JPS6011334B2 - 光方向性結合器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は光導波路を用いた光方向性結合器に関するも
のである。

従来、この種の装置として第１図に示すものがあった。

図において、１は電気光学効果をもつ基板に形成された
光導波路、２は二つの導波路の結合部、３は線路間の結
合係数を変化させるために設けられた電極である。モー
ド結合理論によれば、伝送方向に一様で線路定数の相等
しい二つの無損失線路１および２の間に結合がある場合
、結合部の始機において線路１に入る光のパワーは、結
合部を伝送方向に進むに従って、しだいに線路２のほう
へ移行し、ある特定の距離において線路１のパワーは完
全に線路２へ移る。

その後は逆に線路２のパワーが線路１のほうへ再移行さ
れ、前と同じ距離だけ進むと線路２のパワーは完全にも
との線路１へもどる。以下周期的に線路１，２間でパワ
ーの受授がくりかえされる。線路１から線路２へ１００
％パワーが移行する最小の結合長は二つの線路間の結合
係数によって一義的に定まる。一つの誘電体光線を伝搬
する二つのモードの複索振中をＡ、Ｂとすると、後素振
中Ａ、Ｂは伝搬距離Ｚにたいして次のモード方程式で記
述される等穿＝ＫＢくＺ）ｅ→△２ （１）ｄＢ（
Ｚ） （２）ｄＺ＝−
ＫＡ（Ｚ）ｅｉ△Ｚここで△は位相非整合定数で二つの
モードの伝搬定数Ｂａ、Ｂｂおよび空間的な綾動により
決まる。

Ｋは結合係数である。位相整合条件（△＝０）を満足す
るときＡ、Ｂ間で完全なパワー交換が生ずる、パワー交
換の周期はｍ／狐であり、それぞれＩＡ（Ｚ）ｌ２ ＝
Ｂ２ｓｉ〆（ＫＺ） （３）！Ｂ（Ｚ）ｌ２ ＝氏
２ｃｏｓ２（ＫＺ） （４）で表わされる。

但しＺ＝０でＢ（０）＝Ｂｏ、Ａ（０）＝０とした。パ
ワー交換の周期が汀／歌であることから、結合係数Ｋの
値を変化させることにより光スイッチ作用を行なわせ得
ることが明らかである。

Ｋの値を変化する方法として、従来、電気光学効果を有
する結晶の結合部分の屈折率を外部電圧により変化する
方法がある。しかし光導波路に二つのモードＴＥ、ＴＭ
波が同時に伝搬可能な場合、一般に、これらのモードの
結合係数ＫＴＥ、Ｋ肌の値が違うのでどちらか一方のモ
ードだけを選択する必要があり、光パワーを有効に利用
できないという欠点があった。

この発明は上記欠点を除去するためになされたもので、
光導波路の結合部において、その伝搬定数を長さ方向に
周期的に変化させることにより、一つのモード（ＴＥ、
ＴＭ波）の結合長を一致させると共に二つのモードを同
時に用いることのできる、光方向性結合器を提供するこ
とを目的としている。以下、この発明の一実施例を第２
図について説明する。

第２図において４，４は光導波路１上に形成された電極
で電極周期はハである。この電極４，４により二線路間
に周期的な伝搬定数の変調を与えることが出来る。線路
１は電気光学効果を有する結晶（例えばＬｉＮｂｏ３、
ＬＩＴａ０３）基板５に金属原子（例えばＴｉ、Ｎｂ）
を拡散して形成されたものである。基板５の結晶軸は紙
面に垂直方向である。次に本発明の基本となる位相非整
合定数△が伝搬方向に対して周期Ａで変調されている場
合について考える。

このとき‘１１、■式は次式の様に書き換えられる。等
算＝ＫＢ（Ｚ）ｅ→′△（２雌 （５）等算−ＫＡ（
Ｚ）ｅ‘Ｊ△他 （６）ここで △（Ｚ）＝△Ｂ＋△ｍＳｉｎ（等ｚ）（７）△Ｂは二線
破間の伝搬定数の差、△ｍは伝搬定数の変調振中、Ａは
その変調周期である。

‘７ーを（５１、■式に代入してｄＡ（Ｚ）＝−ＫＢ
２ Ｊど（二夢ヂ）ｅ１（４Ｂ＋等羊）Ｚ （８
）ｄＺ Ｚ＝−■三隻ゑ）＝ＫＡじき
−のＪと（４要害）ｅ−１（４Ｂ＋２男と）Ｚ
（９）を得る。

■、■式より位相整合は △８十雫：。

■のときにとれる。

すなわち△３≠０のときにはＡ＝サ申ナー（ｉｉ１・２
・３・……）（１１）なる周期の電極構造により、二つ
のモードＡ、Ｂの位相整合条件をとることができる。位
相整合条・件（１０）満足するとき‘８｝、‘９｝式に
おいて位相整合条件 ‐△８十得＝。

を満足しない項（非位相整合項）の寄与を以下において
評価する。

すなわち△８十Ｚ矢二≠。

（し≠１） く１２）聖＝−Ｋ鶴〆（今学）ｅｉ（４
Ｂ十字）Ｚ （，３）ｄＺ賊＝ＫＡ夕とＭ２羊
）ｅ−ｉ（ぐＢ＋努牝 （，４）となる。

これらの項のうち特に１項だけを取り出してその寄与の
大きさを評価してみる。結局（１３）、（１４）式で−
項のみ取り出しｄＡ ＝−Ｋ肌（峯竿）ｅｉ岬十字）Ｚ ｄＺ 彰＝ＫＡＭ２羊）ｅ−ｉ船偽り なる結合方程式を解くことになる。

（１５）、（１６）式は（２）、（３）式と同一形式で
その解は（４）式の境界条件のもとでは（５）、（６）
式の結合係数ＫをＫ→Ｊレ（竿鰐三）Ｋ （１７） ′ （１５） （１６） …・位相非整合定数△を △一△８十空子（１８） （１８） と置き換えたもので与えられる。

これよりこの位相非整合項によりひき起こされるＢから
Ａへの変換の振中は２Ｍ−三）Ｋ 〔４Ｊレ２（２手事イ）Ｋ２十（４Ｂ＋等レ）２〕ぢ
（１９）で与えられ、２汀／ハ》Ｋのとき、
すなわち結合長Ｌ＝ｍ／松に比べて周期構造のピッチＡ
が小さい場合には（１９）は１に比べ十分４・さくなる
。

他の非位相整合項についても同機なことが言えるので、
（８）、（９）式の２は位相整合項についてのみ考えれ
ばよく、溝局（８）、（９）式は等鼻＝−ＫＢＪ１（宏
ハ） （２ｏ）☆壁虹十肌１く鍔Ａ） （２１） ｄｚ となる。

（２０）、（２１）式を（３）、（４）式と比較すると
き、（２）、（３）式の結合係数ＫをＪ・（今器二）Ｋ
と置き換えたものになっていることがわかる。従って、
（２０）、（２１）式の解は、ＩＡ（ｚ）ｌ２＝Ｂも形
Ｕ１（鍔ヂ）Ｋ〕 （２２）ＩＢ（ｚ）
１２＝＆２Ｃ瓜２〔Ｊ１（鍔；）Ｋ〕
（２３）となる。すなわち、（２２）、（２３）式は結
合係数ＫがあたかもＪＩＫであるかの様に振舞う。

従って後の便宜上次の様な実効結合係数Ｋ；を導入する
。Ｋ；＝Ｊ・（今宏二）Ｋ （２４）実効結合係
数は△ｍ、Ａの関数であるからこれらの値を変えること
により実効結合係数の値を１次のべッセル関数的に変化
させうる。

伝搬定数を周期的に変調する方法としては電気光学効果
や音響光学効果を利用することが考えられる。

誘電体光導波略としてＬｉＮｂ０３やＬＩＴａ０３を用
いるとき、周期構造を有する電極によって誘起される屈
折率の変化は結晶軸の方向とその垂直面＊内で異なる。
電界を結晶軸（Ｃ軸）方向に印加する場合これにより誘
起される屈折率の変化は結晶軸方向で△ｎＣｕ＝きもし
斑ＥＣ （２５） この垂直面内で △ｎＣ↓＝を。

３し“ＥＣ （２６） ここで、ｎｅ、ｎｏはそれぞれ異常光線および常光線に
対する屈折率であり、し町、し，３はＰ比ｋｅｉＳ係数
である。

屈折率変化△ｎにより譲起される伝搬定数の差△ｍは近
似的に△ｍ＝学Ｍ （２７） で与えられる。

従って（２７）式のＡｍは結晶軸方向とこの垂直面内で
異なり、これらをそれぞれ△ｍＣＩ１、△ｍＣＩとおく
。光の電界方向が結晶軸方向にあるときの実効結合係数
｛Ｋ；｝ｃ，．は｛Ｋ；｝Ｃ．．：Ｊ・（三芳二）ＫＣ
・・ （２８）結晶軸と垂直面内にあるときの実効結合
係数｛Ｋ；｝Ｃ↓は｛Ｋ；｝Ｃ．＝ＪＩ（等；）ＫＣ・
（２９）ここで、Ｋｃ・・およびＫｃ↓はそれぞれ結
晶軸方向に光の電界が存在する場合と結晶軸と垂直方向
に光の電界が存在する場合の二線路間の結合係数である
。

△ｍＣＩＩ＞△ｍＣ↓、Ｋｃ，．＞Ｋｃ↓のときには第
３図に示す様に比較的低印加電圧虫ａで｛Ｋ零）ｃ，．
＝｛Ｋ客｝ｃ↓とすることが可能である。

この原理を利用して二線路を伝搬する二つのモードＴＥ
・ＴＭ波の結合長を同一にすることができる。以上の様
に、この発明によれば、導波路に長さ方向に周期的な伝
搬定数の変化を有するため二つのにモード（ＴＥ、ＴＭ
波）の結合長を一致させると共に、二つのモードを同時
に用いることができる光方向性結合器を提供することが
できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の光方向性結合器を示す正面図、第２図は
この発明の一実施例による光方向性結合器を示す正面図
、第３図はこの発明の原理を説明するための図、第４図
は光導波路の構成と結晶軸との関係を示す図である。 なお、図中、同一符号は同一、または相当部分を示す。
１・・…・光導波路、４・・・・・・電極。 第１図第２図 第３図 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 光導波路の伝搬定数を長さ方向に周期的に変化させ
   ることにより、この光導波路を伝搬する複数のモード間
   の位相整合をとり、かつそのモード間の結合係数を変化
   させることにより、特定の二つのモードの結合長を一致
   させるようにしたことを特徴とする光方向性結合器。