JPH01113707A - 集光機能付波長分波合波器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、複数の波長成分の光を分波または合波し、分
波または合波した各波長の光を所定の位置に集束させる
集光機能付波長分波合波器に関する。

〔従来技術〕

高度情報化社会にあっては、高速にて多量の情報伝送が
要求されており、この要求を満たすべく光通信技術が普
及している。そして複数の波長成分が混在する光線を各
波長ごとに分離し、分離した各波長の光を夫々各別に集
束させる機能を有する集光機能付波長分波器は、光通信
系において重要な構成素子の一つである。

そして集光機能付波長分波器の装置構成としては、薄膜
導波路を用いたものが知られており、これはその作製が
容易であるという利点を有する。

これらの分波器としては、薄膜導波路の端面に回折格子
を結合した構成をなす反射型の分波器、または薄膜導波
路に回折格子、波長分散がないレンズ（例えばジオデシ
ックレンズ）を一体内に形成した構成をなす透過型の分
波器が公知である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところが上述した反射型の分波器では、反射型の回折格
子を用いるので装置全体が小型化できるが、薄膜導波路
と回折格子とを別々に作製した後、両者を端面結合する
ので、その製造行程が煩雑であるという難点がある。

また反射型の分波器では、波長分散がないレンズを作製
する場合に、超精密加工を要するので、その作製が困難
であるという問題点があった。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、各ス
リット面の形状が、分波または合波した各波長の光が一
点に集束すべく、予め演算して求められた形状である回
折格子を有することにより、レンズが不要となって装置
全体を小型化できる集光機能付波長分波合波器を提供す
ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明に係る集光機能付波長分波合波器は、導波路に複
数のスリットを列状に形成してなる回折格子を備え、複
数の波長成分の光を分波または合波し、各波長の光を所
定の位置に集束させる波長分波合波器において、前記回
折格子の各スリット面は、各波長の光が所定の位置に集
束すべくその形状が定めてあることを特徴とする。

〔作用〕

本発明の集光機能付波長分波合波器にあっては、入射さ
れた発散光が回折格子のスリット面において回折される
。発散光は回折された後集束光となり、各波長の光が夫
々の位置に集束される。

〔実施例〕

以下本発明をその実施例を示す図面に裁づいて説明する
。

第１図は本発明の集光機能付波長分波合波器（以下単に
本発明品という）の構成を示す斜視図、第２図は同じ（
回折格子近傍の部分断面図である。

本発明品は、ホウケイ酸系の耐熱ガラス（商標名パイレ
ックス）からなる基板１に、５ｉ−Ｎ層２、両端面が研
磨された＃　７０５９ガラスからなる導波Ｊｇ　３をこ
の順に積層したものに、人力用光ファイバー４及び受光
器５を接続した構成をなす。５ｉ−Ｎ層２には部分的に
凹凸加工が施されており、これらの部分が回折格子６及
びチャンネル導波路７となっている。

人力用光ファイバ４は、その出射端面を導波層３の研摩
端面に結合して設けられており、入力用光ファイバ４を
伝播した光は、発散光となって導波層３に入射する。ま
た受光器５は、多数の受光素子を列状に配してなる受光
素子アレイであって、各受光素子はチャンネル導波路７
の対応する各導波路に接続しており、チャンネル導波路
７がら受光器５に光が入射し、その出力が外部に取出さ
れる。

回折格子６は、５ｉ−Ｎ層２に凹凸加工を施して形成さ
れたものであり（第２図参照）、隣合う凹部の間隔（ス
リットの周期）は一定ではなく、また凹凸面の形状（ス
リット面の形状）は後述する演算式にて求められる関数
形をなしている。

またチャンネル導波路７も回折格子６と同様に、５ｉ−
Ｎ層２に凹凸加工を施して形成されたものであり、対応
する波長の光が集束する位置に各導波路の入射端面を位
置決めして、チャンネル導波路７カｊ形成されている。

回折格子６１にて分離された各波長の光は、チャンネル
界波路７の対応する各導波路端面にて集束し、各波長の
集束光がチャンネル導波路７に入射する。

次に動作について説明する。

第３図は本発明品による回折格子６での光の入出力を示
す模式図である。入力用光ファイバ２を伝播した光は、
端面結合により発散導波光として励振されて翼波層３に
進入し、回折格子６に入射する。回折格子６に入射した
光は、波長に依存した出射角にて、回折、偏光される。

回折格子６のスリット面は、各波長の光が夫々の位置（
チャンネル導波路７の各導波路端面位置）に集束するよ
うに形状が形成されているので、回折格子６にて回折さ
れた光は、各波長の光が対応する各導波路の端面にて集
束する。チャンネル導波路７の各導波路内を単一波長の
光が伝播し、単一波長の光が受光器の５の対応する受光
素子に捉えられる。

以上の如く本発明品では、簡便な装置構成により多成分
の波長の光を、各波長ごとに分離して集束させて取出す
ことができる。

次に本発明の要旨をなす回折格子６の特性、形状等につ
いて詳述する。

波長分波器の基本特性は、■波長分解能、■波長帯域、
■効率であり、これらの３点は回折格子゛の■スポット
径とスポット変位との関係、■波長選択性、■結合効率
に夫々対応しており、回折格子６はこのような点に留意
して構成されている。

次に本発明品の回折格子のこのような点に関する考察に
ついて順次説明する。

■、波長分解能 波長分解能は集光スポット径と波長に対する集光位置変
位とに基づいて決定され、発散中心からの距離をｒ、開
口径をり、導波路１の実効屈折率をＮ、中心波長λ。で
の回折角をφ。、焦点距離をｆｃとした場合に、回折限
界スポット径Ｗは下記（１１式にて与えられる。

ＮＤｃｏｓφＣ なお扱う波長帯域は小さいので、波長の違いに伴う実効
屈折率Ｎの変化及び収差の影響は無視できるものとして
、上記（１）式をスポット径とする。

回折格子４に波長λの光波が入射した場合の回折角をφ
、焦点距離をｆとすると、下記（２）、　（３１式が成
り立ち、また、波長変化に対する回折角変化及び焦点距
離変化は（２）、　（３１式をλで微分することにより
得られ、下記（４）、　（５１式に示す如くなる。

λ φ＝ｓｉｎ　−’　（−ｓｉｎφｃ）　　・（２）λゎ λ ｃｏｓ　”　φ０）・・・（３） λ。

ｄλ　　　λ。

焦点路ｉｌｆも波長に依存し、各波長に対する集光位置
は出射方向に対して傾斜して配される（第３図参照）。

角度φが集束光の見込み角に比べて小さい場合には、あ
る波長の焦点が他の波長の集光ビームの中に位置するこ
とになり、クロストークが大きくなって好ましくない。

効率よく波長分波を行うためには、この角度φが、回折
格子の出射側の開口数ＮＡにて決定される角度Ｄ　ｃｏ
ｓφｅ／２「。

より大きいことが必要である。即ち、ｄＫｆ−ｄφ／ｄ
ｆを用いれば、下記（６）式を満たす必要がある。

そして回折格子の出射側のＮＡは十分に小さいので、ｆ
の変化を無視すると、波長変化Δλに対する集光位置変
位ｄは下記（７）式にて与えられる。

λゎ 波長分解能は集光位置変位ｄ（前記（７）式）と、スポ
ット径Ｗ（前記（１）式）との比にて下記（８）式にて
与えられ、また波長分波にはｄ／Ｗが必要条件であり、
その場合の最小波長分解能は下記（９）式にて与えられ
る。

Ｗ　　　　　　　　　２λｃ２ ＮＤ−ｓｉｎφ。

従ってΔλを小さくするためには回折角φＣを大きくす
ればよい。例えばλ、　＝　７９０ｎｍ、　Ｎ＝１．５
２゜Ｄ＝１ｍｍ、　　φ。＝３０°とする場合には、Δ
λ＝　１．６ｎｍとなる。

■０回折効率と波長帯域 高い回折効率を得るためにはブラッグ回折を利用すれば
よいが、このためには下記αψ式に示されるパラメータ
Ｑが、Ｑ＞＞１　　（Ｑ＞１０）を満たす必要がある。

但し・Ｑは回折格子層内八に対する相対的な長さしく結
合長）を表す。

回折角が極端に小さくなければ、周期は波長オーダ（Ａ
ｈ１μｍ）となり、結合長しは数μｍあれば条件Ｑ〉１
０を十分満足する。

ブラッグ条件下において回折効率ηは、入射波と回折波
との結合係数に１回折格子の結合長り。

回折角φ。にて下記（１１）式の如くなる。

η″ｓｉｎ”シ ーｓｉｎ”　（ｌ　Ｉｃ　ｌ　Ｌ／Ｊ　ｃｏｓφｃ）　
・（１１）上記（１１）式においてν＝π／２のときは
ηが最大となり、１００％の効率が得られる。ところが
波長が変化するとブラッグ条件を満足しなくなって回折
効率が低下する。回折効率が５０％以上の波長領域を波
長帯域とすると、下記（１２）式が満たされる。

λ、　　　　２πＮＬ（１−ｃｏｓ　φＣ）上記（１２
）式より、波長帯域を大きくするには結合長りを短くし
、回折角φ。を小さくすればよい。例えばλ−＝　７９
０ｎｍ、　　φ。＝３０°、　　Ｌ＝５２．２μｍの場
合には２Δλ＝　４０ｎｍとなる。

■、各パラメータの最適値 次に上述したような波長分波器の基本特性と回折格子の
パラメータとの関係を用いて、結合長し。

回折角φゎ２回折格子の構造を決定する。以下この内容
について説明する。

回折角φ。を大きくすれば、波長分解能は小さくなるが
（前記（８）式）、波長帯域は狭くなり（前記（１２）
式）、また回折格子の周期が小さくなるのでその製作が
困難となる。そこで、波長分解能３　ｎｍ、波長帯域３
０ｎｍが満足され、回折格子周期が１μｍ前後となるよ
うに回折角φゎを３０°と決定する。また導波モードと
して結合係数が大きいＴＥモードを採用する。７Ｍモー
ドの結合係数にＴＭは回折角ψ。とは無関係であるが、
ＴＥモードの結合係数にＴ１はｃｏｓφ。に比例する。

回折格子の構造は、設計が容易であって微細な構造を実
現できるレリーフ構造とする。回折格子の位置は、導波
層上部、導波層下部の二通りが考えられる。回折格子層
内の電磁界分布は、回折格子が導波層下部にある場合の
方が大きくなり、この結果結合係数にも大きくなる。結
合係数にが大きくなると、結合長しが小さくなり（前記
（１１）式）、波長帯域が大きくなる（前記（１２）式
）。

従って本実施例では、第２図に示す如（導波層下部に回
折格子層を装荷した構造とする。

回折効率ηは、結合係数に、結合長り及び回折角φ。に
より決定される（前記（１１）式）ので、結合長りを決
定するためには、結合係数にを正確に求める必要がある
。

第４図は４層導波路の電磁界分布を示す模式図であり、
図において層厚方向をｙ軸方向とし、回折格子層の上面
をＯとする。回折格子層の電磁界分布を求めるために、
回折格子層の平均屈折率ｎを、フーリエ級数展開の０次
の項との関係に基づき下記（１３）式とし、４層導波路
で近似する。

ｎ、”　＝ａｎ、”　＋　（１−ａ）ｎ、”・・・（１
３）（０＜ａ＜１） 導波路１内の伝播モードはＴＥモードであり、ｋｃ−２
π／れ＋　　ｋｒ　”ｋｃ　’／　ｎｆ”　　Ｎ”　１
ｋｇ＝ｋＣＪｎ９　−Ｎ　　、ＴＣ＝ｋＣＪＮ　　−ｎ
ｃ　。

γ、＝ｋｃＪＮ”−ｎ、”とおき、導波層の電界。

回折格子層の電界を夫々下記（１４）式に示す如く設定
する。

Ｅｘ　＝Ｅｒ　　ｃｏｓ　（ｋ、　ｙ−χｆ）（０＜ｙ
＜Ｔ） Ｆ、、　＝Ｅ、　　ｃｏｓ　（ｋｇ）’＋χｇ）（−ｈ
＜ｙ＜０）　　・・・　（１４）伝播パワーＰが、Ｐ＝
１／２・Ｅ９　・Ｈｇ　・Ｔ、ｆｆとなるように実効膜
厚Ｔ　＊　ｔ　ｔを決めると（１５）式％式％） ：） Ｔ＠ｆｒは、回折格子層に光波のエネルギが閉じ込めら
れているとみなした場合の実効的な膜厚を表している。

この場合にはＴ　＠ｆ　ｒは、Ｗ波層の層厚９回折格子
層の層厚及び電界のしみだしより決る厚さの単純な和に
はならず、いくつかの補正項τ、χ９がある。τはＥ、
とＥｆとの相違による補正項であり、Ｅｒ”／Ｅ９′に
等しい。また、χ、は、回折格子層をジグザグな経路を
たどって伝播する光線が回折格子層と導波層との界面で
反射するときの位相シフトを表している。このＴ＠ｆｆ
を用いて結合係数にを求めると、下記（１６）式の如く
なる。

（ｎ９”　　ｎｒ”）ｓｉｎ（ａπ）　　ｃｏｓφ、−
（１６）導波路がシングルモードであり、数十ｎｍ程度
の波長帯域が実現できるようなにが求まり、しかも光波
の大部分が導波層に閉じ込められるように導波層の層厚
Ｔ及び回折格子層の層厚りを、夫々Ｔ＝０．８μｍ　、
　　ｈ　＝　２３１ｍと決定する。またこの場合の結合
係数には、に＝２．８０Ｘ１０−”　（μｍ−１）と計
算される。このにの値を前記（１１）式に代入して結合
長りを求めると、Ｌ＝５２．２μｍとなる。

次に回折格子の表面のパターン形状について説明する。

回折格子における入力発散光の位相Φ１と出力集束光の
位相Φ２とは夫々下記（１７）　、　　（１８）式％式
％ ｑ番目の回折格子ラインの形状は下記（１９）式の如く
なるので、ｘ＝ｚ＝Ｑでｑ＝０となるように定数を決め
ると、下記（２０）式となる。

Φ１−Φ２＝２ｑπ＋Ｃ・・・（１９）（ｑ：整数、Ｃ
：定数） ＝ｑλ／Ｎ＋ｒ＋ｆｃ　　　　・（２０）Ｘまたは２の
複２次式となる上記（２０）式が、回折格子のスリット
の形状を示す関数形である。

次に集束される各波長の光を受光するチャンネル導波路
７について説明する。

チャンネル導波路７は、スラブ導波路の一部に高屈折率
の５ｔ−Ｎを膜厚２３ｎｍ装荷することにより形成され
ている。導波路長はクロストークを抑えるため短い方が
望ましく、作製精度を考慮して１．５鰭前後とする。ま
た各導波路幅は５μｍとし、回折光スポット径とチャン
ネル導波路７内のモード分布とを整合する。なお波長分
解能を３ｎｍとする場合には、隣合う導波路間のギャッ
プは約１５μｍである。

このようにして作製した本発明品の実施例の数値例を下
記第１表に示す。なお本実施例では、回折格子の入力側
のＮＡが入力用光ファイバのＮＡと等しくなるように、
入力端面から回折格子までの距離ｒをｒ　＝＝　３　ａ
ｍ、回折格子の開口径りをＤ　＝　１　ｍｍとする。ま
たチャンネル導波路の設計波長は７９０＋３Ｘｍ　（ｍ
＝０．　±１．±２．±３．±４）　　（ｎｍ）である
。また作製した本発明品の大きさは、幅２５關。

長さ２０ｍｍである。

（以　　　下　　余　　　白） 第　　　１　　　表 次に本発明品の作製工程について説明する。

パイレックス基板上に５ｉ−ＮをプラズマＣＶＤ法によ
り２３０ｍ堆積した後、フォトリソグラフィを用いて、
電子ビーム描画の際のマーカとチャンネル導波路のパタ
ーンをフォトレジスト上に作製する。

そのパターンをリフトオフにより、熱蒸着にて１５關堆
積したＣｒｇｉ膜に転写する。

次いで電子ビーム直接描画法により回折格子のレジスト
パターンを形成し、Ｃ「に転写した後、リアクティブイ
オンエツチングにより５ｔ−Ｎ層に、回折格子及びチャ
ンネル導波路のパターンを転写する。次に辱波層として
＃　７０５９ガラスをスパッタリングにて０．８μｍ堆
積した後、入力端面及び出力端面を研磨する。

本発明品の、■回折格子の集光特性、■波長分波器の分
波特性について評価した。以下この評価内容について説
明する。

■回折格子の集光特性 チャンネル導波路の出力端面を中心波長λ。＝７９０ｎ
ｍの焦点位置で、回折光出射方向に対して垂直に研磨し
た試料を準備した。出力端面をテレビカメラにて観測し
て、波長７８９．９ｎｍ、　７９３．１ｎｍ、　７９６
．８ｎｍに対して得られる光強度分布を検出した場合、
スポット１／ｅ”全幅は理論値６．・７μｍに近い８．
３μｍであった。これにより波長分解能は３ｎｍが期待
できる。また集光位置は前記（７）式において求め　　
゛られる位置に一致した。

■波長分波器の分波特性 入光用光ファイバから波長７９０ｎｍ、　７９３ｎｍ、
　７９６ｎｍのレーザビームを入射させ、各波長の光が
チャンネル導波路の対応する所定のチャンネルに入射さ
れるかを調べた場合、各波長の光は回折格子にて回折さ
れた後、対応するチャンネルに入射されることを確認し
た。この際分解能は理論値どおり３ｎｍであり、隣接チ
ャンネルとのクロスストロークは８ｄＢであった。

〔効果〕

以上詳述した如く本発明品にあっては、集光機能を有す
る回折格子を設けているので、簡単な装置構成にて、多
数の波長成分が混在する発散光を各波長ごとに分離し、
集束させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明品の構成を示す模式図、第２図は本発明
品の回折格子の近傍を示す部分断面図、第３図は本発明
品における光路の状態を示す模式図、第４図は電磁界分
布を示す模式図である。 １・・・基板　２・・・５ｉ−ＮＦＩ　　３・・・導波
層　４・・・入力用光ファイバ　５・・・受光器　６・
・・回折格子　７・・・チャンネル導波路

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、導波路に複数のスリットを列状に形成してなる回折
   格子を備え、複数の波長成分の光を分波または合波し、
   各波長の光を所定の位置に集束させる波長分波合波器に
   おいて、 前記回折格子の各スリット面は、各波長の 光が所定の位置に集束すべくその形状が定めてあること
   を特徴とする集光機能付波長分波合波器。 ２、前記回折格子の隣合うスリットの周期が異なってい
   る特許請求の範囲第１項記載の集光機能付波長分波合波
   器。 ３、前記スリット面は平面をなす特許請求の範囲第１項
   記載の集光機能付波長分波合波器。 ４、前記スリット面は曲面をなす特許請求の範囲第１項
   記載の集光機能付波長分波合波器。 ５、導波路に複数のスリットを列状に形成してなる回折
   格子と前記導波路に接続された受光器とを備え、複数の
   波長成分の光を分波または合波し、各波長の光を各別の
   位置に集束させ、前記受光器にて捉える波長分波合波器
   において、 前記回折格子の隣合うスリットの周期が異 なり、各スリット面は、各波長の光が所定の位置に集束
   すべくその形状が定めてあることを特徴とする集光機能
   付波長分波合波器。 ６、前記受光器は受光素子アレイである特許請求の範囲
   第５項記載の集光機能付波長分波合波器。 ７、前記受光素子アレイの各受光素子に、各波長の光が
   集束する位置に設けられたチャンネル導波路の各導波路
   が接続している特許請求の範囲第６項記載の集光機能付
   波長分波合波器。 ８、前記受光器は光ファイバである特許請求の範囲第５
   項記載の集光機能付波長分波合波器。