JPH0682644A - モードスプリッタ - Google Patents
モードスプリッタInfo
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- JPH0682644A JPH0682644A JP23550292A JP23550292A JPH0682644A JP H0682644 A JPH0682644 A JP H0682644A JP 23550292 A JP23550292 A JP 23550292A JP 23550292 A JP23550292 A JP 23550292A JP H0682644 A JPH0682644 A JP H0682644A
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- Japan
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- mode
- light
- difference
- angle
- waveguide
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 各モード光の屈折角の差を利用してモード分
離を行う。 【構成および効果】 厚みをテーパ状に変化させたテー
パ結合部Ｃを境界として２分割させた２つの導波路Ａ，
Ｂが形成されており、この境界部にある角度で光が入射
した場合、等価屈折率の違いによる各モード光の屈折角
の差を利用してモード分離を行う。そのため一方のモー
ド光の全反射を利用するモードスプリッタのような、光
入射角の境界条件はなく、許容量が大きい、境界部を通
過した各モード光は屈折角の差の分が開き角になって伝
搬するので、１つのレンズで集光し小型光検出器に導く
ことができる。レンズや光検出器は１箇所に集中するこ
とができるため、光検出器の特性に差が出にくく、また
導波路素子自体の小型化が図れる。
離を行う。 【構成および効果】 厚みをテーパ状に変化させたテー
パ結合部Ｃを境界として２分割させた２つの導波路Ａ，
Ｂが形成されており、この境界部にある角度で光が入射
した場合、等価屈折率の違いによる各モード光の屈折角
の差を利用してモード分離を行う。そのため一方のモー
ド光の全反射を利用するモードスプリッタのような、光
入射角の境界条件はなく、許容量が大きい、境界部を通
過した各モード光は屈折角の差の分が開き角になって伝
搬するので、１つのレンズで集光し小型光検出器に導く
ことができる。レンズや光検出器は１箇所に集中するこ
とができるため、光検出器の特性に差が出にくく、また
導波路素子自体の小型化が図れる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、平面型光導波路中を伝
搬する複数のモード光を分離するためのモードスプリッ
タに関する。
搬する複数のモード光を分離するためのモードスプリッ
タに関する。
【０００２】
【従来の技術】近年急速に発展しつつある情報化社会に
おいて光通信システムの担う役割は大きく、光ファイバ
ーに関する研究報告が多くなされている。従来の光ファ
イバー通信システムを支えているのは発光ダイオード
（ＬＤ），ロッドレンズなどのいわゆる微小光学部品で
あるが、こういった部品は光軸調整などの手間がかかる
うえ信頼性や生産コストにも課題が残されていた。これ
らの問題点を改善するため、光ＩＣ技術が見直されてき
ている。通信分野では平面型光導波路のスイッチング素
子として既に利用されている。
おいて光通信システムの担う役割は大きく、光ファイバ
ーに関する研究報告が多くなされている。従来の光ファ
イバー通信システムを支えているのは発光ダイオード
（ＬＤ），ロッドレンズなどのいわゆる微小光学部品で
あるが、こういった部品は光軸調整などの手間がかかる
うえ信頼性や生産コストにも課題が残されていた。これ
らの問題点を改善するため、光ＩＣ技術が見直されてき
ている。通信分野では平面型光導波路のスイッチング素
子として既に利用されている。
【０００３】光導波路には、レンズ，プリズム，ミラー
など、従来の微小光学部品の多くを代用できるという特
徴があり、光通信以外の分野への応用にも注目されてい
る。その１つとして小型軽量化が進んでいる光ピックア
ップ装置への利用が検討されてきた。光磁気信号を検出
するためには偏光分離をする必要がある。
など、従来の微小光学部品の多くを代用できるという特
徴があり、光通信以外の分野への応用にも注目されてい
る。その１つとして小型軽量化が進んでいる光ピックア
ップ装置への利用が検討されてきた。光磁気信号を検出
するためには偏光分離をする必要がある。
【０００４】従来この種の平面型光導波路におけるモー
ドスプリッタとしては、グルーブ型，９０°ブラッグ
型，方向性結合型などが知られている。しかし、グルー
ブ型は入射角度ずれに弱く、９０°ブラッグ型は波長ず
れに弱く、方向性結合型は製作時に結合長などを非常に
厳密に制御・管理する必要があるという欠点を各々持
つ。この結果、実際の光ピックアップや光通信素子など
の光集積デバイスに応用・実用化するにはまだ問題点の
多いものであった。
ドスプリッタとしては、グルーブ型，９０°ブラッグ
型，方向性結合型などが知られている。しかし、グルー
ブ型は入射角度ずれに弱く、９０°ブラッグ型は波長ず
れに弱く、方向性結合型は製作時に結合長などを非常に
厳密に制御・管理する必要があるという欠点を各々持
つ。この結果、実際の光ピックアップや光通信素子など
の光集積デバイスに応用・実用化するにはまだ問題点の
多いものであった。
【０００５】このような点から、平面型光導波路中を伝
搬する複数のモードを効率よく分離することができ、か
つ、任意のモードを分離可能に構成でき、更にはモード
分離可能な入射角の範囲ないしは許容量の大きなモード
スプリッタが提案されている。
搬する複数のモードを効率よく分離することができ、か
つ、任意のモードを分離可能に構成でき、更にはモード
分離可能な入射角の範囲ないしは許容量の大きなモード
スプリッタが提案されている。
【０００６】以下、図９，１０，１１をもとに従来例
（特開昭６４−４７０６，４７０７）について説明す
る。このモードスプリッタは厚み方向（Ｚ軸方向）に厚
みがテーパ状に変化するテーパ状結合部Ｃにより２分割
された２つの２次元の導波路Ａ，Ｂから成る。ここにこ
れらの導波路Ａ，Ｂにおけるモード伝搬定数を各々
βA，βBとすると、スネルの法則は βA・ｓｉｎαA＝βB・ｓｉｎαB ・・・（１） として表される。但し、αAは導波路Ａにおける入射
角、αBは導波路Ｂにおける屈折角を表し、何れもｘ−
ｙ平面上にある。ここに、例えばβA＞βBであると仮定
すると αA＜ｓｉｎ-1（βB／βA） ・・・（２） なる条件を満足していれば、導波路Ａで生じた光波は前
記（１）式に従い導波路Ｂ中に屈折する（図９（ｂ）参
照）。
（特開昭６４−４７０６，４７０７）について説明す
る。このモードスプリッタは厚み方向（Ｚ軸方向）に厚
みがテーパ状に変化するテーパ状結合部Ｃにより２分割
された２つの２次元の導波路Ａ，Ｂから成る。ここにこ
れらの導波路Ａ，Ｂにおけるモード伝搬定数を各々
βA，βBとすると、スネルの法則は βA・ｓｉｎαA＝βB・ｓｉｎαB ・・・（１） として表される。但し、αAは導波路Ａにおける入射
角、αBは導波路Ｂにおける屈折角を表し、何れもｘ−
ｙ平面上にある。ここに、例えばβA＞βBであると仮定
すると αA＜ｓｉｎ-1（βB／βA） ・・・（２） なる条件を満足していれば、導波路Ａで生じた光波は前
記（１）式に従い導波路Ｂ中に屈折する（図９（ｂ）参
照）。
【０００７】一方入射角度αAが αA＞ｓｉｎ-1（βB／βA） ・・・（３） なる条件を満足する場合には、テーパ状結合部Ｃにおい
て全反射が起きる（図９（ａ）参照）。
て全反射が起きる（図９（ａ）参照）。
【０００８】ここで異なる２つのモードｉ，ｊ（ｉ，ｊ
は整数）の光波が導波路Ａから導波路Ｂ側に向けて同一
方向に伝搬する場合を考える。導波路Ａにおけるモード
ｉとモードｊとの２つの光波の伝搬定数をβｉA，βｊA
とし、同様に導波路Ｂにおける各々のモードｉ，ｊの伝
搬定数をβｉB，βｊBとする。そしてモードｉに関して
はβｉA＞βｉB、モードｊに関してはβｊA＜βｊBなる
関係が成立しているものとする。このような条件下に、
導波路Ａに対する入射角αAを αA＞ｓｉｎ-1（βｉB／βｉA） なる条件を満たすように設定する。このような条件を満
足するように形成した導波路構成によれば、モードｉの
光波は図１１に示すようにテーパ状結合部Ｃにて全反射
する。一方モードｊは導波路Ｂにおいて（１）式に従い
決定される屈折角αBにて屈折する。上記導波路Ａ，Ｂ
はテーパ状結合部Ｃにより結合しているが、これは、テ
ーパ状結合部Ｃが非常に伝搬損失が少ないからで、効率
よくモード分離することができる構成となる。
は整数）の光波が導波路Ａから導波路Ｂ側に向けて同一
方向に伝搬する場合を考える。導波路Ａにおけるモード
ｉとモードｊとの２つの光波の伝搬定数をβｉA，βｊA
とし、同様に導波路Ｂにおける各々のモードｉ，ｊの伝
搬定数をβｉB，βｊBとする。そしてモードｉに関して
はβｉA＞βｉB、モードｊに関してはβｊA＜βｊBなる
関係が成立しているものとする。このような条件下に、
導波路Ａに対する入射角αAを αA＞ｓｉｎ-1（βｉB／βｉA） なる条件を満たすように設定する。このような条件を満
足するように形成した導波路構成によれば、モードｉの
光波は図１１に示すようにテーパ状結合部Ｃにて全反射
する。一方モードｊは導波路Ｂにおいて（１）式に従い
決定される屈折角αBにて屈折する。上記導波路Ａ，Ｂ
はテーパ状結合部Ｃにより結合しているが、これは、テ
ーパ状結合部Ｃが非常に伝搬損失が少ないからで、効率
よくモード分離することができる構成となる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】上記従来例におけるモ
ードの分離は一方が透過，他方が全反射となり、両者の
進行方向にかなりの開きが生じる。よって光検出器の集
積を考えると、その光検出器に導波光を集光させるレン
ズなどの光学素子を含めて形状が大きくなり、また光検
出器の位置が離れていると、それぞれの特性がそろわな
いという問題も生じる。さらに全反射を起こす入射角近
くではその角度の許容範囲が小さいという問題がある。
ードの分離は一方が透過，他方が全反射となり、両者の
進行方向にかなりの開きが生じる。よって光検出器の集
積を考えると、その光検出器に導波光を集光させるレン
ズなどの光学素子を含めて形状が大きくなり、また光検
出器の位置が離れていると、それぞれの特性がそろわな
いという問題も生じる。さらに全反射を起こす入射角近
くではその角度の許容範囲が小さいという問題がある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上述の問題を解決するた
めに、本発明は厚みをテーパ状に変化させたテーパ状結
合部を境界として２つの導波路Ａ，Ｂを異なる物質より
構成し、少なくとも２つのモードｉ，ｊ（ただしｉ，ｊ
は整数）の同一方向への伝搬時に、前記導波路Ａ，Ｂに
おける各々の伝搬定数βｉA，βｉB，βｊA，βｊBがβ
ｉA＞βｉB，βｊA＞βｊBなる条件を満たし、かつ入射
角αAが０＜αA＜ｓｉｎ-1（βｉB／βｉA）なる条件を
満たすように設定し、前記導波路Ａ，Ｂの境界における
各々の屈折角の差を利用してモードの分離を行うことを
特徴とするモードスプリッタである。
めに、本発明は厚みをテーパ状に変化させたテーパ状結
合部を境界として２つの導波路Ａ，Ｂを異なる物質より
構成し、少なくとも２つのモードｉ，ｊ（ただしｉ，ｊ
は整数）の同一方向への伝搬時に、前記導波路Ａ，Ｂに
おける各々の伝搬定数βｉA，βｉB，βｊA，βｊBがβ
ｉA＞βｉB，βｊA＞βｊBなる条件を満たし、かつ入射
角αAが０＜αA＜ｓｉｎ-1（βｉB／βｉA）なる条件を
満たすように設定し、前記導波路Ａ，Ｂの境界における
各々の屈折角の差を利用してモードの分離を行うことを
特徴とするモードスプリッタである。
【００１１】
【作用】分離された各モード光は数度の角度をもってほ
ぼ同じ方向に進むため導波路素子の形状が小さくなり、
小型の光検出器を近接して配置することができる。ま
た、光の入射角に応じて連続的に変化する屈折角を利用
するため、入射角の許容範囲が広くなる。
ぼ同じ方向に進むため導波路素子の形状が小さくなり、
小型の光検出器を近接して配置することができる。ま
た、光の入射角に応じて連続的に変化する屈折角を利用
するため、入射角の許容範囲が広くなる。
【００１２】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。図
１に示す導波路素子１はＡ，Ｂ２つの領域から成り、そ
の境界は光の波長に対して充分に緩やかなテーパ部Ｃに
より結合されている。境界部Ｃにある角度で入射した各
モード光は、Ａ，Ｂ２つの領域での等価屈折率の違いか
ら開き角θをもって屈折される。
１に示す導波路素子１はＡ，Ｂ２つの領域から成り、そ
の境界は光の波長に対して充分に緩やかなテーパ部Ｃに
より結合されている。境界部Ｃにある角度で入射した各
モード光は、Ａ，Ｂ２つの領域での等価屈折率の違いか
ら開き角θをもって屈折される。
【００１３】具体的に図２に断面図を示したような構造
では図示した厚さと屈折率から波長７８０ｎｍのＴ
Ｅ0，ＴＭ0モードの等価屈折率を求めると表１のように
なる。
では図示した厚さと屈折率から波長７８０ｎｍのＴ
Ｅ0，ＴＭ0モードの等価屈折率を求めると表１のように
なる。
【００１４】
【表１】
【００１５】このような構造のテーパ部Ｃに例えば入射
角４５°で光を入射するとＴＥ0光ＴＭ0光の屈折角はそ
れぞれ５７．３°，４９．０°となり約８°の開き角が
つく（図３参照）。境界部Ｃからの距離が０．４ｍｍに
なれば、開き角による各モード光の分離距離は５０μｍ
程度となり、レンズ等で集光し２分割の光検出器に導く
ことが可能である。図４は上述の実施例に、さらにカプ
ラー１２，集光レンズ２，光検出器３を集積した実施例
である。カプラー１２は１例としてグレーティングカプ
ラーを図示してあるが、プリズムを用いてもよい。また
集光レンズ２については図示したようなモードインデッ
クスレンズに限らず、ジオデミックレンズや回折形レン
ズでもよい。
角４５°で光を入射するとＴＥ0光ＴＭ0光の屈折角はそ
れぞれ５７．３°，４９．０°となり約８°の開き角が
つく（図３参照）。境界部Ｃからの距離が０．４ｍｍに
なれば、開き角による各モード光の分離距離は５０μｍ
程度となり、レンズ等で集光し２分割の光検出器に導く
ことが可能である。図４は上述の実施例に、さらにカプ
ラー１２，集光レンズ２，光検出器３を集積した実施例
である。カプラー１２は１例としてグレーティングカプ
ラーを図示してあるが、プリズムを用いてもよい。また
集光レンズ２については図示したようなモードインデッ
クスレンズに限らず、ジオデミックレンズや回折形レン
ズでもよい。
【００１６】光検出器を集積するため、これらの素子を
含む光導波路素子１は半導体基板１１上に形成されてい
る。導波路と光検出器の接続については、「光集積回路
（オーム社発行，西原浩他著）」中のＰ．２７５に示さ
れているような構造が適している。図５は上述実施例の
断面図である。同図でクラッド層４を除いて直接導波層
５にグレーティングカプラ１２を作製しているが、導波
路の条件によっては、クラッド層４にカプラーを作製し
ても導波層５へ光を励起することが可能である。
含む光導波路素子１は半導体基板１１上に形成されてい
る。導波路と光検出器の接続については、「光集積回路
（オーム社発行，西原浩他著）」中のＰ．２７５に示さ
れているような構造が適している。図５は上述実施例の
断面図である。同図でクラッド層４を除いて直接導波層
５にグレーティングカプラ１２を作製しているが、導波
路の条件によっては、クラッド層４にカプラーを作製し
ても導波層５へ光を励起することが可能である。
【００１７】また別の実施例について図６で説明する。
第１の実施例で境界部Ｃを通過することにより約８°の
開き角をもって分離された各モード光を、再度境界部に
入射することにより開き角を増大するものである。ここ
で境界部へのＴＥ0，ＴＭ0光の入射角をそれぞれ３７
°，４５°としてやることにより、屈折角は３０．４
°，４１．５°となり開き角は約１１°となる。２分割
光検出器上での各モード光の集光間隔を５０μｍとする
ための、境界部から光検出器までの距離は約０．３ｍｍ
となる また図７に示すように何回か境界部を通過させることで
各モード光の開き角を大きくとることができ、２分割光
検出器までの距離を短くすることができる。また図８に
示すように導波路ミラーで導波光を反射させ再び境界部
Ｃを通過させることにより、さらに素子形状を小さくす
ることも可能である。図６，図７，図８においてはカプ
ラ，集光レンズ，光検出器を省略しているが、図４，図
５に示したものと同じ構造で集積化されることはいうま
でもない。
第１の実施例で境界部Ｃを通過することにより約８°の
開き角をもって分離された各モード光を、再度境界部に
入射することにより開き角を増大するものである。ここ
で境界部へのＴＥ0，ＴＭ0光の入射角をそれぞれ３７
°，４５°としてやることにより、屈折角は３０．４
°，４１．５°となり開き角は約１１°となる。２分割
光検出器上での各モード光の集光間隔を５０μｍとする
ための、境界部から光検出器までの距離は約０．３ｍｍ
となる また図７に示すように何回か境界部を通過させることで
各モード光の開き角を大きくとることができ、２分割光
検出器までの距離を短くすることができる。また図８に
示すように導波路ミラーで導波光を反射させ再び境界部
Ｃを通過させることにより、さらに素子形状を小さくす
ることも可能である。図６，図７，図８においてはカプ
ラ，集光レンズ，光検出器を省略しているが、図４，図
５に示したものと同じ構造で集積化されることはいうま
でもない。
【００１８】以上に示した実施例において、屈折角はＴ
Ｅ0光の方がＴＭ0光よりも大きくなっているが、これは
各層の厚みと屈折率によって効果を逆にすることも可能
である。本発明におけるモードスプリッタは、等価屈折
率の差による各モード光の屈折角の違いを利用するもの
で、その実施例の１つとして、ステップ型を挙げている
が、イオン交換，金属拡散などによる屈折率の変化を利
用して導波路Ａ，Ｂを作製しても全く同質のものであ
る。
Ｅ0光の方がＴＭ0光よりも大きくなっているが、これは
各層の厚みと屈折率によって効果を逆にすることも可能
である。本発明におけるモードスプリッタは、等価屈折
率の差による各モード光の屈折角の違いを利用するもの
で、その実施例の１つとして、ステップ型を挙げている
が、イオン交換，金属拡散などによる屈折率の変化を利
用して導波路Ａ，Ｂを作製しても全く同質のものであ
る。
【００１９】また光入射角は実施例の１例として４５°
の場合を示したが、これは全反射の起こらない範囲の入
射角であれば類似の作用が得られる。
の場合を示したが、これは全反射の起こらない範囲の入
射角であれば類似の作用が得られる。
【００２０】
【発明の効果】本発明は上述したように各モード光の屈
折角の差を利用してモード分離を行うもので、従来の屈
折−反射型の導波路モードスプリッタに比べて、光検出
器の配置，集光レンズなどを考慮した素子全体の形状が
小さくなり、高速応答に適した小型光検出器に効率よく
光を導くことができる。また、光入射角の許容量が大き
くなり、光軸調整の手間を軽減することができる。
折角の差を利用してモード分離を行うもので、従来の屈
折−反射型の導波路モードスプリッタに比べて、光検出
器の配置，集光レンズなどを考慮した素子全体の形状が
小さくなり、高速応答に適した小型光検出器に効率よく
光を導くことができる。また、光入射角の許容量が大き
くなり、光軸調整の手間を軽減することができる。
【図１】本発明に係るモードスプリッタの平面図であ
る。
る。
【図２】本発明に係るモードスプリッタの断面図であ
る。
る。
【図３】本発明に係るモードスプリッタの特性を説明す
る図である。
る図である。
【図４】本発明の他の実施例のモードスプリッタの構成
図である。
図である。
【図５】本発明の他の実施例のモードスプリッタの断面
図である。
図である。
【図６】本発明の他の実施例のモードスプリッタの構成
図である。
図である。
【図７】本発明の他の実施例のモードスプリッタの構成
図である。
図である。
【図８】本発明の他の実施例のモードスプリッタの構成
図である。
図である。
【図９】従来例のモードスプリッタの構成図である。
【図１０】従来例のモードスプリッタの断面図である。
【図１１】従来例のモードスプリッタの構成図である。
１ 導波路素子 ２ 集光レンズ ３ ２分割光検出器 ４ クラッド層（＃７０５９） ５ 導波層（ＴｉＯ2） ６ ガラス基板 ７ 導波路ミラー １１ 半導体基板 １２ グレーティングカプラ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三木 錬三郎 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 岡田 訓明 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 南 功治 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内
Claims (2)
- 【請求項１】 厚みをテーパ状に変化させたテーパ状結
合部を境界として２つの導波路Ａ，Ｂを異なる物質より
構成し、少なくとも２つのモードｉ，ｊ（ただしｉ，ｊ
は整数）の同一方向への伝搬時に、前記導波路Ａ，Ｂに
おける各々の伝搬定数βｉA，βｉB，βｊA，βｊBがβ
ｉA＞βｉB，βｊA＞βｊBなる条件を満たし、かつ入射
角αAが０＜αA＜ｓｉｎ-1（βｉB／βｉA）なる条件を
満たすように設定し、前記導波路Ａ，Ｂの境界における
各々の屈折角の差を利用してモードの分離を行うことを
特徴とするモードスプリッタ。 - 【請求項２】 上記境界を複数回通過せしめることを特
徴とする請求項１記載のモードスプリッタ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23550292A JPH0682644A (ja) | 1992-09-03 | 1992-09-03 | モードスプリッタ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23550292A JPH0682644A (ja) | 1992-09-03 | 1992-09-03 | モードスプリッタ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0682644A true JPH0682644A (ja) | 1994-03-25 |
Family
ID=16986975
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23550292A Pending JPH0682644A (ja) | 1992-09-03 | 1992-09-03 | モードスプリッタ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0682644A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| AU658371B2 (en) * | 1990-10-02 | 1995-04-13 | Broken Hill Proprietary Company Limited, The | Nickel or cobalt based cermet with dispersed niobium carbide |
| US5726962A (en) * | 1994-12-19 | 1998-03-10 | Sharp Kabushiki Kaisha | Compact optical pickup device with beam splitter |
| US6030540A (en) * | 1996-07-29 | 2000-02-29 | Sharp Kabushiki Kaisha | Method for producing tapered waveguide |
-
1992
- 1992-09-03 JP JP23550292A patent/JPH0682644A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| AU658371B2 (en) * | 1990-10-02 | 1995-04-13 | Broken Hill Proprietary Company Limited, The | Nickel or cobalt based cermet with dispersed niobium carbide |
| US5726962A (en) * | 1994-12-19 | 1998-03-10 | Sharp Kabushiki Kaisha | Compact optical pickup device with beam splitter |
| US6030540A (en) * | 1996-07-29 | 2000-02-29 | Sharp Kabushiki Kaisha | Method for producing tapered waveguide |
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