JP2804367B2 - Star coupler with taper - Google Patents
Star coupler with taperInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、大容量LAN（Local Aera Network）システ
ム或いは光交換システム等における光信号分配に必須の
光部分であるＮ×Ｎスターカップラに関するものであ
る。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION <Industrial Application Field> The present invention relates to an N × N star coupler which is an essential optical part for optical signal distribution in a large-capacity LAN (Local Aera Network) system or an optical switching system. It is.
〈従来の技術〉 Ｎ本の入力光導波路中の任意の一本に入射した光パワ
ーをＮ本の出力光導波路に均一に分岐するＮ×Ｎスター
カップラとしては、従来、第６図に示す構造のものが知
られている。同図に示すスターカップラは、Ｎ＝８とし
たものである。即ち、８本の入力光導波路11と、８本の
出力光導波路12とを有しており、これらの入力光導波路
11から出力光導波路12まで3dB方向性結合器13を介して
三段階にわたって結合している。<Prior Art> An N × N star coupler that uniformly branches optical power incident on an arbitrary one of N input optical waveguides into N output optical waveguides has a structure shown in FIG. Are known. The star coupler shown in the figure has N = 8. That is, it has eight input optical waveguides 11 and eight output optical waveguides 12, and these input optical waveguides
The optical waveguide 11 is coupled to the output optical waveguide 12 via a 3 dB directional coupler 13 in three stages.
従って、８本の入力光導波路11の任意の１本に入射し
た光パワーは、3dB方向性結合器13により、段階的に1/
2、1/4、1/8に均等に分岐されて、全ての８本の出力光
導波路12に分岐されることになる。この為、この例では
12個の3dB方向性結合器13を必要としている。Therefore, the optical power incident on an arbitrary one of the eight input optical waveguides 11 is stepwise reduced by the 3 dB directional coupler 13 to 1/1 /.
The light is equally branched into 2, 1/4, and 1/8, and is branched into all eight output optical waveguides 12. Therefore, in this example
Twelve 3 dB directional couplers 13 are required.
〈発明が解決しようとする課題〉 上述した従来の構造のスターカップラでは、任意の入
力光導波路11に入射した光パワーを複数の出力光導波路
12に均等に分岐することが出来るものの、下式に示すよ
うに多数の3dB方向性結合器13を必要とする問題があ
る。<Problems to be Solved by the Invention> In the above-described star coupler having the conventional structure, the optical power incident on an arbitrary input optical waveguide 11 is reduced by a plurality of output optical waveguides.
Although it can be equally branched into 12, there is a problem that a large number of 3 dB directional couplers 13 are required as shown in the following equation.
Ｍ＝（N/2）log2N …（１） 但し、Ｍは必要な3dB方向性結合器13の数である。M = (N / 2) log 2 N (1) where M is the number of required 3 dB directional couplers 13.
例えば、Ｎ＝128の大容量LANシステムの場合には、Ｍ
＝448という膨大な数になってしまう。従って、スター
カップラのサイズが非常に大きくなることは勿論、作製
の歩留りが悪く高価になる欠点がある。For example, in the case of a large-capacity LAN system with N = 128, M
= 448, a huge number. Therefore, the size of the star coupler is extremely large, and the production yield is low and the cost is high.
本発明は、上記従来技術に鑑みて成されたものであ
り、入力或いは出力光導波路とスラブ光導波路との接合
部分及びその近傍において入力及び出力光導波路のコア
幅を緩やかなテーパ状に縮小することにより、光を均一
に分布させることのできる大規模に適したスターカップ
ラを提供することを目的とするものである。The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional technology, and reduces the core width of the input and output optical waveguides into a gently tapered shape at and near the junction between the input or output optical waveguide and the slab optical waveguide. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a large-scale star coupler capable of uniformly distributing light.
〈課題を解決するための手段〉 斯かる目的を達成する本発明の構成は一又は二以上の
入力光導波路中の任意の一本に入射した光パワーを二以
上の出力光導波路に均一に分岐するスターカップラにお
いて、前記入力光導波路を扇形に配置してなる入力光導
波路アレイと、前記出力光導波路を扇形に配置してなる
出力光導波路アレイとを相対向して設置すると共に前記
入力光導波路アレイと前記出力光導波路アレイとを横方
向には光閉じ込め構造を有しないスラブ光導波路により
結合し、前記入力光導波路或いは出力光導波路と前記ス
ラブ光導波路との接合部分及びその近傍において入力光
導波路及び出力光導波路のコア幅が緩やかなテーパ状に
縮小していることを特徴とする。<Means for Solving the Problems> The configuration of the present invention that achieves the above object uniformly branches optical power incident on any one of one or more input optical waveguides into two or more output optical waveguides. In the star coupler, the input optical waveguide array in which the input optical waveguides are arranged in a fan shape, and the output optical waveguide array in which the output optical waveguides are arranged in a fan shape are installed facing each other, and the input optical waveguide is arranged. The array and the output optical waveguide array are laterally coupled by a slab optical waveguide having no optical confinement structure, and the input optical waveguide is provided at and near the junction between the input optical waveguide or the output optical waveguide and the slab optical waveguide. And the core width of the output optical waveguide is reduced in a gentle taper shape.
〈作用〉 任意の入力光導波路に入射した光は、スラブ光導波路
において、光の進行方向に対して横方向に対して閉じ込
められないので、横方向に広がる。その広がった光は、
入力光導波路アレイ、出力光導波路アレイが導波路を扇
形に配置しているので、均一に出力光導波路に分岐す
る。特に、入力光導波路或いは出力光導波路と前記スラ
ブ光導波路との接合部分及びその近傍において入力光導
波路及び出力光導波路のコア幅が緩やかなテーパ状に縮
小すると、導波路間の光結合状態を最適に制御できるの
で、光の分岐比の均一性向上及び過剰損失の低減に好適
である。<Operation> The light incident on an arbitrary input optical waveguide is not confined in the slab optical waveguide in the lateral direction with respect to the traveling direction of the light, and thus spreads in the lateral direction. The spread light
Since the input optical waveguide array and the output optical waveguide array arrange the waveguides in a fan shape, the input optical waveguide array is uniformly branched to the output optical waveguide. In particular, when the core width of the input optical waveguide and the output optical waveguide is reduced to a gentle taper at and near the junction between the input optical waveguide or the output optical waveguide and the slab optical waveguide, the optical coupling state between the waveguides is optimized. Therefore, it is suitable for improving the uniformity of the light branching ratio and reducing excess loss.
〈実施例〉 以下、本発明について、図面に示す実施例を参照して
詳細に説明する。<Example> Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples shown in the drawings.
第１図に本発明の一実施例を示す。本実施例はＮ×Ｎ
スターカップラに関するものである。即ち、同図に示す
ように本実施例のスターカップラは、入力光導波路１、
ダミー導波路2,3、スラブ光導波路４、出力光導波路５
及びダミー導波路6,7を有している。入力光導波路１
は、屈折率n1のコアを屈折率n0のクラッドで覆って構成
され、コアの幅2aと厚さ2tは通常等しく設計されてい
る。出力光導波路５、ダミー導波路2,3,6,7も、入力光
導波路１と同様な構成である。FIG. 1 shows an embodiment of the present invention. In this embodiment, N × N
It is related to a star coupler. That is, as shown in the figure, the star coupler of the present embodiment has the input optical waveguide 1,
Dummy waveguides 2 and 3, slab optical waveguide 4, output optical waveguide 5
And dummy waveguides 6 and 7. Input optical waveguide 1
Is constructed over the core of refractive index n 1 in the cladding of refractive index n 0, a width 2a and thickness 2t of the core are normally equally designed. The output optical waveguide 5 and the dummy waveguides 2, 3, 6, and 7 have the same configuration as the input optical waveguide 1.
このような入力光導波路１、ダミー導波路2,3は扇形
に配置して入力光導波路アレイ８を構成し、出力光導波
路５、ダミー導波路6,7も扇形に配列して出力光導波路
アレイ９を構成しており、これらの入力光導波路アレイ
８、出力光導波路アレイ９は、相対向して配置され、ス
ラブ光導波路４を介して結合している。スラブ光導波路
４は、その拡大図を第２図に示すように、相対向して扇
形に配置した入力導波路アレイと出力光導波路アレイの
中間部分にあって、光の進行方向に対して横方向には光
閉じ込め構造を有していないものである。入力光導波路
１、出力光導波路５とスラブ光導波路４との接合部分及
びその近傍においては、入力光導波路４、出力光導波路
５のコア幅が緩やかなテーパ状に縮小している。第２図
において、Narrayは、入力光導波路アレイ８（又は出力
光導波路アレイ９）におけるダミー導波路2,3（又は6,
7）を含めた導波路の総数、Ｏは扇形に配置された入力
光導波路アレイ８の曲率中心、Ｏ′は扇形に配置された
出力光導波路アレイ９の曲率中心、Lcは曲率中心OO′間
の距離、RsはNarray本の光導波路を隙間無く並べたとき
の曲率半径、（RS＋qf）は実際の扇形光導波路アレイの
曲率半径である。ここで、qf≧０である。尚、Rtは均一
幅の導波路を隙間無く扇状に配列した場合の曲率半径で
ある。The input optical waveguide 1 and the dummy waveguides 2 and 3 are arranged in a fan shape to form an input optical waveguide array 8, and the output optical waveguides 5 and the dummy waveguides 6 and 7 are also arranged in a fan shape to form an output optical waveguide array. The input optical waveguide array 8 and the output optical waveguide array 9 are arranged to face each other and are connected via the slab optical waveguide 4. As shown in an enlarged view of FIG. 2, the slab optical waveguide 4 is located at an intermediate portion between the input waveguide array and the output optical waveguide array which are arranged in a fan shape facing each other, and is transverse to the traveling direction of light. It does not have a light confinement structure in the direction. At the junction between the input optical waveguide 1, the output optical waveguide 5, and the slab optical waveguide 4 and the vicinity thereof, the core width of the input optical waveguide 4, the output optical waveguide 5 is reduced to a gentle taper shape. In FIG. 2, N array is a dummy waveguide 2, 3 (or 6, 6) in the input optical waveguide array 8 (or the output optical waveguide array 9).
The total number of the waveguide, including 7), O is the center of curvature of the input optical waveguide array 8 arranged in a fan, O 'is the center of curvature of the output optical waveguide array 9 disposed in a fan, L c is the curvature center OO' The distance between them, R s is the radius of curvature when N array optical waveguides are arranged without gaps, and (R S + q f ) is the radius of curvature of the actual fan-shaped optical waveguide array. Here is a q f ≧ 0. Here, Rt is a radius of curvature when waveguides having a uniform width are arranged in a fan shape without any gap.
テーパ付きスターカップラの設計は、ビーム伝搬法を
用いて行った（M.D.Feit他、「Light propagation in g
raded−index Optical fibers」,Appl.Opt.,Vol.17,no.
24,pp3990〜3998（1978））。第３図は、次数Ｎ＝８の
スターカップラに対する光伝搬のシミュレーション結果
を示すものである。スターカップラのパラメータは、N
array＝14（ダミー導波路が左右に各々３本）、Lc＝169
0μｍ、Rs＝890μｍ、qf＝390μｍ、Ys＝870μｍ、光の
波長λ＝1.55μｍである。第３図（ａ）は、中止の入力
光導波路１（左から、数えて７番目）に光が入射された
場合、同図（ｂ）は、左端の入力光導波路１（左から、
数えて４番目）に光が入射された場合の光伝搬強度分布
である。同図に示すように、任意の入力光導波路１から
入力された光は、スラブ光導波路４において横方向に広
がって均等に分散し、入射光位置に依らず、８本の出力
光導波路５に均一に光パワーが分岐されていることが判
る。The tapered star coupler was designed using the beam propagation method (MDFeit et al., “Light propagation in g
raded-index Optical fibers, Appl. Opt., Vol. 17, no.
24, pp3990-3998 (1978)). FIG. 3 shows a simulation result of light propagation for a star coupler of order N = 8. The star coupler parameter is N
array = 14 (three dummy waveguides on each side), L c = 169
0 μm, R s = 890 μm, q f = 390 μm, Y s = 870 μm, and light wavelength λ = 1.55 μm. FIG. 3 (a) shows the case where light is incident on the input optical waveguide 1 (the seventh from the left) which has been stopped, and FIG. 3 (b) shows the input optical waveguide 1 at the left end (from the left).
(Fourth counting) is a light propagation intensity distribution when light is incident. As shown in the figure, light input from an arbitrary input optical waveguide 1 spreads in the lateral direction in the slab optical waveguide 4 and is uniformly dispersed, and is distributed to eight output optical waveguides 5 irrespective of the incident light position. It can be seen that the optical power is branched uniformly.
第４図は、第３図のシミュレーション結果を光伝搬波
形として示したものである。同図（ａ）は、中心の入力
光導波路（左から、数えて７番目）に光が入射された場
合、同図（ｂ）は、左端の入力光導波路（左から、数え
て４番目）に光が入射された場合の光の伝搬波形であ
る。入射光導波路射アレイ８とスラブ光導波路４との境
界における光波形を見ると、光は隣接する数本の導波路
に結合しており、このサイドローブがスラブ光導波路４
と出力光導波路アレイ９との境界で均一な光の分布を実
現するうえで非常に重要なことが確認される。FIG. 4 shows the simulation result of FIG. 3 as a light propagation waveform. FIG. 9A shows the case where light is incident on the central input optical waveguide (seventh from the left), and FIG. 9B shows the leftmost input optical waveguide (fourth from the left). 7 shows a light propagation waveform when light is incident on the light source. Looking at the optical waveform at the boundary between the incident optical waveguide array 8 and the slab optical waveguide 4, light is coupled to several adjacent waveguides, and the side lobes are
It is confirmed that it is very important in realizing a uniform light distribution at the boundary between the optical waveguide array 9 and the output optical waveguide array 9.
そこで、本発明では、このサイドローブを効果的に活
用するため、スラブ光導波路４の両側に相対向して配置
した入力光導波路アレイ８、出力導波路アレイ９を扇形
に形成するだけでなく、入力光導波路５、出力光導波路
６のコア幅を緩やかなテーパ状に形成したのである。Therefore, in the present invention, in order to effectively utilize the side lobes, not only the input optical waveguide array 8 and the output waveguide array 9 that are arranged on both sides of the slab optical waveguide 4 so as to face each other, but also form a fan shape, The core widths of the input optical waveguide 5 and the output optical waveguide 6 are formed in a gentle taper shape.
また、これにより、左端（或いは右端）の入力光導波
路１に対しては、他の入射位置におけるの同様のサイド
ローブを形成する為に、その左（或いは、右）側にダミ
ー導波路２（３）を設ける必要があることが判る。Further, with this, the dummy waveguide 2 (on the left (or right) side) is formed on the left (or right) input optical waveguide 1 in order to form a similar side lobe at another incident position. It turns out that it is necessary to provide 3).
上記のスターカップラの計算機シュミレーションを基
に、石英形光導波路を用いてテーパ付きスターカップラ
を作製した。Based on the above computer simulation of the star coupler, a tapered star coupler was manufactured using a quartz optical waveguide.
先ず、Si基板上に火災堆積法によってSiO2下部クラッ
ド層を堆積させ、次にTiO2或いはGeO2をドーパントとし
て添加したSiO2ガラスのコア層を堆積させ、その後に、
電気炉で透明ガラス化した。次いで、計算機シュミレー
ションを基に作製したマスクパターンを用いてコア層を
エッチングして、所定の入出力光導波路アレイ及びスラ
ブ光導波路領域を形成し、最後にSiO2上部クラッド層を
堆積した。First, a SiO 2 lower clad layer is deposited on a Si substrate by a fire deposition method, and then a core layer of SiO 2 glass doped with TiO 2 or GeO 2 as a dopant is deposited.
Transparent vitrification was performed in an electric furnace. Next, the core layer was etched using a mask pattern produced based on computer simulation to form a predetermined input / output optical waveguide array and slab optical waveguide region, and finally, an SiO 2 upper cladding layer was deposited.
第５図は、Ｎ＝８、Δ＝0.3％、2a＝７μmLc＝1690μ
ｍ、Rs＝890μｍ、qf＝390μｍ、Narray＝14（ダミー導
波路が左右に各々３本）のスターカップラの光分岐特性
を波長λ＝1.55μｍの光を用いて測定した結果を示すも
のである。横軸は、アレイ光導波路への光入射位置ｍで
あり、ダミー導波路が左右に３本ずつあるので、ｍ＝４
〜11である。縦軸は、規格化分岐出力Pnであり、下式の
ように入力パワーをPin、ｎ番目の出力光導波路（ｎ＝
４〜11）の出力パワーをPout,nとして定義されるもので
ある。FIG. 5 shows N = 8, Δ = 0.3%, 2a = 7 μmL c = 1690 μm
The results obtained by measuring the light branching characteristics of a star coupler with m, R s = 890 μm, q f = 390 μm, and N array = 14 (three dummy waveguides on each side) were used with light having a wavelength λ = 1.55 μm. Things. The horizontal axis is the position m of light incident on the arrayed optical waveguide. Since there are three dummy waveguides on the left and right, m = 4.
~ 11. The vertical axis is the normalized branch output P n, the P in input power to the following equation, n-th output optical waveguide (n =
4 to 11) are defined as P out, n .
この図から明らかなように、波長1.3μｍ〜1.55μｍ
の広い波長域にわたって光分布が略一定の、テーパ付き
スターカップラが実現できることが確認できる。尚、Pn
＝１（for all n）のとき、挿入損失ゼロの均一な光分
布が得られる。 As is clear from this figure, the wavelength is 1.3 μm to 1.55 μm.
It can be confirmed that a tapered star coupler having a substantially constant light distribution over a wide wavelength range can be realized. Note that P n
When = 1 (for all n), a uniform light distribution with zero insertion loss is obtained.
これら第３図及び第４図より、計算機シュミレーショ
ンによるテーパ付きスターカップラの設計（第５図〜第
７図、及び式（４）〜（７））の妥当性が確認された。From FIGS. 3 and 4, the validity of the design of the tapered star coupler by computer simulation (FIGS. 5 to 7, and equations (4) to (7)) was confirmed.
〈発明の効果〉 以上、実施例に基づいて具体的に説明したように、本
発明のスターカップラは、任意の一本導波路に均一に分
岐し、且つ光パワーの分岐比が波長に依らず略一定であ
るので、大規模LANシステムや波長多重方式等における
信号分配において大きな利点を有する。また、スラブ光
導波路との接合部分及びその近傍において入力光導波
路、出力光導波路のコア幅をテーパ状に縮小したので、
アレイ導波路間の光結合状態を最適に制御して、光の分
岐比の均一性向上及び過剰損失の低減に対して有効であ
る。<Effect of the Invention> As described above in detail based on the embodiments, the star coupler of the present invention uniformly branches into any single waveguide, and the branching ratio of the optical power does not depend on the wavelength. Since it is substantially constant, it has a great advantage in signal distribution in a large-scale LAN system, a wavelength multiplexing system, and the like. In addition, since the core width of the input optical waveguide and the output optical waveguide is reduced in a tapered shape at and near the junction with the slab optical waveguide,
By optimally controlling the optical coupling state between the arrayed waveguides, it is effective for improving the uniformity of the light branching ratio and reducing the excess loss.
第１図は本発明の一実施例に係るテーパ付きスターカッ
プラの構成図、第２図はスラブ光導波路の拡大図、第３
図（ａ）（ｂ）はそれぞれＮ＝８のスターカップラに対
し、入射位置を変えた光伝搬のシミュレーション結果を
示す説明図、第４図（ａ）（ｂ）はそれぞれＮ＝８のス
ターカップラに対して、入射位置を変えた光伝搬波形の
シミュレーション結果を示す説明図、第５図は、Ｎ＝
８、Δ＝0.3％、2a＝７μｍ、Lc＝1690μｍ、Rs＝890μ
ｍ、qf＝390μｍ、Narray＝14（ダミー導波路が左右に
各々３本）のスターカップラの光分岐特性を波長λ＝1.
55μｍの光を用いて測定した結果を示すグラフ、第６図
は従来のＮ×Ｎスターカップラの構造を示す説明図であ
る。 図面中、1,11は入力光導波路、2,3,6,7はダミー導波
路、４はスラブ光導波路、5,12は出力光導波路、８は入
力光導波路アレイ、９は出力光導波路アレイ、13は3dB
方向性結合器である。FIG. 1 is a configuration diagram of a tapered star coupler according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an enlarged view of a slab optical waveguide, and FIG.
4A and 4B are explanatory diagrams showing simulation results of light propagation at different incident positions for N = 8 star couplers, and FIGS. 4A and 4B are respectively N = 8 star couplers. FIG. 5 is an explanatory view showing a simulation result of a light propagation waveform with the incident position changed, and FIG.
8, Δ = 0.3%, 2a = 7 μm, L c = 1690 μm, R s = 890 μ
m, q f = 390μm, N array = 14 wavelength lambda = 1 the optical branching characteristics of the star coupler (each three dummy waveguides right and left).
FIG. 6 is a graph showing the result of measurement using 55 μm light, and FIG. 6 is an explanatory view showing the structure of a conventional N × N star coupler. In the drawings, reference numerals 1 and 11 are input optical waveguides, 2, 3, 6, and 7 are dummy waveguides, 4 is a slab optical waveguide, 5 and 12 are output optical waveguides, 8 is an input optical waveguide array, and 9 is an output optical waveguide array. , 13 is 3dB
It is a directional coupler.
Claims (1)
本に入射した光パワーを二以上の出力光導波路に均一に
分岐するスターカップラにおいて、前記入力光導波路を
扇形に配置してなる入力光導波路アレイと、前記出力光
導波路を扇形に配置してなる出力光導波路アレイとを相
対向して設置すると共に前記入力光導波路アレイと前記
出力光導波路アレイとを横方向には光閉じ込め構造を有
しないスラブ光導波路により結合し、前記入力光導波路
或いは出力光導波路と前記スラブ光導波路との接合部分
及びその近傍において入力光導波路及び出力光導波路の
コア幅が緩やかなテーパ状に縮小していることを特徴と
するテーパ付きスターカップラ。1. A star coupler for uniformly branching optical power incident on an arbitrary one of one or two or more input optical waveguides into two or more output optical waveguides, wherein the input optical waveguides are arranged in a fan shape. An input optical waveguide array and an output optical waveguide array in which the output optical waveguides are arranged in a fan shape are installed to face each other, and the input optical waveguide array and the output optical waveguide array are optically confined in the lateral direction. Coupled by a slab optical waveguide having no structure, the core width of the input optical waveguide and the output optical waveguide is reduced to a gently tapered shape at and near the junction between the input optical waveguide or the output optical waveguide and the slab optical waveguide. A star coupler with a taper.
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Publications (2)
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| JPH04204508A JPH04204508A (en) | 1992-07-24 |
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