JPH03263005A - 光回路素子 - 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、光記録、光情報処理、光演算、光通信用光回
路等に用いられる光導波路、光集積回路の光結合器、光
分岐回路、光フィルタ等の光回路素子に関する。

（従来の技術） 第５図は従来の光結合器（モードカプラ）として光分岐
回路を示した図である。同図において、光分岐回路は、
基板であるＶｙｃｏｌガラス４０上に高屈折率のガラス
４２を一様に層状にスパッタし、次にＳ　ｉｏ２で構成
されるテーパ状傾斜部を含む中間層４３をマスクで遮蔽
しながらスパッタして形成し、さらに中間層４３の上部
にもＶｙｃｏｌガラス４２をスパッタして作製される。

この構成では、導波路４８からテーパ部で２つに分岐す
る導波路５０．５２を有している。導波路層４８にＴＥ
０□モード（０次モード）を励起すると、光パワーは下
の導波路５２に移り、ＴＥ、、モード（１次モード）を
励起した場合は上の導波路５０に移る。上下の導波路５
０．５２の間隔、厚さを変えることにより、光分岐回路
、光フィルタ、光モード変換器として作用させることが
できる。

（発明が解決しようとする課題） 従来、導波路において光パワーを分離するためには、第
５図に示すような光分岐回路を用いる方法が知られてい
るが、この方法では原理として光パワーを空間的に分離
するために、 ■光パワーの分配を異なる導波路のモード間の電界分布
の重ね合わせによって得るため、各導波路の厚さおよび
テーパ部の形状の微小な変化が大きな影響を与える。こ
のため、パワー分配比の調整が難しい。

■分離した導波光のモード同士の等偏屈折率差はそれほ
ど大きくとれない。

■また、導波方向を変化させて分離するには、導波路プ
リズム等の別の構造が必要となり、構造が複雑になる。

というような問題点が存在する。

本発明の目的は、パワー分配比の調節の範囲が広く、か
つ調節の容易な光パワー分配器を提供することにある。

本発明の目的は、パワーを分離した導波光同士の等偏屈
折率を大きくとることのできる光分配器、あるいはモー
ド変換器を提供することにある。

本発明の目的は、導波方向を変化させて光パワーを分離
することが簡単な構造で可能になる光分配器を提供する
ことにある。

（課題を解決するための手段） 上記目的達成のために、請求項１に係る光回路素子は、
第１の光導波層からなる第１の光導波領域と、第１の光
導波層より高屈折率で端部がテーパ形状を持つ第２の光
導波層が第１の光導波層に加わって構成される第２の光
導波領域とを有し、前記テーパ部を利用してモード変換
することを特徴とする。

また、請求項２の光回路素子は、第１の光導波領域の導
波光が前記テーパ部に対して斜めに入射することを特徴
とする。

（作　用） 本発明の光回路素子（光結合器、光分岐回路、光フィル
タ等を含む概念である）の使い方の例を第４図を参照し
つつ説明する。

（１）光結合器として使用する場合 光導波層１に励起した光Ａを光導波層２（付加層でもあ
る）の方にパワーの中心を持つ光Ｂに変換する。

（２）光分岐回路として使用する場合 光導波層１に励起した光Ａのパワーを、光導波層１にパ
ワーの中心を持つ光Ｃと光導波層２にパワーの中心を持
つ光Ｂとに分離する。

（３）光フィルタとして使用する場合 光導波層１に励起された光Ａのパワーを光源波長の違い
、あるいは励起するモードの違い（０次と１次モード等
）により光Ｂに変換したり、光Ｃに変換したりする。

（実　施　例） 以下、本発明の詳細な説明する。

第１図（ａ）、（ｂ）に本発明の一実施例である光分配
回路を示す、第１図（ａ）が平面図、第１図（ｂ）がそ
のｘ−ｘ’断面図である。

透明基板１上に光導波層２を形成し、さらにその上に光
導波層２を通る導波光Ａに対し境界が斜めに形成され、
かつ端面が緩いテーパ形状Ｃをなす光導波層３が形成さ
れている。ここで、透明基板１、光導波層２、光導波層
３の各屈折率をそれぞれｎ工、ｎ、、ｎ３とするどきｎ
工＜ｎ２＜ｎ３を満たす必要がある。また、第１図（ａ
）において、光導波層２のみの部分を領域（Ｉ）とし、
その上に光導波層３が形成されている部分を領域（ＩＩ
）とする。

また、本構成においてテーパ部Ｃの傾斜はできるだけ緩
い必要がある。また、光導波層２および３は導波光Ａに
対して透明な材料で形成される必要があり、基板１の材
料としては、ガラス、誘電体結晶、プラスティック等の
透明材料が適用できる。光導波層２および３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適
用でき。

塗布、蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ等の方法で形成可
能である。

次に、使用に際しては第１図（ａ）、（ｂ）に示すよう
に、導波光Ａを領域（１）で光導波層２に導波させる。

この場合、光源はレーザー、ＬＥＤ等のコヒーレンスの
良いものが必要である。励振方法としては、端面結合、
グレーティングカプラ、プリズムカプラ等の方法が適用
できる。導波光Ａは光導波路２中を伝搬して行き、光導
波層３のテーパ部Ｃの下に到達する。ここで、光導波層
３が光導波層２の上に形成されているために、導波光Ａ
のモードは摂動を受けてモード変換を起こす、また、テ
ーパ部Ｃ（すなわち光導波路３の境界傾斜部）は光導波
層２よりも屈折率が高いため、第１図（ｂ）に示すよう
に導波光Ａのパワーの一部がモード変換によりテーパ部
Ｃに移って行き、光導波層３中を導波光Ｂのように伝搬
する。また、残りの導波光は光導波層２中を導波光Ａ′
のように伝搬する。

次に、第２図によりモード変換について説明する。第２
図は横軸が光導波層２および３の膜厚を示しており、縦
軸はそれに対応する光導波層の等側屈折率を示している
。横軸ＯからｄＡまでは、光導波層２の膜厚ｄ２を示し
ている。ｄＡからｄ。

までは膜厚ｄ２の光導波層２の上に形成された光導波層
３の膜厚ｄ、を示している。すなわち、０からｄＡまで
は領域（１）に対応し、ｄＡからｄ、までは領域（ｎ）
に対応している。

図中の実線はＴＥモードを、破線はＴＭモードを示して
いる。また、図中の数字はモード番号を示しており、０
次、１次、２次の導波モードに対応している。第２図か
ら分かるように、０次、１次のモードは光導波層３の膜
厚ｄ、がやや薄い場合に、等側屈折率が比較的近くなる
傾向がある。

モード変換は等側屈折率がなるべく近い場合に、モード
の型が同じタイプのモード間で起こり易い性質があるた
め、領域ＣＩ）の光導波層２中にＴＥＯ次モードを励起
したとき、この０次モードは導波光Ａとして、光導波層
２中を伝搬して行く。ここで導波光Ａがテーパ部Ｃにさ
しかかると、この部分は光導波層の膜厚ｄ、が連続的に
変化している部分で、第２図の膜厚ｄ３がＯからｄ、、
まで変化する。このため、第２図の膜厚ｄ３がＯからｄ
、まで変化する途中で０次のモードと１次モードの間の
結合が各モードの光屈折率が最も近くなる付近で生ずる
。このため０次モードの導波光のパワーの一部が１次モ
ードに変換される。

次に、光導波層３の膜厚ｄ、を結合の起こる膜厚よりや
や厚い第２図のｄＣに設定すると、０次モードの等側屈
折率は大きいが、１次モードの等側屈折率はあまり大き
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次モードはテーパ部において等側屈折率が大きく
変化するため、第１図（、）の導波光Ａはテーパ部に斜
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（Ｉｆ）において導波光Ｂのよう
に伝搬する。１次モードの方は光導波層３の膜厚が第２
図のｄ、＝ｄｃのとき、領域（ｎ）においては、領域（
りの０次モードの等側屈折率に比べて等側屈折率の変化
が小さいため、テーパ部におけるモード変換後も方向変
化が少なく、導波光Ａ′のように伝搬して行く、また、
領域（ｎ）においては、０次モードの振幅強度は光導波
層３が強く、１次モードは光導波層２が強くなる。この
ようにして第１図（ａ）、（ｂ）のような構造において
は、モード変換により一本の導波光を別方向に２分割す
ることができる。

次に、導波光ＡのパワーをＰＡ、導波光ＢのパワーをＰ
い導波光Ａ′のパワーをＰＡ′　とする。

導波損失その他の損失を無視して分岐比をＲ，＝ＰＡ’
　／Ｐ、と定義する。第１図（ｂ）に示すようなテーパ
部Ｃの角度θ、を小さくして行くと、テーパ部Ｃにおけ
る摂動が小さくなり、導波光Ｂの０次モードと導波光Ａ
′の１次モードの結合が弱くなるため、０次モードから
１次モードへの変換が起こりにくくなる。導波光Ａ（０
次モード）のパワーＰＡが一定だとすると、導波光Ｂの
パワーＰゎが大きくなり、導波光Ａ′のパワーＰＡ′　
が小さくなる。このため、分岐比Ｒ１は小さくなる。

逆に角度θアを大きくして行くと、テーパ部Ｃにおける
摂動が大きくなり、導波光Ｂの０次モードと導波光Ａ′
の０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
起こり易くなり、Ｐｌが小さくなり、Ｐ　Ａｊが大きく
なる。すなわち、分岐比Ｒ６は大きくなる。このため、
テーパ部Ｃの角度θ７を調整することにより、分岐比Ｒ
１を大きくしたり、小さくしたりすることができる。ま
た、導波光Ａ（０次モード）のテーパ部Ｃへの入射角θ
ｉを調節することにより、分岐比Ｒ１を変化させること
ができる、入射角θｉを大きくすると、テーパ部Ｃの斜
面の最大傾斜角θ７よりも実質的に小さいテーパ角度で
テーパ部Ｃを通過することになる。このため、θｉが小
さいときよりも、テーパ部Ｃにおける摂動が小さくなり
、０次から１次へのモード変換が起こりにくくなり、分
岐比Ｒ８が小さくなる。

θｉを逆に小さくするとテーパ部の傾斜角θ７に実質的
テーパ角が近付くため、テーパ部Ｃにおける摂動が大き
くなり、分岐比Ｒ０が大きくなる。

また、光導波層３の屈折率ｎ、と光導波層２の屈折率ｎ
２の差Δｎ＝ｎ、−ｎ２の値を調節することによっても
分岐比Ｒ１を変化させることができる。Δｎを大きくす
るとテーパ部Ｃ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易くなる。このた
め、分岐比Ｒ。

は大きくなる０反対にΔｎを小さくすると、モード変換
は起きにくくなり、分岐比Ｒ１は小さくなる。

以上のことから、本構造のモードカプラーは光導波路２
の領域（Ｉ）に０次モードを励起した場合、テーパ角θ
７あるいは入射角θｉあるいは屈折率差Δｎを単独ある
いはそれぞれを同時に設定することにより、分岐比Ｒ１
１をＩＩＷできることから、導波光Ａを光導波層３のみ
に結合させたり、あるいは光導波層２と光導波層３に任
意の分岐比で光のパワーを分配したり、光導波層２のみ
を光が導波するようにさせたりすることが可能である。

すなわち、本構造では、導波路光結合器および光分２器
、あるいは光フィルタとして動作させることができる。

入射角θｉはｏ″〜９０＠　まで可能であるが、θｉ≠
Ｏのときは、第１図（ａ）について前述したように導波
路のみではなく、導波方向も分離することができる。空
間的に方向が分離しているので、各々を別に検出し易く
なる。

これまで、光導波層２の領域（Ｉ）に０次モードを励起
した場合を説明したが、１次モードを励起することも可
能である。この場合、光導波層２のＡ’部分に１次およ
び２次モード、光導波層３に０次モードを励起すること
ができる。この場合は、θｉ≠０の時、これら３モード
はそれぞれ等偏屈折率が異なるため、導波方向を異なら
せることができる。このため、１次モードの光を３分割
することができ、かつ相互の分岐比を前述したような方
法で変化させることができる。さらに高次のモードにつ
いても同様となる。また、ＴＥモードだけでなく、ＴＭ
モードの場合も同様に考えることができる。

次に領域（１）の光導波層２に０次モードを励起した場
合に、テーパ部Ｃがゆるく、光のパワーが領域（ＩＩ）
において、主に０次モードと結合するようにしておくと
、領域（Ｉ）に１次モードを励起した場合に、領域（Ｉ
Ｉ）では主に１次モードと２次モードに結合させること
ができる。これにより、領域（１）の０次モードは領域
（ＩＩ）の導波光Ｂへ、領域（１）の１次モードは領域
（ＩＩ）の導波光Ａ′にそれぞれ主に結合し、０次モー
ドと１次モードを分離する光フィルタ、スプリッタとし
て動作する。また、領域（ｎ）の導波路構造では、光導
波層３の膜厚ｄ、が比較的薄い場合には、構造分散が０
次モードが大きく、１次モードが小さい領域が存在する
。このため、光導波層２の領域（Ｉ）に励起する０次モ
ードの光の波長を短くすると、領域（Ｉｆ）における０
次モードと１次モードの屈折率差Δｎ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
る。反対に励起する光の波長を長くすると、屈折率差Δ
ｎが小さくなり、０次モードから１次モードへのモード
変換を少なくすることができる。このため、波長が短い
場合、導波光Ａから導波光Ａ′へ結合する割合が増え、
波長が短い場合は、導波光Ａから導波光Ｂへ結合する割
合が大きくなる。

すなわち波長の違いによる光フィルタ、スプリッタとし
て動作させることできる。

また、本発明の別の実施例を第３図に示す。本実施例で
は、第１図（ｂ）において光導波層３を透明基板１上に
先に形成して、テーパ部Ｃを作成した後、光導波層２を
装荷したもので、各符号は第１図（ｂ）のものと対応し
ている。この方法でも第１図（ｂ）と同じ原理でほぼ同
様な動作をさせることが可能である。平面的な構成は第
１図（ａ）の場合と同様になっている。さらに第１図（
ｂ）および第３図の実施例とも透明基板の代わりに同等
の屈折率を持つバッファ層を設けることができる。これ
を光導波層と基板１との間に入れることにより。

基板は不透明基板が使用でき、基板選択の自由度が大き
くなる。また、テーパの形状は直線的である必要はなく
、厚さが増加していれば断面が曲線状あるいは階段状で
あっても良い。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明の請求項１記載の光回路素
子によれば、テーパ部を利用したモード変換により、光
パワーを複数のモードに変換して分離しているため、形
状の微小変化に対する影響が小さく、かつテーパの角度
と２層の屈折率差により、光の分配比を容易に広く調整
することができる。このため作製が容易となる。

また、テーパ部を利用したモード変換により、等側屈折
率の大きく異なる複数のモードに光パワーを分配できる
ため、一方のモードのみに作用を加えることが容易とな
る。このためモード間の分離、モニタ加工等が容易にな
る。

また１本発明の請求項２記載の光回路素子によれば、テ
ーパ部を持つ光導波路への入射光がテーパ部に対して斜
めに入射するため、モード変換により等側屈折率の異な
る複数のモードに光パワーが分配される際、スネルの法
則により導波方向がそれぞれ異なるため、導波方向の違
いによる光パワーの分離が容易となる。また、入射角の
違いにより、分配比を変化させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の一実施例に係
る光回路素子の平面図、Ｘ−ｘ″断面図、第２図は本発
明に係るモード変換を説明するための図、第３図は本発
明の他の実施例に係る光回路素子の断面図、第４図は本
発明の詳細な説明するための光回路素子の模式断面図、
第５図は従来の光結合器として光分岐回路を示した図で
ある。 馬４　図 （ゐ） 馬Ｚ　図 腺息ｄ２ 腰１ｃｈ （ｂ） ｂｂ　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、第１の光導波層からなる第１の光導波領域と、第１
   の光導波層より高屈折率で端部がテーパ形状を持つ第２
   の光導波層が第１の光導波層に加わって構成される第２
   の光導波領域とを有し、前記テーパ部を利用してモード
   変換することを特徴とする光結合器、光分岐回路、光フ
   ィルタなどの光回路素子。 ２、第１の光導波領域の導波光が前記テーパ部に対して
   斜めに入射することを特徴とする請求項１記載の光回路
   素子。