JPH03259104A - 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、先導波路、光集積回路、光隻積ピックアップ
、更には、導波路センサ、光演算回路、光通信用光回路
等の光デバイス等において用いられる導波路型Ｔ　Ｅ　
−Ｔ　Ｍモードスプリッタに関する。

従来の技術 従来、この種の゛ｒＥ−ＴＭモードスプリッタとし２て
、第５図及び第６図に示１ようなものがある５、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」ユに屈折率変調型グレーティング４が形
成される。なお、グレーティング４のピッチは７Ｍモー
ド光が回折し得る値に設定されている。このような構造
において、Ａｓ、Ｓ、層３は光導波層、Ｓｉｎ、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、グレーティング４に対し入射角
４５″程度となるようにＡ、ｓ、Ｓ、層３にＴＥモード
と７Ｍモードとを入射・導波させる。この時、グレーテ
ィング４においてＴＥモードの回折効率は低いため、Ｔ
Ｅモードはそのまま透過光として通過する。一方、７Ｍ
モードの回折効率は高いためこのグレーティング４によ
りほぼ直角方向に回折され反射光となる。よって、ＴＥ
−７Ｍモードの混在した光ビームはグレーティング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（もしくはそれ以下）が要求され
るため、微細な加工が必要となり、よって、グレーティ
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 第１光導波層と、この第１光導波層の一部と積層構造を
なしこの第１光導波層より高屈折率で入射側端面にテー
パ形状部を形成した第２光導波層とにより構成した。

作用 第１光導波層の単独層に導波させたＴＥモード及び７Ｍ
モードは、高屈折率の第２光導波層のテーパ形状部を導
波する際に、その膜厚の変化により各々のモード変換を
生じ、そのモード変換率の差により、第２光導波層を形
成した領域においてＴＥモードと７Ｍモードとを次数の
異なるモードに変換する。このように次数が異なると、
等価屈折率も異なりモードの空間的光強度分布も異なる
ため、導波するＴＥモード及び７Ｍモードのパワーが分
離される。このようにテーパ形状部のモード変換率の差
を利用しているので、導波光の入射角や光源波長の微小
変動によＶ変換効率が大きく変動することはなく、安定
した分離動作が行なわれる。このためにも、単純なテー
パ形状加工で済むものである。

実施例 本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
光導波層６を形成し、この第１光導波層６上の一部に第
２光導波層７を形成したステップ型二次元光導波路とさ
れている。ここに、第２光導波層７は前記第１光導波層
６を通る導波光Ａに対して斜めに形成された入射側端面
７ａを有し、かつ、この入射側端面７ａ部分表面は角度
θ１で緩やかに傾斜させたテーパ形状部７ｂが形成され
ている。

二二に、透明基板５、第１光導波層６、第２光導波層７
の各々の屈折率をｎｌ、ｎｔ、ｎｓ　としたとき、ｎ　
＋　＜　ｎｒ　＜　ｎ　ｍ　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、図示構造において
、第１光導波層６のみの単独層による領域を領域Ｉ、第
１光導波層６、第２光導波層７の積層領域を領域■とす
る。

このような構造において、まず、テーパ形状部７ｂの傾
斜角度θ７はできるだけ緩やかであることが必要である
。また、各層は導波光に対して透明な材料で形成されて
いる必要がある。例えば、透明基板５としてはガラス、
誘電体結晶、プラスチックス等の透明材料が用いられる
。また、第１光導波層６や第２光導波層７の材料として
は、ガラス、誘電体材料、有機材料等の透明物質が用い
られ、塗布、蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ法等により
形成される。

導波光Ａは領域工にて第１光導波層６に導波させる。こ
の場合、光源はレーザ、ＬＥ　１つ等のコヒーレンスの
よいものが用いられ２る。励振方法としては、端面結合
、グレーディングカブラ、プリズムカプラ等を用いた方
法でよい。導波光Ａは第１光導波層６中（領域■中）を
伝搬して第２光導波層゛７のテーパ形状部７ｂ下部（領
域ＩＩ　）に到達する。ここで１．テーパ形状部’７ｂ
（＝第２光導波層７）は第１光導波層６よりも高屈折率
であるため、導波光Ａのパワーの一部がモード変換によ
りテーパ形状部７Ｆ〕中に移っていき、第２光導波層゛
ｌ中を導波光Ｂとし、て伝搬する。また、残りの導波光
はＡ′として第１光導波層６中を伝搬する。

ここに、第３図を参照し７て千−ド変換について説明す
る。図中、構製１は第】光導波層６及び第２光導波層７
の膜厚を示し、縦軸は膜厚に対応する光導波層の等信局
折率を示し１ている。具体的Ｇ５”は、横軸の０からｄ
Ａまでは第１光導波層６の膜厚ｄ２を示し、ｄＡからｄ
８までは膜厚ｄＡの第１光導波層６ｆ：、に形成された
第２光導波層７の膜厚ｄ、を示している。また、図中の
実線曲線はｒＥモ・−ド、破線曲線は゛ｒＭモードを示
し“Ｃいる。添字０，１゜２はモード番号を表しでおり
、各々、０次、１次、２次の導波ミードに対応している
。第３図から判るように、０次と１次のモー　ドは第２
光導波層７の膜厚ｄおがやや薄い場合に等信局折率が比
較的近くなる領域がある。モード変換は、等信局折率が
なるべく近い場合１、゛ニードの型が同じ型のモ・−ド
間で起こりやすい性質がある。そごで、領域Ｉの第１光
導波層６中に′丁ＥＯ次モー・ドを励起さ一１Ｉた場合
、このＯ水土−＝ドは導波光Ａどして第１　：＞ｌ（ｉ
導波層６中を伝搬Ｃ２ていく。この導波光Ａがテーパ形
状部７１）にさしかかると、この部分は、第２光導波層
゛７の膜厚ｄ、が連続的に変化（、ており、第３図中で
朦厚ｄヨが０からｄ８まζ・・変化する１、このように
膜厚ｄ、が変化する途中で、Ｏ炊上−ドど１次モードと
の間の結合が、各”Ｔ：　−１’の等信局折率が最も近
くなるイボ近Ｃ生ずる５、このため、０次モードの導波
光のパワーの〜・部が１炊上〜　ドに変換される。次に
、第２光導波層７の膜厚ｄ。

を結合の起こる膜厚よりやや厚い膜厚ｄ３、（第３図参
照）に設定すると、０次モードの等信局折率は大きいが
、１次モードの等信局折率はあまり大きくならないよう
にすることができる。このような状態では、０次モード
はテーパ形状部７１．）において等信局折率が大きく変
化するため、第２図に示す導波光Ａは入射側端面７ａに
対して斜めに入射した時、スネルの法則により屈折して
伝搬方向が大きく変化し、領域■において導波光１３の
ように伝搬する。１次モードは第２光導波層７の膜厚が
ｄ、＝ｄＣの時、領域１１においては領域■の０次モー
ドの等信局折率に比べて等信局折率の変化が小さいため
、テーパ形状部７１）におけるモード変換後も方向変化
が少なく、導波先人′のように伝搬し、ていく。また、
領域Ｈにおいては０次子−ドの振幅強度＋、１第ｊ？光
導汲層′ｉか強・く、１次子、−ドは第１先導波暦６が
強くなる１、この上′）に（，５で、第１図及び第２図
Ｃ５，示゛４よづな構造（、、−おいでは、（ド変換に
より、１つの導波光を別り向にｚ分割ひき（）、１ と二２）で、導波光Ａ、Ｂ、Ａ’のパ１フーを各々ｐＡ
＋　１）、ｐＡどし７、導波損失その仙１の損グ（を無
視しで、分叶比を１文、＝ＰＡ、／ｐ、ど定義４″る。

ぞして、第１図に示すテーパ形状部゛ｌ［）の角度０１
を小さくし、ζいくと、テーパ形状部７　ｂにおける摂
動が小さくなり、導波光■３の０次子・−ドど導波光Ａ
′の１次モードとの結合が弱くなるため、０次モードか
ら１次モードへのモード電体が起こりにくくなる１、導
波光Ａ（＝０次モード）のパワーｐＡを−・定とするど
、導波光ＢのパワーＰ　ｉ＋が大きくなり、導波先人′
のパワーＰＡが小さくなる。

このため、づ）岐比Ｒ，は小さくなる。逆に、角度θ↑
を大きくしＣいくと、テーパ形状部７　ｂにおる摂動が
大きくなり、導波光Ｂの０次モードと導波光Ａ′の１次
モードとの結合が強くなる。このため、０次モードから
１次モードへのモード変換が起こりやすくなり、導波光
ＢのパワーＰ、が小さくなり、導波光Ａ′のパワーＰＡ
・が大きくなる。

このため、分岐比Ｒ，は大きくなる。即ち、テーパ形状
部７ｂの角度ＯＴを調節することにより分岐比Ｒ６を大
きくしたり小さくすることができる。

また、導波光Ａ（＝Ｏ次モード）の入射角θを調節する
ことによっても分岐比Ｒ５を変化させることができる。

即ち、入射角０．　を大きくするとテーパ形状部７ｂの
角度の最大傾斜角度θ１よりも実質的に小さいテーパ角
度でテーパ形状部７ｂを通過することになる。このため
、入射角θ１が小さい時よりもテーパ形状部７ｂにおけ
る摂動が７４ｓさくなり、０次モードから１次モードへ
のモード変換が起きにくくなり、分岐比Ｒ６が小さくな
る。逆に、入射角θ、が小さくなると、テーパ形状部７
ｂの傾斜角度θ工に実質的に近づくため、テーパ形状部
７ｂにおける摂動が大きくなり、分岐比Ｒ６が大きくな
る。即ち、導波光Ａをテーパ形状部７ｂ（入射側端面７
ａ）に対して斜め入射とすることにより、入射角θ、の
選択するだけでも、モード変換による分岐比を調整して
分離性能を向上させることができる。特に、斜め入射に
よれば、導波光Ｂ、Ａ’　を平面的にも分離できるため
応用範囲を広げることもできる。

また、第２光導波層７の屈折率ｎ、と第１光導波層６の
屈折率ｎ３　との差Δｎ＝ｎ、−ｎ、の値を調節するこ
とによっても分岐比Ｒ１１を変化させることができる。

即ち、Δｎの値を大きくするとテーパ形状部７ｂにおけ
る摂動が大きくなり、０次モードから１次モードへのモ
ード変換が起きやすくなり、分岐比Ｒ８が大きくなる。

逆に、Δｎの値を小さくするとテーパ形状部７ｂにおけ
る摂動が／ｈさくなり、モード変換が起きにくくなり、
分岐比Ｒ１１が小さくなる。

次に、ＴＥモードと７Ｍモードの違いを説明する。通常
は、ＴＥモードのほうが７Ｍモードに比して導波モード
の閉じ込め効果が大きいため、ＴＥモード、７Ｍモード
の各々０次と１次のモード間の結合定数をｋＥ、ｋＭと
すると、通常はｋａ＞ｋ、となる。このため、ＴＥモー
ドの結合のほうが７Ｍモードの結合よりも強くなる。こ
の結合の強さの差は、特に、第１図に示すような導波路
構造においては、第２光導波層７の膜厚ｄ、が薄い場合
に大きくなる。このため、領域■の導波光ＡとしてＴＥ
モードを励起させた場合と７Ｍモードを励起させた場合
とでは、ＴＥモードのほうが０次モードから１次モード
へ、のような高次モード側へのモード変換が、７Ｍモー
ドの場合よりも起きやすくなる。このため、分岐比Ｒ３
はＴＥモードの分岐比をＲｏ、７Ｍモードの分岐比をＲ
ＢＭとしたとき、ＲＢＥ＞　ＲＢＭとなる。これは、テ
ーパ形状部７ｂの傾斜角度θ工、入射角θ１、屈折率差
Δｎの値を調節することにより、ＲＢ、、ＲＢＭの値を
同時に変化させることが可能であるので、例えばＴＥＯ
次モードは殆ど置１次モードに変換させる条件で、７Ｍ
０次モードは７Ｍ０次モードと７Ｍ１次モードとにモー
ド変換し、かつ、７Ｍ０次モードの光パワーのほうを強
くすることができる。即ち、導波光ＡとしてＴＥＯ次モ
ードを励起させた場合、殆どの光パワーは導波光Ａ′に
変換されるが、７Ｍ０次モードを導波光Ａとして励起さ
せた場合には導波光Ｂとして７Ｍ０次モード、導波光Ａ
′として７Ｍ１次モードに分離し、かつ、導波光Ｂのほ
うを強くすることができる。これは、ＴＥ−ＴＭモード
スプリッタとしての動作に他ならない。即ち、ＴＥ、７
Ｍ０次モードを領域Ｉに励起した場合には、ＴＥモード
は導波光Ａ′に結合し、７Ｍモードは主に導波光Ｂに結
合することになる。

なお、第２図中Ｕ−破線で示−１−Ｊうに領域１−１に
おいて導波先人′の通る部分に位置さセて第２光導波１
７Ｊ−に金属材８を装荷１れば、Ｔ　ｋｉ千−ドが゛丁
ト：モードに比べて大きく吸収されることになる。

即ち、金属材８がＴＭモードカットフィルタとして作用
する。この場合、ＴＭＯ次モードを領域Ｉに励起させた
とすると、導波先人′にモード変換したＴＭ１次モード
を吸収によりカットでき、導波光Ａで入射した７Ｍモー
ド光は殆ど導波光■３のみとして出力されることになる
。このとき、導波光Ａとして入力したＴＥモード光は金
属相８による吸収が小さいため。殆ど導波先人′に変換
される。このように、金属材８を装荷すること番、より
、ＴＥ−ＴＭモ・−トスプリッタの分離特性を向ｌ：さ
せることができる。なお、金属相８は第ｊ光導波層６と
第２光導波層７との間、或いは、基板５と第１光導波層
６との間に位置させても同様の効果が得られる。

つづいて、本発明の第一の実施例を第４図により説明す
る。、前記実施例で示し、へ部分と同一部分は同一符号
を用いて示す７本実施例は、透明基板５Ｉ−の一部に第
２光導波層７を先に形成（７、透明基板５　′Ｅｌび第
２光導波層７の全面に第１光導波層６を装荷するように
したものである。平面的構成は第２図と同様である（即
ち、第１光導波層６のｆ層に位置する第２光導波層７も
導波光Ａに対し傾斜した入射側端面７ａを持−つ）。

本実施例構造にＪ、っても、前記実施例と同様な動作原
理により、ＴＥ：−］”Ｍモードスプリッタとして作用
する。この場合も、導波光Ａ′の辿る部分の第１光導波
層６上（第１光導波層６と第２光導波層７との間、或い
は、基板５と第２光導波層７との間でもよい）に金属材
を装荷すれば、分離特性を向ｆ、させることができる。

なお、これらの実施例において、透明基板５に代えて、
同等の屈折率を持つバッファ層を基板上に形成したもの
を用いれば、基板自体には不透１刀基板を用いることが
でき、基板選択の自由度が大きくなる。また、テーパ形
状部７　ｂについても、その膜厚が連続直線的に変化す
るものとしたが、これに限らず、例えば膜厚の変化が階
段状、曲線状となるようなものであってもよい。

発明の効果 本発明は、上述したように第１光導波層と、この第１光
導波層の一部と積層構造をなしこの第１光導波層より高
屈折率で入射側端面にチー・バ形状部を形成した第２光
導波層とにより構成し、テーパ形状部のモード変換率の
差を利用するようにしたので、導波光の入射角や光源波
長の微小変動により変換効率が大きく変動することはな
く、安定した分離動作を行なわせることができ、このた
めにも、単純なテーパ形状加工で済む簡単・安価なもの
とすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一の実施例を示す断面構造図、第２
図はその平面構造図、第３図は膜厚　等信託折率特性図
、第４図は本発明の第二の実施例を示寸断面構造図、第
５図は従来例を示す平面構造図、第６図はその断面構造
図である。 ６・・・第１光導波層、７・・・第２光導波層、７ｂ・
・・テーパ形状部 ３ は 図 図 ６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 第１光導波層と、この第１光導波層の一部と積層構造を
   なしこの第１光導波層より高屈折率で入射側端面にテー
   パ形状部を形成した第２光導波層とよりなり、前記第１
   光導波層の単独層に導波させたＴＥモード及びＴＭモー
   ドを、前記テーパ形状部を導波する際のモード変換率の
   差により第２光導波層を形成した領域における次数の異
   なるモードに変換し、ＴＥモード及びＴＭモードのパワ
   ーを分離させるようにしたことを特徴とする導波路型Ｔ
   Ｅ−ＴＭモードスプリッタ。