JP4552862B2

JP4552862B2 - 光合波器

Info

Publication number: JP4552862B2
Application number: JP2006002317A
Authority: JP
Inventors: 光樹平野; 裕紀安田
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2006-01-10
Filing date: 2006-01-10
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2026-01-10
Also published as: JP2007183466A

Description

本発明は、波長が異なる複数の光を合波させる光合波器に関する。

波長分割多重通信（ＷＤＭ）システムには光合分波器が不可欠であり、光導波路型や光ファイバ型の光合波器がある。

例えば、図５に示される光合波器５０は、図示されない基板上に形成される光導波路型の光合波器であり、それぞれ波長の異なる光を出射する４つの光源（例えば、レーザダイオード（ＬＤ））５１ａ〜５１ｄと、光源５１ａ〜５１ｄの出射光を合波させる光合波器本体部５２と、光合波器本体部５２の出射端に接続される光出射部５３とを有する。光合波器本体部５２は、３つのＹ字形結合部５４ａ〜５４ｃを有し、隣り合う２つの光源５１ａ，５１ｂに接続されるコア５５ａ，５５ｂはＹ字形結合部５４ａでコア５６ａに結合され、残りの２つの光源５１ｃ，５１ｄに接続されるコア５５ｃ，５５ｄはＹ字形結合部５４ｂでコア５６ｂに結合されている。コア５６ａとコア５６ｂとはＹ字形結合部５４ｃでさらにコア５７に結合され、結合されたコア５７が光出射部５３に接続されている。

各光源５１ａ〜５１ｄから波長の異なる光をそれぞれ光合波器本体部５２に入射させると、それらの光は、各Ｙ字形結合部５４ａ〜５４ｃで合波され、光出射部５３に４つの異なる波長が合波された波長多重光が出力される。

図５に示される光合波器５０では、各Ｙ字形結合部５４ａ〜５４ｃにおいて、２つの信号光が合波される際に約３ｄＢの損失を生じるといった問題がある。４波長を合波させる光合波器の場合、入射された光は、一つの光路においてＹ字形結合部で２回合波されるので、光出射部５３に到達する際には約６ｄＢの損失が生じてしまう。

また、損失を低減した光合波器として、多層膜フィルタを用いたものがあるが、多層膜フィルタを用いた光合波器を構成する場合、合波させる波長の数と同じ数だけ特性の異なるフィルタが必要であり、さらにフィルタのそれぞれに複数の部品を実装する必要があり、高コストとなる。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。

特開平１１−１１９０４２号公報

一方、Ｙ字形結合部を有する光合波器より低損失なアレイ導波路型回折格子（ＡＷＧ）の光合波器がある。ＡＷＧは、実装する部品数が少なく、伝送損失が小さいといった利点を有する。

しかしながら、例えばポリマ材料で形成したＡＷＧ光合波器は、環境温度の変化に応じて、伝送特性が変化してしまう（温度依存性を生じる）。すなわち、環境温度が上昇すると、合波させる光の波長特性が短波長側にシフトするが、温度上昇したＬＤの波長特性は長波長側にシフトし、良好な特性を得にくい。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、低損失な伝送特性を有し、かつ低コストに作製できる光合波器を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、波長が異なる複数の光を合波する光合波器において、同じ環境温度下に、波長が異なる光をそれぞれ出力する複数の光源と、これら光源から出力した複数の光を合波するアレイ導波路回折格子とを配設し、上記アレイ導波路回折格子が、ポリマ基板と、上記ポリマ基板の上に形成されたポリマ材料からなるクラッド及びコアとからなり、上記アレイ導波路回折格子における互いに隣接するアレイ導波路の間の光路長差が上記同じ環境温度が上昇するに従って大きくなるように設計された、線膨張係数が８０ｐｐｍ／℃より大きく２００ｐｐｍ／℃以下のポリマ基板の上に形成され、
上記アレイ導波路回折格子の温度変化による、上記アレイ導波路回折格子の出力用チャネル導波路へ入射される光の中心波長のシフトと、上記光源の温度変化による、上記光源から出射される光の波長シフトとが、ともに、温度が上昇するにつれて長波長側にシフトする波長シフトであることにより、上記光源から出射される光の波長シフトを、上記アレイ導波路回折格子の出力用チャネル導波路へ入射される光の中心波長のシフトで相殺する特性を有する光合波器である。

請求項２の発明は、上記アレイ導波路回折格子で合波される光の波長変化に対する出射位置変化分と上記複数の光の波長間隔との関係が
（波長変化に対する出射位置変化分）×（波長間隔）≦８μｍ
である請求項１に記載の光合波器である。

請求項３の発明は、上記複数の光源は４つ以上の光源からなり、上記複数の光の波長間隔が２０ｎｍ以上３０ｎｍ以下である請求項１または２に記載の光合波器である。

本発明によれば、低損失な伝送特性を有し、かつ低コストに作製できるという優れた効果を発揮する。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は本発明に係る光合波器の好適な実施の形態を示した概略図である。

図１に示すように、本実施の形態の光合波器１０は、同じ環境温度下に、波長が異なる光をそれぞれ出力する複数の光源１２と、これら光源１２から出力した複数の光を合波するアレイ導波路回折格子（以下、ＡＷＧと称する）１３とを実装してなるものである。本実施の形態では、「同じ環境温度下」にするべく、ポリマ材料で形成された一つの基板１１上に、複数の光源１２とアレイ導波路回折格子１３とを実装している。「同じ環境温度下」は、複数の光源１２とＡＷＧ１３とが、同じ環境温度下にあることを意味し、他に、複数の光源１２とＡＷＧ１３とがＳＵＳ等で形成された治具上に配置されてもよく、或いは、１つの筐体内にパッケージングされてもよい。

複数の光源１２は、各光源１２ａ〜１２ｄが互いに波長の異なる光を出射するものであり、例えばレーザダイオード（ＬＤ）が挙げられる。光合波器１０では、４波長の光を合波させるべく、それぞれ波長の異なる４つのＬＤ１〜ＬＤ４を用いた。

ここで、ＡＷＧ１３について説明する。ＡＷＧ１３は、ポリマ基板２０と、ポリマ基板２０上に形成された下部クラッドと、その下部クラッド上に形成されたコアと、コアを覆うクラッドとからなるコア埋込型の光導波路型合波器であり、コアはポリマ材料で形成され、クラッドはコアを形成するポリマ材料より屈折率の低いポリマ材料で形成されている。ＡＷＧ１３を形成するポリマ材料としては、ポリイミド、エポキシ、シリコーン、アクリル等が挙げられる。

ＡＷＧ１３は、２本以上（図では４本）の入力用チャネル導波路１５と、１本以上（図では１本）の出力用チャネル導波路１９と、入力側スラブ導波路１６と、出力側スラブ導波路１８と、それぞれ長さ（光路長）が異なる多数のアレイ導波路（移相用チャネル導波路）１７とで構成される。入力側スラブ導波路１６と出力側スラブ導波路１８はアレイ導波路１７を介して接続され、入力側スラブ導波路１６の他端には入力用チャネル導波路１５が接続され、出力側スラブ導波路１８の他端には出力用チャネル導波路１９が接続されている。

入力側スラブ導波路１６とアレイ導波路１７の境界は、円弧状に形成され、その円弧の曲率中心が入力用チャネル導波路１５と入力側スラブ導波路１６との境界（接続部）付近に位置する。入力用チャネル導波路１５と入力側スラブ導波路１６の境界も、円弧状に形成され、その円弧の曲率中心は入力側スラブ導波路１６とアレイ導波路１７の境界上に位置する。また、出力側スラブ導波路１８も、入力側スラブ導波路１６と同じ形状に形成されている。

入力用チャネル導波路１５の他端には、それぞれ光源１２ａ〜１２ｄが接続され、出力用チャネル導波路１９の他端には、光出射部１４が接続されている。光源１２ａ〜１２ｄとしてはレーザダイオード（ＬＤ）が挙げられる。ＬＤと入力用チャネル導波路１５との接続は、例えば光ファイバを介して接続される。他に、ＬＤを非球面レンズを備えたＣＡＮパッケージに実装し、そのＣＡＮパッケージを入力用チャネル導波路１５の入射端に直接接続してもよい。さらに、光源１２として、光軸対称で、かつモードフィールド径（ＭＦＤ）が入力用チャネル導波路のＭＦＤ（或いはコア径）と略一致するような光を出射するＬＤを用いればレンズを省略してもよい。光出射部１４としては、フォトダイオード（ＰＤ）等の光検出器、光ファイバ或いは外部光回路等が挙げられる。

次に、ＡＷＧ１３での光合波の原理について説明する。

各光源１２を出射し、それぞれ入力用チャネル導波路１５に入力された各光は入力側スラブ導波路１６において互いに干渉し、その干渉により波長変化した光がアレイ導波路１７を通って、出力側スラブ導波路１８に伝搬する。ここで、多数のアレイ導波路１７では互いに隣接する各アレイ導波路１７の長さが一定長ずつ異なるため、アレイ導波路１７内を伝搬する光が位相変化を生じ、その位相変化によって、各アレイ導波路１７の出射端での等位相面が出力側スラブ導波路１８との境界線上に（円弧状に）一致する。したがって、アレイ導波路１７を出射した光がすべて出力用チャネル導波路１９の入射端に集光される。これにより、出力用チャネル導波路１９を通る光は、波長の異なる複数の光が合波された波長多重光となって光出射部１４に到達する。

さて、本実施の形態の光合波器１０は、同じ環境温度下に、波長が異なる光をそれぞれ出力する複数の光源１２と、これら光源１２から出力した複数の光を合波するＡＷＧ１３とを配設し、そのＡＷＧ１３の温度変化による波長シフトが、光源１２の温度変化による波長シフトと同じ特性を有することを特徴としている。

光源１２として用いられるＬＤは、環境温度が変化すると、出射するレーザの波長が変化してしまう（シフトする）。その波長シフト量は、概ね0.05〜0.1nm/℃であり、１５〜６０℃の環境温度下では2.3〜4.5nmシフトする。一般には、狭帯域スペクトルを有するレーザを出射するＬＤでは、ＬＤの環境温度が上昇すると、そのＬＤから出射されるレーザの中心波長が長波長側にシフトする。ＡＷＧ１３において波長シフトがない場合、光源出射光の波長が長波長側へシフトすると、アレイ導波路１７から出射した各光の出力側スラブ導波路１８での集光位置が変化し、波長多重光として出力用チャネル導波路１９へ入射しない波長が生じる。

他方、ＬＤの波長シフトがない場合、ＡＷＧ１３の温度が上昇すると、透過スペクトルは短波長側へシフトして、波長多重光として出力用チャネル導波路１９へ入射しない波長が生じる。その詳細を説明すると、ポリマ材料で形成されたＡＷＧ１３は、温度が上昇すると屈折率（実効屈折率Ｎeff）が小さくなる。ここで、ＡＷＧ１３の互いに隣接するアレイ導波路間の光路長差ΔＬ_Nは、ΔＬを互いに隣接するアレイ導波路１７の長さの差とし、Ｎeffをアレイ導波路１７の実効屈折率とすると、
ΔＬ_N ＝ ΔＬ×Ｎ_eff （１）
で表され、Ｎ_effが小さくなると、隣接するアレイ導波路１７間の光路長差ΔＬ_Nが小さくなる。ΔＬ_Nが小さくなると、アレイ導波路１７から出射した各光の出力側スラブ導波路１８での集光位置が変化し、波長多重光として出力用チャネル導波路１９へ入射しない波長が生じる。

そこで、本実施の形態の光合波器では、ＡＷＧ１３と複数の光源１２とを同じ環境温度下に配設すると共に、ＡＷＧ１３を線膨張係数の大きいポリマ材料で形成することで、環境温度が上昇したときに、ＡＷＧ１３の温度上昇による波長シフトを長波長側へシフトさせるようにしている。これにより、ＬＤの温度変化による波長シフトを、ＡＷＧ１３の温度変化によって膨張するアレイ導波路１７の変化によって生じる波長シフトで相殺している。

具体的には、ＡＷＧ１３を線膨張係数が大きいポリマ基板２０上に形成することで、環境温度が高くなったときに、ＡＷＧ１３の各導波路が膨張するので、式（１）中のΔＬを大きくすることにより隣接アレイ導波路間の光路長差ΔＬ_Nを大きくする。したがって、ＬＤの温度上昇により長波長側へシフトする光は、出力用チャネル導波路１９で集光される際にずれようとするが、これと同時に、ΔＬ_Nが大きくなるので、ＡＷＧ１３は長波長側へシフトした光を集光し、温度上昇による波長シフトを相殺している。

さらに、ＡＷＧ１３を形成するポリマ材料の線膨張係数は80ppm/℃以上であるのが好ましい。ポリマ材料の線膨張係数を80ppm/℃以上とする理由を説明する。

図２は、線膨張係数がそれぞれ0，5，60，80，100ppm/℃のポリマ材料でＡＷＧをそれぞれ形成し、各ＡＷＧの温度変化に対する中心波長のシフト量の関係を示したグラフであり、横軸を温度（℃）、縦軸を波長（ｎｍ）としている。なお、各ＡＷＧの中心波長のシフト量は、常温（25℃）のとき0ｎｍとしている。

グラフ中、線膨張係数が0ppm/℃の材料としては石英ガラス、5ppm/℃の材料としては有機無機ハイブリッド樹脂、60ppm/℃の材料としてはポリイミド、100ppm/℃の材料としてはアクリル樹脂が挙げられる。このように線膨張係数は主に用いる材料（材料の分子構造）で決まり、一般に、材料の分子構造が剛直な構造である程線膨張は小さくなり、分子構造が柔軟な構造である程線膨張は小さくなる。また、ポリマ材料の線膨張係数を小さくする方法としては、ポリマ材料に無機材料やガラス繊維を添加する方法もある。

さて、図２に示すように、線膨張係数が0，5，60ppm/℃のＡＷＧの特性線２１，２２，２３は、温度が高くなるにつれて、中心波長が小さくなっている。例えば、線膨張係数が最も小さい（0ppm/℃）材料で形成したＡＷＧでは、温度が10℃のとき、中心波長が1312.5ｎｍであり、温度が60℃のとき、中心波長が1306.5ｎｍと、温度が上昇するにつれて、中心波長が短波長側にシフトしている。

これに対し、特性線２４で示される線膨張係数が80ppm/℃のＡＷＧ１３では、温度が変化しても、中心波長が殆どシフトしない（中心波長のシフト量0.5ｎｍ以下）。さらに、特性線２５で示される線膨張係数が100ppm/℃のＡＷＧ１３では、温度が10℃のとき、中心波長が1310ｎｍであり、温度が60℃のとき、中心波長が1311.5ｎｍと、温度が上昇するにつれて、中心波長が長波長側にシフトしている。

このように、線膨張係数が80ppm/℃より大きなポリマ基板上に形成したＡＷＧ１３では、環境温度の上昇と共に、入射された光が長波長側へシフトする温度依存性を利用して、環境温度の上昇によりＬＤ出射光の波長が長波長側へシフトする温度依存性を相殺している。

本実施の形態のように光源１２がＡＷＧ１３と同じ環境下におかれた場合は、基板１１の線膨張係数が80ppm/℃より大きいとき、ＡＷＧ１３の波長特性とＬＤの波長特性が同じ傾向となり、本光合波器１０は、複数の光源１２を出射した光がすべて波長多重化された低損失な合波を実現させることができる。

ただし、線膨張係数が200ppm/℃より大きなポリマ基板を用いると、基板を形成するポリマ材料がゴム状となり、そのポリマ基板は耐久性（耐環境性）が悪い。また、線膨張係数を大きくする程、ポリマ基板２０がＡＷＧ１３に作用する応力が大きくなり、ＡＷＧ１３の偏光依存損失（ＰＤＬ）は大きくなるので線膨張係数は200ppm/℃以下とするのが好ましい。したがって、ポリマ基板２０は80ppm/℃より大きく200ppm/℃以下のポリマ材料で形成されるのが好ましい。

本光合波器１０は、複数の光源１２とＡＷＧ１３とを同じ基板１１上に載置した構成としているため、光源１２とＡＷＧ１３とが常に同じ環境温度下に晒されるので、ペルチェ素子やヒータといった温度補償器を用いることなく、温度制御することができ、良好な光伝送特性を得ることができる。

また、本実施の形態ではＡＷＧ１３を光合波器として用いることにより低損失で波長の異なる光信号を合波させることができると共に、１つのポリマ基板２０上に形成しているので低コストで作製することができる。

さらに、本実施の形態の光合波器１０では、各光源１２から出射する光の波長間隔に対して、ＡＷＧ１３の構造パラメータを最適化することにより光合波による損失を低減している。

図４に示すように、その構造パラメータは、入力用チャネル導波路１５と入力側スラブ導波路１６との境界における、各入力用チャネル導波路１５ａ〜１５ｄの出射端の間隔ｄ（単位：μｍ）である。この出射端間隔ｄは、ＡＷＧ１３に入射される複数の光の波長間隔（単位：ｎｍ）、及び、光の波長変化に対する出射位置変化分（単位：μｍ／ｎｍ）と比例し、以下の式（２）で表される関係を有する。

ｄ＝（光の波長変化に対する出射位置変化分）×（波長間隔）（２）
ただし、出射位置とは出力側スラブ導波路１８から出力用チャネル導波路１９に出射する（結像する）光の位置を表し、出射位置変化分は、出力用チャネル導波路１９へ出射する光の出力用チャネル導波路１９中心からのずれを表す。

上記の（２）式の関係を利用して、各ＬＤから出射するレーザの波長間隔と、入力用チャネル導波路１５出射端ｄの間隔を決定すれば、出射位置変化分が決定される。この出射位置変化分は、ＡＷＧ１３の損失に影響を及ぼし、各出射位置変化分の値ごとに波長−損失特性を有する。

図３は、ＡＷＧ１３にそれぞれ出射位置変化分が0.2，0.3，0.4，0.5，及び1.0のときの波長−損失特性を示したグラフであり、横軸が波長（ｎｍ）、縦軸がＡＷＧ１３の損失（dB）である。

図３に示されるように、出射位置変化分が1.0のとき（特性線３１）、放物線（パラボラ）の開きが最も小さい。すなわち、出射位置変化分が0.5以下の特性（特性線３２〜３５）と比較して、波長のシフト量に対する損失が大きい。これに対して、出射位置変化分が0.2のとき、（特性線３５）放物線の開きが最も大きい。すなわち、出射位置変化分が0.3以上の特性（特性線３１〜３４）と比較して、波長のシフト量に対して損失が小さい。例えば、環境温度の上昇により1310ｎｍから5ｎｍ長波長側にシフトした1315ｎｍでは、出射位置変化分が0.4のとき、損失が３dBとなる。

このグラフでは、ＡＷＧ１３に入射された光の波長が1310ｎｍから長波長側或いは短波長側に±５ｎｍシフトしたとき、ＡＷＧ１３の出射位置変化分を0.2ｎｍ／μｍとすれば、損失変化量が小さく、ＡＷＧ１３の出射位置変化分を1.0ｎｍ／μｍとすれば、損失変化量が大きくなる。

ここで、ＡＷＧ１３は、光分波器として利用する際には、すなわち、出力用チャネル導波路１９から波長多重光を入射させて分波させ、分波した複数の異なる波長の光を各入力用チャネル導波路１５から得る際には、上記の出射位置変化の性質を利用している。出射位置変化分が小さいと、分波数を多くできない、或いは分波した光の波長間隔が小さくなり、クロストークが発生するといったことが生じる。

しかし、本実施の形態では、ＡＷＧ１３を光合波器として利用するので、クロストークの発生を考慮する必要はなく、出射位置変化分が小さくなるように、各光源１２出射光の波長間隔と入力用チャネル導波路１５出射端の間隔ｄを決定した。

入力用チャネル導波路１５間の間隔ｄは8μｍ以下とするのが好ましい。例えば、ＣＷＤＭ用の光合波器として用いる場合、入射させる各光の波長間隔は20ｎｍ以上であり、所望する光合波器１０の損失を3dB以下とすると、波長シフト量が±５ｎｍでは、出射位置変化分を0.4以下とするのが好ましく、そのため、波長間隔と出射位置変化分の積で表される入力用チャネル導波路の間隔は、最大8μｍとした。より好ましくは、所望する光合波器１０の損失が１dB以下であり、そのときの出射位置変化分は0.2以下とする必要があり、そのため入力用チャネル導波路１５の出射間隔ｄは４μｍ以下とするのが好ましい。

また、出力用チャネル導波路１９は、出力側スラブ導波路１８との接続位置においてコア幅が大きく、その接続位置から遠くなるにつれて徐々にコア幅を小さくしたテーパ状に形成してもよい。出力用チャネル導波路１９を出力側スラブ導波路１８との接続位置でテーパ状に形成することで、出力用チャネル導波路１９に出射する光が出力用チャネル導波路１９の中心から少しずれても損失を低減することができる。

図１の光合波器１０は、ＡＷＧ１３の入射用チャネル導波路１５に光源１２を直接接続してレーザを案内しているが、光源１２と入射用チャネル導波路１５間に光ファイバを介して、光源１２とＡＷＧ１３とを光学的に接続してもよい。ただし、光源１２及びＡＷＧ１３が「同じ環境温度下」に配設されるのは当然のことである。

次に、本発明の実施の形態について、実施例に基づいて説明するが、本発明の実施の形態はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
光源として波長1270ｎｍ、1290ｎｍ、1310ｎｍ、1330ｎｍをそれぞれ出力するＬＤを用いた。合波としては、分散0.4のＡＷＧ（入力用チャネル導波路間隔ｄ＝８μｍ）をシリコーン系のポリマ材料を用いて形成し、ＡＷＧ及びＬＤを線膨張100ppm/℃の基板上に実装した。

ＬＤ光をＡＷＧに付随した光導波路へ入射し、ＡＷＧにて合波し出力ポートより光を取り出したところ、ＬＤとアレイ光導波路回折格子の結合損失を含むトータル損失は波長1270ｎｍと1330ｎｍで6dB、1290ｎｍと1310ｎｍで4〜5dBと良好であった。

（比較例１）
実施例１と同様の光源を用いてＹ分岐を２段に重ねた図５に示す構造を有する光合波器を作製した。この光合波器の結合損失を含むトータルの損失はすべての波長で7dBであった。

以上、実施例１の光合波器は、比較例１の光合波器と比較して低損失な光伝送特性を得られている。

本発明の好適な実施形態を示す光合波器の概略図である。基板の線膨張係数に対するＡＷＧの温度と中心波長の関係を示す図である。ＡＷＧの波長変化に対する出射位置変化分（分散）と波長特性の関係を示す図である。図１の○４Ａで示す部分の拡大概略図である。従来の光合波器の概略図である。

符号の説明

１０光合波器
１１基板
１２光源
１３アレイ導波路回折格子
１４光出射部
１７アレイ導波路

Claims

波長が異なる複数の光を合波する光合波器において、同じ環境温度下に、波長が異なる光をそれぞれ出力する複数の光源と、これら光源から出力した複数の光を合波するアレイ導波路回折格子とを配設し、
上記アレイ導波路回折格子が、ポリマ基板と、上記ポリマ基板の上に形成されたポリマ材料からなるクラッド及びコアとからなり、上記アレイ導波路回折格子における互いに隣接するアレイ導波路の間の光路長差が上記同じ環境温度が上昇するに従って大きくなるように設計された、線膨張係数が８０ｐｐｍ／℃より大きく２００ｐｐｍ／℃以下のポリマ基板の上に形成され、
上記アレイ導波路回折格子の温度変化による、上記アレイ導波路回折格子の出力用チャネル導波路へ入射される光の中心波長のシフトと、上記光源の温度変化による、上記光源から出射される光の波長シフトとが、ともに、温度が上昇するにつれて長波長側にシフトする波長シフトであることにより、上記光源から出射される光の波長シフトを、上記アレイ導波路回折格子の出力用チャネル導波路へ入射される光の中心波長のシフトで相殺する特性を有することを特徴とする光合波器。
上記アレイ導波路回折格子で合波される光の波長変化に対する出射位置変化分と上記複数の光の波長間隔との関係が
（波長変化に対する出射位置変化分）×（波長間隔）≦８μｍ
である請求項１に記載の光合波器。
上記複数の光源は４つ以上の光源からなり、上記複数の光の波長間隔が２０ｎｍ以上３０ｎｍ以下である請求項１または２に記載の光合波器。