JPH04245206A - 集積光波長非依存性導波路方向カプラ - Google Patents
集積光波長非依存性導波路方向カプラInfo
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- JPH04245206A JPH04245206A JP3232370A JP23237091A JPH04245206A JP H04245206 A JPH04245206 A JP H04245206A JP 3232370 A JP3232370 A JP 3232370A JP 23237091 A JP23237091 A JP 23237091A JP H04245206 A JPH04245206 A JP H04245206A
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/26—Optical coupling means
- G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
- G02B6/2804—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers
- G02B6/2821—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers using lateral coupling between contiguous fibres to split or combine optical signals
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、集積光導波路カプラ、
すなわち一方の導波路のパワーを並行かつ互いに接触し
た相互作用長を介して同一の隣接導波路に結合し、その
結合度が相互作用長と波長に依存するカプラに関する。
すなわち一方の導波路のパワーを並行かつ互いに接触し
た相互作用長を介して同一の隣接導波路に結合し、その
結合度が相互作用長と波長に依存するカプラに関する。
【０００２】
【従来の技術】パワー移動は、接触していなくても導波
路が空間的にかなり近接していれば若干起こる。この近
接部におけるパワー移動もまた波長と導波路間隔の関数
になる。それゆえに、相互作用長におけるパワー移動は
、相互作用長に隣接する導波路の近接部によってある程
度補足する必要がある。この近接部は以下に示すように
付加相互作用長と呼ばれている。
路が空間的にかなり近接していれば若干起こる。この近
接部におけるパワー移動もまた波長と導波路間隔の関数
になる。それゆえに、相互作用長におけるパワー移動は
、相互作用長に隣接する導波路の近接部によってある程
度補足する必要がある。この近接部は以下に示すように
付加相互作用長と呼ばれている。
【０００３】ある波長で、パワーの全移動が起こる結合
の最小長は、一般に結合長として知られている。
の最小長は、一般に結合長として知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】以下に示すように、あ
る波長における、パワーの移動量は、接触又は近接導波
路部の曲率にも依存し、この特性が本発明に使用される
。本発明は特に受動スターカプラ、例えば２×Ｎ又はＮ
×Ｎスターカプラに有益であり、各入力導波路からのパ
ワーはＮ出力導波路間において等しく分配される。この
ようなスターカプラは光通信ネットワークにおいて有益
である。
る波長における、パワーの移動量は、接触又は近接導波
路部の曲率にも依存し、この特性が本発明に使用される
。本発明は特に受動スターカプラ、例えば２×Ｎ又はＮ
×Ｎスターカプラに有益であり、各入力導波路からのパ
ワーはＮ出力導波路間において等しく分配される。この
ようなスターカプラは光通信ネットワークにおいて有益
である。
【０００５】２又はそれ以上の異なった波長の光信号を
用いている光通信ネットワークにおいて都合のよいこと
は、スターカプラがネットワークで使用している波長範
囲にわたって波長依存性を有しないことである。
用いている光通信ネットワークにおいて都合のよいこと
は、スターカプラがネットワークで使用している波長範
囲にわたって波長依存性を有しないことである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】それゆえに、本発明によ
れば、集積光導波路方向性カプラは、全く同一の２つの
導波路から成り、該導波路は並行かつ互いに接触してい
る相互作用長を有し、該相互作用長は少なくとも１つの
直線部と相互作用長の直線部に隣接して少なくとも１つ
の付加相互作用長を有し、該付加相互作用長は所定の曲
率を有することである。
れば、集積光導波路方向性カプラは、全く同一の２つの
導波路から成り、該導波路は並行かつ互いに接触してい
る相互作用長を有し、該相互作用長は少なくとも１つの
直線部と相互作用長の直線部に隣接して少なくとも１つ
の付加相互作用長を有し、該付加相互作用長は所定の曲
率を有することである。
【０００７】同一導波路で構成される集積光導波路にお
いて波長非依存性を任意の満足度で達成することは前も
って不可能であったが、今判ったことは相互作用長や付
加相互作用長の長さと共に後者の曲げ半径を適当に選べ
ば波長非依存性をかなりの程度で得ることができるとい
うことである。
いて波長非依存性を任意の満足度で達成することは前も
って不可能であったが、今判ったことは相互作用長や付
加相互作用長の長さと共に後者の曲げ半径を適当に選べ
ば波長非依存性をかなりの程度で得ることができるとい
うことである。
【０００８】
【実施例】以下、本発明を図１〜図４の添付図面を参照
して具体的に説明する。まず、図１を参照すると、これ
は一対の光導波路１，２を示したもので、これらの導波
路は既知の技術により導波路材料を適当な基板上に堆積
させて形成される。導波路は互いに並行で、かつ接触し
ている相互作用長ｌを有し、この間で結合が行われる。 本発明によれば、相互作用長は直線部ｌ１ と各末端で
所定の曲率で互いに離れるファイバ曲部ｌ２ により構
成される。選定された各部の長さ及び曲率の大きさは所
定の伝送波長に対して以下に述べるようにある程度波長
依存性がある。
して具体的に説明する。まず、図１を参照すると、これ
は一対の光導波路１，２を示したもので、これらの導波
路は既知の技術により導波路材料を適当な基板上に堆積
させて形成される。導波路は互いに並行で、かつ接触し
ている相互作用長ｌを有し、この間で結合が行われる。 本発明によれば、相互作用長は直線部ｌ１ と各末端で
所定の曲率で互いに離れるファイバ曲部ｌ２ により構
成される。選定された各部の長さ及び曲率の大きさは所
定の伝送波長に対して以下に述べるようにある程度波長
依存性がある。
【０００９】上述したように光の結合は互いに極めて接
近した２つの並行光導波路間で起こる。最初に全ての光
パワーが第１の導波路の導波モードにあるとすると、導
波路のパワーは長さの関数として次のように表される。
近した２つの並行光導波路間で起こる。最初に全ての光
パワーが第１の導波路の導波モードにあるとすると、導
波路のパワーは長さの関数として次のように表される。
【数１】
【数２】
ここで、Ｚは伝播方向
Ｐ１ は導波路１のパワー
Ｐ２ は導波路２のパワー
ＬＣ は結合長である。
【００１０】しかしながら、上述したように、ＬＣ は
両波長λ及び導波路間隔Ｓの関数であり、したがってど
んな導波路方向性カプラの分割比（一般にＰ２ （Ｚ）
／〔Ｐ１ （Ｚ）＋Ｐ２ （Ｚ）〕）も波長により変わ
る。ここでの目的は簡単な方法でこの変化を最小にする
ことである。
両波長λ及び導波路間隔Ｓの関数であり、したがってど
んな導波路方向性カプラの分割比（一般にＰ２ （Ｚ）
／〔Ｐ１ （Ｚ）＋Ｐ２ （Ｚ）〕）も波長により変わ
る。ここでの目的は簡単な方法でこの変化を最小にする
ことである。
【００１１】８μｍの正方形コワで、０．００４のコア
／クラッド屈折率差を有する導波路では、結合長は次の
式で近似される。
／クラッド屈折率差を有する導波路では、結合長は次の
式で近似される。
【数３】
明らかに波長依存性は次のときに最小となる。
【数４】
【００１２】Ｓは負値になることはないので、最小の波
長依存性を有する素子が図２に示すようにＳ＝０で達成
される。図２では、波長間隔Ｓの違いによる変化がミク
ロンの大きさの波長に対して正規化結合長（ＬＣ ／Ｌ
Ｃ （１．３μｍ））でプロットされている。
長依存性を有する素子が図２に示すようにＳ＝０で達成
される。図２では、波長間隔Ｓの違いによる変化がミク
ロンの大きさの波長に対して正規化結合長（ＬＣ ／Ｌ
Ｃ （１．３μｍ））でプロットされている。
【００１３】実際に使用されるどのような素子も入力と
出力が少なくても数１０ミクロンの大きさで離れており
、そこで入出力間や接触導波路（Ｓ＝０）以外に湾曲し
た導波路部が必要となる。湾曲した導波路は少なくとも
ある長さにおいては極めて接近しているので、ある程度
の結合度がその範囲の近接部で起こる。この結合の大き
さは、湾曲した導波路の対が間隔の異なった微小並行導
波路が無限に集まって構成されていると仮定して概算す
ることができる。これは事実上数２と数３を組合せたも
ので次式を得る。
出力が少なくても数１０ミクロンの大きさで離れており
、そこで入出力間や接触導波路（Ｓ＝０）以外に湾曲し
た導波路部が必要となる。湾曲した導波路は少なくとも
ある長さにおいては極めて接近しているので、ある程度
の結合度がその範囲の近接部で起こる。この結合の大き
さは、湾曲した導波路の対が間隔の異なった微小並行導
波路が無限に集まって構成されていると仮定して概算す
ることができる。これは事実上数２と数３を組合せたも
ので次式を得る。
【数５】
ここで、ＳはＺの関数である。
【００１４】数５は数値的に求めること（図３）が可能
で、実験的にも（図４）湾曲した導波路部がある範囲の
曲げ半径以上の円弧（Ｓ−曲げ）であると仮定して実証
された。
で、実験的にも（図４）湾曲した導波路部がある範囲の
曲げ半径以上の円弧（Ｓ−曲げ）であると仮定して実証
された。
【００１５】微小部分の合成は正規化付加相互作用長と
いう用語で表され、入出力湾曲部間の並行かつ接触導波
路からのいかなる寄与分も含まない。主導波路の近接間
隔は０μｍである。
いう用語で表され、入出力湾曲部間の並行かつ接触導波
路からのいかなる寄与分も含まない。主導波路の近接間
隔は０μｍである。
【００１６】図２及び図３を比較すると、特に曲げ半径
が大きいところでは大部分の波長変化がその湾曲部で起
こることが判る。結合長が半分である５０％カプラに対
する相互作用長の最も望ましい値は、直線相互作用範囲
と曲げのいかなる組合せを使用しても曲げ半径が約５ｍ
ｍ以下でなければ達成されないことが判る。曲げ半径が
小さくなると共に曲げ損失も急激に大きくなり、この損
失によって最小曲げ半径が通常制限されることになるの
で、５ｍｍ以下の曲げ半径は望ましくない。この曲げ半
径は導波路の設計によっても変わってくるが、前述した
導波路に対しては、最小半径はおおよそ２０〜２５ｍｍ
である。
が大きいところでは大部分の波長変化がその湾曲部で起
こることが判る。結合長が半分である５０％カプラに対
する相互作用長の最も望ましい値は、直線相互作用範囲
と曲げのいかなる組合せを使用しても曲げ半径が約５ｍ
ｍ以下でなければ達成されないことが判る。曲げ半径が
小さくなると共に曲げ損失も急激に大きくなり、この損
失によって最小曲げ半径が通常制限されることになるの
で、５ｍｍ以下の曲げ半径は望ましくない。この曲げ半
径は導波路の設計によっても変わってくるが、前述した
導波路に対しては、最小半径はおおよそ２０〜２５ｍｍ
である。
【００１７】それゆえに、５０％カプラを制作するには
、全相互作用長が１ １／２ 結合長となるように湾曲
導波路と直線導波路の組合せを選択することが必要にな
る。最小の波長依存性を持つ素子は、最小許容曲げ半径
を湾曲部に適用する場合は直線並行導波路対（間隔が０
μｍの）と任意の付加相互作用長が１ １／２ 結合長
になるようにすれば達成できる。
、全相互作用長が１ １／２ 結合長となるように湾曲
導波路と直線導波路の組合せを選択することが必要にな
る。最小の波長依存性を持つ素子は、最小許容曲げ半径
を湾曲部に適用する場合は直線並行導波路対（間隔が０
μｍの）と任意の付加相互作用長が１ １／２ 結合長
になるようにすれば達成できる。
【００１８】〔例〕要求されるカプラが５０％、かつ最
小許容曲げ半径が２５ｍｍであるとすると、湾曲部は（
図３から）１．５μｍの波長で０．７３結合長、及び１
．３μｍの波長で０．６結合長が求められる。
小許容曲げ半径が２５ｍｍであるとすると、湾曲部は（
図３から）１．５μｍの波長で０．７３結合長、及び１
．３μｍの波長で０．６結合長が求められる。
【００１９】要求される５０％分割比（１．５結合長）
は両波長に対しては同時に達成されない（波長依存性の
差によって）；しかしながら約５８０μｍ（１．３μｍ
で０．８２結合長、１．５μｍで０．８６結合長）の直
線並行導波路部を含めることにより１．３μｍで１．４
２結合長及び１．５μｍで１．５９結合長を持つ素子を
制作することができる。これは１．３μｍで６３％及び
１．５μｍで３５％の分割比をもつものと等価である。
は両波長に対しては同時に達成されない（波長依存性の
差によって）；しかしながら約５８０μｍ（１．３μｍ
で０．８２結合長、１．５μｍで０．８６結合長）の直
線並行導波路部を含めることにより１．３μｍで１．４
２結合長及び１．５μｍで１．５９結合長を持つ素子を
制作することができる。これは１．３μｍで６３％及び
１．５μｍで３５％の分割比をもつものと等価である。
【００２０】導波路は通常シリカやシリカ／ゲルマニウ
ムをプラズマ蒸着し、かつ相互作用部の末端において互
いに分岐して作られる。しかし、全てのありきたりの集
積光材料が使えないというわけではなく、例えばニオム
酸リチウム、窒化ケイ素及び窒化酸化物、ＩＩＩ−Ｖ導
波路材料、イオン交換ガラス導波路材料及びポリマー導
波路材料のようなものでも同じように作ることができる
。
ムをプラズマ蒸着し、かつ相互作用部の末端において互
いに分岐して作られる。しかし、全てのありきたりの集
積光材料が使えないというわけではなく、例えばニオム
酸リチウム、窒化ケイ素及び窒化酸化物、ＩＩＩ−Ｖ導
波路材料、イオン交換ガラス導波路材料及びポリマー導
波路材料のようなものでも同じように作ることができる
。
【００２１】２×Ｎスターカプラは、良く知られている
ように、同一基板上に多数の２×２カプラを縦続接続し
て作られる。一般に、Ｍ×Ｎスターカプラは多数の２×
２カプラから形成される。ここでＭは２又はそれ以上の
数である。
ように、同一基板上に多数の２×２カプラを縦続接続し
て作られる。一般に、Ｍ×Ｎスターカプラは多数の２×
２カプラから形成される。ここでＭは２又はそれ以上の
数である。
【００２２】本発明による導波路方向性カプラは広帯域
通信ネットワークに広く役立ち、そこでは既存の光ファ
イバの帯域幅を十分活用することが望ましい。
通信ネットワークに広く役立ち、そこでは既存の光ファ
イバの帯域幅を十分活用することが望ましい。
【００２３】ここで２つの例を示すが、その例は広帯域
受動光ネットワークとマルチチャネルスターカプラであ
る。
受動光ネットワークとマルチチャネルスターカプラであ
る。
【００２４】広帯域受動光ネットワークではそれぞれ異
なった波長を有する多数のテレビジョン信号（３０程度
）が単一の光ファイバ内で結合される。信号は１．５μ
ｍから約１００ｎｍ以内の波長で搬送される。第２光フ
ァイバは双方向音声通信、すなわち通話を１．３μｍの
波長で行う。両方の信号源は本発明を具体化した２×Ｎ
受動スプリッタで構成される分配点に到着する。２入力
の両方からの光はＮ出力間で等しく分割されるので、受
動スプリッタ素子は１．２〜１．５μｍの範囲にわたっ
て使用できるように波長と無関係に動作することが望ま
しい。次いで信号は別の分配点か加入者につながるいず
れかの光ファイバに搬送される。
なった波長を有する多数のテレビジョン信号（３０程度
）が単一の光ファイバ内で結合される。信号は１．５μ
ｍから約１００ｎｍ以内の波長で搬送される。第２光フ
ァイバは双方向音声通信、すなわち通話を１．３μｍの
波長で行う。両方の信号源は本発明を具体化した２×Ｎ
受動スプリッタで構成される分配点に到着する。２入力
の両方からの光はＮ出力間で等しく分割されるので、受
動スプリッタ素子は１．２〜１．５μｍの範囲にわたっ
て使用できるように波長と無関係に動作することが望ま
しい。次いで信号は別の分配点か加入者につながるいず
れかの光ファイバに搬送される。
【００２５】マルチチャネルスターカプラでは、Ｎノー
ドを有するネットワークの各ノードが交換ハブにより受
信機や伝送光ファイバに接続される。交換ハブはＮ×Ｎ
伝送スターカプラで構成されている。各ノードには一般
に１．２〜１．５μｍの範囲内で唯一の送信波長が割り
当てられると共に、各ノードは全信号波長（Ｎ−１の他
のノードと自ノードの波長）受信しそれらを弁別するこ
とができる。システム設計を簡素化するためと、受信機
のダイナミックレンジの要求を減らすために、受信パワ
ーレベルの波長による変化を最小にすることが望ましい
。
ドを有するネットワークの各ノードが交換ハブにより受
信機や伝送光ファイバに接続される。交換ハブはＮ×Ｎ
伝送スターカプラで構成されている。各ノードには一般
に１．２〜１．５μｍの範囲内で唯一の送信波長が割り
当てられると共に、各ノードは全信号波長（Ｎ−１の他
のノードと自ノードの波長）受信しそれらを弁別するこ
とができる。システム設計を簡素化するためと、受信機
のダイナミックレンジの要求を減らすために、受信パワ
ーレベルの波長による変化を最小にすることが望ましい
。
【００２６】したがって、本発明によるカプラは、上述
の両形式のネットワークの使用に特に向いている。
の両形式のネットワークの使用に特に向いている。
【図１】本発明に関係するカプリング形状の概略を示し
た図である。
た図である。
【図２】結合長が波長と共にどのように変わるか導波路
間隔を変えて示したグラフである。
間隔を変えて示したグラフである。
【図３】パワー移動が波長と共に導波路部の曲率によっ
てどのように影響されるかを理論的に示したグラフであ
る。
てどのように影響されるかを理論的に示したグラフであ
る。
【図４】１．３μｍの波長を用いて導波路の曲率を変え
、パワー移動の変化を実験的に 確認したグラフである。 １，２ 光導波路
、パワー移動の変化を実験的に 確認したグラフである。 １，２ 光導波路
Claims (7)
- 【請求項１】 全く同一の２つの導波路から成り、該
導波路は並行かつ互いに接触している相互作用長を有し
、該相互作用長は少なくとも１つの直線部と相互作用長
の直線部に隣接して少なくとも１つの付加相互作用長を
有し、該付加相互作用長は所定の曲率を有することを特
徴とする集積光導波路方向性カプラ。 - 【請求項２】 前記導波路の付加相互作用長の一方又
両方の曲げ半径は、約２０〜２５ｍｍであることを特徴
とする請求項１記載の集積光導波路方向性カプラ。 - 【請求項３】 前記相互作用長は、約１ １／２結合
長であることを特徴とする請求項１又は２記載の集積光
導波路方向性カプラ。 - 【請求項４】 前記導波路の湾曲部及び直線部は所定
の波長領域にわたってある程度波長非依存性を有するよ
うに構成されていることを特徴とする前項いずれか１項
記載の集積光導波路方向性カプラ。 - 【請求項５】 １．３μｍ及び１．５μｍの波長に対
してある程度の波長非依存性を有することを特徴とする
請求項４記載の集積光導波路方向性カプラ。 - 【請求項６】 １．５μｍの波長で０．７３結合長及
び１．３μｍの波長で０．６結合長を与える半径２２ｍ
ｍの湾曲領域を持つ付加相互作用長と、１．３μｍの波
長で０．８２結合長及び１．５μｍの波長で１．５９結
合長を与える直線相互作用長とを有する前項いずれか１
記載の集積光導波路方向性カプラ。 - 【請求項７】 単一基板上に前項いずれか記載の多数
の方向性カプラを相互に連結したことを特徴とする集積
光素子。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB909018384A GB9018384D0 (en) | 1990-08-22 | 1990-08-22 | Integrated optic waveguide coupler |
| GB9018384.9 | 1990-08-22 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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