JP3802838B2 - 光合分波器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信等で用いられる光合分波器に関するものである。
【０００２】
【背景技術】
近年のインターネットトラヒックの急増を背景に、通信ネットワーク容量の拡大が急務となっており、それに伴い、波長分割多重（Wavelength Division Multiplexing (WDM)）伝送技術の検討が盛んに行なわれている。波長分割多重伝送技術は、１本の光ファイバに異なる波長の光信号を複数多重して伝送するため、伝送容量を波長多重分だけ拡大できる。
【０００３】
波長分割多重伝送システムを実現するためには、光合分波器等の光デバイスが必要となる。光合分波器は、例えば複数波長の光を合波したり、多重光を各々の波長の光に分波（分離）するための装置であり、例えば波長分割多重伝送システムにおいて、合波用に設けられた光合分波器によって複数の波長の光を合波し、合波された波長多重光を光ファイバに伝送することが行なわれる。また、この光ファイバを伝送した波長多重光は、例えば分波用に設けられた光合分波器によって分波され、波長毎に取り出される。
【０００４】
光合分波器の一例として、基板上に光導波回路を形成した光導波路型の光合分波器が挙げられる。この光導波路型の光合分波器は、半導体分野で培われた高精度なパターン化技術を適用できるために、設計性が良好である。
【０００５】
光導波路型の光合分波器として、例えばマッハツェンダ光干渉計（MZI：Mach-Zehnder Interferometer）型の光合分波器が実用化されており、図９には、マッハツェンダ光干渉計型の光合分波器を形成する回路（光合分波回路）の構成例が示されている。
【０００６】
図９に示す光合分波回路８は、第１の光導波路３と、該第１の光導波路３と並設された第２の光導波路４とを有し、前記第１の光導波路３と前記第２の光導波路４を近接させて成る第１の方向性結合部１と、該第１の方向性結合部１と光導波路長手方向に間隔を介した位置において前記第１の光導波路３と前記第２の光導波路４を近接させて成る第２の方向性結合部２とを有している。第１の方向性結合部１と第２の方向性結合部２に挟まれた第１の光導波路３と第２の光導波路４の長さは、互いに異なる長さと成している。
【０００７】
図９に示す光合分波回路８は、第１の方向性結合部１と第２の方向性結合部２に挟まれた第１の光導波路３と第２の光導波路４の長さの差ΔＬと、第１および第２の光導波路３，４の屈折率ｎとの積（ｎ・ΔＬ）を適宜設定することにより、異なる波長の光の合波や分波を行なう光合分波回路である。
【０００８】
なお、マッハツェンダ光干渉計型の光合分波回路８において、一般に、前記第１の光導波路３の入射側１３から入力されて該第１の光導波路３の出射側２３から出力される光の経路または、前記第２の光導波路４の入射側１４から入力されて該第２の光導波路４の出射側２４から出力される光の経路はスルー伝搬経路と呼ばれている。そして、本明細書において、このスルー伝搬経路を伝搬するように設計される光の波長をスルー伝搬波長と呼ぶ。図９においては、波長λ１がスルー伝搬波長である。
【０００９】
また、マッハツェンダ光干渉計型の光合分波回路８において、第１の光導波路３の入射側１３から入力されて第２の光導波路４の出射側２４から出力される光の経路または、前記第２の光導波路４の入射側１４から入力されて前記第１の光導波路１の出射側２３から出力される光の経路はクロス伝搬経路と呼ばれている。そして、本明細書において、このクロス伝搬経路を伝搬するように設計される光の波長をクロス伝搬波長と呼ぶ。図９においては、波長λ２がクロス伝搬波長である。
【００１０】
また、例えば図１０に示すように、マッハツェンダ光干渉計型の光合分波回路８（８Ａ〜８Ｇ）をツリー状に接続して形成した光合分波器が提案されている。この光合分波器は、光合分波回路８（８Ａ〜８Ｇ）を１つ以上並設してなる第１段から第Ｍ段（Ｍは２以上の整数であり、ここでは３）の複数段（ここでは３段）の光合分波回路８を有している。
【００１１】
図１０に示す光合分波器において、例えば第１段の複数の光合分波回路８（８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄ）が第１と第２の光導波路３，４からそれぞれ入力する光を合波して第１または第２の光導波路３，４から出力する。これら第１段の１対の光合分波回路８（８Ａ，８Ｂ）の光出力を第２段の光合分波回路８（８Ｅ）でさらに合波し、１対の光合分波器（８Ｃ，８Ｄ）の光出力を第２段の光合分波回路８（８Ｆ）でさらに合波する。
【００１２】
さらに、第２段の１対の光合分波回路８（８Ｅ、８Ｆ）の光出力を第３段の光合分波回路８（８Ｇ）が合波する。このように、同図に示す光合分波器は、前段の対の光合分波回路８の光出力を後段の光合分波回路８でさらに合波する。
【００１３】
図１０に示す光合分波器において、第１段の光合分波回路８Ａは波長λａとλｂの光を合波し、第１段の光合分波回路８Ｂは波長λｃとλｄの光を合波し、第１段の光合分波回路８Ｃは波長λｅとλｆの光を合波し、第１段の光合分波回路８Ｄは波長λｇとλｈの光を合波する。
【００１４】
また、第２段の光合分波回路８Ｅは波長λａ、λｂ、λｃ、λｄの光を合波し、第２段の光合分波回路８Ｆは波長λｅ、λｆ、λｇ、λｈの光を合波する。さらに、第３段の光合分波回路８Ｇは、波長λａ、λｂ、λｃ、λｄ、λｅ、λｆ、λｇ、λｈの光を合波して第２の光導波路４から出力する。
【００１５】
なお、図１０に示したような光合分波器は光回路の相反性を有しているために、図１０とは逆に光合分波回路８（８Ｇ）の第２の光導波路４側から波長λａ、λｂ、λｃ、λｄ、λｅ、λｆ、λｇ、λｈの多重光を入力すると、それぞれの波長の光に分波されて出力される。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、例えば波長分割多重伝送用に適用される光合分波器のより低損失化が望まれるようになったが、上記提案を含め、従来のマッハツェンダ光干渉計型の光合分波回路８を複数段接続した光合分波器において、それぞれの光入力部から入力する光の波長を決定する際の明確な構成要件はなかったために、上記低損失化に十分対応することができなかった。
【００１７】
また、上記光合分波器にはその価格をより低価格にすることが望まれており、この低価格化の実現のためにはチップ長をより短くすることが望まれている。
【００１８】
例えばチップ長が６３ｍｍのチップを４インチウエハに配置する場合、作製プロセスでのマージンをとると、例えば図１１に示すように、１つのウエハ２０に１列にチップ９を１７個しか配列できないのに対し、例えばチップ長を６２ｍｍにした場合には、図３に示すように、１つのウエハ２０にチップ９を１８個配列できる。なお、図３、図１１において、▲１▼，▲２▼，▲３▼…は、チップの配列番号を示している。
【００１９】
このように、１つのウエハ２０に配列するチップ９の配列数を多くできればその分だけ作製コストを低減できるので、光合分波器はチップ長が短い方が望ましい。
【００２０】
本発明は上記従来の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、チップ長が短く、低価格、低損失の光合分波器を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は次のような構成をもって課題を解決するための手段としている。すなわち、本発明は、第１の光導波路と、該第１の光導波路と並設された第２の光導波路とを有し、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路を近接させて成る第１の方向性結合部と、該第１の方向性結合部と光導波路長手方向に間隔を介した位置において前記第１の光導波路と前記第２の光導波路を近接させて成る第２の方向性結合部とを有し、該第２の方向性結合部と前記第１の方向性結合部に挟まれた第１の光導波路と第２の光導波路は互いに異なる長さと成したマッハツェンダ光干渉計型の光合分波回路を複数段接続して形成され、前記各段の光合分波回路において第１の光導波路の入射側から入力されて第２の光導波路の出射側から出力される光波長又は前記第２の光導波路の入射側から入力されて前記第１の光導波路の出射側から出力される光波長をクロス伝搬波長とし、前記第１の光導波路の入射側から入力されて該第１の光導波路の出射側から出力される光波長又は前記第２の光導波路の入射側から入力されて該第２の光導波路の出射側から出力される光波長をスルー伝搬波長とし、少なくとも１つの光合分波回路において方向性結合部の結合効率が互いに異なる複数のクロス伝搬波長を有し、前記各段の光合分波回路におけるスルー伝搬波長の各波長を周波数換算してその周波数の算術平均で光速Ｃを割ることにより求めた平均波長よりもクロス伝搬波長の各波長を周波数換算してその周波数の算術平均で光速Ｃを割ることにより求めた平均波長を長波長とし、各段の光合分波回路の方向性結合部は各段の光合分波回路に対応するクロス伝搬波長の平均波長に対する結合効率を約５０％とし、各段の光合分波回路の方向性結合部は各段の光合分波回路に対応するスルー伝搬波長の平均波長に対する結合効率よりも、クロス伝搬波長の平均波長に対する結合効率を５０％に近い値とし、方向性結合部の結合部長をＬＲとし、各段の光合分波回路に対応するクロス伝搬波長の平均波長に対する前記方向性結合部の完全結合長をＬＣとし、各段の光合分波回路に対応するクロス伝搬波長の平均波長に対する前記方向性結合部のリード部結合長をＬｅとしたとき、（π／２）・（Ｌｅ＋ＬＲ）／ＬＣを約π／４とした構成をもって課題を解決する手段としている。
【００２４】
なお、本明細書で述べるスルー伝搬波長の平均波長およびクロス伝搬波長の平均波長とはいずれも平均周波数の波長換算値を示すものであり、各波長を周波数換算し、その周波数の算術平均で光速Ｃを割ることにより求める。
【００２５】
例えばスルー伝搬波長をλ１、λ３とした場合、その平均波長は（数１）に示す値となり、クロス伝搬波長をλ２、λ４としたとき、その平均波長は（数２）に示す値となる。
【００２６】
【数１】
【００２７】
【数２】
【００２８】
また、スルー伝搬波長が１波長の場合は、その平均波長もその値（例えば図９ではλ１）となり、クロス伝搬波長が１波長の場合は、その平均波長もその値（例えば図９ではλ２）となる。
【００２９】
ところで、例えば図９に示したようなマッハツェンダ光干渉計型の光合分波回路８において、スルー伝搬波長を通る光の透過率をＴthとし、クロス伝搬波長を通る光の透過率をＴcrとすると、これらの透過率Ｔth、Ｔcrは、前記長さの差ΔＬ、前記屈折率ｎを用いて、それぞれ以下の式（１）、（２）により表される。
【００３０】
Ｔth＝１−ｓｉｎ２（２ｓｉｎ−１√η）ｃｏｓ２（π・ｎ・ΔＬ／λ）・・・・・（１）
【００３１】
Ｔcr＝ｓｉｎ２（２ｓｉｎ−１√η）ｃｏｓ２（π・ｎ・ΔＬ／λ）・・・・・（２）
【００３２】
ηは第１と第２の方向性結合部１，２の結合効率を０から１の数により表したものである。結合効率１００％のとき、η＝１としており、結合効率５０％はη＝０．５である。なお、本発明の光合分波器において、第１と第２の方向性結合部の結合効率は互いにほぼ等しい。
【００３３】
ここで、スルー伝搬波長をλ１とし、クロス伝搬波長をλ２とすると、これらの波長の光を低損失、低クロストークで合波するには、以下の式（３）〜（５）を満たす必要がある。
【００３４】
η＝０．５・・・・・（３）
【００３５】
ｎ・ΔＬ＝λ１・（Ｎ±０．５）・・・・・（４）
【００３６】
ｎ・ΔＬ＝λ２・Ｎ・・・・・（５）
【００３７】
なお、ΔＬは異なる整数Ｎに対して複数決定することができる。
【００３８】
本発明者は、光合分波器の低損失化を実現するために、図９に示した光合分波回路８において、波長λ１とλ２の光に対する第１と第２の方向性結合部１，２の結合効率を変化させ、光合分波回路８における波長λ１の光の通過損失と波長λ２の光の通過損失を計算した。
【００３９】
その結果、図４の（ａ）に示す結果が得られた。図４の（ａ）において、横軸は結合効率をηの値により示しており、特性線ａはスルー伝搬波長である波長λ１の光の通過損失、特性線ｂはクロス伝搬波長である波長λ２の光の通過損失を示す。
【００４０】
図４の（ａ）の特性線ａに示すように、スルー伝搬波長である波長λ１の光の通過損失は、方向性結合部１，２の結合効率が４５％から５５％まで変化しても（ηが０．４５から０．５５まで変化しても）ほとんど変化しない。それに対し、図４の（ａ）の特性線ｂに示すように、クロス伝搬波長である波長λ２の光の通過損失は方向性結合部１，２の結合効率の値が５０％から遠ざかるにつれて（ηが０．５から遠ざかるにつれて）大きく増加することが分かった。
【００４１】
そこで、本発明者は、マッハツェンダ光干渉計型の光合分波回路８において、クロス伝搬波長に対する方向性結合部１，２の結合効率をできるだけ５０％にすることにより、光合分波回路８を伝搬するそれぞれの波長の光の通過損失を小さくできると考えた。
【００４２】
また、例えば図１０に示したようなマッハツェンダ光干渉計型の光合分波回路８を複数段接続した光合分波器において、２段目以降の光合分波回路８においては、スルー伝搬波長とクロス伝搬波長がそれぞれ複数となる。
【００４３】
そこで、本発明者は、このように光合分波回路８を伝搬するスルー伝搬波長やクロス伝搬波長が複数ある場合の光合分波回路８の損失特性を検討するために、図１２に示すように、マッハツェンダ光干渉計型の光合分波回路８（８Ａ〜８Ｃ）を２段に接続した光合分波器について、以下の検討を行なった。
【００４４】
すなわち、同図において、波長λ１＝１５５１．７ｎｍ、λ２＝１５５４．９ｎｍ、λ３＝１５５８．２ｎｍ、λ４＝１５６１．４ｎｍとし、これらの波長の光を同図に示す光合分波器によって合波して２段目の光合分波回路８（８Ｃ）の第１の光導波路３から出力する際、光合分波回路８（８Ｃ）を構成する方向性結合部１，２の結合効率が５０％になる波長を上記４つの波長にしたときに、それぞれ、光通過損失の最大値がどのような値になるかを求めた。
【００４５】
その結果、図４の（ｂ）に示すように、波長１５５８．２ｎｍ付近の波長に対する光合分波回路８（８Ｃ）の方向性結合部１，２の結合効率を５０％にすることにより、図１２に示す光合分波器の光通過損失を最小にすることができることが分かった。波長１５５８．２ｎｍは、光合分波回路８（８Ｃ）のクロス伝搬波長であるλ２（１５５４．９ｎｍ）とλ４（１５６１．４ｎｍ）の平均波長である。
【００４６】
この検討結果から、本発明者は、光合分波回路８を伝搬するクロス伝搬波長が複数ある場合には、その複数波長の平均波長に対する光合分波回路８の方向性結合部１，２の結合効率をできるだけ５０％にすることにより、光合分波回路８を伝搬するそれぞれの波長の光の通過損失を小さくできると考えた。
【００４７】
さらに、本発明者がマッハツェンダ光干渉計型の光合分波回路８の第１と第２の方向性結合部１，２の結合効率を設定値にするために必要な方向性結合部の結合部長を、波長毎に検討したところ、図５に示す結果が得られた。
【００４８】
なお、この検討は、光合分波回路８の比屈折率差Δ０．４％とし、図９に示すような第１と第２の方向性結合部１，２のピッチＰ１、Ｐ２（近接する第１の光導波路３と第２の光導波路４の中心間距離）を１２．５μｍとして行なった。
【００４９】
図５に示すように、波長を同図の横軸に示す範囲で変化させた場合、それぞれの波長に対する第１と第２の方向性結合部１，２の結合効率を５０％（η＝０．５）とするために必要な結合部長は、設定波長が長波長側になるほど短くてすむことが分かった。すなわち、結合部長を短くするために重要な構成は、クロス伝搬経路を通るクロス伝搬波長をスルー伝搬波長よりも長波長側の波長とすることであることが分かった。
【００５０】
ここで、上記のように、光合分波回路８の損失を小さくするためにはクロス伝搬波長に対する第１と第２の方向性結合部１，２の結合効率を約５０％とすることが望ましいので、各段の光合分波回路において、スルー伝搬波長とクロス伝搬波長のうちクロス伝搬波長（複数の場合はその平均波長）を長波長側の波長とすれば、各段の光合分波回路の損失を小さくし、かつ、第１と第２の方向性結合部１，２の長さを短くして各段の光合分波回路の長さを短くできることが分かる。
【００５１】
なお、本発明において、各段の光合分波回路のクロス伝搬波長に対する第１と第２の方向性結合部１，２の結合効率を約５０％とするとは限らないが、上記のように、各段の光合分波回路のクロス伝搬波長に対する第１と第２の方向性結合部１，２の結合効率が５０％に近い方が低損失を達成できる。
【００５２】
また、図５には示されていないが、それぞれの波長に対する第１と第２の方向性結合部１，２の結合効率を設定値とするために必要な結合部長は、上記結合効率の設定値が５０％以外であっても、設定波長が長波長側になるほど短くてすむ。
【００５３】
したがって、各段の光合分波回路の第１と第２の方向性結合部１，２の長さを決定する際に、クロス伝搬波長に対する第１と第２の方向性結合部１，２の結合効率を基準とし（できればクロス伝搬波長の平均波長に対して結合効率を５０％に近い値にできるように）、第１と第２の方向性結合部１，２の長さを決定する方が、低損失と小型化の両立を達成できるために好ましい。
【００５４】
そして、クロス伝搬波長の平均波長に対して方向性結合部１，２の結合効率を決定すれば各段の光合分波回路８によって低損失で合分波することができ、かつ、各段の光合分波回路８の長さも短くできる。
【００５５】
言い換えれば、本発明の光合分波器を構成する各段の光合分波回路において、スルー伝搬波長の平均波長よりもクロス伝搬波長の平均波長を長波長とすることにより、各段の光合分波回路の損失を小さくしながら各段の光合分波回路の長さを短くでき、光合分波器の小型化を図ることができる。
【００５６】
なお、図５から明らかなように、例えば周波数２１２．５ＴＨｚ〜１９８．５ＴＨｚ（波長１４１０．８ｎｍ〜１５１０．４ｎｍ）の約１００ｎｍのＲａｍａｎ増幅波長帯において、１ＴＨｚ間隔で１６波の光を４段の光合分波回路８によって合波する場合、各段の光合分波回路８の方向性結合部１，２の結合部長の最大値と最小値との差は約６５μｍとなる。そうすると、４段の光合分波回路８を接続して形成される光合分波器は、設計の仕方によって、約８倍の５２０μｍの差が生じることになる。
【００５７】
さらに、本発明者は、各段の光合分波回路を形成する方向性結合部の結合効率は、例えば図６に示すように、結合部長に対して周期的に変わることに着目した。なお、図６において、結合効率をηの値で示している。
【００５８】
方向性結合部において、その完全結合部長Ｌｃと、リード部結合長（結合部以外での結合を結合長に換算した値）Ｌｅと、方向性結合部の結合部長ＬＲと、結合効率を表すηとの間には、式（６）に示す関係が成り立つ。
【００５９】
η＝ｓｉｎ２｛（π／２）・（Ｌｅ＋ＬＲ）／ＬＣ｝・・・・・（６）
【００６０】
上記結合部長ＬＲは図８のＲに示す領域の長さであり、図８のＳに示す領域の光の結合付与を結合長に換算した値が上記リード部結合長Ｌｅである。図６に示すように、結合効率ηは、結合部長ＬＲの関数で表され、その周期は２・ＬＣに等しい。なお、完全結合部長ＬＣは、結合効率が１００％（すなわちη＝１）を実現する長さに対応する。
【００６１】
また、上記式（６）の関係を、図６に示したような結合効率の特性データにおける位相φとηとの関係で表すと、式（７）に示すようになる。
【００６２】
φ＝ｓｉｎ−１（√η）＝（π／２）・（Ｌｅ＋ＬＲ）／ＬＣ・・・・（７）
【００６３】
図６に示したように、ηは結合部長ＬＲに対して正弦波的に変動するが、位相φは線形的に変化するので、異なった位相φ同士でも安定性を直接比較できることになる。そこで、本発明者は、複数の光合分波回路８を作製し、これら複数の光合分波回路８の結合効率データを全て位相データに変換し、方向性結合部１，２の安定性についての解析を行なった。
【００６４】
その結果、図７に示すように、位相φが大きくなると位相φの作製ばらつきが大きくなり、特性が劣化することが分かった。位相φがばらつくとηがばらつき（方向性結合部の結合効率がばらつき）、結合効率が設計値からずれると挿入損失が大きくなる。
【００６５】
そこで、本発明者は、位相φを小さくすることが好ましいと考えた。また、本発明者は、図６に示す結果から明らかなように、方向性結合部１，２の結合効率を５０％にできる（ηを０．５にできる）位相の最小値がπ／４であることから、位相φを約π／４にできるように、前記式（７）における（π／２）・（Ｌｅ＋ＬＲ）／ＬＣの値を約π／４とすることにより、小型化と挿入損失の低減をより一層確実に実現できると考えた。
【００６６】
上記構成の第１〜第３の発明は、以上の検討に基づき、その構成を決定したものである。したがって、第１の発明の構成により、各段の光合分波回路の長さを短くでき、光合分波器の小型化を図ることができ、第２の発明の構成により、低損失で合波や分波を行える光合分波器を実現することができ、さらに、第３の発明の構成により、光合分波器の小型化および低損失化、作製ばらつきの低減をより一層確実に行える光合分波器を実現することができる。
【００６７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、本実施形態例の説明において、従来例と同一名称部分には同一符号を付し、その重複説明は省略または簡略化する。図１には、本発明に係る光合分波器の一実施形態例の要部構成図が示されている。
【００６８】
本実施形態例の光合分波器は、７個の光合分波回路８（８Ａ〜８Ｇ）を３段にツリー状に接続して形成されており、本実施形態例の光合分波器は、表１に示す波長λ１〜λ８の光を、図１に示すそれぞれの光入力部５ａ〜５ｈから入力する構成と成している。
【００６９】
【表１】
【００７０】
本実施形態例の光合分波器の第１の特徴は、表１に示すように、各段の光合分波回路８（８Ａ〜８Ｇ）におけるスルー伝搬波長の平均波長よりもクロス伝搬波長の平均波長を長波長としたことである。
【００７１】
また、本実施形態例の光合分波器の第２の特徴は、表１に示すように、各段の光合分波回路８（８Ａ〜８Ｇ）の方向性結合部１，２を、各段の光合分波回路８（８Ａ〜８Ｇ）に対応するクロス伝搬波長の平均波長に対する結合効率が約５０％（η＝０．５）となるようにしたことである。なお、表１において、ＤＣは方向性結合部１，２を示している。
【００７２】
具体的には、第１段目の光合分波回路８（８Ａ）においては、クロス伝搬波長λ８（１５０２．７ｎｍ）をスルー伝搬波長λ４（１４７３．２ｎｍ）よりも長波長とし、かつ、光合分波回路８（８Ａ）は、クロス伝搬波長λ８に対する第１と第２の方向性結合部１，２の結合効率を５０％（η＝０．５）としている。
【００７３】
また、第１段目の光合分波回路８（８Ｂ）においては、クロス伝搬波長λ６（１４８７．８ｎｍ）をスルー伝搬波長λ２（１４５８．８ｎｍ）よりも長波長とし、かつ、光合分波回路８（８Ｂ）は、クロス伝搬波長λ６に対する第１と第２の方向性結合部１，２の結合効率を５０％としている。
【００７４】
第１段目の光合分波回路８（８Ｃ）においては、クロス伝搬波長λ５（１４８０．５ｎｍ）をスルー伝搬波長λ１（１４５１．８ｎｍ）よりも長波長とし、かつ、光合分波回路８（８Ｃ）は、クロス伝搬波長λ５に対する第１と第２の方向性結合部１，２の結合効率を５０％としている。
【００７５】
第１段目の光合分波回路８（８Ｄ）においては、クロス伝搬波長λ７（１４９５．２ｎｍ）をスルー伝搬波長λ３（１４６６．０ｎｍ）よりも長波長とし、かつ、光合分波回路８（８Ｄ）は、クロス伝搬波長λ７に対する第１と第２の方向性結合部１，２の結合効率を５０％としている。
【００７６】
第２段目の光合分波回路８（８Ｅ）においては、クロス伝搬波長の平均波長（２・λ４・λ８）／（λ４＋λ８）をスルー伝搬波長の平均波長（２・λ２・λ６）／（λ２＋λ６）よりも長波長とし、かつ、光合分波回路８（８Ｅ）は、クロス伝搬波長の平均波長（２・λ４・λ８）／（λ４＋λ８）に対する第１と第２の方向性結合部１，２の結合効率を５０％としている。
【００７７】
第２段目の光合分波回路８（８Ｆ）においては、クロス伝搬波長の平均波長（２・λ３・λ７）／（λ３＋λ７）をスルー伝搬波長の平均波長（２・λ１・λ５）／（λ１＋λ５）／２よりも長波長とし、かつ、光合分波回路８（８Ｆ）は、クロス伝搬波長の平均波長（２・λ３・λ７）／（λ３＋λ７）に対する第１と第２の方向性結合部１，２の結合効率を５０％としている。
【００７８】
さらに、第３段目の光合分波回路８（８Ｇ）においては、クロス伝搬波長の平均波長（４・λ２・λ４・λ６・λ８）／（λ４・λ６・λ８＋λ２・λ６・λ８＋λ２・λ４・λ８＋λ２・λ４・λ６）をスルー伝搬波長の平均波長（４・λ１・λ３・λ５・λ７）／（λ３・λ５・λ７＋λ１・λ５・λ７＋λ１・λ３・λ７＋λ１・λ３・λ５）よりも長波長とし、かつ、光合分波回路８（８Ｇ）は、クロス伝搬波長の平均波長（４・λ２・λ４・λ６・λ８）／（λ４・λ６・λ８＋λ２・λ６・λ８＋λ２・λ４・λ８＋λ２・λ４・λ６）に対する第１と第２の方向性結合部１，２の結合効率を５０％としている。
【００７９】
また、各光合分波回路８（８Ａ〜８Ｇ）における第１と第２の方向性結合部１，２のそれぞれの結合部長は、表１に示す値であり、これらの値は、各段の光合分波回路８（８Ａ〜８Ｇ）に対応するクロス伝搬波長の平均波長に対する第１と第２の方向性結合部１，２の結合効率を約５０％にできる最短の長さである。
【００８０】
すなわち、本実施形態例において、それぞれの光合分波回路８（８Ａ〜８Ｇ）のそれぞれの方向性結合部１，２の結合部長をＬＲ、方向性結合部１，２の完全結合長をＬＣ、方向性結合部１，２のリード部結合長をＬｅとしたとき、（π／２）・（Ｌｅ＋ＬＲ）／ＬＣを約π／４としている。この設計により本実施形態例の光合分波器の長さは従来例の６３ｍｍから６２ｍｍと短くすることができた。
【００８１】
また、本実施形態例の光合分波器は以下のようにして形成されている。すなわち、まず、シリコン基板上に石英系ガラスを火炎堆積法で下部クラッド層、コア層を形成し、下部クラッド層とコア層をガラス化する。次に、図１に示したパターンを有するフォトマスクを用い、フォトリソグラフィ、ドライエッチング技術で図１に示したパターンのコア回路を形成する。その後、火炎堆積法を用いてコア回路を覆う上部クラッドを堆積し、ガラス化炉にてガラス化することにより光合分波器を作製する。
【００８２】
なお、下部クラッドと上部クラッドの屈折率は互いに等しくし、コアには下部クラッドおよび上部クラッドよりも屈折率を高めるためのＧｅＯ２またはＴｉＯ２をドーパントとして添加し、比屈折率差Δは０．４％とした。
【００８３】
本実施形態例は以上のように構成されており、本実施形態例の光合分波器は、本発明者の検討に基づき、光合分波器を形成する各段の光合分波回路８（８Ａ〜８Ｇ）において、スルー伝搬波長の平均波長よりもクロス伝搬波長の平均波長を長波長としたものであるから、各段の光合分波回路８（８Ａ〜８Ｇ）の長さを短くでき、光合分波器の長さを短くして小型化を図ることができる。
【００８４】
本実施形態例の光合分波器の長さは上記の如く６２ｍｍであり、図３に示すように、１つの４インチウエハ２０に光合分波器のチップ９を１８個形成することができた。なお、本実施形態例と同じ波長の光を合波するために、図１０に示したような従来の光合分波器を作製すると、その長さは６３ｍｍとなることから、図１１に示したように１つのウエハ２０からチップ９を１７個しか形成できない。
【００８５】
すなわち、本実施形態例の光合分波器は、上記のように長さが短い分だけ１つのウエハ２０を用いて多くの光合分波器を形成することができるので、その分だけコストを低減することができる。
【００８６】
また、本実施形態例の光合分波器は、各段の光合分波回路８（８Ａ〜８Ｇ）において、方向性結合部１，２のクロス伝搬波長の平均波長に対する結合効率を約５０％としたものであるから、図４の（ａ）、（ｂ）に示したような本発明者の検討から明らかなように、低損失で合波や分波を行える光合分波器を実現することができる。
【００８７】
さらに、本実施形態例の光合分波器は、各段の光合分波回路８（８Ａ〜８Ｇ）における方向性結合部１，２の結合部長ＬＲ、方向性結合部１，２の完全結合長ＬＣ、方向性結合部１，２のリード部結合長Ｌｅにより決定される（π／２）・（Ｌｅ＋ＬＲ）／ＬＣの値を約π／４としたものであるから、光合分波器の小型化および低損失化をより一層確実に行える光合分波器を実現することができる。
【００８８】
図２には、本実施形態例の光合分波器の合波特性が示されており、同図から明らかなように、最悪ポートの通過損失（ピークロス）は０．７７ｄＢであった。なお、本実施形態例と同じ波長の光を合波するために、図１０に示した回路を有する従来の光合分波器を作製すると、その最悪ポートの通過損失（ピークロス）は０．９ｄＢであり、通過損失を低減できることが確認できた。
【００８９】
なお、本発明は上記実施形態例に限定されることはなく、様々な実施の態様を採り得る。例えば本発明の光合分波器において、光合分波回路８の接続段数は特に限定されるものでなく適宜設定されるものであり、２段の光合分波回路８をツリー状に接続してもよいし、４段以上の光合分波回路８をツリー状に接続して本発明の光合分波器を形成することもできる。
【００９０】
また、本発明の光合分波器によって合分波する光の波長は特に限定されるものでなく適宜設定されるものであり、各段の光合分波回路８におけるスルー伝搬波長の平均波長よりもクロス伝搬波長の平均波長を長波長とすればよい。
【００９１】
さらに、上記例では光合分波器によって波長多重光を合波する例を述べたが、本発明の光合分波器は複数の波長の光を分波する波長合波器にも適用できるものである。
【００９２】
【発明の効果】
本発明の光合分波器は、本発明者の検討に基づき、光合分波器を形成する各段の光合分波回路において、スルー伝搬波長の平均波長よりもクロス伝搬波長の平均波長を長波長としたものであるから、各段の光合分波回路の長さを短くでき、光合分波器の小型化を図ることができ、それにより低価格化を図ることができる。
【００９３】
また、本発明の光合分波器において、各段の光合分波器において、方向性結合部のクロス伝搬波長の平均波長に対する結合効率を約５０％とし、各段の光合分波回路の方向性結合部は各段の光合分波回路に対応するスルー伝搬波長の平均波長に対する結合効率よりも、クロス伝搬波長の平均波長に対する結合効率を５０％に近い値とした構成としたので、低損失で合波や分波を行える光合分波器を実現することができる。
【００９４】
さらに、本発明の光合分波器において、各段の光合分波器における方向性結合部の結合部長ＬＲ、各段の光合分波回路に対応するクロス伝搬波長の平均波長に対する方向性結合部の完全結合長ＬＣ、各段の光合分波回路に対応するクロス伝搬波長の平均波長に対する方向性結合部のリード部結合長Ｌｅにより決定される（π／２）・（Ｌｅ＋ＬＲ）／ＬＣの値を約π／４としたので、光合分波器の小型化および低損失化をより一層確実に行える光合分波器を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光合分波器の一実施形態例を模式的に示す要部構成図である。
【図２】上記実施形態例の光合分波器の光合波特性を示すグラフである。
【図３】上記実施形態例の光合分波器のチップを４インチウエハ上に形成するときの配置構成を示す説明図である。
【図４】スルー伝搬波長とクロス伝搬波長の結合効率を変化させたときの光合分波回路の損失を示すグラフ（ａ）と、方向性結合部の結合効率を５０％とする波長を変化させたときの光合分波器の損失を示すグラフ（ｂ）である。
【図５】波長に対する結合効率を５０％とするために必要な方向性結合部の結合長を示すグラフである。
【図６】方向性結合部の結合部長と結合効率の関係を示すグラフである。
【図７】方向性結合部の位相平均値とばらつきの関係を示すグラフである。
【図８】方向性結合部の結合部長、リード部結合長の説明図である。
【図９】マッハツェンダ光干渉計型の光合分波回路を示す説明図である。
【図１０】マッハツェンダ光干渉計型の光合分波回路を複数段接続した回路構成例を示す説明図である。
【図１１】従来のマッハツェンダ光干渉計型の光合分波回路を複数段接続した回路構成を４インチウエハ上に形成するときの配置構成を示す説明図である。
【図１２】マッハツェンダ光干渉計型の光合分波回路を複数段接続した回路構成例を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 第１の方向性結合部
２ 第２の方向性結合部
３ 第１の光導波路
４ 第２の光導波路
８，８Ａ〜８Ｇ 光合分波回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信等で用いられる光合分波器に関するものである。
【０００２】
【背景技術】
近年のインターネットトラヒックの急増を背景に、通信ネットワーク容量の拡大が急務となっており、それに伴い、波長分割多重（Wavelength Division Multiplexing (WDM)）伝送技術の検討が盛んに行なわれている。波長分割多重伝送技術は、１本の光ファイバに異なる波長の光信号を複数多重して伝送するため、伝送容量を波長多重分だけ拡大できる。
【０００３】
波長分割多重伝送システムを実現するためには、光合分波器等の光デバイスが必要となる。光合分波器は、例えば複数波長の光を合波したり、多重光を各々の波長の光に分波（分離）するための装置であり、例えば波長分割多重伝送システムにおいて、合波用に設けられた光合分波器によって複数の波長の光を合波し、合波された波長多重光を光ファイバに伝送することが行なわれる。また、この光ファイバを伝送した波長多重光は、例えば分波用に設けられた光合分波器によって分波され、波長毎に取り出される。
【０００４】
光合分波器の一例として、基板上に光導波回路を形成した光導波路型の光合分波器が挙げられる。この光導波路型の光合分波器は、半導体分野で培われた高精度なパターン化技術を適用できるために、設計性が良好である。
【０００５】
光導波路型の光合分波器として、例えばマッハツェンダ光干渉計（MZI：Mach-Zehnder Interferometer）型の光合分波器が実用化されており、図９には、マッハツェンダ光干渉計型の光合分波器を形成する回路（光合分波回路）の構成例が示されている。
【０００６】
図９に示す光合分波回路８は、第１の光導波路３と、該第１の光導波路３と並設された第２の光導波路４とを有し、前記第１の光導波路３と前記第２の光導波路４を近接させて成る第１の方向性結合部１と、該第１の方向性結合部１と光導波路長手方向に間隔を介した位置において前記第１の光導波路３と前記第２の光導波路４を近接させて成る第２の方向性結合部２とを有している。第１の方向性結合部１と第２の方向性結合部２に挟まれた第１の光導波路３と第２の光導波路４の長さは、互いに異なる長さと成している。
【０００７】
図９に示す光合分波回路８は、第１の方向性結合部１と第２の方向性結合部２に挟まれた第１の光導波路３と第２の光導波路４の長さの差ΔＬと、第１および第２の光導波路３，４の屈折率ｎとの積（ｎ・ΔＬ）を適宜設定することにより、異なる波長の光の合波や分波を行なう光合分波回路である。
【０００８】
なお、マッハツェンダ光干渉計型の光合分波回路８において、一般に、前記第１の光導波路３の入射側１３から入力されて該第１の光導波路３の出射側２３から出力される光の経路または、前記第２の光導波路４の入射側１４から入力されて該第２の光導波路４の出射側２４から出力される光の経路はスルー伝搬経路と呼ばれている。そして、本明細書において、このスルー伝搬経路を伝搬するように設計される光の波長をスルー伝搬波長と呼ぶ。図９においては、波長λ１がスルー伝搬波長である。
【０００９】
また、マッハツェンダ光干渉計型の光合分波回路８において、第１の光導波路３の入射側１３から入力されて第２の光導波路４の出射側２４から出力される光の経路または、前記第２の光導波路４の入射側１４から入力されて前記第１の光導波路１の出射側２３から出力される光の経路はクロス伝搬経路と呼ばれている。そして、本明細書において、このクロス伝搬経路を伝搬するように設計される光の波長をクロス伝搬波長と呼ぶ。図９においては、波長λ２がクロス伝搬波長である。
【００１０】
また、例えば図１０に示すように、マッハツェンダ光干渉計型の光合分波回路８（８Ａ〜８Ｇ）をツリー状に接続して形成した光合分波器が提案されている。この光合分波器は、光合分波回路８（８Ａ〜８Ｇ）を１つ以上並設してなる第１段から第Ｍ段（Ｍは２以上の整数であり、ここでは３）の複数段（ここでは３段）の光合分波回路８を有している。
【００１１】
図１０に示す光合分波器において、例えば第１段の複数の光合分波回路８（８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄ）が第１と第２の光導波路３，４からそれぞれ入力する光を合波して第１または第２の光導波路３，４から出力する。これら第１段の１対の光合分波回路８（８Ａ，８Ｂ）の光出力を第２段の光合分波回路８（８Ｅ）でさらに合波し、１対の光合分波器（８Ｃ，８Ｄ）の光出力を第２段の光合分波回路８（８Ｆ）でさらに合波する。
【００１２】
さらに、第２段の１対の光合分波回路８（８Ｅ、８Ｆ）の光出力を第３段の光合分波回路８（８Ｇ）が合波する。このように、同図に示す光合分波器は、前段の対の光合分波回路８の光出力を後段の光合分波回路８でさらに合波する。
【００１３】
図１０に示す光合分波器において、第１段の光合分波回路８Ａは波長λａとλｂの光を合波し、第１段の光合分波回路８Ｂは波長λｃとλｄの光を合波し、第１段の光合分波回路８Ｃは波長λｅとλｆの光を合波し、第１段の光合分波回路８Ｄは波長λｇとλｈの光を合波する。
【００１４】
また、第２段の光合分波回路８Ｅは波長λａ、λｂ、λｃ、λｄの光を合波し、第２段の光合分波回路８Ｆは波長λｅ、λｆ、λｇ、λｈの光を合波する。さらに、第３段の光合分波回路８Ｇは、波長λａ、λｂ、λｃ、λｄ、λｅ、λｆ、λｇ、λｈの光を合波して第２の光導波路４から出力する。
【００１５】
なお、図１０に示したような光合分波器は光回路の相反性を有しているために、図１０とは逆に光合分波回路８（８Ｇ）の第２の光導波路４側から波長λａ、λｂ、λｃ、λｄ、λｅ、λｆ、λｇ、λｈの多重光を入力すると、それぞれの波長の光に分波されて出力される。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、例えば波長分割多重伝送用に適用される光合分波器のより低損失化が望まれるようになったが、上記提案を含め、従来のマッハツェンダ光干渉計型の光合分波回路８を複数段接続した光合分波器において、それぞれの光入力部から入力する光の波長を決定する際の明確な構成要件はなかったために、上記低損失化に十分対応することができなかった。
【００１７】
また、上記光合分波器にはその価格をより低価格にすることが望まれており、この低価格化の実現のためにはチップ長をより短くすることが望まれている。
【００１８】
例えばチップ長が６３ｍｍのチップを４インチウエハに配置する場合、作製プロセスでのマージンをとると、例えば図１１に示すように、１つのウエハ２０に１列にチップ９を１７個しか配列できないのに対し、例えばチップ長を６２ｍｍにした場合には、図３に示すように、１つのウエハ２０にチップ９を１８個配列できる。なお、図３、図１１において、▲１▼，▲２▼，▲３▼…は、チップの配列番号を示している。
【００１９】
このように、１つのウエハ２０に配列するチップ９の配列数を多くできればその分だけ作製コストを低減できるので、光合分波器はチップ長が短い方が望ましい。
【００２０】
本発明は上記従来の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、チップ長が短く、低価格、低損失の光合分波器を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は次のような構成をもって課題を解決するための手段としている。すなわち、本発明は、第１の光導波路と、該第１の光導波路と並設された第２の光導波路とを有し、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路を近接させて成る第１の方向性結合部と、該第１の方向性結合部と光導波路長手方向に間隔を介した位置において前記第１の光導波路と前記第２の光導波路を近接させて成る第２の方向性結合部とを有し、該第２の方向性結合部と前記第１の方向性結合部に挟まれた第１の光導波路と第２の光導波路は互いに異なる長さと成したマッハツェンダ光干渉計型の光合分波回路を複数段接続して形成され、前記各段の光合分波回路において第１の光導波路の入射側から入力されて第２の光導波路の出射側から出力される光波長又は前記第２の光導波路の入射側から入力されて前記第１の光導波路の出射側から出力される光波長をクロス伝搬波長とし、前記第１の光導波路の入射側から入力されて該第１の光導波路の出射側から出力される光波長又は前記第２の光導波路の入射側から入力されて該第２の光導波路の出射側から出力される光波長をスルー伝搬波長とし、少なくとも１つの光合分波回路において方向性結合部の結合効率が互いに異なる複数のクロス伝搬波長を有し、前記各段の光合分波回路におけるスルー伝搬波長の各波長を周波数換算してその周波数の算術平均で光速Ｃを割ることにより求めた平均波長よりもクロス伝搬波長の各波長を周波数換算してその周波数の算術平均で光速Ｃを割ることにより求めた平均波長を長波長とし、各段の光合分波回路の方向性結合部は各段の光合分波回路に対応するクロス伝搬波長の平均波長に対する結合効率を約５０％とし、各段の光合分波回路の方向性結合部は各段の光合分波回路に対応するスルー伝搬波長の平均波長に対する結合効率よりも、クロス伝搬波長の平均波長に対する結合効率を５０％に近い値とし、方向性結合部の結合部長をＬＲとし、各段の光合分波回路に対応するクロス伝搬波長の平均波長に対する前記方向性結合部の完全結合長をＬＣとし、各段の光合分波回路に対応するクロス伝搬波長の平均波長に対する前記方向性結合部のリード部結合長をＬｅとしたとき、（π／２）・（Ｌｅ＋ＬＲ）／ＬＣを約π／４とした構成をもって課題を解決する手段としている。
【００２４】
なお、本明細書で述べるスルー伝搬波長の平均波長およびクロス伝搬波長の平均波長とはいずれも平均周波数の波長換算値を示すものであり、各波長を周波数換算し、その周波数の算術平均で光速Ｃを割ることにより求める。
【００２５】
例えばスルー伝搬波長をλ１、λ３とした場合、その平均波長は（数１）に示す値となり、クロス伝搬波長をλ２、λ４としたとき、その平均波長は（数２）に示す値となる。
【００２６】
【数１】
【数２】
また、スルー伝搬波長が１波長の場合は、その平均波長もその値（例えば図９ではλ１）となり、クロス伝搬波長が１波長の場合は、その平均波長もその値（例えば図９ではλ２）となる。
【００２９】
ところで、例えば図９に示したようなマッハツェンダ光干渉計型の光合分波回路８において、スルー伝搬波長を通る光の透過率をＴthとし、クロス伝搬波長を通る光の透過率をＴcrとすると、これらの透過率Ｔth、Ｔcrは、前記長さの差ΔＬ、前記屈折率ｎを用いて、それぞれ以下の式（１）、（２）により表される。
【００３０】
Ｔth＝１−ｓｉｎ２（２ｓｉｎ−１√η）ｃｏｓ２（π・ｎ・ΔＬ／λ）・・・・・（１）
【００３１】
Ｔcr＝ｓｉｎ２（２ｓｉｎ−１√η）ｃｏｓ２（π・ｎ・ΔＬ／λ）・・・・・（２）
【００３２】
ηは第１と第２の方向性結合部１，２の結合効率を０から１の数により表したものである。結合効率１００％のとき、η＝１としており、結合効率５０％はη＝０．５である。なお、本発明の光合分波器において、第１と第２の方向性結合部の結合効率は互いにほぼ等しい。
【００３３】
ここで、スルー伝搬波長をλ１とし、クロス伝搬波長をλ２とすると、これらの波長の光を低損失、低クロストークで合波するには、以下の式（３）〜（５）を満たす必要がある。
【００３４】
η＝０．５・・・・・（３）
【００３５】
ｎ・ΔＬ＝λ１・（Ｎ±０．５）・・・・・（４）
【００３６】
ｎ・ΔＬ＝λ２・Ｎ・・・・・（５）
【００３７】
なお、ΔＬは異なる整数Ｎに対して複数決定することができる。
【００３８】
本発明者は、光合分波器の低損失化を実現するために、図９に示した光合分波回路８において、波長λ１とλ２の光に対する第１と第２の方向性結合部１，２の結合効率を変化させ、光合分波回路８における波長λ１の光の通過損失と波長λ２の光の通過損失を計算した。
【００３９】
その結果、図４の（ａ）に示す結果が得られた。図４の（ａ）において、横軸は結合効率をηの値により示しており、特性線ａはスルー伝搬波長である波長λ１の光の通過損失、特性線ｂはクロス伝搬波長である波長λ２の光の通過損失を示す。
【００４０】
図４の（ａ）の特性線ａに示すように、スルー伝搬波長である波長λ１の光の通過損失は、方向性結合部１，２の結合効率が４５％から５５％まで変化しても（ηが０．４５から０．５５まで変化しても）ほとんど変化しない。それに対し、図４の（ａ）の特性線ｂに示すように、クロス伝搬波長である波長λ２の光の通過損失は方向性結合部１，２の結合効率の値が５０％から遠ざかるにつれて（ηが０．５から遠ざかるにつれて）大きく増加することが分かった。
【００４１】
そこで、本発明者は、マッハツェンダ光干渉計型の光合分波回路８において、クロス伝搬波長に対する方向性結合部１，２の結合効率をできるだけ５０％にすることにより、光合分波回路８を伝搬するそれぞれの波長の光の通過損失を小さくできると考えた。
【００４２】
また、例えば図１０に示したようなマッハツェンダ光干渉計型の光合分波回路８を複数段接続した光合分波器において、２段目以降の光合分波回路８においては、スルー伝搬波長とクロス伝搬波長がそれぞれ複数となる。
【００４３】
そこで、本発明者は、このように光合分波回路８を伝搬するスルー伝搬波長やクロス伝搬波長が複数ある場合の光合分波回路８の損失特性を検討するために、図１２に示すように、マッハツェンダ光干渉計型の光合分波回路８（８Ａ〜８Ｃ）を２段に接続した光合分波器について、以下の検討を行なった。
【００４４】
すなわち、同図において、波長λ１＝１５５１．７ｎｍ、λ２＝１５５４．９ｎｍ、λ３＝１５５８．２ｎｍ、λ４＝１５６１．４ｎｍとし、これらの波長の光を同図に示す光合分波器によって合波して２段目の光合分波回路８（８Ｃ）の第１の光導波路３から出力する際、光合分波回路８（８Ｃ）を構成する方向性結合部１，２の結合効率が５０％になる波長を上記４つの波長にしたときに、それぞれ、光通過損失の最大値がどのような値になるかを求めた。
【００４５】
その結果、図４の（ｂ）に示すように、波長１５５８．２ｎｍ付近の波長に対する光合分波回路８（８Ｃ）の方向性結合部１，２の結合効率を５０％にすることにより、図１２に示す光合分波器の光通過損失を最小にすることができることが分かった。波長１５５８．２ｎｍは、光合分波回路８（８Ｃ）のクロス伝搬波長であるλ２（１５５４．９ｎｍ）とλ４（１５６１．４ｎｍ）の平均波長である。
【００４６】
この検討結果から、本発明者は、光合分波回路８を伝搬するクロス伝搬波長が複数ある場合には、その複数波長の平均波長に対する光合分波回路８の方向性結合部１，２の結合効率をできるだけ５０％にすることにより、光合分波回路８を伝搬するそれぞれの波長の光の通過損失を小さくできると考えた。
【００４７】
さらに、本発明者がマッハツェンダ光干渉計型の光合分波回路８の第１と第２の方向性結合部１，２の結合効率を設定値にするために必要な方向性結合部の結合部長を、波長毎に検討したところ、図５に示す結果が得られた。
【００４８】
なお、この検討は、光合分波回路８の比屈折率差Δ０．４％とし、図９に示すような第１と第２の方向性結合部１，２のピッチＰ１、Ｐ２（近接する第１の光導波路３と第２の光導波路４の中心間距離）を１２．５μｍとして行なった。
【００４９】
図５に示すように、波長を同図の横軸に示す範囲で変化させた場合、それぞれの波長に対する第１と第２の方向性結合部１，２の結合効率を５０％（η＝０．５）とするために必要な結合部長は、設定波長が長波長側になるほど短くてすむことが分かった。すなわち、結合部長を短くするために重要な構成は、クロス伝搬経路を通るクロス伝搬波長をスルー伝搬波長よりも長波長側の波長とすることであることが分かった。
【００５０】
ここで、上記のように、光合分波回路８の損失を小さくするためにはクロス伝搬波長に対する第１と第２の方向性結合部１，２の結合効率を約５０％とすることが望ましいので、各段の光合分波回路において、スルー伝搬波長とクロス伝搬波長のうちクロス伝搬波長（複数の場合はその平均波長）を長波長側の波長とすれば、各段の光合分波回路の損失を小さくし、かつ、第１と第２の方向性結合部１，２の長さを短くして各段の光合分波回路の長さを短くできることが分かる。
【００５１】
なお、本発明において、各段の光合分波回路のクロス伝搬波長に対する第１と第２の方向性結合部１，２の結合効率を約５０％とするとは限らないが、上記のように、各段の光合分波回路のクロス伝搬波長に対する第１と第２の方向性結合部１，２の結合効率が５０％に近い方が低損失を達成できる。
【００５２】
また、図５には示されていないが、それぞれの波長に対する第１と第２の方向性結合部１，２の結合効率を設定値とするために必要な結合部長は、上記結合効率の設定値が５０％以外であっても、設定波長が長波長側になるほど短くてすむ。
【００５３】
したがって、各段の光合分波回路の第１と第２の方向性結合部１，２の長さを決定する際に、クロス伝搬波長に対する第１と第２の方向性結合部１，２の結合効率を基準とし（できればクロス伝搬波長の平均波長に対して結合効率を５０％に近い値にできるように）、第１と第２の方向性結合部１，２の長さを決定する方が、低損失と小型化の両立を達成できるために好ましい。
【００５４】
そして、クロス伝搬波長の平均波長に対して方向性結合部１，２の結合効率を決定すれば各段の光合分波回路８によって低損失で合分波することができ、かつ、各段の光合分波回路８の長さも短くできる。
【００５５】
言い換えれば、本発明の光合分波器を構成する各段の光合分波回路において、スルー伝搬波長の平均波長よりもクロス伝搬波長の平均波長を長波長とすることにより、各段の光合分波回路の損失を小さくしながら各段の光合分波回路の長さを短くでき、光合分波器の小型化を図ることができる。
【００５６】
なお、図５から明らかなように、例えば周波数２１２．５ＴＨｚ〜１９８．５ＴＨｚ（波長１４１０．８ｎｍ〜１５１０．４ｎｍ）の約１００ｎｍのＲａｍａｎ増幅波長帯において、１ＴＨｚ間隔で１６波の光を４段の光合分波回路８によって合波する場合、各段の光合分波回路８の方向性結合部１，２の結合部長の最大値と最小値との差は約６５μｍとなる。そうすると、４段の光合分波回路８を接続して形成される光合分波器は、設計の仕方によって、約８倍の５２０μｍの差が生じることになる。
【００５７】
さらに、本発明者は、各段の光合分波回路を形成する方向性結合部の結合効率は、例えば図６に示すように、結合部長に対して周期的に変わることに着目した。なお、図６において、結合効率をηの値で示している。
【００５８】
方向性結合部において、その完全結合部長Ｌｃと、リード部結合長（結合部以外での結合を結合長に換算した値）Ｌｅと、方向性結合部の結合部長ＬＲと、結合効率を表すηとの間には、式（６）に示す関係が成り立つ。
【００５９】
η＝ｓｉｎ２｛（π／２）・（Ｌｅ＋ＬＲ）／ＬＣ｝・・・・・（６）
【００６０】
上記結合部長ＬＲは図８のＲに示す領域の長さであり、図８のＳに示す領域の光の結合付与を結合長に換算した値が上記リード部結合長Ｌｅである。図６に示すように、結合効率ηは、結合部長ＬＲの関数で表され、その周期は２・ＬＣに等しい。なお、完全結合部長ＬＣは、結合効率が１００％（すなわちη＝１）を実現する長さに対応する。
【００６１】
また、上記式（６）の関係を、図６に示したような結合効率の特性データにおける位相φとηとの関係で表すと、式（７）に示すようになる。
【００６２】
φ＝ｓｉｎ−１（√η）＝（π／２）・（Ｌｅ＋ＬＲ）／ＬＣ・・・・（７）
【００６３】
図６に示したように、ηは結合部長ＬＲに対して正弦波的に変動するが、位相φは線形的に変化するので、異なった位相φ同士でも安定性を直接比較できることになる。そこで、本発明者は、複数の光合分波回路８を作製し、これら複数の光合分波回路８の結合効率データを全て位相データに変換し、方向性結合部１，２の安定性についての解析を行なった。
【００６４】
その結果、図７に示すように、位相φが大きくなると位相φの作製ばらつきが大きくなり、特性が劣化することが分かった。位相φがばらつくとηがばらつき（方向性結合部の結合効率がばらつき）、結合効率が設計値からずれると挿入損失が大きくなる。
【００６５】
そこで、本発明者は、位相φを小さくすることが好ましいと考えた。また、本発明者は、図６に示す結果から明らかなように、方向性結合部１，２の結合効率を５０％にできる（ηを０．５にできる）位相の最小値がπ／４であることから、位相φを約π／４にできるように、前記式（７）における（π／２）・（Ｌｅ＋ＬＲ）／ＬＣの値を約π／４とすることにより、小型化と挿入損失の低減をより一層確実に実現できると考えた。
【００６６】
上記構成の第１〜第３の発明は、以上の検討に基づき、その構成を決定したものである。したがって、第１の発明の構成により、各段の光合分波回路の長さを短くでき、光合分波器の小型化を図ることができ、第２の発明の構成により、低損失で合波や分波を行える光合分波器を実現することができ、さらに、第３の発明の構成により、光合分波器の小型化および低損失化、作製ばらつきの低減をより一層確実に行える光合分波器を実現することができる。
【００６７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、本実施形態例の説明において、従来例と同一名称部分には同一符号を付し、その重複説明は省略または簡略化する。図１には、本発明に係る光合分波器の一実施形態例の要部構成図が示されている。
【００６８】
本実施形態例の光合分波器は、７個の光合分波回路８（８Ａ〜８Ｇ）を３段にツリー状に接続して形成されており、本実施形態例の光合分波器は、表１に示す波長λ１〜λ８の光を、図１に示すそれぞれの光入力部５ａ〜５ｈから入力する構成と成している。
【００６９】
【表１】
本実施形態例の光合分波器の第１の特徴は、表１に示すように、各段の光合分波回路８（８Ａ〜８Ｇ）におけるスルー伝搬波長の平均波長よりもクロス伝搬波長の平均波長を長波長としたことである。
【００７１】
また、本実施形態例の光合分波器の第２の特徴は、表１に示すように、各段の光合分波回路８（８Ａ〜８Ｇ）の方向性結合部１，２を、各段の光合分波回路８（８Ａ〜８Ｇ）に対応するクロス伝搬波長の平均波長に対する結合効率が約５０％（η＝０．５）となるようにしたことである。なお、表１において、ＤＣは方向性結合部１，２を示している。
【００７２】
具体的には、第１段目の光合分波回路８（８Ａ）においては、クロス伝搬波長λ８（１５０２．７ｎｍ）をスルー伝搬波長λ４（１４７３．２ｎｍ）よりも長波長とし、かつ、光合分波回路８（８Ａ）は、クロス伝搬波長λ８に対する第１と第２の方向性結合部１，２の結合効率を５０％（η＝０．５）としている。
【００７３】
また、第１段目の光合分波回路８（８Ｂ）においては、クロス伝搬波長λ６（１４８７．８ｎｍ）をスルー伝搬波長λ２（１４５８．８ｎｍ）よりも長波長とし、かつ、光合分波回路８（８Ｂ）は、クロス伝搬波長λ６に対する第１と第２の方向性結合部１，２の結合効率を５０％としている。
【００７４】
第１段目の光合分波回路８（８Ｃ）においては、クロス伝搬波長λ５（１４８０．５ｎｍ）をスルー伝搬波長λ１（１４５１．８ｎｍ）よりも長波長とし、かつ、光合分波回路８（８Ｃ）は、クロス伝搬波長λ５に対する第１と第２の方向性結合部１，２の結合効率を５０％としている。
【００７５】
第１段目の光合分波回路８（８Ｄ）においては、クロス伝搬波長λ７（１４９５．２ｎｍ）をスルー伝搬波長λ３（１４６６．０ｎｍ）よりも長波長とし、かつ、光合分波回路８（８Ｄ）は、クロス伝搬波長λ７に対する第１と第２の方向性結合部１，２の結合効率を５０％としている。
【００７６】
第２段目の光合分波回路８（８Ｅ）においては、クロス伝搬波長の平均波長（２・λ４・λ８）／（λ４＋λ８）をスルー伝搬波長の平均波長（２・λ２・λ６）／（λ２＋λ６）よりも長波長とし、かつ、光合分波回路８（８Ｅ）は、クロス伝搬波長の平均波長（２・λ４・λ８）／（λ４＋λ８）に対する第１と第２の方向性結合部１，２の結合効率を５０％としている。
【００７７】
第２段目の光合分波回路８（８Ｆ）においては、クロス伝搬波長の平均波長（２・λ３・λ７）／（λ３＋λ７）をスルー伝搬波長の平均波長（２・λ１・λ５）／（λ１＋λ５）／２よりも長波長とし、かつ、光合分波回路８（８Ｆ）は、クロス伝搬波長の平均波長（２・λ３・λ７）／（λ３＋λ７）に対する第１と第２の方向性結合部１，２の結合効率を５０％としている。
【００７８】
さらに、第３段目の光合分波回路８（８Ｇ）においては、クロス伝搬波長の平均波長（４・λ２・λ４・λ６・λ８）／（λ４・λ６・λ８＋λ２・λ６・λ８＋λ２・λ４・λ８＋λ２・λ４・λ６）をスルー伝搬波長の平均波長（４・λ１・λ３・λ５・λ７）／（λ３・λ５・λ７＋λ１・λ５・λ７＋λ１・λ３・λ７＋λ１・λ３・λ５）よりも長波長とし、かつ、光合分波回路８（８Ｇ）は、クロス伝搬波長の平均波長（４・λ２・λ４・λ６・λ８）／（λ４・λ６・λ８＋λ２・λ６・λ８＋λ２・λ４・λ８＋λ２・λ４・λ６）に対する第１と第２の方向性結合部１，２の結合効率を５０％としている。
【００７９】
また、各光合分波回路８（８Ａ〜８Ｇ）における第１と第２の方向性結合部１，２のそれぞれの結合部長は、表１に示す値であり、これらの値は、各段の光合分波回路８（８Ａ〜８Ｇ）に対応するクロス伝搬波長の平均波長に対する第１と第２の方向性結合部１，２の結合効率を約５０％にできる最短の長さである。
【００８０】
すなわち、本実施形態例において、それぞれの光合分波回路８（８Ａ〜８Ｇ）のそれぞれの方向性結合部１，２の結合部長をＬＲ、方向性結合部１，２の完全結合長をＬＣ、方向性結合部１，２のリード部結合長をＬｅとしたとき、（π／２）・（Ｌｅ＋ＬＲ）／ＬＣを約π／４としている。この設計により本実施形態例の光合分波器の長さは従来例の６３ｍｍから６２ｍｍと短くすることができた。
【００８１】
また、本実施形態例の光合分波器は以下のようにして形成されている。すなわち、まず、シリコン基板上に石英系ガラスを火炎堆積法で下部クラッド層、コア層を形成し、下部クラッド層とコア層をガラス化する。次に、図１に示したパターンを有するフォトマスクを用い、フォトリソグラフィ、ドライエッチング技術で図１に示したパターンのコア回路を形成する。その後、火炎堆積法を用いてコア回路を覆う上部クラッドを堆積し、ガラス化炉にてガラス化することにより光合分波器を作製する。
【００８２】
なお、下部クラッドと上部クラッドの屈折率は互いに等しくし、コアには下部クラッドおよび上部クラッドよりも屈折率を高めるためのＧｅＯ２またはＴｉＯ２をドーパントとして添加し、比屈折率差Δは０．４％とした。
【００８３】
本実施形態例は以上のように構成されており、本実施形態例の光合分波器は、本発明者の検討に基づき、光合分波器を形成する各段の光合分波回路８（８Ａ〜８Ｇ）において、スルー伝搬波長の平均波長よりもクロス伝搬波長の平均波長を長波長としたものであるから、各段の光合分波回路８（８Ａ〜８Ｇ）の長さを短くでき、光合分波器の長さを短くして小型化を図ることができる。
【００８４】
本実施形態例の光合分波器の長さは上記の如く６２ｍｍであり、図３に示すように、１つの４インチウエハ２０に光合分波器のチップ９を１８個形成することができた。なお、本実施形態例と同じ波長の光を合波するために、図１０に示したような従来の光合分波器を作製すると、その長さは６３ｍｍとなることから、図１１に示したように１つのウエハ２０からチップ９を１７個しか形成できない。
【００８５】
すなわち、本実施形態例の光合分波器は、上記のように長さが短い分だけ１つのウエハ２０を用いて多くの光合分波器を形成することができるので、その分だけコストを低減することができる。
【００８６】
また、本実施形態例の光合分波器は、各段の光合分波回路８（８Ａ〜８Ｇ）において、方向性結合部１，２のクロス伝搬波長の平均波長に対する結合効率を約５０％としたものであるから、図４の（ａ）、（ｂ）に示したような本発明者の検討から明らかなように、低損失で合波や分波を行える光合分波器を実現することができる。
【００８７】
さらに、本実施形態例の光合分波器は、各段の光合分波回路８（８Ａ〜８Ｇ）における方向性結合部１，２の結合部長ＬＲ、方向性結合部１，２の完全結合長ＬＣ、方向性結合部１，２のリード部結合長Ｌｅにより決定される（π／２）・（Ｌｅ＋ＬＲ）／ＬＣの値を約π／４としたものであるから、光合分波器の小型化および低損失化をより一層確実に行える光合分波器を実現することができる。
【００８８】
図２には、本実施形態例の光合分波器の合波特性が示されており、同図から明らかなように、最悪ポートの通過損失（ピークロス）は０．７７ｄＢであった。なお、本実施形態例と同じ波長の光を合波するために、図１０に示した回路を有する従来の光合分波器を作製すると、その最悪ポートの通過損失（ピークロス）は０．９ｄＢであり、通過損失を低減できることが確認できた。
【００８９】
なお、本発明は上記実施形態例に限定されることはなく、様々な実施の態様を採り得る。例えば本発明の光合分波器において、光合分波回路８の接続段数は特に限定されるものでなく適宜設定されるものであり、２段の光合分波回路８をツリー状に接続してもよいし、４段以上の光合分波回路８をツリー状に接続して本発明の光合分波器を形成することもできる。
【００９０】
また、本発明の光合分波器によって合分波する光の波長は特に限定されるものでなく適宜設定されるものであり、各段の光合分波回路８におけるスルー伝搬波長の平均波長よりもクロス伝搬波長の平均波長を長波長とすればよい。
【００９１】
さらに、上記例では光合分波器によって波長多重光を合波する例を述べたが、本発明の光合分波器は複数の波長の光を分波する波長合波器にも適用できるものである。
【００９２】
【発明の効果】
本発明の光合分波器は、本発明者の検討に基づき、光合分波器を形成する各段の光合分波回路において、スルー伝搬波長の平均波長よりもクロス伝搬波長の平均波長を長波長としたものであるから、各段の光合分波回路の長さを短くでき、光合分波器の小型化を図ることができ、それにより低価格化を図ることができる。
【００９３】
また、本発明の光合分波器において、各段の光合分波器において、方向性結合部のクロス伝搬波長の平均波長に対する結合効率を約５０％とし、各段の光合分波回路の方向性結合部は各段の光合分波回路に対応するスルー伝搬波長の平均波長に対する結合効率よりも、クロス伝搬波長の平均波長に対する結合効率を５０％に近い値とした構成としたので、低損失で合波や分波を行える光合分波器を実現することができる。
【００９４】
さらに、本発明の光合分波器において、各段の光合分波器における方向性結合部の結合部長ＬＲ、各段の光合分波回路に対応するクロス伝搬波長の平均波長に対する方向性結合部の完全結合長ＬＣ、各段の光合分波回路に対応するクロス伝搬波長の平均波長に対する方向性結合部のリード部結合長Ｌｅにより決定される（π／２）・（Ｌｅ＋ＬＲ）／ＬＣの値を約π／４としたので、光合分波器の小型化および低損失化をより一層確実に行える光合分波器を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光合分波器の一実施形態例を模式的に示す要部構成図である。
【図２】上記実施形態例の光合分波器の光合波特性を示すグラフである。
【図３】上記実施形態例の光合分波器のチップを４インチウエハ上に形成するときの配置構成を示す説明図である。
【図４】スルー伝搬波長とクロス伝搬波長の結合効率を変化させたときの光合分波回路の損失を示すグラフ（ａ）と、方向性結合部の結合効率を５０％とする波長を変化させたときの光合分波器の損失を示すグラフ（ｂ）である。
【図５】波長に対する結合効率を５０％とするために必要な方向性結合部の結合長を示すグラフである。
【図６】方向性結合部の結合部長と結合効率の関係を示すグラフである。
【図７】方向性結合部の位相平均値とばらつきの関係を示すグラフである。
【図８】方向性結合部の結合部長、リード部結合長の説明図である。
【図９】マッハツェンダ光干渉計型の光合分波回路を示す説明図である。
【図１０】マッハツェンダ光干渉計型の光合分波回路を複数段接続した回路構成例を示す説明図である。
【図１１】従来のマッハツェンダ光干渉計型の光合分波回路を複数段接続した回路構成を４インチウエハ上に形成するときの配置構成を示す説明図である。
【図１２】マッハツェンダ光干渉計型の光合分波回路を複数段接続した回路構成例を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 第１の方向性結合部
２ 第２の方向性結合部
３ 第１の光導波路
４ 第２の光導波路
８，８Ａ〜８Ｇ 光合分波回路
Claims (1)
- 第１の光導波路と、該第１の光導波路と並設された第２の光導波路とを有し、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路を近接させて成る第１の方向性結合部と、該第１の方向性結合部と光導波路長手方向に間隔を介した位置において前記第１の光導波路と前記第２の光導波路を近接させて成る第２の方向性結合部とを有し、該第２の方向性結合部と前記第１の方向性結合部に挟まれた第１の光導波路と第２の光導波路は互いに異なる長さと成したマッハツェンダ光干渉計型の光合分波回路を複数段接続して形成され、前記各段の光合分波回路において第１の光導波路の入射側から入力されて第２の光導波路の出射側から出力される光波長又は前記第２の光導波路の入射側から入力されて前記第１の光導波路の出射側から出力される光波長をクロス伝搬波長とし、前記第１の光導波路の入射側から入力されて該第１の光導波路の出射側から出力される光波長又は前記第２の光導波路の入射側から入力されて該第２の光導波路の出射側から出力される光波長をスルー伝搬波長とし、少なくとも１つの光合分波回路において方向性結合部の結合効率が互いに異なる複数のクロス伝搬波長を有し、前記各段の光合分波回路におけるスルー伝搬波長の各波長を周波数換算してその周波数の算術平均で光速Ｃを割ることにより求めた平均波長よりもクロス伝搬波長の各波長を周波数換算してその周波数の算術平均で光速Ｃを割ることにより求めた平均波長を長波長とし、各段の光合分波回路の方向性結合部は各段の光合分波回路に対応するクロス伝搬波長の平均波長に対する結合効率を約５０％とし、各段の光合分波回路の方向性結合部は各段の光合分波回路に対応するスルー伝搬波長の平均波長に対する結合効率よりも、クロス伝搬波長の平均波長に対する結合効率を５０％に近い値とし、方向性結合部の結合部長をＬＲとし、各段の光合分波回路に対応するクロス伝搬波長の平均波長に対する前記方向性結合部の完全結合長をＬＣとし、各段の光合分波回路に対応するクロス伝搬波長の平均波長に対する前記方向性結合部のリード部結合長をＬｅとしたとき、（π／２）・（Ｌｅ＋ＬＲ）／ＬＣを約π／４としたことを特徴とする光合分波器。
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