JPH10300958A - 光回路素子および波長ルータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光回路素子の位相制御部での位相誤差を従来
より少なくする。 【解決手段】 位相制御部20を、平面導波路11と、平面
導波路11内に設けられ下記〜の条件を満たす複数個
の円弧状の低屈折率領域13₁ 〜13₅ とで構成する。：
複数個の円弧状の低屈折率領域それぞれは、曲率は等し
いが長さが異なる。：複数個の円弧状の低屈折率領域
それぞれは、円弧の凸側を同一方向に向かせて、該方向
に沿って長さの短いものから順に並列に配置してある。
：複数個の円弧状の低屈折率領域は、その端部での接
線に相当する線分を低屈折領域外部にそれぞれ延長した
場合に、前記線分が集まる点Ｐが生じるように、配置し
てある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、導波光の等位相
面を制御する光回路素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の光回路素子として、例え
ば文献Ｉ（エレクトロニクスレターズ(Electronics Let
ters),Vol.24,pp.385-386,(1988)）に開示されたものが
あった。この文献Ｉに開示の光回路素子は、基板上に、
曲率が異なりかつ長さが異なる曲がり導波路を、アレイ
状に具える（文献ＩのＦｉｇ．１）。

【０００３】これら曲がり導波路は、幅が３μｍ（文献
Ｉの第３８６頁第３行）でかつリッジ状の曲がり導波路
とされている。この文献Ｉに開示の素子では、これら曲
がり導波路ごとの光路長差の違いを利用して、導波光の
位相を制御している。この種の光回路素子は、マルチプ
レクサ、デマルチプレクサ、波長フィルタ等の種々の機
能素子として利用できる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来技術の場合、曲がり導波路と基板との屈折率差や
曲がり導波路の幅が変動すると、曲がり導波路の等価屈
折率が変化する。例えば、文献Ｉの場合、曲がり導波路
の幅が狭いため、導波路幅の加工ばらつきが生じ易いの
で、これに起因する等価屈折率の変動が生じ易い。導波
路の等価屈折率が変化すると、該導波路で与えようとす
る位相差に対して誤差（以下、位相誤差ともいう）が生
じる。そのため、所望の位相制御を行ないにくい。

【０００５】これを回避する技術の１つとして、例えば
特開平６−１９４５３９号公報に開示された技術があっ
た。

【０００６】この特開平６−１９４５３９号公報には、
両端に直線導波路がそれぞれ接続された曲がり導波路
を、アレイ状に具えた構成が開示されている（公報の例
えば図１）。この技術の場合も、アレイ状の各導波路の
長さを違えてある。そのため、各導波路では導波光に所
定の位相差を与えることができる（公報第４頁第５欄第
２７〜３０行）。ただし、この技術の場合は、基本モー
ドは、曲がり導波路の部分では、該曲がり導波路の外側
エッジの付近を伝播する（第３頁第４欄、下から第７〜
６行参照）。そのため、伝播定数が導波路の幅に依存し
ないようになる（第３頁第４欄、下から第５行参照）。
従って、曲がり導波路での導波路幅の変動に起因する位
相誤差を防止することができる。

【０００７】しかし、この特開平６−１９４５３９号公
報に開示の技術であっても、直線導波路部分での導波路
幅のバラツキ等に起因する位相誤差は除去できない。ま
た、各曲がり導波路は曲率を違えてあるので（半径を違
えてあるので）、各曲がり導波路ごとで等価屈折率が異
なる（詳細は後に図１を参照し本発明と対比して説明す
る）。そのため、これによっても位相誤差が生じてしま
う。

【０００８】従って、位相誤差が従来より生じにくい位
相制御部を具えた光回路素子の実現が望まれる。

【０００９】

【課題を解決するための手段】そこで、この発明によれ
ば、導波光の位相を制御する位相制御部を有した光回路
素子において、前記位相制御部を、少なくとも、平面導
波路と、該平面導波路内に設けられ下記〜の条件を
満たす複数個の円弧状の低屈折率領域とで構成としたこ
とを特徴とする。

【００１０】：前記複数個の円弧状の低屈折率領域そ
れぞれは、曲率は等しいが長さが異なる。

【００１１】：前記複数個の円弧状の低屈折率領域そ
れぞれは、円弧の凸側を同一方向に向かせて、該方向に
沿って長さの短いものから順に並列に配置してある。

【００１２】：前記複数個の円弧状の低屈折率領域そ
れぞれの両端から、各端点での接線に相当する線分を該
低屈折率領域外部にそれぞれ延長した場合に、前記両端
側それぞれに前記線分が集まる点が生じるように、前記
複数個の円弧状の低屈折率領域を配置してある。

【００１３】この発明の光回路素子によれば以下のよう
な作用が得られる。これについて図１（Ａ）〜（Ｃ）を
参照して説明する。

【００１４】ここで、図１（Ａ）は、この発明の光回路
素子での導波の様子を説明する図である。ただし、図１
（Ａ）は、簡単化のため、平面導波路１１と、該平面導
波路１１内に設けられた複数個の円弧状の低屈折領域の
うちの１つの低屈折率領域１３₁ とに着目した図を示し
てある。また、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示した系に
おける円弧の半径Ｒ方向に沿った屈折率分布を示した図
である。また、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）に示した系に
ついての等価な屈折率分布（詳細は後述する）を示した
図である。

【００１５】平面導波路１１と円弧状の低屈折率領域１
３₁ とで構成された系では、マクスウエルの方程式は次
のように記述できることが、例えば文献II（ジャーナル
オブ ライトウエーブテクノロジ（J.Lightwave Tech
nology Vol.11,1993年11月,p.1737 ）に開示されてい
る。

【００１６】［∂² ／∂ｕ² ＋｛ｋ₀ ²ｎ_t ²（ｕ）−
ｒ_t ²｝］ψ_t （ｕ）＝０ ただし、ｕ＝Ｒ_t ｌｎ（ｒ／Ｒ_t ）、Ｒ_t は円弧状の低
屈折領域の半径、ｒは半径方向の位置、ｋ₀ ＝２π／
λ、λは導波させる光の波長、ｎ_t （ｕ）＝ｎ｛ｒ
（ｕ）｝・ｅｘｐ（ｕ／Ｒ_t ）、ｒ（ｕ）＝Ｒ_t ・ｅｘ
ｐ（ｕ／Ｒ_t ）である。また、ψ_t （ｕ）は光の界分布
を表す。

【００１７】ここで、半径Ｒ_t が界分布に比して充分大
きい（ｕ／Ｒ_t ＜＜１）とすれば、文献IIに開示の通
り、低屈折領域１３の近傍（波長程度の近傍）では、ｎ
_t （ｕ）＝ｎ（Ｒ_t ＋ｕ）（１＋ｕ／Ｒ_t ）と近似でき
る。

【００１８】ｎ（Ｒ_t ＋ｕ）はもともとの屈折率分布で
あるので、結局、等価な屈折率分布ｎ_t （ｕ）は、もと
もとの屈折率分布ｎに半径方向に向かって増大する関数
１＋ｕ／Ｒ_t をかけたものとなる。このことを模式的に
示すと図１（Ｃ）のようになる。

【００１９】すると、平面導波路１１と円弧状の低屈折
率領域１３₁ とで構成された系では、円弧状の低屈折率
領域１３₁ の内側の縁（エッジ部分）１３ａが導波路構
造を示すようになる。そのため、光は、円弧状の低屈折
率領域１３₁ の内側の縁１３ａに沿って、伝搬する。こ
の様子を図１（Ａ）、（Ｃ）中に、光の界分布１５とし
て示す。

【００２０】このことから、この発明では、光は、導波
路の幅という概念に影響されない。したがって、導波路
幅が変動することに起因する位相誤差は生じない。

【００２１】さらに、円弧状の低屈折率領域１３₁ の内
側の縁（エッジ部分）１３ａに生じる上記の導波路構造
での基本モードを用いれば、分散曲線より、屈折率分布
ｎの変化に対して等価屈折率はあまり変化しないことが
わかる。そのため、平面導波路１１や低屈折率領域１３
₁ で屈折率変化が生じても、その等価屈折率はあまり変
化しない。従って、平面導波路や低屈折率領域で屈折率
変化が生じても、位相誤差は生じにくい。

【００２２】また、上記のｎ_t の式から理解できるよう
に、半径Ｒ_t が変化すると、ｎ_t も変化し、その結果、
導波路構造の等価屈折率も変化する。上記の特開平６−
１９４５３９号公報に開示の従来技術の場合は、曲がり
導波路ごとで半径を違えていたので各曲がり導波路ごと
で等価屈折率も変化してしまう。ところが、この発明で
は半径Ｒ_t を変化させないので、複数個の円弧状の低屈
折率領域ごとの上記の導波路構造での等価屈折率は同じ
になる。

【００２３】また、複数個の低屈折率領域それぞれの長
さを違えてあるので、複数個の低屈折率領域それぞれを
伝搬する光同士に所定の位相差を与えられる。

【００２４】上述のようなことから、この発明によれ
ば、位相誤差が従来に比べて生じにくい位相制御部を具
えた光回路素子が実現される。

【００２５】なお、この発明の実施に当たり、前記複数
個の円弧状の低屈折領域それぞれの両端近傍に、前記平
面導波路を伝搬する導波光のモードと前記位相制御部を
伝搬する導波光モードとを相互に変換するモード変換部
を設けるのが好適である。

【００２６】こうすると、平面導波路を伝搬してきた光
を位相制御部に適した伝搬モードに変換でき、一方、位
相制御部を伝搬してきた光を平面導波路に適した伝搬モ
ードに変換できる。そのため、効率良く光の伝搬が行な
える。

【００２７】モード変換部として、円弧状の低屈折率領
域に向かうに従い平面導波路部分の幅を狭めている平面
形状を有した低屈折率領域（第２の低屈折率領域。図４
参照）を用いるのが好適である。こうすると、平面導波
路からの光を集めかつ図１を用いて説明した界分布１５
と同等の幅まで光を集光することができるので、平面導
波路の光を位相制御部に効率的に入力できる。一方、位
相制御部を伝搬した光を、平面導波路に出力する際に
は、球面波に戻すことができる。

【００２８】また、円弧状の低屈折率領域および第２の
低屈折率領域それぞれは、平面導波路の該当部分を除去
した領域で構成するのが好ましい。こうすると、円弧状
の低屈折率領域および第２の低屈折率領域を簡易に製造
することができる。

【００２９】また、この発明の実施にあたり、前記平面
導波路における前記線分が集まる点に相当する部分に端
部を位置させた入出力導波路と、これに並ぶ１以上の入
出力導波路とからなる入出力導波路群を、前記平面導波
路内に設けると、波長ルータ、デマルチプレクサ等の種
々の機能素子を実現できるようになる。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照してこの発明の
光回路素子の実施の形態について説明する。ただし、各
図はこの発明を理解できる程度に各構成成分の寸法、形
状および配置関係を概略的に示してある。また、各図に
おいて同様な構成成分については同一の番号を付して示
してある。

【００３１】１．第１の実施の形態 図２は、この発明の光回路素子の基本的な構成（第１の
実施の形態）を示した平面図である。

【００３２】この発明の光回路素子では、平面導波路１
１と、該平面導波路１１内に設けられ下記〜の条件
を満たす複数個の円弧状の低屈折率領域１３₁ 〜１３₅
とで、位相制御部２０を構成してある。なお、円弧状の
低屈折率領域の個数はもちろん図示例に限られない。

【００３３】ここで、平面導波路１１は、光を導波する
ことが出来る材料からなる媒体、例えば基板または下地
上に形成した膜などで構成する。このような媒体として
は、例えばガラス、化合物半導体、ポリマなど任意好適
な材料からなる基板や膜を挙げることができる。

【００３４】また、低屈折率領域１３₁ 〜１３₅ それぞ
れは、平面導波路１１に比べ低い屈折率を示す領域であ
る。この領域は、例えば、平面導波路１１の所定部分そ
れぞれを除去した領域で構成するのが簡易である。除去
跡の空気層が低屈折領域になる。

【００３５】然も、：複数個の円弧状の低屈折率領域
１３₁ 〜１３₅ それぞれは、曲率は等しいが長さを異な
らせてある。然も、：複数個の円弧状の低屈折率領域
１３₁ 〜１３₅ それぞれは、円弧の凸側を同一方向（図
２では図面下方から上方）に向かせて、該方向に沿って
長さの短いものから順に、すなわち図２の例では領域１
３₁ 〜１３₅ の順に並列に配置してある。然も、：複
数個の円弧状の低屈折率領域１３₁ 〜１３₅ それぞれの
両端から、各端点での接線に相当する線分Ｌｒ₁ 〜Ｌｒ
₅ を該領域外部にそれぞれ延長した場合に、前記両端側
それぞれに前記線分が集まる点Ｐが生じるように、複数
個の円弧状の低屈折率領域１３₁ 〜１３₅ を、平面導波
路１１内に配置してある（この配置方法の詳細は後述す
る。）。

【００３６】なお、線分Ｌｒ₁ 〜Ｌｒ₅ は、Ｐ点から、
複数個の円弧状の低屈折率領域１３₁ 〜１３₅ それぞれ
までの光路に相当する。

【００３７】この図２に示した位相制御部２０では、図
１を参照して既に説明したように、円弧状の低屈折率領
域１３₁ 〜１３₅ それぞれの内側の縁部に沿って導波路
構造が生じる。また、Ｐ点から円弧状の低屈折率領域１
３₁ 〜１３₅ それぞれを経由する光路ごとで、光路長が
異なる。その結果、低屈折領域１３₁ 〜１３₅ それぞれ
を伝搬する光は、互いに位相差を示す。よって、位相制
御部が構成される。

【００３８】続いて、この発明の位相制御部２０の形成
方法の一例を以下に説明する。なお、以下の説明では、
上述した線分Ｌｒ₁ 〜Ｌｒ₅ は線分Ｌｒ_S と、また、円
弧状の低屈折率領域１３₁ 〜１３₅ は円弧状の低屈折率
領域１３_S と、それぞれ代表して表すこともある。ただ
し、Ｓは、１〜低屈折率領域の数の範囲の値である（以
下のＳにおいて同じ）。

【００３９】図２に示した構造において、線分Ｌｒ_S
と、該線分Ｌｒ_S に連なる円弧状の低屈折率領域１３_S
の半分の長さとの和をＬ_S と表す。すなわち、Ｐ点から
線分Ｌｒ_S を経て円弧状の低屈折率領域１３_S の半分の
位置（図２中の中心線Ｙと交差する位置）までの導波路
の長さをＬ_S と表す。また、長さが最少の円弧状の低屈
折率領域１３₁ の局率中心Ｑと、上記のＰ点とを結ぶ線
分ＰＱ（基準線ＰＱともいう）に、上記の導波路の長さ
Ｌ_S を投影したときの長さをＬｐ_S と表す。

【００４０】ここで、円弧状の低屈折率領域１３_S の半
分の長さは、２πＲ_S ・φ_S ／２π＝Ｒ_S ・φ_S で表せ
るので、Ｌ_S は、Ｌ_S ＝Ｌｒ_S ＋Ｒ_S φ_S と書き直せ
る。

【００４１】ここで、φ_S は設計に応じた任意の値とで
きるが、ここではφ_S ＝θ_S とする。ただし、θ_S は基
準線ＰＱと線分Ｌｒ_S とがなす角度である。

【００４２】φ_S ＝θ_S としておくと、そうしない場合
に比べ、例えばＰ点から領域１３₁〜１３₅ へ光を分配
するときの損失が抑えられる。これは、線分Ｌｒ_S と領
域１３_S の開始点付近とが平行になるからである。

【００４３】また、円弧状の低屈折率領域１３_S それぞ
れの半径Ｒ_S は、いずれも同じ値Ｒである。したがっ
て、Ｌ_S は、Ｌ_S ＝Ｌｒ_S ＋Ｒθ_S と書き直せる。

【００４４】すると、隣り合うＬ_S 同士の差をΔＬ_S と
表した場合、このΔＬ_S は、 ΔＬ_S ＝（Ｌｒ_S+1 ＋Ｒθ_S+1 ）−（Ｌｒ_S ＋Ｒθ_S ） ＝Ｌｒ_S+1 −Ｌｒ_S ＋Ｒθ_S+1 −Ｒθ_S ＝ΔＬｒ_S ＋ＲΔθ_S ・・・（ａ） となる。ただし、（ａ）式においてΔＬｒ_S ＝Ｌｒ_S+1
−Ｌｒ_S であり、Δθ_S＝θ_S+1 −θ_S である。

【００４５】また、ΔＬ_S をΔＬｅｆと置くと、（ａ）
式は下記の（ｂ）式に書き直せる。ここで、ΔＬｅｆ
は、各Ｌ_S で所望の位相差を得るための光路長差であ
る。

【００４６】 ΔＬｅｆ＝ΔＬｒ_S ＋ＲΔθ_S ・・・（ｂ） 一方、上記のＬｐ_S は、Ｌｐ_S ＝Ｌｒ_S ｃｏｓθ_S ＋Ｒ
ｓｉｎφ_S と表せる（図２参照）。ただし、上述の通
り、φ_S ＝θ_S と設定しているので、Ｌｐ_S は、Ｌｐ_S
＝Ｌｒ_S ｃｏｓθ_S ＋Ｒｓｉｎθ_S と表せる。

【００４７】また、隣り合うＬｐ_S 同士の差をΔＬｐ_S
と表した場合、このΔＬｐ_S は、 ΔＬｐ_S ＝ΔＬｒ_S ・ｃｏｓθ_S ＋Ｌｒ_S （−ｓｉｎθ_S ）Δθ_S ＋Ｒｃｏ ｓθ_S ・Δθ_S ・・・（ｃ） となる。

【００４８】なお、この（ｃ）式における、ΔＬｒ_S ・
ｃｏｓθ_S や、Ｌｒ_S （−ｓｉｎθ_S ）・Δθ_S や、Ｒ
・ｃｏｓθ_S ・Δθ_S それぞれは、図３に示した通り
の、各部の値である。

【００４９】ところで、Ｌｐ_S は、既に説明したよう
に、Ｌ_S を基準線ＰＱに投影したものなので、ΔＬｐ_S
＝０になる。したがって、（ｃ）式は下記の（ｄ）式に
書き直せる。

【００５０】 ΔＬｒ_S ・ｃｏｓθ_S ＋（Ｒｃｏｓθ_S −Ｌｒ_S ｓｉｎθ_S ）Δθ_S ＝０ ・・（ｄ） 次に、上記の（ｂ）式を変形して、ΔＬｒ_S ＝ΔＬｅｆ
−ＲΔθ_S とし、これを上記の（ｄ）式に代入する。す
ると、 （ΔＬｅｆ−ＲΔθ_S ）・ｃｏｓθ_S ＋（Ｒｃｏｓθ−Ｌｒ_S ｓｉｎθ_S ）Δ θ_S ＝０ ・・・（ｅ） が得られる。これを書き直すと、 ΔＬｅｆ・ｃｏｓθ_S −ＲΔθ_S ・ｃｏｓθ_S ＋ＲΔθ
_S ・ｃｏｓθ_S −Ｌｒ_S ｓｉｎθ_S ）Δθ_S ＝０ となる。さらにこの式を整理すると、 ΔＬｅｆ・ｃｏｓθ_S −Ｌｒ_S ｓｉｎθ_S Δθ_S ＝０ ・・・（ｆ） が得られる。

【００５１】この（ｆ）式をΔθ_S について解くと、 Δθ_S ＝ΔＬｅｆ・ｃｏｓθ_S ／Ｌｒ_S ｓｉｎθ_S ・・・（ｇ） が得られる。

【００５２】ここで、Δθ_S を求めるに当たり計算精度
を出すためには、Ｌｒ_S として（Ｌｒ_S+1 ＋Ｌｒ_S ）／
２＝Ｌｒ_S ＋ΔＬｒ_S ／２、および、θ_S として、（θ
_S+1＋θ_S ）／２＝θ_S ＋Δθ_S ／２を用いるのが好ま
しい。なぜなら、図３に示したように、Ａ点からＢ点を
求める場合、Ａ点での値を用いるよりもＡ点およびＢ点
の中間点であるＣ点での値を用いてΔθ_S を求めた方
が、計算精度が高まるからである。

【００５３】しかし、ΔＬｒ_S やΔθ_S はいずれもこれ
から求める値である。そこで、ΔＬｒ_S の代わりにΔＬ
ｒ_S-1 を用い、Δθ_S の代わりにΔθ_S-1 を用いる。

【００５４】すると、上記の（ｇ）式は次の（１）式の
ように書き直すことができる。

【００５５】 Δθ_S ＝ΔＬｅｆ・ｃｏｓθ（θ_S ＋Δθ_S-1 ／２）／（Ｌｒ_S ＋ΔＬｒ_S-1 ／２）ｓｉｎ（θ_S ＋Δθ_S-1 ／２） ・・・（１） また、ΔＬｒ_S については、上記の（ｂ）式から、下記
の（２）式が得られる。

【００５６】 ΔＬｒ_S ＝−Ｒ・Δθ_S ＋ΔＬｅｆ ・・・（２） すると、Ｌｒ_S+1 およびθ_S+1 は、それぞれ下記の
（３）式および（４）式により求めることが出来る。

【００５７】 Ｌｒ_S+1 ＝Ｌｒ_S ＋ΔＬｒ_S ・・・（３） θ_S+1 ＝θ_S ＋Δθ_S ・・・（４） これら（１）式〜（４）式に従い、図２のＬｒ₁ 〜Ｌｒ
₅ や、θ₁ 〜θ₅ を、例えば以下のように求める。

【００５８】先ず、初期値として、θ₁ 、Δθ₀ 、Ｌｒ
₁ 、ΔＬｒ₀ を決定する。ここで、ΔＬｒ₀ は、（２）
式より、ΔＬｒ₀ ＝−Ｒ・Δθ₀ ＋ΔＬｅｆである。ま
た、Δθ₀ は、例えば、Ｐ点（図２）に入出力導波路を
置いた場合の該入力導波路の回折角と、低屈折領域１３
_S の本数とから、Δθ₀ ＝（入力導波路の回折角）／
（低屈折領域１３_S の本数）で与えられる値とする。ま
た、Ｌｒ₁ は、例えば、点Ｐに置いた入出力導波路と、
これに平行な１以上の入出力導波路とで構成される入出
力導波路群（例えば図４参照）における、(i) 導波路間
隔、(ii)導波路本数および(iii) 低屈折領域１３_S から
なるアレイの回折角から、Ｌｒ₁ ＝（導波路間隔）×
（導波路本数）／（低屈折領域１３_S からなるアレイの
回折角）で与えられる値とする。

【００５９】上記のように決めた各初期値θ₁ 、Δθ
₀ 、Ｌｒ₁ およびΔＬｒ₀ それぞれを上記の（１）式に
代入して、Δθ₁ を求める。この求めたΔθ₁ を上記の
（２）式に代入して、ΔＬｒ₁ を求める。次に、上記
（３）式よりＬｒ₂ を求め、また、上記（４）式よりθ
₂ を求める。

【００６０】これら求めた、θ₂ 、Ｌｒ₂ 、Δθ₁ 、Δ
Ｌ₁ を、上記の（１）式にそれぞれ代入して、・・・
・、以下、上記処理をＳが低屈折率領域の数になるまで
繰り返す。これにより、Ｌｒ₁ 〜Ｌｒ₅ や、θ₁ 〜θ₅
を求めることができる。

【００６１】次に、θ₁ の初期値を変更して、上記と同
様な処理を繰り返す。そして、Ｌｐ_S （図２参照）が最
少となるθ₁ 、すなわち、光回路素子長を最少にできる
θ₁を見つける。そして、Ｌｐ_S を最少にすることがで
きるθ₁ に基づいて順次に上記処理で求まるＬｒ_S やθ
_S に基づいて、光回路素子を構成する。

【００６２】２．第２の実施の形態 次に、この発明の光回路素子を波長ルータに応用する形
態について説明する。図４（Ａ）は該波長ルータ３０の
説明に供する平面図である。

【００６３】この波長ルータは、平面導波路１１に、第
１の実施の形態にて説明した位相制御部２０を具える。
さらに、平面導波路１１の、第１の実施の形態で説明し
た前記Ｐ点に相当する部分に端部を位置させた入出力導
波路３１ａと、これに並ぶ１以上の入出力導波路３１
ｂ，３１ｃ（図示例では２本。）とからなる入出力導波
路群３１を、平面導波路１１に具える。この入出力導波
路群３１は、位相制御部２０の両側に設けてある。

【００６４】また、各入出導波路群３１は、入出力導波
路３１ａを中心としてその左右に他の入出力導波路３１
ｂ，３１ｃを位置させた入出力導波路群としてある。も
ちろん、入出力導波路群３１を構成する入出力導波路数
は３に限られない。

【００６５】各入出力導波路３１ａ〜３１ｃそれぞれ
は、例えば、平面導波路１１を帯状に残存させた部分で
構成することができる。すなわち、図４（Ａ）に示した
ように、平面導波路１１が帯状に残存するように、帯状
にする予定部分両側の平面導波路部分をある深さ除去し
て、凹部３３を平面導波路１１内に形成する。これら凹
部で挟まれる平面導波路部分を入出力導波路とする。

【００６６】さらに、この光回路素子（波長ルータ）３
０では、円弧状の低屈折領域１３₁〜１３₅ それぞれの
両端近傍に、平面導波路１１を伝搬する導波光のモード
と位相制御部３０を伝搬する導波光モードとを相互に変
換するモード変換部３５を具えている。

【００６７】モード変換部３５の詳細を図４（Ｂ）を参
照して説明する。ここで、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）中
の円弧状の低屈折率領域１３₄ 、１３₅ の端部近傍に着
目した拡大図である。

【００６８】この場合のモード変換部３５は、円弧状の
低屈折率領域１３₄ 、１３₅ に向かうに従い平面導波路
部分の幅を狭めている低屈折率領域、具体的には平面導
波路の幅をテーパ状に狭めている低屈折率領域（第２の
低屈折率領域）により構成してある。この第２の低屈折
率領域３５ａは、例えば、平面導波路１１の該当部分を
除去した除去跡で構成することができる。

【００６９】なお、Ｐ点から見て、δθ_S ＝［（θ_S −
θ_S-1 ）＋（θ_S+1 −θ_S ）］／２で与えられる角度を
考えた場合、隣り合う第２の低屈折率領域３５ａの先端
同士の間隔Ｗ、すなわ該先端での平面導波路部分の幅Ｗ
が、Ｗ＝０．７×δθ_S ×Ｌｒ_S で与えられる値または
それに近い値になるように、第２の低屈折率領域３５ａ
を設けるのが好ましい。効率的にモード変換が行なえる
からである。なお、隣り合う第２の低屈折率領域３５ａ
の幅Ｗ_E は、これに限られないが、例えば１０μｍとす
る。

【００７０】また、この第２の低屈折率領域３５ａの導
波路方向に沿う長さｘ（図４（Ｂ）参照）は、短くて良
く、例えば数百μｍ程度で良い。このような長さである
と、モード変換器での位相誤差は問題にならない。ま
た、第２の低屈折率領域３５ａは、円弧状の低屈折率領
域１３_S と一体形成することができる。

【００７１】この波長ルータ３０は、例えば次のように
使用することができる。例えば入力ポートから入出力導
波路３１ａに入力された光は、この入出力導波路３１ａ
を通った後、平面導波路１１へ放射される。この放射さ
れた光は球面波である。この球面波は、モード変換器３
５によって、図１にて説明した低屈折率領域の内側の縁
に沿って伝搬するモードに変換される。すなわち、上記
球面波は、テーパー状になっている第２の低屈折率領域
３５ａによって集められ、図１を用いて説明した界分布
１５と同等の幅まで狭められ、その後、位相制御部２０
に入る。

【００７２】位相制御部２０に入った光は、この位相制
御部２０によって等位相面が制御される。次にこの光
は、位相制御部２０の出口側のモード変換部３５におい
て、球面波に戻された後、他方の入出力導波路群３１上
にて干渉をして、該入出力導波路群３１上にパワー密度
が高い部分を生じさせる。このパワー密度の高い光は入
出力導波路３１ａ〜３１ｃのいずれかから出力される。

【００７３】例えば、一方の入出力導波路群３１の入出
力導波路３１ａに波長多重された光を入力すると、他方
の入出力導波路群３１中の１つの導波路からは所定の１
または複数の波長光が出力され、別の１つの導波路から
は、所定の他の波長の１または複数の光が出力されるよ
うになる。このような波長ルータの具体例を以下に説明
する。

【００７４】図４（Ａ）を参照して説明した波長ルータ
であって、円弧状の低屈折率領域の数を１６本とし、入
出力導波路群を構成する入出力導波路数とを増加させた
波長ルータを構成する。ただし、この波長ルータの設計
に当たっては、上記の（１）式および（２）式を用いる
際に、θ₁ ＝１ｒａｄ、Δθ₀ ＝０．０１ｒａｄ、Ｌｒ
₁ ＝１５００μｍ、Ｒ＝２５０μｍ、ΔＬｅｆ＝２０μ
ｍとする。

【００７５】そして、この波長ルータの、一方の入出力
導波路群３１における中心に位置する導波路（上記のＰ
点に相当する位置の導波路。以下同様。）から、波長
１．５３〜１．５６μｍの範囲の波長光を入力した場合
に、かつ、他方の入出力導波路群３１における中心に位
置する導波路からどのような波長光が出力されるかをシ
ミュレーションする（これを実験Ｉという）。またこれ
とは別に、一方の入出力導波路群３１における中心に位
置する導波路から図４（Ａ）の下方に１つずれた導波路
から、波長１．５３〜１．５６μｍの範囲の波長光を入
力した場合に、他方の入出力導波路群３１における中心
に位置する導波路から図４（Ａ）の上方に２つずれた導
波路からどのような波長光が出力されるかをシミュレー
ションする（これを実験IIという）。

【００７６】なお、上記のシミュレーションは、光を入
力した導波路から平面導波路１１および位相制御部２０
を経て上記のモニタ対象の出力導波路に至る全ての経路
の光について、該モニタ対象の出力導波路での強度と位
相とを考慮して和を計算することで、行なった。

【００７７】これら実験Ｉおよび実験IIのシミュレーシ
ョンで得られる波長透過率特性を図５に示した。ただ
し、図５では、横軸に波長、縦軸に透過率をとってあ
る。また、実験Ｉの結果を実線により示し、実験IIの結
果を破線により示してある。

【００７８】図５から、この場合の波長ルータは、１つ
の出力導波路に選択的に２種の波長光をルーティングす
る。実験Ｉの場合は、波長１．５３８付近の第１の光と
波長１．５５５付近の第２の光とを選択的にルーティン
グする。実験IIの場合は、波長１．５３５付近の第１の
光と波長１．５５２付近の第２の光とを選択的にルーテ
ィングする。

【００７９】

【発明の効果】上述した説明から明らかなように、この
発明の光回路素子によれば、導波光の位相を制御する位
相制御部を有した光回路素子において、前記位相制御部
を、少なくとも、平面導波路と、該平面導波路内に設け
られ上記の〜の条件を満たす複数個の円弧状の低屈
折率領域とで構成としてある。

【００８０】そのため、光は、円弧状の低屈折率領域の
内側の縁（エッジ部分）に沿って、伝搬する。したがっ
て、導波路幅が変動することに起因する位相誤差は生じ
ない。

【００８１】さらに、円弧状の低屈折率領域の内側の縁
（エッジ部分）に生じる上記の導波路構造での基本モー
ドを利用できるので、等価屈折率の変動が少ない。従っ
て、平面導波路や低屈折率領域で屈折率変化が生じて
も、位相誤差は生じにくい。

【００８２】さらに、複数個の円弧状の低屈折率領域そ
れぞれは半径Ｒが同じであるので、半径が変動すること
に起因する等価屈折率変動は生じない。

【００８３】一方、複数個の低屈折率領域それぞれの長
さを違えてあるので、複数個の低屈折率領域それぞれを
伝搬する光同士に所定の位相差を与えられる。

【００８４】したがって、位相誤差が従来に比べて生じ
にくい位相制御部を具えた光回路素子が実現される。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の作用・効果を説明するための図であ
る。

【図２】この発明の第１の実施の形態の光回路素子を説
明する図であり、特に基本構成の説明図である。

【図３】この発明の第１の実施の形態の光回路素子を説
明する図であり、特に形成方法（設計方法）の詳細を説
明する図である。

【図４】この発明の第２の実施の形態の光回路素子を説
明する図であり、特に応用例である波長ルータの一例を
説明する図である。

【図５】波長ルータの特性をシミュレーションした結果
の説明図である。

【符号の説明】 １１：平面導波路 １３₁ 〜１３₅ （１３_S 、１３_S+1 ）：円弧状の低屈折
率領域 １５：光の界分布 ２０：位相制御部 Ｌｒ₁ 〜Ｌｒ₅ ：線分 Ｐ：線分が集まる点 ＰＱ：基準線 φ₁ 〜φ₅ ：円弧状の低屈折率領域の中心角の半分の角
度 Ｒ：円弧状の低屈折率領域の半径 Ｙ：中心線 ３０：波長ルータ ３１：入出力導波路群 ３１ａ〜３１ｃ：入出力導波路 ３３：凹部（平面導波路を除去した部分） ３５：モード変換部 ３５ａ：第２の低屈折率領域

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導波光の位相を制御する位相制御部を有
   した光回路素子において、 前記位相制御部を、少なくとも、平面導波路と、該平面
   導波路内に設けられ下記〜の条件を満たす複数個の
   円弧状の低屈折率領域とで構成したことを特徴とする光
   回路素子。 ：前記複数個の円弧状の低屈折率領域それぞれは、曲
   率は等しいが長さが異なる。 ：前記複数個の円弧状の低屈折率領域それぞれは、円
   弧の凸側を同一方向に向かせて、該方向に沿って長さの
   短いものから順に並列に配置してある。 ：前記複数個の円弧状の低屈折率領域それぞれの両端
   から、各端点での接線に相当する線分を低屈折領域外部
   にそれぞれ延長した場合に、前記両端側それぞれに、前
   記線分が集まる点が生じるように、前記複数個の円弧状
   の低屈折率領域を配置してある。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の光回路素子において、 前記複数個の円弧状の低屈折領域それぞれの両端近傍
   に、導波光の伝搬モードを前記平面導波路に適した伝搬
   モードと前記位相制御部に適した伝搬モードとの間で相
   互に変換するモード変換部を具えたことを特徴とする光
   回路素子。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の光回路素子において、 前記複数個の円弧状の低屈折率領域の端部近傍にそれぞ
   れ設けられ、円弧状の低屈折率領域に向かうに従い平面
   導波路部分の幅を狭めている平面形状を有した低屈折率
   領域（第２の低屈折率領域）を、前記モード変換部とし
   て含むことを特徴とする光回路素子。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の光回路素子において、 前記平面導波路における前記線分が集まる点に相当する
   部分に端部を位置させた入出力導波路と、これに並ぶ１
   以上の入出力導波路とからなる入出力導波路群を、前記
   平面導波路内に具えたことを特徴とする光回路素子。
5. 【請求項５】 請求項１に記載の光回路素子において、 前記複数個の円弧状の低屈折領域それぞれは、前記平面
   導波路の該当部分をそれぞれ除去した領域としてあるこ
   とを特徴とする光回路素子。
6. 【請求項６】 請求項３に記載の光回路素子において、 前記第２の低屈折領域それぞれは、前記平面導波路の該
   当部分をそれぞれ除去した領域としてあることを特徴と
   する光回路素子。
7. 【請求項７】 請求項１に記載の光回路素子において、 前記複数個の円弧状の低屈折領域のうち長さが最少の円
   弧状の低屈折領域の曲率中心と前記線分が集まる点とを
   結んだ線（基準線）と、前記複数個の円弧状の低屈折領
   域それぞれから延長されている各線分とのなす角をθ_S
   とし（ただし、Ｓは、１〜前記円弧状の低屈折領域の
   数。以下同様）、 隣り合う線分同士がなす角をΔθ_S とし、 各線分の長さをＬｒ_S とし、 隣り合う線分同士の差をΔＬｒ_S としたとき、 前記Δθ_S が下記の（１）式で規定され、前記ΔＬｒ_S
   が下記の（２）式で規定されていることを特徴とする光
   回路素子（ただし、（１）式および（２）式中のΔＬｅ
   ｆは、所望の位相差を得るための光路長差である。また
   （２）式中のＲは、前記複数個の円弧状の低屈折領域の
   半径である。）。 Δθ_S ＝ΔＬｅｆ・ｃｏｓθ（θ_S ＋Δθ_S-1 ／２）／（Ｌｒ_S ＋ΔＬｒ_S-1 ／２）ｓｉｎ（θ_S ＋Δθ_S-1 ／２） ・・・（１） ΔＬｒ_S ＝−Ｒ・Δθ_S ＋ΔＬｅｆ ・・・（２）
8. 【請求項８】 請求項７に記載の光回路素子において、 前記基準線と前記各線分とのなす角度θ_S が、各線分に
   対応する円弧状の低屈折率領域の中心角の半分の角度φ
   _S となっていることを特徴とする光回路素子。
9. 【請求項９】 請求項４に記載の光回路素子からなるこ
   とを特徴とする波長ルータ。