JPH03505792A - インテグレイテッドオプティクス星形カップラ - 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】 インテグレイテッドオプティクス星形カップラ産業上の利用分野 本発明は、光学信号用星形カップラに関し、特にそのインテグレイテッドオプテ ィクス用光学デバイスに関する。

発明の背景 光フアイバージャイロのような光フアイバーシステムや干渉性光通信システムに おいては、これらシステムの精度を高めるために、光学信号位相に関する正確な 情報が要求される。例えば、サグナックの原理に依存している光フアイバージャ イロシステムにおける回転割合は、例えば、干渉計用ループを互いに反対方向に 伝搬している光ビームのような二つの光学信号の光学的位相を比較することによ り決定されている。同様に、干渉性光通信システムにおいては、位相情報は、送 信器内の光ビームの位相を暫定的に光学信号に変換した後、この変換した光学信 号を、送信される光ビームの位相と参照光ビームの位相とを受信器にて比較する ことにより再び位相情報を呼び出すようになされている。

上記した位相検知システムの最適な性能を得るために、光フアイバー内の光学信 号が線形的に偏向され、且つ二つの垂直偏向モードの一つに限定されることが極 めて重要である。これら二つの垂直偏向モードの一つはＴＭ波を伝搬するＴＭモ ードであり、他のモードはＴＥ波を伝搬するＴＥモードであるが、これら二つの モードは縮重しない。即ち、二つのモードは僅かに異なる位相速度を有している 。仮に、光学信号入力が一つの垂直偏向モードから他の垂直偏向モードへと接合 されるならば、光フアイバージャイロ或は光通信システムにおける光学的位相が 混乱してしまい、光フアイバージャイロに関する設定値からのズレ（所謂、ドリ フトエラー）、ノイズの増加、並びに干渉性光通信システムにおける信号フェー ジングを生ずる。このため、位相検知システムは、偏向を保護する光学的要素を 用いて製造する必要がある。

前述の各システムで用いられている標準的な光学的要素としては、ＮｘＭ星形カ ップラを偏向保護要素としている。これらＮ個の入力端子７Ｍ個の出力端子から なる星形カップラは、ＩＸＭスプリッタ或はＮｘｌマルチプレクサ等から形成さ れている。この星形カップラは、Ｎ個の入力端子から光学信号入力を受け、この Ｎ個の入力信号を単一の導波部に入力し、この導波部からの出力信号をＭ個の同 型の光学要素へと分割し出力する。

星形カップラの最も重要なパラメータは、（ｉ）分割の均等性、（ｉｉ）　Ｍ個 の出力の総計とＮ個の入力の総計との比から割り出される伝達ロス、並びに（ｉ ｉｉ）所望するある偏向モードでの出力と所望しない他の偏向モードでの出力と の比から割り出される偏向消光である。理想的なカップラは、均一な分割比、極 めて零に近い伝達ロス、並びに無限の偏向消光等の特性を有するであろう。

従来技術の偏向保護を施した星形カップラは、熔融延長成形法か、或は機械研磨 法のいずれかの製造法による光フアイバーデバイスである。前者の熔融延長成形 法の場合、例えば、２×２のようなＮ×Ｎ星形カップラは、二つの偏向保護用光 ファイバーを加熱熔融した後、導波部内で熔融された二つの偏向保護用光ファイ バーを引き伸ばすことによって成形されている。熔融に際しては、システムの動 作中、小さなカップラを介して光フアイバー間での入力の伝達が可能であるよう に、二つの偏向保護用光ファイバーの軸心を極めて近接して配設する必要がある 。また、熔融されたファイバーの偏向軸は、熔融されたカップリング領域におけ る偏向モードっを保護するために、完全な平行配列でなければならない。

後者の機械研磨法の場合、二つの光ファイバーの研磨面を、屈折率整合用液体接 着剤を用いて互いに接合される。この場合にも、入力伝達は、小さなカップラを 介して行われるため、二つの光ファイバーは互いに極めて近接して並設されねば ならない。

上記した両方の製造方法によると、極めて低い伝達ロスと比較的均一な分割比を もたらすことが可能であるが、ファイバーの形状が角型光ファイバーを用いたと きのように主偏向軸を容易に物理的に画成するごとく設計されてないのであれば 、一般的に、偏向消光率は、二つの光ファイバーの偏向軸の角度不整合に起因し て低下する。

上記した理由から、２×２以上の光フアイバー星形カップラは実際的には困難な ものであった。そこで、一連の２Ｘ２カツプラを縦にカスケード結合したり、或 は、帰還ループや帰還タッピングを利用するなどして、所望するＮＸＭ星形カッ プラを実現していた。

従来のインテグレイテッドオプティクス星形カップラは、通常、１×２スプリツ タを樹状構造に縦にカスケード配列することにより製造されている。このスプレ ツタは、Ｙ接合部又は方向性カップラからなり、基板材料上に形成される。この 基板材料はには、ガラス又はニオブ酸リチウムが用いられる。ガラス基板の場合 、スプリッタ回路がイオン交換法を用いて、基板面に蒸着される。ニオブ酸リチ ウム基板の場合、チタン拡散法により、スプリッタ回路が基板上に蒸着される。

上述した従来のインテグレイテッドオブティクス星形カップラは、光フアイバー カップラの偏向保護特性に匹敵する程度の偏向維持特性を有している。しかしな がら、これら従来のカップラは、単一の偏向デバイスではなく、二つの光ファイ バーから形成されており、高い偏向消光特性を有さない。

発明の開示 本発明の目的は、単一のインテグレイテッドオブティクス偏向星形カップラを提 供することである。

本発明による単一のインテグレイテッドオプティクス星形カップラは、二段プロ トン交換法（ｔｗｏ　５ｔｅｐ　ｐｒｏｔｏｎ　ｅｘｃｈａｎｇｅ　ｐｒｏｃｅ ｓｓ）により、星形カップラの導波アレイを基板面に形成した結晶性基板から構 成されており、これにより、高い偏向消光特性と、均一な分割比と、低い伝達ロ スを有した、ＮｘＭ星形カップラを提供するものである。本発明に従うと、１個 以上の１×２スプリツタを縦にカスケード配列することにより、星形カップラ用 導波アレイを形成することができ、これにより、ＮＸＭ樹状構造カップラを提供 することができる。また、本発明に従うと、■×２Ｘ２スプリツタ称形のＹ接合 部節点を有するものとする。更に、本発明に従うインテグレイテッドオプティク ス星形カップラ用基板材料を、ニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウムから形 成するものとする。また、本発明に従うインテグレイテッドオプティクス星形カ ップラ用基板材料は、Ｘ切断、Ｙ切断、又は２切断結晶軸方向を有するものとす る。

本発明のＮＸＭインテグレイテッドオブティクス星形カップラは、光学デバイス 構成用単位ブロックとして１×２スプリツタを用いて構成した導波アレイからな るものとする。また、当業者にとって周知のＮ個の入力７Ｍ個の出力、所謂、Ｎ ＸＭ分割或はＮｘＭ結合等の伝達機能を達成するために、１個以上の１×２スプ リツタを、基板上に所定の寸法形状にて配列するものとする。このＩＸ２スプリ ッタを、対称形のＹ接合部節点とするのが好ましい。このＹ接合部又は結合導波 通路は、二段プロトン交換法により、ニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウム 基板材料上に形成するものとする。この方法には、濃縮安息香酸の処理槽の中に 、パターン化された導波アレイ基板の液浸工程、更に基板の焼きなまし工程が含 まれる。上記の方法によると、高い偏向消光を有し、且つ均一な分割比並びに低 い伝達ロス特性を有したインテグレイテッドオブティクス星形カップラを提供す ることができる。

上記した本発明の目的、特徴並びに長所等は、以下に詳述された好適実施例と同 伴図面を参照することにより、より明確となるであろう。

図面の簡単な説明 第１図は本発明に従うＹ接合部節点を有した基本的な星形カップラの斜視図であ る。

第２図は第１図のＹ接合部節点を複数個用いてなる２×２星形カツプラを示した 概略図である。

第３図は第１図のＹ接合部節点を複数個用いてなる１×８星形カツプラを示した 概略図である。

第４図は第１図のＹ接合部節点を複数個用いてなる４Ｘ４星形カツプラを示した 概略図である。

好適実施例 第１図は本発明の１×２星形カツプラ１０の斜視図である。この星形カップラは 、基板面１６に埋設される導波アレイ１４の屈折媒体を提供する結晶性材料から 形成された基板１２を有する。基板材料としては、ニオブ酸リチウム又はタンタ ル酸リチウムが適している。また、図示するようなＸ切断結晶軸方向を有するも のが好ましいが、Ｚ切断及びＹ切断結晶軸方向を有するものが用いられてもよい 。基板の異常屈折率ｎ、はＺ軸に沿った方向に存在する。

導波アレイ１４は、Ｙ接合部節点１８と３本の単一モードの導波管２０〜２２を 有する。記載上、この導波管２０は単一の信号入力側であるので、導波管２０を 星形カップラの一重導波インターフェース２４と称し、導波管２１及び２２を星 形カップラの二重導波インターフェース２６の第−及び第二導波管と称するもの とする。この基板は、前述の二つの導波インターフェース間に亘る全長りを有す る。

仮に、Ｙ接合部節点が左右対称であり、且つ分割角２８（θ）が比較的小さく、 １°〜２°の範囲であるならば、導波管２０内の光学信号人力は二つの導波管２ １及び２２間で光学デバイスの許容範囲内で均等に分割される。また同様に、上 記した状態の下では、導波管２１及び２２に供給された二つの光学信号入力が導 波管２０内での総合信号入力レベルとして統括される。光学デバイス内で伝達ロ スが生じたり、或はＹ接合部に達する光学信号の非干渉性や光学信号間での位相 の不整合に起因する伝達ロスがなければ、統括された信号入力レベルは当然導波 管２１及び２２での個々の信号入力レベルの総計に等しい。

好適実施例においては、Ｙ接合部節点は左右対称形であり、三つの等価な導波管 部と１°〜２°の範囲の分割角θを有する。仮に、導波管２１及び２２内の光学 信号が同位相でないならば、Ｙ接合部節点において、二つの光学信号間で信号入 力の消滅的結合を生じる。

これにより、導波管２０内で他の偏向モードを生じ、この結果、二つの光学信号 強度の一部が基板１２内に逃げてしまう。また、仮に、二つの光学信号が干渉性 でないならば、各光学信号がＹ接合部を通過すると、３ｄＢ相当の信号強度ロス を来す。そこで、理想的な光学デバイスの光学信号統括としては、同位相且つ干 渉性の等価な光学信号の統合に限定される。このことは、インテグレイテッドオ ブティクスに関する当業者の間では周知である。

導波アレイは、二段プロトン交換法（ｔｗｏ−ｓｔｅｐ　ｐｒｏｔｏｎ　ｅｘｃ ｈａｎｇｅｐｒｏｃｅｓｓ）を用いて、基板上に形成されるが、この二段プロト ン交換法に関しては、スフスキー外により、本願と同日付けにて米国特許出願さ れ、本願と同一の譲受人に譲受された出願係属中の「アクティブインテグレテッ ドオブティックデバイス用低伝達ロスプロトン交換導波管、　Ｌｏｗ−Ｌｏｓｓ 　Ｐｒｏｔｏｎ　Ｅｘｃｈａｎｇｅｄ　Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ　ｆｏｒＡｃｔｉ ｖｅ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　０ｐｔｉｃ　ＤｅｖｉｃｅｓＪに開示されている 。

星形カップラの製造工程は、基板面１６上へのアルミ、クロム、チタン、或は二 酸化ケイ素といった材質からなるマスキング層の蒸着工程から始まって、この後 、感光性耐食膜のフォトレジストによって所望する導波アレイの幾何学模様が描 かれパターン化される。次に、パターン化された耐食膜が紫外線にさらされ、マ スキング層上に前述のパターンが複写される。この後、基板面が導波アレイの幾 何学模様を露出するためにエツチング処理され、導波溝が基板面に現れる。この 導波溝の溝幅は、導波管内に導かれる所望する光学信号の波長（通常、３〜１０ μｍの範囲内にある）に依存して選択される。マスキング部のパターンにより、 プロトン交換は導波溝のエツチング処理された領域に限られる。

次に、結晶性基板が濃縮安息香酸の処理槽の中に２〜６０分間、液浸される。こ の濃縮安息香酸処理槽は１５０°Ｃ〜２５０°Ｃの温度に保たれる。液浸処理の 後、結晶性基板は３００°Ｃ〜４００°Ｃの範囲まで上昇した温度で１〜５時間 の間、焼きなまし処理される。上記した一連の処理工程の正確な処理条件は、選 択された基板材料がニオブ酸リチウムかタンタル酸リチウムかによって異なると 共に、選択された光学信号の波長、基板材料の切断結晶軸方向、或は結合デバイ スのモード分散要求により異なる。

二段プロトン交換法により、導波溝内での異常屈折率は局部的に増加され、他方 、正常屈折率は局部的に減少される。この結果、第１図に示すＸ切断結晶軸方向 を有した結合デバイスに関しては、総合的な内部反射によって２軸（異常屈折率 の軸）に沿って偏向された被導波光学モードがそのまま保持され得る。

第２図に示すように、導波管４２〜４５は、偏向保護用光ファイバー４６〜４９ に夫々結合されている。偏向制御は、光ファイバー４６〜４９の主偏向軸を基板 ３２の各軸方向に方向付けることにより達成される。基板並びにこの基板に当接 する光ファイバーは、後方反射を減少するために、直角方向以外の方向に研磨さ れる。

第１図の星形カップラが対称形のＹ接続部を有し、且つ０．８２〜１．５５μｍ の波長で動作するように製造される場合、この星形カップラは両方の波長にて、 導波管内での伝搬ロスは０．１５〜０゜２　ｄ　Ｂ　／　ｃ　ｍである。また、 分割モードでのＹ接合部での伝搬ロスは一般的に０．　４〜０．５ｄＢである。

導波管２１及び２２に関する分割比は５０±２％である。偏向保護用光ファイバ ーに結合する場合、光フアイバー間の結合ロスは、直線導波溝では１．２ｄＢで あり、Ｙ接合部では１．８ｄＢである。光ファイバーが基板上にぶら下がった状 態ではなく、基板上に確実に固定された状態にて、偏向消光割合は、５５〜６０ ｄＢの範囲である。このことは、従来の星形カップラと比較して、約２５〜３０ ｄＢの改善をもたらしている。

第１図に示す基本的な１×２Ｙ接合部からなる星形カップラは、ＮＸＭ星形カッ プラ構造を構成するように拡張され得る。第２図はニオブ酸リチウム或はタンタ ル酸リチウムからなる基板３２、基板面３４、及び二つのＹ接合部節点３６と３ ８を有する２×２星形カツプラ３０の概略図である。このＹ接合部は基板の中心 部に単一モードの導波管４０を形成するように、−電導波インターフェースで結 合される。また、各Ｙ形導波部の二重導波インターフェースは、入出力導波管４ ２〜４５を提供する。

ｌｘＭパワー星形カップラ構造は、第１図に示すような基本の１ｘ２ｙ接合部節 点を複数個、樹状にカスケード結合することにより製造され得る。第３図は１× ８星形カツプラを示す。この星形カップラは、基板面６４上に形成された七個の Ｙ接合部節点５６〜６２を備えた、ニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウムか らなる基板５４から形成されている。光学デバイスの総結合ロスは各樹状層に関 して約０．５ｄＢだけ増加するが、拡張された星形カップラの偏向保護特性は低 下しない。

樹状層の場合、信号強度は、各Ｙ接合部節点での信号レベルで決定される。第３ 図のデバイスは三つの樹状層から形成されている。

第１の樹状層はＹ接合部５６を有しており、第２の樹状層はＹ接合部５７と５８ を有しており、第３図の樹状層はＹ接合部５９〜６２を有している。総結合ロス は、基板の全長しく第１図参照）をＩｃｍ追加する毎に、約０．１５〜０．２ｄ Ｂだけ増加する。

また、ＮＸＮ星形カップラは第４図に示すように、１×２Ｙ接合部節点を配列す ることにより形成される。第４図に示す構造は、ニオブ酸リチウム又はタンタル 酸リチウムからなる基板６６、基板面６７、並びにＹ接合部節点６８〜７３を有 する４×４星形カツプラ６４である。比較的信号レベルの高いＹ接合部６８と６ ９、並びに７２と７３は入出力導波管７４〜７７、並びに７８〜８１に夫々結合 されている。このような配列においては、前述の結合ロス（各樹状層で０．５ｄ Ｂ、Ｉｃｍの基板長さの増加毎に０．１５〜０．２ｄＢ）に加えて、仮に正確な 位相整合や干渉性等の要求が満たされないならば、互いに結合される導波回路間 の相互関係に起因して、結合する導波回路の各樹状層に関して、固有に３ｄＢだ け伝搬ロスを来す。

本発明は、その好適実施例に関して詳述されたが、前述したものや他の様々な変 形例、並びに形状やその詳細に関して省略的なもの、或は追加的なもの等は本発 明の範囲並びに概念から逸脱しないで容易に実行され得ることが当業者により明 らかであろう。

ＦＩＧ、２　　　　　３０ 国際調査報告 国際調査報告

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. １．基板面を有する屈折材料からなる基板手段と、Ｎ×Ｍ星形カップラ構造を提 供するために基板面上に配列される１個以上の１×２光学信号入力スプリッタ手 段からなる星形カップラ用導波アレイ手段とから形成された単一偏光モードのイ ンテグレーテッドオブティクス星形カップラにおいて、 前記星形カップラ用導波アレイ手段が導波空間に関する固有の単一空間モード並 びに単一の偏光モードを有するように、二段プロトン交換法により基板面上に、 該導波アレイ手段を形成したことを特徴とするインテグレイテッドオプティクス 星形カップラ。
2. ２．基板を２〜６０分間、１５０°Ｃ〜２５０°Ｃの温度の安息香酸の処理槽に 液浸する工程と、 前記液浸工程の後に、処理槽から基板を取り除く工程と、１〜５時間の間、温度 ３００°Ｃ〜４００°Ｃでの基板の焼きなまし工程とを有する二段プロトン交換 法により、前記星形カップラ用導波アレイ手段を基板面上に形成した請求項１に 記載のインテグレイテッドオプティクス星形カップラ。
3. ３．基板材料をニオブ酸リチウムとした請求項２に記載のインテグレイテッドオ プティクス星形カップラ。
4. ４．基板材料をタンタル酸リチウムとした請求項２に記載のインテグレイテッド オプティクス星形カップラ。
5. ５．基板材料をＸ断面結晶軸方向を有する結晶性材料とした請求項３記載のイン テグレイテッドオプティクス星形カップラ。
6. ６．基板材料をＸ断面結晶軸方向を有する結晶性材料とした請求項４記載のイン テグレイテッドオプティクス星形カップラ。
7. ７．基板材料をＺ断面結晶軸方向を有する結晶性材料とした請求項３記載のイン テグレイテッドオプティクス星形カップラ。
8. ８．基板材料をＺ断面結晶軸方向を有する結晶性材料とした請求項４記載のイン テグレイテッドオプティクス星形カップラ。
9. ９．基板材料をＹ断面結晶軸方向を有する結晶性材料とした請求項３記載のイン テグレイテッドオプティクス星形カップラ。
10. １０．基板材料をＹ断面結晶軸方向を有する結晶性材料とした請求項４記載のイ ンテグレイテッドオプティクス星形カップラ。
11. １１．星形カップラ用導波アレイ手段を、１×Ｍ星形カップラ用樹状構造を提供 するように、複数個の１×２光学信号入力スプリッタ手段をカスケード配列して なる請求項２に記載のインチグレイテッドオブティクス星形カップラ。
12. １２．各１×２光学信号入力スプリッタ手段が対称形のＹ接合部節点を有する請 求項２に記載のインテグレイテッドオプティクス星形カップラ。
13. １３．各１×２光学信号入力スプリッタ手段が対称形のＹ接合部節点を有する請 求項１１に記載のインテグレイテッドオプティクス星形カップラ。