JP2005326468A - 光波長合分波器 - Google Patents

Abstract

【課題】 コアとクラッドの比屈折率差Δを大きくした場合でも、溝での回折損失を小さく抑えることが可能である、小型かつ低損失な温度無依存型光波長合分波器を提供する。
【解決手段】 入力用チャネル導波路１２、入力側スラブ導波路１３、出力用チャネル導波路１５、出力側スラブ導波路１６、移相用チャネル導波路１４からなるアレイ導波路型光波長合分波器１０において、入力側スラブ導波路１３に、導波路を形成するコア本体２０よりも厚いコア厚肉部２１を形成し、コア本体部２０とコア厚肉部２１の間にコアの厚さが連続的に変化するテーパー部２４を形成し、コア厚肉部２１に溝２２を形成し、その溝２２に光学樹脂２３を充填したものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光通信の分野に係り、特に、波長多重伝送を行う上で用いられる光波長合分波器に関するものである。

光通信の分野においては、複数の信号を別々の波長にのせ、一本の光ファイバで伝送し情報容量を増加する波長分割多重方式が検討されている。この方法では、異なる波長の光を合分波する光波長合分波器が重要な役割を果たしている。特に、マッハツェンダ干渉計やアレイ導波路回折格子を用いた光波長合分波器は、狭い波長間隔の合分波を実現可能にし、通信容量を容易に大きくできる利点がある。

図５に示すように、従来のアレイ導波路回折格子型光波長合分波器５０は、入力用チャネル導波路４１と、入力用チャネル導波路４１に接続された入力側スラブ導波路４２と、出力用チャネル導波路４３と、出力用チャネル導波路４３に接続された出力側スラブ導波路４４と、入力側スラブ導波路４２及び出力側スラブ導波路４４に接続された複数の移相用チャネル導波路４５とを有する。

入力用チャネル導波路４１から入力した光波は入力側スラブ導波路４２内を伝搬し、複数の移相用チャネル導波路４５に入射する。光波はそれぞれの移相用チャネル導波路４５を伝搬する際に位相変化を受け、出力側スラブ導波路４４に伝搬する。出力側スラブ導波路４４内の光波は干渉し、各出力用チャネル導波路４３に到達する。ここで、光波の干渉パターンが波長により異なるため、光合分波機能が実現される。

ここで、従来の材料を用いて光波長合分波器を構成した場合、温度が変化すると、熱光学効果によって材料の屈折率が変化し、移相用チャネル導波路４５の等価屈折率が変化する。さらに、熱膨張によって移相用チャネル導波路４５の長さも変化する。これにより、温度によって移相用チャネル導波路４５で光が受ける位相変化量が変化してしまう。この変化は波長によって異なるため、結果として出力される分波波長が変化してしまう。ここで、一例として石英系材料で構成した場合を考えると、光通信用波長帯である１．５５μｍ付近での温度による分波波長の変化は０．０１μｍ／℃となる。従って、例えば０〜６０℃の環境温度で使用する場合には最大０．６μｍ波長がシフトしてしまう。このため、このままでは実用システムには使用できず、光回路の温度制御を行う必要がある。

そこで、温度無依存化の方法として光波長合分波器の一部に溝を設け、その中に屈折率の温度係数が光波長合分波器を形成する材料とは異なる材料を充填し、温度による位相変化の波長依存性を補償する方法がある（例えば、非特許文献１参照）。

一般的に、溝では光の閉じ込め構造が無いために、大きな回折損失が生じる。そこで、溝を複数に分割して溝一段当たりの回折損失を減らし、さらに溝同士を最適な溝間隔として、溝で集光する作用を生じさせることにより、溝全体としての回折損失を低減する方法がよく用いられる（例えば、非特許文献２参照）。

矩形導波路に溝を形成した場合、溝では基板に関して垂直方向と水平方向のいずれにも回折が生じ、この方法を用いたとしても十分に損失を下げることができないため、スラブ導波路に複数の楔型の溝を設けた例がある。

例えば、図５に示したように、入力側スラブ導波路４２には、複数の楔型の溝４６が形成され、その溝４６内には光学樹脂４７が充填され、その光学樹脂４７により屈折率の温度依存性の補償を行っている。入力側スラブ導波路４２では、基板に関して垂直方向の回折のみが損失に影響を及ぼすため、チャネル導波路に溝を形成した場合に比べ、損失が低減可能になる（例えば、非特許文献３参照）。

一方、光導波路を構成するコア材料とクラッド材料の比屈折率差Δを大きくすることにより、一般的に曲がり導波路の曲率半径を小さくし、素子の小型化及び低コスト化を実現する方法がある（例えば、非特許文献４参照）。

Y.Inoue等,「アサーマル シリカベースド アレイド−ウェーブガイド グレーティング マルチプレクサ（Athermal silica-based arrayed-waveguide grating(AWG) multiplexer ）」，イーシーオーシー ９７ テクニカル ダイジェスト（ECOC 97 Technical Digest）,1997,p.33-36 A.Kaneko等，「アサーマル シリカベースド アレイド−ウェーブガイド グレーティングマルチプレクサ ウィズ ニュー ロウ ロス グルーヴ デザイン（Athermal silica-based arrayed-waveguide grating(AWG) multiplexers with new low loss groove design ）」，オーエフシー ’９９ テクニカル ダイジェスト（OFC'99 Technical Digest）,1999，TuO1,p.204-206 Maru等 「アサーマル アンド センター ウェーブレングス アジャスタブル アレイド−ウェーブガイド グレーティング（Athermal and center wavelength adjustable arryed-waveguide grating）」，オーエフシー ２０００ テクニカル ダイジェスト（OFC 2000 Technical Digest） Hida等，「ファブリケーション オブ ロウ−ロス アンド ポラライセイション−インセンシティブ ２５６ チャネル アレイド−ウェーブガイド グレーティング ウィズ ２５ＧＨｚ スペーシング ユーズィング １．５％Δ ウェーブガイズ（Fabrication of low-loss and polarization-insensitive 256 channel arrayed-waveguide grating with 25GHz spacing using 1.5% Δ waveguides）」、エレクトロン．レター．（Electron.Lett.），2000，第３６巻、第９号，p.820-821

しかしながら、温度無依存化したアレイ導波路回折格子型光波長合分波器５０の比屈折率差Δを大きくした場合には、入力側スラブ導波路４２に溝４６を形成して、十分に溝４６での放射損失が抑えられない問題点があった。

例えば、図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、Δ＝０．８％と１．５％の各光波長分波器において、同じ溝幅で、損失が最小となる溝配置間隔での損失を比較すると、Δ＝１．５％の光波長合分波器の方が最小損失が増加してしまっている。 そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、コアとクラッドの比屈折率差Δを大きくした場合でも、溝での回折損失を小さく抑えることが可能である、小型かつ低損失な温度無依存型の光波長合分波器を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、少なくとも１個以上の入力用チャネル導波路と、入力用チャネル導波路に接続された入力側スラブ導波路と、少なくとも１個以上の出力用チャネル導波路と、出力用チャネル導波路に接続された出力側スラブ導波路と、前記入力側スラブ導波路及び出力側スラブ導波路に接続された移相用チャネル導波路とからなるアレイ導波路型の光波長合分波器において、入力側スラブ導波路の一部に、前記導波路を形成するコア本体部よりも厚肉のコア厚肉部を形成し、そのコア厚肉部に溝を形成し、その溝内に光学樹脂を充填した光波長合分波器である。

請求項２の発明は、前記コア本体部の厚さはシングルモード条件を満たすよう、その厚さを調整して形成し、そのコア本体部と前記コア厚肉部とをコアの厚さが連続的に変化するテーパー部を介して断熱的に結合した請求項１記載の光波長合分波器である。

請求項３の発明は、前記コア本体部及び前記コア厚肉部と、前記テーパー部との各境界は円弧状になっており、それらの円弧の曲率中心は、前記入力用チャネル導波路と前記入力側スラブ導波路の境界付近に位置する請求項２記載の光波長合分波器である。

請求項４の発明は、前記コアとそのコアの周囲に形成するクラッドは石英系材料で形成され、コアとクラッドの比屈折率差は１．０％以上である請求項１〜３いずれかに記載の光波長合分波器である。

本発明によれば、温度無依存型の光波長合分波器の小型化及び損失の低減を図ることができるという優れた効果を発揮する。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は、本発明に係る光波長合分波器の好適な実施の形態を示した平面図である。

図１に示すように、光波長合分波器１０は、石英基板１１上に製作され、石英基板１１上に入力用チャネル導波路１２、入力側スラブ導波路１３、長さが一定値ずつ異なる複数の移相用チャネル導波路１４、複数の出力用チャネル導波路１５及び出力側スラブ導波路１６を有して構成されるアレイ導波路回折格子型光波長合分波器である。入力用チャネル導波路１２、移相用チャネル導波路１４、出力用チャネル導波路１５は矩形断面構造をした導波路であり、入力側及び出力側スラブ導波路１３，１６は膜厚方向にのみ光の閉じ込め効果を持つ平板構造をした導波路である。

入力側スラブ導波路１３と出力側スラブ導波路１６は移相用チャネル導波路１４を介して接続され、入力側スラブ導波路１３は他端で入力用チャネル導波路１２と接続され、出力側スラブ導波路１６は他端で出力用チャネル導波路１５と接続されている。入力側及び出力側スラブ導波路１３、１６は、複数の移相用チャネル導波路１４を円弧状に結合した扇型に形成され、円弧の曲率中心は入力及び出力用チャネル導波路１２，１５と入力及び出力側スラブ導波路１３，１６との境界付近に位置する。光波長合分波器１０は屈折率１．４８のコアにより形成され、コアの周囲は屈折率１．４５７のクラッド１７により埋め込まれている（比屈折率差Δ＝１．５％）。

図２に示すように、本実施形態の光波長合分波器１０を構成する導波路１２，１３，１４，１５，１６のコアの厚さは４．３μｍであるが、入力側スラブ導波路１３には、コアの厚さ４．３μｍのコア本体部２０に対して、コアの厚さが１０μｍあるコア厚肉部２１の領域が形成される。

コア厚肉部２１はコア本体部２０の中央に形成され、入力側スラブ導波路１３の入力用チャネル導波路１２側及び移相用チャネル導波路１４側はコア本体部２０で形成されている。そのコア厚肉部２１とコア本体部２０の間には、コアの厚さが連続的に変化するテーパー部２４が形成される。よって、コア本体部２０とコア厚肉部２１は、テーパー部２４により断熱的に結合される。

即ち、入力用チャネル導波路１２から入射した光が、コア本体部２０、テーパー部２４、コア厚肉部２１、テーパー部２４、コア本体部２０を導波して各移相用チャネル導波路１４に入射するように、入力側スラブ導波路１３のコアが形成される。

また、コア厚肉部２１とテーパー部２３との境界と、テーパー部２３とコア本体部２０との境界は、円弧状になっており、その円弧の曲率中心２５は、入力用チャネル導波路１２と入力側スラブ導波路１３の境界付近に位置する。

さらに、このコア厚肉部２１には、複数の楔形の溝２２が形成され、すべての溝２２に光学樹脂２３が充填される。

溝２２に充填された光学樹脂２３の屈折率が、光波長合分波器１０を構成する材料の屈折率と大きく異なるほど、光波長合分波器１０の温度無依存化に効果的である。光波長合分波器１０を石英系材料で構成する場合、その屈折率の温度依存性は正の値をとるので、光学樹脂２３としては、屈折率の温度依存性が負の値をとるシリコーン系光学樹脂やエポキシ系光学樹脂等が用いられる。

次に、本実施形態の光波長合分波器１０の作製手順を説明する。図４は、図１におけるＡ−Ａ線に沿ったプロセス断面図である。

図４（ａ）に示すように、下地となる石英基板１１上にコア材３２を堆積する。コア材３２がコア本体部２０のパターンを形成する。

次に、図４（ｂ）に示すように、シャドウマスク３３を基板上に形成後、コア材３４を成膜する。シャドウマスク３３のマスクされていない箇所３３ａがコア厚肉部２１のパターンを形成し、シャドウマスク３３の庇部３３ｂがテーパー部２４のパターンを形成する。

シャドウマスクを用いたプロセスに関した文献に、例えば、伊藤等、”１．５％−Δ導波路を用いた超低損失アレイ導波路回折格子”，信学技報，ＯＰＥ２００２−１６，２００２，ｐ，２７−３０ がある。

次に、図４（ｃ）に示すように、シャドウマスク３３を除去し、フォトリソグラフィ及びエッチング技術により導波路パターンを形成する。形成されるパターンは入力側スラブ導波路１３であるが、同時に、出力側スラブ導波路１６、入力用及び出力用チャネル導波路１２，１５、移相用チャネル導波路１４も形成される。その後、化学的気相成長法によりクラッド１７を成膜し、全ての導波路１２，１３，１４，１５，１６はクラッド１７に覆われる。

最後に図４（ｄ）に示すように、入力側スラブ導波路１３のコア厚肉部２１の箇所に楔型の溝２２を形成し、その溝２２に光学樹脂２３の充填を行い、光波長合分波器１０が得られる。

次に本実施の形態の作用を述べる。
入力用チャネル導波路１２から入力された光波は入力側スラブ導波路１３において分光され、それぞれの光波は移相用チャネル導波路１４を介して、出力側スラブ導波路１６に伝搬する。ここで、各移相用チャネル導波路１４は長さが異なるため、移相用チャネル導波路１４内を伝搬する光波は位相変化を生じ、出力側スラブ導波路１６においてそれぞれの光波が干渉し、波長の異なる光波が出力用チャネル導波路１５の個々に集光することで光分波器機能が実現される。

本実施形態の光波長合分波器１０では、入力側スラブ導波路１３において、光波長合分波器１０の温度無依存化のために光学樹脂２３の充填された溝２２が形成されるが、光学樹脂２３の屈折率温度係数は、光波長合分波器１０を構成する石英系材料の屈折率温度係数とは符号が異なるため、温度変化によりコアやクラッド１７の屈折率が変化し、伝搬光に位相変化が生じても、光学樹脂２３の屈折率変化によって、その位相変化を補償できる。これにより、光波長合分波器１０の温度無依存化が実現できる。

ただし、溝２２では光の閉じ込め機能がないため回折損失が生じ、コアの厚さが小さい程その損失は大きい。そこで、溝２２が形成された入力側スラブ導波路１３のコアの厚さを、従来の構造によるアレイ導波路のシングルモード条件を満たすコアの厚さよりも大きくしている。具体的には、コア厚肉部２１を形成している。これにより、溝２２での回折損失を大幅に低減することができる。

図３に、本実施形態の光波長合分波器１０の入力側スラブ導波路１３中の溝２２において、溝幅をパラメータとしたときの溝配置間隔と損失との関係を示す。コアの厚さを１０μｍと大きくしたことにより、従来の比屈折率Δ＝１．５％で入力側スラブ導波路のコア厚が均一である光波長合分波器に比べて、大幅に最小損失が低減されることがわかる。

コア本体部２０とコア厚肉部２１は、コアの厚さが連続的に変化するテーパ状コア材２３により断熱的に結合されているため、コア本体部２０からコア厚肉部２１に入射した光は、コア厚肉部２１の基本モードに無損失で結合させることができる。また、溝２２において高次モードが生じた場合でも、コア本体部２０は、ほぼシングルモード条件を満たすため、コア本体部２０で高次モードを減衰させることができ、高次モードの影響によるクロストークの劣化を抑えることができる。

コア本体部２０とコア厚肉部２１では、基本モードの伝搬定数が異なるため、コア厚肉部２１の領域形状によって入力側スラブ導波路１３内での収差の原因となってしまい、光周波数特性を劣化させる可能性がある。しかし、本発明の光波長合分波器１０はコア厚肉部２１の領域とテーパ部２３の境界は円弧状になっており、円弧の曲率中心２５が入力用チャネル導波路１２と入力側スラブ導波路１３の境界付近に位置している。このため、入力用チャネル導波路１２から入力側スラブ導波路１３に入射、回折する光は入力側スラブ導波路１３内でいずれの放射方向に対してもコア厚肉部２１を等距離だけ伝搬することになり、伝搬方向の違いによって位相差が生じることを防ぎ、結果として収差が生じることを防ぐことが可能となる。

よって、光回路の小型化のために比屈折率差が１．５％の媒質で作製される温度無依存型の光波長合分波器１０は、入力側スラブ導波路１３のコアを厚く形成することで、光学樹脂２３の充填された溝２２での回折損失を低減することができ、コア厚肉部２１はコア本体部２０とテーパー状に結合し、その境界を円弧状に形成することで、移相用チャネル導波路１４に入射する光に収差が生じることを防止し、優良な光学特性の得られる光波長合分波機能をもつ。

本発明の一実施形態である光波長合分波器を示す平面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 図１の光波長合分波器における溝配置間隔と損失の関係を示す図である。 図１の光波長合分波器の作製工程を示す断面図である。 従来の光波長合分波器を示す平面図である。 図５の光波長合分波器における溝配置間隔と損失の関係を示す図であり、（ａ）は、比屈折率差Δを０．８％としたときの図であり、（ｂ）は、比屈折率差Δを１．５％としたときの図である。

符号の説明

１０ 光波長合分波器
１１ 石英基板
１２ 入力用チャネル導波路
１３ 入力側スラブ導波路
１４ 移相用チャネル導波路
１５ 出力用チャネル導波路
１６ 出力側スラブ導波路
２０ コア本体部
２１ コア厚肉部
２２ 溝
２３ 光学樹脂
２４ テーパー部
２５ 曲率中心

Claims (4)

1. 少なくとも１個以上の入力用チャネル導波路と、入力用チャネル導波路に接続された入力側スラブ導波路と、少なくとも１個以上の出力用チャネル導波路と、出力用チャネル導波路に接続された出力側スラブ導波路と、前記入力側スラブ導波路及び出力側スラブ導波路に接続された移相用チャネル導波路とからなるアレイ導波路型の光波長合分波器において、入力側スラブ導波路の一部に、前記導波路を形成するコア本体部よりも厚肉のコア厚肉部を形成し、そのコア厚肉部に溝を形成し、その溝内に光学樹脂を充填したことを特徴とする光波長合分波器。
2. 前記コア本体部の厚さはシングルモード条件を満たすよう、その厚さを調整して形成し、そのコア本体部と前記コア厚肉部とをコアの厚さが連続的に変化するテーパー部を介して断熱的に結合した請求項１記載の光波長合分波器。
3. 前記コア本体部及び前記コア厚肉部と、前記テーパー部との各境界は円弧状になっており、それらの円弧の曲率中心は、前記入力用チャネル導波路と前記入力側スラブ導波路の境界付近に位置する請求項２記載の光波長合分波器。
4. 前記コアとそのコアの周囲に形成するクラッドは石英系材料で形成され、コアとクラッドの比屈折率差は１．０％以上である請求項１〜３いずれかに記載の光波長合分波器。
   

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