(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面基板と、該平面基板の端面に設けられた第二のポートから上記平面基板の内側に向かって形成された第一の単一モード直線導波路と、一端が第一の単一モード直線導波路の他端に滑らかに接続された単一モード円弧状曲線導波路と、一端が該単一モード円弧状曲線導波路の他端に滑らかに接続され、他端が上記平面基板の端面に設けられた第一のポートに向かって形成された第二の単一モード直線導波路と、一端が上記単一モード円弧状曲線導波路の途中で上記単一モード円弧状曲線導波路の中心線の接線方向に滑らかに分岐接続された単一モード分岐直線導波路と、一端が該単一モード分岐直線導波路の他端と滑らかに接続された単一モード曲線導波路と、一端が該単一モード曲線導波路の他端から上記平面基板の端面に設けられた第三のポートに向かって形成された第三の単一モード直線導波路とを備え、上記単一モード円弧状曲線導波路の分岐側の導波路が、中心線から上記単一モード分岐直線導波路側の幅を上記単一モード円弧状曲線導波路と上記単一モード分岐直線導波路とが分岐接続される分岐接続部に向かって徐々に狭くしたテーパ導波路と、該テーパ導波路に滑らかに接続された単一モード曲線導波路とで構成され、上記単一モード分岐直線導波路が、中心線から上記単一モード円弧状曲線導波路の分岐側の導波路側の幅を上記分岐接続部に向かって徐々に広くしたテーパ導波路と、該テーパ導波路に滑らかに接続された直線導波路とで構成されたことを特徴とする導波路型光サーキュレータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、導波路型光サーキュレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
通信、計測、情報処理の分野において、光をより高度に利用するため、種々の機能を有する集積化光部品の研究が活発に行われている。特に、これら光部品の中で、光サーキュレータは、波長多重通信のキーデバイスとして注目されている。光サーキュレータは、従来の合波、分波方式を用いずに単一波長、単一ファイバで双方向同時伝送を可能とするデバイスである。
【０００３】
図３は従来の光サーキュレータを示す概念図である。
【０００４】
同図において、垂直な偏波を有する光がポートＰ１に入射すると、グランテーラープリズムからなる偏光子８をそのまま透過して、鉛ガラス、ＹＩＧ等からなる回転角が４５°のファラデー回転子９に入射する。このファラデー回転子９に入射した光の偏波面は４５°だけ回転する。ファラデー回転子９の出射側には４５°だけ傾斜した偏光子（グランテーラープリズム）１０が配置され、ファラデー回転子９によって偏波面が４５°回転した垂直偏波光はそのまま通過してポートＰ２から出射される。
【０００５】
これに対して偏波面が４５°傾斜した光がポートＰ２に逆方向に入射する場合には、偏光子１０はそのまま通過するが、ファラデー回転子９によって偏波面は４５°だけ偏光子８と垂直方向（図中で水平）になるような向きに回転され、ポートＰ３から出射される。すなわち、ポートＰ１から入射する順方向の光は、ポートＰ２から出射され、ポートＰ２に入射する逆方向の光はポートＰ１とは異なるポートＰ３から出射されるため、光の双方向伝送が実現する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図３に示した従来例は、優れたアイソレータ特性が得られるものの、製作時にそれぞれの構成部品を高精度に配列・調整する必要があり、実装に要するコストが高いという問題がある。さらに、性能が入力光の偏波方向に強く依存し、所望の性能を発揮させるためには、レーザ光の偏波光軸に対し、正しく配列されていなければならず、安定した性能のものを量産するのが難しいという本質的な問題がある。また、ファラデー回転子は結晶材料を用いているので、波長と温度による変動特性が大きいという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、簡単な構成で偏波依存性、波長や温度による特性変動の少ない導波路型光サーキュレータを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の導波路型光サーキュレータは、平面基板と、平面基板の端面に設けられた第二のポートから平面基板の内側に向かって形成された第一の単一モード直線導波路と、一端が第一の単一モード直線導波路の他端に滑らかに接続された単一モード円弧状曲線導波路と、一端が単一モード円弧状曲線導波路の他端に滑らかに接続され、他端が平面基板の端面に設けられた第一のポートに向かって形成された第二の単一モード直線導波路と、一端が単一モード円弧状曲線導波路の途中で単一モード円弧状曲線導波路の中心線の接線方向に滑らかに分岐接続された単一モード分岐直線導波路と、一端が単一モード分岐直線導波路の他端と滑らかに接続された単一モード曲線導波路と、一端が単一モード曲線導波路の他端から平面基板の端面に設けられた第三のポートに向かって形成された第三の単一モード直線導波路とを備え、上記単一モード円弧状曲線導波路の分岐側の導波路が、中心線から上記単一モード分岐直線導波路側の幅を上記単一モード円弧状曲線導波路と上記単一モード分岐直線導波路とが分岐接続される分岐接続部に向かって徐々に狭くしたテーパ導波路と、該テーパ導波路に滑らかに接続された単一モード曲線導波路とで構成され、上記単一モード分岐直線導波路が、中心線から上記単一モード円弧状曲線導波路の分岐側の導波路側の幅を上記分岐接続部に向かって徐々に広くしたテーパ導波路と、該テーパ導波路に滑らかに接続された直線導波路とで構成されたものである。
【００１０】
本発明によれば、同一平面基板上に直線導波路と曲線導波路とで光サーキュレータの機能を有する回路を一度で形成することにより、個別部品を配列したり、調整したりすることが不要となるので、実装に要するコストを大幅に削減できる。また、導波路の材料として、温度安定性が高く、異方性の無い石英系ガラスを用いれば、温度による特性変動が無く、偏光状態に関わりなく動作する光サーキュレータを実現することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１２】
図1（ａ）、（ｂ）は導波路型光サーキュレータの実施の形態を示す平面図である
【００１３】
この導波路型光サーキュレータは、平面基板１と、平面基板１上に第二のポートＰ２から内側に向かって形成された第一の単一モード直線導波路（以下「直線導波路」という）２−１と、一端が直線導波路２−１の他端に滑らかに接続された単一モード円弧状曲線導波路（以下「曲線導波路」という）３−１と、一端が曲線導波路３−１の他端に滑らかに接続され他端が第一のポートＰ１に向かって形成された第二の単一モード直線導波路（以下「直線導波路」という）２−２と、一端が曲線導波路３−１の途中で曲線導波路３−１の中心線の接線方向に滑らかに分岐接続する単一モード分岐直線導波路（以下「直線導波路」という）４と、一端が直線導波路４の他端と滑らかに接続された単一モード曲線導波路（以下「曲線導波路」という）３−２と、一端が曲線導波路３−２の他端から第三のポートＰ３に向かって形成された第三の単一モード直線導波路（以下「直線導波路」という）２−３とで構成されている。
【００１４】
５−１は図示しない伝送路からポートＰ１に入射した光のモード分布、５−２は曲線導波路３−１中を伝搬する順方向光のモード分布、５−３は分岐部分を通過する光のモード分布、５−４〜５−６は曲線導波路３−２、３−２を伝搬する光のモード分布、５−７は直線導波路２−１中を伝搬する光のモード分布をそれぞれ示す。
【００１５】
６−１は図示しない伝送路からポートＰ２に入射した光のモード分布、６−２、６−３は曲線導波路３−１中を伝搬する順方向光のモード分布、６−４は分岐部分を通過した後の光のモード分布、６−５は分岐直線導波路４を通過する光のモード分布、６−６、６−７は曲線導波路３−２中を伝搬する光のモード分布、６−８は直線導波路２−３中を伝搬する光のモード分布をそれぞれ示す。
【００１６】
ここで、導波路３−１、３−２、４は屈折率の高いコアと、このコアを覆う低屈折率のクラッド層とで光回路が構成されており、伝搬する光が単一モードとなるようにそれぞれの屈折率及びサイズが選択されている。
【００１７】
図１（ａ）には伝送路からポートＰ１に入射した光が光回路中を順方向に伝搬する場合のモード分布が示されており、図１（ｂ）には伝送路からポートＰ２に入射した光が光回路中を逆に伝搬する場合のモード分布が示されている。
【００１８】
図１（ａ）において、伝送路からポートＰ１に入射した光が図の光回路中を順方向に伝搬する場合について説明する。
【００１９】
光は、直線導波路２−２を通って曲線導波路３−１に伝搬する。このとき直線導波路２−２内の光のモード分布は５−１のように左右対称となっている。曲線導波路３−１内に伝搬した光のモード分布は、半径方向の光の速度差によって曲線半径方向の外側へ徐々に移動し、モード分布５−２、５−３となる。続いてこのモード分布５−３を有する光が直線導波路４との分岐部分を通過する。このとき順方向に伝搬する光のモード分布５−３は分岐部分で広がるものの損失を受けることなく分岐部分を通過し、モード分布５−４となる。さらにモード分布５−４の光は曲線導波路３−１を伝搬してモード分布５−５、５−６の光となり、直線導波路２−１でもとの左右対称のモード分布５−７の光となってポートＰ２から出射される。
【００２０】
次に図１（ｂ）により、伝送路からポートＰ２に入射した光が光回路中を逆方向に伝搬する場合について説明する。
【００２１】
光は直線導波路２−１から曲線導波路３−１に伝搬する。このとき直線導波路２−１内の光のモード分布は６−１のように左右対称となっている。また、曲線導波路３−１内を伝搬する光のモード分布は、図１（ａ）の場合と同様、曲線半径方向の外側へ徐々に移動し、モード分布６−２となる。
【００２２】
続いてこのモード分布６−２を有する光が直線導波路４内を伝搬する。このとき、モード分布６−３の光は直線導波路４方向に大きく偏っているため、スムーズに直線導波路４へと伝搬し、モード分布６−５〜６−７の光が曲線導波路３−２を伝搬し、直線導波路２−３で左右対称のモード分布６−８の光となりポートＰ３から出射される。
【００２３】
以上においてポートＰ１に入射した光はポートＰ２から出射され、ポートＰ２に入射した光はポートＰ３から出射される。この導波路型光サーキュレータは、同一平面基板１上に直線導波路２−１、２−２、２−３、４と曲線導波路３−１、３−２とで光サーキュレータの機能を有する回路を一度で形成することができる。この結果、個別部品を配列したり、調整したりする必要がなくなり、実装に要するコストを大幅に削減することができる。
【００２４】
さらに、導波路の材料として温度安定性が高く異方性の無い石英系ガラスを用いれば温度による特性変動が無く、偏光状態に関わり無く動作する光サーキュレータを実現することができる。
【００２５】
図２（ａ）、（ｂ）は本発明の導波路型光サーキュレータの実施の形態を示す平面図である。
【００２６】
図１（ａ）、（ｂ）に示した実施の形態との相違点は、曲線導波路３−１の分岐側の導波路が、中心線から単一モード分岐直線導波路４側の幅を曲線導波路３−１と直線導波路４とが分岐接続される分岐接続部に向かって徐々に狭くしたテーパ導波路７−１と、テーパ導波路７−１に滑らかに接続された単一モード曲線導波路（以下「曲線導波路」という）３−３とで構成され、単一モード分岐直線導波路が、中心線から曲線導波路３−１の分岐側の導波路側の幅を上記分岐接続部に向かって徐々に広くしたテーパ導波路７−２と、テーパ導波路７−２に滑らかに接続された直線導波路４−１とで構成された点である。
【００２７】
図１（ａ）、（ｂ）に示した導波路型光サーキュレータと同様に、図２（ａ）は、伝送路からポートＰ１に入射した光が光回路中を順方向に伝搬する場合のモード分布を示し、図２（ｂ）は伝送路からポートＰ２に入射した光が光回路中を逆方向に伝搬する場合のモード分布を示している。
【００２８】
図２（ａ）を参照して、伝送路からポートＰ１に入射した光が光回路中を順方向に伝搬する場合について説明する。
【００２９】
光は直線導波路２−２、テーパ導波路７−１を通って曲線導波路３−１内を伝搬する。このとき、直線導波路２−２内の光のモード分布１２−１は図１に示した導波路型光サーキュレータと同様に左右対称となっている。曲線導波路３−３内に伝搬した光のモード分布１２−２は、半径方向の光の速度差によって、曲線半径方向の外側へ徐々に移動する。しかし、この光のモード分布１２−２は、滑らかに接続されたテーパ導波路７−１を伝搬する間に、テーパ導波路７−１のテーパ形状にしたがって曲線導波路３−１の中心方向へシフトするため、分岐部分を効率よく通過することができる。分岐部を通過した光のモード分布１２−３は、曲線導波路３−１を伝搬してモード分布１２−５となり、直線導波路２−１では左右対称のモード分布１２−６となり、ポートＰ２から出射する。
【００３０】
次に、図２（ｂ）を参照して伝送路からポートＰ２に入射した光が光回路中を逆方向に伝搬する場合について説明する。
【００３１】
左右対称のモード分布１３−１を有する光は、曲線導波路３−１内で曲率半径方向の外側へ徐々にシフトする。このときのモード分布１３−２の光は、モード分布６−３（図１（ｂ））のようにテーパ導波路７−２方向に大きく偏っている。テーパ導波路７−２は分岐部でその幅が広がっているため、光はよりスムーズに直線導波路４−１へ伝搬することができる。直線導波路４−１内を伝搬したモード分布１３−４の光は曲線導波路３−２内でモード分布１３−５の光となり、直線導波路２−３内で左右対称のモード分布１３−６の光となり、ポートＰ３から出射する。
【００３２】
すなわち、図１（ａ）、（ｂ）に示した実施の形態よりもさらに低損失でアイソレーションの高い導波路型光サーキュレータが得られる。
【００３３】
【実施例】
次に具体的な数値を挙げて説明するが、限定されるものではない。
【００３４】
基板として石英ガラス基板（屈折率１．４５７５ａｔ６３３ｎｍ）を用い、基板上にスパッタリング法によりＳｉＯ2 −ＧｅＯ2 組成のコア膜（屈折率１．４６９７ａｔ６３３ｎｍ）を厚さ６μｍに形成し、このコア膜をフォトリソグラフィ及び反応性イオンエッチング法により高さ６μｍの矩形状コアに加工した。矩形状コアを覆うように火炎堆積法を利用してクラッド層（屈折率１．４５７５ａｔ６３３ｎｍ）を形成して本発明の導波路型光サーキュレータを１５×２０×１ｍｍのサイズに形成した。
【００３５】
ここで、使用する光の波長は１５５０ｎｍとし、コア及びクラッドの屈折率並びにサイズはこの波長で単一モード条件を満たすように設計した。また、曲線導波路の曲率半径Ｒは５ｍｍとした。
【００３６】
試作した回路を評価した結果、図１（ａ）、（ｂ）に示した実施の形態では、ポートＰ１からポートＰ２への順方向光の挿入損失及びポートＰ２からポートＰ３への逆方向の挿入損失は、共に１．２〜１．５ｄＢと低損失であった。また、ポートＰ１からポートＰ３及びポートＰ２からポートＰ１へのアイソレーションは、それぞれ５０ｄＢ、３２ｄＢと高い値が得られた。
【００３７】
さらに、図２（ａ）、（ｂ）に示した実施の形態では、ポートＰ１からポートＰ２への順方向光の挿入損失及びポートＰ２からポートＰ３への逆方向光の挿入損失は、共に０．８〜１．２ｄＢと、より低損失であり、ポートＰ１からポートＰ３及びポートＰ２からポートＰ１へのアイソレーションは、それぞれ５０ｄＢ、３８ｄＢと、より高い値が得られた。なお、これらの特性は、温度に対して安定であり、光の偏光方向に依存しなかった。
【００３８】
上述の基板材料、コア材料、クラッド材料及び各膜の形成方法は本実施例に限定されるものではない。
【００３９】
以上において本発明によれば、優れたアイソレーション特性が得られると共に、活性な非可逆媒体を必要とせず、構成部品を高精度に配列、調整を必要としないため、実装に要するコストがほとんど不要となり、素子全体の価格も大幅に低減できる。また、本構造の導波路型光サーキュレータはその性能が入力光の偏波方向に依存しないため、所望の性能を発揮しやすく安定した性能のものを量産するのが容易である。
【００４０】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
【００４１】
簡単な構成で偏波依存性、波長や温度による特性変動の少ない導波路型光サーキュレータの提供を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  （ａ）、（ｂ）は導波路型光サーキュレータの実施の形態を示す平面図である。
【図２】  （ａ）、（ｂ）は本発明の導波路型光サーキュレータの実施の形態を示す平面図である。
【図３】従来の光サーキュレータを示す概念図である。
【符号の説明】
１  平面基板
２−１  第一の単一モード直線導波路（直線導波路）
２−２  第二の単一モード直線導波路（直線導波路）
２−３  第三の単一モード直線導波路（直線導波路）
３−１  単一モード円弧状曲線導波路（曲線導波路）
３−２  単一モード曲線導波路（曲線導波路）
４  単一モード分岐直線導波路（直線導波路）
【図１】
0003690146.tif 000002
【図２】
0003690146.tif 000003
【図３】
0003690146.tif 000004