JPH05127028A - 導波路型光合分波器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 小型で高性能な導波路型光合分波器を得る。 【構成】 ３本の導波路１〜３により一対の３結合導波
路を形成する。 （ａ） ３結合導波路は中央の導波路２に対して両側の
導波路１，３の間隔、両側の導波路１，３の幅がほぼ等
しい対称構造であり、（ｃ）で与えられる等価結合長Ｌ
c を有する。 （ｂ） ３結合導波路間を接続する３本の導波路１〜３
は中央の導波路２に対して両側の導波路１，３の幅はほ
ぼ等しく、両側の導波路長はほぼ等しく、該導波路長は
中央の導波路長に対して（ｃ）項で与えられる導波路長
差Ｌｄを有する。 （ｃ） 第１波長をλ₁ 、第２波長をλ₂ とした場合、
等価結合長Ｌc と導波路長差Ｌｄは次式をほぼ満足す
る。 ２（ｎ₀₁−ｎ₂₁）Ｌ_C ＝（Ｍ−１／２）・λ₁ ｎ・Ｌ_d ＝ Ｎ・λ₁ ｎ・Ｌ_d ＝（Ｎ−１／２）・λ₂

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光導波路を用いた導波路
型光合分波器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光合分波器は波長分割多重伝送方式を実
現するためのキーデバイスであり、干渉フィルタや回折
格子を用いたマイクロオプティクス型光合分波器、ファ
イバカプラ型光合分波器が従来開発されてきた。さらに
近年は光導波路を用いた導波路型光合分波器の検討も進
められている。一方、波長分割多重伝送方式の高性能化
も進められ、従来の例えば、1.３１μｍと1.５５μｍの
２波長多重伝送に加えて、1.３１μｍの波長を時分割多
重双方向伝送に使用する方式が開発されつつある。この
ような伝送方式に使用する光デバイスは光合分波器の機
能と分岐器の機能を兼ね備えていなければならない。こ
の要求を満足する有力な方法として光導波路を用いて光
合分波器と分岐器を同一導波路型基板の上に集積する方
法が報告されている（A.C.Carter, P.J.Williams, J.W.
Burgess, IEEE Workshop on Passive Optical Networks
for the Local Loop, 7.5 Heathrow Penta Hotel, Lon
don8th-9th May 1990) 。

【０００３】図１０は上記の目的に適する従来技術の導
波路型光合分波器である。図１０において３６は導波路
基板、３７は導波路基板３６の上に設けたマッハツエン
ダ型光合分波器、３８は導波路基板３６の上に設けた方
向性結合器型光合分波器で、３９はマッハツエンダ型光
合分波器３７の第１の導波路端、４０はマッハツエンダ
型光合分波器３７の第２の導波路端、４１は方向性結合
器型光合分波器３８の第１の導波路端、４２は方向性結
合器型光合分波器３８の第２の導波路端である。本従来
技術例ではマッハツエンダ型光合分波器３７が1.３０μ
ｍと1.５３μｍの２波長合分波機能を有し、方向性結合
器型光合分波器３８が1.３０μｍの３ｄＢ分岐器の機能
を有するため、上記のように高機能な波長多重伝送方式
に適用可能である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図１０に示し
た従来技術は下記の欠点を有していた。 １） マッハツエンダ型光合分波器３７と方向性結合器
型光合分波器３８とが縦属接続されているため導波路寸
法が長くなる。 ２） 方向性結合器型光合分波器３８の導波路端４１、
４２には発光素子、受光素子が結合される場合が多い
が、導波路端４１、４２が隣接しているため、発光素
子、受光素子ならびにこれらの素子と接続される送信回
路、受信回路の実装面積が制限される。

【０００５】本発明の目的は上記の従来技術が有する欠
点を解決し、小形にして発光素子、受光素子の実装が容
易な導波路型光合分波器を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の導波路型光合分
波器は３本の結合した光導波路（以下、「３結合導波路
と略記する。）を１対用い、３結合導波路の有する固有
モードの伝搬定数と等価結合長を所定の条件に設定する
とともに、光合分波機能と分岐機能を兼ね備えたことが
特徴である。従来の技術がマッハツエンダ型（２×２）
光合分波器（あるいは方向性結合器型光合分波器）と方
向性結合器型（２×２）光合分波器の縦属接続により所
望の機能を実現するのに比べて、単一の光導波路回路で
所望の機能を実現し、かつ光合分波器の光合分波特性の
設計自由度が多い利点を有することが従来技術と基本的
に異なる。

【０００７】

【作用】その結果として導波路の長さが従来技術に比べ
て約半分となる利点を有する。また３本の導波路の両側
の２本の導波路が分岐出力端となるため、中央の導波路
と交差を生じることなく分岐出力端を導波路の対辺に配
置することが容易であり、分岐出力端の片方に発光素
子、他方に受光素子を実装する場合の実装面積が広くな
る。

【０００８】

【実施例】以下に説明する実施例においては、光導波路
としてシリコン基板上の石英系単一モード光導波路を想
定したが、本発明はこれらの実施例に拘束されるもので
はなく、他の材料構成にもとづく光導波路でも構成可能
である。たとえば多成分ガラスとスパッタリングなどの
薄膜形成技術を用いて形成した光導波路、ニオブ酸リチ
ウム単結晶基板上に金属イオンの拡散技術を用いて形成
した光導波路、多成分ガラス基板中に金属イオンを電界
熱拡散して形成した導波路、半導体基板上に異種半導体
膜を成長しこれを微細加工して形成した導波路などにも
適用可能であること、もちろんである。

【０００９】図１は、本発明の動作原理を説明する概念
図である。１、２、３は導波路、４は第１の非結合部、
５は第１の間隔変換部、６は第１の結合部、７は第２の
間隔変換部、８は第２の非結合部、９〜１１は導波路１
〜３の非結合部８における区間、１２は第３の間隔変換
部、１３は第２の結合部、１４は第４の間隔変換部、１
５は第３の非結合部である。非結合部４、８、１５にお
いては導波路１〜３の間隔はそれぞれの区間内で光結合
が生じないよう十分な大きさとなっている。間隔変換部
５、７、１２、１４においては導波路１〜３の間隔が結
合部６、１３に近づくにつれて徐々に減少する。図１に
おいては間隔変換部５、７、１２、１４は便宜上独立な
部分として表示しているが、間隔変換部は結合部と非結
合部の間の遷移領域として結果的に出現するものであっ
て独立した部分として取り扱う必要はない。間隔変換部
の結合部に近接した領域では若干の光結合が生じるので
この効果を後述の如く結合部に繰り込んで取り扱うのが
通例である。そのため本発明の回路は結合部と非結合部
を用いてその動作を説明することが可能である。結合部
と非結合部の導波路については以下の条件が成立するこ
とが必要である。

【００１０】（Ａ） 結合部６、１３では導波路１、２
の間隔と導波路２、３の間隔はほぼ等しい。 （Ｂ） 導波路１と導波路３の幅は等しく、さらに導波
路１、３の幅に対して導波路２の幅もほぼ等しい対称構
造である。 （Ｃ） 非結合部８においては導波路区間９と導波路区
間１１の導波路長は等しく両者の導波路長は導波路区間
１０の導波路長に比べて所定の値だけ大きい。

【００１１】このような構造の導波路型光合分波器の動
作を以下に説明する。非結合部４の導波路２に光を入力
すると、結合部６には、図２に示す３個の固有伝播モー
ドが励起される。３個の固有伝播モードは３本の結合導
波路が有する固有モードの中で、伝播定数が最も大きな
第０次モード、伝播定数が第０次モードに次いで大きな
第１モード、伝播定数が第１次モードに次いで大きな第
２モードである。ここでは、入力光がＴＥ偏光またはＴ
Ｍ偏光である場合を想定しているが、再偏光成分が混在
している場合は、ＴＥ偏光、ＴＭ偏光のそれぞれに対し
て０次モード、第１モード、第２モードが存在し、各モ
ードの伝播定数がＴＥ偏光とＴＭ偏光でわずかに異なる
ため厳密には６個の固有伝播モードが存在することにな
る。本発明においては同一次数モードのＴＥ偏光とＴＭ
偏光の伝播定数の差は無視できるものとして扱っている
が、伝播定数の差が無視出来ない場合においても本発明
の基本的動作に変わりは無い。また、伝播定数の減衰定
数成分は損失に影響するが光合分波器としての基本的な
動作には影響しないので以下では伝播定数の位相定数成
分にのみ着目して説明を進める。更に高次の固有伝播モ
ード及び放射モードへの結合は小さいため、光合分波器
としての基本的な動作には影響しないので以下の説明で
は省略する。

【００１２】図２においてＩは入力モードの界分布、Ａ
は第０次モードの界分布、Ｂは第１次モードの界分布、
Ｃは第２次モードの界分布である。対称な構造の３結合
導波路の特徴として、第０次モードおよび第２次モード
の界分布は対称となり、さらに第０次モードの界分布は
導波路１〜３に同符号の極大値を有するのに対して第２
次モードの界分布は導波路１、３に同符号の極小値を、
また導波路２に極大値を有する。これに対して第１次モ
ードの界分布は本来反対称であり、導波路２において界
分布が零となる節点を有するのが特徴であるが、対称中
心である導波路２から光を入力した図２の例では第１次
モードが全く励起されないことが明らかである。すなわ
ち導波路２から光を入力した場合、第０次、第２次の２
個の固有伝播モードを考慮すれば十分である。さらに導
波路間隔が極端に狭くない場合には、図２に見られるよ
うに各モードにおける界分布の極大値、極小値は以下に
示す関係となる。 （１）第０次モードの導波路１、３における極大値は入
力モードの極大値のほぼ１／４であり、導波路２におけ
る極大値は入力モードの極大値のほぼ２^-3/2である。 （２）第２次モードの導波路１、３における極小値は入
力モードの極大値のほぼ１／４であり、導波路２におけ
る極大値は入力モードの極大値のほぼ２^-3/2である。 このような界分布を有する第０次、第２次の固有モード
は各々異なった伝播定数β₀ 、β₂ で結合部６を伝播す
る。

【００１３】上記の固有モードが結合部６を伝播した
後、導波路１〜３に分離されて導波路長差を有する非結
合部８を経由し、再び結合部１３を伝播した後、導波路
１〜３に分離されて非結合部１５に導かれる。この時、
非結合部４の導波路２に入力した光に対する非結合部１
５の導波路１〜３に出力する光の透過率Ｔ₂₁、Ｔ₂₂、Ｔ
₂₃はモード結合理論により近似的に次式で与えられる。 Ｔ₂₁＝0.５・sin²（（β₀ −β₂ ）Ｌ_c ）cos²（βＬ_d ／２） （１） Ｔ₂₂＝cos²（（β₀ −β₂ ）Ｌ_c ）・cos²（βＬ_d ／２）＋sin²（βＬ_d ／２） （２） Ｔ₂₃＝0.５・sin²（（β₀ −β₂ ）Ｌ_c ）cos²（βＬ_d ／２） （３）

【００１４】ここでＬ_c は結合部６、１３の等価結合
長、Ｌ_d は非結合部８の導波路長差、βは非結合部８の
導波路の伝播定数である。Ｌ_c を等価結合長と定義した
理由は、光結合が結合部部６、１３ばかりでなく間隔変
換部５、７、１２、１４においても生じることにある。
そこで間隔変換部５、７、１２、１４で生じる光結合を
結合部６、１３の結合長が等価的に増加したものとして
取り扱うために等価結合長をＬ_c と定義した。上記の第
１式〜第３式は結合部６、１３が対称な導波路構造を有
し、結合部６、１３における導波路１〜３はほぼ等しい
構造であり、導波路損失が十分小さく、結合が十分弱い
ことを仮定した近似式であるが、近似の精度が悪くなる
ような領域においても本発明の基本的な動作は成立する
ものである。

【００１５】伝播定数β₀ 、β₂ 、βに対応する等価屈
折率をｎ₀ 、ｎ₂ 、ｎを用いて第１式〜第３式を書き替
えれば第４式〜第６式が得られる。 Ｔ₂₁＝0.５・sin²（（ｎ₀ −ｎ₂ ）２πＬ_c ／λ）cos²（ｎπＬ_d ／λ） （４） Ｔ₂₂＝cos²（（ｎ₀ −ｎ₂ ）２πＬ_c ／λ）・cos²（ｎπＬ_d ／λ） ＋sin²（ｎπＬ_d ／λ）（５） Ｔ₂₃＝0.５・sin²（（ｎ₀ −ｎ₂ ）２πＬ_c ／λ）cos²（ｎπＬ_d ／λ） （６）

【００１６】ｎの波長依存性、導波路構造依存性は極め
て小さいが、（ｎ₀−ｎ₂ ）は差分であるため相対的な
変化率としては、例えば、図３に示すように大きな波長
依存性および導波路構造依存性を有している。第１波長
λ₁ 及び第２波長λ₂ における値をそれぞれ（ｎ₀₁−ｎ
₂₁）、および（ｎ₀₂−ｎ₂₂）、として次式が成立するＬ
_c 、Ｌ_d を選択する。ただしＮ、Ｍは整数である。 ２（ｎ₀₁−ｎ₂₁）・Ｌ_c ＝（Ｍ−１／２）・λ₁ （７） ｎ・Ｌ_d ＝ Ｎ・λ₁ （８） ｎ・Ｌ_d ＝（Ｎ−１／２）・λ₂ （９）

【００１７】このとき第１波長λ₁ におけるＴ₂₁、
Ｔ₂₂、Ｔ₂₃は第４式〜第６式より0.５、０、0.５とな
り、第２波長λ₂ におけるＴ₂₁、Ｔ₂₂、Ｔ₂₃は第１式〜
第３式より０、１、０となる。第１波長λ₁ において導
波路２から導波路１および導波路３に３ｄＢで結合し、
第２波長λ₂ において導波路２を０ｄＢで通過する、す
なわち第１波長λ₁ と第２波長λ₂ の通過帯域で動作す
る光合分波器の機能と第１波長λ₁ で動作する３ｄＢ分
岐器の機能を兼ね備えていることが明らかである。ただ
し、第８〜第９式が成立するためには、第１波長λ₁ と
第２波長λ₂ には第１０式の制約が生じる。 Ｎ＝0.５・λ₂ ／（λ₂ −λ₁ ） （１０） 第１０式で整数Ｎの解を与えるλ₁ 、λ₂ の組合せにお
いて本発明は効果を発揮するものである。

【００１８】（ｎ₀ −ｎ₂ ）は、図３に示すように波長
依存性を有するため、第７式がλ₁ で成立する場合にお
いても、一般的には２（ｎ₀₂−ｎ₂₂）・Ｌ_c ＝（Ｍ−１
／２）・λ₂ が成立しないため、第４式の右辺第１項の
0.５・sin²（（ｎ₀ −ｎ₂ ）２πＬ_c ／λ）はλ₂ にお
いて有限な値をとる。そのような場合にあっても、第４
式の右辺第２項cos²（ｎπＬ_d ／λ）が第９式の条件に
よってλ₂ において０となるため、第４式で与えられる
Ｔ₂₁が０となり本発明の動作が保証される。上記の説明
で明らかなとおり、本発明の動作を保証するためには
（Ａ）〜（Ｃ）を満足する導波路において第７式〜第１
０式によって与えられるＬ_c とＬ_d を選択することだけ
で十分であり、導波路パラメータにその他の制約を課す
るものではない。

【００１９】ところで、（ｎ₀ −ｎ₂ ）が図３に示した
ような波長依存性、導波路構造依存性を有することを利
用して第１１式が成立する導波路構造を選択すればさら
に副次的な効果が期待できる。 ２（ｎ₀₂−ｎ₂₂）・Ｌ_c ＝Ｍλ₂ （１１） このとき第１波長λ₁ におけるＴ₂₁、Ｔ₂₂、Ｔ₂₃は第４
式〜第６式より0.５、０、0.５となり、第２波長λ₂ に
おけるＴ₂₁、Ｔ₂₂、Ｔ₂₃は第１式〜第３式より０、１、
０となる基本機能は第１１式の制約が無い場合と変わら
ない。しかし、λ₂ の近傍の波長においてその性能を著
しく改善することが可能である。λ＝（１＋Ｘ）λ₂ と
して第１１式を仮定して第４式、第６式を書き替えれば
次の近似式を得る。ただし、Ｘ≒０である。 Ｔ₂₁＝0.５sin⁴（π／２・Ｘ） （１２） Ｔ₂₃＝0.５sin⁴（π／２・Ｘ） （１３）

【００２０】これに対して第１１式の制約が無い場合に
は、次の近似式となる。 Ｔ₂₁＝Ｋ・sin²（π／２・Ｘ） （１４） Ｔ₂₃＝Ｋ・sin²（π／２・Ｘ） （１５） ここでＫは定数である。すなわちＸ＝０の近傍（λ＝λ
₂ の近傍）において第１２式、第１３式は４次の零点が
得られるのに対して第１４式、第１５式においては２次
の零点となるのみである。このため第１１式の条件を付
与することによってλ₂ の近傍の漏話量を著しく改善で
きることが明らかとなる。

【００２１】〔実施例１〕図４（ａ），（ｂ），（ｃ）
は本発明の第１の実施例として、請求項１に関する具体
例を示したものである。これは、λ₁ ＝1.３１μｍ、λ
₂ ＝1.５７μｍの２波長用に設計した導波路型光合分波
器の構成例であり、（ａ）は平面図、（ｂ）、（ｃ）は
平面図（ａ）における線分Ｂ−Ｂ′、線分Ｃ−Ｃ′で切
断した断面拡大図である。５０はシリコン基板、１６〜
１８はシリコン基板５０上に石英系ガラス材料を用いて
形成された石英系光導波路である。導波路１６〜１８は
膜厚５０μｍ程度のSiO₂系ガラス層２４に埋設された断
面寸法７μｍ×７μｍ程度のSiO₂−TiO₂系ガラスコア部
からなる。導波路１６〜１８は非結合部１９、２１、２
３および結合部２０、２２から構成される。結合部２
０、２２においては対称構造であることが望ましいた
め、導波路１７はほぼ直線とし、導波路１６、１８は並
行に配置した。結合部２０、２２においても導波路幅は
前記のとおり７μｍ程度であるが、より望ましい性能を
得るために導波路１７の幅に対して導波路１６、１８の
幅を数パーセント大きくした。非結合部２１において
は、導波路１６と導波路１８の長さは等しく、導波路１
７の長さにたいして導波路長差Ｌ_d だけ大きくした。結
合部２０、２２における導波路間隔、等価結合長Ｌ_c お
よび非結合部２１における導波路長差Ｌ_d は次式が成立
するように設定した。

【００２２】 ２（ｎ₀₁−ｎ₂₁）Ｌ_c ＝１／２・λ₁ （１６） ｎ・Ｌ_d ＝Ｎ・λ₁ （１７） ｎ・Ｌ_d ＝（Ｎ−１／２）・λ₂ （１８） Ｎ＝0.５・λ₂ ／（λ₂ −λ₁ ） （１９）

【００２３】第１６式は、第７式においてＭ＝１を選択
したものである。λ₁ ＝1.３１μｍ、λ₂ ＝1.５７μｍ
であるから、Ｎ＝３に設定することにより第１９式がほ
ぼ満足される。また等価屈折率が1.４６の石英系導波路
を用いたのでＬ_d ＝2.７μｍに設定することにより第１
７式、第１８式が満足される。結合部２０、２２におけ
る導波路間隔と等価長Ｌ_c はそれぞれ約２μｍ、約６６
０μｍと設定することにより第１６式がほぼ満足され
る。非結合部１９および２３においては外部の光ファイ
バとの接続を考慮して導波路間隔を２５０μｍに設定し
た。これらの構造パラメータを有する導波路型光合分波
器はシリコン基板上に直線状光導波路パターンと曲率半
径１０ｍｍの円弧状導波路パターンの組合せにより作製
した。導波路膜の形成および加工には公知の技術である
火炎加水分解反応を利用したガラス膜形成法と反応性イ
オンエッチングを組合せて適用した。

【００２４】図５に、上記の設計に基づいて上記の作製
技術で試作した導波路型光合分波器の透過損失を示す。
ＡはＴ₂₁、Ｔ₂₃に対応する透過損失であり波長1.３１μ
ｍで約３ｄＢのとなり、波長1.５７μｍで３０ｄＢ以上
となった。ＢはＴ₂₂に対応する透過損失であり、波長1.
５７μｍでほぼ０ｄＢとなり、波長1.３１μｍで２０ｄ
Ｂ以上となった。これらの結果から、本実施例の導波路
型光合分波器は設計通り波長1.３１μｍの近傍と波長1.
５７μｍの近傍で動作する光合分波器の機能と波長1.３
１μｍの近傍で動作する３ｄＢ分岐器の機能を兼ね備え
ていることが明らかである。

【００２５】〔実施例２〕図６は、本発明の第２の実施
例として設計した導波路型光合分波器の透過損失を示す
ものである。本実施例における導波路型光合分波器の構
成は第１の実施例と概ね等しいが、第７式〜第１０式に
加えて第１３式も成立するように導波路パラメータを設
定した点が第１の実施例と異なる。λ₁ ＝1.３１μｍ、
λ₂ ＝1.５７μｍの２波長を想定したため第１の実施例
と同様Ｍ＝１、Ｎ＝３、Ｌ_d ＝2.７μｍとした。ただし
結合部の導波路間隔と等価結合長Ｌ_c はそれぞれ約４μ
ｍ、約2.３ｍｍとした。図６と図５の比較からＴ₂₁、Ｔ
₂₃に対応する透過損失に次のような特徴が見える。λ₁
＝1.３１μｍの近傍では両者に大きな違いはない。一
方、λ₂ ＝1.５７μｍの近傍では３０ｄＢ以上の減衰量
が得られる波長帯域が２倍以上に広がっていることがわ
かる。このように第１１式も成立するような導波路パラ
メータを用いた本実施例においては、Ｔ₂₁、Ｔ₂₃に対応
する透過特性Ａに広い阻止波長帯域が得られることが明
らかとなった。Ｔ₂₁、Ｔ₂₃に対応する透過特性Ａに広い
阻止波長帯域が得られることは同帯域においてＴ₂₂に対
応する透過特性Ｂに広い通過波長帯域が得られることと
同義であり、広い阻止波長帯域あるいは通過波長帯域を
有する導波路型光合分波器の構成法としても本発明が有
効であることを本実施例は示している。

【００２６】〔実施例３〕図７は、本発明の第３の実施
例を示したものである。２５は導波路型光合分波器の主
要部、２６〜２８は導波路型光合分波器の主要部を構成
する導波路、２９は展開部、３０は第１ファイバ、３１
は第２ファイバ、３２は発光素子結合光学系、３３は発
光素子、３４は誘電体干渉膜フィルタ、３５は受光素子
である。導波路型光合分波器の主要部２５の構成は第３
の実施例と同様である。展開部２９は導波路型光合分波
器の主要部２５と同一導波路基板上に曲率半径５ｍｍの
円弧状導波路パタンと直線導波路パタンを用いて構成し
た。発光素子および受光素子を結合する導波路２６と導
波路２８の端部は導波路基板の両側面で相対する位置か
ら数ｍｍ異なる位置に設定して発光素子の出力の一部が
受光素子に達することを阻止した。発光素子を受光素子
と同時に駆動することが無い場合にはこの処置は無用で
ある。導波路２７は両端において第１ファイバ３０およ
び第２ファイバ３１と屈折率調合剤を介して結合される
ため、本実施例では導波路端部は導波路基板側面に対し
て垂直に交差することとした。一方導波路２６、２８の
導波路端部は導波路基板側面法線に対して数度以上の傾
斜を持たせて導波路側面の反射光が導波モードに結合し
ないよう配慮した。誘電体干渉フィルタ３４は導波路型
光合分波器の主要部における合分波特性を補足するため
波長1.３１μｍ近傍に通過帯域を有し、波長1.５５μｍ
近傍に阻止帯域を有するものであり、要求特性に応じて
付加または削除すべきものである。また本実施例では導
波路端面に接着したが、受光素子のパッケージなどに付
加することも可能である。

【００２７】図７に示した第３の実施例の動作を以下に
説明する。第１ファイバ３０から入射した波長1.３１μ
ｍ帯の光は、第１の実施例の図５から明らかな通り、導
波路型光合分波器の主要部２５を経由し約３ｄＢの分岐
損失で受光素子３５に結合する。また第２ファイバ３１
から入射した波長1.５７μｍ帯の光は第１の実施例の図
５から明らかな通り、導波路型光合分波器の主要部２５
を経由してほぼ無損失で第１ファイバ３０に導かれる。
一方、波長1.３１μｍ帯の発光素子３３の光出力は、導
波路型光合分波器の主要部２５を経由して第１ファイバ
３０に導かれる。このように第３の実施例に示した導波
路型光合分波器を用いることにより、波長1.３１μｍ帯
で同一波長双方向通信を行うとともに、1.３１μｍ帯と
1.５７μｍ帯の２波長分割多重通信を行うことが可能と
なり、さらに発光素子３３、受光素子３５、第２ファイ
バ３１を３方向に分離でき、送信回路、受信回路などを
発光素子、受光素子の直近に実装し、かつ送信回路と受
信回路間の電気的結合を抑圧するなどの実装の自由度が
極めて広がった。

【００２８】本実施例の発光素子結合光学系３２は分布
屈折率レンズを用いているが、本発明はこの実施例に拘
束されるものではなく、発光素子のスポット径と導波路
のスポット径を整合するための光学系、たとえば球レン
ズ、非球面レンズ、先球加工ファイバなどを単独でまた
は組み合わせて使用すれば本実施例と同様の効果が得ら
れることは自明である。また本実施例では受光素子３５
を誘電体干渉膜フィルタ３４を介して導波路２８の端面
に直接結合しているが、本発明はこの実施例に拘束され
るものではなく、受光素子３５と導波路２８の間に結合
光学系を挿入しても本実施例と同様に効果が得られるこ
とも自明である。本実施例においては発光素子、受光素
子を結合する導波路を特定しているが、導波路型光合分
波器の主要部２５が構造的にまた機能的にも２回対称で
あることを鑑みると、発光素子、受光素子の配置には極
めて自由度があることは自明である。たとえば、本実施
例の発光素子３３、受光素子３５をともに波長1.３１μ
ｍ帯の発光素子または受光素子とすることも可能であ
る。さらに導波路２６と導波路２８の両端に合計４個の
波長1.３１μｍ帯の発光素子および受光素子を組合せて
結合し、適宜駆動することも可能である。また本実施例
では導波路２７の両端には光ファイバを接続している
が、その片方を波長帯域1.５７μｍの近傍で動作する発
光素子または受光素子を結合することが可能なことは自
明である。

【００２９】これまで示した具体的な導波路型光合分波
器を実際に作製すると、内部ストレス等の影響によっ
て、光合分波特性に偏波依存性を生じることがある。こ
のような偏波依存性は実用上好ましくない。そこで、次
に請求項３に関し、偏波依存性を解消できる構成例につ
いて述べる。

【００３０】〔実施例４〕図８は、本発明の第４の実施
例として、上記の実施例３を偏波依存性を解消できる構
成に改良したものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）、
（ｃ）は平面図（ａ）における線分Ｂ−Ｂ′、線分Ｃ−
Ｃ′で切断した断面拡大図である。２つの方向性結合器
間にある中央導波路の一部を幅の狭いテーパ導波路６０
に置き換えた点が実施例３と異なる。このような構成で
は、ＴＥ偏光とＴＭ偏光が感じる実効的な屈折率との差
を、中央導波路幅の削減で予め逆に与えておき、全体と
して偏波依存性をキャンセルすることができる。なお、
光合分波器の各パラメータ条件や内部ストレスのかかり
方等により、図９に示すような中央導波路幅を太くする
べき場合も生じることを付記しておく。

【００３１】以上示した実施例１〜実施例４において
は、光導波路としてシリコン基板上の石英系単一モード
光導波路を想定したが、本発明はこれらの実施例に拘束
されるものではなく、他の材料構成にもとずく光導波路
でも構成可能である。たとえば多成分ガラスとスパッタ
リングなどの薄膜形成技術を用いて形成した光導波路、
ニオブ酸リチウム単結晶基板上に金属イオンの拡散技術
を用いて形成した光導波路、多成分ガラス基板中に金属
イオンを電界熱拡散して形成した導波路、半導体基板上
に異種半導体膜を成長しこれを微細加工して形成した導
波路などにも適用可能である。特に第３の実施例は半導
体基板上に半導体導波路と発光素子、受光素子を形成す
ることにより一層の効果を発揮することが期待できる。
また、各実施例においては単一の導波路型光合分波器を
用いたが、同一導波路基板上に複数の導波路型光合分波
器を形成すること、および複数の導波路型光合分波回路
と複数の光ファイバ、発光素子、受光素子を結合するこ
とが可能であることは当然であり、導波路型光合分波器
の機能はこのような集積比において大きな効果を発揮す
ることが期待できる。

【００３２】

【発明の効果】従来の技術が、たとえばマッハ・ツエン
ダ光干渉系型（２×２）光合分波器と、たとえば方向性
結合型（２×２）３ｄＢ分岐器の従続接続により実現し
ていた、２波長合分波機能と３ｄＢ分岐機能の二つの機
能を、本発明ではマッハ・ツエンダ光干渉系型（３×
３）光合分波器と同一規模の単一の光導波回路で実現で
きた。この結果として光導波路規模が半分となり、光導
波路の面積を半分に縮小することができる。ところで光
導波路の設計においては曲げ部の損失を抑圧するため、
光導波路の機能ブロックが大きい場合には光軸方向に配
列するのが通例である。このため光導波路規模の増加と
ともに光導波路基板の長さが増大することが問題となっ
ていた。本発明により光導波路規模の半減にともなって
導波路基板の長さを半減できたことは実用上大きな利点
となる。

【００３３】２波長合分波機能に関して一方の波長の阻
止帯域幅または通過帯域幅を従来技術に比べて拡げるこ
とが可能となった。導波路型の光合分波器は一般的に正
弦波状の周期的透過特性を基本としているため、単体で
広い阻止帯域幅または通過帯域幅を得るのが困難であっ
た。そのため導波路型の光合分波器を多段に接続する
か、干渉膜フィルタを付加して阻止帯域幅を増大するの
が通例であった。しかし導波路型光合分波器の多段接続
は導波路基板の長さの増大を招き、干渉フィルタ付加は
阻止帯域幅のみを増大するものであって、対応する通過
帯域幅の増大には寄与しない。本発明は導波路基板長さ
を増大することなく阻止帯域幅と対応する通過帯域幅を
増大することが出来る利点を有する。

【００３４】従来技術で、たとえばマッハ・ツエンダ光
干渉系型（２×２）光合分波器と、たとえば方向性結合
型（２×２）３ｄＢ分岐器の従続接続により構成した場
合、３ｄＢ分岐の出力ポートが相互に隣接していたのに
対して、本発明では合分波出力ポートの両側に３ｄＢ分
岐の出力ポートが分離されて配置されるので、３ｄＢ分
岐に結合する発光素子、受光素子とこれに接続される送
信回路、受信回路などの実装が容易となった。伝送信号
の高速化に伴って発光素子、受光素子の直近に送信回
路、受信回路を配置する必要性が高まっているが、発光
素子と受光素子の配置が近接している従来技術の構成法
ではこの要請を満足することが困難になることが予想さ
れる。さらに発光素子、受光素子を同時に駆動する同時
双方向通信を想定すれば送信回路と受信回路の電気的結
合を抑圧するために、送信回路と受信回路を電磁シール
ドすることが不可欠であるが、発光素子と受光素子の配
置が近接している従来技術の構成法では電磁シールドが
極めて困難である。本発明の構成では３ｄＢ分岐の出力
ポートが合分波出力ポートの両側に分離しているので、
他の導波路と交差することなく３ｄＢ分岐出力ポートを
任意の位置に配置することが可能であり、高速化、同時
双方向通信に多大の利点を有する。

【００３５】上記の導波路型光合分波器を実際に作製す
る場合、内部ストレス等の影響によって、光合分波特性
に偏波依存性を生じることがあり、このような偏波依存
性は実用上好ましくない。２つの方向性結合器間にある
中央導波路の一部をテーパ導波路とすることによって、
ＴＥ偏光とＴＭ偏光が感じる実効的な屈折率の差を予め
逆に与えておき、全体として偏波依存性をキャンセルす
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の動作原理を説明する概念図。

【図２】３結合導波路の中央の導波路に光を入力したと
きに励起される固有伝播モードを示す特性図。

【図３】３結合導波路の第０次モードおよび第２次の固
有伝播モードの伝播定数の差（ｎ₀ −ｎ₂ ）の波長依存
性、導波路構造依存性を示す特性図。

【図４】本発明の第１の実施例を示す構成図。

【図５】第１の実施例の特性例を示す特性図。

【図６】第２の実施例の特性例を示す特性図。

【図７】本発明の第３の実施例を示す構成図。

【図８】本発明の第４の実施例を示す構成図。

【図９】第４の実施例の変形例を示す構成図。

【図１０】従来の導波路型光合分波器を示す構成図。

【符号の説明】

１，２，３ 導波路 ４，８，１５ 非結合部 ５，７，１２，１４ 間隔変換部 ６，１３ 結合部 ９，１０，１１ 導波路区間 １６，１７，１８ 導波路 １９，２１，２３ 非結合部 ２０，２２ 結合部 ２５ 導波路型光合分波器の主要部 ２６，２７，２８ 導波路 ２９ 展開部 ３０，３１ ファイバ ３２ 発光素子結合光学系 ３３ 発光素子 ３４ 誘電体干渉膜フィルタ ３５ 受光素子 ３６ 導波路基板 ３７ マッハツエンダ型光合分波器 ３８ 方向性結合器型光合分波器 ３９，４０，４１，４２ 導波路端 ５０ 導波路基板 ６０ テーパ導波路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 照井 博 東京都千代田区内幸町一丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ３本の結合した導波路である３結合導波
   路を１対用い、１対の３結合導波路間を３本の導波路で
   接続し、１対の３結合導波路およびこれを接続する３本
   の導波路は下記の条件を満足することを特徴とする導波
   路型光合分波器。 （ａ） ３結合導波路は中央の導波路に対して両側の導
   波路間隔、両側の導波路幅がほぼ等しい対称構造であ
   り、（ｃ）で与えられる等価結合長Ｌc を有する。 （ｂ） ３結合導波路間を接続する３本の導波路は中央
   の導波路に対して両側の導波路幅がほぼ等しく、両側の
   導波路長はほぼ等しく、該導波路長は中央の導波路長に
   対して（ｃ）項で与えられる導波路長差Ｌ_d を有する。 （ｃ） 第１波長をλ₁ 、第２波長をλ₂ とした場合、
   等価結合長Ｌc と導波路長差Ｌ_d は次式をほぼ満足す
   る。 ２（ｎ₀₁−ｎ₂₁）Ｌ_C ＝（Ｍ−１／２）・λ₁ ｎ・Ｌ_d ＝ Ｎ・λ₁ ｎ・Ｌ_d ＝（Ｎ−１／２）・λ₂ ここでｎ₀₁は第１波長における３結合導波路の最低次の
   固有伝播モードの等価屈折率であり、ｎ₂₁は第１波長に
   おける３結合導波路の最低次から数えて３番目の固有伝
   播モードの等価屈折率であり、ｎは３結合導波路間を接
   続する３本の導波路の等価屈折率であり、Ｎ、Ｍは整数
   である。
2. 【請求項２】 次式をほぼ満足することを特徴とする請
   求項１に記載した導波路型光合分波器。 ２（ｎ₀₂−ｎ₂₂）Ｌ_C ＝Ｍ・λ₂ ここでｎ₀₂は第２波長における３結合導波路の最低次の
   固有伝播モードの等価屈折率であり、ｎ₂₂は第２波長に
   おける３結合導波路の最低次から数えて３番目の固有伝
   播モードの等価屈折率である。
3. 【請求項３】 結合領域内あるいはマッハツエンダ型干
   渉計内の中央導波路または外側導波路の一部の幅が入出
   力導波路の幅と異なることを特徴とする請求項１または
   請求項２に記載の導波路型光合分波器。