JPH07306323A - 導波路型光合分波器 - Google Patents

導波路型光合分波器

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JPH07306323A
JPH07306323A JP6175418A JP17541894A JPH07306323A JP H07306323 A JPH07306323 A JP H07306323A JP 6175418 A JP6175418 A JP 6175418A JP 17541894 A JP17541894 A JP 17541894A JP H07306323 A JPH07306323 A JP H07306323A
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light
demultiplexer
optical multiplexer
port
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英明 荒井
Naoto Uetsuka
尚登 上塚
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Abstract

(57)【要約】 【目的】帯域を広くかつ自由にとることのできる導波路
型光合分波器を提供する。 【構成】２つの方向性結合器５，６のそれぞれが、波長
λ2 における光の強度の結合率が５０％でありかつ波長
λ3 における光の強度の結合率が０％又は１００％であ
るように構成され、波長λ1 及び波長λ3 を含む帯域の
光と波長λ2 を含む帯域の光とが合分波される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、マッハツェンダ干渉計
の原理を応用し、２つの帯域の光を合分波する導波路型
光合分波器に係り、特に、帯域を広くかつ自由にとるこ
とのできる導波路型光合分波器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】マッハツェンダ干渉計の原理を応用した
導波路型マッハツェンダ干渉計形光合分波器（以下、光
合分波器という）は、従来、図４のように構成されてい
る。即ち、この光合分波器は、光の強度の結合率がｋ
（λ）である２つの方向性結合器１６，１７と、導波路
長がＬ及びＬ＋ΔＬである２つの単一モード導波路１
８，１９からなる位相差付与部とで構成されている。導
波路１４の一端であるポート0 ２０から波長波長λ1 の
光及び波長λ2 の光を入射させると、導波路１４の他端
であるポート1 ２１から波長λ1 の光が取り出され、導
波路１３の他端であるポート2 ２２から波長λ2 の光が
取り出されるようになっている。
【０００３】波長λ1 の光及び波長λ2 の光の合分波に
必要な位相差付与部の条件は、導波路の等価屈折率ｎ
（λ）を考慮した光路長差ｎ（λ）ΔＬが、任意の整数
をＮとしたとき、 ｎ（λ）ΔＬ＝（Ｎ±１／２）λ1 ＝Ｎλ2 （１） の関係で与えられることである。式（１）から判るよう
に、波長λ1 、λ2 は任意に得られるのではなく、 ｛λ1 ／ｎ（λ1 ）｝／｜λ1 ／ｎ（λ1 ）−λ2 ／ｎ（λ2 ）｜ ＝２Ｎ （２） を満たす波長の組み合わせのみに制約される。なお、式
（２）では導波路の等価屈折率ｎ（λ）の波長依存性を
考慮した。
【０００４】式（２）は、 ΔＬ＝（Ｎ±１／２）λ1 ／ｎ（λ1 ） ＝Ｎλ2 ／ｎ（λ2 ） （３） と書き換えられ、各ポートでの通過波長と阻止波長は、
式（３）のΔＬを定めることにより高精度に設定でき
る。
【０００５】この光合分波器において、ポート0 からポ
ート1 への透過率をＴ0-1 、ポート0 からポート2 への
透過率をＴ0-2 とすると、各透過率は、
【０００６】
【数１】
【０００７】で与えられる。ここで導波路がｅｘｐ（−
αΔＬ）がほぼ１であるという条件を満たすとき、式
（１）から式（５）より、各波長λ1 、λ2 毎に対する
ポート1及びポート2 の透過率は、 Ｔ0-1 （λ1 ）＝ｅｘｐ（−２αΔＬ） （７） Ｔ0-1 （λ2 ）＝｛１−２ｋ（λ2 ）｝2 ｅｘｐ（−２αΔＬ） （８） Ｔ0-2 （λ2 ）＝４ｋ（λ2 ）｛１−ｋ（λ2 ）｝（−２αΔＬ） （９） Ｔ0-2 （λ1 ）＝０ （１０） の関係で与えられる。式（７）から式（１０）のｋ
（λ）に注目すると、ポート2 から取り出される光であ
る波長λ2 の光の強度の結合率ｋ（λ2 ）を５０％に設
定することにより、低損失でクロストークが０の光合分
波器を構成できることが判る。
【０００８】この設計方法により波長λ1 ＝１．３３７
μｍ、波長λ2 ＝１．５６μｍとして設計した光合分波
器の特性を図５に示す。図５（ａ）は、ポート0 ２０か
ら光を入射したときのポート1 ２１の損失波長特性を示
し、図５（ｂ）は、ポート0２０から光を入射したとき
のポート2 ２２の損失波長特性を示す。ポート1 ２１で
損失０．１ｄＢ以下となる通過波長帯域Ｐは波長１．３
１５μｍ〜波長１．３５８μｍであり、その帯域幅は
０．０４３μｍと狭くなっている。また、ポート2 ２２
で損失２０ｄＢ以上となる阻止波長帯域Ｃは波長１．３
２２μｍ〜波長１．３５０μｍであり、その帯域幅は
０．０２８μｍと狭くなっている。両者で規定される帯
域を波長λ1 を含む帯域に使用することにより低損失か
つ高アイソレーションを実現できる。ポート1 、ポート
2 での通過波長帯域と阻止波長帯域とが相補的となって
いるので、波長λ1 を含む帯域の光と波長λ2 を含む帯
域の光とが低損失かつ低クロストークで合分波される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】上記従来の技術では、
波長λ1 、λ2 は任意に得られるのではなく、式（２）
を満たす波長の組み合わせのみに制約される。このた
め、波長を自由に選ぶことができない。また、通過波長
帯域及び阻止波長帯域が狭いため、光源波長のばらつき
等による波長ずれに対する許容範囲が狭いという問題も
ある。
【００１０】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、帯域を広くかつ自由にとることのできる導波路型光
合分波器を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、波長λ1 に等価屈折率の逆数をかけた値の
整数倍より１／２倍異なりかつ波長λ2 に等価屈折率の
逆数をかけた値の整数倍に一致する光路長差を有する位
相差付与部の両側に、少なくとも波長λ2 における光の
強度の結合率が５０％であるように構成された方向性結
合器がそれぞれ設けられ、波長λ1 を含む帯域の光と波
長λ2 を含む帯域の光とが合分波される導波路型光合分
波器において、上記２つの方向性結合器のそれぞれが、
波長λ2における光の強度の結合率が５０％でありかつ
波長λ3 における光の強度の結合率が０％又は１００％
であるように構成され、波長λ1 及び波長λ3 を含む帯
域の光と波長λ2 を含む帯域の光とが合分波されるもの
である。
【００１２】基板上に２つの導波路を設け、この導波路
を２か所で互いに所定の間隔に近接させかつ所定の長さ
平行させて上記方向性結合器を形成し、その２か所間で
少なくとも一方を迂回させて上記位相差付与部を形成し
てもよい。
【００１３】波長λ1 が１．２５μｍ、λ2 が１．５６
１．２５μｍ、波長λ3 が１．３２５μｍ、上記導波路
のコアの屈折率が１．４６２〜１．４６３、クラッドの
屈折率が１．４５７〜１．４５９、コアの高さが７〜９
μｍ、コアの幅が７〜９μｍ、上記導波路の近接する間
隔が３〜４μｍ、上記導波路の平行する長さが１．８〜
２．８ｍｍ、上記光路長差が１．８〜２．８μｍであっ
てもよい。
【００１４】
【作用】従来は、方向性結合器は、少なくとも波長λ2
における光の強度の結合率が５０％であるように構成さ
れ、既に説明したように、マッハツェンダ干渉計の原理
による光合分波作用を利用して、波長λ1 を含む帯域の
光と波長λ2 を含む帯域の光とが合分波された。
【００１５】本発明の構成により、方向性結合器は、波
長λ2 における光の強度の結合率が５０％でありかつ波
長λ3 における光の強度の結合率が０％又は１００％で
ある。従来例に倣って光合分波器のポートをポート0 、
ポート1 、ポート2 とすると、ポート0 から入射された
波長λ3 の光は、２つの方向性結合器間で位相差付与部
のいずれか一方の光路を経由してポート1 のみから取り
出される。即ち、ポート1 においては波長λ3 を含む通
過波長帯域が形成され、ポート2 においては波長λ3 を
含む阻止波長帯域が形成される。
【００１６】波長λ1 の光と波長λ2 の光とに関しては
従来の特性が維持されるから、ポート0 からポート1 へ
の通過波長帯域及び阻止波長帯域が波長λ3 を含むよう
に、広がったことになる。
【００１７】これにより、波長λ1 及び波長λ3 を含む
広い帯域から波長を自由に選ぶことができるようにな
る。同時に、波長ずれに対する許容範囲が広くなる。
【００１８】方向性結合器は、２つの導波路を互いに所
定の間隔に近接させかつ所定の長さ平行させて構成でき
る。導波路の近接する間隔と導波路の平行する長さとに
より、方向性結合器による光合分波作用を利用して、波
長λ2 における光の強度の結合率が５０％でありかつ波
長λ3 における光の強度の結合率が０％又は１００％と
することができる。
【００１９】
【実施例】以下本発明の一実施例を添付図面に基づいて
詳述する。
【００２０】図１は、本発明に係る導波路型マッハツェ
ンダ干渉計形光合分波器（以下、光合分波器という）の
平面図及び断面図である。図示されるように、光合分波
器は基板１上に形成された２つの導波路（コア）２，３
から構成される。導波路２，３は、コア２ａ，３ａをク
ラッド４で覆ったものであり、それぞれの導波路２，３
を、例えば曲げ半径３０ｍｍで曲げたり直線にしたりす
ることにより、互いに平行に近接させ、或いは迂回させ
て、方向性結合器５，６及び位相差付与部９が形成され
ている。導波路２，３を平行に近接させた部分は２か所
あり、それぞれが方向性結合器５，６を形成している。
また、その２か所間はそれぞれの導波路２，３がそれぞ
れ単一モード導波路であって、異なるパターンで迂回し
ているために導波路長が異なり位相差付与部９となって
いる。即ち、光合分波器は、機能によって区別すると、
方向性結合器５、長さの異なるアーム７とアーム８とに
よる位相差付与部９、及び方向性結合器６の３つの部分
に区別できる。方向性結合器５の側の導波路３の端部が
ポート0 １０であり、方向性結合器６の側の導波路３の
端部がポート1 １１であり、方向性結合器６の側の導波
路２の端部がポート2 １２である。
【００２１】２つの方向性結合器５，６は同等のもので
あり、波長λ2 における光の強度の結合率が５０％であ
りかつ波長λ3 における光の強度の結合率が１００％で
あるように、導波路２，３を平行に近接させた部分の長
さＬＣと間隔Ｇａｐとが定められている。また、位相差
付与部９にあっては、波長λ1 の光に半波長の位相差を
与え、波長λ2 の光に位相差を与えないようにアーム７
とアーム８との光路長差ΔＬが定められている。
【００２２】ここでは、λ1 ＝１．２５μｍ、λ2 ＝
１．５６μｍ、λ3 ＝１．３２５μｍであり、これに基
づき、光合分波器の各部は、基板に対するコア２ａ，３
ａの屈折率＝１．４５８、コア２ａ，３ａに対するクラ
ッド４の屈折率＝１．４６２４、コア２ａ，３ａの高さ
＝８μｍ、コア２ａ，３ａの幅＝８μｍ、ＬＣ＝２．３
３７ｍｍ、Ｇａｐ＝３．５４μｍ、ΔＬ＝２．１５８μ
ｍとなっている。
【００２３】次に実施例の作用を述べる。
【００２４】従来の方向性結合器は、波長λ2 ＝１．５
６μｍにおける光の強度の結合率が５０％であるように
構成され、既に説明したように、マッハツェンダ干渉計
の原理による光合分波作用を利用して、波長λ1 ＝１．
３３７μｍを含む帯域の光と波長λ2 を含む帯域の光と
が合分波された。
【００２５】本発明の実施例の方向性結合器は、波長λ
2 ＝１．５６μｍにおける光の強度の結合率が５０％で
ありかつ波長λ3 ＝１．３２５μｍにおける光の強度の
結合率が１００％である。ポート0 １０から入射された
波長λ3 の光は、２つの方向性結合器５，６間で位相差
付与部９のいずれか一方の光路を経由してポート1 １１
のみから取り出される。即ち、ポート1 １１においては
波長λ3 を含む通過波長帯域が形成され、ポート2 １２
においては波長λ3 を含む阻止波長帯域が形成される。
【００２６】波長λ1 の光と波長λ2 の光とに関しては
従来の特性が維持される。ただし、実施例の波長λ1 は
従来の波長λ1 より短波長が選択されている。一方、波
長λ3 は従来の波長λ1 より長波長となっている。これ
により、ポート0 からポート1 への通過波長帯域及び阻
止波長帯域が実施例の波長λ1 及び波長λ3 を含むよう
に、従来の帯域の両側に広がったことになる。
【００２７】本発明に係る光合分波器の特性を図２に示
す。図２（ａ）は、ポート0 １０から光を入射したとき
のポート1 １１における損失波長特性を示し、図２
（ｂ）は、ポート0 １０から光を入射したときのポート
2 １２における損失波長特性を示す。ポート1 １１で損
失０．１ｄＢ以下となる通過波長帯域Ｐは波長１．２１
６μｍ〜波長１．３６３μｍであり、その帯域幅は０．
１４７μｍである。また、ポート2 １２で損失２０ｄＢ
以上となる阻止波長帯域Ｃは波長１．２２５μｍ〜波長
１．３５２μｍであり、その帯域幅は０．１２７μｍで
ある。従来例である図５と比較すると、通過波長帯域Ｐ
及び阻止波長帯域Ｃが大幅に広いことが判る。
【００２８】このように、本発明にあっては、一方のポ
ートの通過波長帯域Ｐと他方のポートの阻止波長帯域Ｃ
とを共に大幅に広くすることができるので、例えば、光
通信によく使用される波長１．３μｍ帯域の光信号と波
長１．５μｍ帯域の光信号とを合分波する光合分波器に
応用すれば、波長１．３μｍ帯域の通過波長帯域Ｐ及び
阻止波長帯域Ｃを広げることにより、波長１．３μｍの
レーザの発振波長のばらつきを許容できる光合分波器が
実現される。また、従来の技術では、波長の選択に制約
があったが、本発明では、広い帯域から波長を自由に選
ぶことができるようになる。
【００２９】次に他の実施例を説明する。
【００３０】上記実施例では、方向性結合器の波長λ3
における光の強度の結合率が１００％であるように構成
したが、これを０％にしてもよい。この場合、λ1 ＝
１．２５μｍ、λ2 ＝１．５６μｍ、λ3 ＝１．３２５
μｍに基づき、光合分波器の各部は、基板に対するコア
の屈折率＝１．４５８、コアに対するクラッドの屈折率
＝１．４６２４、コアの高さ＝８μｍ、コアの幅＝８μ
ｍ、ＬＣ＝１．８７８ｍｍ、Ｇａｐ＝１．４９μｍ、Δ
Ｌ＝２．１５８μｍとなり、上記実施例に対しＬＣ及び
Ｇａｐが異なっている。この構成にあっても図２とほぼ
同様の特性が得られる。
【００３１】なお、λ1 ＝１．２５μｍ、λ2 ＝１．５
６μｍ、λ3 ＝１．３２５μｍとしたときの光合分波器
の各部を定める好適な範囲は、導波路のコアの屈折率が
１．４６２〜１．４６３、クラッドの屈折率が１．４５
７〜１．４５９、コアの高さが７〜９μｍ、コアの幅が
７〜９μｍ、導波路の近接する間隔Ｇａｐが３〜４μ
ｍ、導波路の平行する長さＬＣが１．８〜２．８ｍｍ、
光路長差ΔＬが１．８〜２．８μｍである。また、導波
路は、導波路の間隔が３〜４μｍとなるところで平行に
なるように曲げ半径２０〜５０ｍｍで曲げながら近付
け、平行となったところで直線とし、その直線の終端で
対称的に曲げながら遠ざけるようにして構成される。
【００３２】図３（ａ）〜図３（ｄ）は、いずれも本発
明に係る光合分波器を示しており、図３（ａ）のものは
導波路２５，２６の形状が上記実施例と同じであるが、
他はそれぞれ導波路の形状が図３（ａ）のものと相違し
ている。図３（ｂ）の場合、一方の導波路２６はほぼ一
直線であり、これに対し他方の導波路２５が曲げられ
て、１か所で近接かつ平行して方向性結合器２３を形成
し、そこから遠ざかるように迂回して位相差付与部２７
を形成し、さらにもう１か所で近接かつ平行して方向性
結合器２４を形成している。また、図３（ｃ）の場合、
導波路２６が方向性結合器２３から１つのポートまでほ
ぼ一直線であり、図３（ｄ）の場合、さらに導波路２５
が方向性結合器２４から他のポートまでほぼ一直線であ
る。このように、２つの方向性結合器と位相差付与部と
を有するものであれば、導波路の形状はどのようにでも
構成しうる。
【００３３】なお、本発明の光合分波器の材料には、基
板１としてＳｉＯ2 、コアとしてＳｉＯ2 −ＴｉＯ2 、
クラッドとしてＳｉＯ2 −Ｂ2 Ｏ5 −Ｐ2 Ｏ3 がそれぞ
れ用いられているが、石英系ガラスをはじめとした誘電
体材料、半導体材料、有機材料を用いることができる。
また、加工には半導体集積回路の製造技術として公知で
ある加工技術（フォトリソグラフィ、反応性イオンエッ
チング等）を用いることができる。
【００３４】
【発明の効果】本発明は次の如き優れた効果を発揮す
る。
【００３５】（１）波長のずれを許容できる光合分波器
が実現される。
【００３６】（２）広い帯域から波長を自由に選ぶこと
ができる
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す光合分波器の、（ａ）
平面図及び（ｂ）ａ−ａ´における断面図である。
【図２】本発明の光合分波器の損失波長特性のグラフで
ある。
【図３】本発明の光合分波器の導波路形状を示す平面図
である。
【図４】従来の光合分波器を示す平面図である。
【図５】従来の光合分波器の損失波長特性のグラフであ
る。
【符号の説明】
２、３ 導波路 ５、６ 方向性結合器 ９ 位相差付与部

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】波長λ1 に等価屈折率の逆数をかけた値の
    整数倍より１／２倍異なりかつ波長λ2 に等価屈折率の
    逆数をかけた値の整数倍に一致する光路長差を有する位
    相差付与部の両側に、少なくとも波長λ2 における光の
    強度の結合率が５０％であるように構成された方向性結
    合器がそれぞれ設けられ、波長λ1 を含む帯域の光と波
    長λ2 を含む帯域の光とが合分波される導波路型光合分
    波器において、上記２つの方向性結合器のそれぞれが、
    波長λ2 における光の強度の結合率が５０％でありかつ
    波長λ3 における光の強度の結合率が０％又は１００％
    であるように構成され、波長λ1 及び波長λ3 を含む帯
    域の光と波長λ2 を含む帯域の光とが合分波されること
    を特徴とする導波路型光合分波器。
  2. 【請求項２】基板上に２つの導波路を設け、この導波路
    を２か所で互いに所定の間隔に近接させかつ所定の長さ
    平行させて上記方向性結合器を形成し、その２か所間で
    少なくとも一方を迂回させて上記位相差付与部を形成し
    たことを特徴とする請求項１記載の導波路型光合分波
    器。
  3. 【請求項３】波長λ1 が１．２５μｍ、λ2 が１．５６
    １．２５μｍ、波長λ3 が１．３２５μｍ、上記導波路
    のコアの屈折率が１．４６２〜１．４６３、クラッドの
    屈折率が１．４５７〜１．４５９、コアの高さが７〜９
    μｍ、コアの幅が７〜９μｍ、上記導波路の近接する間
    隔が３〜４μｍ、上記導波路の平行する長さが１．８〜
    ２．８ｍｍ、上記光路長差が１．８〜２．８μｍである
    ことを特徴とする請求項２記載の導波路型光合分波器。
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