JPS62161105A - 光分波・合波素子 - 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】 く技術分野〉 本発明は光伝送における伝送元の高精度かつ低損失なる
分波・合波を可能とする光分波・合波素子に関し、特に
その光導波路構造に関するものである。

〈従来技術とその問題点〉 光通信システムにおいて、ンステム内での機能素子とり
わけ幹線からの元情報や信号の一部を個個の端末に分岐
・分波させたり、端末で処理した情報を幹線に合流・合
波させる光分波・合波素子は重要な役割を果している。

又、光応用計測あるいは光応用センサの分野においても
センソング信号の多重化及び複数閏のセンサへの１３号
伝送、さらには異波長によるセンサ信号とレファレンス
信号の分離等の分野においても元の高精度且つ低損失な
る分波・合波への要求は大きい。またこれ以外にも光を
用いた集積回路いわゆる光ＩＣを形成して行く上でも光
分波・合波素子の役割は重要と考えられる。

従来より、光分波・合波器としては屈折率分布型レンズ
、プリズムと干渉フィルターを組み合せたものあるいは
ガラス等の透明基板にプリズムを装着しさらに干渉フィ
ルターにより分波・合波を行うものといったような個々
の光学部品と干渉フィルターを組み合せて光分波・合波
器を構成したものが用いられている。この様に光学部品
を組み合せて分波・合波器を構成する場合、個々の光学
部品を装着する１際に元軸を充分に考慮する必要があり
、また素子間の互換性を得るためには素子作製技術が高
精度なものとなりかなりの熟練が要求される。しかも、
素子をバッチ処理にて形成することは再現性に困難を伴
なうため素子の量産性に欠け、従って低コスト化を図る
ことも困難となる。

さらには、光学部品の組み合せであるため素子の大型化
はまぬがれないといったような問題を有している。又、
特性面においてもレンズに接続される入射光伝送ファイ
バ一端が点光源でないこと及びレンズの収差により光損
失が比較的大きくなるという欠点をも有している。

一方、元ファイバー自体を用い複数本の光フアイバ一端
面に干渉膜を形成あるいは装着することにより光分波・
合波器とするものがある。これは元ファイバー自体を利
用することで、素子の講成が比較的簡単であり、コスト
面においても低減化を図ることができるが、光損失が大
きく又光フアイバーの端面を加工して干渉フィルターを
形成あるいは装着するため素子の作製にはやはりかなり
の熟練を要し、従って、素子の互換性、量産性といった
点に問題を有する。

これらに対して、光導波路を用いて光分波・合波素子と
するものがあり、これら￥′ｉ元導波路を用いることで
光学部品数の低減さらには素子の小型化が図れる。又、
素子のバッチ形成が可能であるため互換性、量産性に優
れているといった反面、従来の″／ｌ、桿波路全波路た
光分波・合波素子は光導波路端面て誘電体膜等より成る
干渉膜を形成して構成されたものあるいは石英系光導波
路におけるように光導波路端面に干渉フィルター固定用
ガイドを設けてそのガイド溝部分に干渉フィルターを固
定するといったようなものであり、端面加工を含めた素
子の作製はかなり複雑なものとなる。さらには、元の分
岐という立場から考えた場合も従来の光導波路では低損
失なる分岐を得るためＶＣは分岐角を大きく設定するこ
とができず最大でも２゜程度と小さな１直に限定しなけ
ればないため光導波路分岐の大きな障害となっている。

又、ＬｉＮｂＯ３等の電気光学単結晶にＴＩ等の拡散に
より光導波路を形成し、外部変調により電気光学効果等
を利用して伝送元の分岐スイッチを行うものがあるが、
これも変調電圧に大電圧と要するろるい／ｉ元量の均一
分岐を行うためには素子長を長くしなければなら；ｔい
等の考慮が必要であり且つＬｉＮｂＯ３等の単結晶を用
いることでコスト面でも高価なものとなる。以上の如く
元・導波路を用いた光分波・合波素子においても干渉膜
あるいは干渉フィルターを用いての光分波であることと
も相俟って素子の特性上及び炸裂上程々な問題を有して
いる。

〈発明の目的・概要〉 本発明は以上述べたような従来の光分波・合波素子の有
していた欠点を解消するためにナキれたものであり、光
分波・合波素子を光導波路で講成し、さらに夫々の分岐
元導波路を″／１４波路内に発光波長の異なる螢光材料
を分散あるいは拡散した螢光″ｌｔ、専波路で形成して
いる。従って、螢発光導波路内の光伝搬形態は夫々の螢
光材料から発光する波長の異なる螢光の光導波路内にお
ける全反射によるものとなり、きらに夫々の螢光材料が
発光中心であることから分岐元導波路端部すなわち光導
波路分岐部においても螢光材料による幾つかの点ＩｆＳ
源を有していると考えることができ、螢尤党導波路では
従来の光導波路とは異なり分岐角に依らず伝送元を分岐
することが可能となる。

又、夫々の光導波路に発光波長の異なる螢光材料を分散
しているため分岐光導波路における伝搬光の波長を分散
する螢光材料の種類によって選択することが可能となる
。すなわち、干渉膜あるいは干渉フィルターを端面等に
形成することなく光分波・合波素子を得ることができる
。従って、螢光光導波路を用いることで、光分波・合波
素子の厚み方向への分岐あるいは分波さらには多数の分
岐光導波路への光分波等が容易となり、種々形状・形態
の光分波・合波素子の形成が可能となる。このため、光
機能素子として広範な利用が考えられ、光通信、光応用
センサ、さらには元ＩＣへの応用に有益である。この様
に本発明は幾多の利点を有する光分波・合波素子を提供
するこ、ｌ！：を目的とするものである。

〈実施例１．〉 本発明の１実施例として螢光光導波路を用いた光分波素
子の構造を第１図に示す。光源元入力部（１１と第１分
岐元導波路（２）、第２分岐元導波路（３）を有しそれ
ぞれの部分に発光中心波長が＾１．λ２．＾３（ス１く
λ２≦λ３）なる螢光材料を分散あるいは拡散すること
により光源光によって励起・発光した波長λ１なる光に
よって、第１分岐″／ｌ、導波路では波長ス２の螢光が
発光・伝搬し、第２分岐光導波路では波長＾３の螢光が
発光・伝搬するといった様に元の分波を行うことが可能
となる。

次に各部の詳細な構成並びに作製プロセスに示す。有機
ポリマーであるポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）等
のアクリル樹脂（屈折率ｎ　＝　１．４９　）　。

ポリカーボ洋−ト（ＰＣ；ｎ＝１．５９　）　、ポリス
チレン（ＰＳｔ　；　ｎ＝１．６０）等に有機螢光染料
あるいは無機螢光材料を分散あるいは拡散する。この時
、第１図における元入力部（１）と分岐光導波路（２＋
、　（３）の夫々に含有される螢光材料は前述した如く
発光中心波長を考慮したものを混入する必要がある。

この螢光材料を分散した有機ポリマーをこのポリマーよ
り屈折率の小さい基板（４）上に所望のパターンの光導
波路として形状する。即ち、まず基板（４）上にホトリ
ソグラフィー技術により所望のパターンのマスクレジス
トを形成しておき、基板（４）上のレジスト形成部外に
発光中心波長λＩの螢光材料を分散した有機ポリマーを
スピンコーティング法あるいはディップ法にて一定膜厚
が得られるようにコーティングする。さらに発光中心波
長λ２．λ３の夫々の螢光材料を分散した有機ポリマー
を順次マスクレジストを形成し所望のパターンにてコー
ティング形成を行う。尚、螢光材料の分散材料としては
有機ポリマーの他各種ガラス材料等の無機材料でも良い
。又、基板（４）としては各種ガラスあるいはバッファ
一層としてＳ　ｉｏｚ膜を形成したＳｉ等の半導体材料
のように接する光導波路層ポリマーに比して屈折率の小
さい材料であれば良い。さらに光導波路の膜厚は光分波
素子と結合を行う元ファイバー等の径と良好なる整合性
の得られる膜厚とする。

以上のプロセスによって所望のパターンの光分波素子が
得られる。ここで、光導波路内へ分散あるいは拡散を行
う螢光材料であるが、光源元入力部（１）、第１分岐元
専波路部（２）、第２分岐元導波路部（３）の夫々にお
いて発光波長の組み合せを考慮したものであれば良く、
ジアミノスチルベン系染料。

７　＃　オｌ／セイン、チオフラビン、ニオ／ン、ロー
ダミンＢ等の有機螢光染料あるいＨＭｎ”＋の塩。

Ｓｍ”、　ｇｕ３＋、　Ｇｄ””＋　Ｔｂ”＋　Ｄｙ３
＋の硫酸塩、塩酸塩等の遷移金属イオンの塩または遷移
金属の錯イオンの塩さらに、■属金属の酸化物、硫化物
、セレン化物、酸素酸塩等Ｋ　Ｍｎ　＋　Ａｇ　、Ｃｕ
　＋　Ｓｂ　＋　Ｐｂ　ｌどを活性剤として添加したも
の等の無機螢光材料を用いることができる。さらに、光
導波路層の形成法あるいは螢光材料の分散法としてはコ
ーティングによって光導波路層（螢光材料を含まないポ
リマー）を全面形成し、その後、酸素プラズマ等のドラ
イエツチングにて所望のパターンの光導波路とした状態
あるいはエツチングを行わｌいま丑の状態で、所定の螢
光材料発散部以外にマスクレジストを形成し、螢光材料
を含む溶液中に浸漬することにより螢光材料の拡散を行
９方法あるいは真空プロセスにて光導波路上に螢光材料
の薄膜全形成し、その後熱処理等によって拡散させる方
法等も可能である。又、光導波路層をエツチングするこ
となく螢光材料を拡散させたものは、拡散後所望のパタ
ーンにエツチングを行い光導波路とすることができる。

上記手法にて得られた光分波素子はそれを構成する光導
波路を螢光材料の分散されたものとして形成しているた
め、光源からの光が分散された螢光材料すなわち発光中
心に吸収され螢光を発する。

この発せられた螢光のうち光導波層を形成するポリマー
と空気あるいはポリマーと基板材料の界面にて全反射条
件を満たす角度（臨界角以上の角度）で到達したものは
導波路内を伝搬していき、さらに伝搬していくにつれて
他の発光中心からも螢光が発せられ、結果として光導波
中に含まれる螢光材料から発せられた螢光のうち界面で
の全反射条件を満たすものはすべて光導波路内を伝搬す
ることになる。すなわち、気−光導波路でｉｄ光導波路
内に多数の点光源を有すると考えて良い、従って元傅波
路分岐部においてその分岐部がいかなる分岐角を有して
いたとしても、夫々の分岐開始端に点光源を有すること
と同等であるため、発せられた螢光のうち分岐部での全
反射条件を満たす角度のものが必ず存在しその螢光は分
岐光導波路（２）。

（３）内を伝搬していくことになる。”又、光導波路中
においで螢光材料の均一な分散あるいは拡散状態を得る
ことによって、すべての分岐光導波路（２）。

（３）に対して同一のｆ量にて分岐を行うことができる
。

さらに、夫々の分岐光導波路（２）、　（３）に異なる
発光波長の螢光材料を分散しかつ光源光入力部（１）よ
り分岐部までを結ぶ幹線光導波路に分散された螢光材料
をその発光波長が、夫々の分岐元導波路（２）。

（３）に分散した螢光材料の励起波長領域を含むような
ものに選択することにより、分岐元導波路（２）。

（３）内の螢光材料が幹線光導波路伝搬光によって励起
され、夫々の螢光材料固有の波長にて発光することによ
り分岐元導波路内での単色性に優れた光伝搬が引き起こ
される。すなわち、光分波が可能となるわけである。

この様に、螢″／ｌ、元導波路を用いることで分岐角に
制限がなくかつ分岐部での光損失の極めて小さい特性を
有する光分波を行なうことができ、又、干渉フィルター
あるいは干渉膜を必要としない実用上極めて有益な光分
波素子が得られる。

〈実施例２〉 第２図に本発明の第２の実施例である螢ｖ：、元導波路
を用いて構成した光分波・合波素子の構造模式図を示す
。基板（８）上に幹線光導波路（５）及び分岐元導波路
（６）　、　（７）を夫々図に示すように形成し、かつ
幹線光導波路（５）は光導波路内に螢光材料を分散しな
い通常の有機高分子光導波路で構成する。従って、この
光分波・合波素子の作製に当っては上記実施例１にて述
べた螢光材料の分散ポリマーのみにて幹線光導波路を形
成し、又発光波長λ５．λ６（ス５≦λ６　）なる螢光
材料を分散させたポリマーにて分岐元導波路（６）、ｆ
力が作製される。これらは夫々基板上に形成されたマス
クレジストを用いることにより順次形成きれる。

この様にして得られた光分波・合波素子は幹線光導波路
内を伝搬する光源光（波長λ４．λ４〈λ５≦λ６）が
光分波・合波素子分岐部において夫々の螢光光ノ９波路
中の分散螢光材料を励起し、そのため螢光材料が波長λ
５．＾６なる光を発する。この元が分岐元３１７波路＋
６）、　（７）内を伝搬することにより分波が行われる
わけである。又、分岐元導波路（６）。

（力においてその中を伝搬し分岐元導波路（６１，（７
）の端末に至り端末で情報交換を行った光は、さらに分
岐′：Ｌ導波路（６１、（７１内を伝搬し分岐部におい
て幹線光導波路（５）と再結合され、夫々の分岐光導波
路（６）、ｆ力における伝搬波長λ５．ス６にて幹線光
導波路（５）内を伝搬することとなる。従って幹線光導
波路（５）内では波長λ４．λ５．λ６なる光が同時に
伝搬を行いすなわち光合波が可能となり、同様に干渉フ
ィルターあるいは干渉膜を用いることなく光の分波さら
には光の合波を一素子にて可能とし、小型（微小）でか
つ光通信１元応用計測等の夫々の分野にて適用に有益な
光分波・合波素子が得られる。

〈実施例３．〉 第３図に本発明の第３の実施例である螢′″／ｆＳ″ｌ
ｔ、導波路を積層した構成の光分波素子の断面図を示す
。

第３図の構成は基板（イ）上に共通の元源元入射部（発
光波長大？）（９）を有し、発光波長λ８．入９（入７
くλ８≦λ９　）の夫々の分岐光導波路層ＧＯ）、（１
υが積層された形状である。旦し、夫々の分岐光導波路
層（１０）、０１）内を螢光が全反射して伝搬していく
ために隣接する光導波路層間には光導波路層を構成する
材料（螢光材料の分散ポリマー）より屈折率の小さい材
料にてバッファ一層ａ側を形成する必要がある。本実施
例においてはバッファ一層としてスパッタ法あるいはＣ
ＶＤ法にて形成したＳｉＯ２膜を用いている。又、素子
の作製は光源光入射部をレジストにてマスクしておき、
他の部分に分岐元導波路層、バッファ一層と順次積層形
成し、その後マスクレジストの除去を行い除去した部分
ｉ／ｉ：光源元入射部の作製を行なうことにより積層型
光分波素子を得る。この素子では光源光入射部で発光し
た波長λ７なる光により、夫々の分岐元導波路層にて分
散された螢光材料に固有の波長の元が発し、これらが夫
々の分岐元等波路層ＱＯＩ、Ｑυ内を伝搬していくこと
により積層型の光分波素子としている。この様にして得
られた積層型光分波素子では各分岐光導波層α０）、ａ
υ部分を異なる波長の光が゛伝搬可能となるため、光導
波路層の各層に種々異なった情報出力部を形成すること
ができかつそれらの各情報を元の波長情報として分離す
ることが可能となるため元情報のモノリシンク化すなわ
ち光集積回路（Ｈｒｃ）への適用に有利である。

〈発明の効果〉 以上述べたように本発明の光分波・合波素子は次に示す
ような実用上極めて有益な特性を有する。

（１）光分波・合波素子を光導波路で形成しているため
、従来のレンズ、プリズム、干渉フィルター等の個別部
品を組み合せて構成したものに比較して素子の構造が簡
単であり又、小型化が図れる。

（２）　　光分波・合波素子を構成する光導波路の作製
がバッチ処理にて行えるため量産性に優れ、低コスト化
に有利である。又、素子の互換性にも優れている。

（３）螢光光導波路を用いているため任意の分岐角（分
岐角に制限がない）あるいは積層型分岐等で光分波を低
損失にて行うことが可能である。

（４）螢″ｊｔ、光導波路を用いることにより、光導波
路中へ分散する螢光材料の種類によってのみ伝搬光波長
が決定され、従って、分散螢光材料の種類の選択によっ
て分波が可能となり、光導波路端面への干渉膜の形成と
いったような端面加工を必要とせず、作製プロセス面に
おいても工程の大＠な簡略化が図れる。

（５）光導波路への光結合（光入射）も螢光光導波路を
用いることにより、光導波路端面はもとより上面や側面
部からも入射でき光結合時の光源あるいは元ファイバの
位置制御が緩和されかつ低損失光結合が得られる。

以上詳述した如く、本発明の光分波・合波素子は螢光材
料分散型光導波路にて構成され小型で安価に作製でき、
任意の分岐角において低損失なる光分波が可能でかつ分
散螢光材料の種類の選択によって伝搬光の種々波長への
分波・合波を可能とし、光通信、光応用センサさらには
元ＩＣ等の広範な分野への適用に有益である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例である光分波素子の構造模式図
であり、幹線光導波路１労岐元４波路のすべてに螢光光
導波路を用いている。 第２図は本発明の第２の実施例である光分波・合波素子
の構造模式図であり、幹線光導波路には螢光材料を分散
させない通常の光導波路を用い、分岐元導波路に螢光光
導波路を用いている。 第３図は本発明の第３の実施例である光分波素子の分岐
元導波路を積層形成した構造を示す断面図である。 （１）・光源元入力部 （２１、（３）　：分岐光導波路；　（４１、（８）　
、（２）４基板（５）：幹線光導波路

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、分岐部を有する光導波路構造の光分波・合波素子に
   おいて、前記分岐部に結合する夫々の光導波路に発光波
   長の異なる螢光物質を分散または拡散することにより、
   前記光導波路内での夫夫の伝搬光波長を異ならしめる螢
   光光導波路構造としたことを特徴とする光分波・合波素
   子。 ２、分岐部に結合する光導波路のうち、少なくとも１つ
   は、螢光物質として発光波長が前記分岐部に結合する他
   の光導波路中に含有された螢光物質の励起波長領域を含
   むものを含有している特許請求の範囲第１項記載の光分
   波・合波素子。 ３、分岐部に結合する光導波路のうち、少なくとも１つ
   は、前記分岐部に結合する他の光導波路中に含有された
   螢光物質の励起波長領域光さらには発光波長領域光を低
   損失伝搬し得る螢光物質を含有している特許請求の範囲
   第１項記載の光分波・合波素子。 ４、分岐部を有する光導波路構造が複数積層された特許
   請求の範囲第１項記載の光分波・合波素子。