JPH0321881B2 - - Google Patents

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JPH0321881B2
JPH0321881B2 JP55027845A JP2784580A JPH0321881B2 JP H0321881 B2 JPH0321881 B2 JP H0321881B2 JP 55027845 A JP55027845 A JP 55027845A JP 2784580 A JP2784580 A JP 2784580A JP H0321881 B2 JPH0321881 B2 JP H0321881B2
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JP
Japan
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optical
extending
wave transmission
waveguide
region
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JP55027845A
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JPS55149908A (en
Inventor
Tangonan Guregoriieru
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Raytheon Co
Original Assignee
Hughes Aircraft Co
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Publication date
Application filed by Hughes Aircraft Co filed Critical Hughes Aircraft Co
Publication of JPS55149908A publication Critical patent/JPS55149908A/ja
Publication of JPH0321881B2 publication Critical patent/JPH0321881B2/ja
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/2804—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers
    • G02B6/2808—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers using a mixing element which evenly distributes an input signal over a number of outputs

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)
  • Optical Couplings Of Light Guides (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、光フアイバー用の光結合装置に関
する。
マルチモード＝フアイバー光学装置ではカプラ
ー（結合器）を用いて、コンピユーター等の単一
信号源から多数の終点（端末）へ、あるいは多数
の終点から単一信号源へ光フアイバーによるデー
タの並列分配を行なう。この発明は光結合装置の
改善、特にマルチモード＝フアイバー光学装置用
の光結合装置の改善を目的とする。
以下、図面を参照しながら本発明の一実施例に
ついて説明する。
この発明による一実施例の反射モードの平面型
光結合器を第１図に示す。この結合器は厚さ２
mm・幅２cm・長さ12cmのソーダガラス基板１０を
有する。基板１０は商業的に入手可能で、例えば
「the Corning Glass Works，of Corning，
New York」から入手できる。
ガラス基板１０にマスクを施した後に後述する
工程を用いて処理し、基板１０の入力面２４へ延
びる多数の離間したオプテイカルチヤンネルウエ
ーブガイド（光導波路）領域１２，１４，１６，
１８，２０，２２を定める。これらの光導波路領
域１２，１４，１６，１８，２０，２２は、ガラ
ス基板１０中のナトリウムイオンをリチウムイオ
ンに置換して形成した。基板１０の長手方向に延
びるほぼ半楕円の断面形状で所定の長さの幾何学
的に規定したイオン交換領域である。
光導波路領域１２，１４，１６，１８，２０，
２２は図の様に相互に連結した複数のラツパに似
たテーパー状のウエーブトランジシヨン（波伝
達）領域２６，２８，３０，３２，３４，３６と
一体化しており、これらの波伝達領域は中央の共
通の波混合領域と共に互いに一体化していると共
に、光導波路とも一体化している。これらの領域
はすべて、上述のリチウムイオン置換工程を用い
て基板１０の上面つまり第１の主要面４０下に約
100ミクロンの深さに同時に形成される。この工
程において、中間離隔領域４２，４４，４６，４
８，５０，５２，５４は、フオトリソグラフマス
キング及びエツチング技術を用いて概略的にマス
クされ、この場合イオン交換工程によつて悪影響
を受ける隔離領域が除去される。離隔領域４２，
４４，４６，４８，５０，５２，５４の最大幅の
値に限界はないが、光導波路領域（例えば１２）
の幅は使用する光フアイバーのコア径に等しい約
65ミクロンが好ましい。
波伝達領域の各々（例えば２６）は、構造体の
長軸（線５６）に対して所定の角度θだけ傾いた
端部を有している。最良の光伝送および効率の良
い結合を達成するため、開口数0.2の導波路構造
体に対してθは１〜4゜であることが好ましい。従
来のミキシング＝ロツド装置に比べて全結合損失
を小さくするため、テーパー角θは最大の伝搬角
（導波路の方向に対して光線が進行する角）の約
４分の１よりも小さくすべきである。
ガラス基板１０の他端６０には公知の金属蒸着
技術を用いて薄い光学的反射膜５８（一般に金ま
たは銀）を設ける。あるいは光学的反射膜５８
は、公知の蒸着技術を用いて１〜２ミクロン厚に
形成したCaF2やSrF2等の誘電体材料の多層膜か
らなるスタツクで構成してもよい。
第１ａ図の光結合器の製造に特に適したイオン
交換工程のひとつは、「Electronic Letters，
Vol.13，at page 763（1977）」の「Chartier」ら
による文献に記載してある。この工程を用いて、
厚さ１〜２ミクロンのアルミニウムのマスクをソ
ーダガラス基板１０に設け光導波路領域（例えば
１２）やラツパ状の光伝達領域（例えば２６）・
波混合領域３８の境界を規定する。つぎに
Li2SO4とK2SO4の共融混合物上に基板１０を約
30分のあいだ吊し酸素雰囲気中で加熱する。続い
て約20分のあいだ基板10を共融混合物に浸したの
ち、熱的衝撃を最小にするために再び共融混合物
上に約10分のあいだ吊す。その後、６モル濃度の
熱い塩酸溶液に基板１０を浸してアルミニウムの
マスク（図示しない）を除去する。この工程によ
り、元のソーダガラス基板１０のナトリウムイオ
ンを共融混合物中のリチウムイオンに交換し、約
100ミクロンの厚さの平面型導波路を形成する。
この工程におけるLi2SO4やK2SO4はLiClやKClな
どの他のリチウム塩やカリウム塩に換えてもよ
い。この発明ではこの工程により20〜200ミクロ
ンの範囲内の厚さの導波路を形成することができ
る。
動作中、光フアイバーから１本の光導波路１２
内に光信号が結合され、光導波路１２からラツパ
状の波伝達領域２６を介して波混合領域３８に伝
搬する。この光信号は金属反射鏡５８まで伝搬し
て反射され、そこから波伝達領域２６，２８，３
０，３２，３４，３６へ向かつて伝搬し、そして
光導波路領域１２，１４，１６，１８，２０，２
２内へ進行する。この反射モードの光データ伝送
では、入力光導波路１２に与えた単一入力信号
は、実際上多数の出力光導波路１２，１４，１
６，１８，２０，２２に分配される。しかし、後
に詳細に述べる別の実施例のように、全ての光導
波路１２，１４，１６，１８，２０，２２に入力
光信号を与え、波混合領域３８内で混合し、ここ
から他の光信号処理構造体に伝搬してもよい。こ
の発明の変形実施例では、波混合領域３８からの
混合信号に対して所望の制御を与えるため、基板
１０の他端の反射手段の全体あるいは一部を除去
または変形してもよい。
この発明の全ての実施例における平面型光結合
器の特筆すべき特徴の１つは、従来の結合器では
かなり生じていたパツキング＝フラクシヨン損失
（packing fraction losses）を取り除くことがで
きる点である。ラツパ状の波伝達領域のテーパー
角θを最適に選定し、しかも光導波路領域から波
混合領域への光の拡散を制御し、波混合領域を介
して光導波路領域に反射されて戻る光を効率よく
集めることによつて波伝達領域を介する光の伝搬
を最適にすることができる。この発明の装置の新
規かつ特異な構造によつて外部の光フアイバーの
コアに正確に位置合わせされた光導波路領域を介
してのみ光は装置を出入りする。従つて、コア以
外の領域で光フアイバーに当たる光による損失が
なくなる。さらに本発明は、所定の位置にＶ字形
の溝を有する基板を使用することにより、光フア
イバーと導波路領域を正確に位置合わせする手段
を与える。また、この発明の装置の波混合領域の
長さを変えて、異なる出力チヤンネルに対して異
なる光出力を与えて出力に等級を付けることもで
きる。
さらに、この発明によれば、再現性および融通
性が高いプレーナ工程によつて形成することがで
きる利点があることから、回分方式で製造するこ
とができ、従来の非プレーナ工程で製造する場合
に比べて比較的大量にしかも低コストで製造する
ことができる。
第１ａ図のｂ−ｂ線における断面を第１ｂ図に
示す。同図は、イオン交換した一定な厚さの導波
路層を伝搬する連続的な光波を示し、その厚さは
20〜200ミクロンの範囲で界面７０により定めら
れる。この界面７０は、矢印７２で示すように、
伝搬する光を良好に反射し封び込める。また界面
７０を境としてイオン交換領域とガラス基板とで
は屈折率が実効的に異なつている。良く知られる
ように、屈折率の相違は界面７０での光反射率を
決定し、20〜200ミクロン厚のイオン交換された
基板１０の表面層内での光の伝搬と反射・混合を
確実にする。便宜上ガラス基板１０の端部６０の
全体に反射金属層５８を設けているが、第１ａ図
及び第１ｂ図に示した光結合器ではイオン交換し
た光伝搬領域の厚さ分だけそこに鉛直に延在する
反射層５８を設けさえすればよい。
第２ａ図を参照すると、この構造体の右側の光
結合部と混合部は、第１ａ図の構造体と実質的に
同一である。それゆえ詳細な説明は付け加えな
い。しかしながら、第２ａ図及び第２ｂ図には多
数の導波路（例えば１２）のためのフアイバー光
入力接続体の好適例が示してある。このフアイバ
ー光入力接続体には多数のＶ字形の溝がある。こ
のＶ字形の溝は、シリコン基板７６をエツチマス
クで適当にマスクした後、熱KOHやエチレンジ
アミンなどの異方性エツチ液に基板７６の対称的
に間隔を置いてマスクしてない領域を濡らすこと
によつて下方の支持シリコン基板にエツチ加工し
て作られる。このエツチ液は、特別にシリコン基
板の（100）結晶面に作用し、その垂直方向にエ
ツチングしてＶ字形溝が形成される。このＶ字形
溝７４が完成すると、光フアイバー７８が第２ｂ
図に示されるこれらの溝に挿入され、このＶ字形
溝７４の開口中心に正確に位置合わせされて置か
れる。Ｖ字形溝７４中の開口を対応して接する導
波路領域に一致させることによつて、光フアイバ
ー７８は、それ自体が導波路１２にセルフアライ
メントされることから更に位置合わせする必要は
ない。このような方法は、この発明の装置に光フ
アイバーを一まとめに結合できるという利点、す
なわち多数のフアイバーを一度に装置に結合でき
るという利点がある。
この発明の全ての実施例に共通する平面型光結
合器の特徴は、従来の結合器では比較的結合損失
が大きかつたのに対して、第２ａ図中に経路６２
で示したような、ラツパ状の波伝達領域（例えば
２６や２８）を規定する隔離領域（例えば４４）
の頂部６４に光が当たつたときのみ反射損失のみ
が生じる点にある。反射光エネルギーのほとんど
は経路６６のような光路に沿つて伝搬し、ラツパ
状の波伝達領域２８を規定する内部テーパー壁６
８で反射され、そこから光導波路１４内へと伝搬
する。
第３図を参照すると部分的に伝送し、部分的に
反射する構造の平面型光結合器が示されている。
この光結合器では、１対の同じような光結合器８
０，８２が図示するように両端に設けられ、光結
合器８０，８２のそれぞれの鋭端は、部分的に反
射し、部分的に伝送する金属層反射体８４によつ
て被覆されている。この反射体８４は、例えば適
当なマスキング工程を用いて光結合器８０，８２
の鋭端部分の上面に真空蒸着されてもよい。ま
た、この部分的反射伝送性層は、第１ｂ図を用い
て説明したように20〜200ミクロンの厚さの２つ
の基板の全体をおおい、２つの構造体をともに接
合することによつて形成されてもよい。左側およ
び右側部分の多数の導波路領域（例えば８３や８
５）は、位置合わせされ、光フアイバー（例えば
８６や８７）に密着接触されるように位置され
る。これらのことは、第２ａ図及び第２ｂ図の説
明で述べたと同様になされ、光フアイバーは、支
持基板下方のＶ溝８８，８９に対応して位置され
ている。
光が導波路領域８３等を介して入射され、光の
反射を制御する隣接するテーパー状波伝達領域を
介して伝搬され、混合領域８１を通過し、その後
層８４下の領域を通過する。光の一部は、後に述
べた領域を介して伝搬され、混合領域７９を通過
し、各隣接したテーパー状波伝達領域によつて集
められ、その後隣接した導波路領域８５に伝搬さ
れる。光の一部は、層８４下の領域によつて反射
される。なぜならば、この層は、層の面したの基
板の屈折率が変えているからである。屈折率の変
化した領域に射突した光は、反射される。この効
果は、基板の上面に近接する程強い。混合領域８
１を通過した反射光は、各隣接テーパー状領域に
よつて集められ、各導波路領域８３に伝搬され
る。
部分的な反射および屈折性層が基板の全てを被
覆することによつて形成される変形構造例におい
ては、光線が基板の面でほとんど反射されるとい
うよりは、導波構造体の全厚内で反射される点を
除いて装置の作用は類似している。
第４図を参照すると、完全な伝送プレーナ結合
器９０が示されている。この結合器９０は、第１
ａ図を用いて説明したイオン交換工程によつて形
成される共通波混合領域９２を含んでいる。波混
合領域９２は、光結合器の左側部分の入力導波路
および波伝達領域（例えば９４，９６）で一体化
され、厚さ方向に延在され、また、光結合器の右
側部分の出力導波路および波伝達領域９８，１０
０に一体化され、厚さ方向に延在している。平面
型光結合器の各側の多数の入力および出力導波路
は、第２ａ図及び第２ｂ図で説明した構造体と同
様に支持基板下の対応する多数のＶ字形溝１０
６，１０８内に位置される光フアイバー１０２，
１０４に密着接触されて位置される。
光は、光導波路領域（例えば９４）を介して入
射され、光の拡散を制御する隣接テーパー状波伝
達領域（例えば９６）を介して伝搬され、混合領
域９２を通過する。この混合領域９２を通過した
光は、各隣接テーパー状波伝達領域１００等で集
められ、各隣接導波路領域９８に伝搬される。
上述した光結合器は、イオン交換工程によつて
生じた波伝達領域に限られず、他の工程よつて作
られた波伝達領域であつてもよい。例えば、この
工程は、「E.Garmire」らが「“Optical
Waveguiding in Proton Implanted Gallium
Arsenide”APPLIED PHYSICS LETTERS，
Vol.21，No.３，１ August 1972，pp.87−88」
という文献に記載したプロトン打ち込み工程があ
る。明かなように、このような工程には、ガラス
に代えて種々の他の光学的半導体材料からなる基
板を含んでいる。
実 例 この実例は、第４図に記載した装置とほぼ同じ
であるが、左右にそれぞれ８個のポートがある点
が異なる。
「Corning Glass Works of Corning，New
York」から入手した10〜16％のNaを含む厚さ２
mm・幅２cm・長さ12cmのガラス基板にアルミニウ
ムのマスクを設け、第１ａ図のところで説明した
イオン交換処理を施した。ラツパ状の波伝達領域
のテーパー角は1゜に形成した。
上述の装置の入力ポートの１つに密着させた光
フアイバーにGaAlAsレーザーから情報変調によ
り得た光信号を与え、装置の８個の出力ポートか
らの出力を測定したら全挿入損失は−９デシベル
（dB）であつた。光フアイバーと導波路の不完全
な整合によつて生じる全損失は4.4dBであつた。
従つて内部損失は−（9.0−4.4）dB＝−4.6dBであ
る。この内部損失は吸収や散乱や導波路の欠陥に
よる伝搬損失を含んでいる。12cmの導波路に対し
て0.1dB／cmの損失を考慮すると、吸収や散乱・
欠陥による内部損失は1.2dBと計算できる。従つ
て正味の内部損失は−（4.6−1.2）dB＝−3.4dBと
なる。この値は、従来装置の損失が42％つまり−
3.8dBであることを考慮すると注目すべき値であ
る。本発明の実施例の特性が従来装置のそれに比
べて改善されたことは本発明の理論が正しいこと
を示すものである。この発明の装置に最適な設計
を施すことにより伝送効率の非常に高い装置を得
ることができる。開口数0.2の導波路構造体でテ
ーパー角1゜のものに対して、最適な装置では1dB
つまり20％の損失となることが理論的に示され
る。
この発明では、主に単一導波路への入力につい
てのみ記載されているが、入力は、多数の導波路
に同時に与えられてもよい。また、この発明は、
明細書に記載の入力および出力ポートの構成に限
定されないばかりか、装置の半分で不均一な数の
ポートを有する非対称構成であつてもよく、入力
および出力ポートの数がこの明細書に記載のもの
と異なつてもよい。付け加えれば、ラツパ状のテ
ーパー状波伝達構造体は、図示されるように直線
的に延びていなくともよく、指数関数的あるいは
放物線的構造であつてもよい。更に、基板は、他
の材料あるいは他の構成の適切な基板であつても
よい。
【図面の簡単な説明】
第１ａ図は、この発明の一実施例の平面型光結
合器の拡大図、第１ｂ図は、第１ａ図のＢ−Ｂ線
断面図、第２ａ図は、光結合器の一端面に隣接し
た多数の光フアイバー入力データ＝ラインを組み
合わせた第１ａ図の結合器の上部主要面の平面
図、第２ｂ図は、Ｖ字形溝支持構造体を含む第２
ａ図の光フアイバー入力の１つを図示した拡大断
面図、第３図は、入力および出力のための多数の
光フアイバーを含むこの発明の他の実施例の平面
図、第４図は、入力および出力のための多数の光
フアイバーを含むこの発明の透過型光結合器の平
面図である。 １０……基板、１２，１４，１６，１８，２
０，８３，８５……導波路領域、２６，２８，３
０，３２，３４，３６……テーパー状波伝達領
域、４０……主要面、４２，４４，４６，４８，
５０，５２，５４……中間隔離領域、５８……反
射膜、７０……界面、７４……Ｖ字形溝、７６…
…シリコン基板、８０，８２……光結合器。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 入力面と端面との間に延在する主要面を有す
    る光学材料で作られた基板と、 前記主要面の表面からある厚みをもつて形成さ
    れた層に所定の間隔で互いに平行に設けられ、前
    記入力面から延びる複数の光導波路と、 略最大伝搬角の４分の１より小さい角度で広が
    りながら各光導波路から延出し、隣同士が共通頂
    部で互いに連結する複数のテーパー状波伝達領域
    と、 波伝達領域と同じ厚さを有し、一端が全ての波
    伝達領域に一体化し、他端が前記端面あるいはそ
    の近くまで延びる波混合領域と、 前記端面の近くに配置された、前記波混合領域
    を伝搬する光の少なくとも一部を反射する反射手
    段とを備え、前記波伝達領域のテーパー状の幾何
    構成が前記導波路と前記波混合領域との間の光結
    合効率を向上させる光結合装置。 ２ 前記基板はナトリウムイオンを含むガラスで
    あり、光が伝搬する領域はナトリウムイオンをリ
    チウム・イオンに置換することによつて作られる
    特許請求項範囲第１項に記載の光結合装置。 ３ 前記反射手段は、１本の導波路から受ける光
    を隣接する１以上の導波路に反射する前記端面に
    沿つて延びた金属薄膜を有する特許請求の範囲第
    １項に記載の光結合装置。 ４ 入力面と端面との間に延在する主要面を有す
    る光学材料で作られた基板と、 前記主要面の表面からある厚みをもつて形成さ
    れた層に所定の間隔で互いに平行に設けられ、前
    記入力面から延びる複数の光導波路と、 略最大伝搬角の４分の１より小さい角度で広が
    りながら各光導波路から延出し、隣同士が共通頂
    部で互いに連結する複数のテーパー状波伝達領域
    と、 波伝達領域と同じ厚さを有し、一端が全ての波
    伝達領域に一体化し、他端が前記端面あるいはそ
    の近くまで延びる波混合領域と、 前記端面の近くに配置された、前記波混合領域
    を伝搬する光の少なくとも一部を反射する反射手
    段と、 前記光導波路の各々に接して設けられ、各導波
    路に光を供給する複数の光フアイバーとを備え、
    前記波伝達領域のテーパー状の幾何構成が前記光
    導波路と前記波混合領域との間の光結合効率を向
    上させる光結合装置。 ５ 前記光フアイバーの各々は、それぞれの導波
    路に位置合わせして支持基板に設けられるＶ字型
    溝内に配置される特許請求の範囲第４項に記載の
    光結合装置。 ６ 入力面と端面との間に延在する主要面を有す
    る光学材料で作られた基板と、 前記主要面の表面からある厚みをもつて形成さ
    れた層に所定の間隔で互いに平行に設けられ、前
    記入力面から延びる複数の光導波路と、 略最大伝搬角の４分の１より小さい角度で広が
    りながら各光導波路から延出し、隣同士が共通頂
    部で互いに連結する複数のテーパー状波伝達領域
    と、 波伝達領域と同じ厚さを有し、一端が全ての波
    伝達領域に一体化し、他端が前記端面あるいはそ
    の近くまで延びる波混合領域とを備え、前記波伝
    達領域のテーパー状の幾何構成が前記導波路と前
    記波混合領域との間の光結合効率を向上させる第
    １及び第２の光結合器を有し、 第１および第２の光結合器の端面が、前記波混
    合領域を伝搬する光を部分的に反射するとともに
    部分的に透過する金属層を介して連結されている
    光結合装置。 ７ 入力面と端面との間に延在する主要面を有す
    る光学材料で作られた基板と、 前記主要面の表面からある厚みをもつて形成さ
    れた層に所定の間隔で互いに平行に設けられ、前
    記入力面から延びる複数の光導波路と、 略最大伝搬角の４分の１より小さい角度で広が
    りながら各光導波路から延出し、隣同士が共通頂
    部で互いに連結する複数のテーパー状波伝達領域
    と、 波伝達領域と同じ厚さを有し、一端が全ての波
    伝達領域に一体化し、他端が前記端面あるいはそ
    の近くまで延びる波混合領域とを備え、前記波伝
    達領域のテーパー状の幾何構成が前記導波路と前
    記波混合領域との間の光結合効率を向上させる第
    １及び第２の光結合器を有し、 第２の光結合器の波混合領域は、第１の光結合
    器の波混合領域と完全に一体化し、各光結合器の
    複数の入力および出力導波路の各々にそれぞれ位
    置合わせされた複数の入力および出力光フアイバ
    ーが設けられた光結合装置。
JP2784580A 1979-03-05 1980-03-05 Light coupler Granted JPS55149908A (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US06/017,625 US4262995A (en) 1979-03-05 1979-03-05 Planar star coupler device for fiber optics

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS55149908A JPS55149908A (en) 1980-11-21
JPH0321881B2 true JPH0321881B2 (ja) 1991-03-25

Family

ID=21783627

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2784580A Granted JPS55149908A (en) 1979-03-05 1980-03-05 Light coupler

Country Status (5)

Country Link
US (1) US4262995A (ja)
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