JPH04163406A - 導波型光合分波器 - 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】 ニー産業上の利用分野ヨ 光通信の分野においては、複数の信号を別々の波長の光
に載せ、１本の光ファイバで伝送し通信容量を拡大する
方法（波長分割多重伝送方法）か検討されている。この
方式においては、異なる波長の光を合波あるいは分波す
る光合分波器か重要な役割を果たしているか、本発明は
、この光合分波器における偏波依存性の解消に関するも
のである。

膳従来の技術」 近年、波長分割多重伝送システムにおいて、多重度を増
やし伝送量を飛躍的に増大させようとする試みがなされ
ている。その現実には、波長＃３隔が１ナノメートル程
度、あるいはそれ以下の複数の信号光を合波・分波でき
る合分波器か必要である。しかしなから、従来の回折格
子を用いた光合分波器では、利用できる回折次数に制限
かあり十分な分散か得られないことから、波長間隔を１
す７メートル以下にすることかできなかった。

上記の問題を解決する有力な方法として、アレー導波路
型回折格子を用いる方法か知られている（　’Ａｒｒｙ
ｅｄ　−ｗａｖｅｇｕｉｄｅ　ｇｒａｔｉｎｇ　ｆｏｒ
　ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｄｉｖｉｓｉｏｎ　ｍｕｌｔｉ
／　ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ　ｗｉｔｈ　ｎａｎｏ
ｍｅｔｅｒｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ’　；　Ｅｌｅｃｔｒ
ｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ、ｖｏｌ、２６．ｐｐ８１
−８８．１９９０　　および特罪平１−６５５８８を参
照のこと）。

第６図は上記のアレー導波路型回折格子を用いた光合分
波器の先導波回路の構成を示した平面図である。基板５
６の上に入力導波路５７、入力側スラブ導波路５８、ア
レー導波路５９、アレー導波路を構成するチャンネル導
波路６０、出力側スラブ導波路６１、複数の出力導波路
６２−ｉ（ｉ＝］、２，３．　　・・）か順次接続、配
置されている。

入力側スラブ導波路は入力導波路との接続点付近を曲率
中心とする扇型であり、出力側スラブ導波路は呂力導／
Ｉ回路との接続点付近を曲率中心とする扇型である。

入力導波路から導入された波長多重信号光は、入力側ス
ラブｇｉ、波路で広かりアレー導波路を構成する複数の
チャンネル導波路６０に同位相で入射する。各々のチャ
ンネル導波路６０は隣接するチャンネル導波路と一定量
△したけ長さか異なっている。アレー導波路５９からの
出射光は曲率中心である圧力導波路付近に集光する。ア
レー導波路を伝搬する時に△Ｉ、に相当する位相差を受
けるので、集光位置は波長により変化する。出力導波路
は波長多重間隔に対応した間隔て配置されており、波長
毎に別々の出力導波路６２−ｉ（ｉ＝］、２゜３、・・
）から取出される。

アレー導波路回折格子においては、 ｎ　、ｄ　ｓ１ｎθ半ｎｅ△Ｌ＝ｍλ　　　（］）なる
式か満足される。ここで、ｎ、はスラブ導波路におｒす
る実効屈折率、ｎ、はアレー導波路を構成する叩々のチ
ャンネル導波路６０の実効屈折率、ｄは出力側スラブ導
波路との接続部分におけるアレー導波路の導波路間隔の
周期、θは出力（１１１７スラブ導波路内における回折
光の回折角、△Ｌはアレー導波路を構成するチャンネル
導波路間の光路長差、ｍ（整数）は回折次数、λは波長
である。中心波長λ。付近では、回折次数ｍは、 ｍ＝ｎｅ△Ｌ／λ。　　　（２） となる。また、この時ｓｉｎθ仕θ、　ＣＯＳθ；１が
成立する範囲においては、（１）式より、分散はで与え
られる。アレー導波路回折格子、こおいては、分散は光
路長差△Ｌに比例する。従って、△Ｌを大きく取ること
により従来の回折格子とは比較にならないはと大きな分
散を得ることできる特徴かある。

しかも、すへての先導波回路を一括して３インチ程度の
基板上に作製できるので、レンズや回折格子を組み立て
て作製するバルク型と比較して、量産性、特性の安定性
、低価格なとの点でも有利である。

このようにアレー導波路型回折格子は、波長間隔の狭い
波長分割多重伝送用光合分波器を作製する上て、従来の
回折格子よりも優れた特徴を有している。

「発明か解決しようとする課題」 ところか、第６図の光合分波器は大きな偏波依存性を持
つという欠点があった。これは、アレー導波路を構成す
るチャンネル導波路が複屈折性を有することに起因する
。すなわち、第２式において、水平偏波（ＴＥ）光に対
するチャンネル導波路の実効屈折率ｎｅ、Ｔ）：ｌと、
垂直偏波（ＴＭ）光に対するｎｅａＴ□か異なるためＴ
ＥとＴＭで中心波長か一致しないのである。

例えば、火炎堆積法により作製した石英系導波路の場合
、複屈折値Ｂ−ｌ　ｎ　ｅ（ｒｔ＋　　ｎ　ｃｆＴＭｌ
　ｌ　＝４Ｘ１０−’である。このとき（２）式より中
心波長のずれは０４３ｎｍ　である。波長間隔１ｎｍで
多重された光を分波するのに、０．４３ｎｍの波長ずれ
は致命的である。

チャンネル導波路の複屈折性は用いる材料および作製方
法により様々である。異方性結晶は当然であるが、本来
等方法であるはずのガラス系の導波路においても複屈折
性を有することがある。最も実用的な方法である火炎堆
積法でンリコン基板上に作製した石英系導波路の場合、
ンリコンと石英カラスの熱膨張係数の値か１桁も異なる
ことが複屈折性の原因となっている。

作製中、１０００度を越える高温ｉｆｆ程かあり、そこ
から室温に下がるときに熱応力か発生し複屈折性か生じ
てしまう。そのため、作製後に導波路の複屈折性を除去
するため、導波路の近傍の石英ガラスを除去し応力解放
溝を形成して、カラスにかかる圧縮応力を取り去る方法
か開発された。

しかしながら、この方法では、工程が複雑な上、溝の寸
法を微妙に調整する必要かあり、応力を完全に除去する
ことは困難である。】本の導波路を対象とするならとも
かく、アレー導波路を構成する数百本のチャンネル導波
路すへてに対してこの方法を適用して複屈折性を除去す
るのは不可能に近い。

石英系導波路に限らず、一般に、チャンネル導波路の複
屈折性を除去するのは困難であり、それにより生じる偏
波依存性か光合分波器の特性劣化の原因となっていた。

そこで本発明は、アレー導波路型口折格子における偏波
依存性の解消を解決課題とし、より実用的な波長分割多
重伝送用の光合分波器を実現することを目的とする。

「課題を解決するための手段− 先に述べたようにチャンネル導波路の複屈折性を除去す
ることは困難であるため、本発明においては、複屈折性
を除去することなく、アレー導波路型回折格子光合分波
器の偏波依存性を解消するための新しい光回路構成を提
案する。

本発明の光合分波器は、従来のアレー導波路型回折格子
を用いた光合分波器と比較して、入力導波路がＴＥ偏波
用とＴＭ偏波用の２本の入力導波路て構成されていて、
それぞれの偏波成分か異なる位置から入力側スラブ導波
路に入射することを特徴とする。

一作用」 先述のように、従来型においては、アレー導波路を構成
するチャンネル導波路の複屈折性のため集光位置がＴＥ
光とＴＭ光で異なるという欠点かあった。そこで、本発
明の光合分波器においては、この位置ずれを逆手にとり
、入力信号光をあらかしめ偏波分離回路てＴＥ偏波成分
とＴＭ偏波成分を分離し、それぞれを異なる位置（先の
位置ずれに相当）から入力側スラブ導波路へ入射するよ
うにする。すると、光の相反性によりＴＥ偏彼とＴＭ偏
波は同し位置に集光する。すなわち、偏波依存性は解消
される。

Ｅ実施例ｄ 第１図（Ａ）及び第１図（Ｂ）に本発明の第１の実施例
としての、アレー導波路型回折格子を用いた導波型光自
分波器の構成図を示す。偏波分離回路１０５２本の偏波
保持ファイバ１１と１２．２つの入力導波路を有する導
波回路から構成されている。導波回路は基板上１に、Ｔ
Ｅ偏波用入力導波路２、ＴＭ偏波用入力導波路３、入力
側スラブ導波路４、アレー導波路５、出力側スラブ導波
路７、出力導波路８を順次接続、配置したものである。

アレー導波路５は長さの異なるチャンネル導波路６から
構成されている。スラブ導波路４および７とアレー導波
路５の接続部分においては個々のチャンネル導波路６の
幅を広げ、隙間なくスラブ導波路と接続し接続損失を低
減しである。広かり部分のテーパは放射損失を防ぐため
てきるたけ緩やかであることか好ましく、例えば、石英
系導波路の場合、ｌ　／　２５０程度か良い。入力側ス
ラブ導波路は入力導波路２．３との接続片付近を曲率中
心とする扇型である。出力側スラブ導波路は出力導波路
８−ｉ　　（ｉ　＝１．　２．　３）との接続片付近を
曲率中心とする扇型である。

はしめに、本実施例における信号光の流れを順をおって
説明する。伝送路９からの波長多重信号光は、偏波分離
回路１０によりＴＥ偏波成分とＴ〜１偏波成分に分離さ
れ、偏波保持ファイバ］ｌ、１２を通じて、ＴＥＷ波は
第１の入力導波路２を、ＴＭ成分は第２の入力導波路３
を通り、入力側スラブ導波路４に入射する。スラブ導波
路内では水平方向の閉じ込みかないため光は広がり、複
数のチャンネル導波路６に導波される。アレー導波路て
所望の位相差を受けた後、出力側スラブ導ｌ皮路に出射
し曲率中心付近に集光する。正確には、集光位置はアレ
ー導波路で受けた位相差に応じて定まり、波長により異
なる出力導波路８から取り出される。

次に、本実施例による複屈折性を除去する必要なく偏波
依存性を解消する機構について数式を用いて詳細に説明
するにあたり、入射位置か異なることを考慮し、先の（
１）式を次のように変更する。

ｎ　、ｄ　ｓｉｎθ、＋　ｎ　、ｄ　ｓｉｎθａ　＋　
ｎ　ｃ△Ｌ＝ｍλ（４）ここで、先はどまての回折角θ
をθ。とし、新たに入射角度を０１とする。

また、第３図および第４図を用いて、従来型と比較しな
がら説明する。第３図は従来型の光合分波器の偏波依存
性を説明するための図である。第４図は本発明による光
合分波器の偏波依存性解消方法を説明するための図であ
る。

ここで従来型および本発明による光合分波器において、
偏波依存性解消方法以外の基本的構成は同一であり−，
ｎ　ｓｉ丁Ｅ＋−１、４５３０−、ｎ　ｅｆＴＥｌ−１
，４５１０の石英系導波路において、波長１５５０μｍ
のＴＥ光か、入射角θ、＝００、回折角θ　＝　Ｑ　Ｏ
となるように、ｄ＝２５μｍ、△Ｌ＝１０６．８　μｍ
、ｍ＝　］　００、焦点距離ｆ＝１８．１６２ｍｍに設
計しである。また、チャンネル導波路の複屈折性値は４
Ｘ１０−’でｎ　ｅｉＴＭｌ＝　１　、４　ｖ　＋４と
仮定している。

第３図の従来型において、入力導波路３０は入射角θ１
＝００の位置で入力側スラブ導波路３１と接続されてい
る。入力導波路より入射した光のうち、ＴＥ酸成分出射
角θ。−〇°の方向３６に集光し出力導波路３５−２か
ら取り出される。

一方、ＴＭ酸成分、（４）式よりθ。−一０．０６７４
°となり、２１．４μｍのずれた位置３７に集光してし
まい、出力導波路３６−２から取り出すことかできず、
過剰損失の原因となる。

そこで、第４図に示すように、ＴＥ光をθニー０°の入
力導波路３８より、７Ｍ光を０１−−００６７４°の入
力導波路３９から入射させると、（４）式より、ＴＥ光
およびＴＭ先の両者に対して、θ。−〇〇となる。従っ
て、ＴＥ光と７Ｍ光を同一の出力導波路４５−２から取
り出すことか可能となり、偏波依存性は解消される。こ
のときもちろん、波長分散性は従来のアレー導波路型回
折格子となんら変わることなく、波長１．５５０μｍの
光は出力導波路４５−２から、波長１５５１μｍの光は
出力導波路４５−３より取り出される。

なお、本実施例においては、スラブ導波路における複屈
折性については考慮しなかったか、それは次の理由によ
る。光路長差△Ｌの大きいアレー導波路型回折格子では
、位相差の大半はアレー導波路において生じるので、ｎ
、の複屈折性は、ｎ。

の複屈折性と比較して十分無視てきる値である。

基板からの応力で生じた石英系スラブ導波路のｎ、複屈
折性がｎ、と同程度であっても、中心波長ずれは、およ
そ数ｐｍ（１ｐｍ−○、ＯＯ１ｎｍ）で、ｎｅの場合の
１００分の１程度であり、１ｎｍの分波にはほとにど影
響しない。もちろん、波長間隔かｐｍオーターの光合分
波器を設計する場合には、この点を考慮に入れなければ
ならないことは明白である。

いずれの場合にせよ、チャンネル導波路とスラブ導波路
の両者における複屈折性の影響の和か、出力側スラブ導
波路での集光位置のすれとなって現れるか、その分あら
かしめ入力導波路の位置で補正し、偏波依存性を解消で
きるのか本発明の特徴である。

また、モート分散を抑制するため、アレー導波路を構成
しているチャンネル導波路は単一モート条件を満たして
いることか望ましい。複数の伝搬モートか存在する場合
には、モート間の実効屈折率の違いにより、複屈折の場
合と同様に集光位置ずれか生してしまうためである。し
かしなから、導波路側壁の加工あれによる散乱損失、曲
線部分における放射損失なとの低減を図るために、単一
モード導波路よりも幅の広い多モード導波路か必要とさ
れることも多い。この場合、直線部と曲線部の接続点や
、曲率の向きか異なる２つの曲線の接続点などて、主要
な伝搬モード（通常は０次モード）以外の伝搬モードが
発生しないような処置を施せば、多モード導波路を用い
ることも可能である。曲線部分ては導波光の重心か導波
路の幾何的重心（導波路の中央）よりも外側にずれてい
る。

曲線導波路の接続においては、幾何的重心でなく導波光
の重心か一致するように接続すれば、不要なモートの発
生を抑制できことか知られており、この様な方法が適当
である。

第２図（Ａ）及び第２図（Ｂ）に、本発明による第２の
実施例としての、アレー導波路型回折格子を用いた導波
型光合分波器の構成例を示す。基板上に、偏波分離回路
２２、第１の入力導波路２３、第２の入力導波路２４、
入力側スラブ導波路２５、アレー導波路２６、アレー導
波路を構成するチャンネル導波路２７、出力側スラブ導
波路２８、出力導波路２９−ｉ（ｉ＝１．２．３　・）
を順次配置し、接続しである。

偏波分離回路２２は、第１のチャンネル導波路１４、第
２のチャンネル導波路１５、第１および第２の３ｄＢカ
ブラ（方向性結合器）１６と１９から成り、途中、複屈
折性を有する第１の光路１７と第２の光路１８か含まれ
ている。また、第２の光路１８にはアモルファスンリコ
ン応力付与膜を用いた複屈折調整器２６、第１の光路１
７にはアモルファスンυコン応力付与膜を用いた移相器
２１か設置しである。光路１７．１８の長さ、および複
屈折調整器２ｏ、移相器２１は、ＴＥ光か第１の入力導
波路２３へＴＭ光か第２の入力導波路２４へ伝達するよ
うに設定しである。

本実施例においては、偏波分離回路はマツハツエンター
干渉計により構成されているか、本発明はこれに限定さ
れるものではなく、その他の偏波分離回路を用いても、
同様の効果か得られることは明白である。

本実施例の特徴は、偏波分離回路とアレー導波路回折格
子を同一基板１３上に配置することにより、生産性や動
作の安定性などか向上されていることにある。本実施例
における偏波依存性解消の効果は第１の実施例と同様で
ある。

第５図（Ａ）は本発明における、偏波別入力方法の第３
の実施例であって、第１および第２のチャンネル導波路
４７．４８、第１の方向性結合器４９、第２の方向性結
合器５２、第１の光路５０、第２の光路５１、複屈折調
整器５３、移相器５４から構成されている。偏波分離回
路の構成および動作は第１の実施例と同様である。本実
施例の特徴は、第２の方向性結合器５２か直接入力側ス
ラブ導波路５５に接続されていることにある。

導波路の作製プロセスによっては、アレー導波路を構成
するチャンネル導波路の複屈折値か先の実施例よりも、
小さい場合かある。先の実施例では、ＴＥ光とＴＭ先の
入力位置ずれか２１４μｍであったか、例えば、複屈折
値か半分の場合、必要とされるＴＥ偏波用とＴＭ偏波用
の入力導波路の間隔は約１０μｍとなる。また、後述す
る焦点距離の比により２つの入力導波路間隔が狭くなる
場合もある。

入力導波路間隔が狭くなり結合か生じるようになった場
合、独立してＴＥ偏波とＴＭ偏彼を入射させることは困
難である。そこで、第５図（Ａ）に示すように方向性結
合器５２を直接入力側スラブ導波路５５に接続した方か
良い。第５図（Ｂ）中のグラフは第２の方向性結合器５
２と入力側スラブ導波路５５の接続部分における、ＴＥ
光とＴ　Ｍ光の強度分布を示したものである。方向性結
合器の結合度、長さ、間隔は、グラフに示すように、丁
Ｅ光とＴＭ先の強度の中心か所望の入力位置すれ間隔た
け離れるように設計されている必要かある。

本実施例における偏波依存性解消の効果は第１および第
２の実施例と同様である。

なお、各実施例においては、入力側スラブ導波路と出力
側スラブ導波路の大きさを等しく設計しであるか、必す
しもその必要はない。入力側と出力側のスラブ導波路の
焦、屯距離（曲率半径）が１対１てない場合には、出力
側スラブ導波路端（出力導波路側）における回折光の像
か入力側スラブ導波路端（入力導波路側）に焦点距離の
比に応じて拡大あるいは縮小されるので、それに応じた
設計を施せば、偏波依存性解消の効果は先の実施例と同
様である。例えば、入力側スラブ導波路の焦点距離か２
０ｍｍ、出力側スラブ導波路の焦点距離が１０ｍｍの場
合、出力側の像の寸法は入力側の半分になる。従って、
偏波別の入力位置間隔は出力側のＴＥ−ＴＭの集光位置
すれの２倍に設計すればよい。もちろん、この時集光の
幅も変イヒするので入力および出力導波路の開口幅を焦
点距離比に応して設計するｌ・要かあることを付記する
。

また、各実施例においては、火炎堆積法に従い作製した
石英系導波路を用いているか、本発明はこの材料系に限
定されるものではなく、多成分カラス系導波路、プラス
チック系導波路、さらには、ニオブ酸リチウム系導波路
、化合物半導体系導波路等の様々な導波路系においても
、本発明の先導波路構成を適用できることを付記する。

璽発明の効果」 通常、波長分散を利用する先導波回路においては、導波
路の複屈折性は偏波依存性の原因となる。

その除去には多大の労力を必要とし、生産性の低下や高
価格の要因となり、実用に適する導波型光合分波器を実
現することかできなかった。

いままでの説明のように、本発明の導波型光合分波器に
おいては、偏波分離回路とＴＥ光とＴ　Ｎｉ充用の２本
の入力導波路を巧みに配置することにより、アレー導波
路を構成する個々のチャンネル導波路の複屈折性を除去
する必要なく、偏波依存性を解消することかできる。す
なわち、本発明は、複屈折性除去という複雑な工程を増
やすことなく、先導波回路の設計段階て偏波依存性を解
消できるという特徴を有しており、従来作業か困難であ
った偏波無依存の導波型光合分波器を提供するものであ
る。

本発明により、偏波無依存の光合分波器か大量生産に適
した導波型で、しかも狭波長間隔のものか実用化されれ
ば、波長間隔か１ナノメートル以下の高密度波長分割多
重伝送ンステムの実現か可能となり、光通信ンステムの
大容量化において計り知れないはと大きな効果が期待さ
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）及び（Ｂ）は本発明による導波型光合分波
器の第１の実施例の構成図、第２図（Ａ）及び（Ｂ）は
本発明による導波型光合分波器の第２の実施例の構成図
、第３図は従来のアレー導波路型回折格子における偏波
依存性説明図、第４図は本発明による導波型光合分波器
にお１する偏波依存性前〆肖方法説明図、第５図（Ａ）
は本発明による導波型光合分波器における偏波副入力方
法の第３の実施例の構成Ｖ、第５図（Ｂ）は第２の方向
性結合器と入力側スラブ導波路の接続部分におけるＴＥ
光とＴＭ先の強度分布を示したグラフ、第６図は従来の
アレー導波路型回折格子を用いた導波型光合分波器の構
成図である。 １　　／リコン基板 ２　　第１の入力導波路 ３　　第２の入力導波路 ４　　入力端スラブ導波路 ５　　アレー導波路 ６　　アレー導波路を構成する チャンネル導波路 ７　　出力側スラブ導波路 ８　・出力導波路 ９　　伝送路 １０・・・偏波分離回路 １１・・・偏波保持ファイバ １２　　偏波保持ファイバ １３・・・基板 １４−　第１のチャンネル導波路 １５　　第２のチャンネル導波路 １６　　第１の方向性結合器 １７　　第１の光路 １８　　第２の光路 １９・　第２の方向性結合器 ２０〜　複屈折調整器 ２１　　移相器 ２２・・・偏波分離器 ２３　　第１の入力導波路 ２４　　第２の入力導波路 ２５　　入力端スラブ導波路 ２６　・アレー導波路 ２７・　・アレー導波路を構成する チャンネル導波路 ２８・・出力側スラブ導波路 ２９・・・出力導？皮路 ３０　・入力導波路 ３１・　入力側スラブ導波路 ３２　　・入力側スラブ導波路内を 伝搬する信号光 ３３　・・アレー導波路 ３４・・・出力側スラブ導波路 ３５　　出力導メ皮路 ３６　・ＴＥ偏波の回折光 ３７　　　ＴＭ偏波の回折光 ３８　・第１の人力導波路 ３９　・・−第２の入力導波路 ４０　・入力側スラブ導波路 ４１・　・・ＴＥ偏彼の入力光 ４２−・ＴＭ偏波の入力光 ４３　・・アレー導波路 ４４・・・・・出力側スラブ導波路 ４５−　出力導波路 ４６・・・・回折光 ４７　・・第１のチャンネル導波路 ４８　・　第２のチャンネル導波路 ４９　　第］の方向性結合器 ５０　　第１の光路 ５１−　第２の光路 ５２　　第２の方向性結合器 ５３　・　複屈折調整器 ５４・・・・・移相器 ５５　・入力側スラブ導波路 ５６　　基板 ５７　・入力導ｌ皮路 ５８・・・・入力端スラブ導波路 ５９−　・アレー導波路 ６０　・アレー導波路を構成する チャンネル導波路 ６１・・出力側スラブ導波路 ６２　　出力導波路 出願人　　Ｅ本電信電話株式会社 図 ＼

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板と、該基板上に配置された、入力導波路、入
   力側スラブ導波路、アレー導波路、出力側スラブ導波路
   、複数の出力導波路から構成される、アレー導波路型回
   折格子を用いた導波型光合分波器において、 該入力導波路が水平偏波光用入力導波路と垂直偏波光用
   入力導波路の２本の導波路から構成され、更に、これら
   水平偏波光用入力導波路と垂直偏波光用入力導波路とは
   、スラブ導波路とアレー導波路との複屈曲性に応じて互
   いに異なる位置に設られていることを特徴とする導波型
   光合分波器。
2. （２）第１請求項に記載の導波型光合分波器において、
   同一基板上に偏波分離回路が配置され、偏波分離回路か
   らの水平偏波出力が該水平偏波光用入力導波路に、垂直
   偏波出力が該垂直偏波光用入力導波路に接続されている
   ことを特徴とする導波型光合分波器。