JPH05196826A

JPH05196826A - 光カプラおよびその製造方法

Info

Publication number: JPH05196826A
Application number: JP4146845A
Authority: JP
Inventors: Fabrice Jean; ジャンファブリス; Martin Mccourt; マックールマルタン
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 1991-05-17
Filing date: 1992-05-14
Publication date: 1993-08-06
Also published as: EP0513556A1; FR2676548A1; AU1607792A; FR2676548B1; CA2068542A1; US5222167A

Abstract

(57)【要約】【目的】実質的に同一平面関係にある多数の導波路で
構成され、それらの導波路のそれぞれが２ⁿのカプラ出
力のうちの１つに単一のカプラ出力を光学的に結合する
ようになされた光カプラおよびその製造方法を提供す
る。【構成】１つの入力と２ⁿの出力を有し、複数の実質
的に同一平面関係の導波路を具備し、各導波路が前記入
力を前記２ⁿの出力の１つに光学的に結合させるように
なされており、各導波路は、特異点を伴うことなしに屈
曲導波路セクションによって２つの第２ジャンクション
（Ｊ₃₁、Ｊ₃₂）に接続されるカプラの軸線と平行でない
軸線を有する第１ジャンクションを含み、ツリ−・アン
ド・ブランチ配列をなして各導波路通路に沿って配置さ
れたｎのＹジャンクションを接続する複数の導波路セク
ションよりなり、前記入力と第ｎ番目のジャンクション
・ステ−ジとの間における任意の１つの導波路に沿った
任意の反曲点が前記導波路通路に沿ったｎのジャンクシ
ョンのうちの１つに配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光カプラに関し、さらに
詳細には実質的に同一平面関係にある多数の導波路で構
成され、それらの導波路のそれぞれが２ⁿのカプラ出力
のうちの１つに単一のカプラ出力を光学的に結合するよ
うになされているものに関する。それらの導波路は各導
波路通路に沿って配置されたｎ個のＹジャンクション
（Y-junctions）を接続するツリ−・アンド・ブランチ
（tree-and-branch）配列をなした導波路セクションよ
りなる。本発明は上記カプラを製造する方法にも関す
る。

【０００２】

【従来の技術】このような光カプラは公知であり、光ビ
−ムを分割するか結合するかによってビ−ム・スプリッ
タまたはコンバイナとも呼ばれている。これらのカプラ
は例えば600〜1600nmの範囲内での多モ−ドまたは単一
モ−ド光ファイバによる通信のような種々の用途で利用
されている。

【０００３】従って、このようなカプラに対しては種々
の導波路パタ−ンが提案されており、それらは、マスク
によって画成されるデザインに従ってサブストレ−ト内
またはその上に導波路を形成するために、使用されるサ
ブストレ−トの種類に応じて、イオン交換、沈積、拡
散、エッチングあるいはエピタキシャル成長技術と組合
せてマスキングおよびフォトリソグラフ法を含む種々の
技術によってサブストレ−ト内に集積され得る。

【０００４】図１は例えば１×１６カプラと呼ばれる１
つの入力と１６の出力を有するカプラを作成するために
用いられているこのようなデザインの従来例を示してい
る。このデザインはカプラの長手方向軸線Ｘに関して対
称であるから、このカプラの導波路パタ−ンの半分だけ
しか示されていない。幾何学的特徴をより明瞭にするた
めに、そこに示されたものは、軸線Ｘに対する平行性を
大幅に歪曲されている。

【０００５】入力ジャンクションＪ11で光ビ−ムを受取
かつこのビ−ムをツリ−・アンド・ブランチ態様で一定
間隔だけ離間された同数の出力Ｓ1〜Ｓ16から出て来る
２ⁿ（n = 4）のビ−ムに分割するようになされたスプリ
ッタとしてこのカプラが用いられるとすると、入力の分
割を確保するためにはｎ個のジャンクション・ステ−ジ
（junction stages）が必要であり、それらのジャンク
ション・ステ−ジはそれぞれＪ11；Ｊ21等；Ｊ31、Ｊ32
等；およびＪ41、Ｊ42、Ｊ43、Ｊ44等によって形成され
ている。

【０００６】これらのジャンクションを結合する導波路
セクションのパタ−ンを考えると、これらのセクション
がそれらのジャンクション自体内にもう１つの反曲点
（inflection point）を呈するジャンクションの間にお
けるのと同数の繰返し反曲点を呈することが明らかとな
る。これらの繰返し反曲点は各ジャンクションの対称軸
をカプラの長手方向のＸ軸線と平行に戻すために所定の
セクションに沿って必要である。このようなパタ−ンは
例えばドイツ特許第２５１６９７５号によって公知
である。

【０００７】図１のパタ−ンの所要の長手方向寸法Ｌ₁
はジャンクションを接続する導波路セクションの曲率の
繰返し変化によって失われる。幾つかの理由によってこ
の所要寸法を減少させることが望ましい。

【０００８】一方では、問題の形式のカプラは同一の基
本デザインを再生する複数のパタ−ンによってサブスト
レ−ト上にフォトリソグラフ法によって作成されるの
で、そのデザインの所要長手方向寸法の減少によって同
一サブストレ−ト表面上により多くのカプラを作成する
ことが可能となり、それによってカプラの生産速度を高
めると同時に、製造コストを安くする。

【０００９】他方では、集積オプティックスによって作
成されるカプラは例えば長さが数センチメ−トルのガラ
スまたはシリカの細長いバ−の形をしている。これらの
バ−は長さが長ければ長いほど、シャッタリングを生じ
うる切断応力を受けやすくなる。それらの長さが短くな
れば、それらの脆弱性が低下する。

【００１０】カプラの所要長手方向寸法を減少させるた
めには、スプリンガ−・ベルラ−グ(Springer-Verlag)
によって刊行された「インテグレ−テッド・オプティッ
クス- プロシ−ディングス・オブ・ザ・サ−ド・ヨ−ロ
ピアン・カンファレンス、ＥＣＩＯ '８５，ドイツ国
ベルリン、１９８５年５月６−８日」の第２２９−２３
１頁におけるボイリン(Voirin)による「多モ−ド光通信
のためのイオン交換スタ−・カプラの性能」の第２図に
示されているようにジャンクションをカプラの長手方向
軸線と平行に維持するという考えを捨てて、導波路のデ
ザインを横方向に変位させることを考えればよいであろ
う。多モ−ド・カプラに対してのみボイリンによって提
案されたデザインは全てのジャンクションにおける角点
(angularpoints)と、最後のジャンクション・ステ−ジ
とカプラ出力との間の他の角点を含み、これらの角点ま
たは特異点(singularities)は遷移時に光エネルギ−の
約0.2dBの推定損失を生ずる。これらの損失はカプラの
伝送される光信号パワ−に対してだけではなく、各カプ
ラ出力によって伝送されるパワ−の均一性に対しても負
の影響を及ぼすことになりうる

【００１１】

【本発明が解決しようとする課題】本発明は上述した従
来技術のカプラの所要長手方向寸法の問題または光損失
を呈しない「集積」型の光カプラを実現することを目的
とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の上記および他の
目的は、１つの入力と２ⁿの出力を有し、複数の実質的
に同一平面関係の導波路を具備し、各導波路が前記入力
を前記２ⁿの出力の１つに光学的に結合させるようにな
されており、各導波路は、特異点を伴うことなしに屈曲
導波路セクションによって２つの第２ジャンクション
（Ｊ₃₁、Ｊ₃₂）に接続されるカプラの軸線と平行でない
軸線を有する第１ジャンクションを含み、ツリ−・アン
ド・ブランチ配列をなして各導波路通路に沿って配置さ
れたｎのＹジャンクションを接続する複数の導波路セク
ションよりなり、前記入力と第ｎ番目のジャンクション
・ステ−ジとの間における任意の１つの導波路に沿った
任意の反曲点が前記導波路通路に沿ったｎのジャンクシ
ョンのうちの１つに配置されている光カプラについての
下記の説明から明らかとなるであろう。

【００１３】このデザイン・ル−ルに従えば、カプラの
長手方向の寸法が最小限に抑えられるとともに、導波路
から２ⁿのカプラ出力に向う必要な横方向散開が確保さ
れ、かつこの散開に必要な場所、すなわちジャンクショ
ンにおいてのみ導波路反曲が生ずるようになされる。最
小限、それによってあらゆる特異点を回避しかつ導波路
の長さに沿った湾曲の数を最小限に抑えることによって
光エネルギ−の損失を軽減し、それによって湾曲したセ
クションの曲率半径を最大にし、それに伴って湾曲によ
る損失の軽減を図ることが可能となる。

【００１４】このようにして、本発明に従ってカプラを
製造する好ましい方法によれば、カプラの入力を除く各
ジャンクションがこのジャンクションを通る導波路のう
ちの１つだけに反曲点を画定する。各ジャンクションは
３つのブランチすべてに共通な点において第３のブラン
チに正接する対向した曲線の第１および第２のブランチ
で構成されている。第１および第２のブランチはジャン
クションの３つのブランチに共通な接線に対して対称で
あることが好ましい。

【００１５】本発明によるカプラを作成するためには、
導波路のパタ−ンを再生するマスクが形成され、そして
それらの導波路がそのマスクを介してサブストレ−ト中
に集積される製造方法が用いられる。本発明の１つの実
施例によれば、導波路の１つの通路を他の導波路の外部
に画成し、かつこの通路に沿ったｎのジャンクションの
位置を、カプラの予め定められた軸線方向の長さ、この
カプラの予め定められた幅、出力の数２ⁿ、および導波
路の予め定められた最小曲率半径によって形成されるグ
ル−プのうちの少なくとも１つの制約の関数として画定
し、さらにカプラの他のジャンクションの位置とこれら
のジャンクションを接続する導波路の部分を、各ジャン
クション（Ｊ₃₁、Ｊ₂₁、Ｊ₁₁）に正接する対称軸
（Ｘ₂、Ｘ₁、Ｘ）のまわりのパタ−ンの逐次複写によっ
て決定する。

【００１６】

【実施例】図２は、例えば通信に使用できる本発明によ
る１×１６カプラの単一モ−ド導波路のハ−フ・パタ−
ンを示している。このハ−フ・パタ−ンは図１のものと
同じスケ−ルで示されており、出力Ｓ₁〜Ｓ₈間の一定間
隔、および２つのパタ−ンの比較を可能にする長手方向
歪係数も同一である。図１に示された従来技術のデザイ
ンと同様に、ただし前記ボイリンの文献に示されたもの
とは対照的に、この導波路パタ−ンには特異点は存在し
ていない。ＹジャンクションＪ11〜Ｊ44（図１のパタ−
ンと同一符号である）を接続する導波路セクションはそ
れらのジャンクション自体の外側には反曲点のない連続
した湾曲を呈している。

【００１７】本発明で用いられるＹジャンクションを導
波路パタ−ン内のジャンクションの相互接続についてさ
らに完全に説明するために図４を参照する。図４につい
ては本発明によるカプラ製造方法の説明に関連して後で
さらに詳細に説明する。図４では、本発明に従って、パ
タ−ンはカプラの長手方向軸線Ｘと平行でない軸線Ｘ1
上の少なくとも第１のジャンクションＪ₂₁を含んでお
り、その第１のジャンクションは、湾曲しておりかつ特
異点のない導波路の部分によって第２のジャンクション
Ｊ₃₁およびＪ₃₂の２つに接続されている。これらのジャ
ンクションのそれぞれを通る２つの導波路のうちの１つ
が反曲点を呈し、他の導波路の湾曲はこのジャンクショ
ンを通っても符号を変更しない。

【００１８】このようにして、本発明で利用されたＹジ
ャンクションはそれぞれジャンクションＪ₂₁として、３
つのブランチすべてに共通な点において第３のブランチ
３に正接する対向したカ−ブの第１および第２のブラン
チ１および２を具備している。ジャンクションＪ₃₁から
Ｊ₃₄までの最終ステ−ジまでは（１×８カプラの場
合）、ジャンクションを接続する導波路セクションはそ
のジャンクション自体の外側に反曲点を含まない。従っ
て、本発明では、反曲点の数を、導波路からの散開に必
要最小限に制限する。本発明で利用される形式のジャン
クションは、前記ボイリンの文献に示された特異点を有
するジャンクションで見られた損失と比較して、１つの
ジャンクション当り約0.1dBの損失軽減を可能にする。

【００１９】上述したデザイン・ル−ルに従って確立さ
れた図２のデザインに戻る。このデザインでは、入力ジ
ャンクションＪ₁₁を除き、他のジャンクションはそれら
の３つのブランチに共通な接線を呈するが、この接線は
カプラの長手方向軸線Ｘに対し平行ではないことが明ら
かである。軸線Ｘも対する接線の傾斜は一般に同一符号
であり、かつこの傾斜は軸線Ｘに対するジャンクション
からの距離とともに大となる。

【００２０】図１および２のデザインを比較すると、こ
の傾斜は図１のデザインの横方向への偏向から生ずるこ
とが明らかである。これによって異なる導波路のより接
近した散開が可能となり、各導波路通路上の所定数のジ
ャンクションに対して、これらの導波路通路の所要の長
手方向寸法の減寸を図ることができる。さらに、この横
方向への偏向は、２つのジャンクション間における導波
路の湾曲を打消すことおよびそれらのジャンクション間
における導波路セクションの曲率半径を一般に増大させ
ることによって導波路を「矯正する」効果（effect of
"straighteningup"）を有する。このことは「湾曲損
失」（losses of curvature）として知られている光パ
ワ−の損失を減少させる点で有益である。

【００２１】この結果、ジャンクションが図１における
パタ−ンのジャンクションによって必要とされるものよ
りも小さい表面帯域として再グル−プ化されるととも
に、図１に示された従来のカプラの軸線方向の寸法Ｌ₁
と比較して、本発明によるカプラの導波路の所要の軸線
方向寸法Ｌ₂が相当に減寸されることになる（これらの
軸線方向の寸法はカプラの入力ジャンクションＪ₁₁とこ
のカプラの長手方向の軸線Ｘと平行な導波路出力との間
で測定される）。本発明によれば、所要長さの減寸が50
％に達することができるとともに、光「湾曲」（curvat
ure）損失が大幅に軽減される。これは所定の部品長に
対して、本発明によるカプラの導波路セクションの曲率
半径が増大したこと、および導波路通路に沿って特異点
が完全に存在していないことによる。本発明によって得
られる損失の低下は、本発明が特に適用される可能性の
高い通信（例えば1550nmを中心としたトランスミッショ
ン・ウインドウ）で利用されるような長い波長に特に感
応しやすい。

【００２２】本発明によるカプラの所要の長手方向寸法
を考慮して、例えば100mmの最小曲率半径を選ぶと、長
さ35mmの１×１６カプラを作成することが可能であり、
これに対して従来技術のカプラは現在のところ60mmを超
えている。さらに、本発明は、長さ25mmの１×８カプラ
および長さがわずかに17mmの１×４カプラを作成するた
めに用いられうる。

【００２３】図３は、本明細書の従来技術の欄に記載さ
れた技術のうちの任意の１つによってサブストレ−ト上
に集積される導波路をマスクを用いて作成するために利
用される１×１６カプラの実際の歪みのない導波路パタ
−ンを示している。実際には、そのマスクは多数のこの
ようなデザインよりなりうるものであり、これらのデザ
インは公知のように、サブストレ−ト上に延展された感
光物質の層をこれらすべてのデザインの集合に同時に露
呈させ得るようにするために同一でありかつ隣接してい
る。本発明によって得られる所要寸法の減寸は、上記感
光物質層が露呈されうるデザインの数、ならびにこの操
作のための産出容量を非常に大幅に増大させることがで
きる。本発明によるカプラで構成されかつモノリシック
装置における他の光学的機能と関連した光回路の集積密
度を増大させることができる。

【００２４】本発明によるカプラを作成するために利用
しうるマスク・パタ−ンに対するデザイン方法を例示の
目的で説明するために図４を再度参照する。図４に示さ
れた部分的なパタ−ンは１×８カプラのそれに対応して
いるが、下記のル−ルはすべての１×２ⁿカプラに確実
に適用可能である。

【００２５】所定の長手方向寸法Ｌ、および出口の数と
これらの出口の間隔に基づいて確立された横方向半寸法
Ｈから初めて、まず他のすべての導波路、例えばジャン
クションＪ₁₁から出口Ｓ₁までの導波路の外側における
導波路をトレ−スする。この第１の導波路のデザインは
許容可能な損失のレベルによって決る最小曲率半径をと
り、かつジャンクションＪ₂₁およびＪ₃₁の位置が導波路
の出口からの散開に必要として予測される。上述の制約
および本発明によって課せられる制約、すなわちジャン
クションＪ₃₁〜Ｊ₃₄のステ−ジまでジャンクションの外
側に反曲点が存在しないこと、および事実上、それぞれ
ジャンクションＪ₁₁、Ｊ₂₁およびＪ₃₁に対する共通の接
線Ｘ、Ｘ₁またはＸ₂に対して各ジャンクションの第１お
よび第２のブランチが対称であることと一緒に、デザイ
ン・プログラムがコンピュ−タにインプットされる。

【００２６】デザインついての一連の試みと補正を通じ
て、確立された制約のすべて、およびこれらのジャンク
ションに対して与えられた接続条件のすべてを満足する
ジャンクションＪ₂₁およびＪ₃₁の位置を局部化する。例
えば、外部導波路通路が、ジャンクションＪ₁₁およびＪ
₂₁間における半径Ｒ₁、ジャンクションＪ₂₁およびＪ₃1
間における半径Ｒ₂、ジャンクションＪ₃₁の向うにおけ
る半径Ｒ₃の円の弧によって形成され、これらの半径は
導波路セクションに課せられた最小曲率条件に従う。ジ
ャンクションＪ₂₁およびジャンクションＪ₁₁における接
線Ｘのまわりにおける一連の対称性によって、他のジャ
ンクションおよびそれらが接続する通路の位置を推論す
る。半径Ｒ₄の円弧で出力Ｓ₁に対して破線として示され
ているように、試行錯誤によってかつ課せられる最小曲
率に基づいて、ジャンクションＪ31〜Ｊ34を越えて種々
のカプラ出力までの通路の終端部を接続することによっ
てパタ−ンを終らせる。このような接続は、ジャンクシ
ョンＪ₃₁を出口Ｓ₁に接合する導波路の部分の場合と同
様に、ジャンクションの最後のステ−ジの向うに反曲点
が存在することを必要とする。

【００２７】勿論、本発明は例示の目的で説明されかつ
図示された特定の製作方法に限定されるものではない。
従って、本発明の教示を尊重するものであるかぎりにお
いて、他のデザイン・ル−ルを採用することができる。
従って、導波路の異なる部分がそれぞれエンド・ツ−・
エンドの関係で配置されかつ異なる曲率を有する幾つか
の部分で構成され得る。各ジャンクションが１つだけの
反曲を画定しかつ２つのジャンクション間に反曲が存在
しないというル−ルは、本発明の範囲から逸脱すること
なしに、位相幾何学的理由によって局部的例外を受ける
ことがありうる。本発明は単一モ−ド・カプラを作成す
るための１つの用途につて説明されたが、本発明はファ
イバオプティックスによる通信で利用される多モ−ド・
カプラに適用できることも明らかでり、かつ導波路を必
要とする他の技術にも適用できる。さらに、本発明は集
積オプティックスで作成されたカプラに限定されるもの
ではなく、個別の部品で作成された、すなわち個々のフ
ァイバオプティックスで作成されたカプラもその範囲内
とするものである。最後に、本発明は、例えば誘電体ス
ブストレ−ト上における「マイクロストリップライン」
型のカプラの作成のようにマイクロ波周波数での用途に
も適用できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のカプラにおける導波路の長手方向に圧縮
されたハ−フ・パタ−ンを示している。

【図２】本発明による１×１６カプラの長手方向に圧縮
されたハ−フ・パタ−ンを示している。

【図３】本発明による１×１６カプラの実際のフル・パ
タ−ンを示している。

【図４】本発明の好ましい製造方法による１×８カプラ
の導波路のためのマスク・パタ−ンの一連のステ−ジを
示している。

【符号の説明】

Ｊ₂₁、Ｊ₃₁、Ｊ₃₂ ジャンクションＳ₁〜Ｓ₈ 出力Ｘ₂、Ｘ₁、Ｘ対称軸

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１つの入力と２ⁿの出力を有しており、か
つ複数の実質的に同一平面関係の導波路を具備し、前記
導波路がそれぞれ前記入力を前記２ⁿの出力の１つに光
学的に結合させるようになされており、かつ各導波路に
沿ってツリ−・アンド・ブランチ配列で配置されたｎの
Ｙジャンクションを接続する複数の導波路セクションよ
りなる光カプラにおいて、前記カプラの出口と平行でない出口を有する第１のジャ
ンクション（Ｊ₂₁）が特異点を伴うことなしに湾曲した
導波路セクションによって２つの第２ジャンクション
（Ｊ₃₁、Ｊ₃₂）に接続されており、前記入力とジャンク
ションの第ｎ番目のステ−ジとの間における前記導波路
のうちの任意の１つに沿った任意の反曲点が導波路の通
路に沿ったｎのジャンクションのうちの１つに存在して
いることを特徴とする光カプラ。
【請求項２】カプラの入力に最も接近したジャンクショ
ンの向うにおけるカプラの各ジャンクションが前記ジャ
ンクションを通る導波路のうちの１つ上に反曲点を画定
することを特徴とする請求項１のカプラ。
【請求項３】各ジャンクションがジャンクションの３つ
のブランチに共通な点において第３のブランチ（３）に
正接する逆方向の曲線の第１および第２の逆方向のブラ
ンチ（１）および（２）を含んでいることを特徴とする
請求項１および２のうちの１つによるカプラ。
【請求項４】前記第１および第２のブランチ（１）およ
び（２）が前記ジャンクションの３つのブランチに共通
の接線（Ｘ₁）に関して対称であることを特徴とする請
求項３のカプラ。
【請求項５】出力（Ｓ₁〜Ｓ₈）において、導波路がカプ
ラの入力における導波路と平行であり、導波路のパタ−
ンが前記カプラの入力に最も接近したジャンクションを
通る軸線（Ｘ）に関して対称であることを特徴とする請
求項１〜４のうちの１つによるカプラ。
【請求項６】導波路が単一モ−ドであることを特徴とす
る請求項１〜５のうちの１つによるカプラ。
【請求項７】導波路がサブストレ−トに集積されている
ことを特徴とする請求項１〜６のうちの１つによるカプ
ラ。
【請求項８】１つの入力と２ⁿの出力を有し、それぞれ
前記入力を前記２ⁿの出力のうちの１つに光学的に結合
させる複数の実質的に同一平面関係の導波路を具備し、
前記導波路がツリ−・アンド・ブランチ配列で各導波路
通路に沿って配置されたＹジャンクションのｎのステ−
ジを接続する複数の導波路セクションよりなる光カプラ
の製造方法であって、前記導波路のパタ−ンを再生する
ためのマスクを形成する工程を含む前記方法において、
前記マスクのデザインが、ａ）他の導波路の外部にある導波路の１つの通路と、こ
の通路に沿ったｎのジャンクションの位置を、カプラの
予め定められた軸線方向長さ、出力の数２ⁿ、および導
波路の予め定められた最小曲率半径よりなるグル−プの
少なくとも１つの制約の関数として画定し、かつｂ）カプラの他のジャンクションの位置と、これらのジ
ャンクションを接続する導波路の部分を、前記外部の導
波路の各ジャンクション（Ｊ₃₁、Ｊ₂₁、Ｊ₁₁）に正接す
る対称軸（Ｘ₂、Ｘ₁、Ｘ）のまわりにおけるパタ−ンの
逐次複写によって決定する工程によって発生させること
を特徴とする光カプラの製造方法。
【請求項９】前記決定する工程が、導波路の出口に最も
近いジャンクション（Ｊ₃₁）から前記導波路の入力に最
も接近したジャンクション（Ｊ₁₁）までの前記パタ−ン
の逐次複写によって実施される請求項８の方法。
【請求項１０】導波路の最小曲率の条件を考慮して、カ
プラの出口（Ｓ₁〜Ｓ₈）に最も接近したジャンクション
（Ｊ₃₁〜Ｊ₃₄）を接続する工程をさらに特徴とする請求
項８の方法。