JPH0875948A

JPH0875948A - 光合分波器

Info

Publication number: JPH0875948A
Application number: JP6209530A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Ogusu; 正大小楠; Shigeru Oshima; 茂大島
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-09-02
Filing date: 1994-09-02
Publication date: 1996-03-22

Abstract

(57)【要約】【目的】収差の少ない温度特性に優れた光学系を備え
させることによって、高分解能かつ高安定な光合分波器
を提供する。【構成】レンズ、回折格子、光ファイバアレイ、ある
いは光導波路アレイ素子からなる光合分波器において、
光線とアレイ素子との光結合時に問題となる、レンズ収
差による結合損失を低減するため、レンズ材料に屈折率
が大なるシリコンを用いたことを特徴とする光合分波
器。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、情報データを光波長多
重して伝送する通信システムにおける光合分波器に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】光波長多重伝送方式は、将来の長距離・
大容量光通信システムを支える光伝送技術の１つとして
有望である。波長多重伝送を行う上で、光源の発振波長
の安定化と高安定の光合分波器の実現が重要である。ま
た、波長多重信号の多チャンネル化とチャンネルあたり
の伝送容量の大容量化が将来的に望まれる。一方、伝送
の長距離化のために、ファイバでの光損失を補う目的で
光増幅器が一定間隔で多段接続されるが、該増幅器の実
用帯域は接続数が増加するにつれて狭化する。従って、
大容量光伝送を行う上では、波長多重の高密度化が要請
されることになり、高密度波長多重信号に適した高分解
能の光合分波器が必要となる。図１に示した本発明の光
合分波器の外観図を用いながら従来技術を説明する。波
長多重信号を波長毎に分波する場合を説明する。波長多
重信号６が入力ポート９ａを出射してレンズ２により平
行化された後回折格子１に入射して回折する。回折格子
の作用により、回折光の回折角は波長に応じた角度とな
るため、再度レンズ２を透過した後、波長λ１〜λｎが
応じて出力ポート５ｂ−１〜ｎの開口にそれぞれ結合す
る。光を合波させる場合には、図１の入力ポートと出力
ポートをそれぞれ出力、入力ポートとして用いる。この
構成の合分波器の分解能は、レンズの焦点距離と回折格
子の分解能（具体的には回折格子の波長−角度分散量）
できめられる。波長多重の高密度化には、或程度の焦点
距離は確保しなくてはならない。例えば、波長間隔１
（ｎｍ）以下の波長多重伝送向けの合分波器を実現する
ためには、入力ポート間隔を１５（μｍ）とし、回折格
子の典型的な波長角度分散量値１．４８×１０^-6（ｍ／
ｒａｄ）（波長１．５５（μｍ）の光信号に対し、格子
間隔１／６００（ｍｍ），ブレーズ角２７．７（ｄｅ
ｇ）のブレーズド回折格子を用いた場合）を用いると、
レンズの焦点距離は２２．２（ｍｍ）以上が必要とな
る。この様に、レンズの焦点距離が長い場合にはレンズ
の収差の影響で光信号の欠落が問題となる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】以上述べてきた通り、
焦点距離の長いレンズを用いた場合には、レンズによる
収差が問題となる。通常、設計および製作が容易なのは
球面レンズである。光入出力ポートの放射角度（ファイ
バ乃至導波路から放射された光のパワー密度が、光軸付
近の最大パワー密度のｅ^-2倍になるような点と、ファイ
バあるいは導波路の開口の中心点を結ぶ直線が、光軸と
なす角度）を０．１ｒａｄとしたとき、焦点距離２５
（ｍｍ）のレンズを用いれば、平行化された後にはビー
ム径は直経５０ｍｍ程度となる。このような大口径のビ
ームを通常の光学ガラスによるレンズを用いて結合を試
みた場合には、収差のため光信号の一部が削られる。即
ち、ファイバとの結合時に損失となってあらわれる。従
って、球面レンズを用いた場合には、この光損失を見込
んでシステムを設計しなくてはならないという問題点が
あった。また、収差が大きい場合には、結合面上におい
て集束したスポットが隣接した導波路開口部にまで広が
るため、チャンネル間でのクロストーク量を増大させて
しまう。加えて、アレイ素子として光導波路を用い、該
導波路の屈折率の分布が上下左右対称でない場合には、
伝搬する光波の偏波状態によって、界分布が変化する。
よって、レンズの収差が少なくない場合には、光波の偏
波状態によって、結合損失が変化する場合も考えられ
る。一方、形状を非球面とし、球面収差を低減したレン
ズを用いる方法が考えられるが、該非球面レンズにおい
ては、以下の２点が問題である。（１）非球面レンズの製造は、低融点ガラスを型に流し
込んで成形する方法が主である。低融点ガラスは、一般
に熱膨脹係数が大きいため、これを材料としたレンズを
用いた光合分波器は温度特性が悪い。（２）石英などの熱膨脹係数が小なる材質で非球面レン
ズを製作することは不可能ではないが、有効な製造手段
が確立されていないため、極めて高コストとなる。

【０００４】また、屈折率の異なるガラス材料によるレ
ンズを２枚以上組み合わせ、収差が少なくなる様な設計
が可能であるが、ガラス材料の熱膨脹率がそれぞれ異な
るため、安定な温度特性を望めない。また、レンズとレ
ンズを張り合わせている接着剤の膨脹・収縮、あるい
は、レンズの張り合わせの状態を支えるレンズホルダな
どの部材の熱膨脹によっても、焦点距離、スポット径が
変化するという問題がある。

【０００５】一方、該光合分波器を用い、光増幅器を中
継器として用いた波長多重伝送システムを構築するうえ
で、その安定な送受信特性を確保するためには、光ファ
イバアレイや光導波路アレイの端面で起きる光の反射を
抑圧する必要がある。また、図１に示した構成のよう
に、波長多重光用の入出力ポートを端の導波路に選定し
た場合には、その他のポートの内、中央のポートの光信
号に伝送路中で発生・増幅される４光波混合光による雑
音が最も多く混合され、他チャンネルの信号光に比較し
てＳ／Ｎ比、あるいは受信感度が劣化してしまう。

【０００６】本発明は、上記問題点を鑑みてなされたも
ので、製造方法が容易で、収差の少ない温度特性に優れ
たレンズを用いて、結合損失が少なく高安定、また、反
射戻り光が少ない高密度波長多重光通信向けの光合分波
器を提供する。さらに、４波混合光が少ない波長多重伝
送系も提供する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明においては、光ファイバまたは光導波路アレ
イから出力された光をレンズに透過させ、この透過させ
た光を空間伝搬させて回折格子で回折させ、この回折さ
せた光を空間伝搬させて再びレンズに透過させ、光ファ
イバまたは光導波路アレイに入力させる光多重光の伝送
に用いられる光合分波器において、レンズは、シリコン
からなることを特徴とするものである。

【０００８】また、光ファイバまたは光導波路アレイか
ら出力された光をレンズに透過させ、この透過させた光
を空間伝搬させて回折格子で回折させ、この回折させた
光を空間伝搬させて再びレンズに透過させ、光ファイバ
または光導波路アレイに入力させる光多重光の伝送に用
いられる光合分波器において、光ファイバまたは光導波
路アレイは、少なくとも一つの端面が斜め研磨されてな
ることを特徴とするものである。

【０００９】

【作用】レンズをシリコンで構成させることによって熱
膨脹係数が小さいので高安定で、分解能が高くすること
ができるので収差による光結合損失と偏波変動に伴う結
合損失変動量を低減でき、良好な温度特性をもつ光合分
波器を実現できる。

【００１０】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の一実施例を説
明する。まず、本発明を実現する上で問題視している収
差について述べる。入出力ポートである導波路アレイの
間隔が狭く、導波路の数が１０〜２０程度である光合分
波器では、ほとんどの光が子午面光線として扱えるの
で、球面レンズによる収差の内、最も影響の大きいもの
は球面収差である。例えば、凹凸レンズに平行光を入射
したとき、焦点面上での球面収差による光軸からの結合
点のずれは、次の式で与えられる（図２参照）。

【００１１】

【数１】Ｔ（ｗ）＝ｗ−｛（Ｒ² −ｗ² ）^0.5 −Ｒ＋
ｄ｝・ｔａｎ（α−β）−Ｌ・ｔａｎγ （１）ただし、ｗはレンズに入射する平行光のレンズ光軸から
の距離、Ｒはレンズの曲率半径、Ｌはレンズからアレー
結合面までの距離、α、β、γは次式で与えられる角度
である。

【００１２】

【数２】α＝ｓｉｎ^-1（ｗ／Ｒ）（２）

【００１３】

【数３】β＝ｓｉｎ^-1（ｎ^-1・ｗ／Ｒ）（３）

【００１４】

【数４】 γ＝ｓｉｎ^-1（ｎ・ｓｉｎ［α−β］）（４）以上の計算式から収差量を見積もる。焦点距離ｆと距離
Ｌを同一の２５ｍｍに固定し、各ｎの値毎に収差量Ｙを
求めた結果を図３に示す。ただし、平行光の強度分布は
光軸を中心に

【００１５】

【数５】Ｉ（ｘ）＝Ｉ_O ・ｅｘｐ（−ｘ² ／ｗ² ）（５）（ｘは光軸からの距離、Ｉ_o は光軸上での光強度密度）で与えられるものと仮定し、光強度密度が光軸上の光線
の強度密度Ｉ_o の半分となるような光線に対して収差量
を計算した。また、計算において、Ｒとｆの関係は近軸
光線近似の式

【００１６】

【数６】ｆ＝Ｒ／（ｎ−１）（６）を用いた。図３の結果から、ｎの値が２．５以上では収
差量は少なくなることが予測される。（光ファイバなど
への結合を考える場合には、Ｌの値を焦点距離ｆの値か
ら僅かにずらして最適結合点を求める。）従って、平凸
レンズにおいて球面収差を低減するには、（特に焦点距
離が長い場合には、）屈折率が大なる材料を用いる必要
がある。

【００１７】ところで、光通信に用いる波長帯（１．５
５μｍ）でほぼ透明で屈折率が大なる材料として、高純
度のシリコン（１．５μｍ帯に対し、屈折率は３．４
８）があげられる。シリコンの熱膨脹係数は３．２×１
０^-6であり、一般の光学ガラス（ＢＫ７など）に比較し
て３分の１程度であり、温度特性の点で有利である。と
ころで、屈折率の異なる媒質に光を入射させるとその境
界面上でフレネル反射が起きるが、それらの屈折率差が
大きいほど強い反射が起きる。真空中（空気中）に置か
れたシリコンの場合には、３１％の反射が起きるため、
反射防止膜を付加する必要がある。参考文献（「分光学
的性質を主とした基礎物性図表」工藤恵栄著、共立出
版）によれば、単層の反射防止膜の場合には、ＳｉＯ、
多層の反射防止膜の場合には、ＣｅＯ₂ とＭｇＦ₂ の組
み合わせが考えられる。また、シリコンは表面がＳｉＯ
₂ となるが化学的には高安定であり、高純度のものでも
安価である。一方、屈折率が２．５以上の媒質として
は、Ｂｉ₁₂ＳｉＯ₂₀やＺｎＳｅなどの電気光学結晶があ
るが、熱的化学的安定性に欠ける場合があり、なおかつ
大きい光学異方性などの振る舞いを示すため、扱いが容
易でない。また、屈折率がほぼ２．０である光学ガラス
として、硝種ＴａＦＤ（ＬａＳＦ、ＤｅｎｓｅＴａｎ
ｔａｌｕｍＦｌｉｎｔの略称）の４３番などの材料が
あるが、熱膨脹率がＢＫ７とほぼ同じであるため、安定
な温度特性が得られなくなる。

【００１８】光学ガラス（ＢＫ７）製の平凸レンズとシ
リコン製の平凸レンズの球面収差を光線追跡により計算
した結果をそれぞれ図４、図５に示す。光学ガラス製レ
ンズでは収差が大きく結合損失が深刻であるが、シリコ
ン製レンズでは直経５ｍｍの平行光線（強度分布密度は
（５）式を仮定）に対し、焦点面近傍で光ファイバのコ
ア径１０μｍ内に取り込み可能であり、放射角度０．１
ｒａｄのファイバを用いた場合には、焦点距離２５ｍｍ
のレンズが利用できる。光入出力ポート（光ファイバ、
あるいは導波路）を用いて光合分波器を構成した場合、
球面収差による結合損失を起こさせないためには、少な
くとも収差量が入出力ポートの口径以下であることが必
要である。かくのごとき状態を達成させうるには、放射
角度０．１ｒａｄ，コア径１０μｍの光ファイバに対し
ては、焦点距離を３５ｍｍ以下に設定する必要がある。
一方、格子間隔が１／６００ｍｍ、ブレーズ角度２７．
７度の回折格子と、アレイ間隔１５μｍの光ファイバ
（光導波路）アレイを用い、最大焦点距離のレンズを組
み合わせた場合には、波長チャンネル間隔がおよそ０．
６ｎｍ程度のものが実現可能となる。

【００１９】また、導波路端面の斜め研磨の角度は、コ
ア径１０μｍ程度のものに対しては、８度以上あればよ
い。また、４波混合光は、波長の異なる２つ以上の光波
がある時に、以下の関係に従って発生する。

【００２０】

【数７】ｆ_fwm ＝ｆ_i ＋ｆ_j −Ｆ_k （７）（ｆ_i ：ｉ番目の光信号の周波数、ｆ_fwm ：４波混合光
の周波数）従って、波長多重光の中央のチャンネル信号に多く４波
混合光が重合される。これに対処するために、導波路の
中央のポートに対しては波長多重光を入出力させ、その
他のポートでは、波長分離された光信号を入出力させ
る。波長軸上では、中央の２チャンネルのみチャンネル
間隔が、他のチャンネル間に比較して２倍となる。この
ような波長配置によって、各チャンネルに重合される４
波混合光が低減できる。伝送路中で発生した伝送帯域の
中央付近の波長の４波混合光は合分波器内で再び中央ポ
ートに反射されるが、中継器内の光アイソレータで遮断
される。また、中央の導波路は、偏光に依存する曲がり
損失が少ないので、このポートに波長多重光を入出力さ
せると平均損失が低減できるとともに、偏光に依存する
損失も低減できる。

【００２１】本発明の一実施例を図１を用いて説明す
る。本発明の一番の特徴は、レンズ２にシリコンを用
い、収差量を低減して結合損失を小さくしたことにあ
る。光入出力ポート３（光導波路アレイ、または、光フ
ァイバアレイ）の結合面１２においては光の反射が起
き、損失となるばかりか、反射点が複数ある場合には該
反射点間で共振し、システムの送受信特性に悪影響を及
ぼす。従って、反射戻り光の結合を阻止すること、ある
いは、境界面１２上での反射率をほとんど０％にするこ
とが必要である。図６に示すように反射戻り光の結合阻
止のためにアレイ３の端面１２を斜めに研磨する手法が
よい。さらに、図７に示すように、無反射条件を満足す
る誘電体多層膜が蒸着された透明ガラス基板２１を屈折
率の整合のとれた接着剤２２を用いて端面１２に接着固
定するとよい。この手法では、反射戻り光の阻止と反射
による損失の低減を同時に達成させるだけでなく、結合
面１２の表面の凹凸を接着剤２２が埋め込むため、表面
荒れに伴う光の放射方向の乱れを補正し、結合時の損失
がより低減されるという利点がある（詳しくは図８を参
照）。また、図７の構成により、研磨工程を簡略化でき
るとともに研磨後の面だれを接着剤によって補正でき、
チャンネル毎の結合損失量のばらつきを抑圧できる。

【００２２】一方、良好な温度特性を得るためには、合
分波器を構成する他の光部品もシリコン製とするか、熱
膨脹係数がほぼ等しいホウケイ酸ガラス（パイレック
ス）を用いると良い。たとえば、回折格子１の基板には
パイレックスなどを用い、光入出力ポート３を導波路化
してその基板をシリコンにするなどの構成方法が考えら
れる。この場合に、合分波器の波長透過特性の温度依存
性は、熱膨脹による回折格子の格子間隔の熱的変動で決
められ、その膨脹率は基板の熱膨脹係数にほぼ等価であ
る。基板の熱膨脹係数をαとすると、格子間隔の熱膨脹
係数は

【００２３】

【数８】ｄΛ／ｄＴ＝α・Λ （８）

【００２４】

【数９】ｄθ＝−ｍ・λ・Λ^-2・ｓｅｃθ・ｄΛ （９）で与えられる。一方、入出力ポート３の光結合面上での
結合点のずれは、（９）式とレンズ２の焦点距離ｆの積
で与えられる。光入出力ポートの光ファイバあるいは光
導波路のスポット径をωとし、結合点でのずれをｄとす
れば、光の結合量、即ち、入出力ポートへの透過率Ｔは

【００２５】

【数１０】Ｔ＝ｅｘｐ（−ｄ² ／ω² ）（１０）で与えられる。従って、温度変化にともなう合分波器の
透過率変動は、式（８）〜（１０）を用いて、計算する
ことができる。基板にホウケイ酸ガラスを用いたΛ＝１
／６００（ｍｍ）の格子による透過率の熱的変動の計算
結果を図９に示す。損失変動は±２５度の環境温度変化
に対し０．７ｄＢ以内であり、温度安定化機構を付加し
ない状態でも、十分高安定である。

【００２６】図１０はアレイ素子３の中央ポートを波長
多重光の入出力ポートとした例である。送信側の構成
は、次の各部からなる４つの光送信器３０からそれぞ
れ、λ₁，λ_n ，λ_m ，λ_m+1 の波長の光信号が、アレ
イ素子３に入力され、この光信号がレンズ２を介して、
回折格子１で反射されたものが合波され再びレンズ２を
介してアレイ素子３に入力される。この光信号が、光入
出力ポート４を介して光増幅器３２で増幅され、光ファ
イバ５を伝送して、受信側で受信される。受信側の構成
は、次の各部からなる。光ファイバから光入出力ポート
を介して、アレイ素子３に入力される。この入力された
合波光信号は、レンズ２を介して回折格子１で反射され
る。そして再びレンズ２を介して、アレイ素子３に入力
されて、合波光信号は、４つの光受信器３１でそれぞれ
λ₁ ，λ_n ，λ_m ，λ_m+1 の光信号が受信される。この
場合、光送信器３０と光受信器３１は両側のポートに接
続し、同図（ｂ）のような波長配置を設定する。光増幅
器３２により信号光が増幅されても４波混合が少なく、
良好な伝送が実現できる。また、光合分波器の損失や偏
波依存性も低減できる。

【００２７】

【発明の効果】以上詳述してきた通り本発明によれば、
回折格子とレンズと光入出力ポートアレイを用いた光合
分波器において、レンズ材料にシリコンを用いることに
よって、分解能が高く、焦点距離が長い場合において
も、収差による光結合損失と偏波変動に伴う結合損失変
動量を低減でき、良好な温度特性を実現可能である。し
たがって、高分解能、高安定な光波長多重通信向けの光
合分波器を提供できる。また、アレイ素子の端面を斜め
に研磨し、ガラス基板を接着固定することによって、反
射戻り光の結合阻止とともに、研磨面の荒れを補正で
き、チャンネル後との結合損失のばらつきを抑圧でき
る。また、アレー素子の中央のポートには波長多重信号
光を入出力させ、他のポートに各光波長信号を入出力さ
せることによって、４波混合光雑音の発生効率を抑える
とともに、損失や偏波依存性をも低減でき、良好な伝送
特性を確保できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す図である。

【図２】レンズと収差の関係を表す図である。

【図３】焦点距離を固定し、レンズ材料の屈折率を変
えたときの収差量の変化を示す図である。

【図４】一般の光学ガラスによるレンズの収差量を示
す図である。

【図５】シリコンレンズの収差量を示す図である。

【図６】本発明の実施例を説明するための図である。

【図７】本発明の実施例を説明するための図である。

【図８】図７の拡大図を示す図である。

【図９】光合分波器の温度特性（計算）を示す図であ
る。

【図１０】本発明の光合分波器を用いた波長多重伝送
系を示す図である。

【符号の説明】

１…回折格子２…レンズ３…アレイ素子４…光入出力ポート５…光ファイバ６…波長多重光９…光導波路（光ファイバ）１２…アレイ素子の端面２１…反射防止膜付きガラス板２２…接着剤３０…光送信器３１…光受信器３２…光増幅器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光ファイバまたは光導波路アレイから出力
された光をレンズに透過させ、この透過させた光を空間
伝搬させて回折格子で回折させ、この回折させた光を空
間伝搬させて再び前記レンズに透過させ、前記光ファイ
バまたは光導波路アレイに入力させる光多重光の伝送に
用いられる光合分波器において、前記レンズは、シリコ
ンからなることを特徴とする光合分波器。
【請求項２】光ファイバまたは光導波路アレイから出力
された光をレンズに透過させ、この透過させた光を空間
伝搬させて回折格子で回折させ、この回折させた光を空
間伝搬させて再び前記レンズに透過させ、前記光ファイ
バまたは光導波路アレイに入力させる光多重光の伝送に
用いられる光合分波器において、前記光ファイバまたは
光導波路アレイは、少なくとも一つの端面が斜め研磨さ
れてなることを特徴とする光合分波器。
【請求項３】前記光ファイバまたは光導波路アレイは、
複数のポートが列上に配置されるよう構成され、前記光
ファイバまたは光導波路アレイのほぼ中央のポートは、
前記波長多重光の伝搬に用いられ、前記ほぼ中央のポー
ト以外のポートには、単波長毎の光の伝搬に用いられる
ことを特徴とする請求項１または２記載の光合分波器。