JPH06294916A - Ｘ型２×２カプラおよび光分岐デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 歩留り良く作製できるＸ型２×２カプラ部な
らびに２×Ｎ光分岐デバイスを提供する。 【構成】 Ｘ型２×２カプラにおいて、２つの導波路の
交差部分について互いに対向する関係にある入射側およ
び出射側単一モード導波路のそれぞれの中心線をずらす
ことによって、第１または第２の単一モード導波路より
２つの導波路が交差している部分へ入射する光の、第１
および第２の単一モード導波路への出射する光の割合を
制御するＸ型２×２カプラ。さらに、このＸ型２×２カ
プラの２つの出射導波路のそれぞれに、ひとつまたは複
数のＹ分岐導波路よりなる分岐導波路を接続した光分岐
デバイスを作製する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光を利用した信号伝送
システム等に使用する光分岐デバイス、特にＸ型２×２
カプラに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、光分岐デバイスとしては、Ｈ．Ｈ
ＡＮＡＦＵＳＡらがＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＬＥＴＴ
ＥＲＳ Ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．７，ｐ６４４−６４５
（以下、文献１と呼ぶ）に発表している２×１６光分岐
導波路（図４参照）がある。これは、方向性結合器を応
用した波長無依存型２×２カプラ（Wavelengh-INsensit
ive ２×２ Coupler：以下、ＷＩＮＣと略記する）２
と、Ｙ分岐導波路１３を組み合わせたものである。上記
ＷＩＮＣについては、Ｋ．ＪＩＮＧＵＪＩらがＥＬＥＣ
ＴＲＯＮＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ Ｖｏｌ．２６，Ｎ
ｏ．１７，ｐ１３２６−１３２７（以下、文献２と呼
ぶ）に発表している。ここで、使用しているＷＩＮＣ２
の拡大図を図５に示す。

【０００３】図４および図５について、第１および第２
の２つの単一モード導波路２１，２２を、中心間距離が
十数μｍになるまで近接させ、距離Ｌ１の長さだけ平行
に配置して第１の結合部２３を形成した後、再び両者間
の相互作用がなくなるまで離し、再び同様に近接させて
距離Ｌ２の長さだけ平行に配置して第２の結合部２４を
形成する。

【０００４】このとき、第１の結合部２３から第２の結
合部２４までの光学的距離が、２つの導波路の間でｄＬ
だけ異なるようにする。導波路中の光の伝幡定数，完全
結合長，および２つの導波路が近接しつつある領域にお
ける結合量によって、適当にＬ１，Ｌ２およびｄＬを設
計することにより、このカプラにおける分岐比およびそ
の波長特性を決めることができる。

【０００５】ここでいう分岐比とは、例えば第１の単一
モード導波路から入射させた光パワーのうち、カプラ内
で第２の単一モード導波路に結合し、第２の単一モード
導波路から出射する光パワーの割合である。（以下、２
×２カプラの分岐比という言葉をこの意味で使用す
る）。

【０００６】前述の文献２の例では、波長１．２５から
１．６５μｍの範囲で、分岐比２０±１．９％が得られ
ている。一方、文献１の光分岐導波路では、このような
ＷＩＮＣ２を、波長１．３から１．５５μｍの範囲で、
分岐比が約５０％になるように設計している。さらに、
このＷＩＮＣ２のそれぞれの出射導波路２１，２２のそ
れぞれに、１×８光分岐導波路１４を接続した構成を有
している。

【０００７】したがって、それぞれの入射ポートから入
射した光は、このＷＩＮＣ２でほぼ５０：５０に分岐さ
れた後、光分岐導波路部１４でそれぞれ８分岐されて、
計１６個の出射ポートから出射し、２×１６光分岐デバ
イスが構成される。

【０００８】一般に、２×２^N 光分岐デバイスにおい
て、各出射ポート間でなるべく均一な光パワーを得るた
めには、最初の２×２カプラ部での分岐比ができるだけ
５０％に近いことが重要である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】前述した２×１６光分
岐デバイスには、以下のような問題点があった。すなわ
ち、文献１に記載されている２×１６光分岐デバイス
は、２×２カプラとして文献２に記載されているものを
使用している。

【００１０】しかし、これは前述するように２つの結合
部を有するため、その長さが長くなるだけでなく、文献
２に記述されているように、その分岐比は２つの導波路
間の光路差ｄＬに対して敏感である。したがって、所望
の分岐比を数％の精度で得るためには、そのｄＬの寸法
の誤差は±０．０１μｍしか許されないことになる。

【００１１】この寸法精度を、フォトリソグラフィーに
よる微細加工で安定に達成するためには、超ＬＳＩを作
製するための最先端のプロジェクション露光法が必要で
あるが、長さ数十ｍｍ（文献１の記載例では５５ｍｍ）
のサイズの光導波路チップ作製に対して、それを適応す
るのは困難である。

【００１２】したがって、一般的な密着露光法を用いる
しかないが、それでは寸法精度が不足し、歩留り良く安
定に作製することはできない。

【００１３】本発明は、以上の問題点を解決するために
なされたものであって、２×Ｎ光分岐デバイスにおい
て、その長さが短くそして歩留り良く作製できるＸ型２
×２カプラ、および光分岐デバイスを提供するものであ
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明では、Ｘ型２×２
カプラ（１１）において、２つの導波路の交差部分（１
２）について互いに対向する関係にある２組の入射側お
よび出射側単一モード導波路のそれぞれの中心線をずら
すことによって、第１または第２の単一モード導波路よ
り２つの導波路が交差している部分（１２）へ入射する
光の、第１および第２の単一モード導波路への出射する
光の割合を制御することを特徴とするＸ型２×２カプラ
を提供する。

【００１５】また、上述のＸ型２×２カプラ（１１）の
２つの出射導波路のそれぞれに、ひとつまたは複数のＹ
分岐導波路（１３）よりなる光分岐導波路（１４）を接
続させる光分岐デバイスを作製する。

【００１６】まず、Ｘ型２×２カプラ部において、単一
モード導波路へ出射する光の割合を制御する方法につい
て述べる。Ｘ型２×２カプラの、上述の２組の第１およ
び第２の単一モード導波路のそれぞれの中心線をずらし
て、この交差部分１２の長さを変化させる実験を行っ
た。

【００１７】図２に示すように、導波路の幅に対応する
マスクの開口部５１の幅を３μｍとし、２つの導波路が
交差する角度が１度であるＸ型２×２カプラ用のマスク
パターンを考える。

【００１８】ここで、上述のように、２つの導波路の交
差部分について互いに対向する関係にある２組の入射側
および出射側単一モード導波路のそれぞれの中心線をず
らすしていくこと試みる。

【００１９】まず、入射側の第１の単一モード導波路の
中心線と出射側の第２の単一モード導波路の中心線、お
よび入射側の第２の単一モード導波路の中心線と出射側
の第１の単一モード導波路の中心線とを、それぞれ一致
させた場合には、結果としてマスクの交差部分５２の長
さが、３４４μｍ（図２（ａ））となる。

【００２０】同じく、入射側の第１の単一モード導波路
の中心線と出射側の第２の単一モード導波路の中心線、
および入射側の第２の単一モード導波路の中心線と出射
側の第１の単一モード導波路との中心線とを、それぞれ
１．５μｍずらせた場合には、上記交差部分５２の長さ
は、１７２μｍ（図２（ｂ））となる。

【００２１】さらに、それぞれの中心線を３μｍずらせ
た場合には、上記交差部分５２の長さは、０μｍ（図２
（ｃ））となる。

【００２２】上述の説明において、マスクのそれぞれの
中心線をずらせた場合、結果として変化する交差部分５
２の長さに注目した。これは、もっぱらマスクの製作精
度によるものである。つまり本発明では、第１の単一モ
ード導波路１５と第２の単一モード導波路１６の中心線
の交差角度が非常に小さいので、中心線のずれの誤差が
少しでも、その結果として得られる交差部分１２の長さ
の誤差は大きくなることが予想される。

【００２３】したがって、現実的には、上述の中心線の
ずれを制御するよりは、この交差部分１２の長さを制御
するほうが、誤差を小さくする上で重要である。つま
り、このことは、マスクの交差部分の長さを制御するこ
とを意味する。このため、以下の説明は、この交差部分
５２の長さを用いて行うことにする。

【００２４】なお、このマスクの交差部分５２の長さを
変化させるには、導波路の交差する角度を変化させるこ
とでも可能であるが、この交差する角度が数度以上に大
きくなると、この部分での損失が大きくなってしまい、
あまり角度を大きくすることは得策ではない。したがっ
て、数度以下の非常に小さな角度の範囲では、上記中心
線をずらす方法と導波路の交差する角度を変える方法で
は、実質上の差異のないことはいうまでもない。

【００２５】これらのマスクに対応した３種類のＸ型２
×２カプラ１１を作製する。導波路の作製方法として
は、ガラス基板を用いた二段自然イオン交換法を用い
る。

【００２６】まず、Ｎａ，Ｋイオンを少量含んだボロシ
リケート系ガラス基板３の表面に、スパッタ法や真空蒸
着により金属マスク層を形成し、周知のフォトリソグラ
フィー法によって所望の導波路形状を、密着露光法によ
りパターニングする。

【００２７】つぎに、ＴｌやＣｓ等のイオンを含む溶融
塩中にこの基板３を浸漬し、ガラス転移点Ｔｇから（Ｔ
ｇ−５０）℃の範囲の温度に昇温して、第一段目のイオ
ン交換を行う。

【００２８】つづいて、金属マスクを除去して、前記の
Ｔｌ等のイオンの代わりにカリウムイオンを含む溶融塩
にこの基板３を浸漬して、第二段目のイオン交換を行い
埋めこみ導波路を形成する。

【００２９】なお、この導波路作製方法については、菅
原らによって電子通信情報学会技術研究報告ＯＱＥ８７
−１１６に発表されており、また関により特開昭６３−
２０６７０９号に詳細に記述されている。

【００３０】この結果、その断面形状が１６×９μｍの
略楕円形である単一モード導波路１が形成され、この導
波路１を組み合わせたＸ型２×２カプラ１１が得られ
る。

【００３１】マスクの交差部分の長さが、それぞれ３４
４μｍ，１７２μｍ，０μｍと変化するのに応じて、す
なわち上述の中心線のずれがそれぞれ０μｍ，１．５μ
ｍ，３μｍの場合に、Ｘ型２×２カプラの交差部分１２
の長さは変化する。

【００３２】しかし、実際のこの部分１２の長さを正確
に測定することは困難であるが、それぞれ約１．８ｍ
ｍ，１．６６ｍｍ，１．５ｍｍ程度となっていた。

【００３３】図３において、１５は入射側の第１の単一
モード導波路，１５’はその中心線，１６は出射側の第
１の単一モード導波路，１７は入射側の第２の単一モー
ド導波路，１８は出射側の第２の単一モード導波路，１
８’はその中心線である。

【００３４】また、このＸ型２×２カプラ部１１の長さ
としては１５ｍｍで、文献２に記載されているＷＩＮＣ
２の長さ２０ｍｍより短いものが得られる。

【００３５】つぎに、作製された３種類のＸ型２×２カ
プラの、それぞれの分岐比を測定する。使用する波長
１．３から１．５５μｍの範囲に対して、３種類のＸ型
２×２カプラの分岐比は、マスクの交差部分の長さが、
それぞれ３４４μｍ，１７２μｍ，０μｍと変化するの
に応じて、１４．２±４．２％、４１．６±１．７％、
７５．６±３．４％と変化した。なおこの数値は、上記
の波長の範囲に対して、分岐比の平均値と最大値と最小
値の範囲を表している。

【００３６】この結果は、図６に示すようにＸ型２×２
カプラの分岐比が、±数％のばらつきの範囲内で、マス
クの交差部分の長さに対して線形の関係にあることを示
している。

【００３７】この関係を最小２乗法により求めると、次
のような関係になる。

【００３８】ｙ＝−０．１７８ｘ＋７４．４ ここで、ｙは分岐比、ｘはマスクの交差部分の長さであ
る。

【００３９】この関係式より、マスクの交差部分の長さ
が１μｍ変化しても、分岐比は約０．１８％しか変化し
ないことがわかった。

【００４０】

【作用】本発明により、導波路の結合部における分岐比
の制御に高精度な微細加工が不要になる。つまり、第１
の単一モード導波路と第２の単一モード導波路が交差し
ている部分の長さを変化させることによって、第１また
は第２の単一モード導波路よりこの交差部分へ入射する
光の、第１または第２の単一モード導波路へ出射する光
の分岐比を制御することができる。

【００４１】しかも、分岐比の制御は、前述したよう
に、Ｘ型２×２カプラの分岐比の、交差部分の長さの誤
差に対する変化率は、上述したＷＩＮＣの分岐比の光路
差のそれ（約５０から１５０％／μｍ）よりはるかに小
さく、約０．２％／μｍ程度である。

【００４２】したがって、密着露光法による微細加工で
得られる寸法精度で十分であり、歩留り良く２×Ｎ光分
岐デバイスを作製できる特徴を有している。

【００４３】

【実施例】

実施例１ 上記の実験結果より、上記の関係式を用いて、５０％の
分岐比を有するＸ型２×２カプラ部を設計製作する。分
岐比が５０％になるようなマスクの交差部分の長さを求
めてやると、１３７μｍとなる。

【００４４】そこで、１３７μｍのマスクの交差部分５
２の長さを有するＸ型２×２カプラパターンマスクを作
り、前記の実験と同様にしてイオン交換法によりＸ型２
×２カプラを試作し、その分岐比を測定した。

【００４５】その結果として、最も分岐比が５０％に近
いカプラとしては、波長１．３から１．５５μｍの範囲
の光に対して、５０．３±１．５％のものが得られるこ
とがわかった。

【００４６】また、Ｘ型２×２カプラを同様の方法で２
４個作製したもののうち、波長１．３から１．５５μｍ
の範囲に対する分岐比が、５０±５％の範囲に入るもの
は１９個あり、その歩留りは約８０％である。

【００４７】これに対して、方向性結合器であるＷＩＮ
Ｃを、同じく密着露光法を用いて作製すると、その歩留
りは約１０ないし２０％程度である。

【００４８】以上のような構成を持つＸ型２×２カプラ
では、プロジェクション露光法に比べて、寸法精度のよ
くない密着露光法を用いても、所望の分岐比を持つＸ型
２×２カプラを歩留り良く作製することができる。

【００４９】なお、以上の例では、交差する角度が１度
の場合について述べたが、この交差する角度が数度以上
に大きくなると、この部分での損失が大きくなってしま
う。好ましくは１度以下の角度がよい。

【００５０】また以上の例では、２×２^N 光分岐デバイ
スを前提にしており、Ｘ型２×２カプラ部での分岐比を
約５０％にしていた。しかし、目的とする導波路が２×
２^N光分岐デバイスではない場合には、上述した結果を
応用して所望の分割比に応じて、Ｘ型２×２カプラの交
差する部分の長さを変化させることによって、目的とす
る分割比が得られることはいうまでもない。

【００５１】実施例２ 上述の実施例１の結果に基づき、まずＸ型２×２カプラ
有する２×１６光分岐導波路を作製する。導波路１のマ
スク幅が３μｍで、マスクの交差部分５２の長さが１３
７μｍで、交差角度が１度のＸ型２×２カプラパターン
マスクを作製する。同じく、導波路のマスク幅が３μｍ
で、２つの１×８光分岐導波路パターンを組み合わせた
２×１６光分岐デバイス用パターンを有するマスクを作
製する。

【００５２】なお、ここで使用する１×８光分岐導波路
パターンとしては、ツリー状と呼ばれる周知のパターン
ではなく、より導波路の長さを短くできる放射型パター
ンを使用している。放射型パターンでは、すべての光分
岐部を直線導波路で結び、最後にＳ字導波路により所望
の出射導波路間隔になるように展開している。

【００５３】この光分岐導波路パターンについての詳細
は、小林らによって１９９１年電子情報通信学会秋季大
会のＣ−１８８で発表されている。

【００５４】つぎに、このようにして準備したマスクを
用いて２×１６光分岐デバイスを、１枚のガラス基板３
上にイオン交換法により作製する。導波路作製条件は、
上述の実験の場合と同様である。その構造を図１に示
す。ここで、１は単一モード導波路、１１はＸ型２×２
カプラ部、１２はＸ型２×２カプラ部の交差部分、１３
はＹ分岐導波路、１４は光分岐導波路部分、３はガラス
基板である。

【００５５】なお、以上の説明では、１枚のガラス基板
に、Ｘ型２×２カプラ部と２つの１×８光分岐導波路を
作製したが、これらを別々の基板にて作製して接続して
もよい。

【００５６】さらに、上記の導波路を使い２×１６光分
岐デバイスを製作する。上記の導波路に、入射側には２
本の単一モード光ファイバ（記載せず）を、出射側には
１６本の単一モード光ファイバ（記載せず）を、それぞ
れ２５０μｍ間隔で整列させたファイバアレイ（記載せ
ず）にて接続する。なお、このファイバアレイは、この
ガラス基板３と一体に作製してもよいし、別の基板にて
作製して接続してもよい。

【００５７】このファイバアレイを基板３と一体で作製
する場合には、上記ガラス基板の上記導波路を形成した
面側に、それぞれ２５０μｍ間隔でＶ溝を形成し、さら
に、単一モードファイバを並べて、紫外線硬化樹脂によ
り接着固定し、ガラス基板等でその表面をカバーすれば
よい。

【００５８】このファイバアレイを基板３とは別の基板
で作製する場合には、それぞれ２５０μｍ間隔でＶ溝を
形成した基板に単一モードファイバを並べて、この基板
を基板３とつき合わせて、導波路の過剰損失が最も小さ
くなるようにアライメントしたのち、紫外線硬化樹脂に
より接着固定し、ガラス基板等でその表面をカバーすれ
ばよい。

【００５９】このようにして組み立てたものを、ポリマ
ー製のケースに収めて２×１６光分岐デバイスを製作す
る。その結果、１．３から１．５５μｍの波長範囲の光
に対して、挿入損失が１３．５±０．５ｄＢの２×１６
光分岐デバイスが得られる。

【００６０】

【発明の効果】本発明により、２×Ｎ光分岐デバイスの
Ｘ型２×２カプラ部が小型になる。つまり、光分岐導波
路のＸ型２×２カプラ部においては、第１の単一モード
導波路と第２の単一モード導波路の結合部が一つしかな
いため、この部分の長さを短くすることができる。

【００６１】また、広い波長範囲で所望の分岐比を有す
るＸ型２×２カプラを有する２×Ｎ光分岐デバイスが、
小型でかつ歩留りよく作製できるようになり、分岐比の
ばらつきが少ない２×Ｎ光分岐デバイスを容易に得られ
るようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による２×１６光分岐デバイスの構造を
示す図。

【図２】Ｘ型２×２カプラ用のマスクパターンの模式
図。

【図３】Ｘ型２×２カプラの模式図。

【図４】従来の２×１６光分岐デバイスの構造を示す
図。

【図５】従来例であるＷＩＮＣの模式図。

【図６】Ｘ型２×２カプラにおける分岐比とマスク交差
部長さの関係を示す図。

【符号の説明】

１ 単一モード導波路 １１ Ｘ型２×２カプラ部 １２ Ｘ型２×２カプラ部の交差部分 １３ Ｙ分岐導波路 １４ 光分岐導波路部分 １５ Ｘ型２×２カプラ部の入射側の第１単一モード
導波路 １５’ 入射側の第１単一モード導波路の中心線 １６ Ｘ型２×２カプラ部の出射側の第１単一モード
導波路 １７ Ｘ型２×２カプラ部の入射側の第２単一モード
導波路 １８ Ｘ型２×２カプラ部の出射側の第２単一モード
導波路 １８’ 出射側の第２単一モード導波路の中心線 ２ ＷＩＮＣの２×２カプラ部 ２１ ＷＩＮＣの第１の単一モード導波路 ２２ ＷＩＮＣの第２の単一モード導波路 ２３ ＷＩＮＣの第１導波路結合部 ２４ ＷＩＮＣの第２導波路結合部 ３ ガラス基板 ５ マスク ５１ マスク開口部 ５２ マスクの交差部分

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｘ型２×２カプラ（１１）において、２
   つの導波路の交差部分（１２）について互いに対向する
   関係にある２組の入射側および出射側単一モード導波路
   のそれぞれの中心線をずらすことによって、第１または
   第２の単一モード導波路より２つの導波路が交差してい
   る部分（１２）へ入射する光の、第１および第２の単一
   モード導波路への出射する光の割合を制御することを特
   徴とするＸ型２×２カプラ。
2. 【請求項２】 請求項１のＸ型２×２カプラ（１１）の
   ２つの出射導波路のそれぞれに、ひとつまたは複数のＹ
   分岐導波路（１３）よりなる光分岐導波路（１４）を接
   続させることを特徴とする光分岐デバイス。