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つの直線状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つの直線状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。
【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】
【０００６】
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】
【０００７】
本発明による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したことを特徴とする。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
また、前記光平面回路上の３分岐点から軸対称に分岐した２つの光導波路が、同相あるいは逆相で駆動されることを特徴とする。
【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したことによって、光平面回路と周りの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のみで行うことができ、接続のためのスペースを少なくすることができ、装置を小型化することができる。
【００１２】
また光平面回路を２ポートの素子とみると、入力ポートの光路と出力ポートの行路を接近した平行な配置にできるので、接続に関わる全体のスペースの増加を小さく抑えることができる。
【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】
この光平面回路に光信号が入射あるいは出射される状態を図２に示す。光導波路２と光導波路３のそれぞれの端面２ａと３ａから、互いに逆相の光信号１６と１７が入力されている。光導波路２、光導波路３からの光信号は分岐点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。
【００１７】
また光導波路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。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。
【００１８】
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。
この構造の具体的な実施形態を図３に示す。光導波路の端面２ａと３ａから逆相で入射された光信号は分岐点５で合波され、光結合系を包含する結合開口部１８から光ビーム１０の形で出射される。面９に結合光学レンズ１１を配置しておけば、光ビーム１０をコリメート光として次の光デバイスに導くことができる。
【００１９】
この光学系は信号の流れを逆にしても成立する。図３の例において、結合光学レンズ１１にコリメート光が入射され、ビーム１０の形をして結合開口部１８で収束すると、マジックＴの分岐構造により光導波路４には光信号は進まない。即ち、結合開口部１８から入射された光信号は逆相となって光導波路２と光導波路３に分岐されることになる。
【００２０】
なお、光導波路の端面２ａと３ａから同相の光信号を入射すると、分岐点５で合波されて結合開口部１８からは出射せずに光導波路４から出射することになる。
【００２１】
ここで、マジックＴの原理図を図４に示す。図４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４（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４（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。
【００２２】
図１〜図３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。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
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や２次元のフォトニック結晶の光導波路と周りの光回路との接続が可能となり、多機能の光平面回路を組み込んだ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】
【００２４】
【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作動を説明するための図である。
【図３】本発明の光導波路分岐デバイスの作動を説明するための図である。
【図４】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】
【００２５】
１：基板
２、３、４：光導波路
２a、３a、４a：端面
５：分岐点
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、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。
【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】
【０００６】
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】
【０００７】
本発明による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したことを特徴とする。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
また、前記光平面回路上の３分岐点から軸対称に分岐した２つの光導波路が、同相あるいは逆相で駆動されることを特徴とする。
【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したことによって、光平面回路と周りの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のみで行うことができ、接続のためのスペースを少なくすることができ、装置を小型化することができる。
【００１２】
また光平面回路を２ポートの素子とみると、入力ポートの光路と出力ポートの行路を接近した平行な配置にできるので、接続に関わる全体のスペースの増加を小さく抑えることができる。
【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】
この光平面回路に光信号が入射あるいは出射される状態を図２に示す。光導波路２と光導波路３のそれぞれの端面２ａと３ａから、互いに逆相の光信号１６と１７が入力されている。光導波路２、光導波路３からの光信号は分岐点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。
【００１７】
また光導波路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。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。
【００１８】
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。
この構造の具体的な実施形態を図３に示す。光導波路の端面２ａと３ａから逆相で入射された光信号は分岐点５で合波され、光結合系を包含する結合開口部１８から光ビーム１０の形で出射される。面９に結合光学レンズ１１を配置しておけば、光ビーム１０をコリメート光として次の光デバイスに導くことができる。
【００１９】
この光学系は信号の流れを逆にしても成立する。図３の例において、結合光学レンズ１１にコリメート光が入射され、ビーム１０の形をして結合開口部１８で収束すると、マジックＴの分岐構造により光導波路４には光信号は進まない。即ち、結合開口部１８から入射された光信号は逆相となって光導波路２と光導波路３に分岐されることになる。
【００２０】
なお、光導波路の端面２ａと３ａから同相の光信号を入射すると、分岐点５で合波されて結合開口部１８からは出射せずに光導波路４から出射することになる。
【００２１】
ここで、マジックＴの原理図を図４に示す。図４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４（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４（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。
【００２２】
図１〜図３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。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
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や２次元のフォトニック結晶の光導波路と周りの光回路との接続が可能となり、多機能の光平面回路を組み込んだ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】
【００２４】
【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作動を説明するための図である。
【図３】本発明の光導波路分岐デバイスの作動を説明するための図である。
【図４】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】
【００２５】
１：基板
２、３、４：光導波路
２a、３a、４a：端面
５：分岐点
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、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記載の光導波路分岐デバイス。
【請求項３】
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または２記載の光導波路分岐デバイス。
【請求項４】
前記光平面回路上の３分岐点から軸対称に分岐した２つの光導波路が、同相あるいは逆相で駆動され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記載の光導波路分岐デバイス。
【請求項３】
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または２記載の光導波路分岐デバイス。
【請求項４】
前記光平面回路上の３分岐点から軸対称に分岐した２つの光導波路が、同相あるいは逆相で駆動され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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００６−１０９７６（Ｐ２００６−１０９７６Ａ）
【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２００４−１８６８３８（Ｐ２００４−１８６８３８）
【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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