JPH0511132A - 光分岐結合器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 伝搬損失が小さく、かつ複数の出力光ファイ
バに均一に光分岐できる光分岐結合器を提供する。 【構成】 透明基板１内に複数の光ファイバを接続可能
に偏平形状をもつ光導波路２が形成されている。光導波
路２は、光軸と垂直な断面において、その幅方向には該
幅方向の両端で屈折率が急低下する階段状屈折率分布を
もち、その深さ方向には光導波路２の中央付近で最大で
該中央から表面及び内部に向けて屈折率が徐々に低下す
る屈折率分布をもっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ミキシング用の光導
波路をもつ光分岐結合器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、透明基板内に該基板の屈折率
より高い高屈折率部よりなる光導波路を形成して光ミキ
シング部とし、入射側及び出射側の少なくとも一方に複
数の光ファイバが接続される光分岐結合器が知られてい
る。ところで、複数の光ファイバが接続される基板の端
面においては、接続される光ファイバの数と同数の光導
波路を独立して形成するよりも、接続される光ファイバ
の数に応じた幅をもつ偏平な形状の光導波路を形成した
方が、その製造が容易でありコスト的にも有利である。

【０００３】また、光導波路の光軸と垂直な断面で基板
の深さ方向における屈折率分布を考えた場合、光導波路
のほぼ中央で最も屈折率が高くなり該中央から基板表面
や基板内部に向けて屈折率が徐々に低下する放物線状屈
折率分布をもつ光導波路では、該深さ方向のほぼ中央に
伝搬光が集中する。このため、上記深さ方向に放物線状
屈折率分布をもつ光導波路は、埃や水分などの外的要因
による光の散乱、吸収により伝搬光が損失を受けにく
く、伝搬損失を小さくできるので好ましい。

【０００４】このように、複数の光ファイバを接続可能
に基板の端面に偏平形状に表出し、かつ深さ方向に放物
線状屈折率分布をもつ光導波路を透明基板内に埋め込み
形成するには、特公平３−１０２８２号公報にも開示さ
れているイオン交換法などを利用することができる。す
なわち、透明基板表面に所定の導波路パターンの開口部
を残してマスクを設け、上記開口部を通してまずタリウ
ムや銀などの屈折率増加に寄与するイオンを基板内に拡
散させた後、マスクを除去してナトリウムやカリウムな
どの屈折率低下に寄与するイオンを基板内に拡散させる
ことにより、その深さ方向のほぼ中央から基板表面や基
板内部に向けて屈折率が徐々に低下する放物線状屈折率
分布をもつ光導波路を形成することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述した埋
め込み形の光導波路をもつ光分岐結合器に複数の光ファ
イバを接続した場合、出射側に出力される光強度が光導
波路の幅方向にばらつき、入射側に接続される光ファイ
バの接続位置やミキシング長さ（光導波路の長さ）など
によって光導波路の幅方向の両端側で出力される光強度
が強くなったり弱くなったりすることがあった。これ
は、光導波路の幅方向の両端付近で、外側に向けて屈折
率が徐々に低下していることに起因していると考えられ
る。すなわち、上記端部付近を進行中の光は端部でのレ
ンズ効果を受けて光導波路の幅方向の中央に向けて集め
られ、これにより出射側での光の出力に幅方向のバラツ
キが生じる。したがって、例えば幅１００μｍの光導波
路が出射側の基板の端面に表出していても、幅方向の端
部に近い部分の光の出力が弱く、幅方向に均一に出力さ
れる光導波路の有効幅は中央部の１００μｍより小さい
部分となり、低損失な光分岐結合器の実現の障害となっ
ていた。

【０００６】本発明は、上記実情に鑑みてなされたもの
であり、伝搬損失を小さくでき、しかも複数の出力光フ
ァイバに均一に光分岐できる光分岐結合器を提供するこ
とを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、透明基板内に
形成され該基板の屈折率より高い高屈折率部よりなる光
導波路をミキシング部とし、入射側及び出射側の少なく
とも一方の該基板の端面に表出する光導波路が複数の光
ファイバを接続可能にその幅方向に長い偏平形状をもつ
光分岐結合器において、前記光導波路が、光軸と垂直な
断面において、その幅方向には該幅方向の両端で屈折率
が急低下する階段状屈折率分布をもち、その深さ方向に
は前記光導波路の中央付近で最大で表面及び内部に向け
て屈折率が徐々に低下する屈折率分布をもつことを特徴
とする。

【０００８】

【作用】本発明の光分岐結合器は、光導波路が、光軸と
垂直な断面において、その幅方向には該幅方向の両端で
屈折率が急低下する階段状屈折率分布をもっている。こ
のため、光導波路の幅方向の両端付近で外側に向けて徐
々に屈折率が低下する従来の光導波路のように、該端部
でのレンズ効果により伝搬中の光が光導波路の幅方向中
央付近に拘束されることがなく、入射した光は光導波路
の幅方向で均一に出力される。

【０００９】また、本発明の光分岐結合器は、光導波路
が、光軸と垂直な断面において、その深さ方向には前記
光導波路の中央付近で最大で表面及び内部に向けて屈折
率が徐々に低下する屈折率分布をもっている。このた
め、入射した光は光導波路の深さ方向の中央付近に拘束
されて伝搬されるので、埃や水分などの外的要因による
光の散乱、吸収により伝搬光が損失を受けることを防ぐ
ことができる。

【００１０】

【実施例】以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を具
体的に説明する。 （実施例１）図１（ａ）は本実施例の光分岐結合器の出
力端における側面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−
Ａ’線上の物質の屈折率を示す線図、図１（ｃ）は図１
（ａ）のＢ−Ｂ’線上の物質の屈折率を示す線図であ
り、図２は本実施例の光分岐結合器の入射側及び出射側
にそれぞれ５本の入力光ファイバ３、出力光ファイバ４
を接続した状態を示す平面図である。なお、図１（ｂ）
の縦軸は基板１の表面からの深さを、横軸は屈折率を示
し、図１（ｃ）の縦軸は屈折率を、横軸は基板１の横方
向の距離を示す。

【００１１】本実施例の光分岐結合器は、透明基板１
と、この透明基板１内に形成され、入射側及び出射側の
基板１の端面に偏平形状に表出する光ミキシング部とし
ての光導波路２とから構成されている。光導波路２は、
幅１ｍｍ、長さ（ミキシング長さ）２０ｍｍ、深さ０．
２ｍｍをもち、長さ方向に同一幅、同一深さに形成され
ている。なお、接続される入力光ファイバ３、出力光フ
ァイバ４はともに口径が０．２ｍｍのものであり、光導
波路２の幅は、（接続される光ファイバの口径）×（接
続される光ファイバの本数）に等しく設定されている。
また、光導波路２の深さは接続される光ファイバの口径
に等しく設定されている。そして、光導波路２は、光軸
と垂直な断面において、その幅方向には該幅方向の両端
で屈折率が急低下する階段状屈折率分布をもち（図１
（ｃ）参照）、その深さ方向には前記光導波路２の中央
付近で最大で表面及び内部に向けて屈折率が徐々に低下
する放物線状屈折率分布をもっている（図１（ｃ）参
照）。

【００１２】本実施例の光分岐結合器は、以下のように
して製造した。透明基板１として、ＺカットのＫＴＰ
（ＫＴｉＯＰＯ₄ ）のイオン結晶基板（５×５×３０ｍ
ｍ）を準備し、この基板１の全表面にＴｉ膜をスパッタ
リング法により形成した。そしてこの基板１の結晶面で
（００１）面上に形成されたＴｉ膜にフォトリソグラフ
ィ法により幅１ｍｍ、長さが３０ｍｍの開口部を設けた
マスクを施した。次に、硝酸ルビジウムと硝酸バリウム
の混合粉末をアルミナよりなるるつぼに入れ、電気炉で
３５０℃に加熱してこれを溶融した。この溶融塩中に上
記基板１を１時間浸漬した。これにより、基板１内部の
Ｋと溶融塩中のＲｂがイオン交換し、基板１内に高屈折
率部を形成した。

【００１３】そして、硝酸カリウムと硝酸バリウムを混
合し、上記と同様に硝酸ルビジウムのない溶融塩をつく
り、この溶融塩中に、上記高屈折率部が形成された基板
１を１時間浸漬した。これにより、基板１内部に浸透し
たＲｂのうち、基板１表面付近のＲｂが溶融塩中のＫと
イオン交換され、結果としてＲｂの濃度が最も高くなる
部分を基板１の表面でなく内部に作り込むことができ
た。すなわち、基板１の深さ方向に対するＲｂ濃度は放
物線状分布となる。なお、このＲｂ濃度分布が屈折率分
布にほぼ等しくなる。このように、基板１内に基板１の
深さ方向には光導波路２の中央付近で最大で基板表面及
び基板内部に向けて屈折率が徐々に低くなる放物線状屈
折率分布をもっている光導波路２が形成された。

【００１４】さらに、徐冷後上記基板１を長さ２０ｍｍ
に切断し、切断面を研磨することにより、本実施例の光
分岐結合器とした。なお、上記したような結晶基板を用
いてイオン交換すると、その結晶軸によってイオン交換
速度が異なる。特に、ＫＴＰのイオン結晶基板について
は、Ｚカット基板を用いると、基板１の表面に平行な水
平方向（ｘ、ｙ方向）にほとんどイオン交換されず、基
板１の深さ方向（ｚ方向）に極めて優先的にイオン交換
される。このため、上記イオン交換処理により形成され
た光導波路２は、基板１の表面と平行な水平方向で光導
波路２の幅方向の両端で屈折率が急低下する階段状屈折
率分布をもっている。

【００１５】本実施例の光分岐結合器において、図２に
示すように、入射側及び出射側にそれぞれ５本の入力光
ファイバ３、出力光ファイバ４（共に口径０．２ｍｍ）
を接続し、５本の入力光ファイバ３のうち１本に−５ｄ
Ｂｍの強度をもつ光を入射した結果、５本の出力ファイ
バ４からの出力光の強度はいずれも−１５ｄＢｍを示し
た。したがって、伝搬損失や光導波路２の幅方向におけ
る出力光のバラツキは認められなかった。 （比較例）比較のため、透明基板１’としてＮａ、Ｋ等
に被交換イオンを含む光学ガラス（ＢＫ７、寸法５０×
５０×４ｍｍ）を準備し、これに従来から一般的に行わ
れているイオン交換法により光導波路２’を形成した。
すなわち、上記基板１’の一方の面にＴｉ膜をスパッタ
リングにより形成し、フォトグラフィ法により幅２ｍ
ｍ、長さ４０ｍｍの開口を設けたマスクを施した。次
に、上記基板１’の他方の面にＡｕ膜をスパッタリング
法により形成し、この基板１’をマスク面を下にして硫
酸タリウム及び硫酸亜鉛の混合物からなる溶融塩中に浸
漬した。なお、溶融塩中にはマスクに離隔対向させて白
金電極を配置しておく。そして上記Ａｕ膜に接触させて
白金電極を配置した。これらを電気炉に入れて５５０℃
程度の一定温度に保ち、同時に白金電極を通じて１０Ｖ
／ｍｍの直流電界を、混合塩側が正極となるように印加
して、イオン交換処理した。

【００１６】さらに、徐冷後、基板１’の表面のＴｉ膜
及び残留している塩を酸で洗浄して除去する。そして、
硫酸カリウム及び硫酸亜鉛の溶融塩を準備し、上記と同
様にしてイオン交換処理し、徐冷、残留物除去を経て、
所定長さに切断し、切断面を研磨した。これにより、図
３に示す幅約２ｍｍ、深さ０．１ｍｍの光導波路２’が
形成された比較例の光分岐結合器を製造した。なお、こ
の光導波路２’は幅方向の両端付近で外側に向けて屈折
率が徐々に低くなる屈折率分布をもっている（図３
（ｃ）参照）。また、光導波路２’は、その深さ方向に
は中央付近で最大で表面及び内部に向けて屈折率が徐々
に低くなる放物線状屈折率分布をもっている（図３
（ｃ）参照）。

【００１７】このようにして作製した比較例の光分岐結
合器に対し、コア径２００μｍの光ファイバを用いて、
ミキシング効果を測定した。これは、ミキシング長が２
１．３ｍｍで、入射側及び出射側の光ファイバの接続位
置を種々変更しながら、入射側から−６．３ｄＢｍの強
度の光を入射し、そのときの出力光強度を測定して行っ
た。この結果を図４に示す。なお、横軸Ｘは光出射側で
の水平方向の光フィアバの位置を示し基板の一端側（図
３の左側）の端部付近からの距離、縦軸Ｐは出力光ファ
イバでピックアップした出力光強度、パラメータｙは光
入射側での光導波路の幅方向中央から上記基板の一端側
（図３の左側）への軸ずれ量である。

【００１８】図４中、例えば軸ずれ量ｙが０．６ｍｍの
とき、出射位置ｘが０．３〜２．１ｍｍの範囲内（出射
幅１．８ｍｍの範囲内）における最大出力光強度と最小
出力光強度を調べると、ｘが２．０ｍｍのとき出力光強
度が最大の−１８．５ｄＢｍであり、ｘが０．３ｍｍの
とき出力光強度が最小の−２６ｄＢｍであり、出力バラ
ツキは７．５ｄＢｍとなる。これは、出力幅１．８ｍｍ
に相当する８出力の光分岐結合器を作製すると、７．５
ｄＢｍのバラツキをもって出力されることを意味する。
このような出力バラツキは、入射側の軸ずれ量が大きく
なるほど大きくなる（グラフの傾きが大きくなる）。な
お、ミキシング長さの異なる光導波路を用いて同様の測
定を行ったが、同じような結果が得られた。このような
結果となったのは、比較例の光導波路２’は、光導波路
２’の両端付近で水平方向の外側に向けて徐々に屈折率
が低下する屈折率分布をもつので、この屈折率分布によ
るレンズ効果のためと考えられる。すなわち、軸ずれ量
ｙが１．０ｍｍ、つまり入射側の光ファイバを光導波路
２’の左端部（図３中）付近に接続した場合、伝搬され
る光が光導波路の幅方向の中央付近に拘束されるという
屈折率分布のレンズ効果を受けて、出射側では光導波路
２’の右端部（図３中）付近に出力される。これは、図
４で軸ずれ量ｙが１．０ｍｍのとき出射位置ｘの値が大
きくなる程（光導波路の右端部側に近づく程）、出力光
強度が大きくなることからも明らかである。 （実施例２）上記実施例１の光分岐結合器における光導
波路と同様に、光軸と垂直な断面において、その幅方向
には階段状屈折率分布をもち、その深さ方向には放物線
状屈折率分布をもつ光導波路を以下のようにして作製し
た。

【００１９】上記透明基板１として石英ガラス基板を用
い、これを１０ｒｐｍの速度で回転し３００℃に加熱さ
れた受台に設置した。なおこの受台は、排気ガスの処理
装置と、受台に向けて吹出可能なガスバーナをもつ反応
容器内に収容されている。そして、ＳｉＣｌ₄ ガスを２
０ｃｃ／ｍｉｎ、ＰＯＣｌ₃ ガス５ｃｃ／ｍｉｎ、Ｈ ₂
ガスを２０００ｃｃ／ｍｉｎ、Ｏ₂ ガスを２０００ｃｃ
／ｍｉｎの割合でガスバーナから流した。これにより、
ガラス形成原料であるＳｉＣｌ₄ 及びＰＯＣｌ ₃ が火炎
加水分解反応してガラス基板上に多孔質状態のガラス微
粒子として堆積した。この操作を約１０分間行って、厚
さ３０μｍの多孔質ガラス薄膜を形成した。

【００２０】次いで、上記多孔質ガラス薄膜が形成され
たガラス基板上に所定の導波路パターンの開口をもつマ
スクを置き、その上にＳｉＣｌ₄ ガスを２０ｃｃ／ｍｉ
ｎ、ＰＯＣｌ₃ ガス５ｃｃ／ｍｉｎ、Ｈ₂ ガスを２００
０ｃｃ／ｍｉｎ、Ｏ₂ ガスを２０００ｃｃ／ｍｉｎの割
合でＧｅＣｌ₄ ガスと共にバーナから６０分間吹出し
て、１８０μｍの膜厚とした。この際、ＧｅＣｌ₄ ガス
の濃度を連続的に２−（ｔ−３０）² ／４５０〔ｃｃ／
ｍｉｎ〕；０≦ｔ≦６０〔ｍｉｎ〕の割合で変化させる
ことにより、膜厚方向（ガラス基板の深さ方向）におけ
るＧｅ濃度分布を、深さ方向の中央で最大となるように
した。なお、不純物としてのＧｅにより屈折率が高めら
れて、光導波路となる。また、屈折率を高める添加剤と
してＧｅＣｌ₄ を用いたが、ＰＯＣｌ₃ やＴｉＣｌ₄を
ＧｅＣｌ₄ の代わりに用いてもよい。

【００２１】さらに、マスクを取り外した後、ＳｉＣｌ
₄ ガスを２０ｃｃ／ｍｉｎ、ＰＯＣｌ₃ ガス５ｃｃ／ｍ
ｉｎ、Ｈ₂ ガスを２０００ｃｃ／ｍｉｎ、Ｏ₂ ガスを２
０００ｃｃ／ｍｉｎの割合でバーナから１０分間吹出し
て、ガラス基板上に全体として厚さ２４０μｍの合成膜
を形成した。最後に、１５００℃に加熱することによ
り、深さ１５０μｍの光導波路をもつ本実施例の光分岐
結合器を製造した。

【００２２】また、上記実施例１、２で説明した光導波
路の製造方法の他に、複数の透明材料を同時に蒸着する
物理的成長法において、この複数の透明材料の混合比、
すなわち屈折率を高くする透明材料の混合割合を変化さ
せながら形成することによっても、本発明に係る屈折率
分布をもつ光導波路を製造することが可能である。

【００２３】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の光分岐結
合器は、光導波路が光軸と垂直な断面において、その幅
方向には階段状屈折率分布をもち、その深さ方向には中
央付近で最大で表面及び内部に向けて屈折率が除々に低
下する屈折率分布をもっているので、入出力光ファイバ
の結合損失を小さくでき、しかも複数の出力光ファイバ
に均一に光分岐することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ）は本実施例の光分岐結合器の出力端
の側面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’線上の物
質の屈折率を示す線図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＢ−
Ｂ’線上の物質の屈折率を示す線図である。

【図２】本実施例の光分岐結合器に入力光ファイバ及び
出力光ファイバを接続した状態を示す平面図である。

【図３】図３（ａ）は比較例の光分岐結合器の出力端の
側面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ’線上の物質
の屈折率を示す線図、図３（ｃ）は図３（ａ）のＢ−
Ｂ’線上の物質の屈折率を示す線図である。

【図４】比較例の光分岐結合器のミキシング効果を示す
グラフである。

【符号の説明】

１は透明基板、２は光導波路、３は入力光ファイバ、４
は出力光ファイバである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 透明基板内に形成され該基板の屈折率よ
   り高い高屈折率部よりなる光導波路をミキシング部と
   し、入射側及び出射側の少なくとも一方の該基板の端面
   に表出する光導波路が複数の光ファイバを接続可能にそ
   の幅方向に長い偏平形状をもつ光分岐結合器において、 前記光導波路は、光軸と垂直な断面において、その幅方
   向には該幅方向の両端で屈折率が急低下する階段状屈折
   率分布をもち、その深さ方向には前記光導波路の中央付
   近で最大で表面及び内部に向けて屈折率が徐々に低下す
   る屈折率分布をもつことを特徴とする光分岐結合器。