(57)【要約】【課題】実用的な分岐効率を確保しながら、製造が容易であるＹ分岐光導波路を提供する。【解決手段】Ｙ分岐光導波路１０は、１本の入力導波路１１を伝搬する光を２本の分岐導波路１２ａ，１２ｂにより２方向に分岐する。２本の分岐導波路１２ａ，１２ｂによって挟まれた分岐先端部１３は、入力導波路１１の長手方向に垂直な先端面１３ａと、先端面１３ａと直交する側面１３ｂと、側面１３ｂと直交する底面１３ｃとを備えた階段状の構造を有し、この先端面１３ａの幅ｄ１を入力導波路１１の幅Ｄよりも広くする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元の光導波路を２次元のスラブ導波路として見たときに、１本の入力導波路を伝搬する光を２本の分岐導波路により２方向に分岐するＹ分岐光導波路であって、
前記２本の分岐導波路によって挟まれた分岐先端部は、前記入力導波路の長手方向に垂直な先端面と、該先端面と直交する側面と、該側面と直交する底面とを備えた階段状に形成され、
前記先端面の幅が前記入力導波路の幅よりも広いことを特徴とするＹ分岐光導波路。
【請求項２】
前記入力導波路の幅は４μｍ〜６μｍ、前記分岐先端部の幅は８μｍ〜１２μｍ、前記分岐先端部の長さが１０μｍ〜３５０μｍ、前記２本の分岐導波路の分岐角は１．８度〜５．０度であることを特徴とする請求項１に記載のＹ分岐光導波路。
【請求項３】
三次元の光導波路を２次元のスラブ導波路として見たときに、１本の入力導波路を伝搬する光を２本の分岐導波路により２方向に分岐するＹ分岐光導波路であって、
前記２本の分岐導波路によって挟まれた分岐先端部は、前記入力導波路の長手方向に垂直な先端面と、該先端面と直交する側面と、該側面と直交する底面とを備えた階段状に形成され、
前記入力導波路の幅は４μｍ〜６μｍ、前記先端面の幅は２μｍ〜４μｍ、前記側面の長さが１０μｍ〜２００μｍ、前記２本の分岐導波路の分岐角は１．６度〜２．０度であることを特徴とするＹ分岐光導波路。
【請求項４】
前記入力導波路に導入される光の波長は１．５０μｍ〜１．６０μｍであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のＹ分岐光導波路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光通信等に使用されるＹ分岐光導波路に関する。
【背景技術】
【０００２】
従前より、図４Ａに示すように、Ｘ方向に平行に設けられた１本の入力導波路９１を伝搬する光を２本の分岐導波路９２ａ，９２ｂにより２方向に分岐するＹ分岐光導波路（スプリッタ）９０として、２本の分岐導波路９２ａ，９２ｂによって挟まれた分岐先端部９３の形状が楔形であるものが知られている。この分岐角θが小さいほど分岐効率はよいが、分岐角θが小さく、尖った形状の分岐先端部９３を有するＹ分岐光導波路の製造には技術的困難が伴う。また、製造した場合の製品の特性ばらつきも大きい。
【０００３】
このような問題を解決するために、図４Ｂに示すように、入射方向と直交する平坦面を有する分岐先端部９４を有するＹ分岐光導波路９０Ａや、図４Ｃに示すように、入力導波路９１に向けて突出した平面略長方形の突起９５ａを備えた分岐先端部９５を有するＹ分岐光導波路９０Ｂが知られている（例えば、特許文献１，非特許文献１参照）。
【０００４】
しかしながら、図４Ｂに示す構造のＹ分岐光導波路９０Ａでは、分岐効率が低くなるという問題がある。また、入射方向と直交する平坦面による反射光により放射モードになりやすい。
【０００５】
一方、図４Ｃに示す構造のＹ分岐光導波路９０Ｂでは、突起９５ａの幅を細くしなければならないが、これには、分岐角θの小さい尖った形状の分岐先端部９３を有するＹ分岐光導波路と同様に、製造に技術的な困難が伴う。
【特許文献１】特開２００３−１８５８６７号公報（図６等）
【非特許文献１】沢真之輔、藪哲郎、真瀬博仁、下代雅哲，「最適化法による新構造低損失Ｙ分岐光導波路の低損失化」，電子情報通信学会技術研究報告，（１９９７），ＬＱＥ−９７〜１００
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、実用的な分岐効率を確保しながら、製造が容易であるＹ分岐光導波路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、三次元の光導波路を２次元のスラブ導波路として見たときに、１本の入力導波路を伝搬する光を２本の分岐導波路により２方向に分岐するＹ分岐光導波路であって、前記２本の分岐導波路によって挟まれた分岐先端部は、前記入力導波路の長手方向に垂直な先端面と、該先端面と直交する側面と、該側面と直交する底面とを備えた階段状に形成され、前記先端面の幅が前記入力導波路の幅よりも広いことを特徴とするＹ分岐光導波路が提供される。
【０００８】
なお、実際には三次元構造を有する光導波路を二次元スラブ導波路として規定するのは、当業者が計算の都合上よく利用する手法であり、二次元として見た場合でも実際の三次元の光導波路の特性を十分に把握することができる（例えば、“藪哲郎、沢真之輔，「光導波路の解析法」，光学（１９９８），２７巻１１号，ｐｐ６３２−６３９”参照）。
【０００９】
このＹ分岐光導波路では、入力導波路の幅を４μｍ〜６μｍ、分岐先端部の幅を８μｍ〜１２μｍ、分岐先端部の長さを１０μｍ〜３５０μｍ、２本の分岐導波路の分岐角を１．８度〜５．０度とすることが好ましい。
【００１０】
また本発明によれば、三次元の光導波路を２次元のスラブ導波路として見たときに、１本の入力導波路を伝搬する光を２本の分岐導波路により２方向に分岐するＹ分岐光導波路であって、前記２本の分岐導波路によって挟まれた分岐先端部は、前記入力導波路の長手方向に垂直な先端面と、該先端面と直交する側面と、該側面と直交する底面とを備えた階段状に形成され、前記入力導波路の幅は４μｍ〜６μｍ、前記先端面の幅は２μｍ〜４μｍ、前記側面の長さが１０μｍ〜２００μｍ、前記２本の分岐導波路の分岐角は１．６度〜２．０度であることを特徴とするＹ分岐光導波路が提供される。
【００１１】
これらＹ分岐光導波路は、波長が１．５０μｍ〜１．６０μｍの光を分岐し、伝搬するために好適に用いられる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のＹ分岐光導波路は、実用的な分岐効率を確保しながら、製造が容易である。特に、従来の分岐先端が平坦である形状のものと比較すると、その分岐先端の位置が同じ場合に高い分岐効率を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１にＹ分岐光導波路の概略構造を示す。このＹ分岐光導波路１０は、幅Ｄを有する１本のシングルモードの入力導波路１１と、この入力導波路１１を伝搬する光を分岐角θで２方向に分岐する２本の分岐導波路１２ａ，１２ｂを有している。これら入力導波路１１および分岐導波路１２ａ，１２ｂはコア部となり、それ以外の部分はクラッド部となっている。
【００１４】
なお、図１は平面的に示されているが、実際のＹ分岐光導波路１０は紙面に垂直な方向に厚みを有する。図１に示すように、入力導波路１１の光伝搬方向をＸ方向とする。また、図１では、Ｙ字に分岐した分岐導波路１２ａ，１２ｂはそれぞれ、その後にＸ方向に平行となっているが、これは後述するＢＰＭ計算に用いたＹ分岐光導波路の構造を反映させたものである。
【００１５】
２本の分岐導波路１２ａ，１２ｂによって挟まれた三角状部１５の先端には、階段状の分岐先端部１３が形成されている。
【００１６】
この分岐先端部１３は、入力導波路１１の光伝搬方向であるＸ方向と直交する辺Ｐ１−Ｐ２を含む面（以下「先端面」といい、図１において符号‘１３ａ’で示す）と、この辺Ｐ１−Ｐ２と直交する面（以下「側面」といい、図１において符号‘１３ｂ’で示す）と、この側面と直交し、分岐導波路１２ａ，１２ｂのそれぞれの内側壁１４ａ，１４ｂと交差する面（以下「底面」といい、図１において符号‘１３ｃ’で示す）とを有している。点Ｐ１，Ｐ２はそれぞれ内側壁１４ａ，１４ｂの延長上にある。
【００１７】
この先端面１３ａの幅ｄ１は辺Ｐ１−Ｐ２の長さで規定される。また、側面１３ｂの長さＬ１はそのＸ方向長さで規定される。
【００１８】
Ｙ分岐光導波路１０では、先端面１３ａの幅ｄ１を入力導波路１１の幅Ｄよりも広くする。つまり、Ｄ＜ｄ１とする。これにより製造を容易とし、かつ、実用上問題のない所望の分岐効率を得ることができる。特に、入力導波路１１の終点位置（Ｘ方向の終点）を基準としたときの先端面１３ａのＸ方向位置が、図４Ｂに示したＹ分岐光導波路９０Ａにおける入力導波路９１の終点位置を基準としたときの分岐先端部９４の先端面のＸ方向位置と同じである場合に、分岐効率を高めることができる。
【００１９】
Ｙ分岐光導波路１０では、具体的には、分岐角θを１．８度〜５．０度（°）、入力導波路１１の幅Ｄを４μｍ〜６μｍとしたときに、先端面１３ａの幅ｄ１を８μｍ〜１２μｍ、側面１３ｂの長さＬ１を１０μｍ〜３５０μｍとすることが好ましい。このような形状を有する場合に、シングルモードの入力導波路１１に入射させる光の波長としては、１．５０μｍ〜１．６０μｍが好適であり、高い分岐効率を得ることができる。
【００２０】
図２に別のＹ分岐光導波路１０Ａの概略構造を示す。このＹ分岐光導波路１０Ａが図１に示されたＹ分岐光導波路１０と相違する点は、その分岐先端部１３における先端面１３ａの幅ｄ２が入力導波路１１の幅Ｄよりも狭い、つまり、Ｄ＞ｄ２となっている点であり、このような形状に起因して、所望の分岐効率を得るためにその形状に制限がある。
【００２１】
Ｙ分岐光導波路１０Ａでは、入力導波路１１の終点位置を基準としたときの分岐先端部１３の先端面１３ａのＸ方向位置が、図４Ｂに示したＹ分岐光導波路９０Ａにおける入力導波路９１の終点位置を基準としたときの分岐先端部９４の先端面のＸ方向位置と同じであり、かつ、分岐角θが１．６°〜２．０°と小さいときに、Ｙ分岐光導波路９０Ａよりも分岐効率を高めることができる。しかし、例えば分岐角θが５°と大きい場合には、Ｙ分岐光導波路９０Ａよりも分岐効率は低下する。この原因は定かではないが、Ｙ分岐光導波路１０Ａの分岐先端部１３における底面１３ｃにより放射モードになりやすく、これにより分岐効率が低下しているものと推測される。
【００２２】
Ｙ分岐光導波路１０Ａでは、分岐角θが１．６°〜２．０°で、入力導波路の幅が４μｍ〜６μｍのときに、先端面１３ａの幅ｄ２を２μｍ〜４μｍ、側面１３ｂの長さＬ２を１０μｍ〜２００μｍとする。Ｙ分岐光導波路１０Ａでも、入力導波路１１に入射させる光の波長としては、１．５０μｍ〜１．６０μｍが好適である。
【００２３】
上述した構造を有するＹ分岐光導波路１０，１０Ａについて、比屈折率差（Δ）が０．４７６％の場合の二次元ビーム伝播法（BPM；beam propagation method）による計算を行った。この計算は二次元スラブ導波路計算であるが、３次元の光導波路の光分岐特性を良好に再現する。
【００２４】
０．４７６％という比屈折率差（Δ）は通常の矩形導波路の比屈折率差のレベルの数値である。ＢＰＭ計算には、ＢＰＭ計算用ソフトであるOptiwave社のOptiBPMを用いた。計算パラメータの設定では、入力導波路１１の幅Ｄ＝５μｍ、コア部の屈折率ｎ１＝１．４６７、クラッド部の屈折率ｎ２＝１．４６０として、シングルモードの二次元スラブ導波路を設定した。また、分岐角θは、１．８°および５．０°とした。入射光はＴＥ偏光（すなわち、電気ベクトルの方向は紙面に垂直）とし、その波長は１．５５μｍとした。
【００２５】
分岐導波路１２ａ，１２ｂの幅は、図１のように入力導波路１１と分岐導波路１２ａ，１２ｂを設定すると、厳密には分岐前の入力導波路１１の幅よりも狭くなるが、分岐角θが小さいことから、近似的に、入力導波路１１の幅Ｄと同じとした。
【００２６】
このような条件の下に、ＢＰＭ計算では、分岐先端部１３の先端面１３ａの幅ｄ１，ｄ２と、側面１３ｂの長さＬ１，Ｌ２を種々に変えた計算モデルを設定した。また、比較のために、図４Ａに示した構造のＹ分岐光導波路９０（参考例１，２；幅ｄ１＝０μｍ、長さＬ１＝０μｍ）、図４Ｂに示す構造のＹ分岐光導波路９０Ａ（比較例１〜３，５；長さＬ１＝０μｍ）についても同様の計算を行った。なお、この計算結果は全ての計算モデルにおいて、図１，図２に示したようにＹ字に分岐した分岐導波路１２ａ，１２ｂそれぞれのＸ方向に平行となっている部分での値である。
【００２７】
その結果を表１に示す。この表１中の「分岐効率」は、入力導波路１１に入射するシングルモードの伝播光のパワーに対して分岐導波路１２ａ，１２ｂに分岐されてシングルモード伝播する光のパワーの比率を示す。分岐導波路１２ａ，１２ｂの構造が同じであれば、これら分岐導波路１２ａ，１２ｂの分岐効率も同じであり、理想的には損失無しの場合に０．５（５０％）となる。今回の設定では、分岐導波路１２ａ，１２ｂは同じ構造としている。
【００２８】
また「効率向上割合」は、入力・分岐導波路幅，先端幅，分岐角が同じときの、比較例１〜３，５それぞれの分岐効率に対する各計算モデルの分岐効率の比で表される。
【表１】
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【００２９】
この表１に示されるように、図４Ａに示す構造を有するＹ分岐光導波路９０は、参考例１，２の結果に示されるように、分岐角θが１．８°，５．０°のいずれの場合でも、分岐角θが同じ他の計算モデルと比較して大きな分岐効率を示していることがわかる。しかしながら、先に説明した通り、Ｙ分岐光導波路９０の製造が容易ではない。
【００３０】
比較例１と実施例１との比較から明らかなように、分岐角θが１．８°で、分岐先端部１３の幅が３μｍ（＝ｄ２）の場合、実施例１（Ｙ分岐光導波路１０Ａ）の分岐効率は、比較例１（Ｙ分岐光導波路９０Ａ）に対して、僅かではあるが向上する。
【００３１】
比較例２と実施例２とを比較すると、分岐角θが１．８°で、分岐先端部１３の幅が１０μｍ（＝ｄ１）の場合には、実施例２（Ｙ分岐光導波路１０）の分岐効率は、比較例２（Ｙ分岐光導波路９０Ａ）の１．５４倍に向上する。
【００３２】
比較例３（Ｙ分岐光導波路９０Ａ）は比較例１に対して分岐角θを５°とした構造を有しており、一方、比較例４は、実施例１に対して分岐角θを５°とし、階段状の分岐先端部を有する構造を有するが、比較例３よりも分岐効率が低下している。これは、分岐角θが大きくなると、階段状の分岐先端部が有する底面の面積が大きくなるために、放射モードが増えることによるものと推測される。
【００３３】
比較例５（Ｙ分岐光導波路９０Ａ）に対する実施例３〜５（Ｙ分岐光導波路１０）の効率向上割合から明らかなように、分岐先端部を階段状とすることにより、分岐効率は最大で約１．９倍も向上することが確認された。実施例３〜５は、分岐角θが５°でありながら、分岐角θが１．８°の比較例２よりも大きな分岐効率が得られるという優れた特性を示していることがわかる。また、特に実施例４は、参考例２に近い高い分岐効率を示している。
【００３４】
上述の通り、分岐先端部の階段化は、先端が平坦な分岐構造を有する構造と比較すると、分岐角θが１．８°と小さい場合のみならず、分岐角θが５°と大きい場合にも効果的であることがわかる。
【００３５】
本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能である。
【００３６】
例えば、Ｙ分岐光導波路を構成する入力導波路と分岐導波路は、図１，図２に示すような直線的なものに限定されるものではない。具体的には、図３Ａの平面図に示すＹ分岐光導波路１０Ｂのように、入力導波路１１の終端部分の幅が拡がった構造を有する構造においても、分岐導波路１２ａ，１２ｂによって形成される分岐先端部１３を階段状にすることができる。また、図３Ｂの平面図に示すＹ分岐光導波路１０Ｃのように、分岐導波路１２ａ，１２ｂが曲線状であっても、その分岐先端部１３を階段状にすることができる。
【００３７】
また、分岐先端部１３は複数段の階段状であってもよい。例えば、図１に示したＹ分岐光導波路１０の分岐先端部１３を複数段の階段状に変形させる場合には、底面１３ｃの内側壁１４ａ，１４ｂ側端からそれぞれＸ方向と平行な別の側面を形成し、さらにその側面と直交する別の底面を形成すればよく、これと同様にしてさらに段数を増やしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】Ｙ分岐光導波路の構造を示す平面図。
【図２】別のＹ分岐光導波路の構造を示す平面図。
【図３Ａ】さらに別のＹ分岐光導波路の構造を示す平面図。
【図３Ｂ】さらに別のＹ分岐光導波路の構造を示す平面図。
【図４Ａ】従来のＹ分岐光導波路の構造を示す平面図。
【図４Ｂ】従来の別のＹ分岐光導波路の構造を示す平面図。
【図４Ｃ】従来のさらに別のＹ分岐光導波路の構造を示す平面図
【符号の説明】
【００３９】
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…Ｙ分岐光導波路、１１…入力導波路、１２ａ，１２ｂ…分岐導波路、１３…分岐先端部、１３ａ…先端面、１３ｂ…側面、１３ｃ…底面、１４ａ，１４ｂ…内側壁、１５…三角状部、９０，９０Ａ，９０Ｂ…Ｙ分岐光導波路、９１…入力導波路、９２ａ，９２ｂ…分岐導波路、９３，９４，９５…分岐先端部、９５ａ…突起。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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