JP2002311265A - 波長合分波器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 より簡単な構造で、波長の異なる信号波の分
波、合波が可能な波長合分波器を提供する。 【解決手段】 波長の異なる複数の信号波と、信号波を
多重化した多重信号波との間の変換を行う波長合分波器
でにおいて、下部クラッド層と、導波路格子層と、上部
クラッド層とを含み、導波路格子層に入射する信号波又
は多重信号波が、導波路格子層を透過するように設計さ
れ、導波路格子層に入射する信号波又は多重信号波の入
射角を、導波路格子層を透過する波長の異なる信号波が
群速度分散を有するように傾ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、波長合分波器に関
し、特に、導波路格子を用いて信号波の分波、合波を行
う波長合分波器に関する。

【０００２】

【従来の技術】複数の波長の異なる信号波を多重化して
伝送するために、これらの信号の分波、合波を行う波長
合分波器が用いられる。図８は、高橋が「OPTRONICS, N
o. 5,p.141 (1996)」に発表したアレー導波路回折格子
（Arrayed-waveguide grading:AWG）を用いた波長合分
波器の概略図である。全体が２００で示される波長合分
波器は、シリコン酸化物等からなる基板２０１を含む。
基板２０１には、入力用導波路２０２、スラブ導波路２
０３、アレー導波路回折格子（以下、「ＡＷＧ」とい
う。）２０４、スラブ導波路２０５、出力用導波路２０
６が、順に接続するように集積されている。

【０００３】波長の異なる複数の信号波を含む入射波２
１０が、入力用導波路２０２の一端から入射する。入力
用導波路２０２の一端から入射した入射波２１０は、コ
リメートレンズとして働くスラブ導波路２０３に送られ
る。スラブ導波路２０３を通過した入射波２１０は、平
行波としてＡＷＧ２０４に入射する。ＡＷＧ２０４は、
等間隔で並べられた長さの異なる複数の導波路からな
る。ＡＷＧ２０４を通った信号波は集波レンズとして働
くスラブ導波路２０５を通る。ＡＷＧ２０４を通過した
信号波は、導波路間で位相のずれを生じ、これをスラブ
導波路２０５で集波することにより、波長の異なる各信
号波に分波できる。各信号波は出力用導波路２０６を通
って出射波２１１として出力用導波路２０６の一端から
出射する。

【０００４】このように、波長合分波器２００を用いる
ことにより、波長の異なる複数の信号波を含む入射波２
１０を、それぞれの信号波に分波された出射波２１１に
分波することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、波長合分波器
２００では、ＡＷＧ２０４により導波路間の位相のずれ
を生じさせるためにＡＷＧ２０４には一定の長さが必要
であり、ＡＷＧ２０４の小型化には一定の限界があっ
た。このため、波長合分波器２００の微細化、集積化が
制限されていた。また、ＡＷＧ２０４では、複数の導波
路を、所定の長さに精度良く形成する必要があり、製造
が困難であるとともに、製造コストも高くなっていた。

【０００６】そこで、本発明は、より簡単な構造で、波
長の異なる信号波の分波、合波が可能な波長合分波器の
提供を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、波長の異なる
複数の信号波と、該信号波を多重化した多重信号波との
間の変換を行う波長合分波器であって、下部クラッド層
と、該下部クラッド層の表面上に設けられた導波路格子
層であって、該下部クラッド層の表面に略平行な方向
に、屈折率の異なる第１屈折率層と第２屈折率層とが所
定のパターン長及び屈折率で交互に設けられた該導波路
格子層と、該導波路格子層の上に設けられた上部クラッ
ド層とを含み、該第１屈折率層と該第２屈折率層の該パ
ターン長及び屈折率が、該導波路格子層に入射する該信
号波又は該多重信号波が該導波路格子層を透過するよう
に設計され、該導波路格子層に入射する該信号波又は該
多重信号波の入射角が、該導波路格子層を透過する波長
の異なる該信号波が群速度分散を有するようにパターン
長方向から傾けられたことを特徴とする波長合分波器で
ある。かかる構造の波長合分波器を用いることにより、
比較的簡単な構造で、信号波の分波、合波を行うことが
可能となる。また、製造工程においても従来のような精
度の高い線幅等の制御が不要となり、製造コストの低減
も可能となる。また、波長合分波器の小型化が可能とな
り、かかる波長合分波器を組み込んだ集積回路の高密度
化等が可能となる。なお、第１屈折率層と第２屈折率層
のパターン長は通常は同じであるが、異なるように形成
することもできる。

【０００８】上記信号波及び上記多重信号波の入射及び
出射は、コリメータレンズを介した光ファイバで行なわ
れても良い。かかる波長合分波器を用いることにより、
光ファイバで伝送された信号波の分波、合波が可能とな
る。

【０００９】また、本発明は、更に、上記信号波又は上
記多重信号波を入射させる入力用導波路と、該信号波又
は該多重信号波を出射させる出力用導波路とを含むこと
を特徴とする波長合分波器でもある。このように、入力
用／出力用導波路を一体形成することにより、光集積回
路への組み込みも可能となる。

【００１０】上記入力用導波路と上記出力用導波路と
は、上記導波路格子層の対向する面にそれぞれ接続され
たものであっても良い。

【００１１】また、本発明は、上記入力用導波路から入
射した上記信号波又は上記多重信号波が、その波長及び
／又は偏波方向に依存した透過方向に上記導波路格子層
中を透過し、上記出力用導波路から出射することを特徴
とする波長合分波器である。このように、導波路格子層
中を信号波が透過する方向は信号波の波長や偏波特性に
依存するため、これらを考慮して入力用導波路の位置と
出力用導波路の位置とを定めることが好ましい。

【００１２】また、本発明は、更に、上記導波路格子層
の側面に、該導波路格子層を透過した上記信号波を該導
波路格子層中に反射させる反射層を設けたことを特徴と
する波長合分波器でもある。反射層を設けて、更に信号
波が導波路格子層を透過するようにすることにより、導
波路格子層から出射する分波された信号波の間の距離を
大きくすることができる。これにより、例えば、波長間
隔の狭い信号波を含む多重信号波の分波が可能となる。

【００１３】上記下部クラッド層、上記導波路格子層、
及び上記上部クラッド層は、石英系ガラスからなること
が好ましい。

【００１４】更に、上記入力用導波路及び上記出力用導
波路が、石英系ガラスからなることが好ましい。

【００１５】

【発明の実施の形態】実施の形態１．図１は、全体が１
００で示される、本発明の実施の形態にかかる波長合分
波器の概略図である。波長合分波器１００は、シリコン
基板（図示せず）上に形成された下部クラッド層１を含
む。下部クラッド層１は、主成分がＳｉＯ_２からなる石
英からなり、例えばＣＶＤ法により形成される。

【００１６】下部クラッド層１の上には、導波路格子層
２が設けられている。導波路格子層２の作製工程では、
まず、下部クラッド層１の上に、Ｇｅを約１０％ドープ
した石英をＣＶＤ法で堆積する。続いて、これをＲＩＥ
でエッチングして、導波路格子層２となる領域を形成す
る。

【００１７】次に、主成分がＳｉＯ_２からなる石英から
なる上部クラッド層（図示せず）を、例えばＣＶＤ法に
より形成する。続いて、上部クラッド層（図示せず）上
に、石英ガラス製の位相シフトマスクを重ねて、その上
からエキシマレーザ光を照射する。エキシマレーザ光の
照射条件は、４００ｍＪ／ｃｍ^２／ｐｕｌｓｅのエネル
ギー密度で、周波数６０Ｈｚ、照射時間１時間とする。
また、位相シフトマスクは、グレーティングピッチが１
０７８ｎｍのものを用いる。

【００１８】このように、エキシマレーザ光を照射する
ことにより、光が照射された導波路格子層２となる領域
の屈折率が変化する。この結果、下部クラッド層１の表
面に対して略平行な方向に、所定のパターン長で、第１
屈折率層２１（エキシマレーザ光の照射なし）と第２屈
折率層２２（エキシマレーザ光の照射あり）とが交互に
形成され、これが導波路格子層２となる。なお、パター
ン長は、第１屈折率層２１、第２屈折率層２２それぞれ
の、繰り返し方向の長さをいうものとする。

【００１９】波長合分波器１００では、例えば、下部ク
ラッド層１、上部クラッド層（図示せず）の屈折率が
１．４５８２となる。また、導波路格子層２では、第１
屈折率層２１（エキシマレーザ光の照射なし）の屈折率
が１．４６８８、第２屈折率層２２（エキシマレーザ光
の照射あり）の屈折率は、エキシマレーザ光の照射によ
り０．００２増加して１．４７０８となる。

【００２０】更に、波長合分波器１００では、導波路格
子層２の主反射帯が、導波路格子層２で分波又は合波が
行われる信号波の波長帯（λ１．．．λｎ）から僅かに
ずれた波長帯となるように、即ち、信号波の波長帯が、
導波路格子層２を透過できる波長帯となるように、第１
屈折率層２１、第２屈折率層２２の屈折率、パターン長
等が設計されている。

【００２１】図２は、導波路格子層２に入射する信号波
の波長と反射率の一例であり、横軸が入射する信号波の
波長、縦軸が反射率である。信号波は、導波路格子層２
のパターン長方向に向かって入射するものとする。図２
から分かるように、所定のパターン長、屈折率等を有す
る第１屈折率層２１、第２屈折率層２２からなる導波路
格子層２では、反射率が約１となる主反射帯を挟んで、
反射率が小さくなる波長帯域（図２中に使用波長帯とし
て表示）が存在する。従って、導波路格子層２で分波、
合波する信号波がこのような波長帯域（使用波長帯）と
なるように、第１屈折率層２１、第２屈折率層２２の屈
折率、パターン長等が設定される。

【００２２】図３は、異なる２つの波長（λ１、λ２、
λ１＜λ２）の信号波を含む多重信号波が導波路格子層
２に入射した場合の、それぞれの信号波の群速度方向を
示す。図３において、横軸は、導波路格子層２のパター
ン長方向（垂直方向）のブロッホベクトルであり、縦軸
は、パターン長方向に垂直な方向（平行方向）のウエイ
ブベクトルである。点線で表した方向（横軸に対してθ
ｐｈ）に入射した多重信号波は、波長λ１の信号波１
と、波長λ２の信号波２に分波される。信号波１は、点
線が曲線（ａ）と交わった点における曲線（ａ）の垂線
方向（θｇ１方向）に群速度方向を有する。一方、信号
波２は、点線が曲線（ｂ）と交わった点における曲線
（ｂ）の垂線方向（θｇ２方向）に群速度方向を有す
る。また、点線が直線（ｃ）と交わると、多重信号波は
全反射される。

【００２３】図３から分かるように、多重信号波が、横
軸と平行に入射した場合（θｐｈ＝０）、即ち、導波路
格子層２のパターン長方向に入射した場合、信号波１と
信号波２の群速度方向は略同一となる。θｐｈを次第に
大きくすると、信号波１と信号波２との群速度方向の違
いが次第に大きくなり、多重信号波が導波路格子層２に
よって全反射される直前において、群速度方向の違いが
最も大きくなる。従って、導波路格子層２のパターン長
方向は、導波路格子層２に対する多重信号波の入射方向
（図１の入射光１１の進行方向）に対して、多重信号波
が全反射しない範囲で、できる限り傾けることが好まし
い。

【００２４】一の具体例として、導波路格子層２を、屈
折率３．０の第１屈折率層２１と、屈折率３．６の第２
屈折率層２２から形成した場合を考える。第１屈折率層
２１と第２屈折率層２２のパターン長はそれぞれ８０ｎ
ｍであり、３０周期の格子とした。かかる導波路格子層
２に波長９１０ｎｍの信号波が入射した場合、導波路格
子層２を透過した信号光は、入射波の波長が１２ｎｍ異
なると、出射位置が、約３μｍ離れることとなる。

【００２５】この結果、図１に示すように、波長の異な
る（λ１．．．λｎ）複数の信号波を含む多重信号波１
１は、導波路格子層２を透過する間に、信号波毎に異な
る方向に伝搬し、導波路格子層２から信号波１２ごとに
分波されて出射される。このように、本実施の形態にか
かる波長合分波器１００を用いることにより、波長の異
なる複数の信号波を含む多重信号波１１を、それぞれの
信号波１２に分波することができる。

【００２６】図４は、上述の構造を有する導波路格子層
２に対して入射角０°で、即ちパターン長方向に信号波
を入射させた場合の、透過波長特性の測定結果である。
図４において、横軸は信号波の波長を示し、縦軸は光強
度を示す。上述の導波路格子層２の反射特性は、ブラッ
グ波長が１５６７ｎｍ、反射率が９９．９％、帯域が
１．８ｎｍであった。従って、かかる導波路格子層２で
は、入射信号波が全反射する波長帯域の近傍の、反射率
が小さくなる波長（図２の使用波長帯）が１５６４．５
ｎｍ付近と１５６９．５ｎｍ付近となり、かかる波長近
傍の信号光を含む多重信号波の分波、合波に適している
ことがわかる。

【００２７】更に、導波路格子層２の反射特性は偏波依
存性を有するため、ＴＥ波とＴＭ波とでは波長が同一で
も、導波路格子層２を伝搬する群速度方向が異なってく
る。従って、多重信号波に含まれる信号波の間の波長間
隔が狭く、導波路格子層２からの出射位置を大きく分離
できない同一偏波の多重信号波の場合、多重信号波に含
まれる信号波を異なる偏波方向の信号波として入射させ
ることにより、出射位置を大きく離すことができるよう
になる。

【００２８】実施の形態２．図５は、全体が１１０で示
される、本発明の実施の形態２にかかる波長合分波器の
概略図である。図１と同一符号は、同一又は相当箇所を
示す。波長合分波器１１０では、下部クラッド層１を形
成した後に、下部クラッド層１上に、Ｇｅを約１０％ド
ープした石英をＣＶＤ法で堆積する。続いて、これをＲ
ＩＥでエッチングして、導波路格子層２となる領域とと
もに、かかる領域を挟んで設けられた入力用導波路３と
出力用導波路４（それぞれコア部）とを形成する。続い
て、上述の波長合分波器１００と同様の工程で、上部ク
ラッド層（図示せず）を形成した後に、エキシマレーザ
光を照射して、第１屈折率層２１と第２屈折率層２２か
らなる導波路格子層２を形成する。これにより、入力用
導波路３と出力用導波路４とが、導波路格子層２の両側
にそれぞれ設けられた波長合分波器１１０が形成され
る。

【００２９】波長合分波器１００としては、例えば、下
部クラッド層１、上部クラッド層（図示せず）の屈折率
が１．４５８２、入力用導波路３、出力用導波路４（コ
ア部）の屈折率が１．４６８８となり、屈折率差は約
０．８％となる。また、導波路格子層２では、第１屈折
率層２１（エキシマレーザ光の照射なし）の屈折率は
１．４６８８、第２屈折率層２２（エキシマレーザ光の
照射あり）の屈折率は１．４７０８となる。

【００３０】このように、本実施の形態にかかる波長合
分波器１１０では、導波路格子層２（スラブ型導波路格
子層）と、入力用導波路３及び出力用導波路４とが、同
一シリコン基板上に集積形成され、入力用導波路３から
入射した多重信号波１１は、それぞれの信号波１２に分
波されて、出力用導波路４から出射する。

【００３１】実施の形態３．図６は、全体が１２０で示
される、本発明の実施の形態３にかかる波長合分波器の
概略図である。図１と同一符号は、同一又は相当箇所を
示す。波長合分波器１２０では、導波路格子層２の側面
に反射膜５、６が設けられている。入力用導波路３から
入射した多重信号波１１は、導波路格子層２中を伝搬し
て反射膜４で反射され、更に導波路格子層２中を伝搬し
て反射膜６で反射され、再度導波路格子層２中を伝搬し
て、出力用導波路４からそれぞれの信号波に分波されて
出射される。反射膜４、５には、例えば金属膜や、入射
する信号波を全反射するような構造の導波路格子膜から
なる。

【００３２】かかる波長合分波器１２０では、導波路格
子層２中を伝搬する信号波の伝搬距離が、反射膜４、５
を設けない場合の約３倍とすることができる。これは、
導波路格子層２の長さ（図５の横方向の長さ）を約３倍
にしたことに相当する。従って、導波路格子層２の出射
側における、分波された信号波の出射位置の間隔をより
大きくすることができる。

【００３３】これにより、波長合分波器１２０の寸法を
大きくすることなく、例えば波長間隔の狭い信号波を含
む多重信号波の分波が可能となる。

【００３４】なお、導波路格子層２に対して１の反射層
５のみを設けて、入力用導波路３と出力用導波路とを、
導波路格子層２の同一側面に設けてもかまわない。ま
た、反射層５、６に加えて、更に反射層を設けることも
可能である。

【００３５】実施の形態４．図７は、全体が１３０で示
される、本発明の実施の形態４にかかる波長合分波器の
概略図である。図１と同一符号は、同一又は相当箇所を
示す。波長合分波器１３０は、シリコン基板上（図示せ
ず）に設けられた下部クラッド層と上部クラッド層（い
ずれも図示せず）と、これらに挟まれた導波路格子層２
からなる。導波路格子層２は、交互に設けられた第１屈
折率層２１と第２屈折率層２２とを含む。

【００３６】波長合分波器１３０には、光ファイバ７中
を伝搬してきた、波長の異なる複数の信号光を含む多重
信号波が、コリメータレンズ９を通って平行な多重信号
波１１となって入射する。光ファイバ７中を通る多重信
号波は、必ずしも平行光線ではないため、コリメータレ
ンズ９を通して平行な多重信号波１１とする。

【００３７】多重信号波１１が導波路格子層２に入射す
る角度や、導波路格子層２の設計条件は、上記実施の形
態１の場合と同じである。導波路格子層２中を伝搬する
信号波は、波長のことなる信号波毎に異なる方向に伝搬
し、導波路格子層２の異なった位置から、それぞれの波
長の信号波１２に分かれて出射される。それぞれの信号
波１２は、コリメータレンズ１０を介して集光されて、
それぞれの光ファイバ８に入射し伝送される。

【００３８】このように、本実施の形態にかかる波長合
分波器１３０を用いることにより、波長の異なる複数の
信号波を含む多重信号波１１を、それぞれの信号波１２
に分波することができる。

【００３９】なお、実施の形態１〜４では、波長の異な
る複数の信号波を含む多重信号波を、それぞれの信号波
に分波する場合について述べたが、逆に波長合分波器１
００、１１０、１２０、１４０の出射側から波長の異な
る複数の信号波をそれぞれ入射させることにより、これ
らの信号波を一の多重信号波に合波することもできる。

【００４０】また、実施の形態１〜４では、石英系ガラ
スを用いた波長合分波器について説明したが、例えば、
他の半導体材料、高分子材料等を用いてかかる波長合分
波器を作製することも可能である。

【００４１】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
にかかる波長合分波器では、簡単な構造で、波長の異な
る信号波の分波、合波が可能となる。

【００４２】また、波長合分波器の小型化、低コスト化
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態１にかかる波長合分波器
の概略図である。

【図２】 導波路格子層に入射する信号波の波長と反射
率の関係である。

【図３】 多重信号波が導波路格子層に入射した場合
の、それぞれの信号波の群速度方向である。

【図４】 導波路格子層の透過波長特性である。

【図５】 本発明の実施の形態２にかかる波長合分波器
の概略図である。

【図６】 本発明の実施の形態３にかかる波長合分波器
の概略図である。

【図７】 本発明の実施の形態４にかかる波長合分波器
の概略図である。

【図８】 従来の波長合分波器の概略図である。

【符号の説明】

１ 下部クラッド層、２ 導波路格子層、３ 入力用導
波路、４ 出力用導波路、１１ 多重信号波、１２ 信
号波、２１ 第１屈折率層、２２ 第２屈折率層、１０
０ 波長合分波器。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 波長の異なる複数の信号波と、該信号波
   を多重化した多重信号波との間の変換を行う波長合分波
   器であって、 下部クラッド層と、 該下部クラッド層の表面上に設けられた導波路格子層で
   あって、該下部クラッド層の表面に略平行な方向に、屈
   折率の異なる第１屈折率層と第２屈折率層とが所定のパ
   ターン長及び屈折率で交互に設けられた該導波路格子層
   と、 該導波路格子層の上に設けられた上部クラッド層とを含
   み、 該第１屈折率層と該第２屈折率層の該パターン長及び屈
   折率が、該導波路格子層に入射する該信号波又は該多重
   信号波が該導波路格子層を透過するように設計され、 該導波路格子層に入射する該信号波又は該多重信号波の
   入射角が、該導波路格子層を透過する波長の異なる該信
   号波が群速度分散を有するように該パターン長方向から
   傾けられたことを特徴とする波長合分波器。
2. 【請求項２】 上記信号波及び上記多重信号波の入射及
   び出射が、コリメータレンズを介した光ファイバで行な
   われたことを特徴とする請求項１に記載の波長合分波
   器。
3. 【請求項３】 更に、上記信号波又は上記多重信号波を
   入射させる入力用導波路と、該信号波又は該多重信号波
   を出射させる出力用導波路とを含むことを特徴とする請
   求項１に記載の波長合分波器。
4. 【請求項４】 上記入力用導波路と上記出力用導波路と
   が、上記導波路格子層の対向する面にそれぞれ接続され
   たことを特徴とする請求項３に記載の波長合分波器。
5. 【請求項５】 上記入力用導波路から入射した上記信号
   波又は上記多重信号波が、その波長及び／又は偏波方向
   に依存した透過方向に上記導波路格子層中を透過し、上
   記出力用導波路から出射することを特徴とする請求項３
   又は４に記載の波長合分波器。
6. 【請求項６】 更に、上記導波路格子層の側面に、該導
   波路格子層を透過した上記信号波を該導波路格子層中に
   反射させる反射層を設けたことを特徴とする請求項１に
   記載の波長合分波器。
7. 【請求項７】 上記下部クラッド層、上記導波路格子
   層、及び上記上部クラッド層が、石英系ガラスからなる
   ことを特徴とする請求項１に記載の波長合分波器。
8. 【請求項８】 上記入力用導波路及び上記出力用導波路
   が、石英系ガラスからなることを特徴とする請求項３に
   記載の波長合分波器。