JPH0430108A

JPH0430108A - 導波型光スターカプラ

Info

Publication number: JPH0430108A
Application number: JP13548390A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Takahashi; 浩高橋; Katsunari Okamoto; 勝就岡本
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1990-05-28
Filing date: 1990-05-28
Publication date: 1992-02-03
Anticipated expiration: 2011-09-25
Also published as: JP2538099B2

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、光通信システムにおいて信号光を複数の場所
に分配するための、導波型光スターカプラに関する。

〈従来の技術〉光フアイバ通信を各家庭にまで普及させるには、光フア
イバ伝送路などの施設を多人数で共用することが、コス
ト低減上望ましい。

このような観点から、近年、１本の光ファイバで送られ
てきた信号光を８分岐、１６６分岐あるいは３２２分岐
て、多人数で利用する通信網構成が盛んに検討されてい
る。

このような光通信網で重要な役割を果す８分岐素子、１
６分岐素子、３２分岐素子は光スターカプラと呼ばれて
いる。

光スターカプラは、その形態により（ｉ）バルク型、（
ｉｉ）ファイバ型、−導波型に大別することができる。

（ｉ）　　バルク型光スターカプラは、マイクロレンズ
やプリズム、干渉膜フィルタ等を組合せて構成するもの
であるが、組立と調整に長時間を要すること、また価格
やサイズの点に問題を残しており、２分岐程度の比較的
小規模のカプラが実用化されてｂ）るのに留まっている
。

（１１）　　ファイバ型光スターカプラは、光フアイバ
自身を構成材料として研摩や、融着・延伸工程を経て構
成されるものであり、比較的小形になる利点がある。し
かし、いわゆる２×２カブラが基本形であるため、分岐
数が多い大規模なカプラを構成するには、多数個の２×
２カプラを接続する煩雑な工程を必要とし、全体として
大形になる、生産性に欠ける等の問題がある。

−これらに対して導波型光スターカプラは、フォトリソ
グラフィ工程により平面基板上に一括して大量生産でき
る利点があり、再現性や小形集積可能性等の点で将来型
の光スターカプラとして注目されている。

第４図は従来の８分岐導波型光スターカプラの構成例を
示し、それぞれ基板１０上に配置されて接続された、入
力用チャンネル導波路１１と、２分岐導波路１２Ａを３
段に接続してなる２分岐導波路群１２と、ピッチ変換導
波路群１３と、出力導波路アレイ１４とから構成されて
いる。

これらの導波路１１〜１４は通常、ガラス基板やシリコ
ン基板に形成された単一モードガラス導波路により構成
される。２分岐導波路１２Ａとしては、−船釣に、Ｙ型
分岐導波路を用いたものと、２×２型の導波型方向結合
器を用いたものがある。

動作としては、入力ファイバ１５からの信号光が入力用
チャンネル導波路１１を伝搬した後、１段目の２分岐導
波路１２Ａで２つに分配され、分配された信号光それぞ
れが２段目の２分岐導波路１２Ａで２分配される。更に
、分配後の信号光それぞれが３段目の二分岐導波路１２
Ａで２分配され、ピッチ変換導波路群１３及び出力導波
路アレイ１４を伝搬して各出力ファイバアレイ１６へＦ
号光が出力されろ。

一般に、ｎ段の２分岐を繰返すことにより、Ｎ＝２′の
分配数を漫ろことができ、第４図の８分岐の光スターカ
プラはｎ二３．−Ｎ＝８の場合に相当する。

〈発明が解決しようとする課題〉しかし、２分岐導波路１２Ａを多段接続してなる従来の
導波型光スターカプラにおいて、分配数が１００以上の
大規模なものを作製するには、下記（１）〜（３）の欠
点がある。

（］）　２２分を繰返すため、分岐数が２のｎ乗に限定
される。

（２）２分岐導波路１２Ａを多段接続するため、分岐出
力にばらつきが生じ易い。

例えば７段１２８分岐の光スターカプラにおいては、２分岐導波路１２Ａの分岐比が仮に１％
ずれて４９％対５１％の場合、入力を１とすると、分岐出力のうち最小のものは、０．４９’＝０．００６８分岐出力のうち最大のもの：よ、０．５１　＝０．００９０となり、これは分岐出力ばらつき１２ｄＢに相当し、等
分配を目的とするスターカプラには適用できない。

この分岐出力ばらつきの問題は、特に、分岐比が導波膜
の屈折率や導波路の加工形状等の影響を受は易い方向性
結合器型の２分岐導波路において著しい。また、方向性
結合部は原理的に分岐比が波長に依存するため、光通信
で重要な波長１．３μｍ帯と１．５５μｍ帯での共用が
困難である。

（３）２分岐導波路１２Ａにおける損失が段数分累積さ
れるため、挿入損失が大きい。

この挿入損失の問題は、特に、Ｙ型分岐導波路を用いる場合に深刻である。例えば、最も実用
的な石英系導波路を用し）たＹ型分岐導波路の場合、そ
の散乱損失は０．３ｄＢであるため、７段の光スターカ
プラでは累積により、２．１ｄＢという大きな挿入損失
になる。

以上のように、２分岐導波路を多段接続した従来の導波
型光スターカプラの技術では、挿入損失の低減と、分岐
出力ばらつきの低減の両方を達成することができず、実
用的な導波型光スターカプラを作製することが困難であ
った。

そこで本発明の目的は、上述した従来技術の問題点を解
決し、分岐数が大きくても挿入損失の小さい導波型光ス
ターカプラを提供することにあり、更に分岐出力ばらつ
きも小さい導波型光スターカプラを提供することでもあ
る。

〈課題を解決するための手段〉第１の発明の導波型光スターカプラは、基板と、基板上
に配置された入力用チャンネル導波路と、基板上に配置
された複数の出力用チャンネル導波路と、前記入力用チ
ャンネル導波路と出力用の各チャンネル導波路とを接続
する、基板上に配置された扇型スラブ導波路とから構成
され、入力用チャンネル導波路の片端が扇型スラブ導波
路の曲率中心またはその近傍に位置し、出力用の各チャ
ンネル導波路の片端が扇型スラブ導波路の円周上に接続
されている導波型光スターカプラにおいて、出力用の各
チャンネル導波路と扇型スラブ導波路との間に、テーパ
導波路を有することを特徴とする。

また第２の発明の導波型光スターカプラは、第１の発明
において、扇型スラブ導波路の円周上をＸ軸とし、ｉ番
目のテーパ導波路の扇型スラブ導波路との接続部の開口
幅両端の座標をＸ、、　Ｘ、、とするとき、Ｘ軸上での
光強度分布のうちＸ、とｘｌ−１で挾まれる部分の面積
がテーパ導波路間で等しくなるように、各テーパ導波路
の形状が設定されていることを特徴とする。

更に第３の発明の導波型光スターカプラは、第１の発明
におし１て、旧型スラブ導波路の円周上をＸ軸とし、１
番目のテーパ導波路の扇型スラブ導波路との接続部の開
口幅両端の座標をＸ　、　Ｘ、、とするとき、Ｘ軸上で
の光強度分布のうちＸ、と　Ｘ、−１で挾まれる部分の
面積がテーパ導波路間で異なるように、各テーパ導波路
の形状が設定されていることを特徴とする。

〈作用〉第１の発明に関し、チャンネル導波路とスラブ導波路が
接続されている場合、チャンネル導波路を伝搬してきた
信号光は、スラブ導波路内では、閉じ込めがないので、
回折により水平方向に広がる。このときの波面は、チャ
ンネル導波路とスラブ導波路との接続部近傍を中心とす
る円弧上にある。

従って、入力用チャンネル導波路の片端を扇型スラブ導
波路の曲率中心又はその近傍に配置することにより、信
号光の波面が扇型スラブ導波路の円周上に一致する。

そして、扇型スラブ導波路の円周上に所望の分岐数の出
力用チャンネル導波路を配置することにより、扇型スラ
ブ導波路内を伝搬してきた信号光は出力用の各チャンネ
ル導波路に導かれて分岐し、導波型光スターカプラとな
る。この場合、信号光は一度に所望の分岐数に分岐する
ので、従来の２分岐導波路を多段に接続する場合に比較
し、分岐損失が累積されることがなく、低損失化が実現
可能である。

但し、分岐比は、扇型スラブ導波路の円周上での光強度
分布と、出力用釜チャンネル導波路の扇型スラブ導波路
の円周上における接続部の位置と、接続部の開口幅とに
依存する。

そこで、扇型スラブ導波路と出力用釜チャンネル導波路
との間にテーパ導波路を接続することにより、テーパ導
波路の形状の設定により任意の分岐比を設定することが
できる。

第２の発明は均一な分岐比を設定するものである。一般
に、入力側チャンネル導波路内の光強度分布はガウス分
布にほぼ等しく、回折により広がった扇型スラブ導波路
内の光強度分布もガウス分布に従い、周辺部の光強度は
中心部よりも小さい。

そこで、扇型スラブ導波路の円周上をＸ軸とし１、番目
のテーパ導波路の扇型スラブ導波路との接続部の開口幅
両端の座標をｘ、。

ｘ−１とするとき、Ｘ軸上での光強度分布のうちｘｌと
Ｘ、−８で挾まれる部分の面積がテーパ導波路間で等し
くなるように、各テーパ導波路の形状を設定する、簡単
に言えば、各テーパ導波路の扇型スラブ導波路側の開口
幅を、光強度の大きい中心部では狭く、逆に光強度の小
さい周辺部では広く設定することにより、全ての出力用
チャンネル導波路に分岐される信号光の強度が均一にな
る。

この場合、前述の如く、所望の多数の分岐が一度に行わ
れるので、従来の２分岐導波路の多段接続に比較し、分
岐比のばらつきが累積されることがなく、分岐出力ばら
つきが低減するっ第３の発明は分岐比が異なるものであり、第２の発明と
（よ逆に、Ｘ軸上での光強度分布のうちＸとＸ　て挾ま
れる部分の面積がテーパ導波路間で異なるように、各テ
ーパ導波路の形状を設定することにより、出力用チャン
ネル導波路に分岐される信号光の強度が異なる。この場
合も、所望の多数の分岐が一度に行われるので、従来の
２分岐導波路の多段接続に比較し、分岐比のばらつきが
累積することがなく、設計通りの分岐比が簡単に得られ
る。なお、各テーパ導波路を同じ開口幅とすれば（これ
はテーパ導波路がなく、扇型スラブ導波路の円周上に直
接各出力用チャンネル導波路を接続する場合と等価であ
る）、分岐比はガウス分布に従う。

く実　施　例〉第１図に本発明の第１の実施例として、１２８分岐導波
型光スターカプラの平面から見た構成例を示す。第１図
において、シリコン基板１上に、入力用単一モードチ−
Ｐシネル導波路２、扇型スラブ導波＠３、多数のテーパ
導波路４及び多数の出力用銀−モーメチャンネル導波路
５を順次配置し、接続しである。

入力用チーンネル導、ｆｆ１ｓ２には入力用光ファイバ
（図示省略）が接続され、光ファイバからの信号光がチ
ャンネル導波路２を伝搬した後、扇型スラブ導波路３内
で、水平方向の閉じ込めがないために広がる。

ここで、扇型スラブ導波路３の幅は、回折により広がる
光が境界を感じなし）程度に十分大きくしである。また
、チャンネル導波路から回折により広がる波面の曲率中
心はチャンネル導波路端よりも奥にあることが知られて
いるので、扇型スラブ導波１ｓ３の曲率中心をチャンネ
ル導波路２の端よりも数〜数１０μｍ奥に配置しである
。

各テーパ導波路４の位置と形状（扇型スラブ導波路３側
の開口幅）は所定の分岐比となるように設定てしてあり
、扇型スラブ導波路３内を伝搬してきた信号光が各テー
パ導波路４で受光されることにより一度に分岐し、出力
用各チャンネル導波路５を伝搬してゆく。

なお、出力用各チャンネル導波路５には出力用光ファイ
バ（図示省略）が接続される。

次に、第２図と第３図により、均一な分岐比を実現する
実施例を説明する。

第２図は扇型スラブ導波路３とテーパ導波路４の接続部
分の拡大図である。ここでテーパ導波路４のテーパ角は
できるだけ小さくし、導波路幅減少に伴う光の放射損失
を抑制している。座標軸Ｘは扇型スラブ導波路３の円周
に一致する曲線座標軸であり、ｉ番目の出力用チャンネ
ル導波路５に接続するテーパ導波路４の開口幅はＸ、　
−Ｘ、１で与えられ、ｉ　＋１番目のテーパ導波路４の
開口幅はＸ、＋ｉ−Ｘ、で与えられる。

第３図はＸ軸上、すなわち、扇型スラブ導波路３とテー
パ導波路４の接続部における光の強度分布７を示したも
のである。ガウス分布である光強度分布７のうち、亀番
目のテーパ導波路４に入射する光の強度８はＸ、とＸ＝
、で挾まれる部分の面積に相当する。そこで、この面積
が１２８のテーパ導波路４に対してすべて等しくなるよ
うにＸ座標を決定してあり、入射信号光は１２８本の出
力用チャンネル導波路５に等しく分岐される。前述の如
く、出力用チャンネル導波路５の端には出力用光ファイ
バ（図示省略）が接続されており、強度が等しく分岐さ
れた信号光を光ファイバから得ることができる。

ここで肝要な点は、テーパ導波路４の本数である。

つまり、テーパ導波路４は近接して配置されており導波
路間の結合が非常に強く、テーパ導波路４間で光強度の
行き来が起こっている。

しかしながら、隣接するテーパ導波路４同士の寸法など
がほぼ等しく、光の伝搬状態に違いがないため、隣接す
る導波路から流入する強度と隣接する導波路へ流出する
強度は等しく光強度にばらつきは生じない。

ところが、一番端のテーパ導波＃Ｉ４には片側にしか隣
接するテーパ導波路がないためこのような効果はなく、
結果として周辺部のテーパ導波路に分岐される光強度が
不均一となる。これを回避するために、一番端のテーパ
導波路４の外側にもダミーのテーパ導波路を配置して、
一番端のテーパ導波路を中央部のテーパ導波路４と等価
な状態にする必要がある。ダミー導波路の数は、導波路
の屈折率や、導波路の間隔などによりもちろん異なるが
、分岐数１６の時４本程度、３２の時８本程度である。

第３図中、符号９は、ダミーのテーパ導波路に入る光強
度を示している。

また、テーパ導波路４の開口幅端の位置Ｘの値に関して
、全光強度を所望の分岐数１２８よりも大きい数で分割
して設計することが望マシい。仮に１２８分割したとす
ると、両端の、すなわち第１番目と第１２８番目のテー
パ導波路の開口幅が無限大になるからである。

そこで、第３図に示すように、１２８よりも大きし）数
、例えば１６０で分割するように各テーパ導波路の開口
幅を設計すれば、両端のテーパ導波路の開口幅は中央部
の開口幅の２倍程度ですむ。もちろんテーパ導波路自体
は１６０本の必要はなく、１４０本程度がよい。

つまり、所望分岐数は１２８であるから、周辺部の１２
本（片側６本づつ）のテーパ導波路は、先述のダミー導
波路と動作するのである。そして、中央部の１２８本の
テーパ導波路４から取り出される光を使用すれば良い。

１２８分岐のスターカブラの場合、各分岐出力は−２１
ｄＢであるが、１６０分割で設計した場合には−２２ｄ
Ｂとなり、１　ｄＢの過剰な損失となる。しかしながら
、従来技術のＹ型分岐導波路を７段接続したスターカプ
ラでは７回の分岐により２．１ｄＢの過剰損失を生じて
いたことを考えれば、１．１ｄＢの損失低減が図れるこ
とになる。

第１図に示されろ実施例では本発明によろ導波型光スタ
ーカプラの基本的部分のみ説明しているが、実際の適用
に当たっては、第４図に示す従来の導波型光スターカプ
ラと同様に、出力用光フアイバアレイに出力用チャンネ
ル導波路５の間隔を合わせるためのピッチ変換導波路群
１３など実装用の設計が必要であることを付記する。

以上の事柄を鑑み、１６０分割でテーバ導波路４の開口
幅を設計し、ダミーのテーパ導波路を含めて１４０個の
テーパ導波路を配置した１２８分岐導波型光スターカプ
ラを試作したところ、１２８の分岐光出力は、平均−２２，５ｄＢ（過剰損失１．５ｄＢ）ばらつき＋
０．２ｄＢ。

と非常に良好な結果が得られた。またこのとき、分岐出
力は入射光の偏光および波長に影響なく一定であった。

上記実施例においては均一分岐の導波型光スターカプラ
について説明したが、本発明はこれに限定されるもので
ない。例えば、分岐先の通信系の必要に応じて、テーパ
導波路４の開口幅を設定すれば、分岐出力の異なる導波
型光スターカプラを作製することが可能である。

ところで、より多くのテーパ導波路４を配置して分岐数
の拡大を図るには、扇型スラブ導波路３の曲率半径を大
きくしてやればよいが、素子の小型化という点で好まし
くない。

これを回避するには、入力用のチャンネル導波路２と扇
型スラブ導波＠３の間にテーパ導波路を設置して、開口
幅を狭（すれば良い。

回折光の広がり角は開口幅に反比例するので、より多く
の受光用テーバ導波路４を配置することが可能となる。

また、開口幅を広げて広がり角を小さくすることにより
、分岐数の少ない場合にも適用できる。このように、入
力側の開口幅を変えることにより、分岐数に応じた設計
が可能となることを付記する。

〈発明の効果〉以上説明したように、本発明の導波型光スターカブラに
よｆば、従来の２分岐導波路の多段縦続により構成され
ていた導波型スターカプラに代わり、チャンネル導波路
、扇型スラブ導波路、テーパ導波路を巧みに複合し、入
射信号光がスラブ導波路内を回折により広がることを利
用して入射信号光を一度に分岐するので、過剰損失と分
岐出力ばらつきの小さな大規模導波型光スターカプラを
作製することが可能となる。

本発明は、実施例で説明した１２８分岐に限定されるも
のではなく、さらに大規模なスターカプラの構成にも適
用できる。もちろん、分岐数が２のべき乗に限定される
ことはなく任意の分岐数が実現可能である。

また、従来の２分岐を多段に接続した導波型スターカプ
ラでは、Ｙ型分岐部の散乱損失や、方向性結合導波路の
分岐比のばらつきなど、その特性が導波路の作製条件に
依存するため、歩留まりが良くないという欠点もあった
。一方、本発明の導波型光スターカプラでは、散乱が生
ずる箇所：、ｆ１ケ所しかない。さらに分岐比を左右す
るテーパ導波路の開口幅は寓精度なフォトリソグラフィ
工程の精度で決まるため、分岐比のばらつきが非常に小
さい、従って、本発明によれば、従来の導波型光スター
カプラと比較して、歩留まり良く製造することが可能と
なり、大規模光通信システムの構築にあたり、より実用
的な大＊４！＊導波型光スターカプラを捷供し得るもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例としての１２８分岐導波型光ス
ターカプラの平面構成図、第２図は本発明における扇型
スラブ導波路とテーパ導波路との接続部分の拡大図、第
３図は本発明における光の分岐方法を説明するための光
強度分布の模式図、第４図は従来の８分岐導波型光スタ
ーカプラの平面構成例図である。図面中、１はシリコン基板、２は入力用単一モードチャンネル導波路、３は扇型スラ
ブ導波路、４はテーパ導波路、５は出力用単一モードチャンネル導波路、７はガウス分
布型光強度分布曲腺、８は第１番目のテーパ導波路に入る光強度、９はダミー
のテーパ導波路に入る光強度である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）基板と、基板上に配置された入力用チャンネル導
波路と、基板上に配置された複数の出力用チャンネル導
波路と、前記入力用チャンネル導波路と出力用の各チャ
ンネル導波路とを接続する、基板上に配置された扇型ス
ラブ導波路とから構成され、入力用チャンネル導波路の
片端が扇型スラブ導波路の曲率中心またはその近傍に位
置し、出力用の各チャンネル導波路の片端が扇型スラブ
導波路の円周上に接続されている導波型光スターカプラ
において、出力用の各チャンネル導波路と扇型スラブ導波路との間に、テーパ導波路を有することを特徴とす
る導波型光スターカプラ。
（２）請求項（１）記載の導波型光スターカプラにおい
て、扇型スラブ導波路の円周上をＸ軸とし、１番目のテ
ーパ導波路の扇型スラブ導波路との接続部の開口幅両端
の座標をＸ＿ｉ、Ｘ＿ｉ＿−＿１とするとき、Ｘ軸上で
の光強度分布のうちＸ＿ｉとＸ＿ｉ＿−＿１で挾まれる
部分の面積がテーパ導波路間で等しくなるように、各テ
ーパ導波路の形状が設定されていることを特徴とする導
波型光スターカプラ。
（３）請求項（１）記載の導波型光スターカプラにおい
て、扇型スラブ導波路の円周上をＸ軸とし、ｉ番目のテ
ーパ導波路の扇型スラブ導波路との接続部の開口幅両端
の座標をＸ＿ｉ、Ｘ＿ｉ＿−＿１とするとき、Ｘ軸上で
の光強度分布のうちＸ＿ｉとＸ＿ｉ＿−＿１で挾まれる
部分の面積がテーパ導波路間で異なるように、各テーパ
導波路の形状が設定されていることを特徴とする導波型
光スターカプラ。