JPH0727087B2

JPH0727087B2 - 偏光分離結合導波路

Info

Publication number: JPH0727087B2
Application number: JP61013725A
Authority: JP
Inventors: 保孝市橋; 武伊藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1986-01-27
Filing date: 1986-01-27
Publication date: 1995-03-29
Anticipated expiration: 2010-03-29
Also published as: JPS62172308A

Description

【発明の詳細な説明】＜産業上の利用分野＞本発明は、導波路内を伝搬する偏光の分離および結合を
容易にした偏光分離結合導波路に関する。

＜技術的背景＞近年、光エレクトロニクスの発達に伴ない光回路を構成
する光学系、つまり光回路素子も大きく変化した。すな
わち、最初の光回路は光伝送系内にレンズ、反射鏡、プ
リズムなどのバルク形素子を個別に、伝送する光を結合
する光回路素子として系内に配置した構造のものであり
伝送する光ビームの径が大きく、分解能も高いものであ
った。またレンズ間隔を大きくとるのが普通であるた
め、系全体が大型化せざるを得なかった。このため機械
的安定性、信頼性、生産性等を総合的に考えると、必ず
しも光エレクトロニクス的機能が十分に果されていると
は言えなかった。

また、光伝送路として光ファイバが発展するにつれて、
光ファイバ間を結合する光回路素子を小形化する要望が
強くなり、直径数mmのロッド状レンズを基本構成にした
微小光学回路の開発が盛んになってきた。微小光学回路
は基本的に、古典光学回路の構成と異なっているわけで
はなく、プリズム、回折格子、偏光フィルタ、半透明鏡
などのバルク形個別光回路素子を小型化し、光ファイバ
と軸合せして配置したものである。

この微小回路は、その後一層の小形化、高性能化、高信
頼化を目的として導波形光回路が提案された。導波形光
回路は薄膜光導波路を利用し、基板に垂直方向のみに光
を閉じ込め薄膜内を光伝搬させるもので、光回路素子と
して一次元レンズ、プリズムなどを配置した構造のもの
である。

また、最近になり第８図に示すように基板１上に形成し
た薄膜誘電体導波路２、によって入射光を基板１に対し
垂直方向、あるいは垂直・水平の両方向で閉じ込め、薄
膜誘電体導波路２内を伝搬させる導波路型光回路が提案
されている。この導波路型光回路は、光回路素子として
レンズ、プリズムあるいは分布結合部、Ｙ分岐などを配
置している。

特に、垂直、水平両方向で光を閉じ込めた、単一モード
を光導波路は、光伝送路の主流となりつつある単一モー
ド光ファイバとの整合性も良く、種々の応用が提案され
ている。その一つとして光分岐合成に用いられる方向性
結合器がある。これは、通常、１枚の基板に作られた二
本の隣接した単一モード光導波が、結合部でもって近接
させたもので、この近接した部分で、両方の導波路間に
おいてエバネセント結合により電力パワーの移行が生じ
ることが知られている。

この近接した部分の流さを結合長といい、この結合長
が、完全結合長の奇数倍になるとき、一方の光導波路へ
入射したパワーが他方の光導波路へ完全に移行する完全
結合となる。

このような完全結合になっている方向性結合器において
は、一方の導波路へ入射したパワーは、他方の導波路か
らそれぞれのパワーを交換するように出力され、二入力
を一出力に合成することができない。また、二入力を一
出力に結合するために、結合効率を50％とすると、原理
的に3dBのパワー損失を生じ、光回路の低損失性を実現
できない。このため、半導体レーザを光原とする光伝送
形において、この方向性結合器を用いて、光源の多重
化、あるいは双方向光伝送用合板、分波回路を実現する
と、入出力端数が増加する分、パワーの損失が増大し、
光源からの出力光を有効に利用できない欠点がある。

これらの光回路においては、小形であるが高強度の単色
光を放射する半導体レーザを光源に用いている。この半
導体レーザ光は、偏光しているため、これを利用し、バ
ルク型光回路では、誘電体多層膜で形成した偏波プリズ
ムのS,P偏光となるように２個の半導体レーザ出力光の
偏波面をそれぞれ設定し、原理的にパワー損失が零で２
入力が１出力に合成できるような偏光合成回路が提案さ
れ、現実に海底光中継器の半導体レーザ予備構成に適用
されていることが、米国電子電気学会（IEEE）発行の
「アイ・イー・イー・イー・ジャーナル・オン・セレク
テッド・エーリヤズ・イン・コミュニケーションズ・
（IEEE Journal on selected Areas in Communication
s）」SEC−２（1984）No.6,pp.1020〜1026において報告
された論文『海中光伝送システム用の偏光成分を用いた
LD冗長システム（LD Redundancy System Using Polari
zation Components for a Submarine Optical Transmis
sion System）』に述べている。

しかしこの種のバルク形個別素子を光回路素子として配
置した光導波路や光ファイバ伝送路を用いるときは、こ
の他にさらにレンズなどの光回路素子を配置する必要が
あり、光回路全体として大型化し、構成部品が多くなる
ため安全性に欠ける。

一方、米国光学協会（Optical Society of America）主
催の『コンファレンス・オン・レーザース・アンド・エ
レクトロ−オプティックス′85（Conferences on Laser
s and Electro−Optics′85）』pp.366〜367の報告“Ih
Z9"において、アール・エッチ・ストーレン氏R.H.Stole
n）他は、偏波保持ファイバを組込んだ石英ブロックを
研磨しすり合せ結合せ結合した偏波分離型方向性結合器
を有する導波路を提供した。

＜発明が解決しようとする問題点＞しかし、上述した偏波保持ファイバを組み込んだ石英ブ
ロックすり合せ結合の偏波分離型方向性結合器を有する
導波路は、双方の偏波の伝搬定数が不一致のため完全結
合せず、一方の偏波を分離するのに3dBの損失があるこ
とが示されている。また、この形の偏波分離型方向性結
合器は集積化に適しない欠点もある。

本発明は、このような従来の偏光分離結合導波管の欠点
を除去するためになされたものであって、各導波路にそ
れぞれ入射する偏波面の異なる偏光を容易に分離、結合
できると共に、容易に集積化でき、光ファイバ導波路と
の整合性にも優れた偏光分離結合導波路を提供しようと
するものである。

＜問題点を解決するための手段＞本発明者等は、このような目的を達成すべく種々研究を
重ねた結果、次のような知見に達した。

第１図に示すように誘電体基板１に隣接して二本の平行
導波路2,3を設けると、各導波路の漏れ電界のため、一
定近距離に近づくと平行導波路間に電力結合があり、一
方の導波路の電力パワーは他方の導波路の電力に移行す
る現象があること、したがって、各導波路３内に入射す
る光がそれぞれ異なる偏波面、たとえば互いに直交する
ｘ方向、ｙ方向の偏光成分をもっているときは、導波路
２から３への結合電力のｘ方向、ｙ方向の偏光成分はそ
れぞれここで、Pxo,Pyoは導波路２に入射される、ｘ方向ある
いはｙ方向の偏光成分、kx,kyは各偏光成分に対する導
波路間の結合係数Ｌは平行導波路の長さ、Lx,Lyはそれ
ぞれｘ方向,y方向成分の結合長である。また、であって、βx₂,βy₂はそれぞれ導波路２のｘ方向,y方
向偏光の伝搬定数、βx₃,βy₃は導波路３のｘ偏光、ｙ
偏光に対する伝搬定数である。

いま、ｘ方向の偏光について完全結合した場合を考え
て、δｘ＝０とおくと、完全結合長は Lx＝π/2kx となる。

偏波結合長Ｌを、Ｌ＝Lxに設計したときは、ｙ方向の偏
光成分が電力結合をおこさない条件は、Lx＝2Lyであ
り、このときのｙ偏光成分の結合係数はここで、 ky＝2Kxでるならば、δｙ＝０となり、導波路2,3は全く
同質の導波路でよいことになる。

しかし、導波路2,3に対し、幾何学的にky＝2Kxを満足す
る結合器を形成することは不可能である。

そこで、このような場合にも、完全結合させようとする
ときはｘ方向,y方向の偏光に対する導波路の屈折率を異
ならしめればよいことがわかった。

しかし、ky＜2Kxの場合、特に通常の等方性媒質では、K
yKxである。したがって、δｙを考慮しなければ、条
件を満足しない。

また、単一モード光導波路では、ｘ方向、ｙ方向の寸法
を変えることによるｘ方向、ｙ方向の偏光成分の伝搬定
数に与える影響は同程度であり、δｘδｙである。

いま、δｙを条件を満足する値とすると、δｘ＝０と
はならない。δｘ≠δｙとするためには、基板１が複屈
折性誘電体なら、各導波路2,3上に結晶層4,5を導波路よ
り屈折率が低い等方性誘電体あるいは複屈折性誘電体で
形成し、また基板１が等方性誘電体なら結晶層4,5を複
屈折性誘電体で形成することによって等価的にｘ方向、
ｙ方向それぞれの偏光に対する導波路屈折率の差を大き
くすることでx,y方向偏光の伝搬定数差を大きくし、か
つ結晶層4,5としてそれぞれ屈折率の異なった結晶を用
いることによって各偏光成分の導波路の違いによる伝搬
定数差を誘起することができる。

いま、とすると、となる。

そこで、導波路寸法変化に対する各偏光成分の伝搬定数
変化量は、ほとんど同じであるので導波路３の形状をβ
x₃＝βx₂となるように設定すると、δｘ＝０、δｙ＝δ
_２−δ_３となる。

したがって、条件を満足するようにδｙを結晶層4,5
の屈折率および導波路３の形状効果で設定することによ
って、ｘ偏光に対しては完全結合、ｙ偏光に対しては全
く結合しない偏光分離結合導波路を形成できる。そし
て、導波路2,3の結合長（mm単位）と導波路３の光出力
／導波路２の光入力の関係を、それぞれｘ偏光、ｙ偏光
について示せば、第２図の特性曲線a,bのごとくなる。
この特性曲線からβx₃＝βx₂を実現するときは、導波路
2,3の屈折率を違はせればよいことがわかった。

以上の知見は、ｘ偏光を完全結合させる場合の方法であ
るが、δｙ＝０とし、ｙ偏光を完全結合させることもで
きる筈である。

本発明はこのような知見に基づいて完成されたものであ
って、同一の誘電体基板に互いに隣接して設けた少くと
も二本の、誘電体基板より高屈折率でかつ複屈折性また
は等方性物質からなる導波路と、各導波路上面および／
又は下面に設けた導波路構成物質より低屈折率で等方性
または複屈折性を有しかつ各導波路対応して別々に設け
られて互いに屈折率を異ならしめた結晶層とから形成
し、各導波路の形状・寸法および／又は構成物質を、各
導波路の伝搬定数が一の偏波面をもつ第１の偏光に対し
ては互いに一致するが、第１の偏光と直交する偏波面を
もつ第２の偏光に対しては前記第１の偏光が完全結合す
る結合長では結合しないように形成したことを特徴とす
るものである。

本発明において、誘電体基板に等方性誘電体板を用いる
と共に、導波路上に設ける結晶層を複屈折性結晶で構成
することができる。

また、本発明においつは導波路上に設ける結晶層は、導
波路構成物質が等方性誘電体のときは導波路構成物質と
異なる屈折率をもつ複屈折性結晶で構成し、導波路構成
物質が複屈折性誘電体のときは導波路構成物質より低屈
折率で複屈折性または等方性の結晶で形成することもで
きる。

＜作用＞以上のように誘電体基板の上面および／又は上面に隣接
し少くとも二本の誘電体導波路を設けてあるから、各導
波路のもれ電界により電力結合がおこる。

本発明の偏光分離結合導波路においてはさらに、各導波
路の上面および／又は下面に導波路構成物質より低屈折
率で等方性または複屈折性の結晶層を設けてあるから、
各導波路の幾何学的形状、寸法による結合長がそれぞれ
の導波路に入射し偏波面が互いに異なっている偏光成分
に対して異なっていても、各結晶層の構成物質を適当に
選択することによって、各偏光成分に対し完全結合させ
ることができる。

また、これとは反対に結晶層あるいは導波路の構成物質
の種類によって、各導波路に入射する偏光に対する結合
条件が充たされていなくても、導波路の形状・寸法を変
えることによって完全結合させることができる。

＜実施例＞つぎに、本発明の代表的な実地例および応用例を挙げ
て、本発明の内容をより具体的に説明する。ただし、説
明を簡単にするため、誘電体基板に形成した導波路は二
本のものについて説明する。二以上の導波路についても
同様に行なうことができることはいうまでもない。

実施例１誘電体基板にLiNbO₃Z板１を選び、LiNbO₃Z板１の一方の
側に高さ3.3μｍ、幅４μm,長さ30mmの導波路２と、導
波路２から7.8μｍ離れ、かつ中央部が導波路２側に大
きく湾曲して突出させかつ近接するように設けた断面が
方形の導波路３（ただし、高さ3.43μm,幅４μm,長さ30
mm）を設けた。

ただし、導波路2,3の屈折率差が、1.55μｍの光に対し
0.3％であるように形成した。

その後、LiNbO₃Z板１の導波路設置側に、屈折率が２お
よび１の結晶層4,5を形成せしめ、第３図（ａ），
（ｂ），（ｃ）で示す構造の偏光分離結合導波路８を作
った。

得られた偏光分離結合導波路８の導波路２にはｘ偏光
を、また導波路３にｙ偏光を入力したところ、ｘ偏光は
導波路３と100％結合し、ｙ偏光はそのまま導波路３か
ら出射した。

また、導波路２にｙ偏光を入力したときは導波路３と結
合せず、導波路２および３からｙ偏光が100％出力され
る完全分離導波路になることがわかった。

本実施例の説明は、ｘ偏光を完全結合させる例を示した
ものであるが、δｙ＝０として、ｙ偏光を完全結合させ
る場合も、全く同様にして行うことができる。

また、本実施例は導波路２および３の断面は方形状の導
波路のものについて説明したが、後述する、熱拡散導波
路作製法にしたがって作成した屈折率分布が指数関数的
に分布した非方形導波路にも適用できる。

実施例２第４図に示すようにLiNbO₃Z板１に形成した導波路２お
よび３の上下面にそれぞれ結晶層4,5および6,7を設けた
以外は、第３図（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す偏光分離
結合導波路８と同様の方法で偏光分離結合導波路8aを作
製した。

このようにすることによって、導波路および３内を伝搬
するｘ偏光,y偏光の伝搬定数差を実施例１の場合に較べ
て大きくでき（導波路に与える影響が実施例１に較べて
大きい。）、その分、結晶層4,5,6,7と導波路2,3の屈折
率差が実施例１より小さくても実施例１と同様の特性が
得られる。

本実施例1,2に示す偏光分離結合導波路は誘電体基板の
上部にスパッタ蒸着法エピタキシャル成長法等によって
高屈折率膜を形成して作られる。たとえば次のような熱
拡散法のプロセスで製作される。

イ．まず、誘電体基板としてLiNbO₃Z板を使用し、ホト
リソグラフィ法で、LiNbO₃Z板１上に示すようにストラ
イプ２と、ストライプ2aに対し中央で円弧状の凸部を形
成して接近するように伸延したストライプ３をマスク転
写し、ロ．その後、マスクを介してTiをLiNbO₃Z板１上に蒸着
させ1000〜1500℃に加熱し、Tiを基板内に熱拡散させて
導波路2,3を形成させた。

ハ．その後さらに、LiNbO₃Z板１上に高屈折率ガラスを
蒸着し、導波路３側の高屈折率ガラス層４をエッチング
除去した後、さらにエッチング側の導波路３側に別の高
屈折率ガラス層５を形成し、第３図の偏光分離結合導波
路８を得るようにしてもよい。

つぎに、本発明の偏光分離結合導波路を利用した応用例
として、各種の光制御装置について説明する。

応用例１第５図に示すように、光集積回路20の導波路2,3の一部
に、本発明の偏光分離結合導波路部８を構成せしめ、座
標軸に示すｘ方向の偏光成分に対して完全結合するよう
に設けておく。

この構造の光集積回路20の導波路２に矢印方向にｘ偏光
を入力すると、導波路３から出射するが、ｙ偏光を導波
路２に入射させるとそのまま導波路２側から出射され
る。

したがって、この偏光分離結合導波路８を使用して導波
路２にｙ偏光、導波路３にｘ偏光を入射させると、偏光
分離結合導波路８で結合し、x,yいずれの偏光も導波路
２のみから出射する偏光結合器となる。これは半導体レ
ーザのように、出力光が偏光しているものの出力光を一
つの導波路に結合しようとするものに適している。

応用例２第６図に示すように、LiNbO₃のような電気光学結晶板を
基板とする光集積回路20の導波路2,3の一部に、偏光分
離結合導波路部８を形成させると共に、導波路３の対向
二側面に、電極9,10を設け、かつ電極9,10を電圧源11に
接続する。

この構造の装置においては、電極9,10に加える電圧零の
ときは、導波路２に入射したｘ偏光が導波路３から出射
するように調節しておき、次に電極9,10に電圧を供給す
ると、導波路３の伝搬定数が変化し、ｘ偏光は全く結合
せず、導波路２からそのまま出射するから偏光光スイッ
チとして利用できる。

応用例３第７図に示すように光集積回路20の導波路2,3の入力側
にｘ−ｙ偏光変換器14,15を設けると共に、光集積回路2
0の一部に偏光分離結合導波路部８を形成させておく。
そして、この構造の光集積回路の偏光分離結合導波路部８を、予
めｘ偏光に完全結合させておく。この装置は、導波路２
にｘ偏光が入射する場合は、導波路３からｘ偏光が出射
するが、入射光の偏波面が回転したときｙ偏光成分が生
じ、そのまま導波路２から出力される。

そして、導波路２の出力を光−電気変換し、その電気出
力でｘ−ｙ偏光変換器を、導波路２の出力が最小になる
ように制御せしめ、導波路３から常に最大のｘ偏光を出
射できる偏波面補償回路にすることができる。

応用例４また、上述の構成（第７図参照）の装置構成において、
ｘ−ｙ偏光変換器15により、入射偏光をｘ偏光からｙ偏
光に変換することで、出力端を導波路３から導波路２へ
切替える光スイッチとして利用することもできる。

また、同じように、導波路２に、ｘ−ｙ偏光変換器14を
設けることにより導波路３の入力についても制御でき
る。本応用例で用いるｘ−ｙ偏光変換器は基板としてLi
NbO₃結晶Ｚ板を用い、電圧印加したときの電気光学効果
を利用して行わせるものである。

＜発明の効果＞以上の説明から明らかなように、本発明の偏光分離結合
導波路は、誘電対基板に少くとも二本の導波路を設けた
上、各導波路上および／又は下面に結晶層を形成すると
共に、一の偏光成分に対して完全結合し、これと異なる
偏波面をもつ他の偏光成分に対しては、前記一の偏光の
完全結合長は結合しないように形成するだけの構成で、
低損失の偏光分離導波路を実現できる。

また、本発明にかかる偏光分離結合導波路を利用すれ
ば、半導体レーザ、光ファイバを入出力とする偏光光結
合器、あるいは入射条件が直線偏光である光集積回路の
偏光フィルタ、光スイッチ、偏光補償回路が容易に形成
できる。

さらに、容易に光集積回路に構成することもできる等利
点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本願発明の構成原理の説明図、第２図は本発
明の偏光分離結合導波路における一方の導波路への偏光
の光入力対他方の導波路からの偏光の光出力の特性図、
第３図（ａ）（ｂ）（ｃ）はそれぞれ本発明の一実施例
の偏光分離結合導波路の外観斜視図、基板斜視図および
ｘ−ｘ要部断面図、第４図（ａ）（ｂ）は本発明の他の
実施例の偏光分離結合導波路の外観斜視図、およびＹ−
Ｙ要部断面図、第５図〜第７図は本発明の偏光分離結合
導波路の応用例の偏光結合器、偏光光スイッチ、偏波面
補償回路、および切替スイッチの概略構成図、第８図は
従来の薄膜誘電体回路の構成を示す斜視図である。図面中、１……誘電体基板、 2,3……導波路、 4,4a,5,6,7……結晶層、 8,8a……偏光分離結合導波路、 9,10……電極、 11……電圧源、 14,15……ｘ−ｙ偏光変換器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】同一の誘電体基板に互いに隣接して設けた
少なくとも二本の、誘導体基板より高屈折率でかつ複屈
折性または等方性物質からなる導波路と、各導波路の上
面および／または下面に設けた導波路構成物質より低屈
折率で等方性または複屈折性を有しかつ各導波路に対応
して別々に設けれて互いに屈折率を異ならしめた結晶層
とから形成し、各導波路の形状・寸法および／又は構成
物質を、各導波路の伝搬定数が一の偏波面をもつ第１の
偏光に対しては互いに一致するが、第１の偏光と直交す
る偏波面をもつ第２の偏光に対して前記第１の偏光が完
全結合する結合長では結合しないように形成したことを
特徴とする偏光結合結合導波路。
【請求項２】前記偏光分離結合導波路において誘電体基
板に等方性誘電体基板を用いると共に、導波路上に設け
る結晶層は複屈折性結晶で構成することを特徴とする特
許請求の範囲第（１）項記載の偏光分離結合導波路。
【請求項３】前記偏光分離結合導波路において、導波路
上に設ける結晶層は、導波路構成物質が等方性誘電体の
ときは導波路構成物質と異なる屈折率をもつ複屈折性結
晶で構成し、導波路構成物質が複屈折性誘電体のきは導
波路構成物質より低屈折率で複屈折性または当方性の結
晶で形成することを特徴とする特許請求の範囲第（１）
項に記載の偏光分離結合導波路。