JP3695273B2

JP3695273B2 - 光合分波器

Info

Publication number: JP3695273B2
Application number: JP2000063302A
Authority: JP
Inventors: 英明荒井; 貴史千葉; 尚登上塚
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2000-03-03
Filing date: 2000-03-03
Publication date: 2005-09-14
Anticipated expiration: 2020-03-03
Also published as: CA2333437C; CA2333437A1; JP2001249237A; US20010051018A1; US6631223B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光合分波器、特に通過域の波長平坦性に優れ、広い阻止域を有し、広波長域にわたって機能する光合分波器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
次世代波長多重通信の一形態であるインターリーブ方式では、ある一定のチャネル波長間隔の信号をその２倍のチャネル波長間隔でチャネル波長間隔だけずれた２つの信号に分波、またはその逆に合波する機能を持つ光合分波器が必要とされる。
【０００３】
図１１はその従来例の一例を示す説明図である。図１１（ａ）は石英基板上に形成された石英系平面光波回路を示しており、４つの光カプラ２４，２５，２６，２７とそれらを結ぶ２本の長さの異なる導波路対（２８，２９），（３０，３１），（３２，３３）から構成されている。ここで、光路長の違いにより導波路２８と導波路２９を通る光では位相差が生じる。導波路対（２８，２９）で生じる位相差をφとすると、導波路対（３０，３１）により生じる位相差は２φ、導波路対（３２，３３）により生じる位相差は４φとなるように設計されている。入力ポート２０から光を入力して、出力ポート２２，２３へ抜けるには８通りの光路がある。その中で最も短いケースは、導波路２９，導波路３１，導波路３３を通る場合である。次に短いケースは、導波路２８，導波路３１，導波路３３を通る場合である。１番短い場合と２番目に短い場合とでの位相差はφとなる。３番目に短い場合から最も長い場合もそれぞれ、３φから７φまでの位相差が生じることになる。ここで光カプラ２４，２５，２６，２７の結合率を適当に決めることにより、矩形的で周期的なスペクトル応答を得ることができる。つまり、矩形周期関数をフーリエ級数展開した時の初めの項を位相差φの成分、次の項を位相差２φの成分で、というようにフーリエ級数の各項を各光路の位相差で表し、そのフーリエ係数に合うように光カプラの結合率を決定する。その結果、各光路の成分を足し合わせたときに矩形に近いスペクトル応答を得られるようになる。
【０００４】
インターリーブに用いる光合分波器には、周期的に通過域と阻止域が、矩形的なスペクトルで実現されるのが理想である。従来例のポイントは要するに、この周期を位相差φで決め、さらに２段目の導波路対（３０，３１）で生じる位相差を２φ、３段目の導波路対（３２，３３）で生じる位相差を４φにし、光カプラの結合率を適当に決めることにより、矩形的スペクトル応答を得たことにある。
【０００５】
従来例は波長１．５４５μｍで最も良く機能するように設計されている。波長１．５４５μｍで、光カプラ２４，２５は結合率が約５０％、光カプラ２６は結合率が約９８％、光カプラ２７は結合率が約２％の方向性結合器である。導波路２８は導波路２９と屈折率、導波路形状は同じで、長さが約２０３３μｍ長い。同様に導波路３０は導波路３１より４０６６μｍ長く、導波路３２は導波路３３より８１３２μｍ長い。導波路コア幅は６μｍ、導波路コア高さは６μｍである。また、コアとクラッドの比屈折率差Δは０．８％である。
【０００６】
図１２及び図１３は従来例の波長損失特性を示す図である。図１２は入力ポート２０から光を入力した時の出力ポート２２の、図１３は出力ポート２３の波長１．５４６μｍから波長１．５５０μｍまでの波長損失特性を示している。設計波長１．５４５μｍ付近の波長では、波長平坦な通過域、広い阻止域が実現されていることがわかる。
【０００７】
また、通過域と阻止域が約０．８nm周期で繰り返されている。これは、導波路２８，２９の光路長差に対応して決まっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、各カプラ間での位相差がφ、２φ、４φという構成では、５０％以上の高結合率の光カプラを使用することは避けられず、結合率の高い方向性結合器を使う構成となってしまう。そのため実用にあたっては下記のような問題点がある。
【０００９】
図１４は設計波長より短波長でのスペクトル特性、図１５は長波長でのスペクトル特性を示している。阻止域のレベルが下がっており、波長１．５４５μｍ付近と比較すると、アイソレーション特性の劣化が著しい。波長１．５３μｍから波長１．５６μｍの間でのＩＴＵ−ｇｒｉｄ波長±０．０８nmでのアイソレーション最悪値は１７dBであり、実用的には十分とは言えない特性である。これは、主に光カプラ２４，２５，２６の結合率波長依存性によるものである。光カプラ２７は低結合率であるため、結合長は短く、波長依存性は小さい。
【００１０】
図１６及び図１７は、方向性結合器の導波路間隙（図１１（ｃ）のＧａｐ）の寸法作製誤差の影響を示す図であり、図１６は間隙が０．３μｍ狭まった時、図１７は間隙が０．３μｍ広がった時の波長特性である。図示の如くアイソレーション劣化が著しく、光合分波器としては使用できない。これは、方向性結合器の結合率が寸法誤差の影響を受けやすいことによる。ただし、光カプラ２７は結合長が短いため、比較的誤差の影響を受けにくく、劣化はそれ以外の光カプラ２４，２５，２６の影響が大である。
【００１１】
図１１（ｂ）及び（ｃ）は、図１１（ａ）に示した方向性結合器２６の拡大図であり、同図（ｂ）は上平面図、同図は点線部の断面図である。導波路の作製プロセスで、狭い導波路間隙にクラッドを形成する技術（埋め込み技術）は非常に高度であり、導波路間隙の埋め込みが歩留まりを劣化させる原因となりやい。また同図（ｃ）のＧａｐが導波路コア高さよりも大きいと導波路の偏光依存性を小さく形成できるプラズマＣＶＤプロセスの適用が可能になる。よって、導波路間隙は広い方が望ましい。
【００１２】
ところが従来例の光カプラ２６の結合率は約９８％であるため、例えばプラズマＣＶＤプロセスが適用できるように導波路間隙Ｇａｐを６μｍとすると、方向性結合率の長さは１０mm以上とする必要があり、素子寸法が大きくなりすぎ現実的ではない。従来はＧａｐを３．５μｍ程度とし、導波路間隙を狭めるようにしていた。
【００１３】
発明の目的は上記した問題点を解決し、波長依存性が小さく、広い波長域で用いることが可能であり、製作誤差の影響を受けにくく、なおかつ通過域の波長平坦性が良く、広い阻止域を有する光合分波器を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の光合分波器は、方向性結合器の波長依存性および作製誤差に敏感な特性による影響を極力抑えたこと構成とした。
【００１５】
即ち、本願発明は、２つの入力ポートと２つの出力ポートを有する光カプラが４個直列に配置され、それらカプラ間を長さの異なる２本の導波路で接続してなる光合分波器であって、第一の光カプラと第二の光カプラを結ぶ長い方の導波路と第二のカプラと第三のカプラを結ぶ短い方の導波路と第三のカプラと第四のカプラを結ぶ長い方の導波路が連続して接続され、それとは反対側に第一の光カプラと第二の光カプラを結ぶ短い方の導波路と第二のカプラと第三のカプラを結ぶ長い方の導波路と第三のカプラと第四のカプラを結ぶ短い方の導波路が連続して接続されており、第一のカプラと第二のカプラを結ぶ２本の導波路長差をΔＬとしたとき、第二のカプラと第三のカプラを結ぶ２本の導波路長差がΔＬの２倍であると共に、第三のカプラと第四のカプラを結ぶ２本の導波路長差がΔＬの４倍よりも使用する波長帯の導波路内波長（管内波長）の半分の長さだけ短いかあるいは長く、第一のカプラと第二のカプラは、結合率が５０％のＭＭＩ（Multi Mode Interference ）型カプラであり、第三のカプラと第四のカプラは、結合率が２％〜２．４１０％の方向性結合器であることを特徴とする光合分波器である。
【００１６】
本願発明は、このような構成を採ることにより、結合率が５０％を超える方向性結合率を使用しないで済む構成としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図９及び図１０は本発明の作用を説明するためのもので、図９は従来例を、図１０は本発明を模式的に書いたものであり、記号θは第１カプラ、第２カプラ間を結ぶ導波路を通るときの位相シフトが生じることを示している。つまり第１カプラと第２カプラ間で生じる位相差は２θとなる。これまで使用した記号φとは、φ＝２θという関係にある。図９と図１０では、第１のカプラが図９では方向性結合器を用い、図１０ではＭＭＩカプラを用いている点で異なり、また第２カプラと第３カプラとの間の導波路の長さの長短が逆である点で異なる。ＭＭＩカプラは方向性結合器よりも原理的に波長依存性を持たず、広い波長範囲で結合率を約５０％にすることができる。またＭＭＩカプラは製作誤差の影響を受けにくい。
【００１８】
また図９の第３カプラの結合率は９８％であるが、これを図１０では２％にしている。結合率２％の方向性結合器は波長依存性も小さく、製作誤差の影響も受けにくい。また結合率２％であれば、導波路間隙を広くしてもそれほどの結合長にはならない。この結合率98％を２％にできる理由は以下に述べる通りである。
【００１９】
図９中に記載した式（１）は図９において、第２カプラの上側導波路から電界振幅Ａの光を入力して、第３カプラの上側から出力される光の電界振幅および位相を示す式である。同様に図１０中に記載した式（２）は図１０において、第２カプラの上側導波路から電界振幅Ａの光を入力して、第３カプラの上側から出力される光の電界振幅および位相を示す式である。式（１）（２）を見比べると式（２）にｅｘｐ（ｉ・π）を乗ずれば式（１）（２）は等しくなることがわかる。これは、第３カプラと第４カプラ間で生じる位相差を４φでは無く、４φ−πとすることに相当する。この時、−πではなく、πとしてもほぼ同じ特性が得られる。またπの奇数倍であればある程度の特性は得られることになる（良い特性の得られる波長範囲が狭まる）。
【００２０】
図９の振幅Ａの光は、第２、第３カプラ間の長い方の導波路を通るとき第２カプラを透過、第３カプラを透過する。これに対し、図１０では第２カプラで結合、第３カプラで結合される。ＭＭＩ型カプラや方向性結合器を透過する場合と結合する場合では位相がπ／２だけ異なる。図９では２回透過、図１０では２回結合するため、πの差があることになる。第３、第４カプラでの位相差を４φ−πとするのは、このφをキャンセルするためである。
【００２１】
【実施例】
図１は本発明の一実施例である導波路型光合分波器を示すものであり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）及び（ｃ）は方向性結合器８の拡大図である。入力ポート２から入力した光は、出力ポート４、５に分波される。ここで分波間隔は約０．４nmである。
【００２２】
コアとクラッドの比屈折率差はΔ＝０．８％、導波路コア高さは６μｍである。４つの光カプラ６，７，８，９の波長１．５４５μｍでの結合率はそれぞれ５０％、５０％、２．４％、２．４％であり、光カプラ６、７は同一構造のＭＭＩカプラ、光カプラ８、９は同一構造の方向性結合器である。導波路１０，１１，１２，１３，１４，１５は同一コア幅で、曲線部の曲率半径は５mmである。導波路１０は導波路１１よりΔＬ＝２０３３μｍだけ長く、導波路１３は導波路１２よりΔＬの２倍（＝４０６６μｍ）だけ長く、導波路１４は導波路１５より４×ΔＬ−λ／Ｎｅｆｆだけ長い。ここで使用波長λ＝１．５４５μｍ、導波路等価屈折率Ｎｅｆｆ＝１．４４５である。方向性結合器８，９の導波路間隙Ｇａｐは６．３μｍであり、結合長は０．９mmであり、十分に実用的な寸法となる。（従来もしＧａｐが６．３μｍなら結合長は１０mm以上）
基板１はＳｉＯ₂、コアはＧｅＯ₂−ＳｉＯ₂、クラッド１’はＳｉＯ₂である。導波路の作製方法は石英基板１にスパッタリング法によりＧｅＯ₂−ＳｉＯ₂コア膜を形成し、フォトリソグラフィ、反応性イオンエッチング等により光回路パターンを形成後プラズマＣＶＤ法によりクラッドを形成する。導波路間隙が最も狭いところでも６．３μｍとコア高さより広いため、埋め込み特性は良好であった。
【００２３】
素子作製後、屈折率誤差、導波路コア幅誤差、収縮等により生じる位相誤差をＣＯ₂レーザーを導波路１０，１１，１２，１３，１４，１５の一部に照射して、補正した。
【００２４】
図２及び図３は本実施例の諸特性を示す図である。図２及び図３はそれぞれ、入力ポート２から光を入力した時の出力ポート４と出力ポート５の１．５４６μｍから１．５５μｍの波長帯での波長損失特性を示す説明図である。従来例の図１２、１３と比較してみると、この狭い波長範囲でも優れたアイソレーションを示していることがわかる。図４及び図５は短波長、長波長での波長特性を示している。十分使用に耐える特性が得られており、本実施例は波長１．５３μｍから１．５６μｍの範囲で機能することがわかる。図６及び図７は、導波路間隙Ｇａｐの製作誤差の影響を示す図であり、それぞれ０．３μｍ狭まった時、０．３μｍ広がった時の波長特性を示す図である。従来例では図１６及び図１７に示すように波長損失特性の劣化が著しかったのに対し、本実施例では製作誤差の影響を受けにくいことがわかる。
【００２５】
図８は、波長１．５３μｍ〜１．５６μｍでのＩＴＵ−ｇｒｉｄ波長±０．０８nmのアイソレーション特性の製作誤差による劣化度合いを従来の光合分波器と本実施例の光合分波器で比較したものである。従来例１８は製作誤差が無い場合でも方向性結合器の波長依存性のためアイソレーションが１７dB程度しか取らない。また、点線１７は第１、第２カプラをＭＭＩカプラにしたのみ（第３は９８％結合率）の特性を示している。この図から一目瞭然で、本発明の効果は非常に大きいことがわかる。
【００２６】
なお、本発明においては、素子作製プロセスとしては一般的な導波路作製プロセス技術すべてが適用可能である。
【００２７】
また、本発明は、導波路型に限らず、ファイバ型カプラ等を用いて実現することも可能である。
【００２８】
【発明の効果】
（１）波長依存性の少ないＭＭＩカプラを用い、それ以外の光カプラの結合率を小さくすることで、方向性結合器の波長依存性の影響を極力抑え、広い波長範囲で機能する光合分波器を提供できる。
【００２９】
（２）ＭＭＩカプラおよび結合率の低い方向性結合器で構成することにより、製作誤差の影響を受けにくくできる。
【００３０】
（３）狭い導波路間隙（少なくとも導波路コア高さより広い）を作らずに構成できるため、狭間隙埋め込み不良をおこさず、歩留まり良く作製できるようになる。
【００３１】
（４）波長平坦な通過域、広い阻止域を実現できるので多段に接続しても通過域を狭めたりすることがなく、波長多重通信システム、例えばＡｄｄ／Ｄｒｏｐシステム等に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す説明図であり、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は方向性結合器の拡大平面図、同図（ｃ）は方向性結合器の断面図である。
【図２】本発明の一本実施例の波長損失特性を示す説明図である。
【図３】本発明の一本実施例の波長損失特性を示す説明図である。
【図４】本発明の一本実施例の波長損失特性を示す説明図である。
【図５】本発明の一本実施例の波長損失特性を示す説明図である。
【図６】本発明の一本実施例で製作誤差があった場合の波長損失特性を示す説明図である。
【図７】本発明の一本実施例で製作誤差があった場合の波長損失特性を示す説明図である。
【図８】ＩＴＵ波長±０．０８nmでのアイソレーションの製作誤差による劣化を示す説明図である。
【図９】従来の光合分波回路を示す模式図である。
【図１０】本発明の光合分波回路を示す模式図である。
【図１１】従来例を示す説明図であり、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は方向性結合器の拡大平面図、同図（ｃ）は方向性結合器の断面図である。
【図１２】従来例の波長損失特性を示す説明図である。
【図１３】従来例の波長損失特性を示す説明図である。
【図１４】従来例の波長損失特性を示す説明図である。
【図１５】従来例の波長損失特性を示す説明図である。
【図１６】従来例で製作誤差があった場合の波長損失特性を示す説明図である。
【図１７】従来例で製作誤差があった場合の波長損失特性を示す説明図である。
【符号の説明】
１石英基板（クラッド）
１’ クラッド
２，３，４，５入出力ポート
６，７ＭＭＩ型光カプラ
８，９方向性結合器
８ａ，８ｂ導波路（方向性結合器）
８ｃクラッド（導波路間隙
１０，１１，１２，１３，１４，１５導波路

Claims

２つの入力ポートと２つの出力ポートを有する光カプラが４個直列に配置され、それらカプラ間を長さの異なる２本の導波路で接続してなる光合分波器であって、第一の光カプラと第二の光カプラを結ぶ長い方の導波路と第二のカプラと第三のカプラを結ぶ短い方の導波路と第三のカプラと第四のカプラを結ぶ長い方の導波路が連続して接続され、それとは反対側に第一の光カプラと第二の光カプラを結ぶ短い方の導波路と第二のカプラと第三のカプラを結ぶ長い方の導波路と第三のカプラと第四のカプラを結ぶ短い方の導波路が連続して接続されており、第一のカプラと第二のカプラを結ぶ２本の導波路長差をΔＬとしたとき、第二のカプラと第三のカプラを結ぶ２本の導波路長差がΔＬの２倍であると共に、第三のカプラと第四のカプラを結ぶ２本の導波路長差がΔＬの４倍よりも使用する波長帯の導波路内波長（管内波長）の半分の長さだけ短いかあるいは長く、第一のカプラと第二のカプラは、結合率が５０％のＭＭＩ（Multi Mode Interference ）型カプラであり、第三のカプラと第四のカプラは、結合率が２％〜２．４％の方向性結合器であることを特徴とする光合分波器。
光合分波器が、基板上にコア導波路及びこれを覆うクラッドを形成した石英系平面光波回路により形成されている請求項１に記載の光合分波器。
第三のカプラ及び第四のカプラが、コア導波路の間隙がその高さよりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の光合分波器。