JP3023878B2

JP3023878B2 - 導波型光分岐素子

Info

Publication number: JP3023878B2
Application number: JP4521591A
Authority: JP
Inventors: 章宏高木; 正夫河内; 要神宮寺
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1990-04-16
Filing date: 1991-03-11
Publication date: 2000-03-21
Anticipated expiration: 2015-03-21
Also published as: JPH04212108A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光通信分野等で用いて
好適な導波型光分岐素子に関するものであり、さらに詳
細には、パワー結合率の波長依存性を緩和した導波型光
分岐素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバ通信の普及のためには、光フ
ァイバと受・発光素子に加えて各種の光部品が必要であ
る。なかでも、光分岐素子は、最も基本的な光部品であ
り、50％分岐，20％分岐，数％分岐等の分岐比（結合
率）を持つ分岐素子が要求されている。特に広い波長域
にわたって波長依存性が少ない光分岐素子に対する需要
は大きい。

【０００３】光分岐素子は、光カプラとも呼ばれ、その
形態により、1)バルク型，2)ファイバ型，3)導波型に大
別することができる。

【０００４】バルク型は、マイクロレンズやプリズム，
干渉膜フィルタ等を組み合わせて構成するものであり、
波長依存性の少ない分岐素子を提供でき、一応は実用の
レベルにある。しかし、組立調整に長時間を要し、長期
信頼性，価格およびサイズの点で問題を残している。

【０００５】ファイバ型は、光ファイバ自身を構成材料
として研磨や融着・延伸工程を経て構成されるものであ
り、波長依存性の低減されたタイプも実現可能である。
しかし、その作製工程には職人芸を要し、再現性が不良
で量産に適さないという欠点がある。

【０００６】これらに対して、導波型は、フォトリソグ
ラフィ工程により、平面基板上に一括大量生産できる利
点があり、将来型の光分岐素子として注目されている。

【０００７】第１の従来例として、図16(A) 〜(C) およ
び図17に、対象形光分岐素子の構造の平面図と断面図お
よびその結合特性それぞれを示す。

【０００８】図16(A) 〜(C) において、平面基板21上
に、幅が互いに等しい２本の光導波路21a および21b を
配置し、これら両光導波路21a および21b の各一部分22
a および22b を互いに近接させて方向性結合器22を構成
している。23a および23b は光導波路21a および21b の
各入力ポート、 24a および24b は光導波路21a および21
b の各出力ポートである。

【０００９】なお、この明細書において、光導波路とい
うときは、コアとクラッドよりなる構造のみならず、コ
ア自体を意味する場合もある。図16(B) および(C) にお
いて、基板21上に配置したクラッド層25に光導波路21a,
21b,22a,22b としてのコアを埋設する。

【００１０】このように、結合領域22において２本の導
波路22a および22b の幅がいたるところで等しい従来の
光分岐素子の波長特性は、図17に示すようにおおむね正
弦波状に変化し、例えば波長1.3 μm で結合率50％であ
っても波長1.55μm では結合率100 ％などとなってしま
い、大きな波長依存性をもっていた。

【００１１】第２の従来例として、図18(A) および図19
に、広い波長域で動作する導波型光分岐素子の構成例を
示す平面図およびその結合特性をそれぞれ示す（特願平
1-107720号参照）。

【００１２】図18(A) において、平面基板31上に、互い
に幅の異なる２本の光導波路31a および31b が配置さ
れ、これら両光導波路31a および31b の各一部分32a お
よび32b を互いに近接させて方向性結合器32を構成して
いる。この方向性結合器32は、入力ポート33a から入射
した信号光を、出力ポート34a と34b に分岐するように
設計されている。また、入出力ポート33a および34a 付
近には、外部に接続されるべき光ファイバとの整合性を
良くするために、放射モードが生じないほど十分なめら
かなテーパ導波路35a および36a が接続されている。

【００１３】このような従来例では、ある結合率におい
て広波長域動作を可能とするために、２本の光導波路31
a および31b のうち、結合器32の領域の部分32a および
32bをこの結合部のいたるところで互いに異なる一定の
幅を持つ光導波路構造とし、図19に示すように、希望す
る波長域で設計結合率がそれぞれ50％±10％，20％±５
％，５％±３％というように、おおむね設計することが
できた。

【００１４】しかし、このような第２の従来例は、50％
以下の比較的小さい結合率をもつ広波長域動作導波型光
分岐素子を実現するには有利な構造であるが、50％以上
の大きな結合率をもつ広波長域動作導波型光分岐素子を
実現するには、従来例１に示した対称形方向性結合器に
近い構造にせざるを得ず、結果的に50％以下の結合率を
設計する場合に比べて、広帯域な波長特性が得られにく
くなるという欠点があった。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の目的
は、上述したような問題点に鑑み、所望する波長域、例
えば1.3 μm 〜1.6 μm を含む波長域において、従来の
対称形方向性結合器による導波型光分岐素子よりも結合
率の波長依存性がより良く緩和され、特に結合率50％以
上での広帯域な波長特性をもつ実用的な広波長域動作導
波型光分岐素子を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、基板と、該基板上に配置された少なくと
も２本の光導波路と、該少なくとも２本の光導波路の一
部分を互いに近接させて形成した少なくとも１個の方向
性結合器とを有し、前記少なくとも２本の光導波路のう
ちの少なくとも一方の片端を入力ポートとし、前記少な
くとも２本の光導波路の他端を出力ポートとする広波長
域動作導波型光分岐素子であって、前記少なくとも１個
の方向性結合器の結合領域のうち、２本の光導波路が平
行に配置されている平行結合領域の両端部における少な
くとも１本の光導波路の幅を、前記入力ポートおよび前
記出力ポートにおける光導波路の幅より狭くし、かつ前
記結合領域における少なくとも２本の光導波路をそれぞ
れなめらかなテーパ形状としてテーパ形方向性結合器を
構成し、該テーパ形方向性結合器の結合長および非対照
パラメータを、使用する波長領域に応じて決定される値
に設定することにより、前記テーパ形方向性結合器にお
ける前記入力ポートから入射した光の結合率の波長依存
性を前記波長領域にわたって緩和したことを特徴とす
る。

【００１７】ここで、前記テーパ形方向性結合器の結合
領域全体が前記結合領域の中心に対してほぼ点対称形状
となるように、前記テーパ形方向性結合器を構成するこ
とができる。

【００１８】本発明では、前記テーパ形方向性結合器の
前記結合領域のうち、前記平行領域の両端部において異
ならしめた前記少なくとも２本の光導波路の幅のうち、
前記入力ポートおよび前記出力ポートの幅と異なる導波
路幅の大きさを、該導波路幅と前記入力ポートおよび前
記出力ポートの幅との差が、当該入力ポートおよび出力
ポートの幅の９割を越えないように定めることができ
る。また、ここで前記光分岐素子は直列に接続された２
個の方向性結合器を有し、前記少なくとも２本の光導波
路のうちの１本の光導波路の上部に薄膜ヒータを装荷
し、該薄膜ヒータが装荷された光導波路と他の光導波路
との間に光路長差を設定することができる。

【００１９】

【作用】本発明では、前記方向性結合器の前記結合領域
のうち、平行領域の両端部における光導波路の幅を、前
記入出力ポートにおける光導波路の幅より狭くし、かつ
前記結合領域における２本の各光導波路をなめらかなテ
ーパ形状とすることにより、前記入力ポートから前記出
力ポートへのパワーの結合率の波長依存性を、ある特定
波長域（たとえば、1.3 μm から1.7 μm)にわたって緩
和するように構成することにより、従来のような、結合
領域において一定で、かつ互いに異なる幅の２本の光導
波路からなり、広い波長域で動作する導波型光分岐素子
とは、構造上、大きく相違する。

【００２０】言い換えると、本発明は、結合領域での導
波路の伝搬定数を部分的に異ならせるよう、そのテーパ
構造を適正に設計することによって、結合領域全体の波
長特性を緩和させ、特に設計結合率50％以上においてほ
ぼ一定の結合率が所望の広い波長域で得られる、きわめ
て実用的な導波型光分岐素子を実現しようとするもので
ある。本発明では、この結合部全体の形状を点対称構造
とすることにより製作性を向上することができる。

【００２１】なお、前記結合領域のうち、平行領域の両
端部における光導波路の幅を異ならせるときの、その幅
の差は、使用する光波長の５倍程度以下、例えば1.5 μ
m ならば7.5 μm 以下にすることが損失低減の点から望
ましい。

【００２２】さらにまた、本発明では、結合領域中の少
なくとも１箇所において入出力ポート幅と異なる導波路
幅をもつが、その大きさに関しては、そこでの光散乱に
よる光パワー損失をできるだけ抑えることが望ましく、
該導波路幅と入出力ポート幅との差が入出力ポート幅の
約９割を越えないように定めるのが好適である。

【００２３】本発明の広波長域動作導波型光分岐素子
は、広い波長域に広がる光信号の分配用やモニタ用，タ
ップ用として幅広い用途が期待され、また、平面基板上
に本発明の光分岐素子を多段に連結することにより、４
分岐素子，８分岐素子等への拡張も容易である。さら
に、同一基板上に光分岐素子をアレイ状に形成し、例え
ば、250 μm ピッチの光分岐素子ファイバアレイと接続
して使用することも可能である。

【００２４】なお、本発明においては、結合領域におけ
る光導波路の間隔ｇの大きさを、結合領域において一定
としているが、これは設計の容易さを考慮したためであ
り、これに限定されるものではない。すなわち、結合領
域内で導波路間隔を変化させる場合でも、設計上、複雑
になるだけであり、本発明原理の一般性は失われず、こ
の場合も本発明に含まれること、勿論である。

【００２５】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００２６】以下に説明する本発明の実施例では、基板
１としてシリコン基板、光導波路1aおよび1bとしてシリ
コン基板１上に石英系ガラス材料により形成された光導
波路を用いているが、これは、石英系単一モード導波路
が単一モード光ファイバとの整合性に優れ、実用的な導
波型光分岐素子を提供できるためであるが、本発明は、
このような石英系光導波路に限定されるものではないこ
と、もちろんである。すなわち、基板材料としては、石
英基板、セラミック基板、半導体基板あるいはニオブ酸
リチウム等の結晶性光導波路基板等でもよい。光導波路
材料としては、半導体材料、有機材料、誘電体材料ある
いはセラミック系材料でもよいこと、もちろんである。

【００２７】図１および図２(A) 〜(C) は、本発明の広
波長域動作導波型光分岐素子の基本的な構成例を示す、
それぞれ、平面図およびAA′線，BB′線(CC'線）および
DD′線に沿った拡大断面図である。

【００２８】ここで、平面基板１の上に光導波路1aおよ
び1bを配置する。４つの入出力ポート3a,3b および4a,4
b における導波路の断面形状は図２(A) および(C) に示
すように８μm ×８μm の正方形を構成している。光導
波路1aおよび1bを１箇所で互いに近接させ、結合部２の
導波路幅が部分的に徐々に異なり、かつ方向性結合器全
体の形状が点対称構造となるようにテーパ形方向性結合
器２を構成する。この方向性結合器２の両側における導
波路1aおよび1bの導波路幅は、BB′線およびCC′線での
断面に示すように互いに異なり、かつBB′線とCC′線に
おいて逆転している。また、入出力ポート3aおよび4b付
近には、外部に接続されるべき光ファイバとの整合性を
良くするために、放射モードが生じないほど十分なめら
かなテーパ導波路5aおよび5bが接続されている。光導波
路1aおよび1bの各一端3aおよび3bを入力ポートとし、光
導波路1aおよび1bの各他端4aおよび4bを、それぞれ、副
出力ポートおよび主出力ポートとする。P_in は入力ポー
ト3aに入来する入力光であり、P_main およびP_subは、そ
れぞれ、主および副出力ポート4bおよび4aから取り出さ
れる主および副出力光である。

【００２９】図３および図４(A) 〜(C) は、図１および
図２(A) 〜(C) に示した点対称形方向性結合器２の部分
の、それぞれ、拡大平面図および拡大断面図である。図
からわかるように、導波路1aおよび1bの各断面形状を、
図４(A) に示す断面EE′では一方を正方形，他方を高さ
が同じ長方形とする。図４(C) に示す断面FF′ではこれ
と全く反対の断面形状とする。図４(B) に示す断面XX′
では全く同一の長方形としている。もちろん、上記以外
の場所での断面形状は隣合う２つの各断面の中間的な形
状となっている。このような形状は結合部全体の中心点
Ｏ（原点）に関して対称な形を成すので、ここでは、点
対称テーパ形方向性結合器と呼称するものとする。

【００３０】光導波路1aおよび1bは、たとえば、膜厚50
μm 程度のSiO₂系ガラスによるクラッド層６に埋設され
た断面寸法８μm ×８μm 程度のSiO₂-TiO₂ 系ガラスコ
ア部からなり、直線パターンと曲率半径50mmの円弧パタ
ーンとの組み合わせにより回路を構成した。このような
石英系光導波路1aおよび1bは四塩化シリコンや四塩化チ
タンの火炎加水分解反応を利用したガラス膜堆積技術と
反応性イオンエッチングによる微細加工技術との公知の
組合せで形成できる。

【００３１】次に、このような点対称テーパ形方向性結
合器の出力光の波長依存性について述べる。

【００３２】図３に示したような点対称テーパ形方向性
結合器２は、図５に示すように、１個の対称形方向性結
合器と、それを上下反転させたもう１個の非対称形方向
性結合器が縦列接続したものとみなすことができる。も
ちろん、さらに細かく分割しても良いが、簡単のため、
図５のように分割した。

【００３３】一般に、等方性で無損失と見なせる媒質か
ら成る非対称形方向性結合器の、入力パワー(U,V) に対
する出力パワー(A,B) は、モード結合理論（例えば、
“光集積回路”西原浩，春名正光，栖原敏明共著 P5
1 （株）オーム社昭和60年２月25日発行初版第１刷）
から次式で与えられる。

【００３４】ここで、Ｕは入力ポート3aへの入力パワ
ー、Ｖは入力ポート3bへの入力パワーであり、Ａは出力
ポート4aからの出力パワー、Ｂは出力ポート4bからの出
力パワーである。

【００３５】

【数１】

【００３６】ここで、

【００３７】

【数２】Ｒ＝（β_a −β_b ）／２Δ (2)

【００３８】

【数３】Ｓ＝κ／Δ (3)

【００３９】

【数４】

【００４０】である。

【００４１】ただし、β_a とβ_b は各導波路単独の伝搬
定数、ＲとＳは非対称性の度合いを示すパラメータであ
り、０≦Ｒ＜１，０＜Ｓ≦１，Ｒ^２＋Ｓ² ＝１なる関
係がある。

【００４２】もし、β_a ＝β_b ならば、Ｒ＝０，Ｓ＝１
となり、対称形方向性結合器の、入力パワー（Ｕ，Ｖ）
に対する出力パワー（Ａ，Ｂ）を表すことになる。この
出力パワー（Ａ，Ｂ）は、次式で与えられる。

【００４３】

【数５】

【００４４】ただし、ｊは虚数単位、κは結合係数、Ｚ
は伝搬距離である。

【００４５】図３に示した点対称形方向性結合器２の出
力パワーは非対称形および反転非対称形方向性結合器の
マトリックスの積で求められるので、式（１）から、次
のようになる。

【００４６】ここで、図５を参照して、 φ₁ ＝Δ₁ Ｌ₁ とする。

【００４７】

【数６】

【００４８】式（６）の変換マトリックスを、M₁とする
と、

【００４９】

【数７】

【００５０】ただし、

【００５１】

【数８】 m₁=1-2・S²・sin² φ₁ (8)

【００５２】

【数９】 p₁₌2S・R・sin² φ₁ (9)

【００５３】

【数１０】 q₁=-2S ・sinφ₁ ・cosφ₁ (10) が得られる。

【００５４】今、入射光条件を、入力ポート3aからの片
側入射、すなわち、|U|²＝１かつ|V|²＝０とすると、

【００５５】

【数１１】 P1=|A|²=|a₁・U+b₁・V|²=|a₁|² (11) P2=|B|²=|c₁・U+d₁・V|²=|c₁|² であるから、図５の出力光パワーは次式となる。

【００５６】

【数１２】 P₁(スルー)=m₁ ²=(1-2S²・sin² φ₁)² （１
２）

【００５７】

【数１３】Ｐ_２（クロス）＝ｐ_１ ^２＋ｑ_１ ^２＝４Ｓ^２・ｓｉｎ^２φ₁・(1-S²・sin²φ₁)
(13) 但し、

【００５８】

【数１４】

【００５９】式（１３）について簡単な計算を行うと、
Ｓおよび（φ₁ ）を適切に設定することによって、図６
(A) 〜(C) に示すような各種の波長特性を実現すること
ができる。特に、図６(B) および(C) は50％以上の結合
率の設計において、平坦性の良い広帯域な特性を可能と
している点が、図19に示した従来の広波長域動作導波型
光分岐素子の波長特性と大きく異なる。実際のＳおよび
（φ₁ ）の値は波長の増加とともに単調増加するが、図
６(A) 〜(C) に示す各種の波長特性の様子にそれほど大
きな影響を与えないことを付記しておく。

【００６０】なお、上述した行列計算による解析は波長
特性の概略をつかむためには大変有効であるが、光分岐
素子の曲がり導波路を含まない結合領域のみ取り扱って
いるため、実際の光分岐素子を設計する際、解析精度の
点で問題がある。これを解決する方法として、ビーム伝
搬法（例えば、“電磁波問題の基礎解析法”山下栄吉監
修 P308 （社）電子情報通信学会昭和62年10月30日
初版発行）による計算機シミュレーションがある。こ
の方法は、伝搬と直角な方向への電磁界成分の離散的フ
ーリエ変換と、伝搬方向へ微小区間ごとに逐次的に計算
を進める巧妙な演算法であり、本質的に導波路形である
ような光回路の中を伝搬する光波の数値解析に好適であ
る。ひとたび光分岐素子の大まかな構造がわかれば、そ
の波長特性はビーム伝搬法を使ってほぼ正確に予測する
ことができる。従って、本発明で述べる行列解析による
実施例の各パラメータの値は厳密なものではないことを
付記しておく。実施例１図７（Ａ）は、本発明広波長域動作導波型分岐素子の
第１実施例として、波長域λ₁= 1.3μm 〜λ₂= 1.6μm
で50％±５％の結合率を有するよう設計した分岐素子の
構成を示す。

【００６１】結合部２における光導波路1aと1bとの間隔
をg=3.0 μm(パラメータS=0.33〜0.47に相当）に保ち、
L=1.8(mm) の距離にわたって配置し、かつ結合部全体の
形状が原点Ｏに関して点対称構造となるように、L₁=0.9
2(mm) と設定した。また、光導波路1aおよび1bの最大導
波路幅をd_amax=d_bmax=８μm、最小導波路幅をd_amin=d
_bmin=６μm とし、フォトマスクパターン段階で正確に
設定した。なお、入力ポート3aと3bとの間隔、出力ポー
ト4aと4bとの間隔は、いずれも0.250mm に定めた。

【００６２】図７(B) は、本実施例１の光分岐素子につ
いての結合率の波長依存性を示す図である。これからわ
かるように、波長域λ₁=1.3μm 〜λ₂ =1.6μm にわた
って、結合率50％±５％の広帯域な波長特性が得られ、
平坦性のよい波長特性となっている。このように、本発
明の点対称テーパ形方向性結合器によれば、すでに述べ
た従来の広波長域動作導波型光分岐素子と同程度に平坦
性のよい、広帯域な波長特性を実現することが可能であ
る。

【００６３】なお、実施例１では、結合部構造を直線か
ら成るテーパ導波路としたが、図８(A) のように、図７
(A) の構造を十分なめらかな曲線に変更してもよく、あ
るいはまた、図８(B) のように、入出力ポートを入れ換
えた構成としてもよい。本発明の以下に述べる各実施例
においても、このような滑らかな形状による構成や入出
力ポートを入れ換えた構成をも含むこと、もちろんであ
る。

【００６４】また、本実施例１に関して、ビーム伝搬法
による詳細な解析結果および実験結果を図９に示してお
く。両者はほぼ一致しており、結合率50％±５％の広帯
域な波長特性が得られている。従って、本発明の以下に
述べる各実施例においても、各パラメータの値は厳密な
ものではなく、詳細な設計を行う際にはビーム伝搬法を
用いることが望ましいことを付記しておく。

【００６５】実施例２図10(A) は、本発明の広波長域動作導波型光分岐素子の
第２実施例として、波長域λ₁=1.2 μm 〜λ₂ =1.7μm
で90％±３％の結合率を有するよう設計した分岐素子の
構成を示す。

【００６６】結合部２における光導波路1aと1bとの間隔
をｇ＝3.0 μm （パラメータＳ＝0.30〜0.43に相当）に
保ち、Ｌ＝1.2(mm) の距離にわたって配置し、かつ結合
部全体の形状が原点Ｏに関して点対称構造となるよう
に、L₁=0.6(mm)と設定した。また、光導波路1aおよび1b
の最大導波路幅をd_amax=d_bmax=8 μm 、最小導波路幅を
d_amin=d_bmin=５μm とし、フォトマスクパターン段階で
正確に設定した。なお、入力ポート3aと3bとの間隔、出
力ポート4aと4bとの間隔は、いずれも0.250mm に定め
た。

【００６７】図10(B) は、本実施例２の光分岐素子につ
いての結合率の波長依存性を示す図である。これからわ
かるように、波長域λ₁=1.2 μm 〜λ₂ =1.7μm にわた
って、結合率90％±３％の広帯域な波長特性が得られ、
特に1.3 μm 〜1.5 μm では、90％±２％の極めて平坦
性のよい波長特性となっている。このように、本発明の
点対称テーパ形方向性結合器によれば、すでに述べた従
来の広波長域動作導波型光分岐素子に比べ、50％以上の
結合率の設計において極めて平坦性のよい、広帯域な波
長特性を実現することが可能である。

【００６８】実施例３図11(A) は、本発明の広波長域動作導波型光分岐素子の
第３実施例として、波長域波長域λ₁=1.3 μm 〜λ₂ =
1.6μm で20％±５％の結合率を有するよう設計した分
岐素子の構成を示す。

【００６９】結合部における光導波路1aと1bとの間隔を
ｇ＝3.5 μm （パラメータＳ＝０．３１〜０．４５に相
当）に保ち、Ｌ＝0.9(mm) の距離にわたって配置し、か
つ結合部全体の形状が原点Ｏに関して点対称構造となる
ように、L₁=0.45(mm) と設定した。また、光導波路1aお
よび1bの最大導波路幅をd_amax=d_bmax=８μm 、最小導波
路幅をd_amin=d_bmin=７μm とし、フォトマスクパターン
段階で正確に設定した。なお、入力ポート3aと3bとの間
隔、出力ポート4aと4bとの間隔は、いずれも0.250mm に
定めた。

【００７０】図11(B) は、本実施例３の光分岐素子につ
いての結合率の波長依存性を示す図である。これからわ
かるように、波長域λ₁=1.3 μm 〜λ₂ =1.6μm にわた
って、結合率20％±５％の広帯域な波長特性が得られて
いる。このように、本発明の点対称テーパ形方向性結合
器は、結合率50％以下での設計も可能であるが、広帯域
性の点では従来例２よりもやや劣ることがわかる。

【００７１】ここで述べた点対称テーパ形方向性結合器
の波長依存性は、ちょうど従来例２で示した非対称形方
向性結合器のスルー側出力とクロス側出力を入れ替えた
特性に対応している。あるいは、非対称形方向性結合器
を上下反転させて縦列接続したと考えてもよい。このこ
とは図５で説明した近似解析図の妥当性をも示してい
る。このように、本発明の点対称テーパ形方向性結合器
は、すでに述べた従来の広波長域帯域動作導波型光分岐
素子と相補的な関係にあることがわかる。

【００７２】これまで述べてきた、入出力側の導波路幅
が異なった、点対称テーパ形方向性結合器２の他にも多
種多様な点対称テーパ形方向性結合器２が考えられる。

【００７３】たとえば、図12(A) 〜(C) に示すような各
種の点対称テーパ形方向性結合器が考えられる。いずれ
の場合にも基本的にはこれまでと全く同様な考え方で広
波長域動作導波型光分岐素子を実現することができる。

【００７４】一般に、方向性結合器は極めて構造敏感な
光回路素子であるため、製造者はそれぞれの製造工程の
癖などを考慮して、パラメータを変更することができ
る。要は、各実施例において、式（１３）を吟味し、結
合長L₁および非対称パラメータＳ等を適切に設定しさえ
すればよいのである。また、結合部２を構成するテーパ
導波路が複数ある場合には、図５と同じように適当に数
個の対称形導波路と非対称形導波路に分割し各行列の積
を求めて、その各係数の波長依存性を吟味すればよいの
である。

【００７５】以上の実施例１〜実施例３では、すべて２
分岐素子を扱ったが、本発明の構成は多分岐素子への拡
張も可能である。次に、４分岐素子の実施例について説
明する。

【００７６】実施例４図13は、本発明の第４実施例としての４分岐素子の構成
を示す平面図である。図13において、8a,8b,8cは基板１
上に一括形成された２分岐素子であり、ここでは、第１
実施例（図７）と同等の50％結合光分岐素子とした。９
は入力ポート、9a,9b,9cおよび9dは出力ポートである。
入力ポート９に入力された信号光は、光分岐素子8aでほ
ぼ２等分され、さらに、それぞれの分岐光は光分岐素子
8bと8cで分岐されてから、出力ポート9a,9b,9c,9d から
出力される。本構成により、波長域1.25μm 〜1.6 μm
において、各出力ポートへの結合率の変動は25％±５％
と小さく、波長依存性の少ない、かつ低損失な所望の４
分岐素子を提供することができた。なお、本実施例の基
板１の寸法は、30mm×５mm程度であり、出力ポート9a〜
9dのピッチは光ファイバアレイのピッチにあわせて250
μm とした。

【００７７】実施例５図14は、本発明の第５実施例としての広波長域動作導波
型光分子素子アレイの構成を示す平面図である。ここ
で、10a,10b,10c,10d は第１実施例（図７）と同様の構
成を持つ50％結合分岐素子であり、これら素子10a 〜10
d を４個アレイ状に並列に配置する。11および12は、そ
れぞれ、入力および出力ポートアレイ、11a および12a
は、それぞれ、入力および出力ファイバアレイ、11b お
よび12b は、それぞれ、入力および出力ファイバアレイ
端子であり、アレイ端子11b および12b 内のファイバア
レイピッチと入出力ポートアレイ11,12 の導波路ピッチ
はいずれも250 μm に設定してある。本実施例の基板１
の寸法は１アレイあたり25mm×５mmと小さく、同一基板
上に多数個の素子を一括形成可能な導波型光部品の利点
が生かされている。

【００７８】また、以上の実施例においては、シリコン
基板上の石英系(SiO₂-TiO₂) 光導波路により、光分岐素
子を構成したが、かかる基板は、シリコン基板に限定さ
れるものではなく、石英ガラス基板等に変更することも
可能である。あるいはまた、コア部の主ドーパントとし
てGeO₂を用いたSiO₂-GeO₂ 系光導波路を用いることもで
きる。あるいはまた、前述したように、本発明はこれら
の石英系光導波路に限定されるものではなく、他の導波
路材料、例えば、多成分ガラス導波路系やニオブ酸リチ
ウム導波路系、あるいは有機高分子導波路系や半導体導
波路系にも適用できる。

【００７９】実施例６図15は、本発明の第６実施例としての光スイッチング素
子の構成例を示す平面図である。ここで、13a,13b は第
１実施例（図７）と同様の構成を持つ50％結合分岐素子
であり、これら分岐素子13a と13b を２個直列に配置
し、連結部での光路長を同一の長さとしたマッハツエン
ダ型干渉回路を構成する。14a,14b は入力ポート、15a,
15b は出力ポートであり、導波路ピッチはいずれも250
μm に設定してある。

【００８０】このような２個のテーパ形方向性結合器13
a と13b との間の光導波路1aの上部に薄膜ヒータ16を装
荷して、一方の光導波路1aの屈折率値を熱光学効果によ
り調整して、式（１３）または式（２１）中の位相差と
は独立に導波路1aと1bとの間に光路長差を設定すること
により所望の光分岐素子を実現することもできる。ま
た、この薄膜ヒータ16をオン・オフ制御することによ
り、結合特性を、波長依存性の小さい状態と大きい状態
との間でスイッチングすることも可能である。

【００８１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、方向
性結合器の結合領域のうち、平行領域の両端部における
光導波路の幅を、前記入出力ポートにおける光導波路の
幅より狭くし、かつ前記結合領域における２本の各光導
波路をなめらかなテーパ形状とし、かつこのテーパ形方
向性結合器の結合領域全体が該結合領域の中心に対して
ほぼ点対称形状となるように配置することによって、入
力ポートから出力ポートへのパワーの結合率の波長依存
性を、ある特定波長領域（たとえば、1.2 μm から1.8
μm)にわたって緩和することができ、もって、波長依存
性が少なく、かつ特に結合率50％以上での広帯域な波長
特性をもつ実用的な広波長域動作導波型光分岐素子を提
供することができる。

【００８２】本発明の広波長域動作導波型光分岐素子
は、広い波長域に広がる光信号の分配用やモニタ用，タ
ップ用として幅広い用途が期待され、また、平面基板上
に本発明の光分岐素子を多段に連結することにより、４
分岐素子，８分岐素子への拡張も容易である。

【００８３】さらにまた、本発明によれば、同一基板上
に光分岐素子をアレイ状に形成し、例えば、250 μm ピ
ッチの光分岐素子ファイバアレイと接続して使用するこ
とも可能である。

【００８４】さらにまた、本発明素子は平面基板上に大
量に一括して製造することができるため、素子の低価格
化も期待でき、本発明の光分岐素子およびその応用素子
は、光通信システムの普及に大きく貢献するものと期待
される。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の基本的な構成例を示す平面図
である。

【図２】図２(A),(B) および(C) は、図１の、それぞ
れ、AA′線断面図，BB′( またはCC ′）線断面図およ
びDD′線断面図である。

【図３】図３は、図１に示した本発明の点対称テーパ形
方向性結合器２の拡大平面図である。

【図４】図４(A),(B) および(C) は、図３の、それぞ
れ、EE′線断面図，XX′線断面図およびFF′線断面図で
ある。

【図５】図５は、図３に示した点対称テーパ形方向性結
合器を解析するための説明図である。

【図６】図６は、式（１３）が表す波長依存性の説明図
である。

【図７】図７(A) は、本発明導波型光分岐素子の第１実
施例の構成を示す平面図、図７(B) は、第１実施例の光
分岐素子における結合率の波長依存性を示す図である。

【図８】図８(A) および(B) は、本発明に含まれる点対
称テーパ形方向性結合器の変形例の構成を示す図であ
る。

【図９】図９は、第１実施例の、ビーム伝搬法による解
析結果および実験結果を示す図である。

【図１０】図10(A) は、本発明導波型光分岐素子の第２
実施例の構成を示す平面図、図10(B) は、第２実施例の
光分岐素子における結合率の波長依存性を示す図であ
る。

【図１１】図11(A) は、本発明導波型光分岐素子の第３
実施例の構成を示す平面図、図11(B) は第３実施例の光
分岐素子における結合率の波長依存性を示す図である。

【図１２】図12(A), (B)および(C) は、本発明に含まれ
る点対称テーパ形方向性結合器の変形例の構成を示す図
である。

【図１３】図13は、本発明の第４実施例としての４分岐
素子の構成を示す平面図である。

【図１４】図14は、本発明の第５実施例としての広波長
域動作導波型光分岐素子アレイの構成を示す平面図であ
る。

【図１５】図15は、本発明の第６実施例としての光スイ
ッチング素子の構成例を示す平面図である。

【図１６】図16(A),(B),および(C) は、従来の対称形方
向性結合器（従来例１）の構造を示す、それぞれ、平面
図、BB′線断面図およびCC′線断面図である。

【図１７】図17は、従来の対称形方向性結合器（従来例
１）における結合率の波長依存性を示す図である。

【図１８】図18は、従来の広波長域動作導波型光分岐素
子（従来例２）の構成例を示す平面図である。

【図１９】図19は、従来の広波長域動作導波型光分岐素
子（従来例２）における結合率の波長依存性を示す図で
ある。

【符号の説明】

１基板 1a,1b 光導波路２テーパ型方向性結合器 3a,3b 入力ポート 4a,4b 出力ポート５ファイバ結合用テーパ導波路６クラッド層 8a,8b,8c 広波長域動作導波型50％分岐素子９入力ポート 9a,9b,9c,9d 出力ポート 10a,10b,10c,10d 広波長域動作光分岐素子 11,12 入出力ポートアレイ 11a,12a 入出力ファイバ 11b,12b 入出力ファイバアレイ端子 13a,13b 広波長域動作50％分岐素子 14a,14b 入力ポート 15a,15b 出力ポート 16 薄膜ヒータ 21 基板 21a,21b 光導波路 22 非対称形方向性結合器 22a,22b 光導波路 23a,23b 入力ポート 24a,24b 出力ポート 25 クラッド 31 基板 31a,31b 光導波路 32 非対称形方向性結合器 33a,33b 入力ポート 34a,34b 出力ポート 35a,35b テーパ導波路

フロントページの続き (56)参考文献特開昭64−65510（ＪＰ，Ａ) 特開平３−2806（ＪＰ，Ａ) 1990年電子情報通信学会春季全国大会講演論文集（４）1990年３月55日発行ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓＶｏｌ．26 Ｎｏ．２ 1990年１月18日発行ｐ．132−133 電子情報通信学会技術研究報告Ｖｏｌ．89 Ｎｏ．386 1990年１月25日発行ＯＱＥ89−122 ｐ．31−36 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 6/12 - 6/14

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板と、該基板上に配置された少なくと
も２本の光導波路と、該少なくとも２本の光導波路の一
部分を互いに近接させて形成した少なくとも１個の方向
性結合器とを有し、前記少なくとも２本の光導波路のう
ちの少なくとも一方の片端を入力ポートとし、前記少な
くとも２本の光導波路の他端を出力ポートとする広波長
域動作導波型光分岐素子であって、前記少なくとも１個の方向性結合器の結合領域のうち、
２本の光導波路が平行に配置されている平行結合領域の
両端部における少なくとも１本の光導波路の幅を、前記
入力ポートおよび前記出力ポートにおける光導波路の幅
より狭くし、かつ前記結合領域における少なくとも２本
の光導波路をそれぞれなめらかなテーパ形状としてテー
パ形方向性結合器を構成し、該テーパ形方向性結合器の
結合長および非対照パラメータを、使用する波長領域に
応じて決定される値に設定することにより、前記テーパ
形方向性結合器における前記入力ポートから入射した光
の結合率の波長依存性を前記波長領域にわたって緩和し
たことを特徴とする広波長域動作導波型光分岐素子。
【請求項２】前記テーパ形方向性結合器の結合領域全
体が前記結合領域の中心に対してほぼ点対称形状となる
ように、前記テーパ形方向性結合器を構成したことを特
徴とする請求項１に記載の広波長域動作導波型光分岐素
子。
【請求項３】前記テーパ形方向性結合器の前記結合領
域のうち、前記平行領域の両端部において異ならしめた
前記少なくとも２本の光導波路の幅のうち、前記入力ポ
ートおよび前記出力ポートの幅と異なる導波路幅の大き
さを、該導波路幅と前記入力ポートおよび前記出力ポー
トの幅との差が、当該入力ポートおよび出力ポートの幅
の９割を越えないように定めたことを特徴とする請求項
１または２に記載の広波長域動作型光分岐素子。
【請求項４】前記光分岐素子は直列に接続された２個
の方向性結合器を有し、前記少なくとも２本の光導波路
のうちの１本の光導波路の上部に薄膜ヒータを装荷し、
該薄膜ヒータが装荷された光導波路と他の光導波路との
間に光路長差を設定することを特徴とする請求項１から
３のいずれかに記載の広波長域動作導波路型光分岐素
子。