JPH04131808A - 導波路型光合分波器及びそれを用いた光伝送用モジュール - 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、小型で低損失な導波路型光合分波器及びそれ
を用いた光伝送用モジュールに関するものである。

［従来の技術］ 光フアイバ通信の発展に伴い、１本の光ファイバを用い
、双方向伝送、異種信号の同時伝送等、経済的で拡張性
に富んだシステムの構築が可能な波長分割多重伝送が注
目されるようになってきた。このシステムでは、波長の
異なる光信号を合波あるいは分波する役目を担う光合分
波器が不可欠である。

従来、光合分波器としては、（１）第７図の如くプリズ
ムａやレンズｂ、誘電体多層膜フィルタＣ等の個別部品
を組み合わせた個別部品組合せ型光合分波器ｄや、（２
）第８図の如く２本の光ファイバｅを所望の長さだけ融
着結合させて方向性結合器ｆを作り、この方向性結合器
の波長依存性を利用した光合分波器が用いられていた。

また最近になって本発明者は、第６図（ａ）及び（ｂ）
に示すようなガラス導波路構造で方向性結合器ｇを構成
し、その方向性結合器ｇを３ａ用いることにより、波長
間のアイソレーションを大きく取れる実用的な導波路型
光合分波器を提案している。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、従来の個別部品組合せ型光合分波器（第７図）
は、部品間の光軸すれやフレネル反射による損失、各部
品の吸収及び散乱損失等による損失が大きいという問題
点と、組立及び加工費が高くつくといった問題点がある
。

一方、光ファイバを用いた方向性結合器型光合分波器（
第８図）は、分波すべき中心波長を所望値に再現性良く
合わせて作成することが誼しいことと、波長間のアイソ
レーションを大きく取ろうとすると、方向性結合器を継
続接続して用いる必要があり、サイズが大きくなるとい
う問題点がある。

一方、第６図の導波路型光合分波器は、光ファイバを用
いた方向性結合器型光合分波器に比べ、小型でアイソレ
ーションを大きく取れるという特長かあるが、損失は光
フアイバ型に比べて大きいという問題点がある。また、
サイズもかなり小さくなっているが、個別部品組合せ型
光合分波器に比べ若干大きいという問題点があった。

特に、第６図ｔｂ）の導波路型光合分波器の２つの出力
導波路の一側に発光素子を、ｆｌ！！側に受光素子を結
合させて光伝送用モジュールを構成する場合には、発光
素子（あるいは受光素子）のサイズを考慮して、２つの
出力導波路間隔Ｇを２〜５ｍｍにしなければならない、
このように出力導波路間隔Ｇを大きくした場合に、曲げ
部による損失（放射損失）をできる限り低く抑えるため
には、第５図に示すように、初段の第１の方向性結合器
５１と次段の第２．第３の方向性結合器５２５３の間を
、大きな曲げ半径Ｒ（４０〜５０ｍｍ）の曲線導波路５
４．５５及び５６．５７でつなぎ、全体としてそれぞれ
Ｓ曲線の形（Ｓ曲線部６゜６１）に構成する。

しかし、この曲線導波路５４と５５又は５６と５７を接
続した形態では、長いＳ曲線部６゜６１を光が伝搬する
につれて光は次第に片方向のみに曲げられ、接続部５８
．５９を過ぎると今度は逆に反対方向に曲げられて伝搬
しなければならず、この部分で伝搬モード分布のミスマ
ツチによる放射損失が発生し、結果的に光フアイバ型に
比べ、損失が大きくなるという問題点があった。

これを解決するためには、できる限り直線に近い導波路
、つまり大きな曲げ半径Ｒで構成すればよいが、逆に光
合分波器の寸法が大きくなり過ぎるという問題点と、長
さが増したことによる吸収損失による損失増加という問
題点がある。

尚、曲線の半径Ｒの値は、導波路のコアとクラッドとの
間の屈折率差Δの値によって決められる。

即ち、Δが大きい場合には導波路内への閉じ込めが良く
なるためにＲは小さくでき、逆にΔが小さい場合には導
波路内への光の閉じ込めが悪くなるので、Ｒを大きくし
て放射損失をできる限り小さく抑えなければならない。

例えばΔが０．２５％の場゛合にはＲは５Ｑｍｍ程度に
しなければならず、Δが０．７５％程度でもＲは１０ｍ
ｍ程度が限界である。

このように、出力導波路間隔Ｇの値が大きくなると、Ｓ
曲線部での伝搬モード分布のミスマツチによる放射損失
の増大と、導波路長が長くなることによる吸収損失によ
る損失増加が問題になってくることが分った。

本発明の目的は、前記した従来技術の欠点を解消し、小
型で低損失な導波路型光合分波器と、それに発光素子、
受光素子などを実装した光伝送用モジュールを提供する
ことにある。

〔課題を解決するための手段］ 本発明の導波路型光合分波器の第１の形態は、２つの略
矩形状コア導波路を接近させて第１の方向性結合器を構
成し、その２つの出力導波路を所望角度で折れ線状に１
つの曲線で曲げることにより出力導波路間隔を拡げた後
、該曲り部からそれぞれ直線状に延在する直線状導波路
部分にそれぞれ別のコア導波路を接近させて第２．第３
の方向性結合器を構成したものである。

また、第２の形態は、２つの導波路を近接して構成され
る第１の方向性結合器の２つの出力導波路の一側に第２
の方向性結合器を、他側に第３の方向性結合器を接続し
、第１の方向性結合器の入力導波路に入射した波長λ１
及びλ２の光信号をそれぞれ第２．第３の方向性結合器
の出力導波路に分波する導波路型光合分波器において、
第１の方向性結合器と第２．第３の方向性結合器との間
をＳ曲線導波路で接続すると共に、第２．第３の方向性
結合器と該第２．第３の方向性結合器の出力導波路との
間をそれぞれＳ曲線導波路で接続した構成のものである
。

上記いずれの形態であっても、第１．第２及び第３の方
向性結合器の導′ＩＮ、路は基板上に形成された低屈折
率層内に埋め込まれていること、また、上記第１．第２
及び第３の方向性結合器の構造パラメータは略等しいこ
と、更には上記第１の方向性結合器の入力導波路と第２
．第３の方向性結合器の出力導波路とが略平行に配置さ
れていることが好ましい。

また、本発明の光伝送用モジュールは、上記の導波路型
光合分波器における第２．第３の方向性結合器の出力導
波路の一方に発光素子を、他方に発光素子若しくは受光
素子を接続することで構成できる。

［作用］ 本発明の第１の形態の導波路型光合分波器は、初段の方
向性結合器の２つの出力導波路を所望角度で折れ線状に
１つの曲線で曲げた後に直線状に延ばし、これにより出
力導波路間隔を拡げ、その２つの直線状導波路部分にそ
れぞれ次段の方向性結合器を設け、好ましくは更にこの
次段の方向性結合器の出力導波路を再び前記所望角度で
曲げて、該初段の方向性結合器の入力導波路と平行にな
るようにした構成とすることにより、小型化を図ったも
のである。

そして小型化により、導波路伝搬損失の低減化が可能と
なり、また初段と次段の方向性結合器との間に曲線部あ
るいは複数箇所の不連続部がないので低損失化を期待で
きるものである。

第２の形態の導波路型光合分波器は、初段の方向性結合
器１の出力導波路と次段の方向性結合器の入力導波路と
の間を第１のＳ曲線導波路でつなぎ、次段の方向性結合
器の出力導波路側に第２のＳ曲線導波路を設けることに
よって、出力導波路間隔Ｇが大きくなった場合でも、低
損失な光合分波器を実現できるようにしたしのである。

即ち、Ｓ曲線導波路を従来の１箇所から２箇所に設ける
ようにすることによって、それぞれの曲線導波路の長さ
を短縮することができ、その結果として、接続部での伝
搬モード分布ミスマツチによる放射損失を低減するよう
にしたものである。

上記伝搬モード分布のミスマツチは、先に説明したよう
に、曲線導波路が直線に近いほど少なくなる。つまり、
一定の曲率半径Ｒの曲線導波路であれば、その長さが短
いほど、その中を伝搬する光は曲がらないで伝搬するた
め、伝搬モード分布のミスマツチが生じにくい。

［実施例１ 第１図に本発明の導波路型光合分波器の実施例を示す。

この導波路型光合分波器１０は、略同−構造の３つの方
向性結合器、即ち初段の第１の方向性結合器１１と次段
の第２．第３の方向性結合器１２１３とを有する。

第１の方向性結合器１１は２つの略矩形状コア導波路１
．２を接近させて構成してあり、その２つの出力コア導
波路は、所望角度θ／２で折れ線状に外側方向に曲げた
後、該曲り部３から直線的に延在させて出力コア導波路
間隔Ｇを直線的に拡げている。第２．第３の方向性結合
器１２．１３は、この２つの直線状導波路部分４，５に
それぞれ別の略矩形状コア導波８！ＩＩ６又は７を接近
させて構成してあり、それらの各２つの出力導波路のう
ちの一方（４，７）は、再び上記所望角度θ／２で折れ
線状に内側方向に曲げ、該曲り部８．９から直線的に延
ばし、これにより形成される上記初段の方向性結合器１
１の入力導波Ｆ＃１１と平行な直線状導波路部分を光合
分波器１０の出力導波路１４゜１５としている。

上記３つの方向性結合器１１．１２及び１３は略同−構
造であり、これらの方向性結合器は、波長λ１の光信号
はそのまま通し、波長λ２の光信号を選択的−に分波す
るように、結合長し、導波路幅Ｗ、導波路と導波路の間
隔Ｓ、クラッドに対するコアの比屈折率差Δの値が最適
化されている。

入力導波路１へ矢印１６の如く入射した波長λ１．＾２
の光信号は、初段の方向性結合器１１において波長λ１
の光信号は矢印１７方向へ、波長λ２の光信号は矢印１
８方向へそれぞれ分けられる。矢印１７の如く伝搬した
波長λ１の光信号は、方向性結合器１２で更に純度よく
沢過（フィルタリング）され、出力導波路１４より矢印
１９の如く取り出される。他方、矢印１８の如く伝搬し
た波長λ２の光信号は、方向性結合器１３で更に分波さ
れて出力導波路１５より矢印２０の如く取り出される。

この構成の特徴は、方向性結合器１１の２つの出力導波
路を、それぞれθ／２の角度で傾斜させた直線導波路部
４，５とし、大きな曲げ半径Ｒによる長いＳ曲線部６０
．６１　（第５図）より短くしたことである。従って、
これら直線導波路部４及び５に対して、方向性結合器１
２及び１３を設けることにより、光合分波器１ｏの全長
も短くなり、小型化を図ることができる。そして、この
小型化により、導波路伝搬損失の低に化が可能となり、
また初段の方向性結合器１１と次段の方向性結合器１２
．１３との間に、第６図ｆｂ）に示したような５ＥＩＩ
ｌ線部や、第６図（ａ）に示したような複数箇所の不連
続部がないので低損失化を期待できるものとなる。

ここで、本発明の場合と先に本発明者が提案した第６図
の場合とで、光合分波器の有効長を比較してみると、次
のようになる。

本発明の光合分波器１０の有効長Ｐ１は、第１図に示す
ように、初段の方向性結合器１１の入力部の長さＣ１結
合部の長さり、直線状導波路部分４．５の長さＢの和で
ある。但し、長さは基板入出力方向の長さを意味する。

即ち、第１図から有効長Ｐ１は、 Ｐｌ　＝Ｃ＋Ｌ＋Ｂ ・・（１） で表される。

第６図の場合の有効長Ｐ２は、Ｓ曲線部の基板方向長さ
を２丁、次段の方向性結合器１２．１３の出力部の長さ
をＣとすると、第６図がら、Ｐ２　＝　（Ｃ＋Ｌ＋Ｔ） ・・（２） で表される。

ここで、例えばＧ＝２．５　ｍｍ、Ｒ＝５０ｍｍ、Ｗ＝
１１．４．ｕｍ、　Ｓ＝２．０　μｍ　　Ｌ＝６．７　
ｍｍ　　θ＝８°、Ｃ＝１ｍｍとすると、本発明者が先
に提案した第６図の構成では有効長がＰ２　＝３１．０
８　ｍｍとなるのに対し、本発明による第１図の構成で
はＰｌ　＝２５．４８　ｍｍとなり、本発明の構成にす
ると２０％近く長さを短くすることができる。即ち、小
型化することができる。また導波路長が短くなった結果
として、導波路伝搬損失が小さくなる。

更に、従来の場合には、曲線部５４．５６と５５．５７
との接続部５８．５９の僅かなずれによる損失増加とい
う問題があるが、本発明の場合には、直線部で構成され
ているので、このような問題点はない。

上記第１図の実施例において、直線状導波路部分４及び
５には方向性結合器をそれぞれ２つ以上設けて、波長分
離度を更に良くしても良い、また方向性結合器の構造パ
ラメータは、少しずつ異なっていても良い。

また、第１図において導波路を折れ線状に１つの曲線で
曲げる角度θ／２は、０．５°〜４°の範囲から選ぶこ
とができる。更に、それら曲り部３゜８．９の曲げは、
連続的な曲線で曲げるように構成することもでき、それ
によりこの曲げ部分での不要な散乱損失を低減すること
ができる。

第２図に上記導波路型光合分波器１０を用いた双方向性
伝送用光モジュールの実施例を示す。

これは、出力導波＃１１４の端面に、レンズ（少なくと
も１個の球、あるいは集束性のロッドレンズ、例えば球
レンズと集束性ロッドレンズの組み合わせ）付きの発光
素子（半導体レーザ、発光ダイオード等）２２を設け、
矢印２４の如く波長λ１の光信号を送出させ、方向性結
合器１２及び１１を通って光フアイバ２１内を矢印２６
の如く伝搬させる。他方、光フアイバ２１内を矢印２７
の如く伝搬して来た波長λ２の光信号は、方向性結合器
１１及び１３でそれぞれ分波されて、出力導波路１５か
ら矢印２５の如くレンズ付き受光素子２３内へ入射する
構成の光モジュールである。

尚、レンズ付き発光素子２２の代わりにレンズ付き受光
素子を用い、光フアイバ２１内を伝搬してきた波長λ１
及びλ２の信号を導波路型光合分波器１０でそれぞれ分
波させ、それぞれの受光素子で受信させるいわゆる光受
信モジュールであっても良い。またレンズ付き受光素子
２３の代わりに、波長λ２の光信号を送出するレンズ付
き半導体レーザを用いた光送信モジュールであっても良
い 第３図に本発明の導波路型光合分波器の他の実施例を示
す。

この導波路型光合分波器２８の構成の特徴は、初段の方
向性結合器１１と次段の第２、第３の方向性結合器１２
．１３との間を第１のＳ曲線導波路３１．４１で結び、
次段の第２．第３の方向性結合器１２．１３と出力導波
路１４．１５との間を第２のＳ曲線導波路３２．４２で
結んだことにある。つまり、Ｓ曲線導波路を従来の１箇
所から２＠所に設けるようにしたものである。尚、方向
性結合器１１．１２及び１３は、前後のＳ曲線導波路３
１　（４１）と３２　（４２）との間に存する直線導波
路部分に構成されている。

このようにＳ曲線導波路を２ｗＪ所に設けることによっ
て、それぞれの曲線導波路３３．３４（４３，４４＞、
３５．３６　（４５，４６）の長さを短縮することがで
き、直線に近い曲線となり、その結果として、接続部３
７．３８．４７．４８での伝搬モード分布ミスマツチに
よる放射損失を低減することができる。

また第３図の構成の導波路型光合分波器２８は、従来の
第５図の構成に比し、導波路長がそれほど長くならない
。即ち、第３図の場合の有効長Ｐ１は、図示の如く初段
の方向性結合器１１の入力部の長さをＣ１方向性結合器
１１，１２．１３の結合部の長さをそれぞれし、第１の
５１１１３線導波路部分３１．４１の基板方向長さ２×
Ｔ１、第２のＳ曲線導波路部分３２．４２の基板方向長
さを２×Ｔ２とすると、第３図から、 Ｐｌ　＝Ｃ＋２Ｌ＋２Ｔｌ　＋２７２　　・・・（３）
但し、 ・・・（４） ・・・（５） で表される。

第５図の場合の有効長Ｐ２は、Ｓ曲線部の基板方向長さ
を２Ｔ、次段の方向性結合器１２．１３の出力部の長さ
をＣとすると、既に述べたように、Ｐ２　　＝　　（Ｃ
＋Ｌ＋Ｔ） ・・（２） で表される。

ここで、例えばＧ＝０．２５ｍｍ、　Ｒ＝５０ｍｍ、　
Ｗ＝１１．４ｍｍ、Ｓ＝２．０　）ｔｍ、Ｌ＝６．７　
ｍｍ、Ｃ＝１ｍｍ、Ｆ／２＝２５μｍ、（Ｇ／２−Ｆ／
２）＝９３．３μｍとして、ＰｌとＰ２の値を比教して
みると、Ｐｌ　＝２１．７９４ｍｍ、　　Ｐ２　＝２０
．１２３ｍｍとなり、本発明の第３図の構成の方が僅か
に長くなる程度である。

次に損失特性の例について述べる。

波長＾１＝１．３μｍ、波長λ２＝１．５５μｍとして
損失波長特性を測定した結果、本発明（第３図）の場合
にはλ１＝１．３μｍにおける通過損失α１＝１．８　
ｄＢ　、λ２＝　１．５５μｍにおける通過損失α２　
＝２．１　ｄＢであったのに対して、第５図の場合には
α１　＝２．５　ｄＢ　、α２　＝２．８　ｄＢであっ
た。

即ち、Ｓ曲線部での曲線導波路長を短くできたことによ
って、損失を低減できることが分かった。

なお本発明の第３図の構成において、第１．第２及び第
３の方向性結合器の構造パラメータは、若干異なってい
ても良い。また第１の方向性結合器１１の入力導波路１
と第２の方向性結合器１２゜１３の出力導波路１４．１
５は、略平行に配置されている。

第４図に、上記の導波路型光合分波器（第３図）を用い
た双方向伝送用光モジュールの実施例を示す。

これは第３図の導波路型光合分波器２８に、光ファイバ
２１．レンズ付き発光素子２２．受光素子２３を接続し
た構成であり、光フアイバ２１内を矢印２６方向に波長
λ１の光信号を、矢印２７方向に波長λ２の光信号を伝
送させる場合の実施例である。

即ち、出力導波路１４の端面は、レンズ（少なくとも１
個の球、あるいは集束性ロッドレンズ例えば球レンズと
集束性ロッドレンズの組み合わせ）付きの発光素子（半
導体レーザ、発光ダイオード等）２２を結合させ、矢印
２４のごとく波長λ１の光信号を導波路１４内へ入射さ
せる。そして、方向性結合器１２．１１を通って光フア
イバ２１内を矢印２６の如く伝搬させる。他方、光フア
イバ２１内を矢印２７の如く伝搬してきた波長λ２の光
信号は、方向性結合器１１及び１３でそれぞれ分波され
て、矢印２５の如く出力導波路１５から受光素子２３内
へ入射する。

この受光素子２３の前には、波長λ２の光信号のみを通
し、波長λ１の光信号を抑圧する特性を持った干渉膜フ
ィルタが設けられていても良い。

また、レンズを設けて出力導波路と受光素子との光結合
効率を高めるようにしても良い。

なお上記実施例以外に、例えばレンズ付き発光素子２２
の代わりに受光素子を用い、波長λ１とλ２の光信号を
受信する光信号モジュールとして機能させても良い。同
様に、受光素子２３の代わりに、波長λ２の光信号を発
光するレンズ付き発光素子を用いても良い。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明の導波路型光合分波器は、次
のような効果がある。

（１）第１の方向性結合器の２つの出力導波路を所望角
度で曲げて間隔を拡げた形態では、先に本発明者が提案
した導波路型光合分波器に比べ、その有効長を約４０％
短くすることができ、小型になる。その結果として、導
波路伝搬損失による損失分を小さくすることができる。

また、曲線部を２つの組み合わせたＳ曲線を用いないで
、直線部で構成しているので、光損失を小さくすること
ができる。

（２）導波路型光合分波器の入力−出力間に２つのＳ曲
線導波路を用いる形態では、それにより低損失化を達成
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る導波路型光合分波器の構
成図、第２図はその導波路型光合分波器を用いて構成し
た双方向伝送用光モジュールの概略図、第３図は本発明
の他の実施例に係る導波路型光合分波器の構成図、第４
図はその導波路型光合分波器を用いて構成した双方向伝
送用光モジュールの概略図、第５図は本発明者が先に提
案した導波路型光合分波器の構成図、第６図は本発明者
が先に提案した導波路型光合分波器の概略図、第７図及
び第８図は従来の光合分波器の概略図である。 図中、１は入力導波路、３は曲り部、４．５は直線状導
波路部分、８．９は曲り部、１０は導波路型光合分波器
、１１は第１の方向性結合器、１２は第２の方向性結合
器、１３は第３の方向性結合器、１４．１５は出力導波
路、２１は光ファイバ、２２はレンズ付き発光素子、２
３はレンズ付き受光素子、２８は導波路型光合分波器、
３１．３２．４１．４２はＳ曲線導波路、３７．３８，
４７．４８は接続部を示す。 特許出願人　　日立電線株式会社 代理人弁理士　　鯛　谷　信　雄 吊−（ζミ 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、２つの略矩形状コア導波路を接近させて第１の方向
   性結合器を構成し、その２つの出力導波路を所望角度で
   折れ線状に１つの曲線で曲げることにより出力導波路間
   隔を拡げた後、該曲り部からそれぞれ直線状に延在する
   直線状導波路部分にそれぞれ別のコア導波路を接近させ
   て第２、第３の方向性結合器を構成したことを特徴とす
   る導波路型光合分波器。 ２、２つの導波路を近接して構成される第１の方向性結
   合器の２つの出力導波路の一側に第２の方向性結合器を
   、他側に第３の方向性結合器を接続し、第１の方向性結
   合器の入力導波路に入射した波長λ１及びλ２の光信号
   をそれぞれ第２、第３の方向性結合器の出力導波路に分
   波する導波路型光合分波器において、第１の方向性結合
   器と第２、第３の方向性結合器との間をＳ曲線導波路で
   接続すると共に、第２、第３の方向性結合器と該第２、
   第３の方向性結合器の出力導波路との間をそれぞれＳ曲
   線導波路で接続したことを特徴とする導波路型光合分波
   器。 ３、上記第１、第２及び第３の方向性結合器の導波路は
   基板上に形成された低屈折率層内に埋め込まれているこ
   とを特徴とする請求項１又は２記載の導波路型光合分波
   器。 ４、上記第１、第２及び第３の方向性結合器の構造パラ
   メータは略等しいことを特徴とする請求項１又は２記載
   の導波路型光合分波器。 ５、上記第１の方向性結合器の入力導波路と第２、第３
   の方向性結合器の出力導波路とが略平行に配置されてい
   ることを特徴とする請求項１、２、３又は４記載の導波
   路型光合分波器。 ６、請求項１、２、３又は４記載の導波路型光合分波器
   における上記第２、第３の方向性結合器の出力導波路の
   一方に発光素子を、他方に発光素子若しくは受光素子を
   接続したことを特徴とする光伝送用モジュール。