JPH1123874A - スターカプラおよび光合分波素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 第１の入出力導波路３５₁ 〜３５₅ のいずれ
から光を入力しても、光損失をなるべく同じにする。 【解決手段】 第１の端面３３ａの複数箇所から平面導
波路３３中の１つの基準点Ｐを通り第２の端面３３ｂに
至る複数の直線３９₁ 〜３９₅ を仮定する。第１の入出
力導波路３５₁ 〜３５₅ は、前記複数の直線３９₁ 〜３
９₅ と第１の端面３３ａとの交点で、平面導波路３３と
接続してある。第２の入出力導波路３７₁〜３７₅ は、
前記複数の直線３９₁ 〜３９₅ と第２の端面３３ｂとの
交点で、平面導波路３３と接続してある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、スターカプラお
よびこれを用いた光合分波素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】任意の入力導波路から入力した光を複数
の出力導波路に分配する素子は、スターカプラと称され
ている。従来のスターカプラの一例として、例えば文献
Ｉ（オプチクスレターズ（Optics Letters），Vol.17 p
p.499-501）の特にＦｉｇ．１（ｂ）に開示のものがあ
る。このスターカプラは、図５に平面図で示したよう
に、第１の端面１１ａおよび第２の端面１１ｂを有した
平面導波路１１と、第１の端面１１ａで平面導波路１１
に接続された複数の第１の入出力導波路１３₁ 〜１３₅
と、第２の端面１１ｂで平面導波路１１に接続された複
数の第２の入出力導波路１５₁ 〜１５₅ とを、基板（図
示せず）に具える。ただし、第１の入出力導波路１３₁
〜１３₅ は、第２の端面１１ｂ上に仮定した第１の基準
点Ｐ１から第１の端面１１ａ上の複数箇所に至る複数の
直線１７₁ 〜１７₅ を考え、これら直線１７₁ 〜１７₅
の延長線上に配置されている。また、第２の入出力導波
路１５₁ 〜１５₅ は、第１の端面１１ａ上に仮定した第
２の基準点Ｐ２から第２の端面１１ｂ上の複数箇所に至
る複数の直線１９₁ 〜１９₅ を考え、これら直線１９₁
〜１９₅ の延長線上に配置されている。然も、第１の入
出力導波路１３₁ 〜１３₅ 中の中央の入出力導波路１３
₃ と、第２の入出力導波路１５₁ 〜１５₅ 中の中央の入
出力導波路１５₃ とが、同軸になるよう、第１および第
２の基準点は設計されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のスターカプラの構造では、第１の入出力導波路
１３₁ 〜１３₅ と、第２の入出力導波路１５₁ 〜１５₅
との間で、同軸の配置関係となる入出力導波路は、第１
の入出力導波路１３₃ と第２の入出力導波路１５₃ と
の、１組しかない。

【０００４】これら入出力導波路１３₃ ，１５₃ を除い
た他の第１および第２の入出力導波路は、第１および第
２の基準点Ｐ１，Ｐ２を結ぶ線分に対し同じ角度を示す
入出力導波路同士、例えば第１の入出力導波路１３₁ お
よび第２の入出力導波路１５₅ 同士や、第１の入出力導
波路１３₂ および第２の入出力導波路１５₄ 同士であっ
ても、軸がずれた配置関係となっていた。

【０００５】したがって、この従来のスターカプラの場
合、第１の入出力導波路１３₁ 〜１３₅ のうち、第１お
よび第２の基準点Ｐ１，Ｐ２を結ぶ線分に対する角度の
大きな導波路からの光を入射する程（１３₁ 、１３₅
等）、第２の入出力導波路１５3 に対する入射角が大き
くなるため、光の損失が大きくなってしまうという問題
がある。

【０００６】光の入射位置に起因する光損失を従来に比
べ低減できる構造のスターカプラが望まれる。また、こ
のようなスターカプラを用いた光合分波素子が望まれ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】

（１）．そこで、この出願のスターカプラの第１の発明
によれば、第１の端面および第２の端面を有した平面導
波路と、前記第１の端面で前記平面導波路に接続された
複数の第１の入出力導波路と、前記第２の端面で前記平
面導波路に接続された複数の第２の入出力導波路とを具
えたスターカプラにおいて、前記第１の端面の複数箇所
から前記平面導波路中の１つの基準点を通り前記第２の
端面に至る複数の直線を考える（仮定する）。そして、
前記第１の入出力導波路は、前記複数の直線と前記第１
の端面との交点で、前記平面導波路と接続し、前記第２
の入出力導波路は、前記複数の直線と前記第２の端面と
の交点で、前記平面導波路と接続した構造とする。

【０００８】このスターカプラの第１の発明によれば、
第１の入出力導波路それぞれに対し、複数の第２の入出
力導波路中に同軸の関係を持つ第２の入出力導波路が必
ず１本存在するようになる。然も、それぞれの第１の入
出力導波路は、これと同軸の関係となる第２の入出力導
波路の両側に順次に配置された第２の入出力導波路に対
し、ある角度（実施の形態でΔθ／２として説明）ずつ
順次にずれた角度で対向する関係となる。すなわち、い
ずれの第１の入出力導波路も、それと同軸の第２の入出
力導波路を中心として複数の第２の入出力導波路と対向
するという配置関係を、第２の入出力導波路に対し持つ
ようになる。このため、入出力導波路の位置が端とか中
央とかにかかわらず、いずれの第１の入出力導波路から
光を入れても、光に対し同様な条件が形成される。した
がって、従来に比べ光の入射位置に起因する光損失が少
ない、スターカプラが実現される。

【０００９】また、スターカプラの第２の発明によれ
ば、第１の発明が１つの基準点を設定していたのに対
し、前記平面導波路中に、互いの遠ざかる距離の最大値
を入出力導波路の幅に制限した第１の基準点および第２
の基準点を設定する。そして、この第１の基準点から前
記第１の端面の複数箇所に至る複数の第１の直線を考
え、かつ、この第２の基準点から前記第２の端面の複数
箇所に至る複数の第２の直線を考える。そして、前記第
１の入出力導波路は、前記複数の第１の直線と前記第１
の端面との交点で、前記平面導波路と接続し、前記第２
の入出力導波路は、前記複数の第２の直線と前記第２の
端面との交点で、前記平面導波路と接続した構造とす
る。

【００１０】このスターカプラの第２の発明の場合は、
第１の入出力導波路それぞれに対し、複数の第２の入出
力導波路中に、実質的に同軸な関係を持つ第２の入出力
導波路が必ず１本存在するようになる。ここで、実質的
に同軸とは、第１および第２の基準点がずれた分だけ軸
ずれが存在する意味である。また、それぞれの第１の入
出力導波路は、これと実質同軸の関係となる第２の入出
力導波路の両側に順次に配置された他の第２の入出力導
波路に対し、ある角度（実施の形態でΔθ／２として説
明）ずつ順次にずれた状態で対向する関係となる。その
ため、スターカプラの第１の発明と同様な効果が得られ
る。また、基準点を２つとした方が、スターカプラを設
計する上で自由度が増える等便宜なことも多い。そのよ
うな場合にこの第２の発明は有効である。

【００１１】なお、スターカプラの第１の発明および第
２の発明を実施するに当たり、この発明に係るスターカ
プラを前記第１の端面および第２の端面が重なるよう平
面導波路の中心で折り返した構造に相当する構造を作製
し、該構造の折り返し部分に反射構造を設けても良い。
こうすると、平面導波路の大きさを半減できるので、ス
ターカプラの小型化が図れる。また、第１の入出力導波
路および第２の入出力導波路を兼用できるので、入出力
を同一端面で行なう場合に便宜である。

【００１２】また、光合分波素子の発明によれば、スタ
ーカプラと、これに接続された、光路長が異なる複数の
導波路アレイとを具えた光合分波素子において、前記ス
ターカプラとして、上記のスターカプラの発明に係るス
ターカプラを具えたことを特徴とする。この光合分波素
子によれば、スターカプラの発明の作用が得られるの
で、光損失が従来に比べ少ない光合分波素子が実現され
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照してこの出願の
各発明の実施の形態について説明する。しかしながら、
説明に用いる各図はこの発明を理解出来る程度に概略的
に示してあるにすぎない。また、各図において同様の構
成成分については同一の番号を付して示し、その重複す
る説明を省略することもある。

【００１４】１．スターカプラの第１の発明 図１（Ａ）は、スターカプラの第１の発明の実施の形態
を説明する図であり、この実施の形態のスターカプラ３
０の平面図である。

【００１５】この実施の形態のスターカプラ３０は、基
板３１に、平面導波路３３と、複数の第１の入出力用導
波路（図では３５₁ 〜３５₅ ）と、複数の第２の入出力
導波路（図では３７₁ 〜３７₅ ）とを具える。以下、こ
れら構成成分３１〜３７₅ について説明する。

【００１６】基板３１は、例えば化合物半導体基板、ま
たはガラス基板、またはポリマー等、二次元導波路構造
および三次元導波路構造の作製が可能な任意好適な基板
で構成出来る。

【００１７】また、平面導波路３３は、第１の端面３３
ａおよび第２の端面３３ｂを有する。ただし、第１およ
び第２の端面３３ａ，３３ｂが、ある点を中心とする円
の円周で規定される曲面となった、平面導波路としてあ
る。この平面導波路３３は、いわゆる二次元光導波路構
造により実現できる。

【００１８】また、第１の入出力導波路３５₁ 〜３５₅
は、平面導波路３３の第１の端面３３ａで、この平面導
波路３３とそれぞれ接続され、第２の入出力導波路３７
₁ 〜３７₅ は、平面導波路３３の第２の端面３３ｂで、
この平面導波路３３とそれぞれ接続された、配置として
ある。

【００１９】ただし、これら第１および第２の入出力導
波路３５₁ 〜３５₅ 、３７₁ 〜３７₅ は、平面導波路３
３に対し以下の様に接続してある。すなわち、平面導波
路３３の第１の端面３３ａの複数箇所から、平面導波路
３３中に設定した基準点Ｐを通り、この平面導波路３３
の第２の端面３３ｂに至る複数の直線３９₁ 〜３９₅を
考える（仮定する）。そして、これら複数の直線３９₁
〜３９₅ と、平面導波路３３の第１の端面３３ａとの交
点に、第１の入出力導波路３５₁ 〜３５₅ を接続してあ
る。また、これら複数の直線３９₁ 〜３９₅ と、平面導
波路３３の第２の端面３３ｂとの交点に、第２の入出力
導波路３７₁ 〜３７₅ を配置してある。この実施の形態
では、この基準点Ｐの位置を、第１の端面３３ａ、第２
の端面３３ｂを規定する上述の点の位置としてある。た
だし、基準点Ｐの位置は他の位置でも良い。

【００２０】なお、前記仮定する直線３９₁ 〜３９₅
は、隣接する直線同士のなす角度が等しくなるよう仮定
しても、同角度が異なるよう仮定してもいずれでも良い
が、前者のように直線を仮定した方がスターカプラの設
計を簡単にできるので好ましい。

【００２１】これら入出力導波路３５₁ 〜３５₅ 、３７
₁ 〜３７₅ それぞれは、任意好適な三次元光導波路構造
により実現できる。例えば、基板表面近くに高屈折率な
領域を形成するいわゆる埋め込み型導波路構造は、これ
ら入出力導波路３５₁ 〜３７₅ を実現する１構造例とし
て挙げられる。

【００２２】なお、第１および第２の入出力導波路それ
ぞれの本数は図示例に限られない。然も、両者の本数は
異なる場合があっても良い。

【００２３】次に、この実施の形態のスターカプラ３０
の動作および作用について、図１（Ｂ）を参照して説明
する。

【００２４】例えば第１の入出力導波路３５₂ に光が入
力された場合を考える。すると、この光は、この第１の
入出力導波路３５₂ と平面導波路３３との接点から、平
面導波路３３内に広がってゆく。そして、第２の入出力
導波路３７₁ 〜３７₅ に入力された後、外部に出力され
る。

【００２５】このスターカプラ３０の中心線Ｃとして、
第１の入出力導波路側と、第２の入出力導波路側とを結
ぶ線分でかつ基準点Ｐを通る線分を仮定する。この実施
の形態では、第１の入出力導波路３５₁ 〜３５₅ の中の
中央の導波路３５₃ と、基準点Ｐと、第２の入出力導波
路３７₁ 〜３７₅ の中の中央の導波路３７₃ とを結ぶ線
分を、中心線Ｃと考える。もちろん、中心線Ｃは入出力
導波路上に位置にしない場合でも良い。

【００２６】第１の入出力導波路３５₁ 〜３５₅ それぞ
れが、この中心線Ｃに対してなす角を、θ_s とする。た
だし、ｓは第１の入出力導波路３５₁ 〜３５₅ と対応さ
せた特定の数であり、第１の入出力導波路３５₁ 〜３５
₅ の順でいって、−２，−１，０，１，２である。

【００２７】また、第２の入出力導波路３７₁ 〜３７₅
それぞれが、この中心線Ｃに対してなす角をθ_t とす
る。ただし、ｔは第２の入出力導波路３７₁ 〜３７₅ と
対応させた特定の数であり、第２の入出力導波路３７₁
〜３７₅ の順でいって、２，１，０，−１，−２であ
る。

【００２８】なお、もし中心線Ｃ上に入出力導波路を設
けない場合は、ｓやｔは０をとらない。また、入出力導
波路数が増えれば、それに応じｓやｔは、３以上や−３
以下の値にもなる。

【００２９】また、第１の入出力導波路３５₁ 〜３５₅
のうちのある導波路から入力された光が、第２の入出力
導波路３７₁ 〜３７₅ に入射する角度をθ_stとすると、
θ_stは、θ_st＝｜θ_t −θ_s ｜／２と表される。

【００３０】ここで、分かり易い例として、隣り合う入
出力導波路がなす角度を一定角度Δθと考えると、θ_t
＝ｔ・Δθ、θ_s ＝ｓ・Δθとなる。すると、上記θ_st
は、下記の式で表せる。

【００３１】 θ_st＝Δθ｜ｔ−ｓ｜／２ ・・・ これから分かるように、入射角θ_stは、第１の入出力導
波路および第２の入出力導波路それぞれの中心線Ｃに対
する相対的な角度のみで決まることが理解出来る。すな
わち、第１の入出力導波路３５₁ 〜３５₅ の中のいずれ
から光を入れても、第２の入出力導波路３７₁ 〜３７₅
それぞれに対する光の入射角はΔθ／２ずつ順次にずれ
た角度になる。しかも、ｔ＝ｓの関係を満たす第２の入
出力導波路が必ず１つあって、その導波路に対しては、
光はまっすぐ入力される。これらについて、具体的に説
明すれば、次の通りである。

【００３２】例えば第１の入出力導波路３５₂ から光を
入れた場合、この光の、第２の入出力導波路３７₁ 〜３
７₅ それぞれに対する入射角θ_stは、上記の式で与え
られる。したがって、 θ_-12 ＝Δθ｜２−（−１）｜／２＝３Δθ／２ θ_-11 ＝Δθ｜１−（−１）｜／２＝２Δθ／２＝Δθ θ_-10 ＝Δθ｜０−（−１）｜／２＝Δθ／２ θ_-1-1＝Δθ｜−１−（−１）｜／２＝０ θ_-1-2＝Δθ｜−２−（−１）｜／２＝−Δθ／２ となる。

【００３３】また、例えば第１の入出力導波路３５₅ か
ら光を入れた場合、この光の、第２の入出力導波路３７
₁ 〜３７₅ それぞれに対する入射角θ_stも、上記の式
で与えられる。したがって、 θ₂₂＝Δθ｜２−２｜／２＝０ θ₂₁＝Δθ｜１−２｜／２＝−Δθ／２ θ₂₀＝Δθ｜０−２｜／２＝−Δθ θ_2-1 ＝Δθ｜−１−２｜／２＝−３Δθ／２ θ_2-2 ＝Δθ｜−２−２｜／２＝−２Δθ となる。

【００３４】上記の２つの例示からも明らかなように、
この発明のスターカプラでは、それぞれの第１の入出力
導波路と同軸の関係になる第２の入出力導波路（θ_st＝
０のもの）が、第２の入出力導波路３７₁ 〜３７₅ 中に
必ず１本存在する。然も、それぞれの第１の入出力導波
路は、これと同軸の関係となる第２の入出力導波路の両
側に順次に配置された第２の入出力導波路に対し、Δθ
／２ずつ順次にずれた角度で対向する関係となる。

【００３５】これらのため、この発明のスターカプラで
は、第１の入出力導波路３５₁ 〜３５₅ のいずれから光
を入力しても、光を入力した第１の入出力導波路と同軸
の関係の第２の入出力導波路に対して、この光は真っ直
ぐに進み、かつ、該同軸の関係の第２の入出力導波路の
両側の第２の入出力導波路それぞれに対して、この光
は、Δθ／２ずつ順次にずれた角度をもって進む。その
ため、端に位置する第１の入出力導波路から光を入射す
る程光の損失が大きいという従来の問題を、解決でき
る。

【００３６】従来の問題点が解決されるか否かの確認の
意味で、次のシミュレーションを行なった。すなわち、
第１の入出力導波路から光を入射した際の、このスター
カプラ３０での光の分布を、公知のＢＰＭ（Beam Propa
gation Method ）によりシミュレーションした。その結
果、光を入射した第１の入出力導波路と同軸の関係の第
２の入出力導波路から出力される光のレベルは、光を入
射する第１の入出力導波路が第１の入出力導波路３５₁
〜３５₅ のうちのいずれかにかかわらず、同じであるこ
とが確認された。

【００３７】なお、この発明では、以下に図２を参照し
て説明するような構造としても良い。スターカプラ３０
を、上記の基準点Ｐを通る線分で上記の第１の端面３３
ａおよび第２の端面３３ｂが重なるよう折り返した構造
に相当する構造４１を作製する。そして、この構造４１
の前記基準点Ｐ側の端面に、光を入出力導波路３５₁〜
３５₅ 側に反射する反射構造４３を設け、これら構造４
１と、反射構造４３とでスターカプラ４５を構成しても
良い。こうすると、図１の構造に比べ、スターカプラの
長さをほぼ半分にできるので、スターカプラの小型化が
図れる等、種々の効果がさらに得られる。

【００３８】２．スターカプラの第２の発明 図３（Ａ）〜（Ｃ）は、スターカプラの第２の発明の実
施の形態を説明する図である。いずれも、この実施の形
態のスターカプラ５０の平面図である。ただし、図３
（Ｃ）は要部のみの説明図としてある。

【００３９】第１の発明では、第１の入出力導波路３５
₁ 〜３５₅ と第２の入出力導波路３７₁ 〜３７₅ とを、
平面導波路３３内の１つの基準点Ｐを通る複数の直線を
元に配置させていた。

【００４０】しかし、基準点を１つとしない方が、スタ
ーカプラの設計に自由度が出る場合もある。そこで、こ
の第２の発明では、平面導波路３３中に第１の基準点Ｐ
１と第２の基準点Ｐ２とを設定する。

【００４１】これら第１の基準点Ｐ１および第２の基準
点Ｐ２は、両者の距離が、大きすぎると、光の損失が大
きくなりすぎるため実用的でない。これら第１の基準点
Ｐ１および第２の基準点Ｐ２は、入出力導波路３５₁ 〜
３７₅ の導波路幅を越えない範囲で、選ぶのが好まし
い。両者の距離がこの範囲であると、光の損失を抑える
ことができるからである。

【００４２】この図３（Ａ）に示した例の場合は、平面
導波路３３として、平面導波路３３の第１および第２の
端面３３ａ，３３ｂの形（曲率）を決める中心点が別々
とされた、平面導波路３３を用いる。そして、第１の端
面３３ａの曲率を決める中心点を、この発明でいう第１
の基準点Ｐ１とし、第２の端面３３ｂの曲率を決める中
心点を、この発明でいう第２の基準点Ｐ２としている。
然も、これら第１および第２の基準点Ｐ１，Ｐ２は、平
面導波路３３を光の伝搬方向で２分する線分Ｙ（以下、
２分線Ｙともいう）を挟んで対称な位置に選んであり、
かつ、第１の基準点Ｐ１はこの２分線Ｙより第２の端面
３３ｂ側の位置に選び、第２の基準点Ｐ２はこの２分線
Ｙより第１の端面３３ａ側の位置に選んである。

【００４３】この第１の基準点Ｐ１からこの平面導波路
３３の第１の端面３３ａの複数箇所に至る複数の第１の
直線５１₁ 〜５１₅ を考える（仮定する）。また、この
第２の基準点Ｐ２からこの平面導波路３３の第２の端面
３３ｂの複数箇所に至る複数の第２の直線５３₁ 〜５３
₅ を考える（仮定する）。そして、前記仮定した第１の
直線５１₁ 〜５１₅ と、第１の端面３３ａとの交点に、
前記第１の入出力導波路３５₁ 〜３５₅ を接続してあ
る。また、前記仮定した第２の直線５３₁ 〜５３₅ と、
第２の端面３３ｂとの交点に、前記第２の入出力導波路
３７₁ 〜３７₅ を接続してある。

【００４４】この第２の発明の場合は、第１の基準点Ｐ
１と第２の基準点Ｐ２とを用いた分、第１の入出力導波
路に対し同軸になる第２の入出力導波路は、真の同軸に
ならず、少しずれた同軸の関係（実質的に同軸の関係）
となる。ただし、図３の例の場合では、導波路３５₃ と
導波路３７₃ は同軸である。しかし、第１の基準点Ｐ１
と第２の基準点Ｐ２とが離れる最大距離を入出力導波路
３５，３７の幅に制限しているので、第１の発明と同様
な作用・効果が得られる。

【００４５】なお、第１および第２の基準点の決め方は
図３（Ａ）の例に限られない。例えば、第１および第２
の基準点Ｐ１，Ｐ２の位置は、平面導波路３３の中央領
域でなくても良い。図３（Ｂ）に示したように、平面導
波路３３の中央領域から偏心した領域に、これら第１お
よび第２の基準点Ｐ１，Ｐ２を選んでも良い。また、平
面導波路３３の第１の端面３３ａと第２の端面３３ｂ
は、異なる曲率の端面でも良い。

【００４６】また、第１の基準点Ｐ１を２分線Ｙより第
１の端面３３ａ側の位置に選び、第２の基準点Ｐ２を２
分線Ｙより第２の端面３３ｂ側の位置に選んでも良い
（図３（Ｃ））。また、第１および第２の基準点Ｐ１，
Ｐ２は、互いが２分線Ｙの方向にずれた位置、または斜
め方向（２分線Ｙに対し鋭角に交差する方向）にずれた
位置に選ばれる場合等があっても良い。

【００４７】また、このスターカプラの第２の発明の場
合も、例えばスターカプラ５０を、前記第１および第２
の基準点Ｐ１、Ｐ２の中点を通る線分（上記の２分線
Ｙ）で前記第１の端面および第２の端面が重なるよう折
り返した構造に相当する構造を作製し、そして、この折
り返し構造の２分線側端面に反射構造を設けても良い。
こうすると、スターカプラの小型化が図れる。

【００４８】３．光合分波素子の発明 この出願に係るスターカプラに、光路長の異なる複数の
導波路を有した導波路アレイを接続することにより、光
合分波素子を実現することができる。以下、その実施の
形態について説明する。この説明を図４を参照して説明
する。この図４は、実施の形態の光合分波素子７０の平
面図である。

【００４９】この実施の形態の光合分波素子７０は、基
板３１に、上述したスターカプラ３０を、２個具える。
さらに、これらスターカプラ３０間を接続する導波路ア
レイ７１を具える。ただし、図４では、２個のスターカ
プラ３０として、第１の入出力導波路３５および第２の
入出力導波路３７をそれぞれ６本ずつ具えた例を示して
ある。もちろん、入出力導波路数は一例である。

【００５０】この実施の形態では、この導波路アレイ７
１の一端を、２個のスターカプラ３０うちの一方のスタ
ーカプラの第２の入出力導波路３７に接続し、他端を、
２個のスターカプラ３０うちの他方のスターカプラの第
２の入出力導波路３７に接続してある。

【００５１】この導波路アレイ７１は、光路長が異なる
複数の導波路を具えた導波路アレイとしてある。具体的
には、この導波路アレイ７１は、スターカプラ３０の第
２の入出力導波路数３７と同数の導波路であって、互い
に光路長が異なる導波路を有している。

【００５２】次に、この導波路アレイ７１の設計方法に
ついて説明する。２個のスターカプラ３０それぞれで
は、第１の入出力導波路３５と第２の入出力導波路３７
との間で、複数の光路が存在する。

【００５３】すると、これら２個のスターカプラ３０の
うちの一方、例えば図４の左側のスターカプラでの、第
１の入出力導波路と第２の入出力導波路との間で構成さ
れる複数の光路の光路長を、Δ_tsとすると、このΔ_tsは
次の（１）式のように表せる。

【００５４】 Δ_ts＝２Ｒ［ｃｏｓ（｜θ_t −θ_s ｜／２）−１］ （１） ただし、ｔ、ｓは、スターカプラ３０の説明の項にて説
明したと同様に定義される値である。また、Ｒは、平面
導波路３３の第１および第２の端面３３ａ，３３ｂ（図
１参照）を規定する半径である。

【００５５】また、これら２個のスターカプラ３０のう
ちの他方、例えば図４の右側のスターカプラでの、第１
の入出力導波路と第２の入出力導波路との間で構成され
る複数の光路の光路長を、Δ_tkとすると、このΔ_tkは次
の（２）式のように表せる。 Δ_tk＝２Ｒ［ｃｏｓ（｜θ_t −θ_k ｜／２）−１］ （２） ただし、ｋは、上記のｓと同様に定義される値である。

【００５６】すると、この光合分波素子７０の入出力端
子間に構成される複数本の導波路同士の相対的な光路長
Ｌ_t は、以下の（３）式で表せる。

【００５７】 Ｌ_t ＝Δ_ts＋ΔＬ_t ＋Δ_tk＋Ｌ₀ （３） ただし、（３）式において、ΔＬ_t は、導波路アレイ７
１中の導波路の光路長である。また、Ｌ₀ は光路長調整
のための任意の長さである。

【００５８】θ_s 、θ_t 、θ_k それぞれが、θ_s 、θ
_t 、θ_k ＜＜１の場合には、上記（１）式はテーラー展
開して下記（１ａ）式と表せ、また、上記（２）式はテ
ーラー展開して下記（２ａ）式と表せる。

【００５９】 Δ_ts≒Ｒ／６・（θ_t −θ_s ）² ＝Ｒ／６・［−２θ_t θ_s ＋θ_k ²＋θ_s ²］ ＝Δ_s （ｔ）＋Δ（ｓ） （１ａ） Δ_tk≒Ｒ／６・（θ_t −θ_k ）² ＝Ｒ／６・［−２θ_t θ_k ＋θ_k ²＋θ_m ²］ ＝Δ_k （ｔ）＋Δ（ｋ） （２ａ） ただし、（１ａ）式において、Δ（ｓ）はｔに関係しな
い部分であり、（２ａ）式において、Δ（ｋ）はｔに関
係しない部分である。

【００６０】ここで、ΔＬ_t の長さを、下記の（４）式
が書けるように、設定すれば、図４に示したものは、光
合分波素子として動作する。

【００６１】 Ｌ_t ＝Ａｔ（θ_s ＋θ_k ）＋ｔΔＬ＋Ｌ(bias)＋Ｌ₀ （４） ただし、（４）式中、Ａは定数であり、また、ΔＬは導
波路アレイ７１中の隣り合う導波路の光路長差であり、
また、Ｌ(bias) はｔに関係しない部分である。

【００６２】すると、上記の（３）式および（４）式か
ら、下記（５）式が得られる。

【００６３】 Δ_s （ｔ）＋Δ_k （ｔ）＋Δ（ｓ）＋Δ（ｋ）＋ΔＬ_t ＝Ａｋ（θ_s ＋θ_k ）＋ｔΔＬ＋Ｌ(bias) （５） これから、下記の（６）式が得られる。

【００６４】Ｌ(bias)＝Δ（ｓ）＋Δ（ｋ） （６） 次に、θ_t ＝ｔ・Δθと考える。そして、Δ_s （ｔ）＋
Δ_k （ｔ）を、上記の（１ａ）式および（２ａ）式より
求める。すると、下記（７）式が得られる。

【００６５】 Δ_s （ｔ）＋Δ_k （ｔ）＝２Ｒ／３・［−ｔΔθ（θ_s ＋θ_k ）＋ｔ² Δθ² ／２］＝Ａｔ（θ_s ＋θ_k ）＋Ｂｔ² （７） ただし、（７）式中Ｂは定数である。

【００６６】したがって、（５）式、（６）式および
（７）式から、下記（８）式が得られる。

【００６７】Ｂｔ² ＋ΔＬ_t ＝ｔ・ΔＬ （８） この（８）式から、ΔＬ_t が、ΔＬ_t ＝ｔΔＬ−Ｂｔ²
となるよう設計をすれば良いことが分かる。

【００６８】このように設計をしたとき、Ｌ_t ＝ｔ［Ａ
（θ_s ＋θ_k ）＋ΔＬ］＋Ｌ(bias)で表される光路Ｌ_t
では、このＬ_t に関する式中のｔに比例する部分を用い
た２π／λ・ｎ［Ａ（θ_s ＋θ_k ）＋ΔＬ］＝２ｍπを
満足する波長の光が、図４の右側のスターカプラの、第
１の入出力導波路３５中のｋで特定される導波路から、
出力される。ただし、ｎは基板３１の屈折率である。ま
た、ｍは干渉の次数と呼ばれるもので、整数である。

【００６９】なお、上述の光合分波素子の実施の形態で
は、２個のスターカプラ３０を用いる例を説明した。し
かし、光合分波素子７０を２個のスターカプラ３０が重
なるように導波路アレイ７１の中央で折り返した構造を
作製する。そして、この折り返した構造の折り返した側
端面に反射構造を設ける。このようした、反射型の光合
分波素子としても良い。

【００７０】

【発明の効果】上述した説明から明らかなように、この
出願のスターカプラの第１の発明によれば、平面導波路
の第１の端面の複数箇所からこの平面導波路中の１つの
基準点を通りこの平面導波路の第２の端面に至る複数の
直線を考える。そして、第１の入出力導波路を、前記複
数の直線と前記第１の端面との交点で、前記平面導波路
と接続してある。また、第２の入出力導波路を、前記複
数の直線と前記第２の端面との交点で、前記平面導波路
と接続してある。

【００７１】そのため、第１の入出力導波路それぞれに
対し、複数の第２の入出力導波路中に、同軸の関係を持
つ第２の入出力導波路が必ず１本存在する。然も、それ
ぞれの第１の入出力導波路は、これと同軸の関係となる
第２の入出力導波路の両側に順次に配置された第２の入
出力導波路に対し、ある角度（実施の形態でΔθ／２と
して説明）ずつ順次にずれた角度で対向する関係とな
る。すなわち、いずれの第１の入出力導波路も、それと
同軸の第２の入出力導波路を中心として複数の第２の入
出力導波路と対向するという配置関係を、第２の入出力
導波路に対し持つようになる。このため、入出力導波路
の位置が端とか中央とかにかかわらず、いずれの第１の
入出力導波路から光を入れても、光に対し同様な条件が
形成される。したがって、従来に比べ光の入射位置に起
因する光損失が少ない、スターカプラが実現される。

【００７２】また、この出願のスターカプラの第２の発
明によれば、前記平面導波路中に、互いを離す距離の最
大値を入出力導波路の幅に制限した第１の基準点および
第２の基準点を設定する。そして、この第１の基準点か
ら前記第１の端面の複数箇所に至る複数の第１の直線を
考え、かつ、この第２の基準点から前記第２の端面の複
数箇所に至る複数の第２の直線を考える。そして、前記
第１の入出力導波路は、前記複数の第１の直線と前記第
１の端面との交点で、前記平面導波路と接続し、前記第
２の入出力導波路は、前記複数の第２の直線と前記第２
の端面との交点で、前記平面導波路と接続した構造とす
る。

【００７３】そのため、このスターカプラの第２の発明
でも、第１の発明と実質同様な効果が得られる。また、
第１および第２の基準点を用いる分、スターカプラの設
計の自由度が高まる。

【００７４】また、この出願の光合分波素子の発明によ
ればこの出願のスターカプラを具えたので、光損失が少
ない光合分波素子を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】スターカプラの第１の発明の説明図（その１）
であり、（Ａ）は全体を示した平面図、（Ｂ）は動作お
よび作用の説明のため要部を示した図である。

【図２】スターカプラの第１の発明の説明図（その２）
であり、反射型のスターカプラの説明図である。

【図３】スターカプラの第２の発明の説明図であり、
（Ａ）〜（Ｃ）それぞれは、別々の実施の形態を説明す
る図である。

【図４】光合分波素子の発明の説明図である。

【図５】従来技術および課題の説明図である。

【符号の説明】

３０：スターカプラ ３１：基板 ３３：平面導波路 ３３ａ：第１の端面 ３３ｂ：第２の端面 ３５₁ 〜３５₅ ：第１の入出力導波路 ３７₁ 〜３７₅ ：第２の入出力導波路 ３９₁ 〜３９₅ ：直線（仮定した直線） ４１：スターカプラ３０を折り返した構造 ４３：反射構造 ４５：スターカプラ ５０：スターカプラ ５１₁ 〜５１₅ ：第１の直線（仮定した第１の直線） ５３₁ 〜５３₅ ：第２の直線（仮定した第２の直線） ７０：光合分波素子 ７１：導波路アレイ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の端面および第２の端面を有した平
   面導波路と、前記第１の端面で前記平面導波路に接続さ
   れた複数の第１の入出力導波路と、前記第２の端面で前
   記平面導波路に接続された複数の第２の入出力導波路と
   を具えたスターカプラにおいて、 前記第１の端面の複数箇所から前記平面導波路中の１つ
   の基準点を通り前記第２の端面に至る複数の直線を考
   え、 前記第１の入出力導波路は、前記複数の直線と前記第１
   の端面との交点で、前記平面導波路と接続してあり、 前記第２の入出力導波路は、前記複数の直線と前記第２
   の端面との交点で、前記平面導波路と接続してあること
   を特徴とするスターカプラ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のスターカプラを前記基
   準点を通る線分で前記第１の端面および第２の端面が重
   なるよう折り返した構造に相当する構造と、 該構造の前記基準点側の端面に設けた反射構造とを具え
   たことを特徴とするスターカプラ。
3. 【請求項３】 スターカプラと、これに接続された、光
   路長が異なる複数の導波路アレイとを具えた光合分波素
   子において、 前記スターカプラとして、請求項１に記載のスターカプ
   ラを具えたことを特徴とする光合分波素子。
4. 【請求項４】 第１の端面および第２の端面を有した平
   面導波路と、前記第１の端面で前記平面導波路に接続さ
   れた複数の第１の入出力導波路と、前記第２の端面で前
   記平面導波路に接続された複数の第２の入出力導波路と
   を具えたスターカプラにおいて、 前記平面導波路中の第１の基準点から前記第１の端面の
   複数箇所に至る複数の第１の直線を考え、かつ、前記平
   面導波路中の第２の基準点から前記第２の端面の複数箇
   所に至る複数の第２の直線を考え、 前記第１の入出力導波路は、前記複数の第１の直線と前
   記第１の端面との交点で、前記平面導波路と接続してあ
   り、 前記第２の入出力導波路は、前記複数の第２の直線と前
   記第２の端面との交点で、前記平面導波路と接続してあ
   ることを特徴とするスターカプラ（ただし、前記第１の
   基準点と前記第２の基準点との距離は、最大でも、前記
   第１の入出力導波路の幅または前記第２の入出力導波路
   の幅で示される寸法である。）。
5. 【請求項５】 請求項４に記載のスターカプラを前記第
   １および第２の基準点の中点を通る線分で前記第１の端
   面および第２の端面が重なるよう折り返した構造に相当
   する構造と、 該構造の前記中点側の端面に設けた反射構造とを具えた
   ことを特徴とするスターカプラ。
6. 【請求項６】 スターカプラと、これに接続された、光
   路長が異なる複数の導波路アレイとを具えた光合分波素
   子において、 前記スターカプラとして、請求項４に記載のスターカプ
   ラを具えたことを特徴とする光合分波素子。