JP3476652B2

JP3476652B2 - 光分波器

Info

Publication number: JP3476652B2
Application number: JP12836197A
Authority: JP
Inventors: 尚中山; 真司三ツ谷
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 1997-05-19
Filing date: 1997-05-19
Publication date: 2003-12-10
Anticipated expiration: 2017-05-19
Also published as: JPH10319256A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光通信に用いられる平易
な構造で量産性に富む光分波器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から大容量の情報を伝達するための
光通信として、波長分割多重通信が行われており、かか
る技術において、光信号をその波長毎に分波して取り出
す、光分波器が用いられている。

【０００３】従来の光分波器を図５、図６を用いて説明
する。先ず、図５はアレイ導波路格子と呼ばれる光分波
器の構成を示す平面図であり、フォトリソグラフィ、ド
ライエッチング、ＣＶＤないしはスパッタ等の一連のプ
レ−ナ技術により、基板１上に複数本の入力導波路２、
第１の扇形スラブ導波路３、導波路長差ΔＬで順次長く
なる複数本の中間導波路４、第２の扇形スラブ導波路
５、複数本の出力導波路６をそれぞれ順次接続して形成
したものである。

【０００４】このような構成において、複数の波長（λ
₁、λ₂、・・・λ_n)の光が前記各入力導波路２を伝搬し、
各入力導波路２から第１の扇形スラブ導波路３へ入射し
た光は、該第１の扇形スラブ導波路３において回折によ
り広がり、その回折面と垂直に配置された前記中間導波
路４に導かれる。中間導波路４は導波路長差ΔＬで順次
長くなっているので、各導波路４を伝搬して第２の扇形
スラブ導波路５に到達した光には、導波路長差ΔＬに対
応する位相差が生じている。この位相差は光波長により
異なるので、第２の扇形スラブ導波路５のレンズ効果で
出力導波路６の入力端に集光する際に、光波長毎に異な
る位置に集光し、従って、各出力導波路６から光波長毎
に光信号を取り出すことができる。

【０００５】また、図６は湾曲した反射型のブレ−ズタ
イプグレ−ティングを利用したものである。基板７上の
一端部に１本の入力導波路８と複数本の出力導波路９と
を並設し、また、基板７の他端部には、前記導波路８、
９との対向面側に所定角度に傾斜した微小反射面１０ａ
を多数備え、且つ全体として湾曲形状の反射型グレ−テ
ィング１０が形成されている。かかる構成においては、
入力導波路８から出射した光は回折により広がり反射型
グレ−ティング１０の前記微小反射面１０ａにて反射す
る。このときブレ−ズグレ−ティングの効果で入射した
光の各波長に応じた反射角度で反射され、且つ反射型グ
レ−ティング１０は湾曲しており、結果として各波長に
応じた焦点位置に集光する。この集光位置に前記出力導
波路９を設けておくことにより１本の入力導波路８中を
伝搬する複数の波長の光をそれぞれ波長毎に個別の導波
路に分波することができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来のアレイ導波路格子は、理論的に高精度な波長分解能
が可能であるが、製造上、サブミクロンオ−ダでの制御
を数十ｍｍにわたり必要とする．特に、第１の扇型スラ
ブ導波路３とアレイ状の入力及び中間導波路２及び４と
の接合部分は各導波路２、４の端部の形状をテ−パ状に
し、かつ、扇型形状に急激に変化する構造のため正確な
作製が難しい。

【０００７】また、湾曲した前記反射型ブレ−ズタイプ
グレ−ティング１０についても、湾曲させ且つ所定角度
の微小反射面１０ａを高精度に作製するのは非常に難し
く、そのため、光波長分解能の低下や光損失が大きくな
るという問題点がある。本発明はこのような事情に鑑
み、製作が容易で高分解能・低損失な波長分波を行う光
分波器を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発
明に係る光分波器は、基板上に、複数の光波長を同時に
伝搬する入力導波路と、該入力導波路に接合した所定の
曲率半径を有する円弧形状の多重反射層と、該多重反射
層から集光するように出射した光を各波長毎に導入する
複数本の出力導波路とを設け、前記多重反射層は光透過
部を介してその両側に対向して設けた円弧形状からなる
完全反射膜と部分透過膜とからなり、前記入力導波路か
ら前記多重反射層に入射した光を前記完全反射膜と前記
部分透過膜との間で繰り返し反射させ、前記部分透過膜
を透過し各点毎に光路長差を有すると共に前記多重反射
層の曲率半径の中心に向かう光を干渉させることで、そ
の光を波長毎に異なる前記出力導波路に対して入射させ
ることにある。

【０００９】また、本発明の光分波器は、前記完全反射
膜の反射率を略１、前記部分透過膜の反射率を０．９以
上１未満の範囲内としたことにある。

【００１０】

【００１１】

【００１２】前記構成において、入力導波路から出射し
た光は所定の角度傾けて配置した多重反射層に入射し、
該多重反射層により、光を略１００％反射する完全反射
膜と光を数％透過する部分反射膜との間で反射を繰り返
し、且つ一部の光を透過する。多重反射後の透過した光
の光路長差により、前記多重反射層から出射した光は、
それぞれの光波長により等位相面の角度が異なる。これ
をレンズを利用するか、あるいは多重反射層自体を円弧
状に湾曲させることにより集光すれば、各波長毎に異な
る位置に集光することができる。この集光位置には各波
長毎の前記出力導波路が設けられ、各波長を良好に分波
することが可能となる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の光分波器の実施の
形態について図面により説明する。図３、図４は本発明
の光分波器の動作原理を説明するための説明図で、先
ず、図３において、ｚ軸方向に沿って設けた一本の入力
導波路１２の出力端を多重反射層１３に接合させ、且
つ、該多重反射層１３は入力導波路１２の光の伝搬方向
（Ｚ軸方向）に直交する方向（Ｘ軸方向）に対して所定
の角度θ傾けてある。また、多重反射層１３は所定の厚
さｔの光透過部１３ｂを介して、その両側にほぼ平行に
対向させて設けた完全反射膜１３ａと部分透過膜１３ｃ
とから構成されている。そして、前記入力導波路１２か
ら多重反射層１３に入射した光は前記完全反射膜１３ａ
と部分透過膜１３ｃとの間で繰り返し反射する。なお、
該両膜１３ａ、１３ｃのそれぞれの反射率は、完全反射
膜１３ａが略１００％、部分透過膜１３ｃが略９０％以
上で１００％未満としてある。

【００１４】そこで、入力導波路１２の出力端Ａ₀点か
ら多重反射層１３に入射した光は、先ず部分透過膜１３
ｃのＢ₀点で反射し、次に完全反射膜１３ａのＡ₁点で再
び反射する。これらの反射が繰り返されることにより、
部分透過膜１３ｃの各Ｂ₁、Ｂ₂,Ｂ₃,Ｂ₄,Ｂ₅点、完全反
射膜１３ａの各Ａ₂,Ａ₃,Ａ₄,Ａ₅点において次々に反射
することになる。その際、部分反射膜１３ｃの反射率は
１００％未満であるため、前記Ｂ₀〜Ｂ₅点での反射の時
に各点から光の一部が漏れ出て、多重反射層１３外に出
射する。

【００１５】上記構成において、完全反射膜１３ａ上の
Ａ₁点での光はＡ₀点に対し、次の式（１）となる光路長
差ｗを生じる。ｗ＝２Ｎｔ／ｃｏｓθ ・・・式（１）ただし、Ｎは光透過部１３ｂの屈折率、ｔは多重反射層
１３（光透過部）の厚さである。これはＡ₁点からｗ分
だけ離れた入力導波路１２の虚像Ｃ₁点から光が発せら
れたと同じになる。同様に更に両膜１３ａ、１３ｃ間で
反射を繰り返すと各虚像Ｃ₂点、・・Ｃ₅点から光が出た
のと同じになる。ここで、完全反射膜１３ａの各Ａ₁〜
Ａ₅点における各虚像からの光の光路長差（ただし、１
波長以内）は、次の式（２）で与えられる。 Δｗ＝ＭＯＤ（ｗ／λ）・・・式（２）ただし、”ＭＯＤ”は”剰余”を表す。すなわち、光波
長が異なると光路長差Δｗも異なることになる。

【００１６】一方、ｘ軸方向の点Ａ₀、Ａ₁間距離ｈは、
次の式（３）で与えられ、波長によらず一定となる。ｈ＝２ｔ・ｓｉｎθ ・・・式（３）従って、入力導波路１２から多重反射層１３に入射した
光の波長が異なると、ｚ軸方向に進む光の進行方向（等
位相面の角度）が異なる。これを分離角度として、ψを
用いて表すと、次の式（４）となる。 ψ＝ｔａｎ^-1(Δｗ／ｈ）・・・式（４）

【００１７】次に、図４に示すように、前記多重反射層
１３の入力導波路１２を設けた側と反対側の位置に凸レ
ンズ状の導波路型レンズ１４が形成され、更に該レンズ
１４の略焦点位置に複数本の出力導波路１５が設けられ
ている。従って、多重反射層１３から出た進行方向が異
なる各波長の光は、前記レンズ１４を介して、各波長毎
に異なる出力導波路１５に集光される。すなわち、前記
レンズ１４の光軸に直交する方向に所定の間隔に複数本
の出力導波路１５を並べることにより、出力導波路１５
の各１本１本にそれぞれの波長の光を集光させることが
できる。

【００１８】なお、各出力導波路１５の間隔をｄとする
と、ｄは次の式（５）で与えられる。ｄ＝ｆ・ｔａｎ（Δψ）・・・式（５）ただし、Δψ＝ψ_i+1-ψ_i、ψ_i=ｔａｎ^-1(Δｗ_i/ｈ）、
ｆはレンズの焦点距離を示す。Δψは前記式（１）〜
（４）から求められる。また、間隔ｄは出力用導波路１
５の間で相互干渉が起こらないようにする必要があるた
め、通常２０μｍ以上必要である。また、出力導波路１
５も入力導波路１２と同様、シングルモ−ド導波路であ
るから、その幅は５〜１０μｍとなる。レンズ１４で集
光したスポットサイズは波長とＮＡ（開口数）により決
定され、次の式（６）で与えられる。ｓｐｏｔ−ｓｉｚｅ＝1.2・λ／ＮＡ・・・式（６）ちなみに波長１．５〜１．６μｍ、ｓｐｏｔ−ｓｉｚｅ
＝５〜１０μｍとすると、所定の導波路幅に集光する必
要があるから、レンズ１４のＮＡは前記式（６）より、
０．１８〜０．３９となる。

【００１９】また、図３における多重反射層１３の完全
反射膜１３ａ及び部分反射膜１３ｃを平面ではなく円筒
面すなわち、多重反射層１３全体を円弧状に形成すれ
ば、前記導波路型レンズ１４を用いずに、多重反射層１
３から出射した光は、直接その曲率半径の中心付近に光
波長に応じて別個の焦点を結ぶことができる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
図１、図２は本発明の実施例に係る光分波器を示し、い
ずれも波長１．５０〜１．６０μｍの間で０．０１μ波
長毎に分波する特性となっている。まず図１を用いて第
１の実施例を説明する。従来と同様なプレ−ナ技術によ
り、ＳｉＯ₂等の基板１１上に入力導波路１２を形成す
る。入力導波路１２は波長１．５５μｍのときの屈折率
１．４４９７０のコアの周囲を屈折率１．４４６８０の
クラッドで包んだ構造のシングルモ−ド光導波路であ
る。その仕様を下記表１に示す。

【００２１】

【００２２】次に、同基板１１上において、入力導波路
１２の光の伝搬方向に直交する方向に対して角度５．７
度傾けて多重反射層１３を前記入力導波路１２の出力端
に接合形成する。この多重反射層１３は、完全反射膜１
３ａ、光透過部１３ｂ、部分透過膜１３ｃの３つの部分
から構成されている。該完全反射膜１３ａは、厚さ１６
３ｎｍのＴｉＯ₂層と厚さ２６３ｎｍのＳｉＯ₂層とを交
互に繰り返し７層積層し、更に厚さ１６３ｎｍのＴｉＯ
₂層を一層積層した構造で、各層の屈折率は使用波長
１．５０〜１．６０μｍにおいてＴｉＯ₂層が２．３８
４、ＳｉＯ₂層が１．４５としてある。また、前記光透
過部１３ｂは厚さ１００μｍのＳｉＯ₂-ＧｅＯ₂系のガ
ラス層からなり、屈折率は使用波長１．５０〜１．６０
μｍにおいて１．４５である。また、部分透過膜１３ｃ
は、厚さ２０８ｎｍのＴｉＯ₂層と厚さ１９６ｎｍのＳ
ｉＯ₂層とを交互に繰り返し４層積層し、更に厚さ１３
３ｎｍのＴｉＯ₂層を一層積層した構造で、各層の屈折
率は使用波長１．５０〜１．６０μｍにおいてＴｉＯ₂
層が２．３８４、ＳｉＯ₂層が１．４５である。

【００２３】このように形成した前記完全反射膜１３ａ
及び部分透過膜１３ｃの波長に対する反射特性を示すグ
ラフを図７、図８に示す。両図において横軸を波長、縦
軸を反射率で示したもので、図から明らかなように、光
の波長が１．５０〜１．６０μｍの範囲において、完全
反射膜１３ａの反射率は略１００％、部分透過膜１３ｃ
は略９６％であることが分かる。

【００２４】次に、同基板１１上において、前記多重反
射層１３から所定の距離はなして屈折率型の導波路型レ
ンズ１４を形成する。この導波路型レンズ１４は、所定
の焦点距離とＮＡ（開口数）を有している。また、該レ
ンズ１４の略焦点位置であって且つその光軸の直交方向
に所定の間隔（２０μｍ）に複数本並べて出力導波路１
５を形成する。以上により本発明の光分波器を製造す
る。

【００２５】そこで、波長１．５０〜１．６０μｍの間
で０．０１μｍ波長毎に分割した光を、一本の前記入力
導波路１２に伝搬させ、該入力導波路１２を伝搬する複
数の光波長を備えた光は、多重反射層１３との接合部に
は完全反射膜１３ａがついていないので、無反射で多重
反射層１３に入射する。多重反射層１３内に入射した光
は入射角度５．７度の傾きのため、多重反射を繰返しな
がら部分透過膜１３ｃの透過率分だけ導波路型レンズ１
４方向へ透過する。多重反射層１３から出た光は前記式
（２）の光路長差Δｗが生じる。前記式（３）のｈは波
長によらず一定であるから、多重反射層１３から出た各
波長の角度ψは前記式（４）より求められる。この結果
を下記表２に示す。尚、同表において、光波長１．５５
μｍを基準として表している。

【００２６】

【００２７】多重反射層１３から出た各波長の光は、導
波路型レンズ１４を介して、略焦点位置に設けた出力導
波路１５に集光される。この時、複数の導波路で構成さ
れる出力導波路１５の各１本１本にそれぞれの波長の光
を正確に集光させなければならない。出力導波路１５の
間隔は前記式（５）で与えられる。前記表２を見ると、
Δψは各波長毎に微妙に異なる。出力導波路１５の間隔
は通常２０μｍ以上必要であり、本実施例では２０μｍ
としたので、前記表２のΔψの値が最も小さい場合
（０．６°）を想定してｄ＝２０μｍとすると、導波路
型レンズ１４の焦点距離ｆは、ｆ＝２０／ｔａｎ（０．
６°）＝１，９１０μｍとなる。

【００２８】同様に、導波路型レンズ１４のＮＡは波長
１．６μｍのとき、ｓｐｏｔ−ｓｉｚｅ＝７μｍとする
と、前記式（６）より、ＮＡ＝０．２８となる。ＮＡ＝
レンズの開口半径／レンズの焦点距離で与えられるか
ら、ｆ＝１，９１０μｍとすると、レンズの開口直径
は、２・ＮＡ・ｆ＝２×０．２８×１，９１０＝１，０
７０μｍとなる．導波路型レンズ１４のＮＡは多重反射
層１３における部分透過膜１３ｃの透過特性にも依存す
る。前記表２におけるｈは約２０μｍであるから、先ほ
どの開口直径１，０７０μｍの場合、５４回の反射を繰
返すことになる。部分透過膜１３ｃの反射率が小さい
（透過率が大きい）と、５４回もの繰返し反射が行われ
ると部分透過膜１３ｃを通過した光量は著しく減少す
る。初期の透過光量に対する５４回反射後の透過率の許
容値を０．１としたとき、部分透過膜１３ｃの反射率が
０．９６のとき、０．９６⁵⁴=０．１１（１１％）とな
る。尚、この値は、使用する波長および、導波路の材料
（屈折率）により変わるので、部分透過膜１３ｃの反射
率は０．９以上１未満に設定するのが良い。

【００２９】また、焦点距離＝１，９１０μｍ、開口直
径１，０７０μｍの導波路型レンズ１４の仕様を下記表
３に示す。尚、同表において、１面は該レンズ１４の多
重反射層１３側の面、２面は該レンズ１４の出力導波路
１５側の面をそれぞれ示す。また、今回は屈折率型の導
波路レンズ１４を実施例としてあげたが、リッジ型導波
路レンズないしはジオデシックレンズでも可能である。

【００３０】

【００３１】叙上のように、前記第１の実施例によれ
ば、入力導波路１２を伝搬する波長１．５０〜１．６０
μｍの間で０．０１μｍ波長毎に分割した光が、各波長
毎に分波して各出力導波路１５から取り出すことができ
る。

【００３２】図２は本発明の光分波器の第２の実施例を
示したもので、多重反射層１６を曲率半径ｒの円筒面と
することにより、前記導波路型レンズ１４を省略した例
である。すなわち、前記第１の実施例と同様に、ＳｉＯ
₂等の基板１１上に入力導波路１２を形成する。次に、
該入力導波路１２の出力端に円弧状に湾曲した多重反射
層１６を接合させて形成する。この時、その接合部にお
いて、入力導波路１２の光の伝搬方向に直交する方向と
多重反射層１６の接線方向とのなす角が所定の角度
（５．７度）となるように形成してある。また、多重反
射層１６の曲率半径ｒは１９１０μｍとしてある。多重
反射層１６は完全反射膜１６ａ、光透過部１６ｂ、部分
透過膜１６ｃの３つの部分から構成され、各部分のそれ
ぞれの実施構成は、円筒面状のなっている点を除き、前
記第１の実施例と全く同一であるのでその説明を省略す
る。次に、前記多重反射層１６の曲率半径の略中心位置
に複数本の出力導波路１５を所定の間隔で設置したもの
である。

【００３３】かかる光分波路において、入力導波路１２
を伝搬する複数の光波長を備えた光は、多重反射層１６
との接合部には完全反射膜１６ａがついていないので、
無反射で多重反射層１６に入射する。多重反射層１６内
に入射した光は入射角度５．７度の傾きのため、多重反
射を繰返しながら部分透過膜１６ｃの透過率分だけ透過
する。この透過した光は、多重反射層１６の曲率半径の
中心に向かうが、各波長毎に微妙にその方向が異なり、
従って、波長毎に収束する焦点位置に配置した前記出力
導波路１５から波長毎の光を取り出すことができ、波長
毎に分波を行うことが可能となる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光分波器
は、入力導波路に所定の角度傾けて多重反射層を接合
し、該多重反射層は光透過部を介してその両側に対向し
て設けた完全反射膜と部分透過膜とから構成したもので
あり、高反射率を有する２つの面を持つだけの簡単な構
成の多重反射層内を繰り返し反射させることにより良好
な波長分割特性が得られる。そのため、従来方式に比
べ、その作製が容易で量産性に優れ、また、光分波器の
小型化にも寄与する。また、多重反射層は所定の曲率半
径を有する円弧形状からなり、それによって光を反射及
び集光させることにより、レンズを省略することができ
る。

【００３５】また、前記多重反射層の完全反射膜の反射
率を略１、前記部分透過膜の反射率を０．９以上１未満
の範囲内とすることにより、効率的で且つ効果的な光分
波器を提供できる。また、前記多重反射層から出射され
る光の角度Δψと複数本の前記出力導波路の間隔ｄと前
記レンズの焦点距離ｆとが、ｄ＝ｆ・ｔａｎ（Δψ）の
関係式としたことにより、レンズにより波長毎に異なる
位置に集光した光を、それぞれ各出力導波路に確実に分
波して取り出すことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光分波器の第１の実施例にかかる構成
を示す平面図である。

【図２】本発明の光分波器の第２の実施例にかかる構成
を示す平面図である。

【図３】本発明の光分波器の原理を説明する図である。

【図４】本発明の光分波器の原理を説明する図である。

【図５】従来の光分波器のアレイ導波路格子の構成を示
す平面図である。

【図６】従来の光分波器の反射型ブレ−ズタイプグレ−
ティングの構成を示す平面図である。

【図７】本発明の完全反射膜の波長に対する反射特性を
示すグラフである。

【図８】本発明の部分透過膜の波長に対する反射特性を
示すグラフである。

【符号の説明】

１１基板１２入力導波路１３、１６多重反射層１３ａ、１６ａ完全反射膜１３ｂ、１６ｂ光透過部１３ｃ、１６ｃ部分透過膜１４導波路型レンズ１５出力導波路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 6/12 - 6/14 G02B 6/26 - 6/34 G02B 27/00 - 27/10

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に、複数の光波長を同時に伝搬す
る入力導波路と、該入力導波路に接合した所定の曲率半
径を有する円弧形状の多重反射層と、該多重反射層から
集光するように出射した光を各波長毎に導入する複数本
の出力導波路とを設け、前記多重反射層は光透過部を介
してその両側に対向して設けた円弧形状からなる完全反
射膜と部分透過膜とからなり、前記入力導波路から前記
多重反射層に入射した光を前記完全反射膜と前記部分透
過膜との間で繰り返し反射させ、前記部分透過膜を透過
し各点毎に光路長差を有すると共に前記多重反射層の曲
率半径の中心に向かう光を干渉させることで、その光を
波長毎に異なる前記出力導波路に対して入射させること
を特徴とする光分波器。
【請求項２】前記完全反射膜の反射率を略１、前記部
分透過膜の反射率を０．９以上１未満の範囲内としたこ
とを特徴とする請求項１記載の光分波器。