JPH03213829A - 広波長域動作導波型光分岐素子 - 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、光通信分野等で用いて好適な導波型光分岐素
子に関するものであり、さらに詳細には、パワー結合率
の波長依存性を緩和した導波型光分岐素子に関するもの
である。

［従来の技術］ 光フアイバ通信の普及のためには、光ファイバと受・発
光素子に加えて各種の光部品が必要である。なかでも、
光分岐素子は、最も基本的な光部品であり、５０％分岐
、２０％分岐、数％分岐等の分岐比（結合率）を持つ分
岐素子が要求されている。特に広い波長域にわたって波
長依存性が少ない光分岐素子に対する需要は大きい。

光分岐素子は、光カプラーとも呼ばれ、その形態により
、１）バルク型、２）ファイバ型、３）導波型に大別す
ることができる。バルク型は、マイクロレンズやプリズ
ム、干渉膜フィルタ等を組み合わせて構成するものであ
り、波長依存性の少ない分岐素子を提供でき、一応実用
のレヘルにあるものの、組立調整に長時間を要し、長期
信頼性や価格、サイズの点で問題を残している。ファイ
バ型は、光フアイバ自身を構成材料として研磨や融着・
延伸工程を経て構成されるものであり、波長依存性の低
減されたタイプも実現可能であるが、その作製工程には
職人芸を要し、再現性が不良で量産に適さないという欠
点がある。これらに対して、導波型は、フォトリソグラ
フィ工程により、平面基板上に一括大量生産できる利点
があり、再現性や小型集積可能性等の点で将来型の光分
岐素子として注目されている。

第８図は、従来の導波型光分岐素子の構成例を示す平面
図である。第８図において、平面基板２１上に２本の光
導波路２１ａおよび２１ｂが配置され、これら両光導波
路２１ａおよび２１ｂの一部分は互いに近接して方向性
結合器２１ｃを構成している。この方向性結合器２１ｃ
は、ボート２３ａから入射された信号光を、ボート２３
ｂと２４ｂに分岐して出力するように設計されている。

ここで、方向性結合器２１ｃのパワー結合率を、希望す
る特定の波長で所望の値に設定することは可能であるが
、広い波長域で光分岐素子を使用する場合には、結合率
の波長依存性が問題であフた。

［発明が解決しようとする課題］ 第９図は、第８図に示した方向性結合器型の導波型光分
岐素子についての結合率の波長依存性の一例であるが、
この例では、波長１．３μ麿において５０％の結合率を
得た場合、波長１．５５μｍでは、１００％近い結合率
となってしまい、波長１．３μｍと波長１．５５μｍの
双方において同時に光分岐素子として動作させることが
できなかった。

−Ｉ’ｌＱに、方向性結合器のパワー結合率Ｃは次式％
式％ （１） ここで、ψは、方向性結合器の結合部の先導波路間隔や
結合部長さ、波長等に依存する。例えば、第９図の例で
は、ψは波長１．０μｍでほぼτ、波長１．３μｍでπ
／４．波長１．６μｎでπ／２のように変化し、結果と
して、Ｃは波長に対してほぼ正弦波状に変化する。この
ことが、第９図において、５０％結合率を広い波長域に
ゎたフて保持することができなかった理由である。

導波型光分岐素子の別の構成法としては、いわゆるＹ分
岐型が知られているが、この場合には、なるほど結合率
（分岐比）の波長依存性は小さいものの、Ｙ分岐部で１
ｄＢａ度以上の光損失の発生が避けられないという本質
的な欠点があった。

そこで、本発明の目的は、上記の欠点を解決し、所望の
波長域、たとえば１．３μｌ〜１．５５μｍを含む波長
域において、結合率の波長依存性が、たとえば５０％±
ｌθ％に緩和された低損失な導波型光分岐素子を提供す
ることにある。

［課題を解決するための手段］ このような目的を達成するために、本発明では、２つの
方向性結合器で構成した広義のマツハ・ツエンダ光干渉
計回路を基板上に配置し、これら２つの方向性結合器を
連結する２本の光導波路の方向性結合器間の光路長の差
を、制御された微小量ΔＬに定めて、マツハ・ツエンダ
光干渉計回路全体で光分岐素子を構成する。

すなわち、本発明は、基板と、前記基板上に配置された
少なくとも２本の光導波路と、前記少なくとも２木の光
導波路のうちの２木の光導波路を複数箇所で互いに近接
させて構成した複数個の方向性結合器とを具え、前記２
本の光導波路の各−方の端部を入力端、各他方の端部を
出力端とする光分岐素子であって、前記複数個の方向性
結合器のうちの隣合う任意の２個の方向性結合器の間を
連結する前記２木の光導波路の実効光路長に差を設け、
この実効光路長差を、光分岐素子の所望動作波長域の短
波長端波長値程度以下に設定したことを特徴とする。

さらに、２個の方向性結合器を具え、該２個の方向性結
合器の結合率を、前記所望動作波長域において単調に増
加するように設定することができる。

また、前記２個の方向性結合器の結合率を、互いに異な
るよう設定することもできる。

［作　用］ 本発明では、２個の方向性結合器を連結し、その間にθ
の位相差を与えて、方向性結合器の波長依存性を緩和し
ている点で従来の方向性結合器型光分岐素子とは、大ぎ
く相違する。

本発明の光分岐素子は、見かけ上、マツハ・ツエンダ光
干渉計構成を呈しているが、従来のマツハ・ツエンダ光
干渉計との相違を以下に述べる。

従来のマツハ・ツエンダ光干渉計では、構成要素である
方向性結合器は、対象とする特定光波長で５０％の結合
率を持つように設計されていた。この場合、例えば、方
向性結合器の間の２本の光導波路の光路長差ΔＬを７に
設計し、必要に応じて、いずれか一方の先導波路に電気
光学効果や熱光学効果により２分の１波長相当の実効光
路長変化を可逆的に与えるようにしたマツハ・ツエンダ
光干渉計によれば、光スイツチ動作を営ませることがで
きることが知られていた。

また、特定信号光波長で５０％結合率をもつ２個の方向
性結合器を長さが大きく異なる２木の光導波路で連結し
たマツハ・ツエンダ光干渉計は、光周波数多重用合分波
器（高密度波長多重用合分波器）として動作させること
ができることが知られていた。例えば、石英系ガラス先
導波路を用いて、光路長差ΔＬ〜１０ｍ１１１に設計さ
れたマツハ・ツエンダ光干渉計は、光周波数間隔１０Ｇ
Ｈｚ（波長間隔に換算すると約０．１ナノメートル間隔
）の２チヤンネルの信号光を合波あるいは分波できる。

以上、従来のマツハ・ツエンダ光干渉計の設計例につい
て説明したが、従来のマツハ・・ツエンダ光干渉計は、
光スイツチ作用や、合分波作用を得ることを目的に設計
がなされており、本発明のように広波長域で波長依存性
が緩和された光分岐作用を創出しようという着想は皆無
であった。広波長域で波長依存性が緩和された光分岐作
用を営ませるためには、マツハ・ツエンダ光干渉計を構
成する２個の方向性結合器の波長依存性と実効光路長差
が本発明の特定の条件を満たさなければならず、従来の
マツハ・ツエンダ光干渉計構成をそのまま流用できるも
のではない。すなわち、本発明は、従来光スィッチや合
分波器分野等に限定されていたマツハ・ツエンダ光干渉
計構成を、広波長域動作光分岐素子としての全く新たな
発想で設計し、所望の広波長域で目的通りに動作させる
ことに成功した事実に基づいて完成したものである。

［実施例］ 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。

第１図は、本発明導波型光分岐素子の基本的な構成例を
示す平面図であり、平面基板１の上に光導波路１ａおよ
びｌｂを配置する。これら光導波路１ａおよびｌｂを２
箇所で互いに近接させて方向性結合器２ａおよび２ｂを
構成する。光導波路１ａおよびｌｂの各一端３ａおよび
４ａを人力ボートとし、先導波路１ａおよびｌｂの８他
ｉ３ｂおよび４ｂを、それぞれ、主出力ボートおよび副
出力ボートとする。Ｐｉｎは入力ボート３ａに入来する
人力光であり、Ｐａ＋ａｌｎおよびＰｉｕｂは、それぞ
れ、主および副出力ボート３ｂおよび４ｂから取り出さ
れる主および副出力光である。

ここで、２個の方向性結合器２ａと２ｂとの間における
光導波路１ａとｌｂの光路長差が微小量ΔＬに設定され
ている。このように設定されたマツハ・ツエンダ光干渉
計回路では、２個の方向性結合器２ａと２ｂとの間に、
光路長差ΔＬによる位相差θ＝２π・ｎ・ΔＬ／λ　　
　　　　　・・・（２）（ここで、ｎ＝先導波路の屈折
率、λ＝波長）カ存在し、第１図のマツハ・ツエンダ光
干渉計型光分岐素子全体としてのパワー結合率ＣｋｌＺ
は、次式で与えられる。

ＣＭＺ　＝　５ｉｎ２（２ψ）・（ｌ◆ｃｏｓθ）／２
　　　　　・・・（３）ここで、ψは方向性結合器単体
の結合率を規定する（１）式の変数である。

本発明は、（３）式かられかるように、この式における
ｓｉｎ”（２ψ）項の波長依存性を、（１＋ｃｏｓθ）
７２項の波長依存性、すなわち、（２）式の位相差θの
波長依存性を利用して打ち消すことに原理を置いている
。もちろん、５ｉｎ２（２ψ）項の波長依存性と（１＋
ｃｏｎｏ）７２項の波長依存性が、所望波長域で都合よ
く打ち消しあい、波長依存性の小さい所望の結合率を実
現するためには、（３）式を吟味して、方向性結合器２
ａ、２ｂの結合率Ｃの波長依存性やΔＬ値を適切に設定
することが必要である。

以下に、本発明の光分岐素子の設計指針を説明する。波
長域λ１〜λ２において結合率の波長依存性の小さい光
分岐素子を構成する場合には、この波長域において結合
率が単調増加するように各方向性結合器を設計し、しか
も方向性結合器間の（ｎ・ΔＬ）値、すなわち実効光路
長差を波長域の短波長端λ１の値よりもやや短めの値λ
。に設定するとよい。このような設定下では、波長λ＝
λ。においては、（２）式のθは２πとなり、（３）式
における（１＋ｃｏｎθ）７２項は最大値１となり、連
結された２個の方向性結合器の結合率がそのまま、光分
岐素子全体としての結合率となる。波長λがλ１を越え
て大きくなると、θの波長依存性により、（１＋ｃｏｓ
θ）７２項は次第に減少し、ｓｉｎ’（２ψ）項の増加
傾向を抑制するように作用する。

この抑制波長域が、長波長側へどこまで伸び、長波長端
λ２をどこにまで拡大できるかは、個々の方向性結合器
の詳細設計に依存する。

以下では、先導波路としてシリコン基板上に形成した石
英系単一モード導波路を使用した本発明の具体的実施例
について説明する。石英系単一モード先導波路は単一モ
ード光ファイＲとの接続性に優れ、実用的な導波型光分
岐素子を提供できるが、本発明は、かかる石英系先導波
路にのみ限定されるものではないこと勿論である。

実施例１ 第２図（Ａ）　、　（Ｂ）　、　（Ｃ）および（ＤＪは
、本発明の導波型光分岐素子の第１実施例として、波長
域λ。

＝１．２ＥＨｚｍ　〜λ２＝１．６　μｔｎで、５０％
±ｌＯ％の結合率を有するよう設計した分岐素子の構成
を示す、それぞれ、平面図、およびこの平面図における
線分＾Ａ’　、　ＢＢ’　およびＣＣ′　にそれぞれ沿
った断面を示す拡大断面図である。

ここで、基板１としてはシリコン基板、光導波路１ａお
よびｉｂとしてはシリコン基板ｌ上に石英系ガラス材料
により形成された石英系先導波路を用いた。光導波路１
ａおよび１ｂは、２箇所で互いに近接させて方向性結合
器２ａおよび２ｂを構成した。

光導波路１ａおよびｉｂは、膜厚５０μｍ程度のＳｉｎ
。

系ガラスによるクラッド層５に埋設された断面寸法８μ
ｍＸ８μｍ程度の５ｉ（ｈ−ＴｉＣｈ系ガラスコア部か
らなり、直線パターンと曲率半径５０ｍｍの円弧パター
ンとの組合せによりマツハ・ツエンダ光干渉計回路を構
成した。このような石英系光導波路ｌａおよびｌｂは四
塩化シリコンや四塩化チタンの火炎加水分解反応を利用
したガラス膜堆積技術と反応性イオンエツチングによる
微細加工技術との公知の組合せで形成できる。

方向性結合器２ａおよび２ｂの各結合部は、２本の光導
波路１ａと１ｂとの間隔を４μｍに保ち、０．３ｍｍの
距離にわたって平行に配置することにより構成した。

人力ボート３ａと４ａとの間隔、出力ポート３ｂと４ｂ
との間隔は、いずれも０．２５０ｎＩＩに定めた。光導
波路１ａおよびｌｂのうち、２個の方向性結合器２ａと
２ｂとを連結する部分の導波路長は、ＬおよびＬ＋Δし
てあり、実効光路長差（ｎ・ΔＬ）値は、１．１５μｍ
に設定した。石英系先導波路の屈折率ｎは約１．４５で
あるから、ΔＬは０．７９μｍに設定されていることに
なる。ΔＬは、第２図（＾）における２個の方向性結合
器２ａと２ｂとの間の曲線導波路と直線導波路との長さ
のわずかな差を利用してフォトマスクパターン段階で正
確に設定した。

第３図は、本実施例の光分岐素子についての結合率の波
長依存性を説明する図である。ここで、曲線（ａ）は、
構成要素である方向性結合器２ａ、２ｂ自身の結合率特
性を示す。曲線（ｂ）は、本発明によるマツハ・ツエン
ダ光干渉計型光分岐素子（ｎ・ΔＬ　＝　１．１５μｍ
）の結合率特性を示す。曲線（Ｃ）は、ｎ・ΔＬ＝０．
０μｍに設定した場合、すなわち、（３）式がＣ，、＝
　ｓｉｎ”　（２ψ）の場合の結合率特性を示す。

曲線（ａ）および曲線（Ｃ）では、結合率が波長の増加
につれて単調に増加しているが、曲線（ｂ）では、１．
４μｌ近傍にピークを持つなだらかな変化を示し、λ、
　＝１．２５μＩからλ２＝１．６μＩの広い波長域に
わたって、５０％±ｌＯ％の結合率の保たれている。こ
れは、適正に設定された（ｎ・ΔＬ）値の作用により、
方向性結合器複合体の結合率の単調増加（曲線（Ｃ））
が抑制されているためである。すなわち、（２）式のθ
が決まり、（３）式の（Ｄｃｏｓθ）／２によりＣＮ３
の値が抑制されるためである。ここで、λ。＝ｎ・ΔＬ
とすると、（２）式よりθ＝２π・λ。／λとなる。し
たがって、波長λがλｏ＝ｎ・ΔＬに等しくなるときに
θ工２πとなるから、（３）式はＣＮ３　＝　ｓｉｎ”
　（２ψ）となる。

すなわち、このときに、第３図において、曲線（ｂ）　
と（Ｃ）が一致する。λがλ。を越えて増加すると、（
１＋ｃｏｓθ）／２の項は、１の値から減少を開始し、
５ｉｎ２（２ψ）項の増加分を抑制するように作用する
。ここで、λｏ＝１．１５μｍは、波長域の短波長端λ
ｌ　＝１．２５μｍよりもやや短い波長に設定しておく
のが適正であることがわかる。

換言すれば、本実施例では、波長とともに結合率が１０
０％に向けて単調増加してしまう２個の方向性結合器の
間の光路長に位相差θ＝２πλ０／λを与えることによ
り、これら方向性結合器の複合体に（ｎ・ΔＬ）の非対
称性を与え、この非対称性により、方向性結合器複合体
の結合率が１００％に達するのを抑制し、抑制された最
大結合率が得られる波長帯が所望波長域λ、〜λ２のほ
ぼ中間に位置するよう設定していることになる。

なお、方向性結合器単体の結合率（曲線（ａ））は、方
向性結合器複合体の結合率（曲線（Ｃ））を単調増加さ
せるためには、同様に単調増加である必要がある。

第３八図は、本実施例における実効光路長差（ｎ・ΔＬ
）値の適正設定の重要性を説明する図であって、波長域
１．２μ国〜１．６μｍにおける結合率Ｃ１の最大値Ｃ
ＭＺｍａｘと最小値ＣＭ２ｓＩｎを実効光路長差の関数
としてプロットした理論計算図である。同図から、ＣＭ
Ｚ□８とＣＭＺｍＩｎが所望結合率である５０％に近づ
き、上記波長域での結合率波長依存性が緩和されるのは
、実効光路長差が１．１５μｍ近傍の場合に限定されて
いることがよくわかる。実効光路長差が１．５μｍ程度
を越えて大きくなると、−数的にＣＭＺｍＩｎはτ値に
近くなり、さらにＣＭ２ｓａｍとの差が増加し、光干渉
計回路は波長分離作用を示す分波器のような波長特性を
示し、本発明の目的には不適格となる。逆に実効光路長
差が零に近い領域では、光干渉計回路の構成要素である
方向性結合器自身の結合率波長依存性が顕著になり、や
はり不都合である。このように、ｎ・ΔＬあるいはΔＬ
の設定には、サブミクロン以下の精度が必要であるが、
これは前述したように今日のフォトリソグラフィ技術で
は容易に達成される。

ここで、本実施例の光分岐素子の寸法について述べてお
くと、長さ２５■１幅２．５１と小形であリ、例えば３
インチＳｔウニへ基板上に一括して４０個程度作製する
ことが可能であった。

また、本実施例の光分岐素子の損失値は０．２ｄＢ程度
と極めて小さかった。人出力ボートに接続した単一モー
ド光ファイバとの接続損を含めた光分岐素子の損失値も
０．５ｄＢ程度以下と小さく、十分実用に耐えるレベル
にあることを確認した。この損失値は、従来のＹ分岐型
光分岐素子では、ファイバ接続損を含めた過剰損が１．
５ｄＢ程度以上であったのに比べて対照的であるが、そ
の理由は、本発明の光分岐素子の構成には、Ｙ分岐部の
ような特異点が含まれず、単体の方向性結合器と同様に
、なめらかなパターンのみで光素子が構成されているた
めである。

実施例２ 第４図は、本発明の第２実施例として構成した波長域λ
Ｈ＝１．２５μｍ　〜λ２　＝１．７５μｍにおいて２
０％±５％の結合率を有する光分岐素子の平面図である
。この光分岐素子の構成は、おおよそは、実施例１と同
様であるが、入力ボート３ａと４ａ、出力ボート３ｂと
４ｂを上下対称的に配置した点が異なる（もちろん、第
２図（ａ）と同様に配置することもできる）。方向性結
合器２ａおよび２ｂの結合部の導波路間隔は４μｍ、結
合部長さは０．１ｍｍと、実施例１に比べて弱結合より
に設定した。（ｎ・ΔＬ）値は実施例１と同様に！、１
５μ山に設定した０本実施例の素子長は、２０ｍｍであ
った。

第５図に示す曲！　（ｂ）は、本実施例の光分岐結合素
子における結合率の波長依存特性であり、同図には、比
較のために、方向性結合器単体の波長特性（曲線（ａ）
）、２個の方向性結合器を直結した場合（すなわち、ｎ
・ΔＬ＝０．０μｌ１１）の波長特性（曲線（Ｃ））を
示した。曲線（ａ）および（Ｃ）　においては、結合率
は波長増加とともに単調に増加しているが、曲＃ｊｉ！
（ｂ）では１．５０μｍ近傍をピークとして、２０％±
５％の結合域は１．２５μｍから１．７５μｍにまで延
びている。

友へ班ユ 第６図に示す曲線（ｂ）は、本発明の第３実施例として
、波長域λ、　＝１．２５μｍ　〜λ２＝１．６！Ｂｚ
ｍにおいて４％±１％の結合率を持つよう設計・製作さ
れた光分岐素子についての結合率の波長依存特性である
。同図には、比較のために、方向性結合器単体（曲線（
ａ））、２個の方向性結合器を直結した場合（ｎ・ΔＬ
＝０．０μｍ）の波長特性（曲線（Ｃ））をも示した。

本実施例は、実施例２とほぼ同一の外観を有するが、各
方向性結合器は、実施例２の場合よりもさらに弱結合に
なるように、結合部の導波路間隔を５μｍに広げた。（
ｎ・ΔＬ）値は、１．０５μｍに設定した。

以上の実施例において、方向性結合器の結合部の構造パ
ラメータについて記述したが、方向性結合器は極めて構
造敏感な光回路素子であるので、製造者はそれぞれの製
造工程の癖などを考慮して、パラメータを変更すること
ができる。要は、各実施例において、マツハ・ツエンダ
光干渉計回路の構成要素である方向性結合器が、それぞ
れ第３図の曲線（ａ）、第５図の曲線（ａ）および第６
図の曲Ｍ　（ａ）に示した特性に近い波長特性を示すよ
うに設計・製作すればよい。

上記実施例では、いずれも２個の方向性結合器間におい
て、先導波路２ａの方が光導波路１ａよりもΔＬだけ長
くなるようにしたが、逆に、光導波路１ａの方を光導波
路２ａよりもΔＬだけ長くなるように設定しても、同一
の分岐特性が得られることを指摘しておく。

上記実施例においては、構成要素である方向性結合器の
結合率が１．３μＩ１１〜１．５５μｍを含む所望の波
長域λ１〜λ２で単調増加し、これを、１．４μｍ程度
に設定したλｏ＝ｎ・ΔＬの作用で緩和するように設計
した。これは、このような方向性結合器が最も設計・製
作が容易であるからである。しかし、本発明は、上記の
設定例に限定されるものではなく、要は、先に示した（
３）式の第１項と第２項の波長依存性が所望波長域で互
いに打ち消しあいさえすれば、敢えて他条件にも設定可
能であることを指摘しておく。

これは、上記実施例で扱った１、３μｙａ　−１，５５
μｍを含む波長域は光フアイバ通信応用分野において、
最重要な領域であることによっているが、光センサ応用
分野等においては、可視域を含む波長域に合わせて光分
岐素子を設計・製作することもできる。

上記実施例では、２個の方向性結合器２ａおよび２ｂが
同一の結合率特性を有する場合を扱ったが、本発明は、
これに限定されるものではなく、２個の方向性結合器の
結合特性を必ずしも等しく選ぶ必要はない。この場合は
（３）式に対応する光干渉計型光分岐素子全体としての
パワー結合率ＣＭＺは次式で与えられる。

ＣＭＺ−５ｊｎ２（ψｌ＋ψ２）・（１＋ｃｏｓθ）／
２＋５ｉｎ２（ψｌ−ψ２）・（１−ｃｏｓθ）／２　
・（４）ここで、ψｌおよびψ２は２個の方向性結合器
の結合特性を表わすパラメータであり、２個の方向性結
合器の結合率はそれぞれ５ｉｎ２ψｌおよび５ｉｎ２ψ
２で規定される。

（４）式の第１項は（３）式に極似しており、既述した
原理により波長依存性が緩和されるような設定が可能で
あるが、（４）式ではψｌ≠ψ２の場合、第２項の存在
を利用して、波長依存性をさらに望ましい方向に調整す
ることが可能である。以下にψｌ≠ψ２の場合の実施例
を示す。

夫族廻１ 第７図は本発明の第４実施例を示し、ここでは、第１図
または第４図に示した方向性結合器２ａおよび２ｂを、
異なる特性の方向性結合器を用いて構成した光分岐素子
についての結合率の波長依存性を示す特性図である。第
７図において、曲線（ａ）は、一方の方向性結合器２ａ
の結合特性を示し、曲線（ｂ）は、方向性結合器２ａの
倍の結合強度をもつよう設定された他方の方向性結合器
２ｂの結合特性を示す。曲線（Ｃ）は、方向性結合器２
ａと２ｂとの間の（ｎ・ΔＬ）値を１μｌに設定した際
に得られたマツハ・ツエンダ型光分岐素子全体としての
結合特性を表している。曲線（Ｃ）は、本実施例の分岐
素子が、波長域１．２μｆｆ１〜１．７μｍもの広範囲
において、５０％±５％という波長依存性の少ない結合
率を保持していることを示している。

なお、本実施例において、２つの方向性結合器２ａおよ
び２ｂとして、上記特性のものを入れ替えても、同一結
合特性の光分岐素子が得られる。

実施例５ 第７Ａ図は、第１図または第４図に示した２個の方向性
結合器２ａおよび２ｂとして、やはり異なる特性の方向
性結合器を用いて広波長域で２０％結合率を有するよう
に構成した光分岐素子についての結合率の波長依存性を
示す特性図である。第７Ａ図において、曲線（ａ）は一
方の方向性結合器２ａの結合特性を示し、曲線（ｂ）は
方向性結合器２ａの倍の結合強度をもつように設定され
た他方の方向性結合器２ｂの結合特性を示す。曲線（Ｃ
）は方向性結合器２ａと２ｂとの間の実効光路長差（ｎ
・ΔＬ）値を０９μｍに設定した際に得られた本発明の
マツハ・ツエンダ型光分岐素子全体としての結合特性を
示している。曲線（ｃ）は本発明の分岐素子が波長域１
．２μｔｎ−１，７μｍもの広波長範囲において２０％
±２％という波長依存性の少ない結合率を保持している
ことを示している。ちなみに、曲線（ｄ）は、故意に（
ｎ・ΔＬ）＝０μ騰に設定した場合の結合特性であり、
結合率の波長依存性が大きい。

第７Ｂ図は本実施例における実効光路長差（ｎ・ΔＬ）
値の適正設定の重要性を説明する図であって、波長域１
．２μｍ〜１．８μｍにおける結合率Ｃ２□の最大値６
２□□つと最小値ＣＭ２ａｉｎを実効光路長差の関数と
してプロットした理論計算図である。

同図からＣＭＡＩｌ、ｘとＣＭ２ｍＩｎが所望結合率で
ある２０％に近づき、上記波長域での結合率波長依存性
が緩和されるのは実効光路長差が０．９μｍ近傍の場合
に限定されていることがよくわかる。

なお、以上の第１実施例（第３図）と第４実ＩＪλ例（
第７図）との比較、および第２実施例（第５図）と第５
実施例（第７＾図）との比較から、２個の方向性結合器
２ａと２ｂの特性が同一の場合よりも異なる場合の方が
より平坦な結合特性が達成できて、より望ましいことが
わかる。

上記実施例では、２個の方向性結合器を、長さが互いに
Δしたけ異なる２本の光導波路で連結した場合を扱った
が、これをさらに拡張して、Ｎ個の方向性結合器を連結
して、各方向性結合器間にそれぞれΔＬ、（＋・１，２
．・・・、Ｎ−１）の光路長差を与えることも可能であ
る。以下、Ｎ・３の場合についての実施例を示す。

実施例６ ′ｆ１７ｃ図は、本発明の第６実施例としてＮ−３個の
方向性結合器を用いて構成した５０％結合光分岐素子の
構成を示す平面図であり、第７Ｄ図はこの素子の結合特
性を示す特性図である。第７Ｃ図において、先導波路１
ａと１ｂは３箇所で近接して３個の方向性結合器７ａ、
７ｂおよび７Ｃを構成している。本実施例では、３個の
方向性結合器の特性を等しく選び、第１実施例での方向
性結合１２ａ、２ｂと同等の結合特性とした。方向性結
合器７ａと７ｂとの間で先導波路１ｂの実効光路長を光
導波路１ａに対してｎ・ΔＬ　＝　０．１１８μｍだけ
長く設定し、逆に方向性結合器７ｂと７ｃとの間では、
光導波路１ａの方を０８８μ■長く設定した。第７Ｄ図
から、この光分岐素子が１．２．１７１　Ｎ１．６５μ
ｍの波長域で５０％±１０％の結合率を有していること
がわかる。特に波長域１．２５μ１１〜１．６μｍにお
いては５０％±５％の平坦な結合特性が達成されている
。

さらに段数（Ｎ）を増やした構成も可能である。

また、３個の方向性結合器の特性を異ならせて構成する
ことも可能である。

以上の実施例ではすべて２分岐素子を扱ったが、本発明
の構成は多分岐素子への拡張も可能である。次に４分岐
素子の実施例を説明する。

実施例７ 第７Ｅ図は本発明の第７実施例としての４分岐素子の構
成を示す平面図である。第７Ｅ図において、８ａ、８ｂ
および８ｃは基板１上に一括形成された２分岐素子であ
り、ここでは第４実施例（第７図）と同等の５０％結合
光分岐素子とした。９は人力ボート、９ａ、９ｂ、９ｃ
および９ｄは出力ポートである。人力ボート９に入力さ
れた信号光は、光分岐素子８ａでほぼ２等分され、さら
に光分岐素子８ｂと８Ｃで分割が進み、出力ボート９ａ
、９ｂ、９ｃ、９ｄから出力される。本構成により、波
長域１．２５μｍＮ１．６μｍにおいて、各出力ポート
への結合率の変動は２５％±５％と小ざく、波長依存性
の少ない所望の４分岐素子を提供することができた。な
お、実施例の基板寸法は５０Ｉ×５ｍｌ１１程度であり
、出力ポートのピッチは光フアイバアレイのピッチに合
わせて２５０μｍとした。

実施例８ 第７Ｆ図は本発明第８実施例としての広波長域動作導波
型光分岐素子アレイの構成例を示す平面図である。１０
ａ、ＩＯｂ、１０ｃ、ｌＯｄは第４実施例と同様の構成
をもつ５０％結合分岐素子であり、これら素子１０ａ−
１０ｄを４個並列に配置する。　１１．１２は入出カポ
−ドアレイ、ｌｌａ、１２ａは人出力ファイバアレイ、
１１ｂ、１２ｂは入出力ファイバアレイ端子であり、ア
レイ端子１１ｂ、１２ｂ内のファイバアレイピッチと人
出カポ−ドアレイ１１．１２の導波路ピッチはいずれも
２５０μｍに設定しである。本実施例の基板寸法は１ア
レイ当たり２５ｍｍｘ　５ｎ＋ｍと小さく、同一基板上
に多数個の素子を一括形成可能な導波型光部品の利点が
生かされている。

また、以上の実施例においては、シリコン基板上の石英
系（Ｓｉ０２−Ｔｉ０２）光導波路により、光分岐素子
を構成したが、かかる基板はシリコン基板に限定される
ものではなく、石英ガラス基板に変更することも可能で
ある。さらにまた、コア部の主ドーパントとしてＧｅｍ
、を用いたＳｉｎ２−Ｇｅｍ２系光導波路を用いること
もできる。あるいはまた、前述したように、本発明はこ
れらの石英系先導波路に限定されるものではなく、他の
導波路材料系、例えば、多成分ガラス導波路系やニオブ
酸リチウム導波路系にも適用できる。

さらにまた、上記実施例では、（ｎ・ΔＬ）を、２個の
方向性結合器を連結する２本の光導波路相互間の長さの
差として設定したが、場合によっては、光導波路長を同
一にしておき、２本の光導波路の屈折率値ｎにわずかな
差を与えることにより、実効的な光路長差を設定しても
よい。例えば、方向性結合器間の先導波路の上部に薄膜
ヒータを配設して、一方の先導波路の屈折率値を熱光学
効果により調整して上記光路長差を設定することにより
所望の光分岐素子を実現することもできる。予め設定し
ておいたΔＬ値に加えて、長い方あるいは短い方の先導
波路の上に予備的な薄膜ヒータを装荷しておき、その薄
膜ヒータをオン・オフすることにより結合率特性を、波
長依存性の小と大との間でスイッチングすることも可能
である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明では、少なくとも２個の方
向性結合器を連結してマツハ・ツエンダ光干渉計回路を
構成し、これら少なくとも２個の方向性結合器を連結す
る２木の光導波路の長さの差に制御されたわずかな光路
長差ΔＬを与え、マツハ・ツエンダ光干渉計回路全体を
光分岐２に子として動作させることにより、方向性結合
器自体の結合率の波長依存性を緩和して、所望波長域に
わたって、波長依存性の少ない、低損失光分岐素子を提
供することができる。このような導波型光分岐素子は、
広い波長域に分布する光信号の分配用やモニタ用あるい
はタップ用として幅広い用途が期待される。さらにまた
、本発明光分岐素子は、逆に、２本の信号光を合流させ
る光合流素子としての用途も期待される。

また、平面基板上で本発明の光分岐素子を多段に連結す
ることにより、４分岐素子や８分岐素子へ拡張すること
も容易である。また、同一基板上に光分岐素子をアレイ
状に配置し、例えば２５０μｍピッチの光フアイバアレ
イと接続して使用することも可能である。

本発明光分岐素子は平面基板上に大量に一括して製作す
ることができるから、低価格化も期待でき、本発明の光
分岐素子およびその応用素子は、光通信システムの普及
に大ぎく貢献するものと期待される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の導波型光分岐素子の基本的構成例を示
す平面図、 第２図（Ａ）　、　（Ｂ）　、　（Ｃ）および（Ｄ）は
、本発明導波型光分岐素子の第１実施例の構成を示す、
それぞれ、平面図、ＡＡ’線断面図、ＢＢ’線断面図お
よびｃｃ’線断面図、 第３図は第１実施例の光分岐素子における結合率の波長
依存性の説明図、 第３Ａ図は第１実施例における実効光路長差（ｎ・ΔＬ
）値の適正設定の重要性の説明図、第４図は本発明導波
型光分岐素子の第２実施例の構成を示す平面図、 第５図は第２実施例の光分岐素子における結合率の波長
依存性の説明図、 第６図は本発明導波型光分岐素子の第３実施例における
結合率の波長依存性の説明図、第７図は本発明第４実施
例の導波型光分岐素子における結合率の波長依存性の説
明図、第７八図は本発明第５実施例の導波型光分岐素子
における結合率の波長依存性の説明図、第７Ｂ図は第５
実施例における実効光路長差（ｎ・ΔＬ）値の適正設定
の重要性の説明図、第７Ｃ図は本発明第６実施例の導波
型光分岐素子の構成を示す平面図、 第７Ｄ図は第７Ｃ図に示した素子の結合率の波長特性の
説明図、 第７Ｅ図は本発明第７実施例としての４分岐素子の構成
を示す平面図、 第７Ｆ図は本発明第８実施例としての導波型光分岐素子
アレイの構成を示す平面図、 第８図は従来の導波型光分岐素子の構成例を示す平面図
、 第９図は従来の導波型光分岐素子における結合率の波長
依存性を示す説明図である。 ｌ・・・基板 ｌａ、ｌｂ・・・光導波路、 ２ａ、２ｂ・・・方向性結合器、 ３ａ、４ａ・・・人力ボート、 ３ｂ、４ｂ・・・出力ボート、 ５・・・クラッド層、 ７ａ、７ｂ、７ｃ・・・方向性結合器、８ａ、８ｂ、８
ｃ・・・広波長域動作５０％分岐素子、９・・・人力ボ
ート、 ９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ　・−・出力ボート、１０ａ、
ｌＯｂ、１０ｃ、１０ｄ　−広波長域動作光分岐素子、
１１．１２・・・人出カポ−ドアレイ、１１ａ、１２ａ
・・・人出力ファイバアレイ、１１ｂ、１２ｂ・・・人
出力ファイバアレイ端子、２１・・・基板、 ２１ａ、２１ｂ　・＝光導波路、 ２１ｃ・・・方向性結合器、 ２３ａ、２４ａ・・・人力ボート、 ２３ｂ、２４ｂ・・・出力ボート。 第 図 ′＄　１　裏方セ、イタ゛ｊ（ｚおｔする尖９力づ石←
阪、ｔ　（ｎイ直のｍｉｘ又定の棄キ恨のまθＨ図 第３Ａ因 ΔＬ） ０ ｂ ズ叱イ列２／）千両口 第４図 第５亥Ｊ七イ列ｌ：お一フる衷ｊか尤４１にゑ（ｎイ直
の違正設定の１挙１まのび」８図 ΔＬ） 第 Ｂ 図 Ｃ ｂ １八を水１平頭図 第 Ｃ 図 本光Ｉ目隼７尖比イ列乙Ｌ？の４か峡凛）の溝へ訂１坪
り１ロ第７Ｅ図 ４２　　、［ｆｆ’Ｊ　　／）ｊ＠　　へ　ｔ＊Ｎ−’
ｆｆ１ｌｃ第８図 焚辰グリ／）秤令率の筬長代を柱み官も明図第９図 手続ネ甫ＩＥ書 平成１年１０月 ５日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）基板と、 前記基板上に配置された少なくとも２本の光導波路と、 前記少なくとも２本の光導波路のうちの２本の光導波路
   を複数箇所で互いに近接させて構成した複数個の方向性
   結合器とを具え、 前記２本の光導波路の各一方の端部を入力端、各他方の
   端部を出力端とする光分岐素子であつて、 前記複数個の方向性結合器のうちの隣合う任意の２個の
   方向性結合器の間を連結する前記２本の光導波路の実効
   光路長に差を設け、この実効光路長差を、光分岐素子の
   所望動作波長域の短波長端波長値程度以下に設定したこ
   とを特徴とする広波長域動作導波型光分岐素子。 ２）２個の方向性結合器を具え、該２個の方向性結合器
   の結合率を、前記所望動作波長域において単調に増加す
   るように設定したことを特徴とする請求項１記載の広波
   長域動作導波型光分岐素子。 ３）前記２個の方向性結合器の結合率を、互いに異なる
   よう設定したことを特徴とする請求項３記載の広波長域
   動作導波型光分岐素子。