JPS63223709A - Space distribution detecting element for light signal - Google Patents
Space distribution detecting element for light signalInfo
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- JPS63223709A JPS63223709A JP5686987A JP5686987A JPS63223709A JP S63223709 A JPS63223709 A JP S63223709A JP 5686987 A JP5686987 A JP 5686987A JP 5686987 A JP5686987 A JP 5686987A JP S63223709 A JPS63223709 A JP S63223709A
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
発明の要約
多モード基幹先導波路と、これから分岐しかつ相互に幅
寸法の異なる少なくとも2本の分岐光導波路と、各分岐
光導波路を伝搬する光を検出する光電変換素子とから構
成される。空間的に分布する光信号が基幹先導波路に導
かれると、その光信号は空間分布に応じたモードで励振
され、そのモードに対応した分岐光導波路に導かれる。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Summary of the Invention A multimode core leading waveguide, at least two branched optical waveguides branching from the leading waveguide and having mutually different width dimensions, and a photoelectric conversion element that detects light propagating through each branched optical waveguide. It consists of When a spatially distributed optical signal is guided to the main waveguide, the optical signal is excited in a mode corresponding to the spatial distribution and guided to a branch optical waveguide corresponding to that mode.
したがって、どの分岐光導波路に光が導かれたかによっ
てその光信号の空間分布を検出することができる。Therefore, the spatial distribution of the optical signal can be detected depending on which branched optical waveguide the light is guided to.
発明の背景
この発明は、光信号の強度の空間的分布の形態を分類し
て検出することのできる光信号空間分布検出素子に関す
る。BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to an optical signal spatial distribution detection element that can classify and detect the form of spatial distribution of optical signal intensity.
光信号の空間分布を検出する場合には、検出器としてC
ODやPSDなどの素子を用いる必要がある。この構成
では光信号をこれらの素子に入射させるための光学系(
レンズ系)やこれらの素子の出力信号を処理する信号処
理系が複雑になる。When detecting the spatial distribution of optical signals, C is used as a detector.
It is necessary to use elements such as OD and PSD. In this configuration, an optical system (
(lens system) and the signal processing system that processes the output signals of these elements become complicated.
形状が大きくなる。高価になるといった問題がある。The shape becomes larger. The problem is that it is expensive.
発明の概要
この発明は、比較的簡単な構成の光信号空間分布検出素
子を提供することを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an optical signal spatial distribution detection element with a relatively simple configuration.
この発明による光信号の空間分布検出素子は。A spatial distribution detection element for optical signals according to the present invention.
被検出信号が入射する一端面を有しかつ複数の光モード
を保持する幅をもつ多モード基幹先導波路、この基幹先
導波路の他端にそのほぼ延長上にのびるように接続され
かつ基幹先導波路よりも保持モード数が少ない、少なく
とも2本の分岐光導波路であって、相互の間の分岐角が
充分に小さくかつ保持するモードの次数が相互に異なる
ような幅寸法を有するもの、および各分岐光導波路を伝
搬する光を検出する光電変換素子を備えていることを特
徴とする。a multi-mode core leading waveguide having one end surface into which a detected signal is incident and having a width to hold a plurality of optical modes; a core leading waveguide connected to the other end of the core leading waveguide so as to extend substantially on its extension; At least two branched optical waveguides having a smaller number of retained modes than the above, and having width dimensions such that the branching angle between them is sufficiently small and the orders of the retained modes are different from each other, and each branching It is characterized by comprising a photoelectric conversion element that detects light propagating through an optical waveguide.
この発明は光信号の空間分布に応じて上記基幹光導波路
に入射しだ伝搬光がそれぞれ異なるモードで駒撮される
ことを利用している。基幹光導波路を伝搬する所定次数
のモードは分岐光導波路の幅寸法によってあらかじめ定
められた所定の分岐光導波路に導かれる。すなわち、複
数のモードから1つのモードまたは複数のモードが分離
される。このようにして、光信号の空間分布に応じた次
数のモードはそのモードに応じた分岐光導波路に導かれ
るので、どの分岐光導波路に光が導かれているかを上記
光電変換素子の出力信号によって認識することによって
、光信号の空間分布を検出することができる。This invention utilizes the fact that the propagating light incident on the basic optical waveguide is photographed frame-by-frame in different modes depending on the spatial distribution of the optical signal. A mode of a predetermined order propagating through the main optical waveguide is guided to a predetermined branch optical waveguide predetermined by the width dimension of the branch optical waveguide. That is, one mode or multiple modes are separated from multiple modes. In this way, the mode of the order corresponding to the spatial distribution of the optical signal is guided to the branched optical waveguide corresponding to that mode, so which branched optical waveguide the light is guided to is determined by the output signal of the photoelectric conversion element. By recognizing, the spatial distribution of the optical signal can be detected.
上記の基幹先導波路2分岐光導波路および必要ならば光
電変換素子は一基板上に集積して作成できるので、小型
、軽量化を図ることができる。また、空間に分布する光
信号を基幹先導波路に結合させるだけでよいから、その
ためのレンズ系を簡素にすることができる。さらに、ど
の光電変換素子から検出信号が出力されているかをみる
だけで空間分布を決定することができるから、信号処理
系も複雑になることはない。Since the above-mentioned main waveguide two-branch optical waveguide and, if necessary, a photoelectric conversion element can be integrated on one substrate, it is possible to achieve reduction in size and weight. Furthermore, since it is only necessary to couple optical signals distributed in space to the main waveguide, the lens system for this purpose can be simplified. Furthermore, since the spatial distribution can be determined simply by looking at which photoelectric conversion element outputs the detection signal, the signal processing system does not become complicated.
実施例の説明
まず、基礎となる光モード分離合成素子について説明し
、その後、光信号の空間分布検出素子の例について述べ
る。DESCRIPTION OF EMBODIMENTS First, a basic optical mode separation/synthesis element will be described, and then an example of an optical signal spatial distribution detection element will be described.
(1)単一モード3分岐光導波路 (1,1)構造と製作法 まず単一モード3分岐光導波路について説明する。(1) Single mode three-branch optical waveguide (1,1) Structure and manufacturing method First, a single mode three-branch optical waveguide will be explained.
第1図は単一モード3分岐光導波路素子の一例を斜視的
に示している。St基板1上に5IO2バッファ層2が
形成され、さらにこのバッファ層2上にガラス先導波層
3が形成されている。ガラス光導波層3にはリッジ型の
光導波路10.11〜13が形成されている。基幹先導
波路10は、0,1゜2次の3つのモードの光を導波で
きる多モード光導波路である、この光導波路10の一端
部からそれぞれ異なる幅の3本の単一モード分岐光導波
路11、12.13が分岐している。光導波路11の幅
が最も太く、光導波路13が最も狭い幅をもっている。FIG. 1 perspectively shows an example of a single mode three-branch optical waveguide element. A 5IO2 buffer layer 2 is formed on an St substrate 1, and a glass waveguide layer 3 is further formed on this buffer layer 2. Ridge-shaped optical waveguides 10.11 to 13 are formed in the glass optical waveguide layer 3. The main waveguide 10 is a multi-mode optical waveguide capable of guiding light in three modes of 0 and 1° second order, and from one end of this optical waveguide 10 are three single-mode branch optical waveguides each having a different width. 11, 12, and 13 are branched. The optical waveguide 11 has the widest width, and the optical waveguide 13 has the narrowest width.
これらの光導波路11.12.13の分岐角θ(第2図
参照)は、充分に小さい。分岐角θが充分に小さいとい
うことは、光が分岐光導波路11.12または13にそ
って微小距離伝搬したときの分岐光導波路間の間隔の変
化が伝搬した距離に対して無視できる程度であることを
意味する。単一モード分岐光導波路11〜13は、相互
間の間隔が充分に大きくなったところで互いに平行にな
っている。分岐光導波路Il〜13が基幹先導波路工O
から分れる箇所から互いに平行になる箇所までの部分を
分岐部分ということにする。The branch angles θ (see FIG. 2) of these optical waveguides 11, 12, and 13 are sufficiently small. The fact that the branching angle θ is sufficiently small means that when the light propagates a minute distance along the branching optical waveguides 11, 12 or 13, the change in the interval between the branching optical waveguides is negligible compared to the distance traveled. It means that. The single mode branch optical waveguides 11 to 13 are parallel to each other when the distance between them is sufficiently large. Branch optical waveguides Il~13 are the main leading waveguide O
The part from the point where the two parts diverge to the part where they become parallel to each other is called a branch part.
第2図は、これらの先導波路10−13の幅2間隔等の
寸法の一例を示している。分岐角θとしてはたとえば1
150.1/100.1/200.1/400 (ra
d) fj、度に設定でき、これらの分岐角θに対して
分岐部分の長さLはそれぞれ1.025.2.(15,
4,10,8,20(關)となる。FIG. 2 shows an example of the dimensions of these leading waveguides 10-13, such as the width of two intervals. For example, the branching angle θ is 1
150.1/100.1/200.1/400 (ra
d) fj, which can be set in degrees, and the length L of the branch part for these branch angles θ is 1.025.2. (15,
4, 10, 8, 20 (related).
このような先導波路素子はたとえば次のようにして作製
することができる。Such a guiding waveguide element can be manufactured, for example, as follows.
第3図はその作製工程を示すものであり、先導波路12
の部分の断面を示している。FIG. 3 shows the manufacturing process, in which the leading waveguide 12
The cross section of the section is shown.
基板1として抵抗率8〜12Ω・1の(100) n形
Siを用い(第3図(A))、 このSiを温度110
0℃でウェット熱酸化し、厚さ 1.5μmのSiO2
バッファ層2を作製する(第3図(B))。この上に、
コーニング7059ガラスを1μmの厚さにスパッタし
てガラス光導波層3を作製する(第3図(C))。(100) n-type Si with a resistivity of 8 to 12 Ω·1 was used as the substrate 1 (Fig. 3 (A)), and this Si was heated to a temperature of 110 Ω.
Wet thermal oxidation at 0°C, 1.5μm thick SiO2
A buffer layer 2 is produced (FIG. 3(B)). On top of this
A glass optical waveguide layer 3 is prepared by sputtering Corning 7059 glass to a thickness of 1 μm (FIG. 3(C)).
さらにガラス先導波層3上にホトレジスト4(A z−
1350J )を一様にスピン・コートし、90℃で焼
付ける(′M3図(D))。レジスト4を作製すべき先
導波路パターンに露光し、この後現像すると光導波路と
なるべき部分のレジスト4が除去される(第3図(H)
) (ホトリソグラフィ)。Furthermore, a photoresist 4 (Az-
1350J) was uniformly spin-coated and baked at 90°C (Fig. 'M3 (D)). When the resist 4 is exposed to the leading waveguide pattern to be produced and then developed, the resist 4 in the portion that is to become the optical waveguide is removed (Fig. 3 (H)
) (photolithography).
この上にAl1をスパッタしく第3図(P))、 レジ
スト4を溶融すると、光導波路パターンのAJ5が残る
(第3図(G)) (リフトオフ)。When Al1 is sputtered onto this (FIG. 3(P)) and the resist 4 is melted, an optical waveguide pattern AJ5 remains (FIG. 3(G)) (lift-off).
そして、ガラス層3のAj7パターン5以外の部分を、
たとえばCHF3ガスで0.1μmドライエツチングす
る(第3図(■))。最後に、Aオパターン5をウェッ
トエツチングによって除去する。エツチング液はHPO
;HNO3;CH3COOH−12: 1 : 1を用
いるとよい。Then, the portion of the glass layer 3 other than the Aj7 pattern 5,
For example, dry etching is performed by 0.1 μm using CHF3 gas (Fig. 3 (■)). Finally, the A-o pattern 5 is removed by wet etching. Etching liquid is HPO
;HNO3;CH3COOH-12:1:1 may be used.
光導波路12等の部分のガラス層の厚さは1μm、他の
部分の厚さは0.9μmである。The thickness of the glass layer in parts such as the optical waveguide 12 is 1 μm, and the thickness in other parts is 0.9 μm.
(1,2)モード分離合成の動作
上述のような3分岐光導波路素子の分岐部分において、
3本の単一モード光導波路11.12.13が十分接近
している場合、各々の光導波路を伝搬する光波は相互に
影響を受ける。そこで1分岐部分を1つの光導波路とみ
なし、その中でのローカル・ノーマル・モードを利用し
た解析を行う。(1, 2) Operation of mode separation and synthesis In the branch portion of the three-branch optical waveguide device as described above,
When the three single mode optical waveguides 11, 12, 13 are sufficiently close together, the light waves propagating through each optical waveguide are mutually influenced. Therefore, we consider one branch part as one optical waveguide, and perform analysis using the local normal mode within it.
まず、第4図に示すようなリブ形のチャンネル先導波路
のモデルを考え2等価屈折率法を用いて分岐による等偏
屈折率の変化および界分布を調べる。このモデルは、第
1図に示す素子の分岐部分を切断したものと等価である
。リブとは、光導波路11.12.13の一部を形成す
る周囲よりも上方に突出した部分を指す。First, consider a model of a rib-shaped channel leading waveguide as shown in FIG. 4, and use the two-equivalent refractive index method to examine changes in equipolarized refractive index due to branching and field distribution. This model is equivalent to the device shown in FIG. 1 with the branched portions cut off. The rib refers to a portion that forms part of the optical waveguide 11, 12, 13 and protrudes above the surrounding area.
第4図において先導波路の縦方向(X方向)の光波モー
ド界の閉じ込めについてまず考える。リブの有無により
2種類のスラブ光導波路I、Itがあると考えることが
できる。In FIG. 4, first consider the confinement of the light wave mode field in the longitudinal direction (X direction) of the leading waveguide. It can be considered that there are two types of slab optical waveguides I and It depending on the presence or absence of ribs.
光波の伝搬方向をZ軸とし、各座標軸を第4図に示すよ
うにとり、TEモードについて考察する。The TE mode will be considered with the propagation direction of the light wave as the Z axis and the respective coordinate axes as shown in FIG.
先導波路層(光導波路層または■の部分)の等偏屈折率
をn 、その上の空気層、下のSlO□バッファ層の等
偏屈折率をそれぞれn 、n とする。光導波路層
の上面をxmOとし、光導波路層の厚さくt またはt
2)をtで代表する。It is assumed that the equipolarized refractive index of the leading waveguide layer (the optical waveguide layer or the part marked ■) is n, and the equipolarized refractive indexes of the air layer above it and the SlO□ buffer layer below are n and n, respectively. The upper surface of the optical waveguide layer is xmO, and the thickness of the optical waveguide layer is t or t
2) is represented by t.
■
これらの各層での電界のY方向成分E は次のように表
わされる。(2) The Y-direction component E of the electric field in each of these layers is expressed as follows.
E −Aexp(kxlx)
(−oo<x<0)I
E −B cos (kx2x−φ)
(0<X<t)E −Cexp(−kxa(x−t
)) (t<x<+oo)ただし k −1
n2に2−β2−l (1−1,2,3)Xl
i 。E-Aexp(kxlx)
(-oo<x<0)I E -B cos (kx2x-φ)
(0<X<t)E −Cexp(−kxa(x−t
)) (t<x<+oo) where k −1
2-β2-l (1-1,2,3)Xl in n2
i.
ko−2π/λo(2) nl :、i番目の層の等偏屈折率 β :2方向の位相定数 λ0=自由空間波長 k −1番目の層のX方向の波数 xl。ko−2π/λo(2) nl: equipolarized refractive index of the i-th layer β: Phase constant in two directions λ0 = free space wavelength k - wave number in the X direction of the 1st layer xl.
x−0およびx−tの各境界において電界および磁界が
連続でなければならないことから、振幅に関する項を消
去することによって2次の波数を決定する特性方程式を
得る。Since the electric and magnetic fields must be continuous at each x-0 and x-t boundary, we obtain a characteristic equation that determines the second-order wave number by eliminating the amplitude terms.
k x2 i 2−mπ−tan (kxl/kx2)
+tan (kx3/kx2)層厚が1−1 の部
分の等偏屈折率をnet’f’L’1−1 の部分の
等偏屈折本をn とおく。こ2
el’f’2のようにすると、第
4図に示すモデルは第5図に示すように7層のスラブ先
導波路と考えることができる。k x2 i 2-mπ-tan (kxl/kx2)
+tan (kx3/kx2) Let the equipolarized refractive index of the portion where the layer thickness is 1-1 be n. This 2
el'f'2, the model shown in FIG. 4 can be considered as a seven-layer slab guided waveguide as shown in FIG.
次に第5図の7層モデルに基づいて、横方向(Y方向)
の光波モード界の閉じ込めについて検討し、最終的な等
偏屈折率を求める。Next, based on the 7-layer model shown in Figure 5,
We consider the confinement of the light wave mode field and find the final equipolarized refractive index.
先導波路13.12.11に相当する部分の幅をd
、d 、deとし、先導波路間隔をhとする。7Mモ
ードについて考察する。The width of the part corresponding to the leading waveguide 13.12.11 is d
, d, and de, and the leading waveguide spacing is h. Consider the 7M mode.
各光導波路における磁界のX方向成分をHとおくと、こ
わらは次式で与えられる。Letting the X-direction component of the magnetic field in each optical waveguide be H, the stiffness is given by the following equation.
HX、””A eO8φt exp (kx y)(−
ω<y<0)
Hx27A cos (k2y十φ1)(0< y <
d 2 )
HX3−B”exp fk3[y−(d2+h)El
+B−oxp [−に3(y−d2 )](d2<y<
d2+h)
H,−Ceos fk4[y −(d2+d4+h)]
−φ2)(d2+h<y<d2+d4+h)
H,−D exp lk5[y−(d2+d4+2h)
11十D−exp (−に5 [y −(d2 +
d4 +h)コ1(d2+d4+h<y<d2+d4+
2h)HX6−EcoS(k6 [y−(d2+d4+
dB+2h)]−φ3)(d2+64+2h<y<d2
+d4+d6+2h)Hx7=E eosφ38xp
+−に7[V−(d2+d、 +d、 +2h)]1(
d2+d4+d8+2h<y<十閃)ただし k −1
n2に2−β2]cx−1,2,−、r>に、−2π/
λ (5)各境界において
電界および磁界が連続でなければならないから、振幅に
関する項を消去することによりて1次の波数を決定する
方程式を得る。HX, ""A eO8φt exp (kx y) (-
ω<y<0) Hx27A cos (k2y +φ1) (0<y<
d2) HX3-B"exp fk3[y-(d2+h)El
+B-oxp [-3(y-d2)] (d2<y<
d2+h) H, -Ceos fk4[y -(d2+d4+h)]
-φ2) (d2+h<y<d2+d4+h) H, -D exp lk5[y-(d2+d4+2h)
110D-exp (-5 [y-(d2 +
d4 +h) ko1(d2+d4+h<y<d2+d4+
2h) HX6-EcoS(k6 [y-(d2+d4+
dB+2h)]-φ3)(d2+64+2h<y<d2
+d4+d6+2h)Hx7=E eosφ38xp
7[V-(d2+d, +d, +2h)]1(
d2+d4+d8+2h<y<10 flashes) However, k -1
n2 to 2-β2]cx-1,2,-, r>, -2π/
λ (5) Since the electric and magnetic fields must be continuous at each boundary, the equation for determining the first-order wavenumber is obtained by eliminating the terms related to amplitude.
Φ1Φ2Φ8−Φ3Φ4Φg exp (2k 3h
)−Φ1Φ5Φ7exp(−2k5h)
−Φ4Φ5ΦSθxpl 2 (ka + ks)
h) −〇ただし
Φ −k n2(n2k +n2k )+ [0
2k l k s 〜(n r n a k2 ) ]
tan k 2 d 2Φ −k n2(n2k
+n2k )+ [nt kaに5− (n3n5
に4)] tan k4d4Φ −k n2Cn2k
+rx2k )+ [ne ks k7−(ns
n7 ke ) ]tan ke d6Φ −k
n (−n k +n2k )十[n k
k +(n n k )Fltank dΦ −
k n2(n2k −n2k )5 B[
i 75 57+ [n k
k +(n n k)2コ ta
nkd857 570 B111
Φ −k n2(n2k +n2k )+[−n
’k k +(n n k )21tank
dΦ −k n2(n2k −n2k )+[n
4に3に5+ (n3r15に4 ) ] tan k
4d4Φ −k n2(n2k −n2k )+
[n’k k +(n n k )21ta
nk dここで nl ” ” 3− n5− n7
− nof’f12 4 8
arr2リブのある先導波路部分の厚さをtl−1
μm、リブのない部分の厚さをt2−0.9μm。Φ1Φ2Φ8-Φ3Φ4Φg exp (2k 3h
) - Φ1Φ5Φ7exp (-2k5h) -Φ4Φ5ΦSθxpl 2 (ka + ks)
h) −〇However, Φ −k n2(n2k +n2k )+ [0
2 k l k s ~(n r n a k2 ) ]
tan k 2 d 2Φ −k n2(n2k
+n2k )+ [nt ka to 5- (n3n5
4)] tan k4d4Φ −k n2Cn2k
+rx2k )+ [ne ks k7-(ns
n7 ke ) ]tan ke d6Φ −k
n (-n k +n2k ) ten [n k
k + (n n k ) Fltank dΦ −
k n2(n2k −n2k )5 B[
i 75 57+ [nk
k + (n n k)2 ta
nkd857 570 B111
Φ −k n2(n2k +n2k )+[−n
'k k + (n n k )21 tank
dΦ −k n2(n2k −n2k )+[n
4 to 3 to 5+ (n3r15 to 4)] tank k
4d4Φ −k n2(n2k −n2k )+
[n'k k + (n n k )21ta
nk dhere nl ” ” 3- n5- n7
- nof'f12 4 8
The thickness of the leading waveguide part with the arr2 rib is tl-1
μm, and the thickness of the part without ribs is t2 - 0.9 μm.
3つの単一モードの先導波路13.12.11の幅をd
−2μm、 d4−2.5μm、 dB−3μm(
第2図に示すものとは若干異なる)として、第(6)式
を解き、導波路間隔りに対する各光導波路の等偏屈折率
β/ k oを示したのが、第6図である。The width of the three single mode leading waveguides 13.12.11 is d
-2μm, d4-2.5μm, dB-3μm (
(Slightly different from that shown in FIG. 2), equation (6) is solved, and FIG. 6 shows the equipolarized refractive index β/ko of each optical waveguide with respect to the waveguide spacing.
このグラフから、先導波路間隔りが大きくなるにつれて
等偏屈折率がそれぞれ一定値に近づくことが分る。From this graph, it can be seen that as the leading waveguide spacing increases, the equipolarized refractive index approaches a constant value.
第(6)式の第1項は73本の単一モード先導波路11
.12.13が各々独立にあるとき(間隔りが充分大き
い)の特性方程式の積である。すなわち。The first term of equation (6) is the 73 single mode leading waveguides 11
.. This is the product of characteristic equations when 12.13 are each independent (the interval is sufficiently large). Namely.
光導波路の間隔りが十分大きくなれば、第(6)式の第
2項以降は無視でき3本の光導波路が単独の状態にある
とみなせる。If the spacing between the optical waveguides is sufficiently large, the second term and subsequent terms in equation (6) can be ignored and the three optical waveguides can be considered to be in a single state.
相互に影響を与えない単独の状態にある1本のか導波路
の光導波路幅dに対する等偏屈折率の変化の様子を示し
たのが第7図である。ただしtl−1μm、tl鴫 0
.9μmとした。FIG. 7 shows how the equipolarized refractive index changes with respect to the optical waveguide width d of a single waveguide in an independent state where they do not influence each other. However, tl - 1 μm, tl 0
.. It was set to 9 μm.
第7図において、実線■が等偏屈折率の各分散カーブと
交わる点は、多モード先導波路IOにおける各モードの
伝搬定数(等偏屈折率)を表わし。In FIG. 7, the points where the solid line ■ intersects with each dispersion curve of equipolarized refractive index represent the propagation constant (equal polarized refractive index) of each mode in the multimode leading waveguide IO.
破線■、■、■が交わる点は、単一モード光導波路11
〜13の伝搬定数をそれぞれ表わしている。さらに矢印
は、第1図に示す3分岐光導波路素子における導波モー
ドのふるまいを示している。The point where the broken lines ■, ■, ■ intersect is the single mode optical waveguide 11
~13 propagation constants, respectively. Furthermore, arrows indicate the behavior of the waveguide mode in the three-branch optical waveguide element shown in FIG.
ところで1分岐部分におい甲では、光導波路間隔が変化
し9本来の厳密な意味での独立なモードは存在しえない
。しかし1分岐角が十分小さく2分岐部分における光波
パワーの損失がなく、モードの波面がほぼZ軸に垂直で
あるような理想的な分岐の場合、各モードが独立である
と考えてもよい。By the way, in the first branch part, the spacing between the optical waveguides changes, and independent modes in the original strict sense cannot exist. However, in the case of ideal branching in which the first branching angle is sufficiently small and there is no loss of optical power in the second branching portion, and the wavefront of the mode is approximately perpendicular to the Z axis, each mode may be considered to be independent.
したがって2分岐角が十分小さいという前走に立てば、
第6図は分岐部分における3つの独立なローカル−ノー
マル−モードの伝搬定数の変化を示している。また、こ
れらの3つのモードの等価屈折率は、相互に交叉するこ
となく独立であり。Therefore, if we stand on the front run that the bifurcation angle is sufficiently small,
FIG. 6 shows the variation of the propagation constants of three independent local-normal modes in the bifurcation section. Further, the equivalent refractive indices of these three modes are independent without intersecting with each other.
第7図から分るように、0次のモードは、3本の単一モ
ード先導波路の11−13の中で最大の導波路幅をもつ
光導波路11と結合し、以下同様にして。As can be seen from FIG. 7, the zero-order mode is coupled to the optical waveguide 11 having the largest waveguide width among the three single-mode leading waveguides 11-13, and so on.
1次、2次のモードは、中間の幅の光導波路12゜最小
の幅の先導波路13とそれぞれ結合する。The first-order and second-order modes are respectively coupled to the optical waveguide 12° having an intermediate width and the leading waveguide 13 having a minimum width.
このよろな界分布の変化の様子が第8図に示されている
。第8図(A)は、光導波路10を伝搬する0次モード
が先導波路11に進む様子を、第8図(B)は1次モー
ドが光導波路12に進むときの界分布変化を、第8図(
C)は2次モードの界分布変化をそれぞれ示している。FIG. 8 shows how the field distribution changes. FIG. 8(A) shows how the zero-order mode propagating through the optical waveguide 10 advances to the leading waveguide 11, and FIG. 8(B) shows the change in field distribution when the first-order mode advances to the optical waveguide 12. Figure 8 (
C) shows changes in the field distribution of the secondary mode.
上記の説明は逆方向に向う光についてもそのままあては
まる。すなわち、光導波路LLを伝搬して光導波路lO
に進入した光は0次モードになり、同じように光導波路
12.13を伝搬していて先導波路10に進む光は光導
波路lOでそれぞれ1次、2次モードになる。The above explanation also applies to light traveling in the opposite direction. That is, it propagates through the optical waveguide LL and reaches the optical waveguide lO.
The light entering the optical waveguide 10 becomes the zero-order mode, and similarly, the light propagating through the optical waveguides 12 and 13 and proceeding to the leading waveguide 10 becomes the first-order mode and the second-order mode, respectively, in the optical waveguide lO.
(2)多モードY分岐光導波路
次に多モードY分岐光導波路について説明する。多モー
ドY分岐光導波路の構成の一例が第9図に示されている
。(2) Multimode Y-branch optical waveguide Next, the multimode Y-branch optical waveguide will be explained. An example of the configuration of a multimode Y-branch optical waveguide is shown in FIG.
基幹光導波路20から2つの分岐光導波路21.22が
分岐している。一方の光導波路21は多モード光導波路
であり、基幹光導波路20からまっすぐにのびているが
、説明の便宜上これも分岐光導波路と呼ぶことにする。Two branch optical waveguides 21 and 22 are branched from the main optical waveguide 20. One optical waveguide 21 is a multimode optical waveguide, and extends straight from the main optical waveguide 20, but for convenience of explanation, this will also be called a branch optical waveguide.
他方の光導波路22は単一モード光導波路であり、光導
波路21から非常に小さい角度で分れている。これらの
先導波路20.21.22に関するファクタを、以下の
説明において参照する第10図〜第12図においては、
簡単にa、b、cでそれぞれ示している。The other optical waveguide 22 is a single mode optical waveguide and is separated from the optical waveguide 21 by a very small angle. In FIGS. 10 to 12, the factors related to these leading waveguides 20, 21, 22 are referred to in the following description.
They are simply indicated by a, b, and c, respectively.
この実施例では、基幹光導波路20は0,1.2および
3次の4つのモードを伝搬させることができ、これらの
4つのモードのうちの1つが分岐光導波路22に分岐し
て進み、残りの3つのモードが先導波路21を伝搬する
。In this embodiment, the main optical waveguide 20 can propagate four modes of 0, 1.2, and 3rd order, one of these four modes branches off to the branch optical waveguide 22, and the rest The three modes propagate through the leading wavepath 21.
このようなY分岐部分についても上述したローカル・ノ
ーマル・モードを利用した解析を行なうことができる。Such a Y branch portion can also be analyzed using the local normal mode described above.
5層スラブ光導波路のローカル・ノーマル・モードの伝
搬定数を求めれば光波モードのふるまいが分るが、解析
の詳細は省略し、その結果のみを以下に述べる。Although the behavior of the light wave mode can be understood by determining the propagation constant of the local normal mode of the five-layer slab optical waveguide, the details of the analysis will be omitted and only the results will be described below.
先導波路21と22の幅に応じて3つのケースが考えら
れる。それは、単一モード光導波路22に導かれるモー
ドが1分岐前の多モード光導波路20で3次のモードで
ある場合(ケース1)、2次のモードである場合(ケー
ス2)、1次のモードである場合(ケース3)である。Three cases are possible depending on the width of the leading waveways 21 and 22. If the mode guided to the single-mode optical waveguide 22 is the third-order mode in the multi-mode optical waveguide 20 one branch before (case 1), if it is the second-order mode (case 2), if the mode is the first-order mode, mode (case 3).
第10図はケース1を示すもので、第10図(A)は正
規化光導波路間隔の変化に対する等価屈折率の変化を示
し、第1O図(B)は分岐前後の等価屈折率の値を分散
カーブ上にプロットしてその導波モードのふるまいを矢
印で示したもの、第10図(C)は分岐光導波路22(
(c)で示す)に導かれるモードの界分布を示している
。Figure 10 shows Case 1. Figure 10 (A) shows the change in the equivalent refractive index with respect to the change in the normalized optical waveguide spacing, and Figure 10 (B) shows the value of the equivalent refractive index before and after branching. Figure 10 (C) shows the behavior of the waveguide mode plotted on the dispersion curve with arrows.
(c)) shows the field distribution of the mode guided by (shown in (c)).
ケース1における各分岐光導波路の正規化光導波路幅の
例としては、先導波路21(b)が14.2.先導波路
22(c)が1.58である。第10図(B)において
、実線aと各分散カーブとの交点が各モードの光導波路
20における等価屈折率である。これらの点のうち0,
1および2次の点が破線すとの交点で示すように光導波
路21の幅に対応した点に移る。3次モードの点のみが
破線Cとの交点で示すように先導波路22の幅に対応し
た点に移る。上述のように分岐角は十分小さいという条
件に基づい°Cいるので、4つのモードの等偏屈折率は
相互に交叉することなく独立である。3次モードのみが
光導波路22に分岐して進み、他の0.1および2次の
モードは先導波路21を伝搬することが理解できよう。As an example of the normalized optical waveguide width of each branch optical waveguide in case 1, the leading waveguide 21(b) has a width of 14.2. The leading waveguide 22(c) is 1.58. In FIG. 10(B), the intersection of the solid line a and each dispersion curve is the equivalent refractive index in the optical waveguide 20 of each mode. 0 out of these points,
The first and second-order points move to a point corresponding to the width of the optical waveguide 21, as shown by the intersection of the broken lines. Only the tertiary mode point moves to a point corresponding to the width of the leading waveguide 22, as shown by the intersection with the broken line C. As mentioned above, since the branching angle is set at °C on the condition that it is sufficiently small, the equipolarized refractive indices of the four modes are independent without intersecting each other. It can be seen that only the 3rd order mode branches off into the optical waveguide 22 and the other 0.1 and 2nd order modes propagate in the leading waveguide 21.
第11図はケース2について、それぞれ等偏屈折率の変
化、伝搬モー ドのふるまい、先導波路22に進むモー
ドの界分布を示すものである。先導波路21、22の正
規化光導波路幅の一例は、それぞれ14.2. 3.1
8である。光導波路20を伝搬する0〜3次のモードの
うち、2次のモードが先導波路22に分れ、残りの0,
1および3次のモードは光導波路21を伝搬する。FIG. 11 shows, for case 2, the change in the equipolarized refractive index, the behavior of the propagation mode, and the field distribution of the mode proceeding to the leading waveguide 22, respectively. An example of the normalized optical waveguide width of the leading waveguides 21 and 22 is 14.2. 3.1
It is 8. Among the 0th to 3rd order modes propagating through the optical waveguide 20, the 2nd order mode is split into the leading waveguide 22, and the remaining 0, 3, and
The first and third-order modes propagate through the optical waveguide 21.
第12図はケース3について示すものである。光導波路
21.22の正規化先導波路幅はそれぞれ11.1.
4.74である。1次のモードが光導波路22に分岐し
、残りの0.2および3次モードが光導波路21を伝搬
する。FIG. 12 shows case 3. The normalized leading wave widths of the optical waveguides 21 and 22 are respectively 11.1.
It is 4.74. The first-order mode branches into the optical waveguide 22, and the remaining 0.2- and third-order modes propagate through the optical waveguide 21.
以上のように1分岐光導波路幅を等偏屈折率の分散カー
ブ上で適宜選択することによつて多モード先導波路から
任意の高次モードを選択的に取出すことができる。As described above, by appropriately selecting the width of the one-branch optical waveguide on the dispersion curve of equipolarized refractive index, any higher-order mode can be selectively extracted from the multimode leading waveguide.
以上の考え方を数行iすることによって、第13図に示
すように、基幹先導波路20からそれぞれ適切な幅をも
つ単一モード先導波路31.32.33.34を順次分
岐させることによって、先導波路20を伝搬する0、1
,2.3次モードをそれぞれ分離させることができる。By repeating the above idea in several lines, as shown in FIG. 0, 1 propagating through wave path 20
, 2.3 mode can be separated from each other.
第9図および第13図において、単一モード分岐光導波
路22.31〜34を伝搬して基幹光導波路20に進入
する光は、伝搬してきた分岐光導波路に設定されたモー
ドで光導波路20を伝搬することも容易に理解できよう
。In FIGS. 9 and 13, the light propagating through the single mode branch optical waveguides 22.31 to 34 and entering the main optical waveguide 20 passes through the optical waveguide 20 in the mode set in the propagating branch optical waveguide. It is also easy to understand that it is propagated.
(3>まとめ
導波路分岐の特性を考察するにあたり次の2つの方法が
考えられる。、1つは、ローカル・ノーマル・モードを
利用した解析で、特性方程式を解いて、先導波路の各断
面ごとの等薔屈折率の変化を考える方法であり、もう1
つは、先導波路幅に対する等偏屈折率の分散カーブを用
いて等偏屈折率の変化を考える方法である。分散カーブ
を用いて考える方法においては、第14図に示すように
1分岐前の基幹先導波路と分岐後のそれぞれの分岐光導
波路の各正規化先導波路幅における等偏屈折率をプロッ
トする。(3>Summary There are two methods to consider when considering the characteristics of a waveguide branch. One is an analysis using local normal mode, which solves the characteristic equation and analyzes each section of the leading waveguide. This is a method to consider the change in the refractive index of
The first method is to consider changes in the equipolarized refractive index using a dispersion curve of the equipolarized refractive index with respect to the width of the leading waveguide. In the method of considering using a dispersion curve, as shown in FIG. 14, the equipolarized refractive index at each normalized leading waveguide width of the main leading waveguide before one branch and each branch optical waveguide after branching is plotted.
分岐角が波長に比べて十分小さい場合1等価屈折率の変
化はゆっくりと連続的である。このため、それぞれのモ
ードの等偏屈折率は、変化の途中で交叉することなく、
各分岐導波路の正規化幅の等偏屈折率へと変化していく
。この様子を矢印で示している。分岐の前後において2
等価屈折率の順序の入れかわりがない。このように分散
カーブを用いて光導波路分岐の特性を考える方法による
と9分岐前後の先導波路幅を決定すれば1分岐前のどの
モードがどの分岐光導波路に分離されるかを知ることが
できる。When the branching angle is sufficiently small compared to the wavelength, the change in the 1-equivalent refractive index is slow and continuous. Therefore, the equipolarized refractive index of each mode does not cross during the change,
The refractive index changes to an equipolarized refractive index of the normalized width of each branch waveguide. This situation is indicated by an arrow. 2 before and after branching
There is no change in the order of the equivalent refractive index. According to this method of considering the characteristics of optical waveguide branches using dispersion curves, by determining the width of the leading waveguide before and after the 9th branch, it is possible to know which mode before the 1st branch is separated into which branching optical waveguide. .
上記実施例では、ガラス材料を用いたリッジ型先導波路
について述べたが、すべての光学材料を用いて光導波路
を作製することができ、また先導波路のタイプは埋込み
型(熱拡散、イオン交換。In the above example, a ridge-type leading waveguide using a glass material was described, but an optical waveguide can be made using any optical material, and the type of leading waveguide is a buried type (thermal diffusion, ion exchange, etc.).
イオン注入、光・電子ビーム照射等により作製)、装荷
型、電圧誘起型等すべてのものに適用できる。It can be applied to all types including ion implantation, light/electron beam irradiation, etc.), loaded type, and voltage induced type.
(4)光信号の空間分布検出素子
第15図(A)〜(C)は、光信号の空間分布検出素子
の例を示している。これらの図において上述したものと
同一物には同一符号が付けられている。(4) Optical signal spatial distribution detection element FIGS. 15(A) to 15(C) show examples of optical signal spatial distribution detection elements. In these figures, the same parts as those described above are given the same reference numerals.
分岐光導波路11〜13は基板1上の途中で終端となっ
ており、この終端部に、これらの分岐光導波路11〜1
3を伝搬する光を検出して電気信号に変換するための光
電変換素子41〜43がそれぞれ設けられている。光電
変換素子41〜43としては、たとえばa−Si(アモ
ルファス中シリコン)。The branched optical waveguides 11 to 13 terminate halfway on the substrate 1, and the branched optical waveguides 11 to 1
Photoelectric conversion elements 41 to 43 are provided, respectively, for detecting light propagating through 3 and converting it into an electrical signal. The photoelectric conversion elements 41 to 43 are, for example, a-Si (amorphous silicon).
CdS、CdTeを用いることができ、この場合には分
岐光導波路11〜13の終端上にこれらの材料を蒸着す
ればよい。またI pn接合を利用したフォト争ダイ
オードやフォト・トランジスタを用いることもできる。CdS and CdTe can be used, and in this case, these materials may be deposited on the ends of the branched optical waveguides 11 to 13. It is also possible to use a photodiode or phototransistor using an I pn junction.
光導波路11〜13の終端位置に穴を形成し、ここにフ
ォト・ダイオード等を入れて接着してもよいし、基板1
がStの場合にはpn接合を一体的に形成するようにす
ることもできる。A hole may be formed at the end position of the optical waveguides 11 to 13, and a photodiode or the like may be inserted therein and bonded.
When is St, the pn junction can be formed integrally.
光信号は、必要ならば集光レンズ40を通して。The optical signal is passed through a condenser lens 40 if necessary.
基幹先導波路IOの一端に入射する。第15図(A)に
示すように光信号の強度分布がガウス分布をしており、
レンズ40によってそのスポット径が基幹先導波路10
の幅とほぼ同程度に集光され、かつ基幹光導波路10の
中央部が励振されるように位置決めされると、基幹光導
波路10を主に0次モードの光が伝搬する。この0次の
光は上述したように分岐光導波路11に進むので、光電
変換素子41から最も大きな電気信号が出力される。こ
れによって、光信号の空間分布はガウス分布であること
が分る。The signal is incident on one end of the main waveguide IO. As shown in FIG. 15(A), the intensity distribution of the optical signal has a Gaussian distribution,
The spot diameter is adjusted by the lens 40 to the core leading waveguide 10.
When the main optical waveguide 10 is positioned so that the light is focused to approximately the same extent as the width and the central part of the main optical waveguide 10 is excited, mainly zero-order mode light propagates through the main optical waveguide 10. Since this zero-order light travels to the branched optical waveguide 11 as described above, the largest electrical signal is output from the photoelectric conversion element 41. This shows that the spatial distribution of the optical signal is a Gaussian distribution.
また第15図(B)、 (C)に示すように、基幹先導
波路10の入射端面の両側を強く励振するような光信号
の分布、同人射端面の中央と両側を励振するような光信
号の分布の場合には、それぞれ主に1次、2次の光が基
幹先導波路10に結合して、それぞれ分岐光導波路12
.13にモード分離されるので、光電変換素子42.4
3からそれぞれ大きな電気信号が得られる。In addition, as shown in FIGS. 15(B) and 15(C), there is a distribution of optical signals that strongly excite both sides of the incident end face of the core guiding waveguide 10, and an optical signal that excites the center and both sides of the incident end face of the core guiding waveguide 10. In the case of a distribution of
.. Since the mode is separated into 13, the photoelectric conversion element 42.4
A large electrical signal can be obtained from each of the three.
この他にも、たとえば第15図(A)〜(C)の入射光
が重ね合わされたような空間分布をもつ光信号の場合に
は、すべての光電変換素子41〜43から検出信号が得
られる。また、光信号の空間分布がガウス分布でもスポ
ット径が基幹先導波路10の幅よりも大きく広がった光
の場合には、基幹先導波路10において主に2次モード
が励振されるので、光電変換索子43から検出信号が得
られる。入射光ビーム・スポットが基幹光導波路lOの
幅よりも小さい場合には、主に0次と2次のモードが励
振され、光電変換素子41.43から検出信号が得られ
る。In addition, for example, in the case of an optical signal having a spatial distribution such that the incident lights shown in FIGS. 15(A) to 15(C) are superimposed, detection signals can be obtained from all the photoelectric conversion elements 41 to 43. . Furthermore, even if the spatial distribution of the optical signal is Gaussian, in the case of light whose spot diameter is larger than the width of the main leading waveguide 10, the secondary mode is mainly excited in the main leading waveguide 10, so the photoelectric conversion line A detection signal is obtained from the child 43. When the incident light beam spot is smaller than the width of the main optical waveguide lO, mainly the zero-order and second-order modes are excited, and detection signals are obtained from the photoelectric conversion elements 41 and 43.
このようにして、光電変換素子41〜43の検出信号に
基づいて光信号の空間分布を検出することが可能となる
。In this way, it becomes possible to detect the spatial distribution of optical signals based on the detection signals of the photoelectric conversion elements 41 to 43.
基板1上に作製される光導波路としては第13図に示す
ようなY分岐光導波路でもよいのはいうまでもない。ま
た1分岐光導波路11〜13の端を第1図に示すように
基板1の端面までのばし、この端面から出射する光を基
板1の外に配置された光電変換素子で検出するようにす
ることもできる。It goes without saying that the optical waveguide fabricated on the substrate 1 may be a Y-branch optical waveguide as shown in FIG. Furthermore, the ends of the single-branch optical waveguides 11 to 13 are extended to the end surface of the substrate 1 as shown in FIG. 1, and the light emitted from this end surface is detected by a photoelectric conversion element arranged outside the substrate 1. You can also do it.
第1図から第8図は単一モード3分岐光導波路を説明す
るためのものであり。
第1図は単一モード3分岐光導波路素子を示す斜視図。
第2図はその寸法を示す平面図。
第3図(A)〜(りはその作製工程を示す断面図。
第4図は動作を説明するために使用する断面図。
第5図は7層スラブ先導波路のモデルを示す図。
第6図は正規化光導波路間隔に対する等偏屈折率の変化
を示すグラフ。
第7図は等偏屈折率の分散カーブを示すグラフであって
伝搬モードのふるまいを示すもの。
第8図は(A)〜<C>は分岐するモードの界分布をそ
れぞれ示す図である。
第9図から第13図は多モードY分岐光導波路を説明す
るためのもので。
第9図は平面図。
第10図から第12図は分岐するモーFがそれぞれ3.
2.1次のケースの動作を説明するためのものであって
、それぞれの図において、(A)は正規化光導波路間隔
に対する等偏屈折率の変化を示すグラフ、(B)は分散
カーブと伝搬モードのふるまいを示すグラフ、(C)は
分岐光導波路に導かれるモードの界分布を示す図。
第13図は多モードY分岐光導波路の他の例を示す平面
図である。
第14図は等偏屈折率の分散カーブを示すグラフであっ
て、まとめを説明するために用いるものである。
第15図(A)〜(C)はこの発明の実施例を示す平面
図である。
10・・・基幹先導波路。
11、12.13・・・分岐光導波路。
41、42.43・・・光電変換素子。
以 上1 to 8 are for explaining a single mode three-branch optical waveguide. FIG. 1 is a perspective view showing a single mode three-branch optical waveguide element. FIG. 2 is a plan view showing its dimensions. Figures 3A to 3 are cross-sectional views showing the manufacturing process. Figure 4 is a cross-sectional view used to explain the operation. Figure 5 is a diagram showing a model of a seven-layer slab guided waveguide. The figure is a graph showing the change in the equipolarized refractive index with respect to the normalized optical waveguide spacing. Fig. 7 is a graph showing the dispersion curve of the equipolarized refractive index, which shows the behavior of the propagation mode. Fig. 8 is (A) ~<C> are diagrams each showing the field distribution of the branching modes. Figures 9 to 13 are for explaining the multimode Y-branch optical waveguide. Figure 9 is a plan view. Figure 10 From FIG. 12, the branching modes F are 3.
2. This is to explain the operation in the first-order case. In each figure, (A) is a graph showing the change in the equipolarized refractive index with respect to the normalized optical waveguide spacing, and (B) is a graph showing the dispersion curve. Graph showing the behavior of the propagation mode; (C) is a diagram showing the field distribution of the mode guided to the branched optical waveguide. FIG. 13 is a plan view showing another example of a multimode Y-branch optical waveguide. FIG. 14 is a graph showing a dispersion curve of equipolar refractive index, and is used to explain the summary. FIGS. 15(A) to 15(C) are plan views showing an embodiment of the present invention. 10...Key guiding waveway. 11, 12.13... Branch optical waveguide. 41, 42.43...Photoelectric conversion element. that's all
Claims (2)
モードを保持する幅をもつ多モード基幹光導波路、 この基幹光導波路の他端にそのほぼ延長上にのびるよう
に接続されかつ基幹光導波路よりも保持モード数が少な
い、少なくとも2本の分岐光導波路であって、相互の間
の分岐角が充分に小さくかつ保持するモードの次数が相
互に異なるような幅寸法を有するもの、および 各分岐光導波路を伝搬する光を検出する光電変換素子、 を備えている光信号の空間分布検出素子。(1) A multimode backbone optical waveguide having one end face into which the detected signal is incident and having a width capable of holding a plurality of optical modes; At least two branched optical waveguides that have a smaller number of retained modes than the main optical waveguide, and have width dimensions such that the branching angle between them is sufficiently small and the orders of the retained modes are different from each other; and a photoelectric conversion element that detects light propagating through each branched optical waveguide.
モード光導波路である、特許請求の範囲第(1)項に記
載の光信号の空間分布検出素子。(2) The optical signal spatial distribution detection element according to claim (1), wherein the branched optical waveguides are single mode optical waveguides having different width dimensions.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP5686987A JPS63223709A (en) | 1987-03-13 | 1987-03-13 | Space distribution detecting element for light signal |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP5686987A JPS63223709A (en) | 1987-03-13 | 1987-03-13 | Space distribution detecting element for light signal |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS63223709A true JPS63223709A (en) | 1988-09-19 |
Family
ID=13039430
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP5686987A Pending JPS63223709A (en) | 1987-03-13 | 1987-03-13 | Space distribution detecting element for light signal |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS63223709A (en) |
-
1987
- 1987-03-13 JP JP5686987A patent/JPS63223709A/en active Pending
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