JPH06503902A - 光学デバイス - 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】 光学デバイス 本発明は光学デバイスに係わる。更に特に、本発明は、ビーム分割機能及び／又 はビーム再結合機能を果たすためのデバイスに係わり、更に、そうした機能を使 用するデバイスに係わる。

集積光学系の新たに出現しつつある分野が、電子回路で使用される構成部品と類 似した幾つかの構成部品をもたらしている。

しかし、光信号分割機能及び光信号再結合機能は、効率的で安価で且つコンパク トな形態で実現されることが困難である。特許協力条約出願Ｎｏ　ＰＣＴ／ＧＢ 　８ｇ１００１２４　（１９８８年９月２２日付でＷＯ３８１０７１７９として 公開）は、光散乱測定用のデバイスに係わる。これは、ヘテロダイン光うなりシ ステムにおける光ビーム分割（ビームスプリッティング）と光ビーム再結合との ための、光フアイバ方向性結合器の使用を開示する。その構成は多重同時測定で は複雑になる可能性があり、この多重同時測定は光フアイバ結合器のカスケード 構成を必要とする。この構成は、安価でもなく、光の強さの伝送に関して効率的 でもない。

１９８９年６月　１日付でＷＯ３９１０４９８８として公開された特許協力条約 出願Ｎｏ　ＰＣＴ／ＧＢ　８８１００９２８に開示される種類の電気光学ビーム 誘導デバイス（ｅｌｅｃ＋ｒｏ−ｏｐｔｉｃ　ｂｅｓｍｌｌｅｅｒｉｎｇ　ｄｅ ｔｉｃｅ）において、多方向ビーム分割の必要性が特に生じる。このデバイスは 、積層半導体構造物内に形成された電気光学材料の並列導波路アレイから成る。

これらの導波路は、印加電気バイアスによって制御される光路長を有する。その アレイは、適切な印加バイアス条件によって誘導可能な１つの共通出力ビームを 与える。この種のデバイスは、単一の光源からの光が、各々の導波路への入力の ために複数の（例えば１０つの）等しい強さのビームに分割されることを要求す る。このことは、積層半導体構造物に適合可能な多方向ビーム分割器の使用を必 然的に含む。そうしたビーム分割器は、現時点では入手不可能である。

米国特許第３．８３２．０２９号において、及び、’ｌｍＢｅ　ＦｏｒＩＪｆｉ ＯｓＵｓｉｎｇ　Ｓｅｌｆ−ｉｍｔｇｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｉｑｗｅｚ　（自己結 像技術を使用する画像形成）、ＩｏｕｒＩｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｏｐ口ｃｔｌ　５ ｏｃｉｅ１７　ｏｆ＾１ｅｖｅｌ。

マｏｆ　６３．　Ｎｏ　４．　＾ｐａｉｌ　＋９７３．　ｐｉｅ　４１６−４１ ９において、ＯＢ＋ｙｎｇｄｓｈｌは、対称なオブジェクトの自己画像（Ｉｅｌ ｌ−ｉｓｌｅ）を生じさせるための、正方形横断面の光トンネル（ｏｐｌｉｃ＠ １ｔａｎｎｅｌｌの使用を説明する。０が整数であり、ｄがこのトンネルの幅で あり、且つλがこのトンネル内の光の波長である場合に、このトンネルは長さし ・０Ｆ２ｄ２／λ）である。両方の引例では、上記の長さ以外の長さにおいて多 重自己画像が得られることが可能であるということが示唆される。Ｖとマが共通 因子を持たない整数である場合に、これらの長さはＬ・（ｎ　＋　Ｖ／マ）２ｄ ２／λである。しかし、上記の引例は両方とも、必要とされる数の自己画像を得 るためには、どんな長さのトンネルが必要であるかを開示していない。

しかし、ビーム分割機能とビーム再結合機能と干渉計機能とを与えるために、そ の自己結像作用において長方形導波路を使用することが知られている。これは、 Ａ　５ｉｉｏｎとＲ［ｌ１ｒｉｃｈによって、Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｕｉｅｓ　 Ｌｅ口ｅｒ３　ｙｏｌ　３１．　Ｎｏ　２．　Ｊｕｌｙ　１５゜１９７７、ｐｐ ７７−７９において開示される。このデバイスは、長方形の横断面を持つ導波路 壁として配置される４つの光学研磨ガラスブロックを有する。その導波路のアス ペクト比（幅；高さ）Ｗ　／Ｗ　はｆ２である。その導波路は、全反射（鏡）側 壁を有Ｙ　！ し、空心になっている。その導波路は、（コア屈折率が１である場合に）長さし ・４Ｗ　２／λである。その導波路は、その−！ 方の端部において、照明された試験物体からの光を偏心位置に受け、その後の出 力のために、その導波路の他方の端部に２つの偏心画像を生じさせる。この偏心 した入力は、出力画像の重なり合いを防止する。これはビーム分割器機能である 。ビーム結合器機能は、その導波路の一方の端部における２つの偏心画像が、そ の他方の端部における２つの偏心出力画像に変換されることから成る。その２つ の入力画像が同位相であるならば、その２つの出力画像の一方は暗い。その２つ の入力画像が互いに位相が異なっているならば、その出力画像の両方が非ゼロの 光の強さを有するだろう。ビーム結合器は、２つの入力ポートと２つの出力ポー トを有するビーム分割器に相当する。その干渉計機能は、２つの導波路、即ち、 ビーム分割器とビーム結合器とを直列に並べることによって生じさせられる。上 記のデノくイスは、英国特許第１５２５４９２号においてＲ１目ｃｂによっても 説明されており、この特許文献は、他の幾つかのデノくイスも説明している。こ れらのデバイスは、拡大又は縮小を得るための様々な横断面の多モード導波路を 使用するデバイスを含む。

容認可能な性能を得るために、ＲＵｌ＋ｉｃｈによって説明されるデバイスで使 用される導波路は、約５０つのモードをサポートすることが必要とされる。この ことは、その導波路が、高次数モードの閉じ込めを生じさせるために、高いコア 屈折率を有することを必要とする。液体充填された導波路が使用されてもよい。

しかし、こうした液体充填導波路は物理的に取扱い難い構造である。これらの液 体充填導波路は、半導体リソグラフィーのような積層技術に対して特に適合可能 なコンパクトな構造を生じさせるという問題を解決しない。

光ビームを分割し再結合することに関する問題点は、ｔｈｅＰｒｏｃｅｅｄｉｎ ｇｓ　ｏｌ　ｔｈｅ　Ｅｕｒｏｐｅａｎ　Ｃｏｎ１ｅｔｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｑｐｔ ｉｃｔｌＣｏｍｍａａｉｃｇｔｉｏｎｓ　Ｇｏｊｂｅｎｂｅ＋ｇ、Ｓｗｅｄｅｎ 　１９８９１こおいてＡＦｉｅｌｄｉｕ他によって提出されている。これらの著 者は、ツリー型光結合器（ｔｒｅｅ　ｏｐｌｉｃｓｌ　ｃｏｕｐｌｅｒ）とスタ ー型光結合器（＋ｌｔ＋　ｏｐｌｉｅｓｌ　ｃｏｕｐｌｅｒ）とが光通信におい て重要な構成要素であるということを指摘する。１つ以上の人力光ファイバから の光出力を受けるために、及び、幾つかの出力光ファイバの間に光を分割するた めに、環状導波路が使用された。入力ファイバと出力ファイバは、この環状導波 路の環状空間の周囲に配置された。入力ファイバと出力ファイバとは、各入力フ ァイバが、各出力ファイバ開口を中心とした光点パターンを発生させるように配 置された。このことは、入力光の強さを出力ファイバ間に分配することを可能に した。しかし、そうした環状導波路システムは、そのアラインメントが時間を要 する調整を必要とするが故に、製造が困難である。この場合にも同様に、その構 造は、半導体加工で使用されるような積層技術に適合できない。

’？＋ｇｉｗｅ　Ｐｔｔｈｓ　ｆｏｒＮｅｔｗｏｒｋｓ　（ネットワークのため の受動経路）　”　Ｐｈｙ＋ｉｅｓ　Ｗｏｔｌｄ、　Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ　１９ ９１．　ｐｐ　５Ｇ−５４において、Ｔ　ＩｋｅＨｉｉ　とＭ　Ｋｔｗ＊ｅｈｉ は、受動的なビーム分割及び再結合デバイスの現在の技術水準について論評して いる。彼らは、ビーム分割器とプリズムのような大型デバイスについて簡潔に論 じる。彼らは、溶融ファイバ結合器（ｆａｓｅｄ　ｆｉｂｒｅ　ｃｏｏｐｌｅｔ ）のようなファイバデバイスに移る。しかし、彼らは、そうした大型デバイスと ファイバデバイスとは、低い生産性と、安定性の欠如と、光学回路の集積化への 適合性の低さという欠点を有すると述べている。更に、彼らは、様々な形状のブ レーナ形導波路デバイスを論じる。これらのプレーナ形導波路デバイスは、１組 のＹ接合点（Ｙ−ｉｕｎｃｔｉｏｎｌから成るビーム分割デバイスを含むが、し かし、同様に、これも低効率という欠点を有する。彼らは、８つの入力導波路と 、１２つのダミー人力導波路と、１つの平板導波路と、８つの出力導波路と、１ ２つのダミー出力導波路から成る、８×８スタ一型結合器も説明する。このスタ ー型結合器は、８つの入力を受け入れ、これらの入力を混合し、これらの人力を ８つの出力導波路に均等に配分する。更に、スター型結合器は、１つの入力を受 け入れて、その入力を８つの出力導波路の間に均等に配分することも可能である 。ダミー導波路が、入力導波路と出力導波路との両側に配置される。ダミー導波 路は、中心に位置した入力導波路及び出力導波路と同一の条件を周辺の入力導波 路及び出力導波路に与えるために、必要である。このデバイスは、５■×２６１ １ｍのＳｉ基板上に作られる。

このデバイスは、８　ｄＢの開存結合損失に加えて、１．４２　ｄＢの平均過剰 損失を示す。０．４１ｄＢの標準偏差を示す結合の均一性は、適切であると主張 されている。

レーザのような能動光学デバイスにおいて、複合的な光ビーム再結合／分割構造 を使用することも知られている。英国特許第１５２５４９２号でＲＵｌｒｉｅｈ は、幾つかの類似したレーザ共振器デバイスを説明している。そうしたデバイス の１つは、その両端に平面鏡を存する長さＬ・４Ｗ　２／λの導波路から成る。

！ その空洞のモード制御は、互いを映し出すように配置された複数の小型の平面鏡 を使用することによって改善されることが可能である。これらの鏡の大きさは、 スプリアス光を反射せずに、被形成画像を反射するのに十分な大きさである。説 明された別の代替案は、その一方の端部に１つの平面鏡を有し、且つその他方の 端部に２つの小型の開口付き平面鏡を有する、長さ　Ｌ／２の導波路を含む。こ れらの開口付き鏡は、互いを映し出すように配置される。これらのデバイスは、 前述のＵｌｒｉｅｈのデバイスと同じ欠点を有する。

＾ｐｐｌ、　Ｐｈｙ＋、　Ｌｅｆｔ、　５５（１９１，６１ｂ　Ｎｏｗｅｍｂｅ ｒ　！９８９．　ｐｐ　１９４９−５１において、Ｍ　Ｉ＊ｎ５ｅｎ他は、周期 的アレイの形のモノリシック集積レーザダイオードｆｍｏｎｏｌｉｌｈｉｅｘｌ １７　ｉｎｌ！！ｒｓｊｅｄ　Ｉｅｓｅ＋ｄｉｏｄｅ）　と自己結像７１１ｂｏ ｌ空洞とを組み込んだレーザデバイスを説明する。このデバイスは、横断方向に 配置され且つ周期的に間隔が置かれた光源アレイが、量＋　＋　（＋＋はＴｔｌ ｂｏｌ長さである）の倍数である距離において周期的に再結像する、Ｔ＊１ｂｏ ｌ効果を使用する。これは、アレイの周期性の平方に比例する。

アレイ光源の出力が同位相であるということ、又は、隣り合う出力が互いに逆相 であるということが、必要条件である。

Ｉｘｎｉｅｎ他は、ｚ１／２の長さの丁５ｌｂｏｌ空洞に光学結合され且つ襞間 端面を有する、リニア並列ダイオードアレイを開示する。この端面における反射 は、Ｔｓｌｂｏｌ空洞の二重通過と光学長さ　２゜とを生じさせる。このことは 、ダイオード出力が、Ｔ＊１ｂｏｌ空洞内での混合後のフィードバックによって 、そのダイオード出力自体の上に再結像されることを可能にする。更に、Ｔｔｌ ｂｏｌ空洞は、動作基本モードに最も近い高次数モードを濾波して排除する。空 洞フィードバックは、そのアレイ要素を強力に結合させ、単−縦モード動作を生 じさせる。このフィードバックが、Ｔ＊１ｂｏｌ効果が必要とするアレイ要素間 の位相関係をも与えると考えられる。しかし、この構造は、フィードバックデバ イスであルカ故に、単経路多方向ビーム分割（ｔｉｎｇｌｅ　ｐｅｓ＠ｍａｌｌ ｉｖＢｂｅｇｍ＋ｐｌｉｔｆｉｎｇ）には不適切である。更に、レーザ導波路に 加えてＴｒｌｂｏｌ空洞内においても電流が必要とされる。この電流は、空洞の 透過性のために必要とされる。従って、このデバイスは受動デバイスではなく、 受動的なビーム分割及び結合の用途には不適切である。

ビーム分割機能及び／又はビーム再結合機能のための別の形態の光学デバイスを 提供することが、本発明の目的である。

本発明は、多モード導波路を含む光学デバイスを提供し、この光学デバイスは、 （暑）基本モード動作に適合した第１の結合導波路が、前記多モード導波路の横 断面の中心において、前記多モード導波路に接続（ｐｏｒｔ）され、 （ｂｌ　各々に基本モード動作に適合した少なくとも２つの第２の結合導波路が 、接続中心（ｐｏｒｔ　ｃｃ＋＋ｔｒｅｓ）が前記多モード導波路の横断面上に 互いに間隔を置いて前記多モード導波路に接続され、 （ｃｌ　前記結合導波路及び前記多モード導波路の相対寸法と相対位置決めとが 、前記第１の結合導波路の同位相の対称基本モードとして伝搬する放射が前記多 モード導波路の対称モードだけを励起するような相対寸法と相対位置決めとであ り、前記多モード導波路内でそのように励起されたモードが、前記多モード導波 路内の放射経路に沿ったモード分散によって、前記第２の結合導波路内々の基本 モードを励起する。

本発明は、第１の結合導波路から第２の結合導波路の各々に光信号が伝送可能で あるという利点を有する。適切な整相（ｐｉ＆ｔｉｌ）によって、第２の結合導 波路内の光が、第１の結合導波路内で再結合されることが可能である。従って、 本発明は、ビーム分割機能とビーム再結合機能が可能である。更に、第１の結合 導波路と第２の結合導波路の基本モード動作と、これらの導波路の間のモードの マツピング（Ｉｐｐｉｎｇ）　とによって、そのデバイスを通しての光伝送は、 類似の従来技術のデバイスよりも効率的である。試験は、１一対−２方向ビーム 分離器において７５％以上の効率が得られることが可能であるということを示す 。

ＦｉｅｌｄｉＢ他は　１４．３ｄＢの挿入損失を示し、この挿入損失は４％未満 の効率に相当する。更に、多モード導波路における対称モード励起に対する制限 によって、この導波路は、例えばＬｌｌｒｉｃｈの従来技術の導波路よりもはる かにコンパクトである。（同じ導波路媒質を有するデバイスに比較して）係数４ の長さ縮小が得られることか可能である。更に、本発明は、それが積層構造技術 の形で実現可能であるという別の利点を有する。これらの構造は、Ｃ０２レーザ 放射のための中空アルミナ導波路と、近赤外放射のための半導体材料で形成され たりフジ形導波路（「ｉｄｇｅｖｔｖｅｇａｉｄｅ）を含む。

各々の結合導波路は、その導波路がより高次数のモードをサポートしないことに よって、基本モード動作に適合させられることが可能である。或いは、各々の結 合導波路は、より高次数のモードを維持することも可能である。この場合には、 各々の導波路は、その導波路の基本モードだけを励起する形で入力放射を受け取 ることによって、基本モード動作に適合させられる。

本発明は透過デバイスであってもよく、その多モード導波路は縦方向の光路を有 する。この場合には、第１と第２の結合導波路が、多モード導波路の互いに反対 側の縦方向端部領域の各々に接続される。或いは、本発明は反射デバイスであっ てもよく、この場合には、第１と第２の結合導波路のどちらか一方に放射が入力 され、多モード導波路内の反射手段によってその他　一方に反射される。この反 射手段は逆反射であってもよく、この場合には、第１と第２の結合導波路が、多 モード導波路の共通の縦方向端部領域に接続される。

好ましい実施例では、本発明は長方形横断面の多モード導波路を使用する。この 横断面は一定不変であってよく、又は、その代わりに、縦方向のテーパを有して もよい。その多モード導波路は、１つの横断方向における基本モード動作と、対 角線方向の横寸法における多モード動作とに適合させられることが可能である。

この場合には、多モード導波路と結合導波路は、概ね共面で平行な中心軸線を有 する。しかし、本発明は、平行性と共面性からの僅かな逸脱によって大きく悪影 響を受けることはない。本発明は、１一対−Ｎ方向ビーム分割器（Ｎ・１．２， ３．、、、）として構成されることが可能である。この場合、多モード導波路は 長さ　４Ｍｂ２／　Ｎ　λであり、この２ｂはそ多モード寸法における多モード 導波路幅であり、輩は「その第２の端部領域の幅」：「その第１の端部領域の幅 」の比率であり、λは多モード導波路内の光学動作波長である。多モード導波路 の第２の端部領域は、第２の結合導波路の各々に共軸接続されたＮつの対等な横 断方向区画に概念的に分割される。

さて、以下では、本発明がより詳細に理解され得るように、本発明の実施例が、 次の添付図面を参照して非限定的な例として説明されるだろう。

図１は、ビーム分割器の形の本発明の光学デバイスの斜視図である。

図２と図３は各々に、図１における線■−■と線■−■に沿った断面図である。

図４と図５は各々に、図１における、多モード中心導波路のアスペクト比に応じ た相対モード振幅及び強さを示す。

図６は、より低次数の様々な導波路モードに関するモード振幅分布を示す。

図７と図８は、様々な断面の多モード導波路に沿った位置に応じた電界の強さの 変化を示す。

図９は、図８の電界の強さの分布の各々に沿った位相変化を示す。

図１０は、Ｍｘｃｂ−２ｅｔ＋ａｄｅ＋干渉計の形状にされた本発明の光学デバ イスの平面図である。

図１１と図１２は、様々な入力位相条件に関する図１０の干渉計の一部分におけ る電界の強さの分布を示す。

図１３と図１４は、リッジ形導波路の形に形成された本発明の光ビーム分割器を 斜視図の形で示す。

図１５は、先細の多モード導波路を含む本発明のビーム分割器を示す。

図１６は、図１３〜【５のビーム分割器に類似したビーム分割器を使用して得ら れた結果を示す。

図１７は、２次元のビーム分割を与える本発明の別の形状のビーム分割器を概略 的に示す。

図１８は、図１７の線ｘｖｍ−ｘｖｍに沿った断面図である。

図１９と図２０は各々に、レーザの形に作られた本発明の光学デバイスの略断面 図と略側面図である。

図２１は、複合多モード導波路を含む本発明の更に別の実施例の略断面平面図で ある。

図２２は、本発明の３つの１一対−２０方向ビ一ム分割器から得られた結果を示 す。

図２３は、本発明のＭｘｃｂ−２ｅｈｎｄｅ＋干渉計から得られた結果を示す。

図１を参照すると、この図には、全体的に参照符号１０で示されるビーム分割器 の形の本発明の光学デバイスの斜視図が示されている。ビーム分割器１０は、連 続して配置された３つの層即ちｔｔｚｌｇ　（水平層）を含み、これらの層の中 の基板１２と導波路層１４が実線で示されている。被覆層の位置は点線１６で示 される。

導波路層１４は、次のような中空導波路を画定するように（描影法によって示さ れる）その全厚さに亙って溝を付けられている：入力導波路１８、中央導波路２ Ｇ、左出力導波路２２、右出力導波路２４゜この中央導波路２０は、２５のよう な反射側壁を有する、一定不変の長方形断面の導波路である。この中央導波路２ ０の高さは２工であり、幅は２ｂであり、長さしであり、これらの寸法の各々は 、参照符号２８で示される１、Ｔｓ！デカルト座標の各々に平行である。これら の中で、！は垂直であり、Ｙと！は水平である。パラメタｒ、ｂｌＬは、一般性 を維持するように使用され、その具体的な値は後述される。しかし、この例では 、ｂ〉２１である。

入力導波路１８と出力導波路２２．２４とは、辺２！の正方形の断面を有する。

入力導波路１８と中央導波路２０とは、π方向に延在する共通の中心縦軸線３０ を共有する。出力導波路１ｇ、２２は各々に、軸線３Ｇに対して平行であり且つ Ｙ！平面内において軸線３０の両側にずれている軸３２．３４を有する。入力及 び中央及び出力導波路１８〜２４の各々は、２つの水平壁と２つの垂直壁とを有 する。

さて、上記の諸部分が同じ参照符号で示されている図２及び図３も参照すると、 これらの図には、各々に矢印３６と矢印３８との方向で見た場合の、線■−■と 線ｍ−■とに沿った断面図が示されている。両方の場合とも、その断面は２軸に 対して垂直である。図２は、入力導波路１８がそこで中央導波路２０の中に合体 する入力導波路１８の出口開口４０を示す。開口４０は、中央導波路２０への入 力ポートとして働く。図２の点線領域４２は、導波路層１４内に形成された中央 導波路２０の垂直な入力端壁を示す。中央導波路２０の側壁は参照符号２５で示 される。開口４０は、端壁４２内に対称に配置され、その中心は、側壁２５から 距離すを置いて軸線３０上にある。

図３は、出力導波路２２．２４の各々の入口開口５０．５２を示す。

開口５Ｇ、　５２は、中央導波路２０の出力ポートとして働く。これらの開口は 、中央導波路２０の出力端壁５４内に位置する。開口５０゜５２は各々に軸線３ ２．３４上に中心を置き、軸線３２．３４は各々に、各側壁４４と中央導波路軸 線３０とから距離ｂ／２だけ離れて位置させられる。従って、軸線３２．３４は 、互いに距離すだけ離れている。このことは、出力導波路の開口又はポート５Ｇ 、５２　（及び、軸線３２．３４上のこれらの開口の中心）を、中央導波路２０ の断面の各半分部分の中に対称的に配置する。これらの半分部分は、中実軸線３ ０を通る垂直平面によって画定される。従って、軸線３２．３４上のボートの中 心は、中央導波路２０の横断面の（空間的意味で）７寸法に沿って周期的に配置 される。

さて次に、ビーム分割器ＩＯの動作が一般的に説明されるが、より詳細な理論的 分析は後で示される。入力手段（図示されていない）によって与えられる光ビー ムが、入力導波路１８の中に結合される。そのビームは、２ｂ２／Ｌに等しい波 長λを有する。

このビームは、導波路軸線３０に平行に方向付けられ、入力導波路の横断面の全 体に亙って定位相である。このビームは、両方の横断寸法に、即ち、横断水平寸 法と横断垂直寸法において、半波正弦状の強さ分布を有する。従って、このビー ムは、入力導波路１８の基本Ｅｆｌｔｔモードだけを励起する。当然のことなが ら、入力導波路１８は、異なった入力励起によって、より高次数のモ−ドＥｌ＋ 　（■及び／又はｎは１より大きい）を維持することも可能である。従って、導 波路１８は、基本モードだけを励起する放射源と共に使用されることによって、 基本モード動作に適合させられる。更に、代替案として、基本モードだけを維持 する単一モード入力導波路を使用することも可能である。

入力導波路１８内での基本モード伝搬は、正弦関数の半周期（Ｏ〜π）の形の、 この導波路に亙っての電界分布を生じさせる。

導波路出力開口４０では、この電界分布は軸線３０を中心としている。この電界 分布は、水平横断Ｙ方向において多モードデバイスである中央導波路２０の対称 モードＥＨ５Ｉ、　（Ｑが奇数）を励起する。垂直方向、即ちＹ方向では、中央 導波路２０は基本モードだけで動作する。入力カリ＆）共軸であり、（ｂ）基本 モードであり、且つ（ｃ）入力導波路開口４０の全体に互って定位相であるが故 に、多モード導波路２０の非対称モード（ｎが偶数）は励起されない。軸線３０ 上に中心を置いた開口４Ｇにおける電界分布は、これらのモードの線形和に分解 される。これらのモードは、中央導波路２０内において軸線３０に沿った２方向 に様々な伝搬定数を有する。従って、！！平面に対して平行な平面内の電界分布 は、２方向において変動する。この変動の故に、開口４Ｇの平面内の電界分布は 、中央導波路２０の長さに沿って、出力導波路２２．２４の各々の入口開口５０ ．５２における２つの同一の電界分布に、変換されるようになる。これらの分布 は、各々の出力導波路軸線３２．３４を中心とする。出力開口５０．５２の間と 、側壁４４と出力開口５０．５２との間の、端壁５４の領域内においては、電界 は概ねゼロである。

開口５０．５２における電界分布の各々は、その関連した各々の出力導波路２２ 又は２４の基本Ｅ　Ｈ１ｉモードを励起する。従って、中央導波路２０内の放射 は出力導波路２２．２４の中に効率的に結合され、出力導波路２２．２４は単一 モード（基本モード）デバイスとして動作する。入力導波路１８に向かっての端 壁５４からの放射の著しい反射はない。従って、中央導波路内でのモード相互作 用を変化させる逆方向伝搬なしに、放射が、入力導波路１８から中央導波路１８ を通って出力導波路２２．２４の中に単一方向に伝搬する。従って、ビーム分割 器１０は、入力導波路１８に加えられる入力放射ビームを、出力導波路２２．２ ４から出て行く２つの出力ビームに分割する。中央導波路２０のモード構造が、 一方の端部４２における単一の基本モードの電界分布を、他方の端部５４におけ る２つの別々の類似した分布に変換するが故に、このビーム分割が起こる。これ は、より一般的な現象の具体例であり、中央導波路の軸線上の平面波の励起と、 次式で与えられる、中央導波路長さしと波長λとの間の上記の関係との故に、こ れが生じ、し・２ｂ２／λ　（１） 前式中のｂは中央導波路の１／２幅である。

後述されるように、中央導波路長さしの変化と、中央導波路に対する入力の位置 と形状の変化とが、放射分割効果を変化させる。

さて、長方形導波路の理論的な伝搬特性が分析されるだろう。

その導波路が高さ２１と幅２ｂを有し、複素誘電定数εを有する均一な誘電材料 に境を接しているということが仮定される。更に、（導波路壁を与える）この誘 電材料が高い反射性を有し、必要とされる伝搬モードに対して減衰をさほどもた らさないということも仮定される。その導波路は、Ｉ軸、ｙ軸、！輪に対して各 々に平行である高さ寸法と幅寸法と長さ寸法を有する。この導波路は、種類ＥＦ Ｉ　の直線偏光モードを既に正規化した。点ＣＩ。

！Ｉｎ ７、＋ｌにおけるｉｎ次のモードＥｌ　の電界寄与Ｅ（ｔ、７．ｔ）が、ｓｎ　 ｉｎ ｎ次式ノウウニＡｐｐｌ、　Ｏｐ＋、Ｖｏｌ、１５．　Ｎｏ、５．　ｐｐ　１３ ３４−１３４０゜Ｍｇ２１９７６においてＬ１ａｋａｓ＋＋ｎ他によって計算さ れた。

前式中で、１は、！軸に沿った電界依存性に関するモード数であり、 ｎは、Ｙ軸に沿った電界依存性に関するモード数であり、２は、Ｉ紬に沿った距 離であり、 Ｙｆｆｉｌｌ”　（β、＋ｌα、。）は、！Ｉｎ次モードの伝搬定数であり、β 、。とα、。はｍｎ次モードの位相係数と減衰係数であり、ｒ＋ｉｎＪの上のｒ ｃｏｓ　Ｊは、ｌ”ｃｏ＋Ｊが偶数モード数（場合に応じてＩ又は口）に対して 適用され、ｒ＋ｉｎ　Ｊが奇数モード数に対して適用されることを示している。

位相係数β　は次式で与えられる。

方程式　（３１）の括弧内の頁順が、実際に満たされる１（近軸放射近似値）に 比べて小さいならば、二項定理が方程式（３１）を次式のように書き直すために 使用されることが可能であり、前式中で暑、ｂｓｃｓｍｓＱは上記で定義された 通りであり、λはその導波路内を伝搬する放射の自由空間波長である。

方程式（２）は、長方形導波路の全ての直線偏光モードから得ることが可能な電 界寄与を提示する。各モードの電界寄与（ｅｌｅｅｌｒｉｃｌｌ　ｆｉｅｌｄ　 ｃｏｌ＋１ｂａｌｉｏｎｌ　が、その導波路の側壁において、即ち、軸線３０上 で７＝Ｑである場合に７　＝　＋ｂ及び−ｂにおいて、ゼロであるということに 基づいて、この方程式が計算される。このことは、中央導波路が反射性の側壁２ ５を有する場合に満たされる。必ずしも全ての中央導波路モードが所与の入力に よって励起される必要はない。図１〜３のビーム分割器１０の場合には、入力導 波路１８と中央導波路２０の高さは一致させられ、２１に等しい。入力導波路１ ８は、その基本モード即ち最低次数のモードＥＨｔｔの形の励起を与える。この 励起は長方形導波路２０の様々なＥ）Ｉ　モードに結合される。従って、入力Ｅ Ｈ１，％　−ｎ ドは、Ｅｌｌ　モードと各々の複累乗法係数人　との線形結合に分１１ｎＩＩＩ ｎ 解されるようになる。これは次式で表され、ＥＨ〒、　、ΣＡｌ１Ｉｎ　、　− １Ｑｊｌ　（４１実質的に、振幅結合係数＾　は、入力導波路開口４ｏにおける ｎ 電界を表すフーリエ級数の係数である。Ｅｌｆ　モードは相互に直ｎ 交し、従って、係数人　は、次の形の重複積分から計算されることが可能である 。

方程式（２）〜（５）から、励起長方形導波路モードの振幅係数が、中央導波路 幅と入力導波路幅の比率ｂ／ｌに応じてどのようじたＡ　の変化、即ち、中央導 波路の「幅、高さ」の比率を変ＩＩＩ 化させる効果を示す。図５は、出力結合を示す、１　＾　１２の場合の同等物を 示す。図４は、ＩＮ”ｌ且っ０が奇数の時を除いて＾　・０であることを示す。

これは、その励起条件の対称性Ｎ に起因する。従って、励起されるモードは、対称モードＥＨ，。

Ｅ　Ｈｔ　３、Ｅｌｌ５等だけである。

図６には、より低次数のＥＨ導波路モードの幾つかの形状がｌｌ 電界振幅分布として示されている。これらの分布は計算によって得られ、擬３次 元的な形でグラフＡ〜Ｆとして示されている。

便宜上、Ｇに示される座標軸は、図１の軸線３０に関して回転させられている。

軸！％Ｆ、！は、前述のように、多モード導波路２０における横断垂直方向と横 断水平方向と縦方向とに相当する。グラフ八〜Ｆは、次のモードに相当する。

Ａ：　Ｅｌ（、ｌＢ：　ＥＨ２，Ｃ：　Ｅ１１３１Ｄ　：　Ｅｌｆ１２Ｅ　：　 Ｅｌ１１３Ｆ　：　Ｅｌｌ２２これらの中で、Ａ、ＣＳＥは対称モードであり、 Ｂ、０１Ｆは反対称モードである。これを明確にするために、Ｅ（１）とＫ　（ −ｘｉの各々が、図１の！軸の正部分と負部分に各々に関連付けられた電界振幅 分布であり、Ｅ（！＝０）がＸ軸３０上にあるとする。

Ｅｌ）とＥ　［−ｒ）が、Ｙ軸に関するその同等物であるとする。

対称モードの場合には、 Ｅ　（Ｅｌ　＝　Ｅ　Ｃ−Ｅｌ　且つ　Ｅ（ｙｌ　＝　Ｅ（−ｙ）　（６，１） 反対称モードの場合には、次の（６，２）又は（６，３＋のどちらか一方が当て はまる。

Ｅ（＊）　＝−Ｅ（−Ｅｌ　（６，２）ＥＤ）　＝　−Ｅ（−ｒ）　（６，３） ビーム分割器１０内では、本発明によって、基本（対称）モ−ド入力が、多モー ド導波路の対称モードだけが励起されることを可能にする。

入力開口４０から距離２にあるＢ平面内の横断方向電界分布は、次式で与えられ る　Ｅ　であり、 Ｅ　＝Σ　＾　・ＥＦＩ　（７） ！　−ｎ　■韮 入力開口４０から距離２にある！Ｔ平面内の電界の強さの分布は、方程式（７） の絶対値又は量の平方であるＩ　Ｅ　１２である。

ＩＥＩ２は、ｂ／８の２つの値に関して、中央導波路２Ｇに沿った距離２に応じ て計算された。両方の場合とも、中央導波路幅（２ｂ）は３■であり、その高さ く２Ｍ）は一方の場合には１■であり、他方の場合には０．５Ｉｌ１ｍである。

これは、ｂ／＊　＝　３　とｂへ＝６とに相当し、その計算結果が図７と図８の 各々にグラフで示されている。図７と図８は、中央導波路２０に沿った一連の　 寡の値の各々に関して、中央導波路に沿った位置！に応じた電界の強さ　１・Ｉ ＥＩ２を示す。両方の場合とも、その計算は、１０．５９　ミクロンの放射波長 （ＣＯ２レーザ）と、方程式（１）で与えられる４２５■の中央導波路長さしと に基づいている。

図５に示されるように、ｂ／！＝３である時には、モードＥＪｔ、Ｅｌ（１３、 Ｅ　Ｈ１ｓ、ＥＨ１１７だけが励起され、これらは各々に近似相対出力０５２． ０．３３．０１３．０，０２を有する。ｂ／ｓ・６である時には、モードＥＨ１ ＋〜”１．１３が励起され、これらは各々に相対出力０．２７〜０．０２を有す る。

図７では、最初の中心極大６０が、図１と図２の入力導波路開口４０における電 界の強さの分布Ｉを示す。この点（Ｉ＝Ｏ）において、モードＥＲＩＩ””’　 ＥＨ１１７は、互いに同位相であり且つ極大６０を生じさせるために積極的に干 渉する電界を生じさせる。中央導波路２０の長さを下るにつれて、即ち、Ｉが増 大するにつれて、モードＥｌ’ｌｔ＋−ＥＨｔ７は互いに同位相ではなくなる。

これは、位相係数β　と従って伝搬定数Ｙ　とがモード数１とｎに依存してＩＩ ｎ　ｍｎ いる、方程式＋２１　、（３）の結果である。

従って、これらのモード電界寄与の変化の空間比率（＋ｐｓｌ目１ｒ１１ｅ）は 、２軸３０に沿って、即ち、中央導波路２０の軸方向に異なる。これは、モード 電界寄与の間の干渉の形を変化させ、横断方向に延びる様々な電界の強さの分布 を生じさせる。これらの分布は、２の各々の値における！！平面内の６１．６２ のような曲線によって示される。導波路２Ｇに沿った約２／３の距離においては 、その電界の強さの分布は、３つの類似した極大を有する曲線６３によって表さ れる。導波路２０の端部では、その強さの分布は、２つの明確に分かれた極大５ ４＊　、　６４ｂを有する曲線６４によって示される。極大６４１　、６４ｂは 、出力導波路２２．２４の入口開口５０．５２の中心に位置している。これらの 極大は互いに同位相であり、各々が、それに関連した出力導波路２２．２４各々 の基本モードを励起する。

計算は、曲線６０によって示されるように入力導波路１８から中央導波路２０へ の、及び、曲線６４によって示されるように中央導波路２０から出力導波路２２ への、効率的な放射結合があるということを示す。導波路端壁５４の位置に相当 する区画６４ｅ　、　６４ｄ　。

６１ｅにおいて、曲線６４はゼロになる。従って、端壁５４においては、反射に 利用できる強さはない。更に、極大６４＊　、６４ｂが、各々の出力導波路２２ ．２４の基本モードを励起するが故に、入力導波路１８に向けて反射される波を 発生させる不整合がない。従って、導波路１８〜２４に沿った減衰が僅かであり 、即ち、Ｉ・１且つ　０・１．３．５．７の場合のα　が非常に小さいと仮定す ｍｎ るならば、入力導波路１ｇ内の放射は、出力導波路２２．２４の両方に効率的に 均等に結合される。従って、ビーム分割器１Ｇは、ｂ／１が３である時に良好な ビーム分割特性を有する。

さて、図８に目をやれば、この図は、前述のようにその導波路の横断面アスペク ト比ｂ／１が６である時の、中央導波路２０の長さに沿った横断方向の電界分布 を示す。図５に示されるように、ｂ／１を（図７の場合のような）３から（図８ の場合のような）６に増大させる効果は、中央導波路モードＥＨｔｔ、ＥＨ１１ に結合される出力を減少させ、且つ、モード”１５”　１．１３に結合される出 力を増大させることである。より高次数のモードがより多くの出力を受けるが故 に、図８における構造と定義の度合いは、図７のそれらより増大させられる。図 ８では、開口４０の平面内の電界分布は、単一の極大７０１を有する曲線７０に よって示される。前述されたように、異なるβヨーを有するモードＨｌｌｌ〜Ｅ ｌ’ｌ　の故に、横断方向の電界の強さの分布は、中央導波路１．１３ ２０に沿った距離：に応じて変化する。曲線７１〜７５は、概ね等しい形状と大 きさの複数の極大へ電界の強さが分割される位置を示している。曲線７１．７２ ．７３．７４．７５は各々に、６つの、４つの、３つの、５つの、２つの極大を 有する。特に、曲線７３は、明確に画定された３つの極大？３！　、？３ｂ　ｓ 　７３ｃを有する。曲線７１〜７５は各々に、前述のようにＬが中央導波路の長 さである場合に、入力導波路開口４０からの距離Ｌ／３、Ｌ／２．２Ｌ／３．４ Ｌ１５、Ｌに位置している。これらの長さは、２Ｌ／６．２Ｌ／４．２Ｌ／３． ４Ｌ１５．２Ｌ／２と表されることが可能である。従って、極大の数と距離との 間には逆関係がある。

中央導波路２０は、曲線７５の極大７５ｔ　、７５ｂからの放射を受けるように 配置された出力導波路２２．２４を有する。代替案のデバイスは、より短い中央 導波路を使用し、曲線７１〜７４のいずれか１つの曲線の各々の極大に位置させ られた１組の出力導波路を有することが可能である。このことは、Ｎ＝６．４． ３、又は５である場合に、　１一対−Ｎ方向ビーム分割を可能にするだろう。

［対−Ｎ方向の放射ビーム分割のための複数の入力導波路と出力導波路を有する ことも可能である。例えば、３つの入力導波路が、曲線７３上の極大の位置に中 心を置いて配置され、且つ５つの出力導波路が、曲線７４上の極大の位置に中心 を置いて配置されることが可能である。しかし、後述されるように、入力導波路 によって寄与される電界の位相が異なることが必要とされるだろう。極大７０１ ．７ｂ　、７４ｂは、同位相の電界に相当するが、一方、曲線７１のような曲線 における極大は、一般的に、同位相ではない。

多方向放射ビーム分割が必要とされる場合には、出力導波路の間の端壁における 寄生反射を防止するために、十分に大きな値のｂ／１を有することが必要である 。ｂａｔの十分に高い値が、ゼロ強さを介在させながら十分に画定された極大を 生じさせるのに十分な対称Ｅｌ（モード（ｌ：１，１：１１３．５１．、）が励 起させられることを確実なものにする。これは、個々の用途に応じた設計の問題 である。しかし、比較的少数のモードが励起されることだけしか本発明が必要と しないということは、１つの利点である。例えば、ｂ／１＝　３の場合の図７に 示される電界パターンは、４つの最低次数の奇数Ｅｌ　モードによって、即ち、 ｎ Ｅ　Ｈ１１、ＥＨＨ１ＥＨ１５、ＥＨ１７によって概ね完全に記述される。同様 に、ｂ八；６の場合の図８に示される電界パターンは、７つの最低次数の奇数Ｅ Ｈモードによって概ね完全に記述される。従ｌｌ 末技術の自己結像導波路は、５０つ以上を必要とし、従って、高いモード数にお ける全内部反射を維持するためには高屈折率のコア媒質を必要とする。

図９は、図８がそれから得られる中央導波路寸法の場合における、結果的に生じ る電界の位相φの、Ｙ軸に沿った変動を示す。各々に曲線７０〜７５に相当する ８０〜８５のような曲線かが示される。８１のような位相曲線の各々が、ヱの各 々の値に関する中央導波路２０に沿っての電界の位相変動を示し、図８の各々の 電界の強さの分布に相当する。位相表示φの垂直スケールが参照符号８６で示さ れ、この場合には２πの間隔が示されている。曲線７０と７５における電界分布 は、直線８０．８５で示されるように定位相である。しかし、例えば、曲線８３ は、その外側領域８３８１８３ｃ　とは位相において異なっている中央領域８３ Ｉを有する。領域８３ａ〜８３ｃは、図８における関連の極大７３１〜７３ｃの 位相を与える。従って、中央の極大７３１は外側の極大？３ｂ　、　７３ｃ　と は位相が異なっており、極大７３ｂ　、　７３ｅは互いに同位相である。

このことは、「３一対−４」ビーム結合器／分割器が、２つの同位相の極大７５ １．７５ｂを生じさせるために、外側の極大７３ｂ　、　？３Ｃに対して位相が ずれている中央の極大７３Ｍを必要とするだろうということを示す。

曲線８０．８５が同位相であるが故に、これらの曲線は可逆的な特性を生じさせ 、即ち、特に２つの同位相の入カフ５１．７５ｂが１つの入カフ０を生じさせる だろう。これを拡張すれば、重ねられた出力導波路開口５０．５２と端と端をつ ないで配置された２つの中央導波路２０は、極大７０を極大７５ｚ／７５ｂに変 換し、その後で再び極大７０に戻すだろう。このことは、重複された極大７５ｉ ／７５ｂに連続した図８の２つの変形物（ｖｅ目１０ｎ）を考察することによっ て、視覚化されることが可能である。このようにして作られる中央導波路の２倍 の長さは２してあり、これは、方程式ｆ１）から次のように与えられる。

２Ｌ・　４ｂ２／　λ　（７） 方程式（７）は対称モード反復距離（２Ｌ）を与え、これは、最初の電界分布が それに亙って再現される長方形導波路長さである。

これは、その導波路に沿った放射伝搬の過程において適切な対称Ｅｌｌ　導波路 モードの重大な減衰がないことを仮定する。

ｎ 図９における同等物と背中合わせに組み合わされた図８の２つの変形物の視覚化 は、光学位相の効果を示す。例えば、単一の極大７０とその対応する同位相の曲 線８０は、距離Ｌ／２において、位相変動を伴った４つの極大７２に変換する。

これらの極大７２は、距離Ｌ／２において、２つの同位相の極大７５＊／７５ｂ に変換し、更に、距離３Ｌ／２において、単一の極大に変換する。

図７と図８と図９は、ｂ／ｓの特定の値に係わる。更に一般的には、図１〜３の ビーム分割器１０の場合に、入力導波路１８からの励起のＥＲ対称性の故に、モ ードＥｌｆ、ｎｆけが励起される。入力導波路開口４０においては、位相は一定 不変である。任意のｂ／１値を含む場合には、方程式（３）を使用して、モード ＥＨ，ｐの位相係数β１．が次式で与えられ、 β・ｐ−卦引Ｍ・（冊”ｌ　（８） モードＥ　Ｈｒ、の位相係数β１．が次式で与えらる。

β・・・卦償Ａ）′・（都）］　（９゜方程式（８）からの方程式（９）の引き 算と、再配列とによって、導波絡路＋１２におけるモードＥ　ｌ（＋、とモード ＥＪ、の間の位相差は、次式によって与えられるχ　である。

これらのモード間に２πの位相差が存在するという条件が課せられる場合には、 方程式（１０）は次式になり、モードＥＨ，ｐとモードＥｌｌｔ、の間に２πの 位相差を生じさせる、長方形導波路内の方程式（１１）における伝搬距離！　（ 即ち、　ｚ２１）は、次式によって与えられる。

Ｅｌ１１１モードとＥｌｌ、、＋−ド（即ち、基本モードと、０次の最高次の奇 数モード）の場合には、　Ｅａｔが次式で与えられる。

方程式（１２）と方程式（１３）を組み合わせることによって次式が得られる。

ｎ　＝　３．５．７．９．１１、　、の場合には、１５Ｌ／１１２−１）ｒｚ− は２Ｌ、　２Ｌ／３、ｌ／３　、ｌ／５．２Ｌ／１５１．、、である。同位相に 戻されるＥｌｌ、、＋−ドとε”１３モードとに結果する長方形導波路内の伝搬 距離２Ｌの分数として、その相対長さ比率はｉ、ｌ／３　、ｌ／６．１／１０． １／１５等である。これは、長方形導波路のＥｌｌ、ｆｉｔ−−ドの間には調和 関係があるということを示している。方程式（４）は、基本Ｅ）ｌ　モードとそ の次の最高次数のＥｌｌ　モードとの間に２πの位相ずれを生じさせる伝搬距離 ｚハが、基本モードとその他の全てのＥＨ，、＋−ド（ｎは奇数）との間にも２ πの位相ずれを生じさせるということを示している。このことは、奇数Ｅｌｆ、 １１モードの励起だけがあるならば、距離Ｉ２ｔの後の、あらゆる対称入力電界 の再現に結果する。更に、長方形導波路の十分な長さがあれば、「１」が整数で ある時に、対称入力電界は、距離（ｚ２．において周期的に生じさせられる。

方程式（１１）〜（１４）は、πのモード間位相変化がそれによってもたらされ る長方形導波路内の伝搬距離＋２．を決定するように、書き直されてもよい。こ れらの方程式の精査によって、Ｚ　ｎ−ｖ　Ｚ　２ｎ　＝　８　Ｌ／　Ｉ　”２ −’　ｌ　（ｔ　ｓ　）であると考えられる。

Ｌと２Ｌは、　！　と　＋２ｅがそれによってもたらされる導波路長π さてあり、し・２ｂ２／λ　は方程式（１）から得られる。従って、Ｉ　と　１ ２．は、両方ともｂ２に比例しており、導波路幅の適切π な選択によって、長方形導波路に沿った予め決められた距離で生しるように決め られることが可能である。

上記の分析は、次のように実験によって正しいことが実証された。寸法１．５ｆ ｆｉｍ（幅２ｂ）　Ｘ　１６ｍｍ　（高さ　２１　）Ｘ２１２ｍｍ（長さ　２Ｌ 　）の中空の長方形アルミナ導波路が使用された。

この長さは、１０．５９　ミクロンのＣＯ２レーザ波長の場合に４ｂ　／λであ る。この導波路は、図１の中央導波路２Ｇを与える。この導波路への入力は、縦 方向の導波路軸線（図１の軸線３０）上の０４２Ｈのウェスト（ｖ＊１ｓｔｌ　 にＣ０２レーザビームを集束させることによって供給され、このビームは、この 軸線に沿って方向付けられた。そうした入力は、入力導波路１８からの励起に類 似した励起を与えた。これは、辺０，６■の正方形断面と共軸位置とを有する導 波路からの基本モード入力の適切な近似だった。

パイロ電気ビジコンカメラが、長方形導波路からの出力を検出するために使用さ れた。このカメラは、その導波路からの放射出力が、その導波路長さ２１２　ａ ｓによ）て変換された放射入力と、強さ分布の上で同等であり、即ち、その人力 が、２Ｌ又は４ｂ２／λに等しい軸方向移動を伴って再現されていることを確認 した。

強さの全伝送は、その入力の８２％だった。この１８％の損失が僅かであり、且 つ、この損失が、入力導波路と出力導波路が使用されないことによる結合の非効 率性に少なくとも部分的に起因するが故に、このことはその導波路による高い伝 送効率を示した。ｂが多モード効果の原因となる導波路幅寸法である場合に、入 力電界分布が、伝搬距離４ｂ２／λにおいて長方形導波路によって再現されると いうことが正しいことを、測定が実証した。

上記の構造は、ビーム分割効果を試験するためにも使用された。これを行うため に、２つの中空コア光ファイバ（内径０．５３■）が長方形導波路の中に挿入さ れ、このファイバは、その導波路の長さ中央の横断平面内に配置された入力端部 を有した。

従って、ファイバ入力端部は、入力Ｃ０２レーザビームのウェストから距離し・ ２ｂ２／λ　・【０６■にあった。これらの入力におけるファイバ中心が、導波 路中心軸線と導波路幅寸法々との間の中間に位置させられた。従って、ファイバ は、レーザビームウェストによって与えられる入力電界分布に長さしの長方形導 波路を介して接続される正方形導波路２２．２４を模擬した。

パイロ電気ビジコンカメラが、ファイバからの出力を検出するために使用された 。このカメラは、それらのファイバ出力が振幅と強さ分布において相等しく、こ の強さ分布は両方の場合とも回転対称であるということを示した。このことは、 入力放射の等振幅の基本モードの分離が長さし・２ｂ２／λの長方形導波路の中 で起こったということを証明した。更に、ファイバ出力間の重なり合いを生じさ せるために、ファイバが互いに並列に配置された。このことは、十分に画定され た干渉フリンジを生じさせた。導波路とファイバ、ビーム分割のプロセスは効率 ７５９６であることが計算された。２５％の損失は、ファイバのミスアラインメ ントと、不正確な寸法合わせと、不完全な入力電界分布とに起因した。これにも 係わらず、導波路長さ２Ｌにおける入力再構成のより早期の生起に加えて、ビー ム分割効果が導波路長さ　しにおいて示された。

ビーム分割デバイスｌＯは、アルミナ以外の材料、例えばＢｅ０１Ｓｉ、　Ｍｉ ｃｏｒ又は金属で作られてよい。

図１〜９に関する上記の説明は、長方形導波路の幅寸法においてビーム分割が得 られることが可能であることを示す。例えば、図８では、極大７５＊　、７５ｂ が導波路幅に亙ってＹ軸に沿って互いに間隔を置かれている。中央導波路が２１ より十分に大きい高さを持つように作られれば、前述の多モード構造に加えて、 １寸法に多モード構造を有するだろう。特に、高さと幅が２ｂ・４１であり長さ がしである中央の正方形横断面の導波路が、その一方の端部において軸線上に位 置する入力導波路基本Ｅｌｌ、−ｔ＝　−ドを、他方の端部における４つの同位 相の基本モード出力に変換するだろう。これらの出力は、（ｂ／２．　ｂ／２） 、（ｂ／２．−ｂ／２）、ｊ−Ｍ２．−ｂ／２）、（−ｂ／２．　Ｍ２＋によっ て与えられる、ｔ＝ＬにおけるＬ７平面内の点に集中させられる。ここでは、ｘ ＝ｙ＝０は、（図１〜３の軸線３Ｇと同等である）その導波路の縦方向の対称軸 上にある。この例では、２次元導波路モードＥＨ（ｍ、ｎｎ ＝　１．３．５．）が、図１〜９の１次元だけの同等物（ｍ＝［、ｎ・１．３． ５．、、、　）の代わりに励起される。互いに直角をなす図８の２つの変形物の 考察が、適切な入力と出力の位置と、図９の場合のような位相管理とによって可 能であるということを示す。

正方形導波路に関する上記の説明は、長方形導波路に拡張可能である。前述のよ うに、幅２ｂの導波路幅寸法におけるにつの強さ極大へのビーム分割が、次式に よって与えられる距離ＬＫにおいて生じる。

Ｌ、・　４ｂ２１λＫ　（１７＋ 導波路が、ｊつの強さ極大への分割が必要とされる幅２１の直交幅寸法を有する ならば、これは、次式で与えられる長さ　Ｌｌにおいて生じるだろう。

ＬＪ　−４ａ２／ｘＪ（１８） ＪつとＫつの強さ極大への同時分割が、その導波路の同じ長さにおいてめられる ならば、その導波路の横断面寸法ｂ／ｘは、Ｌｌ　と　ＬＫとを等しくすること と、次のような平方根をとることによって与えられるだろう。

ｂ／ａ　＝　ｌ（Ｋ、／Ｊｌ　（１９）従って、９×４配列の強さ極大への分割 は、距離１２　ハにおいて、３！／２に等しいｂを有する長方形導波路内で起こ るだろう。

本発明の実施例では、その多モード導波路（例えば２０）が正方形か長方形のど ちらかであるということが好ましい。！軸とＹ軸は、この導波路の中心を通る　 （！・ｙ：０）ように、且つ、図１と図２に示されるような導波路壁２５．４２ の各々に対して平行であるように、画定される。その多モード導波路内の対称モ ード電界は、２つの鏡平面！・０、Ｔ・０内に反射対称性を持たなければならず 、即ち、Ｅ（１，Ｆ、り　：Ｅ（−ｔ、）、り　＝Ｅ（１，−７，りでなければ ならない。入力電界と出力電界は同一タイプの対称性を持たなければならず、従 って、次のタイプの人力導波路、即ち、（１）！軸とＹ軸に対して平行な辺を有 する正方形又は長方形の導波路と、（２）円形導波路又は光ファイバとが使用さ れる。これらは重要なタイプの導波路であるが、！軸とＹ軸に対して４５６をな す辺を有する正方形導波路、又は１輪と７輪に対して平行な長軸と短軸を有する 楕円形導波路も使用可能である。

菱形又はへ角形の導波路も使用可能であり、又は、対称性条件を満たす他のあら ゆるタイプの導波路も使用可能である。

出力導波路は、入力導波路がその入力表面において有する形状と方向と同一の形 状と方向を、多モード導波路の出力表面において持たなければならない。このこ とは、多モード導波路の出力端部における入力モードの画像が適正に出力導波路 に整合させられることを確実なものにする。出力電界は、入力電界と同一のタイ プの対称性を有するだろう。従って、一方の出力導波路が！＝！　且つ　Ｔ　＝ １ｏであるならば、他方の出力導波路が（−ｔ　、！　）と（ｔ、−ｒ（１）と （−Ｉｏ、　−Ｆ（１）とになければならない。１つ以上のそうした導波路がな い場合には、寄生放射を除去するために吸収手段が使用されてもよい。

後述されることになっている半導体材料導波路の場合のように、本発明のデバイ ス内の導波路の全てが１つの方向（例えば！方向）において単一モード化される 場合には、その方向におけるモード形状が全ての導波路に関して同一であること が重要である。しかし、このモード形状は、この方向に正弦状である必要はない 。従って、半導体材料層で形成される本発明のデバイスでは、その導波路は、望 ましい単一モード方向に対して平行な厚さ寸法を有するＧ＊ＡＩとＡＩＡＧ＊Ａ ＋の様々なエピタキシャル層から成ってよい。

しかし、これらの基準は、正確な工作処理からの僅かな逸脱に対して本発明があ まり大きな感度を持たないということを条件とする。

図１と図２と図３を再度参照すると、ビーム分割器ｌＯは、入力導波路１８と出 力導波路２２／２４を互いに反対側の縦方向端部に有する透過デバイスである。

多モード導波路２０の同等物の中にリフレクタを組み込むことによって、関連し た折返し光路デバイスが作られることか可能である。その反射光路は、非反射光 路に対して任意の角度にあってよい。多モード導波路の一方の縦方向端部におい て入力された光がその端部に戻されるように、逆反射が得られてもよい。その場 合には、（導波路１８．２２．２４と同等の）入力導波路と出力導波路が、その 多モード導波路の同一の縦方向端部に位置させられる。この場合には、光が前進 方向と帰還方向の両方に多モード導波路の中を通過するが故に、その多モード導 波路の必要長さはＬ／２である。

さて図１０を参照すると、この図には、Ｍｓｃｈ−４ｅｂ＋＋ｄｅ＋干渉計１０ ０の形の本発明の更に別の実施例が示されている。干渉計１００は、補足的な特 徴の追加を有する、背中合わせに直列に連結された２つの図１のデバイスと同等 である。鎖線１Ｇ２は、互いの鏡像に接近した半分部分への干渉計１００の概念 的な分割を示す。これらの半分部分は、ビーム分岐器１０４とビーム結合器１０ ６を含む。このビーム分岐器１０４は、寸法２ｉＸ　２ｂＸ　Ｌの第１の長方形 導波路１１０に共軸に接続された、正方形横断面の入力導波路１０８を含む。こ の場合には、前述のようにＬは２ｂ２／λである。長方形導波路１１０は、干渉 計軸線１１４の両側にｂ／２ずらされ且つ紬５１１４に対して軸方向に平行な２ つの干渉計アーム導波路＋１２１．１１２ｂに接続される。干渉計アーム導波路 １１２＋、１１２ｂは、入力導波路ＩＮの寸法と同じ寸法を有する。

干渉計アーム導波路１１２１．１１２ｂは、第１の長方形導波路１１Ｇと共軸に 配置され且つその導波路＋１０と同じ寸法にされた第２（又は補助）の長方形導 波路１１６に接続される。この補助導波路１１６は、中央導波路１１８と、２つ のずれた出力導波路１２０＆、１２０ｂとに接続される。中央導波路１１８は、 干渉計軸線１１４と共軸である。ずれた出力導波路１２０１．１２Ｑｂは、軸線 １１４から軸方向にｂ／２だけ間隔を置かれており、各々に干渉計アーム導波路 １１１＋、　１１２ｂと共軸である。中央出力導波路１１８と各々のずれた出力 導波路１２０ｓ、　１２０ｂとの間に有限の壁厚さがあるように、その形状はｂ が４１より大きくなければならないことを必要とする。

入力導波路１０ｇと、干渉計アーム導波路１１２１．　ｌ１２ｂと、出力導波路 １１８．１２０は、全て同じ長さ　しである。しかし、これらの導波路が基本モ ードでのみ動作するが故に、それらの長さは重要ではない。

干渉計１００は次のように働く。ビーム分岐器１０４はビーム分割器１０と同様 に機能する。ビーム分岐器１０４は、導波路１０ｇから入力された基本モード放 射を、干渉計アーム導波路１１２ｓ、　１１２ｂ内における、強さが等しく且つ 同位相である２つの基本モードビームに分岐させる。

図に示されているように、干渉計アーム導波路＋１２１．１１２ｂは同一である 。従って、これらの導波路＋１２１．１１２ｂは、補助長方形導波路１１６に同 位相の入力を与える。補助長方形導波路１１６は、第１のそうした導波路１１Ｇ に比べて反対に働き１、これらの同位相の入力を、中央出力導波路１１ｇに入力 される基本モ−ドの単一ビームの形に再結合する。この機能は、逆の形で図８と 同等である。このことは、本発明のデバイスの可逆性を示している。大きな放射 の強さは、ずらされた出力導波路１２０＊、１２Ｇｂには到達しない。

しかし、干渉計アーム導波路１１２ｉ、　１Ｉ２ｂの一方の導波路における放射 伝搬に、その他方の導波路における放射伝搬に比べて、位相変化がもたらされる ならば、中央出力導波路１１８における強さが低減させられる。

既に説明されたように、干渉計１００は、背中合わせにされた２つの本発明のデ バイス１０４．１０６と同等である。これらの中で、ビーム分岐器１．０４は前 述のデバイスｌＯのように働き、一方、ビーム再結合器１０６は逆に働き、追加 の導波路１１２１．１Ｉ２ｂを含む。従って、ビーム再結合器１０６は、本発明 のデバイスが逆に動作させられることが可能であり、様々な位相特性の入力から 生じる放射を受け入れるための追加の出力導波路を含むことが可能であるという ことを示す。

図１１と図１２は、補助長方形導波路１１６に関する電界の強さの分布のグルー プである。これらの図は各々に、参照符号１２４における１対の電界振幅極大１ １６によって示される同位相入力の場合と、参照符号１２６における逆位相入方 量の極大と極小によって示される逆位相入力の場合の、補助導波路１１６内の状 態を示す。

図１１は、逆にされた図８と同じである。同位相入方強さの極大１２７は、補助 導波路１１６内において対称モード又は奇数モードだけを励起し、単一の中央の 出方極大１２８を生じさせる。しかし、図１２は、第２の導波路１１Ｇに対する 入力１２９の間のπの位相差が、１対の出力放射強さの極大１３１１．１３１ｂ に結果するということを示している。極大１３１＊、　１３１ｂは各々に、ずら された出力導波路１２０５１２０ｂの上に中心を置かれ、中央出方導波路１１８ における放射の強さＮｌｃはゼロである。

一般的に、補助長方形導波路１１６への入力の間の（πだけではない）任意の位 相差が、偶数モードと奇数モードの励起をもたらし、中央出力導波路１１８内で の強さの大きさを変化させるだろう。位相差の変調は、この強さを変調する。こ の変調は、電気光学的変調器又は放電セルを干渉計アーム導波路１１２ｒ、１１ ２ｂのどちらか一方の中に組み込むことによって実現されることが可能である。

この代わりに、液体又は気体の屈折率の僅かな変化を検出することを可能にする ために、流体セルが干渉計アーム導波路のどちらか一方の中に組み込まれること も可能である。どちらの場合にも、その他方のアーム導波路は、測定されるべき 位相変化がない時に補助長方形導波路１１６への等位相入力を生じさせるために 、光路の補償増大を有する。

さて、図１３を参照すると、この図には、本発明の更に別の実施例の斜視図が示 されている。この実施例は、参照符号１４０によって全体的に示されるビーム分 割器の形である。ビーム分割器１４０は、固体導波路を使用するという点で、既 述の諸実施例とは異なっている。このビーム分割器１４Ｇは、中央縦軸線１４４ を有する多モード中央導波路１４２を含む。単一の入力導波路１４６が多モード 導波路１４２の一方の端壁１４２１に接続され、多モード導波路１４２　と共軸 である。４つの出力導波路１４８ｇ−１４８６が多モード導波路１４２の他方の 端壁１４２ｂから延び、これらの出力導波路は各々に中心軸線１５０１〜１５０ ｄを有する。多モード導波路１４２は、中心軸線１４４　と、この中心軸線１４ ４に平行であり且つその両側に位置する更に別の２つの軸線１５４！、１５４ｂ とを通過する垂直平面によって、１７４部分１５２１〜１５２ｄに縦方向に分割 されたものと、見なされることも可能である。出力導波路は、それらの軸線１５ ０＋〜１５０ｄが各々の多モード導波路１７４部分１５２１〜１５２ｄに対して 中心にあるように配置される。更に一般的には、Ｎつの出力導波路を有するビー ム分割器の場合に、出力導波路軸線の各々が、それに関連した多モード導波路各 々の縦方向の均等の再分割部分がＮつある時に、その関連した再分割部分の各々 の中心にあるだろう。従って、これらの軸線は、多モード導波路の横断面に亙っ て周期的に配置される。

多モード導波路１４２は長さ　４６８−で幅２４虜であり、従って、その１７４ 部分１５２１〜１５２ｄは幅６ｊｆｆｉである。その横断面は一定不変である。

入力導波路１４６と出力導波路１４８１〜１４８ｄは幅２虜である。出力導波路 １４８１〜１４８ｄは、隣り合う各対の軸線１５０１／１５０ｂ等の間に６ＩＪ Ｍの間隔を有し、最も外側の軸線１５０ｓ、１５０ｄと多モード導波路側壁１４ ２ｃ、　１４２ｄの各々との間に３−の間隔を有する。

入力導波路１４６は、矢印１５６で示されるような入力光を受け取る。出力導波 路１４８１〜１４Ｎは、矢印１６２のような矢印によって示される通りに光がそ こから出て行く端面１６０１−１６０４を有する。鎖線１６４は、端壁１４２ｂ において光学測定を可能にするためにビーム分割器１４２がそこで切断されるこ とが可能な位置を示す。

ビーム分割器１４Ｇは、図１４に拡大スケールで示される層構造を有し、この図 には出力導波路端面１６Ｇが示されている。ビーム分割器は、エピタキシャル成 長デバイスで通常使用される種類の半絶縁ＧｚＡｓの基板ウェーハ１７Ｇを含む 。この基板ウェーハ１７Ｇは、次の上向きに連続した層を有する。

輸）厚さ　０．１ｍの　ＧＩＡＩバッファ層　１７２、（ｂｌ　厚さ　２．５− の＾’Ｏ，ｌ　”０．９Ａ３下部クラツディング層１７４（屈折率ｎ・３．４２ ０）、 （ｃ）厚さ　１０声のＧＩＡＳ導波路コア層＋７９　（ｎ　＝　３．４７９）、 （ｄ）厚さ　１０虜の＾’０．１　’［１，９＾＄上部クラツディング層１７８ ！１１＝３．４２Ｇ）　、 （ｅ）厚さ　０．１−のＧｔＡｓ　キャツピング層１８０゜垂直方向に、即ち、 層１７２〜１８０の厚さ寸法に沿って、入力導波路１４６と出力導波路１４８１ 〜１４８ｄと多モード導波路１４２は単一モードである。入力導波路１４６　と 出力導波路１４８１〜１４８ｄの幅はＮｄ−ＹＡＧレーザ放射の場合には２ｔｓ に過ぎないが故に、これらの導波路は、層厚さに対して直交した幅寸法において も単一モードである。しかし、多モード導波路１４２は、その２４ＩＥＡの幅に よって、この第２の横断方向において複数のモードを維持する。

光は、クラツディング層１７４．１７８によってコア層１７６に閉じ込められる 。Ｎｄ−ＹＡＧレーザ放射の場合には、この領域は、垂直方向の伝搬の基本モー ドだけを維持する。導波路層１７４／＋７６／１７８の組み合わせの有効屈折率 ｎ　は、コア屈折率とクラツブィング屈折率の中間であり、３．４５５である。

従って、ビーム分割器１４０内でのＮｄ−ＹＡＧレーザ波長は、　３．４５５　 （口ｅ）によって割られた１０６４　μｍ（λ０）の自由空間値である。

その多モード導波路長さは４６８−である。これはＬ／２に等しく、このしは等 式（１）によって２ｂ２／λとして与えられる。

ここでは、２ｂは、多モード導波路幅２４−であり、λは、導波路１４２．１４ ６．１４８１〜１４８ｄ内におけるＮｄづ＾Ｇレーザ波長である。

Ｌ／２は、図８における曲線７２に相当し、図８では、曲線７０によって表され る基本モード入力は、適切に配置された出力導波路１４８３〜１４８ｄのために 、４つの基本モード励起に変換される。Ｌ／２の数的表現は次式を与え、 Ｌ／２　＝　’　、　２ｂ２／λ−＋４４　ｘ　”４５５−４６８ＩＪＪＩ＋　 （１（１）フ　「ｍ これは図１２の通りである。

ビーム分割器１４Ｇを製作する方法は次の通りである。層１７２〜１ｇＧが、ド ーピングのための特別な用意なしに、公知のエピタキシャル技術によって基板１ ７０上に連続的に付着させられる。

これは、領域１０１４／−〜１０１６／ａｌ内にバックグラウンドドーピング（ ｂｓｅｋｇ＋ｏｕｎｄ　ｄｏｐｉｎｇｌ　を残す。

層の付着の後に、ホトレジスト層がキャツピング層１８０の上に回転塗布される 。ビーム分割器１４０の輪郭を画定するマスクがホトレジスト上に置かれ、その マスクを通してホトレジストに光を当てるために紫外光が使用される。その後で 、ホトレジストが現像され、更に、除去のための半導体材料を露出させるために 、ＵＶ１ｌ光領域が化学的に除去される。その後で、基板つ工−ハが反応性イオ ンエツチング機械の中に入れられ、１時間に亙ってエツチングされる。これは、 ２．５ｍのエツチング深さを生じさせ、従って、このエツチング深さはキャツピ ング層と上部クラツディング層とコア層１７８〜１７６を完全に貫通し、下部ク ラツディング層１７４の中に０．４虜入り込む。これは、導波路１４２．１４６ ．１４８ｇ〜１４８ｄのような直立又はリッジ形導波路を画定する。

上記の手順は三元半導体材料系ＡＩＸＧＪＩ−ＩＡｓに係わるが、他の三元又は 四元半導体材料系を使用することも可能である。例えば、ｌｎＧｇＡ＋Ｐが使用 されてよい。

図１３と図１４に示される実施例は作られなかった。その代わりに、様々なビー ム分割器パターンをくり抜くぬくホトリソグラフィーマスクが作られた。そのマ スクは、試験用の多数の様々な形状のビーム分割器を含むウェーハを与えた。こ れらの中には、先細の多モード導波路を含むデバイスがあった。そうしたデバイ スの１つが図１５に示され、照合符号１９Ｇによって全体的に表されている。

この先細ビーム分割器１９０は、ビーム分割器１４０に関して前述された通りの 層構造を有する。即ち、垂直方向又は厚さ方向におけるそれらの構造は相等しい 。先細ビーム分割器１９０は、幅２虜の入力導波路１９２と、端部１９４Ｍと端 部１９４ｂの間で幅２０１ＩＩＡから１０虜に直線的に先細になる、長さ　３２ ６虜の多モード導波路１９４　とを含む。２つの出力導波路１９６ｓ、　１９６ ｂが、幅１ｍの狭い方の端部１９４ｂから延びる。

多モード導波路１９４を先細にすることの効果が、乗法因子Ｍによって、特定の 分割を得るために必要とされる長さを変化させることであることが示される。Ｍ は、「出力端部１９４ｂの幅」　：「入力端部１９４１の幅」の比率であり、こ の実施例では０５である。特に、１一対−２方向の分離を生じさせるために必要 とされる方程式（１）の長さしは次式で表され、前式中でｂは多モード導波路入 力端部の１／２幅である。ビーム分割器１９０の場合には、 Ｌ　＝　２　ｘＱ、５　ｘｌＯＯｘ３．４５５　／１．０６４　＝３２５　ＪＭ Ｉ　（１８）方程式（１７）、＋１！ｌ）は、多モード導波路を先細にすること が、特定の度合いのビーム分割を得るために必要とされる長さを変化させるとい うことを示している。パラメタ鷲は１より大きくてもよく、このことは、人力か ら出力へとその幅が増大する多モード導波路に相当する。しかし、これは、特定 の度合いのビーム分割を得るために必要な長さを増大させる。そのテーパは図１ ５に示されるように線形であってもよく、又は、非線形であってもよい。後者の 場合には、方程式（１７）は当てはまらない。

テーパの度合いは、多モード導波路内の放射が臨界角度よりも大きい角度で多モ ード導波路壁に入射することを可能にするような度合いでなければならない。こ のことは、低モード数の場合には、任意の直線状の又は縦方向に拡幅する導波路 によって、又は、その長さに沿って比較的緩やかに狭まる導波路１９４によって 、実現される。空気と境を接した６１＾ｉ導波路の場合には、導波路壁と中心軸 線との間で測定される低減テーパ角度は、５°未満でなければならない。厳密に 言えば、先細多モード導波路の出力端部は湾曲していなければならないが、しか し、５°より小さな小テーパ角度の場合には、このことは必ずしも必須ではない 。

方程式　（１７）は単一のテーパに当てはまるが、連続した複数のテーパを有す る多モード導波路を設計することも可能である。

これらのテーパは、同一方向、即ち、減少であっても、反対方向、即ち、増加で あってもよい。

さて、図１６を参照すると、この図には、図１３〜１５を参照して説明されたよ うに作られた様々なタイプのビーム分割器を試験することによって得られた結果 が示されている。これらの結果は、１一対−２方向、■一対−５方向、■一対− １Ｏ方向のビーム分割の各々のために作られた３つの非先細のデバイスと、図１ ５で示された通りの寸法を有する１つの先細デバイスとから得られた。１一対− ２方向デバイスは、長さ　９３６−で幅２Ｄａ＋の多モード中央導波路９３６と 、幅２−の入力導波路と出力導波路とを有する。■一対−５方向デバイスと１一 対−１０方向デバイスに関するその同等物は、各々に３０虜ｘ５８６ｊｆｆｉと ４０虜×５２１虜である。

各々の試験用ビーム分割器の有効性が次のように測定された。

これらのビーム分割器はその多モード導波路の各出力端部において切断され、こ れらの出力端部は図１３の線１６４と同等の位置にあった。このことは、多モー ド導波路の端部における強さ分布、即ち、出力導波路の入口開口に相当する位置 における強さ分布が測定されることを可能にした。

各々の入力導波路がＮｄ−ＹＡＧレーザからの光で照明された。レーザ出力が、 顕微鏡対物レンズを使用して直径１虜の回折制限スポット（ｄｉ＋１＋ｓｅｔｉ ｏｎ−ｌｉｍｉｔｅｄ　５ｐｏｔ）に集束させられ、一方、このスポットは各々 の入力導波路端面に当てられた。各々の切断面に現れる強さパターンが、赤外カ メラで測定された。

図１６は、試験用ビーム分割器の各々に関する結果を２つの形で示している。従 って、各々に全体として２０Ｇ　、２０２．２０４．２０６で示される４つの結 果のグループがある。各グループの上部の線２００１〜２０６１は、個々の場合 の赤外カメラ画像を表す。下部のグラフ２００ｂ〜２０６ｂは、個々の場合にお ける、各々の多モード導波路出力面に沿った距離に応じた強さ変化を表す。線２ ００１等は、光スポットを示す２００Ｃ〜２０６Ｃのような点を有する。２００ Ｃのようなスポット間に与えられる間隔によって示されるように、水平方向のス ケールはグループ毎に異なっている。グラフ２００ｂ等は、関連した真上の光ス ポットによる強さ変化を示す、２００ｄのような極大を有する。

結果グループ２００は、１一対−２方向の非先細のビーム分割器に係わる。スポ ット２００ｃは、１２ｐ離れた中心を有する。その関連の極大２００ｄは、１， ８−の半値幅エネルギー（ＦＷＩＩＭ）を有し、このＦＷＨ旧よ、スポット２０ ０ｃがその上に中心を置かれる関連の出力導波路の幅（２声）よりも僅かに小さ い。極大２００ｄは概ね同一であり、高品質で且つ強さが等しいビーム分割を示 す。更に、グラフ２００ｂは、これらの極大の間でゼロになり、このことは理想 的なビーム分割特性を示す。

グループ２０２．２０４は、ｌ一対−５方向デバイスと１一対−１０方向デバイ スに関する同様の結果を示す。これらは、各々に±１５％と±２０％の強さの拡 がり（ｉｎｌｅｎｓｉ１７　ｇｐ＋ｅ＊ｄ）を有する極大２０２ｄ。

２０４ｄを示す。しかし、各々の場合に請求められる規則正しい間隔と、出力導 波路幅と基本モードとに対する適切な整合と共に、適正な数の出力ビームへの分 割が得られた。１一対−１０方向デバイスは、２０４ｅのような僅かな寄生光ス ポットを示す。これは、隣り合う極大の間の領域の光の強さが完全にゼロではな いということを示す。

極大２０２ｔｌ、　２０４ｄにおける強さの拡がりと、２０４ｅのような寄生光 との効果は、 （＊）　ｒＧ＊Ａｓ　：空気」界面が生じる、１６４と同等の切断面における反 射と、 （ｂ）試験結果を得るために使用されるカメラの制限された解像力と視野 とに起因する。

先細のビーム分離器に関する結果グループ２０６は、必要な５虜の間隔を有する 適正な数（２つ）の極大２０６ｄを示す。

集積光学回路の形の半導体ビーム分割器の応用例では、上記の制限（為）　、（ ｂ）は当てはまらないだろう。

図１〜１６に関する上記の説明は、入力導波路と多モード導波路と出力導波路を 含む事例に関して詳細に論じられてきたが、これらの事例では、 （Ｉ）入力導波路が直線状であり且つ多モード導波路と共軸であり、 ｆｂ）多モード導波路が、導波路厚さに直交した１つの横断方向寸法において多 モードであり、その厚さ寸法において単一モードであり、 （ｅ）出力導波路の軸線が、多モード導波路と入力導波路の軸線に対して平行で 且つ共軸である。

上記の条件（１）〜（ｂ）は必ずしも不可欠ではない。入力導波路内の光が多モ ード導波路の対称モードだけを励起するならば、この入力導波路軸線は湾曲して いてもよい。多モード導波路は、両方の横断方向寸法において多モードであって よい。例えば、既述のように、正方形入力導波路が正方形多モード導波路に共軸 に接続されてよい。このことは、両方の横断方向寸法において２方向分割を生じ させるだろう。これは、光フアイバ多方向コネクタのための基礎を形成するだろ う。１種の多モード導波路であるこのコネクタは、入力ファイバを受ける一方の 端部に入口ボートを有し、各々の受ファイバのための複数の出力ポートを有する だろう。

導波路軸線は必ずしも平行である必要はない。出力導波路が維持する基本放射モ ードが導波路壁において全内部反射を受けるならば、出力導波路は湾曲していて もよい。しかし、入力導波路がそこで多モード導波路の中に併合する開口又は入 力ポート全体に亙って、放射振幅分布が定位相であることが必要である。ビーム 分割器ｌＯの入力ポートは、図２の開口４Ｇである。基本モードだけで働き、且 つその入力導波路が多モード導波路とそこで併合する入力ポートにおいて、多モ ード導波路に対して軸方向に平行である入力導波路によって、上記の基準が満た される。

さて、図１７を参照すると、この図には、参照符号２２０によって全体的に示さ れる本発明のビーム分割器の更に別の形態の略斜視図が示される。ビーム分割器 ２２Ｇは、辺２！を有する正方形の内側横断面の、基本モード中空入力導波路２ ２２を含む。ビーム分割器２２０は、内側では正方形横断面であるが外側では辺 ２ｂを有する、長さしの多モード導波路２２４を有する。入力導波路２２２と多 モード導波路２２４は共軸である。ビーム分割器２２０は、４つの基本モード中 空出力導波路２２６畠〜２２６ｄも含み、これらの出力導波路は入力導波路２２ ２と多モード導波路２２４とに対して軸方向に平行である。これらの出力導波路 は、入力導波路２２２と同一の内側横断面を有し、即ち、辺２！を有する。

図１８は、矢印２２７の方向で見た場合の、図１７の線ｘｖｍ−Ｘｖ■に沿った 断面である。この図は、入力導波路と多モード導波路の中心軸線２３０に比較し た出力導波路軸線２２８ａ〜２２８ｄの各々の配置を示す。この図は、縦方向軸 線２２８＆〜２２８ｄ、　２３Ｇに対して垂直な横断面である。２２８轟のよう な出力導波路軸線の各々は、多モード導波路軸線２３０からｂ／２ずれている。

こうしたずれは、対角線方向に上と下に向かって且つ左と右に向かってのずれで ある。これは、多モード導波路２２４の横断面の１／４部分の各々の中心に、出 力導波路軸線を位置させる。

ビーム分割器２２０は、図１のビーム分割器１０の２次元的変形物に相当する。

これは、中央導波路２２４が両方の横断寸法において多モードであるが故である 。従って、入力導波路の基本モードは、両方の横断寸法において、多モード導波 路の対称モード、即ち、ｍとｎが両方とも奇数であり且つ１よりも大きい値をと ることが可能な場合のモードＥＨを励起する。ビーム分割ＩＩ 器１Ｇでは、多モード導波路２０が垂直寸法において単一モード動作に限定され たが故に、Ｉ＝１の制限が適用された。

多モード導波路２２４の横断方向の２次元性の故に、入力導波路内を伝搬する放 射（基本モード）は、出力導波路軸線２２８１〜２２８ｄ上に中心を置かれた４ つの半周期の正弦状の強さ極大を生じさせる。図１８の平面内の強さ分布は、互 いに重なり合う形で並べられた図８の曲線７５の２つの変形物に相当する。従っ て、ビーム分割器２２０は、互いに同位相の４つの出力ビームを伴う１一対−４ 方向ビ一ム分割を与える。入力導波路と出力導波路が光ファイバであった場合に は、このビーム分割器は光フアイバ多方向結合器を与えることが可能だった。

ビーム分割器ｔｏ、２２Ｇは、レーザデバイスとしての使用に適合させられても よい。この場合には、ビーム分割器は、レーザ利得媒質（ｔＩｕｅｒ　ｇｔｉａ 　ｍｅｄｉａｎ）が充填され且つその媒質の励起に適合させられた出力導波路２ ２／２４又は２２６１等と共に、動作させられるだろう。例えば、導波路２２． ２４は、Ｃ０２ガスを充填され、高周波励起電極とその関連の回路構成部品を有 することが可能である。レーザ鏡が、多モード導波路２０から遠位の入力導波路 １８の端部と出力導波路２２／２４の端部に配置されるだろう。

入力導波路と組み合わされる方の鏡は、部分透過性の出力結合器腕であってよい 。他方の鏡は可能な限り完全に反射するだろう。出力導波路内でのレーザ作用は 、入力導波路内のビームに結合されるビームを生じさせるだろう。部分反射鏡は 、その結合されたビームの一部分を自由空間に出力し、一方、フィードバックを もたらすためにその結合ビームの残り部分を戻すだろう。このフィードバックは 、出力導波路、即ち、レーザ利得導波路の間に、均等に分岐させられるだろう。

入力導波路における同位相基本モード極大（例えば７ｏ１）が、出力導波路にお いて同位相の極大（例えば７５８．７５ｂ　）を生じさせるが故に、この構造が 実現可能である。従って、出力導波路から入力導波路への通過とその帰還の各々 において、放射の同位相の再結合と分岐が行われる。

さて、図１９と図２０を参照すると、これらの図は各々に、参照符号２４０によ って全体的に示される、レーザとして構成された本発明の更に別の略平面図と側 面立面図を示す。レーザ２４０はアルミナ導波路本体部分２４２を含む。アルミ ナ導波路本体部分２４２は５つの区画２４４〜２５２から成り、これらは、単一 の単一モード出力導波路２５４と、長さＬ／２の第１の多モード導波路２５６　 と、４つの単一モードのレーザ導波路２５８と、長さＬ／２の第２の多モード導 波路２６０と、２つの単一モードのフィードバック導波路２６２を各々に与える 。フィードバック導波路２６２は、第２の多モード導波路２６０の半分部分の各 々の中心に接続され、レーザ導波路２５８は第２の多モード導波路２６Ｇの半分 部分の各々の中心に接続され、レーザ導波路２５８は両方の多モード導波路２５ ６．２６０の１７４部分の各々の中心に接続される。レーザ導波路２５８は、従 来の種類の高周波（ＲＦ）励起電極２６４を有する。

レーザ２４０は、出力導波路２５４の付近の部分反射鏡（出力結合器）２６６と 、フィードバック導波路２６２の付近の全反射鏡２６８を有する。導波路２５４ 〜２６２は、レーザ媒質としてのＣＯ２ガスを充填され、ＲＦ励起によってレー ザ導波路２５８内にレーザ利得がもたらされる。

レーザ２４０は、２つの半分部分に分割された中央導波路２０と、これらの２つ の半分部分を接続するために挿入された４つの並列の単一モードレーザ導波路２ ５８とを有する、ビーム分割器１０に相当する。出力結合器鏡２６６から反射さ れたレーザ放射は、出力導波路２５４に沿って進み、第１の多モード導波路２５ ６によって（不均等な整相を伴って）４つに分割される。このことは図８に曲線 ７０、？２によって示され、この図では、ｌ一対−４方向の分割が多モード導波 路の長さＬ／２において起こる。放射１ヨ、レーザ導波路２５８内で増幅される 。この放射は第２の多モード導波路２６０に進み、この第２の多モード導波路２ ６０は、フィードバック導波路２６２内において、その放射を２つの（同位相の ）ビームの形に再結合する。この変換は、図８の曲線７２と曲線７５の間の変換 である。その放射は、全反射鏡２０で反射される。

その放射は、出力導波路内２６６における部分反射と部分透過のために、出力導 波路２５４へとその経路を帰還する。透過は、矢印２７０で示される出力ビーム を与える。

利得を増大させるために追加のレーザ導波路が必要とされる場合には、そうした 追加のレーザ導波路が備えられてよい。しかし、１一対−Ｎ方向の分割とそれに 続く同位相条件の再成立とを可能にするために、多モード導波路２５１ｉ　、２ ６Ｇの長さは変更を必要とする。例えば、６つのレーザ導波路は、長さＬ／３の ｊｌｌｌの多モード導波路と、長さ２Ｌ／３の第２の多モード導波路とによって 、使用可能にされることが可能だった。このことは、（図８の曲線７０．７１の 間のような）１一対−６方向の非同位相の分離と、それに続く（曲線７Ｇ、　７ １の間のような）６一対−２方向の同位相の結合とをもたらすだろう。従りて、 図１９と図２０の構成は、レーザ導波路アレイを位相同期（ｐｂｓｓｅ−ｆａｃ ｔ）させるための手段を提供する。図１９と図２０の構成は、任意の必要な位相 調整が行われるならば、光路に関する本発明のデバイスの可逆性をも示す。

上記の説明は、約１＆ａｍと約１０ｊＩＡの赤外波長での使用のための中空導波 路と固体導波路を説明した。可視波長とマイクロ渡波長において本発明を応用す るために導波路システムを設計することも可能である。

さて図２１を参照すると、この図には、本発明のビーム分割基の更に別の実施例 の水平断面平面図が示される。このビーム分割器は全体として参照符号２８０で 示される。ビーム分割器２８０は、「複合」多モード導波路と呼ばれすることか 可能な導波路２８２を含む。この複合導波路２８２は、共通の軸線２８４を有す る第１と第２の区画２８２＆、２８２ｂを有する。第１と第２の区画２８２１． ２８２ｂは同じ高さ２１であるが、その各々の幅は、ｂ２が（ｂｔ　＋畠）より 大きい時に、２ｂｔと２ｂ２である。これらの区画２８２＊、２８２ｂは各々に 次式で与えられる長さを有する。

幅と高さが２１である単一の入力導波路２８６が、第１の導波路区画２８２１の 外側端部２８８に共軸に接続される。４つの出力導波路２９０鳳〜２９０ｄが、 第２の導波路区画２８２ｂの外側端部２９２に接続される。Ｘ方向とＸ方向のデ カルト軸（Ｃｘｒｔｅｇ目ｏ　ｘｘｅｓｌが参照符号２９４で示される。Ｉ軸は 、デバイス縦軸２８４であると見なされる。Ｙ方向における出力導波路２９０ｇ ｃ〜２９０ｄｃの位置は次式で与えられる。

２９０ｉｃ　７　＝（ｂ２＋ｂｌ）／２　（２０，１）２９０ｂｃ　７　：ｆｂ ２−ｂｌ）／２　（２０，２）２９０ｃｃ　Ｆ　＝−（ｂ２−ｂｔ　）／２　（ ２０，３）２９０ｄｃ　ｙ　＝　−１ｂ２＋ｂｌ）／２　（２０，４）本発明の 前述の実施例の詳細な分析において、ビーム分割器２８０の動作モードが概略的 に説明されるだろう。入力導波路２８６からの基本モード励起が、２つに分割す るビームを生じさせる。このことは、導波路区画２８２ｓ、２ｇ２ｂがそこで合 体する平面２９４内において、Ｙ＝±ｂ１／２で起こる。これらの２つのビーム への分岐（図示されていない）は、図８の極大７５＊　、７５ｂに相当し、同位 相である。これらの２つのビームは連携して第２の導波路区画２８２ｂの対称モ ードを励起する。この区画２８２ｂにおけるモード分散が、出力導波路中心２９ ０ｇｅ〜２９０ｂｃを中心とした、同じ強さの４つのビーム分割部分を生じさせ るということが、前述の分析に類似した分析によって示されることが可能である 。従って、ビーム分割器２８０は、（ｂ２・２ｂ、の時を除いて）周期的に間隔 を置かれていない各々の中心において、距離（Ｌ１＋Ｌ２）内に、１一対−４方 向のビーム分岐を与える。共にカスケード接続された２つ以上の区画を有する複 合多モード導波路が、図２１に示される線の上で使用されてもよい。

上記の諸実施例に加えて、本発明の更に別のデバイスが＾１ＧｔＡｔで作られ、 これらのデバイスの性能が試験された。図２２は、本発明の３つの異なったｌ一 対−２０方向ビ一ム分割器から得られた結果を示している。これら３つのビーム 分割器は、製造時の不正確さに対する本発明の許容差を調べるために、僅かに相 違した長さであるように設計された。グラフ３００は、高さ２Ｍ・２６１ｍと幅 ２ｂ　＝　１２０−と長さ　Ｌ　＝２３１０ｍという寸法を有するように設計さ れた多モード導波路を有するこれら３つのビーム分割器の第１．のちのから得ら れた結果を示している。グラフ３０２．３０４は、これらのビーム分割器の第２ と第３のものからの結果を示し、これらの第２と第３のビーム分割器では、多モ ード導波路の高さと幅は同じ寸法であるように設計され、その多モード導波路の 長さは各々に２３３０７ｆｆｉと２３５０虜であるように設計されている。

グラフ３００．３０２から明瞭に見てとれるように、第１と第２のビーム分割器 は、単一の入力ビームを、概ね同じ強さである２０つの出力ビームに分割した。

第３のビーム分割器に関するグラフ３０４は、実際には、概ね同じ強さである１ ９つのビームへの分割を示す。これは、最古側にビームを搬送すべきだった出力 導波路の損傷に起因する。グラフ３００によって示される平均出力ビーム強さは 、グラフ３Ｇ２．３０４によって示される平均出力ビーム強さよりも著しく低い 。これは、第２と第３のビーム分割器に比較して、第１のビーム分割器の入力基 本モー−導波路の中への注入の効率がより一層低いということに起因するかも知 れない。或いは、第１のビーム分割器の実効寸法が「適正な」寸法から最もかけ 離れているということに起因しているかも知れない。第２と第３のビーム分割器 の性能は極めて類似している。

実際上、自己結像導波路に基づ〈従来技術のデバイスの場合に比べて、本発明の デバイスが、必要であると計算される寸法からの僅かな逸脱に対して、はるかに 低い感度を有するということが発見されている。実際には、より大きな寸法許容 差がデバイス製造中に許容されることが可能であり、従って、故障率と製造コス トを低減させるが故に、これは従来技術に比べて大きな利点である。それは、本 発明のデバイスが、温度によって引き起こされる長さと幅の変化に対して、感度 がより一層低いだるうということも示している。製造技術の結果としての寸法誤 差と、温度によって引き起こされる寸法変化と、導波路壁の粗さとに対する、デ バイス動作の第一近似の感度は、多モード導波路長さを基準として評価されるだ ろう。自己結像導波路に基づ〈従来技術のデバイスは、本発明のデバイスよりも ４倍長く、製造誤差と温度変化に対して４倍高い感度を有するだろう。

さて図２３を参照すると、この図には、本発明の１１ｃｈ−Ｘｅ！＋＋＋ｄｅｒ 干渉計から得られた結果がグラフの形で示されている。その１１ｔｅｂ−２ｅｂ ＋ｄｅ＋干渉計は、概ね、図１０に関して説明された形状であり、２１・２．６ 虜、２ｂ・３２虜、多モード導波路長さ＝１７２５ｍ、電極幅Ｌｏｚ、電極長さ ６Ｉの寸法を有する。グラフ３１０〜３２２の各々は、移相器に加えられる様々 な電圧に応じた干渉計からの出力の強さ分布を示し、これらの電圧は各々に、Ｇ Ｖ、　５Ｖ。

ＩＱＶ　、　１５Ｖ　、　２０Ｖ　、　２５Ｖ　、３０Ｖである。図２３は、前 述のように動作するＬｃｈ−２ｅｈｎｄｅｒ干渉計を示す。

本発明のデバイスの効率が次のように調査された。基本モードの正方形断面の人 力導波路と出力導波路とに接続された多モード導波路から各々が成る本発明の５ つの１一対−１方向デバイスが、作られた。多モード導波路の寸法は、２畠＝　 ２．６Ｊａｌ、　２ｂ　＝１２虜、長さ　５１６−だった。入力導波路と出力導 波路は、約２．６Ｘ２．６　ｘ　５００ｍだった。５つのそうしたデバイスが、 １つの線を形成するように互いに接続された。この線を通しての伝送効率が、２ ．６声正方形断面と同じ全長とを有する比較用の基本モード正方形導波路の伝送 効率と比較された。そのデバイスの線の出力において検出された光の強さは、比 較用の基本モード導波路の出力で検出された強さの１３５％だった。１．３５の ５乗根が約１．０６であるが故に、本発明の各デバイスは、同じ長さの比較用基 本モード導波路によって伝送される光よりも約６％多い光を伝送した。

糧曽＠！１獅葺 ｕｕｔ〆 図１４ ＧＩＡ＋／＾ｌＧ＋Ａｓビーム分割器の切断出力における測定強さＭ９　Ｑ 図２２ 補正書の写しく翻訳文）提出書（特許法第１８４条の８）

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. １．多モード導波路（２０）を含む光学デバイス（１０）であって、（ａ）基本 モード動作に適合した第１の結合導波路（１８）が、前記多モード導波路（２０ ）の横断面の中心において、前記多モード導波路に設続され、 （ｂ）各々に基本モード動作に適合した少なくとも２つの第２の結合導波路（２ ２，２４）が、接続中心が前記多モード導波路の横断面上に互いに間隔を置いて 前記多モード導波路（２０）に接続され、 （ｃ）前記結合導波路及び前記多モード導波路（１８，２０，２２，２４）の相 対寸法と相対位置決めとが、前記第１の結合導波路（１８）の同位相の対称基本 モードとして伝搬する放射が前記多モード導波路（２０）の対称モードだけを励 起するような相対寸法と相対位置決めとであり、前記多モード導波路内でそのよ うに励起されたモードが、前記多モード導波路（２０）内の放射経路に沿ったモ ード分散によって、前記第２の結合導波路（２２，２４）の各々の基本モードを 励起することを特徴とする前記光学デバイス（１０）。
2. ２．前記結合導波路及び前記多モード導波路（１８，２０，２２，２４）が固体 誘電材料（１２，１４，１６）内の中空部分として形成されることを特徴とする 請求項１に記載の光学デバイス（１０）。
3. ３．前記誘電材料（１２，１４，１６）がアルミナであることを特徴とする請求 項２に記載の光学デバイス（１０）。
4. ４．前記結合導波路及び前記多モード導波路（１４２，１４６，１４８）が、基 板（１７０）から直立したリッジ形導波路として形成されることを特徴とする請 求項１に記載の光学デバイス（１４０）。
5. ５．３元又は４元の半導体材料系の材料層（１７０，１７４，１７６，１７８， １８０）で形成されることを特徴とする請求項４に記載の光学デバイス（１４０ ）。
6. ６．前記半導体材料系がＡ１Ｉ　Ｇ２１−ｘ　Ａ３であることを特徴とする請求 項５に記載の光学デバイス（１４０）。
7. ７．前記結合導波路と前記多モード導波路（１８，２０，２２，２４）が、共通 の１つの層の中に又は共通の１組の層の中に形成され、前記第２の結合導波路（ ２２，２４）が前記多モード導波路の軸線（３０）と概ね共面である接続中心（ ３２，３４）を有することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の光学 デバイス（１０）。
8. ８．前記多モード導波路（２２４）が、２つの互いに直交した横断方向において 多モードであり、前記第２の結合導波路（２２８ａ〜２２８ｄ）がこの様な導波 路の２次元アレイとして配置されることを特徴とする請求項１から６のいずれか 一項に記載の光学デバイス（２２０）。
9. ９．前記第２の結合導波路（２２，２４）が、レーザ利得媒質と、前記媒質を励 起するための手段とを含み、前記デバイスが、レーザ作用を得るための適切な整 相を伴った光学フィードバックに適合させられることを特徴とする請求項１から ８のいずれかに記載の光学デバイス（１０）。
10. １０．前記光学デバイスが、前記第１の結合導波路（１１０）から遠隔の位置で 、前記第２の結合導波路（１１２ａ，１１２ｂ）に接続された第２の多モード導 波路（１１６）を含み、前記第２の多モード導波路（１１６）が、適切な整相を 与えることに適合させられることを特徴とする請求項９に記載の光学デバイス（ １００）。
11. １１．前記光学デバイスが、Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ干渉計として構成され、 補助多モード導波路（１１６）に前記多モード導波路（１１０）を接続し、更に １対の外側出力導波路（１２０ａ，１２０ｂ）の間の中央出力導波路（１１８） に前記多モード導波路（１１０）を接続する２つの第２の結合導波路（１１２ａ ，１１２ｂ）と、前記第２の結合導波路の一方における光位相をその他方の光位 相に対して変化させるための手段とを含み、更に、前記結合導波路（１１２ａ、 １１２ｂ）内の同位相の放射が前記中央出力導波路（１１８）に少なくとも概ね 閉じ込められた強さを生じさせ、且つ前記結合導波路（１１２ａ，１１２ｂ）内 の相対的に逆相の放射が前記１対の外側出力導波路（１２０ａ，１２０ｂ）内に 概ね等しい強さを生じさせるように、前記光学デバイスが適合させられることを 特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の光学デバイス（１００）。