JPH04133007A - 方向性結合器及び光合分波器 - 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、光通信システム等の分野で利用される方向性
結合器及び光合分波器に関する。

従来の技術 従来における方向性結合器の一例を第５図に基づいて説
明する。中央部には立方体状をしたハーフミラ−１が配
設されている。このハーフミラ−１の４つの側面にはそ
れぞれ分布屈折率レンズ２゜３．４．５が、互いに対向
する面の光軸が一致するようにして取付けられている。

また、それら４つの分布屈折率レンズ２〜５の端部には
、光ファイバ６．７，８．９が各レンズの光軸上に位置
して配設されている。

このような構成において、光ファイバ６から出射された
光は分布屈折率レンズ２により平行光とされ、ハーフミ
ラ−１により２分割され透過又は反射される。そのハー
フミラ−１により反射された光は、分布屈折率レンズ４
を介して光ファイバ８に入射結合する。一方、そのハー
フミラ−１を透過した光は、分布屈折率レンズ３を介し
て光ファイバ７に入射結合する。

また、これと同様にして、光ファイバ７から出射された
光は、ハーフミラ−１により透過、又は、反射されるこ
とにより、光ファイバ６及び光ファイバ９とそれぞれ入
射結合することになる。

このように光ファイバ６からの光はその一部が光ファイ
バ８に分離され、光ファイバ７からの光はその一部が光
ファイバ９に分離され、これにより方向性結合器として
動作する。

発明が解決しようとする課題 上述したような方向性結合器においては、３次元的なバ
ルクの光学素子の組合せ、すなわち、ハーフミラ−１の
４つの面への分布屈折率レンズ２゜３．４．５の接着や
、分布屈折率レンズ２，３゜４．５への光ファイバ６．
７，８．９の光軸合わせを行いながらの接着等により構
成されている。

このため各光学素子間の光軸合わせを行いながら接着剤
等で結合する際における光軸調整が数多く必要となり、
また、そのようなバルクの光学素子の組合せを必要とす
るため、各光学素子の作製の作業に手間がかかる。従っ
て、このようなことから、大量生産を行うのに問題とな
り、しかも、コストも高くなる。

課題を解決するための手段 そこで、このような問題点を解決するために、請求項１
記載の発明では、基板上に光導波路を形成し、この先導
波路の端面に位置させて複数個の導波路レンズを配設し
、前記一方の導波路レンズから入射した導波光を前記他
方の導波路レンズに結合させると共に前記導波光の進行
方向によりそれぞれ異なった方向に前記導波光の一部を
分岐させる導波路ビームスプリッタを前記導波路レンズ
間の光路上に位置させて配設した。

請求項２記載の発明では、請求項１記載の発明において
、導波路レンズに波長不感モードインデックスレンズを
用いた。

請求項３記載の発明では、基板上に光導波路を形成し、
この先導波路の端面に位置させて複数個の導波路レンズ
を配設し、前記導波路レンズの一方向から入射した光を
複数の異なった方向に分波すると共に複数の異なった方
向から入射した光を同一方向へ合波させる導波路ビーム
スプリッタを前記導波路レンズ間の光路上に位置させて
配設した。

請求項４記載の発明では、請求項３記載の発明において
、導波路レンズに波長不感モードインデックスレンズを
用いた。

作用 請求項１記載の発明は、プレーナ技術等を用いて基板上
に先導波路や導波路レンズ、さらには、導波路ビームス
プリッタを形成することができるため、それら形成の際
の互いの位置合わせ精度を高くすることができ、しかも
、光軸等の調節箇所が少なくなるため、これにより作製
が容易となり量産性を図る二とが可能となる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、
導波路レンズとして波長不感モードインデックスレンズ
を用いているため、異なる波長の光源を用いたり、光源
に波長変動があってもそのレンズの焦点距離変動が小さ
いため、光の結合損失の増加を防止するることができ、
これにより光源の波長範囲をより一段と広げることがで
きる。

請求項３記載の発明は、ブレーナ技術等を用いて基板上
に先導波路や導波路レンズ、さらには、導波路ビームス
プリッタを形成することができるため、それら形成の際
の互いの位置合わせ精度を高くすることができ、しかも
、光軸等の調節箇所が少なくなるため、これにより作製
が容易となり量産性を図ることが可能となる。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、
導波路レンズとして波長不感モードインデックスレンズ
を用いているため、異なる波長の光源を用いたり、光源
に波長変動かあってもそのレンズの焦点距離変動が小さ
いため、光の結合損失の増加を防止するることかでき、
これにより光源の波長範囲をより一段と広げることがで
きる。

実施例 請求項１記載の発明の一実施例を第１図及び第２図に基
づいて説明する。ここでは、方向性結合器について述べ
る。

基板１０上にはバッファ層１１を介して先導波路１２が
形成されている。この先導波路１２の４つの端面に位置
して、導波路レンズとしての導波路モードインデックス
レンズ１３，１４，１５゜１６がそれぞれ配設されてい
る。これら互いに向い合う導波路モードインデックスレ
ンズ１３〜１６の間の光路上に位置する中央部には、導
波路ビーム又プリッタ１７が配設されている。この場合
、導波路ビームスプリッタ１７は、一方の例えば導波路
モードインデックスレンズ１３から入射した導波光を他
方の導波路モードインデックスレンズ１５に結合させる
と共に、導波光の進行方向によりそれぞれ異なった方向
にその導波光の一部を分岐させる働きがある。

また、前記各導波路モードインデックスレンズ１３〜１
６に光か結合できるように、前記先導波路１０の端面に
は光ファイバ１８，１９，２０゜２】が直接接合されて
いる。

このような構成において、光ファイバ１８からの光は先
導波路１２内に端面結合され、拡散しながら導波路モー
ドインデックスレンズ１３に入射する５これによりほぼ
平行な光束に変換された導波光は、導波路ビームスプリ
ッタ１７に入射することにより２分割され透過又は反射
される。その導波路ビームスプリッタ１７により反射さ
れた導波光は、導波路モードインデックスレンズ１４へ
と導かれこれにより集光されて光ファイバ１９の端面に
入射結合する。一方、その導波路ビームスプリッタ１７
を透過した導波光は、導波路モードインデックスレンズ
１５へと導かれこれにより集光されて光ファイバ２０の
端面に入射結合する。

また、これと同様にして、光ファイバ］９からの出射光
は、導波路ビームスプリッタ１７により反射又は透過さ
れ、光ファイバ１８．２１の端面に入射結合する。

このような動作原理により、例えば、ボートｒ（光ファ
イバ１８）、ボート■　（光ファイバ１９）が光通信回
線に接続されているものとすると、ボート■からボート
■に向かう導波光は、その光の一部をボートｍ（光ファ
イバ２０）に出力させることができる。また、これとは
反対に、ボート■からボート■に向かう導波光は、その
一部の光がボート■（光ファイバ２１）に出射すること
になり、これにより方向性結合器として動作させること
ができる。なお、このような関係は、ボートＩとボート
■、ボー＋−ＩＩとボート〜“、ボートｍとポート八′
とをそれぞれ通信回線に接続した場合でも同様にして、
その光の方向によりそれぞれ別のボートに光信号の一部
を出力させることができる。

従って、本実施例では、プレーナ技術等を用いて基板１
０上に光導波路１２や導波路モードインデックスレンズ
１３〜１６、さらには、導波路ビ−ムスプリンタ１７を
形成することができるため、それら形成の際の互いの位
置合わせ精度を高くする二とができ、しかも、光軸等の
調節箇所が少なくなるため、これにより作製が容易とな
り量産性を図ることが可能となる。

次に、請求項３記載の発明の一実施例を第３図に基づい
て説明する。こ二では、光合分波器について述べる。な
お、前述した方向性結合器と同一部分についての説明は
省略し、その同一部分については同一符号を用いる。

先導波路１２のそれぞれの端面に位置して導波路レンズ
としての３個の導波路モードインデックスレンズ２２，
２３．２４が配設されている。これら導波路モードイン
デックスレンズ２２〜２４の交差する光路上には、導波
路ビームスプリッタ１７が配設されている。この場合、
導波路ビームスプリッタ１７は、例えば導波路モードイ
ンデックスレンズ２２の一方向から入射した光を複数の
異なった方向に分波すると共に、複数の異なった方向か
ら入射した光を同一方向へ合波させる働きがある。導波
路モードインデックスレンズ２２〜２４に光が結合でき
るように、光導波路１２の端面には光ファイバ２５〜２
７が直接結合されている。

このような構成において、光ファイバ２５から光導波路
１２に入射した光は、導波路モードインデックスレンズ
２２を通過して導波路ビームスプリッタ１７により分離
される。その反射された一部の光は、導波路モードイン
デックスレンズ２３を介して光ファイバ２６に結合する
。また、その透過した光は、導波路モードインデックス
レンズ２４を介して光ファイバ２７に結合する。すなわ
ち、ボートＩ　（光ファイバ２５）から入射した光は、
ボート■　（光ファイバ２６）とボート■（光ファイバ
２７）とに分離される。また、これとは反対に、ボート
■とボートｍとからそれぞれ入射した光は、ボート■に
合流させることができる。

従って、本実施例の場合も前述した実施例と同様な効果
を得る二とができる。

次に、前述した２つの実施例で用いられた方向性結合器
及び光合分波器の各種材料について説明する。基板１０
としては、ガラス、誘電体結晶、非晶質、半導体、プラ
スチック等を用いることができる。また、バッファ層１
１及び光導波路１２としては、ガラス、誘電体結晶、非
晶質、有機材料、半導体など光源波長に対して透明な材
料を用いることができる。これらの材料は、蒸着、スパ
ッタリング、ＣＶＤ、酸化、結晶成長、拡散、塗布その
他の方法で形成することができる。

さらに、導波路モードインデックスレンズ１３〜１６．
２２〜２４としては、先導波路１２と同じであるが屈折
率の異なる材料を用いることができる。この場合、先導
波路１２を形成する前に、その材料を形成した後、フォ
トリソグラフィ等のパターンニングとドライ、ウェット
等の各種エツチング、リフトオフ等の手法でレンズ部分
を形成し、さらに、先導波路１２を形成し、その後、そ
の不要部を和エツチング等で除去することにより、第２
図（ａ）に示すような構造のものを作製するとかできる
。また、この他の導波路モードインデックスレンズ１３
〜１６．２２〜２４の形成方法としては、光導波路１２
を形成した後、屈折率の異なる材料を拡散することによ
って形成することができる。

なお、基板１０が光源波長に対して透明な場合は、バッ
ファ層１１は必ずしも必要ではない。また、バッファ層
１１の屈折率は、光導波路１２の屈折率よりも低く設定
する必要がある。

次に、前述した２つの実施例で用いられた導波路ビーム
スプリッタ１７を第２図（ｂ）に基づいて説明する。前
述した２つの実施例では、光導波路１２の膜厚を部分的
に薄くすることにより、導波光のモードの透過屈折率を
下げて一部を反射させ、光導波路１２の厚さをもとに戻
すことにより他の一部を透過させることができる。今、
導波路ビームスプリッタ１７へ入射する光線のその導波
路ビームスプリッタ１７に垂直な方向とのなす角を入射
角とすると、その入射角が小さいほと透過する光量が増
加し、その入射角が大きいほど反射する光量が多くなる
。このようなことから、入射角を選ぶことにより適当な
分配比で光を分岐することができる。第２図（ｂ）にお
けるＶ溝の部分の幅を長くすると入射角に対する光量の
変化がゆるくなり、短くすると変化が急になる傾向があ
る。

また、導波路ビームスプリッタとしては、導波路の厚さ
が薄くなる構造であればよく、■溝の代わりにバッファ
層１１が山形にリッジを作ることにより先導波路１２の
下面部が凹むような構造も考えられる。その作製方法と
しては、基板１０にＶ溝やリッジ部をエツチング等で作
製し、その上にバッファ層１１、光導波路１２を順に装
荷したり、切削、研磨等の方法やそれらを組合せ、また
、先導波路１２を直接エッチジグしたりして作製する方
法などを用いることができる。

次に、請求項２，４記載の発明の一実施例について説明
する。ここでは、導波路モードインデックスレンズ１３
〜１６．２２〜２４は、波長不感レンズとして用いたも
のである。この場合、波長多重通信等で光源波長が複数
存在する場合及び光源の波長が温度変動等により変化し
ても、導波路モードインデックスレンズの焦点距離の変
動か小さく、許容できる波長範囲を大きく広げることか
でき、この範囲内では光ファイバへの結合効率の低下等
によるＳＮ比の低下を防ぐことができる。

なお、この波長不感（色消し）導波路モードインデック
スレンズについては、後述にて詳細に説明する。また、
前述した２つの実施例において、導波路レンズとしては
、導波路モードインデックスレンズの他に、フレネルレ
ンズ、グレーティングレンズを用いることができる。

次に、波長不感（色消し）の導波路モードインデックス
レンズ２８を第４図に基づいてさらに詳しく説明する。

まず、導波路モードインデックスレンズ２８を波長不感
用とした理由について述べる。通常のモードインデック
スレンズでは、導波光の波長により、導波路の等偏屈折
率が変化する構造分散、材料分散があるため、一般に波
長が変化すると焦点距離が変化する。このため、異なる
波長を用いる光分波器、光合波器では、波長変化により
集光性が変化しないタイプの導波路レンズを用いないと
、焦点位置変動、収差等により光ファイバとの結合効率
が低下し、Ｓ／Ｎも低下することになる。これにより色
消し用の導波路モードインデックスレンズ２８を用いた
ものである。

以下、その色消し用の導波路モードインデックスレンズ
２８を第４図に基づいて詳しく述べる。

基板１０上にはバッファ層１１（屈折率は、し・ンズ部
に対してｎｓＱ、レンズ外部に対してｎｓｓ、第４図の
場合にはｎ５Ｑ＝ｎｓｓ）が形成されている。このバッ
ファ層１１の上部には光導波路１２の導波層（屈折率、
膜厚は、レンズ部はｎｆＱ、ｔｆＱであり、ｎｔ１２）
ｎｓＱ、ｎｆｓ）ｎｓｓ）が作製されている。この先導
波路１２中に導波路モードインデックスレンズ２８が設
けられている。

その光導波路１２の上部には図示しないクラッド層（屈
折率はレンズ部はｎｃＱ、レンズ外部はｎｃｓ、第４図
では空気のため両者は等しくｎ５Ｑ＝ｎｓ＃１、また、
ここでは、ｎ５Ｑ）ｎｃ（２，ｎ５ｓ）ｎｃｓである）
が形成されている。

このようなレンズ（導波路モードインデックスレンズ２
８）内外の光導波路１２を伝搬するモードを求める固有
方程式（３層光導波路の場合）は、Ｊ＝Ｃ （クラッド層） （６ａ） ｊ＝ｆ （導波層） （６ｂ） ｊ＝ｓ （バッファ層） （６ｃ） となる。

又は、 この固有方程式で求めた等側屈折率ＮＱ、Ｎｓ に対し導波路モードインデックスレンズ２８の形状が、 Ｊ （ｍ＋　１　） ただし、 γＪｌａ　”　γＪｌ ・・ＴＥモート ・・・（３ａ） ・・（７） である時、 等側屈折率ＮＱとＮｓの比が変化しな ければ、 式の示す形状は変化しない。

２π γｊｉ　＝　−ｙ　Ｎ　ｉ λ ｉｌ ・・・（４） すなわち、 Ｎｌ：等側屈折率 λ ：波長 ＮΩ Ｎｓ であればよい。

１＝ｆｌ （レンズ部） （５ａ） このことは焦点の変化と、 等側屈折率の変化の （レンズ外部） （５ｂ） 式からも同様に示され 式より、 となる。

これにより、 式と同様にして、 となる。

また、 式のような無収差レンズでなくて も多くのレンズに対して、 式が成り立てば 設計時の波長近傍で十分な色消し効果を得る二とができ
る。

例えば、 球面レンズの近軸の式は、 となる。

この（１ 式において、 Ｄ−〇とすると、 Ｎｓ ｒ。

ｒｌ＋ 第１面及び第２面の曲率 となる。

Ｄ＝主点間距離 上述した（９）式、 （１２）式、 （１３）式のいずれ となる。

においても、 ＮＱとＮｓの変化の仕方が 式 Ｄが薄い場合は、 を満たせば、 焦点距離ｆ （第４図中） は、 色消し となる。

そこで、先導波路１２の等側屈折率の波長に対する変化
は、 と表される。

コノ場合、（ａ　Ｎ　ｉ　／　ａ　ｎｊｉ）は、固有方
程式（１）式又は（２）式を各屈折率で偏微分して与え
られ、また、（ａＮｉ／ａλ）も同様に（１）式又は（
２）式を波長で偏微分して与えられる。

さらに、（ｄｎｊｉ／ｄλ）は、各先導波路の材料の屈
折率の波長依存性を示している。

そして、（１２）式の関係から、 ｄλ の関係が得られる。

従って、これにより、 ＮＬ　　　　　ｃ３：ｒ、　　　　　　Ｘｓ　　　ｄλ
となるように、レンズ内外の先導波路の構造を決定すれ
ば、所望の色消し用の導波路モードインデックスレンズ
２８を得ることかできる。

発明の効果 請求項１記載の発明は、基板上に先導波路を形成し、こ
の先導波路の端面に位置させて複数個の導波路しンズを
配設し、前記一方の導波路しンズから入射した導波光を
前記他方の導波路しンスに結合させると共に前記導波光
の進行方向によりそれぞれ異なった方向に前記導波光の
−・部を分岐させる導波路ビームスプリッタを前記導波
路しシス間の光路上に位置させて配設したので、プし−
ナ技術等を用いて基板上に光導波路や導波路レンズ、さ
らには、導波路ビームスプリッタを形成することができ
るため、それら形成の際の互いの位置合わせ精度を高く
することかでき、しかも、光軸等の調節箇所が少なくな
るため、装置の作製が容易となり量産性を図ることがで
きるものである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、
導波路レンズに波長不感モードインデックスレンズを用
いたので、異なる波長の光源を用いたり、光源に波長変
動が生じたような場合でもそのレンズの焦点距離変動が
小さいため、光の結合損失の増加を防止することができ
、これにより使用する光源の波長範囲をより一段と広げ
ることができるものである。

請求項３記載の発明は、基板上に先導波路を形成し、こ
の光導波路の端面に位置させて複数個の導波路レンズを
配設し、前記導波路レンズの一方向から入射した光を複
数の異なった方向に分波すると共に複数の異なった方向
から入射した光を同一方向へ合波させる導波路ビームス
プリッタを前記導波路レンズ間の光路上に位置させて配
設したので、プレーナ技術等を用いて基板上に光導波路
や導波路レンズ、さらには、導波路ビームスプリッタを
形成することができるため、それら形成の際の互いの位
置合わせ精度を高くすることができ、しかも、光軸等の
調節箇所が少なくなるため、装置の作製が容易となり量
産性を図ることができるものである。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、
導波路レンズに波長不感モードインデックスレンズを用
いたので、異なる波長の光源を用いたり、光源に波長変
動が生じたような場合でもそのレンズの焦点距離変動が
小さいため、光の結合損失の増加を防止するる二とがで
き、これにより使用する光源の波長範囲をより一段と広
げることができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である方向性結合器の様子を
示す平面図、第２図はその概縦断側面図、第３図は本発
明の一実施例である光合分波器の様子を示す平面図、第
４図は波長不感導波路モードインデックスレンズの動作
説明を行う説明図、第５図は従来例を示す構成図である
。 １０・・基板、１２・・・先導波路、１３，１４゜１５
．１６・・・導波路レンズ、１７・・・導波路ビームス
プリッタ、２８・波長不感モードインデックスレンズ 出　願　人　　　　株式会社　リ　コ 」１４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板上に光導波路を形成し、この光導波路の端面に
   位置させて複数個の導波路レンズを配設し、前記一方の
   導波路レンズから入射した導波光を前記他方の導波路レ
   ンズに結合させると共に前記導波光の進行方向によりそ
   れぞれ異なった方向に前記導波光の一部を分岐させる導
   波路ビームスプリッタを前記導波路レンズ間の光路上に
   位置させて配設したことを特徴とする方向性結合器。 ２、導波路レンズに波長不感モードインデックスレンズ
   を用いたことを特徴とする請求項１記載の方向性結合器
   。 ３、基板上に光導波路を形成し、この光導波路の端面に
   位置させて複数個の導波路レンズを配設し、前記導波路
   レンズの一方向から入射した光を複数の異なった方向に
   分波すると共に複数の異なった方向から入射した光を同
   一方向へ合波させる導波路ビームスプリッタを前記導波
   路レンズ間の光路上に位置させて配設したことを特徴と
   する光合分波器。 ４、導波路レンズに波長不感モードインデックスレンズ
   を用いたことを特徴とする請求項３記載の光合分波器。