(57)【要約】相異なるインデックス差を有する２本の導波路に係わる光モードの間を低損失で結合可能なモード変成器（１００）が提供される。モードのサイズと実効インデックスが、２本の導波路の間で徐々に変わるので、モード形状、サイズ、速度が徐々に変成され、パワー損失は最小限に抑えられる。本モード変成器は、低インデックス差を有する光ファイバ導波路のモードを平面高インデックス差導波路のモードに結合するのに有用である。結合は双方向に行える。
2004503800.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体導波路光モード変成器であって、
第１テーパ領域を有する第１コアと、これを囲むクラッドとを備える第１誘電体チャネル型導波路と、
第２テーパ領域を有する第２コアと、これを囲む前記クラッドとを備える第２誘電性チャネル型導波路とを備え、
前記第２テーパ領域の一部が前記第１テーパ領域内に埋め込まれ、埋め込まれた長さがゼロ以上であり、
前記第２テーパ領域の埋め込まれた部分が、前記モード変成方向に直角な断面において前記第１テーパ領域で完全に囲まれており、
前記第１と第２テーパ領域が接触しているとき、前記第１テーパ領域内に埋め込まれた前記第２テーパ領域の前記埋め込まれた長さがゼロであることを特徴とする誘電体光導波路モード変成器。
【請求項２】
請求項１記載の変成器において、前記クラッドが、前記第１と第２コアの屈折率とは相異なる屈折率を有する一種または複数種の材料で構成されていることを特徴とする変成器。
【請求項３】
請求項１記載の変成器において、前記第１コアの屈折率が、前記直角方向に傾斜（ｇｒａｄｅｄ）していることを特徴とする変成器。
【請求項４】
請求項１記載の変成器において、前記第２コアの屈折率が、前記直角方向に傾斜していることを特徴とする変成器。
【請求項５】
請求項１記載の変成器において、前記クラッドの屈折率が、前記直角方向に傾斜していることを特徴とする変成器。
【請求項６】
請求項１記載の変成器において、屈折率が、前記直角方向において前記第１コアから前記クラッドに向かって徐々に変化していることを特徴とする変成器。
【請求項７】
請求項１記載の変成器において、屈折率が、前記直角方向において前記第２コアから前記クラッドに向かって徐々に変化していることを特徴とする変成器。
【請求項８】
請求項１記載の変成器において、屈折率が、前記直角方向において前記第１コアから前記クラッドに向かって急激に変化していることを特徴とする変成器。
【請求項９】
請求項１記載の変成器において、屈折率が、前記直角方向において前記第２コアから前記クラッドに向かって急激に変化していることを特徴とする変成器。
【請求項１０】
請求項１記載の変成器において、前記第１テーパ領域と前記第２テーパ領域との間の光伝送効率が０．１％以上の場合は、前記第１テーパ領域と第２テーパ領域の両先端が接触しているとされることを特徴とする変成器。
【請求項１１】
請求項１記載の変成器において、前記第１と第２のコア、および前記クラッドが、平面光波回路（ＰＬＣ）上に集積化されていることを特徴とする変成器。
【請求項１２】
請求項１記載の変成器において、前記第１コアの屈折率が、前記第２コアの屈折率より比較的低いことを特徴とする変成器。
【請求項１３】
請求項１記載の変成器において、前記第１コアの屈折率が、前記クラッドの屈折率より僅かに高いことを特徴とする変成器。
【請求項１４】
請求項１３記載の変成器において、ｎ１が前記第１コアの屈折率で、ｎ３が前記クラッドの屈折率である場合、０＜（ｎ１−ｎ３）／ｎ３＜０．１であることを特徴とする変成器。
【請求項１５】
請求項１記載の変成器において、前記第２コアの屈折率が、前記第１コアの屈折率と前記クラッドの屈折率より格段に高いことを特徴とする変成器。
【請求項１６】
請求項１５記載の変成器において、ｎ１が前記第１コアの屈折率で、ｎ２が前記第２コアの屈折率で、ｎ３が前記クラッドの屈折率である場合、０．３≦（ｎ２−ｎ３）／ｎ３であることを特徴とする変成器。
【請求項１７】
請求項１記載の変成器において、伝播する光モードが、前記第１コアと前記第２コアの間を伝播するとき、サイズと形状と速度の変成が行われることを特徴とする変成器。
【請求項１８】
請求項１記載の変成器において、伝播する光モードが、前記第１導波路と前記第２導波路の間を双方性に伝播できることを特徴とする変成器。
【請求項１９】
請求項１記載の変成器において、前記第２テーパ領域により、伝播する光モードに対する実効インデックスが変化することを特徴とする変成器。
【請求項２０】
請求項１記載の変成器において、前記第１テーパ領域により、伝播する光モードの反射が最小限に抑えられ、前記伝播する光モードが前記第２コアに集束されることを特徴とする変成器。
【請求項２１】
請求項１記載の変成器において、前記第１テーパ領域を設けたことにより、伝播する光モードのモード変成効率が向上することを特徴とする変成器。
【請求項２２】
請求項１記載の変成器において、前記第１と第２のテーパ領域が、連続体あるいはセグメント体であることを特徴とする変成器。
【請求項２３】
請求項１記載の変成器において、前記第１と第２のテーパ領域が、リニア体あるいはノンリニア体であることを特徴とする変成器。
【請求項２４】
誘電体導波路光モード変成器であって、
第１テーパ領域を有する第１コアと、これを囲むクラッドとを備える第１誘電性チャネル型導波路と、
第２テーパ領域を有する第２コアと、これを囲む前記クラッドとを備える第２誘電性チャネル型導波路とを備え、
前記第２テーパ領域の一部が前記第１テーパ領域内に埋め込まれ、埋め込まれた長さがゼロ以上であり、
前記第２コアと前記クラッドにより、高インデックス差導波路が形成され、
前記第２テーパ領域の埋め込まれた部分が、前記モード変成器方向に直角な断面において前記第１テーパ領域で完全に囲まれており、
前記第１と第２テーパ領域が接触しているとき、前記第１テーパ領域内に埋め込まれた前記第２テーパ領域の前記埋め込まれた長さがゼロであることを特徴とする誘電体光導波路モード変成器。
【請求項２５】
請求項２４記載の変成器において、前記第１コアの屈折率が、前記第２コアの屈折率より比較的低いことを特徴とする変成器。
【請求項２６】
請求項２４記載の変成器において、高インデックス差導波路は、導波路のモード・フィールドサイズが、インデックス差０．３以上のチャネル型導波路のサイズからは断面積５０％差以内である導波路として定義されることを特徴とする変成器。
【請求項２７】
請求項２４記載の変成器において、伝播する光モードが、前記第１コアと前記第２コアの間を伝播するとき、サイズと形状と速度の変成が行われることを特徴とする変成器。
【請求項２８】
請求項２４記載の変成器において、伝播する光モードが、前記第１導波路と前記第２導波路の間を双方性に伝播できることを特徴とする変成器。
【請求項２９】
請求項２４記載の変成器において、前記第２テーパ領域により、伝播する光モードに対する実効インデックスが変化することを特徴とする変成器。
【請求項３０】
請求項２４記載の変成器において、前記第１テーパ領域により、伝播する光モードの反射が最小限に抑えられ、前記伝播する光モードが前記第２コアに集束されることを特徴とする変成器。
【請求項３１】
請求項２４記載の変成器において、前記第１テーパ領域を設けたことにより、伝播する光モードのモード変成効率が向上することを特徴とする変成器。
【請求項３２】
請求項２４記載の変成器において、前記第１と第２のテーパ領域が、連続体あるいはセグメント体であることを特徴とする変成器。
【請求項３３】
請求項２４記載の変成器において、前記第１と第２のテーパ領域が、リニア体あるいはノンリニア体であることを特徴とする変成器。
【請求項３４】
請求項２４記載の変成器において、前記第１コアの屈折率が、前記直角方向に傾斜していることを特徴とする変成器。
【請求項３５】
請求項２４記載の変成器において、前記第２コアの屈折率が、前記直角方向に傾斜していることを特徴とする変成器。
【請求項３６】
請求項２４記載の変成器において、前記クラッドの屈折率が、前記直角方向に傾斜していることを特徴とする変成器。
【請求項３７】
請求項２４記載の変成器において、屈折率が、前記直角方向において前記第１コアから前記クラッドに向かって徐々に変化していることを特徴とする変成器。
【請求項３８】
請求項２４記載の変成器において、屈折率が、前記直角方向において前記第２コアから前記クラッドに向かって徐々に変化していることを特徴とする変成器。
【請求項３９】
請求項２４記載の変成器において、屈折率が、前記直角方向において前記第１コアから前記クラッドに向かって急激に変化していることを特徴とする変成器。
【請求項４０】
請求項２４記載の変成器において、屈折率が、前記直角方向において前記第２コアから前記クラッドに向かって急激に変化していることを特徴とする変成器。
【請求項４１】
請求項２４記載の変成器において、前記第１テーパ領域と前記第２テーパ領域との間の光伝送効率が０．１％以上の場合は、前記第１テーパ領域と第２テーパ領域の両先端が接触しているとされることを特徴とする変成器。
【請求項４２】
請求項２４記載の変成器において、前記第１と第２のコア、および前記クラッドが、平面光波回路（ＰＬＣ）上に集積化されていることを特徴とする変成器。
【請求項４３】
請求項２４記載の変成器において、前記クラッドが、前記第１と第２コアを囲む領域（複数を含む）であって、前記第１と第２コアの実効インデックスより低い実効インデックスを有する領域（複数を含む）として定義されることを特徴とする変成器。
【請求項４４】
請求項２４記載の変成器において、前記クラッドが、前記第１と第２コアを囲む領域（複数を含む）であって、光モードのエバネッセント・フィールドが存在する領域（複数を含む）として定義されることを特徴とする変成器。
【請求項４５】
光モードのカップラであって、
第１テーパ領域を有する第１コアと、
第２テーパ領域を有する第２コアと、
前記第１と第２コアとを囲むクラッドとを備え、
前記第２テーパ領域の一部が前記第１テーパ領域内に埋め込まれ、
前記クラッドが、前記第１と第２コアの屈折率とは相異なる屈折率を有する一種または複数種の材料で構成されていることを特徴とする光モードのカップラ。
【請求項４６】
誘電性導波路光モード変成器であって、
第１テーパ領域を有する第１コアと、これを囲むクラッドとを備える第１誘電性導波路と、
第２テーパ領域を有する第２コアと、これを囲む前記クラッドとを備える第２誘電性導波路とを備え、
前記第２テーパ領域の一部が前記第１テーパ領域内に埋め込まれ、
前記クラッドが、前記第１と第２コアの屈折率とは相異なる屈折率を有する一種または複数種の材料で構成されていることを特徴とする誘電性導波路光モード変成器。
【請求項４７】
光領域の間に伝播する光モードを双方向性に結合する方法であって、
第１テーパ領域を有する第１コアを提供するステップと、
第２テーパ領域を有する第２コアを提供し、前記第２テーパ領域を前記第１テーパ領域に埋め込むステップと、
前記第１と第２コアとを囲むクラッドを提供し、前記クラッドを、前記第１と第２コアの屈折率とは相異なる屈折率を有する一種または複数種の材料で構成するステップと、
伝播する光モードを前記第１または第２コアのいずれかに導入するステップと、
を備えることを特徴とする光領域間伝播光モード双方向性結合方法。
【請求項４８】
伝播する光モードを両光領域の間に双方向性に結合する方法であって、
第１テーパ領域を有する第１コアを提供するステップと、
第２テーパ領域を有する第２コアを提供し、前記第２テーパ領域の一部を前記第１テーパ領域に埋め込むステップと、
前記第１と第２コアとを囲むクラッドを提供し、前記クラッドを、前記第１と第２コアの屈折率とは相異なる屈折率を有する一種または複数種の材料で構成するステップと、
伝播する光モードを前記両光領域のいずれかに導入するステップと、
を備えることを特徴とする伝播光モード両光領域間双方向性結合方法。
【請求項４９】
伝播する光モードを高屈折率領域と低屈折率領域との間で双方向性に結合する方法であって、
第１テーパ領域を有する第１低屈折率コアを提供するステップと、
第２テーパ領域を有する第２高屈折率コアを提供し、前記第２テーパ領域の一部を前記第１テーパ領域に埋め込むステップと、
前記第１と第２コアとを囲むクラッドを提供し、前記クラッドを、前記第１と第２コアの屈折率とは相異なる屈折率を有する一種または複数種の材料で構成するステップと、
伝播する光モードを前記第１または第２コアのいずれかに導入するステップと、
を備えることを特徴とする伝播光モード高屈折率領域／低屈折率領域間双方向性結合方法。
【請求項５０】
伝播する光モードを高屈折率領域と低屈折率領域との間で双方向性に結合する方法であって、
第１テーパ領域を有する第１低屈折率コアを提供するステップと、
第２テーパ領域を有する第２高屈折率コアを提供し、前記第２テーパ領域の一部を前記第１テーパ領域に埋め込むステップと、
前記第１と第２コアとを囲むクラッドを提供し、前記クラッドを、前記第１と第２のコアの屈折率とは相異なる屈折率を有する一種または複数種の材料で構成するステップと、
伝播する光モードを前記高屈折率領域または前記低屈折率領域のいずれかに導入するステップと、
を備えることを特徴とする伝播光モード高屈折率領域／低屈折率領域間双方向性結合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（優先権に関する情報）
本出願は、２０００年７月１０日出願の暫定米国特許出願第６０／２１７，１６８号に基づいて優先権を主張するものであると同時に２００１年４月２４日出願の米国特許出願第０９／８４１，４６４号に係わる一部継続出願である。
【０００２】
（技術分野）
本発明は、光技術の分野、特に、光変成器または２本の導波路の間の光放射を双方向性に結合する変成器に関する。本発明は、２本の導波路の間のモード変成器の分野でもある。
【０００３】
（背景技術）
２本の相異なる導波路の間に設けられるモード変成器は、光コンポーネントの一つから送られる光波（モード）を別の一つの光コンポーネントに結合する光システムの必須の部分である。光通信では、光ファイバ導波路と高インデックス差（コアとクラッドの屈折率の差）平面導波路との間に設けられるモード変成器は、光ファイバ通信に平面光波回路（ＰＬＣ）を成功裡に組み込むのに極めて重要である。従って、２本の導波路の間の効率的なモード変成器の開発は、精力的研究の重要課題であった。
【０００４】
相異なるインデックス（屈折率）差および／またはコア屈折率を有する２本の導波路の間でモードを変成するとき、モードサイズ、形状、モード速度の差に起因して高い結合損失が生じる。例えば、光ファイバ導波路のインデックス差とモードとが、高インデックス差プレーナ型導波路のそれらと相異なる場合は、光ファイバ導波路と高インデックス差プレーナ型導波路とを直接結合すると、結合損失が高くなる。光ファイバのインデックス差は、〜０．０１であり、高インデックス差導波路のインデックス差より小さく、正方形チャネル型導波路構造においては典型的には０．３以上であるので、光ファイバ側のモードは、高インデックス差導波路のモードより多くなる。チャネル型導波路は、コアと称される中心部がクラッドと称される周辺部で囲まれている誘電体導波路である。クラッドはコアより小さい屈折率を有する材料（複数を含む）からできている。このような構造では光強度のピークはコアの方に存在する。高インデックス差導波路は、他の幾何学形状を有する導波路としても規定することが可能であり、リブ型導波路がその一例である。リブ型導波路は、コアがクラッドで囲まれている誘電導波路であるが、クラッド構成材料の少なくとも一部はコアと同じ屈折率を有する材料である。チャネル型導波路とは相異なる導波路構成では、高インデックス差導波路は、高インデックス差チャネル型導波路と同様な（断面積５０％差内で）モード−フィールドサイズを有するものとして定義される。これらの導波路では、クラッドは、光モードのエバネッセント・フィールドが存在する領域として定義される。
【０００５】
更に、光ファイバ導波路のコアインデックスが高インデックス差プレーナ型導波路のものより低い場合は、両導波路間にモード速度差が生じる。モード性質のこのような変化が急激に起こると、高いパワーロスが生じる。
【０００６】
相異なるインデックス差を有する２本の導波路の間のモード結合を効率的に行うアプローチはこれまで幾つかあった。例えば、高インデックス差導波路の寸法を先細にする方法、すなわち、テーパ法によるモード変成が一例である。テーパ法によるモード変成は多くの刊行物に記載されている。高インデックス差導波路のテーパ領域にわたって、導波路コアの厚さまたは幅を、通常の導波領域から厚さまたは幅が小さくなるように、つまり先細になるようにテーパ加工する。高インデックス差導波路の通常の導波領域からテーパ領域にモードが伝送されるにつれて、モードが利用できるコア材料は徐々に少なくなる。コア材の外側に存在するモードフィールド分散の部分が増加し、モードサイズを変える。モードが利用できる導波路インデックスが、テーパの存在によって有効に変えられる。換言すれば、「実効インデックス」がテーパによって徐々に変えられるのである。低インデックス差導波路から高インデックス差導波路へと実効インデックスを徐々に変化させることによって、パワーロスを高めずに２本の導波路間のモード結合を達成することができる。実効インデックスを測定する方法は、グプタ（Ｍ． Ｇｕｐｕｔａ）著「光工学便覧」（”Ｔｈｅ Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ”， Ｂｏｃａ Ｒａｔｏｎ，Ｆｌａ．ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ，５３２−５３５（１９９６））に記載されている。
【０００７】
テーパ法に基づくモード変成については、ブレナ（Ｂｒｅｎｎｅｒ）らが電気・電子技術者協会発行の光工学技報に発表した論文（ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．５，Ｎｏ．９，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ １９９３）に記載されている。この刊行物では、平面導波路のコアは通常の導波路のコアサイズから垂直方向側が先細にテーパ加工されている。テーパ領域に伝搬するモードのサイズは、実効インデックスが小さくなるので減少し、従って実効インデックス差が減少する。この刊行物が示しているのは、テーパの存在に起因する１本の導波路に徐々に生じるモード変成である。
【０００８】
ステグミューラ（Ｓｔｅｇｍｕｅｌｌｅｒ）らの米国特許第５，１９９，０９２号に示されるのは、一つは広く、他は狭い２本の相異なる導波路の間のモード結合である。これら２本の導波路は互いに平行に延び、相互に重ね合わされ、重なり合った導波路から構成される導波案内路を形成する。重なり合った導波路から構成される導波案内路を形成する際に、２本の導波路の片方を、垂直方向側でテーパ状にし、他方の導波路は前と同じ寸法のままとする。テーパ状にさせられた導波路の役割は、実効インデックスの変化を徐々に行わせ、従ってモード変成を、ブレナ（Ｂｒｅｎｎｅｒ）らの著作を含む定期刊行物に記載の場合と同じように、行わせることである。相違は、狭い導波路を広い導波路に重ね合わせることであって、一旦狭い方の導波路が垂直側テーパで末端に至ると、広い方の導波路に光波を導くようになる。広い方の導波路は、光波を導く部分全長にわたって狭い方の導波路の周囲を囲むようになっている。一旦モード変成が完了すれば、広い方の導波路が存在することにより、モード導波が支援される。
【０００９】
上記の単一テーパ装置に加えて、テーパを二重に備えているものが、２本の相異なる導波路の間のモード変成に用いられる。ゼンゲルレ（Ｚｅｎｇｅｒｌｅ）らが電気・電子技術者協会発行の光工学技報に発表した論文（ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．７，Ｎｏ．５，Ｍａｙ １９９５）には、２本のチャネル型導波路の各々をテーパ状に加工し、導波路の一本を他の一本の導波路の上に載せて結合したモード変成器が報告されている。シュワンダ（Ｓｃｈｗａｎｄｅｒ）らが電子工学技報に発表した論文（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．２９，Ｎｏ．４， Ｆｅｂｒｕａｒｙ １９９３）には、２本のリブ型導波路の各々をテーパ状に加工し、導波路の一本の一部を他の一本の導波路の中に埋め込んだモード変成器が報告されている。この技術に用いられたリブ型導波路は２本とも導波性が弱いので、高インデックス差導波路に接続してモード変成を行うのには好適な方法ではない。メルマン（Ｍｏｅｒｍａｎ）らの論文（ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．３，Ｎｏ．６， Ｄｅｃｅｍｂｅｒ１９９７）には、モード変成に用いられるこれら２重テーパ法が報告されている。
【００１０】
しかし、低インデックス差導波路と高インデックス差導波路との間の効率的なモード変成器については、従来技術では何も報告されていない。本発明は、高インデックス差導波路に接続されるモードを変成するのに有用な埋込型二重テーパに基づく効率的なモード変成器を、初めて、開示するものである。
【００１１】
（発明の開示）
本発明に基づけば、埋込型二重テーパを用いることにより、１本は他に較べて遙かに高いインデックス差を有する２本の導波路の間を低損失でモード結合する光路モード変成器が提供される。本発明に係わる変成器は、光ファイバから送られる光路モードを高インデックス差平面導波路のモードに結合するのに用いることができる。なお、シングルモード光ファイバの典型的なコア寸法は直径約１０μｍであり、シングルモード高インデックス差平面導波路のコア寸法は、チャネル型導波路では典型的に直径１μｍ以下である。１μｍ寸法のシングルモードに対応する正方形チャネル型導波路のインデックス差は、〜０．３である。
【００１２】
本発明の目的は、相異なるモードサイズとインデックスとを備える２本の導波路の間でモードを変成する装置を提供することである。本発明の他のもう一つの目的は、光ファイバ導波路のモードと高インデックス差プレーナ型導波路のモードとの間を低パワー損失で結合することが可能な装置を提供することである。
【００１３】
本発明では、低インデックス差導波路と高インデックス差導波路との間でモードがこうむるパワー損失は、光路が二重テーパ結合領域を通るので低くなる。テーパを二重に用いることにより、モード性質の徐々の変化が得られるが、この徐々の変化こそ低損失、双方向モード変成に必要なことである。低インデックス差導波路と高インデックス差導波路双方の導波路は、先端がテーパ状になっており、その方向は反対である。これらの相対する方向に延びるテーパは、２本の導波路が重なり合って、小さな方の導波路が大きな方の導波路に埋め込まれるような構造で配置されている。
【００１４】
本発明の目的は、上記の二重テーパ構造を用いると、２本の導波路の間のモード変成効率が向上することを示すことである。本発明の別の目的の一つは、テーパ加工された導波路は、低損失のモード変成とするには、重ね合わせなければならないこと、すなわち、厳密にいえば、重ね合わさる長さの範囲がゼロ以上としなければならないことを示すことである。
【００１５】
本発明に開示の埋込型二重テーパ技術は、高インデックス差導波路に接続して高効率のモード変成を行うのに好適である。このことは、従来技術の技法では可能でなかったのである。従来技法は低インデックス差のリブ型導波路構成に限定されていたのである。
【００１６】
光ファイバと高インデックス差導波路との間のモード結合に本発明を適用するには、低インデックス差導波路を選択して、これは光ファイバと同様なインデックス差、コアインデックス、およびモードサイズを有するようにする。光ファイバからのモードは最初、同じような性質を有する前記低インデックス差導波路に結合される。つまり、この結合が低損失で達成されるのは、モードに類似性があるからである。結合されると、光は前記低インデックス差導波路に導かれる。次に、前記低インデックス差導波路のモードと実効インデックスとが、上記の二重テーパの効果によって最終導波路のものに徐々に変化される。
【００１７】
（発明を実施するための最良の形態）
図１〜図４は、本発明に基づくモード変成器１００の実施の形態の例の概略図である。図１は、モード変成器１００の上面図を示す。一方、図２は同じ変成器の側面図を示す。図３と図４とは、図１に示されるモード変成器の、それぞれ、左側と右側とから見た前面図を示す。
【００１８】
モード変成器１００は、低インデックス差導波路のコア１０２と、高インデックス差導波路のコア１０４と、両コアを包むクラッド１０６とを備え、大きなモードを形成する低インデックス差導波路と、小さなモードを形成する高インデックス差導波路とに接続されるように規定されている。高インデックス差導波路と低インデックス差導波路とは双方ともこの実施の形態ではチャネル型導波路である。
【００１９】
長さＬ１のテーパ領域１０８が低インデックス差導波路に設けられている。長さＬ２のテーパ領域１１０が高インデックス差導波路に設けられている。テーパ領域１０８，１１０の各々の構成は、テーパ領域１１０の一部１１２、長さＬ３の部分がテーパ領域１０８の中に埋め込まれるように重なった状態である。
【００２０】
コア１０４のインデックスであるｎ２は、コア１０２とクラッド１０６のインデックスであるｎ１とｎ３とより大きい。実施の形態の図示の例では、ｎ１は、ｎ３より僅かに大きい。低インデックス差導波路は、図３に示されるようにコア１０２とクラッド１０６とで規定される。ｎ１は、ｎ３より僅かに大きいだけで、０＜（ｎ１−ｎ３）／ｎ３＜０．１だからである。他方、高インデックス差導波路は、図４に示されるようにコア１０４とクラッド１０６とで規定される。ｎ２は、ｎ３より遙かに大きく、０．３≦（ｎ２−ｎ３）／ｎ３だからである。
【００２１】
ファイバ・モードは、断面寸法が図３に示されるものと同様なので、モード変成器をファイバと高インデックス差導波路と結合するのに使用するとき、図１と図２に示されるようにモード変成器１００の左側に結合される。
【００２２】
操作の際には、図１に示されるようにモード変成器１００の左側から右側に伝わるモードは、コア／クラッドのインデックス比がｎ１／ｎ３ である低インデックス差導波路のモードからコア／クラッドのインデックス比がｎ２／ｎ３ である高インデックス差導波路のモードへと変成される。
【００２３】
図１の左側でモード変成器に入るモードは、図３に示される導波路断面によって決定される。光モードは、低インデックス差導波路によって導かれ、図１に示されるように高インデックスコア１０４のテーパ部１０８に導入されるまでは、モード性質を維持する。テーパ１０８では、コア１０４の水平側がテーパ状となっており、低インデックス差導波路の導波路モードのインデックスから実効インデックスまで徐々に変化する。コア１０４がテーパ１０８で狭いとき、実効インデックスはコア１０２（およびクラッド１０６）のインデックスに近くなる。従ってモード性質も同じようになる。コア１０４が徐々に広がると、実効インデックスもそれに応じて増加し、高インデックス差導波路のインデックスに接近する。モードは、実効インデックスが変化することにより、図４に示された導波路断面で定められるモードに徐々に変成される。
コア１０２のテーパ方向は、図１に示される通り、コア１０４とは反対方向である。このテーパによって、一旦モードが高インデックス差導波路に結合されてしまうと、低インデックス差導波路は終わりとなる。このテーパにより、また、モードの集束と反射が最適化されることによってモード変成の効率が向上する。
【００２４】
高インデックス差導波路と低インデックス差導波路とにそれぞれ設けられたテーパ領域１０８と１１０とにより、効率的、かつ双方向モード変成器が提供される。一旦モードが低インデックス差導波路に結合されてしまうと、高インデックス差導波路に設けられたテーパの個所で、高インデックス差導波路は終わりとなり、また、低インデックス差導波路に設けられたテーパの個所についても、同様であるからである。モード変成器１００は、図１と図２に示されるように、モードが左側から右側へは勿論のこと右側から左側へ伝送する場合にも作動するので、双方向性モード変成器ともなる。
【００２５】
高インデックスコアのテーパ長さの設計は、モード変成によるパワー損失を最小限に抑えるように行われなければならない。低インデックスコアに設けられるテーパの設計は、反射を最小限に抑え、集束を最大限にし、効率を最大限にするように行われなければならない。テーパ領域１０８と１１０の重なり相部分１１２の選択も、結合効率を最大限にするように行わなければならない。
【００２６】
本発明に係わるモード変成器は光ファイバから高インデックス差導波路にモードを結合するのに有用である。ファイバ・モードは、図１に示されるように変成器の左側に結合することができる。この変成器の断面の様子は図３に示されている。コア１０２とクラッド１０６との間のインデックス差の選択は、ファイバの場合の差と同様な値（〜０．０１）として行うことができる。上記コア／クラッドのインデックス比、それにモードは、ファイバと同様であるので、高効率の結合が達成される。結合された後、モードは、上記のように高インデックス差導波路側のモードに変成される。
【００２７】
この結合技術はどのような高インデックス差導波路システムにも適用できる。例えば、クラッド材としてはＳｉＯ２を、低インデックス差導波路のコア材としてはＳｉＯＮを、そして高インデックス差導波路のコア材としてはＳｉ３Ｎ４を用いることができる。図示の実施の形態の例に対して、設計パラメータとしてＬ１＝Ｌ２＝５０μｍおよびＬ３＝４０μｍを用いてシミュレーションを行ったところ、波長１．５５μｍのところで効率７５％という値が得られた。これは、従来の突き合わせ結合を行っただけで本発明の二重テーパ法を行わなかった場合に得られた効率３０％に比較して大きな改良である。本発明は双方向性変成器であり、両方向のモード変成に対し同じような効率を示す。
【００２８】
本発明の実施の形態の例は、連続型またはリニア（フラットエッジ）型テーパに関して示されたが、一方、セグメント型またはノンリニア型テーパも本発明に基づいて用いることが可能であることが理解されるであろう。例えば、本発明のテーパとしては、段差が付いたテーパエッジ、あるいは凹形状または凸形状のテーパエッジでも差し支えない。
【００２９】
図５Ａは、図３と図４とに示される導波路の断面図である。図５Ｂ〜５Ｆは、図５の矢印線に沿って生じる可能なインデックス分布を幾つか示す。本発明の実施の形態の例は、図５Ａと図５Ｂに示されるように、低インデックス差導波路および高インデックス差導波路に用いられるコアとクラッドの間にステップ（ｓｔｅｐ）型インデックス分布があるものに関して示されたが、一方、コアとクラッドの間に他の型のインデックス分布があるものも、本発明に基づいて用いることが可能であることが理解されるであろう。
【００３０】
例えば、グレーデッド（ｇｒａｄｅｄ）型インデックス分布やステップ・グレーデッド型インデックス分布のような多岐にわたるインデックス分布も、コアの屈折率がクラッドの屈折率より平均として高い限りは、これを用いることができる。このような分布は図５Ｃ〜図５Ｆに示されている。図５Ｂ〜図５Ｆの多様なインデックス分布は、説明目的に水平方向に沿うように図示されているが、他の方向についても適用し得る。
【００３１】
本発明の実施の形態の例は、２番目のテーパが１番目のテーパに埋め込まれているものに関して示されたが、一方、２本のテーパの先端が接触しているだけのものも、すなわち、テーパ部分の重なり合いがゼロのものも、本発明に基づいて用いることが可能であることが理解されるであろう。２本のテーパの先端が接触していると考えられるものの二重テーパの例は、図６に示される。２本のテーパ１０８と１１０の各先端の間の距離、すなわち、図６にＤとして示される距離が十分に短かく、有意な伝送効率が得られないときには、２本のテーパの先端が接触しているだけと考えられ、先端があたかも物理的に離れているかのように、重なり合い部分はゼロであるとされねばならない。有意な伝送効率としては、０．１％以上の効率として定義される。
【００３２】
以上、本発明の実施の形態の例について、２本のチャネル型導波路に関して示したが、一方、他の形の導波路構成のものも、断面積の個所のモード−フィールドサイズがこの実施の形態に使われたチャネル型導波路のものと同様である限り、本発明に基づいて用いることが可能であることが理解されるであろう。
【００３３】
本発明は幾つかの好ましい実施の形態に関して記載し、図示したものであるが、それらの形態や詳細に関して多様な変更、削除、付加を行うことも、本発明の精神と範囲に逸脱することなく、可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づくモード変成器の実施の形態の例の概略上面図である。
【図２】図１に示されるモード変成器の側面図である。
【図３】図１に示されるモード変成器の左側から見た前面図である。
【図４】図１に示されるモード変成器の右側から見た前面図である。
【図５Ａ】図３と図４の導波路の断面図である。
【図５Ｂ〜５Ｆ】図５の矢印線に沿って生じる可能なインデックス分布を幾つか示す図である。
【図６】Ｄなる距離が十分短く、０．１％以上の光伝送が得られないとき、テーパの先端が接触しているだけと考えられる二重テーパ具備モード変成器の上面図である。
【図１】
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【図２】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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