JPS60218622A - 非相反光移相器 - 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】 （７）技術分野 この発明は、光集積回路特に、光ファイバジャイν用の
光学系の光集積回路を構成する非相反光移相器に関する
。

（イ）光ファイバジャイロの原理 光ファイバジャイロは、回転角速度を測定する装置で、
発光素子、受光素子、シングルモード光ファイバコイル
、ビームスプリツタ等よりなる。

発光素子はレーザ、スーパールミネッセントダイオード
等を用いる。発光素子から出た光を、ビームスプリツタ
で二分し、多数回シングルモード光ファイバを巻回した
光ファイバコアの両端に入射させる。それぞれの光は、
左廻り光、右廻り光として、光ファイバコイルの中を伝
搬し、他端から出射する。この光をビームスプリツタに
よって合体し、干渉光の強度を受光素子で検出する。

光ファイバコイルが角速度Ωで回転していると、．左廻
り光、右廻り光の伝搬時間に差ができるから．、受光素
子に達した時、左右廻り光には位相差Δθが発生す為。

位？相差は、角速度Ω、光ファイバコイルの全長Ｌ１フ
イルの半径ａに比例し、４πＬａΩ Δθ＝＝（１） で与えられる。Ｃは真空中の光速、λは真空中の光の波
長である。これをＳａｇｎａｃ効果という。

このため、受光素子に於て、光は 右廻り光Ｅｒｓｉｎ（ωｔ＋−）（２）２・ Δθ 左＠″９．Ｅｌｓｉ“０“’−７）（８）という波動函
数で表わされる。ωは光の角周波数、Ｅｒ，ＩＪは、振
幅である。

これらの光力ｉ受光素子上で干渉するから、出力Ｉ’（
Δθ）は、（２）、（３）の和の２乗として、！（Δθ
）＝一（Ｅｒ”＋ＩＪ２）＋ＥｒＥｉｃｏｓΔθ（４》
２ として表われる。Ｅｒ，Ｅｌｆが予め分っているから受
光素子の出力ｌ（Δθ）を測定する事により、位相差Δ
θを知る事ができる。これによって回転角速度Ωが分る
。

これが光ファイバジャイロの原理である。

位）位相バイアス光ファイバジャイロ （４）式の基本式に見るように、基本構成の光ファイバ
ジャイロでは、出力Ｉ（Δθ）が、八〇の余弦（！Δθ
）の形で、位相差を含むため、Δθの小さい領域での、
Δθに対する出力！（Δθ）の変化率゛が小さいため、
低速回転域での感度が悪い、という難点がある。又余弦
は偶函数であるから、Δθの正負、つまり回転方向を識
別する事ができない、という欠点がある。

これを克服するためには、左廻り光と右廻り光の光路を
一部分離し、左廻り光と右廻り光の光路をπ／２だけ異
らせる、という事が行われる。

位相バイアスの与え方は幾つかあるが、例えば、レンズ
、ファイバ間のデフォーカスによって、出射光の波面を
彎曲させる、という方法がある。

又、左廻り光、右廻り光の光路を、ビームスプリツタを
４つ使って分離し、いずれか一方の光路に位相板を入れ
て、π／２の位相バイアスを与える？、という方法があ
る。

π／２゛の位相差を与える事ができたとすると、受光素
子の出力工（Δθ）は（４）式にかえて、’２２””′ ■（Δθ）＝−（Ｅｒ＋Ｅｌ）＋ＥｒＥｌｓｉｎΔθ（
５）２ となる。こうなると、！（Δθ１欅Ｐたθの奇函数とな
り、位相差が小さい場合であっても、精度良ぐΩをめる
事ができる。回転方向の識別も可能である。

しかし、この方法は、左廻り光と右廻り光の間に光路差
をつくる方式であるため、π／２の位相バイアスを正確
に与える事が難しい。

又、光路差は、発光素子の波長変動によって変化するか
ら、これが出力のドリフトになって現われる、等の問題
がある。

（ニ）発明の目的 本発明は、光ファイバジャイロに於て用いられる光集積
回路であって、左廻り光と右廻り光の間で、光路差を生
ずることなく、位相バイアスを与える事ができる。小型
、堅牢、安定な移相器を与える事を目的とする。

（４）スラブ導波路固有モード スヲブ導波路を伝搬する固有モードについて考察する。

第５図のように座標系を設定する。幅がｄである薄板導
波路ｑを、半無限大のブロックＲ，Ｒで両側から挾んで
いるスラブ導波路を考える。

薄板導波路ｑの屈折率の方が、Ｒ，Ｈの屈折率より高く
、光はＱの中に閉じ込められる。そこでＱをコア、Ｒを
クラツドと仮に名付ける。

光の進行方向はＸ軸方向、コア、クラツドの境界面に垂
直な方向をｙ軸とする。２軸方向には、コア、クラツド
ともに一様であるとする。第５図に示すように、コアが
ひとつで、両側からクラツドで挾むものを三層スラブと
いう。

２つのコアがあって、三層のクラツドがこれを分離、被
覆するもの、つまりＲ，Ｑ，Ｒ，Ｑ，Ｒとなるものを五
層スラブという事にする。

コアの厚みをｄとする。これは幅という事もある。２方
向には一様であるとしているがら、パラメータはｄと、
光の波長λ、コア、クラッドの屈折率だけである。光学
軸はｚ軸である。

又、電界ベクトルがｙ方向にある光のモードをＴＭモー
ドといい、２方向にある光のモードをＴＥモードという
事にする。

コアの幅ｄが小さい間は０次モードだけしが伝搬しない
。ｄが広くなるに従って、１次モー−ド、４１， ２次モードも伝搬してゆく。ここでモードというのは、
ｙ方向に波動函数のθ点がいくつあるが、という事であ
り、よく知られているように、ＴＭモードの場合、ＴＭ
，、ＴＭ２、・・・・・に対し、ｍｌｄ＝ＫｄｔａａＫ
ｄ（６冫 （Ｋｄ）２＋（ｒｄ’）”＝Ｖ”（７）ｎ１２ｋ２−β
２＝Ｋ２（９） から伝搬定数βをめる事ができる。

ただし、”ＩＳ”２はコア、クラッドの常光屈折率、ｋ
は真空中での波数（２π／ス）である。■は規格化周波
数である。ｍ＝ｎ，／ｎ，である。

ＴＭ，ＴＭ３，・・・・・・など奇数次モードに対して
は、ｌ （６）式の一が一ｃｏｔに変わる。

ＴＥモードについては、ｍ＝１とし、異常光屈折率を用
いる。

第２図はＬｉＴａＯ３の三層スヲプ導波路のＴＥモード
の分散曲線を示している。横軸はコア輻ｄを波長λで除
した規格化導波路幅（ｄ／λ）である。縦軸は伝搬定数
βを真空中での波数ｋで除した規格化伝搬定数（β／ｋ
）である。クラッドの屈折率ｎ２は２．１８７８、コア
の屈折率ｎｌは２．１９００で、屈折率差の割合は（”
１ｎ２）／”ｔ＝０．００１である。

規格化導波路幅が８又は４の場合、ＴＥｏモードだけが
存在する。シングルモードヌフグ導波路である。導波路
幅が７の場合、ＴＥ，モードも存在しうるようになる。

第８図は三層スラブ導波路のＴＭモードの分散曲線格示
じている。横軸は規格，化導波路？゛幅（ｄ／λ）であ
る。縦軸は規格化伝搬定数（β／ｙ＞である。クラツド
の屈折率ｎ２は２．１８８４、コアの屈折率ｎ１は２．
１８５６で屈折率差の割合は、（ｎ冫二”２）／ｎｌ＝
ｏ．ｏｏｉである。

第２図、又は第３図に於て、伝？搬定数βが一意的に定
癲できるのは、コアの幅ｄ７３Ｅ−”定で、導波路がＸ
方向に無限に続いている場合である。

コアの幅ｄが進行方向Ｘに関して一様でなく、漸次拡大
し、或は狭少化する場合、βは定義できない。しかし、
幅ｄの変化が少なければ、局所的に伝搬定数β（Ｘ）と
いうものを考える事ができる。′ 従って、幅ｄがＸの函数としてＸ方向に変化す名時、つ
まりｄ（ｘ）と書く事ができる場合、Ｘ点に於る局所的
伝搬定数β（ｄ（Ｘ））を考える事ができる。

断熱的にβが変化するならば、ＴＥ０モードのパワーは
、Ｘ方向に保存される。図に於て、ＴＥ０の曲線に沿っ
てβ（Ｘ）が変動してゆくものと考えられる。ここで、
パワーが保存される、という事が重要である。

ゆ》分岐に於けるモード変換 第７図に示すようなＹ型分岐におけるモード変換につい
て考える。

進行方向はＸ方向であるが、この方向に分岐がある。２
方向に屈折率が一様である、とする。

幅Ｗ０のスラブ導波路が、ＷｌとＷ２の幅の導波路に分
かれたものとする。ここて幅Ｗというのは、規格化１導
波路＄１（ｄ／λ）の事である。ｄと区別するためＷと
した。Ｗ等は導波路を表わすこともある。

Ｗｏ＝Ｗ１＋Ｗ．（１０） である。Ｗ０は２モード導波路で、Ｗ１、Ｗ２は１モー
ド導波路であるとする。第２図、第３図がらＷｏが５〜
８程度であれば、このよりなＷ１、Ｗ２が存在するＯ モード変換はＴＥモード内、ＴＭモード内に於て全く同
様に起こるから、両モードの区別をする必要はない。そ
こで、いずれのモードに於てもθ次モードをＴＯで、１
次モードをＴ１で表わすことにする。Ｅ，Ｍを省いて表
記する。

第６図に、第２図、第８図と同じような、モード分散曲
線を示す。

横軸は規１格化導波路幅Ｗ（ｄ／λ）、縦軸は（規格化
）位相定数Σ（β／ｋ）である。横軸上に、Ｙ分岐の導
波路幅Ｗ０、Ｗ１、Ｗ２をとる。

これらの点から縦軸に平行な直線を引き、ＴＯ曲線、τ
ｌ曲線との交点をＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄとする。

広い導波路Ｗ０では、ＴＯ、Ｔ１モードが存在し、位相
定数はそれぞ些Σａ，Σｂである。分岐導波路Ｗ１、Ｗ
２ではＴＯモードだけが存在し、位相定数はそれぞれΣ
Ｃ，Σｄである。

以後伝搬定数βと区別するためΣ１は位相定数というこ
とにする。

ＴＯ曲線上のＷがｗ０、ｗ，、”２の時の位相定数Σａ
１ΣＣ１ΣｄはＡ，Ｃ１Ｄ点のΣの値である。

広い導波路を統合導波路Ｗ０といい、Ｗ？、Ｗ２を分岐
導波路Ｗ１、Ｗ２ということにする。

統合導波路Ｗ。では、Ａ，Ｂ点のモードＴｏ、Ｔｌが存
在する。２モード導波路である。

分岐導波路Ｗ１、Ｗ，ではＣ，Ｄ点のモードＴＯのみが
存在する。１モード導波路である。

Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄなどのモードが定義できるのは、これら
導波路が十分長い場合である。第７図のＹ分岐では、こ
のようなモードを定義できない。

統合導波路Ｗ０から、分岐導波路Ｗ１、Ｗ２へ進行する
とする。まずＷ１に進むものについて考える。

Ｗ，＞Ｗｘと仮定する。

この分岐に於て、Ａ点からＣ点への遷移と、Ｂ点からＣ
点への遷移とが起シうる。つまシ位相定数がΣａからΣ
Ｃへ変換されるものと、ΣｂからΣＣへ変換されるもの
とがｓｂうる。

遷移の確率をＰ（ａ−４ｃ）、Ｐ（ｂ→ｃ）と書くと、
これらの比は、摂動論から、 によって与えられる。ｘ仲進行方向の規格化座標である
。函数ｆ（ｘ）は である。Ｘは規格化座標であるから、Ｘ座標とはの関係
がある。

同様に、統合導波路ＷｏからＷ２へ進行するもやを考え
る。Ａ点よＪＤ点へ進むものと、Ｂ点よシＤ点へ進むも
のがあシうる。遷移確率の比はで与えられる。

（１１）式に於て、Ａ点とＣ点の位相定数の差（Σａ一
ΣＣ）の方が、Ｂ点とＣ点の差（Σｂ−ΣＣ）よシ小さ
いから、Ｘが大きくなるに従い、（１１）式の比の値は
大きくなる，（１４）も同様である。

結局、Ａ点のモードは全てＣ点に移り、Ｂ点のモードは
全てＤ点に移ることになる。．ΣａからΣＣへの遷移、
ΣｂからΣｄへの遷！は、（ｇ／ｌ）を座標として第４
図のように表現すそことができる。第４図は導波路のへ
だたりｇｔｉで割った値を横軸にし、Ｙ分岐以後伝搬定
数ΣａがΣＣへ、ΣｂがΣｄへと変化してゆく様子を示
腎工いる。

分岐のなす角をαとすると、（αく〈，１）ｇ＝ｘα（
１５） であるから、横軸ｇ／λは ｇ／λ＝−ｋｘ（１６） ２π ＝ａｘ？（１７） ２π である。

結局、Ｗｏ導波路のＴＯモード（Ａ点）は、Ｗ？のＴｇ
モード（Ｃ点）になシ、ＴＩモード（Ｂ点）はＷ２のＴ
Ｏモード（Ｄ点）になるのである。

非対称分岐の特徴はここにある。Ｗｏ導波路内の２つの
モードを、分離することができる。これは重要なことで
ある。

次に対称分岐について考える。

Ｗｍ＝Ｗ０／２（１８） となるような幅Ｗｍの、同一の分岐が、Ｗｌ，Ｗ，のか
わシに設けられたとする。

分岐導波路では、ＴＯモードでΣｅの位相定数のものし
か存在しない。ΣｅはΣｄ、ΣＣの中間の値である。

すると、Ａ点、Ｂ点から、Ｅ点への遷移が２本の分岐導
波路に於て起シうる。

つまシ、縮退が起るわけである。ひとつの位相定数しか
存在しえないから、Ｗｏ導波路のＴＱ、Ｔｌモードとも
に、両方の分岐Ｗｍ，Ｗｍｏ中へと変換される。

非対称分岐（Ｗｒ〜Ｗｚ）の場合、必ず縮退が解ける。

Ａ点からはＣ点へ、Ｂ点からはＤ点へと進む。

（ニ）統合点に於るモード変換 逆に、分岐Ｗ１、Ｗ，から、統合導波路Ｗｏに進行する
場合を考える。これらの現象は可逆的である。

分岐導波路貰いではＣ点、Ｗ２ではＤ点のモードが存在
する。これがＷ０に進行すると、Ｃ点のモードはＡ点へ
、Ｄ点のモードは一Ｂ点へ弯換される。

つまシ、分岐の内、太い方のモード（Ｃ点）Ｆｉ、Ｗ０
のＴＱモードに、細い方のモード（Ｄ点）は、Ｗ０のＴ
１モードになるのである。

対称分岐についても同様である。Ｗｍ，Ｗｍの分岐導波
路から、統合導波路Ｗ０へ進行した光のモード変換は、
Ｅ点からＡ点へ、Ｅ点からＢ点へとなされる。（Σａ−
Σｅ）と、（Σｅ一Σｂ）の値は＃ｌぼ等しいから、Ｔ
ＯモードもＴ１モードもＷｏに於てほほ等量、励起され
る。

対称分岐に於て、両方の分岐から、統合導波路Ｗｏへ進
行するのは以上のようであるが、一方の分岐のみから統
合導波路Ｗ０へ進行する場合も同様である。一方の分岐
のみに光が存在し、これがＷ６へ進行すると、Ａ，Ｂ点
のモードが等量、励起される。

以上の性質は、ＴＥ，ＴＭいずれのモードでも同様であ
る。

レ）ＴＩ−．ＴＭ変換器 第５図に示すようなスラブ導波路を複屈折性を有する電
気光学結晶で製作した場合、ＴＩ−ＴＭ変換器を構成で
きる。

Ｒ，Ｃ，▲ｌｆ６ｒｎ６ＢＢ”ｌＪｆ’ｉｃｉｅｎｔｗ
ａｖｅｇｕｉｄｅｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃＴＫ：Ｔ
Ｍｃｏｎｖｅｒｔｅｒ７ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｆｉｌｔ
ｅｒ”’Ａｐｐｌ，Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８６（７）Ｐ
．５１８−５１５．１９８０（１９８０年４月１日発行
）の中に、ＴＥ．ＴＭ変換器の提案がなされている。

これは、ＬｉＮｂＯ３結晶を基板と，，シ、表面にＴｉ
を拡散して直線状の導波路を構成し、導波路の両側にく
しの歯状の電極を蒸着し、電極間に直流電圧を加えるよ
うにしたものである。

動作原理は、この論文によると、次のようであるＯ ＬｉＮｂＯ，（ＬｉｔｈｉｕｍＮｉｏｂａｔｅ）Ｉｄ強
い複屈折性があり、０．６８２８μｍの波長の光に対し
、ｎｏ−ｎ●＝０．０８５である。

ＴＥモードは第５図に於て、２方向に電場成分をもって
おり、異常光屈折率ｎ●を感じる。ＴＭモ一ドはｙ方向
に電場成分をもち、常光屈折率ｎｏを感じる。

くしの歯電極の１ピッチを八とし、 ２π２π ，−ＩＮＴｚ−ＮＴＭｌ＝．．（１９）＾ｏＡ を満足するようにする。

ここで’ＴＥ’ＮＴＭは、ＴＥモード、ＴＭモードの導
波路内での有効屈折率である。

ここでＡ＝７μｍとしている。この周期条件は、電極の
くしの歯を１ピッチ進行する間に、ＴＭ、ＴＥモードの
光の位相差が２πになる、という条件である。このため
、極めて波長選択性の強いデバイスとなっており、フィ
ルタとして用いる事？もできる。

Ｔｇ＝’ＴＭの変換は可逆的であり、変換係数ηは・ ｒ）＝ｓｉｎ２ＫＬ’（２０） で示され今。Ｌは電極部の全長である。２カットめＬｉ
ＮｂＯ３であるから、電圧は第５図のｙ軸方向にかかる
。

Ｋ＝（ｌｋｎｓ”ｒ５１Ｖ／”’（２１）ここでαは０
から１の間の形状定数、ｎｓはコアの屈折率、■は電圧
、ｄ●は電極間距離、ｒ５１は電気光学係数である。ｋ
は真空中の波数（２π／λ）である。

−ＫＬ＝π／２となるようにすれば、η＝１となり、Ｔ
Ｅモードをほぼ完全にＴＭモードに、ＴＭモードをほぼ
完全にＴＥモードに変換できる。前記の論文によると、
９９％の変換効率が得られた、という事である。

ＬｉＴａＯ３からなる導波路に対してもＴＭＳＴＥモー
ド変換器は容易に構成できる。

ｅ′ｌ′）ＴＭ％−トと、ＴＥモード 複屈折性媒質の中をＴＭ，ＴＩモードの光が進行する時
、それぞれの有効屈折率は異なる。しかし、第２図、第
８図にみるように、コア、クラッドの屈折率差の割合（
ｎ１−ｎ，）／ｎ２が同一であり、媒質の異方性が”あ
まり顕著でなければ、Ｏ次モード、１次モードの位相定
数の差の関係は同一である。′、？ つまりＴＥ１モードとＴＭｔモードの位相定数に２いて
、 Σ（’ＴＥＬ”（Ｗ））一Σ／’（ＴＭ’ｔ（Ｗ））＝
一定（２２）（１’＝０’，１．２） である。ここでＴＭｉモードについては、ダッシュを付
して区別した。

＜Ｊ）発明の構成 第１図は本発明の非相反光移相器の平面図である。・ これは、ＬｉＴａＯ３又はＬｉＮｂＯ３のｚカット面に
作られた拡散型チャンネル導波路より構成される導波系
よりなる。

座標系は、光の進行方向、にＸ軸をとる。これと直角な
方向の内、面に直角な方向を２軸にとる。

導波路に直角で面内にある方向をｙ軸とする。

複屈折性のある媒質であって、ＬｉＴａ０３の場合（１
）異常光屈折率ｎｏ１２．１８７８・（２）常光屈折率
・ｎｏ２．１８８４’．である。

このように基板となる物質は複屈折性がなければならな
い。前記の例で、屈折率差は０．００４４であ，る。

導波路を基板の上に作製するには、Ｔｉを拡散し、局所
的に屈折率を上げる事によって行う。これがコアに該当
する。

Ｔ１拡散により、導波路を形成する。この導波路は、表
面から浅い部分にのみ形成される。前節まで述べたもの
は、２方向に無限に広い導波路であるが、このようなも
のは作製できない。このように導波路の断面形状が異な
る。しかし、位相定数の変化などに関しては、第５図、
第７図の三層スラブ、五層スラブの解析により、導波路
のモード変換を類推する事ができる。． この移相器は、対称分岐と非対称分岐とを基板の上に形
成したもので′ある。光源、受光器に近い方から、光フ
ァイバジャイロの方にかけて、Ｓｌ，Ｓ２、Ｓ８、Ｓ４
と分けて説明する。

Ｓ１は対称分岐部、Ｓ２は統合部、Ｓ８は非対称分岐部
、Ｓ４はＴＥ．ＴＭモード変換部である。

導波路を第１導波路１〜第９導波路９に分ける。

Ｓ１の対称分岐部には光源からの光を導入する第１導波
路１と、受光器へ光を出射する第９導波路９とが設けら
れる。両者の幅は等しい。ＷｍとＷｎｉである。従って
、これを対称分岐という。第１導波路１には金属コート
１０がある。

Ｓ２の統合部は１本の統合用の第２導波路２を持つ。こ
れの幅はＷ。で、２Ｗｍｌｃ等しい。

Ｓ３の非対称分岐部では、幅の狭い導波路と広い導波路
とを有する。どちらが広くても差支えないが、ここでは
第３導波路３が狭く（幅Ｗ２）、第８導波路が広く（幅
Ｌ）なっている。ここにはさらに、ｘｙ平面に平行な電
極が設けられる。電極板は、基板の裏面にアース極を設
け、第３導波路３、第６導波路８の上に、それぞれ電極
１１、１２を設ける。電極１１、１２のどちらか一方を
アース極としても同じ働きをする。この方が作製し．や
すい。この場合でも導波路は薄いから．、ｚ軸方向の電
界がかかる。

直流電圧を加えても良いし、交流電圧を加える事にして
も良い。

電圧印加は、例えば、電極１１に＋Ｖ、電極１２に−■
を加えるようにする。電池１３は接地極を示していない
が、この場合は、合計２ｖの電池を用い、中間をアース
極につなぐ。

もちろん、電極は一方だけであっても良い。

電圧は導波路内では叩に直角な方向、っまり２方向に生
ずる。

これらの導波路を伝わる光は、偏光方向が２方向を向く
ものと、ｙ方向を向くものがある。もはやスラブ導波路
ではないが、これと同じ表記を行う事にする。ｙ軸方向
に電界成分を持つものを、ＴＭモードといい、２軸方兜
に電界成分を持つものをＴＥモードという。

電極１１、１２に於て、ｚ軸方向に電界が加わるから、
ＴＥモードの光だけが、電界の影響を受けて、停相定数
が異なるようになる。つまり、２方向の電界Ｅｘにより
異常光屈折率ｎｅが変化し、このため、こΩ電界の存在
する間だけ位相定数が異なる。位相定数の変化分と、電
．極、の長さの積が、ここを通過するＴＥモードの光の
位１相の変化分である。位相の変化Ｊ弘Φ１、ΔΦ２と
すると、全変化．分はこの和によって与えられる．。Ｔ
Ｍモードは全く変化しない。

Ｓ４は、狭い第４導波路４と、、広い導波路６、γを有
１する。第４導波路４は、第８、率．波路３に続いてい
る。広い導波路にはＴＥ−ＴＭモード変換器１４が設け
てある。この前後の導波路を、第６、第７導波路６、７
という。

ＴＥ−ＴＭモード変換器１４は１既に述べたもので、こ
こを伝搬する光の偏波を９０°回転させるものである。

ＴＥモードはＴＭモードに、ＴＭモードはＴＥモードに
なる。どちらの方向へ通過するにし．でも全く同じ事で
ある。．．． Ｓ４の！面に、シングルモート−光ファイバコイル５を
設−る。これはシングルモグド光ファイバを多数回コイ
ル状に巻回したものである。

シングルモードファイバであるから、０次モードだけが
伝搬される。θ次モードといっても偏波方向はｙ方向、
２方向の２通りある。しかも重要な事は、２通りの偏波
が、そのまま直交関係を保ちながら．、コイル中を通．
過しなければならないという事である。ｙ方向偏波で入
ったものはｙ方向偏波，として出てこなければならない
。２方向偏波で入ったものは、２方向偏波で出てこなけ
ればならない。それぞれの波をＴｙ．、Ｔｚと書くこと
にする。Ｔｙ，Ｔｚともに位相定数は同一である。

（イ）作用 光源からの単色光は第１導波路１へと結合される。第１
導波路１、第８導波路３、第８導波路８、第９導波路９
はシングルモード導波路であって、Ｔ．Ｅ，，ＴＭ，Ｌ
か存在しない。

第２導波路２は２モード導波路で、ＴＥｏ，ＴＭｏの他
にＴＭ１、ＴＥ１のモードも存在しうる。

（１）第１導波路１へ入った光は、ＴＥい゛ＴＭ０モー
ドがある。金属コート１０は表面上に金属を被覆したも
のである。これに平行な電極を持つＴＭｏモードは、金
属内に渦電流を生じ減衰してしまう０ （２）ＴＥｏモードだけが第１導波路１から、統合導波
路である第２導波路２へ進む。

Ｗ＋ａの導波路から、２′倍の広さを持つＷ。の導波路
へ遷移したのである。第６図を使って説明したようにＥ
点から、Ａ，Ｂ点への遷移である。

位相定数の差（Σａ−Σｅ）と（Σｅ−Σｂ）とはほぼ
等しいから、第２導波路２では（Ｎｏ）”Ｅｏモードと
、ＴＥ，モードが等量励起される事になる。

（３）両モードは導波路２を進み、非対称分岐に入る。

Ｓ８の分岐は、導波路３が狭＜（Ｗ２）、導波路８が広
い（Ｗ，）。しかし、いずれも、θ次モードだけが伝搬
する。

シンダルモード導波路である。非対称分岐である、とい
う事が重要である。

Ｓ２の丁Ｅ０モードはΣａ，ＴＥ１モードはΣｂの位相
定数を持つ。

Ｗ，、Ｗ，の幅の導波路は、ΣＣ、Σｄの位相定数のＴ
Ｅ０モードを伝送できる。そこでΣａはΣＣに変換され
、ΣｂはΣｄに変換される。ΣＣ〉Σｄだからである。

近い方の位相定数のモードに変換される。

Ｓ２のＴＥｏモードは、導波路８へ、Ｓ２のＴＫ１モー
ドは、導波路３へ進行する。モードが混入しない、とい
うところが非対称分岐にする理由である。

もしもＳ８が対称分岐であれば、導波路３、８へ、Ｓ２
の両方のモードからの変換が行われ、位相関係が２通り
になるので也る。導波路３へ入ったΣｄのモードは、電
極１１を通る間に位相変化ΔΦ１を受ける。

これはＴＫモードであるから位相変化するのである。

（４）Σｄのモードは、導波路３から導波路４へ進み、
シングルモード光ファイバに入る。ここで２方向の偏光
方向を持つ光として入るのが重要である。

シングルモード光７アイパコイル５の中を右廻りに伝搬
する。コイルの中では偏波面がどちらの方向であっても
位相定数は同じである。

（５）右廻りにシングル−モード光７アイノぐコイル５
を通過した光は、第６導波路６の右端へ入射する。ここ
で偏波方向は２方向である。ＴＫＯモー第６導波路６は
広い幅Ｗ１をもつから、位相定数はΣＣとなる。

（６）これは、右から左へＴＥ−ＴＭモード変換器１４
を通過する。こごでＴＥ０からＴＭ０モードへ変換され
る。以後、ＴＩモードのままである。

第７導波路、第８導波路ではΣもの位相定数となる。？
・ （７）ＴＭｏモードの？光は第８導波路８を通過するが
、電極１２によって位相変化を受けない。偏波はｙ方向
で、電界の方向と直交するからであ不。

（８）第８導波路８から、太い２モード導波路２へ′出
る時、非対称分岐であるので、．ΣＣ′からΣａ′に変
換される。つまり、Ｓ２のＴ一。モードに全量変換され
る。− これが重要な点である。

（９）この光は、Ｓ１の対称分岐に至る。第１導波路１
、第９導波路′９へ、等量ずつ分配される。これは、第
６図に於て、点Ａから点Ｅへの変換である。

左向きのＴＭ●モードになる。ところが、第１導波路１
へ戻ったものは金属コート１０によって減衰し、光源へ
戻らない。光源は半導体レーザであることが多く、これ
は戻り光によって発振が著しく不安定になる。戻り光が
ない、という事は非常に好都合である。．， （１０）一方Ｓ２からＳ３への遷移で、太い方の導波鮎
８に入った光は、第６図の点▲から点Ｃへ（ＤＨ−移が
起る事になる。Ｓ２のＴＥ０モードのΣａの光が、Ｓ８
ではΣＣのＴＥｏモードになる。これが電極１２を通り
、位相変化ΔΦ２を受ける。

（Ｕ）導波路８から導波路１へ入ると、ΣＣのＴＥ＝モ
ード光は、τｇ−ＴＭモード変換器１４によってＴＭｏ
モードに変換される。位相定数はΣＣ′である。． （（２）ΣＣ′のＴＭ０モードは、導波路６から出射し
、シングルモード光ファイバ５へ入射する。偏波はｙ方
向である。

シングルモード光ファイバ５の中での位相定数は、ひと
とおりしかない。この光は左廻りに光ファイバコイルを
通り抜け、反対側の第４導波路４へ入る。偏波はｙ方向
である。

（１８）第４導波路ではＴＭ，モードとなる。位相定数
はΣｄ′である。

（１ａ）ＴＭｏモードの光は第８導波路３へ進むがここ
で電極１１を通過しても位相変化を受けない。

電界と偏波方向とが直交するがらである。

（１５）第２導波路２はＴＭｏ，ＴＭ１モードがありう
る。

第８導波路３は狭いがら、Σｄ′であったが、これは第
６図に示すように、第２導波路２のＴＭ１モードに変換
され、位相定数はΣｂ′となる。

Ｏｓ）ＴＭｔモードになった光は、Ｓｌの対称分岐で、
第１導波路１、第９導波路９に等量分配される。

第６図のＢ点からＥ点への変換である。Σｂ′からΣｅ
′へ位相定数が変わる。ＴＭ０モードである。

（１７）第１導波路１へ戻ったＴＭ０モードの光は、金
属コートで減衰する。

（］８）第９導波路へ戻ったΣ●′のＴＭ，モード（左
廻り光）になっている。これと（９）で第９導波路へ戻
った右廻り光はどちらもΣ●′のＴＭ０モードであるか
ら互に干渉する。干渉波が受光器によって検出される。

レ）光路差 右廻り光と左廻り光の位相差をめるため、位相定数を考
慮した光路差を考える。

Ｓ１に於て、両方の光は、同二モードであるから考慮し
なくて良い。光ファイバフイルの中でも同一の位相定数
をもつ（偏波は異なる）から考慮しなくて良い。

Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４に於ける位相定数の差が問題である。

位′相定数を対照させて比較する。

右廻り光は、導波路７、８、２でＴＭに、導波路２、３
、４、６でＴＥになる。

左廻り光は、導波路２、８、７でＴＥに、導波路６、４
、３、２でＴＭになる。

導波路２の長さをＬ１導波路３、４、又．は６、７、８
の合計長さをＬ０、導波路６、７の内、そード変換器１
４の中心から導波路６の端点までの長さをＬ１とする。

（１）右廻り光は、各導波路で、 導波路２ΣｂＬ 導波路３，４ΣｄＬ Ｏ 導波路６ΣｃＬｌ 導波路７，８Σ’（Ｌｏ−Ｌｔ） 導波路２Σａ’Ｌ の位相定数に対応づけられる。

（２）左廻り光は、各導波路で、 導波路２ΣａＬ 導波路８，７Σｃ（Ｌｏ−Ｌｘ） 導波路６Σｃ’Ｌｌ 導波路４，３Σｄ′Ｌ０ 導波路２Σ／Ｌ め位相定数に対応づけられる。

ＴＥｉ（Ｗ）モードとＴＭｔ（Ｗ）モードの位相定数の
差が、モード数ｉや幅Ｗにかかわらず一定値であるとす
る。これは（２２）式の仮定である。この一定値をＱと
書く事にする。

（２２）式は Σａ一Σａ’＝Ｑ（２８） Σｂ−Σｂｔ＝＝Ｑ（２４） Σ。−Σ。’＝Ｑ（２５） という事である。

右廻り光、左廻り光の位相差は、位相定数と、導波路の
長さの積の総和を計算し、総和の差で与えられる。

位相差Δφ。は結局 ΔΦｏ＝’２ＱＬ１（２６） となる。

ＴＩ−ＴＭモード変換器１４が分敲の端にないので、導
波路６（Ｌｔ）が残り、この分のためＫ，位相差のオフ
セットが存在する。

これは、右廻り光の方がＴＩモードである距離が２Ｌ，
たけ長い事によるオフセットである。

電極１１、１２、電池１３よりなる移相器によって、右
廻り光にΔΦ１、左廻り光にΔΦ２の位相差を与えたと
する。

全位相差ΔΦは Δ中＝ΔΦ１−ΔΦ２＋２ＱＬｔ（２７）となる。

第２図に於て、破線で、ＴＥｏモード、ＴＥ１モードＫ
対し、電界を掛ける事による位相定数（β／ｋ）の変化
を記している。Ｅ＋は２Ｘｉｏ’ｖ７ｍの電界を、Ｅ−
ｕ−２ＸＩ０６Ｖ／ｍの電界をかけたものである。

電極の長さと、位相定数の積が位相差ΔΦ，とΔΦ２と
を与える。ここでは、ｗ，＝７、Ｗ１＝４、Ｗ２＝３の
例を示している。反対方向の電圧をかけて、それぞれ白
丸の点にまで位相定数を変化させている。

モ゛−ドと、Ｗを一定とすると、位相差ΔΦ，は、加え
た電圧に比例する。

導波路３、８の電極１１、１２の電圧を、＋ｖ１、−ｖ
２とし、比例定数をξとすると、 ΔΦ１＝ξＶ１（２８） ΔΦ２＝−ξＶ２（２９） と書く事ができる。全位相差ΔΦは ΔΦ＝ξ（Ｖ１＋Ｖ２）＋２ＱＬ１（３０）となる。

Δφは位相なのであるから、２πの整数倍を加減しても
波動函数にはなんら影響しない。そこでΔΦは（８０）
式から２πの整′＃催を差引き１変域が０から２πにあ
るようにする事ができる。

以後、位相差Δφの変域についてはそのように考える。

（ニ）直流電圧を加えた場合 ここで、ΔΦがπ／２となるようにすると、右廻ラ、左
廻り光についてπ／２の位相差が与えられるから、光フ
ァイバジャイロ用の光集積回路として使う場合、（５）
式に示すように、ｓｉｎΔθの形で、位相差が受光器出
力Ｉ（Δθ）に現われる事になる。

この場合、回転数が低い時も精度良く測定でき、しかも
回転方向が弁別できるようになる。

（ホ）交流電圧を加える場合 移相器をなす電極１１、１２と、電池のかわりに交流電
源とによって、ΔΦに位相変調を与える事がで今る。電
池に交流を相加しても良い。

この場合、受光器の出力は、 ｓｉｎ（Δθ＋ｔｓｉｎωｔ）（８１）のような信号を
含む。位相変調方式である。この場合はｓｉｎωｔの変
調波の振幅にΔθが含まれるから、変調波の強度を検出
する事により位相差Δθ、すなわち角速度Ωがめられる
。

（ソ）効果 （１）左廻り光と右廻り光は同じ光路を通過するから、
位相差のゆらぎやドリフトがない。

（２）同じ光路を通るが、どちらか一方の光にのみ位相
バイアスを与える事ができ、感度が良く、回転方向を弁
別できる光．ファイバジャイロを与える事ができる。

（８）ビームスプリツタのかわりに対称分岐、非対称分
岐を基板の上に作製しているがら、光学系が著しく小型
で、竪牢になり、光路のズレなどが起らない。

（４）移相器の電圧の加え方により、直流方式の光ファ
イバジャイ四にすることもできるし、位相口にする事も
でき る。

（５）２モード統合導波路と、幅の異なる１モード分岐
導波路とを組合せた非対称分岐を用いるがら、分岐導波
路の０次モードが、２モード統合導波路の０、１次モー
ドのいずれと結合されるのかが一意的に決定される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の非相反光移相器の平面図。 第２図は三層ろラブに於て、スラブ導波路の規格化１１
１Ｗ（ｄ／λ）Ｋ対し、ＴＥｏ，ＴＥ？、Ｔｔ，＋−一
ドの位相定数Σ（β／ｋ）の変化を示すグラフ。コアの
屈折率は２．１９９０，クラッドの屈折率は２．１８７
８゛：；＝。”Ｆ−１ｆｌｔｘ’ｙ’−ＩＫｍ−ｃ、２
５２＄ｆｉｌ＠。，格化輻Ｗ（ｄ／λ）に対し、ＴＭ，
、Ｔ町，ＴＭ，モードの位相定数Σ（β／ｋ）の変化を
示すグラフ。コアの屈折率は２．１８５６、クラツドの
屈折率は２．１８８４としている。 第４図は幅の異なる（Ｌ、Ｗｌｌ）２本のスラブ導波路
を含む五層スラブ導波路内に於ける位相定数Σの変化を
示すグラフ。横軸は分岐導波路の間隔ｇを波長λで除し
たもの。上の分岐はＴＥ０モードのΣａから、分岐導波
路の太い方のＴＥ０モードのΣＣに変化する有様を示す
。下の分岐はτＥ１モードのΣｂから、分岐導波路の細
い方のＴＥｏモードのΣｄに変化する有様を示す。 第５図は三層スラブ導波路と座標系の対応を示す斜視図
。 第６図は対称分岐（Ｗｍ，Ｗｍ）及び非対称分岐（Ｗ１
、Ｗ２）と２モード統合導波路の間でのモード変゛化を
説明するための、位相定数メのグラフ。横軸は規格化導
波路幅Ｗ（ｄ／λ）、縦軸はＴｏ（ＴＥ又はＴＭ）モー
ド、Ｔｌモード（ＴＥ又はＴＭ）の位相定数Σ（β／ｋ
）である。 第７図はＹ型分岐スラブ導波路を示す針視図。 １・・・・・・・・・第１導波路 ２・・・・・・・・・第２導波路 ３・・・・・・・・・第３導波路 ４・・・・・・・・・第４導波路 ５・・・・・・・・・シングルモード光ファイバフィル
６・・・・・・・・・第６導波路 ７・・・・・・・・・第７導波路 ８・・・・・・・・・第８導波路 ９・・・・・・・・・第９導波路 １０・・・・・・・・・金属−＋−｝ １１．１２・・・・・・電極 １３・・・・・・・・・電池 １４・・・・・・・・・ＴＥ−ＴＭモード変換器−１１
４− ″々（

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）複屈折性で電気光学効果を有する基板の上に拡散
   によって、等しい幅の対称分．岐導波路１、９と、これ
   に続く太い統合導波路２と、これに続く幅の異なる非対
   称分岐導波路３、４及び８、７、６とを形成し、非対称
   分岐導波路３、８の両方又は片方に分岐導波路を挾むよ
   う表裏面又は表面のみに電極１１、１２を設け、非対称
   分岐導波路３、８の延長上の導波路４又は６、７のいず
   れか一方にＴＥ−ＴＭモード．変換器１４を設け、対称
   分岐導波路１、９のいずれかに面方向の金属コー｝１０
   を設けてあシ、分岐導波路及びその延長導波路は全て０
   次モード光を通テシングルモード導波路であシ、中間の
   統合導波路２はＯ次、１次モード光を通す２モード導波
   路である事を特徴とする非相反光移相器。
2. （２）基板カＬｉＴａＯＢ又はＬｉＮｂ０３テあり、Ｔ
   ｉ拡散によシ導波路を形成する事とした特許請求の範囲
   第（１）項記載の非相反光移相器。