JPH02291507A - 二次元光導波路型ｔｅ，ｔｍモードスプリッタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、光導波路、光集積回路、さらには光回路セン
サ、光演算回路等の光デバイス等において用いられる二
次元光導波路型ＴＥ，ＴＭモードスプリッタに関する． 従来の技術 従来、この種のＴＥ，ＴＭモードスプリッタとして、第
１０図に示すようなものがある。まず、ガラス基板ｌ上
にＳｉｎ，層２が形成され、その上にＡ　ｓ　，　Ｓ　
，層３が形成される。さらに、電子ビーム照射部分の屈
折率が高くなるという電子ビーム描画法によりＡ　ｓ　
，　Ｓ　，層３上に屈折率変調型グレーティング４が形
成される。このような構造において、Ａｓ，Ｓ，層３は
光導波層、Ｓ　ｉ　Ｏ，層２はバッファ層を形成してお
り、Ａｓ，Ｓ，層３が最も高屈折率層となる。そして、
グレーテイング４に対し入射角４５゜程度となるように
光導波層３にＴＥモードとＴＭモードとを入射・導波さ
せる。

この時、グレーテイングピッチをＴＭモードが反射する
ように選んでおくと、グレーテイング４においてＴＥモ
ードの回折効率は低いため、ＴＥモードはそのまま透過
する。一方、ＴＭモードの回折効率は高いためこのグレ
ーテイング４によりほぼ直角方向に回折される。よって
、ＴＥ，ＴＭモードの混在した光ビームはグレーテイン
グ４により平面上で分離されることになる。

発明が解決しようとする課題 ところが、このようなグレーテイング４方式による場合
、その回折効率が入射角によって大きく変動してしまう
。よって、入射角の調整を要する。

また、用いる光源の波長変動に対しても回折角が変化し
たり回折効率が低下する。よって、安定した分離機能を
発揮させるためには、使用する光源の波長変動を小さく
抑える必要があり、これによって使用し得る光源が制約
を受ける。また、グレーティング４のピッチとしては光
源の波長程度のオーダ（若しくはそれ以下）が要求され
るため、微細な加工が必要となり、よって、グレーテイ
ング作製装置としても高価となってしまう。

課題を解決するための手段 請求項ｌ記載の発明では、ＴＥモードとＴＭモードとを
同方向に導波させる第１光導波路と、第１光導波路から
のＴＥモードとＴＭモードとを斜めに入射させる境界を
有し導波結合するＴＥモードとＴＭモードとに対し非縮
退状態を示す膜厚に形成した第２光導波路とにより構成
した。

請求項２記載の発明では、第２光導波路を、少なくとも
第１光導波路を導波するＴＥモードの次数以上の最高次
数のＴＥモードは導波させ対応する最高次数のＴＭモー
ドは導波させない膜厚に形成した。

作用 第１光導波路を同一方向に導波するＴＥ，ＴＭモードは
、境界を経て第２光導波路に結合導波する。この時、第
２光導波路はＴＥ，ＴＭモードに対して非縮退状態を示
す膜厚に形成されたものであり、第２光導波路において
ＴＥモードの等価屈折率とＴＭモードの等価屈折率とが
異なる。よって、同一方向から境界に対して斜めに入射
したＴＥ，ＴＭモードは、第２光導波路において等価屈
折率の差によって屈折角が異なることになり、ＴＥモー
ドとＴＭモードとが空間的に分離される。

このような屈折を利用した分離であるため、境界に対す
る入射角が変動したとしても屈折光のパワー変動はグレ
ーティング方式の場合に比して少なく、入射角変動に対
し強いものとなる。これは、使用する光源の波長変動に
対しても同様であり、屈折角の僅かな変動で済む。屈折
効率の低下も僅かである。よって、波長変動による影響
が少なく、光源の波長安定性の許容範囲が広くなって、
光源選択の自由度が大きくなる。また、膜厚を工夫して
単純に第１，２光導波路を形成すればよく、作製が容易
で低コストのものとなる。

特に、請求項２記載の発明のように、第２光導波路を、
少なくとも第１光導波路を導波するＴＥモードの次数以
上の最高次数のＴＥモードは導波させ対応する最高次数
のＴＭモードは導波させない膜厚のものとして構成すれ
ば、第２光導波路で導波結合するＴＥモードとＴＭモー
ドとの次数が異なり、その等価屈折率の差が大きくなる
。よって、屈折によるＴＥ，ＴＭモードの分離角が大き
くなる。

実施例 請求項ｌ記載の発明の第一の実施例を第１図ないし第３
図に基づいて説明する。まず、基本構造として、透明基
板５上に第１光導波路６を形成し、この第１光導波路６
上の一部に第２光導波路７を形成したステップ型二次元
光導波路としてなる。

ここに、透明基板５、第１光導波路６、第２光導波路７
各々の屈折率をｎ，，ｎ，，ｎ，とした時、ｎ＋　＜　
ｎ　＊　＜　ｎ　ａなる関係を満足するように、各屈折
率が設定されている。なお、透明基板５については、第
１光導波路６下層にこの第１光導波路６よりも低屈折率
の透明物質によるバッファ層を介在させれば、基板自体
は透明でなくてもよい。

ところで、このようなステップ型二次元光導波路では、
導波モードの等価屈折率Ｎと第２光導波路７の膜厚ｄと
の間には、第３図（ｂ）の分散曲線に示すような関係が
ある。即ち、導波モードとしては通常ＴＥモードとＴＭ
モードとの２種類が存在し、かつ、各々のモードについ
てＯ次、１次、２次、・・・といった各次数モードが存
在する。この時、第３図（ｂ）中に示すように、導波す
るＴＥモード、ＴＭモードの各々は、同一の次数モード
であれば、その等価屈折率Ｎがほぼ等しくなる。これは
、その光導波路の膜厚ｄが厚いほど殆ど一致し、いわゆ
る縮退状態を示すことになる。しかし、膜厚ｄが薄い場
合には、その膜厚ｄにおけるＴＥ，ＴＭ両モードの等価
屈折率Ｎが一致せず、膜厚ｄが薄いほど等価屈折率Ｎの
差が大きくなり、いわゆる非縮退状態を示す。特に、第
１図及び第２図に示すような構造の場合には、一般に、
ＴＭモードの等価屈折率のほうがＴＥモードの等価屈折
率より小さくなる。

このため、例えば本実施例による第１光導波路６の膜厚
ｄを厚めとし、第３図（ａ）に示すようにｄ．とすると
、この第１光導波路６を導波するＴＥ，ＴＭモードは第
３図（ａ）に示すように同一の等価屈折率Ｎ，を持つ状
態に縮退することになる。

これに対し、第２光導波路７については、前述したよう
に第１光導波路６よりも高屈折率層として形成するが、
その膜厚ｄの簿いものとして形成するものとする。する
と、第１光導波路６から導波した同じ次数のＴＥ，ＴＭ
モードは、第２光導波路７では非縮退状態によりその等
価屈折率が異なることになる。ここで、第２図において
、第２光導波路７を導波するモードは、第１光導波路６
との複合モードになる。このため、第２光導波路７の膜
厚ｄを薄くしていく場合には、第２光導波路７が上部に
形成されている部分の第１光導波路６の膜厚が厚いと、
第２光導波路７を光が導波しなくなる場合がある。この
ため、第２図の構造の導波路では、第２光導波路７の膜
厚ｄを薄くする場合、その下の部分のみ第１光導波路６
の膜厚を、第２光導波路７に光が導波するように簿くす
る必要がある。

いま、第３図において、第１光導波路６におけるＴＥ，
ＴＭモードの等価屈折率をＮｌ％第２光導波路７におけ
るＴＥモードの等価屈折率をＮ３、第２光導波路７にお
けるＴＭモードの等価屈折率をＮ８とする。一般に、導
波モードは光導波路が異なっても同じ型、次数のモード
で導波するのが効率がよく、かつ、なるべく等価屈折率
の近いモードと結合する性質がある。

このため、第２光導波路７の膜厚をｄ１　として、第１
光導波路６にＴＥ，モード、ＴＭ，モードを導波させた
場合（等価屈折率Ｎ，），ＴＥ，モードは第２光導波路
７におけるＴＥ，モードに結合し、ＴＭ，モードは第２
光導波路７におけるＴＭ，モードに結合する。

また、第２光導波路７の膜厚をｄ１とすれば、第２光導
波路６にはＴＥ，，ＴＭ，モードだけでなく、次数の異
なるＴＥ，，ＴＭ，モードを含めた４つのモードが励起
可能となる。しかし、入射角θ．があまり大きくなけれ
ば、モードの型が同じで等価屈折率の近いモードとの結
合が起こるため、第１光導波路６からのＴＥ．モードは
主にＴＥ，モードに結合し、第１光導波路６からのＴＭ
，モードは主にＴＭ，モードに結合することになる。

同様に、第２光導波路７の膜厚をｄ．とした場合を考え
れば、第２光導波路６にはＴＥ．，　ＴＥ，，ＴＥ，，
ＴＭ，，ＴＭ，，ＴＭ，なる６つのモードが励起可能と
なるが、入射角θ．があまり大きくなければ、第１光導
波路６からのＴＥ，モードは主にＴＥ，モードに結合し
、第１光導波路６からのＴＭ，モードは主にＴＭ，モー
ドに結合することになる。

よって、第２光導波路７の膜厚ｄの選定によって、結合
するモードの等価屈折率Ｎを大きくしたり小さくしたり
し得ることが判る。

しかして、本実施例では第１光導波路６からのＴＥ，Ｔ
Ｍモードを第２光導波路７に対し、境界８により斜め入
射させるものである。ここに、この境界８においては導
波モードの屈折・反射が生じるが、屈折に関しては、境
界８への導波モードの入射角をθ，、ＴＥモードの出射
角をθ，、ＴＭモードの出射角をθ．とすると、 Ｎ，ｓｉｎθ，　＝　Ｎ，ｓｉｎθ，　＝　Ｎ，ｓｉｎ
θ．なるスネルの法則が成立する。このため、第１光導
波路６では縮退し境界８を越えて導波していくＴＥモー
ドとＴＭモードとは、斜め入射による入射角θ１　≠Ｏ
なる条件下では、第２光導波路７中で各々の結合するモ
ードの等価屈折率Ｎ，，Ｎ．がＮ１≠Ｎ．であるため、
Ｏ．≠θ，となる。よって、ＴＥモードとＴＭモードと
はその出射角ｅ，，ｅ．が異なる方向に屈折されて導波
し、平面上でＴＥモードとＴＭモードとが分離されるこ
とになる。

なお、境界８に対するＴＥ，ＴＭモードの入射角θ１は
、全反射しない範囲で、例えば第４図に示すようになる
べく大きくした方が、ＴＥ，ＴＭモードの分離が大きく
なり、有利となる。

また、本実施例における第１，２光導波路６，７につい
ては、その上下を逆として形成してもよい。即ち、透明
基板５上に第２光導波路７を先に形成し、その上に第１
光導波路６を形成するものである。

次に、請求項ｌ記載の発明の第二の実施例を第５図によ
り説明する。本実施例は、第１，２光導波路６，７を積
層構造とせず、各々透明基板５上に直接形成したもので
ある。もっとも、平面的構成は第１図と同様であり、Ｔ
Ｅ，ＴＭモードを斜めに入射させる境界８を持つ。また
、本実施例でも透明基板５、第１光導波路６、第２光導
波路７各々の屈折率をｎ，，　ｎ，，　ｎ，とした時、
ｎｌ＜ｎ　＊　＜　ｎ　ｓなる関係を満足するように、
各屈折率が設定されている。また、第１光導波路６の膜
厚は第３図に示したｄ．の如く、導波させるＴＥ，ＴＭ
モードが縮退するような十分の厚さとされている。一方
、第２光導波路７の膜厚は、モード次数の変換等に応じ
、例えば第３図（ｂ）に示した膜厚ｄｌｊｄｍｅｄｍＨ
・・・ような厚さが適宜選定され、導波するＴＥ，ＴＭ
モードに対して非縮退状態を示すものとして構成されて
いる。

このような構成により、前記実施例の場合と同様の原理
により、第１光導波路６を導波する縮退しているＴＥ，
ＴＭモードを、等価屈折率の違いによる屈折を利用して
、第２光導波路７で分離できる。

さらに、請求項ｌ記載の発明の第三の実施例を第６図及
び第７図により説明する。本実施例は、第１．２光導波
路６，７を同一材料よりその膜厚を異ならせて形成した
ものである。即ち、第１光導波路６の膜厚をｄ．，第１
光導波路６の膜厚をｄ．とした時、ｄ．）ｄ．であって
、かつ、その分散特性として第７図に示すように、膜厚
ｄ４は縮退状態を示す領域中に設定され、膜厚ｄ．は非
縮退状態を示す領域中に設定されている。境界８は前記
実施例に準ずる。

このような構成において、第１光導波路６を導波した縮
退状態のＴＥ，ＴＭモードは、第２光導波路７において
モードの次数の変換は生じないものの、非縮退状態によ
り等価屈折率が変化し、この第２光導波路７でＴＥ，Ｔ
Ｍモードの等価屈折率が異なることから、境界８に対す
る斜め入射後の屈折により、両者は分離される。

第５図及び第６図に示す実施例にあっても、バッファ層
を設ければ、基板は透明基板５に代えて、不透明材料に
よるものであってもよい。

また、請求項ｌ記載の発明についての、これらの実施例
において、境界８は基板５面に対し垂直面カット形状と
したが、勾配を持つテーバ状のものであってもよい。た
だし、この場合は、第１光導波路６から第２光導波路７
へ導波モードが結合する場合、必ずしも等価屈折率の近
いモードに結合するとは限らず、より高い等価屈折率を
持つモードに結合する場合が生じる。また、境界８は必
ずしも直線的である必要もない。さらに、これらの実施
例では、第１光導波路６を導波するＴＥ，ＴＭモードが
縮退したものとしたが、第１光導波路６の膜厚がやや薄
くされて、第１光導波路６に励起されるＴＥモードとＴ
Ｍモードとの等価屈折率が若干異なる非縮退状態を示す
構成であっても、適用し得る。

つづいて、請求項２記載の発明の一実施例を第８図及び
第９図により説明する。基本構造は第１図及び第２図の
場合と同様であるが、第２光導波路７の膜厚ｄに関し、
例えば第９図（ｂ）中に示すｄｓｔｄｖｔ・・・のよう
な膜厚としたものである。即ち、膜厚ｄ．は第３図（ｂ
）に示した膜厚ｄ．を想定したものである。膜厚ｄ．の
場合であれば、ＴＥ，ＴＭモードについてＴＥ．，ＴＭ
，，ＴＥ，，ＴＭ，の各モードが励起導波し得る。しか
し、本実施例ではこの膜厚ｄ．よりも薄めとし、最高次
数、ここでは１次のＴＥ，モードは導波し得るが、対応
する次数のＴＭ，モードはカットオフされて導波されな
い膜厚ｄ．どなるように、第２光導波路７を形成したも
のである。

同様に、膜厚ｄ，については、最高次数２次までの導波
を想定した場合において、ＴＥ．モードは導波させるが
、ＴＭ，モードはカットオフして導波させない膜厚とし
て選定されたものである。

さらに高次についても、一般的には、各次数のＴＥモー
ドは導波させ、対応する次数のＴＭモードはカットオフ
させる膜厚が同様にして適宜選定され得る。また、本実
施例の場合のみ、上記の何れの場合も、第２光導波路７
の膜厚を薄くする際には、第１光導波路６の膜厚もそれ
に伴って薄くする必要があることは、請求項ｌ記載の発
明についての第一の実施例の場合と同様である。

また、第１，２光導波路６，７での等価屈折率の選定に
つき、第１光導波路６ではＴＥモードとＴＭモードとが
縮退していてもいなくてもよいが、二こでは同じ次数の
組のものを考える。そして、第１光導波路６でのＴＥ，
ＴＭモード光の各々の等価屈折率を第９図に示すように
Ｎ，，Ｎ．であるとする。また、第２光導波路７につい
ては、導波する最大次数のＴＥモードの等価屈折率をＮ
．、その次数より１つ低い次数のＴＥ，ＴＭモード各々
の等価屈折率をＮ，，　Ｎ，とする。ここに、第９図に
示すようにＮ　．　＃　Ｎ　．　＃　Ｎ．となるように
設定する。これらの等価屈折率Ｎ，，Ｎ，，Ｎ，は必ず
しも一致させる必要はないが、なるべく近い値となるよ
うに設定するのがよい。

第１，２光導波路６，７の膜厚、等価屈折率につき、上
記の如く設定調整した状態では、第１光導波路６でのＴ
Ｅモード（等価屈折率Ｎ４）は第２光導波路７における
ＴＥモードの最高次数のモード（等価屈折率Ｎ，　）に
ほぼ結合する。これは、第１．２光導波路６．７におい
てＴＥモードで等価屈折率の近いモードが存在すること
による。これに対し、第１光導波路６におけるＴＭモー
ド（等価屈折率Ｎ，　）は、第２光導波路７においては
対応するＴＭモードで近い等価屈折率のモードが存在し
ないため、等価屈折率のかなり異なるＴＭモード（等価
屈折率Ｎ，）に結合するとともに５一部は反射したり、
放射モードに結合する。

この結果、第１光導波路６におけるＴＥモードは第２光
導波路７において等価屈折率の近いＴＥモードに結合す
るため、第８図に示すように境界８に斜め入射させたと
してもそれほど屈折を生ずることなく、第２光導波路７
でもほぼ同じ方向に直進する。しかし、第１光導波路６
におけるＴＭモードは第２光導波路７においてはＴＥモ
ードよりは低次で、より等価屈折率の大きいＴＭモード
に結合するため、斜め入射した境界８で屈折し、第２光
導波路７における進行方向がＴＥモードとは異なること
になる。よって、第１光導波路６を同方向に導波するＴ
Ｅ，ＴＭモードが分離される。

第８図では第１光導波路６にＴＥ，、ＴＭ，モードを導
波させた場合を示し（第２光導波路７の膜厚をｄ．とす
る）、ＴＥ．モードは第２光導波路７でＴＥ，モードに
結合し、ＴＭ，モードは第２光導波路７においてＴＭ，
モードに結合する。ここに、第２光導波路７においては
ＴＥ，モードとＴＭ，モードとの等価屈折率が大きく異
なるため、境界８での屈折による導波方向が異なり、Ｔ
ＥモードとＴＭモードとが分離されることを示す。

なお、本実施例にあっても、境界８は必ずしも直線的で
ある必要はなく、基板に対して垂直である必要もない。

また、断面的構成としても、第２図のようなものに限ら
ず、第１．２光導波路６，７を上下逆としたものや、第
５図に示したようなものであってもよい。

ところで、第１光導波路６におけるＴＥ，ＴＭモードの
等価屈折率Ｎ，，Ｎ，と、第２光導波路７における等価
屈折率Ｎ，，Ｎ，，Ｎ，との関係が、Ｎ，＜Ｎ．，　Ｎ
，＜Ｎ，，　Ｎ， であって、Ｎ，，　Ｎ，の値がＮ．から離れＮ，，　Ｎ
，に近づくにつれて、第２光導波路７におけるＴＥモー
ドは最高次数のモードのみならず、１つ低次のモードも
励起されるようになる。そして、Ｎ　，，Ｎ，＃Ｎ，，
Ｎ，となった場合には、ほぼ低次のモードのみ励起され
るようになる。即ち、請求項ｌ記載の発明の場合と同様
の結果となる。この場合には、ＴＥ，ＴＭモードの等価
屈折率の差が小さくなり、ＴＥ，ＴＭモードの屈折角の
差が小さくなってしまう。しかし、この点を考慮すれば
、上記のＮ，（Ｎ，，Ｎ，（Ｎ，，Ｎ，なる等価屈折率
の条件でも、ＴＥ，ＴＭモードスプリッタとして動作し
得る。

このような点をも考慮し、第１，２光導波路６，７にお
ける等価屈折率をコントロールするには、膜厚の制御、
光導波路の屈折率の可変制御、別の光導波路の装荷等の
手段によればよい。第２図構造例は、異なる光導波路と
して高屈折の第２光導波路を第１光導波路６上に装荷し
た例を示す。第５図構造例は、各光導波路６，７の屈折
率、膜厚を変化させた例を示す。第６図構造例は膜厚を
変化させた例である。なお、第６図方式においては、図
示例と逆に、第１光導波路６の膜厚より第２光導波路７
の膜厚の方を厚めとしてもよい。但し、第２光導波路７
において、高次のＴＭモードがカットオフされるという
条件を満足する膜厚とする必要はある。

発明の効果 本発明は、上述したように、ＴＥモードとＴＭモードと
を同方向に導波させる第１光導波路と、第１光導波路か
らのＴＥモードとＴＭモードとを斜めに入射させる境界
を有し前記ＴＥモードとＴＭモードとに対し非縮退状態
を示す膜厚に形成した第２光導波路とにより構成したの
で、第２光導波路では導波結合するＴＥ，ＴＭモードの
等価屈折率が異なり、同一方向から境界に対して斜めに
入射したＴＥ，ＴＭモードは、第２光導波路において等
価屈折率の差によって屈折角が異なることにより、ＴＥ
モードとＴＭモードとを空間的に分離でき、また、この
ような屈折を利用した分離であるため、境界に対する入
射角が変動したとしても屈折光のパワー変動はグレーテ
イング方式の場合に比して少なく、入射角変動に対して
強いモードスプリッタとすることができ、さらには、使
用する光源の波長変動に対しても屈折角の僅かな変動で
済み、屈折効率の低下も僅かなものとなり、よって、波
長変動による影響が少なく、光源の波長安定性の許容範
囲が広くなって、光源選択の自由度を大きくすることが
でき、また、膜厚等を工夫して第１，２光導波路を形成
すればよく、作製が容易で低コストのものとなり、特に
、請求項２記載の発明のように、第２光導波路を、少な
くとも第１光導波路を導波するＴＥモードの次数以上の
最高次数のＴＥモードは導波させ対応する最高次数のＴ
Ｍモードは導波させない膜厚のものとして構成すれば、
第２光導波路を導波するＴＥモードとＴＭモードとの次
数を異ならせることにより、等価屈折率の差を大きくし
、屈折によるＴＥ，ＴＭモードの分離角を大きくするこ
とができる６

【図面の簡単な説明】

第１図は請求項ｌ記載の発明の第一の実施例を示す平面
図、第２図はその正面図、第３図は分散曲線を示す特性
図、第４図は変形例を示す平面図、第５図は請求項１記
載の発明の第二の実施例を示す正面図、第６図は請求項
ｌ記載の発明の第三の実施例を示す正面図、第７図は分
散曲線を示す特性図、第８図は請求項２記載の発明の一
実施例を示す平面図、第９図は分散曲線を示す特性図、
第１Ｏ図は従来例を示す斜視図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ＴＥモードとＴＭモードとを同方向に導波させる第
   １光導波路と、第１光導波路からのＴＥモードとＴＭモ
   ードとを斜めに入射させる境界を有し導波結合するＴＥ
   モードとＴＭモードとに対し非縮退状態を示す膜厚に形
   成した第２光導波路とからなり、次数の等しいＴＥモー
   ドとＴＭモードとを分離させることを特徴とする二次元
   光導波路型ＴＥ、ＴＭモードスプリッタ。 ２、ＴＥモードとＴＭモードとを同方向に導波させる第
   １光導波路と、第１光導波路からのＴＥモードとＴＭモ
   ードとを斜めに入射させる境界を有し、少なくとも第１
   光導波路を導波するＴＥモードの次数以上の最高次数の
   ＴＥモードは導波させ対応する最高次数のＴＭモードは
   導波させない膜厚に形成した第２光導波路とからなるこ
   とを特徴とする二次元光導波路型ＴＥ、ＴＭモードスプ
   リッタ。