JPS59162519A - 方向性結合装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は方向性結合器を複数個接続しｔこ方向性結合装
置に関する。

光ファイバの使用量と用途が増加するにつれて、導電体
μ外の電気デバイスに対応する光学デノ（イスを開発す
ること・がますます重！になって来た。

光ファイバによって伝達される光を減衰したり、結合し
たり、オン・オンするデバイスはすで忙多数存在してい
る。１９７７年１２月発行のアプライド・オプテイクス
誌ＩＰＰＬＩＢＤ　　０ＦＴＩＣ８）第１６巻第２号３
２２３ページに掲載されたリチャード・ソｖ７　（Ｒｉ
ｃｈａｒｄ　４．５ｏｒｅｆ　）氏とアーサー・ネルソ
ｙ　（，１ｒｔｈｕｒ　Ｒ，Ｎｅ１ｓｏｎ　）氏による
「クロストークの低い複合光交差点」という表順の付さ
れた記事には、電気光学材料の薄板の表面に電極パター
ンを形成してこの電気光学材料内の光の伝達を制御する
ことが記載されている。各電極の下の小領域内の電気光
学材料の屈折率は電極相互間に印加される数百ボルト程
度の電圧によ・つて非常にわずか（０，００１程度）変
えられる。互いに平行な電極の各対を利用して、電気光
学材料内の光通路の壁として働（屈折率の互いに異なる
平行な領域を作る。真っすぐな主チャネルが小さな角度
で副チャネルとＸ字状またはＹ字状め接合点を形成する
様に、これらの電極が設けられている。この副チャネル
の入口の上の短かい電極によって、主チャネルから副チ
ャネルに光が送られたり、送らなかったりする制御がな
される。ところが、チャネルの壁の屈折率とチャネル内
の屈折率の差が極めて小さいため、チャネルの開口数は
極めて小さくなってしまう。従って、このようなスイッ
チに開口数がこれより大きい光コアイノ（を接続しよう
とすると、この光ファイバから出る光を電気光学材料の
薄い層に入れる前にこの光をほぼ平行光線にするレンズ
を設けなければならない。偏向角が小さいことによって
、スイッチや結合器の最小の長さは６ｃＴｒＬ程度にな
る。

１９７９年５月発行のオブテイクス・レターズ誌（ＯＰ
ＴＩＣＳ　　ＬＥＴＴＥＲ８）第４巻第５号１５５ペー
ジに掲載されたリチャード・ソレフ（Ｒｉｃｈａｒｄ４
．５ｏｒｅｆ　）　　氏による［液晶光コアイノく・ス
イッチＪという表題の記事に示されている別の種類の′
　スイッチにおいては、液晶層ば液晶の正常屈折率χ異
常屈折率の間の咳の屈折率を有するガラスによって囲ま
れている。４本の光コアイノ（の各々をレンズを通して
このガラスに接続し、ガラス内に互いに交差する１対の
光路を形成している。液晶の層は、互゛い゛に交差する
光路の間の角度を二等分ている。ガラスの屈折率の咳は
液晶の正常屈折率と異常屈折率の間にある。液晶は、電
圧が印加されないとき両方の偏光面の光について正常屈
折率を示し、両方の光路の全部の光がガラスと液晶の境
界で全白反射されるように作られている。電圧を液晶洗
印加すると、入射平面内の偏光は異常屈折率を示すと共
Ｋ、いずれかの光路においてはその光は液晶層を通過す
るので光は一方の光路からも１つ一方の光路に切替えら
れる。

１９７１年１０月１２日付けでジャン・アクレフサンダ
ー・ラジュク−ｒ　ｙ　（Ｊａｎ　ＡＪｅｋｓａｎｄｃ
ｒ　Ｒａｊｃｈｍａｎ）氏に付与され、１液体状態と気
体状態を有するディジタル光偏向器」といつ表題を付さ
れた米国特許第３，６１２，６５３号に示されているデ
ィジタル光偏向器においては、液体と接触し”Ｃいる透
明な基板は表面に抵抗器を有している。この抵抗器に電
流を流してこの基板に＠接する液体に薄い気体領域を形
成するよう罠なっている。気体がないときに′！。

入射光が基板と液体の間の境界を通過するが、気相が存
在すると、入射光はこの境界で反射される。

従ってこの構造は、単極単投電気スイッチに相当スル光
学デバイスとして機能する。

１９８２年ｌＯ月１日に発行されたアプライド：ｌｒブ
ｆイー＝ｘクスｕ（　ＡＰＰＬＩＦＪ）　ＯＰＴＩＣＳ
）　　第２１巻第１９号３４６１ページに掲載された、
ノ・ルナ（　Ｍ，Ｈａｒｕｎａ　）氏と’：Ｉ　ヤ？　
（　Ｊ　、Ｋｏｙａｍａ　）氏による［ガラス内の熱光
学偏向とスイッチング］という表題の記事に示されて（
・るさら〈別の種類のスイッチにおいては，誘電体材料
の板の一ヒの薄（・条片が光導板チャネルとなるように
ドープ（ｄｏｐｅ）されている。この光導波チャネル内
に（ま７１％さな空隙が形成され、そして空隙内の誘電
体材料を加熱するｔこめに付勢可能な抵抗器をこの空隙
上に自装置している。この抵抗器を付勢すると、空隙内
に温う 度こ牟配が生じ、それに関連して空隙領域内の誘電体材
料の屈折率にもこう配が生ずる。この誘′亀体材料の屈
折率こう配により、光導波チャネル内の光は空隙を横切
って後続のチャネルに達するよう罠導びかれる。従って
この構造＆！光スイッチとして動作させることができる
。

前記のいずれのスイッチにおいても、光を別の光ファイ
バに結合する前に、入力側の光コアイノ（からの入射光
をスイッチングの起こる何らかの別の媒体に結合重る必
要がある。これらのスイッチの大部分においては、光を
別の媒体との間で送受するために光を平行てしたり集束
したりするレンズが必要である。これら余分な部品はど
れもスイッチの大きさ、コスト、挿入損を増大させる。

従って、そのような余分な部品を必要とせず、しかも光
をある光ファイバから別の光ファイ／＜Ｋもつと直接的
に結合するスイッチを得ることは有益である。

本発明の実施例によれば、光減衰器、光結合器および光
スィッチに使用するの罠適当な熱光学構造が提供される
。一般に，光コアイノくけ光を伝搬するコアを含む。光
の粒子性と波動性という二重の性格のため、光ファイバ
のコアに沿った光の伝搬は波動理論と粒子理論によって
分析することができる。波動理論によると，光７アイノ
（は誘電体導波路とみなされる。一方、粒子理論忙よる
と、コアの側壁は光ファイバに沿って伝搬する光を繰り
返し反射することによって光を全反射または部分反射す
るものとみなされる。

一般に、光が２つの媒質の間の境界に入射すると、光の
一部が境界から反射され、残りの光が境界を越えて伝達
されるうしかし、境界での光の入射角がその境界の反射
の臨界角より大きくなると、入射光はすべて反射される
。スネルの法則によると、臨界角は二つの媒質の屈折率
の比の逆正弦に等しい。臨界角は、光が入射する媒質の
屈折率が光を境界に送り出す媒質の屈折率より小さいと
きだけ実数である。従って光ファイバのコアは通常、コ
アよりも小さい屈折率を有する物質で包まれ、これＫよ
り光ファイバの側壁での入射角が臨界角より大きい光に
ついては側壁での反射を繰り返しながら光フアイバ中を
伝達されるようにしているう光ファイバから漏れる光量
が制御できるようにするため、コアと被覆物質との屈折
率の比を光フアイバ上の１つあるいは複数のセクション
で制御する減衰器が与えられる。この比の直を小さくす
ると、光フアイバ中で、最初の臨界角より大きな入射角
を有する光線の一部は、新しい臨界角に対してはより小
さな入射角しか有しない様てなるため、この一部の光線
は光ファイバから漏れる。その結果、光フアイバ内を伝
達される光が減衰される。この比が１に近づ（につれて
臨界角は９０度に近づ（ので、コアの屈折率がこれを被
覆する物質の屈折率に等しいか小さくなると、光のほと
んど全部が漏れ、完全な減衰がなされる。従ってこの光
減衰器はオンオフ・スイッチとしても動作することがで
きる。

この光減衰器においては、コアとこれを被覆する物質と
の屈折率の比は、被覆物質とコアの屈折率の一方または
両方を変えることによって制御することができる。同様
にして、光結合器におけるこれらのパラメータを変える
ことにより、２本の光ファイバの各セクションを接続す
る媒体やこの光フアイバセクションの屈折率を制御する
ことができる。リチャード・ファインマン（Ｒｉｃｈａ
ｒｄ　　Ｐ。

Ｆｅｙｎｍａｎ　）著、１フアインマン物理学講義」（
”Ｔｈｅ　Ｆｅｙｎｍａｎ　Ｌｅｃｔｕｒｅｓ　ｏｎ　
Ｐｈｙｓ＋ｃｓ”）の第１巻第３１章と第２巻３２章に
示されているように、物質の屈折率は物質の密度、伝達
されている光の周波数および物質内の電子励起の共振周
波数の関数である。可視光を透過する物質の大部分につ
いては、共振周波数は紫外領域にあるので、可視領域内
においては屈折率は光の周波数にわずかに依存するに過
ぎない。従って、光を光ファイバから漏れるようにする
と、光の全周波数帯域にわたってほぼ同程度減衰する。

従って、光減衰器はこれを通る信号のスペクトル分布に
あまり影響を及ぼさない。

しかし、屈折率は密度に大きく依存する。密度は熱を加
えて熱膨張させること罠よって簡単に変えることができ
る。屈折率に一定の変化を与えるのに必要なエネルギー
の量を減らすために、熱膨張率の大きな物質を使用する
ことは有益である。

通常、液体は固体より熱膨張率がはるかに太きいため、
液体コア光ファイバと液体クラッドの一方または両方を
使用することは有益である。液相か講気相への変化のよ
うな熱力学的変化、異なる格子構造への変化、磁化可能
な物質や液晶に存在するような配向の変化によっても光
ファイバのコアとクラッドの屈折率を大きく変えること
ができる。

少なくとも２本の光ファイバのコアとこれらファイバを
１つまたはそれ以上の領域で接続しこの間で漏れる光を
制御することができる物質と尾よって構成される光結合
器も与えられる。両党ファイバの屈折率が同一であると
、接続する物質の屈折率に対する両光ファイバの屈折率
の比を変えて、両光ファイバの間の漏れの爺を制御する
ことができる。これらの接続部分の各々において、接続
する物質と光ファイバは接続する物質より屈折率が小さ
い物質で覆われる。従って、光ファイバから逃げる光の
大部分はただ単て逃げるかわり尾、別の光ファイバに送
り込まれる。このように、接続する物質は単に光が１本
かそれ以上の光ファイバから逃げるようにすることによ
って減衰を引き起こすかわりＫ、光フアイバ間での光結
合を行なうっこの光の移動は基本的には双方向性である
が、各方向に伝達される光の割合は同一である必要はな
いっ光ファイバの１本から漏れ出た光は、各光ファイバ
の断面積の比率にほぼ等しい比率で全部の光ファイバに
分配されろう従って、第１の光ファイバから第２の光フ
ァイバに伝達される光の割合ファイバを同一物質で構成
しなくても良い場合は、接続媒体の屈折率に対する光フ
ァイバの屈折率の比を各ファイバごとに変えることがで
きる。従って、光ファイバから漏れる光の割合を光フア
イバ毎に変えることができる。

送り側の光ファイバから受は側の光ファイバに伝達され
る光の割合はまた、各光ファイバの間で光を結合するた
めの光フアイバ間の接続構造としである特別な形態を採
用することによって高めることができる。この特別な形
態の接続構造はファイバ間の結合度を高める能力にとっ
て重要である。

一実施態様においては、送り側光ファイバまたは受は側
光ファイバは右巻きのらせんに巻かれ、他方の光ファイ
バはこの右巻きらせんと位相幾何学的に同軸の左巻きら
せんて巻かれている。こめ２重のらせんはいくつかのセ
クションで接しており、これらのセクションで光フアイ
バ間の光の結合がなされる。ここで光の送り側の光フア
イバ上で光の伝送方向をある１つに固定して考えた場合
、この光ファイバの一端を入力端、または他端を出力端
と考えることができる。光フアイバ間の結合セクション
恍送り側の光ファイバの入力端から順に番号を付けると
、第１の結合セクションは送り側光ファイバの入力端に
最も近く位置すると共に、光の受は側の光ファイバの出
力端に最も近く位置する。同様にして、受は側の光フア
イバ上で見れば送り側光ファイバ上の逆順、すなわち出
力端から数えた番号が付けられたことになる。この位相
幾何学的構造によって、たとえ送り側の入力端に与えら
れた光のほとんど全部が受は側の光ファイバに伝達され
る構成とした場合でも、個々の結合セクションについて
見れば、送り側光ファイバ内の光量は受は側の光フアイ
バ内の光量よりも多い。

この構成全体として、送り側光ファイバから受は側光フ
ァイバに伝達される光の割合は、２重らせん上に十分に
多数の結合セクションを設けることによって、限りなく
ｌに近づけることができる。

第１図には、光ファイバのコアを被頃する層の屈折率と
コアの屈折率の比の変化を利用する光減衰器が示されて
いる。第１図において、光ファイバはコア１１を有し、
このコア１１は屈折率がコアより小さいクラッド層１２
によって慢われている。コア１１からクラッド層１２に
向かって境界１３を横切ると屈折率が段階的て低下する
ことＫよって、臨界角より大きな入射角でこの境界１３
に入射する光線はこの境界１３で内側に全反射さは れる。その結果、このような光線諷はとんど減衰するこ
となくファイバ内を伝搬するっ 第１図中で左右、一対の点線１６によって示されている
コアの領域１５内においては、境界１３における臨界角
が増加するよう、コア１１の屈折率とクランド層１２の
屈折率との比の値を領域１５外に比べて小さくしている
。新しい臨界角より大きな角度で境界１３ｔＣ入射する
光線１７のような光線はこの境界で繰り返し反射されて
光フアイバ内を伝搬するう古い臨界角と新しい臨界角の
中間の入射角を有する光線１８のような光線は領域１５
でこの境界を越えてクラット１層１２にはいる。この光
線１８はクラッド層１２と周囲大気の間の境界１４で反
射される。光線１８は、コア１１とクラッド層１２の間
の境界をどちら向きにも越えて進むことができるので、
境界１４での反射忙よって光フアイバ内で伝搬される。

このような光線は、コアだけでなくクランド内をも進行
することから、クラッド・モード光線と呼はれる。なお
、これに光フアイバ内の光の減衰は、クラッド・モード
光線を光ファイバの外忙出すこと罠よって達成される。

これな実現するためＫ、クラッド層１２よりも大きな屈
折率を有する被覆１９を、クラッド番モード光線を光フ
ァイバから出すべきファイバ領域に形成する。被覆１９
には充分な厚さと吸収率を持たせ、クラッド−モード光
線が光フアイバ内に反射されて戻らない様にする。゛大
部分のエポキシは被［１９として使用するのく適してい
る。

このようなエポキシの一例は、米国マサチューセッツ州
ビルリカのエポキシ・テクノロジー社（ｅｐｏｘｙ　Ｔ
ｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、　Ｉｎｃ、、　Ｐ、０．　Ｂｏｘ
　５６７、Ｂ　１Ｊｌｅｒｉｃａ　、Ｍａｓｓａｃｂｕ
ｓｅｔｔｓ　＋０１８２１　）　　より入手でき、１．
５４の屈折率を有するＥＰＯ−ＴＥＫ３０１である。光
減衰器はこれに光を送り込んだり送り出したりする光フ
ァイバとは別個のデバイスとして作るのが望ましい。固
体コア・セクションを利用する光減衰器においては、こ
のセクションは一般的忙はクラッド層や緩衝被ｆｆｉ　
（ｂｕｆｆｅｒ　ｃｏａｔｉｎｇ）を有せず、次に光減
衰器に接続される光ファイバは通常緩衝被Ｉを有する様
忙構成する。

このようにして光ファイバから漏出する光の割合は、コ
ア１１とクラッド層１２との屈折率の比の関数である。

光ファイバの光線モデルによれば、この比をＩＫまで減
らすと、領域１５で境界１３に入射する光線はどれもこ
の境界１５を越えてクラッド層１２側へ入ることができ
る。またこの比の値が１よりわずかしか７４％さくない
場合でも、境界１３に入射した光線はほとんど反射され
ないので、領域１５で境界１３に入射する光のほとんど
全部が境界を横切る。しかし、光フアイバ内を伝搬され
る光線の多（のもの、特に低次のモードの光線は、光フ
ァイバの軸にほぼ平行であるので、これらの光線は領域
１５の内部では境界１３に入射しない。領域１５の長さ
とクラッド・モード光線取り出し用の被覆１９の長さを
増加することによって、減衰量を必愛なだけ太き（する
ことができる。従って、両層折率の比を１かそれ以下に
減らす様に屈折率を制御できるならば、本光減衰器はオ
ンオフ・スイッチとして動作する。

第２図には、光を多数の領域でファイバから逃げるよう
Ｋすることによって、領域１５の実効長を増大させた光
減衰器が示されている。この光減衰器においては、コア
の直径がｌＯＯミクロン程度の光ファイバ２１を直径と
長さが夫々１ｃＷＬ程度の円筒２２忙らせん状に巻きつ
けてあろうヒータ２３０発生する熱により、コアとクラ
ッドとの屈折率の比の直を減らす様にしている。これに
よってコア内の光はクラッド忙漏れ出してクラッド・モ
ードにはいる。円筒２２は銅やアルミニウム等の熱伝導
率の高い物質で作られる。これ髄より光ファイバ２１か
もの熱の除去を促進する。本構成によって、コア内の光
線力ζ外部へ導き出されるのに充分な程度まで、コアと
クラッドとの屈折率の比の呟が減少することが一層確実
となり、周囲大気内の温度こう配（例えば、すぐ近（の
外部熱源）によって引き起こされる光フアイバ内の温度
こう配も平坦化される。またヒータ２３をオン・オンす
るときの減衰変化速度が向上する。

クラッドより屈折率が大きい物質で領域２４におけるク
ラッド層を被覆することＫより、この領域でクラッド・
モード光線が光ファイバから逃げるようＫする。第１図
と第２図の両方に示されているように、これら２つの領
域は一致する必要はない。しかし、両者が一致しない場
合は、クラッド・モード光線が領域１５を出るとき、そ
の一部は再びコア・モード光線に戻り得る。この様にし
て再びコア・モードになった光線は領域１５の外部でク
ラッド・モード光線取り出し用の被覆によって光ファイ
バから外に出されることはない。従って、そＪ）分だけ
減衰量が低下する。

クラッド拳モード光線の一部が領域１５を出るとぎコア
・モードに戻ることができるということを説明するため
、クラッド層１２の屈折率は点線１６で示される境界の
前後で変軸るがコアの屈折率の方は変わらない例を考え
てみよう。光線１８の様に、領域１５の内外での臨界角
の間の値の入射角を有する光線の場合、この光線がコア
内部を通過している間に境界を越えて領域１５を出ると
、境界１３に次に入射するときの入射角はその入射点で
の臨界角より大きくなる。従って、この光線は入射点で
全反射され、クラッドには入らない。

この様な光線を光ファイバから取り出すことができない
事態が生ずるのを避けようとするならば、点線１６で示
される境界の内側のファイバ部分に被覆１９を形成する
のが望ましい。しかし、クランド・モード光線のうち、
光線が領域１５を出るときクラッド層１２内を通過して
いるものは領域１５外でコアＩＩＫ戻るとき屈折される
。それは、コアがやはりクラッドより大きな屈折率を有
するからである。この屈折により、境界１３への本光ど
まる。従ってたとえ被覆１９が領域１５の内側には設け
られていな（とも、この種のクランド・モード光線はク
ラッドから外へ取Ｉ）出すことができる。

コアとそれを被覆する層に利用できる材料の選択にあた
って制限となる条件と・しては、光減衰器かその全動作
温度範囲にわたって大きな劣化を生じないという点と、
両層折率・ノ）比の値が、この温度範囲に対して、値１
をまたぐある範囲疋わなって変動するという点のみであ
る。有用な開口数を得るため、この範囲の上限は１ｍ　
１の少なくとも数パーセント上であるべきである。比の
随の変動範囲に対するこの要請は、実際には、室温では
この２つの材料は互いに数パーセユ・トμ内の差がある
・屈折率を有することを求めている。一定量の減衰に必
要な熱量を減らすためには、この２つの材料の屈折率の
差が一定量の熱に対して大きく変わることが有益である
。従って、一定量の熱で大きな温度変化が生ずるよう、
加熱される材料の比熱が小さいことが有益である。また
、加熱される材料の少な（とも一方については、温度変
化にともなって屈折率が大きく変わることが有益である
。加えられる熱に対するこの材料の応答時間を改善する
ため、比較的大ぎな熱伝導率の材料を使用することが有
益である。なお、熱交換は、加熱だけでなく冷却によっ
ても行なうことができる。ヒータは簡単な構造を取るこ
とができるので、通常は冷却器よりもヒータを利用する
ことが麦ましい。しかし、ある種のデバイスにとっては
冷却器を利用することが有用であろう。一般的には、電
力が供給されないとき、光減衰器は非減衰状態にあり、
光結合器は非結合状態にあることが有益である。

しかし、光ファイバの屈折率が温度にさほど左右されず
、しかもコアをｆｆ１５物質の屈折率が温度ト昇と共に
減少する減衰器にあっては、電力が与えられていないと
き非減衰状態になるのは、このクラッド材料が室温でコ
アより屈折率が低い場合のみである。従って、漏れの量
を制御するため罠は、この材料を冷却してその屈折率を
増大する必要がある。この種のデバイスでは、冷却器を
使用することが有益であるっ熱電冷却器はそのようなデ
バイスに商業的に使、用するのに十分なほど小さくて安
価である。

ここにおいて、コアまたはクランドとして液体を用いる
ことは特に有用である。それは、液体は固体よりも温度
に対する屈折率の変動が大きいためである。コアに液体
を用いる場合は、溶融石英た形態をとる。石英は０工視
光に対する邂明度が高い等のあらゆる点で中空管用材料
として有用である。一般に、可視光忙対して透明度が高
いことば光ファイバにとって好ましいことである。中空
管中に充填するコア用液体としでは、たとえば四塩化エ
チレンやキンレンを用いることができる。それは、これ
らの液体は石英よりわずかに屈折率が犬キ＜、′利用さ
れる全温度範囲にわたってさほど劣化せず、石英管を腐
食せず、更に適度な温度上昇により屈折率が石英より小
さくなるからである。

ある実施例においては、流体コアの成分比はアセトン１
部とキシレン７部の割合であろうこのように調合１−る
ことによって室温でのこの溶液の屈折率は１．４９とな
る。従って石英管（屈折率１．４６）中にこの液体コア
を充填することにより開口数は０．３となる。この開口
数は光減衰器忙接続した光ファイバの開口数に適合する
ように選択した。

蒸発など忙よって石英管から液体が失われるのを防ぐと
共に、本デバイスを周囲温度の変化に鈍感知するため、
石英管の両端を封止する。液体を閉じた容器に密閉して
いるため、液体の一部の屈折率を減少するようその一部
を加熱すると、この部分の液体はわずかに膨張し、管内
の残りの液体をわずかに圧縮する。これによって内部圧
力が発生するので、中空管はこれに耐えることができな
ければならない。石英は比較的破壊強度が大きいので中
空管に特に好ましい。

石英は液体コアよりはるか罠熱膨張率が小さいため、加
熱された領域ではコアの屈折率と石英の屈折率の比は減
少する。１００℃程度まで温度をヒげた場合、この比は
１μ下になるので、コア内の光のほとんど全部かクラッ
ド中に逃げる。第２図に示した光減衰器にこの液体コア
入り石英官ファイバを用いた場什、ファイバ２１を１５
回巻き、ヒータ２３の長さを１朋程度にすれは、６０ｄ
Ｂの減衰度が得られる。

第３Ａ図と第３Ｂ図には、光ファイバによって伝達され
る光の減衰酸を制御できるよう、固体光ファイバの一部
を液体で包み込んでいる減衰器が示されている。この光
ファイバはコア３１とクラハ３４，３５の間にはさんで
いる。ウェーハ３４　、３５の各々には光ファイバの一
部を保持するためのＶ字形の溝３３が形成されている。

シリコンはエツチングによって簡単にＶ字形の溝３３を
形成できるために、これらウェーノ・３４．３５にとっ
て好都合な材料である。外部ヒータも使用することがで
きようが、ウェー・・３４または３５に形成［−た薄膜
抵抗ヒータを使用することが好都合である。従って第３
Ｎ図に示している光減衰器では、１対の導線３６．３７
をウェー７１３４上のフィルムに接続してこのデバイス
を加熱するための電流を制御するようにしている。

第３Ｂ図に示されているように、ウェーノ・３４と３５
の間の空間で光ファイバがない領域３８（Ｖ字形溝３３
内の領域を含む）Ｋは、室温でコア３１より屈折率が大
きい液体が満たされている。

液体コアの場合と同様に、この液体は比較的大きな熱膨
張率橙、一定の密度変化に対する大きな屈折率変化、大
きな熱伝導率および小さな比熱を有するのが望ましい。

また、妥当な温度範囲内でこの液体の屈折率がコア３１
の屈折率をまたいで変化できる様にするため、この液体
の屈折率はコア３１の屈折率に充分に近い随を持たなけ
ればならない。この液体はこの温度範囲内で分解しては
ならないし、また接触する他の部品を腐食してはならな
い。鉱油はこの液体として適当であることが確認された
。鉱油の屈折率は室温においてはコア３１に使用する溶
融シリカ（ｆｕｓｅｄ　５ｉｌｉｃａ　）の屈折率１．
４６より約０．００２大きい。

本光減衰器の１つの構成例においては、ウェーハ３４，
３５の長さＬは約５ＮＩＫ、幅Ｗは約１．５友罵＾曾豐
、また高さＨは約０．１５闘である。またこの構成例で
はコア３１の直径は約０．１２５ｍｇ、溝３３は幅Ｗ′
が約０．１１１１１１、深さＤが約３５１１１Ｋに作ら
れている。ウェーノ・３５はブロック３１０と熱的に接
触している。このブロック３１０は銅やアルミニウムの
ように非常に伝導性の高い物質より成り、ヒート・７７
りとして働（。ブロック３１０とウェーノー３５の間に
は０．０２５朋の厚さのマイラの薄板３９が置かれる。

このマイラの薄板３９てよりウェーＩ＼３５とブロック
３１０の間の熱伝導が定まる。導線３６゜３７に接続さ
れた電源は１．８ワツトの電力を制御可能罠供給して光
減衰器を加熱する。電力レベルとマイラーの薄板３９の
厚さを以上の様に定めた場合、加熱速度はほぼ光減衰器
の冷却速度に等しい。また、光減衰器の定常状態の温度
はヒータのオン時、オフ時の夫々知対して１３５℃及び
室温となるうこの光減衰器のスイッチング速度（すなわ
ち、最低温度の１０％−ヒと最大温度の９０％の間で加
熱または冷却するのに要する時間）は約１１．１秒であ
る。抵抗ヒータをウェーハ３４上のかわりにウェーハ３
５上に配置することによって温度の均一度が多少向上す
る。それは、これ（（よってヒート・ンンクへの唯一の
熱通路がヒータ自体を通るからである。ウェーハ３４は
周囲大気と熱的に接触している。光減衰器に電力を辱え
た時には、領域３８内の液体の屈折率はコアの屈折率よ
り約１％低（なり、無視できる程度程の減衰しか生じな
い。他の構成例では、薄膜抵抗ヒータはＶ字形の溝３３
の表面上に配置され、領域３８内の物質と直接接触して
いる。この直接的な接触構造をとることによってスイッ
チングは速くなり、必要な電力は減少する。

第４図には、一対の光ファイバを光学的に結合するのに
適している光結合器が示されている。一対のウェーハ４
５．４６の各々には一対のＶ字形の溝４２．４４が形成
されている。第１の光ファイバのコア４１と第２の光フ
ァイバのコア４３はこれらのウェーハ４５，４６の間の
前記溝４２．４４にはさまれている。コア４１とコア４
３を接続する領域４７には液体が入っている。この液体
の屈折率は結合器の動作温度範囲内でコア４１と４２の
屈折率より犬ぎい１直から小さい値まで変化する。加熱
したときこの液体が膨張できるよう、領域４７は毛細管
路忙よって周囲大気に接続されているうこの毛細管路を
可撓性の膜を用いて封止することＫより、液体を周囲大
気からさらに確実に隔離しても良い。あるいは固定の封
止部を設けるかわりに、ガス溜めを設け、領域４７内の
液体が膨張するどきこのガスが圧縮されるような構成に
しても良い。いずれにしても、　　　　　　、　　　コ
ア４１の屈折率はコア４３の屈折率に等しくなるように
選択する。第３Ｎ図、第３Ｂ図に示す光減衰器と同じよ
うＫ、ウエーノ＼４６とブロック４１００間の薄い絶縁
層４９がこれら２つの領域の間の熱伝導を制御する。

ウェーハ４５と４６の間の空間でコア４１やコア４３が
ない領域４８は、領域４７中の液体より屈折率が小さい
物質で満たされている。領域４７０表面はいずれかの光
ファイバと接触している部分を除いて、領域４８中の物
質忙より覆われている。それ忙よって領域４７と４８の
間の境界にゼロでない臨界角を生じ、領域４７に漏れた
光の大力〈 部分呑コア４１．４３または領域４７の内部にとどまる
よってしている。このようＫして、光結合器の長さの範
囲内で、コア４１．４３および領域４７は共働して反射
空胴（ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ　ｃａｖｉｔｙ　）として
機能し、コア４１．４３を介して本反射空胴にはいった
光をその内にとじこめておく。光結合器の長さを極めて
長（していった極限では、コア４１を通って光結合器を
出る光の量は、コア４１と反射空胴との断面積の比の瞳
に比例する。同様のことがコア４３についても言える。

また、光結合器内で失われる光の割合は、少な（とも領
域４７と反射空胴との断面積の比の値と等しい。この損
失をできるだけ少なくするため、領域４７の長さＬ′は
可能な限り小さくすべきである。しかし、この長さが小
さすぎると、非結合状態時においても光は量子論的効果
により両光ファイバ間を通り抜けてしまう。このトンネ
ル効果はエバネンセント波結合（ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ
　ｗａｖｅ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　）といい、２ミクロン
の距離で光ファイバ間知約１％の結合を生ずる。従って
長さＬ′は光フアイバ間の分離度忙対する安来によって
決定される。しかし一般的には３ないし６ミクロン程度
の長さで適切な分離と低損失が得られる。長さＬ′を３
ミクロンにした例では、損失は２ないし３％程度となる
。この光結合器の構造は、一対の光フアイバ間の結合に
は限定されるものではなく、共通領域により接続された
任意本数の光フアイバ間の結合に一般化できるうここで
共通領域用物質は使用される光ファイバの屈折率、との
大小関係を反転させることができるものを用いる。この
ような構造では、ある光ファイバから他の任意の２本の
光ファイバ忙伝達される光量の比はこれら２つの受は側
の光ファイバの断面積の比の値忙はぼ比例する。

第４図に示されている形式の光結合器における光フアイ
バ間の光の分配率は、各党ファイバの断面積の比になる
。この性質を用７いて、特に簡単な光結合器を作ること
ができる。例えば、コア４′３の直径がコア４１の直径
の２倍であると、光結合器にはいったコア４１内の光の
最大８０％までがコア４３に伝達される。このような光
結合器は、光を光ファイバから取り出したり、また注入
したりするのに使用することができる。

第４図の光結合器は基本的には方向性結合器である。す
なわち、光ファイバ４１の近い方の端から光を注入した
場合、非結合状態では光はすべて光ファイバ４１の遠い
方の端に出る。結合状態では、光の一部が光ファイバ４
１の遠い方の端から出ると共に一部が光ファイバ４３の
遠い方の端から出るが、基本的には光ファイバ４３の近
い方の端からは光は出ない。従って、光ファイバ４１の
近い方の端を入力ポートとして利用すると、光ファイバ
４１の遠い方の端はこの人力ボートに対しての直接出力
ポートとして働き、光ファイバ４３の遠い方υ）端は入
力ボート尾対する結合出力ボートとして働く。従って、
結合出力ポートは光ファイバの入力ポート忙はいった光
を取り出すの忙使用することはできるが、光フアイバ４
１側の出力ボートにはいった光を取り出すことはできな
いっ従ってこの光結合器は、マイクロ波工学の方向性導
波管に相当する光デバイスである。

なお、同一の直径の多重モード光フアイバ用有する２本
の光フアイバ用の光結合器の場合、結合係数（すなわち
、光結合器の一方の光ファイバにはいって他方の光ファ
イバに伝達される光の割合）は高々２分の１である。個
々の光結合器での結合係数Ｃが２分の１よりかなり・小
さくとも、ファイバ上の多数箇所で次々に結合すること
によって、結合器の実効長を長くし、もって全体として
の結合係数をＩ／２Ｖｃ近付けることができる。

第５８図には、方向性結合器一般において、複数個の方
向性結合器を用いて全体としての結合係数を任意に１に
近付けることができる接続構造を有する方向性結合装置
を示す。第５Ｂ図中の個々の方向性結合器として、たと
えば第４図に示した方向性を有する光結合器を用いるこ
とができる。

この方向性結合装置では光ファイバ等の一対の伝送経路
５１．５２か、たとえば第４図に示すような、Ｎ個の結
合器によって結合されている。ここにおいて、各伝送経
路５１．５２は第１の端から第２の端まで順番に配置さ
れたＮ個のセクション１、・・・・・・、Ｎを有し、ま
た第１の伝送経路５１のに番目のセクションは第２の伝
送経路５２のに番目のセクションに結合されている。各
伝送経路５１．５２上におけるこれらのセクションには
昇順に番号が付されている。

これら２本の伝送経路５１．５２間の結合の主要な特徴
として、これらＮ個のセクションの各々で各伝送経路５
１．５２が互いに逆平行（ａｎｔｉ　−ｐａｒ’ａｌｌ
ｅｌ　）となるように配向されている。この構造をとる
ことによる効果は以下の説明から理解することができる
。光等の信号を伝送経路５１にその第１の端５４から注
入すると、セクション１では信号は矢印で示されている
方向に向かって伝送経路５１内を伝送される。この信号
をセクション１で伝送経路５２に結合すると、この信号
は七の点で矢印で示されるように同一の空間的な方向を
有する。ここにおいて、伝送経路５１内の信号の方向は
この伝送経路自体の方向に平行であるが、セクション１
で伝送経路５２側に結合される信号は伝送経路５２の方
向と逆平行である。この関係は結合セクションの各々で
当てはまる。この構成により、伝送経路５２の第１の端
５６への大刀信号を考えた場合、この第１の端５６が大
刀端として働き、伝送経路５１の第１の端がその出方端
として働く。

本結合装置においては、結合係数が増加するという効果
が得られる。

各方向性結合器の結合係数Ｃが０．５μ下でも、第５Ｂ
図に示した結合装置においては、伝送経路５１．５２間
の総合結合係数ＣＴを最大ｌまで一ヒげることができる
。総合結合係数ＣＴを算出するために２つの差分方程式
を以下で提示する。伝送経路５１を通ってに番目の方向
性結合器（すなわち、各伝送経路のセクションＫを結合
する方向性結合器）にはいる信号エネルギをＩＫ　とし
、また伝送経路５２を通ってに番目の方向性結合器には
いる信号エネルギをＩ′にとする。すると伝送経路５１
から伝送経路５２に伝達される正味のエネルギＤＬ＋は
伝送経路５１により方向性結合器に供給されるエネルギ
から、伝送経路５２により方向性結合器に与えられるエ
ネルギを差引いた残りのエネルギの０倍である。すなわ
ち、 ＤＩｘ＝Ｃｘ　（Ｉｇ　　ＩＫ’　） である。従って、差分方程式は ■・・・−Ｉ・−ＤＩ・　　　　　　　　　（１）Ｉ’
ｘ−＋　　＝　Ｉ’Ｋ　　＋　Ｄ　ＩＫ　　　　　　　
　　　　　　　　　ｆ２１と表わされる。総合結合係数
０丁を求めるため、端５４には信号のエネルギがはいら
ず（すなわち、Ｉ、＝０）、エネルギＩ　’ｉｎが端５
７にはいる（すなわち、Ｉｓ’　＝　Ｉｉｎ　）と仮定
する。エネルギｆ／、を■で表わ′すと、第１の方向性
結合器へ与えられる両エネルギの差はｔであるので、’
［）１１　＝−Ｃｘ　Ｉが成立する。Ｋ−１の場合の式
ｍからｌ２＝ｅｘＩが得られる。式（２）でに二２とし
てＩイ＝（１４−ｃ）ｘＩがイ拝られる。工４ｉレギＩ
２＋’２　　の１直より第２の方向性結合器にはいる両
エネルギの差も■であるので、この方向性結合器中にお
いて両伝送経路間で伝達されるエネルギは再びＣＸＩと
なる。これはＫのすべて１／）１直について当てはまる
ので、ＩＫ：（Ｋ　　１　）ｘｃｘｉ　　オＪ：Ｕ陥＝
（１＋（Ｋ−ｔｌｘｃ）ｘＩ が成立する。従って、 ｌｌ１ｒ１＝Ｉｕ　＝（１’＋（Ｎ−１：）ｘＣ）ＸＩ
■′類＝■谷１−Ｃ）ｘＩ Ｉｉｎ　”　Ｉｔ　＝　０ ｆｏｕｌ”’　ＩＮ＋Ｉ　＝　Ｎ　Ｘ　ＣＸ　１となる
。従って、伝送経路５２から伝送経路５１に結合される
エネルギの割合である総合係数Ｃ１上ｃＴ二Ｉｏｕｔ／
　Ｉ’ｉ。＝ＮｘＣ／（１＋ＣＮ−１：）　ｘＣ）と表
わされる。この値は、方向性結合器の数Ｎを増加するこ
とによりいくらでも直ｌに近づけることができる。従っ
て本構成により、一方の状態では入力ポートに入力され
たエネルギのほとんどすべてをこの入力ポートについて
の直接出力ポートからそのまま出力し、他方の状態では
その入力されたエネルギのほとんど全部を入力ポートに
ついての結合出力ポートから出力するバイパス形スイッ
チを辱えることができる。

第５Ａ図と第６図には第５Ｂ図に示した方向性結合装置
と同様の構造を有する２つの光方向性結合装置が示され
ている。第６図においては、一方のファイバは右巻きの
らせんとして形成され、他方のファイバは同じ軸及び寸
法を有する左巻きのらせんとして形成される。これらの
らせんの交点の一部または全部に、第４図に示すような
光用の結合器が設けられて両ファイバを互いに結合して
いる。また第５Ａ図においては、各光ファイバ５１′、
５２′　はジグザグ形に形成され、ウェーハ５３により
はさまれている。これら２本の光ファイバｓｔ’、ｓ２
　　は第４図に示すような光結合器によってジグザグ・
パターンの各画がりの間の光ファイバのセグメントの一
部または全部で互いに結合されている。これら２つのジ
グザグ・ノくターンはジグザグの半分の繰り返しだけオ
フセットされて（・るので、各光結合器中に？けるこれ
ら光コアイノくの方向（第５Ｂ図の構造に関してすでに
定義した）は互いに逆平行となっている。この構造は、
これら光ファイバが厳密に逆平行ではなく、互にほぼ１
８０度離れた方向を向いている場合でも先に差分方程式
ｆｉｌ、（２）に基いて説明した様に働く。ただし、逆
平行からのずれがあった場合には、このずれによって各
光結合器で光がある程度減衰する。この減衰は本接続構
造自体の性質によるのではなく、結合器の性質によるも
のである。従って、第４図に示す様な光結合器な多数用
いて総合結合係数０丁の値を太き（するには、これら光
コアイノ（を各結合点でほぼ逆平行にするだけでよ（・
。

第１図ないし第４図で開示しだ光減衰器と光結合器は、
コアの屈折率とクラッド層の屈折率との比を熱膨張によ
って変えるために熱を利用している。その他の機構もま
たこの比を変えるために使用するに適している。熱力学
的状態遷移により物質の屈折率の段階的変化を引き起こ
すことができる場合がしばしばある。液体から気体への
状態の変化によって特に屈折率が大きく変化するが、他
の状態遷移も利用することができる。例えば、ネマチッ
ク相（ｎｅｍａｔｉｃ　ｐｈａｓｅ　）から等方性相（
ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ　ｐｈａｓｅ　）への液晶相遷移に
よって有用な屈折率の変化が生する。イー・エム・ケミ
カル力 ズ社（ＢＭ　　Ｃｈｅｍｉｃａｂ　）から市販されてい
る液晶材料Ｎ　Ｐ　−１５９９の場合、６０℃以下での
そのネマチック相は１．５６２の正常屈折率ｎｏと１．
４８２の屡常屈折率ｎｅを程し、６０℃以下でのその等
方性相は１．５０９の屈折率ｎを程する。この材料は、
適当な屈折率の機会カラス光ファイバに使用したり、屈
折率を１．４８２μ上に上げるために適当にドープした
石英光ファイバとともに使用したりすることができる。

あるいは、屈折率が１．４６である単純な溶融０石来光
ファイバに用いることができるよう、この材料を多数変
えることもできる。

ネマチック−等方性相遷移に要するエネルギは僅かに０
，５力ロリー／立方センチメートルであもこれは第４図
に示した光結合器について前述した１１５”（！の温度
範囲にわたって鉱油を加熱するのに必要な１１５力ロリ
ー／立方センナメートルのほぼ０．４％にしか過ぎない
。この結果として、この液晶物質を領域４７に結合材料
として利用し、結合器を６０℃近くに保つと、スイッチ
ングのために印加する電力が同一の場合、この液晶を用
いた場合のターンオン時間は鉱油を使用したときのゎず
７！ｌ）０．４％しか要しない。ターンオフ時間は一般
にネマチック相が等方性相から変化するのに必要な速度
によって決定される。この時間は通常の流体の冷却時間
に比較しても短かい。しかしこのようなスイッチ速度は
、絶縁と定常的な電力供給とにより液晶を約６０℃に保
ってはじめて実現される。

他に使用可能な相遷移としては、たとえば固相一液相遷
移や磁化可能な物質のキューリ一温度の上下間における
遷移がある。

すでに説明した光結合器では、各光ファイバ・セグメン
トは同一の屈折率を有すると仮定した。

実際にはこの条件は必ずしも必要なもの゛ではな１異な
る屈折率を有する光ファイバ・セグメントを利用するこ
とによって結合を単方向化することができろうこれを説
明するために、屈折率ｎｌの第１のファイハト屈折率ｎ
２（ｎ２＜ｎ＋　）の第２のファイバが屈折率ｎ３　　
の結合媒体によって結合されている場合を考えてみる。

ｎ３をｎ２より小さい初期直からｎｌとｎ２の間の最小
値に変化させると、第２の光フアイバ内の光の全部を結
合媒体に伝達することができるが、第１の光ファイバは
なおゼロでない臨界角を臀するので、その低次モードは
なお第１の光ファイバに捕えられたままである。

従って、結合媒体中に漏出することができる高次モード
だけが第１の光ファイバから第２の光ファイバに伝達さ
れる。

前記の光減衰器と光結合器はまた空間的に一定の屈折率
を有する光ファイバ・セグメントを使用していた。しか
し、グレーデッド・インデクス（ｇｒａｄｅｄ　１ｎｄ
ｅｘ　）　　形コアを有する光ファイバ・セグメントを
用いた光減衰器や光結合器には幾つかの利点がある。そ
れは、光減衰器や光結合器が取付けられる光ファイバの
大部分のものはグレーデッド・インデクス形光ファイバ
だからである。

グレーデッド・インデクス形モはない光ファイバ・セグ
メントを用いた前述のような光減衰器または光結合器の
出力をグレーデッド・インデクス形光ファイバに結合す
ると、この境界で損失が生ずる。この損失の一部分は、
この境界での屈折率の階段状変化により、この境界で反
射が起こることな起因するものである。この損失の大部
分はクレーデッド・インデクス形光ファイバの表面から
光が逃げるこ午による。シレーデッド・イ／デクス形光
ファイバにお（１ては、光線は光ファイバのコアに閉じ
込められており、コアの軸から表面に向かって傾斜状に
変化する屈折率賃より、コアの表面近（では光線は光フ
ァイバの軸にほぼ平行となる。これとは対照的に、グレ
ーデッド・インデクス形ではない光ファイバでは、閉じ
込められた光線はコアの表面に対してほぼＯから臨界角
までの全角度でユ今−鵡表４酔枠ヅ、射する。従って、
一定屈折率光ファイバからグレーデート・インデクス形
光ファイバに伝達される光の多くは光ファイバの軸に対
して十分な角度を有するので、この光はグレーデッド・
インデクス形光ファイバの表面から′漏出する。これは
、一定屈折率光ファイバのコアの一面近くで一足屈折率
光ファイバからグレーデッド・インデクス形光ファイバ
へ入る光に対して特に当てはまる。そのような損失を避
けるためには、減衰器ｆ結合器にグレーデッド・インデ
クス形光ファイバ・セグメン）＆使用することが有益で
ある。

に光ファイバの軸に対して０でない角度で入射させる必
翳がある。これは、グレーデッド・インデクス杉光ファ
イバにおいて、光を制御可能に光ファイバから取り出す
べき位置のセグメントの直径をテーパ状に小さくしてい
（ことによって実現することができる。直径を半分に減
らすと、コア内の光の大部分が充分な角度でコアの表面
に入射する。りラッド層がある典型的なグレーデツドー
インデクス形光ファイバの場合、このコアから漏出した
光線はクラッド・モード光線となり、前述のよ５にして
ファイバ・セグメントから取り出すことができる。この
場合、第１図のクランド層１２と第４図の領域４７中の
結合媒体用物質は小直径のファイバ・セグメントに接触
しなければならない。小直径のファイバ・セグメントの
終端ではまた直径がじょうご状に太き（なっていく。よ
って、この部分において、クラッド・′モード光線の大
部分がコア・モード光線に戻される。従って、この様な
光減衰器や結合器の非減衰モードや非結合モードでは、
グレーデッド・インデクス形ではないファイバ・セグメ
ントを用いた前述の光結合器や光減衰器に比較して損失
量が低下する。

大部分のグレープント・インデクス形光ファイバは、グ
レーデッド・インデクス形コアを覆うクラッド層を有し
ている。通常、このクラッド層の屈折率はコアの表面部
分の屈折率に等しくしておく。このようなりラッド層が
あるからといって、光減衰器や光結合器に関する前述し
た説明は変更されるものではない。光ファイバという用
語はクラッド層を有するファイバ・コアとクラッド層を
有シナいファイバ・コアのいずれをも意味する。

【図面の簡単な説明】

第１図は光減衰器の構造及び動作原理を説明する図、第
２図、第３Ａ図及び第３Ｂ図は光減衰置方向性結合器の
接続形態を説明する図、第５Ｎ図６回寺は本発明にかか
る光方向性結合装置の他σ構成を示す図である・　　　
！５３ ５１．５２：伝送経路、　伝母：ウエーノλ５４．５６
　：第１の端、　５５，５７　：第２の端５１’、５２
’：光ファイバっ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 第１及び第２の入力端と第１及び第２の出力端とを有す
   る方向性結合器をＮ個接続してなる方向性結合装置にお
   いて、 ｎ番目（１くｎ＜Ｎ）の前記方向性結合器の第１の出力
   端及び第２の入力端は夫々（ｎ＋１）番目の前記方向性
   結合器の第１の入力端及び第２の出力端に接続されたこ
   とを特徴とする方向性結合装置。