JP2006505812A - 光集積回路内における２対ｎ構成の光分波器 - Google Patents

Abstract

本発明は、光集積回路内における２対ｎ構成の光分波器に関するものであって、ｎが、２以上の整数とされ、基板内に、少なくとも１つの２対２構成の光分波素子（１５）を具備して構成され、この２対２構成の光分波素子（１５）が、第１および第２導波路（Ｇ１，Ｇ２）を備え、これら第１および第２導波路（Ｇ１，Ｇ２）の幅が、これら両導波路の一方内へと入力された入力光波（Ｅ）を、特定の分波比率（ＣＲ）でもって、第１および第２導波路（Ｇ１，Ｇ２）によってそれぞれ搬送される第１および第２出力波（Ｓ１，Ｓ２）へと分波するのに適しているよう、それぞれ幅Ｗ１，Ｗ２とされている。第１および第２導波路（Ｇ１，Ｇ２）は、それぞれ、第１部分（Ｉ）と、第２部分（ＩＩ）と、第３部分（ＩＩＩ）と、を備えている。

Description

本発明は、光集積回路に関連した２対ｎ構成の光分波器に関するものである。より詳細には、本発明は、特に１２６０〜１３６０ｎｍおよび１４８０〜１６６０ｎｍというスペクトルウィンドウにおける光学的遠隔通信という応用といったような、対象をなす応用に関し、小さな結合損失（excess loss）と満足のいく色収差矯正とを有した光分波器に関するものである。

２対２構成の分波器においては、小さな結合損失と満足のいく色収差矯正とは、０．２ｄＢよりも小さな結合損失（特に、１２６０〜１３６０ｎｍおよび１４８０〜１６６０ｎｍというスペクトルウィンドウのすべてにおいて）と、０．５ｄＢよりも小さな色収差矯正（それらスペクトルウィンドウのすべてにおいて）と、を意味している。

本発明は、２対ｎ構成の光学的機能が必要とされているようなすべての分野に応用可能であり、特に、遠隔通信という分野に応用可能である。

２対ｎ構成の光分波器（ここで。ｎは２以上の整数）は、２つの入力ポートと２つの出力ポートポートとを有した少なくとも１つの光分波素子から構成され、一方の入力ポート内に注入された光波を、２つの成分へと分波し、所定の分波比率でもって各出力ポートポートに対しての各々に伝達する。

ｎが２よりも大きい場合には、光分波器は、互いに縦列接続された複数の分波素子を備える。これにより、２つの入力ポートと、ｎ個の出力ポートと、を備えるとともに、２つの入力ポートのうちの一方に注入された光波を、所定の分波比率に従って、ｎ個の出力ポートの各々へと伝達することができる。

米国特許第５，８３５，６５１号明細書には、従来技術による２対２構成の光分波器が開示されている。

図１は、光集積回路と一緒に形成されたこのタイプの従来技術によるの２対２構成の光分波器を、この光分波器を含んでいる基板のｘｙ平面内において、概略的に示している。

この図においては、光分波器が形成されている基板は、図示されていない。図示されているものは、単一モードの第１入力導波路（１）と、単一モードの第２入力導波路（３）と、単一モードの第１出力導波路（５）と、単一モードの第２出力導波路（７）と、二重モードの導波路（９）と、二重モードの導波路（９）は、ｘ軸に沿った長さがＬａであるとともに、ｙ軸に沿った幅がＷａであり、さらに、各入力導波路と各出力導波路とを接続している。入力導波路および出力導波路は、二重モードの導波路に対して、ｘ軸に対する角度（β）を形成しつつ、接続されている。

この光分波器においては、一方の単一モード入力導波路へと注入された例えば入力導波路（１）へと注入された光波（Ｅａ）は、単一モード入力導波路内において、二重モード導波路（９）に向けて伝搬し、第２入力導波路（３）に対して接近する。これにより、第２入力導波路に対して接近結合を形成する。この結合は、より短い波長（例えば、１２６０〜１３６０ｎｍというスペクトルバンド内の波長）と比較して、より長い波長（例えば、１４８０〜１６６０ｎｍというスペクトルバンド内の波長）における方が、より大きい。

その後、単一モード入力導波路（１，３）の端部のところにおいて、光波は、二重モード導波路（９）の２つのモードに対して結合される。二重モード導波路内での伝搬時における２つのモード間の結合のスペクトル的振舞いは、単一モード導波路内における振舞いとは異なる。言い換えれば、より長い波長（１４８０〜１６６０ｎｍ）における結合は、より短い波長（１２６０〜１３６０ｎｍ）における結合よりも、弱い。

最終的には、二重モード導波路（９）からの出力ポートのところにおいて、光波は、２つの単一モード出力導波路（５，７）上へと、所定の割合でもって、結合される。単一モード導波路どうしが、各単一モード導波路内を伝搬する光波が他方の単一モード導波路に影響されなくなるような距離（Ｈ）の分だけ互いに離間するまでは、光波は、接近結合によって再度影響を受ける。

その結果、光波（Ｅａ）は、２つの単一モード出力導波路（５，７）内において光波（Ｓ１ａ，Ｓ２ａ）へと分波される。

単一モードの入力導波路および出力導波路内でのスペクトル的振舞いと二重モード導波路内でのスペクトル的振舞いとが互いに相違することにより、βとＷａとおよびＬａとが適切に選択されていれば、二重モード導波路内において、２対２構成の色収差矯正光分波器を形成することができる。また、βの値が小さいことが、結合損失を制限する。

いくつかの観点において満足のいくものではあるけれども、この２対２構成の光分波器内における光波は、二重モード導波路のうちの、単一モード導波路に対して接続された各端部のところにおける不連続性によって影響される。これにより、二重モード導波路の各モードと、複数の単一モード導波路の各モードと、の間に不整合損失が発生し、反射損失が発生する。これら不整合損失および反射損失は、特に、光学的遠隔通信という分野における応用において、問題点となる。

さらに、上述したように、結合損失および色収差矯正は、βに依存する。βは、色収差を低減させるためには、増大させなければならない。他方、βは、結合損失を低減させるためには、減少させなければならない。光分波器のこの振舞いは、２対２構成の光分波器に関し、結合損失を小さくすることと、色収差矯正を良好なものとすることと、を両立させることを困難にする。
米国特許第５，８３５，６５１号明細書

本発明の目的は、上記従来技術による光分波器における制限や難点を排除したような、光集積回路に関連した２対ｎ構成の光分波器を提供することである。

特に、本発明の１つの目的は、特に１２６０〜１３６０ｎｍおよび１４８０〜１６６０ｎｍというスペクトルウィンドウのすべてにおける光学的遠隔通信に特に好適であるよう、小さな結合損失と満足のいく色収差矯正とを有した２対ｎ構成の光分波器を提供することである。本発明による光分波器は、有利には、ごくわずかしか色収差を有していないものでありあるいは色収差を全く有していないものでさえあり、結合損失が最小とされている。

本明細書においては、色収差を有していないとは、色収差が小さいこと（例えば、遠隔通信用スペクトルウィンドウに関して、＜０．５ｄＢ）、または、色収差が『完全に』無いこと、を意味している。

本発明の他の目的は、応用を容易なものとし得るよう、結合損失と色収差矯正とが互いに独立なものとされているような、２対ｎ構成の光分波器を提供することである。

本発明の他の目的は、光波にとっての不連続性が存在せず、このため、不整合損失や反射損失が発生しないような、２対ｎ構成の光分波器を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明は、光集積回路内における２対ｎ構成の光分波器であって、ｎが、２以上の整数とされ、基板内に、少なくとも１つの２対２構成の光分波素子を具備して構成され、この２対２構成の光分波素子が、第１および第２導波路を備え、これら第１および第２導波路の幅が、これら両導波路の一方内へと入力された入力光波を、第１および第２導波路によってそれぞれ搬送される第１および第２出力波へと分波するのに適しているよう、それぞれ幅Ｗ１，Ｗ２とされ、第１および第２導波路が、
− 第１結合タイプをなす部分であるとともに、第１および第２導波路が互いに漸次的に接近し、この接近が、両導波路の一方内へと入力された入力光波を他方の導波路内へと少なくとも部分的に存在させ得る最小距離に対応したしきい値距離Ｄｓよりも小さな距離となるように行われ、なおかつ、この距離Ｄｓよりも小さくかつゼロではない距離Ｄｃまでとなるように行われるような、第１部分と、
− 第２結合タイプをなす部分であるとともに、結合長さと称される長さＬｃを有し、さらに、第１および第２導波路が、互いにほぼ平行であり、なおかつ、距離Ｄｃだけ離間しているような、第２部分と、
− 第１結合タイプをなす部分であるとともに、第１および第２導波路が、距離Ｄｃから、距離Ｄｓよりも大きな距離となるように、互いに漸次的に離間するような、第３部分と、
という少なくとも３つの部分を備え、値Ｄｃ，Ｌｃ，Ｗ１，Ｗ２が、光分波器の動作波長において色収差の無い光分波素子が得られるように、選択され、値Ｄｃ，Ｌｃが、第１結合タイプと第２結合タイプとが動作波長において互いに逆特性を示すように、選択されているような、光分波器を提供する。

光波は、第１および第２導波路の各出力に関し、（変換によって）分波比率（ＣＲ）でもって、分波される。

本発明の目的においては、導波路は、横方向の閉込を有した導波路であって、平面（ガイド平面）内を光が伝搬し得るような平面型導波路ではない。

本発明による導波路は、有利には、単一モードとされる。

導波路は、一般にコアと称される中心部分と、コアと同一の材料またはコアとは異なる材料から構成されて、コアの周囲を囲む周囲媒体と、から構成される。

コア内に光を閉じ込め得るよう、コアを形成する材料の反射率は、周囲媒体をなす材料の反射率とは、異なるものでなければならない。多くの場合、コアを形成する材料の反射率は、周囲媒体をなす材料の反射率よりも、大きなものとされる。

説明を単純化するために、導波路を、中心部分すなわちコアから構成されるものと想定する。また、周囲媒体の全部または一部を、基板と称する。導波路が基板内に埋設されない場合あるいはわずかしか埋設されない場合には、周囲媒体は、基板の外部に位置し得ること、また、例えば空気とし得ることは、理解されるであろう。

基板は、使用する技術のタイプに応じて、単一層のものとも、複数層のものとも、することができる。

また、用途によっては、導波路は、基板内に、ある程度埋設することができる。特に、導波路は、可変深さでもって埋設された部分を、有することができる。このことは、ガラス内においてイオン交換を行うという技術に関して、特に有効である。

好ましい実施形態においては、光分波器は、イオン交換技術を使用して、ガラス基板内に、光集積回路と一緒に形成される。

とりわけ遠隔通信に適用される場合には、本発明の一実施形態においては、第１および第２導波路は、Ｄｃ，Ｌｃの値に基づいて光分波素子の振舞いが１２６０〜１３６０ｎｍおよび１４８０〜１６６０ｎｍという動作スペクトルウィンドウ内において色収差の無いものとなるように、それぞれ、幅（Ｗ１，Ｗ２）を有するものとされる。

通常は、Ｗ１＝Ｗ２＝Ｗとされる。

好ましくは、導波路どうしは、対称的に、接近または離間するものとされる。接続損失（Ｃ）は、以下の式によって規定することができる。すなわち、
Ｃ＝１０ｌｏｇ(Ｐ_ｓ１＋Ｐ_ｓ２)／Ｐ_Ｅ
ここで、Ｐ_ｓ１，Ｐ_ｓ２，Ｐ_Ｅ は、それぞれ光波（Ｓ１，Ｓ２，Ｅ）の強度である。

Ｄｃ，Ｌｃ，Ｗ１，Ｗ２の値の選択は、２つの導波路間における光結合現象を波長に応じて相違させるための手段をもたらす。これにより、色収差の無い分波素子を形成することができる。

導波路間の距離（Ｄ）が値（Ｄｓ）よりも大きい場合には、両導波路間には、結合は、存在しない。導波路間の距離（Ｄ）が、距離（Ｄｓ）と距離（Ｄｘ）との間である場合には、両導波路は、弱い接近結合を形成する。この弱い接近結合においては、短い波長（例えば１２６０〜１３６０ｎｍ）の場合よりも、長い波長（例えば１４８０〜１６６０ｎｍ）における方が、結合度合いが、より大きい。他方、両導波路間の距離（Ｄ）が、より小さくなり、ＤｘとＤｃとの間になった場合には、動作状況が変化し、強い接近結合という現象が発生する。この強い接近結合においては、短い波長（例えば１２６０〜１３６０ｎｍ）の場合よりも、長い波長（例えば１４８０〜１６６０ｎｍ）における方が、結合度合いが、より小さい。この強い結合は、特に、第２部分の長さ（Ｌｃ）のところにおいて、起こる。

さらに、Ｄｃがゼロではないことにより、光波は、この光分波素子内におけるいかなる不連続性によっても影響を受けることがない。これにより、結合損失が非常に小さなものとなる。好ましい実施形態においては、Ｄｃは、Ｄｍｉｎよりも大きなものでなければならない。ここで、Ｄｍｉｎ＝０．５μｍである。

値（Ｄｘ）は、第１導波路と第２導波路との結合に関し、弱い接近結合と強い接近結合との間にわたっての移行が起こるような、第１導波路と第２導波路との間の離間距離として定義することができる。

本発明に基づいて形成された２対２構成の光分波素子は、２つのタイプの接近カプラを備えるものと見なすことができる。第１タイプのカプラは、Ｄｘの値に依存して部分（Ｉ，ＩＩＩ）内において強い結合領域が存在したにしても、光分波器の部分（Ｉ，ＩＩＩ）に対応して、全体的に弱い結合状況で動作し；第２タイプのカプラは、光分波器の部分（ＩＩ）に対応して、強い結合状況で動作する。

さらに、光分波素子のうちの、弱い結合に対応している部分（Ｉ，ＩＩＩ）においては、第１導波路と第２導波路とは、Ｒ≧Ｒｃという半径の円弧に沿って互いに接近または離間することができる、あるいは、Ｒ≧Ｒｃという曲率半径を有した正弦タイプの形状に沿って互いに接近または離間することができる。値Ｒｃは、この値Ｒｃよりも曲率半径が大きければ、対象をなす最大波長においても、湾曲による損失が起こらないような、臨界をなす曲率半径として定義される。これにより、２対２構成の光分波素子の結合損失を最小化することができる。

ある好ましい実施形態においては、半径（Ｒ）は、Ｒｃに等しいものとすることができる。これにより、弱い接近結合を最小化することができる。

さらに、Ｒを小さくすればするほど、光分波素子は、よりコンパクトなものとなる。したがって、Ｒ＝Ｒｃとすることには、一石二鳥の利点がある。

光集積回路と一緒に形成される２対ｎ構成の光分波器において、ｎが３以上である場合には、光分波器は、基板内に、上述したような１つの２対２構成の光分波素子と、この分波素子に対して縦列接続された（ｎ−２）個の１対２構成の光分波素子と、を具備し、これにより、光分波器は、２対２構成の光分波素子の第１および第２導波路に対応した２つの入力ポートと、ｎ個の出力ポートと、を具備する。

１対２構成の光分波素子は、Ｙ字型のカプラおよび／または結合とされる。このような光分波素子は、対称なものとも、また、非対称なものとも、することができる。

非対称な光分波素子は、カプラの場合には、カプラの相互作用長さを変更することにより、および／または、カプラの様々な出力用導波路の断面積を変えることにより、得ることができる。

非対称な光分波素子は、Ｙ字型結合の場合には、結合の出力用導波路の断面積を変更することにより、および／または、結合の出力用導波路と結合の入力用導波路との間において光学軸の角度を変えることにより、得ることができる。

本発明の他の特徴点や利点は、添付図面を参照しつつ以下の詳細な説明を読むことにより、明瞭となるであろう。

図２は、光波（Ｅ）を、分波比率（ＣＲ）でもって２つの部分（Ｓ１，Ｓ２）へと分波し得るような、本発明による２対２構成の光分波素子によって形成された２対２構成の光分波器の一例を概略的に示している。

この図は、この光分波素子の導波路内における光波（Ｅ，Ｓ１，Ｓ２）の様々な伝搬方向を含んでいるｘｙ平面内において、基板（１０）の一部を示している。

この光分波素子は、基板（１０）内に、第１および第２の好ましくは単一モードの導波路（Ｇ１，Ｇ２）を備えている。この例においては、これら導波路のそれぞれの幅（Ｗ）は、互いに同一である。これら導波路（Ｇ１，Ｇ２）は、これらの一方（例えば、導波路Ｇ１）内へと入力された入力光波（Ｅ）を分波比率（ＣＲ）でもって第１出力波（Ｓ１）および第２出力波（Ｓ２）へと分波し得るよう、互いに組み合わせられる。そして、波（Ｓ１）は、導波路（Ｇ１）によって搬送され、波（Ｓ２）は、導波路（Ｇ２）によって搬送される。光波（Ｅ）が、導波路（Ｇ２）から光分波器内へと導入された場合には、導波路（Ｇ１，Ｇ２）は、それらの出力ポート上に、分波比率（ＣＲ）でもって、波（Ｓ１，Ｓ２）をもたらす。これらの波は、可能であれば、波（Ｅ）が導波路（Ｇ１）を通して導入された場合に光分波器によって生成される波とは、異なるものとされる。

導波路（Ｇ１，Ｇ２）の各々は、以下のような少なくとも３つの部分を備えている。
− 第１部分（Ｉ）。この第１部分（Ｉ）においては、導波路（Ｇ１，Ｇ２）どうしが、徐々に接近する。最終的には、導波路どうしは、距離（Ｄｃ）にまで、接近する。この距離（Ｄｃ）は、ゼロではなく、かつ、一方の導波路内へと入力された入力光波（Ｅ）を他方の導波路から見ることができるような最小距離に対応したしきい値距離（Ｄｓ）よりも、小さなものである。
− 第２部分（ＩＩ）。この第２部分（ＩＩ）の長さは、結合長さと称される長さ（Ｌｃ）とされている。この結合長さ（Ｌｃ）内においては、両導波路（Ｇ１，Ｇ２）は、互いに平行であるとともに、距離（Ｄｃ）である。
− 第３部分（ＩＩＩ）。この第３部分（ＩＩＩ）においては、導波路（Ｇ１，Ｇ２）どうしは、距離（Ｄｃ）から、距離（Ｄｓ）よりも大きな距離へと、徐々に離間する。

Ｄｃ，Ｌｃ，Ｗの値は、動作波長において光分波素子が色収差を有していないように、選択される。

距離（Ｄｓ，Ｄｃ）は、図面がなす平面のｙ方向に沿って測定される。一方、長さ（Ｌｃ）は、同じ平面のｘ方向に沿って測定される。

光学的遠隔通信という分野においては、動作波長は、通常、１２６０〜１３６０ｎｍおよび１４８０〜１６６０ｎｍというスペクトルウィンドウの範囲内である。

これらの光学的導波路は、任意のタイプの技術を使用することにより、特にイオン交換技術や成膜技術やエッチング技術を使用することにより、基板内に形成することができる。導波路は、適切なマスキングによって、境界を規定することができる。これら技術は、光集積回路という分野においては、周知である。

基板は、使用される技術のタイプに応じて、単一層の基板とすることも、また、複数の層からなる基板とすることも、できる。例えば、基板は、イオン交換技術の場合には、ガラスとすることができる。

このタイプの光分波器においては、導波路（Ｇ１）内へと入力された光波（Ｅ）は、導波路（Ｇ１）内を伝搬し、漸次的に、導波路（Ｇ２）へと接近する。これにより、導波路（Ｇ１，Ｇ２）間の距離が、しきい値距離（Ｄｓ）（ここで、距離（Ｄｓ）とは、対象をなす動作波長において、２つの導波路が互いを見ることができる最小の距離である）を下回った時点で、接近結合を形成する。２つの導波路（Ｇ１，Ｇ２）間の距離（Ｄ）が、それほど小さくない限りにおいては、発生する現象は、弱い接近結合である。弱い接近結合は、短い波長（例えば１２６０〜１３６０ｎｍ）の場合よりも、長い波長（例えば１４８０〜１６６０ｎｍ）における方が、より大きい。他方、単一モード導波路どうしの間の距離（Ｄ）が、より小さくなった場合には、動作状況が変化し、発生する現象は、強い接近結合となる。この強い接近結合は、短い波長（例えば１２６０〜１３６０ｎｍ）の場合よりも、長い波長（例えば１４８０〜１６６０ｎｍ）における方が、より小さい。

動作状況の変化は、両導波路間の距離（Ｄｘ）が、距離（Ｄｓ）と距離（Ｄｃ）との間である場合に、起こる。

よって、第１部分（Ｉ）においては、両導波路間の接近結合は、ゼロという結合状況（Ｄ＞Ｄｓの場合）から、弱い結合状況（Ｄｓ＞Ｄ＞Ｄｘの場合）へと、移行する。弱い結合状況においては、結合は、短い波長よりも長い波長の方が、より強い。その後、両導波路間の接近結合は、弱い結合状況（Ｄｓ＞Ｄ＞Ｄｘの場合）から、強い結合状況（Ｄｘ≧Ｄ≧Ｄｃの場合）へと、移行する。強い結合状況においては、結合は、長い波長よりも短い波長の方が、より強い。この強い接近結合は、第２部分（ＩＩ）においては、両導波路（Ｇ１，Ｇ２）間の距離（Ｄ）が距離（Ｄｃ）（Ｄｘ≧Ｄｃ）に等しいことにより、維持される。最後に、第３部分（ＩＩＩ）においては、両導波路間の接近結合は、再度、強い結合状況（Ｄｘ≧Ｄ≧Ｄｃの場合）から、弱い結合状況（Ｄｓ＞Ｄ＞Ｄｘの場合）へと、移行し、上述したのと同様に、長波長と短波長とに関しての結合の振舞いが反転する。最後に、両導波路間の距離（Ｄ）が距離（Ｄｓ）よりも大きくなってしまうと、両導波路間には、一切の結合が存在しなくなる。

したがって、結果的に、光波（Ｅ）が、２つの単一モード導波路（Ｇ１，Ｇ２）内において、２つの波（Ｓ１，Ｓ２）へと、分波される。弱い接近結合と強い接近結合との間における互いに逆特性をなす振舞いを適用することによって、ＤｃやＷやＬｃを適切に選択した場合には、補償現象の結果として、色収差の無い光分波素子を形成することができる。さらに、この素子においては、距離（Ｄｃ）がゼロではないことにより、光波は、いかなる不連続性によっても影響されることがなく、これにより、結合損失を非常にちいさなものとすることができ、さらに、結合損失と色収差との間の依存性を除去することができる。距離（Ｄｃ）は、ゼロよりも大きなものである。１つの好ましい実施形態においては、距離（Ｄｃ）は、値（Ｄｍｉｎ）よりも大きなものとされ、Ｄｍｉｎは、０．５μｍとされる。

色収差を修正するために使用し得る自由なパラメータは、Ｄｃと、Ｗと、Ｌｃと、である。以下の説明から明らかになるように、Ｌｃは、それほど有用でない。Ｄｃと、Ｗと、Ｌｃとは、結合損失に対する影響がほとんどなく、それにより、これらの値と色収差とは、互いに独立なものとなる。この独立性は、２対２構成の光分波素子の実現をさらに容易なものとする。

上述したように、導波路どうしは、Ｒ≧Ｒｃという半径の円弧に沿って互いに接近させることができる、あるいは、Ｒ≧Ｒｃという曲率半径を有した正弦タイプの形状に沿って互いに接近させることができる。Ｒｃは、臨界をなす曲率半径であって、このＲｃよりも曲率半径が大きければ、対象をなす動作スペクトルウィンドウ（例えば、１２６０〜１３６０ｎｍおよび１４８０〜１６６０ｎｍ）の中での最大波長においても、湾曲による損失がない。これにより、２対２構成の光分波素子における結合損失を最小化することができる。

１つの好ましい実施形態においては、半径（Ｒ）は、Ｒｃと等しいものとされ、これにより、弱い接近結合を最小化することができる。例えば、Ｒｃ＝３０，０００μｍとされる。

光分波素子は、分波比率（ＣＲ）を使用して、光波（Ｅ）を２つに分波することができる。ここで、導波路（Ｇ２）に関しては、ＣＲは、以下のように表される。
ＣＲ＝Ｐ_Ｓ２／（Ｐ_Ｓ１＋Ｐ_Ｓ２）（式１）
（あるいは、導波路（Ｇ１）に関しては、ＣＲは、ＣＲ＝Ｐ_Ｓ１／（Ｐ_Ｓ１＋Ｐ_Ｓ２）として表される）ここで、Ｐ_Ｓ１，Ｐ_Ｓ２は、それぞれ光波（Ｓ１，Ｓ２）の発光強度である。

さらに、上述したように、本発明に基づいて形成された２対２構成の光分波素子は、２つのタイプの接近カプラのようにして機能するものと見なすことができる。すなわち、第１タイプのカプラは、Ｄｘの値に依存して部分（Ｉ，ＩＩＩ）内において強い結合領域が存在したにしても、光分波器の部分（Ｉ，ＩＩＩ）に対応して、全体的に弱い結合状況で動作する。また、第２タイプのカプラは、光分波器の部分（ＩＩ）に対応して、強い結合状況で動作する。

一般に、波の振幅については、カプラ（ｉ）の伝達マトリクス（Ｔｉ）は、以下のように表される。

本発明においては、２対２構成の光分波素子が、互いに前後に配置された２つのカプラのようにして作用することにより、光波（Ｅ）が導波路（Ｇ１）に注入された場合には、導波路（Ｇ２）の出力光強度は、以下のように表すことができる。
Ｐ_Ｓ２＝（Ｐ_Ｓ１＋Ｐ_Ｓ２）×（ｓｉｎ(Ｋ１×Ｌ１)×ｃｏｓ(Ｋ２×Ｌ２)＋ｃｏｓ(Ｋ１×Ｌ１)×ｓｉｎ(Ｋ２×Ｌ２)）^２
すなわち、
Ｐ_Ｓ２＝（Ｐ_Ｓ１＋Ｐ_Ｓ２）×ｓｉｎ^２(Ｋ１×Ｌ１＋Ｋ２×Ｌ２)（式２）
ここで、Ｋ１およびＬ１は、部分（Ｉ，ＩＩＩ）における収束枝に関連した実効的カプラのパラメータであり、Ｋ２およびＬ２は、部分（ＩＩ）に関連した強い結合をなすカプラのパラメータである。したがって、Ｋ１＝Ｋ_ｗｅａｋ、Ｌ１＝Ｌ_ｅｆｆ であり、Ｋ２＝Ｋ_{ｓｔｒｏｎｇ}、Ｌ２＝Ｌｃである。結合係数（Ｋｉ）は、λと、導波路の幅（Ｗ）と、それらをそれぞれ離間している距離（Ｄ）と、の関数である。

したがって、式（１，２）を使用することにより、分波比率（ＣＲ）（例えば導波路（Ｇ２）に関しての分波比率）を、特にＬｃに関しての、正弦関数の形態で書き表すことができる。すなわち、
ＣＲ＝ｓｉｎ^２(Ｋ_ｗｅａｋ(λ,Ｗ,Ｄ_ｅｆｆ)×Ｌ_ｅｆｆ＋Ｋ_{ｓｔｒｏｎｇ}(λ,Ｗ,Ｄｃ)×Ｌｃ)（式３）
ここで、
− Ｋ_ｗｅａｋ(λ,Ｗ,Ｄ_ｅｆｆ) は、収束部分（Ｉ，ＩＩＩ）において導波路（Ｇ１，Ｇ２）に関係し得る光分波素子の実効的中心間距離（Ｄ_ｅｆｆ ）と実効的長さ（Ｌ_ｅｆｆ ）とを有した弱いカプラの接近結合係数であり、
− λは、対象をなす光波の波長であり、
− Ｋ_{ｓｔｒｏｎｇ}(λ,Ｗ,Ｄｃ)は、部分（ＩＩ）に関係し得る光分波素子の中心間距離（Ｄｃ）と長さ（Ｌｃ）とを有した強いカプラの接近結合係数であり、
− Ｗは、２対２構成の光分波素子の単一モード導波路の幅である。

導波路（Ｇ１，Ｇ２）の部分（Ｉ，ＩＩＩ）内における湾曲した収束枝に対して実質的に対応した第１カプラは、かなり大きな実効的中心距離（Ｄ_ｅｆｆ ）を備えている。それは、この実効的中心距離（Ｄ_ｅｆｆ ）が、収束枝どうしの間の平均距離に等しいからである。したがって、このカプラは、弱い結合状態で動作するものであって、短い波長よりも長い波長において、より強く結合することによって特徴づけられる。したがって、Ｋ_ｗｅａｋは、Ｄ_ｅｆｆとＬ_ｅｆｆとに依存するλの増加関数である。これらパラメータは、部分（Ｉ，ＩＩＩ）内における導波路（Ｇ１，Ｇ２）の湾曲した収束枝の平均曲率半径（Ｒ）に対して、直接的に関連している。Ｒが増大すると、収束枝どうしの間の結合が増大する。したがって、この結合は、Ｒを最小限とすることによって、制限することができる。この結合を制限し得るよう（Ｒを最小化することによって）、さらに、結合損失を制限し得るよう（Ｒ≧Ｒｃ）、対象をなすスペクトルウィンドウ内の最大波長における湾曲損失をゼロとし得るような最小曲率半径としてＲｃを定義したときに（つまり、Ｒｃを超えると、最大波長における湾曲損失が発生する）、Ｒ＝Ｒｃとすることが有利である。

例えば、Ｒｃ＝３０，０００μｍとされる。

第２の接近カプラは、２つの導波路（Ｇ１，Ｇ２）がほぼ平行でありかつ一定距離（Ｄｃ）だけ互いに離間しているような部分（ＩＩ）に対応する。このカプラにおいては、距離（Ｄｃ）は、小さなものでなければならない。小さいことにより、導波路（Ｇ１，Ｇ２）間の結合を強いものとすることができる。したがって、このカプラは、強い結合状態で動作するものであって、長い波長よりも短い波長において、結合がより大きなものとなる。したがって、Ｋ_{ｓｔｒｏｎｇ} は、Ｋ_ｗｅａｋ とは異なり、λの減少関数である。係数Ｋ_{ｓｔｒｏｎｇ}は、パラメータＷおよびＤｃ（これらパラメータが増大する場合には、結合係数Ｋ_{ｓｔｒｏｎｇ}は減少する）と、λと、に依存する。Ｄｃ≧Ｄｍｉｎとすることが推奨される。これにより、すべてのモード不整合損失を制限することができる。

Ｋ_ｗｅａｋとＫ_{ｓｔｒｏｎｇ}とが互いに逆特性で変化することにより、導波路（Ｇ１，Ｇ２）の（部分（ＩＩＩ）内における）２つの出力枝の間における分波比率を、λに対してごくわずかの依存性しか有していないものとすることができる。これを達成するために、Ｋ_ｗｅａｋの変化とＫ_{ｓｔｒｏｎｇ}の変化とは、λの関数として、ほぼ同じものでなければならず、なおかつ、互いに逆向きでなければならない。したがって、強い結合と弱い結合との間のこの補償を得ることができるように変え得るパラメータは、ＤｃとＷとである。

図３は、Ｄｃ＝１．２μｍおよびＷ＝２．８μｍという値の場合に、様々な波長に関して、Ｌｃの関数としてＣＲの変化を示している。

これらの曲線は、１２６０ｎｍという波長に関し（曲線４１）、１３６０ｎｍという波長に関し（曲線４２）、１４８０ｎｍという波長に関し（曲線４３）、および、１６６０ｎｍという波長に関し（曲線４４）、０〜４５０μｍにわたってＬｃを変化させることによって、実験的に得られたものである。

したがって、式１により、また、図３に示すように、導波路の出力枝どうしの間の分波比率（ＣＲ）は、Ｌ_{ｓｔｒｏｎｇ}の正弦関数であり、したがって、Ｌｃの正弦関数である。したがって、パラメータ（Ｌｃ）は、この分波比率を調節するための手段を提供する。強い結合と弱い結合とが与えられたスペクトルウィンドウにおいて補償する場合には、図３に示すように、このスペクトルウィンドウの波長に関連したＬｃの関数としてのＣＲの変化は、互いに非常に接近している正弦曲線である。正弦曲線がほぼ一致していることにより、２対２構成の光分波素子は、より色収差の無いものとなる。Ｌｃの関数としてのＣＲの研究は、光分波素子のためのパラメータを決定する手段を提供する。

正弦関数ＣＲ（Ｌｃ）の周期が、短い波長における場合と比較して、長い波長において、より長いものである場合には、強い結合ゾーン（実質的に部分（ＩＩ））が、弱い結合ゾーン（部分（Ｉ，ＩＩＩ））を、過度に補償する。この場合、これら２つのゾーン間において良好な色収差の補償を与えるためには、Ｄｃおよび／またはＷを増大させなければならない。

図４における複数の曲線は、図２に示すような２対２構成の光分波素子に関し、ある１つの導波路を介しての入力とある１つに導波路を介しての出力との間における光波の合計損失（結合損失を含む）を、波長の関数として、示している。

ここで、光波（Ｅ）に関する損失は、以下のようなものである。
− 導波路（Ｇ１）を介しての入力、かつ、導波路（Ｇ１）を通しての出力（Ｅ_Ｇ１、Ｓ１、曲線３１）。
− 導波路（Ｇ１）を介しての入力、かつ、導波路（Ｇ２）を通しての出力（Ｅ_Ｇ１、Ｓ２、曲線３２）。
− 導波路（Ｇ２）を介しての入力、かつ、導波路（Ｇ１）を通しての出力（Ｅ_Ｇ２、Ｓ１、曲線３３）。
− 導波路（Ｇ２）を介しての入力、かつ、導波路（Ｇ２）を通しての出力（Ｅ_Ｇ２、Ｓ２、曲線３４）。

これらの曲線は、Ｌｃ＝２２０μｍでありかつＣＲ＝０．５であるような、２×２光分波素子に関して得られたものである。この光分波素子の結合損失は、小さなものであり、０．１５ｄＢ未満である。

図４から、１２６０〜１３６０ｎｍおよび１４８０〜１６６０ｎｍというスペクトルウィンドウにおける合計損失が、０．５ｄＢを超えては変化しないことがわかる。したがって、この光分波素子が、ごくわずかの色収差しか有していないこと、および、結合損失が非常に小さなものであること、がわかる。

１つの有利なモードにおいては、本発明による２×２光分波素子に関し、０．５という分波比率の場合に、および、１２６０〜１３６０ｎｍおよび１４８０〜１６６０ｎｍというスペクトルウィンドウの中での動作という場合に、以下の条件を選択することができる。
− Ｗ＜Ｗｃであるような導波路幅（Ｗ）。ここで、Ｗｃとは、１２６０ｎｍを超える波長において単一モードであり得る最大幅である。
− 部分（Ｉ，ＩＩＩ）に関し、Ｒ＝Ｒｃであるような導波路の曲率半径（Ｒ）。ここで、Ｒｃとは、１６６０ｎｍにおける屈曲損失が無視できなくなるような最小の曲率半径である。
− Ｌｃの関数としての分波比率（ＣＲ）の変化が、１２６０〜１３６０ｎｍおよび１４８０〜１６６０ｎｍというスペクトルウィンドウ内の波長に関して一致するような、ＤｃおよびＷ。
− 分波比率（ＣＲ）が０．５に等しくなるようなＬｃ。

例えば、以下の値を選択することができる。
− ０．６〜２．６μｍという範囲のＤｃ。
− １．６μｍ〜Ｗｃという範囲のＷ。
− ０〜４５０μｍという範囲のＬｃ。

図５および図６は、ｎが４に等しいという特定の場合に関し、本発明による２対ｎ構成の光分波器を概略的に示している。

これらの図は、本発明による光分波器内における光波の様々な伝搬方向を含有しているｘｙ平面内において、基板（１０）の一部を示している。

この光分波器は、基板（１０）内において、図２に関して上述したのと同様の２対２構成の光分波素子（１５）と、この光分波素子（１５）に対して縦列接続（あるいは、直列接続）された２つの１対２構成の光分波素子と、を備えている。１対２構成の光分波素子は、対称とすることも、対称としないことも、できる。

したがって、素子（１５）の導波路（Ｇ１，Ｇ２）の出力ポートの各端部には、１対２構成の光分波素子が光学的に接続されている。これにより、光分波器は、最終的に、光波（Ｅ）を導入し得る２つの入力ポート（Ａ１，Ａ２）と；出力端上においてそれぞれ出力波（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）を出力し得る４つの出力ポート（Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４）と；を備えている。

図５においては、２つの１対２構成の光分波素子が、Ｙ字型結合（２１，２３）から形成されているとともに、結合（２１）が、導波路（Ｇ１）に対して接続され、かつ、結合（２３）が、導波路（Ｇ２）に対して接続されている様子を示している。結合（２１）は、出力波（Ｓ１）を出力するための出力用導波路（Ｇ’１）と、出力波（Ｓ３）を出力するための出力用導波路（Ｇ３）と、を備えている。結合（２３）は、出力波（Ｓ２）を出力するための出力用導波路（Ｇ’２）と、出力波（Ｓ４）を出力するための出力用導波路（Ｇ４）と、を備えている。

各Ｙ字型結合の異なる枝間における分波比率を、０．５とは異なるものとすることは、結合の出力用導波路の断面積を変更することにより、および／または、結合の出力用導波路と結合の入力用導波路との間において光学軸の角度を変えることにより、得ることができる。

図６においては、２つの１対２構成の光分波素子は、カプラ（２５，２７）によって形成されている。カプラ（２５）は、導波路（Ｇ１）と導波路（Ｇ５）とから構成され、導波路（Ｇ５）の一部が、導波路（Ｇ１）に対して近接して配置されている。これにより、導波路（Ｇ１）内を伝搬する光波の一部を、導波路（Ｇ５）内へと結合させることができる。したがって、導波路（Ｇ１，Ｇ５）は、出力波（Ｓ１，Ｓ３）を生成する。カプラ（２７）は、導波路（Ｇ２）と導波路（Ｇ６）とから構成され、導波路（Ｇ６）の一部が、導波路（Ｇ２）に対して近接して配置されている。これにより、導波路（Ｇ２）内を伝搬する光波の一部を、導波路（Ｇ６）内へと結合させることができる。したがって、導波路（Ｇ２，Ｇ６）は、出力波（Ｓ２，Ｓ４）を出力する。

様々なカプラ出力の間における分波比率を、０．５とは異なるものとすることは、カプラの相互作用長さを変更することにより、および／または、カプラの様々な出力用導波路の断面積を変えることにより、得ることができる。

従来技術による２対２構成の光分波器を概略的に示す図である。 本発明による２対２構成の光分波器を概略的に示す断面図である。 本発明による光分波素子の特性に関し、ＤｃやＷやＬｃといったようなパラメータの設定に有効なグラフである。 図２の光分波器のスペクトル応答を概略的に示すグラフである。 ｎを３以上としたときに、２対ｎ構成の光分波器に関する第１変形例を概略的に示す図である。 ｎを３以上としたときに、２対ｎ構成の光分波器に関する第２変形例を概略的に示す図である。

符号の説明

１０ 基板
１５ ２対２構成の光分波素子
２１ Ｙ字型結合
２３ Ｙ字型結合
２５ カプラ
２７ カプラ

Claims (11)

1. 光集積回路内における２対ｎ構成の光分波器であって、
   前記ｎが、２以上の整数とされ、
   基板内に、少なくとも１つの２対２構成の光分波素子（１５）を具備して構成され、
   この２対２構成の光分波素子（１５）が、第１および第２導波路（Ｇ１，Ｇ２）を備え、
   これら第１および第２導波路（Ｇ１，Ｇ２）の幅が、これら両導波路の一方内へと入力された入力光波（Ｅ）を、前記第１および第２導波路（Ｇ１，Ｇ２）によってそれぞれ搬送される第１および第２出力波（Ｓ１，Ｓ２）へと分波するのに適しているよう、それぞれ幅Ｗ１，Ｗ２とされ、
   前記第１および第２導波路（Ｇ１，Ｇ２）が、
   − 第１結合タイプをなす部分であるとともに、前記第１および第２導波路が互いに漸次的に接近し、この接近が、前記両導波路の一方内へと入力された前記入力光波を他方の導波路内へと少なくとも部分的に存在させ得る最小距離に対応したしきい値距離Ｄｓよりも小さな距離となるように行われ、なおかつ、この距離Ｄｓよりも小さくかつゼロではない距離Ｄｃまでとなるように行われるような、第１部分（Ｉ）と、
   − 第２結合タイプをなす部分であるとともに、結合長さと称される長さＬｃを有し、さらに、前記第１および第２導波路が、互いにほぼ平行であり、なおかつ、前記距離Ｄｃだけ離間しているような、第２部分（ＩＩ）と、
   − 第１結合タイプをなす部分であるとともに、前記第１および第２導波路が、前記距離Ｄｃから、前記距離Ｄｓよりも大きな距離となるように、互いに漸次的に離間するような、第３部分（ＩＩＩ）と、
   という少なくとも３つの部分を備え、
   前記値Ｄｃ，Ｌｃ，Ｗ１，Ｗ２が、前記光分波器の動作波長において色収差の無い光分波素子が得られるように、選択され、
   前記値Ｄｃ，Ｌｃが、前記第１結合タイプと前記第２結合タイプとが前記動作波長において互いに逆特性を示すように、選択されていることを特徴とする光分波器。
2. 請求項１記載の光分波器において、
   前記２対２構成の光分波素子（１５）をなす前記両導波路が、単一モードの導波路とされていることを特徴とする光分波器。
3. 請求項１または２記載の光分波器において、
   前記基板が、ガラスとされ、
   前記両導波路が、前記基板のイオン交換によって形成されていることを特徴とする光分波器。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の光分波器において、
   前記Ｄｃ，Ｌｃの値に基づいて前記２対２構成の光分波素子の振舞いが、１２６０〜１３６０ｎｍおよび１４８０〜１６６０ｎｍという動作スペクトルウィンドウ内において、色収差の無いものとなるように、前記第１および第２導波路（Ｇ１，Ｇ２）の幅が、それぞれ、Ｗ１およびＷ２とされていることを特徴とする光分波器。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の光分波器において、
   前記２対２構成の光分波素子の前記両導波路（Ｇ１，Ｇ２）が、対称的な態様でもって、互いに接近または離間することを特徴とする光分波器。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の光分波器において、
   前記第１導波路と前記第２導波路との結合に関し、短波長よりも長波長の方が結合が強調される弱い結合と、長波長よりも短波長の方が結合が強調される強い結合と、の間にわたっての移行が起こるような、前記第１導波路と前記第２導波路との間の離間距離をＤｘとしたときに、
   前記値Ｄｃが、この値Ｄｘ以下とされていることを特徴とする光分波器。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の光分波器において、
   値Ｒｃを、この値Ｒｃよりも曲率半径が大きければ、対象をなす最大波長においても、湾曲による損失が起こらないような、臨界をなす曲率半径としたときに、
   前記２対２構成の光分波素子の前記部分（Ｉ，ＩＩＩ）においては、前記第１導波路と前記第２導波路とが、Ｒ≧Ｒｃという半径の円弧に沿って互いに接近または離間している、あるいは、Ｒ≧Ｒｃという曲率半径を有した正弦タイプの形状に沿って互いに接近または離間していることを特徴とする光分波器。
8. 請求項７記載の光分波器において、
   Ｒ＝Ｒｃとされていることを特徴とする光分波器。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の光分波器において、
   前記２対２構成の光分波素子が、１２６０〜１３６０ｎｍおよび１４８０〜１６６０ｎｍという動作スペクトルウィンドウ内において動作するものとされ、
   分波比率（ＣＲ）が、０．５とされ、
   前記幅Ｗ１，Ｗ２が、１．６μｍ〜Ｗｃという範囲とされ、
   前記距離Ｄｃが、０．６〜２．６μｍとされ、
   前記長さＬｃが、０〜４５０μｍとされ、
   前記Ｗｃが、前記スペクトルウィンドウ内の波長において単一モードであり得る最大幅であることを特徴とする光分波器。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の光分波器において、
    前記ｎが、３以上とされ、
    前記基板内に、１つの２対２構成の光分波素子と、この分波素子に対して縦列接続された（ｎ−２）個の１対２構成の光分波素子と、を具備し、
    これにより、前記光分波器が、前記２対２構成の光分波素子の前記第１および第２導波路に対応した２つの入力ポートと、ｎ個の出力ポートと、を具備していることを特徴とする光分波器。
11. 請求項１０記載の光分波器において、
    前記（ｎ−２）個の１対２構成の光分波素子が、Ｙ字型のカプラおよび／または結合とされていることを特徴とする光分波器。

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