光導波路分岐デバイス
【課題】平面の光平面回路を回りの光回路と小さいスペースでかつ高結合効率で接続する。
【解決手段】平面上に１つの光導波路と該光導波路から軸対称に２分岐する２つの光導波路により３分岐点を形成し、前記軸対称に２分岐する２つの光導波路をそれぞれカプラーに接続して光平面回路を成し、該光平面回路上の３分岐点に光を放射または入射するための開口面を形成してマジックＴ分岐路を構成する立体的な４分岐構造として光導波路分岐デバイスを構成する。
【解決手段】平面上に１つの光導波路と該光導波路から軸対称に２分岐する２つの光導波路により３分岐点を形成し、前記軸対称に２分岐する２つの光導波路をそれぞれカプラーに接続して光平面回路を成し、該光平面回路上の３分岐点に光を放射または入射するための開口面を形成してマジックＴ分岐路を構成する立体的な４分岐構造として光導波路分岐デバイスを構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光信号を伝送、分波する光導波路分岐デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信システムにおいては、平面の導波構造の光平面回路は有力な多機能デバイスとなり得る。平面の導波構造の光回路は多機能な回路を構成できるが、光平面回路とファイバなど周辺のデバイスとのインターコネクションには制約が多い。接続は光平面回路を切断する構造としてその断面のコア部で行われる。光平面回路の断面中の導波路のコア断面とファイバを切断した断面のコア断面とでは光信号のモードが異なる。そのため、両者を接続するには両者のモードを合わせて整合させる必要があり、特殊な処理が必要となるが、その処理は一般に複雑で困難である。またそれに伴う、高度で安定な機械的な位置合わせや固定にも高度なノウハウが必要である。
【０００３】
接続に必要な機械的精度は、光信号が伝わるコアの径よりも十分小さい値でなければならず、通常コアの大きさが１０μｍ径程度あるいは１０μｍ角程度であることから、これらに対して光軸ずれは１μｍ程度以下の値でなければならない。また光ファイバの直径あるいは光平面回路の厚みは約１ｍｍであるので、許される光軸ズレは１μｍ以下とすると精度は０．１％以下となる。このため機械的な精度としては厳しい値となっている。
【０００４】
また接続は平面光回路の切断面で行われるため、接続のための光軸方向は光平面回路の面と平行となる。このため、ファイバや結合レンズなどの接続部前後の光平面回路の周りにファイバや導波路の直線状のスペースが必要となり、より光平面回路の面積よりも広い面積が必要であり、３次元的な要素も含めると全体に必要な体積のスペースが大きくなっている。特に２次元のフォトニック結晶回路はまだ直接周りの光回路との接続ができず、２次元フォトニック結晶回路を一旦平面型の光導波路に変換して、その平面型の光導波路を介して周辺の光回路に接続している。
【０００５】
一方、光学的な結合系として、レンズを用いた結合系もある。ファイバを出た光を一旦レンズを通してコリメート光とし、再び集光レンズで集光、結像して結合させて次のファイバに光信号を導く。結合レンズを用いた空間光学系は、一般的にはタイトな３次元的な機械的要素で構成され、必要とされる精度を維持するためには大きく重い装置となってしまう。
【０００６】
本発明者はすでに、この問題点を解決する１手法として、光平面回路にマジックＴ分岐を構成した立体的な光接続回路を提案している。本発明は更にこのマジックＴ分岐の性質を利用して、光平面回路での光スイッチを構成し、容易に外部の光回路と接続できる光導波路分岐デバイスを提案する。
【非特許文献１】中島正光 マイクロ波工学 森北出版
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
以上のように、従来は、光ファイバと光平面回路とを簡易な構造で接続することはできなかった。そこで、本発明は簡易な構造で上記接続を可能とし、小型で軽量の光導波路分岐デバイス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】
【０００８】
本発明の光導波路分岐デバイスは、平面上に１つの光導波路と該光導波路から軸対称に２分岐する２つの光導波路により３分岐点を形成し、前記軸対称に２分岐する２つの光導波路をそれぞれカプラーに接続して光平面回路を成し、該光平面回路上の３分岐点に光を放射または入射するための開口面を形成してマジックＴ分岐路を構成する立体的な４分岐構造としたことを特徴とする。
【０００９】
また、前記２分岐された光導波路の少なくとも一方とカプラーの間には、位相差を調整する移相器が具備されていることを特徴とし、さらに前記移相器で移相量を調整することで、前記分岐点での出力ポートを切り替えることを特徴とする。
【００１０】
また、前記開口面は結合光学系の機能を包含していることを特徴とする。さらに、前記開口面から上記光平面回路に対して垂直方向に光を放射または入射するようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、平面上に１つの光導波路と該光導波路から軸対称に２分岐する２つの光導波路により３分岐点を形成し、前記軸対称に２分岐する２つの光導波路をそれぞれカプラーに接続して光平面回路を成し、該光平面回路上の３分岐点に光を放射または入射するための開口面を形成してマジックＴ分岐路を構成する立体的な４分岐構造とすることによって、光ファイバや光デバイスとの接続が光平面回路の上部空間で行うことができ、接続のためのスペースを少なくすることができる。
【００１２】
また、前記２分岐された光導波路の少なくとも一方とカプラーの間には、位相差を調整する移相器を具備し、さらに前記移相器で移相量を調整して前記分岐点での出力ポートを切り替えることによって、平面型の光スイッチとして機能させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面に基づいて本発明を詳細に説明する。
【００１４】
なお、本発明は以下の例に限定されるものではなく以下、本発明の主旨を逸脱しない範囲で変更・改良を施すことは何ら差し支えない。
【００１５】
図１に本発明の実施形態を示す。光平面回路の基板１に直線状の光導波路４が形成され、この光導波路４は分岐点５で軸対称に２分岐され、光導波路２と光導波路３に分かれる。さらに分岐点５上には開口面をなす結合開口部１８を形成して、３つの光導波路と１つの開口面で４分岐のマジックＴの構成となっている。
【００１６】
分岐した光導波路３と光導波路４は再び結合してカプラー８を形成している。さらに分岐した一方の光導波路３上に移相器１６が形成されている。光導波路２と光導波路４は光平面回路の基板１の端面でそれぞれ端面２ａと端面４ａとなっている。マジックＴの結合開口部５からは光信号はビーム１０に沿って出射され断面９を通過する。
【００１７】
いま、端面２ａから光信号１７が入射されるものとする。入射された信号はカプラ８で同じ強度で２分岐されて光導波路２と光導波路３に導かれる。光導波路３に分岐された光信号は移相器１６をで位相を調整されて、分岐点５において光導波路３と光導波路４の光信号がそれぞれ逆相となるようにする。このとき分岐点５に逆相で入力された光信号は分岐点５でマジックＴ構造のため光導波路４に対し高次の非伝達モードとなっており、このため光導波路４には光信号は進まず、端面４ａからの光の出射は無い。一方、光導波路２、光導波路３からの光信号は同様にマジックＴ構造のため結合開口部１８に対しては同相で強め合うモードとなっており、このため合波されて分岐点５の結合開口部１８から放射される。
【００１８】
分岐点５の結合開口部１８は結合光学系の機能を包含しているため、合波されて出射される光信号はビーム１０の形となり、面９を通過する。なお、結合開口部１８は、例えば集光レンズを備えておくことによって、光導波路２、３から垂直方向に光信号の放射、入射を可能としている。
逆に、移相器１６で位相を調整されて分岐点５において光導波路２と光導波路３の光信号が同相となっている場合は、マジックＴの分岐点５において光信号は合波されて光導波路４に導かれ端面４ａより出射される。この場合は結合開口部１８からは光信号は出射されない。
【００１９】
このように移相器１６により通過する光信号の位相を調整することで光信号の出射ポートを切り替えることができ、光スイッチとすることができる。
【００２０】
この移相器１６は、熱による光路長の調整や、あるいはニオブ酸リチウムなどを用い、印加電圧を変化させて屈折率を変えることなどで実現できる。
【００２１】
図２は図１の実施例の断面図を示す。この例では分波された光信号は分岐点５で合波され結合開口部１８からビーム１０に沿って出射され、面９を通過し結合レンズ１１でコリメート光に変換される。
【００２２】
ここで、マジックＴの原理図を図３に示す。図３はマイクロ波、ミリ波帯の導波管の例の図であるが、光導波路でも同様の原理で動作する。図３（ａ）に４分岐のマジックＴの構造例が示される。いま開口面１４と開口面１５から逆相のＴＥ０１モードの信号を入力すると分岐点では開口面１３を持つ導波路に対しては高次のＴＭモードとなり遮断されて信号が伝わらないが、開口面１２を持つ導波路に対してはＴＥ０１モードが保持されて信号が合波される形で伝送される。一方、開口面１４と開口面１５から同相のＴＥ０１モードの信号を入力すると図３（ｂ）のように分岐点で開口面１２を持つ導波管に対しては高次のＴＭモードとなり遮断されて信号が伝わらないが、開口面１３を持つ導波管に対してはＴＥ０１モードが保持されて合波されるす形で伝送される。光の信号も分岐点で同様な関係となるモードで駆動することで同様な機能のデバイスとなる。
【００２３】
図１から図２の実施形態では、通常の光導波路の形の実施例として示したが、同じ原理で２次元フォトニック結晶の導波路構造にも適用できる。ことに、２次元フォトニック結晶の光導波路は現状では光ファイバと直接接続することが困難であり、一旦通常の光平面回路の光導波路を介して接続するなど、無駄のある接続法しか知られていない。本発明によるこのマジックＴ構造の垂直方向の光導波路分岐デバイスを用いることで、小さいスペースで高結合効率で２次元フォトニック結晶と周りの光回路、光モジュールとの接続が可能となる。さらにフォトニック結晶を使ったカプラや位相器で光スイッチを実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明の光導波路分岐デバイスは、少ないスペースで、かつ高結合効率で通常の平面の光平面回路の光スイッチと外部の回路を接続できる。さらに他の機能の光平面回路とも組み合わせることができ、小型低価格で高性能なモジュール化への応用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の光導波路分岐デバイスを示す斜視図である。
【図２】本発明の光導波路分岐デバイスの具体的な実施例を示した図である。
【図３】マジックＴの原理を説明するための図である。
【符号の説明】
【００２６】
１、基板
２、３、４、光導波路
５、分岐点
６a、７a、光導波路断面
８、光カプラ
９、光束通過面
１０、ビーム
１１、結合光学レンズ
１２、１３、１４、１５ 開口面
１６、位相器
１７、光信号
１８、結合開口部
【技術分野】
【０００１】
本発明は光信号を伝送、分波する光導波路分岐デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信システムにおいては、平面の導波構造の光平面回路は有力な多機能デバイスとなり得る。平面の導波構造の光回路は多機能な回路を構成できるが、光平面回路とファイバなど周辺のデバイスとのインターコネクションには制約が多い。接続は光平面回路を切断する構造としてその断面のコア部で行われる。光平面回路の断面中の導波路のコア断面とファイバを切断した断面のコア断面とでは光信号のモードが異なる。そのため、両者を接続するには両者のモードを合わせて整合させる必要があり、特殊な処理が必要となるが、その処理は一般に複雑で困難である。またそれに伴う、高度で安定な機械的な位置合わせや固定にも高度なノウハウが必要である。
【０００３】
接続に必要な機械的精度は、光信号が伝わるコアの径よりも十分小さい値でなければならず、通常コアの大きさが１０μｍ径程度あるいは１０μｍ角程度であることから、これらに対して光軸ずれは１μｍ程度以下の値でなければならない。また光ファイバの直径あるいは光平面回路の厚みは約１ｍｍであるので、許される光軸ズレは１μｍ以下とすると精度は０．１％以下となる。このため機械的な精度としては厳しい値となっている。
【０００４】
また接続は平面光回路の切断面で行われるため、接続のための光軸方向は光平面回路の面と平行となる。このため、ファイバや結合レンズなどの接続部前後の光平面回路の周りにファイバや導波路の直線状のスペースが必要となり、より光平面回路の面積よりも広い面積が必要であり、３次元的な要素も含めると全体に必要な体積のスペースが大きくなっている。特に２次元のフォトニック結晶回路はまだ直接周りの光回路との接続ができず、２次元フォトニック結晶回路を一旦平面型の光導波路に変換して、その平面型の光導波路を介して周辺の光回路に接続している。
【０００５】
一方、光学的な結合系として、レンズを用いた結合系もある。ファイバを出た光を一旦レンズを通してコリメート光とし、再び集光レンズで集光、結像して結合させて次のファイバに光信号を導く。結合レンズを用いた空間光学系は、一般的にはタイトな３次元的な機械的要素で構成され、必要とされる精度を維持するためには大きく重い装置となってしまう。
【０００６】
本発明者はすでに、この問題点を解決する１手法として、光平面回路にマジックＴ分岐を構成した立体的な光接続回路を提案している。本発明は更にこのマジックＴ分岐の性質を利用して、光平面回路での光スイッチを構成し、容易に外部の光回路と接続できる光導波路分岐デバイスを提案する。
【非特許文献１】中島正光 マイクロ波工学 森北出版
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
以上のように、従来は、光ファイバと光平面回路とを簡易な構造で接続することはできなかった。そこで、本発明は簡易な構造で上記接続を可能とし、小型で軽量の光導波路分岐デバイス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】
【０００８】
本発明の光導波路分岐デバイスは、平面上に１つの光導波路と該光導波路から軸対称に２分岐する２つの光導波路により３分岐点を形成し、前記軸対称に２分岐する２つの光導波路をそれぞれカプラーに接続して光平面回路を成し、該光平面回路上の３分岐点に光を放射または入射するための開口面を形成してマジックＴ分岐路を構成する立体的な４分岐構造としたことを特徴とする。
【０００９】
また、前記２分岐された光導波路の少なくとも一方とカプラーの間には、位相差を調整する移相器が具備されていることを特徴とし、さらに前記移相器で移相量を調整することで、前記分岐点での出力ポートを切り替えることを特徴とする。
【００１０】
また、前記開口面は結合光学系の機能を包含していることを特徴とする。さらに、前記開口面から上記光平面回路に対して垂直方向に光を放射または入射するようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、平面上に１つの光導波路と該光導波路から軸対称に２分岐する２つの光導波路により３分岐点を形成し、前記軸対称に２分岐する２つの光導波路をそれぞれカプラーに接続して光平面回路を成し、該光平面回路上の３分岐点に光を放射または入射するための開口面を形成してマジックＴ分岐路を構成する立体的な４分岐構造とすることによって、光ファイバや光デバイスとの接続が光平面回路の上部空間で行うことができ、接続のためのスペースを少なくすることができる。
【００１２】
また、前記２分岐された光導波路の少なくとも一方とカプラーの間には、位相差を調整する移相器を具備し、さらに前記移相器で移相量を調整して前記分岐点での出力ポートを切り替えることによって、平面型の光スイッチとして機能させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面に基づいて本発明を詳細に説明する。
【００１４】
なお、本発明は以下の例に限定されるものではなく以下、本発明の主旨を逸脱しない範囲で変更・改良を施すことは何ら差し支えない。
【００１５】
図１に本発明の実施形態を示す。光平面回路の基板１に直線状の光導波路４が形成され、この光導波路４は分岐点５で軸対称に２分岐され、光導波路２と光導波路３に分かれる。さらに分岐点５上には開口面をなす結合開口部１８を形成して、３つの光導波路と１つの開口面で４分岐のマジックＴの構成となっている。
【００１６】
分岐した光導波路３と光導波路４は再び結合してカプラー８を形成している。さらに分岐した一方の光導波路３上に移相器１６が形成されている。光導波路２と光導波路４は光平面回路の基板１の端面でそれぞれ端面２ａと端面４ａとなっている。マジックＴの結合開口部５からは光信号はビーム１０に沿って出射され断面９を通過する。
【００１７】
いま、端面２ａから光信号１７が入射されるものとする。入射された信号はカプラ８で同じ強度で２分岐されて光導波路２と光導波路３に導かれる。光導波路３に分岐された光信号は移相器１６をで位相を調整されて、分岐点５において光導波路３と光導波路４の光信号がそれぞれ逆相となるようにする。このとき分岐点５に逆相で入力された光信号は分岐点５でマジックＴ構造のため光導波路４に対し高次の非伝達モードとなっており、このため光導波路４には光信号は進まず、端面４ａからの光の出射は無い。一方、光導波路２、光導波路３からの光信号は同様にマジックＴ構造のため結合開口部１８に対しては同相で強め合うモードとなっており、このため合波されて分岐点５の結合開口部１８から放射される。
【００１８】
分岐点５の結合開口部１８は結合光学系の機能を包含しているため、合波されて出射される光信号はビーム１０の形となり、面９を通過する。なお、結合開口部１８は、例えば集光レンズを備えておくことによって、光導波路２、３から垂直方向に光信号の放射、入射を可能としている。
逆に、移相器１６で位相を調整されて分岐点５において光導波路２と光導波路３の光信号が同相となっている場合は、マジックＴの分岐点５において光信号は合波されて光導波路４に導かれ端面４ａより出射される。この場合は結合開口部１８からは光信号は出射されない。
【００１９】
このように移相器１６により通過する光信号の位相を調整することで光信号の出射ポートを切り替えることができ、光スイッチとすることができる。
【００２０】
この移相器１６は、熱による光路長の調整や、あるいはニオブ酸リチウムなどを用い、印加電圧を変化させて屈折率を変えることなどで実現できる。
【００２１】
図２は図１の実施例の断面図を示す。この例では分波された光信号は分岐点５で合波され結合開口部１８からビーム１０に沿って出射され、面９を通過し結合レンズ１１でコリメート光に変換される。
【００２２】
ここで、マジックＴの原理図を図３に示す。図３はマイクロ波、ミリ波帯の導波管の例の図であるが、光導波路でも同様の原理で動作する。図３（ａ）に４分岐のマジックＴの構造例が示される。いま開口面１４と開口面１５から逆相のＴＥ０１モードの信号を入力すると分岐点では開口面１３を持つ導波路に対しては高次のＴＭモードとなり遮断されて信号が伝わらないが、開口面１２を持つ導波路に対してはＴＥ０１モードが保持されて信号が合波される形で伝送される。一方、開口面１４と開口面１５から同相のＴＥ０１モードの信号を入力すると図３（ｂ）のように分岐点で開口面１２を持つ導波管に対しては高次のＴＭモードとなり遮断されて信号が伝わらないが、開口面１３を持つ導波管に対してはＴＥ０１モードが保持されて合波されるす形で伝送される。光の信号も分岐点で同様な関係となるモードで駆動することで同様な機能のデバイスとなる。
【００２３】
図１から図２の実施形態では、通常の光導波路の形の実施例として示したが、同じ原理で２次元フォトニック結晶の導波路構造にも適用できる。ことに、２次元フォトニック結晶の光導波路は現状では光ファイバと直接接続することが困難であり、一旦通常の光平面回路の光導波路を介して接続するなど、無駄のある接続法しか知られていない。本発明によるこのマジックＴ構造の垂直方向の光導波路分岐デバイスを用いることで、小さいスペースで高結合効率で２次元フォトニック結晶と周りの光回路、光モジュールとの接続が可能となる。さらにフォトニック結晶を使ったカプラや位相器で光スイッチを実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明の光導波路分岐デバイスは、少ないスペースで、かつ高結合効率で通常の平面の光平面回路の光スイッチと外部の回路を接続できる。さらに他の機能の光平面回路とも組み合わせることができ、小型低価格で高性能なモジュール化への応用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の光導波路分岐デバイスを示す斜視図である。
【図２】本発明の光導波路分岐デバイスの具体的な実施例を示した図である。
【図３】マジックＴの原理を説明するための図である。
【符号の説明】
【００２６】
１、基板
２、３、４、光導波路
５、分岐点
６a、７a、光導波路断面
８、光カプラ
９、光束通過面
１０、ビーム
１１、結合光学レンズ
１２、１３、１４、１５ 開口面
１６、位相器
１７、光信号
１８、結合開口部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面上に１つの光導波路と該光導波路から軸対称に２分岐する２つの光導波路により３分岐点を形成し、前記軸対称に２分岐する２つの光導波路をそれぞれカプラーに接続して光平面回路を成し、該光平面回路上の３分岐点に光を放射または入射するための開口面を形成してマジックＴ分岐路を構成する立体的な４分岐構造としたことを特徴とする光導波路分岐デバイス。
【請求項２】
前記２分岐された光導波路の少なくとも一方とカプラーの間には、位相差を調整する移相器が具備されていることを特徴とする光導波路分岐デバイス。
【請求項３】
前記移相器で移相量を調整することで、前記分岐点での出力ポートを切り替えることを特徴とする請求項２記載の光導波路分岐デバイス。
【請求項４】
前記開口面は結合光学系の機能を包含していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光導波路分岐デバイス。
【請求項５】
前記開口面から上記光平面回路に対して垂直方向に光を放射または入射するようにしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光導波路分岐デバイス。
【請求項１】
平面上に１つの光導波路と該光導波路から軸対称に２分岐する２つの光導波路により３分岐点を形成し、前記軸対称に２分岐する２つの光導波路をそれぞれカプラーに接続して光平面回路を成し、該光平面回路上の３分岐点に光を放射または入射するための開口面を形成してマジックＴ分岐路を構成する立体的な４分岐構造としたことを特徴とする光導波路分岐デバイス。
【請求項２】
前記２分岐された光導波路の少なくとも一方とカプラーの間には、位相差を調整する移相器が具備されていることを特徴とする光導波路分岐デバイス。
【請求項３】
前記移相器で移相量を調整することで、前記分岐点での出力ポートを切り替えることを特徴とする請求項２記載の光導波路分岐デバイス。
【請求項４】
前記開口面は結合光学系の機能を包含していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光導波路分岐デバイス。
【請求項５】
前記開口面から上記光平面回路に対して垂直方向に光を放射または入射するようにしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光導波路分岐デバイス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００６−１０９７７（Ｐ２００６−１０９７７Ａ）
【公開日】平成１８年１月１２日（２００６．１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−１８６８３９（Ｐ２００４−１８６８３９）
【出願日】平成１６年６月２４日（２００４．６．２４）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１月１２日（２００６．１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年６月２４日（２００４．６．２４）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
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