JP3346751B2 - アレイ導波路格子 - Google Patents

アレイ導波路格子

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光波長多重通信等
の分野で波長合分波器等に用いられるアレイ導波路格子
に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、１本の光ファイバ中に多数の異な
る波長の光信号を多重化して伝送する波長多重通信が実
用化されつつある。この種の通信システムでは、光をそ
の波長によって合分波する光合分波器が重要な要素の一
つとなっている。
【０００３】この光合分波器としては、従来からバルク
の回折格子や誘電体多層膜等が知られているが、選択波
長の設定が難しいこと、製造工程が複雑なため高価であ
ること、損失が大きい等の欠点があり、多数の波長を合
分波する波長多重通信への適用は困難であった。
【０００４】そこで近年、例えば１９９６年電子情報学
会エレクトロニクスソサイエティ大会講演論文集１、Ｃ
−３ｐ１６２に掲載されているアレイ導波路格子が注目
されている。図７は、上記文献に開示されているアレイ
導波路格子の一例を示す平面図である。
【０００５】このアレイ導波路格子は、１本以上の入力
導波路７１、該入力導波路より入射される入力側スラブ
導波路７２、該入力側スラブ導波路の反対端に取り付け
られた多数の導波路よりなるアレイ導波路７３、該アレ
イ導波路の他端に取り付けられた出力側スラブ導波路７
４、該スラブ導波路の他端に取り付けられた１本以上の
出力導波路７５よりなる。
【０００６】入力導波路７１より入射した光信号は入力
側スラブ導波路７２に入射し、多数の導波路よりなるア
レイ導波路７３に等位相で入射する。アレイ導波路７３
の入力端、入力導波路７１の出力端はそれぞれ円周上に
配置されており、アレイ導波路７３の入力端が配置され
る円周の半径は入力導波路７１の出力端が配置される円
周の半径の２倍であり、アレイ導波路７３の入力端が配
置される円周の中心は入力導波路７１の出力端が配置さ
れる円周上に配置されている。
【０００７】アレイ導波路７３では、それぞれの導波路
は等間隔の位相差を付与するように調整されており、該
アレイ導波路７３の他端には出力側スラブ導波路７４が
配置されている。アレイ導波路７３、出力側スラブ導波
路７４、出力導波路７５の配置は入力側と同様にアレイ
導波路７３の出力端、出力導波路７５の入力端はそれぞ
れ円周上に配置されており、アレイ導波路７３の出力端
が配置される円周の半径は出力導波路７５の入力端が配
置される円周の半径の２倍であり、アレイ導波路７３の
出力端が配置される円周の中心は出力導波路７５の入力
端が配置される円周上に配置されている。
【０００８】この構成により、入力導波路７１に入射し
た波長多重信号光は、その波長に応じて異なる出力導波
路７５から出射され、波長合分波機能が実現されてい
る。
【０００９】また、光波長多重（ＷＤＭ）通信において
は、通常、様々な個所で各波長毎に信号光のオン／オ
フ、光強度、波長等をモニターする必要がある。このモ
ニター機能を実現するためには、アレイ導波路格子等で
信号光を各波長毎に分波した後で、さらに各波長毎の信
号光をファイバカップラ等で主信号光とモニター光に分
離し、モニター光を光検出器等でモニターする方法がと
られる。
【００１０】しかしながら、このモニター方法では、波
長チャンネル数と同数のファイバカップラが必要にな
り、これらのファイバカップラのコストとスペースのた
めにシステムが高価で大型なものになり、また、波長合
分波器で分波した後で更にファイバカップラ等で主信号
から光パワーを分岐させるため、主信号光パワーの損失
が大きくなるという問題がある。
【００１１】この問題を解決する手段として、特開平１
０−３０３８１５号公報では、波長多重通信に必須の波
長合分波機能に、各波長の信号光のモニタ機能を付加す
ることでファイバカップラ等を不用にし、波長多重通信
システムを低コスト化、小型化、低損失化することが可
能となるモニター機能付き光波長合分波器が提案されて
いる。
【００１２】図８は、上記公報に開示されたモニター機
能付き光波長合分波器を示す平面図であり、入力導波路
８１、該入力導波路より信号光が入射される入力側スラ
ブ導波路８２、該入力側スラブ導波路の反対端に取り付
けられた多数の導波路よりなるアレイ導波路８３、該ア
レイ導波路の他端に取り付けられた出力側スラブ導波路
８４、該出力側スラブ導波路の他端に取り付けられたＮ
本の出力導波路８５及び、前記出力側スラブ導波路８４
を伝搬して前記出力導波路８５に集光される信号光の主
干渉次数（回折次数）の次の次数の干渉によって波長分
割された信号光が集光する位置に前記信号光をモニター
するためのＮ本の導波路８６が設置されている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】互いに回折次数がｉだ
け異なる回折光の間の回折角の差Δθは、Δθが小さい
場合には、 Δθ＝ｉλ／（ｎｄ） （式１） とあらわすことができる。ただし、ｎは出力側スラブ導
波路での実効屈折率、λは光の波長、ｄはアレイ導波路
と出力側スラブ導波路との接合部分でのアレイ導波路の
ピッチである。
【００１４】従って、図８において、アレイ導波路８３
と出力側スラブ導波路８４との接合部分でのアレイ導波
路８３の中心点をａ、ある波長の信号光が出力側スラブ
導波路８４中で集光される位置の出力導波路８５の端を
ｂ、前記信号光のモニター導波路８６の出力側スラブ導
波路側の端をｃとすると、直線ａ−ｂと直線ａ−ｃの間
の角度が式１で示されるΔθになるようにモニター導波
路８６が配置されている。
【００１５】また、別の波長の信号光は別の出力導波路
８５に集光されるので、各波長に対応するモニター導波
路８６は、各出力導波路８５からａを中心に式１のΔθ
だけ回転した位置にそれぞれのモニター導波路８６を設
置すればよい。通常、主信号光の回折効率が最大になる
ように回折次数ｍを設定するので、モニター用回折光の
回折次数はｍ＋１またはｍ−１に設定すると最も効率よ
く信号光をモニターすることができる。
【００１６】このときの主信号光用出力導波路１５とモ
ニター導波路１６の成す角度Δθは、 Δθ＝λ／（ｎｄ） （式２） となる。
【００１７】また、主信号光用出力導波路８５とモニタ
ー導波路８６それぞれに集光される回折光の回折効率Ｐ
０、Ｐ１は、 Ｐ０＝１／Ｓ （式３） Ｐ１＝ｅｘｐ（−２（πｗ／ｄ）２）／Ｓ （式４） Ｓ＝１＋２Σ［ｅｘｐ（−２（ｉπｗ／ｄ）２）］ （式５） となる。ここで、ｗはアレイ導波路８３と出力側スラブ
導波路８４との接合部分でのアレイ導波路８３のスポッ
トサイズ（基板に平行方向の光のパワー分布の１／ｅ２
半幅）、Σはｉ＝１から∞までの総和を表す。
【００１８】図９に式３〜５を用いて計算したｗ／ｄを
変化させた時の主信号の回折効率Ｐ０、モニター光の回
折効率Ｐ１およびＰ０／Ｐ１の変化を示す。図９から明
らかなように、アレイ導波路８３と出力側スラブ導波路
８４との接合部分でのアレイ導波路８３のピッチｄまた
はスポットサイズｗを調整することにより、主信号光と
モニター光への光の分配比を任意に設定することができ
る。
【００１９】しかしながら、出力側スラブ導波路８４と
の接合部分でのアレイ導波路８３のピッチｄとアレイ導
波路８３の導波路幅はある程度固定されているので、実
際に主信号光とモニター光への光の分配比を変更する場
合には、ピッチｄを再設定しなければならないという問
題がある。
【００２０】本発明は、上記問題点に鑑み、主信号光と
モニター光への光の分配比を容易に変更可能な構成を有
するアレイ導波路格子を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】本発明による第一のアレ
イ導波路格子は、基板上に、１本以上の入力導波路と、
１本以上の出力導波路と、所定の導波路長差で順次長く
なる２本以上の導波路からなるアレイ導波路と、前記入
力導波路と前記アレイ導波路とを接続する入力側スラブ
導波路と、前記アレイ導波路と前記出力導波路とを接続
する出力側スラブ導波路とで構成され、前記出力側スラ
ブ導波路を伝搬して前記出力導波路に集光される信号光
の回折次数がｍ（ｍは自然数）であるとき、前記信号光
と同一波長の光に対して回折次数がｍ±ｉ（ｉは自然
数）の回折光が集光する位置に前記信号光をモニターす
るための１本以上の導波路が設置されたアレイ導波路格
子において、前記アレイ導波路と前記出力側スラブ導波
路との接合部分近傍における前記アレイ導波路は、前記
信号光と前記信号光をモニターするモニター光への光の
分配比を調整するためにその導波路幅が光の進行方向に
沿ってテーパ状に変化していることを特徴とする。
【００２２】本発明による第二のアレイ導波路格子は、
基板上に、１本以上の入力導波路と、１本以上の出力導
波路と、所定の導波路長差で順次長くなる２本以上の導
波路からなるアレイ導波路と、前記入力導波路と前記ア
レイ導波路とを接続する入力側スラブ導波路と、前記ア
レイ導波路と前記出力導波路とを接続する出力側スラブ
導波路とで構成され、前記出力側スラブ導波路を伝搬し
て前記出力導波路に集光される信号光の回折次数がｍ
（ｍは自然数）であるとき、前記信号光と同一波長の光
に対して回折次数がｍ±ｉ（ｉは自然数）の回折光が集
光する位置に前記信号光をモニターするための１個以上
の光検出器が設置されたアレイ導波路格子において、前
記アレイ導波路と前記出力側スラブ導波路との接合部分
近傍における前記アレイ導波路は、前記信号光と前記信
号光をモニターするモニター光への光の分配比を調整す
るためにその導波路幅が光の進行方向に沿ってテーパ状
に変化していることを特徴とする。
【００２３】本発明によれば、主信号光とモニター光へ
の光の分配比の変更を、アレイ導波路のピッチｄあるい
はアレイ導波路全体の導波路幅を変更することなく、前
記アレイ導波路の導波路幅を光の進行方向に沿って変化
するテーパ構造としてスポットサイズｗを調整すること
により行うことができるので、主信号光とモニター光へ
の光の分配比の変更が容易となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の第一の実施の形
態によるアレイ導波路格子の平面図であり、基本的な構
成は図８と同様である。また、図２は、図１中の円１７
部分の拡大図、図３及び図４は本発明の構成例を示す拡
大図である。
【００２５】図１において、１本以上の入力導波路１
１、該入力導波路より入射される入力側スラブ導波路１
２、該入力側スラブ導波路の反対端に取り付けられた多
数の導波路よりなるアレイ導波路１３、該アレイ導波路
の他端に取り付けられた出力側スラブ導波路１４、該ス
ラブ導波路の他端に取り付けられた１本以上の出力導波
路１５よりなる。
【００２６】入力導波路１１より入射した光信号は入力
側スラブ導波路１２に入射し、多数の導波路よりなるア
レイ導波路１３に等位相で入射する。アレイ導波路１３
の入力端、入力導波路１１の出力端はそれぞれ円周上に
配置されており、アレイ導波路１３の入力端が配置され
る円周の半径は入力導波路１１の出力端が配置される円
周の半径の２倍であり、アレイ導波路１３の入力端が配
置される円周の中心は入力導波路１１の出力端が配置さ
れる円周上に配置されている。
【００２７】アレイ導波路１３でそれぞれの導波路は等
間隔の位相差を付与するように調整されており、該アレ
イ導波路１３の他端には出力側スラブ導波路１４が配置
されている。アレイ導波路１３、出力側スラブ導波路１
４、出力導波路１５の配置は入力側と同様にアレイ導波
路１３の出力端、出力導波路１５の入力端はそれぞれ円
周上に配置されており、アレイ導波路１３の出力端が配
置される円周の半径は出力導波路１５の入力端が配置さ
れる円周の半径の２倍であり、アレイ導波路１３の出力
端が配置される円周の中心は出力導波路１５の入力端が
配置される円周上に配置されている。
【００２８】この構成により、入力導波路１１に入射し
た波長多重信号光は、その波長に応じて異なる出力導波
路１５から出射され、波長合分波機能が実現されてい
る。以上の構成と動作は図７，図８に示す従来例と同様
である。
【００２９】また、本発明による第一の実施の形態によ
るアレイ導波路格子は、図８に示す従来例と同様に、前
記出力側スラブ導波路１４を伝搬して前記出力導波路１
５に集光される信号光１８の回折次数をｍ（ｍは自然
数）とすると、前記信号光１８と同一波長の光に対して
回折次数がｍ±ｉ（ｉは自然数）の回折光１９が集光す
る位置に前記信号光１８をモニターするための１本以上
の導波路１６が設置されている。
【００３０】従って、互いに回折次数がｉだけ異なる回
折光の間の回折角の差Δθは、Δθが小さい場合には、
式１であらわすことができる。ただし、ｎは出力側スラ
ブ導波路１４での実効屈折率、λは光の波長、ｄはアレ
イ導波路１３と出力側スラブ導波路１４との接合部分で
のアレイ導波路１３のピッチである。
【００３１】また、図２に示すように、アレイ導波路１
３と出力側スラブ導波路１４との接合部分でのアレイ導
波路１３の中心点をａ、ある波長の信号光１８が出力側
スラブ導波路１４中で集光される位置の出力導波路１５
の端をｂ、前記信号光１８のモニター導波路１６の出力
側スラブ導波路側の端をｃとすると、直線ａ−ｂと直線
ａ−ｃの間の角度が式１で示されるΔθになるようにモ
ニター導波路１６が配置される。
【００３２】同様に、別の波長の信号光は別の出力導波
路１５に集光されるので、各波長に対応するモニター導
波路１６は、各出力導波路１５からａを中心に式１のΔ
θだけ回転した位置にそれぞれのモニター導波路１６を
設置すればよい。
【００３３】通常、主信号光１８の回折効率が最大にな
るように回折次数ｍを設定するので、モニター用回折光
の回折次数はｍ＋１またはｍ−１に設定すると最も効率
よく信号光をモニターすることができる。このときの主
信号光用出力導波路１５とモニター導波路１６の成す角
度Δθは、上記式２で表される。
【００３４】また、主信号光用出力導波路１５とモニタ
ー導波路１６それぞれに集光される回折光の回折効率Ｐ
０、Ｐ１は、上記のように式３〜５によって表される。
ただし、式３〜５において、ｗはアレイ導波路１３と出
力側スラブ導波路１４との接合部分でのアレイ導波路１
３のスポットサイズ（基板に平行方向の光のパワー分布
の１／ｅ２半幅）、Σはｉ＝１から∞までの総和を表
す。
【００３５】この式３〜５を用いて計算したｗ／ｄを変
化させた時の主信号の回折効率Ｐ０、モニター光の回折
効率Ｐ１およびＰ０／Ｐ１の変化は、前記図９によって
示され、アレイ導波路１３と出力側スラブ導波路１４と
の接合部分でのアレイ導波路１３のピッチｄまたはスポ
ットサイズｗを調整することで、主信号光とモニター光
への光の分配比を任意に設定できるが、一般に、アレイ
導波路１３と出力側スラブ導波路１４との接合部分での
アレイ導波路１３のピッチｄあるいはアレイ導波路のサ
イズはある程度固定されているので、それらを直接変更
して分配比を調整することはそれ程容易なことではな
い。
【００３６】そこで、本発明は、主信号光とモニター光
への光の分配比を調整するために、スポットサイズｗを
調整する手段を採用するとともに、前記スポットサイズ
を調整する手段としては、アレイ導波路１３と出力側ス
ラブ導波路１４との接合部分近傍のアレイ導波路１３に
光の伝搬方向に沿って導波路幅が徐々に変化するテーパ
構造を設けることで実現したことを特徴とする。
【００３７】図３及び図４は、本発明において、主信号
光とモニター光への光の分配比を調整するために、アレ
イ導波路１３と出力側スラブ導波路１４との接合部分近
傍のアレイ導波路１３に光の伝搬方向に沿って導波路幅
が徐々に変化するテーパ構造を採用したアレイ導波路格
子を示している。
【００３８】図３においては、アレイ導波路１３は、出
力側スラブ導波路１４との接合部に近づくに従って前記
アレイ導波路の導波路幅が徐々に広くなるテーパ構造と
なっており、接合部における光のモードフィールド分布
５０によって示されるように、そのスポットサイズｗは
大きくなる。
【００３９】一方、図４においては、アレイ導波路１３
は、出力側スラブ導波路１４との接合部に近づくに従っ
て前記アレイ導波路の導波路幅が徐々に狭くなるテーパ
構造となっており、接合部における光のモードフィール
ド分布５１によって示されるように、そのスポットサイ
ズｗは小さくなる。
【００４０】これらの構成によって、主信号光から任意
の分岐比でモニター光を引き出すことが可能となり、か
つ、従来損失となっていた主信号の回折次数以外の回折
光をモニター光として利用できるため波長多重通信用装
置の低損失化が実現できる。
【００４１】図５は、本発明の第二の実施の形態による
アレイ導波路格子の平面図であり、図６は、図５中の円
２１部分の拡大図である。本実施の形態では第一の実施
の形態のモニター用光導波路１６の代わりに光検出器ア
レイ２２が配置されており、各波長のモニター光を直接
光検出器アレイ２２で受光する構成になっている。
【００４２】それ以外の動作は第一の実施の形態と同様
である。本実施の形態では、第一の実施の形態と比較し
て、光検出器をアレイ導波路格子の空きスペースに配置
できるのでモニター系を含めたデバイスサイズを小型化
できるという利点がある。
【００４３】なお、本発明は上記各実施例に限定される
ものではなく、本発明の技術思想の範囲内において、適
宜変更され得ることは明らかである。
【００４４】
【発明の効果】本発明は、主信号光とモニター光への光
の分配比の変更を、出力側スラブ導波路との接合部分近
傍でアレイ導波路の導波路幅を光の進行方向に沿って変
化するテーパ構造としてスポットサイズｗを調整するこ
とにより行うので、アレイ導波路のピッチｄあるいはア
レイ導波路全体の導波路幅を変更する必要がなく、主信
号光とモニター光への光の分配比の変更が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態を示す平面図であ
る。
【図２】第一の実施の形態の一部拡大図である。
【図３】本発明の構成例を示す拡大図である。
【図４】本発明の他の構成例を示す拡大図である。
【図５】本発明の第二の実施の形態を示す平面図であ
る。
【図６】第二の実施の形態の一部拡大図である。
【図７】従来例を示す平面図である。
【図８】従来例を示す平面図である。
【図９】主信号とモニター光の分配比を示す図である。
【符号の説明】
１１ 入力導波路 １２ 入力側スラブ導波路 １３ アレイ導波路 １４ 出力側スラブ導波路 １５ 出力導波路 １６ モニター導波路 １７ 出力側スラブ導波路近傍の拡大領域 １８ 主信号光 １９ モニター光 ２０ アレイ導波路と出力側スラブ導波路との接合部拡
大領域 ２１ 出力側スラブ導波路近傍の拡大領域 ２２ 光検出器アレイ ５０，５１ モードフィールド分布 ７１，８１ 入力導波路 ７２，８２ 入力側スラブ導波路 ７３，８３ アレイ導波路 ７４，８４ 出力側スラブ導波路 ７５，８５ 出力導波路 ８６ モニター導波路
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平10−303815（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−289348（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−333447（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−313029（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−133253（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−116607（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−326308（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−244105（ＪＰ，Ａ) 特開2001−51139（ＪＰ，Ａ) 特開2001−91765（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 6/12 - 6/14 G02B 6/28 - 6/293 G02F 1/00 - 1/035 G02F 1/29 - 1/313 H04J 14/00 - 14/02 H04B 10/00 - 10/02

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板上に、１本以上の入力導波路と、１
    本以上の出力導波路と、所定の導波路長差で順次長くな
    る２本以上の導波路からなるアレイ導波路と、前記入力
    導波路と前記アレイ導波路とを接続する入力側スラブ導
    波路と、前記アレイ導波路と前記出力導波路とを接続す
    る出力側スラブ導波路とで構成され、前記出力側スラブ
    導波路を伝搬して前記出力導波路に集光される信号光の
    回折次数がｍ（ｍは自然数）であるとき、前記信号光と
    同一波長の光に対して回折次数がｍ±ｉ（ｉは自然数）
    の回折光が集光する位置に前記信号光をモニターするた
    めの１本以上の導波路が設置されたアレイ導波路格子に
    おいて、 前記アレイ導波路と前記出力側スラブ導波路との接合部
    分近傍における前記アレイ導波路は、その導波路幅が光
    の進行方向に沿って変化するテーパ構造を有しており、
    該テーパ構造により前記信号光と前記信号光をモニター
    するモニター光への光の分配比が所望値に設定されてい
    ることを特徴とするアレイ導波路格子。
  2. 【請求項２】 基板上に、１本以上の入力導波路と、１
    本以上の出力導波路と、所定の導波路長差で順次長くな
    る２本以上の導波路からなるアレイ導波路と、前記入力
    導波路と前記アレイ導波路とを接続する入力側スラブ導
    波路と、前記アレイ導波路と前記出力導波路とを接続す
    る出力側スラブ導波路とで構成され、前記出力側スラブ
    導波路を伝搬して前記出力導波路に集光される信号光の
    回折次数がｍ（ｍは自然数）であるとき、前記信号光と
    同一波長の光に対して回折次数がｍ±ｉ（ｉは自然数）
    の回折光が集光する位置に前記信号光をモニターするた
    めの１個以上の光検出器が設置されたアレイ導波路格子
    において、 前記アレイ導波路と前記出力側スラブ導波路との接合部
    分近傍における前記アレイ導波路は、その導波路幅が光
    の進行方向に沿って変化するテーパ構造を有しており、
    該テーパ構造により前記信号光と前記信号光をモニター
    するモニター光への光の分配比が所望値に設定されてい
    ることを特徴とするアレイ導波路格子。
  3. 【請求項３】 前記アレイ導波路は、前記出力側スラブ
    導波路との接合部に近づくに従って前記アレイ導波路の
    導波路幅が狭くなるテーパ構造を有していることを特徴
    とする請求項１または２記載のアレイ導波路格子。
  4. 【請求項４】 前記アレイ導波路は、前記出力側スラブ
    導波路との接合部に近づくに従って前記アレイ導波路の
    導波路幅が広くなるテーパ構造を有していることを特徴
    とする請求項１または２記載のアレイ導波路格子。
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