JP2000081534A

JP2000081534A - 多モード干渉光カプラ

Info

Publication number: JP2000081534A
Application number: JP25085598A
Authority: JP
Inventors: Takashi Saida; 隆志才田; Masayuki Okuno; 将之奥野; Akira Himeno; 明姫野
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1998-09-04
Filing date: 1998-09-04
Publication date: 2000-03-21

Abstract

(57)【要約】【課題】多モード干渉光カプラにおいて、低損失化を
図る。【解決手段】基板１１上に入力光導波路１２ａ，１２
ｂと出力光導波路１４ａ，１４ｂとの間に多モード光導
波路１３を配置して多モード干渉光カプラを構成し、入
力光導波路１２ａ，１２ｂと出力光導波路１４ａ，１４
ｂの少なくとも一方の導波路幅が導波方向に変化させ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信の分野に
て、光信号を分岐あるいは結合するために用いられる多
モード干渉光カプラに関する。

【０００２】

【従来の技術】光通信のさらなる発展のためには、光フ
ァイバと受・発光素子の高性能化、低価格化に加えて、
光カプラ、光スイッチ、光波長フィルタなど各種光回路
部品の開発が不可欠である。特に光カプラは、光信号を
分岐、あるいは結合する機能を持ち、網的な光通信構成
を実現するために必須の光部品である。

【０００３】光カプラの実現形態としては、従来からバ
ルク型、ファイバ型、導波路型が提案されているが、光
導波路型光カプラは平面基板上の光導波路を基本とし
て、フォトリソグラフィ技術および微細機構技術により
再現性良く一括大量生産できることから将来型の光カプ
ラとして期待される。

【０００４】光導波路型光カプラの構成法としては、従
来、スターカプラ、Ｙ分岐回路、方向性結合器、多モー
ド干渉光カプラが提案されている。中でも、多モード干
渉光カプラは、結合比の波長依存性及び偏波依存性がと
もに小さく、且つ、作製誤差に対する許容度が大きいと
いう特徴がある。

【０００５】図８に従来の二入力二出力の多モード干渉
光カプラの構成を示す。図８に示すように、従来の多モ
ード干渉光カプラ100は、基板101の上に入力光導波路10
2a，102b、多モード光導波路103、出力光導波路104a，1
04bから構成されている。

【０００６】この従来の二入力二出力の多モード干渉光
カプラ100の原理を説明すると、今、入力光導波路102a
の信号光が入力された場合、多モード光導波路入力端10
5にて、信号光が入力光導波路102aの導波モードから多
モード光導波路３の複数のモードに変換される。これを
式で示すと以下式（１）のようになる。

【０００７】

【数１】

【０００８】ここで、α_mはモード番号ｍのモードへの
分配率であり、ｈ_inは入力光導波路102aの導波モードの
電界分布、ｈ_mは多モード導波路103のモード番号ｍの
モードの電界分布である。

【０００９】多モード光導波路103においては、複数の
モードのうち、あるモード番号Ｍ以下のモードは導波さ
れ（導波モード）、Ｍより大きいモード番号をもつモー
ドは散逸される（放射モード）。従って、導波モードの
みが多モード光導波路103中を導波し、多モード光導波
路の出力端106に達する。ここでモード番号ｍ（ｍ＝
０，１，２，３・・・Ｍ）の導波モードの伝搬定数をβ
_mとすれば、多モード光導波路の出力端106における電
界は次式（２）で与えられる。

【００１０】

【数２】

【００１１】ただし、Ｌは多モード光導波路103の長さ
である。そして、β_mは近似的に次式（３）で表され
る。

【００１２】

【数３】

【００１３】ただし、Ａ及びＬπはモード番号ｍによら
ない定数である。従って、Ｌ＝３Ｌπ（ｑ／２）（ｑ＝
１，３，５・・・）となるように多モード光導波路103
の長さを設定すれば、多モード光導波路の出力端106に
おける電界ｈ_outは共通の位相を除いて次式で与えられ
る。

【００１４】

【数４】

【００１５】この従来の多モード干渉光カプラの構造の
対称性により、ｍが偶数のときのｈ _mが軸107に対して
偶関数であり、ｍが奇数のときのｈ_mが軸７に対して奇
関数であることに注意すると、ｈ_outはｈ_inそのもの
（式（５）第１項）と、ｈ_inの軸107に対する鏡像（式
（５）第２項）の和で与えられることがわかる。従っ
て、入力光導波路102aに導入された光信号は、出力光導
波路104a及び104bに１：１に配分される。

【００１６】更に、２つの入力光導波路102a，102bの位
置を多モード光導波路103の幅を３等分するように配置
すれば、ｍ＝２，５，８・・・のモード番号を持つ導波
モードが励起されていないので、式（２）〜（４）より
多モード光導波路103の長さをＬ＝Ｌπ（ｑ／２）（ｑ
＝１，３，５・・・）とすればよく、前述の場合の１／
３の長さで実現できることも指摘されている。（例え
ば、"Planar Monomode Optical Couplers Based on Mul
timode Interference Effects," Journal of Lightwave
Technology,pp.1843-1850,vol.10,1992)

【００１７】なお、一般に、図９に示すようなＮ入力Ｎ
出力の多モード干渉光カプラ200の場合には、多モード
干渉光導波路203の長さをＬ＝３Ｌπ（ｑ／Ｎ）（ｑは
Ｎと素な整数）とすればよいことが提案されている。ま
た、図１０に示すような１入力Ｎ出力の多モード干渉光
カプラ300の場合には、入力光導波路102を多モード光導
波路103の中心に配設すれば、ｍが偶数のモードのみが
励起されるので、Ｌ＝３Ｌπ（ｑ／４Ｎ）（ｑはＮと素
な整数）とすればよいことが提案されている。（例え
ば、"Optical Bandwidth and Fabrication Tolerances
of Multimode Interference Coupler," Journal of Lig
htwave Technology,pp.1004-1009,vol.10,1994)

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の多モー
ド干渉光カプラ100，200，300にあっては、他の光カプ
ラと比較して波長依存性が小さく、作製誤差に強いとい
う特徴を持つが、他のカプラ、特に、方向性結合器と比
較して損失が大きいという問題がある。

【００１９】この損失は、以下のように分類でき、に
よる損失を「放射モードとの結合による損失」、によ
る損失を「結像ぼけによる損失」と称する。入力光導波路に導入された信号光パワーのうち一部
が多モード部の放射モードに結合して散逸することによ
る損失、及び多モード部を導波してきた光パワーのうち
一部が出力光導波路の放射モードに結合して散逸するこ
とによる損失実際の光回路では、式(3) の近似が成立しないた
め、多モード光導波路を伝搬する各モードが出力光導波
路に像を完全には再結像しないことによる損失

【００２０】このような多モード干渉光カプラの比較的
大きな損失は、多モード干渉光カプラを多数用いる大規
模光回路を実現する上で、克服しなければならない問題
である。例えば、１６×１６のマトリクススイッチを多
モード干渉光カプラを利用したダブルゲートスイッチで
実現する場合、信号光は１７段の光スイッチ、即ち、３
４個の多モード干渉光カプラを経由する。（例えば、"L
ow-Loss and HIgh-Extinction-Ratio Silica-Based Str
ictly Nonblocking 16×16 Thermooptic Matrix Switc
h" Photonics Technology Letters,pp.810-812,vol.10,
1998)

【００２１】従って、多モード干渉光カプラ１個当たり
０．１dBの損失がある場合、マトリクススイッチ全体で
の損失は３．４dBとなり、光パワーの半分以上が失われ
てしまう。

【００２２】多モード干渉光カプラにおける前述した
の「結像ぼけによる損失」は、比屈折率差の大きな光導
波路では小さく、また比屈折率差の小さな光導波路につ
いても最近、金属を多モード光導波路側壁に埋め込む手
法により、これを低減できることが示されている。（例
えば、"High-Performance Metal-Clad multimode Inter
ference Device for Low-Index-Contract Material Sys
tems," Photonics Technology Letters,pp.561-563,vo
l.10,1998)

【００２３】しかしながら、前述したの「放射モード
との結合による損失」に関しては、現状では有効な対策
がない。

【００２４】先に述べたように従来の多モード干渉光カ
プラでは、損失が比較的大きいという問題があるため、
本発明では、低損失化を図った多モード干渉光カプラを
提供することを目的とする。

【００２５】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めの請求項１の発明の多モード干渉カプラは、基板上に
少なくとも一つの入力光導波路及び少なくとも二つの出
力光導波路あるいは少なくとも二つの入力光導波路及び
少なくとも一つの出力光導波路と、前記入力光導波路と
前記出力光導波路の間に配置された多モード光導波路と
を有する多モード干渉光カプラにおいて、前記入力光導
波路と前記出力光導波路の少なくとも一方の導波路幅が
導波方向に変化していることを特徴とするものである。

【００２６】また、請求項２の発明の多モード干渉カプ
ラでは、請求項１記載の多モード干渉光カプラが、ガラ
ス光導波路により実現されていることを特徴としてい
る。

【００２７】前述したように、多モード干渉光カプラに
おける損失要因の一つは、入力光導波路に導入された光
パワーの一部が多モード光導波路の放射モードに結合す
ること、及び多モード部を導波する光パワーの一部が出
力光導波路の放射モードに結合することである。そこ
で、本発明の多モード干渉光カプラでは、多モード光導
波路の放射モードは空間的に急峻に変化する電界分布を
持つので、入力光導波路及び出力光導波路において導波
路幅を変化させることで、入力光導波路及び出力光導波
路における電界分布を空間的に緩やかな成分に変換し、
これにより多モード光導波路の放射モードとの結合によ
る損失を減少させることで、損失の低減を図ることがで
きる。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実
施の形態を詳細に説明する。

【００２９】図１に本発明の第１実施形態に係る二入力
二出力の多モード干渉光カプラの構成、図２に本実施形
態の多モード干渉光カプラにおける入出力導波路幅に対
する損失を表すグラフ、図３に導波路幅変更機能により
入出力導波路幅を１５μｍに広げた多モード干渉光カプ
ラにおける多モード導波路長に対する損失と分岐比を表
すグラフ、図４に導波路幅変更機能により入出力導波路
幅を９μｍに広げた多モード干渉光カプラにおける多モ
ード導波路長に対する損失と分岐比を表すグラフを示
す。

【００３０】なお、以下に説明する第１実施形態では、
光導波路としてシリコン基板上に形成した石英系単一モ
ード光導波路を使用した光導波路型多モード干渉光カプ
ラについて説明する。これはこの組み合わせが単一モー
ド光ファイバとの接続性に優れた光導波路型多モード干
渉光カプラを提供できるからである。更に説明を複雑に
しないためにもっとも簡単な例として二入力二出力の光
導波路型多モード干渉光カプラに限定して説明する。し
かしながら、本発明はこの例に限定されるものではな
い。

【００３１】図１に示すように、第１実施形態の光導波
路型多モード干渉光カプラ１０において、シリコン基板
１１上には、一対の石英系ガラス光導波路が入力光導波
路１２ａ，１２ｂとして配置され、石英系ガラス光導波
路が多モード光導波路１３として配置され、一対の石英
系ガラス光導波路が出力光導波路１４ａ，１４ｂとして
配置されている。ここで、入力光導波路１２ａ，１２
ｂ、出力光導波路１４ａ，１４ｂは導波路幅変換機能を
有している。即ち、本実施形態の多モード干渉光カプラ
１０では、導波路幅が多モード光導波路１３に向かって
広くなるように変化している。なお、本実施形態におい
ては、入力光導波路１２ａ，１２ｂ、出力光導波路１４
ａ，１４ｂの何れの導波路も導波路幅変換機能を有する
が、いずれか一方のみであってもよい。

【００３２】石英系光導波路の厚さは６μｍであり、比
屈折率差Δは０．７５％、入力光導波路１２ａ，１２ｂ
及び出力光導波路１４ａ，１４ｂの光導波路間隔は、各
光導波路１２ａ，１２ｂ及び１４ａ，１４ｂの中心位置
での間隔でそれぞれ１８μｍであるとする。また、入力
光導波路１２ａ，１２ｂ及び出力光導波路１４ａ，１４
ｂと多モード光導波路１３との導波路境界１５，１６に
おけるそれぞれの導波路幅は等しいとする。

【００３３】このとき、例えば、多モード光導波路１３
の幅を３２μｍとしたときの光カプラのモード不整合に
よる損失を、入力光導波路１２ａ，１２ｂ及び出力光導
波路１４ａ，１４ｂの多モード光導波路境界１５，１６
における導波路幅、Ｘの関数として計算したものを図２
に示す。この図１２に示すグラフからわかるように、入
力光導波路１２ａ，１２ｂ及び出力光導波路１４ａ，１
４ｂの多モード光導波路境界１５，１６における導波路
幅Ｘを大きくするのに伴って、多モード光導波路１３の
放射モードに結合することに起因する損失は減少するこ
とがわかる。ただし、入力光導波路１２ａ，１２ｂ及び
出力光導波路１４ａ，１４ｂの多モード光導波路境界１
５，１６における導波路幅Ｘを過度に大きくすると、再
び損失が増加する。これは多モード光導波路境界１５，
１６において、入力光導波路１２ａ，１２ｂ及び出力光
導波路１４ａ，１４ｂの導波路幅が、多モード光導波路
境界１５，１６の幅よりも大きくなるためである。従っ
て、放射モードとの結合による損失の観点から、多モー
ド干渉光カプラ１０における入力光導波路１２ａ，１２
ｂ及び出力光導波路１４ａ，１４ｂの幅には最適値が存
在する。

【００３４】しかしながら、通常、基板１１上の導波路
幅は、シングルモード条件、損失、許容される曲げ半
径、及び他の光回路との整合性等の観点から決定され
る。従って、多モード干渉光カプラ１０の入力光導波路
１２ａ，１２ｂ及び出力光導波路１４ａ，１４ｂにおい
て、基板１１上の他の部位での導波路幅から多モード干
渉光カプラ１０にとって最適な導波路幅に変換すること
により、多モード干渉光分岐結合回路の損失を低減する
ことができる。

【００３５】ただし、上記の例では多モード光導波路１
３の幅を３２μｍと決めたが、現実の光回路では前述し
た式（３）の近似が完全には成立しないので、多モード
光導波路１３の幅の値によっては分岐比が１：１とはな
らない。従って、実際の設計では、分岐比が１：１にす
るという観点から多モード光導波路１３の幅が最適化さ
れる。

【００３６】今、基板１１上の他の部位における導波路
幅を６μｍとする。従来の導波路幅を変換する機構を有
しない多モード干渉光カプラにあっては、入主出力光導
波路の導波路幅も同じく６μｍとなる。この従来の多モ
ード干渉光カプラについて多モード光導波路の幅を最適
化すると３２μｍとなる。この場合の損失及び分岐比を
多モード光導波路の長さを関数として計算すると、図１
１に表すものとなる。この図１１のグラフから、多モー
ド光導波路の長さ１４３０μｍのとき、分岐比０．５０
２、損失０．１３dBとなることがわかる。

【００３７】これに対して図１に示した本実施形態の多
モード干渉光カプラ１０において、導波路幅変更機構に
より入力光導波路の導波路幅を６μｍから１５μｍに変
換したときの、損失及び分岐比を多モード光導波路１３
の長さの関数として計算した結果を図３に示す。この図
３のグラフで、多モード光導波路１３の幅は分岐比で
１：１で損失が最低となるように３１．５μｍと決め
た。多モード光導波路１３の長さが２２５０μｍのと
き、分岐比０．５０１、損失０．０３dBが実現されてい
る。これにより本実施形態の低損失な多モード干渉光分
岐結合回路が実現できることがわかる。

【００３８】また、本実施形態による多モード干渉光カ
プラ１０において、導波路幅変更機構により導波路幅を
６μｍから９μｍに変換したときの、損失及び分岐比を
多モード光導波路１３の長さの関数として計算した結果
を図４に示す。この図４のグラフで、多モード光導波路
１３の幅は分岐比で１：１で損失が最低となるように３
５．５μｍと決めた。多モード光導波路１３の長さが１
５７０μｍのとき、分岐比０．５０１、損失０．０５dB
が実現されている。更に、この回路では、作製誤差等に
より多モード光導波路１３の長さが±１００μｍずれて
も分岐比は０．４９〜０．５１の間にとどまることがわ
かる。このように、本実施形態の副次効果として、作製
誤差に強い多モード干渉光カプラ１０を構成することが
可能となる。

【００３９】前述した導波路幅変更機構としては、図１
に第１実施形態として多モード干渉光カプラ１０で示し
た直線的に導波路幅を拡大する機構以外にも、曲線的に
導波路幅を拡大する機構としてもよく、光導波路変更位
置も、上記に示した位置以外とすることも可能である。

【００４０】図５に本発明の第２実施形態に係る二入力
二出力の多モード干渉光カプラの構成を示す。図５に示
すように、本実施形態の多モード干渉光カプラ２０で
は、基板２１上に、入力光導波路としての光導波路変換
機構を持つ直線光導波路２２ａ，２２ｂ及び曲線光導波
路２３ａ，２３ｂと、多モード光導波路２４と、出力光
導波路としての光導波路変換機構を持つ直線光導波路２
５ａ，２５ｂ及び曲線光導波路２６ａ，２６ｂとを接続
している。このような構成であっても、機能的には第１
実施形態の多モード干渉光カプラ１０と等価である。こ
こで曲線光導波路２３ａ，２３ｂ，２６ａ，２６ｂにお
いて、及びこれと直線光導波路２２ａ，２２ｂ，２５
ａ，２５ｂの接続部が、光導波路中心をずれているの
は、接続部の電界分布を整合させることで損失を低減す
る機能を持たせているためである。

【００４１】図６に本発明の第３実施形態に係る二入力
二出力の多モード干渉光カプラの構成を示す。図６に示
すように、本実施形態の多モード干渉光カプラ３０で
は、基板３１上に、入力光導波路としての直線光導波路
３２ａ，３２ｂ及び光導波路変換機構を持つ曲線光導波
路３３ａ，３３ｂと、多モード光導波路３４と、出力光
導波路としての直線光導波路３５ａ，３５ｂ及び光導波
路変換機構を持つ曲線光導波路３６ａ，３６ｂとを接続
している。このような構成であっても、機能的には第１
実施形態の多モード干渉光カプラ１０と等価である。こ
こでも、損失低減のために、曲線光導波路３３ａ，３３
ｂ，３６ａ，３６において、及びこれらと直線光導波路
３２ａ，３２ｂ，３５ａ，３５ｂの接続部を光導波路中
心をずらしている。

【００４２】以上のように、本発明の多モード干渉光カ
プラは、図１に示す第１実施形態の多モード干渉光カプ
ラ１０に限定されるものではなく、図２、図３に示す第
２、第３実施形態の多モード干渉光カプラ２０，３０の
ように、その要旨を逸脱しない限りにおいて変更が可能
である。

【００４３】そして、上記の各実施形態では、シリコン
基板上の石英系ガラス光導波路を基本とする光導波路型
多モード干渉光カプラ１０，２０，３０について、この
構成及び作用を説明したが、光導波路型多モード干渉光
カプラを構成しうる他の材料を用いて、例えば、プラス
チック系光導波路やイオン拡散型ガラス光導波路、ある
いは、ニオブ酸リチウム光導波路や半導体光導波路にも
本発明を適用することができる。

【００４４】更に、前述した各実施形態では、二入力二
出力の多モード干渉光カプラとして説明したが、少なく
とも一つの入力光導波路及び少なくとも二つの出力光導
波路を有する多モード干渉光カプラ、あるいは少なくと
も二つの入力光導波路及び少なくとも一つの出力光導波
路を有する多モード干渉光カプラとしてもよく、また、
多入力多出力の多モード干渉光カプラとしてもよい。

【００４５】図７に本発明の第４実施形態に係る多入力
多出力の多モード干渉光カプラの構成を示す。図７に示
すように、本実施形態の多モード干渉光カプラ４０にお
いて、シリコン基板４１上に、入力光導波路４２ａ，４
２ｂ・・・４２ｘと、多モード光導波路４３と、出力光
導波路４４ａ，４４ｂ・・・４４ｘとが接続されて配置
されており、入力光導波路４２ａ，４２ｂ・・・４２ｘ
及び出力光導波路４４ａ，４４ｂ・・・４４ｘが導波路
幅変換機能を有している。

【００４６】このように本発明の多モード干渉光カプラ
は、二入力二出力の多モード干渉光カプラに限らず、一
入力二出力の多モード干渉光カプラ、二入力一出力の多
モード干渉光カプラ、更に、多入力多出力多モード干渉
光カプラにも適用することができる。更に、一入力多出
力多モード干渉光カプラ、多入力一出力多モード干渉光
カプラにも適用することができることは言うまでもよ
い。

【００４７】

【発明の効果】以上、実施形態において詳細に説明した
ように請求項１の発明の多モード干渉光カプラによれ
ば、基板上に少なくとも一つの入力光導波路及び少なく
とも二つの出力光導波路あるいは少なくとも二つの入力
光導波路及び少なくとも一つの出力光導波路と、入力光
導波路と出力光導波路の間に配置された多モード光導波
路とで構成し、入力光導波路と出力光導波路の少なくと
も一方の導波路幅を導波方向に変化させたので、低損失
な多モード干渉光カプラとすることができる。

【００４８】また、請求項２の発明の多モード干渉光カ
プラによれば、ガラス光導波路を用いてこれを実現する
ので、容易に多モード干渉光カプラを作製することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る二入力二出力の多
モード干渉光カプラの構成図である。

【図２】本実施形態の多モード干渉光カプラにおける入
出力導波路幅に対する損失を表すグラフである。

【図３】導波路幅変更機能により入出力導波路幅を１５
μｍに広げた多モード干渉光カプラにおける多モード導
波路長に対する損失と分岐比を表すグラフである。

【図４】導波路幅変更機能により入出力導波路幅を９μ
ｍに広げた多モード干渉光カプラにおける多モード導波
路長に対する損失と分岐比を表すグラフである。

【図５】本発明の第２実施形態に係る二入力二出力の多
モード干渉光カプラの構成図である。

【図６】本発明の第３実施形態に係る二入力二出力の多
モード干渉光カプラの構成図である。

【図７】本発明の第４実施形態に係る二入力二出力の多
モード干渉光カプラの構成図である。

【図８】従来の二入力二出力の多モード干渉光カプラの
構成図である。

【図９】従来のＮ入力Ｎ出力の多モード干渉光カプラの
構成図である。

【図１０】従来の一入力Ｎ出力の多モード干渉光カプラ
の構成図である。

【図１１】従来の二入力二出力の多モード干渉光カプラ
における多モード導波路長に対する損失と分岐比を表す
グラフである。

【符号の説明】

１１，２１，３１，４１基板１２ａ，１２ｂ，４２ａ，４２ｂ・・４２ｘ入力光導
波路１３，２４，３４，４３多モード光導波路１４ａ，１４ｂ，４４ａ，４４ｂ・・４４ｘ出力光導
波路１５，２７，３７，４５多モード光導波路入力端１６，２８，３８，４６多モード光導波路出力端１７，２９多モード光導波路対称線２２ａ，２２ｂ，２５ａ，２５ｂ，３２ａ，３２ｂ，３
５ａ，３５ｂ直線光導波路２３ａ，２３ｂ，２６ａ，２６ｂ，３３ａ，３３ｂ，３
６ａ，３６ｂ曲線光導波路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に少なくとも一つの入力光導波路
及び少なくとも二つの出力光導波路あるいは少なくとも
二つの入力光導波路及び少なくとも一つの出力光導波路
と、前記入力光導波路と前記出力光導波路の間に配置さ
れた多モード光導波路とを有する多モード干渉光カプラ
において、前記入力光導波路と前記出力光導波路の少な
くとも一方の導波路幅が導波方向に変化していることを
特徴とする多モード干渉光カプラ。
【請求項２】請求項１記載の多モード干渉光カプラ
が、ガラス光導波路により実現されていることを特徴と
する多モード干渉光カプラ。