JP2006330436A - 光合波器 - Google Patents

Abstract

【課題】 光合波による損失を低減できる光合波器を提供する。
【解決手段】 複数の光入射部１１と、それら光入射部１１に接続され、複数のコア２２を有する光導波路１２と、その光導波路１２に接続され、光導波路１２のコア径より大きな径の受光面１６を有する一つの光受光部１３とを備えた光回路において、光導波路１２の複数のコア２２を収束させ、その出射端２５を上記光受光部１３の受光面１６より小さい領域に配列した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、波長多重光通信技術に用いられる光回路に係り、特に光合波器に関するものである。

従来、波長分割多重通信（ＷＤＭ）システムには光合分波器が不可欠であり、光導波路型や光ファイバ型の光合波器がある。

例えば、図６に光導波路型の光合波器６０を示す。

光合波器６０は、コアとクラッドからなる光導波路であり、４つの入射端６１ａ〜ｄと１つの出射端６２と３つのＹ字型結合部６３ａ〜６３ｃを備える。隣り合う２つの入射端６１ａ，６１ｂよりそれぞれ延出するコア６４ａ，６４ｂはＹ字型結合部６３ａでコア６５ａに結合され、残りの２つの入射端６１ｃ，６１ｄよりそれぞれ延出するコア６４ｃ，６４ｄはＹ字型結合部６３ｂでコア６５ｂに結合される。

コア６５ａとコア６５ｂとはＹ字型結合部６３ｃでさらにコア６６に結合され、結合されたコア６６は出射端６２に延出している。

４つの入射端６１ａ〜６１ｄから波長の異なる信号光をそれぞれ入射させると、各結合部６３ａ〜６３ｃで合波され、出射端６２より４つの異なる波長が合波された波長多重光が出力される。

特開平１１−１１９０４２号公報

しかしながら、図６に示すような光合波器６０がシングルモード導波路で形成されている場合、Ｙ字型結合部６３ａ〜６３ｃにおいて、２つの信号光が合波される際に約３ｄＢの損失を生じるといった問題がある。また、マルチモード導波路で形成された光合波器でも３ｄＢに近い損失が生じてしまう。

４波長を合波させる光合波器の場合、入射された光は、一つの光路においてＹ字型結合部で２回合波されるので、出射端では約６ｄＢの損失が生じてしまう。

さらに、８波長の光を合波する光合波器をＹ字型結合部を用いて形成した場合、一つの光路においてＹ字型結合部で３回合波されるので出射端では約９ｄＢの損失が生じることになる。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、光合波の際に生じる損失を低減した光合波器を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、複数の光入射部と、それら光入射部に接続され複数のコアを有する光導波路と、その光導波路に接続され光導波路のコア径より大きな径の受光面を有する一つの光受光部とを備えた光回路において、上記光導波路の複数のコアを収束させ、その出射端を上記光受光部の受光面より小さい領域に配列した光合波器である。

請求項２の発明は、上記光導波路のコアをその出射端で上下に積層構造にすると共に左右に等間隔に格子状に配列した請求項１記載の光合波器である。

請求項３の発明は、上記光導波路の複数のコアの出射端を正多角形状に配列した請求項１または２記載の光合波器である。

請求項４の発明は、上記光導波路が高分子材料で形成される請求項１〜３いずれかに記載の光合波器である。

請求項５の発明は、上記光回路の光受光部がマルチモード光ファイバである請求項１〜４いずれかに記載の光合波器である。

請求項６の発明は、上記光回路の光入射部がそれぞれレーザダイオードである請求項１〜５いずれかに記載の光合波器である。

本発明によれば光合波による損失を低減できるといった優れた効果を発揮する。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は本発明に係る光合波器の好適な実施の形態を示した平面図である。

図１に示すように、本実施の形態の光合波器１０は、複数の光入射部１１と、それら光入射部１１に接続された光導波路１２と、光導波路１２に接続された光受光部１３とで構成された光回路である。

光入射部１１は、光導波路１２のコア２２ａ〜２２ｄに光を入射させる部材である。光入射部１１としては、光源や、外部の素子より導入された光を伝送する光ファイバや光導波路が挙げられる。

本実施の形態では光入射部１１として光源となるレーザダイオードを用いた。複数の光入射部１１はレーザマウント１５に固定されている。光入射部１１としてはＬＤの他に発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いてもよい。また、光入射部１１として、光ファイバや光導波路を用いる際には、コア径の小さなシングルモードの光ファイバや光導波路を用いるのが好ましい。

光受光部１３は、光導波路１２から出射された光を受光する部材である。光受光部１３としては、光検出器や、外部の素子へ光を伝送する光ファイバや光導波路が挙げられる。本実施の形態では、光受光部１３として光ファイバを用いた。光ファイバ１３は、受光面１６となるコア１７の径が大きいマルチモード光ファイバが好ましい。本実施の形態では使用できる帯域の高いグレートインデックス（ＧＩ）型の光ファイバ１３を用いたが、ステップインデックス（ＳＩ）型の光ファイバ等、他のマルチモード光ファイバを用いてもよい。

光受光部１３として光受光器を用い、光受光器を直接光導波路１２に接続するときには、光受光器の応答速度が３ＧＨｚ以上である高速のものが望ましい。

次に、光導波路１２について説明する。

図２（ａ）〜図２（ｃ）に示すように、光導波路１２は、基板２１と、基板上に形成された複数本のコア２２ａ〜２２ｄと、そのコア２２ａ〜２２ｄを覆うクラッド２３とで構成されている。本実施の形態の光導波路１２では、４本のコア２２ａ〜２２ｄを備えている。４本のコア２２ａ〜２２ｄは上下２段に２本ずつ積層されている。具体的には、図２（ｂ）中、最も右に位置するコア２２ａと、右から３番目のコア２２ｃを下段に配置し、右から２番目のコア２２ｂと最も左に位置するコア２２ｄとが上段に積層されている。

コア２２ａ〜２２ｄは、基板２１の一側端に配置される複数の入射端２４ａ〜２４ｄから、それぞれ基板２１の他側端に配置される複数の出射端２５まで形成されている。さらに、コア２２ａ〜２２ｄは、入射端２４ａ〜２４ｄから出射端２５ａ〜２５ｄにかけて各々のコア間隔を狭めるように収束されて形成されている。複数の出射端２５ａ〜２５ｄは、上下に積層構造にされると共に、左右に等間隔に格子状に配列されているのが好ましい。また、複数の出射端を正多角形状に配置してもよく、複数の出射端で構成される出射端群がその中心において点対称となる形に複数の出射端を配列してもよい。

本実施の形態では、４つの出射端２５ａ〜２５ｄが２×２正方形の格子状に配列されている。すなわち、上層の出射端２５ｂ，２５ｄと下層の出射端２５ａ，２５ｃとがそれぞれ基板垂直方向で整列し、互いに隣り合う出射端間（図２（ｃ）中、２５ｂと２５ｄ、２５ｄと２５ｃ、２５ｃと２５ａ、２５ａと２５ｂ）の距離が等しくなるように配列している。

さて、本実施の形態の光合波器１０は、光導波路１２のコア２２ａ〜２２ｄの出射端２５ａ〜２５ｄを光受光部１３の受光面１６より小さい領域に配列したことに特徴がある。

図３に示すように、光受光部１３である光ファイバの受光面１６内に、光導波路１２のコア２２の出射端２５がすべて収まるように、光導波路１２と光ファイバ１３が接続されている。このとき、軸ずれによる損失を低減するために、複数の出射端２５ａ〜２５ｄからなる出射端群２７の中心と、受光面１６の中心とが一致するように接続される。

光導波路１２のコア幅は３〜２０μｍの範囲とした。また、光受光部１３としてコア径が５０〜６０μｍ程度のＧＩ型の光ファイバを接続する際には、光導波路１２のコア幅は３〜１５μｍであるのが好ましい。

コア幅が３μｍ未満では、光入射部１１から出射した光が光導波路１２に結合する際に大きな損失を生じるからである。また、複数の光入射部１１とコア２２ａ〜２２ｄの入射端２４ａ〜２４ｄとの位置合わせが困難になるからである。コア幅が２０μｍを超えると、光導波路１２の出射端２５ａ〜２５ｄで構成される出射端群２７の面積が、光受光部１３の受光面１６の面積より大きくなり、各出射端２５ａ〜２５ｄが受光面１６をはみ出し、合波による損失が大きくなってしまうからである。

本実施の形態では、光導波路１２をシングルモード導波路としたが、コア径が上記範囲内に収まれば、コア径の大きいマルチモード導波路としてもよい。

また、本実施の形態の光合波器１０では、光受光部１３への挿入損失を低減するべく、光導波路１２の出射端２５のＮＡ（拡がり角）が、光受光部１３である光ファイバのＮＡ（受光角）よりも小さくなるよう形成した。

次に、本実施の形態の作用について説明する。

複数の光入射部１１よりそれぞれ出射された波長の異なる光は、それぞれ光導波路１２のコア２２ａ〜２２ｄに入射し、それらのコア２２ａ〜２２ｄを出射端２５ａ〜２５ｄまで伝搬する。４つの出射端２５ａ〜２５ｄは一本の光ファイバ１３の受光面１６に接続されているので、コア２２ａ〜２２ｄを伝搬した光はすべて光受光部１３内へ入射する。このとき、４本のコア２２ａ〜２２ｄを別々の光路として伝搬した光は、１本の光路であるコア１７で結合されるので、各波長の異なる光は波長多重光として合波される。

本実施の形態の光合波器１０は、４波長の光を、Ｙ字型の結合部なし（光導波路１２の出射端２５と光受光部１３との接続部）で１つの波長多重光に合波しているため、光合波による損失を３ｄＢ以下に低減することができる。

本実施の形態では、光入射部１１にＬＤを用いているので、スポット径の小さな光を出射することができる。ひいては、光導波路１２をコア径の小さなシングルモード導波路とすると、モードフィールド径（ＭＦＤ）が１０μｍ程度と小さくすることができ、コア２２の出射端２５から受光部１３の受光面１６に結合する際の損失を低減することができる。

また、本実施の形態の光合波器１０は高分子材料で形成されるのが好ましい。以下に、光導波路１２を高分子材料で形成した例を説明する。

先ず、図４（ａ）に示すように、基板２１上に下部クラッド層３１を形成する。

図４（ｂ）に示すように、下部クラッド層３１上にコア材を成膜し、パターニングして下段のコア２２ａ，２２ｃを形成する。コア２２ａ，２２ｃのパターンは、コア材上にマスクパターンを形成して、その上方から露光し、露光された箇所を硬化させて、露光されない箇所を除去する直接露光法を用いて形成される。

直接露光法の他に、コア２２ａ，２２ｃのパターンは反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって形成してもよい。また、コア２２ａ，２２ｃのパターンの金型を作製して下部クラッド層３１上に設け、その金型内にコア材を注入したのちコア材を硬化させて形成してもよい。

次に、図４（ｃ）に示すように、下部クラッド層３１と下段コア２２ａ，２２ｃを覆う中間クラッド層３２を形成した後、図４（ｄ）に示すように、中間クラッド層３２上に上段のコア２２ｂ，２２ｄを形成する。上段のコア２２ｂ，２２ｄは、下段のコア２２ａ，２２ｃと同様な方法で形成することができる。

最後に、図４（ｅ）に示すように、中間クラッド層３２と上段コア２２ｂ，２２ｄを覆う上部クラッド層３３を形成して、ポリマ導波路（光導波路１２）が形成される。

ポリマ導波路は、光導波路のコア及びクラッド層を形成する材料に高分子材料を用いているため、各層をスピンコートによって成膜できる。よって、積層構造を有していても、ガラス系材料で形成された光導波路よりも容易に作製することができる。

本実施の形態では、光導波路１２のコア２２を積層構造に形成したが、コアを一層で形成し、その出射端をアレイ状（一列）に配置してもよい。

また、光導波路１２の出射端群２７と、光受光部１３の受光面１６との位置合わせ（調芯）をするための調芯用導波路を光導波路１２に形成してもよい。

例えば、図５に示すように、光導波路１２の出射端側において、出射端群２７の外側、即ち光受光部１３の周上（マルチモードファイバのクラッド等）に調芯用導波路の出射端３７が位置するように、光導波路１２に少なくとも１本以上の調芯用導波路を形成する（図では２本）。これにより、調芯用導波路に可視光を伝搬させ、調芯用導波路の出射端３７から見える光に合わせて光導波路１２と光受光部１３を接続することで、常に光導波路１２の出射端群２７の中心と光受光部１３の受光面１６の中心とを一致させることができる。出射端群２７の中心と受光面１６の中心を一致させることで、光軸ずれによる損失を低減することができる。

本実施の形態の光合波器を示す平面図である。 （ａ）は図１の光合波器の光導波路を示す平面図である。（ｂ）は、（ａ）の２Ｂ−２Ｂ線矢視図である。（ｃ）は、（ａ）の２Ｃ−２Ｃ線矢視図である。 光導波路の出射端と、光受光部の受光面の関係を説明する断面図である。 （ａ）〜（ｅ）はそれぞれ図２の光導波路の製造工程を説明するための一工程での断面図である。 調芯用導波路を形成した光導波路を説明する側面図ある。 従来の光合波器を示す平面図である。

符号の説明

１０ 光合波器
１１ 光入射部
１２ 光導波路
１３ 光受光部
１６ 受光面
２２ コア
２５ 出射端

Claims (6)

1. 複数の光入射部と、それら光入射部に接続され複数のコアを有する光導波路と、その光導波路に接続され光導波路のコア径より大きな径の受光面を有する一つの光受光部とを備えた光回路において、
   上記光導波路の複数のコアを収束させ、その出射端を上記光受光部の受光面より小さい領域に配列したことを特徴とする光合波器。
2. 上記光導波路の複数のコアをそれらの出射端で上下に積層構造にすると共に左右に等間隔に格子状に配列した請求項１記載の光合波器。
3. 上記光導波路の複数のコアの出射端を正多角形状に配列した請求項１または２記載の光合波器。
4. 上記光導波路が高分子材料で形成される請求項１〜３いずれかに記載の光合波器。
5. 上記光回路の光受光部がマルチモード光ファイバである請求項１〜４いずれかに記載の光合波器。
6. 上記光回路の光入射部がそれぞれレーザダイオードである請求項１〜５いずれかに記載の光合波器。
   

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