JP2019152717A - Wavelength multiplexer - Google Patents

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Abstract

To provide a wavelength multiplexer that is easy to design, and which tolerates a large manufacturing error.SOLUTION: The wavelength multiplexer comprises a directional coupler 11 and asymmetric directional couplers 12, 13 instead of a Mach-Zehnder interferometer. These directional couplers do not require as much accurate design as required for Mach-Zehnder interferometers. Wavelength multiplexing is possible by adjusting the length of adjacent parallel waveguides and the effective refractive index of each mode. Especially for the 4-wave case, two waves are multiplexed as TE waves, and another two waves are multiplexed as TM waves, and a heat-insulating mode converter having low wavelength dependency is used to dispense with a Mach-Zehnder interferometer whose FSR is small and which is susceptible to manufacturing tolerances, whereby manufacturing tolerances can be improved.SELECTED DRAWING: Figure 8

Description

本開示は、平面型光回路の波長合波器に関する。   The present disclosure relates to a wavelength multiplexer of a planar optical circuit.

長距離伝送だけではなく、近年はLAN(Local Area Network)の高速伝送に対応するように、LANの光化が進んでいる。100Gbpsのイーサネット(登録商標)仕様は、すでに策定されており、シングルモード光ファイバを用いて、それぞれ10km、40kmを伝送する100GBASE−LR4、100GBASE−ER4として4波の光信号を使用して、それぞれの波長で約25Gbpsの伝送を行うことで25Gbps×4=100Gbpsのデータ伝送を実現する方式が採用されている。この光源として有力とされているのが、4波分のDFBレーザと変調器を集積したものである(例えば、非特許文献1を参照。)。   In recent years, not only long-distance transmission but also the opticalization of LAN is progressing so as to support high-speed transmission of LAN (Local Area Network). The 100 Gbps Ethernet (registered trademark) specification has already been established, and using four optical signals as 100 GBASE-LR4 and 100 GBASE-ER4 respectively transmitting 10 km and 40 km using single mode optical fiber, respectively. A system that realizes data transmission of 25 Gbps × 4 = 100 Gbps by performing transmission of about 25 Gbps at a wavelength of 2 is adopted. One of the most effective light sources is an integrated DFB laser for 4 waves and a modulator (see, for example, Non-Patent Document 1).

この光源は、規格上の4波を出力するレーザを1つのチップに集積している構成になっており、それぞれバルクの部品を接続して4波分の光源とするより小型化であり、温度調整機構などの個数も減らせることから、消費電力低減という点で期待されている。   This light source has a configuration in which lasers that output four standard waves are integrated on a single chip, each of which is smaller than a light source for four waves by connecting bulk components. Since the number of adjusting mechanisms and the like can be reduced, it is expected to reduce power consumption.

しかし、非特許文献1の構成では、4×1MMIカップラーを4波の合波器として使用している。4×1MMIカップラーは4波の合波器として使用した場合、原理損失として6dBの損失がある。つまり原理上25%の出力しか外部に取り出すことができない構成で、多くの光を無駄にしている。   However, in the configuration of Non-Patent Document 1, a 4 × 1 MMI coupler is used as a 4-wave multiplexer. When the 4 × 1 MMI coupler is used as a 4-wave multiplexer, there is a loss of 6 dB as a principle loss. That is, in principle, only 25% of the output can be extracted outside, and much light is wasted.

そこで、この合波器を低損失なものに置き換えることが心みられている。このような箇所に用いられる合波器としてArrayed waveguide gratings (AWG)や、etched planar concave gratings (PCGs)などが知られている。しかし、4波の合波器としてはサイズが大きく、それゆえ導波路損失も増加する。   Therefore, it is considered to replace this multiplexer with a low loss one. As a multiplexer used in such a place, Arrayed waveguiding gratings (AWG), etched planar concavating gratings (PCGs), and the like are known. However, the size of the four-wave multiplexer is large, and therefore the waveguide loss increases.

そこで、考えられるのが遅延回路を含むマッハツェンダー干渉計を用いた合波器である。4波の場合は2段のマッハツェンダー干渉計にて合波器を実現でき、またそのサイズもAWGやPCGに比べて小さくできる。2段のマッハツェンダー干渉計を用いた4波合波器、4波分のDFBレーザ、及び変調器を集積した光源も報告されている(例えば、非特許文献2を参照。)。   Thus, a multiplexer using a Mach-Zehnder interferometer including a delay circuit is conceivable. In the case of four waves, a multiplexer can be realized by a two-stage Mach-Zehnder interferometer, and the size can be reduced as compared with AWG and PCG. A light source in which a four-wave multiplexer using a two-stage Mach-Zehnder interferometer, a four-wave DFB laser, and a modulator are integrated has also been reported (for example, see Non-Patent Document 2).

T. Fujisawa et al,“1.3− m 4 25−Gb/s Monolithically Integrated Light Source for Metro Area 100−Gb/s Ethernet”,IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 23, NO. 6, MARCH 15, 2011.T.A. Fujisawa et al, “1.3-m 4 25-Gb / s Monolithically Integrated Light Source for Metro Area 100-Gb / s Ethernet”, IEEE PHOTOTONICS TECHNOLOGY TECHNOLOGY TECHNOLOGY 23, NO. 6, MARCH 15, 2011. T. Fujisawa, S. Kanazawa, Y. Ueda, W. Kobayashi, K. Takahata, A. Ohki, T. Itoh, M. Kotoku, and H. Ishii, “Low−loss cascaded Mach−Zehnder multiplexer integrated 25−Gbit/s×4−lane EADFB laser array for future CFP4 100GbE transmitter”, IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.49, no.12, pp.1001−1007, Dec. 2013.T.A. Fujisawa, S .; Kanazawa, Y .; Ueda, W .; Kobayashi, K. et al. Takahata, A.A. Ohki, T .; Itoh, M.M. Kotoku, and H.K. Ishii, “Low-loss cascaded Mach-Zehnder multipleplexer integrated 25-Gbit / s × 4-lane EADFB laser array for future CFP4 100 GbE transEmitter. 49, no. 12, pp. 1001-1007, Dec. 2013.

しかし、マッハツェンダー干渉計フィルタを多段に組み合わせて合波器を構成する場合、それぞれのピーク波長の絶対波長位置についての制御性に2つの困難さがある。この困難さを説明するために、まず、マッハツェンダー干渉計フィルターの動作について説明する。   However, when configuring a multiplexer by combining Mach-Zehnder interferometer filters in multiple stages, there are two difficulties in the controllability of the absolute wavelength position of each peak wavelength. To explain this difficulty, first, the operation of the Mach-Zehnder interferometer filter will be described.

[マッハツェンダー干渉計フィルターの動作]
従来の2段のマッハツェンダー干渉計を用いた4波合波器の動作を説明する。数値、材料は例であり、他でも無論構わない。本例では、SOI(Silicon on Insulator)基板上に形成したSi細線導波路からなる、1.3μm波長帯でλ0=1295.5nm、λ1=1300.0nm、λ2=1304.5nm、λ3=1309nmの4波を合波するフィルターについて説明する。なお、この4波は100ギガビットイーサネット(登録商標)で用いられる4つの波長に対応し、各波長の間隔が周波数で800GHzとなっている。
[Operation of Mach-Zehnder Interferometer Filter]
The operation of a four-wave multiplexer using a conventional two-stage Mach-Zehnder interferometer will be described. The numerical values and materials are examples, and it does not matter if there are others. In this example, λ0 = 1295.5 nm, λ1 = 1300.0 nm, λ2 = 1304.5 nm, λ3 = 1309 nm in a 1.3 μm wavelength band made of a Si wire waveguide formed on an SOI (Silicon on Insulator) substrate. A filter for combining four waves will be described. The four waves correspond to the four wavelengths used in 100 Gigabit Ethernet (registered trademark), and the interval between the wavelengths is 800 GHz in frequency.

図1は、1つのマッハツェンダー干渉計を示した図である。マッハツェンダー干渉計は、2つの入力導波路、2つの3dBカップラー、3dBカップラー間を接続するアーム導波路、及び2つの出力導波路からなる。アーム導波路は、2つの導波路で構成され、両導波路を通過してくる光に位相差を付けるための遅延回路が形成されている。   FIG. 1 shows one Mach-Zehnder interferometer. The Mach-Zehnder interferometer includes two input waveguides, two 3 dB couplers, an arm waveguide connecting the 3 dB couplers, and two output waveguides. The arm waveguide is composed of two waveguides, and a delay circuit is formed for adding a phase difference to light passing through both waveguides.

マッハツェンダー干渉計フィルタ1は、遅延回路を構成するSi細線導波路の厚さが210nm、幅が300nm、遅延量(下側アームの長さと上側アームの長さの差)ΔL1が21μmとする。入力1から白色光(ブロードな光)を入力した場合、出力に現れるスペクトルを計算によって求めたものが図2である。出力1が実線で出力2が破線で示される。   In the Mach-Zehnder interferometer filter 1, the thickness of the Si wire waveguide constituting the delay circuit is 210 nm, the width is 300 nm, and the delay amount (difference between the length of the lower arm and the length of the upper arm) ΔL1 is 21 μm. When white light (broad light) is input from the input 1, FIG. 2 shows a spectrum obtained by calculation. Output 1 is indicated by a solid line and output 2 is indicated by a broken line.

出力1は、λ3の1.309μm波長でONつまり光が通過し、λ1の1.300μm付近で光が遮断される特性である。出力2は、それらが反転する。白色光を出力1から入力した場合で説明したが、光の相反性から入力1から波長1.300μmの光を、入力2から波長1.309μmの光を入力すると出力1に両光が合波され出力される。なお、このフィルタのFSR(Free Spectral Range)は3200GHzとなっている。   The output 1 has a characteristic that the light is turned on at the wavelength of 1.309 μm of λ3, that is, the light is transmitted, and the light is blocked around 1.300 μm of λ1. Output 2 will be inverted. The case where white light is input from output 1 has been described. However, when light having a wavelength of 1.300 μm is input from input 1 and light having a wavelength of 1.309 μm is input from input 2 due to reciprocity of the light, both lights are combined with output 1. And output. Note that the FSR (Free Spectral Range) of this filter is 3200 GHz.

一方、λ0とλ2を合波するマッハツェンダー干渉計フィルタ2は、Si細線導波路の厚さと幅についてはマッハツェンダー干渉計フィルタ1と同じであるが、遅延量として90度分位相差を遅延回路に付与する必要があるので、遅延量をΔL2=21.15μmとする。図3は、この遅延量で、入力1から白色光を入力した場合、出力に現れるスペクトルを計算によって求めたものである。図3も出力1が実線で出力2が破線で示される。このフィルタのFSRも3200GHzとなっている。   On the other hand, the Mach-Zehnder interferometer filter 2 that combines λ0 and λ2 is the same as the Mach-Zehnder interferometer filter 1 in terms of the thickness and width of the Si wire waveguide, but the phase difference is 90 degrees as a delay amount. Therefore, the delay amount is set to ΔL2 = 21.15 μm. FIG. 3 shows a spectrum obtained by calculation when white light is input from the input 1 with this delay amount. FIG. 3 also shows output 1 as a solid line and output 2 as a broken line. The FSR of this filter is also 3200 GHz.

マッハツェンダー干渉計フィルタ3は、Si細線導波路の厚さと幅についてはマッハツェンダー干渉計フィルタ1と同じであるが、遅延量をマッハツェンダー干渉計フィルタ1の倍であるΔL3=42μmに設定する。図4はマッハツェンダー干渉計フィルタ3の特性である。図4も出力1が実線で出力2が破線で示される。このフィルタのFSRは前述のフィルタの半分である1600GHzとなっている。このフィルタは、入力導波路の一方にλ0とλ2の合波波長、他方にλ1とλ3の合波波長を入力することで、λ0、λ1、λ2、及びλ3が合波した光を出力する。   The Mach-Zehnder interferometer filter 3 is the same as the Mach-Zehnder interferometer filter 1 in terms of the thickness and width of the Si wire waveguide, but the delay amount is set to ΔL3 = 42 μm, which is twice that of the Mach-Zehnder interferometer filter 1. FIG. 4 shows the characteristics of the Mach-Zehnder interferometer filter 3. FIG. 4 also shows output 1 as a solid line and output 2 as a broken line. The FSR of this filter is 1600 GHz, which is half of the above-described filter. This filter outputs light in which λ0, λ1, λ2, and λ3 are combined by inputting a combined wavelength of λ0 and λ2 to one of the input waveguides and a combined wavelength of λ1 and λ3 to the other.

図5は、2段のマッハツェンダー干渉計型4波合波器を説明する図である。つまり、図5のようにマッハツェンダー干渉計フィルタ1とマッハツェンダー干渉計フィルタ2を並列させ、それぞれの出力をマッハツェンダー干渉計フィルタ3に入力する構成とすれば、入力導波路に入力されたλ0、λ1、λ2、及びλ3の波長を1つの出力導波路に合波することができる。   FIG. 5 is a diagram for explaining a two-stage Mach-Zehnder interferometer type four-wave multiplexer. That is, if the Mach-Zehnder interferometer filter 1 and the Mach-Zehnder interferometer filter 2 are arranged in parallel as shown in FIG. 5 and their outputs are input to the Mach-Zehnder interferometer filter 3, λ0 input to the input waveguide is obtained. , Λ1, λ2, and λ3 can be combined into one output waveguide.

しかし、このようなマッハツェンダー干渉計型合波器を製造することは非常に難しい。マッハツェンダー干渉計フィルタの特性は、導波路幅wと遅延量ΔLに非常に敏感であり、設計と製造を困難にしている。その困難性を以下に説明する。   However, it is very difficult to manufacture such a Mach-Zehnder interferometer type multiplexer. The characteristics of the Mach-Zehnder interferometer filter are very sensitive to the waveguide width w and the delay amount ΔL, making it difficult to design and manufacture. The difficulty will be described below.

図6は、Si細線導波路の設計値幅が300nmである図1のマッハツェンダー干渉計フィルタにおいて、1.300μmのピーク波長の位置ずれΔλと導波路幅の変化Δwとの依存性を説明する図である。なお、この依存性はFSRが3200GHzでも1600GHzでもほとんど変わらない。図6から、導波路幅が5nm程度ずれると、ピーク波長位置が6nm程度ずれることがわかる。この依存性は、図4に示す特性のマッハツェンダー干渉計3(FSR=1600GHz)にとっては特に厳しい。なぜなら、マッハツェンダー干渉計3は、ピーク波長が800GHz(約5nm)ずれると、出力がちょうど反転することになり、図5のマッハツェンダー干渉計型合波器の2段目のフィルタとして適さなくなるからである。   FIG. 6 is a diagram for explaining the dependency between the 1.300 μm peak wavelength displacement Δλ and the waveguide width change Δw in the Mach-Zehnder interferometer filter of FIG. 1 in which the design value width of the Si wire waveguide is 300 nm. It is. This dependency is almost the same regardless of whether the FSR is 3200 GHz or 1600 GHz. FIG. 6 shows that when the waveguide width is shifted by about 5 nm, the peak wavelength position is shifted by about 6 nm. This dependency is particularly severe for the Mach-Zehnder interferometer 3 (FSR = 1600 GHz) having the characteristics shown in FIG. This is because the output of the Mach-Zehnder interferometer 3 is just reversed when the peak wavelength is shifted by 800 GHz (about 5 nm), and is not suitable as the second-stage filter of the Mach-Zehnder interferometer-type multiplexer shown in FIG. It is.

また、図7は、FSRが3200GHzのマッハツェンダー干渉計フィルタ1のピーク波長の位置ずれΔλと遅延量の変化ΔLとの依存性を説明する図である。ここで、遅延量が21μmのときのピーク波長の位置を0としている。図7から、100nm単位の非常に小さな遅延量の変化でピーク波長位置が大きく変化することがわかる。例えば、遅延量が0.6μm変化すると、約18nm(ほぼ3200GHz)変化して、元のスペクトルに戻る。図7から、マッハツェンダー干渉計フィルタ1とマッハツェンダー干渉計フィルタ2との間で、位相がちょうど90度ずれるように遅延量を制御することも難しいことがわかる。   FIG. 7 is a diagram for explaining the dependency between the peak wavelength positional deviation Δλ and the delay amount change ΔL of the Mach-Zehnder interferometer filter 1 having an FSR of 3200 GHz. Here, the position of the peak wavelength when the delay amount is 21 μm is set to zero. From FIG. 7, it can be seen that the peak wavelength position changes greatly with a very small change in delay in units of 100 nm. For example, if the delay amount changes by 0.6 μm, it changes by about 18 nm (approximately 3200 GHz) and returns to the original spectrum. FIG. 7 shows that it is difficult to control the delay amount so that the phase is shifted by exactly 90 degrees between the Mach-Zehnder interferometer filter 1 and the Mach-Zehnder interferometer filter 2.

上記のように、マッハツェンダー干渉計フィルタの特性は、導波路幅wと遅延量ΔLに非常に敏感であり、設計の段階で導波路幅wを固定したとしても、マッハツェンダー干渉計フィルタ1とマッハツェンダー干渉計フィルタ2との間で90度位相差を保つためΔLを微細に調整する必要があり設計を煩雑にする。仮にマッハツェンダー干渉計フィルタ1とマッハツェンダー干渉計フィルタ2との間で90度位相差を保つことができ、絶対波長位置があっていたとしても、そこからさらに、マッハツェンダー干渉計フィルタ3のピーク波長の位置を合わせる必要がある。上で示したように、マッハツェンダー干渉計フィルタ3のFSRはマッハツェンダー干渉計フィルタ1、2の半分であり、さらにΔLを微細に調整する必要があり設計を煩雑にする。   As described above, the characteristics of the Mach-Zehnder interferometer filter are very sensitive to the waveguide width w and the delay amount ΔL, and even if the waveguide width w is fixed at the design stage, In order to maintain a 90-degree phase difference with the Mach-Zehnder interferometer filter 2, ΔL must be finely adjusted, which complicates the design. If a 90-degree phase difference can be maintained between the Mach-Zehnder interferometer filter 1 and the Mach-Zehnder interferometer filter 2, even if there is an absolute wavelength position, the peak of the Mach-Zehnder interferometer filter 3 can be further increased from there. It is necessary to align the wavelength position. As described above, the FSR of the Mach-Zehnder interferometer filter 3 is half that of the Mach-Zehnder interferometer filters 1 and 2, and ΔL needs to be finely adjusted, which complicates the design.

また製造の段階では、製造誤差があり、設計値の遅延量ΔLと導波路幅wを実現することは非常に困難である。製造誤差により遅延量ΔLと導波路幅wにずれが発生すれば、フィルタのピーク波長の位置が大きく変わり(特に、マッハツェンダー干渉計フィルタ3はFSRがマッハツェンダー干渉計フィルタ1、2の半分であるため製造誤差の影響は大きい。)、フィルタを組み合わせても所望の合波器として用いることができなくなる。   At the manufacturing stage, there are manufacturing errors, and it is very difficult to realize the delay amount ΔL and the waveguide width w as design values. If there is a deviation between the delay amount ΔL and the waveguide width w due to a manufacturing error, the position of the peak wavelength of the filter greatly changes (in particular, the Mach-Zehnder interferometer filter 3 has an FSR that is half that of the Mach-Zehnder interferometer filters 1 and 2. Therefore, the influence of the manufacturing error is great.) Even if a filter is combined, it cannot be used as a desired multiplexer.

上述したように、マッハツェンダー干渉計フィルタのピーク波長の絶対波長位置は、導波路幅wと遅延量ΔLの2つのパラメータで制御される。この2つのパラメータは、波長間隔FSRに対しては感度が低く、大きく変動しないが、絶対波長位置に対しては敏感であり、このパラメータが微小に変動すると絶対波長位置が大きく変わる。例えば、4波合波器は、3つのマッハツェンダー干渉計フィルタで構成され、全てのフィルタのピーク波長の絶対波長位置を正確に所望の波長に一致させる必要があるが、そのピーク波長の位置制御は非常に困難である。つまり、マッハツェンダー干渉計フィルタを多段に組み合わせて合波器を構成する場合、マッハツェンダー干渉計の設計が煩雑という課題、及び製造時の製造誤差に対する許容が小さいという課題がある。   As described above, the absolute wavelength position of the peak wavelength of the Mach-Zehnder interferometer filter is controlled by the two parameters of the waveguide width w and the delay amount ΔL. These two parameters are low in sensitivity to the wavelength interval FSR and do not vary greatly, but are sensitive to the absolute wavelength position, and the absolute wavelength position changes greatly if these parameters vary minutely. For example, a four-wave multiplexer is composed of three Mach-Zehnder interferometer filters, and the absolute wavelength positions of the peak wavelengths of all the filters need to be exactly matched to the desired wavelengths. Is very difficult. In other words, when a multiplexer is configured by combining Mach-Zehnder interferometer filters in multiple stages, there are problems that the design of the Mach-Zehnder interferometer is complicated, and that tolerance for manufacturing errors during manufacturing is small.

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、設計が容易且つ製造誤差に対する許容が大きい波長合波器を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a wavelength multiplexer that is easy to design and has a high tolerance for manufacturing errors.

上記目的を達成するために、本発明に係る波長合波器は、波長の伝搬モードを変換して合波する方向性結合器を備えることで設計が煩雑で製造誤差許容の小さいマッハツェンダー干渉計を使用しないこととした。   In order to achieve the above object, a wavelength multiplexer according to the present invention includes a directional coupler that converts a wavelength propagation mode and multiplexes them, so that a Mach-Zehnder interferometer with a complicated design and a small manufacturing error tolerance is provided. It was decided not to use.

具体的には、本発明に係る波長合波器は、平面型光回路の波長合波器であって、
複数の波長をそれぞれ異なる導波路に基本モードで入力する入力部と、
2つの導波路が平行して近接し、前記2つの導波路のそれぞれの波長を基本モードのまま合波する方向性結合器と、
2つの導波路が平行して近接し、前記2つの導波路の一方の波長を基本モードのまま他方の波長を高次モードに変換して合波する非対称方向性結合器と、
前記入力部に入力された前記複数の波長が前記方向性結合器及び前記非対称方向性結合器の少なくとも1つを経由して全て合波された合波波長のうち、高次モードの波長を基本モードに変換するモード変換器と、
前記モード変換器で変換され全て基本モードとなった前記合波波長を出力する出力部と、
を備える。
Specifically, the wavelength multiplexer according to the present invention is a wavelength multiplexer of a planar optical circuit,
An input unit for inputting a plurality of wavelengths to different waveguides in a fundamental mode;
A directional coupler in which two waveguides are close to each other in parallel, and the respective wavelengths of the two waveguides are combined in a fundamental mode;
An asymmetric directional coupler in which two waveguides are close to each other in parallel, one wavelength of the two waveguides is converted to a higher order mode while the other wavelength is converted into a fundamental mode, and combined.
Based on the wavelength of the higher-order mode among the combined wavelengths in which the plurality of wavelengths input to the input unit are all combined via at least one of the directional coupler and the asymmetric directional coupler. A mode converter to convert the mode,
An output unit that outputs the combined wavelength converted into the fundamental mode by the mode converter;
Is provided.

本発明に係る波長合波器は、マッハツェンダー干渉計ではなく、方向性結合器と非対称方向性結合器を備える。これらの方向性結合器は、マッハツェンダー干渉計ほど正確な設計を必要としない。近接した平行導波路の長さと各モードの実効屈折率の調整で波長合波が可能である。従って、本発明は、設計が容易且つ製造誤差に対する許容が大きい波長合波器を提供することができる。   The wavelength multiplexer according to the present invention includes not a Mach-Zehnder interferometer but a directional coupler and an asymmetric directional coupler. These directional couplers do not require as accurate a design as a Mach-Zehnder interferometer. Wavelength multiplexing is possible by adjusting the length of adjacent parallel waveguides and the effective refractive index of each mode. Therefore, the present invention can provide a wavelength multiplexer that is easy to design and has a high tolerance for manufacturing errors.

本発明に係る波長合波器の前記非対称性方向結合器は、
前記2つの導波路のうち一方の基本モードにおける実効屈折率と前記2つの導波路のうち他方の高次モードの実効屈折率とが一致し、
前記2つの導波路が平行して近接する区間が前記2つの導波路のうち一方の基本モードのパワーが前記2つの導波路のうち他方の高次モードのパワーへ移行する長さであることを特徴とする。
The asymmetric directional coupler of the wavelength multiplexer according to the present invention is:
The effective refractive index of one fundamental mode of the two waveguides and the effective refractive index of the other higher-order mode of the two waveguides match,
The section in which the two waveguides are parallel and close is such a length that the power of one fundamental mode of the two waveguides shifts to the power of the other higher order mode of the two waveguides. Features.

本発明に係る波長合波器の前記モード変換器は、導波路幅が連続的に変化するテーパー部を有することを特徴とする。波長合波器の出力を基本モードとすることで、シングルモードファイバを伝送媒体とする規格の光ネットワークに対応することができる。例えば、前記モード変換器は、断熱条件を満たすテーパ型シリコンリブ導波路を有することができる。   The mode converter of the wavelength multiplexer according to the present invention is characterized by having a tapered portion in which the waveguide width continuously changes. By setting the output of the wavelength multiplexer to the basic mode, it is possible to cope with a standard optical network using a single mode fiber as a transmission medium. For example, the mode converter may have a tapered silicon rib waveguide that satisfies the heat insulation condition.

ここで、本発明に係る波長合波器の前記入力部は、TE0の基本モードを前記導波路に入力し、
前記非対称方向性結合器は、前記他方の波長をTE1の高次モードに変換し、
前記モード変換器は、TE1の高次モードをTM0の基本モードに変換することを特徴とする。
Here, the input unit of the wavelength multiplexer according to the present invention inputs the fundamental mode of TE0 to the waveguide,
The asymmetric directional coupler converts the other wavelength into a higher order mode of TE1,
The mode converter converts the higher-order mode of TE1 into the basic mode of TM0.

4波長合波器の構成は、前記方向性結合器が1つ、前記非対称性方向結合器が2つ、及び前記モード変換器が1つであり、
前記入力部が前記導波路に入力する波長は周波数間隔fの4つの波長(λ0、λ1、λ2及びλ3)であり、
前記方向性結合器は、前記2つの導波路のそれぞれに前記入力部から波長(λ1とλ3)が入力され、波長(λ1とλ3)が合波するように前記2つの導波路が平行して近接する導波路間隔と区間が調整され、
第1の前記非対称性方向結合器は、前記2つの導波路の一方に前記入力部から波長λ2が入力され、前記2つの導波路の他方に前記方向性結合器で合波された波長(λ1とλ3)が入力され、波長λ2を高次モードに変換して波長(λ1とλ3)に合波し、
第2の前記非対称性方向結合器は、前記2つの導波路の一方に前記入力部から波長λ0が入力され、前記2つの導波路の他方に第1の前記非対称方向性結合器で合波された波長(λ1とλ2とλ3)が入力され、波長λ0を高次モードに変換して波長(λ1とλ2とλ3)に合波し、
前記モード変換器は、第2の前記非対称方向性結合器で合波された前記合波波長(λ0とλ1とλ2とλ3)のうち、高次モードである波長(λ0とλ2)を基本モードへ変換することを特徴とする。
The configuration of the four-wavelength multiplexer includes one directional coupler, two asymmetric directional couplers, and one mode converter.
The wavelengths input to the waveguide by the input unit are four wavelengths (λ0, λ1, λ2, and λ3) with a frequency interval f,
In the directional coupler, wavelengths (λ1 and λ3) are input to the two waveguides from the input unit, and the two waveguides are parallel so that the wavelengths (λ1 and λ3) are combined. The adjacent waveguide interval and interval are adjusted,
In the first asymmetric directional coupler, the wavelength (λ1) is input to one of the two waveguides from the input unit and the wavelength (λ1) is combined with the other of the two waveguides by the directional coupler. And λ3) are input, the wavelength λ2 is converted into a higher-order mode and combined with the wavelengths (λ1 and λ3),
In the second asymmetric directional coupler, a wavelength λ0 is input from the input unit to one of the two waveguides, and the other asymmetrical directional coupler is combined with the other of the two waveguides. Wavelength (λ1, λ2, and λ3) are input, the wavelength λ0 is converted into a higher-order mode, and multiplexed to the wavelengths (λ1, λ2, and λ3),
The mode converter uses a wavelength (λ0 and λ2), which is a higher-order mode, of the combined wavelengths (λ0, λ1, λ2, and λ3) combined by the second asymmetric directional coupler as a fundamental mode It is characterized by converting into.

4波長合波器の他の構成は、
周波数間隔fの4つの波長(短波長側からλ0、λ1、λ2及びλ3)が基本モードで入力される入力部と、
2fのFSR(Free Spectral Range)を持ち、互いの位相差が90度である2つのマッハツェンダー干渉計フィルタと、
2つの導波路が平行して近接し、前記2つの導波路の一方の波長を基本モードのまま他方の波長を高次モードに変換して合波する非対称方向性結合器と、
高次モードの波長を基本モードに変換するモード変換器と、
を備える波長合波器であって、
第1の前記マッハツェンダー干渉計フィルタは、2つの入力導波路のそれぞれに前記入力部から波長(λ1とλ3)が入力され、波長(λ1とλ3)を基本モードのまま合波し、
第2の前記マッハツェンダー干渉計フィルタは、2つの入力導波路のそれぞれに前記入力部から波長(λ0とλ2)が入力され、波長(λ0とλ2)を基本モードのまま合波し、
前記非対称性方向結合器は、前記2つの導波路の一方に第1の前記マッハツェンダー干渉計フィルタで合波された波長(λ1とλ3)が入力され、前記2つの導波路の他方に第2の前記マッハツェンダー干渉計フィルタで合波された波長(λ0とλ2)が入力され、波長(λ0とλ2)を高次モードに変換して波長(λ1とλ3)に合波し、
前記モード変換器は、前記非対称方向性結合器で合波された前記合波波長(λ0とλ1とλ2とλ3)のうち、高次モードである波長(λ0とλ2)を基本モードへ変換することを特徴とする。
Other configurations of the 4-wavelength multiplexer are:
An input unit in which four wavelengths (λ0, λ1, λ2, and λ3 from the short wavelength side) of the frequency interval f are input in the basic mode;
Two Mach-Zehnder interferometer filters having a 2f FSR (Free Spectral Range) and a phase difference of 90 degrees from each other;
An asymmetric directional coupler in which two waveguides are close to each other in parallel, one wavelength of the two waveguides is converted to a higher order mode while the other wavelength is converted into a fundamental mode, and combined.
A mode converter that converts a higher-order mode wavelength into a fundamental mode;
A wavelength multiplexer comprising:
In the first Mach-Zehnder interferometer filter, the wavelengths (λ1 and λ3) are input to the two input waveguides from the input unit, and the wavelengths (λ1 and λ3) are multiplexed in the fundamental mode,
In the second Mach-Zehnder interferometer filter, the wavelengths (λ0 and λ2) are input to the two input waveguides from the input unit, and the wavelengths (λ0 and λ2) are multiplexed in the fundamental mode,
The asymmetric directional coupler receives a wavelength (λ1 and λ3) combined by the first Mach-Zehnder interferometer filter in one of the two waveguides, and a second in the other of the two waveguides. The wavelengths (λ0 and λ2) combined by the Mach-Zehnder interferometer filter are input, the wavelengths (λ0 and λ2) are converted into higher-order modes, and combined with the wavelengths (λ1 and λ3),
The mode converter converts a wavelength (λ0 and λ2), which is a higher-order mode, of the combined wavelengths (λ0, λ1, λ2, and λ3) combined by the asymmetric directional coupler into a fundamental mode. It is characterized by that.

本波長合波器は、2波をTE波、もう2波をTM波として合波し、波長依存性の小さい断熱モード変換器を用い、FSRが小さく製造トレランスの弱い上記マッハツェンダー干渉計フィルタ3を不要とすることで、製造トレランスを向上することができる。   This wavelength combiner combines two waves as TE waves and the other two as TM waves, uses an adiabatic mode converter with small wavelength dependence, and has a small FSR and weak manufacturing tolerance. The Mach-Zehnder interferometer filter 3 By eliminating the requirement, manufacturing tolerance can be improved.

例えば、本発明に係る波長合波器の前記導波路がシリコン細線導波路である。   For example, the waveguide of the wavelength multiplexer according to the present invention is a silicon fine wire waveguide.

なお、8波長合波器は、波長帯域が重複しない複数の波長がそれぞれに入力される複数の前記波長合波器と、それぞれの前記波長合波器が出力する前記合波波長をさらに合波する帯域合波器と、を備える構成とすればよい。   The 8-wavelength multiplexer further combines the plurality of wavelength multiplexers to which a plurality of wavelengths that do not overlap in wavelength bands are respectively input, and the combined wavelength output from each of the wavelength multiplexers. And a band multiplexer to be configured.

本発明は、設計が容易且つ製造誤差に対する許容が大きい波長合波器を提供することができる。   The present invention can provide a wavelength multiplexer that is easy to design and has a high tolerance for manufacturing errors.

マッハツェンダー干渉計を説明する図である。It is a figure explaining a Mach-Zehnder interferometer. マッハツェンダー干渉計の透過スペクトルを説明する図である。It is a figure explaining the transmission spectrum of a Mach-Zehnder interferometer. マッハツェンダー干渉計の透過スペクトルを説明する図である。It is a figure explaining the transmission spectrum of a Mach-Zehnder interferometer. マッハツェンダー干渉計の透過スペクトルを説明する図である。It is a figure explaining the transmission spectrum of a Mach-Zehnder interferometer. 多段マッハツェンダー干渉計型波長合波器を説明する構造図である。It is a structural diagram explaining a multistage Mach-Zehnder interferometer type wavelength multiplexer. マッハツェンダー干渉計のピーク波長の導波路幅依存性を説明する図である。It is a figure explaining the waveguide width dependence of the peak wavelength of a Mach-Zehnder interferometer. マッハツェンダー干渉計のピーク波長の遅延量依存性を説明する図である。It is a figure explaining the delay amount dependence of the peak wavelength of a Mach-Zehnder interferometer. 本発明に係る波長合波器を説明する構造図である。It is a structural diagram explaining the wavelength multiplexer which concerns on this invention. 本発明に係る波長合波器の導波路断面を説明する図である。It is a figure explaining the waveguide cross section of the wavelength multiplexer which concerns on this invention. 本発明に係る波長合波器の導波路断面を説明する図である。It is a figure explaining the waveguide cross section of the wavelength multiplexer which concerns on this invention. 本発明に係る波長合波器の方向性結合器を説明する図である。It is a figure explaining the directional coupler of the wavelength multiplexer which concerns on this invention. 本発明に係る波長合波器の方向性結合器の透過スペクトルを説明する図である。It is a figure explaining the transmission spectrum of the directional coupler of the wavelength multiplexer which concerns on this invention. 本発明に係る波長合波器の方向性結合器の透過スペクトルを説明する図である。It is a figure explaining the transmission spectrum of the directional coupler of the wavelength multiplexer which concerns on this invention. 本発明に係る波長合波器の非対称方向性結合器を説明する図である。It is a figure explaining the asymmetrical directional coupler of the wavelength multiplexer which concerns on this invention. 本発明に係る波長合波器の非対称方向性結合器の透過スペクトルを説明する図である。It is a figure explaining the transmission spectrum of the asymmetrical directional coupler of the wavelength multiplexer which concerns on this invention. 本発明に係る波長合波器の非対称方向性結合器の透過スペクトルを説明する図である。It is a figure explaining the transmission spectrum of the asymmetrical directional coupler of the wavelength multiplexer which concerns on this invention. 本発明に係る波長合波器の非対称方向性結合器を説明する図である。It is a figure explaining the asymmetrical directional coupler of the wavelength multiplexer which concerns on this invention. 本発明に係る波長合波器の非対称方向性結合器の透過スペクトルを説明する図である。It is a figure explaining the transmission spectrum of the asymmetrical directional coupler of the wavelength multiplexer which concerns on this invention. 本発明に係る波長合波器の非対称方向性結合器の透過スペクトルを説明する図である。It is a figure explaining the transmission spectrum of the asymmetrical directional coupler of the wavelength multiplexer which concerns on this invention. 本発明に係る波長合波器のモード変換器を説明する図である。It is a figure explaining the mode converter of the wavelength multiplexer which concerns on this invention. 本発明に係る波長合波器のモード変換器において、シリコン細線リブ導波路の実効屈折率の導波路幅依存性を説明する図である。It is a figure explaining the waveguide width dependence of the effective refractive index of a silicon | silicone thin wire | line rib waveguide in the mode converter of the wavelength multiplexer which concerns on this invention. 本発明に係る波長合波器のモード変換器の断熱モード変換部のビーム伝搬シミュレーションの結果を説明する図である。It is a figure explaining the result of the beam propagation simulation of the heat insulation mode conversion part of the mode converter of the wavelength multiplexer which concerns on this invention. 本発明に係る波長合波器を説明する構造図である。It is a structural diagram explaining the wavelength multiplexer which concerns on this invention. 本発明に係る波長合波器を説明する構造図である。It is a structural diagram explaining the wavelength multiplexer which concerns on this invention. 8波の波長間隔を説明する図である。It is a figure explaining the wavelength interval of 8 waves.

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。   Embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The embodiments described below are examples of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiments. In the present specification and drawings, the same reference numerals denote the same components.

(実施形態1)
図8は、本実施形態の波長合波器301を説明する図である。波長合波器301は平面型光回路の波長合波器であって、
複数の波長をそれぞれ異なる導波路に基本モードで入力する入力部10と、
2つの導波路が平行して近接し、前記2つの導波路のそれぞれの波長を基本モードのまま合波する方向性結合器11と、
2つの導波路が平行して近接し、前記2つの導波路の一方の波長を基本モードのまま他方の波長を高次モードに変換して合波する非対称方向性結合器(12、13)と、
入力部10に入力された前記複数の波長が方向性結合器11及び非対称方向性結合器(12、13)の少なくとも1つを経由して全て合波された合波波長のうち、高次モードの波長を基本モードに変換するモード変換器14と、
モード変換器14で変換され全て基本モードとなった前記合波波長を出力する出力部15と、
を備える。
(Embodiment 1)
FIG. 8 is a diagram for explaining the wavelength multiplexer 301 of the present embodiment. The wavelength multiplexer 301 is a planar optical circuit wavelength multiplexer,
An input unit 10 for inputting a plurality of wavelengths to different waveguides in a fundamental mode;
A directional coupler 11 in which two waveguides are close to each other in parallel, and each wavelength of the two waveguides is multiplexed in a fundamental mode;
An asymmetric directional coupler (12, 13) in which two waveguides are close to each other in parallel, and one wavelength of the two waveguides is converted to a higher order mode while the other wavelength is converted into a fundamental mode. ,
Of the combined wavelengths in which the plurality of wavelengths input to the input unit 10 are all combined via at least one of the directional coupler 11 and the asymmetric directional coupler (12, 13), a higher-order mode is selected. A mode converter 14 for converting the wavelength of
An output unit 15 for outputting the combined wavelength converted by the mode converter 14 to be in the fundamental mode;
Is provided.

波長合波器301は、例えば、100ギガビットイーサネット(登録商標)用4波長合波器である。波長間隔が800GHzである、λ0=1295.5nm、λ1=1300.0nm、λ2=1304.5nm、λ3=1309nmの光を1本の導波路に合波するものである。入力部10の4本の入力導波路か4つの波長(λ0〜λ3)が入力される。ここで、TE0は、導波路のTE偏光に対する基本(0次)モードを示す。光通信の光源に用いられる半導体レーザの出力は、通常、このTE0モードとなっている。   The wavelength multiplexer 301 is, for example, a 4-wavelength multiplexer for 100 Gigabit Ethernet (registered trademark). Light having a wavelength interval of 800 GHz, λ0 = 1295.5 nm, λ1 = 1300.0 nm, λ2 = 1304.5 nm, and λ3 = 1309 nm is multiplexed into one waveguide. The four input waveguides of the input unit 10 or four wavelengths (λ0 to λ3) are input. Here, TE0 indicates a fundamental (0th order) mode with respect to TE polarization of the waveguide. The output of a semiconductor laser used as a light source for optical communication is normally in the TE0 mode.

波長合波器301は、SOI基板上に作成されたシリコン細線導波路を導波路として用いる。導波路の高さは210nmとし、そのまわりを純粋石英がクラッドとして覆っている埋め込み型導波路である。図9(A)は当該シリコン細線導波路の断面図、図9(B)はそのTE0モードの界分布、図9(C)はその第1高次モードであるTE1モードの界分布である。   The wavelength multiplexer 301 uses a silicon fine wire waveguide created on an SOI substrate as a waveguide. The height of the waveguide is 210 nm, and this is a buried waveguide in which pure quartz is covered as a cladding. 9A is a cross-sectional view of the silicon wire waveguide, FIG. 9B is a TE0 mode field distribution, and FIG. 9C is a TE1 mode field distribution which is the first higher-order mode.

波長合波器301の製造方法を説明する。所望のシリコン層の厚さを有するSOI基板に、フォトリソグラフィーにより、コア層をパターニングする。その後、ドライエッチングにより、シリコン層をエッチングし、シリコン細線導波路を形成する。その際、図20で説明するシリコン細線リブ導波路を形成する場合、別途フォトリソグラフィーによりパターニングを行い、シリコン層の途中までエッチングし、リブ導波路を形成する。最後に、上部クラッドとなる純粋石英(SiO)を堆積させ、図9(A)に示すような断面構造をもつ導波路を形成する。図10はシリコン細線リブ導波路の断面構造である。 A method for manufacturing the wavelength multiplexer 301 will be described. The core layer is patterned by photolithography on an SOI substrate having a desired silicon layer thickness. Thereafter, the silicon layer is etched by dry etching to form a silicon fine wire waveguide. In that case, when forming the silicon | silicone thin wire | line rib waveguide demonstrated in FIG. 20, patterning is separately performed by photolithography and it etches to the middle of a silicon layer, and forms a rib waveguide. Finally, pure quartz (SiO 2 ) serving as an upper clad is deposited to form a waveguide having a cross-sectional structure as shown in FIG. FIG. 10 shows a cross-sectional structure of the silicon fine rib waveguide.

波長合波器301の動作について説明する。まず、入力部10から入力された波長λ1とλ3をフィルタ11によって合波する。このフィルタ11には、図1に示したようなマッハツェンダー型干渉計を用いてもよいが、波長合波器301では、図11に示すような方向性結合器を用いる。方向性結合器は、図11のように2本の導波路を近接させた結合部を持つ。この方向性結合器は、入力光波長に応じて結合部の長さLcを適当に設定することで波長の方路を切り替えることができ、図11のように波長合分波器として用いることができる。   The operation of the wavelength multiplexer 301 will be described. First, the filters 11 combine the wavelengths λ1 and λ3 input from the input unit 10. The filter 11 may be a Mach-Zehnder interferometer as shown in FIG. 1, but the wavelength multiplexer 301 uses a directional coupler as shown in FIG. The directional coupler has a coupling portion in which two waveguides are close to each other as shown in FIG. This directional coupler can switch the wavelength path by appropriately setting the length Lc of the coupling portion according to the input light wavelength, and can be used as a wavelength multiplexer / demultiplexer as shown in FIG. it can.

方向性結合器11の場合、導波路1からλ3を入力し、導波路2からλ1の光を入力し、両方の光が導波路2から出射するようにLcを設定する。このとき、導波路1から導波路2へ出射する場合をクロスポート透過、同じ導波路から同じ導波路に出射する場合をバーポート透過と呼ぶことにする。方向性結合器11は、その透過スペクトルが図12のようになるようにLcが設計され、FSRが3200GHzのフィルタとして機能させる。   In the case of the directional coupler 11, λ 3 is input from the waveguide 1, light of λ 1 is input from the waveguide 2, and Lc is set so that both lights are emitted from the waveguide 2. At this time, the case of emitting from the waveguide 1 to the waveguide 2 is called cross-port transmission, and the case of emitting from the same waveguide to the same waveguide is called bar-port transmission. The directional coupler 11 is designed such that its transmission spectrum is as shown in FIG. 12, and functions as a filter having an FSR of 3200 GHz.

図13は、方向性結合器11の透過スペクトルの計算値である。実線がバーポート透過、破線がクロスポート透過を示している。構造パラメータは、導波路1、2の導波路幅が300nm、二つの導波路の間のギャップが200nm、結合部の長さLcが240μmである。方向性結合器11は、図12のように、FSR=18nm(3200GHz)であり、λ1の光がバーポートに出力され、λ3の光がクロスポートに出力され、図11に示した動作をすることがわかる。   FIG. 13 is a calculated value of the transmission spectrum of the directional coupler 11. A solid line indicates bar port transmission, and a broken line indicates cross port transmission. As for the structural parameters, the waveguide widths of the waveguides 1 and 2 are 300 nm, the gap between the two waveguides is 200 nm, and the coupling portion length Lc is 240 μm. As shown in FIG. 12, the directional coupler 11 has FSR = 18 nm (3200 GHz), λ1 light is output to the bar port, λ3 light is output to the cross port, and the operation shown in FIG. 11 is performed. I understand that.

次に、方向性結合器11で合波されたλ1とλ3に、入力部10に入力されたλ2を非対称方向性結合器12によって合波する。図14に非対称方向性結合器12の構造図を示す。幅w1のシリコン細線導波路1、幅w2のシリコン細線導波路2からなり、導波路1からλ2の光を入射し、導波路2へと結合させる。非対称方向性結合器では、二つの導波路の幅が異なるため、同じモード同士では結合が生じないが、適切な設計によって、導波路1の基本モードと導波路2の第1高次モードであるTE1モード(図9(C)に示す断面界分布)を結合させることができる。ここで適切な設計は、2つの導波路のうち一方の基本モードにおける実効屈折率と2つの導波路のうち他方の高次モードの実効屈折率とが一致し、2つの導波路が平行して近接する区間が2つの導波路のうち一方の基本モードのパワーが2つの導波路のうち他方の高次モードのパワーへ移行する長さであることとすればよい。   Next, λ2 input to the input unit 10 is combined with λ1 and λ3 combined by the directional coupler 11 by the asymmetric directional coupler 12. FIG. 14 shows a structural diagram of the asymmetric directional coupler 12. It consists of a silicon fine wire waveguide 1 having a width w1 and a silicon fine wire waveguide 2 having a width w2. Light of λ2 is incident from the waveguide 1 and coupled to the waveguide 2. In the asymmetric directional coupler, since the widths of the two waveguides are different from each other, no coupling occurs between the same modes, but the fundamental mode of the waveguide 1 and the first higher-order mode of the waveguide 2 are appropriately designed. The TE1 mode (cross-sectional boundary distribution shown in FIG. 9C) can be combined. The appropriate design here is that the effective refractive index of one fundamental mode of two waveguides matches the effective refractive index of the other higher order mode of the two waveguides, and the two waveguides are parallel. The adjacent section may be a length in which the power of one fundamental mode of the two waveguides shifts to the power of the other higher-order mode of the two waveguides.

非対称方向性結合器12は、導波路1から入射された波長λ2のTE0モードを導波路2のTE1モードへ結合し、導波路2に入射されたTE0モードのλ1とλ3の光を導波路1へ結合せず、そのまま導波路2から出射する。このため、非対称方向性結合器12でλ1、λ2、λ3の3波の光の合波が実現できる。なお、λ1とλ3の光は、導波路2にTE0モードとして入射されるため、導波路1へは原理的に結合しない。   The asymmetric directional coupler 12 couples the TE0 mode having the wavelength λ2 incident from the waveguide 1 to the TE1 mode of the waveguide 2, and transmits the light of λ1 and λ3 of the TE0 mode incident to the waveguide 2 to the waveguide 1. The light is emitted from the waveguide 2 as it is. For this reason, the asymmetric directional coupler 12 can multiplex three light beams of λ1, λ2, and λ3. Note that light of λ1 and λ3 is incident on the waveguide 2 as a TE0 mode, and therefore is not coupled to the waveguide 1 in principle.

このとき、適切な設計においては、非対称方向性結合器12の導波路1のTE0モードから導波路2のTE1モードへの透過スペクトルは広い帯域でほぼ100%である(図15)。つまり、非対称方向性結合器12でλ1、λ2及びλ3を合波させるときには、絶対波長位置及びFSRを考慮する必要がない。   At this time, in an appropriate design, the transmission spectrum from the TE0 mode of the waveguide 1 of the asymmetric directional coupler 12 to the TE1 mode of the waveguide 2 is almost 100% in a wide band (FIG. 15). That is, when λ1, λ2, and λ3 are combined by the asymmetric directional coupler 12, it is not necessary to consider the absolute wavelength position and the FSR.

図16は、非対称方向性結合器12の導波路1のTE0モードから導波路2のTE1モードへのクロスポート透過スペクトルを示す図である。構造パラメータは、w1=300nm、w2=629nm、二つの導波路間のギャップ200nmである。所望の波長帯において、ほぼ100%の透過率が得られているのがわかる。このようなフラットな波長特性を持つ素子は、導波路幅の製造誤差に対する許容が大きい。   FIG. 16 is a diagram illustrating a cross-port transmission spectrum from the TE0 mode of the waveguide 1 of the asymmetric directional coupler 12 to the TE1 mode of the waveguide 2. The structural parameters are w1 = 300 nm, w2 = 629 nm, and the gap 200 nm between the two waveguides. It can be seen that a transmittance of almost 100% is obtained in the desired wavelength band. An element having such a flat wavelength characteristic has a large tolerance for a manufacturing error of the waveguide width.

つまり、λ1とλ3の光にλ2の光を合波する合波素子(非対称方向性結合器12)は、図1のようなマッハツェンダー干渉計と比べて、ピーク波長の絶対位置を考慮する必要が無く、設計が容易化されるとともに、製造誤差に対する許容が大きいことがわかる。   That is, the multiplexing element (asymmetric directional coupler 12) that multiplexes the light of λ2 with the light of λ1 and λ3 needs to consider the absolute position of the peak wavelength as compared with the Mach-Zehnder interferometer as shown in FIG. It can be seen that the design is facilitated and the tolerance for manufacturing errors is large.

続いて、対称方向性結合器12で合波されたλ1、λ2及びλ3に、入力部10に入力されたλ0を非対称方向性結合器13によって合波する。図17に非対称方向性結合器13の構造図を示す。非対称方向性結合器13も、結合部の長さLcを適切に設計することにより、方向性結合器11のようなあるFSRをもったフィルタ特性をもたせることができる。   Subsequently, λ 0 input to the input unit 10 is combined with λ 1, λ 2, and λ 3 combined by the symmetric directional coupler 12 by the asymmetric directional coupler 13. FIG. 17 shows a structural diagram of the asymmetric directional coupler 13. The asymmetric directional coupler 13 can also have a filter characteristic having a certain FSR like the directional coupler 11 by appropriately designing the length Lc of the coupling portion.

非対称方向性結合器13の場合、導波路1からλ0を入力し、導波路2からλ1、λ2、及びλ3の光を入力し、4つの光、全てが導波路2から出射するようにする。ここで、λ1とλ3の光は、TE0モードで伝搬してきているので、非対称方向性結合器13で導波路1へ結合せず、そのまま導波路2から出射される。λ2の光は、導波路1から出射されないよう、図17に示すように、λ2の光はTE1モードとして導波路2に入射され、導波路2からTE1モードのまま出射される。そして、λ0の光は導波路1からTE0モードとして入射され、導波路2からTE1モードとして出射される。このように、非対称方向性結合器13を動作させるために、導波路2から光を入射した場合のバーポート透過スペクトルを図18のように設計し、FSRが3200GHzのフィルタとして機能させる。   In the case of the asymmetric directional coupler 13, λ 0 is input from the waveguide 1, light of λ 1, λ 2, and λ 3 is input from the waveguide 2 so that all four lights are emitted from the waveguide 2. Here, since the light of λ1 and λ3 has propagated in the TE0 mode, the light is emitted from the waveguide 2 as it is without being coupled to the waveguide 1 by the asymmetric directional coupler 13. As shown in FIG. 17, the light of λ2 is incident on the waveguide 2 as the TE1 mode and is emitted from the waveguide 2 in the TE1 mode so that the light of λ2 is not emitted from the waveguide 1. The light of λ0 is incident as a TE0 mode from the waveguide 1 and is emitted as a TE1 mode from the waveguide 2. In this way, in order to operate the asymmetric directional coupler 13, the bar port transmission spectrum when light is incident from the waveguide 2 is designed as shown in FIG. 18, and functions as a filter having an FSR of 3200 GHz.

図19は、非対称方向性結合器13の透過スペクトルの計算値である。実線がバーポート透過、破線がクロスポート透過を示している。構造パラメータは、w1=300nm、w2=629nm、二つの導波路の間のギャップが200nm、結合部の長さLc=275μmである。非対称方向性結合器13は、図18のように、FSR=18nm(3200GHz)であり、λ2の光がバーポートに出力され、λ0の光がクロスポートに出力され、図17に示した動作をすることがわかる。   FIG. 19 shows the calculated value of the transmission spectrum of the asymmetric directional coupler 13. A solid line indicates bar port transmission, and a broken line indicates cross port transmission. The structural parameters are w1 = 300 nm, w2 = 629 nm, the gap between the two waveguides is 200 nm, and the length Lc of the coupling portion is 275 μm. As shown in FIG. 18, the asymmetric directional coupler 13 has FSR = 18 nm (3200 GHz), λ2 light is output to the bar port, λ0 light is output to the cross port, and the operation shown in FIG. 17 is performed. I understand that

非対称方向性結合器13で、λ0、λ1、λ2、及びλ3の4つの光が1本の導波路に合波されたが、λ0とλ2の光はTE1モードとして合波されている。100ギガビットイーサネット(登録商標)の規格の一つである100GBASE−LR4においては、伝送媒体はシングルモードファイバであり、TE1モードはシングルモードファイバ内を安定に伝搬しない。従って、λ0とλ2の光については、TE1モードから基本モードに変換する必要がある。   In the asymmetric directional coupler 13, four lights of λ0, λ1, λ2, and λ3 are combined into one waveguide, but the lights of λ0 and λ2 are combined as TE1 mode. In 100GBASE-LR4, which is one of the standards of 100 Gigabit Ethernet (registered trademark), the transmission medium is a single mode fiber, and the TE1 mode does not stably propagate through the single mode fiber. Therefore, it is necessary to convert the light of λ0 and λ2 from the TE1 mode to the fundamental mode.

波長合波器301は、モード変換部14で、λ0とλ2の光をTE1モードからTM0モードへと変換する。図20にモード変換部14の構造図を示す。モード変換部14は、入力シリコン細線導波路21、出力シリコン細線導波路22、テーパ部23、及びリブ導波路24を備える。P−P’の断面が図10である。すなわち、リブ導波路24は図10の厚みtの部分であり、入力シリコン細線導波路21又はテーパ部23が厚みhの部分である。   In the wavelength multiplexer 301, the mode converter 14 converts the light of λ0 and λ2 from the TE1 mode to the TM0 mode. FIG. 20 shows a structural diagram of the mode conversion unit 14. The mode conversion unit 14 includes an input silicon fine wire waveguide 21, an output silicon fine wire waveguide 22, a taper portion 23, and a rib waveguide 24. A cross section of P-P 'is shown in FIG. That is, the rib waveguide 24 is a portion having a thickness t in FIG. 10, and the input silicon fine wire waveguide 21 or the tapered portion 23 is a portion having a thickness h.

リブ導波路24は、細線リブ変換テーパ部25、断熱モード変換部26、及び幅広のシリコンリブ導波路27を有する。リブ導波路24への光の入力はシリコン細線導波路21であり、細線リブ変換テーパ部25を介して幅広のシリコンリブ導波路27へと接続される。そこから、断熱モード変換部26で幅広のシリコンリブ導波路27の導波路幅を断熱的に幅を狭めていく。光がリブ導波路24を通過することで、TE0モードは変換されず、TE1モードはTM0モードへと変換される。最後に、リブ導波路24を経由した光は出力シリコン細線導波路22に出力される。   The rib waveguide 24 includes a thin wire rib conversion taper portion 25, a heat insulation mode conversion portion 26, and a wide silicon rib waveguide 27. The light input to the rib waveguide 24 is the silicon fine wire waveguide 21, and is connected to the wide silicon rib waveguide 27 through the fine wire rib conversion taper portion 25. From there, the waveguide width of the wide silicon rib waveguide 27 is adiabatically reduced by the adiabatic mode converter 26. When light passes through the rib waveguide 24, the TE0 mode is not converted, and the TE1 mode is converted to the TM0 mode. Finally, the light passing through the rib waveguide 24 is output to the output silicon fine wire waveguide 22.

モード変換器14のモード変換の原理を説明する。図21は、リブ導波路24におけるTE0モード(実線)、TM0モード(破線)、及びTE1モード(一点鎖線)の実効屈折率の導波路幅依存性を説明する図である。本説明では、h=140nm、t=70nmとしている。図21より、導波路幅が0.6μm付近でTE1モードとTM0モードが結合し、モードの反交差が生じているのがわかる。   The principle of mode conversion of the mode converter 14 will be described. FIG. 21 is a diagram for explaining the waveguide width dependence of the effective refractive index of the TE0 mode (solid line), the TM0 mode (broken line), and the TE1 mode (one-dot chain line) in the rib waveguide 24. In this description, h = 140 nm and t = 70 nm. From FIG. 21, it can be seen that the TE1 mode and the TM0 mode are coupled in the vicinity of the waveguide width of 0.6 μm, and the mode crossing occurs.

ここで、一点鎖線に着目すると、導波路幅が0.6μmより大きいところでは、TE1ライクなモード、0.6μmより小さいところではTM0ライクなモードとなっている。例えば、導波路幅0.8μmのリブ導波路にTE1モードを入力し、その導波路幅を断熱的に小さくしていくと、0.6μm付近を境にモード変換が生じ、例えば導波路幅0.4μmまで減少させると、出力はTM0モードとなる。この断熱的モード変換は、その原理から、波長にはほとんど依存せず、また、導波路パラメータの製造誤差にもほとんど影響されない。   Here, paying attention to the alternate long and short dash line, when the waveguide width is larger than 0.6 μm, it is a TE1 like mode, and when it is smaller than 0.6 μm, it is a TM0 like mode. For example, when the TE1 mode is input to a rib waveguide having a waveguide width of 0.8 μm and the waveguide width is reduced adiabatically, mode conversion occurs around 0.6 μm, for example, the waveguide width is 0 When reduced to .4 μm, the output is TM0 mode. This adiabatic mode conversion is almost independent of wavelength because of its principle, and is hardly affected by manufacturing errors of waveguide parameters.

図22は、ビーム伝搬シミュレーションによって算出した、断熱モード変換部26の磁界分布を説明する図である。ここに、断熱モード変換部26について入力側(入力シリコン細線導波路21側)のリブ導波路幅を800nm、出力側(出力シリコン細線導波路22側)のリブ導波路幅を400nm、長さLconvを100umとした。Hy成分を主成分として持つ、導波路のx方向に山2つのTE1モードは断熱変換により、Hxを主成分として持つ、導波路のx方向に山一つのTM0モードへと変換されていることがわかる。なお、磁界が他より強い部分を「山」と呼んでいる。また、x方向とは図10及び図20に記載されるx方向である。   FIG. 22 is a diagram illustrating the magnetic field distribution of the adiabatic mode conversion unit 26 calculated by the beam propagation simulation. Here, with respect to the adiabatic mode converter 26, the rib waveguide width on the input side (input silicon fine wire waveguide 21 side) is 800 nm, the rib waveguide width on the output side (output silicon fine wire waveguide 22 side) is 400 nm, and the length Lconv. Was 100 um. The two TE1 modes in the x direction of the waveguide having the Hy component as the main component are converted into TM0 modes having one peak in the x direction of the waveguide having the main component in Hx by adiabatic conversion. Recognize. The portion where the magnetic field is stronger than the others is called “mountain”. The x direction is the x direction described in FIGS. 10 and 20.

なお、リブ導波路24へTE0モードが入力された場合には、図21から明らかなように、他のモードとの混合は生じていないので、TE0モードのまま出射される。言い換えれば、TE0モードはリブ導波路24でまったく影響を受けない。   When the TE0 mode is input to the rib waveguide 24, as is apparent from FIG. 21, no mixing with other modes occurs, so that the TE0 mode is emitted as it is. In other words, the TE0 mode is not affected at all by the rib waveguide 24.

つまり、非対称方向性結合器13で合波された4つの光に関して、λ1とλ3の光はTE0モードとしてモード変換器14に入射されるのでTE0モードのまま出射され、λ0とλ2の光はTE1モードとしてモード変換器14に入射されるのでTM0モードへ変換されて出射される。   That is, with respect to the four lights combined by the asymmetric directional coupler 13, the light of λ1 and λ3 is incident on the mode converter 14 as the TE0 mode, so that the light of λ0 and λ2 is emitted in the TE0 mode. Since it enters the mode converter 14 as a mode, it is converted into a TM0 mode and emitted.

以上の説明のように、波長合波器301は、4つの基本モードの光(λ0(TE0)、λ1(TE0)、λ2(TE0)、λ3(TE0))のうち2波(λ0とλ2)を高次モードへ変換して他の基本モードの2波に合波し、高次モードの2波を再び基本モード(TMモード)へ変換することで、λ0(TM0)、λ1(TE0)、λ2(TM0)、λ3(TE0)の合波光を出力する。   As described above, the wavelength multiplexer 301 has two waves (λ0 and λ2) out of four fundamental mode lights (λ0 (TE0), λ1 (TE0), λ2 (TE0), and λ3 (TE0)). Is converted into a higher-order mode and combined with two waves of other basic modes, and the two higher-order modes are converted back to the basic mode (TM mode), so that λ0 (TM0), λ1 (TE0), The combined light of λ2 (TM0) and λ3 (TE0) is output.

より詳細には、波長合波器301は、方向性結合器11が1つ、非対称性方向結合器(12、13)が2つ、及びモード変換器14が1つであり、
入力部10が導波路に入力する波長は周波数間隔fの4つの波長(λ0、λ1、λ2及びλ3)であり、
方向性結合器11は、2つの導波路のそれぞれに入力部10から波長(λ1とλ3)が入力され、波長(λ1とλ3)が合波するように2つの導波路が平行して近接する導波路間隔と区間が調整され、
非対称性方向結合器12は、2つの導波路の一方に入力部10から波長λ2が入力され、2つの導波路の他方に方向性結合器11で合波された波長(λ1とλ3)が入力され、波長λ2を高次モードに変換して波長(λ1とλ3)に合波し、
非対称性方向結合器13は、2つの導波路の一方に入力部10から波長λ0が入力され、2つの導波路の他方に非対称方向性結合器12で合波された波長(λ1とλ2とλ3)が入力され、波長λ0を高次モードに変換して波長(λ1とλ2とλ3)に合波し、
モード変換器14は、非対称方向性結合器13で合波された合波波長(λ0とλ1とλ2とλ3)のうち、高次モードである波長(λ0とλ2)を基本モードへ変換することを特徴とする。
ここで、入力部10は、TE0の基本モードを導波路に入力し、非対称方向性結合器(12、13)は、波長λ0とλ2をTE1の高次モードに変換し、モード変換器14は、TE1の高次モードをTM0の基本モードに変換する。
More specifically, the wavelength multiplexer 301 has one directional coupler 11, two asymmetric directional couplers (12, 13), and one mode converter 14.
The wavelengths input to the waveguide by the input unit 10 are four wavelengths (λ0, λ1, λ2, and λ3) with a frequency interval f,
In the directional coupler 11, the wavelengths (λ1 and λ3) are input to the two waveguides from the input unit 10 and the two waveguides are close to each other in parallel so that the wavelengths (λ1 and λ3) are combined. Waveguide spacing and interval are adjusted,
In the asymmetric directional coupler 12, the wavelength λ2 is input from one of the two waveguides from the input unit 10, and the wavelength (λ1 and λ3) combined by the directional coupler 11 is input to the other of the two waveguides. The wavelength λ2 is converted into a higher order mode and combined with the wavelengths (λ1 and λ3),
In the asymmetric directional coupler 13, the wavelength (λ0) is input from one of the two waveguides from the input unit 10 and the other of the two waveguides is combined by the asymmetric directional coupler 12 (λ1, λ2, and λ3). ) Is input, and the wavelength λ0 is converted into a higher-order mode and combined with the wavelengths (λ1, λ2, and λ3),
The mode converter 14 converts a wavelength (λ0 and λ2), which is a higher-order mode, of the combined wavelengths (λ0, λ1, λ2, and λ3) combined by the asymmetric directional coupler 13 into a fundamental mode. It is characterized by.
Here, the input unit 10 inputs the fundamental mode of TE0 to the waveguide, the asymmetric directional couplers (12, 13) convert the wavelengths λ0 and λ2 into higher-order modes of TE1, and the mode converter 14 , The higher order mode of TE1 is converted to the basic mode of TM0.

(効果)
波長合波器301は、図5の多段型マッハツェンダー合波器に比べ、以下の利点を有する。まず、構成から明らかなように、波長合波器301は、多段型マッハツェンダー合波器で必要であった、1600GHzのFSRをもつマッハツェンダー干渉計3を不要とする。多段型マッハツェンダー合波器では、図4で詳説したように、このマッハツェンダー干渉計3がもっとも製造誤差許容が小さい部分であり、波長合波器の製造を困難とする主原因であった。
(effect)
The wavelength multiplexer 301 has the following advantages over the multistage Mach-Zehnder multiplexer of FIG. First, as apparent from the configuration, the wavelength multiplexer 301 eliminates the Mach-Zehnder interferometer 3 having an FSR of 1600 GHz, which is necessary for the multistage Mach-Zehnder multiplexer. In the multi-stage Mach-Zehnder multiplexer, as described in detail with reference to FIG. 4, the Mach-Zehnder interferometer 3 has the smallest manufacturing error tolerance, and is the main cause that makes it difficult to manufacture the wavelength multiplexer.

一方、波長合波器301は、FSR=1600GHzのフィルタの代替として、非対称方向性結合器と断熱モード変換部を備える。この二つの素子は、上で説明したように、波長依存性が小さいため製造誤差許容が大きく、ピーク波長の絶対位置などを考慮して設計する必要もない。よって、波長合波器301は、波長合波器の設計と製造を容易にする。   On the other hand, the wavelength multiplexer 301 includes an asymmetric directional coupler and an adiabatic mode converter as an alternative to the filter of FSR = 1600 GHz. As described above, since these two elements have a small wavelength dependency, manufacturing tolerance is large, and it is not necessary to design in consideration of the absolute position of the peak wavelength. Thus, the wavelength multiplexer 301 facilitates the design and manufacture of the wavelength multiplexer.

また、FSR=3200GHzの二つのフィルタに関しても、多段型マッハツェンダー合波器では図2〜図4で説明したように、二つのフィルタの位相差が90度になるように正確に設定する必要があり、そのために遅延回路の長さを100nm単位で制御する必要があった(図7)。しかし、波長合波器301は、制御困難な遅延回路を備えておらず、二つのフィルタ(非対称方向性結合器)がそれぞれ適切に設計されていればよく、設計や製造が容易である。   As for the two filters with FSR = 3200 GHz, the multistage Mach-Zehnder multiplexer needs to be set accurately so that the phase difference between the two filters becomes 90 degrees as described with reference to FIGS. Therefore, it is necessary to control the length of the delay circuit in units of 100 nm (FIG. 7). However, the wavelength multiplexer 301 does not include a delay circuit that is difficult to control, and it is sufficient that the two filters (asymmetric directional couplers) are appropriately designed, and the design and manufacture are easy.

波長合波器301は、λ1とλ3の光を方向性結合器11、λ0とλ2の光を非対称方向性結合器13で合波するように設計しているが、λ0とλ2の光を方向性結合器11、λ1とλ3の光を非対称方向性結合器13で合波するように設計してもよい。
また、波長合波器301では、シリコン細線導波路を導波構造として用いている例を説明したが、他の材料や導波路でも構わない。そして、波長合波器301では、100ギガビットーサネット(登録商標)への応用を想定し、1.3ミクロン帯の4波を合波する例を説明したが、他の波長帯でもかまわない。その場合、方向性結合器の結合部の長さLcと非対称方向性結合器の結合部の長さLcとを波長帯に合わせる。
なお、本実施形態では、波長合波器の部分のみを説明したが、実際には、この波長合波器が形成された平面型光回路に光源が搭載される場合がある。
The wavelength multiplexer 301 is designed so that the light of λ1 and λ3 is combined by the directional coupler 11 and the light of λ0 and λ2 is combined by the asymmetric directional coupler 13, but the light of λ0 and λ2 is directed. The optical coupler 11 may be designed to multiplex the light of λ1 and λ3 by the asymmetric directional coupler 13.
In the wavelength multiplexer 301, an example in which a silicon fine wire waveguide is used as a waveguide structure has been described. However, other materials or waveguides may be used. In the wavelength multiplexer 301, an example in which four waves in the 1.3 micron band are combined has been described assuming application to 100 Gigabit Ethernet (registered trademark), but other wavelength bands may be used. In this case, the length Lc of the coupling portion of the directional coupler and the length Lc of the coupling portion of the asymmetric directional coupler are matched with the wavelength band.
In the present embodiment, only the wavelength multiplexer has been described, but in reality, a light source may be mounted on a planar optical circuit in which the wavelength multiplexer is formed.

(実施形態2)
本実施形態では、実施形態1の波長合波器301と構造が異なる波長合波器302を説明する。図23は、100ギガビットイーサネット(登録商標)用4波長合波器である波長合波器302の模式図である。波長合波器302は、周波数間隔fの4つの波長(短波長側からλ0、λ1、λ2及びλ3)が基本モードで入力される入力部10と、
2fのFSR(Free Spectral Range)を持ち、互いの位相差が90度である2つのマッハツェンダー干渉計フィルタ(1、2)と、
2つの導波路が平行して近接し、前記2つの導波路の一方の波長を基本モードのまま他方の波長を高次モードに変換して合波する非対称方向性結合器12と、
高次モードの波長を基本モードに変換するモード変換器14と、
を備える波長合波器であって、
マッハツェンダー干渉計フィルタ1は、2つの入力導波路のそれぞれに入力部10から波長(λ1とλ3)が入力され、波長(λ1とλ3)を基本モードのまま合波し、
マッハツェンダー干渉計フィルタ2は、2つの入力導波路のそれぞれに前記入力部から波長(λ0とλ2)が入力され、波長(λ0とλ2)を基本モードのまま合波し、
非対称性方向結合器12は、前記2つの導波路の一方にマッハツェンダー干渉計フィルタ1で合波された波長(λ1とλ3)が入力され、前記2つの導波路の他方にマッハツェンダー干渉計フィルタ2で合波された波長(λ0とλ2)が入力され、波長(λ0とλ2)を高次モードに変換して波長(λ1とλ3)に合波し、
モード変換器14は、非対称方向性結合器12で合波された前記合波波長(λ0とλ1とλ2とλ3)のうち、高次モードである波長(λ0とλ2)を基本モードへ変換することを特徴とする。
(Embodiment 2)
In this embodiment, a wavelength multiplexer 302 having a structure different from that of the wavelength multiplexer 301 of the first embodiment will be described. FIG. 23 is a schematic diagram of a wavelength multiplexer 302 that is a 4-wavelength multiplexer for 100 Gigabit Ethernet (registered trademark). The wavelength multiplexer 302 includes an input unit 10 to which four wavelengths (λ0, λ1, λ2, and λ3 from the short wavelength side) of the frequency interval f are input in the basic mode;
Two Mach-Zehnder interferometer filters (1, 2) having a 2f FSR (Free Spectral Range) and a phase difference of 90 degrees from each other;
An asymmetric directional coupler 12 in which two waveguides are close to each other in parallel, one wavelength of the two waveguides is converted into a higher order mode while the other wavelength is converted into a fundamental mode, and combined.
A mode converter 14 for converting a higher-order mode wavelength into a fundamental mode;
A wavelength multiplexer comprising:
The Mach-Zehnder interferometer filter 1 receives wavelengths (λ1 and λ3) from the input unit 10 and inputs the wavelengths (λ1 and λ3) to the two input waveguides while maintaining the fundamental mode.
The Mach-Zehnder interferometer filter 2 receives the wavelengths (λ0 and λ2) from the input unit to each of the two input waveguides, and combines the wavelengths (λ0 and λ2) while maintaining the fundamental mode.
The asymmetric directional coupler 12 receives the wavelength (λ1 and λ3) combined by the Mach-Zehnder interferometer filter 1 in one of the two waveguides, and the Mach-Zehnder interferometer filter in the other of the two waveguides. Wavelength (λ0 and λ2) combined at 2 is input, the wavelengths (λ0 and λ2) are converted into higher-order modes, and combined into wavelengths (λ1 and λ3),
The mode converter 14 converts a wavelength (λ0 and λ2), which is a higher-order mode, of the combined wavelengths (λ0, λ1, λ2, and λ3) combined by the asymmetric directional coupler 12 into a fundamental mode. It is characterized by that.

波長合波器302は、図5で説明した2段型マッハツェンダー干渉計合波器と同様に、互いの位相が90度異なる、FSRが3200GHzのマッハツェンダー干渉計フィルタ1とマッハツェンダー干渉計フィルタ2を備える。波長合波器302は、λ1とλ3の光をマッハツェンダー干渉計フィルタ1で、λ0とλ2の光をマッハツェンダー干渉計フィルタ2で、それぞれTE光として合波する。その後、波長合波器302は、非対称方向性結合器12で、λ0とλ2の合波光をTE1モードとしてλ1とλ3の合波光に合波する。実施形態1で詳説したように、非対称方向性結合器12の特性は波長依存性が小さく、ピーク波長の絶対位置を調整する必要がない。最後に、波長合波器302は、断熱モード変換部14で、λ0とλ2の光をTE1モードからTM0モードへと変換し、λ0からλ3の4波を合波する。   Similar to the two-stage Mach-Zehnder interferometer multiplexer described with reference to FIG. 5, the wavelength multiplexer 302 is different from the Mach-Zehnder interferometer filter 1 and the Mach-Zehnder interferometer filter 1 whose FSR is 3200 GHz. 2 is provided. The wavelength multiplexer 302 combines the light of λ1 and λ3 as TE light by the Mach-Zehnder interferometer filter 1 and the light of λ0 and λ2 by the Mach-Zehnder interferometer filter 2, respectively. After that, the wavelength multiplexer 302 uses the asymmetric directional coupler 12 to combine the combined light of λ0 and λ2 into the combined light of λ1 and λ3 using the TE1 mode. As described in detail in the first embodiment, the characteristics of the asymmetric directional coupler 12 have a small wavelength dependency, and it is not necessary to adjust the absolute position of the peak wavelength. Finally, the wavelength multiplexer 302 converts the light of λ0 and λ2 from the TE1 mode to the TM0 mode by the adiabatic mode conversion unit 14, and combines the four waves of λ0 to λ3.

つまり、波長合波器302は、図3のFSRが1600GHzのマッハツェンダー干渉計フィルタ3を、設計が容易で製造誤差に対する許容が大きい非対称方向性結合器12と断熱モード変換部14の組み合わせに置き換えている。このため、波長合波器302は、製造誤差許容が大きく、ピーク波長の絶対位置などを考慮して設計する必要もない。よって、波長合波器302は、波長合波器の設計と製造を容易にする。   That is, the wavelength multiplexer 302 replaces the Mach-Zehnder interferometer filter 3 having an FSR of 1600 GHz in FIG. 3 with a combination of an asymmetric directional coupler 12 and an adiabatic mode converter 14 that are easy to design and have a large tolerance for manufacturing errors. ing. For this reason, the wavelength multiplexer 302 has a large manufacturing error tolerance, and does not need to be designed in consideration of the absolute position of the peak wavelength. Thus, the wavelength multiplexer 302 facilitates the design and manufacture of the wavelength multiplexer.

(実施形態3)
図24は、本実施形態の波長合分波器303を説明する図である。波長合分波器303は、波長帯域が重複しない複数の波長がそれぞれに入力される実施形態1や2で説明した2つの波長合波器(301又は302)と、それぞれの波長合波器が出力する合波波長をさらに合波する帯域合波器35と、を備える。
(Embodiment 3)
FIG. 24 is a diagram illustrating the wavelength multiplexer / demultiplexer 303 of the present embodiment. The wavelength multiplexer / demultiplexer 303 includes two wavelength multiplexers (301 or 302) described in the first and second embodiments in which a plurality of wavelengths that do not overlap wavelength bands are respectively input, and the respective wavelength multiplexers. And a band combiner 35 for further combining the output combined wavelengths.

波長合分波器303は、例えば、400ギガビットイーサネット(登録商標)用8波長合波器である。400ギガビットイーサネット(登録商標)は、図25に示すように、100ギガビットイーサネット(登録商標)で用いる800GHz間隔の4波長(λ0〜λ3)に、λ0より4000GHz短波長側の光から800GHz間隔の4波(λ4〜λ7)を加える、8波のWDM方式が検討されている。この場合、λ0とλ7の間には1波長分の間隔が空くことになる。   The wavelength multiplexer / demultiplexer 303 is, for example, an 8-wavelength multiplexer for 400 Gigabit Ethernet (registered trademark). As shown in FIG. 25, 400 Gigabit Ethernet (registered trademark) has four wavelengths (λ0 to λ3) at intervals of 800 GHz used in 100 Gigabit Ethernet (registered trademark), and 4 at intervals of 800 GHz from light at a wavelength shorter than 4000 GHz from λ0. An 8-wave WDM system is being studied that adds waves (λ4 to λ7). In this case, an interval of one wavelength is left between λ0 and λ7.

まず、λ0〜λ3の4つの光を合波する波長合合波器は、実施形態1又は2で説明した波長合波器301又は302をそのまま用いることができる。また、λ4〜λ7の光を合波する波長合合波器についても、波長合波器301又は302と同じ構成を採用できるが、波長に応じて結合部Lcを設定する必要がある。帯域合波部35は、例えば、λ0より長波長側の光を透過させ、λ0より短波長側の光を反射させるようなエッジフィルタである。2つの波長合波器(301又は302)から出射された合成光は、帯域合波部35で合波される。   First, the wavelength multiplexer 301 or 302 described in the first or second embodiment can be used as it is as a wavelength multiplexer that multiplexes four lights of λ0 to λ3. Also, a wavelength multiplexer that multiplexes light of λ4 to λ7 can adopt the same configuration as the wavelength multiplexer 301 or 302, but it is necessary to set the coupling portion Lc according to the wavelength. The band multiplexing unit 35 is, for example, an edge filter that transmits light having a longer wavelength than λ0 and reflects light having a shorter wavelength than λ0. The combined light emitted from the two wavelength multiplexers (301 or 302) is multiplexed by the band multiplexing unit 35.

(効果)
以上より、本発明は、設計が容易且つ製造誤差に対する許容が大きい波長合波器を提供することができる。
(effect)
As described above, the present invention can provide a wavelength multiplexer that is easy to design and has a high tolerance for manufacturing errors.

本発明に係る波長合波器は、実施形態で説明した4波長合波器に限らず、3波波長合波器や5波以上の多波長合波器に適用することができる。   The wavelength multiplexer according to the present invention is not limited to the four-wavelength multiplexer described in the embodiment, and can be applied to a three-wavelength wavelength multiplexer or a multi-wavelength multiplexer having five or more waves.

10:入力部
11、11−1、11−2:方向性結合器
12、13:非対称方向性結合器
14:モード変換器
15:出力部
21:入力シリコン細線導波路
22:出力シリコン細線導波路
23:テーパ部
24:リブ導波路
25:細線リブ変換テーパ部
26:断熱モード変換部
27:幅広のシリコンリブ導波路
35:帯域合波器(エッジフィルタ)
301、302、303:波長合波器
10: Input unit 11, 11-1, 11-2: Directional coupler 12, 13: Asymmetric directional coupler 14: Mode converter 15: Output unit 21: Input silicon fine wire waveguide 22: Output silicon fine wire waveguide 23: Tapered portion 24: Rib waveguide 25: Fine wire rib conversion taper portion 26: Adiabatic mode conversion portion 27: Wide silicon rib waveguide 35: Band multiplexer (edge filter)
301, 302, 303: Wavelength multiplexer

Claims (9)

平面型光回路の波長合波器であって、
複数の波長をそれぞれ異なる導波路に基本モードで入力する入力部と、
2つの導波路が平行して近接し、前記2つの導波路のそれぞれの波長を基本モードのまま合波する方向性結合器と、
2つの導波路が平行して近接し、前記2つの導波路の一方の波長を基本モードのまま他方の波長を高次モードに変換して合波する非対称方向性結合器と、
前記入力部に入力された前記複数の波長が前記方向性結合器及び前記非対称方向性結合器の少なくとも1つを経由して全て合波された合波波長のうち、高次モードの波長を基本モードに変換するモード変換器と、
前記モード変換器で変換され全て基本モードとなった前記合波波長を出力する出力部と、
を備える波長合波器。
A wavelength multiplexer for a planar optical circuit,
An input unit for inputting a plurality of wavelengths to different waveguides in a fundamental mode;
A directional coupler in which two waveguides are close to each other in parallel, and the respective wavelengths of the two waveguides are combined in a fundamental mode;
An asymmetric directional coupler in which two waveguides are close to each other in parallel, one wavelength of the two waveguides is converted to a higher order mode while the other wavelength is converted into a fundamental mode, and combined.
Based on the wavelength of the higher-order mode among the combined wavelengths in which the plurality of wavelengths input to the input unit are all combined via at least one of the directional coupler and the asymmetric directional coupler. A mode converter to convert the mode,
An output unit that outputs the combined wavelength converted into the fundamental mode by the mode converter;
A wavelength multiplexer comprising:
前記方向性結合器が1つ、前記非対称性方向結合器が2つ、及び前記モード変換器が1つであり、
前記入力部が前記導波路に入力する波長は周波数間隔fの4つの波長(λ0、λ1、λ2及びλ3)であり、
前記方向性結合器は、前記2つの導波路のそれぞれに前記入力部から波長(λ1とλ3)が入力され、波長(λ1とλ3)が合波するように前記2つの導波路が平行して近接する導波路間隔と区間が調整され、
第1の前記非対称性方向結合器は、前記2つの導波路の一方に前記入力部から波長λ2が入力され、前記2つの導波路の他方に前記方向性結合器で合波された波長(λ1とλ3)が入力され、波長λ2を高次モードに変換して波長(λ1とλ3)に合波し、
第2の前記非対称性方向結合器は、前記2つの導波路の一方に前記入力部から波長λ0が入力され、前記2つの導波路の他方に第1の前記非対称方向性結合器で合波された波長(λ1とλ2とλ3)が入力され、波長λ0を高次モードに変換して波長(λ1とλ2とλ3)に合波し、
前記モード変換器は、第2の前記非対称方向性結合器で合波された前記合波波長(λ0とλ1とλ2とλ3)のうち、高次モードである波長(λ0とλ2)を基本モードへ変換することを特徴とする請求項1に記載の波長合波器。
One directional coupler, two asymmetric directional couplers, and one mode converter;
The wavelengths input to the waveguide by the input unit are four wavelengths (λ0, λ1, λ2, and λ3) with a frequency interval f,
In the directional coupler, wavelengths (λ1 and λ3) are input to the two waveguides from the input unit, and the two waveguides are parallel so that the wavelengths (λ1 and λ3) are combined. The adjacent waveguide interval and interval are adjusted,
In the first asymmetric directional coupler, the wavelength (λ1) is input to one of the two waveguides from the input unit and the wavelength (λ1) is combined with the other of the two waveguides by the directional coupler. And λ3) are input, the wavelength λ2 is converted into a higher-order mode and combined with the wavelengths (λ1 and λ3),
In the second asymmetric directional coupler, a wavelength λ0 is input from the input unit to one of the two waveguides, and the other asymmetrical directional coupler is combined with the other of the two waveguides. Wavelength (λ1, λ2, and λ3) are input, the wavelength λ0 is converted into a higher-order mode, and multiplexed to the wavelengths (λ1, λ2, and λ3),
The mode converter uses a wavelength (λ0 and λ2), which is a higher-order mode, of the combined wavelengths (λ0, λ1, λ2, and λ3) combined by the second asymmetric directional coupler as a fundamental mode The wavelength multiplexer according to claim 1, wherein the wavelength multiplexer is converted into a wavelength multiplexer.
周波数間隔fの4つの波長(短波長側からλ0、λ1、λ2及びλ3)が基本モードで入力される入力部と、
2fのFSR(Free Spectral Range)を持ち、互いの位相差が90度である2つのマッハツェンダー干渉計フィルタと、
2つの導波路が平行して近接し、前記2つの導波路の一方の波長を基本モードのまま他方の波長を高次モードに変換して合波する非対称方向性結合器と、
高次モードの波長を基本モードに変換するモード変換器と、
を備える波長合波器であって、
第1の前記マッハツェンダー干渉計フィルタは、2つの入力導波路のそれぞれに前記入力部から波長(λ1とλ3)が入力され、波長(λ1とλ3)を基本モードのまま合波し、
第2の前記マッハツェンダー干渉計フィルタは、2つの入力導波路のそれぞれに前記入力部から波長(λ0とλ2)が入力され、波長(λ0とλ2)を基本モードのまま合波し、
前記非対称性方向結合器は、前記2つの導波路の一方に第1の前記マッハツェンダー干渉計フィルタで合波された波長(λ1とλ3)が入力され、前記2つの導波路の他方に第2の前記マッハツェンダー干渉計フィルタで合波された波長(λ0とλ2)が入力され、波長(λ0とλ2)を高次モードに変換して波長(λ1とλ3)に合波し、
前記モード変換器は、前記非対称方向性結合器で合波された前記合波波長(λ0とλ1とλ2とλ3)のうち、高次モードである波長(λ0とλ2)を基本モードへ変換することを特徴とする波長合波器。
An input unit in which four wavelengths (λ0, λ1, λ2, and λ3 from the short wavelength side) of the frequency interval f are input in the basic mode;
Two Mach-Zehnder interferometer filters having a 2f FSR (Free Spectral Range) and a phase difference of 90 degrees from each other;
An asymmetric directional coupler in which two waveguides are close to each other in parallel, one wavelength of the two waveguides is converted to a higher order mode while the other wavelength is converted into a fundamental mode, and combined.
A mode converter that converts a higher-order mode wavelength into a fundamental mode;
A wavelength multiplexer comprising:
In the first Mach-Zehnder interferometer filter, the wavelengths (λ1 and λ3) are input to the two input waveguides from the input unit, and the wavelengths (λ1 and λ3) are multiplexed in the fundamental mode,
In the second Mach-Zehnder interferometer filter, the wavelengths (λ0 and λ2) are input to the two input waveguides from the input unit, and the wavelengths (λ0 and λ2) are multiplexed in the fundamental mode,
The asymmetric directional coupler receives a wavelength (λ1 and λ3) combined by the first Mach-Zehnder interferometer filter in one of the two waveguides, and a second in the other of the two waveguides. The wavelengths (λ0 and λ2) combined by the Mach-Zehnder interferometer filter are input, the wavelengths (λ0 and λ2) are converted into higher-order modes, and combined with the wavelengths (λ1 and λ3),
The mode converter converts a wavelength (λ0 and λ2), which is a higher-order mode, of the combined wavelengths (λ0, λ1, λ2, and λ3) combined by the asymmetric directional coupler into a fundamental mode. A wavelength multiplexer characterized by that.
前記非対称性方向結合器は、
前記2つの導波路のうち一方の基本モードにおける実効屈折率と前記2つの導波路のうち他方の高次モードの実効屈折率とが一致し、
前記2つの導波路が平行して近接する区間が前記2つの導波路のうち一方の基本モードのパワーが前記2つの導波路のうち他方の高次モードのパワーへ移行する長さであること
を特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の波長合波器。
The asymmetric directional coupler is
The effective refractive index of one fundamental mode of the two waveguides and the effective refractive index of the other higher-order mode of the two waveguides match,
The section in which the two waveguides are parallel and close is such a length that the power of one fundamental mode of the two waveguides shifts to the power of the other higher order mode of the two waveguides. The wavelength multiplexer according to any one of claims 1 to 3, wherein
前記モード変換器は、
導波路幅が連続的に変化するテーパー部を有することを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の波長合波器。
The mode converter is
The wavelength multiplexer according to any one of claims 1 to 4, further comprising a tapered portion whose waveguide width continuously changes.
前記モード変換器は、断熱条件を満たすテーパ型シリコンリブ導波路を有することを特徴とする請求項5に記載の波長合波器。   6. The wavelength multiplexer according to claim 5, wherein the mode converter has a tapered silicon rib waveguide that satisfies a heat insulation condition. 前記入力部は、TE0の基本モードを前記導波路に入力し、
前記非対称方向性結合器は、前記他方の波長をTE1の高次モードに変換し、
前記モード変換器は、TE1の高次モードをTM0の基本モードに変換することを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の波長合波器。
The input unit inputs a fundamental mode of TE0 to the waveguide,
The asymmetric directional coupler converts the other wavelength into a higher order mode of TE1,
7. The wavelength multiplexer according to claim 1, wherein the mode converter converts a higher-order mode of TE1 into a fundamental mode of TM0.
前記導波路がシリコン細線導波路であることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の波長合波器。   8. The wavelength multiplexer according to claim 1, wherein the waveguide is a silicon fine wire waveguide. 波長帯域が重複しない複数の波長がそれぞれに入力される請求項1から8のいずれかに記載の複数の波長合波器と、
それぞれの前記波長合波器が出力する前記合波波長をさらに合波する帯域合波器と、
を備える波長合波器。
A plurality of wavelength multiplexers according to any one of claims 1 to 8, wherein a plurality of wavelengths that do not overlap wavelength bands are respectively input;
A band combiner for further combining the combined wavelengths output by the respective wavelength combiners;
A wavelength multiplexer comprising:
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