JP4150374B2 - アレイ導波路型波長合分波器 - Google Patents
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Description
波長合分波器の種類は複数知られており、それらのうちの実用的なデバイス(素子)としてAWGが注目されている。このAWGは、チップ状の平面基板上の光導波路によって構成されるアレイ導波路回折格子を用いたものである。
図14は入力スラブ300とチャネル導波路アレイ400とを拡大した図である。ここで、スラブ接続部9は、この図14に示す各チャネル導波路a〜gの付け根(根元)でありスラブ境界線上の7カ所の部分である。また、チャネル導波路間隔d1は、隣接する2箇所のスラブ接続部9間の距離に相当する。さらに、チャネル導波路間隔d1は、入射光が拡散されるときの中心部(入射光拡散中心)310からチャネル導波路アレイ400の入射位置までの距離(以下、この距離をスラブ長と称する。)が短くなるにつれて、一般的に短くなる。
そして、各波長多重光#1〜#7は、各チャネル導波路a〜gから出力(放射)されて相互に干渉し、出力スラブ500と出力導波路6とのスラブ接続部9付近に集光(収束)される。また、波長多重光#1〜#7に含まれる各波長の単一光(以下、単一光と称する。)が集光する位置は、波長ごとに異なる。このため、チャネル導波路aからの波長多重光#1〜#7に含まれる波長1の成分は、出力スラブ5を介して出力導波路6を構成する7本のチャネル導波路h〜nのうちのチャネル導波路hに集光される。また、各波長2〜7の成分は、それぞれ、チャネル導波路i〜nに集光される。従って、波長多重光#1〜#7は7本の単一光#1〜#7に分波され、分波機能が発揮されるのである。集光された7本の単一光は、それぞれ、出力導波路6の7本のチャネル導波路h〜nに入力され、基板1の端部に導かれる。
このように、AWGは、古くから知られた回折格子を用いた分光計の動作と同様の動作を、基板1上に一括形成されたチャネル導波路a〜gを用いて実現し、これにより、小型かつ大量生産性に富み、波長多重通信用の波長合分波器として有望視されている。
(1−2)7本のチャネル導波路アレイ400の形状の描画方法について
チャネル導波路アレイ400の形状は、7本のチャネル導波路a〜gのうちの例えばチャネル導波路c,dのように隣接するチャネル導波路の長さの差が一定になるように描画される。
そして、図15の中段部に示す光波長合分波器は、アレイ導波路回折格子の各アレイ導波路の導波路長が、アレイ導波路回折格子で生じる光波の位相誤差が実質的になくなるように調整されている(例えば特許文献2)。
図15の下段部に示すアレイ導波路格子は、所定の光路長差を有する2つの導波路と、2つの導波路の両端をそれぞれ結合して非対称マッハツェンダー干渉計を構成する2つの3dBカプラとを含む入力用チャネル導波路の、一方の導波路長が他方に比べて長い2つの出力導波路を、出力用チャネル導波路における間隔の半分の間隔をもって第1の扇型スラブ導波路に接続するものである(例えば特許文献3)。
これにより、各チャネルにおいてチャネル間隔の半分以上のフラットな帯域を得て、光源の波長が変化しても分波出力特性はほぼ一定となるフラットな光周波数特性が実現される。
なお、アド・ドロップ機能を取り扱うことが可能な波長多重光装置も知られている(例えば特許文献4)。この波長多重光装置は、導波グレーティングルータと移相器とが反射するように構成され、これにより、InP(インジウムリン)を用いた16チャネル,100GHzにおける伝送の実験結果が改善されている。
(1−3)AWGの小型化について
波長多重光通信の利用の拡大にともない、AWGは、小型でかつ大量生産に向くものが望ましい。このため、従来から、チップサイズ(導波路が形成された基板1又は導波路が未形成の基板自体の大きさ又は基板の面積)を小さくし、単位ウェハあたりのチップの取れ数(歩留まりとも称する。製造したチップの個数のうちの良品が取れたチップ個数の割合に相当する。)を増加させ、これにより、チップを低コスト化することが要請されている。また、チップサイズの小型化により、導波路損失が低減し、さらに、スラブ接続部9における損失を低減させることが望まれている。
このため、チャネル導波路a〜g間の光結合が小さくなるようにチャネル導波路間隔d1を広くすることが不可欠である。特に、スラブ接続部9付近以外の部分(領域)においては、スラブ接続部9付近の部分に比較して隣接するチャネル導波路a〜gのいずれかとの位相ずれが大きいので、チャネル導波路a〜g間の光結合が与える影響は顕著である。従って、スラブ接続部9から離れるにしたがってチャネル導波路間隔a〜gが広くなるような導波路構造が採用されている。
上記のように、隣接するチャネル導波路が小さな間隔d1だけ離れて長い距離を並行して設けられると、その隣接するチャネル導波路は相互にクロストーク又は透過損失等を生じ、光信号の特性が劣化する。従って、チャネル導波路間の結合に基づく特性劣化を考慮すると、従来のAWGは、スラブ接続部9におけるチャネル導波路間隔d1又はd11を小さくできず、このため、スラブ長f1又はf′が増加し、AWGのチップサイズが大きくなるという課題があった。換言すれば、AWGのチップサイズの小型化のためにスラブ接続部9におけるチャネル導波路間隔d1又はd11を小さくすると、クロストークおよび透過損失等の劣化が生じるのである。
加えて、本発明のアレイ導波路型波長合分波器は、波長の異なる複数の光信号を出力する光信号出力部と、この光信号出力部から出力された複数の光信号を合波して波長多重光を出力するアレイ導波路型波長合分波器とをそなえた光伝送装置における該アレイ導波路型波長合分波器であって、基板上に、複数の波長の光が多重された波長多重光を伝搬させて出力する1又は複数の入力導波路と、入力導波路から出力された波長多重光を拡散する第1スラブと、相互に長さの異なる複数のチャネル導波路を有し第1スラブにて拡散された波長多重光を複数の波長に応じて分離し複数の分離光を伝搬させるチャネル導波路アレイと、チャネル導波路アレイにて伝搬された複数の分離光を集光する第2スラブと、第2スラブにて集光された光を伝搬する1又は複数の出力導波路とが形成され、各チャネル導波路のうちの第1スラブと接続される第1の近傍部分と各チャネル導波路のうちの第2スラブと接続される第2の近傍部分とのうちの少なくとも一方における導波路間隔が、チャネル導波路アレイと第1スラブとの第1の接続部における導波路間隔、又はチャネル導波路アレイと第2スラブとの第2の接続部における導波路間隔よりも広くなるように形成されて構成され、該複数のチャネル導波路の一端部である該第1の近傍部分又は他端部である該第2の近傍部分が、該複数のチャネル導波路ごとに、屈曲度合いが異なるS字形状を有する導波路によって形成されたことを特徴としている。
図1は本発明の第1実施形態に係るAWGの構成図である。この図1に示すAWG1は、複数の異なる波長の光信号を合波する波長合波器としての合波機能と、多重光を複数の異なる波長の光信号に分波する波長分波器としての分波機能との両機能を実現可能なものであって、基板1(AWG1)と、この基板1上にフォトリソグラフィを用いて一括生成された光導波路とからなり、入力導波路2,入力スラブ(入力側スラブ導波路)3,6本のチャネル導波路群a〜fからなるアレイ導波路(チャネル導波路アレイ)4,出力スラブ(出力側スラブ導波路)5,6本の導波路h〜l(el)からなる出力導波路6をそなえて構成されている。
また、入力導波路2は、この基板1上に、6種類の波長の光が多重された波長多重光#1〜#6を伝搬させて出力するものである。入力スラブ3は、入力導波路2から出力された波長多重光#1〜#6を拡散(又は分配)するものである。
これらの入力導波路2,出力導波路6およびチャネル導波路アレイ4の材料は、ガラス(SiO2)、半導体(GaAs系,InP系,GaN系等)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)等の様々のものを用いることができる。
さらに、出力導波路6は、1本の導波路だけで形成することもできる。この場合、波長多重光#1〜#6を1本の出力導波路6に入力して上記と逆方向に波長多重光#1〜#6を伝搬させ、入力導波路2から6種類の単一光を出力させ、これにより、AWG1は逆方向から入力された波長多重光#1〜#6について合波可能となる。
次に、チャネル導波路アレイ4についてさらに詳述する。
チャネル導波路アレイ4の両端部は、S字状導波路部10,20が形成されている。S字状導波路部10又は20は、例えば6本のS字状導波路a〜f又はh〜lからなる。ここで、S字状導波路部10は、各チャネル導波路a〜fのうちの入力スラブ3と接続される近傍部分(第1の近傍部分)であり、また、S字状導波路部20は、各チャネル導波路a〜fのうちの出力スラブ5と接続される近傍部分(第2の近傍部分)である。そして、S字状導波路部10における導波路間隔が、以下に述べるチャネル導波路アレイ4と入力スラブ3との接続部(第1の接続部)における導波路間隔よりも広くなるように形成されて構成されている。同様に、S字状導波路部20における導波路間隔が、以下に述べるチャネル導波路アレイ4と出力スラブ5との接続部(第2の接続部)における導波路間隔よりも広くなるように形成されている。換言すれば、6本のチャネル導波路a〜fの配置が、各チャネル導波路a〜fのうちの入力スラブ3と接続される第1近傍部分と、各チャネル導波路a〜fのうちの出力スラブ5と接続される第2近傍部分とのうちの一部又は全部において、各チャネル導波路a〜f間で光干渉の防止に必要な間隔が設けられて構成されているのである。
図5(a)はS字状(点線で表示したもの)の屈曲部分とほぼ同一形状を有するチャネル導波路a〜fの形状(実線で表示したもの)を示す図である。図5(b)はS字を左右反転したもの(点線で表示したもの)の屈曲部分とほぼ同一の形状を有するチャネル導波路a〜fの形状(実線で表示したもの)を示す図である。
以下の説明においては、これらの図5(a)〜図5(c)にそれぞれ示す形状と、それらの各形状を上下左右方向にやや延ばした形状、やや縮めた形状との双方を「S字状」として説明する。
図2〜図4はそれぞれ本発明の第1実施形態に係るS字状導波路部10および20の形状を説明するための図であって、図1に示す入力スラブ3とチャネル導波路a〜fとの接続部分の近傍を拡大したものである。これらの図2〜図4にそれぞれ示すスラブ接続部9は、いずれも、各チャネル導波路a〜fの付け根に相当し、スラブ境界線(点線で表したところ参照)上の6カ所の部分である。また、各スラブ接続部9のうちの隣接するスラブ接続部9間の距離は、d1(チャネル導波路間隔d1)により表されている。
次に、図5(c)を参照して、S字状導波路a〜fの形状を、パラメータを用いて描画する方法について説明する。この図5(c)に示すチャネル導波路aは、曲率半径β1と円弧角α1とにより決定される第1の曲部(円弧部)U1と、曲率半径β2と円弧角α2とにより決定される第2の曲部U2とが連続的に形成されるようになっている。ここで、曲率半径β1は、円弧部U1を円周として有する真円(図示省略)の半径で表され、また、曲率半径β2は、円弧部U2を円周として有する真円(図示省略)の半径で表される。なお、これらの曲率半径β1およびβ2の決定方法は一例であり、各描画パラメータ(α1,β1,U1およびα2,β2,U2)は種々のものを用いることができる。
なお、チャネル導波路b〜fについてもチャネル導波路aと同一なので重複した説明を省略する。
このように、本発明のAWG1は、例えば図2に示すチャネル導波路aのうちの入力スラブ3と接続される部分付近に形成されたS字状導波路部10が、スラブ接続部9におけるチャネル導波路aおよびチャネル導波路bとのチャネル導波路間隔d1を狭くし、そして、S字状導波路部10のうちの出力スラブ5側に形成した円弧部について、S字状導波路部10に向かってチャネル導波路aおよびチャネル導波路bとの間隔d1を徐々に広くするようになっている。
ここで、従来のチャネル導波路間隔と本発明のチャネル導波路間隔とを比較する。従来のAWGのスラブ接続部9において、チャネル導波路間隔d1を小さくできない理由は、チャネル導波路間隔d1の広がり方が緩やかであることに起因する。すなわち、スラブ接続部9におけるチャネル導波路間隔d1が小さいと、スラブ接続部9以外の部分におけるチャネル導波路間結合が大きくなるからである。
また、図3に示すS字状導波路部10aは、6本のチャネル導波路a〜fの各S字状導波路a〜fの曲率半径が、6本のチャネル導波路a〜fのうちの導波路長が最短のチャネル導波路fから最長のチャネル導波路aに向かう方向にしたがって次第に小さくなるように形成されている。
加えて、S字状導波路部20(図1参照。チャネル導波路アレイ4と出力スラブ5との間のものを表す。)についても、図2〜図4に示すS字状導波路部10,10a,10bと同一構造を形成するようになっている。従って、これらに関するS字状導波路部10の構造についての説明と重複するので更なる説明を省略する。
図5(d),図5(e)はそれぞれ本発明の第1実施形態に係るチャネル導波路a〜fの近傍部分の形状パターンを示す図である。この図5(d)に示す形状パターンは、直線状の部分(直線部)L1,L2,L3およびL4と、所定の曲率半径を有するS字状導波路S1,S2と、円弧の曲率半径λ1および円弧角θ1を有する円弧状の部分R1とが組み合わせられている。
これにより、各チャネル導波路a〜fの行路長が、直線部L1〜L4,L5〜L6の長さと円弧状導波路の曲率半径および円弧角とにより調整でき、各チャネル導波路a〜fのうちのS字状導波路において生じた位相差を補正して所望の位相分布を得ることができる。
また、スラブ接続部9において、S字状導波路a〜fの幅を変化させるようにもできる。
図6(a)は本発明の第1実施形態に係るS字状導波路a〜fの形状を示す図であって、S字状導波路a〜fの各幅が、S字状導波路a〜fの位置に応じて幅が変化する場合の2本のS字状導波路a,bが表示されている(なお、図6(a),図6(b)に示す斜線は、入力スラブ3又は出力スラブ5を表す。)。この図6(a)に示すS字状導波路a,bの幅は、いずれも、チャネル導波路a,bの付け根に相当するスラブ接続部9において狭く、かつS字状導波路a,bのうちの入力スラブ3又は出力スラブ5側の円弧の部分において波長多重光#1〜#6の伝搬方向にしたがって広くなるように形成されている。ここで、dd1,dd2は、いずれも、S字状導波路a,bの幅を表し、dd2>dd1である。なお、S字状導波路部c〜fの形状についてもS字状導波路部a,bの形状と同様である。
一方、図6(b)は本発明の第1実施形態に係るS字状導波路a〜fの形状を示す図であって、S字状導波路a〜fの幅が、S字状導波路a〜fの位置に応じて幅が一定の場合の2本のS字状導波路a〜fが表示されている。この図6(b)に示すS字状導波路a,bの形状は、6本のチャネル導波路a〜fの付け根に相当するスラブ接続部9の部分と、スラブ接続部9と異なる部分とが同一の幅dd3になるように形成されている。S字状導波路c〜fの形状についてもS字状導波路a,bの形状と同様である。
ここで、テーパ型とは、チャネル導波路アレイ4の形状が、光が到達する方向の端部において、次第に細くなること、又は端部の形状を先細にすることを意味する。
また、このように、各スラブ接続部9(図2〜図4参照)における導波路間隔d1よりも、各スラブ接続部9以外の部分におけるチャネル導波路間隔δ1〜δ6が広くされる。従って、本発明のAWG1によれば、スラブ接続部9以外の部分におけるチャネル導波路間結合に起因する特性劣化を生じさせないで小型のAWG1を得ることができる。
また、AWG1を用いたWDM伝送例について、図7を参照して詳述する。
さらに、光ファイバ56は、波長多重光#1〜#nを伝送する伝送路である。
そして、光受信装置51は、本AWG1をそなえ光ファイバ56を介して受信した波長多重光#1〜#nを分波して単一光#1〜#nを出力する分波部55bと、分波部55bからの単一光#1〜#nのそれぞれを検波するフォトダイオード(PD:Photo Diode)57a〜57cとをそなえて構成されている。
このような構成によって、光送信装置50において、例えば動画等のデータがフレーム化された情報信号がデータ信号発生部53a〜53cにおいて送信処理され、その送信処理されたデータ信号が、レーザダイオード54a〜54cのそれぞれにおいて光変調される。そして、合波部55aに設けられたAWG1の出力導波路6(図1参照)に入力されて、そのAWG1の入力導波路2から波長多重光#1〜#nが出力される。この波長多重光#1〜#nは、光ファイバ56(図7参照)を伝送し、光受信装置51の分波部55bに入力される。
次に、本発明が適用されるAWG1のチップサイズの縮小のされ方について図8,図9(a)および図9(b)を参照して説明する。これらの図8,図9(a)および図9(b)のそれぞれに示す符号のうちの上述したものと同一の符号を有するものはそれらと同一のものである。なお、以下の説明において、チップとは、導波路が形成された基板1又は導波路が未形成の基板自体を意味する。
図9(a)は従来のAWGのチップサイズの一例を示す図であり、図9(b)は本発明の第1実施形態に係るAWG1のチップサイズの一例を示す図である。これらの図9(a),図9(b)にそれぞれ示す符号であって上述したものと同一符号を有するものは同一又は同一機能を有するので更なる説明を省略する。
一方、図9(b)に示すAWG1は、S字状導波路部10,20を設け、スラブ接続部9におけるチャネル導波路間隔d1は10μmであり、スラブ長f1は12mmである。これにより、S字状導波路部10,20の長さが約3mmに短縮され、また、スラブ長f1は片側で約9mmおよび両側で約18mmに短縮され、チップの一辺が約(1/1.4)に小型化される。
なお、図3,図4のS字状導波路部10,20を用いた変形例について説明する。なお、以下に述べる変形例において、上述したものと同一符号を有するものは同一又は同一機能を有する。
一例として、チャネル導波路の本数N(Nは自然数を表す。)を200本とし、S字状導波路部10aに用いる最小曲率半径を6mmとすると、スラブ接続部9におけるチャネル導波路間隔d1が10μmであるものを、S字状導波路部10aを形成することにより、チャネル導波路間隔d1を20μmに広げるのために要する長さ(チャネル導波路アレイ4aの長さ)は約4mmであった。この場合、スラブ長f1は12mmとなるため、従来のAWG(スラブ接続部9におけるチャネル導波路間隔d1が20μmであり、スラブ長f1が24mm)に比してチップ長が16mm短縮できる。
ここで、チャネル導波路の本数Nを200本とし、S字状導波路部10bの最小曲率半径を6mmとすると、スラブ接続部9におけるチャネル導波路間隔d1が10μmであるものを、S字状導波路部10bを用いて、20μmに広げるのに要するチャネル導波路アレイ4bの長さは約4mmである。このときのスラブ長f1は12mmとなったため、従来のAWG(スラブ接続部9におけるチャネル導波路間隔d1=20μm、スラブ長f1=24mm)に比して、AWG1bのチップ長を16mm短縮化できる。
このように、本発明のAWG1,1a,1bによれば、チップサイズを小型化し、チップを低コスト化し、かつ損失の低減等の高い導波特性を有するものを得ることができる。
また、この小型化により、WDMの中継局,端局および光スイッチ等のハードウェアを小型化でき、これにより、低コスト化を図れる。
(B)本発明の第2実施形態の説明
第1実施形態においては、S字状導波路部10,20が形成される場所は、チャネル導波路a〜fのうちの入力スラブ3との接続部分の近傍であったが、その形成のための部分を替えることもでき、第2実施形態においてはAWGは、入力導波路2にS字状導波路部を設けている。
そして、第2実施形態においても、入力導波路2又は出力導波路6の各S字状導波路の曲率半径が、入力導波路2又は出力導波路6の中央の導波路から外側の導波路に向かう方向にしたがって小さくなるように形成されてもよい。
さらに、チャネル導波路a〜eの近傍部分の形状パターンは、図5(d),図5(e)にそれぞれ示すものを使用して形成することもできる。
また、AWG1cの入力導波路2は、ともに、例えば6本の複数の導波路を設けてもよく、さらに、出力導波路6は、1本の導波路だけを設けてもよい。
(C)その他
本発明は上述した実施態様に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
Claims (7)
- 基板上に、
複数の波長の光が多重された波長多重光を伝搬させて出力する1又は複数の入力導波路と、
該入力導波路から出力された波長多重光を拡散する第1スラブと、
相互に長さの異なる複数のチャネル導波路を有し該第1スラブにて拡散された波長多重光を該複数の波長に応じて分離し複数の分離光を伝搬させるチャネル導波路アレイと、
該チャネル導波路アレイにて伝搬された複数の分離光を集光する第2スラブと、
該第2スラブにて集光された光を伝搬する1又は複数の出力導波路とが形成され、
該各チャネル導波路のうちの該第1スラブと接続される第1の近傍部分と該各チャネル導波路のうちの該第2スラブと接続される第2の近傍部分とのうちの少なくとも一方における導波路間隔が、該チャネル導波路アレイと該第1スラブとの第1の接続部における導波路間隔、又は該チャネル導波路アレイと該第2スラブとの第2の接続部における導波路間隔よりも広くなるように形成されて構成され、
該複数のチャネル導波路の一端部である該第1の近傍部分又は他端部である該第2の近傍部分が、
該複数のチャネル導波路ごとに、屈曲度合いが異なるS字形状を有する導波路によって形成されたことを特徴とする、アレイ導波路型波長合分波器。 - 該複数のチャネル導波路としての各S字状導波路の曲率半径が、該複数のチャネル導波路の中央のチャネル導波路から外側のチャネル導波路に向かう方向にしたがって小さくなるように形成されたことを特徴とする、請求項1記載のアレイ導波路型波長合分波器。
- 該複数のチャネル導波路としての各S字状導波路の曲率半径が、該複数のチャネル導波路のうちの導波路長が最短のチャネル導波路から最長のチャネル導波路に向かう方向、又は該最長のチャネル導波路から最短のチャネル導波路に向かう方向にしたがって小さくなるように形成されたことを特徴とする、請求項1記載のアレイ導波路型波長合分波器。
- 該複数のチャネル導波路としての各S字状導波路の幅が、
該複数のチャネル導波路の付け根に相当するスラブ接続部において狭く、かつ該S字状導波路のうちの該第1スラブ又は該第2スラブ側の円弧部において該波長多重光の伝搬方向にしたがって広くなるように形成されたことを特徴とする、請求項1記載のアレイ導波路型波長合分波器。 - 該複数のチャネル導波路としての各S字状導波路の幅が、
該複数のチャネル導波路の付け根に相当するスラブ接続部と、該スラブ接続部と異なる部分とを同一になるように形成されたことを特徴とする、請求項1記載のアレイ導波路型波長合分波器。 - 該複数のチャネル導波路のうちの少なくとも1本のチャネル導波路の該第1の近傍部分又は該第2の近傍部分が、
所定の曲率半径を有するS字状導波路と、直線状の部分と、所定の曲率半径および円弧角を有する円弧状の部分とのうちの少なくとも一部分を設けたことを特徴とする、請求項1記載のアレイ導波路型波長合分波器。 - 波長の異なる複数の光信号を出力する光信号出力部と、該光信号出力部から出力された該複数の光信号を合波して波長多重光を出力するアレイ導波路型波長合分波器とをそなえた光伝送装置における該アレイ導波路型波長合分波器であって、
基板上に、
複数の波長の光が多重された波長多重光を伝搬させて出力する1又は複数の入力導波路と、
該入力導波路から出力された波長多重光を拡散する第1スラブと、
相互に長さの異なる複数のチャネル導波路を有し該第1スラブにて拡散された波長多重光を該複数の波長に応じて分離し複数の分離光を伝搬させるチャネル導波路アレイと、
該チャネル導波路アレイにて伝搬された複数の分離光を集光する第2スラブと、
該第2スラブにて集光された光を伝搬する1又は複数の出力導波路とが形成され、
該各チャネル導波路のうちの該第1スラブと接続される第1の近傍部分と該各チャネル導波路のうちの該第2スラブと接続される第2の近傍部分とのうちの少なくとも一方における導波路間隔が、該チャネル導波路アレイと該第1スラブとの第1の接続部における導波路間隔、又は該チャネル導波路アレイと該第2スラブとの第2の接続部における導波路間隔よりも広くなるように形成されて構成され、
該複数のチャネル導波路の一端部である該第1の近傍部分又は他端部である該第2の近傍部分が、該複数のチャネル導波路ごとに、屈曲度合いが異なるS字形状を有する導波路によって形成されたことを特徴とするアレイ導波路型波長合分波器。
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