JP2003215373A - 光カプラ及びこれを有するアレイ導波路回折格子 - Google Patents

光カプラ及びこれを有するアレイ導波路回折格子

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JP2003215373A JP2002355832A JP2002355832A JP2003215373A JP 2003215373 A JP2003215373 A JP 2003215373A JP 2002355832 A JP2002355832 A JP 2002355832A JP 2002355832 A JP2002355832 A JP 2002355832A JP 2003215373 A JP2003215373 A JP 2003215373A
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コーネリス・アドリアナス・マリナス・スティーンベルゲン
Marijn Pieter Dessens
マリジン・ピーター・デッセンズ
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、少なくとも一つの入力導波路と、
結合領域と、複数の出力導波路とを有する光カプラ−に
関し、出力導波路に対して強度分布をより正確に整合さ
せることのできる改良された光カプラを提供する。 【解決手段】 結合領域は、結合された複数の導波路を
備え、該導波路は、入力導波路内に送り出された電磁放
射の伝播方向に互いに分かれて発散している。これらの
カプラにおいては、強度分布と位相分布の両方が出力導
波路に対して正確に整合され、この結果、損失とクロス
トークが比較的低くなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、少なくとも一つの
入力導波路と、結合領域と、複数の出力導波路とを有す
る光カプラ−に関する。
【０００２】
【従来の技術】米国特許第５１３６６７１号明細書は、
いわゆるスターカプラを二つ備えたＮ×Ｎ集積型光イン
ターコネクション装置について述べている。「光スイッ
チング、光分波、及び光合波は、これまで、スターカプ
ラの入力部につながる密に配列された複数の入力導波路
を用いてなされてきた。スターカプラの出力部は、一連
の光導波路を備える光グレーティング（回折格子）につ
ながっており、このとき、各導波路は、最隣接の導波路
に対して、予め決められた分だけ長さが異なっている。
グレーティングは、第二のスターカプラの入力部に接続
され、このスターカプラの出力部がスイッチ装置、分波
装置、及び合波装置の出力部を形成している」と、米国
特許第５１３６６７１号明細書に記載されている。
【０００３】米国特許第５１３６６７１号明細書では、
「比較的数の多い入力ポートと比較的数の多い出力ポー
トとの間における高効率のパワー移送を達成するには、
スターカプラに接続される入力導波路および出力導波路
がスターカプラの周りに近接していなければならない。
このため、隣接する入力導波路および出力導波路間にお
ける相互カップリングがかなりの度合いで生じ、装置チ
ャンネル間における望ましからぬクロストークの増加、
ならびに、選択された装置入力ポートから選択された装
置出力ポートへの光パワー移送時の効率の減少を招いて
いる」と認識されている。
【０００４】米国特許第５１３６６７１号明細書に記載
されたスターカプラは、湾曲した好ましくは円形の二つ
の境界を有する自由空間領域を形成する誘電体スラブを
備えている。入力導波路およびグレーティング内導波路
は、これらの境界に沿って概ね均等に自由空間領域に接
続されている。
【０００５】米国特許第４７８６１３１号明細書は、平
面導波路を備えているＭ×Ｎ（スター）カプラについて
開示しており、ここで上記平面導波路は、「導波路から
の電磁放射を導き入れかつ引き出すための」入口および
出口のファセットとして用いられる一対の対向配置され
た端部を有している。平面導波路は、シングルモードで
該平面導波路の内部を伝播する放射を、平面導波路の幅
方向に閉じ込めないようにする一方で深さ方向に閉じ込
めるように構成されており、その結果、平面導波路の幅
方向において放射が広がる波面として伝播するようにな
っている。
【０００６】従来技術文献におけるスターカプラの出力
面での位相分布は、出力導波路に上手く整合可能とされ
てはいるものの、強度分布は整合されない。このような
強度不整合の結果、かなりの量の電磁放射が出力導波路
間の領域に結合されることになり、その結果、特にアレ
イ導波路回折格子に供給される場合には、挿入損失なら
びに付加的なクロストークが生じてしまう。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、出力
導波路に対して強度分布をより正確に整合させることの
できる改良された光カプラを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】この目的のために、第一
項に係るカプラは、結合領域が結合された複数の導波路
を備え、該導波路がこの導波路の長さの少なくとも一部
にわたって上記入力導波路内に送り出された電磁放射の
伝播方向に互いに分かれて発散していることを特徴とし
ている。
【０００９】また、上記結合領域内の少なくとも幾つか
の導波路の幅は、増加それも好ましくは漸次増加し、お
よび／または、上記結合領域内の導波路の間のギャップ
の幅は、少なくとも略一定とされていることが好まし
い。
【００１０】以下に述べるように、仮に結合領域内の少
なくとも幾つかの導波路が、該カプラが動作するように
設計されている波長（一つもしくは複数の波長）での導
波路臨界幅よりも狭い幅を有する部分を備えている場合
には、導波路間のカップリングないし結合は著しく高め
られる。
【００１１】さらに好ましい実施形態においては、結合
領域内の導波路の間の少なくとも幾つかのギャップの中
心線は、次の一組の式；
【数３】…Ｅ１ ないしこの式の線形化された式に従うガウシアン型の回
折パターンの線をたどっている。ここで、ｚは縦方向の
伝播位置；ｗ（ｚ）はｋ番目のギャップの中心線のｚに
依存した横方向の位置；ｗｋはｚ＝０におけるｋ番目の
ギャップの中心の位置；ｗ０はｚ＝０におけるビームの
ウェスト；λは真空での波長；ｎeff は実効屈折率；そ
してＲは同位相波面の曲率半径である。
【００１２】式Ｅ１を用いて設計されたカプラにおいて
は、導波路ならびにギャップの幅の合計は、伝播方向に
次第に増加し、挿入損失およびクロストークがさらに低
減される。
【００１３】出力導波路上における強度分布、そしてそ
れ故にパワーの分布は、さらに調整変更可能、つまり、
伝播方向において、結合領域内の導波路の間のギャップ
の中心線が回折パターンの線をたどりはじめる位置を調
整することによって、非常に効率的なパワー結合器が得
られるように均等化することができる。これは、好まし
くは以下の一組の式ないしこの式の線形化された式を用
いることによって行なわれる；
【数４】…Ｅ２
【００１４】このようにして、結合領域の内部における
隣接する導波路間の強いカップリングが保証される。外
側の導波路は、結合領域の内部から入って来る光を収集
するように漸次広がっている。
【００１５】特に好ましい実施形態において、カプラが
動作するように設計されている波長における電磁放射が
複数入力部の一つに送り出されると、カプラは、横方向
において、複数のピークを呈する強度分布を生じさせ、
このとき、出力導波路は、これらのピークの横方向の位
置に位置決めされる。こうして、導波路間のギャップに
結合する放射の量ならびにクロストークがさらに低減さ
れる。
【００１６】一般に、本発明に係るカプラ内の上述のカ
プラ全てが平面導波路とされていることが好ましい。
【００１７】また、本発明は、本発明のカプラを備える
アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）に関し、このアレイ導
波路回折格子は、他のことにもまして（inter alia）、
フェイザ（Phaser）、フェイジャ（Phaseur）、そして
導波路回折格子ルータ（Waveguide Grating Router）と
しても知られている。ＡＷＧといった装置は、強度や位
相が装置の設計値から僅かでもずれると、大幅な損失が
生じたり、あるいは全体が動作不能になるため、本カプ
ラの長所は、ＡＷＧにおいては特に注目に値する。
【００１８】完全を図るために言及しておくと、欧州特
許出願公開第０７１７２９５号明細書は、融接された光
ファイバのアレイを各々有する二つのエバネッセンス波
カプラを備えたＭｘＯ光合波分波装置を開示している。
このようなカプラの出力部における位相分布は、円形も
しくは楕円形の同位相波面を描かず、そのためＡＷＧに
使用するのに比較的向かないものになっている。これ
は、幅広い波長領域で動作するように設計された波長分
波器については特に言えることである。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、幾つかの好ましい実施形態
を概略的に示した図面に基づき本発明を詳述する。
【００２０】図１Ａ及び図１Ｂは、それぞれ、内部を一
つのモードが伝播して行く典型的な導波路の断面を示し
ている。図２Ａ乃至図２Ｃは、内部を伝播する一つのモ
ードの実効幅に対して導波路幅が与える影響を示してい
る。図３は、本発明に係るカプラの第一の実施形態を上
面から見て示すとともに、それに対応する断面を示して
いる。図４は、図３に示すカプラに使用するのに適した
結合領域を上面から見て示すとともに、それに対応する
断面を示している。図５Ａ及び図５Ｂは、それぞれ従来
型のカプラならびに本発明によるカプラによって生成さ
れる強度分布を示している。図６は、本発明の第二の実
施形態の断面図ならびに上面図である。図７は、本発明
の第三の実施形態の断面図ならびに上面図である。図７
Ａは、図７に示す実施形態の変形例を示している。図８
Ａ乃至図８Ｅは、本発明の第四の実施形態を上面から見
て示すとともに、それに対応する断面を示している。
【００２１】典型的な導波路の構造の一例が図１Ａに示
されている。この構造は、基板２とＩｎＰ（屈折率ｎ＝
３．１７）からなる最上層３とを備え、これらがＩｎＧ
ａＡｓＰ（屈折率ｎ＝３．３９）からなるコア層４を挟
み込んだものとなっている。他の種類の材料として、例
えばシリカ・オン・シリコン（ＳｉＯ２／Ｓｉ）、シリ
コン酸窒化物（ＳｉＯＮ）、シリコン・オン・インシュ
レータ（ＳＯＩ）、及びポリマーも同じように適してい
る。最上層２の最上面は、細長い***部５を備えてお
り、この***部５が構造内の低エネルギー状態の領域を
形成し、ひいては、量子井戸、すなわち本実施形態にお
いて光導波路を規定している。この導波路に、約１．５
μｍの波長を有する電磁放射を送り出すと、図１Ｂに示
されるようなフィールド分布を有するモードが形成され
る。
【００２２】さらに、図２Ａ乃至図２Ｃには、本発明の
好ましい実施形態において好適に用いられる現象が示さ
れている。非常に幅の広い導波路内（図２Ａ）では、導
波路内を伝播するモードの実効フィールド幅ｗeffは、
該導波路の幅ｗに概ね対応している。導波路の幅が減少
して（図２Ｂ）導波路臨界幅に達しようとする際に、実
効フィールド幅も同時に減少する。臨界幅を超えてしま
うと（図２Ｃ）、モードの実効フィールド幅がかなり増
加して、複数の密集した導波路の場合には、これらの導
波路間の強いカップリングを引き起こす。構造全体のフ
ィールドプロファイルは、もはや独立した個々のモード
のフィールドプロファイルを足し合わせることによって
記述することはできず、むしろ、全導波路構造のいわゆ
るスーパーモードのフィールドの足し合わせとして組み
立てられるべきものとなる。
【００２３】ここで言及しておくと、本発明の範囲にお
いて実効フィールド幅というのは、モードの中心での強
度をｅ（≒２．７１８３）で割ったものに等しい値まで
モードの強度が低下した横方向の位置までの、モードの
中心からの距離の２倍に等しいものとして定義される。
導波路の上述した臨界幅は、この導波路が動作するよう
に設計された波長領域ないし波長における導波路の屈折
率コントラスト（index contrast）に依存し、内部を伝
播するモードの幅が最小となるような幅として定義され
る。
【００２４】図３は、複数のシングルモード（ＳＭ）な
いしマルチモード（ＭＭ）型の入力導波路６と、図４に
一例がさらに詳細に示されているマルチモード結合領域
７と、複数のシングルモードないしマルチモード型の出
力導波路８とを備えている本発明に係る第一の好ましい
実施形態を示す。入力導波路６（領域Ａ内）は、デカッ
プルされて結合領域（Ｂ）の入力面９に向けて収束して
いる。図４に示す結合領域は、導波路１０と、入力面９
から移行部（サブ領域Ｂ）に向かって収束する第１の部
分１１と、円形の出力面１３（図３中の破線）に向かっ
て分かれて発散する第２の部分１２とを備えている。第
２の部分１２は、上記出力面１３で出力導波路８に接続
されている。
【００２５】さらに、上記第１の部分１１は全て、カプ
ラが動作するように設計されている波長、すなわち本実
施形態では１．５μｍの波長での臨界幅より狭い一定幅
（図４の右側における「ｗ２」）を有している。移行部
においては、導波路１０の第１の部分１１のそれぞれの
幅は、ギャップの幅（ｗ１）に概ね等しく、上述したス
ーパーモードの足し合わせが生じる。
【００２６】第２の部分１２の間のギャップは、一定の
幅（ｗ１）とされ、上述の式Ｅ１を線形化したものを用
いて計算された中心線をたどる。このようにして、導波
路１０の第２の部分１２のそれぞれの幅（ｗ２）は、次
第に増大し、先ず、臨界幅よりも大きい幅に、そしてそ
の後、各々対応する出力導波路８の幅に等しい幅にまで
増大する。その結果、導波路１０は、漸次デカップルさ
れる。
【００２７】上記の幅ｗ１，ｗ２は、例えば１μｍを超
える必要がないため、本件のカプラの製造は、極端なリ
ソグラフィ解像度を必要とするものではなく、それ故、
通常の比較的簡単なリソグラフィプロセスを用いて製造
することができる。
【００２８】従来型のスターカプラと、上述した図３及
び図４に示すカプラとに対して、ビーム伝播法（ＢＰ
Ｍ）を用いたシュミレーションを行なった。図５Ａ（従
来型）及び図５Ｂ（本発明）は、カプラの出力面でのそ
れぞれの強度分布を提示している。図５Ａが滑らかな分
布を示しているのに対して、図５Ｂは複数のピークを有
する分布を示している。これらのピークは、導波路８に
正確に重ね合わされている。つまり、結合領域が出力導
波路に接続される所では強度が大きく、損失が起こり易
い出力導波路８の間のギャップの位置では強度が小さく
なっている。
【００２９】図６は、図４に示される結合領域の代わり
になる部分を示している。結合領域における導波路の収
束する第１の部分（図示せず）は、図４に示すカプラに
おける第１の部分に概ね同じものとされている。しかし
ながら、分かれて発散する第２の部分の中心線は、上述
した式Ｅ２によって計算されたものである。こうして、
導波路は、最初に或る距離にわたって真直ぐ延び、それ
は、中心の導波路に対しては最も長く、しかも結合領域
の端に向かうにしたがって次第に短くなり、その結果、
出力面での強度分布が平坦化し、出力部上で一層均等に
パワーが配分される。
【００３０】図７は、高コントラストの入力導波路およ
び出力導波路を備える本発明に係る第三の好ましい装置
を示す。高コントラストの入力部（Ａ）は、結合領域
（Ｂ）内に直に結合される。ここで、この結合領域
（Ｂ）は、それ自身、図３において示された結合領域に
等しいものとされている。高コントラストの出力導波路
（Ｅ）に対しては、移行区間が設けられることが好まし
く、この移行区間は、各々（比較的広い）低閉じ込め部
（Ｃ）と、各出力導波路に結合された整合高閉じ込めテ
ーパー部（Ｄ）とを備えている。
【００３１】特殊な装置の構成に依っては、高閉じ込め
テーパ部（Ｄ）がその比較的幅広の端部において低閉じ
込め部（Ｃ）よりもかなり広くなっていることが必要な
こともある。これは、低閉じ込め部（Ｃ）内の光モード
がこの部分（Ｃ）の実際の導波路の幅よりも大きくなろ
うとするのに対して、高閉じ込めテーパ部（Ｄ）内では
光モードが実際の導波路内に完全に閉じ込められるとい
う事実のためである。
【００３２】このような構成においては、高閉じ込め部
（Ｄ）に対して十分な横方向のスペースが得られるよう
に、低閉じ込め部（Ｃ）をさらに延長しなければならな
い可能性がある。図７Ａは、図７による装置の好ましい
変形例を示しており、低閉じ込め部（Ｃ）と高コントラ
スト出力導波路（Ｆ）との間の移行部分は、中程度の閉
じ込めを有する中間領域（Ｅ）を備えている。
【００３３】低閉じ込め部（Ｃ）を有する移行部では、
中程度の閉じ込めの中間領域（Ｅ）内の高閉じ込めテー
パ部（Ｄ）は、中程度閉じ込めの中間領域（Ｅ）が用い
られないような装置内におけるよりはまだ狭いものの、
それでも上記低閉じ込め部（Ｃ）よりは幅広に構成可能
とされるか、あるいは、臨界幅よりも狭い或る幅で上記
低閉じ込め部より狭く構成可能とされることで上述した
ように伝播するモードを広げさせることができるように
なっている。後者の実施形態の場合、導波路の幅がより
狭くなるということは、低閉じ込め部（Ｃ）の長さが著
しく低減して本発明に係る光カプラの全体寸法が一層小
形になることを意味している。
【００３４】図８Ａは、第四の好ましい実施形態を示す
概略図である。この実施形態は、複数のシングルモード
（ＳＭ）ないしマルチモード（ＭＭ）型の入力導波路６
を有し、これらの入力導波路が、入力部（Ｂ−Ｂ）にお
いて、分かれて発散する複数のシングルモードないしマ
ルチモード型の導波路１２に光学的に結合ないし接続さ
れている。出力面（図示せず）では、分かれて発散する
導波路１２は、出力導波路に光学的に接続されている。
分かれて発散する導波路１２のそれぞれの幅ｗ２は、最
初は臨界幅より狭く、続いて臨界幅よりも大きい或る幅
にまで次第に増加して、その後、端部において、対応す
る個々の出力導波路の幅に等しい幅にまで増加し、複数
の導波路１２の間のギャップは、次の式Ｅ１に従うパタ
ーンをたどる。
【数５】 用いられる値は；ｗ０＝１．０μｍ；ｎ＝３；λ＝１．
５４５μｍ；Ｗｇ＝０．５μｍ；及びｇａｐ＝０．５μ
ｍである。
【００３５】図８Ｂ及び図８Ｃは、それぞれ、対応する
一対の矢印で示されたＢ−Ｂ及びＣ−Ｃに沿った導波路
の断面図である。図８Ｂに示されるように、境界面Ｂ−
Ｂでの断面図は、導波路間ギャップ幅ｗ１及び導波路幅
ｗ２が略等しいことを示している。その一方で、分岐発
散部Ｃ−Ｃでの断面図は、導波路間ギャップ幅ｗ１が導
波路幅ｗ２よりも小さいことを示している。
【００３６】図８Ｄ及び図８Ｅは、それぞれ、対応する
一対の矢印で示された破線Ａ−Ａ及びＡ´−Ａ´に沿っ
た導波路の断面図である。図８Ｄに示されるように、Ａ
−Ａ線に沿った断面図は、導波路１２が発散するにつれ
て導波路間ギャップが次第に深くなることを示してい
る。その一方で、Ａ´−Ａ´線に沿った断面図は、導波
路６及び導波路１２の導波路表面が略水平面を維持する
ことを示している。
【００３７】上述してきたことから、本発明に係る光カ
プラにおいては、強度分布と位相分布の両方が少なくと
も出力面で出力導波路に正しく整合して比較的低い損失
と少ないクロストークで動作するように調整可能とされ
ていることが分かるであろう。
【００３８】本発明は、上述した実施形態に制限される
ことなく、請求項の観点の範囲内であれば多数の方法で
上記の実施形態を変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】 内部を一つのモードが伝播する典型的な導
波路を示す断面図である。
【図１Ｂ】 内部を一つのモードが伝播する典型的な導
波路を示す断面図である。
【図２Ａ】 内部を伝播する一つのモードの実効幅へ
の、導波路幅の影響を説明するための図である。
【図２Ｂ】 内部を伝播する一つのモードの実効幅へ
の、導波路幅の影響を説明するための図である。
【図２Ｃ】 内部を伝播する一つのモードの実効幅へ
の、導波路幅の影響を説明するための図である。
【図３】 本発明に係るカプラの第一の実施形態の上面
図ならびに対応する断面図である。
【図４】 図３に示すカプラに使用するのに適した結合
領域の上面図ならびに対応する断面図である。
【図５Ａ】 従来型のカプラによって生じた強度分布を
示す図である。
【図５Ｂ】 本発明に係るカプラによって生じた強度分
布を示す図である。
【図６】 本発明の第二の実施形態を示す断面図ならび
に上面図である。
【図７】 本発明の第三の実施形態を示す断面図ならび
に上面図である。
【図７Ａ】 図７に示す実施形態の変形例を示す図であ
る。
【図８Ａ】 本発明の第四の実施形態を示す上面図であ
る。
【図８Ｂ】 本発明の第四の実施形態を示す断面図であ
る。
【図８Ｃ】 本発明の第四の実施形態を示す断面図であ
る。
【図８Ｄ】 本発明の第四の実施形態を示す断面図であ
る。
【図８Ｅ】 本発明の第四の実施形態を示す断面図であ
る。
【符号の説明】
２・・・基板 ３・・・最上層 ４・・・コア層 ５・・・***部 ６・・・入力導波路 ７・・・結合領域 ８・・・出力導波路 ９・・・入力面 １０・・・導波路 １１・・・導波路の第１の部分 １２・・・導波路の第２の部分 １３・・・出力面
フロントページの続き (72)発明者 マリジン・ピーター・デッセンズ オランダ・2611・ジェイ・アール・デルフ ト・ヴォーストラット・26 Ｆターム(参考） 2H047 KA02 KA12 KA13 LA01 LA11 PA21 QA02 QA05 TA00 TA31 2H049 AA03 AA59 AA62

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも一つの入力導波路と、結合領
    域と、複数の出力導波路とを有している光カプラにおい
    て、 前記結合領域は、結合された複数の導波路を備え、該導
    波路は、自身の長さの少なくとも一部にわたって、前記
    入力導波路内に送り出された電磁放射の伝播方向に互い
    に分かれて発散していることを特徴とする光カプラ。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の光カプラにおいて、 前記結合領域内の少なくとも幾つかの前記導波路の幅
    は、増加していることを特徴とする光カプラ。
  3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載の光カプ
    ラにおいて、 前記結合領域内の前記導波路の間のギャップの幅は、少
    なくとも略一定とされていることを特徴とする光カプ
    ラ。
  4. 【請求項４】 請求項１から請求項３のいずれか１項に
    記載の光カプラにおいて、 少なくとも幾つかの前記導波路は、該カプラが動作する
    ように設けられている波長での前記導波路の臨界幅より
    も狭い幅を有する部分を備えていることを特徴とする光
    カプラ。
  5. 【請求項５】 請求項１から請求項４のいずれか１項に
    記載の光カプラにおいて、 前記結合領域内の前記導波路の間の少なくとも幾つかの
    ギャップの中心線は、次の一組の式； 【数１】 ないしこの式の線形化されたものに従うガウシアン型の
    フィールドの線をたどっていることを特徴とする光カプ
    ラ。
  6. 【請求項６】 請求項１から請求項５のいずれか１項に
    記載の光カプラにおいて、 前記結合領域内の前記導波路の間のギャップの中心線
    は、以下の式； 【数２】 ないしこの式の線形化されたものに従うフィールドの線
    をたどっていることを特徴とする光カプラ。
  7. 【請求項７】 請求項１から請求項６のいずれか１項に
    記載の光カプラにおいて、 前記導波路は、前記伝播方向において先ず収束してから
    続いて発散して分かれていることを特徴とする光カプ
    ラ。
  8. 【請求項８】 請求項１から請求項７のいずれか１項に
    記載の光カプラにおいて、 該カプラが動作するように設けられている波長の電磁放
    射が前記入力部内に送り出される際に、横方向に複数の
    ピークを有する強度分布（を有する終端のフィールド）
    を生成するように構成され、前記出力導波路（の始端
    部）が前記ピークの横方向位置に配置されていることを
    特徴とする光カプラ。
  9. 【請求項９】 請求項１から請求項８のいずれか１項に
    記載の光カプラにおいて、 全ての前記導波路は、平面導波路とされていることを特
    徴とする光カプラ。
  10. 【請求項１０】 請求項１から請求項９のいずれか１項
    に記載の光カプラを少なくとも一つ備えているアレイ導
    波路回折格子。
JP2002355832A 2001-12-07 2002-12-06 光カプラ及びこれを有するアレイ導波路回折格子 Withdrawn JP2003215373A (ja)

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