JP3026302B2 - 光合分波器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光合分波器に関し、特
に、光波長多重通信分野で用いられる、波長の異なる２
つ以上の信号光を合波または分波する光合分波器に関す
る。

【０００２】

【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るとともに、該信号光を
光ファイバから取り出すための部品である。最近、加入
者系において、電話信号を１．３μｍ帯で伝送するとと
もに、ＣＡＴＶや各種情報信号を１．５５μｍ帯で同時
に伝送する方式が考えられ、実験が試みられている。こ
の伝送方式を実現するためには、１．３μｍ帯の信号光
と１．５５μｍ帯の信号光とを合波または分波する（光
合分波する）素子が重要である。

【０００３】光合分波器は、その形態により、バルク
型，ファイバ型および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，プリズムおよび干渉膜フ
ィルタなどを組み合せて構成されるが、長期信頼性に問
題がある。ファイバ型は、分波器の波長設定精度に難が
ある。導波型は、フォトリソグラフィ工程を用いて平面
基板上に一括大量形成できる利点があり、バルク型の欠
点である長期信頼性および導波型の欠点である波長設定
精度に関しても特に問題ない。

【０００４】図８は、従来の代表的な導波型光合分波器
の一つである方向性結合器型光合分波器の概略構成図で
ある。

【０００５】方向性結合器型光合分波器100 は、平面基
板121 と、平面基板121 上に形成された、互いに平行な
第１の光導波路121aおよび第２の光導波路121bと、各光
導波路121a，121bの中間部が互いに近接されて形成され
た方向性結合部121cとを含む。ここで、方向性結合部12
1cは、たとえば第１の光導波路121aの入力ポート123aか
ら同時に入射された第１の波長λ₁（＝１．５５μｍ）
の信号光と第２の波長λ₂ （＝１．３μｍ）の信号光と
を完全に分離して、第１の光導波路121aの出力ポート12
3bおよび第２の光導波路121bの出力ポート124bからそれ
ぞれ出力するように設計されている。また、方向性結合
部121cのパワー結合比、すなわち、方向性結合部121c内
にて第１の光導波路121aから第２の光導波路121bへ移さ
れる信号光の波長ごとの強度割合（以下、「結合比」と
称する。）は、第１の波長λ₁ に対して０％，第２の波
長λ₂ に対して１００％になるように設定されている。
しかし、方向性結合部121cは極めて構造に敏感なため、
その構造パラメータを厳密に設定するとともに、該構造
パラメータを維持して作成する必要がある。

【０００６】このような方向性結合器型光合分波器100
に比べて高寸法精度を要求しない光合分波器として、マ
ッハ・ツェンダ光干渉計型光合分波器が知られている。
マッハ・ツェンダ光干渉計型光合分波器は、２つの波長
（第１および第２の波長λ₁，λ₂）が数百ｎｍ以上離れ
た（たとえば、第１の波長λ₁＝１．３１μｍ，第２の
波長λ₂ ＝１．５３μｍ）信号光から２つの波長が０．
０１ｎｍオーダの極めて近接した（たとえば、第１の波
長λ₁＝１．５４９９６μｍ，第２の波長λ₂＝１．５５
μｍ）信号光までを光合分波することができる。

【０００７】図９は、マッハ・ツェンダ光干渉計型光合
分波器の一従来例を示す概略構成図である。

【０００８】マッハ・ツェンダ光干渉計型光合分波器20
0 は、平面基板221 と、平面基板221 上に形成された第
１の光導波路221aおよび第２の光導波路221bと、各光導
波路221a，221bの中間部が２箇所で互いに近接されて形
成された第１の方向性結合部222aおよび第２の方向性結
合部222bとを含む。ここで、第１の方向性結合部222aお
よび第２の方向性結合部222bの間における第１の光導波
路221aの導波路長Ｌと第２の光導波路221bの導波路長Ｌ
＋ΔＬとの導波路長差ΔＬは、光合分波する２つの波長
（第１および第２の波長λ₁，λ₂）に対して、 ΔＬ＝（Ｎ±０．５）×λ₁／ｎ(λ₁) （１） ＝Ｎ×λ₂／ｎ(λ₂) （２） ただし、 ｎ(λ₁)＝第１の波長λ₁ での実効屈折率 ｎ(λ₂)＝第２の波長λ₂ での実効屈折率 Ｎ＝整数 を満たすように設定されている。

【０００９】マッハ・ツェンダ光干渉計型光合分波器20
0 では、公知の光干渉により、第１の光導波路221aの入
力ポート223aから入力された２つの波長（第１の波長λ
₁ および第２の波長λ₂ ）の信号光のうち、第１の波長
λ₁ の信号光は第１の光導波路221aの出力ポート223bか
ら出力され、第２の波長λ₂ の信号光は第２の光導波路
221bの出力ポート224bから出力される。このとき、第１
および第２の方向性結合部222a，222bの結合比はそれぞ
れ、第２の光導波路221bの出力ポート224bから出力され
る第２の波長λ₂ の信号光に対して５０％になるように
構成される。たとえば、各光導波路221a，221bが石英ガ
ラス系光導波路の場合には、ｎ＝１．４５であるから、
第１の波長λ₁ ＝１．３１μｍ，第２の波長λ₂ ＝１．
５３μｍでは、導波路長差ΔＬ＝３．１６μｍ，各方向
性結合部222a，222bの結合比＝５０％（第２の波長λ₂
＝１．５３μｍの信号光に対して）とする。また、第１
の波長λ₁ ＝１．５４９９６μｍ，第２の波長λ₂ ＝
１．５５μｍでは、導波路長差ΔＬ＝２．０７ｃｍ，各
方向性結合部222a，222bの結合比＝５０％（第２の波長
λ₂ ＝１．５５μｍの信号光に対して）とする。

【００１０】入力ポート223aから入力された信号光に対
する第１の波長λ₁ の信号光の光透過率Ｔthrough と入
力ポート223aから入力された信号光に対する第２の波長
λ₂の信号光の光透過率Ｔcross とはそれぞれ、 Ｔthrough ＝｛１−２×ｋ(λ)｝²＋４×ｋ(λ)×｛１−ｋ(λ)｝×ｓｉｎ² （β×ΔＬ／２） （３） Ｔcross ＝４×ｋ(λ)×｛１−ｋ(λ)｝×ｃｏｓ²（β×ΔＬ／２） （４） ただし、 ｋ(λ)＝波長λの信号光に対する各方向性結合部222a，
222bの結合比 β＝２π×ｎ(λ)／λ ｎ(λ)＝波長λでの各光導波路221a，221bの実効屈折率 で表される。（３）式および（４）式からも明らかなよ
うに、各光透過率Ｔthrough，Ｔcrossは、結合比ｋ(λ)
の関数となる。

【００１１】たとえば、各方向性結合部222a，222bの結
合比ｋ(λ)が、図１０（ａ）図示実線で示すように、波
長λが大きくなるに従って緩やかに大きくなり、第２の
波長λ₂ で５０％となるよう構成されている場合につい
て考える。このときの光透過率Ｔthrough は、同図
（ｂ）図示実線で示すように、波長λに対してほぼ正弦
関数の自乗で変化する。また、光透過率Ｔcross は、同
図（ｃ）図示実線で示すように、波長λに対してほぼ余
弦関数の自乗で変化する。

【００１２】また、結合比ｋ(λ)が、同図（ａ）図示一
点鎖線で示すように、第２の波長λ₂ で５０％となり、
第１の波長λ₁ よりもわずかに大きい波長λ₁’ で１０
０％となるよう構成されている場合について考える。こ
のときの光透過率Ｔthroughは、同図（ｂ）図示一点鎖
線で示すように、同図（ｂ）図示実線で示す場合よりも
第１の波長λ₁ 側に透過率の高い領域を広げた特性とな
る。

【００１３】さらに、結合比ｋ(λ)が、同図（ａ）図示
破線で示すように、第２の波長λ₂で５０％となり、第
１の波長λ₁ よりもわずかに小さい波長λ₁” で１００
％となるよう構成されている場合について考える。この
ときの光透過率Ｔthrough は、同図（ｂ）図示破線で示
すように、同図（ｂ）図示実線で示す場合よりも波長λ
₁” 側に透過率の高い領域を広げた特性となり、かつ、
第１の波長λ₁ および第２の波長λ₂ での透過率の変化
が急峻となる。

【００１４】以上のように、マッハ・ツェンダ光干渉計
型光合分波器200 では、各方向性結合部222a，222bの結
合比ｋ(λ)が適当に設定されることにより、合分波波長
の光透過強度特性を緩やかにできる利点がある。このこ
とは、信号光の合分波特性が信号光の光源の波長揺らぎ
に対して小さな劣化ですむことを意味しており、加入者
系における電話信号を１．３μｍ帯にて、また、ＣＡＴ
Ｖや各種情報を多重した多数の信号光の束を数十ｎｍの
帯域で１．５５μｍ帯にて伝送する方式において有効で
あることを意味している。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のマッハ・ツェンダ光干渉計型光合分波器200 で
は、各方向性結合部222a，222bの結合比ｋ(λ)の波長依
存性を任意に選んだり、また、結合比ｋ(λ)の波長依存
性を厳密に設定した各方向性結合部222a，222bの構造パ
ラメータを維持して各方向性結合部222a，222bを作成す
ることは難しいため、光合分波する２つの波長（第１の
波長λ₁ および第２の波長λ₂ ）の帯域を任意にかつ高
精度に広げることは困難であるという問題がある。

【００１６】また、１ｎｍオーダー以下の狭い光合分波
の波長間隔をもつマッハ・ツェンダ光干渉計型光合分波
器では、方向性結合部の結合比の波長依存性が小さいた
め、光透過強度の波長依存性はほぼ光路長差ｎ(λ)×Δ
Ｌで設定される正弦関数の自乗で変化することになり、
光合分波の波長間隔が１ｎｍ以上の方向性結合部の波長
依存性を利用したマッハ・ツェンダ光干渉計型光合分波
器を構成することができないという問題がある。

【００１７】本発明の目的は、光合分波の波長の帯域を
任意にかつ高精度に広げることができる光合分波器を提
供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明の光合分波器は、
基板と、該基板上に形成された第１の光導波路および第
２の光導波路とを含み、該第１および第２の光導波路の
いずれか一方の光導波路から入射された２つの信号光を
分波して、該２つの信号光のいずれか一方の信号光を前
記一方の光導波路から出射させるとともに、前記２つの
信号光の他方の信号光を前記第１および第２の光導波路
の他方の光導波路から出射させ、前記第１の光導波路か
ら入射された信号光と前記第２の光導波路から入射され
た信号光とを合波して、前記第１および第２の光導波路
のいずれか一方の光導波路から出射させる光合分波器に
おいて、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路との
中間部が４箇所互いに近接されて順次形成された第１か
ら第４の方向性結合部を含み、前記第１の方向性結合部
と前記第２の方向性結合部との間では、前記第２の光導
波路の方が前記第１の光導波路よりも第１の導波路長差
ΔＬ₁ だけ長く、前記第２の方向性結合部と前記第３の
方向性結合部との間では、前記第２の光導波路の方が前
記第１の光導波路よりも第２の導波路長差ΔＬ₂ だけ長
く、前記第３の方向性結合部と前記第４の方向性結合部
との間では、前記第１の光導波路の方が前記第２の光導
波路よりも第３の導波路長差ΔＬ₃ だけ長く、 前記２つ
の信号光のうち前記一方の光導波路から入射され該一方
の光導波路から出射される前記一方の信号光の波長を第
１の波長λ ₁ とし、前記２つの信号光のうち前記一方の
光導波路から入射され前記他方の光導波路から出射され
る前記他方の信号光の波長を第２の波長λ ₂ としたと
き、 前記第１から第４の方向性結合部の結合比が、前記
第２の波長λ ₂ に対してほぼ５０％であり、 前記第１の
光導波路および前記第２の光導波路の前記第１の波長λ
₁ での実効屈折率をｎ(λ ₁ ) および前記第２の波長λ ₂
での実効屈折率をｎ(λ ₂ ) とし、第１の整数をＮとした
とき、前記第２の導波路長差ΔＬ ₂ が、 を満たし、 前記第１の波長λ ₁ と等しいか近傍の第３の
波長をλ ₁ ’ および前記第２の波長λ ₂ と等しいか近傍
の第４の波長をλ ₂ ’ とし、前記第１光導波路および前
記第２の光導波路の前記第３の波長λ ₁ ’ での実効屈折
率をｎ(λ ₁ ’) および前記第４の波長λ ₂ ’ での実効屈
折率をｎ(λ ₂ ’) とし、第２の整数をＮ’としたとき、
前記第１の導波路長差ΔＬ ₁ および前記第３の導波路長
差ΔＬ ₃ が、 ΔＬ ₁ ，ΔＬ ₃ ≒（Ｎ’±０．５）×λ ₂ ’／ｎ(λ ₂ ’)／２ ≒Ｎ’×λ ₁ ’／ｎ(λ ₁ ’)／２ を満たす 。

【００１９】

【００２０】また、前記第１の導波路長差ΔＬ₁ と前記
第３の導波路長差ΔＬ₃ とが等しくてもよい。

【００２１】さらに、前記第１の光導波路と前記第２の
光導波路とがそれぞれ、平面基板上に形成された石英系
ガラス層に埋設された、石英系ガラスからなるコア部よ
り構成された石英系単一モード光導波路であってもよ
い。

【００２２】

【作用】本発明の光合分波器では、後述する理由によ
り、各光透過率Ｔthrough，Ｔcrossの波長特性をより自
由に設計することができる。

【００２３】

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。

【００２４】図１（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ、本発明の
光合分波器の一実施例を示す図である。

【００２５】光合分波器１０は、シリコン基板１１と
（同図（ｂ）参照）、シリコン基板１１上に形成され
た、膜厚６０μｍ程度のＳ_iＯ₂系ガラスからなるガラス
層１２と、ガラス層１２内に形成された第１の光導波路
１３₁ および第２の光導波路１３₂ と、各光導波路１３
₁，１３₂の中間部が４箇所互いに近接されて順次形成さ
れた第１乃至第４の方向性結合部１４₁〜１４₄と、第１
の方向性結合部１４₁ と第２の方向性結合部１４₂ との
間の第２の光導波路１３₂ の上方でかつガラス層１２上
に形成された第１の薄膜ヒータ１５₁ と、第２の方向性
結合部１４₂ と第３の方向性結合部１４₃ との間の第２
の光導波路１３₂ の上方でかつガラス層１２上に形成さ
れた第２の薄膜ヒータ１５₂ と（同図（ｄ）参照）、第
３の方向性結合部１４₃ と第４の方向性結合部１４₄ と
の間の第１の光導波路１３₁ の上方でかつガラス層１２
上に形成された第３の薄膜ヒータ１５₃ とを含む。

【００２６】次に、第１の光導波路１３₁ の図１（ａ）
図示左端を２つの波長（第１の波長λ₁ および第２の波
長λ₂ ）の信号光の入力ポート１６とし、第１の光導波
路１３₁ の同図（ａ）図示右端を出力ポート（以下、
「スルーポート」と称する。）１７₁ とし、第２の光導
波路１３₂ の同図（ａ）図示右端を出力ポート（以下、
「クロスーポート」と称する。）１７₂ として、第１の
波長λ₁ の信号光をスルーポート１７₁ に出力するとと
もに、第２の波長λ₂ の信号光をクロスーポート１７₂
に出力する場合の各光導波路１３₁，１３₂，各方向性結
合部１４₁〜１４₄および各薄膜ヒータ１５₁〜１５₃につ
いて詳しく説明する。

【００２７】（１）各光導波路１３₁，１３₂ 第１の光導波路１３₁ および第２の光導波路１３₂ は、
Ｓ_iＯ₂−ＧｅＯ₂ 系ガラスからなり、８μｍ角程度の断
面形状を有する。また、第１の方向性結合部１４₁ と第
２の方向性結合部１４₂ との間の第１の光導波路１３₁
の長さをＬ₁ とすると、第１の方向性結合部１４₁ と第
２の方向性結合部１４₂ との間の第２の光導波路１３₂
の長さはＬ₁＋ΔＬ₁とされており、第１の導波路長差Δ
Ｌ₁ だけ第２の光導波路１３₂ の方が長くなっている。
第２の方向性結合部１４₂ と第３の方向性結合部１４₃
との間の第１の光導波路１３₁ の長さをＬ₂ とすると、
第２の方向性結合部１４₂ と第３の方向性結合部１４₃
との間の第２の光導波路１３₂ の長さはＬ₂＋ΔＬ₂とさ
れており、第２の導波路長差ΔＬ₂ だけ第２の光導波路
１３₂ の方が長くなっている。第３の方向性結合部１４
₃ と第４の方向性結合部１４₄ との間の第２の光導波路
１３₂ の長さをＬ₃ とすると、第３の方向性結合部１４
₃ と第４の方向性結合部１４₄ との間の第１の光導波路
１３₁ の長さはＬ₃＋ΔＬ₃とされており、第３の導波路
長差ΔＬ₃ だけ第１の光導波路１３₁の方が長くなって
いる。

【００２８】ここで、第２の導波路長差ΔＬ₂ は、前述
したマッハ・ツェンダ光干渉計型光合分波器200 と同様
に、光合分波する２つの波長（第１の波長λ₁ および第
２の波長λ₂ ）に対して、 ΔＬ₂ ＝（Ｎ±０．５）×λ₁／ｎ(λ₁) （３） ＝Ｎ×λ₂／ｎ(λ₂) （４） ただし、 ｎ(λ₁)＝第１の波長λ₁ での実効屈折率 ｎ(λ₂)＝第２の波長λ₂ での実効屈折率 Ｎ＝第１の整数 を満たすように設定されている。（３）式および（４）
式を満たす第２の導波路長差ΔＬ₂ は、異なる第１の整
数Ｎに対して複数決り得るが、本実施例においてはそれ
らの最小値を選ぶ。その理由は、第１の波長λ₁ と第２
の波長λ₂ との間の波長で光強度特性に山や谷が現れな
いように、すなわち、光強度特性が極値をもたないよう
にするためである。第２の導波路長差ΔＬ₂ として前記
最小値以外の値を選ぶと、第１の波長λ₁ と第２の波長
λ₂ との間の波長で光強度特性に山や谷が現れ、光合分
波器１０のいわゆる通過帯域幅および阻止帯域幅の減少
を招き、一般的に望ましくない。

【００２９】なお、（３）式および（４）式を厳密に解
くと第１の整数Ｎは必ずしも得られないが、求めた第１
の整数Ｎとそれを四捨五入して求めた整数値との差が±
０．１程度の範囲内であれば、四捨五入して求めた整数
値を第１の整数Ｎの代わりに用いても実用上差し支えな
い。しかし、前記差が±０．１程度の範囲外である場合
には、四捨五入して求めた整数値を第１の整数Ｎの代わ
りに用いると、光合分波器１０を分波器として使用する
ときにクロストークや損失が増加するため、第１の波長
λ₁ と第２の波長λ₂ とを入れ換えるなどして、前記差
が±０．１程度の範囲内となるようにすることが望まれ
る。

【００３０】本実施例の光合分波器１０では、第１およ
び第３の導波路長差ΔＬ₁，ΔＬ₃が、第１の波長λ₁ と
等しいか近傍である第３の波長λ₁’ および第２の波長
λ₂と等しいか近傍である第４の波長λ₂’ に対して、 ΔＬ₁ ＝ΔＬ₃ ＝（Ｎ’±０．５）×λ₂’／ｎ(λ₂’)／２ （５） ＝Ｎ’×λ₁’／ｎ(λ₁’)／２ （６） ただし、 ｎ(λ₁’)＝第３の波長λ₁’での実効屈折率 ｎ(λ₂’)＝第４の波長λ₂’での実効屈折率 Ｎ’＝第２の整数 を満たすように設定されることにより、波長帯域を広げ
ることができる。この場合にも、求めた第２の整数Ｎ’
とそれを四捨五入して求めた整数値との差が±０．１程
度の範囲内であれば、四捨五入して求めた整数値を第２
の整数Ｎ’の代わりに用いても実用上差し支えないが、
それ以外のときには、第１の波長λ₁ と第２の波長λ₂
とを入れ換えるなどして、前記差が±０．１程度の範囲
内となるようにすることが望まれる。

【００３１】（２）各方向性結合部１４₁〜１４₄ 第１乃至第４の方向性結合部１４₁〜１４₄は、第１の光
導波路１３₁ と第２の光導波路１３₂ とを数μｍ程度の
間隔に保ちながら、０．１ｍｍオーダーから１ｍｍオー
ダーの距離にわたって互いに平行に配置することにより
それぞれ構成されている。各方向性結合部１４₁〜１４₄
の結合比はそれぞれ、第２の波長λ₂ に対してほぼ５０
％となるように設定されている。

【００３２】（３）各薄膜ヒータ１５₁〜１５₃ 第１乃至第３の薄膜ヒータ１５₁〜１５₃はそれぞれ、石
英系光導波路の熱光学効果を利用して、第１乃至第３の
光路長差ｎ(λ，Ｔ)×ΔＬ₁ ，ｎ(λ，Ｔ)×ΔＬ₂ ，ｎ
(λ，Ｔ)×ΔＬ₃ を微調するためのものである。すなわ
ち、光合分波の波長間隔が０．０１ｎｍオーダーの光合
分波器１０を構成する際には、第１乃至第３の導波路長
差ΔＬ₁〜ΔＬ₃が長くなるため、石英系光導波路の熱光
学効果による１×１０^-5（／℃）の屈折率変動により、
外部温度の変動に伴って第１乃至第３の導波路長差ΔＬ
₁〜ΔＬ₃の変動が生じるので、第１乃至第３の薄膜ヒー
タ１５₁〜１５₃を用いて第１乃至第３の光路長差ｎ
(λ，Ｔ)×ΔＬ₁ ，ｎ(λ，Ｔ)×ΔＬ₂ ，ｎ(λ，Ｔ)×
ΔＬ₃ をそれぞれ制御する。なお、他の手段により、光
合分波器１０自体の温度の安定化が図れる場合には、第
１乃至第３の薄膜ヒータ１５₁〜１５₃は不要である。

【００３３】次に、光合分波器１０の光透過率について
説明する。

【００３４】第１の導波路長差ΔＬ₁ と第３の導波路長
差ΔＬ₃ とが等しい場合、入力ポート１６から第１の光
導波路１３₁ に入力された信号光に対するスルーポート
１７₁ から出力される信号光の光透過率Ｔthrough と、
入力ポート１６から第１の光導波路１３₁ に入力された
信号光に対するクロスポート１７₂ から出力される信号
光の光透過率Ｔcross とはそれぞれ、 Ｔthrough ＝１−Ｔcross （７） Ｔcross ＝４×｛（Ｃ×Ｄ−Ａ×Ｂ）²＋４×Ａ×Ｂ×Ｃ×Ｄ×ｓｉｎ²(β ×ΔＬ_s／２)｝×｛（Ａ×Ｄ−Ｂ×Ｃ）²＋４×Ａ×Ｂ×Ｃ×Ｄ×ｃｏｓ²(β× ΔＬ_s／２)｝×ｃｏｓ²(β×ΔＬ₂／２) （８） ただし、 Ａ＝ｋ₁(λ)^1/2 Ｂ＝ｋ₂(λ)^1/2 Ｃ＝（１−ｋ₁(λ)）^1/2 Ｄ＝（１−ｋ₂(λ)）^1/2 ｋ₁(λ)＝波長λの信号光に対する第１および第４の方
向性結合部１４₁，１４₄の結合比 ｋ₂(λ)＝波長λの信号光に対する第２および第３の方
向性結合部１４₂，１４₃の結合比 β＝２π×ｎ(λ)／λ ｎ(λ)＝波長λでの第１および第２の光導波路１３₁，
１３₂の実効屈折率 ΔＬ_s ＝ΔＬ₁ ＝ΔＬ₃ で表される。従来の光合分波器による（３）式および
（４）式と本実施例の光合分波器１０による（７）式お
よび（８）式とを比較すると、各光透過率Ｔthrough，
Ｔcrossは、従来の光合分波器では、結合比ｋ(λ)およ
び導波路長差ΔＬで周期が設定された正弦関数の自乗の
関数として表されていたが、本実施例の光合分波器１０
では、さらに第２の導波路長差ΔＬ₂ で周期が設定され
る正弦関数の４次式の関数が乗ぜられるため、各光透過
率Ｔthrough，Ｔcrossの波長特性をより自由に設計する
ことができる。

【００３５】次に、図１に示した光合分波器１０を試作
した例について説明する。

【００３６】〔試作例１〕本試作例では、スルーポート
１７₁ から出力される信号光の波長（第１の波長λ₁ ）
を１．５６μｍとし、クロスポート１７₂ から出力され
る信号光の波長（第２の波長λ₂ ）を１．３１μｍと
し、また、第３の波長λ₁’ を第１の波長λ₁ の近傍の
１．５３μｍとし、第４の波長λ₂’ を第２の波長λ₂
と等しく１．３１μｍとし、さらに、石英系ガラスから
なる各光導波路１３₁，１３₂の屈折率ｎ＝１．４５とし
た。このとき、（３）式〜（６）式より各整数Ｎ，Ｎ’
および各導波路長差ΔＬ₁〜ΔＬ₃をそれぞれ求めた結
果、 Ｎ＝Ｎ’＝３ ΔＬ₁ ＝ΔＬ₃ ＝１．５８μｍ ΔＬ₂ ＝２．７μｍ であった。

【００３７】第１の導波路長差ΔＬ₁ および第３の導波
路長差ΔＬ₃ を１．５８μｍとし、第２の導波路長差Δ
Ｌ₂ を２．７μｍとし、かつ、各方向性結合部１４₁〜
１４₄の結合比の波長依存性を図２（ａ）に示すように
設定したときの各光透過率Ｔthrough，Ｔcrossの波長特
性を、図２（ｂ），（ｃ）に実線でそれぞれ示す。な
お、比較のため、図９に示した従来のマッハ・ツェンダ
光干渉計型光合分波器200における各光透過率Ｔthroug
h，Ｔcrossの波長特性を同図（ｂ），（ｃ）に破線でそ
れぞれ示す。ここで、各方向性結合部１４₁〜１４₄は、
各光導波路１３₁，１３₂の形状（コア形状）を８×８μ
ｍの矩形とし、比屈折率差を０．３％とし、第１の光導
波路１３₁ と第２の光導波路１３₂ との間隔を３μｍと
し、第２の波長λ₂ ＝１．３１μｍに対する結合比を５
０％としたものである。

【００３８】この結果、本試作例の光合分波器１０で
は、クロスポート１７₂ から出力される信号光の１．５
６μｍ帯の透過率が１％以下（すなわち、損失が２０ｄ
Ｂ以上）となる波長幅（以下、「阻止帯域」と称す
る。）は、同図（ｃ）より、従来の光合分波器に比べて
２．５倍程度広がるとともに、スルーポート１７₁ から
出力される信号光の１．５６μｍ帯の光透過帯域幅（以
下、「透過帯域」と称する。）も、同図（ｂ）より、広
がることが確認できた。

【００３９】〔試作例２〕各導波路長差ΔＬ₁〜ΔＬ₃を
すべて同じにし、各方向性結合部１４₁〜１４₄における
第１の光導波路１３₁ と第２の光導波路１３₂ との間隔
を６μｍとし、各方向性結合部１４₁〜１４₄の結合比の
波長依存性を、図３（ａ）に示すように、第２の波長λ
₂ ＝１．３１μｍに対して５０％、波長λ₁ ＝１．５６
μｍ付近に対して１００％に設定した。

【００４０】この場合には、図３（ｂ），（ｃ）に破線
でそれぞれ示すように、従来のマッハ・ツェンダ光干渉
計型光合分波器200 においても、前述した試作例１に比
べて、スルーポート１７₁ から出力される信号光の透過
帯域およびクロスポート１７₂ から出力される信号光の
阻止帯域を広げられることが知られている。しかし、本
試作例の光合分波器１０では、図３（ｂ），（ｃ）に実
線でそれぞれ示すように、従来の光合分波器に比べて、
スルーポート１７₁ から出力される信号光の透過帯域お
よびクロスポート１７₂ から出力される信号光の阻止帯
域を広げられるとともに、試作例１の光合分波器１０に
比べても、クロスポート１７₂ から出力される信号光の
阻止帯域を約１．２倍広げられることが確認できた。

【００４１】〔試作例３〕本試作例では、第１の波長λ
₁ ＝１．３１μｍの信号光をスルーポート１７₁から出
力させ、第２の波長λ₂ ＝１．５３μｍの信号光をクロ
スポート１７₂ から出力させるようにした。また、第３
の波長λ₁’ を第１の波長λ₁ の近傍の１．２８μｍと
し、第４の波長λ₂’ を第２の波長λ₂ と等しく１．５
３μｍとし、さらに、石英系ガラスからなる各光導波路
１３₁，１３₂の屈折率ｎ＝１．４５とした。このとき、
（３）式〜（６）式より各整数Ｎ，Ｎ’および各導波路
長差ΔＬ₁〜ΔＬ₃をそれぞれ求めた結果、 Ｎ＝Ｎ’＝３ ΔＬ₁ ＝ΔＬ₃ ＝１．３２μｍ ΔＬ₂ ＝３．１６μｍ であった。

【００４２】第１の導波路長差ΔＬ₁ および第３の導波
路長差ΔＬ₃ を１．３２μｍとし、第２の導波路長差Δ
Ｌ₂ を３．１６μｍとし、かつ、各方向性結合部１４₁
〜１４₄の結合比の波長依存性を図４（ａ）に示すよう
に設定したときの各光透過率Ｔthrough，Ｔcrossの波長
特性を、図４（ｂ），（ｃ）に実線でそれぞれ示す。な
お、比較のため、従来のマッハ・ツェンダ光干渉計型光
合分波器200 における各光透過率Ｔthrough，Ｔcrossの
波長特性を同図（ｂ），（ｃ）に破線でそれぞれ示す。
ここで、各方向性結合部１４₁〜１４₄は、各光導波路１
３₁，１３₂の形状（コア形状）を８×８μｍの矩形と
し、比屈折率差を０．３％とし、第１の光導波路１３₁
と第２の光導波路１３₂ との間隔を６μｍとし、第３の
波長λ₁’＝１．５３μｍに対する結合比を５０％とし
たものである。

【００４３】この結果、本試作例の光合分波器１０で
は、クロスポート１７₂ から出力される信号光の阻止帯
域は、同図（ｃ）より、従来のマッハ・ツェンダ光干渉
計型光合分波器200 に比べて３．０倍程度広がるととも
に、スルーポート１７₁ から出力される信号光の透過帯
域も、同図（ｂ）より、広がることが確認できた。

【００４４】〔試作例４〕試作例３の光合分波器１０に
おいて、第１の波長λ₁ ＝１．３１μｍと第２の波長λ
₂ ＝１．５３μｍとの間の各光透過率Ｔthrough，Ｔcro
ssの波長特性をより急峻に変化させるため、各方向性結
合部１４₁〜１４₄の結合比の波長依存性を、図５（ａ）
に示すように、第１の波長λ₁ ＝１．３１μｍ付近に対
してほぼ１００％，第２の波長λ₂ ＝１．５３μｍに対
してほぼ５０％となるように設定した。第１の光導波路
１３₁ と第２の光導波路１３₂ との間隔は、試作例３と
同様に、６μｍとした。また、第１の導波路長差ΔＬ₁
および第３の導波路長差ΔＬ₃ は、試作例３と同様に、
１．３２μｍとしたが、第２の導波路長差ΔＬ₂ は、透
過帯域を広げるために、わずかに長くし３．２μｍとし
た。

【００４５】本試作例の光合分波器１０では、図５
（ｂ），（ｃ）にそれぞれ示すように、試作例３の光合
分波器１０に比べて、第２の波長λ₂ ＝１．３１μｍと
第１の波長λ₁ ＝１．５６μｍとの間の各光透過率Ｔth
rough，Ｔcrossの波長特性をより急峻に変化させること
ができることを確認できた。

【００４６】〔試作例５〕本実施例では、第１の導波路
長差ΔＬ₁ を０．９５μｍとし、第２の導波路長差ΔＬ
₂ を３．２μｍとし、第３の導波路長差ΔＬ₃ を０．７
１μｍとして、各方向性結合部１４₁〜１４₄の結合比の
波長依存性が、図６（ａ）に示すように、それぞれ異な
るようにした。

【００４７】このときの各光透過率Ｔthrough，Ｔcross
の波長特性は、図６（ｂ），（ｃ）にそれぞれ示すよう
に、ほぼ矩形形状になり、第２の波長λ₂ ＝１．３１μ
ｍと第１の波長λ₁ ＝１．５３μｍとの間の各光透過率
Ｔthrough，Ｔcrossの波長特性をさらに急峻に変化させ
ることができることを確認できた。

【００４８】〔試作例６〕本試作例では、合分波波長間
隔の狭い光合分波器１０を構成した。すなわち、第１の
波長λ₁ ＝１．５５μｍの信号光をスルーポート１７₁
から出力させ、第２の波長λ₂ ＝１．５４９９６μｍの
信号光をクロスポート１７₂ から出力させた。また、第
３の波長λ₁’ を第１の波長λ₁ と等しく１．５５μｍ
とし、第４の波長λ₂’ を第２の波長λ₂ と等しく１．
５４９９６μｍとし、さらに、石英系ガラスからなる各
光導波路１３₁，１３₂の屈折率ｎ＝１．４５とした。こ
のとき、（３）式〜（６）式より各整数Ｎ，Ｎ’および
各導波路長差ΔＬ₁〜ΔＬ₃をそれぞれ求めた結果、 Ｎ＝Ｎ’＝１９３７５ ΔＬ₁ ＝ΔＬ₃ ＝１０３５５．６０μｍ ΔＬ₂ ＝２０７１０．６７μｍ であった。

【００４９】各方向性結合部１４₁〜１４₄の結合比の波
長依存性を、図７（ａ）に示すように、第１の波長λ₁
＝１．５５μｍ近傍に対して５０％に設定した。このと
きの各光透過率Ｔthrough，Ｔcrossの波長特性を、図７
（ｂ），（ｃ）に実線でそれぞれ示す。なお、比較のた
め、従来のマッハ・ツェンダ光干渉計型光合分波器200
における各光透過率Ｔthrough，Ｔcrossの波長特性を同
図（ｂ），（ｃ）に破線でそれぞれ示す。

【００５０】この結果、本試作例の光合分波器１０で
は、クロスポート１７₂ から出力される信号光の阻止帯
域は、同図（ｃ）より、従来のマッハ・ツェンダ光干渉
計型光合分波器200 に比べて３．０倍程度広がるととも
に、スルーポート１７₁ から出力される信号光の透過帯
域も、同図（ｂ）より、広がることが確認できた。

【００５１】光合分波の波長間隔が０．０４ｎｍと狭い
場合には、各方向性結合部の結合比の波長依存性がほぼ
一定であるため、従来のマッハ・ツェンダ光干渉計のみ
では、各光透過率Ｔthrough，Ｔcrossの波長特性はほぼ
導波路長差ΔＬで設定される正弦関数の自乗で変化し、
各方向性結合部の結合比の波長依存性を利用することが
できない。したがって、この場合には、本発明による光
合分波器は特に有効である。

【００５２】以上の説明においては、第１の方向性結合
部１４₁ と第２の方向性結合部１４₂ との間で第２の光
導波路１３₂ の方を第１の光導波路１３₁ よりも第１の
導波路長差ΔＬ₁ だけ長くし、第３の方向性結合部１４
₃ と第４の方向性結合部１４₄ との間で第１の光導波路
１３₁ の方を第２の光導波路１３₂ よりも第３の導波路
長差ΔＬ₃ だけ長くした。しかし、逆に、第１の方向性
結合部１４₁ と第２の方向性結合部１４₂ との間で第１
の光導波路１３₁ の方を第２の光導波路１３₂よりも第
１の導波路長差ΔＬ₁ だけ長くし、第３の方向性結合部
１４₃ と第４の方向性結合部１４₄ との間で第２の光導
波路１３₂ の方を第１の光導波路１３₁よりも第３の導
波路長差ΔＬ₃ だけ長くしても、同様の特性が得られ
る。

【００５３】第１乃至第３の薄膜ヒータ１５₁〜１５₃を
用いて第１乃至第３の導波路長差ΔＬ₁〜ΔＬ₃を微調す
ることにより、特性を変えられることはいうまでもな
い。

【００５４】本発明の光合分波器は、２つの異なる波長
を有する信号光の光合分波に限定されるものではなく、
図９に示した従来のマッハ・ツェンダ光干渉計型光合分
波器200 などと同様な使い方（たとえば、N.Takato et
al.,Silica-based Integrated Optical Mach-Zehnder M
ulti/Demultiplexer Family with Channel Spacing of
0.01-250nm, Journal on Selected Areas in Communica
tions, Vol.8, p.1120-p.1127, 1990)ができ、多波長を
（３）式〜（６）式に従って２つのポートに分割するこ
ともできる。たとえば、電話信号群を１．３μｍ帯で、
また、ＣＡＴＶや各種情報信号群を１．５５μｍ帯で伝
送する場合に、試作例１〜試作例５の光合分波器を用い
て、１．３μｍ帯の信号群と１．５５μｍ帯の信号群と
を光合分波することができる。

【００５５】試作例１〜試作例４および試作例６では、
第１乃至第４の方向性結合部１４₁〜１４₄の結合比を第
２の波長λ₂ に対して５０％に設定したが、本発明の光
合分波器はこれに限定されるものではない。結合比がず
れると、第２の波長λ₂ において、スルーポート１７₁
における阻止損失を劣化させ、クロスポート１７₂にお
ける透過損失を増加させる。しかし、システムによって
は、光合分波器に対する仕様（たとえば、透過損失や阻
止損失に対する仕様）により、結合比が数％〜数十％ず
れても許容される場合がある。また、（３）式〜（６）
式により求められる第１乃至第３の導波路長差ΔＬ₁〜
ΔＬ₃を用いず、かつ、第１乃至第４の方向性結合部１
４₁〜１４₄の結合比を第２の波長λ₂ に対して５０％に
しなくても、試作例５で述べたように、第１乃至第３の
導波路長差ΔＬ₁〜ΔＬ₃および第１乃至第４の方向性結
合部１４₁〜１４₄の結合比を適当に選択することによ
り、透過損失や阻止損失を広げた矩形の透過特性を得る
ことができる。

【００５６】光導波路として、シリコン基板上に形成し
た石英系単一モード光導波路を用いたが、本発明の光合
分波器はこれに限定されるものではなく、他の材料系の
光導波路でも適用対象となる。たとえば、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
術により形成したイオン拡散光導波路でもよい。ただ
し、材料系により光導波路の屈折率ｎも異なるので、こ
の点を考慮して上記（３）式〜（６）式を扱う必要があ
ることはいうまでもない。

【００５７】シリコン基板上に個別に光合分波器が形成
されている例を示したが、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ている場合や、基板上や基板
端部に受発光阻止を直接搭載するハイブリッド光集積回
路の要素として、本発明の光合分波器を適用することが
できることはいうまでもない。

【００５８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は以下に示
す効果がある。

【００５９】各光透過率Ｔthrough，Ｔcrossの波長特性
をより自由に設計することができるため、光合分波の波
長の帯域を任意にかつ高精度に広げることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光合分波器の一実施例を示す図であ
り、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う
拡大断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う拡大断面
図、（ｄ）は（ａ）のＣ−Ｃ線に沿う拡大断面図であ
る。

【図２】図１に示した光合分波器を試作した第１の例を
説明するための図であり、（ａ）は結合比の波長依存性
を示すグラフ、（ｂ）は光透過率Ｔthrough の波長依存
性を示すグラフ、（ｃ）は光透過率Ｔcross の波長依存
性を示すグラフである。

【図３】図１に示した光合分波器を試作した第２の例を
説明するための図であり、（ａ）は結合比の波長依存性
を示すグラフ、（ｂ）は光透過率Ｔthrough の波長依存
性を示すグラフ、（ｃ）は光透過率Ｔcross の波長依存
性を示すグラフである。

【図４】図１に示した光合分波器を試作した第３の例を
説明するための図であり、（ａ）は結合比の波長依存性
を示すグラフ、（ｂ）は光透過率Ｔthrough の波長依存
性を示すグラフ、（ｃ）は光透過率Ｔcross の波長依存
性を示すグラフである。

【図５】図１に示した光合分波器を試作した第４の例を
説明するための図であり、（ａ）は結合比の波長依存性
を示すグラフ、（ｂ）は光透過率Ｔthrough の波長依存
性を示すグラフ、（ｃ）は光透過率Ｔcross の波長依存
性を示すグラフである。

【図６】図１に示した光合分波器を試作した第５の例を
説明するための図であり、（ａ）は結合比の波長依存性
を示すグラフ、（ｂ）は光透過率Ｔthrough の波長依存
性を示すグラフ、（ｃ）は光透過率Ｔcross の波長依存
性を示すグラフである。

【図７】図１に示した光合分波器を試作した第６の例を
説明するための図であり、（ａ）は結合比の波長依存性
を示すグラフ、（ｂ）は光透過率Ｔthrough の波長依存
性を示すグラフ、（ｃ）は光透過率Ｔcross の波長依存
性を示すグラフである。

【図８】従来の代表的な導波型光合分波器の一つである
方向性結合器型光合分波器の概略構成図である。

【図９】マッハ・ツェンダ光干渉計型光合分波器の一従
来例を示す概略構成図である。

【図１０】図９に示した従来のマッハ・ツェンダ光干渉
計型光合分波器の特性を説明するための図であり、
（ａ）は結合比の波長依存性を示すグラフ、（ｂ）は光
透過率Ｔthrough の波長依存性を示すグラフ、（ｃ）は
光透過率Ｔcross の波長依存性を示すグラフである。

【符号の説明】

１０ 光合分波器 １１ シリコン基板 １２ ガラス層 １３₁ 第１の光導波路 １３₂ 第２の光導波路 １４₁ 第１の方向性結合部 １４₂ 第２の方向性結合部 １４₃ 第３の方向性結合部 １４₄ 第４の方向性結合部 １５₁ 第１の薄膜ヒータ １５₂ 第２の薄膜ヒータ １５₃ 第３の薄膜ヒータ １６ 入力ポート １７₁ スルーポート １７₂ クロスポート

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−232631（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−183406（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/00 - 1/035 G02F 1/29 - 1/313 G02B 6/12 - 6/14

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板と、該基板上に形成された第１の光
   導波路および第２の光導波路とを含み、 該第１および第２の光導波路のいずれか一方の光導波路
   から入射された２つの信号光を分波して、該２つの信号
   光のいずれか一方の信号光を前記一方の光導波路から出
   射させるとともに、前記２つの信号光の他方の信号光を
   前記第１および第２の光導波路の他方の光導波路から出
   射させ、 前記第１の光導波路から入射された信号光と前記第２の
   光導波路から入射された信号光とを合波して、前記第１
   および第２の光導波路のいずれか一方の光導波路から出
   射させる光合分波器において、 前記第１の光導波路と前記第２の光導波路との中間部が
   ４箇所互いに近接されて順次形成された第１から第４の
   方向性結合部を含み、 前記第１の方向性結合部と前記第２の方向性結合部との
   間では、前記第２の光導波路の方が前記第１の光導波路
   よりも第１の導波路長差ΔＬ₁ だけ長く、 前記第２の方向性結合部と前記第３の方向性結合部との
   間では、前記第２の光導波路の方が前記第１の光導波路
   よりも第２の導波路長差ΔＬ₂ だけ長く、 前記第３の方向性結合部と前記第４の方向性結合部との
   間では、前記第１の光導波路の方が前記第２の光導波路
   よりも第３の導波路長差ΔＬ₃ だけ長く、 前記２つの信号光のうち前記一方の光導波路から入射さ
   れ該一方の光導波路から出射される前記一方の信号光の
   波長を第１の波長λ ₁ とし、前記２つの信号光のうち前
   記一方の光導波路から入射され前記他方の光導波路から
   出射される前記他方の信号光の波長を第２の波長λ ₂ と
   したとき、 前記第１から第４の方向性結合部の結合比が、前記第２
   の波長λ ₂ に対してほぼ５０％であり、 前記第１の光導波路および前記第２の光導波路の前記第
   １の波長λ ₁ での実効屈折率をｎ(λ ₁ ) および前記第２
   の波長λ ₂ での実効屈折率をｎ(λ ₂ ) とし、第１の整数
   をＮとしたとき、前記第２の導波路長差ΔＬ ₂ が、 を満たし、 前記第１の波長λ ₁ と等しいか近傍の第３の波長を
   λ ₁ ’ および前記第２の波長λ ₂ と等しいか近傍の第４
   の波長をλ ₂ ’ とし、前記第１光導波路および前記第２
   の光導波路の前記第３の波長λ ₁ ’ での実効屈折率をｎ
   (λ ₁ ’) および前記第４の波長λ ₂ ’ での実効屈折率を
   ｎ(λ ₂ ’) とし、第２の整数をＮ’としたとき、前記第
   １の導波路長差ΔＬ ₁ および前記第３の導波路長差ΔＬ
   ₃ が、 ΔＬ ₁ ，ΔＬ ₃ ≒（Ｎ’±０．５）×λ ₂ ’／ｎ(λ ₂ ’)／２ ≒Ｎ’×λ ₁ ’／ｎ(λ ₁ ’)／２ を満たす ことを特徴とする光合分波器。
2. 【請求項２】 前記第１の導波路長差ΔＬ₁ と前記第３
   の導波路長差ΔＬ₃とが等しいことを特徴とする請求項
   １記載の光合分波器。
3. 【請求項３】 前記第１の光導波路と前記第２の光導波
   路とがそれぞれ、平面基板上に形成された石英系ガラス
   層に埋設された、石英系ガラスからなるコア部より構成
   された石英系単一モード光導波路であることを特徴とす
   る請求項１または２に記載の光合分波器。