(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２の光導波路を互いに近接させて構成した第１、第２、第３の方向性結合器を備えた導波型光カプラであって、
前記第１、第２、第３の方向性結合器の結合率をそれぞれ、ｓｉｎ２（θ１）、ｓｉｎ２（θ２）、ｓｉｎ２（θ３）とし、
前記第１の方向性結合器と前記第２の方向性結合器とを連結する第１のアーム部において、前記第１の光導波路の前記第２の光導波路に対する光路長差をＳ１２とし、
前記第２の方向性結合器と前記第３の方向性結合器とを連結する第２のアーム部において、前記第１の光導波路の前記第２の光導波路に対する光路長差をＳ２３とし、
前記導波型光カプラの動作波長帯域の最短波長をλＭＩＮとし、最長波長をλＭＡＸとしたとき、前記動作波長帯域内において前記導波型光カプラの結合率の変化が小さくなるように、
０＜Ｓ２３＜λＭＩＮ／２＜Ｓ１２＜λＭＡＸ／２    （１）
であり、λ１＝Ｓ１２＋Ｓ２３となる波長をλ１とすると、
｜１−λ１／λＭＩＮ｜≦０．１    （２）
であり、λ１２＝２Ｓ１２となる波長をλ１２とし、θ２＝０．５πとなる波長をλ２とすると、
｜１−（λ１２＋λ２）／２／λＭＡＸ｜≦０．１    （３）
であり、前記動作波長帯域内において、
｜θ１−θ２＋θ３｜≦０．１π    （４）
となるように、θ１、θ２、θ３、Ｓ１２、Ｓ２３が決められていることを特徴とする導波型光カプラ。
【請求項２】
前記動作波長帯域内において前記導波型光カプラの平均結合率をＣ０とすると、前記波長λ１２において、
Ｃ１２＝ｓｉｎ２（２θ３）ｃｏｓ２（πＳ２３／λ１２）    （５）
｜１−Ｃ１２／Ｃ０｜≦０．１    （６）
であり、前記波長λ２において、
Ｃ２＝ｃｏｓ２（θ１−θ３）ｓｉｎ２｛π（Ｓ１２−Ｓ２３）／λ２｝    （７）
｜１−Ｃ２／Ｃ０｜≦０．２    （８）
であることを特徴とする請求項１に記載の導波型光カプラ。
【請求項３】
λMAX／λMIN＜１．５であり、前記動作波長帯域内における導波型光カプラの平均結合率Ｃ０が０．０１から０．６の範囲において、前記動作波長帯域内の任意の波長における導波型光カプラの結合率Ｃは、
｜Ｃ−Ｃ０｜＜０．０１    （９）
となることを特徴とする請求項１または２に記載の導波型光カプラ。
【請求項４】
前記動作波長帯域には、波長１．２５μｍから波長１．６５μｍの帯域が含まれることを特徴とする請求項１、２または３に記載の導波型光カプラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導波型光カプラに関し、より詳細には、光パワーを所望の分岐比で分配し、または結合率で合流する導波型光カプラであって、特に光通信に使用される広い波長帯域で結合率の波長依存性が小さい導波型光カプラに関する。
【背景技術】
【０００２】
データ通信や映像配信など様々なサービスを提供している光通信システムにおいては、サービスに応じて使用する光の波長が異なる。例えば、アクセス系光通信システムでは、データ通信に１．３１μｍと１．４９μｍの波長が用いられ、映像配信に１．５５μｍの波長が用いられる。さらに、光ファイバの監視には１．６５μｍの波長が用いられている。このため、光通信ネットワークを構成する光部品の波長に対する特性は重要であり、光パワーを特定の比率で分配、合流する光カプラには、広い波長帯域で結合率の波長依存性が小さいことが望まれている。
【０００３】
導波型光カプラは、半導体ＬＳＩの製造方法と類似の方法を用いることにより、平面基板上の光導波路により光回路を構成する。そのため、導波型光カプラは、小型で量産性に優れるとともに、高度な光回路設計により様々な特性を実現することができる。この特徴を活かして広い波長帯域で結合率の波長依存性が緩和された導波型光カプラが開発されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図１に、従来の導波型光カプラの回路構成を示す。２本の光導波路１１、１２を異なる２箇所で接近させて２つの方向性結合器２１、２２を形成する。２つの方向性結合器を光導波路１１、１２で連結するアーム部２１２を設けて、マッハ・ツェンダ干渉計を構成する。アーム部２１２において、光導波路１１の光路長を光導波路１２よりＳだけ長くしている。この光路長差Ｓは、等価屈折率ｎの２つの光導波路に幾何学的長さの差ΔＬを付与してＳ＝ｎΔＬで実現することができる。
【０００５】
光導波路、方向性結合器の損失が無視できる場合、この導波型光カプラの分岐比または結合率は、光導波路１１の入力端１１１から入力した光パワーに対する光導波路１２の出力端１２２から出力される光パワーの割合で計算される。あるいは、光導波路１２の入力端１２１から入力した光パワーに対する光導波路１１の出力端１１２から出力される光パワーの割合としても計算することができ、両者は等しい。本願の以下の説明において、分岐比または結合率の算出に関して、光導波路、方向性結合器の損失はすべて無視できるものとして進める。
【０００６】
方向性結合器の結合率も、光導波路１１から入力された光パワーに対する光導波路１２に結合する光パワーの割合で計算される。図２に、方向性結合器の基本構成を示す。入力側において光導波路１１と１２は相互作用が生じないように十分離れている。この２本の光導波路を緩やかな曲線で徐々に相互作用するように近づける（導入部）。光導波路の間隔Ｇだけ離して近接した長さＬの２本の直線で光を相互作用させる（結合部）。そして、出力側で相互作用が徐々になくなるように離す（導出部）。単純な方向性結合器では曲線を円弧にすることができる。
【０００７】
方向性結合器の特性は、２本の光導波路間での光の結合の度合いθ（以下、結合位相と称す）を用いて表すことができる。図２において入力端１１３から振幅１の光を入力すると、出力端１１４からは複素振幅ｃｏｓ（θ）の光が出力し、出力端１２４からは複素振幅−ｊｓｉｎ（θ）の光が出力する。ここで、ｊは虚数単位でｊ２＝−１である。光パワーは、振幅の絶対値の２乗で表すことができるので、方向性結合器の結合率はｓｉｎ２（θ）となる。
【０００８】
この結合位相θの大きさ、その波長依存性は、光導波路自体の構造、結合部での２本の光導波路の間隔、結合部と導出部の長さによって決まり、導波型光カプラに適切な特性をもつ方向性結合器を設計することができる。
【０００９】
図１において、方向性結合器２１、２２の結合位相をそれぞれθ１、θ２とすると、導波型光カプラの結合率Ｃは、  
Ｃ＝ｔ１２＋ｔ２２ 
ｔ１＝ｓｉｎ（θ１＋θ２）ｃｏｓ（φ）  
ｔ２＝ｓｉｎ（θ１−θ２）ｓｉｎ（φ）  
φ＝πＳ／λ  
で与えられる。λは真空中での光の波長を表す。
【００１０】
特許文献１では動作波長帯域λＭＩＮからλＭＡＸの範囲において、方向性結合器２１、２２の結合率ｓｉｎ２（θ１）、ｓｉｎ２（θ２）が波長とともに単調増加すること、アーム部２１２の光路長差がＳ≦λＭＩＮであることを特徴として、結合率Ｃの波長依存性が緩和できることを開示している。
【００１１】
図３に、従来の導波型光カプラの結合率の波長依存性を示す。波長１．２５μｍから波長１．６５μｍで最適化した結合率の波長依存性を示す。結合率Ｃの曲線は、ｓｉｎ2（θ1＋θ2）とｓｉｎ2（θ1−θ2）の曲線の間に位置する。アーム部の位相差φ＝πとなる波長（すなわちλ＝Ｓ）でｓｉｎ2（θ1＋θ2）に接し（グラフの左側の波長範囲の外）、φ＝π／２となる波長でｓｉｎ2（θ1−θ2）に接する。ｓｉｎ2（θ1＋θ2）とｓｉｎ2（θ1−θ2）の波長特性を適正に設計し、ＳをλＭＩＮ＝１．２５μｍより小さい０．９５μｍに設定することにより、結合率Ｃを波長１．２５μｍ〜１．６５μｍの範囲で０．５±０．０２とすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平３−２１３８２９号公報
【特許文献２】特開平８−２３４０５０号公報
【特許文献３】特表２００９−５２８５５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献１で開示されている２つの方向性結合器で構成された導波型光カプラの結合率波長特性は、波長に対して３次関数的であり、光通信システムで使用される１．２５μｍから１．６５μｍの広い波長帯域で結合率の変動を±０．０１よりも小さくすることが困難である。これを克服するために、特許文献２で開示されているように、方向性結合器とアーム部の段数を増やすと、選択できるパラメータが増えるので、理論的には、所望の結合率波長特性を有する導波型光カプラが得られると推測できる。
【００１４】
しかしながら、広い波長帯域で波長依存性の小さい結合率を実現する適正なパラメータは明らかにはなっていない。また、実際には光導波路、光回路構造には、損失、製造誤差が発生するので、方向性結合器の段数が多いほど導波型光カプラの損失は大きくなり、製造誤差の影響を受けやすくなり、さらに光カプラの回路が長くなる。そのため方向性結合器の段数は少ないほうが望ましいとも言える。
【００１５】
特許文献１においては、３つの方向性結合器で構成した導波型光カプラの実施例が示されているが、２つの方向性結合器で構成した導波型光カプラと比較して、結合率の波長依存性が緩和されていることが明示されていない。
【００１６】
特許文献３には、３つの方向性結合器で構成された広波長帯域光カプラ（ブロードバンドスプリッタ）が開示されている。特許文献３によると、光カプラを前後に、非平衡コンポーネントと平衡コンポーネントの２つに分けている。非平衡コンポーネント（または、クロスオーバーコンポーネント）は、動作波長帯域中のある波長λ０付近で１６ｄＢより大きいパワー分配比を有する。平衡コンポーネント（または、混合コンポーネント）は、λ０付近で±１ｄＢ以下のパワー分配比を有する。このような構成により、広い波長帯域で結合率変動を小さくできる。どちらか一方のコンポーネントを方向性結合器とし、もう一方を２つの方向性結合器で構成したマッハ・ツェンダ干渉計として構成できる。
【００１７】
特許文献３の構成の特徴の一つとして、２つのコンポーネントを接続するアーム部の光路長差を、動作波長帯域の最短波長より著しく長くすることが挙げられている。しかしながら、このような長い光路長差のアーム部を形成すると、光カプラの回路長が長くなり、その結果、作製誤差の影響を受けやすくなるという課題が生じる。また、生産性の観点から光カプラの回路長は短いほうが望ましい。
【００１８】
本発明の目的は、マッハ・ツェンダ干渉計のアーム部の光路長差を短くして、光カプラの回路長を短くし、広い波長帯域で結合率の波長依存性の小さい導波型光カプラを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、第１および第２の光導波路を互いに近接させて構成した第１、第２、第３の方向性結合器を備えた導波型光カプラであって、前記第１、第２、第３の方向性結合器の結合率をそれぞれ、ｓｉｎ２（θ１）、ｓｉｎ２（θ２）、ｓｉｎ２（θ３）とし、前記第１の方向性結合器と前記第２の方向性結合器とを連結する第１のアーム部において、前記第１の光導波路の前記第２の光導波路に対する光路長差をＳ１２とし、前記第２の方向性結合器と前記第３の方向性結合器とを連結する第２のアーム部において、前記第１の光導波路の前記第２の光導波路に対する光路長差をＳ２３とし、前記導波型光カプラの動作波長帯域の最短波長をλＭＩＮとし、最長波長をλＭＡＸとしたとき、前記動作波長帯域内において前記導波型光カプラの結合率の変化が小さくなるように、
０＜Ｓ２３＜λＭＩＮ／２＜Ｓ１２＜λＭＡＸ／２    （１）
であり、λ１＝Ｓ１２＋Ｓ２３となる波長をλ１とすると、
｜１−λ１／λＭＩＮ｜≦０．１    （２）
であり、λ１２＝２Ｓ１２となる波長をλ１２とし、θ２＝０．５πとなる波長をλ２とすると、
｜１−（λ１２＋λ２）／２／λＭＡＸ｜≦０．１    （３）
であり、前記動作波長帯域内において、
｜θ１−θ２＋θ３｜≦０．１π    （４）
となるように、θ１、θ２、θ３、Ｓ１２、Ｓ２３が決められていることを特徴とする。
【００２０】
また、前記動作波長帯域内において前記導波型光カプラの平均結合率をＣ０とすると、前記波長λ１２において、
Ｃ１２＝ｓｉｎ２（２θ３）ｃｏｓ２（πＳ２３／λ１２）    （５）
｜１−Ｃ１２／Ｃ０｜≦０．１    （６）
であり、前記波長λ２において、
Ｃ２＝ｃｏｓ２（θ１−θ３）ｓｉｎ２｛π（Ｓ１２−Ｓ２３）／λ２｝    （７）
｜１−Ｃ２／Ｃ０｜≦０．２    （８）
であることを特徴とする。
【００２１】
さらに、λMAX／λMIN＜１．５であり、前記動作波長帯域内における導波型光カプラの平均結合率Ｃ０が０．０１から０．６の範囲において、前記動作波長帯域内の任意の波長における導波型光カプラの結合率Ｃは、
｜Ｃ−Ｃ０｜＜０．０１    （９）
となることを特徴とする。
【００２２】
さらにまた、前記動作波長帯域には、波長１．２５μｍから波長１．６５μｍの帯域が含まれることを特徴とする
【発明の効果】
【００２３】
以上説明したように、３つの方向性結合器とこれらを接続する２つのアーム部を有するマッハ・ツェンダ干渉計により導波型光カプラを構成する。
【００２４】
本発明によれば、光カプラの結合率の波長依存性が小さくなるように、結合率の計算式を与える各項を特徴付けて、方向性結合器の結合位相θ１、θ２、θ３とアーム部の光路長差Ｓ１２、Ｓ２３に基本となる関係を与えて調整するので、広い波長範囲で結合率の変化を抑制できるという顕著な効果を有する。
【００２５】
また、この構成によれば、マッハ・ツェンダ干渉計のアーム部の光路長差は、動作帯域の最長波長の１／２未満とすることができるので、導波型光カプラの回路長を短くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】従来の導波型光カプラの回路構成を示す図である。
【図２】従来の方向性結合器の基本構成を示す図である。
【図３】従来の導波型光カプラの結合率の波長依存性を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態にかかる導波型光カプラの回路構成を示す図である。
【図５】実施例１の導波型光カプラの３つの方向性結合器の結合位相と２つのアーム部の位相差の波長特性を示す図である。
【図６】実施例１の導波型光カプラの３つの方向性結合器の結合位相の関係を示す図である。
【図７】実施例１の導波型光カプラの結合率を構成する各項の波長特性を示す図である。
【図８】実施例１の導波型光カプラの結合率の波長特性を示す図である。
【図９】実施例２にかかる導波型光カプラの回路構成を示す図である。
【図１０】実施例２の導波型光カプラの３つの方向性結合器の結合位相と２つのアーム部の位相差の波長特性を示す図である。
【図１１】実施例２の導波型光カプラの３つの方向性結合器の結合位相の関係を示す図である。
【図１２】実施例２の導波型光カプラの結合率を構成する各項の波長特性を示す図である。
【図１３】実施例２の導波型光カプラの結合率の波長特性を示す図である。
【図１４】他の実施形態にかかる導波型光カプラの結合率と光路長差との関係を示す図である。
【図１５】他の実施形態にかかる波長λ１と結合率との関係を示す図である。
【図１６】他の実施形態にかかる波長λ１２、λ２と結合率との関係を示す図である。
【図１７】他の実施形態にかかる波長とθ１−θ２＋θ３と結合率との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
最初に、広い波長帯域で結合率変動を抑制する原理、作用について説明する。本実施形態にかかる導波型光カプラは、３つの方向性結合器とこれらを連結した２つのアーム部、すなわち２段のマッハ・ツェンダ干渉計により構成され、結合率Ｃは、一般に以下のように計算される。  
Ｃ＝（ｔＡ−ｔＢ）２＋（ｔＣ＋ｔＤ）２    （１０．１）
ｔＡ＝ｓｉｎ（θ１＋θ２＋θ３）ｃｏｓ（φ１２）ｃｏｓ（φ２３）    （１０．２）
ｔＢ＝ｓｉｎ（θ１−θ２＋θ３）ｓｉｎ（φ１２）ｓｉｎ（φ２３）    （１０．３）
ｔＣ＝ｓｉｎ（θ１＋θ２−θ３）ｃｏｓ（φ１２）ｓｉｎ（φ２３）    （１０．４）
ｔＤ＝ｓｉｎ（θ１−θ２−θ３）ｓｉｎ（φ１２）ｃｏｓ（φ２３）    （１０．５）
φ１２＝πＳ１２／λ    （１０．６）
φ２３＝πＳ２３／λ    （１０．７）。
【００２８】
本実施形態においては、動作波長帯域において３つの方向性結合器の結合位相がθ２≒θ１＋θ３の関係であることを特徴とする。この関係より、式（１０．２）〜（１０．５）は、
ｔＡ≒ｓｉｎ（２θ２）ｃｏｓ（φ１２）ｃｏｓ（φ２３）    （１１．１）
ｔＢ≒０    （１１．２）
ｔＣ≒ｓｉｎ（２θ１）ｃｏｓ（φ１２）ｓｉｎ（φ２３）    （１１．３）
ｔＤ≒−ｓｉｎ（２θ３）ｓｉｎ（φ１２）ｃｏｓ（φ２３）    （１１．４）
となる。
【００２９】
次に、式（１１．１）のｔＡが動作波長帯域内で十分小さく、ｔＡ２≒０となるように各パラメータを特徴付ける。
【００３０】
まず、第１のアーム部の光路長差Ｓ１２が動作波長帯域中のある波長λ１２の1／２と微小な量であることを特徴とする。すなわち、動作波長帯域の最短波長をλＭＩＮ、最長波長をλＭＡＸとして、λＭＩＮ／２＜Ｓ１２＜λＭＡＸ／２［条件式（１）］であり、Ｓ１２＝λ１２／２である。すると、波長λ１２でφ１２＝π／２、ｃｏｓ（φ１２）＝０となる。さらにＳ１２が最長波長の１／２より小さいのでλ１２付近で波長に対するφ１２の変化は小さく、λ１２付近の概ね±１０％の波長範囲で｜ｃｏｓ（φ１２）｜＜０．３とすることができる。
【００３１】
さらに、θ２＝π／２となる波長をλ２として波長λ２とλ１２の平均値が、λＭＡＸ付近の値であることを特徴とする。例えば｜１−（λ１２＋λ２）／２／λＭＡＸ｜≦０．１［条件式（３）］とすることができる。λ２は、λＭＡＸ付近またはλＭＡＸより大きい値となる。このとき、波長λ2を中心に０．４５π＜θ2＜０．５５πとなる波長範囲でｓｉｎ（２θ2）＜０．３となる。
【００３２】
これらの特徴により、特にλ１２が短波長側にある場合は、｜ｓｉｎ（２θ2）ｃｏｓ（φ12）｜＜０．２となって、動作波長帯域全体でｔＡ２≒０とみなすことができる。
【００３３】
一方、λ12が長波長側にある場合は、短波長側において｜ｓｉｎ（２θ2）ｃｏｓ（φ12）｜は０．３より大きな値になり得る。しかし、（１１．１）右辺中のｃｏｓ（φ23）の項の効果により、｜ｔA｜は大きくても０．３程度にすることができる。
【００３４】
さらに、θ1−θ2＋θ3を完全に０とはしないで、｜θ1−θ2＋θ3｜≦０．１π［条件式（４）］で調整することにより、０．３程度のｔAの値をｔBの値で相殺することができ、（ｔA−ｔB）2≒０とすることができる。
【００３５】
次に、（ｔＣ＋ｔＤ）２の項を変形して、
（ｔＣ＋ｔＤ）２＝（ｔＥ−ｔＦ）２    （１２．１）
ｔＥ＝ｃｏｓ（θ１−θ３）ｓｉｎ（θ２）ｓｉｎ（φ１２−φ２３）    （１２．２）
ｔＦ＝ｓｉｎ（θ１−θ３）ｃｏｓ（θ２）ｓｉｎ（φ１２＋φ２３）    （１２．３）
と表す。
【００３６】
本実施形態においては、λ１＝Ｓ１２＋Ｓ２３となる波長λ１を動作波長帯域の短波長端λＭＩＮ付近の値とすることにより、第２のアーム部の光路長差Ｓ２３を特徴付ける。例えば、｜１−λ１／λＭＩＮ｜≦０．１［条件式（２）］とすることができる。さらに、０＜Ｓ２３＜λＭＩＮ／２［条件式（１）］であり、Ｓ２３はＳ１２よりも小さい値とする。この波長λ１において式（１２．３）の右辺において、  
φ１２＋φ２３＝π（Ｓ１２＋Ｓ２３）／λ１＝π  
ｓｉｎ（φ１２＋φ２３）＝０    
となり、ｔＦ＝０となる。さらにＳ２３が最短波長の１／２より小さいので、λ１付近で波長に対するφ１２＋φ２３の変化は小さく、λ１付近の±１０％の波長範囲で｜ｓｉｎ（φ１２＋φ２３）｜＜０．３とすることができる。
【００３７】
また、長波側の波長λ２付近では、０．４５π＜θ2＜０．５５πとなる波長範囲でｃｏｓ（θ2）＜０．３となる。このようにｔＦを与える２項がそれぞれ短波長側と長波長側で０に近い値になるので、導波波長帯域内でｔＦ≒０とすることができる。
【００３８】
以上のことから、
Ｃ≒ｔＥ２    （１３．１）
となり、動作波長帯域で結合率が概ね一定に保たれる。そして、実際に使用する光導波路の等価屈折率、方向性結合器の結合位相の波長依存性の影響を考慮して、Ｓ１２、Ｓ２３、θ１、θ２、θ３を決定することにより、Ｃの変動を十分小さくすることができる。特に動作波長帯域においてλMAX／λMIN＜１．５が成り立つ場合、結合率を与える各項において、短波長側で０に近くなる項と長波長側で０に近くなる項の波長特性の重なりが大きいので、Ｃの変動を例えば、±０．０１以下にすることができる。
【００３９】
より具体的に、本実施形態における導波型光カプラの設計手順を以下に示す。２つの波長における結合率と各パラメータの関係を用いる。まず、波長λ12での光カプラの結合率Ｃ12は、Ｓ12＝λ12／２、φ12＝π／２であるから、式（１１．１）、（１１．３）より、ｔＡ＝ｔC＝０であり、式（１１．４）より、  
Ｃ12＝ｓｉｎ2（２θ3）ｃｏｓ2（πＳ23／λ12）    （１４．１）
が成り立つ［条件式（５）］。さらに、Ｓ23／λ12＝λ1／λ12−１／２であるので、
Ｃ12＝ｓｉｎ2（２θ3）ｓｉｎ2（πλ1／λ12）    （１４．２）
と変形できる。λ１（あるいはＳ12）とλ12（あるいはＳ23）およびθ3を適正に設計すれば、Ｃ12と動作波長帯域内での平均結合率Ｃ0とのずれは、
｜１−Ｃ12／Ｃ0｜≦０．１  
となり、１０％以内にすることができる［条件式（６）］。逆にＣ12、λ1、λ12を与えると、波長λ12における第３の方向性結合器の結合位相を、
θ３＝ｓｉｎ-1｛√Ｃ12／ｓｉｎ（πλ1／λ12）｝／２    （１４．３）
と決めることができる。
【００４０】
また、波長λ2での光カプラの結合率Ｃ2は、θ2＝π／２であるから、式（１２．２）より、  
Ｃ2＝ｃｏｓ2（θ1−θ3）ｓｉｎ2｛π（Ｓ12−Ｓ23）／λ2｝    （１５．１）
となる［条件式（７）］。さらにＳ12−Ｓ23＝λ12−λ1であるので、
Ｃ2＝ｃｏｓ2（θ1−θ3）ｓｉｎ2｛π（λ12−λ1）／λ2｝    （１５．２）
と変形できる。なお、波長λ2は、動作波長帯域の長波長端λMAX付近またはλＭＡＸより大きい値ではある。そのため、波長λ2における結合率Ｃ2は、動作波長帯域内での平均結合率Ｃ0に対して、２０％ほどずれていても良い。すなわち、λ１、λ12、λ2およびθ1、θ3を適正に設計すれば
｜１−Ｃ2／Ｃ0｜≦０．２  
とすることができる［条件式（８）］。逆にＣ2、λ１、λ12、λ2を与えると、波長λ2における第１と第３の方向性結合器の結合位相の間に
θ1−θ3＝ｃｏｓ-1［√Ｃ2／ｓｉｎ｛π（λ12−λ1）／λ2｝］    （１５．３）
の関係が求まる。さらに、θ1＋θ3≒θ2＝０．５πであるから、結合位相のθ1、θ2、θ3の値を決めることができる。
【００４１】
Ｃ12、Ｃ2に目標とする結合率を代入し、λ１、λ12、λ2の値とθ1、θ2、θ3の波長依存性とをパラメータとして動作波長帯域での結合率を計算し、目標とする結合率との差分が最小になるように、パラメータを変えて反復計算を行うことにより、光カプラのパラメータを決定することができる。以上の手順により、例えば結合率が０．２５となる光カプラのパラメータの初期値として次のように計算できる。
【００４２】
（Ｓ１）基本となる３つの波長として、例えば、λ1＝１．２μｍ、λ12＝１．５μｍ、λ2＝１．６５μｍを選ぶと、光路長差はそれぞれＳ12＝λ12／２＝０．７５μｍ、Ｓ23＝λ1−Ｓ12＝０．４５μｍを得る。  
（Ｓ２）波長λ12において式（１４．３）より、Ｃ12＝０．２５として、θ3＝０．１６２πとなる。
【００４３】
（Ｓ３）波長λ2において式（１５．３）より、Ｃ2＝０．２５として、θ1−θ3＝０．１２４πとなる。θ1＋θ3≒θ2＝０．５πであるから、θ1＝０．３１２π、θ3＝０．１８８πとなる。
【００４４】
（Ｓ４）上記手順で求めたＳ12、Ｓ23の値とθ1、θ2、θ3の波長特性を初期値として式（１０．１）〜（１０．７）に代入して、動作波長帯域での結合率を計算する。特にθ3に関しては２つの波長で与えられていることに注意する。
【００４５】
（Ｓ５）以後、計算結果と目標とする結合率０．２５との差分が動作波長帯域内で最小となるように、Ｓ12、Ｓ23の値とθ1、θ2、θ3の波長特性を変えて反復計算を行う。最急降下法など公知の非線型最適化問題の解法を用いることができる。
【００４６】
（Ｓ６）以上の手順により、光路長差と結合位相の波長依存性が求まる。光路長差Ｓ12、Ｓ23に応じてアーム部を設計し、結合位相θ1、θ2、θ3の波長依存性に応じて方向性結合器の構造を決めると、光カプラの結合率が０．２５±０．０１である導波型光カプラを構成することができる。
【００４７】
（Ｓ７）なお、より詳細には、アーム部を構成する光導波路の等価屈折率の波長依存性を考慮する必要がある。この場合、光路長差は定数ではなく波長の関数にする。使用する光導波路の材料と構造が決まっていれば、光導波路の等価屈折率の波長依存性を知ることは可能である。
【００４８】
以上のように、本実施形態の導波型光カプラでは、マッハ・ツェンダ干渉計全体の結合率の構成因子を吟味し、光カプラの結合率の波長依存性が小さくなるように、方向性結合器の結合位相θ１、θ２、θ３とアーム部の光路長差Ｓ１２、Ｓ２３に基本となる関係を与えて調整する。これにより、広い波長範囲で結合率の変化を抑制できるという効果を有する。さらに、２つのアーム部の光路長差は、それぞれ動作帯域の最短波長の１／２未満、最長波長の１／２未満なので、導波型光カプラの回路長を短くできるという効果を有する。
【００４９】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００５０】
図４に、本発明の一実施形態にかかる導波型光カプラの回路構成を示す。２本の光導波路１１、１２を異なる３箇所で接近させて３つの方向性結合器２１、２２、２３を形成しする。３つの方向性結合器を、順に光導波路１１、１２で連結するアーム部２１２、２２３を設ける。アーム部２１２、２２３において、光導波路１１の光路長は光導波路１２より、それぞれ、Ｓ１２、Ｓ２３だけ長い。以下の実施形態では、各アーム部において光導波路１１と１２を、等価屈折率ｎの光導波路で形成し、光導波路１１の長さを光導波路１２よりも、幾何学的にΔＬ１２、ΔＬ２３だけ長くして、光路長差Ｓ１２＝ｎΔＬ１２、Ｓ２３＝ｎΔＬ２３が与えられている。なお、光路長差を付与する手段は、本実施形態の手段に限定されるものではない。例えば、光導波路１１と１２の間で等価屈折率に差を与えたりする方法でも実現できる。
【００５１】
本実施形態では、周知の石英系光導波路製造方法で作製できる光導波路を用いている。光導波路のコアは下部クラッドである石英基板上に形成され、石英基板とほぼ同じ屈折率の上部クラッドで覆われている。コアの石英系ガラスには、Ｇｅ、Ｐ、Ｂが微量添加され石英基板より屈折率が０．４％高い。コアの断面寸法は幅７μｍ、高さ７μｍである。
【００５２】
なお、光導波路の構造は、本実施形態の構造に限定されるものではない。光導波路は、積極的に高次モード光を導波させるものではなく、概ね単一モード光を導波させるものであれば、他の構造でもよい。例えば、コアは屈折率がクラッドより１％高く、厚さ５μｍ、幅５μｍなどでも良い。さらに導波路材料は、ガラスに限定されるものではなく、有機高分子や半導体でよい。
【実施例１】
【００５３】
実施例１として、波長１．２５μｍから波長１．６５μｍにおいて、結合率Ｃが０．０５±０．０１である導波型光カプラについて説明する。実施例１の導波型光カプラでは、アーム部２１２の光路長差Ｓ１２は、波長λ１２＝１．３６μｍでφ１２＝０．５πとなるようにＳ１２＝０．６８μｍとし、ΔＬ１２＝０．４７μｍである。また、アーム部２２３の光路長差Ｓ２３は０．５１μｍである。λ１＝Ｓ１２＋Ｓ２３＝１．１９μｍであり、帯域最短波長λＭＩＮ＝１．２５μｍより５％だけ小さい。
【００５４】
第１の方向性結合器２１は、半径１５ｍｍの円弧で互いの光導波路の間隔３．５μｍまで接近させて構成し、直線部分はない。第２の方向性結合器２２は、互いの光導波路の間隔２．５μｍで長さ８０μｍの直線を有する。第３の方向性結合器２３は、互いの光導波路の間隔４．５μｍで直線はない。λ２＝２．００μｍ、（λ１２＋λ２）／２＝１．６８μｍであり、帯域最短波長λＭＡＸである１．６５μｍより２％だけ大きい。
【００５５】
図５に、導波型光カプラが広波長帯域動作となるように、第１から第３の方向性結合器を適切に設計したときの、結合位相θ１、θ２、θ３の波長特性と、アーム部での位相差φ１２、φ２３の波長特性とを示す。θ２＝０．５πとなる波長λ２は、２．００μｍ（グラフの右側の波長範囲外）であり、（λ１２＋λ２）／２＝１．６８μｍであり、帯域最長波長λＭＡＸ＝１．６５μｍより２％だけ大きい。動作波長帯域内でθ１とθ３は、ともに０．５πより小さく、θ１はθ３より０．０５πほど大きい。θ２は動作波長帯域全体で概ねθ１＋θ３に等しい。
【００５６】
図６に、θ１−θ２＋θ３の波長依存性を示す。｜θ１−θ２＋θ３｜＜０．１πの関係が得られている。
【００５７】
図７に、以上の条件で構成した導波型光カプラの結合率を構成する４つの成分、ｔＡ、ｔＢ、ｔＥ，ｔＦの波長依存性を示す。動作波長帯域内の殆どにおいて、ｔＡ、ｔＢ、ｔＦの３成分の絶対値が０．１以下で、ｔＥ≒√０．０５＝０．２５となっている。
【００５８】
図８に、実施例１の導波型光カプラの結合率の波長特性を示す。動作波長帯域１．２５〜１．６５μｍにおいて、結合率が０．０５±０．００５の範囲で設計できている。実際に作製した導波型光カプラでは、コアの屈折率や幅、高さの製造誤差により結合率変動は±０．０１となるが、本実施形態により極めて波長依存性の小さい、一定結合率の広波長帯域の導波型光カプラが得られる。
【実施例２】
【００５９】
図９に、実施例２にかかる導波型光カプラの回路構成を示す。波長１．２５μｍから波長１．６５μｍにおいて、結合率Ｃが０．５±０．０１である。実施例２では、３つの方向性結合器２１、２２、２３が、光路長の短い光導波路１２側を内側にして、折れ曲がるように傾斜して配置されている。この回路構成を用いると、実施例１、図４の構成よりも導波型光カプラの回路長を短くすることができる。
【００６０】
実施例２の光導波路も、コアの厚さ７μｍ、幅７μｍで屈折率が石英基板より０．４％高い石英系光導波路に基づいて設計されている。アーム部２１２、２２３は、曲げ半径１５ｍｍの円弧と直線で構成される。アーム部２１２の光路長差Ｓ１２は、波長λ１２＝１．５８μｍでφ１２＝０．５πとなるようにＳ１２＝０．７９μｍとし、ΔＬ１２＝０．５５μｍである。また、アーム部２２３の光路長差Ｓ２３は０．３８μｍである。λ１＝Ｓ１２＋Ｓ２３＝１．１７μｍであり、帯域最短波長λＭＩＮ＝１．２５μｍより６％だけ小さい。
【００６１】
３つの方向性結合器２１、２２、２３は、光導波路１１、１２を半径１５ｍｍの円弧で互いに接近させて構成されている。第１の方向性結合器２１は、互いの光導波路の間隔２μｍまで接近させた長さ２０μｍの直線を有する。第２の方向性結合器２２は、互いの光導波路の間隔２μｍで長さ２００μｍの直線を有する。第３の方向性結合器２３は、互いの光導波路の間隔３μｍで直線はない。
【００６２】
図１０に、導波型光カプラが広波長帯域動作となるように、第１から第３の方向性結合器を適切に設計したときの、結合位相θ１、θ２、θ３の波長特性と、アーム部での位相差φ１２、φ２３の波長特性とを示す。θ２＝０．５πとなる波長λ２は、１．５６μｍであり、（λ１２＋λ２）／２＝１．５７μｍで帯域最長波長λＭＡＸである１．６５μｍより５％だけ小さい。動作波長帯域内でθ１とθ３は、ともに０．５πより小さく、θ１は波長帯域全体でθ３より０．１πほど大きい。θ２は動作波長帯域全体で概ねθ１＋θ２に等しい。
【００６３】
図１１に、θ１−θ２＋θ３の波長依存性を示す。｜θ１−θ２＋θ３｜＜０．１πの関係が得られている。
【００６４】
図１２に、以上の条件で構成した導波型光カプラの結合率を構成する４つの成分、ｔＡ、ｔＢ、ｔＥ，ｔＦの波長依存性を示す。動作波長帯域内の殆どにおいて、ｔＡ、ｔＢ、ｔＦの３成分の絶対値が０．２以下で、ｔＥ≒√０．５＝０．７１となっている。
【００６５】
図１３に、実施例２の導波型光カプラの結合率の波長特性を示す。動作波長帯域１．２５〜１．６５μｍにおいて、結合率が０．５±０．００５の範囲で設計できている。実際に作製した導波型光カプラでは、コアの屈折率や幅、高さの製造誤差により結合率変動は±０．０１となるが、本実施形態により極めて波長依存性の小さい、一定結合率の広波長帯域の導波型光カプラが得られる。
［他の実施形態］
以上の実施形態では、結合率が０．０５と０．５の場合について詳述したが、本発明にかかる方法を用いると０．０１から０．６程度の範囲の結合率で波長依存性を極めて小さくすることができる。
【００６６】
図１４に、他の実施形態にかかる導波型光カプラの結合率と光路長差との関係を示す。波長１．２５μｍから１．６５μｍの範囲にわたり、結合率変動が±０．０１以下となるように好適に設計したときの、結合率と光路長差の関係を示す。どの結合率においても、条件式（１）  
０＜Ｓ２３＜λＭＩＮ／２＜Ｓ１２＜λＭＡＸ／２
を満たすことがわかる。
【００６７】
図１５に、他の実施形態にかかる波長λ１と結合率の関係を示す。ここでは、条件式（２）  
｜１−λ１／λＭＩＮ｜≦０．１
を満たすことがわかる。
【００６８】
図１６に、他の実施形態にかかる波長λ１２、λ２と結合率との関係を示す。ここでは、条件式（３）  
｜１−（λ１２＋λ２）／２／λＭＡＸ｜≦０．１
を満たすことがわかる。
【００６９】
図１７に、他の実施形態にかかる波長とθ１−θ２＋θ３と結合率との関係を示す。結合位相θ１、θ２、θ３の波長特性は、目標とする結合率によって異なる。波長１．２５μｍから１．６５μｍの範囲で、条件式（４）  
｜θ１−θ２＋θ３｜≦０．１π
を満たすことがわかる。
【００７０】
上記の実施形態において、導波型光カプラについて具体的に説明されているが、本発明は実施形態で開示された特定の構成に限定されるものではない。すなわち、方向性結合器を構成する光導波路は円弧と直線で構成したが、導波光の結合が生じるような形状であれば、他の曲線、例えば、サインカーブやクロソイドなどの曲線で構成してもよい。
【００７１】
また、アーム部の光路長差は、等価屈折率の等しい光導波路の幾何学的な導波路長の差により与えたが、他の方法、例えば、導波路幅を変えて等価屈折率差を与えたり、コアの一部を他の屈折率の材料に置き換えたりする手段でも実現できる。実施形態は下部クラッドに石英基板を用いて説明されたが、シリコン基板上に堆積された石英系ガラスを下部クラッドにしても同様の効果が得られることは明らかである。
【００７２】
さらに、実施例１、２は、石英系のガラス材料の導波路を用いて説明されたが、導波路材料はガラスに限定されるものではない。シリコンなどの半導体やポリマーでも同様の効果を得ることができる。
【００７３】
導波型光カプラは、入力側から出力側に向けて順に第１の方向性結合器、第１のアーム部、第２の方向性結合器、第２のアーム部、第３の方向性結合器と配置されているが、この順番を逆にした構成でも、同一の効果が得られることは明らかである。さらに、図面の上側の導波路を第１の導波路、下側の導波路を第２の導波路としているが、この上下を反転した構成でも同一の効果が得られる。
【００７４】
また、本発明の実施形態では、動作波長帯域を特に光通信に用いられている波長１．２５μｍから波長１．６５μｍとして詳述したが、本発明の効果はこの波長帯域に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００７５】
１１、１２  光導波路
１１１、１２１、１１３、１２３  入力端
１１２、１２２、１１４、１２４  出力端
２１、２２、２３  方向性結合器
２１２、２２３  アーム部
【図１】
0005363518.tif 000002
【図２】
0005363518.tif 000003
【図３】
0005363518.tif 000004
【図４】
0005363518.tif 000005
【図５】
0005363518.tif 000006
【図６】
0005363518.tif 000007
【図７】
0005363518.tif 000008
【図８】
0005363518.tif 000009
【図９】
0005363518.tif 000010
【図１０】
0005363518.tif 000011
【図１１】
0005363518.tif 000012
【図１２】
0005363518.tif 000013
【図１３】
0005363518.tif 000014
【図１４】
0005363518.tif 000015
【図１５】
0005363518.tif 000016
【図１６】
0005363518.tif 000017
【図１７】
0005363518.tif 000018