JP3966401B2 - 導波路型光合波器とこれを用いた多波長光源 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、導波型光合波器とこれを用いた多波長光源に関する。詳しくは、光通信システムに適用される光合波器及び送信用光源であり、更に詳細には互いに波長の異なる複数の信号光を、光ファイバを用いて伝送する波長分割多重光通信システム用の光合波器及びこれを用いた送信光源に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年のインターネットの爆発的な普及に伴って、通信システムの大幅な高速大容量化への要請にこたえる唯一の解決策として、波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multi/demultiplexing）通信システムの実用化が急速に進んでいる。
このＷＤＭシステムは、１本の光ファイバに波長の異なるＮ個の光信号を伝送することができるため、新たな光ケーブルや施設を必要とせず、既存の光ファイバを用いて伝送容量をＮ倍にすることができる。
【０００３】
中でも基幹系ネットワークに導入されている高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ：Dence Wavelength Division Multi/demultiplexing））システムでは、チャネル数：数１０ｃｈ，隣接チャネル間隔；１ｎｍ（１００ＧＨｚ相当）程度に達しており、一層の大容量化を目指してチャネル間隔の狭小化及び多チャネル化への取り組みが精力的に進められている。
しかし、伝送容量を増やすために多数の波長信号を高密度な状態で使用すると、隣接する波長チャネルからの不要な漏れ光と信号光との干渉により信号品質が劣化するという問題が生じる。
【０００４】
また、長距離伝送する光ファイバの中では、四光波混合と呼ばれる非線形光学効果によって雑音が増え、クロストークが劣化するという問題が生じる。
特に後者の問題は、基幹系ネットワークや海底光中継器システムの経済化に直結する無中継伝送距離拡大の観点から問題となる。
これらの問題を低減するために、従来、光通信システムの伝送端において、隣接するチャネル波長の偏光方向を互いに直交させて合波する手法が提案されている（「光合波器とこれを用いた波長多重光源（特開平１０−１４８７９３号公報」）。
【０００５】
その一例に係る光合波器を図４に示す。
この光合波器は、図４に示すように、８個の信号光源９１１〜９１８が、それぞれ４個の信号光源９１１，９１３，９１５，９１７及び９１２，９１４，９１６，９１８の組み合わせに分割されており、それぞれＷＤＭカプラ９２３又は９２４に入力される。
ここで、信号光源９１１〜９１８は偏波保持ファイバ９１１ａ〜９１８ａを介してＷＤＭカプラ９２３又は９２４に接続されているため、それぞれの偏光状態が維持されたままＷＤＭカプラ９２３及び９２４で合成される。
【０００６】
その後更に、偏波保持ファイバ９２３ａ又は９２４ａを介して偏波合成カプラ９４０に入力されて１本の光ファイバ９５０に出力される。
尚、偏波合成カプラ９４０は、複屈折プリズムを用いて構成され、直交する２つの偏光光に対する屈折角の違いを利用して合波を行うものである。
これにより、受信端で特定の偏光のみを選択することによって隣接チャネルからの漏れ光を抑圧することができ、また四光波混合によるクロストークも、隣接チャネルが同一の直線偏波であるときに比べて、１／３程度へと低減することができるとされている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来例では、ある一つの光源の波長光が当該光合波器全体を通過する際、偏波保持ファイバ９１１ａ〜９１８ａ，９２３ａ又は９２４ａとＷＤＭカプラ９２３又は９２４或いは偏波合成カプラ９４０とのそれぞれの接続点において、偏波保持ファイバ９１１ａ〜９１８ａ，９２３ａ又は９２４ａの偏波面を合わせる作業が必要であった。
【０００８】
この作業は多大な労力を必要とし、偏波面のわずかなズレによって偏波消光比（水平偏波もしくは垂直偏波に対する、それと直交する直線偏波のレベル比）の劣化と、それによる損失の増大を引き起こしていた。
また、複屈折プリズム等の個別部品を用いた偏波合成カプラ等で構成されているので、組立には多大な時間と労力を必要とし、精度等の長期耐久性及び経済化の点で難点があった。
【０００９】
本発明の目的は、平面導波路に作製された導波路がその複屈折の存在によって良好な偏波保持性を有すること、また埋込導波路構造のため振動等の外乱に強いこと等に着目して、互いに波長の異なる複数の光源からの信号光を直交する２つの単一偏光（ＴＥ偏波又はＴＭ偏波）のグループに分けて入力し偏波分離し束ねる偏光処理回路と、導波路型多波長合波器であり良好な偏波保持性を有するＡＷＧ回路とを、同一基板上に集積化した光合波器を実現し、波長間隔が狭く波長の異なる複数の信号光を効率よく合波し得る、小形で作りやすく経済的な多波長光源を実現することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明では次のような構成により課題を解決する手段としている。
即ち、
【００１１】
（１）互いに波長の異なる複数の信号光の偏光方向を一括制御するための偏光処理回路と、前記偏光処理回路で制御された前記信号光を合波するアレイ導波路格子型光合波回路とが同一基板上に一体形成され、前記アレイ導波路格子型光合波回路が、複数本の入力導波路、入力側スラブ導波路、アレイ導波路格子、出力側スラブ導波路、及び少なくとも１本の出力導波路で構成され、前記偏光処理回路が、前記複数の信号光の各々が入射する複数の入力導波路、該入力導波路に接続される複数の直線斜め導波路、該直線斜め導波路に接続され且つ前記アレイ導波路格子型光合波回路の入力導波路に接続される複数の交差導波路、前記複数の直線斜め導波路のほぼ中央においてそのコア断面が十分露出する深さで前記複数の直線斜め導波路を横断する溝、及び前記溝に挿入され前記複数の信号光を透過する薄膜偏光子で構成され、前記複数の直線斜め導波路は、前記溝に垂直な方向に対して傾きを有し、前記偏光処理回路の前記入力導波路が、前記アレイ導波路格子型光合波回路の奇数番目の入力導波路と、偶数番目の入力導波路とをそれぞれ束ねるように、前記交差導波路を介して、少なくとも二つの入力導波路群に分かれてなることを特徴とする導波路型光合波器である。
【００１３】
（２）前述した（１）に記載の導波路型光合波器において、前記交差導波路の交差箇所での光損失が許容範囲に収まるように、且つ、前記交差導波路の交差角を隣り合う導波路間で結合が生じない程度であって直角に近づくように、相互に隣接する導波路間のピッチが調整されたピッチ変換導波路アレイが、前記偏光処理回路の出力導波路アレイと交差導波路領域の間に介在してなることを特徴とする。
【００１４】
（３）前述した（２）に記載の導波路型光合波器において、前記ピッチ変換導波路アレイの全ての導波路が平行する部分での隣接する導波路間のピッチが不等間隔であることを特徴とする。
【００１５】
（４）前述した（１），（２）及び（３）に記載の導波路型光合波器において、前記交差導波路の最小交差角が、当該導波路の開口数の大きさに対応して交差箇所での損失を許容範囲内に抑制可能な交差角に設定されることを特徴とする。
【００１８】
（５）前述した（１）〜（４）に記載の導波路型光合波器において、前記複数の信号光のうち少なくとも２つが、その偏光方向を概ね同じくして、前記偏光処理回路の一方の入力導波路群に偏波保存ファイバを介して入射し、また、前記偏光方向に直交する偏光方向を有する、前記少なくとも２つの入力信号以外の前記複数の信号光が、前記偏光処理回路の他方の入力導波路群に入射してなることを特徴とする。
【００１９】
（６）前述した（１）〜（５）までのいずれかの請求項に記載された導波路型光合波器と、互いに波長の異なる信号光をそれぞれ出力する複数の単一波長の光源とを備え、
前記導波路型光合波器の前記偏光処理回路の各入力導波路に、前記複数の光源がひとつずつ、偏光保持ファイバを介して接続されていることを特徴とする多波長光源である。
【００２０】
〔作用〕前述した（１）〜（５）の手段によれば、互いに波長の異なる複数の光源からの信号光を直交する２つの単一偏光（ＴＥ偏波又はＴＭ偏波）のグループに分けて入力し偏波分離し束ねる偏光処理回路と、導波路型多波長合波器であり良好な偏波保持性を有するＡＷＧ回路とを、同一基板上に集積化した光合波器を実現し、波長間隔が狭く波長の異なる複数の信号光を効率よく合波し得る、小形で作りやすく経済的な導波路型光合波器を提供することができる。
【００２１】
また、前述した（６）の手段によれば、前述した（１）〜（５）までの導波路型光合波器と、これらの記導波路型光合波器に、互いに波長の異なる複数の前記信号光をそれぞれ出力する単一波長の光源とを備えていることによって、小形で作りやすく経済的多波長光源を実現することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について、図を参照して説明する。
図１は、多波長光源に関する本発明の第１実施例の概略構成図である。
本実施例は、３２個の信号光源１（λ1）〜３２（λ32）と、導波路型光合波器５０と、通常の光ファイバ６１とから構成される。
また、導波路型光合波器５０は偏光処理回路４１と、（３２×１）アレイ導波路格子型光合波器（以下、ＡＷＧと略す）５１とから構成され、かつ偏光処理回路４１とＡＷＧ５１は同一基板４０上に一体形成されている。
【００２３】
上記偏光処理回路４１及びＡＷＧ５１を含む光合波器５０は、シリコン基板（又はガラス基板や半導体基板等）の上に、光信号パワーの大部分が伝搬するコア層と、それより屈折率がわずかに低いクラッド層とからなる石英系ガラス導波路に関する成膜技術、及びＬＳＩ製造における微細加工技術を組み合わせた公知の技術（例えば、Kawachi et al., J. Quantum Electronics, 22, pp391,1990）により作製することができる。
尚、本発明はこの材料に限定されるものではなく、多成分ガラス系導波路、プラスチック系導波路、更にはニオブ酸リチウム系導波路、化合物半導体系導波路等の様々な導波路系においても適用できることを付記しておく。
【００２４】
信号光源１（λ1）〜３２（λ32）は、各１６個の信号光源１（λ1），３（λ3），…，３１（λ31）及び信号光源２（λ2），４（λ4），…，３２（λ32）の２グループに分かれ、それぞれ偏波保存ファイバ１０１，１０３，…，１３１及び１０２，１０４，…，１３２を介して、基板４０上に形成した入力導波路群４３及び４４に接続されている。
尚、偏波保存ファイバ１０１，１０３，…，１３１及び１０２，１０４，…，１３２は、それぞれ直交する２種類の単一偏光ＴＥ光及びＴＭ光が入力導波路群４３及び４４に概ね入射するように、偏波保存ファイバの偏波面を位置調整している。
【００２５】
偏光処理回路４１は、入力導波路群４３及び４４と、これらを束ねる直線斜め導波路４５及び４６と、更にこれらを集線する交差導波路領域４２と、ＡＷＧ５１へ伝えるためのＳ字導波路アレイ５７と、直線斜め導波路４５及び４６を横切る溝４９と、薄膜偏光子４７及び４８とから構成される。
ＡＷＧ５１は、入力導波路アレイ５２、入力スラブ導波路５３、アレイ導波路格子５４、出力スラブ導波路５５、出力導波路５６から構成される。
【００２６】
３２個の信号光源１〜３２の波長λ1〜λ32を、波長間隔０．５（ｎｍ）として、λ1＝１５４５．０，λ2＝１５４５．５，…，λ15＝１５５２．０，λ16＝１５５２．５，λ17＝１５５３．０，λ18＝１５５３．５，…，λ31＝１５６０．０，λ32＝１５６０．５（ｎｍ）と設定している場合を想定する。
このうち、奇数番号の信号光源の波長λ1＝１５４５．０，λ3＝１５４６．０，…，λ15＝１５５２．０（ｎｍ）の光は基板に対して平行な直線偏光（ＴＥ偏光）で入力導波路群４３に入射し、また、偶数番号の信号光源の波長λ2＝１５４５．５，λ4＝１５４６．５，…，λ16＝１５５２．５（ｎｍ）の光は基板に対して垂直な直線偏光（ＴＭ偏光）で入力導波路群４４に入射する。
【００２７】
ここで、偏波保存ファイバ１０１，１０３，…，１３１及び１０２，１０４，…，１３２の各偏波面を基板に対して平行又は垂直に正確に調整し、すべての偏波保存ファイバを接続することは多大な時間と労力を必要とし、偏波面のわずかなズレによって偏波消光比（水平偏光もしくは垂直偏光に対する、それと直交する直線偏光のレベル比）の劣化と、それによる損失の増大を引き起こしていた。これを解決するために本実施例では、導波路型光合波器５０において、以下のような特徴のある構成を取っている。
【００２８】
即ち、第１の特徴として、入力導波路群４３及び４４が、各１６個の信号光源１（λ1），３（λ3），…，３１（λ31）及び信号光源２（λ2），４（λ4），…，３２（λ32）の２グループから入射してきた各波長光を途中で一度束ねる構造を採用している。
これによって、ＴＥ偏光の波長光とＴＭ偏光の波長光を、長手方向に対してほぼ垂直に形成した溝４９に挿入した薄膜偏光子４７及び４８を通じて一括して通過させることができる。
【００２９】
また、第２の特徴として、上記２つに束ねられた導波路の途中において、長手方向に対して概ね８度傾いた直線斜め導波路４５及び４６を採用している。
これによって、偏光子に入射する信号光の反射が光源側の半導体レーザ等に光学的な影響を与えることを回避している。
【００３０】
更に、第３の特徴として、偏光子を通過した各信号光がＡＷＧ５１の各入力導波路５２の所望位置（スラブ導波路５３の外側に短波長光、内側に長波長光が並ぶ）に入力するように、交差導波路領域４２を用いて構成している。
これによって、各入力導波路５２の信号波長は、スラブ導波路５３の外側から順にλ1（ＴＥ），λ2（ＴＭ），λ3（ＴＥ），λ4（ＴＭ），…，λ31（ＴＥ），λ32（ＴＭ）と配置されることになる。
【００３１】
このあと、入力スラブ導波路５３の中では、水平方向に閉じ込めがないため、光は回折して広がり、複数のアレイ導波路格子５４に導波される。
アレイ導波路格子５４で所望の位相差を受けた後、出力スラブ導波路５５と出力導波路５６の境界点に集光する。
集光した光は光ファイバ６１に入力して多重された多波長信号となる。
【００３２】
図２は、図１に示した偏光処理回路４１における交差導波路領域４２の拡大図である。
２０１は、Ｓ字導波路５０につながっているピッチＰ1＝２５μｍの導波路アレイ、２０２は直線斜め導波路４５及び４６を導波路アレイ２０１に導き、かつ、交差導波路２０３及び２０４の最小交差角を約３０°（ないし６０°程度）にするためのピッチ変換導波路である。
ここでは、ピッチ変換導波路２０２のピッチを、隣接する導波路に対して異なるように構成しているところが本実施例の第４の特徴である。
【００３３】
例えば、隣接する導波路間の結合が生じない程度の最小限のピッチとしてＰ2＝約２５μｍ、また、交差導波路２０３及び２０４の交差角を約３０°以下にならないようにＰ3＝約３３０μｍと設定している。
これにより、ピッチ変換導波路２０２のピッチＰ2及びＰ3を同じにする場合と比べて、交差角を約３０°に保ちながら交差導波路領域４２の占める面積を大幅（約１／４）に小さくすることができる。
【００３４】
尚、本実施例では上記最小交差角度を約３０°としているが、これは今回形成した交差導波路２０３，２０４での光損失が交差角３０°付近までは許容範囲内であることを考慮しているからである。
交差導波路２０３，２０４においては、一般に交差が直角に近いほど光損失が小さく、交差角が小さくなるにしたがって光損失が増大するので、光損失を許容範囲以下に抑えるには、交差角をある値よりも大きく設定する必要がある。
一方で、形成する光導波路の比屈折率差Δ（コアとクラッドの屈折率差の度合いを表すパラメータ）が小さくなりその開口数（ＮＡ：Numerial Aperture）が小さくなると、交差導波路損失を許容範囲に収めるための最小交差角は小さくなり、逆にΔが大きくなると開口数は大きくなり、最小交差角は大きくなる。
【００３５】
従って、本発明では、最小交差角を約３０°とすることに限定されるものではなく、例えば、Δ＝０．７５％又はΔ＝１．５％の交差導波路２０３，２０４の場合には、最小交差角はそれぞれ約３０°又は約５０°となる。
要するに、形成する導波路によって交差導波路損失が許容範囲に収まる最小交差角を予め把握した上で、交差導波路領域４２の占める面積をできるだけ小さくなるように、ピッチ変換導波路２０２のピッチＰ2及びＰ3を調整すれば良いのである。
【００３６】
上記のような交差導波路２０３，２０４の構成により、３２個の異なる信号光源からの波長光をほぼ完全に偏波分離され、かつＡＷＧ５１の所望の入力導波路５２に伝達させることができる。
一般に、平面導波路に作製された導波路では、ＴＥ偏光とＴＭ偏光の実効屈折率が異なる。その差分を複屈折と呼ぶ。
通常、この複屈折はＡＷＧにおける中心波長の偏波依存性の原因となり、欠点とされていた。
しかし、この複屈折の存在によって、導波路の中ではＴＥ偏光とＴＭ偏光が独立に伝搬することができ、偏光間の結合が生じにくく、良好な偏波保存性を有している。
【００３７】
従って、本実施例のような構成を取ることによって、偏波保存ファイバ１０１〜１３２からの信号光が偏光子４７及び４８を通過してから出力導波路５６に至るまで、その偏波状態を、従来例で述べた偏波保存ファイバを使用しないで、容易に保つことができる。
また、導波路がガラスに埋め込まれていることによって、偏波保存ファイバを用いる時に問題となる振動等の外乱による影響を受けにくくなる。
更に、これらの機能を１チップ化することで、信号光がこの光合波器を通過する際、偏波保存ファイバとの接続点を１点に削減することができ、作製工程や多大な労力を省略できる。
【００３８】
更にまた、集積化し偏波保存ファイバとの接点数を削減することで、接続の際の偏波面ずれに起因した、偏波消光比・損失の劣化を低減できる。
そして、その偏波保存ファイバと入力導波路との１接続点において仮に偏波面がずれたとしても、偏光処理回路上の薄膜偏光子によってほぼ完全に単一偏光（ＴＥ又はＴＭ）化できるので、偏波消光比の劣化をより一層低減することができる。
この後、ＴＥ又はＴＭに単一偏光化された各信号光は、ＡＷＧ５１の入力スラブ導波路５３に入力するが、入力スラブ導波路５３への導波路ピッチは、２種類のピッチが交互に構成される不等間隔配置としている。
【００３９】
即ち、ＡＷＧに偏波依存性が無ければ、図３（ａ）に示すように、入力導波路３０１のピッチを等間隔とすれば出力導波路３０５に各信号は合波するが、実際にはＡＷＧに偏波依存性があるので、図３（ｂ）に示すように、隣り合う導波路ピッチが異なる不等間隔の入力導波路３０６とすることにより、出力導波路３０５に各信号を合波することができる。尚、図中、３０７は等間隔入力導波路アレイに入射する場合のＴＭ偏光の集光位置である。
【００４０】
尚、本実施例では信号光源数を３２個の場合について説明したが、本発明ではこれに限定されるものではなく、例えば、信号光源数が６４個，１２８個，…と多くなっても、基本的な構成は上述した構成と同じとし、且つ交差損失の抑制の観点から交差箇所数を削減するため入力導波路群を２つ以上のグループ分けて構成することによって、大規模チャネルの導波路型光合波器及びこれを用いた多波長光源を実現することができる。
また、例えば、信号光源数が４０個というように２nとならない場合であっても、２つの入力導波路群をそれぞれ２０本導波路構成としたり、又は５つの入力導波路群をそれぞれ８本導波路構成としたりすればよく、任意の信号光源数に対応することができる。
【００４１】
このように説明したように、本願発明は、波長多重光伝送方式において、隣接波長の偏光を互いに直交するように多重化する合波器であり、このような伝送方式では、隣接波長の偏光が異なることから、分波の際にクロストークを減らすことができる。
また、本願発明の合波器は、合波前に偏光面を揃える処理を、平面型光導波回路上で一括して行うことができ、このような構成によれば、偏波保持ファイバを平面型光導波路と接続する際に偏波面が少々ずれても、偏波消光比はそれほど増大しないという特徴もある。
【００４２】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明では、平面導波路に作製された導波路がその複屈折の存在によって良好な偏波保持性を有すること、また埋込導波路構造のため振動等の外乱に強いこと等に着目して、互いに波長の異なる複数の光源からの信号光を直交する２つの単一偏光（ＴＥ偏波又はＴＭ偏波）のグループに分けて入力し偏波分離し束ねる偏光処理回路と、導波路型多波長合波器であり良好な偏波保持性を有するＡＷＧ回路とを、同一基板上に集積化した光合波器を実現し、波長間隔が狭く波長の異なる複数の入力光を効率よく合波し得る、小形で作りやすく経済的な多波長光源を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の概略構成図である。
【図２】図１の交差導波路領域付近の拡大図である。
【図３】ＡＷＧ集光位置の偏波依存性を示す説明図である。
【図４】従来例の説明図である。
【符号の説明】
１〜３２ 波長λ1，λ2，…，λ32の信号光源
４０ 基板
４１ 偏光処理回路
４２ 交差導波路領域
４３，４４ 入力導波路群
４５，４６ 直線斜め導波路アレイ
４７，４８ 薄膜偏光子
４９ 溝
５０ 導波路型光合波器
５１ ＡＷＧ
５２ ＡＷＧ入力導波路アレイ
５３ 入力スラブ導波路
５４ アレイ導波路格子
５５ 出力スラブ導波路
５６ 出力導波路
５７ Ｓ字導波路アレイ
６１ 光ファイバ
１０１〜１３２ 偏波保存ファイバ
２０１ 出力導波路アレイ
２０２ ピッチ変換導波路アレイ
２０３，２０４ 交差導波路
３０１ 等間隔入力導波路アレイ
３０２ 入力スラブ導波路
３０３ アレイ導波路格子
３０４ 出力スラブ導波路
３０５ 出力導波路
３０６ 不等間隔入力導波路アレイ
３０７ 等間隔入力導波路アレイに入射する場合のＴＭ偏光の集光位置
【発明の属する技術分野】
本発明は、導波型光合波器とこれを用いた多波長光源に関する。詳しくは、光通信システムに適用される光合波器及び送信用光源であり、更に詳細には互いに波長の異なる複数の信号光を、光ファイバを用いて伝送する波長分割多重光通信システム用の光合波器及びこれを用いた送信光源に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年のインターネットの爆発的な普及に伴って、通信システムの大幅な高速大容量化への要請にこたえる唯一の解決策として、波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multi/demultiplexing）通信システムの実用化が急速に進んでいる。
このＷＤＭシステムは、１本の光ファイバに波長の異なるＮ個の光信号を伝送することができるため、新たな光ケーブルや施設を必要とせず、既存の光ファイバを用いて伝送容量をＮ倍にすることができる。
【０００３】
中でも基幹系ネットワークに導入されている高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ：Dence Wavelength Division Multi/demultiplexing））システムでは、チャネル数：数１０ｃｈ，隣接チャネル間隔；１ｎｍ（１００ＧＨｚ相当）程度に達しており、一層の大容量化を目指してチャネル間隔の狭小化及び多チャネル化への取り組みが精力的に進められている。
しかし、伝送容量を増やすために多数の波長信号を高密度な状態で使用すると、隣接する波長チャネルからの不要な漏れ光と信号光との干渉により信号品質が劣化するという問題が生じる。
【０００４】
また、長距離伝送する光ファイバの中では、四光波混合と呼ばれる非線形光学効果によって雑音が増え、クロストークが劣化するという問題が生じる。
特に後者の問題は、基幹系ネットワークや海底光中継器システムの経済化に直結する無中継伝送距離拡大の観点から問題となる。
これらの問題を低減するために、従来、光通信システムの伝送端において、隣接するチャネル波長の偏光方向を互いに直交させて合波する手法が提案されている（「光合波器とこれを用いた波長多重光源（特開平１０−１４８７９３号公報」）。
【０００５】
その一例に係る光合波器を図４に示す。
この光合波器は、図４に示すように、８個の信号光源９１１〜９１８が、それぞれ４個の信号光源９１１，９１３，９１５，９１７及び９１２，９１４，９１６，９１８の組み合わせに分割されており、それぞれＷＤＭカプラ９２３又は９２４に入力される。
ここで、信号光源９１１〜９１８は偏波保持ファイバ９１１ａ〜９１８ａを介してＷＤＭカプラ９２３又は９２４に接続されているため、それぞれの偏光状態が維持されたままＷＤＭカプラ９２３及び９２４で合成される。
【０００６】
その後更に、偏波保持ファイバ９２３ａ又は９２４ａを介して偏波合成カプラ９４０に入力されて１本の光ファイバ９５０に出力される。
尚、偏波合成カプラ９４０は、複屈折プリズムを用いて構成され、直交する２つの偏光光に対する屈折角の違いを利用して合波を行うものである。
これにより、受信端で特定の偏光のみを選択することによって隣接チャネルからの漏れ光を抑圧することができ、また四光波混合によるクロストークも、隣接チャネルが同一の直線偏波であるときに比べて、１／３程度へと低減することができるとされている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来例では、ある一つの光源の波長光が当該光合波器全体を通過する際、偏波保持ファイバ９１１ａ〜９１８ａ，９２３ａ又は９２４ａとＷＤＭカプラ９２３又は９２４或いは偏波合成カプラ９４０とのそれぞれの接続点において、偏波保持ファイバ９１１ａ〜９１８ａ，９２３ａ又は９２４ａの偏波面を合わせる作業が必要であった。
【０００８】
この作業は多大な労力を必要とし、偏波面のわずかなズレによって偏波消光比（水平偏波もしくは垂直偏波に対する、それと直交する直線偏波のレベル比）の劣化と、それによる損失の増大を引き起こしていた。
また、複屈折プリズム等の個別部品を用いた偏波合成カプラ等で構成されているので、組立には多大な時間と労力を必要とし、精度等の長期耐久性及び経済化の点で難点があった。
【０００９】
本発明の目的は、平面導波路に作製された導波路がその複屈折の存在によって良好な偏波保持性を有すること、また埋込導波路構造のため振動等の外乱に強いこと等に着目して、互いに波長の異なる複数の光源からの信号光を直交する２つの単一偏光（ＴＥ偏波又はＴＭ偏波）のグループに分けて入力し偏波分離し束ねる偏光処理回路と、導波路型多波長合波器であり良好な偏波保持性を有するＡＷＧ回路とを、同一基板上に集積化した光合波器を実現し、波長間隔が狭く波長の異なる複数の信号光を効率よく合波し得る、小形で作りやすく経済的な多波長光源を実現することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明では次のような構成により課題を解決する手段としている。
即ち、
【００１１】
（１）互いに波長の異なる複数の信号光の偏光方向を一括制御するための偏光処理回路と、前記偏光処理回路で制御された前記信号光を合波するアレイ導波路格子型光合波回路とが同一基板上に一体形成され、前記アレイ導波路格子型光合波回路が、複数本の入力導波路、入力側スラブ導波路、アレイ導波路格子、出力側スラブ導波路、及び少なくとも１本の出力導波路で構成され、前記偏光処理回路が、前記複数の信号光の各々が入射する複数の入力導波路、該入力導波路に接続される複数の直線斜め導波路、該直線斜め導波路に接続され且つ前記アレイ導波路格子型光合波回路の入力導波路に接続される複数の交差導波路、前記複数の直線斜め導波路のほぼ中央においてそのコア断面が十分露出する深さで前記複数の直線斜め導波路を横断する溝、及び前記溝に挿入され前記複数の信号光を透過する薄膜偏光子で構成され、前記複数の直線斜め導波路は、前記溝に垂直な方向に対して傾きを有し、前記偏光処理回路の前記入力導波路が、前記アレイ導波路格子型光合波回路の奇数番目の入力導波路と、偶数番目の入力導波路とをそれぞれ束ねるように、前記交差導波路を介して、少なくとも二つの入力導波路群に分かれてなることを特徴とする導波路型光合波器である。
【００１３】
（２）前述した（１）に記載の導波路型光合波器において、前記交差導波路の交差箇所での光損失が許容範囲に収まるように、且つ、前記交差導波路の交差角を隣り合う導波路間で結合が生じない程度であって直角に近づくように、相互に隣接する導波路間のピッチが調整されたピッチ変換導波路アレイが、前記偏光処理回路の出力導波路アレイと交差導波路領域の間に介在してなることを特徴とする。
【００１４】
（３）前述した（２）に記載の導波路型光合波器において、前記ピッチ変換導波路アレイの全ての導波路が平行する部分での隣接する導波路間のピッチが不等間隔であることを特徴とする。
【００１５】
（４）前述した（１），（２）及び（３）に記載の導波路型光合波器において、前記交差導波路の最小交差角が、当該導波路の開口数の大きさに対応して交差箇所での損失を許容範囲内に抑制可能な交差角に設定されることを特徴とする。
【００１８】
（５）前述した（１）〜（４）に記載の導波路型光合波器において、前記複数の信号光のうち少なくとも２つが、その偏光方向を概ね同じくして、前記偏光処理回路の一方の入力導波路群に偏波保存ファイバを介して入射し、また、前記偏光方向に直交する偏光方向を有する、前記少なくとも２つの入力信号以外の前記複数の信号光が、前記偏光処理回路の他方の入力導波路群に入射してなることを特徴とする。
【００１９】
（６）前述した（１）〜（５）までのいずれかの請求項に記載された導波路型光合波器と、互いに波長の異なる信号光をそれぞれ出力する複数の単一波長の光源とを備え、
前記導波路型光合波器の前記偏光処理回路の各入力導波路に、前記複数の光源がひとつずつ、偏光保持ファイバを介して接続されていることを特徴とする多波長光源である。
【００２０】
〔作用〕前述した（１）〜（５）の手段によれば、互いに波長の異なる複数の光源からの信号光を直交する２つの単一偏光（ＴＥ偏波又はＴＭ偏波）のグループに分けて入力し偏波分離し束ねる偏光処理回路と、導波路型多波長合波器であり良好な偏波保持性を有するＡＷＧ回路とを、同一基板上に集積化した光合波器を実現し、波長間隔が狭く波長の異なる複数の信号光を効率よく合波し得る、小形で作りやすく経済的な導波路型光合波器を提供することができる。
【００２１】
また、前述した（６）の手段によれば、前述した（１）〜（５）までの導波路型光合波器と、これらの記導波路型光合波器に、互いに波長の異なる複数の前記信号光をそれぞれ出力する単一波長の光源とを備えていることによって、小形で作りやすく経済的多波長光源を実現することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について、図を参照して説明する。
図１は、多波長光源に関する本発明の第１実施例の概略構成図である。
本実施例は、３２個の信号光源１（λ1）〜３２（λ32）と、導波路型光合波器５０と、通常の光ファイバ６１とから構成される。
また、導波路型光合波器５０は偏光処理回路４１と、（３２×１）アレイ導波路格子型光合波器（以下、ＡＷＧと略す）５１とから構成され、かつ偏光処理回路４１とＡＷＧ５１は同一基板４０上に一体形成されている。
【００２３】
上記偏光処理回路４１及びＡＷＧ５１を含む光合波器５０は、シリコン基板（又はガラス基板や半導体基板等）の上に、光信号パワーの大部分が伝搬するコア層と、それより屈折率がわずかに低いクラッド層とからなる石英系ガラス導波路に関する成膜技術、及びＬＳＩ製造における微細加工技術を組み合わせた公知の技術（例えば、Kawachi et al., J. Quantum Electronics, 22, pp391,1990）により作製することができる。
尚、本発明はこの材料に限定されるものではなく、多成分ガラス系導波路、プラスチック系導波路、更にはニオブ酸リチウム系導波路、化合物半導体系導波路等の様々な導波路系においても適用できることを付記しておく。
【００２４】
信号光源１（λ1）〜３２（λ32）は、各１６個の信号光源１（λ1），３（λ3），…，３１（λ31）及び信号光源２（λ2），４（λ4），…，３２（λ32）の２グループに分かれ、それぞれ偏波保存ファイバ１０１，１０３，…，１３１及び１０２，１０４，…，１３２を介して、基板４０上に形成した入力導波路群４３及び４４に接続されている。
尚、偏波保存ファイバ１０１，１０３，…，１３１及び１０２，１０４，…，１３２は、それぞれ直交する２種類の単一偏光ＴＥ光及びＴＭ光が入力導波路群４３及び４４に概ね入射するように、偏波保存ファイバの偏波面を位置調整している。
【００２５】
偏光処理回路４１は、入力導波路群４３及び４４と、これらを束ねる直線斜め導波路４５及び４６と、更にこれらを集線する交差導波路領域４２と、ＡＷＧ５１へ伝えるためのＳ字導波路アレイ５７と、直線斜め導波路４５及び４６を横切る溝４９と、薄膜偏光子４７及び４８とから構成される。
ＡＷＧ５１は、入力導波路アレイ５２、入力スラブ導波路５３、アレイ導波路格子５４、出力スラブ導波路５５、出力導波路５６から構成される。
【００２６】
３２個の信号光源１〜３２の波長λ1〜λ32を、波長間隔０．５（ｎｍ）として、λ1＝１５４５．０，λ2＝１５４５．５，…，λ15＝１５５２．０，λ16＝１５５２．５，λ17＝１５５３．０，λ18＝１５５３．５，…，λ31＝１５６０．０，λ32＝１５６０．５（ｎｍ）と設定している場合を想定する。
このうち、奇数番号の信号光源の波長λ1＝１５４５．０，λ3＝１５４６．０，…，λ15＝１５５２．０（ｎｍ）の光は基板に対して平行な直線偏光（ＴＥ偏光）で入力導波路群４３に入射し、また、偶数番号の信号光源の波長λ2＝１５４５．５，λ4＝１５４６．５，…，λ16＝１５５２．５（ｎｍ）の光は基板に対して垂直な直線偏光（ＴＭ偏光）で入力導波路群４４に入射する。
【００２７】
ここで、偏波保存ファイバ１０１，１０３，…，１３１及び１０２，１０４，…，１３２の各偏波面を基板に対して平行又は垂直に正確に調整し、すべての偏波保存ファイバを接続することは多大な時間と労力を必要とし、偏波面のわずかなズレによって偏波消光比（水平偏光もしくは垂直偏光に対する、それと直交する直線偏光のレベル比）の劣化と、それによる損失の増大を引き起こしていた。これを解決するために本実施例では、導波路型光合波器５０において、以下のような特徴のある構成を取っている。
【００２８】
即ち、第１の特徴として、入力導波路群４３及び４４が、各１６個の信号光源１（λ1），３（λ3），…，３１（λ31）及び信号光源２（λ2），４（λ4），…，３２（λ32）の２グループから入射してきた各波長光を途中で一度束ねる構造を採用している。
これによって、ＴＥ偏光の波長光とＴＭ偏光の波長光を、長手方向に対してほぼ垂直に形成した溝４９に挿入した薄膜偏光子４７及び４８を通じて一括して通過させることができる。
【００２９】
また、第２の特徴として、上記２つに束ねられた導波路の途中において、長手方向に対して概ね８度傾いた直線斜め導波路４５及び４６を採用している。
これによって、偏光子に入射する信号光の反射が光源側の半導体レーザ等に光学的な影響を与えることを回避している。
【００３０】
更に、第３の特徴として、偏光子を通過した各信号光がＡＷＧ５１の各入力導波路５２の所望位置（スラブ導波路５３の外側に短波長光、内側に長波長光が並ぶ）に入力するように、交差導波路領域４２を用いて構成している。
これによって、各入力導波路５２の信号波長は、スラブ導波路５３の外側から順にλ1（ＴＥ），λ2（ＴＭ），λ3（ＴＥ），λ4（ＴＭ），…，λ31（ＴＥ），λ32（ＴＭ）と配置されることになる。
【００３１】
このあと、入力スラブ導波路５３の中では、水平方向に閉じ込めがないため、光は回折して広がり、複数のアレイ導波路格子５４に導波される。
アレイ導波路格子５４で所望の位相差を受けた後、出力スラブ導波路５５と出力導波路５６の境界点に集光する。
集光した光は光ファイバ６１に入力して多重された多波長信号となる。
【００３２】
図２は、図１に示した偏光処理回路４１における交差導波路領域４２の拡大図である。
２０１は、Ｓ字導波路５０につながっているピッチＰ1＝２５μｍの導波路アレイ、２０２は直線斜め導波路４５及び４６を導波路アレイ２０１に導き、かつ、交差導波路２０３及び２０４の最小交差角を約３０°（ないし６０°程度）にするためのピッチ変換導波路である。
ここでは、ピッチ変換導波路２０２のピッチを、隣接する導波路に対して異なるように構成しているところが本実施例の第４の特徴である。
【００３３】
例えば、隣接する導波路間の結合が生じない程度の最小限のピッチとしてＰ2＝約２５μｍ、また、交差導波路２０３及び２０４の交差角を約３０°以下にならないようにＰ3＝約３３０μｍと設定している。
これにより、ピッチ変換導波路２０２のピッチＰ2及びＰ3を同じにする場合と比べて、交差角を約３０°に保ちながら交差導波路領域４２の占める面積を大幅（約１／４）に小さくすることができる。
【００３４】
尚、本実施例では上記最小交差角度を約３０°としているが、これは今回形成した交差導波路２０３，２０４での光損失が交差角３０°付近までは許容範囲内であることを考慮しているからである。
交差導波路２０３，２０４においては、一般に交差が直角に近いほど光損失が小さく、交差角が小さくなるにしたがって光損失が増大するので、光損失を許容範囲以下に抑えるには、交差角をある値よりも大きく設定する必要がある。
一方で、形成する光導波路の比屈折率差Δ（コアとクラッドの屈折率差の度合いを表すパラメータ）が小さくなりその開口数（ＮＡ：Numerial Aperture）が小さくなると、交差導波路損失を許容範囲に収めるための最小交差角は小さくなり、逆にΔが大きくなると開口数は大きくなり、最小交差角は大きくなる。
【００３５】
従って、本発明では、最小交差角を約３０°とすることに限定されるものではなく、例えば、Δ＝０．７５％又はΔ＝１．５％の交差導波路２０３，２０４の場合には、最小交差角はそれぞれ約３０°又は約５０°となる。
要するに、形成する導波路によって交差導波路損失が許容範囲に収まる最小交差角を予め把握した上で、交差導波路領域４２の占める面積をできるだけ小さくなるように、ピッチ変換導波路２０２のピッチＰ2及びＰ3を調整すれば良いのである。
【００３６】
上記のような交差導波路２０３，２０４の構成により、３２個の異なる信号光源からの波長光をほぼ完全に偏波分離され、かつＡＷＧ５１の所望の入力導波路５２に伝達させることができる。
一般に、平面導波路に作製された導波路では、ＴＥ偏光とＴＭ偏光の実効屈折率が異なる。その差分を複屈折と呼ぶ。
通常、この複屈折はＡＷＧにおける中心波長の偏波依存性の原因となり、欠点とされていた。
しかし、この複屈折の存在によって、導波路の中ではＴＥ偏光とＴＭ偏光が独立に伝搬することができ、偏光間の結合が生じにくく、良好な偏波保存性を有している。
【００３７】
従って、本実施例のような構成を取ることによって、偏波保存ファイバ１０１〜１３２からの信号光が偏光子４７及び４８を通過してから出力導波路５６に至るまで、その偏波状態を、従来例で述べた偏波保存ファイバを使用しないで、容易に保つことができる。
また、導波路がガラスに埋め込まれていることによって、偏波保存ファイバを用いる時に問題となる振動等の外乱による影響を受けにくくなる。
更に、これらの機能を１チップ化することで、信号光がこの光合波器を通過する際、偏波保存ファイバとの接続点を１点に削減することができ、作製工程や多大な労力を省略できる。
【００３８】
更にまた、集積化し偏波保存ファイバとの接点数を削減することで、接続の際の偏波面ずれに起因した、偏波消光比・損失の劣化を低減できる。
そして、その偏波保存ファイバと入力導波路との１接続点において仮に偏波面がずれたとしても、偏光処理回路上の薄膜偏光子によってほぼ完全に単一偏光（ＴＥ又はＴＭ）化できるので、偏波消光比の劣化をより一層低減することができる。
この後、ＴＥ又はＴＭに単一偏光化された各信号光は、ＡＷＧ５１の入力スラブ導波路５３に入力するが、入力スラブ導波路５３への導波路ピッチは、２種類のピッチが交互に構成される不等間隔配置としている。
【００３９】
即ち、ＡＷＧに偏波依存性が無ければ、図３（ａ）に示すように、入力導波路３０１のピッチを等間隔とすれば出力導波路３０５に各信号は合波するが、実際にはＡＷＧに偏波依存性があるので、図３（ｂ）に示すように、隣り合う導波路ピッチが異なる不等間隔の入力導波路３０６とすることにより、出力導波路３０５に各信号を合波することができる。尚、図中、３０７は等間隔入力導波路アレイに入射する場合のＴＭ偏光の集光位置である。
【００４０】
尚、本実施例では信号光源数を３２個の場合について説明したが、本発明ではこれに限定されるものではなく、例えば、信号光源数が６４個，１２８個，…と多くなっても、基本的な構成は上述した構成と同じとし、且つ交差損失の抑制の観点から交差箇所数を削減するため入力導波路群を２つ以上のグループ分けて構成することによって、大規模チャネルの導波路型光合波器及びこれを用いた多波長光源を実現することができる。
また、例えば、信号光源数が４０個というように２nとならない場合であっても、２つの入力導波路群をそれぞれ２０本導波路構成としたり、又は５つの入力導波路群をそれぞれ８本導波路構成としたりすればよく、任意の信号光源数に対応することができる。
【００４１】
このように説明したように、本願発明は、波長多重光伝送方式において、隣接波長の偏光を互いに直交するように多重化する合波器であり、このような伝送方式では、隣接波長の偏光が異なることから、分波の際にクロストークを減らすことができる。
また、本願発明の合波器は、合波前に偏光面を揃える処理を、平面型光導波回路上で一括して行うことができ、このような構成によれば、偏波保持ファイバを平面型光導波路と接続する際に偏波面が少々ずれても、偏波消光比はそれほど増大しないという特徴もある。
【００４２】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明では、平面導波路に作製された導波路がその複屈折の存在によって良好な偏波保持性を有すること、また埋込導波路構造のため振動等の外乱に強いこと等に着目して、互いに波長の異なる複数の光源からの信号光を直交する２つの単一偏光（ＴＥ偏波又はＴＭ偏波）のグループに分けて入力し偏波分離し束ねる偏光処理回路と、導波路型多波長合波器であり良好な偏波保持性を有するＡＷＧ回路とを、同一基板上に集積化した光合波器を実現し、波長間隔が狭く波長の異なる複数の入力光を効率よく合波し得る、小形で作りやすく経済的な多波長光源を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の概略構成図である。
【図２】図１の交差導波路領域付近の拡大図である。
【図３】ＡＷＧ集光位置の偏波依存性を示す説明図である。
【図４】従来例の説明図である。
【符号の説明】
１〜３２ 波長λ1，λ2，…，λ32の信号光源
４０ 基板
４１ 偏光処理回路
４２ 交差導波路領域
４３，４４ 入力導波路群
４５，４６ 直線斜め導波路アレイ
４７，４８ 薄膜偏光子
４９ 溝
５０ 導波路型光合波器
５１ ＡＷＧ
５２ ＡＷＧ入力導波路アレイ
５３ 入力スラブ導波路
５４ アレイ導波路格子
５５ 出力スラブ導波路
５６ 出力導波路
５７ Ｓ字導波路アレイ
６１ 光ファイバ
１０１〜１３２ 偏波保存ファイバ
２０１ 出力導波路アレイ
２０２ ピッチ変換導波路アレイ
２０３，２０４ 交差導波路
３０１ 等間隔入力導波路アレイ
３０２ 入力スラブ導波路
３０３ アレイ導波路格子
３０４ 出力スラブ導波路
３０５ 出力導波路
３０６ 不等間隔入力導波路アレイ
３０７ 等間隔入力導波路アレイに入射する場合のＴＭ偏光の集光位置
Claims (6)
- 互いに波長の異なる複数の信号光の偏光方向を一括制御するための偏光処理回路と、前記偏光処理回路で制御された前記信号光を合波するアレイ導波路格子型光合波回路とが同一基板上に一体形成され、
前記アレイ導波路格子型光合波回路が、複数本の入力導波路、入力側スラブ導波路、アレイ導波路格子、出力側スラブ導波路、及び少なくとも１本の出力導波路で構成され、
前記偏光処理回路が、前記複数の信号光の各々が入射する複数の入力導波路、該入力導波路に接続される複数の直線斜め導波路、該直線斜め導波路に接続され且つ前記アレイ導波路格子型光合波回路の入力導波路に接続される複数の交差導波路、前記複数の直線斜め導波路のほぼ中央においてそのコア断面が十分露出する深さで前記複数の直線斜め導波路を横断する溝、及び前記溝に挿入され前記複数の信号光を透過する薄膜偏光子で構成され、
前記複数の直線斜め導波路は、前記溝に垂直な方向に対して傾きを有し、
前記偏光処理回路の前記入力導波路が、前記アレイ導波路格子型光合波回路の奇数番目の入力導波路と、偶数番目の入力導波路とをそれぞれ束ねるように、前記交差導波路を介して、少なくとも二つの入力導波路群に分かれてなる
ことを特徴とする導波路型光合波器。 - 請求項１記載の導波路型光合波器において、前記交差導波路の交差箇所での光損失が許容範囲に収まるように、且つ、前記交差導波路の交差角を隣り合う導波路間で結合が生じない程度であって直角に近づくように、相互に隣接する導波路間のピッチが調整されたピッチ変換導波路アレイが、前記偏光処理回路の出力導波路アレイと交差導波路領域の間に介在してなることを特徴とする導波路型光合波器。
- 請求項２記載の導波路型光合波器において、前記ピッチ変換導波路アレイの全ての導波路が平行する部分での隣接する導波路間のピッチが不等間隔であることを特徴とする導波路型光合波器。
- 請求項１，２又は３記載の導波路型光合波器において、前記交差導波路の最小交差角が、当該導波路の開口数の大きさに対応して交差箇所での損失を許容範囲内に抑制可能な交差角に設定されることを特徴とする導波路型光合波器。
- 請求項１，２，３又は４記載の導波路型光合波器において、前記複数の信号光のうち少なくとも２つが、その偏光方向を概ね同じくして、前記偏光処理回路の一方の入力導波路群に偏波保存ファイバを介して入射し、また、前記偏光方向に直交する偏光方向を有する、前記少なくとも２つの入力信号以外の前記複数の信号光が、前記偏光処理回路の他方の入力導波路群に入射してなることを特徴とする導波路型光合波器。
- 請求項１，２，３，４又は５に記載された導波路型光合波器と、互いに波長の異なる信号光をそれぞれ出力する複数の単一波長の光源とを備え、
前記導波路型光合波器の前記偏光処理回路の各入力導波路に、前記複数の光源がひとつずつ、偏光保持ファイバを介して接続されていることを特徴とする多波長光源。
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