(57)【要約】本発明は、結合領域（９２）の側面に位置する２つの導波路（９０、９４）を含み、かつこの結合領域の実効屈折率が上記導波路の屈折率よりも小さい導波路構造（１０）である。導波路の外側に境界領域（８８、９６）があり、これらの境界領域の実効屈折率は、その境界領域の近位端および遠位端で内部に向けて断熱的に減少する。導波路ジオメトリーの周期的摂動によって、または、実効屈折率の可逆的で一様なまたは周期的摂動によって、それらの導波路は光学的に結合される。この導波路構造に基づいた光スイッチマトリックスでは、全ての導波路はまっすぐで、かつ平行である。本発明の第２の態様は、導波路の実効屈折率に可逆的かつ準周期的に摂動を起こさせるための機構を備える方向性結合器である。それぞれの包絡関数は反対の意味で単調に変化する。一方の導波路を、この導波路の包絡関数が増加する方向に伝播する光は、他方の導波路に結合される。
2004515802.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導波路構造であって、
（ａ）  近位端を有し、かつ第１の導波路実効屈折率ｎ１−（ここで、ｎ１−は、ｎ１の上部に−が付いていることを表す。なお以下でのｎ２−、ｎ３−…も同様にｎ２、ｎ３の上部に−が付いていることを表す）を有する第１の導波路と、
（ｂ）  前記第１の導波路に実質的に平行で、近位端を有し、かつ第２の導波路実効屈折率ｎ２−を有する第２の導波路と、
（ｃ）  前記第１と第２の導波路の間に位置し、ｎ１−より小さくかつｎ２−よりも小さな結合領域実効屈折率ｎ３−を有する結合領域と、
（ｄ）  第１の境界領域であって、前記第１の導波路が前記第１の境界領域と前記結合領域の間に位置し、前記第１の境界領域が前記第１の導波路の前記近位端に近接した近位端を有し、前記第１の境界領域が、前記導波路に実質的に平行な方向で、ｎ１−とｎ３−の間にある前記第１の境界領域の前記近位端の値から、ｎ３−より小さな前記第１の境界領域のスイッチング部分の中間値に断熱的に減少する第１の境界領域実効屈折率を有する、第１の境界領域と、
（ｅ）  第２の境界領域であって、前記第２の導波路が前記第２の境界領域と前記結合領域の間に位置し、前記第２の境界領域が前記第２の導波路の前記近位端に近接した近位端を有し、前記第２の境界領域が、前記実質的に平行な方向で、ｎ２−とｎ３−の間にある前記第２の境界領域の前記近位端の値から、ｎ３−より小さな前記第２の境界領域のスイッチング部分の中間値に断熱的に減少する第２の境界領域実効屈折率を有する、第２の境界領域と、
を含む、導波路構造。
【請求項２】
前記第１および第２の導波路がそれぞれの遠位端を有し、前記第１の境界領域が前記第１の導波路の前記遠位端に近接した遠位端を有し、前記第２の境界領域が前記第２の導波路の前記遠位端に近接した遠位端を有し、前記第１の境界領域実効屈折率が、前記実質的に平行な方向で、前記第１の境界領域の前記スイッチング部分の前記中間値から、ｎ１−とｎ３−の間にある前記第１の境界領域の前記遠位端の値に断熱的に増加し、さらに、前記第２の境界領域実効屈折率が、前記実質的に平行な方向で、前記第２の境界領域の前記スイッチング部分の前記中間値から、ｎ２−とｎ３−の間にある前記第２の境界領域の前記遠位端の値に断熱的に増加する、請求項１に記載の導波路構造。
【請求項３】
前記中間値が実質的に等しい、請求項１に記載の導波路構造。
【請求項４】
前記導波路が、前記境界領域の前記スイッチング部分の間で前記平行方向に対して横方向に蛇行する、請求項１に記載の導波路構造。
【請求項５】
前記蛇行が、前記導波路で規定される面内に実質的にある、請求項４に記載の導波路構造。
【請求項６】
前記蛇行が、前記導波路で規定される面に対して実質的に垂直である、請求項４に記載の導波路構造。
【請求項７】
前記蛇行が、前記導波路に実質的に閉じ込められた前記導波路のそれぞれの光学モードを、前記導波路の両方に共通な高次の光学モードに結合する、請求項４に記載の導波路構造。
【請求項８】
前記導波路の前記それぞれの光学モードが、前記導波路のゼロ次の光学モードである、請求項７に記載の導波路構造。
【請求項９】
前記導波路のそれぞれの厚さが、前記境界領域の前記スイッチング部分の間で前記並行方向で実質的に周期的に変化する、請求項１に記載の導波路構造。
【請求項１０】
前記厚さの前記変化が、前記導波路で規定される面内に実質的にある、請求項９に記載の導波路構造。
【請求項１１】
前記厚さの前記変化が、前記導波路で規定される面に対して実質的に垂直である、請求項９に記載の導波路構造。
【請求項１２】
前記厚さの前記変化が、前記導波路に実質的に閉じ込められた前記導波路のそれぞれの光学モードを、前記導波路の両方に共通な高次の光学モードに結合する、請求項９に記載の導波路構造。
【請求項１３】
前記導波路の前記それぞれの光学モードが、前記導波路のゼロ次の光学モードである、請求項１２に記載の導波路構造。
【請求項１４】
さらに、
（ｆ）  前記スイッチング部分の中および前記スイッチング部分の間に、前記境界領域実効屈折率ｎ１−、ｎ２−およびｎ３−から成るグループから選ばれた少なくとも１つの屈折率に摂動を可逆的に起こさせる機構、を備える請求項１に記載の導波路構造。
【請求項１５】
前記摂動が、前記実質的に平行な方向で実質的に一様である、請求項１４に記載の導波路構造。
【請求項１６】
前記摂動が、前記実質的に平行な方向で実質的に周期的である、請求項１４に記載の導波路構造。
【請求項１７】
前記機構が、熱光学的である、請求項１４に記載の導波路構造。
【請求項１８】
前記機構が、圧電的である、請求項１４に記載の導波路構造。
【請求項１９】
前記機構が、音響光学的である、請求項１４に記載の導波路構造。
【請求項２０】
前記機構が、電気光学的である、請求項１４に記載の導波路構造。
【請求項２１】
前記機構が、前記導波路、前記境界領域および前記結合領域から成るグループから選ばれた導波路構造の少なくとも１つの部分に電荷担体を可逆的に注入するように作用する、請求項１４に記載の導波路構造。
【請求項２２】
請求項１４に記載の導波路構造を備える方向性結合器。
【請求項２３】
請求項２２に記載の方向性結合器を備えるパワー分割器。
【請求項２４】
請求項２２に記載の方向性結合器を備える波長フィルタ。
【請求項２５】
請求項２２に記載の方向性結合器を備える光変調器。
【請求項２６】
請求項２２に記載の方向性結合器を備える減衰器。
【請求項２７】
請求項１４に記載の導波路構造を備える光スイッチ。
【請求項２８】
請求項２７に記載の光スイッチを少なくとも１つ備える光スイッチマトリックス。
【請求項２９】
第１の数の入力導波路からの光信号を第２の数の出力導波路に切り換えるための光スイッチマトリックスであって、前記２つの数のうちのより大きなものが２よりも大きく、
（ａ）  前記２つの数のうちのより大きなものに数が等しい複数のスイッチ導波路を備え、各前記スイッチ導波路が少なくとも１つのそれぞれの入力導波路およびそれぞれの出力導波路に光学的に結合され、全ての前記スイッチ導波路が実質的にまっすぐでかつ平行である光スイッチマトリックス。
【請求項３０】
さらに、
（ｂ）  前記スイッチ導波路の隣り合う対ごとに、前記各隣り合う対のスイッチ導波路を光学的に結合するための少なくとも１つの結合機構を、備える請求項２９に記載の光スイッチマトリックス。
【請求項３１】
前記スイッチ導波路の隣り合う対ごとに、各前記結合機構が、
（ｉ）  前記各隣り合う対の前記スイッチ導波路の第１のものの少なくとも部分と前記各隣り合う対の前記スイッチ導波路の第２のものの少なくとも部分との間に結合領域を備え、前記第１のスイッチ導波路の前記少なくとも部分が第１の導波路実効屈折率ｎ１−を有し、前記第２のスイッチ導波路の前記少なくとも部分が第２の導波路実効屈折率ｎ２−を有し、前記結合領域がｎ１−より小さくかつｎ２−よりも小さな結合領域実効屈折率ｎ３−を有する、請求項３０に記載の光スイッチマトリックス。
【請求項３２】
前記結合領域ごとに、前記第１および第２のスイッチ導波路の前記少なくとも部分がそれぞれの近位端を有し、各前記結合機構が、
（ｄ）  第１の境界領域であって、前記第１のスイッチ導波路の前記少なくとも部分が前記第１の境界領域と前記結合領域の間に位置し、前記第１の境界領域が前記第１のスイッチ導波路の前記少なくとも部分の前記近位端に近接した近位端を有し、前記第１の境界領域が、前記スイッチ導波路に実質的に平行な方向で、ｎ１−とｎ３−の間にある前記第１の境界領域の前記近位端の値から、ｎ３−より小さな前記第１の境界領域のスイッチング部分の中間値に断熱的に減少する第１の境界領域実効屈折率を有する、第１の境界領域と、さらに、
（ｅ）  第２の境界領域であって、前記第２のスイッチ導波路の前記少なくとも部分が前記第２の境界領域と前記結合領域の間に位置し、前記第２の境界領域が前記第２のスイッチ導波路の前記少なくとも部分の前記近位端に近接した近位端を有し、前記第２の境界領域が、前記実質的に平行な方向で、ｎ２−とｎ３−の間にある前記第２の境界領域の前記近位端の値から、ｎ３−より小さな前記第２の境界領域のスイッチング部分の中間値に断熱的に減少する第２の境界領域実効屈折率を有するものである、第２の境界領域と、
をさらに含むことを特徴とする、請求項３１に記載の光スイッチマトリックス。
【請求項３３】
前記結合領域ごとに、前記第１および第２のスイッチ導波路の前記少なくとも部分がそれぞれの遠位端を有し、前記第１の境界領域が前記第１のスイッチ導波路の前記少なくとも部分の前記遠位端に近接した遠位端を有し、前記第２の境界領域が前記第２のスイッチ導波路の前記少なくとも部分の前記遠位端に近接した遠位端を有し、前記第１の境界領域実効屈折率が、前記実質的に平行な方向で、前記第１の境界領域の前記スイッチング部分の前記中間値から、ｎ１−とｎ３−の間にある前記第１の境界領域の前記遠位端の値に断熱的に増加し、さらに、前記第２の境界領域実効屈折率が、前記実質的に平行な方向で、前記第２の境界領域の前記スイッチング部分の前記中間値から、ｎ２−とｎ３−の間にある前記第２の境界領域の前記遠位端の値に断熱的に増加する、請求項３２に記載の光スイッチマトリックス。
【請求項３４】
方向性結合器であって、
（ａ）  第１の実効屈折率を有する第１の導波路と、
（ｂ）  前記第１の導波路に対して実質的に平行で、かつ第２の実効屈折率を有する第２の導波路と、
（ｃ）  前記第１の実効屈折率に第１の準周期的摂動を可逆的に引き起こすための第１の機構と、
（ｄ）  前記第２の実効屈折率に第２の準周期的摂動を可逆的に引き起こすための第２の機構とを備え、
前記第１の準周期的摂動が前記第１の導波路に沿って単調に変化する第１の包絡関数を有し、さらに、前記第２の準周期的摂動が、前記第１の包絡関数の前記変化に対して反対の意味で、前記第２の導波路に沿って単調に変化する第２の包絡関数を有する方向性結合器。
【請求項３５】
さらに、
（ｅ）  前記第１と第２の導波路の間に位置し、かつ前記第１の実効屈折率および前記第２の実効屈折率の両方よりも小さな第３の実効屈折率を有する結合領域、を備える請求項３４に記載の方向性結合器。
【請求項３６】
前記導波路が単一モード導波路である、請求項３４に記載の方向性結合器。
【請求項３７】
前記機構が、熱光学的である、請求項３４に記載の方向性結合器。
【請求項３８】
前記機構が、圧電的である、請求項３４に記載の方向性結合器。
【請求項３９】
前記機構が、音響光学的である、請求項３４に記載の方向性結合器。
【請求項４０】
前記機構が、電気光学的である、請求項３４に記載の方向性結合器。
【請求項４１】
前記第１および第２の機構が、それぞれ前記第１の導波路および前記第２の導波路に電荷担体を可逆的に注入するように作用する、請求項３４に記載の方向性結合器。
【請求項４２】
請求項３４に記載の方向性結合器を備えるパワー分割器。
【請求項４３】
請求項３４に記載の方向性結合器を備える波長フィルタ。
【請求項４４】
請求項３４に記載の方向性結合器を備える光スイッチ。
【請求項４５】
請求項３４に記載の方向性結合器を備える光変調器。
【請求項４６】
請求項３４に記載の方向性結合器を備える減衰器。
【請求項４７】
第１の導波路を介してある方向に伝播する電磁エネルギーの少なくとも部分を、前記第１の導波路に実質的に平行な第２の導波路に転じる方法であって、
（ａ）  前記第１の導波路の実効屈折率に第１の準周期的摂動を引き起こすステップであって、前記第１の摂動が伝播方向に単調に変化する包絡関数を有する、ステップと、
（ｂ）  前記第２の導波路の実効屈折率に第２の準周期的摂動を引き起こすステップであって、前記第２の摂動が、前記第１の摂動の前記包絡関数の前記変化に対して反対の意味で、伝播方向に単調に変化する包絡関数を有する、ステップと、を含む方法。
【請求項４８】
前記第１の摂動の前記包絡関数が伝播方向に増加し、一方で、前記第２の摂動の前記包絡関数が伝播方向に減少する、請求項４７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の分野および背景）
本発明は光通信デバイスに関し、より詳細には、光結合器に関する。
【０００２】
光結合器は、２個の光導波路の間で光をやりとりするデバイスである。光導波路は、長距離にわたって低損失で光を伝えるデバイスである。光導波路は、低屈折率のクラッド中に入れられた比較的高い屈折率を有する直線延長導波部からなる。内部全反射によって、光は導波部に閉じ込められる。光導波路の一般的な例には、集積回路と同じ方法で赤外光伝達用にしばしば半導体から作られることが多い平面導波路構造、および光ファイバがある。光ファイバでは、従来、導波部は「コア」と呼ばれている。
【０００３】
方向性結合器は、特に、互いに近接した２個の平行導波路から成る。方向性結合器の理論は、Ｄ．ＭａｒｃｕｓｅのＴｈｅｏｒｙ  ｏｆ  Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ，Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ，Ｓｅｃｏｎｄ  Ｅｄｉｔｉｏｎ，１９９１，Ｃｈａｐｔｅｒ６に記載されている。これを、全てここで述べるかのように全ての目的のために参照して、本明細書に組み込む。互い遠く離れている２個の同一導波路は、同一伝播定数の同一伝播モードを有する。２個の導波路を互いに近づけていくとき、対応するモードの対が結合するようになる。マックスウェルの式の解は、精密な近似で、対応する非結合モードの和（対象）と差（奇対象）であり、各解は、対応する非結合モードの伝播定数と僅かに異なるそれ自体の伝播定数を有する。したがって、１つの非結合モードで１つの導波路の導波部を介して方向性結合器に入る単色光は、２つの結合モードの一次結合である。したがって、この光は、２個の導波路の導波部の間で交換される。「ビート長」と呼ばれる距離にわたって方向性結合を伝播した後で、この光は、他方の導波路の導波部に完全に移される。もちろん、方向性結合器がビート長よりも長い場合、光は第１の導波路の導波部に戻ってくる。ビート長は、結合伝播定数の差に逆比例する。特に、ビート長Ｌ＝π／（βｅ−βｏ）である。ここで、βｅは結合偶数モードの伝播定数であり、βｏは結合奇数モードの伝播定数である。これらの伝播定数は導波部の屈折率、介在する光媒体、および光の波長の関数である。
【０００４】
導波部が互いに近ければ近いほど、結合伝播定数の差はますます大きくなる。この型の実際の光結合器では、ビート長を保つために、したがって、センチメートル台のデバイスの長さを保つために、結合導波部間の距離はマイクロメートル台でなければならない。この寸法制限によって、結合器のコストおよび複雑さが増す。
【０００５】
ここで全て述べたかのように全ての目的のために参照して本明細書に組み込む米国特許第６，０８８，４９５で、Ｖｏｒｏｂｅｉｃｈｉｋ他は、方向性結合器について開示している。この方向性結合器では、２個の導波路中を独立に伝播するモードは、導波路の導波部に局在しないで導波路だけでなく導波路間の光媒体にも広がる１つまたは複数の高次のモードを介して、結合される。結合は、導波路の屈折率の周期的摂動によって達成される。
【０００６】
（発明の概要）
Ｖｏｒｏｂｅｉｃｈｉｋ他によって開示された方向性結合器は、結合された光ファイバに基づいている。本発明の第１の態様は、平面導波路構造に基づいた同様な方向性結合器である。
【０００７】
導波路の実効屈折率の一様な周期的変調または摂動で実現される光学モード結合は、変調周期、波長および結合強度比のような様々なパラメータの小さな変化に対して敏感である。本発明の第２の態様は、断熱光学モード結合による方向性結合器であり、この方向性結合器では変調強度は伝播方向で一様でなく、この方向性結合器の性能はこれらのパラメータの小さな変化に対して比較的敏感でない。
【０００８】
本発明に従って提供される導波路構造は、（ａ）近位端を有し、かつ第１の導波路実効屈折率ｎ１−を有する第１の導波路と、（ｂ）第１の導波路に対して実質的に平行で、近位端を有し、かつ第２の導波路実効屈折率ｎ２−を有する第２の導波路と、（ｃ）これらの導波路の間に位置し、ｎ１−より小さくかつｎ２−よりも小さな結合領域実効屈折率ｎ３−を有する結合領域と、（ｄ）第１の境界領域とを備え、第１の導波路が第１の境界領域と結合領域の間に位置し、第１の境界領域が第１の導波路の近位端に近接した近位端を有し、第１の境界領域が、導波路に実質的に平行な方向で、ｎ１−とｎ３−の間にある第１の境界領域の近位端の値から、ｎ３−より小さな第１の境界領域のスイッチング部分の中間値に断熱的に減少する第１の境界領域実効屈折率を有し、さらに、（ｅ）第２の境界領域を備え、第２の導波路が第２の境界領域と結合領域の間に位置し、第２の境界領域が第２の導波路の近位端に近接した近位端を有し、第２の境界領域が、実質的に平行な方向で、ｎ２−とｎ３−の間にある第２の境界領域の近位端の値から、ｎ３−より小さな第２の境界領域のスイッチング部分の中間値に断熱的に減少する第２の境界領域実効屈折率を有する。
【０００９】
本発明に従って提供される光スイッチマトリックスは、第１の数の入力導波路からの光信号を第２の数の出力導波路に切り換えるためのものであり、これら２つの数のうちのより大きなものが２よりも大きく、この光スイッチマトリックスは、（ａ）上の２つの数のうちのより大きなものに数が等しい複数のスイッチ導波路を備え、各スイッチ導波路が少なくとも１つのそれぞれの入力導波路およびそれぞれの出力導波路に光学的に結合され、全てのスイッチ導波路は実質的にまっすぐでかつ平行である。
【００１０】
本発明に従って提供される方向性結合器は、（ａ）第１の実効屈折率を有する第１の導波路と、（ｂ）第１の導波路に実質的に平行で、かつ第２の実効屈折率を有する第２の導波路と、（ｃ）第１の実効屈折率に第１の準周期的摂動を可逆的に引き起こすための第１の機構と、（ｄ）第２の実効屈折率に第２の準周期的摂動を可逆的に引き起こすための第２の機構とを備え、第１の準周期的摂動が第１の導波路に沿って単調に変化する第１の包絡関数を有し、さらに、第２の準周期的摂動が、第１の包絡関数の変化に対して反対の意味で、第２の導波路に沿って単調に変化する第２の包絡関数を有する。
【００１１】
本発明に従って提供される、第１の導波路を介してある方向に伝播する電磁エネルギーの少なくとも部分を、第１の導波路に実質的に平行な第２の導波路に転じる方法は、（ａ）第１の導波路の実効屈折率に第１の準周期的摂動を引き起こすステップであって、この第１の摂動が伝播方向に単調に変化する包絡関数を有するものであるステップと、（ｂ）第２の導波路の実効屈折率に第２の準周期的摂動を引き起こすステップであって、第２の摂動が、第１の摂動の包絡関数の変化に対して反対の意味で、伝播方向に単調に変化する包絡関数を有するものであるステップとを含む。
【００１２】
本発明のデバイスは、一般的に電磁エネルギーを操作することを意図するが、より詳細には、光通信で一般に使用される周波数の赤外光を操作することを意図する。ここで定義される実効屈折率は、例えば、１５５０ｎｍの自由空間波長を有する、光通信で一般に使用される赤外光の周波数である１９３．５ＴＨｚの目標単色周波数に関するものである。
【００１３】
図１は、本発明の平面導波路構造１０の実効屈折率構成を示す。導波路構造１０は、結合領域１６の両側にある２つのまっすぐで平行な導波路１２および１４に基づいている。左の導波路１２は実効屈折率ｎ１−を有する。右の導波路１４は実効屈折率ｎ２−を有する。結合領域１６は実効屈折率ｎ３−を有する。ｎ１−、ｎ２−およびｎ３−に対する唯一の必須の制約は、ｎ３−＜ｎ１−で、かつｎ３−＜ｎ２−であることである。ｎ２−は、ｎ１−より小さくても、等しくても、または大きくてもよい。導波路１２および１４および結合領域１６の近位端（ｐｒｏｘｉｍａｌ  ｅｎｄ）１８、２０および２２は互いに隣り合っている。同様に、導波路１２および１４および結合領域１６の遠位端（ｄｉｓｔａｌ  ｅｎｄ）２４、２６および２８は互いに隣り合っている。
【００１４】
左の導波路１２の結合領域１６と反対の側に、左の境界領域３０があり、この左の境界領域３０は、左の導波路１２の近位端１８に近接した近位端３４および左の導波路１２の遠位端２４に近接した遠位端４０を有する。左の境界領域３０のスイッチング部分３２は、スイッチング部分の近位側３６からスイッチング部分の遠位側３８まで延びる。スイッチング部分３２の中で、左の境界領域３０は実効屈折率ｎ４−を有する。スイッチング部分３２より近位の左の境界領域３０は、近位端３４のｎ０１−の値から近位側３６のｎ４−の値に断熱的に減少する実効屈折率を有する。スイッチング部分３２より遠位の左の境界領域３０は、遠位側３８のｎ４−の値から遠位端４０のｎ０１−の値に断熱的に増加する実効屈折率を有する。ｎ１−、ｎ３−、ｎ４−およびｎ０１−は、ｎ４−＜ｎ３−＜ｎ０１−＜ｎ１−で関係づけられる。
【００１５】
同様に、右の導波路１４の結合領域１６と反対の側に、右の境界領域５０があり、この右の境界領域５０は、右の導波路１４の近位端２０に近接した近位端５４および右の導波路１４の遠位端２６に近接した遠位端６０を有する。右の境界領域５０のスイッチング部分５２は、スイッチング部分の近位側５６からスイッチング部分の遠位側５８まで延びる。スイッチング部分５２の中で、右の境界領域５０は実効屈折率ｎ５−を有する。スイッチング部分５２より近位の右の境界領域５０は、近位端５４のｎ０２−の値から近位側５６のｎ５−の値に断熱的に減少する実効屈折率を有する。スイッチング部分５２より遠位の右の境界領域５０は、遠位側５８のｎ５−の値から遠位端６０のｎ０２−の値に断熱的に増加する実効屈折率を有する。ｎ２−、ｎ３−、ｎ５−およびｎ０２−は、ｎ５−＜ｎ３−＜ｎ０２−＜ｎ２−で関係づけられる。
【００１６】
導波路１２は、近位端１８で入力光ファイバ７０に光学的に結合されて示されている。同様に、導波路１２は、遠位端２４で出力光ファイバ７２に光学的に結合されて示されている。さらに、導波路１４は、遠位端２６で出力光ファイバ７４に光学的に結合されて示されている。
【００１７】
また、図１に、以下で図２に定義する座標系のｘ軸およびｚ軸を示す。
【００１８】
導波路構造１０の物理的な実施形態を以下で説明する。
【００１９】
好ましくは、ｎ４−＝ｎ５−である。
【００２０】
上で言及したように、導波路１２と１４に閉じ込められた光学モードは、実効屈折率の周期的摂動によって、導波路１２と１４および結合領域１６にまたがる１つまたは複数の光学モードを介して結合される。この摂動を実現する１つの方法は、導波路１２および１４の平面内又は該平面に垂直な面内で横方向に蛇行するように導波路１２および１４を構成することである。これらの摂動を実現する第２の方法は、再び導波路１２および１４の平面内に又は該平面に垂直な平面内で、導波路１２および１４の厚さをｚ方向に周期的に変化するように構成することである。これらの摂動を実現する第３の方法は、実効屈折率に摂動を可逆的に起こさせる機構を設けることである。この可逆的な摂動は、第１または第２の摂動と組み合わせて加えられるとき、ｚ方向に一様であり得る。代替的には、この可逆的な摂動は、ただそれだけでｚ方向に周期的であり得るし、第１または第２の摂動との組合せることでｚ方向に周期的であり得る。この機構は、熱光学的、圧電的、音響光学的、または電気光学的であり得る。代替的には、この機構は、導波路構造１０の関連部分への電荷担体の可逆的注入に依存し得る。
【００２１】
本発明の摂動は、実効屈折率の不等式関係を変えるほどには大きくならないように定義される。
【００２２】
導波路構造１０の１つの応用は、方向性結合器の部分としてであり、この方向性結合器は、今度、パワー分割器、波長フィルタ、光変調器または減衰器の部品である。
【００２３】
導波路構造１０の他の応用は、光スイッチの部分としてである。多数のそのような光スイッチは光スイッチマトリックスを構成する。入力光ファイバ７０のような第１の数の入力光導波路からの光信号を、出力光ファイバ７２および７４のような第２の数の出力光導波路に切り換えるそのような光スイッチマトリックスの重要な特徴は、スイッチの導波路が全て実質的にまっすぐで、かつ平行であることである。そのような光スイッチマトリックスには、スイッチング導波路の各隣り合う対、例えば導波路１２および１４が上記のように結合されるような、導波路構造１０のいくつかの例がある。
【００２４】
方向性結合器が、導波路１２および１４のような２個の平行導波路を結合領域１６のような結合領域の両側に含み、両方の導波路のそれぞれの実効屈折率が結合領域の実効屈折率よりも大きい限り、本発明の第２の態様の方向性結合器は導波路構造１０に似ている。しかし、この方向性結合器の物理的な実施形態は平面導波路構造である必要はなく、例えば、導波路として光ファイバに基づくことができる。この方向性結合器は、また、導波路の実効屈折率に準周期的摂動（ｑｕａｓｉｐｅｒｉｏｄｉｃ  ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ）を可逆的に引き起こすための機構を含む。これらの準周期的摂動は、導波路に沿って反対の意味で単調に変化する包絡関数を有する。この機構は、熱光学的、圧電的、音響光学的、または電気光学的であることができる。もしくは、この機構は、導波路に電荷担体を可逆的に注入することに依拠することができる。
【００２５】
好ましくは、本発明の第２の態様の方向性結合器の導波路は、単一モード導波路である。
【００２６】
本発明の第２の態様の方向性結合器の応用は、この方向性結合器を、パワー分割器、波長フィルタ、光スイッチ、光変調器または減衰器の部品として使用することを含む。
【００２７】
本発明の範囲は、本発明の第２の態様の方向性結合器を使用して、一方の導波路を伝播する電磁エネルギーの少なくとも部分を他方の導波路に分流することを含む。好ましくは、電磁エネルギーが最初に伝播する導波路の包絡関数は伝播方向に単調に増加し、電磁エネルギーが分流される導波路の包絡関数は伝播方向に単調に減少する。
【００２８】
本発明は、ここで、単に例として、添付の図面に関連して説明する。
【００２９】
（好ましい実施形態の説明）
本発明の第１の態様は、Ｖｏｒｏｂｅｉｃｈｉｋ他の中間状態補助光結合器を実施するための導波路構造である。本発明の第２の態様は、２個の平行な導波路中を独立に伝播する光学モードをこの２個の導波路に共通な第３の光学モードを介して結合するさらに他の方向性結合器である。本発明は、パワー分割器、波長フィルタ、光変調器、減衰器、および光スイッチマトリックスのような光デバイスで使用することができる。
【００３０】
本発明に従った光結合器の原理および動作は、図面および添付の説明を参照してより適切に理解することができる。
【００３１】
再び図面を参照すると、図２は平面導波路構造１０の物理的な構造を示す。基板層８０は屈折率ｎ１を有する。第２の層８２は屈折率ｎ２を有し、この屈折率ｎ２は、ｎ１よりも小さくても、大きくても、または等しくてもよい。第３の層８４は屈折率ｎ３を有し、この屈折率ｎ３は、ｎ２よりも小さくても、大きくても、または等しくてもよい。第４の層８６は、５つの領域８８、９０、９２、９４および９６を含む。領域９２は、ｎ３よりも大きな屈折率ｎ４を有する。領域９０および９４はそれぞれの屈折率ｎ５およびｎ５’を有し、この屈折率ｎ５およびｎ５’は、ｎ４よりも小さくても、大きくても、または等しくてもよいが、ｎ３よりも大きくなければならない。ｎ５およびｎ５’は等しくてもよいし（対称構成）、等しくなくてもよい（非対称構成）。第５の層９８は、ｎ４およびｎ５およびｎ５’よりも小さな屈折率ｎ６を有する。領域８８および９６の屈折率は、以下で説明するように空間的に変化する。
【００３２】
また、図２に（ｘ、ｙ、ｚ）座標系を示し、平面導波路構造１０を説明するために使用する。様々な層はｘｚ面に平行である。光は、図２に示す平面導波路構造１０の端である平面導波路構造１０の近位端から平面導波路構造１０の遠位端に向かって、＋ｚ方向に伝播する。
【００３３】
図３は、ｘｚ面に平行な層８６の断面であり、層８６の屈折率構成を示している。上で言及したように、領域９０および９４は屈折率ｎ５を有し、領域９２は屈折率ｎ４を有する。点線３６、３８、５６および５８は、それぞれ、図１の近位側３６、遠位側３８、近位側５６、および遠位側５８に対応する。点線３６と３８の間で、領域８８の屈折率はｎ６である。屈折率がｎ６である領域８８の部分は、点線３６および３８を通り過ぎて界面１００および１０２まで延びる。界面１００の近位および界面１０２の遠位で、領域８８の屈折率はｎ５である。同様に、点線５６と５８の間で、領域９６の屈折率はｎ６である。屈折率がｎ６である領域９６の部分は、点線５６および５８を通り過ぎて界面１０４および１０６まで延びる。界面１０４の近位および界面１０６の遠位で、領域９６の屈折率はｎ５’である。
【００３４】
次の表は、層８６の領域の厚さを示す。
【００３５】
【表１】
2004515802.tif 000003
【００３６】
これらの厚さは、次のように関係づけられる。すなわち、ＡとＢは等しくてもよいし、異なってもよく、Ｃ＜Ｄ１＜ＡおよびＣ＜Ｄ２＜Ｂである。
【００３７】
入力導波路７０が領域９０の近位側で領域９０に光学的に結合され、出力導波路７２が領域９０の遠位側で領域９０に光学的に結合され、さらに出力導波路７４が領域９４の遠位側で領域９４に光学的に結合された状態で、この屈折率と厚さの構造によって、入力導波路７０を介して平面導波路構造１０に導入される光に対する、図１に示すような平面導波路構造１０の実効屈折率が与えられる。左の境界領域３０の実効屈折率が近位端３４のｎ０１−から近位側３６のｎ４−まで断熱的に減少するように、界面１００は位置づけされる。左の境界領域３０の実効屈折率が遠位側３８のｎ４−から遠位端４０のｎ０１−まで断熱的に増加するように、界面１０２は位置づけされる。右の境界領域５０の実効屈折率が近位端５４のｎ０２−から近位側５６のｎ５−まで断熱的に減少するように、界面１０４は位置づけされる。右の境界領域５０の実効屈折率が遠位側５８のｎ５−から遠位端６０のｎ０２−まで断熱的に増加するように、界面１０６は位置づけされる。
【００３８】
平面導波路構造１０が製造される材料の１つの種類は、ゲルマニウムをドープしたシリカ（ＳｉＯ２／Ｇｅ）である。１５５０ｎｍの自由空間波長を有する光に対して、シリカの屈折率は１．４４である。ゲルマニウムをドープすることで、この屈折率を１．５％程度大きくすることができる。平面導波路構造１０が製造される材料の他の種類は、窒素をドープしたシリカ（ＳｉＯＮ）である。シリカに窒素をドープすることで、１５５０ｎｍの自由空間波長を有する光に対して、屈折率を１．６程度まで大きくすることができる。
【００３９】
図４Ａは、スイッチング部分３２および５２の近位および遠位での実効屈折率ｎ―をｘの関数として模式的に示すものである。図４Ｂは、スイッチング部分３２および５２の内部およびその間での実効屈折率ｎ―をｘの関数として同様に模式的に示すものである。図４Ａおよび４Ｂは非対称構成（ｎ５≠ｎ５’）を示すことに留意されたい。スイッチング部分５２より近位および遠位で、平面導波路構造１０は、点線１０８および１１０で象徴的に表される光学モードだけを維持し、これらの光学モードは導波路１２および１４に局在している。スイッチング部分３２と５２の間では、平面導波路構造１０は点線１１２で象徴的に表される光学モードも維持し、この光学モードは両方の導波路１２と１４および結合領域１６にも跨っている。共通光学モード１１２の存在によって、（一般に、ゼロ次の）光学モード１０８および１１０と少なくとも１つの高次の共通光学モード１１２との間の選択的な光学モード結合を使用する、導波路１２と１４の間の効率的な方向性結合が可能になる。光学モード１０８が伝えている光パワーを光学モード１１０に、および／またはその逆に移す任意の方法で、例えば、平面導波路構造１０の屈折率の周期的またはほぼ周期的摂動および、領域９０および９４の形状寸法の周期的またはほぼ周期的な変化で、この結合を達成することができる。
【００４０】
１つのそのような幾何学的な摂動を図５に示す。図５は、図３の断面に似た、ｘｚ平面に平行な平面導波路構造１０の断面であるが、ｘｚ平面に平行な周期的に蛇行する領域９０および９４を示している。他のそのような幾何学的摂動を図６に示す。図６は、ｙｚ面に平行な周期的に蛇行する領域９０の変形物の、ｙｚ面に平行な平面導波路構造１０の部分断面である。
【００４１】
効率のよい選択的な光学モード結合を実現するために、蛇行の周期は、光学モードの伝播定数に対応しなければならない。
【００４２】
【数１】
2004515802.tif 000004
【００４３】
ここで、β１およびβ２は、それぞれ、導波路１２および１４のゼロ次の光学モードの伝播定数である。ここで、β３は、第３の共通光学モードの伝播定数である。Λ１は、領域９０の蛇行波長である。さらに、Λ２は、領域９４の蛇行波長である（図５および６を参照されたい）。式（１）および（２）が満たされる場合、導波路１２のゼロ次の光学モードに初期にあった光パワーは、領域９０の蛇行による周期的摂動によって共通の高次の光学モードに移され、同時に、領域９４の蛇行による周期的摂動によって共通光学モードから導波路１４のゼロ次の光学モードに移される。このようにして、２つのゼロ次の光学モードの間の直接結合は無視できるほどであるにもかかわらず、完全な方向性結合が実現される。
【００４４】
このようにして作られた方向性結合器は、また、光スイッチとして使用することができる。スイッチング動作の２つの様式が可能である。
【００４５】
通常「オン」のスイッチでは、光学モード結合が効率的で、かつ導波路１２と１４の間の完全なパワー移転が実現されるように、蛇行パラメータは選ばれる。屈折率の動的な摂動を使用して、光学モードの伝播定数を変え、さらに光学モード結合を非活動化する。この様式では、光スイッチは通常「オン」である。光学モードの伝播定数の変化は、例えば、熱光学効果、圧電効果、または音響光学効果、または電気光学効果によるような様々な方法で実現することができる。図５において、蔭をつけた部分１１４、１１６、および１１８は、そのような摂動をスイッチング部分３２、結合領域１６およびスイッチング部分５２にそれぞれ使用して、実効屈折率ｎ４−、ｎ３−およびｎ５−をそれぞれ変更する機構を表す。例えば、摂動機構１１４、１１６および１１８は、平面導波路構造１０の上面または下面の抵抗加熱素子であってもよい。機構１１４、１１６および１１８で生じる摂動の空間的な範囲は、それぞれの領域３０、１６および５０を越えて広がる。機構１１４は実効屈折率ｎ１−にも摂動を起こさせる。機構１１６は実効屈折率ｎ１−およびｎ２−にも摂動を起こさせる。さらに、機構１１８は実効屈折率ｎ２−にも摂動を起こさせる。３個の抵抗加熱素子の各々を異なる（または、等しい）温度に加熱して、その下の（または、その上の）領域の屈折率に所望の変化を引き起こすことができる。屈折率の変化が、今度は、導波路１２および１４のゼロ次の光学モード並びに高次の共通光学モードの光学的特性（すなわち、伝播定数）を変え、このようにして、スイッチを活動化する。留意すべきことであるが、摂動は、実効屈折率間の不等式の関係を変えるほどに大きくてはならない。
【００４６】
代替的に、摂動機構１１４、１１６および１１８は、スイッチング部分３２、結合領域１６およびスイッチング部分５２それぞれに対して電荷担体の可逆的な注入を行うための電極であるかもしれない。
【００４７】
通常「オフ」のスイッチでは、光学モード結合が効率的でないように、すなわち、式（１）および（２）が満たされないように、蛇行パラメータが選ばれる。屈折率の動的変化を使用して、光学モードの伝播定数を変え、さらに光学モード結合を活動化する。この様式では、光スイッチは通常「オフ」であり、動的摂動によってスイッチは活動化される。
【００４８】
図５は、屈折率のｚに無関係な動的な摂動と屈折率のｚに依存した（特に、周期的な）静的な摂動の組合せを示す。図７は、屈折率のｚに依存した静的および動的な摂動を示す。特に、図７は、ｘｚ面に平行な平面導波路構造１０の断面であり、図５の断面に似ているが、ｚ方向で周期的（または、ほぼ周期的）に変化する動的な摂動を加えるセグメント化された摂動機構１２４、１２６および１２８を有する。摂動によって生じる屈折率の平均的な変化を使用して、静的な摂動に対して光学モードの伝播定数を一致させるか（通常「オフ」のスイッチの状態）、または一致させない（通常「オン」のスイッチの状態）ようにする。隣り合うセグメント１２４、隣り合うセグメント１２６、または隣り合うセグメント１２８に生じる屈折率変化の差を使用して、光学モードを結合する屈折率摂動の強さを調整する。全体的な光学モード結合強度を変えることができることで、２つ（静的と動的）の光学モード結合を使用して得られるパワー移転効率を最大にすることができるようになる。
【００４９】
例えば、摂動セグメント１２４、１２６および１２８は、屈折率の熱光学的な摂動を引き起こすための、図示のような３個のアレイの、平面導波路構造１０のそれぞれの領域の上または下に配置された抵抗加熱素子であり得る。３個のアレイの各々で、抵抗加熱素子を異なる（または、等しい）温度に加熱して、その上かその下の平面導波路構造１０の領域の屈折率の変化を起こさせる。屈折率の平均的な変化によって、導波路１２および１４のゼロ次の光学モード並びに高次の共通光学モードの光学特性（すなわち、伝播定数）が変わって、静的な摂動を活動化するか（通常「オフ」のスイッチの状態）、または非活動化する（通常「オン」のスイッチの状態）。各アレイの隣り合う抵抗加熱素子を交互に加熱することで、屈折率の周期的（または、ほぼ周期的）な摂動が生成され、この周期的（または、ほぼ周期的）な摂動が（静的な摂動とともに）、導波路１２および１４のゼロ次の光学モードを導波路１２および１４の両方に共通な高次の光学モードと結合する。
【００５０】
もしくは、摂動セグメント１２４、１２６および１２８は、平面導波路構造１０のそれぞれの領域への電荷担体の可逆的な注入を行うための電極であるかもしれない。
【００５１】
図８は、静的な摂動のない状態でのｚに依存する動的な摂動を示す。特に、図８は、ｘｚ面に平行な平面導波路構造１０の断面であり、領域９０および９４が蛇行しないでまっすぐである限り、図３の断面に似ているが、図７のように、ｚ方向で周期的（または、ほぼ周期的）に変化する動的な摂動を加えるセグメント化された摂動機構１２４、１２６および１２８を有する。この場合、方向性結合は、屈折率の２つの動的な摂動を加えることで実現される。これらの摂動は、導波路１２および１４の各々のゼロ次の光学モードを両方の導波路１２および１４に共通な高次の光学モードに選択的に結合する。このようにして、初めに導波路１２のゼロ次の光学モードで伝えられていた光パワーが、第３の共通の高次光学モードを介して導波路１４のゼロ次の光学モードに移される。
【００５２】
図８に示す場合では、屈折率の摂動は動的に起こり、静的な摂動はない。このようにして、摂動のない状態で、導波路１２および１４は十分に遠く離れているので、導波路１２および１４のゼロ次光学モード間の方向性結合は無視できるほどである。動的な摂動が起こるとき、光学モード結合が活動化され、方向性結合が実現される。したがって、この構成は通常「オフ」のスイッチとして使用することができる。動的な摂動は、前と同様な方法で、例えば、熱光学的に、圧電的に、または音響光学的に実現することができる。
【００５３】
例えば、摂動セグメント１２４、１２６および１２８は、屈折率の熱光学的な摂動を引き起こすための、図示のような３個のアレイの、平面導波路構造１０のそれぞれの領域の上または下に配置された抵抗加熱素子であり得る。この場合、抵抗加熱素子１２４は導波路１２のゼロ次の光学モードを高次の共通光学モードに結合するために使用され、抵抗加熱素子１２８は導波路１４のゼロ次の光学モードを高次の共通光学モードに結合するために使用され、そして、抵抗加熱素子１２６は両方のゼロ次の光学モードを高次の共通光学モードに同時に結合するために使用される。アレイ１２４、アレイ１２６およびアレイ１２８は、周期的に交互になる加熱か、一定（ｚに無関係）の加熱かいずれかを行うことができる。交互になる加熱を使用して光学モード結合を引き起こし、一定加熱を使用して屈折率を変える。屈折率のｚに無関係な変化によって、光学モードの伝播定数の対応する変化が生じ、これらの伝播定数の差は、式（１）および（２）に従って、周期的摂動の波長に応じて調整される。
【００５４】
代替的に摂動セグメント１２４、１２６および１２８は、平面導波路構造１０のそれぞれの領域への電荷担体の可逆的な注入を行うための電極であり得る。
【００５５】
図９は、図５の変形であり、領域９０および９４の代替的な周期的幾何学的摂動、すなわちｘｚ面に平行な、領域９０および９４の厚さの周期的な変化を示す。図１０は、図６の変形であり、領域９０の他の代替的な周期的幾何学的摂動、すなわちｙｚ面に平行な、領域９０の厚さの周期的な変化を示す。
【００５６】
上で述べた２×２の光スイッチの全ての構成で、光導波路はまっすぐで、かつ互いに平行である。伝播方向に沿って光導波路間の間隔を変える必要はない。その理由は、この間隔は、これらの導波路のゼロ次の光学モード間で直接結合が起きないように、一定で、かつ大きくしてあるからである。導波路のゼロ次の光学モードと共通の高次の光学モードの間のモード結合によって、直接結合が実現される。実際、この光学モード結合は、導波路間の距離の影響をほとんど全く受けない。離れた多数のゼロ次光学モード径の導波路の間で光スイッチングが可能である。導波路はまっすぐで、かつ平行であるので、本発明の２×２スイッチに基づいたより大きなスイッチングマトリックスは、特に小型で効率的である。
【００５７】
図１１は、４×４無阻止光スイッチマトリックス１５０の模式図を示し、このスイッチマトリックスは、図示のように、４個のまっすぐで平行な導波路１５２、１５４、１５６および１５８を結合する本発明の６個の２×２光スイッチ１６０、１６２、１６４、１６６、１６８および１７０に基づいている。図１１の各２×２光スイッチは、基本的には、図１の平面導波路構造１０と全く同じであり、２個の隣り合う導波路、すなわち導波路１５２と１５４、導波路１５４と１５６、または導波路１５６と１５８を結合する。例えば、スイッチ１６０の内部にある導波路１５２の部分は、スイッチ１６０の導波路１２であり、スイッチ１６０によってスイッチ１６０の内部の導波路１５４の部分に光学的に結合されており、この導波路１５４はスイッチ１６０の導波路１４である。スイッチ１６６の内部の導波路１５２の部分は、スイッチ１６６の導波路１２であり、スイッチ１６６によってスイッチ１６６の内部の導波路１５４の部分に光学的に結合されており、この導波路１５４はスイッチ１６６の導波路１４である。スイッチ１６４の内部の導波路１５４の部分は、スイッチ１６４の導波路１２であり、スイッチ１６４によってスイッチ１６４の内部の導波路１５６の部分に光学的に結合されており、この導波路１５６はスイッチ１６４の導波路１４である。以下、同様である。図１１の２×２スイッチをＳベンド（Ｓ−ｂｅｎｄ）で接続する必要はない。したがって、４×４スイッチマトリックス１５０の全長は、長いＳベンドを必要とする従来技術の同等のスイッチマトリックスの長さよりも相当に短い。さらに、各別個の２×２スイッチ内で導波路は平行になっているので、２×２スイッチの中にＳベンドまたは導波路間距離の他の緩やかな変化を導入する必要はない。各２×２スイッチは、約１ミリメートルに短くすることができる。このようにして、Ｓベンドまたは導波路間距離の他の緩やかな変化が必要とされる場合よりも遥かに小さい規模で、大きなスイッチングマトリックスを作ることができる。同様に、より大きな無阻止スイッチングマトリックスを設計することができる。まっすぐで平行な導波路のまわりに組み立てられた多数のスイッチを接続するのに適している新規なアーキテクチャだけでなく、既存のアーキテクチャも使用することができる。
【００５８】
スイッチングの目的のために、スイッチ１６０、１６２、１６４、１６６、１６８および１７０の各々は、それぞれの導波路の間でパワーが交換されない直接通過状態と、２つのそれぞれの導波路の間でパワーが完全に交換されるクロスオーバ状態との２つの状態のうちの１つで配置される。次のテーブルは、導波路１５２を介してスイッチマトリックス１５０に入る信号「ａ」、導波路１５４を介してスイッチマトリックス１５０に入る信号「ｂ」、導波路１５６を介してスイッチマトリックス１５０に入る信号「ｃ」、および導波路１５８を介してスイッチマトリックス１５０に入る信号「ｄ」に対して、２４の可能なスイッチングの組合せを実現するために、スイッチ１６０、１６２、１６４、１６６、１６８および１７０が設定される状態を示す。最初の４列は、導波路１５２、１５４、１５６および１５８の各々を介してどの信号がスイッチマトリックス１５０から出るかを示している。最後の６列は、スイッチ１６０、１６２、１６４、１６６、１６８および１７０の対応する設定を示す。直接通過状態は「＝」で表す。クロスオーバー状態は「Ｘ」で表す。
【００５９】
【表２】
2004515802.tif 000005
【００６０】
本発明の第２の態様の方向性結合器は、非エバネッセント（ｎｏｎ−ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ）断熱光学モード結合に基づいている。伝播方向に沿って結合強度を変えることで光学モード結合が実現されるような特定の形態の屈折率摂動が使用される。「Ｓｕｐｅｒｍｏｄｅｓ  ｏｆ  ｇｒａｔｉｎｇ−ｃｏｕｐｌｅｄ  ｍｕｌｔｉ−ｍｏｄｅ（登録商標）  ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ  ａｎｄ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ｔｏ  ｍｏｄｅ  ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  ｂｅｔｗｅｅｎ  ｃｏｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ  ｍｏｄｅｓ  ｍｅｄｉａｔｅｄ  ｂｙ  ｂａｃｋｗａｒｄ  Ｂｒａｇｇ  ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ」  Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈ．，Ｖｏｌ．１７，ｐｐ．９２４−９４７（１９９９）に述べられているように、Ｅ．ＰｅｒａｌおよびＡ．Ｙａｒｉｖが、マルチモード導波路の光学モード間のモード変換を行うために同様な原理を使用した。特に、同じ導波路内の同時伝播光学モード間のモード変換は、後方伝播光学モードによって調停された。対照的に、本発明の第２の態様の方向性結合器では、光パワーは一方の導波路から他方の導波路に移され、さらに導波路は単一モード導波路であってもよく、実際は通常単一モード導波路である。
【００６１】
２個の導波路の間の断熱光パワー移転を理解するために、次式のように、光フィールドＥが３つの光学モードの一次結合で与えられると想定される系を考えよう。
【００６２】
【数２】
2004515802.tif 000006
【００６３】
ここで、Ｃｊ（ｚ）は、理想的な光学モードΦｊ（０）（ｘ，ｙ）のｚに依存する係数であり、ｚは伝播方向である。これらの理想的な光学モードおよびその伝播定数βｊは、ｚに依存する屈折率ｎ（ｘ，ｙ）を有する媒体中を伝播する光波を記述する。
【００６４】
方向性結合器の問題では、Φ１（０）（ｘ，ｙ）およびΦ２（０）（ｘ，ｙ）は、それぞれ第１および第２の導波路に局在する光フィールドを表す。導波路は十分遠く離れているので、Φ１（０）（ｘ，ｙ）とΦ２（０）（ｘ，ｙ）の間の直接エバネッセント結合は無視できる。
【００６５】
断熱光学モード結合を介した方向性結合および光スイッチングは、同等の導波路か異なった導波路かのために実現することができる。導波路間の差は、その屈折率でも、そのジオメトリでも、またはその両方であってもよい。２個の導波路が異なっている場合（非同期方向性結合器）、Φ１（０）（ｘ，ｙ）は近似的に第１の導波路のゼロ次の光学モードであり、Φ２（０）（ｘ，ｙ）は近似的に第２の導波路のゼロ次の光学モードである。２個の導波路が同等である場合（同期方向性結合器）、構造全体の光学モードは、偶数パリティと奇数パリティの光学モードに分類することができる。導波路は遠く離れているので、奇数および偶数光学モードはほぼ縮退している。この場合、Φ１（０）（ｘ，ｙ）は、第１の偶数光学モードと第１の奇数光学モードの和であり、一方の導波路に局在している。Φ２（０）（ｘ，ｙ）は、第１の偶数光学モードと第１の奇数光学モードの差であり、他方の導波路に局在している。Φ３（０）（ｘ，ｙ）は、２導波路構造全体の高次光学モードであり、個々に考えた導波路の高次光学モードと異なっている。
【００６６】
３つの光学モードΦｊ（０）（ｘ，ｙ）、ｊ＝１、２、３は、伝播方向の屈折率を変調することで結合させることができる。
【００６７】
【数３】
2004515802.tif 000007
【００６８】
式（４）において、屈折率の変調は、電気透過率（屈折率の自乗）の（座標に依存した）摂動と自由空間波数（ω／ｃ）の自乗の積であるＶによって表わされる。ｎ∧（ｘ，ｙ）（ここで、ｎ∧は、ｎの上部に∧が付いていることを表す。）は、無摂動導波路の屈折率分布である。ωは（単色）光波の角周波数であり、ｃは真空中の光の速度である。屈折率摂動は、次式の形であると考えられる。
【００６９】
【数４】
2004515802.tif 000008
【００７０】
ここで、
【００７１】
【数５】
2004515802.tif 000009
【００７２】
βｊは光学モードの伝播定数である。Δε１（ｘ，ｙ）およびΔε２（ｘ，ｙ）は、Φ３（０）（ｘ，ｙ）をΦ１（０）（ｘ，ｙ）およびΦ２（０）（ｘ，ｙ）と結合する屈折率の摂動の局部的な振幅を表す。ｇ１（ｚ）およびｇ２（ｚ）は、伝播方向における光学モード結合強度の変化を表すｚに依存した包絡関数である。
【００７３】
光学モード結合は、屈折率の周期的または準周期的摂動によって実現される。無限に長い周期の極限事例では、ｇ１（ｚ）＝ｇ２（ｚ）＝１である。
【００７４】
屈折率摂動はΦ１（０）（ｘ，ｙ）とΦ２（０）（ｘ，ｙ）が直接結合しないようなものであると考えられる。さらに、波長Λ１の屈折率の摂動がΦ１（０）（ｘ，ｙ）とΦ２（０）（ｘ，ｙ）だけを結合し、一方で、波長Λ２の屈折率の摂動がΦ２（０）（ｘ，ｙ）とΦ３（０）（ｘ，ｙ）だけを結合する。そのような場合、光学モードのｚに依存した係数（式（３））は次式を満たす。
【００７５】
【数６】
2004515802.tif 000010
【００７６】
ここで、ｋ０はクラッド中の波数であり、к１（ｚ）およびк２（ｚ）は、ｚに依存した一定結合係数である
【００７７】
【数７】
2004515802.tif 000011
【００７８】
と
【００７９】
【数８】
2004515802.tif 000012
【００８０】
に、ｚに依存した包絡関数ｇ１（ｚ）およびｇ２（ｚ）をそれぞれ掛けることで得られるｚに依存した結合係数である。
【００８１】
【数９】
2004515802.tif 000013
【００８２】
式（８）は解析的に解くことができる。к１（ｚ）およびк２（ｚ）が次式のようである場合、
【００８３】
【数１０】
2004515802.tif 000014
【００８４】
ここで、
【００８５】
【数１１】
2004515802.tif 000015
【００８６】
光学モード間の断熱パワー移転が得られる。さらに、初期に、Ｃ１（ｚ＝０）＝１、Ｃ２（ｚ＝０）＝０およびＣ３（ｚ＝０）＝０で、さらにк１（ｚ）およびк２（ｚ）がк１（ｚ＝０）≪к２（ｚ＝０）のようである場合、光学モードの係数は、次式で与えられる。
【００８７】
【数１２】
2004515802.tif 000016
【００８８】
最後に、к１（ｚ）およびк２（ｚ）がк１（ｚ＝Ｌ）≫к２（ｚ＝Ｌ）のようである場合、ここでＬは、屈折率が変調されている導波路部分の長さであり、そのとき、
【００８９】
【数１３】
2004515802.tif 000017
【００９０】
である。
【００９１】
このようにして、最初に光学モードΦ１（０）（ｘ，ｙ）で伝えられていた光パワーが光学モードΦ２（０）（ｘ，ｙ）に完全に移される。Φ１（０）（ｘ，ｙ）およびΦ２（０）（ｘ，ｙ）は互いに直接結合しないこと、および、これらの各々はそれぞれк１（ｚ）およびк２（ｚ）によって第３の光学モードΦ３（０）（ｘ，ｙ）に結合されることに留意されたい。しかし、断熱条件が満たされるという前提で、第３の光学モードは光フィールドの伝播に寄与しない。さらに、断熱パワー移転は、к１（ｚ）とк２（ｚ）を結合するという直感に反するシーケンスで得られる。すなわち、第１の光学モードから第２の光学モードに光パワーを移すために、第２と第３の最初に存在しなかった光学モードを結合する屈折率の摂動が（к２）、最初に存在した第１の光学モードと最初に存在しなかった第３の光学モードを結合する摂動（к１）の手前に導入されなければならない。光学モード結合の断熱性と光パワー移転の効率の両方は、光学モード結合係数к１（ｚ）およびк２（ｚ）の形に依存している。式（１３）および境界条件к１（ｚ＝０）≪к２（ｚ＝０）およびк１（ｚ＝Ｌ）≫к２（ｚ＝Ｌ）から、結合係数のｚに依存した包絡線は部分的に重なり合わなければならいということになる。その理由は、Φ１（０）（ｘ，ｙ）とΦ３（０）（ｘ，ｙ）の間の光学モード結合強度はｚとともに増加し、一方で、Φ２（０）（ｘ，ｙ）とΦ３（０）（ｘ，ｙ）の間の光学モード結合強度はｚとともに減少するからである。к１（ｚ）およびк２（ｚ）がｚとともに十分にゆっくりと変化して断熱性を維持するならば、結合強度の正確なｚ依存性は重要ではない。
【００９２】
図１２は、Ｖｏｒｏｂｅｉｃｈｉｋ他の図３から作ったものであり、２本の光ファイバ２１０と２２０を可逆的に結合する本発明の第２の態様の方向性結合器２００の長手方向の概略断面である。光ファイバ２１０は、クラッド２１２に入れられたコア２１４を含む。同様に、光ファイバ２２０は、クラッド２２２に入れられたコア２２４を含む。クラッド２１２および２２２は境界２０８に沿って接触している。境界２０８に近接したコア２１４および２２４の平行部分が、結合部分２１６および２２６を構成する。コア２１４および２２４はクラッド２１２および２２２の屈折率よりも大きな屈折率を有するので、コア２１４と２２４およびクラッド２１２と２２２の直ぐ近接する部分が、平面導波路構造１０の導波路１２と１４に類似した導波路を構成し、それぞれの実効屈折率を有する。結合部分２１６と２２６の間にあるクラッド２１２および２２２の部分が、平面導波路構造１０の結合領域１６に類似した結合領域を構成し、導波路の実効屈折率よりも小さなそれぞれの実効屈折率を有する。また、座標軸ｘ（横方向）およびｚ（長手方向）を図１２に示す。
【００９３】
結合部分２１６および２２６に平行な光ファイバ２１０および２２０の反対側に、平面格子２３０と２４０およびカム２３２と２４２があり、このカム２３２と２４２が回転するとき、このカムによって、それぞれの平面格子２３０および２４０がそれぞれの中心点２３４および２４４を支点にして蝶番式に旋回するようになる。カム２３２および２３４が図示の位置にある状態では、光ファイバ２１０および２２０に応力がかかっていないので、結合部分２１６および２２６の屈折率は、対応する導波路の実効屈折率であるように長手方向で均一である。カム２３２および２４２を回転することで、長手方向の周期的な応力場が光ファイバ２１０および２２０に加えられて、準周期的な方法で結合部分２１６および２１８の屈折率に摂動が起こり、したがって相当する導波路の実効屈折率に摂動が起こる。「準周期的」な摂動は、横方向に一様でない包絡関数を有する周期的摂動を意味し、その結果、摂動のピーク（最大および最小）振幅は、摂動のサイクルごとに、すなわち周期ごとに異なる値である。特に、平面格子２３０で光ファイバ２１０に加えられる応力場の包絡関数、したがって、平面格子２３０で光ファイバ２１０の屈折率および相当導波路の実効屈折率に誘起される摂動の包絡関数は、＋ｚ方向で単調に増加する。一方で、平面格子２４０で光ファイバ２２０に加えられる応力場の包絡関数は、したがって、平面格子２４０で光ファイバ２２０の屈折率および相当導波路の実効屈折率に誘起される摂動の包絡関数は、＋ｚ方向で単調に減少する。その結果として、本発明の第２の態様の原理によって、光ファイバ２１０の中を＋ｚ方向に伝播する光は、これらの摂動によって、光ファイバ２２０に結合される。このように、方向性結合器２００は、通常「オフ」の光スイッチとして機能する。カム２３２および２４２が図１２に示す位置にあり、その結果、応力場が光ファイバ２１０および２２０に加えられないとき、光ファイバ２１０を介して＋ｚ方向に伝播する光は光ファイバ２１０中にとどまっている。カム２３２および２４２が回転して平面格子２３０および２４０を光ファイバ２１０および２２０の方に押し、それによって、それぞれの応力場が光ファイバ２１０および２２０に加えられるとき、光ファイバ２１０を介して＋ｚ方向に伝播する光の少なくとも部分が光ファイバ２２０に結合されて、光ファイバ２２０を介して＋ｚ方向に伝播する。
【００９４】
平面格子２３０と２４０、その関連するカム２３２と２４２、および旋回軸２３４と２４４は、本発明の第２の態様に従って、光ファイバ２１０および２２０の屈折率に、したがって相当導波路の実効屈折率に、準周期的摂動を可逆的に引き起こすための機械的な機構を構成する。当業者には明らかであろうが、他の種類の機構、例えば、熱光学的な機構、圧電的な機構、音響光学的な機構、電気光学的な機構、および光ファイバ２１０および２２０に電荷担体を可逆的に注入する機構もまた使用することができることは理解されるであろう。
【００９５】
本発明は限られた数の実施形態に関して説明したが、本発明の多くの変形物、修正物および他の応用物を作ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の第１の態様の平面導波路構造の実効屈折率構成を示す図である。
【図２】
図１の平面導波路構造の物理的な構造を示す図である。
【図３】
図２の平面導波路構造の第４の層の、ｘｚ面に平行な断面を示す図である。
【図４】
図４Ａは、スイッチング部分より近位および遠位の、図１および２の平面導波路構造の実効屈折率を示す模式図である。
図４Ｂは、スイッチング部分の中および間の、図１および２の平面導波路構造の実効屈折率を示す模式図である。
【図５】
導波路領域のｘｚ面に平行な周期的な静的摂動を含み、さらに実効屈折率の一様な動的摂動を引き起こす機構も含む図３を示す図である。
【図６】
図２の導波路領域の１つのｙｚ面に平行な周期的な静的摂動を示す図である。
【図７】
実効屈折率の周期的な動的摂動を引き起こす機構を有する図３を示す図である。
【図８】
静的摂動のない図７を示す図である。
【図９】
ｘｚ面内に導波路領域の他の周期的な静的摂動を有する図５を示す図である。
【図１０】
ｘｚ面内に導波路領域の他の周期的な静的摂動を有する図６を示す図である。
【図１１】
本発明の第１の態様の４×４の無阻止光スイッチマトリックスを示す模式図である。
【図１２】
本発明の第２の態様の方向性結合器の模式的な縦方向断面を示す図である。
【国際公開パンフレット】
2004515802.tif 000018
2004515802.tif 000019
2004515802.tif 000020
2004515802.tif 000021
2004515802.tif 000022
2004515802.tif 000023
2004515802.tif 000024
2004515802.tif 000025
2004515802.tif 000026
2004515802.tif 000027
2004515802.tif 000028
2004515802.tif 000029
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2004515802.tif 000032
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2004515802.tif 000060
2004515802.tif 000061
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004515802.tif 000062
2004515802.tif 000063
【国際調査報告】
2004515802.tif 000064