JP3795821B2 - 光分岐器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光通信などにおいて信号光を分岐するディバイスなどに適用される光分岐器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば光通信に使用される光集積回路用ディバイスにおいて、信号光を分岐させるための一手段として、いわゆるＹ分岐導波路が知られている。また、光パワーを６０：４０あるいは９０：１０のように非対称に分岐させることのできる分岐器が要望されている。
【０００３】
例えば図１４に示す従来の光分岐器は、主導波路１と、テーパ導波路２と、一対の分岐導波路３，４とを有しており、分岐導波路３，４のそれぞれの幅Ｗ３，Ｗ４を互いに異ならせることにより、光パワーを非対称に分岐させることができる。テーパ導波路２は、主導波路１から分岐導波路３，４に向かって、幅がＷ１からＷ２にテーパ状に広がっている。分岐導波路３，４間に、幅Ｗｇの分岐部端面５が形成されている。
【０００４】
図１４に示した従来の光分岐器の場合、テーパ導波路２と分岐導波路３，４との接続部におけるテーパ導波路２の幅Ｗ２は、分岐導波路３，４の幅Ｗ３，Ｗ４と分岐部端面５の幅Ｗｇとの和に等しい。すなわち、Ｗ２＝（Ｗ３＋Ｗ４＋Ｗｇ）なる関係があり、かつ、Ｗ３≠Ｗ４となるように光分岐器が設計されている。
【０００５】
図１５は、図１４に示された従来の光分岐器において、分岐導波路３，４のそれぞれの幅Ｗ３，Ｗ４の比と、分岐比および分岐過剰損との関係を示している。図１５中の横軸は分岐導波路３，４の幅Ｗ３，Ｗ４の比［Ｗ３／（Ｗ３＋Ｗ４）］を表わし、左縦軸は分岐導波路３，４の分岐比、右縦軸は分岐過剰損をそれぞれ表わしている。分岐導波路３，４の幅Ｗ３，Ｗ４の合計は１０μｍ、主導波路１の断面は７μｍ×７μｍの正方形、コアとクラッド層の比屈折率差０．４５％、分岐部端面５の幅Ｗｇが３μｍ、テーパ導波路２の長さ６００μｍ、光信号波長１．５５μｍである。
【０００６】
一方、特開平９−８０２４４号公報に、一対の分岐導波路の位置をテーパ導波路の幅方向にずらした光分岐器が記載されている。この従来例は、図１６に示すように、互いに幅Ｗ５が等しい一対の分岐導波路３´，４´を有する光分岐器において、主導波路１とテーパ導波路２の中心軸に対して、分岐導波路３´，４´の中心軸を、テーパ導波路２の幅方向にΔＸだけずらしている。
【０００７】
図１７は、図１６に示された従来の光分岐器において、前記軸ずらし量ΔＸと分岐比および分岐過剰損との関係を示している。図１７中の横軸は軸ずらし量ΔＸを表わし、左縦軸は分岐導波路３´，４´の分岐比、右縦軸は分岐過剰損をそれぞれ表わしている。主導波路１と分岐導波路３´，４´の断面は、いずれも７μｍ×７μｍの四角形、コアとクラッド層の比屈折率差０．４５％、分岐部端面５の幅Ｗｇが３μｍ、テーパ導波路２の長さ６００μｍ、光信号波長が１．５５μｍである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図１４に示す従来の光分岐器は、図１５に示されるように、分岐比５０％〜８０数％の全範囲にわたって、分岐過剰損が０．２ｄＢ前後もあり、損失が大きいという欠点がある。
【０００９】
これに対し図１６に示す従来の光分岐器は、図１７に示されるように、分岐比が大きくなるに従い、分岐過剰損が大きくなるという欠点がある。このため分岐比を大きくとることに限界がある。
【００１０】
従って本発明の目的は、損失が少なくかつ分岐比を大きくとることが可能な光分岐器を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の光分岐器は、主導波路と、前記主導波路に接続される第１の端部を有しかつ前記第１の端部から第２の端部に向かってテーパ状に広がる両側部を有するテーパ導波路と、前記テーパ導波路の前記第２の端部に接続される第１および第２の分岐導波路を含む分岐導波路群とを具備する光分岐器であって、前記第２の端部に接続される前記第１および第２の分岐導波路のそれぞれの入射端の幅が互いに異なり、かつ、前記分岐導波路群全体の幅が前記第２の端部の幅よりも小さく、前記分岐導波路群と前記テーパ導波路の両側部との間に段差部が形成されている光分岐器である。
【００１２】
そして本発明では、テーパ状に広がる前記テーパ導波路の前記直線状の両側部と前記主導波路との接続部分に段差状の拡張部がそれぞれ形成され、かつ、前記両側部のうち一方の側部に、該一方の側部の前記拡張部の幅を他方側の前記拡張部の幅よりもさらに広げてなる領域が形成されている。この場合、前記テーパ導波路内を蛇行しながら進む光の蛇行する方向に、前記第１および第２の分岐導波路のうち幅の広い方の分岐導波路の入射端が設けられているとよい。
【００１３】
本発明の好ましい形態では、前記テーパ導波路の長さを、前記蛇行しながら進む光の蛇行量が極値をとる長さ付近、すなわち、光の蛇行量が極値をとる位置を中心としてテーパ導波路の幅方向に±１００μｍの範囲に、幅の広い分岐導波路が配置されているとよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の第１の実施形態について図１から図４を参照して説明する。
図１に示された光分岐器１０は、主導波路１１と、テーパ導波路１２と、２本の分岐導波路１３，１４を含む分岐導波路群１５とを備えている。
【００１５】
図２に光分岐器１０の一部の断面を示すように、基板１６上に形成されたコア１７とクラッド層１８によって、前記主導波路１１と、テーパ導波路１２と、分岐導波路１３，１４が形成されている。
【００１６】
テーパ導波路１２は、主導波路１１との接続部分に相当する第１の端部２１を有している。またこのテーパ導波路１２は、分岐導波路１３，１４との接続部分に相当する第２の端部２２を有している。さらにこのテーパ導波路１２は、第１の端部２１から第２の端部２２に向かってテーパ状に広がる両側部２３，２４を有している。すなわちこのテーパ導波路１２は、第１の端部２１から第２の端部２２に向かって、幅がＷ１からＷ２にテーパ状に広がる形状となっている。
【００１７】
テーパ導波路１２の第１の端部２１の幅Ｗ１は、主導波路１１の幅Ｗ０よりも大きいため、主導波路１１とテーパ導波路１２との接続部分である第１の端部２１に、段差状の拡張部２５が形成されている。
【００１８】
テーパ導波路１２の第２の端部２２に、第１および第２の分岐導波路１３，１４のそれぞれの入射端１３ａ，１４ａが接続されている。これら入射端１３ａ，１４ａの幅Ｗ３，Ｗ４は互いに異なっている。例えば、第１の分岐導波路１３の入射端１３ａの幅Ｗ３が、第２の分岐導波路１４の入射端１４ａの幅Ｗ４よりも大である。分岐導波路１３，１４間に、幅Ｗｇの分岐部端面２７が形成されている。
【００１９】
この光分岐器１０は、分岐導波路群１５全体の幅Ｗ６が、テーパ導波路１２の第２の端部２２の幅Ｗ２よりも小さい。このため、テーパ導波路１２の両側部２３，２４と、分岐導波路１３，１４の各入射端１３ａ，１４ａとの間に、段差部３０，３１が形成されている。
【００２０】
分岐導波路群１５の幅Ｗ６は、分岐導波路１３，１４の幅Ｗ３，Ｗ４と分岐部端面２７の幅Ｗｇとを加えた寸法である。すなわちＷ２＞（Ｗ３＋Ｗ４＋Ｗｇ）なる関係があり、かつ、Ｗ３≠Ｗ４となるように、光分岐器１０が設計されている。
【００２１】
段差部３０，３１を形成したことにより、主導波路１１と分岐導波路１３，１４との接続部分（第２の端部２２）において、図３中にＭ１で示すように、光フィールドの分布の相似形を、分岐直前と分岐直後とでなるべく崩すことなく、分岐導波路１３，１４に伝播させることができる。その結果、従来の光分岐器（図１４に示す）と比較して分岐過剰損を小さくすることが可能となった。
【００２２】
図４は、前記第１の実施形態の光分岐器１０において、分岐導波路１３，１４の幅Ｗ３，Ｗ４の比と、分岐比および分岐過剰損との関係を示している。図４中の横軸は分岐導波路１３，１４の幅Ｗ３，Ｗ４の比［Ｗ３／（Ｗ３＋Ｗ４）］を表わし、左縦軸は分岐導波路１３，１４の分岐比、右縦軸は分岐過剰損をそれぞれ表わしている。
【００２３】
ここで分岐導波路１３，１４の幅Ｗ３，Ｗ４の合計は１０μｍ、主導波路１１の断面は７μｍ×７μｍの正方形である。また、コア１７とクラッド層１８の比屈折率差０．４５％、分岐部端面２７の幅Ｗｇが３μｍ、テーパ導波路１２の長さＬが６００μｍ、光信号波長１．５５μｍである。
【００２４】
テーパ導波路１２の第２の端部２２の幅Ｗ２は、所望の分岐比に応じて最適化されている。一例として、分岐比が６７：３３の場合に、Ｗ２は１７μｍに設定される。この場合の段差部３０，３１の幅は、それぞれ２μｍである。
【００２５】
テーパ導波路１２の第１の端部２１の幅Ｗ１は、主導波路１１との接続部分における損失を小さくすることができるように、主導波路１１の幅Ｗ０と同じか、もしくは主導波路１１の幅Ｗ０よりも若干大きいことが望ましい。
【００２６】
前記第１の実施形態の光分岐器１０によれば、図４に示すように、広い分岐比（５０％〜８２％）にわたって、分岐過剰損が０．１ｄＢ程度と、一定の低い値に保たれている。この光分岐器１０によれば、従来の光分岐器（図１４に示す）と比較して、分岐過剰損を半分近くに減少させることができる。
【００２７】
図５と図６は、本発明の第２の実施形態の光分岐器１０Ａを示している。この光分岐器１０Ａも、１本の主導波路１１と、テーパ導波路１２と、一対の分岐導波路１３，１４を含む分岐導波路群１５を備えている。この光分岐器１０Ａのテーパ導波路１２は、片側（一方の側部２４）に向かって幅をΔＷｔだけさらに広げた領域Ｓを有している。
【００２８】
すなわちテーパ導波路１２の第１の端部２１に、一方の側部２４に向かって片側の幅が他方側よりも広がる拡張部２５ａが形成されている。こうすることにより、主導波路１１の中心軸Ｃ１に対し、テーパ導波路１２の中心軸Ｃ２を、テーパ導波路１２の幅方向にずらしている。それ以外の構成について、この光分岐器１０Ａは第１の実施形態の光分岐器１０と同様であるから、第１の実施形態と共通の部位に共通の符号を付して説明を省略する。
【００２９】
第２の実施形態の光分岐器１０Ａは、テーパ導波路１２の片側に拡張部２５ａを形成することにより、主導波路１１の中心軸Ｃ１に対してテーパ導波路１２の中心軸Ｃ２をずらしている。このため、図６にＰ１で示すように界分布のピークが蛇行する。すなわち主導波路１１からテーパ導波路１２に入射した光の界分布のピークは、テーパ導波路１２の一方の側部２４に寄るように進んだのち、他方の側部２３に寄るように進む。こうして界分布のピークは、テーパ導波路１２の中心軸Ｃ２に対して蛇行する。
【００３０】
この光分岐器１０Ａの場合、界分布のピークが蛇行する方向に、幅の広い分岐導波路１３の入射端１３ａが配置されている。この構成によれば、テーパ導波路１２と分岐導波路１３，１４との接続部分において、界分布のピークを幅の広い分岐導波路１３側にずらすことができるので、第１の実施形態の光分岐器１０と比較して分岐比をさらに大きくすることができる。
【００３１】
図７は、前記光分岐器１０Ａのテーパ導波路１２の長さＬと、分岐比との関係を示している。ここでは第１の分岐導波路１３の幅Ｗ３が７μｍ、第２の分岐導波路１４の幅Ｗ４が３μｍである。主導波路１１の断面は７μｍ×７μｍの正方形である。分岐部端面２７の幅Ｗｇは３μｍ、比屈折率差０．４５％、光信号波長１．５５μｍである。またテーパ導波路１２の第２の端部２２の幅Ｗ２が１６μｍ、テーパ導波路１２の片側の広げ量ΔＷｔが１μｍである。
【００３２】
図７に示されるように、テーパ導波路１２の長さＬに応じて、分岐比に極大値と極小値が交互に現れている。これは、テーパ導波路１２内を界分布のピークが蛇行しながら進むためである。
【００３３】
図８は、本発明の第３の実施形態の光分岐器１０Ｂを示している。この実施形態のテーパ導波路１２は、他方の側部２３に向かって幅をΔＷｔだけさらに広げた領域Ｓを有している。すなわちテーパ導波路１２の第１の端部２１に、一方の側部２３に向かって片側の幅が他方側よりも広がる拡張部２５ａが形成されている。こうすることにより、主導波路１１の中心軸Ｃ１に対してテーパ導波路１２の中心軸Ｃ２を、他方の側部２３の方向にずらしている。
【００３４】
この光分岐器１０Ｂの場合、主導波路１１からテーパ導波路１２に入射した光の界分布のピークは、Ｐ１で示すように他方の側部２３に向かう。従ってこの方向に幅の広い分岐導波路１３が配置されていることにより、前記第１の実施形態の光分岐器１０と比較して、分岐比をさらに大きくすることができる。
【００３５】
図９は、前記光分岐器１０Ｂのテーパ導波路１２の長さＬと、分岐比との関係を示している。図９に示されるように、テーパ導波路１２の長さＬに応じて、分岐比に極大値と極小値が交互に現れている。これは、テーパ導波路１２内を界分布のピークが蛇行しながら進むためである。
【００３６】
図１０は、図８に示された光分岐器１０Ｂにおいて、テーパ導波路１２の長さＬを６００μｍに固定した場合に、界分布のピークがどのように蛇行するのかを解析した結果を示している。図１０において、横軸はテーパ導波路１２内での光の伝播距離を示し、縦軸は蛇行量、すなわち主導波路１１の中心軸Ｃ１と界分布のピークの位置との差を表わしている。
【００３７】
図１１は、図８に示された光分岐器１０Ｂにおいて、片側の幅の広げ量ΔＷｔを変化させたときの、分岐比と分岐過剰損の変化を示している。図１１中の横軸は幅の広げ量ΔＷｔを表わし、左縦軸は分岐比、右縦軸は分岐過剰損を表わしている。
【００３８】
以上説明したように、第２および第３の実施形態の光分岐器１０Ａ，１０Ｂにおいて、分岐比はテーパ導波路１２の長さＬに依存して周期性を有している。つまり、分岐比が大きくなるときは、主導波路１１の中心軸Ｃ１と界分布のピークとのずれ（蛇行量）が大きいときである。
【００３９】
このため、テーパ導波路１２の長さＬを、蛇行しながら進む光の蛇行量が極値をとる長さとし、光が蛇行する方向に幅の広い分岐導波路１３の入射端１３ａを配置すれば、効率良く分岐比を大きくすることができる。すなわち、蛇行する光が極値をとる位置に幅の広い分岐導波路１３の入射端１３ａを配置すれば、分岐比を大きくする上で最も効率が良い。しかし入射端１３ａの位置が多少ずれていてもよく、実用上は±１００μｍの範囲で許容することができる。
【００４０】
損失に関し、前記光分岐器１０Ａ，１０Ｂは、第１の実施形態の光分岐器１０と同様に、テーパ導波路１２と分岐導波路１３，１４との接続部分において、前記従来の光分岐器と比較して、モードの相似形を崩さずに分岐させることができる。このため第２および第３の実施形態の光分岐器１０Ａ，１０Ｂも、分岐過剰損失を小さく保ったまま、分岐比を広範囲に変えることができる。
【００４１】
前記光分岐器１０Ａ，１０Ｂにおいて、片側の幅の広げ量ΔＷｔを０とした場合が、第１の実施形態の光分岐器１０に相当する。第１の実施形態で述べた各部の寸法は、光分岐器１０を安定に製造することができる限界に近い値である。このため、第１の実施形態では８０％を越える分岐比を実現することが難しい。
【００４２】
そこで第２および第３の実施形態の光分岐器１０Ａ，１０Ｂのように構成することにより、分岐過剰損をほぼ一定の低い値に保ったまま、幅の広げ量ΔＷｔに応じて、分岐比をさらに大きくすることができる。
【００４３】
従って第２および第３の実施形態の光分岐器１０Ａ，１０Ｂは、第１の実施形態の光分岐器１０が製造上の理由等から分岐比を大きくとることが限界となってしまった場合で、さらに大きい分岐比が必要な場合に適用することができる。
【００４４】
図１２は本発明の第４の実施形態の光分岐器１０Ｃを示している。この光分岐器１０Ｃは、主導波路１１の幅Ｗ０と、テーパ導波路１２の第１の端部２１の幅Ｗ１が実質的に同じである。すなわち前記各実施形態のような拡張部２５，２５ａを形成することなく、主導波路１１とテーパ導波路１２とが互いに連続している。それ以外の構成について、この光分岐器１０Ｃは、第１の実施形態の光分岐器１０と同様に構成されている。この光分岐器１０Ｃにおいて、第２および第３の実施形態の光分岐器１０Ａ，１０Ｂと同様に、片側の幅をさらにΔＷｔだけ広げたテーパ導波路１２が採用されてもよい。
【００４５】
図１３は、第４の実施形態の光分岐器１０Ｃについて、分岐導波路１３，１４の幅Ｗ３，Ｗ４の比と、分岐比および分岐過剰損との関係を示している。図１３に示されるように、第４の実施形態の光分岐器１０Ｃによれば、広い範囲の分岐比にわたって、分岐過剰損をほぼ０．１％前後の低い値にすることができる。
【００４６】
以上説明したように、主導波路１１とテーパ導波路１２と分岐導波路１３，１４のそれぞれの中心軸は互いに同一であってもよいし、各中心軸が互いにずれていてもよい。各中心軸が互いにずれている場合には、各中心軸が一致しているものと比較して、光分岐器を設計する上での自由度が大きくなる。
【００４７】
また前記各実施形態では、主導波路１１とテーパ導波路１２の両側部２３，２４をそれぞれ直線状としたが、主導波路１１と両側部２３，２４は、それぞれが円弧あるいはｓｉｎカーブ等の曲線であってもよい。また、分岐導波路群１５を構成する分岐導波路１３，１４は２本以上でもよい。
【００４８】
【発明の効果】
請求項１に記載した発明によれば、損失が少なく、しかも分岐比を広範囲にわたって変化させることができる。
【００４９】
そして本発明によれば、主導波路の中心軸に対しテーパ導波路を非対称とすることにより、光の界分布のピークを幅の広い分岐導波路側にずらすことができるため、本発明による前記効果をさらに高めることができる。
【００５０】
請求項２に記載した発明によれば、光が蛇行する方向に幅の広い分岐導波路を配置することにより、分岐比をさらに広範囲に変化させることができる。
【００５１】
請求項３に記載した発明によれば、テーパ導波路を光の蛇行量が極値をとる長さ付近とすることにより、分岐比をさらに大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態を示す光分岐器の平面図。
【図２】 図１中のＦ２−Ｆ２に沿う光分岐器の断面図。
【図３】 図１に示された光分岐器の分岐直前と分岐直後の界分布の変化を示す平面図。
【図４】 図１に示された光分岐器において、分岐導波路の幅の比と、分岐比および分岐過剰損との関係を示す図。
【図５】 本発明の第２の実施形態を示す光分岐器の平面図。
【図６】 図５に示された光分岐器において、界分布のピークが蛇行する様子を示す平面図。
【図７】 図５に示された光分岐器において、テーパ導波路の長さと分岐比との関係を示す図。
【図８】 本発明の第３の実施形態を示す光分岐器の平面図。
【図９】 図８に示された光分岐器において、テーパ導波路の長さと分岐比との関係を示す図。
【図１０】 図８に示された光分岐器において、テーパ導波路内を伝播する光の伝播距離と蛇行量との関係を示す図。
【図１１】 図８に示された光分岐器において、テーパ導波路の片側の幅の広げ量と、分岐比および分岐過剰損との関係を示す図。
【図１２】 本発明の第４の実施形態を示す光分岐器の平面図。
【図１３】 図１２に示された光分岐器において、分岐導波路の幅の比と、分岐比および分岐過剰損との関係を示す図。
【図１４】 従来の光分岐器を示す平面図。
【図１５】 図１４に示された光分岐器において、分岐導波路の幅の比と、分岐比および分岐過剰損との関係を示す図。
【図１６】 他の従来例を示す光分岐器の平面図。
【図１７】 図１６に示された光分岐器において、軸ずらし量と、分岐比および分岐過剰損との関係を示す図。
【符号の説明】
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…光分岐器
１１…主導波路
１２…テーパ導波路
１３，１４…分岐導波路
１７…コア
１８…クラッド層
２１…第１の端部
２２…第２の端部
２３，２４…両側部
２５ａ…拡張部
３０，３１…段差部
【発明の属する技術分野】
この発明は、光通信などにおいて信号光を分岐するディバイスなどに適用される光分岐器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば光通信に使用される光集積回路用ディバイスにおいて、信号光を分岐させるための一手段として、いわゆるＹ分岐導波路が知られている。また、光パワーを６０：４０あるいは９０：１０のように非対称に分岐させることのできる分岐器が要望されている。
【０００３】
例えば図１４に示す従来の光分岐器は、主導波路１と、テーパ導波路２と、一対の分岐導波路３，４とを有しており、分岐導波路３，４のそれぞれの幅Ｗ３，Ｗ４を互いに異ならせることにより、光パワーを非対称に分岐させることができる。テーパ導波路２は、主導波路１から分岐導波路３，４に向かって、幅がＷ１からＷ２にテーパ状に広がっている。分岐導波路３，４間に、幅Ｗｇの分岐部端面５が形成されている。
【０００４】
図１４に示した従来の光分岐器の場合、テーパ導波路２と分岐導波路３，４との接続部におけるテーパ導波路２の幅Ｗ２は、分岐導波路３，４の幅Ｗ３，Ｗ４と分岐部端面５の幅Ｗｇとの和に等しい。すなわち、Ｗ２＝（Ｗ３＋Ｗ４＋Ｗｇ）なる関係があり、かつ、Ｗ３≠Ｗ４となるように光分岐器が設計されている。
【０００５】
図１５は、図１４に示された従来の光分岐器において、分岐導波路３，４のそれぞれの幅Ｗ３，Ｗ４の比と、分岐比および分岐過剰損との関係を示している。図１５中の横軸は分岐導波路３，４の幅Ｗ３，Ｗ４の比［Ｗ３／（Ｗ３＋Ｗ４）］を表わし、左縦軸は分岐導波路３，４の分岐比、右縦軸は分岐過剰損をそれぞれ表わしている。分岐導波路３，４の幅Ｗ３，Ｗ４の合計は１０μｍ、主導波路１の断面は７μｍ×７μｍの正方形、コアとクラッド層の比屈折率差０．４５％、分岐部端面５の幅Ｗｇが３μｍ、テーパ導波路２の長さ６００μｍ、光信号波長１．５５μｍである。
【０００６】
一方、特開平９−８０２４４号公報に、一対の分岐導波路の位置をテーパ導波路の幅方向にずらした光分岐器が記載されている。この従来例は、図１６に示すように、互いに幅Ｗ５が等しい一対の分岐導波路３´，４´を有する光分岐器において、主導波路１とテーパ導波路２の中心軸に対して、分岐導波路３´，４´の中心軸を、テーパ導波路２の幅方向にΔＸだけずらしている。
【０００７】
図１７は、図１６に示された従来の光分岐器において、前記軸ずらし量ΔＸと分岐比および分岐過剰損との関係を示している。図１７中の横軸は軸ずらし量ΔＸを表わし、左縦軸は分岐導波路３´，４´の分岐比、右縦軸は分岐過剰損をそれぞれ表わしている。主導波路１と分岐導波路３´，４´の断面は、いずれも７μｍ×７μｍの四角形、コアとクラッド層の比屈折率差０．４５％、分岐部端面５の幅Ｗｇが３μｍ、テーパ導波路２の長さ６００μｍ、光信号波長が１．５５μｍである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図１４に示す従来の光分岐器は、図１５に示されるように、分岐比５０％〜８０数％の全範囲にわたって、分岐過剰損が０．２ｄＢ前後もあり、損失が大きいという欠点がある。
【０００９】
これに対し図１６に示す従来の光分岐器は、図１７に示されるように、分岐比が大きくなるに従い、分岐過剰損が大きくなるという欠点がある。このため分岐比を大きくとることに限界がある。
【００１０】
従って本発明の目的は、損失が少なくかつ分岐比を大きくとることが可能な光分岐器を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の光分岐器は、主導波路と、前記主導波路に接続される第１の端部を有しかつ前記第１の端部から第２の端部に向かってテーパ状に広がる両側部を有するテーパ導波路と、前記テーパ導波路の前記第２の端部に接続される第１および第２の分岐導波路を含む分岐導波路群とを具備する光分岐器であって、前記第２の端部に接続される前記第１および第２の分岐導波路のそれぞれの入射端の幅が互いに異なり、かつ、前記分岐導波路群全体の幅が前記第２の端部の幅よりも小さく、前記分岐導波路群と前記テーパ導波路の両側部との間に段差部が形成されている光分岐器である。
【００１２】
そして本発明では、テーパ状に広がる前記テーパ導波路の前記直線状の両側部と前記主導波路との接続部分に段差状の拡張部がそれぞれ形成され、かつ、前記両側部のうち一方の側部に、該一方の側部の前記拡張部の幅を他方側の前記拡張部の幅よりもさらに広げてなる領域が形成されている。この場合、前記テーパ導波路内を蛇行しながら進む光の蛇行する方向に、前記第１および第２の分岐導波路のうち幅の広い方の分岐導波路の入射端が設けられているとよい。
【００１３】
本発明の好ましい形態では、前記テーパ導波路の長さを、前記蛇行しながら進む光の蛇行量が極値をとる長さ付近、すなわち、光の蛇行量が極値をとる位置を中心としてテーパ導波路の幅方向に±１００μｍの範囲に、幅の広い分岐導波路が配置されているとよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の第１の実施形態について図１から図４を参照して説明する。
図１に示された光分岐器１０は、主導波路１１と、テーパ導波路１２と、２本の分岐導波路１３，１４を含む分岐導波路群１５とを備えている。
【００１５】
図２に光分岐器１０の一部の断面を示すように、基板１６上に形成されたコア１７とクラッド層１８によって、前記主導波路１１と、テーパ導波路１２と、分岐導波路１３，１４が形成されている。
【００１６】
テーパ導波路１２は、主導波路１１との接続部分に相当する第１の端部２１を有している。またこのテーパ導波路１２は、分岐導波路１３，１４との接続部分に相当する第２の端部２２を有している。さらにこのテーパ導波路１２は、第１の端部２１から第２の端部２２に向かってテーパ状に広がる両側部２３，２４を有している。すなわちこのテーパ導波路１２は、第１の端部２１から第２の端部２２に向かって、幅がＷ１からＷ２にテーパ状に広がる形状となっている。
【００１７】
テーパ導波路１２の第１の端部２１の幅Ｗ１は、主導波路１１の幅Ｗ０よりも大きいため、主導波路１１とテーパ導波路１２との接続部分である第１の端部２１に、段差状の拡張部２５が形成されている。
【００１８】
テーパ導波路１２の第２の端部２２に、第１および第２の分岐導波路１３，１４のそれぞれの入射端１３ａ，１４ａが接続されている。これら入射端１３ａ，１４ａの幅Ｗ３，Ｗ４は互いに異なっている。例えば、第１の分岐導波路１３の入射端１３ａの幅Ｗ３が、第２の分岐導波路１４の入射端１４ａの幅Ｗ４よりも大である。分岐導波路１３，１４間に、幅Ｗｇの分岐部端面２７が形成されている。
【００１９】
この光分岐器１０は、分岐導波路群１５全体の幅Ｗ６が、テーパ導波路１２の第２の端部２２の幅Ｗ２よりも小さい。このため、テーパ導波路１２の両側部２３，２４と、分岐導波路１３，１４の各入射端１３ａ，１４ａとの間に、段差部３０，３１が形成されている。
【００２０】
分岐導波路群１５の幅Ｗ６は、分岐導波路１３，１４の幅Ｗ３，Ｗ４と分岐部端面２７の幅Ｗｇとを加えた寸法である。すなわちＷ２＞（Ｗ３＋Ｗ４＋Ｗｇ）なる関係があり、かつ、Ｗ３≠Ｗ４となるように、光分岐器１０が設計されている。
【００２１】
段差部３０，３１を形成したことにより、主導波路１１と分岐導波路１３，１４との接続部分（第２の端部２２）において、図３中にＭ１で示すように、光フィールドの分布の相似形を、分岐直前と分岐直後とでなるべく崩すことなく、分岐導波路１３，１４に伝播させることができる。その結果、従来の光分岐器（図１４に示す）と比較して分岐過剰損を小さくすることが可能となった。
【００２２】
図４は、前記第１の実施形態の光分岐器１０において、分岐導波路１３，１４の幅Ｗ３，Ｗ４の比と、分岐比および分岐過剰損との関係を示している。図４中の横軸は分岐導波路１３，１４の幅Ｗ３，Ｗ４の比［Ｗ３／（Ｗ３＋Ｗ４）］を表わし、左縦軸は分岐導波路１３，１４の分岐比、右縦軸は分岐過剰損をそれぞれ表わしている。
【００２３】
ここで分岐導波路１３，１４の幅Ｗ３，Ｗ４の合計は１０μｍ、主導波路１１の断面は７μｍ×７μｍの正方形である。また、コア１７とクラッド層１８の比屈折率差０．４５％、分岐部端面２７の幅Ｗｇが３μｍ、テーパ導波路１２の長さＬが６００μｍ、光信号波長１．５５μｍである。
【００２４】
テーパ導波路１２の第２の端部２２の幅Ｗ２は、所望の分岐比に応じて最適化されている。一例として、分岐比が６７：３３の場合に、Ｗ２は１７μｍに設定される。この場合の段差部３０，３１の幅は、それぞれ２μｍである。
【００２５】
テーパ導波路１２の第１の端部２１の幅Ｗ１は、主導波路１１との接続部分における損失を小さくすることができるように、主導波路１１の幅Ｗ０と同じか、もしくは主導波路１１の幅Ｗ０よりも若干大きいことが望ましい。
【００２６】
前記第１の実施形態の光分岐器１０によれば、図４に示すように、広い分岐比（５０％〜８２％）にわたって、分岐過剰損が０．１ｄＢ程度と、一定の低い値に保たれている。この光分岐器１０によれば、従来の光分岐器（図１４に示す）と比較して、分岐過剰損を半分近くに減少させることができる。
【００２７】
図５と図６は、本発明の第２の実施形態の光分岐器１０Ａを示している。この光分岐器１０Ａも、１本の主導波路１１と、テーパ導波路１２と、一対の分岐導波路１３，１４を含む分岐導波路群１５を備えている。この光分岐器１０Ａのテーパ導波路１２は、片側（一方の側部２４）に向かって幅をΔＷｔだけさらに広げた領域Ｓを有している。
【００２８】
すなわちテーパ導波路１２の第１の端部２１に、一方の側部２４に向かって片側の幅が他方側よりも広がる拡張部２５ａが形成されている。こうすることにより、主導波路１１の中心軸Ｃ１に対し、テーパ導波路１２の中心軸Ｃ２を、テーパ導波路１２の幅方向にずらしている。それ以外の構成について、この光分岐器１０Ａは第１の実施形態の光分岐器１０と同様であるから、第１の実施形態と共通の部位に共通の符号を付して説明を省略する。
【００２９】
第２の実施形態の光分岐器１０Ａは、テーパ導波路１２の片側に拡張部２５ａを形成することにより、主導波路１１の中心軸Ｃ１に対してテーパ導波路１２の中心軸Ｃ２をずらしている。このため、図６にＰ１で示すように界分布のピークが蛇行する。すなわち主導波路１１からテーパ導波路１２に入射した光の界分布のピークは、テーパ導波路１２の一方の側部２４に寄るように進んだのち、他方の側部２３に寄るように進む。こうして界分布のピークは、テーパ導波路１２の中心軸Ｃ２に対して蛇行する。
【００３０】
この光分岐器１０Ａの場合、界分布のピークが蛇行する方向に、幅の広い分岐導波路１３の入射端１３ａが配置されている。この構成によれば、テーパ導波路１２と分岐導波路１３，１４との接続部分において、界分布のピークを幅の広い分岐導波路１３側にずらすことができるので、第１の実施形態の光分岐器１０と比較して分岐比をさらに大きくすることができる。
【００３１】
図７は、前記光分岐器１０Ａのテーパ導波路１２の長さＬと、分岐比との関係を示している。ここでは第１の分岐導波路１３の幅Ｗ３が７μｍ、第２の分岐導波路１４の幅Ｗ４が３μｍである。主導波路１１の断面は７μｍ×７μｍの正方形である。分岐部端面２７の幅Ｗｇは３μｍ、比屈折率差０．４５％、光信号波長１．５５μｍである。またテーパ導波路１２の第２の端部２２の幅Ｗ２が１６μｍ、テーパ導波路１２の片側の広げ量ΔＷｔが１μｍである。
【００３２】
図７に示されるように、テーパ導波路１２の長さＬに応じて、分岐比に極大値と極小値が交互に現れている。これは、テーパ導波路１２内を界分布のピークが蛇行しながら進むためである。
【００３３】
図８は、本発明の第３の実施形態の光分岐器１０Ｂを示している。この実施形態のテーパ導波路１２は、他方の側部２３に向かって幅をΔＷｔだけさらに広げた領域Ｓを有している。すなわちテーパ導波路１２の第１の端部２１に、一方の側部２３に向かって片側の幅が他方側よりも広がる拡張部２５ａが形成されている。こうすることにより、主導波路１１の中心軸Ｃ１に対してテーパ導波路１２の中心軸Ｃ２を、他方の側部２３の方向にずらしている。
【００３４】
この光分岐器１０Ｂの場合、主導波路１１からテーパ導波路１２に入射した光の界分布のピークは、Ｐ１で示すように他方の側部２３に向かう。従ってこの方向に幅の広い分岐導波路１３が配置されていることにより、前記第１の実施形態の光分岐器１０と比較して、分岐比をさらに大きくすることができる。
【００３５】
図９は、前記光分岐器１０Ｂのテーパ導波路１２の長さＬと、分岐比との関係を示している。図９に示されるように、テーパ導波路１２の長さＬに応じて、分岐比に極大値と極小値が交互に現れている。これは、テーパ導波路１２内を界分布のピークが蛇行しながら進むためである。
【００３６】
図１０は、図８に示された光分岐器１０Ｂにおいて、テーパ導波路１２の長さＬを６００μｍに固定した場合に、界分布のピークがどのように蛇行するのかを解析した結果を示している。図１０において、横軸はテーパ導波路１２内での光の伝播距離を示し、縦軸は蛇行量、すなわち主導波路１１の中心軸Ｃ１と界分布のピークの位置との差を表わしている。
【００３７】
図１１は、図８に示された光分岐器１０Ｂにおいて、片側の幅の広げ量ΔＷｔを変化させたときの、分岐比と分岐過剰損の変化を示している。図１１中の横軸は幅の広げ量ΔＷｔを表わし、左縦軸は分岐比、右縦軸は分岐過剰損を表わしている。
【００３８】
以上説明したように、第２および第３の実施形態の光分岐器１０Ａ，１０Ｂにおいて、分岐比はテーパ導波路１２の長さＬに依存して周期性を有している。つまり、分岐比が大きくなるときは、主導波路１１の中心軸Ｃ１と界分布のピークとのずれ（蛇行量）が大きいときである。
【００３９】
このため、テーパ導波路１２の長さＬを、蛇行しながら進む光の蛇行量が極値をとる長さとし、光が蛇行する方向に幅の広い分岐導波路１３の入射端１３ａを配置すれば、効率良く分岐比を大きくすることができる。すなわち、蛇行する光が極値をとる位置に幅の広い分岐導波路１３の入射端１３ａを配置すれば、分岐比を大きくする上で最も効率が良い。しかし入射端１３ａの位置が多少ずれていてもよく、実用上は±１００μｍの範囲で許容することができる。
【００４０】
損失に関し、前記光分岐器１０Ａ，１０Ｂは、第１の実施形態の光分岐器１０と同様に、テーパ導波路１２と分岐導波路１３，１４との接続部分において、前記従来の光分岐器と比較して、モードの相似形を崩さずに分岐させることができる。このため第２および第３の実施形態の光分岐器１０Ａ，１０Ｂも、分岐過剰損失を小さく保ったまま、分岐比を広範囲に変えることができる。
【００４１】
前記光分岐器１０Ａ，１０Ｂにおいて、片側の幅の広げ量ΔＷｔを０とした場合が、第１の実施形態の光分岐器１０に相当する。第１の実施形態で述べた各部の寸法は、光分岐器１０を安定に製造することができる限界に近い値である。このため、第１の実施形態では８０％を越える分岐比を実現することが難しい。
【００４２】
そこで第２および第３の実施形態の光分岐器１０Ａ，１０Ｂのように構成することにより、分岐過剰損をほぼ一定の低い値に保ったまま、幅の広げ量ΔＷｔに応じて、分岐比をさらに大きくすることができる。
【００４３】
従って第２および第３の実施形態の光分岐器１０Ａ，１０Ｂは、第１の実施形態の光分岐器１０が製造上の理由等から分岐比を大きくとることが限界となってしまった場合で、さらに大きい分岐比が必要な場合に適用することができる。
【００４４】
図１２は本発明の第４の実施形態の光分岐器１０Ｃを示している。この光分岐器１０Ｃは、主導波路１１の幅Ｗ０と、テーパ導波路１２の第１の端部２１の幅Ｗ１が実質的に同じである。すなわち前記各実施形態のような拡張部２５，２５ａを形成することなく、主導波路１１とテーパ導波路１２とが互いに連続している。それ以外の構成について、この光分岐器１０Ｃは、第１の実施形態の光分岐器１０と同様に構成されている。この光分岐器１０Ｃにおいて、第２および第３の実施形態の光分岐器１０Ａ，１０Ｂと同様に、片側の幅をさらにΔＷｔだけ広げたテーパ導波路１２が採用されてもよい。
【００４５】
図１３は、第４の実施形態の光分岐器１０Ｃについて、分岐導波路１３，１４の幅Ｗ３，Ｗ４の比と、分岐比および分岐過剰損との関係を示している。図１３に示されるように、第４の実施形態の光分岐器１０Ｃによれば、広い範囲の分岐比にわたって、分岐過剰損をほぼ０．１％前後の低い値にすることができる。
【００４６】
以上説明したように、主導波路１１とテーパ導波路１２と分岐導波路１３，１４のそれぞれの中心軸は互いに同一であってもよいし、各中心軸が互いにずれていてもよい。各中心軸が互いにずれている場合には、各中心軸が一致しているものと比較して、光分岐器を設計する上での自由度が大きくなる。
【００４７】
また前記各実施形態では、主導波路１１とテーパ導波路１２の両側部２３，２４をそれぞれ直線状としたが、主導波路１１と両側部２３，２４は、それぞれが円弧あるいはｓｉｎカーブ等の曲線であってもよい。また、分岐導波路群１５を構成する分岐導波路１３，１４は２本以上でもよい。
【００４８】
【発明の効果】
請求項１に記載した発明によれば、損失が少なく、しかも分岐比を広範囲にわたって変化させることができる。
【００４９】
そして本発明によれば、主導波路の中心軸に対しテーパ導波路を非対称とすることにより、光の界分布のピークを幅の広い分岐導波路側にずらすことができるため、本発明による前記効果をさらに高めることができる。
【００５０】
請求項２に記載した発明によれば、光が蛇行する方向に幅の広い分岐導波路を配置することにより、分岐比をさらに広範囲に変化させることができる。
【００５１】
請求項３に記載した発明によれば、テーパ導波路を光の蛇行量が極値をとる長さ付近とすることにより、分岐比をさらに大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態を示す光分岐器の平面図。
【図２】 図１中のＦ２−Ｆ２に沿う光分岐器の断面図。
【図３】 図１に示された光分岐器の分岐直前と分岐直後の界分布の変化を示す平面図。
【図４】 図１に示された光分岐器において、分岐導波路の幅の比と、分岐比および分岐過剰損との関係を示す図。
【図５】 本発明の第２の実施形態を示す光分岐器の平面図。
【図６】 図５に示された光分岐器において、界分布のピークが蛇行する様子を示す平面図。
【図７】 図５に示された光分岐器において、テーパ導波路の長さと分岐比との関係を示す図。
【図８】 本発明の第３の実施形態を示す光分岐器の平面図。
【図９】 図８に示された光分岐器において、テーパ導波路の長さと分岐比との関係を示す図。
【図１０】 図８に示された光分岐器において、テーパ導波路内を伝播する光の伝播距離と蛇行量との関係を示す図。
【図１１】 図８に示された光分岐器において、テーパ導波路の片側の幅の広げ量と、分岐比および分岐過剰損との関係を示す図。
【図１２】 本発明の第４の実施形態を示す光分岐器の平面図。
【図１３】 図１２に示された光分岐器において、分岐導波路の幅の比と、分岐比および分岐過剰損との関係を示す図。
【図１４】 従来の光分岐器を示す平面図。
【図１５】 図１４に示された光分岐器において、分岐導波路の幅の比と、分岐比および分岐過剰損との関係を示す図。
【図１６】 他の従来例を示す光分岐器の平面図。
【図１７】 図１６に示された光分岐器において、軸ずらし量と、分岐比および分岐過剰損との関係を示す図。
【符号の説明】
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…光分岐器
１１…主導波路
１２…テーパ導波路
１３，１４…分岐導波路
１７…コア
１８…クラッド層
２１…第１の端部
２２…第２の端部
２３，２４…両側部
２５ａ…拡張部
３０，３１…段差部
Claims (3)
- コアおよびこのコアを覆うクラッド層を有する光分岐器であって、
主導波路と、
前記主導波路に接続される第１の端部を有しかつ前記第１の端部から第２の端部に向かってテーパ状に広がるそれぞれ直線状の両側部を有するテーパ導波路と、
前記テーパ導波路の前記第２の端部に接続される第１および第２の分岐導波路を含む分岐導波路群と、
を具備し、
前記第２の端部に接続される前記第１および第２の分岐導波路のそれぞれの入射端の幅が互いに異なり、かつ、前記分岐導波路群全体の幅が前記第２の端部の幅よりも小さく、前記分岐導波路群と前記テーパ導波路の直線状の両側部との間に段差部が形成され、さらに、
テーパ状に広がる前記テーパ導波路の前記直線状の両側部と前記主導波路との接続部分に段差状の拡張部がそれぞれ形成され、かつ、前記両側部のうち一方の側部に、該一方の側部の前記拡張部の幅を他方側の前記拡張部の幅よりもさらに広げてなる領域が形成されていることを特徴とする光分岐器。 - 前記主導波路から前記テーパ導波路に入射し蛇行しながら進む光の蛇行する方向に、前記第１および第２の分岐導波路のうち幅の広い方の分岐導波路の入射端が設けられていることを特徴とする請求項１記載の光分岐器。
- 前記テーパ導波路の長さを、前記蛇行しながら進む光の蛇行量が極値をとる長さ付近としたことを特徴とする請求項２記載の光分岐器。
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