JPH07110411A - 方向性結合器 - Google Patents
方向性結合器Info
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- JPH07110411A JPH07110411A JP25681293A JP25681293A JPH07110411A JP H07110411 A JPH07110411 A JP H07110411A JP 25681293 A JP25681293 A JP 25681293A JP 25681293 A JP25681293 A JP 25681293A JP H07110411 A JPH07110411 A JP H07110411A
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- refractive index
- waveguide
- directional coupler
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- strip
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-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
- G02F1/31—Digital deflection, i.e. optical switching
- G02F1/313—Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure
- G02F1/3132—Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure of directional coupler type
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- Physics & Mathematics (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 多モードを伝搬する多モードチャネル導波路
１３と、該多モードチャネル導波路の長さ方向の両端そ
れぞれに接続された２本ずつの入出力導波路１５ａ〜１
５ｄとを具える方向性結合器１０であって、基本的には
波長に無依存で、然も、従来に比べ全長が短い方向性結
合器を提供する。 【構成】 多モードチャネル導波路１３の幅Ｗ方向の中
央領域に当たりかつ該導波路１３の長さＬ方向の中央領
域を含む該長さ方向に帯状の部分１３ａの屈折率若しく
は等価屈折率を他の部分１３ｂ，１３ｃより高くしてあ
る。
１３と、該多モードチャネル導波路の長さ方向の両端そ
れぞれに接続された２本ずつの入出力導波路１５ａ〜１
５ｄとを具える方向性結合器１０であって、基本的には
波長に無依存で、然も、従来に比べ全長が短い方向性結
合器を提供する。 【構成】 多モードチャネル導波路１３の幅Ｗ方向の中
央領域に当たりかつ該導波路１３の長さＬ方向の中央領
域を含む該長さ方向に帯状の部分１３ａの屈折率若しく
は等価屈折率を他の部分１３ｂ，１３ｃより高くしてあ
る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、２入力ポートと２出
力ポートとの間を接続する導波路型の方向性結合器に関
するものである。
力ポートとの間を接続する導波路型の方向性結合器に関
するものである。
【０００２】
【従来の技術】方向性結合器の一種として、２本の導波
路を並置することにより構成されたものがある（例えば
文献Ｉ：「光集積回路」，オーム社，昭和６０年２月，
ｐ３０４〜３０７）。この方向性結合器では、２本の導
波路のうちの一方の導波路の入力ポートより入力された
光は、他方の導波路に光のパワーを移して行き、この移
行する長さ（結合長と呼ばれる。）が結合器の長さに等
しいときに該他方の導波路の出力ポートより出射され
る。この動作は２本の導波路の固有モード（対称、反対
称）の干渉効果として表現できる。２つの固有モード間
の位相差をφとすると、これは（１）式で示される。
路を並置することにより構成されたものがある（例えば
文献Ｉ：「光集積回路」，オーム社，昭和６０年２月，
ｐ３０４〜３０７）。この方向性結合器では、２本の導
波路のうちの一方の導波路の入力ポートより入力された
光は、他方の導波路に光のパワーを移して行き、この移
行する長さ（結合長と呼ばれる。）が結合器の長さに等
しいときに該他方の導波路の出力ポートより出射され
る。この動作は２本の導波路の固有モード（対称、反対
称）の干渉効果として表現できる。２つの固有モード間
の位相差をφとすると、これは（１）式で示される。
【０００３】 φ＝（２π／λ）ＬΔｎ01 ・・・（１） ここで、λは入力光の波長、Ｌは結合器の長さ、Δｎ01
は２つの固有モード間の等価屈折率差である。この方向
性結合器では、φ＝（２ｍ＋１）πのときにクロス状態
が得られ、φ＝２ｍπのときにバー状態が得られる（た
だし、ｍは整数）。したがって、クロス状態は（バー状
態も同様であるが）、Ｌとλとが特定の関係でなければ
達成できない。
は２つの固有モード間の等価屈折率差である。この方向
性結合器では、φ＝（２ｍ＋１）πのときにクロス状態
が得られ、φ＝２ｍπのときにバー状態が得られる（た
だし、ｍは整数）。したがって、クロス状態は（バー状
態も同様であるが）、Ｌとλとが特定の関係でなければ
達成できない。
【０００４】また、方向性結合器の他の例として、多モ
ードを伝搬する多モードチャネル導波路を具え、かつ、
該多モードチャネル導波路の長さ方向の両端それぞれに
２本ずつの入出力導波路具えるものがあった（例えば文
献II：アイイーイーイー フォトニクス テクノロジー
レターズ（IEEE photonics Technology Letters ），
Ｖｏｌ．ｐ．７０１，（１９９３．６））。この種の方
向性結合器の場合、多モードチャネル導波路の長さをＬ
としたとき、Ｌは下記の（２）式で示される値とされ
る。
ードを伝搬する多モードチャネル導波路を具え、かつ、
該多モードチャネル導波路の長さ方向の両端それぞれに
２本ずつの入出力導波路具えるものがあった（例えば文
献II：アイイーイーイー フォトニクス テクノロジー
レターズ（IEEE photonics Technology Letters ），
Ｖｏｌ．ｐ．７０１，（１９９３．６））。この種の方
向性結合器の場合、多モードチャネル導波路の長さをＬ
としたとき、Ｌは下記の（２）式で示される値とされ
る。
【０００５】 Ｌ＝４ｍｎg Ｗ2 ／λ ・・・（２） ここで、ｎg は多モードチャネル導波路の屈折率、Ｗは
多モードチャネル導波路の幅、ｍは整数、λは入力光の
波長である。
多モードチャネル導波路の幅、ｍは整数、λは入力光の
波長である。
【０００６】多モードチャネル導波路を用いた方向性結
合器は、上記（２）式中のｍが奇数でクロス状態とな
り、ｍが偶数でバー状態となる。この場合もＬとλとが
特定の関係でなければクロス状態は（バー状態も同様で
あるが）得られない。ただし、多モードチャネル導波路
を用いた方向性結合器の方が、上述の２本の導波路を並
置した型のものより、クロストークの低いクロス状態及
びバー状態を得ることが出来るＬ及びλの範囲はかなり
広いと言われている。また、この範囲を広くするには多
モードチャネル導波路の幅Ｗを広くする（〜２０μｍ）
のが良いと言われている。
合器は、上記（２）式中のｍが奇数でクロス状態とな
り、ｍが偶数でバー状態となる。この場合もＬとλとが
特定の関係でなければクロス状態は（バー状態も同様で
あるが）得られない。ただし、多モードチャネル導波路
を用いた方向性結合器の方が、上述の２本の導波路を並
置した型のものより、クロストークの低いクロス状態及
びバー状態を得ることが出来るＬ及びλの範囲はかなり
広いと言われている。また、この範囲を広くするには多
モードチャネル導波路の幅Ｗを広くする（〜２０μｍ）
のが良いと言われている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、多モー
ドチャネル導波路を用いた従来の方向性結合器では、ク
ロストークの低いクロス状態及びバー状態を得ることが
出来るＬ及びλの範囲を広くするために多モードチャネ
ル導波路の幅を広くすると、（２）式から明らかなよう
に、多モードチャネル導波路の長さＬがかなり増加して
しまうという問題点があった。例えば、λ＝１．５５μ
ｍ、ｎg ＝３．５と仮定し上記（２）式よりＬを求めた
場合Ｌ＞３．５ｍｍとなってしまう。
ドチャネル導波路を用いた従来の方向性結合器では、ク
ロストークの低いクロス状態及びバー状態を得ることが
出来るＬ及びλの範囲を広くするために多モードチャネ
ル導波路の幅を広くすると、（２）式から明らかなよう
に、多モードチャネル導波路の長さＬがかなり増加して
しまうという問題点があった。例えば、λ＝１．５５μ
ｍ、ｎg ＝３．５と仮定し上記（２）式よりＬを求めた
場合Ｌ＞３．５ｍｍとなってしまう。
【０００８】また、多モードチャネル導波路を用いた従
来の方向性結合器では、Ｌとλとが特定の関係の時のみ
でクロス状態（バー状態）が達成されるので、波長が異
なる光に対する汎用性が乏しいという問題点があった。
来の方向性結合器では、Ｌとλとが特定の関係の時のみ
でクロス状態（バー状態）が達成されるので、波長が異
なる光に対する汎用性が乏しいという問題点があった。
【０００９】この発明はこのような点に鑑みなされたも
のであり、したがってこの発明の目的は、多モードチャ
ネル導波路を利用する方向性結合器であって基本的には
波長に無依存で（等価屈折率の（弱い）波長依存性は除
いての意味。）、かつ、従来より素子長の短い方向性結
合器を提供することにある。
のであり、したがってこの発明の目的は、多モードチャ
ネル導波路を利用する方向性結合器であって基本的には
波長に無依存で（等価屈折率の（弱い）波長依存性は除
いての意味。）、かつ、従来より素子長の短い方向性結
合器を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】この目的の達成を図るた
めこの発明によれば、多モードを伝搬する多モードチャ
ネル導波路と、該多モードチャネル導波路の長さ方向の
両端それぞれに接続された２本ずつの入出力導波路とを
具える方向性結合器において、多モードチャネル導波路
の幅方向の中央領域に当たりかつ該導波路の長さ方向の
中央領域を含む該長さ方向に帯状の部分の屈折率若しく
は等価屈折率を他の部分より高くしてあることを特徴と
する。
めこの発明によれば、多モードを伝搬する多モードチャ
ネル導波路と、該多モードチャネル導波路の長さ方向の
両端それぞれに接続された２本ずつの入出力導波路とを
具える方向性結合器において、多モードチャネル導波路
の幅方向の中央領域に当たりかつ該導波路の長さ方向の
中央領域を含む該長さ方向に帯状の部分の屈折率若しく
は等価屈折率を他の部分より高くしてあることを特徴と
する。
【００１１】この発明の実施に当たり、前記帯状部分の
長さを前記多モードチャネル導波路の長さに対しどの程
度の割合とするか、及び、前記帯状部分の幅を前記多モ
ードチャネル導波路の幅に対しどの程度の割合とするか
は、方向性結合器の設計に応じ決定出来る。
長さを前記多モードチャネル導波路の長さに対しどの程
度の割合とするか、及び、前記帯状部分の幅を前記多モ
ードチャネル導波路の幅に対しどの程度の割合とするか
は、方向性結合器の設計に応じ決定出来る。
【００１２】さらにこの発明の実施に当たり、前記帯状
部分の前記長さ方向の両端部に帯状部分の屈折率または
等価屈折率より低い屈折率または等価屈折率を有する部
分（この部分を「低屈折率部分」と称することもあ
る。）をそれぞれ設けることもできる。なお、低屈折率
部分は多モードチャネル導波路の長さ方向の端部まで達
するように設けるのが良い。
部分の前記長さ方向の両端部に帯状部分の屈折率または
等価屈折率より低い屈折率または等価屈折率を有する部
分（この部分を「低屈折率部分」と称することもあ
る。）をそれぞれ設けることもできる。なお、低屈折率
部分は多モードチャネル導波路の長さ方向の端部まで達
するように設けるのが良い。
【００１３】さらにこの発明の実施に当たり、前記帯状
部分と該帯状部分に前記多モードチャネル導波路の幅方
向で接する導波路部分（該導波路部分を「帯状部分側方
の導波路部分」と称することもある。）との屈折率の大
小関係を逆転させるための屈折率制御用電極を設けるの
が好適である。これは、例えば帯状部分上にこの部分の
屈折率を低下し得る屈折率制御用電極を設けるとか、こ
の逆に、帯状部分側方の導波路部分上に該導波路部分の
屈折率を帯状部分より高め得る屈折率制御用電極を設け
るとかの方法で実現出来る。
部分と該帯状部分に前記多モードチャネル導波路の幅方
向で接する導波路部分（該導波路部分を「帯状部分側方
の導波路部分」と称することもある。）との屈折率の大
小関係を逆転させるための屈折率制御用電極を設けるの
が好適である。これは、例えば帯状部分上にこの部分の
屈折率を低下し得る屈折率制御用電極を設けるとか、こ
の逆に、帯状部分側方の導波路部分上に該導波路部分の
屈折率を帯状部分より高め得る屈折率制御用電極を設け
るとかの方法で実現出来る。
【００１４】
【作用】この発明の構成によれば、該多モードチャネル
導波路の中央部に帯状に屈折率または等価屈折率が他の
部分より高い部分を具えるので、入力導波路から入力さ
れ多モードチャネル導波路に至った光は、多モードチャ
ネル導波路を伝搬するとき、上記帯状部分を設けた分、
多モードチャネル導波路の対角線方向に伝搬し易くな
る。したがって、入力光の波長にかかわらず入力光をク
ロス状態に伝搬させることができ、また、多モードチャ
ネル導波路の全長を従来より短くしても入力光をクロス
状態に伝搬させることができる。このため、この方向性
結合器によれば、例えば、全長の短い交差導波路が実現
される。
導波路の中央部に帯状に屈折率または等価屈折率が他の
部分より高い部分を具えるので、入力導波路から入力さ
れ多モードチャネル導波路に至った光は、多モードチャ
ネル導波路を伝搬するとき、上記帯状部分を設けた分、
多モードチャネル導波路の対角線方向に伝搬し易くな
る。したがって、入力光の波長にかかわらず入力光をク
ロス状態に伝搬させることができ、また、多モードチャ
ネル導波路の全長を従来より短くしても入力光をクロス
状態に伝搬させることができる。このため、この方向性
結合器によれば、例えば、全長の短い交差導波路が実現
される。
【００１５】また、帯状部分の長さ方向の両端部に低屈
折率部分を設ける構成では、多モードチャネル導波路の
端部近傍部分における多モードチャネル導波路の横方向
の光の行き来を低減できることになるので、クロストー
クの低減がより図れる。
折率部分を設ける構成では、多モードチャネル導波路の
端部近傍部分における多モードチャネル導波路の横方向
の光の行き来を低減できることになるので、クロストー
クの低減がより図れる。
【００１６】また、屈折率制御用電極を設ける構成で
は、方向性結合器にバー状態を形成することが出来るか
ら、基本的には波長に無依存性でかつ全長が短い方向性
結合器型の光スイッチが実現される。
は、方向性結合器にバー状態を形成することが出来るか
ら、基本的には波長に無依存性でかつ全長が短い方向性
結合器型の光スイッチが実現される。
【００１７】
【実施例】以下、図面を参照してこの発明の方向性結合
器の実施例について説明する。なお、説明に用いる各図
はこの発明を理解出来る程度に各構成成分の寸法、形状
及び配置関係を概略的に示してあるにすぎない。また、
各図において同様な構成成分には同一の番号を付して示
しその重複説明を省略する。
器の実施例について説明する。なお、説明に用いる各図
はこの発明を理解出来る程度に各構成成分の寸法、形状
及び配置関係を概略的に示してあるにすぎない。また、
各図において同様な構成成分には同一の番号を付して示
しその重複説明を省略する。
【００１８】１．第１実施例 先ず、屈折率制御用電極は有しない例でかつこの発明で
言う帯状部分を多モードチャネル導波路の長さ方向全域
としてある例（第１実施例）について説明する。図１
（Ａ）〜（Ｃ）はこの第１実施例の方向性結合器１０の
説明に供する図である。ここで、（Ａ）図はその平面
図、（Ｂ）図は（Ａ）図のＩ−Ｉ線での断面図、（Ｃ）
図は（Ａ）図のII−II線での断面図である。
言う帯状部分を多モードチャネル導波路の長さ方向全域
としてある例（第１実施例）について説明する。図１
（Ａ）〜（Ｃ）はこの第１実施例の方向性結合器１０の
説明に供する図である。ここで、（Ａ）図はその平面
図、（Ｂ）図は（Ａ）図のＩ−Ｉ線での断面図、（Ｃ）
図は（Ａ）図のII−II線での断面図である。
【００１９】図１において、１１は電気光学効果を有す
る基板、１３は多モードを伝搬する多モードチャネル導
波路、１５ａ〜１５ｄは多モードチャネル導波路１３に
所定関係（後述する）で接続されている入出力導波路で
ある。ただし、多モードチャネル導波路１３は、該導波
路の幅（図１（Ａ）のＷ）方向の中央領域に当たりかつ
該導波路の長さ（図１（Ａ）のＬ）方向の中央領域を含
む該長さ方向に帯状の部分１３ａの屈折率または等価屈
折率を、他の部分１３ｂ，１３ｃ（以下、「帯状部分側
方の導波路部分１３ｂ，１３ｃ」とも称する。）より高
くしたものとしてある。
る基板、１３は多モードを伝搬する多モードチャネル導
波路、１５ａ〜１５ｄは多モードチャネル導波路１３に
所定関係（後述する）で接続されている入出力導波路で
ある。ただし、多モードチャネル導波路１３は、該導波
路の幅（図１（Ａ）のＷ）方向の中央領域に当たりかつ
該導波路の長さ（図１（Ａ）のＬ）方向の中央領域を含
む該長さ方向に帯状の部分１３ａの屈折率または等価屈
折率を、他の部分１３ｂ，１３ｃ（以下、「帯状部分側
方の導波路部分１３ｂ，１３ｃ」とも称する。）より高
くしたものとしてある。
【００２０】ここで、電気光学効果を有する基板１１と
して化合物半導体基板や、ＬｉＮｂＯ3 基板等の種々の
ものを用いることが出来る。ここでは化合物半導体基板
を用いている。化合物半導体基板としては、ＩｎＰ基
板、ＧａＡｓ基板などが挙げられる。
して化合物半導体基板や、ＬｉＮｂＯ3 基板等の種々の
ものを用いることが出来る。ここでは化合物半導体基板
を用いている。化合物半導体基板としては、ＩｎＰ基
板、ＧａＡｓ基板などが挙げられる。
【００２１】また、多モードチャネル導波路１３及び各
入出力導波路１５ａ〜１５ｄは基板材料等を考慮した任
意の構成と出来る。ここでは化合物半導体層を用い構成
している。具体的には、基板１１上に厚さがＴ（図１
（Ｂ）参照）の化合物半導体層を形成し、該層の、上記
帯状部分１３ａとしたい部分は厚さＴのリッジ状になる
ように、また上記帯状部分側方の導波路部分１３ｂ，１
３ｃとしたい部分及び入出力導波路１５ａ〜１５ｄとし
たい部分それぞれは厚さｔ（Ｔ＞ｔ）のリッジ状になる
ように該化合物半導体層を加工し各導波路構造を形成し
ている。ただし、入出力導波路１５ａ〜１５ｄと多モー
ドチャネル導波路１３との接続関係は、帯状部分側方の
導波路部分１３ｂ，１３ｃそれぞれの長さ方向端部に入
出力導波路が１本づつ接続される関係となっている。こ
れら入出力導波路１５ａ〜１５ｄの端面は、それぞれ入
出力ポート１７ａ〜１７ｄとなる。なお、多モードチャ
ネル導波路１３及び入出力導波路１５ａ〜１５ｄを形成
するための化合物半導体層としては、基板がＩｎＰであ
れば例えばＩｎＧａＡｓＰ層を、基板がＧａＡｓであれ
ばＧａＡｓ層を用いることが出来る。また、図１では図
示を省略しているが、必要に応じて、基板と導波路層と
の間に下側クラッド層を設け、導波路上に上側クラッド
層を設ける。
入出力導波路１５ａ〜１５ｄは基板材料等を考慮した任
意の構成と出来る。ここでは化合物半導体層を用い構成
している。具体的には、基板１１上に厚さがＴ（図１
（Ｂ）参照）の化合物半導体層を形成し、該層の、上記
帯状部分１３ａとしたい部分は厚さＴのリッジ状になる
ように、また上記帯状部分側方の導波路部分１３ｂ，１
３ｃとしたい部分及び入出力導波路１５ａ〜１５ｄとし
たい部分それぞれは厚さｔ（Ｔ＞ｔ）のリッジ状になる
ように該化合物半導体層を加工し各導波路構造を形成し
ている。ただし、入出力導波路１５ａ〜１５ｄと多モー
ドチャネル導波路１３との接続関係は、帯状部分側方の
導波路部分１３ｂ，１３ｃそれぞれの長さ方向端部に入
出力導波路が１本づつ接続される関係となっている。こ
れら入出力導波路１５ａ〜１５ｄの端面は、それぞれ入
出力ポート１７ａ〜１７ｄとなる。なお、多モードチャ
ネル導波路１３及び入出力導波路１５ａ〜１５ｄを形成
するための化合物半導体層としては、基板がＩｎＰであ
れば例えばＩｎＧａＡｓＰ層を、基板がＧａＡｓであれ
ばＧａＡｓ層を用いることが出来る。また、図１では図
示を省略しているが、必要に応じて、基板と導波路層と
の間に下側クラッド層を設け、導波路上に上側クラッド
層を設ける。
【００２２】次に、図２を参照してこの第１実施例の方
向性結合器１０の動作について説明する。
向性結合器１０の動作について説明する。
【００２３】入出力ポート１７ａより入力された光は、
入出力導波路１５ａを通って多モードチャネル導波路１
３の、帯状部分側方の導波路部分１３ｂに入力される。
帯状部分側方の導波路部分１３ｂを通る光２１ａは帯状
部分１３ａに位相整合する光２１ｂに変換され、そし
て、該光２１ｂは、 ｎ1 ｃｏｓＱ＝ｎ2 ・・・（ａ） で与えられる角度Ｑで帯状部分１３ａを伝搬する。そし
て、この光２１ｂは帯状部分側方の導波路部分１３ｂに
位相整合する光２１ｃに変換される。この光２１ｃは入
出力導波路１５ｄを通って出力ポート１７ｄより出射さ
れる。
入出力導波路１５ａを通って多モードチャネル導波路１
３の、帯状部分側方の導波路部分１３ｂに入力される。
帯状部分側方の導波路部分１３ｂを通る光２１ａは帯状
部分１３ａに位相整合する光２１ｂに変換され、そし
て、該光２１ｂは、 ｎ1 ｃｏｓＱ＝ｎ2 ・・・（ａ） で与えられる角度Ｑで帯状部分１３ａを伝搬する。そし
て、この光２１ｂは帯状部分側方の導波路部分１３ｂに
位相整合する光２１ｃに変換される。この光２１ｃは入
出力導波路１５ｄを通って出力ポート１７ｄより出射さ
れる。
【００２４】上記ｎ1 ｃｏｓＱ＝ｎ2 の式において、ｎ
1 は帯状部分１３ａの屈折率であり、ｎ2 は帯状部分側
方の導波路部分１３ｂの屈折率である。
1 は帯状部分１３ａの屈折率であり、ｎ2 は帯状部分側
方の導波路部分１３ｂの屈折率である。
【００２５】ここで、ｎ1 とｎ2 との屈折率差をΔｎと
すれば、上記角度Ｑは次式で近似的に与えられる。
すれば、上記角度Ｑは次式で近似的に与えられる。
【００２６】 Ｑ＝（２Δｎ／ｎ1 ）1/2 ・・・（ｂ） またここでＱは、Ｑ≒Ｗ／Ｌであるので、 Ｑ＝（２Δｎ／ｎ1 ）1/2 ＝Ｗ／Ｌ ・・・（ｃ） が成立する。この（ｃ）式からＬはλの関数でない（波
長依存性がない）ことが分かるから、この発明の方向性
結合器は広い波長範囲で動作可能なものであることが分
かる。ただし、Ｌが波長依存性がないとは、等価屈折率
の弱い波長依存性を除いての意味である。
長依存性がない）ことが分かるから、この発明の方向性
結合器は広い波長範囲で動作可能なものであることが分
かる。ただし、Ｌが波長依存性がないとは、等価屈折率
の弱い波長依存性を除いての意味である。
【００２７】次に、入出力ポート１７ａから帯状部分１
３を介し入出力ポート１７ｄに光が移行することについ
て、ＢＰＭ（Beam Propagation Method ）により計算し
てみた結果を説明する。この計算に当たり、多モードチ
ャネル導波路の長さＬを８００μｍ、同幅Ｗを３２μ
ｍ、入力光の波長を１．５５μｍ、上記Δｎを３×１０
-3、多モードチャネル導波路１３の帯状部分１３ａの屈
折率を３．４４としている。この条件は上記（ｃ）式を
ほぼ成立させているものである。
３を介し入出力ポート１７ｄに光が移行することについ
て、ＢＰＭ（Beam Propagation Method ）により計算し
てみた結果を説明する。この計算に当たり、多モードチ
ャネル導波路の長さＬを８００μｍ、同幅Ｗを３２μ
ｍ、入力光の波長を１．５５μｍ、上記Δｎを３×１０
-3、多モードチャネル導波路１３の帯状部分１３ａの屈
折率を３．４４としている。この条件は上記（ｃ）式を
ほぼ成立させているものである。
【００２８】図３（Ａ）は、上記条件設定での第１実施
例の方向性結合器１０での、ＢＰＭにより計算した光の
伝搬の様子を示した図、（Ｂ）は同じく等価屈折率分布
を示した図である。なお、図３（Ａ）及び（Ｂ）におい
て、縦軸は方向性結合器１０における全長方向での位
置、横軸は方向性結合器１０における幅方向での位置で
ある。また、図３（Ａ）において、Ｚ軸相当の物理量は
光強度、図３（Ｂ）において、Ｚ軸相当の物理量は屈折
率である。また、図３（Ａ）（以下の図Ｘ（Ａ）でも同
じ）では、図１との対応を明確にするため、多モードチ
ャネル導波路１３や入出力導波路を示す図１に示した番
号をも示してある。
例の方向性結合器１０での、ＢＰＭにより計算した光の
伝搬の様子を示した図、（Ｂ）は同じく等価屈折率分布
を示した図である。なお、図３（Ａ）及び（Ｂ）におい
て、縦軸は方向性結合器１０における全長方向での位
置、横軸は方向性結合器１０における幅方向での位置で
ある。また、図３（Ａ）において、Ｚ軸相当の物理量は
光強度、図３（Ｂ）において、Ｚ軸相当の物理量は屈折
率である。また、図３（Ａ）（以下の図Ｘ（Ａ）でも同
じ）では、図１との対応を明確にするため、多モードチ
ャネル導波路１３や入出力導波路を示す図１に示した番
号をも示してある。
【００２９】図３（Ａ）から明らかなように、この方向
性結合器１０においては、入出力ポート１５ａより入力
された光は、多モードチャネル導波路１３の帯状部分１
３ａを経て入出力ポート１５ｄに至ることが分かる。入
力光を１．３μｍとした場合も全く同様な特性を示し
た。また、クロストークは入力光の波長が１．５５μｍ
場合、１．３μｍの場合何れも、２０ｄＢ以上の値が得
られている。
性結合器１０においては、入出力ポート１５ａより入力
された光は、多モードチャネル導波路１３の帯状部分１
３ａを経て入出力ポート１５ｄに至ることが分かる。入
力光を１．３μｍとした場合も全く同様な特性を示し
た。また、クロストークは入力光の波長が１．５５μｍ
場合、１．３μｍの場合何れも、２０ｄＢ以上の値が得
られている。
【００３０】２．第２実施例 次に、多モードチャネル導波路１３の、帯状部分１３ａ
と帯状部分側方の導波路部分１３ｂ，１３ｃとの屈折率
の大小関係を逆転させるための屈折率制御用電極を具え
た方向性結合器の例（第２実施例）について説明する。
図４はその説明に供する平面図である。
と帯状部分側方の導波路部分１３ｂ，１３ｃとの屈折率
の大小関係を逆転させるための屈折率制御用電極を具え
た方向性結合器の例（第２実施例）について説明する。
図４はその説明に供する平面図である。
【００３１】この第２実施例の方向性結合器３０では、
多モードチャネル導波路１３の帯状部分１３ａ上に屈折
率制御用電極３１を具えている。ただし、図示例では帯
状部分１３ａの中央部分に電極３１を具える例を示して
ある。しかし、帯状部分１３ａの全域上に電極３１を設
けても良い。なお、該電極３１の他方の極は基板１１
（図１（Ｂ）参照）の裏面に設けてある（図示せず）。
この電極３１に電圧を加えることにより帯状部分１３ａ
の屈折率は帯状部分側方の導波路部分１３ｂ，１３ｃよ
り低下する。
多モードチャネル導波路１３の帯状部分１３ａ上に屈折
率制御用電極３１を具えている。ただし、図示例では帯
状部分１３ａの中央部分に電極３１を具える例を示して
ある。しかし、帯状部分１３ａの全域上に電極３１を設
けても良い。なお、該電極３１の他方の極は基板１１
（図１（Ｂ）参照）の裏面に設けてある（図示せず）。
この電極３１に電圧を加えることにより帯状部分１３ａ
の屈折率は帯状部分側方の導波路部分１３ｂ，１３ｃよ
り低下する。
【００３２】この第２実施例の方向性結合器３０では、
入出力ポート１７ａから入力された光は、第１実施例同
様、入出力導波路１５ａを通って帯状部分側方の導波路
部分１３ｂに至る。該至った光２１ａ（図４参照）は、
位相整合する光２１ｂに変換され帯状部分３１ａに入る
が、電極３１が駆動されて帯状部分１３ａの電極３１下
の屈折率が帯状部分側方の導波路部分帯状部分側方の導
波路部分１３ｂ，１３ｃより低くされているとここで反
射されて光２１ｂ’となる。該光２１ｂ’は再び帯状部
分側方の導波路部分１３ｂに戻されて光２１ａ’とな
り、その後、入出力ポート１５ｃから出射される（バー
状態の光伝搬が行なわれる）。
入出力ポート１７ａから入力された光は、第１実施例同
様、入出力導波路１５ａを通って帯状部分側方の導波路
部分１３ｂに至る。該至った光２１ａ（図４参照）は、
位相整合する光２１ｂに変換され帯状部分３１ａに入る
が、電極３１が駆動されて帯状部分１３ａの電極３１下
の屈折率が帯状部分側方の導波路部分帯状部分側方の導
波路部分１３ｂ，１３ｃより低くされているとここで反
射されて光２１ｂ’となる。該光２１ｂ’は再び帯状部
分側方の導波路部分１３ｂに戻されて光２１ａ’とな
り、その後、入出力ポート１５ｃから出射される（バー
状態の光伝搬が行なわれる）。
【００３３】電極３１を駆動したときでの第２実施例の
方向性結合器３０での光が移行する様子をＢＰＭにより
計算してみた結果を、図５（Ａ）及び（Ｂ）に示す。な
お、図５（Ａ）及び（Ｂ）は図３（Ａ）及び（Ｂ）と同
様な表記方法で示してある。
方向性結合器３０での光が移行する様子をＢＰＭにより
計算してみた結果を、図５（Ａ）及び（Ｂ）に示す。な
お、図５（Ａ）及び（Ｂ）は図３（Ａ）及び（Ｂ）と同
様な表記方法で示してある。
【００３４】図５（Ａ）から明らかなように、入出力ポ
ート１７ａからの光は該ポートと対角線相当位置の入出
力ポート１７ｄには移れないことが分かる。現在までの
ところ、多モードチャネル導波路１３の長さＬを８００
μｍその幅Ｗを２５μｍとした方向性結合器においてバ
ー状態を得るために必要な電気的屈折率変化δｎの最低
値は３．５×１０-3であった。
ート１７ａからの光は該ポートと対角線相当位置の入出
力ポート１７ｄには移れないことが分かる。現在までの
ところ、多モードチャネル導波路１３の長さＬを８００
μｍその幅Ｗを２５μｍとした方向性結合器においてバ
ー状態を得るために必要な電気的屈折率変化δｎの最低
値は３．５×１０-3であった。
【００３５】ここで、ΔβＬ／πは ΔβＬ／π＝２δｎＬ／λ（＝［(W／λ）（２δｎ・ｎ
1 ）1/2 ］＝Ｖ／２） であるので、入力光の波長を１．５５μｍとし、δｎを
３．５×１０-3とし、Ｌを上記８００μｍとすると、こ
の実施例の方向性結合器では、ΔβＬ／π＝３．６とな
る。２本の導波路を並置した型の方向性結合器のΔβＬ
／πが１．７３程度であるので、この発明の方向性結合
器は、２本の導波路を並置した型の方向性結合器に比べ
２倍程度の効率で動作可能なものといえる。
1 ）1/2 ］＝Ｖ／２） であるので、入力光の波長を１．５５μｍとし、δｎを
３．５×１０-3とし、Ｌを上記８００μｍとすると、こ
の実施例の方向性結合器では、ΔβＬ／π＝３．６とな
る。２本の導波路を並置した型の方向性結合器のΔβＬ
／πが１．７３程度であるので、この発明の方向性結合
器は、２本の導波路を並置した型の方向性結合器に比べ
２倍程度の効率で動作可能なものといえる。
【００３６】なお、方向性結合器においてバー状態を得
るために最低限必要な電気的屈折率変化δｎは、図４中
の光２１ｂが帯状部分１３ａの電極３１を設けてある部
分と設けてない部分との界面で全反射される条件である
ので、δｎ＝Δｎ（電極３１の有無の両部分の屈折率
差）と予想される。しかし、ＢＰＭの計算からは、δｎ
＝Δｎの条件では、光は出力ポート１７ｃ，１７ｄ（図
４参照）から等分に出力されることが分かり、完全なス
イッチング状態を得るためにはδｎの値としてΔｎの２
〜３倍の値（この例では上記３．５×１０-3という値）
が必要となっている。
るために最低限必要な電気的屈折率変化δｎは、図４中
の光２１ｂが帯状部分１３ａの電極３１を設けてある部
分と設けてない部分との界面で全反射される条件である
ので、δｎ＝Δｎ（電極３１の有無の両部分の屈折率
差）と予想される。しかし、ＢＰＭの計算からは、δｎ
＝Δｎの条件では、光は出力ポート１７ｃ，１７ｄ（図
４参照）から等分に出力されることが分かり、完全なス
イッチング状態を得るためにはδｎの値としてΔｎの２
〜３倍の値（この例では上記３．５×１０-3という値）
が必要となっている。
【００３７】３．第３実施例 次に、帯状部分１３ａの長さ方向の両端部に低屈折率部
分を設ける例（第３実施例）を説明する。図６はその説
明に供する平面図である。
分を設ける例（第３実施例）を説明する。図６はその説
明に供する平面図である。
【００３８】この第３実施例の方向性結合器４０は、第
１実施例の構成での帯状部分１３ａの両端部に該帯状部
分１３ａの屈折率または等価屈折率より低い屈折率また
は等価屈折率を有する低屈折率部分４１ａ，４１ｂを設
けてある。低屈折率部分４１ａ，４１ｂの屈折率は、例
えば基板１１（図１（Ｂ）参照）の屈折率と同程度で良
い。また、この場合の低屈折率部４１ａ、４１ｂは三角
形状のものとしてあり、かつ、その一辺が帯状部分の長
さ方向の端部の辺に一致するようにしてある。これら低
屈折率部分４１ａ，４１ｂは次のような働きを示す。入
出力ポート１７ａより入力され多モードチャネル導波路
１３の、帯状部分側方の導波路部分１３ｂに至った光２
１ａは帯状部分１３ａに位相整合する光２１ｂに変換さ
れ、そして帯状部分１３ａを伝搬し、次に、帯状部分側
方の導波路部分１３ｂに位相整合する光２１ｃに変換さ
れる。ここまでは第１実施例と同じである。ここで光２
１ｃがもし光２１ａ→光２１ｂと同様な過程で光２１ｄ
となるとこの光２１ｄは入出力導波路１５ｃ側に至る危
険性を持つ。そして、この光２１ｄが入出力導波路１５
ｃに至るとクロストークとなるのでクロストーク特性は
悪化する。ところが、この第３実施例では帯状部分１３
ａの両端部に低屈折率部分４１ａ，４１ｂを設けてある
ので、この光２１ｄは図示例では低屈折率部分４１ｂに
より反射されて入出力導波路１５ｄ側に戻される。この
ため、上記クロストークは防止される。低屈折率部分４
１ａ，４１ｂを設けることで上記クロストークが低減さ
れるという点については、後の、スイッチング特性の説
明の項にて説明する。
１実施例の構成での帯状部分１３ａの両端部に該帯状部
分１３ａの屈折率または等価屈折率より低い屈折率また
は等価屈折率を有する低屈折率部分４１ａ，４１ｂを設
けてある。低屈折率部分４１ａ，４１ｂの屈折率は、例
えば基板１１（図１（Ｂ）参照）の屈折率と同程度で良
い。また、この場合の低屈折率部４１ａ、４１ｂは三角
形状のものとしてあり、かつ、その一辺が帯状部分の長
さ方向の端部の辺に一致するようにしてある。これら低
屈折率部分４１ａ，４１ｂは次のような働きを示す。入
出力ポート１７ａより入力され多モードチャネル導波路
１３の、帯状部分側方の導波路部分１３ｂに至った光２
１ａは帯状部分１３ａに位相整合する光２１ｂに変換さ
れ、そして帯状部分１３ａを伝搬し、次に、帯状部分側
方の導波路部分１３ｂに位相整合する光２１ｃに変換さ
れる。ここまでは第１実施例と同じである。ここで光２
１ｃがもし光２１ａ→光２１ｂと同様な過程で光２１ｄ
となるとこの光２１ｄは入出力導波路１５ｃ側に至る危
険性を持つ。そして、この光２１ｄが入出力導波路１５
ｃに至るとクロストークとなるのでクロストーク特性は
悪化する。ところが、この第３実施例では帯状部分１３
ａの両端部に低屈折率部分４１ａ，４１ｂを設けてある
ので、この光２１ｄは図示例では低屈折率部分４１ｂに
より反射されて入出力導波路１５ｄ側に戻される。この
ため、上記クロストークは防止される。低屈折率部分４
１ａ，４１ｂを設けることで上記クロストークが低減さ
れるという点については、後の、スイッチング特性の説
明の項にて説明する。
【００３９】なお、低屈折率部分４１ａ，４１ｂの大き
さや形状は設計に応じ任意なものと出来る。
さや形状は設計に応じ任意なものと出来る。
【００４０】４．スイッチング特性の説明 第１実施例の方向性結合器１０及び第３実施例の方向性
結合器４０それぞれにおいて、帯状部分１３ａの屈折率
と帯状部分側方の導波路部分１３ｂ，１３ｃの屈折率と
の差を種々に違えた場合に、入出力ポート１７ａから入
れた光が入出力ポート１７ｃ及び１７ｄそれぞれにどう
いう強度で出力されるかをＢＰＭにより計算した結果
を、図７（Ａ）及び（Ｂ）に示した。なお、この計算に
当たり、入力光の波長を１．５５μｍ、多モードチャネ
ル導波路の長さを８００μｍその幅を２３μｍとしてい
る。またここで、Δｎが正の値というのは、帯状部分側
方の導波路部分１３ｂ、１３ｃの方が帯状部分１３ａよ
り等価屈折率が高いことを意味し、Δｎが負の値という
のは両部分（１３ａと１３ｂ，１３ｃとの間）の等価屈
折率の大小関係が上記関係の逆であることを意味する。
また、図７（Ａ）は第１実施例の方向性結合器での特性
を示し、図７（Ｂ）は第３実施例の方向性結合器での特
性を示す。
結合器４０それぞれにおいて、帯状部分１３ａの屈折率
と帯状部分側方の導波路部分１３ｂ，１３ｃの屈折率と
の差を種々に違えた場合に、入出力ポート１７ａから入
れた光が入出力ポート１７ｃ及び１７ｄそれぞれにどう
いう強度で出力されるかをＢＰＭにより計算した結果
を、図７（Ａ）及び（Ｂ）に示した。なお、この計算に
当たり、入力光の波長を１．５５μｍ、多モードチャネ
ル導波路の長さを８００μｍその幅を２３μｍとしてい
る。またここで、Δｎが正の値というのは、帯状部分側
方の導波路部分１３ｂ、１３ｃの方が帯状部分１３ａよ
り等価屈折率が高いことを意味し、Δｎが負の値という
のは両部分（１３ａと１３ｂ，１３ｃとの間）の等価屈
折率の大小関係が上記関係の逆であることを意味する。
また、図７（Ａ）は第１実施例の方向性結合器での特性
を示し、図７（Ｂ）は第３実施例の方向性結合器での特
性を示す。
【００４１】図７（Ａ）及び（Ｂ）から明らかなよう
に、第１及び第３実施例いずれの歩行性結合器の場合
も、広いΔｎの範囲（図７（Ａ）、（Ｂ）中にＩA 〜II
B を付した範囲）で、クロストークが低いことが分か
る。また、第１実施例のものに比べ第３実施例のもの
（低屈折率部分を設けたもの）の方が、クロス状態にお
けるクロストーク（バー方向への漏れ光）は低くなるこ
とが分かる（図７（Ａ）のＩAと図７（Ｂ）のIIA とを
比較。）。
に、第１及び第３実施例いずれの歩行性結合器の場合
も、広いΔｎの範囲（図７（Ａ）、（Ｂ）中にＩA 〜II
B を付した範囲）で、クロストークが低いことが分か
る。また、第１実施例のものに比べ第３実施例のもの
（低屈折率部分を設けたもの）の方が、クロス状態にお
けるクロストーク（バー方向への漏れ光）は低くなるこ
とが分かる（図７（Ａ）のＩAと図７（Ｂ）のIIA とを
比較。）。
【００４２】
【発明の効果】上述した説明からも明らかなように、こ
の発明の方向性結合器によれば多モードチャネル導波路
の中央部に高屈折率部分を設けたので、基本的には波長
に無依存で、然も、従来に比べ短い方向性結合器（実施
例の例で言えば多モードチャネル導波路の全長が８００
μｍのもので波長１．３〜１．５５μｍの光に対し同様
な特性を示す方向性結合器）が提供出来る。
の発明の方向性結合器によれば多モードチャネル導波路
の中央部に高屈折率部分を設けたので、基本的には波長
に無依存で、然も、従来に比べ短い方向性結合器（実施
例の例で言えば多モードチャネル導波路の全長が８００
μｍのもので波長１．３〜１．５５μｍの光に対し同様
な特性を示す方向性結合器）が提供出来る。
【００４３】また、低屈折率部を設ける構成ではクロス
トークをより低減できる。また、電極を設ける構成で
は、従来に比べ波長依存性が小さくかつ全長の短い方向
性結合器型の光スイッチが得られる。
トークをより低減できる。また、電極を設ける構成で
は、従来に比べ波長依存性が小さくかつ全長の短い方向
性結合器型の光スイッチが得られる。
【図１】（Ａ）〜（Ｃ）は、第１実施例の方向性結合器
の説明図である。
の説明図である。
【図２】第１実施例の方向性結合器の動作説明図（その
１）である。
１）である。
【図３】（Ａ）及び（Ｂ）は、第１実施例の方向性結合
器の動作説明図（その２）である。
器の動作説明図（その２）である。
【図４】第２実施例の方向性結合器の説明図である。
【図５】（Ａ）及び（Ｂ）は、第２実施例の方向性結合
器の動作説明図である。
器の動作説明図である。
【図６】第３実施例の方向性結合器の説明図である。
【図７】（Ａ）及び（Ｂ）は、第１実施例及び第３実施
例の各方向性結合器のスイッチング特性の説明図であ
る。
例の各方向性結合器のスイッチング特性の説明図であ
る。
１０：第１実施例の方向性結合器 １１：電気光学効果を有する基板 １３：多モードチャネル導波路 １３ａ：多モードチャネル導波路の高屈折率部分（帯状
部分） １３ｂ，１３ｃ：帯状部分の側方部分 １５ａ〜１５ｄ：入出力導波路 １７ａ〜１７ｄ：入出力ポート ２１ａ〜２１ｃ：光 ２１ｄ：クロストークを悪化させる可能性の光 ３０：第２実施例の方向性結合器 ３１：屈折率制御用電極 ４０：第３実施例の方向性結合器 ４１ａ，４１ｂ：低屈折率部分
部分） １３ｂ，１３ｃ：帯状部分の側方部分 １５ａ〜１５ｄ：入出力導波路 １７ａ〜１７ｄ：入出力ポート ２１ａ〜２１ｃ：光 ２１ｄ：クロストークを悪化させる可能性の光 ３０：第２実施例の方向性結合器 ３１：屈折率制御用電極 ４０：第３実施例の方向性結合器 ４１ａ，４１ｂ：低屈折率部分
Claims (4)
- 【請求項１】 多モードを伝搬する多モードチャネル導
波路と、該多モードチャネル導波路の長さ方向の両端そ
れぞれに接続された２本ずつの入出力導波路とを具える
方向性結合器において、 多モードチャネル導波路の幅方向の中央領域に当たりか
つ該導波路の長さ方向の中央領域を含む該長さ方向に帯
状の部分の屈折率若しくは等価屈折率を他の部分より高
くしてあることを特徴とする方向性結合器。 - 【請求項２】 請求項１に記載の方向性結合器におい
て、 前記帯状部分を前記多モードチャネル導波路の長さ方向
の全域若しくは一部としてあることを特徴とする方向性
結合器。 - 【請求項３】 請求項１に記載の方向性結合器におい
て、 前記帯状部分の前記長さ方向の両端部に帯状部分の屈折
率または等価屈折率より低い屈折率または等価屈折率を
有する部分（低屈折率部分）をそれぞれ設けてあること
を特徴とする方向性結合器。 - 【請求項４】 請求項１〜３のいずれか１項に記載の方
向性結合器において、 前記帯状部分と該帯状部分に前記多モードチャネル導波
路の幅方向で接する導波路部分（帯状部分側方の導波路
部分）との屈折率の大小関係を逆転させるための屈折率
制御用電極を具えたことを特徴とする方向性結合器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25681293A JP3236426B2 (ja) | 1993-10-14 | 1993-10-14 | 光結合器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25681293A JP3236426B2 (ja) | 1993-10-14 | 1993-10-14 | 光結合器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07110411A true JPH07110411A (ja) | 1995-04-25 |
| JP3236426B2 JP3236426B2 (ja) | 2001-12-10 |
Family
ID=17297783
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP25681293A Expired - Fee Related JP3236426B2 (ja) | 1993-10-14 | 1993-10-14 | 光結合器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3236426B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7860358B2 (en) | 2005-07-08 | 2010-12-28 | Keio University | Multimode interference waveguide type optical switch |
| JP5697778B1 (ja) * | 2014-04-03 | 2015-04-08 | 株式会社フジクラ | 基板型光導波路素子 |
-
1993
- 1993-10-14 JP JP25681293A patent/JP3236426B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7860358B2 (en) | 2005-07-08 | 2010-12-28 | Keio University | Multimode interference waveguide type optical switch |
| JP5697778B1 (ja) * | 2014-04-03 | 2015-04-08 | 株式会社フジクラ | 基板型光導波路素子 |
| WO2015151597A1 (ja) * | 2014-04-03 | 2015-10-08 | 株式会社フジクラ | 基板型光導波路素子、偏波多重４値位相変調器、コヒーレント受信機及び偏波ダイバーシティ |
| US9851504B2 (en) | 2014-04-03 | 2017-12-26 | Fujikura Ltd. | Planar optical waveguide device, DP-QPSK modulator, coherent receiver, and polarization diversity |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3236426B2 (ja) | 2001-12-10 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
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