JPH01277807A - 光合分波器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、波長の異なる光信号を合波、分波したりする
光合分波器に関するものである。

［従来の技術〕 光フアイバ通信における光波長多重伝送技術は通信シス
テムの経済化を図る上で重要である。

上記光波長多重伝送において、光合分波器は必須のデバ
イスである。光合分波器の構成法とし。

て、最近、低コスト化、１チツプモノリシツク化をめざ
した導波路型構造を研究する動きがでてきた。その−例
として、方向性結合器形光分波器（Ｎ、Ｔａｋａｔｏ、
他：高シリカ埋込みチャンネル導波路を用いた低損失方
向性結合器、ＯＥＣ’８６、テクニカルダイジェ、スト
、Ａ３−３．１９８１４７　月）がある、これは第１１
図に示すように、二つの光導波路５．６を並行に配置さ
せ、二つの光導波路の結合の波長依存性を利用して光分
波特性を得る方法である。また高アイソレーシヨン特性
を得る構成法として、第１２図に示すように３つの方向
性結合器１００，２００，３００と２つの合波器２０１
゜３０１を１続接続する構成法がある（佐々木、大黒二
方向性結合器形光分波器、昭和５３年度電子通信学界総
合全国大会、８６−２）　。

［発明が解決しようとする課Ｈ］ 第１１図の構成の光分波器は第１３図の波長特性で示す
ように、波長１．３μｍと１．５５μｍの光分波を考え
た場合、高アイソレーション（通過域減衰量２０ｄＢ以
上）を保持する帯域幅が３０ｎｒｇ程度しかない、その
ため、半導体発光素子（たとえば、半導体レーザ）の温
度変動によって上記波長１．３μｌと１．５５μｍの値
が変動すると、希望波長を分波した系６に非希望波長の
光信号が漏洩してきて干渉（クロストーク）を起こし、
信号品質を劣化させるという問題がある。

第１２図の構成の光分波器は、高アイソレーシヨン特性
を得ることが可能である。しかし、方向性結合器は結合
部の長さＡが５ｎｎ前後、結合部の前後の入、出力導波
路の長さが約１０＋ｎｎ近くもあり、１個の方向性結合
器の長さ（Ｘ方向）は１５ｎｌ程度であるのに対し、導
波路の幅は１０μｍ前後、導波路と導波器の間隔も数μ
ｍのため、Ｙ方向の幅は０．２ｎｎ以下となり、非常に
細長い構造である。しかも上記構成は、上記方向性結合
器３個と合波器２個を縦続接続しているため、全体とし
てＸ方向長さが約７０ｎｍ、　Ｙ方向の幅が約０．５ｒ
ａｌの非常に細長い構造のものになる。

そのために、ホトリソグラフィ、エツチングなどの導波
路のバターニング工程時における面内露光の不均一性、
ドライエツチングの面内不均一性などによって面内での
パターン寸法の製造偏差が非常に大きくなる。この寸法
偏差は光分波器の中心波長のずれを生じさせ、また通過
域損失の増大、阻止域減衰量の減少をもたらし、クロス
トークの増大を招く。

また上記のように非常に細長い構造であると取扱いがむ
ずかしく、破断したり、パッケージ化の際に基板に反り
を生じさせる。この基板の反りは中心波長のずれは勿論
の事、分波特性に偏光特性をもたらす。

さらに、１枚の大きな基板（たとえば、直径４インチの
基板）に上記光分波器を１０数個〜数１０個形成した場
合に、上記光分波器は非常に細長いために切断、加工の
際に破断し易く非実用的である。

本発明の目的は、前記した従来技術の問題点を解決させ
ることのできる光合分波器を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明の光合分波器は、波長選択性を有する２入力、２
出力の方向性結合器を少なくとも３つ用い、第１の方向
性結合器の相異なる出力端子に第２、第３の方向性結合
器の入力端子の一つを接続し、第２、第３の方向性結合
器の出力端子の一つ同志を接続して閉ループを構成し、
波長の興なる２つの光信号を第１の方向性結合器の１つ
の入力端子に入力した場合に、各波長の光信号が少なく
とも上記３つの方向性結合器内を順次通るように構成し
たものである。

各方向性結合器を構成する伝送路および方向性結合器間
を接続する伝送路は、光ファイバスは光導波路のいずれ
かで構成できる。

また、方向性結合器の少なくとも一つの端子に半導体光
素子を少なくとも一つ接続して光モジユール化すること
もできる。ここで半導体素子としては、アバランシェフ
ォトダイオード等の受光素子や半導体レザ、発光ダイオ
ード等の発光素子がある。

［作用］ 波長がλ１．λ２の相異なる２つの光信号を第１の方向
性結合器の１つの入力端子に与えた場合、λ１．＾２の
各波長の光信号が波長選択性を有する３つの方向性結合
器を順次通って導波される関係は、例えば波長λ１を分
波する波長選択性λ１の方向性結合器と、波長λ２を分
波する波長選択性λ２の方向性結合器との組合せにより
実現される。

方向性結合器は２入力、２出力の４端子を有するため、
第１、第２、第３の方向性結合器の接続の仕方は、幾通
りかの組合せとなるが、第１の方向性結合器と第２の方
向性結合器との間の接続には何らの制約も伴わない、要
は、第２、第３の方向性結合器が第１の方向性結合器に
より分波されなλ１．λ２の光信号の一方を受ければよ
い。

第２又は第３の方向性結合器が波長選択性λ１を有する
方向性結合器である場合、当該方向性結合器が波長λ１
の光信号を受ければ、当該方向性結合器においても波長
＾１が分波されてその分波出力端子にλ１が現われるし
、波長λ２の光信号を受ければ、その導波出力端子に波
長λ２が導波される。同様に、波長選択性＾２を有する
方向性結合器である場合には、当該方向性結合器が波長
＾２の光信号を受ければ、当該方向性結合器においても
波長λ２が分波されてその分波出力端子にλ２が現われ
るし１、波長λ１の光信号を受ければその導波出力端子
に波長λ１が導波される。

第２、第３の方向性結合器における１つの出力端子同志
間の接続は、上記のようにして分波又は導波されるλ１
又はλ２の光信号を、他方の方向性結合器の１つの出力
端子に与えて当該他方の方向性結合器の入力端子のうち
第１の方向性結合器に接続されないで残っている端子に
、導波又は分波させる。

結局、第１の方向性結合器で分割された波長λ１の光信
号及び波長λ２の光信号は、それぞれ更に、第２の方向
性結合器、第３の方向性結合器を１回づつ通り、その都
度異なる波長λ２又はλ１の光信号の洩れ込みを除去し
つつ希望光信号受信端に現われる。従って、超高アイソ
レーション特性を実現できると共に、ＸおよびＹ方向の
寸法サイズがほぼバランスのとれた構成となる。

［実施例］ 本発明の光合分波器は、第９図あるいは第１０図に示し
た方向性結合器を用いて構成される。まず、これらの方
向性結合器について説明する９第９図（ａ）は波長λ１
の光信号を分波する方向性結合器を示したものであり、
模式的には第９図（ｂ）のように表わされる。−側の光
導波器５に属する入力ポート１に入射した波長λ１．λ
２の光信号のうち、他側の光導波路５に属する出力ボー
ト４に波長λ１の光信号が完全に移る場合の結合部７の
結合長りを完全結合長といい、第９図（ａ）の方向性結
合器の場合、結合長ｐを、 Ｌ（λ２）　偶数 な選ぶと、波長選択性λ１を有する第９図（ｂ）の方向
性結合器８となり、波長λ１の光信号は出力ボート４ｆ
ＦＩへ、波長λ２の光信号は出力ボート３側を伝搬して
いく。

同様にして、第１０図（ａ）に示す方向性結合器の場合
には、 Ｌ（λ２）　奇数 のように結合長１を選ぶと、波長λ２の光信号を分波す
る、即ち波長選択性λ２を有する方向性結合器９となり
、波長λ１の光信号は、出力ボート３側に、波長λ２の
光信号は出力ボート４側を伝搬していく９ 本発明の光分波器は、波長選択性λ１を有する第９図（
ｂ）の方向性結合器８と波長選択性λ２を有する第１０
図（ｂ）の方向性結合器９とを組合せて構成したもので
、その基本構成の第１の実施例を第１図に示す。

第１図は３つの方向性結合器を用いて構成した光分波器
の実施例であり、第１の方向性結合器１０及び第２の方
向性結合器２０は波長選択性λ１を有する方向性結合器
８（第９図）から成り、第３の方向性結合器３０は波長
選択性＾２を有する方向性結合器９（第１０図）から成
る。詳述するに、第１の方向性結合器１０の２出力端子
のうちの一方の出力端子１３に第２の方向性結合器２０
の入力端子２２を、他方の出力端子１４に第３の方向性
結合器３０の入力端子３１を接続し、第２の方向性結合
器２０の出力端子２４と第３の方向性結合器３０の出力
端子３３とを接続して閉ループを構成したものである。

第１の方向性結合器１０の１つの入力端子１１に入射し
、た波長λ１、＾２の光信号のうち、波長λ１の光信号
は、第１の方向性結合器１０により分波されてその出力
端子１４にとりだされ、第３の方向性結合器３０の入力
端子３１に入射する。

そして出力端子３３にとりだされ、第２の方向性結合器
２０の出力端子２４に逆に入射し、ここで分波されて第
２の方向性結合器２０端子２１にとりだされる。

一方、入力端子１１に入射した波長λ２の光信号は、第
１の方向性結合器１０の出力端子１３に導波され、第２
の方向性結合器２０の入力端子２２に入射し、その出力
端子２４に導波されて第３の方向性結合器３０の出力端
子３３に逆に入射する。そして、この第３の方向性結合
器３０で分波されて端子３２にとりだされる。

このように、波長λ１．λ２の光信号がともに３つの方
向性結合器をそれぞれ通ることにより、波長の分離度が
高められ、波長λ１の出力される端子２１への波長λ２
の光信号のもれ込み、逆に波長λ２の出力される端子３
２への波長λ１の光信号のもれ込みがほとんどない超高
アイソレーション特性を実現させることができる。これ
は３つの方向性結合器１０，２０．３０で閉ループを構
成することによって実現されるものである。

第２図は第１図の構成の光分波器の分波特性を計算した
結果を示したものである。同図かられかるように、通過
域減衰量２０ｄＢ以上を保持する帯域幅は約２００ｒ＋
Ｉｌもあり、従来の方向性結合器１個を用いた構成のも
のの場合の６倍以上も広い。次にサイズの面で見ると、
分波特性の面からは方向性結合器を３個縦続接続した場
合と同等な特性を持っているにもかかわらず、Ｘ方向に
は方向性結合器を２つ縦続接続した長さでよ＜、Ｙ方向
にも方向性結合器を３つ以上並列に配置した長さをとる
必要がある。なぜならば、端子２４と３３を接続する曲
線の伝送路での曲率半径が小さいと、放射損失が大きく
なるからである。従って、ＸおよびＹ方向の寸法サイズ
のバランスがよくなり、従来のような非常に細長い構造
が改善される。

第３図に本発明の光分波器の第２の実施例を示す。

これは第１図の場合と異なり第１及び第３の方向性結合
器１０．３０に波長λ１の光信号を分波するものを用い
、第２の方向性結合器２０に波長λ２の光信号を分波す
るものを用いた場合である。

閉ループの構成は、第２、第３の方向性結合器２０．３
０間の接続が出力端子２３．３４間に変っている点を除
き、第１図の場合と同様であり、端子１・３と２２の接
続、端子２３と３４の接続、端子１４と３１の接続によ
って実現されている。

次にこの第３図の構成の動作について説明する。

入力端子１１に入射した波長λ１．λ２の光信号のうち
、波長λ１の光信号は、第１の方向性結合器１０で分波
されてその出力端子１４にとりだされ、入力端子３１を
通して第３の方向性結合器３０に入射する。そして、こ
の第３の方向性結合器３０でも分波されてその出力端子
３４にとりだされ、第２の方向性結合器２０の出力端子
２３を通して第２の方向性結合器２０に入射し、端子２
１に導き出される。

一方、入力端子１１に入射した波長λ２の光信号は、第
１の方向性結合器１０の出力端子１３にとりだされ、入
力端子２２を通して第２の方向性結合器２０に入射し、
ここでも分波されて第２の方向性結合器２０の出力端子
２３にとりだされる。

そして、端子３４に導かれて第３の方向性結合器３０に
入射し、端子３２に導き出される。

このように、第３図の光分波器においても波長λ１．λ
２の光信号が３つの方向性結合器を通ることにより、波
長の分離度がよくなり、お互いに非希望波長の光信号の
もれ込みが抑圧され、超高アイソレーション特性が実現
される。

第４図は本発明の光分波器の第３の実施例を示したもの
である。

すなわち、第１、第２方向性結合器１０．２０に波長λ
２の光信号を分波するものを用い、第３の方向性結合器
３０に波長λ１の光信号を分波するものを用いた場合の
例である。この場合には、波長λ１の光信号は第３の方
向性結合器３ｏの端子３２に、波長λ２の光信号は第２
の方向性結合器２０の端子２１にそれぞれとりだされる
。

第５図はさらに高アイソレーシヨン特性を実現するため
に、第４図の第２、第３の方向性結合器２０．３０の外
側に第４、第５の方向性結合器４０．５０を並置し、合
計５個の方向性結合器を用いて構成し、た光分波器の実
施例を示したものである。第２の方向性結合器２０の端
子２１に第４の方向性結合器４０の１つの入力端子４２
が接続され、第３の方向性結合器３０の端子３２に第５
の方向性結合器５０の１つの入力端子５１が接続されて
いる。

入力端子１１に入射した波長λ１．λ２の光信号のうち
、波長λ１の光信号は、方向性結合器１０．３０．２０
を順次通って第２の方向性結合器２０の端子２１に導き
出され、入力端子４２を通して第４の方向性結合器４０
に入射し、その出力端子４４にとりだされる。一方、入
力端子１１に入射した波長λ２の光信号は、方向性結合
器１０．２０．３０を順次通って第３の方向性結合器３
０の端子３２に導き出され、入力端子５１を通して第５
の方向性結合器５０に入射し、その出力端子５３にとり
だされる。

このように、波長λ１．λ２の光信号ともに４つの方向
性結合器を通るので、波長間の干渉は抑圧され、高アイ
ソレーシヨン特性が得られる。

第６図は第５図の光分波器の分波特性の計算結果を示し
たもので、第２図に較べ、縦軸の通過損失（ｄＢ）の目
盛が大きくなっており、高アイソレーシヨン特性が得ら
れていることが判る。また第５図の構成の下でも光分波
器のＸおよびＹ方向の寸法サイズがバランスよくなると
いう特徴を有する。

第７図は双方向伝送用の光合分波器として使用する実施
例を示したものである。

その構成は第５図と同じであるが、第５の方向性結合器
５０の端子５３より波長λ２の光信号を入射させ、第１
の方向性結合器１０の端子１１より上記波長λ２の光信
号を送り出すようにしたものである。

第８図（ａ）、　（ｂ）は第１図の光分波器を導波路構
造で実現した場合の実施例を示したものである。

すなわち、石英ガラス、Ｓｉなどの基板６０の上にバッ
ファ層（屈折率ｎｂ）６１を形成し、その上に屈折率ｎ
　　［ｎ　　＞ｎｂ）のコア層６２．６３゜Ｃ ６４，６５を形成し、全体を屈折率ｎ　　　（ｎｃｌ　
　　　ｃｌ ＜　ｎ　ｃ　）のクラッド層６６で被覆し、た埋込み型
導波路で構成されている。このような導波路構造にする
と、半導体プロセスにより量産化が可能となり、大幅な
低コスト化が容易となる。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その精
神の範囲内で任意に改変し、修正することかできる。例
えば、光分波器或いは光合分波器は、光フアイバ型の方
向性結合器と光ファイバを用いて構成し、てもよく、ま
た導波路と光ファイバの組合せでもよい。開放端子（例
えば、第８図の端子２３）には光信号漏洩量をモニタす
るための光モニタ部７１を接続し、て漏洩光信号をモニ
タするようにしてもよい。この場合、光モニタ部７１は
例えば受光素子、電気信号に変換された信号を増幅する
回路、受信された信号強度を基準信号レベルと比較する
ための比較回路、受光素子を駆動する回路などを含んで
構成することができる。また開放端子（たとえば、第８
図の端子３４）からの漏洩光が反射して希望光信号受信
端子（たとえば、端子３２）にもれ込むのを抑圧するた
め、開放端子３４の導波路形状を、第８図（ａ）にテー
バ状部３４０として示すごとく、先細りに形成して基板
６０内に放射させてしまうようにすれば有効である。ま
た分波された光信号をとりだす端子（たとえば、端子３
２）には、受光素子、受光素子を駆動する回路、電気増
幅回路、などからなる光受信部７２を接続し２て、光モ
ジユール構成にしてもよい。さらに、光合分波器の場合
には、光信号送出端子（たとえば第７図の端子５３）に
半導体レーザ、発光ダイオードのような光発光部を設け
て光モジユール化してもよい。

［発明の効果］ 本発明の光合分波器においては、波長の異なる２つの光
信号を入力した場合に各波長の光信号が少なくとも３つ
の方向性結合器内を順次通るため、超高アイソレーショ
ン特性を実現させることができる。

また、上記アイソレーション特性は方向性結合器を３段
縦続接続した特性であるのにも拘らず、本発明の光合分
波器は、長手方向の寸法が２段縦続接続した寸法程度に
短く、その分、幅方向の寸法を拡げることができ、光合
分波器のＸおよびＹ方向の寸法サイズをほぼバランスの
とれた構成にすることができる。従って、導波路のパタ
ーニング工程時における面内露光の不均一性、ドライエ
ツチングの面内不均一性などを大幅に改善することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光分波器の実施例を示す図、第２図は
その分波特性の計算結果を表した図。 第３図、第４図および第５図はそれぞれ本発明の光分波
器の他の実施例を示す図、第６図は第５図の光分波器の
分波特性の計算結果を示す図、第７図は双方向伝送用光
合分波器として使用する場合を例示した図、第８図の（
ａ）は本発明に従った導波路型光分波器の具体例を示す
平面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ断面図、第９図の（ａ）及
び（ｂ）は本発明に用いる方向性結合器の構成図及び動
作原理図、第１０図の（ａ）及び（ｂ）は本発明に用い
る他の種類の方向性結合器の構成図及び動作原理図、第
１１図及び第１２図はそれぞれ従来の光分波器の構成図
、第１３図は第１１図の光分波器の分波特性の本発明者
による計算結果を示した図である。 図中、１０は第１の方向性結合器、１１．１２は入力端
子、１３．１４は出力端子、２０は第２の方向性結合器
、２１．２２は入力端子、３０は第３の方向性結合器、
３１．３２は入力端子、３３．３４は出力端子、４０は
第４の方向性結合器、４１．４２は入力端子、４３．４
４は出力端子、５０は第５の方向性結合器、５１．５２
は入力端子、５３．５４は出力端子、６０は基板、６１
はバッファ層、６２〜６５はコア層、６６はクラッド層
、７１は光モニタ部、７２は光受信部を示す。 １０：第１めｊ秤哨奄詠 第１図 第２図 Ｌｘ 第５図 第７図 第８図 第９図 ！−Ｌ（λ°）＝　　ダピ（ Ｌ（λ２）　　耐裂 （ｂ） 第１０図 ３Ｅ！、長　（％ｍ） 第１３図 回 １事件の表示 昭和　６３　年　特　　許　願第　１０８３５２　　号
２発明の名称 事件との関係　特　　許　出願人 ４補正の対象 明細書の発明の詳細な説明の欄。 ５補正の内容 明細書第６頁第９行の「半導体レザ」を「半導体レーザ
」と訂正する。 以　　上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、波長選択性を有する２入力、２出力の方向性結合器
   を少なくとも３つ用い、第１の方向性結合器の相異なる
   出力端子に第２、第３の方向性結合器の入力端子の一つ
   を接続し、第２、第３の方向性結合器の出力端子の一つ
   同志を接続して閉ループを構成し、波長の異なる２つの
   光信号を第１の方向性結合器の１つの入力端子に入力し
   た場合に、各波長の光信号が少なくとも上記３つの方向
   性結合器内を順次通るようにしたことを特徴とする光合
   分波器。 ２、方向性結合器を構成する伝送路および方向性結合器
   間を接続する伝送路を、光ファイバスは光導波路のいず
   れかで構成したことを特徴とする請求項１記載の光合分
   波器。 ３、請求項１又は２記載の光合分波器の方向性結合器の
   少なくとも一つの端子に半導体光素子を少なくとも一つ
   接続して光モジュール化したことを特徴とする光合分波
   器。