JPH11248949A - 光波長合分波器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 アレイ導波路を伝搬する光の位相の制御が容
易で、クロストークが小さい光波長合分波器を提供す
る。 【解決手段】 アレイ導波路６０をマルチモード導波路
とすることにより、アレイ導波路６０のコア側壁におけ
る光の電力が小さくなる。また、アレイ導波路６０の一
部にシングルモード導波路を挿入することにより、高次
モードの伝搬を抑えることができ、アレイ導波路６０を
伝搬する光の位相の制御が容易となる。さらに、アレイ
導波路６０の曲線導波路１４と直線導波路１５との間
を、曲率半径が連続的に変化する曲率曲線導波路１６で
接続することにより、曲線導波路１４と直線導波路１５
との接続部での高次モードの発生が抑えられ、クロスト
ークが小さくなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光波長合分波器に
関する。

【０００２】

【従来の技術】光通信の分野においては、複数の信号を
別々の波長の光にのせ、１本の光ファイバで伝送し、情
報容量を拡大する方法（波長分割多重方式）が検討され
ている。この方法においては、異なる波長の光を合波或
いは分波する合分波器が重要な役割を果たしている。中
でもアレイ導波路回折格子を用いた光波長合分波器は狭
い波長間隔の合分波を行うことが可能であり、通信容量
の多重数を大きくする上で有望視されている。

【０００３】図８はアレイ導波路回折格子を用いた従来
の光波長合分波器の概略図である。

【０００４】この光波長合分波器は、基板７上に、入力
用チャネル導波路１、入力側スラブ導波路２、複数のチ
ャネル導波路６からなるアレイ導波路回折格子３、出力
側スラブ導波路４及び出力用チャネル導波路５が形成さ
れたものである。

【０００５】この光波長合分波器には、アレイ導波路回
折格子３のチャネル導波路（以下「アレイ導波路」とい
う）６として、一つの導波モードのみが伝搬可能である
シングルモード導波路が用いられていた。これは、高次
モードが発生せず、アレイ導波路６を伝搬する光の位相
を制御しやすいという利点があるためである。高次モー
ドが発生すると、その光の伝搬定数が基本モードと異な
るため、出力側スラブ導波路４の出力側において、基本
モードが集光する位置以外にも光が分布してしまい、ク
ロストークが大きくなる。このためアレイ導波路６とし
てシングルモード導波路を用いることは、高次モードを
発生しない点で有利であった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の光波
長合分波器は、コア幅が小さいため、アレイ導波路６の
コアの側壁における光の電力が比較的大きい。そのた
め、コアの側壁の荒れによる伝搬定数の変動が大きくな
り、各アレイ導波路６を伝搬する光の位相が設計値から
ずれてしまい、その結果、クロストークが大きくなって
しまう。

【０００７】コアの側壁が荒れて、屈折率分布に摂動が
生じている場合の伝搬方向の位置における伝搬定数βは
数１式で表される。

【０００８】

【数１】

【０００９】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、アレイ導波路を伝搬する光の位相の制御が容易で、
クロストークが小さい光波長合分波器を提供することに
ある。

【００１０】

【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、基板上に設けられ複数のチャネル導波路か
らなるアレイ導波路回折格子と、アレイ導波路回折格子
の入力側に設けられた入力用チャネル導波路と、入力用
チャネル導波路とアレイ導波路回折格子との間に設けら
れた入力側スラブ導波路と、アレイ導波路回折格子の出
力側に設けられた出力用チャネル導波路と、出力用チャ
ネル導波路とアレイ導波路回折格子との間に設けられた
出力側スラブ導波路とを備えた光波長合分波器におい
て、アレイ導波路回折格子の一部または全てのチャネル
導波路がマルチモード導波路であるものである。

【００１１】上記構成に加え本発明の光波長合分波器の
アレイ導波路回折格子の全てのチャネル導波路の一部が
シングルモード導波路であってもよい。

【００１２】上記構成に加え本発明の光波長合分波器の
アレイ導波路回折格子のチャネル導波路のマルチモード
導波路は、各チャネル導波路ごとに一定曲率半径の曲線
導波路及び直線導波路を有し、曲線導波路と直線導波路
との間に、曲線導波路から直線導波路にわたって曲率半
径が連続的に変化する曲率分布を有する曲率曲線導波路
が滑らかに接続されているのが好ましい。

【００１３】上記構成に加え本発明の光波長合分波器の
アレイ導波路回折格子の全てのチャネル導波路のシング
ルモード導波路は、各チャネル導波路ごとに一定曲率半
径の曲線導波路及び直線導波路を有し、曲線導波路と直
線導波路との間に、曲線導波路と直線導波路との曲率半
径が連続的に変化する曲率分布を有する曲率曲線導波路
が滑らかに接続されているのが好ましい。

【００１４】上記構成に加え本発明の光波長合分波器の
アレイ導波路回折格子の全てのチャネル導波路は、マル
チモード導波路及びシングルモード導波路を有し、マル
チモード導波路とシングルモード導波路との間にテーパ
型導波路を有していてもよい。

【００１５】上記構成に加え本発明の光波長合分波器の
光波長合分波器は石英系材料で構成されており、アレイ
導波路回折格子のチャネル導波路のマルチモード導波路
のコア幅が６μｍ〜１５μｍであり、アレイ導波路回折
格子のチャネル導波路のシングルモード導波路のコア幅
が６μｍ以下であるのが好ましい。

【００１６】ここで、表１は、シングルモード導波路及
びマルチモード導波路のコア断面における横方向の光の
電力分布を、それぞれ直線導波路の場合と曲率半径の等
しい曲線導波路の場合とにおいて模式的に示したもので
ある。

【００１７】

【表１】

【００１８】表１において８ａ〜８ｄはコア中央を横切
る線上の横方向の電力分布を示し、９ａ〜９ｄはコア断
面を示している。コア及びクラッドの屈折率、コア高さ
を等しいとした場合、表１に示すようにマルチモード導
波路における基本モードは、シングルモード導波路にお
ける導波モードに比べてコア内への電力の閉じ込めが大
きくなり、コア側壁での電力が小さくなるのが分かる。

【００１９】図２はコア幅とコア側壁における光の規格
化電力との関係を説明する図であり、横軸がコア幅軸、
縦軸が規格化電力軸である。

【００２０】同図に示す特性曲線は、波長１．５５μ
ｍ、比屈折率差Δ＝０．８％、コア高さ６μｍにおけ
る、コア幅を変えたときのコア側壁における光の電力の
計算値を示すものである。光の電力は、各コア幅におけ
る電力分布のピーク値で規格化されている。実線は直線
導波路の一端における光の電力を示し、破線及び一点鎖
線はそれぞれ曲率半径が５ｍｍである曲線導波路の内側
のコア側壁及び外側のコア側壁における光の電力を示し
ている。

【００２１】ここで、コア幅が６μｍ以下のときがシン
グルモード導波路であり、コア幅が６μｍより大きいと
きがマルチモード導波路である。図２より曲線導波路或
いは直線導波路のいずれの場合にも、コア幅が大きくな
ると、コア側壁における光の電力が小さくなることが分
かる。

【００２２】従って、コア幅の大きいマルチモード導波
路では、コア幅の小さいシングルモード導波路に比べ
て、コア側壁の荒れの影響を受けにくいので、アレイ導
波路を伝搬する光の位相を設計値により近付けることが
できる。

【００２３】しかしながら、アレイ導波路全体がマルチ
モード導波路の場合には高次モードの光が伝搬してしま
う。

【００２４】そこで、アレイ導波路の一部分に高次モー
ドカットフィルタを挿入することにより高次モードの伝
搬を抑えることができる。高次モードカットフィルタの
一例として、曲線部を有するシングルモード導波路が挙
げられる。このシングルモード導波路に入射した導波モ
ード以外の光は放射モードの光と結合するため、曲線部
において急速に減衰する。従って導波モードの光のみを
取り出すことができる。

【００２５】ところで、一つのアレイ導波路は一般に曲
率半径の等しい曲線部及び直線部からなっている。従来
のアレイ導波路回折格子型波長合分波器では、この接続
部に図９に示すようなオフセットを形成するのが一般的
であった。

【００２６】図９（ａ）、（ｂ）は直線導波路と曲線導
波路との接続部の従来例を示す図である。

【００２７】図９（ａ）に示すように、曲線導波路の電
力分布と直線導波路の電力分布とが略同じ形状であれ
ば、この方法によっても電力分布のミスマッチが小さく
てすむため、高次モードの光の発生をある程度抑えるこ
とができる。

【００２８】しかし、図９（ｂ）に示すようにコア幅を
大きくし、曲線導波路及び直線導波路の電力分布を大き
く異なる形状とした場合には、ミスマッチは無視できな
くなる。特に、マルチモード導波路の場合には、このミ
スマッチ分のうちのある割合の電力が高次モードに結合
してしまう。

【００２９】そこで、図３に示すように直線導波路と曲
線導波路との間に、直線導波路から曲線導波路にわたっ
て曲率半径が連続して変化するような曲線導波路（曲率
曲線導波路）を滑らかに接続することが考えられる。

【００３０】図３は本発明の光波長合分波器に用いられ
る直線導波路と曲線導波路との接続部を示す図である。

【００３１】曲線導波路１４と直線導波路１５とは、曲
線導波路１４から直線導波路１５にわたって曲率半径が
連続的に変化する曲率分布を有する曲率曲線導波路１６
で接続されている。すなわち、曲率曲線導波路１６と直
線導波路１５との接続部における曲率半径は無限大であ
り、曲線導波路１４と曲率曲線導波路１６の接続部にお
ける曲率半径は曲線導波路１４の曲率半径Ｒ₀ に等し
い。

【００３２】このため、図３に示すように直線導波路１
５に入射した基本モードの光の電力分布は１７ａ〜１７
ｅのように滑らかに移行する。従って入射光はほとんど
損失無く伝搬し、マルチモード導波路での曲線導波路１
４と直線導波路１５との接続部における高次モードの発
生を抑えることができる。

【００３３】図４は本発明の光波長合分波器に用いられ
るマルチモード導波路とシングルモード導波路との接続
部を示す図である。

【００３４】同図に示すように高次モードカットフィル
タとなるシングルモード導波路１９と、マルチモード導
波路１８との間に、テーパ型導波路２０を接続すること
により、シングルモード導波路１９での導波モードとマ
ルチモード導波路１８での基本モードをほとんど損失無
く結合させ、マルチモード導波路１８の高次モードの発
生を抑えることができる。

【００３５】すなわち、本発明によれば、アレイ導波路
をマルチモード導波路とすることにより、アレイ導波路
のコア側壁における光の電力が小さくなる。また、アレ
イ導波路の一部にシングルモード導波路を挿入すること
により、高次モードの伝搬を抑えることができる。さら
に、アレイ導波路の曲線導波路と直線導波路との間を、
曲率半径が連続的に変化する曲率曲線導波路で接続する
ことにより、曲線導波路と直線導波路との接続部での高
次モードの発生が抑えられクロストークが小さくなる。

【００３６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて詳述する。

【００３７】図１は本発明の光波長合分波器の一実施の
形態を示す概略図である。なお、図８に示した従来例と
同様の部材には共通の符号を用いた。

【００３８】この光波長合分波器は、基板７上に設けら
れ複数のチャネル導波路（アレイ導波路）６０からなる
アレイ導波路回折格子６１と、アレイ導波路回折格子６
１の入力側に設けられた入力用チャネル導波路１と、入
力用チャネル導波路１とアレイ導波路回折格子６１との
間に設けられた入力側スラブ導波路２と、アレイ導波路
回折格子６１の出力側に設けられた出力用チャネル導波
路５と、出力用チャネル導波路５とアレイ導波路回折格
子６１との間に設けられた出力側スラブ導波路４とを備
え、アレイ導波路回折格子６１の一部または全てのアレ
イ導波路６０をマルチモード導波路としたものである。

【００３９】光波長合分波器の構成材料としては石英系
の材料（他の材料を用いてもよい）が用いられており、
屈折率が一様なクラッド層にクラッド層より屈折率が一
様に高いコアが埋め込まれた構造を有している。光波長
合分波器の比屈折率差Δは０．８％としている。コアの
高さは約６μｍで一定とし、入力用及び出力用チャネル
導波路１、５の幅は約６μｍとしている。入出力側スラ
ブ導波路２、４の焦点距離は約１６．４ｍｍ、スラブ導
波路２、４とアレイ導波路回折格子６１との接続部にお
いて隣接するアレイ導波路６０の間隔は約２１．７μｍ
としている。アレイ導波路６０の本数は２００本として
いる。

【００４０】図６（ａ）は図１に示した光波長合分波器
の平面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のアレイ導波
路の一本分の構造を示す拡大図である。

【００４１】図６（ａ）に示す光波長合分波器におい
て、出力側アレイ導波路２２は入力側アレイ導波路２１
と破線６２に対して線対称となっており、入力側アレイ
導波路２１と出力側アレイ導波路２２とは滑らかに接続
されている。

【００４２】図６（ｂ）において、２３はスラブ導波路
２に接続されるテーパ型導波路であり、導波路２４との
接続部のコア幅は６μｍである。２４〜２６はシングル
モード導波路であり、コア幅は６μｍである。２５は一
様な曲率半径Ｒ＝５ｍｍを有する曲線導波路、２４、２
６は直線導波路から曲線導波路にわたって曲率半径が連
続的に変化する曲率分布を有するシングルモードの曲率
曲線導波路である。曲線導波路２５の導波路長は約２０
０μｍである。曲率曲線導波路２４及び曲率曲線導波路
２６の曲率半径Ｒは数２式で表される。

【００４３】

【数２】Ｒ＝２Ｒ₀ ／｛１＋ｃｏｓ（πｚ／Ｌ）｝ ここで、ｚは曲線導波路２５との接続部をｚ＝０とした
ときの曲率曲線導波路２４、２６上の位置である。Ｌは
曲率曲線導波路２４、２６の長さであり、いずれもＬ＝
７５０μｍとしている。曲率半径Ｒ₀ は５ｍｍである。
テーパ型導波路２７はシングルモードの曲率曲線導波路
２６と直線導波路２８とをほとんど損失無く接続する導
波路である。２８〜３２はマルチモード導波路であり、
コア幅は１１μｍである。２８、３２はマルチモードの
直線導波路、３０は一様な曲率半径Ｒ＝５ｍｍを有する
曲線導波路である。２９、３１は直線導波路から曲線導
波路にわたって曲率半径が連続的に変化する曲率分布を
有するマルチモードの曲率曲線導波路である。これら曲
率曲線導波路２９、３１の曲率半径Ｒも数式２によって
表され、ｚは曲線導波路３０との接続部をｚ＝０とした
ときの曲率曲線導波路２９、３１上の位置である。曲率
曲線導波路２９、３１のいずれもＬ＝１０００μｍ、Ｒ
₀ ＝５ｍｍとしている。また、２３〜３２の導波路は全
て滑らかに接続されている。

【００４４】ここで、ｉ番目のアレイ導波路６０の全体
を伝搬することによって与えられる光の位相をφ_i とす
ると、隣接するｉ番目のアレイ導波路６０と（ｉ＋１）
番目のアレイ導波路６０との位相差Δφ＝φ_i+1 −φ_i
が２７７ｒａｄとなるように、アレイ導波路６０の各導
波路２３〜３２の導波路長を設計した。

【００４５】図７は図１に示した光波長合分波器に白色
光を入力し、一番端の出力用チャネル導波路５から出力
された光の波長損失特性を示したものである。同図にお
いて横軸が波長を示し、縦軸が挿入損失を示している。
また、実線４０は本発明の光波長合分波器の特性曲線で
あり、破線４１は従来の光波長合分波器の特性曲線であ
る。

【００４６】同図に示すように所望の通過波長帯である
１５５０ｎｍ付近の光は低損失で出力され、それ以外の
波長の光は従来のものに比べて高損失、すなわち従来の
ものより低クロストークな特性が得られた。なお、クロ
ストークは最悪でも−３６ｄＢであり、従来品の−２８
ｄＢに比べて８ｄＢ低く抑えられている。

【００４７】ここで最適条件の根拠について述べる。

【００４８】図２に示したように曲線導波路及び直線導
波路のいずれの場合にも、コア幅が大きくなると、コア
側壁における光の電力が小さくなる。従って、コア側壁
の荒れの影響を少なくするためには、コア幅は大きい方
が望ましい。

【００４９】しかしながら、コア幅が大きすぎると、直
線導波路と曲線導波路との電界分布のミスマッチが非常
に大きくなり、直線導波路と曲線導波路との間に挿入さ
れる、曲率半径が位置によって異なる曲率曲線導波路２
９、３１（図６（ｂ））の導波路長を長くする必要が生
じるので好ましくない。また、図２より、コア幅が１５
μｍ以上となると、コア幅をさらに大きくしてもコア側
壁における光の電力はあまり変わらなくなる。従って、
比屈折率差Δ＝０．８％の場合のマルチモード導波路の
コア幅は、マルチモード条件となる６μｍ以上、かつ、
１５μｍ以下の値が最適値である。

【００５０】図５（ａ）、（ｂ）は本発明の光波長合分
波器に用いられる直線導波路と曲線導波路との接続部の
変形例の説明図である。

【００５１】図５（ａ）は、直線導波路３４のコア幅を
曲線導波路３３のコア幅よりも小さくし、コア幅が位置
によって異なるテーパ型の曲線導波路３５を介して接続
したものである。

【００５２】なお、曲線導波路の基本モードの電力分布
が、直線導波路の基本モードの電力分布に比べてあまり
大きく変化しない場合は、図５（ｂ）に示すように、直
線導波路３８のコア幅を、曲線導波路３７との電力分布
のミスマッチが最小になるように設定し、オフセット４
２ａ、４２ｂを与えて直接接続するようにしてもよい。

【００５３】ここで、上述した光波長合分波器は光波長
多重通信システムにおいて、光波長合分波器、Ｍ×Ｎ
（Ｍ、Ｎは整数）周波数ルーティング装置、Ａｄｄ／Ｄ
ｒｏｐフィルタ等に用いることができる。

【００５４】以上において、本発明によれば、アレイ導
波路を伝搬する高次モードを抑えることができるためア
レイ導波路を伝搬する光の位相制御が容易となり、アレ
イ導波路のコア側壁における光の電力が小さくなり、ク
ロストークが小さな光波長合分波器の提供を実現するこ
とができる。

【００５５】また、付随的な効果として、アレイ導波路
をマルチモード導波路とすることにより、偏光依存性が
小さくなる。石英系の材料を用いた場合の波長偏光依存
性は、従来のアレイ導波路回折格子型波長合分波器では
０．０４〜０．０５ｎｍであるのに比べ、本発明による
アレイ導波路回折格子型波長合分波器では０．０１〜
０．０２ｎｍと小さくすることができた。これは、アレ
イ導波路を伝搬する光が、複屈折の影響を受けにくくな
っていることを意味する。従って、アレイ導波路の曲線
部分を伝搬する光の電力の集中する部分が従来のものに
比べてコアの中心付近からコア端の方に移動することが
応力によって生じる複屈折の影響を小さくすることと関
連しているのではないかと推測される。

【００５６】

【発明の効果】以上要するに本発明によれば、次のよう
な優れた効果を発揮する。

【００５７】アレイ導波路を伝搬する光の位相の制御が
容易で、クロストークが小さい光波長合分波器の提供を
実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光波長合分波器の一実施の形態を示す
概略図である。

【図２】コア幅とコア側壁における光の規格化電力との
関係を説明する図である。

【図３】本発明の光波長合分波器に用いられる直線導波
路と曲線導波路との接続部を示す図である。

【図４】本発明の光波長合分波器に用いられるマルチモ
ード導波路とシングルモード導波路との接続部を示す図
である。

【図５】（ａ）、（ｂ）は本発明の光波長合分波器に用
いられる直線導波路と曲線導波路との接続部の変形例の
説明図である。

【図６】（ａ）は図１に示した光波長合分波器の平面図
であり、（ｂ）は（ａ）のアレイ導波路の一本分の構造
を示す拡大図である。

【図７】図１に示した光波長合分波器に白色光を入力
し、一番端の出力用チャネル導波路５から出力された光
の波長損失特性を示したものである。

【図８】アレイ導波路回折格子を用いた従来の光波長合
分波器の概略図である。

【図９】（ａ）、（ｂ）は直線導波路と曲線導波路との
接続部の従来例を示す図である。

【符号の説明】

１ 入力用チャネル導波路 ４ 出力側スラブ導波路 ５ 出力用チャネル導波路 ７ 基板 １４ 曲線導波路 １５ 直線導波路 １６ 曲率曲線導波路 ６０ チャネル導波路（アレイ導波路） ６１ アレイ導波路回折格子

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に設けられ複数のチャネル導波路
   からなるアレイ導波路回折格子と、該アレイ導波路回折
   格子の入力側に設けられた入力用チャネル導波路と、該
   入力用チャネル導波路と上記アレイ導波路回折格子との
   間に設けられた入力側スラブ導波路と、上記アレイ導波
   路回折格子の出力側に設けられた出力用チャネル導波路
   と、該出力用チャネル導波路と上記アレイ導波路回折格
   子との間に設けられた出力側スラブ導波路とを備えた光
   波長合分波器において、上記アレイ導波路回折格子の一
   部または全てのチャネル導波路がマルチモード導波路で
   あることを特徴とする光波長合分波器。
2. 【請求項２】 上記アレイ導波路回折格子の全てのチャ
   ネル導波路の一部がシングルモード導波路である請求項
   １に記載の光波長合分波器。
3. 【請求項３】 上記アレイ導波路回折格子のチャネル導
   波路のマルチモード導波路は、各チャネル導波路ごとに
   一定曲率半径の曲線導波路及び直線導波路を有し、上記
   曲線導波路と上記直線導波路との間に、上記曲線導波路
   から上記直線導波路にわたって曲率半径が連続的に変化
   する曲率分布を有する曲率曲線導波路が滑らかに接続さ
   れた請求項１又は２に記載の光波長合分波器。
4. 【請求項４】 上記アレイ導波路回折格子の全てのチャ
   ネル導波路のシングルモード導波路は、各チャネル導波
   路ごとに一定曲率半径の曲線導波路及び直線導波路を有
   し、上記曲線導波路と上記直線導波路との間に、上記曲
   線導波路と上記直線導波路との曲率半径が連続的に変化
   する曲率分布を有する曲率曲線導波路が滑らかに接続さ
   れた請求項２又は３に記載の光波長合分波器。
5. 【請求項５】 上記アレイ導波路回折格子の全てのチャ
   ネル導波路は、上記マルチモード導波路及び上記シング
   ルモード導波路を有し、上記マルチモード導波路と上記
   シングルモード導波路との間にテーパ型導波路を有する
   請求項２から４のいずれかに記載の光波長合分波器。
6. 【請求項６】 上記光波長合分波器は石英系材料で構成
   されており、上記アレイ導波路回折格子の上記チャネル
   導波路の上記マルチモード導波路のコア幅が６μｍ〜１
   ５μｍであり、上記アレイ導波路回折格子の上記チャネ
   ル導波路の上記シングルモード導波路のコア幅が６μｍ
   以下である請求項２〜５のいずれかに記載の光波長合分
   波器。