JPH07159821A - 光集積回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光回路素子からの信号波の出力特性を種々に
変えて、回路の汎用性を高める。 【構成】 コイル２の外周面に光遮蔽層３を形成する。
この光遮蔽層３に、入射スリット５，５Ａおよび導出ス
リット６，６Ａを形成する。光信号ｆＡ，ｆＢはコイル
７から発生する磁界で、その偏光面が回転する。光回路
素子１を選択的に用いて、複数の光回路素子を組合わせ
る。 【効果】 コイル７からの磁界の強さＨを可変すること
で、光信号ｆＡ，ｆＢの出力特性を種々に変えることが
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光信号の伝達および処理
機能を有する光回路素子を複数配設し、この光回路素子
の入射および導出スリット間を光導波路で連結してなる
光集積回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、この種の光集積回路は、光信号
の伝達および処理機能を有する光回路素子を、ＬｉＮｂ
Ｏ₃などの電気光学結晶からなる薄膜基板上に複数配設
し、各光回路素子間を伝送損失の少ない光導波路で連結
することにより、実用的な形態に一体化したものであ
る。しかしながら従来の集積技術では、導波路と光回路
素子との端面を突き合わせた状態で連結すると、各光回
路素子の入力部に対して信号波が略垂直の角度に入射す
るため、この入力部側からの戻り光を除去するための結
合器などの対処機能装置が必要となる。しかも、こうし
た構造の光回路素子の場合、信号波の入射角度が入力部
に対して一方向に限定されるため、光導波路を複雑に分
岐，合併させなければ、光回路素子間相互の光学的な連
結を図ることができず、これが光集積回路の発展および
簡素化を妨げていた。このような問題点を解決するため
に、先に同一出願人は、実開平４−９９２６号公報にお
ける光変換装置を提案している。すなわちこれは、コア
の外周面に光遮蔽層を形成し、この光遮蔽層の側面に光
信号を入射する入射スリットと、この入射スリットから
の光信号を直接あるいは前記光遮蔽層に反射させながら
外部に導出する導出スリットとを各々形成して光回路素
子を構成したものであり、入射スリットに対して信号波
を斜め方向から入射することによって、この入射スリッ
トからの戻り光の発生を抑えるようにしている。しか
も、信号波は光遮蔽層側面より入射，導出可能であるた
め、各光回路素子を斜め格子状に配列することによっ
て、光回路素子の入射スリットと導出スリット間に連結
される光導波路を、分岐，合併させることなく直線的に
配設することができるようになる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述の実開平４−９９
２６号公報には、ガラス質をコアの素材として適用した
場合における信号波の合成，分光および多重反射による
干渉、および非線形結晶をコアの素材として適用した場
合におけるＳＨＧ（第２高調波発生）による信号波の周
波数変換を実施例中に示している。しかしながら、こう
したコア自体の素材を適宜選定する方法の他に、各光回
路素子からの信号波の出力をさらに種々の特性に変化さ
せることが可能になれば、現在以上に光集積回路の汎用
性を高めて、光演算回路として容易に構築できるものと
期待される。

【０００４】本発明は上記実状に鑑みなされたものであ
り、各光回路素子からの信号波の出力特性を種々に変化
させることにより、回路の汎用性を高めることの可能な
光集積回路を提供することをその目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の光集積
回路は、コアの外周面に光遮蔽層を形成するとともに、
光信号を入射する入射スリットと、この入射スリットか
らの光信号を直接あるいは前記光遮蔽層に反射させなが
ら外部に導出する導出スリットとを前記光遮蔽層の側面
に各々形成した光回路素子を複数設け、前記各光回路素
子の入射スリットおよび導出スリット間を光導波路で連
結してなる光集積回路において、前記コア内を通過する
光信号に対し磁気光学効果を付与する偏波手段と、前記
コア内を通過する光信号に対し非線形光学効果を付与す
る周波数変換手段とを前記各光回路素子に選択的に設け
たものである。

【０００６】また、請求項２に記載の光集積回路は、前
記偏波手段が超電導材料からなるものである。

【０００７】

【作用】請求項１に記載の構成により、偏波手段を備え
た光回路素子は光信号の偏光面の角度を回転させたり、
位相差を持たせる機能を有することになり、これらの光
回路素子と、非線形光学効果を付与する周波数変換手段
を備えた光回路素子とを組み合わせて用いることで、複
数の光信号による様々な論理回路を設計することができ
る。

【０００８】また、請求項２に記載の構成により、電力
損失のない小型の光回路素子で光集積回路が構築され
る。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の一実施例につき、図１乃至図
８を参照して説明する。図１乃至図５は、本発明におい
て新たに適用される光信号に対し磁気光学効果を付与す
る光回路素子１の基本構成を示したものである。先ず、
図１および図２において、２は方形状に形成された例え
ばガラス質からなるコアであり、このコア２の外周面に
はコア２内に進入した光を閉じ込める光遮蔽層３が形成
される。光遮蔽層３の対向側面４，４Ａ前部には一対の
入射スリット５，５Ａが形成されており、入射スリット
５，５Ａから進入する光信号ｆＡ，ｆＢが、コア２を直
進して各々光遮蔽層３の反対側の対向側面４，４Ａ後部
から導出されるように、一対の導出スリット６，６Ａが
形成される。一方、７は光遮蔽層３の中央胴部に巻回さ
れた偏波手段たるコイルであり、光信号ｆＡ，ｆＢの進
行方向とこのコイル７から発生する磁界が略同一直線上
となる位置に設けられる。コイル７の両端には電流供給
用の電源装置８が接続され、この電源装置８からの電流
出力を適宜変化させながら、コア２の長手方向に対して
磁界を発生させるようにしている。また、９，９Ａは入
射スリット５，５Ａを覆うようにして対向側面４，４Ａ
の外側に設けられた偏光子であり、ある特定の方向の偏
光面を有する光信号のみを入射スリット５，５Ａに通過
させるようにしている。

【００１０】上記図１および図２における光回路素子１
の場合、振動方向の分布が一様でない各光信号ｆＡ，ｆ
Ｂが偏光子９，９Ａに入射すると、ある特定の方向の偏
光面を有する直線偏波された光信号ｆＡ，ｆＢが、偏光
子９，９Ａを通過して入射スリット５，５Ａに送り出さ
れる。このとき、コア２と外部との媒質の違いにより、
コア２の側面を境界面として光信号ｆＡ，ｆＢが反射さ
れるが、光信号ｆＡ，ｆＢはコア２の側面に対して斜め
方向に入射されるため、入射スリット５，５Ａからの戻
り光は光信号ｆＡ，ｆＢと同一方向に発生しない。一
方、電源装置８を介してコイル７に所定の電流を供給
し、光信号ｆＡ，ｆＢの進行方向と略同一直線上にコイ
ル７から磁界を発生させると、この磁界の強さＨに比例
してコア２内を通過する各光信号ｆＡ，ｆＢの偏光面が
回転する。これは、磁気光学効果の一種である磁気旋光
効果あるいはファラデー効果と称するもので、このとき
の磁気旋光角θＦは、θＦ＝ＶｌＨ（但し、Ｖは物質固
有のヴェルデ定数、ｌはコア２を通過する光信号の通過
距離、Ｈはコイル７から発生する磁界の強さである。）
で表わされる。したがって、電源装置８に出力電流を任
意に可変する手段を備えることにより、例えば、導出ス
リット６，６Ａから送り出される光信号ｆＡ，ｆＢの磁
気旋光角θＦＡ，θＦＢを各々０゜，９０゜，１８０
゜，２７０゜の４方向に変えるなどして、複数の定偏光
角出力を得ることが可能となる。さらに、図示しない
が、各偏光子９，９Ａに対し垂直の偏光方向を有する別
の偏光子を導出スリット６，６Ａの外部に配設すれば
（クロス−ニコルの条件）、所定の磁気旋光角θＦＡ，
θＦＢを有する光信号ｆＡ，ｆＢのみを取出す光スイッ
チング／変調機能を持たせることも可能となる。

【００１１】図３は他の光回路素子11の基本構成を示す
ものであり、前記図１と同一部分に同一符号を付し、そ
の共通する部分の詳細なる説明は省略する。この光回路
素子11は、発生する磁界の向きがコア２の長手方向と直
交するように、コイル12を対向側面４，４Ａの外部で巻
回したものである。この場合、電源装置８を介してコイ
ル12に所定の電流を与えると、光信号ｆＡ，ｆＢの進行
方向と略直交方向にコイル12から磁界が発生し、電場ベ
クトルの磁場に平行な偏光に対する屈折率ｎ１と直角方
向の偏光に対する屈折率ｎ２との差異により、２つの偏
光に対する位相差Δがコア２内を通過する各光信号ｆ
Ａ，ｆＢで生じることになる。これは、磁気光学効果の
一種である磁気複屈折あるいはフォークト効果と称する
もので、このときの位相差Δは、Δ＝（ｎ１−ｎ２）ｌ
＝ＣｌＨ²（但し、Ｃは比例定数、ｌはコア２を通過す
る光信号の通過距離、Ｈはコイル７から発生する磁界の
強さである。）、すなわち、コイル12から発生する磁界
の強さＨの２乗に比例する。したがって、電源装置８か
らの出力電流を可変して、コイル12から発生する磁界の
強さＨを適宜変化させれば、位相差Δに応じて複屈折に
よる光学遅延を得ることができ、各光信号ｆＡ，ｆＢを
モード変換することができるようになる。

【００１２】図４および図５は他の光回路素子21，31の
基本構成を示すものであり、前記図１と同一部分に同一
符号を付し、その共通する部分の詳細なる説明は省略す
る。図４における光回路素子21は、光遮蔽層３の対向側
面４，４Ａ前部に、一対の入射スリット５と導出スリッ
ト６が形成される。また、図中コア２の右端は、光信号
ｆＡを全反射する反射層22が形成される。光遮蔽層３の
一側胴部には両端に電源装置８が接続されたコイル７が
巻回され、このコイル７を介して光信号ｆＡの進行方向
と略同一方向に磁界が発生するようになっている。しか
して、この光回路素子21の場合、光信号ｆＡはコア２の
一側を往復する際に、コイル７から発生する磁界により
偏光面が回転する。このとき、ファラデー効果により入
射スリット５に入射する前の光信号ｆＡに対して、導出
スリット６から送り出された光信号ｆＡは、２倍の磁気
旋光角２θＦＡを有することになる。

【００１３】また、図５の光回路素子31の場合、コイル
７は光回路素子31の両端外側に巻回され、このコイル７
を介して光信号ｆＡ，ｆＢの進行方向と略同一方向に磁
界が発生するようになっている。この場合もファラデー
効果により各光信号ｆＡ，ｆＢの偏光面は回転し、磁界
の強さＨに比例した磁気旋光角θＦを有する光信号ｆ
Ａ，ｆＢが得られる。なお、これらファラデー効果を有
する光回路素子21，31においても、上記クロス−ニコル
の条件を満足する偏光子を配設することにより、スイッ
チング／変調機能を持たせることができる。

【００１４】一方、前記コイル７あるいはコイル12に代
わり超電導材料、好ましくはペロブスカイト系などの超
電導セラミックスを用いても、同様に光信号ｆＡ，ｆＢ
の偏光面を回転させたり、位相差を持たせたりすること
ができ、この場合、電力損失のない小型の光回路素子
１，11，21，31が得られる。特に、超電導セラミックス
を使用すると、他の磁性材料のように大掛かりな生産設
備を投入する必要がなく、回路の低コスト化を図ること
が可能となる。

【００１５】次に、これら光回路素子１，11，21，31を
応用して得られる光集積回路について、図６乃至図８を
参照して説明する。図６は複数の光回路素子41〜46から
なる基本回路40の一例を示し、同図において、47は各光
回路素子41〜46を上面適所に配置するＬｉＮｂＯ₃など
の薄膜基板であり、この基板47の両側には光信号ｆＡ，
ｆＢ，ｆＣを導入，導出する光ファイバー48，49が設け
られる。また、各光回路素子41〜46において、光遮蔽層
３はガラス質からなるコア２を覆うようにして設けら
れ、この光遮蔽層３の適所に、各光信号ｆＡ，ｆＢ，ｆ
Ｃの進行方向に沿って入射スリット５，５Ａおよび導出
スリット６，６Ａが形成される。さらに、各光遮蔽層３
の全内面には、各光信号ｆＡ，ｆＢ，ｆＣを全反射する
反射層（図示せず）が形成され、入射スリット５，５Ａ
からコア２内に侵入した光信号ｆＡ，ｆＢ，ｆＣが、こ
の反射層で複数回反射されるようになっている。50は基
板47上に形成され、かつ光信号ｆＡ，ｆＢ，ｆＣの伝搬
を可能にする光導波路であり、この光導波路50は各光回
路素子41〜46の入射スリット５，５Ａと導出スリット
６，６Ａ間，光ファイバー48と光回路素子41の入射スリ
ット５間，および光ファイバー49と光回路素子46の導出
スリット６Ａ間にそれぞれ設けられる。一方、光回路素
子42，44，46には、コア２に磁界を発生させるための例
えばコイルなどの偏波手段たる磁性体51が設けられてい
る。これらの磁性体51は、発生する磁界の方向が光信号
ｆＡ，ｆＢ，ｆＣの進行方向と可能な限り同一方向とな
るように配置され、これにより、コア２内に進入した光
信号ｆＡ，ｆＢ，ｆＣの偏光面を所定の角度θＦに回転
させることができる。なお、53は光回路素子45に設けら
れた光偏向器としてのＳＡＷ（表面弾性波）トランスデ
ューサであり、このＳＡＷトランスデューサ53に高周波
信号を供給することにより、光信号ｆＣから回折光を得
ることができる。

【００１６】次に、上記構成の基本回路40に基づき、異
なる波長の光信号ｆＡ，ｆＢ，ｆＣを光ファイバー48に
入射した場合の作用について説明する。なお、便宜上、
各光回路素子42，44，46は、磁性体51の磁化作用によ
り、いずれも光信号ｆＡ，ｆＢ，ｆＣの偏光面の角度θ
ＦＡ，θＦＢ，θＦＣをθＦ＝９０゜づつ回転できるも
のとする。光ファイバー48から光導波路50を介して、光
信号ｆＡ，ｆＢ，ｆＣが光回路素子41を構成するコア２
の側面に対し斜め方向に入射すると、コア２の持つ分光
プリズム作用により、各光信号ｆＡ，ｆＢ，ｆＣは単色
光に分散される。各光信号ｆＡ，ｆＢ，ｆＣは光遮蔽層
３の内面で反射を繰り返すことで、次第に異なる方向に
進行するようになり、光信号ｆＡが反射する位置に導出
スリット６Ａを設け、光信号ｆＢ，ｆＣが反射する位置
に導出スリット６を設ければ、各光導波路50を介して光
信号ｆＡを光回路素子42に供給し、かつ、光信号ｆＢ，
ｆＣを別の光回路素子43に供給できる。

【００１７】光回路素子42のコア２に進入する光信号ｆ
Ａは、磁性体51から磁界が発生すると、前述のファラデ
ー効果により偏光面の角度θＦＡがθＦ＝９０゜回転す
る。一方、光回路素子43では、コア２の持つ分光スリッ
ト作用により、光信号ｆＢ，ｆＣがそれぞれ分散して導
出スリット６Ａ，６から出射される。そして、一方の光
信号ｆＢは光導波路50から光回路素子44のコア２内に進
入し、ここで光回路素子42から出射された光信号ｆＡと
再び合成されながら、光遮蔽層３の内面で反射を繰り返
す。このとき、磁性体51から磁界が発生すると、前述の
光回路素子42と同様に、光信号ｆＡ，ｆＢの偏光面の角
度θＦＡ，θＦＢはθＦ＝９０゜回転する。したがっ
て、すでに前段の光回路素子42で光信号ｆＡの偏光面の
角度θＦＡが９０゜回転している場合には、この光回路
素子44において偏光面の角度θＦＡを２θＦ＝１８０゜
回転することができる。

【００１８】光回路素子43で分散された光信号ｆＣは、
別の光回路素子45を経て光導波路50から光回路素子46の
コア２内に進入する。光回路素子46では、別の光導波路
50を介してコア２内に進入した光信号ｆＡ，ｆＢと光信
号ｆＣを合成し、この合成波を光導波路50から光ファイ
バー49に送り出す。このとき、磁性体51から磁界が発生
すると、各光信号ｆＡ，ｆＢ，ｆＣの偏光面の角度θＦ
Ａ，θＦＢ，θＦＣはθＦ＝９０゜回転する。したがっ
て、すでに前段の光回路素子42，44で各光信号ｆＡ，ｆ
Ｂの偏光面の角度θＦＡ，θＦＢがそれぞれ１８０゜，
９０゜回転している場合には、この光回路素子46におい
て、偏光面の角度θＦＡを３θＦ＝２７０゜，θＦＢを
２θＦ＝１８０゜回転することができる。

【００１９】こうして、各光回路素子42，44，46は、磁
性体51に対してスイッチ信号たる出力電流を供給／遮断
することで、各光信号ｆＡ，ｆＢ，ｆＣの偏光面の角度
θＦＡ，θＦＢ，θＦＣを９０゜づつ回転させることが
できる。したがって、全ての光回路素子42，44，46の磁
性体51に出力電流が与えられると、各光信号ｆＡ，ｆ
Ｂ，ｆＣの偏光面の角度θＦＡ，θＦＢ，θＦＣは、θ
ＦＡ＝３θＦ，θＦＢ＝２θＦ，θＦＣ＝θＦ回転する
ことになり、ここでは４個の基本回路40を経ることによ
って、光信号ｆＡの偏光面は３周期，光信号ｆＢの偏光
面は２周期，光信号ｆＣの偏光面は１周期回転して、各
角度θＦＡ，θＦＢ，θＦＣが０゜に戻る。（これを係
数要素、時間要素に応用できる。）また、図示しない
が、ＳＡＷトランスデューサ53に代わりコア２として非
線形結晶部材を用い、第２次高調波発生（ＳＨＧ）によ
る周波数変換を光信号ｆＣに対して行うことで、各基本
回路40毎に計数要素を持たせることも可能となる。

【００２０】次に、この基本回路40を用いた論理回路の
例を図７および図８に示す。図７は基本回路41を縦列接
続してなる論理和回路、図８は基本回路41を並列接続し
てなる論理積回路であり、61，62は光信号を入力／出力
する端子、63は図示しないくし型電極（ＩＤＴ）を有す
るＳＡＷ素子、64はプリズムカプラ、65は前記ＳＡＷ素
子63に高周波信号を印加する制御端子、66はフィードバ
ック結合器である。基本回路41から出力される信号波
は、ＳＡＷ素子63から発生する表面弾性波の周波数変化
Δｆに依存して、ブラック回折により偏向する。すなわ
ち、表面弾性波の波長をλｅ、伝搬速度をｖ、ブラック
回折による回折角をθＢとすると、偏向角の変化量Δθ
は、Δθ＝（λｅ／（ｖ・ｃｏｓθＢ））×Δｆなる関
係がある。したがって、偏向角を変化させながらプリズ
ムカプラ64により特定の回折光を選択的に（あるいは可
変して）取出すことにより、フィードバックあるいは次
段へのスイッチとすることができる。さらに、このＩＤ
Ｔを有するＳＡＷ素子63を用いて、表面弾性波の周波数
を適宜可変することで、複数のフィードバックループに
より伝搬特性の変化の範囲を多くすることができる。

【００２１】以上のように、上記実施例によれば、ファ
ラデー効果あるいはフォークト効果を付与する偏波手段
を基本回路41の光回路素子42，44，46に選択的に設ける
ことにより、従来のような、ガラス質をコアの素材とし
て適用した場合における信号波の合成，分光および多重
反射による干渉、および非線形結晶をコアの素材として
適用した場合におけるＳＨＧによる信号波の周波数変換
だけでなく、各光信号ｆＡ，ｆＢ，ｆＣの偏光面の角度
を回転させたり、位相差を持たせる機能を基本回路41に
付加することが可能となり、各光回路素子41〜46からの
信号波ｆＡ，ｆＢ，ｆＣの出力特性を種々に変化させる
ことにより、基本回路41の汎用性を一層高めることが可
能となる。また、磁性手段として超電導材料を用いた場
合、電力損失のない小型の光回路素子１，11，21，31が
得られるという利点がある。なお、図示しないが、上記
磁性体51を備えた光回路素子42，44，46とは別に、周波
数変換手段として非線形結晶からなるコア２を光回路素
子に選択的に組み込み、この光回路素子を介して第２高
調波発生を行わせることで、基本回路41の汎用性をさら
に高めることができる。

【００２２】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能
である。例えば、コアの材質および形状などは、実施例
中に記載されたものに限らず、実際の光集積回路の用途
など応じて適宜変更すればよい。また、図６のおける基
本回路はあくまでも一例にすぎず、各光回路素子を自由
に組合わせて所望の基本回路を得ることができる。この
場合、前記図１乃至図５の光回路素子を選択的に利用す
ることも可能であり、ファラデー効果のみならずフォー
クト効果によるモード変換により、基本回路を構成する
ようにしてもよい。

【００２３】

【発明の効果】本発明は、コアの外周面に光遮蔽層を形
成するとともに、光信号を入射する入射スリットと、こ
の入射スリットからの光信号を直接あるいは前記光遮蔽
層に反射させながら外部に導出する導出スリットとを前
記光遮蔽層の側面に各々形成した光回路素子を複数設
け、前記各光回路素子の入射スリットおよび導出スリッ
ト間を光導波路で連結してなる光集積回路において、前
記コア内を通過する光信号に対し磁気光学効果を付与す
る偏波手段と、前記コア内を通過する光信号に対し非線
形光学効果を付与する周波数変換手段とを前記各光回路
素子に選択的に設けたものであり、各光回路素子からの
信号波の出力特性を種々に変化させることにより、回路
の汎用性を高めることの可能な光集積回路を提供でき
る。

【００２４】また、本発明は前記偏波手段が超電導材料
からなるものであり、電力損失のない小型の光回路素子
を得ることが可能な光集積回路を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す光回路素子の平断面図
である。

【図２】同上光回路素子の斜視図である。

【図３】同上他の光回路素子の平断面図である。

【図４】同上他の光回路素子の平断面図である。

【図５】同上他の光回路素子の平断面図である。

【図６】同上基本回路の概略説明図である。

【図７】同上基本回路を用いた論理回路の一例を示す概
略説明図である。

【図８】同上基本回路を用いた論理回路の一例を示す概
略説明図である。

【符号の説明】

１，11，21，31，41，42，43，44，45，46 光回路素子 ２ コア ３ 光遮蔽層 ５，５Ａ 入射スリット ６，６Ａ 導出スリット ７，12 コイル（偏波手段） 50 光導波路 51 磁性体（偏波手段）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コアの外周面に光遮蔽層を形成するとと
   もに、光信号を入射する入射スリットと、この入射スリ
   ットからの光信号を直接あるいは前記光遮蔽層に反射さ
   せながら外部に導出する導出スリットとを前記光遮蔽層
   の側面に各々形成した光回路素子を複数設け、前記各光
   回路素子の入射スリットおよび導出スリット間を光導波
   路で連結してなる光集積回路において、前記コア内を通
   過する光信号に対し磁気光学効果を付与する偏波手段
   と、前記コア内を通過する光信号に対し非線形光学効果
   を付与する周波数変換手段とを前記各光回路素子に選択
   的に設けたことを特徴とする光集積回路。
2. 【請求項２】 前記偏波手段が超電導材料からなること
   を特徴とする請求項１に記載の光集積回路。