JPS63502056A - 光結合器およびそれを用いたチャネル・ドロッピング光フィルタならびに周波数選択光信号フィルタ - 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】 光　結　合　器 〔技術分野〕 本発明は結合器、特に光結合器に関する。

〔発明の開示〕

本発明の周波数選択性光結合器は、導波路と、この導波路に接して配置された第 一の層とを備え、上記第一の層は、上記導波路の実効屈折率より屈折率が大きい 材料で構成され、上記導波路の伝搬モードより次数が高く位相速度が一致してい る少なくともひとつのモードを伝搬するブレーナ導波路であることを特徴とする 。

第一の層は、表面が実質的に平坦で所定の伝搬モードに対して上記第一の層の実 効屈折率より屈折率が小さい非導波基板を形成する他の層により被覆されていて もよい。

第一の層およびまたは基板は、組成としてはそれぞれ均一でも不均一でもよいが 、屈折率はそれぞれ均一であることが望ましい。

第一の層および基板は実質的に接触していることが望ましいが、例えば−以上の 中間層または空隙により、少しだけ離れていてもよい。導波路および第一の層は 、少しの距離だけ離れていることが望ましいが、実質的に接触していてもよい。

有効な結合のためには、強い電場結合を生じさせて第一の層内の電場を横方向に 閉じ込めるために、導波路と第一の層とが近接していることが必要である。

導波路は光ファイバ、特に単一モード光ファイバであることが便利である。

本発明の別の態様として、導波路は、集積光素子に接続される導波路、または集 積化された光素子内に形成された導波路を含むことができる。

第一の層およびまたは基板は、その層の光学特性を変化させるために、電極等の 手段が設けられ、これにより、結合器の動作が制御可能である。

本発明の光結合器は、光ファイバ、望ましくは単一モード光ファイバの長さ方向 の個々の位置において光信号で動作する光変調器、本発明の重要な点は、ブレー ナ導波路の屈折率が導波路の実効屈折率より非常に大きいことであり、例えば、 導波路がファイバで構成され、ブレーナ導波路が薄膜で構成されている場合には 、ｎ目ｌａｗｎ＠口ｂｒ釘のときに ｎ　＠ｆｉｔｓ　’ｉ　ｎ　ａ　ｒｔｂｒｅが得られる。

本明細書では、材料の屈折率（ｎ）をその材料のバルク屈折率とし、例えばアツ ベ屈折計により定義されるものとする。また、実効屈折率（ｎ、）は、真空中の 光速（ｃ）と導波モードにおける位相速度（Ｖ、）との比である。

第一の層の屈折率は、導波路の実効屈折率より少なくとも１％ないし１０％大き いことが便利であり、１５％ないし２０％大きいことが望ましい。ただし、゛第 一の層の屈折率が導波路の実効屈折率より６０％大きい場合でも有効な結合が得 られることが計算されている。

次に、本発明の実施例について添付図面を参照して説明する。

〔図面の簡単な説明〕

第１図は本発明実施例のチャネル・ドロッピング光フイルタ素子の概略的な断面 図。

第２図はモード分散を示す図。

第３図は薄膜被覆層が設けられた第１図に示した半結合器の波長に対する伝搬特 性を示す図。

第４図は厚い被覆層が設けられた素子の出力を示す図。

第５図は固体導波路被覆層の効果を示す図。

〔発明を実施するための最良の形態〕

第１図は本発明の結合器を用いたチャネル・ドロ・ツピング光フィルタ（ｃｈａ ｎｎｅｌ　ｄｒｏｐｐｉｎｇ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｌｔｅｒ）を示す。この光 フィルタは、単一モード光ファイバ導波路１１を組み合わせた被研磨光フアイバ 半結合器１と、この半結合器１に接する薄膜により形成された第一の層２とを備 える。薄膜の表面には、溶融シリカ・スライドの基板３が取り付けられている。

基板３の屈折率は小さく、薄膜の境界を形成し、薄膜の放射損失を削減する。フ ァイバの剥き出しになった部分の長さは約５２０贋であり、はぼ被覆層との間で 良好に結合できる結合長である。また、ファイバと被覆層との間隔は、良好な結 合が得られる程度に近接している。このタイプの光フアイバ半結合器については 、例えば、ネイヤ著、「インド・オプティクス」、ノルティング・アンド・アル リック編、スブリンガ・シリーズ・イン・オプティック・サイエンス第４８巻、 スプリンガ・バーラグ１９８５年（Ｂ、Ｎａｙａｒ、　”Ｉｎｔ　０ｐｔｉｃｓ ″、　Ｅｄｓ、　Ｎｏｌｔｉｎｇ　ａｎｄ　Ｕｌｒｉｃｈ、　Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｓｅｒｉｅｓ　ｉｎ　Ｏｐｔ、Ｓｃ、、νｏ１．４８．　Ｓｐｒｉｎｇｅｒ　Ｖ ｅｒｌａｇ　１９８５）に説明されている。被研磨半結合器の構造は本発明の要 点ではなく、ここで詳細に説明する必要はない。ここで説明すべきことは、ファ イバ１１が標準ブリティッシュ・テレコムＢ型単−モード光ファイバであり、半 結合器のファイバの曲げの直径が２５ｃｍであり、ファイバ１１のグラフディン グがファイバ・コア１２から１−のところまで研磨により除去されていることで ある。

半結合器の製造に使用した光ファイバは、１．５μｍの波長における実効屈折率 が約１．４５である。

薄膜被覆層２は登録屈折率液を薄く塗布したものであり、この屈折率液は、例え ばアメリカ合衆国ニュージャージ・セダーグローブのカーギル社（Ｃａｒｇｉｌ ｌｅ　Ｉｎｃ、　ｏｆ　５５　Ｃｅｄａｒ　Ｇｒｏｖｅ、Ｎｅｗ　Ｊｅｒｓｅｙ 、ＵＳＡ）により提供されている。この実施例では、屈折率が約１．５２のサリ チル酸メチル薄膜を使用した。本発明を実施するに適した膜厚の範囲は広い（例 えば１〜２００　ｐ）が、この実施例では約３９叩であった。

第２図は、規格化された厚さ２πｔ／λに対する伝搬定数βの変化を示すモード 分散図である。ここで、β＝ｋ　ｎ＠であり、ｔは被覆層の厚さである。この素 子を構成するすべての材料について、その材料分散の変化（すなわち波長に対す る材料の屈折率変化）は無視した。

グラフに示したように、ファイバの伝搬定数ｋ　ｎ１１　ｆｉｂｒｅおよびシリ カ・スライド３の伝搬定数ｋ　ｎＩＩ　５ｌｔｌｅａは、広い波長範囲にわたっ てほぼ一定である。ファイバ１１では、単一モード、すなわち基本モード（ｍ＝ ｏ）でのみ伝搬する。薄膜被覆層２内では、遮断値以下の一連のモード、すなわ ち、グラフに示したように、ｎ＋１・ｎ＋９等の範囲でカットオフ値ｍ＝ｎ以下 の次数の一連のモードが生じる。

波長多重化されて伝送された光信号のチャネルは、分散図（第２図）上のβの線 が交差したとき、すなわちファイバ１のβ線と被覆層２の所定のモードのβ線と が交差したときだけ、薄膜被覆層２に結合する。一定の光学的厚さに対して個々 の薄膜モードが異なる波長で伝搬するので、はぼ等しい波長間隔のチャネルで結 合が生じる。

ファイバと被覆層との間で相互作用の生じる長さは、結合した光結合器を一度だ け横切るように（または奇数回横切るように）設定し、これによりチャネルを被 覆層に結合させる。光の残りの部分は半結合器の出力ボートから出射される（直 感的予想されるより多い）。

このように、位相速度が一致していないときには挿入損失が小さく、結合時には 、位相速度の一致および結合長が適切であることから高い阻止能が得られる（阻 止能は、結合した状態と結合しない状態とにふけるファイバ内の光の強度の比で 表される）。ファイバ中の光に影響しないかまたは結合する実効屈折率ｎ、より 全屈折率値が大きい被覆薄膜を得るための厚さの条件は設計に依存する。これは 、この素子に対してだけでなく、薄い整合層が中間に挿入された被研単−モード のファイバ１１から薄膜２への強い結合が生じると、薄膜内に三次元の波長閉じ 込めが生じる。これにより、薄膜からの非軸的な漏れによる光損失を削減するこ とができる。

以下の例では種々の被覆層を用いて得られる結果を示す。被覆層が薄い（例えば １ないし５μ［ｌ）の場合には、被覆層内の少しのモードまたは単一モードだけ しか結合しない。第１図の素子と同等でより薄い薄膜を用いた例を第３図に示す 。半結合器と被覆層との間には、意識的には空隙を形成していない（実際には約 １贋の空隙が生じた）。約９００ｎｍで薄膜モードがファイバ・モードに結合し 、この波長の光がファイバから薄膜に移動した。圧力を加えて膜厚を減少させた ところ、阻止帯が約７７５ｎｍシフトした。ｔをｖ１″７、ｍをモード次数とし て、 ２π　（ｎｒ＋ｔｓ”ｎ。ｆｉｂｒｅ　”）””　ｔ／λζμπなので（ナイン 、アプライド・オプティクス第１Ｏ巻、第２３９５頁ないし第２４１３頁、Ｐ、 に、Ｔｅ１ｎ、Ａｐｐｌｉｅｄ　ｏｐｔｉｃｓ、Ｖｏｌ、１０．　ｐｐ　２３９ ５−２４１３参照）、特定のモードを結合させるためには、与えられた屈折率に 対して【／λを一定にする必要がある。ｔが減少した場合には結合波長も減少さ せなければならず、これは観測と一致する。ただし、チャネルが減衰していない ときの挿入損失は無視した。

例えば被覆層の厚さを変化させることにより、この素子の結合特性を変化させる ことができる。厚さが圧電的に変化するエラスティックな薄膜を用いて動作させ ろことにより、例えば同調可能なチャネル・ドロッピング・フィルタ、可変減衰 器（ひとつの帯域を減衰させ、他は減衰させない）、圧力または移動センサ、オ ン・オフ切替器、音響光学変換器（マイクロホン）その他の素子を実現すること ができる。

第４図は厚い膜を用いた素子のファイバからの出力を示す。第１表は、異なる厚 さの膜を用いた素子について、実験にしり得られた結果を示す。この結果は、約 １２ｎｍ間隔でチャネルが減衰する櫛型フィルタを容易に製造できることを示す 。このような厚さでもモードが被覆層に存在し、ファイバ・モードと有効に相互 作用することは注目すべきことである。厚みが増すと平行性を得ることが困難で あり損失が増加するが、厚さおよび膜屈折率を増加させることにより、より狭い 櫛形応答が得られると考えられる。一般には、非プレーナ型の被覆層は望ましく ない。

結合チャネルの幅が数ｎｍ　（例えば５　ｎｍ）で、チャ、ルの間隔が典型的に １０ｎｍであり、阻止能が２０ｄＢより大きく、挿入損失を無視できる　（例え ば０．５ｄＢ）ときに横型フィルタが得られる。

被覆層が厚い場合には、ファイバ・モード（単一モード・ファイバの場合にはｍ ＝０）が、被覆層薄膜内のカットオフ値（第２図のｍ＝ｎ）に近い高次モードに 結合する。このモードは減衰することなく長い距離を伝搬できる。第４図に示し たように、減衰するチャネルのスペクトラム間隔は大きく、チャネルの幅も大き い。実際には、被覆層薄膜内の高次にモードへの結合は屈折率および厚さを選択 することにより非常に柔軟に変化し、一般にはファイバ内のモードと位相速度が 一致する被覆層内の少なくともひとつのモードが必要なだけであり、それほどの 精度は必要としない。被覆層は、その材質および厚さを広い範囲で選択できる。

被覆層内の伝搬モードの次数は１ないし約２００の範囲であり、その値はどのモ ードがファイバ内のモードの位相速度に一致するかに依存する。

被覆層の屈折率を変えることにより、フィルタを適当に同調させスし、研磨し、 これを結合器とシリカブロックとの間に挾み込むことにより得られる。波長を固 定した場合には、少しの位相速度変化で大きな減衰変化を引き起こす。

第５図に示した例では、シリカ１６上に設けられた薄い導波路を被覆層として使 用し、スペーサは用いていない。二つのよく定義された波長で薄膜への強い結合 が観測され、集積光学導波路への結合に使用できる技術であることを示した。こ れは、標準ファイバとプレーナ導波路との間の方向性結合が可能であることを示 し、特に重要である。

必要ならば、被覆層を方形導波路の形状とすることもできる。

以上の説明を集約すると、本発明の最も重要な点は、シリカ・ファイバの半結合 器から方向性結合を得ることのできる屈折率（したが、てその材質）の範囲は、 ｎ　ｆｌＬｓ＞　ｎ　ｍ　ｆｉｂｒ＠ である。

ｎｆｌＬ＊には上限がない。材料の屈折率に独立に結合が生じることから、利用 できる材料の選択および機能の範囲は広範である。実際に、有効な結合は薄膜モ ード次数に依存せず、したがって、厚い膜でも薄い膜でも同様に利用でき、製造 技術は多岐にわたり、素子の可能性も非常に多大である。

本発明に関連する事項として、本出願人による１９８５年１２月３０日出願の英 国特許出願第８５３１８６９号および第８５３１８７０号の発明を優先権の基礎 とする同日出願［光結合器Ｊ　（ＰＣＴ／ＧＢ８６１００８０３）の明細書およ び図面を参照することができる。

第　１　表 波長　１．３８μｓ 被覆層の屈折率１．４９　（ｎｏ　） 国際調企報告 １ｍ、ＭＮａ、ｌ、Ａｓｏｌｌｃｉ＋１゜、。　ＰＣＴ／ＧＢ　８６１００８０ ２　２ＡＮＮＥＸＴｏＴＨＥＩＮＴＥＲＭＡＴＩＯＮＡＬＳＥＡＲＣＨＲＥＰＯ ＲＴＯＮｒＮＴ＝ＲＮＡｒｘｏＮＡＬＡｐｐＬＩｃＡｒＩｏＮＮｏ、　ＰＣＴ／ ＧＢ　ａ６１０Ｏｓｏ２　（ＳＡ　１５６１１）ＵＳ−Ａ−４０２６６３２３１ １０Ｓ／７７　ＣＡ−Ａ−１０３５６１４０１１０８／７８υ５−Ａ−４０２１ ０９７０３１０Ｓ／７７　Ｎｏｎｅ

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. １．導波路と、 この導波路に接して配置された第一の層とを備え、 上記第一の層は、上記導波路の実効屈折率より屈折率が大きい材料で構成され、 上記導波路の伝搬モードより次数が高く位相速度が一致している少なくともひと つのモードを伝搬するプレーナ導波路であることを特徴とする 周波数選択性の光結合器。
2. ２．第一の層は、表面が実質的に平坦でその屈折率が所定の伝搬モードに対して 第一の層の実効屈折率より小さい非導波基板により被覆された構造である請求の 範囲第１項に記載の光結合器。
3. ３．第一の層およびまたは基板は、その組成および屈折率がそれぞれ均一である 請求の範囲第１項または第２項に記載の光結合器。
4. ４．第一の層および基板は互いに密着した構造である請求の範囲第１項ないし第 ３項のいずれかに記載の光結合器。
5. ５．第一の層および基板は短い距離だけ離れた構造である請求の範囲第１項ない し第３項のいずれかに記載の光結合器。
6. ６．導波路および第一の層は、相互に強い電場結合が生じる程度に近接した構造 である請求の範囲第１項ないし第５項のいずれかに記載の光結合器。
7. ７．導波路および第一の層は短い距離だけ離れた構造である請求の範囲第６項に 記載の光結合器。
8. ８．導波路および第一の層は密着した構造である請求の範囲第６項に記載の光結 合器。
9. ９．導波路は単一モード光ファイバである請求の範囲第１項ないし第８項のいず れかに記載の光結合器。
10. １０．第一の層は、導波路に沿った方向および横切る方向に広がる薄膜を含む請 求の範囲第１項ないし第９項のいずれかに記載の光結合器。
11. １１．プレーナ導波路は集積化された光学素子を含む請求の範囲第１項ないし第 １０項のいずれかに記載の光結合器。
12. １２．素子の光学特性を変更する手段が設けられ、素子の動作が制御可能な構造 である請求の範囲第１項ないし第１１項のいずれかに記載の光結合器。
13. １３．上記手段は第一の層の厚さまたは屈折率を変化させる構成である請求の範 囲第１２項に記載の光結合器。
14. １４．第一の層の屈折率は、導波路の実効屈折率より少なくとも１％ないし１５ ％大きい請求の範囲第１項ないし第１３項のいずれかに記載の光結合器。
15. １５．第一の層の屈折率は、導波路の実効屈折率より少なくとも１５％ないし２ ０％大きい請求の範囲第１項ないし第１４項のいずれかに記載の光結合器。
16. １６．第一の層の屈折率は、導波路の実効屈折率より少なくとも２０％ないし３ ０％大きい請求の範囲第１項ないし第１５項のいずれかに記載の光結合器。
17. １７．第一の層の屈折率は、導波路の実効屈折率より５０％以上大きい範囲第１ 項ないし第１７項のいずれかに記載の光結合器。