JP3615069B2 - アレイ導波路回折格子型光合分波器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光波長多重通信に用いられるアレイ導波路回折格子型光合分波器に関し、更に詳しくは、出力導波路における通過波長帯域の平坦性が優れているアレイ導波路回折格子型光合分波器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信の分野では、情報の伝送容量を飛躍的に高めるために、複数の情報を異なる波長の光に載せて１本の光ファイバで伝送する光周波数多重通信方式の研究が盛んに進められている。そして、そのような多重通信方式を実現するためには、用いる多数の光を合波し、また分波するための光合分波器が必要になる。
【０００３】
その場合、その光合分波器には次のような性能が要求されている。
まず、情報の伝送容量を高めるためには、波長間隔ができるだけ狭い光を多数用いることが効果的であるので、そのような光を合波し、また分波することができるということである。例えば、１．５５μｍ帯域において波長間隔が約０．８ｎｍに相当する１００ＧＨｚの光周波数間隔の光に対する合分波が要求されている。
【０００４】
また、通過波長付近における波長平坦性が優れているということも光合分波器に求められる性能である。
例えば光周波数多重通信システムを構築する際におけるコスト低減のために、光源として廉価なＬＤ光源を用いると、使用環境における温度や湿度などの変動に伴って光源からの発振波長が変動したり、また発振波長の経時変動などを起こすことがある。光源からのこのような発振波長の変動が起こると、光が上記システム内の光合分波器を伝搬する際に、当該光合分波器の通過波長特性に基づき波長変動に対応した量の損失変動が誘発されることになる。そして、この損失変動は、合波・分波する波長間の損失均一性の劣化やＳ／Ｎ比を劣化せしめ、上記システム構築時のコストを高めることになる。
【０００５】
このようなことから、光合分波器の上記した損失変動は小さければ小さいほど好ましいことになるが、その場合、光合分波器に求められる特性は、例えば損失変動は１ｄＢ以下、すなわち１ｄＢ通過帯域幅が広いという特性になる。
上記したようなことが要求される光合分波器に関しては、アレイ導波路回折格子を用いた光合分波器が提案されている。
【０００６】
この光合分波器の概略を平面図として図８に示す。この光合分波器は、例えばＳｉ基板やガラス基板のような基板１の上に１本または複数本の入力導波路２が配線され、この入力導波路２は入力側スラブ導波路３の一方の端面３ａに接続され、そして入力側スラブ導波路３の他端面３ｂには複数本のチャネル導波路４ａから成るアレイ導波路回折格子４が接続され、そのアレイ導波路回折格子４は出力側スラブ導波路５の一方の端面５ａに接続され、そしてその出力側スラブ導波路５の他端面５ｂには１本または複数本の出力導波路６が接続された構造になっている。
【０００７】
この構造において、入力導波路２，出力導波路６，入力側スラブ導波路３，出力側スラブ導波路５、およびアレイ導波路回折格子４は、いずれも、通常は石英ガラスで所定の形状に形成され、それらが前記石英ガラスよりも低屈折率のクラッド材の中に埋設された状態になっている。
ここで、入力側スラブ導波路３の端面３ａ，３ｂは互いにある値の焦点距離を共有して対向し合う凹面になっており、また出力側スラブ導波路５の端面５ｂ，５ａも互いにある値の焦点距離を共有して対向し合う凹面になっている。そして、従来の構造においては、入力側スラブ導波路３における焦点距離と出力側スラブ導波路５における焦点距離は等値になっている。
【０００８】
したがって、入力側スラブ導波路３の一方の端面３ａに複数本の入力導波路２を接続したときに、前記端面３ａにおける入力導波路２の線分散状態、すなわち、各導波路間の相互間隔は、出力導波路５の他端面５ｂに接続されている複数本の出力導波路６の線分散状態、すなわち各導波路間の相互間隔と基本的には等しくなっている。
【０００９】
今、入力側スラブ導波路３と出力側スラブ導波路５の焦点距離がいずれもＦ１であるとすると、この構造の光合分波器は次のような作動原理に基づいて作動する。
まず、出力側スラブ導波路５における焦点面である端面５ｂ上の角分散は、次式：
【００１０】
【数１】

【００１１】
（ただし、θは回折角度、ｍは回折次数、λは入力光の光波長、ｎ_ｓはスラブ導波路３，５の屈折率、ｄはアレイ導波路回折格子４のピッチである
）
で示される。
したがって、端面５ｂにおける出力導波路６の線分散は、次式：
【００１２】
【数２】

【００１３】
（ただし、ｘ_１は端面５ｂ上の位置座標を表す）
で示される。
そして、入力側スラブ導波路３と出力側スラブ導波路５とは焦点距離が同じ値（Ｆ１）であるため、入力側スラブ導波路の端面３ａ上における入力導波路２の線分散は、（２）式で示される出力側スラブ導波路５の端面５ｂ上の出力導波路６の線分散と同一になる。
【００１４】
したがって、入力導波路２から入力側スラブ導波路３に入射する入力光の電界分布は、そのまま、出力側スラブ導波路の端面５ｂに集光して転写されることになる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような構造の光合分波器に要求される性能上の重要な問題の１つは、前記したように、通過波長付近における波長平坦性が優れているということ、より具体的には、１ｄＢ通常帯域幅が広いということである。
本発明は、上記した問題に応えるべく、従来の光合分波器に比べて、出力導波路における通過波長付近における波長平坦性が非常に優れている新規なアレイ導波路回折格子型光合分波器の提供を目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明においては、入力側スラブ導波路の端面と出力側スラブ導波路の端面とが複数本のチャネル導波路から成るアレイ導波路回折格子で接続され、前記入力側スラブ導波路の他端面には１本または複数本の入力導波路が接続され、また前記出力側スラブ導波路の他端面にも１本または複数本の出力導波路が接続されているアレイ導波路回折格子型光合分波器において、前記出力側スラブ導波路の焦点距離が、前記入力側スラブ導波路の焦点距離よりも長くなっており、かつ、前記入力導波路と前記入力側スラブ導波路との接続部は、光の電界分布を広げる導波路部分を有し、前記光の電界分布を広げる導波路部分は、平面形状で、端部がテーパ部になっている入力導波路の前記端部と、前記端部からギャップを置いて互いに独立して配置されている一対の狭幅導波路部分と、前記一対の狭幅導波路部分の他端面からギャップを置き、かつ前記入力側スラブ導波路から突出して形成されている広幅導波路部分とから成ることを特徴とするアレイ導波路回折格子型光合分波器が提供される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の光合分波器の１例Ａを示す。そして、その作動原理を詳細に説明する。なお、この光合分波器を合波器として使用する場合と分波器として使用する場合とではその機能は原理的に同じであるので、以下の説明は合波器の場合を例にして行う。
【００１８】
この光合分波器Ａの場合、入力側スラブ導波路３の焦点距離をＦ_１，出力側スラブ導波路５の焦点距離をＦ_２としたとき、Ｆ_１＜Ｆ_２の関係が成立していることを除いては、図８で示した従来の光合分波器と同じ構造になっている。
したがって、この光合分波器Ａにおいて、出力側スラブ導波路５の端面５ｂ上の出力導波路６の線分散は、次式：
【００１９】
【数３】

【００２０】
（ただし、ｘ_２は端面５ｂ上の位置座標を表す）
で示される。
一方、図８で示した従来の光合分波器における出力側スラブ導波路の焦点距離は入力側スラブ導波路の焦点距離と等値のＦ_１である。
したがって、本発明の光合分波器Ａと図８で示した従来の光合分波器のそれぞれにおける出力側スラブ導波路の端面５ｂ上の出力導波路の線分散の間には、次式：
【００２１】
【数４】

【００２２】
の関係が成立する。
そして、Ｆ_１＜Ｆ_２であるので、本発明の光合分波器Ａにおける線分散（ｄｘ_２／ｄλ）は図８で示した従来の光合分波器の線分散（ｄｘ_１／ｄλ）よりも大きくなっている。
【００２３】
ところで、線分散は、（２）式，（３）式で明らかなように、出力側スラブ導波路の焦点面である端面５ｂ上における集光波長の密集度を表している。したがって、線分散が大きいということは、端面５ｂにおいて、波長による集光位置の違いが大きいということを意味する。
したがって、出力側スラブ導波路５の端面５ｂに集光する光の電界分布の広がりは、入力導波路２から入力側スラブ導波路３へ入射する直前における光の電界分布の広がりより大きくなる。すなわち、出力導波路６における通過波長の平坦性は向上することになる。
【００２４】
以上の作動原理を検証するために、図１で示した本発明の光合分波器Ａ（Ｆ_１＜Ｆ_２）と図８で示した従来の光合分波器（Ｆ_１＝Ｆ_２）につき、ビーム伝搬法でシュミレーションを行った。
まず、それぞれの出力側スラブ導波路の端面５ｂ上に集光する光の電界分布のシュミレーション結果を図２に示す。図２において、実線は本発明の光合分波器Ａの場合、破線は従来の光合分波器の場合を示す。
【００２５】
図２から明らかなように、本発明の光合分波器Ａでは、端面５ｂにおける光の電界分布が従来の光合分波器の場合に比べてｘ_２方向に引き延ばされて広くなっている。
次に、それぞれの出力導波路における波長特性のシュミレーション結果を図３に示す。図中、実線は本発明の光合分波器Ａの場合、破線は従来の光合分波器の場合を示す。
【００２６】
図３から明らかなように、本発明の光合分波器Ａは、従来の光合分波器に比べて、通過波長の平坦性が向上している。
なお、本発明の光合分波器Ａにおいて、入力導波路２と入力側スラブ導波路３の端面３ａとの接続を以下に説明する図４で示した構造とし、また出力側スラブ導波路５の端面５ｂと出力導波路６との接続を図５で示した構造にする。その光合分波器の通過波長の平坦性が一層向上するからである。
【００２７】
図４において、路幅Ｗ１の入力導波路２は、その端部２Ａが光軸に対して角度θで路幅方向に順次拡幅するテーパ部になっていて、その先端は光軸と直交する端面２Ｂになっている。
そして、この端面２Ｂからギャップｇ１の距離を置いて２本の狭幅導波路部分７，７が互いに独立して配置されている。
【００２８】
そして、これらの狭幅導波路部分７，７の端面７Ａは前記した端面２Ｂと平行関係にあり、また各狭幅導波路７，７はいずれも前記した入力導波路端部におけるテーパ部２Ａのテーパ角度θと同じ角度θで入力側スラブ導波路３の方に延在して配置され、その先端は前記した端面７Ａと平行関係をなして端面７Ｂになっている。
【００２９】
また、これら狭幅導波路部分７，７の先方、すなわち光の進行方向に位置する入力側スラブ導波路３には、長さＨで狭幅導波路部分７，７の端面７Ｂ側に突出し、平面形状が台形になっている広幅導波路部分３Ａが形成されている。
そして、この広幅導波路部分３Ａの端面３ａと前記した狭幅導波路部分７，７の端面７Ｂの間にはギャップｇ２が形成され、また広幅導波路部分３Ａの側面３Ｂは前記したテーパ角度θをなす傾斜面になっている。
【００３０】
入力側スラブ導波路３の端面３ａと入力導波路２が上記したような態様で接続していると、入力導波路２のテーパ部２Ａから入射して狭幅導波路部分７，７を通過した光の電界分布の形状は、狭幅導波路部分７，７の直後においては中央部が大きく落ち込む双峰形状になる。
そして、入力導波路２の端部２Ａと狭幅導波路部分７，７と広幅導波路部分３Ａとの間には、それぞれ、ギャップｇ１，ｇ２が存在しているので、これらのギャップで光の閉じ込め効果が一旦開放されることにより光の回折効果が発生し、前記した双峰形状の光の電界分布では、中央部の落ち込みが若干緩和された状態になり、この状態になった光が広幅導波路部分３Ａに入力して、そこを伝搬する。
【００３１】
そして、上記広幅導波路部分３Ａは高屈折率層であり、ここに前記した双峰形状をした電界分布を有する光が伝搬していくので、光は広幅導波路部分３Ａを伝搬する過程で、中央部の落ち込み度合が緩和されることになり、入力側スラブ導波路３へ伝搬する直前における光の電界分布はその極小値と極大値の差が小さくなる。そのため、出力導波路における損失波長特性は中心波長付近で平坦性が良好になる。
【００３２】
図５で示した接続構造では、出力導波路６は光軸に対して角度θで光の進行方向に順次縮幅していくテーパ部６Ａを有し、そのテーパ部６Ａが幅Ｗ０で出力側スラブ導波路５の端面５ｂと接続している。
【００３３】
【実施例】
比較例
Ｓｉ基板の上に、火炎堆積法とフォトリソグラフィーとエッチングを組み合わせて、波長間隔が１００ＧＨｚ間隔、すなわち１．５５μｍ帯域において約０．８ｎｍの波長間隔になる図１で示した光合分波器を製作した。
【００３４】
すなわち、Ｓｉ基板の上に、火炎堆積法によって下部クラッド層（ＳｉＯ_２が主成分）、コア層（ＳｉＯ_２が主成分でＴｉを添加）を順次積層したのち全体を加熱して透明ガラス化した。ついで、フォトマスクを用いて前記コア層をドライエッチングし、更に火炎堆積法で上部クラッド層（ＳｉＯ_２が主成分）を堆積して前記ドライエッチング後のコア層を埋設したのち加熱して前記上部クラッド層を透明ガラス化して下記仕様の光合分波器を製作した。
【００３５】
１）入力導波路，出力導波路：コアの幅６．５μｍ、コアの高さ６．５μｍ。多重チャネル１６。
２）アレイ導波路回折格子：チャネル導波路間のピッチ１５μｍ、本数１００本。光路長差（ΔＬ）６６．３μｍ。回折次数（ｍ）６１。ＦＳＲ（Ｆ ｒｅｅ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｒａｎｇｅ）２５ｎｍ。
【００３６】
３）入力側スラブ導波路の焦点距離（Ｆ_１）８９３２μｍ、出力側スラブ導波路の焦点距離（Ｆ_２）１７８６４μｍ。したがって、Ｆ_１：Ｆ_２＝１：２になっている。
この光合分波器Ａのある特定の入力導波路から１．５５μｍ帯域の光を入射し、出力導波路から出射した光の波長特性を調べた。その結果を図６の実線で示した。
【００３７】
なお、比較のために、入力側スラブ導波路の焦点距離（Ｆ_１）と出力側スラブ導波路の焦点距離（Ｆ_２）がいずれも８９３２μｍであることを除いて、他の仕様は光合分波器Ａと同じである光合分波器を製作し、これについても比較例の場合と同様にして出力導波路からの光の波長特性を調べた。その結果を図６の破線で示した。
【００３８】
図６から明らかなように、比較例の光合分波器における１ｄＢ通過波長帯域は、０．４４ｎｍであり、従来の光合分波器の１ｄＢ通過波長帯域が０．２４ｎｍであることに比べて、大幅に通過波長帯域が広くなっている。
【００３９】
実施例
前記した比較例の光合分波器において、入力導波路２と入力側スラブ導波路３との接続構造を下記仕様の図４で示した構造にし、また出力側スラブ導波路５と出力導波路６との接続構造を下記仕様の図５で示した構造にした。
入力側の仕様：Ｗ１＝６．５μｍ，Ｗ２＝１５．０μｍ，Ｈ＝３０μｍ，θ＝０ ．４°，ＣＷ＝３．０μｍ，ＳＷ＝４．０μｍ，ｇ１＝ｇ２＝５．０μｍ。
出力側の仕様：Ｗ０＝１３．０μｍ，θ＝０．４°。
【００４０】
この光合分波器の出射光の波長特性を比較例の場合と同様にして調べた。その結果を図７に示した。
１ｄＢ通過波長帯域は０．６５ｎｍであり、前記した従来の光合分波器に比べて大幅に向上している。
【００４１】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明のアレイ導波路回折格子型光合分波器は、従来の光合分波器に比べて損失波長特性の平坦性が著しく向上し、その結果、１ｄＢ通過波長帯域が大幅に広くなり、高周波数多重通信システムの構築に用いる光合分波器としてその工業的価値は極めて大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光合分波器の１例Ａを示す平面図である。
【図２】光合分波器Ａの出力側スラブ導波路の焦点面に集光した光の電界分布に関するシュミレーション結果を示すグラフである。
【図３】光合分波器Ａの通過損失特性を示すグラフである。
【図４】入力導波路と入力側スラブ導波路との接続構造例を示す平面図である。
【図５】出力導波路と出力側スラブ導波路との接続構造例を示す平面図である。
【図６】比較例の通過損失特性を示すグラフである。
【図７】実施例の通過損失特性を示すグラフである。
【図８】従来のアレイ導波路回折格子型光合分波器を示す平面図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ 入力導波路
３ 入力側スラブ導波路
３ａ，３ｂ 入力側スラブ導波路３の端面（凹面）
４ アレイ導波路回折格子
４ａ チャネル導波路
５ 出力側スラブ導波路
５ａ，５ｂ 出力側スラブ導波路５の端面（凹面）
６ 出力導波路
Ｆ_１，Ｆ_２ 焦点距離

Claims (4)

1. 入力側スラブ導波路の端面と出力側スラブ導波路の端面とが複数本のチャネル導波路から成るアレイ導波路回折格子で接続され、前記入力側スラブ導波路の他端面には１本または複数本の入力導波路が接続され、また前記出力側スラブ導波路の他端面にも１本または複数本の出力導波路が接続されているアレイ導波路回折格子型光合分波器において、
   前記出力側スラブ導波路の焦点距離が、前記入力側スラブ導波路の焦点距離よりも長くなっており、かつ、前記入力導波路と前記入力側スラブ導波路との接続部は、光の電界分布を広げる導波路部分を有し、
   前記光の電界分布を広げる導波路部分は、平面形状で、端部がテーパ部になっている入力導波路の前記端部と、前記端部からギャップを置いて互いに独立して配置されている一対の狭幅導波路部分と、前記一対の狭幅導波路部分の他端面からギャップを置き、かつ前記入力側スラブ導波路から突出して形成されている広幅導波路部分とから成ることを特徴とするアレイ導波路回折格子型光合分波器。
2. 前記入力導波路の各々のスラブ導波路側の先端部は、その先端側ほど幅広になるテーパ形状に形成されて、その側面が前記入力導波路の光軸に対してテーパ角度をなして該入力導波路の幅方向外方へ斜めに延びており、
   前記各狭幅導波路は、前記入力導波路の光軸に対して前記テーパ角度と同一の角度をなして斜めに延びており、
   前記入力側スラブ導波路には、前記２本の狭幅導波路に対抗して配された広幅導波路部が接続され、前記広幅導波路部は平面視台形形状に形成され、その両側面は前記入力側スラブ導波路の光軸に対して前記テーパ角度と同一の角度をなして斜めに延びている請求項１のアレイ導波路格子型光合分波器。
3. 前記光の電界分布の形状は、複数の極大値をもつ形状である請求項１のアレイ導波路回折格子型光合分波器。
4. 前記光の電界分布の形状は、双峰形状である請求項３のアレイ導波路回折格子型光合分波器。

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