JPH04233504A - 光導波管の相互接続構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光導波管に関するもの
であり、具体的には、光周波数信号を、１導波管にまた
は２つの導波管の間で結合するための構造に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】米国特許第３６５６８３２号明細書には
、実質的に球形、半球形または円筒形の形状である、ま
たは適当な屈折率と寸法をもつ、未補正の不完全な単一
要素レンズを、限られた発散角で上記のレンズ要素に入
射する放射線または光波と共に使用する、高速の回折制
限点形成式または回折制限線形成式光学システムが開示
されている。このシステムでは、集束する脱出光線の光
学経路差が小さいので、回折が卓越する効果が発生する
。

【０００３】米国特許第３６６６３４７号明細書には、
タリウムとナトリウムの陽イオンを含むガラス球を、カ
リウム陽イオンなど少なくとも１種類の金属陽イオンを
含む溶融塩の浴に浸して、ガラスと塩の接触面を介して
イオン交換を生じさせて、ガラス内の酸化物を修飾する
陽イオンの濃度を球の中心から外表面に向かって変化さ
せ、球面レンズを形成することが記載されている。

【０００４】米国特許第３９５００７５号明細書には、
光通信システム用の光波エネルギー供給源が記載されて
いる。光導波ファイバ束の１端が、発光ダイオードなど
のランバート形光源からの光に対して、光を受け取る位
置関係に配置される。ダイオードとファイバ束の端面と
の間に配置された透明素材の球形ベッドが、ダイオード
から発する光をコリメート（平行光線化）するのに役立
つ、頑丈で安価な光学装置を提供する。

【０００５】米国特許第４１０９９９７号明細書には、
回転する本体から回転しない本体へ、物理的な接触なし
に信号を転送できるようにする、光スリップ・リングが
記載されている。光ファイバ束を使用して、一方の本体
側の光信号をもう一方の本体にある別の光ファイバ束に
導く。光は、回転するファイバ束から回転しないファイ
バ束へ、小さな隙間を越えて投射される。他の変形では
、複数の溝、導波管、回転除去プリズム及び同軸環状ミ
ラーを使用して、信号転送を達成する。この光スリップ
・リングは、光信号に変換できる信号であれば、どのよ
うな信号でも転送できる。

【０００６】米国特許第４２５７６７２号明細書には、
透明な球形コアを含む光ファイバに、ＬＥＤを光学的に
結合するための光カプラが記載されている。このコアの
屈折率は、球殻の屈折率よりも大きい。カプラの反対側
に、光ファイバをこの光カプラに結合するための１つの
面を形成し、そして円筒を使用して、光カプラをＬＥＤ
から所定の距離の所に、光ファイバに入る光の量が最大
になる向きで取り付ける。

【０００７】米国特許第４５４８４６４号明細書には、
変調された光をフーリエ変換するためにレンズに接続さ
れた、導波管内を進む光を変調するための導波変調器を
備えた第１基板を有する、平面導波管技術を用いて製造
される周波数分析器が開示されている。このレンズの材
質は、変調器を有する基板の材質とは異なり、棒状の屈
折率傾斜形レンズ、または表面に測地導波レンズを圧入
した第２の基板であることが好ましい。

【０００８】米国特許第４０９７１１７号明細書には、
光ファイバの結合部分を、回折格子の波打っている面の
裏返しの複製になるように変形することによって、エバ
ネセント場により光ファイバの結合部分を平面光導波管
の表面上の位相一致式回折格子を介して平面光導波管に
結合する際の光効率が増加する構造が記載されている。

【０００９】米国特許第４３０４４６１号明細書には、
接続する各光ファイバごとに、一端に凹窩が形成された
コネクタ本体部分を備えた、光ファイバ・コネクタが開
示されている。この凹窩は、球面レンズを、本体部分を
通って延び凹窩の中央で終わる光ファイバ受穴に対して
正確に位置決めし、これによって、光ファイバの軸がこ
の穴に受け止められる。光ファイバは、球面レンズの表
面に接着することが好ましい。それぞれの球面レンズが
対向する位置関係に配置された２つの本体部分を、軸方
向の位置を合わせて互いに接続するための接続手段が提
供される。

【００１０】米国特許第４３７１２３３号明細書には、
光通信用の光ファイバを接続するのに使用する、レンズ
付きの光ファイバ・コネクタが開示されている。このレ
ンズ付き光ファイバ・コネクタは、光ファイバ・コネク
タをレンズ付きスリーブに挿入した後に、スリーブをア
ダプタに挿入する構造になっている。この発明では、レ
ンズの焦点距離は、０．０９ｍｍないし０．２７ｍｍに
なるように選択され、レンズは、光ファイバの光軸上で
ファイバの端面から焦点距離だけ離れた点に位置する。

【００１１】米国特許第４７１２８５４号明細書には、
光導波管を製作する方法が開示されている。まず、紫外
光の影響で屈折率が変化するタイプの透明な光重合材料
片の表面に紫外光を照射して、光重合材料片の深さ方向
の屈折率のプロファイルを形成する。次に、この透明な
光重合材料片の表面に、中央部で強度が最も弱く、縁部
に向かって強度が増加する、長手方向に延びる帯状の紫
外光を照射して、光重合材料片の幅方向の屈折率のプロ
ファイルを形成する。最後に、上述の照射を施した光重
合材料片から光導波管を構成する。任意選択として、こ
のプロファイルを放物線形にしてもよい。やはり任意選
択として、最後に光導波管を構成するのに、上述の処理
を施した２つの類似した光重合材料片を、紫外放射線を
受けた面同士が接触する状態で積層してもよい。

【００１２】米国特許第４７９６９６９号明細書には、
入射光の開口数を変換して、一般にこれと異なる出射光
の受取り開口数に一致させる、２要素リレー・システム
の形の光ファイバ・コネクタが開示されている。好まし
い形では、このコネクタは、両方の中心を通って延びる
光軸に沿った１点で互いに表面が接する、１対の球であ
る。この球の半径とその材料組成は、各ファイバが光軸
に沿って接触点と反対側の点で当該の球と光学的に接触
する時に、ファイバを開口数が一致する他のファイバに
結像させるように球が働くものである。

【００１３】Ｔ．　Ｂａｅｒ，　”Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕ
ｓ　ｗａｖｅ　ｌａｓｅｒ　ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ　
ｉｎ　ａ　Ｎｄ−ＹＡＧ　ｓｐｈｅｒｅ”　Ｏｐｔｉｃ
ｓＬｅｔｔｅｒｓ，　Ｖｏｌ．　１２　（６），ｐｐ．
３９２〜３９４、１９８７年には、出力ビームがポンピ
ングのために球面レーザに結合された、色素レーザが記
載されている。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、光信
号を平面光導波管に結合するための相互接続構造を提供
することである。

【００１５】本発明の他の目的は、２つの光導波管の間
で光信号を結合するための相互接続構造を提供すること
である。

【００１６】本発明の他の目的は、円筒形または球形の
透明要素を使用する、光平面導波管用の相互接続手段を
提供することである。

【００１７】本発明の他の目的は、球または円筒と平面
導波管の間の接触点で内部全反射漏れ技法を用いて光を
結合し、内部全反射技法を用いて光を閉じ込める、光導
波管用の相互接続システムを提供することである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明の上記の目的は、
少なくとも１つの第１誘電性平面導波管手段と結合要素
とを含む平面光導波管内に光周波数信号を結合し、平面
光導波管から外へ光周波数信号を結合するための相互接
続構造によって達成される。前記の第１の誘電性平面導
波管手段は、少なくとも２つの対向する平行な面を有す
る。光周波数信号モードは、前記の表面からの内部反射
によって第１の誘電性平面導波管手段中をジグザグ経路
で伝播することができる。前記の導波管手段は、厚さｈ
、屈折率ｎｗの材料からなる。また、前記の結合要素は
、光透過性材料からなり、円形の横断面を有する。光透
過性材料は、屈折率がｎｓであって、その中を光周波数
信号モードが伝播することができる。前記光周波数信号
モードは、前記結合要素の表面からの内部反射によって
前記結合要素内の弦経路に沿って内部を伝播することが
できる。前記導波管手段内及び前記結合手段内を伝播可
能な前記光周波数信号モードの前記内部反射は、所与の
接触領域で漏れ出して、前記導波管手段内を伝播可能な
光信号モードが、前記導波管手段及び前記結合要素に前
記接触領域で出入りできるようになる。

【００１９】

【実施例】円筒形または球形の透明要素を使用して、光
を１つの平面導波管に結合する、または２つの光導波管
の間で結合するための、光導波管用の相互接続システム
を開示する。本開示の基礎となる基本原理は、光を結合
するための球または円筒と平面導波管との接触点での内
部全反射漏れと、内部全反射による円筒の球内での光の
閉じ込めである。この結合は、エバネセント場にも依拠
している。外部供給源からの光を、平坦な側面から円筒
または球に注入することができる。リレー結像のために
、複数の球を使用することもできる。

【００２０】平面光導波管は、集積光回路の重要な構成
要素である。しかし、ほとんどの応用例では、信号を導
波管に入れ、導波管から取り出すことが必要である。従
来技術には、この目的で、集積ミラーと回折格子を使用
する技法が含まれる。しかし、ミラーと格子は、いずれ
も導波管の成形工程で余分な処理がつきまとい、成形後
は、導波管に対する位置が固定される。測定する場合は
、プリズム・カプラを使用して、光を導波管内にまたは
導波管から外へ結合する。プリズム・カプラは、かさば
り、非常に正確な位置調整が必要であり、導波管間の通
信には適さない。本発明では、小型の導波管カプラの構
造に、球要素の対称性を利用する。本発明の背景として
、Ｏｐｔｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ所載のＴ．　Ｂａｅｒ
の従来技術の論文に、色素レーザによってポンピングさ
れるＮｄ−ＹＡＧ球面レーザの最初の動作が記載されて
いる。この色素レーザは、２つの方法で球面に結合され
ていた。１つの方法では、色素レーザ・ビームが、球面
に対して接線方向に入射し、球面内の反射ビームは臨界
角に近い角度であった。もう１つの方法では、プリズム
を使用して内部全反射が漏れる点で球に接し、光は、球
面の内部臨界角よりも大きい角度で球面内に導入された
。

【００２１】本発明の１実施例では、光が透明の球面に
よって導波管内に結合され導波管から外へ結合される。 この実施例を、図１、図２及び図３を参照して説明する
。

【００２２】誘電性導波管内のモードは、図１に示すよ
うな、導波管内を通る１組のジグザグ経路での伝播を仮
定することによって解析できる。図２によれば、図１の
導波管は、この導波管の屈折率ｎｗよりも高い屈折率ｎ
ｓを有する球と１点で接している。導波を行うには、ｎ
ｗ＞ｎａである。ただし、ｎａは、周囲の媒体（通常は
空気）の屈折率である。球の位置を最適にした場合、特
定のモードの導波管内の内部全反射が接触点付近の小領
域から漏れ出す。この領域は、直径５ｍｍの球の場合、
直径２０μ程度であると見積もられる。他の多数のモー
ドも、様々な角度でこの球に結合される。結合効率を増
大させるため、接触点付近に屈折率の一致する流体を加
えることができる。ある種の応用例では、接触点付近で
内部全反射が漏れ出す限り、屈折率がｎａ＜ｎｓ＜ｎｗ
を満足する球を使用することも可能である。

【００２３】球に注入された光は、ある弦に沿って伝播
して、球面に達した際に内部全反射され、またｎａ＜ｎ
ｓ＜ｎｗである時には部分反射される。光は、１平面内
の複数の弦に沿って伝播し、１周未満ないし何周も球内
を回って進む。導波管の異なるモードは、異なる角度で
結合され、球内の異なる経路を進む。この光を球面の外
へ結合するには、図３に示す、この球と接触するもう１
つの導波管を含む同様の配置を使用すればよい。第２の
導波管は、たとえば、レーザ、検出器、光論理素子など
に接続できる。この代わりに、プリズムを使って光を外
に結合してもよい。設計基準の１つは、入射光が、外に
向かうカプラの接触点に達するまでに行う周回の数であ
る。球面カプラの１実施例についてこの設計計算を以下
に示す。他の様々な設計は当業者には自明であろう。

【００２４】図１、図２及び図３の表記に従って、球が
２つの同じ導波管を結合する対称構造の場合の設計計算
を以下に示す。λは真空中での波長、ｈは導波管の厚さ
とする。４つの量Ｎ、ｂ、ａ、Ｖは、以下のように定義
される。

【数１】

【００２５】トラバース共振条件から、ｂは、所与の値
のＶの関数として与えられる。一般に、特定の導波管に
ついて、離散したいくつかの数の伝播角が許容される。 伝播角がθ１のモードでは、球内での反射角はθ２＝ｓ
ｉｎ−１（Ｎ／ｎｓ）で与えられる。

【００２６】ビームが出力カプラに出会う前に球の表面
で２回反射される場合、すなわちθ２＝６０°の場合に
は、この特定のθ２の値に対するθ１を計算することが
でき、導波管の厚さｈは、θ１のこの特定の値を与える
ように設計できる。

【００２７】自由設計及び図１に示した逆平行の外結合
の場合、球内のビームは、出力カプラに出会う前にｍ回
反射する。ｍは、ｍ＝（ｎπ＋θ２）／（π／２−θ２
）で与えられる。ただし、ｎは、ｍを整数にする最小の
整数である。

【００２８】角度θ２が６０°からわずかに異なる場合
には、図３の出力導波管を少しだけ傾けて、表面から２
回反射した後の循環するビームに出会うようにすること
ができる。結合を改善するために、球と導波管にわずか
な変形を加えてもよい。

【００２９】透明の円筒によって、光を導波管内へ結合
し、導波管から外へ結合する本発明の実施例も、実用的
である。図２と図３に示した円形の横断面は、透明な円
筒の横断面と見なすこともできる。

【００３０】球の実施例に関する、動作の説明、設計計
算及びＮ、ｂ、ａ、Ｖの方程式は、円筒の実施例にも適
用できる。

【００３１】透明の円筒を使用する特定の応用例では、
研磨曲面を有する直径５ｍｍの金紅石の円筒を、幅５０
μ、深さ５μのポリマー導波管と接触させる。この導波
管は、シリコン・ウェハ上に、透明エポキシであるポリ
マーを用いて作成される。この導波管は、５ないし７個
の空間モードをサポートするように選択されている。Ｈ
ｅ−Ｎｅレーザからの６３２．８ｎｍの光が、この円筒
内へ接線方向に結合される。円筒内に結合された光は、
内部全反射角に近い角度で円筒の表面の各点に入射して
、円筒内を循環する。この循環する光ビームは、入射レ
ーザ・ビームと導波管の間の内角αの様々な値で導波管
に結合される。特定のポリマー導波管では、光の結合は
４７°＜α＜９０°で発生し、α＝７２°付近で最大の
結合が発生する。この角度αは、外部にあるという幾何
学的な制約から、９０°以上に増やすことはできない。 １２５μのポリマー導波管を使用する場合、垂直平面内
の角度の許容範囲が０．０１７度であることがわかった
。シリコン上の０．５８μの窒化シリコン導波管では、
平面内結合角度の範囲は、６４°から７８°超の間であ
る。この結合は、円筒と導波管の間に印加される圧力に
対して敏感でない。

【００３２】

【発明の効果】本発明によって、球面要素の対称性を利
用した、製造が容易で、小型であり、実施の容易な光導
波管カプラの構造が提供された。

【００３３】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を説明するのに役立つ、平面導波管の概
略断面図である。

【図２】球面と接する光相互接続用平面導波管の概略断
面図である。

【図３】物理的には分離しているが、光学的には球面光
カプラによって接続されている、２つの平面導波管の概
略断面図である。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも２つの対向する平行な表面を有
   し、光周波数信号モードが前記表面からの内部反射によ
   ってその中をジグザグ経路で伝播することができる、厚
   さｈ、屈折率ｎｗの材料からなる少なくとも１つの第１
   の誘電性平面導波管手段と、光透過性材料からなり、前
   記平面光導波管手段と第１の所与の接触領域で接触する
   表面を有し、円形の断面を有し、光周波数信号モードが
   伝播することのできる屈折率ｎｓの材料からなり、前記
   光周波数信号モードがその表面からの内部反射によって
   その弦経路に沿って内部を伝播することのできる、結合
   要素とを含み、前記導波管手段内及び前記結合手段内を
   伝播可能な前記光周波数信号モードの前記内部反射が、
   前記所与の接触領域で漏れ出して、前記導波管手段内を
   伝播可能な光信号モードが、前記導波管手段及び前記結
   合要素に前記接触領域で出入りできるようになることを
   特徴とする、平面光導波管内に光周波数信号を結合し、
   平面光導波管から外へ光周波数信号を結合するための相
   互接続構造。
2. 【請求項２】前記結合要素が、円形の横断面を有する光
   透過性材料の球であり、かつ前記球に注入された光周波
   数信号モードが、前記球の弦に沿って伝播し前記球の表
   面から内部反射されることを特徴とする、請求項１に記
   載の相互接続構造。
3. 【請求項３】前記結合要素が、円形の横断面を有する光
   透過性材料の円筒であり、かつ前記円筒に注入された光
   周波数信号モードが、前記円筒の弦に沿って伝播し、前
   記円筒の表面から内部反射されることを特徴とする、請
   求項１に記載の相互接続構造。
4. 【請求項４】さらに、少なくとも２つの対向する表面を
   有し、光周波数信号モードが前記面からの内部反射によ
   ってその中をジグザグ経路で伝播することのできる、前
   記第１導波管手段と同じく、厚さｈ、屈折率ｎｗの第２
   の誘電性導波管手段を含み、前記第２導波管手段が、第
   ２の所与の接触領域で前記光透過性結合要素と接触する
   表面を有し、前記第２導波管内及び前記結合要素内を伝
   播可能な前記光周波数信号モードの前記内部反射が、前
   記前記第２の所与の接触領域で漏れ出して、光周波数信
   号モードが、前記第２導波管手段及び前記結合要素に前
   記接触領域で出入りできるようになることを特徴とする
   、請求項１に記載の相互接続構造。
5. 【請求項５】前記第１導波管手段内を伝播可能な前記光
   周波数モードを、前記第１の所与の接触領域での漏れ反
   射を介して、前記第１導波管手段から前記結合要素内に
   結合することができ、前記第２の所与の接触領域での漏
   れ反射を介して、前記結合要素から外へ結合することが
   でき、前記第２導波管手段内に結合することができるこ
   とを特徴とする、請求項４に記載の相互接続構造。
6. 【請求項６】前記結合要素の前記屈折率ｎｓが、前記第
   １導波管の屈折率ｎｗよりも大きな値であることを特徴
   とする、請求項５に記載の相互接続構造。
7. 【請求項７】選択された光周波数信号モードが、前記第
   １導波管手段の前記表面から、前記少なくとも２つの平
   行面に対して直角な法線に対してθ１の角度で反射され
   、前記導波管手段の前記結合要素に接触する前記表面の
   外部の屈折率がｎａであり、前記導波管手段の前記結合
   要素に接触していない他方の表面の外部の屈折率がｎｂ
   であり、λが、前記の選択された光周波数信号モードの
   真空中での波長であるとき、 【数１】 であることを特徴とする、請求項６に記載の相互接続構
   造。
8. 【請求項８】前記の選択された光周波数信号モードが、
   前記の少なくとも２つの平行表面に直角な法線に対して
   θ２の角度で前記結合要素に入り、θ２　　＝　　ｓｉ
   ｎ−１（Ｎ／ｎｓ）であることを特徴とする、請求項７
   に記載の相互接続構造。