JPH11344629A - 光分岐結合器 - Google Patents
光分岐結合器Info
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- JPH11344629A JPH11344629A JP15403198A JP15403198A JPH11344629A JP H11344629 A JPH11344629 A JP H11344629A JP 15403198 A JP15403198 A JP 15403198A JP 15403198 A JP15403198 A JP 15403198A JP H11344629 A JPH11344629 A JP H11344629A
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Abstract
さくし分岐率を50%に近くした光分岐結合器を得る。 【解決手段】 第一および第二の光導波路の中間部が4
ヶ所互いに近接されて形成された第一、第二、第三、第
四の方向性結合部を有し、上記第一と第二の方向性結合
器の間の上記第一と第二の光導波路の光路長差ΔL1
と、上記第二と第三の方向性結合器との間の上記第一と
第二の光導波路の光路長差ΔL2と、上記第三と第四の
方向性結合器との間の上記第一と第二の光導波路の光路
長差ΔL3とがΔL1=ΔL2=−ΔL3=λ/4を満
たすようにした。
Description
し、特に光通信、光信号処理、光計測等に用いられる光
導波路型部品に関するものである。
は、フォトリソグラフィー技術により製造されることに
より、様々な光導波路パターンに構成でき、導波路構造
を波長オーダーで加工制御できることから、波長合分波
器や光スイッチ等の光回路が実現され、かつ、これらの
光回路をコンパクトに集積することが可能であることか
ら、盛んに研究開発が行われている。平面型光導波回路
の機能の多くは光干渉により発現しているが、光干渉の
ためには、光の分岐と結合をする必要があり、そのため
の光分岐結合器は平面型光導波路において重要な回路要
素である。
2光束干渉計の光スイッチや光波長フィルタがあるが、
それらの光回路の消光比や挿入損失、さらにはそれらの
偏波依存性は、光回路に使用する光分岐結合器の特性に
大きく左右される。光分岐結合器の特性が光回路全体に
影響を及ぼす例としては、光結合器を多段に縦列接続し
て作製されるラティスフィルタや、1個の光分岐結合器
の安定した作製が難しい積層導波路における層間光スイ
ッチがあげられるが、光結合器の歩留まりが悪いため、
これらの作製は難しいものであった。したがって、理想
的な特性を有する2光束干渉計を作製するには、光分岐
結合器は、作製条件や信号光の偏波などの状態に左右さ
れずに、過剰損が小さく、かつ分岐率が50%である事
が望まれる。
る光分岐結合器には、方向性結合器、Y分岐回路、MM
I(Multi Mode Interferometer) などがある。このう
ち、方向性結合器は、過剰損失が極めて小さく、2光束
干渉計によく用いられる。しかし、方向性結合器は、微
小な導波路ギャップを持つことから、製造誤差の影響を
大きく受け易く、分岐率が変動し易い。また、伝搬光の
横モードの裾野の重なり合いを利用することから、導波
路の屈折率差の影響も受けやすい。そのため、基板等か
らの応力による導波路の複屈折が直接分岐率に影響し、
分岐率の偏波依存性が大きく出るという問題があった。
結合器はスラブ導波路構造をもつが、スラブ導波路の入
射時と出射時に大きなモード変換が行われ、そのため一
部が放射モードに結合してしまい、回路挿入損失が大き
くなってしまうという問題がある。また、Y分岐回路や
MMIを用いた光分岐結合器は、入射する光の僅かな蛇
行によりスラブ導波路部分で不必要な横モードが励振さ
れ易いため、蛇行を規定する前段の光回路等に特性が依
存し、分岐率が安定しないという問題もあった。
となく、過剰損失の極めて小さな方向性結合器を用いる
こととし、製造誤差による分岐率の変動や分岐率の偏波
依存性を小さくした光分岐結合器の提供を目的とする。
つまり、本発明の目的は、作製誤差や偏波等に対する分
岐率の変動を小さくし、使用する信号光波長において、
分岐率が50%に極めて近い光分岐結合器を歩留まり良
く提供することにある。
発明は、次の発明特定事項を有する。基板と、その基板
上に形成された第一の光導波路および第二の光導波路と
を有し、この第一および第二の光導波路の中間部が4ヶ
所互いに近接されて形成された第一、第二、第三、第四
の方向性結合器を有し、上記第一と第二の光導波路の両
方に、またはどちらか一方の光導波路に入射される波長
λの信号光を、上記第一と第二の光導波路とに分配し出
射する光分岐結合器において、上記第一と第二の方向性
結合器の間の上記第一と第二の光導波路の光路長差ΔL
1と、上記第二と第三の方向性結合器との間の上記第一
と第二の光導波路の光路長差ΔL2と、上記第三と第四
の方向性結合器との間の上記第一と第二の光導波路の光
路長差ΔL3とがΔL1=ΔL2=−ΔL3=λ/4を
満たすことを特徴とする。
るが、方向性結合器の損失は、作製誤差や偏波によらず
極めて小さいため、全体の過剰損失も十分小さくするこ
とが出来る。また、4ケ所の方向性結合器に挟まれる3
ヶ所の光路長差も光の波長オーダーと極めて小さいた
め、光路長差を与える為に光導波路を展開しても光導波
路の間隔は小さくてすみ、導波膜揺らぎなどの作製誤差
が光路長差に与える影響を十分小さくすることが出来
る。
性は、方向性結合器の結合率が作製誤差や偏波に対し変
動しやすいが、本発明による前記の構成では、以下の理
由により、方向性結合器の変動によらず、光回路全体の
分岐率を50%に近づける事が可能である。第一および
第二の光導波路とからなり、中間部に4ヶ所、方向性結
合部を有する光回路において、第一と第二の方向性結合
器の間の光路長差をΔL1、第二と第三の方向性結合器
との間の光路長差をΔL2、第三と第四の方向性結合器
との間の光路長差をΔL3とする。この場合、光路長差
ΔL1〜ΔL3は、各々光導波路相互間の物理的導波路
長差に導波路の有効屈折率を乗じたものである。物理的
導波路長差は、方向性結合器に挟まれた二つの導波路の
一方から他方の長さを減じたものであるから、二つの導
波路長の大小によって正負の値を取りうる。例えば、Δ
L1、ΔL2が正号の場合は第一の導波路側が長く、Δ
L3が負号の場合は第二の導波路側が長い。
としたとき、光回路の結合率ηは波長λにおいて、次式
(1)[数1]の如く示される。この場合、ΔLcはΔ
L1と−ΔL3の絶対値とが一定のある値を示してお
り、ηは一方の光導波路に入射される光のうち、いわゆ
るCross して他方の光導波路より出射される光のパワー
の割合である。
kとした場合、次式(2)[数2]の如く示される。
4であるので上式(1)(2)及びΔLc=ΔL2=λ
/4にて式を整理すると次式(3)となる。 η=−8(k−0.5)4 +0.5 … (3)
おり0.5であればηは0.5 となる。ここで、前述の製造
誤差によってkが0.5 を中心に変化する場合のηを調べ
てみる。結合率k=0.5における光回路の結合率ηの1
次、2次、3次の微係数は、次式(4)(5)(6)
[数3]のようになる。
うにk=0.5 においてはηの3次の微係数まで0である
ので、kが変動したとしてもηは非常に安定した値をと
るのである。そして、例えばk=0.30のときはη=0.
487である。すなわち、本発明の光結合器に含まれる
個々の方向性結合器の結合率が揺らいでも、本発明の構
成によれば、光結合器全体としては極めて安定して分岐
率50%を実現することが可能になる。つまり、本発明
の光分岐結合器は、過剰損失が小さく、作製誤差や偏波
状態に対して極めて安定して分岐率50%を実現する事
が可能である。
本発明の実施の形態の一例を示す。図1は光分岐結合器
の一例を示すものである。図1の光導波路1と光導波路
2は合計4ヶ所近接し方向性結合器を形成し、4ヶ所の
方向性結合器3,4,5,6の間で、後述のような光路
長差を与えた構成になっている。
定であり、8×8μmとした。作製した光導波路の有効
屈折率は、使用する信号光波長1.55μmにおいて1.4
516であった。また導波路曲線部の曲げ半径は10m
mで一定とした。方向性結合器の作製ばらつきを故意に
与えるため、方向性結合器3,4,5,6の結合長を0
μmから1000μmまで50μmピッチで作製した。
方向性結合器のギャップは2μmで一定とした。方向性
結合器3と方向性結合器4の間では光導波路1が光導波
路2に比べ0.2663μm長くなるように導波路長差を
与えた。また、方向性結合器4と方向性結合器5の間も
同様に光導波路1が0.2663μm長くなるように、さ
らには、方向性結合器5と方向性結合器6との間は光導
波路2が0.2663μm長くなるように設計した。導
波路長差0.266μmは信号光波長1.55μmにとっ
てλ/4に相当する。
にて方向性結合器9のみを形成し、また、図3に示す光
導波路10,11に対して方向性結合器12,13を二
段縦列につなぎ、マッハツェンダ干渉計を構成して導波
路長差を同じく0.2663μm与えた光結合器を形成
し、これらを同一基板に作製した。
ず、シリコン基板上に火炎堆積法により、石英系下部ク
ラッド層と、二酸化ゲルマニウムを添加して屈折率を高
めた石英系コア層とを形成した。次に、コア層をフォト
リソグラフィ及び反応性イオンエッチングを用いて加工
し、前記導波路構造のコアパターンを形成した。その
後、火炎堆積法により上部クラッド層を形成して埋め込
み導波路を作製した。クラッド層とコア層との比屈折率
差は0.75%とした。
型波長可変光源からの波長1.55μmに調整したレーザ
光を用いて評価した。入力側は1.55μm用偏波保持フ
ァイバを用い、出力側は1.55μm用DSFファイバを
用いて評価した。光結合回路の透過光量は光回路にマッ
チングオイルを介して直接ファイバを突き合わせて評価
した。光結合器の分岐率の評価は、光導波路1にレーザ
光を入射した時の光導波路1と光導波路2とから出射し
た光量の比と、光導波路2にレーザ光を入射した時の光
導波路2と光導波路1とから出射した光量の比の平均と
した。光結合回路の過剰損失は、光導波路1と光導波路
2とから出射した光量の和と、入力側と出力側とのファ
イバを直接突き合わせた時の受光レベルとの差より光結
合回路の過剰損失を評価した。
る方向性結合器1段(DC)の構成、図3のマッハツェ
ンダ型光結合器(MZI)の構成につき、分岐率を示
し、図5ではTE偏光とTM偏光との分岐率差を示して
おり、図4,5共に横軸は方向性結合器の結合長であ
る。図4から、図2の方向性結合器単体(DC)では5
0%結合は結合長が約500μmの場合にしか得られ
ず、この前後の結合長では結合長に比例して結合率が変
化している。なお、この結合率の変化が上記の(1),
(2)式のkの変化に相当するものである。一方、図1
の本願発明の光分岐結合器においては、結合長350〜
700μmに対して結合率50%の平坦な特性が得られ
ている。このことは、本発明の分岐結合器においては、
構成単位である方向性結合器単体の結合率が50%を中
心にばらついたとしても光分岐結合器全体としての結合
率は50%が維持されることを意味している。さらに、
図5からは、従来の光分岐器すなわち方向性結合器単体
(DC)やマッハツェンダ干渉計(MZI)において
は、方向性結合器の結合長が変わると偏波間の分岐率差
が生じるのに対し、本発明による光分岐器では結合長約
500μmの前後±100μmの範囲では偏波間の分岐
率差は殆ど無い(偏波依存性がない)ことが分かる。2
1個の光回路を作成してTE偏波TM偏波共分岐率が4
5%〜55%であった光回路は、図2の方向性結合器で
は2個、図3のマッハツェンダ型光結合器では6個、図
1の本発明では12個であった。また、上記のTE偏波
とTM偏波両方とも分岐率が45%から55%であった
光回路のうち、分岐率差が0.5%以下のものは、図2の
方向性結合器では0個、図3のマッハツェンダ型光結合
器では2個、図1の本実施の形態の光結合器は8個であ
った。上記各回路、それぞれ21個の過剰損失の平均値
は、図2の方向性結合器では0.151dB、図3のマッ
ハツェンダ型光結合器では0.213dB、図1の本実施
の形態の光結合器は0.277dBであった。
2光束干渉計型光スイッチの実施例を示す。本発明によ
る光分岐結合器2台の間に熱光学効果を利用した位相器
14をつけた構成をしている。光導波路の各設計パラメ
ータは実施例1と同じにした。すなわち光導波路15,
16の幅と高さと曲げ半径は、それぞれ8μm、8μ
m、10mmとし、方向性結合器のギャップを2μm、
結合長を550μmとした、8つの方向性結合器17〜
24の間で光導波路1の長さを、それぞれ0.2663μ
m、0.2663μm、−0.2663μm、0.2663μ
m、−0.2663μm、−0.2663μmだけ長く設計
した。
導波路25,26に備えた方向性結合器27,28の間
に位相器29をつけた光スイッチを作製した。光導波路
25,26の幅と高さと曲げ半径は、それぞれ8μm、
8μm、10mmとし、方向性結合器のギャップを2μ
m、結合長を550μmとした。本実施の形態の図6の
光スイッチと図7の光スイッチは図1,2,3と同様
に、火炎堆積法と、フォトリソグラフィーと反応性イオ
ンエッチングを用いて作製した。作製歩留まりを見るた
め、本発明による図6の光分岐結合器を用いた光スイッ
チと図7の光スイッチを9台作製した。作製した光スイ
ッチの特性は、波長可変光源と1.55μm用偏波保持フ
ァイバと1.55μm用DSFファイバを用いて評価し
た。光スイッチの動作には位相器に数ボルトの直流電圧
を印加して評価した。
取った時の、光スイッチのスルーポート(Through) への
挿入損失とクロスポート(Cross) への挿入損失の変化を
図8,図9に示す。図8は本発明による光分岐結合器を
用いた光スイッチ(図6)の特性であり、図9は比較例
の光スイッチ(図7)の特性である。本発明による光結
合器の分岐率が50%に近いことから、従来型光スイッ
チでは消光しにくいスルーポートでも、クロスポートと
同様に消光している。
ち、絶対値の小さい方の値をスイッチの消光比とし、位
相器の電力を振った時の最大のスイッチの消光比と、方
向性結合器の結合長との関係を表1と表2に示す。
特性であり、表2は従来型の光スイッチの特性であり、
9個についてそれぞれスルーポートとクロスポートとに
ついて示した。従来型の光スイッチで、最大のスイッチ
の消光比がスルーポートで平均−15.2dBとクロスポ
ートで平均−24.6dBであり、本発明による光分岐結
合器を用いた光スイッチでは、各々−32.4dB、−3
0.1dBであった。
合器の構成を用いることにより、方向性結合器の50%
からのばらつきに対し、光分岐結合回路全体の分岐比を
安定に50%に保つことが出来る。そのため、50%分
岐の光分岐結合器の作製歩留まりを向上することがで
き、また分岐率の偏波依存性を小さくすることが可能に
なる。この光分岐結合器は、2光束干渉を用いる光回路
の歩留まり向上と特性向上に寄与し、光スイッチの特性
向上に効果的である。
図である。
結合器の導波路構造図である。
ッハツェンダ干渉計の導波路構造図である。
結合器の分岐率の測定結果を示すグラフである。
結合器の偏波による分岐率差を示すグラフである。
である。
図である。
定結果を示すグラフである。
グラフである。
光導波路 3,4,5,6,9,12,13,17,18,19,
20,21,22,23,24,27,28 方向性結
合器 14,29 位相器
Claims (1)
- 【請求項1】 基板と、その基板上に形成された第一の
光導波路および第二の光導波路とを有し、 この第一および第二の光導波路の中間部が4ヶ所互いに
近接されて形成された第一、第二、第三、第四の方向性
結合器を有し、 上記第一と第二の光導波路の両方に、またはどちらか一
方の光導波路に入射される波長λの信号光を、上記第一
と第二の光導波路とに分配し出射する光分岐結合器にお
いて、 上記第一と第二の方向性結合器の間の上記第一と第二の
光導波路の光路長差ΔL1と、 上記第二と第三の方向性結合器との間の上記第一と第二
の光導波路の光路長差ΔL2と、 上記第三と第四の方向性結合器との間の上記第一と第二
の光導波路の光路長差ΔL3とがΔL1=ΔL2=−Δ
L3=λ/4を満たすことを特徴とする光分岐結合器。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP15403198A JP3420501B2 (ja) | 1998-06-03 | 1998-06-03 | 光分岐結合器 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP15403198A JP3420501B2 (ja) | 1998-06-03 | 1998-06-03 | 光分岐結合器 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH11344629A true JPH11344629A (ja) | 1999-12-14 |
JP3420501B2 JP3420501B2 (ja) | 2003-06-23 |
Family
ID=15575404
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP15403198A Expired - Lifetime JP3420501B2 (ja) | 1998-06-03 | 1998-06-03 | 光分岐結合器 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3420501B2 (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1273941A1 (en) * | 2001-07-04 | 2003-01-08 | Nippon Telegraph and Telephone Corporation | Waveguide-type optical signal processing circuit |
WO2004077117A1 (ja) * | 2003-02-26 | 2004-09-10 | Fujitsu Limited | アレイ導波路型波長合分波器および光伝送装置 |
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WO2011043449A1 (ja) * | 2009-10-09 | 2011-04-14 | 日本電気株式会社 | 光分岐素子、光分岐回路、並びに光分岐素子の製造方法、光分岐回路の製造方法 |
-
1998
- 1998-06-03 JP JP15403198A patent/JP3420501B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (7)
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GB2410095B (en) * | 2003-02-26 | 2007-08-08 | Fujitsu Ltd | Array waveguide wavelength multiplexing apparatus and optical transmitter |
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JPWO2011043449A1 (ja) * | 2009-10-09 | 2013-03-04 | 日本電気株式会社 | 光分岐素子、光分岐回路、並びに光分岐素子の製造方法、光分岐回路の製造方法 |
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---|---|
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