JP2859375B2 - 導波型光スターカプラ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、光通信システムにおいて信号光を複数の場
所に分散する導波型光スターカプラに関する。

〈従来の技術〉 光ファイバ通信を各家庭にまで普及させるには、光フ
ァイバ伝送路のような施設を多数人で共用するのが、コ
スト低減上望ましい。このようなな観点から、最近、１
本の光ファイバで送られてきた信号光を８分岐、16分岐
或いは32分岐して、多数人で利用する通信網構成が盛ん
に検討されている。このような通信網で重要な役割を果
たす８分岐素子、16分岐素子或いは32分岐素子等はスタ
ーカプラと呼ばれている。

スターカプラは、その形態によりバルク型、ファ
イバ型、導波型に分類することが出来る。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
要することや価格やサイズの点に問題を残しており、２
分岐程度の比較的小規模のカプラが実用化されるに留ま
っている。ファイバ型は、光ファイバ自身を原材料とし
て研磨、融着、延伸工程を経て構成されるものであり、
比較的小型になる利点は有するものの、いわゆる（２×
２）カプラが基本形であるため、大規模なカプラを構成
するには、多数個の（２×２）カプラを接続する複雑な
工程を必要とし、全体として大型となり、生産性に欠け
る等の問題がある。これらに対して、導波型は、フォト
リソグラフィ工程により、平面基板上に一括して大量生
産できる利点があり、再現性や小型集積可能性等の点で
将来のスターカプラとして最も注目されている。

従来の８分岐導波型スターカプラを第８図に示す。同
図に示すように、基板24上には、入力導波路25、Ｙ型分
岐導波路を三段に接続したＹ型分岐導波路群26、複数段
のピッチ変換導波路群27及び出力導波路アレイ28が配置
され順に接続されている。即ち、これらの導波路は、ガ
ラス基板やシリコン基板上に形成された単一モードガラ
ス導波路により通常構成され、入力ファイバ29から導か
れた信号光は入力導波路25を伝搬した後、１段目のＹ型
分岐導波路にて二つに分岐され、その後、更にそれぞれ
が２段目のＹ型分岐導波路にて二つに分岐される。一般
に、ｎ段の分岐を繰り返すことにより、Ｎ＝2ⁿ（２のｎ
乗）の分配数を得ることができ、第８図のスターカプラ
ではｎ＝３、Ｎ＝８の場合に相当している。このよう
に、Ｎ（＝８）波に分配された後、複数段のピッチ変換
導波路群27により間隔を広げ、出力導波路アレイ28に接
続される。出力ファイバアレイ30の間隔は通常の場合、
250μｍであり、出力導波路アレイ28の間隔をこれと等
しく設定されている。

〈発明が解決しようとする課題〉 第８図の導波型スターカプラの構成では、これまでに
Ｎ＝８又は16程度のスターカプラが実現されているが、
Ｎを更に大きくした大規模なスターカプラを実現しよう
とすると次のような問題に直面していた。

即ち、分岐数Ｎを増大するとすると、復数段のピッチ
変換導波路群27の占める長さが急増し、限られた面積の
基板上にスターカプラ全体を収容できないという問題が
あった。例えば、Ｎ＝128（2⁷）の場合、出力導波路ア
レイ28の占める幅は概ね250μｍ×32mmにも達し、ピッ
チ変換導波路群27を緩やかな曲がり導波路で構成する
と、その専有面積が増大してしまうことに原因があっ
た。

この問題を回避するために、ピッチ変換導波路群27を
小さな曲率半径の曲がり導波路により構成すると、曲が
り部での放射光損失の急増を招く問題を生じた。

ここで、小さな曲率半径を維持しつつ、曲がり部での
放射光損失発生を抑えるためには、基本（０次）モード
の他に一次モードの高次モード程度まで伝搬させ得る疑
似単一モード光導波路を採用し、この疑似単一モード光
導波路に基本モードのみを伝搬させれば良いことが知ら
れている。

しかし、この疑似単一モード光導波路により導波型ス
ターカプラを構成すると、各Ｙ型分岐導波路の分岐比が
１対１からずれ易くなり、出力導波路アレイに分岐され
る光の強度にバラツキが生じるという欠点があった。こ
の欠点は、疑似単一モード光導波路中では基本モードの
パワー分布が導波路の中心からずれ易いこと、Ｙ型分岐
導波路で高次モードのモード変換が発生しやすく、次段
のＹ型分岐導波路で分岐比にむらが生じることに起因し
ていると推察される。

このため、第８図に示した従来の導波型光スターカプ
ラにおいては、分配数の拡大と分配率の均一化を同時に
実現することは不可能であった。

本発明は、上記従来技術に鑑みて成されたものであ
り、分配数を大きく、且つ、分岐比の均一性の高い小型
の導波型光スターカプラを提供することを目的とする。

〈課題を解決するための手段〉 斯かる目的を達成する本発明の構成は基板と、該基板
上に配置され順次連結された入力光導波路、少なくとも
一段以上のＹ型光分岐導波路群、ピッチ変換光導波路群
及び出力光導波路アレイからなる導波型光スターカプラ
であって、前記Ｙ型光分岐導波路群を構成する各光導波
路が単一モード光導波路であり、前記ピッチ変換光導波
路群を構成する光導波路が前記単一モード光導波路より
もやや幅の広い疑似単一モード光導波路であり、しか
も、前記ピッチ変換光導波路群における前記疑似単一モ
ード光導波路の最小曲率半径が、前記Ｙ型光分岐導波路
群における前記単一モード光導波路の最小曲率半径より
も小さく設定されることを特徴とする。

更に、上記単一モード光導波路と上記疑似単一モード
光導波路との間にテーパ状の幅変換光導波路が設置され
ることが望ましい。

〈作用〉 ピッチ変換光導波路群を構成する疑似単一モード導波
路は、単一モード導波路に比較し、基本モードに関して
光の閉じ込め効果が大きい。このため、ピッチ変換光導
波路群の曲線部分における放射損失を抑えながら、曲率
半径を小さくすることが出来る。

しかしながら、疑似単一モード導波路中では複数のモ
ードが存在し得るので、曲線部分を伝搬する時に不要な
モードが励振される。その為、導波路断面における光の
強度分布が左右対象でないことが生じる。これを放置す
ると、Ｙ型分岐導波路における分配比のバラツキの原因
となる。

そこで、このような場合には、幅の異なる単一モード
導波路と疑似単一モード導波路との間にテーパ状の幅変
換導波路を配置することにより、接続損失を抑制するこ
とができる。

〈実施例〉 以下、本発明について、図面に示す実施例を参照して
詳細に説明する。

尚、以下の実施例では、光導波路としてシリコン基板
上に形成した石英系導波路を使用しているが、これは、
石英系光導波路が単一モード光ファイバとの結合性に優
れ、実用的な導波型光分岐素子を提供できるためであ
り、本発明は、これに限るものではない。

第１図に本発明の第１の実施例を示す。本実施例は分
岐数を128とした場合の例である。即ち、シリコン基板
１上には、入力導波路２、Ｙ型分岐導波路を七段に接続
したＹ型分岐導波路群３、幅変換導波路群４、ピッチ変
換導波路群５及び複数の出力導波路アレイ６が配置され
順に連結されている。入力導波路２、出力導波路アレイ
６は、それぞれ入力光ファイバ、出力光ファイバ（図示
省略）に接続している。入力導波路２及びＹ型分岐導波
路群３は石英系単一モード光導波路により構成され、ピ
ッチ変換導波路群５及び出力導波路アレイ６はやや幅の
広い石英系疑似単一モード光導波路により構成されてい
る。

Ｙ型分岐導波路群３は、Ｙ型分岐導波路７を７段に接
続したものであり、（ｎ＝７）、第２図（ａ）に示すよ
うに配置されている。ここで、そのＹ型分岐導波路７
は、その分岐付近の拡大図を第２図（ｂ）に示すよう
に、入力側の単一モード導波路８、テーパ領域９及び２
本の出力側の単一モード導波路10とから構成されてい
る。

入力側単一モード導波路８は、その第２図（ｂ）中II
I−III断面図を第３図に示すように、導波路が単一モー
ド条件を満たすように、コア13の大きさが決められてい
る。例えば、クラッド12の屈折率とコア13の屈折率の差
が0.75％である石英系光導波路の場合には、コア断面寸
法は５μｍ×５μｍである。この位置において、光の強
度分布は進行方向に対して左右対称であり、テーパ領域
９を通過後、光はその強度が二つの導波路10に二等分さ
れる。尚、第３図中、11はシリコン基板である。

一方、出力側の単一モード導波路10も上記単一モード
導波路８と同様な構成となっている。即ち、Ｙ型分岐導
波路７は、テーパ領域９を除いて、第３図に示す断面構
造の単一モード導波路で構成されており、曲がり部の距
離率半径は25mmに設定されている。

従って、７段のＹ型分岐導波路７を経た後の出力側の
単一モード光導波路10は128本のアレイ状に配列し、そ
のピッチは25μｍに設定されている。この25μｍの導波
路ピッチは導波路間での結合を無視できる最小の間隔で
ある。

次に、ピッチ変換導波路群５では、その断面を第４図
に示すように導波路幅の広い疑似単一モード導波路が使
用されている。これは、ピッチ変換導波路群５における
曲率半径を小さくして、その専有面積を極力短くするた
めである。この疑似単一モード導波路の幅は、前記Ｙ型
分岐導波路７における単一モード導波路よりもやや広く
設定されている。例えば、クラッド15の屈折率とコア16
の屈折率の差が上記と同じ石英系光導波路の場合、コア
断面寸法は５μｍ×７μｍである。尚、第４図中14はシ
リコン基板である。

ここで、ピッチ変換導波路群５の入力側間隔は25μｍ
であり、出力側では250μｍである。ピッチ変換導波路
群５に用いられている曲線導波路の曲率半径は中央部で
大きく、周辺に向かうに従って小さくなり、周辺部での
最小の曲率半径は5mmである。間隔が250μｍに広げられ
た導波路群は出力導波路アレイ６を通じて出力ファイバ
アレイ（図示省略）に接続される。

本実施例において、疑似単一モード導波路はコア厚み
は５μｍに保ち、幅のみを５μｍから７μｍへと増大さ
せることにより設定している。この理由は、幅のみの制
御で単一モード条件と疑似単一モード条件とを切り換え
るのがスターカプラの製造プロセス上容易であるからで
ある。即ち、コア部の製造工程において、幅の異なる導
波路パターンをフォトマスク上に製作しておけば、同一
のコア膜から単一モード導波路部と疑似単一モード導波
路部とを公知のフォトリソグラフィ反応イオンエッチン
グを用いて所望のコア幅に切り出すことができるのであ
る。尚、製造プロセスが複雑になることを問題としなけ
れば、コアの厚さや、コアとクラッド間の屈折率の差を
変えて単一モード導波路と疑似単一モード導波路の両方
を同一の基板上に製作しても良い。

ここで、本発明に用いる疑似単一モード導波路のコア
幅は、単一モード導波路のコア幅に比べて1.2〜1.6倍程
度に設定するのが望ましい。1.1倍程度以下であると小
さな曲率半径に耐えられず、逆に、1.7倍以上では、基
本モード以外の高次モードが発生し易くなり、やはり望
ましくないからである。

ここで肝要な点は、上述した単一モード導波路部と疑
似単一モード導波路部との結合部の形状である。この接
続部において、単一モード導波路と疑似単一モード導波
路は中心軸を一致させておくのが望ましい。しかも、こ
の接続部の前後の少なくとも200μｍ長程度の領域にお
いては、何れの導波路も直線形状を保ち、曲がりを与え
ないことが望ましい。これは接続部において、疑似単一
モード導波路の基本モードを優先的に励振し、ピッチ変
換導波路群の急激な曲率部において高次モードが放射さ
れ失われるのを防止するためである。

更に、望ましくは、この接続部の形状を緩やかなテー
パ状とし、接続部のコア形状不連続性による僅かな接続
損失の発生をも防止するためである。

このため、本実施例では接続部をテーパ形状とするた
めの幅変換導波路４をＹ型分岐導波路群３とピッチ変換
導波路群５との間に設けている。この幅変換導波路４
は、その断面形状を第５図に示すように、コア幅の変化
に伴う損失を避けるために幅を５μｍから７μｍへと広
げるの必要なテーパ部距離を300μｍに設定したもので
ある。従って、コア19は300μｍの距離の間において緩
やかに幅が５μｍから７μｍへと広がることになる。
尚、第５図中18はクラッド、19は基板である。

上記構成を有する本実施例の128分岐スターカプラで
は、基板１の寸法が50mm×50mmであり、安価な３インチ
のシリコンウェハ上に収納できる大きさである。入力導
波路２から７段のＹ型分岐導波路７を経て25μｍの128
分岐に別れるまでの横方向長さは約33mmであり、ピッチ
変換導波路群５と出力導波路アレイ６の占める横方向長
さは約15mmである。出力導波路アレイ６の占める幅は約
32mmである。

本実施例の128分岐導波型スターカプラの性能は、光
通信分野で最も重要な1.3μｍ波長帯及び1.55μｍ波長
帯において、以下に示すように良好であった。

分岐過剰損失 〜3dB（入出力光ファイバ接続損失損
を含む） 分配むら ±1dB 比較のために、故意に、疑似単一モード導波路を併用
せず、全体を単一モードで形成したスターカプラを試作
したところ（他の条件は上記と同様）、分岐過剰損失は
８〜10dB程度と大きいことが確認された。特に、128の
分岐のうち周辺部から取り出される光の減衰が著しかっ
た、これはピッチ変換導波路群で最小5mmにまで至る曲
率半径に耐えられず信号光が放射され損失してしまうた
めである。逆に、すべてを疑似単一モード導波路で構成
したものを試作したところ、分岐過剰損失は〜4dBであ
ったが、分配むらが±４と大きく、均等分配とはいえな
かった。

因みに、単一モード導波路のみにより低損失なピッチ
変換導波路群を構成するには、最小曲げ半径は20mm程度
以上に止めることが放射損失の発生を抑制する為の観点
から必要であり、この場合、基板長の増大を招く従来の
問題点を解決することは出来なかった。

このように本実施例の構成により初めて、分配数128
の大規模且つ高性能な導波型光スターカプラを50mm×50
mm程度の基板上で実現することが可能になる。

本実施例では、出力導波路アレイ６は基板の一辺に配
置されていたが、本発明はこれに限定されるものではな
く、基板の二辺以上にわたって出力導波路アレイを分割
して配置し、更に分配数の一層の増大を図ることも可能
である。

例えば、第６図に示す本発明の第２の実施例のように
三箇所に出力導波路アレイを配置しても良い。

即ち、本実施例でも基本的な構成は、上述した実施例
と同様であるが、分配数を256に増大させるために、８
段のＹ型分岐導波路群を使用し、このＹ型分岐導波路群
を通過した25μｍピッチの256本の単一モード光導波路
を、128本の中心群と、各64本の上下群に分け、それぞ
れピッチ変換導波路群を経て基板の三辺の出力導波路ア
レイ20,21に接続したものである。

本実施例においては、ピッチ変換導波路群を除いて出
力導波路アレイも単一モード導波路設計とし、テーパ状
の幅変換導波路を、ピッチ変換導波路群の入口と出口の
双方に設けている。出口側にも設けることで、出力光フ
ァイバアレイとの光軸合わせ誤差によるモード変換の発
生を抑制し、光軸ずれに起因する接続損失のむらを一層
抑制することができる。

本実施例の256分岐導波型スターカプラの波長1.3μｍ
帯及び1.55μｍ帯で、以下に示す良好な性能を示した。

分岐過剰損失 〜3.5dB（入出力光ファイバ接続損を
含む） 分配むら ±1dB 以上二つの石英系光導波路を基本とした実施例におい
ては、ピッチ変換導波路群における最小曲率半径を5mm
を採用したが、この半径を更に小さく例えば4mmに設定
したい場合には、ピッチ変換導波路群における曲率の向
きが異なる二つの曲線導波路の接続部において、導波路
の中心軸をずらして曲がり損失の増加を抑制することも
できる。

第７図は、本発明で使用できる上記軸ずれ形状の一例
である。二つの曲線導波路22の曲率が反転する接続部23
において導波路に0.2μｍ程度の軸ずれを与えている。
この軸ずれは、急激な曲がり導波路部においては光電界
は、導波路の幾何学的な中心軸よりも外周側に偏って伝
搬していることを考慮して、曲率の向きが反転する接続
部において、光電界の実質的な中心軸を一致させるよう
に、見かけ上の幾何学的な中心軸をずらすものである。

上記実施例では、コアとクラッドの比屈折率差は0.75
％であったが、本発明はこれに限るものでない。比屈折
率を、より大きく設定した場合には、上記実施例におけ
る曲率半径設定値を相対的に大きくして、基板を大きく
すれば良い。逆に、比屈折率をより大きく設定した場合
には、曲率半径は相対的に小さく設定して基板を小さく
すればよい。

また、上記実施例では、出力導波路アレイど出力光フ
ァイバアレイとの接続は、いわゆる突き合わせ法（バッ
ティング法）により実施したが、出力導波路アレイ端部
近傍のシリコン基板上にファイバガイド溝を予め形成し
ておき多数本の光ファイバとの接続作業を効率化するこ
とができる。

〈発明の効果〉 以上、実施例に基づいて具体的に説明したように、本
発明の導波型光スターカプラは、単一モード導波路と疑
似単一モード導波路とを巧みに組み合わせることによ
り、素子の小型化、集積化を実現すると同時に分岐比の
バラツキを抑制できたので、限られた基板面積に大規模
な導波型光スターカプラを製作することが可能である。
この為、従来のファイバ型では困難であった分岐数の拡
大を可能にし、大規模通信システムの構築に大いに役立
つものである。尚、上記実施例では、128分岐と256分岐
について説明したが、本発明はこれらに限定されるもの
ではなく64分岐や更に大規模なスターカプラの構成にも
適用できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例にかかる128分岐導波型
光スターカプラの平面構成説明図、第２図（ａ）（ｂ）
はそれぞれ本発明で使用されるＹ型分岐導波路群の全体
配置図、分岐部分の拡大図、第３図は本発明で使用され
る単一モード導波路の断面図、第４図は本発明で使用さ
れる疑似単一モード導波路の断面図、第５図は本発明で
使用されるテーパ状の幅変換導波路の奢侈図、第６図は
本発明の第２の実施例にかかる256分岐導波型スターカ
プラの平面構成説明図、第７図は本発明で使用されるピ
ッチ変換導波路群の曲がり導波路部の軸ずれ形状説明
図、第８図は従来の８分岐導波型スターカプラの構成図
である。 図面中、 １は導波路基板、2,25は入力導波路、3,26はＹ型分岐導
波路群、４は幅変換導波路、5,27はピッチ変換導波路
群、6,28は出力導波路アレイ、７はＹ型分岐導波路、８
は入力側単一モード導波路、９はテーパ領域、10は出力
側単一モード導波路、11,14,17はシリコン基板、12,15,
18はクラッド、13,16,19はコア、20,21は出力導波路ア
レイ、22は曲線導波路、23は曲率反転接続部、24は導波
路基板、29は入力ファイバ、30は出力ファイバアレイで
ある。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板と、該基板上に配置され順次連結され
   た入力光導波路、少なくとも一段以上のＹ型光分岐導波
   路群、ピッチ変換光導波路群及び出力光導波路アレイか
   らなる導波型光スターカプラであって、前記Ｙ型光分岐
   導波路群を構成する各光導波路が単一モード光導波路で
   あり、前記ピッチ変換光導波路群を構成する光導波路が
   前記単一モード光導波路よりもやや幅の広い疑似単一モ
   ード光導波路であり、しかも、前記ピッチ変換光導波路
   群における前記疑似単一モード光導波路の最小曲率半径
   が、前記Ｙ型光分岐導波路群における前記単一モード光
   導波路の最小曲率半径よりも小さく設定されることを特
   徴とする導波型光スターカプラ。
2. 【請求項２】上記単一モード光導波路と上記疑似単一モ
   ード光導波路との間にテーパ状の幅変換光導波路が設置
   されていることを特徴とする請求項（１）記載の導波型
   光スターカプラ。