JP2006030860A - 光波長合分波器 - Google Patents

Abstract

【課題】 コア、クラッド間の比屈折率差が大きい導波路においても、クロストークの劣化を抑えることができる光波長合分波器を提供する。
【解決手段】 基板３上に、複数のチャネル導波路６からなるアレイ導波路回折格子７と、そのアレイ導波路回折格子７の両端にそれぞれ接続される入力側スラブ導波路８と、出力側スラブ導波路９とを形成して光回路とし、入力側スラブ導波路８に接続される入力ポート１０と、出力側スラブ導波路９に接続される出力ポート１１とを形成した光波長合分波器１において、チャネル導波路６の幅ｗ又は／及び高さｈは、高次モードが存在することができる寸法であるものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光通信の分野において、波長多重伝送を行う上で用いられる光波長合分波器に係り、特に、良好なクロストーク特性を有するアレイ導波路回折格子型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、複数の光信号を別々の波長の光に乗せ、１本の光ファイバで伝送して情報容量を増加する波長分割多重方式が実用化されている。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している。なかでも、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であり、通信容量の多重数を容易に大きくできる利点がある。

アレイ導波路回折格子型光波長合分波器（以下、光波長合分波器）は、使用にあたり、例えばラックマウント型伝送装置のような狭い空間の内部に、他の光部品や電子回路と並べて設置することがある。そのため、光波長合分波器のサイズを小さくして他の部品の配置の自由度を大きくすることが重要な課題になっている。

光波長合分波器は、光合分波機能を有する導波路素子（複数のチャネル導波路からなるアレイ導波路回折格子を含む）、入出力のためのファイバ、パッケージ部材などによって構成されており、導波路素子以外のサイズを小さくすることも重要であるが、導波路素子自体を小さくすることも、サイズを縮小するための有効な手立ての一つである。

光波長合分波器の導波路素子サイズは、主に、アレイ導波路回折格子を構成する曲線導波路の曲率半径によって制限されている。曲線導波路の曲率半径は、伝播（伝搬）損失をできるだけ小さく抑えなければいけないという実用上の要求があるため、導波路（コア、クラッド間）の比屈折率差（Δ）によって決まるある限界値より小さくすることができない。例えば、コア、クラッド間のΔが０．７５％の導波路を用いた場合には、曲線導波路の曲率半径を５ｍｍ以上に設定することが必要になる。これを小さくするためには、コア、クラッド間のΔを大きくすればよいことが知られているが、Δを大きくした場合、光透過特性が劣化しやすくなるという問題が生じる。

この理由は次の通りである。まず、光波長合分波器を使って、光合分波機能を実現するためには、アレイ導波路回折格子で一定量の光学位相の変化を起こすことが必要である。このためには、アレイ導波路回折格子を、実質的にシングルモードの導波路で構成する必要があるが、図６に示すように、シングルモードの導波路のコアサイズ（断面が正方形のコアのとき、コア高さ＝コア幅）（μｍ）は、Δ（％）を大きくすると小さくなってしまう。同一のプロセス手法を用いて比較した場合には、コアサイズが小さくなるほど、導波路作製時の作製条件の不均一性によって光波長合分波器の光透過特性が劣化しやすくなるため、Δが大きくなるほど、製造歩留りは低下してしまう。すなわち、光波長合分波器の作製においては、Δを媒介パラメータとして、素子サイズと光透過特性の間にトレードオフの関係が存在する。

この素子サイズと光透過特性の間のトレードオフ関係については、例えば、非特許文献１で論じられている。この非特許文献１の中では、光透過特性の中でも、特にクロストークを最小化するという観点から、適切なΔを選択すべきであることが示されており、コア、クラッド間のΔの最適値として０．７５％という値が示されている。

ここでクロストークとは、図７に示すように、光波長合分波器の各出力ポートに対する、設計上の通過波長（図７の網目部分）以外の波長を有する光の漏れ込み量のことである。設計上の通過波長以外の波長を有する光の透過損失が小さいほど、クロストークが大きい。

非特許文献１では、上述したトレードオフ関係による制限を緩和する手段として、アレイ導波路回折格子の幾何学的配置を工夫して、アレイ導波路回折格子の長さを可能な限り短くすることが提案されている。

特開平６−１９４５３９号公報 タカシ ゴウ、外２名（Ｔ．Ｇｏｈ ｅｔ ａｌ．），Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｐｈａｓｅ Ｅｒｒｏｒ ｉｎ Ｓｉｌｉｃａ−Ｂａｓｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（１９９７）ｐ．２１０７−２１１３

しかしながら、アレイ導波路回折格子の配置を工夫することだけでは、クロストーク特性（光透過特性）と回路サイズ（素子サイズ）のトレードオフ特性を十分に改善することは難しい。光透過特性を劣化させずに、さらなる回路サイズの縮小を実現するためには、Δを大きくした上で、さらに導波路の作製誤差の影響を緩和するための工夫が必要である。

そこで、本発明の目的は、コア、クラッド間の比屈折率差が大きい導波路においても、クロストークの劣化を抑えることができる光波長合分波器を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、基板上に、複数のチャネル導波路からなるアレイ導波路回折格子と、そのアレイ導波路回折格子の両端にそれぞれ接続される入力側スラブ導波路と、出力側スラブ導波路とを形成して光回路とし、前記入力側スラブ導波路に接続される入力ポートと、前記出力側スラブ導波路に接続される出力ポートとを形成した光波長合分波器において、前記チャネル導波路の幅又は／及び高さは、高次モードが存在することができる寸法である光波長合分波器である。

請求項２の発明は、前記チャネル導波路に所定の曲げを設けることにより、前記チャネル導波路内に存在する高次モードを遮断する請求項１記載の光波長合分波器である。

請求項３の発明は、前記チャネル導波路の幅又は／及び高さは、前記チャネル導波路がシングルモードになる最大の幅又は／及び高さよりも１０％以上大きい請求項１または２記載の光波長合分波器である。

請求項４の発明は、前記チャネル導波路の幅又は／及び高さは、比屈折率差が１．５％のとき４．７３μｍ以上である請求項３記載の光波長合分波器である。

請求項５の発明は、前記チャネル導波路の少なくとも一端部は、幅又は／及び高さを徐々に大きくしたテーパ状に形成される請求項１〜４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、次のような優れた効果を発揮する。

（１）導波路の比屈折率差を大きくしても、光透過特性の劣化を抑制できる。

（２）光透過特性を劣化させることなく、アレイ導波路回折格子の回路サイズを縮小できる。

以下、本発明の好適実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１（ａ）は、本発明の好適実施の形態を示す光波長合分波器の平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示したアレイ導波路回折格子の部分拡大図である。

図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る光波長合分波器１は、アレイ導波路回折格子型光波長分波器である。この光波長合分波器１は、光合分波機能を有する導波路素子２と、導波路素子２の入出力端にそれぞれ接続される入出力用の光ファイバと、これら導波路素子２と入出力用の光ファイバとを収納するパッケージ部材とで主に構成される。導波路素子２は、基板（下部クラッド）３上に、コアを含む導波路４を形成し、基板３の表面と導波路４とを上部クラッド５で覆って構成される。

導波路４は、複数（図１（ａ）では９つ、図１（ｂ）では５つ）のチャネル導波路６からなるアレイ導波路回折格子７と、そのアレイ導波路回折格子７の一端に他端が接続される入力側スラブ導波路８と、アレイ導波路回折格子７の他端に一端が接続される出力側スラブ導波路９と、入力側スラブ導波路８の一端に接続される複数（図１（ａ）では３つ）の入力ポート（入力導波路）１０と、出力側スラブ導波路９の他端に接続される複数（図１（ａ）では５つ）の出力ポート（出力導波路）１１とで構成される。

各チャネル導波路６は、所定の間隔で互いに隔てられ、かつ最も内側のチャネル導波路６から最も外側のチャネル導波路６にかけて、導波路の長さが所定のステップ（数十μｍ）ずつ長くなる曲線導波路で構成される。

光回路は、プリズムに相当する機能を有するアレイ導波路回折格子７と、レンズに相当する機能を有する入力側スラブ導波路８と、レンズに相当する機能を有する出力側スラブ導波路９とで構成される。この構成に加え、さらに入力ポート１０と、出力ポート１１とを含めて光回路ということもある。一般に、入力側スラブ導波路８と、出力側スラブ導波路９とは空洞で形成されることが多い。この場合、コアは、アレイ導波路回折格子７と、入力ポート１０と、出力ポート１１とで構成される。

さて、図１（ｂ）に示すように、アレイ導波路回折格子７を構成する各チャネル導波路６の幅ｗ又は／及び高さｈは、高次モードが存在することができる寸法である。より詳細に言えば、各チャネル導波路６のコア幅ｗ又は／及びコア高さｈ（コアの横断面サイズ）は、各チャネル導波路６がシングルモード（基本モード、あるいは単一モード）になる最大のコア幅又は／及びコア高さＨｃよりも１０％以上大きい。

例えば、導波路４（コアと下部及び上部クラッド３，５との間）の比屈折率差（Δ）が１．５％のとき、コア幅又は／及びコア高さＨｃが通常４．３μｍなので、各チャネル導波路６のコア幅ｗ又は／及びコア高さｈを４．７３μｍ以上にする。図１（ｂ）のように、横断面が正方形のチャネル導波路６の場合は、コア幅ｗとコア高さｈを等しくする。

また、図１（ａ）に示すように、各チャネル導波路６には、最も内側のチャネル導波路６から最も外側のチャネル導波路６にかけて徐々に大きくなるように、所定の曲げを設けている。例えば、導波路４のΔが１．５％のとき、最内側のチャネル導波路６の曲げ半径（曲率半径）ｒを２ｍｍにする。

次に、本実施の形態の作用を説明する。

まず、光波長合分波器１の動作を簡単に説明する。例えば、一つの入力ポート１０に入射された波長分割多重された光は、入力側スラブ導波路８によって拡がり、アレイ導波路回折格子７に入射される。アレイ導波路回折格子７に入射した光は、各チャネル導波路６の長さが異なるため、波長により異なった方向に伝搬して分波される。アレイ導波路回折格子７から出射した光は、出力側スラブ導波路９によって集光され、各波長に対応する出力ポート１１から出射される。また、これとは逆に、出力ポート１１から入射された各波長の光を合波して一つの入力ポートから出射する機能も有する。

従来、各チャネル導波路のコアの横断面サイズは、アレイ導波路回折格子を使用する波長域において、光導波路がシングルモード条件を満たすように設定するのが普通である。

ここで、一般に光導波路のシングルモード条件は以下のようにして求められる。まず、光導波路のシングルモード条件を求めるためには、導波路の断面サイズを変えながら、各断面形状に対する導波路の固有モードの伝播（伝搬）定数を求める計算を行う。

例として、正方形の横断面を持つ導波路に対して、固有モードの伝播定数を求めてグラフ化したのが図２に示した導波路の分散曲線である。

図２では、横軸を規格化周波数ｖ（コア高さで規格化）にとり、縦軸を規格化伝播定数ｂにとり、基本モードＭ０の分散曲線を実線で、高次モードＭ１の分散曲線を一点鎖線で示している。なお、よく知られているように、規格化（正規化）周波数ｖは、光の波数（波長／２π）、コアの屈折率、コアサイズ（コア幅又は／及びコア高さ）、Δの関数である。

図２に示すように、導波路の一辺の幅又は／及び高さがＨｃ（図２では×印：ｖ＝約２．１９に相当する）よりも小さい場合には、固有モードは偏光の自由度を除いて１種類しか存在しない。この固有モードが１種類しか存在しない状態が導波路のシングルモード状態であり、Ｈｃは、シングルモード条件を満たす最大のコアサイズを示す。断面が正方形の導波路においては、通常、導波路の一辺の幅又は／及び高さ長さをＨｃより小さい値か、Ｈｃにごく近い値に設定する。したがって、通常のアレイ導波路回折格子型光波長合分波器においては、アレイ導波路回折格子を構成するチャネル導波路の動作点は、動作点Ａである。

しかし、チャネル導波路の動作点Ａにおいては、基本モードＭ０のグラフの傾きが大きくなってしまうという問題がある。基本モードＭ０のグラフの傾きが大きいことは、チャネル導波路のコアサイズの小さな変化に対して、チャネル導波路の伝播定数ｂが大きく変化することを意味しており、作製誤差の影響を受けやすいことを意味している。

そこで、本実施の形態に係る光波長合分波器１では、各チャネル導波路６のコアサイズの小さな変化に対して、各チャネル導波路６の伝播定数ｂの変化量が小さくなるように、各チャネル導波路６のコアの横断面サイズ（コア幅ｗ又は／及びコア高さｈ）を、シングルモード条件から導かれる値よりも１０％以上大きなサイズに（図２の例では、動作点Ｂ（ｖ＝約２．６４）となるように）設定した。

これにより、図２の動作点Ｂとなるチャネル導波路６を有する光波長合分波器１は、動作点Ｂにおいては、動作点Ａに比べて基本モードＭ０の傾きが小さくなるため、動作点Ａとなるチャネル導波路を有する光波長合分波器よりも作製誤差の影響を受けにくい。

ただし、動作点Ｂにおいては高次モードＭ１が存在するため、出力側スラブ導波路９でゴーストが発生して光透過特性が劣化することが懸念される。ところが、光波長合分波器１においては、アレイ導波路回折格子７が複数の曲線導波路（チャネル導波路６）から構成されているため、曲線導波路が基本モードを通過させると共に高次モード成分を遮断するようなモードフィルタの働きをするので、光透過特性が劣化することはない。

一例として、Δ＝１．５％の導波路４を用いた光波長合分波器１において、アレイ導波路回折格子７を構成する最も内側のチャネル導波路６の曲げ半径ｒを２ｍｍにすることで、各チャネル導波路６内に存在する高次モードの光を除去（遮断）できる。

さらに、導波路の動作点をＡからずらした場合のクロストークの減少量を、導波路断面が正方形の場合について図３に示す。図３では、横軸を各チャネル導波路６の幅（＝各チャネル導波路６の高さ）（μｍ）にとり、縦軸をその他クロストーク改善量（ｄＢ）にとり、下式
１０ｌｏｇ（（ｄｂ／ｄｖ）² ）／ｌｏｇ（１０）
によって特性曲線３１を求めた。ただし、Δ＝１．５％とした。

図３に示すように、各チャネル導波路６のコア幅ｗ（＝コア高さｈ）をＨｃ（４．３μｍ）よりも１０％以上大きくする（４．７３μｍ以上にする）ことにより、クロストークを約４ｄＢ程度減らす（改善する）ことができる。

以上では、正方形導波路を例にとって原理を説明したが、上記の原理がコアの形状によらないことは明白である。各固定のコア形状を、形状を保ったまま拡大または縮小して導波路の伝播定数を求め、横軸をコアの拡大率、縦軸を伝播定数としてグラフを書けば、図２と同様の図が得られる。得られた図において、シングルモード条件を満たす最大の拡大率をＨｃとした時、拡大率をＨｃよりも１０％以上大きな値に設定することによって、当該断面形状を持つアレイ導波路回折格子型光波長合分波器のクロストークを十分抑制することができる。

次に、第２の実施の形態を説明する。

図１（ｂ）では、チャネル導波路６の横断面が正方形の例で説明したが、チャネル導波路６の代わりに、図５に示すようなチャネル導波路５６を用いてもよい。各チャネル導波路５６の一端部あるいは他端部は、コア高さｈ５が一定のままコア幅ｗ５を徐々に広くしたテーパ状に形成され、横断面が幅広の矩形となっている。これにより、チャネル導波路５６の一端部と、図１（ａ）の入力側スラブ導波路８の他端、あるいは出力側スラブ導波路９の一端とを低損失で接続できる。

各チャネル導波路５６の両端部をコア高さｈ５が一定のままコア幅ｗ５を徐々に広くしたテーパ状に形成してもよい。また、各チャネル導波路５６の少なくとも一端部を、コア幅ｗ５及びコア高さｈ５を徐々に大きくしたテーパ状に形成してもよい。

図１（ａ）および図１（ｂ）の光波長合分波器１を作製した。導波路４のクラッド材料は石英ガラスであり、コア材料はＴｉまたはＧｅをドープした石英ガラスである。アレイ導波路回折格子７を構成する各チャネル導波路６は、入力側スラブ導波路８と出力側スラブ導波路９間の全ての領域において、常に同一の横断面形状を有している。

例えば、Δが１．５％で横断面が正方形の導波路に対して、シングルモード条件を満たす最大のコアサイズは約４．３μｍである。しかし、図３の計算例に示すように、各チャネル導波路６のコア幅ｗを４．８μｍに設定することによって４．４ｄＢのクロストークレベル低減が可能であり、コア幅ｗを５．０μｍに設定すれば６．８ｄＢのクロストークレベル低減が可能である。

そこで、実施例として、導波路４のΔ＝１．５％、各チャネル導波路６のコア幅ｗ＝５．０μｍ、最も内側のチャネル導波路６の曲げ半径ｒ＝２ｍｍの光波長合分波器１を作製した。

実施例との比較のため、従来例１として、導波路のΔ＝０．７５％、各チャネル導波路のコア幅４．３μｍ、最も内側のチャネル導波路の曲げ半径５ｍｍの光波長合分波器を作製した。また、従来例２として、導波路のΔ＝１．５％、各チャネル導波路のコア幅４．３μｍ、最も内側のチャネル導波路６の曲げ半径２ｍｍの光波長合分波器を作製した。従来例１，２のその他の構成は、実施例と同じである。

実施例と従来例１，２の特性を図４に示す。図４では、実施例の特性を点線の特性曲線４０、従来例１の特性を一点鎖線の特性曲線４１、従来例２の特性を実線の特性曲線４２で示した。図４に示すように、実施例は、Δが同じでコア幅が狭い従来例２に比べて大幅なクロストークレベル改善が実現できている。また、実施例は、Δが小さくコア幅が狭い従来例１とほぼ同等のクロストークレベルであることがわかる。

このように、本実施の形態に係る光波長合分波器１は、各チャネル導波路６のコアサイズ（コア幅ｗ又は／及びコア高さｈ）をシングルモード条件から導かれる値よりも１０％以上大きなサイズにし、かつ各チャネル導波路６に所定の曲げを設けることで、導波路４のΔを（例えば、０．７５％から１．５％に）大きくしても、光透過特性（クロストーク特性）の劣化を抑制できる。

また、従来、Δ＝０．７５％では各チャネル導波路の曲げ半径を５ｍｍ以上に設定する必要があったが、光波長合分波器１は、Δ＝１．５％では最も内側のチャネル導波路６の曲げ半径を２ｍｍに設定するので、光透過特性を劣化させることなく、アレイ導波路回折格子７の回路サイズ、ひいては導波路素子２や光波長合分波器１のサイズを縮小できる。

図１（ａ）は本発明の好適実施の形態を示すアレイ導波路回折格子型の光波長合分波器の平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示したアレイ導波路回折格子の部分拡大図である。 導波路の分散曲線を示す図である。 コアサイズとクロストーク改善量の関係を示す図である。 実施例の光波長合分波器と従来例の光波長合分波器の特性を示す図である。 第２の実施の形態を示す部分拡大斜視図である。 比屈折率差とコアサイズの関係を示す図である。 クロストークを説明する模式図である。

符号の説明

１ 光波長合分波器
２ 導波路素子
３ 基板
４ 導波路
５ 上部クラッド
６ チャネル導波路
７ アレイ導波路回折格子
８ 入力側スラブ導波路
９ 出力側スラブ導波路
１０ 入力ポート
１１ 出力ポート
ｗ チャネル導波路のコア幅
ｈ チャネル導波路のコア高さ

Claims (5)

1. 基板上に、複数のチャネル導波路からなるアレイ導波路回折格子と、そのアレイ導波路回折格子の両端にそれぞれ接続される入力側スラブ導波路と、出力側スラブ導波路とを形成して光回路とし、前記入力側スラブ導波路に接続される入力ポートと、前記出力側スラブ導波路に接続される出力ポートとを形成した光波長合分波器において、前記チャネル導波路の幅又は／及び高さは、高次モードが存在することができる寸法であることを特徴とする光波長合分波器。
2. 前記チャネル導波路に所定の曲げを設けることにより、前記チャネル導波路内に存在する高次モードを遮断する請求項１記載の光波長合分波器。
3. 前記チャネル導波路の幅又は／及び高さは、前記チャネル導波路がシングルモードになる最大の幅又は／及び高さよりも１０％以上大きい請求項１または２記載の光波長合分波器。
4. 前記チャネル導波路の幅又は／及び高さは、比屈折率差が１．５％のとき４．７３μｍ以上である請求項３記載の光波長合分波器。
5. 前記チャネル導波路の少なくとも一端部は、幅又は／及び高さを徐々に大きくしたテーパ状に形成される請求項１〜４いずれかに記載の光波長合分波器。
   

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