JP2003014958A

JP2003014958A - 導波路型光合分波回路

Info

Publication number: JP2003014958A
Application number: JP2001198417A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Kito; 勤鬼頭; Manabu Oguma; 学小熊; Yasuyuki Inoue; 靖之井上; Yoshinori Hibino; 善典日比野
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2001-06-29
Filing date: 2001-06-29
Publication date: 2003-01-15

Abstract

(57)【要約】【課題】生産性及び設計性の良好な導波路型光合分波
回路を実現すること。【解決手段】ＭＺＩの複数のアーム導波路８０１、８
０２を各々１つの円弧を含むように構成する。各アーム
導波路の円弧は変曲点を持たない形状のものであり、各
円弧の凸方向をアーム間で互いに同じ方向にする。これ
により、アーム間隔は円弧の間隔にほぼ一定となり、生
産性が向上する。光路長差は円弧に隣接した直線導波路
の長さ（図１０参照）や円弧の曲率半径の差（図１１参
照）等で与えることができ、設計性が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は導波路型光合分波回
路に関し、更に詳しくは、平面光導波路で構成されたマ
ッハツエンダ光干渉型フィルタにおいて、複数のアーム
を全て変曲点を持たない円弧を含む形状にすることによ
り、回路サイズの小型化を図るとともに高い収率を得る
ものである。

【０００２】

【従来の技術】現在、通信容量の拡大のために複数の光
波長を用いた光波長多重通信システムの開発が盛んであ
る。この光波長多重通信システムにおいて、送信機側で
複数の波長の光信号を合波したり、受信機側で１本の光
ファイバ中の複数の光信号を異なるポートに分波する光
波長合分波回路として、マッハツエンダ光干渉型フィル
タ（以下、ＭＺＩと略す）及びＭＺＩを多段に構成した
ラティス・フィルタが広く使用されている。

【０００３】従来技術に係るＭＺＩ（導波路型光合分波
回路）の回路構成を図１に示す。入力導波路１０１に入
射された光は、第１のカプラ１０２で２本のアーム導波
路１０３、１０４に分波する。アーム間の光路長差ΔＬ
によって一方の信号光は位相遅れを生じる。ここで、ア
ーム導波路１０３は複数の円弧で構成され、変曲点を持
つ略Ｓ字形状をなしている。アーム導波路１０４は直線
によって構成されている。入力導波路１０１と出力導波
路１０６、１０７は対向している。特に、入力導波路１
０１と出力導波路１０７は直線上で正対している。

【０００４】そして、両方の信号光が第２のカプラ１０
５で再び合波・干渉することにより、図２に示す透過ス
ペクトル特性が得られる。即ち、入力導波路１０１から
入射した波長多重された信号光は、図２の透過スペクト
ル特性の周期（チャネル間隔）Δｆで、群分波すること
ができる。Δｆは次式（３）を用いて設計することがで
きる。 Δｆ＝ｃ／（２・ｎ_g・ΔＬ）・・・式（３）式（３）中、Δｆはチャネル間隔、ｎ_gは群屈折率、ｃ
は光速、ΔＬは光路長差を表す。合波の場合は、例えば
出力導波路１０６、１０７に入射された光は、第２のカ
プラ１０５で各々２本のアーム導波路１０３、１０４に
分波し、アーム間の光路長差ΔＬによって一方の信号光
が位相遅れを生じた後、両方の信号光が第１のカプラ１
０２で再び合波・干渉することになる。

【０００５】従って、光路長差ΔＬは設計上、極めて重
要な設計パラメータである。例えば、チャネル間隔Δｆ
＝５０ＧＨｚのＭＺＩを設計する場合、ΔＬは２．０３
ｍｍとなり、狭チャネル間隔のＭＺＩでは長いΔＬが必
要である。その結果、回路サイズが大きくなり、１枚の
ウエハからＭＺＩを製造できる収量（あるいは収率）が
低減する。

【０００６】また、図１の回路構成において、光路長差
ΔＬは次の式（４）によって与えられる。 ΔＬ＝４・Ｒ・（θ−sin θ）・・・式（４）ここで、Ｒは円弧の曲率半径、θは円弧の内角を表し、
アーム導波路１０３は曲率半径Ｒと内角θが同じ４つの
円弧で構成されているものとし、４・Ｒ・θはアーム導
波路１０３の光路長、４・Ｒ・sin θはアーム導波路１
０４の光路長である。

【０００７】従って、正確なチャネル間隔Δｆを得るに
は、式（４）の非線型方程式を数値計算によって解く必
要があり、ＭＺＩの設計に困難さを伴う。

【０００８】更に、ＭＺＩを構成するカプラとして、通
常、図３に示す構成の方向性結合器３０１が用いられ
る。この方向性結合器３０１では、入力導波路３０２に
入射した光は入射側の展開部３０３を通過し、隣接する
２本の導波路からなる結合部３０４を経て、再び出射側
の展開部３０５を通過し、出射導波路３０６、３０７よ
り出力される。展開部３０３は入力導波路３０２を結合
部３０４に導くために設けられ、展開部３０５は結合部
３０４を出力導波路３０６、３０７に導くために設けら
れる。図４は結合部３０４の長さ（結合長）とカプラの
結合率との関係を示す。

【０００９】図４に示すように、カプラの結合率は結合
長に対して正弦的に変化する。但し、ｙ切片（結合長が
ゼロの時の結合率）がゼロにならないことにより、展開
部３０３、３０５のみで構成された、結合部３０４が存
在しない方向性結合器においても、結合率はゼロになら
ない。このことは、展開部３０３、３０５が付加的な結
合（光学的クロストーク）を与えていることを意味す
る。結合部３０４の長さがゼロの場合の方向性結合器を
伝搬する光の強度分布を、より視覚的に明らかにするた
め、ビーム伝搬法を用いて計算した。図５はその計算結
果を示す。図５中、太い白部分５０１は入射光の大部分
が分波することなく伝搬している経路を表し、細く淡い
白部分５０２は入射光の一部が途中で分波して伝搬して
いる経路を表す。

【００１０】特に、微小な光路長差ΔＬを持つＭＺＩを
設計する場合、図１の回路構成から推察されるように、
アーム間隔も狭くなる。しかし、上述した展開部３０
３、３０５による光学的クロストークをできるだけ避け
るためには、アーム間隔を十分大きく設定する必要があ
る。

【００１１】更に、図６に示す構成のＭＺＩ（導波路型
光合分波回路）は、熱光学効果を用いて中心波長を設定
するためのヒータ電極６０１、６０２をアーム導波路６
０３、６０４に装荷したものである。各アーム導波路６
０３、６０４は埋め込み構造であり、各ヒータ電極６０
１、６０２の直下に存在する。図６中、入力導波路６０
５、第１のカプラ６０６、アーム導波路６０３、６０
４、第２のカプラ６０７、出力導波路６０８、６０９は
各々、図１に示したＭＺＩの入力導波路１０１、第１の
カプラ１０２、アーム導波路１０３、１０４、第２のカ
プラ１０５、出力導波路１０６、１０７に相当する。

【００１２】図７は、図６のヒータ電極６０２に垂直な
線分ａａ’で切断した２次元断面の熱分布を示す。多数
の白線は各々等温線であり、ヒータ電極直下部分７０１
が最も高温であり、深さ方向Ｙに行くほど温度が下が
る。しかし、図７から、熱分布は深さ方向Ｙのみなら
ず、横方向Ｘ（隣のアーム導波路へ向かう方向）にも拡
散する様子が分かる。従って、一方のアームに他方のア
ームから熱的クロストークの影響を及ぼさないようにす
るため、アーム間隔を十分に大きく設定する必要があ
る。

【００１３】上述の２つの理由によって、ＭＺＩのアー
ム間隔は光学的クロストーク及び熱的クロストークを避
けるため、十分に離す必要がある。しかし、この必要条
件によっても、ＭＺＩの回路サイズが制約を受け、小型
化が難しくなっている。

【００１４】更に、図１に示した従来のＭＺＩは、光遅
延部をＳ字形状のアーム導波路１０３と直線のアーム導
波路１０４で構成されているため、アーム間隔がカプラ
１０２、１０５間で一定ではなく、中間部分でアーム間
隔が極端に大きく、この傾向は光路長差ΔＬの増大と共
に顕著であるため、屈折率分布、コア厚のウエハ面内分
布等の製造偏差の影響を受けやすいという問題を有して
いる。これは図６のＭＺＩでも同様である。

【００１５】更にまた、図１のＭＺＩに光ファイバを接
続する場合、入力導波路１０１と出力導波路１０６、１
０７が対向しているため、光ファイバとこれら入出力導
波路間に漏れ光が生じた場合、漏れ光が透過スペクトル
特性の劣化をもたらす。図６のＭＺＩも同様である。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
のＭＺＩは解決すべき種々の課題を持っている。即ち、
１つは、狭チャネル間隔化あるいはクロストークを避け
ることによる大きな回路サイズと、これに伴うウエハ当
たりの収率の劣化である。別の課題は、光路長差ΔＬが
式（４）で与えられることによる設計の困難さである。
更に別の課題は、漏れ光による透過スペクトル特性の劣
化である。また別の課題は、製造偏差の影響を受けやす
いことである。本発明の目的は、これらの課題を解決
し、製造性の良いＭＺＩを提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明では、導波路型光
合分回路を構成するＭＺＩにおいて、アーム導波路の形
状を以下のように改善することにより、上記目的を達成
する。

【００１８】請求項１に係る発明の導波路型光合分回路
は、平面基板上の屈折率の高いコアとその回りのクラッ
ドからなる光導波路を用いて構成され、光結合器とその
光結合器を結ぶ複数のアームからなるＭＺＩにおいて、
前記アームが各々１つの円弧を含み、前記円弧は変曲点
を持たない形状であり、前記円弧の凸方向がアーム間で
互いに同じ方向であることを特徴とする。

【００１９】請求項２に係る発明は、請求項１に係る発
明において、アーム間で前記円弧の曲率半径及び内角が
互いに等しく、アーム間での前記円弧の間隔をＳ、前記
円弧の内角をθとするとき、前記円弧に隣り合う直線導
波路によって、光路長差ΔＬが ΔＬ＝Ｓ・tan(θ/2) ・・・式（１）で与えられることを特徴とする。

【００２０】請求項３に係る発明は、請求項１に係る発
明において、アーム間で前記円弧の曲率半径が互いに異
なり、かつ、前記円弧の内角が互いに等しく、アーム間
での前記円弧の間隔をＳ、前記円弧の内角をθとすると
き、光路長差ΔＬが ΔＬ＝Ｓ・θ ・・・式（２）で与えられることを特徴とする。

【００２１】請求項４に係る発明は、請求項１から３い
ずれかに係る発明において、前記ＭＺＩが多段に構成さ
れていることを特徴とする。

【００２２】請求項５に係る発明は、請求項１から４い
ずれかに係る発明において、前記ＭＺＩがシリコン基板
上の石英系ガラス光導波路で構成されていることを特徴
とする。

【００２３】以上のように、本発明では、円弧の幾何学
的形状に着目し、アーム導波路を円弧で構成することに
より、製造上及び設計上の問題点を解消する。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。

【００２５】［第１の実施形態］図８に、本発明の第１
の実施形態に係る導波路型光合分回路の回路構成を示
す。図８に示す導波路型光合分回路は、ＭＺＩの複数
（図では２本）のアーム導波路８０１、８０２がともに
円弧によって構成されたものである。具体的には、アー
ム導波路８０１、８０２の各々は１つの円弧を含み、各
円弧は変曲点を持たない形状のものであり、各円弧の凸
方向がアーム間で互いに同じ方向（図では上向き）であ
る。円弧の内角は、円弧の両端と円弧中心点とを結ぶ２
本の線分がなす角度である。

【００２６】この場合、図９（Ａ）に示すように、多数
の導波路型光合分回路（ＭＺＩ）９０１を平面上に集積
して製造する場合、１つの導波路型光合分回路９０１の
上向きに凸なアームの下方に、別の導波路型光合分回路
９０１の上向きに凸なアームを織り込んでレイアウトす
ることが可能である。導波路型光合分回路９０１は、図
８に示した回路構成のものである。アームが逆に下向き
に凸である場合は、１つの導波路型光合分回路の下向き
に凸なアームの上方に、別の導波路型光合分回路の下向
きに凸なアームを織り込んでレイアウトする。そのた
め、従来の導波路型光合分回路に比べ、高い集積度が得
られる。

【００２７】図９（Ｂ）は、従来の導波路型光合分回路
９０２を集積する場合の様子を示す。この導波路型光合
分回路９０２は図１に示した回路構成のものであり、直
線のアーム導波路が高度集積化を阻害している。

【００２８】図８において、ＭＺＩ（導波路型光合分回
路）自体は、第１のカプラ（光結合器）８０４と、第２
のカプラ（光結合器）８０５と、それを結ぶアーム導波
路８０１、８０２からなり、平面基板上の屈折率の高い
コアとその回りのクラッドからなる光導波路を用いて構
成されている。入力導波路８０３に入射された光は、第
１のカプラ８０４で２本のアーム導波路８０１、８０２
に分波する。アーム間の光路長差ΔＬによって一方の信
号光は位相遅れを生じ、両方の信号光が第２のカプラ８
０５で再び合波・干渉することにより、群分波が行われ
る。合波の場合、例えば出力導波路８０６、８０７に入
射された光は、第２のカプラ８０５で各々２本のアーム
導波路８０１、８０２に分波し、アーム間の光路長差Δ
Ｌによって一方の信号光が位相遅れを生じた後、両方の
信号光が第１のカプラ８０４で再び合波・干渉すること
になる。

【００２９】ここで、各アーム導波路８０１、８０２の
前後両端付近に変曲点が見られるが、アーム導波路８０
１、８０２よりも前の部分は第１のカプラ８０４の出射
側展開部であり、また、後の部分は第２のカプラ８０５
の入力側展開部であるから、各アーム導波路８０１、８
０２の円弧は本発明でいう「変曲点を持たない形状」で
ある。カプラの展開部は光遅延を持たせるものではな
く、アーム導波路ではない。

【００３０】図８に示した導波路型光合分波回路は、上
述した高い集積度が得られる点に加え、下記に示す作用
効果がある。（１）複数のアーム導波路８０１、８０２が各々１つの
円弧を含み、各円弧は変曲点を持たない形状であり、更
に、各円弧の凸方向がアーム間で互いに同じ方向である
ことから、アーム間隔はアーム導波路８０１、８０２の
各々の円弧の間隔Ｓに依存し、２つのカプラ８０４、８
０５間でほぼ一定になり、従来のように途中で極端に大
きくなるという変動がない。つまり、アーム間隔は円弧
の間隔Ｓに相当する。（２）アーム間隔が従来のように途中で極端に大きく変
動しないから、狭チャネル間隔化のため、あるいは、ク
ロストークを避けるためにアーム間隔を大きくしても、
回路サイズは従来のように大きくならず、ウエハ当たり
の収率が従来より向上する。（３）アーム間隔が２つのカプラ８０２、８０５間でほ
ぼ一定であり、大きく変動することがないから、屈折率
分布、コア厚のウエハ面内分布等の製造偏差の影響を受
け難い。（４）複数のアーム導波路８０１、８０２が各々１つの
円弧を含み、各円弧は変曲点を持たない形状であるた
め、光路長差ΔＬの式は従来の式（４）のような非線型
方程式にならず、設計が簡単化する。アームの光路長差
ΔＬは、各アーム導波路８０１、８０２の円弧の曲率半
径Ｒ、内角θや、アーム間での円弧の間隔Ｓを適宜与え
ることにより、あるいは、これと独立または一緒に、円
弧に適宜な長さの直線導波路を隣接させることにより、
設定することができる。（５）複数のアーム導波路８０１、８０２が各々１つの
円弧を含み、各円弧の凸方向がアーム間で互いに同じ方
向であることから、入力導波路８０３と出力導波路８０
６、８０７は対向しなくなり、これらに光ファイバを接
続した場合に漏れ光あっても、透過スペクトル特性の劣
化がない。

【００３１】［第２の実施形態］図１０（Ａ）は、本発
明の第２の実施形態として、図８に示した導波路型光合
分回路中のアーム導波路部分の回路構成を示す。２本の
アーム導波路１００１、１００２うち、アーム導波路１
００１は図８の外側のアーム導波路８０１に相当し、こ
れは１つの円弧導波路１００３とそれに前後で隣接する
同じ長さの２本の直線導波路１００４、１００５で構成
されている。アーム導波路１００２は図８の内側のアー
ム導波路８０２に相当し、これは１つの円弧で構成され
ている。内側の円弧導波路１００２と外側の円弧導波路
１００３はともに、円弧の形状は変曲点を持たない形状
であり、円弧の曲率半径Ｒも内角θも互いに等しくして
ある。円弧１００３、１００２の間隔Ｓとすると、アー
ムの光路長差ΔＬは、前述の式（１）即ち、ΔＬ＝Ｓ・
tan(θ/2) で与えられる。円弧の間隔Ｓは、内側の円弧
導波路１００２と外側の円弧導波路１００３の中心位置
のずれであり、これにアーム間隔が相当する。光路長差
ΔＬは具体的には、外側の円弧導波路１００３に隣接す
る直線導波路１００４、１００５の長さによって与えら
れ、直線導波路１００４、１００５の長さは各々Ｓ・ta
n(θ/2) の１／２に設計されている。

【００３２】多段のＭＺＩによって導波路型光合分波回
路を構成するために、ＭＺＩの段に応じて光路長差を変
えて設定する場合は、図１０（Ｂ）に示すように内外各
円弧導波路１００２、１００３の円弧の間隔を変更する
構成、あるいは、図１０（Ｃ）に示すように内外各円弧
導波路１００２、１００３の円弧の内角を変更する構成
が考えられる。図１０（Ｂ）に示す構成では、図１０
（Ａ）と比べると、円弧の曲率半径Ｒと内角θは同じ
で、円弧の間隔のみＳから２Ｓに変更し、２本の直線導
波路の長さを各々Ｓ・tan(θ/2) として、光路長差２Δ
Ｌ＝２Ｓ・tan(θ/2) を得ている。図１０（Ｃ）に示す
構成では、図１０（Ａ）と比べると、円弧の曲率半径Ｒ
と間隔Ｓは同じで、円弧の内角のみθから２θに変更
し、２本の直線導波路の長さを各々Ｓ・tan(θ) とし
て、光路長差２ΔＬ＝Ｓ・tan(θ) を得ている。

【００３３】図１０（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）いずれの場合に
おいても、アーム間隔が円弧の間隔Ｓや２Ｓにほぼ一定
である。従って、ＭＺＩを用いた導波路型光合分波回路
を製造する際、ウエハ面内分布による製造偏差の影響を
受け難いという利点がある。また、光路長差は、アーム
導波路１００１の円弧導波路１００３に隣接する直線導
波路１００４、１００５の長さによって与えられるた
め、計算が簡単であり、正確なチャネル間隔Δｆを得る
ための設計が容易である。

【００３４】ここで、図１０では円弧導波路１００３の
前後に同じ長さの２本の直線導波路１００４、１００５
を隣接させてアーム導波路１００１を構成しているが、
２本の直線導波路１００４、１００５の長さが異なって
いても良く、あるいは、円弧導波路１００３の前後一方
のみに直線導波路が隣接するようにしても良い。円弧導
波路１００３の前後に同じ長さの２本の直線導波路１０
０４、１００５を隣接さる方がアーム間隔がほぼ一定に
近くなるが、要は、円弧導波路１００３に隣接する直線
導波路によって光路長差が与えられれば良い。

【００３５】［第３の実施形態］図１１（Ａ）は、本発
明の第３の実施形態として、図８に示した導波路型光合
分回路中のアーム導波路部分の回路構成を示す。２本の
アーム導波路１１０１、１１０２うち、アーム導波路１
１０１は図８の外側のアーム導波路８０１に相当し、こ
れは１つの円弧１１０３のみで構成されている。アーム
導波路１１０２は図８の内側のアーム導波路８０２に相
当し、これも１つの円弧１１０４のみで構成されてい
る。外側のアーム導波路１１０１の円弧１１０３と内側
のアーム導波路１１０２の円弧１１０４はともに変曲点
を持たない形状である。外側の円弧１１０３の曲率半径
はＲ＋Ｓ、外側の円弧１１０４の曲率半径はＲであり、
互いに異なっていが、それぞれの内角はθであり、互い
に等しくしてある。円弧１１０３、１１０４の間隔はＳ
（＝Ｒ＋Ｓ−Ｒ）であるから、アームの光路長差ΔＬ
は、前述の式（２）即ち、ΔＬ＝Ｓ・θで与えられる。
つまり、光路長差ΔＬは内外２つの円弧１００３、１０
０４の曲率半径の差に比例する。円弧の間隔Ｓがアーム
間隔に相当する。

【００３６】多段のＭＺＩによって導波路型光合分波回
路を構成するために、ＭＺＩの段に応じて光路長差を変
えて設定する場合は、図１１（Ｂ）に示すように内外各
アーム導波路１１０１、１１０２円弧の内角を変更する
構成、あるいは、図１１（Ｃ）に示すように内外各アー
ム導波路１１０１、１１０２の円弧の間隔を変更する構
成が考えられる。図１１（Ｂ）に示す構成では、図１１
（Ａ）と比べると、外側円弧の曲率半径Ｒ＋Ｓ、内側円
弧の曲率半径Ｒ、内外円弧の間隔Ｓはいずれも同じで、
内外円弧の内角のみθから２θに変更し、光路長差２Δ
Ｌ＝２Ｓθを得ている。図１１（Ｃ）に示す構成では、
図１１（Ａ）と比べると、外側円弧の曲率半径Ｒ＋Ｓ、
内側円弧の曲率半径Ｒ、内外円弧の内角θはいずれも同
じで、内外円弧の間隔のみＳから２Ｓに変更し、光路長
差２ΔＬ＝２Ｓθを得ている。

【００３７】図１１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）いずれの場合に
おいても、アーム間隔が円弧の間隔Ｓや２Ｓにほぼ一定
である。従って、ＭＺＩを用いた導波路型光合分波回路
を製造する際、ウエハ面内分布による製造偏差の影響を
受け難いという利点がある。また、光路長差は、アーム
導波路１１０１の円弧１１０３とアーム導波路１１０２
の円弧１１０４の曲率関係の差と内角によって与えられ
るため、計算が簡単であり、正確なチャネル間隔Δｆを
得るための設計が容易である。

【００３８】図１２は、導波路型光合分波回路の回路長
と光路長差ΔＬとの関係を示す。ここで、「構成１」は
図１０に示した第２の実施形態の導波路型光合分波回路
を表し、「構成２」は図１１に示した第３の実施形態の
導波路型光合分波回路を表し、「従来例」は図１に示し
た従来の導波路型光合分波回路を表す。いずれの場合
も、アームの最小間隔を２５０μｍ、曲率半径Ｒを５ｍ
ｍとした。図１２より、本発明の「構成１」及び「構成
２」は「従来例」に比べて１／２以下に回路長を短くす
ることができている。

【００３９】図１３は、導波路型光合分波回路の収率と
光路長差ΔＬの関係を示す。ここでは、第２の実施形態
の導波路型光合分波回路、第３の実施形態の導波路型光
合分波回路、並びに、図１に示した従来の導波路型光合
分波回路を、図９に示すように集積化した。その際、ア
ーム間の最小間隔、並びに、回路間の最小間隔を２５０
μｍとし、曲率半径Ｒを５ｍｍとした。収率は、図１に
示した従来の導波路型光合分波回路による収率を１とし
て規格化した。第２の実施形態、第３の実施形態の導波
路型光合分波回路の収率と光路長差ΔＬの関係を同じで
ある。図１３より、本発明の構成は従来例に比べて収率
が向上していることが分かる。特に、チャネル間隔が１
００ＧＨｚのＤＷＤＭの領域では、ΔＬが図１３に示し
た値よりも長い値であるため、収率に対する本発明の優
位性は更に顕著なものとなる。

【００４０】［第４の実施形態］図１４に、本発明の第
４の実施形態における導波路型光合分波回路の回路構成
を示す。本実施形態はＭＺＩを多段に構成したラティス
・フィルタを用いた導波路型光合分波回路を、前述の式
（２）即ち、ΔＬ＝Ｓ・θを基に設計したものである。

【００４１】図１４において、１４０１は入力導波路、
１４０２、１４０３及び１４０４はそれぞれカプラ、１
４０５及び１４０６は初段ＭＺＩのアーム導波路、１４
０７及び１４０８は後段ＭＺＩのアーム導波路、１４０
９は出力導波路クロスポート（♯１）、１４１０は出力
導波路スルーポート（♯２）を示す。このラティス・フ
ィルタでは、初段のＭＺＩの光路長差をΔＬ、後段のＭ
ＺＩの光路長差を２ΔＬとしている。後段のアーム導波
路１４０７、１４０８は、図１０及び図１１の説明で述
べたように、前段に比較して、円弧の内角を２倍にする
ことによって構成している。また、カプラ１４０２、１
４０３、１４０４の結合率はそれぞれ５０％、２５％、
６．７％として設計した。カプラ１４０３は初段のＭＺ
Ｉと後段のＭＺＩに共用されている。

【００４２】例えば、初段のＭＺＩの光路長差ΔＬは、
図１１（Ａ）の説明で述べた構成により設定し、後段の
ＭＺＩの光路長差２ΔＬは、図１１（Ｂ）の説明で述べ
たように、前段のＭＺＩに比較して、円弧の内角を２倍
にすることによって構成している。なお、後段のＭＺＩ
の光路長差２ΔＬを、図１１（Ｃ）の説明で述べたよう
に、前段のＭＺＩに比較して、円弧の間隔をＳから２Ｓ
へと２倍にすることによって構成しても良い。

【００４３】具体的には、初段のアーム導波路１４０
５、１４０６のうち、アーム導波路１４０５は図１１
（Ａ）の外側アーム導波路１１０１（変曲点を持たない
形状の１つの円弧）に相当し、アーム導波路１４０６は
図１１（Ａ）の内側アーム導波路１１０２（変曲点を持
たない形状の１つの円弧）に相当する。２つのアーム導
波路１４０５、１４０６の凸方向は同じである。

【００４４】また、後段のアーム導波路１４０７、１４
０８のうち、アーム導波路１４０７は図１１（Ｂ）の外
側アーム導波路１１０１（変曲点を持たない形状の１つ
の円弧）に相当し、アーム導波路１４０８は図１１
（Ｂ）の内側アーム導波路１１０２（変曲点を持たない
形状の１つの円弧）に相当する。２つのアーム導波路１
４０７、１４０８の凸方向は同じである。

【００４５】入力導波路１４０１と出力導波路１４０
９、１４１０の配置は、各段のアーム導波路が全て１つ
の円弧を含むことから、対向しない配置になっている。

【００４６】図１４から分かるように。初段のアーム導
波路１４０５、１４０６の間隔も、後段のアーム導波路
１４０７、１４０８の間隔もそれぞれ一定（図１１を参
照すればＳ）であるため、ウエハ面内分布による製造偏
差の影響を受けにくい。更に、入力導波路１４０１と出
力導波路１４０９、１４１０が対向しないように配置さ
れているため、光ファイバ接続時の漏れ光による特性劣
化がない。

【００４７】次に、本実施形態の導波路型光合分波回路
の作成方法を、図１５を用いて説明する。（１）まず、シリコン基板１５０１上に火炎堆積法で、
ＳｉＯ₂を主体にした下部ガラスクラッドスート１５０
２と、ＧｅＯ₂を添加したコアガラススート１５０３を
堆積する（図１５（Ａ）参照）。（２）その後、１０００°Ｃ以上の高温で、ガラス透明
化を行う。このとき、下部クラッドガラス層１５０４は
３０μｍ厚、コアガラス１５０５は７μｍ厚となるよう
に、ガラスの堆積を行っている（図１５（Ｂ）参照）。（３）引き続き、フォトリソグラフィ技術を用いてコア
ガラス１５０５上にエッチングマスク１５０６を形成し
（図１５（Ｃ）参照）、反応性イオンエッチングによっ
てコアガラス１５０５のパターン化を行う（図１５
（Ｄ）参照）。このとき用いるエッチングマスク１５０
６は図１４に示した回路構成に対応したマスクであり、
従って、コアガラス１５０５のパターンも図１４に示し
た回路構成に対応したものとなる。（４）そして、エッチングマスク１５０６を除去した
後、上部クラッドガラス１５０７を再度火炎堆積法で形
成する。その際、上部クラッドガラス１５０７にはＢ₂
Ｏ₃や、Ｐ₂Ｏ₅などのドーパントを添加してガラス転
移温度を下げ、パターン化したそれぞれのコアガラス１
５０５とコアガラス１５０５との狭い隙間にも上部クラ
ッドガラス１５０７が確実に入り込むようにしている
（図１５（Ｅ）参照）。

【００４８】図１６は、図１４に示した本実施形態の透
過スペクトル特性を示し、出力導波路クロスポート１４
０９（♯１）と、出力導波路スルーポート１４１０（♯
２）に各々群分波していることが分かる。図１６に示す
ように、本実施形態では、チャネル間隔Δｆ＝１２５０
ＧＨｚ（波長間隔：１０ｎｍ）の、平坦で低損失な透過
域が得られると共に、阻止域では３０ｄＢ以上の低いク
ロストークが得られた。ここで示したように、クロスポ
ート１４０９と、スルーポート１４１０で群分波するフ
ィルタを、以下、インターリーブ・フィルタと呼ぶ。

【００４９】ここで、図１４の回路構成では初段のＭＺ
Ｉにおけるアーム導波路１４０５、１４０６の凸方向
と、後段のＭＺＩにおけるアーム導波路１４０７、１４
０８の凸方向とが異なっているが、個々の段内のアーム
導波路間で凸方向が同じでありさえすれば何ら差し支え
ない。

【００５０】また、ΔＬ＝Ｓ・θなる前述の式（２）を
基に設計する場合、後段のＭＺＩの光路長差２ΔＬを、
図１１（Ｃ）の説明で述べたように、前段のＭＺＩに比
較して、円弧の間隔をθから２θへと２倍にして構成す
ることができる。

【００５１】［第５の実施形態］図１７に、本発明の第
５の実施形態における導波路型光合分波回路の回路構成
を示す。本実施形態は、上述したインターリーブ・フィ
ルタを多段に構成して導波路型光合分波回路としたもの
であり、前述の式（２）即ち、ΔＬ＝Ｓ・θを基に設計
している。

【００５２】図１７において、１７０１は入力導波路、
１７０２はチャネル間隔が２０ｎｍの初段インターリー
ブ・フィルタ、１７０３及び１７０４は初段インターリ
ーブ・フィルタの出力導波路、１７０５及び１７０６は
各々チャネル間隔が４０ｎｍの後段インターリーブ・フ
ィルタ、１７０７及び１７０８は後段インターリーブ・
フィルタ１７０５の出力導波路、１７０９及び１７１０
は後段インターリーブ・フィルタ１７０６の出力導波路
を示す。

【００５３】各インターリーブ・フィルタ１７０２、１
７０５、１７０６は、図１０及び図１１の説明で述べた
ように、各インターリーブ・フィルタを構成する複数段
のＭＺＩ間でアーム導波路の円弧の内角を変更する設計
としている。

【００５４】初段インターリーブ・フィルタ１７０２は
４段のＭＺＩで構成され、全ての段でアーム導波路は変
曲点を持たない１つの円弧を含む形状である。アームの
凸方向は、１段目から３段目のＭＺＩでいずれも上向き
であり、４段目のＭＺＩで下向きたなっている。

【００５５】図１８は初段のインターリーブ・フィルタ
１７０２の透過スペクトル特性を示す。図１６に示した
と同様、２つの出力導波路１７０３と１７０４に各々偶
チャネルと奇チャネルに群分波されている。偶チャネル
と奇チャネルの間隔は２０ｎｍである。

【００５６】２つの後段インターリーブ・フィルタ１７
０５、１７０６はともに３段のＭＺＩで構成され、全て
の段でアーム導波路は変曲点を持たない１つの円弧を含
む形状である。アームの凸方向は、全てのＭＺＩでいず
れも上向きである。

【００５７】図１９は後段のインターリーブ・フィルタ
１７０５、１７０６の透過スペクトル特性を示す。これ
ら２つの後段のインターリーブ・フィルタ１７０５、１
７０６は同じ透過スペクトル特性を持ち、初段のインタ
ーリーブ・フィルタ１７０２に対して２倍のチャネル間
隔４０ｎｍで群分波する様子が分かる。

【００５８】つまり、後段のインターリーブ・フィルタ
１７０５の出力導波路１７０７（♯１）、１７０８（♯
３）からは、初段のインターリーブ・フィルタ１７０２
で分波された出力導波路１７０３からの偶チャネルのう
ち、偶数番目のチャネル（出力導波路クロスポート１７
０７）と、奇数番目のチャネル（出力導波路スルーポー
ト１７０８）に群分波される。

【００５９】同様に、後段のインターリーブ・フィルタ
１７０６の出力導波路１７０９（♯２）、１７１０（♯
４）に対しても初段のインターリーブ・フィルタ１７０
２で分波された出力導波路１７０４からの奇数チャネル
のうち、偶数番目のチャネル（出力導波路クロスポート
１７０９）と、奇数番目のチャネル（出力導波路スルー
ポート１７１０）に群分波される。

【００６０】図２０は第５の実施形態全体としての透過
スペクトル特性を示す。前述の通り、チャネル間隔２０
ｎｍの４分波回路が実現できていることが分かる。♯１
は後段のインターリーブ・フィルタ１７０５の出力導波
路クロスポート１７０７における分波特性、♯２は後段
のインターリーブ・フィルタ１７０５の出力導波路スル
ーポート１７０８における分波特性、♯３は後段のイン
ターリーブ・フィルタ１７０６の出力導波路クロスポー
ト１７０９における分波特性、♯４は後段のインターリ
ーブ・フィルタ１７０６の出力導波路スルーポート１７
１０における分波特性を表す。

【００６１】［第６の実施形態］図２１に本発明の第６
の実施形態における導波路型光合分波回路の回路構成を
示す。本実施形態はＭＺＩを多段に構成したラティス・
フィルタを用いた導波路型光合分波回路を、前述の式
（１）即ち、ΔＬ＝Ｓ・tan(θ/2) を基に設計したもの
である。

【００６２】図２１において、２１０１は入力導波路、
２１０２、２１０３及び２１０４はそれぞれカプラ、２
１０５及び２１０６は初段ＭＺＩのアーム導波路、２１
０７及び２１０８は後段ＭＺＩのアーム導波路、２１０
９は出力導波路クロスポート（♯１）、２１１０は出力
導波路スルーポート（♯２）を示す。このラティス・フ
ィルタでは、初段のＭＺＩの光路長差をΔＬ、後段のＭ
ＺＩの光路長差を２ΔＬとしている。後段のアーム導波
路２１０７、２１０８は、図１０及び図１１の説明で述
べたように、前段に比較して、円弧の間隔を２倍にする
ことによって構成している。また、カプラ２１０２、２
１０３、２１０４の結合率はそれぞれ５０％、２５％、
６．７％として設計した。カプラ２１０３は初段のＭＺ
Ｉと後段のＭＺＩに共用されている。

【００６３】つまり、初段のＭＺＩの光路長差ΔＬは、
図１０（Ａ）の説明で述べた構成により設定し、後段の
ＭＺＩの光路長差２ΔＬは、図１０（Ｂ）の説明で述べ
たように、前段のＭＺＩに比較して、円弧の間隔をＳか
ら２Ｓへと２倍にすることによって構成し、回路全体と
してＺ字形状をなすように構成している。なお、後段の
ＭＺＩの光路長差２ΔＬを、図１０（Ｃ）の説明で述べ
たように、前段のＭＺＩに比較して、円弧の内角をθか
ら２θへと２倍にすることによって構成しても良い。

【００６４】具体的には、初段のアーム導波路２１０
５、２１０６のうち、アーム導波路２１０５は図１０
（Ａ）の外側アーム導波路１００１（変曲点を持たない
形状の１つの円弧とそれに隣接する直線導波路）に相当
し、内側アーム導波路２１０６は図１０（Ａ）の内側ア
ーム導波路１００２（変曲点を持たない形状の１つの円
弧）に相当する。２つのアーム導波路２１０５、２１０
６の凸方向は同じ右向きである。また、後段のアーム導
波路２１０７、２１０８のうち、アーム導波路２１０７
は図１０（Ｂ）の外側アーム導波路１００１（変曲点を
持たない形状の１つの円弧とそれに隣接する直線導波
路）に相当し、アーム導波路２１０８は図１０（Ｂ）の
内側アーム導波路１００２（変曲点を持たない形状の１
つの円弧）に相当する。２つのアーム導波路１４０７、
１４０８の凸方向は同じ左向きになっている。

【００６５】入力導波路２１０１と出力導波路２１０
９、２１１０の配置は、各段のアーム導波路が全て１つ
の円弧を含むことから、対向しない配置になっている。

【００６６】図２１から分かるように、初段ＭＺＩのア
ーム導波路２１０５、２１０６の間隔も、後段ＭＺＩの
アーム導波路２１０７、２１０８の間隔もそれぞれ一定
（図１０を参照すれば、Ｓと２Ｓ）であるため、ウエハ
面内分布による製造偏差の影響を受けにくい。更に、入
力導波路２１０１と出力導波路２１０９、２１１０が対
向しないように配置されているため、光ファイバ接続時
の漏れ光による特性劣化がない。

【００６７】図２２は図２１に示した本実施形態の透過
スペクトル特性を示し、出力導波路クロスポート２１０
９（♯１）と、出力導波路スルーポート２１１０（♯
２）に各々群分波している。図２２に示すように、本実
施形態では、チャネル間隔Δｆ＝２００ＧＨｚの、平坦
で低損失な透過域が得られると共に、阻止域では３０ｄ
Ｂ以上の低クロストークが得られている。

【００６８】更に、第６の実施形態の回路構成では、各
段のＭＺＩのアーム円弧の内角を大きくとって回路全体
がＺ字型の配置となっているため、図２３に示すよう
に、多数の導波路型光合分回路（ＭＺＩ）２３０１を平
面上に集積して製造する場合に、１つの導波路型光合分
波回路２３０１の湾曲部に、別の導波路型光合分波回路
２３０１を織り込むことによって、高い集積度を実現す
ることができる。

【００６９】図２３において、２３０１は図２１に示し
た回路構成の導波路型光合分回路であり、１つの導波路
型光合分回路２３０１の右向きに凸なアームの左方に、
別の導波路型光合分回路２３０１の右向きに凸なアーム
を順次織り込んでレイアウトしている。アームが逆に左
向きに凸である場合は、１つの導波路型光合分回路の左
向きに凸なアームの右方に、別の導波路型光合分回路の
左向きに凸なアームを織り込んでレイアウトする。

【００７０】［第７の実施形態］図２４に本発明の第７
の実施形態における導波路型光合分波回路の回路構成を
示す。ＭＺＩでは、通常、光結合器を接続するアーム導
波路は２本であるが（図８参照）、３本以上のＭＺＩも
考えられる。本実施形態の導波路型光合分波回路は３本
のアーム導波路を有するＭＺＩを用いて構成したもので
ある。

【００７１】図２４において、２４０１、２４０２及び
２４０３は各々アーム導波路、２４０４は入力導波路、
２４０５は第１のカプラ（光結合器）、２４０６は第２
のカプラ（光結合器）、２４０７及び２４０８は各々出
力導波路を示し、３本のアーム導波路２４０１、２４０
２、２４０３がカプラ２４０５、２４０６間を接続して
いる。

【００７２】図２４に示す導波路型光合分回路において
も、３本のアーム導波路２４０１、２４０２、２４０３
はともに円弧によって構成されている。つまり、アーム
導波路２４０１、２４０２、２４０３の各々は１つの円
弧を含み、各円弧は変曲点を持たない形状のものであ
り、各円弧の凸方向がアーム間で互いに同じ方向（図で
は上向き）である。

【００７３】入力導波路２４０４に入射された光は、第
１のカプラ２４０５で３本のアーム導波路２４０１、２
４０２、２４０３に分波する。アーム間の光路長差によ
って３つの信号光間に位相遅れを生じ、これらの信号光
が第２のカプラ２４０６で再び合波・干渉することによ
り、群分波が行われる。光路長差としては、例えば、ア
ーム導波路２４０１、２４０２間でΔＬ、アーム導波路
２４０１、２４０３で２ΔＬというように、２種類設定
される。また、これら光路長差の設定にも、第２の実施
形態のようにΔＬ＝Ｓ・tan(θ/2) なる式（１）や、第
３の実施形態のようにΔＬ＝Ｓ・θなる式（２）を用い
ることができる。

【００７４】また、図２４に示す導波路型光合分回路
は、アーム導波路の本数が異なるだけで、第１の実施形
態と同様の作用効果を有するものである。更に、３本の
アーム導波路を有するＭＺＩを多段に構成して、第４や
第５、第６の実施形態と同様の導波路型光合分回路を構
成することができる。

【００７５】［その他の実施形態］以上述べた第４、第
５、第６の各実施形態ではシリコン基板上の石英系ガラ
ス導波路を用いた多段ＭＺＩ即ちラティス・フィルタを
示したが、その導波路材料がポリイミド、シリコーン、
半導体、ＬｉＮｂＯ₃などであっても、本発明を適用可
能である。また、平面基板もシリコンに限定されるもの
ではない。これらのことは、ＭＺＩが１段の導波路型光
合分回路（第１〜第３、第７の各実施形態）でも同様で
ある。更に、図６に示したようなＭＺＩにヒータ電極を
装荷した導波路型光合分回路にも本発明を適用可能であ
る。

【００７６】更に、第４の実施形態では全段のＭＺＩに
おいて光路長差の設定にΔＬ＝Ｓ・θなる式（２）を適
用し、第６の実施形態では全段のＭＺＩにおいて光路長
差の設定にΔＬ＝Ｓ・tan(θ/2) なる式（１）を適用し
ているが、ＭＺＩの段毎に、ΔＬ＝Ｓ・tan(θ/2) とΔ
Ｌ＝Ｓ・θとを使い分けて導波路型光合分波回路を設計
しても良い。

【００７７】要するに、本発明の本質は、円弧の幾何学
的形状に着目し、アーム導波路を各々円弧で構成するこ
とによって、生産性及び設計性の良好な導波路型光合分
波回路を実現したことにある。図８と図１を比較すれば
分かるように、本発明は光路長差が特に微小な導波路型
光合分波回路を対象することができる。

【００７８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
従来技術に比べて、導波路型光合分波回路の小型化、ウ
エハからの収率の向上、製造偏差に対するトレランスの
緩和、設計しやすさ等の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のＭＺＩを用いた導波路型光合分波回路の
回路構成を示す図。

【図２】ＭＺＩの透過スペクトル特性を示す図。

【図３】方向性結合器の回路構成を示す図。

【図４】方向性結合器の結合部の長さと結合率の関係を
示す図。

【図５】結合部の長さがゼロの方向性結合器を伝搬する
光の強度分布を示す図。

【図６】ヒータ電極を装荷した従来のＭＺＩを用いた導
波路型光合分波回路の回路構成を示す図。

【図７】図６中のａａ’線に沿う２次元断面の熱分布を
示す図。

【図８】本発明の第１の実施形態の回路構成を示す図。

【図９】図８の導波路型光合分波回路と従来の導波路型
光合分波回路との集積度の違いを示す図。

【図１０】本発明の第２の実施形態（円弧に付加した直
線導波路によって光路長差ΔＬが与えられる導波路型光
合分波回路）の回路構成を示す図。

【図１１】本発明の第３の実施形態（円弧の曲率半径に
よって光路長差ΔＬが与えられる導波路型光合分波回
路）の回路構成を示す図。

【図１２】図１０、図１１及び図１（従来）の各導波路
型光合分波回路における回路長と光路長差ΔＬとの関係
を示す図。

【図１３】図１０及び図１１の各導波路型光合分波回路
における光路長差ΔＬと収率との関係を、図１（従来）
の各導波路型光合分波回路を基準に示す図。

【図１４】本発明の第４の実施形態の回路構成を示す
図。

【図１５】図１４の導波路型光合分波回路の作製工程を
示す図。

【図１６】図１４の導波路型光合分波回路の透過スペク
トル特性を示す図。

【図１７】本発明の第５の実施形態の回路構成を示す
図。

【図１８】図１７中、初段インターリーブ・フィルタの
透過スペクトル特性を示す図。

【図１９】図１７中、後段インターリーブ・フィルタの
透過スペクトル特性を示す図。

【図２０】図１７の導波路型光合分波回路全体の透過ス
ペクトル特性を示す図。

【図２１】本発明の第６の実施形態の回路構成を示す
図。

【図２２】図２１の導波路型光合分波回路の透過スペク
トル特性を示す図。

【図２３】図２１の導波路型光合分波回路を集積化した
様子を示す図。

【図２４】本発明の第７の実施形態（アーム導波路が３
本の導波路型光合分波回路）の回路構成を示す図。

【符号の説明】

８０１、８０２アーム導波路８０３入力導波路８０４、８０５カプラ（光結合器）８０６、８０７出力導波路９０１導波路型光合分波回路１００１、１００２アーム導波路１００３円弧１００４、１００５直線導波路１１０１、１１０２アーム導波路１１０３円弧１４０１入力導波路１４０２、１４０３、１４０４カプラ（光結合器）１４０５、１４０６初段ＭＺＩのアーム導波路１４０７、１４０８後段ＭＺＩのアーム導波路１４０９出力導波路（クロスポート）１４１０出力導波路（スルーポート）１５０１シリコン基板１５０２下部クラッドガラススート１５０３コアガラススート１５０４下部クラッドガラス層１５０５コアガラス１５０６エッチングマスク１５０７上部クラッドガラス１７０１入力導波路１７０２初段インターリーブ・フィルタ１７０３、１７０４初段インターリーブ・フィルタの
出力導波路１７０５、１７０６後段インターリーブ・フィルタ１７０７、１７０８、１７０９、１７１０後段インタ
ーリーブ・フィルタの出力導波路２１０１入力導波路２１０２、２１０３、２１０４カプラ（光結合器）２１０５、２１０６初段ＭＺＩのアーム導波路２１０７、２１０８後段ＭＺＩのアーム導波路２１０９出力導波路（クロスポート）２１１０出力導波路（スルーポート）２３０１導波路型光合分波回路２４０１、２４０２、２４０３アーム導波路２４０４入力導波路２４０５、２４０６カプラ（光結合器）２４０７、２４０８出力導波路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者井上靖之東京都千代田区大手町二丁目３番１号日本電信電話株式会社内 (72)発明者日比野善典東京都千代田区大手町二丁目３番１号日本電信電話株式会社内Ｆターム(参考） 2H047 KA04 KA12 LA12 LA18 PA22 PA24 QA02 QA03 QA04 QA05 TA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】平面基板上の屈折率の高いコアとその回
りのクラッドからなる光導波路を用いて構成され、光結
合器とその光結合器を結ぶ複数のアームからなるマッハ
ツエンダ光干渉型フィルタにおいて、前記アームが各々
１つの円弧を含み、前記円弧は変曲点を持たない形状で
あり、前記円弧の凸方向がアーム間で互いに同じ方向で
あることを特徴とする導波路型光合分波回路。
【請求項２】アーム間で前記円弧の曲率半径及び内角
が互いに等しく、アームでの前記円弧の間隔をＳ、前記
円弧の内角をθとするとき、前記円弧に隣り合う直線導
波路によって、光路長差ΔＬが ΔＬ＝Ｓ・tan(θ/2) ・・・式（１）で与えられることを特徴とする請求項１に記載の導波路
型光合分波回路。
【請求項３】アーム間で前記円弧の曲率半径が互いに
異なり、かつ、前記円弧の内角が互いに等しく、アーム
間での前記円弧の間隔をＳ、前記円弧の内角をθとする
とき、光路長差ΔＬが ΔＬ＝Ｓ・θ ・・・式（２）で与えられることを特徴とする請求項１に記載の導波路
型光合分波回路。
【請求項４】前記マッハツエンダ光干渉型フィルタが
多段に構成されていることを特徴とする請求項１から３
いずれかに記載の導波路型光合分波回路。
【請求項５】前記マッハツエンダ光干渉型フィルタが
シリコン基板上の石英系ガラス光導波路で構成されてい
ることを特徴とする請求項１から４いずれかに記載の導
波路型光合分波回路。