JP4208366B2 - Optical coupler and optical multiplexer - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に光学要素に関し、特に光導波路を構成し、光結合器あるいは光パワースプリッタとして使われる光学要素に関する。
大量の情報を処理し、あるいは伝送する光情報処理系においては、光導波路は基本的な構成要素の一つである。かかる光情報処理系においては、光導波路中に複数の光信号を合成し、単一の光信号にまとめる光結合器、あるいは単一の光信号を複数の光信号に分解する光パワースプリッタが設けられることが多い。特に最近の大容量光情報処理系においては、各々の光信号が複数の波長の光信号成分を含む、いわゆる波長多重化(WDM)光信号を構成するため、かかる光結合器あるいは光パワースプリッタも、このような複数の波長の光信号成分を扱える必要がある。換言すると、波長多重化光信号を扱う光結合器あるいは光パワースプリッタは、前記波長多重化光信号を構成する複数の波長の光信号成分に対して一様に低い光損失を有する必要がある。
【0002】
このような波長多重化光信号を扱う技術として、いわゆるAWG(arrayed waveguide grating )構成があるが、かかるAWG構成は一般に大規模になり、費用も高く、このため安価な光結合器あるいは光パワースプリッタを使わざるを得ない場合がある。
【0003】
【従来の技術】
図1は、従来より使われている、単一波長光信号のために設計された光パワースプリッタ10の構成を示す。例えば特開平8−201648号公報を参照。
図1を参照するに、光パワースプリッタ10は光学的に透明な本体ないしスラブ10Aと、前記スラブ10Aの入射側端面101 に形成された入射側単一モード光導波路10Bと、前記スラブ10Aの出射側端面102 に形成された複数の出射側単一モード光導波路10C1 〜10C4 よりなり、前記入射側単一モード光導波路10Bから入射した、横方向への光強度分布10bを有する波長λの入射光は前記スラブ10A中において拡散し、側壁面で反射された後、前記出射側端面102 において前記出射側単一モード光導波路10C1 〜10C4 に入射する。すなわち、図1のスラブ10Aは多モード光導波路を構成する。その際、前記スラブ10Aの長さは、前記出射側端面102 上に前記出射側単一モード光導波路10C1 〜10C4 において光強度分布10cが最大になるように設定される。
【0004】
例えば、図1のスラブ10Aの物理的な長さをLmmi 、物理的な幅をWm 、光学的な幅をWe とした場合、前記長さLmmi は、
Lmmi =3Lc /4N (1)
で与えられ、また前記出射側単一モード光導波路10C1 〜10C4 の相互間隔Di は、
Di = We /N (2)
で決定される。ただし、Nは前記出射側単一モード光導波路10C1 〜10C4 の数を表し、式(1)中のパラメータLc は
Lc =(4/3)×nr ×(We 2 /λ) (3)
で与えられる。ここで、nr は前記スラブ10Aを構成する光学的媒質の、横方向への実効屈折率である。また、We はWm よりもやや大きい。
【0005】
従って、前記長さLmmi は先の式(1)および(3)より、
Lmmi =3Lc /4N=(1/N)×nr ×(We 2 /λ) (4)
で与えられる。
前記スラブ10Aの長さLmmi を式(4)に従って設定することにより、前記スラブ10Aの出射側端面102 上においては、前記出射側単一モード光導波路10C1 〜10C4 に対応した位置に、前記スラブ10A中における様々なモードの干渉の結果生じる自己結像効果により強い光強度が得られ、前記光導波路10C1 〜10C4 とスラブ10Aとの間に効率的な光結合が実現する。
【0006】
また、図1のパワースプリッタ10は、入射側と出射側とを入れ替えると、光結合器としても機能する。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図1の光パワースプリッタ10において前記入射側単一モード光導波路10Bに波長多重化光信号を供給した場合には、式(4)が波長λをパラメータとして含んでいることからもわかるように、特定の波長の光信号成分については光損失が小さいものの、他の波長の光信号成分については光損失が非常に大きくなる。すなわち、これらの波長では、最適なLmmi の値がスラブ10Aの長さに合致しなくなる。
【0008】
このように、図1の光パワースプリッタあるいは光結合器10は簡単な構成を有し、安価に製造できるものの、波長多重化光信号を処理するには不適当である問題点を有していた。
そこで、本発明は上記の課題を解決した、新規で有用な光導波路を提供することを概括的課題とする。
【0009】
本発明のより具体的な課題は、簡単な構成を有し、安価に形成でき、波長多重化光信号の光結合器あるいは光パワースプリッタとして機能する光導波路を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を、請求項1に記載したように、
第1の端面と、第2の、前記第1の端面に対向する端面とにより画成された、光学的に透明な媒体よりなる光学部材と、
前記第1の端面に対向して設けられ、前記光学部材に光学的に結合された複数の単一モード光導波路と、
前記第2の端面に対向して設けられ、前記光学部材に前記光学的に結合された別の単一モード光導波路と、
前記光学部材の前記第1の端面に、前記複数の単一モード光導波路に対応して設けられ、前記光学部材の前記第1の端面から前記対応する単一モード光導波路に向かって延在し、前記単一モード光導波路に接続された複数の延在部とよりなり、
前記複数の延在部の各々は、前記対応する単一モード光導波路よりも広い幅と前記単一モード光導波路を伝送される光信号の波長に対応した長さとを有し、
前記長さは前記複数の延在部で互いに異なっていることを特徴とする請求項1記載の光導波路により、解決する。
【0011】
本発明はまた上記の課題を、請求項2に記載したように、前記長さは、λn を前記対応する単一モード光導波路中を伝送される光信号の波長、λcをλnのうち最も長い波長以上の光波長(λc≧λn max )として、
Lext,n ≒Lmmi,c ×[(λc /λn )−1]、
Lmmi,c は、前記光波長λc を使って
Lmmi,c =(1/N)×nr ×(We 2 /λc )、
ただしnr は前記光学部材の実効屈折率、Nは前記第1の端面に対向して設けられた前記単一モード光導波路の数、We は前記透明光学部材の光学的な実効幅を表す、で与えられることを特徴とする請求項1記載の光導波路により、解決する。
【0012】
本発明はまた上記の課題を、請求項3に記載したように、
前記第1の端面において、前記複数の延在部は、長さが最大のものが中央部に、また長さが最短のものが前記第1の端面の両側縁部に位置するように形成されていることを特徴とする請求項1または2記載の光導波路により、解決する。
本発明はまた上記の課題を、
前記複数の延在部の間には、前記第1の端面を露出する切り込み部がないことを特徴とする請求項1〜3のうち、いずれか一項記載の光導波路により、解決する。
【0013】
本発明はまた上記の課題を、
前記複数の延在部の間は、前記第1の端面に斜交する斜面により画成されていることを特徴とする請求項1〜3のうち、いずれか一項記載の光導波路により、解決する。
本発明はまた上記の課題を、請求項4に記載したように、
請求項1〜3のうち、いずれか一項に記載した光導波路と、前記複数の単一モード光導波路に光学的に結合されたレーザアレイと、前記別の単一モード光導波路に光学的に結合された光増幅器とを含むことを特徴とする多波長光源により解決する。
【0014】
本発明はまた上記の課題を、請求項5に記載したように、
入射側端面と、前記入射側端面に対向する出射側端面とにより画成された、光学的に透明な媒体よりなる第1の光学部材と、
前記第1の光学部材の入射側端面に設けられ、各々端部が前記第1の光学部材の前記入射側端面に物理的に接続された複数の入射側単一モード光導波路と、
前記第1の光学部材の出射側端面に設けられ、各々第1の端部および第2の端部を有し、前記第1の端部が前記光学部材の前記出射側端面に物理的に接続された、複数の、各々は異なった光路長を有する別の単一モード光導波路と、
前記別の単一モード光導波路の各々の前記第2の端部が物理的に接続される入射側端面と、前記入射側端面に対向する出射側端面とにより画成された、光学的に透明な媒体よりなる第2の光学部材と、
前記第2の光学部材の前記出射側端面に光学的に結合された端部を有する、複数の出射側単一モード光導波路と、
前記複数の出射側単一モード光導波路に対応して設けられ、前記第2の光学部材の前記出射側端面から前記対応する前記出射側単一モード光導波路に向かって延在し、前記出射側単一モード光導波路に物理的に接続された複数の延在部とよりなり、
前記複数の延在部の各々は、前記対応する出射側単一モード光導波路よりも広い幅と前記出射側単一モード光導波路を伝送される光信号の波長に対応した長さとを有し、
前記長さは前記複数の延在部で互いに異なっていることを特徴とする多モード干渉光多重化器により、解決する。
[作用]
本発明によれば、単一モード光導波路を介して波長多重化光信号を供給される光学部材を含み、前記光学部材中において前記多重光信号を多モード干渉(multi-mode interference)させ、前記多重光信号を構成する、波長が互いに異なった複数の光信号成分を、それぞれの対応した単一モード光導波路に出力する光パワースプリッタ、あるいは複数の単一モード光導波路を介して、複数の波長の光信号を供給される光学部材を含み、前記光学部材中において前記光信号を多モード干渉させ、その結果得られた、前記複数の光信号を成分とする波長多重化光信号を、単一の単一モード光導波路に出力する光結合器において、前記光学部材に対して前記複数の光信号の波長にそれぞれ対応した長さの複数の延在部を設けることにより、前記光学部材の実効的な長さが光信号成分の波長毎に変化され、その結果光パワースプリッタにおいても、光結合器においても、各波長における光損失を最小化することが可能になる。
【0015】
【発明の実施の形態】
[参考例]
図2(A),(B)は本発明の参考例による光導波路20の構成を示す。ただし図2(A)は前記光導波路20の平面図を、図2(B)は断面図を示す。
図2(B)の断面図を参照するに、前記導波路20はクラッド層を兼ねるInP基板21上にMOVPE法あるいはMBE法により形成された厚さが約300nmのInGaAsPよりなるコア層22と、厚さが約300nmのInPよりなるクラッド層23とよりなり、前記コア層22とクラッド層23とはRIE法によりパターニングされて、図2(A)に示す平面図のメサ構造を形成する。
【0016】
次に図2(A)を参照するに、前記光導波路20は光パワースプリッタとして使われており、入射側端面201 とこれに対向する出射側端面202 とにより画成された物理的な幅がWm の多モード光干渉領域20Aを含み、前記入射側端面201 には波長がλ1 〜λ4 の波長多重化光信号を伝送する入射側単一モード光導波路20Bが接続されている。ここではλ1 >λ2 >λ3 >λ4 とする。一方、前記出射側端面202 には、それぞれ波長がλ1 〜λ4 の光信号を伝送する複数の出射側単一モード光導波路20C1 〜20C4 が光学的に結合されるが、前記光導波路20C2 〜20C4 については、前記多モード光干渉領域20Aの出射側端面202 との間に、それぞれ延長部20E2 〜20E4 が介在される。なお、図1の光パワースプリッタ10と同様に、前記光導波路20C1 〜20C4 は前記出射側端面202 上に、一様な間隔We /Nで実質的に相互に平行に形成される。
【0017】
ここで、前記多モード光干渉領域20Aの長さLmmi は、前記単一モード光導波路20C1 に出射される波長がλ1 の光信号成分を基準に、先の式(4)に対応した式(5)により、
Lmmi,1 =(1/N)×nr ×(We 2 /λ1 ) (5)
決定される。ただし、図2の例では、N=4である。
【0018】
これに対し、前記延長部20E2 〜20E4 の長さLext,n (ただしn=2〜4)は、
Lext,n ≒Lmmi,1 ×[(λ1 /λn )−1] (6)
に従って設定される。
その結果、前記入射側光導波路20Bに波長がλ1 〜λ4 の光信号成分を含む波長多重化光信号が供給された場合でも、前記各々の出射側単一モード光導波路20C1 〜20C4 における光損失は最小化され、効率的な光結合が実現される。
【0019】
図3は、図2(A),(B)の構成の光パワースプリッタ20において、出射側単一モード光導波路の数Nを8とした場合の、各波長毎の透過率を、図1に示す従来のものと比較して示す。
図3を参照するに、点線は従来の場合のものであり、中心波長1550nmの両側で顕著な減衰、すなわち光損失が生じるのがわかるのに対し、図中実線で示す本発明による光パワースプリッタ20では、いずれの波長においても光損失が最少になっているのがわかる。
【0020】
なお、図2(A),(B)の構成では、図1の構成も同様であるが、入射側端面201 にわずかなテーパ角θが形成してある。これは、前記多モード光干渉領域20A中における光干渉の際に、光強度が実質的にゼロになる部分が前記端面201 に隣接して形成されるため、このような部分を切り落とした結果生じている。
[第1実施例]
前記光パワースプリッタ20は、入射光と出射光の方向を反転させると、光結合器としても機能する。
【0021】
図4は、かかる本発明の第1実施例による光結合器30の構成を示す。ただし図4中先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図4を参照するに、光結合器30は前記光パワースプリッタ20と実質的に同一の構成を有するが、本実施例の光結合器30では前記単一モード光導波路20C1 〜20C4 を通って、それぞれ波長がλ1 〜λ4 の光信号が前記多モード光干渉領域20Aに入射し、前記多モード光干渉領域20Aにおいて多モード干渉を生じる。その結果、自己結像効果により強い光強度が前記端面201 のうち、前記単一モード光導波路20Bが接続されている部分に生じ、前記単一モード光導波路20Bに、前記波長がλ1 〜λ4 の光信号を重畳した波長多重化光信号が得られる。
【0022】
先の実施例の光パワースプリッタ20でも事情は同じであるが、本実施例による光結合器30では、前記延在部20E2 〜20E4 が、前記多モード光干渉領域20Aと同様な多モード光導波路を構成していることに注意が必要である。このため、前記延在部20E2 〜20E4 は、対応する単一モード光導波路20C2 〜20C4 よりも大きな幅を有し、その結果、前記単一モード光導波路20C2 〜20C4 中を導波された光信号は、前記延在部20E2 〜20E4 に入射した時点で図4中に破線で示すように拡散し、前記多モード光干渉領域20Aに入射する。このため、前記延在部20E2 〜20E4 は、かかる光信号の拡散を妨げないような、単一モード光導波路20C1 〜20C4 の幅よりも大きな幅に設定されなければならない。さもないと、図3の本発明の好ましい特徴は実現できない。図3の結果は、かかる前記延在部20E2 〜20E4 における光信号の拡散が全く妨げられなかった場合についてのものである。
【0023】
先にも説明したように、前記単一モード光導波路20C1 〜20C4 の幅を、導波された光信号が十分に拡散して前記多モード光干渉領域20Aに入射するように十分に大きく設定することは、図4の光結合器30のみならず、図2(A),(B)の光パワースプリッタにおいても重要である。
[第2実施例]
先にも説明したように、前記単一モード光導波路20C1 〜20C4 の幅を、導波された光信号が十分に拡散して前記多モード光干渉領域20Aに入射するように十分に大きく設定することが本発明の光導波路では非常に重要である。しかしこの要求を満足することは、図4より容易にわかるように、特に最も長い延在部20E4 においては困難である。図4の例では、前記延在部20E4 においては光導波路20C4 から入射する光信号の拡散が、実際には妨げられているのがわかる。
【0024】
これに対し、図5は、本発明の第2実施例による光結合器40の構成を示す。ただし図5中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図5を参照するに、光結合器40においては先の実施例で使われた、各々の入射側単一モード光導波路20C2 〜20C4 に対応した延在部20E2 〜20E4 の代わりに、前記入射側端面202 上に、単一の階段状多モード導波領域20Eを形成する。かかる階段状多モード導波領域20Eは、前記各々の入射側単一モード光導波路20C1 〜20C4 に対応した階段部を含み、前記階段部の高さ、即ち前記入射側端面202 から測った距離が、前記式(6)に従って決定されている。
【0025】
かかる構成では、先の図4の構成において前記光導波路20C4 を介して伝送され、前記延在部20E4 において拡散しながら前記多モード光干渉領域20Aに入射する波長がλ4 の入射光のうちの一部(図4中に符号20c4で示す)の拡散が妨げられ、その結果、かかる入射光が前記多モード光干渉領域20Aにおける正規の多モード干渉以外の望ましくない多モード干渉も受けてしまう問題が、前記別々の延在部20E2 〜20E4 の代わりに単一の階段状延在部20Eを使うことにより、軽減される。
【0026】
なお、図5の光結合器40は、入射光と出射光の方向を反転させることにより、光パワースプリッタとして使うことも可能である。
[第3実施例]
図6は、本発明の第3実施例による光結合器50の構成を示す。ただし図6中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【0027】
図6を参照するに、本実施例では前記入射側単一モード光導波路20C1 〜20C4 の順序を変更し、前記階段状多モード導波領域20Eの最も高い階段部、すなわち光導波路20C4 に対応する段部が、光導波路20C2 に対応する段部と光導波路20C3 に対応する段部との中間に位置するように構成する。その結果、前記光導波路20C4 中を導波された光信号も前記階段状多モード導波領域20E中において妨げられることなく拡散し、光結合器50は先に図3で説明した理想的な光透過特性を示す。本実施例では、前記光導波路20C1 〜20C4 を出た波長がλ1 〜λ4 の入射光は、いずれも前記多モード光干渉領域20Aにおいて生じる正規の多モード干渉作用のみを受ける。
【0028】
先の実施例と同様に、図6の光結合器50において入射光と出射光の方向を反転させると、前記光結合器50は高効率光パワースプリッタとして作用する。
本実施例のその他の特徴は、先の実施例の説明から明らかであり、説明を省略する。
[第4実施例]
図7は、本発明の第4実施例による光結合器60の構成を示す。ただし図7中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【0029】
図7を参照するに、光結合器60は図5の光結合器40の一変形例であり、前記階段状多モード導波領域20Eを構成する階段と階段の間を、前記入射側端面202 に斜交する端面203 で結んだ構成を有する。かかる構成は、図5の光結合器40よりも形成が容易であり、その結果前記単一モード光導波路20C1 〜20C4 の数を更に増やしても、光結合器60の製造上の問題は生じない。
【0030】
本実施例のその他の特徴および利点は先のものと同様であり、説明を省略する。
[第5実施例]
図8は、本発明の第5実施例による光結合器70の構成を示す。ただし図8中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【0031】
図8を参照するに、前記光結合器70は先に図6で説明した光結合器50の特徴と図7で説明した光結合器60の特徴を併せ持ち、階段状多モード導波領域20E中の最も高い段部を中央部に、最も低い段部を両側部に配置するように配置し、さらに段部と段部の間を直線状の端面で結ぶ。
かかる構成は入射側単一モード光導波路20Cに含まれる導波路の数が増大した場合にも容易に製造でき、しかもいずれの導波路を介して前記多モード光干渉領域20Aに伝送される光信号であっても、前記階段状多モード導波領域20Eで余計な干渉を受けることがなく、前記多モード光干渉領域20Aによる干渉のみを受ける。その結果、前記入射側光導波路20Cを通って前記多モード光干渉領域20Aに伝送されたそれぞれの波長の光信号は、前記領域20Aの出射端に形成された出射側単一モード光導波路20Bに高い効率で注入され、その結果前記出射側単一モード光導波路20B中に波長多重化光信号が得られる。かかる光結合器は、このように入射光信号の波長が様々に異なっていても、光損失を最小化することが可能である。
【0032】
図8の例では、前記入射側単一モード光導波路20Cを構成する単一モード光導波路は、対応する波長のレーザダイオードアレイに結合され、また出射側単一モード光導波路20Bは光増幅器に結合されている。
先の実施例と同様に、図8の光結合器70も、光パワースプリッタとして使用することが可能である。
[第6実施例]
以上の実施例では、光結合器の場合には出射側、光パワースプリッタの場合には入射側の単一モード光導波路の数は一つとしていた。しかし、本発明は、かかる特定の構成に限定されるものではなく、出射側に複数の単一モード光導波路を設けた光結合器、あるいは入射側に複数の単一モード光導波路を設けた光パワースプリッタを構成することも可能である。
【0033】
図9は、このような出射側にも複数の単一モード光導波路を設けた光結合器80の構成を示す。ただし図9中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図9を参照するに、入射側端面202 にはそれぞれ波長がλ1 ,λ2 ,λ3 の光入力信号を伝送する単一モード光導波路20C1 〜20C3 が設けられ、前記光導波路20C2 と多モード光干渉領域20Aとの間には多モード光導波路を構成する延在部20E2 が、また前記光導波路20C3 と多モード光干渉領域20Aとの間には、同様に多モード光導波路を構成する延在部20E3 が挿入されている。一方、前記光導波路20C1 は前記多モード光干渉領域20Aに直接に接続されている。前記延在部20E2 ,20E3 の長さは、前記式(6)により決まる。
【0034】
かかる出射側光導波路の数が2で、入射側導波路の数がNの構成では、前記多モード光干渉領域20Aの長さLmmi は先の式(3)のLc を使って、
Lmmi =Lc /N
により設定され、一方、前記出力側光導波路20B1 ,20B2 の間隔は、前記多モード光干渉領域20Aの実効的光学幅We を使って、We /3に等しくなるように設定される。この場合、入力側光導波路20C1 〜20C3 の間隔は、前記実効的光学幅We を使って、2We /3Nになるように設定される。
【0035】
また、図9の構成は、入射側光導波路の数がNで出射側光導波路の数が同じくNである場合に容易に拡張できる。この場合には、前記多モード光干渉領域20Aの長さLmmi を、前記式(3)のLc を使って、
Lmmi =3Lc /N
により設定される。また入射側および出射側光導波路の間隔は任意に設定してよい。
【0036】
先の実施例と同様に、図9の光結合器は、入射光と出射光の方向を反転させることで、光パワースプリッタとして使うことも可能である。
[第7実施例]
図10は、本発明の第7実施例による多重モード干渉光マルチプレクサ90の構成を示す。
【0037】
図10を参照するに、前記光マルチプレクサ90は、波長がλ1 〜λ4 の光多重化信号を伝送する入射側単一モード光導波路91と、前記入射側単一モード光導波路91が物理的に接続された従来の構成の光多重干渉素子92と、前記従来構成の光多重干渉素子92に単一モード光導波路931 〜934 よりなる光内部接続回路93を介して光学的に結合された、先の実施例で説明した構成の光多重干渉素子92,94 と、前記光多重干渉素子94に光学的に結合された出射側単一モード光導波路95とよりなり、前記出射側単一モード光導波路95を構成する複数の単一モード光導波路の各々は、前記光多重干渉素子94の出射側端面に設けられた、前記延在部20Eに対応する延在部に接続される。その結果、前記入射側単一モード光導波路91中の光多重化信号λ1 〜λ4 が反多重化され、分離された光信号成分λ1 〜λ4が、前記出射側単一モード光導波路95を構成する各々の光導波路中にそれぞれ出力される。
【0038】
また、前記光マルチプレクサ90において、前記単一モード光導波路95を構成する光導波路の各々に対応する波長の光信号λ1 〜λ4 を供給した場合、前記単一モード光導波路91には、前記光信号λ1 〜λ4 を構成成分として波長多重化した多重化光信号が得られる。
本実施例においても先の実施例と同様に、前記延在部20Eを構成する各部の長さが、伝送する光信号の波長に対応して変化させられている。
【0039】
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【0040】
【発明の効果】
本発明によれば、単一モード光導波路を介して波長多重化光信号を供給される光学部材を含み、前記光学部材中において前記多重光信号を多モード干渉(multi-mode interference)させ、前記多重光信号を構成する、波長が互いに異なった複数の光信号成分を、それぞれの対応した単一モード光導波路に出力する光パワースプリッタ、あるいは複数の単一モード光導波路を介して、複数の波長の光信号を供給される光学部材を含み、前記光学部材中において前記光信号を多モード干渉させ、その結果得られた、前記複数の光信号を成分とする波長多重化光信号を、単一の単一モード光導波路に出力する光結合器あるいは光多重化器においても、前記光学部材に対して前記複数の光信号の波長にそれぞれ対応した長さの複数の延在部を設けることにより、前記光学部材の実効的な長さが光信号成分の波長毎に変化され、その結果光パワースプリッタにおいても、光結合器においても、また光多重化器においても、各波長における光損失を最小化することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の光パワースプリッタの構成を示す図である。
【図2】 (A),(B)は、参考例による光パワースプリッタの構成を示す図である。
【図3】図2の光パワースプリッタの透過特性を示す図である。
【図4】 本発明の第1実施例による光結合器の構成を示す図である。
【図5】 本発明の第2実施例による光結合器の構成を示す図である。
【図6】 本発明の第3実施例による光結合器の構成を示す図である。
【図7】 本発明の第4実施例による光結合器の構成を示す図である。
【図8】 本発明の第5実施例による光結合器の構成を示す図である。
【図9】 本発明の第6実施例による光結合器の構成を示す図である。
【図10】 本発明の第7実施例による光多重化器の構成を示す図である。
【符号の説明】
10,20 光パワースプリッタ
101 ,102 ,201 ,202 端面
10A スラブ
10B,10C1 〜10C4 ,20B1 ,20B2 ,20C1 〜20C4 単一モード光導波路
10b,10c 光強度分布
20A 多モード光干渉領域
20E1 〜20E4 延在部
20E 階段状多モード導波領域
21 InP基板
22 InGaAsPコア層
23 InP クラッドそう
30,40,50,60,70,80 光結合器
90 光多重化器
91 入射側単一モード光導波路
92,94 光多重干渉素子
93 内部接続回路
95 出射側単一モード光導波路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention generally relates to an optical element, and more particularly to an optical element constituting an optical waveguide and used as an optical coupler or an optical power splitter.
In an optical information processing system that processes or transmits a large amount of information, an optical waveguide is one of the basic components. In such an optical information processing system, an optical coupler that combines a plurality of optical signals into an optical waveguide and combines them into a single optical signal, or an optical power splitter that decomposes a single optical signal into a plurality of optical signals is provided. It is often done. Particularly in recent large-capacity optical information processing systems, since each optical signal constitutes a so-called wavelength multiplexed (WDM) optical signal including optical signal components of a plurality of wavelengths, such an optical coupler or optical power splitter is also included. Therefore, it is necessary to handle such optical signal components having a plurality of wavelengths. In other words, the optical coupler or the optical power splitter that handles the wavelength multiplexed optical signal needs to have uniformly low optical loss with respect to the optical signal components of a plurality of wavelengths constituting the wavelength multiplexed optical signal.
[0002]
As a technique for handling such wavelength multiplexed optical signals, there is a so-called AWG (arrayed waveguide grating) configuration. However, such an AWG configuration is generally large and expensive, and thus an inexpensive optical coupler or optical power splitter. May have to be used.
[0003]
[Prior art]
FIG. 1 shows a configuration of an
Referring to FIG. 1, an
[0004]
For example, the physical length of the
Lmmi= 3Lc/ 4N (1)
And the output-side single mode optical waveguide 10C.1-10CFourMutual distance DiIs
Di= We/ N (2)
Determined by Where N is the exit-side single mode optical waveguide 10C.1-10CFourParameter L in equation (1)cIs
Lc= (4/3) × nr× (We 2/ Λ) (3)
Given in. Where nrIs the effective refractive index in the lateral direction of the optical medium constituting the slab 10A. WeIs WmA little bigger than.
[0005]
Therefore, the length LmmiFrom the previous equations (1) and (3),
Lmmi= 3Lc/ 4N = (1 / N) × nr× (We 2/ Λ) (4)
Given in.
Length L of the
[0006]
The power splitter 10 in FIG. 1 also functions as an optical coupler when the incident side and the emission side are interchanged.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the wavelength-multiplexed optical signal is supplied to the incident-side single-mode
[0008]
As described above, although the optical power splitter or the
Accordingly, it is a general object of the present invention to provide a new and useful optical waveguide that solves the above problems.
[0009]
A more specific object of the present invention is to provide an optical waveguide that has a simple configuration, can be formed at low cost, and functions as an optical coupler or an optical power splitter for wavelength multiplexed optical signals.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present invention solves the above problem as described in
An optical member made of an optically transparent medium, defined by a first end surface and a second end surface facing the first end surface;
A plurality of single-mode optical waveguides provided opposite the first end face and optically coupled to the optical member;
Another single-mode optical waveguide provided opposite the second end face and optically coupled to the optical member;
The first end surface of the optical member is provided corresponding to the plurality of single mode optical waveguides, and extends from the first end surface of the optical member toward the corresponding single mode optical waveguide. A plurality of extending portions connected to the single mode optical waveguide,
Each of the plurality of extending portions has a width wider than the corresponding single mode optical waveguide and a length corresponding to the wavelength of the optical signal transmitted through the single mode optical waveguide,
The optical waveguide according to
[0011]
The present invention also provides the above-mentioned problem, as described in
Lext, n≒ Lmmi, c× [(λc/ Λn-1],
Lmmi, cIs the light wavelength λcWith
Lmmi, c= (1 / N) × nr× (We 2/ Λc),
Where nrIs the effective refractive index of the optical member, N is the number of single-mode optical waveguides provided facing the first end face, and WeThis is solved by the optical waveguide according to
[0012]
The present invention also solves the above problem as described in
In the first end surface, the plurality of extending portions are formed such that the longest one is located at the center and the shortest one is located at both side edges of the first end surface. This is solved by the optical waveguide according to
The present invention also solves the above problems.
It solves with the optical waveguide as described in any one of Claims 1-3 which do not have the notch which exposes the said 1st end surface between these extension parts.
[0013]
The present invention also solves the above problems.
The optical waveguide according to any one of
The present invention also solves the above problem as described in claim 4.
An optical waveguide according to any one of
[0014]
The present invention also solves the above problem as described in claim 5.
A first optical member made of an optically transparent medium, defined by an incident side end surface and an output side end surface facing the incident side end surface;
A plurality of incident-side single mode optical waveguides provided on the incident-side end face of the first optical member, each of which is physically connected to the incident-side end face of the first optical member;
Provided on the exit end face of the first optical member, each having a first end and a second end, the first end being physically connected to the exit end face of the optical member A plurality of separate single mode optical waveguides each having a different optical path length;
Optically transparent defined by an incident side end face to which the second end of each of the other single-mode optical waveguides is physically connected and an output side end face facing the incident side end face A second optical member made of a medium,
A plurality of exit-side single mode optical waveguides having an end optically coupled to the exit-side end face of the second optical member;
Provided corresponding to the plurality of exit-side single-mode optical waveguides, extending from the exit-side end surface of the second optical member toward the corresponding exit-side single-mode optical waveguide, A plurality of extensions physically connected to the single mode optical waveguide,
Each of the plurality of extending portions has a width wider than the corresponding output-side single mode optical waveguide and a length corresponding to the wavelength of an optical signal transmitted through the output-side single mode optical waveguide,
The length is solved by a multimode interference optical multiplexer characterized in that the plurality of extending portions are different from each other.
[Action]
According to the present invention, an optical member that is supplied with a wavelength-multiplexed optical signal via a single-mode optical waveguide, and multi-mode interference of the multiplexed optical signal in the optical member, Multiple optical signal components that make up a multiple optical signal and that output multiple optical signal components with different wavelengths to their corresponding single-mode optical waveguides, or multiple single-mode optical waveguides. A plurality of optical signals in the optical member, and a single wavelength multiplexed optical signal having the plurality of optical signals as components obtained as a result. In the optical coupler that outputs to the single-mode optical waveguide, the optical member is provided with a plurality of extending portions each having a length corresponding to the wavelength of the plurality of optical signals. Is varied for each wavelength of the optical signal components such length, also in the resulting optical power splitter, in the optical coupler, it is possible to minimize optical loss at each wavelength.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[referenceExample]
2 (A) and 2 (B) show the present invention.Reference exampleThe structure of the
Referring to the cross-sectional view of FIG. 2B, the
[0016]
Next, referring to FIG. 2A, the
[0017]
Here, the length L of the multimode
Lmmi, 1= (1 / N) × nr× (We 2/ Λ1(5)
It is determined. However, in the example of FIG. 2, N = 4.
[0018]
In contrast, the
Lext, n≒ Lmmi, 1× [(λ1/ Λn-1] (6)
Set according to.
As a result, the incident side
[0019]
FIG. 3 shows the transmissivity for each wavelength in the
Referring to FIG. 3, the dotted line is the conventional case, and it can be seen that significant attenuation, that is, optical loss occurs on both sides of the center wavelength of 1550 nm, whereas the optical power splitter according to the present invention indicated by the solid line in the figure. 20 shows that the light loss is minimized at any wavelength.
[0020]
2A and 2B, the configuration of FIG. 1 is the same, but the incident
[No.1Example]
The
[0021]
FIG. 4 shows the first aspect of the present invention.1The structure of the
Referring to FIG. 4, the
[0022]
The situation is the same in the
[0023]
As described above, the single-mode
[No.2Example]
As described above, the single-mode
[0024]
On the other hand, FIG.2The structure of the
Referring to FIG. 5, in the
[0025]
In such a configuration, the
[0026]
The
[No.3Example]
FIG. 6 shows the first aspect of the present invention.3The structure of the
[0027]
Referring to FIG. 6, in the present embodiment, the incident-side single mode optical waveguide 20C.1~ 20CFourAnd the highest step portion of the step-like
[0028]
Similar to the previous embodiment, when the directions of incident light and outgoing light are reversed in the
Other features of the present embodiment are clear from the description of the previous embodiment, and a description thereof will be omitted.
[No.4Example]
FIG. 7 shows the first aspect of the present invention.4The structure of the
[0029]
Referring to FIG. 7, an
[0030]
Other features and advantages of this embodiment are the same as those described above, and a description thereof will be omitted.
[No.5Example]
FIG. 8 shows the first aspect of the present invention.5The structure of the
[0031]
Referring to FIG. 8, the
Such a configuration can be easily manufactured even when the number of waveguides included in the incident-side single-mode
[0032]
In the example of FIG. 8, the single-mode optical waveguide constituting the incident-side single-mode
Similar to the previous embodiment, the
[No.6Example]
In the above embodiments, the number of single-mode optical waveguides on the output side is one in the case of an optical coupler and the number of single-mode optical waveguides on the incident side in the case of an optical power splitter. However, the present invention is not limited to such a specific configuration, and an optical coupler provided with a plurality of single mode optical waveguides on the output side, or light provided with a plurality of single mode optical waveguides on the incident side. A power splitter can also be configured.
[0033]
FIG. 9 shows a configuration of an
Referring to FIG. 9, the incident side end face 202Each has a wavelength of λ1, Λ2, ΛThreeSingle-mode
[0034]
In the configuration in which the number of output side optical waveguides is 2 and the number of incident side waveguides is N, the length L of the multimode
Lmmi= Lc/ N
On the other hand, the output side
[0035]
9 can be easily expanded when the number of incident side optical waveguides is N and the number of output side optical waveguides is N. In this case, the length L of the multimode
Lmmi= 3Lc/ N
Is set by Further, the interval between the incident side and the outgoing side optical waveguides may be set arbitrarily.
[0036]
Similar to the previous embodiment, the optical coupler of FIG. 9 can also be used as an optical power splitter by reversing the directions of incident light and outgoing light.
[No.7Example]
FIG. 10 shows the first aspect of the present invention.7The structure of the multimode interference
[0037]
Referring to FIG. 10, the
[0038]
Further, in the
Also in the present embodiment, as in the previous embodiment, the length of each part constituting the extending
[0039]
Although the present invention has been described with reference to the preferred embodiments, the present invention is not limited to such specific embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope described in the claims.
[0040]
【The invention's effect】
BookAccording to the invention, the optical member includes an optical member to which a wavelength-multiplexed optical signal is supplied through a single mode optical waveguide, and the multiplexed optical signal is multi-mode interference in the optical member, and the multiplexing is performed. Multiple optical signal components with different wavelengths that make up the optical signal are output to the corresponding single mode optical waveguides, or through multiple single mode optical waveguides. An optical member to which an optical signal is supplied, and multimode interference of the optical signal in the optical member, and the resulting wavelength-multiplexed optical signal including the plurality of optical signals as a single component Even in an optical coupler or an optical multiplexer that outputs to a single mode optical waveguide, by providing a plurality of extending portions each having a length corresponding to a wavelength of each of the plurality of optical signals, the optical member The effective length of the optical member is changed for each wavelength of the optical signal component, so that the optical loss at each wavelength is minimized in the optical power splitter, optical coupler, and optical multiplexer. It becomes possible to do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a conventional optical power splitter.
[Figure 2] (A), (B)Reference exampleIt is a figure which shows the structure of the optical power splitter by.
FIG. 3 is a diagram showing transmission characteristics of the optical power splitter of FIG. 2;
FIG. 4 shows the first aspect of the present invention.1It is a figure which shows the structure of the optical coupler by an Example.
FIG. 5 shows the first of the present invention.2It is a figure which shows the structure of the optical coupler by an Example.
FIG. 6 shows the first of the present invention.3It is a figure which shows the structure of the optical coupler by an Example.
FIG. 7 shows the first of the present invention.4It is a figure which shows the structure of the optical coupler by an Example.
FIG. 8 shows the first of the present invention.5It is a figure which shows the structure of the optical coupler by an Example.
FIG. 9 shows the first of the present invention.6It is a figure which shows the structure of the optical coupler by an Example.
FIG. 10 shows the first of the present invention.7It is a figure which shows the structure of the optical multiplexer by an Example.
[Explanation of symbols]
10,20 Optical power splitter
101, 102, 201, 202End face
10A Slab
10B, 10C1-
10b, 10c Light intensity distribution
20A Multimode optical interference region
20E1~ 20EFour Extension
20E Stepped multimode waveguide region
21 InP substrate
22 InGaAsP core layer
23 InP clad so
30, 40, 50, 60, 70, 80 Optical coupler
90 Optical multiplexer
91 Incident-side single-mode optical waveguide
92,94 Optical multiple interference element
93 Internal connection circuit
95 Emission-side single-mode optical waveguide
Claims (6)
前記第1の端面に対向して設けられ、前記光学部材に光学的に結合された複数の単一モード光導波路と、
前記第2の端面に対向して設けられ、前記光学部材に前記光学的に結合された別の単一モード光導波路と、
前記光学部材の前記第1の端面に、前記複数の単一モード光導波路に対応して設けられ、前記光学部材の前記第1の端面から前記対応する単一モード光導波路に向かって延在し、前記単一モード光導波路に接続された複数の延在部とよりなり、
前記複数の延在部の各々は、前記対応する単一モード光導波路よりも広い幅と前記単一モード光導波路を伝送される光信号の波長に対応した長さとを有し、
前記長さは前記複数の延在部で互いに異なっており、
前記複数の単一モード光導波路は、前記スラブ状の光学部材の光学的な幅を、前記複数の単一モード光導波路の数で割った値に等しい相互間隔で設けられており、
前記光学部材は、基板と、前記基板上に形成されたコア層と、前記コア層上に形成されたクラッド層とを含み、
前記コア層は、前記基板およびクラッド層のいずれもより高い屈折率を有することを特徴とする光結合器。A slab-like optical member made of an optically transparent medium, defined by a first end face and a second end face facing the first end face;
A plurality of single mode optical waveguides provided opposite the first end face and optically coupled to the optical member;
Another single mode optical waveguide provided opposite the second end face and optically coupled to the optical member;
The first end surface of the optical member is provided corresponding to the plurality of single mode optical waveguides, and extends from the first end surface of the optical member toward the corresponding single mode optical waveguide. A plurality of extending portions connected to the single mode optical waveguide,
Each of the plurality of extending portions has a width wider than the corresponding single mode optical waveguide and a length corresponding to the wavelength of the optical signal transmitted through the single mode optical waveguide,
The lengths are different from each other in the plurality of extending portions ,
The plurality of single mode optical waveguides are provided at mutual intervals equal to a value obtained by dividing the optical width of the slab-like optical member by the number of the plurality of single mode optical waveguides,
The optical member includes a substrate, a core layer formed on the substrate, and a cladding layer formed on the core layer,
The core layer, the optical coupler you characterized as having a higher refractive index none of the substrate and the cladding layer.
Lext,n ≒Lmmi,c ×[(λc /λn )−1]、
Lmmi,c は、前記光波長λc を使って
Lmmi,c =(1/N)×nr ×(We 2 /λc )、
ただしnr は前記光学部材の実効屈折率、Nは前記第1の端面に対向して設けられた前記単一モード光導波路の数、We は前記透明光学部材の光学的な実効幅を表す、で与えられることを特徴とする請求項1記載の光結合器。The length is the wavelength of the optical signals transmitted through the single-mode optical waveguide for the corresponding lambda n, the most long have optical wavelength of λ n (λ c = λ n max) λc,
L ext, n ≈L mmi, c × [(λ c / λ n ) -1],
L mmi, c is L mmi, c = (1 / N) × n r × (W e 2 / λ c ), using the light wavelength λ c .
However n r is the effective refractive index of the optical member, N is the number of said single mode optical waveguide which is provided to face the first end surface, the W e represents an optical effective width of the transparent optical member The optical coupler according to claim 1, which is given by:
前記第1の光学部材の入射側端面に設けられ、各々端部が前記第1の光学部材の前記入射側端面に物理的に接続された複数の入射側単一モード光導波路と、
前記第1の光学部材の出射側端面に設けられ、各々第1の端部および第2の端部を有し、前記第1の端部が前記光学部材の前記出射側端面に物理的に接続された、複数の、各々は異なった光路長を有する第1の出射側単一モード光導波路と、
前記第1の出射側単一モード光導波路の各々の前記第2の端部が物理的に接続される入射側端面と、前記入射側端面に対向する出射側端面とにより画成された、光学的に透明な媒体よりなるスラブ状の第2の光学部材と、
前記第2の光学部材の前記出射側端面に光学的に結合された端部を有する、複数の第2の出射側単一モード光導波路と、
前記複数の第2の出射側単一モード光導波路に対応して設けられ、前記第2の光学部材の前記出射側端面から前記対応する前記第2の出射側単一モード光導波路に向かって延在し、前記第2の出射側単一モード光導波路に物理的に接続された複数の延在部とよりなり、
前記複数の延在部の各々は、前記対応する第2の出射側単一モード光導波路よりも広い幅と前記出射側単一モード光導波路を伝送される光信号の波長に対応した長さとを有し、
前記長さは前記複数の延在部で互いに異なっており、
前記第2の光学部材ではその入射側端面に、前記複数の第1の出射側単一モード光導波路が、前記スラブ状の第2の光学部材の幅を前記複数の第1の出射側単一モード光導波路の数で割った値に等しい相互間隔で設けられており、
前記第2の光学部材ではその出射側端面に、前記複数の第2の出射側単一モード光導波路が、前記スラブ状の第2の光学部材の幅を前記複数の第2の出射側側単一モード光導波路の数で割った値に等しい相互間隔で設けられており、
前記第1および第2の光学部材の各々は、基板と、前記基板上に形成されたコア層と、前記コア層上に形成されたクラッド層とを含み、
前記コア層は、前記基板およびクラッド層のいずれよりも高い屈折率を有することを特徴とする光結合器。A slab-shaped first optical member made of an optically transparent medium, defined by an incident-side end surface and an exit-side end surface facing the incident-side end surface;
A plurality of incident-side single mode optical waveguides provided on the incident-side end face of the first optical member, each of which is physically connected to the incident-side end face of the first optical member;
Provided on the exit end face of the first optical member, each having a first end and a second end, the first end being physically connected to the exit end face of the optical member A plurality of first exit side single-mode optical waveguides each having a different optical path length;
An optical element defined by an incident-side end face to which the second end of each of the first outgoing-side single-mode optical waveguides is physically connected, and an outgoing-side end face facing the incident-side end face; A slab-shaped second optical member made of a transparent medium,
A plurality of second exit-side single-mode optical waveguides having an end optically coupled to the exit-side end face of the second optical member;
A plurality of second output-side single mode optical waveguides extending from the output-side end face of the second optical member toward the corresponding second output-side single mode optical waveguide. A plurality of extending portions physically connected to the second output side single-mode optical waveguide,
Each of the plurality of extending portions has a width wider than the corresponding second emission-side single mode optical waveguide and a length corresponding to the wavelength of an optical signal transmitted through the emission-side single mode optical waveguide. Have
The lengths are different from each other in the plurality of extending portions ,
In the second optical member, the plurality of first emission-side single mode optical waveguides are formed on the incident-side end face thereof, and the width of the slab-shaped second optical member is set to be the plurality of first emission-side single waves. Provided with a mutual spacing equal to the value divided by the number of mode optical waveguides,
In the second optical member, the plurality of second output-side single mode optical waveguides are formed on the output-side end face thereof, and the width of the slab-shaped second optical member is set to the plurality of second output-side single units. Provided at a mutual interval equal to the value divided by the number of one-mode optical waveguides,
Each of the first and second optical members includes a substrate, a core layer formed on the substrate, and a cladding layer formed on the core layer,
The optical coupler according to claim 1, wherein the core layer has a higher refractive index than any of the substrate and the clad layer .
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