光機能回路
【課題】 複数の機能を実行することのできる光機能回路を、１つの基板上で作製する。
【解決手段】 仮想的なメッシュにより画定される仮想的なピクセルの各々が有する屈折率により、入力ポートから入射された光信号が多重散乱しながら分岐し、出力ポートから出射されるように決定された空間的な屈折率分布が形成された波動伝達媒体を備え、ピクセルは、コアに相当する高屈折率部と、空隙からなる低屈折率部とを有し、空隙に任意の材料を注入して機能を実現する。
【解決手段】 仮想的なメッシュにより画定される仮想的なピクセルの各々が有する屈折率により、入力ポートから入射された光信号が多重散乱しながら分岐し、出力ポートから出射されるように決定された空間的な屈折率分布が形成された波動伝達媒体を備え、ピクセルは、コアに相当する高屈折率部と、空隙からなる低屈折率部とを有し、空隙に任意の材料を注入して機能を実現する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光機能回路に関し、より詳細には、２次元的な屈折率分布に応じた多重散乱によりホログラフィックに波動を伝達させるホログラフィック波動伝達媒体を用いた光機能回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信分野においては、光の分岐、干渉を容易に実現できる光回路として、光導波路構造を利用した集積光部品が開発されてきた。光の波動としての性質を利用した集積光部品は、光導波路長の調整により光干渉計の作製を容易にしたり、半導体分野における回路加工技術を適用することにより、光部品の集積化が容易になる。
【０００３】
このような光導波路構造は、光導波路中を伝搬する光を屈折率の空間的分布を利用して空間的な光閉じ込めを実現する「光閉じ込め構造」である。光回路を構成するためには、光配線などを用いて、各構成要素を縦列的に接続することとなる。このため、光導波路回路の光路長は、光回路内で干渉現象などを生じさせるために求められる光路長よりも長くならざるを得ず、その結果、光回路そのものが極めて大型になってしまうという問題があった。
【０００４】
たとえば、典型的なアレイ導波路格子を例にとると、入力ポートから入力された複数の波長（λj）の光は、スラブ導波路を有するスターカプラにより分波・合波を繰り返し、分波された光が出力ポートから出力されるが、波長の千分の１程度の分解能で光を分波するために要する光路長は、導波路を伝搬する光の波長の数万倍となる。また、光回路の導波路パターンニングをはじめとして、偏光状態に依存する回路特性を補正するための波長板などを設けるための加工も施す必要がある。（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
また、光回路の小型化のためには、光を導波路中に強く閉じ込める必要がある。従って、光導波路は、極めて大きな屈折率差を有する必要がある。例えば、従来のステップインデクッス型の光導波路では、比屈折率差が０．１％よりも大きな値となるように、屈折率の空間的分布を有するように光導波路を設計する。このような大きな屈折率差を利用して光閉じ込めを行うと、回路構成の自由度が制限されてしまう。特に、光導波路中での屈折率差を、局所的な紫外線照射、熱光学効果または電気光学効果などにより実現しようとしても、得られる屈折率の変化量は高々０．１％程度である。光の伝搬方向を変化させる場合には、光導波路の光路にそって徐々に向きを変化させざるを得ず、光回路長は必然的に極めて長いものとなり、その結果として光回路の小型化が困難になる。
【０００６】
【非特許文献１】Y. Hibino, “Passive optical devices for photonic networks”, IEIC Trans. Commun., Vol.E83-B No.10, (2000).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、従来の光導波路回路、ホログラフィック回路を用いた光回路よりも小型で、緩やかな屈折率分布、すなわち小さな屈折率差でも充分に高効率の光信号制御を可能とする波動伝達媒体を用いることにより、高効率で小型の光回路を実現する。しかしながら、複数の機能を実行する光機能回路を実現しようとすると、１つの機能の光回路を複数接続する必要があり、光機能回路全体の小型化には限度があった。
【０００８】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、小型で作製が容易な、複数の機能を実行する光機能回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、仮想的なメッシュにより画定される仮想的なピクセルの各々が有する屈折率により、入力ポートから入射された光信号が多重散乱しながら分岐し、出力ポートから出射されるように決定された空間的な屈折率分布が形成された波動伝達媒体を備え、前記ピクセルは、コアに相当する高屈折率部と、空隙からなる低屈折率部とを有し、前記空隙に任意の材料を注入して機能を実現することを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の前記空隙には、屈折率の温度依存性を有する材料が注入され、前記波動伝達媒体の温度を変えて前記低屈折率部の屈折率を制御し、複数の機能を実現することを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の前記空隙には、電気光学効果を有する材料が注入され、前記波動伝達媒体に電圧を印可または電流を注入することにより前記低屈折率部の屈折率を制御し、複数の機能を実現することを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の前記空隙には、光誘起屈折率変化効果を有する材料が注入され、前記波動伝達媒体に光を照射することにより前記低屈折率部の屈折率を制御し、複数の機能を実現することを特徴とする。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の光機能回路において、前記空隙が空気で満たされた状態と、前記空隙に任意の屈折率を有する液体を注入した状態とのいずれかにより、２つの機能を実現することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明によれば、複数の機能を実行することのできる光機能回路を、１つの基板上で作製することができ、製造工程の短縮とともに回路の小型化を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本実施形態の光機能回路は、複数の散乱点により画定されるホログラフィック波動伝達媒体であり、２次元的な屈折率分布に応じた多重散乱によりホログラフィックに波動を伝達させる。ホログラフィック波動伝達媒体は、低屈折率を有するピクセルと高屈折率を有するピクセルからなる系であり、これら２種のピクセルの空間的分布により全体的な屈折率分布が決定される。このとき、媒体中の低屈折率ピクセルを可変にすることにより、複数の機能を実行する光機能回路を実現する。
【００１６】
最初に、本願発明に用いる波動伝達媒体の基本的概念について説明する。ここでは、光回路へ適用することから、波動伝達媒体中を伝搬する「波動」は「光」である。なお、波動伝達媒体にかかる理論は、一般の波動方程式に基づいて、媒質の特性を指定するものであり、一般の波動においても原理的に成り立ち得るものである。波動伝達媒体は、コヒーレントな光のパターンを入力して所望の光のパターンを出力させるために、波動伝達媒体中を伝搬する順伝搬光と逆伝搬光の位相差が、波動伝達媒体中の何れの場所においても小さくなるように屈折率分布が決定される。屈折率分布に応じた局所的なレベルのホログラフィック制御を多重に繰り返すことにより、所望の光のパターンが出力される。
【００１７】
図１を参照して、本実施形態にかかる波動伝達媒体の基本構造を説明する。図１（ａ）に示したように、光回路基板１の中に、波動伝達媒体により構成される光回路の設計領域１−１が存在する。光回路の一方の端面は、入力光３−１が入射する入射面２−１である。入力光３−１は、波動伝達媒体で構成された空間的な屈折率分布を有する光回路中を多重散乱しながら伝搬し、他方の端面である出射面２−２から出力光３−２として出力される。図１（ａ）中の座標ｚは、光の伝搬方向の座標（ｚ＝０が入射面、ｚ＝ｚｅが出射面）であり、座標ｘは、光の伝搬方向に対する横方向の座標である。なお、本実施形態では、波動伝達媒体は、誘電体からなるものと仮定し、空間的な屈折率分布は、波動伝達媒体を構成している誘電体の局所的な屈折率を後述する理論に基づいて設定することにより実現される。
【００１８】
入力光３−１が形成している「場」（入力フィールド）は、光回路を構成する波動伝達媒体の屈折率の空間的分布に応じて変調され、出力光３−２の形成する「場」（出力フィールド）に変換される。換言すれば、本発明の波動伝達媒体は、その空間的な屈折率分布に応じて入力フィールドと出力フィールドとを相関づけるための（電磁）フィールド変換手段である。なお、これら入力フィールドおよび出力フィールドに対して、光回路中での伝搬方向（図中ｚ軸方向）に垂直な断面（図中ｘ軸に沿う断面）における光のフィールドを、その場所（ｘ，ｚ）における（順）伝搬像（伝搬フィールドあるいは伝搬光）と呼ぶ（図１（ｂ）参照）。
【００１９】
ここで、「フィールド」とは、一般に電磁場（電磁界）または電磁場のベクトルポテンシャル場を意味している。本実施形態における電磁場の制御は、光回路中に設けられた空間的な屈折率分布、すなわち誘電率の分布を変えることに相当する。誘電率はテンソルとして与えられるが、通常は偏光状態間の遷移はそれほど大きくないので、電磁場の１成分のみを対象としてスカラー波近似しても良い近似となる。そこで、本明細書では電磁場を複素スカラー波として扱う。なお、光の「状態」には、エネルギ状態（波長）と偏光状態とがあるため、「フィールド」を光の状態を表現するものとして用いる場合には、光の波長と偏光状態をも包含し得ることとなる。
【００２０】
また、通常、伝搬光の増幅や減衰を生じさせない光回路では、屈折率の空間的分布を決めると、焦点以外の入力光３−１の像（入力フィールド）は、出力光３−２の像（出力フィールド）に対して一意的に定まる。このような、出射面２−２側から入射面２−１側へと向かう光のフィールドを、逆伝搬像（逆伝搬フィールドあるいは逆伝搬光）と呼ぶ（図１（ｃ）参照）。このような逆伝搬像は、光回路中の場所ごとに定義することができる。すなわち、光回路中での任意の場所における光のフィールドを考えたとき、その場所を仮想的な「入力光」の出射点として考えれば、上記と同様に出力光３−２の像に対して、その場所での逆伝搬像を考えることができる。このように、光回路中の各場所ごとに逆伝搬像が定義できる。
【００２１】
特に、単一の光回路において、出射フィールドが入射フィールドの伝搬フィールドとなっている場合には、光回路の任意の点で、伝搬フィールドと逆伝搬フィールドとは一致する。なお、フィールドは、一般的に、対象とする空間全体の上の関数であるが、「入射フィールド」または「出射フィールド」という場合は、入射面あるいは出射面におけるフィールドの断面を意味している。また、「フィールド分布」という場合でも、ある特定の断面に関して議論を行う場合には、その断面についてのフィールドの断面を意味している。
【００２２】
屈折率分布の決定方法を説明するためには記号を用いるほうが見通しがよいので、各量を表すために以下のような記号を用いることとする。なお、対象とされる光（フィールド）は、単一状態の光には限定されないので、複数の状態の光が重畳された光を対象とされ得るべく、個々の状態の光にインデックスｊを充てて一般的に表記する。
・ψj(x)：ｊ番目の入射フィールド（複素ベクトル値関数であり、入射面において設定する強度分布および位相の分布、ならびに、波長および偏波により規定される。）
・φj(x)：ｊ番目の出射フィールド（複素ベクトル値関数であり、出射面において設定する強度分布および位相分布、ならびに、波長および偏波により規定される。）
なお、ψj(x)およびφj(x)は、回路中で強度増幅、波長変換、偏波変換が行われない限り、光強度の総和は同じ（あるいは無視できる程度の損失）であり、それらの波長も偏波も同じである。
【００２３】
・｛ψj(x)、φj(x)｝：入出力ペア（入出力のフィールドの組み。）
｛ψj(x)、φj(x)｝は、入射面および出射面における、強度分布および位相分布ならびに波長および偏波により規定される。
【００２４】
・{nｑ}：屈折率分布（光回路設計領域全体の値の組。）
与えられた入射フィールドおよび出射フィールドに対して屈折率分布を１つ与えたときに光のフィールドが決まるので、ｑ番目の繰り返し演算で与えられる屈折率分布全体に対するフィールドを考える必要がある。そこで、(x,z)を不定変数として、屈折率分布全体をnｑ(x,z)と表しても良いが、場所(x,z)における屈折率の値nｑ(x,z)と区別するために、屈折率分布全体に対しては{nｑ}と表す。
【００２５】
・ｎcore：光導波路におけるコア部分のような、周囲の屈折率に対して高い屈折率の値を示す記号。
・ｎclad：光導波路におけるクラッド部分のような、ｎcoreに対して低い屈折率の値を示す記号。
・ψj(z,x,{nｑ})：ｊ番目の入射フィールドψj(x)を屈折率分布{nｑ}中をｚまで伝搬させたときの、場所(x,z)におけるフィールドの値。
・φj(z,x,{nｑ})：ｊ番目の出射フィールドφj(x)を屈折率分布{nｑ}中をｚまで逆伝搬させたときの、場所(x,z)におけるフィールドの値。
【００２６】
本実施形態において、屈折率分布は、すべてのｊについてψj(ze,x,{nｑ})＝φj(x)、またはそれに近い状態となるように{nｑ}が与えられる。
【００２７】
「入力ポート」および「出力ポート」とは、入射端面および出射端面におけるフィールドの集中した「領域」であり、例えば、その部分に光ファイバを接続することにより、光強度をファイバに伝搬できるような領域である。ここで、フィールドの強度分布および位相分布は、ｊ番目のものとｋ番目のものとで異なるように設計可能であるので、入射端面および出射端面に複数のポートを設けることができる。さらに、入射フィールドと出射フィールドの組を考えた場合、その間の伝搬により発生する位相が、光の周波数によって異なるので、周波数が異なる光（すなわち波長の異なる光）については、位相を含めたフィールド形状が同じであるか直交しているかの如何にかかわらず、異なるポートとして設定することができる。
【００２８】
ここで、電磁界は、実数ベクトル値の場で、かつ波長と偏光状態をパラメータとして有するが、その成分の値を一般な数学的取扱いが容易な複素数で表示し、電磁波の解を表記する。また、以下の計算においては、フィールド全体の強度は１に規格化されているものとする。図１（ｂ）および図１（ｃ）に示したように、ｊ番目の入射フィールドψj(x)および出力フィールドφj(x)に対し、伝搬フィールドと逆伝搬フィールドとをそれぞれの場所の複素ベクトル値関数として、ψj(z,x,{n})およびφj(z,x,{n})と表記する。これらの関数の値は、屈折率分布{ｎ}により変化するため、屈折率分布{ｎ}がパラメータとなる。記号の定義により、ψj(x)＝ψj(0,x,{n})、および、φj(x)＝φj(ze,x,{n})となる。これらの関数の値は、入射フィールドψj(x)、出射フィールドφj(x)、および屈折率分布{ｎ}が与えられれば、ビーム伝搬法などの公知の手法により容易に計算することができる。
【００２９】
以下に、空間的な屈折率分布を決定するための一般的なアルゴリズムを説明する。図２に、波動伝達媒体の空間的な屈折率分布を決定するための計算手順を示す。この計算は、繰り返し実行されるので、繰り返し回数をｑで表し、（ｑ−１）番目まで計算が実行されているときのｑ番目の計算の様子が図示されている。（ｑ−１）番目の計算によって得られた屈折率分布{ｎｑ-1}をもとに、各ｊ番目の入射フィールドψj(x)および出射フィールドφj(x)について、伝搬フィールドと逆伝搬フィールドとを数値計算により求め、その結果を各々、ψj(z,x,{nｑ-1})およびφj(z,x,{nｑ-1})と表記する（ステップＳ２２０）。
【００３０】
これらの結果をもとに、各場所（ｚ，ｘ）における屈折率ｎｑ（ｚ，ｘ）を、次式により求める（ステップＳ２４０）。
nｑ(z,x)＝nｑ-1(z,x)−αΣjIm[φj(z,x,{nｑ-1})*・ψj(z,x,{nｑ-1})]
・・・（１）
ここで、右辺第２項中の記号「・」は、内積演算を意味し、Im[]は、［］内のフィールド内積演算結果の虚数成分を意味する。なお、記号「＊」は複素共役である。係数αは、ｎｑ(z,x)の数分の１以下の値をさらにフィールドの組の数で割った値であり、正の小さな値である。Σjは、インデックスｊについて和をとるという意味である。
【００３１】
ステップＳ２２０とＳ２４０とを繰り返し、伝搬フィールドの出射面における値ψj(ze,x,{n})と出射フィールドφj(x)との差の絶対値が、所望の誤差ｄｊよりも小さくなると（ステップＳ２３０：ＹＥＳ）計算が終了する。
【００３２】
以上の計算では、屈折率分布の初期値{ｎ０}は適当に設定すればよいが、この初期値{ｎ０}が予想される屈折率分布に近ければ、それだけ計算の収束は早くなる（ステップＳ２００）。また、各ｊについてφj(z,x,{nｑ-1})およびψj(z,x,{nｑ-1})を計算するにあたっては、パラレルに計算が可能な計算機の場合は、ｊごと（すなわち、φj(z,x,{nｑ-1})およびψj(z,x,{nｑ-1})ごと）に計算すればよいので、クラスタシステム等を利用して計算の効率化を図ることができる（ステップＳ２２０）。また、比較的少ないメモリで計算機が構成されている場合は、式（１）のインデックスｊについての和の部分で、各ｑで適当なｊを選び、その分のφj(z,x,{nｑ-1})およびψj(z,x,{nｑ-1})のみを計算して、以降の計算を繰り返すことも可能である（ステップＳ２２０）。
【００３３】
以上の演算において、φj(z,x,{nｑ-1})の値とψj(z,x,{nｑ-1})の値とが近い場合には、式（１）中のIm[φj(z,x,{nｑ-1})*・ψj(z,x,{nｑ-1})]は位相差に対応する値となり、この値を減少させることで所望の出力を得ることが可能である。
【００３４】
屈折率分布の決定は、波動伝達媒体に仮想的メッシュを定め、このメッシュによって画定される微小領域（ピクセル）の屈折率を、各ピクセルごとに決定することと言い換えることもできる。このような局所的な屈折率は、原理的には、その場所ごとに任意の（所望の）値とすることができる。最も単純な系は、低屈折率（ｎＬ）を有するピクセルと高屈折率（ｎＨ）を有するピクセルのみからなる系であり、これら２種のピクセルの空間的分布により全体的な屈折率分布が決定される。この場合、媒体中の低屈折率ピクセルが存在する場所を高屈折率ピクセルの空隙として観念したり、逆に、高屈折率ピクセルが存在する場所を低屈折率ピクセルの空隙として観念したりすることができる。すなわち、本発明の波動伝達媒体は、均一な屈折率を有する媒体中の所望の場所（ピクセル）を、これとは異なる屈折率のピクセルで置換したものと表現することができる。
【００３５】
上述した屈折率分布決定のための演算内容を要約すると次のようになる。波動をホログラフィックに伝達させ得る媒体（光の場合には誘電体）に、入力ポートと出力ポートとを設け、入力ポートから入射した伝搬光のフィールド分布１（順伝搬光）と、入力ポートから入射した光信号が出力ポートから出力される際に期待される出力フィールドを出力ポート側から逆伝搬させた位相共役光のフィールド分布２（逆伝搬光）と、を数値計算により求める。フィールド分布１およびフィールド分布２を、伝搬光と逆伝搬光の各点（x,z）における位相差をなくすように、媒体中での空間的な屈折率分布を求める。なお、このような屈折率分布を得るための方法として最急降下法を採用すれば、各点の屈折率を変数として最急降下法により得られる方向に屈折率を変化させることにより、屈折率を式（１）のように変化させることで、２つのフィールド間の差を減少させることができる。このような波動伝達媒体を、入力ポートから入射した光を所望の出力ポートに出射させる光部品に応用すれば、媒体内で生じる伝搬波同士の多重散乱による干渉現象により、実効的な光路長が長くなり、緩やかな屈折率変化（分布）でも充分に高い光信号制御性を有する光回路を構成することができる。
【００３６】
図３に、本発明の一実施形態にかかる光合分波回路を示す。上述したアルゴリズムにしたがって、約２００回の繰り返しにより、図３（ａ）に示した屈折率分布を有する１×２光合分波回路が得られる。ここで、図中の光回路設計領域１−１内の黒色部分は、コアに相当する高屈折率部（誘電体多重散乱部）１−１１であり、黒色部以外の部分はクラッドに相当する低屈折率部１−１２であり、導波路より屈折率の低い散乱点である。クラッドの屈折率は、石英ガラスの屈折率を想定し、コアの屈折率は、石英ガラスに対する比屈折率が１．５％だけ高い値を有する。光回路のサイズは縦３００μｍ、横１４０μｍである。屈折率分布を求める際の計算に用いられたメッシュは、３００×１４０である。
【００３７】
図３（ｂ）に、光合分波回路の透過スペクトルを示す。出力ポートａからは１．３１μｍの光信号が出力され、出力ポートｂからは１．５５μｍの光信号が出力され、波長による光合分波器が形成されていることがわかる。
【００３８】
図４に、波動伝達媒体を含む導波路の作成方法を示す。Ｓｉ基板４０１上に、火炎堆積法により、ＳｉＯ２を主体にした下部クラッドガラススート４０２を堆積する。次に、ＳｉＯ２にＧｅＯ２を添加したコアガラススート４０３を堆積する（図４（ａ））。その後、１０００℃以上の高温でガラス透明化を行う。このとき、下部クラッドガラス４０４は３０ミクロン厚、コアガラス４０５は７ミクロン厚となるように、ガラスの堆積を行っている（図４（ｂ））。
【００３９】
引き続き、フォトリソグラフィ技術を用いてコアガラス４０５上にエッチングマスク４０６を形成し（図４（ｃ））、反応性イオンエッチングによってコアガラス４０５のパターン化を行う（図４（ｄ））。すなわち、仮想的なメッシュにより画定される仮想的なピクセルのうち、コアに相当する高屈折率部を形成する。エッチングマスク４０６を除去した後、上部クラッドガラス４０７を、張り合わせる（図４（ｅ））。上部クラッドガラス４０７は、Ｂ２Ｏ３やＰ２Ｏ５などのドーパントを添加したＳｉＯ２である。
【００４０】
図３に示した高屈折率部（誘電体多重散乱部）１−１１は、コア４０５に相当し、導波路より屈折率の低い散乱点である低屈折率部１−１２は、下部クラッドガラス４０４と上部クラッドガラス４０７とに挟まれた空隙に相当する。本実施形態では、後述するように、この部分に様々な材料を注入する。（図４（ｆ））。
【００４１】
なお、波動伝達媒体の空隙に材料を注入するために、図５（ａ）に示すように、コアに相当する高屈折率部と上部クラッドガラス４０７との間に、材料の通過する隙間を設ける。図４（ｃ），（ｄ）のエッチングにおいて、２段階のエッチングを行って、波動伝達媒体の周辺部に、高い段差４０８を設けておく。また、図５（ｂ）に示すように、段差の一部を取り除いて、材料の注入口４１１と、排出口４１２とを接続できるようにする。
【００４２】
波動伝達媒体の空隙に、空気またはポリマ、半導体、液体など適当な材料を注入することにより、低屈折率部１−１２を任意の屈折率に設定して、１つの基板上で複数の機能を実行することのできる光機能回路を実現することができる。具体的には、
１）ポリマ、半導体、シリコンオイルなどの液体のいずれかの材料を空隙に注入し、屈折率の温度依存性により所定の機能を実現する。
２）液晶、強誘電体材料などの電気光学効果を有する材料を空隙に注入し、電圧を印加して屈折率を変え、複数の機能を実行する。
３）半導体、ポリマなどの電気光学効果を有する材料を空隙に注入し、電流を注入して屈折率を変え、複数の機能を実行する。
４）ポリマなどの光誘起屈折率変化効果を有する材料を空隙に注入し、光を照射して屈折率を変え、複数の機能を実行する。光誘起屈折率変化効果として、光カー効果、光吸収による熱レンズ効果、相転移による屈折率変化、光吸収キャリアによる屈折率変化などがある。
５）空隙が空気で満たされた状態と液体を空隙に注入した状態との２値状態として、２つの機能を実行する。
などの方法が考えられる。
【００４３】
空隙に注入する液体の屈折率をｎとすると、ｎ＝ｎcladとすれば、計算されたとおりの屈折率分布を有する波動伝達媒体となり、所与の機能を実現する。ｎ＝ｎcoreとすれば、波動伝達媒体は、スラブ導波路として機能する。また、ｎclad＜ｎ＜ｎcoreとすれば、例えば、図３に示した光合分波回路において、各々のポートに出力される波長をシフトすることができる。さらに、ｎ＞ｎcoreとすれば、減衰回路として機能する。
【実施例１】
【００４４】
図６に、本発明の実施例１にかかる光機能回路を示す。基板５０１上に、波動伝達媒体５０２，５０３が形成されている。波動伝達媒体５０２には、入力導波路５０４が接続され、低屈折率部である空隙に液体を注入するための注入口５０６と、排出口５０７とが接続されている。波動伝達媒体５０３には、出力導波路５０５が接続されている。
【００４５】
波動伝達媒体５０２の空隙にｎ＝ｎcoreとなる液体を注入すると、スラブ導波路となって、波動伝達媒体５０２は、レンズとして機能する。すなわち、入力導波路５０４からの光信号を分岐して、波動伝達媒体５０３へ出力する。波動伝達媒体５０３は、分岐された光信号をそれぞれ出力導波路５０５に導く。
【００４６】
波動伝達媒体５０２の空隙にｎ＝ｎcladとなる液体を注入すると、波動伝達媒体として働き、波長分波素子として機能する。すなわち、入力導波路５０４からの光信号を波長に応じて光路を変え、波動伝達媒体５０３へ出力する。波動伝達媒体５０３は、分波された光信号をそれぞれ出力導波路５０５に導く。このようにして、分岐回路と分波回路という２つの機能を１つの基板上で実現することができる。
【実施例２】
【００４７】
図７に、本発明の実施例２にかかる光機能回路を示す。基板６０１上に、波動伝達媒体６０２ａ，６０２ｂが導波路６０４を挟んで形成されている。波動伝達媒体６０２には、出力導波路６０５が接続され、低屈折率部である空隙に液体を注入するための注入口６０６と、排出口６０７とが接続されている。図８は、実施例２にかかる光機能回路の断面図である。結合部６０８は、ｎｃｏｒｅ＞ｎ≧ｎｃｌａｄからなるガラスである。結合部６０８の上部には、液体が流れるように連絡溝６０９が形成されている。
【００４８】
波動伝達媒体６０２の空隙に空気が注入されている場合には、導波路６０４のコア部分に光は閉じ込められる。従って、導波路６０４に入力された光信号は、そのまま導波路６０４を伝搬して出力される。一方、波動伝達媒体６０２の空隙にｎ≧ｎcladとなる液体を注入すると、導波路６０４と波動伝達媒体６０２とは光学的に結合する。従って、導波路６０４に入力された光信号は、波動伝達媒体６０２を介して出力導波路６０５ａ，６０５ｂからそれぞれ出力される。すなわち分岐回路として機能する。
【００４９】
なお、ｎ＝ｎcladの場合よりも、ｎ＞ｎcladの場合の方が、光の膜厚方向への散乱損失を低減することができる。本実施例では、液体としてシリコンオイルを用いたが、ポリマを含有する溶媒を用い、光照射や温度変化により屈折率変化を得ることもできる。また、液晶を充填した場合には、膜厚方向に電界を印加することにより、屈折率を変化させることもできる。
【００５０】
さらに、半導体などの流動性のない媒質で空隙を埋め、電圧印加またはキャリア注入により、波動伝達媒体の屈折率を変化させる事により特性を変化させることもできる。このようにして、直線導波路と分岐回路という２つの機能を１つの基板上で実現することができる。
【実施例３】
【００５１】
図９に、本発明の実施例３にかかる光機能回路を示す。Ｓｉ上に石英を堆積した基板７０１上に、波動伝達媒体７０２が形成されている。波動伝達媒体５０２には、入力導波路７０４が接続され、波動伝達媒体７０３の出力ポートには、出力導波路７０５が光学的に結合されている。出力導波路７０５は、光ファイバを用いても構わない。波動伝達媒体７０２は、Ｇｅドープされた石英ガラスコアから形成されており、その空隙にはポリマが充填されている。ポリマの屈折率は、Ｇｅドープされた石英ガラスコアと常温で一致する。
【００５２】
常温では、波動伝達媒体７０２は、単なるスラブ導波路として機能し、横方向に非常に広いスポットを有する出力が得られる。基板７０１をヒータにより加熱すると、スポットサイズが徐々に小さくなる。これは、ヒータの加熱による温度変化に伴って、充填されているポリマの屈折率が減少したことによる。出力導波路７０５として、光ファイバを用いたところ、可変のアッテネータとして機能する。
【００５３】
本実施例では、ポリマの常温での屈折率をドープした石英ガラスコアと一致させたが、ポリマおよびその屈折率の選択には広い自由度がある。従って、低損失となる動作温度を、常温での屈折率を調整することにより可変することができる。例えば、屈折率をわずかに下げておくと、動作温度を下げることができる。また、動作原理として温度変化による屈折率変化を用いた場合には、動作速度が数ｍ秒〜秒程度であるが、ポリマとして光照射により屈折率の変化する媒体を用いると、制御光により数μｓ以下の高速な動作を行うことができる。
【実施例４】
【００５４】
図１０に、本発明の実施例４にかかる光機能回路を示す。実施例４は、実施例２の光機能回路に、さらに波動伝達媒体を接続して、より複雑な機能を実現する光機能回路である。基板８０１上に、波動伝達媒体８０２ａ，８０２ｂが導波路８０４を挟んで形成されている。波動伝達媒体８０２には、導波路を介してさらに波動伝達媒体８０３ａ，８０３ｂが接続されている。波動伝達媒体８０２には、低屈折率部である空隙に液体を注入するための注入口８０６と、排出口８０７とが接続されている。波動伝達媒体８０３の空隙には不図示の注入口と排出口とを介して液体を注入することにより、屈折率を変えることができる。
【００５５】
波動伝達媒体８０２の空隙に空気が注入されている場合には、導波路８０４のコア部分に光は閉じ込められる。従って、導波路８０４に入力された光信号は、そのまま導波路８０４を伝搬して出力される。一方、波動伝達媒体８０２の空隙にｎ≧ｎcladとなる液体を注入すると、導波路８０４と波動伝達媒体８０２とは光学的に結合する。従って、導波路８０４に入力された光信号は、波動伝達媒体８０２を介して波動伝達媒体８０３ａ，８０３ｂに入力される。
【００５６】
波動伝達媒体８０３ａは、空隙に液体が注入されているか否かにより、出力導波路８０５ａ，８０５ｂのいずれかに光路を切り替えることができ、波動伝達媒体８０３ｂは、出力導波路８０５ｃ，８０５ｄのいずれかに光路を切り替えることができる。このようにして、直線導波路と分岐回路という２つの機能に、スイッチ回路を付加した光機能回路を１つの基板上で実現することができる。
【００５７】
本実施形態では、石英ガラスを主体とした構成について説明したが、上述したように、半導体、ポリマ、液晶などを用いることができる。これら材料を用いた場合の光機能回路の製造方法について以下に説明する。
【００５８】
半導体の場合には、レーザなどの通常の半導体光導波路型デバイスプロセスを用いる。最初に、導電性基板上に、結晶成長により、低屈折率の膜（例えばＩｎＰ）と高い屈折率の膜（例えばＩｎＧａＡｓＰ）を形成する。フォト工程、ドライエッチング工程により、少なくとも高い屈折率の膜の部分のパターン加工を行う。結晶成長により、低屈折率膜（ＩｎＰまたはコア膜よりも屈折率の低いＩｎＧａＡｓＰ）を形成する。同様にして、結晶成長により、クラッド層として導電性のクラッド層を形成する。次に、電流印加／電圧印加の為に、波動伝達媒体の上部および基板裏面に電極金属を形成する。劈開によりカットし、端面に反射防止膜を形成して、光機能回路が完成する。
【００５９】
ポリマの場合には、図４に示した方法において、図４（ｄ）のパターン化を行ったときに、ポリマを塗布し、溶媒を蒸発させて硬化させる。必要に応じて研磨工程などにより平坦化を行う。最後に、必要ならば、表面に加熱用の電極を形成する。
【００６０】
液晶の場合は、石英ガラスを主体とした製造方法に同じであり、電圧印加のために、波動伝達媒体の上下面に電圧印加用の電極を形成する。
【００６１】
ＬｉＮｂＯ３を材料とする製造方法では、ＬｉＮｂＯ３基板上に、ドーパントの拡散により導波路および波動伝達媒体を形成する。さらに、保護膜を形成した後に、電圧印加のために、波動伝達媒体の上面に電極を形成する。
【００６２】
このようにして、上述した実施例１〜４において、石英ガラスのみならず半導体、ポリマ、液晶などを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】波動伝達媒体の基本構造を説明するための図である。
【図２】波動伝達媒体の空間的な屈折率分布を決定するための計算手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明の一実施形態にかかる光合分波回路を示す図である。
【図４】波動伝達媒体を含む導波路の作成方法を示す図である。
【図５】波動伝達媒体の空隙に材料を注入する方法を示す図である。
【図６】本発明の実施例１にかかる光機能回路を示す図である。
【図７】本発明の実施例２にかかる光機能回路を示す図である。
【図８】実施例２にかかる光機能回路の断面図である。
【図９】本発明の実施例３にかかる光機能回路を示す図である。
【図１０】本発明の実施例４にかかる光機能回路を示す図である。
【符号の説明】
【００６４】
１−１ 光回路設計領域
１−２ 基板
１−１１ 高屈折率部
１−１２ 低屈折率部
２−１ 入射面
２−２，２−３ 出射面
３−１ 入力ポート
３−２ 出力ポート
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光機能回路に関し、より詳細には、２次元的な屈折率分布に応じた多重散乱によりホログラフィックに波動を伝達させるホログラフィック波動伝達媒体を用いた光機能回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信分野においては、光の分岐、干渉を容易に実現できる光回路として、光導波路構造を利用した集積光部品が開発されてきた。光の波動としての性質を利用した集積光部品は、光導波路長の調整により光干渉計の作製を容易にしたり、半導体分野における回路加工技術を適用することにより、光部品の集積化が容易になる。
【０００３】
このような光導波路構造は、光導波路中を伝搬する光を屈折率の空間的分布を利用して空間的な光閉じ込めを実現する「光閉じ込め構造」である。光回路を構成するためには、光配線などを用いて、各構成要素を縦列的に接続することとなる。このため、光導波路回路の光路長は、光回路内で干渉現象などを生じさせるために求められる光路長よりも長くならざるを得ず、その結果、光回路そのものが極めて大型になってしまうという問題があった。
【０００４】
たとえば、典型的なアレイ導波路格子を例にとると、入力ポートから入力された複数の波長（λj）の光は、スラブ導波路を有するスターカプラにより分波・合波を繰り返し、分波された光が出力ポートから出力されるが、波長の千分の１程度の分解能で光を分波するために要する光路長は、導波路を伝搬する光の波長の数万倍となる。また、光回路の導波路パターンニングをはじめとして、偏光状態に依存する回路特性を補正するための波長板などを設けるための加工も施す必要がある。（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
また、光回路の小型化のためには、光を導波路中に強く閉じ込める必要がある。従って、光導波路は、極めて大きな屈折率差を有する必要がある。例えば、従来のステップインデクッス型の光導波路では、比屈折率差が０．１％よりも大きな値となるように、屈折率の空間的分布を有するように光導波路を設計する。このような大きな屈折率差を利用して光閉じ込めを行うと、回路構成の自由度が制限されてしまう。特に、光導波路中での屈折率差を、局所的な紫外線照射、熱光学効果または電気光学効果などにより実現しようとしても、得られる屈折率の変化量は高々０．１％程度である。光の伝搬方向を変化させる場合には、光導波路の光路にそって徐々に向きを変化させざるを得ず、光回路長は必然的に極めて長いものとなり、その結果として光回路の小型化が困難になる。
【０００６】
【非特許文献１】Y. Hibino, “Passive optical devices for photonic networks”, IEIC Trans. Commun., Vol.E83-B No.10, (2000).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、従来の光導波路回路、ホログラフィック回路を用いた光回路よりも小型で、緩やかな屈折率分布、すなわち小さな屈折率差でも充分に高効率の光信号制御を可能とする波動伝達媒体を用いることにより、高効率で小型の光回路を実現する。しかしながら、複数の機能を実行する光機能回路を実現しようとすると、１つの機能の光回路を複数接続する必要があり、光機能回路全体の小型化には限度があった。
【０００８】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、小型で作製が容易な、複数の機能を実行する光機能回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、仮想的なメッシュにより画定される仮想的なピクセルの各々が有する屈折率により、入力ポートから入射された光信号が多重散乱しながら分岐し、出力ポートから出射されるように決定された空間的な屈折率分布が形成された波動伝達媒体を備え、前記ピクセルは、コアに相当する高屈折率部と、空隙からなる低屈折率部とを有し、前記空隙に任意の材料を注入して機能を実現することを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の前記空隙には、屈折率の温度依存性を有する材料が注入され、前記波動伝達媒体の温度を変えて前記低屈折率部の屈折率を制御し、複数の機能を実現することを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の前記空隙には、電気光学効果を有する材料が注入され、前記波動伝達媒体に電圧を印可または電流を注入することにより前記低屈折率部の屈折率を制御し、複数の機能を実現することを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の前記空隙には、光誘起屈折率変化効果を有する材料が注入され、前記波動伝達媒体に光を照射することにより前記低屈折率部の屈折率を制御し、複数の機能を実現することを特徴とする。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の光機能回路において、前記空隙が空気で満たされた状態と、前記空隙に任意の屈折率を有する液体を注入した状態とのいずれかにより、２つの機能を実現することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明によれば、複数の機能を実行することのできる光機能回路を、１つの基板上で作製することができ、製造工程の短縮とともに回路の小型化を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本実施形態の光機能回路は、複数の散乱点により画定されるホログラフィック波動伝達媒体であり、２次元的な屈折率分布に応じた多重散乱によりホログラフィックに波動を伝達させる。ホログラフィック波動伝達媒体は、低屈折率を有するピクセルと高屈折率を有するピクセルからなる系であり、これら２種のピクセルの空間的分布により全体的な屈折率分布が決定される。このとき、媒体中の低屈折率ピクセルを可変にすることにより、複数の機能を実行する光機能回路を実現する。
【００１６】
最初に、本願発明に用いる波動伝達媒体の基本的概念について説明する。ここでは、光回路へ適用することから、波動伝達媒体中を伝搬する「波動」は「光」である。なお、波動伝達媒体にかかる理論は、一般の波動方程式に基づいて、媒質の特性を指定するものであり、一般の波動においても原理的に成り立ち得るものである。波動伝達媒体は、コヒーレントな光のパターンを入力して所望の光のパターンを出力させるために、波動伝達媒体中を伝搬する順伝搬光と逆伝搬光の位相差が、波動伝達媒体中の何れの場所においても小さくなるように屈折率分布が決定される。屈折率分布に応じた局所的なレベルのホログラフィック制御を多重に繰り返すことにより、所望の光のパターンが出力される。
【００１７】
図１を参照して、本実施形態にかかる波動伝達媒体の基本構造を説明する。図１（ａ）に示したように、光回路基板１の中に、波動伝達媒体により構成される光回路の設計領域１−１が存在する。光回路の一方の端面は、入力光３−１が入射する入射面２−１である。入力光３−１は、波動伝達媒体で構成された空間的な屈折率分布を有する光回路中を多重散乱しながら伝搬し、他方の端面である出射面２−２から出力光３−２として出力される。図１（ａ）中の座標ｚは、光の伝搬方向の座標（ｚ＝０が入射面、ｚ＝ｚｅが出射面）であり、座標ｘは、光の伝搬方向に対する横方向の座標である。なお、本実施形態では、波動伝達媒体は、誘電体からなるものと仮定し、空間的な屈折率分布は、波動伝達媒体を構成している誘電体の局所的な屈折率を後述する理論に基づいて設定することにより実現される。
【００１８】
入力光３−１が形成している「場」（入力フィールド）は、光回路を構成する波動伝達媒体の屈折率の空間的分布に応じて変調され、出力光３−２の形成する「場」（出力フィールド）に変換される。換言すれば、本発明の波動伝達媒体は、その空間的な屈折率分布に応じて入力フィールドと出力フィールドとを相関づけるための（電磁）フィールド変換手段である。なお、これら入力フィールドおよび出力フィールドに対して、光回路中での伝搬方向（図中ｚ軸方向）に垂直な断面（図中ｘ軸に沿う断面）における光のフィールドを、その場所（ｘ，ｚ）における（順）伝搬像（伝搬フィールドあるいは伝搬光）と呼ぶ（図１（ｂ）参照）。
【００１９】
ここで、「フィールド」とは、一般に電磁場（電磁界）または電磁場のベクトルポテンシャル場を意味している。本実施形態における電磁場の制御は、光回路中に設けられた空間的な屈折率分布、すなわち誘電率の分布を変えることに相当する。誘電率はテンソルとして与えられるが、通常は偏光状態間の遷移はそれほど大きくないので、電磁場の１成分のみを対象としてスカラー波近似しても良い近似となる。そこで、本明細書では電磁場を複素スカラー波として扱う。なお、光の「状態」には、エネルギ状態（波長）と偏光状態とがあるため、「フィールド」を光の状態を表現するものとして用いる場合には、光の波長と偏光状態をも包含し得ることとなる。
【００２０】
また、通常、伝搬光の増幅や減衰を生じさせない光回路では、屈折率の空間的分布を決めると、焦点以外の入力光３−１の像（入力フィールド）は、出力光３−２の像（出力フィールド）に対して一意的に定まる。このような、出射面２−２側から入射面２−１側へと向かう光のフィールドを、逆伝搬像（逆伝搬フィールドあるいは逆伝搬光）と呼ぶ（図１（ｃ）参照）。このような逆伝搬像は、光回路中の場所ごとに定義することができる。すなわち、光回路中での任意の場所における光のフィールドを考えたとき、その場所を仮想的な「入力光」の出射点として考えれば、上記と同様に出力光３−２の像に対して、その場所での逆伝搬像を考えることができる。このように、光回路中の各場所ごとに逆伝搬像が定義できる。
【００２１】
特に、単一の光回路において、出射フィールドが入射フィールドの伝搬フィールドとなっている場合には、光回路の任意の点で、伝搬フィールドと逆伝搬フィールドとは一致する。なお、フィールドは、一般的に、対象とする空間全体の上の関数であるが、「入射フィールド」または「出射フィールド」という場合は、入射面あるいは出射面におけるフィールドの断面を意味している。また、「フィールド分布」という場合でも、ある特定の断面に関して議論を行う場合には、その断面についてのフィールドの断面を意味している。
【００２２】
屈折率分布の決定方法を説明するためには記号を用いるほうが見通しがよいので、各量を表すために以下のような記号を用いることとする。なお、対象とされる光（フィールド）は、単一状態の光には限定されないので、複数の状態の光が重畳された光を対象とされ得るべく、個々の状態の光にインデックスｊを充てて一般的に表記する。
・ψj(x)：ｊ番目の入射フィールド（複素ベクトル値関数であり、入射面において設定する強度分布および位相の分布、ならびに、波長および偏波により規定される。）
・φj(x)：ｊ番目の出射フィールド（複素ベクトル値関数であり、出射面において設定する強度分布および位相分布、ならびに、波長および偏波により規定される。）
なお、ψj(x)およびφj(x)は、回路中で強度増幅、波長変換、偏波変換が行われない限り、光強度の総和は同じ（あるいは無視できる程度の損失）であり、それらの波長も偏波も同じである。
【００２３】
・｛ψj(x)、φj(x)｝：入出力ペア（入出力のフィールドの組み。）
｛ψj(x)、φj(x)｝は、入射面および出射面における、強度分布および位相分布ならびに波長および偏波により規定される。
【００２４】
・{nｑ}：屈折率分布（光回路設計領域全体の値の組。）
与えられた入射フィールドおよび出射フィールドに対して屈折率分布を１つ与えたときに光のフィールドが決まるので、ｑ番目の繰り返し演算で与えられる屈折率分布全体に対するフィールドを考える必要がある。そこで、(x,z)を不定変数として、屈折率分布全体をnｑ(x,z)と表しても良いが、場所(x,z)における屈折率の値nｑ(x,z)と区別するために、屈折率分布全体に対しては{nｑ}と表す。
【００２５】
・ｎcore：光導波路におけるコア部分のような、周囲の屈折率に対して高い屈折率の値を示す記号。
・ｎclad：光導波路におけるクラッド部分のような、ｎcoreに対して低い屈折率の値を示す記号。
・ψj(z,x,{nｑ})：ｊ番目の入射フィールドψj(x)を屈折率分布{nｑ}中をｚまで伝搬させたときの、場所(x,z)におけるフィールドの値。
・φj(z,x,{nｑ})：ｊ番目の出射フィールドφj(x)を屈折率分布{nｑ}中をｚまで逆伝搬させたときの、場所(x,z)におけるフィールドの値。
【００２６】
本実施形態において、屈折率分布は、すべてのｊについてψj(ze,x,{nｑ})＝φj(x)、またはそれに近い状態となるように{nｑ}が与えられる。
【００２７】
「入力ポート」および「出力ポート」とは、入射端面および出射端面におけるフィールドの集中した「領域」であり、例えば、その部分に光ファイバを接続することにより、光強度をファイバに伝搬できるような領域である。ここで、フィールドの強度分布および位相分布は、ｊ番目のものとｋ番目のものとで異なるように設計可能であるので、入射端面および出射端面に複数のポートを設けることができる。さらに、入射フィールドと出射フィールドの組を考えた場合、その間の伝搬により発生する位相が、光の周波数によって異なるので、周波数が異なる光（すなわち波長の異なる光）については、位相を含めたフィールド形状が同じであるか直交しているかの如何にかかわらず、異なるポートとして設定することができる。
【００２８】
ここで、電磁界は、実数ベクトル値の場で、かつ波長と偏光状態をパラメータとして有するが、その成分の値を一般な数学的取扱いが容易な複素数で表示し、電磁波の解を表記する。また、以下の計算においては、フィールド全体の強度は１に規格化されているものとする。図１（ｂ）および図１（ｃ）に示したように、ｊ番目の入射フィールドψj(x)および出力フィールドφj(x)に対し、伝搬フィールドと逆伝搬フィールドとをそれぞれの場所の複素ベクトル値関数として、ψj(z,x,{n})およびφj(z,x,{n})と表記する。これらの関数の値は、屈折率分布{ｎ}により変化するため、屈折率分布{ｎ}がパラメータとなる。記号の定義により、ψj(x)＝ψj(0,x,{n})、および、φj(x)＝φj(ze,x,{n})となる。これらの関数の値は、入射フィールドψj(x)、出射フィールドφj(x)、および屈折率分布{ｎ}が与えられれば、ビーム伝搬法などの公知の手法により容易に計算することができる。
【００２９】
以下に、空間的な屈折率分布を決定するための一般的なアルゴリズムを説明する。図２に、波動伝達媒体の空間的な屈折率分布を決定するための計算手順を示す。この計算は、繰り返し実行されるので、繰り返し回数をｑで表し、（ｑ−１）番目まで計算が実行されているときのｑ番目の計算の様子が図示されている。（ｑ−１）番目の計算によって得られた屈折率分布{ｎｑ-1}をもとに、各ｊ番目の入射フィールドψj(x)および出射フィールドφj(x)について、伝搬フィールドと逆伝搬フィールドとを数値計算により求め、その結果を各々、ψj(z,x,{nｑ-1})およびφj(z,x,{nｑ-1})と表記する（ステップＳ２２０）。
【００３０】
これらの結果をもとに、各場所（ｚ，ｘ）における屈折率ｎｑ（ｚ，ｘ）を、次式により求める（ステップＳ２４０）。
nｑ(z,x)＝nｑ-1(z,x)−αΣjIm[φj(z,x,{nｑ-1})*・ψj(z,x,{nｑ-1})]
・・・（１）
ここで、右辺第２項中の記号「・」は、内積演算を意味し、Im[]は、［］内のフィールド内積演算結果の虚数成分を意味する。なお、記号「＊」は複素共役である。係数αは、ｎｑ(z,x)の数分の１以下の値をさらにフィールドの組の数で割った値であり、正の小さな値である。Σjは、インデックスｊについて和をとるという意味である。
【００３１】
ステップＳ２２０とＳ２４０とを繰り返し、伝搬フィールドの出射面における値ψj(ze,x,{n})と出射フィールドφj(x)との差の絶対値が、所望の誤差ｄｊよりも小さくなると（ステップＳ２３０：ＹＥＳ）計算が終了する。
【００３２】
以上の計算では、屈折率分布の初期値{ｎ０}は適当に設定すればよいが、この初期値{ｎ０}が予想される屈折率分布に近ければ、それだけ計算の収束は早くなる（ステップＳ２００）。また、各ｊについてφj(z,x,{nｑ-1})およびψj(z,x,{nｑ-1})を計算するにあたっては、パラレルに計算が可能な計算機の場合は、ｊごと（すなわち、φj(z,x,{nｑ-1})およびψj(z,x,{nｑ-1})ごと）に計算すればよいので、クラスタシステム等を利用して計算の効率化を図ることができる（ステップＳ２２０）。また、比較的少ないメモリで計算機が構成されている場合は、式（１）のインデックスｊについての和の部分で、各ｑで適当なｊを選び、その分のφj(z,x,{nｑ-1})およびψj(z,x,{nｑ-1})のみを計算して、以降の計算を繰り返すことも可能である（ステップＳ２２０）。
【００３３】
以上の演算において、φj(z,x,{nｑ-1})の値とψj(z,x,{nｑ-1})の値とが近い場合には、式（１）中のIm[φj(z,x,{nｑ-1})*・ψj(z,x,{nｑ-1})]は位相差に対応する値となり、この値を減少させることで所望の出力を得ることが可能である。
【００３４】
屈折率分布の決定は、波動伝達媒体に仮想的メッシュを定め、このメッシュによって画定される微小領域（ピクセル）の屈折率を、各ピクセルごとに決定することと言い換えることもできる。このような局所的な屈折率は、原理的には、その場所ごとに任意の（所望の）値とすることができる。最も単純な系は、低屈折率（ｎＬ）を有するピクセルと高屈折率（ｎＨ）を有するピクセルのみからなる系であり、これら２種のピクセルの空間的分布により全体的な屈折率分布が決定される。この場合、媒体中の低屈折率ピクセルが存在する場所を高屈折率ピクセルの空隙として観念したり、逆に、高屈折率ピクセルが存在する場所を低屈折率ピクセルの空隙として観念したりすることができる。すなわち、本発明の波動伝達媒体は、均一な屈折率を有する媒体中の所望の場所（ピクセル）を、これとは異なる屈折率のピクセルで置換したものと表現することができる。
【００３５】
上述した屈折率分布決定のための演算内容を要約すると次のようになる。波動をホログラフィックに伝達させ得る媒体（光の場合には誘電体）に、入力ポートと出力ポートとを設け、入力ポートから入射した伝搬光のフィールド分布１（順伝搬光）と、入力ポートから入射した光信号が出力ポートから出力される際に期待される出力フィールドを出力ポート側から逆伝搬させた位相共役光のフィールド分布２（逆伝搬光）と、を数値計算により求める。フィールド分布１およびフィールド分布２を、伝搬光と逆伝搬光の各点（x,z）における位相差をなくすように、媒体中での空間的な屈折率分布を求める。なお、このような屈折率分布を得るための方法として最急降下法を採用すれば、各点の屈折率を変数として最急降下法により得られる方向に屈折率を変化させることにより、屈折率を式（１）のように変化させることで、２つのフィールド間の差を減少させることができる。このような波動伝達媒体を、入力ポートから入射した光を所望の出力ポートに出射させる光部品に応用すれば、媒体内で生じる伝搬波同士の多重散乱による干渉現象により、実効的な光路長が長くなり、緩やかな屈折率変化（分布）でも充分に高い光信号制御性を有する光回路を構成することができる。
【００３６】
図３に、本発明の一実施形態にかかる光合分波回路を示す。上述したアルゴリズムにしたがって、約２００回の繰り返しにより、図３（ａ）に示した屈折率分布を有する１×２光合分波回路が得られる。ここで、図中の光回路設計領域１−１内の黒色部分は、コアに相当する高屈折率部（誘電体多重散乱部）１−１１であり、黒色部以外の部分はクラッドに相当する低屈折率部１−１２であり、導波路より屈折率の低い散乱点である。クラッドの屈折率は、石英ガラスの屈折率を想定し、コアの屈折率は、石英ガラスに対する比屈折率が１．５％だけ高い値を有する。光回路のサイズは縦３００μｍ、横１４０μｍである。屈折率分布を求める際の計算に用いられたメッシュは、３００×１４０である。
【００３７】
図３（ｂ）に、光合分波回路の透過スペクトルを示す。出力ポートａからは１．３１μｍの光信号が出力され、出力ポートｂからは１．５５μｍの光信号が出力され、波長による光合分波器が形成されていることがわかる。
【００３８】
図４に、波動伝達媒体を含む導波路の作成方法を示す。Ｓｉ基板４０１上に、火炎堆積法により、ＳｉＯ２を主体にした下部クラッドガラススート４０２を堆積する。次に、ＳｉＯ２にＧｅＯ２を添加したコアガラススート４０３を堆積する（図４（ａ））。その後、１０００℃以上の高温でガラス透明化を行う。このとき、下部クラッドガラス４０４は３０ミクロン厚、コアガラス４０５は７ミクロン厚となるように、ガラスの堆積を行っている（図４（ｂ））。
【００３９】
引き続き、フォトリソグラフィ技術を用いてコアガラス４０５上にエッチングマスク４０６を形成し（図４（ｃ））、反応性イオンエッチングによってコアガラス４０５のパターン化を行う（図４（ｄ））。すなわち、仮想的なメッシュにより画定される仮想的なピクセルのうち、コアに相当する高屈折率部を形成する。エッチングマスク４０６を除去した後、上部クラッドガラス４０７を、張り合わせる（図４（ｅ））。上部クラッドガラス４０７は、Ｂ２Ｏ３やＰ２Ｏ５などのドーパントを添加したＳｉＯ２である。
【００４０】
図３に示した高屈折率部（誘電体多重散乱部）１−１１は、コア４０５に相当し、導波路より屈折率の低い散乱点である低屈折率部１−１２は、下部クラッドガラス４０４と上部クラッドガラス４０７とに挟まれた空隙に相当する。本実施形態では、後述するように、この部分に様々な材料を注入する。（図４（ｆ））。
【００４１】
なお、波動伝達媒体の空隙に材料を注入するために、図５（ａ）に示すように、コアに相当する高屈折率部と上部クラッドガラス４０７との間に、材料の通過する隙間を設ける。図４（ｃ），（ｄ）のエッチングにおいて、２段階のエッチングを行って、波動伝達媒体の周辺部に、高い段差４０８を設けておく。また、図５（ｂ）に示すように、段差の一部を取り除いて、材料の注入口４１１と、排出口４１２とを接続できるようにする。
【００４２】
波動伝達媒体の空隙に、空気またはポリマ、半導体、液体など適当な材料を注入することにより、低屈折率部１−１２を任意の屈折率に設定して、１つの基板上で複数の機能を実行することのできる光機能回路を実現することができる。具体的には、
１）ポリマ、半導体、シリコンオイルなどの液体のいずれかの材料を空隙に注入し、屈折率の温度依存性により所定の機能を実現する。
２）液晶、強誘電体材料などの電気光学効果を有する材料を空隙に注入し、電圧を印加して屈折率を変え、複数の機能を実行する。
３）半導体、ポリマなどの電気光学効果を有する材料を空隙に注入し、電流を注入して屈折率を変え、複数の機能を実行する。
４）ポリマなどの光誘起屈折率変化効果を有する材料を空隙に注入し、光を照射して屈折率を変え、複数の機能を実行する。光誘起屈折率変化効果として、光カー効果、光吸収による熱レンズ効果、相転移による屈折率変化、光吸収キャリアによる屈折率変化などがある。
５）空隙が空気で満たされた状態と液体を空隙に注入した状態との２値状態として、２つの機能を実行する。
などの方法が考えられる。
【００４３】
空隙に注入する液体の屈折率をｎとすると、ｎ＝ｎcladとすれば、計算されたとおりの屈折率分布を有する波動伝達媒体となり、所与の機能を実現する。ｎ＝ｎcoreとすれば、波動伝達媒体は、スラブ導波路として機能する。また、ｎclad＜ｎ＜ｎcoreとすれば、例えば、図３に示した光合分波回路において、各々のポートに出力される波長をシフトすることができる。さらに、ｎ＞ｎcoreとすれば、減衰回路として機能する。
【実施例１】
【００４４】
図６に、本発明の実施例１にかかる光機能回路を示す。基板５０１上に、波動伝達媒体５０２，５０３が形成されている。波動伝達媒体５０２には、入力導波路５０４が接続され、低屈折率部である空隙に液体を注入するための注入口５０６と、排出口５０７とが接続されている。波動伝達媒体５０３には、出力導波路５０５が接続されている。
【００４５】
波動伝達媒体５０２の空隙にｎ＝ｎcoreとなる液体を注入すると、スラブ導波路となって、波動伝達媒体５０２は、レンズとして機能する。すなわち、入力導波路５０４からの光信号を分岐して、波動伝達媒体５０３へ出力する。波動伝達媒体５０３は、分岐された光信号をそれぞれ出力導波路５０５に導く。
【００４６】
波動伝達媒体５０２の空隙にｎ＝ｎcladとなる液体を注入すると、波動伝達媒体として働き、波長分波素子として機能する。すなわち、入力導波路５０４からの光信号を波長に応じて光路を変え、波動伝達媒体５０３へ出力する。波動伝達媒体５０３は、分波された光信号をそれぞれ出力導波路５０５に導く。このようにして、分岐回路と分波回路という２つの機能を１つの基板上で実現することができる。
【実施例２】
【００４７】
図７に、本発明の実施例２にかかる光機能回路を示す。基板６０１上に、波動伝達媒体６０２ａ，６０２ｂが導波路６０４を挟んで形成されている。波動伝達媒体６０２には、出力導波路６０５が接続され、低屈折率部である空隙に液体を注入するための注入口６０６と、排出口６０７とが接続されている。図８は、実施例２にかかる光機能回路の断面図である。結合部６０８は、ｎｃｏｒｅ＞ｎ≧ｎｃｌａｄからなるガラスである。結合部６０８の上部には、液体が流れるように連絡溝６０９が形成されている。
【００４８】
波動伝達媒体６０２の空隙に空気が注入されている場合には、導波路６０４のコア部分に光は閉じ込められる。従って、導波路６０４に入力された光信号は、そのまま導波路６０４を伝搬して出力される。一方、波動伝達媒体６０２の空隙にｎ≧ｎcladとなる液体を注入すると、導波路６０４と波動伝達媒体６０２とは光学的に結合する。従って、導波路６０４に入力された光信号は、波動伝達媒体６０２を介して出力導波路６０５ａ，６０５ｂからそれぞれ出力される。すなわち分岐回路として機能する。
【００４９】
なお、ｎ＝ｎcladの場合よりも、ｎ＞ｎcladの場合の方が、光の膜厚方向への散乱損失を低減することができる。本実施例では、液体としてシリコンオイルを用いたが、ポリマを含有する溶媒を用い、光照射や温度変化により屈折率変化を得ることもできる。また、液晶を充填した場合には、膜厚方向に電界を印加することにより、屈折率を変化させることもできる。
【００５０】
さらに、半導体などの流動性のない媒質で空隙を埋め、電圧印加またはキャリア注入により、波動伝達媒体の屈折率を変化させる事により特性を変化させることもできる。このようにして、直線導波路と分岐回路という２つの機能を１つの基板上で実現することができる。
【実施例３】
【００５１】
図９に、本発明の実施例３にかかる光機能回路を示す。Ｓｉ上に石英を堆積した基板７０１上に、波動伝達媒体７０２が形成されている。波動伝達媒体５０２には、入力導波路７０４が接続され、波動伝達媒体７０３の出力ポートには、出力導波路７０５が光学的に結合されている。出力導波路７０５は、光ファイバを用いても構わない。波動伝達媒体７０２は、Ｇｅドープされた石英ガラスコアから形成されており、その空隙にはポリマが充填されている。ポリマの屈折率は、Ｇｅドープされた石英ガラスコアと常温で一致する。
【００５２】
常温では、波動伝達媒体７０２は、単なるスラブ導波路として機能し、横方向に非常に広いスポットを有する出力が得られる。基板７０１をヒータにより加熱すると、スポットサイズが徐々に小さくなる。これは、ヒータの加熱による温度変化に伴って、充填されているポリマの屈折率が減少したことによる。出力導波路７０５として、光ファイバを用いたところ、可変のアッテネータとして機能する。
【００５３】
本実施例では、ポリマの常温での屈折率をドープした石英ガラスコアと一致させたが、ポリマおよびその屈折率の選択には広い自由度がある。従って、低損失となる動作温度を、常温での屈折率を調整することにより可変することができる。例えば、屈折率をわずかに下げておくと、動作温度を下げることができる。また、動作原理として温度変化による屈折率変化を用いた場合には、動作速度が数ｍ秒〜秒程度であるが、ポリマとして光照射により屈折率の変化する媒体を用いると、制御光により数μｓ以下の高速な動作を行うことができる。
【実施例４】
【００５４】
図１０に、本発明の実施例４にかかる光機能回路を示す。実施例４は、実施例２の光機能回路に、さらに波動伝達媒体を接続して、より複雑な機能を実現する光機能回路である。基板８０１上に、波動伝達媒体８０２ａ，８０２ｂが導波路８０４を挟んで形成されている。波動伝達媒体８０２には、導波路を介してさらに波動伝達媒体８０３ａ，８０３ｂが接続されている。波動伝達媒体８０２には、低屈折率部である空隙に液体を注入するための注入口８０６と、排出口８０７とが接続されている。波動伝達媒体８０３の空隙には不図示の注入口と排出口とを介して液体を注入することにより、屈折率を変えることができる。
【００５５】
波動伝達媒体８０２の空隙に空気が注入されている場合には、導波路８０４のコア部分に光は閉じ込められる。従って、導波路８０４に入力された光信号は、そのまま導波路８０４を伝搬して出力される。一方、波動伝達媒体８０２の空隙にｎ≧ｎcladとなる液体を注入すると、導波路８０４と波動伝達媒体８０２とは光学的に結合する。従って、導波路８０４に入力された光信号は、波動伝達媒体８０２を介して波動伝達媒体８０３ａ，８０３ｂに入力される。
【００５６】
波動伝達媒体８０３ａは、空隙に液体が注入されているか否かにより、出力導波路８０５ａ，８０５ｂのいずれかに光路を切り替えることができ、波動伝達媒体８０３ｂは、出力導波路８０５ｃ，８０５ｄのいずれかに光路を切り替えることができる。このようにして、直線導波路と分岐回路という２つの機能に、スイッチ回路を付加した光機能回路を１つの基板上で実現することができる。
【００５７】
本実施形態では、石英ガラスを主体とした構成について説明したが、上述したように、半導体、ポリマ、液晶などを用いることができる。これら材料を用いた場合の光機能回路の製造方法について以下に説明する。
【００５８】
半導体の場合には、レーザなどの通常の半導体光導波路型デバイスプロセスを用いる。最初に、導電性基板上に、結晶成長により、低屈折率の膜（例えばＩｎＰ）と高い屈折率の膜（例えばＩｎＧａＡｓＰ）を形成する。フォト工程、ドライエッチング工程により、少なくとも高い屈折率の膜の部分のパターン加工を行う。結晶成長により、低屈折率膜（ＩｎＰまたはコア膜よりも屈折率の低いＩｎＧａＡｓＰ）を形成する。同様にして、結晶成長により、クラッド層として導電性のクラッド層を形成する。次に、電流印加／電圧印加の為に、波動伝達媒体の上部および基板裏面に電極金属を形成する。劈開によりカットし、端面に反射防止膜を形成して、光機能回路が完成する。
【００５９】
ポリマの場合には、図４に示した方法において、図４（ｄ）のパターン化を行ったときに、ポリマを塗布し、溶媒を蒸発させて硬化させる。必要に応じて研磨工程などにより平坦化を行う。最後に、必要ならば、表面に加熱用の電極を形成する。
【００６０】
液晶の場合は、石英ガラスを主体とした製造方法に同じであり、電圧印加のために、波動伝達媒体の上下面に電圧印加用の電極を形成する。
【００６１】
ＬｉＮｂＯ３を材料とする製造方法では、ＬｉＮｂＯ３基板上に、ドーパントの拡散により導波路および波動伝達媒体を形成する。さらに、保護膜を形成した後に、電圧印加のために、波動伝達媒体の上面に電極を形成する。
【００６２】
このようにして、上述した実施例１〜４において、石英ガラスのみならず半導体、ポリマ、液晶などを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】波動伝達媒体の基本構造を説明するための図である。
【図２】波動伝達媒体の空間的な屈折率分布を決定するための計算手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明の一実施形態にかかる光合分波回路を示す図である。
【図４】波動伝達媒体を含む導波路の作成方法を示す図である。
【図５】波動伝達媒体の空隙に材料を注入する方法を示す図である。
【図６】本発明の実施例１にかかる光機能回路を示す図である。
【図７】本発明の実施例２にかかる光機能回路を示す図である。
【図８】実施例２にかかる光機能回路の断面図である。
【図９】本発明の実施例３にかかる光機能回路を示す図である。
【図１０】本発明の実施例４にかかる光機能回路を示す図である。
【符号の説明】
【００６４】
１−１ 光回路設計領域
１−２ 基板
１−１１ 高屈折率部
１−１２ 低屈折率部
２−１ 入射面
２−２，２−３ 出射面
３−１ 入力ポート
３−２ 出力ポート
【特許請求の範囲】
【請求項１】
仮想的なメッシュにより画定される仮想的なピクセルの各々が有する屈折率により、入力ポートから入射された光信号が多重散乱しながら分岐し、出力ポートから出射されるように決定された空間的な屈折率分布が形成された波動伝達媒体を備え、
前記ピクセルは、コアに相当する高屈折率部と、空隙からなる低屈折率部とを有し、
前記空隙に任意の材料を注入して機能を実現することを特徴とする光機能回路。
【請求項２】
前記空隙には、屈折率の温度依存性を有する材料が注入され、前記波動伝達媒体の温度を変えて前記低屈折率部の屈折率を制御し、複数の機能を実現することを特徴とする請求項１に記載の光機能回路。
【請求項３】
前記空隙には、電気光学効果を有する材料が注入され、前記波動伝達媒体に電圧を印可または電流を注入することにより前記低屈折率部の屈折率を制御し、複数の機能を実現することを特徴とする請求項１に記載の光機能回路。
【請求項４】
前記空隙には、光誘起屈折率変化効果を有する材料が注入され、前記波動伝達媒体に光を照射することにより前記低屈折率部の屈折率を制御し、複数の機能を実現することを特徴とする請求項１に記載の光機能回路。
【請求項５】
前記空隙が空気で満たされた状態と、前記空隙に任意の屈折率を有する液体を注入した状態とのいずれかにより、２つの機能を実現することを特徴とする請求項１に記載の光機能回路。
【請求項１】
仮想的なメッシュにより画定される仮想的なピクセルの各々が有する屈折率により、入力ポートから入射された光信号が多重散乱しながら分岐し、出力ポートから出射されるように決定された空間的な屈折率分布が形成された波動伝達媒体を備え、
前記ピクセルは、コアに相当する高屈折率部と、空隙からなる低屈折率部とを有し、
前記空隙に任意の材料を注入して機能を実現することを特徴とする光機能回路。
【請求項２】
前記空隙には、屈折率の温度依存性を有する材料が注入され、前記波動伝達媒体の温度を変えて前記低屈折率部の屈折率を制御し、複数の機能を実現することを特徴とする請求項１に記載の光機能回路。
【請求項３】
前記空隙には、電気光学効果を有する材料が注入され、前記波動伝達媒体に電圧を印可または電流を注入することにより前記低屈折率部の屈折率を制御し、複数の機能を実現することを特徴とする請求項１に記載の光機能回路。
【請求項４】
前記空隙には、光誘起屈折率変化効果を有する材料が注入され、前記波動伝達媒体に光を照射することにより前記低屈折率部の屈折率を制御し、複数の機能を実現することを特徴とする請求項１に記載の光機能回路。
【請求項５】
前記空隙が空気で満たされた状態と、前記空隙に任意の屈折率を有する液体を注入した状態とのいずれかにより、２つの機能を実現することを特徴とする請求項１に記載の光機能回路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−４７５０８（Ｐ２００６−４７５０８Ａ）
【公開日】平成１８年２月１６日（２００６．２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２２６０８７（Ｐ２００４−２２６０８７）
【出願日】平成１６年８月２日（２００４．８．２）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年２月１６日（２００６．２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年８月２日（２００４．８．２）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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