JP4975957B2 - 広帯域波長合分波フィルタ - Google Patents

Description

本発明は、例えば光通信分野に用いられる広帯域波長合分波フィルタに関するものである。

近年、インターネットは一般家庭にも普及し、ADSLやFTTHによる常時接続、メガクラスの伝送スピード、月額数千円といった高速かつ低価格なサービスが浸透し、ブロードバンドならではの大容量コンテンツ配信やビデオチャット等が普及しつつある。

このようなブロードバンド化に向けて、ピーク時100Mbpsの高速データ通信と最大500chの多チャンネル映像配信を1心の光ファイバで同時に提供できるB-PONシステムがITU-Tにて世界標準とされた。このシステムの構成例を以下の図１１に示す（例えば、非特許文献１、参照）。

なお、同図において、通信局４０は、通信用の光ファイバ４５を介してお客様宅４１に接続されている。図中、Ｂ−ＯＮＵはデータ系宅内装置、ＷＤＭは光カプラ、Ｖ−ＯＮＵは映像系宅内装置、ＮＥ−ＯＳＳはデータ系監視制御装置、Ｂ−ＯＬＴはデータ系所内装置、ＥＭＤＸは、Ｅｔｈｅｒ多重分離装置、Ｖ−ＯＬＴは映像系所内装置を示す。

このシステムの大きな特徴は、新しい光波長配置により高速データ通信の送受信で使用している２つの波長に加え、さらにもう1つの光波長を重畳して、多チャンネルの映像配信を同時に視聴できる点である。通常は、送受信する高速データ通信波長は下りが1．49μm帯(1．48〜1．50μm)、上りが1．31μm帯(1．26〜1．36μm)であり、EDFAの増幅帯である1．55μm帯(1．55〜1．56μm)で映像の分配を行う。

B-PONシステムでは１心の光ファイバを用いて３種類の波長の光信号を伝送するため、光合分波機能（複数波長の合波および分波）を有する波長合分波機能と、映像信号を等しい光強度で分配する機能が必要である。従来、波長合分波機能を有する光部品としては、誘電体多層膜フィルタが適用されている。波長合分波機能を有する光部品には、今後、広帯域の波長の合分波特性と、例えば２５ｄＢを越える高アイソレーション特性とが要求されつつあり、広帯域波長光合分波フィルタの開発が望まれる。

なお、広帯域の波長の合分波特性を有する光部品の例として、図２に示すような構成の回路が知られている（例えば非特許文献２、参照。）。

この回路は、第１の光導波路１１と該第１の光導波路１１と間隔を介して並設された第２の光導波路１２とにより方向性結合器６を光導波路長手方向に互いに間隔を介して形成した２つの同一のマッハツェンダ光干渉計回路１３（１３ａ，１３ｂ）を、その接続中心点Ａに対し、完全点対称に縦列接続した点対称接続光干渉計回路である。

つまり、２つのマッハツェンダ光干渉計回路１３（１３ａ，１３ｂ）の方向性結合器６の配列ピッチが互いに等しく形成されて、一方側のマッハツェンダ光干渉計回路１３ａの位相部分９は第１の光導波路１１の長さが第２の光導波路１２の長さより予め決められた長さ分、長く形成され、他方側のマッハツェンダ光干渉計回路１３ｂの位相部分９は第２の光導波路１２の長さが第１の光導波路１１の長さより前記予め決められた長さ分、長く形成されている。

Ｂ−ＰＯＮシステムの概要 ＮＴＴ−ＡＳ研 ホームページ Jinguji,et al., "Two-port opticalwavelength circuits composed of cascaded Mach-Zehnder interferometers withpoint-symmetrical configurations", J. LightwaveTechnol., vol.14, no.10, pp.2301-2310（1996）.

ところで、従来、Ｂ−ＰＯＮシステムに適用されてきた誘電体多層膜フィルタは、一般に広帯域の波長合分波機能を有しているものの、図１２に示すように、例えば特性線ａに示す透過光の透過帯域に対する、特性線ｂに示す反射光の非反射帯域のアイソレーションは高い（図１２のＡ参照）が、その逆に、反射光の反射帯域に対する透過光の非透過帯域のアイソレーションが大きく劣化する（図１２のＢ参照）ことが知られており、今後要求されつつある、高アイソレーション特性を満足することができない。

また、誘電体多層膜フィルタは、モジュール化の際に、レンズ系を用いたマイクロオプティックス技術が適用されるため、部品コストが下がらず、低コスト化が困難である場合があった。

さらに、図２に示したような点対称接続光干渉計回路は、広帯域の波長の合分波特性を有する構成として提案されているものの、高アイソレーション特性を得ることは難しいと考えられる。

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、広帯域の波長の合分波特性と高アイソレーション特性とが共に良好で、多チャンネル映像配信を１心の光ファイバで同時に提供できるシステムの低コスト化を図ることができる広帯域波長合分波フィルタを提供することにある。

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、第１の発明は、基板上に、２つの同一のマッハツェンダ光干渉計回路を完全点対称に縦列接続した第１の点対称接続光干渉計回路を設け、該第１の点対称接続光干渉計回路を１つ又は２つ以上縦列接続して光入力側回路を形成し、該光入力側回路のスルーポートの出力端には前記第１の点対称接続光干渉計回路と同一機能構成の第２の点対称接続光干渉計回路を１つ又は２つ以上縦列接続して成る第１の光出力側回路の光入力端を接続し、前記光入力側回路のクロスポートの出力端には、光のクロス伝搬動作を２回以上繰り返すべく複数段のマッハツェンダ光干渉計回路を、前段のマッハツェンダ光干渉計回路のクロスポート出力端に次段のマッハツェンダ光干渉計回路の光入力端を接続する形態にして縦続した回路を含む第２の光出力側回路の光入力端を接続して形成し、該第２の光出力側回路の光のクロス伝搬動作を２回以上繰り返す複数段のマッハツェンダ光干渉計回路のうちの１つ以上は前記第１および第２の点対称接続光干渉計回路を形成するマッハツェンダ光干渉計回路とは長さ構成を異にしている構成をもって課題を解決する手段としている。

また、第２の発明は、上記第１の発明の構成に加え、前記第２の光出力側回路は光のクロス伝搬動作を連続的にｎ回繰り返すｎ段（ｎは２以上の整数）のマッハツェンダ光干渉計回路を有し、該ｎ段のマッハツェンダ光干渉計回路を構成している各マッハツェンダ光干渉計回路は第１および第２の点対称接続光干渉計回路を形成するマッハツェンダ光干渉計回路とは長さ構成を異にし、該ｎ段のマッハツェンダ光干渉計回路は前段のマッハツェンダ光干渉計回路のクロスポートの出力端に次段のマッハツェンダ光干渉計回路の光入力端が接続される形態でｎ段のマッハツェンダ光干渉計回路が順次縦続接続される構成をもって課題を解決する手段としている。

さらに、第３の発明は、上記第１または第２の発明の構成に加え、前記第２の光出力側回路は、複数段のマッハツェンダ光干渉計回路のうちの少なくとも１つのマッハツェンダ光干渉計回路に代えて第１の点対称接続光干渉計回路と同一機能構成の第３の点対称接続光干渉計回路を前記第１の点対称接続光干渉計回路を形成するマッハツェンダ光干渉計回路とは長さ構成を異にしているｍ段（ｍは１以上の整数）のマッハツェンダ光干渉計回路とクロス伝搬動作を繰り返す形態で接続して形成した構成をもって課題を解決する手段としている。

さらに、第４の発明は、上記第２または第３発明の構成に加え、前記光入力側回路の光入力端から入力された複数波長光のうち前記光入力側回路のスルーポートの出力端から出力された光は第１の光出力側回路を通ってその第１の光出力側回路のスルーポートの出力端から出力され、前記複数波長光のうち前記光入力側回路のクロスポートの出力端から出力された光は第２の光出力側回路を形成する第２の発明におけるｎ段接続または第３の発明におけるｍ段接続のマッハツェンダ光干渉計回路の各段のマッハツェンダ光干渉計回路毎に光入力端からクロスポートの出力端に伝搬する経路を通って最後段のマッハツェンダ光干渉計回路のクロスポートの光出力端から出力される構成をもって課題を解決する手段としている。

さらに、第５の発明は、上記第１乃至第４のいずれか１つの構成に加え、前記光入力端から入力されてスルーポートの出力端から出力される光をスルー伝搬光とし、前記光入力端から入力されてクロスポートの出力端から出力される光をクロス伝搬光としたとき、点対称接続光干渉計回路はスルー伝搬光の損失が小さいスルー損失小波長帯を１つ以上有し、第２の光出力側回路を形成するマッハツェンダ光干渉計回路の少なくとも１つはクロス伝搬光の損失が前記１つ以上のスルー損失小波長帯のうち少なくとも１つの波長帯内に極大値を有するように構成されていることを特徴とする。

さらに、第６の発明は、上記第５の発明の構成に加え、前記点対称接続光干渉計回路はクロス伝搬光の損失が小さいクロス損失小波長帯を１つ以上有し、前記点対称接続光干渉計回路はスルー伝搬光の損失が前記１つ以上のクロス損失小波長帯のうち少なくとも１つの波長帯内に極大値を有するように構成されている構成をもって課題を解決する手段としている。

さらに、第７の発明は、上記第１乃至第６の発明のうち少なくとも１つの広帯域波長合分波フィルタを複数アレイ状に配設した構成をもって課題を解決する手段としている。

本発明によれば、基板上に光導波路の回路を形成して広帯域波長合分波フィルタを形成することにより、以下のような回路構成によって、容易に設計通りの波長特性を有する広帯域波長合分波フィルタを形成することができる。

つまり、本発明における光導波路の回路は、２つの同一のマッハツェンダ光干渉計回路を完全点対称に縦列接続した第１の点対称接続光干渉計回路を有しており、この点対称接続光干渉計回路は、例えば前記非特許文献２等にも示されているように、広帯域の波長の合分波特性を有する。

そして、この点対称接続光干渉計回路を１つ以上縦列接続して光入力側回路を形成し、該光入力側回路の光入力端は複数波長光の入力部と成すことにより、光入力側回路によって、広帯域の複数波長の光を的確に分波して、光入力側回路のスルーポートの出力端とクロスポートの出力端からそれぞれ出力することができる。

なお、本発明者は、点対称接続光干渉計回路を複数縦列接続すると、クロス伝搬光の通過波長帯（透過波長帯）に対するスルー伝搬光の通過波長帯（透過波長帯）のアイソレーション特性を向上できることを、シミュレーション等による検討によって明らかにしている。

したがって、本発明によれば、光入力側回路のスルーポートの出力端に前記点対称接続光干渉計回路と同一機能構成の点対称接続光干渉計回路を１つ以上縦列接続して成る第１の光出力側回路を接続することにより、広帯域の波長の分波機能を維持したまま、さらに、クロス伝搬光の通過波長帯に対するスルー伝搬光のアイソレーションを高くすることができる。

また、本発明によれば、前記光入力側回路のクロスポートの出力端に、前記点対称接続光干渉計回路を形成するマッハツェンダ光干渉計回路と異なる長さ構成のマッハツェンダ光干渉計回路を１つ以上有する第２の光出力側回路を接続することにより、第２の光出力側回路を形成するマッハツェンダ光干渉計回路の構成により生じる特性によって、スルー伝搬光の通過波長帯に対するクロス伝搬光のアイソレーションを高くすることができる。

なお、マッハツェンダ光干渉計回路の接続により形成されている本発明の光入力側回路、第１、第２の光出力側回路は、いずれも、光の入力方向を逆にすることにより、上記分波とは逆に合波機能を果たすことができる。

したがって、本発明によれば、広帯域の波長光を低損失で合分波でき、かつ、高アイソレーション特性が良好な広帯域波長合分波フィルタを実現でき、それにより、多チャンネル映像配信を１心の光ファイバで同時に提供できるシステムの低コスト化を図ることができる。

また、本発明において、第２の光出力側回路はｎ段（ｎは２以上の整数）のマッハツェンダ光干渉計回路を有して、前段のマッハツェンダ光干渉計回路のクロスポートの出力端に次段のマッハツェンダ光干渉計回路の光入力端が接続されている構成や、第２の光出力側回路は第１の点対称接続光干渉計回路と同一機能構成の第３の点対称接続光干渉計回路を、前記第１の点対称接続光干渉計回路を形成するマッハツェンダ光干渉計回路とは長さ構成を異にしているｍ段（ｍは１以上の整数）のマッハツェンダ光干渉計回路とクロス伝搬動作を繰り返す形態で接続して形成された構成によれば、第２の光出力側回路を上記のようにｎ段接続のマッハツェンダ光干渉計回路を有する構成としたり、第３の点対称接続光干渉計回路とｍ段接続のマッハツェンダ光干渉計回路を有する構成としたりすることにより、上記効果を奏する広帯域波長合分波フィルタを的確に形成できる。

そして、上記ｎ段接続のマッハツェンダ光干渉計回路を有する構成や、第３の点対称接続光干渉計回路とｍ段接続のマッハツェンダ光干渉計回路を有する構成として、複数波長光のうち光入力側回路のクロスポートから出力された光が、第２の光出力側回路を形成するｎ段接続またはｍ段接続のマッハツェンダ光干渉計回路の各段のマッハツェンダ光干渉計回路毎に光入力端からクロスポートの出力端に伝搬する経路を通って最後段のマッハツェンダ光干渉計回路のクロスポートの光出力端から出力される構成とすることにより、光入力側回路のクロスポートから出力される光が、第２の光出力側回路を形成するマッハツェンダ光干渉計回路等を、クロス伝搬する動作を２回以上繰り返して出力するようにすることができる。

したがって、第２の光出力側回路を形成する各マッハツェンダ光干渉計回路等の構成によるクロス伝搬光の通過波長帯特性設定によって、より一層確実に、光入力側回路のスルー伝搬光に対するクロス伝搬光のアイソレーションを高くすることができ、上記効果を発揮できる。

さらに、本発明において、点対称接続光干渉計回路はスルー伝搬光の損失が小さいスルー損失小波長帯を１つ以上有し、第２の光出力側回路を形成するマッハツェンダ光干渉計回路はクロス伝搬光の損失が前記１つ以上のスルー損失小波長帯のうち少なくとも１つの波長帯内に極大値を有する構成によれば、第２の光出力側回路を形成するマッハツェンダ光干渉計回路の構成によって、前記スルー損失小波長帯におけるクロス伝搬光の損失を大きくできるので、広帯域波長合分波フィルタのスルー伝搬光の通過波長帯に対するクロス伝搬光のアイソレーション特性をさらにより一層確実に高めることができる。

さらに、本発明において、点対称接続光干渉計回路はクロス伝搬光の損失が小さいクロス損失小波長帯を１つ以上有し、前記点対称接続光干渉計回路はスルー伝搬光の損失が前記１つ以上のクロス損失小波長帯のうち少なくとも１つの波長帯内に極大値を有する構成によれば、前記光入力回路と第１の光出力回路の点対称接続光干渉計回路によって、該点対称接続光干渉計回路のクロス損失小波長帯内のスルー伝搬光の損失を大きくできるので、広帯域波長合分波フィルタのクロス伝搬光の通過波長帯に対するスルー伝搬光のアイソレーション特性を、さらにまた、より一層確実に高めることができる。

さらに、本発明において、基板上に、上記構成のうちの少なくとも１つの広帯域波長合分波フィルタを複数アレイ状に配設した構成によれば、上記優れた効果を発揮できる広帯域波長合分波フィルタを複数配設することにより、より多くの波長の光の合分波を高アイソレーションで的確に行える広帯域波長合分波フィルタを実現できる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。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、本発明に係る広帯域波長合分波フィルタの第１実施形態例が示されている。本実施形態例の広帯域波長合分波フィルタは、基板１５上に、同図に示すような光導波路の回路を形成して成り、この回路は、光入力側回路１と、第１の光出力側回路２と、第２の光出力側回路３とを有している。

光入力側回路１は、第１の光導波路１１と該第１の光導波路１１と間隔を介して並設された第２の光導波路１２とにより方向性結合器６を光導波路長手方向に互いに間隔を介して形成したマッハツェンダ光干渉計回路１３（１３ａ，１３ｂ）を２つ直列接続した接続回路を有している。

この接続回路は、図２に示した回路であり、本実施形態例の第１の点対称接続光干渉計回路５としている。この回路において、２つのマッハツェンダ光干渉計回路１３（１３ａ，１３ｂ）の方向性結合器６の配列ピッチが互いに等しく形成されて、一方側のマッハツェンダ光干渉計回路１３ａの位相部分９は第１の光導波路１１の長さが第２の光導波路１２の長さより設定長さ（ここではΔＬｃ）分長く形成され、他方側のマッハツェンダ光干渉計回路１３ｂの位相部分９は第２の光導波路１２の長さが第１の光導波路１１の長さより前記設定長さ（ここではΔＬｃ）分長く形成されている。

なお、上記設定長さΔＬｃは、第１の点対称接続光干渉計回路５を形成するマッハツェンダ光干渉計回路１３ａ，１３ｂを含め、以下に説明するそれぞれのマッハツェンダ光干渉計回路１３において適宜設定されるものである。

また、図１に示すように、光入力側回路１の第１の光導波路１１の光入力端１７は複数波長光の入力部と成している。この入力部（IN port）に対し、入力部（光入力端１７）が形成されている第１の光導波路１１の出力端はスルーポート（Through port）１８と成し、光入力側回路１の光入力部が形成されてない第２の光導波路１２の出力端はクロスポート（Cross port）１９と成している。

光入力側回路１のスルーポート１８には前記第１の光出力側回路２が接続されている。該第１の光出力側回路２は、前記第１の点対称接続光干渉計回路５と同一機能構成の第２の点対称接続光干渉計回路７により形成されている。

一方、光入力側回路１のクロスポート１９には前記第２の光出力側回路３が接続されている。該第２の光出力側回路３は、前記第１と第２の点対称接続光干渉計回路５，７を形成するマッハツェンダ光干渉計回路１３（１３ａ，１３ｂ）とは異なる長さ構成のマッハツェンダ光干渉計回路１３（１３ｃ，１３ｄ）を有している。マッハツェンダ光干渉計回路１３ｃ，１３ｄは、マッハツェンダ光干渉計回路１３ａ，１３ｂと長さ構成が異なることにより波長合分波特性を異にしている。

これらのマッハツェンダ光干渉計回路１３ｃ，１３ｄは、ｎ段（ｎは２以上の整数であり、この例ではｎ＝２）に接続されており、第１段のマッハツェンダ光干渉計回路１３ｃの第２の光導波路１２の光出力側に第２段のマッハツェンダ光干渉計回路１３ｄの第１の光導波路１１の光入力側が接続されている。そして、前記第１段のマッハツェンダ光干渉計回路１３ｃの第１の光導波路１１の入力側が前記光入力側回路１のクロスポート１９に接続されている。

そして、前記光入力側回路１の第１の光導波路１１の光入力端１７から入力された複数波長光のうち、前記クロスポート１９から出力された光は、前記第２の光出力側回路３の第１段のマッハツェンダ光干渉計回路１３ｃの第１の光導波路１１から入力されて最後段（ここでは第２段）のマッハツェンダ光干渉計回路１３ｄの第２の光導波路１２の光出力側（クロスポート３１）から出力される構成と成している。

また、前記光入力側回路１のスルーポート１８には第１の光出力側回路２の第１の光導波路１１が接続されており、前記光入力側回路１の第１の光導波路１１の光入力端１７から入力された複数波長光のうち、前記スルーポート１８から出力された光は、前記第１の光出力側回路２の前記第１の光導波路１１を通ってその光出力側（スルーポート２８）から出力される構成と成している。

ところで、マッハツェンダ光干渉計回路１３を有するような波長合分波回路において、第１の光導波路と第２の光導波路のうち一方側の光導波路から入力されて該光導波路から出力される光をスルー伝搬光といい、前記一方側の光導波路から入力されて他方側の光導波路から出力される光をクロス伝搬光という。例えば、第１の光導波路１１の光入力側から入力されて該第１の光導波路１１の光出力側から出力される光はスルー伝搬光、前記第１の光導波路１１の光入力側から入力されて第２の光導波路１２の光出力側から出力される光はクロス伝搬光という。

第１の点対称接続光干渉計回路５において、クロスポート１９から出力される光（つまり、クロス伝搬光）の透過率T_CRは、以下の式（数１）、（数２）、（数３）で与えられる。

ここで、ΔＬ_ｃは、それぞれのマッハツェンダ光干渉計回路１３の位相部分９における光路長差、Ｋは方向性結合器６の結合効率、n_effはコア（光導波路）の等価屈折率、λは波長である。

例えば、波長1．31μm帯、1．49μm帯、1．55μm帯の光を第１の点対称接続光干渉計回路５の光入力端１７から入力し、そのうち、スルーポート１８から波長1．31μm帯、1．49μm帯の光信号を、クロスポート１９から波長1．55μm帯の光信号を取り出すものとする。なお、これらの波長帯は、図１１に示したような、Ｂ−ＰＯＮシステムで現在用いられている波長帯である。

この場合、上記３つの波長帯のうち、２つの波長帯のそれぞれの中心波長に対し、Ｃ＝０とすると、これらの波長に対してはT_CR=０となるので、これらの波長の光がスルーポート１８から出力される光透過率は１−T_CR=１となり、指定した２波長がスルーポート１８より取り出せる。

ここで、２つの波長に対し、Ｃ＝０とするために、（数２）の、cos²(ΔΨ/2)＝０となるようにする。例えば、波長1．31μmでΔΨ/2＝(2m+3)π、かつ、波長1．49μmで(2m+1)πを満たすようにΔL_Cを決定する。

次に、波長1．55μmでT_CR＝１とし、かつ、クロスポート１９を広帯域にするため、この波長１．55μmに対し、Cを約0．5とする。これを満たすように、方向性結合器６のＫを数値計算により決定する。

最後に、波長1．31μm帯がもっとも透過帯域が広いため、その中心波長である1．31μmでＫを約０、もしくは１（１００％）、とすることにより広帯域化を行う。

この条件のもと、例えば比屈折率差Δ=0．45%、7．5×7．5μmの石英系光導波回路を作製した場合、上記の手順により求められる解は、ΔL_C=7．71μm、波長1．31μmでの方向性結合器の結合効率Ｋは約０、もしくは１、波長1．55μmでの方向性結合器の結合効率Ｋは約０．77となる。

上記条件を満たす方向性結合器６は何種類かあるが、一般に、その結合部長の短い方が作製誤差は少ないことがわかっているので、図３に示すような方向性結合器６の結合部長を短く決定することが好ましい。

つまり、上記条件を満たす方向性結合器６の結合部長の例として、９２４μmと２１８４μmとがあり、例えば図４の（ａ）、（ｂ）に示すように、方向性結合器６の結合部長を９２４μmとしても（図４の（ａ））、方向性結合器６の結合部長を２１８４μmとしても（図４の（ｂ））、上記条件を満たすことになるが、この場合、方向性結合器の結合部長を９２４μmとするほうが、作製誤差が小さいと予測されるので好ましい。

そこで、本実施形態例では、第１の点対称接続光干渉計回路５は、方向性結合器６の結合部長を９２４μmに形成しており、図４の（ａ）の波長特性より、波長1．31μmで方向性結合器６の結合効率Ｋを約１とし、かつ、結合効率Ｋの波長1．55μmに対する微分係数dＫ/dλ＜0を満たすようにしている。

上記の議論により、点対称接続光干渉計回路は、広帯域波長合分波機能を発揮できるものであり、上記検討に基づき本実施形態例に適用している第１の点対称接続光干渉計回路５および、第１の点対称接続光干渉計回路５と同一機能構成を有する第２の点対称接続光干渉計回路７は、スルー伝搬光の通過波長帯特性（光透過特性）が図５の特性線ａに示すような特性となる。

また、この特性線ａから明らかなように、例えば1．31μm帯(1．26〜1．36μm)と1．49μm帯(1．48〜1．50μm)においてスルー伝搬光の損失が小さくなっており、つまり、点対称接続光干渉計回路５，７は、スルー伝搬光の損失が小さいスルー損失小波長帯（言い換えればスルー伝搬波長）を１つ以上有している。

また、第１、第２の点対称接続光干渉計回路５，７のクロス伝搬光の通過波長帯特性（光透過特性）が図５の特性線ｂに示すようになり、点対称接続光干渉計回路５，７は、1．55μm帯(1．55〜1．56μm)を含め、クロス伝搬光の損失が小さいクロス損失小波長帯（言い換えればクロス伝搬波長）を１つ以上有している。なお、これら特性線ａ、ｂは、シミュレーションにより求めたものである。

したがって、第１の点対称接続光干渉計回路５（つまり、本実施形態例における光入力側回路１）の光入力端（複数波長光の光入力端１７）から、例えば、波長1．31μm帯、1．49μm帯、１．55μｍ帯の光を入力すると、波長1．31μm帯、1．49μm帯の光は、スルーポート１８から低損失で出力することができ、波長１．55μｍ帯の光は、クロスポート１９から低損失で出力できることになる。

なお、上記と逆に、スルーポート１８から波長1．31μm帯、1．49μm帯を、クロスポート１９から波長１．55μｍ帯の光を入力した場合は、上記と逆の経路を通って、これらの波長帯の光が合波されて光入力端から低損失で出力される。

しかしながら、図５の特性線ａ、ｂから明らかなように、波長1．31μm帯(1．26〜1．36μm)、1．49μm帯(1．48〜1．50μm)、1．55μm帯(1．55〜1．56μm)のそれぞれにおいて、帯域で見た場合、アイソレーションは15ｄＢ程度であり、このままではアイソレーションが十分に高いとは言い難い。

そこで、本実施形態例では、光入力側回路１を形成する第１の点対称接続光干渉計回路５のスルーポート１８に、第１の点対称接続光干渉計回路５と同一機能構成を有する第２の点対称接続光干渉計回路７の第１の光導波路１１を接続し、前記第１の点対称接続光干渉計回路５のスルーポート１８から出力されるスルー伝搬光を、第２の点対称接続光干渉計回路７の第１の光導波路１１を通してその出力端であるスルーポート２８から出力させることにしている。

図６の特性線ａに、光入力側回路１の光入力端１７から入力されて、第１の光出力側回路２のスルーポート２８から出力される光（本実施形態例の広帯域波長合分波フィルタのスルー伝搬光）の光透過特性例を示す。また、図６の特性線ａ’は、第１の点対称接続光干渉計回路５から成る光入力側回路１のスルー伝搬光の光透過特性を示す。なお、図６の各特性線はシミュレーションにより求めた。

これらの特性線ａ、ａ’からも明らかなように、第１の点対称接続光干渉計回路５から成る光入力側回路１のスルーポート１８に、第１の点対称接続光干渉計回路５と同一機能構成の第２の点対称接続光干渉計回路６から成る第１の光出力側回路２を接続することにより、広帯域の波長の分波機能を維持したまま、スルー伝搬光の損失大の波長領域（波長1．55μm帯）の損失をより大きくできる。

このスルー伝搬光の損失大の波長領域である1．55μm帯は、本実施形態例の広帯域波長合分波フィルタのクロス伝搬光の通過波長帯であり、つまり、上記第１、第２の点対称接続光干渉計回路５，７の接続構成により、クロス伝搬光の通過波長帯に対するスルー伝搬光のアイソレーションを高くすることができる。

また、クロス伝搬光の通過波長帯である波長1．55μm帯は、帯域は狭いが、広い波長帯域において高アイソレーション特性が要求されるため、第１、第２の点対称接続光干渉計回路５，７を構成するマッハツェンダ光干渉計回路１３ａ，１３ｂと異なる長さ構成の（この長さ構成によって異なる特性を有する）マッハツェンダ光干渉計回路１３ｃ，１３ｄを多段接続して第２の光出力側回路とし、光入力側回路１を形成する第１の点対称接続光干渉計回路５のクロスポート１９に接続した。

上記マッハツェンダ光干渉計回路１３ｃ，１３ｄの少なくとも１つ（ここでは両方）は、そのクロス伝搬光の損失が、前記点対称接続光干渉計回路５における前記スルー損失小波長帯のうち、少なくとも１つの波長帯内に極大値を有するように構成されている。

具体的には、第１段のマッハツェンダ光干渉計回路１３ｃは、クロス伝搬光の光透過特性が図７の特性線ｂ’に示すようになり、前記スルー損失小波長帯である波長1．49μm帯(1．48〜1．50μm)内と波長1．31μm帯(1．26〜1．36μm)とに損失の極大値を有する。なお、図７の特性線はシミュレーションにより求めている。

また、第２段のマッハツェンダ光干渉計回路１３ｄは、クロス伝搬光の光透過特性が図７の特性線ｂ”に示すようになり、前記スルー損失小波長帯の１つである波長1．31μm帯(1．26〜1．36μm)内に損失の極大値を有し、マッハツェンダ光干渉計回路１３ｄは、この極大値近傍の損失値が大きい。

さらに、図７の特性線Ｂに示すように、点対称接続光干渉計回路５は、前記の如く、クロス伝搬光の損失が小さいクロス損失小波長帯を１つ以上有しており、マッハツェンダ光干渉計回路１３ｄのクロス伝搬光の損失の極大値がある波長１．２７μｍ付近は、点対称接続光干渉計回路５のスルー損失小波長帯の１つの波長帯内である。言い換えれば、マッハツェンダ光干渉計回路１３ｄのクロス伝搬光の損失は、点対称接続光干渉計回路５のスルー損失小波長帯のうち少なくとも１つの波長帯内に極大値を有するように構成されている。

これらのマッハツェンダ光干渉計回路１３ｃ，１３ｄを設けて第２の光出力側回路３を形成することにより、以下の効果を奏する。つまり、マッハツェンダ光干渉計回路１３ｃのクロス伝搬光が波長1．49μm帯内に損失の極大値を有することから、本実施形態例の広帯域波長合分波フィルタは、図７の特性線ｂに示すように、波長1．49μm帯におけるクロス伝搬光の損失が２５ｄＢを越える値となる。すなわち、本実施形態例の広帯域波長合分波フィルタは、波長1．49μm帯において、スルー伝搬光に対するクロス伝搬光の高アイソレーション特性を有することができる。

また、波長1．31μm帯において、第１の点対称接続光干渉計回路５のクロス伝搬光の損失は小さいので、第１の点対称接続光干渉計回路５のみでは波長1．31μm帯におけるスルー伝搬光に対するクロス伝搬光のアイソレーションを高くすることができないが、マッハツェンダ光干渉計回路１３ｃ，１３ｄの接続により、波長1．31μm帯におけるスルー伝搬光に対するクロス伝搬光のアイソレーションを高くすることができる。

つまり、マッハツェンダ光干渉計回路１３ｃ，１３ｄのクロス伝搬光が共に波長1．31μm帯内に損失の極大値を有し、特に第２段のマッハツェンダ光干渉計回路１３ｄは、点対称接続光干渉計回路５のクロス損失が小さい１．２７μｍ付近に損失の極大値を有することから、本実施形態例の広帯域波長合分波フィルタは、波長1．31μm帯におけるクロス伝搬光の損失を、２５ｄＢを越える値とすることができる。

（実施例１）
上記第１実施形態例の実施例として、以下のようにして広帯域波長合分波フィルタを作製した。つまり、まず、火炎加水分解堆積法を用いてシリコン基板上に石英系ガラスのアンダークラッド膜とTiO_２ドープのコア膜を形成した。このとき、コアのクラッドに対する比屈折率差Δ=0．4%とし、コア膜厚を7．5μmとした。

続いて、上記図１で示した広帯域波長合分波フィルタの回路が描かれたフォトマスクを介してフォトリソグラフィー、反応性イオンエッチング法にてコアに光回路パターンを転写した。その後、再度、火炎加水分解堆積法を用いて石英系ガラスのオーバークラッド膜を形成し、図１の回路構成をコアの光導波路により形成した広帯域波長合分波フィルタを作製した。

なお、光導波回路を形成するコアの幅は7．5μmとした。点対称接続光干渉計回路５，７は、方向性結合器のΔL_C=7．71μm、方向性結合器６のピッチ（図３に示すように、第１の光導波路１１の中心と第２の光導波路１２の中心との距離）は、11．1μm、方向性結合器の結合部長は、９２４μmとした。

また、マッハツェンダ光干渉計回路１３ｃは、方向性結合器のΔL_C=１１．８２μm、方向性結合器６のピッチ（図３に示すように、第１の光導波路１１の中心と第２の光導波路１２の中心との距離）は、11．1μm、方向性結合器の結合部長は、１６７μmとした。

マッハツェンダ光干渉計回路１３ｄは、方向性結合器のΔL_C=２．１８μm、方向性結合器６のピッチ（図３に示すように、第１の光導波路１１の中心と第２の光導波路１２の中心との距離）は、11．1μm、方向性結合器の結合部長は、１６７μmとした。

この実施例１の広帯域波長合分波フィルタの特性は、図８の特性線ａ、ｂに示すようになった。なお、特性線ａは、スルー伝搬光の特性、つまり、光入力端１７から入力されてスルーポート２８から出力される光の特性の実測値であり、特性線ｂは、クロス伝搬光の特性、つまり、光入力端１７から入力されてクロスポート３１から出力される光の特性の実測値である。

これらの特性線ａ、ｂから明らかなように、波長1.31μm帯(1.26〜1.36μm)における挿入損失は約２．５ｄＢ、アイソレーション＞２７dB、波長1.49μm帯(1.48〜1.50μm)における挿入損失は約１．５ｄＢ、アイソレーション＞２５dB、波長1．55μm帯(1．55〜1．56μm)における挿入損失は１．５ｄＢ、アイソレーション＞２５dBとなった。

これらの結果から明らかなように、この実施例は、ほぼ設計値通りの特性を示しており、設計の妥当性が示され、本発明の有効性が示された。

次に、本発明に係る広帯域波長合分波フィルタの第２実施形態例について説明する。第２実施形態例は、図９に示す回路構成を有しており、上記第１実施形態例とほぼ同様に構成されている。第２実施形態例が上記第１実施形態例と異なる特徴的なことは、第２の光出力側回路３が第１段のマッハツェンダ光干渉計回路１３ｃの代わりに、第１の点対称接続光干渉計回路５と同一機能構成の第３の点対称接続光干渉計回路８として形成したことである。

なお、マッハツェンダ光干渉計回路１３ｄは、波長1.31μm帯でクロス伝搬光の損失の極大値を有するように形成されている。

（実施例２）
上記第２実施形態例の実施例として、上記実施例１と同様の方法により、広帯域波長合分波フィルタを形成した。なお、実施例２においては、コアのクラッドに対する比屈折率差Δ=0．３%とし、コア膜厚を８．０μmとし、コアの光回路パターンは、図９に示すパターンを転写して形成した。

なお、光導波回路を形成するコアの幅は８．０μmとした。点対称接続光干渉計回路５，７，８は、方向性結合器のΔL_C=１０．８１μm、方向性結合器６のピッチは、１１．６μm、方向性結合器の結合部長は、８１０μmとした。

また、マッハツェンダ光干渉計回路１３ｄは、方向性結合器のΔL_C=１１．８２μm、方向性結合器６のピッチは、１２．０μm、方向性結合器の結合部長は、３０μmとした。

この実施例２の広帯域波長合分波フィルタの特性は、図１０の特性線ａ、ｂに示すようになった。なお、特性線ａは、スルー伝搬光の特性、つまり、光入力端１７から入力されてスルーポート２８から出力される光の特性の実測値であり、特性線ｂは、クロス伝搬光の特性、つまり、光入力端１７から入力されてクロスポート３１から出力される光の特性の実測値である。

これらの特性線ａ、ｂから明らかなように、波長1.31μm帯(1.26〜1.36μm)における挿入損失は約１．５ｄＢ、アイソレーション＞４０dB、波長1.49μm帯(1.48〜1.50μm)における挿入損失は約１．５ｄＢ、アイソレーション＞３０dB、挿入損失は１．５ｄＢ、波長1．55μm帯(1．55〜1．56μm)におけるアイソレーション＞３０dBとなった。この第２実施例も、ほぼ設計通りの特性を有するものとなり、設計の妥当性が示され、本発明の有効性が示された。

なお、本発明は上記各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。例えば上記実施例１、２では、コアのクラッドに対する比屈折率差Δを０．４５%としたり、０．３％としたりしたが、上記比屈折率差Δは例えば０．８０%としてもよい。

また、マッハツェンダ光干渉計回路１３の方向性結合器６の結合部長やピッチ等も特に限定されるものでなく適宜設定されるものであり、要求される波長合分波特性に対応させて適宜形成すればよい。

さらに、上記各実施形態例では、光入力側回路１、第１の光出力側回路２は、それぞれ、１つの点対称接続光干渉計回路５、７を有する構成としたが、光入力側回路１と第１の光出力側回路２の少なくとも一方を、２つ以上の点対称接続光干渉計回路を縦列接続して形成した回路としてもよい。

さらに、第２の光出力側回路３は、上記第１実施形態例では２段のマッハツェンダ光干渉計回路１３ｃ，１３ｄを有し、上記第２実施形態例では１段の点対称接続光干渉計回路８と、その後段に接続したマッハツェンダ光干渉計回路１３ｄを有する構成としたが、第２の光出力側回路３を形成するマッハツェンダ光干渉計回路１３の段数や点対称接続光干渉計回路８の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る。

さらに、上記各実施形態例では、１つの光入力端１７と２つの光出力端を有する広帯域波長合分波フィルタとしたが、本発明の広帯域波長合分波フィルタは、上記各実施形態例に示したような、１つの光入力端１７と２つの光出力端を有する広帯域波長合分波フィルタの回路を複数アレイ状に配設し、複数の光入力端１７と、該光入力端１７の数に対応させた数の光出力端を有する構成としてもよい。

さらに、上記説明は、１つの光入力端１７から入力される複数波長の光を分波してスルーポート２８とクロスポート３１からそれぞれ出力する例について述べたが、上記と逆に、第１の光出力側回路２のスルーポート２８と第２の光出力側回路３のクロスポート３１からそれぞれ異なる波長帯の光を入力し、上記説明と逆の経路を通して、光入力側回路の第１の光導波路の光入力端を複数波長光の出力部と成すこともできる。

本発明に係る広帯域波長合分波フィルタの第１実施形態例の回路構成を模式的に示す要部構成図である。 点対称接続光干渉計回路の回路構成を模式的に示す説明図である。 方向性結合器の構成例を模式的に示す説明図である。 第１実施形態例に適用され得る点対称接続光干渉計回路の特性シミュレーション結果例を示すグラフである。 第１実施形態例に適用される点対称接続光干渉計回路のスルーポートとクロスポートからそれぞれ出力される光透過特性シミュレーション結果を示すグラフである。 第１実施形態例の広帯域波長光合分波器フィルタのスルー伝搬光の光透過特性を１つの点対称接続光干渉計回路のスルー伝搬光と比較して示すグラフである。 第１実施形態例の広帯域波長光合分波器フィルタのクロス伝搬光の光透過特性を、第１実施形態例に適用されている点対称接続光干渉計回路、マッハツェンダ光干渉計回路の各クロス伝搬光と比較して示すグラフである。 第１実施形態例の実施例の広帯域波長光合分波器フィルタのスルー伝搬光とクロス伝搬光の光透過特性を示すグラフである。 本発明に係る広帯域波長合分波フィルタの第２実施形態例の回路構成を模式的に示す要部構成図である。 第２実施形態例の実施例の広帯域波長光合分波器フィルタのスルー伝搬光とクロス伝搬光の光透過特性を示すグラフである。 従来のB-PONシステムの構成例を示す説明図である。 誘電体多層膜フィルタの光透過特性と光反射特性の例を示すグラフである。

符号の説明

１ 光入力側回路
２ 第１の光出力側回路
３ 第２の光出力側回路
５ 第１の点対称接続光干渉計回路
６ 方向性結合器
７ 第２の点対称接続光干渉計回路
８ 第３の点対称接続光干渉計回路
９ 位相部分
１１ 第１の光導波路
１２ 第２の光導波路
１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ マッハツェンダ光干渉計回路
１５ 基板
１７ 光入力端
１８ スルーポート
１９ クロスポート

Claims (7)

1. 基板上に、２つの同一のマッハツェンダ光干渉計回路を完全点対称に縦列接続した第１の点対称接続光干渉計回路を設け、該第１の点対称接続光干渉計回路を１つ又は２つ以上縦列接続して光入力側回路を形成し、該光入力側回路のスルーポートの出力端には前記第１の点対称接続光干渉計回路と同一機能構成の第２の点対称接続光干渉計回路を１つ又は２つ以上縦列接続して成る第１の光出力側回路の光入力端を接続し、前記光入力側回路のクロスポートの出力端には、光のクロス伝搬動作を２回以上繰り返すべく複数段のマッハツェンダ光干渉計回路を、前段のマッハツェンダ光干渉計回路のクロスポート出力端に次段のマッハツェンダ光干渉計回路の光入力端を接続する形態にして縦続した回路を含む第２の光出力側回路の光入力端を接続して形成し、該第２の光出力側回路の光のクロス伝搬動作を２回以上繰り返す複数段のマッハツェンダ光干渉計回路のうちの１つ以上は前記第１および第２の点対称接続光干渉計回路を形成するマッハツェンダ光干渉計回路とは長さ構成を異にしていることを特徴とする広帯域波長合分波フィルタ。
2. 第２の光出力側回路は光のクロス伝搬動作を連続的にｎ回繰り返すｎ段（ｎは２以上の整数）のマッハツェンダ光干渉計回路を有し、該ｎ段のマッハツェンダ光干渉計回路を構成している各マッハツェンダ光干渉計回路は第１および第２の点対称接続光干渉計回路を形成するマッハツェンダ光干渉計回路とは長さ構成を異にし、該ｎ段のマッハツェンダ光干渉計回路は前段のマッハツェンダ光干渉計回路のクロスポートの出力端に次段のマッハツェンダ光干渉計回路の光入力端が接続される形態でｎ段のマッハツェンダ光干渉計回路が順次縦続接続される構成と成していることを特徴とする請求項１記載の広帯域波長合分波フィルタ。
3. 第２の光出力側回路は、複数段のマッハツェンダ光干渉計回路のうちの少なくとも１つのマッハツェンダ光干渉計回路に代えて第１の点対称接続光干渉計回路と同一機能構成の第３の点対称接続光干渉計回路を前記第１の点対称接続光干渉計回路を形成するマッハツェンダ光干渉計回路とは長さ構成を異にしているｍ段（ｍは１以上の整数）のマッハツェンダ光干渉計回路とクロス伝搬動作を繰り返す形態で接続して形成したことを特徴とする請求項１または請求項２記載の広帯域波長合分波フィルタ。
4. 光入力側回路の光入力端から入力された複数波長光のうち前記光入力側回路のスルーポートの出力端から出力された光は第１の光出力側回路を通ってその第１の光出力側回路のスルーポートの出力端から出力され、前記複数波長光のうち前記光入力側回路のクロスポートの出力端から出力された光は第２の光出力側回路を形成する請求項２記載のｎ段接続または請求項３記載のｍ段接続のマッハツェンダ光干渉計回路の各段のマッハツェンダ光干渉計回路毎に光入力端からクロスポートの出力端に伝搬する経路を通って最後段のマッハツェンダ光干渉計回路のクロスポートの光出力端から出力される構成としたことを特徴とする請求項２または請求項３記載の広帯域波長合分波フィルタ。
5. 光入力端から入力されてスルーポートの出力端から出力される光をスルー伝搬光とし、前記光入力端から入力されてクロスポートの出力端から出力される光をクロス伝搬光としたとき、点対称接続光干渉計回路はスルー伝搬光の損失が小さいスルー損失小波長帯を１つ以上有し、第２の光出力側回路を形成するマッハツェンダ光干渉計回路の少なくとも１つはクロス伝搬光の損失が前記１つ以上のスルー損失小波長帯のうち少なくとも１つの波長帯内に極大値を有するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載の広帯域波長合分波フィルタ。
6. 点対称接続光干渉計回路はクロス伝搬光の損失が小さいクロス損失小波長帯を１つ以上有し、前記点対称接続光干渉計回路はスルー伝搬光の損失が前記１つ以上のクロス損失小波長帯のうち少なくとも１つの波長帯内に極大値を有するように構成されていることを特徴とする請求項５記載の広帯域波長合分波フィルタ。
7. 基板上に、請求項１乃至請求項６の少なくとも１つの広帯域波長合分波フィルタを複数アレイ状に配設したことを特徴とする広帯域波長合分波フィルタ。

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