JPH03172804A - 偏波無依存波長不感受光分岐デバイス - 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〉 本発明は光ファイバあるいは先導波路中を伝搬する光パ
ワーを分岐する光分岐デバイスに関し、さらに詳しくは
、伝搬する光の偏光状態によらずまた僅かな波長の違い
を感受せずに正確に２分岐する偏光無依存波長不感受光
分岐デバイスに関する。

〈従来の技術〉 光分岐デバイスは、光ファイバや先導波路の中を伝搬す
る光を分岐させるために使用される。現在の用途では、
単一モードの１；　ｌの分岐が一般によく用いられる。

第５図、第６図に従来の単一モード光分岐デバイスの２
例を示す。第５図は７分岐と呼ばれる導波路構造であり
、５０は基板、５１は入力導波路、５２はＹ分岐部、５
３．５４は出力導波路である。第６図は方向性結合器と
呼ばれる導波路構造であり、６０は基板、６１は入力導
波路、６２は結合部、６３，６４は出力導波路である。

〈発明の解決しようとする問題点〉 しかし、従来の光分岐デバイスにはそれぞれ次のような
固有の欠点があった。７分岐は設計が簡単であるが、Ｙ
分岐部５２が他の導波路より幅広となるため、そこが完
全には単一モード導波路とならず、バイモーダル導波路
あるいは高次モート・導波路になることが起こりがちで
あった。そのため、偏光によりあるいは波長により分岐
比の変動が生じることがあった。また、Ｙ分岐部５２の
先端形状が微細なパターンであるので、作製時のフォト
リングラフィ工程や工・ノチング工程の不完全性のため
に完全な形状に形成できず、Ｙ分岐部で散乱損失が発生
して損失原因となっていた。

一方、方向性結合器はＹ分岐部のような一様でない導波
路は持たないので、作製上の困難さや損失増加の問題は
少ないが、導波路の間隔や結合部の長さ等の設計が面倒
という欠点がりた。また、導波路間の結合現象を利用し
ているため、伝搬定数の異なる２つの直交偏光の間で、
あるいは波長の異なる光の間で、分岐比が変動すること
が本質的に避けられなかった。

これら理由により、従来は導波路型の光デバイスで偏光
に依存せずかつ波長の僅かな変化を感受しない光分岐デ
バイスは受動型では得にくがった。

このため、正確に１：　ｌの分岐比が必要な各種の応用
等において、偏光無依存波長不感受光分岐デバイスが必
要とされていた。

〈問題点を解決するための手段） 本発明は、上記欠点を解決するもので、偏光に依存せず
また僅かな波長のずれがあっても分岐比が正確にｌ＝　
１となる光分岐デバイスを提供することを目的とする。

本発明者らは、基板に形成した入力導波路と、この入力
導波路から等しい距離離れて平行に配置されこの入力導
波路に等しく光結合された結合部を有する２本の出力導
波路からなる導波路構造において、次の効果があること
を見出した。即ち、この入力導波路に光を励振すると出
力導波路には等しい光パワーが結合される。そしてこの
入力導波路をある位置で終端させればそれ以上の結合作
用が生ぜず、出力導波路の光パワーが固定される。

この時、入力導波路を伝搬する光が出力導波路に等しく
５０％結合される距離を結合長し【とじた時、結合部の
実効的長さを（ｎ＋１／２）Ｌｔ（ｎ＝０．　　ｌ、　
　２．　３．　　、、、）とすれば出力導波路からそれ
ぞれ５０％の光パワーが取り出せる。

なお、この条件において偏光や波長の違いで結合長Ｌｔ
Ｏ値が僅か変わると、望ましい結合部の長さは上記条件
からずれるが、出力導波路に結合される光パワーが減少
するだけで分岐比には全く影響がないことである。

なお、３本の結合した４ＬＩＪｔ路を光分岐に用いるこ
とは、ティ・フィンダクリ（Ｔ、　　ＦｊｎｄａｋＩｙ
）　　らが、　１９８２年のＡｐｐｌｉｅｄ　　Ｐｈｙ
ｓｌｃｓ　　ＬｅｔｔｅｒｓｔＪ５４０巻７号５４９頁
の論文で開示している。しかし、これは３本の導波路に
光を分けるための導波路構造であること、結合部の長さ
に限定が無いこと、および基板の途中において入力導波
路に終端がないことがら、本発明とは構成が異なるもの
である。

以下に、デバイスの動作を理論的に考察する。

第■図に示す３本の導波路（中心の導波路を０、両側の
導波路をそれぞれ！、２とする）を考える。

導波路０．１．２を２方向に伝搬する光の電界振幅をＥ
Ｏ（ｚ）、Ｅｌ（ｚ）、Ｅ２　（ｚ）、その伝搬定数を
β０、β１１　　β２、導波路０と１の問および導波路
０と２の間の結合係数を等しくにとし、導波路ｌと２の
間には結合がないとすると、ｄＥＯ（Ｚ）／ｄＺ＝ −ｊにＥｌ　（ｚ）　・ｅｘｐ　ｔ−ｊ　　（βｌβ０
）ｚ） −ＪにＥ２　（ｚ）　・ｅｘｐ　（−ｊ　　（β２β０
）ｚ） ・・・・・・・・（ｌａ）式 ％式％） （ （０ ）） ・・・・・・・・（ｌｂ）式 ｄＥ２（ｚ）／ｄＺ＝ −ＪｐｔＥＯ（ｚ）　　・　ｅｘｐ　　（−ｊ　　（β
０−β　２）　ｚ） ・・・・・・・・（ｌｃ）式 の各関係式が成り立つ。なお、上記条件の成立は、３導
波路の形状、屈折率差が全て同一であり、導波路ｌと２
が導波路Ｏから等しい距離にあり、かつ導波路１と２の
間が光結合が無いように離れていればよいので、容易に
実現できる。

簡単のため、βｌとβ２が等しいとして、２Δ＝β　ｌ
　−β０＝β２−β０　とおく　と、　ＥＯ（ｚ）、Ｅ
ｌ（ｚ）、Ｅ２　（ｚ）の一般解は、ＥＯ（ｚ）＝　　
（ＥＯＩ　　・　ｅｘｐ　　（−Ｊａｚ）＋ＥＯ２・ｅ
ｘｐ（＋ｊａｚ）ｌ自ｅｘｐ（−ｊ　　Δ　２） ・・・・・・（２ａ）弐 Ｅ　　１　　（Ｚ）　　＝−ｘ　　（ＥＯ１／　　（Δ
−ａ）　　・　ｅｘｐ（−Ｊａｚ） ＋ＥＯ２／（Δ＋　ａ）　　・　ｅｘｐ（＋ｊａｚ）１
−ｅｘｐ（Ｊ　　Δ　２） ・・・・・・（２ｂ）式 ％式％（） ・・・・・・（２Ｃ）式 ここに、 （２に２＋Δ２） 境界条件として、ｚ＝０でＥＯ（Ｚ）　＝１．　　Ｅｌ
（ｚ）　−Ｅ２　（ｚ）＝０とすると、ＥＯ１＋ＥＯ２
＝１　　かつ ＥＯｔ／　（Δ−ａ）＋ＥＯ２／　（Δ十ａ）　＝０・
・・・・・・・（３）式 を満たす必要がある。導波路０、ｌ、　　２の光パワー
ＰＯ１ＰＩ、Ｐ２は、式（３）の条件のもとで（２ａ）
　　（２ｂ）　　（２ｃ）より求められ、ＰＯ＝ｌ−Ｆ
　　−ｓ　　Ｉ　　ｎ２（ａ　　ｚ）・・・・・・（４
ａ）式 ％式％（） ・・・・・・（４ｂ）式 ここに、Ｆ＝１／［ｌ＋（Δ／（ｆ２・に））、”］と
なる。

本発明が適用できる導波路としては、ガラス基板上のイ
オン交換導波路、火炎堆積法による石英系導波路、Ｌ　
ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏ３基板上のＴＩ拡散導波路、化合物半導
体導波路、七ツマ−の選択的重合によるプラスティック
導波路など全てに対して適用できる。また、光ファイバ
に対して本発明を適用する場合は、本発明にかかる偏光
無依存波長不感受光分岐デバイスにファイバを接続して
、ファイバ伝送路にコネクタ接続あるいはスプライシン
グを行えばよい。

く作用〉 次に、これらの式を基にして各導波路の光パワーの変化
を考察する。第２図に、Ｆ−１即ちΔ＝０の時の２に対
するＰＯｌＰＩ、Ｐ２の振舞いを示す。

第２図かられかるように、２の増大とともにＰｏが減少
し、同時にＰＩ、Ｐ２が等しく増大する。

このような３本の導波路からなる方向性結合器において
、導波路０に伝搬する光が導波路１．　２に等しく５０
％結合される距離を結合長Ｌｔと呼ぶと、その距離ＬＬ
で導波路０の光パワーは完全に導波路１．　２に移動し
、５０％づつの光が分岐される。この場合の結合長Ｌｔ
は、同一の導波路パラメータを持つ２本の導波路からな
る通常の方向性結合器の結合長しと、次の関係にある。

Ｌ　　ｔ　＝（２／２　　・　Ｌ＝０．　７０７　　・
　Ｌつまり、導波路の結合部長さを通常の方向性結合器
の場合の０．７倍にした時、出力導波路にそれぞれ５０
％の光を分配することが出来る。

本発明の偏光無依存波長不感受光分岐デバイスにおいて
は、以上説明した導波路構造において、さらに結合部の
長さが（ｎ　＋　１　／　２　）　・Ｌｔとなった位置
で、導波路Ｏを終端させているので、導波路１．　２に
結合された光パワーはその先の位置で導波路０に戻るこ
となく、その位置での光パワーに固定される。

また、結合部長さがちょうどＬｔでない場合（例えば、
設計のミス、偏光の違い、波長の違い）には、５０％の
分配にはならないが、導波路１．２の出力比は常にｌ　
　ｌであることがわかる。この様な時、導波路Ｏの光パ
ワーは当然ゼロではないが、導波路０が終端しているの
で導波路Ｏの光は放射され、その終端から先では導波路
０に残った光が導波路１．　２と結合することはない。

以上のことから、本発明に係る光分岐デバイスは、偏光
に依存せずまた波長の僅かな違いを感受せず、正確にｌ
　　Ｉの分岐ができることがわかる。

この導波路構造は、上述のように３本の直線導波路で構
成でき特殊な形状の部分が無いので、作製が極めて容易
であり、しかもＹ分岐と違い、作製の不完全さによる損
失増加が少ない利点がある。

〈実施例〉 次に、図面を参照して本発明の２つの実施例を説明する
。

第１の実施例は本発明にかかる偏光無依存波長不感受光
分岐デバイスであり、第３図はその導波路構造を示す平
面図である。

基板１０はイオン交換に適したＮａおよびにイオノを含
有した光学級のボロ７リケート系ガラス基板である。基
板ｌＯに２段熱イオン交換法で、第３図に示すようなパ
ター７の導波路を形成した。

１１は入力導波路１．１２は入力導波路結合部、３．１
４は出力導波路結合部、１５．１６は接続部、１７．１
８は出力導波路である。結合部１２．１３．１４は光結
合しており、その長さは前述の結合長ＬＬに等しく、約
４．１ｍｍとした。導波路１２．１３．１４の間隔は１
６μｍ、　　出力導波路１７．１８の中心軸間隔は２５
０μｍとした。

この偏光無依存波長不感受光分岐デバイスに、波長１．
５５μｍのＴＥモード光を入力導波路から入力させたと
ころ、出力導波路には５０％：　５０％の分岐比が、ず
れ量±０．５％以下で得られた。同一波長の７Ｍモード
光の場合も、５０：　５０の分岐であって、ＴＥモード
の場合に比べた損失増加は僅かに０．０５ｄＢであった
。波長が±２０ｎｍずれた光の場合でもこの分岐の精度
は変わらず、損失増加は０．１ｄＢ以下であった。

４０〜＋８５℃の温度変化を与えても、５０：５０の分
岐比の変動１は±０．　５％以下であった。

さて、本発明の偏光無依存波長不惑受光分岐デバイスは
広い波長範囲で見る七、波長の選択性を有している。例
えば、偏光無依存波長不惑受光分岐デバイスが波長λ１
用であるとする。ここで、波長＾ｌの結合長をＬＬ（λ
ｌ〉で表すとして、Ｌｔ（λ２）＝１／２・Ｌｔ（λ１
） であるような波長λ２での振脣いを考える。波長λ２で
は結合部の長さ２Ｌｔ相当になるから、導波路Ｏに１０
０％の光パワーが戻った時に導波路Ｏが終端することに
なる。従って、λ２の光はそれ以上導波されず、光波長
カットフィルタとなる。

またこれ以外の波長λ１でも、結合部長さが（ｎ＋ｌ／
２）　　・Ｌｔ（λＩ）に相当しない限り必ず損失が生
じ、結局λｌ用の光波長バスフィルタ導波路として動く
。但し、先パワーは導波路１．２に分かれている。

このデバイスを２つ反対に向い合わせて出力導波路同士
を接続すると、波長λｌの光は第２の入力導波路に１０
０％戻るのに対して、その他の波長の光は必ず損失を受
けることがわかり、光波長バスフィルタとして機能する
。

第２の実施例はこのような考えに基づき、本発明にかか
る偏光無依存波長不感受光分岐デバイスを組み合わせた
光波長バスフィルタデバイスであり、第４図はその導波
路構造を示す平面図である。全体の構成は第１の実施例
のデバイスを２つ、図中のＡＡ−線の位置で反対に向い
合わせ、出力導波路を互いに接続させた構成と同じであ
る。基板２０は基板１０と同一のものであり、導波路の
作製法も同一である。２１ａは入力導波路、２２ａは入
力導波路結合部、２３ａ、２４ａは出力導波路結合部、
２５ａ、２６ａは接続部、２７ａ、２８ａは出力導波路
である。結合部２２ａ、２３ａ、２４ａは光結合してお
り、その長さは前述の結合長’Ｌｔに等しく約４．１ｍ
ｍである。導波路２２ａ、２３ａ、２４ａの間隔は１６
　μｍ、　　出力導波路２７ａ、２８ａの中心軸間隔は
光結合を完全に防ぐため８０ｐｍとした。２１ｂ、２２
ｂ、２３ｂ、２４ｂ、２５ｂ、２６ｂ、２７ｂ、２８ｂ
はＡＡ−線に対して対称の位置にある２１ａ、２２ａ、
２３ａ、２４ａ、２５ａ、２６ａ、２７ａ。

２８ａと全く同一である。第２の実施例は、中心波長１
．５５μｍの光を通過させそれ以外に対する阻止効果の
ある特定波長パス機能が確認された。

〈発明の効果〉 以上説明した通り、本発明では、偏光に依存せずまた波
長の僅かな変化を感受せず常に分岐比がｌ：　ｌとなる
偏光無依存波長不感受光分岐デバイスができる。第１の
実施例は２分岐デバイスであるが、これをツリー形状に
多段に接続すれば、Ｎ分岐デバイスが得られることは明
らがであろう。

本発明をさらに利用すると、特定の波長の光のみを透過
させその他の波長の光に損失を与える光波長パスフィル
タデバイスが得られる。第２の実施例では、出力導波路
を互いに離れるように配置したが、導波路間の光結合が
無視できる場合はこのパターンは必要ない。また、結合
部長さをＬ【としたがこれ以外でもよく、これは所望の
波長フィルタ特性により決められる。さらに、フィルタ
を１段としたが、これを多段にすれば波長選択性は倍加
される。その際に個々のフィルタに異なった波長特性を
付与することも可能である。この実施例は通常の方向性
結合器の動作と基本的には同じであるが、素子の長さを
３０％程度短くできる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、１本の入力導波路とそれに光結合した２本導
波路の構成を示す平面図、第２図は第１図の導波路構成
の各導波路中の光パワーの変化を結合部の長さに対して
示す図、第３図は本発明に係る偏光無依存波長不感受光
分岐デバイスの実施例の導波路構成を示す平面図、第４
図は本発明に係る偏光無依存波長不感受光分岐デバイス
を組み合せてなる光波長フィルタデバイスの実施例の導
波路構成を示す平面図、第５図と第６図は従来の光分岐
デバイスの例を示す平面図である。 図において、 １Ｏ１２０・・・ガラス基板 １１．２１ａ、２１ｂ・・−入力導波路１７．１８．２
７　ａ、　　２７　ｂ、　　２８　ａ、　　２８　ｂ・
・・出力導波路 である。 第１図 第２図 −一一一一一導波路 第 ３ 図 第４ 図 第 図 ０ 第 図 ４

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 基板に形成した入力導波路と、該入力導波路から等しい
   距離離れて平行に配置され該入力導波路に等しく光結合
   された結合部を有する２本の出力導波路からなる導波路
   構造であって、入力導波路に伝搬する光が出力導波路に
   等しく５０％結合される距離を結合長Ｌｔとした時、該
   結合部の実効的長さが（ｎ＋１／２）Ｌｔ（但し、ｎ＝
   ０、１、２、３、．．．）であり、且つ該結合部の終了
   位置が入力導波路の終端に一致していることを特徴とす
   る偏光無依存波長不感受光分岐デバイス。