JPH02287408A - Waveguide type optical branching element - Google Patents
Waveguide type optical branching elementInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
[産業上の利用分野]
本発明は、光通信分野等で用いる導波型光分岐素子に関
するもので、さらに詳細には、パワー結合率の波長依存
性を緩和した導波型光分岐素子に関するものである。[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to a waveguide type optical branching element used in the field of optical communications, etc., and more specifically relates to a waveguide type optical branching element used in the field of optical communication. This invention relates to a wave type optical branching element.
[従来の技術]
光フアイバ通信の普及のためには、光ファイバと受・発
光素子とに加えて各種の光部品が必要である。なかでも
、光分岐素子は、最も基本的な光部品であり、50%分
岐、 20%分岐、数%分岐等の分岐比(結合率)を持
つ分岐素子が要求されている。特に、広い波長域にわた
って波長依存性の少ない光分岐素子の需要は大きい。[Prior Art] In order to popularize optical fiber communication, various optical components are required in addition to optical fibers and receiving/emitting elements. Among these, the optical branching element is the most basic optical component, and a branching element having a branching ratio (coupling ratio) such as 50% branching, 20% branching, several % branching, etc. is required. In particular, there is a great demand for optical branching elements that have little wavelength dependence over a wide wavelength range.
光分岐素子は、光カッテとも呼ばれ、その形態により、
(1)バルク型、(2)ファイバ型、(3)導波型に大
別することができる。The optical branching element is also called an optical cutter, and depending on its form,
They can be broadly classified into (1) bulk type, (2) fiber type, and (3) waveguide type.
バルク型は、マイクロレンズやプリズム、干渉膜フィル
タ等を組合せて構成するものであり、波長依存性の少な
い分岐素子を提供でき、一応実用のレベルにあるものの
、組立調整に長時間を要し、長期(X頼性や、価格、サ
イズの点で問題を残している。The bulk type is composed of a combination of microlenses, prisms, interference film filters, etc., and can provide a branching element with little wavelength dependence, and although it is at a practical level, it takes a long time to assemble and adjust. Problems remain in terms of long-term reliability, price, and size.
ファイバ型は、光フアイバ自身を構成材料として研磨や
融着・延伸工程を経て構成されるものであり、波長依存
性の低減されたタイプも実現可能であるが、その作製工
程には、職人芸を有し、再現性が不良で量産に通さない
という欠点がある。The fiber type is constructed using the optical fiber itself through polishing, fusing, and stretching processes, and it is possible to create a type with reduced wavelength dependence, but the manufacturing process requires craftsmanship. However, it has the disadvantage of poor reproducibility and cannot be mass-produced.
一方、導波型の中でも、イオン拡散法やイオン交換法等
による光分岐素子の作製は、構造等の導波路パラメータ
を正確にコントロールすることがむずかしく、再現性が
悪い。On the other hand, among the waveguide types, it is difficult to accurately control waveguide parameters such as structure when producing optical branching elements using ion diffusion methods, ion exchange methods, etc., and the reproducibility is poor.
これらに対して、LSI(大規模集積回路)加工技術と
して実績のあるドライエツチング法を用いた導波型光分
岐素子は、フォトリソグラフィ工程により、平面基板上
に一括大量生産できる利点があり、再現性や小型集積可
能性等の点で将来型の光分岐素子として注目されている
。In contrast, waveguide type optical branching elements using the dry etching method, which has a proven track record as an LSI (Large Scale Integrated Circuit) processing technology, have the advantage of being mass-produced on a flat substrate using a photolithography process. It is attracting attention as a future type optical branching device due to its flexibility and the possibility of compact integration.
[発明が解決しようとする課題]
従来の導波型光分岐素子として方向性結合器型光分岐素
子があり、その構成例を第9図に示す。[Problems to be Solved by the Invention] There is a directional coupler type optical branching element as a conventional waveguide type optical branching element, and an example of its configuration is shown in FIG.
同図(^)は平面図、同図CB)は切断線c−c’に沿
う断面図、同図(C)は切断線D−D’に沿う断面図で
ある。同図において、平面基板l上に幅が相等しい2木
の光導波路1a、lbが配置され、その一部は互いに近
接して方向性結合器2を構成している。方向性結合器2
は、入力ポート3aから入射された信号光を出カポ−)
−3b、4bに分岐出力するように設計されている。こ
の時、方向性結合器2のパワー結合率を希望するある特
定の波長で所望の値に設定することは可能であるが、広
い波長域で光分岐素子を使用する場合には、パワー結合
率の波長依存性が問題であった。The same figure (^) is a plan view, the same figure CB) is a sectional view taken along cutting line c-c', and the same figure (C) is a sectional view taken along cutting line DD'. In the figure, two optical waveguides 1a and lb having equal widths are arranged on a flat substrate l, some of which are close to each other to form a directional coupler 2. Directional coupler 2
outputs the signal light incident from the input port 3a)
- It is designed to branch output to 3b and 4b. At this time, it is possible to set the power coupling ratio of the directional coupler 2 to a desired value at a certain desired wavelength, but when using an optical branching element in a wide wavelength range, the power coupling ratio The problem was the wavelength dependence of
第1θ図は第9図に示した従来の方向性結合器型光分岐
素子の結合効率の波長依存性の一例を示す、この場合、
2木の光導波路1a−、lbの伝搬定数が同一であるの
で、その出力パワー(結合率)は、波長に対してほぼ正
弦波状に変化し、最大結合率はある波長において1 (
100J)となる。この例では、波長1.3μmで50
%の結合率を得た場合、波長1.55μmでは、1o0
96近い結合率となってしまい、波長1.3μ曙と波長
1.55μmで同時に光分岐素子として動作させること
ができなかった。Figure 1θ shows an example of the wavelength dependence of the coupling efficiency of the conventional directional coupler type optical branching element shown in Figure 9. In this case,
Since the propagation constants of the two-tree optical waveguides 1a- and lb are the same, their output power (coupling ratio) changes approximately sinusoidally with respect to the wavelength, and the maximum coupling ratio is 1 (
100J). In this example, 50
% coupling rate, at a wavelength of 1.55 μm, 1o0
The coupling ratio was close to 96, and it was not possible to operate as an optical branching element at the wavelength of 1.3 μm and at the wavelength of 1.55 μm at the same time.
一方、上記のような方向性結合器型光分岐素子において
、結合領域における2本の光導波路の伝搬定数が異なる
場合、その伝搬定数のミスマツチ(不一致)により最大
結合率が1 (100Hに達せず、ある波長域において
結合率が緩和される。このことを式で表わすと次の(1
)式のように示される(“光導波路“用上彰二部著P1
15■朝倉書店1980年9月20日発行初版第1刷)
。On the other hand, in the above-mentioned directional coupler type optical branching element, if the propagation constants of the two optical waveguides in the coupling region are different, the maximum coupling ratio will be 1 (100H is not reached) due to the mismatch of the propagation constants. , the coupling rate is relaxed in a certain wavelength range.This can be expressed as the following equation (1
) is shown as the formula (P1
15 ■Asakura Shoten, September 20, 1980, first edition (1st printing)
.
C;結合率
に;結合係数
βa、βb:導波路a、bの結合のない時の伝搬定数L
:結合部の長さ
さらに、本発明の目的は、光ファイバとの接続このよう
に、従来、光フアイバ通信分野で大きな需要がある12
μmから1.8μm帯の広い波長域にわたって、所望の
波長依存性の少ない結合率を実現したものはなかった。C: Coupling rate: Coupling coefficients βa, βb: Propagation constant L when there is no coupling between waveguides a and b
: Length of the coupling part Furthermore, the object of the present invention is to connect optical fibers, which have hitherto been in great demand in the field of optical fiber communication.
No one has achieved the desired coupling rate with little wavelength dependence over a wide wavelength range from μm to 1.8 μm.
また、導波型光分岐素子の別の構成法としては、いわゆ
るY分岐型が知られているが、この場合には、結合率(
分岐比)の波長依存性は小さいものの、分岐部で1dB
程度以上の光損失の発生が避けられないという木質的な
欠点があった。In addition, the so-called Y-branch type is known as another configuration method of the waveguide type optical branching element, but in this case, the coupling rate (
Although the wavelength dependence of the branching ratio is small, it is 1 dB at the branching point.
There was a wood-related drawback in that a certain degree of light loss was unavoidable.
本発明の目的は、上述のような問題点に鑑み、導波I摸
堆積法(例えば、火炎堆積法、スパッタ法等)と、フォ
トリソグラフィや反応性イオンエツチング等の微細加工
ブレーナ技術とにより作製する方向性結合器型光分岐素
子について、実用的な構造を提供し、所望の波長域、例
えば1.3μm〜1.55μmを含む波長域において、
結合率の波長依存性が、例えば50%±10%に緩和さ
れた低損失な導波型光分岐素子を提供することにある。In view of the above-mentioned problems, an object of the present invention is to fabricate a film using a waveguide I-simulation deposition method (e.g., flame deposition method, sputtering method, etc.) and microfabrication brainer technology such as photolithography or reactive ion etching. It provides a practical structure for a directional coupler type optical branching element, and in a desired wavelength range, for example, a wavelength range including 1.3 μm to 1.55 μm,
The object of the present invention is to provide a low-loss waveguide type optical branching element in which the wavelength dependence of the coupling rate is relaxed to, for example, 50%±10%.
を容易にする構造の導波型光分岐素子を提供することに
ある。An object of the present invention is to provide a waveguide type optical branching element having a structure that facilitates the following.
[課題を解決するための手段]
かかる目的を達成するため、本発明の第1形態は、基板
と、基板上に配置された2本の光導波路と、2本の光導
波路の一部で互いに近接させた1個の方向性結合器とか
らなり、光導波路の片端を入力ポートとし、光導波路の
他端を、それぞれ、主出力ポート、副出力ポートとする
導波型光分岐素子において、方向性結合器内の結合領域
における2本の光導波路の幅が互いに異なり、かつ、深
さは同しであることを特徴とする。[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above object, a first embodiment of the present invention includes a substrate, two optical waveguides disposed on the substrate, and a portion of the two optical waveguides that are connected to each other. In a waveguide type optical branching element consisting of one directional coupler placed close to each other, one end of the optical waveguide is an input port, and the other end of the optical waveguide is a main output port and a sub-output port, respectively. The two optical waveguides in the coupling region in the optical coupler have different widths and the same depth.
本発明の第2形態は、方向性結合器内の結合領域におけ
る一方の光導波路の幅を8μm程度、他方の光導波路の
幅を4μmから8μm未満程度、画光導波路の深さを8
μm程度にすることによって、入力ポートから副出力ポ
ートへのパワーの結合率の波長依存性を1.2μlから
1.8μm程度にわたって緩和するよう設定されている
ことを特徴とする。In the second embodiment of the present invention, the width of one optical waveguide in the coupling region in the directional coupler is approximately 8 μm, the width of the other optical waveguide is approximately 4 μm to less than 8 μm, and the depth of the image optical waveguide is approximately 8 μm.
It is characterized in that it is set so that the wavelength dependence of the coupling rate of power from the input port to the sub-output port is relaxed over a range of about 1.2 μl to 1.8 μm by making it about μm.
本発明の第3形態は、入力ポートおよび出力ポートの近
傍の導波路の幅を、ポートに接続すべき光フアイバコア
寸法に匹敵する大きさである8μm程度とし、テーパ状
の過度領域を経て方向性結合器の結合領域部へと連結さ
れていることを特徴とする。In the third embodiment of the present invention, the width of the waveguide in the vicinity of the input port and the output port is set to about 8 μm, which is comparable to the size of the optical fiber core to be connected to the port, and the directionality is It is characterized in that it is connected to the coupling region of the coupler.
[作 用]
本発明では、方向性結合器において、その結合領域にお
ける導波路幅が異なる構造を有する導波型光分岐素子を
特徴としている。原理的には、各導波路の高さ、屈折率
差Δ等の導波路パラメータを変化させることによっても
各導波路の伝搬定数を実効的に変えて、上記の導波路幅
を異ならせた場合と同様の機能を実現することができる
が、本発明ではフォトリソグラフィや反応性イオンエツ
チング等の微細加工ブレーナ技術を用いるという設計・
製造上の容易さを考慮して、導波路幅のみを非対称にし
ていることが大きな特(りである。また、そのため、本
発明では構造が極めて簡単であり、従来の方向性結合器
型光分岐素子とほぼ同し大きさとなるので、集積化・・
小型化の点からも大きな利点を有する。[Function] The directional coupler of the present invention is characterized by a waveguide type optical branching element having a structure in which the waveguide widths in the coupling region are different. In principle, by changing the waveguide parameters such as the height of each waveguide and the refractive index difference Δ, the propagation constant of each waveguide can be effectively changed, and if the above-mentioned waveguide widths are different. However, in the present invention, the design and design method using microfabrication brainer technology such as photolithography and reactive ion etching can be realized.
A major feature of the present invention is that only the waveguide width is made asymmetric in consideration of ease of manufacturing.As a result, the structure of the present invention is extremely simple, and it is different from conventional directional coupler type optical fibers. Since it is almost the same size as the branch element, integration...
It also has a great advantage in terms of miniaturization.
従って、本発明では、導波膜堆積法(例、火炎堆積法、
スパッタ法等)と、フォトリソグラフィや反応性イオン
エツチング等の微細加工ブレーナ技術との公知技術の組
合せで作製する方向性結合器型光分岐素子について実用
的な構造を1に供して、所望の波長域、たとえば1.3
μm〜1.55μmを含む波長域において、結合率の波
長依存性が、たとえば50%±lθ%に緩和された低損
失な導波型光分岐素子を提供することが゛できる。さら
に、本発明では入出力ポート近傍の導波路幅をテーバ状
にして光ファイバとの接続を容易にする構造を提供する
ことができる。Therefore, in the present invention, waveguide film deposition methods (e.g., flame deposition methods,
A practical structure of a directional coupler type optical branching element manufactured by a combination of well-known techniques such as sputtering method, etc.) and microfabrication brainer technology such as photolithography and reactive ion etching is used to obtain the desired wavelength. area, for example 1.3
In the wavelength range including μm to 1.55 μm, it is possible to provide a low-loss waveguide type optical branching element in which the wavelength dependence of the coupling rate is relaxed to, for example, 50%±lθ%. Furthermore, the present invention can provide a structure in which the width of the waveguide near the input/output port is tapered to facilitate connection with an optical fiber.
よって、このような本発明による導波型光分岐素子は、
広い波長域に広がる光信号の分配用やモニタ用、タップ
用として幅広い用途が期待される。Therefore, such a waveguide type optical branching element according to the present invention,
It is expected to have a wide range of uses, including for distributing optical signals over a wide wavelength range, for monitoring, and for tapping.
また、平面基板上に本発明の光分岐素子を多段に連結す
ることにより、4分岐素子や8分岐素子への拡張も容易
である。また、同一基板上に光分岐素子をアレイ上に形
成し、例えば、250μmピッチの光フアイバアレイと
接続して使用することも可能である。Furthermore, by connecting the optical branching elements of the present invention in multiple stages on a flat substrate, it is easy to expand to a four-branching element or an eight-branching element. It is also possible to form optical branching elements in an array on the same substrate and connect them to, for example, an optical fiber array with a pitch of 250 μm.
[実施例]
以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。[Example] Hereinafter, an example of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
以下の実施例では、光導波路としてシリコン基板上に形
成した石英系単一モード導波路を使用しているが、これ
は、石英系単一モード導波路が単一モード光ファイバと
の接続性に優れ、実用的な導波型光分岐素子を提供でき
るためであり、本発明は、このような石英系光導波路に
限定されるものではない。In the following example, a silica-based single-mode waveguide formed on a silicon substrate is used as an optical waveguide. This is because an excellent and practical waveguide type optical branching element can be provided, and the present invention is not limited to such a silica-based optical waveguide.
(第1実施例)
まず、第1図を参照して、本発明の第1実施例の導波型
光分岐素子の構造について説明する。(First Example) First, with reference to FIG. 1, the structure of a waveguide type optical branching element according to a first example of the present invention will be described.
第1図において、(^)は平面図、(B)は切断線^−
A°に沿う断面図、(C)は切断線B−8’に沿う断面
図である。第1図において、■はシリコン基板、la、
lbはシリコン基板1上に石英系ガラス材料により形成
された石英系光導波路である。光導波路la、1bは異
なる幅を有し、かつ1箇所で互いに近接して方向性結合
器2を構成している。光導波路la、lbは、膜厚50
μ馬程度の5iCh系ガラス層5に埋設された縦横寸法
8μI程度の5i02−TiOz系ガラスコア部からな
り、直線パターンと曲率半径50n+mの円弧パターン
とで構成されている。In Figure 1, (^) is a plan view, and (B) is a cutting line ^-
A sectional view taken along A°, and (C) a sectional view taken along cutting line B-8'. In Fig. 1, ■ is a silicon substrate, la,
lb is a quartz-based optical waveguide formed on a silicon substrate 1 using a silica-based glass material. The optical waveguides la and 1b have different widths and are close to each other at one location to form a directional coupler 2. The optical waveguides la and lb have a film thickness of 50
It consists of a 5i02-TiOz glass core portion with a length and width of about 8 μI embedded in a 5iCh glass layer 5 with a size of about μH, and is composed of a straight line pattern and an arc pattern with a radius of curvature of 50 n+m.
このような石英系光導波路1a、lbは四塩化シリコン
や四塩化チタンの火炎加水分解反応を利用したガラス膜
堆積技術、および反応性イオンエツチング等による微細
加工技術との公知技術の組合せで形成できる。方向性結
合器2の結合部は、両光導波路1a、lbを間隔s=3
μm〜6μm程度に保ち、長さL = 1.5++a
〜2.5mm程度の距離にわたフて平行に配置すること
により構成されている。また、入力ポート3aと副久カ
ポート4aとの間隔、および出力ポート3bと副出力ポ
ート4bとの間隔は、本実施例ではいずれも0.25h
mに設計されている。Such silica-based optical waveguides 1a and lb can be formed by a combination of known techniques with a glass film deposition technique using flame hydrolysis reaction of silicon tetrachloride or titanium tetrachloride, and a microfabrication technique such as reactive ion etching. . The coupling part of the directional coupler 2 has both optical waveguides 1a and lb spaced apart by s=3.
Keep it at about μm to 6μm, length L = 1.5++a
It is constructed by arranging them in parallel across a distance of about 2.5 mm. Further, in this embodiment, the distance between the input port 3a and the secondary port 4a, and the distance between the output port 3b and the secondary output port 4b are both 0.25h.
It is designed to m.
次に、第2図を参照して、本発明の導波型光分岐素子の
第1実施例として、波長域1.25μI〜1.8μ■で
50%±lO%の結合率を有する分岐素子の結合率・波
長依存性を説明する。Next, referring to FIG. 2, as a first embodiment of the waveguide type optical branching element of the present invention, a branching element having a coupling rate of 50%±1O% in the wavelength range of 1.25μI to 1.8μI is described. Explain the coupling rate and wavelength dependence of
第2図において、直線■と曲線■は各々、従来の対称方
向性結合器(それぞれの導波路幅^・B−8μm、導波
路高さH−8μm)の場合の包絡線と結合特性であり、
曲線■と曲線■は各々、本発明実施例の非対称方向性結
合器(A−8μm、トロμvr、 I(・8μm)の場
合の包絡線と結合特性である。ただし、屈折率差Δ−0
,25にであり、曲線■では、導波路間隔s−3,0μ
re、結合部長さL−1,4mmに調整しである。In Figure 2, the straight line ■ and the curve ■ are the envelope and coupling characteristics of a conventional symmetrical directional coupler (each waveguide width ^ B - 8 μm, waveguide height H - 8 μm), respectively. ,
Curves ■ and Curves ■ are the envelope and coupling characteristics of the asymmetric directional coupler (A-8 μm, Toro μvr, I (・8 μm)) of the embodiment of the present invention, respectively. However, the refractive index difference Δ-0
, 25, and in the curve ■, the waveguide spacing s-3,0μ
re, the joint length L-1, adjusted to 4 mm.
曲線■では、波長域1.0μIから1.65μ馬におい
て、結合率が波長増加につれて単調増加しているが、曲
線■では、1.4μm近傍にピークを持つなだらかな変
化を示し%1,25μmから1,80μmの広い波長域
にわたって50%±lθ%の結合率に保たれている。In the curve ■, the coupling rate increases monotonically as the wavelength increases in the wavelength range from 1.0 μI to 1.65 μm, but in the curve ■, it shows a gentle change with a peak near 1.4 μm, and the coupling rate increases from 1.0 μI to 1.65 μm. The coupling rate is maintained at 50%±lθ% over a wide wavelength range from 1.80 μm to 1.80 μm.
これは、前述の(1)式に−おいて、非対称性による伝
搬定数の差(βa−βb)の作用により、対称方向性結
合器の単調増加特性(曲線■)が抑制されているためで
ある。さらにいえば、非対称性により結合特性の最大振
幅を1.0から包!3線へと抑制し、かつ、5IN(正
弦)の位相項を調整することによって、抑制された最大
結合率が得られる波長帯を所望波長域のほぼ中間に位置
するように設定していることになる。This is because, in equation (1) above, the monotonically increasing characteristic (curve ■) of the symmetric directional coupler is suppressed by the effect of the difference in propagation constant (βa - βb) due to asymmetry. be. Furthermore, due to the asymmetry, the maximum amplitude of the coupling characteristic can be expanded from 1.0! By suppressing the wavelength to 3 lines and adjusting the phase term of 5IN (sine), the wavelength band in which the suppressed maximum coupling rate can be obtained is set to be located approximately in the middle of the desired wavelength range. become.
本発明実施例における構造パラメータは、導波路幅A、
B、導波路導波日高導波路間隔S等であり、それらの設
定にはサブミクロン以下の精度が必要であるが、これは
、前述したように今日のフォトリソグラフィ技術では容
易なところである。The structural parameters in the embodiments of the present invention are waveguide width A,
B, the waveguide spacing S, and the like, and their setting requires submicron or less precision, which is easy to achieve with today's photolithography technology, as described above.
また、例えそれらのパラメータに微小な誤差があったと
しても、前述の(11式における包絡線は、後述の第6
図〜第8図にも示すように極端に太きな変化はせず、位
相項の調整によって十分抑制可能である。さらに、位相
項自体も結合長しを0−ωと適切に設定することにより
自由に、かつ精密に制御可能である。Furthermore, even if there is a small error in those parameters, the envelope in equation 11 mentioned above is
As shown in FIGS. 8 to 8, there is no extremely large change, and it can be sufficiently suppressed by adjusting the phase term. Furthermore, the phase term itself can be controlled freely and precisely by appropriately setting the coupling length to 0-ω.
ここで、本実施例の光分岐素子の寸法について述べてお
くと、単体の対称方向性結合器の大きさとほとんど変わ
りがなく、長さ12mm、幅0,25IIIII+と極
めて小型であり、例えば3インチSi(シリコン)ウェ
ハ基板上に一括して800個程度作製することが可能で
ある。Here, the dimensions of the optical branching element of this embodiment are almost the same as the size of a single symmetrical directional coupler. It is possible to fabricate about 800 pieces at once on a Si (silicon) wafer substrate.
また、本光分岐素子の損失値は0.2dB程度と極めて
小さかった。人出力ポートに接続した単一モート光ファ
イバとの接続損を含めた光分岐素子の損失も、0.5d
B程度以下と小さく、十分実用に耐えるレベルにあるこ
とを確認した。これは、従来のY分岐型光分岐素子では
ファイバ接続損を含めた過剰損が、1.5dB程度以上
であったのに比べて対照的であり、本発明の光分岐素子
の構成には、Y分岐部のような特異点が含まれず、なめ
らかなパターンのみで光素子が構成されているためであ
る。Further, the loss value of this optical branching element was extremely small at about 0.2 dB. The loss of the optical branching element, including the connection loss with the single-mode optical fiber connected to the output port, is also 0.5d.
It was confirmed that it was small, below grade B, and was at a level sufficient for practical use. This is in contrast to the conventional Y-branch type optical branching element, in which the excess loss including fiber connection loss was about 1.5 dB or more. This is because a singular point such as a Y-branch is not included, and the optical element is composed of only a smooth pattern.
(第2実tJζ例)
第3(駒図は、本発明の第2実hζ例として構成した波
長域1.25μm〜1.70μmにおいて20%±5%
の結合率を有する光分岐素子の構造を示す平面図である
。大略は、第1実施例と同じであるが、入力ポート3a
、4a 、出力ポート3b、llbを第1図の配置に対
して上下対称的に配置した点が異なる。(Second actual tJζ example) The third (frame diagram) is 20% ± 5% in the wavelength range 1.25 μm to 1.70 μm configured as the second practical hζ example of the present invention.
FIG. 3 is a plan view showing the structure of a light branching element having a coupling ratio of . It is roughly the same as the first embodiment, but the input port 3a
, 4a differs from the arrangement in FIG. 1 in that the output ports 3b and llb are vertically symmetrically arranged.
第3(B)図は、本発明の第2実hf例の光分岐素子の
結合率・波長依存性を説明する特性図である。直線のと
曲線■は各々対称方向性結合器(A−B−8μm、 l
l−8μm)の場合の包絡線と結合特性であり、曲線■
と曲線■は各々、非対称方向性結合器(^−8μm、
B−6μm、 H−8μm)の場合の包絡線と結合特性
である。ただし、屈折率差Δ= 0.25!l;であり
、波長域1.25μm 〜1.70.umにおいて、2
0%±5%の結合率となるように、導波路間隔s= 4
μm。FIG. 3(B) is a characteristic diagram illustrating the coupling rate and wavelength dependence of the optical branching element of the second practical hf example of the present invention. The straight line and the curve ■ are respectively symmetrical directional couplers (A-B-8μm, l
1-8 μm), and the curve ■
and curve ■ are respectively for an asymmetric directional coupler (^-8 μm,
These are the envelope and coupling characteristics for B-6μm, H-8μm). However, the refractive index difference Δ=0.25! The wavelength range is 1.25 μm to 1.70 μm. In um, 2
The waveguide spacing s = 4 so that the coupling rate is 0% ± 5%.
μm.
結合部長さL=2.0mmに調整しである。曲線■では
、結合率が波長増加につれて単調増加しているが、曲線
■では1.45μm近傍にピークを持つなだらかな変化
を示し、1.25μlから1.70μmの広い波長域に
わたフて20%±5%の結合率に保たれている。The length of the joint part was adjusted to L = 2.0 mm. In the curve ■, the coupling rate increases monotonically as the wavelength increases, but in the curve ■, it shows a gentle change with a peak near 1.45 μm, and the coupling rate increases over a wide wavelength range from 1.25 μl to 1.70 μm. The binding rate is maintained at %±5%.
(第3実施例)
第4(A)図は、本発明の第3実施例として構成した波
長域l、25μI11〜1.75μmにおいて5%±1
%の結合率を有する光分岐素子の構造を示す平面図であ
る。大略は、第1実施例と同じであるが、副入力ポート
4aと副出力ポート4bの近傍における導波路幅を、も
う一方の導波路3a、3bの幅と同じとし、かつ方向性
結合器2の結合領域との間を、放射モードが生じないよ
う、十分になめらかなテーパ状導波路5で接続している
点が異なる。(Third Embodiment) Figure 4(A) shows 5% ± 1 in the wavelength range l, 25μI11 to 1.75μm configured as the third embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a plan view showing the structure of a light branching element having a coupling rate of The waveguide width in the vicinity of the sub-input port 4a and the sub-output port 4b is made the same as the width of the other waveguides 3a and 3b, and the directional coupler 2 is roughly the same as the first embodiment. The difference is that the coupling region is connected by a sufficiently smooth tapered waveguide 5 so that no radiation mode occurs.
第4(B)図は、本発明の第3実施例の光分岐素子の結
合率・波長依存性を説明する特性図である。直線■と曲
線■は各々対称方向性結合器(^−B・8μva、 H
−8μIn)の場合の包絡線と結合特性であり、曲線■
と曲線■は各々、木実り包例の非対称方向性結合器(^
−8μm、 B−5μm、 If−8μm)の場合の包
絡線と結合特性である。ただし、屈折率差Δ=0.25
Nであり、曲線■では波長域1.25μm −1,75
μmにおいて、5%±1%の結合率となるように、導波
路間隔s= 3.0μm;結合部長さL−1,4mmに
調整しである。曲線■では、結合率が波長増加につれて
単調増加しているが、曲線■では1.4 μI近傍にピ
ークを持つなだらかな変化を示し、1.25μ■から1
.6μIの広い波長域にわたって5%±1%の結合率に
保たれている。FIG. 4(B) is a characteristic diagram illustrating the coupling rate/wavelength dependence of the optical branching element of the third embodiment of the present invention. The straight line ■ and the curve ■ are symmetrical directional couplers (^-B・8μva, H
-8 μIn), and the curve ■
and the curve ■ are respectively the asymmetric directional coupler (^
-8 μm, B-5 μm, If-8 μm). However, refractive index difference Δ=0.25
N, and in the curve ■ the wavelength range is 1.25 μm -1,75
In order to obtain a coupling rate of 5%±1% in μm, the waveguide spacing s was adjusted to 3.0 μm; the coupling length L−1.4 mm. In curve ■, the coupling rate increases monotonically as the wavelength increases, but in curve ■, it shows a gentle change with a peak near 1.4 μI, and from 1.25 μI to 1
.. The coupling rate is maintained at 5%±1% over a wide wavelength range of 6μI.
以上述べた各実施例の結合特性をまとめると、第5図に
示すようになり、所望の波長域で所望の結合率を設計す
ることができる。なお、本発明では、各導波路パラメー
タ、特に導波路幅Bの値の減少によってカットオフ波長
が短波長側にシフトするので、設計の際には、それをも
考慮しなければならない場合がある。The coupling characteristics of each embodiment described above are summarized as shown in FIG. 5, and it is possible to design a desired coupling rate in a desired wavelength range. Note that in the present invention, the cutoff wavelength shifts to the shorter wavelength side as the value of each waveguide parameter, especially the waveguide width B, decreases, so this may also have to be taken into consideration during design. .
以上、各実施例において、方向性結合器の結合部の構造
パラメータについて記述したが、方向性結合器はきわめ
て構造敏感な光回路素子であるので、製造者はそれぞれ
の製造工程の癖などを考慮して、そのパラメータを変更
することができる。The structural parameters of the coupling part of the directional coupler have been described in each of the examples above, but since the directional coupler is an extremely structure-sensitive optical circuit element, manufacturers should take into consideration the peculiarities of each manufacturing process. You can then change its parameters.
未発明による導波型光分岐素子を設計する際、最も重要
となる包絡線の導波型パラメータに対する波長依存性を
第6図から第8図に示す。要は、所望の波長域の中心波
長とその結合率を実現できる導波路幅B、導波路間隔S
、屈折率差Δの値を包絡線特性の第6図〜第8図から見
当をつけて、その後、結合長しを0−ωへと変化させて
適切な値を見つければよい。FIGS. 6 to 8 show the wavelength dependence of the envelope on waveguide parameters, which is most important when designing a waveguide type optical branching element according to the invention. The key is to determine the waveguide width B and waveguide spacing S that can achieve the center wavelength of the desired wavelength range and its coupling rate.
, the value of the refractive index difference Δ may be estimated from the envelope characteristics of FIGS. 6 to 8, and then the coupling length may be changed to 0−ω to find an appropriate value.
また、上記の各実施例では、1個の方向性結合器の結合
部における導波路幅を互いに異なるようにした場合を扱
ったが、これを拡張してN個の方向性結合器を連結して
全体でよりフラットな波長依存特性を達成することも可
能である。In addition, in each of the above embodiments, the case where the waveguide widths at the coupling portion of one directional coupler are made different from each other is dealt with, but this can be extended to connect N directional couplers. It is also possible to achieve an overall flatter wavelength-dependent characteristic.
また、以上の各実施例においては、シリコン基板1上の
石英系(SiO,−TiO,)光導波路1a、1bによ
り、光分岐素子を構成したが、基板は、シリコンに限定
されず、石英ガラス基板等に変更することも可能である
。また、コア部の主ドーパントとしてGem2を用いた
5j02−Ge02光導波路を用いることもできる。ま
た、前述したように、本発明はこれらの石英系光導波路
に限定されるものではなく、他の導波路材料系、例えば
多成分ガラス導波路系やニオブ酸リチウム導波路系にも
適用できる。Further, in each of the above embodiments, the optical branching element was constructed by the silica-based (SiO, -TiO,) optical waveguides 1a and 1b on the silicon substrate 1, but the substrate is not limited to silicon, and the substrate may be made of quartz glass. It is also possible to change to a substrate or the like. Furthermore, a 5j02-Ge02 optical waveguide using Gem2 as the main dopant in the core can also be used. Furthermore, as described above, the present invention is not limited to these silica-based optical waveguides, but can also be applied to other waveguide material systems, such as multi-component glass waveguide systems and lithium niobate waveguide systems.
ポた、上記の各実施例では伝搬定数の差を導波路幅の差
によって設定したが、場合によっては光導波路幅を同一
にしておき、かつ2本の光導波路の屈折率値に僅かな差
を与える方法、あるいはコア領域を異種コア材料で複合
化することにより、実効的な伝搬定数差を設定してもよ
い。例えば、方向性結合器間の光導波路上部に薄膜ヒー
タを装着してお籾、片側の光導波路の屈折率値を熱光学
効果により調整して所望の光分岐素子を実現することも
できる。また、予め設定しておいた伝搬定数差に加えて
、片方の導波路上に予備的な薄膜ヒータを装荷しておき
、薄膜ヒータをオン・オフすることにより結合率特性を
スイッチング(波長依存性小−−波長依存性大)するこ
とも可能である。Additionally, in each of the above embodiments, the difference in propagation constant was set by the difference in waveguide width, but in some cases, the width of the optical waveguides may be the same and there may be a slight difference in the refractive index values of the two optical waveguides. The effective propagation constant difference may be set by a method of giving , or by compositing the core region with different types of core materials. For example, a desired optical branching element can be realized by installing a thin film heater above the optical waveguide between the directional couplers and adjusting the refractive index value of the optical waveguide on one side using the thermo-optic effect. In addition to the preset propagation constant difference, a preliminary thin film heater is loaded on one of the waveguides, and coupling rate characteristics can be switched (wavelength dependent) by turning on and off the thin film heater. It is also possible to have a small wavelength dependence (high wavelength dependence).
[発明の効果]
以上説明したように、本発明によれば、導波膜堆積法(
例:火炎堆積法、スパッタ法等)と、フォトリソグラフ
ィや反応性イオンエツチング等の微細加工ブレーナ技術
との公知技術の組合せで作製する方向性結合器型光分岐
素子について実用的な構造を提供して、所望の波長域、
たとえば1.3μm〜1.55μmを含む波長域におい
て、結合率の波長依存性が、たとえば50%±lO%に
緩和された低損失な導波型光分岐素子を提供することが
できる。さらに、本発明では入出力ポート近傍の導波路
幅をテーパ状にして光ファイバとの接続を容易にする構
造を提供することができる。[Effects of the Invention] As explained above, according to the present invention, the waveguide film deposition method (
We provide a practical structure for a directional coupler type optical branching element manufactured by a combination of known techniques such as flame deposition method, sputtering method, etc.) and microfabrication brainer technology such as photolithography and reactive ion etching. the desired wavelength range,
For example, in a wavelength range including 1.3 μm to 1.55 μm, it is possible to provide a low-loss waveguide type optical branching element in which the wavelength dependence of the coupling rate is relaxed to, for example, 50%±1O%. Furthermore, the present invention can provide a structure in which the width of the waveguide near the input/output port is tapered to facilitate connection with an optical fiber.
よって、このような本発明による導波型光分岐素子は、
広い波長域に広がる光信号の分配用やモニタ用、タップ
用として幅広い用途が期待される。Therefore, such a waveguide type optical branching element according to the present invention,
It is expected to have a wide range of uses, including for distributing optical signals over a wide wavelength range, for monitoring, and for tapping.
また、平面基板上に本発明の光分岐素子を多段に連結す
ることにより、4分岐素子や8分岐素子への拡張も容易
である。また、同一基板上に光分岐素子をアレイ上に形
成し、例えば、250μ■ピツチの光フアイバアレイと
接続して使用することも可能である。Furthermore, by connecting the optical branching elements of the present invention in multiple stages on a flat substrate, it is easy to expand to a four-branching element or an eight-branching element. It is also possible to form optical branching elements in an array on the same substrate and connect them to, for example, a 250 μm pitch optical fiber array.
さらに、平面基板上に容易に大量−括製作できることか
ら、低価格化も期待でき、本発明の光分岐素子およびそ
の応用素子は、光通信システムの普及に大きく貢献する
と期待される。Furthermore, since it can be easily manufactured in large quantities on a flat substrate, it is expected that the cost will be reduced, and the optical branching element of the present invention and its application elements are expected to greatly contribute to the spread of optical communication systems.
第1図は本発明の第1実施例の導波型光分岐素子の構造
を示す図であり、その中の同図(幻は平面図、同図(B
)は線へへ゛で切った断面図、同図(C)は線8B’で
切った断面図、
第2図は本発明の第1実施例(設計結合率50%±lθ
%)の波長依存性を示す特性図、第3図は本発明の第2
実施例(設計結合率20%±5%)を示す図で、同図(
八)は素子の構造を示す平面図、同図(B)は波長依存
性を示す特性図、第4図は本発明の第3実施例(設計結
合率5%±1%)を示す図で、同図(八)は素子の構造
を示す平面図、同図(B)は波長依存性を示す特性図、
第5図は波長域1.2μm〜1.8μmにおいて、結合
率10096.50%、2H,5tで設計した場合の波
長依存性をまとめて示す特性図、
第6図〜第8図は、それぞれ各導波路パラメータ(導波
路幅B、導波路間隔S、屈折率差Δ)に対する最大結合
率(包絡線)の波長依存性を示す特性図、
第9図は、従来の方向性結合器型光分岐素子の構造を示
す図であり、その中の同図(A)は平面図、同図CB)
は線cc’で切った断面図、同図(C)は線DD’で切
った断面図、
第1θ図は第9図に示した従来の方向性結合器型光分岐
素子の結合率・波長依存性を示す一例の特性図である。
l・・・基板(シリコン)、
Ia、H+・・・光導波路、
2・・・方向性結合器、
2a、2b・・・方向性結合器2の結合部導波路、3a
・・・入力ポート、
3b・・・出力ポート、
4a・・・副入力ポート、
4b・・・副出力ポート、
5・・・5i02系ガラス膜。
特許出願人 日本電信電話株式会社FIG. 1 is a diagram showing the structure of a waveguide type optical branching element according to a first embodiment of the present invention.
) is a sectional view taken along line 8B', FIG. 2 is a sectional view taken along line 8B', and FIG.
%) is a characteristic diagram showing the wavelength dependence of
This is a diagram showing an example (design coupling rate 20% ± 5%).
8) is a plan view showing the structure of the element, FIG. 4 (B) is a characteristic diagram showing wavelength dependence, and FIG. , Figure (8) is a plan view showing the structure of the element, Figure (B) is a characteristic diagram showing wavelength dependence,
Figure 5 is a characteristic diagram summarizing the wavelength dependence in the wavelength range of 1.2 μm to 1.8 μm when designed with a coupling rate of 10096.50% and 2H, 5t. Figures 6 to 8 are respectively A characteristic diagram showing the wavelength dependence of the maximum coupling rate (envelope) for each waveguide parameter (waveguide width B, waveguide spacing S, refractive index difference Δ). It is a diagram showing the structure of a branching element, in which (A) is a plan view and (CB) is a plan view.
(C) is a cross-sectional view taken along line DD', and Figure 1θ shows the coupling rate and wavelength of the conventional directional coupler type optical branching element shown in Figure 9. It is a characteristic diagram of an example which shows dependence. l... Substrate (silicon), Ia, H+... Optical waveguide, 2... Directional coupler, 2a, 2b... Coupling part waveguide of directional coupler 2, 3a
...Input port, 3b...Output port, 4a...Sub-input port, 4b...Sub-output port, 5...5i02-based glass membrane. Patent applicant Nippon Telegraph and Telephone Corporation
Claims (1)
、2本の光導波路の一部で互いに近接させた1個の方向
性結合器とからなり、前記光導波路の片端を入力ポート
とし、前記光導波路の他端を、それぞれ、主出力ポート
、副出力ポートとする導波型光分岐素子において、 前記方向性結合器内の結合領域における2本の光導波路
の幅が互いに異なり、かつ、深さは同じであることを特
徴とする導波型光分岐素子。 2)前記方向性結合器内の結合領域における一方の光導
波路の幅を8μm程度、他方の光導波路の幅を4μmか
ら8μm未満程度、両光導波路の深さを8μm程度にす
ることによって、前記入力ポートから前記副出力ポート
へのパワーの結合率の波長依存性を1.2μmから1.
8μm程度にわたって緩和するよう設定されていること
を特徴とする請求項1に記載の導波型光分岐素子。 3)前記入力ポートおよび前記出力ポートの近傍の導波
路の幅を、該ポートに接続すべき光ファイバコア寸法に
匹敵する大きさである8μm程度とし、テーパ状の過度
領域を経て前記方向性結合器の結合領域部へと連結され
ていることを特徴とする請求項1または2に記載の導波
型光分岐素子。[Scope of Claims] 1) Consisting of a substrate, two optical waveguides arranged on the substrate, and one directional coupler that is a part of the two optical waveguides and placed close to each other, In a waveguide type optical branching element in which one end of an optical waveguide is an input port and the other end of the optical waveguide is a main output port and a sub-output port, respectively, two optical guides in a coupling region in the directional coupler are provided. A waveguide type optical branching element characterized in that wave paths have different widths and the same depth. 2) By setting the width of one optical waveguide in the coupling region in the directional coupler to about 8 μm, the width of the other optical waveguide from about 4 μm to less than 8 μm, and the depth of both optical waveguides to about 8 μm, The wavelength dependence of the coupling rate of power from the input port to the sub-output port is set from 1.2 μm to 1.2 μm.
2. The waveguide type optical branching element according to claim 1, wherein the waveguide type optical branching element is set to be relaxed over about 8 μm. 3) The width of the waveguide near the input port and the output port is about 8 μm, which is comparable to the core size of the optical fiber to be connected to the port, and the directional coupling is performed through the tapered transient region. 3. The waveguide type optical branching element according to claim 1, wherein the waveguide type optical branching element is connected to a coupling region of a device.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10772089A JPH02287408A (en) | 1989-04-28 | 1989-04-28 | Waveguide type optical branching element |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10772089A JPH02287408A (en) | 1989-04-28 | 1989-04-28 | Waveguide type optical branching element |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02287408A true JPH02287408A (en) | 1990-11-27 |
Family
ID=14466239
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10772089A Pending JPH02287408A (en) | 1989-04-28 | 1989-04-28 | Waveguide type optical branching element |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH02287408A (en) |
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