JP2551980B2 - 導波形光周波数フィルタ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、光周波数多重光通信分野等に用いる導波形
光周波数フィルタに関するものである。

（従来の技術） 石英系光ファイバの低損失波長領域である1.3μｍ帯
あるいは1.55μｍ帯において、5GHz程度の光周波数間隔
（波長間隔に換算すると0.35Å程度）で、多数の光信号
を高密度に多重化し伝送する光周波数多重伝送方式が、
将来の大容量伝送方式として注目されている。

このような光周波数多重伝送方式において、多重化さ
れた多チャンネルの光信号の中から所望するチャネルを
選択的に取り出す光部品としては、２個の光結合器を長
さの異なる２本の光導波路で連結した基本構成を有する
導波形マッハ・ツェンダ光干渉計回路を、平面基板上に
複数個、直列に連結して構成した導波形光周波数フィル
タが知られている。

第２図は、従来のこの種の導波形光周波数フィルタの
構成例を示す簡略平面図である。第２図において、１は
平板上基板、2,3,4は導波形マッハ・ツェンダ光干渉計
回路（以下、光干渉計回路と称す）である。光干渉計回
路２は、２個のＹ字形光結合器2a,2bと、これら光結合
器2a,2bを連結した光導波路2c並びにこの光導波路2cに
比べて長さがΔＬだけ長い光導波路2dから構成されてい
る。同様に、光干渉計回路３は、２個のＹ字形光結合器
3a,3bと、これら光結合器3a,3bを連結した光導波路3c並
びにこの光導波路3cに比べて長さが２ΔＬだけ長い光導
波路3dから構成されている。さらに、光干渉計回路４は
２個のＹ字形光結合器4a,4bと、これら光結合器4a,4bを
連結した光導波路4c並びにこの光導波路4cに比べて長さ
が４ΔＬだけ長い光導波路4dとから構成されている。

これらの光干渉計回路2,3,4のうち、光干渉計回路２
の光結合器2bと光干渉計回路３の光結合器3aを光導波路
５で、光干渉計回路３の光結合器3bと光干渉計回路４の
光結合器4aを光導波路６で連結することによって、各光
干渉計回路2,3,4を３段直列に連結し、さらに、光干渉
計回路２の光結合器2aに光信号入力用光導波路７を、光
干渉計回路４の光結合器4bに光信号出力用光導波路８を
それぞれ連結して、導波形光周波数フィルタを構成して
いた。

第３図は、上記第２図に示した導波形光周波数フィル
タの光周波数特性の説明図で、横軸は光周波数を、縦軸
は光出力を表している。第３図において、（ａ）は、光
干渉計回路２の光周波数応答を示し、この光干渉計回路
２は、Δf1＝C/（ｎ・ΔＬ）を周期とする正弦波状の応
答特性で特徴づけられる。また、（ｂ）は、光干渉計回
路３の光周波数応答を示し、この光干渉計回路３は、Δ
f2＝C/（ｎ・２ΔＬ）を周期とする正弦波状の応答特性
で特徴づけられる。同様に、（ｃ）は、光干渉計回路４
の光周波数応答を示し、この光干渉計回路４は、Δf3＝
C/（ｎ・４ΔＬ）を周期とする正弦波状の応答特性で特
徴づけられる。（ｄ）は、（ａ），（ｂ），（ｃ）にお
ける各ピーク光周波数が、光周波数fsで合致するように
調節した時の、第２図に示した光周波数フィルタ全体と
しての光周波数応答特性を示している。

このように、３個の光干渉計回路2,3,4による周期の
異なる光周波数特性を合成して得られる第３図（ｄ）の
光周波数特性は、fs±Δf1の領域内において、光周波数
値fs近傍の光信号のみを通過させる光周波数フィルタ作
用を示すことから、第２図に示した光周波数フィルタ
は、光周波数多重通信分野等への適用が期待できる。

しかし、上記光周波数フィルタでは、基板１上にフォ
トリソグラフィ工程やエッチング工程で、Ｙ字形光導波
路分岐部を形成する際に、その分岐部を限りなく鋭くす
ることが不可能であるため、各光結合器2a,2b,3a,3b,4
a,4bはその構成上、分岐、結合部で1dB程度以上の過剰
損失を持ってしまい、全体として6dB程度以上の損失を
回避できないという問題点があった。従って、このよう
な光周波数フィルタを光信号が通過する際に、選択光周
波数においても光量の37％程度以上が損失してしまい、
実用上の大きな障害となり、また、光干渉計回路をさら
に多段化して、フィルタ特性を向上させようとする際に
も、深刻な問題点となっていた。

以上の問題を回避するため、Ｙ字形光結合器に比べ
て、過剰損失を小さく形成可能な方向性結合器を有する
光干渉計回路を多段に連結して構成した光周波数フィル
タが提案された。

第４図は、方向性結合器を用いた光周波数フィルタの
構成例を示す簡略平面図である。第４図において、10は
基板、11,12,13は光干渉計回路である、光干渉計回路11
は、２本の光導波路11a,11bと、これら光導波路11a,11b
の２箇所を数μｍまで所定長さだけ近接させてなる方向
性結合器11c,11dとから構成されている。同様に、光干
渉計回路12は、２本の光導波路12a,12bと、これら光導
波路12a,12bの２箇所を、数μｍ程度まで所定長さだけ
近接してなる方向性結合器12c,12dから構成されてい
る。さらに、光干渉計回路13は、２本の光導波路13a,13
bと、これら光導波路13a,13bの２箇所を、数μｍ程度ま
で所定長さだけ近接してなる方向性結合器13c,13dから
構成されている。

これらの光干渉計回路11,12,13のうち、光干渉計回路
11の光導波路11aの方向性結合器11d側端部と光干渉計回
路12の光導波路12aの方向性結合器12c側端部とを連結
し、同様に、光干渉計回路12の光導波路12aの方向性結
合器12d側端部と光干渉計回路13の光導波路13aの方向性
結合器13c側端部とを連結し、さらに、光干渉計回路11
の光導波路11aの方向性結合器11c側端部を入力ポートPi
n、光干渉計回路13の光導波路13aの方向性結合器13d側
端部を出力ポートPoutとして、導波形光周波数フィルタ
を構成していた。

（発明が解決しようとする課題） 第４図に示した光周波数フィルタにおける各方向性結
合器11c,11d,12c,12d,13c,13dは、いわゆるエバネッセ
ント光結合作用により光結合器を構成するのであるが、
１対１、即ち等分の結合比とするためには、近接した２
本の光導波路の間隔や近接部分の長さ、さらに光導波路
自身の構造パラメータも高精度に設定する必要がある。

しかしながら、方向性結合器の製作工程においては、
フォトリソグラフィ工程やエッチング工程等に製作誤差
が含まれており、１対１、即ち50％−50％の理想的な結
合比から、実際に製作し得る方向性結合器の結合比がず
れてしまうという問題点があった。また、このように１
対１の結合比からずれが発生すると、光干渉計回路の、
いわゆる消光比が劣化し、光周波数フィルタとしてのク
ロストーク特性が劣化してしまうという問題点を有して
いた。例えば結合比が60％−40％（あるいは40％−60
％）にずれた場合、クロストーク比が10dB以下になる事
態を招き、光周波数フィルタの製作上の歩留りが悪く、
これにより光周波数フィルタのコスト高を招くという問
題点をも有していた。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、クロストーク特
性に優れ、しかも過剰損失が小さく、かつ製作歩留りを
大幅に向上でき、低価格化を図れる導波形光周波数フィ
ルタを提供することにある。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、請求項（１）では、基板上
に複数個の導波形マッハ・ツェンダ光干渉計回路を直列
に連結してなる導波形光周波数フィルタにおいて、前記
各々のマッハ・ツェンダ光干渉計回路は、２本の光導波
路と、これら２本の光導波路の２箇所を互いに近接させ
て構成した２個の方向性結合器とを備え、前記２本の光
導波路のいずれか一方の光導波路を光信号入力用光導波
路とし、他方の光導波路を光信号出力用光導波路とし
て、自段の光信号出力用光導波路と後段の光信号入力用
光導波路を連結した。

また、２個の方向性結合器間の２本の光導波路長差
が、それぞれ長さΔＬを基準として、ΔL,2ΔL,4ΔL,
…,2^N-1ΔＬ（Ｎは２以上の整数）を満足するＮ個のマ
ッハ・ツェンダ光干渉計回路を直列に連結した。

（作 用） 第５図に基づいて、請求光（１）による作用を説明す
る。第５図（ａ）は、導波形マッハ・ツェンダ光干渉計
回路の模式図で、，は長さの異なる２本の光導波
路、，は２本の光導波路，２箇所を互いに近接
させて構成した方向性結合器である。第５図（ｂ），
（ｃ）は、第５図（ａ）において光導波路の一端から
入射させた光信号の光周波数を変化させた際の、光導波
路の他端からの出力光の応答特性（実線）、及び光導
波路の出射端からの出力光の応答特性（破線）の説明
図で、横軸は光周波数、縦軸は光出力を表している。

第５図（ｂ）は、方向性結合器，の結合比が１対
１（50％−50％）の場合の光周波数応答特性を示してお
り、一方の応答が“山”の時、他方の応答は“谷（零
値）”を示し、この場合（結合比1:1）、光周波数フィ
ルタとして理想的な光周波数応答が得られる。

一方、第５図（ｃ）は、方向性結合器，の結合比
が1:1からずれた場合を示している。この場合、実線で
示す応答特性、即ち光信号が入力された光導波路から
の出力光の応答特性は、谷部において零値を示していな
い。これに対し、破線で示す応答特性、即ち光信号が入
力された光導波路とは異なる光導波路からの出力光
の応答特性は、山部の値が僅かに低下するものの谷部に
おいては零値を示している。

例えば、結合比が50％−50％から60％−40％（あるい
は40％−60％）にずれた場合、第５図（ｃ）において実
線で示す応答特性の消光比（山部と谷部の出力光比）
は、15dB以下にまで劣化する。また、マッハ・ツェンダ
光干渉計回路の一段当り15dB以下の消光比では、マッハ
・ツェンダ光干渉計回路を数段、直列に連結すると、10
dB以下の消光比にまで劣化してしまう。これに対して、
第５図（ｃ）において破線で示す応答特性の消光比は劣
化することはない。但し破線応答の山部の透過率は、96
％程度に劣化するが、これは高々0.2dBの過剰損失に過
ぎない。

従って、マッハ・ツェンダ光干渉計回路の構成要素で
ある２本の光導波路，のうち、いずれか一方の光導
波路、例えば光導波路を光信号入力用光導波路とした
場合、当該マッハ・ツェンダ光干渉計回路の出力光とし
ては、入力用光導波路とは異なる他方の光導波路か
らの出力光を採用し、このようにした、マッハ・ツェン
ダ光干渉計回路を多段、直列に連結することにより、消
光比に優れた所望のフィルタ特性を有する光周波数フィ
ルタを構成できる。

（実施例） 第１図は、本発明による導波形光周波数フィルタの第
１の実施例を示す簡略平面図であって、従来例を示す第
４図と同一構成部分は同一符号をもって表してある。即
ち、10は基板、11、12,13は光干渉計回路（導波形マッ
ハ・ツェンダ光干渉計回路）、11a,11b,12a,12b、13a,1
3bは光導波路、11c,11d、12c,12d、13c,13dは方向性結
合器、Pinは入力ポート、Poutは出力ポートである。

第１図においては、光干渉計回路11の光導波路11bの
方向性結合器11d側端部と光干渉計回路12の光導波路12a
の方向性結合器12c側端部を連結し、同様に、光干渉計
回路12の光導波路12bの方向性結合器12d側端部と光干渉
計回路13の光導波路13aの方向性結合器13c側端部を連結
し、さらに、光干渉計回路11の光導波路11aの方向性結
合器11c側端部を入力ポートPin、光干渉計回路13の光導
波路13bの方向性結合器13d側端部を出力ポートPoutとし
て、導波形光周波数フィルタを構成している。

次に、上記構成による動作を説明する。尚、各光干渉
計回路11,12,13の出力光のピーク光周波数が、所望の光
周波数で合致するように、いずれか一方の光導波路、例
えば11b,12b,13bの光路長を光波長相当分の範囲内で電
気光学効果や熱光学効果を利用して（実際には図示しな
いヒータ等により調節）微調節されているものとする。

まず、入力ポートPinから入射された光信号は、光導
波路11aを伝搬し、方向性結合器12cで光導波路11bに分
岐される。分岐された光信号は、光導波路11a,11bをそ
れぞれ伝搬した後、方向性結合器11dで結合され、光干
渉計回路11の光導波路11bから光干渉計回路12の光導波
路12aに導波される。光導波路12aに導波された光信号
は、方向性結合器12cで分岐される。分岐された光信号
は、光導波路12a,12bをそれぞれ伝搬した後、方向性結
合器12dで結合され、光干渉計回路12の光導波路12bから
光干渉計回路13の光導波路13aに導波される。同様にし
て、光導波路13aに導波された光信号は、方向性結合器1
3cで分岐される。分岐された光信号は、光導波路13a,13
bをそれぞれ伝搬した後、方向性結合器で結合され、光
導波路13bを伝搬して出力ポートPinから所望の光周波数
値の光信号が出力されることになる。

以上のように、本第１の実施例によれば、光干渉計回
路11,12,13の光導波路11a,12a,13aを光信号入力用光導
波路とし、光導波路11b,12b,13bを光信号出力用光導波
路として、各光干渉計回路11,12,13を３段直列に、いわ
ゆる対角ポート同士のみを連結したので、たとえ、方向
性結合器11c,11d、12c,12d,13c,13dに製作上誤差があ
り、その結合比が1:1（50％−50％）でなかったとして
も、クロストーク特性に優れた導波形光周波数フィルタ
を再現性良く実現できる。

第６図は、本発明による導波形周波数フィルタの第２
の実施例を示す簡略平面図である。本第２の実施例と前
記第１の実施例の異なる点は、光干渉計回路11,12,13の
光導波路11b,12b,13bを光信号入力用光導波路とし、光
導波路11a,12a,13aを光信号出力用光導波路として、光
干渉計回路11の光導波路11aの方向性結合器11d側端部と
光干渉計回路12の光導波路12bの方向性結合器12c側端部
とを連結し、同様に、光干渉計回路12の光導波路12aの
方向性結合器12d側端部と光干渉計回路13の光導波路13b
の方向性結合器13c側端部とを連結し、さらに光干渉計
回路11の光導波路11bの方向性結合器11c側端部を出力ポ
ートPin、光干渉計回路13の光導波路13aの方向性結合器
13d側端部を出力ポートPoutとしたことにある。

このように各光干渉計回路11,12,13を３段直列に連結
しても、第１の実施例と同様の効果を得ることができ
る。

第７図及び第８図は、本発明による導波形光周波数フ
ィルタを具体的に示した第３の実施例を示すもので、第
７図はその平面図、第８図（ａ），（ｂ）はそれぞれ第
７図における線分Ａ−A,B−Ｂに沿った部分の拡大断面
図である。図中、110は長さ4cm、幅4cm、厚さ0.7mmの構
造パラメータを有するシリコン基板、120,130,140は光
干渉計回路である。

光干渉計回路120は、光導波路120aと、光導波路120a
との光導波路長差ΔＬ＝2.5mmの光導波路120bと、これ
ら光導波路120a,120bの２箇所を、数μｍ程度まで近接
させてなる方向性結合器120c,120dから構成されてい
る。同様に、光干渉計回路130は、光導波路130aと光導
波路130aとの光導波路長差が２ΔＬ＝5mmの光導波路130
bと、これら光導波路130a,130bの２箇所を数μｍ程度ま
で近接させてなる方向性結合器130c,130dから構成され
ている。さらに光干渉計回路140は、光導波路140aと、
光導波路140aとの光導波路長差が４ΔＬ＝10mmの光導波
路140bと、これら光導波路140a,140bの２箇所を数μｍ
程度まで近接させてなる方向性結合器140c,140dから構
成されている。

これらの光干渉計回路120,130,140のうち、光干渉計
回路120の光導波路120bの方向性結合器120d側端部と光
干渉計回路130の光導波路130bの方向性結合器130c側端
部を連結し、同様に、光干渉計回路130の光導波路130a
の方向性結合器130d側端部と光干渉計回路140の光導波
路140aの方向性結合器140c側端部を連結し、さらに、光
干渉計回路120の光導波路120aの方向性結合器120c側端
部を入力ポートPin、光干渉計回路140の光導波路140bの
方向性結合器140d側端部を出力ポートPoutとしている。

また、各光導波路120a,120b,130a,130b,140a,140bは
石英系材料よりなり、シリコン基板110上に厚さ50μｍ
程度のクラッド層150に埋設されており、その断面寸法
は６μｍ程度で、クラッド層150との比屈折率差は0.75
％程度としてある。

さらに、光干渉計回路120においては、光導波路120b
上に、光導波路長を熱光学効果により微調節するための
薄膜ヒータ151が装荷されている。同様に、同様の作用
を示す薄膜ヒータ152,153が、光干渉計回路130,140の光
導波路130b,140b上にもそれぞれ装荷されて、導波形光
周波数フィルタが構成されている。

このような光周波数フィルタは、石英系光導波路の屈
折率ｎが1.456であることを考慮すると、各光干渉計回
路120,130,140の各周期Δf1,Δf2,Δf3（第３図相当）
は、それぞれΔf1≒40GHz,Δf2＝20GHz,Δf3≒10GHzで
ある。

以上の構成を有する、本第３の実施例による光周波数
フィルタにおいて、入力ポートPinから、波長1.55μｍ
帯で、10GHzの光周波数間隔、即ち波長換算で、0.75Å
間隔に、８チャネル分多重化した光信号を入射し、所望
する光周波数域で光干渉計回路120,130,140の光周波数
応答の“山部”が一致するように薄膜ヒータ151,152,15
3への供給電力を調整した。実際、このような操作を、
多数の光周波フィルタについて行ない、阻止すべきチャ
ネル信号のクロストーク比を調べたところ、全て15dB〜
20dB程度以上と良好であり、本第３の実施例による光周
波数フィルタは、方向性結合器120c,120d、130c,130d、
140c,140dの製作上の誤差を許容して、クロストーク特
性に優れた導波形光周波数フィルタを実現できる。

尚、本第３の実施例では、光信号の入出力ポートPin,
Poutに用いた光導波路120a,140bの端部以外に、６箇所
の光導波路端が基板面まで導かれているが、これらの光
導波路端は必要に応じて各光干渉計回路にパイロット信
号を入射させ、薄膜ヒータ151,152,153の調節用モータ
ポイントとして用いることも可能である。

以上の実施例において、光干渉計回路は、入力ポート
Pin側から２本の光導波路長差の小さい順に連結されて
いるが、この順序を、任意に入れ換えても、同様の作用
効果を得られることはいうまでもない。

また、第３の実施例において、各光干渉計回路120,13
0,140の２本の光導波路を光導波路長差ΔL,2ΔL,4ΔL,
…,2^N-1ΔＬの組合せとすることにより、最も少ない段
数で、所望のフィルタ特性を得ることができる。なお、
場合によっては、他の組合わせを用いることも任意であ
る。

また、第３の実施例では石英系光導波路を基本とする
具体的実施例について説明したが、他材料の光導波路系
を用いても、同様の効果を得ることが可能なことはいう
までもない。

さらに、各実施例においては、光干渉計回路を３段直
列に連結した光周波数フィルタについて説明したが、こ
れに限定されるものではなく、さらに段数を増加して、
より多チャンネルの信号光を扱う光周波数フィルタを構
成することにより、より顕著な効果を得ることができる
ことは明らかである。

（発明の効果） 以上説明したように、請求項（１）によれば、各マッ
ハ・ツェンダ光干渉計回路のいずれか一方の光導波路に
入射した光信号は、光信号の入射側光導波路とは異なる
他方の光導波路から次段のマッハ・ツェンダ光干渉計回
路へあるいは当該光周波数フィルタから出射されるの
で、たとえ方向性結合器に製作上の誤差があったとして
も、クロストーク特性に優れた導波形光周波数フィルタ
を再現性よく提供できる利点がある。

また、製作歩留りが、従来のものに比べて飛躍的に高
いことから、低価格化を図れ、光周波数多重伝送方式等
の普及に貢献できる。

また、マッハ・ツェンダ光干渉計回路の連結段数を最
も少なくして、所望のフィルタ特性を有する導波形光周
波数フィルタを実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による導波形光周波数フィルタの第１の
実施例を示す簡略平面図、第２図はＹ字形光結合器を有
する従来の導波形光周波数フィルタの簡略平面図、第３
図は第２図の光周波数フィルタの光周波数特性の説明
図、第４図は方向性結合器を有する従来の導波形光周波
数フィルタの簡略平面図、第５図は本発明に係る作用の
説明図、第６図は本発明による導波形光周波数フィルタ
の第２の実施例を示す簡略平面図、第７図は本発明によ
る導波形光周波数フィルタの第３の実施例を示す平面
図、第８図（ａ），（ｂ）は第７図の一部拡大断面図で
ある。 図中、10,110……基板、20,30,40,120,130,140,……導
波形マッハ・ツェンダ光干渉計回路、20a,20b,30a,30b,
40a,40b,120a,120b,130a,130b,140a,140b……光導波
路、20c,20d,30c,30d,40c,40d,120c,120d,130c,130d,14
0c,140d……方向性結合器、151,152,153……薄膜ヒー
タ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 神宮寺 要 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 昭61−80109（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−27820（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板上にＮ段（Ｎは２以上の整数）の導波
   形マッハ・ツェンダ光干渉計回路を直列に連結してな
   り、 各々の前記導波形マッハ・ツェンダ光干渉計回路は、２
   本の光導波路及び前記２本の光導波路を互いに近接させ
   て構成した方向性結合器２個からなり、 各々の前記導波形マッハ・ツェンダ光干渉計回路の前記
   ２本の光導波路のいずれかは前記２個の方向性結合器の
   間で実効光路長を変化される手段を有し、 第１段の前記導波形マッハ・ツェンダ光干渉計回路の前
   記２本の光導波路の長さの差をΔＬとして、 第ｋ段（ｋは２以上Ｎ以下の整数）の前記導波形マッハ
   ・ツェンダ光干渉計回路は、前記２本の光導波路の長さ
   の差が2^k-1ΔＬである１入力１出力形の導波形光周波数
   フィルタにおいて、 各々の前記導波型マッハ・ツェンダ干渉計回路は、前記
   ２本の光導波路のうち、一方を入力用光導波路、他方を
   出力用光導波路として、 第ｋ段の前記入力用光導波路と第（ｋ−１）段の前記出
   力用光導波路は光学的に接続されている ことを特徴とする導波形光周波数フィルタ。