KR100690412B1 - 파동 전달 매체 및 도파 회로 - Google Patents

Abstract

파동 전달 매체에 입력 포트와 출력 포트를 설치하고, 입력 포트로부터 입사한 전반광의 필드 분포 1(순전반광)과, 입력 포트로부터 입사한 광신호가 출력 포트로부터 출력될 때에 기대되는 출력 필드를 출력 포트측으로부터 역전반시킨 위상 공액 광의 필드 분포 2(역전반광)를 수치 계산에 의해 구한다. 그리고, 이러한 필드 분포 1 및 2를 기초로, 전반광과 역전반광의 각 점(x, z)에 있어서의 위상차를 없애도록 매체 내에서의 공간적인 굴절률 분포를 구한다.

입력, 출력, 전반광, 순전반광, 역전반광, 필드 분포, 위상차, 굴절률, 분포

Description

파동 전달 매체 및 도파 회로{WAVE TRANSMISSION MEDIUM AND WAVEGUIDE CIRCUIT}

본 발명은 파동 전달 매체 및 이를 이용한 도파 회로 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 2차원적인 굴절률 분포에 따른 다중 산란에 근거하여 파동을 전달시키는 매체 및 이를 이용하여 구성된 도파 회로 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

광통신 등의 기술 분야에 있어서는 광의 분기· 간섭을 용이하게 실현하기 위한 광회로를 구성하기 위해서, 광도파로 구조를 이용한 집적 광부품이 개발되어 왔다. 이러한 파동으로서의 성질을 이용한 집적 광부품은, 광도파로 길이 등을 조정하거나 광간섭계 등의 제작을 용이화하거나 하는 것을 가능하게 하고, 또한, 반도체 분야에 있어서의 회로 가공 기술을 적용함으로써 광부품의 집적화도 가능하게 한다.

그렇지만, 이러한 광도파로 회로에 있어서는 광도파로 내를 전반(傳搬)하는 광을 굴절률의 공간적 분포를 이용하여 공간적인 광구속(optical confinement)을 실현하는 「광구속 구조」에 의해 광회로의 각 구성 요소를 구성하기 위해서, 광배선 등을 이용한 종렬적(縱列的)인 회로 설계가 필요하게 된다. 이 때문에, 광도파로 회로의 광로 길이는 광회로 내에서 간섭 현상 등을 발생시키기 위해서 요구되는 광로 길이보다도 길어지지 않을 수 없고, 그 결과, 광회로 그것이 매우 대형으로 되어 버린다고 하는 문제가 있었다.

예를 들어, 전형적인 어레이(array) 도파로 격자를 예로 들면, 입력 포트로부터 입력된 복수의 파장(λ_j)의 광은 슬랩(slab) 도파로를 가지는 스타 커플러에(star coupler) 의해 분파· 합파를 반복하고, 분파된 광이 출력 포트로부터 출력되지만, 파장의 1/1000 정도의 분해능으로 광을 분파하기 위해서 필요로 하는 광로 길이는, 도파로를 전반하는 광의 파장의 수만배가 된다. 또, 광회로의 도파로 패터닝(patterning)을 비롯하여 편광 상태에 의존하는 회로 특성을 보정하기 위한 파장판 등을 설치하기 위해 가공도 실시할 필요가 있다. (예를 들면, Y. Hibino, "Passive optical devices for photonic networks", IEIC Trans. Commun., Vol. E83-B No. 10, (2000) 참조).

또, 광회로의 소형화를 위해서는 광을 도파로 내에 강하게 구속할 필요가 있기 때문에, 굴절률의 공간적 분포에 의해 광구속 상태를 제어하기 위해서는 매우 큰 굴절률차를 광도파로 내에도 가지게 하는 것이 필요하게 되고, 예를 들면 종래의 스텝인덱스(step index) 형태의 광도파로에서는, 비굴절률차가 0.1%보다도 큰 값으로 되는 굴절률의 공간적 분포를 가지도록 광도파로가 설계되어 있었다. 이러한 큰 굴절률차를 이용하여 광구속을 하는 것으로 하면, 회로 구성의 자유도가 제한되어 버린다고 하는 문제가 발생한다. 특히, 광도파로 내에서의 굴절률차를 국소적인 자외선 조사, 열광학 효과나 전기 광학 효과 등에 의해 실현하려고 하는 경우에는, 얻어지는 굴절률의 변화량은 기껏해야 0.1% 정도인 경우가 많고, 광의 전반 방향을 변화시키는 경우에는 광도파로의 광로를 따라 서서히 방향을 변화시키지 않을 수 없고, 광회로 길이는 필연적으로 매우 긴 것으로 되어 버리고, 그 결과로 광회로의 소형화가 곤란하게 되어 버린다.

또한, 그레이팅(grating) 모양의 회로를 광도파로 회로에 부여한 회로는 광의 전반 방향에 대해서 대체로 평행한 방향의 주기 구조 혹은 유전체 굴절률의 주기 변화에 의해 광회로를 구성하고, 한편, 실제의 설계에 있어서 대체로 퓨리에(Fourier) 변환으로 평가 가능한 강한 주기성을 가지는 구조 혹은 주기성을 약간 왜곡한 처프(chirp) 구조에 의해 광회로의 특성을 얻고 있기 때문에, 파면에 대해서 대체로 균일한 구조로 되어 전반 방향에 수직인 방향(파면을 따른 방향)에서의 광제어가 곤란하게 된다. 예를 들면, T. W. Mossberg, "Planar holographic optical processing", Optics Letters, Vol. 26, No. 7, pp 414-416 (2001)에 개시되어 있는 광회로에서는 광회로 내에서 반사하는 일 없이 투과하는 광은 회로 내로 퍼져버려서 신호광으로서 이용할 수가 없다. 또, 분기 회로와 같이 전반 방향에 수직인 방향으로 크게 스폿(spot) 위치를 변화시키는 회로에서는 광이 형성하는 「장」(필드)을 전반 방향과 수직 방향으로 크게 넓힐 필요가 있어 회로가 커지지 않을 수 없다. 또한, 실제의 회로의 설계에 있어서도, 파이버 그레이팅(fiber grating)과 같은 종래의 1차원의 그레이팅 회로의 설계 방법과 거의 등가인 설계 방법밖에 실현될 수 없기 때문에, 주기성이 강한 구조(즉, 전반 방향의 파수에 의존한 광회로)에 한정되고, 회로 규모가 커지고, 파장에 민감하게 되기 쉽고, 입출력의 위치가 파장의 순으로 연속적으로 분포해 버리는 등, 설계의 자유도가 낮은 회로로 한정된다고 하는 문제가 있었다.

한편, 현재는 통신 용량의 확대를 위해서 복수의 광파장을 이용한 광파장 다중 통신 시스템의 개발이 번성하게 행해지고 있고, 이 광파장 다중 통신 시스템에 있어서, 복수의 파장의 광신호를 송신기 측에서 합파하거나 1개의 광파이버 내를 전반하는 복수의 광신호를 수신기 측에서 다른 포트로 분파하기 위한 광파장 합분파 회로로서 어레이 도파로 회절격자형 광 합분파 회로가 널리 이용되고 있다.

도 1은 종래의 어레이 도파로 회절격자형 광 합분파 회로의 구성예를 설명하기 위한 도이다(예를 들면, K. Okamoto, "Fundamentals of Optical Waveguides", Academic Press (2000) 참조). 이 회로는 기판(100) 상에 설치된 입력 도파로(101)와, 제1 슬랩 도파로(102)와, 어레이 도파로(103)와, 제2 슬랩 도파로(104)와, 출력 도파로(105)가 순차 접속되어 구성되어 있다.

입력 도파로(101)로부터 입력된 광은 제1 슬랩 도파로(102)에 의해 확대되고, 각 파장에 대응하는 도파로로 구성된 어레이 도파로(103)로 분파된다. 그리고, 제2 슬랩 도파로(104)에서 다시 합파되어 출력 도파로(105)로 인도된다. 여기서, 제1 슬랩 도파로(102)의 어레이 도파로(103) 측의 단부에 투사된 광 필드 패턴은, 기본적으로는, 제2 슬랩 도파로(104)의 어레이 도파로(103) 측의 단부에서 재생(복사)되게 되지만, 어레이 도파로(103)는 서로 이웃하는 광도파로의 광로 길이가 정확히 △L만큼 다르도록 설계되어 있기 때문에, 광 필드는 입력된 광의 파장에 의존하여 기울기를 가지게 된다. 이 기울기에 의해 제2 슬랩 도파로(104)의 출력 도파로(105) 측의 단부로 광 필드가 초점을 연결하는 위치가 파장마다 변화하고, 이에 의해 파장 분파가 가능하게 된다.

이러한 어레이 도파로 격자형 광 합분파 회로는, 복수의 파장의 광신호를 1개의 광파이버 내에서 전송시키는 광다중 통신 시스템에 있어서 필요 불가결한 광부품으로 되고 있다. 또, 도 1에 나타낸 어레이 도파로 격자형 광 합분파 회로의 투과 파장 대역폭을 확대한 패스밴드(passband) 확대 어레이 도파로 격자형 광 합분파 회로의 제안도 여러 가지 행해지고 있다.

도 2(A) 및 도 2(B)는 종래 제안되어 있는 패스밴드(passband) 확대 어레이 도파로 격자형 광 합분파 회로의 구성예를 설명하기 위한 도이다(예를 들면, K. Okamoto and A. Sugita, "Flat spectral response arrayed-waveguide grating multiplexer with parabolic waveguide horns", Electronics Letters, Vol. 32, No. 18, pp. 1661-1662 (1996) 참조).

이 회로는, 도 2(A)에 나타내듯이, 도 1에 나타낸 회로에 있어서, 입력 도파로(101)와 제1 슬랩 도파로(102)의 사이에, 도 2(B)에 나타낸 형상의 파라볼라(parabola) 도파로(106)를 설치하여 구성되는 회로이다. 또, 도중의 z는 광의 전반 방향을 나타내고 있다.

도 3(A) 및 도 3(B)은 도 2(A)의 회로 구성으로 한 경우의 파라볼라 도파로(106)의 슬랩 도파로(102)와의 접속면에 있어서의 광 필드 분포를 설명하기 위한 도로, z는 광의 전반 방향, x는 z방향과 수직인 도파로의 단면 방향을 의미하고 있다. 이 도에 나타내듯이, 광 필드 분포는 더블피크(double-peak)를 가지는 분포 형상이 된다. 제2 슬랩 도파로(104)의 출력 도파로측에서 이 더블피크(double-peak)를 가지는 광 필드가 재생되어 출력 도파로(105)에 결합하게 되기 때문에, 투과 파장 대역의 확대가 실현되게 된다.

그렇지만, 상술한 종래 구성의 패스밴드(passband) 확대 어레이 도파로 격자형 광 합분파 회로는, 도 4에 나타내듯이, 파라볼라(parabola) 도파로 내의 위상 분포에 기인하는 큰 파장 분산값을 가진다. 파장 분산은 신호 스펙트럼 성분에 다른 지연 시간을 주기 때문에, 큰 파장 분산을 가지는 종래의 패스밴드(passband) 확대 어레이 도파로 격자형 광 합분파 회로에서는 광 펄스(pulse) 열화가 두드러진다고 하는 문제가 있다.

본 발명은, 이러한 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 종래의 광도파로 회로나 평면 홀로그래픽(holographic) 회로를 이용한 광회로보다도 소형이고, 광의 입출력을 가능한 한 자유롭게 설정할 수 있고, 또한, 완만한 굴절률 분포(작은 고저차)에서도 충분히 고효율의 광신호 제어를 가능하게 하는 광회로를 실현하기 위한 광(파동) 전달 매체를 제공하고, 이에 의해 고효율로 소형의 도파 회로를 실현하는 것, 및, 파장 분산이 작은 어레이 도파로 격자형 광 합분파 회로를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

본 발명은 이러한 목적을 달성하기 위해서, 제1 발명은, 소망의 광 입출력의 어느 단면이 주어져야 할 회로상의 장소를 포트라고 부를 때, 입력측 포트(입력 포트)로부터의 입사광을 소망의 출력측 포트(출력 포트)로 출력하는 파동 전달 매체로서, 상기 파동 전달 매체는, 상기 입력 포트로부터의 입사광이 당해 파동 전달 매체 내에서 다중 산란하면서 전반하도록 결정된 공간적인 굴절률 분포를 가지고, 당해 파동 전달 매체 내의 국소적인 위치는, 가상적인 메쉬(mesh)에 의해 확정되는 가상적인 픽셀(pixel)에 의해 지정되고, 상기 픽셀의 각각이 가지는 굴절률에 의해 상기 파동 전달 매체의 공간적인 굴절률 분포를 이루는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 파동 전달 매체의 굴절률 분포는, 상기 입력 포트로부터의 입사광의 순전반광의 필드의 위상과 상기 출사광을 위상 공액(conjugation)으로 역전반시킨 역전반광의 필드의 위상의 차를 상기 파동 전달 매체의 각 점에서 정합시키도록 설정되어 있다.

또, 바람직하게는, 상기 픽셀이 취할 수 있는 굴절률은, 저굴절률(n_L) 또는 고굴절률(n_H)의 어느 하나이고, 상기 굴절률 분포는, 저굴절률(n_L)을 가지는 픽셀과 고굴절률(n_H)을 가지는 픽셀을 공간적으로 배치시킴으로써 주어지는 것이다.

또, 바람직하게는, 상기 저굴절률(n_L)을 가지는 픽셀의, 상기 파동 전달 매체 내에 있어서의 상기 입사광의 전반 방향에서의 존재 확률은 70% 이하이다.

또, 바람직하게는, 상기 픽셀은, 하한 굴절률과 상한 굴절률 사이의 유한개의 굴절률을 취할 수 있고, 상기 굴절률 분포는 당해 유한개의 굴절률 중의 어느 하나의 굴절률을 가지는 상기 픽셀을 공간적으로 배치시킴으로써 주어지는 것이다.

또, 바람직하게는, 상기 입력 포트로부터 입사되는 광을, 소망의 비율로 서로 다른 출력 포트 위치로 분파되도록 상기 굴절률 분포가 결정되어 있다.

또, 바람직하게는, 상기 입력 포트로부터 입사되는 광은 복수의 파장의 광의 파장 다중광이고, 당해 파장 다중광을 이루는 각각의 파장의 광에 대응된 서로 다른 출력 포트 위치로 분파되도록 상기 굴절률 분포가 결정되어 있다.

또, 바람직하게는, 상기 입력 포트로부터 입사되는 광은 복수의 파장의 광의 파장 다중광이고, 당해 파장 다중광을 이루는 각각의 파장의 광이 소망의 비율로 서로 다른 출력 포트 위치로 분파되도록 상기 굴절률 분포가 결정되어 있다.

또, 바람직하게는, 상기 입력 포트로부터 입사되는 광은 TE 모드와 TM 모드의 편파(偏波) 다중광이고, 당해 편파 다중광을 이루는 각각의 편파에 대응된 서로 다른 출력 포트 위치로 분파되도록 상기 굴절률 분포가 결정되어 있다.

또, 바람직하게는, 상기 입력 포트로부터 입사되는 광은 TE 모드와 TM 모드의 편파(偏波) 다중광이고, 당해 편파 다중광을 이루는 각각의 편파가 소망의 비율로 서로 다른 출력 포트 위치로 분파되도록 상기 굴절률 분포가 결정되어 있다.

또, 바람직하게는, 상기 파동 전달 매체를 구성하는 물질은 유전체이다.

제2 발명은, 본 발명의 파동 전달 매체의 제조 방법으로서, 초기 굴절률 분포를 가정한 상기 파동 전달 매체 내에서, 상기 입사광의 필드 분포 1과 상기 출사광을 상기 출력 포트로부터 가상적으로 역전반시킨 광의 필드 분포 2를 구하는 제1 단계와, 상기 파동 전달 매체의 각 점에서, 상기 필드 분포 1과 상기 필드 분포 2의 위상차가 적게 되도록, 상기 굴절률 분포를 결정하는 제2 단계와, 상기 출력 포트 위치에서, 상기 필드 분포 1과 상기 출사광의 필드 분포가 소망의 오차 이하로 될 때까지, 상기 제1 단계와, 상기 제2 단계를 반복하여 상기 굴절률 분포를 축차 근사하는 제3 단계를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 제2 단계에 있어서의 굴절률 분포의 결정은, 상기 픽셀의 각각의 굴절률을 변수로 하는 최급강하법(steepest descent method)에 의해 실행된다.

제3 발명은, 본 발명의 파동 전달 매체의 제조 방법으로서, 상기 굴절률 분포를 축차 근사하기 위한 제1 루틴(routine)과 제2 루틴을 구비하고, 상기 제1 루틴은, 초기 굴절률 분포를 가정한 상기 파동 전달 매체 내에서, 상기 입사광의 필드 분포 1과 상기 출사광을 상기 출력 포트로부터 가상적으로 역전반시킨 광의 필드 분포 2를 구하는 제1 단계와, 상기 파동 전달 매체 내의 위치에서의 상기 필드 분포 2의 위상이 당해 위치에서의 상기 필드 분포 1의 위상과 정합하도록 상기 굴절률 분포를 변경하는 제2 단계와, 당해 변경 후의 굴절률 분포를 이용하여 상기 위치에서의 필드 분포 2를 다시 구하는 제3 단계와, 상기 위치를 역전반 방향으로 소정량만큼 이동시켜 새로운 위치로서 다시 정의하는 제4 단계와, 상기 제1 내지 4 단계를 반복하여 상기 굴절률 분포를 축차 근사하는 제5 단계를 구비하고, 상기 제2 루틴은, 상기 제1 루틴에서 결정된 굴절률 분포를 가정한 상기 파동 전달 매체 내에서, 상기 출사광의 필드 분포 1과 상기 출사광을 상기 출력 포트로부터 가상적으로 역전반시킨 광의 필드 분포 2를 구하는 제6 단계와, 상기 파동 전달 매체 내의 위치에서의 상기 필드 분포 1의 위상이 당해 위치에서의 상기 필드 분포 2의 위상과 정합하도록 상기 굴절률 분포를 변경하는 제7 단계와, 당해 변경 후의 굴절률 분포를 이용하여 상기 위치에서의 필드 분포 1을 다시 구하는 제8 단계와, 상기 위치를 순전반 방향으로 소정량만큼 이동시켜 새로운 위치로서 다시 정의하는 제9 단계와, 상기 제6 내지 9 단계를 반복하여 상기 굴절률 분포를 축차 근사하는 제10 단계를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 제2 단계에 있어서, 상기 필드 분포 2로서는, 축차 근사 이전의 굴절률 분포 중에서 상기 출사광을 입사면까지 전반시켰을 때의 필드 분포를 당해 축차 근사 이전의 굴절률 분포 중에서 순전반시켜 얻어진 필드 분포를 이용하고, 상기 필드 분포 1로서는, 축차 근사 이전의 굴절률 분포 중에서 상기 입사광을 출사면까지 전반시켰을 때의 필드 분포를 당해 축차 근사 이전의 굴절률 분포 중에서 역전반시켜 얻어진 필드 분포를 이용한다.

또, 바람직하게는, 상기 출력 포트 위치에서의 상기 필드 분포 1과 상기 출사광의 필드 분포가 소망의 오차 이하로 될 때까지, 상기 제1 루틴과 상기 제2 루틴을 순차 반복하는 제3 루틴을 구비하고 있다.

또, 바람직하게는, 상기 필드 분포 1 및 상기 필드 분포 2의 각각에는, 상기 파동 전달 매체 내에서의, 상기 입사광 및 역전반광의 각각의 반사광 성분이 넣어져 있다.

또, 바람직하게는, 상기 초기 굴절률 분포로서 랜덤(random) 분포를 가정한다.

또, 바람직하게는, 상기 입력 포트로부터의 입사광은 복수의 파장의 광의 파장 다중광 또는 TE 모드와 TM 모드의 편파 다중광이고, 상기 굴절률 분포의 축차 근사는, 상기 다중광의 각 파장의 광마다 또는 각 편파마다 정의된 필드 분포 2를 이용하여 순차 실행되고, 상기 다중광을 이루는 각 파가 소망의 비율로 서로 다른 출력 포트 위치로 분파되도록 상기 굴절률 분포가 결정되어 있다.

제4 발명은, 기판 상에, 본 발명의 파동 전달 매체를 2차원적으로 배치하여 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 도파 회로이다.

바람직하게는, 이 도파 회로를 이용하여 다중 모드 간섭 회로가 구성되어 있다.

제5 발명은, 본 발명의 도파 회로를 이용하여 구성된 아래와 같은 광회로이다.

즉, 본 발명의 도파 회로를 이용하여 구성된 광 굽힘 회로(optical bending circuit)나, 도파 회로의 굴절률 분포가 전기광 효과에 근거하는 당해 도파로 회로의 국소적인 굴절률 변화에 의해 실현되어 있는 광회로나, 픽셀의 각각의 굴절률이 상기 기판에 대해서 수직 방향으로 광을 구속하도록 결정되어 있는 광회로 등이다.

바람직하게는, 상기 가상적인 메쉬는, 주기적인 반복에 의해 상기 도파 영역을 형성하는 단위격자의 구성 요소이다.

또, 바람직하게는, 상기 단위격자는, 준주기 구조를 형성하는 형상을 가지는 것이다.

또, 바람직하게는, 상기 픽셀이 취할 수 있는 굴절률 값은 2치화 되어 있고, 고굴절률(n_H) 또는 저굴절률(n_L)의 어느 하나이다.

또, 바람직하게는, 상기 고굴절률을 가지는 픽셀의 크기는, 상기 도파 영역 내를 전반하는 광의 파장 이하로 설정되어 있다.

또, 바람직하게는, 다음 식으로 주어지는 값이 0.1 이하이다.

(λ : 전반광 파장, n : 고굴절률을 가지는 픽셀의 굴절률 값(n_H), a : 고굴절률을 가지는 픽셀의 높이, q : 전반광의 필드 분포의 방사 성분의 평균 거리를 z로 했을 때 q = (z/a)로 주어지는 계수)

또, 바람직하게는, 상기 고굴절률을 가지는 픽셀은 n각형(n은 3이상의 정수)의 다각 형상을 가지고, 당해의 어느 한 변도, 상기 도파 영역을 전반하는 광의 전반 방향과 경사지도록 상기 픽셀이 배치되어 있다.

또, 바람직하게는, 상기 다각 형상은 정방형이고, 상기 경사의 각도는 45도 이다.

또, 바람직하게는, 상기 픽셀의 각각은, 상기 가상적인 메쉬에 의해 확정되는 영역 이상의 소망의 크기를 가지고, 상기 픽셀의 어느 하나는, 상기 가상적인 메쉬에 의해 확정되는 격자 위치로부터 벗어난 위치에 배치되어 있다.

또, 바람직하게는, 상기 고굴절률(n_H)을 가지는 픽셀은, 제1 고굴절률층과 당해 제1 고굴절률층보다도 낮은 굴절률을 가지는 제2 고굴절률층을 순차 적층시킨 도파부를 가지는 한편, 상기 저굴절률(n_L)을 가지는 픽셀은, 상기 제2 고굴절률층으로 이루어지는 도파부를 가지고, 상기 고굴절률(n_H)을 가지는 픽셀의 도파부를 전반하는 광 필드 직경의 중심 위치와 상기 저굴절률(n_L)을 가지는 픽셀의 도파부를 전반하는 광 필드 직경의 중심 위치가, 상기 기판 표면과 평행한 동일 평면상에 있도록 설정되어 있다.

또, 바람직하게는, 상기 도파 영역은 유전체 재료로 구성되어 있고, 당해 유전체 재료는 광손실 기능 또는 광증폭 기능을 구비하고 있다.

또, 바람직하게는, 상기 유전체 재료는 광의 파장에 의존하는 복소 굴절률을 가진다.

또, 바람직하게는, 상기 도파 영역은, 적어도, 제1 저굴절률층과 도파부인 고굴절률층과 제2 저굴절률층이 순차 적층된 구조를 가지고, 당해 제1 및 제2 저굴절률층에 의해 상기 고굴절률층 내에 광이 구속된다.

또, 바람직하게는, 상기 고굴절률층의 적어도 한쪽의 표면 상에는, 오목부를 설치함으로써 릴리프 형상의 패터닝이 실시되어 있고, 상기 오목부를 저굴절률부로 하고, 당해 오목부 이외의 부분을 고굴절률부로 함으로써 상기 공간적 굴절률 분포가 주어지고 있다.

또, 바람직하게는, 상기 릴리프 형상의 패터닝이, 상기 고굴절률층의 양면에 실시되어 있다.

또, 바람직하게는, 상기 고굴절률층의 양면에 실시된 릴리프(relief) 형상의 패턴은 서로 다른 패턴이다.

또, 바람직하게는, 상기 고굴절률층의 양면에 실시된 릴리프(relief) 형상의 패턴의 상기 오목부의 깊이가 어느 쪽도 동일하다.

또, 바람직하게는, 상기 픽셀은, 고굴절률(n_H) 또는 저굴절률(n_L)의 어느 하나의 2치화 된 굴절률을 가지는 복수의 가상의 서브픽셀(sub-pixel)로 분할되어 있고, 당해 2치화 된 서브픽셀의 배열에 의해 상기 픽셀의 굴절률 분포가 주어지고 있다.

또, 바람직하게는, 상기 픽셀에서는 굴절률차의 변화의 비율로서 굴절률차를 1파장 이상의 거리를 걸쳐 변화시킨다(전반광의 파면 진행 방향으로의 전반 정수(constant)의 공간적 변화 비율).

또, 바람직하게는, 상기 픽셀 또는 상기 서브픽셀의 상기 기판과 평행한 단면 형상은 원형이다.

또, 바람직하게는, 상기 픽셀 또는 상기 서브픽셀의 상기 기판에 수직인 단면 형상은 매끄럽게 변화하는 곡선을 가지는 형상이다.

또, 바람직하게는, 상기 제1 또는 제2 저굴절률층의 적어도 한쪽은, 서로 굴절률이 다른 복수의 층을 적층시켜 구성되어 있다.

또, 바람직하게는, 상기 광회로는 3개 이상의 입출력 포트를 구비한 상호 일제 전달·일제 수신 구성의 광회로이고, 상기 공간적 굴절률 분포는, 상기 입출력 포트로부터 출력되는 신호의 위상이 서로 직교하도록 설정되어 있다.

또, 바람직하게는, 상기 광회로는 3개 이상의 입출력 포트를 구비한 상호 일제 전달·일제 수신 구성의 광회로이고, 상기 공간적 굴절률 분포는, 상기 입출력 포트로부터 출력되는 신호의 위상이 서로 직교하지 않는 경우에 출력 신호의 중첩을 최소로 하도록 설정되어 있다.

또, 바람직하게는, 상기 광회로의 분기 비율이 비대칭이다.

또, 바람직하게는, 상기 광회로에는 증폭 기능이 구비되어 있다.

또, 바람직하게는, 상기 광회로는 복수의 입력 포트를 가지고, 한편 당해 복수의 입력 포트로부터 입력된 광신호가 동일한 출사면으로부터 출력되도록 구성되어 있고, 상기 공간적 굴절률 분포는, 상기 복수의 입력 포트로부터 출력되는 각각의 신호광의 서로의 위상을 조정하여 서로 중합시키고, 출력되는 광 필드 형상을 정형하도록 설정되어 있다.

또, 바람직하게는, 상기 광회로와 그 회로의 복수 입력 포트간에 위상차를 붙여 광을 입사하는 회로를 전단에 배치함과 동시에, 상기 회로의 출력을 어레이 도파로 회절격자의 입력부에 배치하고, 필드의 피크 위치를 어레이 도파로 회절격자의 출력 주파수 간격으로 이동시키고, 필터를 평활화시키도록 설정되어 있다.

또, 바람직하게는, 상기 공간적 굴절률 분포는, 출력광의 스폿 크기 변환을 가져오는, 필드 강도와 위상 분포를 가능하게 하도록 설정되어 있다.

제6 발명은, 본 발명의 도파 회로를 이용하여 구성된 어레이 도파로 격자형 광 합분파 회로로서, 평면 기판 상에 입력 도파로와 제1 슬랩 도파로와 어레이 도파로와 제2 슬랩 도파로와 출력 도파로가 순차 접속되어 있고, 상기 입력 도파로와 상기 제1 슬랩 도파로와의 접속 영역에는, 당해 입력 도파로의 굴절률과 비교하여 고굴절률의 산란점이 복수 배치되어 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 산란점은, 상기 입력 도파로의 출력단에 형성되는 광 필드 분포의 등위상면에 왜곡이 없고, 한편 진폭에 더블피크(double peak)를 가지도록 배치되어 있다.

또, 바람직하게는, 상기 산란점의 상기 입력 도파로 내에서의 2차원적인 배치 분포는, 상기 광의 전반 방향으로 성장하는 직선에 대해서 대체로 선대칭이다.

또, 바람직하게는, 상기 산란점의 1변의 길이는 0.2㎛ 이상이다.

또, 바람직하게는, 상기 평면 기판은 실리콘 기판이고, 상기 광도파로는 석영계 글래스(glass) 광도파로이다.

본 발명에 의해, 종래의 광도파로 회로나 평면 홀로그래픽(holographic) 회로를 이용한 광회로보다도 소형이고, 광의 입출력을 가능한 한 자유롭게 설정할 수 있고, 또한, 완만한 굴절률 분포(작은 굴절률 고저차)에서도 충분히 고효율인 광신호 제어를 가능하게 하는 도파 회로를 실현하기 위한 광(파동) 전달 매체를 제공하고, 이에 의해 고효율로 소형의 광회로를 실현하는 것이 가능하게 된다.

또, 본 발명의 어레이 도파로형 광 합분파 회로는, 입력 도파로 내에 공간적 굴절률 분포에 근거하는 복수의 산란점을 배치함으로써 전반광의 위상과 강도를 동시에 제어하는 것으로 하였으므로, 파장 분산을 저감한 낮은 분산의 어레이 도파로형 광 합분파 회로의 제공이 가능하게 된다.

도 1은 종래의 어레이 도파로 회절격자형 광 합분파 회로의 구성예를 설명하기 위한 도이다.

도 2(A) 및 도 2(B)는 종래 제안되어 있는 패스밴드(passband) 확대 어레이 도파로 격자형 광 합분파 회로의 구성예를 설명하기 위한 도이다.

도 3(A) 및 도 3(B)은 도 2(A)의 회로 구성으로 한 경우의 파라볼라 도파로의 슬랩 도파로와의 접속면에 있어서의 광 필드 분포를 설명하기 위한 도이다.

도 4는 종래 구성의 패스밴드(passband) 확대 어레이 도파로 격자형 광 합분파 회로의 파장 분산값을 설명하기 위한 도이다.

도 5(A)∼5(C)는 본 발명의 파동 전달 매체의 기초가 되는 기본 개념과 기본 구조를 설명하기 위한 도이다.

도 6은 종래의 어레이 도파로 격자 회로의 구성예를 설명하기 위한 도이다.

도 7은 본 발명의 파동 전달 매체의 공간적인 굴절률 분포를 결정하기 위한 계산 순서를 설명하기 위한 흐름도이다.

도 8은 계산 순서의 이해를 용이하게 하기 위해서, 파동 전달 매체 내에서의 필드의 모습의 일례를 나타낸 도이다.

도 9(A) 및 도 9(B)는 실시예 1에 있어서의 광회로 설계의 설정을 설명하기 위한 도이다.

도 10(A) 및 도 10(B)은 실시예 1에 의한 굴절률 분포(도 10(A))와 투과 스펙트럼(도 10(B))을 설명하기 위한 도이다.

도 11(A)∼11(C)은 평면 광파 회로 형상의 굴절률 분포를 가지고, 한편, 기판 수직 방향에서의 광구속 가능한 실시예 1의 광회로를 설명하기 위한 도이다.

도 12는 실시예 2의 광회로 설계의 흐름을 간단하게 나타낸 흐름도이다.

도 13(A)∼13(C)은 도 12에 나타낸 알고리즘을 실행하기 위한 필드의 데이터를 설명하기 위한 도이다.

도 14(A)는 실시예 1의 계산의 수렴(convergence)의 모습을 나타낸 도이다.

도 14(B)는 실시예 2의 계산의 수렴(convergence)의 모습을 나타낸 도이다.

도 15(A)는 실시예 2의 광회로의 굴절률 분포를 설명하기 위한 도이다.

도 15(B)는 실시예 2의 광회로의 투과 스펙트럼을 설명하기 위한 도이다.

도 16(A) 및 도 16(B)은 실시예 3의 4파장 분파기의 광회로 설계를 위한 조건 설정을 설명하기 위한 도이다.

도 17(A) 및 도 17(B)은 실시예 3에서 계산한 광회로의 투과 손실 스펙트럼(투과율(dB))을 설명하기 위한 도이다.

도 18(A)은 실시예 4의 광회로 설계를 위한 조건 설정을 설명하기 위한 도로, 단순한 밴드 투과 필터를 설정하는 경우의 도이다.

도 18(B)은 실시예 4의 광회로 설계를 위한 조건 설정을 설명하기 위한 도로, 밴드 정형용의 더미포트(dummy port)를 설치하는 경우의 도이다.

도 19(A)는 도 18(A)에 나타낸 조건 설정하에서 조정된 광회로의 출력 포트로부터 출력되는 출력광의 투과 손실의 스펙트럼이다.

도 19(B)는 도 18(B)에 나타낸 조건 설정하에서 조정된 광회로의 출력 포트로부터 출력되는 출력광의 투과 손실의 스펙트럼이다.

도 20(A)은 실시예 5의 광회로의 설정 조건을 설명하기 위한 도이다.

도 20(B)은 실시예 5의 광회로의 투과 손실의 스펙트럼을 설명하기 위한 도이다.

도 21(A)은 실시예 6의 광회로의 입출력 페어(pair)의 설정을 설명하기 위한 도이다.

도 21(B)은 실시예 6의 광회로의 1.55㎛의 출사 필드 분포의 설정을 설명하기 위한 도이다.

도 21(C)은 실시예 6의 광회로의 포트(a)로부터 입력광을 입력시키는 경우의 출력광의 투과 손실 스펙트럼을 설명하기 위한 도이다.

도 21(D)은 실시예 6의 광회로의 포트(b)로부터 입력광을 입력시키는 경우의 출력광의 투과 손실 스펙트럼을 설명하기 위한 도이다.

도 22는 실시예 7에 있어서 반사 성분도 고려할 때의 전반 행렬의 취급의 개요를 설명하기 위한 도로, 광회로 내의 미소 부분에만 주목하여 도시한 도이다.

도 23(A)은 실시예 7의 광회로(파장 필터)의 설정 조건을 설명하기 위한 도이다.

도 23(B)은 실시예 7의 광회로(파장 필터)의 투과 손실의 스펙트럼을 설명하기 위한 도이다.

도 24(A)는 실시예 8의 16분기 광회로에 있어서의 굴절률 분포를 설명하기 위한 도이다.

도 24(B)는 실시예 8의 16분기 광회로에 있어서의, 광전반의 모습을 설명하기 위한 도이다.

도 24(C)는 실시예 8의 16분기 광회로에 있어서의, 16개의 각 출력 포트로부터 출력되는 광의 광투과 손실(dB)를 나타내는 도이다

도 25(A)는 실시예 9의 굽힘 회로의 굴절률 분포를 설명하기 위한 도이다.

도 25(B)는 실시예 9의 굽힘 회로의 광전반의 모습을 설명하기 위한 도이다.

도 26(A)은 실시예 10에 있어서의 광회로 설계 영역에 있어서의 굴절률 분포를 설명하기 위한 도이다.

도 26(B)은 실시예 10에 있어서의 광회로 내를 전반하는 광의 파장마다의 필드의 전반의 모습을 설명하기 위한 도이다.

도 27(A)은 실시예 11에 있어서의 광회로 설계 영역 내의 굴절률 분포를 설명하기 위한 도이다.

도 27(B)은 실시예 11에 있어서의 광회로 설계 영역 내의 단위 길이당의 도파로 내에 공극이 출현하는 확률(횡축)과 고굴절률부의 공극이 연속하는(즉, 저굴절률부가 연속한다) 픽셀의 수 N_g마다의 빈도(종축)와의 관계를 설명하기 위한 도이다.

도 28(A)은 실시예 12의 전극 구조의 단면도이다.

도 28(B)은 도 28(A)에 나타낸 소자를 이용한 광회로의 구성예를 설명하기 위한 도이다.

도 29(A) 및 도 29(B)는 실시예 13의 1.31㎛/1.55㎛의 파장 필터의 구성예를 설명하기 위한 도이다.

도 30은 실시예 13의 광회로를 구성하는 유전체의 픽셀을 광의 산란점으로서 생각한 경우의 광의 확대의 모습을 설명하기 위한 도이다.

도 31(A) 및 도 31(B)은 픽셀 크기 W를 파라미터로서 변화시켜 1.31㎛/1.55㎛의 파장 필터의 광회로를 구성하는 경우의 투과 손실 특성 및 누화 특성의 픽셀 크기 의존성을 설명하기 위한 도이다.

도 32(A) 및 도 32(B)는 실시예 14의 평면 광회로에 있어서의 기판 수직 방향과 기판 수평 방향에서의 광의 구속 레벨을 설명하기 위한 도이다.

도 33은 최소 픽셀 단위를 3㎛ 각으로 했을 때의 1점당의 방사 손실(결합 손실)의 필드 반경 의존성을 설명하기 위한 도이다.

도 34(A)는 실시예 15에 있어서의 픽셀을 광전반 방향으로 배치한 광회로를 설명하기 위한 도이다.

도 34(B)는 실시예 15에 있어서의 픽셀을 광전반 방향에 대해서 경사시켜 배치한 광회로를 설명하기 위한 도이다.

도 35(A)는 실시예 16에 있어서의 가상적인 메쉬로 확정된 격자점에 픽셀을 배치하여 굴절률 분포를 형성한 광회로를 설명하기 위한 도이다.

도 35(B)는 실시예 16에 있어서의 격자점의 위치와는 관계없이 y방향에서의 픽셀 배치를 하여 굴절률 분포를 형성한 광회로를 설명하기 위한 도이다.

도 36(A)은 도 35(A)에 나타낸 픽셀 배치에 대응시켜 제작한 실제의 광회로(1.31㎛와 1.55㎛의 파장 필터)의 굴절률 분포를 설명하기 위한 도이다.

도 36(B)은 도 35(B)에 나타낸 픽셀 배치에 대응시켜 제작한 실제의 광회로(1.31㎛와 1.55㎛의 파장 필터)의 굴절률 분포를 설명하기 위한 도이다.

도 37(A)∼37(C)은 실시예 17에 있어서의 광회로의 제작 순서를 설명하기 위한 도이다.

도 38은 고굴절률층 Δ₂를 에칭 제거한 영역을 「저굴절률 영역」, 고굴절률층 Δ₂를 에칭 제거하지 않고 잔존시킨 영역을 「고굴절률 영역」으로 하는 광회로의 구성을 설명하기 위한 도이다.

도 39는 실시예 17에 있어서의 파라미터 조정을 위한 계산예를 설명하기 위한 도이다.

도 40은 실시예 17의 광회로인 1.31/1.55㎛ WDM 회로의 특성(투과 손실의 파장 의존성)을 설명하기 위한 도이다.

도 41(A) 및 도 41(B)은 실시예 18-1의 광회로의 제조 방법을 설명하기 위한 도이다.

도 42(A) 및 도 42(B)는 실시예 18-2의 광회로의 제조 방법을 설명하기 위한 도이다.

도 43(A)∼43(D)은 실시예 18-3의 광회로의 제조 방법을 설명하기 위한 도이다.

도 44(A) 및 도 44(B)는 실시예 18-4의 광회로의 제조 방법을 설명하기 위한 도이다.

도 45(A)∼45(C)는 실시예 18-5의 광회로의 굴절률 분포의 모습을 설명하기 위한 도파로 단면도이다.

도 46은 도 45(A)∼45(C)에 나타낸 구조를 가지는 1.31㎛/1.55㎛의 (1× 2)분기 회로의 각각의 손실 특성(투과율)을 설명하기 위한 도이다.

도 47(A)∼47(C)은 실시예 19의 광회로의 구성을 설명하기 위한 개략도이다.

도 48(A)∼48(C)은 실시예 20의 광회로의 구성을 설명하기 위한 단면도이다.

도 49는 실시예 21의 광회로의 도파로 부분의 단면도이다.

도 50(A)∼50(C)은 실시예 22의 광회로의 서브픽셀의 예를 나타내는 상면도이다.

도 51(A)은 실시예 23에 있어서의 기판에 대해서 수평인 방향으로 굴절률이 변화하는 구조를 가지는 도파로의 굴절률 분포의 개념도이다.

도 51(B)은 실시예 23의 굴절률 분포 중에 평면파를 전반시켰을 때의 반사 감쇠의 모습을 설명하기 위한 도이다.

도 52(A)는 픽셀 형상을 원형으로 하는 경우의 단위 픽셀에 있어서의 유효 굴절률 분포의 모습을 설명하기 위한 개념도이다.

도 52(B) 및 도 52(C)는 원형 픽셀을 이용하여 구성한 회로의 일부의 표면 개념도이다.

도 53은 픽셀 형상을 벌집 형상으로 하는 경우의 픽셀 배열의 모습을 설명하기 위한 도이다.

도 54는 「준주기 구조」라고 불리는 불완전 주기 구조를 설명하기 위한 도이다.

도 55는 상호 일제 전달·일제 수신 구성으로 한 광회로의 구성예를 설명하기 위한 도이다.

도 56은 도 55의 광회로의 각 포트간에서의 신호의 흐름을 모식화한 도이다.

도 57은 도 56에 모식화하여 나타낸 각 포트간에서의 신호의 흐름을 논리적인 신호의 흐름을 무너뜨리지 않고 변형한 모습을 설명하기 위한 도이다.

도 58은 불균등 분배 회로를 이용한 통신망의 개념도이다.

도 59는 불균등 분배 회로의 응용 개념도이다.

도 60(A) 및 도 60(B)은 어레이 도파로 회절격자의 성질을 설명하기 위한 도이다.

도 61은 출력 스폿 중심 위치와 파장의 관계를 설명하기 위한 도이다.

도 62는 실시예 27에 있어서의 광회로의 구성을 설명하기 위한 도이다.

도 63은 필드 형상으로서 가우스(Gauss) 함수를 가정하는 경우의 중심 위치의 이동의 모습을 설명하기 위한 도이다.

도 64(A)는 종래 구성의 도파로로부터의 출사 필드의 등위상면의 모습을 설명하기 위한 도이다.

도 64(B)는 본 발명의 회로 구성의 도파로로부터의 출사 필드의 등위상면의 모습을 설명하기 위한 도이다.

도 65는 비굴절률차 1.5%인 석영계의 평면 광파 회로 기술로 제작한 홀로그래픽 파동 전달 매체에 의해 스폿 직경을 기판 수평 방향만 정형한 것으로 근시야(近視野) 상의 기판면에 수직인 방향의 단면도이다.

도 66은 도 2(A)에 나타낸 종래 구성의 회로에 설치되고 있는 파라볼라(parabola) 도파로 내의 더블피크(double-peak)의 필드 분포를 설명하기 위한 도이다.

도 67(A)∼67(E)은 본 발명의 낮은 분산 어레이 도파로 격자형 광 합분파 회로의 제조 공정을 설명하기 위한 도이다.

도 68은 패스밴드(passband) 확대 어레이 도파로 격자형 광 합분파 회로의 슬랩 도파로에 접속되는 입력 도파로 구조(산란점 배치)의 예를 설명하기 위한 도이다.

도 69는 도 68에 나타낸 산란점 배치를 가지는 입력 도파로로부터 출사되는 광 필드의 분포(진폭 및 위상)의 계산 결과를 설명하기 위한 도이다.

도 70은 실시예의 입력 도파로를 이용하여 채널 간격 100GHz의 어레이 도파로 격자형 광 합분파 회로를 구성하고, 이 회로의 패스밴드 확대화 효과와 낮은 파장 분산화 효과를 검증한 결과를 설명하기 위한 도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시의 형태에 대해서 설명한다. 또, 각 도면에 있어서 같은 기능을 가지는 곳에는 동일한 부호를 붙이고 설명의 중복은 생략한다. 또, 입력광과 입력 포트, 및 출력광과 출력 포트에 동일 부호를 이용하는 경우가 있을 수 있다.

(기본 개념 : 본 발명의 파동 전달 매체의 기본 개념)

이하에, 본 발명의 파동 전달 매체에 관한 기본적 개념에 대해서 설명하지만, 이 설명에 즈음해서는 간략화를 위해서 파동 전달 매체 내를 전반하는「파동」은「광」이고, 파동 전달 매체는 광회로로서 이용되고 있는 것으로 가정한다. 그렇지만, 본 발명이 기초로 하는 이론은 일반의 파동 방정식에 근거하여 매질의 특성을 지정하는 것이고, 일반의 파동에 있어서도 원리적으로 성립될 수 있는 것이다. 따라서, 본 발명은, 광의의 「전자파」를 다중 산란에 의해 파동 전달시킬 수 있는 매체 일반에 응용 가능할 뿐만아니라 다체(多體) 효과를 무시할 수 있는 전자파 또는 거시적으로 코히런스(coherence)를 가지는 전자파에도 적용가능하다. 따라서, 이하에서는 레이저광과 같은 코히런스를 가지는 파동 신호를 광신호로서 적지만 파동 신호에는 광신호 외에 전자(電磁)파나 전자(電子)파에 의한 신호도 포함할 수 있다.

또, 본 발명의 파동 전달 매체는, 단지 협의의 광회로로만 아니고, 분파기나 합파기 등 이외 홀로그래픽 필터나 홀로그래픽 렌즈 등의 홀로그래픽 광학 소자의 구성 요소로 하여도 광범위한 이용이 가능하다. 따라서, 본 명세서 중에서 이용되는 「광회로」라고 하는 문언은, 본 발명의 파동 전달 매체의 특성의 이해의 용이화 때문에 이용되는 것이고, 파동 전달 매체 그것(혹은 일반적인 도파 회로)도 의미할 수 있는 것으로 해석할 수 있다.

또, 이하의 설명에서는 「굴절률」에 의해 파동 전달 매질의 성질을 규정하고 있지만, 「굴절률」이란 그 문언의 정의와 같이 일반적인 평면상의 파동의 전반에 있어서 파동을 굴절시키는 비율(평면파의 방향을 편향 시키는 비율)을 의미하는 것이고, 파동 신호에 대한 매체의 성질을 규정하는 것이다. 예를 들면, 광신호의 경우는 주로 유전율이고, 전자파 신호의 경우는 주로 전계 혹은 자계에 의해 물리적으로 규정된다.

또한, 본 발명의 파동 전달 매체는 「홀로그래픽」 파동 전달 매체라고도 바꾸어 말하는 것이 가능하지만, 이 「홀로그래픽」 파동 전달 매체라고 하는 의미는, 파동 전달 매체에 의한 회로 전체에서의 포괄적인 레벨에서의 홀로그래픽한 제어가, 국소적인 홀로그래픽 제어와 그 집합(제어된 다중 산란)에 의해 실현되어 있다고 하는 점에 있다. 보다 구체적으로는, 본 발명의 파동 전달 매체라는 것은, 코히런트(coherent)한 광의 패턴을 입력하여 소망의 광의 패턴으로서 출력시키기 위해서, 이 매체 내를 전반하는 순전반광과 역전반광의 위상차가 매체 내의 어느 쪽의 장소에서도 작아지도록 굴절률을 배치하고, 국소적인 레벨에서의 홀로그래픽한 제어를 다중으로 반복함으로써 포괄적인 홀로그래픽 제어를 실현하는 것이다.

도 5(A)∼(C)는 본 발명의 파동 전달 매체의 기초가 되는 기본 개념과 기본 구조를 설명하기 위한 도이다. 우선, 도 5(A)를 참조하여 용어의 설명을 한다. 도 5(A) 중의 (1)은 광회로 기판이고, (1-1)은 본 발명의 파동 전달 매체에 의해 구성되는 광회로의 설계 영역이다. 광회로의 한쪽의 단면은 입력광(3-1)이 입사하는 입사면(2-1)이고, 이 입력광(3-1)은 파동 전달 매체로 구성된 공간적인 굴절률 분포를 가지는 광회로 내를 다중 산란하면서 전반하고, 다른 한쪽의 단면인 출사면(2-2)으로부터 출력광(3-2)으로서 출력된다. 또, 본 실시예에서는, 파동 전달 매체는 유전체로 이루어지는 것으로 가정하고, 공간적인 굴절률 분포는 이 매체를 구성하고 있는 유전체의 국소적인 굴절률을 후술하는 이론에 근거하여 설정함으로써 실현되는 것으로 한다.

입력광(3-1)이 형성하고 있는 「장」(입력 필드)은, 광회로를 구성하는 파동 전달 매체의 굴절률의 공간적 분포에 따라 변조되고, 출력광(3-2)이 형성하는 「장」(출력 필드)으로 변환된다. 환언하면, 본 발명의 파동 전달 매체는, 그 공간적인 굴절률 분포에 따라 입력 필드와 출력 필드를 상관 짓기 위한(전자(電磁)) 필드 변환 수단이다. 또, 이러한 입력 필드 및 출력 필드에 대해서, 광회로 내에서의 전반 방향(도중 z축 방향)에 수직한 단면(도중 x축을 따르는 단면)에 있어서의 광의 필드를 그 장소(x, z)에서의 (순)전반 상(전반 필드 혹은 전반광)이라고 부른다(도 5(B) 참조). 도 5(A) 중의 좌표 z는 광의 전반 방향의 좌표(z = 0이 입사면, z = z_e가 출사면)이고, 좌표 x는 광의 전반 방향에 대한 횡방향의 좌표이다.

여기서, 「필드」란 일반적으로 전자장(전자계) 혹은 전자장의 벡터 포텐셜장(potential field)으로 불리는 것을 의미하고 있다. 본 실시예의 경우의 전자장의 제어는 광회로 내에 설치된 공간적인 굴절률 분포, 즉 유전율의 분포를 생각하는 것에 상당한다. 유전율은 텐서(tensor)로서 주어지지만, 통상은 편광 상태간의 천이는 그만큼 크지 않기 때문에, 전자장의 1성분만을 대상으로서 스칼라파(scolar wave) 근사하여도 좋은 근사가 된다. 그래서, 본 명세서에서는 전자장을 복소 스칼라파(scolar wave)로서 취급한다. 또, 광의 「상태」에는 에너지 상태(파장)와 편광 상태가 있기 때문에, 「필드」를 광의 상태를 표현하는 것으로서 이용하는 경우에는 광의 파장과 편광 상태도 포함할 수 있는 것으로 된다.

또, 통상 전반광의 증폭이나 감쇠를 생기게 하지 않는 광회로에서는, 굴절률의 공간적 분포를 결정하면, 초점 이외의 입력광(3-1)의 상(입력 필드)은 출력광(3-2)의 상(출력 필드)에 대해서 일의적으로 정해진다. 이러한 출사면(2-2) 측으로부터 입사면(2-1) 측을 향하는 광의 필드를, 역전반 상(역전반 필드 혹은 역전반광)이라고 부른다(도 5(C) 참조). 이러한 역전반 상은 광회로 내의 장소마다 정의할 수가 있다. 즉, 광회로 내에서의 임의의 장소에서의 광의 필드를 생각했을 때, 그 장소를 가상적인 「입력광」의 출사점으로서 생각하면, 상기와 같이 출력광(3-2)의 상에 대해서, 그 장소에서의 역전반 상을 생각할 수가 있다. 이와 같이 광회로 내의 각 장소마다 역전반 상을 정의할 수 있다. 여기서, 특히 단일의 광회로에 있어서, 출사 필드가 입사 필드의 전반 필드로 되어 있는 경우에는, 광회로의 임의의 점에서의 전반 필드와 역전반 필드는 일치한다. 또, 필드는 일반적으로는 대상으로 하는 공간 전체상의 함수이지만, 「입사 필드」 혹은 「출사 필드」라고 하는 경우는, 입사면 혹은 출사면에 있어서의 필드의 단면을 의미하고 있다. 또, 「필드 분포」라고 하는 경우에서도, 어느 특정의 단면에 관해서 논의를 하는 경우에는, 그 단면에 대한 필드의 단면을 의미하고 있다.

굴절률 분포의 결정 방법을 설명하기 위해서는 기호를 이용하는 편이 보기가 좋기 때문에, 각 양을 표현하기 위해서 이하와 같은 기호를 이용하는 것으로 한다. 또, 본 발명에서 대상으로 되는 광(필드)은 단일 상태의 광에 한정되지 않기 때문에, 복수의 상태의 광이 중첩된 광도 대상으로 될 수 있도록, 개개의 상태의 광에 인덱스 j를 붙여 일반적으로 표기한다.

ψ^j(x) : j번째의 입사 필드(복소 벡터값 함수이고, 입사면에 있어서 설정하는 강도 분포 및 위상의 분포, 및, 파장 및 편파에 의해 규정된다).

φ^j(x) : j번째의 출사 필드(복소 벡터값 함수이고, 출사면에 있어서 설정하는 강도 분포 및 위상 분포, 및, 파장 및 편파에 의해 규정된다).

또, ψ^j(x) 및 φ^j(x)는 회로 내에서 강도 증폭이나 파장 변환이나 편파 변환을 하지 않는 이상 광강도의 총합은 동일(혹은 무시할 수 있는 정도의 손실)하고, 그러한 파장도 편파도 동일하다. 따라서,

{ψ^j(x), φ^j(x)} : 입출력 페어(pair)(입출력의 필드의 조).

는, 입사면 및 출사면에 있어서의 강도 분포 및 위상 분포 및 파장 및 편파에 의해 규정된다.

{n_q} : 굴절률 분포(광회로 설계 영역 전체의 값의 조(set)).

주어진 입사 필드 및 출사 필드에 대해서 굴절률 분포를 하나 주었을 때에 광의 필드가 정해지므로, q번째의 반복 연산으로 주어지는 굴절률 분포 전체에 대한 필드를 생각할 필요가 있다. 그래서, (x, z)를 부정 변수로 하여 굴절률 분포 전체를 n_q(x, z)로 나타내도 좋지만, 장소(x, z)에 있어서의 굴절률의 값 n_q(x, z)와 구별하기 위해서 굴절률 분포 전체에 대해서는{n_q}로 표현한다.

n_core : 광도파로에 있어서의 코어 부분과 같은, 주위의 굴절률에 대해서 높은 굴절률의 값을 나타내는 기호.

n_clad : 광도파로에 있어서의 클래드 부분과 같은, n_core에 대해서 낮은 굴절률의 값을 나타내는 기호.

ψ^j(z, x, {n_q}) : j번째의 입사 필드 ψ^j(x)를 굴절률 분포 {n_q} 내를 z까지 전반시켰을 때의 장소(x, z)에 있어서의 필드의 값.

φ^j(z, x, {n_q}) : j번째의 출사 필드 φ^j(x)를 굴절률 분포 {n_q} 내를 z까지 역전반시켰을 때의 장소(x, z)에 있어서의 필드의 값.

본 실시예의 굴절률 분포의 결정 방법은 모든 j에 대해서 ψ^j(z_e, x, {n_q}) = φ^j(x) 혹은 거기에 가까운 상태가 되도록 {n_q}를 구하는 방법을 주는 것이다.

「입력 포트」 및 「출력 포트」란, 입사 단면 및 출사 단면에 있어서의 필드의 집중한 「영역」에서, 예를 들어, 그 부분에 광파이버를 접속함으로써, 광강도를 파이버에 전반할 수 있는 영역이다. 여기서, 필드의 강도 분포 및 위상 분포는 j번째의 것과 k번째의 것에서 다르도록 설계 가능하므로, 입사 단면 및 출사 단면에 복수의 포트를 설치하는 것이 가능하다. 또한, 입사 필드와 출사 필드의 조를 생각하는 경우, 그 사이의 전반에 의해 발생하는 위상이 광의 주파수에 따라서 다르므로, 주파수가 다른 광(즉, 파장이 다른 광)에 대해서는 위상을 포함한 필드 형상이 동일한지 직교하고 있는지의 여하에 관계없이, 다른 포트로서 설정하는 것이 가능하다. 부호로서는 입사 포트 측에는 알파벳의 대문자 A, B, C,···를 붙이고 출사 포트 측에는 알파벳의 소문자 a, b, c,···를 붙이는 것으로 한다.

그 외, α, γ, g나 w는 수치 계산상의 적당한 계수이고, 그러한 정도에 대해서는 적절히 문장중에 나타내는 것으로 하지만, 예를 들어, 통상의 수치 유체 역학 등에 이용되는 「스킴(scheme)의 안정성의 논의」에 따라 실제의 수치 계산에서는 약간 조정되어야 할 것이다.

전반 방향은 z, 전반 방향에 대해서 수직인 방향은 x로 나타내고, 입사면(2-1)에서의 z의 값을 0, 출사면(2-2)에서의 z의 값을 z_e로 한다. 후술하듯이, 대상으로 하는 구별 가능한 광의 상태에 순차 번호를 매긴다. 이때 j번째의 입사 필드와, 거기에 대응하여 출사시키고 싶은 소망의 출사 필드를 각각 ψ^j(x) 및 φ^j(x)로 한다. 여기서, 전자계는 실수 벡터값의 장이고, 한편 파장과 편광 상태를 파라미터로 하여 갖는 것으로 하지만, 그 성분의 값을 일반인 수학적 취급이 용이한 복소수로 표시하여 전자파의 해를 표기한다. 또, 이하의 계산에 있어서는, 필드 전체의 강도는 1로 규격화되어 있는 것으로 한다. 또, j번째의 입사 필드나 출사 필드라는 것은, 필드의 강도 분포와 위상 분포 혹은 파장이나 편광에 의해 서로 구별되는 속성을 가지는 광의 조의 요소에 대해서 적당하게 순번을 붙인 것이다.

도 5(B) 및 도 5(C)에 나타내듯이, j번째의 입사 필드 ψ^j(x) 및 출력 필드 φ^j(x)에 대해, 전반 필드와 역전반 필드를 각각 장소의 복소 벡터값 함수로서 ψ^j(z, x, {n}) 및 φ^j(z, x, {n})로 표기한다. 이러한 함수의 값은 굴절률 분포 {n}에 의해 변화하기 때문에 굴절률 분포 {n}이 파라미터로 된다. 기호의 정의에 의해, ψ^j(x) = ψ^j(0, x, {n}), 및, φ^j(x) = φ^j(z_e, x, {n})가 된다. 이러한 함수의 값은, 입사 필드 ψ^j(x)와 출사 필드 φ^j(x) 및 굴절률 분포 {n}이 주어지면, 빔(beam) 전반법 등의 공지의 수법에 의해 용이하게 계산할 수가 있다. 이러한 각 필드의 모습을 보다 구체적인 예를 이용하여 설명하면 이하와 같이 된다.

도 6은 종래의 어레이 도파로 격자 회로의 구성예를 설명하기 위한 도로, 광회로 설계 영역(1-1)에는, 2개의 스타커플러(광 합분파기)(4-1 및 4-2) 사이에 설치된 어레이 도파로(5)와, 이 어레이 도파로(5)의 중앙부에 설치된 파장판(6)이 형성되어 있다. 이 도에 나타낸 것 같은 파장 다중 통신에 있어서의 1× N 파장 분파기(N은 파장의 수)를 생각하면, 예를 들어, 하나의 입력 포트(3-1)에 대해서, 거의 동일한 필드 강도와 위상 분포를 가지는 입사 필드에서, 파장 λ₁, λ₂, λ₃,···, λ_N가 다른 N개의 신호에 번호를 매기고, 그 j번째의 파장의 광을 소망한 개별의 출력 포트(3-2)로부터 출력시킨다. 이때 광을 분파하기 위해서는, 도파로의 출사면의 단면에 있어서의 j번째의 파장의 광의 강도 및 위상의 분포는, 독립한 출사 필드 패턴으로 되어 있는 것이 구해지고, 이를 j번째의 출사 필드로 부른다. 분파된 광을 광파이버로 출력시키는 경우를 상정하면, 출력되어야 할 필드 패턴은, 독립한 각각의 출사 필드가 공간적으로 다른 장소로 되는 필드의 조가 된다. 또, 주어진 입사 필드의 조를 소망의 출사 필드에서 출력하는 광회로를 구성하기 위해서는, 입사 필드 혹은 출사 필드의 패턴은, 그 강도 및 위상의 분포가 j번째와 k번째에서 동일하여도 좋다.

이하에, 공간적인 굴절률 분포를 결정하기 위한 일반적인 알고리즘을 설명한다.

도 7은 본 발명의 파동 전달 매체의 공간적인 굴절률 분포를 결정하기 위한 계산 순서를 설명하기 위한 흐름도이다. 이 계산은 반복하여 실행되는 것이므로, 반복 회수를 q로 나타내고, (q-1)번째까지 계산이 실행되어 있을 때의 q번째의 계산의 모습이 도시되어 있다.

(q-1)번째의 계산에 의해 얻어진 굴절률 분포 {n_q-1}를 기초로, 각 j번째의 입사 필드 ψ^j(x) 및 출사 필드 φ^j(x)에 대해서 전반 필드와 역전반 필드를 수치계산에 의해 구하고, 그 결과를 각각 ψ^j(z, x, {n_q-1}) 및 φ^j(z, x, {n_q-1})로 표기한다(단계 S220).

이러한 결과를 기초로 각 장소(z, x)에 있어서의 굴절률 n_q(z, x)를 다음 식에 의해 구한다(단계 S240).

n_q(z, x) = n_q-1(z, x)-αΣ_jIm[φ^j(z, x, {n_q-1})^*· ψ^j(z, x, {n_q-1})] … (1)

여기서, 우변 제2항 중의 기호 「· 」은 내적 연산을 의미하고, Im[]는 []안의 필드 내적 연산 결과의 허수 성분을 의미한다. 또, 기호「*」는 공액 복소수다. 계수 α는 n_q(z, x)의 몇 분의 1 이하의 값을 또한 필드의 조의 수로 나눈 값이고, 정의 작은 값이다. Σ_j는 인덱스(index) j에 대해서 합를 취한다는 의미이다.

단계 S220과 S240을 반복하고, 전반 필드의 출사면에 있어서의 값 ψ^j(z_e, x, {n})와 출사 필드 φ^j(x)의 차의 절대치가 소망의 오차 d_j보다도 작아지면(단계 S230 : YES(예)) 계산이 종료한다.

상기 식(1)과 같이 굴절률 n_q(z, x)를 구하는 근거는 아래와 같고, 굴절률 분포를 최급강하법(steepest descent method)에 의해 구하는데 대응하고 있다.

우선, 굴절률 분포 {n_q-1}에 의해 입사광이 전반한 필드 ψ^j(z_e, x, {n_q-1})와 최종적으로 얻고 싶은 출력φ^j(x)의 차가 최소가 되기 위해서는, 잔차(殘差) R = Σ_j ｜φ^j(x)-ψ^j(z_e, x, {n_q-1})｜²가 최소가 되면 좋다. 또, φ^j(x) 등은 x의 함수인 것을 나타내고 있고, 특정의 x의 좌표를 의미하는 것은 아니다. 또, 각 페어(pair)마다 가중치를 붙여도 좋지만, 간단화를 위해 모두 같은 가중치로 합을 취하는 것으로 한다.

여기서는 광의 필드의 중합이 가능한 범위로 생각하고 있고, 필드의 중첩 적분에 의해 내적이 정의된다. 이 광 필드의 중합은 유한의 에너지를 가지고, 한편, 취급되는 필드는 공간적으로 유한한 범위로 한정된다. 따라서, 여기서 말하는 필드는 힐버트(Hilbert) 공간을 형성하고, 광의 전반은 이하의 성질을 가지는 유니터리(unitary) 변환으로서 정의된다.

구체적으로는, z₀로부터 z까지의 유니터리(unitary) 변환 연산자 U로서,

ψ^j(z, x, {n_q-1}) = U(z, z₀, {n_q-1})ψ^j(z₀, x, {n_q-1})

… (2)

가 성립되고, 여기서, 반사를 무시할 수 있는 정도라고 하면, 전반 과정의 가법성으로부터,

U(z, z₀, {n_q-1}) = U(z, z₁, {n_q-1}) U(z₁, z₀, {n_q-1})

… (3)

이 된다.

또한, 중첩 적분에 의해 정의되는 내적에 대해서 유니터리성(unitary property)을 가지기 때문에,

U(z, z₀, {n_q-1})^*U(z, z₀, {n_q-1})

= U(z, z₀, {n_q-1})^-1U(z, z₀, {n_q-1})

= ｜U(z, z₀, {n_q-1})｜² = 1

… (4)

가 된다. 여기서, U(z, z₀, {n_q-1})^*는 U(z, z₀, {n_q-1})의 자기 수반 연산자이다. 또, U(z, z₀, {n_q-1})^-1은 U(z, z₀, {n_q-1})의 역연산자, 즉, 역방향의 전반을 주는 연산자이다.

z＇와 z의 차 (｜z＇-z｜)가 충분히 작은 범위에 있어서, U(z', z, {n_q-1})는 빔(beam) 전반법 등에 있어서의 꼭 1단계분의 변환을 가져오는 행렬이라고 생각하면 좋고, 적당하게 전반 방향을 분할하여 이 연산을 반복한 것이 U(z, z₀, {n_q-1}) 등이라고 생각하면 좋다.

이러한 결과를 이용하여 잔차(殘差) R을 고쳐 쓰면,

R = Σ_j｜φ^j(x)-U(z_e, z', {n_q-1}) U(z', 0, {n_q-1})ψ^j(x)｜²

= Σ_j｜U(z_e, z', {n_q-1})｜²｜U(z_e, z', {n_q-1})^-1φ^j(x)-U(z', 0, {n_q-1})ψ^j(x)｜²

= Σ_j｜U(z_e, z', {n_q-1})^-1φ^j(x)-U(z', z, {n_q-1}) U(z, 0, {n_q-1})ψ^j(x)｜²

= Σ_j｜φ^j(z', x, {n_q-1})-U(z', z, {n_q-1})ψ^j(z, x, {n_q-1})｜²… (5)

가 된다.

｜z＇-z｜→0의 극한에 있어서는, 특정의 x좌표의 장소 x에 있어서의 U(z', z, {n_q-1})의 변화(δ_xU(z', z, {n_q-1}))는 동일하고 특정의 x좌표의 장소 x에 있어서의 n_q-1(z, x)의 변화(δ_xn_q-1(z, x))와,

δ_xU(z', z, {n_q-1}) = -iκδ_xn_q-1(z, x)

… (6)

의 관계를 가진다. 또, κ는 대체로 진공중의 전반 정수 정도의 값으로 정수의 적당한 계수이지만, 계산상 다른 계수와 조합하기 때문에 여기서는 자세하게 논의하지 않는다.

이상의 결과에 의해 특정의 x좌표의 장소 x에 있어서의 잔차(殘差) R의 변화(δ_xR))로서,

δ_xR = Σ_j{-iκδn_q-1(z, x)φ^j(z', x, {n_q-1})^*ψ^j(z, x, {n_q-1})＋c.c.}

= 2κδn_q-1(z, x) ImΣ_jφ^j(z', x, {n_q-1})^*ψ^j(z, x, {n_q-1})

… (7)

이 얻어진다.

여기서,

δn_q-1(z, x) = -αImΣ_jφ^j(z', x, {n_q-1})^*ψ^j(z, x, {n_q-1})

(α＞0)… (8)

그렇다면, δ_xR＜0으로 되고, 이 방향으로 변화시켜 가면 극소치로 향하게 된다. 이것이 상기 식(1)의 방향으로 굴절률 분포를 변화시키는 이유이다.

이상의 계산에서는, 굴절률 분포의 초기값{n₀}은 적당하게 설정하면 좋지만, 이 초기값{n₀}이 예상되는 굴절률 분포에 가까우면, 그 만큼 계산의 수렴은 빨라진다(단계 S200). 또, 각 j에 대해서 φ^j(z, x, {n_q-1}) 및 ψ^j(z, x, {n_q-1})를 계산하는데 즈음해서, 패러렐(parallel)로 계산이 가능한 계산기의 경우는, j마다(즉, φ^j(z, x, {n_q-1}) 및 ψ^j(z, x, {n_q-1})마다) 계산하면 좋으므로, 클러스터(cluster) 시스템 등을 이용하여 계산의 효율화를 도모할 수가 있다(단계 S220). 또, 비교적 적은 메모리로 계산기가 구성되어 있는 경우는, 식(1)의 인덱스 j에 대한 합의 부분에서, 각 q로 적당한 j를 선택하고, 그 만큼의 φ^j(z, x, {n_q-1}) 및 ψ^j(z, x, {n_q-1})만을 계산하여, 이후의 계산을 반복하는 것도 가능하다(단계 S220).

이상의 연산에 있어서, φ^j(z, x, {n_q-1})의 값과 ψ^j(z, x, {n_q-1})의 값이 가까운 경우에는, 식(1) 중의 Im[φ^j(z, x, {n_q-1})^*· ψ^j(z, x, {n_q-1})]는 위상차에 대응하는 값으로 되고, 이 값을 감소시킴으로써 소망한 출력을 얻는 것이 가능하다.

도 8은 상술한 계산 순서의 이해를 용이하게 하기 위해서, 파동 전달 매체 내에서의 필드의 모습의 일례를 나타낸 도이다. 이 도를 예로 설명하면, 본 발명의 파동 전달 매체로 이루어지는 광회로 설계 영역(1-1)의 임의의 위치(x, z)에 있어서, 전반하는 광의 파면에 대해서 대체로 평행하고 한편 대체로 무시할 수 있는 폭(Δz)을 가진 미소 영역을 가정하고, 이 미소 영역의 단면을 X로 한다. 또, 여기서 「대체로 무시할 수 있는 폭」이란, 굴절률 분포도를 갖지 않는 매체 내를 광이 그 거리 Δz만큼 전반하였을 때에, 전반광의 위상이 원래의 파면과 대체로 동일한 거리를 의미하고 있다. 단면 X보다 입사면(2-1) 측에 있는 광회로를 A회로, 출사면(2-2) 측에 있는 광회로를 B회로로 하면, 단면 X는 A회로와 B회로의 계면이 된다.

지금, 소망한 각 입출력의 조를 생각하여, 각 조에 j = 1로부터 N으로 번호를 붙이고, j번째의 조의 입사 필드 ψ^j(x)와 출사 필드 φ^j(x)를 가정한다. A회로에 입사 필드 ψ^j(x)를 입력하여 전반시키는 경우의 계면 X에 있어서의, 도파광, 회절광 및 산란광의 각각의 필드의 합은 필드 ψ^j(z_X, x, {n_q})이다. 또, A회로 내를 전반하는 광의 위상 공액 광으로서 출사 필드 φ^j(x)를 A회로와는 역방향으로 B회로 내를 전반시킨 도파광, 회절광 및 산란광의 각각의 필드의 합은 필드 φ^j(z_X＋Δz, x, {n_q})이다. 이러한 필드 ψ^j(z_X, x, {n_q}) 및 φ^j(z_X＋Δz, x, {n_q})의 위상차를, 각 조마다 평균(또는 가중 평균)한 값 P를 구하고, 이 위상차 P를, 소망의 굴절률의 범위에서 가능한 한 캔슬(cancel)하도록 계면 X 상에서의 굴절률 분포를 결정한다. 이러한 굴절률 분포는 계면 X마다 정해지기 때문에, 계면 X의 위치를 z축 상에서 0(입사면)으로부터 z_e(출사면)까지 변화시켜 연산을 실행하는 것으로 하면, 파동 전달 매체 전체의 굴절률 분포가 정해지게 된다.

본 발명에 있어서의 굴절률의 공간적 분포의 결정은, 파동 전달 매체에 가상적 메쉬를 정하고, 이 메쉬에 의해 확정되는 미소 영역(픽셀)의 굴절률을 각 픽셀마다 결정하는 것으로도 바꾸어 말하는 것이 가능하다. 이러한 국소적인 굴절률은, 원리적으로는, 그 장소마다 임의의(소망의) 값으로 하는 것이 가능하지만, 무엇보다도 단순한 계는, 저굴절률(n_L)을 가지는 픽셀과 고굴절률(n_H)을 가지는 픽셀만으로 이루어지는 계이고, 이들 2종의 픽셀의 공간적 분포에 의해 전체적인 굴절률 분포가 결정된다. 이 경우, 매체 내의 저굴절률 픽셀이 존재하는 장소를 고굴절률 픽셀의 공극으로서 관념하거나, 반대로 고굴절률 픽셀이 존재하는 장소를 저굴절률 픽셀의 공극으로서 관념하거나 하는 것이 가능하다. 즉, 본 발명의 파동 전달 매체라는 것은, 균일한 굴절률을 가지는 매체 내의 소망한 장소(픽셀)를 이것과는 다른 굴절률의 픽셀로 치환한 것으로 표현하는 것도 가능하다.

상술한 굴절률 분포 결정을 위한 연산 내용을 요약하면 다음과 같이 된다. 즉, 파동을 홀로그래픽에 전달시켜 얻은 매체(광의 경우에는 유전체)에 입력 포트와 출력 포트를 설치하고, 입력 포트로부터 입사한 전반광의 필드 분포 1(순전반광)과, 입력 포트로부터 입사한 광신호가 출력 포트로부터 출력될 때에 기대되는 출력 필드를 출력 포트측으로부터 역전반시킨 위상 공액 광의 필드 분포 2(역전반광)를 수치 계산에 의해 구한다. 그리고, 이러한 필드 분포 1 및 2를 기초로, 전반광과 역전반광의 각 점(x, z)에 있어서의 위상차를 없애도록 매체 내에서의 공간적인 굴절률 분포를 구한다. 또, 이러한 굴절률 분포를 얻기 위한 방법으로서 최급강하법(steepest descent method)을 채용하면, 각 점의 굴절률을 변수로서 최급강하법(steepest descent method)에 의해 얻어지는 방향으로 굴절률을 변화시키는 것에 의해, 굴절률을 식(1)과 같이 변화시킴으로써 상기 2개의 필드간의 차를 감소시키는 것이 가능하게 된다. 그리고, 이러한 파동 전달 매체를, 입력 포트로부터 입사한 광을 소망의 출력 포트로 출사시키는 광부품에 응용하면, 매체 내에서 발생하는 전반파 끼리의 다중 산란에 의한 간섭 현상에 의해, 실효적인 광로 길이가 길어져, 완만한 굴절률 변화(분포)에서도 충분히 높은 광신호 제어성을 가지는 광회로를 구성하는 것이 가능하게 된다.

이하에 실시예에 의해, 상술의 파동 전달 매체를 이용하여 구성한 광회로에 대해서 설명한다. 또, 이하의 실시 형태에 있어서는, 특별히 거절하지 않는 경우는, 기판 상에 형성한 매립형 석영계 광도파로와 같은 굴절률 분포를, 기판으로부터의 높이 방향으로 가지는 광회로이고, 그 광회로의 두께(층 두께)는 단일 모드 광도파로와 거의 동등의 것으로 한다. 또한, 기판에는 실리콘 기판을 이용하고, 그 위에 석영에 첨가물을 더하여 굴절률을 조정한 막을 퇴적하고, 반도체 제작 공정에서 이용되는 미세 가공 기술에 의해, 광회로를 패턴화 하는 것이다. 따라서, 광회로 패턴은 2차원적이고, 기판에 대해서 수평 방향으로 광회로로서의 기능을 발현하도록 패턴(pattern) 형성된다.

그렇지만, 고굴절률 부분과 저굴절률 부분으로 이루어지는 회로를 기판면 내에 2차원적으로 전개하는 경우에, 단순하게, 저굴절률 부분을 광도파로의 코어(core)에 상당하는 부분이 전혀 없는 것으로 해 버리면, 광회로에 있어서의 손실이 생겨버리게 된다. 따라서, 광회로로서는 2차원적이어도 기판 높이 방향도 고려하여 광회로가 설계되어야 하는 것은 말할 필요도 없다.

상술한 것처럼, 본 발명의 광회로의 제작에는 반도체 미세 가공 기술이 적용되므로, 특별히 거절하지 않는 한은 광회로의 굴절률 분포는 2치화 된 패턴으로 된다. 또, 기판면 내에 있어서의 패턴에 있어서, 굴절률이 높은 부분을 고굴절률 부분, 낮은 부분을 저굴절률 부분이라고 부른다. 또, 굴절률 조정된 막의 퇴적에 의해 굴절률 변화가 주어지고 있으므로, 기판 높이 방향에서의 굴절률이 높은 부분을 고굴절률층, 낮은 부분을 저굴절률층이라고 부른다. 또, 특히 문제가 없는 경우에는 광도파로의 구조의 관례에 따라, 고굴절률 부분을 「코어(core)」, 저굴절률 부분을 「클래드(clad)」라고 부른다. 또한, 기판 수평면 내의 패턴에 대해서 논의하는 경우에는, 패턴의 기본 단위를 「픽셀」이라 부르고, 이 「픽셀」이 블록 형상으로 조합됨으로써 마크로(macro)한 패턴이 형성된다. 이러한 픽셀은, 가장 단순한 경우에는, 가상적으로 설치된 메쉬에 의해 규정되는 픽셀 크기의 주기의 격자점 상에 배치되고, 고굴절률 부분과 저굴절률 부분에 의해 패턴이 형성된다. 다만, 이러한 픽셀을 격자점 상에 배치할 필요는 반드시 없고, 소망의 굴절률 분포를 얻기 위해서 의도적으로 격자점 상으로부터 비켜 놓아 배치하도록 하여도 좋다.

(실시예 1)

이른바 스텝인덱스 형태의 광회로의 경우에는, 굴절률이 취할 수 있는 값이 한정되어 있기 때문에, 상술한 식(1)에 근거하여 광회로가 설계 가능한지 아닌지는 자명하지 않다. 그러나, 굴절률이 취할 수 있는 값이 한정되어 있는 경우이어도, 국소적인 굴절률의 조정을 반복함으로써 광의 위상을 포괄적으로 조정하는 것이 가능하다. 따라서, 광회로를 구성하는 유전체의 굴절률의 상한치와 이 상한치에 이르는 유한개의 굴절률 값을 가지는 스텝 형상의 굴절률 분포를 가정하고, 이러한 굴절률을 제한값으로 하여 광회로의 굴절률 분포를 계산함으로써 광회로를 설계하는 것은 가능하다. 본 실시예에서는 이러한 생각에 근거하여 광회로를 설계한다.

본 실시예에 있어서는, 이를 스텝인덱스 형태 평면 광도파로와 같은 구조의 광도파로이고, 한편, 그 도파로의 코어가 광회로 설계 영역에 있어 도트(dot) 형상으로 패턴화 되어 있는 구조를 가지는 광도파로에 적응하고, 1.31㎛와 1.55㎛의 파장 분할 필터를 설계하였다.

본 실시예에서는, 석영의 광도파로가 상정되어 있다. 또, 굴절률의 공간적 분포를 계산하는데 즈음해서는, 코어(고굴절률 부분)의 굴절률과 클래드(저굴절률 부분)의 굴절률의 2종류만을 생각하는 것으로 하고, 이러한 2종류의 굴절률을 광회로 설계 영역 내에서 분포시켜 얻어지는 굴절률 분포를 계산하는 것으로 하였다.

또, 도 7을 이용하여 설명한 굴절률 분포 산출의 알고리즘에서는, 파라미터인 굴절률 값은 자유로운 값을 취할 수 있는 것으로 하고 있지만, 여기서는, 다음 식(9)으로 주어지는 v_q로 되는 값을 계산하고, 이 v_q값으로부터 다음 식(10) 및 (11)에 의해 굴절률을 구하는 것으로 하였다.

v_q(z, x) = v_q-1(z, x)-αΣ_jIm[φ^j(z, x, {n_q-1})^*· ψ^j(z, x, {n_q-1})] …(9)

v_q(z, x) > (n_core+n_clad)/2일 때는 n_q(z, x) = n_core …(10)

v_q(z, x) < (n_core+n_clad)/2일 때는 n_q(z, x) = n_cladd …(11)

여기서, n_core는 코어에 상당하는 굴절률, n_clad는 클래드에 상당하는 굴절률이다. 따라서, 광회로 설계 영역 내에서의 굴절률 분포는, 이러한 2종류의 굴절률을 공간적으로 분포시켜 얻어지게 된다. 또, 일반적으로는, n_core > n_clad의 관계가 성립한다. 이러한 계산에 의해도, 이하에 나타내듯이, 충분히 소망의 광출력을 얻는 것이 가능한 광도파로를 설계할 수가 있다. 또한, 간단화를 위해서 상기 2종류의 굴절률 중, 코어의 패턴에 상당하는 굴절률(n_core)을 유효 굴절률로 하고, 진행 방향 1차원, 횡방향 1차원으로 하여 계산하였다.

도 9(A) 및 도 9(B)는 본 실시예에 있어서의 광회로 설계의 설정을 설명하기 위한 도이다. 우선, 입력 포트(3-1)로부터 입력시킨 편파 다중된 광을 출력 포트(3-2)로부터 출력시키는 것으로 하여 굴절률 분포를 조정함으로써, 도 9(A)와 같이, 파장 1.31㎛의 입사 필드 ψ¹(x)과 출사 필드 φ¹(x)(즉, 상기의 기호로 j = 1)의 조와, 도 9(B)와 같이, 파장 1.55㎛의 입사 필드 ψ²(x)와 출사 필드 φ²(x)(즉, 상기의 기호로 j = 2)의 조를 설정하였다. 필드는 입사면(2-1)과 출사면(2-2)의 전역에 대해서 정의되는 것이지만, 이 도에서는 이해의 용이화를 위해 필드 강도가 집중하고 있는 부분만을 도시하고 있다. 이러한 입사/출사 필드의 조{ψ^j(x), φ^j(x)}를, 이후, 입출력 페어(pair)라고 부른다.

도 10(A) 및 도 10(B)은 본 실시예에 의한 굴절률 분포(도 10(A))와 투과 스펙트럼(spectrum)(도 10(B))을 설명하기 위한 도이다. 상기의 알고리즘에 따라 굴절률을 계산하는 약 200회의 반복에 의해, 도 10(A)에 나타낸 굴절률 분포를 가지는 광회로가 얻어진다. 여기서, 도중의 광회로 설계 영역(1-1) 내의 흑색 부분(1-11)은 코어에 상당하는 고굴절률부(유전체 다중 산란부)이고, 흑색부 이외의 부분은 클래드에 상당하는 저굴절률부이다. 클래드의 굴절률로서는 석영 글래스의 굴절률을 상정하고 있고, 코어의 굴절률은, 석영 글래스에 대한 비굴절률이 1.5%만 높은 값을 가지는 것으로 하고 있다. 또, 광회로의 크기는 세로 300㎛, 가로 140㎛이다.

굴절률 분포를 구할 때의 계산에 이용된 메쉬는 140× 300(=42000)이다. 따라서, 굴절률 분포의 파라미터(parameter) 수는 42000이 되기 때문에, 이러한 파라미터를 최적화할 필요가 있다. 최급강하법(steepest descent method)을 단순하게 적용하고, 이러한 각각의 파라미터에 대해서 하나씩 수치 미분을 구하는 것으로 파라미터를 최적화하는 경우에는, 1스텝 분의 계산을 실행하는데 42000의 광의 전반을 계산할 필요가 있다. 이에 대해서, 본 실시예에서는 2회의 광의 전반을 계산하는 것만으로 충분하기 때문에, 실용상 방해가 되지 않는 단시간의 계산으로 광회로의 설계가 가능하게 된다.

이와 같이 하여 설계된 광회로의 투과 스펙트럼은 도 10(B)과 같이 되고, 파장 1.31㎛의 광이 출력 포트(a)로부터 출력되는 한편, 파장 1.55㎛의 광이 출력 포트(b)로부터 출력되는 특성을 나타낸다. 즉, 파장에 의한 분파기가 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 또, 도 9(A) 및 도 9(B)에 도시한 광의 입력 방향과 출력 방향을 역전시키고, 상기 2개의 파장의 광의 각각을 출력 포트(a 및 b)로부터 입력하고, 이들 광을 합파하여 입사면(2-1)으로부터 출력시키는 것도 가능하기 때문에, 합파기로서도 동작시킬 수가 있다. 즉, 본 실시예에서 설명한 광회로는 광의 파장에 의한 합분파기로서의 작용을 나타내는 것을 알 수 있다.

그런데, 광회로로서의 기능을 담보하기 위해서는 광회로 내를 전반하는 광이 그 광회로 내에서 충분히 구속되는 것이 필요하다. 도 10(A)에 나타낸 굴절률 분포에서는, 고굴절률부인 코어는 광회로 설계 영역 내에서 도트 형상으로 분포하고 있고, 기판의 두께 방향에서의 광의 구속이 불충분하게 되는 것이 염려된다.

그래서, 고굴절률부를 2개의 고굴절률부(제1 고굴절률부와 제2 고굴절률부)로 구성하는 것으로 하고, 이 고굴절률부가 저굴절률부에서 상하로부터 끼워져 있는 구조의 광회로를 상정하고, 그 굴절률 분포를 구하였다.

도 11(A)은 평면 광파 회로 형상의 굴절률 분포를 가지고, 한편, 기판 수직 방향에서의 광구속 가능한 광회로의 단면 개념도이고, 이 광회로의 고굴절률부(1-11)는, 2개의 고굴절률부(제1 고굴절률부(1-11a)와 제2 고굴절률부(1-11b))로 구성되고, 제2 고굴절률부(1-11b)는 제1 고굴절률부(1-11a)보다 높은 굴절률을 가지고 있다. 그리고, 고굴절률부(1-11)가 상하의 저굴절률부(1-12)로 사이에 끼워져 광회로가 구성되어 있다. 또, 이 광회로에 있어서 소위 「코어」로서 작용하는 것은 제2 고굴절률부(1-11b)이고, 제1 고굴절률부(1-11a)는 이 코어 내를 전반하는 광을 기판의 두께 방향(수직 방향)으로 구속하기 위한 것이다. 또, 이 도에 있어서, 저굴절률부(1-12)와 제1 고굴절률부(1-11a)의 비굴절률차, 및, 제1 고굴절률부(1-11a)와 제2 고굴절률부(1-11b)의 비굴절률차는, 각각 1.5%로 하여 계산을 하고 있다. 도 11(A)의 우측에는 광회로의 수직 방향에서의 유효 굴절률 프로파일(profile)이, 하측에는 고굴절률부(1-11)에 있어서의 수평 방향에서의 유효 굴절률 프로파일이 나타나 있다.

이러한 구조의 광회로에 의하면, 코어인 제2 고굴절률부(1-11b)의 주위에 설치된 제2 고굴절률부(1-11a)에 의해, 기판 두께 방향에서의 광구속을 용이하게 실현할 수 있다.

이러한 광회로에 광 입출력부를 설치하는데 있어서는, 제1 고굴절률부(1-11a)로 광을 가이드 하는 경우(도 11(B))와 제2 고굴절률부(1-11b)로 광을 가이드 하는 경우(도 11(C))가 생각된다. 또, 제1 고굴절률부(1-11a) 및 제2 고굴절률부(1-11b)의 각각의 형상을 최적화하거나 이들을 조합하거나 함으로써, 필드 직경의 조정을 하여 광파이버와의 광결합의 최적화가 가능하게 된다.

또, 출력 필드는 복소수 값으로 계산되기 때문에, 출력 필드의 위상을 구하는 것도 가능하다. 따라서, 예를 들면, 상술의 광회로와 무반사 코팅(coating)을 실시한 반도체 광증폭기를 조합하여 외부 공진기 레이저를 제작하는 경우 등과 같이, 광의 위상의 조정도 필요하게 되는 경우에도, 상술의 광 필드의 계산 순서는 적용가능하다.

지금까지 설명해 온 광 필드의 계산에는 빔(beam) 전반법을 이용하였지만, 연산에 이용하는 컴퓨터의 메모리 용량이 충분한 경우에는 시간 영역 차분법을 이용하여 계산하여도 좋다. 일반적으로, 빔(beam) 전반법은 직선적인 방향에의 광출력을 계산하기 때문에, 출력 포트의 위치가 한정된다. 예를 들면, 본 실시예의 경우에는 입사면의 대향면을 출사면으로 하였다. 이에 대해서, 시간 영역 차분법을 이용하여 계산하면, 출력 포트의 위치는 자유롭게 선택 가능해지기 때문에, 급격한 굴곡을 가지는 광로를 구비한 구성의 광회로 등을 용이하게 설계할 수가 있다. 이것은 이하의 실시예에 있어서도 마찬가지이다. 또, 이러한 회로를 방향성 결합기의 조합에 의해 실현하려고 하면, 방향성 결합기 부분만으로도 수백 ㎛의 광회로 부분을 필요하는 것으로 되는데 대해, 상술의 방법에 의하면 몇 분의 1 정도의 크기의 광회로 구성으로 할 수가 있어 소형화를 도모하는 것이 가능하게 된다.

(실시예 2)

본 실시예는 실시예 1에서 설명한 광회로와 같은 광회로를, 이하와 같은 굴절률 분포의 계산 방법에 근거하여 설계한 것이다. 이 개요를 재차 도 1을 참조하여 간단하게 설명하면, 먼저, 적당한 굴절률 분포 {n}을 주고, 이에 대응하는 입력광의 필드 분포 1 : ψ^j(z, x, {n})를 구하고, 출력 포트로부터 출력되는 출력광으로서 기대되는 필드의 역전반광(필드 분포 2 : φ^j(z, x, {n}))을 입사면(2-1)을 향해 가상적으로 전반시키면서 축차 구한다.

도 8을 예로 설명하면, 어떤 장소 z = z_X에서의 필드 분포 1의 단면 ψ^j(z_X, x, {n})의 위상과 필드 분포 2의 단면 φ^j(z_X+Δz, x, {n})의 위상이 서로 정합하도록 굴절률 분포를 변경하고, 변경 후의 굴절률 분포를 이용하여, (z_X+Δz)로부터 z_X까지의 필드 분포 2의 단면 φ^j(z, x, {n}) (z = z_X+Δz∼z_X)을 다시 구한다. (z_X-Δz)를 재차 z_X로서 같은 조작을 축차적이게 반복한다. 필드 분포 2의 단면이 입사면(2-1)에 이른 시점에서, 이번은 반대로 입력광의 필드 분포 1의 단면을 전반 방향으로 가상적으로 전파시키고, 상기와 같이 필드 분포 1의 단면과 필드 분포 2의 단면을 위상 정합시키면서 굴절률 분포를 축차 결정하고, 필드 분포 1의 단면이 출사면(2-2)에 이를 때까지 계산을 실행한다.

이 순서를 하나의 루틴으로서 재차 이 루틴을 반복하고, 필드 분포 2 및 필드 분포 1을 서로 역전반 또는 순전반시키면서 굴절률 분포를 축차 다시 개정하고, 입사 필드 ψ^j가 출사면(2-2)까지 전반한 결과 출력되는 출사 필드 φ^j(x)와 소망의 출사 필드가, 소망의 오차 이하로 될 때까지 상기의 계산을 반복한다.

후술하듯이, 이러한 순서를 채용함으로써 광회로의 설계에 필요할 시간이 단축되어 대규모 광회로의 설계도 현실적인 시간과 수고하에서 가능하게 된다.

우선, 알고리즘에 대해서 설명한다.

도 12는 본 실시예의 광회로 설계의 흐름을 간단하게 나타낸 흐름도이다. 식(1)에서 이용한 기호와 같은 기호를 이용하여,

n_q(z+dz, x) = -γΣ_jarg[φ^j(z+dz, x, {n_q-1})^*· ψ^j(z, x, {n_q})]　… (1＇)

n_q+1(z-dz, x) = -γΣ_jarg[φ^j(z, x, {n_q+1})^*· ψ^j(z-dz, x, {n_q})] … (1'')

로 한다. 여기서, 계수 γ는 (2k₀dz)^-1 정도의 값을 입출력 페어(pair)의 수로 나눈 것이고, k₀은 진공중의 파수(波數)로 생각하고 있는 입력 신호의 평균의 파수 정도이다. 여기서, 파수 「정도」라고 하고 있는 이유는 비유효 굴절률 정도의 변화가 있다고 하는 의미이다.

식(1') 및 식(1")은, 식(1)의 ImΣ_jφ^j(z', x, {n_q-1})^*ψ^j(z, x, {n_q-1})가 극소점에 있어서 꼭 위상차가 없어져야 하는 것인 것을 의미하고 있고, 이를 기초로 arg[φ^j(z', x, {n_q-1})^*ψ^j(z, x, {n_q-1})]가 감소하도록 굴절률을 배치하는 것을 의미하고 있다. 특히, 위상차가 작은 경우는, 진폭을 제외하여 ImΣ_jφ^j(z', x, {n_q-1})^*ψ^j(z, x, {n_q-1})와 arg[φ^j(z', x, {n_q-1})^*ψ^j(z, x, {n_q-1})]는 등가가 되므로, arg[φ^j(z', x, {n_q-1})^*ψ^j(z, x, {n_q-1})]를 ImΣ_jφ^j(z', x, {n_q-1})^*ψ^j(z, x, {n_q-1})로 해도 좋고, 이것은 장마다의 필드의 강도로 가중치 부여하여 굴절률을 변경하는데 대응한다. 이하에서는 간단화를 위해 arg[φ^j(z', x, {n_q-1})^*ψ^j(z, x, {n_q-1})]을 이용하는 것으로 한다.

식(1')의 의미는, φ^j(z, x, {n_q-1})가 전역으로 주어지고 있다고 하여, 구한 n_q(z, x)를 기초로 ψ^j(z, x, {n_q})를 구하고(단계 S670), 이 ψ^j(z, x, {n_q})를 기초로, 또한, 좌표 z로부터 미소 거리 dz만큼 진행된 점(z+dz)에서 n_q(z+dz, x)를 결정한다(단계 S680)라고 하는 것이다(단계 S655). 여기서, 기호 「· 」은 내적 연산을 나타내고, arg[]는 그 편각이고, 기호 「*」은 공액 복소수를 의미한다.

또, 식(1'')의 의미는 ψ^j(z, x, {n_q})가 전역으로 주어지고 있다고 하여, 구한 n_q+1(z, x)를 기초로 φ^j(z, x, {n_q+1})를 구하고(단계 S620), 좌표 z로부터 dz만큼 돌아온 점(z-dz)에서 n_q+1(z-dz, x)를 구한다(단계 S630)라고 하는 것이다(단계 S605).

식(1')의 산출(단계 S655)과 식(1'')의 산출(단계 S605)을 교대로 반복(단계 S697) 함으로써 굴절률 분포의 계산을 계산 종료(단계 S695 : YES(예))까지 실행한다.

본 실시예의 계산에 있어서는, 미소 거리 dz로 필드 분포 1의 단면과 필드 분포 2의 단면을 위상 정합시키는 것으로 하고 있고, 실제의 계산에서는 주기가 짧은 진동이 발생해 버려 결과적으로 큰 계산 오차가 발생하게 된다. 그래서, 계수 γ에 적당한 희유수(稀有數) g를 곱하여, 양자의 적(g·γ)이 (2k₀dz)^-1의 몇 분의 1 이하의 값이 되도록 한다. 또, 필드의 위치에 대해서도, 완전한 z+dz는 아니고, 그 도중의 값으로 하거나 혹은, n_q(z+dz, x)가 위치 z와 위치 z+2dz의 굴절률의 중심값이 되는 위치(z+wdz)(0≤w≤2)로 하거나 한다. 이러한 연구에 의해,

n_q(z+dz, x) = (1-g) n_q-1(z+dz, x)

-gγΣ_jarg[φ^j(z+wdz, x, {n_q-1})^*· ψ^j(z, x, {n_q})]

… (1''')

n_q+1(z-dz, x) = (1-g) n_q(z-dz, x)

-gγΣ_jarg[φ^j(z, x, {n_q+1})^*· ψ^j(z-wdz, x, {n_q})]

… (1'''')

로 하여 상기 식(1') 및 (1'')을 수정한다. 그리고, 희유수 g를 0＜g≤1의 범위의 파라미터로서 그 가중 평균에 의해, 단주기의 진동을 억제하는 처방을 채용한다. 본 실시예에서는, w = 1로 하고, g = 0.25로 하였다. 또, 굴절률 분포는 실시예 1과 같은 스텝 인덱스 형태를 상정하고, 마찬가지의 분산화의 처방을 채용하였다. 또, 본 실시예의 광회로로서는 실시예 1과 같은 것을 설정하였다.

여기서, 도 13(A)에 나타내듯이, 이 알고리즘에 있어서, 계산을 실행하기 위해서는, 이전의 필드의 데이터가 필요하다. 여기서, 이전의 전반시킨 필드의 데이터를 보존하려고 하면 대량의 기억 영역을 필요로 한다. 예를 들면 1000㎛× 1000㎛의 영역을 0.1㎛ 피치(pitch)의 균등 메쉬로 계산하는 경우, 단순한 1조의 필드 페어만이라도 배정밀도 실수값으로 복소수 값으로 하여 2× 8× 10⁸ = 1.6Gbyte 필요하여 계산이 곤란하게 된다. 그래서, 도 13(B)에 있듯이, 한번 전반시킨 필드를 역방향으로 전반시킴으로써, 꼭 도중까지 전반시킨 것과 같이 되는 것을 이용하여, 파면의 부분만의 메모리로 끝나도록 하였다.

구체적으로는 도 13(C)에 있듯이 역방향으로 전반시킨 φ^j(z = 0, x, {n_q-1})를 초기값으로서 순서 방향으로 전반시킨 f(z, x, {n_q-1};φ^j _q-1)를 φ^j(z, x, {n_q-1})로서 이용하고, ψ^j(z = z_e, x, {n_q-1})를 초기값으로서 역전반시킨 g(z, x, {n_q-1};ψ^j _q-1)를 ψ^j(z, x, {n_q-1})로서 이용함에 따라 파면 2개분만의 메모리로 계산할 수가 있다. 이 계산은 도 12의 알고리즘에 있듯이 필드를 계산 영역의 양단까지 계산하게 되므로 이번은 그것을 초기값으로 하여 반대 방향으로 전반시키면 좋다. 이 방법은 계산량이 2배가 되기 때문에 계산이 늦어지지만 상황에 따라 메모리에 한번 보존하는 방법과 구분하여 사용하면 좋다.

도 14(A) 및 도 14(B)는 실시예 1과 실시예 2에서의 계산의 수렴(convergence)의 모습을 나타낸 도로, 도 14(A) 및 도 14(B)는 각각, 실시예 1 및 실시예 2에 있어서의 계산의 반복 회수에 대한 소망의 출력 포트에의 투과율(dB)과 다른 출력 포트에의 누화(dB)를 표시하고 있다. 이러한 계산의 반복 회수는, 도 7 및 도 12에 나타낸 루프의 반복수에 상당하고 있고, 대체로 동등의 계산량으로 되어 있다.

도 14(A) 및 도 14(B)의 양쪽 모두의 그래프의 비교로부터 알 수 있듯이, 실시예 1에 채용한 계산 방법에서는 수렴까지 200회 정도의 반복을 필요하고 있는데 대해, 실시예 2에 채용한 계산 방법에서는 수회의 반복으로 수렴하고 있다. 즉, 실시예 2에 채용한 계산 방법은, 실시예 1에 채용한 계산 방법과 비교하여 수십배 빠르게 수렴한다. 이 때문에, 실시예 2로 채용한 계산 방법을 비교적 대규모 광회로의 설계에 적용하는 것이 가능하다.

도 15(A) 및 도 15(B)는 본 실시예의 광회로의 굴절률 분포(도 15(A))와 투과 스펙트럼(도 15(B))을 설명하기 위한 도이다. 이 광회로의 투과 스펙트럼도, 도 10(B)과 마찬가지로, 파장 1.31㎛의 광이 출력 포트(a)로부터 출력되는 한편, 파장 1.55㎛의 광이 출력 포트(b)로부터 출력되는 특성을 나타내고 있고, 파장에 의한 분파기(및 합파기)가 형성되어 있는 것을 알 수 있다.

도 15(A)에 나타낸 본 실시예의 광회로의 굴절률 분포는, 도 10(A)에 나타낸 실시예 1의 광회로의 굴절률 분포와 비교하여, 고굴절률부(1-11)가 비교적 일정하게 분포하고 있다. 이 때문에, 유효 굴절률은 단일화 경향이 강해지고, 광회로 설계 영역(1-1)에서의 기판의 두께 방향의 유효 굴절률의 일양성이 증대하고, 이 방향에서의 광구속의 고르지 못함이 감소한다. 즉, 기판 두께 방향으로의 광의 산란을 억제하는 것이 가능하게 되고, 도 11(A)에 나타낸 것 같은 2개의 고굴절률 부분을 이용하여 굴절률 분포를 설정하지 않아도, 단일의 고굴절률부(1-11)만으로 광구속이 가능한 광회로를 실현하는 것이 가능하게 된다.

특히, 굴절률 분포를 계산할 때의 초기의 굴절률 분포로서 메쉬에 의해 확정되는 각 픽셀의 굴절률이 공간적으로 랜덤하게 분포하도록 설정함으로써, 계산에 의해 요구되는 최종적인 굴절률 분포가 더 한층 랜덤 분포가 되어, 단일의 고굴절률부만을 구비한 구조에 의해 광회로를 실현하는데 적합한 굴절률 분포를 실현할 수 있다.

(실시예 3)

본 실시예에서는, 1.53㎛, 1.54㎛, 1.55㎛ 및 1.56㎛의 4개의 파장을 분파 및/또는 합파하는 파장 다중 합분파 회로의 설계 방법에 대해서 설명한다.

도 16(A) 및 도 16(B)은 본 실시예의 4파장 분파기의 광회로 설계를 위한 조건 설정을 설명하기 위한 도로, 도 16(A)은 입력광의 편광 상태가 TE 모드만의 설정의 경우, 도 16(B)은 입력광의 편광 상태의 TE 모드에 TM 모드를 더한 설정의 경우에 대해서 설명하고 있다.

먼저, TE 모드만의 설정의 경우는, 도 16(A)에 나타내듯이, 입력 포트(3-1)로부터 파장 다중된 광을 입력하고, 복수개 설치된 출력 포트(3-2)의 각각의 포트로부터 각각 다른 파장의 광을 출사시킨다. 즉, 입사면(2-1)에는 하나의 입력 포트(3-1)를 설치하고, 출사면(2-2)에는 a, b, c 및 d의 4개의 포트를 설정한다. 입력 포트(3-1)로부터는 1.53㎛, 1.54㎛, 1.55㎛ 및 1.56㎛의 4개의 파장이 합파된 광을 입사하고, 출력 포트(3-2)의 포트(a), 포트(b), 포트(c) 및 포트(d)로부터, 각각 1.53㎛, 1.54㎛, 1.55㎛ 및 1.56㎛의 파장의 광을 출력시킨다. 따라서, 굴절률 분포를 계산할 때의 필드의 조합은, 4개의 출력 포트(a, b, c 및 d) 각각의 1.53㎛, 1.54㎛, 1.55㎛ 및 1.56㎛의 파장의 광의 필드와 다중 합파된 입력광의 필드와의 조합(합계 4조)이 된다.

도 17(A) 및 도 17(B)은 본 실시예로 계산한 광회로의 투과 손실 스펙트럼(투과율(dB))을 설명하기 위한 도로, 도 17(A)은 입력광의 편광 상태가 TE 모드만의 설정의 경우(도 16(A)의 조건에 대응)이고, 도 17(B)은 입력광의 편광 상태의 TE 모드에 TM 모드를 더한 설정의 경우(도 16(B)의 조건에 대응)이다.

입력광의 필드를, 기판(1)에 대한 편광 상태를 TE 모드로서 조건 설정하면, 출력 포트(3-2)로부터 출력되는 출력광의 스펙트럼은 도 17(A)과 같이 된다. 이 도에서는 TE 모드의 광을 굵은 선으로 나타내고, TE 모드와 직교하는 편파 상태인 TM 모드의 광을 가는 선으로 나타내고 있다. 편파 상태마다 스펙트럼을 계산하고 있는 것은, 광회로 내를 전반하는 광이 느끼는 실효적인 굴절률이 TE 모드와 TM 모드와는 약간 다르기 때문이다. 그래서, 본 실시예에서는 입력 포트(3-1)로부터 입력하는 4개의 파장의 광의 각각을 TE 모드의 광과 TM 모드의 광의 편파 다중광으로 하고, 동일한 파장을 가지는 TE 모드의 광과 TM 모드의 광을 동일한 출력 포트(a, b, c 또는 d)로부터 출력시키는 것으로 하고, 파장별로 다른 4조의 필드의 각각을 편파 상태마다 2조로 분류하여 합계 8조의 입출력 페어(pair)를 설정하여 굴절률 분포를 조정함으로써 파장 다중의 분파 회로 설계를 하였다(도 16(B)).

이러한 방법에 의하면, 도 17(B)에 나타내듯이, 편광 상태의 상위에 기인하는 투과 손실의 차이를 저감할 수 있다. 또, 굳이 도시하는 것은 하지 않지만, 도 16(B)에 나타낸 설계 조건의 변형으로서 입력 포트로부터는 편파 다중된 광을 입력하고, 각 편파마다 다른 출력 포트를 지정하여 출력시키도록 굴절률 분포를 조정하도록 하여도 좋다.

상술한 것처럼, 파장과 편광 상태를 파라미터로 하여 입사/출사 필드의 조를 설정하는 것으로 하면, 편광 무의존의 광회로나 편광 의존의 광회로를 자유롭게 설계할 수 있다. 또, 기판이 가지는 복굴절을 파라미터로 하여 계산에 집어 넣음으로써, 편파 의존성을 없애는 것도 가능하게 된다.

종래의 석영계의 광도파로를 이용한 어레이 도파로 격자에서 동등의 기능을 가지는 광회로를 구성하는 경우에는, 어레이 도파로의 개수를 충분히 다수 설치하기 위해서는 스타커플러의 부분만으로도 수 mm의 길이를 필요로 하는데 더하여, 어레이 도파로도 만곡시킬 필요가 있다. 이 때문에, 광회로의 크기가 수 mm 각(角) 이상(전형적으로는 1cm각 이상)의 것이 되지 않을 수 없다. 또한, 편파 의존성을 없애기 위해서 광회로 내에 파장판을 삽입하여 설치하는 경우도 있을 수 있다. 이에 대해서, 본 실시예의 광회로 설계에 의하면, 종래의 광회로의 100분의 1 이하의 크기로 동등의 기능의 광회로를 구성하는 것이 가능하게 된다.

(실시예 4)

본 실시예는 광파장 대역 투과 회로를 구성한 예이다.

도 18(A) 및 도 18(B)은 본 실시예의 광회로 설계를 위한 조건 설정을 설명하기 위한 도로, 도 18(A)은 단순한 밴드 투과 필터를 설정하는 경우, 도 18(B)은 밴드 정형용의 더미포트(dummy port)를 설치하는 경우의 도이다. 또, 이러한 광회로의 전체 길이는 1500㎛이다.

또, 도 19(A) 및 도 19(B)는 각각 도 18(A) 및 도 18(B)에 나타낸 조건 설정하에서 조정된 광회로의 출력 포트로부터 출력되는 출력광의 투과 손실의 스펙트럼이다.

도 18(A)에 나타낸 조건 설정에 있어서는, 입력 포트(3-1)로부터 1.530㎛, 1.535㎛, 1.540㎛, 1.550㎛, 1.555㎛ 및 1.560㎛의 6개의 파장의 광을 파장 다중광으로서 입력하고, 10㎛ 이간하여 설치된 출력 포트(3-2)의 2개의 포트(a 및 b)에 있어서, 1.530∼1.540㎛ 대역의 광을 포트(a)에, 1.550∼1.560㎛ 대역의 광을 포트(b)로부터 출력시키도록, 각 파장의 광의 위상을 조정하여 소망의 분산 특성을 실현하고 있다.

계산 방법에는 실시예 2에서 설명한 방법을 채용하고, 실시예 3과 같은 분해능과 회로 규모를 가정하고 있다. 이 경우, 도 17(A) 및 도 17(B)에 나타낸 것처럼, 1파장에 대한 필드의 조를 설정하는 경우의 3dB 감쇠 파장 대역폭은 편측 약 5nm이기 때문에, 파장의 간격을 5nm로 하고, 상기 6개의 파장의 각 필드의 조를 얻으려고 하는 투과 대역에 일정하게 분포시켰다. 상기의 계산 방법으로 구한 투과 손실 스펙트럼은, 도 19(A)에 나타내듯이 대체로 구형상으로 되지만, 단파장 영역의 투과를 충분히 억제하는데는 도달하고 있지 않다. 그래서, 도 18(B)에 나타내듯이, 출력측에 또 하나의 포트(포트(c))를 포트(a)와 10㎛ 이간하여 설치하는 것으로 하고, 이 포트(c)를 밴드 정형용의 더미포트로서 이용하고, 이 더미포트로부터 1.510㎛, 1.515㎛ 및 1.520㎛의 3조의 광신호를 출력시키는 것으로 하여 계산을 실행하였다.

이러한 더미포트를 설치하면, 도 19(B)에 나타내는 투과 스펙트럼이 얻어지고, 단파장 영역에 있어서도 광의 투과를 충분히 저지하는 것이 가능하게 되고, 포트(a) 및 포트(b)(및 포트(c))로부터 출력되는 각 스펙트럼이 구형상으로 되는 투과 필터를 얻는 것이 가능하게 된다.

(실시예 5)

본 실시예는 실시예 4와 마찬가지로 광파장 대역 투과 회로의 구성예이다. 또, 파장이나 영역의 크기(광회로 전체 길이 600㎛)의 파라미터를, 실시예 4와는 바꾸고 있다. 또, 상기 실시예 1∼4에서는 입력 필드와 출력 필드를 장소(광회로 설계 영역 내에서의 위치)의 실수값 벡터 함수로 한 것에 대해, 본 실시예에 있어서는 복소수 값벡터 함수로서 계산을 실행하고 있다. 구체적으로는 광회로의 출력 포트를 복수(포트(a), 포트(b) 및 더미포트(dummy port)(c)) 설치하고, 이러한 출력 포트로부터 평면파적인(즉, 위상 분포가 없다) 필드를 출력시키는 경우에 있어서, 서로 인접하는 출력 포트로부터 출력되는 광(출력 필드)이 다른 위상을 가지도록 조건 설정되어 있다. 즉, 포트(a)와 포트(b)의 필드는 한결같이 복소수 값을 갖고, 한편, 위상차를 가지도록 설정되어 있다.

도 20(A) 및 도 20(B)은 본 실시예의 광회로의 설정 조건과 그 광회로의 투과 손실의 스펙트럼을 설명하기 위한 도이다. 도 20(A)에 나타내듯이, 입력 포트(3-1)로부터 1.510∼1.560㎛의 파장 범위에 있어 서로 10nm의 파장차를 가지는 광(파장 10nm 간격)을 입력하고, 출력 포트(a)로부터 1.530㎛, 1.535㎛ 및 1.540㎛의 광을, 출력 포트(b)로부터 1.550㎛, 1.565㎛ 및 1.560㎛의 광을, 그리고, 더미포트(dummy port)(c)로부터는 1.510㎛, 1.515㎛ 및 1.520㎛의 광을 각각 출력시킨다. 또, 포트(a)와 포트(b)와는 7㎛ 이간되고, 포트(a)와 더미포트(dummy port)(c)와는 10㎛ 이간되어 설치되고 있다.

여기서, 입력 포트(3-1)로부터 입력되는 광과의 위상차를, 포트(a)에서는 0, 포트(b)에서는 π로 하였다. 또, 포트(a)와 포트(b)의 간격을 7㎛로 극단적으로 접근하였다. 이에 의해, 포트(a)에 출력되어야 할 광이 포트(b)로 누화하거나 포트(b)에 출력되어야 할 광이 포트(a)로 누화하는 것을 억제할 수가 있다. 이는 입력 포트(3-1)로부터 입력되는 광과의 위상차를 포트(a)와 포트(b)에서 동일하다고 하는 경우에는, 포트(a) 및 포트(b)에 있어서 누화광과 비누화광이 모두 거의 같은 위상으로 되기 때문에, 누화광이 신호광과 마찬가지로 집광되고, 그 결과, 누화광이 커지는데 대해, 입력 포트(3-1)로부터 입력되는 광과의 위상차를 포트(a)와 포트(b)에서 다르도록 설정하는 상술한 본 실시예의 경우에는 누화광 끼리가 간섭하여, 각 포트에의 누화광의 집광이 억제되기 때문이다.

도 20(B) 중의 실선은, 포트(a)와 포트(b)로부터 출력되는 필드의 위상에 위상차 π를 두는 경우의 스펙트럼이고, 파선은 포트(a)와 포트(b)로부터 출력되는 필드의 위상에 위상차 π를 두지 않는(위상차 0) 경우의 스펙트럼이다. 이 도에 나타내듯이, 어느 쪽의 경우도 포트(a) 및 포트(b)로부터 출력되는 광의 스펙트럼이 구형상으로 되는 투과 필터를 얻는 것이 가능하게 되지만, 위에서 설명한 바와 같이 포트(a)와 포트(b)로부터 출력되는 필드의 위상에 위상차 π를 두는 경우에는, 위상차를 두지 않는 경우에 비해 누화가 억제되어 보다 샤프(sharp)한 구형 필터가 얻어지고 있다.

본 실시예의 결과는, 각 채널에 대해서 위상 파라미터를 설정하는 것만으로, 출력광의 위상을 제어하는 것이 가능한 것을 나타내고 있다. 또, 이러한 위상 관계는 출력 포트간 만이 아니고 입력 포트와의 사이에도 설정될 수 있는 것이기 때문에, 이러한 포트 상호간에서의 위상 제어에 의해, 외부의 다른 도파로 회로 등과 본 광회로를 조합하여 Mach-Zehnder(MZ) 간섭 회로 등을 구성하는 것이 가능하다.

(실시예 6)

도 21(A)∼21(D)은 본 실시예의 광회로의 입출력 페어(pair)의 설정(도 21(A)), 1.55㎛의 출사 필드 분포의 설정(도 21(B)), 및, 포트(A) 및 포트(B)로부터 입력광을 입력시키는 경우의 각각의 출력광의 투과 손실 스펙트럼(도 21(C) 및 도 21(D))을 설명하기 위한 도이다.

이 실시예의 광회로는, 도 21(A)에 나타내듯이, 입력 포트(3-1)로서 2개의 포트(포트(A) 및 포트(B))를 설치하고, 포트(A)로부터 1.29㎛, 1.30㎛, 1.31㎛ 및 1.32㎛의 4개의 파장의 파장 다중광을 입력하여 출력 포트(3-2)로서 설치된 4개의 포트(a, b, c 및 d)로부터 상기 4개의 파장의 광을 분파하여 출력시킴과 동시에, 포트(B)로부터 입력한 1.55㎛의 광을 이들 4개의 출력 포트(a, b, c 및 d)로 분배하여 출력하는 광회로이다.

이러한 광회로는, 예를 들면 다음과 같은 용도로 이용할 수가 있다. 전달 거리가 다른 장소에 설치된 4개의 단말에 하나의 기지 단말로부터 광파이버를 접속하고, 데이터 통신용으로서 1.29㎛, 1.30㎛, 1.31㎛ 및 1.32㎛의 파장의 광을 충당해, 한편, 1.55㎛의 광을 분배하여 일제히 전달하는 것 같은 경우를 상정하면, 4개의 단말에 접속되어 있는 광파이버에 1.55㎛의 파장의 광을 균등 분배하는 것보다도, 각 광파이버의 손실에 따라 1.55㎛의 광을 분배함으로써, 전달 거리가 다른 단말에 대해서도 동등의 광신호 강도로 송신하는 것이 가능하게 된다.

본 실시예에 있어서는, 이러한 상황을 설정하여, 도 21(B)에 나타내듯이, 1.55㎛의 광을, 포트(a)와 포트(c)에는 1/6씩, 포트(b)와 포트(d)에는 1/3씩의 강도비가 되도록 분배하는 것으로 하고 있다. 즉, 강도가 서로 상위한 4개의 포트(a, b, c 및 d)의 필드 분포의 중합에 의해 출사면(2-2)에 있어서의 출사 필드의 강도 분포를 구하는 것으로 하고, 실시예 2에서 설명한 순서로 계산을 실행하였다. 또, 1.29㎛, 1.30㎛, 1.31㎛ 및 1.32㎛의 파장의 광에 대해서는 실시예 3과 마찬가지로 각 파장마다 4개의 필드의 조를 설정하고 있다.

도 21(C)에 나타낸 스펙트럼에 의하면, 입력 포트(A)로부터 입력된 파장 다중광은 각각의 파장에 따라 분파되고, 이러한 광의 각각이 4개의 출력 포트(a, b, c 및 d)로부터 출력되고 있는 것을 알 수 있다.

또, 도 21(D)에 나타낸 스펙트럼에 의하면, 입력 포트(B)로부터 입력된 파장 1.55㎛의 광은, 포트(a) 및 포트(c)에는 대체로 1/6(=8dB), 포트(b) 및 포트(d)에는 대체로 1/3(=5dB)의 비율로 분배되어 있는 것을 알 수 있다.

이와 같이 본 실시예의 회로 설계 방법을 이용함으로써 용이하게 광분배 회로를 설계하는 것이 가능하다. 또, 당연한 일이지만 이 광회로에 역방향으로 광을 입사시키는 것으로 하면 광합파도 가능하기 때문에, 광합파 회로의 설계도 가능하다.

또, 본 실시예의 광회로는 광회로 설계 영역에 하나의 굴절률 분포를 줌으로써, 파장 분파기와 광분배기라고 하는 2개의 기능을 가지는 회로를 실현하고 있다. 이와 같이 본 발명에 의하면, 다른 기능(을 가지는 영역)을 동일한 광회로 설계 영역 상에 설치하는 것이 가능하기 때문에, 매우 용이하게 집적화 할 수가 있다.

(실시예 7)

본 실시예에서는, 전반광의 반사도 고려한 광회로의 설계 방법에 대해서 설명한다. 광회로 내의 광에는, 다중 산란하면서 진행하는 전반파만이 아니고 반사파도 존재할 수 있기 때문에, 이 반사파의 존재도 고려하여 필드 설정함으로써, 특성이 보다 뛰어난 광회로를 실현하는 것이 가능하다.

반사 현상도 고려하는 경우의 필드의 전반은, 「전반 행렬」에 의해 기술 가능하고, 이 전반 행렬은 입사(파(波)) 성분과 반사(파(波)) 성분에 대한 행렬의 형태로 주어지고, 그 행렬의 형태로서는, 예를 들면, "A bidirectional beam propagation method for multiple dielectric interfaces"(H. Rao et. al., IEEE PTL Vol. 11, No. 7, pp 830-832 (1999)) 등에 기재가 있다. 또, 이 전반 행렬은 이미(기본 개념)에서 설명한 「유니터리(unitary) 변환」에 상당한다.

도 22는 반사 성분도 고려할 때의 전반 행렬의 취급의 개요를 설명하기 위한 도로, 광회로 내의 미소 부분에만 주목하여 도시한 도이다.

H. Rao, et. al,"A bidirectional beam propagation method for multiple dielectric interfaces", IEEE PTL Vol. 11, No. 7, pp 830-832 (1999)에 의하면, 위치(x, z)에 있어서의 굴절률 n(x, z)에 대한 편미분 방정식인 다음 식(12)

… (12)

을 형식적으로 풀고, 연산자

… (13)

을 정의하고, j번째의 z위치의 연산자로서

… (14)

을 이용하여 표기하면,

… (15)

로 주어진다.

… (16)

가 전반 행렬이다.

식(15)에서 이용한 기호 u_in 및 u_out의 각각은, 도 22에 나타낸 광회로의 미소 부분의 입력면(2-1)(in) 및 출력면(2-2)(out)에 있어서의 필드를 의미하고 있고, z_j 또는 z_j-1은 이 광회로의 미소 부분이 광회로 설계 영역의 전체에 가상적으로 설치한 메쉬에 의해 확정된 j번째 또는(j-1)번째의 층의 z위치를 의미하고 있다. 즉, 도 22 중의 입력면(2-1) 및 출력면(2-2)은 이 미소 영역의 입력면 및 출력면인 것이어서, 광회로 전체의 입력면 및 출력면을 의미하는 것은 아닌 것으로 주의하고 싶다. 또, 첨자의 ＋또는 -는 그러한 필드의 입사 성분(＋) 또는 반사 성분(-)인 것을 의미하고 있다.

　여기서,

… (17)

… (18)

… (19)

의 관계가 있다.

본 발명에 있어서는, 반사 성분을 미리 주는 것으로 하고, 다음 식(20)

… (20)

의 좌변을 (j＋1)번째의 층까지의 역전반광 φ(z_j＋1), 우변을 (j-1)번째의 층까지의 전반광 ψ(z_j-1)으로 생각하여,

로 주어지는 「굴절률」(굴절률에 상당하는 연산자)을 조정함으로써 소망의 기능을 가지는 광회로를 얻는다.

예를 들면, 각 층간의 계면에서의 반사가 약한 경우에는,

　　　

가 좋은 근사로 성립되기 때문에,

로 근사할 수 있다.

　그리고,

… (18)

은 반사가 완전히 없는 상태에서의 광의 전반을 주는 연산자이기 때문에, 지금까지의 실시예에서 설명해 온 2개의 방법과 같은 설계 방법에 의해 광회로 설계를 할 수가 있다.

즉, 입력면으로부터 입력되는 입사파와 입력면측을 향하는 반사파를 설정하고, 또한, 출력면으로부터 출력되는 출력파를 설정한다. 그리고, 광회로 설계 영역의 각 점에서, 전반 방향(즉, 입력면(2-1)으로부터 출력면(2-2)을 향하는 방향)으로 진행되는 필드와 반사 방향(즉, 출력면(2-2)으로부터 입력면(2-1)을 향하는 방향)으로 진행되는 필드를 가정하고, 실시예 1과 같은 순서에 의해 계산을 실행하면 좋다. 또, 인과율에 의하면, 출력면측을 향하는 반사파는 발생하지 않을 것이므로 영(zero)이지만, 광회로의 도중에서는 출력면측을 향하는 반사파 성분도 존재할 수 있다.

일반적으로, 광회로 내에서의 공간적인 굴절률 변화가 작은 경우에는 광회로 내에서 발생하는 반사파 성분은 매우 작다. 따라서, 굴절률 변화가 광회로 내의 광에게 주는 주된 영향은, 전반 방향으로 진행하는 광에 대해서는 전반 방향으로 전반할 때의 위상 변화이고, 반사 방향으로 진행하는 광에 대해서는 반사 방향으로 전반할 때의 위상 변화이다. 이 때문에, 전반 방향으로 진행하는 입사파 성분과 전반 방향으로 진행하는 반사파 성분을 맞추어 하나의 순전반파로 하고, 입사광으로부터 보았을 때에, 반사 방향으로 진행하는 입사파 성분(역전반시킨 출력파)과 반사 방향으로 진행하는 반사파 성분(역전반시킨 출력파와 대응하게 되는 반사 성분)을 맞추어 하나의 역전반파로 한다(즉, 회로를 산란 행렬로 간주한다). 그리고, 이들 2개의 파의 각각에 대응하는 필드를 가정하여, 실시예 1 혹은 실시예 2에서 설명한 방법에 의해 국소적인 굴절률을 변화시켜 굴절률 분포를 계산하면 좋다.

도 23(A) 및 도 23(B)은 본 실시예의 광회로(파장 필터)의 설정 조건과 그 광회로의 투과 손실의 스펙트럼을 설명하기 위한 도이다. 도 23(A)에 나타내듯이, 입력 포트(3-1)에서 1.31㎛, 1.49㎛ 및 1.55㎛의 파장의 광을 파장 다중광으로서 입력하고, 출력 포트(3-2)로서 설치한 3개의 포트(포트(a), 포트(b) 및 포트(c))의 각각으로부터 상기 3개의 파장의 광마다 출력하여 파장 필터로서 기능시킨다. 본 실시예에서는, 포트(a)로부터 1.31㎛, 포트(b)로부터 1.49㎛, 그리고, 포트(c)로부터는 1.55㎛의 파장의 광을 각각 출력시킨다. 각 포트 간격은 10㎛이고, 광회로 길이는 1mm(1000㎛)이다.

이 광회로는 실리콘 기판 상에 설치된 석영으로 이루어지는 평면광 회로로서, 광회로 설계 영역(1-1)에 있어서의 석영의 국소적인 굴절률이 고굴절률부 또는 저굴절률부가 되도록 조정을 함으로써 광회로의 굴절률 분포가 설정되어 있다. 또, 고굴절률부와 저굴절률부의 비굴절률차는 1.5%이다.

도 23(B)에 나타내듯이, 이 광회로로부터는 낮은 손실과 샤프한 투과 특성을 가지는 3개의 파장의 광이 각 출력 포트로부터 출력되고 있고, 파장 필터 특성이 뛰어난 광회로가 얻어지고 있다. 이와 같이 광회로 내에서의 반사파도 고려하여 회로 설계함으로써, 필터 특성이 뛰어난 광회로를 제작하는 것이 가능하게 된다.

(실시예 8)

본 실시예에서는, 본 발명의 파동 전달 매체를 이용하여 16분기 광회로를 구성한 예에 대해서 설명한다.

도 24(A)∼(C)는 이 16분기 광회로에 있어서의 굴절률 분포(도 24(A)), 광전반의 모습(도 24(B)), 및, 16개의 각 출력 포트로부터 출력되는 광의 광투과 손실(dB)(도 24(C))을 나타내고 있다.

이 광회로는 실리콘 기판 상에 고굴절률부와 저굴절률부의 비굴절률차 Δ가 0.75%인 석영을 퇴적시킨 광회로 설계 영역을 에칭(etching)에 의해 패턴 형성한 것으로, 광회로의 크기는 420㎛× 1800㎛이다. 도 24(B)에 나타낸 것처럼, 광회로의 입사면 중앙부(도중의 하측 중앙)로부터 입력된 광은, 광회로 설계 영역 내를 다중 산란하면서 전반하고, 광회로의 출사면(도중의 상측)에 설치된 16개의 포트로부터 출력되는 구성으로 되어 있다.

도 24(A)에 나타낸 굴절률 분포는 실시예 2에서 설명한 방법에 의해 구한 결과이고, 이 도에 있어서, 흑색부는 고굴절률부, 백색부는 저굴절률부에 상당하고 있고 픽셀 크기(메쉬에 의해 확정된 픽셀에 상당)는 3× 3㎛²이다.

이 광회로에 광전반시켰을 때의 필드의 모습을 수치 계산하여 구한 결과를 나타내는 도 24(B) 중의 농담은 광강도 분포를 의미하고 있고, 1개의 입력광은 광회로의 출사면에 있어 16개의 광으로 분기되어 각각의 광이 16개의 포트로부터 출력된다. 이러한 16개의 포트에 번호를 붙이고(좌측으로부터 1, 2,···, 16), 각 포트로부터 출력되는 광의 투과 손실을 측정한 결과를 도 24(C)에 나타내고 있다. 16개의 포트의 손실은 원리 손실 12dB를 기준으로 하여 대체로 2dB 이내에 분포하고 있고, 균등 한편 저손실의 광분배가 실현되고 있는 것을 알 수 있다.

이와 같이 본 발명의 광회로 설계 방법에 의하면, 1800㎛라고 하는 매우 짧은 도파로 길이로 용이하게 광분할하는 것이 가능하게 된다. 종래의 광회로에서 동등의 기능을 실현시키는 경우에 필요로 되는 도파로 길이가 1cm 정도인 것을 감안하면, 본 발명에 의해 도파로 길이의 대폭적인 단축화가 가능하고, 소형 광회로를 용이하게 실현될 수 있는 것이 이해된다.

(실시예 9)

본 실시예에서는, 본 발명의 파동 전달 매체를 이용하여 광도파로에 소망의 곡율을 갖게 한 「굽힘 회로」를 구성한 예에 대해서 설명한다.

유전체로 구성되는 광도파로에 있어서는, 도파로로부터의 광의 방사를 회피하기 위해서, 광도파로의 급격한 굽음을 피할 필요가 있다. 따라서, 굽힘 회로의 도파로는 일정한 곡율 반경 이상의 작은 곡율을 가지도록 설계된다. 예를 들면, 비굴절률차 Δ = 1.5%를 가지는 석영계 광도파로 코어와 클래드로 구성되는 종래의 굽힘 회로에서는, 5mm 정도의 곡율 반경이 되도록 회로 설계함으로써 만곡한 광회로를 실현하고 있었다.

이에 대해서, 본 실시예의 광회로에서는 광도파로로부터 일단 외부로 누출한 광을 다중 산란에 의해 반사시켜 원래의 광도파로로 되돌리는 것이 가능하게 되기 때문에, 큰 곡율(작은 곡율 반경)로 광도파로를 설계하는 것이 가능하게 되고, 그 결과, 광회로를 소형화하는 것이 가능하게 된다.

도 25(A) 및 도 25(B)는 본 실시예의 굽힘 회로의 굴절률 분포(도 25(A))와 광전반의 모습(도 25(B))을 설명하기 위한 도이다.

이 광회로는 실리콘 기판 상에 고굴절률부와 저굴절률부의 비굴절률차 Δ가 1.5%인 석영을 퇴적시킨 광회로 설계 영역을 에칭(etching)에 의해 패턴 형성한 것으로, 광회로의 크기는 100㎛× 90㎛이다. 도 25(B)에 나타낸 것처럼, 광회로의 입사면 중앙부(도중의 하측 중앙)로부터 이 입사면에 대해서 -5도의 각도로 입력된 광은, 광회로 설계 영역 내를 다중 산란하면서 전반하고, 광회로의 출사면(도중의 상측)에 대해서 ＋5도의 각도로 출력된다.

도 25(A)에 나타낸 굴절률 분포는 실시예 2에서 설명한 방법에 의해 구한 결과이고, 이 도에 있어서, 흑색부는 고굴절률부, 백색부는 저굴절률부에 상당하고 있어 픽셀 크기(메쉬에 의해 확정된 픽셀에 상당)는 0.7× 0.7㎛²이다.

이 광회로에 광전반시켰을 때의 필드의 모습을 수치 계산하여 구한 결과를 나타내는 도 25(B) 중의 농담은 광회로 설계 영역에 있어서의 광강도 분포를 의미하고 있고, 도파로의 외측으로 누출한 광은 다중 산란에 의해 도파로로 반사되어 되돌아 오고, 방사에 의한 도파로로부터의 광의 누출이 회피되어 있다. 또, 이 도에 나타나고 있는 출력측과 입력측의 필드 형상은 거의 같은 형상으로 되어 있고, 도파로의 외측으로 누출한 광에 기인하는 필드 형상의 혼란이 다중 산란에 의해 억제되어 필드 형상이 정형되어 있는 것을 알 수 있다.

본 실시예의 굽힘 회로에서는, 90㎛의 도파로 길이로 광의 입출력 각도차 10도의 굽음이 실현되어 있다. 이 굽음을 곡율 반경으로 환산하면 약 0.5mm에 상당하고 있어 매우 작은 곡율 반경(큰 곡율)의 도파로가 실현되어 있게 된다. 또, 이 굽힘 회로에 있어서의 광의 삽입 손실은 0.1dB 이하이기 때문에, 이 굽힘 회로를 복수개 반복하여 설치하여 90도 정도의 굽음을 실현하였다고 하여도, 그 손실은 불과 1dB 이하가 되는 것이 기대되어 매우 소형의 굽힘 회로를 실현하는 것이 가능하다.

(실시예 10)

본 실시예에서는, 본 발명의 파동 전달 매체를 이용하여 다중 모드 간섭 회로(MMI)를 구성한 예에 대해서 설명한다.

광회로에 있어서는 광의 필드가 전반 방향으로 큰 파수(즉, 운동량)를 가지면, 횡방향(전반 방향과 수직 방향)의 파수(즉, 횡방향의 운동량)가 작아지고, 그 결과, 굴절률차가 비교적 작은 계면에 있어서도 광이 횡방향에 반사되게 된다. 이 현상이 이용되고 있는 정도의 폭이 넓은 광도파로를 구성하면, 전반광의 필드는 이 광도파로 내에서 반사를 반복하면서 크게 사행하여 진행하여 실효적인 광로 길이를 길게 하는 것이 가능하게 된다. 이러한 광전반 현상은, 복수의 모드의 광이 존재할 수 있는 광회로 내에 있어서, 이들 각 모드의 광이 서로 서로 간섭하면서 전반하고 있는데 대응하고, 이러한 광회로는 다중 모드 간섭 회로(MMI)로 불린다.

그러나, 종래의 다중 모드 간섭 회로 내에서는, 어느 차수 이상의 고차 모드는 존재할 수 없어 외부로 방사되어 버린다. 즉, 광회로의 폭을 넓게 설정할수록 광회로 내를 전반하는 광의 큰 사행이 기대되어 실효적인 광로 길이를 길게 하는 것이 가능하게 되지만, 그 한편, 방사에 의해 광회로 외부로 광이 누출되어 버린다고 하는 문제가 있었다.

본 실시예에서는, 이러한 문제를 해결하기 위해서 다중 모드 간섭 회로의 내부에 본 발명의 광회로를 설치하는 것으로 하였다.

도 26(A) 및 도 26(B)은 본 실시예에 있어서 광회로 설계 영역에 있어서의 굴절률 분포(도 26(A))와 이 광회로 내를 전반하는 광의 파장마다의 필드의 전반의 모습을 설명하기 위한 도(도 26(B))이다.

이 광회로는 실리콘 기판 상에 고굴절률부와 저굴절률부의 비굴절률차 Δ가 0.75%인 석영을 퇴적시킨 광회로 설계 영역을 에칭(etching)에 의해 패턴 형성한 것으로, 광회로의 크기는 폭 60㎛× 길이 3000㎛이다. 도 26(A) 중의 하부가 입사면에 대응하고, 이 입사면에 설치된 하나의 포트로부터 1.31㎛, 1.49㎛ 및 1.55㎛의 3개의 파장의 광이 파장 다중되어 입력되고, 이들 3개의 파장의 광의 각각은 그 파장에 따라 다른 사행 모양으로 광회로 내를 진행하고, 도중의 상부에서 나타나는 출사면에 설치된 3개의 포트로부터 각 파장의 광마다 출력된다. 즉, 이 광회로는 파장 선택 필터로서 기능한다.

도 26(A)에 나타낸 굴절률 분포는 실시예 2에서 설명한 방법에 의해 구한 결과이고, 이 도에 있어서, 흑색부는 고굴절률부, 백색부는 저굴절률부에 상당하고 있어 픽셀 크기(메쉬에 의해 확정된 픽셀에 상당)는 3× 3㎛²이다. 이 도의 좌우의 각각에 나타나고 있는 종방향으로 뻗어 존재하는 띠모양의 저굴절률 영역은, 종래의 다중 모드 간섭 회로에서도 설치되어 있는 영역이고, 이러한 띠모양 영역의 사이의 고굴절률 영역 내에 분산하여 설치된 저굴절률부에 의해 본 발명에서 설정되는 굴절률 분포가 주어지고 있다.

이 광회로에 광전반시켰을 때의 필드의 모습을 각 파장마다 수치 계산하여 구한 결과를 나타내는 도 26(B) 중의 농담은 광회로 설계 영역에 있어서의 광강도 분포를 의미하고 있고, 어느 쪽의 파장의 광도 광회로 내를 사행하면서 진행하고 있는 모습, 및, 광회로 내에서도 다중 산란에 의해 다중 모드 간섭 회로 부분의 외부로 누출하는 광은 거의 없는 것을 이해할 수 있다.

도 26(B)에 나타나고 있는 광의 사행의 모습으로부터 알 수 있듯이, 이 회로 내에서는, 비스듬하게 퍼져 진행하는 광이 회로 측면에서 되돌아가고, 이 되돌아감을 반복하면서 각 출력 포트로 집광된다. 따라서, 이 광회로에서는, 작은 면적의 광회로 설계 영역 내에서 큰 광로 길이 차이를 갖게 하는 것이 가능하고, 한편, 개개의 픽셀(개개의 픽셀의 굴절률)이 전반 필드에 미치는 영향을 높여 광을 효율적으로 제어하는 것이 가능하게 되어 있다. 또, 본 실시예의 다중 모드 간섭 회로의 각 출력 포트 모두, 전반 손실은 약 0.8dB, 누화양은 -20dB 이하이고, 파장 선택 필터로서 양호한 특성이 얻어지고 있다.

이상과 같이, 본 실시예의 다중 모드 간섭 회로에서는, 전반광의 누락을 억제하는 것뿐만 아니라, 회로의 소형화 및 광의 제어성을 높이는 것이 가능하게 된다.

(실시예 11)

본 실시예의 광회로는, 1.3㎛와 1.55㎛의 2개의 파장의 광의 파장 다중광을 각각의 파장의 광에 분파하는 평면 광파 회로이다. 이러한 분파 회로를 실시예 1에서 설명한 방법에 의해 설계하려고 하면, 도 27(A)의 우측 도면과 같이, 광회로 설계 영역 내에 분포시키는 저굴절률부가 많이 필요하여 기판 두께 방향에서의 광구속이 곤란해져, 도 11에 나타낸 것 같은 특별한 광구속 구조로 해야 하는 것은 이미 설명하였다.

이에 대해서 실시예 2에서는, 특별한 광구속 구조를 불필요하게 하기 위해서 굴절률 분포의 초기값을 랜덤(random)하게 취하고, 도 15(A)에 나타낸 것 같은 굴절률 분포로 함으로써 실효적인 광구속을 실현하였다.

본 실시예에 있어서는, 또한, 굴절률 분포의 결정에 즈음하여 가능한 한 고굴절률부가 많아지도록 고굴절률부와 저굴절률부를 분포시키고, 저굴절률을 가지는 픽셀이 연속하여 배열되는 영역이 가능한 한 적게 되도록 굴절률 분포를 결정하는 것으로 하였다(도 27(A)의 좌측 도면). 이는 저굴절률을 가지는 픽셀을 고굴절률을 가지는 픽셀의 존재하지 않는 영역, 즉 고굴절률 픽셀의 공극으로서 관념한 경우에는, 이 고굴절률 픽셀의 공극이 가능한 한 연속하여 분포하는 것이 없게 가능한 한 많은 고굴절률 픽셀을 분포시킴으로써 굴절률 분포를 결정하는 것이라고 바꾸어 말하는 것도 할 수 있다.

이 때문에 구체적인 방법은 이하와 같다. 우선, 알고리즘을, 굴절률 분포 중에서의 광도파로의 코어에 상당하는 부분이 많아지도록 실시예 2에서 설명한 알고리즘을 이하와 같이 개량한다.

즉,

n_offset>0　　　

되는 양을 정의하고,

v_q(z, x)>(n_core+n_clad)/2-n_offset 일 때는 n_q(z, x) = n_core… (21a)

v_q(z, x)<(n_core+n_clad)/2-n_offset 일 때는 n_q(z, x) = n_cladd… (21b)

로 한다. 여기서, n_core는 코어에 상당하는 굴절률로 고굴절률부의 굴절률에 상당하고, n_clad는 클래드에 상당하는 굴절률로 저굴절률부의 굴절률에 상당한다. 따라서, 광회로 설계 영역 내에서의 굴절률 분포는, 이러한 2종류의 굴절률을 공간적으로 분포시켜 얻어지게 된다. 이러한 n_offset의 도입에 의해, 코어 부분이 많은 광회로를 설계하는 것이 가능하다. 또, n_offset 되는 양은 이하와 같이 하여 구해진다.

도 27(B)은 단위 길이당의 도파로 내에 공극이 출현하는 확률(횡축)과 고굴절률부의 공극이 연속하는(즉, 저굴절률부가 연속한다) 픽셀의 수 N_g마다의 빈도(종축)와의 관계를 설명하기 위한 도로, 몬테카를로법(Monte Carlo method)에서의 계산 결과이다. N_g 값의 차이는 공공의 연결 상태를 반영하는 것이기 때문에, 도파로 내에서의 단위 길이당의 빈도는 N_g 값에 따라서 다르다. 또, 횡축으로 나타낸 공극의 출현 확률이 영(zero)이라는 것은 단위 길이의 도파로에 전혀 공극이 없는 경우이고, 출현 확률이 1이라는 것은 단위 길이의 도파로의 모두가 공극의 경우이고, 출현 확률이 0.5라는 것은 단위 길이의 도파로의 반이 공극의 경우에 상당한다. 또, 예를 들면 N_g = 1의 경우의 곡선에 있어서 단위 거리당의 빈도가 0.1이라고 하는 것은, 10개의 픽셀로 이루어지는 열을 상정했을 때에, 확률적으로 하나의 N_g = 1의 공극 픽셀이 존재한다고 하는 의미이다.

이 계산에서는, 횡방향으로 연속한 공극이 필드에 미치는 영향은 사실상 무시할 수 있는 정도의 것이기 때문에 고려하지 않는 것으로 하여 광회로의 종방향 영역만을 대상으로 한다. 이러한 취급이 타당한 것은, 광이 전반하는 회로 내에 있어서, 결렬하게 전자계가 변화하는 것은 전반 방향인 것에 기인한다.

공극의 단위 길이는 코어의 굴절률 분포의 메쉬 간격으로 되고, 예를 들면 메쉬 간격을 1㎛로 설정하는 경우의 공극의 단위 길이는 1㎛가 된다. 따라서, 이러한 공극으로 서로 이격된 고굴절률 픽셀간의 간극은, N_g = 0, 1, 2,···의 각각에 대해서 0㎛, 1㎛, 2㎛,···가 된다.

광통신 등에 이용되는 광의 파장 범위에서는, 굴절률이 약 1.5의 매체 내에서의 파장은 약 1㎛가 되기 때문에, 광회로 내에 수 ㎛의 간극이 있다고 하면 광이 방사적으로 되어 손실이 생겨버린다. 광회로의 일반적인 가공 정밀도는 1㎛ 정도이기 때문에, 1㎛ 정도의 간격으로 메쉬를 설정하여 광회로의 굴절률 분포를 결정하는 경우를 상정하면, N_g = 3 이하로 억제하는 것이 바람직하다.

그래서, 도 27(B)을 기본으로, N_g = 4 이상의 간극이 대부분 생기지 않고, 한편, 굴절률 변화가 발생하는 코어와 클래드의 계면이 적당하게 많아지는 조건을 찾으면, N_g = 1의 공극의 출현 확률을 0.2± 0.05 정도로 하는 것이 바람직한 것으로 된다. 이는 실시예 1의 설계 조건으로 결정되는 굴절률 분포에 있어서, 코어부와 클래드부가 동등의 분포 확률로 대략 랜덤하게 분포하는 것으로 하고, 한편, 그 불균형(2σ)이 굴절률차 정도인 것으로 하고, 또한, 정규 분포하는 것인 것으로 가정하여, 코어의 배치 파라미터를 굴절률차의 약 30% 정도로 하면 좋은 것을 의미하고 있다. 즉, n_offset = (n_core-n_clad)/3 정도로 하면, 굴절률 변화하는 계면이 적당하게 많이 포함되고, 한편, 코어의 간극폭이 적은 광회로를 구성하는 것이 가능하게 된다.

이러한 알고리즘에 근거하여 굴절률 분포를 결정하고 광회로를 실제로 시작하여 특성을 조사했더니, 도 27(B)과 같은 굴절률 분포로 하는 경우의 광손실이 약 6dB인 것에 대해, 도 27(A)과 같은 본 실시예의 굴절률 분포로 하는 경우의 광손실은 약 2.5dB이고, 대폭적인 손실 저감이 확인되었다.

또, 본 실시예에 있어서는, 미리 n_offset를 정수로 하여 주는 것으로 하였지만, 반드시 정수일 필요는 없다. 도 27(B)의 횡축이 단위 거리당의 공극의 출현 확률로 되어 있는 것으로부터도 알 수 있듯이, 계산의 도중에서 공극의 출현 확률을 집계하고, 그 결과를 기초로 n_offset를 축차 변경하는 것으로 하면, 보다 확실한 수정이 가능하게 된다. 즉, v_q(z, x)의 빈도를 구하고, 예를 들어 50%로 설정하고 싶은 경우는 n_offset를 v_q(z, x)의 평균치로 설정하는 등을 하면 좋다.

(실시예 12)

도 28(A)은 본 실시예의 전극 구조의 단면도, 도 28(B)은 이 소자를 이용한 광회로의 구성예이다. 도 28(A)은 복수의 조의 굴절률 분포를 전기광 효과에 의해 기판 상에 필요에 따라서 생기게 하는 것을 특징으로 하는 광파형 정형기의 예로서 실리콘 기판 상에, 광학적으로 투명한 절연막(여기서는 석영 글래스)을 개재(介在)하여 전극을 매트릭스(matrices) 형상으로 설치하여 재구성 가능한 광회로를 구성하는 예를 도시하고 있다. 절연막은 0.3㎛ 정도, 도핑 영역은 3㎛ 정도의 두께이다. 이 예에서는 또한 그 아래에 글래스층이 있는 소위 (SOI) (Silicon-On- Insulator) 구조의 기판을 이용하고 있다. 전극에 전압을 거는 것에 의해 전자 농도의 변화로부터 10^-3 정도의 비굴절률차를 주는 것이 가능하다. 이것은 MOS 구조이므로, 통상의 반도체 공정(process)에 의해 용이하게 미세하고 대규모 것을 만드는 것이 가능하다. 일반적으로 10^-3의 비굴절률차에서는 광도파로 구조를 만들었다고 하여도 매우 구속이 약하기 때문에 현실적인 회로를 구성하는 것은 곤란하지만, UV광에 의해 석영 글래스에 기입하는 파이버 그레이팅(fiber grating)과 같은 약한 굴절률 변조에서도 큰 광의 반사가 가능한 것과 같게, 넓은 영역 계산 영역을 이용하여 본 실시 형태에 의해 광회로를 설계하면 실용적인 광회로를 구성할 수가 있다.

상기 실시예 1∼11에서 설명한 것처럼 굴절률 분포의 패턴을 설계하고, 그 굴절률 분포에 맞추어 전압의 분포를 생기게 함으로써 광회로를 구성할 수 있다. 특히, 복수의 굴절률 분포를 미리 반도체 메모리 등에 넣어 두고, 필요에 따라서 전압의 분포를 변화시킴으로써 광회로를 재구성할 수 있다. 또, 회로는 MOS의 프로세스를 적용할 수 있으므로, 플래쉬 메모리와 같은 구성을 이용하면 기입식의 광회로를 구성할 수 있다. 즉, 소스, 드레인, 플로팅 게이트(floating gate)와 콘트롤(control) 게이트를 회로의 일부에 설치하고, 소스, 드레인 부분의 굴절률 제어는 포기하여, 플로팅 게이트 직하의 굴절률 변화에 의해 광회로를 구성한다. 여기서, 소스, 드레인 부분에는 회로 재구성시만 통전하면 좋기 때문에, 굴절률 분포로서는 전압을 오프(OFF)로 한 상태로 회로를 구성하면 좋다.

본 실시 형태에 의해, 5mm 각(角) 정도의 칩 크기에 100만 전극 정도를 매트릭스 형상으로 배치하여 파형 정형기를 할 수 있었다. 이것은 기판에 대해서 필드 직경으로서 수백 미크론(micron)으로 확대하고, 한편, 위상 분포를 제어하는 것으로, 맞닿음 결합에 의해 결합한 슬랩 도파로를 개재(介在)하여 대향하는 같은 소자에 대해서 광 합분파가 가능하다. 여기서, 이러한 광부품(파이버, 본 실시 형태의 소자, 슬랩 도파로)은 광학적으로 투명한 접착제로 접합되어 있다.

도 28(B)은 도 28(A)의 소자를 이용한 광회로의 예로, 여기서는 필드를 확대하는 것과 동시에 횡방향으로 일정하게 위상 구배를 줌으로써 좌측 단 하부로부터 우측 상부로 광신호를 전반시키고 있다. 위상을 적당하게 조정함으로써 복수의 채널에의 분배도 가능하다.

(실시예 13)

본 실시예의 광회로는, 지향성이 낮고 한편 파장 의존성이 높은 레일레이(Rayleigh) 산란을 이용한 1.31㎛/1.55㎛의 파장 필터이다.

광의 파장의 10분의 1 이하 정도의 크기를 가지는 물체에 의한 산란은 일반적으로 레일레이(Rayleigh) 산란으로 불리고, 지향성이 낮고 한편 파장 의존성(파장의 4승분의 1에 비례)의 높은 산란이 얻어진다. 본 실시예에서는 광회로를 구성하는 파동 전달 매질의 고굴절률 부분의 픽셀 크기를, 광회로 내를 전반하는 광의 전반 방향에 수직인 방향의 파장 성분의 길이 정도 이하의 크기로 함으로써, 레일레이(Rayleigh) 산란의 발생 조건을 만족하는 굴절률 분포(유전체 분포)를 실현하여 충분히 큰 광제어성을 얻고 있다.

도 29(A) 및 도 29(B)는 본 실시예의 1.31㎛/1.55㎛의 파장 필터의 구성예를 설명하기 위한 도로, 도 29(A)는 이 광회로의 평면도이고, 도 29(B)는 고굴절률부의 픽셀과 저굴절률부의 픽셀의 배치의 모습을 설명하기 위한 도이다.

도 29(A) 중의 흑색부는 고굴절률부를 의미하고 있고, 입력 포트(3-1)로부터 1.31㎛와 1.55㎛의 파장의 광을 입력하고, 출력 포트(a)로부터 1.31㎛의 광을, 출력 포트(b)로부터 1.55㎛의 광을 각각 출력시킨다. 또, 이 광회로의 광전반 방향의 길이는 1000㎛이고 폭은 160㎛이다. 이 광회로의 굴절률 분포는, 도 29(B)에 나타내듯이, 각각이 픽셀 크기 W를 가지는, 고굴절률부의 픽셀(그물부)과 저굴절률부(탈색부)의 픽셀을 배치시킴으로써 결정된다.

이러한 픽셀 크기 W를 가지는 유전체를 다수 배치하여 구성되는 도파로 구조(즉, 광구속 구조) 내에 있어서 형성되는 광의 필드 반경 w에는, 1차원의 가우시안(Gaussian) 근사에 의한 변분법(變分法)에 의해, 대체로,

… (22)

되는 조건이 요구된다. 여기서, k₀는 진공중의 파수, n은 굴절률, Δ은 픽셀 부분의 비굴절률차이다.

한편, 본 광회로를 구성하는 유전체의 픽셀을 광의 산란점으로서 생각하고, 이 픽셀에 의한 필드 반경 w를 통로 반경 w로 한다(도 30). 이때 이 통로로부터의 회절각(원시야각)을 θ이라고 하면, 진공중에서의 파수 λ를 이용하여,

… (23)

가 된다(도 30). 매질 내에 있어서의 광의 전반 방향에 수직인 방향의 파수

와 전반 방향의 파수

의 비를 취하면,

… (24)

이 얻어진다. 여기서,

는 광의 전반 방향 성분의 파장이고,

는 전반 방향에 수직인 방향 성분의 파장이다.

여기서, 광의 파수(운동량과 등가)의 대부분은 전반 방향으로 집중하고 있는 것으로 가정하면,

가 되어,

… (25)

이 얻어진다. 레일레이(Rayleigh) 산란의 조건으로서

가 되기 때문에,

으로 되고, 또한, 식(25)으로부터,

으로서 식(22)에 대입하여 w를 소거하면,

… (26)

되는 조건을 얻는다.

식(26)의 우변 중의 괄호 부분(λ 이외의 계수)은, 예를 들면 석영계 광도파로(n = 1.5, Δ = 0.01)이나 반도체도파로(n = 3.5, Δ = 0.05)에서도 대체로 1 정도이기 때문에,

이면, 레일레이(Rayleigh) 산란의 조건이 성립되는 것으로 된다.

도 31(A) 및 도 31(B)은 픽셀 크기 W를 파라미터로서 변화시켜 1.31㎛/1.55㎛의 파장 필터의 광회로를 구성하는 경우의 투과 손실 특성 및 누화 특성의 픽셀 크기 의존성(도 31(B))을 설명하기 위한 도로, 이 광회로의 광전반 방향의 길이는 600㎛이고, 출력 포트(a)와 출력 포트(b)의 간격은 30㎛이다(도 31(A)).

도 31(B)에 나타낸 결과로부터, 픽셀 크기 W가 파장 레벨 정도(도 31(B) 중에 나타낸다) 이하의 경우에는, 누화가 매우 효율적으로 억제되어 뛰어난 투과 손실 특성이 얻어지고 있고, 본 실시예와 같이 레일레이(Rayleigh) 산란 조건을 만족하도록 픽셀 크기 W를 설정하는 것이 유효하다는 것을 알 수 있다.

(실시예 14)

본 실시예의 광회로는 기판 높이 방향(기판 표면과 수직인 방향)으로의 광의 방사를 억제함으로써 광손실을 억제하는 것을 가능하게 한 광회로이다.

광회로의 굴절률 분포를 고굴절률부와 저굴절률부로 2치화 하여 얻어지는 픽셀 패턴에 있어서는, 저굴절률부를 고굴절률부의 공공(空孔)(공극(空隙))으로 생각하면, 고굴절률부에 상당하는 픽셀 상호간에 존재하는 것으로 되는 저굴절률부는 광도파로라고 하는 곳의 클래드 부분으로의 방사 부분(도파로간의 갭)에 상당한다. 광회로를 설계하는데 즈음해서는, 기판 횡방향(기판 표면과 평행한 방향)으로의 광은 다중 산란에 의해 제어 가능하다. 그렇지만, 평면 광회로의 경우에는, 기판 높이 방향으로 누출된 광은 통상 그대로 방사되어 (광)손실의 원인으로 된다.

도 32(A) 및 도 32(B)는 평면 광회로에 있어서의 기판 수직 방향과 기판 수평 방향에서의 광의 구속 레벨을 설명하기 위한 도로, 실선은 기판 수직 방향의 광, 파선은 기판 수평 방향의 광을 나타내고 있다. 이 도에 나타내듯이, 기판 수평 방향으로 퍼져 가는 광은, 광회로 내에서 반사· 산란을 반복하면서 광회로 내에 구속되지만, 기판 수직 방향으로의 광은 그대로 광회로의 외부로 방사된다.

도 33은 최소 픽셀 단위를 3㎛ 각으로 했을 때의 1점당의 방사 손실(결합 손실)의 필드 반경 의존성을 설명하기 위한 도이다. 이 도에 나타내듯이, 광회로 내에서 방사되는 광은 광의 필드 직경에 크게 의존하고, 일반적으로 필드 직경이 작은 경우는 회절의 영향에 의해 큰 방사각을 가지는 것으로 된다. 반대로 필드 직경을 크게 취함으로써 광의 방사를 억제하는 것이 가능하게 되고, 광회로로서의 손실을 억제할 수가 있다. 수천 ㎛ 정도의 회로 크기를 가정하면 수백점의 산란점이 발생할 가능성이 있는 것으로 되기 때문에, 광회로 전체로서의 손실을 억제하기 위해서는 개개의 산란점에 있어서의 광손실을 충분히 낮게 억제할 필요가 있다.

석영계 광도파로와 같은 광구속 효과가 약한 단일 모드 광도파로 내를 전반하는 광의 필드는, 좋은 근사로 가우스(Gauss) 분포라고 할 수가 있다. 또, 광의 필드는, 파면 내의 광의 진폭의 분포 F(x, y)를 변수 분리하여 F(x, y) = f(x) g(y)로 하여도 좋은 근사가 된다. 여기서, 기판 평면 방향을 x, 기판 수직 방향을 y로 하여 좌표를 (x, y)로 나타내고 있다. 즉, 광의 필드로서 가우스(Gauss) 분포를 가정하면, x방향과 y방향의 각각의 함수로 변수 분리된다.

여기서, 기판 수평 방향의 함수인 f(x)에 대해서는 다중 산란에 의해 제어되어 광회로 내로의 구속이 가능하므로 문제가 없다. 한편, 기판 수직 방향의 함수인 g(y)에 대해서는, 방사된 광은 고굴절률 영역으로부터 벗어나 방사 손실로 된다. 따라서, 개개의 산란점에 있어서의 광손실을 충분히 낮게 억제하기 위해서는, g(y) 성분에 기인하는 방사 회절 손실을 저감시키는 방법을 생각하면 좋다.

g(y)에 대해서 가우스(Gauss) 분포를 가정하면,

… (27)

로 표기할 수 있다. 여기서, w는 필드 반경이다. 필드 반경 w는, 주로, 코어의 크기와 굴절률과에 의해 제어 가능하다고 하는 것이 잘 알려져 있다. 그래서, 파라미터 w의 제어성이 높은 것을 전제로 하여, 개개의 산란점에 있어서의 광손실을 충분히 낮게 억제하기 위해서 필요한 조건을 구한다.

도 32(B)에 「픽셀」로서 나타낸 고굴절률부가 분단되어 배치되는 경우를 상정하면, 고굴절률부 상호간에 고굴절률부의 갭이 발생한다. 이 갭의 존재에 의해, 가우스(Gauss) 분포를 가지는 광의 필드가 도파로 외부로 방사되는 것으로 한다. 이 경우, 광 필드의 형상의 가우스(Gauss) 분포는 유지되지만, 필드 반경이 변화함과 동시에 그 파면에 만곡을 발생시킨다. 이 상태의 필드 분포를 형식적으로 g(y, z)로 표현한다. 여기서, z는 방사 부분의 거리의 평균치로서 주어지는 파라미터이다.

상기 갭부(gap part)에 의해 도파로 외부로 방사된 광 필드 중, 다시 고굴절률부로 결합하는 양은, 다음 식의 중첩 적분(overlapping intergration)으로 주어진다.

… (28)

여기서, λ는 광의 파장, n은 고굴절률부의 굴절률이다.

여기서, 도 32(B)에 나타낸 광회로의 고굴절률부의 높이를 a라고 하고, 필드 직경도 대체로 이 a와 동일한 정도라고 생각하여 w = a/2로 가정한다. 또, 방사 부분의 거리의 평균치를 적당한 계수 q에 의해 z = qa라고 하면, 갭 하나당의 손실의 기대치<η>는,

… (29)

으로 나타난다. 이 식(29)의 값은(λq/na)으로 규격화 할 수 있다. 본 발명의 광회로 내를 전반하는 광은 대체로 100회 정도의 산란을 거듭하게 되므로, 1/100dB 정도의 손실을 기대하면,

… (30)

의 조건을 만족하면 개개의 산란점에 있어서의 광손실을 충분히 낮게 억제하는 것이 가능하게 된다.

도 33은 갭 폭을 3㎛로 설정하고, q = 1, λ = 1.55㎛, n = 1.45로 하는 경우의 고굴절률부의 두께 a를 파라미터로 하여 필드 반경을 변화시키고, 결합 손실의 필드 반경 의존성을 구한 결과이다. 필드 반경 3㎛(고굴절 부분의 막 두께 a로 환산하여 6㎛ 정도)에 상당하는 곳에 충분히 낮은 손실로 되는 결과가 얻어졌다.

(실시예 15)

실시예 13에서도 설명한 것처럼, 광회로 면내 방향의 픽셀 크기가 광회로 내를 전반하는 광에 미치는 영향이 크다. 본 실시예에 있어서는, 픽셀을 광전반 방향에 대해서 경사시켜 배치함으로써, 효율적인 광제어를 가능하게 하였다.

도 34(A)는 픽셀을 광전반 방향으로 배치한 광회로를 설명하기 위한 도이다. 그리고 도 34(B)는 픽셀을 광전반 방향에 대해서 경사시켜 배치한 광회로를 설명하기 위한 도이다. 도 34(B)와 같이, 픽셀을 광전반 방향에 대해서 경사시켜 배치하는 것으로 하면, 광전반 방향과 수직 방향으로 픽셀 크기보다 짧은 주기의 격자면이 형성되고, 이에 의해 효율적인 광의 제어가 가능하게 된다. 여기서, 경사각을 45도보다 얕게(또는 깊게) 하면 보다 짧은 주기의 격자면을 형성하는 것이 가능하지만, 격자면을 구성하는 반사면의 중심 위치의 간격이 커져, 반사면으로서의 기능이 저하한다. 특히, 본회로는 수 픽셀 크기로 굴절률이 변화하므로, 그 정도의 거리로 브래그(Bragg) 반사면으로서 기능시키기 위해서는, 45도 정도가 적당하다.

(실시예 16)

지금까지 설명해 온 실시 형태에서는, 굴절률 분포를 정하는 고굴절률부(또는 저굴절률부)의 픽셀을 가상적인 메쉬로 확정되는 격자점 상에 배치하는 것으로 하고, 한편, 굴절률 분포를 패턴화 하기 쉬운 크기가 되도록 각 픽셀의 크기를 한정했기 때문에, 격자점 간격은 각 픽셀 크기 이하로 하는 것은 안 되는 것으로 된다. 이 때문에, 픽셀에 관한 디지타이징(digitizing) 오차와 픽셀 에지(edge)에 있어서의 전반광의 산란에 의해, 광회로 특성이 열화하는 것이 발생할 수 있다. 또한, 도파로 면내(xy평면 내)에 있어서의 광의 전반 방향(x방향)과 수직인 방향(y방향 : 광의 전반 방향에 대해서 횡방향)에서의 굴절률의 규칙적인 주기성이, 픽셀 크기에 따라, 공간적인 차단 주파수를 발생시키기 때문에 광의 제어성도 제약을 받게 된다. 본 실시예의 광회로에 있어서는 광의 전반 방향에 대한 횡방향에 있어서, 픽셀 크기의 최소 단위 및 픽셀 간격의 최소 단위만을 조건으로서 설정하는 것으로 하고, 임의의 위치에 고굴절률부(또는 저굴절률부)의 픽셀을 배치함으로써 굴절률 분포를 형성하도록 하였다.

도 35(A)는 가상적인 메쉬로 확정된 격자점에 픽셀을 배치하여 굴절률 분포를 형성한 광회로를 설명하기 위한 도이고, 도 35(B)는 이 격자점의 위치와는 관계없이 y방향에서의 픽셀 배치를 하여 굴절률 분포를 형성한 광회로를 설명하기 위한 도이다. 도 35(A)에 나타낸 도파로에 있어서, 각 픽셀은 가상적인 메쉬로 확정된 격자점 위치에 배치되어 있는데 대해, 도 35(B)에 나타낸 본 실시예의 도파로에 있어서, 광의 전반 방향(x방향)에는 각 픽셀이 가상적인 메쉬로 확정된 격자점 위치에 배치되어 있지만, 광의 전반 방향에 대해서 횡방향(y방향)에는, (반드시) 각 픽셀이 가상적인 메쉬로 확정된 격자점 위치에 배치되고 있지 않고, 임의의 위치에 고굴절률부 또는 저굴절률부의 픽셀이 배치되어 있다.

또, 본 실시예의 경우는, 픽셀의 배치에 의해 정해지는 굴절률 분포를, 최소 픽셀 크기(격자점 간격)보다 충분히 작은 간격을 배치 파라미터의 최소 단위로 하여 계산하는 것으로 하고 있다. 그리고, 픽셀끼리의 간격이 이 최소 단위보다 큰 경우는 적당한 경계를 정하여 그 경계에 있어서 굴절률의 값이 변화하도록 각 픽셀에 고굴절률부의 값 또는 저굴절률부의 값을 주는 한편, 픽셀끼리의 간격이 최소 단위보다 작은 경우에는 그 영역의 범위 내에서 굴절률의 평균을 구하여 고굴절률부의 값 혹은 저굴절률부의 값 중의 어느 하나 가까운 쪽을 채용하는 것으로 하고 있다.

도 36(A) 및 도 36(B)은 각각 도 35(A) 및 도 35(B)의 픽셀 배치에 대응시켜 제작한 실제의 광회로(1.31㎛와 1.55㎛의 파장 필터)의 굴절률 분포를 설명하기 위한 도로, 이러한 도의 좌측의 도가 회로 전체의 모양이고, 우측의 도가 회로의 일부의 확대한 모양이다. 이러한 도에 있어서, 흰 부분은 고굴절률부, 흑색부는 저굴절률 부분이고, 비굴절률차는 1.5%이다. 또, 이 광회로의 회로 길이는 1200㎛로 하고, 최소 패턴 룰(배치 파라미터의 최소 단위)을 3㎛로 하였다.

도 36(A)과 도 36(B)을 비교하면, 본 실시예의 광회로에 있어서는 굴절률 패턴이 평활화 되어 있는 것을 알 수 있다. 또, 도 36(A)에 나타낸 굴절률 분포의 광회로에서는 2dB의 손실인 것에 대해, 도 36(B)의 굴절률 분포의 광회로에서는 대체로 0.5dB 정도의 손실 개선이 인정되었다. 이 사실은, 본 실시예의 광회로와 같이 굴절률 분포를 평활화 함으로써, 도 36(A)과 같은 굴절률 분포를 가지는 광회로에서는 제어 불가능하였던 강한 산란에 의한 손실이 저감되고, 전반광의 제어성이 개선된 것에 의한 효과이다. 구체적으로는, 도 36(A)에 나타낸 것 같은 광회로에서는, 예를 들면 픽셀의 구조가 파면의 진행 방향에 대해서 대체로 수직인 변을 가지는 사각형의 픽셀 구조이기 때문에, 정확히 나이프 에지(knife edge)에 의해 광이 회절되도록, 격렬한 간섭이 생겨 광회로의 설계 정밀도가 저하함에 더하여, 큰 파수를 가지는 광이 발생하여, 작은 굴절률차의 굴절률 분포에서는 광제어를 다할 수 없게 된다. 이에 대해서, 본 실시예의 광회로와 같이, 평활한 굴절률 분포를 가지는 광회로로 하는 것에 의해, 광회로 내에서의 격렬한 간섭이나 큰 파수의 광의 발생을 억제하는 것이 가능하게 되는 것에 의한 효과이다.

(실시예 17)

실시예 14의 광회로에 있어서는, 도 32(A), 도 32(B) 및 도 33을 이용하여 설명한 것처럼, 고굴절률부로부터 저굴절률부로 향하는 광방사를 억제하기 위해서 고굴절률층의 두께 a를 두껍게 하였지만, 저굴절률부가 길게 연속하는 경우(즉, 갭 간격이 긴 경우)에는 원리적으로 큰 손실이 발생하여 버린다. 그래서, 본 실시예의 광회로에 있어서는, 기판에 대해서 수직 방향에서의 광구속을 저굴절률부에 있어서도 가능하면 잡아, 갭 간격이 긴 경우에서도 저손실로 되는 광회로의 구조를 제공한다.

도 37(A)∼(C)는 본 실시예의 광회로의 제작 순서를 설명하기 위한 도로, 우선, 통상의 광도파로의 제작과 마찬가지로, 예를 들면 Si기판 상에 코어 하부로 되는 클래드 부분(저굴절률 부분)을 퇴적하고, 이 저굴절률 부분 상에 코어에 상당하는 제1 고굴절률층을 퇴적한다(도 37(A)). 여기서, 저굴절률 부분의 굴절률을 n으로 했을 때, 제1 고굴절률층의 굴절률은 n(1＋Δ₂)이다.

다음에, 제1 고굴절률층의 일부를 에칭에 의해 패터닝(pattening) 한다(도 37(B)). 이때의 패턴은 광회로의 고굴절률 부분과 저굴절률 부분에 대응하는 패턴이고, 제1 고굴절률층이 에칭에 의해 남겨지는 부분이 광회로의 고굴절률 부분으로 된다. 또, 제1 고굴절률층이 도파로 패턴을 가지도록 잔존시키면, 그 잔존 부분에 도파 구조를 형성하는 것도 가능하다. 이 패터닝 공정에 있어서는, 에칭으로 제거되는 제1 고굴절률층 직하에 있는 저굴절률 부분의 표면 부분에까지 실시하고, 당해 개소의 저굴절률 부분이 소망의 두께가 되도록 후술하는 적당한 높이에서 에칭을 정지한다.

또한, 일정 막 두께의 제2 고굴절률층을 퇴적하고, 필요에 따라서 이 제2 고굴절률층에 패터닝을 실시하고, 제2 고굴절률층을 이용하여 도파로 형성 등을 실행하여도 좋다(도 37(C)). 제2 고굴절률층의 굴절률은 n(1＋Δ₁)이고, 제1 고굴절률층의 굴절률 n(1＋Δ₂)와 비교하여, n(1＋Δ₂)＞n(1＋Δ₁)(즉, Δ₂＞Δ₁)의 관계가 있다. 마지막으로 도시하지 않은 상부 클래드를 퇴적하고, 제1 및 제2 고굴절률층을 매립한다.

이와 같이 하여 얻어지는 광회로는, 후술하는 파라미터 조정에 의해, 손실이 낮고, 한편, 저굴절률 부분을 많이 포함하는 광회로에서도 손실 증대가 없는 광회로 구조로 하는 것이 가능하다. 이하에서는, 이러한 고굴절률층의 비굴절률차를 이용하여, 제1 고굴절률층을 「고굴절률층 Δ₂」, 제2 고굴절률층을 「고굴절률층 Δ₁」으로 표기한다. 이하, 파라미터의 설정 방법에 대해서 설명한다.

이미 실시예 14에서 설명한 것처럼, 광회로에 있어서는 픽셀의 각 계면에 있어서의 필드 형상이 같다면 손실없이 광을 전반시킬 수가 있다. 이하에서도, 기판에 대해서 수직 방향의 광의 필드 분포에만 주목하여 설명한다.

도 38에 나타내듯이, 고굴절률층 Δ₂를 에칭 제거한 영역을 「저굴절률 영역」, 고굴절률층 Δ₂를 에칭 제거하지 않고 잔존시킨 영역을 「고굴절률 영역」이라고 부른다고 하면, 고굴절률 영역에 있어서, 고굴절률층 Δ₁과 고굴절률층 Δ₂와의 합에 상당하는 「도파로 코어」에 상당하는 부분의 두께가, 저굴절률 영역과 비교하여 두껍게 되어 있다. 도파로 내를 전반하는 광 필드는, 도파로 전체에 분포하여 전반하는 쪽이 운동 에너지를 낮게 억제할 수 있다. 따라서, 상술의 고굴절률 영역은, 광 필드의 분포를 도파로 전체에 퍼뜨려 운동 에너지를 낮게 하는 작용이 있다. 한편, 광 필드의 위치 에너지에 주목하면, 고굴절률층 Δ₂와 고굴절률층 Δ₁는, 고굴절률층 Δ₂의 굴절률 쪽이 높기 때문에, 광 필드는 고굴절률층 Δ₂로 집중하는 편이 위치 에너지는 낮아지기 때문에, 가능한 한 고굴절률층 Δ₂로 집중하려고 하는 경향이 있다. 이와 같이 광 필드를 도파로 전체에 넓게 분포시키는 작용과 도파로의 일부에 집중시키려고 하는 작용이 경합하게 된다. 또한, 고굴절률층 Δ₂로 집중시키려고 하는 작용은, 광 필드의 중심 위치를 기판측으로 쉬프트(shift)시키도록 작용한다. 이러한 광 필드의 에너지 최소화에 기인하는 성질을 이용하여, 고굴절률 영역 내에서의 광 필드가, 저굴절률 영역 내에서의 광 필드와 같은 필드 반경에서 한편 중심 위치가 같게 되도록 파라미터를 조정하면 좋다.

도 39는 본 실시예에 있어서의 파라미터 조정을 위한 계산예를 설명하기 위한 도로, 이 경우의 파라미터는, 도 39에 나타낸 것처럼, 이미 설명한 n, Δ₁ 및 Δ₂ 이외에, 고굴절률층 Δ₁의 막 두께 W₁, 고굴절률층 Δ₂의 막 두께 W₂, 고굴절률층 Δ₂의 층표면으로부터 저굴절률 영역의 필드 중심 위치까지의 거리 x_c, 필드 반경 w, 광의 파장 λ(즉, 파수 k₀ = 2π／λ)이다. 통상은, 굴절률 n와 파장 λ은 회로 설계시에는 정해져 있으므로, 나머지의 6개의 파라미터를 결정하게 된다. 여기서는, 이러한 파라미터를 변분법을 이용하여 구한다. 또, 편의를 위해 첨자 fill 및 gap를 이용하고, 고굴절률 영역에 있어서의 파동 함수를 u_fill, 저굴절률 영역에 있어서의 파동 함수를 u_gap 등으로 표기한다.

고굴절률 영역에 있어서의 파동 함수 u_fill는, 다음 식(31)으로 주어지고,

… (31)

또, 고굴절률 영역에 있어서의 파동 함수 u_fill는, 다음 식(32)으로 주어진다.

… (32)

파동 방정식을 근축광선근사(近軸光線近似)하여 얻어지는 프레넬(Fresnel) 방정식

… (33)

에 대해서, 필드 반경 w 및 고굴절률층 Δ₂의 층표면으로부터 저굴절률 영역의 필드 중심 위치(센터 위치)까지의 거리 x_c를 결정하는 변분(變分) 방정식을 이하와 같이 세워 연산을 진행시키면, 최종적으로는, 다음 식(37)과 같이 3개의 방정식이 도출된다.

… (34)

… (35)

… (36)

… (37)

이 결과는 꼭 필드 반경 w가 동일하고, 적당한 센터 위치 x_c가 있다고 하는 조건식에 상당한다. 따라서, 결과적으로는, 나머지 3개의 파라미터를 줌으로써 광 필드의 계(system)가 결정되는 것으로 된다.

도 40은 본 실시예의 광회로인 1.31/1.55㎛ WDM 회로의 특성(투과 손실의 파장 의존성)을 설명하기 위한 도이다. 또, 여기서는, Δ₁ = 1.5%, Δ₂ = 2%, W₁ = 5. 5㎛로 설정하고 있다. 또, 저굴절률 영역이 전체 회로 면적에서 차지하는 비율을 약 50%로 하고, 회로 길이는 1200㎛로 하였다. 비교적 많은 고굴절률 영역과 저굴절률 영역과의 계면, 및, 연속한 저굴절률 영역이 포함되어 있는 광회로이지만, 도 40에 있듯이 약 2dB라고 하는 양호한 투과 손실이 얻어졌다.

(실시예 18)

본 발명의 광회로를 제조하는데 즈음해서는, 종래부터 일반적으로 이용되어 오고 있는 통상의 프로세스에 의하는 것 이외, 근년 개발된 수법 중에서, 광조사에 의해 굴절률이나 구조를 변화시키는 수법을 광회로 제조 공정의 일부에 채용하는 것도 가능하다. 본 실시예에서는, 이러한 광조사를 이용한 광회로 제작의 몇 개의 실시예에 대해서 설명한다. 본 실시예에 의하면, 통상 이용되고 있는 공정과 비교하여, 제조 공정수를 큰 폭으로 저감할 수가 있는 것 이외, 소망의 구조를 용이하게 제작할 수 있다고 하는 효과가 얻어진다.

(실시예 18-1)

도 41(A) 및 도 41(B)은 본 실시예의 제1 형태의 광회로의 제조 방법을 설명하기 위한 도로, 우선, 실리콘 기판(21) 상에, 화염 퇴적법(FHD법)에 의해, 하부 클래드층(22), 코어층(23), 상부 클래드층(24)을 순차 형성하였다(도 41(A)). 하부 클래드층(22) 및 상부 클래드층(24)으로서는, 석영 글래스(SiO₂)를 베이스(base)로 하는 모재료에 B나 P 등의 산화물을 도핑(doping)시킨 재료를 이용하고 있다. 코어층(23)으로서는, B나 P 등의 산화물의 불순물에 더하여 Ge의 산화물을 도핑한 재료를 이용하고 있다. 이러한 재료 선택에 의해 하부 클래드층(22) 및 상부 클래드층(24)보다도 코어층(24)의 쪽이 높은 굴절률을 가지도록 설정하고 있다. 또, 하부 클래드층(22)의 두께를 20㎛, 코어층(23)의 두께를 7㎛, 상부 클래드층(24)의 두께를 10㎛로 하였다. 또, 상부 클래드층(24)은 UV광을 조사했을 때의 회절 확대를 억제하기 위해서, 통상의 광회로의 구조와 비교하여 약간 얇은 두께가 되도록 설계하였다.

다음에, 상부 클래드층(24) 상에, 도 41(B)에 나타내는 것 같은 광조사용의 차광막으로서의 실리콘 박막(25)을 형성한 후, 감광성 레지스트(resist)로 패턴을 형성하고, 드라이 에칭(dry etching) 공정에 의해 실리콘막을 부분적으로 제거함으로써 패턴 형성을 실행하였다(도 41(B)). 또, 감광성 레지스트(resist)는 실리콘 패턴 형성 후에 제거되어 있다. 또, 이 차광 마스크 패턴의 형성에 즈음해서는, 소망한 회로 특성을 얻기 위해서 필요로 되는 굴절률 패턴이 최종적으로 얻어지도록, 공정 의존성이나 조사광의 퍼짐을 고려하여, 관련된 공정 의존성 등을 고려하지 않고 얻어지는 코어 형상의 설계값에 약간의 보정이 가해져 있다.

다음에, 광 감수성을 향상시키기 위해, 고압 수소 분위기 내에서 샘플(sample) 내로의 수소 확산을 실행하였다. 구체적으로는, 밀폐 용기 내에 샘플을 설치하고, 실온에서 150기압의 수소 분위기 내에 1주일 방치하였다.

이 수소 확산에 이어서, ArF 액시머 레이저(excimer laser)를 이용하여 파장 193nm의 UV광을 조사함으로써, 조사 이전의 굴절률보다도 큰 굴절률을 가지도록 코어층(23) 부분의 굴절률을 변화시켰다. 도 41(B) 중에 사선으로 나타낸 영역(23′)이 레이저 조사에 의해 굴절률 변화가 발생한 영역이다. 이때의 조사 파워는 120mJ, 조사 시간은 10분이다. 광조사 후에 차광막을 에칭에 의해 제거한 후에, 열처리를 실시하고, 샘플 내에 확산시킨 수소를 제거함과 동시에 광조사에 의해 생긴 글래스의 불안정 상태를 해소함으로써 굴절률의 안정화를 도모하였다.

이러한 공정에 의해, 차광 마스크(25)가 형성되지 않았던 영역의 코어층의 굴절률을 선택적으로 변화시키고, 차광 마스크(25)를 형성한 영역의 코어층의 굴절률과는 다른 굴절률로 할 수가 있다. 이러한 굴절률 변화의 정도는 참조(reference)로서 설정한 넓은 조사 영역의 측정에서 약 0.3% 정도로 추정된다.

상술의 제조 공정에 의해, (1× 4)의 분기 회로를 제작하였다. 회로 설계로부터 기대되는 특성과 비교하여 2dB 정도의 큰 손실 특성이었지만, 기본적인 분기 동작이 확인되었다. 손실 특성이 설계값으로부터 벗어난 원인은 굴절률 변화량이 설계값과는 다른 것에 의한 것으로 생각된다.

또, 상술한 제조 방법은 어디까지나 일례를 나타낸 것에 지나지 않다. 제조 공정으로서 하부 클래드층(22), 코어층(23) 및 상부 클래드층(24)의 형성 공정, 차광 마스크층(25)의 형성 공정, 및, 광조사 공정을 포함하고 있는 것이 필수의 요소이지만, 이러한 필수 공정을 포함하는 각 공정에 관해서는 여러가지 변경을 가하는 것이 가능하다는 것은 말할 필요도 없다. 예를 들면, 하부 클래드층(22), 코어층(23), 상부 클래드층(24)의 형성에는, CVD법이나 스퍼터링법(sputtering method) 혹은 스핀코팅법(spin coating method) 등의 성막(成膜) 방법을 이용하는 것도 가능하다. 또, 도 41(A) 및 도 41(B)에 나타낸 예에서는, 각 층은 단일 조성의 재료로 구성되는 것으로 하였지만, 조성이 다른 글래스를 복수매 중합하여 퇴적을 행하여 얻어지는 다층 구조의 층을 하나의 층으로서 취급하는 것으로 해도 상관없다.

차광 마스크층(25)으로서는, 조사하는 광을 차폐하는 효과가 있는 재료이면, 실리콘 이외의 다른 재료를 이용해도 상관없다. 또, 차광용의 마스크의 형성 방법의 일례로서 상부 클래드층(24) 상에 형성하는 방법을 들었지만, 다른 글래스 기판 상에 마스크 형성을 하고, 이 글래스 기판을 샘플에 밀착시켜 광조사 하는 것에 따라도 같은 결과가 얻어질 수 있다. 또한, 광 감수성을 향상시키기 위한 수법에 대해서는, 고압하에서의 수소 첨가 방법에 의하는 것 외에, 고온으로 단시간의 수소 처리나, 중수소를 첨가하는 등의 수법에 의하는 것도 가능하다. 또, 조사광으로서 193nm의 UV 액시머 레이저(excimer laser) 광외, KrF 액시머 레이저(excimer laser) 나 XeF 액시머 레이저(excimer laser) 등의 다른 레이저로부터의 광이나, 단펄스의 가시광레이저광 등을 이용해도, 상기와 같은 광회로 구조를 제작할 수가 있다.

(실시예 18-2)

도 42(A) 및 도 42(B)는 본 실시예의 제2 형태의 광회로의 제조 방법을 설명하기 위한 도이다. 이 실시 형태는 제1 실시 형태(실시예 18-1)와 거의 같기 때문에, 상위한 부분에 대한 것만 설명을 한다. 제1 실시 형태에 있어서는, 하부 클래드층(22) 및 상부 클래드층(24)에는 Ge의 산화물을 도핑하지 않는 것으로 하였으므로, 광조사 했을 때의 상부 클래드층(24) 및 하부 클래드층(22)에 있어서의 굴절률 변화는 없거나, 혹은, 거의 무시할 수 있는 정도가 된다. 이에 대해서, 본 실시 형태에서는, 이러한 층도 코어층(23)과 마찬가지로 감광층으로 되도록, Ge 도핑된 글래스 조성으로 상부 클래드층(24) 및 하부 클래드층(22)을 형성하는 것으로 하고, 광조사에 의한 굴절률 변화가 야기되는 것으로 하고 있다.

제1 실시 형태와 마찬가지로 하부 클래드층(22), 코어층(23), 상부 클래드층(24)을 순차 형성하고(도 42(A)), 상부 클래드층(24) 상에 광조사용의 차광막으로서의 실리콘 박막(25)을 형성하여 패턴 형성한다(도 42(B)). 차광 마스크(25)로 마스킹(masking)되어 있지 않은 영역이 광조사 되면, 코어층(23)만이 아니고 상부 클래드층(24) 및 하부 클래드층(22)도 감광하고, Ge 도핑량에 따른 굴절률 변화가 생긴다. 도 42(B) 중에 사선으로 나타낸 영역(23′)이 레이저 조사에 의해 굴절률 변화가 발생한 영역이다. 상술의 제조 공정에 의해, (1× 4)의 분기 회로를 제작한 결과, 제1 실시 형태의 분기 회로보다도 뛰어난 손실 특성을 얻어지는 것이 확인되었다.

즉, 코어층(23) 및 클래드층(22 및 24)의 쌍방이 감광층이 되도록 조성 선택함으로써, 광조사에 의해 형성된 고굴절률 영역과 저굴절률 영역에 있어서의 광전파 방향에서의 필드 분포의 차분이 적게 되어, 소자의 손실 특성을 개선할 수가 있다.

(실시예 18-3)

도 43(A)∼(D)는 본 실시예의 제3 형태의 광회로의 제조 방법을 설명하기 위한 도이다. 이 실시 형태는 제1 및 제2 실시 형태(실시예 18-1 및 실시예 18-2)를 병용하는 것에 상당하고 있다. 따라서, 이하에서는, 이러한 실시 형태에 추가되는 공정 부분에 대한 것만 설명을 한다.

본 실시 형태에 있어서는, 위상 마스크를 이용한 UV 광조사에 의해 국소적인 굴절률 변화를 생기게 하고, 도 43(D)에 나타내는 것 같은 (1× 2)분기 회로를 제작하였다. 위상 마스크를 이용한 UV 광조사 방법은, 파이버 그레이팅 등의 제조에 있어서 이용되고 있는 것이고, 그레이팅 구조 등과 같은 주기적 한편 미세한 구조를 비교적 용이하고 정확하게 제작할 수가 있다고 하는 이점이 있다. 또, 복수의 위상 마스크를 이용함으로써 어느 정도의 복잡한 구조이어도 비교적 용이하게 제조가 가능하다. 그러나, 본 발명의 광회로와 같이 구조가 복잡하면, 위상 마스크를 이용한 UV 광조사만에 의해 소망의 굴절률 분포를 완전하게 실현하는 것은 곤란하게 되기 때문에, 제1 및 제2 실시 형태에서 설명한 제조 방법 등과 병용하여 이용하는 것이 필요하게 되는 것이다.

제1 실시 형태와 마찬가지로 하부 클래드층(22), 코어층(23), 상부 클래드층(24)을 순차 형성하고(도 43(A)), 상부 클래드층(24) 상에 광조사용의 패턴화 된 차광 마스크(25)를 형성하여 UV 광조사를 실행하였다(도 43(B)). 도 43(B) 중에 사선으로 나타낸 영역(23′)이 UV 광조사에 의해 굴절률 변화가 발생한 영역이다. 차광 마스크(25)를 제거한 후에, 도 43(D)에 나타내듯이, 출력 포트 근방의 일부 영역에 그레이팅 필터(grating filter)의 형성을 한다. 구체적으로는, 그레이팅 필터(grating filter)를 형성하고 싶은 영역(도 43(D) 중의 (27)에 상당)의 출력 포트 근방에, 도 43(C)에 나타내듯이 패턴화 된 위상 마스크(26)를 형성하고, 이 위상 마스크(26)를 개재(介在)하여 UV 조사를 실행하여 코어층(23) 내의 소망 영역(23″)을 감광시켜 그레이팅 필터(grating filter)로 한다. 이 공정의 후에, 실시예 7-1과 같은 공정에 의해 열처리를 하고, 샘플 내에 확산시킨 수소를 제거함과 동시에 광조사에 의해 생긴 글래스의 불안정 상태를 해소하여 굴절률의 안정화를 도모하였다.

그레이팅을 추가 형성한 출력 포트(도 43(D)의 (27)로 나타내는 영역의 출력 포트)에 있어서는, 그 필터 동작에 의해, 투과 파장 특성이 변화하는 것이 확인되었다. 또, 본 실시예에서는 실시예 18-1의 제조 공정 도중에, 도 43(C)에 상당하는 UV 광조사 공정을 끼워 넣어 제조의 간략화를 도모하고 있지만, 실시예 7-1의 공정을 모두 완료한 후에, 상기 도 43(C)에 상당하는 UV 광조사 공정을 실시하도록 하여도 좋다.

(실시예 18-4)

도 44(A) 및 도 44(B)는 본 실시예의 제4 형태의 광회로의 제조 방법을 설명하기 위한 도로, 이 실시 형태에 있어서도, 실시예 18-1과 마찬가지로 실리콘 기판(21) 상에, 하부 클래드층(22), 코어층(23), 및, 상부 클래드층(24)을 화염 퇴적법(FHD법)에 의해 순차 형성하였다(도 44(A)).

이에 이어서 상기 각 층을 형성한 웨이퍼를, 도시하지 않는 XYZ방향 3축의 가동 스테이지(stage) 상에 고정하고, 렌즈(29)에 의해 레이저광(28)을 코어 근방에 집광시켜 광조사를 하고, 조사점 부근의 굴절률을 변화시켰다(도 44(B)). 도 44(B) 중에 사선으로 나타낸 영역(23′)이 레이저 조사에 의해 굴절률 변화가 발생한 영역이다. 이 도에 나타낸 것처럼, 굴절률 변화한 영역의 크기는 일정하지 않고, 소망의 굴절률 분포가 실현되도록, 개개의 영역의 크기를 결정할 수가 있다.

이러한 영역의 횡방향(XY방향)의 확대는, 레이저 광조사 중의 스테이지의 XY평면 내에서의 구동량이나 레이저파워(laser power) 양에 의해 결정된다. 한편, 종방향(Z방향)의 펼쳐짐(두께)는, 레이저파워(laser power) 양의 제어와 스테이지의 Z방향에서의 구동량에 의해 레이저광(28)의 집광 상태를 제어함으로써 결정되고, 코어층(23)과 같은 두께를 가지도록 하거나 코어층(23)보다 얇은 혹은 두꺼운 두께로 하는 것이 가능하다. 또, 조사 영역의 굴절률 변화량은, 주로 레이저파워(laser power) 양의 제어에 의해 행해진다. 또, 이 실시 형태에서는, 레이저광으로서 775nm의 파장의 펨트초(pemtosecond) 펄스(pulse) 레이저를 이용하고, 펄스 폭은 150fs이다. 이와 같이 하여 (1× 4)의 분기 회로를 제조하고, 기본적인 분기 동작을 확인하였다.

상술한 수법에 의해 레이저광을 집광 묘화하여 굴절률의 공간적 분포를 실현하는 경우에는, 미리 마스크 형성 등을 할 필요성이 없다고 하는 특징을 가지고 있지만, 각 도트마다 레이저 광조사를 할 필요가 있기 때문에, 광회로의 제작에 시간이 걸리는 경향이 있다. 이 때문에, 본 수법을 상술의 실시예 18-1 또는 실시예 18-2에서 설명한, 일괄 묘화에 의한 굴절률 분포 형성 방법과 병용하는 것이 유효하다.

또, 레이저광으로서는, 펨트초 레이저에 한정하지 않고, UV 액시머 레이저(excimer laser) 광이나 CW의 UV 레이저광 등을 이용하는 것도 가능하다. 이 경우도, 실시예 18-1로 설명한 것처럼, 큰 굴절률 변화를 얻기 위해서, 수소 첨가 등을 이용하여 UV 광에 대한 증감을 행하는 것으로 하는 것이 효과적이다.

또한, 본 실시예에서는, 하부 클래드층(22), 코어층(23), 및, 상부 클래드층(24)의 3층 구조로 되어 있지만, 본 수법은 레이저광의 집광점 부근의 굴절률 변화를 이용하고 있으므로, 벌크(bulk) 글래스와 같은 단일 조성의 재료에 적용하는 것도 가능하다.

(실시예 18-5)

상기 실시예 18-1 및 18-2에서 설명한 수법에 의해 광회로를 제작한 예를 설명한다.

도 45(A)∼(C)는 제작한 광회로의 굴절률 분포의 모습을 설명하기 위한 도파로 단면도로, 도 45(A)는 광조사전의 굴절률 분포, 도 45(B)는 실시예 18-1의 수법에 의해 형성한 굴절률 분포, 그리고, 도 45(C)는 실시예 18-2의 수법에 의해 형성한 굴절률 분포의 모습이다. 또, 이러한 도에 있어서, 굴절률 분포 픽셀 크기는 3× 3㎛이고, 코어층의 두께는 4.5㎛이다.

도 45(A)∼(C)에 나타내는 어느 쪽의 굴절률 분포에 있어서도, 고굴절률 부분과 저굴절률 부분은 동등의 유효 굴절률차(고굴절률 부분 : Δ = 1.5%, 저굴절률 부분 : Δ = 1.3%)를 가지고 있어 직접 비교하는 것이 가능하다.

도 46은 도 45(A)∼(C)로 나타낸 구조를 가지는 1.31㎛/1.55㎛의 (1× 2)분기 회로의 각각의 손실 특성(투과율)을 설명하기 위한 도이다. 또, 회로 크기는 1200㎛× 120㎛이다. 도 45(A)에 대응하는 구조(종래 구조)의 광회로의 특성을 파선으로 나타내고, 도 45(B) 및 도 45(C)에 대응하는 구조의 광회로 특성을, 각각 (B) 및 (C)에서 나타내고 있다.

이 도로부터 알 수 있듯이, 본 발명의 광회로의 손실 특성은, 종래 구조의 광회로의 손실 특성과 비교하여, 약 1dB 정도의 개선이 인정되고, 특성 양호한 광회로가 얻어지고 있다.

(실시예 19)

본 실시예에서는, 굴절률을 복소 굴절률로서 취급한다. 복소 굴절률의 허수부는 매질 내에 있어서의 광의 이득 혹은 손실을 의미한다. 따라서, 파동 전달 매질은 흡수 또는 증폭 효과를 가지는 것으로 한다. 본 실시예의 광회로에 있어서는, 통상 재료의 복소 굴절률이 파장에 의존하여 변화한다고 하는 특징을 유효하게 이용한 것이다. 또, 광회로 구조로서는 실시예 2에서 설명한 1.31㎛/1.55㎛의 (1× 2) 분파 회로의 예를 생각한다.

도 47(A)∼(C)는 본 실시예의 광회로의 구성을 설명하기 위한 개략도로, 도 47(A)은 회로 전체의 개념도이고, 도 47(B) 및 도 47(C)은 출력측에 둘 수 있는 복소 굴절률 분포의 개념도이고, 이러한 도는 각각, 1.31㎛용 포트(도중 a) 및 1.55㎛용 포트(도중 b)의 근방의 복소 굴절률 분포의 모습을 나타내고 있다.

이 광회로는, 통상의 회로 설계에 더하여, 1.31㎛의 출력 포트 근방의 복소 굴절률 분포를, 1.31㎛ 대(band)의 광에 대해서는 거의 투명하고, 한편, 1.55㎛ 대의 광에 대해서는 큰 손실을 가지도록 설계(도 47(B))하는 한편, 1.55㎛의 출력 포트 근방의 복소 굴절률 분포를, 1.55㎛ 대의 광에 대해서는 거의 투명하고, 한편, 1.3㎛ 대의 광에 대해서는 큰 손실을 가지도록 설계하고 있다(도 47(C)). 즉, 이 광회로에 있어서는, 출력시키고 싶은 파장의 신호광에 대해서는 투명이고, 한편, 불필요한 신호광은 광회로 내에서 흡수시켜 출력되지 않게 복소 굴절률 분포가 결정되어 있다.

상세한 도시는 하지 않지만, 1.31㎛의 출력 포트(a)와 1.55㎛의 출력 포트(b)와의 사이에는, 양쪽 모두의 파장의 광에 대해서 큰 손실을 가지도록 복소 굴절률 분포가 주어지고 있어 불필요한 신호광이 산란함으로써 발생하는 누화를 방지하는 설계가 되어 있다. 본 실시예의 광회로의 구성 재료로서는 반도체 도핑된 글래스계 재료가 선택되어 있고, 이에 의해, 광에 대해서 투명한 재료만으로 광회로를 제작하는 경우와 비교하여, 1.55㎛의 출력 포트에 대한 1.3㎛ 대의 신호광의 누화가 크게 감소하였다. 또, 1.31㎛의 출력 포트에 대한 1.55㎛ 대의 신호광의 누화도 약간 감소하였다. 또, 신호광의 손실의 증가는 대부분 인정되지 않았다. 또, 실수만의 굴절률 분포를 준 광회로와 복소 굴절률 분포를 준 본 실시예의 광회로를 비교하면, 동일한 회로 특성을 얻기 위한 회로 길이를 짧게 하는 것이 가능하게 된다.

또, 본 실시예에서는, 회로를 구성하는데 즈음해서 반도체 재료를 이용하는 것으로 하였지만, 복소 굴절률을 주는 재료이면 좋고, 유기 재료, 금속, 유전체 재료 등 여러가지 재료를 이용할 수가 있다.

본 발명의 회로에 있어서는, 다중의 회절· 간섭 현상을 이용하고 있기 때문에, 매우 다채로운 기능을 실현할 수 있다고 하는 특장을 가지고 있지만, 실수만의 굴절률 분포로 충분한 회로 특성을 실현하는 것이 곤란한 경우도 생길 수 있다. 그러한 경우에, 본 실시예와 같이, 회로의 일부 혹은 모든 영역에 있어서, 복소 굴절률 분포를 주도록 설계하는 것으로 하면, 회로 특성을 개선하거나 혹은, 소자 길이가 짧은 회로를 제작하는 것이 가능하게 된다.

(실시예 20)

본 실시예의 광회로는, 지금까지 설명해 온 광회로의 고굴절률 부분과 저굴절률 부분으로서 릴리프(relief) 형상으로 굴절률이 높은 층을 가공함으로써 굴절률 분포를 형성한 회로이다.

도 48(A)∼(C)는 본 실시예의 광회로의 구성을 설명하기 위한 단면도로, 도 48(A)은 본 광회로를 구성하는 기본적인 구조이고, 저굴절률층인 클래드층(22, 24)에 끼워진 고굴절률층인 두께 5㎛의 코어층(23)의 상부의 일부를 2㎛의 깊이 맘큼만 제거하여 릴리프 형상의 패터닝을 실시함으로써, 실효적인 「고굴절률 부분」(23a)과 「저굴절률 부분」(23b)을 형성하는 것으로 굴절률 분포를 형성하고 있다.

이러한 패턴 형성은, 반응성 이온 에칭(ion etching)에 의해 실행 가능하다. 일반적으로, 에칭에 의한 패턴 형성에서는, 그 가공 깊이가 깊을수록 패턴 변형의 정도가 커져 패턴 형성의 제어성이 저하하기 때문에, 깊은 에칭을 실시하는 것으로 하면 형성 가능한 패턴 크기는 커지지 않을 수 없다고 하는 문제가 있다. 발명자들은, 본 발명의 광회로에 있어서는 에칭에 의해 형성되는 패턴 크기는 매우 중요한 파라미터인 것을 찾아냈다. 이는 패턴 크기에 의해 결정되는 공간적 굴절률 분포가 광의 제어성에 영향을 주고, 나아가서는 광회로의 특성 그것에 영향을 주게 되기 때문이다.

그래서, 패턴 크기의 제어성을 높여 보다 작은 크기의 패턴의 형성을 가능하게 하기 위해서, 이하에 설명하는 것 같은 방법에 의해, 비교적 얕은 에칭 깊이의 릴리프 형상의 패터닝을 실시하여 소망의 굴절률 분포를 실현하는 것으로 하였다. 도 48(B)은 그 일례를 설명하기 위한 도로, 도 48(A)의 구조에서는 고굴절률층인 코어층(23)의 한 쪽의 면으로부터만 요철을 형성하고 있는데 대해, 이 도에 나타낸 구조에서는, 코어층(23)의 양면으로부터 요철을 형성하고, 이에 의해, 개개의 요철에 실시하는 에칭 깊이를 1/2의 1㎛로 하여 동등의 굴절률 분포를 실현한 것이다.

도 48(B)에 나타낸 회로 구조를 제작하기 위해서는, 먼저, 도시하지 않는 실리콘 기판 상에 하부 클래드 부분으로서 저굴절률의 글래스를 퇴적하고, 그 일부에 반응성 이온 에칭(ion etching)에 의해 홈을 형성하여 하부 클래드층(22)으로 한다. 후술하듯이, 이 홈(groove)의 부분이 본 광회로의 코어층(23)의 고굴절률 부분에 상당하는 것으로 된다. 여기서는, 고굴절률층인 코어층(23)의 클래드층(22, 24)에 대한 비굴절률차 Δ를 1.5%로 하고, 최종적으로 얻어지는 코어층(23)의 고굴절률 부분의 두께가 5㎛가 되도록 설계하고 있으므로, 이 층 두께에 대해서 충분한 스텝 커버러지(step coverage)가 얻어지도록 약 1㎛의 홈을 형성하고 있다.

하부 클래드층(22)에 대한 홈 형성에 이어서, 하부 클래드층(22) 상에 고굴절률의 글래스의 층을 퇴적하여 고온으로 가열한다. 이 가열에 의해 하부 클래드층(22)의 홈의 양단 근방(단차 부분)에도 고굴절률 글래스가 간극 없이 충전되고, 한편, 고굴절률층의 표면도 평탄화 된다. 또, 이 고굴절률 글래스의 퇴적은, 본 광회로의 코어층(23)의 고굴절률 부분에 상당하는 것으로 되는 홈 상의 고굴절률 글래스층의 두께가 6㎛가 되도록 실행된다.

여기서, 고굴절률 글래스층의 두께를 6㎛로 하는 것은, 이 고굴절률 글래스층의 상표면에 에칭에 의해 홈을 형성하여, 최종적인 고굴절률 부분의 두께가 5㎛인 코어층(23)을 얻기 위해, 에칭에 의한 「허용」을 1㎛로 한 것에 의한 것이다.

고굴절률 글래스층의 표면에 형성하는 홈은, 도 48(B)에 나타내듯이, 하부 클래드층(22)에 설치한 오목부(볼록부)가 고굴절률 글래스층의 볼록부(오목부)가 되도록, 즉, 코어층(23)의 표면과 이면에 형성되는 저굴절률 부분과 고굴절률 부분이 서로 대응하는 위치에 설치되도록 형성된다. 이는 코어층(23) 중을 전반하는 광의 필드의 형상이 광전반 방향으로 성장하는 직선에 대해서 대칭이기 때문에, 여분의 손실을 회피하기 위해서는, 코어층(23)의 표면과 이면에 형성되는 저굴절률 부분과 고굴절률 부분도 광전반 방향으로 성장하는 직선에 대해서 대칭이어야 한다고 하는 발명자들의 지견에 근거하는 것이다.

이러한 릴리프 형상 패턴의 코어층(23)을 형성한 후에, 도파 부분인 코어층(23)의 상부에 상 클래드층(24)을 설치하고, 고굴절률 부분(23a)과 저굴절률 부분(23b)을 가지는 코어층(23)이 상하의 클래드층에 파묻힌 구조로 하고, 상술의 실시예 2같이, 1.31/1.55㎛ WDM 광회로로 하였다.

종래, 클래드층과 코어층의 비굴절률차 Δ가 1.5% 정도인 광도파로의 경우에는, 기판 두께 방향으로 단일 모드로 하기 때문에, 코어의 막 두께를 약 4.5㎛ 정도의 두께로 하기 위해, 동일한 정도의 통상의 반도체 공정에 있어서의 에칭 깊이 약 1㎛와 비교하여, 꽤 깊은 에칭이 필요하고 미세 패턴을 가공하는 것이 곤란하였다. 이에 대해서, 본 실시예의 광회로와 같이 릴리프 형상의 구조로 함으로써, 에칭의 깊이를 1㎛로 얕게 하여 0.5㎛ 정도의 미세한 패턴화가 가능하게 되었다.

도 48(B)에 나타낸 구조를 가지는 광회로에서는, 코어층(23)의 고굴절률 부분과 저굴절률 부분의 유효 굴절률차 Δ′는, 계산상 클래드를 형성하는 저굴절률 글래스와 코어를 형성하는 고굴절률 글래스의 비굴절률차 Δ( 약 1.5%)의 약 20% 정도로 추측되고, 본 실시예의 광회로의 공간 굴절률 분포를 형성하기 위한 유효 굴절률차 Δ′는 불과 약 0.3%로 된다.

이 유효 굴절률차 Δ′( 약 0.3%)를 기초로 광회로를 설계한 결과, 픽셀 크기를 3㎛로 설정하는 경우이어도, 비굴절률차 Δ 1.5%로 설계한 실시예 1의 광회로와 비교하여 불과 1.5배 정도의 길이의 회로 길이로 집어넣는 것이 가능하였다. 또, 본 실시예의 광회로에 있어서는, 픽셀 크기를 0.5㎛까지 작게 설정하는 것이 가능하고, 픽셀 크기 0.5㎛로 광회로를 설계하면 횡방향으로의 큰 파수의 광 필드를 발생시키는 것이 가능하게 되고, 실시예 1의 광회로와 비교하여 약 반의 회로 길이로 할 수가 있다.

즉, 본 실시예의 광회로에서는, 예를 들면 0.3% 정도의 낮은 굴절률차로 광전반 영역을 형성하였다고 하여도, 릴리프 형상의 패턴을 가지는 도파로 구조에 의한 다중 산란을 이용하여 비교적 큰 반사· 산란을 발생시키는 것이 가능하게 되고, 고효율로 광간섭을 생기게 할 수 있다. 이 때문에, 광회로를 큰 폭으로 소형화하는 것이 가능하다.

또, 코어층(23)에 설치하는 릴리프의 형상은, 소망하는 굴절률 분포에 따라 자유롭게 변경이 가능하고, 예를 들면, 도 48(C)에 나타내듯이, 코어층(23)의 상하면에서 다른 패턴을 가지도록 하는 것으로 하여, 고굴절률 부분(23a)과 저굴절률 부분(23b)에 더하여 중간 굴절률 부분(23c)을 설치하도록 하여도 좋다.

이미 실시예 16에서 설명한 것처럼, 도 36(A)에 나타낸 것 같은 광회로에서는, 픽셀의 구조가 파면의 진행 방향에 대해서 대체로 수직인 변을 가지는 사각형의 픽셀 구조이기 때문에, 정확히 나이프 에지(knife edge)에 의해 광이 회절되도록, 격렬한 간섭이 생겨 광회로의 설계 정밀도가 저하함에 더하여, 큰 파수를 가지는 광이 발생하여, 작은 굴절률차의 굴절률 분포에서는 광제어를 다할 수 없게 된다고 하는 문제가 생길 수 있지만, 코어층(23)에 상술의 릴리프 형상 패턴을 실시하는 것으로 하면, 고굴절률을 가지는 픽셀 상호간에 개재하는 저굴절률을 가지는 픽셀의 존재에 의해, 굴절률 패턴이 실효적으로 평활화 되어, 전반광의 격렬한 산란을 억제하는 것이 가능하게 된다.

(실시예 21)

본 실시예의 광회로는, 굴절률이 다른 막을 다층으로 적층시킨 다층막에 의해 클래드를 구성함으로써 광구속을 실현한 것이다.

도 49는 본 실시예의 광회로의 도파로 부분의 단면도로, 코어층(23)을 사이에 끼우는 하부 클래드층(22) 및 상부 클래드층(24)은, 어느 쪽도 굴절률이 다른 막(22a∼d 및 24a∼d)을 다층으로 적층시킨 다층막으로 구성되어 있다.

지금까지 설명해 온 광회로에 있어서는, 저굴절률 부분의 필드 패턴은, 통상은, 실시예 2의 광회로와 같이 방사적으로 되고, 실시예 17이나 실시예 19와 같은 회로 구성으로 하여도, 원리적으로 손실이 발생하여 버린다. 본 실시예의 광회로는, 이 문제를 해소하기 위해, 클래드를 굴절률이 다른 막을 다층으로 적층한 다층막으로 함으로써, 기판의 상하로 누출하는 광을 완전하게 억제하도록 한 것이다. 또, 광회로의 설계 방법은 "Dispersion and radiation loss characteristics of antiresonant reflecting optical waveguides-numerical results and analytical expressions"(T. Baba and Y. Kokubun, Quantum Electronics, IEEE Journal of , Vol. 28 No. 7 , pp 1689 -1700 July (1992))에 기재되어 있는 것과 같다.

굴절률이 서로 다른 매질을 조립하여 넣는 것으로 하면, 전반사나 무반사 조건이 실현 가능하게 된다. 특히, 횡방향의 파수가 작은 경우에는, 비교적 용이하게 전반사 조건을 형성하는 것이 가능하다(예를 들면, T. Baba and Y. Kokubun, "Dispersion and radiation loss characteristics of antiresonant reflecting optica,l waveguides-numerical results and analytical expressions", Quantum Electronics, IEEE Journal of , Vol. 28 No. 7 , pp 1689 -1700 July (1992) 참조).

따라서, 클래드층을 상기 다층막으로 구성하고, 저굴절률 영역에 있어서 코어층(23)의 상하측 양면에 있어서 전반사(혹은 충분히 높은 반사율)가 얻어지도록 이러한 층을 배치함으로써, 저굴절률 영역과 고굴절률 영역의 비율이 동일한 정도로 된 광회로에 있어서도, 충분히 저손실의 회로를 실현하는 것이 가능하게 된다.

이러한 회로 구성은, (도시하지 않은) 기판의 상하 방향으로만 브래그(Bragg) 조건을 만족하면 효과가 얻어지기 때문에, 도 49에 나타낸 구성과 같이 기판 상하 방향에만 주기 구조를 갖게 한 다층막 구조로 하는 것 이외, 포토닉(photonic) 결정을 이용하여 상하의 클래드층을 구성하는 것에 의해서도 같은 효과가 얻어질 수 있다.

(실시예 22)

본 실시예의 광회로는, 하나의 픽셀을 복수의 서브픽셀로 분할하여 굴절률 분포를 설계하고, 실시예 14에서 설명한 회로보다 저손실의 광회로를 실현하는 것이다.

일반적으로, 대략적인 근사로서 광이 그 파장보다 작은 구조를 가지는 물체와 상호작용할 때에는, 회절 현상 때문에, 파장 정도의 크기의 영역에 있어서 평균화된 굴절률을, 실효적인 굴절률로서 감수한다. 따라서, 단위 픽셀을 구성하는 복수의 서브픽셀에 있어서, 고굴절률을 가지는 서브픽셀수와 저굴절률을 가지는 서브픽셀수와의 배분의 방법에 의해, 실효적인 굴절률이 다른 단위 픽셀을 임의로 만들어 낼 수가 있다.

도 50(A) 및 도 50(B)은 그러한 서브픽셀의 예를 나타내는 상면도이고, 도 50(C)은 서브픽셀에 의해 분할된 픽셀을 이용하여 굴절률 분포를 설계한 광회로의 일부의 표면 개념도이다. 단위 픽셀은 1㎛ 각의 크기이고, 이 픽셀을 2분할하는 경우(도 50(A))와 4분할하는 경우(도 50(B))에 대해서 예시하고 있다. 이러한 픽셀 분할에 의해, 갭의 실효치는 약 0.5㎛(도 50(A)의 경우) 또는 0.25㎛(도 50(B)의 경우)로 되고, 이러한 매체 내를 전반하는 광은 갭의 존재를 거의 감수하지 않게 된다. 또, 굴절률 분포를 설계하는데 즈음해서도, 계산에 필요한 데이터 양을 예를 들면 1/2나 1/4로 하는 것이 가능해지기 때문에, 1만 픽셀× 1만 픽셀(이 경우에는, 1cm 각에 상당한다) 정도의 대규모 회로이어도 용이하게 형성할 수가 있는 것으로 된다.

본 실시예의 광회로에 있어서는, 픽셀을 복수의 서브픽셀로 분할하지만, 굴절률 분포의 설계에 즈음해서는 픽셀 단위로 계산을 실행함으로써, 굴절률 분포의 계산을 용이화 하고 있다. 또, 미세 패턴을 실현하는 경우에, 서브픽셀에 의한 분할 상태가 같은 단위 픽셀을 다용하여 계산을 하는 것으로 하면, 포토프로세스(photo-process)에 있어서의 위상 쉬프트 마스크 등에 의한 회절 보정 공정이나 프로세스에 의한 에칭 양의 보정 공정에 있어서의 보정 조건 설정 등이 용이화 된다.

(실시예 23)

이미 실시예 16에서 설명한 것처럼, 도 36(A)에 나타낸 것 같은 광회로에서는, 픽셀의 구조가 파면의 진행 방향에 대해서 대체로 수직인 변을 가지는 사각형의 픽셀 구조이기 때문에, 정확히 나이프 에지(knife edge)에 의해 광이 회절되도록, 격렬한 간섭이 생겨 광회로의 설계 정밀도가 저하함에 더하여, 큰 파수를 가지는 광이 발생하여, 작은 굴절률차의 굴절률 분포에서는 광제어를 다할 수 없게 된다고 하는 문제가 있다.

이 문제를 해결하기 위해서, 본 실시예의 광회로에서는, 픽셀 형상을 지금까지의 구형으로부터 변형시킨 형상으로 하고 있다. 이러한 픽셀 형상의 변형의 모양으로서는, 기판에 수평인 방향으로 변형시키는 경우와 기판에 수직인 방향으로 변형시키는 경우가 있다. 또, 굴절률 분포를 계산할 때에는 실시예 11과 마찬가지로 실효적인 굴절률의 차이를 가지는 고저 2개의 굴절률을 가정하면 좋다.

도 51(A)은 기판에 대해서 수평인 방향으로 굴절률이 변화하는 구조를 가지는 도파로의 굴절률 분포의 개념도이고, 도 51(B)은 도 51(A)에 나타내는 굴절률 분포 중에 평면파를 전반시켰을 때의 반사 감쇠의 모습을 설명하기 위한 도이다. 또, 도 51(B)의 횡축은 굴절률의 구배(전반 정수의 공간적인 변화의 비율)이고, 종축은 전반 정수 부정합에 의한 반사 감쇠량이다. 공간적인 길이는 매체 내에서의 광의 파장으로 규격화하는 것으로 하고, 한편, 각 장소의 굴절률을 기준 굴절률(n = 1.45 : 파장 1.55㎛에 있어서의 석영계 도파로의 굴절률)로 규격화하여 비굴절률차를 구하고 있다.

이러한 도로부터 알 수 있듯이, 굴절률의 구배를 1보다도 작게 함으로써 반사 감쇠량이 개선된다. 즉, 픽셀의 형상을 서서히 변화시키면 좋다. 예를 들면, 3㎛ 각의 굴절률 분포의 픽셀을 가정하면, 이 픽셀 크기는, 진공중의 파장이 1.55㎛의 광에 대해서 약 2 파장 정도의 크기이기 때문에, 구배가 1/2 정도가 되도록 굴절률을 변화시키면, 산란을 수 dB 정도 감쇠시키는 것이 가능하다고 예상된다.

도 52(A)는 픽셀 형상을 원형으로 하는 경우의 단위 픽셀에 있어서의 굴절률 분포의 모습을 설명하기 위한 개념도, 도 52(B)는 도 52(A)에 나타낸 원형 픽셀을 이용하여 구성한 회로의 일부의 표면 개념도, 그리고, 도 52(C)는 도 52(B)에 있어서의 고굴절률부와 저굴절률부의 배치를 역전시키는 경우의 회로의 일부의 표면 개념도이다.

필드의 퍼짐의 정도를 픽셀 크기와 동일한 정도로 가정하면, 국소적인 실효 굴절률은 대체로 원형 픽셀의 단면적에 비례하여 변화한다고 생각된다. 여기서는, 직경 약 3㎛의 원형 영역을, 클래드와 같은 굴절률로 하고, 그 원형 영역의 주위를 고굴절률의 막으로 형성하고 있다. 즉, 도 52(B)에 나타낸 회로는, 높은 굴절률을 가지는 막으로 이루어지는 고굴절률부가 일정하게 형성되고, 이 고굴절률부의 일부 영역을 원형으로 도려내고 그 부분에 저굴절률부를 설치한 구성으로 되어 있다. 이것과는 반대로, 도 52(C)에 나타낸 회로는, 낮은 굴절률을 가지는 막으로 이루어지는 저굴절률부가 일정하게 형성되고, 이 저굴절률부의 일부 영역을 원형으로 도려내고 그 부분에 고굴절률부를 설치한 구성으로 되어 있다.

기판에 대해서 수직 방향으로 굴절률이 변화하는 회로 구성의 경우에는, 먼저, 기판에 언더클래드(under-clad)를 퇴적한 후, 굴절률이 클래드보다 높은 막을 퇴적한다. 포토레지스트(photoresist)를 마스크로서 이용한 반응성 이온 에칭(ion etching)에 의해 코어의 패턴 형성을 하는 경우에는, 마스크인 포토레지스트(photoresist)의 두께를 공간적으로 변화시킴으로써, 두께가 다른 막을 코어로서 남길 수가 있다. 예를 들면, 포토레지스트(photoresist)를 도포한 후, 약 130℃로 과열하여 레지스트(resist)를 용해시키고, 표면장력에 의해 패턴의 에지를 구부려 이 상태의 레지스트(resist)를 에칭 마스크로서 이용하는 것으로 하면, 레지스트(resist) 패턴 주위는 에칭에 의해 깎아져, 최종적으로 고굴절률 막에 전사되는 패턴도 패턴 외주 부분이 구부려진 패턴으로 된다.

또, 예를 들면, AZ계의 포토레지스트(photoresist)를 이용하는 것으로 하면, 노광량에 대체로 비례하는 깊이가 레지스트(resist)를 제거하는 것이 가능하다. 따라서, 다른 패턴을 복수회 나누어 노광하는 것으로 하면, 최종적으로는 소망의 패턴을 형성하는 것이 가능하다. 이 경우에도, 최종적으로 얻어지는 패턴의 외주 부분을 평활화 할 수가 있다.

(실시예 24)

광회로를 구성하는 픽셀의 배치는 광회로의 평면 영역의 분할 방법에 의해 규정할 수가 있다. 환언하면, 결정학에 있어서 행하는 것과 마찬가지로, 단위격자를 생각하여 그 대칭성에 의해 픽셀의 배치 위치를 규정할 수가 있다. 여기서, 단위격자는 하나 이상의 픽셀로 이루어지는 것으로 가정한다. 이러한 취급을 하면, 회로 전체로서는 결정과 같은 주기성을 가지는 것으로 된다. 이러한 주기성을 가지는 회로에 공간적으로 횡방향으로 크게 퍼진 이상적인 평면파를 입사하면, 특정의 파수 성분에 대해서 강한 산란이 발생한다. 다만, 픽셀의 배치 위치에는, 저굴절률 혹은 고굴절률의 매체가 적당 배치되므로, 완전한 주기성이 있다는 것은 아니다(이들에 대해서는, 예를 들어, Charls Kittel ed. "Introduction to solid state physics 6th" John Wily & Sons, Inc., New York, U.S.A. (1986)를 참조).

이 경우, 픽셀의 크기 및 배치 및 광의 입사 방향(혹은 출사 방향)에 대해서 회로의 결정 학문적인 배향을 어떻게 설정할지에 의해 광회로 특성이 다르기 때문에, 소망의 특성을 얻기 위해서는 광의 입사 방향과 파수가 중요해진다. 그리고, 상술의 특정의 파수 성분에 대한 강한 산란을 이용하면, 회로의 소형화나 특성 개선이 가능하게 된다.

무엇보다 단순한 단위격자는 단일 픽셀로 이루어지는 것으로, 이 픽셀의 형상을 환형이나 n각형(n은 3이상의 정수)로 하는 것도 할 수 있다.

도 53은 이 픽셀 형상을 벌집 형상으로 하는 경우의 픽셀 배열의 모습을 설명하기 위한 도로, 이 픽셀 배열로 하면 비교적 등방적인 회절면이 얻어진다. 따라서, 도중의 화살표와 같이 복수의 방향으로부터 광을 입출력시키는 광회로에 있어서, 다양한 방향으로 큰 반사를 발생시키기 쉬워져 회로 특성이 개선된다.

또, 도 53에 나타낸 것과 마찬가지로, 예를 들어 같은 픽셀 배열 구조이어도 그 픽셀의 배향 상태를 바꿈으로써 특성 개선이 가능하다.

또, 도 54에 나타낸 것처럼, 이른바 「준주기 구조」라고 불리는 불완전 주기 구조도 알려져 있다. 이 경우의 회절 스펙트럼은 프랙탈(fractal) 이론 형상으로 되고, 한편, 비교적 넓은 범위에 스펙트럼이 분포하는 것으로 되기 때문에, 회로를 구성하는데 형편상 좋은 산란이 얻어진다고 하는 이점이 있다.

(실시예 25)

종래, 복수의 입출력 포트를 구비하는 광회로에 있어서, 각 포트로부터 다른 포트로 일제히 신호를 전달하고, 한편 동일한 포트로부터 신호를 수신하도록 구성되어 있는 회로에는 광의 파워(power)를 단순하게 합분파만 하는 광 합분파기가 이용되어 왔다. 이 때문에, 신호를 수신할 때에, 하나의 포트만으로부터 신호가 입력되는 경우에는, N포트로 이루어지는 회로에서는 광이 1/N에 감쇠하여 버린다고 하는 등의 문제가 있었다. 이러한 문제가 발생하는 원인은, 광의 위상을 고려한 회로 설계가 되고 있지 않은 점에 있다. 이에 대해서, 본 발명의 파동 전달 매체를 이용하면, 위상을 포함하여 합분배 기능을 실현할 수 있기 때문에, 여분의 손실을 발생시키지 않고 광을 합분배하는 것이 가능하게 된다.

도 55는 상호 일제 전달·일제 수신 구성으로 한 광회로의 구성예를 설명하기 위한 도이고, 도 56은 이 광회로의 각 포트간에서의 신호의 흐름을 모식화한 도이다. 이 광회로는 4개의 포트를 가지고, 각 포트는 다른 3개의 포트를 향해 광을 출사하는 한편, 다른 3개의 포트로부터 독립하여 출력되는 신호를 수신하는 회로 구성으로 되어 있다. 또, 이러한 광회로를 기판 상에 제작하는 경우에는, 이러한 포트에 광파이버를 접속하고, 각 포트를 종단 장치 또는 광증폭 장치 등에 접속하여 사용한다.

도 56에서 모식화 하여 나타낸 각 포트간에서의 신호의 흐름을 논리적인 신호의 흐름을 무너뜨리지 않고 변형하면 도 57과 같이 된다. 이 도에 있어서, 상하의 서로 대향하는 포트는 실제로는 동일 포트이지만, 신호의 흐름을 명확화하기 위해서, 하측을 송신 포트(+), 상측을 수신 포트(-)로서 기능마다 구별하여 나타내고 있다. 단지, 이들은 동일한 회로에 의해 구성되기 때문에, 어디까지나 논리상의 구성을 나타내고 있는 것에 지나지 않는다.

이때 통상의 파워 분기 회로에서는, 송신측의 3분기에 의해 파워가 1/3로 되고, 수신측의 합파기에 의해 파워가 1/3로 되기 때문에, 결국 1/9로까지 파워가 저감한다. 즉, 8/9의 손실이 발생하는 것이다. 이 중, 수신측의 손실은 다른 2 포트로부터 위상 정합한 광이 입력되지 않기 때문에 발생하는 손실이다. 그래서, 다른 2 포트로부터의 광과는 독립하여 수신할 수 있도록 분기 방법을 연구하면 손실이 없어진다고 생각된다. 이것은 이하에 나타내듯이, 각 광의 위상도 고려하여 각 포트에의 분배를 함으로써 실현될 수 있다.

우선, 각 포트의 위상을 4개의 수의 조(즉, 벡터)로서 표현한다. 여기서, 진폭은 1로 하고 있다. 다만, 특정의 포트에의 광의 분배가 없는 경우는, 그 성분을 0으로 한다. 예를 들면 위상이, 포트 1이 0, 포트 2가 π, 포트 3이 π, 포트 4에는 광이 없다고 하면,

라고 하는 벡터를 생각하는 것으로 한다. 이러한 표현 방법으로 생각하면, 필드의 중첩 적분은 정확히 벡터의 내적으로서 계산할 수 있기 때문에, 이를 이용하여 소망한 벡터의 조를 찾아내면 좋다.

지금, 하나의 포트로부터 그 포트 이외의 모든 포트에 균등하게 신호를 분배하는 것으로 가정하면, 분배하는 측의 포트에 대응하는 성분은 0으로 되고, 다른 포트에 대해서는 절대치가

로 되는 필드를 생각하면 좋다. 그리고, 그러한 위상을 조정함으로써 모든 벡터가 서로 직교하면, 다른 필드로부터의 신호와는 독립하여 각 포트가 광을 수신하는 것이 가능하게 되고, 손실이 분기 손실만으로 광신호를 수신할 수가 있다.

실제, 이 경우는

가 그러한 조합의 하나이다. 이에 의해, 종래의 수신측에서의 원리 손실을 잃을 수가 있어 3배의 강도로 광신호를 수신할 수가 있었다.

또한, 도 58에 나타내는 불균등 분배 회로와 같이, 불균등하게 광을 분배(분기)하는 것에 의해, 송신 거리에 수반하는 손실을 보충할 수가 있는 것과 동시에, 적당한 위상을 선택함으로써 손실을 줄이는 것이 가능하게 되고, 광증폭기 등을 이용하지 않는 저비용인 광통신 시스템을 실현할 수 있다. 또, 도 58에서는, 기지국으로부터 일제 송수신을 하는 동시에, 각 단말간의 통신도 행하고 있다.

(실시예 26)

본 실시예는 실시예 25와 같은 구성의 광회로이지만, 직교 상태가 존재하지 않는 경우에 있어서 출력 신호의 중첩을 최소로 하기 위한 광회로의 구성예이다. 여기서는, 3포트의 광회로의 경우를 생각한다. 이 경우, 포트는 3개 밖에 없기 때문에, 직교 상태를 실현할 수 없다. 그러나, 하기에 나타내듯이, 가능한 한 직교 상태에 가까운 상태를 선택함으로써 손실이 적은 구성을 실현할 수가 있다.

실시예 25와 마찬가지로, 포트의 출력을

로 한다. 여기서, 자기 자신에게도 출력이 있지만, 이것은 반사 귀환광으로서 취급할 수가 있다.

이에 의해, 필요한 포트에서는 4/9 = 3.5dB의 광을 얻을 수 있다. 이것은 종래의 3dB 커플러(coupler)를 2개 조합하는 경우에 비해 2.5dB 낮은 손실이다.

도 59는 이러한 불균등 분배 회로의 응용 개념도이다. 이 도에 나타내듯이, 3포트광 회로를 종렬 배치함으로써 탭(tap) 회로를 실현할 수 있다. 여기서는 광회로를 구성하는 무기 글래스 재료에 Er 원소를 도핑하고 1.5㎛ 파장대에서의 증폭 기능을 갖게 하고 있다. 회로의 손실은 종래보다 충분히 낮기 때문에, 약간의 소비 전력 한편 단거리로 증폭 가능하기 때문에 소형이고 저소비 전력의 탭 회로가 구성 가능하다. 도중에는 그것을 손실 보상 형태 회로로서 나타내었다.

(실시예 27)

도파로 회절격자에 있어서는, 도 60(A) 및 도 60(B)에 나타내듯이, 입사측 슬랩에 있어서의 입사 도파로 위치를 고정하는 경우, 파장의 변화에 따라 출력 위치가 방향(A)으로 벗어난다(도 60(A)). 또, 같은 파장의 신호광에 대해서, 입사 도파로의 위치(B)를 비켜 놓으면, 출력 위치가 방향(C)으로 벗어난다(도 60(B)). 이러한 성질을 이용하여, 파장에 따라 입사 도파로측의 필드의 중심 위치를 방향(B)으로 비켜 놓으면, 방향(A)으로의 움직임과 방향(C)으로의 움직임이 서로 캔슬(cancel)되어 필드가 움직이지 못하게 된다.

입사 도파로측의 필드의 중심 위치를 입사 도파로측의 필드의 중심 위치가 움직이지 않는 경우의 출력 포트간의 파장 간격으로 주기적 변화시키면, 도 61에 나타내듯이, 플랫토우(plateau)가 형성된다. 이 플랫토우 부분에 출사 포트의 광도파로가 배치되면, 구형상의 파장 필터 특성이 얻어진다.

이를 실현하기 위해서, 입사 도파로 부분에 방향성 결합기를 배치하고, 그 전단에 분기 지연 회로를 배치한 것이 제안되어 있다. 이때 필드의 중심 위치가 편향되는 편향폭은 필드 직경 정도 필요로 되기 때문에, 방향성 결합기의 코어 폭을 작게 할 수 없다. 이 때문에, 필드의 형상이 필요한 스폿 직경보다 넓은 구조로 되어 필드 형상이 왜곡된다. 이는 그 공액상(conjugate image)인 출사측의 광출력상을 왜곡하게 되어, 결과적으로 광결합이 열화한다고 하는 문제가 있다.

그래서, 본 실시예에 있어서는, 본 발명의 파동 전달 매체를 이용하여, 복수의 입사 포트로부터의 광을, 각각 정형하여 출력하고 한편 그러한 파를 중합함으로써 양호한 입사 필드 형상을 얻음과 동시에, 그 입사 포트간의 위상을 조정함으로써 필드의 중심 위치를 조정하는 것으로 하였다. 또, 본 실시예에서는, 입사 포트를 2개로 하였다.

여기서, 좌표를 x로 나타내고, 입사 포트의 상을 각각 f₀(x), f₁(x)로 하여 포트간의 위상차를 φ로 표현한다. 이때 그 중합상(combined image) f(x, φ)는,

… (38)

으로 된다. 소망의 필드 형상이, 위상차 φ의 함수 x_c(φ)를 중심 위치, θ(φ)를 위상으로 하여, 함수

… (39)

으로 주어지고 있다고 한다. 여기서, 간단화를 위해 x_c(0) = 0, θ(0) = 0 으로 하였다. 이때 φ에 대해서 1차의 계수를 비교하면

… (40)

로 된다. 이것은 함수 g(x), h(x)가 만족하지 않으면 안 되는 식이다. φ는 뒤에 나타내듯이, 파장차에 대응하는 양이기 때문에,

은 중심 위치가 움직여야 할 속도에 대응하므로 설계 조건으로 정해지는 양이다.

f₀(x), f₁(x)의 직교 조건과 규격화 조건으로부터,

… (41)

로 된다. 여기서, G는

를 규격화한 함수이고, s는 1을 넘어가지 않는 양으로,

… (42)

으로 정해지는 양이다. 또,

은 놈(norm) 평방근이다.

본 발명에서 이용하는 파동 전달 매체는, 직교하는 필드이면, 각각의 필드 형상을 위상을 포함하여 임의로 설정할 수 있으므로, 이러한 파동 전달 매체를 이용하여 이러한 출력 필드를 각 입력 포트에 대해서 설정할 수가 있다. 지금, 전단의 위상차를 도 62(어레이 도파로 격자를 제외하는 입사부만을 도시하고 있다)에 나타내듯이, 도파로 회로의 지연으로 주어지고, 지연 회로의 파장에 대한 출력의 반복 주기와 출력측 도파로간의 출력 파장 간격을 동일하게 하면, 출력 포트간의 도파로의 간격 D를 이용하여,

… (43)

으로 되는 관계식이 얻어지고, 소망의 필드 F를 결정하기만 하면 모든 파라미터가 정해지게 된다.

예를 들어, F로서 가우스(Gauss) 함수를 가정하고, 필드 반경을 w로 하면,

이다.

도 63은 필드 형상으로서 가우스(Gauss) 함수를 가정하는 경우의 중심 위치의 이동의 모습을 나타내는 예이다. 필드의 움직임을 알 수 있듯이 어레이 도파로 격자에 들어가기 전의 부분의 필드 형상을 근시야 상으로 관찰한 것이다. 도 62에 나타낸 지연 회로를 포함한 구성이고, 약 10nm 간격으로 주기적으로 필드의 중심 위치가 주기적 변화하고 있는 것을 알 수 있다. 다만, 천이 영역에서는 근사로부터 벗어나 2피크로 되어 있지만, 이 부분은 하나의 출력 포트로부터 근처의 출력 포트로의 천이 영역에 해당하기 때문에 결합에는 관계없다. 지연 회로 부분은 도파로의 길이로 자유롭게 설정 가능하고, 한편 2분기 회로의 분기 비율도 자유롭게 설정할 수 있는 것으로부터, 어레이 도파로 격자에 맞추어 상기의 방법으로 조정하면, 평탄한 파장 분파 특성이 얻어진다.

이상의 실시 형태에 있어서는, 입력측 도파로를 2개의 입력 도파로로 하였지만, 보다 정밀도를 향상하기 위해서는 입력측 도파로의 개수를 늘리면 좋다. 그 때문의 일반론을 이하에 나타낸다.

η를 파라미터로 하는 소망의 함수 F(x；η)에 대해서, 1차까지의 근사는 상기와 같은 방법으로 얻어지고, 2차까지 전개하면,

… (44)

로 된다. 따라서,

… (45)

를 변형하여,

… (46)

로 두면,

를 상기 실시 형태와 마찬가지로 하여 적당한 형태로 결정할 수가 있다. 여기서, 상기의 실시 형태의 경우에는 간단화를 위해 φ를 파라미터로 하였지만, 여기서는 명확한 형태로 하기 위해, 소망한 필드의 파라미터 η로 조건식을 기술하고 있다. 또,

는

에 직교한 필드가 되도록 한다. 또, 3개째의 도파로에 부가해야 할 위상 항은

로 된다.

이상과 같이, 소망의 함수를 테일러(Taylor) 전개하여, 전의 차수의 항으로 정리하여, 외관상, 한 차수가 낮은 항의 계수에 파라미터 의존성을 갖게 하고, 그 항에 대해서, 1차의 근사를 실시함으로써, 순차 근사를 올리는 것이 가능하다. 또, 파라미터가 복수 있는 경우도 마찬가지로 하나의 파라미터에 맞도록 설정하여, 그 후에, 상기의 방법으로, 또 하나의 파라미터에 대해서 설정하는 순서로 순차 근사 시키면 좋다.

(실시예 28)

일반적으로 석영계 광도파로와 반도체 광도파로에 있어서는, 필드 직경이 다르기 때문에, 광파이버와 광반도체 레이저 등에서는 렌즈를 개재(介在)하여 광결합 손실을 저감한다. 그렇지만, 렌즈를 이용하기 위해서는 광도파로 구조와 렌즈의 사이를 충분히 취할 필요가 있기 때문에, 소형 집적화에는 적합하지 않다. 그래서, 광도파로와 광반도체 소자를 렌즈를 개재하지 않고 광결합하는 방법이 시도되고 있지만, 도 64(A)에 있듯이, 광도파로는 회로 내부에 있어서 대체로 평면파적인 등위상면을 가지고 있기 때문에, 개구부로부터의 방사에서는 광이 회절하여 광결합에 손실이 생기게 된다. 또한, 일반적으로는 필드 직경의 차이가 있으면 광결합 손실을 일으키기 때문에, 예를 들어 석영계 광도파로와 반도체 광도파로의 광결합계에 있어서는 석영계 광도파로의 필드 직경을 작게 할 필요가 있다.

본 실시예는, 본 발명의 파동 전달 매체를 이용하여 상기의 파면의 제어와 필드 형상의 제어를 동시에 행함으로써 광결합을 개선하는 것이다. 본 발명의 파동 전달 매체는 광의 다중 산란을 이용하기 때문에, 광도파로와 달리, 통상 방사광이 되는 높은 횡방향의 파수를 가지는 광을 제어할 수 있기 때문에, 필드 직경을 도파로 구조에 의해 좁힐 수 있는 값보다도 작게 하는 것이 가능하다. 또한, 본 발명의 파동 전달 매체는 필드의 위상 분포를 제어할 수 있기 때문에, 도 64(B)에 나타내듯이, 등위상면을 오목한 형상으로 하면 좋다.

도 65는 비굴절률차 1.5%인 석영계의 평면 광파 회로 기술로 제작한 파동 전달 매체에 의해 스폿 직경을 기판 수평 방향만 정형한 것으로 근시야(近視野) 상의 기판면에 수직인 방향의 단면이다. 파동 전달 매체는 출사단으로부터 약 5㎛ 먼저 빔(beam) 웨이스트(waist)를 형성하도록 설계한 것으로, 근시야 상에 있어서도 출사단으로부터 약 5㎛로 최소의 필드 직경이 실현되었다. 참조는 광도파로에 의한 필드에서 파동 전달 매체의 종방향의 필드의 퍼짐과 일치하고 있는 것을 알 수 있다. 그것에 대해 기판 수평 방향의 필드는 약 3㎛의 필드 직경이고, 광도파로 구조보다 작은 필드 직경을 실현할 수 있었다. 이에 의해, 종래, 반도체 레이저와의 결합 손실이 약 8dB인 것이, 4dB까지 개선될 수가 있었다.

(실시예 29)

이하에 설명하는 어레이 도파로형 광 합분파 회로는, 그 입력 도파로와 제1 슬랩 도파로와의 접속 영역에 공간적 굴절률 분포에 근거하는 산란점을 배치함으로써, 상술의 원리에 근거하여 전반광의 위상과 강도를 동시에 제어하도록 하고 있지만, 이에 의해 얻어지는 주된 이점은 이하와 같다.

도 66은 도 2(A)에 나타낸 종래 구성의 회로에 설치되고 있는 파라볼라 도파로(106) 내의 더블피크(double-peak)의 광 필드 분포를 설명하기 위한 도이다. 도 2(A)에 나타낸 종래 구성의 회로에 설치되고 있는 파라볼라 도파로(106) 내의 더블피크(double-peak)의 필드 분포는, 0차 모드와 2차 모드의 중첩에 의해 생겨 필드 분포Φ(x)는 다음 식에 의해 표현 할 수 있다.

… (47)

여기서,

이고,

은 m차 모드의 필드 분포, β_m는 m차 모드의 전반 정수, a_m는 m차 모드의 전개 계수이다. 즉, 파장 분산의 요인인 위상 분포는, 파라볼라(parabola) 도파로 내에 야기된 0차 모드와 2차 모드의 위상차에 기인한다.

이에 대해서, 본 발명의 어레이 도파로 격자형 광 합분파 회로에 있어서는, 도파 모드는 아니고, 복수의 산란점이 위상과 강도를 국소적으로 제어하기 위해, 보다 높은 자유도로 출사광의 강도 분포와 위상 분포를 지정하는 것이 가능하게 된다. 따라서, 입력 도파로 내의 산란점을 최적으로 배치(즉, 공간적 굴절률 분포를 최적화) 함으로써, 출사 필드 분포의 형상을 위상 왜곡이 없는 더블피크(double peak)로 할 수가 있고, 낮은 분산의 어레이 도파로 격자형 광 합분파 회로를 실현하는 것이 가능하게 된다. 또, 본 발명의 도파로 구조는 소형화 및 소망의 대역 설계도 가능하게 한다.

이하에, 실시예에 의해 본 발명의 낮은 분산 어레이 도파로 격자형 광 합분파 회로에 대한 구체적인 설명을 한다. 또, 이하의 실시 형태에 있어서는, 기판에는 실리콘 기판을 이용하고, 그 위에 석영에 첨가물을 더하여 굴절률을 조정한 막을 퇴적하고, 반도체 제작 공정에서 이용되는 미세 가공 기술에 의해, 광회로를 패턴화 하는 것이다. 따라서, 광회로 패턴은 2차원적이고, 기판에 대해서 수평 방향으로 광회로로서의 기능을 발현하도록 패턴(pattern) 형성된다.

도 67(A)∼(E)는 본 발명의 낮은 분산 어레이 도파로 격자형 광 합분파 회로의 제조 공정을 설명하기 위한 도이다. 먼저, 실리콘 기판(601) 상에, 화염 퇴적법에 의해, SiO₂를 주체로 한 하부 클래드 글래스 슈트(clad glass suit)(602), 및, SiO₂에 GeO₂를 첨가한 코어 글래스 슈트(clad glass suit)(603)를 퇴적한다(도 67(A)). 그 후, 1000℃ 이상의 고온으로 열처리를 하고, 하부 클래드 글래스 슈트(clad glass suit)(602) 및 코어 글래스 슈트(clad glass suit)(603)의 글래스 투명화를 실행한다. 이 글래스 투명화 열처리에 의해, 하부 클래드 글래스 슈트(clad glass suit)(602)는 대체로 30㎛의 두께의 하부 클래드 글래스층(604)로 되고, 코어 글래스 슈트(clad glass suit)(603)는 대체로 7㎛의 두께의 코어 글래스(605)로 된다(도 67(B)).

또, 도 67(A)에 있어서 퇴적되는 하부 클래드 글래스 슈트(clad glass suit)(602) 및 코어 글래스 슈트(clad glass suit)(603)의 두께는, 도 67(B)에 나타낸 글래스 투명화 열처리에 의해 양쪽 층의 두께가 상기 두께가 되도록 결정되어 있다.

이 글래스 투명화 열처리에 이어서, 코어 글래스(605) 상에 에칭 마스크(606)를 포토리소그래피(photolithography) 기술을 이용하여 형성하고(도 67(C)), 또한, 반응성 이온 에칭(ion etching)에 의해 코어 글래스(605)에 패터닝을 실시한다(도 67 D).

패터닝 된 코어 글래스(605)상에 잔존하고 있는 에칭 마스크(606)를 제거한 후에 상부 클래드 글래스(607)를 화염 퇴적법에 의해 형성해, 코어 글래스(605)를, 상부 클래드 글래스(607)과 하부 클래드 글래스(604)의 사이에 매립한다(도 67(E)). 또, 상부 클래드 글래스(607)의 글래스 전이 온도를 낮게 하기 위해서, 이 상부 클래드 글래스(607)에는, 붕소(B)나 인(P) 등의 불순물이 첨가되어 있다. 글래스 전이 온도를 낮게 함으로써, 패터닝 된 코어 글래스(605) 상호간의 간극에도 상부 클래드 글래스(607)가 치우침 없이 비집고 들어가기가 쉬워진다.

이와 같이 하여 얻어진 패터닝 된 코어 글래스(605)는, 코어 글래스(605) 상호간에 개재하는 상부 클래드 글래스(607)보다 높은 굴절률을 가진다. 따라서, 코어 글래스(605)의 존재 영역에 상당하는 고굴절률부와 코어 글래스(605) 상호간에 개재하는 상부 클래드 글래스(607)의 존재 영역에 상당하는 저굴절률부에 의해, 2차원적인 공간적 굴절률 분포가 형성되고, 고굴절률부인 코어 글래스(605)의 각각은 도파광에 대한 산란점으로서 작용하고, 이 산란점의 배치를 최적화(즉, 공간적 굴절률 분포를 최적화) 함으로써 광 필드의 위상과 강도의 국소적 제어가 가능하게 된다.

도 68은 패스밴드(passband) 확대 어레이 도파로 격자형 광 합분파 회로의 슬랩 도파로에 접속되는 입력 도파로를, 상술의 원리에 근거하여 설계한 구조(산란점 배치)의 예를 설명하기 위한 도로, 도중 흑색부로 나타낸 영역이 산란점(고굴절률부)에 대응하고 있다. 이 도에 나타내듯이, 산란점의 입력 도파로 내에서의 2차원적인 배치 분포는 광의 전반 방향으로 연장되는 직선에 대해서 대체로 선대칭이다.

이 구조는, 도파로 내의 산란점을 상술한 최급강하법(steepest descent method)에 의해 최적 배치하는 것에 의해 설계된 것으로, 이 도파로는 길이 300㎛, 폭 160㎛의 영역을 가지고 있다. 이 영역을 1500× 800의 픽셀로 분할(픽셀의 1변의 길이는 0.2㎛로 된다)하고, 이러한 미소 영역에 산란점(저굴절률부와의 굴절률차 △ = 0.75%)를 최적 배치하여 공간적 굴절률 분포를 형성하고 있다. 또, 전반광을 효과적으로 산란시키기 위해서는, 산란점의 1변의 길이를 0.2㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

도 69는 도 68에 나타낸 산란점 배치를 가지는 입력 도파로로부터 출사되는 광 필드의 분포(진폭 및 위상)의 계산 결과를 설명하기 위한 도로, 이 도에 나타내듯이, 등위상면에 왜곡이 없고, 한편, 그 진폭은 더블피크를 가지는 출사광 필드 분포가 얻어지고 있다.

도 70은 본 실시예의 입력 도파로를 이용하여 채널 간격 100GHz의 어레이 도파로 격자형 광 합분파 회로를 구성하고, 이 회로의 패스밴드 확대화 효과와 낮은 파장 분산화 효과를 검증한 결과를 설명하기 위한 도이다.

도 4에 나타낸 종래 구성의 회로 특성과의 비교로부터 분명한 것과 같이, 본 발명의 회로의 파장 분산은 상대 파장 의존성을 가지 않고 투과 대역폭에 대부분 영향을 주는 일 없이 낮은 분산화가 현저하고, 한편, 광손실 특성도 향상하고 있는 것을 알 수 있다.

지금까지의 설명에서는, 산란점으로서 고굴절률의 산란체를 이용하였지만, 입력측 슬랩 도파로의 단부에, 고굴절률은 아니고 저굴절률의 산란체를 배치해도 같은 효과가 얻어질 수 있다. 또, 실리콘 기판 상에 설치된 석영계 글래스 도파로에 의해 어레이 도파로 격자형 광 합분파 회로를 구성한 예에 대해서 나타냈지만, 도파로의 구성 재료는 글래스에 한정되는 것은 아니고, 폴리이미드(polyimide), 실리콘, 반도체, LiNbO₃ 등 이외의 재료이어도 좋다. 또, 이용하는 기판도 실리콘에 한정되는 것은 아닌 것은 말할 필요도 없다.

Claims (62)

1. 공간적 퍼짐을 갖는 소망의 광 입출력에 대해 전반 방향에 수직인 단면을 고려하고, 광 필드의 단면이 주어져야 할 회로상의 장소를 포트라고 부를 때, 임의의 1개의 포트(입력 포트)로부터 입사된 입사광이 다른 포트(출력 포트)로부터 출력광으로서 출사되는 파동 전달 매체로서,

   상기 파동 전달 매체는, 상기 입력 포트로부터의 입력광이 당해 파동 전달 매체 내에서 다중 산란하면서 전반하여, 상기 출력 포트로부터 출력광으로서 출사되도록 결정된 공간적인 굴절률 분포를 가지고,

   당해 공간적인 굴절률 분포는 메쉬(mesh)에 의해 확정되는 픽셀의 각각이 가지는 굴절률에 의해 결정되고,

   상기 픽셀의 각각이 가지는 굴절률은 상기 입력광의 입력 필드의 순전반과, 각각의 상기 출력광의 소망의 출력 필드의 역전반 사이의 위상차가 각각의 상기 픽셀에 있어서 소정 값 이하로 되도록 반복 계산하여 결정되어 있는 것을 특징으로 하는 파동 전달 매체.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 픽셀의 각각이 가지는 굴절률은, 저굴절률(n_L) 또는 고굴절률(n_H)의 어느 하나이고,

   상기 공간적인 굴절률 분포는, 저굴절률(n_L)을 가지는 픽셀과 고굴절률(n_H)을 가지는 픽셀을 공간적으로 배치시킴으로써 주어지는 것인 것을 특징으로 하는 파동 전달 매체.
4. 제3항에 있어서,

   상기 저굴절률(n_L)을 가지는 픽셀의, 상기 파동 전달 매체 내에 있어서의 상기 입사광의 전반 방향에서의 존재 확률은 70% 이하인 것을 특징으로 하는 파동 전달 매체.
5. 제1항에 있어서,

   상기 픽셀은, 하한 굴절률과 상한 굴절률 사이의 유한개의 굴절률을 취할 수 있고, 상기 공간적인 굴절률 분포는 당해 유한개의 굴절률 중의 어느 하나의 굴절률을 가지는 상기 픽셀을 공간적으로 배치시킴으로써 주어지는 것인 것을 특징으로 하는 파동 전달 매체.
6. 제1항에 있어서,

   상기 입력광을, 소망의 비율로 서로 다른 출력 포트 위치로 분파되도록 상기 굴절률 분포가 결정되어 있는 것을 특징으로 하는 파동 전달 매체.
7. 제1항에 있어서,

   상기 입력광은 복수의 파장의 광의 파장 다중광이고, 당해 파장 다중광을 이루는 각각의 파장의 광에 대응된 서로 다른 출력 포트 위치로 분파되도록 상기 굴절률 분포가 결정되어 있는 것을 특징으로 하는 파동 전달 매체.
8. 제1항에 있어서,

   상기 입력광은 복수의 파장의 광의 파장 다중광이고, 당해 파장 다중광을 이루는 각각의 파장의 광이 소망의 비율로 서로 다른 출력 포트 위치로 분파되도록 상기 굴절률 분포가 결정되어 있는 것을 특징으로 하는 파동 전달 매체.
9. 제1항에 있어서,

   상기 입력광은 TE 모드와 TM 모드의 편파(偏波) 다중광이고, 당해 편파 다중광을 이루는 각각의 편파에 대응된 서로 다른 출력 포트 위치로 분파되도록 상기 굴절률 분포가 결정되어 있는 것을 특징으로 하는 파동 전달 매체.
10. 제1항에 있어서,

    상기 입력광은 TE 모드와 TM 모드의 편파(偏波) 다중광이고, 당해 편파 다중광을 이루는 각각의 편파가 소망의 비율로 서로 다른 출력 포트 위치로 분파되도록 상기 굴절률 분포가 결정되어 있는 것을 특징으로 하는 파동 전달 매체.
11. 제1항에 있어서,

    상기 파동 전달 매체를 구성하는 물질은 유전체인 것을 특징으로 하는 파동 전달 매체.
12. 공간적 퍼짐을 갖는 소망의 광 입출력에 대해 전반 방향에 수직인 단면을 고려하고, 광 필드의 단면이 주어져야 할 회로상의 장소를 포트라고 부를 때, 입력측 포트(입력 포트)로부터의 입사광을 소망의 출력측 포트(출력 포트)로 소망의 필드의 단면으로서 출력하는 파동 전달 매체의 제조 방법으로서,

    초기 굴절률 분포를 가정한 상기 파동 전달 매체 내에서, 상기 입사광의 필드 분포 1과 상기 출사광을 상기 출력 포트로부터 가상적으로 역전반시킨 광의 필드 분포 2를 구하는 제1 단계와,

    상기 파동 전달 매체의 각 점에서, 상기 필드 분포 1과 상기 필드 분포 2의 위상차가 적게 되도록, 상기 굴절률 분포를 결정하는 제2 단계와,

    상기 출력 포트 위치에서, 상기 필드 분포 1과 상기 출사광의 필드 분포가 소망의 오차 이하로 될 때까지, 상기 제1 단계와, 상기 제2 단계를 반복하여 상기 굴절률 분포를 축차 근사하는 제3 단계를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 파동 전달 매체의 제조 방법.
13. 제12항에 있어서,

    상기 제2 단계에 있어서의 굴절률 분포의 결정은, 상기 픽셀의 각각의 굴절률을 변수로 하는 최급강하법(steepest descent method)에 의해 실행되는 것을 특징으로 하는 파동 전달 매체의 제조 방법.
14. 제12항에 있어서,

    상기 필드 분포 1 및 상기 필드 분포 2의 각각에는, 상기 파동 전달 매체 내에서의, 상기 입사광 및 역전반광의 각각의 반사광 성분이 넣어져 있는 것을 특징으로 하는 파동 전달 매체의 제조 방법.
15. 제12항에 있어서,

    상기 초기 굴절률 분포로서 랜덤 분포를 가정하는 것을 특징으로 하는 파동 전달 매체의 제조 방법.
16. 제12항에 있어서,

    상기 입력 포트로부터의 입사광은 복수의 파장의 광의 파장 다중광 또는 TE 모드와 TM 모드의 편파 다중광이고,

    상기 굴절률 분포의 축차 근사는, 상기 다중광의 각 파장의 광마다 또는 각 편파마다 정의된 필드 분포 2를 이용하여 순차 실행되고,

    상기 다중광을 이루는 각 파가 소망의 비율로 서로 다른 출력 포트 위치로 분파되도록 상기 굴절률 분포가 결정되어 있는 것을 특징으로 하는 파동 전달 매체의 제조 방법.
17. 공간적 퍼짐을 갖는 소망의 광 입출력에 대해 전반 방향에 수직인 단면을 고려하고, 광 필드의 단면이 주어져야 할 회로상의 장소를 포트라고 부를 때, 입력측 포트(입력 포트)로부터의 입사광을 소망의 출력측 포트(출력 포트)로 소망의 필드의 단면으로서 출력하는 파동 전달 매체의 제조 방법으로서,

    상기 굴절률 분포를 축차 근사하기 위한 제1 루틴과 제2 루틴을 구비하고,

    상기 제1 루틴은,

    초기 굴절률 분포를 가정한 상기 파동 전달 매체 내에서, 상기 입사광의 필드 분포 1과 상기 출사광을 상기 출력 포트로부터 가상적으로 역전반시킨 광의 필드 분포 2를 구하는 제1 단계와,

    상기 파동 전달 매체 내의 위치에서의 상기 필드 분포 2의 위상이 당해 위치에서의 상기 필드 분포 1의 위상과 정합하도록 상기 굴절률 분포를 변경하는 제2 단계와,

    당해 변경 후의 굴절률 분포를 이용하여 상기 위치에서의 필드 분포 2를 다시 구하는 제3 단계와,

    상기 위치를 역전반 방향으로 소정량만큼 이동시켜 새로운 위치로서 다시 정의하는 제4 단계와,

    상기 제1 내지 4 단계를 반복하여 상기 굴절률 분포를 축차 근사하는 제5 단계를 구비하고,

    상기 제2 루틴은,

    상기 제1 루틴에서 결정된 굴절률 분포를 가정한 상기 파동 전달 매체 내에서, 상기 출사광의 필드 분포 1과 상기 출사광을 상기 출력 포트로부터 가상적으로 역전반시킨 광의 필드 분포 2를 구하는 제6 단계와,

    상기 파동 전달 매체 내의 위치에서의 상기 필드 분포 1의 위상이 당해 위치에서의 상기 필드 분포 2의 위상과 정합하도록 상기 굴절률 분포를 변경하는 제7 단계와,

    당해 변경 후의 굴절률 분포를 이용하여 상기 위치에서의 필드 분포 1을 다시 구하는 제8 단계와,

    상기 위치를 순전반 방향으로 소정량만큼 이동시켜 새로운 위치로서 다시 정의하는 제9 단계와,

    상기 제6 내지 9 단계를 반복하여 상기 굴절률 분포를 축차 근사하는 제10 단계를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 파동 전달 매체의 제조 방법.
18. 제17항에 있어서,

    상기 제2 단계에 있어서,

    상기 필드 분포 2로서는, 축차 근사 이전의 굴절률 분포 중에서 상기 출사광을 입사면까지 전반시켰을 때의 필드 분포를 당해 축차 근사 이전의 굴절률 분포 중에서 순전반시켜 얻어진 필드 분포를 이용하고,

    상기 필드 분포 1로서는, 축차 근사 이전의 굴절률 분포 중에서 상기 입사광을 출사면까지 전반시켰을 때의 필드 분포를 당해 축차 근사 이전의 굴절률 분포 중에서 역전반시켜 얻어진 필드 분포를 이용하는 것을 특징으로 하는 파동 전달 매체의 제조 방법.
19. 제17항에 있어서,

    상기 출력 포트 위치에서의 상기 필드 분포 1과 상기 출사광의 필드 분포가 소망의 오차 이하로 될 때까지, 상기 제1 루틴과 상기 제2 루틴을 순차 반복하는 제3 루틴을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 파동 전달 매체의 제조 방법.
20. 제17항에 있어서,

    상기 필드 분포 1 및 상기 필드 분포 2의 각각에는, 상기 파동 전달 매체 내에서의, 상기 입사광 및 역전반광의 각각의 반사광 성분이 넣어져 있는 것을 특징으로 하는 파동 전달 매체의 제조 방법.
21. 제17항에 있어서,

    상기 초기 굴절률 분포로서 랜덤 분포를 가정하는 것을 특징으로 하는 파동 전달 매체의 제조 방법.
22. 제17항에 있어서,

    상기 입력 포트로부터의 입사광은 복수의 파장의 광의 파장 다중광 또는 TE 모드와 TM 모드의 편파 다중광이고,

    상기 굴절률 분포의 축차 근사는, 상기 다중광의 각 파장의 광마다 또는 각 편파마다 정의된 필드 분포 2를 이용하여 순차 실행되고,

    상기 다중광을 이루는 각 파가 소망의 비율로 서로 다른 출력 포트 위치로 분파되도록 상기 굴절률 분포가 결정되어 있는 것을 특징으로 하는 파동 전달 매체의 제조 방법.
23. 파동 전달 매체를 2차원적으로 배치하여 구성되어 있는 도파 회로로서,

    상기 파동 전달 매체는,

    임의의 1개의 포트(입력 포트)로부터 입사된 입력광이 당해 파동 전달 매체 내에서 다중 산란하면서 전반하여, 다른 포트(출력 포트)로부터 출력광으로서 출사되도록 결정된 공간적인 굴절률 분포를 가지고,

    당해 공간적인 굴절률 분포는 메쉬(mesh)에 의해 확정되는 픽셀의 각각이 가지는 굴절률에 의해 결정되고,

    상기 픽셀의 각각이 가지는 굴절률은 상기 입력광의 입력 필드의 순전반과 각각의 상기 출력광의 소망의 출력 필드의 역전반 사이의 위상차가 각각의 상기 픽셀에 있어서 소정 값 이하로 되도록 반복 계산하여 결정되어 있는 것을 특징으로 하는 도파 회로.
24. 제23항에 기재의 도파 회로를 이용하여 다중 모드 간섭 회로가 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 도파 회로.
25. 제23항에 기재의 도파 회로를 이용하여 광 굽힘 회로(optical bending circuit)가 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 도파 회로.
26. 파동 전달 매체를 2차원적으로 배치하여 구성되어 있는 도파 회로를 이용하여 구성된 광 회로로서,

    상기 파동 전달 매체는,

    임의의 1개의 포트(입력 포트)로부터 입사된 입력광이, 당해 파동 전달 매체 내에서 다중 산란하면서 전반하여, 다른 포트(출력 포트)로부터 출력광으로서 출사되도록 결정된 공간적인 굴절률 분포를 가지고,

    당해 공간적인 굴절률 분포는, 메쉬(mesh)에 의해 확정되는 픽셀의 각각이 가지는 굴절률에 의해 결정되고,

    상기 픽셀의 각각이 가지는 굴절률은, 상기 입력광의 입력 필드의 순전반과, 각각의 상기 출력광의 소망의 출력 필드의 역전반 사이의 위상차가 각각의 상기 픽셀에 있어서 소정 값 이하로 되도록 반복 계산하여 결정되고,

    상기 공간적인 굴절률 분포는, 전기광 효과에 근거하는 당해 도파로 회로의 국소적인 굴절률 변화에 의해 실현되는 것을 특징으로 하는 광회로.
27. 기판상에 광의 도파 영역이 설치되어 있는 광 회로로서,

    공간적인 굴절률 분포가 형성된 파동 전달 매체로서, 상기 광의 전반 방향에 수직인 단면에 있어서, 상기 광의 필드의 단면이 주어져야 할 회로 상의 장소를 포트로 하고, 임의의 1개의 포트로부터 입사된 입력광이 상기 파동 전달 매체 내를 다중 산란하면서 전반하여, 다른 포트로부터 출력광으로서 출사되는 파동 전달 매체를 구비하고,

    상기 공간적인 굴절률 분포는 메쉬(mesh)에 의해 확정되는 픽셀의 각각이 가지는 굴절률에 의해 결정되고,

    각각의 상기 픽셀의 굴절률은, 상기 입력광의 입력 필드의 순전반과, 각각의 상기 출력광의 소망의 출력 필드의 역전반 사이의 위상차가 각각의 상기 픽셀에 있어서 소정 값 이하로 되도록 반복 계산하여 결정되어 있는 것을 특징으로 하는 광회로.
28. 제27항에 있어서,

    상기 메쉬는, 주기적인 반복에 의해 상기 도파 영역을 형성하는 단위격자의 구성 요소인 것을 특징으로 하는 광회로.
29. 제28항에 있어서,

    상기 단위격자는, 준주기 구조를 형성하는 형상을 가지는 것인 것을 특징으로 하는 광회로.
30. 제27항에 있어서,

    상기 픽셀이 가지는 굴절률의 값은 2치화 되어 있고, 고굴절률(n_H) 또는 저굴절률(n_L)의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광회로.
31. 제30항에 있어서,

    상기 고굴절률을 가지는 픽셀의 크기는, 상기 도파 영역 내를 전반하는 광의 파장 이하로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 광회로.
32. 제31항에 있어서,

    다음 식으로 주어지는 값이 0.1 이하인 것을 특징으로 하는 광회로.

    

    (λ : 전반광 파장, n : 고굴절률을 가지는 픽셀의 굴절률 값(n_H), a : 고굴절률을 가지는 픽셀의 높이, q : 전반광의 필드 분포의 방사 성분의 평균 거리를 z로 했을 때 q = (z/a)로 주어지는 계수)
33. 제30항에 있어서,

    상기 고굴절률을 가지는 픽셀은 n각형(n은 3이상의 정수)의 다각 형상을 가지고, 당해의 어느 한 변도, 상기 도파 영역을 전반하는 광의 전반 방향과 경사지도록 상기 픽셀이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 광회로.
34. 제33항에 있어서,

    상기 다각 형상은 정방형이고, 상기 경사의 각도는 45도인 것을 특징으로 하는 광회로.
35. 제30항에 있어서,

    상기 고굴절률(n_H)을 가지는 픽셀은, 제1 고굴절률층과 당해 제1 고굴절률층보다도 낮은 굴절률을 가지는 제2 고굴절률층을 순차 적층시킨 도파부를 가지는 한편, 상기 저굴절률(n_L)을 가지는 픽셀은, 상기 제2 고굴절률층으로 이루어지는 도파부를 가지고, 상기 고굴절률(n_H)을 가지는 픽셀의 도파부를 전반하는 광 필드 직경의 중심 위치와 상기 저굴절률(n_L)을 가지는 픽셀의 도파부를 전반하는 광 필드 직경의 중심 위치가, 상기 기판 표면과 평행한 동일 평면상에 있도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 광회로.
36. 제27항에 있어서,

    상기 픽셀의 각각은, 상기 메쉬에 의해 확정되는 영역 이상의 소망의 크기를 가지고, 상기 픽셀의 어느 하나는, 상기 메쉬에 의해 확정되는 격자 위치로부터 벗어난 위치에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 광회로.
37. 제27항에 있어서,

    상기 도파 영역은 유전체 재료로 구성되어 있고, 당해 유전체 재료는 광손실 기능 또는 광증폭 기능을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 광회로.
38. 제37항에 있어서,

    상기 유전체 재료는 광의 파장에 의존하는 복소 굴절률을 가지는 것을 특징으로 하는 광회로.
39. 제27항에 있어서,

    상기 도파 영역은, 적어도, 제1 저굴절률층과 도파부인 고굴절률층과 제2 저굴절률층이 순차 적층된 구조를 가지고, 당해 제1 및 제2 저굴절률층에 의해 상기 고굴절률층 내에 광이 구속되는 것을 특징으로 하는 광회로.
40. 제39항에 있어서,

    상기 고굴절률층의 적어도 한쪽의 표면상에는, 오목부를 설치함으로써 릴리프 형상의 패터닝이 실시되어 있고,

    상기 오목부를 저굴절률부로 하고, 당해 오목부 이외의 부분을 고굴절률부로 함으로써 상기 공간적 굴절률 분포가 주어지고 있는 것을 특징으로 하는 광회로.
41. 제40항에 있어서,

    상기 릴리프 형상의 패터닝이, 상기 고굴절률층의 양면에 실시되어 있는 것을 특징으로 하는 광회로.
42. 제41항에 있어서,

    상기 고굴절률층의 양면에 실시된 릴리프(relief) 형상의 패턴은 서로 다른 패턴인 것을 특징으로 하는 광회로.
43. 제41항에 있어서,

    상기 고굴절률층의 양면에 실시된 릴리프(relief) 형상의 패턴의 상기 오목부의 깊이가 어느 쪽도 동일한 것을 특징으로 하는 광회로.
44. 제39항에 있어서,

    상기 제1 또는 제2 저굴절률층의 적어도 한쪽은, 서로 굴절률이 다른 복수의 층을 적층시켜 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 광회로.
45. 제27항에 있어서,

    상기 픽셀은, 고굴절률(n_H) 또는 저굴절률(n_L)의 어느 하나의 2치화 된 굴절률을 가지는 복수의 서브픽셀(sub-pixel)로 분할되어 있고, 당해 2치화 된 서브픽셀의 배열에 의해 상기 픽셀의 굴절률 분포가 결정되어 있는 것을 특징으로 하는 광회로.
46. 제27항에 있어서,

    상기 픽셀에 있어서, 전반광의 파면 진행 방향으로의 전반 정수(constant)의 공간적 변화 비율로서 굴절률차의 변화의 비율로서 굴절률차를 1파장 이상의 거리를 걸쳐 변화시키는 것을 특징으로 하는 광회로.
47. 제46항에 있어서,

    상기 픽셀 또는 상기 서브픽셀의 상기 기판과 평행한 단면 형상은, 원형인 것을 특징으로 하는 광회로.
48. 제46항에 있어서,

    상기 픽셀 또는 상기 서브픽셀의 상기 기판에 수직인 단면 형상은 매끄럽게 변화하는 곡선을 가지는 형상인 것을 특징으로 하는 광회로.
49. 제27항에 있어서,

    상기 광회로는 3개 이상의 입출력 포트를 구비한 상호 일제 전달·일제 수신 구성의 광회로이고,

    상기 공간적 굴절률 분포는, 상기 입출력 포트로부터 출력되는 신호의 위상이 서로 직교하도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 광회로.
50. 제49항에 있어서,

    상기 광회로의 분기 비율이 비대칭인 것을 특징으로 하는 광회로.
51. 제49항에 있어서,

    상기 광회로에는 증폭 기능이 갖춰져 있는 것을 특징으로 하는 광회로.
52. 제27항에 있어서,

    상기 광회로는 3개 이상의 입출력 포트를 구비한 상호 일제 전달·일제 수신 구성의 광회로이고,

    상기 공간적 굴절률 분포는, 상기 입출력 포트로부터 출력되는 신호의 위상이 서로 직교하지 않는 경우에 출력 신호의 중첩을 최소로 하도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 광회로.
53. 제52항에 있어서,

    상기 광회로의 분기 비율이 비대칭인 것을 특징으로 하는 광회로.
54. 제52항에 있어서,

    상기 광회로에는 증폭 기능이 갖춰져 있는 것을 특징으로 하는 광회로.
55. 제27항에 있어서,

    상기 광회로는 복수의 입력 포트를 가지고, 한편 당해 복수의 입력 포트로부터 입력된 광신호가 동일한 출사면으로부터 출력되도록 구성되어 있고,

    상기 공간적 굴절률 분포는, 상기 복수의 입력 포트로부터 출력되는 각각의 신호광의 서로의 위상을 조정하여 서로 중합시키고, 출력되는 광 필드 형상을 정형하도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 광회로.
56. 제55항에 기재의 광회로를 어레이 도파로 격자 회로의 입력측 슬랩에 배치한 광 회로로서,

    상기 복수의 입력 포트의 상호간의 위상차는 상기 광회로의 광도파로의 회로 길이로 주어져 있고,

    상기 광도파로의 회로 길이로 주어지는 위상차의 반복 주기(free spectrum range)는 상기 어레이 도파로 격자 회로의 출력의 파장 간격과 일치하고 있고, 상기 어레이 도파로 격자 회로의 파장 분산 특성을 상기 출력의 파장 간격으로 주기적으로 캔슬하도록, 상기 광회로로부터의 출력의 필드 중심 위치가 주기적으로 변동하는 것을 특징으로 하는 광회로.
57. 제27항에 있어서,

    상기 공간적 굴절률 분포는, 출력광의 스폿 크기 변환을 가능하게 하는 필드 형상과 위상 분포를 실현하도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 광회로.
58. 평면 기판상에, 입력 도파로와, 제1 슬랩 도파로와, 어레이 도파로와, 제2 슬랩 도파로와, 출력 도파로가 순차 접속된 어레이 도파로 격자형 광 합분파 회로로서,

    상기 입력 도파로와 상기 제1 슬랩 도파로의 접속 영역에 공간적인 굴절률 분포가 형성된 파동 전달 매체로서,

    상기 입력 도파로로부터 입사된 입력광이 상기 파동 전달 매체 내를 다중 산란하면서 전반하여, 상기 제1 슬랩 도파로에 출력광으로서 출사되는 파동 전달 매체를 구비하고,

    상기 공간적인 굴절률 분포는 메쉬(mesh)에 의해 확정되는 픽셀의 각각이 가지는 굴절률에 의해 결정되고,

    각각의 상기 픽셀의 굴절률은 상기 입력광의 입력 필드의 순전반과, 각각의 상기 출력광의 소망의 출력 필드의 역전반 사이의 위상차가 각각의 상기 픽셀에 있어서 소정 값 이하로 되도록 반복 계산하여 결정되어 있는 것을 특징으로 하는 어레이 도파로 격자형 광 합분파 회로.
59. 제58항에 있어서,

    상기 출력광의 출력 필드는 광 필드 분포의 등위상면에 왜곡이 없고, 한편 진폭에 더블피크(double peak)를 가지는 것을 특징으로 하는 어레이 도파로 격자형 광 합분파 회로.
60. 제58항에 있어서,

    상기 파동 전달 매체 내의 상기 픽셀의 패턴은, 상기 입력 도파로의 광의 전반 방향으로 성장하는 직선에 대해서 대체로 선대칭인 것을 특징으로 하는 어레이 도파로 격자형 광 합분파 회로.
61. 제58항에 있어서,

    상기 픽셀의 길이는 0.2㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 어레이 도파로 격자형 광 합분파 회로.
62. 제58항에 있어서,

    상기 평면 기판은 실리콘 기판이고, 상기 도파로는 석영계 글래스(glass) 광도파로인 것을 특징으로 하는 어레이 도파로 격자형 광 합분파 회로.

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