JP2012173396A - 光合分波器 - Google Patents

Abstract

【課題】光合分波器の小型化を実現する。
【解決手段】光合分波器は、スラブ１と、前記スラブ１に接続された入力導波路２と、前記スラブ１に接続された出力導波路３と、前記スラブ１の端面に形成された凹面回折格子４と、前記入力導波路２から前記凹面回折格子４に入射する光の主光線の軌跡１０１上に配置され、前記入力導波路２から入射する光を前記凹面回折格子４に反射する第１の反射面５と、前記凹面回折格子４から前記出力導波路３に進行する光の主光線の軌跡１０１上に配置され、前記凹面回折格子４から進行する光を前記出力導波路３に反射する第２の反射面６と、を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、光合分波器に関する。

波長多重光通信では波長多重された光信号を波長ごとに合波、分波するために、平面導波路光回路を形成した光合分波器が用いられる。

従来の技術では、平面導波路光回路においてスラブに凹面回折格子を形成し、入力導波路から入射する光を波長ごとの回折角度の差異を利用して合波・分波している。（例えば、下記非特許文献１参照）。

JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 25, NO. 5, MAY 2007

しかしながら、上記非特許文献１に記載の従来の技術では、凹面回折格子での回折角度の波長依存性が小さいため、十分な波長分離を実現するにはスラブ内で長い伝搬距離が必要となる。このため、光合分波器が大型化するという課題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、光合分波器の小型化を実現することを目的とする。

本発明にかかる光合分波器は、スラブと、前記スラブに接続された入力導波路と、前記スラブに接続された出力導波路と、前記スラブの端面に形成された凹面回折格子と、前記入力導波路から前記凹面回折格子に入射する光の主光線の軌跡上に配置され、前記入力導波路から入射する光を前記凹面回折格子に反射する第１の反射面と、前記凹面回折格子から前記出力導波路に進行する光の主光線の軌跡上に配置され、前記凹面回折格子から進行する光を前記出力導波路に反射する第２の反射面と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、光合分波器を小型化することができる、という効果を奏する。

この発明の実施の形態１、２にかかる光合分波器の構成例を示す図である。 この発明の実施の形態３にかかる光合分波器の構成例を示す図である。 この発明の実施の形態４にかかる光合分波器の構成例を示す図である。

以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、それぞれが本発明を具体化する際の一形態であって、本発明をその範囲内に限定するものではない。

実施の形態１．
図１は本実施の形態にかかる光合分波器の構成例である。図示するように、本実施の形態にかかる光合分波器は、スラブ１と、入力導波路２と、出力導波路３と、凹面回折格子４と、第１の反射面５と、第２の反射面６とを備える。スラブ１の材料は、例えば、シリコン、酸化シリコン、または、ＩｎＰなどの化合物半導体を用いることができる。また、図１では説明を簡単にするために、入力導波路２と出力導波路３はそれぞれ１つとしているが、必要なチャネル数に応じて複数本の導波路を並列配置してもよい。

入力導波路２はスラブ１に接続されており、スラブ１に光を入力する。出力導波路３はスラブ１に接続されており、スラブ１から光を出力する。軌跡１０１は入力導波路２から入力された光が、第１の反射面５、凹面回折格子４、第２の反射面６を順に経由して出力導波路３から出力されるまでの主光線の軌跡を示す。

凹面回折格子４は、スラブ１の端面に形成されており、入射光を入射角と波長に応じて回折角度方向に回折する。凹面回折格子４の曲率半径は２Ｒ（Ｒはローランド円の半径）とする。図１の例においては、第１の反射面５は凹面回折格子４が形成された端面とは別の端面に形成され、入力導波路２から入力された光を凹面回折格子４に反射する。また、第２の反射面６は、凹面回折格子４が形成された端面とは別の端面に形成され、凹面回折格子４から進行する光を出力導波路３に反射する。

第１の反射面５および第２の反射面６と主光線の軌跡１０１との交点は凹面回折格子４の面と接する曲率半径Ｒ／２の円周１０２上に配置される。

入力導波路２とスラブ１との接続点から第１の反射面５までの主光線の軌跡１０１の距離２０１と、第１の反射面５から凹面回折格子４までの主光線の軌跡１０１の距離２０２とは等しく配置される。同様に、出力導波路３とスラブ１との接続点から第２の反射面６までの主光線の軌跡１０１の距離２０３と、第２の反射面６から凹面回折格子４までの主光線の軌跡１０１の距離２０４とは等しく配置される。上述する配置は一例であり、本実施の形態が適用される配置はこの限りではない。図１に示す例によって各構成要素の配置や形状は限定されない。後述する図２、図３に示す例においても同様とする。

第１の反射面５の法線１０３と主光線の軌跡１０１とのなす角をθ_１、第２の反射面６の法線１０５と主光線の軌跡１０１とのなす角をθ_２とする。また、凹面回折格子４の面に対する法線１０４と凹面回折格子４に入射する光の主光線の軌跡１０１とのなす角をｉ、凹面回折格子４の面に対する法線１０４と凹面回折格子４から進行する光の主光線の軌跡１０１とのなす角をβとする。これらの反射は、例えば、凹面回折格子４、第１の反射面５、第２の反射面６の端面側壁に金属膜を形成すること、または、入射光線と反射面の相対角度が全反射条件を満足するように設計することなどにより実現される。金属膜の一例としてはアルミニウム膜が挙げられる。以降の実施の形態についても同様とする。

また、図１には、第１の反射面５に対する入力導波路２の鏡像１２と、第２の反射面６に対する入力導波路３の鏡像１３と、入力導波路２の鏡像１２から入力される光が凹面回折格子４で回折され、出力導波路３の鏡像１３から出力されるまでの主光線の軌跡１０６と、鏡像１２と鏡像１３に接続される仮想的なスラブ１１とが示されている（主光線の軌跡１０６において、第１の反射面５から凹面回折格子４までの軌跡と、凹面回折格子４から第２の反射面６まで軌跡は主光線の軌跡１０１と重なる。）。仮想的なスラブ１１と鏡像１２の接続点および仮想的なスラブ１１と鏡像１３との接続点は、それぞれ凹面回折格子４の面と接する曲率半径Ｒの円周１０７上に配置される。

仮想的なスラブ１１、鏡像１２で表される入力導波路、鏡像１３で表される出力導波路は従来の技術における反射面を用いない場合の光合分波器のレイアウトに相当する。これに対し、本実施の形態にかかる光合分波器は第１の反射面５、第２の反射面６を用いており、スラブ１のレイアウト面積を低減することができる。

以上のように、本実施の形態では、第１の反射面５と第２の反射面６を備えることにより、従来と比較して光合分波器のレイアウト面積を小型化することができる。また、スラブの面積の小型化により光合分波器の製造コストを削減することができる。

なお、本実施の形態では第１の反射面５および第２の反射面６の位置をちょうど曲率半径Ｒ／２の円周１０２上とし、入力導波路２の鏡像１２および出力導波路３の鏡像１３の仮想的なスラブ１１へのそれぞれの接続点が曲率半径Ｒの円周１０７上になる配置とした。しかし、本発明はこの配置に限定されるものではない。第１の反射面５、第２の反射面６を用いる本実施の形態にかかる光合分波器と反射面を用いない光合分波器との比較において、主光線の軌跡１０１の距離２０１および距離２０２の合計が仮想的なスラブ１１での入力導波路２の鏡像１２から凹面回折格子４までの主光線の軌跡１０６の距離と等しく、主光線の軌跡１０１の距離２０３および距離２０４の合計が仮想的なスラブ１１での出力導波路３の鏡像１３から凹面回折格子４までの主光線の軌跡１０６の距離と等しい、という関係があれば同様の効果が得られる。

実施の形態２．
本実施の形態ではθ_１とｉ、θ_２とβの関係が、２θ_１＝９０°＋ｉ、２θ_２＝９０°＋βの条件を満たすように第１の反射面５と第２の反射面６を形成する。

図１に示すように、実施の形態１の条件において、２θ_１＝９０°＋ｉ、２θ_２＝９０°＋βを満たした場合には、入力導波路２と出力導波路３の光軸方向が同方向となる。

以上の構成により、本実施の形態では実施の形態１と同様にスラブ１のレイアウト面積を小型化できる効果が得られるとともに、入力と出力の方向が同軸の光モジュールに内蔵する光学部品に本実施の形態にかかる光合分波器を適用することで、入力導波路または出力導波路での導波路曲げによる光軸方向の調整が不要となり、導波路を曲げることによる配置レイアウトの大型化や曲げ損失を回避できる。

なお、このような光合分波器を適用した光モジュールの具体例としては、入力導波路２に対してレーザ素子からの光を入射させた同軸のＴｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ Ｏｐｔｉｃａｌ−Ｓｕｂ Ａｓｓｅｍｂｌｙ、出力導波路３の出力をフォトダイオード素子により受光する同軸のＲｅｃｅｉｖｅｒ Ｏｐｔｉｃａｌ−Ｓｕｂ Ａｓｓｅｍｂｌｙなどがある。

実施の形態３．
本実施の形態ではθ_１とｉ、θ_２とβの関係が、２θ_１＝９０°＋ｉ、２θ_２＝１８０°−βの条件を満たすように第１の反射面５と第２の反射面６を形成する。

図２は本実施の形態にかかる光合分波器の構成例を示す図である。実施の形態１の図１とはθ_２の満たす条件が異なる。本実施の形態では２θ_２＝１８０°−βの関係にあるため、図示するように入力導波路２と出力導波路３の光軸方向が直交する。

以上の構成により、本実施の形態では実施の形態１と同様にスラブ１のレイアウト面積を小型化できる効果が得られるとともに、入力と出力が直交した配置となる光モジュールに本実施の形態にかかる光合分波器を適用することで、入力導波路または出力導波路での導波路曲げによる光軸方向の調整が不要となり、導波路曲げによるレイアウトの大型化や曲げ損失を回避できる。

本実施の形態にかかる光合分波器を適用した光モジュールの具体例としては、電気Ｉ／Ｆが光軸と直交方向に出ているバタフライ型パッケージの光モジュールなどが考えられる。

実施の形態４．
本実施の形態ではθ_１とｉ、θ_２とβの関係が、２θ_１＝９０°＋ｉ、２θ_２＝９０°−βの条件を満足するように第１の反射面５と第２の反射面６を形成する。

図３は本実施の形態にかかる光合分波器の構成例を示す図である。実施の形態１の図１とはθ_２の満たす条件が異なる。本実施の形態では２θ_２＝９０°−βの関係にあるため、図示するように入力導波路２から入力される光に対して出力導波路３から出力される光がスラブ１の同一側にある端面から折り返されて出力される。

以上の構成により、本実施の形態では実施の形態１と同様にスラブ１のレイアウト面積を小型化できる効果が得られるとともに、入力と出力が同一方向となる光モジュールに本実施の形態にかかる光合分波器を適用することで、入力導波路または出力導波路での導波路曲げによる光軸方向の調整が不要となり、導波路曲げによるレイアウトの大型化や曲げ損失を回避できる。

本実施の形態にかかる光合分波器を適用した光モジュールの具体例としては、例えば入力ファイバと出力ファイバを同一方向に取り出した光合分波器モジュールが考えられる。

実施の形態５．
実施の形態１乃至４において、第１の反射面５と第２の反射面６を設ける構成とした。本実施の形態では、第１の反射面５と第２の反射面６に対し、光合分波器を通る光の拡散角度を考慮した条件を満たす配置とする。

上述のように、実施の形態１にかかる光合分波器と反射面を用いない従来の光合分波器との間では、主光線の軌跡１０１の距離２０１および距離２０２の合計が仮想的なスラブ１１での入力導波路２の鏡像１２から凹面回折格子４までの主光線の軌跡１０６の距離と等しく、主光線の軌跡１０１の距離２０３および距離２０４の合計が仮想的なスラブ１１での出力導波路３の鏡像１３から凹面回折格子４までの主光線の軌跡１０６の距離と等しい関係にある。このため、実施の形態２乃至４で説明したθ_１とｉ、θ_２とβの関係以外に、θ_１とｉ、θ_２とβの関係は種々の態様をとることができ、入力導波路２と出力導波路３の光軸の配置には自由度がある。

例えば、図１の配置の場合では、主光線の軌跡１０１の距離２０２を変化させるか（それに伴い、距離２０１も変化する。）、または、主光線の軌跡１０１の距離２０４を変化させることで（それに伴い、距離２０３も変化する。）、入力導波路２と出力導波路３の光軸方向が同方向となる条件からずらした配置にする設計が可能である。あるいは、第１の反射面５、第２の反射面６の入射光に対する角度を変える場合も同様である。すなわち、適用する光モジュールの配置の要請に応じて入力導波路２と出力導波路３の光軸方向の配置をより同方向に近づけるか、または、同方向からずらすなどの調整をした設計が可能である。図２、図３の配置についても図１の配置と同様に、θ_１とｉ、θ_２とβの関係は実施の形態３、４で示した条件以外に種々の態様をとることができる。

一方で、主光線の軌跡１０１の距離２０２および距離２０４を不適切に変化させるなどにより、第１の反射面５および第２の反射面６が光合分波器内を通る拡散光の進路の一部を遮り、拡散光の一部が失われて光学損失が発生する場合がある。このため、第１の反射面５は入力導波路２からスラブ１内に入射する光の拡散角度に対応するように配置する必要がある。同様に、第２の反射面６は出力導波路３に入射する光の拡散角度に対応するように配置する必要がある。

各反射面を拡散角度に対応させる場合、図１の配置において、入力導波路２から第１の反射面に入射する光の拡散角度Ｘ、出力導波路３から見た第２の反射面から入射する光の拡散角度Ｙとすると、これらの角度で表される光線が第１の反射面５および第２の反射面６の端で交わる必要がある。さらに、第１の反射面５が第２の反射面６、または、第２の反射面６が第１の反射面５の影に入らないように配置するには、距離２０１をＬｉ１、距離２０２をＬｉ２、距離２０３をＬｏ１、距離２０４をＬｏ２とすると、以下の式を満たせばよい。

以上のように、本実施の形態では、入力導波路２の拡散角度Ｘ、出力導波路３の拡散角度Ｙで表される拡散光との交点で反射面の端を規定した。これによって、上述の実施の形態におけるスラブ１のレイアウト面積の小型化、入力導波路または出力導波路での導波路曲げによる光軸方向の調整が不要となり、導波路曲げによるレイアウトの大型化や曲げ損失を回避できるという効果が得られるとともに、各反射面が光の拡散角度に対応し、拡散光の進路が一部遮られることによる光学損失を防止できる。なお、一般に光合分波器では、入力導波路２と出力導波路３のスポットサイズは同じ設計となり、スラブ内での拡散角度も同じとなるため、Ｘ＝Ｙとなる。

なお、数式１は図１の配置の場合についてのものであるが、図２、図３の配置においても、第１の反射面５と第２の反射面６に対し、図１の配置の場合と同様にして、拡散角度を考慮した条件を算出することができる。

実施の形態６．
実施の形態１乃至５では凹面回折格子４による単一の回折格子を用いる構成とした。本実施の形態では第１の反射面５と第２の反射面６を反射型の回折格子構造とする。

回折格子構造とした第１の反射面５に入射する光の主光線の軌跡１０１と第１の反射面５の法線とのなす角度と、該法線と第１の反射面５から進行する光の主光線の軌跡１０１とのなす角度の合計をθ_ｄ１、回折格子構造とした第２の反射面６に入射する光の主光線の軌跡１０１と第２の反射面６の法線とのなす角度と、該法線と第２の反射面６から進行する光の主光線の軌跡１０１とのなす角度の合計をθ_ｄ２とする。この場合、実施の形態２乃至４で記載したθ_１とｉ、θ_２とβの関係式においてθ_ｄ１＝2θ_１またはθ_ｄ２＝2θ_２と置換すれば、本実施の形態を実施の形態２乃至４の条件に適用することができる。なお、反射面を回折格子構造とした場合でも、第１の反射面５および第２の反射面６の端面側壁に金属膜を形成すること、または、入射光線と反射面との相対角度が全反射条件を満足するように設計してもよい。第１の反射面５と第２の反射面６を両方とも回折格子構造としてもよく、また、いずれか一方のみを回折格子構造とすることも可能である。

以上のように、本実施の形態では、凹面回折格子４の波長合分波特性に、第１の反射面５、第２の反射面６のいずれか一方、または、両方の回折格子構造が有する波長合分波特性が掛け合わされたものとなるようにした。これによって、上述の実施の形態におけるスラブ１のレイアウト面積の小型化、入力導波路または出力導波路での導波路曲げによる光軸方向の調整が不要となり、導波路曲げによるレイアウトの大型化や曲げ損失を回避できる効果が得られるとともに、光合分波器全体で波長角度分解精度が向上し、入力または出力の導波路間の波長分離が容易となる。伝搬距離を短縮できるので、さらに小型化した設計が可能となる。またさらには、複数の回折格子を組み合わせることにより、単一の回折格子ではできない波長合分波特性の設計が可能となり、設計自由度を向上させることができる。なお、第１の反射面５、第２の反射面６に回折格子構造を適用した場合についても、実施の形態５で述べた光の拡散角度を考慮する条件を満たすように設計してもよい。

１ スラブ
２ 入力導波路
３ 出力導波路
４ 凹面回折格子
５ 第１の反射面
６ 第２の反射面
１０１ 主光線の軌跡
１０３ 第１の反射面の法線
１０４ 凹面回折格子の面の法線
１０５ 第２の反射面の法線

Claims (8)

1. スラブと、
   前記スラブに接続された入力導波路と、
   前記スラブに接続された出力導波路と、
   前記スラブの端面に形成された凹面回折格子と、
   前記入力導波路から前記凹面回折格子に入射する光の主光線の軌跡上に配置され、前記入力導波路から入射する光を前記凹面回折格子に反射する第１の反射面と、
   前記凹面回折格子から前記出力導波路に進行する光の主光線の軌跡上に配置され、前記凹面回折格子から進行する光を前記出力導波路に反射する第２の反射面と、
   を備えることを特徴とする光合分波器。
2. 請求項１に記載の光合分波器は、
   前記第１の反射面に入射する光の主光線の軌跡と前記第１の反射面の法線とのなす角度をθ_１、前記凹面回折格子に入射する光の主光線の軌跡と前記凹面回折格子の面の法線とのなす角度をｉ、前記凹面回折格子から進行する光の主光線の軌跡と前記凹面回折格子の面の法線とのなす角度をβ、前記第２の反射面に入射する光の主光線の軌跡と前記第２の反射面の法線とのなす角度をθ_２とした場合に、
   θ_１とｉ、θ_２とβが所定の関係を満たすように、第１の反射面および第２の反射面を形成することを特徴とする光合分波器。
3. 請求項２に記載の光合分波器は、θ_１とｉ、θ_２とβの関係において、
   ２θ_１＝９０°＋ｉ、２θ_２＝９０°＋βの条件を満足することを特徴とする光合分波器。
4. 請求項２に記載の光合分波器は、θ_１とｉ、θ_２とβの関係において、
   ２θ_１＝９０°＋ｉ、２θ_２＝１８０°−βの条件を満足することを特徴とする光合分波器。
5. 請求項２に記載の光合分波器は、θ_１とｉ、θ_２とβの関係において、
   ２θ_１＝９０°＋ｉ、２θ_２＝９０°−βの条件を満足することを特徴とする光合分波器。
6. 前記第１の反射面と前記第２の反射面のうち、少なくともいずれか一方の反射面を回折格子構造とすることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の光合分波器。
7. 請求項２乃至５のいずれか１つに記載の光合分波器であって、
   前記第１の反射面と前記第２の反射面のうち、少なくともいずれか一方の反射面を回折格子構造とし、
   回折格子構造とした前記第１の反射面に入射する光の主光線の軌跡と前記第１の反射面の法線とのなす角度と、該法線と前記第１の反射面から進行する光の主光線の軌跡とのなす角度との合計をθ_ｄ１、
   回折格子構造とした前記第２の反射面に入射する光の主光線の軌跡と前記第２の反射面の法線とのなす角度と、該法線と前記第２の反射面から進行する光の主光線の軌跡とのなす角度との合計をθ_ｄ２とした場合に、
   θ_ｄ１＝2θ_１、θ_ｄ２＝2θ_２が成り立つことを特徴とする光合分波器。
8. 前記入力導波路から前記スラブ内に入射する光の拡散角度に対応する前記第１の反射面と、
   前記凹面回折格子から前記出力導波路３に進行する光の拡散角度に対応する前記第２の反射面と、
   を形成することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１つに記載の光合分波器。

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