲内での接続セグメントの横方向の広がりの追加範囲が企図されており、本開示の範囲内にあることを、当業者は理解されよう。

図１４には、傾斜接続部を有する１つの波状部を備えた遷移セクションの一部分２７０が示してある。図１４の部分図を参照すると、遷移セクション部分２７０は、プロファイルＡのセグメント２７２、接続セグメント２７４、プロファイルＢのセグメント２７６、接続セグメント２７８、及びプロファイルＡのセグメント２８０を含む。プロファイルＢのセグメントは、ギャップ領域２８２の長方形部分を含み、このギャップ領域２８２の三角形部分が、接続セグメント２７４及び接続セグメント２７８まで延びている。総じて、ギャップ領域２８２の形状は六角形である。一定の断面積を管理する際のこれまでに述べた改良に加えて、これは、図１３の垂直接続部について提起されたその他２つの問題にも対処する。図１４から分かるように、９０°の内角はすべて、たとえば１１０°～１３０°まで開くことができる。これにより、図１４にハッシュで示してあるように、内部ギャップの水平方向の中央に沿って新規の内角が２つ作製される。しかし、開いた角度が１３５°未満である限り、こうした新規の内角はまた９０°よりも大きくなる。したがって、こうした構造体は、再現性がさらに高く作製され、プロセス制御での柔軟性を高くして、他の問題に対処する。また、図１４で顕著なように、もはや垂直方向の縁部はない。こうした縁部のうち任意の縁部からのわずかな後方反射は、入力に沿って戻るのではなく、主に導波路軸から離れるように向けられ、こうした構造体からの後方反射問題のあらゆる可能性を大幅に低減する。

図１５には、図１０及び図１１について説明した遷移セクションを備えたＹ分岐スプリッタのシミュレーションされた性能が示してある。本明細書におけるシミュレーションは、１０個の波状部で実行された。見やすくするために、対応する装置のレイアウトが図１６に示してあり、これは、縦方向の一定スケールでのものではなく、波状遷移部は、その構造をさらに強調するために、その他の構造体と比較してサイクルが少なく、細長くなっている。この例では、遷移部は、先に述べた例示的なパラメータに合わせて設計されており、屈折率のコントラストが１．５％、出力導波路の幅がそれぞれ４μ、各出力導波路間のギャップが２μである。シミュレーションされた特定の実施形態では、約７５μの遷移セクションの全長においてサイクル長が７μである、１０．５サイクル（プロファイルＡからプロファイルＢまでの最後の遷移部を、分割導波路に続く半サイクルとしてカウントする）で望ましい解決策が実現する。この実施形態では、プロファイルＢのセクションの光路に沿った拡張、及びプロファイルＡのセクションの短縮は、各サイクルをほぼ補償し、その結果、サイクル長はほぼ一定のままを保つが、サイクル長の他の変形形態を使用することができる。この波状遷移セクションは、図４に示す遷移セクションに置き換わり、ここで、入力は８μ幅～１０μ幅まで先細になるはずである。こうしたパラメータでは、そのテーパ・セクションは通常、約２００μの長さになるはずであり、したがって、本明細書に記載の各装置は、遷移部のフットプリントを削減することもできる。この構造体のシミュレーション結果を図１５に示す。入力テーパの初期部分は、シミュレーションには表示されないが、このテーパの初期部分においては光強度が大幅に変化することはない。説明した波状遷移部は、Ｚに沿って約５００～５８０μの間にある。これを図３、図６、及び図９と比較すると、この遷移部は、理想的なスプリッタにとてもよく似た動作を示すことを理解でき、入力での中央ピークが、出力導波路に結合する前に、２つの対称ピークに正常に分割される。この動作は、図１７でのグラフによってさらに裏付けされており、このグラフは、同じ構造体の各出力導波路への、理想の約９８％の正常で効率的な結合を示している。

図１８Ａ～Ｃには、図４の従来の実施形態（１８Ａ）、図７の例示的な改良（１８Ｂ）、及びさらに直接的に比較するための例示的な波状の実施形態（１８Ｃ）のシミュレーション及び振幅プロットが集められている。こうした各図は、先に説明した各図から再現するものであり、図５及び図６からは図１８Ａ、図８及び図９からは図１８Ｂ、並びに図１５及び図１７からは図１８Ｃを再現する。特定の一般的な設計について性能を向上させるために、図１８Ｂ及び図１８Ｃを作成するのに使用された各モデルがそれぞれ個別に最適化された。図７の接続経路と、図１０など波状遷移部との両方を組み合わせることもできるが、それというのも、これらがスプリッタの様々な部分に適用されるからであることに留意されたい。しかし、この波状遷移部は、欠点のない分離及び出力モードへの結合を既に実現しているので、追加された接続経路は、何ら重要な利点を提供することがなく、実際には、それ自体に何らかの散乱及び損失を追加する場合がある。

図１９Ａ～Ｃには、比較構造体を介したシミュレート済みの伝搬に基づく、各比較の別のセットが示してある。図１９Ａ～Ｃの各プロットには、スプリッタの平面の関連する領域に沿った様々な位置での、光強度の断面図が示してある。図１９Ａにおいて、図１の理想的な（事実上は実現不可能な）スプリッタのシミュレーションには、中央ピークの光強度関数からデュアル・ピークの光強度関数まで、良好な動作での欠点のない変換が示してあり、その間には滑らかなくぼみが存在する。この動作は、直線状波面が、遷移部を通って概ね維持されていることを示すものである。図１９Ｂには、図４の実施形態の光強度関数が示してある。図１９Ｂを参照すると、光の良好な部分が出力導波路に結合されているが、これは大きな問題であり、すなわち、初めは滑らかな双峰形状が実現されておらず、それに応じて、対応する波面が非常にまっすぐ留まってはいないことが分かる。この動作はまた、プロセス変動及び波長変動の影響を非常に受けやすいことを示しており、同様の設計に基づいて、さらに改良を重ねて設計する上で重要な課題を提示している。図７と同様の設計は、依然として非常に多くの目的に適している場合もあるが、性能がさらに良好になることが望ましいはずである。図１６に関連して説明したように、先に概要を述べたパラメータを用いた波状遷移部の設計をシミュレーションする。図１９Ｃのプロットの光強度の動作は、図１９Ａの理想的な真のシミュレーションほど理想的ではないが、図１９Ｂの光強度で観測されるものよりも明らかにかなり近い。中央のピークは、対称な２つのピークに滑らかに分割され、その間の滑らかなくぼみと非常にわずかな散乱雑音（プロットされた強度に沿ったリップル）が存在する。このことは、波面がほぼ直線のままであり、ピークの分割が頑強で安定していることを示している。この動作はさらに、この遷移が波長変動の影響を受けにくく、プロセス変動に対しても耐性がさらに高い可能性があり、（この設計ポイントを超えて回復できる光損失は残りが極めて少ないが）場合によってはさらに効率改善する余地があることを示している。

使用目的によっては、入力アームでの高次の導波路モードを予想してもよい。図２０には、こうしたモードを導入するための平面光構造体の光学コアが示してある。上記において、Ｙスプリッタ機能の考察ではもっぱら、最も低次のモードを検討してきており、そこでは、強度が中央でピークになるか、又は２つのピークに分離されるが、出力導波路が十分に分離されるまで、介在するくぼみがゼロにはならない。本明細書では、最も低次の光学モードは、ゼロ交差がないのでゼロ次モードと呼ばれ、その次の次数モードは、ゼロ交差が１つあるので１次モードと呼ばれる。１次モードには、必然的に横方向の２つのピークがあり、その間のくぼみがゼロ強度を急激に通過し、したがって、ある１つのピークがその他のピークと位相が１８０°ずれる（すなわち、負の振幅）。図２０を参照すると、高次のスプリッタ２９０は、波状のＹスプリッタ２９１及び湾曲結合導波路２９２を備える。湾曲結合導波路２９２は、終端点に向かって先細になり、一般に、波状のＹスプリッタ２９１の隣接する結合導波路に光強度を結合するよう駆動する。具体的には、湾曲結合導波路２９２は、入力導波路セクション２９３、Ｙスプリッタ２９１とかなり結合することによって識別可能な結合導波路セクション２９４、及び終端セクション２９５を備えており、各図では大まかな分割がマーキングしてあるが、各セクションの精密な分割は、構造体を画定し、又はその機能を理解するのには重要でない。波状Ｙスプリッタ２９１は、入力導波路セクション２９６、第１の出力導波路セクション２９７、第２の出力導波路セクション２９８、及び波状遷移セクション２９９を備える。前述の様々なＹスプリッタの実施形態のいずれも、この装置に適合させることができ、またこの考察に組み込まれる。湾曲結合導波路２９２は、入力導波路セクション２９６に接近して、断熱性光カプラを形成する。図２０での入力導波路セクション２９６の下方の、湾曲結合導波路２９２は、波状のＹスプリッタ２９１の比較的広い入力導波路セクション２９６の高次モードに光を結合する。具体的には、湾曲結合導波路２９２のゼロ次モードでの光は、波状のＹスプリッタ２９１の１次モードに効率的に結合することができ、たとえば、断熱結合することができる。湾曲した単一モード導波路とマルチモード導波路との近接した状態での断熱結合は、「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ａｎｄ Ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ」と題する、Ｎａｒｅｖｉｃｉｕｓの公開済み米国特許出願第２００５／０２５４７５０号明細書に記載されており、これを参考として本明細書に援用する。この関係により、図２０の構造体は、以下でさらに説明するように、光スイッチ、光変調器、又は偏光状態スプリッタの出力カプラとして有用な、光ミキサとして動作できるようになる。光ミキサは、単一の光信号を、いずれの入力からも等しく出力間で分割することができるが、信号が両方の入力に存在する場合、そうした２つの信号間の光学干渉によって、合計の光パワーを主に各出力のどれか一方に向けて送ることができる。強度が等しい２つの入力では、単一の出力に送ることのできる最大光パワーと、その出力に送ることのできる最小光パワーとの比率が「消光比」と呼ばれる。光ミキサを利用する用途では一般に、可能な限り高い消光比が好まれる。このことは、２つの入力信号の強度が同じで、その位相が適切であると、出力においてゼロ光に非常に近い状態を実現できることを意味する。干渉の基本原理によれば、ゼロ信号を近似するには、個々のモードの両方を分割するために、効率がほぼ等しいことを必要とする。図２０に示す構造体では、スプリッタが、どちらのモード（ゼロ次モード又は１次モード）でも効率的に分割できることが望ましい。

最も低次のモードの分割について、これまでよく考察してきた。図２１Ａ～Ｃには、Ｙスプリッタ構成要素での３つの異なる実施形態を有する２×２スプリッタの実施形態における、１次モードでの分割の有効性が示してある。１次モードでのパワーは、導波路軸の中央に沿ってゼロに近いので、有限のギャップにぶつかっても、分割が著しい悪影響を受けることはない。光波は、既に２つのピークに必然的に分離されており、したがって出力導波路へ良好に結合する。図２０Ａには、図４のＹスプリッタの実施形態の場合でも、単純で実用的なＹ分岐が、この高次モードを効率的に分割することが示してある。図２１Ｂでは、図７のＹスプリッタの実施形態の接続経路は、光パワーの残りの光跡を出力導波路に送って、さらに一層効果的な結合を実現するのに役立つ。図２１Ｃでは、波状遷移部を有するＹスプリッタは、実際には、高次モードに多少の悪影響を及ぼす。実際、このモードでは、図４のＹスプリッタよりも効率が低くなる。この設計ポイントが、中央ピークのモードを２つのピークに分離するように設定されていたことに留意することによって、この結果を説明することができる。既に２つのピークを有するモードが提示されると、これは過補償となり、結合損失が増大する。しかし、高次モードでのこの効率低下は、ある特定の実施形態では必ずしも障害にならないことに留意されたい。高分離スイッチ又は偏光状態スプリッタを作製するとき、スプリッタの分割効率は各モードで等しくなることが望ましく、必ずしも可能な限り高くする必要はない。波状遷移部の幾何学的パラメータを調整することによって、各モードの分割効率をほぼ等しく、また依然として非常に高くすることができる。たとえば、プロファイルＢでの２つの導波路をプロファイルＡの幅の半分よりもわずかに広くすることによって、ゼロ次モードの最適効率から離れて設計し、ただし１次モードでの最適効率に向けて設計している。設計選択肢のわずかな範囲内で、両方のモードの分割が等しく効率的になるクロスオーバ点を容易に識別することができる。実施形態によっては、ゼロ次モード及び１次モードは、互いの１パーセント以内、さらなる実施形態では互いの０．５パーセント以内、及び追加の実施形態では互いの０．２５パーセント以内の分割効率を有することができる。上記明確な範囲内での効率差の追加範囲が企図され、またそれが本開示内にあることを、当業者は認識することになる。図４及び図７のＹスプリッタ設計については、対応する調整が知られておらず、したがって、両方を非常に悪化させない限り（これは合理的な選択肢ではない）、高次モードの効率は低次モードでの効率よりも常に高いと予想される。

図２０の２×２スプリッタ／カプラの動作については、Ｙスプリッタ２９１の入力導波路セクション２９６が、湾曲結合導波路２９２のゼロ次モードと特定の位相関係を有するゼロ次モードを含むことができる。湾曲結合導波路２９２のゼロ次モードは、Ｙスプリッタ２９１内の１次モードに結合し、次いで２つの光信号は干渉する場合がある。ゼロ次モードが入力導波路セクション２９６から伝搬し、１次モードが湾曲結合導波路２９２からＹスプリッタ２９１に結合する場合、この２つのモード間の干渉により、２つの入射モード間の位相差に応じて、光信号パワーが、一方の側又はもう一方の側へ集中する。この基本的な動作を効果的に使用して、妨害信号間の位相関係に基づいて、２つの出力間で結果として得られる信号を経路指定する。たとえば、入力導波路セクション２９６及び湾曲結合導波路２９２への入力信号は同じ位相を有することができ、したがって、次いで妨害信号が１次信号の一部では建設的に干渉し、１次信号のその他の部分では破壊的に干渉して、その結果、導波路の横断方向全体にわたって非対称信号が生じるようになる。次いで、非対称信号は、出力導波路セクション２９７、２９８の一方だけに進むように位置合せされる。入力導波路セクション２９６及び湾曲結合導波路２９２での２つの信号の位相が１８０度ずれている場合、この信号は、空間内で反転する建設的な寄与及び破壊的な寄与と干渉して、逆向きの非対称信号を形成し、次いで、この信号が反対側の出力導波路セクション２９７、２９８に入るように位置合せされる。比較的角度の小さい位相ずれを使用して、入力導波路セクション２９６で結合される２つの信号の干渉に基づいて、各出力導波路の信号量を調整することができる。このようにして、２つの出力導波路での２つの信号間の相対位相を調整することによって、一方の出力導波路セクション又はもう一方の出力導波路セクションでの信号のあらゆる信号間で絶えず調整することのできるスイッチング機能、たとえば、可変光減衰及び／又は一方の出力若しくはもう一方の出力との間での効果的なスイッチングを実現する。

偏光に依存する情報を光信号が伝達する場合、図２０の装置と結合した信号において別個の偏光の位相が別々に干渉する。このようにして、様々な偏光が、互いに様々な位相を有し、したがって逆相が逆の偏光に対して異なるように干渉する場合、様々な偏光状態を様々な出力導波路セクションに送ることができる。一方の偏光での入力間の位相差、したがってモード間の位相差が、もう一方の偏光に対して位相が１８０度ずれている場合、図２０の装置を偏光ビーム・スプリッタの最終ミキサとして使用することができる。偏光に基づいているかどうかに関わらず、スイッチング機能は、図２０の装置を用いて望ましい形で実現することができ、ゼロ次モード及び１次モードは、図２０の波状のＹスプリッタによってほぼ同じ効率で分割され、したがって、これによってスイッチング機能の消光比性能が向上する。

使用目的によって、対称的な５０％／５０％以外の光強度分割比が望ましい場合がある。図２２には、実用的な構成で使用して、本明細書で使用され、先に説明した例示的なパラメータに基づいて５０％／５０％～約８０％／２０％のスプリッタを作製することのできる、本明細書に提示された考え方に基づく非対称な構成が示してある。パラメータが異なると、この構造体を用いて非対称分割の範囲を修正できる場合がある。対称性が破綻している場合、Ｙスプリッタ構造体に基づく既知の方法のうち任意の方法を用いて、光学スプリッタを実現するのが困難であった。一般的なＹスプリッタ設計に基づく非対称スプリッタの設計は、波長変化及びプロセス変動の影響を非常に受けやすくなる傾向があり、実際の用途ではしばしば影響を受けすぎる。波状遷移部は、図１の理想的なスプリッタの動作をエミュレートするので、実用的な設計を用いて波長依存性及びプロセス耐性を大幅に改善することができる。

図２２を参照すると、非対称スプリッタ３００は、入力セクション３０２、メジャー出力セクション３０４、マイナー出力セクション３０６、及び遷移セクション３０８を備える。メジャー出力セクション３０４は、マイナー出力セクション３０６よりも幅が広い。光強度分割を実現するために、出力導波路の幅が遷移領域に隣接して非対称であり、それに応じてギャップが非対称に配置される。出力導波路の非対称な幅の比率は、出力光強度の望ましい比率に基づいておおよそ選択することができるが、シミュレーション又は経験的評価によって、こうした選択を調整して、所望の光出力を実現することができる。一般に、比較的低い分割光強度を実現するために、下部の出力導波路の幅が上部に対して減少するにつれて、遷移セクションにおいてギャップが比較的低くなる。したがって幅の比率を変更することで光分割性能が調整されるが、シミュレーション及び／又は経験的調整を使用して、所望の分割度合いを実現することができる。メジャー出力導波路の幅は一般に、約ｗ～約２ｗの間である。マイナー出力導波路の幅、したがってギャップの位置は、プロセス設計ルールでサポートしている最小幅、たとえば本明細書における各例のプロセスでは約２ミクロンを下回って削減することはできない。マイナー出力セクションでの比較的低い光強度の分割を実現するために、以下の実施形態で説明するように、出力導波路のプロファイル全体を比較的低くシフトすることができる。図２２を参照すると、入力セクション３０２は、初期幅ｗから幅ｗ_１＋ｗ_２＋ｇまでテーパが付いており、ここでｗ_１はメジャー出力セクション３０４の幅であり、ｗ_２はマイナー出力セクション３０６の幅であり、ｇはギャップである。一般に、ｗ_１／ｗ_２は少なくとも約１．１とすることができ、すなわち、ｗ_１はｗ_２よりも１０％広くなる。実施形態によってはｗ_１／ｗ_２は約１．１～８の範囲、さらなる実施形態では約１．２～約６、追加の実施形態では約１．３～約４の範囲とすることができる。上記明確な範囲内での光分割及び幅の比率の追加範囲が企図され、またそれが本開示内にあることを、当業者は認識することになる。

この実施形態では、遷移セクション３０８は、プロファイルＢの８つのセグメント３１０（図ではラベル付けされた１つの代表的なセグメント）及びプロファイルＡの８つのセグメント３１２（図ではラベル付けされた１つの代表的なセグメント）を含み、これらは、その幅がｗ_１＋ｗ_２である。プロファイルＢのセグメント３１０は、幅ｗ_１の上部導波路と幅ｗ_２の下部導波路部分とがギャップｇで分離されたプロファイルを有する。接続セグメント３１４は、プロファイルＡのセグメント３１２とプロファイルＢのセグメント３１０とを接続する。図１０の遷移セクションについて先に詳しく述べた波状部の様々な代替実施形態は、一般に、図２２の非対称スプリッタの適切な実施形態にも適用可能であり、本明細書において言葉を明示的に再現しなくても、言葉が再現されているのと同様であると理解して、本明細書に援用される。具体的には、この非対称の実施形態に関する前述の考察は、それだけには限定されないが、遷移セクションでのプロファイルＡ及びプロファイルＢのセグメントの数（たとえば、３～１００）の前述の議論、遷移セクションの入力端から出力端までの、プロファイルＡのセグメント及びプロファイルＢのセグメントの光路に沿った縦方向の範囲の変化（たとえば、ｑ_０＋ｎ・ｄｑ）、プロファイルＡのセグメント及びプロファイルＢのセグメントでのコア材料の横幅の比較（たとえば、ほぼ等しいか、又は±２５％）、接続セグメントの性質（たとえば、有無、並びに形状及びサイズ）、並びに他の適切なパラメータを含む。

マイナー出力導波路に確実に結合される光信号のわずかな部分を得るために、入力導波路の中央線から離れるように出力導波路をシフトしなければならないことが分かってきた。出力導波路が入力導波路の中央線から離れるようにシフトするにつれて、遷移領域のプロファイルＡのセグメントの縁部は、それに応じて出力導波路との位置合せを維持するようにシフトされる。各図に使用されている向きでは、このシフトの結果として、各縁部が下向きにシフトし、プロファイルＢのセグメントに対して上部隆起部が小さくなり、下部隆起部が大きくなる。このシフトが続くと、上部隆起部が消失する場合があり、その結果、プロファイルＡのセグメントとプロファイルＢのセグメントの上縁部が位置合せされ（図２３）、さらに一層シフトすると、上部隆起部が凹部になり、プロファイルＢのセグメントの上縁部が、プロファイルＡのセグメントの側縁部に対して下方にシフトされる（図２４）。出力導波路の位置がシフトするとともに、出力導波路の相対的な幅を調整することもできる。求められることがさらに多いタイプの非対称分割は、通常は１０％以下のわずかな割合の光を分割してモニタ信号として使用することであり、光信号の大部分は、単一の導波路を介して後続の光回路に向けて経路指定される。わずかに分割する装置のこの説明での構造体は、一般に光「タップ」と呼ばれ、マイナー出力導波路は光タップ導波路である。割合の低い光タップへの波状スプリッタの適用に関係する光学スプリッタの各実施形態が、図２３及び図２４に示してある。図２２及び図２３の各実施形態間の中間シフト出力導波路は、処理能力内で絶えず調整可能な構成パラメータのすべてとともに、前述の説明に基づいて明らかである。

たとえば、出力導波路が十分に下方へシフトされる場合、出力プロファイルの上縁部を入力導波路の上縁部に位置合せすることができ、波状遷移部の上縁部を、その長さ方向に沿って図２３の光タップ３３０と同様に、ほぼ直線状にすることができる。これは、５％～１０％のタップを作製するのに使用してもよい構成のタイプを示す。メジャー出力導波路及びマイナー出力導波路の幅は、図２２の出力導波路の幅と同様に調整することができる。同様にして、出力導波路のシフト量並びに幅の比率を変更することによって、光分割性能を調整し、シミュレーション及び／又は経験的調整を使用して、所望の分割度を実現することもできる。代替実施形態又は追加実施形態では、プロファイルＡのセグメントに対する側縁部でのプロファイルＢのセグメントにおける隆起部は、ｇ／２（図２２）～０（図２３）～負の値（図２４）の範囲を連続してとることができ、所望の非対称分割を実現するように選択される。光タップ３３０は、入力導波路セクション３３２、出力導波路セクション３３４、導波路タップ３３６、及び遷移セクション３３８を備える。遷移セクション３３８は、８つのプロファイルＢのセグメント３４０（代表的な１つのプロファイルＢのセグメントにラベル付け）、及び８つのプロファイルＡのセグメント３４２（代表的な１つのプロファイルＡのセクションにラベル付け）を有する波状部を備え、接続セグメント３４４が、プロファイルＡのセグメント３４２とプロファイルＢのセグメント３４０とを接続する。入力導波路セクション３３２は、一般に、初期幅ｗからｗ_０＋ｗ_ｔの幅までテーパが付いており、ここでｗ_０は１次出力導波路セクション３３４の幅であり、ｗ_ｔは導波路タップ３３６の幅である。一般に、ｗ_０はｗと２ｗの間である。プロファイルＢのセグメントは、一般に、幅ｗ_０の上部導波路部分と、ギャップｇによって分離された幅ｗ_ｔの下部導波路部分を有する。通常、上部導波路の幅は、分割領域を越えてｗ_０からｗに向かって先細になるはずである。導波路の上縁部はほぼ直線状なので、プロファイルＢのセグメントの波状部のシフトは、この実施形態での下縁部のみに沿っている。もちろん、上部及び下部への言及は、もっぱら各図面を都合よく参照するためのものであり、空間での実際の向きを暗に示すものではなく、タップが主要な光導波路に対してその他の方向に信号を運ぶために、反転構成で装置の向きを変えることができる。また、図１０での波状遷移部での前述の波状構造体の代替実施形態の概要は、この実施形態に適したように図２１の実施形態に相応に適用することができ、上記文書は、代替実施形態についてここに書かれている場合と同様である。具体的には、この非対称の実施形態に関する前述の考察は、それだけには限定されないが、遷移セクションでのプロファイルＡ及びプロファイルＢのセグメントの数（たとえば、３～１００）の前述の議論、遷移セクションの入力端から出力端までの、プロファイルＡのセグメント及びプロファイルＢのセグメントの光路に沿った縦方向の範囲の変化（たとえば、ｑ_０＋＿ｎ・ｄｑ）、プロファイルＡのセグメント及びプロファイルＢのセグメントでのコア材料の横幅の比較（たとえば、ほぼ等しいか、又は±２５％）、接続セグメントの性質（たとえば、有無、並びに形状及びサイズ）、並びに他の適切なパラメータを含む。

タップの割合を小さくするには、出力導波路を入力導波路の中央線からさらに一層オフセットする必要がある。このような構成では、メジャー出力導波路の出力プロファイルの上縁部は、入力プロファイルの上縁部の下方でもよい。その構成では、図２４の光タップ３６０に示すように、遷移部がさらに広いプロファイルまで波状になっている場所で上縁部が実際に内側に移動する場合がある。一般に、くぼみの程度を選択して、所望のタップ出力を実現することができる。これは、約５％未満の光強度のタップを作製するのに一般に使用できる構成のタイプである。タップ比率が小さい（たとえば１０％未満の）導波路タップは通常、基本的に波長に依存する弱い共振結合を使用して作製されてきた。弱い共振結合に基づくタップは、タップ比率が、一般に動作波長の所望の範囲にわたって大幅に変化することを意味し、さらに安定な小さい比率のタップを作製できることが望まれる。図２３及び図２４に示してあるタイプのタップは、波長安定性が大幅に改善された、小さな比率のこのようなタップを作製できるはずである。こうしたタップ設計については、出願人の知る限りでは、図１の対称スプリッタに基づく理想化された対応する設計は存在しない。出願人の知る限りでは、図４及び図７のスプリッタの考え方に基づくこのようなタップ設計は存在しない。

図２４を参照すると、光タップ３６０は、入力導波路セクション３６２、出力導波路セクション３６４、導波路タップ３６６、及び遷移セクション３６８を備える。遷移セクション３６８は、８つのプロファイルＢのセグメント３７０（代表的な１つのプロファイルＢのセグメントにラベル付け）、及び８つのプロファイルＡのセグメント３７２（代表的な１つのプロファイルＡのセグメントにラベル付け）を有する波状部を備え、接続セグメント３７４が、プロファイルＡのセグメント３７２とプロファイルＢのセグメント３７０とを接続する。入力導波路セクション３６２は、一般に、初期幅ｗから幅約ｗ_０＋ｗ_ｔまでテーパが付いており、ここでｗ_０は１次出力導波路３６４の幅であり、ｗ_ｔは導波路タップ３６６の幅である。プロファイルＢのセグメントは、一般に、幅ｗ_０の上部導波路セクションと、ギャップｇによって分離された幅ｗ_ｔの下部導波路セクションとを有する。出力導波路の横方向上縁部は、入力導波路セクション３６２の端部の横方向上縁部の下方に存在するので、波状部は、プロファイルＢのセクションの上部に、隆起部の代わりにくぼみを有し、波状部の下部延在部は入力導波路セクション３６２の端部の下縁部に対してさらに下方へ相応に延在する側縁部を有する。それに応じて、プロファイルＢのセクションのギャップは、図２３の実施形態に対して図２４の実施形態ではさらに低くシフトされる。やはり、図２４の実施形態では、上部及び下部への言及は、もっぱら各図面を都合よく参照するためのものであり、空間での実際の向きを暗に示すものではなく、タップが主要な光導波路に対してその他の方向に信号を運ぶために、反転構成で装置の向きを変えることができる。また、図１０での波状遷移部での前述の波状構造体の代替実施形態の概要は、この実施形態に適したように図２４の実施形態に相応に適用することができ、上記文書は、対応する代替実施形態についてここに書かれている場合と同様である。具体的には、この非対称の実施形態に関する前述の考察は、それだけには限定されないが、遷移セクションでのプロファイルＡ及びプロファイルＢのセグメントの数（たとえば、３～１００）の前述の議論、遷移セクションの入力端から出力端までの、プロファイルＡのセグメント及びプロファイルＢのセグメントの光路に沿った縦方向の範囲の変化（たとえば、ｑ_０＋ｎ・ｄｑ）、プロファイルＡのセグメント及びプロファイルＢのセグメントでのコア材料の横幅の比較（たとえば、ほぼ等しいか、又は±２５％）、接続セグメントの性質（たとえば、有無、並びに形状及びサイズ）、並びに他の適切なパラメータを含む。

図２２～２４の非対称スプリッタでは、出力導波路セクションは初めに、所望の光強度分割を実現するように選択された遷移セクションに隣接する幅を有する。分割するのに続いて、出力導波路セクションは、さらに長い距離での伝送用の信号に対応するための幅ｗを有するように徐々に先細とすることができる。光タップの場合、タップ出力セクションでのテーパが不要になる場合がある短い距離の後に、各タップを光検出器などに送ることができる。

波状遷移部の原理は、１×２遷移部に限定されることはない。図２５には、１×３スプリッタへの本発明の適用が示してある。この実施形態では、１×３スプリッタ４００は、入力導波路セクション４０２、第１の出力導波路セクション４０４、第２の出力導波路セクション４０６、第３の導波路セクション４０８、及び遷移セクション４１０を備える。遷移セクション４１０は、プロファイルＡ及びプロファイルＢを有する６つの交互配置セグメントで示してある。接続セグメントは、それぞれプロファイルＡのセグメントとプロファイルＢのセグメントとの間に示してある。図面を簡略化するために、１つのプロファイルＡのセグメント４１４、及び１つのプロファイルＢのセグメント４１２が、隣接する接続セグメント４１６、４１８とともに図２５にラベル付けされている。プロファイルＢのセグメント４１２は、（ギャップｇによって互いに分離された幅ｗ_１、ｗ_２、及びｗ_３を有する）３つの導波路セグメントを有する。プロファイルＡのセグメントは、幅がほぼｗ_１＋ｗ_２＋ｗ_３の連続コアを有する。

図２６には、２×３光ミキサ４３０への適用が示してある。光ミキサ４３０は、２つの入力導波路セクション４３２、４３４、３つの出力導波路セクション４３６、４３８、４４０、及び遷移セクション４４２を備える。遷移セクション４４２は、図に示すように、対応する接続セグメントとともに５つのプロファイルＡのセグメント及び５つのプロファイルＢのセグメントを備える。図面を簡略化するために、１つのプロファイルＡのセグメント４４６、１つのプロファイルＢのセグメント４４４、及び対応する接続セグメント４４８、４５０がラベル付けされている。プロファイルＡのセグメント４４６は、ギャップｇによって分離された幅ｗ_１、ｗ_２、ｗ_３を有する３つの導波路セグメントを有する。プロファイルＡのセグメントは、ギャップｇによって分離された幅ｗ_４、ｗ_５を有する２つの導波路セグメントを有する。名目上、次の条件がほぼ満たされる。すなわち、ｗ_１＋ｗ_２＋ｗ_３＝ｗ_４＋ｗ_５である。さらに、平衡結合では、ｗ_１＝ｗ_３及びｗ_４＝ｗ_５である。

図２５及び２６の遷移セクションでの各ギャップは、図１０の形状と同様の六角形の形状で示してある。しかし、こうした実施形態では、六角形のギャップは、プロファイルＡのセグメント及びプロファイルＢのセグメントでのコアの横幅と同じ横幅のコア材料を有する接続セグメントとは一致しない。シミュレーションによれば、接続セグメントでのコア材料の横幅の変化が性能に著しい影響を及ぼすことはなく、六角形の形状のギャップが一般に好都合な処理を実現する。一般に、他の合理的なギャップ形状を、様々な実施形態に使用することができる。図２５及び図２６での実施形態は、その他の実施形態について先に述べた通り、様々な数のプロファイルＡ及びプロファイルＢのセグメントを有することができる。また、図１０での波状遷移部における前述の波状構造体の代替実施形態の概要は、この実施形態において適宜、図２５及び２６の実施形態へ相応に適用することができ、上記文書は、対応する代替実施形態についてここに書かれている場合と同様である。具体的には、この非対称の実施形態に関する前述の考察は、それだけには限定されないが、遷移セクションでのプロファイルＡ及びプロファイルＢのセグメントの数（たとえば、３～１００）の前述の議論、遷移セクションの入力端から出力端までの、プロファイルＡのセグメント及びプロファイルＢのセグメントの光路に沿った縦方向の範囲の変化（たとえば、ｑ_０＋ｎ・ｄｑ）、プロファイルＡのセグメント及びプロファイルＢのセグメントでのコア材料の横幅の比較（たとえば、ほぼ等しいか、又は±２５％）、接続セグメントの性質（たとえば、有無、並びに形状及びサイズ）、並びに他の適切なパラメータを含む。

ＰＬＣ内に本明細書に記載の平面装置を形成するための材料を、ＣＶＤ、その変形形態、火炎加水分解、又は他の適切な堆積手法を使用して基板上に堆積させることができる。適切な基板には、たとえば、シリコン、セラミック、たとえば、シリカ又はアルミナなど、比較的高い処理温度に対する適切な耐性を有する材料が含まれる。実施形態によっては、基板上にＰＬＣを形成するために、適切な二酸化ケイ素の前駆物質を投入することができ、石英ガラスをドープして、所望の屈折率及び処理特性を実現することができる。同様に、他の光学材料についても、堆積及びドーピングを実行することができる。パターン形成は、フォトリソグラフィ又は他の適切なパターン形成技法を用いて実行することができる。たとえば、ＰＬＣでの上部クラッディング層として使用するためのプラズマ促進ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）に基づいて、Ｇｅ、Ｐ、及びＢでドープされた石英ガラスの形成は、「ＧＥＢＰＳＧ Ｔｏｐ Ｃｌａｄ ｆｏｒ ａ Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ」と題する、Ｚｈｏｎｇらの米国特許第７，１６０，７４６号明細書に記載されており、これを参考として本明細書に援用する。同様に、光平面導波路用のコアの形成は、たとえば、「ＧＥＰＳＧ Ｃｏｒｅ ｆｏｒ ａ Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ」と題する、Ｚｈｏｎｇらの米国特許第６，６１５，６１５号明細書に記載されており、これを参考として本明細書に援用する。

本明細書に記載の各装置は、平面光波回路内の追加の構成要素と一般に集積化することができるが、或いは、適切なコネクタを使用して光ファイバ及び／又は追加の別々の平面光波回路に接続するための、平面光波回路内の単一装置として組み込むことができる。

スプリッタ、ミキサ、及びタップの具体的な構成及び方向付けへの適用の観点から本発明を説明してきたが、あらゆる範囲のこうした装置にも、またいずれの方向での光伝搬にも適用可能であることが、当業者には容易に理解されよう。各説明は、例示することを意図したものであり、本発明を限定するものではない。

前述の実施形態は、例示的なものであって、限定的なものではないことを意図している。追加の実施形態は、特許請求の範囲内にある。さらに、特定の実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、形態及び詳細を変更できることを当業者は認識されよう。本明細書における明示的な開示に反する主題が組み込まれないように、上記文書の参照によるいかなる組込みも制限される。特定の構造体、組成物、及び／又はプロセスが、構成要素、素子、成分、又は他の区分とともに本明細書に記載されている限りは、本明細書における開示は、特定の実施形態、特定の構成要素を含む実施形態、素子、成分、他の区分、又はその組合せを含む実施形態、並びに、具体的に別段の指示がない限り、考察において示唆されるように、主題の基本的な性質を変えない追加の特徴を含むことができる、そのような特定の構成要素、成分、若しくは他の区分、又はその組合せから実質的に構成される実施形態を対象として含むことを理解すべきである。

Claims (28)

1. 少なくとも１つの入力導波路セクションと、少なくとも２つの出力導波路セクションと、前記少なくとも１つの入力導波路セクションと前記少なくとも２つの出力導波路セクションとを光学的に接続する遷移導波路セクションとを備える平面導波路接合部であって、
   前記遷移導波路セクションが、光路に沿ってギャップありセグメントとギャップなしセグメントとを交互に含み、
   前記ギャップありセグメントがギャップによって分離され、前記少なくとも２つの出力導波路セクションに対応する導波路コア・セグメントを有し、
   前記ギャップなしセグメントが、前記ギャップありセグメントでの前記導波路コア・セグメントの横幅の総計の±２５％以内の全幅を有する横方向の連続コアを有し、
   前記遷移導波路セクションが、少なくとも３つのギャップありセグメント、及び少なくとも３つのギャップなしセグメントを有し、
   前記入力導波路セクションは、前記遷移導波路セクションに隣接する第２の幅から第１の幅まで先細りし、
   前記第２の幅は、前記少なくとも２つの出力導波路セクションの幅の合計に等しく、
   前記ギャップありセグメントはそれぞれ、前記遷移導波路セクションの長手方向外縁部の一方又は両方において前記ギャップなしセグメントよりも外側に突出する部分を有する、平面導波路接合部。
2. 前記少なくとも１つの入力導波路セクションが、１つの入力導波路セクションであり、前記少なくとも２つの出力導波路セクションが、２つの出力導波路セクションであり、前記平面導波路接合部が１×２スプリッタである、請求項１に記載の平面導波路接合部。
3. 前記遷移導波路セクションが、６～２５個のギャップありセグメント、及び６～２５個のギャップなしセグメントを有し、
   前記ギャップなしセグメントは、前記ギャップありセグメントでの前記導波路コア・セグメントの横幅の総計の±５％以内の全幅を有する横方向の連続コアを有する、請求項１又は請求項２に記載の平面導波路接合部。
4. 接続セグメントが、前記ギャップありセグメントを、隣接する前記ギャップなしセグメントに接続し、
   前記平面導波路接合部は、石英ガラスを含む、請求項１～３のいずれか一項に記載の平面導波路接合部。
5. 前記ギャップありセグメント全体にわたって延在する前記ギャップと、隣接する２つの前記接続セグメントとが六角形を形成する、請求項４に記載の平面導波路接合部。
6. 前記入力導波路セクションは、光学コアが広くなり、前記遷移導波路セクションに接続されるテーパ・セグメントに光学的に接続された光路に沿って幅ｗの一定幅のセグメントを有し、
   前記ギャップありセグメントの前記ギャップが、０．２５ｗ～０．９ｗであり、
   ここでｗが、前記一定幅のセグメントに沿った前記入力導波路セクションの前記光路に垂直な前記コアの横方向の広がりである、請求項１～５のいずれか一項に記載の平面導波路接合部。
7. 前記出力導波路セクションが非対称である、請求項１～６のいずれか一項に記載の平面導波路接合部。
8. １つの出力導波路セクションが、第２の出力導波路セクションの幅の１．１倍～４倍の幅を有する、請求項７に記載の平面導波路接合部。
9. 前記少なくとも１つの入力導波路セクションが、１つの入力導波路セクションであり、前記少なくとも２つの出力導波路セクションが、３つの出力導波路セクションであり、前記平面導波路接合部が１×３スプリッタである、請求項１又は請求項３～８のいずれか一項に記載の平面導波路接合部。
10. 前記少なくとも１つの入力導波路セクションが、２つの入力導波路セクションであり、前記少なくとも２つの出力導波路セクションが、３つの出力導波路セクションであり、平面導波路接合部が２×３結合器である、請求項１又は請求項３～８のいずれか一項に記載の平面導波路接合部。
11. ａ）入力導波路セクション、結合セクション、及び終端セクションを含む湾曲導波路と、
    ｂ）前記結合セクションにおいて前記湾曲導波路に光結合するように配置されたＹスプリッタであって、入力導波路セクション、遷移導波路セクション、第１の出力導波路セクション、及び第２の出力導波路セクションを含むＹスプリッタと、を備え、
    前記遷移導波路セクションが、前記入力導波路セクションと、前記第１の出力導波路セクション及び前記第２の出力導波路セクションとを光学的に接続し、前記入力導波路セクションが、ｗの初期幅から２ｗ＋ｇのテーパ幅までのテーパを有し、前記テーパが、前記湾曲導波路でのゼロ次モードが前記入力導波路セクションでの１次モードに結合するように、前記湾曲導波路と光学的に結合するように構成され、
    前記遷移導波路セクションが、光路に沿ってギャップありセグメントとギャップなしセグメントとを交互に含み、前記ギャップありセグメントが、光学コアでのギャップによって分離され、前記２つの出力導波路セクションに対応する導波路コア・セグメントを有し、前記ギャップなしセグメントが、横方向の連続コアを有し、前記入力導波路セクションが前記遷移導波路セクションに隣接する第２の幅から第１の幅まで先細りし、前記第２の幅は、前記少なくとも２つの出力導波路セクションの幅の合計に等しく、
    前記ギャップありセグメントはそれぞれ、前記遷移導波路セクションの長手方向外縁部の一方又は両方において前記ギャップなしセグメントよりも外側に突出する部分を有する、光ミキサ。
12. 前記Ｙスプリッタが、ゼロ次光学モードでの光効率及び１次モードでの光効率を有し、
    前記ゼロ次光学モードと前記１次モードでの光効率は、最大１パーセント異なる、請求項１１に記載の光ミキサ。
13. 前記遷移導波路セクションが、６～２５個の前記ギャップありセグメント、及び６～２５個の前記ギャップなしセグメントを備える、請求項１１又は請求項１２に記載の光ミキサ。
14. 接続セグメントが、前記ギャップありセグメントと隣接する前記ギャップなしセグメントとを接続し、前記ギャップありセグメント全体にわたって延在する前記ギャップと、隣接する２つの前記接続セグメントとがほぼ六角形を形成する、請求項１１～１３のいずれか一項に記載の光ミキサ。
15. 請求項１１に記載の光ミキサを用いて光信号出力を制御する方法であって、
    ２つの光信号を結合することであって、第１の光信号がゼロ次モードにあり、第２の光信号が１次モードにあって、前記Ｙスプリッタの入力導波路セクション内でこの２つの光信号の干渉をもたらして、結合光信号を形成することと、前記結合光信号を遷移導波路セクションに送って、選択された光信号を前記２つの光信号の位相関係に基づいて前記第１の出力導波路セクションと前記第２の出力導波路セクションに送ることとを含む、方法。
16. 前記２つの光信号の前記位相関係は、前記光ミキサが可変光減衰器の役割を果たすように、前記光信号の選択された部分をもたらして、前記第１の出力導波路セクション及び前記第２の出力導波路セクションを通って伝送する、請求項１５に記載の方法。
17. 前記第１の光信号と前記第２の光信号が、同相又は１８０度の位相ずれになり、したがって前記結合光信号が、前記第１の出力導波路セクション又は前記第２の出力導波路セクションのうちの一方へ効果的に送られ、その結果、前記光ミキサが選択可能なスイッチの役割を果たす、請求項１５に記載の方法。
18. 前記第１の光信号の第１の偏光が、前記第２の光信号の対応する偏光に対して位相が１８０度ずれて前記ミキサに到達し、及び前記第１の光信号の第２の偏光が、前記第２の光信号の前記対応する偏光に対して同相で前記ミキサに到達して、前記第１の光信号と前記第２の光信号の両方の前記第１の偏光を前記出力導波路セクションの１つに送り、前記第１の光信号と前記第２の光信号の両方の前記第２の偏光を出力導波路セクションの別の１つに送って、前記第１及び第２の出力導波路間で互いに異なる偏光の光を分割する、請求項１５に記載の方法。
19. 入力導波路セクション、第１の出力導波路セクション、第２の出力導波路セクション、及び前記入力導波路セクションと前記出力導波路セクションとを接続する遷移導波路セクションを含む非対称光接合部であって、
    前記第１の出力導波路セクションが、前記第２の出力導波路セクションの対応する幅よりも少なくとも１０％広い前記遷移導波路セクションにおいて光路に垂直な幅を有し、
    前記遷移導波路セクションが、光路に沿ってギャップありセグメントとギャップなしセグメントとを交互に含み、
    前記ギャップありセグメントが、光学コアでのギャップによって分離され、
    前記２つの出力導波路セクションに対応する導波路コア・セグメントを有し、
    前記ギャップなしセグメントが、横方向の連続コアを有し、
    前記入力導波路セクションは、前記遷移導波路セクションに隣接する第２の幅から第１の幅まで先細りし、
    前記第２の幅は、前記少なくとも２つの出力導波路セクションの幅の合計と等しく、
    前記ギャップありセグメントはそれぞれ、前記遷移導波路セクションの長手方向外縁部の一方又は両方において前記ギャップなしセグメントよりも外側に突出する部分を有するい非対称光接合部。
20. 前記導波路が石英ガラスを含む、請求項１９に記載の非対称光接合部。
21. 前記入力導波路セクションから前記遷移導波路セクションに伝送される光強度の１０％未満が、前記第２の出力導波路セクションを通って伝搬する、請求項１９又は請求項２０に記載の非対称光接合部。
22. 前記遷移導波路セクションが、６～２５個の前記ギャップありセグメント、及び６～２５個の前記ギャップなしセグメントを備える、請求項１９～２１のいずれか一項に記載の非対称光接合部。
23. 接続セグメントが、前記ギャップありセグメントと隣接する前記ギャップなしセグメントとを接続し、前記ギャップありセグメント全体にわたって延在する前記ギャップと、隣接する２つの前記接続セグメントとがほぼ六角形を形成する、請求項１９～２２のいずれか一項に記載の非対称光接合部。
24. 前記ギャップありセグメントの側縁部が、前記光路に垂直な前記ギャップなしセグメントの中央に対して対称に配置されている、請求項１９～２３のいずれか一項に記載の非対称光接合部。
25. 前記ギャップありセグメントの前記側縁部が、前記光路に垂直な前記ギャップなしセグメントの中央に対して非対称に配置されている、請求項２４に記載の非対称光接合部。
26. 前記遷移導波路セクションが、１つの側縁部全体にわたってほぼ直線状である、請求項２５に記載の非対称光接合部。
27. 前記ギャップありセグメントの前記側縁部が、前記ギャップなしセグメントの前記側縁部に対して凹部を形成する１つの縁部、及び前記ギャップなしセグメントのもう一方の側縁部に対して突起部を形成する１つの縁部を有する、請求項２５に記載の非対称光接合部。
28. 前記ギャップなしセグメントの横方向の連続コアは、前記ギャップありセグメントにおける前記導波路コア・セグメントの横幅の総計に等しい横幅を有する請求項１に記載の平面導波路接合部。

Images