JPS5814115A - 厚膜光回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、厚膜光導波路と機能素子とを組み合せた多モ
ード用光回路に関するものである。

従来、厚膜光導波路を用いた多モード用光回路としては
、第１図、第２図に示すような、光分波器および方向性
結合器などが実現されている。しかし、そこに使用され
る厚膜光導波１は、コア２の屈折率分布が一様であるた
め、導波される光は、幾何′光学的にはコア２とクラッ
ド３の境界面で一様に全反射され、コア２の断面内では
均・−に分布することになる。

このため、この導波路を使用して光回路を構成するには
、第１図に示すように、導波路の伝ばん軸と垂直な位置
に機能素子４を設けるか、または第２図に示すように、
コア２の全反射面の広い部分５を利用する必要があった
。よって、光集積回路のように複数の機能素子を用いて
光回路を構成するには、第１図のような構成の場合には
、導波路の端面のみしか利用できず、反射形の機能素子
４は使用できるが、透過形の機能素子を欧州するのが難
しいこと、第２図のような構成の場合には、複雑な形状
をしているコアを精度よく製作する必要がある等の欠点
があった。

また、上記のコアには光の集束作用がないために、ンて
イバとの結合を考えた場合、直接結合させると接続損失
が大きくなること、接続損失を低減させるためにはレン
ズが必要なこと等があり、ファイバとの結合の整合は、
よくないという欠点があった。

本発明はこれらの欠点を解決することを目的とし、厚膜
光導波路のコアに、屈折率分布をもうけ、コアに光の集
Ｉｊ贋たせることによって、ファイバとの結合の整合を
とりかつコア内を伝搬する光線を厚膜光導波路の表面で
周期的に全反射させ、さらにその全反射位置毎に種々の
機能素子を配置することにより１個の厚膜導波路内に複
数の光学処理機能を持たせたもので、以下図面について
詳細に説明する。

第３図は、本発明に使用する厚膜光導波路１の構造を示
したもので、２はコア、３はクラッド、６．１１は結合
用ファイバである。

第４図は、厚膜光導波路の屈折率分布を示したもので、
光の伝搬軸方向には一様で、伝搬軸と垂直な断面内では
、原点０からの距離の２乗に比例して屈折率が減少して
いる。ここでへの部分は外界、Ｂの部分は導波路内部を
ホし、イア１軸のＯの部分が導波路表面である。この屈
折率分布は、集束形円柱レンズをその円柱の中心軸を含
む面で２分割したものと同一である。従ってコアの形状
は第３図に示すごとく断面がほぼ半円形となり、その露
出表面の中心軸Ｘにそう部分でもつとも屈折率が大きく
なる。

この様な屈折率分布を有する厚膜光導波路は次のように
して製作できろ。適当な厚さの多成分ガラス板を用意し
、その表面にチン化膜を形成する。

次にその表面上にフォトリソグラフィの技術を用いて、
コア２の幅より狭い一本の細溝形状にチン化膜を取り除
く。次に、このガラス板をある種の塩溶液中に入れて長
時間反応させると、イオン交換により、チン化膜を取り
除いた細溝部分から塩が多成分ガラス板の中に拡散し、
多成分ガラス板中に必要なコア屈折率分布が形成されろ
ことになる。その後、すべてのチン化膜を取り除くと所
望の厚膜光導波路が得られる。

次に導波原理について述べろ。第５図（ａ）〜（ｄ）は
、厚膜光導波路１を側面からファイバ６で励振した場合
の光線軌跡を示している。ここで（ｂ）は上面図、（ｃ
）は断面図、（ｄ）は横面図を示す。入力光ファイバ６
から厚膜光導波路１に入射した光線は、コア２内の屈折
率分布によって光路が曲げられる。側面における入力光
ファイバ位置をｒ、厚膜光導波路のコア径をａとした時
、 （入力光ファイバの開口数）２ ＜（−Ｘ（厚膜光導波路の開口数））２の条件が満足さ
れる場合には、入射光線は、はぼ平行光束となって厚膜
光導波路１０表面にある角げ、厚膜光導波路面上で全反
射を起こし、再び厚膜光導波路１内を伝搬して、入力光
ファイバ６からの光入射位置より　０．５Ｐ−πａ／［
１−（乃）づ馬 の距離だけ進んだ所で一点に集光する。よって、その集
光位置にファイバを置くと光はそのままファイバ内には
いることとなる。例として、入力光ファイバに、コア径
／クラッド径−＝　５０Ｉｉｍ／　１２５１ｉｎのＧ。

■、光ファイバ（比屈折率差−１係）を用い、ｒ＝０．
９Ｘａ、ａ＝１ｍｍ、ｎ　＝１．６０２、ｎ２４１．５
３６、ｎｏ＝＝１．０　　とすると、θｏｚ１４．６°
、θ、　；　４９．４°、０．５Ｐ＝　１１．０ｍｍ　
、　　２Ａ：３．３ｍｍ。

２　Ｂ：；　１．８ｉｍ　　となる。なお、第５図に示
されるような光線軌跡が成立するためには、厚膜光導波
路のコア径ａは、約５００Ａｍ以上であることが望まし
い０ 第６図（ａ）、（ｂ）は、厚膜光導波路１の表面から光
を入射させた場合を示したものである。８はプリズム、
９はレンズである。第６図ｆａ）において、入力光ファ
イバ６より出射する光線は、レンズ９によりほぼ平行光
線に広げられプリズム８を通って厚膜光導波路１に入射
する。あとの導波の様子は、第５図の場合と同じである
。第６図（１））においては、端面が斜めカントされた
ファイバが入力光ファイバ６として用いられており、入
射点より０．５Ｐの距離だけ進むと再び厚膜光導波路表
面上の一点に集光する。この時、厚膜光導波路の油接率
が外界７の屈折率より太きければ、全部の光あるいは一
部分の光は全反射されて再び厚膜光導波路内を伝搬する
。

第５図（ａ）〜（ｄ）及び、第６図では（ａ）及び（ｂ
）では厚膜光導波路への入力光として光フ・イ・・の出
＾を用いているが、発光ダイオード、半導体レーザを直
接、入力光ファイバ６の位置に置いても同様な効果が得
られる。また、出力側についても、厚膜光導波路１は相
反性が成立するので、厚膜光導波路１内の光線の方向を
逆にして考えれば、入力光ファイバ６の位置に出力光フ
ァイバあるいはフォトダイオードを置くこともできるの
は自明である。

との厚膜光導波路を用いて光回路を構成するためには、
第５図、第６図で示されているような光線が全反射する
位置に光学機能素子を配置させればよい。

厚膜光回路の例として、第７図ｊａ）〜（ｅ）に回折格
子１０を用いた光分波器を、第８図（ａ）〜（ｄ）に干
渉膜フィルタ１２を用いた光分波器を示す。第７図及び
、第８図において、１０は回折格子、１１は出力光ファ
イバ、１２は干渉膜フィルタ、１３は反射板である。

第７図（ａ）の構成について説明する。入力光ファイバ
６からコア２に入射する複数（この場合２つ）の波長か
らなる光線はコア２を伝搬するうちに平行光線に変換さ
れて回折格子１０に入射する。この複数の波長からなる
光線は回折格子１（）で波長ごとに少しずつ異なる角度
で反射され再びコア２の中を伝搬し、その間に平行光線
が集束されて厚膜光導波路を出る端面では、各波長かも
なる光線が端面の異なる位置に点として像を結ぶことに
なる。

この像を結ぶんだ位置に出力光ファイバ１１を配置する
と、それぞれ波長の異なる光線が異なった出力光ファイ
バ１１に結合して取り出され光分波器として動作する。

計算例として、コア径ａ　＝　１　ｍｍ、出力光ファイ
バ１１の間隔を８０７１７７１．分波する波長間隔を３
０ｎｍ、　　ブレーズ波長を８５０ｎｎ＋とすると、回
折格子１０の格子溝数は約１１００本／ｍｍ、格子溝角
は１２５°となり、これは十分実現可能な値である。第
７図（ａ）の動作な光分波器として説明したが、入力光
ファイバ６と出力光ファイバ１１を入れ換えると光路が
逆になるだけなので、これは光合波器として動作する。

第７図（ａ）、（ｂ）、（ｄ）は回折格子１０に反射形
を使用し、第７図（Ｃ）、（ｄ）は透過形を使用してい
る。第７図（ｂ）〜（ｅ）の動作もほぼ第７図（ａ）の
場合と同様である。

第８図（ａ）〜（ｅ）に使用されている干渉膜フィルタ
は、それが持つ波長特性に従ってλ１、λ２の波長の光
を透過又は反射させろものである。第８図では。

λ１の波長の光を透過させ、λ２の波長の光を反射させ
ている。干渉膜フィルタを透過あるいは反射した光の軌
跡は、第７図の場合と同じである。第８図の光分波器も
当然、光合波器として動作する。

なお、第８図（ａ）〜（ｄ）において干渉膜フィルタ１
２０代わりに先手透明板を用いるとその分岐比に応、！
５ じて光電力を分岐・結合する分岐・結合を構成すること
ができる。

次に、超音波素子を厚膜光導波路面上に配置した構成の
厚膜光回路の例を第９図（ａ）〜（ｄ）に示す。

１４は表面超音波発生素子、１５はバルク超音波発生素
子である。

第９図（ａ）及び（ｂ）の動作について説明する。入力
光ファイバ６からの光は平行光線となり厚膜導波路表面
に到達する。表面では、表面超音波発生素子によって表
面弾性波が発生しており、これは進行波形の回折格子と
して働く。するとこの弾性波にぶつかった光は、あるパ
ワー比で分岐され、異なる角度方向へ反射されて、（い
わゆるラマン・ナス散乱）、厚膜光導波路端部において
異なる位置に集光される。表面弾性波のパワーと周波数
を調節することにより、パワー分岐化、反射角度方向（
つまり端面集光位置）を変えることができる。

これは、この光回路が、光変調器、光スィッチとして働
くことを示している。

第９図（Ｃ）及び（ｄ）の動作も（ａ）及び（１））と
同様であり、ただ出力光ファイバの配置方向が異なるだ
けである。

第９図（ｅ）及び（ｆ）には、光偏向器の例を示１−で
ある。

表面弾性波の進向方向を光の伝搬方向に対しである角度
で傾けると光の伝搬方向を変えることができる（ブラッ
グ反射）。第９図（′ｅ）を要素としてつなげると（こ
の場合、ファイバはとってよい）マトリックス光スィッ
チが構成できる。第９図（ｇ）及び（１１）は、バルク
弾性波を発生させる超音波発生素子１５を用いた例で、
ラマンナス散乱を用いるものである。１．０Ｐの長さの
厚膜光導波路を用いると０．５Ｐの位置の所で光は集光
されるので、この位置に超音波弾性波を入射させると、
光は弾性波を入射させない以前に比べて角度を広げて進
んで行く。よって厚膜光導波路端面の集光位置では、出
力光ファイバ１１への入射開口数が変化することになる
。よって、この光回路は、入射開口数可変器として働く
。これは、光変調器、モード変調器、光スペックル消去
器等に応用できる。

第１０図は、厚膜光導波路表向に光の伝搬方向に対して
斜めに回折格子１６をおいた例である。これ例えば液晶
）を厚膜光導波路表面につけた例である。外場によりθ
。〉θ、−５ｉｎ−１（１−（−！ｌ！−Ｑ−）２］’
　　と２ なる光は表面で全反射せずに膜層１８に逃げる。よって
、これは光スィッチとして動作する。

第１２図は、種々の光学特性な示すパルクツ結晶１８を
表面に配置したもので、結晶の厚みがそれほど必要なけ
れば入出力結合用レンズ不要の小形の光回路素子として
動作する。

その他、表面に抵抗膜をつけると固定減衰器としても動
作する。

以上述べた光回路を数段縦続、あるいは面的につなぐこ
とにより、多機能な特性を有する光集積回路を実現する
ことも可能である。

以上説明したように、厚膜光導波路のコアの屈折率に適
当な分布を付は厚膜光導波路の中を伝搬する光線を周期
的にその表面で全反射させるとともに、その位置毎に種
々の光機能素子を配置することにより単一の厚膜光導波
路に複数の光学処理機能を持たせることが容易になると
ともに、厚膜光導波路自身に集束性があるため、厚膜光
導波路と入出力光ファイバとの結合系にレンズ等の光学
系が不要となる。このため小形、低損失化であること、
信頼性があること、各回路部品の調整が容易になるため
低価格になること等の利点がある。

また厚膜光導波路自身も多成分ガラスのイオン交換によ
り大量でかつ安価に製造できる等の利点も婦えている。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の厚膜光導波路を用いた光分波器の構成図
、第２図は従来の厚膜光導波路を用（・た方向性結合器
の構成図、第３図は本発明による厚膜光導波路の構造例
、第４図は本発明による厚膜光導波路の屈折率分布を示
す図、第５図（ａ）〜（ｄ）は本発明による厚膜光導波
路の光路を示す図、第６図（ａ）〜（１〕）は本発明に
よる厚膜光導波路の入力光線との結合法を示す図、第７
図（ａ）〜（ｅ）は本発明による光合波器／光分波器の
構成図、第８図（ａ）〜（ｄ）は本発明による光合波器
／光分波器の別の構成図、第９図（ａ）〜（ｈ）は本発
明による光変調器、光スィッチ、光偏光器及びＮ、Ａｉ
変器の構成図、第１０図は本発明による光分岐回路の構
成図、第１１図は本発明による光スィッチの構成図、及
び第１２図は本発明によるレンズ不要の光学結晶光回路
の構成図である。 ■・・・・・・厚膜光導波路、２・・・・・・コ　　ア
、３・・・・・・クラッド、　　　４・・・・・・機能
素子、５・・・・・・全反射面の広い部分、 ６・・・・・・入力光ファイバ、７・・・・・・外　界
、８・・・・・・プリズム、　　　９・・・・・・し　
ン　ズ、１０・・・・・・回折格子、　　１１・・・・
・・出力光ファイバ、１２・・・・・・干渉膜フィルタ
、１３・・・・・・反　射　板、１４．１５・・・・・
・超音波発生素子、１６・・・・・・回折格子、　　　
１７・・・・・・屈折率変化膜層、１８・・・・・・バ
ルク光学結晶。 特許出願人 日本電信電話公社 特許出願代理人 弁理士　山本恵− Ｌｌ１図 ７９１２２ 手　続　補　正　書（自発） 昭和５７年１月２７日 特許庁長官　　島　１）春　樹　殿 １、事件の表示 昭和５６年特許　願　第１１０８７２号２、発明の名称 厚膜光回路 ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 名　称（４２２）日本電信電話公社 明細１第９頁第５行−同第９頁第１２行の［−シている
。・曲・・・・・・第７図の場合とＩＭＪじである。第
８−１をＪ′）、下のとおり補正する。 口している。第７図（１））は回折格子１０の格子溝数
、格子溝角を第７図（ａ）で用いる値とは異なる値どし
、回折格子１０に入射した光線が波長毎に￥１１−なる
角度で反射されろ角度を入射光線と同一の方向にしたも
ので入出力光ファイバを厚膜光導波路の同一端面に設置
できろため小形になるという利点をもつ。 第７図（Ｃ）は入力光ファイバ６かも入射するλ１．λ
２の波長からなる光線をレンズ９で平行光線に変換し、
これを透過形の回折格子１０に入射させ波長毎に異なる
角度で透過させろことにより厚膜光導波路の端面の異な
る位置に波長毎に焦点を結ばせ各波長を分離して異なる
出力光ファイバ１１から取り出す。この構成の特徴は、
レンズ９で入力光ファイバ６から入射する光線を平行光
線、発散光線、収束光線の任意の光線に変換し、史に厚
膜光導波路によって収束させ出力光ファイバ１１に結合
させるので、入力光ファイバ６から出てくる光線の開口
数とプリズム８と通過してコア２に入射するところのコ
ア２が有している開口数をほぼ一致させることができ、
入力光ファイバ６かも出射する光線を効率良く厚膜導波
路に結合させることができる。このため、この厚膜光回
路の挿入損失を小さくできる利点がある。ここで使用す
るレンズとしては収束性円柱レンズ、球面レンズ、非球
面レンズそれらを組合せた組レンズが考えられる。第７
図（ｄ）は第６図（ｂ）に示した厚膜導波路と入出力光
ファイバの結合法を用いて構成した例である。動作原理
は第７図（ａ）　、　（ｂ）に示した構成とほぼ同様で
ある。第７図（ｅｌは本発明の厚膜導波路２ケをそのコ
ア２が一致するように透過形の回折格子を介して設置し
たものである。入力元ファイバ６かも出射した光線は下
側の厚膜導波路のコア２でほぼ平行光線に変換され透過
形の回折格子１０を波長毎に異なる角度で透過し上側の
厚膜導波路のコア２で収束されて波長毎に厚膜導波路の
端面の異なる位置に焦点を結び波長毎に異なる出力光フ
ァイバ１１から出力されろ。第７図の構成では波長λ１
とλ２の２つの波長を分離する場合について説明したが
分離する波長は必要な数の出力光ファイバを設置すれば
２波長以上でも可能である。 第８図（ａ）〜（（１）に使用されている干渉膜フィル
タは、それが持つ波長特性に従ってλ１．λ２の波長の
光を透過又は反射させるものである。第８図では、λ、
の波長の光を透過させ、λ２の波長の光を反則させてい
る。第８図（ａ）は第７図（２１）の回ｊノ１格子１０
０代りに干渉膜フィルタ１２、プリズム８、反則板１；
３を用いて構成したものである。入力光ファイバ６かも
出射した光線は、コア２でほぼ平行光線に変換されコア
２の屈折率分布から決まる入射角θ。で干渉膜フィルタ
１２に入射する。波長λ２かもなる光線は、ここで入射
角θ。と同じ角度の方向に反射されコア２で収束されて
厚膜光導波路の端面に焦点を結び出力光ファイバ１１か
ら出力される。一方、干渉膜フィルタ１２を透過した波
長λ１かもなる光線（１−プリズム８を透過し反射板１
３で反射されて円び干渉膜フィルタ１２を透過しコア２
で収束されて出力光ファイバ１１かも出力されろ。この
動作において波長λ、からなろ光線が２回目に干渉膜フ
ィルタ１２に入射するときの入射角（佳θ０と同一の値
にすることが望ましい。その理由は、干渉膜フィルタの
波長特性が光線の入射角により変化するからである。波
長λ、の光線と波長λ２の光線が反射されて同一の入射
角θ。でコア２に入射するにもかかわらす厚膜光導波路
の端面の異なる位置に焦点を結ぶのは、２つの光線がコ
ア２上の異なる位置から入射するためである。第８図（
１））は第８図（ａ）の構成において波長λ、の光線を
第７図（Ｃ）と同様にレンズを用いて出力光ファイバ１
１に結合させる構成としたもので、動作、効果および使
用するレンズの種類などは、それぞれの場合と同様であ
る。第８図（Ｃ）は第７図（ｅ）における回折格子１０
を干渉膜フィルタ１２に置き換えたもので、基本的構成
は第７図（ｅ）と同様である。また動作原理、光線の軌
跡についても第７図（ｅ）第８図（ｂｌのそれぞれの部
分と同様である。第８図（ｄ）は第７図（ｄｌにおいて
回折格子１００代りに干渉膜フィルタ１２、プリズム８
、反射板１３を用いたもので、動作および光線の軌跡に
ついては第７図（ｄｉと第８図（ａ）のそれぞれ対応し
た部分と同様である。 （４） 第８図（ａ）〜（ｄ）において干渉膜フィルタは、単一
の波長を透過させ他の波長を反射させろ帯域通過フィル
タ、短い波長を透過させ、長い波長を反射させる短波長
通過フィルタ、その逆の特性を有する長波長通過フィル
タおよび、それらを組合せた組フィルタを使用すること
ができる。また、反射板としては全反射面、金属蒸着面
、反射板に入射する光線の全ての波長を反射する波長特
性をもつ干渉膜フィルタが使用できろ。第８」 以上 （５）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 光を導波する少なくとも一部を外部に露出するコア部分
   とこれをほぼ囲む屈折率が一様なりラッド部分とを有す
   る平板構造の厚膜光導波路と、前記コア部分の露出部ｉ
   ｃもうけられる能動機能素子または受動機能素子と、前
   記厚膜光導波路に入出力用光ファイバを結合する手段と
   を有する厚膜光回路において、コア部分の屈折率分布が
   導波される光線の伝搬軸方向に一様で伝搬軸に垂直な断
   面内では厚膜導波路の表面の所定の点からほぼ距離の２
   乗に比例゛−て減少し、前記能動機能素子又は受動機能
   素子がコア部分の屈折率分布で定まる周期でもうけられ
   ることを特徴とする厚膜光回路。