JP4976385B2 - 少なくとも一つの光学的分離を形成する光導波器を備える光学的集積回路 - Google Patents

Description

本発明は少なくとも一つの光学的分離を形成する光導波器を備える光学的集積回路に関するものであり、その回路は普通用途に応じて分離器もしくは再結合器と呼ばれる装置であるが、干渉器となることもある。本発明は光学的に利用され、特に光ビームの伝送に利用される。

通常Ｙジャンクションと称されるタイプの光学的分離器／再結合器は光学的集積回路の重要な要素である。これらの分離器は、能動的には光学的パワー・ディバイダー（マッハツェンダー・タイプの強度変調器）として使われ、そして受動的集積要素（１からＮへの分離器）として使われる。

光学的導波器は、少なくともコアと呼ばれる中心部分と、シースと呼ばれる屈折率の高い隣接部分とから形成されている。光学的導波器の特性は光を所定の路に通すことができるということである。光学的導波器のパラメーター（コア幅、コアとシースとの間の屈折率の差）が光を導くことのできる解の数を決めている。単一モードの光導波の意味は単一の伝播解ということであり、従って案内される光学的フィールドの横断分布はただ一つである。そのような場合、案内される光波は基本光モードと呼ばれる。導波式が幾つもの解を持っているときは高次の光モードがあり、それらの光学的フィールドの横断分布は対称性と反対称性とが交互になる。これらの高次のモードは光学的導波器内を光は異なる速さで進み、スプリアスな干渉現象を発生し、光学的な不安定の元となる。一般的に言って、Ｙジャンクションの動作は光伝播中の光学的な案内・輻射モードの進展が解析される。これについての詳細はエイチ・ヤジマの「誘電性プラナー枝路導波器の結合モード分析」、ＩＥＥＥジャーナル・オヴ・カンタム エレクトロニクス、１４巻、１０号、１９７８年１０月を参照されたい。

Ｙジャンクションは幾つかの品質基準により特徴付けれ、特に光損失、出力枝路間の光学的バランス、空間要件、そして波長安定性ができるだけ良いのが好ましい。さらに、以下に述べる理由から、これら総ての基準に照らして良い特性を持つことは難しい。

図1は最新の技術であって、従来のＹジャンクションを持つ集積光学回路に光ファイバーを結合したデバイスを図式的に示している。光ファイバー１から案内された光波はインターフェース２で光学的集積回路の入力に注入され、この集積回路の光導波部は平らな基板３の上につくられている。媒体１と４との間のインターフェース２へ結合された光波は先ず、一つの共通の光導波部４もしくは共通の幹部４を伝播してから以下に円錐域と呼んでいる「先細」域５を通る。この円錐域の幅はＷｅから２Ｗｓ＋Ｄに次第に変わっていく。独立して広がっていく枝路７と８の間の不連続部６で終わっているこの円錐域５は、上方枝路と下方枝路と呼ぶ枝７，８の光学的導波部の間で光学的分離を幾何学的に形成し、それらの枝路は共通部もしくは共通幹部４の導波部の伝播軸に対して角度±αだけ角度が付けられている。幅Ｄの不連続部６は製造限界として結果的に生じる。実際に、この不連続部の大きさはマイクロメーターのオーダーで、大体１０分の１マイクロメーターである。

図１に示した従来のＹジヤンクションデバイスでは、損失と光学的不安定性のメカニズムは主に３箇所で生じる。先ず、インターフェース２であるが、入力の光学的フィールド、すなわちファイバー１の光学的フィールドと共通幹部４が支持している基本光学モードとの間の形状的な不適合の所為である。次に、不連続部６であるが、そこでは基本光モードが高次の、もしくは輻射光モードに結合している。この不連続部６が伝播路にあるからである。最後は、枝路７と８であるが、両方の枝の間に２αの分離角度があるからである。

インターフェース２における損失は両方の光モードの間で適応「先細り」を使うことにより増大される。枝路の間での分離に先立つ共通幹部４における安定性に関しては、幅Ｗｅを調整して基本光モードだけを支持するようにする。エイ・クレカンプ、ピー．ケルステンそしてダブリュー．レームの「縦列１：２スプリッターのための改良型単一モードＹ枝路設計」、ジャーナル・オヴ・ライトウエーブ テクノロジ、１４巻、１２号、１９９６年１２月に記載のように、単一モード空間光学フイルターと呼ばれるある直線部分上での共通幹部４の幅を小さくするとＹ枝路出力におけるバランス安定性は増大する。実際には、不完全注入の場合、ファイバー１からの外部光波が共通幹部４に対して角度と横方向オーバーレイをもって注入されるので、（反対称の）オーダー１の上方光モードの一部が共通幹部４内で基本光モードで励起される。もし幅Ｗｅが十分に小さくて光学的導波部が厳密に単一モードであるならば、円錐域５に到達する前に共通幹部４内の伝播中基板３内でスプリアス光モードは拡散する。その場合その構造は実際の使用条件で一層安定している。

不連続部６と枝路７，８におけるＹジャンクションの光損失と安定性とは、もしも分離角度が非常に小さければ（典型的には０．１°）増大する。Ｙジャンクションの断熱曲線が分離角度２αに鋭敏だからである。この角度がほぼ０°であるときには、ジャンクションの光学的挙動は安定し、そして光学的損失はなくなる。しかしながら、この論拠は空間要件の基準に配慮していない。枝分かれの光導波部で十分に分離させるにはその角度では枝路を実現できないほどに長くすることが必要だからである。実際に、０．１°で出力枝路の中心間で最終的に２５μｍの分離を生じさせるには縦方向で１４．３ｍｍの空間を必要とする。さらに、円錐域５の不連続部６がＹジャンクションの安定性にとって有害な高次光モードを励起し、断熱開き部の場合ですらそうなる。事実、円錐域５の端部分でなお導波部の大きな幅はいくつかの高次の光モードを支持できる２Ｗｓ＋Ｄとなっている。

この問題を制限しようとしてＷＯ９７／３２２２８で提案しているのが図２の最新技術である。このＹジャンクションは、光導波部のコアよりも屈折率の小さい開き部９をつくることにより形成された円錐域５の内側に延びる不連続部６により特徴付けられている。しかしこの解決法は高次の光モードの励起と光損失とを満足できるほどには抑制するものではない。さらに、幾何学的な空間要件は従来のＹジャンクションに比して緩和されていない。

改善を狙って提案された解決法がＷＯ０２／０７１１１２のディ．シアンカレポアとエス．レノルディの特許出願に開示され、図３にそれを最新技術として示す。光学的不安定性の原因であり、そして無用のスペースを占めているものとして発明者等は円錐部分を最初部分で切り捨てることを提案している。この解決法では不連続部６は共通幹部４と枝路７，８との間の移行域と一致している。円錐域への入力における枝路７，８の幅とパラメーターＤとは共通幹部４とこの円錐域５の入力との間で光学的フィールドの連続性をつくるように適合させられている。ＷＯ０２／０７１１１２では光導波部の不連続性は単一モードであるために研究されている部分に現れ、その部分はＹジャンクションの安定性を増大する。

この改善とすべての事前の対策にもかかわらず、共通幹部４と円錐域５との間の不連続は、光モードとより高次の光モードとの輻射の結合によって損失と光学的な不安定性の潜在的な原因となっている。

本発明の分野において幾つもの文献が他にも知られている。

特許文献ＥＰ−０７１６３３６Ａ、ヴィンチャント ジェイ．エフ等の文献、「ＩＮＰディジタル・オプティカル・スイッチ導波ホトニック・スイッチィング」ＩＥＥプロシーディングス ジェイ．オプトエレクトロニックス１４０巻、５号、パート ジェイ、３０１−３０７頁が不連続光導波部と入力共通幹部とを持つ構造を示している。

特許文献ＪＰ−１１−３５２３４７が示す光学的構造の光導波部は両方の第１光モードを支持しなければならず、本発明とは反対に波長と偏光に依存することとなる。以下に説明する本発明では基本モードの断熱モーダル展開が実施され、この文献のような両方の第１光モードの間の結合はない。

特許文献ＪＰ−０４−３５５７１４とＤＥ―４２２５０８５とは前の文献と同じ光モードの結合に基礎を置いている。

最後に、特許文献ＪＰ−２０００−１８０６４６は不連続導波部を持つ構造か、もしくは特に散乱して光損失を生じる他の複雑な構造を持つ構成を示している。

本発明は、一方では光損失の原因となっており、他方ではＹジャンクションの光学的不安定の原因となっているこの不連続問題の抑制を提案している。提案している解決法は、円錐域において、そして外部媒体との接続をつくっているインターフェースにおいて、従って光導波共通幹部への入力において遭遇する不連続を変えることにある。そのような場合Ｙジャンクションの最初の幹部を形成している共通幹部が光を分離するプレフォームを形成しており、その幾何学的構成により後続の枝路の分離部における伝播光フィールドの連続性を保証している。

本発明は、基板の上に導波分離部を有する光学的集積回路に関し、その回路は少なくとも一つの光学的分離ユニットを備え、そのユニットは光波を案内する外部手段と関連させる光学的入出力インターフェースを備え、このインターフェースは所定長Ｌ１の光学的導波入力部を通って回路内に延び、その光学的導波入力部はそれの全体としての方向に対して実質的に対称的に相互から離れていく少なくとも２つの光学的導波枝路に延びている。

本発明ではインターフェースからの入力部分は枝路と同数の光学的導波部を含み（それぞれの枝路は入力部の光導波部から延びている）、入力部の光学的導波部は実質的に直線で互いに平行となっており、入力部の２つの隣接する光学的導波部は所定の幅Ｄの開き部によって分けられており、それの開き部の屈折率は光学的導波部の屈折率よりも低く、入力部の各光導波部は所定の幅Ｗｅ１を有し、そして各枝の光学的導波部の幅は入力部から離れる方向で幅Ｗｅ１から所定の幅Ｗｓまで広がっていく。

本発明の様々な実施例では以下に記載の手段を単独で、もしくは技術的に可能な組合せで使用している。
‐ユニットはインターフェースと入力部との間で長さＬ０の移行域をさらに含んでいて、この移行域は入力部の光学的導波部と連続している光学的導波部を含んでおり、移行域の各光学的導波部の幅はインターフェースから離れる方向で所定の幅Ｗｅ０から幅Ｗｅ１まで広がり、そして移行域の２つの隣接する光学的導波部の間の開き部の幅はインターフェースから離れる方向で所定の幅Ｄ’から幅Ｄまで広がっている。
‐幅Ｗｅ１と幅Ｗｓとは等しく、枝路の光導波部の幅はそれらの路に沿って一定である。‐枝路の光学的導波部の幅の変化は伝播距離に対してリニアーである。
‐入力部の長さＬ１は０と１０ｍｍの間の範囲にある。
‐枝路を分離している半角度αは０．１°と０．５°の間の範囲にあり、好ましくは略０．１７５°である（枝路の分離角度は２αである）。
‐外部導波手段は光学的集積回路のインターフェースに接続された光ファイバーである。
‐光学的集積回路の基板がガラス、半導体、ポリマー、強誘電性材料、特にニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）もしくはタンタル酸リチウム（ＬａＴｉＯ３）から選択される。
‐光学的集積回路の基板がニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）もしくはタンタル酸リチウム（ＬａＴｉＯ３）から選択される。
‐光学的集積回路の基板がニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）から選択される。
‐ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）からつくられた光学的集積回路の基板がＸクロス部となっている。
‐ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）からつくられた光学的集積回路の基板がＹクロス部となっている。
‐ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）からつくられた光学的集積回路の基板がＺクロス部となっている。
‐光導波部はニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）からつくられた回路の基板にチタニウム拡散技術により得られる。
‐光導波部はニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）からつくられた回路の基板にプロトン交換技術により得られる。
‐光導波部はＸクロス部を有するニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）からつくられた回路の基板にチタニウム拡散技術により得られる。
‐回路は分割器として順方向で作動するよう意図されている。
‐回路は再結合器として順方向で作動するよう意図されている。
‐回路は分割器／再結合器として順方向及び又は逆方向で作動するよう意図されている。
‐回路は２つの枝路を持つＹ字形の光分割器／再結合器である。
‐回路は３つの枝路を持つＹ字形の光分割器／再結合器であって、枝路の一つは回路の光導波部の対称軸の中心である。
‐回路は４つの枝路を持つＹ字形の光分割器／再結合器である。
‐光学的回路は分割ユニットを備え、そしてそれは少なくとも２つの枝路を持つＹ字形の光分割器／再結合器である。
‐光学的回路は頭部と尾部とを突き合わせてつないだ２つの縦続分割ユニットを備え、そしてそれは少なくとも２つの枝路を持つ集積マッハツェンダー干渉計である。
‐光学的集積回路は頭部と尾部とを突き合わせてつないだ２つの縦続分割ユニットを備え、そしてそれは少なくとも２つの枝路を持つ集積マッハツェンダー干渉計である。
‐光学的集積回路は頭部と尾部とを突き合わせてつないだ２つの縦続分割ユニットを備え、そしてそれは４つの枝路を持つ集積マッハツェンダー干渉計である。
‐光学的回路は頭部と尾部とを突き合わせてつないだ２つの縦続分割ユニットと枝路の光導波部と関連の電極とを備え、そしてそれは少なくとも２つの枝路を持つ集積マッハツェンダー干渉計である。

本発明のジャンクションを使って多くの利益が得られる。先ず第一に、従来のＹジャンクションで見られる損失源を減少し、そして光学的不安定性を減少している：損失と光学的不安定性の両方の源は、入力光導波部への外部光信号の注入で、従ってインターフェースで先ず発生し、次に、従来の回路における円錐域に入るところに不連続性があってそこで発生するのが、本発明のお陰で集められて光挿入においてただ一つの光学的損失源となり、そしてその場合にはインターフェースの最適化だけが問題となっている。第２に、提案されている光学的構造はＹジャンクションのバランスを有利に改善する。実際、２つの（少なくとも）実質的に平行で、真直ぐな光導波部から形成される入力導波部が光学的なスーパーストラクチャーを形成し、そのモーダル特性は、両方の光導波部を別々に取り上げてそれらの幅を合計したものよりも小さい幅の単一光導波部の特性と均等である。真直ぐの入力部は単一モード空間光フイルターとして働き、それは外部信号と入力導波部との間の不完全な注入の結果生じ、そしてＹジャンクションの光バランスを変えるスプリアス光モードを抑制する。第３に、長さ方向の空間要求についても利点がある。断熱的円錐域が消滅し、直接分割のための空間を残しているからである。従来のＹジャンクションに対して空間要求的にどれだけ稼げたかは次式Ｘ＝（Ｄ＋Ｗｅ１）／（２．ｔａｎα）で計算でき、その空間利得は分割角度が小さくなるとき大きくなる。例えば、分割半角度α＝０．１５°については従来のＹジャンクションに対する長さ方向の利得は２２％のオーダーである。提案している本発明はＹジャンクションの多くの品質基準を同時に改善している。

本発明を添付図を参照して以下に説明するが、この説明に本発明は限定されるものではない。

図１ないし図３の最新技術を本書の導入部分で紹介したが、本発明は図４に示している。この図のＹジャンクション・タイプのデバイスは基板３の上に光学的集積回路として形成されている。光ファイバー１は光学的集積回路に結合されている。光学的移行部がインターフェース２に形成され、これは垂直に示されているが、面取りされた注入面では斜めにして集積回路の光導波部４ａ、４ｂの端と光ファイバー１との間でのスプリアス反射を排除するようにするのが好ましい。インターフェース２で光学的回路の入力へ注入される光ファイバー１の光は、光学的集積回路の導波部４ａ、４ｂを通り、長さＬ１の導波入力部を進む。この入力部の光導波部４ａ、４ｂは実質的に直線で、相互に平行となっていて、それぞれの幅はＷｅ１である。インターフェース２に現れるのはこの光学的回路の不連続部６であって、これは入力部の光導波部４ａ、４ｂを分離する開き部９の端である。開き部９と、それ故、それの端の不連続部６は幅Ｄを有し、それの光学的特性は光導波部４ａ、４ｂの光学的特性とは異なっている。不連続部６の、そして開き部９の屈折率は光導波部４ａ、４ｂの屈折率よりも小さい。各光導波部４ａ、４ｂの幅Ｗｅ１と間隔Ｄとを調整して導波部４ａ、４ｂのアセンブリが形成するスーパーストラクチャーが作動波長で光基本モードだけを案内できるようにしている。入力部の長さＬ１はＹジャンクションの出力で望まれる安定性と光学的バランスとの必要性に適応している。それは０から数ミリメートルまで変わる。長さＬ１の入力部に続くのは光導波部の上方枝路７と下方枝路８との次第に広がって形成されていく分離枝路域であって、それらの光導波部は入力部の全体としての方向であるその対称軸に対して角度±αを成している。枝路７，８を形成している光導波部は相互に離れていき、そして次第に最終幅Ｗｓとなって、光学的集積回路の外面となるか、もしくはこの幅Ｗｓのままの路となっていく。一般的に言えば、上方枝路７と下方枝路８は光導波部４ａ、４ｂの延長部を表わし、そしてこの分離域は光学的入力スーパーストラクチャーの発展として解釈され、その入力スーパーストラクチャーでは内部パラメーター（光導波部の幅と両光導波部の間の間隔）が伝播中に展開（ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）していく。図４の場合では光導波部の幅そして光導波部の間隔の展開は線形であるが、図示しない変形態様では幅及び又は間隔の非線形展開も考えられる。

分離域の輪郭は、一方では連続輻射モード上の基本モードに結合している光損失を、他方で高次モードに結合している不安定に対しこれらを最大限制限するよう設計する。このような光学的構造における光の挙動は光学的超モードの展開から解釈できる。このタイプの構造では光の導波輻射モードは結合伝播式により表わされる。これらの式の結合係数は連続する分離部分を一連の隣接する直線区分に単純化して近似する。そのような場合、結合係数は直線区分間のそれぞれの基本の移行部での光モード間のオーバレイイング・インテグラルに比例している。

Ｉ_ｍｎ ^{ｉ→ｉ＋１}＝∫Ｅ_ｍ ^ｉＥ_ｎ ^ｉ＋１
ここでＥ_ｍ ^ｉは区分ｉに入るｍ次の光モードの振幅、Ｅ_ｎ ^ｉ＋１は区分ｉ＋１に入るｎ次の光モードの振幅、そしてＩ_ｍｎ ^{ｉ→ｉ＋１}はｎモード上のｍ光モードの結合係数にリンクしたオーバレィイング・インテグラルである。

案内しそうな光モードの数は高次の案内モード上で基本モードのエネルギーを結合する危険レベルを表わしている。そして、分離部は、２つの光モード（基本モードとオーダー１の反対称モード）よりも多いモードを決して維持しないように設計されている。「ビーム伝播法」（ＢＰＭ）に基づいた伝播式のデジタル解ソフトウエアを使ってこのタイプの構造での光損失と高次モードであり得る結合とを理論的にシミュレートし、そして算定する。

そのような場合断熱分離を参照する。入力での光基本モードのエネルギーの積算は分離部の伝播にわたっているからである。分離部出力では光パワーは枝路７，８のそれぞれで同じ割合で分けられている。Ｙジャンクションの第２の部分を特徴付けている分離域は初めの光学的スーパーストラクチャーの簡単な展開部であり、そこでは各光導波部は拡幅し、そして隣から離れていっている。幅と離隔パラメーターとは所定の基準、例えば光損失と空間要件について計算される。Ｙジャンクションのこの第２の部分は最初の部分の延長である。換言すれば、本発明のＹジャンクションは光学的対称構造として認識され、それの上方と下方の枝路は光学的集積回路の入力まで延びている。

図５は光学的回路に変形態様の光学的集積分離部を形成したデバイスを示している。この変形態様では光導波部の初めの部分には幅とそれらの間隔を次第に調整した領域を設けてあり、その調整は光ファイバーからの外来信号に対して不適合な形をしていることによる光損失例えば伝播損失と単一モードの空間光フイルタリングとの間で最良の妥協を求めるようにしてなされる。後者の構造は、ファイバーと光学的集積回路との間の界面における光学的スーパーストラクチャーの増進する光学的オーバーレィイングの幾何学的条件は常にＹジャンクションの初めの部分における光伝播損失の幾何学的条件と合っていないという前提から派生している。移行域を形成しているインターフェース２における基板３の光学的集積回路への入力に光ファイバー１から光が注入される。両枝路の隔離域に先行する初めの光学的スーパーストラクチャーを２つの区分に分け、第１の区分は長さＬ０とし、第２の区分は長さＬ１とする。第１の区分は移行域であって、ファイバー１からの光信号と第２区分を導波される光基本モードとの間の光アダプターとして働く。この第１の区分は上方と下方の２つの光導波部１０ａ、１０ｂから形成され、それらは第２の区分のそれぞれとマッチしており、それらのそれぞれの枝路の幅は移行域を形成するインターフェース２の幅Ｗｅ０から第２区分の入力のＷｅ１へと変化する。並行して、これらの導波部間の開き部９の値は移行域を形成しているインターフェース２のＤ’から第２区分への入力におけるＤへと大きくなっていく（Ｄ’＜Ｄ）。光学的スーパーストラクチャーの最初の寸法Ｗｅ０とＤ’とは光ファイバーから外部信号が来るときの光学的挿入損失を最小とするようになっている。

最適化はインターフェース２における電界分布間でのカバーリング・レートを最大とすることにある。
η＝｜∫Ｅ_１Ｅ_２ ^＊｜／∫｜Ｅ_１｜^２∫｜Ｅ_２ ^＊｜^２
ここでＥ_１そしてＥ_２はファイバーの光モードの振幅とパラメーターＷｅ０とＤ’の光基 本モードの振幅である。光学的フィールドの間の最悪の場合の０と完全一致の場合の１との間に値は制限される。光モードとカバーリング・レートとは有限差分法に基づいてディジタル解ソフトウエアを使って計算する。

光ファイバーから光を注入することにより附勢されるスプリアス光モードを空間的にフイルターするのに第２の部分は使われ、基本光モードを十分に封じ込めて付加的な光損失を発生させない。この第２の部分は２つの光学的平行導波部から形成されており、それらはそれぞれ上方枝路４ａと下方枝路４ｂとにマッチしている。単一モードの空間フイルターを特徴付けている長さＬ１とパラメーターＷｅ１とＤとは枝路７と８の間の光学的アンバランスのような不安定性を最小とするように計算される。

その対応する最適プロセスは「ビーム伝播法」のようなディジタル・シュミレーション・ツールを使用する。その原理は、注入導波部の中心に対してファイバーの横断中心を数マイクロメーターだけずらすことにより光の不完全注入を再現することにある。アーム７と８との間の出力におけるアンバランスは式Ｐ７／（Ｐ７＋Ｐ８）もしくはＰ８／（Ｐ７＋Ｐ８）により計算され、そのとき回路で使用できるスペースとアライメントの裕度とに従って限界を設定する。距離Ｌ１が大きいほど、出力アーム間のバランスはよくなる。

枝路７と８の分離域における上方と下方の枝路７，８と関連の光導波部は、回路の光導波部の対称軸に対して角度±αを成して離れている。それらの幅は既に述べたようにＷｅ１からＷｓに広がる。

かくして本発明はそれの総体的コンセプトにおいては、少なくとも一つのＹジャンクションと称される光学的分離部を形成している光導波手段を備えた平らな基板上の光学的集積回路に関する。Ｙジャンクションの最初の部分の光導波手段はＹジャンクションの出力での枝路として多くの並列光導波部から形成されている。枝路の分離を準備するこの最初の部分は光学的スーパーストラクチャーを形成し、それの幾何学的な特徴、例えば並列光導波部を分離するための幅と距離とは、外から光学的集積回路へ入る光信号に対して単一様相と適合性との条件を確かなものとして選択している。

１つの入口と２つの出口とを持つＹジャンクションのための光導波部を分離する原理は、技術によって到達できる解決の限界内で一つの入口と複数の出口とに推定される。本発明のＮ出力についての推定原理を説明するため、例として、図６に１から３に向かう分離器と呼ぶデバイスを示す。光ファイバーからの外部信号が、３つの並列光導波部から成る光学的スーパーストラクチャーを通る光学的集積回路３に入る。光導波部間の間隔と幅のような構造パラメーターを調整して光学的スーパーストラクチャーを入力ファイバーの光モードと両立させ、そして回路が光の基本導波モードだけを支持するようにする。すべての変形態様においてその実施した構造は本質的に対称的であることを銘記すべきである。

これまで例示したデバイスは、順方向に作動する、すなわち光導波分離器としての少なくとも一つのＹジャンクションを持つ基板上の光学的集積回路に関するものであるが、その原理は逆方向でも働く、すなわち光導波再結合器としてのＹジャンクションにも適用できる。従って、本発明は光学的集積回路において最も拡張した機能をもつ多くの実際の用途があり、その幾つかの例を図７，８，９に示す。

図７に示すのは第１の使用例であって、基板上の光学的集積回路は本発明の２つのＹジャンクションを互いに頭部と尾部を突き合わせて縦続接続している。第１のジャンクションは光パワーの分離器（セパレーター）として働き、第２のジャンクションは光パワーの再結合器として働く。最終的な全体の光学的構造体は集積マッハツェンダー干渉計と呼ばれる干渉計を形成している。その場合、本発明は従来のＹジャンクションに対し付加的な利点をもたらす。順方向で高い安定性を有する光学的単一モードの空間フィルターは、励起率を高めた逆作動でも有用であることが判明しているからである。再結合器の出力における反対称の光モードの輻射は、小さく同等の導波幅のお陰で光導波部の外側に容易に分散する。

図８に示す第２の使用例では光学的集積回路は分離器／再結合器として使われ、特にサグナック干渉効果に基づく光ファイバー・ジャイロメーターにおけるポアー・アプリケーションで分離器／再結合器として使われる。

図９に示す第３の使用例では集積回路は図８の回路を主な基礎として使っている。その光学的な構造はそれでもなお複雑であるのは、第１のマッハツェンダーの各枝路を分離することによって得る同じタイプの第２構造体のシートだからである。

これらの縦続複数Ｙジャンクション及び又は分離の例は本発明でできる実例を示しているに過ぎない。

Ｙジャンクションの幾何学的な寸法に適応性があるので本発明の光学的集積回路は、光が回路内で導かれる限りどのような光学的波長にも適応させられる。

光学的集積回路を実現するためのあり得る態様の中で、どのような種類の基板が、それが光導波部を支えられるかを、考えてみる。他のものもあるが本発明の実施では光学的回路はガラス、半導体、ポリマー、強誘電性物質、例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）もしくはタンタル酸リチウム（ＬａＴｉＯ３）の上に集積される。例示する特定の場合としてニオブ酸リチウムに光学的集積回路をつくって本発明を実施する。

ニオブ酸リチウムは電気光学効果もしくは音響光学効果に基づいた能動的な光学的集積回路の製作に現在使用されているクリスタルである。そのクリスタルは一軸複屈折結晶のクラスに属していることをそれの特性から認識するであろう。結晶軸Ｚは光学軸に一致し、添字Ｎｅでこれを特別な軸として示し、他の２つの軸Ｘ、Ｙは添字Ｎｏで普通の軸に対応することを示す。実際に、光導波器は３つの結晶学的配向を有する基板表面につくられる。すなわち、「Ｘ断面」基板と称してそれのＸ軸が表面に垂直なもの、「Ｙ断面」基板と称してそれのＹ軸が表面に垂直なもので、これらの基板は温度安定性について知られている。「Ｚ断面」基板と称してそれのＺ軸が表面に垂直なものは、焦電効果に強く依存することによって特徴付けられ、また電気光学効率が良いことによっても特徴付けられている。

現在、２つの技術が産業規模でニオブ酸リチウムに光導波器をつくるのに利用されている。すなわち、チタニウム拡散とプロトン交換である。注目すべきこととしては他のあまり普通には使われていない製造技術であるイオン注入やニオブ酸リチウムエッチングも本発明の製造に適している。

チタニウム拡散は、ホストの結晶学的アレイ、この場合ＬｉＮｂＯ３をドープすることにより屈折率ＮｅとＮｏを局部的に大きくすることをその本質とする方法である。そのドーピングは非常な高温拡散により、典型的には９００℃ないし１１５０℃で行われる。プロトン交換は代替化学反応を介して特殊屈折率Ｎｅを局所的に高めることをその本質とする方法である。ニオブ酸リチウムを純粋もしくは希釈した高温の酸に接触させることにより、表面近くの結晶のリチウムイオンを徐々にプロトンと置換える。交換した後はその基板は焼鈍されて、軟化し、高屈折率域を安定化する。

提案した発明の有効性を調べるため異なるＹジャンクションを備える幾つかの光学的集積回路をニオブ酸リチウムにつくった。選択された光学的回路のパターンは図７に示す。これはマッハツェンダー干渉計に相当する。Ｘ断面ニオブ酸リチウム基板上のチタニウム拡散技術により光導波部が得られる。

単一のボード内に種々の光学的回路をつくって同じ処理となっていることを確実にする。Ｗｅ１、ＤそしてＷｓのような幾何学的パラメーターを事前のテストで決めておき、そしてつくるときに分離角度とＹジャンクションのタイプだけを回路ごとに変えていく。

図１０は１５５０ｎｍの波長でのテストを終えたＹジャンクション毎の光損失を示している。Ｙジャンクション毎の光損失の推定は、基準の直線導波部の光損失からマッハツェンダー干渉計の光損失を差し引き、Ｙジャンクションの数で、この場合は２で割ることにより求められる。四角と破線で示す曲線は、分離半角度がα＝０．５°の従来のＹジャンクションについての計算結果である。ジャンクション毎の損失は平均で０．９９ｄＢである。円と実線で示す曲線は小さい分離半角度α、典型的にはα＝０．２°を有する従来のＹジャンクションについての測定を示す。Ｙジャンクション毎の損失は平均で０．５８ｄＢである。三角と鎖線の曲線は、分離半角度α＝０．１７５°を有する本発明のＹジャンクションについての計算結果である。平均損失はジャンクション当り０．３１ｄＢとなる。

以下の表１は、幾何学的な空間要件、光損失そして消光比による間接的単一モードの空間的光フィルタリングのような選択基準に基づいてＹジャンクション製作のパフォーマンスを比較して示す。

この表１でα＝０．２°の従来のＹジャンクションを空間要件の基準Ｙジャンクションとして選択する。

半角度α０．５°の従来のＹジャンクションは長さ方向の空間要件を６０％節約させるが、光損失増加という不利益を生じさせる。本発明のＹジャンクションは半角度が小さくても（０．２０°の代わりに０．１７５°）空間要件は１１％も節約できる。光損失も基準に対して減少している。

実験結果が示していることは本発明のＹジャンクションは空間要件と光損失とを同時に軽減でき、これに対して従来のＹジャンクションは一時には両方の判定基準の一方だけを改善できるに過ぎない。空間要件が同じであるとして得られる結果は本発明のＹジャンクションの優位性を示している。示されたパフォーマンスは、ファイバー／導波部結合効率の改善（光シミュレーションにより得られる０．１５ｄＢの利得）、そして分離における光導波部の不連続を抑制することによる、そして両枝路の間の分離角度２αを最小とすることによる光輻射損失の減少を組み合わせて改善していることを示している。

マッハツェンダー・タイプの強度変調器においては、消光比はＹジャンクションの足の単一モード空間光フイルタリングの効率を変える。消光比は通過光レベルと遮断光レベルとの間の比（デシベル）として表わされる。半角度０．５°の従来のＹジャンクションは現在使用されていて高い消光比（２５ｄＢ）を得ている。表１で判ることはこの角度αが０．５°から０．２°に変化するとき、光損失は改善するが、消光比は３ｄＢ減少する（２２ｄＢ）。同じパフォーマンスを取り戻すにはＹジャンクションの足を長くして輻射反対称性光モードが基板に一層効率よく分散するようにする。従来のＹジャンクションの光損失と消光比とを同時に改善することは幾何学的寸法を許容できないほどに増大させることを意味している。本発明のＹジャンクションは異なる挙動を示す。分離半角度は０．５°より小さく、その分離半角度はα＝０．１７５°でさえあっても本発明のＹジャンクションの消光比は高いままであり、分離半角度０．５°の従来ジャンクションの消光比と同じである。その現象は、本発明から結果的に生じるＹジャンクションの足の小さい均等導波幅に因るのである。輻射反対称性モードは伝播中基板内に容易に拡散される。

結論として、開き部角度が一定であると、本発明のＹジャンクションは従来のＹジャンクションよりも優れたパフォーマンスを示し、空間要件、光損失もしくは単一空間光フィルタリングについてそうである。マッハツェンダー干渉計で得た実験結果が、本発明のＹジャンクションが作動し、そして縦続Ｙジャンクションの数の増加につれてパフォーマンスにおけるこれらの偏差が増大することを明確に示している。

従来のＹジャンクションを構成している最新装置の略図であって、入力における光ファイバーに光学的集積回路が続いている。 円錐域に開き部を持っているＹジャンクションの最新装置の略図である。 一部を除去した円錐域部分を有し、一つの共通の光導波部と枝路の光導波部との間で光学的に適応させたＹジャンクションの最新装置の略図である。 入力部において光ファイバー、そして本発明によるＹジャンクションタイプの分離ユニットを構成している光学的集積回路から形成されたデバイスを示す略図である。 入力部において光ファイバー、そして本発明によるＹジャンクションタイプの分離ユニットの変形態様を構成している光学的集積回路から形成されたデバイスを示す図である。 入力部において光ファイバー、そして本発明による３つの出力延長部を持つＹジャンクションを構成している光学的集積回路から形成されたデバイスを示す図である。 マッハツェンダー・タイプの干渉計においての本発明のＹジャンクションの第１の用例を示す図である。 光学的ファイバー・ジャイロメーターに使用される光学的パワー分離器と再結合器の形での本発明のＹジャンクションの第２の用例を示す図である。 図７の変形で、主干渉計の中にマッハツェンダー・タイプの２つの干渉計を配置しているものの図である。 Ｙジャンクションの光損失の一連の比較実験測定を示す図である。

Claims (9)

1. 基板（３）の上に導波分離部を有する光学的集積回路であって、その回路は少なくとも一つの光学的分離ユニットを備え、そのユニットは光波を案内する外部手段と関連させる光学的入出力インターフェース（２）を基板の縁部に備え、このインターフェースは所定長Ｌ１、Ｌ１＋Ｌ０の光学的導波入力部を通って回路内に延び、その光学的導波入力部はそれの全体としての方向に対して実質的に対称的に相互から離れていく少なくとも２つの光学的導波枝路（７、８）に延びている光学的集積回路において、
   基板の縁部におけるインターフェースからの入力部分は枝路と同数の光学的導波部（４ａ、４ｂ）を含み、それぞれの光学的導波部は基板の縁におけるインターフェースからそれぞれの枝路まで連続し、入力部分の光学的導波部は実質的に直線であり、入力部分の２つの隣接する光学的導波部は所定の最大幅Ｄの開き部（９）によって分けられており、その開き部の屈折率は光学的導波部の屈折率よりも低く、入力部の各光学的導波部は所定の最大幅Ｗｅ１を有し、そして各枝の光学的導波部の幅は入力部から離れる方向で幅Ｗｅ１から所定の幅Ｗｓまで広がっていき、前記幅Ｗｅ１とＤは、前記入力部分の光学的導波部と開き部によって形成されたスーパーストラクチャーが作動波長で単一モードとなるように、設定されていることを特徴とする光学的集積回路。
2. 前記入力部分は、インターフェースと該入力部分の端部との間で長さＬ０の移行域をさらに含んでいて、前記入力部の端部の２つの隣接する導波部は互いに平行であり、幅Ｗｅ１を有しており、幅Ｄの開き部によって分けられており、前記移行域は入力部の端部の光学的導波部（４ａ、４ｂ）と連続している光学的導波部（１０ａ、１０ｂ）を含んでおり、移行域の各光学的導波部の幅はインターフェースから離れる方向で所定の幅Ｗｅ０から幅Ｗｅ１まで広がり、そして移行域の２つの隣接する光学的導波部の間の開き部（９）の幅はインターフェースから離れる方向で所定幅Ｄ’から幅Ｄまで広がることを特徴とした請求項１に記載の光学的集積回路。
3. 枝路の光学的導波部の幅の変化は伝播距離に対してリニアーであることを特徴とした請求項１もしくは２に記載の光学的集積回路。
4. 入力部の長さＬ１は０を除いて１０ｍｍまでの間にあることを特徴とした請求項１ないし３のいずれかに記載の光学的集積回路。
5. ２つの枝路の場合枝路を分離している半角度αは０．１°と０．５０°との間にあり、好ましくは略０．１７５°であることを特徴とした請求項１ないし４のいずれかに記載の光学的集積回路。
6. 外部導波手段は光学的集積回路のインターフェースに接続された光ファイバー（１）であることを特徴とした請求項１ないし５のいずれかに記載の光学的集積回路。
7. 光学的集積回路の基板がニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）であることを特徴とした請求項１ないし６のいずれかに記載の光学的集積回路。
8. 光学的集積回路が分離ユニットを備え、そして少なくとも２つの枝路を有するＹ字形光学的分離器／再結合器であることを特徴とした請求項１ないし７のいずれかに記載の光学的集積回路。
9. 光学的集積回路が、頭部と尾部を付き合せて取付けられた２つの縦列の分離ユニットを備え、そして光学的集積回路は少なくとも２つの枝路を有する集積マッハツェンダーであることを特徴とした請求項１ないし７のいずれかに記載の光学的集積回路。

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