JP7680693B2 - 導波路型光カプラ - Google Patents

Description

本発明は、光導波路デバイスに利用される光カプラに関する。

光カプラは、光機能デバイスを構成する上で、重要な回路要素である。導波路型光カプラとしては、２本の導波路を近接して延在させ、一方の導波路を伝搬する光フィールドの断熱的結合により、他方の導波路に光パワーを移す方向性結合器が知られている。しかしながら、光フィールドは、その波長によって導波路からの光の染み出し量が異なるため、その結合率（分岐比）に波長依存性を生じる。

図１に、従来の典型的な導波路型光カプラの波長特性を示す。この方向性結合器からなる導波路型光カプラは、およそ１．５３μｍの波長で５０％の分岐比、すなわち透過損失が３ｄＢとなるように設計されている。しかしながら、光通信で使われる波長帯、すなわち１．３μｍから１．６５μｍの波長において、透過率－７ｄＢ（分岐比２０％）から－１．６ｄＢまで、透過損失が変化している。このような波長依存性は、波長分割多重通信に光カプラを適用する場合に、波長チャネルごとの光パワーの差となって観測される。この光パワーの差分を、光通信システムとして補償する必要があり、システムを構築する上での課題となっている。

このような課題を解消するために、マッハツェンダ干渉計を用いて波長依存性を低減する波長無依存カプラ（ＷＩＮＣ：Wavelength INdependent Coupler）が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。ＷＩＮＣは、マッハツェンダ干渉計のアーム部を構成する２本の導波路に光路長差を設け、さらにマッハツェンダ干渉計を構成する２つの方向性結合器の結合率を適切に設定して、目的とする波長帯域においてフラットな結合特性を得ている。

図２に、従来のＷＩＮＣの構成を示す。ＷＩＮＣ１０は、２つの方向性結合器１１，１２の間に２本のアーム導波路１３，１４を有している。アーム導波路１３（長アーム）とアーム導波路１４（短アーム）との間に光路長差ΔＬが設けられている。方向性結合器１１，１２を構成している２本の導波路は、同じ導波路幅を有している。方向性結合器１１の結合率κ_１と方向性結合器１２の結合率κ_２とを適切に設定して、光通信で使われる波長帯（１．３μｍ－１．６５μｍ）の波長において、透過損失３ｄＢ（分岐比５０％）となるようにしている。なお、方向性結合器の結合率は、２本の導波路を近接させた結合部の長さ（結合長）、導波路の間隔、導波路幅によって決定される。

図３に、従来のＷＩＮＣの波長特性を示す。上記のパラメータに基づいて、ＷＩＮＣの波長特性を計算した結果である。透過光としては、透過率－３ｄＢでフラットな特性であるが、ＴＥ偏波とＴＭ偏波のそれぞれは、上記の波長帯域にわたって偏波依存性損失（ＰＤＬ：Polarization Dependent Loss）を示している。この原因は、ＷＩＮＣを構成する
方向性結合器の結合率に偏波依存性が存在するためである。ＴＥ偏波とＴＭ偏波の差分であるＰＤＴ（Polarization Dependent Transmittance）は、この波長帯域にわたっておよそ０．１ｄＢの偏波依存性が存在する。

例えば、火炎堆積法などの高温の熱処理を経て作製される石英系平面光波回路によるＷＩＮＣにおいて、方向性結合器の結合率の偏波依存性は、以下の原因が考えられる。すなわち、熱処理時の光導波路内部の応力に起因して、基板方向と基板に垂直な方向との間で内部応力に差を生じる。この内部応力の差によって、方向性結合器内部に複屈折を生じ、偏波依存性が発現する。一方、ＬｉＮｂＯ_３などの強誘電体結晶による光導波路においても、結晶方位に基づいて複屈折を生じ、同様に偏波依存性を発現する。また、ＩｎＰなどの光半導体導波路においても、結晶による導波路であるため、同様に偏波依存性を生じる。

K. Jinguji ; N. Takato ; A. Sugita ; M. Kawachi、「Mach-Zehnder interferometer type optical waveguide coupler with wavelength-flattened coupling ratio」、Volume 26, Issue 17, 16 August 1990, p. 1326-1327

本発明の目的は、広い波長域で波長依存性、偏波依存性がなく、分岐比が一定に保たれる導波路型光カプラを提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、２つの方向性結合器の間に２本のアーム導波路を有するマッハツェンダ干渉計により構成された導波路型光カプラにおいて、前記２つの方向性結合器の結合部における２本の導波路幅が互いに異なり、２本のアーム導波路間に光路長差が設けられており、２本のアーム導波路のうち、光路の長いアーム導波路の一部分の導波路幅が、光路の短いアーム導波路の導波路幅よりも広く、２つの方向性結合器の結合部における２本の導波路幅のうちの幅の細い導波路が、２本のアーム導波路のうちの光路の長いアーム導波路と接続されていることを特徴とする。

図１は、従来の導波路型光カプラの波長特性を示す図、 図２は、従来のＷＩＮＣの構成を示す図、 図３は、従来のＷＩＮＣの波長特性を示す図、 図４は、第１の実施形態にかかるＷＩＮＣの構成を示す図、 図５は、第２の実施形態にかかるＷＩＮＣの構成を示す図、 図６は、第２の実施形態にかかるＷＩＮＣの波長特性を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本実施形態では石英系光導波路を用いた例を示すが、導波路の材料を指定するものではない。石英系光導波路に限らず、シリコン（Ｓｉ）導波路、インジウムリン（ＩｎＰ）系導波路、高分子系導波路など他の材料系の導波路を用いた場合にでも、本実施形態を適用することができる。また、具体的な導波路の設計例として、比屈折率差Δが２％の導波路を取り上げて説明する。本実施形態は、これら導波路の基本パラメータに限定されるものではなく、他のパラメータにおいても同様の考え方を適用することができる。

ＷＩＮＣは、２つの方向性結合器の間に２本のアーム導波路を有し、アーム導波路間に光路長差ΔＬが設けられている。上述したように、方向性結合器の結合率の波長依存性に起因して偏波依存性が存在する。そこで、ＷＩＮＣとしての偏波依存性を解消するために、マッハツェンダ干渉計のアーム導波路間の位相差に偏波依存性を持たせる。ＷＩＮＣの伝達行列を以下に示す。マッハツェンダ干渉計を構成する第１の方向性結合器の伝達行列をＣ_１，アーム導波路部の伝達行列をＡ，第２の方向性結合器の伝達行列をＣ_２としたとき、ＷＩＮＣ全体の伝達行列Ｍは、

と表される。ここでＣ_１，Ａ，Ｃ_２を、それぞれ従来の手法で設計する場合

ここで、κは方向性結合器の結合率、βはアーム導波路の伝搬定数、ΔＬは２本のアーム導波路間の行路長差、ｚ_１、ｚ_２は方向性結合器における結合部の結合長である。

ＷＩＮＣの第１の方向性結合器の一方の入力導波路に光信号を導入する場合、入力のベクトルは［１，０］^ｔであるから、上式を用いて、ＷＩＮＣの分岐強度（結合率）Ｉは、

で表される。したがって、方向性結合器の結合率κに偏波依存性が存在すると、ＷＩＮＣとしての分岐比にも偏波依存性が生じることになる。

そこで、ＷＩＮＣとしての偏波依存性を解消するために、非対称方向性結合器を利用する方法と、２本のアームの導波路の幅に差を設ける方法とがあり、以下に順に説明する。

［第１の実施形態］
図４に、第１の実施形態にかかるＷＩＮＣの構成を示す。図４（ａ）に全体構成を示し、図４（ｂ）に方向性結合器の拡大図を示す。ＷＩＮＣ２０は、２つの方向性結合器２１，２２の間に２本のアーム導波路２３，２４を有するマッハツェンダ干渉計により構成されている。アーム導波路２３（長アーム）とアーム導波路２４（短アーム）との間に光路長差ΔＬが設けられている。方向性結合器２１，２２は非対称方向性結合器であり、結合部における２本の導波路幅が異なっている。図４（ｂ）に示すように、長アームを構成するアーム導波路２３の側の導波路幅をＷ_１、短アームを構成するアーム導波路２４の側の導波路幅をＷ_２としている。

方向性結合器を構成する２本の導波路の導波路幅が同じである対称方向性結合器は、その２本の出力導波路から出力される光信号の位相関係は常に９０°である。一方、非対称方向性結合器は、その出力位相が次式の伝達行列により求められる位相差を有する。すなわち、伝達行列Ｃは、

であり、ここで、κは結合率、β_１、β_２は方向性結合器を構成する２本の導波路の伝搬定数である。また、zは方向性結合器の結合長である。結合率κは、当該波長において光
方向性結合器の一本の入力導波路に入射した光信号が、他方の導波路に１００％結合する結合部の長さを完全結合長Ｌ_Ｃとしたとき、

なる関係を有する。

通常用いられる対称な方向性結合器では、上式においてβ_１＝β_２、すなわち、δ＝０であるため、伝達行列Ｃは、

と簡略化されて、２本の出力導波路から出力される光信号の位相関係は、常にπ／２［ｒａｄ］に固定される。

しかしながら、図４に示すように、方向性結合器の結合部を構成する２本の光導波路の幅が非対称である場合、両者の伝搬定数β_１、β_２は異なる。このため、式（２）から求められるように位相関係φは、たとえば、

となって、δによって変化する。

結合部の光導波路の幅Ｗ_１，Ｗ_２を非対称にして、両者の伝搬定数β_１、β_２が異なるようにし、出力側の導波路から出てくる光の位相関係をπ／２から変化させる。上述したように、結合率は、偏波によって異なるため、発生する位相差にも偏波依存性を持たせることができる。この位相関係φを調整することによって、式（１）の右辺第１～３項の方向性結合器の結合部の偏波依存性を補償して、ＷＩＮＣとしての偏波依存性を解消する。

なお、第１の実施形態では、非対称方向性結合器において、長アーム側の導波路幅を狭く、短アーム側の導波路幅を広くしている。しかし、アーム導波路間の光路長差、方向性結合器の結合率の設定によっては、逆の場合もあり、２本の導波路幅が互いに異なっていればよい。

［第２の実施形態］
図５に、第２の実施形態にかかるＷＩＮＣの構成を示す。図５（ａ）に全体構成を示し、図５（ｂ）に方向性結合器の拡大図を示す。ＷＩＮＣ３０は、２つの方向性結合器３１，３２の間に２本のアーム導波路３３，３４を有するマッハツェンダ干渉計により構成されている。アーム導波路３３（長アーム）とアーム導波路３４（短アーム）との間に光路長差ΔＬが設けられている。さらに、アーム導波路３３の一部分が、２本のアームの導波路の幅Ｗよりも太い導波路幅Ｗ_Ｂを有している。方向性結合器３１，３２は、第１の実施形態と同様に、非対称方向性結合器であり、それぞれ長アーム側の導波路幅をＷ_１、短アーム側の導波路幅をＷ_２としている。

式（１）において、ＷＩＮＣとしての偏波依存性を解消するためには、アーム部に起因する位相項、すなわち右辺第３項のｃｏｓβΔＬに偏波依存性を持たせて補償する方法も有効である。ｃｏｓβΔＬの位相項に偏波依存性を持たせて、右辺第１～３項の方向性結合器の結合部の偏波依存性と合わせて、トータルで補償し、ＷＩＮＣとしての偏波依存性を解消する。第２の実施形態では、非対称方向性結合器を用いると共に、２本のアームの導波路の幅に差を設けて、伝搬定数βに偏波依存性を持たせている。

なお、第２の実施形態では、長アーム側の導波路幅を通常の導波路幅より広くしているが、短アーム側の導波路幅を通常の導波路幅より狭くしてもよい。また、アーム導波路間の光路長差、方向性結合器の結合率の設定によっては、それぞれ広狭の関係が逆になる場合もあり、２本の導波路幅が偏波依存性を解消するように互いに異なっていればよい。

図６に、第２の実施形態にかかるＷＩＮＣの波長特性を示す。２つの方向性結合器３１，３２を構成する導波路の幅Ｗ_１，Ｗ_２を非対称にし、長アーム側の導波路幅をＷ_１にして、アーム部に起因する位相項に偏波依存性を持たせた場合の波長特性を計算した結果である。図３と比較して分かるように、ＴＥ偏波とＴＭ偏波のそれぞれＰＤＬおよびＰＤＴは、光通信で使われる波長帯の波長において、大幅に改善されていることがわかる。

第１および第２の実施形態によれば、広い波長域で波長依存性を有し、かつ偏波依存性が抑制され、分岐比が一定に保たれる導波路型光カプラを提供することができる。

Claims (1)

1. ２つの方向性結合器の間に２本のアーム導波路を有するマッハツェンダ干渉計により構成された導波路型光カプラにおいて、
   前記２つの方向性結合器の結合部における２本の導波路幅が互いに異なり、
   前記２本のアーム導波路間に光路長差が設けられており、
   前記２本のアーム導波路のうち、光路の長いアーム導波路の一部分の導波路幅が、光路の短いアーム導波路の導波路幅よりも広く、
   前記２つの方向性結合器の前記結合部における前記２本の導波路幅のうちの幅の細い導波路が、前記２本のアーム導波路のうちの前記光路の長いアーム導波路と接続されていることを特徴とする導波路型光カプラ。

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