JP3070881B2 - Waveguide type optical multiplexer / demultiplexer - Google Patents

Waveguide type optical multiplexer / demultiplexer

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JP3070881B2
JP3070881B2 JP11339492A JP11339492A JP3070881B2 JP 3070881 B2 JP3070881 B2 JP 3070881B2 JP 11339492 A JP11339492 A JP 11339492A JP 11339492 A JP11339492 A JP 11339492A JP 3070881 B2 JP3070881 B2 JP 3070881B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は光導波路を用いた導波路
型光合分波器に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a waveguide type optical multiplexer / demultiplexer using an optical waveguide.

【0002】[0002]

【従来の技術】光合分波器は波長分割多重伝送方式を実
現するためのキーデバイスであり、干渉フィルタや回折
格子を用いたマイクロオプティクス型光合分波器、ファ
イバカプラ型光合分波器が従来開発されてきた。さらに
近年は光導波路を用いた導波路型光合分波器の検討も進
められている。一方、波長分割多重伝送方式の高性能化
も進められ、従来の例えば、1.31μmと1.55μmの
2波長多重伝送に加えて、1.31μmの波長を時分割多
重双方向伝送に使用する方式が開発されつつある。この
ような伝送方式に使用する光デバイスは光合分波器の機
能と分岐器の機能を兼ね備えていなければならない。こ
の要求を満足する有力な方法として光導波路を用いて光
合分波器と分岐器を同一導波路型基板の上に集積する方
法が報告されている(A.C.Carter, P.J.Williams, J.W.
Burgess, IEEE Workshop on Passive Optical Networks
for the Local Loop, 7.5 Heathrow Penta Hotel, Lon
don8th-9th May 1990) 。
2. Description of the Related Art An optical multiplexer / demultiplexer is a key device for realizing a wavelength division multiplexing transmission system, and a micro optics type optical multiplexer / demultiplexer using an interference filter or a diffraction grating and a fiber coupler type optical multiplexer / demultiplexer are conventionally used. Has been developed. In recent years, studies have been made on a waveguide type optical multiplexer / demultiplexer using an optical waveguide. On the other hand, the performance of the wavelength division multiplexing transmission system has also been improved, and in addition to the conventional two-wavelength multiplex transmission of, for example, 1.31 μm and 1.55 μm, a wavelength of 1.31 μm is used for time division multiplex bidirectional transmission. A scheme is being developed. An optical device used in such a transmission system must have both the function of an optical multiplexer / demultiplexer and the function of a splitter. As a promising method that satisfies this requirement, a method has been reported in which an optical multiplexer / demultiplexer and a branching device are integrated on the same waveguide type substrate using an optical waveguide (ACCarter, PJWilliams, JW
Burgess, IEEE Workshop on Passive Optical Networks
for the Local Loop, 7.5 Heathrow Penta Hotel, Lon
don8th-9th May 1990).

【0003】図10は上記の目的に適する従来技術の導
波路型光合分波器である。図10において36は導波路
基板、37は導波路基板36の上に設けたマッハツエン
ダ型光合分波器、38は導波路基板36の上に設けた方
向性結合器型光合分波器で、39はマッハツエンダ型光
合分波器37の第1の導波路端、40はマッハツエンダ
型光合分波器37の第2の導波路端、41は方向性結合
器型光合分波器38の第1の導波路端、42は方向性結
合器型光合分波器38の第2の導波路端である。本従来
技術例ではマッハツエンダ型光合分波器37が1.30μ
mと1.53μmの2波長合分波機能を有し、方向性結合
器型光合分波器38が1.30μmの3dB分岐器の機能
を有するため、上記のように高機能な波長多重伝送方式
に適用可能である。
FIG. 10 shows a conventional waveguide type optical multiplexer / demultiplexer suitable for the above purpose. In FIG. 10, 36 is a waveguide substrate, 37 is a Mach-Zehnder type optical multiplexer / demultiplexer provided on the waveguide substrate 36, 38 is a directional coupler type optical multiplexer / demultiplexer provided on the waveguide substrate 36, 39 Is the first waveguide end of the Mach-Zehnder type optical multiplexer / demultiplexer 37, 40 is the second waveguide end of the Mach-Zehnder type optical multiplexer / demultiplexer 37, 41 is the first waveguide end of the directional coupler type optical multiplexer / demultiplexer 38. Waveguide end 42 is the second waveguide end of the directional coupler type optical multiplexer / demultiplexer 38. In this prior art example, the Mach-Zehnder type optical multiplexer / demultiplexer 37 has 1.30 μm.
m and 1.53 μm, and the directional coupler type optical multiplexer / demultiplexer 38 has the function of a 1.30 μm 3 dB splitter. Applicable to the scheme.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかし、図10に示し
た従来技術は下記の欠点を有していた。 1) マッハツエンダ型光合分波器37と方向性結合器
型光合分波器38とが縦属接続されているため導波路寸
法が長くなる。 2) 方向性結合器型光合分波器38の導波路端41、
42には発光素子、受光素子が結合される場合が多い
が、導波路端41、42が隣接しているため、発光素
子、受光素子ならびにこれらの素子と接続される送信回
路、受信回路の実装面積が制限される。
However, the prior art shown in FIG. 10 has the following disadvantages. 1) Since the Mach-Zehnder type optical multiplexer / demultiplexer 37 and the directional coupler type optical multiplexer / demultiplexer 38 are cascaded, the waveguide size becomes longer. 2) waveguide end 41 of directional coupler type optical multiplexer / demultiplexer 38;
In many cases, a light emitting element and a light receiving element are coupled to 42. However, since the waveguide ends 41 and 42 are adjacent to each other, mounting of the light emitting element, the light receiving element, and a transmitting circuit and a receiving circuit connected to these elements are performed. Area is limited.

【0005】本発明の目的は上記の従来技術が有する欠
点を解決し、小形にして発光素子、受光素子の実装が容
易な導波路型光合分波器を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a waveguide type optical multiplexer / demultiplexer which solves the above-mentioned drawbacks of the prior art and is small in size and can easily mount a light emitting element and a light receiving element.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明の導波路型光合分
波器は3本の結合した光導波路(以下、「3結合導波路
と略記する。)を1対用い、3結合導波路の有する固有
モードの伝搬定数と等価結合長を所定の条件に設定する
とともに、光合分波機能と分岐機能を兼ね備えたことが
特徴である。従来の技術がマッハツエンダ型(2×2)
光合分波器(あるいは方向性結合器型光合分波器)と方
向性結合器型(2×2)光合分波器の縦属接続により所
望の機能を実現するのに比べて、単一の光導波路回路で
所望の機能を実現し、かつ光合分波器の光合分波特性の
設計自由度が多い利点を有することが従来技術と基本的
に異なる。
SUMMARY OF THE INVENTION A waveguide type optical multiplexer / demultiplexer according to the present invention employs a pair of three coupled optical waveguides (hereinafter abbreviated as "3-coupled waveguide"). It is characterized in that the propagation constant of the eigenmode and the equivalent coupling length thereof are set to predetermined conditions, and that it has both an optical multiplexing / demultiplexing function and a branching function.
Compared to realizing a desired function by cascade connection of an optical multiplexer / demultiplexer (or a directional coupler type optical multiplexer / demultiplexer) and a directional coupler type (2 × 2) optical multiplexer / demultiplexer, It is fundamentally different from the prior art in that a desired function is realized by an optical waveguide circuit and that the optical multiplexer / demultiplexer has an advantage that the degree of design freedom of the optical multiplexing / demultiplexing characteristics is large.

【0007】[0007]

【作用】その結果として導波路の長さが従来技術に比べ
て約半分となる利点を有する。また3本の導波路の両側
の2本の導波路が分岐出力端となるため、中央の導波路
と交差を生じることなく分岐出力端を導波路の対辺に配
置することが容易であり、分岐出力端の片方に発光素
子、他方に受光素子を実装する場合の実装面積が広くな
る。
As a result, there is an advantage that the length of the waveguide is reduced to about half as compared with the prior art. Further, since the two waveguides on both sides of the three waveguides serve as branch output ends, it is easy to arrange the branch output ends on opposite sides of the waveguide without crossing the center waveguide. The mounting area for mounting the light emitting element on one of the output ends and the light receiving element on the other is increased.

【0008】[0008]

【実施例】以下に説明する実施例においては、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想
定したが、本発明はこれらの実施例に拘束されるもので
はなく、他の材料構成にもとづく光導波路でも構成可能
である。たとえば多成分ガラスとスパッタリングなどの
薄膜形成技術を用いて形成した光導波路、ニオブ酸リチ
ウム単結晶基板上に金属イオンの拡散技術を用いて形成
した光導波路、多成分ガラス基板中に金属イオンを電界
熱拡散して形成した導波路、半導体基板上に異種半導体
膜を成長しこれを微細加工して形成した導波路などにも
適用可能であること、もちろんである。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In the embodiments described below, a quartz-based single-mode optical waveguide on a silicon substrate was assumed as an optical waveguide. However, the present invention is not limited to these embodiments, and other materials are used. An optical waveguide based on the configuration can also be used. For example, an optical waveguide formed by using a multi-component glass and a thin film forming technique such as sputtering, an optical waveguide formed by using a metal ion diffusion technique on a lithium niobate single crystal substrate, and a metal ion being applied to a multi-component glass substrate by an electric field. Naturally, the present invention can be applied to a waveguide formed by thermal diffusion, a waveguide formed by growing a heterogeneous semiconductor film on a semiconductor substrate and finely processing the same, and the like.

【0009】図1は、本発明の動作原理を説明する概念
図である。1、2、3は導波路、4は第1の非結合部、
5は第1の間隔変換部、6は第1の結合部、7は第2の
間隔変換部、8は第2の非結合部、9〜11は導波路1
〜3の非結合部8における区間、12は第3の間隔変換
部、13は第2の結合部、14は第4の間隔変換部、1
5は第3の非結合部である。非結合部4、8、15にお
いては導波路1〜3の間隔はそれぞれの区間内で光結合
が生じないよう十分な大きさとなっている。間隔変換部
5、7、12、14においては導波路1〜3の間隔が結
合部6、13に近づくにつれて徐々に減少する。図1に
おいては間隔変換部5、7、12、14は便宜上独立な
部分として表示しているが、間隔変換部は結合部と非結
合部の間の遷移領域として結果的に出現するものであっ
て独立した部分として取り扱う必要はない。間隔変換部
の結合部に近接した領域では若干の光結合が生じるので
この効果を後述の如く結合部に繰り込んで取り扱うのが
通例である。そのため本発明の回路は結合部と非結合部
を用いてその動作を説明することが可能である。結合部
と非結合部の導波路については以下の条件が成立するこ
とが必要である。
FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating the operation principle of the present invention. 1, 2, 3 are waveguides, 4 is a first non-coupling portion,
Reference numeral 5 denotes a first interval converter, 6 denotes a first coupling unit, 7 denotes a second interval converter, 8 denotes a second non-coupling unit, and 9 to 11 denote waveguides 1.
, 3 is a third interval converter, 13 is a second interval converter, 14 is a fourth interval converter, 1
5 is a third non-coupling portion. In the non-coupling portions 4, 8, and 15, the spacing between the waveguides 1 to 3 is large enough to prevent optical coupling in each section. In the space conversion units 5, 7, 12, and 14, the space between the waveguides 1 to 3 gradually decreases as approaching the coupling units 6, 13. In FIG. 1, the interval conversion units 5, 7, 12, and 14 are shown as independent portions for convenience, but the interval conversion unit appears as a transition region between the connected portion and the non-connected portion as a result. Need not be treated as a separate part. Since slight optical coupling occurs in a region close to the coupling portion of the interval conversion portion, it is customary to handle this effect by incorporating it into the coupling portion as described later. Therefore, the operation of the circuit according to the present invention can be described using the coupled portion and the non-coupled portion. The following conditions need to be satisfied for the waveguides at the coupling portion and the non-coupling portion.

【0010】(A) 結合部6、13では導波路1、2
の間隔と導波路2、3の間隔はほぼ等しい。 (B) 導波路1と導波路3の幅は等しく、さらに導波
路1、3の幅に対して導波路2の幅もほぼ等しい対称構
造である。 (C) 非結合部8においては導波路区間9と導波路区
間11の導波路長は等しく両者の導波路長は導波路区間
10の導波路長に比べて所定の値だけ大きい。
(A) In the coupling portions 6 and 13, the waveguides 1 and 2
And the distance between the waveguides 2 and 3 are substantially equal. (B) The waveguides 1 and 3 have a symmetrical structure in which the widths of the waveguides 1 and 3 are equal and the widths of the waveguides 2 are substantially equal to the widths of the waveguides 1 and 3. (C) In the non-coupling portion 8, the waveguide lengths of the waveguide section 9 and the waveguide section 11 are equal, and the waveguide lengths of both are larger by a predetermined value than the waveguide length of the waveguide section 10.

【0011】このような構造の導波路型光合分波器の動
作を以下に説明する。非結合部4の導波路2に光を入力
すると、結合部6には、図2に示す3個の固有伝播モー
ドが励起される。3個の固有伝播モードは3本の結合導
波路が有する固有モードの中で、伝播定数が最も大きな
第0次モード、伝播定数が第0次モードに次いで大きな
第1モード、伝播定数が第1次モードに次いで大きな第
2モードである。ここでは、入力光がTE偏光またはT
M偏光である場合を想定しているが、再偏光成分が混在
している場合は、TE偏光、TM偏光のそれぞれに対し
て0次モード、第1モード、第2モードが存在し、各モ
ードの伝播定数がTE偏光とTM偏光でわずかに異なる
ため厳密には6個の固有伝播モードが存在することにな
る。本発明においては同一次数モードのTE偏光とTM
偏光の伝播定数の差は無視できるものとして扱っている
が、伝播定数の差が無視出来ない場合においても本発明
の基本的動作に変わりは無い。また、伝播定数の減衰定
数成分は損失に影響するが光合分波器としての基本的な
動作には影響しないので以下では伝播定数の位相定数成
分にのみ着目して説明を進める。更に高次の固有伝播モ
ード及び放射モードへの結合は小さいため、光合分波器
としての基本的な動作には影響しないので以下の説明で
は省略する。
The operation of the waveguide type optical multiplexer / demultiplexer having such a structure will be described below. When light is input to the waveguide 2 of the non-coupling portion 4, the three eigenpropagation modes shown in FIG. The three eigenpropagation modes are the 0th-order mode having the largest propagation constant among the eigenmodes of the three coupling waveguides, the first mode having the largest propagation constant after the 0th-order mode, and the first mode having the first propagation constant. This is the second mode that is the second largest after the next mode. Here, the input light is TE polarized or T
It is assumed that the light is M-polarized light, but when re-polarized light components are mixed, the 0th-order mode, the first mode, and the second mode exist for each of the TE-polarized light and the TM-polarized light. Is slightly different between TE polarized light and TM polarized light, strictly speaking, there are six eigenpropagation modes. In the present invention, TE polarization of the same order mode and TM
Although the difference between the propagation constants of polarized light is treated as being negligible, the basic operation of the present invention does not change even when the difference between the propagation constants cannot be ignored. Also, the attenuation constant component of the propagation constant affects the loss but does not affect the basic operation as an optical multiplexer / demultiplexer. Therefore, the following description will focus on only the phase constant component of the propagation constant. Further, since the coupling to the higher-order eigenpropagation mode and the radiation mode is small and does not affect the basic operation as the optical multiplexer / demultiplexer, the description thereof will be omitted.

【0012】図2においてIは入力モードの界分布、A
は第0次モードの界分布、Bは第1次モードの界分布、
Cは第2次モードの界分布である。対称な構造の3結合
導波路の特徴として、第0次モードおよび第2次モード
の界分布は対称となり、さらに第0次モードの界分布は
導波路1〜3に同符号の極大値を有するのに対して第2
次モードの界分布は導波路1、3に同符号の極小値を、
また導波路2に極大値を有する。これに対して第1次モ
ードの界分布は本来反対称であり、導波路2において界
分布が零となる節点を有するのが特徴であるが、対称中
心である導波路2から光を入力した図2の例では第1次
モードが全く励起されないことが明らかである。すなわ
ち導波路2から光を入力した場合、第0次、第2次の2
個の固有伝播モードを考慮すれば十分である。さらに導
波路間隔が極端に狭くない場合には、図2に見られるよ
うに各モードにおける界分布の極大値、極小値は以下に
示す関係となる。 (1)第0次モードの導波路1、3における極大値は入
力モードの極大値のほぼ1/4であり、導波路2におけ
る極大値は入力モードの極大値のほぼ2-3/2である。 (2)第2次モードの導波路1、3における極小値は入
力モードの極大値のほぼ1/4であり、導波路2におけ
る極大値は入力モードの極大値のほぼ2-3/2である。 このような界分布を有する第0次、第2次の固有モード
は各々異なった伝播定数β0 、β2 で結合部6を伝播す
る。
In FIG. 2, I is the field distribution of the input mode, A
Is the field distribution of the 0th mode, B is the field distribution of the 1st mode,
C is the field distribution of the second mode. As a characteristic of the three-coupled waveguide having a symmetrical structure, the field distribution of the 0th-order mode and the second-order mode is symmetric, and the field distribution of the 0th-order mode has a local maximum value of the same sign in the waveguides 1 to 3. Second against
The field distribution of the next mode shows the minimum value of the same sign in the waveguides 1 and 3,
The waveguide 2 has a maximum value. On the other hand, the field distribution of the first-order mode is originally anti-symmetric and is characterized by having a node where the field distribution becomes zero in the waveguide 2, but light is input from the waveguide 2 which is the center of symmetry. It is clear that the first mode is not excited at all in the example of FIG. That is, when light is input from the waveguide 2, the 0th order and the 2nd order
It is sufficient to consider the number of eigenpropagation modes. Further, when the waveguide interval is not extremely narrow, as shown in FIG. 2, the maximum value and the minimum value of the field distribution in each mode have the following relationship. (1) The local maximum value in the waveguides 1 and 3 of the 0th-order mode is almost 1/4 of the local maximum value in the input mode, and the local maximum value in the waveguide 2 is about 2-3-2 of the local maximum value in the input mode. is there. (2) The local minimum value in the waveguides 1 and 3 in the second mode is approximately 1/4 of the local maximum value in the input mode, and the local maximum value in the waveguide 2 is approximately 2-3-2 of the local maximum value in the input mode. is there. The 0th-order and second-order eigenmodes having such a field distribution propagate through the coupling section 6 with different propagation constants β 0 and β 2 , respectively.

【0013】上記の固有モードが結合部6を伝播した
後、導波路1〜3に分離されて導波路長差を有する非結
合部8を経由し、再び結合部13を伝播した後、導波路
1〜3に分離されて非結合部15に導かれる。この時、
非結合部4の導波路2に入力した光に対する非結合部1
5の導波路1〜3に出力する光の透過率T21、T22、T
23はモード結合理論により近似的に次式で与えられる。 T21=0.5・sin2((β0 −β2 )Lc )cos2(βLd /2) (1) T22=cos2((β0 −β2 )Lc )・cos2(βLd /2)+sin2(βLd /2) (2) T23=0.5・sin2((β0 −β2 )Lc )cos2(βLd /2) (3)
The above eigenmode has propagated through the coupling section 6
Later, the waveguides are separated into waveguides 1 to 3 and have a waveguide length difference.
After propagating through the coupling portion 13 again through the coupling portion 8, the waveguide
It is separated into 1-3 and guided to the non-coupling portion 15. At this time,
Non-coupled portion 1 for light input to waveguide 2 of non-coupled portion 4
The transmittance T of light output to the waveguides 1 to 3 of No. 5twenty one, Ttwenty two, T
twenty threeIs approximately given by the following equation by mode coupling theory. Ttwenty one= 0.5 · sinTwo((Β0−βTwo) Lc) CosTwo(ΒLd/ 2) (1) Ttwenty two= CosTwo((Β0−βTwo) Lc) ・ CosTwo(ΒLd/ 2) + sinTwo(ΒLd/ 2) (2) Ttwenty three= 0.5 · sinTwo((Β0−βTwo) Lc) CosTwo(ΒLd/ 2) (3)

【0014】ここでLc は結合部6、13の等価結合
長、Ld は非結合部8の導波路長差、βは非結合部8の
導波路の伝播定数である。Lc を等価結合長と定義した
理由は、光結合が結合部部6、13ばかりでなく間隔変
換部5、7、12、14においても生じることにある。
そこで間隔変換部5、7、12、14で生じる光結合を
結合部6、13の結合長が等価的に増加したものとして
取り扱うために等価結合長をLc と定義した。上記の第
1式〜第3式は結合部6、13が対称な導波路構造を有
し、結合部6、13における導波路1〜3はほぼ等しい
構造であり、導波路損失が十分小さく、結合が十分弱い
ことを仮定した近似式であるが、近似の精度が悪くなる
ような領域においても本発明の基本的な動作は成立する
ものである。
[0014] Here, L c is equivalent coupling length of the coupling section 6, 13, L d is the waveguide length difference unbound portion 8, beta is the propagation constant of the waveguide unbound portion 8. The reason for the L c is defined as the equivalent coupling length is that optical coupling occurs also in the space transformer unit 5,7,12,14 not only coupling section portion 6,13.
Therefore the coupling length of the coupling portion 6, 13 of the optical coupling occurring at intervals conversion unit 5,7,12,14-defined equivalent coupling length and L c for handling as increased equivalently. In the above first to third formulas, the coupling portions 6 and 13 have a symmetric waveguide structure, and the waveguides 1 to 3 in the coupling portions 6 and 13 have substantially the same structure, and the waveguide loss is sufficiently small. Although the approximation formula is based on the assumption that the coupling is sufficiently weak, the basic operation of the present invention can be realized even in a region where the approximation accuracy deteriorates.

【0015】伝播定数β0 、β2 、βに対応する等価屈
折率をn0 、n2 、nを用いて第1式〜第3式を書き替
えれば第4式〜第6式が得られる。 T21=0.5・sin2((n0 −n2 )2πLc /λ)cos2(nπLd /λ) (4) T22=cos2((n0 −n2 )2πLc /λ)・cos2(nπLd /λ) +sin2(nπLd /λ)(5) T23=0.5・sin2((n0 −n2 )2πLc /λ)cos2(nπLd /λ) (6)
If the equivalent refractive indices corresponding to the propagation constants β 0 , β 2 , and β are replaced with the first to third equations using n 0 , n 2 , and n, the fourth to sixth equations are obtained. . T 21 = 0.5 · sin 2 ((n 0 −n 2 ) 2πL c / λ) cos 2 (nπL d / λ) (4) T 22 = cos 2 ((n 0 −n 2 ) 2πL c / λ ) · Cos 2 (nπL d / λ) + sin 2 (nπL d / λ) (5) T 23 = 0.5 · sin 2 ((n 0 −n 2 ) 2πL c / λ) cos 2 (nπL d / λ) ) (6)

【0016】nの波長依存性、導波路構造依存性は極め
て小さいが、(n0−n2 )は差分であるため相対的な
変化率としては、例えば、図3に示すように大きな波長
依存性および導波路構造依存性を有している。第1波長
λ1 及び第2波長λ2 における値をそれぞれ(n01−n
21)、および(n02−n22)、として次式が成立するL
c 、Ld を選択する。ただしN、Mは整数である。 2(n01−n21)・Lc =(M−1/2)・λ1 (7) n・Ld = N・λ1 (8) n・Ld =(N−1/2)・λ2 (9)
Although the wavelength dependence of n and the waveguide structure dependence are extremely small, since (n 0 −n 2 ) is a difference, the relative change rate is, for example, as shown in FIG. And waveguide structure dependence. The values at the first wavelength λ 1 and the second wavelength λ 2 are respectively (n 01 −n
21 ) and (n 02 −n 22 ), L
c, to select the L d. Here, N and M are integers. 2 (n 01 −n 21 ) · L c = (M − /) · λ 1 (7) n · L d = N · λ 1 (8) n · L d = (N − /) · λ 2 (9)

【0017】このとき第1波長λ1 におけるT21
22、T23は第4式〜第6式より0.5、0、0.5とな
り、第2波長λ2 におけるT21、T22、T23は第1式〜
第3式より0、1、0となる。第1波長λ1 において導
波路2から導波路1および導波路3に3dBで結合し、
第2波長λ2 において導波路2を0dBで通過する、す
なわち第1波長λ1 と第2波長λ2 の通過帯域で動作す
る光合分波器の機能と第1波長λ1 で動作する3dB分
岐器の機能を兼ね備えていることが明らかである。ただ
し、第8〜第9式が成立するためには、第1波長λ1
第2波長λ2 には第10式の制約が生じる。 N=0.5・λ2 /(λ2 −λ1 ) (10) 第10式で整数Nの解を与えるλ1 、λ2 の組合せにお
いて本発明は効果を発揮するものである。
At this time, T 21 at the first wavelength λ 1 ,
T 22 and T 23 are 0.5, 0, and 0.5 from the fourth to sixth equations, and T 21 , T 22 , and T 23 at the second wavelength λ 2 are the first to fourth equations.
From the third equation, they are 0, 1, and 0. At the first wavelength λ 1 , the waveguide 2 is coupled to the waveguides 1 and 3 at 3 dB,
Passes through the waveguide 2 at 0dB at a second wavelength lambda 2, i.e. 3dB branch operating in function as the first wavelength lambda 1 of the optical multiplexer operating at the first wavelength lambda 1 and the second wavelength lambda 2 pass band It is clear that it has the function of a vessel. However, in order for the eighth and ninth formulas to be satisfied, the first wavelength λ 1 and the second wavelength λ 2 are restricted by the tenth formula. N = 0.5 · λ 2 / (λ 2 −λ 1 ) (10) The present invention is effective in the combination of λ 1 and λ 2 that gives the solution of the integer N by the equation (10).

【0018】(n0 −n2 )は、図3に示すように波長
依存性を有するため、第7式がλ1 で成立する場合にお
いても、一般的には2(n02−n22)・Lc =(M−1
/2)・λ2 が成立しないため、第4式の右辺第1項の
0.5・sin2((n0 −n2 )2πLc /λ)はλ2 にお
いて有限な値をとる。そのような場合にあっても、第4
式の右辺第2項cos2(nπLd /λ)が第9式の条件に
よってλ2 において0となるため、第4式で与えられる
21が0となり本発明の動作が保証される。上記の説明
で明らかなとおり、本発明の動作を保証するためには
(A)〜(C)を満足する導波路において第7式〜第1
0式によって与えられるLc とLd を選択することだけ
で十分であり、導波路パラメータにその他の制約を課す
るものではない。
(N 0 -n 2 ) has a wavelength dependence as shown in FIG. 3. Therefore, even when the seventh equation holds for λ 1 , it is generally 2 (n 02 -n 22 ). L c = (M−1)
/ 2) · λ 2 does not hold, so the first term on the right-hand side of Equation 4
0.5 · sin 2 ((n 0 −n 2 ) 2πL c / λ) takes a finite value at λ 2 . Even in such a case, the fourth
Since the second term cos 2 (nπL d / λ) on the right side of the equation becomes 0 at λ 2 under the condition of the ninth equation, T 21 given by the fourth equation becomes 0, and the operation of the present invention is guaranteed. As is apparent from the above description, in order to guarantee the operation of the present invention, in the waveguide satisfying the conditions (A) to (C), the seventh to the first expressions are used.
It is sufficient to choose L c and L d given by equation 0, and not to impose any other constraints on the waveguide parameters.

【0019】ところで、(n0 −n2 )が図3に示した
ような波長依存性、導波路構造依存性を有することを利
用して第11式が成立する導波路構造を選択すればさら
に副次的な効果が期待できる。 2(n02−n22)・Lc =Mλ2 (11) このとき第1波長λ1 におけるT21、T22、T23は第4
式〜第6式より0.5、0、0.5となり、第2波長λ2
おけるT21、T22、T23は第1式〜第3式より0、1、
0となる基本機能は第11式の制約が無い場合と変わら
ない。しかし、λ2 の近傍の波長においてその性能を著
しく改善することが可能である。λ=(1+X)λ2
して第11式を仮定して第4式、第6式を書き替えれば
次の近似式を得る。ただし、X≒0である。 T21=0.5sin4(π/2・X) (12) T23=0.5sin4(π/2・X) (13)
By using the fact that (n 0 −n 2 ) has a wavelength dependency and a waveguide structure dependency as shown in FIG. 3, a waveguide structure satisfying the formula 11 is selected. Secondary effects can be expected. 2 (n 02 −n 22 ) · L c = Mλ 2 (11) At this time, T 21 , T 22 , and T 23 at the first wavelength λ 1 are the fourth.
From Equations (6) and (6), 0.5, 0, and 0.5 are obtained, and T 21 , T 22 , and T 23 at the second wavelength λ 2 are 0, 1, and
The basic function which becomes 0 is the same as the case where there is no constraint of the eleventh formula. However, it is possible to significantly improve its performance in the wavelength in the vicinity of lambda 2. Assuming the eleventh equation as λ = (1 + X) λ 2 and rewriting the fourth and sixth equations, the following approximate equation is obtained. However, X ≒ 0. T 21 = 0.5 sin 4 (π / 2 · X) (12) T 23 = 0.5 sin 4 (π / 2 · X) (13)

【0020】これに対して第11式の制約が無い場合に
は、次の近似式となる。 T21=K・sin2(π/2・X) (14) T23=K・sin2(π/2・X) (15) ここでKは定数である。すなわちX=0の近傍(λ=λ
2 の近傍)において第12式、第13式は4次の零点が
得られるのに対して第14式、第15式においては2次
の零点となるのみである。このため第11式の条件を付
与することによってλ2 の近傍の漏話量を著しく改善で
きることが明らかとなる。
On the other hand, when there is no constraint of the eleventh equation, the following approximate equation is obtained. T 21 = K · sin 2 (π / 2 · X) (14) T 23 = K · sin 2 (π / 2 · X) (15) where K is a constant. That is, the vicinity of X = 0 (λ = λ
In the vicinity of ( 2 ), the twelfth and thirteenth equations provide a fourth-order zero, whereas the fourteenth and fifteenth equations provide only a second-order zero. Therefore, it becomes clear that the amount of crosstalk in the vicinity of λ 2 can be remarkably improved by giving the condition of Expression 11.

【0021】〔実施例1〕図4(a),(b),(c)
は本発明の第1の実施例として、請求項1に関する具体
例を示したものである。これは、λ1 =1.31μm、λ
2 =1.57μmの2波長用に設計した導波路型光合分波
器の構成例であり、(a)は平面図、(b)、(c)は
平面図(a)における線分B−B′、線分C−C′で切
断した断面拡大図である。50はシリコン基板、16〜
18はシリコン基板50上に石英系ガラス材料を用いて
形成された石英系光導波路である。導波路16〜18は
膜厚50μm程度のSiO2系ガラス層24に埋設された断
面寸法7μm×7μm程度のSiO2−TiO2系ガラスコア部
からなる。導波路16〜18は非結合部19、21、2
3および結合部20、22から構成される。結合部2
0、22においては対称構造であることが望ましいた
め、導波路17はほぼ直線とし、導波路16、18は並
行に配置した。結合部20、22においても導波路幅は
前記のとおり7μm程度であるが、より望ましい性能を
得るために導波路17の幅に対して導波路16、18の
幅を数パーセント大きくした。非結合部21において
は、導波路16と導波路18の長さは等しく、導波路1
7の長さにたいして導波路長差Ld だけ大きくした。結
合部20、22における導波路間隔、等価結合長Lc
よび非結合部21における導波路長差Ld は次式が成立
するように設定した。
Embodiment 1 FIGS. 4 (a), 4 (b) and 4 (c)
Shows a specific example of claim 1 as a first embodiment of the present invention. This is because λ 1 = 1.31 μm, λ
2 is a configuration example of a waveguide type optical multiplexer / demultiplexer designed for two wavelengths of 1.57 μm, where (a) is a plan view, (b) and (c) are line segments B− in the plan view (a). B 'is an enlarged cross-sectional view taken along line CC'. 50 is a silicon substrate, 16 to
Reference numeral 18 denotes a quartz optical waveguide formed on a silicon substrate 50 using a quartz glass material. The waveguides 16 to 18 are made of a SiO 2 —TiO 2 glass core having a cross-sectional dimension of about 7 μm × 7 μm embedded in a SiO 2 glass layer 24 having a thickness of about 50 μm. The waveguides 16 to 18 are connected to the non-coupling portions 19, 21, 2
3 and coupling portions 20 and 22. Coupling part 2
Since it is desirable that the waveguides 0 and 22 have a symmetrical structure, the waveguide 17 is substantially straight and the waveguides 16 and 18 are arranged in parallel. The waveguide width of the coupling portions 20 and 22 is also about 7 μm as described above, but the width of the waveguides 16 and 18 is increased by several percent with respect to the width of the waveguide 17 in order to obtain more desirable performance. In the non-coupling portion 21, the waveguide 16 and the waveguide 18 have the same length,
It was increased by the waveguide length difference L d with respect to 7 the length of the. Waveguide spacing at the junction 20 and 22, the equivalent coupling length L c and a non-coupling waveguide length difference in the portion 21 L d were set as the following equation is established.

【0022】 2(n01−n21)Lc =1/2・λ1 (16) n・Ld =N・λ1 (17) n・Ld =(N−1/2)・λ2 (18) N=0.5・λ2 /(λ2 −λ1 ) (19)2 (n 01 −n 21 ) L c = 1 / · λ 1 (16) n · L d = N · λ 1 (17) n · L d = (N − /) · λ 2 (18) N = 0.5 · λ 2 / (λ 2 −λ 1 ) (19)

【0023】第16式は、第7式においてM=1を選択
したものである。λ1 =1.31μm、λ2 =1.57μm
であるから、N=3に設定することにより第19式がほ
ぼ満足される。また等価屈折率が1.46の石英系導波路
を用いたのでLd =2.7μmに設定することにより第1
7式、第18式が満足される。結合部20、22におけ
る導波路間隔と等価長Lc はそれぞれ約2μm、約66
0μmと設定することにより第16式がほぼ満足され
る。非結合部19および23においては外部の光ファイ
バとの接続を考慮して導波路間隔を250μmに設定し
た。これらの構造パラメータを有する導波路型光合分波
器はシリコン基板上に直線状光導波路パターンと曲率半
径10mmの円弧状導波路パターンの組合せにより作製
した。導波路膜の形成および加工には公知の技術である
火炎加水分解反応を利用したガラス膜形成法と反応性イ
オンエッチングを組合せて適用した。
Equation (16) is obtained by selecting M = 1 in equation (7). λ 1 = 1.31 μm, λ 2 = 1.57 μm
Therefore, by setting N = 3, Expression 19 is almost satisfied. In addition, since a quartz-based waveguide having an equivalent refractive index of 1.46 was used, the first value was set by setting L d = 2.7 μm.
Equations 7 and 18 are satisfied. The waveguide spacing and the equivalent length L c at the coupling portions 20 and 22 are about 2 μm and about 66, respectively.
By setting it to 0 μm, Equation 16 is almost satisfied. In the non-coupling portions 19 and 23, the waveguide spacing was set to 250 μm in consideration of connection with an external optical fiber. A waveguide type optical multiplexer / demultiplexer having these structural parameters was fabricated by combining a linear optical waveguide pattern and an arc-shaped waveguide pattern having a curvature radius of 10 mm on a silicon substrate. For the formation and processing of the waveguide film, a combination of a glass film forming method utilizing a flame hydrolysis reaction, which is a known technique, and reactive ion etching was applied.

【0024】図5に、上記の設計に基づいて上記の作製
技術で試作した導波路型光合分波器の透過損失を示す。
AはT21、T23に対応する透過損失であり波長1.31μ
mで約3dBのとなり、波長1.57μmで30dB以上
となった。BはT22に対応する透過損失であり、波長1.
57μmでほぼ0dBとなり、波長1.31μmで20d
B以上となった。これらの結果から、本実施例の導波路
型光合分波器は設計通り波長1.31μmの近傍と波長1.
57μmの近傍で動作する光合分波器の機能と波長1.3
1μmの近傍で動作する3dB分岐器の機能を兼ね備え
ていることが明らかである。
FIG. 5 shows the transmission loss of the waveguide type optical multiplexer / demultiplexer experimentally manufactured by the above-mentioned manufacturing technique based on the above design.
A is a transmission loss corresponding to T 21 and T 23 and a wavelength of 1.31 μm.
m was about 3 dB, and was 30 dB or more at a wavelength of 1.57 μm. B is a transmission loss corresponding to T 22, the wavelength 1.
It becomes almost 0 dB at 57 μm and 20 dB at a wavelength of 1.31 μm.
B or more. From these results, the waveguide type optical multiplexer / demultiplexer of this embodiment has a wavelength around 1.31 μm and a wavelength of 1.31 μm as designed.
Function and wavelength of optical multiplexer / demultiplexer operating near 57 μm
It is clear that it has the function of a 3 dB splitter operating near 1 μm.

【0025】〔実施例2〕図6は、本発明の第2の実施
例として設計した導波路型光合分波器の透過損失を示す
ものである。本実施例における導波路型光合分波器の構
成は第1の実施例と概ね等しいが、第7式〜第10式に
加えて第13式も成立するように導波路パラメータを設
定した点が第1の実施例と異なる。λ1 =1.31μm、
λ2 =1.57μmの2波長を想定したため第1の実施例
と同様M=1、N=3、Ld =2.7μmとした。ただし
結合部の導波路間隔と等価結合長Lc はそれぞれ約4μ
m、約2.3mmとした。図6と図5の比較からT21、T
23に対応する透過損失に次のような特徴が見える。λ1
=1.31μmの近傍では両者に大きな違いはない。一
方、λ2 =1.57μmの近傍では30dB以上の減衰量
が得られる波長帯域が2倍以上に広がっていることがわ
かる。このように第11式も成立するような導波路パラ
メータを用いた本実施例においては、T21、T23に対応
する透過特性Aに広い阻止波長帯域が得られることが明
らかとなった。T21、T23に対応する透過特性Aに広い
阻止波長帯域が得られることは同帯域においてT22に対
応する透過特性Bに広い通過波長帯域が得られることと
同義であり、広い阻止波長帯域あるいは通過波長帯域を
有する導波路型光合分波器の構成法としても本発明が有
効であることを本実施例は示している。
Embodiment 2 FIG. 6 shows the transmission loss of a waveguide type optical multiplexer / demultiplexer designed as a second embodiment of the present invention. The configuration of the waveguide type optical multiplexer / demultiplexer in the present embodiment is substantially the same as that of the first embodiment, except that the waveguide parameters are set so that the thirteenth equation is satisfied in addition to the seventh to tenth equations. This is different from the first embodiment. λ 1 = 1.31 μm,
Since two wavelengths of λ 2 = 1.57 μm were assumed, M = 1, N = 3, and L d = 2.7 μm as in the first embodiment. However each waveguide spacing equivalent coupling length L c of the coupling portion about 4μ
m, about 2.3 mm. T 21 from a comparison of FIG. 6 and FIG. 5, T
The following characteristics are seen in the transmission loss corresponding to 23 . λ 1
In the vicinity of 1.31 μm, there is no significant difference between the two. On the other hand, in the vicinity of λ 2 = 1.57 μm, it can be seen that the wavelength band in which the amount of attenuation of 30 dB or more is obtained is more than doubled. As described above, in the present embodiment using the waveguide parameter that also satisfies the formula 11, it is clear that a wide stop wavelength band can be obtained in the transmission characteristic A corresponding to T 21 and T 23 . Obtaining a wide stop wavelength band in the transmission characteristic A corresponding to T 21 and T 23 is equivalent to obtaining a wide pass wavelength band in the transmission characteristic B corresponding to T 22 in the same band. The present embodiment shows that the present invention is also effective as a configuration method of a waveguide type optical multiplexer / demultiplexer having a pass wavelength band.

【0026】〔実施例3〕図7は、本発明の第3の実施
例を示したものである。25は導波路型光合分波器の主
要部、26〜28は導波路型光合分波器の主要部を構成
する導波路、29は展開部、30は第1ファイバ、31
は第2ファイバ、32は発光素子結合光学系、33は発
光素子、34は誘電体干渉膜フィルタ、35は受光素子
である。導波路型光合分波器の主要部25の構成は第3
の実施例と同様である。展開部29は導波路型光合分波
器の主要部25と同一導波路基板上に曲率半径5mmの
円弧状導波路パタンと直線導波路パタンを用いて構成し
た。発光素子および受光素子を結合する導波路26と導
波路28の端部は導波路基板の両側面で相対する位置か
ら数mm異なる位置に設定して発光素子の出力の一部が
受光素子に達することを阻止した。発光素子を受光素子
と同時に駆動することが無い場合にはこの処置は無用で
ある。導波路27は両端において第1ファイバ30およ
び第2ファイバ31と屈折率調合剤を介して結合される
ため、本実施例では導波路端部は導波路基板側面に対し
て垂直に交差することとした。一方導波路26、28の
導波路端部は導波路基板側面法線に対して数度以上の傾
斜を持たせて導波路側面の反射光が導波モードに結合し
ないよう配慮した。誘電体干渉フィルタ34は導波路型
光合分波器の主要部における合分波特性を補足するため
波長1.31μm近傍に通過帯域を有し、波長1.55μm
近傍に阻止帯域を有するものであり、要求特性に応じて
付加または削除すべきものである。また本実施例では導
波路端面に接着したが、受光素子のパッケージなどに付
加することも可能である。
Embodiment 3 FIG. 7 shows a third embodiment of the present invention. 25 is a main part of the waveguide type optical multiplexer / demultiplexer, 26 to 28 are waveguides constituting a main part of the waveguide type optical multiplexer / demultiplexer, 29 is a developed part, 30 is a first fiber, 31
Is a second fiber, 32 is a light emitting element coupling optical system, 33 is a light emitting element, 34 is a dielectric interference film filter, and 35 is a light receiving element. The configuration of the main part 25 of the waveguide type optical multiplexer / demultiplexer is the third type.
This is the same as the embodiment. The unfolding part 29 is formed on the same waveguide substrate as the main part 25 of the waveguide type optical multiplexer / demultiplexer, using an arcuate waveguide pattern having a radius of curvature of 5 mm and a linear waveguide pattern. The ends of the waveguide 26 and the waveguide 28 which couple the light emitting element and the light receiving element are set at positions different from each other by a few mm on both side surfaces of the waveguide substrate, and a part of the output of the light emitting element reaches the light receiving element. Prevented that. This procedure is unnecessary if the light emitting element is not driven simultaneously with the light receiving element. Since the waveguide 27 is coupled at both ends to the first fiber 30 and the second fiber 31 via the refractive index modifier, in this embodiment, the end of the waveguide should intersect perpendicularly to the side surface of the waveguide substrate. did. On the other hand, the end portions of the waveguides 26 and 28 have inclinations of several degrees or more with respect to the normal line of the side surface of the waveguide substrate so that the reflected light on the side surfaces of the waveguide is not coupled to the waveguide mode. The dielectric interference filter 34 has a pass band near a wavelength of 1.31 μm to supplement the multiplexing / demultiplexing characteristics in the main part of the waveguide type optical multiplexer / demultiplexer, and has a wavelength of 1.55 μm.
It has a stop band in the vicinity and should be added or deleted according to the required characteristics. Further, in the present embodiment, it is bonded to the end face of the waveguide, but it can be added to a package of a light receiving element or the like.

【0027】図7に示した第3の実施例の動作を以下に
説明する。第1ファイバ30から入射した波長1.31μ
m帯の光は、第1の実施例の図5から明らかな通り、導
波路型光合分波器の主要部25を経由し約3dBの分岐
損失で受光素子35に結合する。また第2ファイバ31
から入射した波長1.57μm帯の光は第1の実施例の図
5から明らかな通り、導波路型光合分波器の主要部25
を経由してほぼ無損失で第1ファイバ30に導かれる。
一方、波長1.31μm帯の発光素子33の光出力は、導
波路型光合分波器の主要部25を経由して第1ファイバ
30に導かれる。このように第3の実施例に示した導波
路型光合分波器を用いることにより、波長1.31μm帯
で同一波長双方向通信を行うとともに、1.31μm帯と
1.57μm帯の2波長分割多重通信を行うことが可能と
なり、さらに発光素子33、受光素子35、第2ファイ
バ31を3方向に分離でき、送信回路、受信回路などを
発光素子、受光素子の直近に実装し、かつ送信回路と受
信回路間の電気的結合を抑圧するなどの実装の自由度が
極めて広がった。
The operation of the third embodiment shown in FIG. 7 will be described below. 1.31μ wavelength incident from the first fiber 30
As is clear from FIG. 5 of the first embodiment, the light in the m-band passes through the main part 25 of the waveguide type optical multiplexer / demultiplexer and is coupled to the light receiving element 35 with a branch loss of about 3 dB. The second fiber 31
As shown in FIG. 5 of the first embodiment, the light having a wavelength of 1.57 .mu.m incident from the main part 25 of the waveguide type optical multiplexer / demultiplexer.
Through the first fiber 30 with almost no loss.
On the other hand, the light output of the light emitting element 33 in the 1.31 μm band is guided to the first fiber 30 via the main part 25 of the waveguide type optical multiplexer / demultiplexer. Thus, by using the waveguide type optical multiplexer / demultiplexer shown in the third embodiment, the same wavelength bidirectional communication can be performed in the 1.31 μm band, and the 1.31 μm band can be used.
1.57 μm band two-wavelength division multiplexing communication can be performed, and the light emitting element 33, the light receiving element 35, and the second fiber 31 can be separated in three directions. The degree of freedom of mounting, such as mounting immediately and suppressing electrical coupling between the transmitting circuit and the receiving circuit, has been extremely widened.

【0028】本実施例の発光素子結合光学系32は分布
屈折率レンズを用いているが、本発明はこの実施例に拘
束されるものではなく、発光素子のスポット径と導波路
のスポット径を整合するための光学系、たとえば球レン
ズ、非球面レンズ、先球加工ファイバなどを単独でまた
は組み合わせて使用すれば本実施例と同様の効果が得ら
れることは自明である。また本実施例では受光素子35
を誘電体干渉膜フィルタ34を介して導波路28の端面
に直接結合しているが、本発明はこの実施例に拘束され
るものではなく、受光素子35と導波路28の間に結合
光学系を挿入しても本実施例と同様に効果が得られるこ
とも自明である。本実施例においては発光素子、受光素
子を結合する導波路を特定しているが、導波路型光合分
波器の主要部25が構造的にまた機能的にも2回対称で
あることを鑑みると、発光素子、受光素子の配置には極
めて自由度があることは自明である。たとえば、本実施
例の発光素子33、受光素子35をともに波長1.31μ
m帯の発光素子または受光素子とすることも可能であ
る。さらに導波路26と導波路28の両端に合計4個の
波長1.31μm帯の発光素子および受光素子を組合せて
結合し、適宜駆動することも可能である。また本実施例
では導波路27の両端には光ファイバを接続している
が、その片方を波長帯域1.57μmの近傍で動作する発
光素子または受光素子を結合することが可能なことは自
明である。
Although the light-emitting element coupling optical system 32 of this embodiment uses a distributed index lens, the present invention is not limited to this embodiment, and the spot diameter of the light-emitting element and the spot diameter of the waveguide are adjusted. It is obvious that the same effect as that of the present embodiment can be obtained by using an optical system for matching, for example, a spherical lens, an aspherical lens, a front-end processed fiber, or the like, alone or in combination. In this embodiment, the light receiving element 35 is used.
Is directly coupled to the end face of the waveguide 28 via the dielectric interference filter 34, but the present invention is not limited to this embodiment, and a coupling optical system is provided between the light receiving element 35 and the waveguide 28. It is obvious that the same effect as in the present embodiment can be obtained even if this is inserted. In the present embodiment, the waveguide for coupling the light emitting element and the light receiving element is specified, but it is considered that the main part 25 of the waveguide type optical multiplexer / demultiplexer is structurally and functionally symmetrical twice. It is obvious that the arrangement of the light emitting element and the light receiving element is extremely flexible. For example, both the light emitting element 33 and the light receiving element 35 of this embodiment have a wavelength of 1.31 μm.
It is also possible to use an m-band light emitting element or light receiving element. Further, a total of four light emitting elements and light receiving elements in the 1.31 μm band can be combined and coupled to both ends of the waveguide 26 and the waveguide 28 and driven appropriately. Further, in this embodiment, optical fibers are connected to both ends of the waveguide 27, but it is obvious that one of them can be connected to a light-emitting element or a light-receiving element that operates near the wavelength band of 1.57 μm. is there.

【0029】これまで示した具体的な導波路型光合分波
器を実際に作製すると、内部ストレス等の影響によっ
て、光合分波特性に偏波依存性を生じることがある。こ
のような偏波依存性は実用上好ましくない。そこで、次
に請求項3に関し、偏波依存性を解消できる構成例につ
いて述べる。
When the specific waveguide type optical multiplexer / demultiplexer described above is actually manufactured, polarization dependence may be caused in the optical multiplexer / demultiplexer due to the influence of internal stress and the like. Such polarization dependence is not practically preferable. Therefore, a configuration example capable of eliminating the polarization dependence will be described below with reference to claim 3.

【0030】〔実施例4〕図8は、本発明の第4の実施
例として、上記の実施例3を偏波依存性を解消できる構
成に改良したものであり、(a)は平面図、(b)、
(c)は平面図(a)における線分B−B′、線分C−
C′で切断した断面拡大図である。2つの方向性結合器
間にある中央導波路の一部を幅の狭いテーパ導波路60
に置き換えた点が実施例3と異なる。このような構成で
は、TE偏光とTM偏光が感じる実効的な屈折率との差
を、中央導波路幅の削減で予め逆に与えておき、全体と
して偏波依存性をキャンセルすることができる。なお、
光合分波器の各パラメータ条件や内部ストレスのかかり
方等により、図9に示すような中央導波路幅を太くする
べき場合も生じることを付記しておく。
[Embodiment 4] FIG. 8 shows a fourth embodiment of the present invention in which the above-described Embodiment 3 is improved to a configuration capable of eliminating the polarization dependence. (B),
(C) is a line segment BB ′ and a line segment C− in the plan view (a).
FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view cut along C ′. A portion of the central waveguide between the two directional couplers is reduced to a narrow tapered waveguide 60.
The third embodiment is different from the third embodiment in that In such a configuration, the difference between the effective refractive index felt by the TE-polarized light and the TM-polarized light is given in reverse by reducing the width of the central waveguide, and the polarization dependence can be canceled as a whole. In addition,
It should be noted that the central waveguide width may need to be increased as shown in FIG. 9 depending on the parameter conditions of the optical multiplexer / demultiplexer, the manner of applying internal stress, and the like.

【0031】以上示した実施例1〜実施例4において
は、光導波路としてシリコン基板上の石英系単一モード
光導波路を想定したが、本発明はこれらの実施例に拘束
されるものではなく、他の材料構成にもとずく光導波路
でも構成可能である。たとえば多成分ガラスとスパッタ
リングなどの薄膜形成技術を用いて形成した光導波路、
ニオブ酸リチウム単結晶基板上に金属イオンの拡散技術
を用いて形成した光導波路、多成分ガラス基板中に金属
イオンを電界熱拡散して形成した導波路、半導体基板上
に異種半導体膜を成長しこれを微細加工して形成した導
波路などにも適用可能である。特に第3の実施例は半導
体基板上に半導体導波路と発光素子、受光素子を形成す
ることにより一層の効果を発揮することが期待できる。
また、各実施例においては単一の導波路型光合分波器を
用いたが、同一導波路基板上に複数の導波路型光合分波
器を形成すること、および複数の導波路型光合分波回路
と複数の光ファイバ、発光素子、受光素子を結合するこ
とが可能であることは当然であり、導波路型光合分波器
の機能はこのような集積比において大きな効果を発揮す
ることが期待できる。
In the first to fourth embodiments described above, a quartz single-mode optical waveguide on a silicon substrate is assumed as the optical waveguide, but the present invention is not limited to these embodiments. An optical waveguide can be configured based on other material configurations. For example, an optical waveguide formed using a multi-component glass and a thin film forming technique such as sputtering,
An optical waveguide formed on a lithium niobate single crystal substrate using metal ion diffusion technology, a waveguide formed by electrothermal diffusion of metal ions in a multi-component glass substrate, and a heterogeneous semiconductor film grown on a semiconductor substrate The present invention is also applicable to a waveguide or the like formed by fine processing. In particular, the third embodiment can be expected to exhibit further effects by forming a semiconductor waveguide, a light emitting element, and a light receiving element on a semiconductor substrate.
In each embodiment, a single waveguide type optical multiplexer / demultiplexer is used. However, a plurality of waveguide type optical multiplexer / demultiplexers can be formed on the same waveguide substrate, and a plurality of waveguide type optical multiplexer / demultiplexers can be used. Naturally, it is possible to combine a wave circuit with a plurality of optical fibers, light-emitting elements, and light-receiving elements, and the function of a waveguide-type optical multiplexer / demultiplexer can exert a great effect at such an integration ratio. Can be expected.

【0032】[0032]

【発明の効果】従来の技術が、たとえばマッハ・ツエン
ダ光干渉系型(2×2)光合分波器と、たとえば方向性
結合型(2×2)3dB分岐器の従続接続により実現し
ていた、2波長合分波機能と3dB分岐機能の二つの機
能を、本発明ではマッハ・ツエンダ光干渉系型(3×
3)光合分波器と同一規模の単一の光導波回路で実現で
きた。この結果として光導波路規模が半分となり、光導
波路の面積を半分に縮小することができる。ところで光
導波路の設計においては曲げ部の損失を抑圧するため、
光導波路の機能ブロックが大きい場合には光軸方向に配
列するのが通例である。このため光導波路規模の増加と
ともに光導波路基板の長さが増大することが問題となっ
ていた。本発明により光導波路規模の半減にともなって
導波路基板の長さを半減できたことは実用上大きな利点
となる。
The prior art is realized by, for example, a cascade connection of a Mach-Zenda optical interference type (2 × 2) optical multiplexer / demultiplexer and a directional coupling type (2 × 2) 3 dB splitter, for example. In the present invention, two functions of a two-wavelength multiplexing / demultiplexing function and a 3 dB branching function are used in the present invention.
3) It can be realized with a single optical waveguide circuit of the same scale as the optical multiplexer / demultiplexer. As a result, the scale of the optical waveguide is reduced by half, and the area of the optical waveguide can be reduced by half. By the way, in the design of the optical waveguide, in order to suppress the loss of the bent part,
When the functional blocks of the optical waveguide are large, they are usually arranged in the optical axis direction. Therefore, there has been a problem that the length of the optical waveguide substrate increases as the optical waveguide scale increases. The fact that the length of the waveguide substrate can be reduced by half with the reduction of the scale of the optical waveguide by the present invention is a great advantage in practical use.

【0033】2波長合分波機能に関して一方の波長の阻
止帯域幅または通過帯域幅を従来技術に比べて拡げるこ
とが可能となった。導波路型の光合分波器は一般的に正
弦波状の周期的透過特性を基本としているため、単体で
広い阻止帯域幅または通過帯域幅を得るのが困難であっ
た。そのため導波路型の光合分波器を多段に接続する
か、干渉膜フィルタを付加して阻止帯域幅を増大するの
が通例であった。しかし導波路型光合分波器の多段接続
は導波路基板の長さの増大を招き、干渉フィルタ付加は
阻止帯域幅のみを増大するものであって、対応する通過
帯域幅の増大には寄与しない。本発明は導波路基板長さ
を増大することなく阻止帯域幅と対応する通過帯域幅を
増大することが出来る利点を有する。
With respect to the two-wavelength multiplexing / demultiplexing function, it is possible to increase the stop bandwidth or pass bandwidth of one wavelength as compared with the prior art. Since a waveguide type optical multiplexer / demultiplexer generally has a basic sinusoidal periodic transmission characteristic, it has been difficult to obtain a wide stopband or passband by itself. For this reason, it has been customary to connect a waveguide type optical multiplexer / demultiplexer in multiple stages or add an interference film filter to increase the stop bandwidth. However, the multi-stage connection of the waveguide type optical multiplexer / demultiplexer causes an increase in the length of the waveguide substrate, and the addition of the interference filter increases only the stop bandwidth and does not contribute to the corresponding increase in the pass bandwidth. . The invention has the advantage that the passband corresponding to the stopband can be increased without increasing the waveguide substrate length.

【0034】従来技術で、たとえばマッハ・ツエンダ光
干渉系型(2×2)光合分波器と、たとえば方向性結合
型(2×2)3dB分岐器の従続接続により構成した場
合、3dB分岐の出力ポートが相互に隣接していたのに
対して、本発明では合分波出力ポートの両側に3dB分
岐の出力ポートが分離されて配置されるので、3dB分
岐に結合する発光素子、受光素子とこれに接続される送
信回路、受信回路などの実装が容易となった。伝送信号
の高速化に伴って発光素子、受光素子の直近に送信回
路、受信回路を配置する必要性が高まっているが、発光
素子と受光素子の配置が近接している従来技術の構成法
ではこの要請を満足することが困難になることが予想さ
れる。さらに発光素子、受光素子を同時に駆動する同時
双方向通信を想定すれば送信回路と受信回路の電気的結
合を抑圧するために、送信回路と受信回路を電磁シール
ドすることが不可欠であるが、発光素子と受光素子の配
置が近接している従来技術の構成法では電磁シールドが
極めて困難である。本発明の構成では3dB分岐の出力
ポートが合分波出力ポートの両側に分離しているので、
他の導波路と交差することなく3dB分岐出力ポートを
任意の位置に配置することが可能であり、高速化、同時
双方向通信に多大の利点を有する。
In the prior art, for example, when a Mach-Zenda optical interference type (2 × 2) optical multiplexer / demultiplexer and a directional coupling type (2 × 2) 3 dB splitter are successively connected, a 3 dB splitter is used. In the present invention, the output ports of the 3 dB branch are separated from each other on both sides of the multiplexing / demultiplexing output port, whereas the light emitting element and the light receiving element are coupled to the 3 dB branch. And a transmission circuit and a reception circuit connected thereto are easily mounted. The necessity of arranging a transmitting circuit and a receiving circuit in the immediate vicinity of the light-emitting element and the light-receiving element is increasing with the speeding up of the transmission signal. It is expected that satisfying this requirement will be difficult. Furthermore, assuming simultaneous bidirectional communication in which the light emitting element and the light receiving element are simultaneously driven, it is indispensable to electromagnetically shield the transmission circuit and the reception circuit in order to suppress the electrical coupling between the transmission circuit and the reception circuit. Electromagnetic shielding is extremely difficult with the prior art configuration in which the arrangement of the element and the light receiving element are close to each other. In the configuration of the present invention, since the output port of the 3 dB branch is separated on both sides of the multi / demultiplex output port,
The 3 dB branch output port can be arranged at any position without intersecting with other waveguides, which has great advantages in high speed and simultaneous bidirectional communication.

【0035】上記の導波路型光合分波器を実際に作製す
る場合、内部ストレス等の影響によって、光合分波特性
に偏波依存性を生じることがあり、このような偏波依存
性は実用上好ましくない。2つの方向性結合器間にある
中央導波路の一部をテーパ導波路とすることによって、
TE偏光とTM偏光が感じる実効的な屈折率の差を予め
逆に与えておき、全体として偏波依存性をキャンセルす
ることができる。
When the above-mentioned waveguide type optical multiplexer / demultiplexer is actually manufactured, polarization dependence may be caused in the optical multiplexer / demultiplexer by the influence of internal stress and the like. Not practically preferable. By making a part of the central waveguide between the two directional couplers a tapered waveguide,
By giving the difference between the effective refractive indices felt by the TE polarized light and the TM polarized light in advance, the polarization dependence can be canceled as a whole.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の動作原理を説明する概念図。FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating the operation principle of the present invention.

【図2】3結合導波路の中央の導波路に光を入力したと
きに励起される固有伝播モードを示す特性図。
FIG. 2 is a characteristic diagram showing an eigenpropagation mode excited when light is input to a central waveguide of the three coupling waveguides.

【図3】3結合導波路の第0次モードおよび第2次の固
有伝播モードの伝播定数の差(n0 −n2 )の波長依存
性、導波路構造依存性を示す特性図。
FIG. 3 is a characteristic diagram showing the wavelength dependence and the waveguide structure dependence of the difference (n 0 −n 2 ) between the propagation constants of the zero-order mode and the second-order eigenpropagation mode of the three-coupled waveguide.

【図4】本発明の第1の実施例を示す構成図。FIG. 4 is a configuration diagram showing a first embodiment of the present invention.

【図5】第1の実施例の特性例を示す特性図。FIG. 5 is a characteristic diagram showing a characteristic example of the first embodiment.

【図6】第2の実施例の特性例を示す特性図。FIG. 6 is a characteristic diagram showing a characteristic example of the second embodiment.

【図7】本発明の第3の実施例を示す構成図。FIG. 7 is a configuration diagram showing a third embodiment of the present invention.

【図8】本発明の第4の実施例を示す構成図。FIG. 8 is a configuration diagram showing a fourth embodiment of the present invention.

【図9】第4の実施例の変形例を示す構成図。FIG. 9 is a configuration diagram showing a modification of the fourth embodiment.

【図10】従来の導波路型光合分波器を示す構成図。FIG. 10 is a configuration diagram showing a conventional waveguide type optical multiplexer / demultiplexer.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,2,3 導波路 4,8,15 非結合部 5,7,12,14 間隔変換部 6,13 結合部 9,10,11 導波路区間 16,17,18 導波路 19,21,23 非結合部 20,22 結合部 25 導波路型光合分波器の主要部 26,27,28 導波路 29 展開部 30,31 ファイバ 32 発光素子結合光学系 33 発光素子 34 誘電体干渉膜フィルタ 35 受光素子 36 導波路基板 37 マッハツエンダ型光合分波器 38 方向性結合器型光合分波器 39,40,41,42 導波路端 50 導波路基板 60 テーパ導波路 1,2,3 waveguide 4,8,15 non-coupling part 5,7,12,14 spacing conversion part 6,13 coupling part 9,10,11 waveguide section 16,17,18 waveguide 19,21,23 Non-coupling part 20,22 Coupling part 25 Main part of waveguide type optical multiplexer / demultiplexer 26,27,28 Waveguide 29 Expansion part 30,31 Fiber 32 Light emitting element coupling optical system 33 Light emitting element 34 Dielectric interference film filter 35 Light receiving Element 36 Waveguide substrate 37 Mach-Zehnder type optical multiplexer / demultiplexer 38 Directional coupler type optical multiplexer / demultiplexer 39, 40, 41, 42 Waveguide end 50 Waveguide substrate 60 Tapered waveguide

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 照井 博 東京都千代田区内幸町一丁目1番6号 日本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 平4−353804(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02B 6/12 - 6/14 JICSTファイル(JOIS)──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (72) Inventor Hiroshi Terui 1-6, Uchisaiwaicho, Chiyoda-ku, Tokyo Nippon Telegraph and Telephone Corporation (56) References JP-A-4-353804 (JP, A) (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) G02B 6/12-6/14 JICST file (JOIS)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 3本の結合した導波路である3結合導波
路を1対用い、1対の3結合導波路間を3本の導波路で
接続し、1対の3結合導波路およびこれを接続する3本
の導波路は下記の条件を満足することを特徴とする導波
路型光合分波器。 (a) 3結合導波路は中央の導波路に対して両側の導
波路間隔、両側の導波路幅がほぼ等しい対称構造であ
り、(c)で与えられる等価結合長Lc を有する。 (b) 3結合導波路間を接続する3本の導波路は中央
の導波路に対して両側の導波路幅がほぼ等しく、両側の
導波路長はほぼ等しく、該導波路長は中央の導波路長に
対して(c)項で与えられる導波路長差Ld を有する。 (c) 第1波長をλ1 、第2波長をλ2 とした場合、
等価結合長Lc と導波路長差Ld は次式をほぼ満足す
る。 2(n01−n21)LC =(M−1/2)・λ1 n・Ld = N・λ1 n・Ld =(N−1/2)・λ2 ここでn01は第1波長における3結合導波路の最低次の
固有伝播モードの等価屈折率であり、n21は第1波長に
おける3結合導波路の最低次から数えて3番目の固有伝
播モードの等価屈折率であり、nは3結合導波路間を接
続する3本の導波路の等価屈折率であり、N、Mは整数
である。
1. A pair of three coupled waveguides which are three coupled waveguides, a pair of three coupled waveguides are connected by three waveguides, and a pair of three coupled waveguides and The waveguide type optical multiplexer / demultiplexer, characterized in that the three waveguides that connect the optical waveguides satisfy the following conditions. (A) The three-coupled waveguide has a symmetric structure in which the waveguide spacing on both sides and the waveguide width on both sides are substantially equal to the center waveguide, and has an equivalent coupling length Lc given by (c). (B) The three waveguides connecting the three coupling waveguides have substantially equal waveguide widths on both sides with respect to the central waveguide, and have substantially equal waveguide lengths on both sides, and the length of the central waveguide is equal to that of the central waveguide. having a waveguide length difference L d given for waveguide length in section (c). (C) When the first wavelength is λ 1 and the second wavelength is λ 2 ,
Equivalent coupling length Lc and the waveguide length difference L d is substantially satisfy the following equation. 2 (n 01 −n 21 ) L C = (M− ・) · λ 1 n · L d = N · λ 1 n · L d = (N − /) · λ 2 where n 01 is The equivalent refractive index of the lowest-order eigenpropagation mode of the three coupling waveguides at the first wavelength, and n 21 is the equivalent refractive index of the third eigenpropagation mode counted from the lowest order of the three coupling waveguides at the first wavelength. Here, n is an equivalent refractive index of three waveguides connecting the three coupling waveguides, and N and M are integers.
【請求項2】 次式をほぼ満足することを特徴とする請
求項1に記載した導波路型光合分波器。 2(n02−n22)LC =M・λ2 ここでn02は第2波長における3結合導波路の最低次の
固有伝播モードの等価屈折率であり、n22は第2波長に
おける3結合導波路の最低次から数えて3番目の固有伝
播モードの等価屈折率である。
2. The waveguide type optical multiplexer / demultiplexer according to claim 1, wherein the following expression is almost satisfied. 2 (n 02 −n 22 ) L C = M · λ 2 where n 02 is the equivalent refractive index of the lowest-order eigenpropagation mode of the three-coupled waveguide at the second wavelength, and n 22 is 3 at the second wavelength. This is the equivalent refractive index of the third eigenpropagation mode counted from the lowest order of the coupling waveguide.
【請求項3】 結合領域内あるいはマッハツエンダ型干
渉計内の中央導波路または外側導波路の一部の幅が入出
力導波路の幅と異なることを特徴とする請求項1または
請求項2に記載の導波路型光合分波器。
3. The width of a part of a central waveguide or an outer waveguide in a coupling region or in a Mach-Zehnder interferometer is different from a width of an input / output waveguide. Waveguide type optical multiplexer / demultiplexer.
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