JP2557966B2 - 光合分波器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、波長多重光通信等で用いられるマッハ・ツ
ェンダ光干渉計型の光合分波器に関する。

＜従来の技術＞ 光合分波器は、１本の光ファイバに複数波長の信号光
を同時に伝送させ且つ夫々の波長の信号光を独立に取り
出すための装置である。

光合分波器はその形態により、１）バルク型、２）フ
ァイバ型、３）導波型、に大別することができる。バル
ク型はマイクロレンズやプリズム、干渉膜フィルタ等を
組み合わせて構成するものであるが、組立調整に長時間
を要し、長期信頼度や価格の面で難がある。またファイ
バ型は、光ファイバ自身を構成材料として研磨や融着・
延伸工程を経て構成されるものであるが、波長設定精度
を良好に保つことが難しい。これらに対して、導波型
は、フォトグラフィ工程により、平面基板上に一括大量
形成できる利点があり、将来型の光合分波器形態として
注目されている。

第11図は、従来の代表的な導波型光合分波器である方
向性結合器型光合分波器の概略構成図である。同図に示
したように平面基板21上には略平行して２本の光導波路
21a,21bが形成されていると共に、夫々の光導波路21a,2
1bの中間部は、互いに近接して形成され方向性結合部21
cを構成している。この方向性結合部21cは、光導波路21
aの入力ポート23aから同時に入射された２波長λ₁,λ_２
（例えばλ_１＝1.3μｍとλ_２＝1.55μｍ）の信号光
を、光導波路21aの出力ポート23bと光導波路21bの出力
ポート24bとに完全に分離して出力するように設計され
ている。この方向性結合部21cのパワー結合比即ち方向
性結合部21c内にて光導波路21a側から光導波路21b側へ
と移される信号光の波長ごとの強度割合（以下単に結合
比と称する）が波長λ_１に対して０％、波長λ_２に対し
て100％に設定されている。

しかし、方向性結合部21cは、極めて構造敏感な光回
路要素であり、二つの波長で同時に希望の結合比（ここ
では、０％と100％）になるように構成するには、光導
波路コア部の寸法やコア・クラッド間の比屈折率差、結
合部の長さや間隔等の寸法精度を極めて厳格に維持しつ
つ製造することが必要である。

そこで前述した程には高寸法精度を要求されない別の
導波型光合分波器として、マッハ・ツェンダ光干渉計型
光合分波器が知られている。このマッハ・ツェンダ光干
渉計型光合分波器は、極めて接近した２波長（例えば、
λ_１＝1.549μm,λ_２＝1.551μｍ）の信号光を合波ある
いは分波するものである。第12図にその概略構成を表し
たように、平面基板21上には略平行して２本の光導波路
21a,21bが形成されていると共に、夫夫の光導波路21a,2
1bは中間部の２個所で互いに近接して形成され、波長λ
₁,λ_２の信号光に対して略50％の結合比を有する方向性
結合部22a,22bを構成している。この場合、波長λ_１と
λ_２とは結合比の波長依存性を無視できる程に極めて近
接した値であるために、例えば波長λ_１とλ_２との平均
値の波長に対する結合比を50％とする等によって、方向
性結合部22a,22bの結合比が決められていた。またこれ
らの方向性結合部22a,22bを夫々形成した光導波路21a,2
1b間の光路長差△Ｌは、次の関係式で与えられる。

△Ｌ＝λ_１λ₂/（2n・△λ） ……（１） ｎ・△Ｌ＝λ_２・Ｎ ……（２） ｎ・△Ｌ＝λ_１・（Ｎ＋0.5） ……（３） ここで、 n:光導波路の実効屈折率 △λ＝｜λ_２−λ₁| N:整数 である。例えば、光導波路が石英ガラス系光導波路の場
合、ｎ＝1.45であるから前記のλ_１＝1.549μm,λ_２＝
1.551μｍの場合には、△Ｌ＝417μｍとすれば前記の
（１）〜（３）式が同時に成立する。従ってこの場合公
知の光干渉作用により、導波路21aの入力ポート23aから
入力された２波長の信号光λ₁,λ_２のうちλ_１は出力ポ
ート23bから出力され、λ_２は対向側の導波路22bの出力
ポート24bから分離して取り出されるのである。

＜発明が解決しようとする課題＞ 従来、マッハ・ツェンダ光干渉計型光合分波器は、方
向性結合部22a,22bの結合比の波長依存性が無視できる
場合、即ち２つの信号光の波長λ₁,λ_２が極めて近接す
る値を有していて夫々の波長λ₁,λ_２に対する結合比が
共に略50％と見なせる場合のみに有効であると考えられ
てきた。つまり、信号光の波長λ₁,λ_２の値に前記波長
依存性を無視できなくなる程大きな差がある場合では、
出力ポート23b,24bの夫々に波長λ₁,λ_２の信号光が混
雑して出力されるいわゆるクロストークが発生して完全
な合波、分波を行い得ないという問題があった。

＜課題を解決するための手段＞ 本発明による光合分波器は、基板上に形成された２本
の光導波路と、前記光導波路の中間部の２箇所において
前記光導波路を相互に近接させることにより夫々形成さ
れた第１及び第２の方向性結合部とを備え、異なる第１
の波長及び第２の波長の光を合波あるいは分波する光合
分波器において、 前記２本の光導波路の前記第１及び第２の方向性結合
部の間での光路長差（ΔＬ）と、前記２本の光導波路の
屈折率（ｎ）との積（ｎ・ΔＬ）が、第１の波長の（整
数±0.5）倍であり、かつ第２の波長の整数倍に設定さ
れているとともに、 前記第１の波長及び前記第２の波長は前記第１及び第
２の方向性結合部のパワー結合比の波長依存性が無視で
きないほど離れており、 前記第１及び第２の方向性結合部のパワー結合比が前
記第２の波長に対してほぼ50％であることを特徴とする
ものである。

＜作用＞ 基板上に形成された２本の光導波路と、前記光導波路
の中間部の２箇所において前記光導波路を相互に近接さ
せることにより夫々形成され異なる波長の２種類の光を
合波或いは分波する方向性結合部とを備えた光合分波器
において、一方の光導波路の一端側から導入された異な
る波長を有する２種の光は、２本の光導波路の夫々の他
端側より各波長の光ごとに分離して取り出され、また逆
に２本の光導波路の夫々の他端側より各波長ごとに導入
された光は、一方の光導波路の一端側より合波されて取
り出される。この際、前記方向性結合部の結合比を、一
方の光波路から他方の光導波路へと移される光の波長に
対してほぼ50％となるように設定したことにより、この
光合分波器は波長差の大きい２種の光を精度よく合波或
いは分波する。

＜実 施 例＞ 以下、本発明による光合分波器の一実施例を図を参照
して詳細に説明する。

第１図はこの一実施例の概略構成を表す平面図であ
り、第２図〜第４図は夫々第１図中のＡ−A,B−B,C−Ｃ
矢視断面を表す拡大断面図である。これらの図に表した
ようにシリコン基板11上には膜厚50μｍ程度のSiO₂系の
ガラス層15が形成され、且つこのガラス層15内にはSiO₂
−TiO₂系ガラスよりなる８μｍ角程度の断面形状を有す
る２本の光導波路11a,11bが略平行するように設けられ
ている。また光導波路11a,11bには、夫々の中間部の２
箇所で互いに近接して形成され夫々の光導波路11a,11b
内を進行してきた異なる波長の信号光を合波或いは分波
する方向性結合部12a,12bが形成されている。つまり方
向性結合部12a,12bは本実施例において、２本の光導波
路11a,11bを間隔数μｍ程度に保ち且つ0.5mm程度の距離
に亙って平行に配置することにより構成されている。ま
た２つの方向性結合部12a,12bの間の一方の光導波路11a
の長さをＬとすると、他方の光導波路11bの長さはＬ＋
△Ｌと表わされこの光路長差△Ｌだけ光導波路11aより
長く設定されている。ここで第１図中下方に配設された
光導波路11aの左端を、異なる波長λ₁,λ_２を有する２
種の光の共通の入力ポート13aとして、同じく光導波路1
1aの図中右端を、一方の波長λ_１の光の出力ポート（以
下スルーポートと称する）13bとし、且つこのスルーポ
ート13bの図中上方に位置する光導波路14bの端部を分波
された波長λ_２の光の出力ポート（以下クロスポートと
称する）14bと設定した場合を以下に説明する。

この場合前述した光路長差△Ｌは従来技術と同様に次
の３式によって決められる。

△Ｌ＝λ_１λ₂/（2n・△λ） ……（１） ｎ・△Ｌ＝λ_２・Ｎ ……（２） ｎ・△Ｌ＝λ_１・（Ｎ＋0.5） ……（３） n:光導波路の実効屈折率 △λ＝｜λ_２−λ₁| N:整数 これらの式（１）〜（３）を満たす△Ｌは異なるＮに
対して複数決まり得るがここではそのうちの最小値を選
ぶ。このように、△Ｌとして最小値を選定するのは、第
７図の光透過強度・波長依存性曲線において、λ_１とλ
_２の位置が曲線の隣接した山と谷に位置するよう考慮し
てのことである。上記の「最小」の条件をはずすと、λ
_１とλ_２の間に別の山や谷が現れ、光合分波器としての
いわゆる通過帯域幅や阻止帯域幅の減少を招き、一般的
に望ましくないのである。

なお、式（１）〜（３）を厳密に解くと、Ｎは必ずし
も正確な整数値とはならないが、整数値からの誤差が±
0.1程度の範囲にあれば、最寄りの整数値に設定しても
実用上差し支えない。光合分波器に分波器としての動作
を行わせるか、合波器としての動作（後述）を行わせる
かで事情は異なるが、整数値からの誤差が上記の範囲を
越えるとクロストークや損失値が増大して望ましくない
ので、別のＮ値解を求めるべきである。

こうして本発明の光合分波器においては、光路長差△
Ｌ及び波長λ₁,λ_２が前述した式（１）〜（３）を満た
すことに加えて、方向性結合部12a,12bの結合比を波長
λ_２に対してのみほぼ50％と設定すればよいという点が
要件であり、その結果、極めて接近した値の波長λ₁,λ
_２の信号光の合波或いは分波だけにしか適用できなかっ
た従来のマッハ・ツェンダ光干渉計型光合分波器の欠点
を解消できるのである。

即ち前述したような本実施例の光合分波器において、
方向性結合部12a,12b夫々単独の結合比の波長特性を表
した図が第５図であり、またこれらの方向性結合部12a,
12bを連結して構成した回路のスルーポート13b側及びク
ロスポート14b側の夫々から出力される光の透過強度の
波長特性を夫夫表した図が第６図及び第７図である。こ
れらの図からわかるように、スルーポート13b側から出
力される光の透過強度の波長特性は、マッハ・ツェンダ
光干渉計に特有の周期的な分布を示しているが、光の透
過強度が１即ち最大となる波長はλ_１は、ｎ・△Ｌ＝
（Ｎ＋0.5）・λ_１という条件の下に複数存在し、且つ
この場合の夫々の波長λ_１に対応する結合比は50％とは
ならないのである。これに対しクロスポート14bから出
力される光の透過強度の波長を見ると、この透過強度が
１即ち最大となる波長λ_２は、ｎ・△Ｌ＝Ｎ・λ_２とい
う条件の下に単独で存在し、且つこの場合の波長λ_２に
対応する結合比は50％なのである。

ところで、従来のマッハ・ツェンダ光干渉計型光合分
波器では、波長λ₁,λ_２の値の差が極めて小さく、従っ
て夫々の波長λ₁,λ_２に対する結合比の差が無視できる
程であったために、例えば波長λ_１とλ_２との平均値に
対する結合比を有する方向性結合部12a,12bを用いたと
しても、スルーポート13b及びクロスポート14b側に夫々
波長λ₁,λ_２の信号光のほぼ最大の透過強度を得ること
ができたのである。しかるに波長λ_１とλ_２の値の差が
大きくなると波長λ_２に対する結合比はほぼ50％に保持
し得るものの波長λ_１に対する結合比は50％から大きく
ずれて設定しなければならないのである。従って本発明
の光合分波器のように△λ≧0.05μｍという比較的大き
な波長差を有する信号光にも適用されるものにあって
は、方向性結合部12a,12bの夫々の結合比をクロスポー
ト14b側へ出力される信号光の波長λ_２に対してのみほ
ぼ50％（即ち50％±５％程度）と設定しておけばよく、
他に波長λ_１に対する結合比のずれを考慮せずに極めて
精密な合分波機能を有する装置構成を得ることができ
る。

以下前述したような本実施例の光合分波器による実験
例を示す。まずその一例としてスルーポート（出力ポー
ト）13bから出力されるべき波長λ_１＝1.30μm,またク
ロスポート（出力ポート）14bから出力されるべき波長
λ_２＝1.55μｍとし、且つ石英系ガラス製の光導波路12
a,12bの屈折率ｎ＝1.45として、これらの値を前述した
式（１）〜（３）に代入し整数N,光路長差△Ｌを求めれ
ばＮ＝３、ｎ・ΔＬ＝4.6μｍ、すなわちΔＬ＝3.2μｍ
が得られる。第８図は、この値の光路長差△Ｌを有し且
つ波長λ_２に対する方向性結合部12a,12bの夫々の結合
比をほぼ50％とした本実施例による光合分波器の実験結
果を表している。つまりこの第８図は、光導波路11aの
入力ポート13aに入力する信号光の波長を変化させてい
た際のスルーポート13bおよびクロスポート14bからのそ
れぞれ出力光の透過強度波長依存性を記録した波長特性
図である。波長λ_２＝1.55μｍでは確かに出力光はクロ
スポート14bに得られ、逆に波長λ_１＝1.30μｍでは、
出力光スルーポート13bに得られ、光合分波器としての
動作が達成されている。クロスポート14bに波長λ_１光
が漏れ込む比率、およびスルーポート13bに波長λ_２光
が漏れ込む比率、すなわちクロストーク量は、いずれも
１％以下、即ち−20dB以下と微少であった。

第９図、第10図は比較のために、故意に本発明の主旨
とは異なる設定を方向性結合部12a,12bに施した光合分
波器の波長特性図である。第９図は、方向性結合部12a,
12bの結合比が、スルーポート13bに取り出すべき波長、
すなわちλ_１＝1.30μｍで50％になるよう設定してしま
った場合の波長特性である。この場合、クロスポート14
bには、本来出力されるべき波長λ_２光に加えて、波長
λ_１光が、数10％も混在して取り出され、光合分波器と
しての使用に耐えないことがわかった。第10図は、方向
性結合器の結合比が、λ_１とλ_２の中間波長、すなわち
1.43μｍで50％になるような従来と同様な設定を施した
場合であるが、この場合には、スルーポート13b、クロ
スポート14bのいずれにも、本来取り出すべき波長光に
加えて他波長光が10％程度混在し、やはり光合分波器と
して不都合であることがわかる。

次に前述した実験例とは逆にクロスポート14bに波長
λ_１＝1.30μｍの光を、またスルポート13bにλ_２＝1.5
5μｍの光を取り出す場合の実験例を以下に示す。この
場合、方向性結合部12a,12bの夫々の結合比がクロスポ
ート14bに出力されるべき光の波長λ_１＝1.30μｍに対
してほぼ50％となるように前記方向性結合部12a,12bを
形成すると共に、以下の式を満たす光路長差△Ｌを有す
る光合分波器を用いればよいのである。

△Ｌ＝λ_１λ₂/（2n・△λ） ……（１） ｎ・△Ｌ＝Ｎ・λ_１ ……（４） ｎ・△Ｌ＝（Ｎ−0.5）・λ_２ ……（５） ここで式（４），（５）は式（２），（３）において
λ_１とλ_２を入れ換え、さらにこの実験例においてはλ
_１＜λ_２であることを考慮してこれらの式が解を持つよ
うに（５）式の（Ｎ＋0.5）を（Ｎ−0.5）と書き換えた
だけである。式（１），（４），（５）はλ_１＝1.30μ
m,λ_２＝1.55μｍ、Ｎ＝３、ｎ・ΔＬ＝3.9μｍ、すな
わちΔＬ＝2.7μｍにおいてほぼ成立する。このような
設定条件の下に行った実験では、確かにクロスポート14
bから波長λ_１の光が取り出されると共にスルーポート1
3bからは波長λ_２の光が取り出され、夫々のクロストー
ク量は１％以下、即ち−20dB以下であった。

以上の実施例或いは実験例では、いずれも共通ポート
である入力ポート13aから入力された２波長を出力ポー
ト13b,14bに夫々に分離して取り出す分波動作のみを説
明したが、逆方向に動作させれば合波動作が得られるこ
とは当然である。また、入力ポート13aから14aに替える
と、出力ポート13b,14bの役割も入れ替わることにな
る。

ところで上記実施例では、光導波路として、シリコン
基板上の石英系単一モード光導波路を扱ったが、本発明
はこれに限定されるものではなく、他材料系の光導波路
でも適用対象になる。例えば、多成分ガラス基板やニオ
ブ酸リチウム結晶基板上に金属イオン拡散技術により作
製されるイオン拡散導波路にも本発明を適用できる。材
料系の違いにより光導波路の屈折率ｎも異なるので、こ
の点を考慮して式（１），（２），（３）或いは式
（１），（４），（５）等を扱う必要のあることは、も
ちろんである。また、上記実施例では、最も一般的な導
波型マッハ・ツェンダ光干渉計回路パターンを基本とし
たが、本発明は、このパターンに限定されるものではな
く、多様な変形パターンを、それぞれの事情に応じて採
用できることができる。

さらに上記実施例では、基板上に個別の光合分波器が
形成されている例を扱ったが、同一基板上に多数個の光
合分波器がアレイ状に形成される場合や、基板上や基板
端部に受光・発光素子を直接搭載するハイブリッド光集
積回路の要素として本発明を適用できることは、もちろ
んであり、むしろそのような集積化の分野にこそ本発明
の光合分波器は真価を発揮すると言える。

＜発明の効果＞ 本発明の光合分波器によれば、マッハ・ツェンダ光干
渉計回路を用いて、異なる波長の２種の光を合波或いは
分波する装置構成において、２つの方向性結合器の間の
光路長差と前記光導波路の屈折率との積が一方の前記光
導波路から他方の光導波路へと移される一方の前記光の
波長の整数倍且つ他方の光の波長の（整数±0.5）倍に
設定すると共に、前記方向性結合器のパワー結合比を前
記一方の前記光の波長に対してほぼ50％としたことによ
り、従来不可能であった大きな波長差を有する２種の光
の合波或いは分波が実現できる。また従来の光合分波器
が２つの波長に対して同時に０％及び100％の結合比を
満足させるために、極めて高い製作精度を要求していた
のに対し、本発明の光合分波器では一方の波長でほぼ50
％の結合比を満すればよく、その製作精度は１桁近く緩
和されるため、作業の効率化が計れ大幅なコスト低減が
実現する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光合分波器の一実施例を表す概略
構成平面図、第２図〜第４図は夫々第１図中のＡ−Ａ矢
視,B−Ｂ矢視,C−Ｃ矢視の各概略構成断面図、第５図は
結合比の波長特性図、第６図はスルーポートから出力さ
れる光の透過強度の波長特性図、第７図はクロスポート
から出力される光の透過強度の波長特性図、第８図〜第
10図は種々の設定条件においてスルーポート及びクロス
ポートから出力される光の透過強度の波長特性図、第11
図は従来の導波型光合分波器の一例を表す概略構成平面
図、第12図は従来のマッハ・ツェンダ光干渉計型光合分
波器の一例を表す概略構成平面である。 図面中、11はシリコン基板、11a,11bは光導波路、12a,1
2bは方向性結合部、13a,14aは入力ポート、13bはスルー
ポート（出力ポート）、14bはクロスポート（出力ポー
ト）、15はガラス層である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小林 壮一 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55−103509（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−30116（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−168220（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−297723（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−5306（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−147145（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−148207（ＪＰ，Ａ) 特表 昭61−500281（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板上に形成された２本の光導波路と、前
   記光導波路の中間部の２箇所において前記光導波路を相
   互に近接させることにより夫々形成された第１及び第２
   の方向性結合部とを備え、異なる第１の波長及び第２の
   波長の光を合波あるいは分波する光合分波器において、 前記２本の光導波路の前記第１及び第２の方向性結合部
   の間での光路長差（ΔＬ）と、前記２本の光導波路の屈
   折率（ｎ）との積（ｎ・ΔＬ）が、第１の波長の（整数
   ±0.5）倍であり、かつ第２の波長の整数倍に設定され
   ているとともに、 前記第１の波長及び前記第２の波長は前記第１及び第２
   の方向性結合部のパワー結合比の波長依存性が無視でき
   ないほど離れており、 前記第１及び第２の方向性結合部のパワー結合比が前記
   第２の波長に対してほぼ50％であることを特徴とする光
   合分波器。
2. 【請求項２】前記光導波路が石英系光導波路であり、前
   記第１の波長が1.3μｍ帯で、前記第２の波長が1.55μ
   ｍ帯であり、ｎ・ΔＬがほぼ4.6μｍで、前記第１及び
   第２の方向性結合部のパワー結合比が1.55μｍ帯の波長
   においてほぼ50％であることを特徴とする請求項１に記
   載の光合分波器。
3. 【請求項３】前記光導波路が石英系光導波路であり、前
   記第１の波長が1.55μｍ帯で、前記第２の波長が1.3μ
   ｍ帯であり、ｎ・ΔＬがほぼ3.9μｍで、前記第１及び
   第２の方向性結合部のパワー結合比が1.3μｍ帯の波長
   においてほぼ50％であることを特徴とする請求項１に記
   載の光合分波器。