JPS5923304A - 導波形光ビ−ム・スプリツタ - 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】 この発明は、光ビートを２つに分岐させたり、逆に２つ
の光ヒームを重ね合わせたりする場合に用いる導波形光
ヒーム・スプリッタに関する。

光通信、元情報処理の実用化をはかる上で光集積回路技
術は不可欠なものである。この技術のなかにあって、導
波形光回路技術はとりわけ重要な基本技術となっている
。（１「１々の光回路を導波形で構成する試みが盛んに
おこなわれているが、そうした−もののひとつに光ヒー
ム・スプリッタがある。導波形光回路において光ヒーム
・スプリッタの機能を果すもの吉しては、従来、方向性
結合器が利用されてきた。これは、２本の近接した平行
光導波路からなり、光導波路間の結合で光のパワーが光
導波路間を互いに移行するようにしたもので、光導波路
間隔すなわち結合の強さと光導波路の結合長とを適切に
設定すれば、ビーム・スプリッタと同等な機能を実現す
ることができる。しかしながら、そのためには光導波路
の形状、間隔および結合長の３つのパラメータを適切な
値に、精密に設定しなければならないという欠点があっ
た。

この発明は、複雑、精密なパラメータの設定を必要とせ
ず構成が容易であるとともに、２つの出力光の比率を任
意に設定することのできる導波形光ビーム・スプリッタ
を得ることを目的とする。

この発明による導波形光ビーム・スプリッタは、等しい
位相定数を有しかつ一端で互いに交差する第１の１対の
単一モード光導波路と、互いに異なる位相定数を有しか
つ一端で互いに交差する第２の１対の単一モード光導波
路とが、電気光学効果をもつ基板上に形成され、かつそ
れぞれの交差部で互いに結合されており、各先導波路対
における２本の先導波路の交差角が、光が光導波路にそ
って微小距離伝搬したときの光導波路間の間隔の変化が
伝搬した距離に対して無視てきる程度に小さく設定され
ているとともに、第２の１対の単一モー１°光導波路の
少なくとも一方を挾むように１対の電極が設けられてい
ることを特徴とする。光導波路は、電気光学効果を有す
る光学材料の基板上に周囲よりも屈折率の大きい部分を
形成することによりつくられる。この発明においては、
互いに交差する２対の光導波路をつくり、各光導波路対
の交差角を微小に設定するだけてよいがら、無調整で容
易に製造できる。第１の１対の単一モード光導波路から
光波を入射させた場合には、第２の１対の単一モード先
導波路の両方から出力光が得られるが、第２の１対の先
導波路は位相定数が異なるために両出力光パワーは等し
くはない０この発明においては、この第２の１対の先導
波路の少なくとも一方を挾むように１対の電極を設けて
いるから、電極への電圧印加によって画先導波路間の結
合定数を微調整することができ、画先導波路から出力さ
れる光波パワーを等しく設定したり、任意の比率にする
ことができる。

まず、この発明による光ビーム・スプリッタの動作原理
について説明する。第１図において、１対の単一モード
光導波路（１）と（２）がイの一端において微小角度θ
１で交差している。これらの光導波路（１）と（２）と
は等しい巾ｗｌ、ｗ２を有しており、したがって位相定
数が等しく設定されている。もう１対の単一モード光導
波路（３）と（４）とがあり、これらの先導波路（３）
と（４）もまた一端にて微小角度θ２で交差している。

先導波路（３）と（４）のＴＩ］　Ｗ　３とＷ４とは異
なり、光導波路（４）のＩｊＪＷ４は先導波路（３）の
１ｌＪＷ３よりも狭くなっている。したがって、先導波
路（３）と（４）の位相定数は外なり、先導波路（３）
の方が大きい。光導波路（１１（２１の＋ｌＩＷ　１　
、　Ｗ　２と先導波路（３）の巾Ｗ３とは、第１図では
等しく設定されているが、必ずしも等しくなくてもよい
。また、交７η角はθｌ〉０２に設定されているが、θ
≦０２であってもよい。このような光導波路（１１（２
１と光導波路＋３１　（４１とは、これらの光導波路が
ほぼ直線状になるように、それぞれの交差部で結合され
ている。この結合部を符号（５）で示す。説明の便宜の
ために、先導波路（１１（２１から光導波路＋３１　ｆ
４＋に向う方向をＺ軸、紙面に垂直な方向をＸ軸として
、ＸＹｚ座標軸をとる。また、先導波路（１１＋２１を
対称側、光箭 導波路＋３＋　＋４１を非対Ｘ側と呼ぶ。

簡単のために、Ｘ方向には変化のない２次元構造を考え
る。また、２つの交差角θｌ、θ２はいずれも十分に小
さく、光波はほぼ２方向に進行し、２方向の微小変化に
対して光導波路（１）と（２）の間隔、および光導波路
（３）と（４）の間隔の変化は無視てきるものとする。

すなわち、結合部（５）を除いて、微小区間を考えれば
、２本の平行な光導波路があり、Ｙ方向にで様な５層構
造が形成されている、とみなすことができるものとする
。このような場合には、ローカル・ノーマル優モード、
（Ｌｏｃａｌ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｍｏｄｅ　）による解析
法が適用できる。

よく知られているように、２つの単一モード先導波路か
らなる５層光導波路の固有モードには、偶モードと奇モ
ードの２種５１１がある。第２図（ａ）、（ｂ）には、
この５層光導波路構造、における偶モードと奇モードの
伝搬状部がそれぞれ示されている。第２図（０）には、
この５層先導波路構造の偶、奇両モードの位相定数の変
化の様子が示されている。先導波路ｆｉ＋　＋２１から
なる対称側において、結合部（５）から十分に遠く、光
導波路（１）と（２）の間隔が広い位置ては、光導波路
（１１と（２）の間の結合が無視てきるため２つの固有
モードは縮退し、両モードの位相定数は等しい。結合部
（５）に近づくにつれて縮退がとけて両モードの位相定
数の差が大きくなる。結合部（５）では、２つの光導波
路が１つになり、３層先導波路構造となるため、偶モー
ドは３層光導波路の基本モード（位相定数の大きい方）
に、奇モードは１次モード（位相定数の小さい方）にそ
れぞれ移行する。結合部（５）を過ぎて、先導波路（３
）と（４）からなる非対称側にはいると、光導波路（３
）と（４）の間隔が再び拡大するため両モードの位相定
数の差は減少するが、先導波路（３）と（４）の位相定
数が異なるので偶、奇モードの位相定数はそれぞれ異な
る値に漸近する。この例では、光導波路（３）の幅が光
導波路（４）の幅より広くなっているから、位相定数は
光導波路（３）のほうて大きい。したがって、偶モード
の光波パワーは光導波路（３）に、奇モードの光波パワ
ーは光導波路（４）にそれぞれ集中する。

上述の説明は、光が対称側から非対称側に伝搬する場合
のものであるが、非対称側から対称側に光が進む場合に
は、上述の説明を逆にたどればよい。

第３図は、上述の光導波路に対称側から種々の光波を入
力したときに得られる光波出力を示している。第３図（
ａ）は、対称側の２つの光導波路（１１（２１に同相の
光波が入力した場合である。対称側では偶モードが励振
されて伝搬し、結合部（５）では基本モードに、非対称
側では再び偶モードにそれぞれ変化する。非対称側にお
ける偶モードの光波パワーは光導波路（３）に集中して
いるため、出力光波は先導波路（３）から得られる。第
３図（ｂ）は、互いに逆相の光波を対称側の２つの光導
波路（１１＋２１に入力した場合である。対称側では奇
モードが励振されて伝搬し、結合部（５）では１次モー
ドに、非対称側ではｉ４び奇モードにそれぞれ変化する
。非対称側における奇モードの光波パワーは光導波路（
４）に集中しているため、出力光波は光導波路（４）か
ら得られる。第３図（Ｃ）は、光波か光導波路（１）に
のみ人力した場合である。この場合には、対称側で偶モ
ードと奇モードとが等しいパワーで励振されたと考えら
れるから、第３図（ａ）と（１，）の重ね合わせとなり
、光導波路（３）と（４）のそれぞれ光波が出力される
。

光波を非対称側から入力することもてき、この場合には
上述した逆の過程をたどる。たとえば、光導波路（３）
に光波が入力した場合には、対称側の両光導波路（月と
（２）とから同相の光波か出力される（第３図（ａ）に
破線の矢印で示す）。他についても同じように考えるこ
とができる。以上の考察から、この光導波路構造が通常
の光ビーム・スプリッタ（たとえばハーフ・ミラー）と
等価な機能を有するものであることが理解されよう。

第３図（Ｃ）において、光導波路（３）と（４）から出
力される光波は、第２図（ａ）　（ｂ）に示す偶、奇モ
ードの右２ＨｇにおＣづる界分布を重ね合ねりたもので
あるから、この図からも分るように、両光波パワーは等
しくない。すなわち、光導波路（１）（または（２））
に人力された光波は結合部（５）において１：１の光分
岐比で分岐されずに、光導波路（３）への光分岐割合が
大きくなっている。

この発明においては、第３図（Ｑ）に示されているよう
に、非対称側の一方の光導波路（４）を挾むように１対
の電極（６）が設けられている。光導波路（１）〜（４
）は電気光学効果をもつ光学材料を基板として形成され
ている。１対の電極（６）に電圧を印加すると、基板内
に電界が発生し、この電界によって光導波路（４）およ
びその周囲の屈折率が変化する。これにより光導波路（
４）の位相定数が変化するからこの光導波路（４）に伝
搬する光波パワーを変えることができ、光導波路（３）
と（４）に分岐する光波を１：１にすることが可能とな
る。

もちろん、結合部（５）における光波の分岐比を、印加
電圧を調整することにより任意の値とすることも可能で
ある。電極（６）に印加する電圧は直流でも交流でもよ
い。また１対の電極（６）を先導波路（３）を挾むよう
に設けることも可能である。

１対の電極（６）は、光導波路（３）または（４）を挾
むように設けられ、その間隔が小さいから、低電圧印加
によっても高電界が得られ、大きな屈折率変化を得るこ
とができる。

この光ビーム・スプリッタはたとえばグレーティングの
作成に利用することができ、光導波路（３）と（４）か
ら等しいパワーの光波が得られることにより、良質のグ
レーティングの作成が可能となる。すなわち、光学材イ
こ１等へのグレーティングの作成は２つの光波の干渉光
による露光を利用しているが、この２つの光波のパワー
か等しいと干渉光強度の最小値が零となるのて、高結合
効率のグレーティングが得られる。

第４図は実施例を示している。Ｉ−ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏ３結
晶基板（１０）の−面上に、Ｔｉを熱拡散することによ
り、第１図に示すような光導波路（１）と（２）の対、
光導波路（３）と（４）の対およびこれらの交差部の結
合部（５）か形成されている。これらの光導波路（１）
〜（４）の結合部（５）と反対側端部には、平行な光導
波路ｆｌｌｌ　ｆ１２１　（１３）　（１４１がそれぞ
れ連続している。また、基板（１０）上には、光導波路
（４）を挾むように１対の対向電極（６）がつくられて
いる。これらの電極（６）には電源（７）によって任意
の電工が印加される。先導波路ｆｉ１１　Ｇ２）を入力
側、光導波路Ｃｌ３１（Ｉりを出力側とすることもてき
るし、逆に光導波路０３）圓を入力端、光導波路＋Ｉｌ
ｌ　（１２１を出力側とすることも可能である。いずれ
にしても、上述の動作原理のところで説明した種々の光
分岐または重ね合せを行なうことができる。そして、電
極（６）への印加電圧を調整することにより、対象側に
光波を入力した場合に、光導波路（３）と（４）とに分
岐する光波パワーを任意に調整することができる。

電極（６）は、光導波路＋３１　（１３１または０りを
挾むように設けてもよい。光導波路（１）と（２）の交
差角、光導波路（３）と（４）の交差角θｌ、θ２はい
ずれも１２゜以下の小さい値にとられている。光導波路
（３）と（４）の交差角θ２を小さくすると、両光導波
路（３）（４）の非対称性が強調されるから、非対称側
の交差角θ２を対称側の交差角θ１より小さくする方が
有利である。

第５図は第４図に示す光ビーノ＼・スプリッタを平面か
らみた様子を示しており、この図を参ＩＫ（シて、各部
の寸法の一例を示すと次の通りである。

光導波路（１）および（１１）のｒｌ　Ｗ　１、光導波
路（２）および（１２）の＋ｌ＋Ｗ２、ならびに光導波
路（３）および（１３）のＩ　Ｗ　３はいずれも３　μ
ｎＬ 光導波−路（４）および（１４１のｊｌＪ　Ｗ　４は２
．５　μｍ先導波路（１）と（２）の交差角θｌは０．
０２　ｒ　ａ　ｄ光導波路（３）と（４）の交差角θ２
は０．００５ｒａｄ光導波路（１１（２１の長さＬｌは
１つ光導波路＋３＋　＋４１の長さＬ２は８ｒ結合部（
５）の長さＬ５は４０μｍ 光導波路（１１）と（１２１の間隔Ｄ１は２０ｐｍ光導
波路０３）と０４１の間隔Ｄ２は４０μ那

【図面の簡単な説明】

第１図は、導波形光ビーム・スワブ１ノツタの動作原理
を示す構成図、第２図（ａ）、（ｂ）’よ、このビーム
・スプリッタにおける固有モードの伝搬の様子を示す図
、第２図（Ｃ）は位相定数の変イヒを示すグラフ、第３
図は、このビーム・スワブ１ノツタヘの光波の入力と出
力との種々の関イ系および電極の配置を示す図、第４図
Ｇ！、この発明の実施例を示す斜視図、第５図は光導波
Ｖ名を平面力）らみた構成図である。 （１１（２＋　＋３１　［４１・・・光導波路、（５）
・・・糸吉合音Ｅ、（６１・・・電極、　（１０）・・
・基板、θ１、θ２・・・交差角。 以　　上 特許出願人　立石電機株式会社 外４名 第２図 （ａ） （ｂ） 一一一一一一一２ 第８図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 等しい位相重数を有しかつ一端で互いに交差する第１の
   １対の単一モード光導波路と、互いに異なる位相定数を
   有しかつ一端で互いに交差する第２の１対の浄−モード
   光導波路とが、電気光学効果をもつ基板」−に形成され
   、かつそれぞれの交差部で互いに結合されており、各光
   導波路対における２本の光導波路の交差角が、光が光導
   波路にそって微小距離伝搬したときの光導波路間の間隔
   の変化が伝搬した距離に対して無視てきる程度に小さく
   設定されているとともに、第２のＩ対の単一モード先導
   波路の少なくとも一方を挾むように１対の電極か設けら
   れている、導波形光ビーム０スプリツタ。