(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の端部により曲率面内に基本最終幅（Ｗ0f）を有する初期ウェーブガイド・セクション（１０）の端部に結合可能であり、第２の端部により前記曲率面内に基本初期幅（Ｗn+1i）を有する最終ウェーブガイド・セクション（３０）の端部にさらに結合可能であり、前記基本初期幅（Ｗn+1i）が前記基本最終幅（Ｗ0f）より大きく、両方のウェーブガイド・セクション（１０、３０）の光波方向が前記曲率面内で互いに所定の全角度（Δα）で傾斜している単一モード光ウェーブガイド結合要素であって、前記初期ウェーブガイド・セクション（１０）から始まる前記光ウェーブガイド結合要素が任意の数（ｎ）の中間ウェーブガイド・セクション（１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８）を含み、前記数（ｎ）が複数であり、その端部で前記初期ウェーブガイド・セクション（１０）から離れる前記中間ウェーブガイド・セクション（１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８）のそれぞれが１つの光波方向を有し、前記端部での前記１つの光波方向はその反対側端部での光波方向に対して１つの傾斜角度（Δαν）で傾斜し、すべての前記傾斜角度の和
【数１】
0004012367.tif 000005
が前記所定の全角度（Δα）に等しく、前記中間ウェーブガイド・セクション（１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８）のそれぞれが直前のウェーブガイド・セクションに向かうその端部で初期幅（Ｗνi）を有し、前記中間ウェーブガイド・セクション（１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８）のそれぞれがさらにその反対側端部で式ΔＷν＝Δαν（Ｗn+1i−Ｗ0f）／Δαに従う幅の差（ΔＷν）だけ前記初期幅（Ｗνi）より大きい最終幅（Ｗνf）を有し、前記中間ウェーブガイド・セクション（１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８）のそれぞれならびに前記最終ウェーブガイド・セクション（３０）についてはその初期幅（Ｗνi）が直前のウェーブガイド・セクションの前記最終幅（Ｗν-1f）に等しく、前記中間ウェーブガイド・セクション（１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８）のそれぞれが、前記中間ウェーブガイド・セクションの曲げ半径を与える曲率半径ｒに対し、ｅｘｐ（−ｒ）に比例して与えられる前記最終幅（Ｗνf）と、前記最終幅（Ｗνf）および前記初期幅（Ｗνｉ）の差に依存して減少する長さ（ｌν）を有することを特徴とする、単一モード光ウェーブガイド結合要素。
【請求項２】
それが前記曲率面において矩形の断面を有することを特徴とする、請求項１に記載の単一モード光ウェーブガイド結合要素。
【請求項３】
それが曲率面において一定ではない曲げ曲線を有し、隣接ウェーブガイド・セクションの接線が少なくともほぼ同一であることを特徴とする、請求項１または２に記載の単一モード光ウェーブガイド結合要素。
【請求項４】
Δαi≒ｓｉｎΔαiという手法が使用可能になるような前記数（ｎ）が選択されることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の単一モード光ウェーブガイド結合要素。
【請求項５】
前記長さ（ｌν）が少なくとも微分可能な曲線であり、前記最終幅（Ｗνf）に依存して減少することを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の単一モード光ウェーブガイド結合要素。
【請求項６】
前記長さ（ｌν）が少なくとも前記最終幅（Ｗνf）の対数関数に対する手法の１つにより変化することを特徴とする、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の単一モード光ウェーブガイド結合要素。
【請求項７】
ウェーブガイド・セクション（１０、３０）が異なる屈折率を有することを特徴とする、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の単一モード光ウェーブガイド結合要素。
【請求項８】
ウェーブガイド・セクション（１０、３０）の幅は、光学モードの伝搬距離につれて線形に増加し、曲率半径は、伝搬距離につれて少なくともほぼ対数的に減少することを特徴とする、請求項１ないし７のいずれか一項に記載の単一モード光ウェーブガイド結合要素。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、互いに向かって一定の角度で傾斜し、異なる幅を有する２つの光ウェーブガイド・セクションをまとめて結合する単一モード光ウェーブガイド結合要素に関する。この異なる幅は、通常、その光ウェーブガイド、たとえば、結合すべき直線セクションと湾曲セクションの曲率半径が異なることに由来する。異なる幅のもう１つの理由は、２つの光ウェーブガイドにおいて屈折率ステップまたはコントラストが異なることである可能性がある。これを光ウェーブガイドと呼ぶ場合、光学ウェーブガイドまたは光子ウェーブガイドという用語も同義語として使用する。
【０００２】
【従来の技術】
どのようなタイプの光集積回路を設計する場合でも、たとえば、整相列格子を設計する場合に、ウェーブガイドによって光学回路内の２つの所与のウェーブガイドをリンクするという問題に直面することが多い。ウェーブガイドがたどる経路は、通常、線、楕円、円、または正弦曲線のセグメントなどの小規模な一連の曲線から構築または連結される。このような経路タイプの場合、曲げによって発生する損失は詳細に計算されており、何らかのマスク生成ソフトウェアによってそれらが実現される。
【０００３】
直線ウェーブガイド・セクションを一定の曲率半径を備えた湾曲ウェーブガイド・セクションに結合する場合、２通りのタイプの損失が発生する。いわゆる曲げまたは放射損失は、湾曲ウェーブガイド・セクションに存在し、ガイド構造内の並進不変性から逸脱した結果である。また、いわゆる遷移損失は結合位置で発生し、このため、ウェーブガイド・セクションがたどる経路はその曲率が不連続なものになる。無限である直線セクションの曲げ半径は、湾曲セクションの有限半径に変化する。遷移損失の大きさは不連続性の大きさに関連する。
【０００４】
湾曲ウェーブガイド・セクションの曲げ損失は、モーダル・フィールド・プロファイルが半径方向外向きにシフトしたことによるものである。この結果、直線ウェーブガイド・セクションと比較すると、クラッディングにおけるエネルギー散逸が高くなり、このため、損失が増大する可能性がある。
【０００５】
遷移損失は、曲げ損失について説明したのと同じ結果に至る、モーダル・フィールド・プロファイルのオフセットおよび形状変形と見なすことができる。
【０００６】
米国特許第５１７５７８５号明細書には、曲げ損失が低減された光学ウェーブガイド、すなわち、原則として、そのウェーブガイドが仮想単一モード・ウェーブガイドとして動作するように、１次モードより高いモードを減衰するための手段を備えた多モード・ウェーブガイドであるウェーブガイドが記載されている。
【０００７】
米国特許第５２７８９３１号明細書では、外部コアより屈折率が高い内部コアを単一モード光ウェーブガイド・ファイバ内の曲げ損失を低減するためのウェーブガイド・コアとして使用することが提案されている。
【０００８】
損失が低いウェーブガイド・セクションのテーパまたは曲線結合について論じている文献は米国特許第４７８７６８９号明細書である。同書では、曲線またはテーパ付近で可変の屈折率プロファイルが選択されている。これを達成するための手段はプリズムまたはレンズである。
【０００９】
曲げ損失および遷移損失を最小限にするための戦略としては、他に２通りの戦略が知られている。
【００１０】
湾曲ウェーブガイド・セクションを拡幅することは、そのモードの閉込めを増大し、その結果、漏れを低減するので、曲げ損失を低減するための方法の１つである。しかし、この拡幅は、多モード伝搬を可能にしてはならないという制限が設けられている。
【００１１】
曲がりによってもたらされるモード・オフセットに等しいオフセットを曲線ウェーブガイド・セクションに挿入すると、直線ウェーブガイド・セクションと曲線ウェーブガイド・セクションのモーダル・フィールド・プロファイルのアライメントが改善され、このため、遷移損失を最小限にすることを保証することになっている。このようなオフセットの概論については、Kito、Takato、Yasu、およびKawachiによる「Bending Loss Reduction in Silica-Based Waveguides by Using Lateral Offsets」という論文（Journal of Lightwave Technology, Vol.13, No.4, April 1995, pp.555-562）ならびにデンマーク特許第３１０７１１２号明細書に記載されている。
【００１２】
米国特許第５２４３６７２号明細書に示されている光学配置は、複合拡幅およびオフセットを含むので、損失が低減されている。
【００１３】
米国特許第４９９３７９４号には、曲がりを備えた統合光学ウェーブガイドが開示されている。このウェーブガイドは、多モード伝搬で動作することになっている。このウェーブガイドは、複合波面が左に傾き、次に右に傾くように、ウェーブガイド内の最大強度の位置が左右に振動するような曲がりの領域で拡幅されている。損失を低減するために円滑遷移が推奨されている。
【００１４】
F. LadouceurおよびP. Labeyeによる「A New General Approach to Optical Waveguide Path Design」という論文（Journal of Lightwave Technology, Vol.13, No.3, March 1995, pp.481-492）には、曲率適合による遷移損失の低減とともにウェーブガイドの連続拡幅を頼りにする適合化曲げ損失低減メカニズムが記載されている。この設計の動機づけは、急激なオフセットおよび拡幅により不連続性が発生し、その結果として損失が発生するという点にある。遷移損失を最小限にするため、曲げ損失を低減するための拡幅と結合された漸進的な曲がりが提案されている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の一目的は、互いに向かって一定の角度で傾斜し、損失が最小限になるような異なる幅を有する２つの光ウェーブガイド・セクションを接続するための単一モード光ウェーブガイド結合要素を提案することにある。この幅の差は、異なる曲げ半径または異なる屈折率コントラストあるいはその両方によって決まる可能性がある。
【００１６】
この単一モード光ウェーブガイド結合要素を作成するための代替設計規則を開示する。
【００１７】
請求項１に記載の単一モード光ウェーブガイド結合要素により、より小さい曲げ半径を達成することができ、より少ない損失がもたらされる。
【００１８】
この単一モード光ウェーブガイド結合要素が曲率面において矩形の断面を有する場合、その製造プロセスはより容易かつ安価なものになる。リソグラフィ・プロセスなどの既知のプロセスを製造に使用することができる。
【００１９】
単一モード光ウェーブガイド結合要素が曲率面において一定ではない曲げ曲線を有し、隣接ウェーブガイド・セクションの正接が少なくともほぼ同一である場合、損失がさらに低減されるような、ウェーブガイド幅と曲げ半径との依存性を示す曲線に対するより正確な手法を達成することができる。
【００２０】
Δαi≒ｓｉｎΔαiという手法が使用可能になるような中間ウェーブガイド・セクションの数が選択された場合、結合損失はさらに低減される。というのは、それにより、光波の誘導がより正確になるような単一モード光ウェーブガイド結合要素の幾何形状を決定するためにウェーブガイド幅と曲げ半径との依存性を示す曲線のより多くの点を使用するからである。
【００２１】
長さ（ｌν）が少なくとも微分可能であり、最終幅（Ｗνf）に依存して減少する場合、結合損失はさらに低減される。この場合、ウェーブガイド幅と曲げ半径との依存性を反映する曲線に対する取り組み方が改善される。
【００２２】
長さ（ｌν）が少なくとも最終幅（Ｗνf）の対数関数に対する手法の１つである場合、結合損失はさらに低減される。というのは、実験データにより、その対数関数がウェーブガイド幅と曲げ半径との依存性を示す曲線に対する非常に優れた手法を表すことが証明されたからである。
【００２３】
複数のウェーブガイド・セクションが異なる屈折率ステップを有する場合、ウェーブガイド幅と曲げ半径との依存性を示す曲線は、曲げ半径には影響しないが、請求項１により選択される長さには直接影響する。この場合、中間ウェーブガイド・セクションの長さを決定するための数学的援助として、曲げ半径を選択することができる。
【００２４】
当然のことながら、曲げならびに可変屈折率ステップを取り入れたウェーブガイドの混合形式も選択することができる。この場合、請求項１により、最終ウェーブガイド幅に依存する長さを決定すると、所望の結果が得られる。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
異なるウェーブガイド幅を有する２つの単一モード・ウェーブガイド・セクションを接続する場合、モノモーダルで損失を最小化したウェーブガイドを達成するために、曲げ半径が増すにつれて必要なウェーブガイドの拡幅が減少する。初期ウェーブガイド・セクションと最終ウェーブガイド・セクションとの間の半径の急激性が低減される間に、半径ｒとウェーブガイド幅ｗとの依存性を使用する。理想的な場合、中間セクションの半径は、半径ｒとウェーブガイド幅ｗとの依存性の関数とともに正確に変化する。
【００２６】
ウェーブガイド幅ｗが伝搬距離とともに線形に増加すると、ウェーブガイド幅ｗと曲率半径ｒとの関係により、曲がりにおける伝搬距離につれて曲げ半径ｒが対数的に変化する。これは、ウェーブガイド幅ｗと曲げ半径ｒとの指数的依存性という仮定に適合する。
【００２７】
単一モード光ウェーブガイド結合要素は、曲率面内に基本最終幅を有する初期ウェーブガイド・セクションと、幅の差だけ基本最終幅より大きい基本初期幅を有する最終ウェーブガイド・セクションとの間に位置決めされる。両方のウェーブガイド・セクションの光波方向は、互いに向かって所定の全角度で傾斜している。
【００２８】
初期ウェーブガイド・セクションから始まる光ウェーブガイド要素は複数の中間ウェーブガイド・セクションを含み、そのそれぞれがその端部で任意の光波方向を有し、その光波方向はすべての傾斜角度の和が所定の全角度に等しくなるような一定の傾斜角度でその反対側端部の光波方向に向かって傾斜している。中間ウェーブガイド・セクションのそれぞれは、初期幅と、幅の差だけ初期幅より大きい最終幅とを有する。中間ウェーブガイド・セクションのそれぞれならびに最終ウェーブガイド・セクションについては、その初期幅は直前のウェーブガイド・セクションの最終幅に等しい。さらに中間ウェーブガイド・セクションのそれぞれは、一定であるかまたは最終幅に依存して着実に減少する長さを有する。
【００２９】
この幾何学的規則により、半径の差またはそれぞれ対応する屈折率の差が曲げ半径（または屈折率）の中間値を備えた中間ウェーブガイド・セクションによって乗り越えられ、これらのセクションの長さがウェーブガイド幅と曲げ半径との依存性によって決定されるので、２つのウェーブガイド・セクション間の結合はウェーブガイド幅と曲げ半径との依存性を示す曲線をたどる。中間ウェーブガイド・セクションが増加するほど、結果は改善される。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下の説明では、本発明の様々な例示的な実施の形態について記述する。
【００３１】
実験データによれば、一定の曲げ半径を備えた光ウェーブガイドの曲率半径と曲率面におけるその幅との間に関係があることが分かる。その関係は一般に、単調降下関数と言われている。良好な光学効率を維持する場合、曲率半径が大きくなると、必要な幅はより小さい曲率半径より小さくなる。より正確には、その関係は、Ｗ〜ｅ-rなどの負の係数を備えた指数関数によって取り組むことができる。一定の半径を備えた光ウェーブガイドの場合、その幅を変更するためには、それがいろいろな半径の中点を有し、外部半径が内部半径にウェーブガイドの初期幅を加えたものより大きいことが必要である。したがって、以下の説明では、光学要素は内部半径と外部半径とを有する。前述の式は、いずれの半径にも適用される。光学分野では、曲げ半径は通常、ウェーブガイド幅に比べて大きくなる。したがって、ウェーブガイド設計のためにそのいずれでも選択できるように、外部半径と内部半径との差は小さくなるだろう。もう１つの可能性は、内部半径と外部半径との中間値を使用することである。
【００３２】
図１（ａ）には光ウェーブガイド配置の上面図を示し、図１（ｂ）にはその断面図を示す。それは、正方形シートの形になっており、第１の屈折率ｎ1を有する材料から作られた平らな本体２３を含む。本体２３の上には、第２の屈折率ｎ2を備えた材料から作られた層２２が配置されている。本体２３のエッジから始まる第１のグルーブ２４および第２のグルーブ２５は平行に配置されている。第２のグルーブ２５内には第１のファイバ端部２０が位置決めされている。２つのグルーブ２４、２５は、第１の中間ウェーブガイド・セクション２１と、一定の曲げ半径ｒaを備えた中央ウェーブガイド・セクション３０と、他の中間ウェーブガイド・セクション１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８により互いに接続されている。このようなウェーブガイド・セクション１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、２１、３０はいずれも、層２２と同じ材料で作られた層２２上のストライプ状突出部の形で実現されている。２つのグルーブ２４、２５は平行なので、ウェーブガイド・セクション１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、２１、３０は相俟って、以下曲率面と呼ぶ、本体２３の上部表面の平面内に１８０°の曲線を形成する。
【００３３】
第１のグルーブ２４内には、もう１つのファイバ端部１０、より一般的には初期ウェーブガイド・セクション１０が位置決め可能であり、それにより、第１の中間ウェーブガイド・セクション２１に結合可能である。初期ウェーブガイド・セクション１０は、ここでは第１の点Ａと第２の点Ｃとを接続する線によって区切られるその端部の曲率面内に、第１の中間ウェーブガイド・セクション２１のそれぞれの端部の初期幅Ｗ1iに等しい基本最終幅Ｗ0fを有する。
【００３４】
中央ウェーブガイド・セクション３０は、以下、最終ウェーブガイド・セクション３０と呼ぶ。これは２つの端部を有し、その一方は第１の中間ウェーブガイド・セクション２１により近く、第１の中間ウェーブガイド・セクション２１に結合されている。それぞれの結合位置において最終ウェーブガイド・セクション３０は基本初期幅Ｗ2iを有し、第１の中間ウェーブガイド・セクション２１はそこに基本初期幅Ｗ2iと同一の最終幅Ｗ1fを有する。基本初期幅Ｗ2iは、幅の差ΔＷだけ基本最終幅Ｗ0fより大きい。
【００３５】
さらに、初期ウェーブガイド・セクション１０の光波方向と最終ウェーブガイド・セクション３０の光波方向との間には、曲率面内に全角度Δαが存在する。
【００３６】
第１の中間ウェーブガイド・セクション２１は、初期ウェーブガイド・セクション１０を最終ウェーブガイド・セクション３０に結合するために役に立つ。２つのウェーブガイド・セクション１０、３０の曲率半径が異なるので、第１の中間ウェーブガイド・セクション２１の幅は、初期ウェーブガイド・セクション１０から最終ウェーブガイド・セクション３０に向かう方向に沿って増加する。
【００３７】
その端部の両方において第１の中間ウェーブガイド・セクション２１は隣接ウェーブガイド・セクション１０、３０に円滑に結合し、それは、一方でそれがこれらのウェーブガイド・セクション１０、３０と同じ幅を有し、他方でウェーブガイドの輪郭がそこでほぼ同一の正接を有することを意味する。正接間の角度が小さくなるほど、その結合は円滑になる。
【００３８】
初期ウェーブガイド・セクション１０は初期一定内部曲率半径ｒ0iを有し、この場合の基本最終幅は曲率面における一定のウェーブガイド幅Ｗ0fになる。最終ウェーブガイド・セクション３０は最終一定内部曲率半径ｒ2iを有し、基本最終幅は曲率面における第２の一定ウェーブガイド幅Ｗ2fになり、これは第１の一定ウェーブガイド幅Ｗ0fより大きい。基本初期幅Ｗ2iは、最終一定内部曲率半径ｒ2iによって決定される。
【００３９】
中間ウェーブガイド・セクション２１は一定の内部曲率半径ｒ1iを有し、これは初期内部曲率半径ｒ1iより小さく、最終内部曲率半径ｒ2iより大きい。中間ウェーブガイド・セクション２１は、初期ウェーブガイド・セクション１０と最終ウェーブガイド・セクション３０との間に位置するようになり、それにより、ウェーブガイド幅は、一定の外部曲率半径ｒ1aにならって初期一定ウェーブガイド幅Ｗ0iから最終一定ウェーブガイド幅Ｗ2iに向かって増加する。
【００４０】
内部曲率半径ｒ1iの曲率中心点はＫで示す。また、外部曲率半径ｒ1aの曲率中心点はＬで示す。全角度Δαは、一方で初期ウェーブガイド・セクション１０の正面と他方で最終ウェーブガイド・セクション３０の正面との間の角度である。２つの正面は点Ｎで互いに遮っている。点Ｂは、中間ウェーブガイド・セクション２１が理想的なことに最終ウェーブガイド・セクション３０に結合すると思われる内部点である。というのは、内部半径ｒ1iの半径ビームが内部半径ｒ2iの中点Ｍを貫通しているからである。点Ｄは、中間ウェーブガイド・セクション２１が理想的なことに最終ウェーブガイド・セクション３０に結合すると思われる外部点である。というのは、外部半径ｒ1aの半径ビームが外部半径ｒ2aの中点Ｍを貫通しているからである。
【００４１】
中間ウェーブガイド・セクション２１は、理想的なことに、それが隣接ウェーブガイド・セクション１０、３０に円滑に結合する点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄによって区切られていると見なすことができる。しかし、それは、最終ウェーブガイド・セクション３０の正面で終了するものと見なすこともできる。
【００４２】
点ＥおよびＦを通る波線が示されているが、これは現況技術による結合の解決策であると思われる。
【００４３】
第１の中間ウェーブガイド・セクション２１の長さｌ21は、ここではこのセクションの平均長、すなわち、その内部曲線（Ａ−Ｂ）の長さとその外部曲線（Ｃ−Ｄ）の長さとの平均値として定義する。この長さｌ21の値は、式ｌ21＝Ｃ1−Ｃ2ｌｏｇ（Ｗ1f−Ｗ1i）Δαにより選択されるが、式中、Ｃ1は第１の定数であり、Ｃ2は第２の定数である。これは、長さｌ21が対応するウェーブガイド・セクション２１の最終幅Ｗ1fと基本初期幅Ｗ1iに依存して着実に減少することを意味する。また、長さｌ21は、積（Ｗ1f−Ｗ1i）Δαが一定になる場合のように一定になる場合もある。
【００４４】
初期ウェーブガイド・セクション１０を中央ウェーブガイド・セクション３０に接続する中間セクション２１は一体型結合要素を表すが、中央ウェーブガイド・セクション３０を第２のファイバ端部２０に接続する中間ウェーブガイド・セクション１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８は相俟って、これらの中間ウェーブガイド・セクション１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８からなる結合要素を形成する。いずれの中間ウェーブガイド・セクション１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８も、内部半径と外部半径が異なるリング状の部分である。この場合も中央ウェーブガイド・セクション３０は最終ウェーブガイド・セクション３０であり、第２のファイバ端部２０は、初期ウェーブガイド・セクション２０の幅が最終ウェーブガイド・セクション３０の幅より小さくなるような初期ウェーブガイド・セクション２０を表す。
【００４５】
その端部で初期ウェーブガイド・セクション２０から離れる８つの中間ウェーブガイド・セクション１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８のそれぞれは、その反対側端部で傾斜角度Δβνで光波方向に向かって傾斜している光波方向を有し、その場合、νは１〜８の範囲である。
【００４６】
すべての傾斜角度の和
【数２】
0004012367.tif 000002
は、第２のファイバ端部２０と中央ウェーブガイド・セクション３０との間の所定の全角度Δβに等しい。その端部で直前のウェーブガイド・セクションに向かう中間ウェーブガイド・セクション１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８のそれぞれは、初期幅Ｗνiを有する。
【００４７】
ウェーブガイド・セクション１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８のそれぞれは、式ΔＷν＝Δβν（Ｗνf−Ｗνi）／Δβに従う幅の差ΔＷνだけ初期幅Ｗνiより大きい最終幅Ｗνfをその反対側端部に有する。
【００４８】
中間ウェーブガイド・セクション１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８のそれぞれならびに最終ウェーブガイド・セクション３０の場合、その初期幅Ｗνiは、直前のウェーブガイド・セクション１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８の最終幅Ｗν-1fに等しい。
【００４９】
中間ウェーブガイド・セクション１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８のそれぞれは、それぞれの最終幅Ｗνfおよび基本初期幅Ｗ0iの着実に減少する関数である長さｌνをさらに有する。
【００５０】
明瞭にするため、幅Ｗνi、Ｗνf、幅の差ΔＷν、長さｌν、傾斜角度Δβνは図１には示されていない。
【００５１】
中間ウェーブガイドセクション１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８が中間ウェーブガイド・セクション２１と同じ幾何学的関係を有することは明らかになる。これは、２つのウェーブガイド・セクション１０、３０、それぞれ２０、３０間のギャップを１つまたは複数の中間ウェーブガイド・セクションによって乗り越えることができることを示すためである。中間ウェーブガイド・セクションの数は、最適関数および経済面を考慮に入れて選択することになる。中間ウェーブガイド・セクションの数が大きくなるほど、その結果は改善され、設計および製造コストも高くなる。
【００５２】
図１（ａ）及び（ｂ）による配置は、最適結合に関して可能な手法の１つである。この手法では、いずれも一定の内部半径と一定の外部半径とを有する中間ウェーブガイド・セクションを使用する。中間ウェーブガイド・セクションの数が増加すると、光ウェーブガイド結合要素の半径の１つと幅との関係に従って、その縦寸法に沿ってその内部半径と外部半径を連続的に変化させる光ウェーブガイド結合要素が得られることになる。この関数に関するいずれの手法も、基礎原理を実現するのに適している。もう１つの手法は、この関数に関する手法として台形中間ウェーブガイド・セクションを使用するものであり、図２に関連して以下に説明する。
【００５３】
図２には、曲線光ウェーブガイドの他の配置を示すが、これは上記の図と同じ要素については同じ番号を使用する。
【００５４】
この場合も、初期ウェーブガイド・セクション１０は中間ウェーブガイド・セクション１１、１２、１３、１４により最終ウェーブガイド・セクション３０に接続されている。初期ウェーブガイド・セクション１０は一定の幅を有し、このため、その幅は基本最終幅Ｗ0fでもある。最終ウェーブガイド・セクション３０は、基本最終幅Ｗ0fより大きく、基本初期幅Ｗ5iである一定の幅も有する。最終ウェーブガイド・セクション３０は、内部曲げ半径ｒ5iと外部曲げ半径ｒ5aを有する。
【００５５】
この場合も、最終ウェーブガイド・セクション３０の一定幅Ｗ5iは、曲率半径、内部曲げ半径ｒ5i、外部曲げ半径ｒ5aにそれぞれ依存する。初期ウェーブガイド・セクション１０は無限曲げ半径を有する。
【００５６】
初期ウェーブガイド・セクション１０によって誘導される光波の光波方向は、初期ウェーブガイド・セクション１０の端面に対して垂直である。同じことは、最終ウェーブガイド・セクション３０の端面およびそれぞれの光波にも適用される。この２通りの光波方向は図中の平面内で互いに向かって全角度Δαで傾斜し、このため、その平面は曲率面になる。
【００５７】
この場合、中間ウェーブガイド・セクション１１、１２、１３、１４はそれぞれ、初期幅Ｗ1i、Ｗ2i、Ｗ3i、Ｗ4i、最終幅Ｗ1f、Ｗ2f、Ｗ3f、Ｗ4f、傾斜角度Δα1、Δα2、Δα3、Δα4、長さｌ1、ｌ2、ｌ3、ｌ4によって決まる矩形形状を有する。この例では、中間ウェーブガイド・セクション１１、１２、１３、１４の端面は、これらの面において光波方向に対して垂直になる。
【００５８】
第１の中間ウェーブガイド・セクション１１は、初期ウェーブガイド・セクション１０に直接隣接する。その結合位置において、初期ウェーブガイド・セクション１０と第１の中間ウェーブガイド・セクション１１は同じ幅Ｗ1i＝Ｗ0fを有し、Ｗ1iは第１の初期幅である。初期ウェーブガイド・セクション１０からより遠くにある第１の中間ウェーブガイド・セクション１１の端部における光波方向は、第１の傾斜角度Δα1で初期ウェーブガイド・セクション１０の光波方向に向かって傾斜している。その端部では、第１の中間ウェーブガイド・セクション１１は第１の最終幅Ｗ1fを有する。
【００５９】
さらに、第１の最終幅Ｗ1fは第１の幅の差ΔＷ1だけ第１の初期幅Ｗ1iより大きく、すなわち、Ｗ1f−Ｗ1i＝ΔＷ1である。第１の幅の差ΔＷ1は、これにより、式ΔＷ1＝Δα1（Ｗ5i−Ｗ0f）／Δαに従うことになる。この場合、第１の長さｌ1は、第１の中間ウェーブガイド・セクション１１の複数の面の中点間の距離であり、第１の傾斜角度Δα1が小さい場合、式ｌ1＝（Ｃ1−Ｃ2ｌｏｇ（Ｗ1f−Ｃ3））Δα1に従っている。
【００６０】
第２の中間ウェーブガイド・セクション１２は、第１の中間ウェーブガイド・セクション１１に直接隣接する。その結合位置において、第２の中間ウェーブガイド・セクション１２と第１の中間ウェーブガイド・セクション１１は同じ幅Ｗ1f＝Ｗ2iを有し、Ｗ2iは第２の初期幅である。初期ウェーブガイド・セクション１０からより遠くにある第２の中間ウェーブガイド・セクション１２の端部における光波方向は、第２の傾斜角度Δα2で第１の中間ウェーブガイド・セクション１１の光波方向に向かって傾斜している。その端部では、第２の中間ウェーブガイド・セクション１２は第２の最終幅Ｗ2fを有する。さらに、第２の最終幅Ｗ2fは第２の幅の差ΔＷ2だけ第２の初期幅Ｗ2iより大きく、すなわち、Ｗ2f−Ｗ2i＝ΔＷ2である。第２の幅の差ΔＷ2は、これにより、式ΔＷ2＝Δα2（Ｗ5i−Ｗ0f）／Δαに従うことになる。この場合、第２の長さｌ2は、第２の中間ウェーブガイド・セクション１２の複数の面の中点間の距離であり、第２の傾斜角度Δα2が小さい場合、式ｌ2＝（Ｃ1−Ｃ2ｌｏｇ（Ｗ2f−Ｃ3））Δα2に従っている。
【００６１】
第３の中間ウェーブガイド・セクション１３は、第２の中間ウェーブガイド・セクション１２に直接隣接する。その結合位置において、第３の中間ウェーブガイド・セクション１３と第２の中間ウェーブガイド・セクション１２は同じ幅Ｗ2f＝Ｗ3iを有し、Ｗ3iは第３の初期幅である。初期ウェーブガイド・セクション１０からより遠くにある第３の中間ウェーブガイド・セクション１３の端部における光波方向は、第３の傾斜角度Δα3で第２の中間ウェーブガイド・セクション１２の光波方向に向かって傾斜している。その端部では、第３の中間ウェーブガイド・セクション１３は第３の最終幅Ｗ3fを有する。さらに、第３の最終幅Ｗ3fは第３の幅の差ΔＷ3だけ第３の初期幅Ｗ3iより大きく、すなわち、Ｗ3f−Ｗ3i＝ΔＷ3である。第３の幅の差ΔＷ3は、これにより、式ΔＷ3＝Δα3（Ｗ5i−Ｗ0f）／Δαに従うことになる。この場合、第３の長さｌ3は、第３の中間ウェーブガイド・セクション１３の複数の面の中点間の距離であり、第３の傾斜角度Δα3が小さい場合、式ｌ3＝（Ｃ1−Ｃ2ｌｏｇ（Ｗ3f−Ｃ3））Δα3に従っている。
【００６２】
第４の中間ウェーブガイド・セクション１４は、第３の中間ウェーブガイド・セクション１３に直接隣接する。その結合位置において、第３の中間ウェーブガイド・セクション１３と第４の中間ウェーブガイド・セクション１４は同じ幅Ｗ3f＝Ｗ4iを有し、Ｗ4iは第４の初期幅である。初期ウェーブガイド・セクション１０からより遠くにある第４の中間ウェーブガイド・セクション１４の端部における光波方向は、第４の傾斜角度Δα4で第３の中間ウェーブガイド・セクション１３の光波方向に向かって傾斜している。その端部では、第４の中間ウェーブガイド・セクション１４は第４の最終幅Ｗ4fを有する。さらに、第４の最終幅Ｗ4fは第４の幅の差ΔＷ4だけ第４の初期幅Ｗ4iより大きく、すなわち、Ｗ4f−Ｗ4i＝ΔＷ4である。第４の幅の差ΔＷ4は、これにより、式ΔＷ4＝Δα4（Ｗ5i−Ｗ0f）／Δαに従うことになる。この場合、第４の長さｌ4は、第４の中間ウェーブガイド・セクション１４の複数の面の中点間の距離であり、第４の傾斜角度Δα4が小さい場合、式ｌ4＝（Ｃ1−Ｃ2ｌｏｇ（Ｗ4f−Ｃ3））Δα4に従っている。
【００６３】
最終ウェーブガイド・セクション３０は、第４の中間ウェーブガイド・セクション１４に最終的に隣接する。その結合位置において、第４の中間ウェーブガイド・セクション１４と最終ウェーブガイド・セクション３０は同じ幅Ｗ5i＝Ｗ4fを有する。
【００６４】
傾斜角度Δα1、Δα2、Δα3、Δα4は合計すると全角度Δαになる。傾斜角度Δα1、Δα2、Δα3、Δα4が小さい場合の手法は、実際の条件の場合、取るに足らない条件になる。というのは、適当な設計は自動的にこのような小さい角度の範囲内に入るからである。しかし、可能な設計の範囲全体をカバーするためには、傾斜角度Δα1、Δα2、Δα3、Δα4と長さとのどのような単調増加関数も可能であることを追加すべきである。
【００６５】
最終ウェーブガイド・セクション３０および第１のファイバ端部２０の表面は、文字Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊで示す。
【００６６】
機能
モノモーダルで損失を最小化したウェーブガイドが望ましい場合、曲げ半径が増すにつれて必要なウェーブガイドの拡幅が減少することが分かっている。本発明は、初期ウェーブガイド・セクションと最終ウェーブガイド・セクションとの間の半径の急激性が低減される間に、半径ｒとウェーブガイド幅ｗとの依存性を使用するという考え方に従うものである。理想的な場合、中間セクションの半径は、半径ｒとウェーブガイド幅ｗとの依存性の関数とともに正確に変化する。
【００６７】
半径ｒとウェーブガイド幅ｗとの依存性は単調降下関数になるので、ｗ＝ｅ-r、ｗ＝ｃｏｓ  ｋｒ、ｗ＝１／ｒ、ｗ＝−ｌｏｇ  ｒなど、ウェーブガイド幅と曲げ半径との関係を実現するために可能な手法は様々なものが存在する。
【００６８】
この対数的依存性により、非常に良好な実験結果が達成される。
【００６９】
すでに定常関数が十分であるが、微分可能関数に従った場合、さらに良好な損失最小化が達成可能である。というのは、結合面正接がより小さい角度を含むからである。
【００７０】
それにより達成されるテーパ角が放射モードへの結合が防止されるほど十分小さくなると、パフォーマンスはさらに改善される。その場合、初期ウェーブガイド・セクションからの基本モードは、最終ウェーブガイド・セクション内の基本モードへと断熱的に結合する。
【００７１】
ウェーブガイド幅ｗが伝搬距離とともに線形に増加すると、ウェーブガイド幅ｗと曲率半径ｒとの関係により、曲がりにおける伝搬距離につれて曲げ半径ｒが対数的に変化する。たとえば、線形変化により、これは、曲げ半径が大きいセクションはかなり短くなり、それにより必要な空間の量が大幅に減少するという利点を有する。
【００７２】
光ウェーブガイド結合要素を全体としてみると、ウェーブガイド幅ｗが光学モードの伝搬距離につれて線形に増加し、曲率半径ｒが伝搬距離につれて少なくともほぼ対数的に減少すると、その最良機能が遂行される。この規則は、光ウェーブガイド結合要素のどの点についても適用することができる。しかし、上記の例によって示したように、対数関数に関する手法も選択することができる。また、相俟って光ウェーブガイド結合要素を形成するウェーブガイド・セクションについて、どのようなタイプの幾何形状も選択することができる。
【００７３】
通則
この配置は、４つの中間ウェーブガイド・セクション１１、１２、１３、１４を含む一実施の形態である。しかし、中間ウェーブガイド・セクションの数は限定されず、任意の数ｎ、少なくとも１にすることができる。ｎ個の中間ウェーブガイド・セクションの場合、初期ウェーブガイド・セクション１０から番号ｎが付いた最後の中間ウェーブガイド・セクションまでカウントすると、すべての中間ウェーブガイド・セクションについて以下の規則が適用される。
【００７４】
番号νが付いた中間ウェーブガイド・セクションは、傾斜角度Δανと、初期幅Ｗνiと、幅の差ΔＷνだけ初期幅Ｗνiより大きい最終幅Ｗνfとを有する。
【００７５】
幅の差ΔＷνは、ΔＷν＝Δαν（Ｗν+1i−Ｗ0f）／αであるので、傾斜角度Δανに依存している。
【００７６】
長さｌνは、最終幅Ｗνfに依存して着実に減少し、たとえば、ｌν＝（Ｃ1−Ｃ2ｌｏｇ（Ｗνf−Ｃ3））Δανになる。
【００７７】
言い換えると、長さｌνは、このウェーブガイド・セクションまでの傾斜角度の和
【数３】
0004012367.tif 000003
に依存して着実に減少する。
【００７８】
図示し説明してきたウェーブガイド・プロファイルは一例に過ぎない。同様に、埋込みウェーブガイドまたはリッジ・ウェーブガイドなど、他のウェーブガイド・プロファイルも使用することができる。
【００７９】
半径は幅の増加につれて減少する。たとえば、ノーチラス・ハウジングを調べると、この関数により性質上の類似物が見つかる。
【００８０】
本発明を最も利用できると思われる応用例は、方向性結合器および移相器など、曲がりを含む装置である。カスケード式マッハツェンダ干渉計を使用するウェーブガイドベースの付加／除去構成要素はこのような応用例の１つである。他の例としては、整相列格子が考えられる。
【００８１】
これについては図３に示す。図示のウェーブガイドベースの付加／除去構成要素は直線リッジ・ウェーブガイド・セクションを含み、それに沿って正弦波形状のリッジ・ウェーブガイド・セクションが配置されている。これらのリッジは、ＳｉＯ2でできた層上に位置し、それ自体もＳｉＯ2でできており、下にある基板はＳｉでできている。たとえば、様々な波長を有する波長多重信号が直線セクションに結合され、正弦波セクションにはいかなる信号も結合されない場合、正弦波セクションの出力には選択した波長を結合することができ、他の波長は直線セクション内に残り、その出力に到達する。同様に、正弦波セクションの入力端に追加の波長を結合することにより、その追加の波長を付加することができる。
【００８２】
したがって、結合すべき波長と一致する正弦関数の周期性が選択される。
【００８３】
まとめとして、本発明の構成に関して以下の事項を開示する。
【００８４】
（１）第１の端部により曲率面内に基本最終幅（Ｗ0f）を有する初期ウェーブガイド・セクション（１０）の端部に結合可能であり、第２の端部により前記曲率面内に基本初期幅（Ｗn+1i）を有する最終ウェーブガイド・セクション（３０）の端部にさらに結合可能であり、前記基本初期幅（Ｗn+1i）が前記基本最終幅（Ｗ0f）より大きく、両方のウェーブガイド・セクション（１０、３０）の光波方向が前記曲率面内で互いに向かって所定の全角度（Δα）で傾斜している単一モード光ウェーブガイド結合要素であって、前記初期ウェーブガイド・セクション（１０）から始まる前記光ウェーブガイド結合要素が任意の数（ｎ）の中間ウェーブガイド・セクション（２１、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８）を含み、前記数（ｎ）が少なくとも１であり、その端部で前記初期ウェーブガイド・セクション（１０）から離れる前記中間ウェーブガイド・セクション（２１、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８）のそれぞれが任意の光波方向を有し、その光波方向はすべての傾斜角度の和
【数４】
0004012367.tif 000004
が所定の全角度（Δα）に等しくなるような一定の傾斜角度（Δαν）でその反対側端部の光波方向に向かって傾斜しており、前記中間ウェーブガイド・セクション（２１、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８）のそれぞれが直前のウェーブガイド・セクションに向かうその端部で初期幅（Ｗνi）を有し、前記中間ウェーブガイド・セクション（２１、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８）のそれぞれがさらにその反対側端部で式ΔＷν＝Δαν（Ｗn+1i−Ｗ0f）／Δαに従う幅の差（ΔＷν）だけ前記初期幅（Ｗνi）より大きい最終幅（Ｗνf）を有し、前記中間ウェーブガイド・セクション（２１、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８）のそれぞれならびに前記最終ウェーブガイド・セクション（３０）についてはその初期幅（Ｗνi）が直前のウェーブガイド・セクションの前記最終幅（Ｗν-1f）に等しく、前記中間ウェーブガイド・セクション（２１、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８）のそれぞれが、一定であるかまたは前記最終幅（Ｗνf）に依存して着実に減少する長さ（ｌν）を有することを特徴とする、単一モード光ウェーブガイド結合要素。
（２）それが前記曲率面において矩形の断面を有することを特徴とする、上記（１）に記載の単一モード光ウェーブガイド結合要素。
（３）それが曲率面において一定ではない曲げ曲線を有し、隣接ウェーブガイド・セクションの正接が少なくともほぼ同一であることを特徴とする、上記（１）または（２）に記載の単一モード光ウェーブガイド結合要素。
（４）Δαi≒ｓｉｎΔαiという手法が使用可能になるような前記数（ｎ）が選択されることを特徴とする、上記（１）ないし（３）のいずれか一項に記載の単一モード光ウェーブガイド結合要素。
（５）前記長さ（ｌν）が少なくとも微分可能であり、前記最終幅（Ｗνf）に依存して減少することを特徴とする、上記（１）ないし（４）のいずれか一項に記載の単一モード光ウェーブガイド結合要素。
（６）前記長さ（ｌν）と前記最終幅（Ｗνf）との依存性が少なくとも対数関数に対する手法の１つであることを特徴とする、上記（１）ないし（５）のいずれか一項に記載の単一モード光ウェーブガイド結合要素。
（７）ウェーブガイド・セクション（１０、３０）が異なる屈折率ステップを有することを特徴とする、上記（１）ないし（６）のいずれか一項に記載の単一モード光ウェーブガイド結合要素。
（８）その幅が光学モードの伝搬距離につれて線形に増加し、曲率半径が伝搬距離につれて少なくともほぼ対数的に減少することを特徴とする、上記（１）ないし（７）のいずれか一項に記載の単一モード光ウェーブガイド結合要素。
【図面の簡単な説明】
【図１】  １８０°の曲がりを備えた平面ウェーブガイドを含む第１の実施の形態の上面図と、その断面図である。
【図２】  複数の台形中間ウェーブガイド・セクションを含む第２の実施の形態を示す図である。
【図３】  ウェーブガイドベースの付加／除去構成要素を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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