JPH04212108A - 導波型光分岐素子 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光通信分野等で用いて
好適な導波型光分岐素子に関するものであり、さらに詳
細には、パワー結合率の波長依存性を緩和した導波型光
分岐素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバ通信の普及のためには、光フ
ァイバと受・発光素子に加えて各種の光部品が必要であ
る。なかでも、光分岐素子は、最も基本的な光部品であ
り、５０％分岐，２０％分岐，数％分岐等の分岐比（結
合率）を持つ分岐素子が要求されている。特に広い波長
域にわたって波長依存性が少ない光分岐素子に対する需
要は大きい。

【０００３】光分岐素子は、光カプラとも呼ばれ、その
形態により、１）バルク型，２）ファイバ型，３）導波
型に大別することができる。

【０００４】バルク型は、マイクロレンズやプリズム，
干渉膜フィルタ等を組み合わせて構成するものであり、
波長依存性の少ない分岐素子を提供でき、一応は実用の
レベルにある。しかし、組立調整に長時間を要し、長期
信頼性，価格およびサイズの点で問題を残している。

【０００５】ファイバ型は、光ファイバ自身を構成材料
として研磨や融着・延伸工程を経て構成されるものであ
り、波長依存性の低減されたタイプも実現可能である。 しかし、その作製工程には職人芸を要し、再現性が不良
で量産に適さないという欠点がある。

【０００６】これらに対して、導波型は、フォトリソグ
ラフィ工程により、平面基板上に一括大量生産できる利
点があり、将来型の光分岐素子として注目されている。

【０００７】第１の従来例として、図１６（Ａ）　〜（
Ｃ）　および図１７に、対象形光分岐素子の構造の平面
図と断面図およびその結合特性それぞれを示す。

【０００８】図１６（Ａ）　〜（Ｃ）　において、平面
基板２１上に、幅が互いに等しい２本の光導波路２１ａ
　および２１ｂ　を配置し、これら両光導波路２１ａ　
および２１ｂ　の各一部分２２ａ　および２２ｂ　を互
いに近接させて方向性結合器２２を構成している。２３
ａ　および２３ｂ　は光導波路２１ａ　および２１ｂ　
の各入力ポート、　２４ａ　および２４ｂ　は光導波路
２１ａ　および２１ｂ　の各出力ポートである。

【０００９】なお、この明細書において、光導波路とい
うときは、コアとクラッドよりなる構造のみならず、コ
ア自体を意味する場合もある。図１６（Ｂ）　および（
Ｃ）　において、基板２１上に配置したクラッド層２５
に光導波路２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ　としての
コアを埋設する。

【００１０】このように、結合領域２２において２本の
導波路２２ａ　および２２ｂ　の幅がいたるところで等
しい従来の光分岐素子の波長特性は、図１７に示すよう
におおむね正弦波状に変化し、例えば波長１．３　μｍ
　で結合率５０％であっても波長１．５５μｍ　では結
合率１００　％などとなってしまい、大きな波長依存性
をもっていた。

【００１１】第２の従来例として、図１８（Ａ）　およ
び図１９に、広い波長域で動作する導波型光分岐素子の
構成例を示す平面図およびその結合特性をそれぞれ示す
（特願平１−１０７７２０号参照）。

【００１２】図１８（Ａ）　において、平面基板３１上
に、互いに幅の異なる２本の光導波路３１ａ　および３
１ｂ　が配置され、これら両光導波路３１ａ　および３
１ｂ　の各一部分３２ａ　および３２ｂ　を互いに近接
させて方向性結合器３２を構成している。この方向性結
合器３２は、入力ポート３３ａ　から入射した信号光を
、出力ポート３４ａ　と３４ｂ　に分岐するように設計
されている。また、入出力ポート３３ａ　および３４ａ
　付近には、外部に接続されるべき光ファイバとの整合
性を良くするために、放射モードが生じないほど十分な
めらかなテーパ導波路３５ａ　および３６ａ　が接続さ
れている。

【００１３】このような従来例では、ある結合率におい
て広波長域動作を可能とするために、２本の光導波路３
１ａ　および３１ｂ　のうち、結合器３２の領域の部分
３２ａ　および３２ｂをこの結合部のいたるところで互
いに異なる一定の幅を持つ光導波路構造とし、図１９に
示すように、希望する波長域で設計結合率がそれぞれ５
０％±１０％，２０％±５％，５％±３％というように
、おおむね設計することができた。

【００１４】しかし、このような第２の従来例は、５０
％以下の比較的小さい結合率をもつ広波長域動作導波型
光分岐素子を実現するには有利な構造であるが、５０％
以上の大きな結合率をもつ広波長域動作導波型光分岐素
子を実現するには、従来例１に示した対称形方向性結合
器に近い構造にせざるを得ず、結果的に５０％以下の結
合率を設計する場合に比べて、広帯域な波長特性が得ら
れにくくなるという欠点があった。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の目的
は、上述したような問題点に鑑み、所望する波長域、例
えば１．３　μｍ　〜１．６　μｍ　を含む波長域にお
いて、従来の対称形方向性結合器による導波型光分岐素
子よりも結合率の波長依存性がより良く緩和され、特に
結合率５０％以上での広帯域な波長特性をもつ実用的な
広波長域動作導波型光分岐素子を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、基板と、該基板上に配置された少なくと
も２本の光導波路と、該少なくとも２本の光導波路の一
部分を互いに近接させて形成した少なくとも１個の方向
性結合器とを有し、前記少なくとも２本の光導波路のう
ちの少なくとも一方の片端を入力ポートとし、前記少な
くとも２本の光導波路の他端を出力ポートとする広波長
域動作導波型光分岐素子であって、前記少なくとも１個
の方向性結合器の結合領域のうち、２本の光導波路が平
行に配置されている平行結合領域の両端部における少な
くとも１本の光導波路の幅および深さを、前記入力ポー
トおよび前記出力ポートにおける光導波路の幅および深
さと異ならしめ、かつ前記結合領域における少なくとも
２本の光導波路をそれぞれなめらかなテーパ形状として
テーパ形方向性結合器を構成し、該テーパ形方向性結合
器の結合長および非対称パラメータを、使用する波長領
域に応じて決定される値に設定することにより、前記テ
ーパ形方向性結合器における前記入力ポートから入射し
た光の結合率の波長依存性を前記波長領域にわたって緩
和したことを特徴とする。

【００１７】ここで、前記テーパ形方向性結合器の結合
領域全体が前記結合領域の中心に対してほぼ点対称形状
となるように、前記テーパ形方向性結合器を構成するこ
とができる。

【００１８】本発明では、前記テーパ形方向性結合器の
前記結合領域のうち、前記平行領域の両端部において異
ならしめた前記少なくとも２本の光導波路の幅のうち、
前記入力ポートおよび前記出力ポートの幅と異なる導波
路幅の大きさを、該導波路幅と前記入力ポートおよび前
記出力ポートの幅との差が、当該入力ポートおよび出力
ポートの幅の９割を越えないように定めることができる
。

【００１９】

【作用】本発明では、前記方向性結合器の前記結合領域
のうち、平行領域の両端部における光導波路の幅および
深さを、前記入出力ポートにおける光導波路の幅および
深さと互いに異ならしめ、かつ前記結合領域における２
本の各光導波路をなめらかなテーパ形状とすることによ
り、前記入力ポートから前記出力ポートへのパワーの結
合率の波長依存性を、ある特定波長域（たとえば、１．
３　μｍ　から１．７　μｍ）にわたって緩和するよう
に構成することにより、従来のような、結合領域におい
て一定で、かつ互いに異なる幅の２本の光導波路からな
り、広い波長域で動作する導波型光分岐素子とは、構造
上、大きく相違する。

【００２０】言い換えると、本発明は、結合領域での導
波路の伝搬定数を部分的に異ならせるよう、そのテーパ
構造を適正に設計することによって、結合領域全体の波
長特性を緩和させ、特に設計結合率５０％以上において
ほぼ一定の結合率が所望の広い波長域で得られる、きわ
めて実用的な導波型光分岐素子を実現しようとするもの
である。本発明では、この結合部全体の形状を点対称構
造とすることにより製作性を向上することができる。

【００２１】なお、前記結合領域のうち、平行領域の両
端部における光導波路の幅を異ならせるときの、その幅
の差は、使用する光波長の５倍程度以下、例えば１．５
　μｍ　ならば７．５　μｍ　以下にすることが損失低
減の点から望ましい。

【００２２】さらにまた、本発明では、結合領域中の少
なくとも１箇所において入出力ポート幅と異なる導波路
幅をもつが、その大きさに関しては、そこでの光散乱に
よる光パワー損失をできるだけ抑えることが望ましく、
該導波路幅と入出力ポート幅との差が入出力ポート幅の
約９割を越えないように定めるのが好適である。

【００２３】本発明の広波長域動作導波型光分岐素子は
、広い波長域に広がる光信号の分配用やモニタ用，タッ
プ用として幅広い用途が期待され、また、平面基板上に
本発明の光分岐素子を多段に連結することにより、４分
岐素子，８分岐素子等への拡張も容易である。さらに、
同一基板上に光分岐素子をアレイ状に形成し、例えば、
２５０　μｍ　ピッチの光分岐素子ファイバアレイと接
続して使用することも可能である。

【００２４】なお、本発明においては、結合領域におけ
る光導波路の間隔ｇの大きさを、結合領域において一定
としているが、これは設計の容易さを考慮したためであ
り、これに限定されるものではない。すなわち、結合領
域内で導波路間隔を変化させる場合でも、設計上、複雑
になるだけであり、本発明原理の一般性は失われず、こ
の場合も本発明に含まれること、勿論である。

【００２５】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００２６】以下に説明する本発明の実施例では、基板
１としてシリコン基板、光導波路１ａおよび１ｂとして
シリコン基板１上に石英系ガラス材料により形成された
光導波路を用いているが、これは、石英系単一モード導
波路が単一モード光ファイバとの整合性に優れ、実用的
な導波型光分岐素子を提供できるためであるが、本発明
は、このような石英系光導波路に限定されるものではな
いこと、もちろんである。すなわち、基板材料としては
、石英基板、セラミック基板、半導体基板あるいはニオ
ブ酸リチウム等の結晶性光導波路基板等でもよい。光導
波路材料としては、半導体材料、有機材料、誘電体材料
あるいはセラミック系材料でもよいこと、もちろんであ
る。

【００２７】図１および図２（Ａ）　〜（Ｃ）　は、本
発明の広波長域動作導波型光分岐素子の基本的な構成例
を示す、それぞれ、平面図およびＡＡ′線，ＢＢ′線（
ＣＣ’線）およびＤＤ′線に沿った拡大断面図である。

【００２８】ここで、平面基板１の上に光導波路１ａお
よび１ｂを配置する。４つの入出力ポート３ａ，３ｂ　
および４ａ，４ｂ　における導波路の断面形状は図２（
Ａ）　および（Ｃ）　に示すように８μｍ　×８μｍ　
の正方形を構成している。光導波路１ａおよび１ｂを１
箇所で互いに近接させ、結合部２の導波路幅が部分的に
徐々に異なり、かつ方向性結合器全体の形状が点対称構
造となるようにテーパ形方向性結合器２を構成する。こ
の方向性結合器２の両側における導波路１ａおよび１ｂ
の導波路幅は、ＢＢ′線およびＣＣ′線での断面に示す
ように互いに異なり、かつＢＢ′線とＣＣ′線において
逆転している。また、入出力ポート３ａおよび４ｂ付近
には、外部に接続されるべき光ファイバとの整合性を良
くするために、放射モードが生じないほど十分なめらか
なテーパ導波路５ａおよび５ｂが接続されている。光導
波路１ａおよび１ｂの各一端３ａおよび３ｂを入力ポー
トとし、光導波路１ａおよび１ｂの各他端４ａおよび４
ｂを、それぞれ、副出力ポートおよび主出力ポートとす
る。Ｐｉｎ　は入力ポート３ａに入来する入力光であり
、Ｐｍａｉｎ　およびＰｓｕｂは、それぞれ、主および
副出力ポート４ｂおよび４ａから取り出される主および
副出力光である。

【００２９】図３および図４（Ａ）　〜（Ｃ）　は、図
１および図２（Ａ）　〜（Ｃ）　に示した点対称形方向
性結合器２の部分の、それぞれ、拡大平面図および拡大
断面図である。図からわかるように、導波路１ａおよび
１ｂの各断面形状を、図４（Ａ）　に示す断面ＥＥ′で
は一方を正方形，他方を高さが同じ長方形とする。図４
（Ｃ）　に示す断面ＦＦ′ではこれと全く反対の断面形
状とする。図４（Ｂ）　に示す断面ＸＸ′では全く同一
の長方形としている。もちろん、上記以外の場所での断
面形状は隣合う２つの各断面の中間的な形状となってい
る。このような形状は結合部全体の中心点Ｏ（原点）に
関して対称な形を成すので、ここでは、点対称テーパ形
方向性結合器と呼称するものとする。

【００３０】光導波路１ａおよび１ｂは、たとえば、膜
厚５０μｍ　程度のＳｉＯ２系ガラスによるクラッド層
６に埋設された断面寸法８μｍ　×８μｍ　程度のＳｉ
Ｏ２−ＴｉＯ２　系ガラスコア部からなり、直線パター
ンと曲率半径５０ｍｍの円弧パターンとの組み合わせに
より回路を構成した。このような石英系光導波路１ａお
よび１ｂは四塩化シリコンや四塩化チタンの火炎加水分
解反応を利用したガラス膜堆積技術と反応性イオンエッ
チングによる微細加工技術との公知の組合せで形成でき
る。

【００３１】次に、このような点対称テーパ形方向性結
合器の出力光の波長依存性について述べる。

【００３２】図３に示したような点対称テーパ形方向性
結合器２は、図５に示すように、１個の対称形方向性結
合器と、それを上下反転させたもう１個の非対称形方向
性結合器が縦列接続したものとみなすことができる。も
ちろん、さらに細かく分割しても良いが、簡単のため、
図５のように分割した。

【００３３】一般に、等方性で無損失と見なせる媒質か
ら成る非対称形方向性結合器の、入力パワー（Ｕ，Ｖ）
　に対する出力パワー（Ａ，Ｂ）　は、モード結合理論
（例えば、“光集積回路”西原浩，春名正光，栖原敏明
　　共著　　Ｐ５１　（株）オーム社　　昭和６０年２
月２５日発行初版第１刷）から次式で与えられる。

【００３４】ここで、Ｕは入力ポート３ａへの入力パワ
ー、Ｖは入力ポート３ｂへの入力パワーであり、Ａは出
力ポート４ａからの出力パワー、Ｂは出力ポート４ｂか
らの出力パワーである。

【００３５】

【数１】

【００３６】ここで、

【００３７】

【数２】 　　　　　　　　　　Ｒ＝（βａ　−βｂ　）／２Δ　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　（２）

【００３８】

【数３】 　　　　　　　　　　Ｓ＝κ／Δ　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　（３）

【００３９】

【数４】

【００４０】である。

【００４１】ただし、βａ　とβｂ　は各導波路単独の
伝搬定数、ＲとＳは非対称性の度合いを示すパラメータ
であり、０≦Ｒ＜１，０＜Ｓ≦１，Ｒ２　　＋Ｓ２　＝
１なる関係がある。

【００４２】もし、βａ　＝βｂ　ならば、Ｒ＝０，Ｓ
＝１となり、対称形方向性結合器の、入力パワー（Ｕ，
Ｖ）に対する出力パワー（Ａ，Ｂ）を表すことになる。 この出力パワー（Ａ，Ｂ）は、次式で与えられる。

【００４３】

【数５】

【００４４】ただし、ｊは虚数単位、κは結合係数、Ｚ
は伝搬距離である。

【００４５】図３に示した点対称形方向性結合器２の出
力パワーは非対称形および反転非対称形方向性結合器の
マトリックスの積で求められるので、式（１）から、次
のようになる。

【００４６】ここで、図５を参照して、φ１　＝Δ１　
Ｌ１ とする。

【００４７】

【数６】

【００４８】式（６）の変換マトリックスを、Ｍ１とす
ると、

【００４９】

【数７】

【００５０】ただし、

【００５１】

【数８】 　　　ｍ１＝１−２・Ｓ２・ｓｉｎ２　φ１　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　（８）

【００５２】

【数９】 　　　ｐ１＝２Ｓ・Ｒ・ｓｉｎ２　φ１　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　（９）

【００５３】

【数１０】 　　　ｑ１＝−２Ｓ　・ｓｉｎφ１　・ｃｏｓφ１　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　（１０） が得られる。

【００５４】今、入射光条件を、入力ポート３ａからの
片側入射、すなわち、｜Ｕ｜２＝１かつ｜Ｖ｜２＝０と
すると、

【００５５】

【数１１】 　　Ｐ１＝｜Ａ｜２＝｜ａ１・Ｕ＋ｂ１・Ｖ｜２＝｜ａ
１｜２　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１１）　　Ｐ
２＝｜Ｂ｜２＝｜ｃ１・Ｕ＋ｄ１・Ｖ｜２＝｜ｃ１｜２
　　　　　　　　であるから、図５の出力光パワーは次
式となる。

【００５６】

【数１２】 Ｐ１（スルー）＝ｍ１２＝（１−２Ｓ２・ｓｉｎ２　φ
１）２　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　（１２）

【００５７】

【数１３】 Ｐ２（クロス）＝ｐ１２＋ｑ１２＝４Ｓ２・ｓｉｎ２φ
１・（１−Ｓ２・ｓｉｎ２φ１）　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　（１３） 但し、

【００５８】

【数１４】

【００５９】式（１３）について簡単な計算を行うと、
Ｓおよび（φ１　）を適切に設定することによって、図
６（Ａ）　〜（Ｃ）　に示すような各種の波長特性を実
現することができる。特に、図６（Ｂ）　および（Ｃ）
　は５０％以上の結合率の設計において、平坦性の良い
広帯域な特性を可能としている点が、図１９に示した従
来の広波長域動作導波型光分岐素子の波長特性と大きく
異なる。実際のＳおよび（φ１　）の値は波長の増加と
ともに単調増加するが、図６（Ａ）　〜（Ｃ）　に示す
各種の波長特性の様子にそれほど大きな影響を与えない
ことを付記しておく。

【００６０】なお、上述した行列計算による解析は波長
特性の概略をつかむためには大変有効であるが、光分岐
素子の曲がり導波路を含まない結合領域のみ取り扱って
いるため、実際の光分岐素子を設計する際、解析精度の
点で問題がある。これを解決する方法として、ビーム伝
搬法（例えば、“電磁波問題の基礎解析法”山下栄吉監
修　　Ｐ３０８　　（社）電子情報通信学会　　昭和６
２年１０月３０日　　初版発行）による計算機シミュレ
ーションがある。この方法は、伝搬と直角な方向への電
磁界成分の離散的フーリエ変換と、伝搬方向へ微小区間
ごとに逐次的に計算を進める巧妙な演算法であり、本質
的に導波路形であるような光回路の中を伝搬する光波の
数値解析に好適である。ひとたび光分岐素子の大まかな
構造がわかれば、その波長特性はビーム伝搬法を使って
ほぼ正確に予測することができる。従って、本発明で述
べる行列解析による実施例の各パラメータの値は厳密な
ものではないことを付記しておく。 実施例１ 図７（Ａ）　　は、本発明広波長域動作導波型分岐素子
の第１実施例として、波長域λ１＝　１．３μｍ　〜λ
２＝　１．６μｍ　で５０％±５％の結合率を有するよ
う設計した分岐素子の構成を示す。

【００６１】結合部２における光導波路１ａと１ｂとの
間隔をｇ＝３．０　μｍ（パラメータＳ＝０．３３〜０
．４７に相当）に保ち、Ｌ＝１．８（ｍｍ）　の距離に
わたって配置し、かつ結合部全体の形状が原点Ｏに関し
て点対称構造となるように、Ｌ１＝０．９２（ｍｍ）　
と設定した。また、光導波路１ａおよび１ｂの最大導波
路幅をｄａｍａｘ＝ｄｂｍａｘ＝８μｍ、最小導波路幅
をｄａｍｉｎ＝ｄｂｍｉｎ＝６μｍ　とし、フォトマス
クパターン段階で正確に設定した。なお、入力ポート３
ａと３ｂとの間隔、出力ポート４ａと４ｂとの間隔は、
いずれも０．２５０ｍｍ　に定めた。

【００６２】図７（Ｂ）　は、本実施例１の光分岐素子
についての結合率の波長依存性を示す図である。これか
らわかるように、波長域λ１＝１．３μｍ　〜λ２　＝
１．６μｍ　にわたって、結合率５０％±５％の広帯域
な波長特性が得られ、平坦性のよい波長特性となってい
る。このように、本発明の点対称テーパ形方向性結合器
によれば、すでに述べた従来の広波長域動作導波型光分
岐素子と同程度に平坦性のよい、広帯域な波長特性を実
現することが可能である。

【００６３】なお、実施例１では、結合部構造を直線か
ら成るテーパ導波路としたが、図８（Ａ）　のように、
図７（Ａ）　の構造を十分なめらかな曲線に変更しても
よく、あるいはまた、図８（Ｂ）　のように、入出力ポ
ートを入れ換えた構成としてもよい。本発明の以下に述
べる各実施例においても、このような滑らかな形状によ
る構成や入出力ポートを入れ換えた構成をも含むこと、
もちろんである。

【００６４】また、本実施例１に関して、ビーム伝搬法
による詳細な解析結果および実験結果を図９に示してお
く。両者はほぼ一致しており、結合率５０％±５％の広
帯域な波長特性が得られている。従って、本発明の以下
に述べる各実施例においても、各パラメータの値は厳密
なものではなく、詳細な設計を行う際にはビーム伝搬法
を用いることが望ましいことを付記しておく。

【００６５】 実施例２ 図１０（Ａ）　は、本発明の広波長域動作導波型光分岐
素子の第２実施例として、波長域λ１＝１．２　μｍ　
〜λ２　＝１．７μｍ　で９０％±３％の結合率を有す
るよう設計した分岐素子の構成を示す。

【００６６】結合部２における光導波路１ａと１ｂとの
間隔をｇ＝３．０　μｍ　（パラメータＳ＝０．３０〜
０．４３に相当）に保ち、Ｌ＝１．２（ｍｍ）　の距離
にわたって配置し、かつ結合部全体の形状が原点Ｏに関
して点対称構造となるように、Ｌ１＝０．６（ｍｍ）と
設定した。また、光導波路１ａおよび１ｂの最大導波路
幅をｄａｍａｘ＝ｄｂｍａｘ＝８　μｍ　、最小導波路
幅をｄａｍｉｎ＝ｄｂｍｉｎ＝５μｍ　とし、フォトマ
スクパターン段階で正確に設定した。なお、入力ポート
３ａと３ｂとの間隔、出力ポート４ａと４ｂとの間隔は
、いずれも０．２５０ｍｍ　に定めた。

【００６７】図１０（Ｂ）　は、本実施例２の光分岐素
子についての結合率の波長依存性を示す図である。これ
からわかるように、波長域λ１＝１．２　μｍ　〜λ２
　＝１．７μｍ　にわたって、結合率９０％±３％の広
帯域な波長特性が得られ、特に１．３　μｍ　〜１．５
　μｍ　では、９０％±２％の極めて平坦性のよい波長
特性となっている。このように、本発明の点対称テーパ
形方向性結合器によれば、すでに述べた従来の広波長域
動作導波型光分岐素子に比べ、５０％以上の結合率の設
計において極めて平坦性のよい、広帯域な波長特性を実
現することが可能である。

【００６８】 実施例３ 図１１（Ａ）　は、本発明の広波長域動作導波型光分岐
素子の第３実施例として、波長域波長域λ１＝１．３　
μｍ　〜λ２　＝１．６μｍ　で２０％±５％の結合率
を有するよう設計した分岐素子の構成を示す。

【００６９】結合部における光導波路１ａと１ｂとの間
隔をｇ＝３．５　μｍ　（パラメータＳ＝０．３１〜０
．４５に相当）に保ち、Ｌ＝０．９（ｍｍ）　の距離に
わたって配置し、かつ結合部全体の形状が原点Ｏに関し
て点対称構造となるように、Ｌ１＝０．４５（ｍｍ）　
と設定した。また、光導波路１ａおよび１ｂの最大導波
路幅をｄａｍａｘ＝ｄｂｍａｘ＝８μｍ　、最小導波路
幅をｄａｍｉｎ＝ｄｂｍｉｎ＝７μｍ　とし、フォトマ
スクパターン段階で正確に設定した。なお、入力ポート
３ａと３ｂとの間隔、出力ポート４ａと４ｂとの間隔は
、いずれも０．２５０ｍｍ　に定めた。

【００７０】図１１（Ｂ）　は、本実施例３の光分岐素
子についての結合率の波長依存性を示す図である。これ
からわかるように、波長域λ１＝１．３　μｍ　〜λ２
　＝１．６μｍ　にわたって、結合率２０％±５％の広
帯域な波長特性が得られている。このように、本発明の
点対称テーパ形方向性結合器は、結合率５０％以下での
設計も可能であるが、広帯域性の点では従来例２よりも
やや劣ることがわかる。

【００７１】ここで述べた点対称テーパ形方向性結合器
の波長依存性は、ちょうど従来例２で示した非対称形方
向性結合器のスルー側出力とクロス側出力を入れ替えた
特性に対応している。あるいは、非対称形方向性結合器
を上下反転させて縦列接続したと考えてもよい。このこ
とは図５で説明した近似解析図の妥当性をも示している
。このように、本発明の点対称テーパ形方向性結合器は
、すでに述べた従来の広波長域帯域動作導波型光分岐素
子と相補的な関係にあることがわかる。

【００７２】これまで述べてきた、入出力側の導波路幅
が異なった、点対称テーパ形方向性結合器２の他にも多
種多様な点対称テーパ形方向性結合器２が考えられる。

【００７３】たとえば、図１２（Ａ）　〜（Ｃ）　に示
すような各種の点対称テーパ形方向性結合器が考えられ
る。いずれの場合にも基本的にはこれまでと全く同様な
考え方で広波長域動作導波型光分岐素子を実現すること
ができる。

【００７４】一般に、方向性結合器は極めて構造敏感な
光回路素子であるため、製造者はそれぞれの製造工程の
癖などを考慮して、パラメータを変更することができる
。要は、各実施例において、式（１３）を吟味し、結合
長Ｌ１および非対称パラメータＳ等を適切に設定しさえ
すればよいのである。また、結合部２を構成するテーパ
導波路が複数ある場合には、図５と同じように適当に数
個の対称形導波路と非対称形導波路に分割し各行列の積
を求めて、その各係数の波長依存性を吟味すればよいの
である。

【００７５】以上の実施例１〜実施例３では、すべて２
分岐素子を扱ったが、本発明の構成は多分岐素子への拡
張も可能である。次に、４分岐素子の実施例について説
明する。

【００７６】 実施例４ 図１３は、本発明の第４実施例としての４分岐素子の構
成を示す平面図である。図１３において、８ａ，８ｂ，
８ｃは基板１上に一括形成された２分岐素子であり、こ
こでは、第１実施例（図７）と同等の５０％結合光分岐
素子とした。９は入力ポート、９ａ，９ｂ，９ｃおよび
９ｄは出力ポートである。 入力ポート９に入力された信号光は、光分岐素子８ａで
ほぼ２等分され、さらに、それぞれの分岐光は光分岐素
子８ｂと８ｃで分岐されてから、出力ポート９ａ，９ｂ
，９ｃ，９ｄ　から出力される。本構成により、波長域
１．２５μｍ　〜１．６　μｍ　において、各出力ポー
トへの結合率の変動は２５％±５％と小さく、波長依存
性の少ない、かつ低損失な所望の４分岐素子を提供する
ことができた。なお、本実施例の基板１の寸法は、３０
ｍｍ×５ｍｍ程度であり、出力ポート９ａ〜９ｄのピッ
チは光ファイバアレイのピッチにあわせて２５０　μｍ
　とした。

【００７７】 実施例５ 図１４は、本発明の第５実施例としての広波長域動作導
波型光分子素子アレイの構成を示す平面図である。ここ
で、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ　は第１実施例（
図７）と同様の構成を持つ５０％結合分岐素子であり、
これら素子１０ａ　〜１０ｄ　を４個アレイ状に並列に
配置する。１１および１２は、それぞれ、入力および出
力ポートアレイ、１１ａ　および１２ａ　は、それぞれ
、入力および出力ファイバアレイ、１１ｂ　および１２
ｂ　は、それぞれ、入力および出力ファイバアレイ端子
であり、アレイ端子１１ｂ　および１２ｂ　内のファイ
バアレイピッチと入出力ポートアレイ１１，１２　の導
波路ピッチはいずれも２５０　μｍ　に設定してある。 本実施例の基板１の寸法は１アレイあたり２５ｍｍ×５
ｍｍと小さく、同一基板上に多数個の素子を一括形成可
能な導波型光部品の利点が生かされている。

【００７８】また、以上の実施例においては、シリコン
基板上の石英系（ＳｉＯ２−ＴｉＯ２）　光導波路によ
り、光分岐素子を構成したが、かかる基板は、シリコン
基板に限定されるものではなく、石英ガラス基板等に変
更することも可能である。あるいはまた、コア部の主ド
ーパントとしてＧｅＯ２を用いたＳｉＯ２−ＧｅＯ２　
系光導波路を用いることもできる。あるいはまた、前述
したように、本発明はこれらの石英系光導波路に限定さ
れるものではなく、他の導波路材料、例えば、多成分ガ
ラス導波路系やニオブ酸リチウム導波路系、あるいは有
機高分子導波路系や半導体導波路系にも適用できる。

【００７９】 実施例６ 図１５は、本発明の第６実施例としての光スイッチング
素子の構成例を示す平面図である。ここで、１３ａ，１
３ｂ　は第１実施例（図７）と同様の構成を持つ５０％
結合分岐素子であり、これら分岐素子１３ａ　と１３ｂ
　を２個直列に配置し、連結部での光路長を同一の長さ
としたマッハツエンダ型干渉回路を構成する。１４ａ，
１４ｂ　は入力ポート、１５ａ，１５ｂ　は出力ポート
であり、導波路ピッチはいずれも２５０　μｍ　に設定
してある。

【００８０】このような２個のテーパ形方向性結合器１
３ａ　と１３ｂ　との間の光導波路１ａの上部に薄膜ヒ
ータ１６を装荷して、一方の光導波路１ａの屈折率値を
熱光学効果により調整して、式（１３）または式（２１
）中の位相差とは独立に導波路１ａと１ｂとの間に光路
長差を設定することにより所望の光分岐素子を実現する
こともできる。また、この薄膜ヒータ１６をオン・オフ
制御することにより、結合特性を、波長依存性の小さい
状態と大きい状態との間でスイッチングすることも可能
である。

【００８１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、方向
性結合器の結合領域のうち、平行領域の両端部における
光導波路の幅および深さを、前記入出力ポートにおける
光導波路の幅および深さと互いに異ならしめ、かつ前記
結合領域における２本の各光導波路をなめらかなテーパ
形状とし、かつこのテーパ形方向性結合器の結合領域全
体が該結合領域の中心に対してほぼ点対称形状となるよ
うに配置することによって、入力ポートから出力ポート
へのパワーの結合率の波長依存性を、ある特定波長領域
（たとえば、１．２　μｍ　から１．８　μｍ）にわた
って緩和することができ、もって、波長依存性が少なく
、かつ特に結合率５０％以上での広帯域な波長特性をも
つ実用的な広波長域動作導波型光分岐素子を提供するこ
とができる。

【００８２】本発明の広波長域動作導波型光分岐素子は
、広い波長域に広がる光信号の分配用やモニタ用，タッ
プ用として幅広い用途が期待され、また、平面基板上に
本発明の光分岐素子を多段に連結することにより、４分
岐素子，８分岐素子への拡張も容易である。

【００８３】さらにまた、本発明によれば、同一基板上
に光分岐素子をアレイ状に形成し、例えば、２５０　μ
ｍ　ピッチの光分岐素子ファイバアレイと接続して使用
することも可能である。

【００８４】さらにまた、本発明素子は平面基板上に大
量に一括して製造することができるため、素子の低価格
化も期待でき、本発明の光分岐素子およびその応用素子
は、光通信システムの普及に大きく貢献するものと期待
される。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の基本的な構成例を示す平面図
である。

【図２】図２（Ａ），（Ｂ）　および（Ｃ）　は、図１
の、それぞれ、ＡＡ′線断面図，ＢＢ′（　またはＣＣ
　′）線断面図およびＤＤ′線断面図である。

【図３】図３は、図１に示した本発明の点対称テーパ形
方向性結合器２の拡大平面図である。

【図４】図４（Ａ），（Ｂ）　および（Ｃ）　は、図３
の、それぞれ、ＥＥ′線断面図，ＸＸ′線断面図および
ＦＦ′線断面図である。

【図５】図５は、図３に示した点対称テーパ形方向性結
合器を解析するための説明図である。

【図６】図６は、式（１３）が表す波長依存性の説明図
である。

【図７】図７（Ａ）　は、本発明導波型光分岐素子の第
１実施例の構成を示す平面図、図７（Ｂ）　は、第１実
施例の光分岐素子における結合率の波長依存性を示す図
である。

【図８】図８（Ａ）　および（Ｂ）　は、本発明に含ま
れる点対称テーパ形方向性結合器の変形例の構成を示す
図である。

【図９】図９は、第１実施例の、ビーム伝搬法による解
析結果および実験結果を示す図である。

【図１０】図１０（Ａ）　は、本発明導波型光分岐素子
の第２実施例の構成を示す平面図、図１０（Ｂ）　は、
第２実施例の光分岐素子における結合率の波長依存性を
示す図である。

【図１１】図１１（Ａ）　は、本発明導波型光分岐素子
の第３実施例の構成を示す平面図、図１１（Ｂ）　は第
３実施例の光分岐素子における結合率の波長依存性を示
す図である。

【図１２】図１２（Ａ），　（Ｂ）および（Ｃ）　は、
本発明に含まれる点対称テーパ形方向性結合器の変形例
の構成を示す図である。

【図１３】図１３は、本発明の第４実施例としての４分
岐素子の構成を示す平面図である。

【図１４】図１４は、本発明の第５実施例としての広波
長域動作導波型光分岐素子アレイの構成を示す平面図で
ある。

【図１５】図１５は、本発明の第６実施例としての光ス
イッチング素子の構成例を示す平面図である。

【図１６】図１６（Ａ），（Ｂ），および（Ｃ）　は、
従来の対称形方向性結合器（従来例１）の構造を示す、
それぞれ、平面図、ＢＢ′線断面図およびＣＣ′線断面
図である。

【図１７】図１７は、従来の対称形方向性結合器（従来
例１）における結合率の波長依存性を示す図である。

【図１８】図１８は、従来の広波長域動作導波型光分岐
素子（従来例２）の構成例を示す平面図である。

【図１９】図１９は、従来の広波長域動作導波型光分岐
素子（従来例２）における結合率の波長依存性を示す図
である。

【符号の説明】

１　　基板 １ａ，１ｂ　　　光導波路 ２　　テーパ型方向性結合器 ３ａ，３ｂ　　　入力ポート ４ａ，４ｂ　　　出力ポート ５　　ファイバ結合用テーパ導波路 ６　　クラッド層 ８ａ，８ｂ，８ｃ　　広波長域動作導波型５０％分岐素
子９　　入力ポート ９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ　　　出力ポート１０ａ，１０
ｂ，１０ｃ，１０ｄ　　　広波長域動作光分岐素子１１
，１２　　　入出力ポートアレイ １１ａ，１２ａ　　　入出力ファイバ １１ｂ，１２ｂ　　　入出力ファイバアレイ端子１３ａ
，１３ｂ　　　広波長域動作５０％分岐素子１４ａ，１
４ｂ　　　入力ポート １５ａ，１５ｂ　　　出力ポート １６　　薄膜ヒータ ２１　　基板 ２１ａ，２１ｂ　　　光導波路 ２２　　非対称形方向性結合器 ２２ａ，２２ｂ　　　光導波路 ２３ａ，２３ｂ　　　入力ポート ２４ａ，２４ｂ　　　出力ポート ２５　　クラッド ３１　　基板 ３１ａ，３１ｂ　　　光導波路 ３２　　非対称形方向性結合器 ３３ａ，３３ｂ　　　入力ポート ３４ａ，３４ｂ　　　出力ポート ３５ａ，３５ｂ　　　テーパ導波路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　基板と、該基板上に配置された少なく
   とも２本の光導波路と、該少なくとも２本の光導波路の
   一部分を互いに近接させて形成した少なくとも１個の方
   向性結合器とを有し、前記少なくとも２本の光導波路の
   うちの少なくとも一方の片端を入力ポートとし、前記少
   なくとも２本の光導波路の他端を出力ポートとする広波
   長域動作導波型光分岐素子であって、前記少なくとも１
   個の方向性結合器の結合領域のうち、２本の光導波路が
   平行に配置されている平行結合領域の両端部における少
   なくとも１本の光導波路の幅および深さを、前記入力ポ
   ートおよび前記出力ポートにおける光導波路の幅および
   深さと異ならしめ、かつ前記結合領域における少なくと
   も２本の光導波路をそれぞれなめらかなテーパ形状とし
   てテーパ形方向性結合器を構成し、該テーパ形方向性結
   合器の結合長および非対称パラメータを、使用する波長
   領域に応じて決定される値に設定することにより、前記
   テーパ形方向性結合器における前記入力ポートから入射
   した光の結合率の波長依存性を前記波長領域にわたって
   緩和したことを特徴とする広波長域動作導波型光分岐素
   子。
2. 【請求項２】　　前記テーパ形方向性結合器の結合領域
   全体が前記結合領域の中心に対してほぼ点対称形状とな
   るように、前記テーパ形方向性結合器を構成したことを
   特徴とする請求項１に記載の広波長域動作導波型光分岐
   素子。
3. 【請求項３】　　前記テーパ形方向性結合器の前記結合
   領域のうち、前記平行領域の両端部において異ならしめ
   た前記少なくとも２本の光導波路の幅のうち、前記入力
   ポートおよび前記出力ポートの幅と異なる導波路幅の大
   きさを、該導波路幅と前記入力ポートおよび前記出力ポ
   ートの幅との差が、当該入力ポートおよび出力ポートの
   幅の９割を越えないように定めたことを特徴とする請求
   項１または２に記載の広波長域動作導波型光分岐素子。