JPH02157711A

JPH02157711A - 光合分波器

Info

Publication number: JPH02157711A
Application number: JP63310117A
Authority: JP
Inventors: Masao Kawachi; 河内　正夫; Norio Takato; 高戸　範夫; Soichi Kobayashi; 壮一小林
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1988-12-09
Filing date: 1988-12-09
Publication date: 1990-06-18
Anticipated expiration: 2011-11-27
Also published as: JP2557966B2

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】〈産業上の利用分舒〉本発明は、波長多重光通信等で用いられるマツ八・ツエ
ンダ光干渉計型の光合分波器に関する。

〈従来の技術〉光合分波器は、１本の光ファイバに複数波長の信号光を
同時に伝送させ且つ夫々の波長の信号光を独立に取り出
すための装置である。

光合分波器はその形態により、１）バルク型、２）ファ
イバ型、３）導波型、に大別することができる。バルク
型はマイクロレンズやプリズム、干渉膜フィルタ等を組
み合わせて構成するものであるが、組立調整に長時間を
要し、長期信頼度や価格の面で難がある。またファイバ
型は、光フアイバ自身を構成材料として研磨や融着・延
伸工程を経て構成されろものであるが、波長設定精度を
良好に保つことが難しい。これらに対して、導波型は、
フォトグラフィ工程により、平面基板上に一括大量形成
できる利点があり、将来型の光合分波器形態としてン上
目されている。

第１２図は、従来の代表的な導波型光合分波器である方
向性結合襞型光合分波襞の概略構成図である。同図に示
したように平面基板２１上には略平行して２本の光導波
路２１ａ。

２１ｂが形成されていると共に、夫々の光導波路２１ａ
、２１ｂの中間部は、互いに近接して形成され方向性結
合部２１ｃを構成している。この方向性結合部２１ｃは
、光導波路２１ａの入力ポート２３ａから同時に入射さ
れた２波長λ４．λ２（例えばλ、＝１．３μｍとλ２
＝１．５５μｍ）の信号光を、光導波路２１轟の出力ポ
ート２３ｂと光導波路２１ｂの出力ポート２４ｂとに完
全に分離して出力するように設計されている。この方向
性結合部２１ｃのパワー結合比即ち方向性結合部２１ｃ
内にて光導波′ｌｌ１２１ａ側から光導波路２１ｂ側へ
と移される信号光の波長ごとの強度割合（以下単に結合
比と称する）が波長λ１に対して０％、波長λ２に対し
て１００％に設定されている。

しかし、方向性結合部２１ｃは、極めて構造敏感な光回
路要素であり、二つの波長で同時に希望の結合比（ここ
では、０％と１００％）になるように構成するには、光
導波路コア部の寸法やコア・クラッド間の比屈折率差、
結合部の長さや間隔等の寸法精度を極めて厳格に維持し
つつ製造することが必要である。

そこで前述した程には高寸法精度を要求されない別の導
波型光合分波器として、マツハ・ツエンダ光干渉計型光
合分波器が知られている。このマツハ・ツエンダ光干渉
計型光合分波器は、極めて接近した２波長（例えば、λ
、＝１．５４９μｍ、λ、＝１．５５１μｍ）の信号光
を合波あるいは分波するものである。

第１３図にその概略構成を表したように、平面基板２１
上には略平行して２本の光導波路２１ａ、２１ｂが形成
されていると共に、夫夫の光導波路２１ａ、２１ｂは中
間部の２箇所で互いに近接して形成され、波長λ１．λ
２の信号光に対して略５０％の結合比を有する方向性結
合部２２ａ、２２ｂを構成している。

この場合、波長λ、とλ２とは結合比の波長依存性を無
視できる程に極めて近接した値であるために、例えば波
長λ１とλ２との平均値の波長に対する結合比を５０％
とする等によって、方向性結合部２２ａ、２２ｂの結合
比が決められていた。またこれらの方向性結合部２２ａ
、２２ｂを夫々形成した光導波１ｉ＠２１ａ。

２１ｂ間の光路長差ΔＬは、次の関係式で与えられる。

ΔＬ＝λ１λ、／（２ｎ・Δλ）　　・＝−＋１１ｎ・
ΔＬ＝λ　・Ｎ　　　　　・・・・・（２）ｎ’ΔＬ＝
λ、−（Ｎ＋０．５１　　・−・・−・（３１ここで、
　ｎ：先導波路の実効屈折率 Δλ＝　　λ　−入Ｎ：整数である。例えば、光導波路が石英ガラス系光導波路の場
合、ｎ＝１．４５であるから前記のλ、＝１．５４９μ
ｍ、λ、＝１，５５１μｍの場合には、ΔＬ＝４１７μ
ｍとすれば前記の（１）〜（３）式が同時に成立する。

従ってこの場合公知の光干渉作用により、導波路２１ｍ
の入力ポート２３ａから入力された２波長の信号光λ１
．λ２のうちλ１は出力ポート２３ｂから出力され、λ
２は対向側の導波路２２ｂの出力ポート２４ｂから分離
して取り出されるのである。

〈発明が解決しようとする課題〉従来、マツハ・ツエンダ光干渉計型光合分波器は、方向
性結合部２２　ａ、　２２　ｂの結合比の波長依存性が
無視できる場合、即ち２つの信号光の波長λ１．λ２が
極めて近接する値を有していて夫々の波長λ１．λ２に
対する結合比が共に略５０％と見なせる場合のみに有効
であると考えられてきた。つまり、信号光の波長λ、、
λ２の値に前記波長依存性を無視できなくなる程大きな
差がある場合では、出力ボート２３ｂ、２４ｂの夫々に
波長λ４．λ２の信号光が混雑して出力されるいわゆる
り四ストークが発生して完全な合波、分波を行い得ない
という問題があった。

く課題を解決するための手段〉本発明による光合分波器は、基板上に形成された２本の
光導波路と、前記光導波路の中間部の２箇所において前
記光導波路を相互に近接させることによト夫々形成され
異なる波長の２種類の光を合波或いは分波する方向性結
合部とを備え、夫々の前記方向性結合部の間の光路長差
と前記光導波路の屈折率との積が一方の前記光導波路か
ら他方の光導波路へと移される一方の前記光の波長の整
数倍且つ他方の前記光の波長の（整数上０，５）倍に設
定されると共に、前記方向性結合部のパワー結合比が前
記一方の前記光の波長に対してほぼ５０％であることを
特徴とするものである。

く作　　　用〉基板上に形成された２本の光導波路と、前記光導波路の
中間部の２箇所において前記光導波路を相互に近接させ
ることにより夫々形成され異なる波長の２種類の光を合
波或いは分波する方向性結合部とを備えた光合分波器に
おいて、一方の光導波路の一端側から導入された異なる
波長を有する２１１の光は、２本の光導波路の夫々の他
端側よ１各波長の光ごとに分離して取り出され、また逆
に２本の光導波路の夫々の他端側より各波長ごとに導入
された光は、一方の光導波路の一端側より合波されて取
り出されろ。この際、前記方向性結合部の結合比を、一
方の光波路から他方の光導波路へと移される光の波長に
対してほぼ５０％となるように設定したことにより、こ
の光合分波器は波長差の大きい２８１ｉの光を精度よく
合波或いは分波する。

く実　施　例〉以下、本発明による光合分波器の一実施例を図を参照し
て詳細に説明する。

第１図はこの一実施例の概略構成を表す平面図であり、
第２図〜第４図は夫々第１図中７７）Ａ−Ａ、　Ｂ−Ｂ
、　Ｃ−Ｃ矢視断面を表す拡大断面図である。これらの
図に表したようにシリコン基板１１上には膜厚５０μｍ
程度のＳ　ｔ　Ｏ２系のガラス層１５が形成され、且つ
このガラス層１５内にはＳｉＯ−ＴｉＯ系ガラスよりな
る８μｍ角程度の断面形状を有する２本の光導波Ｓ＄ｌ
ｌａ、ｌｌｂが略平行するように設けられている。また
光導波Ｒ１１１１ａ、１１ｂこは、夫々の中間部の２箇
所で互いに近接して形成され夫々の光導波路１１ａ、、
ｌｌｂ内を進行してきた異なる波長の信号光を合波或い
は分波する方向性結合部１２ａ、１２ｂが形成されてい
る。つまり方向性結合部１２ａ。

１２ｂは本実施例において、２本の光導波路１１ａ、１
１ｂ＠間隔数μｍ程度に保ち且つ０．５關程度の距離に
亙って平行に配置することにより構成されている。また
２つの方向性結合部１２　ａ、　１２　ｂの間の一方の
光導波路１１ａの長さをＬとすると、他方の光導波路１
１ｂの長さはＬ＋ΔＬと表わされこの光路長差ΔＬｔ！
け光導波路１１ａより長く設定されている。ここで第１
図中下方に配設された光導波＠　１１　ａの左端を、異
なる波長λ８．λ２を有する２Ｍの光の共通の入力ボー
ト１３ａとして、同じく先導波路１１ａの図中右端を、
一方の波長λ、の光の出力ポート（以下スルーボートと
称する）１３ｂとし、且つこのスルーボート１３ｂの図
中上方に位置する光導波路１４ｂの端部を分波された波
長λ２の光の出力ポート（以下クロスボートと称する）
１４ｂと設定した場合を以下に説明する。

この場合前述した光路長差ΔＬは従来技術と同様に次の
３式によって決められる。

ΔＬ＝λ、λ２／（２ｎ・Δλ）曲・・（１１ｎ・ΔＬ
＝λ・Ｎ　　　　　・・・・・・（２）ｎ’ΔＬ＝＾、
−（Ｎ＋０．５）　　・・曲（３）ｎ：先導波路の実効
屈折率 Δλ＝　　λ　−λ Ｎ：整数これらの式（１）〜（３）を満たすΔＬは異なるＮに対
して複数決まり得るがここではそのうちの最小値を選ぶ
。このように、ΔＬとして最小＊−ｅ選定するのは、第
７図の光透過強度・波長依存性曲線において、λ、とλ
２の位置が曲線の隣接した山と谷に位置するよう考慮し
てのことである。上記の「最小」の条件をはずすと、λ
、とλ２の間に別の山や谷が現れ、光合分波−としての
いわゆる通過帯域幅や阻止帯域幅の減少を招き、一般的
に望ましくないのである。

なお、式（１）〜（３）を厳密に解くと、Ｎは必ずしも
正確な整数値とはならないが、整数値からの誤差が±０
．１程度の範囲にあれば、Ｒ”ｌｌりの１１数値に設定
しても実用上差し支えない。

光合分波器に分波器としての動作を行わせろか、合波器
としての動作（ｔ＆述）を行わせるかで事情は異なるが
、整数値からの誤差が上記の範囲を越えるとクロストー
クや損失値が増大して望ましくないので、別のＮ値解を
求めるべきである。

こうして本発明の光合分波器においては、光路長差ΔＬ
及び波長λ１．λ２が前述した式（１）〜（３）を満た
すことに加えて、方向性結合部１２　ａ、　　１２　ｂ
の結合比を波長λ２に対してのみほぼ５０％と設定すれ
ばよいという点が要件であり、その結果、極めて接近し
た値の波長λ、、λ２の信号光の合波或いは分波だけに
しか適用できなかった従来のマツハ・ツエンダ光干渉計
型光合分波器の欠点を解消できるのである。

即ち前述したような本実施例の光合分波器において、方
向性結合部１２　ａ、　１２　ｂ夫々単独の結合比の波
長特性を表した図が第５図であり、またこれらの方向性
結合部１２ａ。

１２ｂを連結して構成した回路のスルーポート１３ｂ側
及びクロスポート１４ｂ側の夫々から出力される光の透
過強度の波長特性を夫夫表しな図が第６図及び第７図で
ある。これらの図かられかるように、スルーポート１３
ｂ側から出力される光の透過強度の波長特性は、マツハ
・ツエンダ光干渉計に特有の周期的な分布を示している
が、光の透過強度が１即ち最大となる波長はλ１は、ｎ
・ΔＬ＝（Ｎ＋０．５）・λ。

という条件の下にＦ、［依存性し、且つこの場合の夫々
の波長λ、に対応する結合比は５０％とはならないので
ある。これに対しクロスポート１４ｂから出力される光
の透過強度の波長を見ると、この透過強度が１即ち最大
となる波長λ２は、ｎ・ΔＬ＝Ｎ・λ２という条件の下
に単独で存在し、且つこの場合の波長λ２に対応する結
合比は５０％なのである。

ところで、従来のマツハ・ツエンダ光干渉計型光合分波
器では、波長λ１．λ２の値の差が極めて小さく、従っ
て夫々の波長λ１．λ２に対する結合比の差が無視でき
る程であったために、例えば波長λ１とλ２との平均値
に対する結合比を有する方向性結合部１２ａ、　１２ｂ
を用いたとしても、スルーポート１３ｂ及びり四スポー
ト１４ｂ側に夫々波長λ２．λ２の信号光のほぼ最大の
透過強度を得ることができたのである。しかるに波長λ
とλの値の差が太き（なると波長λ２に対する結合比は
ほぼ５０％に保持し得るものの波長久、に対する結合比
は５０％から大きくずれて設定しなければならないので
ある。従って本発明の光合分波器のようにΔλ≧０．０
５μｍという比較的大きな波長差を有する信号光にも適
用されるものにあっては、方向性結合部１２ａ、１２ｂ
の夫々の結合比をクロスポート１４ｂ側へ出力される信
号光の波長λ２に対してのみほぼ５０％（即ち５０％±
５％程度）と設定しておけばよく、他に波長λ、に対す
る結合比のずれを考慮せずに極めて精密な合分波機能を
有する装置構成を得ることができる。

以下前述したような本実施例の光合分波器による実験例
を示す。まずその−例としてスルーポート（出力ポート
）１３ｂから出力されるべき波長λ、＝１．３０μｍ、
またクロスポート（出カポ−）−）１４ｂから出力され
るべき波長λ２＝１．５５μｍとし、且つ石英系ガラス
製の光導波路１２　ａ、　１２　ｂの屈折率ｎ＝１．４
５として、これらの値を前述した式（１）〜（３）に代
入し整数Ｎ、光路長差ΔＬを求めればＮ＝３．ΔＬ＝３
．２μｍが得られる。第８図は、この値の光路長差ΔＬ
を有し且つ波長λ２に対する方向性結合部１２ａ、１２
ｂの夫々の結合比をほぼ５０％としｔこ本実施例による
光合分波器の実験結果を表している。つまりこの第８図
は、光導波路１１ａの入力ボート１３ａに入力する信号
光の波長を変化させていた際のスルーボート１３ｂおよ
びりｑスポート１４ｂからのそれぞれ出力光の透過強度
波長依存性を記録した波長特性図である。波長λ、＝１
．５５μｍでは、確かに出力光はり四スポート１４ｂに
得られ、逆に波長λ、＝１．３０μｍでは、出力光スル
ーポート１３ｂに得られ、光合分波器としての動作が達
成されている。クロスポート１４ｂに波長λ１光が漏れ
込む比率、およびスルーボート１３ｂに波長λ２光が漏
れ込む比率、すなわちクロストーク量は、いずれも１％
以下、即ち一２０ｄＢ以下と微少であった。

第９図、第１０図は比較のなめに、故意に本発明の主旨
とは異なる設定を方向性結合部１２ａ、１２ｂに施した
光合分波器の波長特性図である。第９図は、方向性結合
部１２ａ。

１２ｂの結合比が、スルーボート１３ｂに取り出すべき
波長、すなわちλ＝１．３０μｍで５０％になるよう設
定してしまった場合の波長特性である。この場合、クロ
スポート１４ｂには、本来出力されるべき波長λ２光に
加えて、波長λ１光が、数ｌＯ％も混在して取り出され
、光合分波器としての使用に耐えないことがわかった。

第１０図は、方向性結合器の結合比が、λ、とλ２の中
間波長、すなわち１．４３μｍで５０％になるような従
来と同様な設定を施した場合であるが、この場合には、
スルーボート１３ｂ１クロスポート１４ｂのいずれにも
、本来取り出すべき波長光に加えて他波長光がｌθ％程
度混在し、やはり光合分波器として不都合であることが
わかる。

次に前述した実験例とは逆にクロスポート１４ｂに波長
λ、＝１．３０μｍの光を、またスルポート１３ｂにλ
２＝１．５５μｍの光を取り出す場合の実験例を以下に
示す。この場合、方向性結合部１２ａ、１２ｂの夫々の
結合比がり四スボー１−１４　ｂに出力されるべき光の
波長λ、＝１．３０μｍに対してほぼ５０％となるよう
に前記方向性結合部１２　ａ、　１２　ｂを形成すると
共に、以下の式を満たす光路長差ΔＬを有する光合分波
器を用いればよいのである。

ΔＬ＝λ、λ２／（２ｎ・△λ）　　・・・・・（１）
ｎ・ΔＬ＝Ｎ・λ　　　　　　・・・・・・（４）ｎ・
ΔＬ＝　（Ｎ−０，５）　／λ、　　−・・−（５）こ
こで式＋４１．　（５１は式＋２）、　（３１において
λ１とλ２を入れ換え、さらにこの実験例においてはλ
くλ２であることを考慮してこれらの式が解を持つよう
に（５）式の（Ｎ＋０．５）を（Ｎ−０，５）と書き換
えただけである。式（１）、　（４１＃　（５１はλ。

＝１．３０μｍ、λ２＝　１．５５　μｍ、Ｎ＝３゜Δ
Ｌ＝２．７μｍにおいてほぼ成立する。このような設定
条件の下に行った実験では、確かにクロスポート１４ｂ
から波長λ、の光が取り出されると共にスルーボート１
３ｂからは波長λ２の光が取り出され、夫々のクロスト
ーク量は１％以下、即ち一２０ｄＢ以下であった。

またさらに波長λ、＝１．５０μｍ１波長λ２＝１．５
５μｍとして、クロスポー１−１４　ｂから波長λの光
を取り出す実験の結果を表した図が第１１図である。こ
の実験では、方向性結合部１２　ａ、　１２　ｂの夫々
の結合比を、クロスポート１４ｂから出力されるべき、
波長λ２に対してほぼ５０％となるようにし、且つ式ｆ
ｔｌ　、　（２１＃　（ａｌより求めた光路長差ΔＬ＝
１５μｍ（このときＮ＝１４１で光合分波器を構成すれ
ばよい。同図に示されたように、スルーボート１３　ｂ
からは波長λ、＝１．５０μｍの光が、またクロスポー
ト１４ｂからは波長λ、＝１．５５μｍの光が取り出さ
れ、クロストーク量は１％以下、即ち一２０ｄＢ以下で
あった。

以上の実施例或いは実験例では、いずれも共通ボートで
ある入力ボート１３ａから入力された２波長を出力ボー
ト１３ｂ、１４ｂに夫々に分離して取外出す分波動作の
みを説明したが、逆方向に動作させれば合波動作が得ら
れることは当然である。また、入力ポート１３ａから１
４ａに替えると、出力ボート１３ｂ。

ｉ４ｂの役割も入れ替わることになる。

ところで上記実１！！１例では、先導波路として、シリ
コン基板上の石英系単一モード光導波路を扱っｒコが、
本発明はこれに限定されるものではなく、他材料系の先
導波路でも適用対象になる。例えば、多成分ガラス基板
やニオブ酸リチウム結晶基板上に金属イオン拡散技術に
より作製されるイオン拡散導波路にも本発明を適用でき
る。材料系の違いにより光導波路の屈折率ｎも異なるの
で、この点を考慮して式（１）、　＋２１．　＋３１或
いは式（１）　、　（４１、（５）等を扱う必要のある
ことは、もちろんである。また、上記実施例では、最も
一般的な導波型マツハ・ツエンダ光干渉計＠略パターン
を基本としたが、本発明は、このパターンに限定される
ものではなく、多様な変形パターンを、それぞれの事情
に応じて採用できることができる。

さらに上記実施例では、基板上に個別の光合分波器が形
成されている例を扱ったが、同一基板上に多数個の光合
分波器がアレイ状に形成される場合や、基板上や基板端
部に受光・発光素子を直接搭載するハイブリッド光集積
回路の要素として本発明を適用できろことは、もちろん
であり、むしろそのような＠種化の分身にこそ本発明の
光合分波器は真価を発揮すると言える。

＜５＠明の効果〉本発明の光合分波器によれば、マツハ・ツエンダ光干渉
計回路を用いて、異なる波長の２種の光を合波或いは分
波するｔＡｌｉ！構成において、２つの方向性結合器の
間の光路長差と前記光導波路の屈折率との積が一方の前
記光導波路から他方の先導波路へと移される一方の前記
光の波長のａ数倍且つ他方の光の波長の（整数±０．５
）倍に設定すると共に、前記方向性結合器のパワー結合
比を前記一方の前記光の波長に対してほぼ５０％とした
ことにより、従来不可能であった大きな波長差を有する
２種の光の合波或いは分波が実現できる。

また従来の光合分波器が２つの波長に対して同時に０％
及び１００％の結合比を満足させるために、極めて高い
製作精度を要求していたのに対し、本発明の光合分波器
では一方の波長でほぼ５０％の結合比を満すればよく、
その製作精度は１桁近く緩和されるため、作業の効率化
が計れ大幅なコスト低減が実現する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によろ光合分波器の一実施例を表す概略
構成平面図、第２図〜第４図は夫々第１図中のＡ−Ａ矢
視、Ｂ−Ｂ矢視、Ｃ−Ｃ矢視の各概略構成断面図、第５
図は結合比の波長特性図、第６図はスルーボートから出
力されろ光の透過強度の波長特性図、第７図はクロスボ
ートから出力される光の透過強度の波長特性図、第８図
〜第１１図は種々の設定条件１ζおいてスルーポート及
びクロスボー１・から出力される光の透過強度の波長特
性図、第１２図は従来の導波型光合分波器の一例を表す
概略構成平面図、第１３図は従来のマツハ・ツエンダ光
干渉計型光合分波器の一例を表す概略構成平面である。図面中、１１はシ’Ｊ　：ｌ　：／基板、１１　ａ、　
１　ｌ　ｂは光導波路、１２　ａ、　　１２　ｂは方向
性結合部、１３ａ、１４ｍは入力ポート、１３ｂはスル
ーポート（出力ボート）　　１４ｂはクロスボート（出
力ボート）　　１５はガラス層である。

Claims

【特許請求の範囲】

　基板上に形成された２本の光導波路と、前記光導波路
の中間部の２箇所において前記光導波路を相互に近接さ
せることにより夫々形成され異なる波長の２種類の光を
合波或いは分波する方向性結合部とを備え、夫々の前記
方向性結合部の間の光路長差と前記光導波路の屈折率と
の積が一方の前記光導波路から他方の光導波路へと移さ
れる一方の前記光の波長の整数倍且つ他方の前記光の波
長の（整数±０．５）倍に設定されると共に、前記方向
性結合部のパワー結合比が前記一方の前記光の波長に対
してほぼ５０％であることを特徴とする光合分波器。