(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光入力端面から入力された入力光を光出力端面に出力する入力光導波路と、
前記入力光導波路の前記光出力端面に対して光入力端面がずれて接続されるテーパ光導波路と、
所定の分岐角度で前記テーパ光導波路の光出力端面に接続された分岐光導波路と
を有することを特徴とする光分岐回路。
【請求項２】
請求項１記載の光分岐回路において、
前記テーパ光導波路は、前記入力光導波路の中心軸に直交する方向に、前記入力光導波路を基準として所定のオフセット量だけずれて配置されていること
を特徴とする光分岐回路。
【請求項３】
請求項２記載の光分岐回路において、
前記所定のオフセット量は、前記入力光の波長に基づいて前記分岐光導波路からの出力パワーの差が最小となるように決定されること
を特徴とする光分岐回路。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光分岐回路をカスケード接続により複数備えていることを特徴とする光分岐装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路回路又は光分岐回路の光出力端面に接続されて入力光を分岐する光分岐回路及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な光分岐回路は、入力光導波路と、光の分布を断熱的に変化させるテーパ状に形成された遷移領域（テーパ光導波路）と、各分岐光導波路とから構成されている。
【０００３】
光分岐回路は、各分岐光導波路へ伝搬する光パワーが所望の値（分岐比）となるように設計されるが、実際に作製された光分岐回路の分岐比の測定値は計算された分岐比としばしば異なる値となる。例えば、各分岐光導波路へ伝搬する光パワーは、テーパ光導波路と各分岐光導波路との境界両側での光電界分布の重なり具合により決まる。
【０００４】
２つの分岐光導波路がテーパ光導波路の光出力端面の幅の中心に対して対称に配置されている場合において１対１の分岐比を得るには、上記境界でのテーパ光導波路側の光電界分布がテーパ光導波路の光出力端面の幅の中心に対して対称になる必要がある。一方、分岐比を異ならせて２つの分岐光導波路に大きさの異なる光パワーを配分するには、特開平９−８０２４４号公報に開示されているように、分岐光導波路の組をテーパ光導波路との境界でテーパ光導波路の光出力端面に平行な方向にオフセットさせる（ずらす）ことによって可能となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、実際の光分岐回路では、形状が同一であっても分岐特性にばらつきが生じてしまうという問題があった。これは光分岐回路前段に別の光回路が接続されている場合に顕著である。例えば前段が光ファイバ接続回路である場合、モード不整合などによって導波路に結合しない光が入力光導波路に沿って光分岐回路に混入し、設計とは異なる特性を生じさせる場合がある。また前段にも光分岐回路が接続されている場合、分岐部分で生じる導波路に結合しない光が、後段の入力光導波路に沿って後段の光分岐回路に混入し、設計で予想し得ない同様な特性ばらつきを引き起こすという問題があった。
【０００６】
本発明の目的は、分岐比ばらつきの少ない光分岐回路及び装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、光入力端面から入力された入力光を光出力端面に出力する入力光導波路と、前記光出力端面で前記入力光導波路に対してずれて配置されるテーパ光導波路と、所定の分岐角度で前記テーパ光導波路の光出力端面に接続された分岐光導波路とを有することを特徴とする光分岐回路によって達成される。
【０００８】
上記本発明の光分岐回路において、前記テーパ光導波路は、前記入力光導波路の中心軸に直交する方向に、前記入力光導波路を基準として所定のオフセット量だけずれて配置されていることを特徴とする。
【０００９】
上記本発明の光分岐回路において、前記所定のオフセット量は、前記入力光の波長に基づいて決定されることを特徴とする。
【００１０】
上記目的は、上基本発明の光分岐回路をカスケード接続により複数備えていることを特徴とする光分岐装置によって達成される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態による光分岐回路及び装置について図１乃至図４を用いて説明する。まず、本実施の形態による光分岐回路及び装置の概略の構成を図１を用いて説明する。図１は、光分岐回路が形成された石英ガラス基板１を基板面法線方向に見た状態を示している。図１に示す光分岐回路及び装置は、石英ガラス基板１上に形成された屈折率ｎ0のクラッド層２を有している。クラッド層２内にはクラッド層２の屈折率ｎ0より大きい屈折率ｎ1のコア３が埋め込まれている。
【００１２】
コア３は、直線状の入力光導波路４、光の分布を断熱的に変化させる遷移領域であるテーパ光導波路５、及び各分岐光導波路６、７から構成される。コア３は確実にクラッド層２で埋め込まれている。
【００１３】
光導波路長Ｌ、幅ａ1で直線状に延びる入力光導波路４は、光入力端面Ｓ1が不図示の光ファイバの光射出端面に接続され、光出力端面Ｓ2がテーパ光導波路５の光入力端面に接続されている。テーパ光導波路５は、分岐比ばらつきを抑制するために、入力光導波路４の光出力端面Ｓ2で入力光導波路４に対してずれて配置されている。本実施形態では、石英ガラス基板１の基板面に平行な面内で、入力光導波路４の中心軸に直交する方向に、入力光導波路４を基準として図左方向にオフセット量Ｄだけテーパ光導波路５がずれて配置されている。
【００１４】
テーパ光導波路５は光出力端面に向かって例えば所定角度で直線状に側壁が拡がるテーパ部を有している。テーパ光導波路５の光出力端面の幅Ｗｅは光入力端面の幅ａ1より広く、また、テーパ光導波路５の長さＬｅは、幅ａ1、幅Ｗｅ、及び分岐角度αに基づいて規定される。
【００１５】
分岐光導波路６、７は、テーパ光導波路５の光出力端面中央の両側に分岐角度αで対称に配置されている。テーパ光導波路５の光出力端面での両分岐光導波路６、７間には、所定の間隙幅Ｗｇが形成されている。分岐光導波路６、７は同じ幅ａ2を有している。
【００１６】
次に、本実施の形態による光分岐回路及び装置の製造方法について簡単に説明する。例えば石英系ガラス導波路の場合、石英ガラス基板１上に下部クラッド層を成膜する。次いで、コア形成材料を成膜してパターニングし、コア３を形成する。次いで、上部クラッド層を成膜してコア３をクラッド形成材料で完全に埋め込んでからアニール処理を経て光分岐回路及び装置が完成する。クラッド層２やコア形成材料の成膜方法は、火炎堆積法、スパッタリング、蒸着、各種ＣＶＤ法、あるいはゾルゲル法等を用いることができる。また、屈折率と膜応力の調整のために、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｐ（リン）、Ｂ（硼素）、Ｔｉ（チタン）、Ｆ（フッ素）などを適時添加してももちろんよい。また、石英ガラス基板に代えてＳｉ（シリコン）基板を用いることもできる。なお、本実施の形態による光分岐回路の構造は、ニオブ酸リチウムなどの光学結晶やガラス基板へのイオン拡散導波路、リブ導波路、半導体基板上に形成された導波路等に適用することも可能である。
【００１７】
次に、入力光導波路４とテーパ光導波路５とのオフセット量Ｄを最適化して分岐比ばらつきの少ない光分岐回路を得る方法について説明する。
一般に光導波路伝搬特性の計算はＢＰＭ（ビーム伝搬法）と呼ばれる手法によってなされる。ＢＰＭでは、伝搬に伴って変化していく光電界の複素振幅（振幅と位相）は、光の伝搬方向に沿って離散化された座標において、複素振幅を求める位置の一つ手前の位置での複素振幅及び屈折率の分布を、近似されたヘルムホルツ方程式に代入することで求められる。
【００１８】
ところで、従来の光分岐回路の設計においては入力光導波路を伝搬してくる光としては純粋に伝搬モードのみを考えてきた。すなわち入力光導波路中の光の界分布は導波路に沿っては一定で、導波路の軸に対して対称であるとの暗黙の前提があった。
【００１９】
しかしながら、本願発明者は、先の出願（２００２年４月１日出願の特願２００２−０９８２６６号）において、入力光導波路の前段の光回路によって生じた漏れモードが入力光導波路に沿って伝搬して伝搬モードと干渉し、それにより生じた“うなり”が、実測の分岐比と計算による分岐比の相違の原因であることを見出した。
【００２０】
さらに、光分岐回路のように直線状に延びる入力光導波路４の光出力端面Ｓ2にテーパ光導波路５が配置されていると、光の再結合や干渉によって分岐特性が著しい影響を受ける場合がある。ＢＰＭによる分岐特性の計算結果と実際の測定値とが食い違うのはこのためであり、分岐特性を設計値と一致させ十分な作製再現性を得るためには、適切な手法で漏れ光の影響を除去する必要がある。
【００２１】
漏れ光の影響による一例を図２に示す。図２において、横軸は入力光導波路４の光入力端面Ｓ1からの距離（ｍｍ）を表し、縦軸は、導波光の蛇行幅（μｍ）を表している。図２は、単純な直線状の入力光導波路４に対し、図左端の光入力端面Ｓ1での入力励振条件として故意に大きな漏れモード（すなわち結合損失）を発生させるようにし、伝搬方向に沿った光電界強度分布をＢＰＭによって計算した結果を示している。光電界分布は光導波路方向に沿って蛇行していることがわかる。光強度の光導波路方向に沿った蛇行は、漏れモードと伝搬モードの干渉によるものであり、これが光分岐回路での分岐特性を悪化させる本質的な原因となっている。
【００２２】
一般にモード間の干渉は、文献１：「Ｌ  Ｂ  Ｓｏｌｄａｎｏ，“Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｍｕｌｔｉ−ｍｏｄｅ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ  ｄｅｖｉｃｅｓ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｓｅｌｆ−ｉｍａｇｉｎｇ，”Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈ．，  Ｖｏｌ．１３，Ｎｏ．４，１９９５」に記載されているように、個々のモードが共存伝搬していく状態であり、このモード干渉が存在すると、各々の伝搬定数が微妙に異なることにより、伝搬する光の電界振幅に“うなり”が生じる。この“うなり”が図２に示すような蛇行現象として現れる。したがって、入力光導波路４の光出力端面Ｓ2にテーパ光導波路５の光入力端面が接続される光分岐回路では、直線状の入力光導波路４の光導波路長Ｌに依存して、本来光導波路の中心軸に対して対称であるべき電界分布がテーパ光導波路５の光入力端面で非対称になる場合が生じ、これにより分岐比が悪化する。
【００２３】
上記分岐比の悪化に関する文献として、肥田らによる「“石英系Ｙ分岐光導波路の縦列配置特性”，応用物理学会学術講演会予稿集，１０ｐ−ＺＮ−１６，１９９１」（文献２）がある。文献２では、分岐部によって生じた漏れ光が導波路に沿って蛇行しつつ伝搬し分岐特性を悪化させることが開示されている。
【００２４】
特開平６−６７０４７号公報には、放射モードの光を十分に放射させるように、直線状の合波光導波路に代えて所定の曲率半径を有する曲線状合波光導波路を用いて分岐比ばらつきを抑えることが開示されている。
【００２５】
また、特開平９−３３７４０号公報には入力光導波路の中心軸と両分岐光導波路の中心軸をずらした構成により分岐比ばらつきを抑えた光タップが開示されている。しかしながら、図１に示す本実施の形態による光分岐回路のような、テーパ光導波路５が入力光導波路４の光出力端面Ｓ2で入力光導波路４に対してずれて配置されている構成は開示していない。
【００２６】
本実施の形態による光分岐回路では、テーパ光導波路５を入力光導波路４の光出力端面Ｓ2で入力光導波路４に対してずらして配置することにより、テーパ光導波路５に入射する光の界分布を変化させて分岐比ばらつきを減少させるようにしている。本実施の形態によれば、設計値と実際の特性の差が少ない光分岐回路を得ることが可能になる。なお、オフセット量Ｄの大きさは、光分岐回路の入力光導波路４に入力する入力光の波長毎に所望の分岐特性を実現するために、波長毎に決めることが可能である。このように、本実施の形態によれば、分岐比ばらつきの少ない良好な光分岐回路を得ることができる。
【００２７】
（実施例）
次に、具体的実施例により説明する。まず、コアとクラッドの比屈折率差ΔｎをΔｎ＝０．４％とした。光分岐回路の構成としては、入射光導波路４の幅ａ1＝７μｍであり、テーパ光導波路５の長さＬｅ＝１８０μｍ、端面の幅Ｗｅ＝１５μｍである。間隙幅Ｗｇ＝１μｍ、分岐光導波路６、７の幅ａ2＝７μｍであり、分岐角度α＝０．４°とした。
【００２８】
入出力ポート間の損失（光出力パワー／入力光パワー）の計算をＢＰＭ（ビーム伝搬法）で行った。漏れ光の影響を計算するために初期励振光分布はガウス形状とし、光導波路中心軸に対してオフセットを与えて、意図的にモード不整合損を発生させた。分岐特性は両分岐光導波路からの出力光パワーの差をユニフォーミティとして、図１中のオフセット量Ｄの大きさを変えた場合のこの変化を見た。
【００２９】
図３は、オフセット量Ｄの大きさと分岐比特性の関係を示している。図３において、横軸はオフセット量Ｄの大きさ（μｍ）を表し、縦軸は、ユニフォーミティ（ｄＢ）を表している。図３に示すように、光分岐回路のユニフォーミティは、例えば入力光の波長λ＝１．５５μｍの場合（図３中、計測点を◆印で示した曲線を参照）、オフセット量Ｄ＝０で最小とはならず０．３μｍ近傍で最小となる。これは上述のように漏れモードと伝搬モードの干渉による“うなり“で光界分布の蛇行が発生し、これによりテーパ光導波路５の光入力端面において励振される光界分布が非対称となっているためである。
【００３０】
同様に、入力光の波長λ＝１．３１μｍの場合（図３中、計測点を■印で示した曲線を参照）も、光分岐回路のユニフォーミティはオフセット量Ｄ＝０で最小とはならず０．５μｍ近傍で最小となる。また、入力光の波長λ＝１．５０μｍの場合（図３中、計測点を▲印で示した曲線を参照）も、光分岐回路のユニフォーミティはオフセット量Ｄ＝０で最小とはならず−０．１μｍ近傍で最小となる。なお、オフセット量Ｄの負号（−）は、符号なしの場合の反対方向にずらすことを意味している。
【００３１】
このように、光分岐回路のユニフォーミティが最小となるオフセット量Ｄが導波光（入力光）の波長に依存して異なるのは、上記の蛇行周期が波長依存性を持つためであり、この関係を用いると、目的とする波長に対して最適なオフセット量Ｄを求めることができる。
【００３２】
本発明は、上記実施の形態に限らず種々の変形が可能である。
例えば、上記実施の形態では、テーパ光導波路５は光出力端面に向かって所定角度で直線状に側壁が拡がるテーパ部を有しているが、本発明はこれに限られない。図４は、テーパ部の形状が異なる光分岐回路の変形例を示している。図４（ａ）は、光出力端面側の光導波路の両側壁が平行になっているテーパ部を例示し、図４（ｂ）は、テーパ部の一側壁と入力光導波路の一側壁とが一直線状に形成されている構造を示している。また、図４（ｃ）は、図４（ａ）に示すテーパ部の光入力端面と光出力端面の位置が図上下方向にずれている構造を例示している。要するにテーパ光導波路５が入力光導波路４と分岐光導波路６、７の間にあってモード界分布変換の機能を有する構造であれば、本発明はテーパ光導波路５の形状に依存せずに適用することができる。テーパの稜線が曲線を含む形状となっていても同様である。なお、上記実施の形態では分岐光導波路６、７とテーパ光導波路５の間は直接接続されているが、光分岐回路の作製時の狭ギャップ埋め込み特性を改善するために、分岐光導波路６、７とテーパ光導波路５との間にスリットを設け、当該スリットをクラッド層で埋め込むようにしてももちろんよい。
【００３３】
また入力光導波路４とテーパ光導波路５との境界が不明確である場合、導波路の伝搬モードが光の伝搬方向に沿って一定である領域を入力光導波路４と規定する限り、入力光導波路４の光出力端の側壁面が曲線状であってもよい。また上記境界領域が直線状でなく、製造プロセス上の制約から滑らかな稜線状に接続されるような場合にも本発明は十分適用可能である。
さらに、上記実施の形態では、直線状に延びる入力光導波路４を用いているが、本発明はこれに限らない。例えば、所定の曲率半径を有して曲線状に延びる入力光導波路を用いることも可能である。
【００３４】
図５は、上記実施の形態による光分岐回路を複数用いて構成された光パワースプリッタ（光分岐装置）を示している。図５に示すように、光分岐回路１０ａの入力光導波路は不図示の光ファイバの光出力端面に接続されている。光分岐回路１０ａの２つの分岐光導波路の一方は次段の光分岐回路１０ｂの入力光導波路に接続され、他方は次段の光分岐回路１０ｃの入力光導波路に接続されている。さらに、光分岐回路１０ｂの２つの分岐光導波路はそれぞれ光分岐回路１０ｄ、１０ｅに接続され、光分岐回路１０ｃの２つの分岐光導波路はそれぞれ光分岐回路１０ｆ、１０ｇに接続されている。このように本実施の形態による光分岐回路を複数段カスケード接続した光パワースプリッタにより、１つの入力光を多数の（本例では８個の）ポートから分岐比ばらつきを極力抑えて出力することができるようになる。
【００３５】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、分岐比ばらつきの少ない光分岐回路及び装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による光分岐回路が形成された石英ガラス基板１を基板面法線方向に見た状態を示す図である。
【図２】漏れ光の影響を示す図である。
【図３】本発明の一実施の形態による光分岐回路におけるオフセット量Ｄの大きさと分岐比の関係を示す図である。
【図４】本発明の一実施の形態による光分岐回路の変形例を示す図である。
【図５】本発明の一実施の形態による光分岐回路を用いた光パワースプリッタを示す図である。
【符号の説明】
１  基板
２  クラッド層
３  コア
４  入力光導波路
５  テーパ光導波路
６、７  分岐光導波路
Ｓ1  入力光導波路４の光入力端面
Ｓ2  入力光導波路４の光出力端面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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