(57)【要約】  幾何光学手段を用いて試験光のプロフィルを計算してビームトラッキングを行うことにより、チャネル導波体の光学特性を求める方法において、まず、光プロフィルが２次元平面への投影により曲線として求められ、ついで、該曲線により３次元平面が求められ、該３次元平面において３次元プロフィルが主として２次元の問題として求められ。本発明はさらに本発明の方法を利用した評価装置およびソフトウェア製品にも関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
幾何光学手段を用いて試験光のプロフィルを計算してビームトラッキングを行うことにより、チャネル導波体の光学特性を求める方法において、
まず、光プロフィルを２次元平面への投影により曲線として求め、
ついで、該曲線により３次元平面を求め、該３次元平面において３次元プロフィルを主として２次元の問題として求める
ことを特徴とするチャネル導波体の光学特性を求める方法。
【請求項２】
所定の直線に沿って所定の底面を突出させることによって前記チャネル導波体を表現し、ここで、前記底面に入射光を投影して前記試験光のプロフィルを前記底面の線列として求め、共通する辺が入力面から出力面まで連なるように前記線列を突出させることによって四角形の面を有するポリゴン列を求め、前記試験光のプロフィルを前記面内で前記共通する辺に沿って求める、請求項１記載のチャネル導波体の光学特性を求める方法。
【請求項３】
直線を前記底面に対して垂直に突出させる際に、チャネル導波体の入射面で屈折した後の入射光を入力面へ投影し、共通する辺を有するポリゴン列の第１の面から第２の面への移行部では当該の共通する辺に対する光の角度を第２の面への入射角として用いて第２の面内のプロフィルを求め、出力面から出力される光を出射面の出力光として求める、請求項１記載のチャネル導波体の光学特性を求める方法。
【請求項４】
反射率を直接に求める代わりに、ポリゴン列の２次元の長方形において、導波体の高さ、底面で求められた線列の幅および長さを用いて計算する、請求項３記載のチャネル導波体の光学特性を求める方法。
【請求項５】
請求項１から４までのいずれか１項記載のチャネル導波体の光学特性を求める方法を用いてシミュレーションを行い、長方形の断面を有するチャネル導波体の伝送特性を評価することを特徴とする評価装置。
【請求項６】
請求項５記載の評価装置において用いられることを特徴とするソフトウェア製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はビームトラッキング（レイトレーシング）によってマルチモード光導波体の伝送特性を求める手段に関する。
【０００２】
誘電性チャネル導体、特に光導波体での光の伝搬特性を計算するために、これまでは、有限要素法ＦＥＭやビームプロパゲーション法ＢＰＭなど、光の波を分析する手法が利用されてきた。しかし、これらの手法は、光のモードが１個または数個のみであって、波長に比べた導波体の断面積がさほど大きくない場合にしか有効でなかった。
【０００３】
使用される光の波長に対して断面積のきわめて大きい、マルチモードのステップインデクス導波体またはグラジエントインデクス導波体では、幾何光学に基づいたビームトラッキング法が効率的である。
【０００４】
この場合、シミュレーションとして、設定された方向および偏光度の複数の光が導波体へ入力され、導波体の端部から出射されるか、または、光路の壁すなわち屈折率変化の界面で屈折するものとされる。こうした手法は、例えば、Th.Bierhoff, A.Himmler, E.Griese und G.Mrozynski, "3D-rendering technique to model arbitrary shaped board integrated optical step index waveguides using cubic spline interploation", Proceedings of 5th International IEEE Workshop on Signal Propagation on Interconnects (SPI'01), Venice (Italy)またはTh.Bierhoff, "Strahlenoptische Analyse der Wellenausbreitung und Modenkopplung in optisch hoch multimodalen Wellenleitern", Shaker Verlag 2006, ISBN3-8322-5801-9に示されている。
【０００５】
光プロフィルを効率的に計算するには、シミュレーションにより開発エンジニアにドラフトを検査させる手段を提供して開発を支援する必要がある。こうした手段の例として、独国特許第１９９４８３７８号明細書に示されている試験部材を備えたシミュレーション装置が挙げられる。
【０００６】
独国公開第１０３３４１０７号明細書には、上掲した文献に比べて改善された手法が提示されている。ここでは、不連続マルチモードチャネル導体において分析的に記述可能な部材を挿入することによりビームトラッキングを行うことが記載されている。この手法の利点は、光導波体の結合点で発生するきわめて複雑な３次元構造を効率的に計算できるということである。しかし、実際には、導体プレートに埋め込まれた光導波体はたいていの場合厚さに比べて長さがきわめて大きいので、これについて充分に有効な計算をすることは不可能である。
【０００７】
D.Israel, R.Baets, M.J.Goodwin, et.al., "Multimode polymeric Y junctions for star couplers in backplane optical interconnect", Applied Optics, Vol.36, No.21, 20 Juli 1997には、Ｙ分岐の出力データを求めるためにビームトラッキングを行うことが記載されている。この場合、近似のために２Ｄ計算が利用される。
【０００８】
ここで、本発明の課題は、分岐点やリフレクタなどの複雑な構造体に対して光導波体内での伝送の効率および精度を求める手法を提供することである。
【０００９】
本発明は長方形の断面を有する導波体に関連する。この課題の範疇においては、導波体を、底面から線形に突出したものであると考えることができる。この場合、試験光の底面への投影が２次元の問題として反射法則にしたがったプロフィルに等しくなるという知識が利用される。まず２次元の光プロフィルを計算し、ついでその結果を３次元のケースへ拡張することにより、計算が大幅に簡単化される。つまり、第１のステップで計算された投影プロフィルからポリゴン列（トラバース）を求め、このポリゴン列のたたみ込みを開き、２次元のチャネルを表すと考えて、そこでの反射を計算する。これによって３次元の場合よりも簡単に計算を行うことができる。簡単なケースでは、試験光の光路長および出射方向、場合により全反射の失敗による損失しか要さず、３次元の光プロフィルを明示的に計算する必要はない。また、光路長だけでなく反射回数も利用されるので、不完全な全反射による減衰も考慮される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】チャネル導波体の空間的配置を示す図である。
【図２】底面への投影の様子を示す図である。
【図３】底面で計算された３つの異なる光プロフィルを示す図である。
【図４】計算後に底面に形成されたポリゴン列を示す図である。
【図５】底面および３Ｄ空間において計算された種々の光プロフィルを示す図である。
【００１１】
以下に本発明を図示の実施例に則して詳細に説明する。
【００１２】
図１にはチャネル導波体の例が空間的に示されている。当該のチャネル導波体に即して本発明の実施例を説明する。当該のチャネル導波体は、部分的に湾曲した縁面を有するだけでなく、導波分岐をも有しており、複雑な構造を呈している。当該のチャネル導波体の伝送特性を求めるには、図１の左方のセグメント＃１のｘｙ面を入力面Ｅとし、右方のセグメント＃３．２２，＃３．１２のｘｙ面をそれぞれ出力面Ａ１，Ａ２とする。残りの面は入射角が充分に浅い場合に屈折率変化により全反射を起こす縁面であると見なされる。つまり、当該のチャネル導波体はｘ軸に沿って突出した形状を有するものと考えることができる。
【００１３】
図２にはチャネル導波体をｙｚ平面へ投影した様子が示されている。当該の２次元平面を以下では底面と称する。この底面上のパターンをｘ方向へ突出させるとチャネル導波体が得られるのである。図２では、チャネル導波体の巨視的なプロフィルを表すｙｚトラジェクトリが破線で示されている。一般に、開発エンジニアは、ワークステーションにおいて、定められた幅、高さ、ｘｙ面での断面積およびトラジェクトリとしてのプロフィルを設定し、このトラジェクトリに沿って断面を突出させる。分岐が必要とされる場合、チャネル導波体は複数のセグメントを適切に組み合わせたものと見なされる。図２は図１のチャネル導波体を上から見た場合の通常の表現である。本発明を適用するにあたっては、底面の縁部が特に重要である。縁部は、線要素を組み合わせた曲線列として表されるトラジェクトリから、そのつどｙ方向へ半幅だけオフセットして交点を求めることにより、計算される。
【００１４】
底面が求められた後、入射面へ入射した試験光について底面の平面への投影が行われ、これが底面の左方の入力側Ｅへ入射したものとされる。入射面の媒体移行部で相応に屈折した後、光は、幾何光学の法則にしたがって、図３に示されているような３つの経路を取る。図３では、わかりやすくするために光の経路をマーキングしてある。入射角および入射位置に応じて、入射光は第１の出力側Ａ１または第２の出力側Ａ２から出射されるか、あるいは、光導波体の壁に当たる角度が不充分で全反射にいたらないために光路３の光のように消失する。最後のケースから、最も損失の少なくて済む最大入射角ひいては送信器のタイプを定めることができる。
【００１５】
試験光の３次元プロフィルを底面に投影した後、当該の線列（ポリライン）についても底面と同様に突出が行われる。このことは図４から見て取れるが、わかりやすくするために図４には図３の一部しか示されていない。図示されている線列は複数の直線を接続したものであるので、突出後、全体としては、共通の辺を相互に接続した長方形の連続体であるポリゴン列となる。突出は底面に対して直角に行われるため、その辺は底面に対して垂直となる。したがって、長方形ごとに特性を計算し、移行部では出射角を次の長方形の入射角として計算すればよい。
【００１６】
ポリゴン列は恰もアコーディオン式に折りこまれる紙に描かれたものであるかのように唯一の長方形へ変換されるので、光プロフィルは簡単な２次元の問題として解かれる。ただし、このために、底面での線列の長さを求めなければならない。光プロフィルをさらに求めるために、導波体の高さおよび試験光の光路長である長さを有する唯一の長方形が用いられる。入射光をポリゴン列の第１の長方形へ投影することにより、さらなる特性を求めるための開始角が計算される。
【００１７】
図５のａには底面でプロフィルの計算された２つの試験光が示されている。図５のｂには相応の立体的なプロフィルが示されている。この２つの試験光は、光路長が僅かに異なっているため、底面で見たプロフィルは類似しているものの、３Ｄ空間では異なる特性を有している。しかし、たいていの場合３Ｄプロフィルは必要でなく、出射角および反射回数が既知であれば足りる。反射回数とは底面での反射と突出により形成されたポリゴン列に相応する長方形での反射との和である。走行時間および位相関係を定める光路はポリゴン列に相応する長方形での光路に等しく、３Ｄ空間での計算なしで正確に求めることができる。またこのとき近似は使用されない。３Ｄプロフィルが必要な場合にも、本発明の方法によればシミュレーションを格段に高速に行うことができる。
【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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【国際調査報告】
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