JP3139571B2 - 光合分波器 - Google Patents

光合分波器

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、複数の信号光を合成・
分波できる光合分波器に関し、特に、波長分割多重光通
信に用いられるアレー導波路回折格子型光合分波器の通
過波長範囲の拡大手段に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、波長分割多重伝送システムにおい
て、多重度を増やし伝送量を飛躍的に増大させようとす
る試みがなされている。その実現には、波長間隔が1ナ
ノメートル程度、あるいはそれ以下の複数の信号光を光
合成及び光分波(以下、光合分波と称す)できる光合分
波器が必要である。しかし、従来の回折格子を用いた光
合分波器では、利用できる回折次数に制限があり十分な
分散が得られないことから、波長間隔を1ナノメートル
以下にすることができなかった。
【0003】前記の問題を解決する有力な方法として、
アレー導波路回折格子を用いる方法が知られている('A
rrayed-waveguide grating for wavelength division m
ulti/demultiplexer with nanometer resolution';Elec
tronics Letters, vol.26, pp.87-88,1990.および特願
平1−65588を参照のこと)。図3は、アレー導波
路回折格子を用いた光合分波器の概略構成を示す模式図
である。図3において、1はシリコン基板、2は入力導
波路、3は入力側スラブ導波路、4はチャンネル導波路
からなるアレー導波路回折格子、5は出力側スラブ導波
路、6は出力導波路である。
【0004】前記入力導波路2には、送信側の光ファイ
バが接続された波長多重光が導入される。前記入力側ス
ラブ導波路3において、回折効果により広がった光は、
アレー導波路回折格子4を構成する複数のチャンネル導
波路内に入り伝搬し出力側スラブ導波路5に達する。
【0005】前記出力側スラブ導波路5は、図4に示す
ように、出力導波路付近を曲率中心とする扇型であり、
アレー導波路回折格子4からの光は、その曲率中心付近
に集光される。ところが、アレー導波路回折格子4を構
成する個々のチャンネル導波路の長さが異なるため、チ
ャンネル導波路を伝搬後の個々の光の位相にずれが生じ
集束光の波面は傾いている。また、位相ずれ量は波長に
依存するので、集光する位置は波長により異なり、波長
別に異なった出力導波路から信号光が取り出される。
【0006】アレー導波路回折格子4の特徴は、その波
長分解能がアレー導波路回折格子4を構成するチャンネ
ル導波路の長さの差(以降ΔLと称する)に比例するこ
とである。すなわち、ΔLを大きく設計することによ
り、従来の回折格子では実現できなかった波長間隔の狭
い多重光の光合分波が可能となる。
【0007】図5は、波長多重間隔1nm、多重数13
の光合分波器の特性を波長1.55μm付近で測定した
結果である。各出力導波路の通過波長が1nmずつ異な
り、良好な光合分波特性が得られている。
【0008】また、前記光合分波器では、光合分波器に
必要な入出力系、集光系、回折格子などすべての機能が
光導波回路を用いて一括して基板上に作製できるので、
レンズや回折格子を組み立てるバルク型と比較して、量
産性、特性の安定性、低価格などの点においても有利で
ある。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来型のアレー導波路回折格子型光合分波器においては、
通過波長範囲が狭いという問題があった。これは、光源
の波長変動により光合分波器からの出力パワーが変動す
る広帯域の変調信号の波形が歪むといった問題の原因と
なる。
【0010】本発明は、前記従来技術の問題点を解決す
るために成されたものであり、本発明の目的は、通過波
長範囲を広げ、より実用的な波長分割多重光通信用の光
合分波器を提供することにある。
【0011】本発明の前記ならびにその他の目的及び新
規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明ら
かにする。
【0012】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の光合分波器は、1つあるいは複数の入力導
波路と、第1の凹面型スラブ導波路と、長さの異なる複
数のチャンネル導波路からなるアレー導波路回折格子
と、第2の凹面型スラブ導波路と、1つあるいは複数の
出力導波路とを有し、前記入力導波路と、前記第1の凹
面型スラブ導波路と、前記アレー導波路回折格子と、第
2の凹面型スラブ導波路と、出力導波路とが順次接続さ
れた形状で基板上に作製されるアレー導波路回折格子型
光合分波器において、前記入力導波路と前記第1の凹面
スラブ導波路との接続部に、テーパ形状を有する導波路
を挿入せず、前記出力導波路と前記第2の凹面スラブ導
波路との接続部にのみ、テーパ形状を有する導波路を設
、前記第1の凹面スラブ導波路との接続部における前
記入力導波路の幅よりも、前記第2の凹面スラブ導波路
との接続部における前記出力導波路の幅広く形成した
ことを最も主要な特徴とする。
【0013】ここで、テーパ導波路の幅は、スラブ導波
路から出力導波路に向かうに従い徐々に狭まり、幅減少
率(テーパ)はモード変換損失が問題とならない程度の
小さな値である。
【0014】
【作用】前述の手段によれば、テーパ導波路を介して出
力導波路と出力側スラブ導波路を接続すると、出力導波
路内の集束光が出力導波路へ結合する効率の集束光位置
に対する依存性が小さくなる。すなわち、トレランスカ
ーブがゆるやかになる。したがって、通過波長範囲を拡
大することができる。ここで、重要なことは入力側スラ
ブ導波路と入力導波路の間には、テーパ導波路が挿入さ
れていないことであり、入力導波路の基本モードのスポ
ットサイズとテーパを用いて広げられた出力導波路のス
ポットサイズの違いが本発明の作用を生み出しているの
である。
【0015】
【実施例】以下、図面を参照して、本発明の一実施例を
詳細に説明する。
【0016】本発明の一実施例のアレー導波路回折格子
を基本とした波長分割多重光通信用の光合分波器の光導
波回路の概略構成は、図3に示すアレー導波路回折格子
用いた光合分波器の光導波回路において、13本の入力
導波路2、入力側スラブ導波路3、81本のチャンネル
導波路からなるアレー導波路回折格子4、出力側スラブ
導波路5、13本の出力導波路6が順次接続された構成
になっている。
【0017】前記光導波回路の設計にあたっては、光通
信で用いられる波長1.55μm帯において、波長多重
間隔1nmを得られるようにした。
【0018】図1は、本実施例の出力側スラブ導波路5
付近の詳細図である。図1において、クロストークを防
ぐため出力側スラブ導波路端における出力導波路6の間
隔は25μmとし、線分散は25μm/nmである。ま
た、アレー導波路を構成するチャンネル導波路間の光路
長差ΔLは122μmである。アレー導波路回折格子4
のピッチ(アレー導波路を構成するチャンネル導波路の
スラブ導波路端における間隔)dは25μm、スラブ導
波路の曲率半径(焦点距離)fは7766μmである。
アレー導波路回折格子4と出力側スラブ導波路5の接続
部には、傾斜1/250のテーパ導波路7が設けられて
いる。このテーパ導波路7の開口幅はピッチと一致して
いて、出力側スラブ導波路5で回折により水平方向に広
がった光を漏れなく受光し、損失を低減している。
【0019】前記出力導波路6と出力側スラブ導波路5
との接続部にもテーパ導波路8が設けられているが、こ
の目的は本発明の特徴である通過波長範囲を拡大するこ
とである。テーパ導波路8の開口幅は25μmであり、
1/250のテーパで徐々に細くなり最終的に出力導波
路幅7μmとなる。なお、入力側においては、入力導波
路と入力側スラブ導波路の接続にはテーパ導波路が設け
られていないが、その他の寸法や形状などは出力側と同
様である。
【0020】本実施例の光合分波器を光分波器として使
用する際には、波長多重された光が送られてくる送信側
光ファイバが入力導波路の1つに接続され、出力導波路
には複数の受信側ファイバが接続され、波長別に分波さ
れる。光合波器として使用するときには複数の送信側フ
ァイバが入力導波路に接続され、合波された光は出力導
波路の1つに接続された受信側ファイバから得られる。
この場合、入出力が入れ替わっただけであり、損失の波
長依存性は光分波器として用いる場合と同様である。
【0021】次に、本実施例の光合分波器の特性評価に
おいては、送信側ファイバを中央の入力導波路に接続
し、損失を測定した。
【0022】図2は、本実施例と従来例の通過波長近傍
の損失特性の測定結果を示す図であり、白丸は本実施例
の出力導波路と出力側スラブ導波路の間にテーパ導波路
を有する場合のもの、また、黒丸は比較のため測定した
従来型の場合である。横軸は相対波長、縦軸は過剰損失
で、従来型の通過波長の損失を基準値0dBとした。本
実施例の場合、通過波長範囲は0.6nmであり、従来
型の0.3nmの2倍の値が得られた。
【0023】なお、通過中心波長の損失が、従来型より
も2dB増加しているが、これは出力側スラブ導波路に
おける集束光のスポットサイズと、開口幅25μmのテ
ーパ導波路における基本モードのスポットサイズが一致
していないためである。
【0024】この損失増加が問題となる場合には、送信
側あるいは受信側にファイバアンプなどの増幅装置を接
続し、損失を補償すれば良い。
【0025】なお、図2は、1つの出力導波路の損失特
性の測定結果であるが、その他の12の出力導波路にお
いても測定を行った結果、同様の通過波長範囲の拡大効
果が得られた。
【0026】本実施例の光合分波器の作製にあたって
は、シリコン基板上に火炎堆積法を用いて、まず石英ガ
ラスのアンダークラッド膜を堆積し、次に、ゲルマニウ
ムが添加された屈折率の高い石英ガラスのコア膜を堆積
した。次に、フォトリソグラフィとドライエッチングを
用いてコア膜の不要部分を削り、図3に示した導波路形
状を作製した。最後に再び火炎堆積法を用いて石英ガラ
スのオーバークラッド膜を堆積した。導波路コア膜の屈
折率はクラッド膜と比較して0.75%高い。コアの断
面形状は7μm×7μmである。
【0027】また、本実施例においては、テーパ導波路
の開口幅は出力導波路の間隔と一致する25μmであっ
たが、本発明は、この寸法に限定される必要はない。出
力導波路の間隔より開口幅を小さくした場合には、本実
施例よりは通過波長範囲拡大の効果は少なくはなるが、
従来型よりは広い通過波長範囲が得られることは容易に
予測することができる。
【0028】さらに、前記本実施例においては、導波路
材料としてシリコン基板上に作製したGeドープの石英
系ガラスを用いているが、本発明はこれに限定されるも
のではなく、イオン交換法あるいはプロトン交換法で
作製したガラス導波路、ニオブ酸リチウム等の誘電体
結晶導波路、GaAs,InP等の半導体導波路、
PMMA等の有機材料系の導波路の場合にも適用でき
る。
【0029】以上の説明からわかるように、本実施例に
よれば、テーパ導波路7を介してアレー導波路回折格子
4と出力側スラブ導波路5を接続し、出力側スラブ導波
路5と出力導波路6を接続すると、出力側スラブ導波路
5内の集束光が出力導波路6へ結合する効率の集束光位
置に対する依存性が小さくなり、通過波長範囲を広げる
ことができるので、送信側の光源の波長が変動した際の
光合分波器からの出力変動を低減することができる。
【0030】また、通過波長範囲が広がるので広帯域の
変調信号の波形劣下を防止することもできる。
【0031】これらにより、本発明の光合分波器は、波
長分割多重(あるいは周波数分割多重)の光通信システ
ムを構築する上で、非常に大きな利点を有している。
【0032】以上、本発明を実施例に基づき具体的に説
明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものでは
なく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更し得
ることはいうまでもない。
【0033】
【発明の効果】以上、説明したように、本発明によれ
ば、アレー導波路回折格子型光合分波器の出力導波路を
テーパ形状を用いて広げることにより、出力導波路内の
集束光が出力導波路へ結合する効率の集束光位置に対す
る依存性が小さくなり、通過波長範囲を広げることがで
きるので、送信側の光源の波長が変動した際の光合分波
器からの出力変動を低減することができる。
【0034】また、通過波長範囲が広がるので広帯域の
変調信号の波形劣下を防止することもできる。
【0035】これらにより、本発明の光合分波器は、波
長分割多重(あるいは周波数分割多重)の光通信システ
ムを構築する上で、非常に大きな利点を有している。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のアレー導波路回折格子型光合分波器
の出力側スラブ導波路付近の詳細図。
【図2】 本発明の一実施例及び従来例のアレー導波路
回折格子を用いた光合分波器の通過波長付近の損失と相
対波長の関係の測定結果を示す図。
【図3】 本発明の一実施例及び従来型のアレー導波路
回折格子を用いた光合分波器の導波回路の概略構成を示
す模式図。
【図4】 従来型のアレー導波路回折格子型光合分波器
の入力及び出力側スラブ導波路付近の詳細図。
【図5】 従来型のアレー導波路回折格子の損失の波長
依存性測定結果を示す図。
【符号の説明】
1…シリコン基板、2…入力導波路、3…入力側スラブ
導波路、4…アレー導波路回折格子、5…出力側スラブ
導波路、6…出力導波路、7…テーパ導波路、8…テー
パ導波路。
フロントページの続き (72)発明者 肥田 安弘 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 (72)発明者 神宮寺 要 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 (72)発明者 鈴木 扇太 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 (72)発明者 井上 靖之 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4−326308(JP,A) 特開 平4−30108(JP,A) 特開 平2−244105(JP,A) 特開 昭59−174803(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02B 6/12 - 6/14 G02B 6/28 - 6/293

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 1つあるいは複数の入力導波路と、 第1の凹面型スラブ導波路と、 長さの異なる複数のチャンネル導波路からなるアレー導
    波路回折格子と、 第2の凹面型スラブ導波路と、 1つあるいは複数の出力導波路とを有し、 前記入力導波路と、前記第1の凹面型スラブ導波路と、
    前記アレー導波路回折格子と、第2の凹面型スラブ導波
    路と、出力導波路とが順次接続された形状で基板上に作
    製されるアレー導波路回折格子型光合分波器において、前記入力導波路と前記第1の凹面スラブ導波路との接続
    部に、テーパ形状を有する導波路を挿入せず、 前記出力
    導波路と前記第2の凹面スラブ導波路との接続部に
    、テーパ形状を有する導波路設け、 前記第1の凹面スラブ導波路との接続部における前記入
    力導波路の幅よりも、前記第2の凹面スラブ導波路との
    接続部における前記出力導波路の幅広く形成したこと
    を特徴とする光合分波器。
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